(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数同調性能を改善した光パラメトリック発振器を提供する。【解決手段】二重共鳴型光パラメトリック発振器は、ポンプ光（周波数ｆｐ）を発生するポンプ光源１１と、一対のシグナル光（周波数ｆｓ）およびコンプリメンタリー光（周波数ｆｃ）のための二重共鳴型共振器と、共振器の間に配置された非線形結晶７と、を備える。非線形結晶７は、その後部面９が、放射光の伝播方向であるＺ方向と直交するＸ方向に対して零ではない角度αで傾斜するとともに、発振器の素早い周波数走査を可能とするため、ＸＺ平面上で、方向Ｘに対して零でない角度βで傾斜した方向に移動可能である。βの値は、シグナル光およびコンプリメンタリー光のための二重共鳴条件が維持され、周波数ｆｓおよびｆｃが連続的に広範囲に渡って同調可能なように決定される。【選択図】図４
2012212139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数ｆｐのポンプ光源と、
前記ポンプ光の伝播方向にある前部面（８）と後部面（９）を有する非線形結晶（７）と、
結晶（７）の前部面（８）上に位置する第１のミラー（１０）と一緒に周波数ｆｓのシグナル光のための第１共鳴キャビティを画定し、結晶（７）の前部面（８）の上流側に位置する第２ミラー（１）と一緒に周波数ｆｃのコンプリメンタリー光のための第２共鳴キャビティを画定する、前記結晶の後部面の下流側に位置するアクロマートミラー（２）と、
一対のシグナルおよびコンプリメンタリーの縦モードのための二重共鳴型共振器を形成するそれぞれ光路長ｌｓおよびｌｃの前記２つのキャビティと、を備え、
前記周波数ｆｐのポンプ放射光は、往路では、前記結晶の前部面（８）から入射し、前記結晶の後部面（９）から出射して結晶を通過し、アクロマートミラー（２）で反射した後、復路では、前記結晶の後部面（９）から入射し、
前記結晶の光学指数は、シグナル周波数ｆｓおよびコンプリメンタリー周波数ｆｃに対してそれぞれｎｓ，ｎｃであり、
前記結晶は、その後部面（９）が、放射光の伝播方向であるＺ方向と直交するＸ方向に対して零ではない角度αで傾斜したくさび形に形成されるとともに、前記結晶（７）はＸＺ平面上に移動可能であるアクロマチック位相維持ポンプリターン付きの二重共鳴型光パラメトリック発振器であって、
一対のシグナルおよびコンプリメンタリーの縦モードのための二重共鳴が維持され、結果として前記周波数ｆｓおよびｆｃが連続的に広範囲に渡って同調可能なように、前記２つの共鳴型キャビティの光路長ｌｓおよびｌｃの比率を夫々同時に修正するため、前記結晶（７）は、ＸＺ平面上を、方向Ｘに対して下記式を満足する零でない角度βで傾斜した方向に移動可能であることを特徴とするアクロマチック位相維持ポンプリターン付きの二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【数４】
2012212139.tif 000006
【請求項２】
前記非線形結晶は、疑似位相整合において作動可能な、Ｚ方向に放射光が連続的に透過する、周期的に反転するドメインを備えていることを特徴とする請求項１に記載の二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【請求項３】
アクロマートミラー（２）で反射される前の最後の周期的ドメイン（１５）の前記後部面（９）は、
ＸＹ平面と交差する平面のＹ方向と平行な直線に沿って配向され、結果として、前記結晶のＸ方向における位置に関わらず、前記放射光波間における相対位相値ΔΦが維持されることを特徴とする請求項２に記載の二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【請求項４】
前記結晶の反転ドメインの周期性は、Ｘ方向に連続的に変化することを特徴とする請求項２に記載の二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【請求項５】
パラメトリック利得曲線の最高点が二重共鳴比を備える同期的な方法でシフトするように、Ｘ方向に沿った前記周期性が変化していることを特徴とする請求項４に記載の二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【請求項６】
前記最後の周期的ドメイン（１５）の後部面（９）は、平面ＹＺに対して平行をなす平面において、Ｙ方向に対して角度γをなすように研磨され、結果として、放射光波間の戻りに対する相対的な位相値（ΔΦ）が、光学キャビティにおける結晶のＹ方向に沿って位置を修正することによって調整されることを特徴とする請求項３または４に記載の二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【請求項７】
前記ポンプレーザの周波数は可変であり、結果として、前記結晶の光分散および前記キャビティの光路長の変化が補償され、大変広範な周波数範囲において連続的な同調が達成されることを特徴とする請求項１に記載の二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【請求項８】
第１ドメインの光路長が可変であり、結果として、前記結晶の光分散および前記キャビティの光路長の変化が補償され、大変広範な周波数範囲において連続的な同調が達成されることを特徴とする請求項１に記載の二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【請求項９】
コンプリメンタリー波は、結晶のＹ方向に配向された結晶軸ｃに沿って分極するとともに、シグナル波およびポンプ波は、結晶軸ｃに直交して分極しており、３つの放射光間における光分散と  比率Ｒの変化とを補償するために、結晶軸ｃに沿って電界が印可され、コンプリメンタリー共振器の光路長が調整されることを特徴とする請求項８に記載の二重共鳴型光パラメトリック発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次パラメトリック変換によって生成された放射光波のための２つの別々の共振器（共振キャビティ）から構成された二重共振型光パラメトリック発振器に関する。特に、走査速度およびスペクトル領域の両面において、周波数同調性能を改善した光パラメトリック発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系では、一次光放射源から広範囲にわたって同調可能な新しい放射光を生成するために、二次の非線形プロセスが使用される。これらのプロセスの一つとして、従来から知られている光パラメトリック変換は、レーザのようなコヒーレント光源から放射されたポンプ光として知られている放射光から、シグナル光およびコンプリメンタリー光またはアイドラ光として知られている２つの放射光の生成を可能とする。
【０００３】
３つの放射光の周波数（ｆｓ，ｆｃ，ｆｐ）は、エネルギー保存則によって連関している。すなわち、ｆｓ＋ｆｃ＝ｆｐであり、そのインデックス（ｓ，ｃ，ｐ）は、それぞれシグナル光（ｓ）、コンプリメンタリー光（ｃ）、ポンプ光（ｐ）と関連している。
【０００４】
実際的には、光パラメトリック変換は、二次の非線形性を有する非中心対称の結晶を    ３つの放射光が通過することで達成される。パラメトリック変換プロセスが、放射光が結晶を通過している間、ずっと効率的に行われるためには、Ｋｊ（ｊ＝ｓ，ｃ，ｐ）で表される他の放射光の波動ベクトルが、正確な位相整合条件や擬似位相整合条件として従来から知られている条件を尊重する必要である。正確な位相整合条件は、光学的複屈折性を有する結晶において満たされ、一方で擬似位相整合条件は、光学的非線形のサインが周期的な反転する結晶において満たされるかもしれない。これは、強磁性ドメインの反転（inversion of
ferroelectric domains）［L. E. Myers, R. C. Eckardt， M. M. Fejer, R. L. Byer, W. R. Bosenberg, J. W. Pierce ‘Quasiphasematched optical parametric oscillators in bulk
periodically poled LiNb03’, J. Opt. Soc. Amer. B. 12,
pp.2102 - 2116, 1995］，交互の結晶成長（alternated crystalline growth）［K. L.
Vodopyanov, 0. Levi, P. S. Kuo, T. J. Pinguet, L. S. Harris, M. M. Fejer, B.
Gerard, L. Becouarn, E. Lallier, ‘Optical parametric oscillation
in quasi-phase-matched GaAs’, Opt. Lett., 29, n° 16, pp 1912-1914, 2004］，または、全内部反射（instead total internal reflection）［M. Raybaut, A. Godard, R. Haidar, M.
Lefebvre, Ph. Kupecek, Ph. Lemasson, E. Rosencher, ‘Generation of
mid-infrared radiation by self-difference frequency mixing in chromium-doped
zinc selenide’, Opt. Lett., 31, n°2, pp 220-222, 2006］などの他の方法によって達成されてもよい。
【０００５】
強磁性体（ニオブ酸リチウム，タンタル酸リチウム等）に関しては、現時点では非常に幅広く使用されている。強磁性ドメインの反転は、コヒーレント長さ（ｌｃｏｈ）の２倍の反転周期で、周期的に実行される。ここにｌｃｏｈは、３つの放射光の相対的な位相のずれΔΦ（ΔΦ＝Φｐ−（Φｓ＋Φｃ）， change of π，Φｊは長さｌｃｏｈを超える放射光ｊの伝播に伴う位相のずれ）、３つの放射光をカバーする長さとして定義される。擬似位相整合条件は、ｋｐ＝ｋｓ＋ｋｃ＋ｋΛ（ここに、ｋΛは| kΛ |＝π／ｌｃｏｈと定義される）である。
【０００６】
シグナル光およびコンプリメンタリー光の間におけるエネルギー分布（結果として、パラメトリック変換によって生成される周波数値ｆｓ，ｆｃ）は、位相整合条件や擬似位相整合条件において調整可能である。温度、結晶配向、光学的非線形のサインが周期的な反転などのいくつかのパラメータは、位相整合の調整と、一次レーザ光変換に由来するシグナル光およびコンプリメンタリー光の周波数を大変幅広いスペクトル範囲で同調することを可能とする。
【０００７】
ポンプ波からシグナル光およびコンプリメンタリー光へのパラメトリック変換は、特に数多くの出願で関心が集められている。これらの最前線に位置するのは、分子種または原子種を検出するような分光学における出願である。シグナル光およびコンプリメンタリー光の大変幅広い同調範囲は、検出対象である一以上の種の異なる周波数の吸収をカバーすることを可能とする。さりとて、異なる種の相対的な存在度を知るためには、他の成分の吸収遷移の存在によっても乱されることがない各々の種の周波数吸収においてパラメトリック光源の周波数を選択的に同調するために、パラメトリック変換によって生成された調整可能な放射光が高いスペクトル純度を示す必要がある。
【０００８】
スペクトル純度と大変幅広いスペクトル同調範囲の両方を結合したパラメトリック放射光の生成は、従来技術より［アクロマチック位相維持ポンプリターン付きの光パラメトリック発振器（Optical parametric oscillator with achromatic phase-maintaining pump
reflection）］（FR2902940，PCT EP2007/056438）として知られている、特に光共振器に、非線形結晶を取り付けることで達成される。図１は、シグナル波およびコンプリメンタリー波が２つの入り子型の光キャビティにおいて振動し、他方ではポンプ光が非線形結晶を通過する複光路を形成するこのような共振器を示している。非線形結晶は、どのような光パラメトリック発振器の動作波長であっても、パラメトリック変換が繰り返し効率的になるように、アクロマートミラー２によって反射された後、最適な相対的な位相のずれΔΦを維持する。
【０００９】
卓越したスペクトル純度の放射または単一周波数発振は、パラメトリック利得曲線において、２つのキャビティの縦モード間において単一のコインシデンスだけが存在し、このコインシデンスの時にだけ放射がなされるように、図２に示したように、それぞれのキャビティの長さを選択することで達成される。
【００１０】
アクロマチック位相維持ポンプリターン付きの光パラメトリック発振器によれば、低い発振しきい値、コンパクト性、パラメトリック変換範囲全体における高いスペクトル純度の放射光の放射など、いくつかの有利な点が提供される。連続的な周波数同調、他の言葉で言えば発振器を同一のコインシデンスに維持することは、パラメトリック利得曲線におけるシグナルキャビティとコンプリメンタリーキャビティとのコインシデンスモードをシフトすることによって達成される。このようにするためには、図２に示したように、２つのキャビティ間におけるコインシデンスモードが、周波数走査の間を通して、極めて精密に維持されるように、少なくとも２つのパラメータ（例えば、圧電アクチュエータによって調整される各キャビティの長さやポンプ周波数、一つのキャビティの長さやまたはその代わりに結晶の温度、およびキャビティの長さ）を同時かつ極めて繊細に調整する必要がある。
【００１１】
その周波数での結晶の屈折率依存性を考慮しない一次計算は、仮に、入力ミラー１および出力ミラー２の位置が次式の割合で変化すると、コインシデンスモードが維持されることを意味している。
【数１】
2012212139.tif 000003
【００１２】
δＭ１およびδＭ２は、それぞれ入力ミラー１および出力ミラー２の移動量であり、ｌｓおよびｌｃは、それぞれシグナルキャビティおよびコンプリメンタリーキャビティの光路長である。このミラー１および２間における移動量の関係は、コインシデンスモードを維持するため、シグナルキャビティの光路長とコンプリメンタリーキャビティの光路長を反対方向に直線的に変化させなければならないことを示している。
【００１３】
もし、上述した関係について特別な注意が払われない場合、他の言葉で言えば、非線形性または圧電アクチュエータ３および４のヒステリシスによる移動誤差を修正しない場合、シグナル周波数またはコンプリメンタリー周波数の連続的な走査は、１０ＧＨｚオーダーの限られた範囲でのみ達成される。より広範な範囲で周波数同調を達成するためには、移動の線形性そしてコインシデンスモードの維持にとって有害な圧電アクチュエータの移動誤差を修正する必要がある。
【００１４】
この移動誤差の修正は、走査中に放射されるシグナル光またはコンプリメンタリー光のスペクトル純度を規則的に監視することで行われる。この規則的な制御は、分光計、波長計、または標準的なファブリペロエタロン６（Fabry Perot etalon）とインターファイスで接続されたマイクロコンピュータ５を使用することで自動的に実行される。
【００１５】
不要なモードの存在を抑制することは、ミラー１または２の一つの位置を細かく修正することにある。図３に図示されている状況は、パラサイトモードが存在する場合としない場合、ケースａおよびケースｂ）、のそれぞれにおけるファブリペロエタロンの反応を示している。エトロンの反応は、半波長に等しいエトロンの厚みの変化に相当する離れ距離である自由スペクトル領域（ＦＳＲ）だけ規則的に離れたピークの連続を示している。
【００１６】
修正後は、Δｆと注記したパラメトリック利得曲線の全幅の８０％を超える発振器の周波数で、モードホップせずに、連続的な同調が可能となる。パラメトリック発振器のナノ秒領域のパルス操作のための大凡１００ＧＨｚを超える大変広範な連続的な同調範囲が、これにより達成される。この走査方法には、しかしながら、２つの大きな欠点がある。それは、使用する制御手段（例えば、マイクロコンピュータやファブリペロエタロン）の価格に関してコストが増加すること、およびスペクトルの出力を周期的に監視する必要性があるため、走査速度が制限されること、である。
【００１７】
加えて、パラメトリック利得幅を超えて同調範囲を広げようとする場合には、周波数走査方法としてのパラメトリック利得曲線の最高点をシフトするために、第３のパラメータを有効にする必要があり、手順が複雑になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
提案する本発明の目的は、これらの制限を克服し、実施コストは削減する一方で、特に範囲と迅速な周波数走査能力において、このタイプの光源の利用されるフィールドを広げることである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
周波数ｆｐのポンプ光源を備える本発明のアクロマチック位相維持ポンプリターン付きの二重共鳴型光パラメトリック発振器は、
前記ポンプ光の伝播方向にある前部面と後部面を有する非線形結晶と、
結晶の前部面上に位置する第１のミラーと一緒に周波数ｆｓのシグナル光のための第１共鳴キャビティを画定し、結晶の前部面の上流側に位置する第２ミラーと一緒に周波数ｆｃのコンプリメンタリー光のための第２共鳴キャビティを画定する、前記結晶の後部面の下流側に位置するアクロマートミラーと、
一対のシグナルおよびコンプリメンタリーの縦モードのための二重共鳴型共振器を形成するそれぞれ光路長ｌｓおよびｌｃの前記２つのキャビティと、を備え、
前記周波数ｆｐのポンプ放射光は、往路では、前記結晶の前部面から入射し、前記結晶の後部面から出射して結晶を通過し、アクロマートミラーで反射した後、復路では、前記結晶の後部面から入射し、
前記結晶の光学指数は、シグナル周波数ｆｓおよびコンプリメンタリー周波数ｆｃに対してそれぞれｎｓ，ｎｃであり、
前記結晶は、その後部面が、放射光の伝播方向であるＺ方向と直交するＸ方向に対して零ではない角度αで傾斜したくさび形に形成されるとともに、前記結晶はＸＺ平面上に移動可能であるアクロマチック位相維持ポンプリターン付きの二重共鳴型光パラメトリック発振器であって、
２つのキャビティ間におけるコインシデンスモードを補償するために、監視装置やキャビティ長を修正する装置を用いる必要がなく、
一対のシグナルおよびコンプリメンタリーの縦モードのための二重共鳴が維持され、結果として前記周波数ｆｓおよびｆｃが連続的に広範囲に渡って同調可能なように前記２つの共鳴型キャビティの光路長ｌｓおよびｌｃの比率を夫々同時に修正するために、前記結晶は、ＸＺ平面上を、方向Ｘに対して下記式を満足する零でない角度βで傾斜した方向に横方向に移動可能であることを特徴とする。
【数２】
2012212139.tif 000004
【００２０】
本発明の作動原理は、以下のとおりである。
移動可能な結晶を方向Ｘに対して角度βで傾斜した方向にＸＺ平面上に横方向に移動させる。２つのキャビティにおける結晶の縦方向位置および横方向位置は同時に修正され、このようにして、シグナルキャビティの光路長（ｌｓ）およびコンプリメンタリーキャビティの光路長（ｌｃ）は、以下のとおり変化する。
【００２１】
シグナルキャビティの光路長（ｌｓ）は変化する。なぜなら、先ずその角柱形状および横方向要素の（Ｘ方向に沿った）移動を考えたときに、結晶がカバーする光学的距離が修正され、次に縦方向要素が結晶のＺ方向の位置に作用し、これにより非線形結晶の入力面上のミラーの位置が影響を受けるからである。
【００２２】
コンプリメンタリーキャビティの光路長（ｌｃ）は変化する。なぜなら、その角柱形状および横方向要素の（Ｘ方向に沿った）移動を考えた時に、結晶がカバーする光学的距離が修正されるからである。
【００２３】
与えられた角度αでは、コインシデンスモードを維持するため、一方のキャビティは長くなるが、他方のキャビティは短くなるように、角度βの値を選択する必要がある。得られる波長を変化させる関数としての結晶指数（the index of the crystal）の変化、およびｌｓおよびｌｃの僅かな変化にかかる関数としてのＲの依存性を無視した場合、以下の一次計算は、コインシデンスモードを維持するための角度αおよびβ間の関係性の発見を容易にする。
【００２４】
【数３】
2012212139.tif 000005
ここで、ｎｓおよびｎｃは、シグナル周波数およびコンプリメンタリー周波数に対する非線形結晶の光学指数である。
【００２５】
好適には、前記非線形結晶は、疑似位相整合において作動可能な、Ｚ方向に放射光が連続的に透過する、周期的に反転するドメインを備えている。この点において、特許出願（FR2902940）の発明の教示を、好適に参照することができる。
【００２６】
この疑似位相整合作動モードによれば、アクロマートミラーで反射される前の最後の周期的ドメインの前記後部面は、ＸＹ平面と交差する平面のＹ方向と平行な直線に沿って配向され、結果として、前記結晶のＸ方向における位置に関わらず、前記放射光波間における相対位相値ΔΦが維持される。
【００２７】
パラメトリック利得曲線の幅よりも大きい連続的な同調範囲から利益を得るために、結晶の反転ドメインの周期性は、Ｘ方向に連続的に変化する（ファンアウト型（fan-out type）周期分極反転結晶として知られている結晶）。Ｘ方向に沿った前記周期性の変化は、パラメトリック利得曲線の最高点が、シグナルおよびコンプリメンタリーの二重共鳴比（the double resonance ratio）を備える同期的な方法でシフトするようになっている。したがって、単一のパラメータによって、パラメトリック利得曲線の幅（Δｆ）に制限されない幅を超えて、光パラメトリック発振器の周波数を連続的に同調することができる。
【００２８】
周波数同調範囲が拡張されるにつれ、光学指数の分散と結晶自身の移動を考慮する必要があるため、キャビティの光路長が変化するのは明らかである。他の言葉で言えば、上述した一次計算において設定したαとβとの関係は、（Ｒ，ｎｓ，ｎｃを一定と仮定した場合に）大変広範な走査において有効となるものではない。しかしながら、完全な計算のもとでは、上記の設定した関係からの偏差は、１ＴＨｚの連続的な同調範囲において、１％未満にとどまっている。もし必要であれば、ポンプレーザの周波数を調整することもできる。
【００２９】
そして、走査速度に影響を及ぼすことなく、大変広範な周波数範囲に渡って連続的な同調を達成するため、結晶の光分散およびキャビティ長さの変化を補償することができる。ポンプレーザの周波数は、ファイバーレーザのような同調可能なレーザから放射されたものであっても良い。
【００３０】
また、走査中に、走査速度に影響を及ぼすことなく、電気光学効果によって非線形結晶の光路長を修正することで、キャビティの光路長の変化をもたらす結晶の光分散を補償することもできる。
【００３１】
本発明の他の特徴および有利な点は、以下の記載および（本発明を特に制限するものではない）実施例によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】連続的に波長を走査するための周波数制御装置を備えた、従来公知のアクロマチック位相維持ポンプリターン付きの光パラメトリック発振器である。
【図２】パラメトリック利得曲線の幅（Δｆ）において、シグナルキャビティの縦モードをコンプリメンタリーキャビティの縦モードと一致させることで得た発振器の単一周波数作動を示した図である。
【図３】パラサイトモードが存在する場合（ケースａ）と、純粋な単一周波数作動の場合（ケースｂ）とを備えたファブリペロエタロンの反応を示しており、それぞれの伝播ピークは、エトロンの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）の値と等しい周波数偏移の後、全く同一の方法で再現される。
【図４】本発明の実施方法を示した一般図である。
【図５】周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶を備えた本発明の一実施例であり、ａ）はキャビティのダイアグラム、ｂ）は反転ドメインを示したＰＰＬＮ結晶の側面図である。
【図６】Ｘ方向に沿って連続的に周期反転が可変な、ファンアウト型（fan-out type）のニオブ酸リチウム結晶を備えた本発明の一実施例を示しており、ａ）は一般的なキャビティのダイアグラム、ｂ）はＸ方向に沿った反転周期の変化を図示しており、ｃ）は結晶の斜視図である。
【図７】電気光学効果によって光路長が可変な結晶を備えた本発明の一実施例であり、ａ）はキャビティのダイアグラム、ｂ）はコマンド電極を備えた可変な光路部分を図示した結晶の断面図である。
【図８】本発明の一実施例に関し、放射光波間における相対的な位相値ΔΦを結晶の（ＸＺ平面に対して垂直をなす）Ｙ方向における単純な動きで調整可能にするために、Ｙ方向に対して第２の角度γをなす結晶を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図４は、本発明の実施方法を示した一般図である。ポンプレーザ１１は、周波数ｆｐの一次光を放射する。放射された一次光は、光学アイソレータ１２を通過する。ビームスプリッタ１３は、アクロマートミラー２によって反射される前に、非線形結晶７を通過するポンプ光のコンプリメンタリー光をフィルターすることを可能にする。前記アクロマートミラー２は、光パラメトリック発振器のシグナル光またはコンプリメンタリー光がどのような周波数であったとしても、これら放射光の相対的な位相のずれ（ΔΦ）を一定に維持しながら、３つの放射光の全部または一部を反射する。
【００３４】
非線形結晶７の入射面に配置されたミラー８は、他の２つの波長は全て透過するが、シグナル光の周波数は全反射する。これに対してミラー１は、ポンプ光およびシグナル光は透過する一方で、ビームスプリッタ１３で反射された後にユーザーに利用されるコンプリメンタリー光は部分的に反射する。非線形結晶７は、継続的な周波数同調のためにＸ方向に対して角度βをなすように移動するＸＺ平面１４を平行に移動するステージに載置される。図４に記載されている角度α，βは、放射光の伝播方向であるＺ方向に対して直交するＸ方向に対する角度であり、Ｙ方向は図面に対して直交している。
【００３５】
図５は、従来法のタイプ０の疑似位相整合のために、１．４５μｍのシグナル波（屈折率〜２．１４）および４μｍのコンプリメンタリー波（屈折率〜２．０６）を生成するため、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶を１．０６４μｍのネオジムＹＡＧレーザで励起した本発明の第１の実施例を示している。アクロマートミラー２で反射される前の最後の周期的ドメイン１５は、結晶７の出射面９に対して平行に配置されており、結果として、放射光波間の相対的な位相値ΔΦは、方向Ｘにおける結晶の位置がどこであっても維持される。
【００３６】
出射面９は、結晶出口におけるフレネル損失を減少させるために、上記３つの波長に対する反射防止コーティングがなされている。キャビティの光路長比（ｌｓ／ｌｃ）は、安定的な単一周波数発振が行われる代表的な数値である０．９６に等しい値が選択される。代表的な数値として、角度α，βとの関係の適用例は、本実施例ではβ＝１．５αである。角度α＝０．５°、光路長ｌｃ１２ｍｍ（ニオブ酸リチウム結晶の長さ５ｍｍを含む）、同調範囲５８ＧＨｚが、ステージの１ｍｍの移動により達成される。商業的に利用されるステージの移動速度はおよそ５ｍ／ｓであり、２つの長さのキャビティを、圧電アクチュエータを利用してそれぞれ調整し、その移動誤差をマイクロコンピュータにインターフェイスで接続された波長測定器によって補正する場合［A. Berrou, M. Raybaut, A. Godard, M. Lefebvre, Appl. Phys B, 98
(2010)］の走査速度は代表的には０．５ＧＨｚであるが、本実施例の走査速度は２９０ＧＨｚである。
【００３７】
図６は、Ｘ方向に沿って連続的に周期反転が可変な、ファンアウト型（fan-out type）のニオブ酸リチウム結晶を備えた本発明の一実施例を示している。先の条件（α＝０．５°、β＝０．７５°、約４μｍのコンプリメンタリー波を発振する長さ５ｍｍのニオブ酸リチウム結晶）では、ステージが横向きに１０ｍｍ移動することで、５８０ＧＨｚの連続的な同調周波数範囲が得られると推察される。
【００３８】
光パラメトリック発振器の中心波長は、ファンアウト結晶を選択することにより、この周波数変動に従うこととなり、その反転周期は、２８．３以上２８．３８μｍ以下の間で１０ｍｍ全体にわたって変化する。このような結晶の幾何的な説明としては、Ｚ方向の長さは５ｍｍ、Ｙ方向の厚みは１ｍｍ、Ｘ方向の高さは１０ｍｍであり、図６のｂ）に示したように、各ドメインは２８．３から２８．３８μｍまで変化している。
【００３９】
図７は、連続的な周波数同調の場合には代表的には１ＴＨｚを大きく超える大変広い範囲において、結晶の光分散と比率Ｒの変化とを補償することができる動作モードを示している。ニオブ酸リチウム結晶は、ここではタイプ２の疑似位相整合が使用されており、その光分散を補償するために、周期的に反転せずに光路長を可変とする第１ドメイン１６を有している。
【００４０】
このタイプ２の疑似位相整合のため、コンプリメンタリー波は、結晶の結晶軸ｃに沿って分極し、Ｙ方向に配向されている。シグナル波およびポンプ波は、結晶軸ｃに直交して分極している。大変幅広い同調範囲にとってもはや無視できなくなった、３つの放射光間における光分散と、比率Ｒの変化を補償するために、電極１７Ａおよび１７Ｂを用いて結晶の結晶軸ｃに沿って電界を印可することによって、コンプリメンタリー共振器の光路長が調整される。
【００４１】
図８は、光キャビティの結晶のＹ方向に沿って位置を修正することにより、各放射光波間における戻り位相値（ΔΦ）を調節可能にする動作モードを示している。Ｙ方向に沿って結晶７の位置の調整することは、例えば、移動するステージと結晶との間にくさび形の圧電素子を挿入することで達成されても良い。この目的のため、最後の周期的ドメイン（１５）の後部面（９）は、平面ＹＺに対して平行をなす平面において、Ｙ方向に対して角度γをなすように研磨される。角度γの値は、使用される結晶により、光学指数値の従来知識から得られる。よって、厚さ１ｍｍのニオブ酸リチウム結晶では、値ｐによってΔΦを変化させることができ、これにより、戻りにおいてもパラメトリック変換が効率的に行われるように最適な位相が達成されるため、角度γの値は約０．６°が選択される。
【００４２】
一旦、位相の調整が行われると、既述した様に、Ｘ方向に対して角度βをなすように結晶を移動することで、連続的な同調が達成される。この実装構造によれば、結晶７の研磨に関する制約を緩和し、結晶の鉛直移動によってこの厚みが変化する可能性を考慮すれば、特に、再度のドメイン１５の厚さを特定する必要がなくなる。
提案された実施形態は、本発明の全ての実施形態を代表するものでないことは明らかである。
【図１】
2012212139.tif 000007
【図２】
2012212139.tif 000008
【図３】
2012212139.tif 000009
【図４】
2012212139.tif 000010
【図５】
2012212139.tif 000011
【図６】
2012212139.tif 000012
【図７】
2012212139.tif 000013
【図８】
2012212139.tif 000014
【外国語明細書】
【発明の名称】  Nested-cavity optical parametric
oscillator for fast frequency tuning
The present invention relates
to doubly resonant optical parametric oscillators constituted from two
separately resonant cavities for each of the waves generated by second order
parametric conversion. In particular, it relates to the improvement of their
frequency tuning capabilities, both as regards scanning speed and spectral
range.
Second order non-linear
processes are used in optics to produce, from a primary radiation source, new
radiations that can be extensively frequency tuned. One of these processes,
known from the prior art as ‘optical parametric conversion’ makes it possible
to generate two radiations, known as signal and complementary or idler, from a
radiation known as pump delivered by a coherent light source such as a laser.
The frequencies of the three radiations (fs, fc
and fp) are linked by the law of conservation of energy,
i.e. : fs + fc = fp,
where the indices (s, c or p) are related to the signal,
complementary and pump radiations, respectively.
Practically, optical
parametric conversion is obtained by propagating the three radiations through a
non centro-symmetric crystal having a second order optical non-linearity. For
the parametric conversion process to be efficient throughout the propagation of
the radiations through the crystal, it is necessary that the wave vectors of
the different radiations noted kj, with j = p, s
or c, respect a condition known from the prior art as ‘exact phase matching
condition’ or ‘quasi-phase matching condition’. The exact phase matching
condition may be satisfied in crystals having an optical birefringence whereas
the quasi-phase matching condition is fulfilled in crystals having a periodic
inversion of the sign of the optical non-linearity, this can be obtained by
different methods: inversion of ferroelectric domains [L. E. Myers, R. C. Eckardt,
M. M. Fejer, R. L. Byer, W. R. Bosenberg and J. W. Pierce, ‘Quasiphasematched
optical parametric oscillators in bulk periodically poled LiNbO3’, J. Opt. Soc.
Amer. B, 12, pp.2102 - 2116,
1995], alternated crystalline growth [K. L. Vodopyanov, O. Levi, P. S. Kuo, T.
J. Pinguet, L. S. Harris, M. M. Fejer, B. Gerard, L. Becouarn, E. Lallier,
‘Optical parametric oscillation in quasi-phase-matched GaAs’, Opt. Lett., 29,
n°16, pp 1912-1914, 2004] or instead total internal reflection [M. Raybaut, A.
Godard, R. Haidar, M. Lefebvre, Ph. Kupecek, Ph. Lemasson, E. Rosencher,
‘Generation of mid-infrared radiation by self-difference frequency mixing in
chromium-doped zinc selenide’, Opt. Lett., 31, n°2, pp 220-222, 2006]. As
regards ferroelectric materials (lithium niobate, lithium tantalate, etc.),
very widely used at the present time, the inversion of domains is carried out
in a periodic manner with an inversion period equal to twice the coherence
length (lcoh), where lcoh is defined as the
length that covers the three radiations so that their relative dephasing ΔΦ, given by: ΔΦ = Φ,p
- (Φ,s +Φ,c), change of π, Φj
is the dephasing associated with the propagation of the radiation j
over a length lcoh. The quasi-phase matching condition is
then written kp = ks + kc
+ kΛ where kΛ is defined by | kΛ | = π/lcoh. 
The energy distribution
between the signal and complementary radiations (and consequently the values of
the frequencies fs, fc produced by
parametric conversion) is adjustable by acting on the phase matching or
quasi-phase matching condition. Several parameters such as the temperature, the
crystalline orientation or the inversion period of the sign of the optical
non-linearity make it possible to modify the phase matching and thus to tune
over very wide ranges the signal and complementary frequencies derived from the
conversion of the primary laser radiation.
The parametric conversion
of a pump wave into signal and complementary radiations is particularly
interesting for numerous applications. At the forefront of these are
spectroscopy applications such as the detection of molecular or atomic species
that can exist in trace amounts.  The very wide spectral tuning range of
the signal and complementary radiations then make it possible to cover the
different frequencies of absorption of one or more species that it is targeted to
detect. Nevertheless, in order to know the relative abundances of different
species, it is necessary that the tunable radiation produced by parametric
conversion shows a high spectral purity in order to be able to tune the
frequency of the parametric source selectively on the absorption frequencies of
each species without being perturbed by the presence of the absorption
transitions of other compounds. 
The production of
parametric radiation combining both spectral purity and very wide spectral
tuning range is obtained by inserting the non-linear crystal in a particular
optical resonator, known from the prior art as [‘Optical parametric oscillator
with achromatic phase-maintaining pump reflection’,  FR2902940, PCT n°
EP2007/056438]. Figure 1 represents such an oscillator where the signal and
complementary waves oscillate in two nested optical cavities whereas the pump
radiation makes a double path through the non-linear crystal, conserving an
optimal value of the relative dephasing ΔΦ after
reflection by the achromatic mirror 2, so that parametric conversion is
efficient back and forth whatever the operating wavelength of the optical
parametric oscillator. The emission of a radiation of great spectral purity or single
frequency operation is obtained by choosing the lengths of each cavity so that,
in the parametric gain curve, only one single coincidence exists between the
longitudinal modes of the two cavities so that the emission is only established
on this coincidence, as illustrated in figure 2. 
The optical parametric
oscillator with achromatic phase-maintaining pump reflection offers several
advantages: low oscillation threshold, compactness and emission of a radiation
of high spectral purity all over the parametric conversion range. The
continuous tuning of the frequency, or in other words maintaining the
oscillation on the same coincidence, is obtained by shifting this coincidence
of modes of the signal and complementary cavities in the parametric gain curve.
To do this, it is necessary to adjust simultaneously and very finely at least
two parameters (the lengths of each cavity using piezoelectric actuators or the
pump frequency and the length of one cavity or instead the temperature of the
crystal and the length of one cavity, for example) so that the coincidence of
modes between the two cavities, illustrated by figure 2, is very precisely
maintained throughout frequency scanning. A first order calculation, performed
by neglecting the dependence of the index of refraction of the crystal with the
wavelength, shows that the coincidence of modes is maintained if the positions
of the input 1 and output 2 mirrors, vary in the ratio:
2012212139.tif 000015
where
δM1 and δM2 are the displacements of the  input
1 and output 2 mirrors while ls and lc are
the optical lengths of the signal and complementary cavities, respectively. This
relation between the displacements of mirrors 1 and 2 demonstrates that one has
to change linearly the optical lengths of the signal and complementary cavities
in opposite directions to maintain the coincidence of modes.
If the above
relation is applied without any particular attention, in other words without
correcting the movement imperfections due to the non-linearities or the
hysteresis of the piezoelectric actuators 3 and 4, the continuous scanning of
the signal or complementary frequency may only be obtained over a limited
range, of the order of 10 GHz. To obtain a frequency tuning over a more
extended range, it becomes necessary to correct the imperfections of
piezoelectric actuators which are detrimental to the linearity of the movements
and thus to maintain the coincidence of modes. The correction is made by
regularly monitoring the spectral purity of the signal  or complementary radiations
emitted during scanning. This regular control may be carried out automatically using
a  micro-computer 5 interfaced with a spectrometer or with a wavemeter
or  using a standard Fabry Perot etalon 6. It consists in finely
correcting the position of one of the mirrors 1 or 2 to supress the existence
of an unwanted mode, a situation illustrated by figure 3 which shows the
response of the Fabry Perot etalon with and without existence of a parasite mode, case a) and b),
respectively. The response of the etalon shows a
succession of peaks regularly spaced apart by a free spectral range (FSR),
distance corresponding to a variation in the thickness of the etalon equal to a
half wavelength. 
After correction, it is
possible to tune continuously, without mode hop, the frequency of the
oscillator over typically 80 % of the full width of the parametric gain
curve, noted Df. A continuous tuning range is thereby obtained, which
generally exceeds one hundred of GHz for a pulsed operation of the parametric
oscillator in the nanosecond regime which is very widespread. This scanning
method has nevertheless two major drawbacks: a cost increase related to the
price of the control means used (microcomputer and Fabry Perot etalon, for
example) and a limitation of the scanning speed due to the necessity of monitoring
periodically the spectral output. In addition, if one wants to extend the
tuning range beyond the parametric gain width, it is necessary to act on a
third parameter in order to shift the maximum of the parametric gain curve as
the frequency scanning proceeds, which complicates the procedure.
The aim of the proposed
invention is to overcome these limitations, thereby making it possible to
extend the field of use of this type of source, in particular its range and its
rapid frequency scanning capability, while reducing its implementation cost.
The doubly resonant
optical parametric oscillator with achromatic phase-maintaining pump reflection
comprising a pump radiation source at a frequency fp,
comprises, according to the invention, in the forward propagation direction of
the pump radiation along a direction z,
a  non-linear crystal
having a front face and a rear face,
an achromatic mirror
situated downstream of the rear face of the crystal defining with a first
mirror deposited on the front face of the crystal a first resonant cavity for
the signal radiation at the frequency fs and with a second
mirror situated upstream of the front face of the crystal a second resonant
cavity for the complementary radiation at the frequency fc,
the two cavities, of
respective optical lengths ls and lc,
forming a doubly resonant resonator for a single pair of longitudinal signal
and complementary modes, 
the pump radiation at the
frequency fp makes through the crystal a forward path
entering through the front face of the crystal and exiting through the rear
face of the crystal, then, after reflection on the achromatic mirror, a backward
path entering via the rear face of the crystal, the optical indices of which
are respectively ns and nc at the signal fs
and complementary fc frequencies,
the crystal is of
prismatic shape with its rear face inclined along a non-zero angle α with
respect to the direction x orthogonal to the direction z of propagation of the
radiations, the crystal being moveable within the xz plane 
the invention is
characterised in that the crystal is moveable in translation within the plane xz
along a direction inclined by a non-zero angle β with respect to the direction x such that 
2012212139.tif 000016
to modify simultaneously
the respective optical lengths  ls and lc,
of the two resonant cavities in a ratio such that the double resonance for a
single pair of longitudinal signal and complementary modes is maintained and as
a result the values of the frequencies fs and fc
are thus continuously tunable over a wide range, without having to use a device
for monitoring and correcting the lengths of cavities to guarantee the
coincidence of modes between the two cavities. 
The
operating principle of the invention is the following: moving by translation within
the xz plane the moveable crystal in the direction inclined by the angle βwith respect to the direction x, the transversal
and longitudinal positions of the crystal in the two cavities are
simultaneously modified and in this way the optical lengths of the signal (ls)
and complementary (lc) cavities:
- ls changes because, firstly,
the optical distance covered in the crystal is modified given its prismatic
shape and the transversal component of the movement (along the direction x) ;
secondly, the longitudinal components act on the position of the crystal along
the direction z and thus on the position of the mirror deposited on the
entry face of the non-linear crystal;
- lc changes because the
optical distance covered in the crystal is modified given its prismatic shape
and the transversal component (along the direction x) of the movement.
For
a given angle
α, one needs to choose the value of the
angle β so that one cavity becomes longer whereas the other
becomes shorter in the ratio that maintains the coincidence of modes. A first
order calculation (disregarding both the variation of the index of the crystal
as a function of the change of wavelength obtained and the dependence of R
as a function of slight variations in ls and lc
makes it possible to easily find the relation between the angles α and β to maintain the coincidence of modes :
2012212139.tif 000017
where
ns and nc are the optical indices of the
non linear crystal at the signal and complementary frequencies.
Advantageously,
the non linear crystal comprises periodic inversion domains traversed
successively by the radiations along the direction z making it possible
to operate in quasi-phase matching. In this respect, reference may
advantageously be made to the teachings of the invention having given rise to
the patent application FR 2 902 940.
According
to this quasi-phase matching operating mode, the rear face of the last periodic
domain traversed before reflection on the achromatic mirror is oriented along a
plane intersecting the plane xy, the direction y being orthogonal
to the directions x and z, along a straight line parallel to the
direction y and as a result the relative phase value ΔΦ between
the waves is maintained whatever the position of the crystal in the direction x.
In
order to benefit from a continuous tuning range greater than the width of the
parametric gain curve, the periodicity of the inversion domains of the crystal
varies continuously in the direction x (crystal known as ‘fan-out
periodic poled crystal’). The variation in periodicity of said crystal along
the direction x may then be such that the maximum of the parametric gain
curve shifts in a synchronous manner with the double resonance ratio of the
signal and complementary cavities. Thus, by acting on a single parameter, it is
possible to continuously tune the frequency of the optical parametric
oscillator over a range that is not limited to the width of the parametric gain
curve (Δf).
Obviously,
the more extended the frequency tuning range, the more the variation in optical
lengths of the cavities due to the dispersion of the optical index and the
movement of the crystal itself need to be taken into account. In other words,
the relation between α and β, established above to the first order (R, ns
and nc assumed constant), ceases to be valid for very wide
scannings. However, a complete calculation shows that the deviation from the
relation established above remains  below 1 % for a continuous tuning
range of 1 THz. If necessary, the frequency of the pump laser can be adjusted.
It is then possible to compensate the optical dispersion of the crystal and the
variation in the lengths of the cavities to obtain continuous tuning over a
very extended frequency range without affecting the scanning speed. The
frequency of the pump laser may be delivered by a tunable laser such as a fibre
laser.
It
is also possible to compensate the optical dispersion of the crystal leading to
the variation in the optical lengths of the cavities without affecting the
scanning speed, by modifying the optical length of the non linear crystal by
electro-optical effect, during scanning. 
Other characteristics and
advantages of the invention will become clearer from the description that
follows and the non-limiting examples. 
The appended drawings
illustrate the invention:
-           Figure
1 represents an optical parametric oscillator with achromatic phase-maintaining
pump return, known from the prior art, with its frequency control device for
continuous wavelength scanning; 
-           Figure
2 illustrates the single frequency operation of the oscillator obtained by
making a longitudinal mode of the signal cavity coincide with a longitudinal
mode of the complementary cavity in the width of the parametric gain curve (Δf);
-           Figure
3 shows the response of a Fabry Perot etalon with appearance of a parasite mode
(case a) and in the case of a pure single frequency operation (case b), each
transmission peak is reproduced in an identical manner after a frequency
deviation equal to the value of a free spectral range (FSR) of the etalon;
-           Figure
4 shows
schematically the implementation of the invention;
-           Figure
5 shows an implementation of the invention with a crystal of periodically poled
lithium niobate (PPLN), a) diagram of the cavity, b) side view of the PPLN
crystal illustrating the inversion domains;
-         Figure
6 is relative to an implementation of the invention with a periodically poled
lithium niobate crystal having a continuously variable inversion period along
the direction x (fan-out type PPLN crystal),  a) general diagram of the
cavity, b) illustration of the variation in the inversion period along the
direction x, c) 3D illustration of the crystal;
-           Figure
7 is relative to an implementation of the invention with a part of the crystal
of variable optical length by electro-optical effect,  a) diagram of the
cavity, b) sectional view of the crystal illustrating the variable optical
length part with the command electrodes;  
-           Figure
8 is relative to an implementation of the invention with a crystal having a
second angle γ along the direction y in order to be able to
adjust the value of the relative dephasing ΔΦ between the waves by simple movement of the crystal in the
direction y, perpendicular to the plane xz.
A general diagram of the
implementation of the invention is given in figure 4. The pump laser 11
delivers a primary radiation at the frequency fp which passes
through an optical isolator 12 then a beam splitter 13 making it possible to
filter the complementary radiation of the pump radiation which has passed
through the non-linear crystal 7 before being reflected by the achromatic
mirror 2. Said achromatic mirror 2 reflects all or part of the three radiations
while maintaining constant the relative dephasing between these radiations (ΔΦ)
whatever the signal or complementary frequency of the optical parametric
oscillator. The mirror 8, deposited on the input face of the non-linear crystal
7 is totally reflecting at the signal frequency although totally transparent to
the other two wavelengths, whereas the mirror 1 is transparent to the pump and
signal radiations while partially reflecting the complementary wavelength which
is available for the user after reflection on the beam splitter 13. The
non-linear crystal 7 is mounted on a stage moving in translation in the plane xz
14 which ensures the movement along the angle β with respect to the direction x with a view to the continuous
tuning of the frequency. The angles α and β are marked in figure 4 with respect to the direction x orthogonal
to the direction z of propagation of the radiations, the direction y
is orthogonal to the figure plane. 
Figure 5 shows a first
implementation of the invention with a periodically poled lithium niobate (PPLN)
crystal pumped by a Nd :YAG laser at 1.064 μm with a view to produce a signal wave at 1.45 μm (ns ~ 2.14) and a
complementary wave at 4 μm (nc ~
2.06), for a conventional type 0 quasi-phase matching. The last periodic domain
15 traversed before reflection on the achromatic mirror 2 is oriented parallel
to the exit face 9 of the crystal 7, and as a result the relative phase value ΔΦ
between the waves is maintained whatever the position of the crystal in the
direction x. The exit face 9 is anti-reflection coated for the three
wavelengths in order to reduce Fresnel losses at the crystal exit. The ratio of
the optical lengths of the cavities (ls/lc) is chosen equal to 0.96 (typical value that makes it possible to obtain a
stable single frequency operation). The application of the relation between the
angles α  and β  shows that in these conditions β ~ 1.5 α. For a typical value of the angle α = 0.5° and an optical length lc
of 12 mm (cavity containing a lithium niobate crystal of 5 mm long), a tuning
range of 58 GHz is obtained for a movement of the stage of 1 mm. Knowing that the speed of movement of a commercially available stage is of the order of
5 mm / s, it is found that the scanning speed is then
290 GHz / s, whereas it is typically 0.5 GHz / s
when the two lengths of cavity are adjusted separately using piezoelectric
actuators and that movement imperfections are corrected by implementing a
wavelength measurer interfaced to a micro-computer [A. Berrou, M. Raybaut, A.
Godard, M. Lefebvre, Appl. Phys B, 98 (2010)].
Figure
6 illustrates an implementation of the invention with a lithium niobate crystal
with continuously variable inversion period along the direction x,
‘fan-out’ type crystal. For the preceding conditions (5 mm long crystal of lithium niobate operating around 4 μm for the complementary
wavelength with α= 0.5° and β= 0.75°), it may be deduced that a continuous
frequency tuning range of 580 GHz is obtained for a transversal movement
of the stage equal to 10 mm. The central wavelength of the optical parametric
oscillator will follow this frequency variation by choosing a  ‘fan-out’
crystal, the inversion period of which varies between 28.3 and 28.38 μm over 10 mm. The geometric specifications of such a
crystal are for example a length along the direction z of 5 mm, a thickness of 1 mm along the direction y and 10 mm height along the direction x, the length of each domain varying from 28.3 μm to 28.38 μm as indicated in
part b) of figure 6. 
Figure
7 illustrates an operating mode which makes it possible to compensate the
optical dispersion of the crystal and the variation in the ratio R in
the case of continuous frequency tuning over a very wide range, typically
greater than 1 THz. The lithium niobate crystal is here used in type II
quasi-phase matching.  In order to compensate its optical dispersion, it
comprises a first domain 16 of variable optical length, not inversed periodically.
For this type of type II phase matching, the complementary wave is polarised
along the crystallographic axis c of the crystal, oriented along the
direction y, and the signal and pump waves are polarised orthogonally to
the crystallographic axis c. By application of an electric field along
the crystallographic axis c of the crystal using electrodes 17A and 17B,
the optical length of the complementary resonant cavity is adjusted in order to
compensate the optical dispersion between the three radiations and the
variation in the ratio R, which no longer becomes negligible for a
frequency tuning over a very wide range.  
Figure
8 shows an operating mode which makes it possible to adjust the value of the
phase relative to the return (ΔΦ) between the waves by modification of
the position along the direction y of the crystal in the optical cavity.
The adjustment of the position of the crystal 7 along the direction y
may be obtained by inserting for example a piezoelectric wedge between the
moving stage and the crystal. With this aim, the rear face (9) of the last
periodic domain (15) is polished so that it forms an angle γ with respect to the direction y in any section along a plane
parallel to the plane yz. Depending on the crystal used, the value of
the angle γ is obtained from prior knowledge of the values of the
optical indices. Thus, for a crystal of lithium niobate of 1 mm thickness, the value of the angle γ is chosen around 0.6° in order to be
able to vary by p the value of ΔΦ and thereby obtain the optimal phase
so that the parametric conversion is efficient out as it is in return. Once the
adjustment of the phase is done, the continuous frequency tuning is obtained as
previously, by moving the crystal along the angle β with respect to the direction x. This implementation configuration
makes it possible to reduce the polishing constraints of the crystal 7, in particular it is not necessary to specify the thickness of the last domain 15, given the
possibility of varying this thickness by the vertical movement of the crystal.
Obviously,
the types of embodiment proposed do not represent an exhaustive list of
possible embodiments.
【請求項１】
Doubly
resonant optical parametric oscillator with achromatic phase-maintaining pump
reflection comprising a pump radiation source at a frequency fp,
and comprising in the forward propagation direction of the pump radiation a non
linear crystal (7) having a front face (8) and a rear face (9), an achromatic
mirror (2) situated downstream of the rear face of the crystal, defining with a
first mirror (10) situated on the front face (8) of the crystal (7) a first
resonant cavity for the radiation signal at the frequency fs
and with a second mirror (1) situated upstream of the front face (8) of the
crystal (7) a second resonant cavity for the complementary radiation at the
frequency fc, the two cavities, of respective optical lengths
ls and lc, forming a doubly resonant
resonator for a single pair of longitudinal signal and complementary modes, the
pump radiation at the frequency fp makes through the crystal
a forward path entering via the front face (8) of the crystal and exiting via
the rear face (9) of the crystal, then, after reflection on the achromatic
mirror (2), a backward path entering via the rear face (9) of the crystal, the
optical indices of which are respectively ns and nc
at the signal fs and complementary fc
frequencies, the crystal is wedged with its rear face (9) inclined along a non
zero angle α with respect to the direction x orthogonal to the
direction z of propagation of the radiations, the crystal (7) being
moveable in the plane xz  
characterised in
that the crystal (7) is moveable in translation in the plane xz along a
direction inclined by a non zero angle β with respect to
the direction x such that
2012212139.tif 000018
to modify simultaneously the respective optical lengths ls
and lc of the two resonant cavities in a ratio such that the
double resonance for a single pair of longitudinal signal and complementary
modes is maintained,  and as a result the values of the frequencies fs
and fc are continuously tunable over a wide range.
【請求項２】
Optical parametric oscillator according to claim 1, characterised in that
the non-linear crystal comprises periodic inversion domains traversed
successively by the radiations along the direction z making it possible to
operate in quasi-phase matching.
【請求項３】
Optical parametric oscillator according to claim 2, characterised in that
the rear face (9) of the last periodic domain (15) traversed before reflection
on the achromatic mirror (2) is oriented along a plane intersecting the plane
xy, along a straight line parallel to the direction y, and as a result the
relative phase value ΔΦ between the waves is maintained whatever the
position of the crystal in the direction x.
【請求項４】
Parametric oscillator according to claim 2, characterised in that the
periodicity of the inversion domains of the crystal varies continuously in the
direction x.
【請求項５】
Parametric oscillator according to claim 4, characterised in that the
variation in the periodicity along the direction x is such that the maximum of
the parametric gain curve shifts in a synchronous manner with the double
resonance ratio.
【請求項６】
Optical parametric oscillator according to claims 3 or 4, characterised
in that the rear face (9) of the last periodic domain (15) is polished so that
it forms an angle γ with respect to the direction y in any section along a plane
parallel to the plane yz, and as a result the value of the phase
relative to the return (ΔΦ) between the waves may be adjusted by
modification of the position along the direction y of the crystal in the
optical cavity.
【請求項７】
Parametric oscillator according to claim 1, characterised in that the
frequency of the pump laser is tunable and, as a result, it is possible to
compensate the optical dispersion of the crystal and the variation in the optical
lengths of the cavities, to obtain a continuous tuning over a very wide
frequency range.
【請求項８】
Parametric oscillator according to claim 2, characterised in that the
first domain is of variable optical length and as a result it is possible to
compensate the optical dispersion of the crystal and the variation in the
optical lengths of the cavities to obtain continuous tuning over a very wide
frequency range. 
【請求項９】
Parametric oscillator according to claim 8, characterised in that the
complementary wave is polarised along the crystallographic axis c of the
crystal and the signal and pump waves being polarised orthogonally to this axis
c oriented along the direction y, an electric field is applied
along the axis c to adjust the optical length of the complementary
resonant cavity in order to compensate the optical dispersion between the three
radiations and the variation in the ratio R.
Doubly resonant optical parametric
oscillator with achromatic phase-maintaining pump reflection comprising a
source (11) of pump radiation (fp), a non linear crystal (7)
situated within two resonant cavities for the signal (fs) and
complementary (fc) radiations of respective optical lengths ls
and lc,, and forming a doubly resonant resonator for a single
pair of longitudinal signal and complementary modes, the crystal is of
prismatic shape with its rear face (9) inclined along a non zero angle α
with respect to the direction x orthogonal to the direction z of
propagation of the radiations,  the crystal (7) being moveable within the
plane xz.
The crystal (7) is
moveable along a direction forming a non zero angle β with respect to the direction x to enable fast frequency scanning
of the oscillator, the value of β is fixed so that the movement of the
crystal (7) is accompanied by a change in the respective optical lengths ls
and lc of the two resonant cavities in a ratio such that the
double resonance condition between the longitudinal modes of each cavity is
maintained and as a result the values of the frequencies fs
and fc are continuously tunable over a wide range without
having to use a device for monitoring and correcting  cavity lengths
capable of maintaining the coincidence of modes between the two cavities.
【選択図】    Figure 4
【図１】
2012212139.tif 000019
【図２】
2012212139.tif 000020
【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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