(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二波長の励起レーザー光を出射するレーザー光源と、
上記レーザー光源から出射された二波長の励起レーザー光が入射される光共振器と、
上記光共振器を通過した二波長の励起レーザー光の光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を制御する制御部と、
上記制御部により周波数が制御された上記二波長の励起レーザー光が上記レーザー光源から入射される非線形媒質を含む広帯域離散スペクトル生成用セルとを備え、
上記制御部により、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を上記光共振器の共振周波数に周波数ロックし、上記二波長の励起レーザー光の差周波数を上記光共振器のフリースペクトルレンジ（FSR:Free Spectal Range)の整数倍とし、且つ、上記二波長の励起レーザー光の周波数を上記二波長の励起レーザー光の差周波数の整数倍とし、上記広帯域離散スペクトル生成用セルにより、上記二波長の励起レーザー光の上記非線形媒質における差周波数に対応する周波数のコヒーレンスな屈折率変化を誘起して、広帯域離散スペクトルを発生することを特徴とする広帯域離散スペクトル発生装置。
【請求項２】
上記広帯域離散スペクトル生成用セルは、非線形媒質としてラマン媒質を含むことを特徴とする請求項１記載の広帯域離散スペクトル発生装置。
【請求項３】
二波長の励起レーザー光が入射される非線形媒質を含む広帯域離散スペクトル生成用セルにより、上記二波長の励起レーザー光の上記非線形媒質における差周波数に対応する周波数のコヒーレンスな屈折率変化を誘起して、広帯域離散スペクトルを発生する広帯域離散スペクトル発生装置の周波数制御方法であって、
上記二波長の励起レーザー光を出射するレーザー光源から出射された二波長の励起レーザー光を光共振器に入射させ、
上記光共振器を通過した二波長の励起レーザー光の光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を制御し、
上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を上記光共振器の共振周波数に周波数ロックし、上記二波長の励起レーザー光の差周波数を上記光共振器の自由スペクトル間隔（FSR:Free Spectal Range)の整数倍とし、且つ、上記二波長の励起レーザー光の周波数を上記二波長の励起レーザー光の差周波数の整数倍とすることを特徴とする広帯域離散スペクトル発生装置の周波数制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二波長の励起レーザー光の上記非線形媒質における差周波数に対応する周波数のコヒーレンスな屈折率変化を誘起して、広帯域離散スペクトルを発生する広帯域離散スペクトル発生装置、及び、その周波数制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、気体分子の振動や回転状態を断熱的に励起し、特定の二準位間に最大値に迫る高いコヒーレンスを持つ分子を高密度に生成することが可能となった。高いコヒーレンスを持つ分子集団は対応する量子状態間の遷移周波数で周期的に屈折率変化をする媒質として振る舞い、通過する光を高効率に変調できる。この結果、ラマンサイドバンド光と呼ばれる広帯域な離散スペクトルが生成される。
【０００３】
ラマンコヒーレンスの生成には、ラマン遷移に対応する周波数差を持つ二種類のレーザー光を同時に入射する。周波数差をラマン遷移の共鳴周波数からわずかに離調することで、断熱的に二準位間の重ね合わせ状態を生成できる。高いコヒーレンスを持つ分子集団による光変調では、周波数の変換効率が高いため、全てのラマンサイドバンド光が励起光と同軸に発生するという特徴を持つ。これはフーリエ合成による超短パルス生成にも有利に働き、超短パルス発生の現実的な新手法として注目されている。
【０００４】
また、フェムト秒の超短パルス光は、非線形光学応答を利用した非破壊、非侵襲の物質測定、ガラスや金属や半導体の超精細加工、細胞の切削や操作などに利用できるだけでなく、光の干渉性を利用して物体内部を撮像するＯＣＴ(Optical Coherence Tomography)や多光子顕微鏡の光源、Ｘ線に代わる検査用電磁波となる波長３０μｍ〜３ｎｍのテラヘルツ波発生装置などへの応用が期待されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５１８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、一般的なフェムト秒パルス光源には、チタンサファイア結晶を用いたモード同期法を採用している。このスペクトルは繰返し周期に対応したコム形状を形成するが、個々の周波数の絶対値は、結晶や共振器内の屈折率分散、さらにはパルスの繰返し周期など多くの要因の複合的な結果として決まっている。コムの周波数間隔で周波数ゼロの付近まで考慮すると、周波数軸上のオフセット(搬送周波数オフセット(CEO:Carrier Envelope Offset)が定義できる。この量は光コム計測で重要であるばかりでなく、超短パルス生成時のパルス毎の電場位相のずれとも対応する。ＣＥＯをゼロにすることで、常に同一の電場波形を持つ超短パルス列を生成できる。ＣＥＯをゼロにするためにはコムスペクトルの周波数の絶対値を厳密に制御する必要がある。しかし、絶対周波数は前述のとおりの複雑な要因で決まるため、レーザー発振前にあらかじめ装置を正しく設計することは困難である。このため現在では、発振後のレーザー光で実測されたＣＥＯを、レーザー装置に直接フィードバックする手法がとられている。
【０００７】
一方、２つの狭帯域レーザー光を起源とし多数の離散スペクトルを形成する手法を用い、フェムト秒パルスを生成する手法が確立しつつある。この手法ではパルスの繰返し周期が電気制御の限界を大きく超えるという利点がある。さらに、元のレーザー光の絶対周波数を制御すれば任意の周波数の離散スペクトルを生成でき、原理的にはＣＥＯの制御も可能である。しかし、現実に必要な周波数精度は、現状の波長計の精度を超えており、周波数標準を参照する等の高度な周波数測定・安定化が不可欠である。また現状ではＣＥＯの実測も高速には行えず、従来手法を応用することはできない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、広帯域離散スペクトルから生成される超短パルスの周波数を制御するために、スペクトルの広帯域化以前に周波数を指定し、しかも、単純な光共振器を参照するだけで、その絶対周波数を制御した所望の広帯域離散スペクトルを発生することができる広帯域離散スペクトル発生装置、及び、その周波数制御方法を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下において図面を参照して説明される実施に形態から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、広帯域離散スペクトル発生装置であって、二波長の励起レーザー光を出射するレーザー光源と、上記レーザー光源から出射された二波長の励起レーザー光が入射される光共振器と、上記光共振器を通過した二波長の励起レーザー光の光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を制御する制御部と、上記制御部により周波数が制御された上記二波長の励起レーザー光が上記レーザー光源から入射される非線形媒質を含む広帯域離散スペクトル生成用セル、上記制御部により、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を上記光共振器の共振周波数に周波数ロックし、上記二波長の励起レーザー光の差周波数を上記光共振器の自由スペクトル間隔（FSR:Free Spectal Range)の整数倍とし、且つ、上記二波長の励起レーザー光の周波数を上記二波長の励起レーザー光の差周波数の整数倍とし、上記広帯域離散スペクトル生成用セルにより、上記二波長の励起レーザー光の上記非線形媒質における差周波数に対応する周波数のコヒーレンスな屈折率変化を誘起して、広帯域離散スペクトルを発生する。
【００１１】
本発明に係る広帯域離散スペクトル発生装置において、上記広帯域離散スペクトル生成用セルは、例えば、非線形媒質としてラマン媒質を含む。
【００１２】
さらに、本発明は、二波長の励起レーザー光が入射される非線形媒質を含む広帯域離散スペクトル生成用セルにより、上記二波長の励起レーザー光の上記非線形媒質における差周波数に対応する周波数のコヒーレンスな屈折率変化を誘起して、広帯域離散スペクトルを発生する広帯域離散スペクトル発生装置の周波数制御方法であって、上記二波長の励起レーザー光を出射するレーザー光源から出射された二波長の励起レーザー光を光共振器に入射させ、上記光共振器を通過した二波長の励起レーザー光の光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を制御し、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を上記光共振器の共振周波数に周波数ロックし、上記二波長の励起レーザー光の差周波数を上記光共振器の自由スペクトル間隔（FSR:Free Spectal Range)の整数倍とし、且つ、上記二波長の励起レーザー光の周波数を上記二波長の励起レーザー光の差周波数の整数倍とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、レーザー光源から出射された二波長の励起レーザー光を光共振器に入射させ、上記光共振器を通過した二波長の励起レーザー光の光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を制御し、上記レーザー光源から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を上記光共振器の共振周波数に周波数ロックし、上記二波長の励起レーザー光の差周波数を上記光共振器の自由スペクトル間隔（FSR:Free Spectal Range)の整数倍とし、且つ、上記二波長の励起レーザー光の周波数を上記二波長の励起レーザー光の差周波数の整数倍とする。すなわち、光共振器の共振周波数に周波数ロックした２台のレーザーの出力を合成し、ラマン過程を経て高次のサイドバンドを発生させる。サイドバンド間の周波数間隔は基本となる２つのレーザー周波数の差に完全に一致し、そのため全ての周波数成分が自由スペクトル間隔の整数倍となる。さらに、レーザー周波数がその周波数差の整数倍となるように共振器モードを選択すると、搬送周波数オフセットを原理的にゼロにできる。また、共振器への周波数ロックが維持する限り最適な周波数を生成する条件が継続するため、熱膨張等による共振器の自由スペクトル間隔の変化に対しても強力な手法となる。
【００１４】
したがって、本発明では、２つの周波数成分由来の広帯域光発生において、スペクトルの広帯域化以前に周波数を指定できる上に、単純な光共振器を参照するだけで、励起光を光共振器の共振周波数にロックすることでき、これより、その絶対周波数を制御した所望の広帯域離散スペクトルを発生することができ、広帯域離散スペクトルから生成される超短パルスの周波数を制御することが可能となり、また、全てのスペクトル線を特定の周波数の整数倍に限定でき、超短パルス列中の個々の電場波形も固定にも応用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
本発明は、例えば図１に示すような構成の広帯域離散スペクトル発生装置１０に適用される。
【００１７】
この広帯域離散スペクトル発生装置１０は、二波長の励起レーザー光を出射するレーザー光源１１と、上記レーザー光源１１から出射された二波長の励起レーザー光が入射される光共振器１２と、上記光共振器１２を通過した二波長の励起レーザー光の光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記レーザー光源１１から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を制御する制御部１３と、上記制御部１３により周波数が制御された上記二波長の励起レーザー光が上記レーザー光源１１から入射される非線形媒質１４Ａを含む広帯域離散スペクトル生成用セル１４とを備える。
【００１８】
上記レーザー光源１１は、第１の周波数ｆ１のレーザー光を発生する第１のレーザー光源１１Ａと、第２の周波数ｆ２のレーザー光を発生する第２のレーザー光源１１Ｂと、上記第１のレーザー光源１１Ａにより発生された第１の周波数ｆ１のレーザー光と上記第２のレーザー光源１１Ｂにより発生された第２の周波数ｆ２のレーザー光を混合して二波長の励起レーザー光として出射する光学系１１Ｃからなる。
【００１９】
上記レーザー光源１１から出射された二波長の励起レーザー光が入射される上記光共振器１２の共振周波数は、自由スペクトル間隔（FSR:Free Spectal Range)刻みに等間隔であり、上記レーザー光源１１から出射された二波長の励起レーザー光の周波数ｆ１，ｆ２が上記ＦＳＲの整数倍に一致している場合に、上記光共振器１２を通過する二波長の励起レーザー光の光量が最大となる。
【００２０】
上記制御部１３は、上記光共振器１２を通過した二波長の励起レーザー光の光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記第１のレーザー光源１１Ａと第２のレーザー光源１１Ｂを制御し、上記レーザー光源１１から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を上記光共振器１２の共振周波数に周波数ロックし、上記二波長の励起レーザー光の差周波数（Δｆ＝ｆ１−ｆ２）を上記光共振器１２のＦＳＲの整数倍とし、且つ、上記二波長の励起レーザー光の周波数を上記二波長の励起レーザー光の差周波数の整数倍とする制御を行う。
【００２１】
そして、上記広帯域離散スペクトル生成用セル１４は、上記二波長の励起レーザー光の上記非線形媒質１４Ａにおける差周波数に対応する周波数のコヒーレンスな屈折率変化を誘起して、広帯域離散スペクトルを発生する。
【００２２】
すなわち、この広帯域離散スペクトル発生装置１０では、光共振器１２の共振周波数にそれぞれ周波数ロックした上記第１のレーザー光源１１Ａにより発生された第１の周波数ｆ１のレーザー光と上記第２のレーザー光源１１Ｂにより発生された第２の周波数ｆ２のレーザー光を混合した二波長の励起レーザー光を上記広帯域離散スペクトル生成用セル１４に入射させることにより、ラマン過程を経て高次のサイドバンドを発生させ、広帯域離散スペクトルを発生させる。
【００２３】
ここで、同一の光共振器１２を基準に２つの周波数成分を生成すると、それぞれが自由スペクトル間隔（ＦＳＲ）の整数倍になるだけでなく、その周波数差も同様にＦＳＲの整数倍となる。このように周波数制御した２つのレーザー光を用いて発生させた広帯域光は、その全ての周波数成分がＦＳＲの整数倍となり、搬送周波数オフセットもＦＳＲの整数倍に限定される。
【００２４】
２つの周波数成分は、その周波数差の整数倍に選ぶことが可能であり、搬送周波数オフセットを原理的にゼロにできる。
【００２５】
この広帯域光の第二高調波や高次高調波の周波数は全て、基準となる光共振器１２のＦＳＲの整数倍となる。搬送周波数オフセットをゼロにした場合、第二高調波も高次高調波も搬送周波数オフセットがゼロとなり、全体として元の周波数差と同じ間隔の広大な櫛スペクトルを形成する。
【００２６】
この広帯域離散スペクトル発生装置１０では、二波長レーザー光を起源とした広帯域離散スペクトルの生成において、もととなる二波長の励起レーザー光の周波数ｆ１，ｆ２を光共振器１２の共振周波数に制御することで、全てのスペクトル線の絶対周波数を制御する。図２の（Ａ）に示すように、光共振器１２の共振周波数は自由スペクトル間隔(ＦＳＲ)刻みに等間隔であるため、このようにして実現するレーザー周波数はＦＳＲの整数倍を持つ。このとき、上記二波長の励起レーザー光の差周波数（Δｆ＝ｆ１−ｆ２）もＦＳＲの整数倍となるため、ラマンサイドバンド光発生のような非線形過程を通して得られるサイドバンド光は、図２の（Ｂ）に示すように、全てＦＳＲの整数倍となる。さらに、図３の（Ａ）に示すように、上記二波長の励起レーザー光の差周波数（Δｆ＝ｆ１−ｆ２）でスペクトルを分割した際にゼロ周波数付近に現れるオフセット(搬送周波数オフセット、ＣＥＯ)もＦＳＲの整数倍となる。ＣＥＯをゼロにすることと超短パルス列中の個々のパルスの電場波形を同一のものに固定することとは同義であり、最適な共振器モードを周波数ロックに利用すれば、図３の（Ｂ）に示すように、自動的にＣＥＯをゼロにできる。
【００２７】
ここで、図１に示した広帯域離散スペクトル発生装置１０において、石英で作成したＦＳＲが１．９４ＧＨｚの光共振器１２にＰＤＨ法を用いてロックした二波長レーザー光を注入同期ナノ秒レーザシステムのシード光とした実験装置を構築し、非線形媒質１４Ａとして、ラマン媒質（パラ水素）を用い、その回転状態（Ｊ＝０→２）を励起したところ、励起光の周波数をロックする共振モードを変化させる毎にＣＥＯが変化している様子が観測された。
【００２８】
励起光の波長は、８０６．３４８０ｎｍ（Ω−１）、７８３．９４９６ｎｍ（Ω０）付近の共振器モードを選び、周波数差を１０．６２２５ＴＨｚとした。そして、ＢＢＯ結晶を用い第二高調波（２Ω−１）を発生させ、励起光と同軸に水素セルに入射し、発生した広帯域ラマンサイドバンド光をプリズムで分け、励起光及び第二高調波由来のサイドバンド光がオーバーラップする次数の光を高速光検出器（phtotube）で観測したところ、その時間波形にはＣＥＯに対応するビート信号が観測され、励起光の周波数をロックする共振モードを変化させる毎にＣＥＯが変化している様子が観測された。
【００２９】
上記実験装置において、ΔＦＳＲ／ＦＳＲは３×１０−８であって、このΔＦＳＲ／ＦＳＲの精度で、ロックすべき共振器モードを理想的な３５：３６の整数比で表される一組に選ぶことができ、ＣＥＯを最も０に近づけることができることが確認された。
【００３０】
光共振器１２を用いたＣＥＯ周波数の制御は、例えば、図４のフローチャートに示す手順に従って行われる。
【００３１】
すなわち、ＣＥＯ周波数を制御するにあたり、予め、光共振器１２の縦モード間隔(FSR:Free Spectral)を測定しておく（ステップＳ１）。
【００３２】
上記実験装置２０において、石英で作成した光共振器１２は、ＦＳＲは、１．９４ＧＨｚであった。
【００３３】
次に、設定可能な周波数差(Δω＝ＦＳＲの整数倍)を見積もる（ステップＳ２）。
【００３４】
上記実験装置２０では、ラマン媒質に水素分子を用いた場合、設定可能な周波数差(Δω＝ＦＳＲの整数倍)は、１０．６２２５ＴＨｚとした。
【００３５】
次に、設定可能な周波数差(Δω＝ＦＳＲの整数倍)から設定すべき２つの周波数ｆ１，ｆ２を見積もる（ステップＳ３）。
【００３６】
上記実験装置２０では、３５倍および３６倍を選び、２つの周波数ｆ１，ｆ２はそれぞれ３７２ＴＨｚおよび３８２ＴＨｚ付近である。
【００３７】
次に、波長計(等)を参照しながら目的の周波数付近でレーザー発振させる（ステップＳ４）。
【００３８】
波長計の測定精度は１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚなので、ＧＨｚ間隔の共振器モードを同定できる。
【００３９】
そして、元の光共振器１２に共振するポイントにロックする（ステップＳ５）。
【００４０】
なお、ステップＳ１〜ステップＳ３は、周波数ロックに使用する光共振器１２を用意すれば、ただ一度の測定で決定することができる。
【００４１】
上述の如き構成の広帯域離散スペクトル発生装置１０では、光共振器１２の共振周波数に周波数ロックした２台のレーザーの出力を合成し、ラマン過程を経て高次のサイドバンドを発生させることにより、サイドバンド間の周波数間隔は基本となる２つのレーザー周波数の差に完全に一致し、そのため全ての周波数成分が自由スペクトル間隔の整数倍となる。そして、レーザー周波数がその周波数差の整数倍となるように共振器モードを選択すると、搬送周波数オフセットを原理的にゼロにできる。また、光共振器１２への周波数ロックが維持する限り最適な周波数を生成する条件が継続するため、熱膨張等による共振器の自由スペクトル間隔の変化に対しても強力な手法となる。
【００４２】
このように、光共振器１２を基準にして周波数を制御すれば、正確な周波数測定が不可能でも、その絶対値を限定でき、さらに搬送周波数オフセットまで制御できる。光共振器１２への周波数ロックの条件さえ維持すれば、搬送周波数オフセットをゼロに固定し続けることができ、電場波形の固定された超短パルス列が実現できる。
【００４３】
したがって、光共振器１２を基準に周波数を制御することにより、その絶対値を特定の周波数の整数倍に限定でき、これにより波長計等の測定値の分解能を大きく超えた周波数精度が容易に実現できる。
【００４４】
すなわち、二波長の励起レーザー光が入射される非線形媒質１４Ａを含む広帯域離散スペクトル生成用セル１４により、上記二波長の励起レーザー光の上記非線形媒質１４Ａにおける差周波数に対応する周波数のコヒーレンスな屈折率変化を誘起して、広帯域離散スペクトルを発生する広帯域離散スペクトル発生装置１０において、上記二波長の励起レーザー光を出射するレーザー光源１１から出射された二波長の励起レーザー光を光共振器１２に入射させ、上記光共振器１２を通過した二波長の励起レーザー光の光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記レーザー光源１１から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を制御し、上記レーザー光源１１から出射される二波長の励起レーザー光の周波数を上記光共振器１２の共振周波数に周波数ロックし、上記二波長の励起レーザー光の差周波数を上記光共振器１２のＦＳＲの整数倍とし、且つ、上記二波長の励起レーザー光の周波数を上記二波長の励起レーザー光の差周波数の整数倍とすることにより、ＣＥＯをゼロにすることにより、第二高調波も高次高調波もＣＥＯがゼロとなり、全体として元の周波数差と同じ間隔の広大な櫛スペクトルを形成することができる。
【００４５】
なお、本発明は、以上の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明適用した広帯域離散スペクトル発生装置の全体構成を示す構成図である。
【図２】上記広帯域離散スペクトル発生装置における励起光及び全サイドバンド光の周波数制御の概念図である。
【図３】上記広帯域離散スペクトル発生装置におけるＣＥＯを０にした励起光及び全サイドバンド光の周波数制御の概念図である。
【図４】上記広帯域離散スペクトル発生装置における光共振器を用いたＣＥＯ周波数の制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１０  広帯域離散スペクトル発生装置、１１、１１Ａ，１１Ｂ  レーザー光源、１２  光共振器１２、１３  制御部、１４  広帯域離散スペクトル生成用セル、１４Ａ  非線形媒質
【図１】
0005099696.tif 000002
【図２】
0005099696.tif 000003
【図３】
0005099696.tif 000004
【図４】
0005099696.tif 000005