(57)【要約】【課題】全て固体素子で構成されることでメンテナンスが容易であり、かつ励起光の短波長側で広帯域の波長変換が可能な装置を提供すること。【解決手段】高強度の単色光を二つに分け、零でない有限の交差角をもって大きなラマン増幅率を有する固体結晶に交差入射することにより、波数ベクトルの整合条件を緩和して、固体結晶の静的ラマン散乱スペクトルに現れるピークの周波数Ωに対して、ω+ｎΩ（ｎは正の整数）の周波数を持つ光を発生させる。本発明によって発生する光は励起光の波長から固体結晶の透明領域全域に及ぶ広い可変波長領域を有する。またこの方法によれば単一の光源と少数の光学部品のみにより可視域全域に及ぶ波長変換が可能となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度の単色光を二つに分け、零でない有限の交差角をもって固体結晶に入射し、入射光よりも短波長の光を発生することを特徴とする固体ラマン シフター。
【請求項２】
前記固体結晶は酸化物結晶であることを特徴とする請求項１に記載の固体ラマンシフター。
【請求項３】
前記固体結晶はアルカリハライド結晶であることを特徴とする請求項１に記載の固体ラマンシフター。
【請求項４】
前記固体結晶はSrTiO3であることを特徴とする請求項１に記載の固体ラマンシフター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高強度レーザー光源の出力光の発振波長を、広い波長範囲で任意に変換することを可能ならしめる全固体波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光の応用は産業分野の種類を問わず広がる一方であり、これに伴い、レーザー光源に対する要求も多様化、高度化の一途をたどっている。例えば、発振波長の選択性、単色性、コヒーレンス性といった性能は、従来のレーザー光源に比べて格段に高いレベルが要求されている。また一方、レーザー光は種々の産業分野で使用されることから、レーザー装置に関する専門知識を有しない人でも簡便に扱うことができ、また、低コストであることが求められている。
【０００３】
本発明は、特に可視領域を中心として広い波長領域において簡便に使用でき、かつ低コストのレーザー光源を提供することを目的としている。
【０００４】
レーザーの発振波長は機器の構成により強く制約され、広い波長範囲で連続的に光を取り出すためには特殊な工夫を要する。一方特に可視域における適当なレーザー光源に対する要求は高い。そこでかつては高強度の光パルスで液体色素レーザーを励起することで波長可変レーザー光源とすることが一般的であった。しかしこの場合、色素の劣化により安定した利用が困難であった。近年、赤外領域における高出力レーザーの開発と非線形光学の進展により、赤外レーザー光を可視領域に波長変換して用いることが一般的となってきた。非線形光学による波長変換には第二高調波ないし第三高調波発生による方法、光パラメトリック変換による方法、誘導ラマン散乱による方法などがある。
【０００５】
高調波発生による波長変換は、周波数ωの光を非線形光学結晶に照射することで、２ωないし３ωの光を得る方法である。光パラメトリック変換は周波数ωの光を非線形光学結晶に照射することでω＝ ω’＋ω’’を満たす周波数ω’とω’’の二つの光を得る方法である。誘導ラマン散乱は高強度の光を非線形媒質に照射し、媒質中の素励起（周波数をΩ、nを正の整数とする）にもとづく誘導ラマン散乱を利用して周波数ω’’’＝ω-ｎΩの光を得るものである。
【０００６】
第一の方法では変換される光の周波数がもとの光の周波数の２倍ないし３倍に限られる。また第二の方法では得られる光の周波数を連続的に変えることが可能であるが、多くの光学部品を必要としシステムが複雑になる。また第三の方法では通常気体が用いられるが、この場合気体を透明なガラス容器に高圧で密封しなければならないために装置が複雑になり、また、気体の圧力等の経時変化を管理する必要がある。また、取り扱い上、大きな衝撃を加えるとガラス容器が破損するので、取り扱いに注意する必要がある。
【０００７】
このなかで誘導ラマン散乱効果を用いた波長変換装置（ラマンシフターと呼ばれる）は簡便な構成で波長変換ができることから産業用途および学術用途に広く用いられてきた。
【０００８】
誘導ラマン散乱による波長変換を行うためには、通常水素や重水素気体をガラス容器に封じ込め、外部から高強度のレーザー光を集光して入射する。気体中で光の電場強度があるしきい値を超過すると、誘導ラマン散乱により、励起光から気体分子の回転準位ないし振動準位エネルギーの分だけ周波数シフトした光が増幅されて出射される。励起光の周波数をω、気体の回転準位ないし振動準位の規準周波数をΩとすると得られる光の周波数はω-ｎΩとなる。単一光源を用いたシステムでは通常ｎは０以上の整数である。さらに誘導ラマン散乱効果により得られた光と励起光との非線形光波混合効果によりｎが負の光、すなわち励起光よりも短い波長を持つ光も得られる。しかし一般にnが負の光の変換効率は低く、変換された光のｎもあまり大きい値をとれない。そこで特願平４−２００７０７では周波数の差が気体の回転準位ないし振動準位に共鳴するような、二つの波長の異なる光を励起光として気体に共軸入射することで極めて広帯域の波長変換が可能な装置を提案している。
【０００９】
一方、気体のラマン効果を用いたレーザー装置は、性能は優れているが、取り扱いが簡便でなく、また、煩雑なメンテナンスを必要とし、コストが高いという課題がある。
【００１０】
そこで、近年ラマン媒質としてKGd(WO4)2やBa(NO3)2といった固体結晶を使用した全固体ラマンシフターが開発された。これらのシステムでは封入気体圧力の経時変化を管理する必要がなく、また高圧ガスを使用しないことから装置の安全性が高い。なお気体を用いたラマンシフターでは気体分子の回転ないし振動に起因するエネルギー分だけシフトした光が得られたが、固体ラマンシフターの場合は固体結晶の格子振動に起因したエネルギーの分だけ波長シフトした光が得られる。これらの全固体ラマンシフターから得られる光は主に励起光の長波長側に波長変換された光である。短い波長側に波長変換された光を得るためには、特願平４−２００７０７と同様に、格子振動に共鳴するような二つの波長の異なる光を励起光として固体結晶に共軸入射する方法が考えられる。しかし、固体結晶は気体に比べ屈折率の波長依存すなわち屈折率分散が大きく、効率的な波長変換に必要な位相整合条件に対する制約が大きいために、効率的な波長変換は不可能であった。
【特許文献１】特願平４−２００７０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
全て固体素子で構成されることでメンテナンスが容易であり、かつ励起光の短波長側で広帯域の波長変換が可能な装置を提供すること。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の波長変換装置は、本発明者らによる、高強度の単色光を二つに分け、零でない有限の交差角をもって固体結晶に入射した際に、誘導ラマン散乱効果により、入射光よりも短波長側に多数の光が発生することの知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明の波長変換装置は、周波数ωの光パルスを二つに分け、相対的な遅延時間を適切に調整した後、零でない有限の交差角をもって固体結晶に照射することで波数ベクトルの整合条件を緩和し、固体結晶の静的ラマン散乱スペクトルに現れるピークの周波数Ωに対して、ω+ｎΩ（ｎは正の整数）の周波数を持つ光を発生させる。本発明によって発生する光は励起光の波長から固体結晶の透明領域全域に及ぶ広い可変波長領域を有する。またこの方法によれば単一の光源と少数の光学部品のみにより可視域全域に及ぶ波長変換が可能となる。
【００１３】
また、本発明で使用される励起光源は誘導ラマン散乱を引き起こすのに十分な強度を持つ単色光であれば良く、ナノ秒からフェムト秒にいたるあらゆるパルスレーザーを用いることが可能である。さらに本発明は誘導ラマン散乱効果を利用しているので、励起光源の波長は任意に定めることができる。
【００１４】
また、本発明の構成からラマン媒質として用いる固体結晶は、大きなラマン増幅率を有する固体結晶であればよく、また結晶構造によらずに使用することができる。実施例では代表的な遷移金属酸化物SrTiO3を用い、励起光に対して低周波数側へのたかだか２ないし３次のストークス光を発生させることしかできないという既存の固体ラマンシフターの限界を越えて、励起光に対して高周波数側へ高い次数のアンチストークス光を得ることが可能であることを示したが、他にもPb(NO3)2、BaWO4、YVO4、GdVO4等、多くの酸化物結晶が固体ラマンシフターとして有効であることが指摘されており(非特許文献１)、特に、既に固体ラマンシフターとして実用化されているKGd(WO4)2、Ba(NO3)2といった酸化物結晶を用いれば、効率的な波長変換に有効であることは明らかである。また、酸化物結晶以外でもNaCl、AgClといったアルカリハライド結晶は強い大きなラマン散乱断面積を持つことが知られており本発明におけるラマン媒質として用いることが可能である。
【非特許文献１】H.M. Pask, Progress in Quantum Electronics Vol.27, Page 3, Year 2003.
【発明の効果】
【００１５】
上記説明から理解されるように、本発明で必要とされる光源は単一波長のレーザーであれば良いために、装置の構成が簡便であり、また全て固体素子で構成されることで取り扱いが簡便であり、かつ、ラマン媒体のメンテナンスを必要としない。また、従来のラマンシフターが主に長波長側への波長変換に用いられていたのに対して、本発明におけるラマンシフターは主に短波長側への波長変換であり、従来のラマンシフターでは発生が困難な波長領域で用いることができる。さらに、本発明は非常に広い波長可変領域を有している。
【００１６】
また、この方法で、複数の単色性、コヒーレンス性が極めて高く、また、互いに位相が揃っている、すなわち、モードロックされている光が同時に得られる。これらの光パルスを重畳すれば、極めて時間幅の短い超短光パルスが得られる。例えば、一般的に用いられるチタンサファイアレーザー（800nm=12500cm-1）の光を励起源とし、非線形光学結晶として400nm（＝25000cm-1）まで透明なSrTiO3結晶を用いれば12500cm-1の広がりを持つコヒーレント光が得られることになる。この光を適切に重畳すれば理論的には3fs程度の時間幅を持つ超短光パルスが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明における波長変換方法を示す図である。
レーザー光源１から発せられた周波数ωの光は半透鏡２によって二つの光３と４に分けられる。分割された光の一方３は必要に応じて光学遅延回路５によって適当な遅延時間を付加し、レンズ６を介して０でない有限の角度をもって大きなラマン増幅率を有している固体結晶７上に集光される。波長変換された光は結晶を透過する励起光とは異なる方向に出射される。波長変換された光は固体結晶の格子振動の周波数Ωの整数倍だけ周波数がシフトした離散的な光列１４として得られる。
【００１９】
図２は波長変換の行われる過程を説明する図である。
結晶に強い励起光１７が入射されると、格子振動が誘起される。格子振動は固体結晶の分極を通じて屈折率を変調し、格子振動と同じ周波数Ωで時間的に変動するグレーティングを形成する。このグレーティングにより励起光１７が変調を受けて周波数ω-Ωを持つ光１８が生ずる。変調を受けて低周波数側に生じた光はストークス光と呼ばれる。また高周波側に変調を受けた場合には周波数ω+Ωの光１９が生ずる。励起光に対して高周波数側に生じた光はアンチストークス光と呼ばれる。変調を受けて周波数のシフトした光は再度グレーティングにより変調を受け、さらにグレーティングの周波数分だけ周波数が大きくなる。この過程を繰り返すことによりΩの整数倍だけ高周波数側（短波長側）に波長シフトした光２１が得られる（図2-B）。別の表現で説明するならば、周波数ωの励起光に対して誘導ラマン散乱過程により周波数ω−Ωの周波数を持つ一次ストークス光１７が発生し、この一次ストークス光１７と励起光１６における非線形四光波混合過程によりω＋ω-（ω-Ω）=ω+Ωの一次アンチストークス光１９が発生する（図２−A）。一次アンチストークス光が再び励起光および一次ストークス光と非線形四光波混合を繰り返すことで（ω+Ω）＋ω-（ω-Ω）= ω+2Ωの二次アンチストークス光を得る。この過程を繰り返すことでω+nΩという周波数を持つn次アンチストークス光２０からω+(n+1)Ωという周波数を持つ(ｎ+1)次のアンチストークス光２１が得られることになる（図２-B）。
【００２０】
入射光強度が非常に高い場合、誘導放射過程により励起光強度の数十%にいたる強度を持つストークス光を得ることが可能である。誘導ラマン散乱過程は単一の光パルス照射でも引き起こすことが可能であるが、さらにもう一つの光パルスを種光として入射することで、効率的なストークス光を生成することが可能である。
【００２１】
通常ラマンシフターは種光と励起光を共軸で入射する。これは両者が空間的に重畳する距離を長くすることで変換効率を向上しようとするためである。しかし、効率的な波長変換のためには上で述べた周波数の整合条件のほかに、波数ベクトルの整合条件も満たさなければならない。通常固体結晶の屈折率は波長とともに変化するために、一般に共軸入射の場合には周波数の整合条件と波数の整合条件は同時に成立させることは容易ではない。
【００２２】
一方、レーザー分光学の分野では物質の素励起を調べるのにCARSと呼ばれる分光技術が知られている。CARSはCoherent anti-Stokes Raman Scatteringの略で、ω1とω2の周波数を持つ光を物質に照射し、非線形光波混合過程により発生するω1+ω1-ω2＝2ω1-ω2の光を調べるものである。この機構は図２-Aにおいてアンチストークス光が生成される機構と同じものであり、CARS分光の場合は一次ストークス光の代わりに周波数ω２の光を外部から入射するものである（図2-C)。CARS分光では二つの光を零でない有限の角度で入射することで位相整合を実現して、効率的な信号発生を行うことが広く用いられている。この手法は非特許文献２でも用いられており、高次のアンチストークス光を発生させるのに有効であることが示されている。
【００２３】
非特許文献２では励起光として二つの独立な波長の光を用いることを特徴としているが、二つの独立波長を持つ光源を用意することは装置の構成を複雑にするものである。
【００２４】
そこで本発明では非特許文献２で必要とされた二つの独立波長を持つ光のうち一方を励起光の誘導ラマン散乱過程により発生する一次ストークス光で代用し、さらに種光と主励起光とを零でない有限の角度をもって交差入射して、励起光と一次アンチストークス光が交差する条件を実効的に作り出すことで、単一波長の励起光源による効率的な高次アンチストークス光の発生を実現した。
【００２５】
次に、実施例を示す。図３は、本実施例の測定系を示す図である。Ti:サファイアフェムト秒パルスレーザー装置から発せられたフェムト秒パルスレーザー光を半透鏡により二つにわけ（２６，２７）、適当な相対遅延時間を与えて結晶２５上に集光すると結晶の後方に赤外から青まで徐々に色の変わる離散的な光列２８が得られる。これらの波長変換されて出射された光は各々励起光の透過方向と異なる方向に出射される。そこで結晶下部に光ファイバ３０を取り付けた回転ステージ２９を設置し、結晶から出射された光を取り込む。取り込まれた光は分光器３１を介してコンピューター３２により解析される。回転ステージを制御することにより、出射方向と得られる光のスペクトルの関係を調べる。
【００２６】
SrTiO3（STO)結晶を用いた場合の実施例。
結晶面（１００）を板面とする厚さ1.0mmのSTO結晶をラマン媒質とし、波長800nm、パルスの時間幅150fs、パルス強度3μJの光パルスを二つ用意し、焦点距離30cmのレンズによって結晶上に集光した。二つの光パルスの交差角は結晶上で約1.25°である。また二つの光パルスは光路途中におかれた光学遅延回路により約250ｆｓの相対遅延時間を与えられている。図４は照射方向に対する発光波長を示した図である。角度とともに短波長側にシフトする高次光列が得られていることが分かる。得られた光の波長は励起光の波長800nmから少なくとも550nmまで広がっており、広帯域の波長変換装置として有効に機能していることが分かる。スペクトルは15本以上の互いに分離されたピークから成っており、低角側では約350cm-1、高角側では約250cm-1の間隔でピークが並んでいることが分かる。これらの値を非特許文献３におけるラマン散乱スペクトルの帰属結果と比較すると、350cm−１は2TO2およびTO4-TAおよびTO4-TO1から成る約370cm-1のピークに、また250cm-1は2TAおよび2TO1およびTA+TO1から成る約250cm-1のピークに対応していることが分かる。すなわち、STOのラマンピークに対応した周波数をもつことから、これらの信号が確かに誘導ラマン散乱に基づいて得られた光であることが示された。同時に本実施例がSTO固有の現象ではなく、強いラマン散乱ピークを有する物質ならば一般的に実施可能な現象であることが分かる。
【非特許文献２】Takahashi J.-i., et al. Phys.Rev.B Vol.68, Page 155102, Year 2003.
【非特許文献３】W.G.Nilsen and J.G.Skinner, The Journal of Chemical Physics, Vol.48, No.5, Page 2240,Year 1968.
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の波長変換装置を示す図である。
【図２】本発明の波長変換装置における、周波数の異なる複数の光が出力されるメカニズムを説明する図である。
【図３】本発明の実施例における測定系を示す図である。
【図４】STOから得られた角度分解発光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、  パルスレーザー
２、  半透鏡
３、４、光パルス
５、  光学遅延回路
６、  レンズ
７、  固体結晶
８、９、１０，１１，１２，１３、  鏡
１４、  波長変換された光、互いに分離された光列として観測される。
１５、  結晶の基底状態
１６、  結晶のラマン準位
１７、  周波数ωを持つ励起光
１７’、  １７と同じ光
１８、  一次ストークス光、励起光１７に対して格子振動の周波数だけ周波数が小さくなっている。
１９、  一次アンチストークス光、１７、１８、１７’の三つの光の非線形四光波混合により生成される。
２０、  ｎ次アンチストークス光
２１、  （n+1)次アンチストークス光、１７、１８、２０の三つの光の非線形四光波混合により生成される。
２２、  周波数ω１を持つ励起光
２２’、  ２２と同じ光
２３、  周波数ω２を持つ励起光
２４、  CARS過程により２２、２２’、２３の光から生成された光。
２５、  固体結晶
２６、２７、  光パルス
２８、  波長変換された光
２９、  回転ステージ
３０、  光ファイバ
３１、  分光器
３２、  コンピューター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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