(57)【要約】【課題】  高速に広帯域ランダム波長同調が可能で、同時に高出力な赤外光源を実現するための技術を提供すること。【解決手段】  光の波長を制御して出力できる励起光源を有し、該励起光源から出力された光を発振器に通過させることで、少なくとも赤外光領域の光の波長を制御して出力できるようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の波長を高速ランダム制御して出力できる励起光源を有し、該励起光源から出力された光を発振器に通過させることで、赤外光領域の光の波長を高速ランダム制御して出力することを特徴とする赤外光源。
【請求項２】
前記励起光源が、２つの結晶の角度を高速に変化させることで、出力される光の波長の制御を行い、前記発振器が、角度が固定された結晶を有していることを特徴とする請求項１に記載の赤外光源。
【請求項３】
前記励起光源が、ガルバノスキャナを用いて２つの結晶の角度を高速に変化させることで、出力される光の波長の高速ランダム制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外光源。
【請求項４】
前記励起光源が、波長が２μｍ帯域近傍の光を制御し、前記発振器が、波長が４．５〜１２μｍの範囲で選択的に波長を可変できる赤外光を出力することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の赤外光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パラメトリック発振器を用いた赤外光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
【非特許文献１】S.Haidar, K.Miyamoto, H.Ito, Optics Communications 241 (2004) 173.
【非特許文献２】K.L. Vodopyanov, P.G. Schunemann, Opt. Lett. 28 (2003) 441.
【非特許文献３】K.L. Vodopyanov, F. Ganikhanov, J.P. Maffetone, I. Zwieback, W. Ruderman, Opt. Lett. 25 (2000) 841.
【非特許文献４】D.E. Zelmon, E.A. Hanning, P.G. Schumemann, JOSAB. 18 (2001) 1307.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非線形光学効果を用いた光パラメトリック発振器は、角度同調や温度同調などにより波長変換を行ってきたが、ウォークオフ角やパスのずれにより変換効率が減少し、再現性も悪い。中赤外レーザーは高出力であるが波長可変性が無い。中赤外光パラメトリック発振器は波長可変性を有するが高出力を得る事が難しい。
【０００４】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、高速に広帯域ランダム波長同調が可能で、同時に高出力な赤外光源を実現するための技術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】
【０００５】
高速に波長同調制御が可能な励起波長制御による中赤外光源の開発。2つの結晶をガルバノスキャナを用いて制御することによる高速制御波長可変励起光源と中赤外用光パラメトリック発振器を組み合わせることにより、中赤外領域を広帯域にわたり高速波長同調が可能である。
【０００６】
励起光源を高速にチューニングする事で、中赤外域発振のための結晶角度チューニングが不要となり、格段に高速で再現性良い中赤外の発振波長制御が可能となる。励起光源の波長を1.9〜2.4&micro;mまで変化させると、ZGP-OPOからの中赤外光発生は5〜12&micro;mとなり、広帯域な中赤外光を励起波長チューニングにより高速同調できることが理論計算によりわかっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
Ｉ. 励起波長制御方式の提案
中赤外領域のエネルギーは、分子振動の伸縮振動や、変角振動に相当する。よって、分子特有の指紋スペクトル測定が可能となるため、ガスセンシングや生体分光、生物医学分野への応用が期待されている。筆者らは、これらの要求に応えるべく5〜10μm帯での高効率・高出力な中赤外光源の開発を行ってきている(非特許文献１）。
【０００８】
本研究ではこれまでの研究をさらに発展させ、高速波長同調可能な励起波長制御コヒーレント中赤外光源の提案(Ｉ)と、基本技術である高速波長制御可能な2μm帯励起光源(II)について報告する。これにより、中赤外領域を4.5〜12μmという広帯域を格段に高速で再現性良く発振波長制御が可能となる。
【０００９】
次にZGP-OPOについて説明する。ZGP(ZnGeP2)は、中赤外領域で優れた非線形光学結晶として光パラメトリック発振(OPO)に用いられる。しかし、1.064μmでは吸収が大きいためOPOの励起波長としては2μm以上が適している(非特許文献２〜３)。ZGP結晶の非線形光学係数は(deff=75pm/V)と大きく、また比較的高いレーザー損害しきい値(35MW/cm2)を有し(非特許文献３)、光学特性、機械的特性および熱的特性も優れている。
【００１０】
更に広帯域高速波長同調可能な中赤外光源について説明する。発明者らがこれまで開発を行ってきた、ZGP光パラメトリック発振器(ZGP-OPO)の概略図を図1に示す。1.064μm励起KTP-OPOからの2μmの出力を、ZGP-OPOの励起として用い、中赤外波長の同調はZGP結晶の角度変化で行い5.5〜9.3μmの出力を得ている（非特許文献１）。しかし、中赤外における光学材料・技術（結晶、コーティング等）は、近赤外領域のそれらにはるかに及ばないことからZGP-OPOでの機械的制御は望ましいものではない。
【００１１】
そこで、2μm帯励起波長を高速同調することによる中赤外光の波長同調を実現する、新方式のZGP-OPO中赤外光源の提案と設計を行った。新方式の広帯域高速波長同調可能なZGP-OPO中赤外光源の概略図を図2に示す。この方式は、ZGP-OPOの波長制御に励起波長同調を用いるというのが大きな特徴である。励起波長を高速に掃引することにより、中赤外領域を高速に広帯域に同調できる点で、従来型の中赤外光源とは全く異なり、これまでにない特徴を有した光源であるといえる。
【００１２】
シミュレーション結果および考察について説明する。図3はZGP-OPOの角度同調特性を励起波長をパラメータに計算した結果で、セルマイヤー方程式(非特許文献４)を用いて計算を行った。図中○印は非特許文献１でZGP結晶の角度を調整しながら得られた実験値であり、結晶の内部角を51.4°〜56°まで回転させることで、アイドラー光5.5〜9.3μmまでの中赤外光発生を励起波長2μmで実験的に確認している。
【００１３】
図4は、励起波長に対してZGP結晶の角度をパラメータにアイドラー波長をプロットしたものである。この結果をみてわかる通り、非線形光学結晶の角度を固定したまま、励起波長制御を行うだけで、中赤外光領域を広帯域に波長同調可能なことがわかる。一例として、ZGP結晶のカット角θ=52°のものを選択した場合を考える。この場合、励起波長を1.9〜2.3μmまで変化させることでZGP-OPOからの中赤外光領域を4.5〜12μmまで広帯域にわたって高速波長制御できることがわかる。
【００１４】
中赤外パラメトリック発振器を固定した状態で、励起光波長を制御することにより、中赤外域を同調できることを明らかにした。このための励起用KTP-OPOおよびZGP-OPOを準備して、実験を行い、実証する。
【００１５】
II. 高速同調中赤外OPO用励起光源の開発
発明者らはこれまで生物医学分野など医療応用の重要性が特に注目されている中赤外光領域を、KTP-OPOから発生するシグナル光(2μm帯)を励起光源として用いる2μm帯励起ZGP-OPOを構成し、中赤外光を効率よく発生させてきた(非特許文献１)。
【００１６】
「Ｉ.励起波長制御方式の提案」で述べたように励起波長制御による中赤外の波長同調を行う新しい方式の提案を行い、その実現を目的にしている。この際、高速に波長が制御できる励起光源があれば、中赤外領域をそれに対応して発生できることになる。従って、高性能な2μm付近の高速波長制御可能な光源の開発が不可欠である。
【００１７】
本研究では、2つのKTP結晶をガルバノスキャナを用いて角度制御を行う、高速励起波長制御可能な2μm帯励起光源の実現を目標に研究開発を行ったので、報告する。
【００１８】
次に実験装置について説明する。本研究で提案・設計を行っている2μm励起ZGP-OPO概略図を図１に示す。
【００１９】
2μm帯波長同調可能な励起光源として、KTP-OPOを用いる。高出力化と共に、ビーム位置の安定性を図るため逆方向に2つの結晶を配置し、それぞれをガルバノスキャナ(HDS LSA-20B-30-SP)を用いて高速角度制御できるシステムとした。
【００２０】
KTP-OPO用の励起光源としては、Nd:YAGレーザー(GCR290, 1.064μm, 8nsec, 30Hz)を用いている。ミラーM1(R=99%@2μm, T=90%@1.064μm)、M2(R=80%@2μm, T=90%@1.064μm)により構成されている共振器内に2つのKTP結晶が組み込まれている。KTP結晶1個の大きさは10×10×20mm、カット角θ=53°(xz平面)である。2つの結晶はドライバを介してガルバノスキャナによりコンピュータ制御されており、結晶角度を再現性よく精密にコントロールできる。また、2つの結晶を用いる事で、2μm帯を高効率・高出力での発振が可能である。
【００２１】
更に実験結果および考察について説明する。図６に、開発を行った2μm帯高速同調励起光源KTP-OPOの写真を示す。KTP-OPOにより得られた、入出力特性を図６に示す。得られた、シグナル光(2.01μm)の最高出力は52.3mJ/pulseであり、この時のNd:YAGレーザーのエネルギーは483.3mJ/pulseである。これは、従来型の2μm帯励起光源の約11倍である。発振しきい値も320mJ/pulse→133mJ/pulseと6割の改善がなされた。1.064μmから2.01μmへの変換効率は11%、量子効率は23%であった。またスロープ効率は17%であった。
【００２２】
次に、角度同調特性を図７に示す。理論曲線はセルマイヤー方程式(非特許文献４)をもとに計算したものである。2つのKTP結晶をガルバノスキャナにより精密に自動制御し、内部角を48.2°〜56.2°まで回転させる事で、シグナル光を1.87〜2.40μm、アイドラー光を1.94~2.45μmまで、高速に波長変換が可能であることを、実験的に確認した。
【００２３】
2つのKTP結晶をガルバノスキャナを用いて制御することにより、高速ランダム制御可能な波長可変励起光源を提案し、実現した。高精度ガルバノスキャナにより2つのKTP結晶の角度制御を実現する点が大きな特徴で、高速に波長同調が可能である。この光源を用いてZGP-OPOを励起することにより、4.5〜12μm帯の高速ランダム波長アクセスが可能な中赤外コヒーレント光源が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の活用例として、中赤外域を5〜12&micro;mという広帯域にわたり高速ランダム波長同調が可能な中赤外光源を実現することにより、医療用光源、生体分子分光計測用光源、ガスセンシング用光源といったプロダクツが予想される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】角度同調ZGP-OPOの概略図
【図２】新方式励起波長同調ZGP-OPOの概略図
【図３】角度同調ZGP-OPO特性
【図４】励起波長同調ZGP-OPO特性
【図５】2μm帯高速同調励起光源の概略図
【図６】2μm帯高速同調励起光源
【図７】2μm帯高速同調励起光源の入出力特性
【図８】2μm帯高速同調励起光源の角度同調特性
【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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