(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光媒質に励起光を照射して発光させ、前記発光媒質から出力された光を共振器により増幅して発振させると共に発振光のうち特定の波長域を選択する光波長同調方法であって、
前記共振器と少なくとも一部を共有する共振器中に少なくとも１種の希土類イオンを含む光吸収体を配置し、前記光吸収体の吸収スペクトルを利用して前記発振光の波長の狭帯域化を行う
光波長同調方法。
【請求項２】
前記希土類イオンとしてネオジムイオンを含む光吸収体を用いる請求項１記載の光波長同調方法。
【請求項３】
前記発光媒質としてレーザー媒質を用いる請求項１または２に記載の光波長同調方法。
【請求項４】
前記レーザー媒質をチタンサファイアにより構成する請求項３記載の光波長同調方法。
【請求項５】
前記発光媒質として光パラメトリック効果により光を出力する非線形光学結晶を用いる請求項１または２に記載の光波長同調方法。
【請求項６】
前記発振光の波長を７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光波長同調方法。
【請求項７】
前記発光媒質に５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起光を照射して発光させる請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光波長同調方法。
【請求項８】
前記発光媒質または前記光吸収体の少なくとも一方を、前記発振光がブリュースター角で入射するように構成する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光波長同調方法。
【請求項９】
前記発振光を波長変換素子に入射する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光波長同調方法。
【請求項１０】
前記発振光と共に和周波混合用光を前記波長変換素子に入射し、前記波長変換素子によりそれらを和周波混合する請求項９記載の光波長同調方法。
【請求項１１】
２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の範囲内の波長を有する前記和周波混合用光を前記波長変換素子に入射すると共に、前記発振光の波長を７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調する請求項１０記載の光波長同調方法。
【請求項１２】
励起光を受けて光を発生する発光媒質と、
前記発光媒質から出力された光を増幅し発振光を発振させる共振器と、
前記共振器と少なくとも一部を共有する共振器中に配置されると共に、少なくとも１種の希土類イオンを含み、吸収スペクトルを利用して前記発振光の波長の狭帯域化を行う光吸収体と
を備えた光発振装置。
【請求項１３】
前記光吸収体は、希土類イオンとしてネオジムイオンを含む請求項１２記載の光発振装置。
【請求項１４】
前記発光媒質は、レーザー媒質よりなる請求項１２または１３に記載の光発振装置。
【請求項１５】
前記レーザー媒質は、チタンサファイアよりなる請求項１４記載の光発振装置。
【請求項１６】
前記発光媒質は、光パラメトリック効果により光を出力する非線形光学結晶よりなる請求項１２または１３に記載の光発振装置。
【請求項１７】
前記光吸収体により選択される発振光の波長は７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内である請求項１２ないし１６のいずれか１項に記載の光発振装置。
【請求項１８】
更に、前記発光媒質に５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起光を照射する励起光源を備えた請求項１２ないし１７のいずれか１項に記載の光発振装置。
【請求項１９】
前記発光媒質または前記光吸収体の少なくとも一方は、発振光がブリュースター角で入射するように構成された請求項１２ないし１８のいずれか１項に記載の光発振装置。
【請求項２０】
更に、発振光が入射される波長変換素子を備えた請求項１２ないし１９のいずれか１項に記載の光発振装置。
【請求項２１】
更に、和周波混合用光を出力する和周波混合用光源を備えると共に、前記波長変換素子は、和周波混合用光と発振光とを和周波混合する和周波混合手段である請求項１９記載の光発振装置。
【請求項２２】
前記波長変換素子により和周波混合する和周波混合用光は２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の範囲内の波長を有すると共に、発振光は７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する請求項２１記載の光発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光媒質から出力された光を共振器により増幅して発振させる発振光の波長を同調する光波長同調方法、およびその光発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光は、一般に、電波よりも周波数が高いので情報収容能力が大きく、また、波長が同一であり位相がそろっているので単色性や指向性に優れ、通常の光線にはみられない干渉性を持つという特性を有している。更に、極めて細く収束できるので、微小な面積にエネルギーを集中して局部的にかつ瞬間的にも高温高圧を実現できるなどの特性も有している。よって、このような特性を有するレーザー光は、現在、通信・情報分野、計測分野、加工分野および医療分野など多方面にわたって応用されている。
【０００３】
ところで、これら各種技術分野にレーザー光を応用する場合には、その目的に応じた波長のレーザー光が必要となる。近年では、波長を選択することができる波長可変レーザーの開発により、広い波長域で波長の選択が可能となっている。その際、波長を選択する技術も必要となるが、従来は、複屈折フィルター，エタロン，プリズムあるいはグレーティングなどの波長選択素子により波長の選択を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、波長選択素子に複屈折フィルターまたはエタロンを用いる場合には、波長の移動が可能な反面、適切な組み合わせでないと複数の波長帯のうち所望の波長を選択することが難しいという問題があった。また、波長選択素子にプリズムを用いる場合には、吸収波長付近において最も分散が大きくなるという相反する特性により有効性が制限されてしまうという問題があった。更に、波長選択素子にグレーティングを用いる場合には、格子形状を工夫して精度よく加工できたとしても１次回折効率を１００％近くまで高めることが難しいという問題があった。
【０００５】
なお、これらの波長選択素子以外でも、多層膜を用いた干渉フィルターにより特定の波長域を選択することが可能であるが、このような干渉フィルターは透過中心波長においても吸収や反射があるために透過率は概して低く、共振器内で用いるには効率が悪く、損失も多いという問題がある。すなわち、従来は、簡便にかつ高い効率で波長を選択することができなかった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単にかつ高い効率で特定の波長を選択することができる光波長同調方法および光発振装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による光波長同調方法は、発光媒質に励起光を照射して発光させ、前記発光媒質から出力された光を共振器により増幅して発振させると共に発振光のうち特定の波長域を選択する光波長同調方法であって、共振器と少なくとも一部を共有する共振器中に少なくとも１種の希土類イオンを含む光吸収体を配置し、光吸収体の吸収スペクトルを利用して発振光の波長の狭帯域化を行うものである。
【０００８】
本発明による光発振装置は、励起光を受けて光を発生する発光媒質と、発光媒質から出力された光を増幅し発振光を発振させる共振器と、共振器と少なくとも一部を共有する共振器中に配置されると共に、少なくとも１種の希土類イオンを含み、吸収スペクトルを利用して発振光の波長の狭帯域化を行う光吸収体とを備えたものである。
【０００９】
本発明による光波長同調方法では、少なくとも１種の希土類イオンを含む光吸収体の吸収スペクトルを利用することにより発振光の波長が選択される。
【００１０】
本発明による光発振装置では、発光媒質から出力された光が共振器により増幅され、発振光が発振される。発振光の波長は少なくとも１種の希土類イオンを含む光吸収体により選択される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明の光波長同調方法は本発明の光発振装置により具現化することができるので、以下の実施の形態においては、光発振装置と併せて説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光発振装置の概略構成を表すものである。この光発振装置は、例えば、励起光源１０と、この励起光源１０から出力された励起光が照射されることにより光を発振する光発振部２０とを備えている。励起光源１０は、例えば、１．０６４μｍの赤外光Ｌ１を発振するＮｄ：ＹＡＧレーザー１１と、このＮｄ：ＹＡＧレーザー１１から出力された赤外光Ｌ１の一部を５３２ｎｍの２次高調波Ｌ２に変換し励起光として光発振部２０に照射する２次高調波発生装置１２とを有している。
【００１３】
ここで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１は、Ｎｄ：ＹＡＧ（すなわちネオジムイオン（Ｎｄ3+）を含むイットリウムアルミニウムガーネット（yttriumu aluminum garnet；Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12））よりなるレーザー媒質を用いた固体レーザーである。２次高調波発生装置１２は、例えば、ホウ酸リチウム（ＬｉＢ3 Ｏ5 ）などの非線形光学結晶１２ａにより２次高調波Ｌ２を発生させるものである。
【００１４】
なお、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１と２次高調波発生装置１２との間には例えば光学レンズ１３が配置されており、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１から出力された赤外光Ｌ１はこの光学レンズ１３を介して２次高調波発生装置１２に入射されるようになっている。また、２次高調波発生装置１２と光発振部２０との間には例えばミラー１４，１５および光学レンズ１６が配置されており、２次高調波発生装置１２から出力された２次高調波Ｌ２はこれらミラー１４，１５および光学レンズ１６を介して光発振部２０に入射されるようになっている。ここでミラー１４，１５は、例えば、不要な波長を分離するように構成されていてもよい。
【００１５】
光発振部２０は、例えば、２次高調波Ｌ２を受けて光を発生する発光媒質２１と、この発光媒質２１から出力される光を増幅して発振光Ｌ３を発振させる共振器２２とを有している。発光媒質２１は、例えば、チタンサファイア（Ｔｉ：Ａｌ2 Ｏ3 ；すなわちチタンイオン（Ｔｉ3+）を含むサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ））よりなるレーザー媒質により構成されている。
【００１６】
この発光媒質２１は、図２に示したような吸収・発光特性を有している（W. Koechner,“Solid State Laser Engineering ”, 2ed. Ed, Springer Verlag,(1988) 参照）。すなわち、この発光媒質２１は５００ｎｍの近傍において強い吸収スペクトルを有すると共に、およそ７００ｎｍから９００ｎｍの広い波長域において強い連続発光スペクトルを有している。つまり、この発光媒質２１は連続した複数の波長を有する光を出力するようになっている。また、この発光媒質２１はブリュースター角（Brewster's angle）で切り出されていることが好ましく、発光媒質２１には共振器２２内における反射光がブリュースター角で入射されることが好ましい。すなわち、発光媒質２１は発振光Ｌ３がブリュースター角で入射するように構成されることが好ましい。光が発光媒質２１を通過する際の反射損失を最小とするためである。
【００１７】
共振器２２は、例えば、入射ミラー２２ａ，折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃおよび出力ミラー２２ｄにより構成されており、発光媒質２１から出力された光を入射ミラー２２ａと出力ミラー２２ｄとの間において折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃを介して反射し往復させるようになっている。これら入射ミラー２２ａ，折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃおよび出力ミラー２２ｄの各反射率は、例えば、７００ｎｍ付近の波長で高く、それ以上の波長で低くなるように設定されている。これにより、この光発振部２０では、共振器２２の特性と発光媒質２１の発光特性との関係から、７２０ｎｍ付近の波長で発振しやすくなっている。
【００１８】
なお、入射ミラー２２ａは、２次高調波発生装置１２から出力された２次高調波Ｌ２を透過するように設定されており、２次高調波Ｌ２が入射ミラー２２ａを介して発光媒質２１に入射されるようになっている。また、出力ミラー２２ｄは、入射ミラー２２ａおよび折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃに比べて７００ｎｍ付近の波長に対する反射率が低く設定されており、共振器２２内において発振された発振光Ｌ３の一部を出力するようになっている。
【００１９】
光発振部２０は、また、共振器２２の中に配置された光吸収体２３を有している。この光吸収体２３は、吸収スペクトルを利用して発光媒質２１から出力された光を選択的に吸収し発振光Ｌ３の波長を選択するものである。光吸収体２３は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧにより構成されており、図３に示したような透過分光特性を有している。この透過分光特性はネオジムイオンに由来するものである。なお、図３は、ネオジムイオンの含有率が１．１原子％で厚さ１．７６ｎｍの板状に形成された光吸収体２３の透過分光特性を表しており、両面のフレネル反射による透過率の低下分および分散を無視し屈折率ｎを１．８と概算して補正してある。
【００２０】
図３から分かるように、この光吸収体２３は、５５０ｎｍ付近，６５０ｎｍ付近および７００ｎｍ付近において透過率の高い領域を有している。更に、これら透過率の高い領域のうち７００ｎｍ付近の透過分光特性を図４に拡大して示す。図４から分かるように、この光吸収体２３は、７００ｎｍから７１０ｎｍ付近において透過率が約９９．７％以上と高くなっており、７０２ｎｍ付近において最も高い透過率を有している。
【００２１】
これにより、この光発振部２０では、光吸収体２３の透過分光特性と発光媒質２１の発光特性との関係から選択された例えば図５に示したスペクトルを有する発振光Ｌ３を発振するようになっている。発振光Ｌ３の発振波長幅は半値全幅で約１ｎｍ程度と非常に狭く、発振光Ｌ３は高い干渉性を有しており、その波長は約７０５ｎｍである。なお、比較例として、光吸収体２３を有さないことを除き本実施の形態と同一の構成を有する光発振装置における発振光のスペクトルを図６に示す。このように、光吸収体２３を用いない場合には、発振光の発振波長幅は半値全幅で約３０ｎｍ程度と広くなっている。つまり、光吸収体２３により極めて狭帯域の波長を選択できることが分かる。
【００２２】
ちなみに、図５に示した発振光Ｌ３のスペクトルは、光吸収体２３が図３に示した透過分光特性を有する場合のものである。光吸収体２３の透過分光特性はネオジムイオンの含有率および厚さにより変化するので、それらを調節することにより発振光Ｌ３の波長を変化させることができる。例えば、７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の波長について同じように極めて狭帯域に選択することができる。
【００２３】
なお、光吸収体２３の形状について特に限定はなく、例えば、平板状，プリズム状あるいは楔状とされている。また、光吸収体２３は共振器２２内における反射光に対してブリュースター角に傾けて配置されることが好ましく、光吸収体２３には共振器２２内における反射光がブリュースター角で入射されることが好ましい。すなわち、光吸収体２３は発振光Ｌ３がブリュースター角で入射するように構成されることが好ましい。光が光吸収体２３を通過する際の反射損失を最小とするためである。更に、例えば、光吸収体２３を発振光Ｌ３に対してほぼ垂直に配置する場合には、光吸収体２３の表面にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ）などの誘電体よりなる減反射膜を設けることが好ましい。
【００２４】
このような構成を有する光発振装置は、次のように動作する。
【００２５】
この光発振装置では、まず、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１から波長１．０６４μｍの赤外光Ｌ１が出力され、光学レンズ１３を介して２次高調波発生装置１２に入射される。２次高調波発生装置１２では、入射された赤外光Ｌ１の一部を非線形光学結晶１２ａにより波長５３２ｎｍの２次高調波Ｌ２に変換する。この２次高調波Ｌ２は、ミラー１４，１５および光学レンズ１６を介して励起光として光発振部２０に入射され、入射ミラー２２ａを介して発光媒質２１に照射される。発光媒質２１では、２次高調波Ｌ２の照射により、発光特性に応じて光を出力する。この光は、共振器２２の中において反射を繰り返し増幅される。但し、ここでは、共振器２２の中に光吸収体２３が配置されているので、光は光吸収体２３の透過分光特性に応じて選択的に吸収される。これにより、例えば７１０ｎｍ前後の波長が選択されて高い干渉性を有する７１０ｎｍ前後の発振光Ｌ３が発振され、出力ミラー２２ｄを介して出力される。すなわち、光吸収体２３により発振光Ｌ３の波長は選択され、同調される。
【００２６】
このように本実施の形態によれば、ネオジムイオンを含む光吸収体２３の吸収スペクトルを利用して発振光Ｌ３の波長を選択するようにしたので、簡単にかつ高い効率で波長を選択することができ、高い干渉性を有する発振光Ｌ３を得ることができる。
【００２７】
また、発光媒質２１をチタンサファイアにより構成すれば、発振光Ｌ３の波長を簡単に７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調することができる。更に、発光媒質２１を波長が５３２ｎｍの励起光により発光させることができるので、市販されているＮｄ：ＹＡＧレーザー１１および２次高調波発生装置１２を用いることにより容易に励起光を得ることができ、容易に発光させることができる。
【００２８】
加えて、発光媒質２１または光吸収体２３に発振光Ｌ３がブリュースター角で入射されるようにすれば、反射損失を最小とすることができ、効率を高めることができる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図７は本発明の第２の実施の形態に係る光発振装置の概略構成を表すものである。この光発振装置は、第１の実施の形態の光発光部２０に変えて、発光媒質３１および共振器３２の構成が異なる光発振部３０を備えたことを除き、第１の実施の形態と同一の構成を有している。よって、ここでは、同一の構成要素には同一の符号を付すと共に、対応する構成要素には１０の位を“３”に変更した符号を付し、同一部分についての詳細な説明を省略する。
【００３０】
発光媒質３１は、励起光である２次高調波Ｌ２を受けて光パラメトリック効果により光を発生するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）などの非線形光学結晶により構成されている。発光媒質３１から出力される光はシグナル光およびアイドラー光であり、それらの各波長は数１に示した光子のエネルギー保存則により決定される。数１中においてｃは光速、λ1 は励起光の波長、λ2 はシグナル光の波長、λ3 はアイドラー光の波長である。
【００３１】
【数１】
ｃ／λ1 ＝ｃ／λ2 ＋ｃ／λ3 
【００３２】
また、シグナル光およびアイドラー光の各波長は励起光の入射角と位相整合条件によっても決定される。この発光媒質３１は励起光の入射角と位相整合条件に従い幅広い波長域でパラメトリック発光利得を有しているが、ここでは、例えば、発光媒質３１が６２度の角度で切り出されており、５３２ｎｍの２次高調波Ｌ２から７１０ｎｍのシグナル光と２．１μｍのアイドラー光とを出力するように調整されている。なお、これらシグナル光およびアイドラー光は、通常、複数の波長にわたる連続スペクトルを有しており、上述した７１０ｎｍまたは２．１μｍというのはそれらの中心波長である。これにより、この光発振部３０では、このシグナル光をそのまま共振させると発振波長幅の広い発振光が発振されるようになっている。
【００３３】
よって、本実施の形態では、光吸収体２３によりシグナル光およびアイドラー光を選択的に吸収して、後述する共振器３２により発振される発振光Ｌ３３の波長を選択し、発振光Ｌ３３の発振波長幅を狭くするようになっている。ここでは、特に、シグナル光の発振光Ｌ３３について約７１０ｎｍの極めて狭帯域の波長を選択できるようになっている。なお、シグナル光の波長および光吸収体２３の透過分光特性をそれぞれ調整することにより、７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の波長についても極めて狭帯域に選択することができる。
【００３４】
共振器３２は、例えば、第１の実施の形態と同様に、入射ミラー３２ａ，折り曲げミラー３２ｂ，３２ｃおよび出力ミラー３２ｄにより構成されており、発光媒質３１から出力された光を入射ミラー３２ａと出力ミラー３２ｄとの間で折り曲げミラー３２ｂ，３２ｃを介して反射し往復させるようになっている。これら入射ミラー３２ａ，折り曲げミラー３２ｂ，３２ｃおよび出力ミラー３２ｄの各反射率は、例えば、シグナル光の７１０ｎｍ付近で高く、アイドラー光の２．１μｍ付近で低くなるように設定されている。すなわち、この共振器３２はシグナル光を増幅してその発振光Ｌ３３を発振させるようになっており、安定した発振が得られる単共振パラメトリック発振器（Singly Resonant Optical Parametric Oscillator ）を構成している。
【００３５】
但し、入射ミラー３２ａ，折り曲げミラー３２ｂ，３２ｃおよび出力ミラー３２ｄの各反射率をシグナル光の７１０ｎｍ付近およびアイドラー光の２．１μｍ付近で共に高くなるように設定し、シグナル光およびアイドラー光を共に共振させる複共振パラメトリック発振器（Doubly Resonant Optical Parametric Oscillator ）を構成するようにしてもよい。単共振パラメトリック発振器の方が安定性は高いが、複共振パラメトリック発振器の方が発振閾値が低くなるので、発振効率を高くすることができ、安定性も電気回路を併用することにより確保することができるからである。
【００３６】
その際、入射ミラー３２ａ，折り曲げミラー３２ｂ，３２ｃおよび出力ミラー３２ｄは、例えば、誘電体の多層膜によりそれぞれ構成される。この多層膜は、反射させたい波長をλとすると、光路長λ／４の膜厚をそれぞれ有する高屈折率の層と低屈折率の層とを交互に積層したものである。これは、ある反射面から見ると、次の位相が反転する反射層からは位相差πで重なり、反転しない反射層からは位相差２πで重なるので、他の層からの反射光を繰り返し干渉させることにより、外から見た反射率が高くなるという原理によるものである。つまり、波長λについて高い反射率を有する多層膜は、波長λの１／３倍の波長λ’＝（１／３）λについても、各層の光学厚みが３λ’／４となることから波長λと同様の干渉効果が得られ高い反射率を有している。
【００３７】
なお、実際には屈折率の波長依存性があるので、厳密に波長λ’について波長λと同様の干渉効果が得られるわけではない。しかし、実用上、波長λ’と波長λは同一の多層膜において共に高い反射率を有する有利な組み合わせとなる。従って、本実施の形態では、シグナル光の波長が７１０ｎｍでアイドラー光の波長２．１μｍの約１／３倍となっているので、このような多層膜を用いることにより、容易に複共振パラメトリック発振器を構成することができる。
【００３８】
ちなみに、ここでは励起光の波長を５３２ｎｍとするようにしたが、５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内であれば同様の効果を得ることができるので好ましい。
【００３９】
このような構成を有する光発振装置は、第１の実施の形態と同様に動作する。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１から出力された赤外光Ｌ１は、２次高調波発生装置１２により一部が２次高調波Ｌ２に変換され、励起光として発光媒質３１に照射される。これにより、発光媒質３１では、光パラメトリック効果によってシグナル光およびアイドラー光を出力する。この光は、共振器３２により増幅されると共に、光吸収体２３の透過分光特性に応じて選択的に吸収される。これにより、例えば、シグナル光について７１０ｎｍ前後の波長が選択され、高い干渉性を有する７１０ｎｍ前後の発振光Ｌ３３が発振される。すなわち、光吸収体２３により発振光Ｌ３３の波長は選択され、同調される。
【００４０】
このように本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、光吸収体２３の吸収スペクトルを利用して発振光Ｌ３３の波長を選択するようにしたので、簡単かつ高い効率で波長を選択することができ、高い干渉性を有する発振光Ｌ３３を得ることができる。
【００４１】
また、発光媒質３１をニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶により構成すれば、約５３２ｎｍの波長を有する励起光を照射することにより、約７１０ｎｍの波長を有するシグナル光を発生させることができ、発振光Ｌ３３の波長を簡単に７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調することができる。更に、約５３２ｎｍの励起光も市販されているＮｄ：ＹＡＧレーザー１１および２次高調波発生装置１２を用いることにより容易に得ることができる。加えて、約７１０ｎｍのシグナル光と約２．１μｍのアイドラー光を出力させることができるので、複共振パラメトリック発振器を容易に構成することができ、高い効率で発振させることができる。
【００４２】
更にまた、第１の実施の形態と同様に、光吸収体２３に発振光Ｌ３３がブリュースター角で入射されるようにすれば、反射損失を最小にすることができ、効率を高めることができる。
【００４３】
（第３の実施の形態）
図８は本発明の第３の実施の形態に係る光発振装置の概略構成を表すものである。この光発振装置は、第１の実施の形態と同様にして発生させた発振光Ｌ３を和周波混合用光Ｌ５４と和周波混合するようにしたものである。よって、ここでは、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
この光発振装置は、例えば、第１の実施の形態と同様に、励起光源４０と、この励起光源４０から出力された励起光が照射されることにより光を発振する光発振部５０とを備えている。励起光源４０は、例えば、ミラー１４，１５に変えてミラー４７が配置されたことを除き、第１の実施の形態の励起光源１０と同一の構成を有している。すなわち、励起光源４０は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１から赤外光Ｌ１を出力し、光学レンズ１３を介して２次高調波発生装置１２に入射して２次高調波Ｌ２に変換したのち、励起光として光学レンズ１６およびミラー４７を介して光発振部２０に入射するようになっている。ここでミラー４７は、例えば、不要な波長を分離するように構成されていてもよい。
【００４５】
光発振部５０は、例えば、共振器５２の構成が異なり、かつ共振器５２の中に波長変換素子５４が配置されたことを除き、第１の実施の形態の光発振部２０と同一の構成を有している。共振器５２は、例えば、第１の実施の形態の共振器２２から出力ミラー２２ｄが削除され、入射ミラー２２ａおよび折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃにより構成されている。すなわち、この共振器５２は、発振光Ｌ３をほとんど外部に出力しないように設計されている。
【００４６】
波長変換素子５４は、例えば、ベータホウ酸バリウム（β−ＢａＢ2 Ｏ4 ）などの非線形光学結晶により構成されており、共振器５２により発振された発振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とを和周波混合して和周波Ｌ５５を出力する和周波混合手段の機能を有している。この波長変換素子５４は、入射角，温度または波長を調整することにより位相整合される。ここでは、例えば、波長変換素子５４の入射角を約７５度とすることにより、約７１０ｎｍの発振光Ｌ３と約２６６ｎｍの和周波混合用光Ｌ５４とを和周波混合して約１９３ｎｍの紫外光である和周波Ｌ５５を発生するように調整されている。なお、発振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とは、波長変換素子５４において時間的および空間的に十分重なるように調節されている。
【００４７】
光発振装置は、また、例えば、和周波混合用光Ｌ５４を出力する和周波混合用光源６０と、発振光Ｌ３および和周波混合用光Ｌ５４がパルスの場合にそれらの時間的な重なりを制御する制御部７０とを備えている。和周波混合用光源６０は、例えば、１．０６４ｎｍの赤外光Ｌ６１を発振するＮｄ：ＹＡＧレーザー６１と、この赤外光Ｌ６１の一部を５３２ｎｍの２次高調波Ｌ６２に変換する２次高調波発生装置６２と、この２次高調波Ｌ６２の一部を２６６ｎｍの４次高調波に変換し和周波混合用光Ｌ５４として波長変換素子５４に入射する４次高調波発生装置６３とを有している。
【００４８】
２次高調波発生装置６２は、例えば、２次高調波発生装置１２と同様に、ホウ酸リチウムなどの非線形光学結晶６２ａにより２次高調波Ｌ６２を発生させるものである。４次高調波発生装置６３は、例えば、ベータホウ酸バリウムなどの非線形光学結晶６３ａにより４次高調波を発生させるものである。
【００４９】
また、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー６１から出力された赤外光Ｌ６１は光学レンズ６４を介して２次高調波発生装置６２に入射され、２次高調波Ｌ６２はミラー６５および光学レンズ６６を介して４次高調波発生装置６３に入射され、和周波混合用光Ｌ５４である４次高調波はミラー６７および光学レンズ６８を介して波長変換素子５４に入射されるようになっている。ここでミラー６５，６７は、例えば、不要な波長を分離するように構成されていてもよい。
【００５０】
制御部７０は、例えば、パルスジェネレータなどのトリガーパルス発生装置７１を有している。例えば、このトリガーパルス発生装置７１から出力されるトリガーパルスはケーブル７２を介してＮｄ：ＹＡＧレーザー１１に入力されると共に、ケーブル７３を介して遅延発生器７４に入力され、ケーブル７５を介してＮｄ：ＹＡＧレーザ６１に入力されるようになっている。遅延発生器７４は、波長変換素子５４において発振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とが時間的に重なるように時間を調整するものであり、トリガーパルスを必要な時間だけ遅らせてＮｄ：ＹＡＧレーザー６１に出力するようになっている。
【００５１】
このような構成を有する光発振装置は、次のように動作する。
【００５２】
この光発振装置では、トリガーパルス発生装置７１からトリガーパルスが発生されると、ケーブル７２を介してＮｄ：ＹＡＧレーザー１１に出力されると共に、ケーブル７３を介して遅延発生器７４に出力される。遅延発生器７４では、波長変換素子５４において発振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とが時間的に重なるように必要な時間だけトリガーパルスを遅延させ、ケーブル７５を介してＮｄ：ＹＡＧレーザー６１に出力する。
【００５３】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１では、トリガーパルスが入力されるとそれに応じて赤外光Ｌ１が発振される。この赤外光Ｌ１は、光学レンズ１３を介してその一部が２次高調波発生装置１２により２次高調波Ｌ２に変換され、光学レンズ１６およびミラー４７を介して励起光として発光媒質２１に入射される。発光媒質２１では２次高調波Ｌ２が入射されると発光特性に応じて光が出力され、共振器５２により増幅されると共に、光吸収体２３の透過分光特性に応じて選択的に吸収される。これにより、高い干渉性を有する約７１０ｎｍの発振光Ｌ３が共振器５２の中において発振され、共振器５２の中に配置された波長変換素子５４に入射される。
【００５４】
一方、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー６１でも、トリガーパルスが入力されるとそれに応じて赤外光Ｌ６１が発振される。この赤外光Ｌ６１は、光学レンズ６４を介してその一部が２次高調波発生装置６２により２次高調波Ｌ６２に変換されたのち、ミラー６５および光学レンズ６６を介してその一部が４次高調波発生装置６３により約２６６ｎｍの４次高調波に変換され、和周波混合用光Ｌ５４としてミラー６７および光学レンズ６８を介して波長変換素子５４に入射される。
【００５５】
これにより、波長変換素子５４では発振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とが重なり合い、和周波混合されて約１９３ｎｍの紫外光である和周波Ｌ５５が出力される。すなわち、ここでは、光吸収体２３により高い干渉性を有する７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する発振光Ｌ３が得られるので、高い干渉性を有する約１９３ｎｍの紫外光が容易に得られる。
【００５６】
なお、ここでは、約７１０ｎｍの発振光Ｌ３と約２６６ｎｍの和周波混合用光Ｌ５４とを和周波混合して約１９３ｎｍの紫外光を得るようにしたが、発振光Ｌ３は７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の波長であればよく、和周波混合用光Ｌ５４は２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の範囲内の波長であればよい。
【００５７】
このように本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様にして発振光Ｌ３の波長を同調するようにしたので、第１の実施の形態と同一の効果を有する。また、７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する発振光Ｌ３を容易に得ることができるので、波長変換素子５４により２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の範囲内の波長を有する和周波混合用光Ｌ５４と和周波混合することにより、容易に高い干渉性を有する約１９３ｎｍの紫外光を得ることができる。すなわち、安定性良くかつ低価格で約１９３ｎｍの紫外光が得られる。
【００５８】
以上、各実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記各実施の形態では、光吸収体２３をＮｄ：ＹＡＧにより構成する場合について説明したが、ネオジムイオンを含む他の材料により構成するようにしても同様の効果を得ることができる。例えば、光吸収体をＮｄ：ＹＬＦ（すなわちネオジムイオンを含むＬｉＹＦ4 ）またはＮｄ：ＹＶＯ4 （すなわちネオジムイオンを含むＹＶＯ4 ）により構成するようにしてもよい。
【００５９】
また、ネオジムイオン以外の他の希土類イオンを含む材料により光吸収体を構成するようにしてもよい。例えば、セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），サマリウム（Ｓｍ），ユウロピウム（Ｅｕ），エルビウム（Ｅｒ）あるいはイッテリビウム（Ｙｂ）のイオンを含む材料により光吸収体を構成すれば、それらの吸収特性を利用して他の波長を選択することができる。
【００６０】
更に、複数の希土類イオンを含む材料により光吸収体を構成するようにしてもよい。異なる透過分光特性を有する希土類イオンを複数組み合わせることにより、更に多くの波長を選択することができる。なお。異なる希土類イオンを含む複数の光吸収体を備えるようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００６１】
加えて、上記各実施の形態では、光吸収体２３を共振器２２，３２，５２の中に配置するようにしたが、発光媒質２１，３２から出力された光を増幅する共振器と一部を共有するように設けられた他の共振器の中に配置するようにしてもよい。また、第１および第２の実施の形態では、共振器２２，３２の外に出力された発振光Ｌ３，Ｌ３３の光路中に配置するようにしてもよく、第３の実施の形態では、共振器５２の外に発振光Ｌ３を出力するようにして出力された発振光の光路中に配置するようにしてもよい。但し、光吸収体２３は、発光媒質２１，３２から出力された光を増幅する共振器と少なくとも一部を共有する共振器の中に配置された方が、高い効果を得ることができるので好ましい。また、第３の実施の形態では、光吸収体２３により選択された発振光Ｌ３が波長変換素子５４に入射されるようにすることが好ましい。
【００６２】
更にまた、上記第１および第３の実施の形態では、発光媒質２１をチタンサファイアよりなるレーザー媒質により構成するようにしたが、他のレーザー媒質により構成するようにしてもよい。但し、本発明は、レーザー媒質が複数の発光波長を有する場合において特に有効である。
【００６３】
加えてまた、上記第２の実施の形態では、発光媒質３１をニオブ酸リチウムよりなる非線形光学結晶により構成するようにしたが、ベータホウ酸バリウムまたはホウ酸リチウムなどの他の非線形光学結晶により構成するようにしてもよい。例えば、ベータホウ酸バリウムにより発光媒質を構成するようにすれば、上記第２の実施の形態と同様に構成することができ、同一の効果を得ることができる。但し、本発明は、光パラメトリック効果により出力された光が波長幅を有しており、光吸収体２３を用いないときに発振光が広い発振波長幅を有するような場合において、特に高い効果を得ることができる。
【００６４】
更にまた、上記各実施の形態では、共振器２２，３２，５２の構成について具体的に例を挙げて説明したが、他の構成を有するようにしてもよい。例えば、折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃ，３２ｂ，３２ｃは必要に応じて備えていればよい。また、反射特性についても目的に応じて設定することができる。
【００６５】
加えてまた、上記各実施の形態では、励起光源１０，４０をＮｄ：ＹＡＧレーザー１１および２次高調波発生装置１２により構成し、５３２ｎｍの励起光を発光媒質２１，３１に照射するようにしたが、他の構成を有する励起光源を用いてもよく、他の波長の励起光を発光媒質に照射するようにしてもよい。但し、発光媒質が高い吸収率を有する波長を照射するようにすることが好ましい。また、上記各実施の形態で示したように、５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長であれば、市販のＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いることにより容易に得ることができるので好ましい。更に、上記第２の実施の形態では、約５３２ｎｍの励起光から約７１０ｎｍのシグナル光と約２．１μｍのアイドラー光を出力させるようにすれば多層膜の利用により容易に複共振パラメトリック発振器を構成することができるので、励起光の波長を５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００６６】
更にまた、上記第３の実施の形態では、波長変換素子５４をベータホウ酸バリウムよりなる非線形光学結晶により構成するようにしたが、他の非線形光学結晶により構成するようにしてもよい。
【００６７】
加えてまた、上記第３の実施の形態では、波長変換素子５４を共振器５２の中に配置するようにしたが、発光媒質２１から出力された光を増幅する共振器５２と一部を共有するように設けられた他の共振器の中に配置するようにしてもよい。また、共振器５２の外に発振光Ｌ３を出力するようにし、出力された発振光の光路中に配置するようにしてもよい。但し、発光媒質２１から出力された光を増幅する共振器５２と少なくとも一部を共有する共振器の中に配置するようにした方が、損失を少なくできるので好ましい。
【００６８】
更にまた、上記第３の実施の形態では、発光媒質２１をレーザー媒質により構成するようにしたが、第２の実施の形態と同様に、光パラメトリック効果により光を出力する非線形光学結晶により構成しても同様の効果が得られる。
【００６９】
加えてまた、上記第３の実施の形態では、和周波混合用光源６０および制御部７０の構成について具体的に説明したが、他の構成を有する和周波混合用光源を用いてもよく、他の方法により発振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４との重なりを制御するようにしてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項１２のいずれか１に記載の光波長同調方法、または請求項１３ないし請求項２４のいずれか１に記載の光発振装置によれば、少なくとも１種の希土類イオンを含む光吸収体の吸収スペクトルを利用して発振光の波長を同調するようにしたので、簡単にかつ高い効率で波長を同調することができるという効果を奏する。
【００７１】
特に、請求項２記載の光波長同調方法、または請求項１４記載の光発振装置によれば、希土類イオンとしてネオジムイオンを含む光吸収体を用いるようにしたので、発振光の波長を例えば７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調することができるという効果を奏する。
【００７２】
また、請求項３記載の光波長同調方法、または請求項１５記載の光発振装置によれば、光吸収体を発光媒質から出力された光を増幅する共振器と少なくとも一部を共有する共振器中に配置するようにしたので、より効果的に波長を選択することができるという効果を奏する。
【００７３】
更に、請求項５記載の光波長同調方法、または請求項１７記載の光発振装置によれば、発光媒質をチタンサファイアにより構成するようにしたので、発振光の波長を例えば７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調することができると共に、市販されているＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いることにより容易に発光させることができるという効果を奏する。
【００７４】
加えて、請求項６記載の光波長同調方法、または請求項１８記載の光発振装置によれば、発光媒質を光パラメトリック効果により光を出力する非線形光学結晶によって構成するようにしたので、例えば、５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起光により約７１０ｎｍの波長を有するシグナル光を発生させることができ、発振光の波長を７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調することができる。また、５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起光も市販されているＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いることにより容易に得ることができる。更に、約７１０ｎｍのシグナル光と約２．１μｍのアイドラー光を出力させることができるので、複共振パラメトリック発振器を容易に構成することができ、高い効率で発振させることができるという効果を奏する。
【００７５】
更にまた、請求項８記載の光波長同調方法、または請求項２０記載の光発振装置によれば、５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起光を照射して発光させるようにしたので、市販されているＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いることにより容易に励起光を得ることができ、容易に発光させることができるという効果を奏する。
【００７６】
加えてまた、請求項９記載の光波長同調方法、または請求項２１記載の光発振装置によれば、発光媒質または光吸収体の少なくとも一方をブリュースター角で発振光が入射されるようにしたので、反射損失を小さくすることができ、効率を高めることができるという効果を奏する。
【００７７】
更にまた、請求項１２記載の光波長同調方法、または請求項２４記載の光発振装置によれば、発振光の波長を７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調して、波長変換素子により２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の範囲内の波長を有する和周波混合用光と和周波混合するようにしたので、安定性良くかつ低価格で容易に約１９３ｎｍの紫外光を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光発振装置を表す概略構成図である。
【図２】図１に示した光発振装置における発光媒質の吸収・発光特性図である。
【図３】図１に示した光発振装置における光吸収体の透過分光特性図である。
【図４】図３の一部を拡大して表す透過分光特性図である。
【図５】図１に示した光発振装置から出力される発振光のスペクトルを表す特性図である。
【図６】比較例における発振光のスペクトルを表す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る光発振装置を表す概略構成図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る光発振装置を表す概略構成図である。
【符号の説明】
１０，４０…励起光源、１１，６１…Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、１２，６２…２次高調波発生装置、１２ａ，６２ａ，６３ａ…非線形光学結晶、１３，１６，６４，６６，６８…光学レンズ、１４，１５，４７，６５，６７…ミラー、２０，３０，５０…光発振部、２１，３１…発光媒質、２２，３２，５２…共振器、２２ａ，３２ａ…入射ミラー、２２ｂ，２２ｃ，３２ｂ，３２ｃ…折り曲げミラー、２２ｄ，３２ｄ…出力ミラー、２３…光吸収体、５４…波長変換素子、６０…和周波混合用光源、６３…４次高調波発生装置、７０…制御部、７１…トリガーパルス発生装置、７２，７３，７５…ケーブル、７４…遅延発生器、Ｌ１，Ｌ６１…赤外光、Ｌ２，Ｌ６２…２次高調波、Ｌ３，Ｌ３３…発振光、Ｌ５４…和周波混合用光、Ｌ５５…和周波
【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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