(57)【要約】【課題】従来の中赤外レーザーは高出力であるが波長可変性が無いという欠点がある。又、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という欠点が有った。【解決手段】本発明は、光パラメトリック発振器内に差周波混合結晶を配置して赤外光源を構築する際、擬似位相整合技術を用いて各結晶の波長分散関係と温度膨張を考慮して分極反転周期をデザインする事で、位相整合の温度幅を大幅に拡大する事が可能であり、高出力化と波長可変性が同時に得られる。本技術により広い波長可変性を有し、かつ、高出力の赤外光源の構築が可能とした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外コヒーレント光源において、パラメトリック発生部と差周波混合部を同一結晶中にモノリシックに作製した共振器内差周波混合部と、該結晶温度を同時に調整する温度調節部とを持つ事を特徴とする赤外コヒーレント光源。
【請求項２】
前記パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOと前記差周波混合部の分極反転周期ΛDFGとを、所望の高効率発振が得られる関係にて決定した事を特徴とする請求項１記載の赤外コヒーレント光源。
【請求項３】
前記所望の高効率発振が得られる関係とは、パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOをパラメータとした、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの温度依存性より、所望の高効率発振が得られる関係にて温度領域で両曲線の差の絶対値が一定以下となるパラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOと差周波混合部の分極反転周期ΛDFGとを得るようにした事を特徴とする請求項１乃至２記載の赤外コヒーレント光源。
【請求項４】
前記所望の高効率発振が得られる関係にてパラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOをパラメータとした、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの各曲線を温度で微分した温度依存特性図より、各曲線の交点を得る温度において位相のずれ曲線Δk=ks-ki-kdと波数の補償曲線2π/ΛDFGの差がπ/Lとなる（ここでLは差周波混合部の結晶長）ようにした事を特徴とする請求項１乃至３の内一記載の赤外コヒーレント光源。
【請求項５】
前記共振器内差周波混合部に周期分極反転可能な非線形光学結晶を用いた事を特徴とする請求項１乃至４の内一記載の赤外コヒーレント光源。
【請求項６】
前記周期分極反転可能な非線形光学結晶が、MgOドープCLN
（酸化マグネシウム添加 溶融点一致 ニオブ酸リチウム）、SLN（定比組成 ニオブ酸リチウム）、MgOドープSLN （酸化マグネシウム添加 定比組成 ニオブ酸リチウム）、CLT（溶融点一致
チタン酸リチウム）、SLN（定比組成 チタン酸リチウム）、MgOドープCLT （酸化マグネシウム添加 溶融点一致 チタン酸リチウム）、MgOドープSLT （酸化マグネシウム添加
定比組成 チタン酸リチウム）およびKLN  (ニオブ酸ポタシウムリチウム)の内の一である事を特徴とする請求項５記載の赤外コヒーレント光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光出力かつ波長可変の赤外光源を実現するための技術である。より具体的には本発明は、擬似位相整合による共振器内差周波混合を用いて、高効率な中赤外光を発生する際に、波長可変の広帯域化における、擬似位相整合結晶の周期分極反転構造制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーは発振材料を固体・気体・液体と広げることにより、その発振波長を真空紫外域から、紫外、可視、赤外をへて遠赤外域まで拡大し、現在、レーザーは可干渉性、高指向性、高集光性、単色性など、その優れた特長により通信・計測・医療などの幅広い分野で応用されている。特に、中赤外領域(3mm~30mm)と呼ばれる光の波長は、分子の振動に一致するため、医療・生体計測・環境計測などの応用が期待されている。この中赤外光を発生する光源としては、気体レーザーや固体レーザー等があるが、発振波長が固定であることが弱点である。そこで波長可変技術として非線形光学効果を用いる光パラメトリック発振（Optical
Parametric Oscillation：OPO）が注目される。
【０００３】
ところが、パラメトリック過程においてSignalとIdlerの初期値がなければ効率良く発振しない。そこで、パラメトリック過程で得られた出力を共振器を組んでフィードバックさせることにより発振を行う。ここで、出力光に対して高反射のミラーにより共振器を組むことで、高効率に出力光が得られることが考えられるが、実際にはOPOの効率はManley-Rowe則とバックコンバージョンにより制限されてしまう。このことにより、OPOでは高強度のPumpによる高出力化に限界が生じる。
【特許文献１】特開２００２−３０３９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記課題を解決し、位相整合の温度幅を大幅に拡大し、波長可変性を持った高出力赤外光源を構築する事を可能とする。従来の高出力赤外レーザーでは波長可変性が得られず、また、従来の波長可変赤外光パラメトリック発振器では高出力化が難しいが、本発明により高出力化と波長可変性が同時に得られる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、赤外コヒーレント光源において、パラメトリック発生部と差周波混合部を同一結晶中にモノリシックに作製した共振器内差周波混合部と、該結晶温度を同時に調整する温度調節部とを持つ事により、高出力化と波長可変性が同時に得られる事を特徴とする赤外コヒーレント光源が得られる。
【０００６】
また、本発明によれば、前記パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOと前記差周波混合部の分極反転周期ΛDFGとを、所望の高効率発振が得られる関係にて決定することにより高出力化と波長可変性が同時に得られる事を特徴とする赤外コヒーレント光源が得られる。
【０００７】
また、本発明によれば、前記所望の高効率発振が得られる関係を、パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOをパラメータとした、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの温度依存性より、所望の高効率発振が得られる関係にて温度領域で両曲線の差の絶対値が一定以下となるパラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOと差周波混合部の分極反転周期ΛDFGとを得るようにすることにより高出力化と波長可変性が同時に得られる事を特徴とする赤外コヒーレント光源が得られる。                  
【０００８】
また、本発明によれば、前記所望の高効率発振が得られる関係を、パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOをパラメータとした、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの各曲線を温度で微分した温度依存特性図より、各曲線の交点を得る温度において位相のずれ曲線Δk=ks-ki-kdと波数の補償曲線2π/ΛDFGの差がπ/Lとなる（ここでLは差周波混合部の結晶長）ようにすることにより高出力化と波長可変性が同時に得られる事を特徴とする赤外コヒーレント光源が得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、前記共振器内差周波混合部に周期分極反転可能な非線形光学結晶を用いることにより高出力化と波長可変性が同時に得られる事を特徴とする赤外コヒーレント光源が得られる。さらに、具体的には、前記周期分極反転可能な非線形光学結晶を、CLN（溶融点一致
ニオブ酸リチウム）、MgOドープCLN （酸化マグネシウム添加 溶融点一致 ニオブ酸リチウム）、SLN（定比組成 ニオブ酸リチウム）、MgOドープSLN （酸化マグネシウム添加
定比組成 ニオブ酸リチウム）、CLT（溶融点一致 チタン酸リチウム）、SLN（定比組成 チタン酸リチウム）、MgOドープCLT （酸化マグネシウム添加 溶融点一致
チタン酸リチウム）、MgOドープSLT （酸化マグネシウム添加 定比組成 チタン酸リチウム）およびKLN  (ニオブ酸ポタシウムリチウム)の内から選ぶことにより高出力化と波長可変性が同時に得られる事を特徴とする赤外コヒーレント光源が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に関わる擬似位相整合デバイス設計方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１１】
本発明は、擬似位相整合による共振器内差周波混合を用いて、高効率な中赤外光を発生する際に、波長可変と広帯域化が、擬似位相整合結晶の周期分極反転構造を制御することで実現できることを明らかにした。この結果、差周波混合による位相整合がラフな温度制御で実現できる。以下、本発明に係る周期分極反転構造周期のデザインによる位相整合について詳細に説明する。
【００１２】
図1は、本発明の根幹となる共振器内差周波混合部の原理を説明する図である。図1（a）は、共振器内差周波混合デバイスを模式的に示し、図1（b）は、共振器内差周波混合における非線形波長変換の関係をエネルギーダイアグラムで示している。共振器内差周波混合デバイスは、共振器内にパラメトリック発生部（ＯＰＯ）と差周波混合部（ic‐ＤＦG）を配置した構造であり、共振器はパラメトリック発生部で発生されるシグナル波λsに対して共振する。共振器内差周波混合デバイスにポンプ波λpを入射すると、ポンプ波λpからシグナル波λsとアイドラ波λiが発生される。
【００１３】
この時、ポンプ波λpの周波数wpとパラメトリック発生部で発生するシグナル波λsの周波数wsおよびアイドラ波λiの周波数wiの関係は（1）式で与えられる。
wp=ws+wi （1）
【００１４】
パラメトリック発生部で発生したシグナル波λsとアイドラ波λiを差周波混合部で結合させる事により、差周波λdが発生される。この時、シグナル波λsの周波数wsおよびアイドラ波λiの周波数wiと差周波λdの周波数wdの関係は（2）式で与えられる。
wd=ws-wi （2）
【００１５】
共振器内差周波混合デバイスを擬似位相整合結晶を用いて構築する場合、パラメトリック発生部における位相整合条件は（3）式で与えられる。
ΔkOPO=kp-ks-ki-2π/ΛOPO （3）
（ΔkOPOはパラメトリック発生部における位相不整合、kpはポンプ波λpの波数、ksはシグナル波λsの波数、kiはアイドラ波λiの波数、ΛOPOはパラメトリック発生部に使用する擬似位相整合結晶の周期分極反転周期）
【００１６】
同様に、差周波混合部における位相整合条件は（4）式で与えられる。
ΔkDFG=ks-ki-kd-2π/ΛDFG （4）
（ΔkDFGは差周波混合部における位相不整合、kdは差周波λdの波数、ΛDFGは差周波混合部に使用する擬似位相整合結晶の周期分極反転周期）
【００１７】
図2は、パラメトリック発生部に周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶（Periodically Poled Lithium Niobate: PPLN）を用い、ポンプ波λpとしてNd:YAGレーザーの基本波（1064
nm）を使用した時の、パラメトリック発生部で発生されるシグナル波λsとアイドラ波λiの波長を示す図である。
【００１８】
パラメトリック発生部における波長変換は（1）式と（3）式が同時に満たされたときに高効率で行われる。発生するシグナル波λsとアイドラ波λiの波長は、結晶の持つ波長分散と擬似位相整合による位相整合条件の補償分2π/ΛOPOによって決定される。結晶の持つ波長分散関係は温度の関数である事と、擬似位相整合結晶の熱膨張によりパラメトリック発生部の結晶の分極反転周期ΛOPOは温度とともに変化する事により、パラメトリック発生部で発生されるシグナル波λsとアイドラ波λiの波長は温度の関数となる。
【００１９】
図3は、パラメトリック発生部にPPLNを用い、ポンプ波λpとしてNd:YAGレーザーの基本波（1064 nm）を使用した時の、差周波混合部で発生される差周波の波長λdとシグナル波の波長λsおよびアイドラ波λiの波長の関係を示す図である。差周波λdの波長は、パラメトリック発生部結晶の分極反転周期ΛOPOと動作温度を決定する事で、（2）式に従って一意に決定される。
【００２０】
図4は、ΛOPO=28.9mmとしてパラメトリック発生部と差周波混合部を同一結晶中にモノリシックに作製し、結晶温度を同時に調整した場合の（温度調整部は図１には不図示）、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdの温度依存性を示した図である。
【００２１】
結晶をモノリシックに作製しパラメトリック発生部と差周波混合部を同時に温度制御する事で、機械的な結晶角度の調整や各々の温度を別々に制御する複雑さを避け、簡便で信頼度の高いデバイスを構築する事が可能となる。Δkの値はシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの3波の波長と結晶の持つ波長の分散関係で決まる。
【００２２】
擬似位相整合による位相整合は、Δkの値を差周波混合部の結晶の分極反転周期ΛDFGの波数成分2π/ΛDFGで打ち消す事によって満たされる。50℃、100℃、150℃、200℃で位相整合を取る場合に必要な差周波混合部の結晶の分極反転周期ΛDFGは、ΛDFG=2π/Δkで求めることが出来る。この際、結晶の熱膨張による分極差周波混合部の結晶の反転周期の変化を考慮して差周波混合部の結晶の分極反転周期ΛDFGを決定する必要がある。
【００２３】
図5は、パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPO=28.9mmとしてパラメトリック発生部と差周波混合部を同一結晶中にモノリシックに作製し、結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。2π/ΛDFGは、結晶の熱膨張のためわずかに傾きを持った曲線となり、この傾きは結晶の熱膨張の特性により決定される。
【００２４】
Δkと2π/ΛDFGの交点で、差周波混合部の位相整合条件ΔkDFG=ks-ki-kd-2π/ΛDFG=0となり、位相整合が満たされる。
【００２５】
図6（a）は、パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPO=28.9mmとしてパラメトリック発生部と差周波混合部を同一結晶中にモノリシックに作製し、結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部での位相整合条件ΔkDFG=ks-ki-kd-2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。差周波混合部の結晶の分極反転周期ΛDFGの設計により、任意の温度で位相整合を満たす事が可能である。
【００２６】
図6（b）は、パラメトリック発生部の結晶の分極反転周期ΛOPO=28.9mmとして、(1)パラメトリック発生部と差周波混合部を同時に温度制御、(2)パラメトリック発生部の温度を固定して差周波混合部の温度を制御、(3)差周波混合部の温度を固定してパラメトリック発生部の温度を制御した各場合の位相整合条件ΔkDFG=ks-ki-kd-2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。パラメトリック発生部と差周波混合部を同時に温度制御する事により、位相整合の取れる温度幅が拡大している。
【００２７】
図7は、パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOを28.9mmから29.6mmと変化させ、更に結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。シグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdは結晶の持つ波長の分散関係とパラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOの周期により、極小値を持つ曲線となる。一方、2π/ΛDFGは結晶の熱膨張のためわずかに傾きを持った曲線となるため、この2曲線は条件により交点を2点持つようになる。差周波混合部の位相整合条件ΔkDFG=ks-ki-kd-2π/ΛDFGは、この2曲線の差の絶対値が小さい時に満たされる。即ち、ΔkDFG=ks-ki-kd-2π/ΛDFGが広い範囲で小さなちとなるようにパラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOと差周波混合部の分極反転周期ΛDFGを設計すれば、広い温度域で位相整合を満たす赤外光源の構築が可能となる。
【００２８】
図8は、パラメトリック発生部の結晶の分極反転周期ΛOPOを28.9mmから29.6mmと変化させ結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdおよび、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの各曲線を温度で微分した図である。Δk=ks-ki-kdの温度微分曲線と2π/ΛDFGの温度微分曲線の交点により、Δk=ks-ki-kdと2π/ΛDFGの曲線の接点となる温度が求まる。
【００２９】
位相整合の取れる温度幅を最大にするためには、接点となる温度において位相のずれ曲線Δk=ks-ki-kdと波数の補償曲線2π/ΛDFGの差がp/Lとなれば、幾何学的に位相整合条件Δk=ks-ki-kd-2π/ΛDFGの値がp/L以下となる範囲が最大となる（ここでLは差周波混合部の結晶長）。この時、位相のずれ曲線Δk=ks-ki-kdは結晶の分散関係とパラメトリック発生部の結晶の分極反転周期ΛOPOにより決定される値であるが、曲線2π/ΛDFGは周波数混合部の結晶の分極反転周期ΛDFGによって調整可能であるため、上記の幾何学的関係を満たすパラメトリック発生部の結晶の分極反転周期ΛOPOと周波数混合部の結晶の分極反転周期ΛDFGの設計が可能となる。
【００３０】
図9は、パラメトリック発生部の結晶の分極反転周期ΛOPOを29.5mmとした場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。差周波混合部の結晶長を20mmとした場合、p/L=157m-1であり、Δk=ks-ki-kdと2π/ΛDFGの2曲線の接点となる温度において、この2曲線の差が157m-1となる周波数混合部の結晶の分極反転周期ΛDFGは33.75mmである。この時、9図に示すように2曲線の差が157m-1となるとなる温度範囲が最大となり、位相整合が満たされる温度幅が最大になる。
【００３１】
図10は、位相整合条件の温度依存性を示した図である。位相整合の満たされる温度幅が最大になるように最適化された設計と従来技術により設計した位相整合条件を比較すると、本技術により設計されたパラメトリック発生部の結晶の分極反転周期ならびに周波数混合部の結晶の分極反転周期を用いたものは、大幅に位相整合温度幅が拡大している。差周波混合部の結晶長を20mmとした場合のp/L=157m-1となる温度幅は、従来技術により設計した場合ではそれぞれ9℃、14℃、25℃であるのに対し、本技術による設計方法を用いた場合では137℃にも拡大する。この結果、共振器内差周波混合による赤外光の出力の増加と共に波長可変域を大幅に増大できる。
尚、本実施例の説明では、共振器内差周波混合部に周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶（Periodically Poled  Lithium Niobate: PPLN）を用いたが、これに限ることは無い。分極反転可能な非線形光学結晶であっても同様の効果を得ることができ、例えば、MgOドープCLN
（酸化マグネシウム添加 溶融点一致 ニオブ酸リチウム）、SLN（定比組成 ニオブ酸リチウム）、MgOドープSLN （酸化マグネシウム添加 定比組成 ニオブ酸リチウム）、CLT（溶融点一致
チタン酸リチウム）、SLN（定比組成 チタン酸リチウム）、MgOドープCLT （酸化マグネシウム添加 溶融点一致 チタン酸リチウム）、MgOドープSLT （酸化マグネシウム添加
定比組成 チタン酸リチウム）、KLN  (ニオブ酸ポタシウムリチウム)であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明により中赤外波長変換量子効率が100%を越える3ミクロン帯広帯域波長可変光源を実現する事で、歯科医療用光源、分光計測用光源、大気観測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】
【００３３】
【図１】図1（a）は、共振器内差周波混合デバイスを模式的に示したもの。
【００３４】
図1（b）は、共振器内差周波混合における非線形波長変換の関係をエネルギーダイアグラムで示したもの。
【図２】パラメトリック発生部に周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶（Periodically Poled Lithium Niobate: PPLN）を用い、ポンプ波λpとしてNd:YAGレーザーの基本波（1064nm）を使用した時の、パラメトリック発生部で発生されるシグナル波λsとアイドラ波λiの波長を示す図である。
【図３】パラメトリック発生部にPPLNを用い、ポンプ波λpとしてNd:YAGレーザーの基本波（1064 nm）を使用した時の、差周波混合部で発生される差周波λdの波長とシグナル波λsおよびアイドラ波λiの波長の関係を示す図である。
【図４】ΛOPO=28.9mmとしてパラメトリック発生部と差周波混合部を同一結晶中にモノリシックに作製し、結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdの温度依存性を示した図である。
【図５】ΛOPO=28.9mmとしてパラメトリック発生部と差周波混合部を同一結晶中にモノリシックに作製し、結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。
【図６】図６（a）は、ΛOPO=28.9mmとしてパラメトリック発生部と差周波混合部を同一結晶中にモノリシックに作製し、結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部での位相整合条件ΔkDFG=ks-ki-kd-2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。図6（b）は、パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPO=28.9mmとして、パラメトリック発生部と差周波混合部を同時に温度制御、パラメトリック発生部の温度を固定して差周波混合部の温度を制御、差周波混合部の温度を固定してパラメトリック発生部の温度を制御した各場合の位相整合条件ΔkDFG=ks-ki-kd-2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。
【図７】パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOを28.9mmから29.6mmと変化させ結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。
【図８】パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOを28.9mmから29.6mmと変化させ結晶温度を同時に調整した場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの各曲線を温度で微分した図である。
【図９】パラメトリック発生部の分極反転周期ΛOPOを29.5mmとした場合の、差周波混合部でのシグナル波λsとアイドラ波λiおよび差周波λdの位相のずれΔk=ks-ki-kdと、擬似位相整合による波数の補償2π/ΛDFGの温度依存性を示した図である。
【図１０】位相整合条件の温度依存性を示した図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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