(57)【要約】光パラメトリック発振器（１４）は、コヒーレントな高エネルギーポンプ光信号の光源（１０）と光共振器キャビティとを含み、光共振器キャビティは、一連の光パラメトリック増幅用（ＯＰＡ）結晶（２０ａ、２０ｂ）と、光路に沿って配置したミラーなどの一連の光学素子（２２、２４、２６）とを含む。光学素子は、（１）光路に沿ってＯＰＡ結晶により生成された振動光信号（２８）を方向付け、（２）各高エネルギーポンプ光信号がＯＰＡ結晶の１つだけを通過して、対応する劣化ポンプ光信号をもたらすように高エネルギーポンプ光信号（１２ａ、１２ｂ）の入力カップリングを提供し、（３）各劣化ポンプ光信号が２つ以上のＯＰＡ結晶を通過しないように劣化ポンプ光信号（１８ａ、１８ｂ）の出力カップリングを提供するように構成される。共振器キャビティは、「Ｌ」および「Ｕ」字状を含む複数脚により構成され、直線状（または定在波）またはリングアーキテクチャのいずれかである。ポンプ光源は、波面分割、あるいは、単一の比較的高出力な光ポンプビームの振幅分割を用いることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコヒーレントな高エネルギーポンプ光信号の光源と；
光路に沿って配置した複数の光パラメトリック増幅用（ＯＰＡ）結晶と；
前記光路に沿って配置した複数の光学素子と、を含む、
光共振器キャビティと、
を含む光パラメトリック発振器であって、
前記光学素子は、（１）前記光路に沿って前記ＯＰＡ結晶により生成された振動光信号を方向付け、（２）各高エネルギーポンプ光信号が対応する異なる１つの前記ＯＰＡ結晶を通過して、対応する劣化ポンプ光信号をもたらすように、前記高エネルギーポンプ光信号の入力カップリングを提供し、（３）各劣化ポンプ光信号が２つ以上の前記ＯＰＡ結晶を通過しないように前記劣化ポンプ光信号の出力カップリングを提供するように構成される、光パラメトリック発振器。
【請求項２】
前記光源が、前記複数の高エネルギーポンプ光信号を生成するため、比較的高出力なポンプ光信号の振幅分割を用いる、請求項１に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項３】
前記光源が複数脚の光キャビティを含み、各高エネルギーポンプ光信号が前記光キャビティの対応脚に現れる光信号の一部を含む、請求項２に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項４】
前記光源が、前記複数の高エネルギーポンプ光信号を生成するため、比較的高出力なポンプ光信号の波面分割を用いる、請求項１に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項５】
各ミラーが、前記複数の高エネルギーポンプ光信号の対応する１つを生成するため、前記比較的高出力なポンプ光信号の対応部を反射するように、前記光源が前記比較的高出力なポンプ光信号の波面にわたって互いにオフセットされた複数のミラーを含む、請求項１に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項６】
前記光共振器の光路が互いに対し角度をなして配置した複数脚を有し、前記光学素子の対応するものが前記脚の隣接対の間に配置したミラーを含み、前記ミラーが、前記発振器光信号に対しては反射するが、前記高エネルギーおよび劣化ポンプ光信号に対しては透過する、請求項１に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項７】
前記ＯＰＡ結晶が周期的に分極した、疑似位相整合結晶を含む、請求項１に記載の光パラメトリック発振器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
あるタイプの非線形光周波数変換装置は、「ポンプ」光信号で１つの波長で提供されたエネルギーを、「信号」波と「アイドラー」波と一般に呼ばれる２つの他の波長の波にエネルギーを変換する光パラメトリック増幅現象を利用している。例えば、あるタイプの光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）装置は、いわゆる「疑似位相整合」（ＱＰＭ）技術を利用して、紫外／可視、近赤外、または中波赤外（ＭＷＩＲ）スペクトル領域で、位相整合した光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）の出力を生成する。ＱＰＭ装置は、「コヒーレンス長」毎にπラジアンにより３つの光信号の位相不整合をリセットすることで位相整合出力を生成する。ＭＷＩＲ  ＯＰＯ用の「コヒーレンス長」は、２０〜４０ミクロンの範囲とされる。位相不整合をリセットする１つの方法は、コヒーレンス長毎に符号を交互に入れ替える電気分極の反平行ドメインにより達成される。現在のＱＰＭ技術は、強誘電体結晶（好ましい方向に沿って永続的な電気モーメントがある強磁性体の電気的類似体）を使用し、強誘電体結晶内で、調節された電気ドメイン構造体はフォトリソグラフィにより作製された周期電極を用いて誘起される。非常に高い電界強度、例えば、２〜２０ｋＶ／ｍｍの範囲、を利用して、所望の動作を得る。「周期的ポーリング」（ＰＰ）なる語は、この種類のＱＰＭ作製の説明に使用する。
【０００２】
現在のＰＰ  ＱＰＭ技術は、１〜５ｍｍの範囲の厚さを有する結晶構造体に制限される。この制限は、強誘電体結晶の根本的な絶縁破壊強度により課せられる。この厚さ限界は、高パルスエネルギー出力の生成に用いるＯＰＯまたは他の非線形周波数変換器に使用するＰＰ  ＱＰＭ構造体の有用性に潜在的に深刻な制約をもたらす。この限界は、ＱＰＭ装置の限られた断面積Ａ（およそ０．１〜０．３ｃｍ２）が、最大ポンプパルスエネルギーと出力パルスエネルギーの両方を、断面積Ａと一般的なＱＰＭ装置の光損傷限界Ｆの積（Ｆ×Ａ）により課された値に制限されるという事実に基づく。これは、例えば、Ｆ＝３〜１０Ｊ／ｃｍ２の範囲とされる。
【発明の開示】
【０００３】
開示した技術によれば、比較的高いエネルギーポンプビームをより低いエネルギーポンプビーム成分に分割し、各成分は光パラメトリック発振器の複数のＯＰＡ結晶の異なる１つをポンプするのに用いられる。これは、例えば、全波面の限られた副開口を反射するため特殊な勾配型反射性ミラー（ＧＲＭ）を用いて「波面分割」により達成され得る。別の方法は、例えば、偏光またはダイクロイックビームスプリッタを用いて振幅／強度を減少させてポンプビームを分割することであり、これは振幅分割と呼ばれる。個々のＯＰＡ結晶の光損傷限界を超えることなく高出力動作が達成される。
【０００４】
すなわち、一連のコヒーレントな高エネルギーポンプ光信号の光源と、光路に沿って配置した一連の光パラメトリック増幅用（ＯＰＡ）結晶と光路に沿って配置した対応する一連の光学素子を含む光共振器キャビティとを含む光パラメトリック発振器を開示する。例えば、勾配型反射性ミラーまたは他のミラーを含むことができる光学素子は、（１）光路に沿ってＯＰＡ結晶により生成された振動光信号を方向付け、（２）各高エネルギーポンプ光信号が対応する異なる１つのＯＰＡ結晶を通過して、対応する劣化ポンプ光信号をもたらすように高エネルギーポンプ光信号の入力カップリングを提供し、（３）各劣化ポンプ光信号が２つ以上のＯＰＡ結晶を通過しないように劣化ポンプ光信号の出力カップリングを提供するように構成される。
【０００５】
光パラメトリック発振器の具体的な実施形態は、各脚が対応するＯＰＡ結晶を含む複数脚の構成を有する共振器キャビティを用いる。「Ｌ」字状および「Ｕ」字状キャビティを示す。また、直線状（または定在波）アーキテクチャのみならずリングアーキテクチャの両方を示す。波面分割を用いる開示のポンプ光源は、単一の比較的高出力な光ポンプビームの波面にわたって互いにオフセットされた一連のミラーを利用するが、代替のポンプ光源は、レーザ共鳴キャビティの異なる点からポンプ光信号を取り出すことによる振幅分割を用いる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
前述および他の目的、特徴、および利点は、同様の参照符号が様々な図を通して同一の要素を指している添付図面に示すように、本発明の特定の実施形態に関する以下の説明から明らかになるであろう。図面は必ずしも比例尺で描かれておらず、代りに、本発明の種々の実施形態の原理を示す場合は強調されている。
【０００７】
図１は、一般的な形式の光パラメトリック発振器を示す。ポンプ光源１０は複数のコヒーレントな、高エネルギーポンプ光信号（ＥＮＥＲ  ＰＵＭＰ  ＯＰＴ  ＳＩＧＮＡＬＳ）１２を生成する。該高エネルギーポンプ光信号は、高エネルギーポンプ光信号１２を利用して、発振器光信号（ＯＳＣ  ＯＰＴ  ＳＩＧＮＡＬ）１６を生成する光キャビティ１４に提供される。該発振器光信号１６は、光発振器の所望の出力である。発振器光信号１６は、以下でさらに詳細に説明するように、パラメトリック増幅工程で生成された「信号」波または「アイドラー」波のいずれか１つである。光キャビティ１４は、例えば、以下に説明する光キャビティ１４内で発生するパラメトリック増幅の副生成物である劣化ポンプ光信号（ＤＥＰＬ  ＰＵＭＰ  ＯＰＴ  ＳＩＧＮＡＬＳ）１８も生成する。
【０００８】
一般に、図１の光パラメトリック発振器の利点の１つは、単一のポンプ光信号のみを利用する際に生成できるものよりもより大きな出力の発振器光信号１６を生成する能力である。光キャビティ１４内の光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）結晶の損傷を防ぐために、各結晶に起こる光出力密度は、損傷限界以下に保たれる。光キャビティ１４は、別々のポンプ光信号によりポンプされた多数のＯＰＡ結晶を用いるので、ポンプ光源１０により提供された全体のポンプエネルギーの一部のみを受け取る。対応する大量のポンプ出力を利用し、各結晶内の出力密度が損傷限界以下に維持されるように、この出力を多数の結晶に分配することにより高出力が得られる。
【０００９】
図２は、光キャビティ１４の一実施形態１４−１を示す。光キャビティ１４−１は、異なる幾何学軸に沿って位置する２つの別々の脚を有する「Ｌ」字状の構成である。各脚は、それぞれ、ＯＰＡ結晶２０（脚「ａ」および脚「ｂ」に対して、それぞれ、結晶２０ａ、結晶２０ｂとして示す）を含む。エンドミラー２２、２４および内部ミラー２６も含む。図示の実施形態において、エンドミラー２２、２４は、キャビティ全体が不安定共振器を形成するような球形断面であり、不安定共振器なる用語は当該技術分野で周知である。発振器光信号１６の周波数で、エンドミラー２２のみならず内部ミラー２６は完全に反射し、エンドミラー２４は部分的にのみ反射する。当該技術分野で一般に周知のように、これにより、所望の発振器光信号１６のアウトカップリングを提供するのみならず、振動を維持するためキャビティ内で生成された光エネルギーの幾分かをフィードバックする（参照番号２８により示す）。発振器光信号１６は、光パラメトリック増幅工程で生成された、いわゆる「信号」波または「アイドラー」波のいずれであってもよく、本明細書において「共鳴波」とも呼ばれる。所与のＯＰＡ結晶２０内で生成した非共鳴波（例えば、信号波が共鳴する場合、アイドラー波）は、光キャビティ１４の外でカップリングされ、発振器の他のＯＰＡ結晶２０に進入しないのが好ましい。非共鳴波は明示されないが、図２の実施形態において、ＯＰＡ結晶２０ａ内で生成された非共鳴波はミラー２６を介して出ていき、ＯＰＡ結晶２０ｂで生成された非共鳴波はミラー２４を介して出ていく。このようにして非共鳴波を取り出すことにより、３つ全ての波の間の所望の位相同期が保持されることを保証するものである。下記の残りの説明において、非共鳴波はキャビティ１４から取り出されることを理解されたい。
【００１０】
それぞれの高エネルギーポンプ光信号１２（１２ａ、１２ｂ）は各結晶２０を通過する。これは、発振器の形状のみならずミラー２２、２４、および２６の特性により部分的に達成される。各高エネルギーポンプ光信号１２は対応する結晶２０が位置する軸に沿って方向付けられ、ミラー２２、２４、および２６は、各高エネルギーポンプ光信号１２がただ一つの結晶２０をポンプするのに使用されるように、高エネルギーポンプ光信号１２の入力カップリングのみならず劣化ポンプ光信号１８の出力カップリングの両方を提供する。そのため、高エネルギーポンプ光信号１２ａは、例えば、エンドミラー２２と結晶２０ａを通過し、劣化ポンプ光信号１８ａとして結晶２０ａから出ていき、その後、内部ミラー２６を通してキャビティ１４から出ていく。同様に、高エネルギーポンプ光信号１２ｂは内部ミラー２６および結晶２０ｂを通過し、劣化ポンプ光信号１８ｂとして結晶２０ｂから出ていき、その後、エンドミラー２４を通してキャビティ１４から出ていく。
【００１１】
種々のＯＰＡ結晶２０のいずれも利用することができる。一般クラスとしては、位相整合材料、および、いわゆる「疑似位相整合」すなわちＱＰＭ材料が挙げられる。ＱＰＭ結晶は、「周期的分極」タイプであってよく、および／または、ニオブ酸リチウムなどの種々のＯＰＡ材料を用いることができる。
【００１２】
図３は、３つの脚（ａ、ｂ、およびｃ）を用いる「Ｕ」字状構成である光キャビティ１４の一実施形態１４−２を示す。この方法は、独立してポンプされた結晶２０をそれぞれが有する任意数の脚に拡張できることが理解されるであろう。構成は、図２および図３などのように二次元、または、別の実施形態では三次元にすることができる。
【００１３】
図４は、高エネルギーポンプ光信号１２の生成用に「波面分割」と呼ばれる技術を用いる図１の発振器の一実施形態を示す。単一の比較的高出力なポンプ光信号３０が、ポンプ光信号３０の幅にわたって互いにオフセットされる一連のミラー３２（３２ａ〜３２ｃとして示す）に入射される。各連続ミラー３２は、ポンプ光信号３０の波面の対応部を反射して、対応する高エネルギーポンプ光信号１２（例えば、信号１２ａはミラー３２ａ等により生成される）を生成する。ミラー３４（３４ａ〜３４ｃとして示す）は、各高エネルギーポンプ光信号１２が対応する光パラメトリック装置３６を通して方向決められるように、ポンプビーム１２および１８を反射しながら、キャビティ内に光エネルギー２８を透過するように作動し、劣化ポンプ光信号１８ａ、１８ｂは、対応する装置３６から出た後、キャビティの外に方向付けられる。
【００１４】
図４はまた、１つの脚（図４で最左の脚「ａ」）が光パラメトリック発振器として構成される光パラメトリック装置３６ａを含む全体の発振器の構成を示すが、連続下流の脚（図４で「ｂ」および「ｃ」）において、光パラメトリック装置３６は、光パラメトリック増幅器のみ（図２および図３の実施形態と同様に）として構成される。各光パラメトリック装置３６は、結晶２０などの１つ以上のＯＰＡ結晶（図示せず）を含み、光パラメトリック発振器として構成された光パラメトリック装置３６ａはミラーおよび／または振動の維持に寄与する他の構成要素（図示せず）を含むことが理解されるであろう。
【００１５】
図５および図６は、発振器１４−１および１４−２の直線状または「定在波」アーキテクチャに対してリングアーキテクチャを用いる別の発振器１４−３および１４−４をそれぞれ示す。所望の振動光エネルギー２８は、発振器光信号１６がミラー２６の１つを介して出ていく、時計方向の循環を示す。各発振器１４−３および１４−４において、コリメート（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）ビーム拡大器３８は非ポンプ脚に利用される。
【００１６】
図７は、ポンプ光源１０、すなわち、リング型の不安定なキャビティレーザーの一実施形態１０−１を示す。図４の波面分割方法と対照的に、図示の光源１０−１は、「振幅分割」を用い、すなわち、単一ポンプビームの別々の振幅成分として高エネルギーポンプ光信号１２を得る。ＮｄＹＡＧ結晶（ＮｄＹＡＧ）４０は脚の１つにレーザー要素として用いる。Ｑスイッチ、偏光子、および波長板（４２と総称）を別の脚に設け、コリメート用（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ）ビーム拡大器４４をさらに別の脚に設ける。３つのコヒーレントな高エネルギーポンプ光信号１２（１２ａ〜１２ｃ）がそれぞれ部分的に透過するミラー４６（４６ａ〜４６ｃ）を介して取り出される。
【００１７】
本発明の種々の実施形態について特に記載および説明してきたが、当業者には、本発明の精神および範囲から逸脱せずにその中で形態および詳細における種々の変形を添付の特許請求の範囲で定義されるように実施できることが理解されるであろう。
【００１８】
例えば、上記の実施形態では、内部ビームステアリング用にミラー２６および３４などのミラーを用いているが、別の実施形態では、例えば、プリズム、回折素子等を含み得る、別の種類の光学素子を用いることができることが理解されるであろう。他の変更も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態によるマルチポート式光パラメトリック発振器のブロック図である。
【図２】図１の光パラメトリック発振器における光キャビティの一実施形態の概略図である。
【図３】図１の光パラメトリック発振器における光キャビティの一実施形態の概略図である。
【図４】図１の光パラメトリック発振器の一実施形態の概略図である。
【図５】図１の光パラメトリック発振器における光キャビティの他の実施形態の概略図である。
【図６】図１の光パラメトリック発振器における光キャビティの他の実施形態の概略図である。
【図７】図１の光パラメトリック発振器におけるポンプ光源の一実施形態の概略図である。
【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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【国際調査報告】
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