JP 2020-79939 A 2020.5.28(57)【要約】【課題】簡単な構成で、非線形光学作用に関与する電磁場の相対位相関係を制御して、高効率の波長変換を実現する。
【解決手段】波長変換デバイスは、２以上に分割された固体の非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質の間に介在する分散媒質とを有し、前記非線形光学媒質のそれぞれの長さは、非線形光学現象が進行する過程で所望の結果を得るために位相操作が必要となる相互作用長に設計されており、前記分散媒質の光軸方向の光学長は、前記
非線形光学媒質に入射する１以上の周波数成分と前記非線形光学媒質の中で生成される新たな周波数成分との間の相対位相関係が所望の関係となるように可変に調整されている。
【選択図】図１Ａ

(2)JP 2020-79939 A 2020.5.28【特許請求の範囲】【請求項１】
２以上に分割された固体の非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質の間に介在する分散媒質と、を有し、前記非線形光学媒質のそれぞれの長さは、非線形光学現象が進行する過程で所望の結果を得るために位相操作が必要となる相互作用長に設計されており、前記分散媒質の光軸方向の光学長は、前記非線形光学媒質に入射する１以上の周波数成分と前記非線形光学媒質の中で生成される新たな周波数成分との間の相対位相関係が所望の関係となるように可変に調整されていることを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項２】
前記分散媒質は空気であり、前記分散媒質の光軸方向の光学長は、前記非線形光学媒質の位置制御によって設定されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。
【請求項３】
前記波長変換デバイスを収容する容器、をさらに有し、
前記分散媒質は気体または液体であり、前記容器の内部で前記非線形光学媒質の間隔が所定の間隔に設定されて、前記分散媒質の前記光学長が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。
【請求項４】
前記波長変換デバイスを収容する容器、をさらに有し、
前記分散媒質は気体または液体であり、前記容器内の前記気体または前記液体の圧力が所定の値に設定されて前記分散媒質の前記光学長が調整されていることを特徴とする請求
項１に記載の波長変換デバイス。
【請求項５】
前記波長変換デバイスを収容する容器、をさらに有し、
前記分散媒質は、２種以上の気体の混合気体、または２種以上の液体の混合液であり、前記混合気体または前記混合液の混合比率が所定の値に設定されて、前記分散媒質の前記
光学長が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。
【請求項６】
前記分散媒質は固体であり、前記固体の分散媒質の前記光軸方向の厚さが所望の厚さに可変に設定されて前記分散媒質の前記光学長が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。
【請求項７】
前記分散媒質は、使用波長に対して透明な一対のくさび型パーツで形成され、前記一対のくさび型パーツの少なくとも一方が前記くさび型パーツの稜線に沿った方向に動かされて前記分散媒質の前記光学長が調整されていることを特徴とする請求項６に記載の波長変換デバイス。
【請求項８】
前記分散媒質は、使用波長に対して透明なプレートで形成され、前記プレートが前記光軸方向に対して所定の角度または傾きに設定されて前記分散媒質の前記光学長が調整されていることを特徴とする請求項６に記載の波長変換デバイス。
【請求項９】
２以上に分割された前記非線形光学媒質は、結晶軸の向きが交互に反転するように配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の波長変換デバイス。
【請求項１０】２以上に分割された前記非線形光学媒質は、隣り合って配置される第１の非線形光学媒

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質と第２の非線形光学媒質を含み、前記第１の非線形光学媒質と前記第２の非線形光学媒質の間の距離は、前記第２の非線形光学媒質の入射面において、前記第１の非線形光学媒質に入射した前記１以上の周波数成分と、前記第１の非線形光学媒質の中で生成された新たな周波数成分との間で位相整合条件が満たされるように設定されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の波長変換デバイス。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の波長変換デバイスと、
前記波長変換デバイスに入射する前記１以上の周波数成分を含む光を出力する光源と、を有するレーザ装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】
本発明は、波長変換デバイスと、これを用いたレーザ装置に関する。
【背景技術】【０００２】
レーザの発明により非線形光学の研究が進み、非線形光学効果を利用した波長変換、光パルス技術、非線形分光などの技術が普及している。特に波長変換は、レーザの直接発振が得られない波長域でコヒーレント光源を実現する有用な技術である。
【０００３】
非線形光学現象が進行する過程に関与する複数の電磁場間の位相関係を制御して、非線形光学過程を操作またはデザインする試みが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この提案では、非線形光学媒質の中に１つ以上の透明な分散媒質を配置し、分散媒質の位置と実効的な厚みを調整することで、非線形光学過程を操作する。
【０００４】
非線形光学媒質の複屈折が大きい場合、角度位相整合を用いる波長変換では、入射したレーザ光と、波長変換により発生したビームが分離するウォークオフ現象が生じて、十分な 変 換 効 率 を 得 る こ と が で き な い 。 ウ ォ ー ク オ フ を 補 償 す る た め に 、 β -Ｂ Ｂ Ｏ （ Ｂ ａ Ｂ 2
Ｏ 4： ホ ウ 酸 バ リ ウ ム ） の 薄 片 を 常 温 接 合 し た ウ ォ ー ク オ フ 補 償 構 造 が 知 ら れ て い る （ たとえば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】【特許文献】【０００５】【特許文献１】再公表特許ＷＯ２０１５／１７０７８０号【非特許文献】【０００６】【 非 特 許 文 献 １ 】 小 山 修 平 ， "常 温 接 合 を 用 い た ウ ォ ー ク オ フ 補 償 β − Ｂ ａ Ｂ 2Ｏ 4デ バ イ
ス の 高 効 率 化 に 関 す る 研 究 "、 学 校 法 人 中 央 大 学 修 士 論 文 要 旨 （ ２ ０ １ ６ 年 度 ）【発明の概要】【発明が解決しようとする課題】【０００７】
公知の非線形光学過程の操作技術では、非線形光学媒質中に分散媒質を配置し、非線形光学媒質内で分散媒質の実効的な厚さを制御している。光波に対する分散媒質の厚さは、分散媒質をくさび形状のペアで構成して一方の挿入厚みを変える、あるいは板状の分散媒質を用いて光軸に対する傾きを変える等によって調整可能である。しかし、非線形光学媒
質内で分散媒質の挿入厚みや傾きを制御するため、分散媒質を駆動制御する機構が大掛かりになる。
【０００８】
本発明は、簡単な構成で、非線形光学に関与する光波（電磁場）の相対位相関係を制御
して、高効率の波長変換を実現することを目的とする。

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JP 2020-79939 A 2020.5.28【課題を解決するための手段】【０００９】
本発明では、２以上に分割した固体の非線形光学媒質の間に分散媒質を配置し、非線形光学媒質を透過する複数の周波数成分の間で所望の位相関係が得られるように、非線形光学媒質間に介在する分散媒質の光軸方向の光学長を調整する。
【００１０】
分散媒質の光軸方向の光学長は、分散媒質の（実効的な）厚み、または屈折率の少なくとも一方を制御することで調整可能である。
【００１１】
具体的には、波長変換デバイスは、２以上に分割された固体の非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質の間に介在する分散媒質と、を有し、前記非線形光学媒質のそれぞれの長さは、非線形光学現象が進行する過程で所望の結果を得るために位相操作が必要となる相互作用長に設計されており、前記分散媒質の光軸方向の光学長は、前記非線形光学媒質に入射する１以上の周波数成分と前記非線形光学媒質の中で生成される新たな周波数成分との間の相対位相関係が所望の関係となるように可変に調整されている。
【００１２】
良好な構成例では、２以上に分割された前記非線形光学媒質は、その結晶軸が交互に反転するように配置されている。
【発明の効果】【００１３】
簡単な構成で、非線形光学に関与する複数の光波または電磁場の間の相対位相関係を制御して、多様な波長変換を高効率で実現する。
【図面の簡単な説明】【００１４】【図１Ａ】実施形態の波長変換デバイスを用いたレーザ装置の概略図である。
【図１Ｂ】非線形光学媒質の位置制御の例を示す図である。
【図２】変形例の波長変換デバイスを用いたレーザ装置の概略図である。
【図３】さらに別の変形例の波長変換デバイスを用いたレーザ装置の概略図である。
【図４】さらに別の変形例の波長変換デバイスを用いたレーザ装置の概略図である。
【図５】非線形光学媒質間の各周波数成分の伝搬を説明する図である。
【図６】図１の構成にウォークオフ補償機能を持たせた構成例である。
【図７】ウォークオフ補償を説明する図である。
【図８】図７の配置構成での実測データである。
【図９】ウォークオフ補償の測定に用いた別のレーザ装置の模式図である。
【図１０】図９の装置におけるウォークオフ補償の概念図である。
【図１１】図９の装置における光パラメトリック増幅器の出力プロファイルである。
【図１２】実施例の効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】【００１５】
図１Ａは、実施形態の波長変換デバイス１０を用いたレーザ装置１の概略図である。レーザ装置１は、光源２と、波長変換デバイス１０を有する。光源２は、１以上の周波数成分を含むレーザ光を発生する。１以上の周波数成分は、たとえば、光源２に周波数コム光源を用いたときの離散的なスペクトル成分であってもよいし、光パラメトリック共振を用いてパルス化された離散スペクトルであってもよい。あるいは出力波長の異なる１以上のレーザダイオードで光源２を形成してもよい。
【００１６】
波長変換デバイス１０は、分散媒質１２の中に配置される２以上に分割された固体の非

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線形光学媒質１１を有する。図１Ａでは、分散媒質１２の中に非線形光学媒質１１ａ、１１ｂ、１１ｃが配置されているが、非線形光学媒質１１の数は２以上の任意の数である。
非線形光学媒質１１に十分な強度を持つ光波が入射することで、非線形光学媒質１１の内部に入射電場に対して非線形な（２次以上の）分極が生じ、その分極の振動から入射光と異なる周波数成分が発生する。
【００１７】
分散媒質１２は、その屈折率が周波数または波長に依存する媒質であり、気体、液体、固体を問わない。図１Ａの例では、分散媒質１２は空気である。
【００１８】
図１Ａの例で、光源２から波長変換デバイス１０の１番目の非線形光学媒質１１ａに、た と え ば 角 周 波 数 が ω oと ω 1の 光 波 が 入 射 す る 。 こ れ ら の 光 波 は 十 分 な 強 度 を 有 し て お り、非線形光学媒質１１と相互作用して、電磁場に線形比例しない応答（分極）を生じさせる。
【００１９】
波長変換デバイス１０は非線形光学効果を利用しており、波長変換には、和周波または差周波の発生、高調波発生、光パラメトリック増幅、光パラメトリック発振等が含まれ得る。２以上に分割された非線形光学媒質１１を用いることで、電磁波が非線形光学媒質１１と作用する過程で生じる新たな周波数成分を増強することができる。
【００２０】
非線形光学媒質１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、分散媒質１２の中で光軸に沿って配置されている。非線形光学媒質１１ａ、１１ｂ、１１ｃの光軸方向の位置は、これらの非線形光学媒質１１ａ〜１１ｃに入射する１以上の周波数成分と、非線形光学媒質１１ａ〜１１ｃの中で生成される新たな周波数成分との間の相対位相関係が所望の関係となるように調整されている。非線形光学媒質１１ａ〜１１ｃの光軸方向の位置が調整されているということは、分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔ１、ｔ２が調整されていることを意味する。分
散媒質１２の光軸方向の光学長ｔ１、ｔ２は、分散媒質１２を透過する光の実効光路長であり、分散媒質１２の屈折率を制御することによっても調整可能である。
【００２１】
非線形光学媒質１１ａ〜１１ｂの光軸方向の長さＬ１、Ｌ２，Ｌ３は、後述するように
非線形光学現象が進行する過程で所望の結果を得るために、複数の周波数成分間の位相関係が所望の値に操作されるべき長さに設定されている。非線形光学媒質１１の光軸方向の長さＬもまた、非線形光学媒質１１を透過する光の実効光路長を指す。
【００２２】
図１Ａの例では、分割された非線形光学媒質１１の間には、空気等の分散媒質１２が存在する。分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔの調整は、手動調整、機械及び／または電気駆動による調整、光学的制御など、手段を問わない。
【００２３】
図１Ｂは、非線形光学媒質１１の位置制御の例を示す図である。レーザ装置１Ａの波長変換デバイス１０Ａは、２以上に分割された複数の非線形光学媒質１１ａ〜１１ｃと、隣り合う非線形光学媒質１１の間を満たす分散媒質１２を有する。この例では、波長変換デバイス１０Ａの非線形光学媒質１１ａ〜１１ｃの位置は、位置調整機構１５によって制御可能である。位置調整機構１５の一例として、光軸と平行な方向に延びるレールに、非線形光学媒質１１ａ、１１ｂ、１１ｃを個別に保持する支持体を設け、各支持体の位置を並
進アクチュエータ、モータ、ＭＥＭＳ等の駆動手段によって制御してもよい。
【００２４】
非線形光学媒質１１ａ、１１ｂ、１１ｃの光軸方向の位置を互いに独立して制御することで、隣り合う非線形光学媒質１１間の間隔（すなわち、分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔ）を調整可能にする。非線形光学媒質１１の光軸方向の長さＬは所望の相対位相関係への操作を必要とする長さに設計される。
【００２５】

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非線形光学媒質１１ａと１１ｂの間に介在する分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔ１、及び非線形光学媒質１１ｂと１１ｃの間に介在する分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔ２は、波長変換デバイス１０Ａの全体にわたって位相整合条件が維持されるように調整されている。あるいは波長変換デバイス１０Ａの所望の位置で、所望の相対位相関係が得られるように、調整されていてもよい。
【００２６】
分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔ１、ｔ２は、非線形光学媒質１１ａ、１１ｂ、１１ｃの少なくとも一部の光軸方向の位置を位置調整機構１５で調整することで、変更可能である。図１Ｂの構成は、空気中で、非線形光学媒質１１ａ〜１１ｃを簡単な位置調整機構
１５に保持するだけで実現可能である。
【００２７】
非線形光学媒質１１の内部で発生する新たな周波数成分が十分な強度を持つためには、
１以上の入射光成分の間、及び／または入射光と新たに発生する周波数成分との間で位相が整合している必要がある。この位相整合条件は、次の非線形光学媒質１１に入射する時点でも保たれていることが望ましい。分散媒質１２の光軸方向の実効的な長さである光学
長ｔを位置調整機構１５で高精度に調整して、次の非線形光学媒質１１への入射位置で位相整合条件が満たされているように制御することで、波長変換デバイス１０Ａで高い変換効率を達成することができる。
【００２８】
さらに、非線形光学媒質１１の光軸方向の長さＬを適切な値に設定することで、複数の周波数成分間の位相関係を適切な相互作用長において所望の関係に設計することが可能である。波長変換デバイス１０Ａのどの位置でどの位相関係にもっているかを自由に設計することができ、波長変換デバイス１０Ａの最終的な出力として、図１Ａ及び図１Ｂに示す
ように、所望の周波数プロファイルを得ることができる。
【００２９】
図２は、波長変換デバイス１０Ｂを用いたレーザ装置１Ｂの概略図である。波長変換デバイス１０Ｂでは、隣接する非線形光学媒質１１間に配置される分散媒質１２の少なくとも一部に、固体の分散媒質１２ａ、１２ｂを用いる。固体の分散媒質１２ａ、１２ｂは、
たとえば、使用波長に対して透明なガラス、ケイ酸塩、フッ化カルシウム、フッ化マグネ
シウム等である。
【００３０】
図２の例では、非線形光学媒質１１ａと１１ｂの間に配置される分散媒質１２ａは、一対 の く さ び 型 の パ ー ツ １ ２ ａ 1と １ ２ ａ 2で 構 成 さ れ て い る 。 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ ｂ と １ １
ｃ の 間 に 配 置 さ れ る 分 散 媒 質 １ ２ ｂ は 、 一 対 の く さ び 型 の パ ー ツ １ ２ ｂ 1と １ ２ ｂ 2で 構 成されている。分散媒質１２ａと１２ｂのいずれか一方を空気層としてもよい。
【００３１】
固体の分散媒質１２ａの光軸方向の光学長ｔ１を可変に制御する場合、パーツ１２ａ1と １ ２ ａ 2の 少 な く と も 一 方 を く さ び の 稜 線 に 沿 っ た 方 向 に 動 か す 。 分 散 媒 質 １ ２ ａ 1及 び
／ ま た は １ ２ ａ 2の 位 置 は 手 動 で 調 整 し て も よ い し 、 図 １ Ｂ の よ う に 位 置 調 整 機 構 １ ５ に接続してもよい。同様に、分散媒質１２ｂの光軸方向の光学長ｔ２を可変に制御する場合、 パ ー ツ １ ２ ｂ 1と １ ２ ｂ 2の 少 な く と も 一 方 を く さ び の 稜 線 に 沿 っ た 方 向 に 動 か す 。 図 １
Ｂのように位置調整機構１５に接続する場合は、分散媒質１２ａと分散媒質１２ｂを互いに 独 立 し て 移 動 可 能 に し て も よ い 。 パ ー ツ １ ２ ａ 1及 び ／ ま た は １ ２ ａ 2の 稜 線 方 向 へ の 移
動 量 と 、 パ ー ツ １ ２ ｂ 1及 び ／ ま た は １ ２ ｂ 2の 稜 線 方 向 へ の 移 動 量 は 、 非 線 形 光 学 媒 質 １
１と空気の屈折率差、及び空気と固体の分散媒質１２ａ、１２ｂとの屈折率差を考慮して計算されてもよい。
【００３２】
図３は、波長変換デバイス１０Ｃを用いたレーザ装置１Ｃの概略図である。波長変換デバイス１０Ｃでは、隣接する非線形光学媒質１１間に配置される分散媒質１２の少なくとも一部に、直方体またはプレート状の分散媒質１２ｃ、１２ｄを用いる。固体の分散媒質

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１２ｃ、１２ｄは、たとえば、使用波長に対して透明なガラス、ケイ酸塩、フッ化カルシ
ウム、フッ化マグネシウム等である。分散媒質１２ｃと１２ｄのいずれか一方を空気層としてもよい。
【００３３】
固体の分散媒質１２ｃの光軸方向の光学長ｔ１、及び／または分散媒質１２ｄの光軸方向の光学長ｔ２を可変に制御する場合、分散媒質１２ｃ及び／または分散媒質１２ｄの光軸に対する傾きまたは回転角を変える。分散媒質１２ｃ、１２ｄの光軸に対する傾きを、
図１Ｂのように位置調整機構１５を用いて調整してもよい。分散媒質１２ｃ、１２ｄの傾きまたは回転量は、非線形光学媒質１１と空気の屈折率差、及び空気と分散媒質１２ｃ、１２ｄとの屈折率差を考慮して計算されてもよい。
【００３４】
図４は、波長変換デバイス１０Ｄを用いたレーザ装置１Ｄの概略図である。波長変換デバイス１０Ｄでは、隣り合う非線形光学媒質１１の間を満たす分散媒質１２として液体、または空気以外の気体を用いる。分散媒質１２に空気以外の気体、あるいは液体を用いる
場合は、波長変換デバイス１０Ａの全体が、入射側と出射側に透過窓２２と透過窓２３をそれぞれ設けた容器２１の内部に配置される。
【００３５】
空気以外の気体の分散媒質１２として、窒素、アルゴンなどの不活性気体、あるいは空気に窒素、アルゴン等の不活性気体を混合したものなどを用いることができる。分散媒質
１２として液体を用いる場合は、屈折率が周波数または波長に依存する有機溶剤、光学ゲル等を用いることができる。
【００３６】
容器２１内に液体または空気以外の気体を充填する場合、容器２１の外部に配置した位
置調整機構１５を用いて非線形光学媒質１１ａ〜１１ｃの位置を制御することで、分散媒
質１２の光軸方向の光学長ｔ１、ｔ２を調整してもよい。
【００３７】
あるいは、空気に混合する窒素、アルゴン等の不活性ガスの混合比率、または２種以上の液体の混合比率を変えて分散媒質１２の屈折率を変化させることで、分散媒質１２の光
軸方向の光学長ｔ１、ｔ２を調整してもよい。さらに、分散媒質１２の圧力を変えること
で屈折率を変化させて、分散媒質１２の光学長ｔ１、ｔ２を調整してもよい。
【００３８】
図５は、複数の非線形光学媒質１１間での各周波数成分の伝搬を説明する図である。波
長変換デバイス１０で、１番目の非線形光学媒質１１ａへの入射位置を位置Ｉ、非線形光学 媒 質 １ １ ａ へ の 入 射 直 後 の 位 置 を 位 置 II、 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ ａ の 出 射 面 で の 位 置 を 位
置 IIIと す る 。 ２ 番 目 の 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ ｂ へ の 入 射 位 置 を 位 置 Ｉ Ｖ 、 非 線 形 光 学 媒 質
１１ｂの入射直後の位置を位置Ｖとする。
【００３９】
非線形光学媒質１１ａの光軸方向への伝搬長はＬである。非線形光学媒質１１ａと１１ｂの間隔、すなわち分散媒質１２の光軸方向への伝搬長（光学長）はｔである。波長変換
デバイス１０に角周波数がω１とω２の周波数成分が入射して、周波数成分ω３＝ω１＋
ω２を発生させる波長変換を考える。
【００４０】
位 置 Ｉ で の 角 周 波 数 ω １ の 光 波 の 位 相 を φ I,1、 位 置 Ｉ で の 角 周 波 数 ω ２ の 光 波 の 位 相を φ I , 2 、 位 置 IIで の 角 周 波 数 ω １ の 光 波 の 位 相 を φ I I , 1 、 位 置 IIで の 角 周 波 数 ω ２ の 光
波 の 位 相 を φ II,2と す る 。
【００４１】
位 置 IIで は 、 ω １ 及 び ω ２ の 入 射 光 と 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ aと の 相 互 作 用 に よ り 、 ω ３の 周 波 数 成 分 の 発 生 が 開 始 さ れ る 。 位 置 IIで の ω ３ の 位 相 を φ I I , 3 と す る と 、 φ I I , 3 ＝ φ
I , 1 ＋ φ I , 2 ＋ π /2 で あ る 。 位 置 Ｉ と 位 置 IIの 界 面 で は ω ３ の 発 生 は ま だ な い の で 、 ω ３− ω ２ 、 ω ３ − ω １ の 非 線 形 分 極 は 起 き て お ら ず 、 φ I,1＝ φ II,1、 φ I,2＝ φ II,2で あ る

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JP 2020-79939 A 2020.5.28。 入 射 直 後 の 位 置 IIで の 光 波 間 の 位 相 差 Δ φ I I は 、
Δ φ I I ＝ φ I I , 3 − （ φ I I , 1 ＋ φ I I , 2 ＋ π /2） ＝ ０である。
【００４２】
位 置 IIIま で 、 ω １ 、 ω ２ 、 ω ３ の 周 波 数 成 分 が 光 路 長 Ｌ だ け 伝 搬 す る と 、 位 置 IIIで の各周波数成分の位相は以下のようになる。
【００４３】
φ III,1＝ ｋ 1Ｌ ＋ φ II,1
φ III,2＝ ｋ 2Ｌ ＋ φ II,2
φ III,3＝ ｋ 3Ｌ ＋ φ II,3
こ こ で 、 ｋ 1、 ｋ 2、 及 び ｋ 3は 、 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ ａ 中 で の 各 周 波 数 成 分 の 波 数 で あ る。 位 置 III、 す な わ ち 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ ａ の 出 射 面 に お い て 、 光 波 間 で 位 相 整 合 が と れているとすると、以下のようになる。
【００４４】
Δ φ I I I ＝ ［ ｋ 3 − （ ｋ 1 ＋ ｋ 2 ） ］ Ｌ ＋ φ I I , 3 − （ φ I I , 1 ＋ φ I I , 2 ＋ π /2）＝ Δ ｋ Ｌ ＋ Δ φ II＝ ０
位 置 IIIか ら 位 置 Ｉ Ｖ ま で 、 ω １ 、 ω ２ 、 ω ３ の 周 波 数 成 分 が そ れ ぞ れ 波 数 ｋ 1 '、 ｋ 2 '、 ｋ 3 'で 分 散 媒 質 １ ２ 中 を 距 離 ｄ だ け 伝 搬 す る と 、 ２ 番 目 の 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ ｂ の 入 射
面 の 位 置 Ｉ Ｖ で の Δ φ II、 お よ び Δ φ IIIに 相 当 す る 位 相 は 、 以 下 の よ う に な る 。
【００４５】
φ I V , 1 ＝ ｋ 1 'ｄ ＋ φ I I I , 1
φ I V , 2 ＝ ｋ 2 'ｄ ＋ φ I I I , 2
φ I V , 3 ＝ ｋ 3 'ｄ ＋ φ I I I , 3
位置ＩＶでの各周波数成分の位相差は、以下のようになる。
【００４６】
Δ φ I V ＝ ［ ｋ 3 '− （ ｋ 1 '＋ ｋ 2 '） ］ ｄ ＋ Δ φ I I I ＝ ［ ｋ 3 '− （ ｋ 1 '＋ ｋ 2 '） ］ ｄ
非線形光学媒質１１ｂの入射直後の位置Ｖで、非線形光学媒質１１ｂを伝搬する光波について、ω３＝ω１＋ω２の分極を考えると、位置Ｖでの各周波数成分の位相は、以下のようになる。
【００４７】
φ V,3＝ φ IV,1＋ φ IV,2 ＋ π ／ ２
こ の と き 、 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ aで 発 生 す る 周 波 数 成 分 ω ３ と 非 線 形 光 学 媒 質 １ １ bで 新 たに発生する周波数成分ω３の位相差は、
Δ φ V ＝ φ I V , 3 − φ V , 3 ＝ φ I V , 3 − （ φ I V , 1 ＋ φ I V , 2 ＋ π /2）＝ Δ φ I V ＝ ［ ｋ 3 '− （ ｋ 1 '＋ ｋ 2 '） ］ ｄとなる。
【００４８】
所望の目的が、長い相互作用長に渡って位相のずれを起こさずに和周波ω３を高強度に発 生 さ せ た い 、 と い う こ と で あ る 場 合 に は 、 位 置 Ｖ で の 位 相 差 Δ φ Vが ２ ｍ π （ ｍ は 整 数）となるように分散媒質１２の光学長ｔを調整すればよい。このときに位相のずれを起こさずに（位相整合条件を保って）、和周波ω３を足し合わせることができる。このとき、非線形光学媒質１１ａと１１ｂの間の距離、すなわち分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔ
は 、 Δ φ V＝ ２ ｍ π （ ｍ は 整 数 ） を 満 た す よ う に 決 定 さ れ る 。
【００４９】
波数ｋ、波長λ、及び屈折率ｎの関係は、ｋ＝２πｎ／λとなるので、位置Ｖでの位相
差 Δ φ Vは 式 （ １ ） で 表 さ れ る 。
【００５０】

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JP 2020-79939 A 2020.5.28【数１】

分散媒質１２を空気または窒素とする場合、下記の空気と窒素の分散式を用いて、位相整 合 が 得 ら れ る 、 す な わ ち Δ φ V＝ ２ ｍ π （ ｍ は 整 数 ） と な る 距 離 ｄ 、 す な わ ち 分 散 媒 質
１２の光学長ｔを計算する。
【００５１】【数２】

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非線形光学媒質１１ａ、１１ｂが第２高調波発生用の結晶の場合、基本波を７４８．８
８ ｎ ｍ と す る と 、 位 相 整 合 条 件 Δ φ V＝ ２ π （ ｍ ＝ １ ） を 満 た す 結 晶 間 の 距 離 、 す な わ ち
分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔは、空気（２０℃、１気圧）の場合で４２．０４ｍｍ、窒素（２０℃、１気圧）の場合で４４．３３ｍｍである。
【００５２】
基本波（７４８．８８ｎｍ）と第２高調波（３７４．４４ｎｍ）を混合して第３高調波（ ２ ４ ９ ． ６ ３ ｎ ｍ ） を 発 生 さ せ る 結 晶 の 場 合 は 、 位 相 整 合 条 件 Δ φ V＝ ２ π （ ｍ ＝ １ ）を満たす結晶間の距離、すなわち分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔは、空気の場合で１
２．３３５ｍｍ、窒素の場合で１３．５１９ｍｍである。
【００５３】
波長変換デバイス１０で用いられる非線形光学媒質１１の間隔、すなわち分散媒質１２の光軸方向の光学長ｔを制御することで、波長変換デバイス１０の全体で位相整合を維持
し変換効率を高く維持することができる。
【００５４】＜ウォークオフ補償＞
図６は、実施形態の波長変換デバイス１０Ｅにウォークオフ補償機能を持たせた構成図である。入射光の光軸または伝搬軸をＺ軸、波長変換デバイス１０が配置される面をＹ−
Ｚ面、結晶の高さ方向をＸ軸とする。図６では、非線形光学媒質１１は、そのＣ軸がＹ−
Ｚ面と平行な面内にあるように配置されている。
【００５５】
ウォークオフは、非線形光学媒質１１の複屈折性により、伝搬につれて入射レーザ光と

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波長変換により発生したビームが分離する現象をいう。ウォークオフは、結晶軸に対する角度依存性のある光成分で生じる。ウォークオフにより、波長変換デバイス１０の出力段でのビームプロファイルがくずれ、変換効率が低下する。
【００５６】
図６では、ウォークオフを補償するために、波長変換デバイス１０Ａで用いられる非線形光学媒質１１ａ〜１１ｄのＣ軸の向きを交互に入れ替えている。たとえば、交互に結晶の上下を逆にして配置することで、結晶のＣ軸は図中の矢印で示される向きになる。このように配置することで、図７に示すようにウォークオフの方向を反転させて、出射面において波長変換光の基本光からのずれを小さくすることができる。この構成は、非線形光学
媒質１１の複屈折が大きい場合に有効である。
【００５７】＜実験例＞
図７の配置構成で、非線形光学媒質１１ａ、１１ｂとして同じ厚み（光軸方向の光学長
Ｌ ＝ ６ ｍ ｍ ） の Ｌ Ｂ Ｏ （ Ｌ ｉ Ｂ 3Ｏ 5： リ チ ウ ム ト リ ボ レ ー ト ） を 配 置 し 、 波 長 ７ ８ ７ ｎ ｍ、エネルギー１４．５ｍＪのナノ秒パルスレーザ光を基本波として、二倍波を発生させる。
【００５８】
図８は得られた観測結果である。横軸は結晶間隔ｔ１に相当する距離（ｍｍ）、縦軸は結晶１１ｂの直後での二倍波出力エネルギー（ｍＪ）である。黒丸が実測値、実線がフィ
ッ テ ィ ン グ カ ー ブ で あ る 。 こ の 実 験 で 、 分 散 媒 質 １ ２ と し て 空 気 （ ２ ２ ℃ 、 1気 圧 ） が 用
いられている。
【００５９】
図８に見られるように、観測された二倍波出力エネルギーの最大値は１．３５ｍＪ、最小値は０ｍＪである。一つ目の結晶１１ａ直後での二倍波発生エネルギーは、０．４ｍＪである。
【００６０】
空気の分散により、基本波（７８７ｎｍ）と二倍波（３９３．５ｎｍ）の間の相対位相関係が変化し、それに応じて２個目の非線形光学結晶１１ｂの透過後の二倍波発生エネル
ギーが、０〜１．３５ｍＪまで０〜１００％の幅で周期的に変化する。観測された結晶間隔ｔ１の周期は５０．５ｍｍであり、分散媒質１２である空気の分散から予想される計算値（５０．２ｍｍ）に測定精度の範囲内で一致することが確認された。
【００６１】
図９は、ウォークオフ補償の測定に用いた別のレーザ装置１の模式図である。レーザ装
置１は、波長変換デバイス１０として、光パラメトリック増幅器を構成している。非線形
光 学 媒 質 １ １ と し て 、 Ｋ Ｔ Ｐ （ Ｋ Ｔ ｉ Ｏ Ｐ Ｏ 4： リ ン 酸 チ タ ニ ル カ リ ウ ム ） を 用 い る 。
【００６２】
第１のＫＴＰの光軸方向の長さＬ１は２．５ｍｍ、第２のＫＴＰの光軸方向の長さＬ２は５ｍｍ、第３のＫＴＰの光軸方向の長さＬ３は５ｍｍ、第４のＫＴＰの光軸方向の長さ
Ｌ４は２．５ｍｍである。分散媒質１２は空気（２０℃、１気圧）である。
【００６３】
第１のＫＴＰと第２のＫＴＰの間の間隔（または分散媒質１２の光学長ｔ１）は４９３．４ｍｍ、もしくは４９３．４ｍｍに比べて十分に小さい距離（たとえば２０ｍｍ以下）である。第２のＫＴＰと第３のＫＴＰの間の間隔（または分散媒質１２の光学長ｔ２）は４９３．４ｍｍ、もしくは４９３．４ｍｍに比べて十分に小さい距離（たとえば２０ｍｍ以下）、第３のＫＴＰと第４のＫＴＰの間の間隔（または分散媒質１２の光学長ｔ３）は４９３．４ｍｍ、もしくは４９３．４ｍｍに比べて十分に小さい距離（たとえば２０ｍｍ以下）である。
【００６４】
目的が、ウォーク補償機構を組み入れることで長い相互作用長に渡って入射レーザー光と波長変換光により発生したビームを空間的に重ね合わせ、光パラメトリック増幅を強く

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起こさせることにある場合は、光学長ｔ１〜ｔ３は、上述したように位相整合条件が満た
さ れ る よ う に 設 定 さ れ る 。 位 相 整 合 条 件 Δ φ V＝ ２ π （ ｍ ＝ １ ） を 満 た す と き の 間 隔 （ 光学長ｔ）の理論値は４９３．４ｍｍであるが、図９の構成でパラメトリック過程を測定す
る場合、４９３．４ｍｍの間隔は長すぎるので、４９３．４ｍｍよりも十分に小さい値（
位相整合条件のずれを無視できる程度に小さい値）に設定して結晶への入射光の強度を維持する。
【００６５】
非線形光学媒質１１ａ〜１１ｄとして用いられる４つのＫＴＰは、図６と同様に、Ｙ−
Ｚ面内でのＣ軸の向き（図中の矢印で示されている）が互い違いに逆方向を向くように配置反転されている。結晶軸の方向を互い違いにしてウォークオフを補償する際は、用いる
非線形光学媒質１１の数を偶数個にして、光軸方向の中点に対して対称な配置とするのが望ましい。
【００６６】
光源２から波長変換デバイス１０に、波長１２０１ｎｍのシグナル光パルスと、波長８０１のポンプ光パルスを入射する。ポンプ光パルスは、非線形光学媒質１１に大きな非線
形分極を誘起させるためのものである。１２０１ｎｍのシグナル光パルスは、外部共振器
型 半 導 体 レ ー ザ （ Ｅ Ｃ Ｄ Ｌ ： External Cavity Diode Laser） で 発 振 さ せ た １ ２ ０ ０ ｎ ｍ
帯 の Ｃ Ｗ （ 連 続 波 ） レ ー ザ ー 光 を 、 周 期 分 極 反 転 リ チ ウ ム ・ ナ イ オ ベ ー ト （ Ｐ Ｐ Ｌ Ｎ ： Pe
riodically Poled Lithium Niobate） 結 晶 を 用 い た 光 パ ラ メ ト リ ッ ク 共 振 器 に よ り パ ル ス
化して生成される。
【００６７】
この波長変換デバイス１０は、波長２４０３ｎｍのアイドラー光を生成する。
【００６８】
図１０に示すように、ＫＴＰのＣ軸の向きを交互に反転することで、波長２４０３ｎｍの変換光のウォークオフが補償され、波長変換デバイス１０の出力面で、基本波からのア
イドラー光のビームのずれが最小になっている。
【００６９】
１つ目の非線形光学媒質１１ａと２つ目の非線形光学媒質１１ｂの間の間隔、ずなわち
分 散 媒 質 １ ２ の 光 学 長 ｔ は 、 位 相 整 合 条 件 Δ φ ＝ ［ ｋ 3− （ ｋ 1＋ ｋ 2） ］ ｔ ＝ ２ π （ ｍ ＝１）を満たす値よりも十分に小さく設定されている。
【００７０】
こ こ で 、 ｋ 3は ポ ン プ 光 の 波 数 、 ｋ 1は シ グ ナ ル 光 の 波 数 、 ｋ 2は ア イ ド ラ ー 光 の 波 数 である。２つ目の非線形光学媒質１１ｂに入射するアイドラー光と、ポンプ光及びシグナル
光の位相は整合しており、アイドラー光は強め合う方向に働いて、非線形光学媒質１１ｂで十分な強度の新たなアイドラー光が生成される。３つ目以降の非線形光学媒質１１についても位相整合条件が満たされる配置となっている。
【００７１】
図１１は、図９の波長変換デバイス１０からの出力プロファイルである。図１１の（Ａ）は結晶のＣ軸が存在する面に垂直な方向（ｘ軸方向）のプロファイル、図１１の（Ｂ）
は、Ｙ軸方向のプロファイルである。ＸＹ面は伝搬方向Ｚと直交する面である。非線形光学媒質１１ａ〜１１ｂの結晶軸の向きが交互に反転するように配置し、かつ波長変換デバ
イス１０の全体を通して位相整合条件が満たされるように配置することで、ウォークオフ
が補償され、ｘ軸方向とｙ軸方向の双方で対称性の高いビームプロファイルが得られる。
また、十分な強度のアイドラー光を得ることができ、変換効率を高く維持することができる。
【００７２】
図１２は、実施例の効果を示す図である。横軸は結晶の数、縦軸は変換効率（％）である。変換効率は、基本波エネルギーに対する二倍波の発生エネルギーの比（二倍波発生エ
ネルギー／基本波エネルギー）で求める。
【００７３】

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ここでは、光軸に沿って７個の結晶を配置し、波長７５０ｎｍの単一周波数ナノ秒パル
スレーザ光（基本波）の二倍波（波長３７５ｎｍ）を発生させる。二倍波の発生は、図５を参照して説明した和周波発生における、２×ω３＝ω１＝ω２の場合と考えてもよい。
【００７４】
二倍波の発生に用いる結晶は、光軸方向の長さ（Ｌ）が６ｍｍの、タイプ１のＬＢＯである。同じ形状の７個のＬＢＯ結晶を、ウォークオフをキャンセルするようにＣ軸を交互に反転させて配置し（図６参照）、変換効率を測定する。この条件での最適な結晶間隔、
すなわち分散媒質としての空気層の光軸方向の光学長ｔは、４３．１ｍｍである。上述した式（１）と空気の分散式から計算される最適な結晶間隔は４２．９ｍｍであるが、図８のように実測値の２πの周期で得られる結晶間隔は４３．１ｍｍであり、測定精度の範囲内で一致する。
【００７５】
ラインＡは、７個のＬＢＯ結晶を最適位置に配置したとき、すなわち隣接する結晶間の間隔、または分散媒質の光軸方向の光学長を最適にしたときの変換効率を示す。ラインＢ
は、７個のＬＢＯ結晶のすべてを、最適位置から１ｍｍずれた位置に配置したときの変換効率である。ラインＣは、結晶間隔を制御せずに、７個のＬＢＯ結晶を４〜５ｃｍの間隔で適当に配置したときの変換効率である。
【００７６】
非線形光学結晶の配置位置を制御しない場合、ラインＣのように結晶の数が３個程度であれば、厳密に位置制御する場合と同じく、５０％程度までの変換効率が得られる。結晶の数が３個を超えるとラインＣの変換効率は低下し、５個を超えると位相不整合が累積されて、ラインＡとの格差が増大する。
【００７７】
最適位置から１ｍｍずらしたときのラインＢは、結晶数が６個まではラインＡと同様の傾向を示し、変換効率が単純増加するが、ラインＡに比べて変換効率が低い。結晶数が６個を超えると、位相整合条件を維持できなくなり、変換効率が低下する。
【００７８】
分割された複数の非線形光学結晶を光軸に沿って配置する場合、結晶の数が多くなるほど変換効率が高くなる。２つ目以降のすべてのＬＢＯ結晶の入射面で位相整合条件が保たれるようにＬＢＯ結晶を配置することで、二倍波の成分が減衰せずに出力される。７個目のＬＢＯ結晶の出力段階では、８２％という極めて高いエネルギー変換効率が得られる。
【００７９】
ＬＢＯ結晶の光軸方向の長さは、その出射面で位相整合条件が満たされる長さであることが好ましいが、出射面で厳密に位相整合条件が満たされていなくても、結晶間隔を制御
して、分散媒質の光学長を制御することで、高いエネルギー変換効率で和周波、差周波、二倍波、三倍波等を発生させることができる。量産された同じ形状の非線形光学結晶を複数用いて、最適な位置に配置するだけで、波長変換デバイスを実現することができる。
【００８０】
以上、特定の構成例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されない。たとえば、図２の波長変換デバイス１０Ｂと、図３の波長変換デバイス１
０Ｃにウォークオフ補償構成を適用することができる。この場合、偶数個の非線形光学媒
質１１を光軸方向の中点に対して対称に配置し、かつＣ軸の向きを交互に反転させて配置する。
【００８１】
非線形光学媒質１１としては、ＬＢＯ、ＫＴＰ、β−ＢＢＯ、ＰＰＬＮの他に、ニオブ
酸 リ チ ウ ム （ Ｌ ｉ Ｎ ｂ Ｏ 3） 、 ホ ウ 酸 セ シ ウ ム リ チ ウ ム （ Ｃ Ｌ Ｂ Ｏ ） 、 ホ ウ 酸 カ リ ウ ム ア
ルミニウム（ＫＡＢＯ）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）などを用いてもよい。
【００８２】
実施形態のレーザ装置は、半導体リソグラフィ光源、短波長加工レーザ、遠隔環境計測
レーザ、光学顕微鏡等に好適に適用することができる。

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(13)

【符号の説明】【００８３】
１、１Ａ〜１Ｄ レーザ装置
２ 光源
１０、１０Ａ〜１０Ｅ 波長変換デバイス
１１、１１ａ〜１１ｄ 非線形光学媒質
１２、１２ａ、１２ｂ 分散媒質

【図１Ａ】

【図１Ｂ】

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【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

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【図７】

【図９】

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【図８】
【図１０】

【図１１】

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