(57)【要約】【課題】  ポンプ光とシグナル光を非線形光学結晶に入射させて差周波光を出力させる波長変換レーザ装置に適用するための、差周波光出力を単独に分離して光ファイバの小さな光導入部に導く方法であって、出力光の波長を変更したときにも光学的調整が容易で簡便な光ファイバ導光方法を提供する。【解決手段】  非線形光学結晶１に入射するポンプ光ω１とシグナル光ω２の入射角に僅かな角度差θinを与え、非線形光学結晶１の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整したときに、出射する差周波光（ＤＦＧ）ω３が波長が異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点２を仮想的な点光源とみなして、分散素子４、イメージリレーレンズ系６、あるいは回転反射鏡７などの光学系によって、共通通過点２を通過したＤＦＧを光ファイバ３の光導入口３１に導く。【選択図】  図５
2008003422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶に入射するポンプ光とシグナル光の入射角に僅かな角度差を与え、非線形光学結晶の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整したときに、出射する差周波光（ＤＦＧ）が波長が異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点の位置を求めて、この共通通過点を物点とし光ファイバの光導入口を像点とするようにイメージリレーレンズ系を配置して、非線形光学結晶で発生するＤＦＧを光ファイバに導くことを特徴とする波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法。
【請求項２】
非線形光学結晶に入射するポンプ光とシグナル光の入射角に僅かな角度差を与え、非線形光学結晶の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整したときに、出射する差周波光（ＤＦＧ）が波長が異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点の位置を求めて、前記共通通過点に分散素子を配置し、分散素子により波長によらず出射光が同じ方向に屈折するようにして、集光レンズでＤＦＧを光ファイバに導くことを特徴とする波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法。
【請求項３】
非線形光学結晶に入射するポンプ光とシグナル光の入射角に僅かな角度差を与え、非線形光学結晶の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整したときに、出射する差周波光（ＤＦＧ）が波長が異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点の位置を求めて、前記共通通過点に回転可能な反射鏡を配置し、反射方向を調整して反射光が波長によらず同じ方向に向くようにして、集光レンズでＤＦＧを光ファイバに導くことを特徴とする波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法。
【請求項４】
前記ポンプ光は波長１．０６４μｍのネオジムＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザであり、前記ＤＦＧが波長範囲５〜１４μｍの可変範囲を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法。
【請求項５】
ポンプ光を供給するポンプ光発生装置と、シグナル光を供給するシグナル光発生装置と、ポンプ光とシグナル光を入射すると差周波光を出力する非線形光学結晶と、該非線形光学結晶の傾きを調整する制御装置と、物点の映像を像点に伝達するイメージリレーレンズ系を備え、前記ポンプ光とシグナル光の光路を調整して前記ポンプ光とシグナル光が僅かな角度差を持って前記非線形光学結晶に入射するようにし、前記制御装置が前記非線形光学結晶の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整し、前記イメージリレーが前記非線形光学結晶から出力する差周波光（ＤＦＧ）の波長が異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点を物点とし光ファイバの光導入口を像点とするように配置され、ＤＦＧを光ファイバに導くことを特徴とする波長変換レーザ出力の光ファイバ導光装置。
【請求項６】
ポンプ光を供給するポンプ光発生装置と、シグナル光を供給するシグナル光発生装置と、ポンプ光とシグナル光を入射すると差周波光を出力する非線形光学結晶と、該非線形光学結晶の傾きを調整する制御装置と、波長により屈折角が異なる分散素子を備え、前記ポンプ光とシグナル光の光路を調整して前記ポンプ光とシグナル光が僅かな角度差を持って前記非線形光学結晶に入射するようにし、前記制御装置が前記非線形光学結晶の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整し、前記分散素子が前記非線形光学結晶から出力する差周波光（ＤＦＧ）が波長の異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点に配置され、該分散素子を透過した前記ＤＦＧの光路が波長が異なってもほぼ同じ方向になるようにされ、集光レンズで前記分散素子を透過してきたＤＦＧを光ファイバに導くことを特徴とする波長変換レーザ出力の光ファイバ導光装置。
【請求項７】
ポンプ光を供給するポンプ光発生装置と、シグナル光を供給するシグナル光発生装置と、ポンプ光とシグナル光を入射すると差周波光（ＤＦＧ）を出力する非線形光学結晶と、該非線形光学結晶の傾きを調整する制御装置と、鏡軸の周りに回転制御可能な反射鏡を備え、前記ポンプ光とシグナル光の光路を調整して前記ポンプ光とシグナル光が僅かな角度差を持って前記非線形光学結晶に入射するようにし、前記制御装置が前記非線形光学結晶の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整し、前記反射鏡が前記非線形光学結晶から出力するＤＦＧが波長の異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点に配置され、前記反射鏡で反射してきたＤＦＧを集光レンズで光ファイバに導くことを特徴とする波長変換レーザ出力の光ファイバ導光装置。
【請求項８】
前記ポンプ光は波長１．０６４μｍのネオジムＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザであり、前記ＤＦＧが波長範囲５〜１４μｍの可変範囲を有することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の波長変換レーザ出力の光ファイバ導光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数の異なる２つのレーザ光を非線形光学結晶に入射させて入射レーザ光の差周波のレーザ光を出力させる波長変換レーザ装置において差周波光出力を光ファイバに導く導光方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、波長の異なる２つの励起光を非線形光学結晶中で混合すると励起光の周波数の差に対応する長い波長のコヒーレント光が発生するという差周波発生の原理を利用して、赤外領域のレーザ光を発生するようにした波長変換レーザ装置が知られている。
この波長変換レーザ装置は、波長の短い第１励起光（ポンプ光）が非線形光学結晶中で第２励起光（シグナル光）と相互作用し波長変換されて長波長の差周波光（ＤＦＧ）を発生するので、ＤＦＧの波長は第２励起光の波長を変えることにより調整できるから、波長可変の長波長レーザ発生装置となる。
【０００３】
たとえば特許文献１には、短波長側のポンプ光としてネオジムＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザを用い、これより長波長側のシグナル光としてクロムフォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）レーザを用いることにより構成した、高出力かつコンパクトで波長チューニング可能な赤外光発生装置が開示されている。
この赤外光発生装置では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが波長１．０６４μｍのパルスレーザをポンプ光として非線形光学結晶に入射し、これと同期したＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを１．１５〜１．３５μｍの範囲で波長を選択できる波長可変固体レーザのシグナル光として非線形光学結晶に入射し、ポンプ光とシグナル光の差周波数に係る５〜１４μｍの波長範囲の赤外光を選択的に発生する。
【０００４】
非線形光学結晶からは、差周波光（ＤＦＧ）の他にポンプ光とシグナル光が射出してくるので、赤外線選別性の高いフィルタでＤＦＧを選別して出力し、光ファイバに入射させて必要な場所に伝送する。
ゲルマニウム（Ｇｅ）は赤外線選択性が高いので、Ｇｅフィルタを用いれば、波長が１μｍ近辺にあるＹＡＧレーザ光やＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ光をよく遮断して、純度の高い赤外光を得ることが期待される。
ところが、本発明の発明者らが実際に構成した差周波光発生装置における赤外光出力は設計値の半分程度の強さで、当初の期待から外れた結果となった。
【０００５】
発明者らは、この問題について研究した結果、ＧｅフィルターにＮｄ：ＹＡＧレーザ光を照射するとＤＦＧの透過率が低下する現象を捉えた。
分離したＤＦＧをＧｅフィルターに照射し、ＤＦＧが透過する部分にＮｄ：ＹＡＧレーザを照射し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの強度を変化させてＧｅフィルターに対するＤＦＧの透過率を測定すると、ＹＡＧレーザの照射強度が強くなるに従ってＤＦＧの透過率が低下することが確認できた。ＹＡＧレーザにより透過率が減少するメカニズムは明らかでないが、この現象がＧｅフィルターを用いた差周波光発生装置のＤＦＧ出力が期待通りにならない原因になっていることは確実である。
したがって、Ｇｅフィルターを使用するときは、ＤＦＧの照射位置にＹＡＧレーザ光が重ならないようにすることが好ましい。
【０００６】
特許文献２には、ＤＦＧとＹＡＧレーザが重なることを避けて純粋なＤＦＧを取り出す方法が記載されている。波長可変テラヘルツ波発生装置を開示する特許文献２には、出力部分にＧｅフィルターを設ける代わりに、ＤＦＧの出射方向をポンプ光やシグナル光の出射方向と異なるようにして出力光の純化を行う構成が記載されている。
【０００７】
非線形光学結晶に入射するポンプ光の角周波数をω１、シグナル光の角周波数をω２、ＤＦＧの角周波数をω３とすると、角周波数ω３は、ωを波数ベクトルとしてω３＝ω１−ω２で表される関係を有する。
したがって、図９に示すように、ポンプ光とシグナル光の光軸に僅かに角度差θinを持たせると、波数ベクトルω１とω２の差であるＤＦＧの波数ベクトルω３はポンプ光を挟んでシグナル光の反対側に変移し、さらに結晶表面で屈折して角度差θoutだけ逸れた方向に放出される。したがって、非線形光学結晶から十分離れた位置では、ＤＦＧをポンプ光やシグナル光から分離させることができる。
そこで、ポンプ光とシグナル光の入射角の間に僅か数分の差θinを与えることにより、非線形光学結晶からのＤＦＧの出射角θoutを数１０度にさせて、ポンプ光やシグナル光からＤＦＧを分離するものである。
【０００８】
しかし、特許文献２に記載された構成では、ＤＦＧの波長を変化させるたびにＤＦＧの出射角が変化するため、出射光を光ファイバに入射させようとすると、導光光学系の光軸調整をする必要があり不便である。
たとえば、ポンプ光とシグナル光の入射角差θinが０．３度である場合、ＤＦＧの波長を５．５μｍから１０μｍに変化させると、ＤＦＧの出射方向は約１．３度も変化するので、使用時の光学的調整が極めて煩雑になる。
【０００９】
なお、引用文献３には、波長可変光源の波長変化に合わせて可変バンドパスフィルタの選択波長を追尾させる波長可変光源装置が開示されている。
開示された可変バンドパスフィルタシステムは、ＡＰＣ制御回路を用いて可変バンドパスフィルタへの入力光を所定値に制御した上、可変バンドパスフィルタの選択光の一部を無偏光ビームスプリッタによって分岐してモニタし、波長追尾回路によって可変バンドフィルタを駆動して、出力光が一定になるように選択波長を調整する。開示装置に適合する可変バンドパスフィルタは、特別な出力特性を有することが求められるが、誘導体多層膜によって形成することができるとされている。
【００１０】
引用文献３に開示された出力波長の選択方法は、出力光の光軸が一定するので光学的位置調整が不要であるが、透過波長の追尾ができる可変バンドパスフィルター、光源の安定化制御回路、フィルタの透過波長追尾回路などを備える必要があり、システムの複雑化が避けられない。
したがって、差周波発生用非線形光学結晶を用いた波長可変レーザ装置において、背景光を効果的に除去して、目的とする差周波のみを極めて小さいターゲットである光ファイバのコアに注入する簡便で安価な方法の提供が待たれている。
【特許文献１】特開２００５−３３１５９９号公報
【特許文献２】特開２００４−３１８０２８号公報
【特許文献３】特開２００４−０３９６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、波長変換レーザ装置において差周波光出力をポンプ光やシグナル光と分離して光ファイバの小さな光導入部に導く、より簡便な光ファイバ導光方法を提供すること、特に、出力光の波長を変更したときにも光学的調整が容易な光ファイバ導光方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法は、非線形光学結晶に入射するポンプ光とシグナル光の入射角に僅かな角度差を与え、非線形光学結晶の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整したときに、出射する差周波光（ＤＦＧ）が波長が異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点を見いだして、この共通通過点を物点とし光ファイバの入射点を像点とするようにイメージリレーを配置して、非線形光学結晶で発生するＤＦＧを光ファイバに導くことを特徴とする。
【００１３】
非線形光学結晶にポンプ光とシグナル光を入射すると、ポンプ光とシグナル光の光軸と非線形光学結晶の光学軸が位相整合条件を満たすときに、ポンプ光とシグナル光の波数ベクトルのベクトル差となる波数ベクトルを有する差周波光を出力する。
波長調整可能な波長変換レーザ出力装置では、ポンプ光とシグナル光の入射角が変わらなくても、出力するＤＦＧの波長を変化させれば、非線形光学結晶からの出力方向が変化する。波長が長くなるほどＤＦＧの出力軸が傾き出射角が大きくなる。
【００１４】
しかし、非線形光学結晶中のポンプ光の光軸と結晶光学軸との角度は、位相整合条件に基づいて、ＤＦＧの波長が長くなるほど大きくなる。
そこで、非線形光学結晶に入射する前のポンプ光とシグナル光の光路を固定して、位相整合条件に合わせて非線形光学結晶軸の方向を調整すると、ＤＦＧの波長が長いほどポンプ光などが非線形光学結晶を射出する位置がＤＦＧの射出方向の後ろ側に後退する。
【００１５】
したがって、波長の異なるＤＦＧの光路同士は出射後に交差する点を有する。実際に、色々な波長のＤＦＧについて光路を描いてみると、ある波長範囲における全てのＤＦＧは幅１〜２ｍｍ程度の比較的狭い領域を通過することが分かる。この全てのＤＦＧが通過する領域が最も狭くなる空間上の位置を求める。この領域は十分小さいので擬似的に点とみなすことができ、どの波長のＤＦＧもこの点に光源があるように扱うことができる。この点を共通通過点と呼ぶことにする。
【００１６】
本発明の光ファイバ導光方法は、この共通通過点を物点とし光ファイバのコアに導く入射点を像点とするようにイメージリレーを配置するので、共通通過点におけるＤＦＧは光ファイバの小さな芯位置に投影される。したがって、異なる波長のＤＦＧであっても、全て共通通過点を通ることから、正確に光ファイバに導入することができる。
【００１７】
本発明第２の波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法は、共通通過点に分散素子を配置し、プリズムなどの分散素子により波長によらず出射光が同じ方向に回折するようにして、集光レンズでＤＦＧを光ファイバに導くことを特徴とする。
共通通過点に集合するＤＦＧは、波長にしたがって入射角が変化するので、プリズムなどの分散素子を適度に選択して入射角度差を相殺させ、分散素子を透過した波長の異なるＤＦＧがほぼ同じ方向に向くようにする。
【００１８】
たとえば、光学結晶の屈折率は波長の長い光線に対するもの方が短い光線に対するものより大きいので、光学結晶のプリズムを分散素子として使用し、分散素子へのＤＦＧの入射角を波長の長い方が短いものより大きくなるように配置すれば、入射角度差を相殺することができる。
そこで、光軸がＤＦＧの光路と平行で焦点位置に光ファイバのコアが位置するように配置した集光レンズを光ファイバの前に配置すれば、波長の異なるＤＦＧも全て光ファイバに導入することができるようになる。
【００１９】
本発明第３の波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法は、共通通過点に回転可能な反射鏡を配置し、反射方向を調整して反射光が波長によらず同じ方向に向くようにして、この方向に光軸を持つ集光レンズでＤＦＧを光ファイバに導くことを特徴とする。
共通通過点を通過するＤＦＧは、波長により共通通過点に入射する方向が異なるので、反射鏡の向きを調整して光ファイバのコアに光を集中する集光レンズの光軸と一致する光路、あるいは光軸と平行な光路を形成するようにすれば、波長が異なるＤＦＧも確実に光ファイバに導入することができる。
【００２０】
また、上記課題を解決するため、本発明の波長変換レーザ出力の光ファイバ導光装置は、ポンプ光を供給するポンプ光発生装置と、シグナル光を供給するシグナル光発生装置と、ポンプ光とシグナル光を入射すると差周波光を出力する非線形光学結晶と、非線形光学結晶の傾きを調整する制御装置と、物点の映像を像点に伝達するイメージリレーを備える。
【００２１】
さらに、ポンプ光とシグナル光が僅かな角度差を持って非線形光学結晶に入射するような光路を有し、制御装置により非線形光学結晶の結晶軸を位相整合条件に合わせて調整し、非線形光学結晶から出力する差周波光（ＤＦＧ）の波長が異なる場合にも常に光路が通過する共通通過点を物点とし光ファイバの入射点を像点とするようにイメージリレーを配置して、ＤＦＧを光ファイバに導くようにする。
なお、イメージリレーの代わりに、分散素子と集光レンズの組合せや反射鏡と集光レンズの組合せを光路上に設けても良い。
【００２２】
本発明の方法および装置は、波長１．０６４μｍのネオジムＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザをポンプ光とし、シグナル光を１．１５〜１．３５μｍの範囲で波長可変のクロムフォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）レーザ光をシグナル光として、波長範囲５〜１４μｍの可変ＤＦＧを得る波長変換レーザ装置の出力部に適用することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、非線形光学結晶にポンプ光とシグナル光を入射して差周波光（ＤＦＧ）を出力する波長調整可能な波長変換レーザ出力装置において、非線形光学結晶を射出した波長の異なるＤＦＧがいずれも通過する共通通過点が存在することを利用して、波長が変化しても狭い光ファイバの光導入口に確実にＤＦＧを導くようにしたものである。
【００２４】
ポンプ光とシグナル光に対して位相整合条件に合わせて非線形光学結晶軸の方向を調整すると、ＤＦＧの波長が長いほどＤＦＧの出力軸が傾き出射角が大きくなる一方、ポンプ光やＤＦＧなどが非線形光学結晶を射出する位置がＤＦＧの射出方向の後ろ側に後退する。このため、波長の異なるＤＦＧの光路は狭い領域である共通通過点で互いに交差することになる。
そこで、異なる波長のＤＦＧに対しても、あたかも共通通過点に点光源があるかのように光学系を設計すれば、波長変換レーザ出力装置において発生したＤＦＧを確実に光ファイバに導入することができる。
【００２５】
以下、実施例に基づき、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は非線形光学結晶内におけるポンプ光とシグナル光と差周波光のベクトル図、図２はシグナル光の波長に対する位相整合角の変化の１例を示す関係図、図３は非線形光学結晶において差周波光の波長を変えたときの光路を示す図面、図４は差周波光の光路と共通通過点の関係を表したグラフである。
【００２６】
ポンプ光とシグナル光が非線形光学結晶に入力して差周波光（ＤＦＧ）が得られるとき、ポンプ光とシグナル光とＤＦＧのそれぞれの波数ベクトルｋ１，ｋ２，ｋ３の間には、
ｋ１＝ｋ２＋ｋ３
の関係が成立する。また、それぞれの波長をλ１，λ２，λ３とすると、
１／λ１＝１／λ２＋１／λ３
の関係が成立する。
【００２７】
図１のベクトル図に示すように、結晶内でポンプ光ｋ１とシグナル光ｋ２のなす角度αが一定の場合でも、シグナル光ｋ２がｋ２’，Ｋ２”と変化してポンプ光とシグナル光のベクトル差（ｋ１−ｋ２）が小さくなると、差周波光のベクトルｋ３がｋ３’、ｋ３”と小さくなるので波長λ３が長くなり、また、差周波光とポンプ光のなす角βはβ’，β”と大きくなる。角度βは、差周波光の波長λ３が長いほど大きい。
【００２８】
実際には、ポンプ光とシグナル光の角度αをたとえば０．１〜０．５°程度、わずかにずらすと、差周波光とポンプ光のなす角度βはαの４〜８倍となる。そたがって、非線形光学結晶から十分離れたところでは、差周波光がポンプ光やシグナル光から空間的に分離し、特別な分離機構を使用しなくても差周波光を単独に扱うことができる。
【００２９】
ただし、差周波光が発生するためには、光路と結晶光学軸の角度に依存する位相整合条件を満たす必要がある。
位相整合条件は、結晶から射出するときに３つの光の位相が一致するための条件で、波数ベクトル保存則として、
ｎ１ｅ（θ）／λ１＝ｎ２ｏ／λ２cosα＋ｎ３ｅ（θ−β）／λ３cosβ
ｎ２ｏ／λ２sinα＝ｎ３ｅ（θ−β）／λ３sinβ
で表される関係を満たさなければならない。
【００３０】
なお、ポンプ光、シグナル光、差周波光の波数ベクトルは、
ｋ１＝２πｎ１ｅ（θ）／λ１
ｋ２＝２πｎ２ｏ／λ２
ｋ３＝２πｎ３ｅ（θ−β）／λ３
と表される。
ここで、θはポンプ光の光路と結晶軸のなす角度、ｎ１ｅ （θ）は結晶軸とθの角を有するポンプ光異常波に対する非線形光学結晶の屈折率、ｎ２ｏは結晶のシグナル光正常波に対する屈折率、ｎ３ｅ（θ−β）は結晶軸と（θ−β）の角を有する差周波光異常波に対する屈折率である。
【００３１】
図２は、位相整合角の変化例を示すグラフである。グラフの横軸は、シグナル光として使ったクロム・フォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）レーザの波長を示し、縦軸に位相整合角θを示す。
図２のグラフに示したものは、ポンプ光としてＮｄ：ＹＡＧレーザ光、シグナル光としてＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを使い、長さ２４ｍｍの非線形光学結晶にポンプ光とシグナル光を同じ方向から入射する場合、すなわち角度αが０の場合について位相整合するポンプ光の光路と結晶軸のなす角度θを算出した結果である。
【００３２】
図２で分かるように、位相整合角θは、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザの波長が１．１７μｍから１．３５μｍまで変わる間に、３８°から５０°まで単調に増加する。
波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザをポンプ光とするとき、この範囲で発生する差周波光の波長λ３は、１１．３μｍから４．９μｍの範囲で変化することになる。
なお、角度αが０．１°から０．５°の範囲では、位相整合角と図２の値の差はわずかである。
【００３３】
図３は、非線形光学結晶において差周波光の波長を変えたときの光路を示して、共通通過点の説明をする図面である。
波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザをポンプ光ω１とし、波長可変のＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザをシグナル光ω２として、長さ２４ｍｍの非線形光学結晶１に入射する。レーザ光路調整の煩雑を避けるため、ポンプ光ω１とシグナル光ω２の入射方向と入射位置１１は予め決めて固定し、差周波光ω３の波長λ３を変える場合にも変えないようにする。
【００３４】
非線形光学結晶面１の傾きδを調整して、非線形光学結晶１に入射したポンプ光ω１の結晶内光路と結晶光学軸１２の角度が位相整合角θになるようにする。
なお、ポンプ光ω１とシグナル光ω２の非線形光学結晶１への入射方向相互間の角度θinが固定されていて、非線形光学結晶１への入射角が異なるため、非線形光学結晶表面の傾きδが変化すれば、結晶内における光路間の角度αはスネルの屈折の法則にしたがって変化する。このため、厳密には位相整合角θはわずかに変化する。
【００３５】
試験により、正しい位相整合角に対して０．０４°の角度ずれがあると差周波光への変換効率が約５０％低下するという結果が得られているので、正確な光路間角度αを求めてこれに対する位相整合角θを算出し、新しく算出された位相整合角に合わせて結晶面の傾きδを調整することが好ましい。
なお、シグナル光ω２の入射方向を正確に調整することができる場合は、入射方向の角度差θinを調整して結晶内の角度差αを一定に維持してもよい。
【００３６】
ポンプ光ω１とシグナル光ω２が光路相互間の角度αで非線形光学結晶１内を走行すると、ポンプ光ω１に対して角度βを持つ差周波光ω３が発生して、非線形光学結晶１の端面から出射する。差周波光ω３は出射面においてスネルの法則に従って屈折し、出射後の光路は出射後のポンプ光ω１に対して角度θoutをもつようになる。なお、非線形光学結晶１の入射端面と出射端面が平行である場合は、ポンプ光ω１が端面から出射する方向は入射方向と同じである。
差周波光の波長λ３が長いほど角度βが大きいので、出射後の光路のポンプ光に対する角度θoutも大きい。
【００３７】
一方、ポンプ光などが非線形光学結晶１から出射する位置１３は、非線形光学結晶１が傾くと出射面が傾いて元の出射位置がずれる方向に遷移する。波長λ３が長い差周波光を生成する場合は、小さい位相整合角θに合致するように非線形光学結晶１を図中右側に傾けるので、たとえば図中太線で表示した波長１０μｍの差周波光ω３を発生させる構成におけるように、ポンプ光ω１の出射点１３が図中下方に遷移する。
一方、差周波光の波長λ３が短い場合は、位相整合角θが大きいので、たとえば波長が５．５μｍの構成として表された場合のように、結晶光学軸を図中上方に持ち上げて調整するため、ポンプ光ω１の出射点１３は図中上方に遷移する。
【００３８】
このように、差周波光の波長λ３が長い場合はポンプ光に対する角度θoutが大きく射出位置１３が図中下方にずれ、波長λ３が短い場合は逆になるため、波長の長い差周波光と波長の短い差周波光の光路は、図に見られるように１点２で交差する。
【００３９】
図４は、発明者らが構成した装置において、差周波光の波長λ３が色々に変化した場合の光路を示した図面である。図４は、横軸に非線形光学結晶１から射出した後の距離、縦軸にポンプ光と平行な適宜の基準線からの距離を表し、この装置で発生することができる差周波光の下限となる５．５μｍから上限の１０μｍまでの波長範囲において、非線形光学結晶１を出射したあとの差周波光の軌跡を描画したものである。
【００４０】
図４から、全ての軌跡を包絡した領域が幅約２ｍｍの極小さい領域２を有することが分かる。この領域は点とみなすことができ、ここではこの点を共通通過点と呼ぶ。すなわち、この装置で生成される差周波光は波長が異なる場合にも、全て共通通過点２を通過する。
この共通通過点２を擬似的な点光源とみなして、点光源から放射される光を光ファイバのコアに導くような光学系を構成すれば、波長変換レーザから出射する波長の異なる差周波光を全て光ファイバに導入することができる。
【実施例１】
【００４１】
図５は、本発明の実施例１に係る波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法及び装置を説明する概念図である。
実施例１の光ファイバ導光方法は分散素子を利用するものである。
本方法を実施する本実施例の光ファイバ導光装置では、非線形光学結晶１の差周波光出射点１３と光ファイバ３の光導入口３１の間に分散素子４と収束光学系５を配設する。なお、図示しないが、本実施例の光ファイバ導光装置は、非線形光学結晶１の傾きδを精密に調整する制御装置を備えている。
【００４２】
分散素子４を共通通過点２に配置することにより、波長変化に伴って異なる入射角に対応して、差周波光が分散素子４から出射するときに、どの波長の差周波光も走行方向が同じものになるようにする。たとえば、材料の屈折率、入射面の傾きと出射面の傾き、などを的確に選択したプリズムを使って、調整することができる。
分散素子４の後方に、平行光線を焦点に収束させる収束光学系５を差周波光ω３の走行方向と光軸が平行になるように配置し、その焦点位置に光ファイバ３の光導入口３１を配置する。
【００４３】
すると、差周波光ω３の波長λ３が変化した場合も、非線形光学結晶１の出射点１３から出射した差周波光は共通通過点２を通過する。共通通過点２に置かれた分散素子４に入射する差周波光ω３は、波長によって入射角が異なるが、分散素子４から出射するときには、いずれの波長の差周波光も同じ方向に走行するようになる。すなわち、波長の異なる差周波光は互いに平行な光路を走行することになる。
収束光学系の光軸がこの平行光路に平行であるため、どの波長の差周波光も同じ焦点を通る。すなわち、差周波光は焦点に設けられた光導入口に確実に導入される。
【００４４】
図６は、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）プリズムを用いてほぼ同一方向に走行方向を補正して集光レンズで光ファイバに収束させた場合の各波長の光路例を示す図面である。横軸は結晶出射面に対して垂直方向の距離、縦軸は出射面に平行な方向の距離を表す任意スケールである。縦軸は、横軸と比較して大きく拡大して表している。
【００４５】
図面に表示された通り、波長がそれぞれ５．５μｍ、７．５μｍ、９．５μｍの差周波光ビームは、いずれもほぼ共通通過点２に集まる。ＣａＦ２の屈折率は、入射光の波長が長いほど大きく、波長が２μmのとき1.4２４、９μmのとき１．３２７となる。そこで、波長による光路差を勘案して、ウェッジ角８．５°の断面三角形のプリズム４を共通通過点２の位置に置いて、ポンプ光の光路に対して入射面が８．５°傾くように配置する。
【００４６】
すると、差周波光ビームは、共通通過点２に設けたプリズム４に入射するときと出射するときに、波長毎に多少異なる屈折を行って入射角度差を相殺し、結果として波長にかかわらずほぼ同一の方向に走行するようになる。
そこで、集光レンズ５の光軸が差周波光ビームの走行方向と平行になるように配設しておけば、どの波長のビームも、集光レンズ５によって焦点に収束し、焦点位置に置かれた光ファイバ入力部を介して光ファイバ中に導入される。
【実施例２】
【００４７】
図７は、本発明の実施例２に係る波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法及び装置を説明する概念図である。
実施例２の光ファイバ導光方法はイメージリレーを利用するものである。
本方法では、結晶の傾きを精密に調整する制御装置が付属した非線形光学結晶１の差周波光出射面１３と光ファイバ３の光導入口３１の間にイメージリレーレンズ系６を配設する。イメージリレーレンズ系６は２枚以上の集束レンズ６１，６２で構成されたもので、イメージリレーレンズ系６の物点側焦点を共通通過点に位置させ、像点側焦点の位置に光ファイバ３の光導入口３１を配置する。
【００４８】
なお、イメージリレー光学系６の初めのレンズ６１には、目的とする波長範囲内の差周波光ω３の軌跡が全て入射して、それぞれイメージリレーが行えるようにする。
非線形光学結晶１から射出した差周波光ω３は、イメージリレーレンズ系６に入射して拡大収縮し、光ファイバの光導入口３１に収束する。このとき、波長により差周波光ω３の軌跡がずれるが、共通通過点２における物体像を光導入口３１の位置に、たとえば１／２５の大きさの実像として結像させるような光学系を組んであるので、波長にかかわらず差周波光ω３を光ファイバの光導入口３１に注入することができる。
【００４９】
なお、より正確に差周波光ω３を光ファイバ３に導光するために、イメージリレーレンズ系６の位置を細かく調整する微調整機構を備えて、波長毎に微調整できるようにしても良いことは言うまでもない。
本実施例の光ファイバ導光方法により、共通通過点２を通過する各波長の差周波光を光ファイバ３に導入することができる。
【実施例３】
【００５０】
図８は、本発明の実施例３に係る波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法及び装置を説明する概念図である。
実施例３の光ファイバ導光方法は回転可能な反射鏡を利用するものである。
本方法では、結晶の傾きが調整できる非線形光学結晶１の差周波光出射面１３と光ファイバ３の光導入口３１の間に回転可能な反射鏡７を配設して、反射光が光ファイバ３の光導入口３１に入射するようにする。
反射鏡７の回転軸７１は反射鏡面７２上にあるようにして、回転軸７１の位置に共通通過点２が来るように配置する。
【００５１】
非線形光学結晶１から射出した差周波光ω３は、反射鏡７の反射面７２で反射して集束レンズ５で光ファイバ３の光導入口３１に集光させられる。差周波光３の波長λ３が変化すると反射鏡７に対する入射角が変化するので、反射面７２の向きを調整して、常に光ファイバ３の光導入口３１に集光するようにする。
【００５２】
なお、差周波光ω３は波長λ３が変化しても常に共通通過点２を通り、入射方向のみが変化するので、反射鏡７の回転軸７１が反射面７２上にあってしかも共通通過点２が回転軸７１の上にあれば、差周波光ω３の波長が変化して入射方向が変化しても、他の光学的配置を固定したまま反射面７２を回転させて向きを調整するだけで、反射面７２で反射する差周波光ω３を光ファイバ３の光導入口３１に集光させることができる。
本実施例では、差周波光の波長が変化したときに反射鏡面の角度を調整するだけで、差周波光を途切れなく光ファイバに導光し続けることができる。
【００５３】
本発明によって、非線形光学結晶を用いて差周波光を発生する波長可変な波長変換レーザ装置において、差周波光を光ファイバに導く、より簡便な方法と装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法における非線形光学結晶内のポンプ光とシグナル光と差周波光のベクトル図である。
【図２】本発明の光ファイバ導光方法におけるシグナル光の波長に対する位相整合角の変化の１例を示す関係図である。
【図３】本発明の光ファイバ導光方法における非線形光学結晶において差周波光の波長を変えたときの光路を示す図面である。
【図４】本発明の光ファイバ導光方法における差周波光の光路と共通通過点の関係を表したグラフである。
【図５】本発明の実施例１に係る波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法及び装置を説明する概念図である。
【図６】実施例１における各波長の光路例を示す概念図である。
【図７】本発明の実施例２に係る波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法及び装置を説明する概念図である。
【図８】本発明の実施例３に係る波長変換レーザ出力の光ファイバ導光方法及び装置を説明する概念図である。
【図９】非線形光学結晶によって差周波光を発生する機構を説明する図面である。
【符号の説明】
【００５５】
１  非線形光学結晶
１１  入射位置
１２  結晶光学軸
１３  出射位置
２  共通通過点
３  光ファイバ
３１  光導入口
４  分散素子、プリズム
５  収束光学系、集光レンズ
６  イメージリレーレンズ系
６１，６２  集束レンズ
７  反射鏡
７１  回転軸
７２  反射面
【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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