(57)【要約】【課題】本発明の目的は、単位長当たりの変換効率を大きく増加させることである。【解決手段】ガリウムヒ素のような非線形光学媒体の中に、直線上に入射された２つの単色波が、単色波を生成するために注入される。媒体は、３つの波が媒体中コヒーレンス長進めば、値がπである伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こし、および３つの波が媒体中を周期的距離を進むごとに値０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πで補償される伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こす。変換効率を大きく向上させるため、ジグザグの波の全内面反射の２つの連続する反射間の周期的距離は、コヒーレンス長より厳密に小さい。非常に短い材料の長さでの高い変換効率は、特に約１０μｍの波長を持ったハイパワーコヒーレント光学源を製造することを導く。【選択図】図１
2006309230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学媒体に交差して入射された１番目と２番目の同一直線上の単色波から３番目の単色波を生成する方法であって、
上記媒体は、３つの波が上記媒体中コヒーレンス長進めば、値がπである伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こし、および上記３つの波が上記媒体中を周期的距離を進むごとに値０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πで補償される伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こし、上記周期的距離はコヒーレンス長より厳密に小さいことを特徴とする３番目の単色波を生成する方法。
【請求項２】
上記３つの波は、上記非線形光学媒体の縁であり周期的距離より小さい厚さ分離れた平行な表面での上記３つの波の全内面反射による値０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πで補償された伝搬位相シフトを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記非線形光学媒体は、上記１番目と２番目の入射単色波に対して透明であり、上記３番目の単色波に対して透明な壁である囲いで取り囲まれた流体であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記周期的距離は、上記コヒーレンス長の約半分であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記１番目と２番目の入射単色波は、同じ波長を持つことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
単色波を生成するため、同一直線上に２つの入射単色波が注入される非線形光学媒体を含む波生成装置であって、
上記媒体は、３つの波が上記媒体中コヒーレンス長進めば、値がπである伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こし、および上記３つの波が上記媒体中を周期的距離を進むごとに値０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πで補償される伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こし、上記周期的距離はコヒーレンス長より厳密に小さいことを特徴とする波生成装置。
【請求項７】
上記非線形光学媒体は、上記非線形光学媒体での上記３つの波の全臨界反射角より大きい反射角で上記波が反射される２つの大きく平行な表面によって囲まれていること、および上記表面は、周期的距離と上記反射角のコサイン値の積に等しい厚さ分だけ離れていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
上記周期的距離は、上記コヒーレンス長の約半分であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
上記非線形光学媒体は半導体と強誘電性材料から選ばれていることおよび平板の形状であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
上記平板は約５０μｍより薄いことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
上記媒体内に上記２つの入射単色光を注入するためのプリズムと上記媒体から生成された単色光を抽出するためのプリズムとを含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１２】
上記媒体内に上記２つの入射単色光を注入するための回折格子結合器と上記媒体から生成された単色光を抽出するための回折格子結合器とを含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１３】
上記媒体内に上記２つの入射単色光を注入するための受光角錐と上記媒体から生成された単色光を抽出するための出力錐とを含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１４】
上記媒体内に上記２つの入射単色光を注入するための上記プリズムと回折格子結合器からの１つと上記媒体から生成された単色光を抽出するための上記プリズムと回折格子結合器からの他の１つとを含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形の光学特性を持った媒体中に注入された同一直線上の２つの入射単色波の相互作用による単色波のパラメトリック生成に関する。
【０００２】
本発明の応用分野のひとつはスペクトラムのバンドIIIである。つまり、波長が８μｍと１２μｍの間に含まれ、この領域に対しては、適合することができる少数のコヒーレンス源は、現在量子カスケードレーザのような半導体レーザから構成されている。
【０００３】
それにも関わらず、光パラメトリック生成は、たとえ不足している材料を要求していても、前途有望な研究範囲を提供する。
【背景技術】
【０００４】
したがって、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）またはりん化インジウム（ＩｎＰ）のような、電気産業界の通常の半導体は、スペクトラムのバンドI、つまり、波長が１μｍと３μｍの間に含まれている、からバンドIIIへの光放射のパラメトリック変換のためのよい候補となる。実際、前に述べた半導体は、
（i）光学材料の中で最も大きい非線形効率準位を示す。
（ii）非常に広い範囲の透明分光領域、つまり分光整合を持つ。例えば、ＺｎＳｅでは０．５μｍから２０μｍまでを持つ。
（iii）非常に進んだ技術から恩恵を受け、マイクロエレクトロニクス技術から受け継がれている。
（iv）世界市場で容易に手に入れることができ、通商停止の影響を受けない。
（v）潜在的に高価でない。
【０００５】
それらの材料は、それにも関わらず、等方性であり、自然複屈折による任意の位相整合のシナリオを妨げる。この制限を解決するため、非特許文献１は、効率的な変換を実行する擬似位相整合（Quasi-Phase Matching : QPM）と呼ばれる別の手段を提案している。ＱＰＭは、人工的かつ周期的に追加的な位相シフトを加えることによって、屈折率による波伝搬位相シフトを補償することからなる。この周期的な波の再位相は、周期的な距離の後に課され、この距離は波ごとに材料に沿った部分を定める。それらの部分は個々に変換効率を最大化し、コヒーレンス長の奇数倍に等しい長さを持つ。
【０００６】
非特許文献２によれば、擬似位相整合ＱＰＭは非線形媒体の中の全内面反射に頼っている。それぞれの波が反射の際に受けている位相シフトは、非線形光学材料の中の伝搬による位相シフトを補償する。位相整合は、“フレネル複屈折”と呼ばれるものによって得られる。それぞれの波は、その周波数およびその偏光に個々に依存する位相シフトを受けるからである。非線形光学材料の平板の表面での２つの“反射”の間の距離は、いつも、共鳴ＱＰＭに対するコヒーレンス長の奇数倍に厳密に等しく選ばれるか、２つの連続する反射の間の各基本部分での変換を最大限にするため非共鳴ＱＰＭに対するコヒーレンス長の奇数倍に近く選ばれる。出力上で生成された波は、それゆえ全ての波の個々の寄与による建設的な干渉の結果である。
【０００７】
ＱＰＭでの波長変換器の変換効率ηは、再位相の回数Ｎの二乗に比例し、それゆえ全内面反射によりＱＰＭの場合、反射数に比例する。つまり、交差した材料の厚さにも関わらず、η∝Ｎ２である。それにもかかわらず、ＱＰＭの変換効率には制限が残る。最もよい場合、指定の材料の長さに対し、変換効率は、例えば自然複屈折で得られる完全位相整合ＰＰＭで許される効率の４０％を超えることはできない。
【０００８】
【非特許文献１】J.A.Armstrong et al “Interactions between Light Waves in a Nonlinear Dielectric”,Physical Review,Vol.127 No.6,P.1918〜P.1939,September 15,1962
【非特許文献２】R.Haidar et al “Fresnel phase matching for three-wave mixing in isotropic semiconductors”,Journal Optical Society of America,Vol.21,No.8,P.1522〜P.1534,August 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、単位長当たりの変換効率を大きく増加させることである。予想された考えとは逆に、この目的は、２つの連続する反射間の各基本部分の変換効率を最大化することによって、必ずしも実現されない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
したがって、非線形光学媒体に交差して入射された１番目と２番目の同一直線上の単色光から３番目の単色光を生成する方法が提供され、媒体は、３つの波が媒体中コヒーレンス長進めば、値がπである伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こし、および３つの波が媒体中を周期的距離を進むごとに値０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πで補償される伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こす。この方法は、周期的距離はコヒーレンス長より厳密に小さいことで特徴づけられる。
【００１１】
下でみるように、コヒーレンス長は、３つの波間の相互作用が建設的であり、それゆえ変換効率が増加している非線形光学媒体内部内の距離である。本発明によれば、３つの波間の伝搬位相シフトは、非線形光学媒体の縁であり周期的距離より小さい厚さ分離れた平行な表面上での３つの波の全内面反射によって値０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πに補償される。
【００１２】
本発明による位相整合は、それゆえ２つの連続する反射間の周期的距離がコヒーレンス長の分数であるという意味で“分数的”である。例えばコヒーレンス長の約半分である。このことは、等方性または異方性の非線形光学媒体の線形変換効率の増加を導き、完全位相整合によって得られる変換効率に比較できるほどにする。周期的距離の低い値は、よりよい変換効率を容易にする。本発明は、指定の媒体に対して完全位相整合の変換効率に比較できる線形変換効率を得ることを許し、この変換効率は通常の疑似位相整合の変換効率より常に大きい。典型的な線形変換効率は、疑似位相整合ＱＰＭで得られる値の２倍に達する。
【００１３】
本発明による分数位相整合に帰因する線形効率の増加は、材料の線形変換効率に依存するハイパワーコヒーレント光源の製造に関係する重要な利害関係を満たす。光学パラメトリック生成から、注目に値し、より効果的な光学パラメトリック振動に移るため、実際可能な限り短い材料長で強い変換効率を得ることが必要である。スペクトラムのある範囲内の波、例えば波長が１０マイクロメータであるバンドIII、を生成するための通常の疑似位相整合ＱＰＭ技術によって得られる効率は、一般的にまだ弱いままである。本発明による分数位相整合はこの制限を解決することを許す。
【００１４】
本発明は、本発明の方法を実行する波生成装置にも関する。それは、単色波を生成するため同一直線上に２つの入射単色波が注入される非線形光学媒体を含んでいる。この媒体は、３つの波が上記媒体中コヒーレンス長進めば、値がπである伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こし、および３つの波が媒体中を周期的距離を進むごとに値０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πで補償される伝搬位相シフトを３つの波間に引き起こす。波生成装置は、周期的距離がコヒーレンス長より厳密に小さいことで特徴づけられる。
【００１５】
半導体平板のような非線形光学媒体は、約５０μｍより小さい厚さを持つことができ、２つの大きく平行な表面によって囲まれることができる。この表面間で波は、非線形光学媒体中の３つの波の全臨界反射角より大きい反射角で反射され、この表面間は周期的距離と反射角のコサイン値の積に等しい厚さ分だけ離れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の他の特徴と効果は、対応して添えられた図面を参照し、無制限の例による本発明の複数の好ましい実施形態の次の記述を読むことから明らかになる。
【００１７】
図１に示されている本発明の好ましい実施形態によれば、単色波生成方法を実行する波長変換器は、薄い平板Ｐの形状の中に、非線形光学媒体として等方性または異方性、光学または電気光学材料Ｍを含んでいる。
【００１８】
知られているように、同一直線上に入射された波長λ１とλ２である単色の電磁波Ｏ１とＯ２は、波注入機構ＩＮを通過して波長変換器の入力端で注入される。その後、波Ｏ１とＯ２は、波長λ３である３番目の単色電磁波Ｏ３を形成するため、変換器の中を波長の組み合わせ分協同し非線形の手法で相互作用している。最終的に、波Ｏ３は、波抽出機構ＥＸを通過して入力端の反対側の変換器の出力端から抽出され、フィルタリング機構ＦＩを使用して分離される。３番目の波Ｏ３は、３つの波が非線形材料Ｍ中を進むとき、他の２つの波Ｏ１とＯ２と同一直線上にある。周波数Ｆ１＝ω１／２π＝ｋ１ｃ／（２πｎ１）、Ｆ２＝ω２／２π＝ｋ２ｃ／（２πｎ２）およびＦ３＝ω３／２π＝ｋ３ｃ／（２πｎ３）は、波長λ１、λ２、λ３に対応し、関係：Ｆ３＝Ｆ１±Ｆ２、つまりω３＝ω１±ω２が正しいことを確認する。ここで、ｋ１＝２πｎ１／λ１、ｋ２＝２πｎ２／λ２とｋ３＝２πｎ３／λ３は波ベクトルであり、ｎ１、ｎ２とｎ３は周波数Ｆ１、Ｆ２とＦ３に対する材料Ｍの屈折率であり、ｃは真空中の光速度である。
【００１９】
たとえば、波Ｏ１とＯ２は、２つのレーザ源から放射される赤外線に近い光線であり、それらの波長は１μｍと３μｍの間にあるλ１とλ２であり、波Ｏ３の波長λ３はスペクトラムのバンドIIIに含まれる。つまり、波長λ３は８μｍと１２μｍの間である。非線形光学材料Ｍは、例えばガリウムヒ素ＧａＡｓまたはセレン化亜鉛ＺｎＳｅのような等方性半導体、または複屈折強誘電体材料である。平板は、およそ数十から数百マイクロメータの一定の厚さｔを持っている。平板は、２つの大きく平行な面Ｆを持っており、その面は、大きな光学特性を有し、材料−空気（または、平板材料の屈折率より小さい屈折率である限り、その他の誘電体）の屈折率であるように構成される。波をひとつの“反射”Ｒから他の反射へジグザグに反射し、したがって材料Ｍの中で波注入機構ＩＮから波抽出機構ＥＸまで導くためである。波長変換が実行される平板Ｐは、それゆえそれぞれの波Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３に対してマルチモード導波路のように振る舞う。つまり、それぞれの波は、非線形光学材料Ｍ中の全反射の臨界角よりも大きな反射角で、大きな表面Ｆ上で完全に反射される。
【００２０】
実施形態の変形の中で、２つの同一直線上の単色電磁波を変換器の中で生成するため、１つ入射単色電磁波が、波注入機構ＩＮを通過して波長変換器の入力端で注入される。そしてそのすくなくとも１つは、変換器の出力端で抽出される。
【００２１】
本発明は上記で言及した波長値に限定されない。電磁波Ｏ１、Ｏ２とＯ３の波長値λ１、λ２とλ３は、可視領域を含む紫外線から赤外線のスペクトルバンドに、はっきり属することはない。推測により波長λ１、λ２とλ３は、それらの間で異なっている。それにもかかわらず、同一直線上の波Ｏ１とＯ２の波長λ１とλ２は同じであってもよく、波長λ３は、波長λ１とλ２の少なくとも一つより大きくまたは小さくできる。波長変換器は、それゆえ波長を減少させるまたは波を増加させることができる。
【００２２】
図１の図示の中で、波注入機構ＩＮと波抽出機構ＥＸは、薄い平板Ｐの斜めの端として表現されている。しかしながら、実際には波は、次の３つの形態の１つにより、注入され抽出される。
−図２に示されているような、平板Ｐａの表面の一つの端での入力連結プリズムＩＮａによる波Ｏ１とＯ２の注入と出力連結プリズムＥＸａによる波Ｏ３の抽出。これは、H.KOMINE “Quasi-phase-matched second-harmonic generation by use of a total-internal-reflection phase shift in gallium arsenide and zinc selenide plates”,Optics Letters,Vol.3,No.9,p661〜p663,May 1,1998の記事によっている。
−図３に示されているような、巨視的入力回折格子結合器ＩＮｂによる波Ｏ１とＯ２の注入と巨視的出力回折格子結合器ＥＸｂによる波Ｏ３の抽出。回折格子結合器は、次の記事に従い波形の領域を形成するため、平板Ｐｂの表面の１つの終端上での薄い層の陥入の結果として生じる。記事は、D.PASCAL et al.”Optimized coupling of a Gaussian beam into an optical waveguide with a grating coupler: comparison of experimental and theoretical results”, Applied Letters,Vol.36,No.12,p.2443〜p.2447,April 20,1997である。
−図４に示されているような、光ファイバへの光の注入に似た方法で、光線中の波Ｏ１とＯ２の事前の波形整形なしで、平板Ｐｃの受光角錐ＩＮｃの集束による波Ｏ１とＯ２の直接注入と出力錐ＥＸｃによる波Ｏ３の抽出。
【００２３】
本発明による波生成装置は、波長変換器の入力と出力での波注入機構ＩＮと波抽出機構ＥＸに関して、上記で言及した一対に制限されない。他の２つの例によれば、波生成装置は連結プリズムと回折格子結合器を含んでいる。１つは、入力で連結プリズムが非線形光学媒体Ｍのなかに２つの入射波を注入し、出力で回折格子結合器が媒体から生成される波を抽出するものであり、もう１つは、入力で回折格子結合器が媒体のなかに２つの入射波を注入し、出力で連結プリズムが媒体から生成される波を抽出するものである。
【００２４】
図１に戻って、出力波Ｏ３の強度Ｉ３の従属性は、次のような手法で書くことができる。その波は平板Ｐの非線形光学材料Ｍの中で、それぞれ強度Ｉ１とＩ２を持った２つの入射波Ｏ１とＯ２の相互作用の結果から生じ、波はその中を、波の反射Ｒの回数Ｎに対応する一定の波長ＬＰで伝搬している。ここで、それぞれの波のそれぞれの反射Ｒに対する全内面反射が損失なしであることを仮定しており、その結果それぞれの波Ｏ１、Ｏ２とＯ３に対して反射率は１に等しい。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
ここでＩ１、Ｉ２とＩ３は、それぞれ波Ｏ１、Ｏ２とＯ３の強度を意味し、
Ｚ０は、真空のインピーダンスであり（３７７オーム）、
ｄｅｆｆは材料Ｍの２次の非線形電気感受率であり、
Ｎは、指定の長さＬＰ＝ＮＤで定められた平板Ｐの内部の反射Ｒの数であり、
Ｄは、２つの連続する反射の間の距離であり、
Δｋは、３つの波の間の位相不整合であり、１番目の例は、波長を増加させる変換器でｋ１＞ｋ２≧ｋ３および、それゆえＦ１＞Ｆ２≧Ｆ３と仮定するとΔｋ＝（ｋ１−ｋ２−ｋ３）であり、２番目の例は、波長を減少させる変換器でｋ３＞ｋ２≧ｋ１および、それゆえＦ３＞Ｆ２≧Ｆ１と仮定すると、Δｋ＝（ｋ３−（ｋ２＋ｋ１））であり、
ΔΦは、２つの連続する反射Ｒの間で波が受けるΔｋＤ＋ΦＦ＋ｅπに等しい全位相シフトであり、ΦＦは、相互作用の中の３つの波の差分フレネル位相シフトで、上記の１番目の例では、ΦＦ＝ｆ１−ｆ２−ｆ３であり、上記の２番目の例ではΦＦ＝ｆ３−ｆ２−ｆ１であり、ここでｆ１、ｆ２とｆ３は、波Ｏ１、Ｏ２とＯ３の反射での位相シフトであり、およびｅは、全内面反射での係数ｄｅｆｆの可能な符号反転を表しており、つまり、符号が変化すればｅ＝１であり、そうでないときはｅ＝０となる。
【００２７】
マルチモード導波路として動作する平板Ｐのなかで、３つの波Ｏ１、Ｏ２とＯ３の導波と、それゆえ波Ｏ１、Ｏ２とＯ３の周波数Ｆ１、Ｆ２とＦ３でのモードの同時存在とを確実にするため、次の数式が満たされなければならない。
ｋ１Ｄ＋ｆ１＝０  ｍｏｄｕｌｏ  π、
ｋ２Ｄ＋ｆ２＝０  ｍｏｄｕｌｏ  π、
ｋ３Ｄ＋ｆ３＝０  ｍｏｄｕｌｏ  π、
上記の最初の２つの式は、２つの入射波Ｏ１とＯ２が異なった物理的性質、例えば異なったフレネル位相シフトを導く直交した偏光、を持つことができるということ思い起こさせる。
【００２８】
従来技術によれば、共鳴条件および周期距離Ｄ分離れた２つの連続する反射間の位相整合条件は、全体的位相シフトΔΦ＝ΔｋＤ＋ΦＦ＋ｅπに強制され、２つの反射間で波は２π倍だけ位相シフトを受ける。つまりΔΦ＝０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πになる。この条件の下で数式（１）による出力波Ｏ３の強度Ｉ３は、
【００２９】
【数２】
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となる。
【００３０】
それゆえ、出力波Ｏ３の強度Ｉ３は、反射Ｒの数の２乗の増加に従い、つまりＩ３∝Ｎ２であり、反射数が多くなると大きくなる。
【００３１】
本発明により最大化が期待される単位長での変換効率η＝Ｉ３／（Ｉ１Ｉ２）は、数式（２）から得られる。
【００３２】
【数３】
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は、例えば複屈折材料によって得られる完全位相整合ＰＰＭの変換効率を意味する。Ｄは波の２つの再位相間の距離である。距離Ｄは、全内面反射による擬似位相整合ＱＰＭの場合での２つの反射間の距離に対応し、またニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３のような強誘電材料での周期的領域反転によるＱＰＭの中の各“領域“の長さに対応している。これは、Martin M.FEJER et al,”Quasi-Phase-Matched Second Harmonic Generation: Tuning and Tolerances”,IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,Vol.28,No.11,p.2631〜p.2654 November 1992による。
【００３３】
標準の非線形光学および複屈折材料の中では、位相不整合ＤＰがあり、変換効率ηは、図５の点線で示されたような伝搬位相シフト周期Δｋ  ＬＰ＝Δｋ  ２Ｃ＝２πを持つ正弦波の形で変化する。Ｃ＝π／Δｋは、ある時間で、３つの波Ｏ１、Ｏ２とＯ３の間の干渉が建設的であり、変換効率が変曲点に向かって増加している半周期に対応しているコヒーレンス長であり、また他の時間で、３つの波Ｏ１、Ｏ２とＯ３の間の干渉が破壊的であり、変換効率が、それがゼロになるまで変曲点から減少している半周期に対応しているコヒーレンス長である。
【００３４】
擬似位相整合ＱＰＭの状況は、この伝搬位相シフトの周期的な補償によって得られる。人為的手法で、すべての２番目の半周期で領域反転は、単に３つの波Ｏ１、Ｏ２とＯ３間の一つの建設的な相互作用と、図５の中で実線で示されているように、Δｋ  Ｄ＝ｎπ、ｎは正の整数、の各変曲点の後の変換効率ηの増加と、を保つためだけに生成されることが可能である。例えば、従来技術によれば、人為的にπの位相シフトを加えるためおよび変換効率の増加を維持するため、１番目と２番目の反射の間、つまりＣ＝π／Δｋと２Ｃ＝２π／Δｋ、および３番目と４番目の反射の間、つまり３Ｃ＝３π／Δｋと４Ｃ＝４π／Δｋ、その他も同じ、高電圧が高誘電材料に印可される。従って数式（３）によれば、疑似位相整合ＱＰＭの変換効率は、値Δｋ  Ｄ／２＝π／２の伝搬位相シフトの時に達成される。つまりコヒーレンス長Ｄ＝Ｃの時になる。
【００３５】
同等の手法で、図１の中に図示されている平板Ｐの表面Ｆ上でのそれぞれの波の全反射に帰因するフレネル位相シフトΦＦは、伝搬位相シフトをリセットするため、各変曲点で追加的なπの位相シフトを加える。つまりπ＋π＝０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πになる。従って、３つの波Ｏ１、Ｏ２とＯ３がコヒーレンス長Ｄ＝Ｃまたはコヒーレンス長の奇数倍Ｃ，３Ｃ，５Ｃ等に等しい周期的距離を、材料中で通過するごとの非線形光学材料Ｍ中の伝搬による３つの波間の位相シフトΔｋ  Ｄ／２＝Δｋ  Ｃ／２＝π／２を補償するため、フレネル位相シフトは値０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πが許される。これは、上で言及したR.Haidar et alの記事のよっている。
【００３６】
本発明によれば、疑似位相整合で最大の効率に達することを試みる代わりに、波Ｏ１、Ｏ２とＯ３の２つの連続する反射Ｒ間の周期的距離は、コヒーレンス長Ｃより厳密に小さくなり、その結果、全反射または領域反転による２つの反射間の指定の領域上での数式（３）による変換効率ηは、Δｋ  Ｄ／２＝Δｋ  Ｃ／２＝π／２で変曲点に達しない。言い換えれば、本発明による変換効率は、従来技術の場合のようにその進行が逆になることや無効になることはなく、つねに伝搬位相シフトに従って増加する。本発明による技術は、“分数位相整合”（Fractional Phase Matching:FPM）と呼ばれる。距離Ｄがコヒーレンス長Ｃの分数、つまりＤ＜Ｃであるからである。本発明は、線形変換効率に関してそれぞれの部分に影響を与える。
【００３７】
従って、図５を参照して、本発明は、選ばれた位相シフト手順、例えばフレネル位相シフトΦＦが、πより厳密に小さい、つまりＤ＜Ｃ＝π／Δｋである伝搬位相シフトΔｋ  Ｄに追いつくという条件の下でのみ実現される。
【００３８】
数式（３）と図６に示されているように、２つの連続する反射Ｒ間の基本領域の長さを定義している周期的再位相距離Ｄが小さくなるほど、指定の材料Ｍの長さＬＰ＝ＮＤに対して、全変換効率は高くなる。距離Ｄが０に向かうとき、完全位相整合ＰＰＭの理想的状態が得られる。このとき、入射波Ｏ１とＯ２は、材料内のすべての軌道間で、生成された波Ｏ３と位相があったままであり、伝搬位相シフトは、それゆえ永続的に補償され、変換効率はもっとも良い増加程度、つまり光源の程度に固定したままである。しかしながら、完全位相整合は、手に入れることが容易でない複屈折材料の使用を要求する。
【００３９】
図７によれば、本発明の分数位相整合ＦＰＭによる変換効率は、コヒーレンス半波長Ｃに等しい周期再位相距離Ｄで約８０％に達している。ＱＰＭではコヒーレンス長が周期距離に等しい、つまり本発明の周期距離の２倍であることを別とすれば、ＦＰＭの効率はこのように疑似位相整合ＱＰＭの約４０％の変換効率より遙かに高い。
【００４０】
本発明による波生成装置は、平板Ｐの主要な表面Ｆの一つでの各反射Ｒが全内面反射であることを基にしている。フレネル位相シフトΦＦは、０から２π間のすべての値に達することができ、３つの波間の任意の伝搬位相シフトΔｋ  Ｄ（Ｄ＜Ｃ）を補償することができる。その結果それらの２つの位相シフトの合計は０  ｍｏｄｕｌｏ  ２πに等しくなる。
【００４１】
例として、同一の波長λ１とλ２、例えば基本周波数でＦ＝ω１／２π＝ω２／２π＝ω／２πに対応するλ＝１０．６μｍ、を持つ同一直線上の２つの入射単色電磁波Ｏ１とＯ２から、本発明の装置は、波長λ３＝５．３μｍの３番目の単色電磁波Ｏ３の周波数のような第２高調波２Ｆ＝２ω／２πを生成する。分数位相整合ＦＰＭと導波条件の共同した研究は、３つの別々の作動点を負わせる。それらは、波長変換器の中の平板Ｐの幾何学的特徴に変換される。好ましい例によれば、平板Ｐは、ガリウムヒ素ＧａＡｓのような、等方性半導体材料Ｍから作られている。コヒーレンス長
Ｃ＝π／Δｋ＝π／（ｋ３−２ｋ）＝１／（２ｎ３／λ３−４ｎ／λ）
は、約１００マイクロメータで具体的には８５．８３μｍであり、平板Ｐの最大の厚さｔは、約５０マイクロメータで典型的にはｔ＝４６μｍである。この厚さは、例えば平板の機械化学研磨で得られる。波Ｏ１（ω）、Ｏ２（ω）とＯ３（２ω）の偏光構成は、ｐｐｓである。つまり入射波Ｏ１とＯ２は入射平板に対して平行に偏光し、生成波Ｏ３は入射平板に直交に偏光している。３つの波Ｏ１（ω）、Ｏ２（ω）とＯ３（２ω）の全内面反射角ａは約１７．９°であり、３つの波Ｏ１（ω）、Ｏ２（ω）とＯ３（２ω）それぞれに対するガリウムヒ素の中の全反射臨界角よりも大きい。厚さｔはそれゆえ、周期距離Ｄと反射角ａのコサイン値の積に等しい。つまり、分数Ｄ／Ｃ＝ｔ／Ｃ（ｃｏｓ  ａ）は約１／２になる。
【００４２】
他の偏光構成ｓｓｓとｓｐｓ、またはｐｓｓに関して、それらの生成波Ｏ３は入射平板に直交に偏光しており、入射波Ｏ１とＯ２は入射平板に直交に偏光しているか、それぞれ入射平板に直交か平行に偏光している。また他の偏光構成ｓｓｐ、ｐｐｐとｓｐｐ、またはｐｓｐに関して、それらの生成波Ｏ３は入射平板に平行に偏光しており、入射波Ｏ１とＯ２は、入射平板に直交に偏光しているか、入射平板に平行に偏光しているか、それぞれ入射平板に直交か平行に偏光している。
【００４３】
本発明は、上記で記載した実施例に制限されなく、非線形光学媒体は、１番目と２番目の入力波Ｏ１とＯ２に透明である波長変換器入力端を提供する壁と３番目の生成波Ｏ３に透明である波長変換器出力端を提供する他の壁とである囲いで、光学的かつ非線形に取り囲まれた流体、液体または気体であることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による波生成装置の波長変換器の縦の部分の図解である。
【図２】本発明による１つの実施形態による波長変換器の波注入機構と波抽出機構を図示している。
【図３】本発明による１つの実施形態による波長変換器の波注入機構と波抽出機構を図示している。
【図４】本発明による１つの実施形態による波長変換器の波注入機構と波抽出機構を図示している。
【図５】波の周期的再位相の距離がコヒーレンス長に等しい疑似位相整合と位相不整合の場合の伝搬位相シフトと変換効率の関数グラフである。
【図６】さまざまな周期的再位相距離とコヒーレンス長の比の場合の非線形光学材料の長さの二乗と変換効率の関数グラフである。
【図７】周期的再位相距離と変換効率の関数グラフであり、本発明による分数位相整合による線形効率が顕著に増加していることを示すため、完全位相整合に対する割合を表している。
【符号の説明】
【００４５】
Ｐ  平板
ＩＮ  波注入機構
ＥＸ  波抽出機構
ＦＩ  フィルタリング機構
Ｆ  面
Ｍ  非線形材料
Ｐａ  平板
ＩＮａ  入力連結プリズム
ＥＸａ  出力連結プリズム
Ｐｂ  平板
ＩＮｂ  巨視的入力回折格子結合器
ＥＸｂ  巨視的出力回折格子結合器
Ｐｃ  平板
ＩＮｃ  受光角錐
ＥＸｃ  出力錐
【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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【外国語明細書】
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