(57)【要約】【課題】  実用的な光強度を有し、波長を可変することができる可視波長可変光源を提供する。【解決手段】  波長が安定化された第１のレーザ光を出力する第１のレーザ６３と、出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザ６５と、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを入力し、レーザ光の波長と異なる波長を有するコヒーレント光を出力する波長変換素子６１とを含む可視波長可変光源において、波長変換素子は、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、第２のレーザ６５と波長変換素子６１との間に接続された光増幅器６４を備えた。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が安定化された第１のレーザ光を出力する第１のレーザと、出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、前記レーザ光の波長と異なる波長を有するコヒーレント光を出力する波長変換素子とを含む可視波長可変光源において、
前記波長変換素子は、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、
前記第２のレーザと前記波長変換素子との間に接続された光増幅器を備えたことを特徴とする可視波長可変光源。
【請求項２】
前記第２のレーザ光の波長は１．３μｍ帯であり、前記光増幅器の増幅帯域は１．３μｍ帯であることを特徴とする請求項１に記載の可視波長可変光源。
【請求項３】
前記光増幅器は、半導体光増幅器または希土類ドープ光ファイバ増幅器のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の可視波長可変光源。
【請求項４】
前記希土類ドープ光ファイバ増幅器の希土類イオンは、Ｐｒであることを特徴とする請求項３に記載の可視波長可変光源。
【請求項５】
前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ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ることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の可視波長可変光源。
【請求項６】
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ないし５のいずれかに記載の可視波長可変光源。
【請求項７】
レーザ光を出射する光源と被測定物からの前記レーザ光による蛍光を検出する検出手段とを含み、生細胞中の蛍光タンパク質を分析する蛍光顕微鏡装置において、前記光源は、
波長が安定化された第１のレーザ光を出力する第１のレーザと、
出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと、
周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、前記レーザ光の波長と異なる波長を有するコヒーレント光を出力する波長変換素子と、
前記第２のレーザと前記波長変換素子との間に接続された光増幅器と
を備えたことを特徴とする蛍光顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視波長可変光源に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる第二高調波発生、差周波発生、和周波発生効果を用いて可視光の波長を変化させる可視波長可変光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子等が知られている。一方、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子の応用が期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【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。波長変換素子は、比較的小さな光強度を有する信号光Ａと、比較的大きな光強度を有する制御光Ｂとを合波する合波器１１と、分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる導波路１２と、差周波光Ｃと制御光Ｂとを分離する分波器１３とから構成されている。信号光Ａは、導波路１２において、別の波長を有する差周波光Ｃへと変換され、制御光Ｂと共に出射される。例えば、励起光Ｂを波長λ１＝１．０６μｍとし、波長λ２＝１．５５μｍの励起光Ａを入力した場合には、波長λ３＝３．３５μｍの中赤外光Ｃを差周波発生によって得ることができる。
【０００４】
このような波長変換素子を中赤外のレーザ光源として適用した場合には、中赤外光を利用した高感度のガスセンサーを実現することができる。
【０００５】
また、図１の別の実施態様において、比較的大きな励起光Ａと励起光Ｂとを合波器１１によって合波して、分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる導波路１２に入射する。導波路１２中では、励起光Ａと励起光Ｂの和周波光が生成され、導波路１２から出射される。例えば、励起光Ａを波長λ１＝１．０６μｍとし、励起光Ｂを波長λ２＝１．３２μｍとした場合には、波長λ３＝０．５８μｍの黄色の可視光Ｃを和周波発生によって得ることができる。
【０００６】
このような波長変換素子を可視光源として利用した場合に、従来のＮａランプのＤ線の代替として、屈折率測定の光源に適用できるほか、蛍光顕微鏡などの可視光を使った光学機器の高感度化に著しい効果がある。
【０００７】
黄色の可視光源は、励起光源としてファイバグレーティング（以下、ＦＢＧという）を用いた外部共振器型の波長安定化１．０６μｍ半導体レーザと、発振波長が１．３μｍであるＤＦＢ半導体レーザと、ＷＤＭカップラ等の合波手段と、モジュール化された波長変換素子とを備えている。ここで、励起光源は、ＤＢＲ、ＤＦＢレーザ等、単一モードで発振する光源であることが望ましく、単一モードで発振しない場合には、ＦＢＧを用いた外部共振器の付加によって波長安定化された光源を用いることが望ましい。
【０００８】
波長安定化は、可視光を得るために用いる波長変換素子の位相整合帯域幅が狭いために、必須の要件である。図２に、波長０．５３μｍの緑色光を第二高調波発生によって得るための位相整合条件を示す。非線形光学材料としてニオブ酸リチウムを用い、分極反転構造の周期を６．７６μｍとし、長さ１０ｍｍの波長変換素子を用いた場合の位相整合曲線を計算した図であり、励起光の波長を横軸に、得られる第二高調波の光強度を規格化して縦軸に示してある。図２によると、位相整合の帯域は、０．２ｎｍ以下であることがわかる。したがって、１．０６μｍ半導体レーザの発振波長は、０．２ｎｍのスペクトル幅以内で安定化されている必要がある。
【０００９】
上述した可視光源において、出力される可視光の波長λ３を変化させる場合には、次式の関係が満たされるように励起光の波長を変化させる必要がある。  
ｎ３／λ３−ｎ２／λ２−ｎ１／λ１−１／Λ＝０        （式１）  
ここで、ｎは屈折率、λは波長、Λは分極反転構造の周期である。添え字の３は可視光、１および２は励起光であり、
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２        （式２）  
の関係を満たしている。分極反転構造の周期Λが一定である場合において、可視光λ３の波長を変化させるためには、λ２またはλ１の励起光の波長を変化させる必要がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１４０２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、励起光源として上述したようなＦＢＧを用いて波長安定化された１．０６μｍ半導体レーザを用いた場合には、発振波長がＦＢＧで反射される波長に一意に決められるので、黄色光の波長λ３の変化にしたがって、１．０６μｍ半導体レーザの波長を変化させることは難しいという問題があった。
【００１２】
一方、１．３μｍ帯ＤＦＢレーザの発振波長は、温度を変化させることによって、発振波長を可変することができるが、実用的な可変範囲は４ｎｍ程度であり、広範囲に波長を変化させることは難しいという問題もあった。
【００１３】
別の実施態様として、ＦＢＧによって波長安定化された１．０６μｍ半導体レーザと実用化されている１．３μｍ帯波長可変レーザとを、励起光源として用いることも考えられる。しかしながら、１．３μｍ帯波長可変レーザは、出力光の強度が弱く、実用的な光強度を有する黄色の可視波長可変光源を構成することが難しいという問題もあった。
【００１４】
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、実用的な光強度を有し、波長を可変することができる可視波長可変光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、波長が安定化された第１のレーザ光を出力する第１のレーザと、出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、前記レーザ光の波長と異なる波長を有するコヒーレント光を出力する波長変換素子とを含む可視波長可変光源において、前記波長変換素子は、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記第２のレーザと前記波長変換素子との間に接続された光増幅器を備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記第２のレーザ光の波長は１．３μｍ帯であり、前記光増幅器の増幅帯域は１．３μｍ帯であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光増幅器は、半導体光増幅器または希土類ドープ光ファイバ増幅器のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の前記希土類ドープ光ファイバ増幅器の希土類イオンは、Ｐｒであることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ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ることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の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。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、レーザ光を出射する光源と被測定物からの前記レーザ光による蛍光を検出する検出手段とを含み、生細胞中の蛍光タンパク質を分析する蛍光顕微鏡装置において、前記光源は、波長が安定化された第１のレーザ光を出力する第１のレーザと、出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、前記レーザ光の波長と異なる波長を有するコヒーレント光を出力する波長変換素子と、前記第２のレーザと前記波長変換素子との間に接続された光増幅器とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと波長変換素子との間に光増幅器とを備えたので、実用的な光強度を有し、波長を可変することができる可視波長可変光源を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。本実施形態にかかる可視波長可変光源は、励起光源としてＦＢＧによって波長安定化された１．０６μｍ半導体レーザと、１．３μｍ帯波長可変レーザと、波長変換素子モジュールと、１．３μｍ帯波長可変レーザと波長変換素子モジュールとの間に接続された光増幅器とを備えたことを特徴とする。本発明によれば、１．３μｍ帯波長可変レーザの出力を、光増幅器により増幅することにより、実用的な黄色の可視波長可変光源を構成することができる。
【００２４】
ここで、波長変換素子モジュールは、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶を備え、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ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る非線形光学結晶を用いることができる。また、光増幅器として、半導体光増幅器を用いても良いし、希土類ドープ光ファイバ増幅器を用いても良い。半導体光増幅器は、装置サイズが小さくなるという長所を有するが、出力光強度が比較的弱いために、光源の光出力が十分にとれないという短所がある。一方、光ファイバ増幅器は、１００ｍＷの近い光強度が得られるという長所を有するが、装置が大きくなるという短所を有している。
【００２５】
図３に、本発明の一実施形態にかかる可視波長可変光源の黄色光の波長可変範囲を示す。非線形光学材料としてＬｉＮｂＯ３を用いた波長変換素子において、分極反転構造の周期を９．１μｍとし、１．０６μｍ半導体レーザを励起光源として用いたときに得られる黄色光の波長可変範囲を、式１に従って計算した図である。波長変換素子の温度を横軸に、１．３μｍ帯波長可変レーザの波長を左縦軸に、可視波長可変光源の出力である黄色光の波長を右縦軸に示す。波長変換素子の温度を、実用的な範囲である１０℃から８０℃まで変化させることにより、黄色光の波長を、５８２ｎｍから５８５ｎｍの範囲で変化させることができる。
【００２６】
このとき、１．３μｍ帯波長可変レーザの出力波長は、１２９０ｎｍから１３０５ｎｍの範囲で変化させることが必要である。この波長範囲は、希土類イオンとしてＰｒ（プラセオジウム）を含有する希土類ドープ光ファイバ増幅器の増幅帯域（１２８０ｎｍから１３３０ｎｍ）の中に含まれているので、実用的な光強度を有する黄色の可視波長可変光源を構成することができる。
【００２７】
以下、本発明の実施例を用いて説明するが、本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２８】
実施例１の可視波長可変光源は、非線形光学材料としてＬｉＮｂＯ３を用いた波長変換素子モジュールと、ＦＢＧによって波長安定化された１．０６４μｍ半導体レーザと、１．３μｍ帯波長可変レーザとを備え、波長変換素子モジュールと１．３μｍ帯波長可変レーザとの間に、Ｐｒ添加１．３μｍ帯光ファイバ増幅器を接続して、黄色の可視波長可変光源を構成する。
【００２９】
波長変換素子は、直接接合基板を用いたリッジ型導波路を用いる。図４に、実施例１にかかる単一モードのリッジ導波路の作製方法を示す。第１の基板４１は、予め周期的な分極反転構造が作製されているＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板であり、第２の基板４２は、ＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３基板である。基板４１，４２は、いずれも両面が光学研磨されている３インチウエハであり、基板の厚さは３００μｍである。第１の基板４１と第２の基板４２の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、基板４１，４２を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板４１，４２を電気炉に入れ、５００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行う（第１の工程）。接着された基板４１，４２はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどは発生しなかった。
【００３０】
次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板４１，４２の第１の基板４１の厚さが６μｍになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得る（第２の工程）。研磨された薄膜基板をダイシングソーにセットし、粒子径が４μｍ以下のダイアモンドブレードを用いて、導波路幅１０μｍのリッジ型導波路を作製する（第３の工程）。作製されたリッジ型導波路を基板から短冊状に切りだし、導波路端面を光学研磨することにより、長さ６０ｍｍの波長変換素子を作製する。
【００３１】
なお、第２の基板４２として、ＬｉＴａＯ３基板を用いてもよい。また、ノンドープＬｉＮｂＯ３基板を第１の基板４１とし、ＬｉＴａＯ３基板を第２の基板４２として用いた場合にも、同様の波長変換素子を作製することができる。さらに、基板の厚さは、５００μｍのほか、２００μｍ以上１ｍｍ以下の厚さを用いることができる。
【００３２】
図５に、実施例１にかかる波長変換素子モジュールの構成を示す。上述のようにして作製した波長変換素子５１をキャリア５２上に固定する。波長変換素子５１の入力側には、偏波保持型単一モード光ファイバ５４を接続する。波長変換素子５１の出力側は、レンズモジュール５３と光学的に結合し、フィルタ５５を介して出射される。キャリア５２に熱的に結合されたペルチェ素子５７を内蔵し、パッケージ５６に封入して波長変換モジュールを作製する。
【００３３】
図６に、実施例１にかかる可視波長可変光源の構成を示す。図５に示した波長変換素子モジュール６１の入力側の光ファイバと、波長１．０６μｍと１．３μｍの入力光を合波するＷＤＭカップラ６２の出力光ファイバとを融着接続する。ＷＤＭカップラ６２の１．０６μｍ入力光ファイバには、１．０６４μｍ半導体レーザ６３のピグテイルを融着接続する。なお、ピグテイルには、波長安定化のためのＦＢＧ６６が設けられている。
【００３４】
また、ＷＤＭカップラ６２の１．３μｍ入力光ファイバには、１．３μｍ帯光ファイバ増幅器６４の出力ファイバを融着接続する。１．３μｍ帯光ファイバ増幅器６４の入力ファイバには、１．３μｍ帯波長可変レーザ６５の出力ファイバを融着接続する。実施例１にかかる可視波長可変光源において、１．３μｍ帯波長可変レーザ６５の波長を１．２９μｍから１．３３μｍまで変化させたところ、波長変換素子モジュール６１の出力である黄色の可視光の波長が、５８３ｎｍから５９１ｎｍまで変化し、平均１０ｍＷの光出力を得ることができる。
【実施例２】
【００３５】
実施例２においては、実施例１と同様の波長変換素子モジュールと、ＦＢＧによって波長安定化された０．９８μｍ半導体レーザと、１．３μｍ帯波長可変レーザとを備え、波長変換素子モジュールと１．３μｍ帯波長可変レーザとの間に、Ｐｒ添加１．３μｍ帯光ファイバ増幅器を接続して、可視波長可変光源を構成する。励起光の波長合成には、波長０．９８μｍと１．３μｍの入力光を合波するＷＤＭカップラを用いる。
【００３６】
実施例２にかかる可視波長可変光源において、１．３μｍ帯波長可変レーザの波長を１．２９μｍから１．３３μｍまで変化させたところ、波長変換素子モジュールの出力である可視光の波長が、５５７ｎｍから５６４ｎｍまで変化し、平均１０ｍＷの光出力を得ることができる。なお、実施例２において波長安定化された０．９４μｍ半導体レーザを用いた場合には、５４３ｍから５５０ｎｍまで可視光の波長を変化させることができる。
【実施例３】
【００３７】
図７に、実施例２にかかる可視波長可変光源を適用した蛍光顕微鏡装置の構成を示す。蛍光顕微鏡装置は、光源として実施例２にかかる可視波長可変光源を組み込み、光源からの可視光を、レンズ７５、ダイクロイックミラー７３および対物レンズ７４からなる光学系を介して、被測定物に照射する。被測定物からの蛍光出力は、対物レンズ７４、ダイクロイックミラー７３およびプリズム７２を介して、高感度カメラ７１により観察される。他のタンパク質の遺伝子に融合させて細胞に導入させた蛍光タンパク（ＧＦＰ）の観察に用いると、生きた細胞において特定の構造体、または機能分子を高感度に蛍光ラベルすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明にかかる可視波長可変光源によれば、実用的な光強度を有し、出力光の波長を可変することができるので、可視光を用いた屈折率測定の高感度化、蛍光顕微鏡による蛍光タンパク観察の高感度化に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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斜視図である。
【図２】波長０．５３μｍの緑色光を第二高調波発生によって得るための位相整合曲線を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる可視波長可変光源の黄色光の波長可変範囲を示す図である。
【図４】実施例１にかかる単一モードのリッジ導波路の作製方法を示す図である。
【図５】実施例１にかかる波長変換素子モジュールの構成を示す図である。
【図６】実施例１にかかる可視波長可変光源の構成を示す図である。
【図７】実施例２にかかる可視波長可変光源を適用した蛍光顕微鏡装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１    合波器
１２    非線形導波路
１３    分波器
４１    第１の基板
４２    第２の基板
５１    波長変換素子
５２    キャリア
５３    レンズモジュール
５４    偏波保持型単一モード光ファイバ
５５    フィルタ
５６    パッケージ
５７    ペルチェ素子
６１    波長変換素子モジュール
６２    ＷＤＭカップラ
６３    １．０６４μｍ半導体レーザ
６４    １．３μｍ帯光ファイバ増幅器
６５    １．３μｍ帯波長可変レーザ
６６    ＦＢＧ
７１    高感度カメラ
７２    プリズム
７３    ダイクロイックミラー
７４    対物レンズ
７５    レンズ
【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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