(57)【要約】【課題】  マルチパスＳＨＧにおけるポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を調節可能とする装置及び方法を改良する。【解決手段】  本発明により、反転自画像望遠鏡を使用することにより改良型マルチパス第二高調波発生（ＳＨＧ）を提供する。この実施形態は非線形媒体内で全てのビームの全てのパスの平行構造を確実にする。本発明の別の実施形態では、楔型フェーザを用いることにより改良型マルチパスＳＨＧを提供する。この構造により、パスの間のポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を容易に調整することができる。本発明の更に別の実施形態では、楔型フェーザと組み合わせて反転自画像望遠鏡を用いることにより、改良型マルチパスＳＨＧを提供する。この構造により、パスの間のポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を調整し、非線形媒体内で全てのビームの全てのパスの平行構造を保証することができる。この構造はまた、設計により、ポンプ・ビームと第二高調波ビームの対応するパスを非線形媒体１０内で同一直線上に配置することができる。【選択図】  図１
2004226987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）第１の周波数の２倍に略等しい第２の周波数を有する第２のビームを生成すべく、非線形媒体を通るＮ（Ｎは２以上の整数）個のパスを形成し、前記第１の周波数を有する光学放射線の第１のビームを受光する光学的非線形媒体と、
ｂ）パス番号Ｊ（１≦Ｊ＜Ｎ）の後で非線形媒体から放射され、パス番号Ｊ＋１に対して非線形媒体に戻る第１および第２のビームを結合するために、マトリックス係数が略Ａ＝−１、略Ｃ＝０、略Ｄ＝−１のＡＢＣＤマトリックスを有する組立型望遠鏡と
を具備する周波数二重化光学放射線装置。
【請求項２】
ａ）第１の周波数の２倍に略等しい第２の周波数を有する第２のビームを生成すべく、非線形媒体を通るＮ（２以上の整数）個のパスを形成し、前記第１の周波数を有する光学放射線の第１のビームを受光する光学的非線形媒体と、
ｂ）非線形媒体を通る第１および第２のビームのパス番号Ｋ（２≦Ｋ≦Ｎ）の前で、第１および第２のビームの相対的な位相を調節するための楔形フェーザと
を具備する周波数二重化光学放射線装置。
【請求項３】
ａ）第１の周波数の２倍に略等しい第２の周波数を有する第２のビームを生成すべく、非線形媒体の第１の面と第２の面との間の非線形媒体を通るＮ（２以上の整数）個のパスを形成し、前記第１の周波数を有する光学放射線の第１のビームを受光する光学的非線形媒体と、
ｂ）パス番号Ｊ（１≦Ｊ＜Ｎ）の後で非線形媒体から放射され、パス番号Ｊ＋１に対して非線形媒体に戻る第１および第２のビームを結合するために、マトリックス係数が略Ａ＝−１、略Ｃ＝０、略Ｄ＝−１の第１のＡＢＣＤマトリックスを有する第１の組立型望遠鏡と、
ｃ）非線形媒体を通る第１および第２のビームのパス番号Ｋ（２≦Ｋ≦Ｎ）の前で、第１および第２のビームの相対的な位相を調節するための、非線形媒体と組立型望遠鏡との間に配置された楔形フェーザと
を具備する周波数二重化光学放射線装置。
【請求項４】
前記非線形媒体の内の基準面は、前記第１および第２のビームの伝播方向に略垂直であり、前記組立型望遠鏡により、負の単一倍率でそれ自体上に再イメージすることを特徴とすることを特徴とする請求項３記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項５】
前記第１のビームは、振幅１／ｅ、半径ｗのビームウェストを有する略ガウスビームであり、半径ｗは、Ｌｏｐｔ／３＜Ｌ＜３Ｌｏｐｔ（Ｌｏｐｔ＝５．６８πｗ２ｎω／λ、ｎωは前記第１の周波数で前記非線形媒体の反射係数、λは前記第１のビームの自由空間波長）の範囲で前記第１および第２の面の間の距離Ｌに関連しており、
前記ビームウェストは前記基準面上に略配置され、前記基準面は前記第１および第２の面の間の略中央に配置される請求項４記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項６】
前記距離Ｌは、Ｌｏｐｔに略等しいことを特徴とする請求項５記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項７】
前記非線形媒体は、複屈折位相整合されていることを特徴とする請求項３記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項８】
前記非線形媒体は、擬似位相整合されていることを特徴とする請求項３記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項９】
前記非線形媒体は、周期的にポーリングされたＫＴｉＯＰＯ４からなることを特徴とする請求項８記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項１０】
前記第１および第２のビームは、ブルースター（Brewster）角度に略同一の角度で前記楔型フェーザを通過し、略ｐ偏光で前記楔形フェーザの一面上に入射することを特徴とする請求項３記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項１１】
前記非線形媒体は、前記第１および第２の媒体面の中心を横切るセンタラインを有する略平行六面体であり、
当該装置は、マトリックス係数が略Ａ＝−１、略Ｃ＝０、略Ｄ＝−１の第２のＡＢＣＤマトリックスを有する第２の組立型望遠鏡をさらに具備し、
前記第１の組立型望遠鏡は、前記センタラインと略同一線上に存在する第１の軸を有し、
前記第２の組立型望遠鏡は、前記センタラインと間隔を空けて平行な第２の軸を有し、
前記第１の軸と前記第２の軸を含む平面が前記平行六面体の一面と略平行であることを特徴とする請求項３記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項１２】
さらに、前記第１の組立型望遠鏡と前記フェーザのうちの少なくとも一方に対する非点収差補償のための手段を具備することを特徴とする請求項３記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項１３】
さらに、前記非線形媒体を通って前記複数のパスの少なくとも１つについて、前記第２のビームが前記第１のビームと同一線上になることを保証するための手段を具備することを特徴とする請求項３記載の周波数二重化光学放射線装置。
【請求項１４】
ａ）第１の周波数を有する光学放射線の第１のビームを光学的非線形媒体に伝播させ、第１のビームが前記非線形媒体を通るＮ（２以上の整数）個のパスを形成することにより、第１の周波数の２倍に略等しい第２の周波数を有する第２のビームを生成する過程、および
ｂ）パス番号Ｊ（１≦Ｊ＜Ｎ）の後で非線形媒体から放射された、第１および第２のビームを、マトリックス係数が略Ａ＝−１、略Ｃ＝０、略Ｄ＝−１のＡＢＣＤマトリックスを有する組立型望遠鏡を通過させ、それによってパス番号Ｊ＋１に対して非線形媒体へと戻す過程
を含む周波数二重化光学放射線方法。
【請求項１５】
ａ）第１の周波数を有する光学放射線の第１のビームを光学的な非線形媒体に伝播させ、第１のビームが前記非線形媒体を通るＮ（２以上の整数）個のパスを形成することにより、第１の周波数の２倍に略等しい第２の周波数を有する第２のビームを生成する過程、および
ｂ）非線形媒体を通る第１および第２のビームのパス番号Ｋ（２≦Ｋ≦Ｎ）の前で、第１および第２のビームの相対的な位相を調節するために、第１および第２のビームを楔形フェーザに通過させる過程
を含む周波数二重化光学放射線方法。
【請求項１６】
ａ）第１の周波数を有する光学放射線の第１のビームを光学的な非線形媒体に伝播させ、第１のビームが前記非線形媒体の第１の面と第２の面との間の前記非線形媒体を通るＮ（２以上の整数）個のパスを形成することにより、第１の周波数の２倍に略等しい第２の周波数を有する第２のビームを生成する過程、
ｂ）パス番号Ｊ（１≦Ｊ＜Ｎ）の後で非線形媒体から放射された、第１および第２のビームを、マトリックス係数が略Ａ＝−１、略Ｃ＝０、略Ｄ＝−１の第１のＡＢＣＤマトリックスを有する第１の組立型望遠鏡を通して通過させることにより、第１および第２のビームをパス番号Ｊ＋１に対して非線形媒体へと戻す過程、および
ｃ）非線形媒体を通る第１および第２のビームのパス番号Ｋ（２≦Ｋ≦Ｎ）の前で、第１および第２のビームの相対的な位相を調節するために、非線形媒体と組立型望遠鏡との間に配置された楔形フェーザを通して第１および第２のビームを通過させる過程
を含む周波数二重化光学放射線方法。
【請求項１７】
前記非線形媒体の内の基準面は、前記第１および第２のビームの伝播方向に略垂直であり、前記組立型望遠鏡により、負の単一倍率でそれ自体上に再イメージすることを特徴とする請求項１６記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項１８】
前記第１のビームは、振幅１／ｅ、半径ｗのビームウェストを有する略ガウスビームであり、半径ｗは、Ｌｏｐｔ／３＜Ｌ＜３Ｌｏｐｔ（Ｌｏｐｔ＝５．６８πｗ２ｎω／λ、ｎωが前記第１の周波数で前記非線形媒体の反射係数、λが前記第１のビームの自由空間波長）の範囲で前記第１および第２の面の間の距離Ｌに関連しており、
前記ビームウェストは、前記基準面上に略配置されることを特徴とする請求項１７記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項１９】
前記距離Ｌは、Ｌｏｐｔに略等しいことを特徴とする請求項１８記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項２０】
前記非線形媒体は、複屈折位相整合されていることを特徴とする請求項１６記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項２１】
前記非線形媒体は、擬似位相整合されていることを特徴とする請求項１６記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項２２】
前記非線形媒体は、周期的にポーリングされたＫＴｉＯＰＯ４からなることを特徴とする請求項２１記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項２３】
前記第１および第２のビームは、ブルースター（Brewster）角度に略同一の角度で前記楔型フェーザを通過し、略ｐ偏光で前記楔形フェーザの一面上に入射することを特徴とする請求項１６記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項２４】
前記非線形媒体は、前記第１および第２の媒体面の中心を横切るセンタラインを有する略平行六面体であり、
当該方法は、マトリックス係数が略Ａ＝−１、略Ｃ＝０、略Ｄ＝−１の第２のＡＢＣＤマトリックスを有する第２の組立型望遠鏡を通して前記第１および第２のビームを通過させる過程をさらに含み、
前記第１の組立型望遠鏡は、前記センタラインと略同一線上に存在する第１の軸を有し、
前記第２の組立型望遠鏡は、前記センタラインと間隔を空けて平行な第２の軸を有し、
前記第１の軸と前記第２の軸を含む平面が前記平行六面体の一面と略平行であることを特徴とする請求項１６記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項２５】
さらに、前記組立型望遠鏡と前記フェーザのうちの少なくとも一方の非点収差を補償する過程を含むことを特徴とする請求項１６記載の周波数二重化光学放射線方法。
【請求項２６】
さらに、前記非線形媒体を通る前記複数のパスの少なくとも１つについて、前記第２のビームを前記第１のビームと同一線上になるように保証する過程を含むことを特徴とする請求項１６記載の周波数二重化光学放射線方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学、特にマルチパス第二高調波生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
第二高調波発生（ＳＨＧ）は光ビーム（ポンプ・ビームと呼ばれている）が第二高調波ビームを生成するために光学的に非線形媒体と相互に作用する非線形光学の処理であり、第二高調波ビームの周波数はポンプ・ビームの周波数の２倍である。同等に、第二高調波の自由空間波長はポンプ・ビームの自由空間波長の半分である。ポンプ・ビームは、媒体を通過すること、及び／又は媒体に反射することにより、光学的に非線形媒体と相互に作用することができる。反転対称性を欠いているどんな材料でも、ＳＨＧの光学的な非線形媒体として使用することができる。ＳＨＧに一般に使用される材料には、ＬｉＮｂＯ３及びＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）が含まれる。ＳＨＧでは、物質の非線形性を２次非線形感受性テンソルχ（２）に換算して表す。
【０００３】
（特に連続波ポンプを使用した）第二高調波生成は非効率的な処理になり易い。ここで、効率は第二高調波光線で放射されるパワーをポンプ・ビームのパワーによって除した比率である。このように非効率的である主な理由は、光学的な非線形材料により与えられる非線形性が弱い傾向にあるためである。そのため、ＳＨＧの効率を改善する様々な方法が開発された。低い効率制限（Ｐ２ω＜＜Ｐω、Ｐ２ωとＰωはそれぞれ第二高調波パワーとポンプパワー）において、第二高調波ビームのパワーはポンプ・ビームのパワーの二乗に比例するので、効率を上げる1つの方法は、ポンプ・ビームにより多くのパワーを供給することである。しかしながら、利用可能なポンプ・ビームパワーは通常制限されるので、固定されたポンプパワーに対してＳＨＧ効率を上げる方法の方がより有用である。
【０００４】
ポンプ・ビームと第二高調波ビームとの間で位相整合を確実にすることが、これらの方法で最も重要なものである。位相整合は、ポンプ・ビームと第二高調波との波ベクトルが平行である場合、同一線上にあり、ポンプ・ビームと第二高調波との波ベクトルが平行でない場合、同一線上にない。非同軸位相整合は、概してポンプ・ビームと平行でない第二高調波ビームの生成の原因となる。実際には、非同軸位相整合より、同軸位相整合の方が一般に使用されている。ポンプ・ビームが光学的に非線形媒体の一部を照射すると仮定する。位相整合状態が満たされないならば、照射された部分に沿っていろいろな点から放射される第二高調波放射線は破壊的に干渉し、その結果、第二高調波ビームのパワーは、照射された部分に沿って、周期２Ｌｃで、位置の周期関数になる。コヒーレンス長Ｌｃは、Ｌｃ＝λ／４Δｎで求められる。ここで、λはポンプの自由空間波長であり、Δｎ＝｜ｎω−ｎ２ω｜であり、ｎωはポンプ波長での非線形媒体の屈折率であり、ｎ２ωは第二高調波波長での非線形媒体の屈折率である。位相整合条件が確実に満たされる場合、つまりｎω＝ｎ２ωである場合、破壊的干渉は起こらず、その結果、第二高調ビームのパワーは照射部分に沿って漸進的に増大する。長さＬの非線形装置では、ＬｃがＬと同等以上であれば位相整合は十分良好に達成される。典型的にＬは１ｃｍのオーダーであり、λは１μｍのオーダーであるので、典型的な非線形光学装置において位相整合を行うにはΔｎは約０．００００３未満でなければならない。
【０００５】
Δｎは、一般的に、０．００００３より非常に大きいので、波長（すなわち分散）に対する屈折率の依存のために、位相整合条件を満たすためには特別な方法を用いなければならない。これら方法のうち２つは、複屈折位相整合（ＢＰＭ）と擬似位相整合（ＱＰＭ）である。複屈折材料においては、光ビームの屈折率はビームの偏光によって決まる。例えば、単軸複屈折媒体における偏光の２つの状態は、「通常」と「異常」と呼ばれ、それぞれ指数ｎｏとｎｅで表される。ＢＰＭは、（χ（２）の要素に一定の要件を課す）ポンプ放射線に対して垂直に偏光した第二高調波を放射する複屈折材料を選択し、かつｎｏω≒ｎｅ２ω（又はｎｅω≒ｎｏ２ω）を確実にすることにより成し遂げられる。即ち、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとが異なる偏光状態を有するため、散乱による指数の差異を偏光による指数の差異により補償する。
【０００６】
複屈折位相整合は常に可能というわけではない。例えば、複屈折性でない非線形材料を複屈折位相整合することはできない。複屈折材料でさえ、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとの偏光が同一であることが望ましい場合が多い（例えば、χ（２）テンソルのより大きい要素を利用するためか、又はＢＰＭに頻繁に起こるビーム消滅を避けるため）。これらの場合にＱＰＭを使用することができる。上述のように、位相整合の無い相互作用では、第二高調波のパワーは、非線形物質の照射部分に沿って２Ｌｃ周期で周期的に変化する。ｚを照射部分に沿った位置とする。第二高調波のパワーは、０＜ｚ＜Ｌｃの範囲で最大値まで増大し、Ｌｃ＜ｚ＜２Ｌｃの範囲で０へと低下するという挙動を周期的に繰り返す。このように、第二高調波ビームに対する材料の第二コヒーレンス長の寄与は、第二高調波ビームに対する材料の第一コヒーレンス長の寄与を正確に相殺し、同様に第四コヒーレンス長は、第三コヒーレンス長を相殺するなどが可能である。基本的に、偶数コヒーレンス長が奇数コヒーレンス長を相殺する。
【０００７】
ＱＰＭの目的は、長さ２Ｌｃの各部分が第二高調波ビームのパワーに寄与するように、非線形材料の特性を周期的に変えることにより、上述した相殺を中断させることである。これは様々な方法で行うことができる。１つの方法は、（例えば、χ（２）をゼロに設定すべく材料を選択的に乱すことによって）全ての偶数コヒーレンス長の非線形性を排除することである。この場合、偶数コヒーレンス長は第二高調波ビームに寄与せず、上記の相殺は排除される。別の方法は、全ての偶数コヒーレンス長でのχ（２）が等しく、かつ全ての奇数コヒーレンス長と反対になるように、χ（２）の符号を周期的に変えることである。このようにχ（２）を周期的に変化させることは、強誘電体又はその他適切な材料の、電気的及び／又は化学的ポーリング（例えばＫＴｉＯＰＯ４の周期的ポーリング）か、半導体のエピタキシアル再成長技術（例えばＧａＡｓ）により行うことができる。偶数コヒーレンス長に対するχ（２）の符号変化は、破壊的干渉を強め合う干渉に変える。即ち、偶数コヒーレンス長により放射された第二高調波が、奇数コヒーレンス長により放射された第二高調波に積極的に加わることになる。χ（２）の符号が周期的に変化するとき、装置の全ての部分が放射された第二高調波に積極的に寄与するので、χ（２）を周期的にゼロに設定することにより得られるＱＰＭより、この形式のＱＰＭの方が好ましい。
【０００８】
上記（第1階級）ＱＰＭ方法では、２Ｌｃ周期で非線形材料の特性の周期的な変更が必要である。Ｌｃは一般的に小さいので（例えば、Δｎ＝０．０１はλ＝１μｍに対してＬｃ＝２５μｍを与える）、最先端の材料製造および／または処理技術が一般的にＱＰＭに必要とされる。ＱＰＭは、また、より長い周期（例えば、第３階級のＱＰＭに対して６Ｌｃ周期、第５階級のＱＰＭに対して１０Ｌｃ周期など）で、材料特性を周期的に変化させることによって成し遂げることができるが、これらのより高い階級のＱＰＭ方法は第１階級のＱＰＭより効率的でない。より高い階級ＱＰＭの目的は、各々の「偶数」部分の材料特性を変更することによって、長さｎＬｃの以下の「偶数」部分により長さｎＬｃの「奇数」部分の相殺を中断させることであり、それにより長さ２ｎＬｃのそれぞれの部分が第二高調波ビームのパワーに正味寄与する。より高い階級ＱＰＭにおいては、ｎは奇数でなければならないため、長さｎＬｃの部分は第二高調波ビームのパワーに非ゼロ寄与する。
【０００９】
ＳＨＧのためのポンプ・ビームは、非線形媒体内部に焦点を合わせるガウス・ビーム（すなわち、ビームウェストを有する）として、非線形媒体の中にしばしば伝播する。ポンプ強度と相互作用長が増大すると、位相整合ＳＨＧ効率は増大するので、これらのパラメータの両方とも最大にすることが望ましい。しかし、より小さい点にビームの焦点を合わせることによってビームの強度を増大させることは、ビーム拡散を増大し、効果的に相互作用長さを減少させる。したがって、位相整合されたＳＨＧの効率を最大にするポンプ・ビームのための最適なウェスト１／ｅ振幅、半径ｗが、長さＬの非線形媒体に存在する。長さＬとウェスト半径ｗとの間の最適の関係は（ポンプと第二高調波の間に消滅するビームがないとすると）、Ｌ＝Ｌｏｐｔによって与えられる。ここでＬｏｐｔ＝５．６８πｗ２ｎω／λであり、λは、自由空間ポンプ波長である。ＳＨＧ効率は、Ｌｏｐｔに近いＬに対し、Ｌに対する過敏な依存を有しないので、およそＬｏｐｔ／３＜Ｌ＜３Ｌｏｐｔの範囲において、非線形媒体の長さＬは、ほぼ最適な性能を提供する。非線形媒体の内部のビームウェストの最適な位置は、非線形媒体の中央（すなわち、距離Ｌ／２によって入射面と出射面とから離間したところ）にある。
【００１０】
ＳＨＧ効率を増大する他の方法が、位相整合と最適なフォーカシングに加えてしばしば使用される。マルチパスＳＨＧは、そのような方法であり、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとが、非線形媒体を通る複数のパスを形成する。マルチパスＳＨＧにおいて、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとが、第２の連続したパスにおいて、適切で相対的な位相を有することを保証する必要があり、そのため、第二高調波ビームへの各々のパスの寄与は建設的である。J.M. Yarboroughほか（Applied Physics Letters 18(3) 1970）は、複屈折位相整合されたニオブ酸塩リチウムで、二重パスＳＨＧを示している。ここでは、鏡が、非線形媒体を通して、ポンプ・ビームおよび第二高調波ビームを後方反射するために使われている。また、空気の散乱を通して第２のパスにおいて２つのビームの相対的な位相を制御すべく、鏡と水晶の間の分離が変化させられる。G. Imeshevほか（Optics Letters 23(3) 165 1998）は、擬似位相整合されたニオブ酸塩リチウムで二重パスＳＨＧを示している。ここでは、鏡が、非線形媒体を通して、ポンプ・ビームおよび第二高調波ビームを後方反射するために使われている。また、鏡に対向した非線形媒体の端面は、ＱＰＭ部分境界に対して、ゼロではないが僅かな角度をもって研磨されている。第２のパスにおけるポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相は、それらのビームで見た媒体厚みを変化すべく、ビームについて非線形媒体を移動することによって調節される。
【００１１】
第２のパス上のポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を制御するために鏡を移動することは、かなりの範囲の運動（例えば、数ｃｍのオーダー）が要求されるという不利を有する。第２のパス上のポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を制御するために、楔形非線形光学的媒体を移動することは、非線形媒体の温度調節を一般的に要求するので設計が複雑になり、非線形媒体のサイズを移動に対応させるために増大しなければならないので、好ましくない。ポンプ・ビームの逆反射は、第１のパスから第２のパスへのポンプ・ビームの最適なフォーカシングを維持しない。言い換えると、ポンプ・ビームが非線形媒体を通って第１のパスに対して適切に集中し、第２のパスが逆反射によって得られるならば、第２のパスのポンプ・ビームは非線形媒体を通って適切に集中しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、マルチパスＳＨＧにおいてポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を調節するための改良型装置および方法を提供することにある。本発明のもう１つの目的は、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとが、全てのパスに対して、非線形媒体内で互いに平行になることを保証するための装置および方法を提供することにある。本発明のさらにもう一つの目的は、全てのパスに対してポンプ・ビームを適切にフォーカシングさせることにある。発明の更なる目的は、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとが、全てのパスに対して、非線形媒体の内部で互いに平行になることを確実とし、ポンプ・ビームと第二高調波ビームそれぞれに対応するパスが同一直線上にあることを確実にするための装置および方法を提供することにある（すなわち、第２のパスのポンプ・ビームを第２のパスの第２の高調波ビームと同一線上とし、第３のパスのポンプ・ビームを第３のパスの第二高調波ビームと同一線上とするなど）。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１実施例によれば、改良型マルチパス第二高調波発生（ＳＨＧ）は、反転自画像望遠鏡の使用によって提供される。この実施例は、非線形媒体の内部で全てのビームの全てのパスの平行構造を保証する。本発明の別の実施例によれば、改良型マルチパスＳＨＧは、楔型フェーザの使用によって提供される。この装置は、複数のパスの間のポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を容易に調整する。本発明の更なる実施例によれば、改善されたマルチパスＳＨＧは、楔型フェーザと組み合わせた反転自画像望遠鏡の使用によって提供される。この装置は、複数のパスの間のポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を容易に調整し、非線形媒体内で全てのビームの全てのパスの平行構造を保証する。この装置もまた、設計によって、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとに対応するパスが非線形媒体の内部で同一線上になることを可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１ａは、本発明による２重パス周波数二重化装置４０の概略上面図であり、図１ｂは、装置４０内部の非線形媒体１０の概略端面図である。装置４０の操作を理解するために、詳細に装置４０の設計を議論する前に装置４０を通るビーム経路を考慮することは有用である。ポンプ源４２によって提供されるポンプ・ビームは、非線形媒体１０の面１０−２によって受光され、非線形媒体１０を通ってビーム経路３０に沿って伝播する。第二高調波ビームは、ポンプ周波数の２倍の周波数で、非線形媒体１０の内部で発生し、非線形媒体１０を通ってビーム経路３０に沿って伝播する。ポンプ・ビームと第二高調波ビームは、非線形媒体１０の面１０−１から放射されて、フェーザ１６によって受光される。双方のビームは、フェーザ１６を通って伝播し、鏡１８で受光される。それからポンプ・ビームと第二高調波ビームとは、鏡１８で反射されて、鏡２０で受光される。双方のビームは、鏡２０で反射され、鏡１８で再び反射されて、再びフェーザ１６を通して伝播し、非線形媒体１０の面１０−１によって受光される。第２のパス上のポンプ・ビームと第二高調波ビームは、非線形媒体１０を通ってビーム経路３２に沿って伝播し、非線形媒体１０の面１０−２から放射される。
【００１５】
非線形媒体１０を通るビーム経路３０、３２は、図１ｂに示すように、並行で、かつ互いに離間していることが好ましい。これは、非線形媒体１０の中央に位置する基準面１２を負の単一倍率でそれ自体の上に再イメージすべく、鏡１８、２０が反転望遠鏡として機能するように、鏡１８、２０を選択することにより達成される。図１ａと図１ｂに示すように、軸１４は鏡１８、２０で作られる望遠鏡の軸であって、非線形媒体１０の内部のほぼ中央に置かれる。このように、ビーム経路３２は、図１ｂで示されるように、反転望遠鏡によって作られるビーム経路３０のイメージであり、ビーム経路３０、３２の分離は、軸１４からビーム経路３０をオフセットすることによって得られる。第１のパス（ビーム経路３０）と第２のパス（ビーム経路３２）との上記分離は、第２のパス・ビームを第１のパス・ビームから切り離すための付加的な光学的要素を必要としないので好都合である。
【００１６】
非線形媒体１０は、反転対称性を欠いているいかなる材料であってもよい。非線形媒体１０は、ＳＨＧ効率を増大するために位相整合されていることが望ましい。周期的にポーリングされたＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）は、１つの適切な非線形媒体１０である。それ以外にも、他の非線形材料、例えばニオブ酸塩リチウム、リチウム・タンタル酸塩またはベータバリウム・ホウ酸塩を、複屈折位相整合と擬似位相整合を含む（但し、限定されない）位相整合技術を用いて、本発明を実行するために用いることもできる。いくつかの状況においては、ポンプ源へ戻るポンプ・ビームの反射を避けることは重要であり、これらの状況においては、ポンプ・ビームが通常必ずしも非線形媒体１０の面１０−２に入射しないように、非線形媒体１０（または非線形媒体１０の面１０−２）を僅かに傾けることができる（０．５度〜１度のオーダー）。これは、非線形媒体１０の面１０−２から反射されたポンプ・ビームがポンプ源へ戻って結合しないことを保証する。非線形媒体１０の面１０−１と面１０−２は、装置４０において損失を減らすために、ポンプ周波数（または波長）と第二高調波周波数（または波長）の双方で、低反射率（すなわち、反射率＜１パーセント、より好ましくは＜０．５パーセント）を提供するために反射防止コーティングされていることが好ましい。
【００１７】
フェーザ１６の目的は、第２のパスが第１のパスに既に存在する第二高調波ビームに積極的に寄与するように、ポンプ・ビームと第二高調波ビームが第２または後のパス（すなわちビーム経路３２）で非線形媒体１０に入射する際に、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相を調節することである。フェーザ１６は、分散光学材料、すなわちポンプ周波数と第二高調波周波数とで異なる屈折率を有する材料の楔形プレートとして製造される。ここで、フェーザ表面間の楔の角度は、およそ０．１度から１度のオーダーである。フェーザ１６が楔形プレートであるので、ビーム経路に導入する分散材料の量は、ビームに対して垂直なフェーザを移動させることにより可変である。例えば、４８８ｎｍに対して２倍の９７６ｎｍの放射線を考える。フェーザ１６のための適切な材料は、それぞれｎω＝１．５０８とｎ２ω＝１．５２２の波長を有する商用ガラスＢＫ７である。本実施例では、ＢＫ７のコヒーレンス長は、Ｌｃ＝１７．４μｍである。ビームがフェーザ１６を通して二重のパスを形成するので、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとの相対的な位相の完全な２π調整は、Ｌｃ＝１７．４μｍによるビームから見たフェーザ厚を変化させることによって得られる。フェーザ１６の表面による反射損失を減少させるべく、ポンプ・ビームと第二高調波ビームの双方がｐ偏光（すなわちフェーザ表面の入射面に位置する電界ベクトル）を有し、ブルースター（Brewster）角度、またはそれに近い角度でフェーザ１６に入射するように、フェーザ１６は組立体４０内に挿入されるのが好ましい。あるいは、実質的な反射損失を導入することなくフェーザをブルースターの角度以外の角度で用いることができるように、フェーザ１６の光学表面上に反射防止膜コーティングを有してもよい。
【００１８】
鏡１８は、曲率半径Ｒを有する凹鏡である。鏡２０は、鏡１８の焦点距離ｆ＝Ｒ／２と略同一の長さＬだけ鏡１８と離間している平坦な鏡である。鏡１８、２０は、ポンプ・ビーム周波数と第二高調波周波数とで高い反射（９９．５％を超える反射率を有することが好ましい）を示す。鏡１８，２０はともに、鏡１８とフェーザ１６との間に位置する入出力基準面１１に関して、Ａ＝−１、Ｃ＝０、Ｄ＝−１の（ポンプ・ビームと第二高調波ビーム双方について）ＡＢＣＤマトリックスを有する組立型望遠鏡を形成する。ＡＢＣＤマトリックスは、下式のように光学システムの幾何学的なイメージング特性を記述する：
【数１】
2004226987.tif 000003
ここで、ｘおよびｘ’は、各々、光学システムの入力基準面でのシステムの光軸（すなわち、図１ａの軸１４）に対応する入力光線の位置および傾斜であり、ｙおよびｙ’は、各々、光学システムの出力基準面での対応する出力光線の位置および傾斜である。ビームを逆反射する光学システムにとって、入力基準面および出力基準面として、同一面（すなわち、基準面１１）を選択することはしばしば都合がよい。
【００１９】
鏡１８は、非線形媒体１０の中央の基準面１２と鏡１８との間の回折距離が鏡１８の焦点距離と略等しくなるように配置されることが好ましい。長さＬｉと指数ｎｉとの領域によって分離された２つの点の間の回折距離はΣＬｉ／ｎｉである。鏡１８と非線形媒体１０のこの相対的な位置決めで、基準面１２は、組立型望遠鏡によって、（−１の倍率で、すなわち反転させて）それ自体の上へ再イメージされる。これは、最適なフォーカシングが１つのパスから次まで維持されることを保証する。すなわち、第１のパスのポンプ・ビームが非線形媒体１０を通って適切にフォーカシングされるならば（すなわち、非線形媒体１０の中央における基準面１２で適当なサイズのビームウェストを有するならば）、第２のパスのポンプ・ビームも同様に、非線形媒体１０を通って適切にフォーカシングされる。
【００２０】
組立型望遠鏡の主要な目的は、第１のパスを通過した後の、非線形媒体１０から放射されたポンプ・ビームと第二高調波ビームとを、第２のパスを通過させるために非線形媒体１０へ再度結合させることにあるが、組立型望遠鏡のＡＢＣＤマトリックスの上述した特性は更なる有利な結果を有する。
【００２１】
条件Ｃ＝０は、出力光線傾斜が入力光線傾斜だけによって決まることを保証する（すなわち、入力光線位置によって決まらない）。したがって、Ｃ＝０の光学システムの入力で平行である２つの光線は、そのシステムの出力で平行である。Ｃ＝０の光学システムは、望遠鏡である。マルチパスＳＨＧにとって、望遠鏡によって提供される平行構造の維持は、第１パス上の第二高調波ビームとのポンプ・ビームの平行構造が第２のパスにおいて維持されることで配置がかなり単純化されるので、特に有用である。装置４０において、基準面１１でＣ＝０ならば、基準面１１と基準面１２との間にフォーカシング素子がないので、基準面１２でのＣもまた０である。したがって、第１のパスのポンプ・ビームと第二高調波ビームとが非線形媒体１０内で平行であるならば、第２のパスのポンプ・ビームと第二高調波ビームも非線形媒体１０内で平行である。
【００２２】
条件Ｄ＝−１は、ポンプ・ビームの、第１のパスの光線傾斜と第２のパスの光線傾斜と（および、第二高調波ビームの、第１のパスの光線傾斜と第２のパスの光線傾斜）が、フェーザ１６と鏡１８との間で一致することを保証する。Ｄ＝−１からの光線傾斜の符号変換は、光軸の反転による符号変換によって相殺される。光線傾斜のこの同一性は、鏡１８と非線形媒体１０との間にフォーカシング素子がないので、非線形媒体１０内に及ぶ。このため、第２のパスのポンプ・ビームは、非線形媒体１０内で第１のパスのポンプ・ビームと平行となり、第２のパスの第二高調波ビームは、非線形媒体１０内で第１のパスの第二高調波ビームと平行になる。第１および第２のパス間の平行構造は、位相整合が可能な角度が一般的に狭いため有利である。第１および第２のパスがかなり異なる角度で非線形媒体１０を通過するならば、同時に双方のパスを効率的に位相整合することは不可能である。
【００２３】
第１および第２のパスの間のビーム平行構造の維持は、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとの間と同様に、ビームを横切るフェーザ１６の直線的に変化する厚みがフェーザ１６を通る二重パスにおいて相殺されることを保証する。言い換えると、フェーザ１６を通る二重パスによってポンプ・ビームと比較して第二高調波ビームに与えられる相対的な位相シフトは、ビーム内で点から点へと変化しない。同様に、非線形媒体１０がビーム内で点から点へと直線的に変化する厚みを有するならば（例えば、面１０−１がビームに対して傾斜しており、面１０−２は傾斜していないならば）、この可変の厚さによる影響は、二重パスにおいて相殺される。
【００２４】
図１ａに示す鏡１８と鏡２０の配置は、鏡１８がポンプ周波数と第二高調波周波数の双方で同じ焦点距離を有するので、好適な組立型望遠鏡となる。（ポンプ波長および第二高調波波長の双方で）Ａ＝−１、Ｃ＝０およびＤ＝−１の他の組立型望遠鏡もまた、本発明を実施するために適切である。全ての場合において、非線形媒体１０の中央の基準面１２が−１倍でそれ自体の上に再イメージされるようにすることで、１つのパスから次へ最適のフォーカシングを維持するように、非線形媒体１０に対して組立型望遠鏡を配置することが好ましい。
【００２５】
Ａ＝−１、Ｃ＝０およびＤ＝−１の組立型望遠鏡は、非線形媒体１０内でビームの平行構造を保証するが、非線形媒体１０内でのビームの同一線性は、組立型望遠鏡によって保証されない。言い換えると、ポンプ・ビーム軸と第二高調波ビーム軸とが第１のパス上で同一線上にあるとしても、第２のパスの第二高調波ビーム軸を、第２のパスのポンプ・ビーム軸から横に分離することが可能である。この好ましくないビームオフセットの２つの源は、（双方のビームが非通常の入射角で非線形媒体１０の面１０−１を横切るとするならば）フェーザ１６の散乱と非線形媒体１０の散乱にある。ビームオフセットは、フェーザ１６の楔角度、フェーザ１６の公称厚さ、（設計により−１倍で基準面１２自体の上に再イメージされるよう制限されている場合は）非線形媒体１０の長さ、非線形媒体１０の面１０−１上への入射角、およびフェーザ１６と非線形媒体１０の間の距離による影響を受ける。これらのパラメータを変えることは、組立型望遠鏡の特性を維持している平行構造に影響を及ぼすことなくビームオフセットを変化させるので、ビームオフセットを設計によって排除することができる。
【００２６】
フェーザ１６と鏡１８の双方とも非点収差を引き起こすので、詳細な設計における付加的な重要点は、非点収差補正にある。関連するパラメータは、厚さ、フェーザ１６の入射角と楔角度、および鏡１８の焦点距離と入射角である。再度、これらのパラメータは、設計によって（すなわち、フェーザ１６の非点収差が鏡１８の非点収差を補償するか、その逆を保証することによって）、装置４０の正味の非点収差を排除するのに十分な柔軟性を提供する。それに加えて、非点収差を排除し、同時に、同一線性を維持するための十分なパラメータがある。変換効率を最大にし、かつ第２のパスを通過後に非点収差を有しない第二高調波ビームを提供するために、装置４０が正味の非点収差を有しないことを保証することが望ましい。また、望遠鏡の非点収差補償の周知の原理に従って、装置４０に１つ以上の光学素子を加えることにより、装置４０から非点収差を排除することが可能である。
【００２７】
図２ａは、本発明による４パス周波数二重化装置５０の概略上面図であり、一方、図２ｂは、装置５０内の非線形媒体１０の概略端面図である。装置５０の操作を理解するために、装置５０の設計を詳細に説明する前に、装置５０を通るビーム経路を考察することは有用である。ポンプ・ビームは、非線形媒体１０の面１０−２によって受光され、非線形媒体１０を通ってビーム経路３０に沿って伝播する。ポンプ・ビームの２倍の周波数を有する第二高調波ビームは、非線形媒体１０内で生成され、非線形媒体１０を通ってビーム経路３０に沿って伝播する。ポンプ・ビームと第二高調波ビームとは、非線形媒体１０の面１０−１から放射され、フェーザ１６によって受光される。双方のビームは、フェーザ１６を通って伝播し、鏡１８によって受光される。ポンプ・ビームと第二高調波ビームとは、鏡１８によって反射され、鏡２０によって受光される。双方のビームは、鏡２０によって反射され、鏡１８で再度反射され、再びフェーザ１６を通って伝播し、非線形媒体１０の面１０−１によって受光される。ポンプ・ビームと第二高調波ビームとは、非線形媒体１０を通ってビーム経路３２に沿う第２のパスを伝播し、非線形媒体１０の面１０−２から放射される。
【００２８】
これら２つの放射ビームは、フェーザ１６’によって受光され、フェーザ１６’を通って伝播し、鏡１８’によって受光され、鏡１８’から反射され、鏡２０’によって受光される。鏡２０’からの反射後、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとは、鏡１８’から再び反射され、フェーザ１６’を通って再び伝播し、非線形媒体１０の面１０−２によって受光される。ポンプ・ビームと第二高調波ビームとは、非線形媒体１０を通ってビーム経路３４に沿う第３のパスを伝播し、非線形媒体１０の面１０−１から放射される。
【００２９】
これら２つの放射ビームは、フェーザ１６によって受光され、フェーザ１６を通って伝播し、鏡１８によって受光され、鏡１８から反射され、鏡２０によって受光される。鏡２０からの反射後、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとは、再び鏡１８から反射され、再びフェーザ１６を通って伝播し、非線形媒体１０の面１０−１によって受光される。ポンプ・ビームと第二高調波ビームとは、非線形媒体１０を通ってビーム経路３６に沿う第４のパスを伝播し、非線形媒体１０の面１０−２から放射される。
【００３０】
非線形媒体１０を通るビーム経路３０、３２、３４および３６は、図２ｂに示すように、互いに離間している。これは、負の単一倍率で、非線形媒体１０の中央に配置された基準面１２をそれ自体の上に再イメージすべく、それら鏡１８と２０が第１の反転望遠鏡として機能を果たすように、鏡１８と２０を選択することにより達成される。鏡１８および２０によって形成される望遠鏡の軸である軸１４は、図２ｂに示すように、非線形媒体１０内の略中心に配置される。このように、ビーム経路３２は、反転望遠鏡によって形成されるビーム経路３０のイメージであり、ビーム経路３０および３２の分離は、図２ｂに示すように、軸１４からビーム経路３０をオフセットすることにより得られる。また、鏡１８’と２０’は、負の単一倍率で、基準面１２をそれ自体の上に再イメージすべく、それら鏡１８’、２０’が反転望遠鏡として機能を果たすように選択される。軸１４’は、鏡１８’、２０’によって形成される望遠鏡の軸であり、図２ｂに示すように、軸１４からオフセットされる。このように、第３のパスのビーム経路３４は、この第２の反転望遠鏡によって作られる第２のパスのビーム経路３２のイメージである。同じように、第４のパスのビーム経路３６は、軸１４を有する第１の反転望遠鏡によって形成される第３のパスのビーム経路３４のイメージである。したがって、４つのパス全ては、非線形媒体１０内の異なった経路を辿る。ここで、第２のパスのビーム経路３２は、軸１４についての第１のパスのビーム経路３０の反転であり、第３のパスのビーム経路３４は、軸１４’を中心とした第２のパス・ビーム経路３２の反転であり、そして、第４のパスのビーム経路３６は、軸１４を中心とした第３のパスのビーム経路３４の反転である。
【００３１】
装置５０内の４つのパスは重ならないので、装置５０内にポンプ・ビームを誘導する、または装置５０外に第二高調波ビームを誘導するために、（好ましくない損失を導入する）ビームスプリッタを必要としない。装置５０内へポンプ・ビームを誘導するための好ましい方法は、ポンプ源４２によって提供されるポンプ・ビームが非線形媒体１０を通ってビーム経路３０を辿るべく反射され、ポンプを曲げる鏡４６は、非線形媒体１０を通ってビーム経路３２を辿る第２のパス・ビーム、または非線形媒体１０を通ってビーム経路３４を辿る第３のパス・ビームを遮断しないように、装置５０内にポンプ・ビームの反射鏡４６を配置することにある。
【００３２】
装置５０外へ第二高調波ビームを誘導する好ましい方法は、非線形媒体１０を通ってビーム経路３６を辿る第４のパスの第二高調波ビームが装置５０外へ反射されるように、そして、非線形媒体１０を通ってビーム経路３０を辿る第１のパス・ビーム、非線形媒体１０を通ってビーム経路３２を辿る第２のパス・ビーム、または非線形媒体１０を通ってビーム経路３４を辿る第３のパス・ビームを遮断しないように、装置５０内に第二高調波の反射鏡４４を配置することにある。
【００３３】
フェーザ１６’は、図１ａのフェーザ１６と同様の特性を有する。（鏡１８，２０および鏡１８’、２０’の各々で形成される）装置５０内の第１および第２の望遠鏡は、共に図１ａで示すように、すなわち、対応するフェーザ（鏡１８、２０により形成される望遠鏡に対してはフェーザ１６、鏡１８’、２０’により形成される望遠鏡に対してはフェーザ１６’）でＡ＝Ｄ＝−１およびＣ＝０を有するように設計されており、また、−１の倍率で基準面１２それ自体の上に再イメージするように設計されている。この配置は、４つ全てのパス上のビーム平行構造、および、上述したような、設計によるビーム同一線性と非点収差補償の長所を提供する。加えて、フェーザ１６は、フェーザ１６が第３のパス・ビームと第４のパス・ビームとの間で行われるのと同じ相対的な位相シフトを、第１のパス・ビームと第２のパス・ビームの間に適用する。４つのパスに対するビームパターンは高い対称性を有するので、第１のパス・ビームと第２のパス・ビームの間と、第３のパス・ビームと第４のパス・ビームの間とで要求される位相シフトは、同じである。したがって、フェーザ１６は第３のパスと第４のパスの間に要求される位相シフトを、第１のパスと第２のパスの間に要求される位相シフトと同時に提供することができ、３つの独立したフェーザが４パスＳＨＧで用いられる選択肢と比較して非常に好適である。直線的に変化する位相シフトが非線形媒体１０によりビームに課されるとしても（例えば、面１０−１がビーム軸に対して必ずしも垂直でないならば）、この変化は二重パスにおいて相殺され、フェーザ１６は、第３のパスと第４のパスの間と同じように、第１のパスと第２のパスの間に要求された位相シフトを依然として同時に提供する。
【００３４】
上述した説明において、ポンプ・ビームと第二高調波ビームとが非線形媒体１０内の第１のパス上で同一直線上にあるという仮定を暗に含んでいる。この仮定は、（例えば、無視可能なビーム退去を有する共線ＢＰＭまたは共線ＱＰＭに）しばしば適用できる。例えば非ゼロビーム退去を有する複屈折位相整合の場合など、ポンプ・ビームと第二高調波ビームは、非線形媒体１０の全長に亘って同一直線上にない場合もある。また、例えば非共線位相整合の場合などでも、ポンプ・ビームおよび第二高調波ビームは非線形媒体１０内で平行でない。このような場合においても、上述した装置および方法は、第１のパスに起因する第二高調波ビームからのポンプ・ビームの拡散を第２のパスが「元に戻す」ことを保証するために、上述した側面オフセット補償に類似した補償方法が適用可能であるので、有用である。同様に、第４のパスは、第３のパスなどにより起因する２つのビームの相対的な拡散を「元に戻す」ことができる。
【００３５】
反転望遠鏡によって提供される有利なビーム平行構造は、楔形フェーザを含まない本発明の複数の実施例において得られる。楔形フェーザによって提供される有利な位相調整は、反転望遠鏡を含まない本発明の複数の実施例において得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１ａは、本発明の２重のパス実施例の概略上面図であり、図１ｂは、本発明の２重のパス実施例での非線形媒体の概略端面図である。
【図２】図２ａは、本発明の４重のパス実施例の概略上面図であり、図２ｂは、本発明の４重のパス実施例での非線形媒体の概略端面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  非線形媒体
１０−１、１０−２  面
１１、１２  基準面
１４  軸
１６  フェーザ
１８、２０  鏡
３０、３２、３４、３６  ビーム経路
４０  ２パス周波数二重化装置
４２  ポンプ源
４４、４６  反射鏡
５０  ４パス周波数二重化装置
【図１】
2004226987.tif 000004
【図２】
2004226987.tif 000005