(57)【要約】【課題】本発明は、広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができ、波長選択のデバイスに負荷がかからない波長可変のレーザー装置及び電気光学分散を用いた同調方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のレーザー装置は、共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なチタンサファイア結晶３と、チタンサファイア結晶３から出射されたレーザー光を回折させる回折格子４と、屈折率を調整でき回折格子４からの回折光を分散することができる電気光学結晶プリズム７と、電気光学結晶プリズム７に印加する電圧を制御する制御部９と、分散されたレーザー光から所定の波長のレーザー光だけを回折格子４に反射する全反射ミラー５とが設けられ、この所定の波長のレーザー光が共振器内で同調、増幅されることを特徴とする。【選択図】        図１
2004165530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置されそれぞれが所定の反射率をもつ第１ミラーと第２ミラーを有し、励起光が前記第１ミラーから入射されると内部でレーザー光を発振し、所定の波長のレーザー光を選択して第１ミラーと第２ミラーの間で同調できる共振器を備えて、該共振器からレーザー出力を行う波長可変のレーザー装置であって、
前記共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なレーザー素子と、前記レーザー素子から出射されたレーザー光を回折させる回折手段と、屈折率を調整でき前記回折手段からの回折光を分散することができる電気光学分散手段と、前記電気光学分散手段に印加する電圧を制御する制御部と、分散されたレーザー光から所定の波長のレーザー光だけを前記回折手段に反射する全反射ミラーとが設けられ、この所定の波長のレーザー光が前記共振器内で同調、増幅されることを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
対向して配置されそれぞれが所定の反射率をもつ第１ミラーと第２ミラーを有し、励起光が前記第１ミラーから入射されると内部でレーザー光を発振し、所定の波長のレーザー光を選択して第１ミラーと第２ミラーの間で同調できる共振器を備えて、該共振器からレーザー出力を行う波長可変のレーザー装置であって、
前記共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なレーザー素子と、屈折率を調整でき前記レーザー素子から出射されたレーザー光を分散させて所定の波長のレーザー光を所定の方向に出射させることができる電気光学分散手段と、前記電気光学分散手段で分散されたレーザー光を回折させる回折手段と、前記電気光学分散手段に印加する電圧を制御する制御部と、回折光の中から所定の波長のレーザー光を前記回折手段に反射する全反射ミラーとが設けられ、この所定の波長のレーザー光が前記共振器内で同調、増幅されて前記回折手段から出力されることを特徴とするレーザー装置。
【請求項３】
請求項２記載のレーザー装置であって、全反射ミラーで反射された所定の波長のレーザー光が共振器内で増幅されて回折手段から出力されるのに代えて、全反射ミラーで反射された所定の波長のレーザー光が共振器内で増幅されて前記第１ミラーから出射され、さらに第３ミラーで外部に出力されることを特徴とするレーザー装置。
【請求項４】
前記電気光学分散手段が電気光学結晶プリズムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記電気光学分散手段が、ニオブ酸リチウムの結晶から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項６】
前記電気光学分散手段が複数の電気光学結晶プリズムから構成されたことを特徴とする請求項４または５記載のレーザー装置。
【請求項７】
複数の電気光学結晶プリズムが、電界をかけたとき屈折率が増加するプリズムと減少するプリズムとを交互に組合わせたプリズムであることを特徴とする請求項８記載のレーザー装置。
【請求項８】
複数の電気光学結晶プリズムが周期分極反転構造のプリズムであることを特徴とする請求項６記載のレーザー装置。
【請求項９】
複数の電気光学結晶プリズムが同一方向の光学軸のプリズムであって、それぞれ印加される電圧の極性が反転されることにより光学軸が反転することを特徴とする請求項６記載のレーザー装置。
【請求項１０】
前記電気光学分散手段に入射されるレーザー光がσ偏光であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項１１】
前記レーザー素子がチタンサファイア結晶であることを請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項１２】
同調可能なレーザー素子を励起光で発振させ、発振したレーザー光を回折させて、電気光学分散手段の屈折率を所定の屈折率に調整することにより回折光を分散し、所定の波長の回折光を所定の方向に出射し、全反射ミラーによって該回折光を反射し、これを共振器内で共振させて出力波長を同調することを特徴とする電気光学分散を用いた同調方法。
【請求項１３】
共振器内に設けられた同調可能なレーザー素子を励起光で発振させ、電気光学分散手段の屈折率を所定の屈折率に調整することによりレーザー光を分散して所定の方向に出射し、回折手段によって分散光を回折し、全反射ミラーによって該回折光を反射し、これを共振器内で共振させて出力波長を同調することを特徴とする電気光学分散を用いた同調方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学分散を用いて屈折率を変化させて同調できるレーザー装置、とくに屈折率を変化させることにより数十ｐｍ〜数ｎｍにまで同調できるレーザー装置と、この電気光学分散を用いた同調方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ（以下、チタンサファイア）レーザーは６５０ｎｍ〜１１００ｎｍという広い同調範囲をもつ近赤外固体レーザーとして注目され、分光分野やリモートセンシング分野等で様々に使用され、また新たな用途の開発も進められている。しかし、チタンサファイアレーザーを用いた波長可変レーザー装置が、現在または将来のこれらの用途で期待に十分応えるためには、狭いスペクトル幅で高速に同調できることが必要である。
【０００３】
現在例えば、リモートセンシング分野において、中赤外領域でＤＩＡＬ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｌｉｄａｒ）技術、すなわち差分吸収ライダー技術を利用して、地球温暖化ガスのＣＯ２やＣＨ４等の濃度を高感度にモニタリングするセンシング装置の研究が進められている。この差分吸収ライダー技術は、このＣＯ２やＣＨ４等の分子（測定対象の分子）が吸収し易い波長（ＯＮ波長）と、吸収し難い波長（ＯＦＦ波長）の２波長を照射して散乱光を測定し、分子の吸収特性を利用して２波長間の吸収の違いを測定し、対象分子の密度分布を求めるものである。しかし、大気中には空気の揺らぎ等があり、この影響をできるだけ避けるためには、センシング装置はＯＮ波長とＯＦＦ波長を狭いスペクトル幅で高精度且つ高速に切り替えなければ実効性が上がらない。
【０００４】
同様に、他の用途でも波長可変レーザー装置には高精度の測定能力が求められており、これを実現するためには広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調できる波長可変レーザー装置でなければならない。そこで先ず、従来の波長可変レーザー装置とその同調方法について説明する。図８は従来のチューニングミラーを用いた波長可変レーザー装置の説明図、図９（ａ）は従来の音響光学素子を用いた第１の波長可変レーザー装置の説明図、図９（ｂ）は従来の音響光学素子を用いた第２の波長可変レーザー装置の要部図である。
【０００５】
図８において、１０１はＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）レーザーとパルスレーザーのいずれでも使用が可能な励起用レーザー、１０２は励起用レーザー１０１から出射されたレーザーを透過するとともに透過したレーザーの反射を繰返すことができる入射側エンドミラー、１０３はチタンサファイア結晶やアレキサンドライト等の同調可能なレーザー素子、１０４は回折格子、１０５はチューニングミラー、１０６は出射側フィードバックミラーである。なお、入射側エンドミラー１０２の反射率は１００％に構成される。また、励起光源は励起用レーザー１０１に限らず、ランプ光源等であっても安定した高出力の光源であれば十分である。
【０００６】
この従来の波長可変レーザー装置は、目的とする波長で同調可能なものであり、励起用レーザー１０１を入射すると、レーザー素子１０３によりレーザー発振が得られる。出射されたレーザー光は回折格子１０４に入射されて回折作用を受け、回折光は各波長でそれぞれ分光されてチューニングミラー１０５に向う。チューニングミラー１０５はステッピングモータ（図示しない）によって回転可能となっており、回折格子１０４で回折した回折光を反射する。チューニングミラー１０５の回転角を調整することにより目的の波長の光のみを回折格子１０４に戻し、入射側エンドミラー１０２と出射側フィードバックミラー１０６間で反射を繰返して同調、増幅されて出射側フィードバックミラー１０６から出力されるものである。
【０００７】
このように従来の波長可変レーザー装置は、ステッピングモータ等をサーボ制御することにより、機械的にチューニングミラー１０５の角度調整を行う。従って、多くの制御機器を使う必要があり、システム構成も複雑となる。とくに発振を連続的に続けていると、初期設定から同調波長がずれていく傾向があり、再現性の点で問題を残すものであった。これは従来のチューニングミラー１０５を用いた波長可変レーザー装置が出力の安定性に課題があることを意味している。
【０００８】
次に、従来の音響光学デバイスを用いた波長可変レーザー装置について図９（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。図９（ｂ）に示した波長可変レーザー装置は例えば（特許文献１）等において提案されたものである。
【０００９】
図９（ａ）に示す音響光学素子を用いた第１の波長可変レーザー装置において、１１１はＮｄ：ＹＡＧレーザー等の励起用レーザー、１１２は励起用レーザー１１１から入射されたレーザーを透過するとともに透過したレーザーの反射を繰返すことができる入射側エンドミラー、１１３はチタンサファイア結晶やアレキサンドライト等の同調可能なレーザー素子、１１４はＴｅＯ２ＡＯＦ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｆｉｌｔｅｒ）等の光音響光学結晶からなる音響光学デバイス、１１６は出射側フィードバックミラーである。なお、音響光学デバイス１１４は、デュアルキャビティ型の説明で記載する圧電素子、ＲＦ電源を備えているが、図示はしない。
【００１０】
同様に図９（ｂ）に示す音響光学素子を用いた第２の波長可変レーザー装置において、１２１はＮｄ：ＹＡＧレーザー等の励起用レーザー、１２３はチタンサファイア結晶やアレキサンドライト等の同調可能なレーザー素子、１２４はＴｅＯ２ＡＯＦ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｆｉｌｔｅｒ）等の光音響光学結晶から構成された音響光学デバイス、１２４ａは音響光学デバイス１２４に音響波を入力するための圧電素子、１２５は回折光を反射する全反射ミラー、１２６は出射側ミラー、１２７は圧電素子１２４ａを動作させるための４０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚで可変可能なＲＦ電源である。
【００１１】
この従来の波長可変レーザー装置は、いずれもが励起用レーザー１１１，１２１を入射すると、レーザー素子１１３，１２３は６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲で発振する。出射されたレーザー光は音響光学デバイス１１４，１２４に入射されて回折作用を受ける。音響光学デバイス１１４，１２４では、ＲＦ電源から圧電素子に高周波の電圧を印加して光音響光学結晶を振動させ、音響波とレーザー光の光音響光学結晶内の相互作用により回折させる。入射するレーザー光は分光され、目的の波長の回折光だけが出射側フィードバックミラー１１６もしくは全反射ミラー１２５で反射され、反射を繰返して同調し増幅されて出射側フィードバックミラー１１６または出射側ミラー１２６から出力されるものである。
【００１２】
この従来の第１、第２の波長可変レーザー装置は、広い同調範囲をもち、音響光学デバイス１１４，１２４を用いているため高速に同調することができ、従来のチューニングミラーを用いた場合の欠点である高速同調と装置の簡単化を実現できる。しかし、出力されるレーザー光のスペクトル幅が広く、差分吸収ライダー技術等に用いるだけの高精度の測定は期待できないものであった。しかもこれを高精度にしようとすると、高価になってしまうものであった。
【００１３】
さらに以上説明した従来の波長可変レーザー装置のほかにも、複屈折フィルター（Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ  Ｆｉｌｔｅｒ）を用い、電気的に同調させる色素レーザーも提案されている。しかし、この従来の波長可変レーザー装置は同調範囲が狭く、発振器内の損失が大きく、出力が大きくなると結晶そのものに亀裂等のダメージを与えてしまうものであった。
【００１４】
【特許文献１】
特開平９−１７２２１５号公報（第２頁，第３頁、図１，図２）
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、波長可変レーザー装置には高精度の測定能力が求められており、これを実現するためには広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調できる波長可変レーザー装置でなければならない。
【００１５】
しかし、従来のチューニングミラーを用いた波長可変レーザー装置は、ステッピングモータ等をサーボ制御し、機械的にチューニングミラーの角度調整を行うため、制御機器が多く、システム構成も大きく複雑となり、機械的な調整のために応答性には限界があるものであった。連続発振していると、初期設定から同調波長がずれていく傾向があり、波長可変レーザー装置が出力の安定性に課題があるものであった。
【００１６】
また、従来の音響光学素子を用いた波長可変レーザー装置は、広い同調範囲をもち、音響光学デバイスを用いているため高速に同調することができ、装置構造の簡単化を実現できる。しかし、出力されるレーザー光のスペクトル幅が広く、差分吸収ライダー技術等に用いる高精度の測定を期待するのは難しいものであった。しかもこれを高精度にしようとすると、高価になってしまうものであった。同様に色素レーザーを用いた波長可変レーザー装置は、同調範囲が狭く、発振器内の損失が大きく、出力が大きくなると結晶そのものに亀裂等のダメージを与えてしまうものであった。
【００１７】
従って、従来開発された波長可変レーザー装置はいずれも一長一短があって、広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調するという３つの性能を満たす波長可変レーザー装置に対して大きな期待が寄せられているにも関わらず、これを実現する目途が経っていないというのが現状である。
【００１８】
そこで本発明は、広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができ、安価で、波長選択のデバイスに負荷がかからない波長可変のレーザー装置を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、広い同調範囲でも狭いスペクトル幅で高速に同調させることができ、波長選択のデバイスに負荷がかからない電気光学分散を用いた同調方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のレーザー装置は、共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なレーザー素子と、レーザー素子から出射されたレーザー光を回折させる回折手段と、屈折率を調整でき回折手段からの回折光を分散することができる電気光学分散手段と、電気光学分散手段に印加する電圧を制御する制御部と、分散されたレーザー光から所定の波長のレーザー光だけを回折手段に反射する全反射ミラーとが設けられ、この所定の波長のレーザー光が共振器内で同調、増幅されることを特徴とする。
【００２１】
これにより、広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができ、安価で、波長選択のデバイスに負荷がかからないレーザー装置が可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために本発明の第１の発明は、対向して配置されそれぞれが所定の反射率をもつ第１ミラーと第２ミラーを有し、励起光が第１ミラーから入射されると内部でレーザー光を発振し、所定の波長のレーザー光を選択して第１ミラーと第２ミラーの間で同調できる共振器を備えて、該共振器からレーザー出力を行う波長可変のレーザー装置であって、共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なレーザー素子と、レーザー素子から出射されたレーザー光を回折させる回折手段と、屈折率を調整でき回折手段からの回折光を分散することができる電気光学分散手段と、電気光学分散手段に印加する電圧を制御する制御部と、分散されたレーザー光から所定の波長のレーザー光だけを回折手段に反射する全反射ミラーとが設けられ、この所定の波長のレーザー光が共振器内で同調、増幅されることを特徴とするレーザー装置であり、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。回折手段でレーザー光を回折し、その後電気光学分散手段で分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学分散手段に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、後電気光学分散手段がレーザー光で損傷を受けることがない。長期間の安定した動作が可能になる。
【００２３】
第２の発明は、対向して配置されそれぞれが所定の反射率をもつ第１ミラーと第２ミラーを有し、励起光が第１ミラーから入射されると内部でレーザー光を発振し、所定の波長のレーザー光を選択して第１ミラーと第２ミラーの間で同調できる共振器を備えて、該共振器からレーザー出力を行う波長可変のレーザー装置であって、共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なレーザー素子と、屈折率を調整できレーザー素子から出射されたレーザー光を分散させて所定の波長のレーザー光を所定の方向に出射させることができる電気光学分散手段と、電気光学分散手段で分散されたレーザー光を回折させる回折手段と、電気光学分散手段に印加する電圧を制御する制御部と、回折光の中から所定の波長のレーザー光を回折手段に反射する全反射ミラーとが設けられ、この所定の波長のレーザー光が共振器内で同調、増幅されて回折手段から出力されることを特徴とするレーザー装置であり、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。
【００２４】
第３の発明は、請求項２記載のレーザー装置であって、全反射ミラーで反射された所定の波長のレーザー光が共振器内で増幅されて回折手段から出力されるのに代えて、全反射ミラーで反射された所定の波長のレーザー光が共振器内で増幅されて前記第１ミラーから出射され、さらに第３ミラーで外部に出力されることを特徴とするレーザー装置であり、励起光が入射される側からレーザー出力することができる。
【００２５】
第４の発明は、電気光学分散手段が電気光学結晶プリズムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー装置であり、もっとも基本的な光分散手段であるプリズムで所定波長のレーザー光を選択できる。
【００２６】
第５の発明は、電気光学分散手段が、ニオブ酸リチウムの結晶から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザー装置であり、大きな電気光学係数の電気光学分散手段にすることができる。
【００２７】
第６の発明は、電気光学分散手段が複数の電気光学結晶プリズムから構成されたことを特徴とする請求項４または５記載のレーザー装置であり、電気光学結晶プリズムの数だけ分散角度の変化量を増加させることができ、電気光学分散手段の同調範囲を広げることができる。簡単に分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００２８】
第７の発明は、複数の電気光学結晶プリズムが、電界をかけたとき屈折率が増加するプリズムと減少するプリズムとを交互に組合わせたプリズムであることを特徴とする請求項８記載のレーザー装置であり、電気光学結晶プリズムを反転して組み合わせると、電気光学結晶デバイスが占めるスペースが最小限で済むと同時に、分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００２９】
第８の発明は、複数の電気光学結晶プリズムが周期分極反転構造のプリズムであることを特徴とする請求項６記載のレーザー装置であり、一方の極性となるプリズム域はマスクし、他方の極性となるプリズム域に電極を設けて高電圧を印加し、周期的分極反転した構造のプリズムであるため、製造が容易である。
【００３０】
第９の発明は、複数の電気光学結晶プリズムが同一方向の光学軸のプリズムであって、それぞれ印加される電圧の極性が反転されることにより光学軸が反転することを特徴とする請求項６記載のレーザー装置であり、光学軸が反転する複数のプリズムを電気的に簡単に実現できる。
【００３１】
第１０の発明は、電気光学分散手段に入射されるレーザー光がσ偏光であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザー装置であり、π偏光の場合より２〜３倍大きな電気光学係数となり、分散角度の変化量を増加させることができ、電気光学分散手段の同調範囲を広げることができる。
【００３２】
第１１の発明は、レーザー素子がチタンサファイア結晶であることを請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザー装置であり、６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの広い範囲の同調可能な波長のレーザー光を発振できる。
【００３３】
第１２の発明は、同調可能なレーザー素子を励起光で発振させ、発振したレーザー光を回折させて、電気光学分散手段の屈折率を所定の屈折率に調整することにより回折光を分散し、所定の波長の回折光を所定の方向に出射し、全反射ミラーによって該回折光を反射し、これを共振器内で共振させて出力波長を同調することを特徴とする電気光学分散を用いた同調方法であり、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。レーザー光を回折し、その後電気光学分散手段で分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学分散手段に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、後電気光学分散手段がレーザー光で損傷を受けることがない。長期間の安定した動作が可能になる。
【００３４】
第１３の発明は、共振器内に設けられた同調可能なレーザー素子を励起光で発振させ、電気光学分散手段の屈折率を所定の屈折率に調整することによりレーザー光を分散して所定の方向に出射し、回折手段によって分散光を回折し、全反射ミラーによって該回折光を反射し、これを共振器内で共振させて出力波長を同調することを特徴とする電気光学分散を用いた同調方法であり、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるレーザー装置と電気光学分散を用いた同調方法について説明する。図１は本発明の実施の形態１におけるデュアルキャビティ型のレーザー装置の構成図である。
【００３５】
図１において、１はパルス動作する励起用レーザーであり、例えばパルス幅６ｎｓ、１０Ｈｚ、波長５３２ｎｍで６０ｍＪのレーザー光を出射できるＮｄ：ＹＡＧレーザーである。励起用レーザー１としては、このほかアルゴンイオンレーザー等の他のレーザーであってよい。２は励起用レーザー１から入射されたレーザーを透過するとともに透過したレーザーの反射を繰返すことができる全反射エンドミラーである。σ偏光、π偏光のいずれもが入射可能である。反対側の反射率は実用上１００％である。
【００３６】
３はチタンサファイア結晶（本発明のレーザー素子）である。実施の形態１においては、形状は１５ｍｍφで、長さ１５ｍｍ、ブリュースター角度処理が行われたものを使用している。また図示はしないが、焦点距離ｆが６００ｍｍのレンズを設けており、このレンズから４８０ｍｍの位置にチタンサファイア結晶３が設置される。チタンサファイア結晶３は最大で６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲の波長で発振して出射する。４は回折格子（本発明の回折手段）であり、１２００本／ｍｍの溝が形成されている。チタンサファイア結晶３で発振したレーザー光は、回折格子４に入射角約８７°で入射され、回折される。５は全反射ミラーで、後述する電気光学結晶プリズム７によって分散された１次回折光の中で同調光だけを回折格子４に向けて反射する。６はフィードバックミラーであって、全反射エンドミラー２と対向して設けられ、出射光を出力するため反射率６０％である。なお、全反射エンドミラー２と全反射ミラー５の長さ、全反射エンドミラー２とフィードバックミラー６の長さは、いずれも約３００ｍｍに設定されている。
【００３７】
７は、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）結晶で構成され、実施の形態１の場合、回折格子４からの分光を受ける幅が７ｍｍ、その頂角が４８°、厚さ５０ｍｍの形状を有する電気光学結晶プリズムである。なお、電気光学結晶プリズム７はＬｉＮｂＯ３結晶に限られるものではなく、ＫＴｉＯＰＯ４、ＬｉＴａＯ３等、外部電界を加えたとき屈折率が比例して変化するポッケルス効果を利用できる電気光学結晶であればよい。このような電気光学結晶は電気的応答性は従来のような機械的制御に比べてきわめて迅速なものとなる。実施の形態１の電気光学結晶プリズム７は、図１に示すように回折光は電気光学結晶プリズム７に約６６°の入射角で入射する。この角度はニオブ酸リチウム結晶のブリュースター角度である。８は電気光学結晶プリズム７に電界を加える電源部、９は電源部８の電圧を変化させることができる制御部である。制御部９は、電源部８の電圧を０〜１０ｋＶの間で調整して電気光学結晶プリズム７に印加することができる。
【００３８】
ブリュースター角度の約６６°で入射した回折光は、電気光学結晶プリズム７で入射後波長ごとに屈折し分散されて出射する。なお、反射防止膜を施した電気光学結晶プリズム７を利用してもよい。この出射方向に全反射ミラー５を設置してあると、分散光はそこで反射され、再び各方向に放射される。このとき、従来の技術のように全反射ミラー５の角度を調節すれば、反射光の中には往路と同一光路（復路）を辿って回折格子４に戻るものが存在する。そこでこの関係を利用し、逆に全反射ミラー５の角度を固定して電気光学結晶プリズム７に加える電圧を変えれば、屈折率が変化し、目的の波長だけを、同一光路を辿って元の回折格子４に反射光を戻すことができる。
【００３９】
このようにして回折格子４と電気光学結晶プリズム７、全反射ミラー５で所定の波長に絞られた１次回折光は、回折格子４で再び全反射エンドミラー２の方向に回折され、全反射ミラー５と全反射エンドミラー２、チタンサファイア結晶３から構成される副共振器の中で繰返し反射される。このとき、フィードバックミラー６と全反射エンドミラー２、チタンサファイア結晶３から構成される主共振器の中で同調が起こり、増幅されてフィードバックミラー６から出射される。
【００４０】
ところで、通常、電気光学結晶プリズム７にレーザー光を照射すると、結晶は損傷を受ける可能性がある。しかし、本実施の形態１においては、一旦回折格子４でレーザー光を回折し、その後電気光学結晶プリズム７でも分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学結晶プリズム７に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、レーザー光による損傷を受けることがない。すなわち、回折格子４を介すことにより、波長選択のデバイスである電気光学結晶プリズム７はレーザー光からの大きな負荷がかからずダメージを受けない。長期間の安定した動作が可能になる。
【００４１】
以上説明した実施の形態１のレーザー装置は、７４０ｎｍ〜８４０ｎｍの同調範囲内で同調させることができ、実測によると、同調波長が７８０ｎｍのときレーザー発振閾値は３０ｍＪであり、またＮｄ：ＹＡＧレーザーによって入射エネルギー５５ｍＪで動作させたときに４ｍＪの出力が得られるものである。
【００４２】
続いて、電気光学分散を行うと、すなわち電気光学結晶プリズム７に電界をかけると、同調波長にどのような変化が現われるのか、また分散角度にどのような変化が現われるのか、以下説明する。
【００４３】
強誘電体結晶は一般にその結晶構造によって決まる光学的異方性を示すが、強誘電体結晶である電気光学結晶は電界を印加すると、屈折率が変化する。これはポッケルス効果として知られているが、この屈折率変化Δｎは印加電界Ｅに比例する。これは、Δｎ＝−１／２ｎ０３γ１３Ｅと表される。ここでγ１３は電気光学係数、ｎ０は屈折率である。入射するレーザー光がπ偏光であるため電気光学係数としてγ１３を選んでいるが、σ偏光の場合には電気光学係数としてγ３３を選ぶ。そして、波長の変化量ΔλはΔｎを使って（数１）で近似的に求めることができる。ここで、ｙは（数２）で表される関数であり、αはプリズムの頂点角、θは入射角、ｍは回折格子の回折次数、ｄは回折格子の面内のピッチ、βは回折角である。
【００４４】
【数１】
2004165530.tif 000003
【００４５】
【数２】
2004165530.tif 000004
図２は本発明の実施の形態２における電気光学分散を行った場合のレーザーの同調特性図である。図２に示す理論値の同調特性は、ＬｉＮｂＯ３結晶のプリズムの同調特性であり、電気光学係数はπ偏光を入力するため電気光学係数としてγ１３（＝８．６ｐｍ／Ｖ）を選び、屈折率ｎ０（＝２．２５）として計算したものである。図２によれば、電界Ｅが１０ｋＶ／ｃｍのとき、波長の変化Δλは７５ｐｍであり、（数１）からも分かるように理論値は比例関係にある。これに対して、７６０ｎｍ、７８５ｎｍ、８２０ｎｍの波長で実測したものが、図２中にプロットした各実験点である。これによれば、理論値とよくあっており、とくに波長７８５ｎｍの場合が理論値に近い傾向を有している。なお、ＬｉＮｂＯ３結晶のプリズムで起こる分散角の変化量は波長の変化Δλと関係付けられ、電界Ｅが１０ｋＶ／ｃｍのとき、０．００５６°変化する。なお、π偏光でなくσ偏光を利用すれば、電気光学係数γ３３を利用することができる。すなわち、このγ３３は３０．８ｐｍ／Ｖであり、γ１３の３倍以上の屈折率を有しており、同調範囲を広げることができる。
【００４６】
図３は７８５ｎｍのレーザーの回折写真によるスペクトル幅の変化説明図である。ファブリ−ペロー型干渉計を用い、干渉縞によるスペクトル幅の測定、波長の安定性の観察を行ったのが、図３である。これによれば、スペクトル幅は０．１０ｃｍ−１であり、これは６ｐｍに相当し、電界Ｅを変化させてもほとんど変化しないことが分かる。チタンサファイア結晶３を使った可変レーザー装置は広い同調範囲をもつことができ、これに電気光学結晶プリズム７を用いて制御することにより、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができることが分かる。
【００４７】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２におけるレーザー装置と電気光学分散を用いた同調方法について説明する。図４（ａ）は本発明の実施の形態２におけるレーザー装置の電気光学結晶デバイスの説明図、図４（ｂ）は比較のための電気光学結晶デバイスの説明図、図５（ａ）は本発明の実施の形態２におけるレーザー装置の分極反転した電気光学結晶デバイスの説明図、図５（ｂ）は（ａ）の電気光学結晶デバイスを複数結合した説明図、図６は本発明の実施の形態２における電気光学分散を行った場合のレーザーの同調特性図である。実施の形態２におけるレーザー装置は、実施の形態１のレーザー装置と電気光学結晶デバイスの構成を除き、基本的に同一であり、同一符号の構成は両者で同様であるから説明は省略する。
【００４８】
実施の形態２の電気光学結晶デバイス（本発明の電気光学分散手段）は複数の電気光学結晶プリズムを組み合わせて分散角度の変化を増加させ、同調範囲を拡大するものである。図４（ａ）はレーザー分散方向が順方向に回転していく組合わせであり、図５（ａ）（ｂ）はレーザー分散方向が交互に正負に回転を繰返す組合わせである。
【００４９】
まずレーザー分散方向が順方向（一方向）に回転していく組み合わせを示す図４（ａ）において、７１，７２はそれぞれ電気光学結晶プリズムである。図４（ｂ）の電気光学結晶プリズム７は単に比較のためのもので、単数のプリズムで入射レーザー光が分散されるものを示している。この単数の電気光学結晶プリズム７では分散角度の変化量は結晶材質に依存した所定量に留まるが、図４（ａ）の電気光学結晶プリズム７１，７２のように直列に配置したプリズムに次々と入射していけば、分散角度の変化量は図４（ｂ）のプリズムの配置個数に比例して大きくなる。電気光学結晶プリズム７１，７２の占めるスペースは比較的大きくなるが、γ１３かγ３３の大きな１種類の結晶を使うことで簡単に分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００５０】
次に、図５（ａ）（ｂ）はレーザー分散方向が交互に正負に反転を繰返す電気光学結晶デバイスを示しているが、図５（ａ）（ｂ）において、７（＋），７（−）、７（＋）１，７（−）１，７（＋）２，７（−）２，７（＋）３，７（−）３，７（＋）４，７（−）４はそれぞれ電気光学結晶プリズムである。添え字の（＋）は、光学軸が正の電気光学結晶プリズム（電界Ｅをかけたとき屈折率ｎが減少するもの）、添え字の（−）は、光学軸が負の電気光学結晶プリズム（電界Ｅをかけたとき屈折率ｎが増加するもの）を示している。このように分散方向が交互に反転を繰返す電気光学結晶デバイスの代表的な作製方法としては、（１）光学軸が正負のプリズムを単純に接合する方法と、（２）１つの電気光学結晶を用意し、一方の極性となるプリズム域はマスクして他方の極性となるプリズム域に電極を設けて高電圧を印加し、これによって形成される周期分極反転構造のプリズム（以下、周期的分極反転プリズム）を用いる方法、さらに（３）Δｎ＝−１／２ｎ０３γ３３Ｅという関係を利用し、一方の極性となるプリズム域の電極には第１の極性の電圧を印加して、他方の極性となるプリズム域の電極には第２の極性の電圧を印加し、これによって生じる分極反転をレーザー装置使用時に制御的に形成する方法がある。周期分極反転プリズムを用いる方法が作製が容易であり、接合面が形成されないため損失も少なく、またレーザー装置の制御も簡素化されるため、分極反転を利用したプリズムが電気光学結晶デバイスとして好適である。
【００５１】
図５（ａ）に示すように、電気光学結晶プリズム７（−）に入射したレーザー光は屈折し、この出射光が隣接配置された分極反転の電気光学結晶プリズム７（＋）に入射する。このときそれぞれの屈折率と入射角で定まる方向へ屈折され、電気光学結晶プリズム７（＋）から外部に出射される。
【００５２】
図５（ｂ）に示す電気光学結晶デバイスは、上述したように図５（ａ）の組み合わせプリズムをさらに分極反転させたものである。電気光学結晶プリズム７（−）１に入射したレーザー光は屈折し、この出射光が隣の電気光学結晶プリズム７（＋）１に入射する。それぞれの屈折率と入射角で定まる方向へ屈折され、電気光学結晶プリズム７（＋）から電気光学結晶プリズム７（−）２に入射される。さらに屈折されて隣の電気光学結晶プリズム７（＋）２に入り、電気光学結晶プリズム７（−）３、電気光学結晶プリズム７（＋）３、電気光学結晶プリズム７（−）４、電気光学結晶プリズム７（＋）４と屈折を繰返して出射される。この分極反転した電気光学結晶デバイスをレーザー光が透過する間に、分散角度の変化量はプリズムの配置個数に比例して大きくなる。電気光学結晶プリズムを分極反転して組み合わせると、電気光学結晶デバイスが占めるスペースが最小限で済むと同時に、分散角度の変化量を大きくすることができる。ただ、周期分極反転プリズムを用いない場合は、光学軸が正負の電気光学結晶プリズムを２種類用意する必要がある。
【００５３】
以上説明した実施の形態２の電気光学結晶デバイスの同調特性について説明すると、図６に示すようにπ偏光の場合とσ偏光の場合の双方で、分極反転もしくは接合した電気光学結晶デバイス（電気光学結晶プリズムが一組）が電気光学結晶プリズム（一個）の２倍程度に分散角度の変化量が増大していることが分かる。また、分極反転もしくは接合した電気光学結晶デバイスも電気光学結晶プリズムも、σ偏光の場合がπ偏光の場合の２倍以上の変化量を有していることが分かる。従って、分散角度の変化を増加させ、同調範囲を拡大するためには、電気光学結晶プリズムを複数使用することや、σ偏光を利用するのが適当である。
【００５４】
なお、上述の（３）で説明した電気光学結晶デバイスを制御的に形成する方法は、制御的に電気光学結晶デバイスを構成するために、回路は大きくなるが構成がきわめて簡素となり、安価なレーザー装置とすることができる。
【００５５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３におけるレーザー装置と電気光学分散を用いた同調方法について説明する。図７（ａ）は本発明の実施の形態１におけるシングルキャビティ型の第１のレーザー装置の構成図、図７（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるシングルキャビティ型の第２のレーザー装置の構成図である。なお、シングルキャビティ型のレーザー装置は、イントラキャビティ型とも称せられるものである。実施の形態３におけるレーザー装置は、実施の形態１のレーザー装置と電気光学分散手段の配置を除いて基本的に同一であり、同一符号の構成は両者で同様であるから説明は省略する。図７（ａ）（ｂ）において、電源部８、制御部９についての記載は省略する。
【００５６】
図７（ａ）において、７ａは実施の形態３の第１のレーザー装置の電気光学分散手段である電気光学結晶プリズムである。電気光学結晶プリズム７ａは、ポッケルス効果を利用できるニオブ酸リチウム結晶等で構成される。実施の形態３のシングルキャビティ型の第１のレーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー等の励起用レーザー１、全反射エンドミラー２、チタンサファイア結晶３、電気光学結晶プリズム７ａ、回折格子４、全反射ミラー５が、この順序で配置されたものである。
【００５７】
実施の形態３の第１のレーザー装置では、電気光学結晶プリズム７ａから出射されたレーザー光はブリュースター角度で入射し、電気光学結晶プリズム７ａで入射後波長ごとに屈折し分散されて出射する。この出射方向に回折格子４が設置してあると、分散されたレーザー光はそこで回折され、所定角度で回折光がそれぞれ分散される。このとき目的の波長の回折光が向う方向に全反射ミラー５を配置しておけば、同調波長の回折光が選択されて回折格子４に返すことができる。この同調波長の回折光は、全反射エンドミラー２，チタンサファイア結晶３，電気光学結晶プリズム７ａ，回折格子４，全反射ミラー５からなる共振器で同調、増幅され、出射される。
【００５８】
続いて、図７（ｂ）に基づいて実施の形態３のシングルキャビティ型の第２のレーザー装置について説明する。２ａはエンドミラー、６ａは出射側エンドミラー、７ｂは実施の形態３の第２のレーザー装置の電気光学結晶プリズムである。第２のレーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー等の励起用レーザー１、出射ミラー６ａ、エンドミラー２ａ、チタンサファイア結晶３、電気光学結晶プリズム７ｂ、回折格子４、全反射ミラー５が、この順序で配置されたものである。
【００５９】
第２のレーザー装置では、励起用レーザー１のレーザー光は出射ミラー６ａとエンドミラー２ａを透過し、チタンサファイア結晶３で発振する。このレーザー光は電気光学結晶プリズム７ａで波長ごとに分散されて出射する。この出射方向に回折格子４が設置してあり、分散光はここで回折される。このとき目的の波長の回折光が向う方向に全反射ミラー５を配置しておけば、同調波長の回折光のみが選択されて元の光路辿って回折格子４に返される。この同調波長の回折光は、エンドミラー２ａ，チタンサファイア結晶３，電気光学結晶プリズム７ａ，回折格子４，全反射ミラー５からなる共振器で同調、増幅され、出射ミラー６ａから出射される。
【００６０】
以上説明した実施の形態３の第１のレーザー装置及び第２のレーザー装置は、電気光学分散を用いて屈折率を変化させることにより数十ｐｍ〜数ｎｍにまで同調できる。デュアルキャビティ型のレーザー装置は、回折した後の副共振器内の回折光に対して電気光学分散を施すため、レーザー装置の出力は比較的小さいが、シングルキャビティ型のレーザー装置は、いずれもチタンサファイア結晶で発振したレーザー光を直接電気光学分散するので、出力を大きくすることができる。また、シングルキャビティ型のレーザー装置は回折前に分散させることができ、スペクトル幅をより狭帯域化することができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明のレーザー装置によれば、デュアルキャビティ型でもシングルキャビティ型でも電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。
【００６２】
デュアルキャビティ型のレーザー装置では、回折手段でレーザー光を回折し、その後電気光学分散手段で分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学分散手段に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、後電気光学分散手段がレーザー光で損傷を受けることがない。長期間の安定した動作が可能になる。
【００６３】
励起光が入射される側からレーザー出力することも可能である。もっとも基本的な光分散手段であるプリズムで所定波長のレーザー光を選択できる。ニオブ酸リチウムの結晶として、大きな電気光学係数の電気光学分散手段にすることができる。
【００６４】
複数の電気光学結晶プリズムで電気光学分散手段を構成するから、電気光学結晶プリズムの数だけ分散角度の変化量を増加させることができ、電気光学分散手段の同調範囲を広げることができる。簡単に分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００６５】
電界をかけたとき屈折率が増加するプリズムと減少するプリズムとを交互に組合わせたプリズムであるから、電気光学結晶プリズムを反転して組み合わせると、電気光学結晶デバイスが占めるスペースが最小限で済むと同時に、分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００６６】
複数の電気光学結晶プリズムが周期分極反転構造のプリズムであるから、一方の極性となるプリズム域はマスクし、他方の極性となるプリズム域に電極を設けて高電圧を印加し、周期的分極反転した構造のプリズムであるため、製造が容易である。
【００６７】
印加される電圧の極性が反転されることにより光学軸が反転するため、光学軸が反転する複数のプリズムを電気的に簡単に実現できる。
【００６８】
電気光学分散手段に入射されるレーザー光がσ偏光であるため、π偏光の場合より２〜３倍大きな電気光学係数となり、分散角度の変化量を増加させることができ、電気光学分散手段の同調範囲を広げることができる。レーザー素子がチタンサファイア結晶であるため、６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの広い範囲の同調可能な波長のレーザー光を発振できる。
【００６９】
また本発明の電気光学分散を用いた同調方法によれば、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して共振させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。レーザー光を回折し、その後電気光学分散手段で分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学分散手段に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、後電気光学分散手段がレーザー光で損傷を受けることがない。長期間の安定した動作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるデュアルキャビティ型のレーザー装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２における電気光学分散を行った場合のレーザーの同調特性図
【図３】７８５ｎｍのレーザーの回折写真によるスペクトル幅の変化説明図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態２におけるレーザー装置の電気光学結晶デバイスの説明図
（ｂ）比較のための電気光学結晶デバイスの説明図、
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２におけるレーザー装置の分極反転した電気光学結晶デバイスの説明図
（ｂ）（ａ）の電気光学結晶デバイスを複数結合した説明図、
【図６】本発明の実施の形態２における電気光学分散を行った場合のレーザーの同調特性図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態１におけるシングルキャビティ型の第１のレーザー装置の構成図
（ｂ）本発明の実施の形態１におけるシングルキャビティ型の第２のレーザー装置の構成図
【図８】従来のチューニングミラーを用いた波長可変レーザー装置の説明図
【図９】（ａ）従来の音響光学素子を用いた第１の波長可変レーザー装置の説明図
（ｂ）従来の音響光学素子を用いた第２の波長可変レーザー装置の要部図
【符号の説明】
１，１０１，１１１，１２１  励起用レーザー
２  全反射エンドミラー
３  チタンサファイア結晶
４，１０４  回折格子
５，１２５  全反射ミラー
６  フィードバックミラー
７、７１，７２、７（＋），７（−）、７（＋）１，７（−）１，７（＋）２，７（−）２，７（＋）３，７（−）３，７（＋）４，７（−）４、７ａ、７ｂ電気光学結晶プリズム
８  電源部
９  制御部
２ａ  エンドミラー
６ａ  出射側エンドミラー
１０２  入射側エンドミラー
１０３，１１３，１２３  レーザー素子
１０５  チューニングミラー
１０６，１１６  出射側フィードバックミラー
１１２  入射側エンドミラー
１１４，１２４  音響光学デバイス
１２４ａ  圧電素子
１２６  出射側ミラー
１２７  ＲＦ電源
【図１】
2004165530.tif 000005
【図２】
2004165530.tif 000006
【図３】
2004165530.tif 000007
【図４】
2004165530.tif 000008
【図５】
2004165530.tif 000009
【図６】
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【図７】
2004165530.tif 000011
【図８】
2004165530.tif 000012
【図９】
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