(57)【要約】　　　（修正有）【課題】フレネル損が非常に小さいコヒーレント光発生装置を提供する。併せて、波長変換媒質の端面の無反射被膜を不要にし、装置の耐久性を向上させる。【解決手段】所定の方向に偏光した励起光源と、第１の端面と第２の端面とを有して、第１の端面から前記励起光の入射を受けて第２の端面から前記所定の方向と同一方向に偏光した出力光を出射する波長変換媒質と、第１と第２のミラーとを有するコヒーレント光発生装置であって、前記第１の端面の向きは、励起光および第１のミラーで反射された波長変換光がほぼブリュースタ角で入射し、かつ、励起光と波長変換光の偏光方向が当該端面に対してＰ偏光となるように定められており、前記第２の端面の向きは、第２のミラーで反射された波長変換光がほぼブリュースタ角で入射し、かつ、波長変換光の偏光方向が当該端面に対してＰ偏光となるように定められていることを特徴とするコヒーレント光発生装置。【選択図】　図２
2004046017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に偏光した励起光を発生する励起光源と、第１の端面と第２の端面を有し、第１の端面から前記励起光の入射を受けて第２の端面から前記所定の方向と同一方向に偏光した１つないしは２つの波長変換光を出射する波長変換媒質と、波長変換媒質の第１の端面と第２の端面に対応して設けられ、波長変換媒質から出射された波長変換光を反射して共振させる第１と第２のミラーを有するコヒーレント光発生装置であって、前記第１の端面の向きは、励起光および第１のミラーで反射された波長変換光がほぼブリュースタ角で入射し、かつ、励起光と波長変換光の偏光方向が当該端面に対してＰ偏光となるように定められており、前記第２の端面の向きは、第２のミラーで反射された波長変換光がほぼブリュースタ角で入射し、かつ射出される波長変換光の偏光方向が当該端面に対してＰ偏光となるように定められていることを特徴とするコヒーレント光発生装置。
【請求項２】
前記波長変換媒質は、周期分極構造を有することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光発生装置。
【請求項３】
前記波長変換媒質の第１と第２の端面は、無反射被膜を有しないことを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光発生装置。
【請求項４】
波長変換媒質に対してＰ偏光した励起光をほぼブリュースタ角で入射させ、波長変換媒質から出射した波長変換光を、ミラーによって反射して非線形光学素子に対してＰ偏光としてほぼブリュースタ角で入射させることで、共振時の光損失を低減した光パラメトリック発振方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、波長変換を用いたコヒーレント光発生装置に関し、特に、光共振時の増幅光の損失を低減して高効率に波長変換光を得ることで、実質的な波長変換効率を増大した光発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ルビー等の固体や炭酸ガス等の気体に励起光を照射してこれらの原子に電子エネルギの高い反転分布状態を生じさせ、電子エネルギの低い状態に遷移する際の発光を共振器によって増幅することで、位相のそろった単色光を取り出すのがレーザ発振装置の基本的機能である。また、近年では、非線形光学素子を用いて波長の異なる複数の出射波を出力することも行われている。
【０００３】
図１に、レーザ発振装置の基本概念を示す。例えばルビーのようなレーザ媒体１１０は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザからの励起光１２０を受けて、励起光１２０と同じ光軸方向１３０に光増幅を行う。増幅されてレーザ媒体１１０から放出されたコヒーレントなレーザ光１４０は、光軸に沿って進んで、右側のミラー１５０によって反射され、逆方向にレーザ媒体１１０を通過し、さらに光増幅を行い左側のミラー１５５に到達し、レーザ媒体１１０の方向に反射される。この反射を繰り返す間に、レーザ媒体１１０によって一層増幅されたレーザ光１４０は、例えば、光軸中に設けられて、制御電圧によって選択的にレーザ光の偏光方向を回転させるポッケルスセル１６０と偏光ビームスプリッタ１７０の組み合わせによって光軸外に取り出される。
【０００４】
入射する励起光と出射光との波長が同じである線形光学に属するレーザ発振に対して、レーザ媒質１１０を波長変換媒質である周期分極反転構造を有する媒体に置き換え擬似位相整合を行い、第２高調波の発生や光パラメトリック相互作用を利用することによって、励起光とは異なる波長のレーザ光を得る過程は非線形光学、波長変換媒質は非線形光学素子と呼び、通常では得にくい波長の波長変換光を得る手段として使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記いずれの場合にも、励起光はレーザ媒質および波長変換媒質１１０を通って２つのミラー１５０、１５５の間で反射されることによって必要な増幅が行われるために、媒体１１０の両端面での励起光の反射によるいわゆるフレネル損を生じることになる。この損失を低減する方法として、両端面に無反射被膜処理を施すことが行われているが、当該処理は高価であるためにコヒーレント光発生装置全体のコストアップを招く問題がある。
【０００６】
さらに、前記周期分極構造を有する光学結晶によって２次高調波発生や光パラメトリック相互作用を行わせる場合には、結晶の厚さが例えば５００μｍ程度と非常に薄いために、無反射被膜を施すことが困難であり、さらに、端面には、結晶の厚さ対応して直径を絞り込んだレーザ光を入射させることになるために、無反射被膜層が損傷を受け、性能が劣化する可能性がある。さらには、直径を絞り込んだレーザ光によって光学結晶そのものの端面が損傷を受けることも起こりえる。
【０００７】
フレネル損を低減する他の従来方法は、例えば特開平９−８０４９６号に開示されているように、入射光の偏光方向と出射光の偏光方向が異なることを前提に、非線形光学素子の入射側の端面を入射方向に対してほぼブリュースタ角となるように設定し、出射側の端面を出射方向に対してほぼブリュースタ角となるように設定する方法である。この方法を用いた場合、それぞれの端面で入射光又は出射光に対して反射光を低減することができるが、逆に、いずれの端面でも入射光又は出射光のうちの一方の反射光を極端に低減することはできない。
【０００８】
本発明は、従来技術が有する上記の課題の解決を目的としたもので、具体的には、入射光と出射光に対する反射光のフレネル損を低減し、変換効率を増大したコヒーレント光発生装置を得ることを目的としている。本発明はさらに、無反射被膜が不要であってしかも使用劣化が非常に小さいレーザ発振装置を得ることを目的とする。本発明の他の目的と効果は、課題を解決するための手段および発明の実施の形態に関する以下の記述を通じて明らかにする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面では、所定の方向に偏光した励起光を発生する励起光源と、第１の端面と第２の端面とを有し、第１の端面から前記励起光の入射を受けて第２の端面から前記所定の方向と同一方向に偏光した出力光を出射する非線形光学結晶と、前記第１の端面と第２の端面とに対応して設けられ、非線形光学結晶から出射された波長変換光を反射して共振させる第１と第２のミラーとを有するコヒーレント光発生装置であって、前記第１の端面の向きは、励起光および第１のミラーで反射された波長変換光がほぼブリュースタ角で入射し、かつ、励起光と波長変換光の偏光方向が当該端面に対してＰ偏光となるように定められており、前記第２の端面の向きは、第２のミラーで反射された波長変換光がブリュースタ角で入射し、かつ、射出される波長変換光の偏光方向が当該端面に対してＰ偏光となるように定められていることを特徴とするコヒーレント光発生装置を提案する。
【００１０】
当該コヒーレント光発生装置によれば、非線形光学素子を通過する全ての光である励起光と波長変換光が常にほぼブリュースタ角で、かつ、非線形光学素子に対する偏光方向がＰ偏光となるように端面に入射するので、フレネル損は限りなくゼロに近くなり、結果的に高い変換効率を確保することができる。
【００１１】
非線形光学素子としては、光第２次高調波を発生させる波長変換素子、光和周波発生素子や光パラメトリック発振素子である。
【００１２】
非線形光学素子は、入射される励起光と出射される波長変換光との波長が異なるのが特徴である。したがって、この場合には励起光の波長成分と出射される波長変換光の波長成分とでは屈折率が異なるために、入射される励起光の波長を前提とした増幅系では励起光が波長変換光と同様の光路で反射されず、結果的に励起光の光源に、ミラーで反射された励起光が戻ってくることが無いので、励起光源が保護される効果がある。
【００１３】
本発明のさらに別の側面によれば、波長変換素子は、周期分極構造を有する光学結晶である。
【００１４】
擬似位相整合を図ることで光第２高調波や光パラメトリック相互作用によって可変波長の光を得るための周期分極構造を有する素子は前期非線形光学素子が代表的な例である。周期分極構造を有する非線形光学素子は、例えば厚さが０．５　ｍｍ、幅および長さが数ｃｍ程度の結晶であり、この端面に入射させるためにレーザの半径は少なくとも０．５　ｍｍ程度以下に絞り込む必要がある。その結果、無反射被膜あるいは結晶端面そのものに損傷を与え、当該損傷が変換効率を低下させることになる可能性が高い。したがって、このような非線形光学素子に対して、本発明は特に有効に機能する。
【００１５】
本発明のさらに別の側面によれば、前記非線形光学素子の第１と第２の端面は、無反射被膜を有しない。
【００１６】
本発明によれば、非線形光学素子の端面には、Ｐ偏光された励起光がほぼブリュースタ角で入射するので、原理的に反射成分がほぼゼロに抑えられる。したがって、無反射被膜を省略して製造コストの低減を図ることができる。さらに、フレネル損を考慮する必要が無いために、比較的小さなエネルギの励起光によって必要な出力光を得ることができる。換言すれば、光波長変換の過程を通じて非線形光学素子の端面に入射される光エネルギの総量を小さくすることができるので、端面の損傷を低減することができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、非線形光学素子に対してＰ偏光した励起光をほぼブリュースタ角で入射させ、レーザ媒体から出射した波長変換光を、ミラーによって反射して非線形光学素子に対してＰ偏光としてほぼブリュースタ角で入射させて光増幅を行うことで、共振時の光損失を低減したコヒーレント光発生方法を提案する。
【００１８】
上記のコヒーレント光発生方法によれば、フレネル損を理論上ほぼゼロにすることができるので、変換効率を高くすることができる。さらに、結果的に無反射被膜を削除して製造コストを低減することができると共に、無反射被膜や非線形光学素子端面を損傷から保護することができるので、耐久性を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら以下に述べる。
図２は、本発明の１つの実施形態を示した概念図である。周期分極構造を有する非線形光学素子２００の左右両側に一対のミラー２１０、２２０が非線形光学素子２００の端面に対して設けられており、左側のミラー２１０の外には励起光３００を供給する励起光源２３０が設けられている。
【００２０】
周期分極構造を有する非線形光学素子２００は、例えば、周期分極構造を有するＬｉＮｂＯ３結晶（ＰＰＬＮ）である。
【００２１】
励起光源２３０から出射された励起光３００は、左側のミラー２１０を通過して、非線形光学素子２００の第１の端面２０２に到達し、そこで屈折して周期分極構造を有する非線形光学素子２００を通り抜ける間に擬似位相整合を取ることで光第２高調波の発生や光パラメトリック相互作用によって励起光３００の波長λ１とは波長の異なる複数の波長λ２、λ３を有する光を発生させる。非線形光学素子２００で発生した光３１０が右側のミラー２２０によって反射されて、非線形光学素子２００の右側の第２の端面２０４に到達し、そこから非線形光学素子２００内に進入する。左右のミラー２１０、２２０の間で往復を繰り返す間に励起光は増幅され、それにより得られる波長変換光３１０は右側のミラー２２０を通過させて取り出される。
【００２２】
ここで、本発明においては、図２に示す図の場合には、励起光３００は紙面と同一面内に偏光しており、非線形光学素子２００の第１の端面２０２に入射する際の入射角は、ほぼブリュースタ角である。ブリュースタ角は、入射光の入射面内に偏光した成分の反射係数がほぼゼロになる入射角であるから、入射面と同一平面内に偏光している波長λ１の励起光３００の第１の端面２０２による反射成分のエネルギは理論上ほぼゼロに抑えられる。したがって、励起光３００はフレネル損無しで非線形光学素子２００に進入する。非線形光学素子２００の内部に進入した励起光は、素子の周期分極構造によって擬似位相整合を取ることで波長λ２とλ３の２つの成分を発生させ、第２の端面２０４から射出する。擬似位相整合では、波長λ１、λ２、λ３の成分はいずれも紙面と同一面内に偏光するような位相整合条件をとることができる。例えば、前記位相整合条件はＦｅｊｅｒ他による文献（Ｍａｒｔｉｎ　Ｍ．　Ｆｅｊｅｒ　ｅｔ　ａｌ．，　ＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，　ｖｏｌ．　２８，　ＰＰ．　２６３１　−　２６５４，　１９９２）に示されている。
【００２３】
非線形光学素子２００から出射した各成分λ１、λ２、λ３は、右側のミラー２２０によって反射されて右側の端面２０４から再度非線形光学素子２００内に進入するが、第２の端面２０４に入射する際の入射角は、また、ほぼブリュースタ角であり、第２の端面の方向は、前記各成分の偏光方向が入射面内になるような方向である。したがって、ここでもまた入射面方向に偏光している波長λ１、λ２、λ３を有する成分の第２の端面２０４による反射はほぼゼロなので、各成分はフレネル損無しで非線形光学素子２００に入射する。
【００２４】
励起光は左右のミラー２１０、２２０の間で反射を繰り返して増幅した後に、励起光を入射した側とは反対の右側ミラーから共振系の外部に取り出す。
【００２５】
また、基本的に左右のミラー２１０、２２０および非線形光学素子２００からなる共振系の光軸は、出射光の成分に対して合わせられているので、波長の異なる励起光３００は、ミラーで反射された後は励起光発生装置の光軸と完全に同一の位置に戻ることは無いので、励起光発生装置に損傷を与えない。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたことから明らかなように、本発明に基づく上記の構成によれば、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが混在する状態で端面をブリュースタ角に設定する従来技術に比較しても、Ｓ偏光に起因する波長変換光のフレネル損が存在しないために変換効率が向上する。
【００２７】
さらに、本発明に係るコヒーレント光発生装置および方法によれば、励起光の波長成分と出射される波長変換光の波長成分とでは屈折率が異なるために、入射される励起光の波長を前提とした増幅系では励起光が波長変換光と同様の光路で反射されず、結果的に励起光の光源に、ミラーで反射された励起光が戻ってくることが無いので、励起光源が保護される効果がある。
【００２８】
さらに、結晶の厚さが非常に薄い周期分極構造を有する非線形光学素子においても無反射被膜を省略することができ、装置の製造コストを低減することができる。さらに、無反射被膜や非線形光学素子端面の損傷を低減できるので、発振性能の劣化を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光発振装置の概念図
【図２】本発明の１実施形態を示す概念図
【符号の説明】
１１０　　　　　レーザ媒体
１２０　　　　　励起光
１３０　　　　　光軸
１４０　　　　　レーザ光
１５０、１５５　ミラー
１６０　　　　　ポッケルスセル
１７０　　　　　ビームスプリッタ
２００　　　　　非線形光学素子
２０２、２０４　端面
２１０、２２０　ミラー
３００　　　　　励起光
３１０　　　　　波長変換光
【図１】
2004046017.tif 000003
【図２】
2004046017.tif 000004