(57)【要約】      （修正有）【課題】赤外波長帯域でコンパクトかつ低消費エネルギーな光源を作製する。【解決手段】第１の光導波路上に配され入射される第１のポンプ光により励起されて第１の出射光を出射する第１の光ゲイン源１２と、前記第１の光導波路上に配され前記第１の光ゲイン源を励起するための第１のポンプ光を入射する第１のポンプ光源１９と、第２の光導波路上に配され第２のポンプ光を入射する第２のポンプ光源２０と、少なくとも前記第１の光ゲイン源を囲む一対の鏡面構造１１、１８がキャビティを形成するように配されてなる光共振器構造と、二つの基本波が入射されるとこれらと波長の異なる変換波に波長変換する波長変換構造１４と、前記第１の出射光と前記第２のポンプ光とから前記波長変換構造によって波長変換される変換波を透過させ前記第１の出射光及び前記第２のポンプ光を反射する性質を有するミラー構造体１５とを具備する。【選択図】図１
2011039224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光導波路上に配され入射される第１のポンプ光により励起されて第１の出射光を出射する第１の光ゲイン源と、
前記第１の光導波路上に配され前記第１の光ゲイン源を励起するための第１のポンプ光を入射する第１のポンプ光源と、
第２の光導波路上に配され第２のポンプ光を入射する第２のポンプ光源と、
少なくとも前記第１の光ゲイン源を囲む一対の鏡面構造がキャビティを形成するように前記第１及び第２の光導波路上に配されてなる光共振器構造と、
二つの基本波が入射されると少なくともそれら基本波の一部をこれらと波長の異なる変換波に波長変換する波長変換構造であって、前記光共振器構造内に配される構造と、
前記第１もしくは第２の光導波路上に配置されるミラー構造体であって前記第１の出射光と前記第２のポンプ光とから前記波長変換構造によって波長変換される変換波を透過させ前記第１の出射光及び前記第２のポンプ光を反射する性質を有するミラー構造体と
を具備することを特徴とする赤外光源装置。
【請求項２】
前記第２の光導波路上に配され前記第２のポンプ光源から入射される第２のポンプ光により励起されて第２の出射光を出射する第２の光ゲイン源を更に具備し、
前記ミラー構造体は、前記第１の出射光と前記第２の出射光とから前記波長変換構造によって波長変換される変換波を通過させ前記第１の出射光及び前記第２の出射光を反射する性質を有することを特徴とする請求項１記載の赤外光源装置。
【請求項３】
前記ミラー構造体を前記第１及び／もしくは第２の光導波路に対して斜角に配置したことを特徴とする請求項１もしくは２記載の赤外光源装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の光導波路は略同軸に形成されることを特徴とする請求項１もしくは２記載の赤外光源装置。
【請求項５】
前記光共振器構造内には、前記第１及び／もしくは第２の光導波路上に、特定の光を制限及び／もしくは制御するための分光装置を配したことを特徴とする請求項１もしくは２記載の赤外光源装置。
【請求項６】
前記分光装置、前記第１のポンプ光源、前記第２のポンプ光源の少なくとも一つを制御するための制御装置をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の赤外光源装置。
【請求項７】
前記光ゲイン源として、希土類元素添加結晶、希土類元素添加ガラス材料（希土類元素：Ｅｒ, Ｐｒ, Ｎｄ, Ｅｕ, Ｇｄ, Ｔｂ, Ｙｂの少なくとも一つを含む）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶（ＩＩＩ族：Ｇａ, Ｉｎ, Ａｌの少なくとも一つとＶ族：Ｐ, Ａｓ, Ｓｂ, Ｎの少なくとも一つとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶（ＩＩ族：Ｚｎ, Ｃｄ, Ｈｇの少なくとも一つとＶＩ族：Ｏ, Ｓ, Ｓｅ, Ｔｅの少なくとも一つとの組み合わせによる結晶材料）、色素材料、アルカリ金属添加結晶のうちの少なくともいずれかを用いたことを特徴とする請求項１もしくは２記載の赤外光源装置。
【請求項８】
前記波長変換構造として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３， ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の少なくとも一つ）、非線形光学結晶（ＢＢＯ, ＬＢＯ, ＫＤＰ, ＫＴＰ, ＫＴＡ結晶の少なくとも一つ）、カルコゲナイド結晶、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶（ＩＩＩ族：Ｇａ, Ｉｎ, Ａｌの少なくとも一つとＶ族：Ｐ, Ａｓ, Ｓｂ, Ｎの少なくとも一つとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶（ＩＩ族：Ｚｎ, Ｃｄ, Ｈｇの少なくとも一つとＶＩ族：Ｏ, Ｓ, Ｓｅ, Ｔｅの少なくとも一つとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＶ族半導体結晶（Ｓｉ, Ｇｅ, Ｃの少なくとも一つにより構成される結晶材料）のうちの少なくともいずれかを用いたことを特徴とする請求項１もしくは２記載の赤外光源装置。
【請求項９】
前記波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光の少なくとも一方としてパルスレーザー光を用いたことを特徴とする請求項１もしくは２記載の赤外光源装置。
【請求項１０】
前記波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光の少なくとも一方として一定間隔で発光するコム状の光を用いることで、請求項１もしくは２記載の赤外光源装置において前記変換波として得られるコム状のレーザー光を測定対象に向けて照射することを特徴とする精密測定装置。
【請求項１１】
前記波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光の少なくとも一方として一定幅の波長帯を有する波を用い、前記光ゲイン源として前記一定幅の波長帯の光に対して励起される材質を用いることで、請求項１もしくは２記載の赤外光源装置において前記変換波として得られるブロード状のレーザー光を測定対象に向けてスキャンする走査部と、前記スキャンされた光のうち少なくとも前記測定対象によって吸収された波長の部分を表示もしくは特定する吸収波長特定部とを具備することを特徴とする材質分析装置。
【請求項１２】
前記波長変換構造に入射される第１のポンプ光もしくは前記第１の光ゲイン源からの光の少なくとも一方として長波長光を用い、前記波長変換構造から得られる変換光として短波長光を得るのに十分な光を前記第２のポンプ光もしくは前記第２の光ゲイン源からの光の少なくとも一方として用いた請求項１もしくは２記載の赤外光源装置と、前記赤外光源装置から得られる赤外光を受光することができる受光器とを具備することを特徴とする長波長感知装置。
【請求項１３】
入射されるポンプ光により励起されて第１及び／もしくは第２の出射光を出射する第１及び／もしくは第２の光ゲイン源と、これら光ゲイン源を囲むように一対の鏡面構造が配されてキャビティを形成する光共振器構造と、二つの基本波が入射されると少なくともそれら基本波の一部をこれらと波長の異なる変換波に波長変換する波長変換構造とが光導波路上に配される赤外光源装置構造に、第１及び／もしくは第２のポンプ光源から第１及び／もしくは第２のポンプ光が導入される第１のステップと、
前記導入されたポンプ光によって前記第１及び／もしくは第２の光ゲイン源が励起されて第１及び／もしくは第２の出射光が出射される第２のステップと、
前記第１のポンプ光、前記第２のポンプ光、前記第１の出射光、前記第２の出射光のいずれか二つが前記波長変換構造に導入されて、少なくとも前記導入された二つの光の一部が波長変換されてこれらと波長の異なる変換波が出射されると共に前記波長変換されなかった光はそのまま前記波長変換構造を通過する第３のステップと、
前記光導波路上に配され一定の波長光のみを通過させそれ以外は反射する材料をもってなるミラー構造体に前記波長変換された変換波を通過させて該変換波を取り出すとともにそれ以外の光は反射させる第４のステップと
を具備する方法であって、
前記ミラー構造体を通過せずに反射された光が前記光共振器構造内に入り前記第１及び／もしくは第２の光ゲイン源をさらに励起して第１及び／もしくは第２の出射光を増幅し、この増幅された出射光が前記波長変換構造に導入されるように、前記第２のステップ乃至前記第４のステップを再帰的に繰り返すことで前記ミラー構造体を通過して取り出された変換波を所望のレーザー光として得ることを特徴とする赤外光の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば赤外光源装置及び赤外光の作製方法に係り、特に波長変換素子を用いた赤外光源装置及び赤外光の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長２〜１０ミクロン帯における赤外光は、分子計測や環境計測に広く利用される波長帯域である。この波長帯光源として、波長変換素子とポンプ光源を直線型光学配置することによる該当波長域での赤外光源が提案されている。たとえば、波長変換素子に対して、直線的に波長１ミクロン、１．５５ミクロンの２波長のポンプ光を入射し、その差周波発生にともなう波長３ミクロンの赤外光を発生する機構が提案されている。
【０００３】
しかしながらこの提案方法は、波長変換素子の一方向からポンプ光が入射されるために、波長変換に寄与しなかった光子のほとんどが捨てられる構成となっている。また、波長１．５５ミクロン帯光源として高出力・高温度特性の半導体素子はその開発が難しく、これをポンプ光として用いる波長２〜１０ミクロン光源ではその高輝度化が困難である。
【０００４】
たとえば、非特許文献１では、直線的に波長１ミクロン、１．５５ミクロンの２波長のポンプ光を入射し、そこで差周波発生にともなう波長３ミクロンの赤外光を発生する機構が提案されている。しかしながら、非特許文献１に開示される思想では、波長変換に寄与しなかった光子のほとんどが捨てられる構成である。
【０００５】
図９は、従来例の波長変換素子を利用した赤外光を発生する機構の構成を示すブロック図である。同図に示されるように、従来の赤外光発生の構造では、一つの光軸上に配置される一対のミラー１１及び１８で形成されるキャビティＣａｖ１内に光ゲイン材料１２を配置し、ポンプ光源１９から導入される光によって光ゲイン材料１２が励起されて出射される光をキャビティＣａｖ１内を往復させて増幅し、波長λｇ１の出力光を得る。同様に、別の光軸上に配置される一対のミラー１１Ａ及び１８Ａで形成されるキャビティＣａｖ２内に光ゲイン材料１７を配置し、ポンプ光源２０から導入される光によって光ゲイン材料１７が励起されて出射される光をキャビティＣａｖ２内を往復させて増幅し、波長λｇ２の出力光を得る。これら得られた２種類の、それぞれの波長をもった出力光を適宜光ファイバー３０を経由させて波長変換素子１４に導入すると、波長変換素子１４の差周波発生機能によって目的光である波長λ０のレーザー光を得ることができるとするものである。
【０００６】
しかし、この場合、波長変換素子１４の変換効率が高くないから、上記導入された出力光のうち、かなりの部分（同図の点線矢印を付したλｇ１、λｇ２の部分）が図示のように波長変換に寄与することなく、そのまま捨てられてしまっているのが現状である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｎ．Ｍａｔｓｕｏｋａ  ｅｔ  ａｌ．Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４０（２００１）Ｐｔ．１，Ｎｏ．２Ａ，ｐｐ．６２５−６２８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、波長変換素子を用いた赤外光源の発生技術として、これまでの直線型配置では、波長変換に用いられるポンプ光・信号光の光量子のほとんどが捨てられる構成であり、資源上、経済上、無駄があった。
【０００９】
本発明はこれら従来技術上の問題点を解決するためになされたもので、該当する赤外波長帯域でコンパクトかつ低消費エネルギーな光源を作製することを目的とする。本発明の別の目的は、共振構造による光子再利用機構を実現することである。本発明のさらに別の目的は、赤外光源作製の高効率化、とりわけ短波長半導体ポンプ光源利用による赤外光源作製の高効率化を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するために、本願に係る発明者らは、研究及び実験を重ねた結果、波長変換に必要な２種類のポンプ光発生機構の両方または一方を、波長変換素子および光フィルタ等の光学素子とともに同じ光共振器内に内在させ、２種類のポンプ光の両方または一方の光子を波長変換に再利用することで波長２〜１０ミクロン帯赤外光を発生させるという着想を得るに至った。この構成によれば、２種類のポンプ光の両方もしくは一方の光子を波長変換のために再利用でき、コンパクト、低消費エネルギー、高輝度な赤外光源の作製が可能となる。また共振器構造内にフィルタ等の光学素子を内在させることにより波長選択等の機能付加が可能である。
【００１１】
すなわち、本願の請求項１に係る赤外光源装置は、第１の光導波路上に配され入射される第１のポンプ光により励起されて第１の出射光を出射する第１の光ゲイン源と、前記第１の光導波路上に配され前記第１の光ゲイン源を励起するための第１のポンプ光を入射する第１のポンプ光源と、第２の光導波路上に配され第２のポンプ光を入射する第２のポンプ光源と、少なくとも前記第１の光ゲイン源を囲む一対の鏡面構造がキャビティを形成するように前記第１及び第２の光導波路上に配されてなる光共振器構造と、二つの基本波が入射されると少なくともそれら基本波の一部をこれらと波長の異なる変換波に波長変換する波長変換構造であって、前記光共振器構造内に配される構造と、前記第１もしくは第２の光導波路上に配置されるミラー構造体であって前記第１の出射光と前記第２のポンプ光とから前記波長変換構造によって波長変換される変換波を透過させ前記第１の出射光及び前記第２のポンプ光を反射する性質を有するミラー構造体とを具備して構成される。
【００１２】
上記構成によれば、波長変換構造が光共振器構造内に配されるため、キャビティの中で、光の発生、増幅、変換を行える。換言すれば、単なる波長変換では波長変換効率が良くないためにほとんどの光量子が無駄になっていた、つまり、波長変換されずに波長変換素子を単に通過するだけになっていたところ、本願によれば、波長変換構造にて波長変換されずに通過してしまった光量子はキャビティの構造によって再帰的に利用されて再度波長変換素子に導入される。これにより、光量子の無駄を排し、波長変換素子によって変換された波長をもつ目的光を効率よく得ることができる。また、キャビティ内を光量子が何度も往復することでより多くの原子が励起されて光が増幅されるとともにその位相・波長が揃えられて強力なレーザ光として、再度波長変換素子に導入されるので、波長変換素子によって変換されて得られる赤外光も強力なレーザ光とすることができる。
【００１３】
これまでの波長変換素子では、レーザー光として密度の高い光で周波数の異なる２つの光を波長変換素子に入射させていたところ、変換率の低さから、入射される高密度光のうち波長変換されなかったものは捨てられていた、というこれまでの欠点を補うことができる。本願ではこの高密度光を捨てるのではなく、キャビティ内で循環させて、さらなる光の増幅に用い、また、波長変換構造への再導入にも用いることで、光量子の良好なリユース（再利用）が達成される。なお、この場合、波長の大きさについては特に限定はないが、たとえば短波長の光を波長変換構造に導入する組み合わせを採用した場合には、半導体レーザー等の良好な結晶材料が存在するためもあり、波長変換効率は長波長の場合よりも高くなる。
【００１４】
上記において、波長変換構造とは、波長の異なる２つの光を入射するとそれに基づく波長の光を出射する構造をいい、たとえば、物質中で光が受ける非線形効果を利用してレーザー光の波長を変える（たとえば差周波もしくは和差周波を発生する）結晶、波長変換回路によってこれを実現する波長変換装置等によって実現されるが、波長変換機能が実現されるものであれば材質、機構に特に限定はない。
【００１５】
また、ポンプ光としては、コム光、ブロード光、パルス光等様々な形状、或いは波長、位相等を持つ光を想定することができる。また、これらポンプ光を発生するポンプ光源としては、たとえば発光能力を有する半導体（装置）、結晶等を採用することができるが、これらに限定されることはない。
【００１６】
また、ミラー構造体が一定の光を透過させて他の光を反射するという性質を持たせるには、たとえばかかる透過・反射性能を有する材料を選択することによってもよいし、あるいはこうした性質を有する素材を表面にコーティングすることによっても実現できる。
【００１７】
また、キャビティを形成するとは、ポンプ光は透過するが、ポンプ光によって励起された出射光は透過させず反射することで、出射光を一定区画（鏡面構造の対の間）に閉じ込めることで、出射光を往復させることを可能とする構造をいう。なお、より詳細には、第２のポンプ光を波長変換構造に入射される一方の光とすることから、ここでいうキャビティに係る一対の鏡面構造は、第１の光導波路上に配置される鏡面構造については第１のポンプ光を透過させるが、少なくとも第２のポンプ光及び第１の出射光は反射するものを、第２の光導波路上に配置される鏡面構造については第２のポンプ光を透過させるが、少なくとも第１の出射光は反射する性質のものを、それぞれ用いる。こうしたミラー構造の性質を発揮させる手段としては、たとえば上記性質を具現化する素材によるコーティングを鏡面構造の表面に施すことで実現可能である。こうすることで、波長変換構造に入射される第１の出射光のうち、波長変換なされなかった光については、キャビティ内を往復するので、捨てられずに、光の増幅及び波長変換構造への再度の入射に用いられ得るので、波長変換構造の変換率の低さによる光量子（フォトン）の無駄を回避し、光量子の効率的なリユース（再利用）が達成される。
【００１８】
本願の上記課題の解決に当たっては、上記構成の赤外光源装置において、前記第２の光導波路上に配され前記第２のポンプ光源から入射される第２のポンプ光により励起されて第２の出射光を出射する第２の光ゲイン源を更に具備し、前記ミラー構造体は、前記第１の出射光と前記第２の出射光とから前記波長変換構造によって波長変換される変換波を通過させ前記第１の出射光及び前記第２の出射光を反射する性質を有するものとすることもできる。
【００１９】
第２のポンプ光は第２の光ゲイン源を励起し、この励起された第２の出射光を波長変換構造に入射される一方の光とすることから、ここでいうキャビティに係る一対の鏡面構造は、第１の光導波路上に配置される鏡面構造については第１のポンプ光を透過させるが、少なくとも第１及び第２の出射光は反射するものを、第２の光導波路上に配置される鏡面構造については、第２のポンプ光を透過させるが、少なくとも第１及び第２の出射光は反射するものを、それぞれ用いる。こうすることで、波長変換構造に入射される第１及び第２の出射光のうち、波長変換に貢献しなかった光については、キャビティ内を往復するので、捨てられずに、光の増幅及び波長変換構造への再度の入射に用いられ得ることとなり、波長変換構造の変換率の低さによる光量子（フォトン）の無駄を回避し、光量子の効率的なリユース（再利用）が達成される。
【００２０】
すなわち、この構成によれば、第２の光ゲイン源をキャビティの構造内に設け、これが第２のポンプ光源によって励起され、波長変換構造に導入する光のうち一方のみならず両方ともに励起された光を採用できることから、波長変換素子によって変換された波長をもつ目的物であるレーザ光をより強度の大きいものとすることができる。また、第１及び第２の出射光（光ゲイン源）と第１及び第２のポンプ光（ポンプ光源）の選び方を組み合わせることで、それぞれの波の周波数の差によって生成される波長変換光としては、いろいろな波長、位相、波形等を有するレーザー光を取り出すことができる。
【００２１】
本願の上記課題の解決に当たっては、上記構成の赤外光源装置において、前記ミラー構造体を前記第１及び／もしくは第２の光導波路に対して斜角に配置したとすることもできる。
【００２２】
この構成によれば、ミラー構造体の結晶構造によるあるいは表面コーティング材の材質による反射の違いから波長による屈折率の相違を有効に利用してミラー構造体を目的物であるレーザ光に通過させることで、精度高く高効率な赤外光源装置の作製が実現される。また、通過しない光を有効に反射してキャビティ内往復による増幅に用いることができる。また、装置の全体寸法を調整することができる。
【００２３】
本願の上記課題の解決に当たっては、上記構成の赤外光源装置において、前記第１及び第２の光導波路は略同軸に形成されるとすることもできる。
【００２４】
この構成によれば、第１及び第２の光導波路は略同軸に形成されるために、光源装置全体としての横方向の広がりが抑えられ、装置全体の小型化、軽量化を達成し、携帯性、装着性、搬送性、経済性等を向上させる。
【００２５】
本願の上記課題の解決に当たっては、上記構成の赤外光源装置において、前記光共振器構造内には、前記第１及び／もしくは第２の光導波路上に、特定の光を制限及び／もしくは制御するための分光装置を配した構成とすることもできる。
【００２６】
ここで、分光装置とは、特定波長の光のみを反射もしくは透過させる性質を具現化した装置をいい、たとえば光学フィルタやダイクロイックミラー（多層光学機能反射鏡）等によって実現される。光学フィルタはその物性により、特定波長帯の光だけを透過しそれ以外の波長を有する光を透過させない。ダイクロイックミラーは、特殊な光学素材を用いて作成された鏡の一種で、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する性質を有する。本願において分光装置としてダイクロイックミラーを用いた場合には、たとえば誘電体の多層膜などの薄膜を鏡面に形成させ特定の波長を反射し、それ以外の波長を透過させるようにすることで、光学フィルターと異なり吸収を利用していないため耐久性に優れる特質を有意義に活用できる。
【００２７】
この構成によれば、分光装置はその物性により、特定波長帯の光だけを透過それ以外の波長を有する光を透過させない性質か、もしくは特定の波長の光を反射しその他の波長の光を透過する性質から、所望の波長のレーザー光を得るのに、分光装置を選択・操作することのみで光の制御をすることができる。したがって操作性、利便性等が向上する。
【００２８】
本願の上記課題の解決に当たっては、上記構成の赤外光源装置において、前記分光装置、前記第１のポンプ光源、前記第２のポンプ光源の少なくとも一つを制御するための制御装置をさらに具備する構成とすることもできる。
【００２９】
この構成によれば、分光装置（たとえば光学フィルタやダイクロイックミラー）を制御すれば、分光装置の特性を動的に変動させることができ、単色光を得たり、波長可変性を実現したりできる。ポンプ光源（たとえば半導体）を制御すれば、光源の周波数を動的に変動させることで、たとえばコム光などが実現される。したがって、制御装置を導入することでニーズに応じた特性を持つレーザー光を的確に作製できる。
【００３０】
本願の上記課題の解決に当たっては、上記構成の赤外光源装置において、前記光ゲイン源として、希土類元素添加結晶、希土類元素添加ガラス材料（希土類元素：Ｅｒ, Ｐｒ, Ｎｄ, Ｅｕ, Ｇｄ, Ｔｂ, Ｙｂの少なくとも一つを含む）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶（ＩＩＩ族：Ｇａ, Ｉｎ, Ａｌの少なくとも一つとＶ族：Ｐ, Ａｓ, Ｓｂ, Ｎの少なくとも一つとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶（ＩＩ族：Ｚｎ, Ｃｄ, Ｈｇの少なくとも一つとＶＩ族：Ｏ, Ｓ, Ｓｅ, Ｔｅの少なくとも一つとの組み合わせによる結晶材料）、色素材料、アルカリ金属添加結晶のうちの少なくともいずれかを用いた構成とすることもできる。
【００３１】
この構成によれば、これらの結晶もしくは材料は、その物性から、ポンプ光によって励起されて光を出射するため、本光源装置によって得られる赤外光はポンプ光の強度を反映した強度のものとして得られ、また、波長変換装置を通過して波長変換されなかった光はキャビティ構造によって増幅されるから、さらに強度の大きいレーザー光としての赤外光を得ることができる。
【００３２】
本願の上記課題の解決に当たっては、上記構成の赤外光源装置において、前記波長変換構造として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３， ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の少なくとも一つ）、非線形光学結晶（ＢＢＯ, ＬＢＯ, ＫＤＰ, ＫＴＰ, ＫＴＡ結晶の少なくとも一つ）、カルコゲナイド結晶、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶（ＩＩＩ族：Ｇａ, Ｉｎ, Ａｌの少なくとも一つとＶ族：Ｐ, Ａｓ, Ｓｂ, Ｎの少なくとも一つとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶（ＩＩ族：Ｚｎ, Ｃｄ, Ｈｇの少なくとも一つとＶＩ族：Ｏ, Ｓ, Ｓｅ, Ｔｅの少なくとも一つとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＶ族半導体結晶（Ｓｉ, Ｇｅ, Ｃの少なくとも一つにより構成される結晶材料）のうちの少なくともいずれかを用いた構成とすることもできる。
【００３３】
この構成によれば、これらの波長変換構造は、その物性（たとえば物質中で光が受ける非線形的性質）から、波長の異なる二つの光が入射されるとそれらの差周波を発生するため、所望の波長の光を、特別な機構を持つ装置或いは複雑な構成を有する装置を経ることなく、一つの結晶を通すことにより、得ることができる。また、波長変換装置による変換に寄与しなかった光量子はキャビティ構造によりこの中を再帰的に往復するから、再度、波長変換装置に導入されることになり、無駄にならない。さらに、当該光量子はキャビティ構造中を往復することで波長が一定に整備され、増幅されるから、レーザー光として単一の波長光或いは強度の大きい光を得ることができる。こうして波長変換装置の変換効率が低いという欠点が克服されることになるから、赤外レーザー光の作製を効率の良いものにし、経済性を高めることができる。
【００３４】
本願の上記課題の解決に当たっては、上記構成の赤外光源装置において、前記波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光の少なくとも一方としてパルスレーザー光を用いた構成とすることもできる。
【００３５】
かかる構成によれば、波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光の少なくとも一方がパルス光であるために、これらによって励起される光ゲイン源１２、１７の結晶も同期的に発振する。したがって、波長変換素子１４によって波長変換される目的レーザーもパルス光が得られる。パルス光は瞬間的に光を強くすることができることから、ＣＷ（連続光）に比して、高い光出力が得られる。
【００３６】
本願の上記課題の解決に当たっては、本願は、前記波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光の少なくとも一方として一定間隔で発光するコム状の光を用いることで、請求項１もしくは２記載の赤外光源装置において前記変換波として得られるコム状のレーザー光を測定対象に向けて照射する精密測定装置として構成することもできる。
【００３７】
コム状の光とは、いわゆる串状に、一定波長間隔（たとえば３ミクロン帯）で発光する光のことをいう。このための光源としては、たとえば半導体レーザーや光ファイバーレーザーを用いることができるが、これらに限定されるわけではない。
【００３８】
かかる構成によれば、波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光の少なくとも一方をコム状の光（いわゆる串状に、一定波長間隔で発光する光）とすることで、波長変換構造で得られる変換光もコム状とすることができる。しかも予め波長ごとの物性値を測定しておけば、変換光のコムの串と歯部分の寸法は精密に規定される。したがって、このコム状のレーザーを測定対象に向けて照射し対象物に重ね合わせれば、精密に寸法を測定することが可能となる。
【００３９】
本願の上記課題の解決に当たっては、本願は、前記波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光の少なくとも一方として一定幅の波長帯を有する波を用い、前記光ゲイン源として前記一定幅の波長帯の光に対して励起される材質を用いることで、請求項１もしくは２記載の赤外光源装置において前記変換波として得られるブロード状のレーザー光を測定対象に向けてスキャンする走査部と、前記スキャンされた光のうち少なくとも前記測定対象によって吸収された波長の部分を表示もしくは特定する吸収波長特定部とを具備することを特徴とする材質分析装置として構成することもできる。
【００４０】
ブロード状の光とは、特定の第１波長の光から特定の第２波長の光までが時間軸に沿って連続的に発光する、いわゆる広域帯状に発光する光のことをいう。こうしたブロード光供給のための光源としては、たとえば通常のＬＥＤ（発光ダイオード）、スーパールミネッセントダイオード等を用いることができるが、これらに限定されるわけではない。
【００４１】
かかる構成によれば、波長変換構造に入射されるポンプ光もしくは前記光ゲイン源からの光のうち少なくとも一方をブロード状の光（いわゆる時間軸に沿って連続的に広域帯状に発光する光）とすることで、波長変換構造で得られる変換光もブロード状とすることができる。たとえば諸材料、ＤＮＡ鑑定対象物、バイオ系材料等が一定の波長を吸収する物性を有することが知られているから、このブロード状のレーザーを（たとえば正体不明の）測定対象に向けて走査すれば、吸収された波長部分が表示されること等によって波形特性（物性）が特定・確認できるので、予め取得されていたデータと照らし合わせることで、測定対象物の物性から、測定対象物の材質・実体等を推測もしくは特定することが可能となる。
【００４２】
本願の上記課題の解決に当たっては、本願は、前記波長変換構造に入射される第１のポンプ光もしくは前記第１の光ゲイン源からの光の少なくとも一方として長波長光を用い、前記波長変換構造から得られる変換光として短波長光を得るのに十分な光を前記第２のポンプ光もしくは前記第２の光ゲイン源からの光の少なくとも一方として用いた請求項１もしくは２記載の赤外光源装置と、前記赤外光源装置から得られる赤外光を受光することができる受光器とを具備することを特徴とする長波長感知装置として構成することもできる。
【００４３】
かかる構成によれば、長波長（たとえば３ミクロン）光は一般に受光器における受光感度が悪いが、短波長（たとえば８００ｎｍ）光については受光感度が高いところ、長波長のままで受光器に導入するのではなく、本願に係る赤外光源装置によって短波長に変換された上で受光器に導入されるので、受光器が発揮できる受光感度は良いものに留め置くことができ、良好に光の存在を検知できる。したがって、既存の長波長帯に高感度を有しない受光器を用いたとしても、本願によれば、きわめて精度良く、長波長帯の光を検出することができる。
【００４４】
さらに、上記課題を解決するために、本願の請求項１３に係る赤外光源の作製方法は、入射されるポンプ光により励起されて第１及び／もしくは第２の出射光を出射する第１及び／もしくは第２の光ゲイン源と、これら光ゲイン源を囲むように一対の鏡面構造が配されてキャビティを形成する光共振器構造と、二つの基本波が入射されると少なくともそれら基本波の一部をこれらと波長の異なる変換波に波長変換する波長変換構造とが光導波路上に配される赤外光源装置構造に、第１及び／もしくは第２のポンプ光源から第１及び／もしくは第２のポンプ光が導入される第１のステップと、前記導入されたポンプ光によって前記第１及び／もしくは第２の光ゲイン源が励起されて第１及び／もしくは第２の出射光が出射される第２のステップと、前記第１のポンプ光、前記第２のポンプ光、前記第１の出射光、前記第２の出射光のいずれか二つが前記波長変換構造に導入されて、少なくとも前記導入された二つの光の一部が波長変換されてこれらと波長の異なる変換波が出射されると共に前記波長変換されなかった光はそのまま前記波長変換構造を通過する第３のステップと、前記光導波路上に配され一定の波長光のみを通過させそれ以外は反射する材料をもってなるミラー構造体に前記波長変換された変換波を通過させて該変換波を取り出すとともにそれ以外の光は反射させる第４のステップとを具備する方法であって、前記ミラー構造体を通過せずに反射された光が前記光共振器構造内に入り前記第１及び／もしくは第２の光ゲイン源をさらに励起して第１及び／もしくは第２の出射光を増幅し、この増幅された出射光が前記波長変換構造に導入されるように、前記第２のステップ乃至前記第４のステップを再帰的に繰り返すことで前記ミラー構造体を通過して取り出された変換波を所望のレーザー光として得る構成を備える。
【００４５】
かかる構成によれば、波長変換されずに波長変換素子を単に通過するだけになっていた光量子を光共振器構造内で反射させ、この反射された光量子によって光ゲイン源を再度励起させ同時に位相等を合わせ、光の増幅を行い、この増幅された光をキャビティ内に配される波長変換構造に再導入させるため、キャビティの中で、光の発生、増幅、変換を行え、光量子の無駄をなくして、波長変換素子によって変換された波長をもつ目的光を効率よく得ることができる。また、キャビティ内を光量子が何度も往復することでより多くの原子が励起されて光が増幅されるとともにその位相・波長が揃えられて強力なレーザー光として、再度波長変換素子に導入されるので、強力なレーザー光としての赤外光を作製することができる。
【００４６】
また、第２の光ゲイン源がキャビティの構造内に設けられ、これが第２のポンプ光源によって励起され、波長変換構造に導入する光のうち一方のみならず両方ともに励起された光を採用できることから、さらに強力なレーザー光としての赤外光を作製することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本願によれば、波長変換または光共振器内部の光ゲイン材料のポンプ光として、高性能な半導体素子の利用が可能である波長０．６〜１．４ミクロンの短波長光源を利用すれば、これを波長２〜１０ミクロン赤外光源における波長変換のためのポンプ光とすることで、赤外光源全体を低消費エネルギーとすることが可能となる。また、短波長光は高い光周波数を有することから、ポンプ光波長のわずかな制御により、波長２〜１０ミクロン帯での大きな赤外波長可変が期待される。
【００４８】
また、本願によれば、光量子の無駄をなくして、波長変換素子によって変換された波長をもつ目的光を効率よく得ることができる。また、波長変換素子によって変換されて得られる赤外光も強力なレーザー光とすることができる。
【００４９】
また、本願によれば、波長変換構造に導入する光のうち一方のみならず両方ともに励起された光を採用できることから、波長変換構造によって変換された波長をもつ目的物であるレーザー光をより強度の大きいものとすることができる。また、第１及び第２の出射光（光ゲイン源）と第１及び第２のポンプ光（ポンプ光源）の選び方を組み合わせることで、それぞれの波の周波数の差によって生成される波長変換光としては、いろいろな波長、位相、波形等を有するレーザー光を取り出すことができる。
【００５０】
また、本願によれば、ミラー構造体の結晶構造によるあるいは表面コーティング材の材質による反射の違いを精度高く高効率な赤外光源装置の作製に利用することができる。また、波長変換構造を通過しない光を有効に反射させてキャビティ内往復による増幅に用いることができる。
【００５１】
また、本願によれば、装置全体の小型化、軽量化を達成し、携帯性、装着性、搬送性、経済性等を向上させることができる。
【００５２】
また、本願によれば、所望の波長のレーザー光を得るのに、分光装置を選択・操作することのみで光の制御をすることができる。したがって操作性、利便性等が向上する。
【００５３】
また、本願によれば、分光装置の特性を動的に変動させることができ、単色光を得たり、波長可変性を実現したりできる。したがって、制御装置を導入することでニーズに応じた特性を持つレーザー光を的確に作製できる。
【００５４】
また、本願によれば、光ゲイン源として具体的に列挙された結晶もしくは材料を用いることで、さらに強度の大きいレーザー光としての赤外光を得ることができる。
【００５５】
また、本願によれば、波長変換構造として具体的に列挙された結晶もしくは材料を用いることで、所望の波長の光を、特別な機構を持つ装置或いは複雑な構成を有する装置を経ることなく、一つの結晶を通すことにより、得ることができる。こうして波長変換装置の変換効率が低いという欠点が克服されることになるから、赤外レーザー光の作製を効率の良いものにし、経済性を高めることができる。
【００５６】
また、本願によれば、波長変換素子によって波長変換される目的レーザー光もパルス光として得られる。パルス光は瞬間的に光を強くできることから、ＣＷ（連続光）に比して、高い光出力が得られる。
【００５７】
また、本願によれば、波長変換構造に導入して得られる変換光もコム状とすることができる。このコム状のレーザーを測定対象に向けて照射すれば、精密に寸法を測定することが可能となる。
【００５８】
また、本願によれば、波長変換構造に導入して得られる変換光もブロード状とすることができる。このブロード状のレーザーを測定対象に向けて走査すれば、吸収された波長部分が表示等によって特定・確認できるので、予め取得されていたデータと照らし合わせることで、測定対象物の物性から、測定対象物の材質・実体等を推測もしくは特定することが可能となる。
【００５９】
また、本願によれば、既存の長波長帯に高感度を有しない受光器を用いても、きわめて精度良く、長波長帯の光を検出することができる。
【００６０】
また、本願によれば、キャビティの中で、光の発生、増幅、変換を行え、光量子の無駄をなくして、波長変換素子によって変換された波長をもつ目的光を効率よく得ることができる。また、強力なレーザー光としての赤外光を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係るフォトンリユース赤外光源の構成概要を示すブロック図である。
【図１Ａ】波長変換構造１４の概略を示した図である。
【図２】本発明の第二の実施形態に係るフォトンリユース赤外光源の構成概要を示すブロック図である。
【図３】本発明の第二の実施形態によって作製された波長３ミクロン帯レーザスペクトルを示したグラフである。
【図４】本発明の第三の実施形態に係るフォトンリユース赤外光源の構成概要を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るポンプ光としてパルス波を用いた場合に得られる出力光のパターンを概略的に示した図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る出力波として得られたブロード波を測定対象に向けて走査し、一定の波長帯（たとえば３．３ミクロン帯）の光が吸収された場合の走査光のパターンを概念的に示した図である。
【図７】図６の代替的波形を示した図である。
【図８】一般的に、波長の大小と受光器の感度との関係を概念的に示した図である。
【図９】従来例の波長変換素子を利用した赤外光を発生する機構の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
（第一の実施形態）
以下、図面を参照して本発明を実施するための第一の形態について説明する。なお、以下では、本発明の目的を達成するための説明に必要な範囲を模式的に示し、本発明の該当部分の説明に必要な範囲を主に説明することとし、説明を省略する箇所については公知技術によるものとする。
【００６３】
図１は、本発明の一実施形態に係るフォトンリユース赤外光源の構成概要を示すブロック図である。同図に示すとおり、赤外光源装置１は、ミラー１１〜ミラー１８により光共振器を形成する光共振器構造に係っている。同図に示す構成では、ミラー１５を中間位置として一つの光軸上に、波長λｐ１のポンプ光源１９、ミラー１１、波長λｐ１のポンプ光によって励起されて波長λｇ１の光を発光する光ゲイン材料１２、波長変換材料１４に導入されるポンプ光の波長を制限・制御する光フィルタ１３、二つの異なる波長の光を入射するとこれらの差周波光を出射する波長変換材料１４、光フィルタ１６、ミラー１５がこの順で配置される。また、ミラー１５を中間位置とするもう一つの光軸上には、波長λｐ２のポンプ光源２０、ミラー１８、波長λｐ２のポンプ光によって励起されて波長λｇ２の光を発光する光ゲイン材料１７、ミラー１５がこの順で配置される。なお、上記の順番はこれに限定されるものではなく、キャビティ内の順序は問わない。
【００６４】
ミラー１１、ミラー１８およびミラー１５は、一定の光を透過させて他の光を反射する。こうした性質を発揮させるには、たとえば特定波長光の透過・反射性能を有する材料を選択するか、あるいはかかる性質を有する素材を表面にコーティングすることによることができる。これにより、ミラー１１〜ミラー１８により光共振器（キャビティ）を形成する。具体的には、波長λｐ１及び波長λｐ２のポンプ光は透過するが、このポンプ光によって励起された波長λｇ１及び波長λｇ２の出射光は透過させず反射するようにすることができる。こうすることで、波長λｇ１及び波長λｇ２の出射光をミラー１１〜ミラー１８の光共振器内に閉じ込めることができ、この光共振器内を出射光が往復することになる。
【００６５】
光ゲイン材料１２、１７は、ポンプ光源１９、ポンプ光源２０からのポンプ光（それぞれ波長λｐ１光、波長λｐ２光）によって励起されて、それぞれ波長λｇ１光、波長λｇ２光を発光するものであり、ここでは好適にはＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶（イットリウムとアルミニウムの複合酸化物（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）から成るガーネット構造の結晶）を用いる場合を示す。しかし光ゲイン材料としてはこれに限定されるわけではなく、一定の波長をもったポンプ光によって励起されて一定波長の光を発光する物性、機能を有するものであればよい。具体的には、希土類元素添加結晶、希土類元素添加ガラス材料（希土類元素：Ｅｒ, Ｐｒ, Ｎｄ, Ｅｕ, Ｇｄ, Ｔｂ, Ｙｂ）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶（ＩＩＩ族：Ｇａ, Ｉｎ, ＡｌとＶ族：Ｐ, Ａｓ, Ｓｂ, Ｎとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶（ＩＩ族：Ｚｎ, Ｃｄ, ＨｇとＶＩ族：Ｏ, Ｓ, Ｓｅ, Ｔｅとの組み合わせによる結晶材料）、色素材料、アルカリ金属添加結晶等を採用することができる。
【００６６】
光フィルタ１３、１６は、特定波長帯の光だけを透過しそれ以外の波長を有する光を透過させない性質を有する材料によってなる。光フィルタ１３および／もしくは光フィルタ１６を光学フィルタとして用いることで、波長変換材料１４に導入されるポンプ光の波長を制限・制御することが可能となる。これにより波長２〜１０ミクロンの波長変換光２１の単色性と波長可変性の機能が付加できる。なお、この光フィルタ１３、１６は所望する光の性質に応じて用いてもよいし、用いない構成としてもよい。
【００６７】
なお、この光フィルタに換えて、分光装置として、たとえばダイクロイックミラー（或いは多層光学機能反射鏡）を用いることもできる。光学フィルタはその物性により、特定波長帯の光だけを透過しそれ以外の波長を有する光を透過させないが、ダイクロイックミラーは、特殊な光学素材を用いて作成された鏡の一種で、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する性質を有する。分光装置としてダイクロイックミラーを用いた場合には、誘電体の多層膜などの薄膜を鏡面に形成させ特定の波長を反射し、それ以外の波長を透過させる際において、光学フィルターと異なり吸収を利用していないため耐久性に優れるという特質があり、これを有効に利用することができる。したがって、所望の波長のレーザー光を得るのに、分光装置を選択・操作することのみで光の制御をすることができ、操作性、利便性等が向上する。
【００６８】
波長変換構造１４は、図１Ａに示されるように、二つの異なる波長（ｗ１、ｗ２）の光を入射するとこれらの差周波光（波長ｗ３）を出射する機能を有する。波長変換構造１４としては、好適にはたとえばＰＰＬＮ（分極反転ニオブ酸リチウム結晶）が採用される。物質中で光が受ける非線形効果を利用して差周波（もしくは和周波）レーザー光を発光するという、ＰＰＬＮの結晶の性質を利用するものである。しかし、波長変換構造１４として採用されるのはこれに限定されるものではなく、物質中で光が受ける非線形効果を利用してレーザー光の波長を和差周波によって変える結晶、波長を変換する機能を実現できる結晶、波長変換回路によって波長変換を実現する波長変換装置等であればよい。具体的には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３， ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３）、非線形光学結晶（ＢＢＯ, ＬＢＯ, ＫＤＰ, ＫＴＰ, ＫＴＡ結晶）、カルコゲナイド結晶、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶（ＩＩＩ族：Ｇａ, Ｉｎ, ＡｌとＶ族：Ｐ, Ａｓ, Ｓｂ, Ｎとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶（ＩＩ族：Ｚｎ, Ｃｄ, ＨｇとＶＩ族：Ｏ, Ｓ, Ｓｅ, Ｔｅとの組み合わせによる結晶材料）、ＩＶ族半導体結晶（Ｓｉ, Ｇｅ, Ｃにより構成される結晶材料）を採用することができる。
【００６９】
ポンプ光源１９、ポンプ光源２０は高効率な半導体素子が好ましく、これらから供給される光の波長は好適には波長０．６〜１．４ミクロンとする。なおポンプ光源１９とポンプ光源２０は別々の光源でも良いし、同一の光源でも可能である。また、波長変換構造１４に入射されるポンプ光（波長λｐ１光及び／もしくは波長λｐ２光）もしくは光ゲイン源からの光（波長λｇ１光及び／もしくは波長λｇ２光）の少なくとも一方の物性としては様々なもの、たとえば、コム光、ブロード光、パルス光等様々な形状、或いは波長、位相等を持つ光を採用することができる。また、これらポンプ光を発生するポンプ光源としては、たとえば発光能力を有する半導体素子に限らず、結晶等であってもよいが、これらに限定されることはない。
【００７０】
波長変換材料１４へ入力される光は、波長λｇ１の光と波長λｇ２の光、波長λｐ１の光と波長λｇ２の光、波長λｐ２の光と波長λｇ１、の組み合わせが考えられ、この２つの波長の差を用いることで求める波長λ０の赤外光出力２１を得ることができる。
【００７１】
これらの波長を０．６〜１．４ミクロンの短波長とすることで、波長変換材料１４へ入力される光を極わずかに波長制御するだけで、変換される光周波数差を大きくとることができる。
【００７２】
外部ポンプ光源としてポンプ光源１９、ポンプ光源２０の一方または両方を用いるが、これらは光ゲイン材料１２、光ゲイン材料１７、もしくは波長変換材料１４をポンプするために用いられる。
【００７３】
次に、上記のように構成される本実施形態の作用・動作について説明する。
【００７４】
本願に係る技術思想において概略的には、光ゲイン材料１２、光ゲイン材料１７の一方または両方を、光共振器内に内在させる。これら光ゲイン材料１２と光ゲイン材料１７はそれぞれ波長λｇ１、λｇ２で発光する。ミラー１１とミラー１８は波長λｇ１の光と波長λｇ２の光の一方または両方のミラーとして機能するために、発生した光子を再利用により効率的に波長変換材料１４に導入することができる。
【００７５】
より具体的には、まず、ポンプ光源１９、ポンプ光源２０それぞれから、それぞれのポンプ光である波長λｐ１光、波長λｐ２光が導入される。この場合、ポンプ光源１９とポンプ光源２０との導入に同期を図るようにすれば、一定波形パターンの波を導入することができる。また、特定の波形パターンを有する波が導入されれば、所望のレーザー光もこれを反映した波形を持つことになり、有用性が増す。
【００７６】
次に、こうして導入されたポンプ光の波長λｐ１光、波長λｐ２光によって光ゲイン材料１２、光ゲイン材料１７がそれぞれ励起されて、出射光たる波長λｇ１光、波長λｇ２光が出射される。
【００７７】
次に、こうして出射された波長λｇ１光と、光ゲイン材料１７から出射されミラー１５、ミラー１１を反射されて経由した波長λｇ２光とが波長変換材料１４に導入される。なお、両光が波長変換材料１４に導入される前に光フィルタ１３が光学フィルタとして機能して光の波長が制限・制御される。
【００７８】
波長変換材料１４（本実施形態ではＰＰＬＮ）においては、物質中で光が受ける非線形効果により、波長λｇ１光と波長λｇ２光との差周波である波長λ０光が発光されるが、その変換効率の低さによって、この差周波発生（波長変換）に寄与する波長λｇ１光及び波長λｇ２光はごく一部であり、波長変換に寄与しなかった波長λｇ１光及び波長λｇ２光はそのまま波長変換材料１４を通過する。
【００７９】
発光された波長λ０光、及び波長変換に寄与しなかった波長λｇ１光並びに波長λｇ２光は、光フィルタ１６に導入されるが光フィルタ１６が光学フィルタとして機能して光の波長が制限・制御される。
【００８０】
光フィルタ１６を通過した波長λ０光はミラー１５に到達するが、ミラー１５は波長λ０光のみを透過させるようにたとえば表面をコーティングされているため、ミラー１５を透過して、目的の波長λ０光が取り出される。
【００８１】
光フィルタ１６を通過した波長λｇ１光は、一定の反射特性を有するミラー１５によって反射され、さらにミラー１８、ミラー１５、ミラー１１と反射されることで、光共振器構造内を再帰的に往復する。この過程で、波長λｇ１光は光ゲイン材料１２をさらに励起するから波長λｇ１光を増幅することになる。一方、波長λｇ２光はミラー１８で反射されて、光共振器構造内を再帰的に往復する過程で、光ゲイン材料１７をさらに励起するから波長λｇ２光を増幅することになる。
【００８２】
こうして、波長変換材料１４において波長変換に寄与しなかった光は再度利用（リユース）されて、光の増幅に寄与することになる。
【００８３】
この光の増幅により、レーザー光作製と同一の原理が働いて、強力な２つの異なる波長をもったレーザー光が再度、波長変換材料１４に導入され、ここで波長変換がおこなわれる結果として、さらに強力な波長λ０光がミラー１５を透過して、取り出されることになる。ここでまた、波長変換に寄与せずに波長変換材料１４を通過した比較的強力光である波長λｇ１光並びに波長λｇ２光は、再度再帰的に上記のプロセスを繰り返し、さらに強力な波長λｇ１光並びに波長λｇ２光を発光し、これらさらに強力な波長λｇ１光並びに波長λｇ２光が再度、波長変換材料１４に導入される。
【００８４】
こうして、最終的に、ミラー１５から取り出される波長λ０光は一層強力なレーザー光とすることができる。同時に、このプロセスにおいて、波長変換に寄与しなかった光量子は無駄にされることなく、キャビティ内から脱落することなく、再帰的に再利用されることになる。
【００８５】
この発明の前提になっているのは、波長変換材料１４の変換効率は高くないという事実である。しかし上記のように構成することで、波長変換材料１４に入射される波長λｇ１、λｇ２の光のうち、波長変換に寄与しなかった波長λｇ１光、λｇ２光については、キャビティ内を往復するので、捨てられずに、光軸路上を進み、ミラー１５、ミラー１８、ミラー１５、ミラー１１と反射されたのちに再び光ゲイン材料１２に入射される。光ゲイン材料１２内において波長λｇ１光、λｇ２光は再度励起させる。こうして光の増幅が行われると同時に位相等が整備されるため、これを繰り返すうちに、レーザー光として強力な光が作製される。こうして作製されたレーザー光が、キャビティ内の配置構造上、波長変換材料１４に再度、入射されることになる。したがって、波長変換構造の変換率の低さによる光量子（フォトン）の無駄を回避し、光量子の効率的なリユース（再利用）が達成される。
【００８６】
なお、上記構成において、分光装置（光フィルタ１３、１６）、ポンプ光源１９、ポンプ光源２０をそれぞれ制御するための制御装置（図示しない）をさらに備える構成としてもよい。たとえば、ポンプ光源として半導体装置を採用する場合には、この半導体に電流を与えたりこれを制御したりする装置がこれに当たる。また、光フィルタについては、たとえばこの傾きを変化させる機構がこれに当たる。こうした制御装置を備えることによれば、分光装置の特性を動的に変動させることができ、単色光を得たり、波長可変性を実現したりできる。ポンプ光源（たとえば半導体）を制御すれば、光源の周波数を動的に変動させることで、たとえばコム光などが実現される。したがって、制御装置を導入することでニーズに応じた特性を持つレーザー光を的確かつ容易に作製できる。
【００８７】
（第二の実施形態）
次に本発明の第二の実施形態について説明する。
【００８８】
図２は、本発明の第二の実施形態に係るフォトンリユース赤外光源の構成概要を示すブロック図である。同図においては、第一の実施形態と同一のものもしくは同一の機能を有するものには同じ符号を付し、説明が重複する箇所については、重複する説明を省略する。
【００８９】
本実施形態に係る赤外光源装置２は、波長３ミクロン帯光源装置である。同図に示されるように、構成としては、図１の場合と比して簡略化されている。同図に示す構成では、ミラー１５を中間位置として一つの光軸上に、波長λｐ１のポンプ光源１９１、ミラー１１、波長λｐ１のポンプ光によって励起されて波長λｇ１の光を発光する光ゲイン材料１２１、二つの異なる波長の光を入射するとこれらの差周波光を出射する波長変換材料１４１、ミラー１５がこの順で配置される。また、ミラー１５を中間位置とするもう一つの光軸上には、波長λｐ２のポンプ光源２０１、ミラー１８、ミラー１５がこの順で配置される。つまり、この構成では、光ゲイン材料が一つのみの構成となっている。波長変換材料１４１に導入されるのは、増幅されたレーザー光（波長λｇ１の光）とポンプ光（波長λｐ２の光）ということになる。
【００９０】
半導体レーザ光源１９１及び２０１としては、たとえばともに８０２ｎｍの高出力レーザを採用する。半導体レーザ光源１９１は光ゲイン材料１２１を励起するために用いられ、その光ゲイン材料１２１として１０６０ｎｍに光利得を有するＹＡＧ結晶材料もしくはネオジウムＹＡＧ結晶材料を用いる。
【００９１】
この光ゲイン材料１２１からの発光波長に合わせミラー１１とミラー１８を用いることで、光の再利用による効率的な波長変換素子（分極反転ＬＮ結晶）１４１への光入射が達成される。
【００９２】
ここで半導体レーザー光源２０１からの入射波長（波長λｐ２光）と光ゲイン材料１２１の発光波長（波長λｇ１光）の差周波として、波長変換素子から波長３ミクロン帯出力光（波長λ０光）がミラー１５を透過して外部に取り出される。
【００９３】
なお、より詳細には、第２のポンプ光を波長変換構造に入射される一方の光とすることから、ここでいうキャビティに係る一対の鏡面構造を形成するミラー１１及びミラー１８は、ミラー１１については半導体レーザー光源１９１からのポンプ光（波長λｐ１光）を透過させるが、少なくとも半導体レーザー光源２０１からのポンプ光（波長λｐ２光）及び光ゲイン材料１２１の発光波長（波長λｇ１光）を反射するものを用いる。ミラー１８については、半導体レーザー光源２０１からのポンプ光（波長λｐ２光）を透過するが少なくとも光ゲイン材料１２１の発光波長（波長λｇ１光）を反射する性質のものを、それぞれ用いる。このようにすることで、光ゲイン材料１２１の発光波長（波長λｇ１光）をキャビティ内に閉じ込められて光ゲイン材料１２１の励起発光及びその増幅に寄与させつつ、波長変換素子（分極反転ＬＮ結晶）１４１への入射にはこの増幅された発光波長（波長λｇ１光）と半導体レーザー光源２０１からのポンプ光（波長λｐ２光）を絶えず供給することができる。
【００９４】
第一の実施形態の場合と比べて、構成が簡易化されていることも手伝い、波長変換素子（分極反転ＬＮ結晶）１４１に導入される二つの光のうちの一方のみが増幅されたものとなるため、波長変換素子（分極反転ＬＮ結晶）１４１に入射されるものが共に増幅されたレーザー光である場合に比べて、最終的に取り出せる光（波長λ０光）は若干強度が小さい。しかし、本形態は、所望の光が簡易な光、光の強度がそんなに大きくなくても十分な場合等に有用である。
【００９５】
図３は、上記第二の実施形態によって作製された波長３ミクロン帯レーザスペクトルを示したグラフである。（Ａ）は、ポンプ光波長として８０２ｎｍ／１０６４ｎｍをとった場合に作製された波長３ミクロン帯レーザスペクトルを、（Ｂ）はポンプ光波長として８０８ｎｍ／１０６４ｎｍをとった場合に作製された波長３ミクロン帯レーザスペクトルを、それぞれ表す。同図に示されるように、高輝度波長３ミクロン帯発生が観測された。したがって、図２に示したような簡略化された構成であっても、波長３ミクロン帯光源を発生するフォトンリユース赤外光源として十分な効果が見込まれることが確認できる。
【００９６】
また、同図（Ａ）、（Ｂ）に対比的に示されるように、ポンプ光の一方の波長を若干変えるだけで、波長変換される光としては周波数の差によってなる関係上、出力光（の波長、波形）を大きく変えることができる。逆にいえば、所望の出力光が大きく異なるものであっても、ポンプ光の一方の波長については微量を変動させれば目的の波長光が得られるようにすることができる。
【００９７】
（第三の実施形態）
次に本発明の第三の実施形態について説明する。
【００９８】
図４は、本発明の第三の実施形態に係るフォトンリユース赤外光源の構成概要を示すブロック図である。本実施形態では、第一及び第二の実施形態における二軸の場合と異なり、一軸によって光軸が形成される場合を示す。同図においては、第一の実施形態と同一のものもしくは同一の機能を有するものには同じ符号を付し、説明が重複する箇所については、重複する説明を省略する。
【００９９】
同図に示されるように、ミラー１１〜ミラー１８でキャビティが形成される。二つのポンプ光源１９、ポンプ光源２０によってそれぞれ光ゲイン材料１２、１７が励起される点は第一及び第二の実施形態の場合と同様である。異なるのは、ミラー１５が上記実施形態では二軸の交点の位置に配置されていたのに対して、一軸ゆえに、唯一の光軸上に配置される点である。この場合、得られた所望光（波長λ０光）をミラー１５Ａによって、該光軸から離脱させる必要がある。そのため、波長λ０光のみを図の矢印方向に進行させ、そのほかは透過させる性質を具現化する材質を用いる。これらは結晶質を有するものの選択、特定材のコーティング等によって実現される。
【０１００】
この構成により、一軸であっても、所望の光を支障なく光軸外に取り出すことが可能になる。同時に、一軸によって形成されることから、光源装置全体としての横方向の広がりが抑えられる。これにより、装置全体の小型化、軽量化が図られるから、携帯性、装着性、搬送性、経済性、剛性等が向上する。
【０１０１】
（第四の実施形態）
次に本発明の第四の実施形態について説明する。
【０１０２】
本発明の第四の実施形態については、フォトンリユース赤外光源装置の構成概要に関して上記の各実施形態と違いはない。本実施形態では、ポンプ光源１９からのポンプ光（波長λｐ１光）としてパルスレーザー光を用い、ポンプ光源２０からのポンプ光（波長λｐ２光）として波長λｐ１光のパルスレーザー光と同期させた光（必ずしもパルスレーザー光でなくてもよい）を用いた場合を示す。図５は、ポンプ光としてパルス波を用いた場合に得られる出力光のパターンを概略的に示した図である。
【０１０３】
同図に示されるように、少なくとも一つのポンプ光（波長λｐ１光もしくは波長λｐ２光）がパルス光であり、これら二つのポンプ光が互いに同期がとられているために、ピークパワーが同期され、これらによって励起される光ゲイン源１２、１７の結晶も同期的に発振する。したがって、波長変換素子１４によって波長変換される目的レーザーもパルス光が得られる。パルス光は瞬間的に光を強くできることから、ＣＷ（連続光）に比して、高い光出力が得られる。
【０１０４】
（第五の実施形態）
次に本発明の第五の実施形態について説明する。
【０１０５】
本発明の第五の実施形態については、フォトンリユース赤外光源装置の構成概要に関して上記の各実施形態と違いはないが、波長変換構造１４に入射されるポンプ光（波長λｐ１光及び／もしくは波長λｐ２光）もしくは光ゲイン源からの光（波長λｇ１光及び／もしくは波長λｇ２光）の少なくとも一方としてコム状のレーザー光を用いることによって変換波として得られるコム状のレーザー光を測定対象に向けて照射する精密測定装置として実現される技術的思想に係る。本実施形態では、ポンプ光源１９からのポンプ光（波長λｐ１光）としてコム状の光を用い、ポンプ光源２０からのポンプ光（波長λｐ２光）として波長λｐ１光のコム状の光と同期させた光（必ずしもコム状の光でなくてもよい）を用いた場合を示す。
【０１０６】
波長変換構造１４に入射されるポンプ光（波長λｐ１光及び／もしくは波長λｐ２光）もしくは光ゲイン源からの光（波長λｇ１光及び／もしくは波長λｇ２光）のうち少なくとも一方をコム状の光（いわゆる串状に、一定間隔で発光する光）とすることで、これらによって励起されて得られる出射光（波長λｇ１光もしくは波長λｇ２光）、この出射光を波長変換構造で得られる変換光（波長λ０光）もコム状とすることができる。しかも予め波長等の物性値を測定することで、変換光（波長λ０光）のコムの串と歯部分の寸法は精密に規定される。したがって、このコム状のレーザーを測定対象に向けて照射すれば、精密に寸法を測定することが可能となる。
（第六の実施形態）
次に本発明の第六の実施形態について説明する。
【０１０７】
本発明の第六の実施形態については、フォトンリユース赤外光源装置の構成概要に関して上記の各実施形態と違いはないが、波長変換構造１４に入射されるポンプ光（波長λｐ１光及び／もしくは波長λｐ２光）もしくは光ゲイン源からの光（波長λｇ１光及び／もしくは波長λｇ２光）の少なくとも一方として一定幅の波長帯を有するブロード波を用いることによって変換波として得られるブロード状のレーザー光を測定対象に向けてスキャンし、このスキャンされた光のうち測定対象によって吸収された波長の部分を（図示しない）吸収波長特定・表示部によって表示等することで、波長吸収挙動から同じ物性を持つ材質を特定する材質分析装置として実現される技術的思想に係る。
【０１０８】
図６は、こうして出力波として得られたブロード波を測定対象に向けて走査し、一定の波長帯（たとえば３．３ミクロン帯）の光が吸収された場合の走査光のパターンを概念的に示した図である。同図に示されるように、波長変換構造１４に入射されるポンプ光（波長λｐ１光及び／もしくは波長λｐ２光）もしくは光ゲイン源からの光（波長λｇ１光及び／もしくは波長λｇ２光）のうち少なくとも一方をブロード状の光（いわゆる時間軸に沿って連続的に広域帯状に発光する光）とすることで、波長変換構造で得られる変換光（波長λ０光）もブロード状とすることができる。たとえば諸材料、ＤＮＡ鑑定対象物、バイオ系材料等が一定の波長を吸収する物性を有することが知られている。したがって、このブロード状のレーザーを（正体不明な）測定対象に向けて走査すれば、吸収された波長部分６０１が表示等される。こうして、吸収される波長帯が特定・確認できるので、予め取得されていたデータと照らし合わせることで、測定対象物の波長吸収特性から、測定対象物の材質・実体等を分析し、推測もしくは特定することが可能となる。
【０１０９】
なお、この場合、上記のブロード状の光は図６のような波形に限定されるわけではなく、たとえば図７に示されるような波形であってもよい。すなわち同図に示される場合にあっては、吸収された波長部分７０１が表示等されることで、測定対象物の波長吸収特性が特定される。このように、ブロード状の光の波形については、一定の波長帯が吸収された挙動が視認できるか、もしくは特定できるものであれば、特に制限はない。また、上記の吸収波長特定・表示部は、波形全体を表示させてもよいし、或いは代替的に、吸収されることで欠損した一定波長帯域のみを表示もしくは特定する機能を持たせてもよい。
【０１１０】
（第七の実施形態）
次に本発明の第七の実施形態について説明する。
【０１１１】
本発明の第七の実施形態については、フォトンリユース赤外光源装置の構成概要に関して上記の各実施形態と違いはないが、ポンプ光源１９からのポンプ光（波長λｐ１光）としてポンプ光として長波長光を用い、波長変換素子１４によって波長変換され変換波（波長λ０光）として短波長光を得るようにする長波長感知装置として実現される技術的思想に係る。
【０１１２】
図８は、一般的に、波長の大小と受光器の感度との関係を概念的に示した図である。同図に示されるように、長波長（たとえば３ミクロン）光は一般に受光器における受光感度が悪い。これに比して、短波長（たとえば８００ｎｍ）光は相対的に受光感度が高い。本形態によれば、長波長（たとえば３ミクロン）光であっても本願に係る赤外光源装置を通すことで短波長に変換されて短波長（たとえば８００ｎｍ）光が出力される。受光器に導入されるのはこの変換された短波長（たとえば８００ｎｍ）光となるので、受光感度が良く、良好に光の存在を検知できる。したがって、既存の長波長帯に高感度を有しない受光器を用いても、本願によれば、きわめて精度良く、長波長帯の光を検出することができる。
【０１１３】
以上詳細に説明したように、本願によれば、波長変換構造が光共振器構造内に配されるため、キャビティの中で、光の発生、増幅、変換を行える。換言すれば、波長変換構造にて波長変換に寄与せずに通過してしまった光量子はキャビティの構造によって再帰的に利用されて再度波長変換素子に導入される。これにより、これまで波長変換構造を通過した後は捨てられていた光量子を再利用（リユース）することで無駄をなくして、波長変換素子によって変換された波長をもつ目的光を効率よく得ることができる。また、キャビティを光量子が何度も往復することでより多くの原子が励起されて光が増幅されるとともにその位相・波長が揃えられて強力なレーザー光として、再度波長変換素子に導入されるので、波長変換素子によって変換されて得られる赤外光も強力なレーザー光とすることができる。
【０１１４】
上述した実施形態は、本発明に係る技術思想を具現化するため一例を示したにすぎないものであり、他の実施形態でも本発明に係る技術思想を適用することが可能である。
【０１１５】
さらにまた、本発明を用いて生産される装置、方法、システムが、その２次的生産品に搭載されて商品化された場合であっても、本発明の価値は何ら減ずるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
上述したように、本願によれば、共振構造による光子再利用機構を実現するので、赤外波長帯域でコンパクトかつ低消費エネルギーな光源を作製することが可能となる。また、本願によれば、短波長半導体ポンプ光源利用による赤外光源作製の高効率化が実現される。この効果は、赤外光を利用する産業として、情報産業、電気器具産業、宇宙産業、医療機械工業、測定産業、建設業、精密機械工業等をはじめとする、各種産業にとって、非常に有益をもたらすものである。
【符号の説明】
【０１１７】
１、２…赤外光源装置、１１…ミラー（鏡面構造）、１２、１２１…光ゲイン材料（第１の光ゲイン源）、１３…光フィルタ、１４、１４１…波長変換材料（波長変換構造）、１５…ミラー（ミラー構造体）、１６…光フィルタ、１７…光ゲイン材料（第２の光ゲイン源）、１８…ミラー（鏡面構造）、１９、１９１…ポンプ光源（第１のポンプ光源）、２０、２０１…ポンプ光源（第２のポンプ光源）、２１…赤外光出力、６０１、７０１…吸収された波長部分
【図１】
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【図１Ａ】
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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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