(57)【要約】【課題】非線形光学結晶の温度制御を行わずに、安定したレーザ光出力を得る。【解決手段】波長λ１のレーザ光を発生する第１のレーザ２０１と、波長λ２のレーザ光を発生する第２のレーザ２０２と、波長λ１のレーザ光と波長λ２のレーザ光とを入力し、１／λ１−１／λ２＝１／λ３の関係にある差周波の波長λ３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶２１１とを含む波長変換光源において、非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、差周波の波長λ３は、波長３〜７μｍであり、波長λ２は、9.8484／（λ３＋0.038179）−0.03873<λ２<68.276／（λ３＋4.1554）−4.157を満たす。【選択図】図８
2008009065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λ１のレーザ光を発生するレーザと、前記波長λ１のレーザ光を入力し、１／λ１−１／λ２＝１／λ３の関係にある波長λ２のレーザ光および波長λ３のコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、
前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、
前記波長λ３は、波長３〜７μｍであり、
前記波長λ２は、
9.8484／（λ３＋0.038179）−0.03873<λ２<68.276／（λ３＋4.1554）−4.157  
を満たすことを特徴とする波長変換光源。
【請求項２】
波長λ１のレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記波長λ１のレーザ光と前記波長λ２のレーザ光とを入力し、１／λ１−１／λ２＝１／λ３の関係にある差周波の波長λ３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、
前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、
前記差周波の波長λ３は、波長３〜７μｍであり、
前記波長λ２は、
9.8484／（λ３＋0.038179）−0.03873<λ２<68.276／（λ３＋4.1554）−4.157  
を満たすことを特徴とする波長変換光源。
【請求項３】
前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換光源。
【請求項４】
前記非線形光学結晶は、Ｍｇ，Ｚｎ，ＳｃまたはＩｎのいずれかが添加されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の波長変換光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換光源に関し、より詳細には、周期的な分極反転構造を有する擬似位相整合型構造の非線形光学媒質を用いた波長変換光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題が大きくクローズアップされ環境ガスの計測が重要となっている。環境ガスの多くは、波長２μｍ以上の中赤外域に基本振動またはその低次の倍音の吸収線を有している。従って、中赤外域において高出力のコヒーレント光を発生する中赤外光光源の需要が高まっている。その中で、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：以下、ＬＮという）などの非線形光学結晶を用いた差周波発生により中赤外光を発生したり、光パラメトリック発振により中赤外光を発生する波長変換レーザの報告が多数なされている。
【０００３】
図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。２次非線形光学効果を利用して差周波発生を行う波長変換素子の構成である。波長変換素子は、比較的大きな光強度を有する励起光（λ１）１５と、比較的小さな光強度を有する信号光（λ２）１３とを合波する合波器１０と、擬似位相整合型構造の非線形光学媒質１１からなる導波路１２と、差周波数光である変換光（λ３）１４と励起光とを分離する分波器１６とから構成されている。非線形光学媒質１１は、周期的に分極の向きが反転している擬似位相整合型構造を有するので、光波長変換の効率を飛躍的に高めることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
非線形光学媒質１１は、波長λ１の励起光と波長λ２の信号光とを入射すると、波長λ３の変換光を出力する。これらの３つの波長の間には次式で与えられる関係が成立する。
【０００５】
【数１】
2008009065.tif 000003
【０００６】
信号光１３は、導波路１２において、異なる波長を有する差周波数光１４へと変換され、入力された励起光および信号光と共に出射される。
【０００７】
なお、このような波長変換素子の構成により、励起光１５および信号光１３により和周波発生を行うこともできる。また、励起光１５および信号光１３を同一の波長とし、または励起光１５のみを入射することにより、第二高調波発生を行って、励起光の２倍の周波数を有する第二高調波に変換することもできる。
【０００８】
これら２次非線形光学効果を用いた波長変換レーザは、励起光および信号光の光源として、波長２μｍ以下の技術的に安定したレーザを用いることができる。非線形光学結晶としては、異常光線における非線形光学定数が大きく、工業的にも大口径の結晶が得られるＬＮを用いることが多い。
【０００９】
【非特許文献１】M. H. Chou, et al., “1.5-μm-band wavelength conversion based on difference-frequency generation in LiNbO3 waveguides with integrated coupling structures”, Optics Letters vol.23, no.13, p.1004-1006 (1998)
【非特許文献２】M. V. Hobden, et al., “The temperature dependence of the refractive indices of pure lithium niobate”, Physics Lett., Vol.22, No.3, pp.243-244, (1966)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の２次非線形光学効果を用いた波長変換レーザは、目的の波長において、安定したレーザ光出力を得るために、非線形光学結晶の温度制御を行う必要があった。温度制御には、ヒータ、ペルチェ素子等を用いるので、消費電力が高いという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、非線形光学結晶の温度制御を行わずに、安定したレーザ光出力を得ることができる波長変換光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長λ１のレーザ光を発生するレーザと、前記波長λ１のレーザ光を入力し、１／λ１−１／λ２＝１／λ３の関係にある波長λ２のレーザ光および波長λ３のコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、前記波長λ３は、波長３〜７μｍであり、前記波長λ２は、  
9.8484／（λ３＋0.038179）−0.03873<λ２<68.276／（λ３＋4.1554）−4.157  
を満たすことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、波長λ１のレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記波長λ１のレーザ光と前記波長λ２のレーザ光とを入力し、１／λ１−１／λ２＝１／λ３の関係にある差周波の波長λ３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、前記差周波の波長λ３は、波長３〜７μｍであり、前記波長λ２は、  
9.8484／（λ３＋0.038179）−0.03873<λ２<68.276／（λ３＋4.1554）−4.157  
を満たすことを特徴とする。
【００１４】
前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することもでき、また、Ｍｇ，Ｚｎ，ＳｃまたはＩｎのいずれかを添加することもできる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、非線形光学媒質の位相不整合量Δβを決定する式において、温度によって変化する項である温度係数Γが０となるように波長λ２を選択するので、非線形光学結晶の温度制御を行わずに、安定したレーザ光出力を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。  
図２に、波長５μｍの変換光（λ３）を得るための励起光（λ１）と信号光（λ２）の波長の関係を示す。波長５μｍの変換光（λ３）を得るためには、無数のλ１とλ２の組合せがある。ここで、これらの組合せの違いによる効果を考える。２次の非線形光学効果を利用して波長変換を行う場合、相互作用する波長λ１、λ２、λ３の３波の間に屈折率分散による位相不整合が発生する。そこで、効率良く波長変換を行うために、上述した擬似位相整合型構造を用いて、この位相不整合量を擬似的に０にしている。周期的な分極反転構造の周期Λとすると、位相不整合量Δβは、
【００１７】
【数２】
2008009065.tif 000004
【００１８】
として表される。ここで、ｎｅ（λ，Ｔ）は、波長λ、温度Ｔにおける異常光線に対する屈折率を表し、非線形光学媒質がＬＮの場合には、セルマイヤー式により、
【００１９】
【数３】
2008009065.tif 000005
【００２０】
と表される（例えば、非特許文献２参照）。波長λの単位はμｍ、温度Ｔの単位は絶対温度Ｋである。擬似位相整合をとるためには、所望の波長λ１、λ２、λ３の３波において、（２）式で表されるΔβが０になるように分極反転の周期Λを設定してやればよい。
【００２１】
図３に、信号光の波長による波長変換効率の温度依存性を示す。波長５μｍの変換光（λ３）を得るために、図２の波長の組合せの中から、励起光（λ１）の波長として、０．８５μｍと１．０６４μｍとを選択する。このとき、信号光波長λ２は、（１）式により一義的に決定される。図３は、非線形光学媒質の素子長１ｃｍのときの波長変換効率の温度依存性を示す。このように、励起光の波長により、温度に対して波長変換効率の変化量が違うことがわかる。
【００２２】
そこで、温度に対する波長変換効率の変化量が、励起光の波長に対してどのように変化するのかを調べる。位相不整合量Δβを決定する（２）式において、温度によって変化する項を温度係数Γとして、  
【００２３】
【数４】
2008009065.tif 000006
【００２４】
と定義する。図４に、温度係数の励起光波長依存性を示す。温度Ｔ＝室温２９８Ｋにおける温度係数Γの温度Ｔに対する微分値を、励起光波長に対してプロットした図である。励起光波長λ１＝１．６μｍの時に温度係数が０となり、温度変化に対して位相不整合量が変化しないことがわかる。すなわち、（２）式において、適切に励起光波長を選択して、Δβ＝０になるようにすれば、波長変換効率の低下を招かないことがわかる。ここで、変換光波長λ３＝５．０μｍとすると、励起光波長λ１＝１．６μｍに対する信号光の波長は、式（１）よりλ２＝２．３５μｍとなる。
【００２５】
図５に、変換光波長に対して温度係数が０になる信号光波長示す。変換光波長λ３に対して、温度係数Γの微分値が０になる信号光波長λ２を丸印で示す。このとき、励起光波長λ１は、（１）式により一義的に決定される。この値は極限的であるので、波長変換効率が半分、すなわち効率の低下が３ｄＢにとどまる範囲を求める。非線形光学媒質の素子長１ｃｍ、温度２５℃±１２５℃（−１００℃〜１５０℃）のとき、それぞれ四角印と三角印とにより示す。各ポイントは、計算値でそれぞれのポイントをフィッティングして実線で示す。
【００２６】
三角印のフィッティングは、
λ２＝9.8484／（λ３＋0.038179）−0.03873（μm）  ・・・（5）
で表され、四角印のフィッティングは、
λ２＝68.276／（λ３＋4.1554）−4.157（μm）  ・・・（6）
で表される。すなわち（５）式と（６）式の間の領域の波長を用いることにより、温度に対して波長変換効率の低下が小さい波長変換光源を構成することができる。
【実施例１】
【００２７】
図６に、本発明の実施例１にかかる波長変換光源の構成を示す。波長変換光源は、１．７２６μｍのレーザ光を出力する光源１０１と、周期的な分極反転構造を有するＬＮからなる非線形光学媒質１１１とを備えている。光源１０１からのレーザ光は、レンズ１０３とミラー１１２とを介して、非線形光学媒質１１１に光学的に結合されている。非線形光学媒質１１１から出力されるコヒーレント光は、ミラー１１３を介して出力される。波長変換光源は、いわゆる光パラメトリック発振器を構成している。
【００２８】
実施例１では、非線形光学媒質１１１の温度変化に対する影響を検証するために、ミラー１１２、非線形光学媒質１１１およびミラー１１３を、温度制御槽１０２の中に設置する。光源１０１からのレーザ光を、窓１０４から入射して、非線形光学媒質１１１に入力し、非線形光学媒質１１１から出力されるコヒーレント光を、窓１０５から出射する。温度制御槽１０２の中は、水分の凍結を防止するために、窒素で充満されている。
【００２９】
光源１０１からのレーザ光のパワーは３Ｗであり、非線形光学媒質１１１の分極反転構造の周期Λは、３０．１７μｍである。窓１０５からのコヒーレント光として、２．８μｍ帯光と４．５μｍ帯光とが得られるので、光波長フィルタにより４．５μｍ帯光のみを取り出す。
【００３０】
図７に、実施例１にかかる波長変換光源の波長変換効率の温度依存性を示す。温度制御槽１０２の内部温度を−１００℃から１５０℃に変化させ、温度２５℃のときの波長変換効率を１としたときの規格化効率を示す。測定温度の全域にわたって、出力光の強度の変化がほぼ一定であることがわかる。
【実施例２】
【００３１】
図８に、本発明の実施例２にかかる波長変換光源の構成を示す。波長変換光源は、励起光波長λ１＝１．３９２μｍのレーザ光を出力する光源２０１と、信号光波長λ２＝１．９μｍのレーザ光を出力する光源２０２と、光源２０１と光源２０２のレーザ光を合波する光カプラ２０３と、周期的な分極反転構造を有するＬＮからなる非線形光学媒質２１１とを備えている。光カプラ２０３で合波されたレーザ光は、光ファイバ２０４を介して、非線形光学媒質２１１に光学的に結合されている。非線形光学媒質２１１は、導波路構造を有し、励起光と信号光とが入力されると、２次非線形光学効果による差周波の変換光を発生する。
【００３２】
実施例２では、非線形光学媒質２１１の温度変化に対する影響を検証するために、非線形光学媒質２１１を、温度制御槽２０５の中に設置する。非線形光学媒質２１１から出力されるコヒーレント光を、窓２０６から出射する。温度制御槽２０５の中は、水分の凍結を防止するために、窒素で充満されている。
【００３３】
光源２０１からのレーザ光のパワーは８０ｍＷであり、光源２０２からのレーザ光のパワーは３０ｍＷである。非線形光学媒質２１１の分極反転構造の周期Λは、２７．１μｍであり、光導波路が形成されている。窓２０５からのコヒーレント光として、５．２μｍ帯光が得られるので、光波長フィルタにより取り出す。
【００３４】
図９に、実施例２にかかる波長変換光源の波長変換効率の温度依存性を示す。温度制御槽２０５の内部温度を−１００℃から１５０℃に変化させ、温度２５℃のときの波長変換効率を１としたときの規格化効率を示す。測定温度の全域にわたって、出力光の強度の変化が５０％以下であることがわかる。
【００３５】
本実施形態では、非線形光学結晶としてＬＮ結晶を用いたが、このＬＮ結晶に、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。
【図２】波長５μｍの変換光を得るための信号光と励起光の波長の関係を示す図である。
【図３】信号光の波長による波長変換効率の温度依存性を示す図である。
【図４】温度係数の信号光波長依存性を示す図である。
【図５】変換光波長に対して温度係数が０になる励起光波長示す図である。
【図６】本発明の実施例１にかかる波長変換光源の構成を示す図である。
【図７】実施例１にかかる波長変換光源の波長変換効率の温度依存性を示す図である。
【図８】本発明の実施例２にかかる波長変換光源の構成を示す図である。
【図９】実施例２にかかる波長変換光源の波長変換効率の温度依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０１，２０１，２０２  光源
１０２，２０５  温度制御槽
１０３  レンズ
１０４，１０５，２０６  窓
１１１，２１１  非線形光学媒質
１１２，１１３  ミラー
２０３  光カプラ
２０４  光ファイバ
【図１】
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【図２】
2008009065.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008009065.tif 000011
【図６】
2008009065.tif 000012
【図７】
2008009065.tif 000013
【図８】
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【図９】
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