(57)【要約】  複数の周波数変換後スペクトルピークを発するために動作することができる光システムが提供される。一実施形態において、光システム(１００)は光源(１１０)及び波長変換素子(１３０)を備える。光源(１１０)は少なくとも２つの基本スペクトルピーク(１２５，１２７)を有するポンピングビーム(１２０)を発するように構成されたレーザを有することができる。波長変換素子(１３０)は、光源(１１０)のポンピングビーム(１２０)が波長変換素子(１３０)の入力ファセット(１３１)に入射したときにほぼ等しいパワーを有する少なくとも３つの周波数変換後スペクトルピーク(１４２，１４４，１４６)を含む出力ビーム(１４０)が波長変換素子(１３０)の出力ファセット(１３８)から発せられるように、少なくとも２つの基本スペクトルピーク(１２５，１２７)のそれぞれの二次高調波発生及び少なくとも２つの基本スペクトルピーク(１２５，１２７)の和周波発生を位相整合するように構成された非線形光学媒質を有することができる。
2013526726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源及び波長変換素子を備える光システムにおいて、
前記光源が、少なくとも２つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発するように構成された、レーザを含む、及び
前記光源の前記ポンピングビームが前記波長変換素子の入力ファセットに入射したときにほぼ等しいパワーを有する少なくとも３つの周波数変換後スペクトルピークを含む出力ビームが前記波長変換素子の出力ファセットから発せられるように、前記波長変換素子が前記基本スペクトルピークの内の少なくとも２つの周波数２逓倍及び前記基本スペクトルピークの内の少なくとも２つのそれぞれの和周波数混合を位相整合するように構成された非線形光学媒質を含む、
ことを特徴とする光システム。
【請求項２】
(ｉ)  前記波長変換素子が前記レーザの光共振器内に配される、及び／または
(ii)  前記２つの基本スペクトルピークが実質的に等しいパワーを有するように、前記レーザがパルスモードで動作させられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光システム。
【請求項３】
(ｉ)  前記出力ビームの周波数変換後スペクトルピークの数が前記ポンピングビームの基本スペクトルピークの数より多い、及び／または
(ii)  前記３つの周波数変換後スペクトルピークの波長間隔が約０.２５ｎｍより広い、及び／または
(iii) 前記レーザがＮ個の基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発するように構成され、前記光源の前記ポンピングビームが前記波長変換素子の前記入力ファセットに入射したときに、(２Ｎ−１)個と(Ｎ＋１)Ｎ/２個の間の、ほぼ等しいパワーを有する周波数変換後スペクトルピークを有する前記出力ビームが前記波長変換素子の前記出力ファセットから発せられる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光システム。
【請求項４】
前記波長変換素子の特徴が第１、第２及び第３の位相整合ピークで表され、前記第１の位相整合ピーク及び前記第３の位相整合ピークが二次高調波発生に対応し、前記第２の位相整合ピークが和集合発生に対応していて、前記ポンピングビームが前記波長変換素子の前記入力ファセットに入射したときに、前記第１の位相整合ピーク、前記第２の位相整合ピーク及び前記第３の位相整合ピークが、ほぼ等しいパワーを有する前記３つの周波数変換後スペクトルピークを生成する、応答比を有する、及び
好ましくは、
(ｉ)  前記第１の周波数変換後スペクトルピーク及び前記第３の周波数変換後スペクトルピークに対応する前記波長変換素子の前記位相整合ピークが、第２の周波数変換後スペクトルピークに対応する前記波長変換素子の前記位相整合ピークの強度より高い強度を有する、または
(ii)  前記２つの基本スペクトルピークのそれぞれがほぼＭ個の縦レーザモードを含み、前記第１の位相整合ピーク、前記第２の位相整合ピーク及び前記第３の位相整合ピークの間の前記応答比がほぼ４：(２−１/Ｍ)：４である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光システム。
【請求項５】
前記非線形光媒質が、
(ｉ)  前記波長変換素子の縦光軸に沿う前記非線形光媒質の実効屈折率の変調に少なくともある程度基づく二次高調波発生及び和周波数発生に対応する少なくとも３つの位相整合ピークで特徴が表される、及び／または
(ii)  透明媒質によって隔てられている、複数の、位置合せされ複屈折態様で位相整合された媒質を含む、及び／または
(iii) 準周期的に分極反転され、複数の分極反転ドメインを有し、前記複数の分極反転ドメインが、キャリア周期性によって定められる正規周期位置に対して少なくともいくつかの前記分極反転ドメインのそれぞれの位置が縦シフトされるように前記キャリア周期性に重畳された位相変調関数で特徴が表される位相変調周期性にしたがって前記波長変換素子の縦光軸に沿って配置され、前記複数の分極反転ドメインの前記位相変調周期性が、少なくとも２つの基本スペクトルピークを含む前記ポンピングビームが前記波長変換素子の前記入力ファセットに入射したときに、前記少なくとも３つの周波数変換後スペクトルピークがほぼ等しいパワーを有するような周期である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２０１０年５月１８日に出願された、米国特許出願第１２/７８２２０５号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施形態は全般にはレーザシステムのような光システムに関する。さらに詳しくは、実施形態は、レーザ投影画像におけるスペックルの出現を低減するための、複数の周波数変換後スペクトルピークを有する１つ以上の出力ビームを生成することができる光システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
青色及び赤色の半導体レーザは現在容易に入手できるが、窒化物半導体技術の進歩は未だに、出力パワー、効率及び費用効果が十分な、素緑色レーザをつくり出すに至っていない。魅力的な代替は、近赤外(１０６０ｎｍ)レーザダイオードを用い、周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)結晶のような非線形光媒質における周波数２逓倍により緑色光を発生することである。これは小型パッケージ及び適度な効率を可能にするが、レーザ源の高いスペクトル／空間コヒーレンスにより、投影像に高レベルのスペックルが生じる。
【０００４】
スペックルは、コヒーレント光源が粗い表面、例えば、スクリーン、壁または、拡散反射または拡散透過を生じる、その他いずれかの物体を照射するために用いられるときには必ず見られる。特に、スクリーンまたはその他の反射性物体の多数の小領域は、光を散乱させて、原点が異なり、伝搬方向が異なる、多数の反射ビームにする。観察点において、例えば観察者の目またはカメラのセンサにおいて、これらのビームは増加的に干渉して輝点を形成するかまたは減殺的に干渉して暗点を形成し、スペックルとして知られる、ランダムな粒状強度パターンをつくる。スペックルは投影画像に高空間周波数雑音を生じさせる。スペックルは粒径及びコントラストで特徴が表され、コントラストは通常、観察平面における平均光強度の標準偏差の比として定められる。十分大きな照明面積及び十分小さな表面粗さに対して、スペックルは「完全発現」して、輝度標準偏差は１００％になるであろう。レーザビームのようなコヒーレント光を用いて画像がスクリーン上に形成される場合、そのような粒状構造は、画像品質の深刻な劣化をもたらす雑音になるであろう。この雑音は、投影機が、テキストのような、高空間周波数画像コンテンツを表示するために用いられる場合には特に、重大な問題となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、スペックルの出現を低減して、レーザ投影画像の画像品質を向上させる、光システムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、光システムは光源及び波長変換素子を備える。光源は少なくとも２つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発するように構成されたレーザを有することができる。波長変換素子は、光源のポンピングビームが波長変換素子の入力ファセットに入射したときに、少なくとも２つの基本スペクトルピークのそれぞれの二次高調波発生と少なくとも２つの基本スペクトルピークの和周波数発生を、ほぼ等しいパワーを有する少なくとも３つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームが波長変換素子の出力ファセットから発せられるように、位相整合するように構成された非線形光媒質を有する。
【０００７】
別の実施形態において、光システムは光源及び波長変換素子を備える。光源は、波長が少なくとも０.５ナノメートル(ｎｍ)離れた、少なくとも２つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発するように構成された少なくとも１つのレーザを有することができる。波長変換素子は、ポンピングビームが波長変換素子の入力ファセットに入射したときに、ほぼ等しいパワーを有し、波長間隔が０.２５ｎｍより広い、３つの周波数変換後スペクトルピークを生成する応答比を有する、少なくとも３つの位相整合ピークを与える位相変調関数を特徴とする非線形光媒質を有する。出力ビームの周波数変換後ピークの数はポンピングビームの基本スペクトルピークの数より多い。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう光システムの略図である。
【図２】図２は、本明細書に示され、説明されるような、１つ以上の実施形態によって生成された周波数変換出力ビームの光スペクトルを示すグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、光源から発せられる出力ビームの光スペクトルを示すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、ＤＢＲレーザの略図である。
【図４】図４は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、離散位相変調関数のグラフである。
【図５】図５は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、図４に示される離散位相変調関数によってある程度定められる位相変調周期性を有する波長変換素子の略図である。
【図６】図６は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう図４に示される離散位相変調関数によってある程度定められる位相変調周期性を有する波長変換素子の波数ベクトル空間におけるスペクトル応答のグラフである。
【図７】図７は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう矩形位相変調関数のグラフである。
【図８】図８は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、図７に示される矩形位相変調関数によってある程度定められる位相変調周期性を有する波長変換素子の波数ベクトル空間におけるスペクトル応答のグラフである。
【図９】図９は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう台形位相変調関数のグラフである。
【図１０】図１０は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、図９に示される台形位相変調関数によってある程度定められる位相変調周期性を有する波長変換素子の波数ベクトル空間におけるスペクトル応答のグラフである。
【図１１】図１１は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、２区波長変換素子を有する光システムの略図である。
【図１２】図１２は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、連続正弦波形位相変調関数のグラフである。
【図１３】図１３は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、図１２に示される正弦波関数によってある程度定められる位相変調周期性を有する波長変換素子の略図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、図１２に示される正弦波関数によってある程度定められる位相変調周期性を有する波長変換素子の波数ベクトル空間におけるスペクトル応答のグラフである。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、図１２に示される正弦波関数によってある程度定められる位相変調周期性を有する波長変換素子の波長空間におけるスペクトル応答のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書に説明される実施形態は全般に、レーザ投影システムに組み込まれると画像におけるスペックルの出現を低減することができる、光システムに関する。本明細書に説明される実施形態はレーザ投影システムの文脈において説明されるが、実施形態はレーザ投影システムに限定されない。本明細書に説明される実施形態はレーザ投影システム以外のシステムに組み込むことができる。
【００１０】
それらの例が添付図面に示される、本開示の実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。光システムの一実施形態が図１に示される。光システムは全般に、少なくとも１つの半導体レーザ、必要に応じて選ばれる結合光学系及び波長変換素子を備える。半導体レーザ及び／または結合光学系を動作させるため、パッケージコントローラを含めることができる。半導体レーザの出力は波長変換素子の入力に直接に、または結合光学系を用いて、光結合される。半導体レーザは波長間隔がΔλＩＲの少なくとも２つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発生する。波長変換素子は、半導体レーザによって発せられたポンピングビームのエネルギーを、少なくとも３つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームに変換する。光システムの様々なコンポーネント及び構成が本明細書でさらに説明される。
【００１１】
図１は本明細書に示される光システム１００を全般的に示す。半導体レーザ１１０によって発せられたポンピングビーム１２０は赤外波長帯域に２つの同時発光基本スペクトルピークを有することができる。ポンピングビーム１２０は、直接に波長変換素子１３０の導波路領域１３７に結合させることができ、あるいは、第１及び第２の結合光学系１２１(例えばレンズ１２２ａ及び１２２ｂ)として図示される、適応光学系を用いて波長変換素子１３０の導波路領域に結合させることができる。波長変換素子１３０はポンピングビーム１２０の出力波長を高次高調波に変換し、３つの周波数変換後スペクトルピーク１４２，１４４及び１４６(図２)を有する可視光出力ビームを生成する。このタイプの光パッケージは、長波長半導体レーザから短波長レーザビームを生成するに特に有用であり、例えば、レーザ投影システム用可視光源として用いることができる。
【００１２】
光源１１０は、例えば、分布帰還(ＤＦＢ)レーザ、分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ)レーザ、垂直共振器面発光レーザ(ＶＣＳＥＬ)、垂直外部共振器面発光レーザ(ＶＥＣＳＥＬ)またはファブリ−ペロレーザのような、１つ以上のレーザを有することができる。さらに、レーザ利得媒質が半導体であれば、量子井戸、量子細線または量子ドットへのキャリア閉込めの使用を含めることができる。レーザ投影システム用途において、光源は、赤色スペクトル範囲のビームを発するための第１の半導体レーザ、青色スペクトル範囲のビームを発するための第２の半導体レーザ及び、次いで周波数アップ変換領域(例えば、緑色または黄色のスペクトル範囲)内の１つ以上の周波数変換後スペクトルピークに周波数アップ変換される、赤外スペクトル範囲のビームを発するための第３の半導体レーザの、３つの半導体レーザを有することができる。光源１１０及び光システム１００は、投影面にわたって複数のピクセルを有するレーザ投影画像を生成するため、(図には示されていない)走査光学系または画像形成光学系とともに、プログラムし、動作させることができる。
【００１３】
本明細書に説明される実施形態は、スペックルコントラストの低減をもたらす、緑色または黄色の周波数変換出力ビームのスペクトル拡幅を利用する。スペックルは投影面上の無秩序な粗構造によって反射される光の無秩序な干渉の結果として生じる。干渉は増加的または減殺的であり、それぞれ輝点または暗点を画像に出現させることができる。本明細書に説明される実施形態の光源は、投影面に入射する周波数変換光のスペクトルを拡幅するため、複数の周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームを発する。スクリーンを照明する出力ビームに相異なる波長の光が存在すれば、干渉は１つの波長に対しては増加的になり、別の波長に対しては減殺的になって、正味の効果が相殺され得る。Δλ離れた２つの波長によってつくられる２つのスペックルパターンは、式(１)：
【数１】
2013526726.tif 000003
【００１４】
であれば、１/ｅ２より小さい相関を示す。ここで、σｈはスクリーン表面局所高の標準偏差(粗さの尺度)である。光強度が２つの無相関スペックルパターンをつくる２つの相異なる波長の間で等しく配分されていれば、スペックルコントラストはほぼ、
2013526726.tif 000004
【００１５】
に低減され得る。平均波長を約５３０ｎｍとし、投影面の粗さを約１００μｍとすれば、周波数変換後スペクトルピークの波長間隔は約０.５ｎｍより大きくすべきである。しかし、波長間隔がさらに小さくなっても、一般には２つの無相関スペックルパターンで達成され得る、
2013526726.tif 000005
【００１６】
には満たない、いくらかのスペックル低減を生じさせることができる。レーザビームに３つの波長が存在し、これらの波長の間の間隔が式(１)を満たしていれば、推定スペックルコントラストはほぼ
2013526726.tif 000006
【００１７】
に低減され得る。したがって、波長間隔は所望のスペックルコントラスト低減を達成するに十分に大きくすべきである。
【００１８】
波長間隔がΔλの緑色スペクトル範囲内の３つの周波数変換後スペクトルピーク１４２，１４４，１４６を有する可視光ビーム１４０を達成するため、光源１１０は波長間隔がΔλＩＲの２つの基本スペクトルピークを有するポンピングビーム１２０を発生する。以下でさらに詳細に説明されるように、波長変換素子１３０がポンピングビームの基本スペクトルピークを周波数変換して、可視光出力ビーム内の３つの周波数変換後スペクトルピークを生成する。本明細書ではＤＢＲ半導体レーザの文脈において実施形態が説明されるが、他の構成の半導体レーザも利用され得ることは理解されるであろう。さらに、本明細書では、２つの基本スペクトルピークを有するポンピングビーム及び、３つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームを発生する、少なくとも３つの位相整合ピークを有する波長変換素子の文脈において実施形態が説明されるが、以下で詳細に説明されるように、実施形態はＮ個の基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発生する半導体レーザ及び２Ｎ−1個と(Ｎ＋１)Ｎ/２個の間の周波数変換後スペクトルピークを生成する波長変換素子を利用することができる。
【００１９】
半導体レーザに同時に２つの波長を出力させることは、２つの波長が利得に対して競合するから、通常は困難であり、閾値の若干の差であってもレーザは基本スペクトルピークの一方を優先させる。本発明の発明者等は、組込み周波数選択素子(ＤＦＢ及びＤＢＲ)を有するレーザダイオードまたは外部周波数選択反射器が与えられたファブリ−ペロレーザを用いることで、レーザダイオードを、例えばＱスイッチングまたは利得スイッチングのような、パルスモードで動作させれば、複スペクトルピーク出力の達成がより容易になり得ることを認識した。Ｑスイッチング用に設計されたレーザには通常、共振器内に飽和吸収体(ＳＡ)区画が組み込まれている。ＳＡ区画の損失は、(周期変調バイアスの印加により)能動的に、または(ＳＡ区画における損失が飽和する点までの、共振器内部の増幅された自発放出の蓄積を可能にすることにより)受動的に変調され、レーザは、ＳＡ区画の損失が低くなるそれぞれの時間、短く強い光パルスを発する。利得スイッチングにおいては、主増幅(利得)区画が周期(例えば正弦波)信号で駆動され、正弦波のそれぞれの正の半周期の間、短パルス(本質的に第１の緩和発振ピーク)が発せられる。
【００２０】
発明者等は、(例えばパルス長が＜５００ｐｓの)短パルス動作において、ダイオードレーザが、十分に強い光帰還が与えられる(共振器損失がキャリア密度が最大値に達したときに利用できる利得より小さい)利得帯域内の全ての波長において本質的に同時に発光し、出力スペクトルは共振器ミラー、または共振器内のいずれかの追加のスペクトル選択性素子の、反射スペクトル形状に厳密にしたがうことを見いだした。
【００２１】
限定ではなく、例として、２.２５ｍｍ長１０６０ｎｍファブリ−ペロダイオードレーザ(１.７５ｍｍ長利得区画及び０.５ｍｍ長ＳＡ区画)を体積ブラッグ格子(ＶＢＧ)によって与えられる外部反射をもつ外部共振器内においた。ＶＢＧは１０６０.５ｎｍ及び１０６２.４ｎｍに、振幅がほぼ１０％で幅が０.２ｎｍの、２つの反射ピークを有するように設計した。ＳＡ区画に(ＳＡを若干吸収性に保つ)約５ｍＡのＤＣ電流を印加し、利得区画に２００ｍＡのＤＣ電流及びピーク間４００ｍＡの９２３ＭＨｚ正弦波駆動電流を重畳して供給することにより、レーザを利得スイッチングモードで動作させ、平均パワーが６５ｍＷでピークパワーが〜１.８Ｗの、ほぼ３０ｐｓ長のパルスの列を発生させた。２つの等強度の主ピークを含み、(ダイオードレーザ内部の４光波混合によって生じた)２つのかなり弱いピークをさらに含む、出力スペクトルが図３Ａに示される。図３Ａのグラフは、ほぼ１０６０.５ｎｍの波長に中心をおく第１基本スペクトルピーク及びほぼ１０６２．４ｎｍの波長に中心をおく第２基本スペクトルピークを有するポンピングビームを示す。したがって、２つの基本スペクトルピークに波長間隔はほぼ１.９ｎｍである。第１基本スペクトルピーク及び第２基本スペクトルピークはそれぞれ、付随する光周波数ω１及びω２を有する。２つの主ピークの位置及び幅はほぼ正確にＶＢＧの反射スペクトルを再現している。したがって、ＤＢＲミラーの反射スペクトルによって、パルス(Ｑスイッチまたは利得スイッチ)ＤＢＲダイオードレーザの出力スペクトルを定めることができる。
【００２２】
３区画ＤＢＲ半導体レーザとして構成された一実施形態の光源１１０が図３Ｂに簡略に示される。半導体レーザ１１０は一般に、波長選択区画１１２，位相調節区画１１４及び利得区画１１６を有する。半導体レーザ１１０の分布ブラッグ反射器区画またはＤＢＲ区画とも称することができる、波長選択区画１１２は一般にレーザ共振器の活性領域の外側に配置された一次または二次のブラッグ格子を有する。この区画は、その反射係数が波長に依存するミラーとして格子がはたらくから、波長選択を提供する。半導体レーザ１１０の利得区画１１６はレーザの光利得を提供し、位相調節区画１１４は利得区画１１６の利得材料と波長選択区画１１２の反射性構造の間に調節可能な光路長すなわち位相シフトを形成することができる。以下でさらに詳細に説明されるように、位相区画は利得及び損失の変調機能を果たすための飽和吸収体として構成することができる。波長選択区画１１２はブラッグ格子を用いても用いなくても差し支えない多くの適する別の構成で設けることができる。
【００２３】
制御電極１１３，１１５，１１７はそれぞれ、波長選択区画１１２，位相整合区画１１４，利得区画１１６に、またはこれらの組合せに、組み込まれ、図３Ｂに簡略に示されているだけである。電極１１３，１１５，１１７は様々な形態をとり得ると考えられる。例えば、電極１１３は、２つの波長を同時に発生するため、ＤＢＲ区画の第１の半分と第２の半分の温度を独立に制御する２つの個別電極からなることができる。電極１１３は単区画または複区画のマイクロヒータとしてはたらくことができる。制御電極１１３，１１５，１１７は半導体レーザ１１０の対応する区画１１２，１１４，１１６に電流を注入するためにも用いることができる。さらに、３区画ＤＢＲ半導体レーザは様々な形態で構成することができる。例えば、ＤＢＲ区画は２つの相異なる格子周期を有する２つの区画からなることができ、位相区画は、位相区画が２つの選ばれた波長の利得／損失のバランスをとるために用いられ得るように、２つのＤＢＲ区画の間にあることができる。
【００２４】
半導体レーザ１１０のＤＢＲ区画１１２は、１０６０ｎｍ近傍にあって、間隔が少なくとも０.５ｎｍ(ΔλＩＲ)の、２つの波長においてほぼ等しい反射を与える。抽出格子、超構造格子、ピッチ及び／または深さが周期変調された格子、位相が周期シフトされた格子、または２格子ＤＢＲの使用のような、２つの波長における反射を達成するためのいかなる数の設計手法も用いることができる。利得／Ｑスイッチングモードで動作させると、そのようなＤＢＲレーザは、２つのスペクトルピークにおいてパワーがほぼ等しい、安定な短パルス出力を発生することができる。
【００２５】
一般に、連続波(ＣＷ)動作用に設計されたＤＢＲレーザにおいて、レーザの層構造は、波長選択区画、位相調節区画及び利得区画で同じである。しかし、位相調節区画及び波長選択区画は一般に、この２つの区画を無修正利得区画によって発せられる光に対して透明にし、よって共振器内損失を最小限に抑える、バンドギャップ拡大が得られる量子井戸無秩序化(ＱＷＩ)として知られるプロセスを受ける。利得区画は能動であり、接続端子に印加される注入電流をレーザ光に変換する。位相調節区画に印加される注入電流は発光または光増幅をおこさない(すなわち受動区画である)が、活性層の屈折率を変化させて、共振器モードの微調節を可能にする。波長選択区画も受動であり、注入電流は供給されない。ＤＢＲ反射の基本スペクトルピーク位置を調整するため、波長選択区画の上面または側面に抵抗ヒータを配置して温度を変えることにより、屈折率(及び共振波長)の調節を可能にすることができる。
【００２６】
本明細書に説明される実施形態の半導体レーザには、上述したＤＢＲレーザ構造の改変形態を用いることができる。一実施形態において、位相整合区画１１４はＱＷＩプロセスを受けない。この結果、位相整合区画１１４は、(閾値をこえる正バイアスが供給された場合には)増幅器として、あるいは(閾値より低いか、ゼロであるかまたは負のバイアスの印加により)飽和吸収体として、動作することができる。この実施形態において、位相整合区画１１４は位相調整(共振器モードシフト)のためではなく、追加の利得／損失変調のために動作する。この点に関し、図３Ｂに示される実施形態の位相整合区画は飽和吸収体区画１１４と称される。波長選択区画１１２は受動のままであるかまたは能動(無ＱＷＩ)になり、追加の飽和吸収を与える。波長調整は抵抗ヒータの使用によるか、あるいは、能動波長選択区画の場合、波長選択区画１１２に電流を注入することにより、達成することができる。
【００２７】
半導体レーザ１１０のパルス動作は、２つの基本スペクトルピークにおける２つの所望のポンピング波長間で出力パワーを等化し、以下でさらに詳細に説明されるように、複波長周波数変換の場合には低下した波長変換効率の補償も行う。利得スイッチングパルスモードにおいては、上述したように、正弦波(またはその他の周期的)駆動信号を利得区画１１６に印加し、この結果それぞれの正の半周期の間に短パルスを発することができる。周期駆動信号に加えてＤＣバイアスを利得区画に印加することができる。飽和吸収体区画１１４にもＤＣバイアスを印加することができ、ピークパワーが最大の高品質パルスを発するに最適な飽和吸収レベルを得られるように、ＤＣバイアスを調節することができる。Ｑスイッチングパルスモードにおいては、ＤＣ信号で利得区画１１６を駆動することができ、飽和吸収体区画１１４に周期バイアスを印加して、(吸収が低いかまたは負の場合にも)それぞれの正の半周期の間に短パルスが発せられる「シャッター」として飽和吸収体区画１１４をはたらかせることができる。いくつかの実施形態において、２０１０年３月２４日に出願された米国特許出願第１２/７３０４８２号の明細書に開示されているように、利得区画１１６及び飽和吸収体区画１１４が同相周期駆動電流を受け取る、ハイブリッド手法を用いることができる。この明細書は参照として本明細書に含められる。ハイブリッド駆動手法は半導体レーザ１１０の駆動に必要な最小量のＲＦパワーに対して可能な最善のパルス品質をもたらすことができる。上述した３つの駆動手法のいずれも、ＤＢＲ半導体レーザに適用して２波長パルス出力を生成することができる。どの駆動方法が用いられるべきであるかについての選択はレーザ構造及び用途要件の詳細に依存する。
【００２８】
さらに、ポンピングレーザは、２つ以上の同時発光基本スペクトルピークからなる基本出力スペクトルを生成するため、短いパルス振動の代わりに不均一スペクトル拡幅に依存することができる。例えば、実施形態には、ＤＢＲまたはＤＦＢ量子ドットレーザ、または、２波長反射性または複波長反射性を有する体積ブラッグ格子のような、いくつかの複波長選択光素子による不均一拡幅を有する光ポンピング固体レーザを用いることができる。そのような自然放出が不均一拡幅されるレーザは、連続波または準連続波(長パルス)の発光方式においても用いることができる。
【００２９】
図１にもう一度戻れば、２つの基本スペクトルピークを有するポンピングビーム１２０は結合光学系１２１によって収束され、波長変換素子１３０に向けられる。図１に示される実施形態において、結合光学系１２１は一般に、半導体レーザ１１０によって発せられるポンピングビーム１２０をコリメートする第１のレンズ１２２ａ及びポンピングビーム１２０を波長変換素子１３０の導波路領域に集束する第２のレンズ１２２ｂを有する。しかし、他の結合方法及びデバイスが用いられ得ることは当然である。さらに、波長変換素子はバルク非線形光学材料からなるか、または共振器内波長変換素子としてレーザ１１０に組み込むことができる。レンズ１２２ａ，１２２ｂは、レンズの位置が調節可能であるように、ｘ方向及びｙ方向にレンズ１２２ａ，１２２ｂの位置を調節するため、アクチュエータ(図示せず)に結合することができる。ｘ方向及びｙ方向のレンズ１２２ａ，１２２ｂの位置の調節は、ポンピングビーム１２０が導波路領域に合わせられ、波長変換素子１３０の周波数変換後出力が最適化されるように、波長変換素子１３０の入力ファセットに沿う、さらに詳しくは波長変換素子の導波路領域上の、ポンピングビーム１２０の位置決めを容易にすることができる。図１に示される光システム１００は実質的に直線上の配位を有するが、他の配位及び構成も可能である。例えば、ポンピングビームの光路と周波数変換出力ビームの光路が折返し光路であるように半導体レーザと波長変換素子を配位することができる。
【００３０】
波長変換素子１３０は一般に、入力ファセット１３１及び出力ファセット１３８を有する。波長変換素子は、その非線形光応答が、２つ以上の基本スペクトルピークの間の様々な可能な光周波数混合過程に対して位相整合を与えるために適切に波長間隔がとられた複数の位相整合ピークを含むように、位相変調位相整合をもつ非線形光媒質を有することができる。位相整合の位相変調は周波数混合に用いられる非線形光媒質の非線形または線形の光学特性を、あるいはいずれの光学特性も、変調することで得ることができる。
【００３１】
波長変換素子１３０の導波路領域(図示せず)は入力ファセット１３１から出力ファセットまで延びる。波長変換素子１３０は、非線形光応答の符号が交互している複数のドメイン１３２を有する非線形光学材料で形成された結晶を含むことができる。波長変換素子に適する非線形光学材料には、例えば、分極反転されたドープトまたは無ドープのニオブ酸リチウム、分極反転されたドープトまたは無ドープのタンタル酸リチウム及び分極反転されたドープトまたは無ドープのリン酸チタンカリウムを含めることができるが、これらには限定されない。
【００３２】
波長変換素子１３０内の光伝搬は自由空間伝搬または光導波路伝搬であり得る。波長変換素子１３０は、複屈折位相整合、モード間位相整合または準位相整合を含むが、これらには限定されない、位相整合方法を利用する結晶を含むことができる。位相整合の役割は、光路に沿う基本光場で生じる非線形分極により生成される周波数変換後光周波数において電磁波の増加的干渉を生じさせることである。位相整合の位相変調は位相整合を相異なる光周波数に対応するいくつかの位相整合スペクトルピークに、位相整合ピークのそれぞれが部分位相整合を生じるように、分布させるためにはたらく。ここで用語「部分」は、そのような部分位相整合ピークに対応する特定の光周波数に対し、結晶に沿う、いくつかの、ただし全てである必要はない、領域によって生じる周波数アップ変換光波が増加的に干渉して、出力上に実質的にゼロではないアップ変換後信号を生じさせることを意味する。したがって、位相変調は、基本の無変調設計において部分位相整合または無位相整合に位相整合された周波数変換過程の光周波数における最大位相整合を弱め、同時に、無位相整合が無変調設計により与えられた他の光周波数における部分位相整合を可能にする。変換下限において、同調された単色入力信号への位相変調後位相整合応答のスペクトルは、位相整合に用いられる物理的機構にかかわらず、位相変調関数(ＰＭＦ)のフーリエ変換に比例する。アップ変換周波数範囲への高レベルエネルギー変換においては、ＰＭＦのフーリエ変換からのアップ変換後信号のスペクトルの偏差が生じる。多くの場合、この偏差はスペックルコントラスト低減において少々の悪化をもたらし得る。この悪化が重要になれば、高レベル変換におけるスペクトル応答が一層良いスペックルコントラスト低減をもたらし、例えば、光パワーが高くなると最大スペックル低減が重要になり得る場合に、低レベル変換におけるスペックルコントラストが若干高くなり得るように、ＰＭＦを変えることによって位相整合ピークの強度比を調節することができる。
【００３３】
ＰＭＦは周波数アップ変換後光場に空間的に変化する位相を与える。これは、(例えば準位相整合結晶の分極反転を変調することによる)非線形分極の位相または空間位置の変調によるか、及び／または、結晶に沿う様々な場所で生成されるアップ変換後光波の位相遅延を、媒質の(実効)屈折率または光波がたどる光路長を変調することによって、達成される。準周期的分極反転の反転ドメインの位置の縦シフトのような、位相変調のための手法のいくつかは、非線形または線形の変調パスの実施形態として解することができる。
【００３４】
一般に、非線形媒質は、(１)ポンピングビームの第１の光周波数ω１の二次高調波発生(ＳＨＧ)、ポンピングビームの第１の光周波数ω１と第２の光周波数ω２との和周波数発生(ＳＦＧ)及び(３)ポンピングビームの第２の光周波数のＳＨＧの３つの非線形光過程に対する位相整合を含むように設計される。したがって、周波数変換出力ビームは、(図２に１４２，１４４及び１４６としてそれぞれ示される)２ω１，(ω１＋ω２)及び２ω２の周波数を有する３つの周波数変換後スペクトルピークを有することができる。限定ではなく例として、図３Ａに示され、ファブリ−ペロレーザに関して上述した、ほぼ４２ｍＷの赤外光を、(以下で詳細に説明される)図１２〜１４Ｂに示される連続位相変調関数にしたがう準周期位相反転導波路ニオブ酸リチウム素子を有する波長変換素子に光結合させ、３つのほぼ等しい周波数変換後スペクトルピーク１４２，１４４，１４６を有する、図２に示される出力スペクトルをもつ緑色光を発生させた(２つのかなり弱い衛星ピークは、導波路の高次緑色光モードへの増幅された背景自発放出の変換によるか、または非線形導波路の未使用の準位相整合(ＱＰＭ)側方ピークによって助長された、一方は主ポンピングＩＲスペクトルピークと、他方はＦＷＭ成分との間の和周波数混合による)。
【００３５】
準位相整合は、例えば非線形光学材料内(例えば結晶の導波路領域内)の準周期反転強誘電性ドメイン１３２による、非線形光応答の周期的または準周期的な符号反転の導入によって達成することができる。準周期反転分極は、素子長に沿って発生された注目する周波数における非線形光応答の増加的加算を保証するため、波長変換素子１３０の非線形係数の符号の準周期反転を与える。図１に示されるように、ドメイン１３２はそれぞれに付随する正または負の非線形分極を有することができる。ドメインの非線形応答の符号は結晶の軸長に沿ってほぼ周期的に交互することができる。以下でさらに詳細に説明されるように、複数の反転分極ドメインの周期性は、ドメインが準周期的に分極反転されるように、位相変調することができる。説明の目的のため、図１では準周期ドメイン１３２の大きさが誇張されていることに注意されたい。さらに、図１において波長変換素子１０は部分的にしか示されていない。
【００３６】
２ω１，(ω１＋ω２)及び２ω２の周波数変換後スペクトルピークは、無秩序に加え合わされてスペックルの出現を低減する、３つの並行スペックルパターンを生じさせることができる。いくつかの独立なスペックルパターンの強度加算によるスペックルコントラスト低減の最大化のためには、出力ビームの周波数変換後波長の間でほぼ均等に光パワーが分配されるべきである。周波数変換後出力の３つの周波数変換後スペクトルピークによって３つの独立なスペックルパターンが生成される場合については、それぞれの周波数変換後スペクトルピークの光パワーがほぼ同じであるべきである。しかし、周波数変換後スペクトルピークが同等ではなく、残りの周波数変換後スペクトルピークよりも大きいパワーを有する周波数変換後スペクトルピークにともなうスペックルパターンが観察者に一層顕著になり得るような場合でも、ある程度のスペックル低減を達成することができる。３つの周波数変換後スペクトルピークは、二次非線形相互作用による、半導体レーザで発せられる光周波数ω１及びω２の２つの基本スペクトルピークの光周波数混合によって生成される。周波数変換過程は、式(２)：
【数２】
2013526726.tif 000007
【００３７】
式(３)：
【数３】
2013526726.tif 000008
【００３８】
及び、式(４)：
【数４】
2013526726.tif 000009
【００３９】
で表すことができる。
【００４０】
上式は、周波数変換後(非線形)出力が周波数２ω１，(ω１＋ω２)及び２ω２において光パワーを有し得ることを示す。２ω１及び２ω２における出力はそれぞれ、ω１及びω２における入力ビームの光周波数の二次高調波(ＳＨ)であり、(ω１＋ω２)は２つの基本光周波数の和周波数(ＳＦ)である。同じ非線形係数ｄ実効に対し、和周波数出力の振幅は二次高調波出力のそれぞれの振幅の２倍であることが分かる。光出力は電場振幅の二乗に比例するから、(ω１＋ω２)における和周波数スペクトルピークは二次高調波スペクトルピーク２ω１及び２ω２のそれぞれのパワーの４倍のパワーを有することになろう。
【００４１】
しかし、３つの周波数変換後スペクトルピークの光パワーは、投影面において１つ以上のスペックルパターンが有意に顕著になることのないように、ほぼ等しくなければならない。例えば、和周波数出力の光パワーが２つの二次高調波出力の４倍であれば、観察者には和周波数出力によって生成されるスペックルパターンが一層顕著になるであろう。しかし、いくつかの実施形態において、総変換効率を高めるため、和周波数発生にともなう周波数変換後スペクトルピークは二次高調波発生にともなう周波数変換後スペクトルピークよりも大きいパワーを有することができる。この場合、波長変換素子の変換効率を高めるため、スペックルコントラストの低減がある程度犠牲にされ得る。
【００４２】
本明細書に説明される実施形態は、非線形光媒質の位相整合特性の操作により、波長変換素子の３つの周波数変換後スペクトルピークの光パワーをほぼ等しくすることができる。二次高調波発生のために用いられる波長変換素子は、伝搬方向に沿う様々な場所で生成される周波数アップ変換後光を位相整合させるため、位相整合周期で分極反転される。説明のため、固定位相整合周期Λを有するニオブ酸リチウム内の周期反転強誘電性ドメインを含むＱＰＭ構造のスペクトル強度応答は波数ベクトル空間において、ｍ＝１,２,３,…として、ｍ２π/Λに準位相整合ピークを有する。ｍ＝１で表される準位相整合ピークは準位相整合ピークのそれぞれの内で最も高い強度を有する。様々な次数ｍに対応する準位相整合ピークの相対強度値は１/ｍ２にしたがって減少する。したがって、最も高効率の準位相整合に対し、ｍ＝１の準位相整合ピークは、周波数変換後出力ビームを生成するため、半導体レーザによって発せられるポンピングビームの赤外波長にあるべきである。以下で説明される位相整合概念は準位相整合以外の位相整合手法(例えばバルク複屈折結晶の使用による位相整合)にも適用され得ることは当然である。
【００４３】
説明の目的のため、準位相整合は波数ベクトル(ｋベクトル)空間において表すことができる。二次高調波発生及び和周波数発生の場合、周波数アップ変換後光のソースは式(４)の右辺で表される。特定の瞬間において、伝搬方向に沿う一例の周波数２ωにおけるソース波の位相分布は波数ベクトル,２ｋω＝２ωｎω/ｃ＝４πｎω/λωで表すことができる。ここで、ｃは光の速度、λωは周波数ωの光波の真空中の波長、ｎωは非線形分極を生じさせる、ポンピング波の光周波数ωにおける、非線形光媒質の屈折率である。導波路内の伝搬及び相互作用の場合、ｎωは非線形分極を生じさせる、基本周波数(ポンピング)波の伝搬を表すために用いられる、導波路モードの実効屈折率である。同時に、伝搬方向に沿ういずれかの場所において発生される周波数２ωの自由伝搬する周波数アップ変換後光は、波数ベクトルがｋ２ω＝２ωｎ２ω/ｃ＝２πｎ２ω/λ２ωの平面波で表すことができる。ここで、ｎ２ωは二次高調波周波数２ωにおける媒質の(実効)屈折率であり、λ２ω＝λω/２は二次高調波の真空中の波長である。自由伝搬している周波数アップ変換後光が、光波が縦次元内に閉じ込められている、導波路伝搬の場合も含むことは当然である。ソース波の波数ベクトルが自由伝搬波の波数ベクトルと同じであれば、発生した二次高調波の増加的干渉が素子長に沿ってみられ、二次高調波のパワーが増加する。そうでなければ、二次高調波のパワーは長さに沿って振動し、式(５)：
【数５】
2013526726.tif 000010
【００４４】
で表される波数ベクトルのずれによって規定される小さな最大値にしか達しない。
【００４５】
Δｋが非ゼロである場合、二次高調波のパワーの増大を可能にするための一方法は、上述したように準位相整合を用いることである。周期Λをもつ非線形係数の符号の周期反転及び付随するｋベクトル,Ｋｇ＝２π/Λにより、Δｋによって生じる位相ずれの周期的補償が得られる。準位相整合は、式(６)：
【数６】
2013526726.tif 000011
【００４６】
が成立する場合に達成され、よって波数ベクトルのずれが補償される。ここで、ｍはいずれかの整数とすることができ、準位相整合の次数を示す。和周波数発生の場合についても同じタイプの準位相整合が適用できるが、この場合は式(５)が式(７)：
【数７】
2013526726.tif 000012
【００４７】
で置き換えられ、ＱＰＭ条件(式(６))が式(８)：
【数８】
2013526726.tif 000013
【００４８】
で置き換えられる。
【００４９】
式(５)で定められるように、関係する光場の周波数２逓倍に対して、それぞれの基本光波長λωには波数ベクトルずれΔｋが付随する。同様に態様で、それぞれの光波長の和の発生に対して、２つの基本波長λ１及びλ２のそれぞれには波数ベクトルずれΔｋ１及びΔｋ２が付随する。ニオブ酸リチウムのｄ３３非線形係数を利用するためのタイプＩの準位相整合の場合、基本波長が１０６０ｎｍのオーダーにあれば、９０００ｃｍ−１のオーダーの、Δｋが有意である。複屈折位相整合のような、他の場合の位相整合において、Δｋは０である。キャリア周期性及びその位相変調に関してＱＰＭ素子設計を説明する場合、ｋベクトル空間において、式(９)：
【数９】
2013526726.tif 000014
【００５０】
により偏差ｋベクトルを定めることが便宜がよいことがある。ここでＫＣはＱＰＭのキャリア周期性を表す波数ベクトルである。式(９)の右辺の＋/−符号はδｋと基本波長の間のマッピングは、関係式位相整合が変調されていないときはδｋ＝０であるように選ばれる。この態様においては、それぞれの基本波長及びそれぞれの非線形過程(ＳＨＧ，ＳＦＧ)にδｋの特定の値が付随する。非線形素子の特定の設計対して、中心(設計)光周波数の離調が付随する位相ずれを決定するから、非線形光学素子のスペクトル応答は、δｋの関数として示し、プロットすることができる。
【００５１】
δｋと基本波長の間のマッピングは、関係式(１０)：
【数１０】
2013526726.tif 000015
【００５２】
で与えることができる。ここで、ｎｇω及びｎｇ２ωは基本周波数及び二次高調波周波数における群屈折率を表す。周波数ωまたは波長λにおける群速度は、式(１１)：
【数１１】
2013526726.tif 000016
【００５３】
として定めることができる。長さＬの真に周期的に分極反転させた素子は、半値全幅(ＦＷＨＭ)が１.７７２π/Ｌに等しいsinc２関数によって表される、δｋに関するスペクトル応答曲線を有するであろう。基本波長に関し、ＦＷＨＭは式(１２)：
【数１２】
2013526726.tif 000017
【００５４】
となる。
【００５５】
上記を利用して、本開示の波長変換素子は、少なくとも２つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームの周波数を少なくとも３つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームに変換する。したがって、波長変換素子は、周波数が２ω１，(ω１＋ω２)及び２ω２の、光パワーがほぼ等しい、周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームを生じる、３つ以上の位相整合ピークを与えるべきである。(例えばＱＰＭ次数ｍ＝１を用いる)準位相整合による二次高調波発生に関して上述した位相整合スペクトルピークの１つに焦点を絞れば、ＱＰＭ結晶ドメイン構造の性質を位相整合周期Λにおける厳密な周期から準周期構造に変えることにより、ピーク形状を単ピークから複数のスペクトル成分を含む分裂ピークに変えることができる。周波数チャーピングＱＰＭ格子、周期的または非周期的な超格子、準周期的超格子、無周期超格子及び位相変調を含むがこれらには限定されない、ＱＰＭピークの形状を操作するためのいくつかの手法を用いることができる。さらに、スペクトル応答と物理空間における非線形分極率の分布の間のフーリエ変換関係を用いることにより、所望のスペクトル応答をもつＱＰＭ構造を得るためのコンピュータ最適化の手法を利用することができる。
【００５６】
図６を全般に参照すれば、一実施形態にしたがう波長変換素子のδｋに関するスペクトル応答が示される。スペクトル応答は少なくとも３つの位相整合ピーク(例えば準位相整合ピーク)、すなわち、第１の準位相整合ピーク１６２，第２の準位相整合ピーク１６３及び第３の準位相整合ピーク１６４を特徴とする。第１の準位相整合ピーク１６２は二次高調波発生により生成された２ω１の周波数を有する第１の周波数変換後スペクトルピーク１４２(図２)に対応し、第２の準位相整合ピーク１６３は和周波数発生による(ω１＋ω２)の周波数を有する第２の周波数変換後スペクトルピーク１４４に対応し、第３の準位相整合ピーク１６４は二次高調波発生により生成された２ω２の周波数を有する第３の周波数変換後スペクトルピーク１４６に対応する。
【００５７】
３つの周波数変換後スペクトルピーク１４２，１４４及び１４６を生成するための２つの基本スペクトルの混合による周波数アップ変換の特定の場合に対し、ポンピング光スペクトルの縦モード構造に基づいて弁別される３つの場合−単一モード、多モード及び広い連続スペクトル−があり得る。後者の場合は、ポンピング光スペクトルが、例えば過剰な周波数チャーピングにより、１つ以上の明確に定められたスペクトル線では十分に表されない状況を含む。
【００５８】
単一モード基本スペクトルピークが本明細書において初めに説明され、続いて多モード実施形態が論じられるであろう。単一モードにおいて、２つの基本スペクトルピークのそれぞれはスペクトル線幅が狭い単一縦レーザモードからなる。ポンピングモードの線幅は一般に波長変換素子のスペクトル応答特性よりかなり狭いから、スペクトルピークの幅は第一義的には重要ではない。したがって、スペックルコントラストが有意に減衰されるように、３つの周波数変換後波長における出力パワーを等しくするため、強度応答比を１：０.２５：１に保ちながら、３つの準位相整合ピーク１６２，１６３及び１６４のピーク強度値を最大化することを含むことができる。準位相整合ピークが正確にδｋ空間内にあることを保証するために注意が払われるべきであることに注意されたい。和周波数(ω１＋ω２)は二次高調波周波数２ω１と２ω２の間の正確に中位にあるが、和周波数発生過程に対する波数ベクトルのずれは、材料分散及び導波路分散による２つの二次高調波発生過程に対する平均波数ずれに対して若干シフトされ得る。このシフトは、和周波数発生非線形過程に対応する第２のスペクトルピーク１６３の幅と同等になる場合には、無視不可になり得る。
【００５９】
δｋにおいて等間隔に配された３つのスペクトルピークを有し、実質的に等しい光パワーを有する３つの周波数変換後スペクトルピークを生成するための所望の応答比を有する波長変換素子を得るため、位相整合周期性の変調を用いることができる。赤外(基本)光と変換後(二次高調波)光の間の波数ベクトルずれΔｋは数１０００ｃｍ−１である。このずれを補償するには、位相ずれを排除するため、短い準位相整合周期Λをもつ周期分極反転及びΔｋを整合する数１０００ｃｍ−１の波数ベクトルＫＣが必要になり得る。この結果は、二次高調波発生に関して上述したように、δｋ＝０に中心をおく単一スペクトルピークになるであろう。準位相整合周期Λは基本キャリア周期性と称することができる。
【００６０】
３つの準位相整合ピークを得るため、位相変調関数(ＰＭＦ)をキャリア周期性に適用して位相変調周期性を達成することができる。位相変調周期性は、準周期分極反転ドメインの形態にある非線形光学材料に適用されると、δｋ＝０に中心をおく単スペクトルピークを複数のスペクトルピークに分裂させ、よって中心スペクトルピーク１６３(図６)に隣接して等間隔で配された側波帯(１６２，１６４)を生成する効果を有する。反転ドメインは、ＰＭＦで変調されたときに複数のドメインは全体としては真に周期的ではないから、準周期的と称される。ＰＭＦは、ＱＰＭ周期Λ(すなわちキャリア周期性)に比較して非常に大きな周期を有し、したがってかなり小さなｋベクトルを有する。ＰＭＦは分極反転ドメインの相対位置に小さな摂動を導入する。例として、第１及び第３の側帯スペクトルピーク１６２及び１６４が中心の第２の準位相整合ピーク１６２から２８ｃｍ−１にあることが望ましければ、２８ｃｍ−１のｋベクトルによる変調を適用することができる。周期分極反転に位相変調関数を適用するため、伝搬方向に沿う全ての反転ドメインの位置をＰＭＦの局所値に比例する距離だけシフトさせることができる。比例定数は、ＰＭＦによって規定されるπの位相シフトが反転ドメインに対する０.５Λの縦シフトに対応するような値をとる。位相変調関数がｆ(ｘ)であれば、伝搬方向に沿う位置ｘにおける反転ドメインの位置の縦シフトはＡｆ(ｘ)/ｘである。同じ素子実施の説明を周波数(周期)変調に関して与え得ることは当然である。
【００６１】
ポンピングスペクトルピークが中心波長λの両側に(真空)波長でΔλだけ離して対称に配されていれば、波長が０.５(λ−０.５Δλ)，０.５λ及び０.５(λ＋０.５Δλ)のアップ変換後光の生成を可能にするであろう成分に位相整合ピークを分裂させることができる周期ＰＭＦは、式(１３)：
【数１３】
2013526726.tif 000018
【００６２】
の周期を有するべきである。
【００６３】
周期位相変調が有効なスペックル低減に用いられ得る様々な位相変調関数の１つでしかないことは当然である。周期位相変調はスペックル低減と変換効率の間の折衷に関するほぼ最適な応答を提供できるが、準位相整合ピークの位置及び強度が周期変調の場合に比較して若干代わっても実質的なスペックル低減には十分な性能を提供するであろう多ピークアップ変換スペクトル応答を生じさせるため、他の非周期ＰＭＦも用いることができる。最適化されたスペックル低減及び変換効率を与えることができるのは、準位相整合ピークの十分な波長間隔と強度分布である。
【００６４】
別の実施形態において、周期分極反転と干渉せずに、位相変調関数を実効屈折率に適用することができる。例えば、(導波路相互作用の場合)導波路の幅、厚さまたは屈折率分散を徐々に変えることによりδｋを周期的に変えることができ、よって真の周期分極反転を変えずにスペクトル応答に複数の準位相整合ピークを生成することができる。この手法は、複屈折位相整合または(導波路分散が材料分散を補償するために用いられる)モード間位相整合のような、非線形係数の周期符号反転とは別の手段に依存する位相整合相互作用にも適用することができる。
【００６５】
複屈折位相整合またはＱＰＭをともなうバルク結晶の場合、温度、応力または電場による屈折率の周期変化も、連続位相変調に適用することができる。線形光学特性の変調は、材料組成、温度、電場、機械的応力またはその他の応力要因によって生じさせることができる。導波路伝搬の場合、導波路の幅、厚さまたは材料組成のような導波路特性の周期変調が、光学モードの実効屈折率への効果を介して、位相整合の周期変調をおこさせることができる。
【００６６】
別の実施形態において、複数の結晶を、光透過性材料の薄層を間にして、光伝搬方向に沿って順次に重ねることができる。間層の厚さは、離散位相変調に対し、基本光周波数とアップ変換後光周波数の間に、ｌ＝０,１,２,３,…として、(２ｌ＋１)πの位相差が生じるように選ばれる。あるいは、非線形光学特性及び線形光学特性が異なる、異なる材料のブロックを重ね合わせて、位相整合の変調を得ることができる。
【００６７】
次に図４及び５を参照すれば、位相変調関数の一実施形態及び、得られた、位相変調後周期を有する複数の分極反転ドメインが示される。図４は矩形波からなる離散ＰＭＦ１５０を示す。離散ＰＭＦ１５０は長周期符号反転シーケンスを実施する。各符号反転はπの離散位相ジャンプと等価である。周期分極反転によるＱＰＭの場合に対し、この周期符号反転は位相整合周期Λによる周期分極反転に重畳される。図５に示されるように、非線形係数の符号反転は、ニオブ酸リチウムのような強誘電体結晶における誘電分極反転と等価である。周期符号反転は１つ以上のドメインの方位をそれぞれの正規方位に対して、位相整合周期Λを特徴とするように、反転させることによって達成される。
【００６８】
図４〜６に示され、特徴が表される波長変換素子は、８ｍｍ長準周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶である。離散ＰＭＦ１５０は、全素子長の１/３の、約２.６７ｍｍの符号反転周期を有する。８ｍｍ長領域の外部において位相整合は与えられない。数学的には、位相整合領域の外部における非線形光学係数は、その領域の外側に非線形媒質が拡がっていても、０とすることができる。離散ＰＭＦ１５０のデューティサイクルは、準位相整合ピーク及び対応する３つの周波数変換後スペクトルピークの所望の間隔及び強度を達成するため、変えることができる。図４に示される実施形態の離散ＰＭＦのデューティサイクルは、図６に示される３つの準位相整合ピーク１６２，１６３及び１６４の４：１：４の応答比を達成するため、ほぼ０.３５４である。
【００６９】
図５は波長変換素子１３０の一領域の複数のドメインを示す。図５が比例尺で描かれておらず、説明目的でしかないことは当然である。第１の結晶方位１３２ａ(例えば正符号)を有するドメインは上向き矢印↑で示され、第２の結晶方位１３２ｂ(例えば負符号)を有するドメインは下向き矢印↓で示される。図４を参照すれば、ｘ軸上のｘ＝−０.４が波長変換素子の位相整合領域の始点に相当し、ｘ＝０.４が波長変換素子１３０の位相整合領域の終点である。離散位相変調関数１５０の領域１５１は値‘１’を特徴とする。この領域において、ドメイン１３２ａ，１３２ｂは位相整合周期Λにしたがって周期的に交互する。しかし、領域１５１から領域１５２への遷移点において、ドメインの符号または方位が反転する。図５に示されるように、ドメイン１３３は、領域１５２内の残りのドメインが位相整合周期Λ(すなわちキャリア周期性)によって定められるような正規位置に対してπだけ位相シフトするように、第１の結晶方位ではなく第２の結晶方位を有する。ドメインは(この場合は位相シフトされるべき領域内のドメインの方位の反転(符号の反転)に等価な)０.５Λだけｘ軸に沿って縦シフトする。領域１５２と１５３の間の遷移点において、ドメイン１３４の方位は、領域１５３内のドメインが位相整合周期Λにしたがって周期的に交互するように、反転する。同様に、ドメイン１３５の符号または方位は領域１５３と１５４の間の遷移点において反転する。したがって、ドメインは離散位相変調関数１５０の領域１５１，１５３及び１５５におけるキャリア周期性によって定められる正規位置において分極反転し、ドメインは離散位相変調関数１５０の領域１５２，１５４及び１５６において正規位置に対し０.５Λだけシフトされる。
【００７０】
図６は、位相整合周期Λにより定められ、図５に示されるＰＭＦによる周期ドメイン符号シーケンスを乗じることで改変された位相変調周期性において分極反転された波長変換素子のスペクトル応答１６０を示す。それぞれのドメインのドメイン幅はほぼ３.２μｍである。波長変換素子はＭｇＯドープ調和ニオブ酸リチウム導波路を組み込み、二次非線形分極率のｄ３３成分を用いるタイプＩの位相整合を可能にするため、準周期位相整合が用いられる。スペクトル応答１６０がδｋの関数として図６に示される。３つの主準位相整合ピーク１６２，１６３及び１６４の強度はそれぞれ、０.３４３，０.０８４９及び０.３４３である。外側の２つの準位相整合ピーク１６１及び１６５は周波数変換後出力に寄与しない。第１及び第３の準位相整合ピーク１６２及び１６４はΔｋ空間において４５ｃｍ−１だけ離れている。これらの準位相整合ピーク１６２及び１６４は、波長で約１.５９ｎｍ離れた、１０６０ｎｍ周りの２つの対応する赤外波長の周波数２逓倍に準位相整合するであろう。第２の準位相整合ピーク１６３は２つの赤外波長の和周波数混合に準位相整合するであろう。レーザパワーＰが２つのポンピングモード間で等しく配分されているとすれば、同時二次高調波発生過程／和周波数発生過程の総合効率は、式(１４)：
【数１４】
2013526726.tif 000019
【００７１】
で与えることができる。ここで、η０は、単一準位相整合ピークをもつ、同じ長さの均等周期分極反転準位相整合格子の二次高調波発生効率である。因子０.２５６が変換効率を低くしすぎれば、パルス動作に御希有ピークパワーの増大によって効率を回復させることができる。周波数アップ変換後出力信号の平均パワーと平均基本(ポンピング)入力パワーの比として定義される、非線形光学素子の外部変換効率は全光システムの一部としての非線形素子の性能を表す最も重要なパラメータであり得る。外部変換効率の１/４への減少は、ピーク基本パワーの４倍以上の増大によって補償され得る。さらに、パルス形状が矩形ではなく、ガウス形、双曲線正割形またはローレンツ形のような、より一般的なレーザパルス形状である場合には、１.４〜２の因子がさらに適用されるべきである。
【００７２】
周期ΛＰＭによる周期符号反転及び５０％デューティサイクルによって表されるＰＭＦにより、同じ長さの真に周期的なＱＰＭ構造に比較して、それぞれがほぼ０.４１の相対強度を有する２つの成分へのＱＰＭスペクトルピークへの分裂が得られる。ＱＰＭ構造の長さがＰＭＦの数周期にしか等しくない場合、ＱＰＭ構造の終端においてＰＭＦがどのように打ち切られているかに依存して、０.４１からの相対強度の偏差が見られ得る。好ましい打切りは、ＰＭＦがＱＰＭ構造の中心に関して対称であり、ＱＰＭ構造の長さＬが、ｍを正整数として、ほぼ(ｍ＋０.３)ΛＰＭに等しいときにおこる。例えば、Ｌ＝(ｍ＋０.３)ΛＰＭである場合、２つのピークの相対応答強度は、ｍ＝１,２,３及び４の場合に、それぞれ０.４７４，０.４４２，０.４３１及び０.４２４である。準位相整合ピークが２つしかない符号反転ＱＰＭ構造が、和周波数発生に対する位相整合を与えられずに、ポンピングモードのそれぞれを周波数２逓倍するために用いられれば、２つの二次高調波発生過程のそれぞれに対する規格化効率の方が高い(例えば０.４１±０.０６対０.３４３)としても、全周波数変換後出力は式(１５)：
【数１５】
2013526726.tif 000020
【００７３】
で与えられることになろう。
【００７４】
式(１４)と式(１５)の比較は、３つの準位相整合ピークをもつ最適化されたＱＰＭ構造を利用すれば、約１/１.４１から約１/１.７３へのスペックル低減因子の向上に役立つだけでなく、２つの準位相整合ピークしか有していない構造に比較して平均で約２５％の総合非線形変換効率の増強にも役立つであろうことを示す。和周波数発生波数ベクトルずれΔＳＦＧの周波数シフトが準位相整合ピークの間隔を制限し、よって完全スペックル低減因子は得られないとしても、２つのスペクトル上離れたポンピングレーザモードが同時に発生される場合には、変換効率の増強だけでも有益であり得る。限定ではなく、例として、ＰＭＦ周期または非線形素子長,Ｌ＝(ｍ＋０.３)ΛＰＭの最適選択に対し、デューティサイクルが３９％の周期符号反転ＰＭＦは、無変調位相整合素子に対してほぼ０.３４２，０.０７１及び０.０３４２の強度をもつ２つの中心ピークを生成する。デューティサイクルが２８％であれば、相対ピーク強度は０.２４７でほぼ等しい。すなわち、２７％と２９％の間のデューティサイクル範囲は、有意なスペックル低減を提供することができる応答ピーク比の範囲に対応する。中央位相整合ピークの強度が２つの側帯ピークの強度と同様である場合、中央周波数変換後出力ピークは第１及び第３の(ＳＨＧ)出力ピークより若干高い光パワーを含み、総合周波数変換効率を向上させることができる。中央ピークのパワーが２つの他のピークのパワーの２倍以内にあれば、スペックル低減の中程度でしかない悪化が見られるであろう。これは、そのようなトレードオフが望ましい場合に、効率の増大とトレードオフされ得る。
【００７５】
別の実施形態において、離散ＰＭＦ１５０は、デューティサイクルではなく、離散位相変調の深さによって複数の位相整合ピークの強度比を制御することができる。ＰＭＦは振幅がΦ０ＰＭの矩形波形からなることができる。ＰＭＦによって位相整合に与えられる位相は式(１６)：
【数１６】
2013526726.tif 000021
【００７６】
で与えられる。ここでψ０は、望ましければ、ＱＰＭ構造に沿う中点に対するＰＭＦ波形の一定の位相シフトを可能にするパラメータである。例として、Ｌ＝３.３ΛＰＭでピーク比が４：１：４の場合に対するＰＭＦが図７に示され、スペクトル応答が図８に示される。sign関数は引数が正の場合に値＋１を取り、引数が負の場合に値−１を取り、引数が０のときは０であるから、ＰＭＦによって定められる位相は本質的にΦ０ＰＭと−Φ０ＰＭの間で周期的にジャンプする。位相変調の深さ(ＤＰＭ)は位相変調の振幅の２倍に等しく、式(１７)：
【数１７】
2013526726.tif 000022
【００７７】
で与えられる。
【００７８】
位相整合長がＬ＝０.７７０６ｃｍの波長変換素子にψ０＝０及びΛＰＭ＝０.２３３５の式(１６)で定められるＰＭＦを用いれば、振幅Φ０ＰＭを０.３１６πから０.４０３πに変えることにより、位相変調ＱＰＭスペクトル応答の３つの主ピークの比は１：１：４から４：１：４の範囲に入る。さらに、ピーク比は、Φ０ＰＭ＝０.３７５πのときに４：１.７５：４であり、Φ０ＰＭ＝０.３６４πのときに２：１：２である。これらの後者のＱＰＭピーク比は、後に説明されるように、ポンピング光の多モードスペクトルピークの場合に重要になり得る。ＰＰＭｇＬＮ導波路に適用すれば、上記のＰＭＦは波長でほぼ１０６１ｎｍを中心にして約１.９ｎｍ離れたポンピング光スペクトルピークの周波数混合に対するＱＰＭを与えるであろう。さらに長い(例えば０.９９４８ｃｍの)ＱＰＭ構造及び同じピーク比に対し、それぞれの位相変調深さは本質的に(０.００２π内で)同じである。さらに、偶数または整数のＰＭＦ周期に等しくない結晶長による波形打切りの効果は、位相整合スペクトルピークに要求されるある強度比に対して必要な位相変調深さに多少影響する。実用的に重要な範囲にわたる離散矩形ＰＭＦ(ΛＰＭ＝０.２３３５ｃｍ，ψ０＝０)のいくつかの例を表１にまとめてある。
【表１】
2013526726.tif 000023
【００７９】
表１には矩形波ＰＭＦパラメータ及び位相整合スペクトル応答におけるピークの強度が示される。ＭＳＨＧ及びＭＳＦＧは、同じ長さの真に周期的な位相整合構造の単一モードＳＨＧ応答の強度に対して規格化された、位相整合二次高調波発生及び位相整合和周波数発生に帰因する位相整合応答におけるピークの強度である。
【００８０】
また別の実施形態において、ＰＭＦ１５０はｘの台形関数である。関数は周期がΛＰＭの周期関数である。図９はＬ＝３.３ΛＰＭでピーク比が４：１：４の場合に対する台形ＰＭＦを示し、対応するスペクトル応答が図１０に示される。それぞれの半周期においては、与えられる位相は、単一コントラストをとるのではなく、傾斜区画及び平坦区画にしたがう。対称台形ＰＭＦの場合、後者は位相振幅Φ０ＰＭ，周期ΛＰＭ，位相シフトψ０，及び平坦部デューティサイクル(ＰＤＣ)によって定めることができる。ＰＤＣは半周期の分率としての平坦区画の長さに等しい。傾斜区画の長さＬ傾斜は半周期の残余であり、傾斜率は[(１/Ｌ傾斜)×振幅Φ０ＰＭ]である。付加された自由パラメータ(傾斜)のため、要求されるある位相整合ピーク比はパラメータの異なる組合せ、したがって異なる台形ＰＭＦ波形によって得ることができる。よって、台形ＰＭＦは、位相整合を変調してスペックル低減及び変換効率に関する最適な性能を得るためのフレキシブルな方法を提供することができる。ＰＭＦパラメータセット及び対応する位相整合ピークの優れた規格化強度の例を表２に含めてある。実用的に重要なスペクトル応答範囲にわたる対称台形ＰＭＦ(ΛＰＭ＝０.２３３５ｃｍ，ψ０＝０)のいくつかの特定の例を表２にまとめてある。
【表２】
2013526726.tif 000024
【００８１】
表２には台形波ＰＭＦパラメータ及び位相整合スペクトル応答におけるピークの強度が示される。ＭＳＨＧ及びＭＳＦＧは、同じ長さの真に周期的な位相正号構造の単一モードＳＨＧ応答の強度に対して規格化された、位相整合二次高調波発生及び位相整合和周波数発生に帰因する位相整合応答におけるピークの強度である。
【００８２】
与えられた位相の直線傾斜は伝搬方向に沿って一定態様で増加または減少する位相シフトを表す。準位相整合の場合、これは、異なる観点から、ＱＰＭ構造の局所周期における変化として見ることができる。すなわち、対称連続台形位相変調関数は、３つの異なるＱＰＭ周期を有する構造を表すと見ることができる。無摂動構造の周期は、ＰＭＦが与えられる位相の平坦部によって表されるデバイス長に沿う領域において見られる。この周期は、ＰＭＦが傾斜によって表される領域における、キャリア周期性より１つは小さく、１つは大きい、２つの値の内の１つに固定される。
【００８３】
比較的平滑な投影面に対しては、均等に離れた位相整合ピークを生成する上述した方式によって許容され得るより大きな可視周波数変換後スペクトルピーク間隔を有することが望ましいであろう。そのような場合、ΔｋＳＦＧは、２つの外側のピークが２つの二次高調波発生過程に対する波数のずれを一致させるように合わされる、３つの等間隔準位相整合ピークをもつＱＰＭ超構造の中間位相整合ピークの中心からかなりシフトされるであろう。そのような場合、３つの周波数変換プロセスの全てが適切に位相整合されることを保証するための手段がとられるべきである。これを達成するための一方法は、より短い結晶を有する波長変換素子を用いて、上述したような３つの等間隔準位相整合ピークを生成することである。波長間隔がより大きな準位相整合ピークを必要であることにより、離散ＰＭＦの周期が縮小されることになり、同時に、結晶長が短くなるにつれて、準位相整合ピークのそれぞれの幅が増大することになるであろう。
【００８４】
粗さがさらに微小なスクリーン上でのスペックル低減が望まれる場合、準位相整合ピークの間隔がさらに広いＱＰＭ構造が必要になり得る。この場合、二次高調波発生過程及び和周波数発生過程に対し、ピークを不等間隔Δｋベクトルと合わせるために中央準位相整合ピークを若干シフトさせることが必要になり得る。図１１は、波長変換素子２３０が第１の分極反転ニオブ酸リチウム結晶区画２８０及び第２の分極反転ニオブ酸リチウム結晶区画２８２を有する実施形態を示す。この実施形態の波長変換素子２３０では、２つの準位相整合ピークを生成するために二次高調波発生に用いられるべき上述した離散ＰＭＦにしたがう位相変調周期性を有するＱＰＭ構造(第１の結晶区画２８０)が、より低い準位相整合ピークを生成するために和周波数発生に用いられるべき若干異なるＱＰＭ周期を有する短い一様ＱＰＭ構造(第２の結晶区画２８２)と組み合わされる。短ＱＰＭ構造の周期は、和周波性発生準位相整合ピークがΔｋＳＦＧのずれを補償するために適切にシフトされ得るような周期である。さらに、準位相整合ピークのスペクトル間隔は、それぞれの準位相整合ピークの歪をもたらすであろう準位相整合ピーク間の干渉を避けるため、それぞれの準位相整合ピークの幅よりもかなり大きくすべきである。関連実施形態において、区画２８０と区画２８２の順序を光路に沿って逆にしても同様の性能を得ることができる。ポンピング光の減耗が問題になる場合、区画２８０と区画２８２の長さの最適な比は光路に沿ってそれぞれが配される順序に依存して若干変えることができる。
【００８５】
外側の二次高調波発生ＱＰＭピークを生成する第１の結晶区画２８０は、準位相整合ピークの２つの準位相整合ピークへの効率的分裂のための、上述した、またはその他の、符号反転(π位相シフト)手法に基づくことができる。例えば、波長変換素子２３０の第１の区画２８０が長さＬ１にしたがう符号反転による位相変調周期性を有し、二次高調波発生過程に対応する祖手小川の準位相整合ピークが和周波数発生過程に対応する中央準位相整合ピークより４倍高いことが必要であれば、無摂動(すなわち真に周期的な)中央準位相整合ピークの第２の結晶区画Ｌ２は、第１の結晶区画の準位相整合ピークが一様ＱＰＭ格子を有する結晶に比較してほぼ０.４１倍に減衰することを考慮すれば、式(１８)：
【数１８】
2013526726.tif 000025
【００８６】
によってＬ１に関係付けられる。因子０.４１は、位相整合関数の数周期しか位相整合構造の長さ内で適合しない場合に数％の変動をもたらし得る、位相整合構造の終端においてＰＭＦがどのように打ち切られるかに実値が依存するから、近似値である。式(１８)からＬ２＝０.３５・Ｌ１が得られ、この実施形態にしたがう総波長変換素子長はＬ＝Ｌ１＋Ｌ２＝１.３２・Ｌ１である。上述したように、位相変調区画の長さＬ１は、０.４１より若干高い２つのスペクトルピークの規格化強度を得るに好ましいＰＭＦの打ち切りを与えるため、ｍを整数として、(ｍ＋０.３)ΛＰＭにほぼ等しい長さに選ぶことができる。次いで、長さＬ１とＬ２の比を調節して、３つの出力の光パワーのバランスをとりなおす必要があり得る。和周波数発生に割り当てられる短ＱＰＭ区画は、光軸に沿って、二次高調波発生に割り当てられる位相変調区画に先行することもできる。
【００８７】
限定ではなく、例として、６.０５ｍｍ長の第１の分極分極反転ニオブ酸リチウム結晶または周期が１ｍｍでデューティサイクルが５０％の離散位相変調関数が基本ＱＰＭ周期Λ１に適用されているＱＰＭ格子を有する導波路区画からなる波長変換素子は、基本波長においてほぼ４ｎｍ離れた２つの準位相整合ピークを生成するであろう。スペクトルピークの半値全幅(ＦＷＨＭ)は、Δｋ空間において、
2013526726.tif 000026
【００８８】
になり、基本波長において０.３ｎｍになるであろう。長さがＬ２＝１.９５ｍｍであり、ＱＰＭ周期Λ２がΔｋＳＦＧを補償するために適切に選ばれている第２の分極反転ニオブ酸リチウム結晶区画は、Δｋ空間において、
2013526726.tif 000027
【００８９】
の、また基本波長空間において１ｎｍのスペクトル幅を有するであろう。２区波長変換素子は、中間の準位相整合ピークは外側の準位相整合ピークよりかなり広くなり得るから、完全には最適化され得ないことに注意されたい。なお、このことはスペックル低減に必須ではない。
【００９０】
２つの基本スペクトルピークのそれぞれが半導体の複数の縦モードを含む場合、位相整合ピークのスペクトル応答の最適強度比が変わる。波長変換素子の出力上の３つの周波数アップ変換後スペクトルピークは、２つの基本スペクトルピークを構成する様々な縦ポンピングレーザモードに対応する狭幅細線の、周波数２逓倍または和周波数混合によって生成された複数のスペクトル線からなるであろう。
【００９１】
例えば、ポンピングビームの２つの基本スペクトルピークのそれぞれにＭ個の縦モードが含まれるとする。規格化強度が１のスペクトルピーク内の単一縦モードの周波数２逓倍の効率をη０とし、３つの、位相整合スペクトルピークまたはＱＰＭスペクトルピークのそれぞれが、１の規格化強度を有するとする。波長変換素子の位相整合スペクトルピークまたはＱＰＭスペクトルピークの帯域幅が様々なモード間の周波数混合の効率を制限しないとすれば、以下の関係が成立する：
(１)異なるスペクトルピークに属する周波数成分(モード)欄の和周波数発生混合効率に対し、ηＳＦＧ＝４η０である、及び
(２)生成される基本周波数の内の１つ成分(モード)の、他の基本スペクトルピークからのモードとの混合を除く、波長変換素子の１つの対応するＳＦＧ位相整合スペクトルピークまたはＱＰＭスペクトルピークによって生成される総周波数アップ変換に対し、ηＳＨＧ＝(２−１/Ｍ)η０である。この関係は、相対重みが１のそれぞれのポンピング縦モードの周波数２逓倍及び相対重みが４の(同じ基本スペクトルピーク内に含まれる)相異なる縦モードの和周波数混合の寄与を考慮することによって導かれる。
【００９２】
スペックルコントラストの最大の低減は、やはり、周波数変換後出力の光パワーが３つの周波数変換後スペクトルピークに間で均等に分配されるときにみられるであろう。これは３つの準位相整合ピークの規格化ピーク効率を、ηＳＨＧ１：ηＳＦＧ：ηＳＨＧ２＝４：(２−１/Ｍ):４になるように、調節することによって得ることができる。Ｍ≫１の場合、最適比は２：１：２になる。同じ波長変換素子長に対し、基本スペクトルピークのそれぞれが単一のモードを含む場合と比較して、多モード実施形態では実際に高い総合変換効率が得られることに注意されたい。これは、多モード二次高調波発生準位相整合ピークの総合変換効率が２倍までは高められるからである。スペックルコントラストの最大低減を得るためには、中央和周波数準位相整合ピークの効率がほぼ同じ倍率で高められ、よって総合効率を増強するべきである。この効率増強は、基本スペクトルピークのスペクトル幅が準位相整合応答の準位相整合の許容帯域幅と同等であるかまたはさらに広ければ、弱められ得る。
【００９３】
図１２〜１４Ｂは、多モード実施形態において波長変換素子の３つの周波数変換後スペクトルピークを生成するために利用することができる、位相変調の別の実施形態を示す。図１２に示されるＰＭＦは、キャリア周期性Λに適用された場合、位相変調周期性を有する複数のドメインを与える、正弦波関数１７０である。正弦波関数１７０は複数の縦モードを有する基本スペクトルピークの文脈で説明されるが、そのような正弦波関数は、基本スペクトルピークが単一の縦モードを有する実施形態においても利用され得ることは当然である。単一モード基本スペクトルピークによる最適スペックル低減に適切なピーク比を与えるため、位相変調の深さを調節する(すなわち、若干大きくする)ことができる。
【００９４】
図４〜６に関して上述したように複数のドメインの位相を離散的に変調するのではなく、正弦波関数は位相整合Λで定められる正規の周期的位置に対して強誘電性ドメインの位置を連続的にシフトする効果を有する。離散ＰＭＦに関して上述したように、位相変調周期性は、準周期分極反転ドメインの形態の非線形光学材料に適用された場合、δｋに中心をおく単一準位相整合ピークを３つの準位相整合ピークに分裂させて、中央準位相整合ピーク１８３(図１４Ａ)の隣に等しく離れた側波帯(１８２，１８４)を生成する効果を有する。正弦波ＰＭＦ１７０は位相整合周期Λに比較して非常に大きな周期を有し、したがって非常に小さなｋベクトルを有する。したがって、正弦波関数は分極反転ドメインの相対位置に非常に小さな摂動を導入する。
【００９５】
特に図１２及び１３を参照すれば、ＰＭＦの一実施形態及び得られた位相変調周期性を有する複数の分極反転ドメインが示される。図１２は、位相変調周期Λに適用されると、式(１９)：
【数１９】
2013526726.tif 000028
【００９６】
で表すことができる、Δｘ(ｘｉ)だけ分極反転ドメインの位置を連続的にシフトさせる、正弦波関数１７０を示す。ここで、εは位相変調振幅Φ０ＰＭの２倍に等しい位相変調深さである。変調深さεは得られる準位相整合ピーク１８２，１８３及び１８４の相対強度に影響する。
【００９７】
図１２〜１４Ｂに示され、特徴が表される、準周期分極反転波長変換素子は、幅が約０.２５ｎｍで、それぞれが１０６０.５ｎｍ及び１０６２.４ｎｍに中心をおく２つの基本スペクトルピーク１２５，１２７を有するポンピングビームによってポンピングされる、７.７０６ｍｍ長の分極反転ニオブ酸リチウム導波路である。それぞれの基本スペクトルピークは３つないし５つのモードを含むことができる。したがって、最適スペクトル応答比は４：１.６７：４と４：１.８：４の間にあるであろう。４：１.７５：４のスペクトル応答比を有する波長変換素子３３０を達成するため、正弦波関数１７０によって与えられる変調深さεは約１.０６６πであり、正弦波関数１７０の周期は約２.３３５ｍｍである。波長変換素子３３０は、ほぼ３.３周期の正弦波位相変調関数１７０がキャリア周期性に適用されている。波長変換素子３３０の長さは正弦波関数１７０により与えられる位相変調の最適打切りによって決定することができる。位相変調の最適打切りは、分極反転ドメインの位相変調周期性の長さとシヌソイド関数１７０の周期の間の関係が式(２０)：
【数２０】
2013526726.tif 000029
【００９８】
で与えられるときに得ることができる。ここで、ΛＳはシヌソイド関数の周期であり、ｍ＝１,２,３,…である。適切な値の範囲は約(ｍ＋０.２)から約(ｍ＋０.４５)の間であり、最適中心値はほぼ(ｍ＋０.３)である。波長変換素子３３０の長さがこれらの範囲の間で選ばれ、シヌソイド関数が波長変換素子の中心に対して対称に適用されていれば、[効率×帯域幅]領域のほとんどは３つの所望の準位相整合ピーク１８２，１８３及び１８４に保持され、注目する中央波長領域の外側の、使用されない準位相整合ピーク(例えば、１８１，１８５)には少ししかわたらない。
【００９９】
波長変換素子の長さがこの態様で選ばれていれば、波長変換素子の両端での打切りは正弦波関数の、急な傾斜またはその直後ではなく、ピークまたはトラフの直後におこる。位相の余弦のピーク及びトラフは分極反転の周期が位相変調ＱＰＭ格子によってカバーされる周期範囲の中心近くの値を有する領域である。正弦波関数の傾斜部上で位相が急速に変化する領域は、局所周期が平均周期より実質的に短いかまたは実質的に長い領域である。そのような周期は中心波長から離れた波長に対して二次高調波発生を位相整合させ、よって注目する中央領域の外側まで効率を延び拡げる。
【０１００】
図１３は導波路変換素子３３０の一部を簡略に示す。波長変換素子３３０は、上向き矢印↑及び下向き矢印↓によって示されるように結晶方位が交互する、複数の分極反転ドメイン１３２を有する。分極反転ドメイン１３２のそれぞれの位置は(垂直破線１３６で示される)キャリア周期性によって定められる正規周期位置に対して縦シフトされる。このシフトは、正弦波ＰＭＦにしたがい、連続的である。例えば、ドメイン１３９は正弦波関数１７０のピークにしたがってシフトされ、したがって、変調振幅Φ０ＰＭで表される、正規周期位置に対して最大値までシフトされている。図１３に示されるように、分極反転ドメイン１３２の相対位置は連続的に縦シフトされる。
【０１０１】
図１４Ａ及び１４Ｂに示されるように、３つの準位相整合ピーク１８２，１８３及び１８４の応答比１８０はほぼ４：１.７５：４である。周期分極反転ＭｇＯドープニオブ酸リチウム導波路の場合について、図１４Ａはδｋ空間における準位相整合ピーク１８２，１８３及び１８４を示し、図１４Ｂは波長空間における準位相整合ピーク１８２，１８３及び１８４を示す。半導体レーザによって発せられたポンピングビームの２つの多モード基本ピーク１２５，１２７(図３Ａ)により、総合変換効率は、図４〜６で説明した構造を用いる単一モード基本スペクトルピークを有するポンピングビームの効率のほとんど２倍にもなるであろう。図１４Ｂの場合について(式(５)と比較して)、変換効率は式(２１)：
【数２１】
2013526726.tif 000030
【０１０２】
で表すことができる。一般に、それぞれの基本スペクトルピークがＮ個のモードを含んでいれば、多モード基本ピークを用いた場合と単一モード基本ピークを用いた場合の間で効率はほぼ(２−１/Ｎ)倍になるであろう。単一モードポンピングスペクトルピークの場合に関連して上述した符号反転構造と比較して、同調曲線の向上した最適化により式(２１)から計算される改善は高くなる。いくつかの場合、効率増大は、例えば光パルスのスペクトル帯域幅が準位相整合ピークのＱＰＭ許容帯域幅と同等であるかまたはそれより大きい場合に、準位相整合ピークのそれぞれの制限されたＱＰＭ帯域幅の効果により、小さくなり得る。また、準位相整合ピーク強度の実験比も、素子作製の不完全性により、理論比と比較していくらかは変わり得る。そのような不完全性には、低いないしそれほど高くはない分極反転忠実性及び導波路に基づく波長変換素子の場合の長さに沿う何らかの導波路非一様性を含めることができるが、これらには限定されない。準位相整合ピーク比の小さな変動がスペックル低減特性に与える効果は一般に小さいであろう。
【０１０３】
波長変換素子のポンピングに多モード基本スペクトルピークを有するポンピングビームを用いる場合の別の要件は、基本ピークのそれぞれの全スペクトル帯域幅が(ＳＨＧまたはＳＦＧに)対応する準位相整合ピークの(ポンピング波長に関する)ＱＰＭ帯域幅と同等になり得ることである。これは変換効率を制限するか。または準位相整合ピークが基本光周波数をある程度フィルタリングする場合に、準位相整合ピークの最適比に小さな変化を課す。例えば、基本スペクトルピークのそれぞれが波長空間において０.３ｎｍのスペクトル帯域幅を有していれば、０.３ｎｍより小さいかまたはこれと同等の準位相整合ピークのいずれの準位相整合ＦＷＭＨ帯域幅もＱＰＭピークによって与えられる変換効率を実質的に変えることができる。前述の多モード解析の限度内にとどまるためには、波長変換素子は波長空間において、少なくとも多モード基本スペクトルピークのスペクトル帯域幅ほどの広さの位相整合ピークを有するべきである。これは波長変換素子の長さに、または複数の準位相整合ピークを生成するために用いられる超構造の複雑さに、制限を課す。準位相整合ピークが狭くなるほど、スペックル低減に最適なピーク比の変化は小さくなるが、同じ最大応答強度をもつ十分に広い準位相整合ピークに比較して、総合アップ変換効率は低くなる。他方で、ＱＰＭ波長変換素子が長くなることで準位相整合ピークが狭くなっているときに、これらの準位相整合ピークの最大強度は高くなり、多くの場合、総合効率を高めるであろう。
【０１０４】
波長変換素子の長さにおける制限は総合変改効率を制限し得る。例えば、それぞれの基本スペクトルピークの幅が０.３ｎｍであれば、それぞれの準位相整合ピークの幅も少なくとも０.３ｎｍであるべきであり、スペクトル分裂に加えてスペクトル拡幅を可能にする、より巧緻な超構造を設計するための手段がさらにとられない限り、全素子長は６ｍｍより長くし得ないことになる。この場合にも、図１１に説明され、示される、(例えば離散符号反転ＰＭＦ１５０の適用による)特定の分極反転ドメインにより達成される２つの準位相整合ピークを有する第１の結晶区画２８０及び後続するΔｋＳＦＧを整合するためにシフトされた１つの準位相整合ピークをもつ、第２の、短い一様分極反転結晶区画２８２を有する２区波長変換素子を利用することができる。中央ピーク強度を高める必要があることから、全長の中央ピーク強度の相対部分を大きくし、帯域幅を狭めることになる。中央準位相整合ピークの帯域幅は外側の位相整合ピークに比較して不必要に大きくなり得るから、この実施形態はスペックルを低減し、帯域幅を効率的に利用することができる。帯域幅が十分であるとすれば、非常に多くのモードを含むポンピングスペクトルピークについて、長さの比は式(２２)：
【数２２】
2013526726.tif 000031
【０１０５】
によって決定することができる。
【０１０６】
限定ではなく、例として、全長が８ｍｍの波長変換素子は、長さＬ１が約５.５２ｍｍの第１の位相反転結晶区画２８０及び長さＬ２が約２.４８ｍｍの、中央和周波数準位相整合ピークのための、第２の一様分極反転結晶区画２８２を有するであろう。波長空間における３つの二次高調波発生準位相整合ピークのＱＰＭ帯域幅は約０.３６ｎｍであろう。和周波数発生準位相整合ピークのＱＰＭ帯域幅は約０.８３ｎｍであろう。二次高調波準位相整合ピークが帯域幅が不十分であることによって変換効率を低下させていれば、スペックルコントラストを最小限に抑えるために和周波数発生準位相整合ピークに対する効率を対応して低下させるため、和周波数発生準位相整合ピークを生成する付加ＱＰＭ区画の長さを若干短くするべきである。
【０１０７】
ΔｋＳＨＧ１とΔｋＳＨＧ２の平均に対するΔｋＳＦＧのシフトに関する上述した制限は多モード応用にも適用できる。したがって、より大きな準位相整合ピークの周波数間隔がスペックル低減に必要な場合に、十分な帯域幅には長さが不足している分極反転構造を有する波長変換素子、または中央準位相整合ピークがシフトされている分極反転構造を有する波長変換素子を用いることができる。最適スペックル低減に対し、波長間隔が非一様な出力準位相整合ピークの比はやはり４：(２−１/Ｎ):4の比にほぼ一致するように選ばれるべきである。
【０１０８】
波長変換素子のための分極反転構造を設計する際に考慮する必要があり得る別の要件は、ＤＢＲレーザによって発せられる個々のモードが正確に同じパワーを有してはいないことがあり得ることである。したがって、多モード応用のための波長変換素子のＱＰＭ設計は３つの出力スペクトルピークの強度を等化するため、若干調節する必要があり得る。
【０１０９】
別の要件は、２つのポンピングスペクトルピークの出力パワーが若干異なり得る場合である。この場合、ポンピングスペクトルピークにおける不等パワーを補償するため、中央ピークの位置に対するＱＰＭピーク強度の対称性を破ることができる。これは、説明した周期ＰＭＦのいずれにおいても適切な非ゼロ位相シフトψ０を適用することによるか、または位相変調関数に二次チャーピングをかけることにより、達成することができる。あるいは、線形導路特性を変えることによるチャーピングをかけるため、非一様導波路設計を利用することができる。ＱＰＭ構造の中心に対してＰＭＦをシフトさせる結果、必要に応じて強度が不等なＳＨＧに対して側帯準位相整合ピークを利用するであろう、位相シフトが得られる。
【０１１０】
本明細書に説明される実施形態が２つの基本スペクトルピークを発する半導体レーザ及び３つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームを発する波長変換素子に限定されないことに注意されたい。例えば、上述した方法は、０.５ｎｍより大きく離れた、５つまたは６つの強度がほぼ等しい周波数変換後スペクトルピークを発して、
2013526726.tif 000032
【０１１１】
または
2013526726.tif 000033
【０１１２】
のスペックル低減をもたらす、周波数変換光システムを設計するために用いることができる。この場合、半導体レーザは３つの等間隔または不等間隔の基本スペクトルピークを発し、波長変換素子は、３つは二次高調波発生に対し、２つまたは３つは和周波発生に対する少なくとも５つまたは６つの(準)位相整合ピークを有するように設計される。基本スペクトルピークの波長の間隔が一様ではない場合、３つのＳＦＧ波長の内の１つは「中間」ＳＨＧ波長に一致するであろう。７つ，８つ，９つ以上の周波数変化後スペクトルピークを発するレーザを設計することができ、それぞれの場合に、レーザはＮの等間隔の基本スペクトルピークを発し、波長変換素子は、ＳＨＧまたはＳＨＧ＋ＳＦＧに対してはＮ個、ＳＦＧだけに対しては(Ｎ−１)個の、(２Ｎ−１)個以上の準位相整合ピークを有する。波長間隔が非一様なＮ個の基本スペクトルピークに対し、ＳＨＧに対してはＮ個、ＳＦＧに対しては(Ｎ−１)Ｎ/２個の、フルセットで(Ｎ＋１)Ｎ/２個までの出力ピークが生成され得る。同じ長さの無摂動位相整合構造の単一ピークに比較して、多ピーク位相整合設計の(準)位相整合ピークのそれぞれの低い変化能率を補償するため、(ピークパワーが平均パワーより大きい)パルス動作による変換効率利得を用いることができる。
【０１１３】
別の実施形態において、非線形素子における光強度は、ポンピングレーザの共振器内部に非線形光媒質が挿入される、共振器内波長変換によって、あるいは非線形媒質が入っている別の共振器内で基本光信号またはアップ変換後光信号を共振させることにより、高めることができる。さらに、変換効率は、ポンピング光が非線形媒質内をポンピング利得媒質から離れる方向及び逆のポンピング利得媒質に向かう方向のいずれにも進むときに周波数アップ変換後信号が発生される、非線形媒質内の二重パス波長変換によって高めることができる。
【０１１４】
以上の詳細な説明では、特許請求されるような本主題の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。当業者には、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本明細書に説明された実施形態に様々な改変及び変形がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本発明の改変が添付される特許請求項及びそれらの等価形態に範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【０１１５】
「好ましい」、「普通に」及び「一般に」のような用語は、本明細書に用いられる場合、特許請求される発明の範囲を限定すること及びある特徴が特許請求される発明の構造または機能に肝要であるか本質的であることを、または重要であることすら、意味することは意図されていないことに注意されたい。むしろ、これらの用語は本発明の特定の実施形態に利用されてもされなくても差し支えない別のまたは追加の特徴を強調することが意図されているに過ぎない。さらに、別の値、パラメータまたは変数の「関数」である、値、パラメータまたは変数への言及は、それらの値、パラメータまたは変数が唯一無二の値、パラメータまたは変数の関数であることを意味するととられるべきではないことに注意されたい。
【０１１６】
本発明を説明し、定める目的のため、用語「実質的に」、「ほぼ」及び「約」は本明細書で、いずれの量的な比較、値、測定値またはその他の表現にも帰因させることができる固有の不確定性の度合いを表現するために用いられていることに注意されたい。用語「実質的に」は本明細書で量的表現、例えば「実質的にゼロより上」が言明された基準、例えば「ゼロ」から変化する度合いを表すためにも用いられ、量的表現が容易に弁別できる大きさだけ言明された基準から変わることが必要であると解されるべきではない。
【符号の説明】
【０１１７】
１００    光システム
１１０    半導体レーザ
１２０    ポンピングビーム
１２１    結像光学系
１２２ａ，１２２ｂ    レンズ
１２５，１２７    基本スペクトルピーク
１３０    波長変換素子
１３１    入力ファセット
１３２    ドメイン
１３７    導波路領域
１３８    出力ファセット
１４０    可視光ビーム
１４２，１４４，１４６    周波数変換後スペクトルピーク
【図１】
2013526726.tif 000034
【図２】
2013526726.tif 000035
【図３Ａ】
2013526726.tif 000036
【図３Ｂ】
2013526726.tif 000037
【図４】
2013526726.tif 000038
【図５】
2013526726.tif 000039
【図６】
2013526726.tif 000040
【図７】
2013526726.tif 000041
【図８】
2013526726.tif 000042
【図９】
2013526726.tif 000043
【図１０】
2013526726.tif 000044
【図１１】
2013526726.tif 000045
【図１２】
2013526726.tif 000046
【図１３】
2013526726.tif 000047
【図１４Ａ】
2013526726.tif 000048
【図１４Ｂ】
2013526726.tif 000049
【手続補正書】
【提出日】平成25年1月22日(2013.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
位相整合長がＬ＝０.７７０６ｃｍの波長変換素子にψ０＝０及びΛＰＭ＝０.２３３５の式(１６)で定められるＰＭＦを用いれば、振幅Φ０ＰＭを０.３１６πから０.４０３πに変えることにより、位相変調ＱＰＭスペクトル応答の３つの主ピークの比は１：１：４から４：１：４の範囲に入る。さらに、ピーク比は、Φ０ＰＭ＝０.３７５πのときに４：１.７５：４であり、Φ０ＰＭ＝０.３６４πのときに２：１：２である。これらの後者のＱＰＭピーク比は、後に説明されるように、ポンピング光の多モードスペクトルピークの場合に重要になり得る。ＰＰＭｇＬＮ導波路に適用すれば、上記のＰＭＦは波長でほぼ１０６１ｎｍを中心にして約１.９ｎｍ離れたポンピング光スペクトルピークの周波数混合に対するＱＰＭを与えるであろう。さらに長い(例えば０.９９４８ｃｍの)ＱＰＭ構造及び同じピーク比に対し、それぞれの位相変調深さは本質的に(０.００２π内で)同じである。さらに、偶数または整数のＰＭＦ周期に等しくない結晶長による波形打切りの効果は、位相整合スペクトルピークに要求されるある強度比に対して必要な位相変調深さに多少影響する。実用的に重要な範囲にわたる離散矩形ＰＭＦ(ΛＰＭ＝０.２３３５ｃｍ，ψ０＝０)のいくつかの例を表１にまとめてある。
【表１】
2013526726.tif 000050
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
また別の実施形態において、ＰＭＦ１５０はｘの台形関数である。関数は周期がΛＰＭの周期関数である。図９はＬ＝３.３ΛＰＭでピーク比が４：１：４の場合に対する台形ＰＭＦを示し、対応するスペクトル応答が図１０に示される。それぞれの半周期においては、与えられる位相は、単一コントラストをとるのではなく、傾斜区画及び平坦区画にしたがう。対称台形ＰＭＦの場合、後者は位相振幅Φ０ＰＭ，周期ΛＰＭ，位相シフトψ０，及び平坦部デューティサイクル(ＰＤＣ)によって定めることができる。ＰＤＣは半周期の分率としての平坦区画の長さに等しい。傾斜区画の長さＬ傾斜は半周期の残余であり、傾斜率は[(１/Ｌ傾斜)×振幅Φ０ＰＭ]である。付加された自由パラメータ(傾斜)のため、要求されるある位相整合ピーク比はパラメータの異なる組合せ、したがって異なる台形ＰＭＦ波形によって得ることができる。よって、台形ＰＭＦは、位相整合を変調してスペックル低減及び変換効率に関する最適な性能を得るためのフレキシブルな方法を提供することができる。ＰＭＦパラメータセット及び対応する位相整合ピークの優れた規格化強度の例を表２に含めてある。実用的に重要なスペクトル応答範囲にわたる対称台形ＰＭＦ(ΛＰＭ＝０.２３３５ｃｍ，ψ０＝０)のいくつかの特定の例を表２にまとめてある。
【表２】
2013526726.tif 000051
【国際調査報告】
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2013526726.tif 000053
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