(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノンコリニア光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）とポンプ波光源とを含むレーザ装置であって、ＯＰＧが、光パラメトリック発生器内に固定して取り付けられた非線形結晶と、発生した波の少なくとも一つが共振する共振器を形成する反射手段とを含み、ポンプ波および発生した各波の非線形結晶の光学軸に対する相対的な配向が、実質的に、発生した波の一つのポンプ波の配向に対する波長の同調曲線に変曲点が生じて、広帯域スペクトル出力が得られるようになっているレーザ装置。
【請求項２】
一対の反射器をさらに含み、それによりポンプ波がＯＰＧに結合される、請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項３】
反射器が一対のダイクロイックミラーを含む、請求の範囲第２項に記載の装置。
【請求項４】
ポンプ波反射手段をさらに含み、それによりポンプ波光源の強度が高められる、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の装置を含む連続的に同調可能な狭帯域光源であって、反射手段をさらに含み、この反射手段が少なくとも一つの鏡および同調手段を含み、この少なくとも一つの鏡が固定され、同調手段が可動式に取り付けられ、連続的に同調可能な狭帯域出力が生み出されるようになっている光源。
【請求項６】
同調手段が分散的である、請求の範囲第５項に記載の連続的に同調可能な狭帯域光源。
【請求項７】
分散的同調手段が、リトローまたはリットマン配置の回折格子、リトロープリズム、あるいは音響光学偏光器の一つを含む、請求の範囲第６項に記載の光源。
【請求項８】
請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のレーザ装置を含む、可干渉性トモグラフィ用の光源。
【請求項９】
請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のレーザ装置を含む、媒体の分光分析用のシステムであって、分析手段をさらに含み、発生した波の一つが媒体と接触し、分析手段が接触後にこの発生した波のスペクトルを分析するシステム。
【発明の詳細な説明】
本発明はレーザ装置に関する。
光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）は、ある特定のスペクトル範囲内のレーザ状出力を発生させるために使用されている。ＯＰＧは、ポンプ光源が当てられる非線形結晶材料を含む。スペクトル範囲は、ポンプ光源の波長、使用する非線形材料のタイプ、およびこれに関連し実施する幾何形状のタイプによって制約される。ＯＰＧの出力は、通常は、ポンプ軸に対する結晶軸の角度によって決まる波長を中心とする比較的狭いスペクトル帯域幅となる。従来通り、この中心波長は、結晶の配向を変更する、または結晶の温度を変化させることによって連続的に同調させることができ、同調は、運動量の保存、すなわち非線形光学系の用語で言えば位相整合の原理を考慮して行われる。通常は、ある特定の結晶の配向では、ごく狭いスペクトル範囲の信号およびアイドラ波長は位相整合の制約を満たし、したがってごく狭いスペクトル範囲の信号およびアイドラ波長を同時に発生させることができる。色素レーザシステムまたはバイブロニックレーザシステムを使用してより広いスペクトル帯域幅の出力を得る試みがなされているが、色素システムで使用される色素は有害となることもあり、特殊な安全措置が必要となり、一方、バイブロニックシステムは操作が複雑であり、得られる帯域幅も通常は５０ｎｍ未満と小さい。
本発明の第一の態様によれば、レーザ装置は、ノンコリニア（ｎｏｎ−ｃｏｌｌｉｎｅａｒ）光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）とポンプ波光源とを含み、ＯＰＧは発生器内に固定して取り付けられた非線形結晶を含み、ポンプ波および発生した各波の非線形結晶の光学軸に対する相対的な配向は、実質的に、発生した波の一つのポンプ波の配向に対する波長の同調曲線に変曲点が生じ、それにより広帯域スペクトル出力が得られるようになっている。
本発明は、頑丈であり、従来の広帯域装置より安全かつ簡単に使用できる、より大きな帯域幅を与える装置から広帯域出力を生み出す。
この装置が、発生した波の少なくとも一つが共振する共振器を形成する反射手段をさらに含むことが好ましい。ポンプ波はＯＰＧに直接進入することも、反射手段を介して進入することもできるが、このレーザ装置が一対の反射器をさらに含み、それによりポンプ波がＯＰＧに結合されることが好ましい。
反射器は、一対のダイクロイックミラーを含むことが好ましい。
この装置がポンプ波反射手段をさらに含み、それによりポンプ波光源の強度が高められることが好ましい。
本発明の第二の態様によれば、増幅器は、第一の態様による装置と、この装置にシード波を注入する手段とを含む。
従来の狭帯域ＯＰＧ増幅器では、シード波の波長と整合するようにＯＰＧ内の結晶を回転させなければならないが、本発明ではその必要はなく、構造はより簡単になる。本発明により、広帯域増幅のためのより広い利得帯域幅および改善されたスペクトル範囲を達成することも可能となる。
本発明の第三の態様によれば、本発明の第一の態様によるレーザ装置を含む連続的に同調可能な狭帯域光源は反射手段をさらに含み、この反射手段は、少なくとも一つの鏡および同調手段を含み、この少なくとも一つの鏡は固定され、同調手段は可動式に取り付けられ、連続的に同調可能な狭帯域出力が生み出されるようになっている。
従来は、光源を同調させる度に結晶を再配向する必要があったが、本発明では同調手段を調節するだけでよい。
同調手段はエタロンを含むことができるが、同調手段は分散的であることが好ましい。分散特性を有していればいかなる適当な構成要素でも使用することができるが、分散的同調手段は、リトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）またはリットマン（Ｌｉｔｔｍａｎ）配置の回折格子、リトロープリズム、あるいは音響光学偏光器を含むことが好ましい。
本発明の第四の態様によれば、可干渉性トモグラフィ光源は、本発明の第一の態様によるレーザ装置を含む。
本発明の装置の帯域幅の増大によって可干渉距離がさらに短くなり、解像度の高められた３Ｄ撮像が可能となる。
本発明の第五の態様によれば、媒体の分光分析用システムは本発明の第一の態様によるレーザ装置を含み、このシステムは分析手段をさらに含み、発生した波の一つが媒体と接触し、分析手段は、接触後にこの発生した波のスペクトルを分析する。
本発明によるレーザ装置の例およびその応用例について、添付の図面に関連して以下に記述する。
第１図は、本発明によるレーザ装置を示す図である。
第２図は、発振器を形成するようになされた、本発明によるレーザ装置を示す図である。
第３図は、追加のポンプ波結合反射器を有する、本発明によるレーザ装置を示す図である。
第４図は、第３図の装置についての同調曲線を示す図である。
第５図は、本発明によるさらに別のレーザ装置を示す図である。
第６図は、第５図の装置についての同調曲線を示す図である。
第７図は、第二種位相整合の幾何形状を有する、本発明によるレーザ装置を示す図である。
第８図は、第７図の装置についての同調曲線を示す図である。
第９図は、同調した狭帯域出力を生み出す、本発明によるレーザ装置を示す図である。
第１０図は、本発明によるレーザ装置を組み込む、分光分析用システムを示す図である。
第１１図は、第１０図のシステムにおける波の発生を示す図である。
第１２図は、本発明によるレーザ装置を組み込む、もう一つの分光分析用システムを示す図である。
第１３図は、非線形媒体としてＢＢＯを利用する第一種光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を示す図である。
第１４図は、散乱媒体を介した高解像度３Ｄ撮像用の撮像システム中で使用する、本発明によるレーザ装置を示す図である。
第１図は、本発明によるレーザ装置の第一の例を示す図である。この装置は、光学軸２がその中で規定された非線形結晶１から形成された光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）を含む。ポンプ波３はポンプ光源４から入力され、光学軸２に対して角度αで結晶１から出る。発生した波５は光学軸２に対して角度βで結晶から出る、第２図では、発生した信号波５この場合では共振波のための定常波共振器を規定する一対の鏡６、７が設けられ、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を形成している。別法として、鏡を追加して、鏡６、７でリングキャビティを形成することもできる。
ポンプ波３は鏡６、７を通って、またはその周囲から進入することも、第３図に示すように、ポンプ光源４からのポンプ波３を結晶１に結合する一対の反射器８、９を介して進入することもできる。通常は、これらの反射器はダイクロイックミラーであり、ポンプ波のみが反射され、信号波はこれらを通過するようになっている。第３図に示す任意選択の機構は、ポンプ波３を二重通過させることによってポンプ光源４の強度を高めるポンプ波反射器１０である。
ポンプ波３は結晶１に入射し、出力信号波５およびアイドラ波（図示せず）が発生する。これらの例では、結晶１は、容易に入手できるベータバリウムボレート（ＢＢＯ）であり、ＯＰＧは第一種ノンコリニア位相整合の幾何形状を有する。リチウムトリボレート（ＬＢＯ）、および周期的にポーリングされたニオブ酸リチウム（ＰＩＰＬＮ）などの周期的にポーリングされた非線形材料も含めて、その他のタイプの結晶を使用することもできる。周期的なポーリングを変化させることにより、疑似位相整合が生み出され、より高い非線形係数を利用することが可能になる。第一種幾何形状は、ポンプ波３の偏向方向が信号波５およびアイドラ波の両方の偏向方向に対して直交するように規定される。非線形結晶１は、共振した信号波５およびポンプ波３が、それぞれ光学軸２に対するポンプ波ベクトル方向および信号波ベクトル方向を特定の一連の角度α、βで、結晶１を通過するように配列される。
動作中に、ＯＰＯは、Ｑスイッチのネオジウムイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザの第三高調波（３５５ｎｍ）によってポンプされる。ポンプパルスのエネルギーは１０ナノ秒の持続時間で１５ｍＪ以下である。第３図の特定の構成では、光学軸２に対する信号波ベクトル方向の角度β＝４０．３°、光学軸に対するポンプ波ベクトル方向の角度α＝３５．９°である。与えた角度は概算であり、その条件は、それらが、波長対ポンプ波配向の曲線中で変曲点が生じる、信号波ベクトル方向およびポンプ波ベクトル方向についての概算角度となることである。この幾何形状では、ウォークオフは一部ノンコリニア性によって補償される。ただし、ウォークオフを補償することは不可欠というわけではない。ＢＢＯ結晶はθ＝４０°で切断され、８×４×１８ｍｍ3の寸法を有する。入力面および出口面は、単一層のフッ化マグネシウムコーティングで広帯域無反射コーティングされる。この結晶およびポンプの幾何形状では、０．６ミリラジアンのポンプビームの固有の拡がり留意すれば、Δｋ＜π／１という通常の位相整合条件から、結晶の長さ（１）が１８ｎｍであれば、この幾何形状の同調曲線を図示する第４図に示すように５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲にわたって広帯域発振が観察されるものと予想される。この構成ではウォークオフ効果がほとんどないので、長い結晶を使用することができることに留意されたい。これと同様のスペクトル範囲を実験で観察した。
第５図は、信号波ベクトル方向を光学軸２に対してβ＝３１．５°とし、ポンプ波ベクトル角をα＝３５．９°とした、さらに別の例を示す図である。この構成は第一の例と比較して比較的大きなウォークオフ角を有するが、より大きな許容角および有効な非線形係数を有する。その出力の帯域幅は、第６図の同調曲線で示すように、第３図の例のそれと同調である。
別の例を第７図に示す。これは、非線形結晶材料としてＢＢＯを利用する第二種ノンコリニアＯＰＯを示す図である。第二種幾何形状は、信号波およびアイドラ波の偏向ベクトルが互いに直交し、一方がポンプ波の偏向ベクトルと平行になるように規定される。このＯＰＯの特定の構成では、光学軸２に対する信号波ベクトル方向β＝４０．５°、光学軸に対するポンプ波ベクトル方向α＝３６．０５°である。この構成の重要性は、第８図に示す約９００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲にわたる極端に広い帯域幅を示す可能性がある点にある。
第９図の例では、連続的に同調可能な狭帯域光源が図示されている。この場合、ＯＰＯ共振器の一方の鏡７が分散エレメント、この例ではリトローまたはリットマン配置の回折格子１１で置換されている点を除いて、前述の実施形態で記述したものと同様のレーザ装置を利用する。この配列の利点は、従来の狭帯域光源では重大な問題となる可能性がある、非線形結晶１の配向を変化させる必要がない点である。第９図は、一次リトロー配置回折格子の場合のこの実施形態を説明する図である。従来の狭帯域光源では、非線形結晶の配向および回折格子の配向の両方に対して相補的な調節を行い、このような狭帯域装置の同調を達成する必要がある。本発明のレーザ装置に適当な位相整合幾何形状を実施すれば、スペクトル出力の波長を制御する手段として回折格子１１の調節は維持したまま、結晶の配向を調節する必要がなくなることにより、この複雑さは軽減される。
レーザ装置の別の応用例は、発生した波の一つの空間分散特性を利用する分光分析器として運用するものである。この装置の動作の性質は、発生した波すなわち信号波またはアイドラ波の一方の周波数で発生した光のあらゆる光子について、相補的な波の周波数の一方で発生した第二の光子が存在することを必要とし、エネルギー保存には、ｐ、ｓ、およびｉがポンプ波、ならびに発生した二つの波、つまり信号波およびアイドラ波を指すものとして、ωp＝ωs＋ωiとなることが必要となる。何らかの信号波周波数でこの装置の優先的または改善された動作が確立されると、何らかの対応するアイドラ周波数でも優先的または改善された出力が観察される。空間的に分散したアイドラ波１３をレンズ１２を介して例えばＣＣＤアレイ１４上に結像させることにより、分散した波の強度の任意の変動を測定することができる。この効果は、例えば下記の様々な方法で分光分析を実行する際に利用することができる。
（ｉ）最初の四つの実施形態で記述したタイプと同様のレーザ装置で発生させた信号波のスペクトル範囲内の周波数の光１５が非線形結晶１に注入されると、その周波数で優先利得が観察されることになり、それに対応する二次波の強度の増大がＣＣＤアレイ１４で監視される。適当な数値解析により、注入された波の存在、波長、および強度を導出することができ、したがって広帯域光検出器および分光分析器として働く。これを第１０図および第１１図に概略的に示す。第１１図は、同軸の波および空間的に分散した波の発生を示すノンコリニア位相整合機構を示す図であり、ｘは分析可能な帯域幅であり、空間的に分散したアイドラ波１６は、注入されて結晶１を通過した光１５から発生したものとする、この配列の装置は、遠隔汚染監視に使用して、例えば大気中のＣＯ2のレベルまたはその他の有害ガス、あるいは河川および河口の油、汚水、化学薬品などの汚染物質の存在を識別および監視することができる。
（ｉｉ）材料の吸収特性は、第１２図に概略的に示すものと同様の装置タイプで研究することができる。吸収サンプルは、ＯＰＯの外側に位置決めすることもできるが、この場合には、サンプル１７はＯＰＯ内に位置する。このサンプルは、ＯＰＯの信号波スペクトル範囲内の周波数で光を吸収する。したがってこれらの周波数は抑制され、この変調はやはりＣＣＤアレイ１４上で監視される相補的な分散波のプロフィルに現れる。この例の応用例は第１０図の場合と同様であるが、遠隔操作でなくサンプルを収集することができる場合である。代替の分光分析の応用例として、レーザ装置は、差分吸収光（ＤＩＡＬ）の検出およびレンジング用の広帯域光の光源として使用することもできる。
第１３図は、非線形媒体としてＢＢＯを利用する第一種光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を示す図である。この増幅器は、光学軸２を有する非線形結晶１と、一対の反射器８、９と、光ポンプ反射器１０とを含む。ポンプ波３はポンプ光源４から発生し、信号波５は、この信号波の方向に沿って非線形結晶１に広帯域または狭帯域放射線を照射することによってシードされ、その結果、位相整合の制約によって規定された位相整合可能なスペクトル範囲内にあるスペクトル成分は光学利得を受ける。
この装置の別の応用例は超短パルス発生器である。ポンプ光源は、きわめて短いパルス持続時間を有するように選択され、この装置は特に超短パルスを発生させるために使用される。達成可能な最短のパルス持続時間は、不確実な関係ΔυΔτ＜１によってパルスのスペクトル幅から決定される。本発明のレーザ装置はＯＰＯの許容帯域幅を拡張し、その結果持続時間のより短いパルスの発生を可能にする。パルス圧縮は、チャープ反転および非線形結晶中の自己圧縮によって達成される。
この装置が適している第１４図に示す別の応用例は、多色光源に伴う短い可干渉距離および低いビームの拡がりに基づいて、撮像に適用するために深い深さと高い空間的解像度とを結合する、可干渉性トモグラフィ用の光源２４である。従来の光源は、組織など濁った媒体で現れる散乱効果を補償するのに必要なパワーおよび帯域幅が不足している。レーザ装置１８は本明細書で記述したタイプにすることができ、装置１８から出力されたコリニア、同軸、かつ多色性のビーム１９がビームスプリッタ２２によって二つのビーム２０、２１に分割される補助装置を伴う。一方のビーム２０は、埋め込まれた、またはより離れた対象物２４の深さおよび空間の解像度が必要とされる散乱媒体２３を横切って、対象物に当たり、後方散乱される。もう一方のビーム２１は調節可能な遅延線２５を横切り、その後二つのビームは非線形の可干渉性検出装置２６に入る。したがって、散乱材料の影響が補償されて改善された画像を与える、対象物、例えば骨や腫瘍の画像を得ることができる。
上記の実施形態は、例示のみを目的として記述したものであり、本発明の範囲を逸脱することなくそれらに修正を加えることもできる。例えば、その他の非線形材料を実施することもできる。この種の実現可能な構成としては、ｘ−ｙ平面中での光学軸に対する信号波ベクトル方向が５１°やはりｘ−ｙ平面中での光学軸に対するポンプ波ベクトル方向が４７．５°となる、非線形媒体としてＬＢＯを利用する第一種ノンコリニアＯＰＧがある。さらに、広帯域出力の中心波長は、３０８ｎｍで動作する塩化キセノン（ＸｅＣｌ）エキシマレーザからの出力など、異なるレーザ波長を有するその他のポンプ光源を使用することによってシフトさせることができる。この場合には、ＢＢＯベースの装置の信号波ベクトル方向は光学軸に対して４７．６°、ポンプ波ベクトルは光学軸に対して４２．５°となる。
【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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