(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の偏波面を有し波長（λ2 ）が固定された固定波長光（ｂ1 ）とこの固定波長光に対して直交する単一の偏波面を有し波長（λ1 ）が可変である可変波長光（ａ1 ）とを同一光軸上に合波し、この合波された固定波長光及び可変波長光を、この固定波長光及び可変波長光に対して第２種位相整合が可能な非線形光学結晶（８）に入射させ、この非線形光学結晶から前記固定波長光及び可変波長光の和周波光（ｃ）を出射させる和周波光発生方法であって、
前記非線形光学結晶の位相整合方向（１２）にほぼ垂直な面内に有る結晶の基準軸と直角に前記可変波長光の偏波面を設定し、かつ前記基準軸と平行に前記固定波長光の偏波面を設定した状態で、前記可変波長光の波長を変更した場合における位相整合方向の第１の変化量を検出するステップと、
前記基準軸と平行に前記可変波長光の偏波面を設定し、かつ前記基準軸と直角に前記固定波長光の偏波面を設定した状態で、前記可変波長光の波長を変更した場合における位相整合方向の第２の変化量を検出するステップと、
前記非線形光学結晶に入射する前記固定波長光及び可変波長光の各偏波面を、前記第１の変化量と第２の変化量とのうちの少ない方のステップで設定された各偏波面に設定するステップとを備えた和周波光発生方法。
【請求項２】
入射された単一の偏波面を有し波長（λ2 ）が固定された固定波長光（ｂ1 ）とこの固定波長光の偏波面に対して直交する単一の偏波面を有し波長（λ1 ）が可変である可変波長光（ａ1 ）とを同一光軸（１６）上に合波する合波器（３）と、この合波器で合波された固定波長光及び可変波長光が入射され、この固定波長光及び可変波長光に対して第２種位相整合が可能な、前記固定波長光及び可変波長光の和周波光（ｃ）を出射する非線形光学結晶（８）とを備えた和周波光発生装置であって、
前記非線形光学結晶は、有機非線形光学結晶の２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）であり、
前記非線形光学結晶の位相整合方向（１２）にほぼ垂直な面内に有る結晶の基準軸と直角に前記可変波長光の偏波面を設定し、かつ前記基準軸と平行に前記固定波長光の偏波面を設定することを特徴とする和周波光発生装置。
【請求項３】
単一の偏波面を有し波長（λ2 ）が固定された固定波長光（ｂ1 ）を出射する固定波長光出射手段（２０）と、該固定波長光とこの固定波長光の偏波面に対して直交する単一の偏波面を有し波長（λ1 ）が可変である可変波長光（ａ1 ）とを受けて同一光軸（１６）上に合波する合波器（３）と、この合波器で合波された固定波長光及び可変波長光が入射され、この固定波長光及び可変波長光に対して第２種位相整合が可能な、前記固定波長光及び可変波長光の和周波光（ｃ）を出射する非線形光学結晶（８）とを備えた和周波光発生装置であって、
前記非線形光学結晶は、有機非線形光学結晶の２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）であり、
前記固定波長光出射手段は出射する固定波長光の偏波面が前記非線形光学結晶の位相整合方向（１２）にほぼ垂直な面内に有る結晶の基準軸と平行になるような前記固定波長光を出射することを特徴とする和周波光発生装置。
【請求項４】
前記固定波長光出射手段が波長の異なる複数の固定波長光を出射可能とされており、該複数の固定波長光のうちのいずれか一つの固定波長光を選択して出射する請求項３に記載の和周波光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の独立光源から発せられた２つの光から、この２つの光が有する角周波数を加算した角周波数の光を得る和周波光発生方法及び和周波光発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度メモリ、光ディスプレイ用光源、医用、カラープリンター等の各技術分野において、その使用目的に応じた種々の角周波数（波長）を持ったレーザ光が採用されている。さらに、レッド・オレンジ・グリーン・ブルー等可視光の他に紫外光まで、その使用波長範囲はますます広がりつつある。
【０００３】
これらの各波長を有する光は、それぞれ専用のレーザ光源を用いて発生することも可能であるが、非線形光学結晶を介してレーザ光を所望の各波長に変換する方法が、比較的簡単な構成で安価に実現できるため、一般には用いられる。
【０００４】
この非線形光学結晶を介して波長変換する技術としては、従来から、第１種位相整合が可能な非線形光学結晶（以後、第１種位相整合結晶という。）によりＳＨＧ（第２高調波発生）光を発生させて波長変換する方法がこの用途に用いられてきた。
【０００５】
この方法は、基本的に、入力されたレーザ光の角周波数を、第１種位相整合結晶を介して２逓倍する技術であり、互いに偏波方向が平行な角周波数ω1 を持つ第１の光と角周波数ω1 を持つ第２の光とを第１種位相整合結晶で合波混合させ、２倍の角周波数２ω1 を持った光に波長変換するというものである。
【０００６】
しかしながら、この第１種位相整合結晶を介して波長変換する方法は、周波数が異なる２つの光からそれらの周波数の和の周波数を持つ和周波光（ＳＦＧ光）に変換させたいような場合、互いに偏波方向が平行で角周波数ω1 を持つ第１の光と角周波数ω2 を持つ第２の光とを第１種位相整合結晶に入力することとなり、実際には２ω1 、２ω2 、ω1 ＋ω2 の角周波数を持った３種類の光に変換されてしまう。
【０００７】
したがって、ω1 とω2 の角周波数が近い場合には、２ω1 、２ω2 の角周波数を持つ２つの光と、ω1 ＋ω2 の角周波数を持つＳＦＧ光との分離が非常に難しくなり、所望の光のみを取り出すことができない。また、効率的にみても余分な２ω1 、２ω2 の角周波数を持つ２つの光が出力されるため、ω1 ＋ω2 の角周波数を持つＳＦＧ光への実効的変換効率が下がってしまう。これらの問題が、第１種位相整合を用いた波長変換によってＳＦＧ光を発生させる方法やＳＦＧ光発生装置には有った。
【０００８】
そこで、このような問題を解決するために第２種位相整合が可能な非線形光学結晶（以後、第２種位相整合結晶という。）を用いてＳＦＧ光を発生させる波長変換方法が考案された。ここで、第２種位相整合による波長変換について詳しく説明する。前述のように、第１種位相整合による波長変換とは、互いに偏波方向が平行な角周波数ω1 を持つ第１の光と角周波数ω1 を持つ第２の光とを第１種位相整合結晶で合波混合させ、２倍の角周波数２ω1 を持った光に波長変換する方法である。これに対して、第２種位相整合による波長変換とは、互いに偏波方向が直交する角周波数ω1 を持つ第１の光と角周波数ω2 を持つ第２の光とを第２種位相整合結晶で合波混合することで角周波数ω1 ＋ω2 を持つ光に波長変換する方法である。第２種位相整合による波長変換では直交する偏波方向を持つ光の間でしか波長変換が行われないために、第１種位相整合による波長変換とは異なり、角周波数ω1 を持つ第１の光と角周波数ω2 を持つ第２の光とを入射してもＳＦＧ光である角周波数ω1 ＋ω2 の光のみが波長変換光として外部に出力される。また、角周波数２ω1 を持つ光と角周波数２ω2 を持つ光が発生しないだけに、ω1 ＋ω2 の角周波数を持つＳＦＧ光への変換効率が良い。そのため、第２種位相整合結晶を用いてＳＦＧ光を発生させる波長変換方法は、２つの光信号間における相互相関信号を得る目的にも使用でき、それを目的としたＳＦＧ光発生装置なども近年開発されてきている。
【０００９】
図９は以上述べた第２種位相整合結晶を用いた和周波光発生方法による具体的装置の概略構成図である。
【００１０】
外部から入力端子１へ入射された波長λ1 （角周波数ωD ）でかつ直線偏光である第１の光ａは、偏光方向制御器２にてその偏波方向が例えば基準方向（０°方向）に対して９０°方向に制御された後、合波器３へ入射される。一方、外部から入力端子４へ入射された波長λ2 （角周波数ωS ）でかつ直線偏光である第２の光ｂは、偏光方向制御器５にてその偏波方向が例えば基準方向（０°方向）に制御された後、合波器３へ入射される。
【００１１】
例えば、ビームスプリッタ（ＢＳ）等で構成された合波器３は、ハーフミラー３ａで第１の光ａを直角の方向に反射させるとともに第２の光ｂを直進させる。
【００１２】
したがって、この合波器３は入射した偏波方向が互いに直交する第１の光ａ、第２の光ｂを同一光軸上に合波する。この合波器３から出射された互いに偏波方向が直交する第１の光ａ、第２の光ｂは、第２種位相整合結晶から目的に応じた位相整合方向に合わせて切り出された非線形光学材料６の一方の面へ入射される。
【００１３】
非線形光学材料６では偏波方向が互いに直交する第１の光ａ、第２の光ｂがそれぞれ有する各角周波数ωD 、ωS の和の角周波数ωD ＋ωS （波長λ3 ）の和周波光ｃを他方の面から出力端子７へ出射する。
【００１４】
ここで、位相整合方向について詳しく説明する。
【００１５】
和周波光が発生するためには、上述した各入射光の結晶内での速度（位相速度）と和周波光の結晶内での速度（位相速度）がほぼ一致する必要が有る。結晶内においてこれらの位相速度が最も一致する方向を特に位相整合方向と呼び、この方向に光を伝搬させれば最も波長変換の効率が高くなる。
【００１６】
図４（ａ）に示す屈折率楕円体９を用いてさらに説明すると、例えば、角周波数ωD の第１の光についての屈折率楕円体９と角周波数ωS の第２の光についての屈折率楕円体９と角周波数（ωD ＋ωS ）の和周波光についての屈折率楕円体１０の交点と屈折率楕円体９，１０の原点を結ぶ方向１２が位相整合方向となる。
【００１７】
但し、図４（ａ）では説明を簡略化するために、角周波数ωS の第２の光についての屈折率楕円体が角周波数ωD の第１の光についての屈折率楕円体に等しい場合を仮定している。
【００１８】
なお、図４（ｂ）に示すように、位相整合方向１２をａ軸とｂ軸とを含む平面へ投影した方向と結晶のａ軸とのなす角φと、位相整合方向１２と結晶のｃ軸とのなす角θとを位相整合角と称する。
【００１９】
一般に、第２種位相整合可能な非線形光学結晶は、前記位相整合方向１２に直交する面１３を含んだ直方体状又は円柱状に切り出され、光の伝搬方向が位相整合方向１２に一致するようにして用いられる。結晶を切り出すときの結晶の軸（ａ軸、ｂ軸、ｃ軸）に対する角度（切出し角度）は、前述の位相整合角φ及びθにて決められる。
【００２０】
なお、屈折率楕円体は結晶の種類と該結晶を伝搬する光の波長、結晶の軸に対する該光の偏波方向によって異なるので、それらが決定されれば、前記切出し角度が決まる。
【００２１】
例えば、有機非線形光学結晶である２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）は、第１及び第２の光が波長１．５５μｍのときの位相整合角はφ＝９０°、θ＝６０°、第１及び第２の光が、波長１．３μｍのときの位相整合角はφ＝６０°、θ＝９０°であることが知られており、波長１．５５μｍで用いるために切り出された結晶は、前述のようにφ＝９０°であるから、位相整合方向１２に直交する面１３は、ａ軸に平行な面となっており、この結晶を使用するに際しては、ＳＦＧの場合、ａ軸を基準軸として、該基準軸に平行な偏波面を有する光と該基準軸に垂直な偏波面を有する光とを合波して入射することにより、該基準軸に平行な偏波面を有するＳＦＧ光が得られる。
【００２２】
また、波長１．３μｍで用いるために切り出された結晶は、前述のようにθ＝９０°であるから、位相整合方向１２に直交する面１３は、ｃ軸に平行な面となっており、この結晶を使用するに際しては、ＳＦＧの場合、ｃ軸を基準軸として、該基準軸に平行な偏波面を有する光と該基準軸に垂直な偏波面を有する光とを合波して入射することにより、該基準軸に平行な偏波面を有するＳＦＧ光が得られる。
【００２３】
なお、通常、非線形光学結晶の仕様書には、前記基準軸について記載されている。
【００２４】
非線形光学結晶を利用して入射された第１の光ａ、第２の光ｂを各角周波数の和の角周波数を持つ光に波長変換する技術は、前述のように非線形光学結晶として第２種位相整合結晶を用いることで効率良く、また容易に和周波光を得ることができる方法である。そして、目的の波長に応じた非線形光学材料６を使用し、該非線形光学材料６に応じた入射角度となるような光学系（光学的位置関係）とすれば、各種の波長の光を得ることができる。
【００２５】
ところが近年、和周波光発生装置における各偏光方向制御器２、５、合波器３、非線形光学材料６相互間の光学的位置関係を変更することなく、目的の波長に広帯域に変換することが通信分野の測定器で必要とされてきている。
【００２６】
このような要望に答えるものとして、第２種位相整合結晶であるＫＴＰやＡＡＮＰ（2-adamantyl amino 5-nitropyridine ）を用いて、一方の光の波長を固定し他方の光の波長を変更することで和周波光の発生領域を広帯域にできることがＥＣＯＣ’９６  ＴｈＢ１．２等で示された。そのことは、論文中では、一方の光の波長を１５５５ｎｍに固定し、他方の光の波長を１５３０ｎｍ〜１５８０ｎｍの間で変更したときに、出力される和周波光ｃの変換効率で示されている。このとき得られているＳＦＧ光が発生する帯域幅は３ｄＢ幅で定義するとＫＴＰの場合で３５ｎｍ、ＡＡＮＰの場合で４０ｎｍ程度である。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ここまでに述べてきた第２種位相整合結晶を用いた和周波光発生方法や和周波光発生装置においては、まだ、解決すべき次のような課題があった。
【００２８】
すなわち、最近のＷＤＭ（波長多重化）伝送で通信領域が８０ｎｍ以上に拡大されるに伴い、８０ｎｍ以上のＳＦＧ光発生帯域が通信分野の測定器において必要となってきた。ところが、単に第２種位相整合結晶を用いただけの従来の和周波光発生方法・装置では、非線形光学材料６を目的の波長に応じて交換したり光学部品の位置関係を変更したりすることなく、８０ｎｍ以上の波長変換をすることができない。前述のように、例えば、一方の光の波長を１５５５ｎｍに固定し、他方の光の波長を１５３０ｎｍ〜１５８０ｎｍの間で変更したときに、実現できているＳＦＧ光が発生する帯域幅は３ｄＢ幅で定義するとＫＴＰの場合で３５ｎｍ、ＡＡＮＰの場合で４０ｎｍ程度である。
【００２９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、第２種位相整合結晶を用いた和周波光発生方法や和周波光発生装置において、その波長変換帯域を従来の倍以上に広げることができる和周波光発生方法・和周波光発生装置を提供することを目的とする。また、波長変換帯域の中心を任意に設定できるようにすることで、さらに広帯域の波長変換に応じられる和周波光発生方法・和周波光発生装置を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、発明者等は非線形光学結晶の結晶軸と該結晶への入射光の偏波面との関係について検討を加えた。
【００３１】
一般に、非線形光学結晶においては位相整合角からの角度偏差による第２高調波発生出力の変化の計算方法や実験データが知られていた。例えば、ＡＡＮＰの場合、図１１に示したようにａ軸を中心にした位相整合角からの角度偏差（回転角度）による図１２に示したＳＨＧ光の出力の変化とａ軸に対して垂直な軸を中心にした位相整合角からの角度偏差（あおり角度）による図１３に示したＳＨＧ光の出力の変化とを比較すると前者（図１２）の変化量に対して後者（図１３）の変化量が少ないことが分かる。
【００３２】
言い換えれば、ＳＨＧ光はａ軸を中心とする角度偏差には敏感であり、ａ軸に垂直な軸を中心とする角度偏差に対しては鈍感に発生光量が変化することが分かる。このため、光学部品の位置関係を変更することなく、第２種位相整合可能な非線形光学結晶を用いた光学系においては、一方の固定波長光は波長が変化しないため、光学部品の収差や分散による光軸の変化がないから、ａ軸と垂直な軸方向に偏光方向を、他方の波長が変化する光は光学部品の収差や分散により光軸が変化するから、ａ軸に対して平行な方向に偏光方向を設定し、波長変換を行うように設計されてきた。図９を用いて説明すれば、第１の光ａとして可変波長光を第２の光ｂとして固定波長光を入力するようにしていた。
【００３３】
ちなみに、前述のＥＣＯＣ’９６  ＴｈＢ１．２で報告されているものは、従来行われていた偏光方向の設定で固定波長光と可変波長光を入射しており、和周波発生帯域幅は３ｄＢ幅でＫＴＰの場合で３５ｎｍ、ＡＡＮＰの場合で４０ｎｍ程度である。
【００３４】
従来は前述のように設計されてきたのであるが、発明者等は、従来とは視点を変えて、可変波長光の波長と位相整合方向との関係に着目した。
【００３５】
和周波発生では、第２種位相整合が可能な非線形光学結晶に対して、互いに偏波面が直交するように合波された可変波長光及び固定波長光の光軸が非線形光学結晶の位相整合方向にほぼ一致すると共に、可変波長光及び固定波長光の偏波面を位相整合方向に垂直な結晶の基準軸に平行又は直交するように設定する。
【００３６】
このとき、可変波長光及び固定波長光の非線形光学結晶に対する入射角（入射方向）を固定した状態で、固定波長光の波長を固定して、可変波長光の波長を変化させると、該波長に応じて位相整合方向が変化する。光の入射方向と位相整合方向との差が小さければ小さい程変換効率が良いので、波長を変化させても位相整合方向の変化が少ない方の基準軸と可変波長光の偏波面との関係に設定することが望ましい。
【００３７】
そこで、可変波長光の波長と位相整合方向との関係を調べてみると、可変波長光の偏波面を非線形光学結晶の基準軸に平行にするか直交させるかで、可変波長光の波長を変化させた場合における位相整合方向の変化量に差が生じることが分かった。
【００３８】
図６にその特性例を示す。Ａ特性は、可変波長光の偏波面を非線形光学結晶の基準軸に直角に設定し、固定波長光の偏波面を非線形光学結晶（ＡＡＮＰ）の基準軸に平行に設定した状態を示す。逆に、Ｂ特性は、可変波長光の偏波面を非線形光学結晶の基準軸に平行に設定し、固定波長光の偏波面を非線形光学結晶の基準軸に直角に設定した状態を示す。
【００３９】
Ａ特性で示すように、可変波長光の偏波面を非線形光学結晶の基準軸に直角に設定し、固定波長光の偏波面を非線形光学結晶の基準軸に平行に設定した方が、可変波長光の波長変化に対する位相整合方向の変化量が少なく、結果的にこの非線形光学結晶から出射される和周波光の発生効率が可変波長光の波長変化の影響を受けにくい。言い換えれば、このような設定条件にすることで、可変波長光の波長を変化させても、必要とされる発生効率を広範囲に維持できる。前記設定条件は、従来考えられていた最適な設定とは逆の設定となるものであった。
【００４０】
図７は、前記設定条件を採用して実験した結果を示す図である。また、同図は、前述のように非線形光学結晶は使用を予定された波長の光に対する位相整合方向に合わせて切り出されるのであるが、敢えて使用を予定された波長と異なる波長の光を固定波長光として入射した場合の結果を共に示す。なお、横軸は可変波長光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は相対ＳＦＧ変換効率を示す。具体的には、波長が１５５２ｎｍの光に対する位相整合方向に合わせて切り出されたＡＡＮＰ結晶に対して、第１、第２の光ａ、ｂの光軸方向がこの位相整合方向と一致するように配置した光学系において、固定波長光の波長を１５４７ｎｍ（図中ｂ特性）、１５５２ｎｍ（図中ａ特性）、１５５７ｎｍ（図中ｃ特性）とした場合の可変波長光の波長に対する変換効率を示す。
【００４１】
図７から、前記ＡＡＮＰ結晶の位相整合方向が固定波長光の波長に対する位相整合方向と一致する（つまり、固定波長光の波長が使用を予定された波長１５５２ｎｍである）場合、和周波発生帯域幅は３ｄＢ幅で８０ｎｍ程度となる。
【００４２】
また、その場合は図中ａ特性で示されるように可変波長光の波長１５５２ｎｍをピークに変換効率の高い部分が現れるが、波長１５４７ｎｍの固定波長光を入射した場合では、図中ｂ特性のように変換効率のピークは長波長側にシフトしている。一方、波長１５５７ｎｍの固定波長光を入射した場合では、図中ｃ特性のように変換効率のピークは短波長側にシフトしている。
【００４３】
これらのことから、同じＡＡＮＰ結晶を用いた同じ光学系においても、固定波長光の波長を変えることで、必要とされる和周波発生の効率が得られる可変波長光の波長範囲（帯域）をシフトさせることができることが分かる。
【００４４】
図８は、波長が１５５２ｎｍの光に対する位相整合方向に合わせて切り出されたＡＡＮＰ結晶に対して、固定波長光の波長を１５５２ｎｍとしたきに固定波長光と可変波長光が合波された光の光軸の方向をこの位相整合方向からずらすことができる光学系において、位相整合方向と光軸とのａ軸回りの角度ずれを、−１度（図中ｂ特性）、０度（図中ａ特性）、＋１度（図中ｃ特性）とした場合の可変波長光の波長に対する変換効率を示す図である。設定条件は図７のときと同じであり、固定波長光の偏波面は基準軸（この場合は前述のようにａ軸）に平行に設定している。
【００４５】
図８から、位相整合方向と光軸の方向が一致する場合は図中ａ特性で示されるように可変波長光の波長１５５２ｎｍをピークに変換効率の高い部分が現れるが、角度ずれが−１度の場合では、図中ｂ特性のように変換効率のピークは長波長側にシフトしている。一方、角度ずれが＋１度の場合は、図中ｃ特性のように変換効率のピークは短波長側にシフトしている。
【００４６】
これらのことから、同じＡＡＮＰ結晶を用いた同じ光学系において、光の入射角度を変えることで、必要とされる和周波発生の効率が得られる可変波長光の波長範囲（帯域）をシフトさせることができることが分かる。
【００４７】
本発明は以上述べた知見に基づいている。
【００４８】
すなわち、本発明の請求項１に記載の和周波光発生方法は、
単一の偏波面を有し波長（λ2 ）が固定された固定波長光（ｂ1 ）とこの固定波長光に対して直交する単一の偏波面を有し波長（λ1 ）が可変である可変波長光（ａ1 ）とを同一光軸上に合波し、この合波された固定波長光及び可変波長光を、この固定波長光及び可変波長光に対して第２種位相整合が可能な非線形光学結晶（８）に入射させ、この非線形光学結晶から前記固定波長光及び可変波長光の和周波光（ｃ）を出射させる和周波光発生方法であって、
前記非線形光学結晶の位相整合方向（１２）にほぼ垂直な面内に有る結晶の基準軸と直角に前記可変波長光の偏波面を設定し、かつ前記基準軸と平行に前記固定波長光の偏波面を設定した状態で、前記可変波長光の波長を変更した場合における位相整合方向の第１の変化量を検出するステップと、
前記基準軸と平行に前記可変波長光の偏波面を設定し、かつ前記基準軸と直角に前記固定波長光の偏波面を設定した状態で、前記可変波長光の波長を変更した場合における位相整合方向の第２の変化量を検出するステップと、
前記非線形光学結晶に入射する前記固定波長光及び可変波長光の各偏波面を、前記第１の変化量と第２の変化量とのうちの少ない方のステップで設定された各偏波面に設定するステップとを備えている。
【００５０】
また、本発明の請求項２に記載の和周波光発生装置は、
入射された単一の偏波面を有し波長（λ2 ）が固定された固定波長光（ｂ1 ）とこの固定波長光の偏波面に対して直交する単一の偏波面を有し波長（λ1 ）が可変である可変波長光（ａ1 ）とを同一光軸（１６）上に合波する合波器（３）と、この合波器で合波された固定波長光及び可変波長光が入射され、この固定波長光及び可変波長光に対して第２種位相整合が可能な、前記固定波長光及び可変波長光の和周波光（ｃ）を出射する非線形光学結晶（８）とを備えた和周波光発生装置であって、
前記非線形光学結晶は、有機非線形光学結晶の２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）であり、
前記非線形光学結晶の位相整合方向（１２）にほぼ垂直な面内に有る結晶の基準軸と直角に前記可変波長光の偏波面が設定され、かつ前記基準軸と平行に前記固定波長光の偏波面が設定されている。
【００５１】
また、本発明の請求項３に記載の和周波光発生装置は、
単一の偏波面を有し波長（λ2 ）が固定された固定波長光（ｂ1 ）を出射する固定波長光出射手段（２０）と、該固定波長光とこの固定波長光の偏波面に対して直交する単一の偏波面を有し波長（λ1 ）が可変である可変波長光（ａ1 ）とを受けて同一光軸（１６）上に合波する合波器（３）と、この合波器で合波された固定波長光及び可変波長光が入射され、この固定波長光及び可変波長光に対して第２種位相整合が可能な、前記固定波長光及び可変波長光の和周波光（ｃ）を出射する非線形光学結晶（８）とを備えた和周波光発生装置であって、
前記非線形光学結晶は、有機非線形光学結晶の２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）であり、
前記固定波長光出射手段は出射する固定波長光の偏波面が前記非線形光学結晶の位相整合方向（１２）にほぼ垂直な面内に有る結晶の基準軸と平行になるような前記固定波長光を出射する固定波長光出射手段である。
【００５３】
また、本発明の請求項４に記載の和周波光発生装置は、
請求項３に記載の和周波光発生装置において、前記固定波長光出射手段が波長の異なる複数の固定波長光を出射可能とされており、該複数の固定波長光のうちのいずれか一つの固定波長光を選択して出射する。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００５６】
図１は第１の実施の形態の和周波光発生方法が適用される和周波光発生装置の概略構成を示すブロック図である。図９に示す従来の和周波光発生装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５７】
図１の和周波光発生装置が図９に示す従来の和周波光発生装置と異なる点は、非線形光学材料６として有機の非線形光学結晶であるＡＡＮＰ８が組み込まれている点、並びに、該ＡＡＮＰ８へ入射する可変波長光ａ1 及び固定波長光ｂ1 の偏波面と結晶の基準軸との関係である。
【００５８】
ＡＡＮＰ８は、図２に示す分子構造を有し、図３に示す結晶構造を有する。図３中のａ、ｂ、ｃは互いに直交する結晶の軸を示す。
【００５９】
このような有機の非線形光学結晶であるＡＡＮＰ８における位相整合方向は、図４（ａ）（ｂ）を用いて説明したように、結晶のｘｙｚ（ａｂｃ）の三次元座標における入射光（可変波長光ａ1 、固定波長光ｂ1 ）に対する屈折率楕円体９と和周波光ｃに対する屈折率楕円体１０との交点１１と座標原点とを結ぶ方向となり、具体的には、入射光の波長が１．５５μｍのときは位相整合角φ＝９０°、θ＝６０°で示す方向となる。また、この場合前述のように、基準軸はａ軸となる。
【００６０】
和周波光発生装置に用いるＡＡＮＰ８は、ＡＡＮＰの結晶の塊から位相整合方向１２に直交する面１３を有する直方体状又は円柱状に切り出され、図５に示すように、ＡＲコーティングガラス１４を介してエポキシ樹脂の支持枠１５で支持されている。そして、位相整合方向１２に直交する面１３内に有る結晶の基準軸であるａ軸が支持枠１５の一辺１５ａに平行となるように、直方体状又は円柱状のＡＡＮＰ８の姿勢が設定されている。
【００６１】
そして、合波器３で偏波面が互いに直交するように合波された可変波長光ａ1と固定波長光ｂ1 との一つの光軸１６は、位相整合方向１２に直交するＡＡＮＰ８の面１３に垂直に設定されている。この場合、可変波長光ａ1 の偏波面は図５に示すように、ＡＡＮＰ８の結晶の基準軸であるａ軸と直角に設定されている。その結果、固定波長光ｂ1 の偏波面は、ＡＡＮＰ８の結晶の基準軸であるａ軸と平行に設定される。この場合、ＡＡＮＰ８の面１３の反対の面から光軸１６方向に和周波光ｃが出射される。
【００６２】
このように構成された和周波光発生装置において、外部から入力端子１へ入射された単一の偏波面を有しλ1 （角周波数ωD ）が可変である可変波長光ａ1 は、偏光方向制御器２にてその偏波面が基準方向（０°方向）に制御されたのち合波器３へ入射される。
【００６３】
一方、外部から入力端子４へ入射された単一の偏波面を有しλ2 （角周波数ωS ）が固定である固定波長光ｂ1 は、偏光方向制御器５にてその偏波面が基準方向（０°方向）に対して９０°方向に制御されたのち合波器３へ入射される。
【００６４】
ビームスプリッタ（ＢＳ）等で構成された合波器３は、ハーフミラー３ａで可変波長光ａ1 を直進させるとともに固定波長光ｂ1 を直角方向に反射させる。したがって、この合波器３は入射した偏波面が互いに直交する可変波長光ａ1 と固定波長光ｂ1 とを同一光軸１６上に合波する。
【００６５】
この合波器３から出射された偏波面が互いに直交する可変波長光ａ1 と固定波長光ｂ1 は、この可変波長光ａ1 、固定波長光ｂ1 に対する第２種位相整合が可能な有機の非線形光学結晶であるＡＡＮＰ８の一方の面１３へ入射される。この可変波長光ａ1 と固定波長光ｂ1 のＡＡＮＰ８に対する入射条件は、図５を用いて説明した通りである。
【００６６】
したがって、この第２種位相整合が可能な有機の非線形光学結晶であるＡＡＮＰ８は、一方の面１３へ入射されている可変波長光ａ1 、固定波長光ｂ1 の各角周波数ωD 、ωS の和の角周波数（ωD ＋ωS ）（波長λ3 ）を有した和周波光ｃを他方の面から出力端子７へ出射する。
【００６７】
以上では、非線形光学材料６が波長１．５５μｍ用に切り出されたＡＡＮＰ８であるとして説明した。ここで、和周波光発生装置に、非線形光学材料６として非線形特性が未知である非線形光学結晶を組み込む場合における可変波長光ａ1 、固定波長光ｂ1 の各偏波面の設定手順を説明する。
【００６８】
この場合、可変波長光ａ1 、固定波長光ｂ1 の各偏波面をこの非線形光学結晶の基準軸に直角に設定すべきか、平行に設定すべきかが不明の場合がある。
【００６９】
このような場合、別の光学試験装置を用いて、この未知の非線形光学結晶に対して、予め前述の図６に示すＡ特性とＢ特性とを測定する。そして、可変波長光ａ1 の波長変化に対する位相整合方向の変化量が少ない特性の測定条件が指定する方向に可変波長光ａ1 、固定波長光ｂ1 の各偏波面の方向を設定する。
【００７０】
第１の実施の形態で述べた和周波光発生装置での可変波長光ａ1 、固定波長光ｂ1 の各偏波面の方向の設定も前記Ａ特性とＢ特性とを比較して決めている。
【００７１】
第１の実施の形態のように構成された和周波光発生装置においては、非線形光学結晶として、ＫＴＰ（ＫＨ2 Ｐ０4 ）、ＬＮ（ＬｉＮｂ０3 ）、ＬＴ（ＬｉＴａ０3 ）、ＫＮ（ＫＮｂ０3 ）、等の無機の非線形光学結晶でなく有機のＡＡＮＰを用いている。この有機の非線形光学結晶であるＡＡＮＰの非線形変換効率ηは無機の非線形光学結晶の非線形変換効率ηに比べて格段に高い。したがって、ＡＡＮＰから出射される和周波光ｃのレベルが高い、すなわち、変換効率が高い。また、前述のように可変波長光ａ1 、固定波長光ｂ1 の各偏波面の方向の設定をしているので、可変波長光ａ1 の波長λ1 が変化しても、ＡＡＮＰでの和周波光ｃへの変換効率の変化が少ない。結果として、図７、図８に示すように、３ｄＢ幅で定義して８０ｎｍ以上の広い帯域で波長変換ができる。
【００７２】
図１４は第２の実施の形態の和周波光発生装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す和周波光発生装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００７３】
図１４の和周波光発生装置が図１に示す和周波光発生装置と異なる点は、単一の偏波面を有し波長（λ2 ）が固定された固定波長光（ｂ1 ）を出射する固定波長光出射手段２０を備えていることである。
【００７４】
固定波長光出射手段２０は、例えば、波長が１５５２ｎｍで、かつ、偏波方向が非線形光学結晶８へ入射するときに基準軸と平行になるような偏波方向を有する光を出射する。前記固定波長光出射手段２０から出射するときの偏波方向は、該固定波長光出射手段２０と前記非線形光学結晶８との間にある偏波方向に影響を与える光学部品に応じて決める。
【００７５】
前記非線形光学結晶８としてＡＡＮＰを用いた場合は、波長１５５２ｎｍならば前記基準軸はａ軸となる。
【００７６】
図１５に示すように、固定波長光出射手段２０を複数の波長の光が出射可能な多波長光源２１と前記複数の波長の光の内から一つを選択して出射する光路切替器２２とで構成して、固定波長を切り替えられるようにしてもよい。あるいは、固定波長光出射手段２０に波長を変えられる可変波長光源を用い、可変波長範囲の内の一点に固定することで固定波長光を出射することとし、複数の点から一点を選択するような構成として、固定波長を切り替えてもよい。
【００７７】
固定波長光の波長を、例えば、１５４７ｎｍ、１５５２ｎｍ、１５５７ｎｍの３種類に切り替えられれば、図７に示したように、１種類の波長のものよりさらに広帯域の可変波長光に応じられる和周波光発生装置となる。
【００７８】
図１６は第３の実施の形態の和周波光発生装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す和周波光発生装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００７９】
図１６の和周波光発生装置が図１に示す和周波光発生装置と異なる点は、非線形光学結晶８に入射される固定波長光及び可変波長光の前記非線形光学結晶８への入射角度を変える入射角度変更手段３０を備えていることである。
【００８０】
入射角度変更手段３０は、例えばμメータ付微動回転ステージで構成する。図１７に示すように、非線形光学結晶８であるＡＡＮＰ８を前記μメータ付微動回転ステージ３０にセットし、該μメータ付微動回転ステージ３０を回転させてＡＡＮＰ８への入射光の入射角度を変化させる。
【００８１】
例えば、固定波長光の波長が１５５２ｎｍとして、ＡＡＮＰ８への入射光の入射角度を、ＡＡＮＰ８の面１３が光軸に垂直な状態、左右にそれぞれ１°ａ軸中心に回転した状態の３種類に切り替えられれば、図８に示したように、面１３に垂直に入射するだけのものよりさらに広帯域の可変波長光に応じられる和周波光発生装置となる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の和周波光発生方法及び和周波光発生装置においては、非線形光学結晶に対する第２種位相整合を満たす条件で、さらに入力された可変波長光及び固定波長光の各偏波方向の最適方向を選択設定している。
【００８３】
また、第１、第２の光ａ、ｂのうちの波長が固定されている固定波長光の偏波方向を基準軸と平行に設定することで広い帯域で、高効率で波長変換できるようになるとともに、固定波長光の波長設定や、ＡＡＮＰからなる非線形光学結晶への入射光の入射角度を調整（すなわち、位相整合方向に対する光軸の方向を調整）することで波長変換効率のピークを所望の波長に合わせることができ、所望の波長帯域での変換効率を高くすることができる。
【００８４】
したがって、例え、入力される可変波長光の波長が大きく変化したとしても、出力される和周波光のレベル低下を抑制でき、ひいては、組込まれた光学系の位置関係を変更することなく、広帯域の波長変換に対応できる。さらに、波長変換効率がピークとなるところを、例えば伝送波長に合わせることができる。
【００８５】
また、第１、第２の光ａ、ｂのうちの波長が変化する可変波長光の偏波方向をＡＡＮＰの基準軸と直角に設定し、さらに、第１、第２の光ａ、ｂのうちの波長が固定されている固定波長光の偏波方向を基準軸と平行に設定することで広い帯域で、高効率で波長変換できるようになるとともに固定波長光の波長設定とＡＡＮＰへの入射光の入射角度を調整することで所望の波長帯域での変換効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる和周波光発生装置の概略構成を示すブロック図
【図２】同和周波光発生装置に組込まれたＡＡＮＰの分子構造を示す図
【図３】同ＡＡＮＰの結晶構造を示す図
【図４】同ＡＡＮＰにおける位相整合方向を求める手順を示す図
【図５】同和周波光発生装置の要部構成を示す模式図
【図６】同和周波光発生装置における可変波長光の波長と位相整合方向との関係を示す図
【図７】同ＡＡＮＰによるＳＦＧ発生効率の波長依存特性を示す図
【図８】同ＡＡＮＰによる結晶角度の傾きの違いによる変換効率の差を示す図
【図９】従来の和周波光発生装置の概略構成を示すブロック図
【図１０】第２種位相整合が可能な非線形光学結晶の光学特性を説明するための図
【図１１】非線形光学結晶への入射角度について説明するための図
【図１２】変換効率の回転角度依存性を示す図
【図１３】変換効率のあおり角度依存性を示す図
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係わる和周波光発生装置の概略構成を示すブロック図
【図１５】本発明の実施形態に係わる固定波長光出射手段の概略構成を示すブロック図
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係わる和周波光発生装置の概略構成を示すブロック図
【図１７】本発明の第３の実施形態に係わる和周波光発生装置に組込まれた入射角度変更手段の概略構成図
【符号の説明】
１，４…入力端子
２，５…偏光方向制御器
３…合波器
７…出力端子
８…ＡＡＮＰ
１２…位相整合方向
１６…光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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