(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を出力する励起光源と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光の照射により光パラメトリック発振し、シグナル光およびアイドラ光を発する複数の非線形光学媒質と、
前記複数の非線形光学媒質それぞれの位相整合条件を調節する位相整合調節手段と、
前記励起光、前記シグナル光および前記アイドラ光に対して共振器を構成する光学系と
を備え、
前記位相整合調節手段は、前記非線形光学媒質の少なくとも一つを前記シグナル光と前記アイドラ光の偏光方向が同じになるように、且つ、少なくとも一つを前記シグナル光と前記アイドラ光の偏光方向が異なるように位相整合条件を調節することを特徴とする光パラメトリック発振器。
【請求項２】
前記位相整合調節手段は、前記励起光の前記非線形光学媒質への入射角、前記非線形光学媒質の温度あるいは前記非線形光学媒質への印加電圧のいずれか一つ以上を変化させることによって、位相整合条件を調節するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光パラメトリック共振器。
【請求項３】
前記シグナル光および前記アイドラ光の波長と光強度に基づいて、前記位相整合調節手段を制御する制御手段を更に備える請求項１または２記載の光パラメトリック発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光パラメトリック発振器に係り、特に高い波長選択性を得るのに好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光パラメトリック発振では、励起光、シグナル光およびアイドラ光の３つの光が非線形光学媒質内で相互作用する。通常は、励起光を非線形光学媒質に入射してシグナル光とアイドラ光を発生させ、レーザ発振させる。非線形光学媒質において、シグナル光あるいはアイドラ光の偏光方向が、励起光の進行方向と非線形光学媒質の結晶軸とで形成される面に対して垂直であればその光を常光（Ordinary ray；ｏで表す）、平行であれば異常光（Extraordinary ray；ｅで表す）と呼ぶ。ここで、ある励起光がある位相整合条件で非線形光学媒質に入射したとき、シグナル光とアイドラ光の偏光方向が同じ場合をタイプ−１、互いに異なる場合をタイプ−２と呼んでいる。
【０００３】
光パラメトリック効果において、非線形光学媒質に波長λpの励起光を入射することにより、波長λsのシグナル光と波長λiのアイドラ光が発生するが、このれら３つの光には次の関係が成り立っている。
【０００４】
【数１】
0004531163.tif 000002
ここで、λsとλiが一致する点を縮退点と呼ぶ。
【０００５】
ところで、シグナル光とアイドラ光の偏光方向が同じであるタイプ−１の場合、縮退点近傍ではいくつもの波長で位相整合条件が成立し、その結果、光パラメトリック発振における発振波長のバンド幅が大きく広がる傾向にある。これに対し、偏光方向が異なるタイプ−２の場合では、縮退点近傍でも位相整合する条件は限られており、バンド幅が広がることはない。
【０００６】
ところが、非線形光学媒質の種類によっては、その特性上タイプ−１と比較してタイプ−２の光パラメトリックゲインが小さいものがある。そのため、縮退点付近で高エネルギーの発振光を得るためには、光パラメトリック発振器の非線形光学媒質としてタイプ−１を選択せざるを得ない場合（例えばβ-BBO（β-phase BaB2O4）結晶）がある。しかし、前述したようにタイプ−１の非線形光学媒質は縮退点付近でのバンド幅が大きく広がる傾向がある。そのため、タイプ−１の非線形光学媒質を用いる場合、バンド幅を狭帯化するために、光パラメトリック共振器内にグレーティングを配置し波長選択を行うことによって、発振バンド幅を狭帯化する手法が「J. Opt. Soc. Am. B Vol. 12 (1995), 2117」で提案されている。
【０００７】
この様に、グレーティングを用いた場合、光パラメトリック発振器の発振しきい値は極めて大きくなり、また、発振光のエネルギーは小さくなる。このため、「J. Opt. Soc. Am. B Vol. 12 (1995), 2122」では、発振光を再度第２の光パラメトリック発振器あるいは光パラメトリック増幅器によって増幅する手法が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、グレーティングを用いた場合、光パラメトリック発振のしきい値が大きいため、高エネルギーの励起光を用いなければならず、非線形光学媒質、ミラーおよびレンズ等の損傷が危惧される等の問題が生じる。
【０００９】
また、発振光を再度第２のパラメトリック発振器で増幅する場合、各非線形光学媒質や発振光の光路を変える反射ミラー等の角度を、それぞれ微妙に調節する装置を具備せねばならず、波長選択の制御が複雑になるという問題点がある。
【００１０】
そこで本発明は、縮退点付近でもグレーティングや第２のパラメトリック発振器を用いることなく、簡易に発振バンド幅を狭帯化することが可能な、光パラメトリック発振器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光パラメトリック発振器は、励起光を出力する励起光源と、励起光の光路上に配置され、励起光の照射により光パラメトリック発振し、シグナル光およびアイドラ光を発する複数の非線形光学媒質と、これら複数の非線形光学媒質の位相整合条件を調節する位相整合調節手段と、励起光、シグナル光およびアイドラ光に対して共振器を構成する光学系とを備え、位相整合調節手段は、複数の非線形光学媒質の少なくとも一つがシグナル光とアイドラ光の偏光方向が同じになるように、且つ、少なくとも一つをシグナル光とアイドラ光の偏光方向が異なるように位相整合することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、シグナル光とアイドラ光の偏光方向が同じになるように位相整合された非線形光学媒質の光パラメトリックゲインにより、シグナル光およびアイドラ光は増幅され、更にシグナル光とアイドラ光の偏光方向が互いに異なるように位相整合された非線形光学媒質により、更なるシグナル光とアイドラ光の増幅がなされると共に、発振光のバンド幅が狭帯化できる光パラメトリック発振器を得ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る光パラメトリック発振器の位相整合調節手段は、励起光の非線形光学媒質への入射角、非線形光学媒質の温度あるいは非線形光学媒質への印加電圧のいずれか一つ以上を変化させることによって、位相整合条件を調節するように構成されていることを特徴としてもよい。本発明によれば、複数の非線形光学媒質の位相整合手段を適宜選択できることができる。場合によっては、複数の非線形光学媒質の位相整合手段が同一である必要はなく、励起光の非線形光学媒質への入射角、非線形光学媒質の温度あるいは非線形光学媒質への印加電圧のいずれかを変化させる手法を組み合わせて用いることによって、非線形光学媒質の位相整合を行うことが可能である。
【００１４】
また、本発明に係る光パラメトリック発振器は、シグナル光およびアイドラ光の波長若しくは光強度に基づいて、位相整合調節手段を制御する制御手段を更に備えることを特徴としても良い。本発明によれば、それぞれの非線形光学媒質の位相整合を的確に制御することが可能であり、縮退点付近でも精度よくシグナル光とアイドラ光を同調させることが可能な光パラメトリック発振器を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１を参照して、本発明の実施形態に係る光パラメトリック発振器の構成について説明する。図１は光パラメトリック発振器の構成概念図であり、この光パラメトリック発振器は非線形光学媒質を励起する励起光源１０と、励起光源１０の光路上に配置され、ファブリーペロー発振器を構成するミラーＭ１，Ｍ２と、ミラーＭ１，Ｍ２に挟まれ、カスケード配置されたタイプ−１の非線形光学媒質１１およびタイプ−２の非線形光学媒質１２とを備えて構成されている。
【００１７】
更に、非線形光学媒質１１，１２の位相整合条件をそれぞれ調節する位相整合調節手段１３，１４と、ミラーＭ２を透過した発振光の光路上に配置され、一部の発振光を反射するミラーＭ３と、ミラーＭ３で反射された発振光の光波長および光強度を確認する確認装置１６と、確認装置１６で検出した発振光に基づき、位相整合調節手段１３，１４を制御する制御装置１５とを備えて構成されている。
【００１８】
ここで、励起光λpの入射によりタイプ−１の非線形光学媒質１１で発生するシグナル光λs（１）およびアイドラ光λi（１）と、タイプ−２の非線形光学媒質１２で発生するシグナル光λs（２）の偏光方向は同じであり、これに対し、タイプ−２の非線形光学媒質１２において発生するアイドラ光λi（２）の偏光方向は、他の光の偏光方向と直交していると仮定している。
【００１９】
図１に示すように、励起光源１０から発せられた励起光λpは、ミラーＭ１を透過し、タイプ−１の非線形光学媒質１１に入射され、シグナル光λs（１）およびアイドラ光λi（１）を発生させる。発生されたシグナル光λs（１）およびアイドラ光λi（１）と変換されずに残った励起光λpは、タイプ−２の非線形光学媒質１２に入射する。なお、双方の非線形光学媒質１１，１２の位相整合波長が大きく異なっている場合には、タイプ−２の非線形光学媒質１２では、励起光λpの入射によりシグナル光λs（２）とアイドラ光λi（２）が発生するのみである。そのため、ミラーＭ１，Ｍ２で構成されたファブリペロー発振器内では、それぞれ独立にシグナル光λs（１），λs（２）とアイドラ光λi（１），λi（２）が発振する。
【００２０】
ここで、ミラーＭ１は励起光源１０からの励起光λpは透過するが、非線形光学媒質１１から励起光源へ戻る方向の励起光λp、シグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）は反射するようになっている。ミラーＭ２は非線形光学媒質１２からの励起光λpをほとんど反射するが、シグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）の一部を反射し一部を透過する。この共振器によって励起光λp、シグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）は閉じこめられ、発振する。
【００２１】
図１に示すように、ミラーＭ２を透過した励起光λp、シグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）は、励起光カットフィルタＦ１を通ることにより、残っていた励起光成分がカットされる。そして、シグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）の一部はミラーＭ３により反射され、確認装置１６に入射される。
【００２２】
確認装置１６はシグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）の重畳した光を検出し、その波長と強度に基づいて、非線形光学媒質１１と非線形光学媒質１２とが同等あるいは同じ波長のシグナル光とアイドラ光を発するような位相整合の条件を満たしているか否かを判定する。この判定結果をもとに、制御装置１５は位相整合調節手段１３，１４を制御することにより、非線形光学媒質１１，１２の位相整合条件を調節する。これにより、発振器内では同等あるいは同じ波長のシグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）が発振させられる。このとき、シグナル光λs（１）とλs（２）は重畳され、且つ、アイドラ光λi（１）とλi（２）は重畳され、それぞれシグナルλs光とアイドラ光λiとなりミラーＭ２から出射される。
【００２３】
なお、位相整合調節手段１３，１４は、励起光の非線形光学媒質１１，１２への入射角、非線形光学媒質１１，１２の温度あるいは非線形光学媒質１１，１２への印加電圧のいずれか一つ以上を変化させることによって位相整合条件を調節しており、いずれかに限定されない。
【００２４】
具体的には、励起光の非線形光学媒質１１，１２への入射角を変化させ位相整合条件を調節したい場合、回転テーブルなどに非線形光学媒質１１，１２を載置しテーブルを回転させればよい。非線形光学媒質１１，１２の温度を変化させ位相整合条件を調節したい場合は、図２に示すように、非線形光学媒質１１，１２の角度は変えずに非線形光学媒質１１，１２をそれぞれ温度調節容器Ｔ１およびＴ２に入れ、温度制御素子によってヒータに加える電圧Ｖ１およびＶ２を変化させることにより非線形光学媒質１１，１２の温度を変化させればよい。非線形光学媒質１１，１２への印加電圧を変化させ位相整合条件を調節したい場合、図３に示すように、非線形光学媒質１１，１２の角度は変えずにそれぞれ電極Ｅ１およびＥ２を取り付け、電圧Ｖ１およびＶ２を印加することにより生じる電気光学効果によって位相整合条件を調節すればよい。
【００２５】
ミラーＭ２から出射したシグナル光λsとアイドラ光λiは、励起光カットフィルタＦ１を透過し、更にその大部分はミラーＭ３を透過する。その後、カットフィルタＦ２によりシグナル光λsまたはアイドラ光λiのみが透過させられ、所望の波長のレーザー光を得ることができる。
【００２６】
次に、図４を参照して、励起光λp、シグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）の相互作用について説明する。図４は図１の光パラメトリック発振器部分を側面から見た拡大図である。なお、位相整合は非線形光学媒質１１、１２の結晶軸に対する励起光λpの入射角の変化によって行われているものとする。また、図２において、励起光λpの非線形光学媒質１１，１２への入射角はそれぞれθ1，θ2で示し、励起光λpの光路の延長線を破線、発振光である励起光λp、シグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）の光路を実線で示している。
【００２７】
まず、励起光λpがタイプ−１の非線形光学媒質１１に入射することにより、偏光方向が同じシグナル光λs（１）とアイドラ光λi（１）を発生する。タイプ−１の非線形光学媒質１１で発生したシグナル光λs（１）とアイドラ光λi（１）および変換されずに残った励起光λpは、タイプ−２の非線形光学媒質１２に入射する。このとき、非線形光学媒質１１，１２の位相整合波長が大きく異なっている場合には、前述したように、タイプ−２の非線形光学媒質１２では励起光λpの入射によりシグナル光λs（２）とアイドラ光λi（２）が発生するのみで、位相整合条件の異なるシグナル光λs（１）とアイドラ光λi（１）とは相互反応を示さない。
【００２８】
ただし、タイプ−１の非線形光学媒質１１とタイプ−２の非線形光学媒質１２の光パラメトリックゲインが異なる場合には、光パラメトリックゲインが大きなタイプの非線形光学媒質の発振特性が優勢となり、優勢となった非線形光学媒質で発生したシグナル光λsおよびアイドラ光λiがミラーＭ１、Ｍ２間で発振する。
【００２９】
一方、非線形光学媒質１１，１２のシグナル光λs（１）とλs（２）の波長およびアイドラ光λi（１）とλi（２）の波長が同等あるいは同じ場合には、それぞれの非線形光学媒質１１，１２中でシグナル光λs（１）とλs（２）が励起光λpとパラメトリック相互作用を起こすことにより増幅され、シグナル光λs（１），λs（２）とが重畳したシグナル光λsとして発振する。
【００３０】
これに対し、アイドラ光λi（１），λi（２）はそれぞれタイプ−２の非線形光学媒質１２、タイプ−１の非線形光学媒質１１の位相整合条件に合致しないため相互作用は起こさないが、励起光λpとシグナル光λsの非線形光学媒質１１，１２におけるパラメトリック相互作用によって、アイドラ光λi（１）とλi（２）も発生・増幅され、アイドラ光λi（１），λi（２）の重畳したアイドラ光λiとして発振する。
【００３１】
ここで、発生したシグナル光λsおよびアイドラ光λiは、２個の非線形光学媒質１１、１２の光パラメトリックゲインによって、非線形光学媒質が１個の光パラメトリック発振器の場合よりも、更に大きく光パラメトリック発振させられる。また、タイプ−１の非線形光学媒質１１における発振光のバンド幅の広がりは、タイプ−２の非線形光学媒質１２によって狭帯化される。
【００３２】
以上の様に、タイプ−１の非線形光学媒質１１とタイプ−２の非線形光学媒質１２を用い、同等あるいは同じ波長のシグナル光とアイドラ光を発生するようにその位相整合条件を調節することにより、バンド幅が狭帯化されたシグナル光およびアイドラ光を増幅、発振させることが可能である。
【００３３】
なお、図１および図４の光パラメトリック発振器では、タイプ−１とタイプ−２の２個の非線形光学媒質を用いているが、非線形光学媒質の個数は３個以上の複数個でもよい。ただし、複数の非線形光学媒質には少なくとも一つのタイプ−１の非線形光学媒質と、少なくとも一つのタイプ−２の非線形光学媒質が含まれていなければならない。
【００３４】
次に、図５を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図５の光パラメトリック発振器は、励起光λpを発する励起光源（図示せず）と、励起光λpの光路を適宜変更するミラーＭ４１，Ｍ４２と、励起光λpの光路上に配置されたタイプ−１の非線形光学媒質１１１、タイプ−２の非線形光学媒質１２１およびタイプ−１の非線形光学媒質１１２、タイプ−２の非線形光学媒質１２２と、励起光λpの光路上でこれら非線形光学媒質１１１，１２１，１１２，１２２を挟むように配置された共振器を構成する光学系Ｍ１，Ｍ２とを備えて構成されている。
【００３５】
ここで、タイプ−１の非線形光学媒質１１１とタイプ−２の非線形光学媒質１２１を第一のペア、タイプ−１の非線形光学媒質１１２とタイプ−２の非線形光学媒質１２２を第二のペアとして考える。
【００３６】
いま、タイプ−１の非線形光学媒質１１１とタイプ−２の非線形光学媒質１２１からなる第一のペアは、同等あるいは同じ波長を発するように、非線形光学媒質１１１，１２１の結晶軸に対する励起光λpの入射角θ11，θ21を調節することによって位相整合されている。このペアのみに注目すると、図４の光パラメトリック発振器と同様に考えることができ、励起光λpの入射によりタイプ−１の非線形光学媒質１１１で発生したシグナル光λs（１１）およびアイドラ光λi（１１）と、同じく励起光λpの入射によりタイプ−２の非線形光学媒質１２１で発生したシグナル光λs（２１）およびアイドラ光λi（２１）とは、非線形光学媒質１１１，１２１内で励起光λpと光パラメトリック相互作用する。これにより、シグナル光λs（１１）とシグナル光λs（２１）の重畳したシグナル光λs（１０）と、アイドラ光λi（１１）とアイドラ光λi（２１）の重畳したアイドラ光λi（１０）を得ることができるが、これらシグナル光とアイドラ光は発振強度が大きく、且つ、バンド幅が狭帯化されている。
【００３７】
タイプ−１の非線形光学媒質１１２とタイプ−２の非線形光学媒質１２２からなる第二のペアは、同等あるいは同じ波長を発するように、非線形光学媒質１１２，１２２の結晶軸に対する励起光λpの入射角θ12，θ22を調節することによって位相整合されている。このペアのみに注目すると、前述の第一のペアと同じく、図４の光パラメトリック発振器と同様に考えることができ、励起光λpの入射によりタイプ−１の非線形光学媒質１１２で発生したシグナル光λs（１２）およびアイドラ光λi（１２）と、同じく励起光λpの入射によりタイプ−２の非線形光学媒質１２２で発生したシグナル光λs（２２）およびアイドラ光λi（２２）とは、非線形光学媒質１１２，１２２内で励起光λpと光パラメトリック相互作用する。これにより、シグナル光λs（１２）とシグナル光λs（２２）の重畳したシグナル光λs（２０）と、アイドラ光λi（１２）とアイドラ光λi（２２）の重畳したアイドラ光λi（２０）を得ることができるが、これらシグナル光とアイドラ光は発振強度が大きく、且つ、バンド幅が狭帯化されている。
【００３８】
なお、第一のペアの非線形光学結晶１１１，１２１と第２のペアの非線形光学結晶１１２，１２２で発生するシグナル光λs（１０），λs（２０）およびアイドラ光λi（１０），λi（２０）は同等あるいは一致していなくともよい。
【００３９】
これらをふまえて、図５の光パラメトリック発振器について考えると、これには同じ光学系Ｍ１，Ｍ２内に二つの光パラメトリック発振器が共存していることになる。そして、図５の光パラメトリック発振器内では第一のペアの光パラメトリック発振器による発振光であるシグナル光λs（１０），アイドラ光λi（１０）と、第二の光パラメトリック発振器による発振光であるシグナル光λs（２０），アイドラ光λi（２０）が発振することになる。
【００４０】
以上の様に、本実施形態による光パラメトリック発振器では同時に複数の光パラメトリック発振器を有することができ、それぞれの光パラメトリック発振器による発振光を得ることが可能である。なお、それぞれの光パラメトリック発振器の非線形光学媒質は２個に限られず、３個以上でもよいことはいうまでもない。
【００４１】
次に、図６を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。図６の光パラメトリック発振器は、ミラーＭ1〜Ｍ4によって閉ループの共振器が構成されており、励起光λpを発する励起光源（図示せず）と、励起光λpの光路上に配置されると共に、ミラーＭ1とミラーＭ2の間に配置されたタイプ−１の非線形光学媒質１１と、励起光λpの光路上に配置されると共に、ミラーＭ3とミラーＭ4の間に配置されたタイプ−２の非線形光学媒質１２とを備えて構成されている。
【００４２】
まず、励起光λpがミラーＭ1を介してタイプ−１の非線形光学媒質１１に入射し、シグナル光λs（１）およびアイドラ光λi（１）を発生させる。これらの光は、ミラーＭ2およびミラーＭ3によって反射され、励起光λpとともにタイプ−２の非線形光学媒質１２に入射する。ここで、励起光λpおよびシグナル光λs（１）の入射によりタイプ−２の非線形光学媒質１２では更なるパラメトリック発振が生じ、シグナル光λs（２）およびアイドラ光λi（２）が発生する。ここで、シグナル光λs（１），λs（２）およびアイドラ光λi（１），λi（２）は重畳され、シグナル光λsおよびアイドラ光λiとなり、それぞれのバンド幅は狭帯化される。狭帯化されたシグナル光λsおよびアイドラ光λiの一部はミラーＭ4を透過し、出力光として取り出される。残りのシグナル光λsおよびアイドラ光λiは、更にミラーＭ4およびＭ1で反射され、タイプ−１の非線形光学媒質１１に入射し、更なるパラメトリック発振を生じさせる。ここで、ミラーＭ1は励起光λpを透過する様になっているため、閉ループを通った励起光λpはミラーＭ1から出力される。
【００４３】
このように、本発明に係る実施形態は閉ループによる光パラメトリック発振器も構成することが可能である。また、閉ループ内に複数の非線形光学媒質を配置することや、複数の対のタイプ−１およびタイプ−２の非線形光学媒質を配置し、前述した第２の実施形態を閉ループの共振器で実現できることはいうまでもない。
【００４４】
ところで、光パラメトリック発振における位相整合条件は、励起光、シグナル光およびアイドラ光の波数ベクトルｋp、ｋs、ｋiの保存条件
【数２】
0004531163.tif 000003
で決まる。通常、光パラメトリック発振において、３つの光は同軸上に進行するので、波数はスカラー量ｋp、ｋs、ｋiで表すことができる。
【００４５】
波数ｋx（ｘ＝ｐ，ｓ，ｉ）はそれぞれの光の偏光方向（常光；ｏ、あるいは異常光；ｅ）における屈折率ｎx(y)（λx、θ）を用いて、次式のように表すことができる（但しｙ＝ｏ，ｅ）。ここで、屈折率ｎx(y)（λx、θ）は波長λxと非線形光学媒質の結晶軸に対する励起光の入射角θの関数である。
【００４６】
【数３】
0004531163.tif 000004
ただし、
【数４】
0004531163.tif 000005
【数５】
0004531163.tif 000006
である。ここで、θは非線形光学媒質の結晶軸に対する励起光の入射角である。
【００４７】
式（１）〜（５）より、タイプ−１およびタイプ−２についてのθに対する位相整合波長の関係である位相整合曲線が求められる。図７は非線形光学媒質にＢＢＯ、励起光レーザにＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波：波長３５４．７ｎｍを用いた場合の光パラメトリック発振の位相整合曲線を示している（以下、特に表記がない限り、非線形光学媒質にはＢＢＯ結晶を、励起光レーザにはＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波：波長３５４．７ｎｍを用いることとする）。この図７より、励起光の入射角θの調節により、タイプ−１とタイプ−２のＢＢＯ結晶で同じ波長の発振光を得たい場合、タイプ−２の非線形光学媒質に対する励起光の入射角θはタイプ−１と比較して大きくなっており、特に縮退点付近ではタイプ−１の場合、励起光の入射角θの微妙な変化によって、発振光の波長が大きく左右されることが理解できる。
【００４８】
また、このときの光パラメトリックゲインＧに関連する性能指数（Figure of Merit；ＦＯＭ）は次式で表される。
【００４９】
【数６】
0004531163.tif 000007
【００５０】
【数７】
0004531163.tif 000008
ここで、Ｃ0は光速度、ε0は真空の誘電率である。ｄeffは有効非線形定数と呼ばれ、ある位相整合条件での非線形光学媒質における２次の非線形光学定数の値である。これより、結晶の長さをＬとすると、光パラメトリックゲインＧは次式のように求められる。
【００５１】
【数８】
0004531163.tif 000009
ここで、Ｉpは励起光のパワー密度である。
【００５２】
タイプ−１とタイプ−２でＬ、Ｉpがほぼ同じであれば、光パラメトリック発振における発振のし易さはＦＯＭで比較できる。図８はＢＢＯ結晶におけるタイプ−１とタイプ−２のＦＯＭを示しており、ＦＯＭ（１）はタイプ−１でのＦＯＭ、ＦＯＭ（２）はタイプ−２でのＦＯＭである。ＢＢＯ結晶の場合、ＦＯＭ（１）はcos2θに、ＦＯＭ（２）はcos4θに比例するので、位相整合角の大きいタイプ−２では縮退点に近づくにつれ光パラメトリックゲインの減少が著しくなる。これに対し、ＦＯＭ（１）は縮退点に近づくにつれ、大きくなっていくことが理解できる。
【００５３】
ところで、図９はタイプ−１の非線形光学媒質１１０のみ、図１０はタイプ−２の非線形光学媒質１２０のみを用いた場合の典型的な光パラメトリック発振器の構成例を示している。両図において、（ａ）が非線形光学媒質を１つ用いた場合、（ｂ）が２個の同じ種類の非線形光学媒質を用いた場合を示しており、（ｂ）では、それぞれの非線形光学媒質を互いに結晶軸が反対になるようにカスケード配置している。この様にカスケード配置とするのは、励起光、シグナル光およびアイドラ光の屈折率の違いによるエネルギー伝搬方向のずれ（Walk-off；ウォークオフ）を補正することによって、光パラメトリック発振器の効率を向上させるためである。従来技術では、前述のように同じ種類、同じタイプの非線形光学媒質を使用したパラメトリック発振器が用いられていた。そこで、本発明者は、まず、従来技術である図８（ａ）のタイプ−１の非線形光学媒質１１０を一つ用いた場合の光パラメトリック発振器の発振光スペクトルを測定した。
【００５４】
図１１は図９（ａ）の光パラメトリック発振器における、各発振波長に対するバンド幅（半値幅；ＦＷＨＭ）の関係を示している。図１１（ａ）は発振波長に対する半値幅の大きさの関係を示しており、図１１（ｂ）は発振波長に対する半値幅の関係をカイザーで示したものである。図１１より発振波長が縮退点である７０９．４ｎｍに近づくにしたがって、バンド幅が急激に大きくなっていくこと、発振光のエネルギーが大きくなることが理解できる。
【００５５】
タイプ−２については、タイプ−１と比較して縮退点付近でもバンド幅は広がらないことが、文献「Appl. Phys. Lett. Vol. 56 (1990), 1819」のＦｉｇ．２によって示されている。この様に、タイプ−１の非線形光学媒質ではバンド幅が大きく広がる傾向があるが、タイプ−２の非線形光学媒質は発振バンド幅が広がらないことが理解できる。
【００５６】
次に、図１２を参照して、タイプ−１の非線形光学媒質とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせることにより、発振強度が大きく、且つ、バンド幅が狭帯化された発振光が得られる様子を説明する。図１２（ａ）はタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質をシグナル光の波長が７０３．０ｎｍ、アイドラ光の波長が７１５．９ｎｍで位相整合させている場合における、タイプ−１の非線形光学媒質のみの光パラメトリック発振器の発振光スペクトル、タイプ−２の非線形光学媒質のみの光パラメトリック発振器の発振光スペクトルおよびタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせた光パラメトリック発振器の発振光スペクトルをそれぞれ示している。
【００５７】
図１２（ａ）に示すように、タイプ−１では発振光のバンド幅がそれぞれの発振波長において広帯化しており、発振強度は大きい。これに対し、タイプ−２ではバンド幅は狭帯化されているが発振強度が極めて小さい。これらタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせた場合、タイプ−１の非線形光学媒質における発振強度の強さと、タイプ−２のバンド幅の狭帯化が発振光に反映され、図示のように発振強度が強く、バンド幅の狭い発振光を得ることができる。
【００５８】
図１２（ｂ）は、タイプ−１の非線形光学媒質を縮退点で位相整合させ、タイプ−２の非線形光学媒質をシグナル光の波長が７０３．０ｎｍ、アイドラ光の波長が７１５．９ｎｍで位相整合させている場合における、タイプ−１のみの光パラメトリック発振器の発振光スペクトル、タイプ−２のみの光パラメトリック発振器の発振光スペクトルおよびタイプ−１とタイプ−２を組み合わせた光パラメトリック発振器の発振光スペクトルをそれぞれ示している。
【００５９】
図１２（ｂ）に示すように、タイプ−１では縮退点付近で発振光のバンド幅が広帯化しており、発振強度は大きい。これに対し、タイプ−２ではバンド幅は狭帯化されているが発振強度が極めて小さい。図１２（ｂ）の場合、タイプ−１とタイプ−２は同じ波長の発振光を発していないが、タイプ−２の各発振波長におけるタイプ−１の発振光の強度が十分大きいため、タイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせた場合、タイプ−１の非線形光学媒質の発振強度がタイプ−２の発振波長において維持されているため、その発振強度とタイプ−２のバンド幅の狭帯化が発振光に反映され、図１２（ａ）と同様、図示のように発振強度が強く、バンド幅の狭い発振光を得ることができる。
【００６０】
次に、図１３から図１６を参照して、実際に光パラメトリック発振器を発振させた時の発振光のスペクトル分布について説明する。図１３は光パラメトリック発振器内にタイプ−１の非線形光学媒質を配置し、縮退点で位相整合させた場合のスペクトル分布を示す。つまり、図９（ａ）の光パラメトリック発振器において、縮退点で位相整合させた場合のスペクトル分布である。図１３より、発振光に約４０ｎｍ程度のスペクトルの広がりがあることが理解できる。この様に、タイプ−１の非線形光学媒質のみの光パラメトリック発振器の場合、発振スペクトルの広がりが大きいことが理解できる。
【００６１】
次に、図１３における光パラメトリック発振状態を維持したまま、タイプ−２の非線形光学媒質を共振器内に挿入して縮退点で位相整合させた場合、つまり、図１および図２の光パラメトリック発振器において、非線形光学媒質１１，１２を縮退点で位相整合させた場合の発振光のスペクトル分布を図１４に示す。図１３と比較して、図１４の場合には発振強度が増加しているにもかかわらず、スペクトル幅は大幅に狭帯化されていることがわかる。この様に、光パラメトリック発振器にタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせて用いることにより、発振強度の増加と発振バンド幅の狭帯化が可能であることが理解できる。
【００６２】
次に、図１４の状態から、タイプ−２の非線形光学媒質の位相整合条件を少し変化させると、図１５に示すように、シグナル光とアイドラ光が分離される。更に、図１５の状態からタイプ−２の非線形光学媒質の位相整合条件を変化させると、図１６に示すように、更にシグナル光とアイドラ光が分離される。これはシグナル光とアイドラ光が精度良く同調できていることを意味している。
【００６３】
以上のように、本実施形態における光パラメトリック発振器では、タイプ−１の非線形光学媒質とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせて用いることによって、縮退点付近でも発振強度が強く、バンド幅の広がらない発振光が得られる。
【００６４】
なお、本実施形態では、励起光にＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波および第３高調波を用いたが、励起光にはＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波やその他のレーザ光を用いてもよい。また、本発明は発振光の波長選択にグレーティングを用いていないため、ＬＤ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザのような、エネルギー密度が小さい励起光源を用いる光パラメトリック発振器に対して非常に有用である。
【００６５】
また、本実施形態では、非線形光学媒質にＢＢＯ結晶のタイプ−１とタイプ−２を用いたが、用いる非線形光学媒質もＢＢＯ結晶に限られず、ＬＢＯ、ＫＴＰあるいはＬＮなど他の種類の非線形光学媒質を用いてもよい。また、複数個の非線形光学媒質を用いてもよいが、全てが同種類の非線形光学媒質である必要はなく、例えば、タイプ−１のＬＢＯとタイプ−２のＢＢＯ、タイプ−１のＢＢＯとタイプ−２のＫＴＰなど、色々な種類の非線形光学媒質を組み合わせて用いてもよい。更に、これらの非線形光学媒質はバルクではなく疑似位相整合の周期構造型のものでもよい。
【００６６】
次に、本発明に係る光パラメトリック発振器の具体的応用例について図１７を参照して述べる。以下の内容の基本的部分は文献「応用物理第６５巻第１号（１９９６）ｐ．３１で解説されているものである。
【００６７】
近年、ガンの診断と治療において、光線力学的治療法（photodynamic therapy ;ＰＤＴ）が注目を集めている。これはガン細胞にレーザ光を照射し、活性酸素の一種である一重項酸素を発生させ、ガン細胞を死滅させる治療法である。一重項酸素は正常細胞にも有害であるため、ガン細胞と正常細胞の部位の診断が必要不可欠となるが、体内に光感受性物質を注入し、その光感受性物質の蓄積状態がガン細胞と正常細胞で異なることを利用してガン細胞の部位の診断を行う方法が提案されている。そして、その光感受性物質にＭＥ２９０６という物質を用いることが検討されている。
【００６８】
ＭＥ２９０６は、波長６６４ｎｍの光を照射すると励起され、正常細胞からは波長６７０ｎｍ付近の自家蛍光が発せられ、ガン細胞からは蛍光がないという特性を持っている。そこで、図１７に示すように、体内にＭＥ２９６０が蓄積されｓた状態で、光ファイバーなどで６６４ｎｍのレーザ光を患部まで導光し、波長６７０ｎｍの蛍光を検出することにより、正常細胞とガン細胞の部位を診断する事が可能である。また、レーザ光照射によるガン細胞の死滅の確認も波長６７０ｎｍ付近の自家蛍光を検出することによって確認することが可能となる。
【００６９】
しかし、診断に使用する波長６６４ｎｍの波長と、正常細胞からの蛍光波長６７０ｎｍは非常に近接しており、従来のレーザ光では波長幅が広かったことから波長６６４ｎｍと６７０ｎｍの判別ができなかった。そこで、波長選択性がよく、しかも波長幅が１ｎｍ好ましくは０．５ｎｍ以下のレーザ光の必要性が高まっていた。波長幅に関しては、レーザダイオードでも０．５ｎｍ程度のレーザが得られるが、本実施形態の光パラメトリック発振器で得られるパルス光の方が、ガン細胞への浸透度が大きいため、診断および治療の光源として用いやすく、格別の効果が得られる。
【００７０】
そこで、本発明にかかる光パラメトリック発振器では、発振光の波長の選択性がよく、その波長幅が０．５ｎｍ以下であるレーザ光が得られるため、ＰＤＴへの応用が可能で、その期待も高まっている。以上のことから、ＰＤＴへの応用に対して本発明の光パラメトリック発振器は大きく貢献することが期待できる。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明の光パラメトリック発振器では、少なくとも一つのタイプ−１の非線形光学媒質と少なくとも一つのタイプ−２の非線形光学媒質を含む複数の非線形光学媒質を用い、それぞれの非線形光学媒質の位相整合条件を個別に調節することによって、縮退点付近でも光パラメトリック発振光のバンド幅が狭帯化され、且つ、発振強度の大きい発振光を得ることが可能である。このとき、波長選択の制御は非線形光学媒質の位相整合条件の調節だけで済むので、簡便に制御することが可能である。
【００７２】
また、励起光源にエネルギー密度の低いレーザを用いることができるので、非線形光学媒質や光学系のレーザによる損傷を回避しやすい。
【００７３】
また、複数の非線形光学媒質の内、一つの非線形光学媒質の位相整合条件を変化させることよって、シグナル光とアイドラ光が精度よく分離できるので、所望の波長の発振光を簡易に得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る、光パラメトリック発振器の構成概念図である。
【図２】非線形光学媒質の温度調節による位相整合調節手段を示す図である。
【図３】非線形光学媒質の印加電圧による位相整合調節手段を示す図である。
【図４】図１における光パラメトリック発振器の拡大図を示す図である。
【図５】本発明に係る光パラメトリック発振器の第２の実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る光パラメトリック発振器の第３の実施形態を示す図である。
【図７】ＢＢＯ結晶の場合の位相整合曲線を示す図である。
【図８】ＢＢＯ結晶のＦＯＭを示す図である。
【図９】タイプ−１のＢＢＯ結晶を用いた場合の光パラメトリック発振器の実施形態を示す図である。
【図１０】タイプ−２のＢＢＯ結晶を用いた場合の光パラメトリック発振器の実施形態を示す図である。
【図１１】図６（ａ）のパラメトリック発振器における、各発振波長に対するスペクトル幅の関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る、タイプ−１、タイプ−２、およびタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせた場合における、発振波長のスペクトル分布を示す図である。
【図１３】図６（ａ）の光パラメトリック発振器における、縮退点で位相整合した場合の発振スペクトルを示す図である。
【図１４】図１の光パラメトリック発振器における縮退点で位相整合させた場合の発振スペクトルを示す図である。
【図１５】図１１からタイプ−２の非線形光学媒質の位相整合条件を少し変化させた場合の発振スペクトルを示す図である。
【図１６】図１２から更にタイプ−２の非線形光学媒質の位相整合条件を変化させた場合の発振スペクトルを示す図である。
【図１７】本発明の実施形態にかかる光パラメトリック発振器の応用例を示した図である。
【符号の説明】
１０…励起光源、１１…タイプ−１の非線形光学媒質、１２…タイプ−２の非線形光学媒質、１３、１４…位相整合手段、１５…制御装置、１６…光波長および光強度確認装置、Ｍ１〜Ｍ３…ミラー、Ｆ１、Ｆ２…フィルター
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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