(57)【要約】  高出力化が可能であって、広い周波数範囲で、かつ、整数以外の量子数の光渦であっても発生させることができる光渦レーザー発振装置を提供する。  本発明の一観点に係るレーザー装置は、レーザー光を発するレーザー光源と、レーザー光源が発するレーザー光に基づき励起光渦を発する光渦発生部と、光渦発生部が発する前記励起光渦を共振させてシグナル光とアイドラー光に分割する光共振部と、を有する。この場合において、光共振部は、非線形媒質と、前記非線形媒質を挟む一対の共振器ミラーとを有することが好ましく、非線形媒質は、ＫＴｉＯＰＯ４、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３、及び周期分極反転ＬｉＴａＯ３の少なくともいずれかを含むことが好ましい。
2012169578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス励起の光渦を光パラメトリック発振系に入力し、複数のコヒーレントな光渦を発生させ、周波数変換を行い軌道角運動量の量子数を変化させる光渦レーザー発振方法。
【請求項２】
前記光パラメトリック発振系は、非線形媒質と、前記非線形媒質を挟む一対の共振器ミラーと、を有する共振器を備える請求項１記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項３】
前記共振器ミラーの曲率半径は、前記一対の共振器ミラーが形成する共振器長の５倍以上である請求項２記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項４】
前記一対の共振器ミラーは、平行平板である請求項１記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項５】
前記共振器における共振条件を変化させて前記角運動量の量子数の縮退状態を変化させる請求項１記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項６】
前記軌道角運動量の量子数は非縮退状態である請求項１記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項７】
前記複数のコヒーレントな光渦を発生させて多周波数発生を行う請求項１記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項８】
差周波を発生させる請求項７記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項９】
前記非線形媒質を回転させる請求項２記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項１０】
前記非線形媒質の温度を変える請求項２記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項１１】
前記非線形媒質は、ＫＴｉＯＰＯ４、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３，及び周期分極反転ＬｉＴａＯ３の少なくともいずれかを含む請求項２記載の光渦レーザー発振方法。
【請求項１２】
パルス励起のレーザー光を発するレーザー光源と、
前記レーザー光源が発するレーザー光に基づき励起光渦を発する光渦発生部と、
前記光渦発生部により発生した励起光渦に基づき複数のコヒーレントな光渦を発生させ、周波数変換を行い軌道角運動量の量子数を変化させる光パラメトリック発振系と、を有する光渦レーザー発振装置。
【請求項１３】
前記光パラメトリック発振系は、非線形媒質と、前記非線形媒質を挟む一対の共振器ミラーと、を有する共振器を備える請求項１２記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項１４】
前記共振器ミラーの曲率半径は、前記一対の共振器ミラーが形成する共振器長の５倍以上である請求項１３記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項１５】
前記一対の共振器ミラーは、平行平板である請求項１２記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項１６】
前記共振器における共振条件を変化させて前記角運動量の量子数の縮退状態を変化させる請求項１２記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項１７】
前記軌道角運動量の量子数は非縮退状態である請求項１２記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項１８】
前記複数のコヒーレントな光渦を発生させて多周波数発生を行う請求項１２記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項１９】
差周波を発生させる請求項１８記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項２０】
前記非線形媒質を回転させる請求項１３記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項２１】
前記非線形媒質の温度を変える請求項１３記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項２２】
前記非線形媒質は、ＫＴｉＯＰＯ４、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３，及び周期分極反転ＬｉＴａＯ３の少なくともいずれかを含む請求項１３記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項２３】
レーザー光を発するレーザー光源と、
前記レーザー光源が発するレーザー光に基づき励起光渦を発する光渦発生部と、
前記光渦発生部が発する前記励起光渦を共振させてシグナル光とアイドラー光に分割する光共振部と、を有するレーザー発振装置。
【請求項２４】
前記光共振部は、非線形媒質と、前記非線形媒質を挟む一対の共振器ミラーとを有する請求項２３記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項２５】
前記共振器ミラーの曲率半径は、前記一対の共振器ミラーが形成する共振器長の５倍以上である請求項２４記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項２６】
前記シグナル光の光子エネルギーに対するアイドラー光の光子エネルギーの比が、０．８以上１．２以下の範囲にある請求項２３記載の光渦レーザー発振装置。
【請求項２７】
前記非線形媒質は、ＫＴｉＯＰＯ４、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３、及び周期分極反転ＬｉＴａＯ３の少なくともいずれかを含む請求項２４記載の光渦レーザー発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光渦レーザー発振方法及び光渦レーザー発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光渦は、位相特異点に由来する角運動量（軌道角運動量）及びドーナツ型強度分布という特徴的な性質をもった光波である。【０００３】
光渦の代表例としては、例えばラゲールガウスビームを挙げることができる（例えば下記非特許文献１参照）。ラゲールガウスビームは、円筒座標系における波動方程式の固有解であり、回転中心の周りで１波長伝搬するごとに２πの整数倍だけ位相が回転する周期的境界条件を満たす。このため、量子数Ｌ（Ｌ＝１，２，３…）を用いて軌道角運動量の大きさを表すことが可能である。光渦の波面はらせん形状を有しており、この法線方向と光の伝搬方向のベクトル差で与えられる方向に軌道角運動量が働く。【０００４】
また光渦は、光の放射圧を利用した光マニピュレーション、位相特異点を利用した高解像度顕微鏡、軌道角運動量を積極的に利用した光渦アブレーション加工などに利用することができ、今後の工業的な利用が大きく期待される。【０００５】
光渦を発生させる方法としては、例えば（１）バウンス共振器を用いる方法（例えば下記非特許文献２）、（２）マルチモードエリアファイバー増幅器を用いる方法（例えば下記非特許文献３）、（３）位相板を用いる方法（例えば下記非特許文献４）、（４）空間位相変調器を用いる方法（例えば下記非特許文献５）、を例示することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｌ．  Ａｌｌｅｎ，  Ｍ．  Ｗ．  Ｂｅｉｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ，  Ｒ．  Ｊ．  Ｃ．  Ｓｐｒｅｅｕｗ，  ａｎｄ  Ｊ．  Ｐ．  Ｗｏｅｒｄｍａｎ，  “Ｏｒｂｉｔａｌ  ａｎｇｕｌａｒ  ｍｏｍｅｎｔｕｍ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｌａｓｅｒ  ｍｏｄｅｓ，”  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ａ  ４５，  ８１８５−８１８９  （１９９２）
【非特許文献２】Ｍ．  Ｏｋｉｄａ，  Ｍ．  Ｉｔｏｈ，  Ｔ．  Ｙａｔａｇａｉ，  ａｎｄ  Ｔ．  Ｏｍａｔｓｕ，  “Ｄｉｒｅｃｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｏｕｔｐｕｔ  ｆｒｏｍ  ａ  ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  Ｎｄ：ＹＶＯ４  １．３−μｍ  ｂｏｕｎｃｅ  ｌａｓｅｒ，”  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，  １５，  ７６１６−７６２２  （２００７）．
【非特許文献３】Ｙ．  Ｔａｎａｋａ，  Ｍ．  Ｏｋｉｄａ，  Ｋ．  Ｍｉｙａｍｏｔｏ，  ａｎｄ  Ｔ．  Ｏｍａｔｓｕ，  “Ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ  ｖｏｒｔｅｘ  ｌａｓｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，”  Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  １７，  １４３６２−１４３６６  （２００９）．
【非特許文献４】Ｔ．  Ｏｍａｔｓｕ，  Ｋ．  Ｃｈｕｊｏ，    Ｋ．  Ｍｉｙａｍｏｔｏ，  Ｍ．  Ｏｋｉｄａ，  Ｋ．  Ｎａｋａｍｕｒａ，  Ｎ．  Ａｏｋｉ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｍｏｒｉｔａ，  “Ｍｅｔａｌ  ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｔｗｉｓｔｅｄ  ｌｉｇｈｔ  ｗｉｔｈ  ｓｐｉｎ，”  Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ，  １８，  １７９６７−１７９７３  （２０１０）．
【非特許文献５】Ｎ．  Ｒ．  Ｈｅｃｋｅｎｂｅｒｇ，  Ｒ．  ＭｃＤｕｆｆ，  Ｃ．  Ｐ．  Ｓｍｉｔｈ，  ａｎｄ  Ａ．  Ｇ．  Ｗｈｉｔｅ，  “Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｈａｓｅ  ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ  ｂｙ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｈｏｌｏｇｒａｍｓ，”  Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  １７，  ２２１−２２３  （１９９２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記（１）、（２）の方法では、発生させることのできる光渦の量子数は＋１、−１等の低次元に限られてしまい、また量子数は整数のみである。【０００８】
また上記（３）、（４）の方法では、基本的に受動的な方法であり、特定の波長においてのみ光渦を発生させることができるに過ぎず、また素子による光損失を伴うため、高出力化において課題がある。【０００９】
そこで、本発明は、高出力化が可能であって、広い周波数範囲で、かつ、整数以外の量子数の光渦であっても発生させることができる光渦レーザー発振装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の第一の観点に係る光渦レーザー発振方法は、パルス励起の光渦を光パラメトリック発振系に入力し、複数のコヒーレントな光渦を発生させ、周波数変換を行い軌道角運動量の量子数を変化させることを特徴とする。【００１１】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、光パラメトリック発振系は、非線形媒質と、非線形媒質を挟む一対の共振器ミラーと、を有する共振器を備えることが好ましい。【００１２】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、共振器ミラーの曲率半径は、一対の共振器ミラーが形成する共振器長の５倍以上であることが好ましい。【００１３】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、一対の共振器ミラーは、平行平板であることが好ましい。【００１４】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、共振器における共振条件を変化させて角運動量の量子数の縮退状態を変化させることが好ましい。【００１５】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、軌道角運動量の量子数は非縮退状態であることが好ましい。【００１６】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、複数のコヒーレントな光渦を発生させて多周波数発生を行うことが好ましい。【００１７】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、差周波を発生させることが好ましい。【００１８】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、非線形媒質を回転させることが好ましい。【００１９】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、非線形媒質の温度を変えることが好ましい。【００２０】
また本観点に係る光渦レーザー発振方法において、限定されるわけではないが、非線形媒質は、ＫＴｉＯＰＯ４、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３，及び周期分極反転ＬｉＴａＯ３の少なくともいずれかを含むことが好ましい。【００２１】
また本発明の他の一観点に係る光渦レーザー発振装置は、パルス励起のレーザー光を発するレーザー光源と、レーザー光源が発するレーザー光に基づき励起光渦を発する光渦発生部と、光渦発生部により発生した励起光渦に基づき複数のコヒーレントな光渦を発生させ、周波数変換を行い軌道角運動量の量子数を変化させる光パラメトリック発振系と、を有することを特徴とする。【００２２】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、光パラメトリック発振系は、非線形媒質と、非線形媒質を挟む一対の共振器ミラーと、を有する共振器を備えることが好ましい。【００２３】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、共振器ミラーの曲率半径は、一対の共振器ミラーが形成する共振器長の５倍以上であることが好ましい。【００２４】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、一対の共振器ミラーは、平行平板であることが好ましい。【００２５】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、共振器における共振条件を変化させて前記角運動量の量子数の縮退状態を変化させることが好ましい。【００２６】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、軌道角運動量の量子数は非縮退状態であることが好ましい。【００２７】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、複数のコヒーレントな光渦を発生させて多周波数発生を行うことが好ましい。【００２８】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、差周波を発生させることが好ましい。【００２９】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、非線形媒質を回転させることが好ましい。【００３０】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、非線形媒質の温度を変えることが好ましい。【００３１】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、非線形媒質は、ＫＴｉＯＰＯ４、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３，及び周期分極反転ＬｉＴａＯ３の少なくともいずれかを含むことが好ましい。【００３２】
また本発明の他の一観点に係る光渦レーザー発振装置は、レーザー光を発するレーザー光源と、レーザー光源が発するレーザー光に基づき励起光渦を発する光渦発生部と、光渦発生部が発する励起光渦を共振させてシグナル光とアイドラー光に分割する光共振部と、を有することを特徴とする。【００３３】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、光共振部は、非線形媒質と、前記非線形媒質を挟む一対の共振器ミラーとを有することが好ましい。【００３４】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、共振器ミラーの曲率半径は、前記一対の共振器ミラーが形成する共振器長の５倍以上であることが好ましい。【００３５】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、シグナル光の光子エネルギーに対するアイドラー光の光子エネルギーの比が、０．８以上１．２以下の範囲にあることが好ましい。【００３６】
また本観点に係る光渦レーザー発振装置において、限定されるわけではないが、非線形媒質は、ＫＴｉＯＰＯ４、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３、及び周期分極反転ＬｉＴａＯ３の少なくともいずれかを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００３７】
以上本発明により、高出力化が可能であって、広い周波数範囲で、かつ、整数以外の量子数の光渦であっても発生させることができる光渦レーザー発振装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態に係る光渦レーザー発振装置の概略図である。
【図２】実施例に係る実験光学系の概略を示す図である。
【図３】実施例１に係る励起光渦（Ｌ＝１）の空間プロファイルを示す図である。
【図４】実施例１に係るシグナル光の空間プロファイルを示す図である。
【図５】実施例１に係るアイドラー光の空間プロファイルを示す図である。
【図６】実施例１でＳＨＧ部から出力されたシグナル光（Ｌ＝１）の空間プロファイルを示す図である。
【図７】実施例１でＳＨＧ部から出力されたアイドラー光（Ｌ＝１）の空間プロファイルを示す図である。
【図８】実施例１で干渉部から出力されたシグナル光の空間プロファイルを示す図である。
【図９】実施例１で干渉部から出力されたアイドラー光の空間プロファイルを示す図である。
【図１０】実施例２に係る励起光渦（Ｌ＝２）の空間プロファイルを示す図である。
【図１１】実施例２に係るシグナル光の空間プロファイルを示す図である。
【図１２】実施例２に係るアイドラー光の空間プロファイルを示す図である。
【図１３】実施例２でＳＨＧ部から出力されたシグナル光（Ｌ＝１）の空間プロファイルを示す図である。
【図１４】実施例２でＳＨＧ部から出力されたアイドラー光（Ｌ＝１）の空間プロファイルを示す図である。
【図１５】実施例２で干渉部から出力されたシグナル光の空間プロファイルを示す図である。
【図１６】実施例２で干渉部から出力されたアイドラー光の空間プロファイルを示す図である。
【図１７】実施例３に係る実験光学系の概略を示す図である。
【図１８】実施例３に係る光パラメトリック発生の入出力特性を示す図である。
【図１９】実施例３係るシグナル光及びアイドラー光の空間プロファイルを示す図である。
【図２０】実施例３に係るシグナル光及びアイドラー光の回折格子を透過させた後の１次回折光パターンを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示にのみ狭く限定されるものではない。【００４０】
本実施形態に係る光渦レーザー発振装置（以下「本レーザー装置」という。）は、パルス励起のレーザー光を発するレーザー光源と、レーザー光源が発するレーザー光に基づき励起光渦を発する光渦発生部と、光渦発生部により発生した励起光渦に基づき複数のコヒーレントな光渦を発生させ、周波数変換を行い軌道角運動量の量子数を変化させる光パラメトリック発振系と、を有する。【００４１】
本実施形態において光パラメトリック発振系は、上記のとおり光渦発生部により発生した励起光渦に基づき複数のコヒーレントな光渦を発生させ、周波数変換を行い軌道角運動量の量子数を変化させる光学系をいう。光パラメトリック発振系の構成例としては、この機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、具体的には一対の共振器ミラーと、この一対のミラーの間に配置される媒質との組み合わせ（光共振部）を含む光学系を挙げることができる。より具体的な構成については、下記に詳述する。【００４２】
ここで図１は、本実施形態に係る光渦レーザー発振装置（以下「本レーザー装置」という。）１の光学系の概略を示す図である。本図で示すように、本レーザー装置１は、レーザー光Ｂ１を発するレーザー光源２と、レーザー光源２が発するレーザー光Ｂ１に基づき励起光渦Ｂ２を発する光渦発生部３と、光渦発生部が発する励起光渦Ｂ２を共振させてシグナル光とアイドラー光に分割する光共振部４と、を有する。【００４３】
本実施形態において、レーザー光源２は、上記の通りレーザー光Ｂ１を発することができるものである。レーザー光源２については、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではなく、ＹＡＧレーザー等の固体レーザー、色素レーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等のガスレーザー、ＬＤレーザー等の半導体レーザー等を用いることができるがこれに限定されない。ただし、本実施形態においてレーザー光源２から放出される光の波長領域は、可視領域外のものであることが好ましく、具体的には８００ｎｍ以上、より好ましくは１０００ｎｍ以上の波長の光を放出することが好ましい。この範囲とすることで光共振部４において可視波長領域から中赤外領域の光を得ることができるようになる。【００４４】
また本実施形態において、レーザー光源２は、パルスのレーザー光を発するパルス発振レーザー光源であることが好ましい。パルス発振レーザー光は連続発振レーザー光源の場合に比べてスペクトルの幅が広く、またその出力の高いレーザー光を放出することができ現実的である。更に、連続発振レーザー光源の場合コヒーレントカップリングが起こりにくい一方、パルス発振レーザーの場合コヒーレントカップリングを起こしやすい。【００４５】
また、本実施形態において、光渦発生部３は、レーザー光源２が発するレーザー光Ｂ１に基づき励起光渦Ｂ２を発することができるものであり、この限りにおいて限定されないが、例えば位相板、空間位相変調器、マルチモードエリアファイバー増幅器等を用いることができる。なお、レーザー光源２と、光渦発生部３とを一体にして直接光渦を発生させる構成としてもよい。光渦発生部において発生させる光渦はコヒーレントな光渦であることが特に好ましい。【００４６】
また本実施形態において、光共振部４は、光渦発生部が発する励起光渦Ｂ２を共振させて複数のコヒーレントな光渦を発生させ、周波数変換を行い軌道角運動量の量子数を変化させることのできるものであって、具体的にはシグナル光とアイドラー光に分割することができるものである。また本実施形態に係る光パラメトリック発振系（光共振器部）から発せられる光渦は、その共振における条件を変化させることで起動角運動量の量子数を任意に変化させることが可能となり、これら複数の光の量子数を縮退状態にすること、更には非縮退状態とすることも可能となる。【００４７】
また本実施形態において、光共振部４は、限定されるわけではないが、例えば非線形媒質４１と、この非線形媒質４１を挟む一対の共振器ミラー４２とを有することが好ましい。【００４８】
また本実施形態において、光共振部４から出射される光の波長は、限定されるわけではないが、可視波長領域から中赤外領域の光（３６０ｎｍ以上４μｍ以下の波長範囲）であることが好ましく、波長可変域は励起光渦の１．５倍以上２．５倍以下であることが好ましく、より好ましくは１．８以上２．２倍以下である。また光共振部４から出射される光の波長は、同じであってもよいが異なっていても良い。異なっている場合、多周波発生となり更にこれらを用いて差周波を発生させることができる。【００４９】
また本実施形態において、非線形媒質４１は、共振器内の光路長を調整するために用いられるものであって、この機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えばＫＴｉＯＰＯ４、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３、及び周期分極反転ＬｉＴａＯ３の少なくともいずれかを含むことが好ましい。【００５０】
また、本実施形態において、一対の共振器ミラー４２は、それぞれ入射された光の一部を透過し、一部を反射させるものであって、互いに対向する面の反射率が高く設定されている。このようにすることで高い割合で光を反射させることで、光を閉じ込め、光を共振させることができる。【００５１】
本実施形態において、一対の共振器ミラー４２の構成としては、上記の限りにおいて限定されないが、互いに向かい合う面が凹面であるミラーであるか、又はその一方が平面である平板のミラー、又は一対の平行な平板（平行平板）を採用することができる。ただし、共振器ミラー４２が凹面を有するミラーである場合その凹面の曲率半径は、グイ位相を回転させないことが必要であり、一対の共振器ミラーが形成する共振器長よりも十分に長くすることが好ましい。この曲率半径は、共振器長の少なくとも５倍以上であることが好ましく、より好ましくは１０倍以上である。【００５２】
また本実施形態において、励起光渦Ｂ２のエネルギーとシグナル光及びアイドラー光のエネルギーの和、及び、励起光渦Ｂ２の運動量とシグナル光及びアイドラー光の運動量の和は、それぞれ等しい。このようにすることで、励起光渦をシグナル光とアイドラー光に分割することが可能となる。ここで「等しい」とは、完全に一致することはもちろんであるが、実際の測定上、装置設定上の誤差程度は許容する意味であり、例えばエネルギー及び運動量において２％以下の誤差であればここでいう「等しい」に含まれる。【００５３】
また、本実施形態において、シグナル光の光子エネルギーに対するアイドラー光の光子エネルギーの比は０．８以上１．２以下の範囲にある。そしてこの範囲にある場合、シグナル光の量子数とアイドラー光の量子数はこの比に等しくなるよう分割される。例えば励起光渦の量子数が２で、シグナル光の光子エネルギーとアイドラー光の光子エネルギーが等しい場合、シグナル光の量子数とアイドラー光の量子数はそれぞれ等しく１となる。【００５４】
また、本実施形態において、限定されるわけではないが、一対の共振器ミラー４２の間の距離は、上記のとおり、非線形媒質を挟むことができる十分な長さを有し、グイ位相を反転させない限りにおいて限定されず様々な距離を採用することができるが、３ｃｍ以上１０ｃｍ以下の範囲とするのが好ましい。【００５５】
本実施形態に係るレーザー発振装置は、光共振部４の共振の条件を適宜調整することで出射される光の状態を変化させることができる。この調整方法としては、例えば一対の共振器ミラーの距離、少なくとも一方の共振器の曲率半径、一対の共振器ミラーの間に配置される非線形媒質の材質、温度、向き（回転位置）等を変更することで様々に変化させることができる。【００５６】
また、上記構成から明らかなように、本実施形態に係る光渦レーザー発振装置を構成することによって、例えば、パルス励起の光渦を光パラメトリック発振系に入力し、複数のコヒーレントな光渦を発生させ、周波数変換を行い軌道角運動量の量子数を変化させる、より具体的には、レーザー光を発生させ、更にこのレーザー光に基づき励起光渦を発生させ、更にこれを共振させることで、変調光渦を発生させるレーザー発生方法を提供することができる。【００５７】
以上、本実施形態に係る光渦レーザー発振装置は、高出力化が可能であって、広い周波数範囲で量子数を分割させた光渦を発生させることができる。
【実施例】
【００５８】
ここで、上記実施形態に係る光渦レーザー発振装置について、実際に系を作製し、その効果を確認した。以下説明する。【００５９】
（実施例１）
図２は、本実施例に係る実験光学系を示す図である。本実施例では、上記実施形態において示した構成要素に加え、出力された光の量子数などを確認するための実験系も加わっている。【００６０】
本図で示すように、本実験光学系Ｓは、レーザー光Ｂ１を発するレーザー光源２と、レーザー光源が発するレーザー光Ｂ１に基づき励起光渦Ｂ２を発する光渦発生部３と、光渦発生部３が発する励起光渦Ｂ２を共振させてシグナル光とアイドラー光に分割する光共振部４と、を有している。【００６１】
本実施例においてレーザー光源２として、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｌｏｔｉｓ  ＳＬ−２１３６、波長１０６４ｎｍ、パルス幅４０ｎｓ、繰返速度５０Ｈｚ）を用いた。【００６２】
また、本実施例において光渦発生部３としてらせん位相板を用い、量子数Ｌ＝１の励起光渦が発生するよう配置した。なお図３に、この状態における励起光渦の空間プロファイルを示しておく。【００６３】
また、本実施例において光共振部４としては、第一の平面反射ミラー（２μｍにおける反射率９８％、１μｍにおける透過率９０％）と、第二の平面反射ミラー（２μｍにおける透過率約１００％、１μｍにおける反射率８０％）と、を用い、この間の距離（共振器長）を５ｃｍに対向して配置させるとともに、この間に、５ｍｍ×５ｍｍ×３０ｍｍの非線形媒質であるＫＴｉＯＰＯ４（θ＝５１．４°）を設置した。【００６４】
また本実験光学系Ｓでは、光共振部４から出射した光をミラーで反射させ、半波長板を通した後、第一の偏光ビームスプリッタＰＢＳによりシグナル光、アイドラー光をそれぞれ取り出すことができる。なお、第一の偏光ビームスプリッタを通過する光は、後述のＳＨＧ部５及び干渉部６に入射される。この第一の偏光ビームスプリッタにより取り出されるシグナル光、アイドラー光の空間プロファイルを図４、５にそれぞれ示しておく。【００６５】
また本実験光学系Ｓには、ＳＨＧ部５及び干渉部６が設けられている。ＳＨＧ部５は、ＳＨＧ光を発生させるための部であり、これを配置することで、光渦発生部３から発生した光の２倍の周波数の光を発生させることができる。ＳＨＧ部５として、本実施例では、第一のレンズ（ｆ＝１００ｍｍ）と、第二のレンズ（ｆ＝１００ｍｍ）と、この間に配置される１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍの非線形媒質であるＫＴｉＯＰＯ４（θ＝５１．４°）（ＫＴＰ）と、を有している。【００６６】
また本実施例では、干渉部６も設けられており、ＳＨＧ部５から出力される光に対し干渉を行なわせる部である。この干渉部６により、シグナル光及びアイドラー光の量子数を確認することができる。なお、本実施例において、干渉部６は、第一のハーフミラー（反射率５０％）と、このハーフミラーによって反射される一方の光を反射させる第一の全反射ミラーと、ハーフミラーを透過する他方の光を反射させる第二の全反射ミラーと、更に第一の全反射ミラーと第二の全反射ミラーから反射される光をあわせるための第二のハーフミラーとを有して構成される。【００６７】
また、本実験光学系Ｓでは、ＳＨＧ部５と干渉部６との間に第二の偏向ビームスプリッタＰＢＳを設け、一方の偏光を光学系Ｓの外部に、一方を干渉部６側に出力する構成としており、ＳＨＧ部５から出力され干渉部６に入射される前のシグナル光、アイドラー光のそれぞれの空間プロファイルを図６、７に、干渉部６から出力されるシグナル光、アイドラー光の空間プロファイルを図８、９にそれぞれ示しておく。【００６８】
この結果、発振後の常光線であるシグナル光は空間プロファイルを有するＬ＝０．５を有する２μ帯光渦となっていることが確認できた。すなわち、本実施例により、励起光が有する量子数の半分を波長変換後のシグナル光に転写できるため、これまで光渦を発生させることができなかった中赤外波長領域でも任意の量子数を有する光渦を発生させることができることを確認した。【００６９】
（実施例２）
本実施例では、光渦発生部３にらせん位相板を２枚用いた以外は実施例１と同じとした。この配置により、量子数Ｌ＝２の励起光渦を発生させることができる。【００７０】
ここで図１０に入射される前の励起光渦の空間プロファイルを、図１１、１２に第一の偏光ビームスプリッタから出射されるシグナル光、アイドラー光の空間プロファイルをそれぞれ示し、図１３、１４に、第二の偏向ビームスプリッタＰＢＳから出力されるシグナル光及びアイドラー光の空間プロファイルを、図１５、１６に、干渉部６から出力されるシグナル光及びアイドラー光の空間プロファイルをそれぞれ示す。【００７１】
この結果、量子数Ｌ＝１の２μｍの光渦が発生していることを確認した。なお、この場合において、異常光線に光渦は現われなかった。すなわち、本実施例によっても、励起光が有する量子数の半分を波長変換後のシグナル光に転写できるため、これまで光渦を発生させることができなかった中赤外波長領域でも任意の量子数を有する光渦を発生させることができることを確認した。【００７２】
（実施例３）
本実施例では、レーザー光源２が発生するレーザー光のパルス幅を２５ｎｍとし、第一の凹面反射ミラー（Ｒ＝２０００ｍｍ、２μｍにおける反射率９８％、１μｍにおける透過率９０％）と、第二の平面反射ミラー（２μｍにおける反射率８０％、１μｍにおける透過率８０％）と、を用い、この間の距離（共振器長）を３１．２ｍｍに対向して配置させるとともに、この間に、２ｍｍ×２ｍｍ×３０ｍｍの非線形媒質であるＰＰＳＬＴを設置した以外は上記実施例１と同様にした。なおこの結果、１０６４ｎｍの光は１９７０ｎｍの光と２３１３ｎｍの光に分割された。【００７３】
この光学系の配置の概略を図１７に、この光パラメトリック発生の入出力特性を図１８に、更に、光共振部から出射されるシグナル光及びアイドラー光の空間プロファイルを図１９に示す。また、このシグナル光及びアイドラー光についてそれぞれ回折格子を透過させた後の１次回折光パターンを図２０に示す。【００７４】
また、この結果出力されたシグナル光及びアイドラー光に対して１次光渦用ホログラムを用い、これらに回折光を入射し回折光を得たところその強度分布に非対称性が現れた。すなわちシグナル光とアイドラー光の軌道角運動量が非縮退状態であることがわかった。一方、上記実施例１におけるシグナル光及びアイドラー光における同様の観察の結果は対称性があり、縮退していることが確認できた。【００７５】
以上、本発明により、高出力化が可能であって、広い周波数範囲で、かつ、整数以外の量子数の光渦であっても発生させることができる光渦レーザー発振装置を提供することができた。特に、共振条件を変化させることで多周波発生が可能であるとともに、軌道各運動量の縮退、非縮退のいずれの状態も任意に調整可能であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、光渦レーザー発振装置、及び光渦レーザー発生方法として産業上の利用可能性がある。
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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