(57)【要約】  本発明は、２次の光学非線形性を有するファンアウト結晶（５，５５，１０５）を備えた二重共振光パラメトリック発振器（１）に関する。前記ファンアウト結晶（５，５５，１０５）は、ポンプ（２）を反射できる光学空洞（６）内に配置されている。前記結晶（５，５５，１０５）は、光軸が通過する入射面（５９）及び出射面（６０）と、上面（５７）及び下面（５８）とを含む。  本発明による光パラメトリック発振器（１）の主な特徴は、前記結晶（１０５）が、極性反転ライン（１０６）から成る格子を含み、前記極性反転ライン（１０６）が、前記結晶（１０５）の前記上面（５７）に平行な架空上部ライン（６１）にて別々に且つ幅狭に離間されて開始し、且つ、前記結晶（１０５）の前記下面（５８）に平行な架空下部ライン（６３）にて、或いは前記結晶（１０５）の前記入射面（５９）にて、別々に且つ幅広に離間されて終端していることである。また、２つの連続する前記ライン（１０６）が互いの間にて一定の角度を成し、前記格子が、前記結晶（１０５）の前記出射面（６０）にて開始する第１ライン（１０８）から始まり、そして、前記下部架空真直ライン（６３）に向かって、前記出射面（６０）から逸れながら延在し、その他の全てのラインが、前記第１真直ライン（１０８）から前記結晶（１０５）の前記入射面（５９）に向かって徐々に且つ単調に傾斜している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次の光学非線形性を有するファンアウト結晶（５，５５，１０５）を備えた二重共振光パラメトリック発振器（１）であって、前記ファンアウト結晶（５，５５，１０５）が、ポンプ（２）を反射できる光学空洞（６）内に配置されており、前記結晶（５，５５，１０５）が、光軸が通過する入射面（５９）及び出射面（６０）と、上面（５７）及び下面（５８）とを含む二重共振光パラメトリック発振器（１）において、前記結晶（１０５）が、極性反転ライン（１０６）から成る格子を含み、前記極性反転ライン（１０６）が、前記結晶（１０５）の前記上面（５７）に平行な架空上部ライン（６１）にて、別々に且つ幅狭に離間されて開始し、且つ、前記結晶（１０５）の前記下面（５８）に平行な架空下部ライン（６３）にて、或いは前記結晶（１０５）の前記入射面（５９）にて、別々に且つ幅広に離間されて終端することを特徴とし、且つ、２つの連続する前記ライン（１０６）が互いの間にて一定の角度を成し、前記格子が、前記結晶（１０５）の前記出射面（６０）にて開始する第１ライン（１０８）から始まり、そして、前記下部架空真直ライン（６３）に向かって、前記出射面（６０）から逸れながら延在し、その他の全ての前記ラインが、前記第１真直ライン（１０８）から前記結晶（１０５）の前記入射面（５９）に向かって徐々に且つ単調に傾斜していることを特徴とする、光パラメトリック発振器。
【請求項２】
前記結晶（１０５）の前記４つの面（５７，５８，５９，６０）が平坦であることを特徴とする、請求項１に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項３】
前記上面（５７）と前記下面（５８）とが平行であり、且つ前記入射面（５９）と前記出射面（６０）とが平行であることを特徴とする、請求項１及び２のいずれか一項に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項４】
前記第１ライン（１０８）の直後に位置する前記ライン（１０６）及び前記第１ライン（１０８）のいずれも前記下部架空真直ライン（６３）にて終端となり、且つ、その後の前記ライン（６３）が前記入射面（５９）にて終端となることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項５】
前記２つの連続するライン（１０６）間の一定の傾斜角度が約０．１ミリラジアンであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項６】
前記結晶（１０５）がニオブ酸リチウムから作られていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項７】
前記格子が、前記第１ライン（１０８）の前に位置するオリジナルライン（１０９）を含み、且つ、前記オリジナルライン（１０９）が、前記上部架空真直線（６１）より下の前記出射面（６０）にて開始して前記下部架空真直ライン（６３）にて終端となることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項８】
前記第１ライン（１０８）が、前記出射面（６０）に対して、前記２つの連続するライン（１０６）を分離する一定の角度以上の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光パラメトリック発振器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の発振器を製造するための結晶であって、前記結晶（５，５５，１０５）が、光軸が通過する入射面（５９）及び出射面（６０）と、上面（５７）及び下面（５８）とを含む前記結晶において、前記結晶（１０５）が、極性反転ライン（１０６）から成る格子を含み、前記極性反転ライン（１０６）が、前記結晶（１０５）の前記上面（５７）に平行な架空上部ライン（６１）にて、別々に且つ幅狭に離間されて開始し、且つ、前記結晶（１０５）の前記下面（５８）に平行な架空下部ライン（６３）にて、或いは前記結晶（１０５）の前記入射面（５９）にて、別々に且つ幅広に離間されて終端することを特徴とし、且つ、２つの連続する前記ライン（１０６）が互いの間にて一定の角度を成し、前記格子が、前記結晶（１０５）の前記出射面（６０）にて開始する第１ライン（１０８）から始まり、そして、前記下部架空真直ライン（６３）に向かって、前記出射面（６０）から逸れながら延在し、その他の全ての前記ラインが、前記第１真直ライン（１０８）から前記結晶（１０５）の前記入射面（５９）に向かって徐々に且つ単調に傾斜していることを特徴とする、結晶。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）は、角周波数がωｐのレーザ波（ポンプ）から、「シグナル」(“signal”)波及び「アイドラ」(“idler”)波と称される２つの新しい波を生成する周波数変換器である。これらの波のそれぞれの角周波数はωｓ及びωｃであり、従ってωｐ＝ωｓ＋ωｃである。
【０００３】
パラメトリック周波数変換は、ポンプ波を、２次の光学非線形性を有するコンポーネント（通常は結晶）を通して伝播させることにより得られる。結晶の物理的パラメータ、例えば、結晶の温度、ポンプ放射に対する結晶の角度、又は、結晶の強誘電性ドメインの周期性（例えば、ニオブ酸リチウムなどの結晶の場合の周期的ドメイン反転）を変更すると、ωｓ及びωｃの値を、非常に広い範囲にわたって調整できる。
【０００４】
従って、ＯＰＯは、非常に広範な、レーザよりもはるかに広いスペクトル範囲で調整可能なコヒーレント光源である。この重要な機能により、ＯＰＯを多くの分野（例えばガスの分光分析など）で応用できる。
【０００５】
本発明による光パラメトリック発振器は、入れ子空洞光パラメトリック発振器（ＮｅｓＣＯＰＯ）、すなわち、２つの別個の共振空洞（各々が、２次のパラメトリック変換により生成される波長の一方にて共振を示す）に基づくＯＰＯである。このようなＯＰＯは二重共振し、ポンプ波が二重通過する。
【０００６】
特許文献１は、連続的に可変ピッチのニオブ酸リチウムファンアウト結晶を用いたＮｅｓＣＯＰＯパラメトリック発振器を記載している。このような発振器は、強誘電性ドメインの配向が最適でない結晶を含むという欠点を有し、これにより、温度などの結晶のパラメータを変更しなければ光源が放出できない波数が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第２５０３３８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明による光パラメトリック発振器は、所望の波長範囲全体へのアクセスを、結晶関連の幾つかのパラメータ（例えば結晶の温度）の変更の必要なく提供するように結晶の強誘電体パターンが最適化された結晶を含む。
【０００９】
「上」(“upper”)、「下」(“lower”)、「前」(“front”)、「後」(“back”)の概念は、結晶が光パラメトリック発振器の光学空洞内の動作位置に配置されているものとして解釈されるべきである。
【００１０】
本発明の主題の１つは、２次の光学非線形性を有するファンアウト結晶を備えた二重共振光パラメトリック発振器であって、前記ファンアウト結晶は、ポンプを反射できる光学空洞内に配置されている。前記結晶は、光軸が通過する入射面及び出射面と、上面及び下面とを含む。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光パラメトリック発振器の主な特徴は、前記結晶が、極性反転ラインから成る格子を含み、前記極性反転ラインが、前記結晶の前記上面に平行な架空上部ラインにて、別々に且つ幅狭に離間されて開始し、且つ、前記結晶の前記下面に平行な架空下部ラインにて、或いは前記結晶の前記入射面にて、別々に且つ幅広に離間されて終端することである。また、２つの連続する前記ラインが、互いの間にて一定の角度を成し、前記格子が、前記結晶の前記出射面にて開始する第１ラインから始まり、そして、前記下部架空真直ラインに向かって、前記出射面から逸れながら延在し、その他の全てのラインが、前記第１真直ラインから前記結晶の前記入射面に向かって徐々に且つ単調に傾斜していることである。
【００１２】
すなわち、前記格子の第１ラインが前記結晶の前記出射面にて開始して前記出射面から逸れ、その他の全てのラインは、この第１のラインから前記結晶の前記入射面に向かって、前記出射面から益々逸れるように傾斜している。前記第１ラインは、前記出射面にて開始する唯一のラインであり、前記格子のその他の全てのラインは、前記出射面から離れて位置する。すなわち、前記ラインから成る格子は、前記結晶の前記出射面から前記結晶の入射面へと回転している印象を与え、これは、前記結晶の前記出射面との唯一の接触点を有する第１ラインから始まる。前記第１極性反転ラインを含む前記格子の全てのラインが前記上部架空真直線にて開始することに留意されたい。
【００１３】
有利には、前記結晶の前記４つの面は平坦である。
【００１４】
好ましくは、前記上面と前記下面とは平行であり、前記入射面と前記出射面とは平行である。このようにして、前記結晶は、厚さが薄い平行六面体の形状を有する。
【００１５】
好ましくは、前記第１ラインの直後に位置するラインと前記第１ラインとは前記下部架空真直線にて終端し、それに続くラインは前記入射面にて終端する。「前記入射面にて終端する」という表現は、「前記入射面上に現れる」ことを意味すると理解されるべきである。
【００１６】
有利には、前記２つの連続するライン間の一定の傾斜角度は約０．１ミリラジアンである。表現手段「約０．１ミリラジアン」は、０．１ミリラジアン±０．０５ミリラジアンに等しいことを意味する。
【００１７】
好ましくは、前記結晶はニオブ酸リチウムからつくられる。この材料は、本発明によるパラメトリック光発振器に特に適しているが、これに限定されない。
【００１８】
好ましくは、前記格子は、前記第１ラインの前に位置するオリジナルライン（元となるライン）(original line)を含み、当該オリジナルラインは、前記上部架空真直線より下の前記出射面にて開始し、前記下部架空真直ラインにて終端となる。
【００１９】
有利には、前記第１ラインは、前記出射面に対して、前記２つの連続するラインを分離する一定の角度以上の角度だけ傾斜している。この傾斜角度は、好ましくは、前記格子の前記２つの連続するライン間の前記一定の傾斜角度の１倍〜２倍の間に含まれる。
【００２０】
本発明の別の主題は、本発明による発振器を製造するための結晶であり、前記結晶は、光軸が通過する入射面及び出射面と、上面及び下面とを含む。
【００２１】
本発明による結晶の主な特徴は、前記結晶が、極性反転ラインから成る格子を含み、前記極性反転ラインが、前記結晶の前記上面に平行な架空上部ラインにて幅狭に離間されて開始し、且つ、前記結晶の前記下面に平行な架空下部ラインにて、或いは前記結晶の入射面にて、幅広に離間されて終端することである。また、２つの連続する前記ラインが、互いの間にて一定の角度を成し、前記格子が、第１ラインから始まり、当該第１ラインが、前記結晶の前記出射面にて開始し、前記下部架空真直ラインに向かって延在し、その他の全てのラインが、前記第１真直ラインから前記結晶の前記入射面に向かって、徐々に且つ単調に傾斜していることである。
【００２２】
本発明による光パラメトリック発振器は、所与の波長の範囲における各波数を得ることができ、現在の光パラメトリック発振器により観察される達成不可能な領域を排除できる
という利点を有する。この成果が前記格子の前記極性反転ラインの特別な設計により得られるため、前記結晶の温度を設定する必要がなくなる。
【００２３】
以下に、本発明による光パラメトリック発振器の詳細な説明を、以下の図を参照しつつ行う。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】先行技術の光パラメトリック発振器の概略図である。
【図２】先行技術の光パラメトリック発振器で使用されるファンアウト結晶の正面図である。
【図３】先行技術のＯＰＯの光学空洞における図２の結晶の位置の関数としてのアクセス可能な波数の例を示すグラフである。
【図４】本発明によるファンアウト結晶の正面図である。
【図５】光学空洞における図４の結晶の位置の関数としてのアクセス可能な波数の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の説明において、用語「ＯＰＯ」と「光パラメトリック発振器」とは同等である。
【００２６】
図１を参照すると、光パラメトリック発振器１は、レーザビームにより生成されたポンプ波２を、非線形結晶５（例えばニオブ酸リチウムから作られ得る）を用いて、２つの波、すなわち「信号」波３及び「アイドラ」波３に変換できるシステムである。この結晶５は、第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ３とにより境界が定められた光学空洞６内に配置されている。これらの２つのミラーＭ１及びＭ３は、光学空洞６の調整を可能にするために圧電素子７上に取り付けられている。図１に示されている例の結晶５は第３ミラーＭ２を含む。ポンプ波２は、光学空洞６内に配置された結晶５にて変換される。本発明によるＯＰＯ１に関し、結晶５は、周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）である。
【００２７】
本発明によるＯＰＯ１のアーキテクチャは、ＮｅｓＣＯＰＯ（入れ子空洞光パラメトリック発振器の頭字語）とも称される。ポンプ波２は、第１ミラーＭ１から出射する入射成分８と反射成分９とを有する。反射成分９は、前記入射成分８の、光学空洞６の第２ミラーＭ３から反射した後に得られる。非限定的な例として、ポンプ２の波長は１μｍであり、信号波３の波長は１．４μｍ〜１．６μｍの範囲にあり、アイドラ波４の波長は３．２μｍ〜４．２μｍの範囲にある。
【００２８】
本発明によるＯＰＯ１は、光学空洞６内に配置された結晶５内での非線形周波数変換を利用する。このＯＰＯ１は、ポンプ２の二重通過（入射成分８及び反射成分９）による二重共振型である。
【００２９】
図２を参照すると、既存のファンアウト結晶５５が、極性反転ライン５６から成る格子を有する。極性反転ライン５６は、前記結晶５５を光学空洞６内で移動させることにより、生成される波長の連続的な変化を可能にする。概して、このような結晶５５は平行六面体の形状であり、以下の要素、すなわち、
−平坦な上面５７と、
−上面５７に対して平行な平坦な下面５８と、
−平坦な入射面５９（この面５９を通って、第１ミラーＭ１を通過したポンプ波２が結晶５５に侵入する）と、
−入射面５９に平行な平坦な出射面６０と、
−上面５７、下面５８、入射面５９及び出射面６０により各々が境界付けられた、矩形の平行な２つの側面６１と、を有する。
【００３０】
このような結晶５５は、例えば、長さＬが１０ｍｍ、幅ｌが５ｍｍ、厚さが１ｍｍであり得る。これらの寸法は、本発明によるＯＰＯに適した例であるが、この例は非限定的である。
【００３１】
極性反転ライン５６は、結晶５５内で、上壁５７に平行で且つ上壁５７に近接した位置にある上部架空真直線６１にて開始するように編成されている。これらのライン５６は、前記真直線６１上で別個に且つ幅狭に離間されて開始し、この構成が結晶５５の全幅にわたっている。中心ライン６２が、上部真直線６１の中央から始まり、入射面５９又は出射面６０に平行に、下部架空真直線６３（上部架空真直線６１に平行で、且つ、結晶５５の下面５８に近接した位置にある）に向かって延在している。上部真直線６１上に位置するライン５６のうち、中心ライン６２の一方の側における幾つかが下部架空真直線６３に向かって延在し、これらのライン５６は前記中心ライン６２に近い位置にあるラインである。そして、その他のライン５６は出射面６０に向かって延在し、これらのライン５６は前記中心ライン６２から遠い位置にあるラインである。上部真直線６１上に位置するライン５６のうち、中心ライン６２の他方の側における幾つかが下部架空真直線６３に向かって延在し、これらのライン５６は前記中心ライン６２に近い位置にあるラインである。そして、その他のライン５６は入射面５９に向かって延在し、これらのライン５６は前記中心ライン６２から遠い位置にあるラインである。格子の２つの連続するライン５６は、上部真直線６１上の位置から下部架空真直線６３に向かって、又は、入射面５９若しくは出射面６０に向かって延在する場合、互いに逸れて延在する。このようにして、２つの連続する極性反転ライン５６がこれらの間に一定の角度を生成し、この角度は、好ましくは０．１ミリラジアンに等しい。
【００３２】
要約すると、ライン５６から成る格子は、中心ライン６２により具現化されている対称軸を有し、ライン５６の幾つか（前記中心ライン６２の一方の側に位置する）が入射面５９に向かって延在し、そして、前記ライン５６の残りの部分（これらのラインは、前記中心ライン５６の他方の側に位置する）が、出射面６０に向かって延在するという傾向を有する。
【００３３】
ポンプ２（ビームサイズが、例えば約１００μｍであり得る）が入射面５９に到達し、結晶５５を通過し、出射面６０を通って結晶５５から出る。変換のパラメータを変更して所与の波数を達成するために、結晶５５を光学空洞６内で前記結晶５５の長手方向軸に沿って並進させ得る。
【００３４】
ここで図３を参照すると、このようなファンアウト結晶５５を用いた場合、ＮｅｓＣＯＰＯ内の変換条件でアクセス可能であるのが、通常、特定の波長範囲６４のみであり、これらの範囲６４は、グラフに穴として示されているアクセス不能範囲６５により分離されている。波長範囲６４は、結晶５５の光学空洞６内での様々な位置を示している。具体的には、所与の範囲内の可能な全ての波長が得られるように、結晶５５を光学空洞６内で、前記結晶５５の長手方向軸に平行な軸に沿って並進させ得る。しかし、利用可能な領域は重複しておらず、達成不可能な波数が現れることが観察される。このことは、３つの波（ポンプ波、信号波、アイドラ波）間の相対位相状態の結果であり、ＮｅｓＣＯＰＯに関して考慮すべき重要事項である。
【００３５】
現在、これらの穴６５を回避する方法は存在するが、それらは非常に高価であるか、若しくは工業的に利用できないか、又は、遅い。
【００３６】
本発明によるＯＰＯは結晶１０５を含み、結晶１０５の極性反転ライン１０６は、当該結晶１０５において、結晶１０５が光学空洞６にて結晶の長手方向軸に沿って並進されるときに全ての波長にアクセスし得るように編成されている。
【００３７】
図４を参照すると、本発明によるＯＰＯの結晶１０５は、上述の結晶と比較して、結晶１０５内の極性反転ライン１０６の構成のみが異なる。具体的には、極性反転ライン１０６は結晶１０５内で、上述の上部架空真直線６１（上壁５７に平行で且つ上壁５７に近接して位置する）にて開始するように編成されている。これらのライン１０６は、前記真直線６１上で、別々に且つ幅狭に離間されて開始し、この構成が結晶１０５の全幅にわたっている。本発明によるＯＰＯの結晶１０５の格子の各極性反転ライン１０６は、上述の結晶５５の格子の各極性反転ライン５６を、上部架空真直線６１との交点を中心に時計回りに１度〜１０度の一定の角度で回転させることにより得られる。このように、本発明による結晶１０５の各極性反転ライン１０６は、入射面５９に向かって１度〜１０度の範囲の角度だけ、図２に示した既存の結晶５５におけるその位置から枢動される。長さが１０ｍｍ、幅が５ｍｍで厚さが１ｍｍの結晶において、この角度は、有利には２．８度に等しい。
【００３８】
すなわち、極性反転ライン１０６の格子は、第１ライン１０８から始まる。第１ライン１０８は、上部架空真直線６１における結晶１０５の出射面６０上で開始し、上述の下部架空真直線６３に向かって延在する。その他のラインの全ては、前記第１ライン１０８から入射面５９に向かって徐々に単調に傾斜している。２つの連続するライン１０６は、互いに逸れており、すなわち、上部真直線６１上のこの位置から下部真直線６３に向かって延在するか、或いは、入射面５９に向かって延在する。このようにして、２つの連続する極性反転ライン１０６は、上述の既存の結晶５５の場合と同様に、互いの間に一定の角度を生成し、この角度は、好ましくは０．１ミリラジアンに等しい。第１ライン１０８の直後に位置するライン１０６は下部架空真直線６３まで延在し、その他のラインは、結晶１０５の入射面５９上に現れる。
【００３９】
また、格子は第１ライン１０８と出射面６０との間に位置するオリジナルライン１０９を含み、このオリジナルライン１０９は、出射面６０にて、第１ライン１０８が前記出射面６０上で開始する点より下にて開始し、そして、下部架空真直線６３上で終端となる。このオリジナルライン１０９は第１ライン１０８よりも短い。
【００４０】
要約すると、本発明による結晶１０５においては、出射面６０に沿って延在する軸に対して全ての極性反転ライン１０６が同一方向に且つ同一側に（入射面５９に向かって）傾斜している。既存の結晶５５においては、極性反転ラインは、入射面５９又は出射面６０に平行な中心軸に対して、前記軸の両側で、対向する２つの方向に対称的に（入射面５９に向かって、及び出射面６０に向かって）傾斜している。
【００４１】
ＰＰＬＮ結晶１０５におけるパターンの典型的な周期は３０μｍである。
【００４２】
図５を参照すると、本発明によるＯＰＯは、結晶１０５を出射面６０又は入射面５９に平行な軸に沿って並進させることにより、所与の範囲内の全ての波長を達成することを可能にする。具体的には、様々な試験の結果、上述の新規の極性反転ライン１０６から成る格子を有するＰＰＬＮ結晶１０５を用いることで、各波数に到達できることが示された。位相整合条件が厳密に建設的ではない結晶１０５の位置１２０においても、利用可能な領域１２１が重複しているため、所望の波長を達成することが依然として可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  光パラメトリック発振器
２  ポンプ波
３  信号波
４  アイドラ波
５  非線形結晶
６  光学空洞
Ｍ１  第１ミラー
Ｍ２  第３ミラー
Ｍ３  第２ミラー
５５  ファンアウト結晶
５７  上面
５８  下面
５９  入射面
６０  出射面
６１  上部架空真直線
６３  下部架空真直線
１０５  ファンアウト結晶
１０６  極性反転ライン
１０８  第１ライン
Ｌ  長さ
ｌ  幅
【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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【国際調査報告】
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