JPH04216531A - 波長可変極短パルス光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、１０ｐｓ程度以下の短
い時間幅を有する光パルスを発生する連続波長可変極短
パルス光源に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来の典型的な連続波長可変光パルス光
源を図３に示す。図３では非線形波長変換特性を有する
光学結晶１と、これに励起光を入射する集光光学系およ
び波長変換光（以下、単に変換光という。）を平行光と
するための光学系２，３が、変換光に対する共振器を構
成する平面鏡４，５からなる光学系の中に設置されてお
り、光学結晶には変換波長を調整するための回転機構７
が設けられている。平面鏡は一方が部分透過となってお
り、出力光から変換光を取り出すため励起光を分離する
光学フィルタ８および変換光の２波長を分離するプリズ
ム９が設置されている。 【０００３】図３において励起光（角振動数ωｐ　）　
が集光光学系によって光学結晶に入射すると、結晶内の
非線形光学効果によって ωｐ　＝ωｓ　＋ωｉ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　（１）　なる条件を満たす角振動数ω
ｓ　およびωｉ　を持つ光が発生する。ωｓ，ωｉ　は
、 Δｋ　＝　Ｋｐ　−　Ｋｓ　−　Ｋｉ　　　　　　　　
　　　（２）　においてΔｋ　＝０となるように定まる
。ここでｋは運動量であり、数１の（３）　式（ただし
、ｘ：ｐ，　ｓ，　ｉ）なる関係を満たす。 【０００４】 【数１】 ｃは光速度、ｎは結晶中の各振動数における屈折率であ
る。（２）　式を位相整合条件という。 【０００５】通常、周波数同調をさせるには、二つの方
法が用いられる。第１は温度整合と呼ばれる方法であっ
て励起光を結晶の光学軸に垂直に入射する。常光線に対
する屈折率　ｎ０　と異常光線に対する屈折率　ｎｅ　
は温度係数が異なるので、温度を変えることにより、励
起光の角振動数を同調することができる。 【０００６】第２はこの従来例で示した角度整合と呼ば
れる方法であって、励起光の結晶に対する入射方位を変
える。複屈折特性を有する結晶では、　ｎｅ（　θ，　
φ）　は、光の伝搬方向の結晶の結晶軸に対する角度θ
，　φに依存し、数２の（４）　式に従う。 【０００７】 【数２】 特に１軸結晶では ｎｘ　＝　ｎｙ　＝　ｎｅ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　（５）　ｎｚ　＝　ｎｏ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（６）　とすれば、数３の（７）　式となる。 【０００８】 【数３】 【０００９】ここで　ｎｏ，　ｎｅ，　ｎｘ，　ｎｙ，
　ｎｚ　は定数である。従って励起光に対する結晶の角
度を変えることにより、変換光の角振動数を共振器の発
振周波数に同調させることができる。これには第１種位
相整合と第２種位相整合とがある。第１種位相整合のと
きは、　ｎｏｐ＝　ｎｅｓ（θ，　φ）　＋　ｎｅｉ（
　θ，　φ）　（正の結晶の場合）　　　　　　（８）
　　ｎｅｐ　　（θ，　φ）　＝　ｎｏｓ＋　ｎｏｉ　
　　　　　　　（負の結晶の場合）　　　　　　（９）
　となり、第２種位相整合のときは、数４の（１０）式
および数５の（１１）式となる。 【００１０】 【数４】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　（正の結晶の場合）　　　　　
（１０）　【００１１】 【数５】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　（負の結晶の場合）　　　　　
（１１）　となる。いずれの方法でも、被変換被（励起
光）のパルスが共振器中に存在する間のみ、結晶の非線
形効果により、波長変換が連続的に行われ続ける。平面
鏡は一方が変換光を出力とし取り出すため部分透過とな
っており、取り出された変換光は、光学フィルタ８によ
って励起光と分離された後、プリズム９により２波長が
空間的に分離される。 【００１２】従来の光学系では、パルス幅が１０ｐｓ程
度以下のパルスからなるパルス光列を用いて波長変換を
行う場合、変換光に対する共振器長を１．５ｍｍ　程度
以下としなければ、光変換パルスが共振器内において一
様な強度を持たない。しかし、この程度の共振器長では
共振器を構成するのが困難であり、位相整合角を調整す
ることも難しい。従って共振器長は被変換パルスのパル
ス幅に、光速度を乗じた長さよりもかなり長いものとな
らざるを得ず、この場合、被変換パルスの電場は共振器
内において一様な強度を持つわけではなくなる。一方、
変換効率は、変換光、非変換光がともに大きな強度で非
線形結晶に入射した方が大きくなる。変換パルス光は共
振器中を周回しているわけであるが、上記のような理由
で変換パルスの電場強度も共振器中で非一様となり、し
かも変換パルスが共振器を周回する周期と、被変換パル
スの繰り返し周期は、一般に一致しないので、非線形結
晶中において入射する変換光と非変換光の電場強度が同
時に最大となることは期待できなくなる。これでは変換
光に対し共振器を構成して高い電場強度を達成しようと
したことの意義は完全に失われ、変換効率は著しく低下
してしまう。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決して、パルス幅が１０ｐｓ程度以下の極短光パ
ルス列の周期的入射に対して高い波長変換効率を有する
連続波長可変極短パルス光源を提供することにある。 【００１４】 【課題を解決するための手段】本発明の波長可変極短パ
ルス光源は、従来の方法における共振器長と、入射パル
ス光の繰り返し周波数の逆数との比が、有理数となるよ
うに構成し、共振器内を周回するパルスが入射パルス光
列に同期して増幅発振させるように光学系を構成する。 基本構成を図１に示す。図１では非線形波長変換特性を
有する光学結晶１と、これに励起光を入射する集光光学
系および変換光を平行光とするための光学系２，３とが
、変換光に対する共振器を構成する平面鏡４，５からな
る光学系の中に設置されており、平面鏡には、共振器長
を光速度で除した値と、入射する被変換パルス光の繰り
返し周波数の逆数との比が、有理数となるように設定す
る移動機構６が設けられ、また光学結晶には、変換波長
を調整するための回転機構７または温度調整機構が、設
けられている。平面鏡は一方が部分透過となっており、
出力光から変換光を取り出すため励起光を分離する光学
フィルタ８および変換光の２波長を分離するプリズム９
が設置されている。 【００１５】 【作用】図１において励起光（角振動数ωｐ　）　が共
振器内に入射されると、共振器内の集光光学系によって
光学結晶に収束される。結晶内においては、非線形光学
効果によって（１）式および（２）　式を満たす角振動
数ωｓ　を持つ光が発生する。（２）　式の位相整合条
件は温度整合または角度整合によって満足され、条件に
従った角振動数の光が発生するように発振周波数に同調
することができる。 【００１６】ここで共振器を構成する平面鏡を、共振器
長を光速度で除した値と、入射パルス光の繰り返し周波
数の逆数との比が、有理数となるよう設置する。発生し
た変換パルスは共振器中を周回し、光学結晶に繰り返し
入射するが、有理数比に応じた間隔で励起光が光学結晶
に同時に入射されるので、結晶内において変換が繰り返
し行われる。平面鏡は一方が変換光を出力として取り出
すため部分透過となっており、取り出された変換光は光
学フィルタによって励起光と分離された後、プリズムに
より２波長が空間的に分離される。 【００１７】このようにこの構成においては、被変換パ
ルス光が共振器内において一様な強度を持たないほど短
いものであっても、被変換パルス光に対し繰り返し変換
を行うことによって、高い変換効率を実現することがで
きるようになった。 【００１８】 【実施例】図２は本発明の一実施例の構成図である。こ
の装置はＬＢＯ（トリー硼酸リチウム）１０と、これに
励起光を入射する集光光学系および変換光を平行光とす
るための光学系２，３が、変換光に対する共振器を構成
する平面鏡４，５からなる光学系の中に設置されており
、平面鏡には、共振器長を光速度で除した値が、入射す
る被変換パルス光の繰り返し周波数の逆数の１／２　と
なるよう設定する移動機構６が、また光学結晶には変換
波長を調整するための回転機構７がそれぞれ設備されて
いる。 平面鏡の一方は、変換光に対して反射率９８％程度の部
分透過であり、出力光より変換光を取り出すため励起光
を分離するた可視カットフィルタ１１および変換光の２
波長を分離するプリズム９が設置されている。 【００１９】図２においてモード同期レーザから発生さ
れた励起光（波長６２０ｎｍ　、パルス幅５０ｆｓ、繰
り返し周波数１００ＭＨｚ、尖塔出力１０ｋＷ）　は、
共振器を構成する平面鏡の裏面より共振器内に入射する
。平面鏡の裏面には波長６２０ｎｍ　に対する反射防止
膜が蒸着されている。励起光は共振器内において集光光
学系によってＬＢＯに収束される。ＬＢＯは、前記第２
種の位相整合をとるため、θ＝２３°，　φ＝０°にカ
ットされており、非線形光学効果によって１．５５μｍ
　および１．０３μｍ　の変換光が発生する。また変換
光の波長は、励起光のＬＢＯに対する入射角を、ＬＢＯ
の回転機構を調整することによって変えることができる
。変換光は、二つの平面鏡により構成される共振器内を
周回するが、このとき平面鏡の間隔を約１．５ｍに設定
し、さらに変換光の出力が最大となるように平面鏡の移
動機構を調整すれば、変換光はＬＢＯ内における非線形
効率により、励起光より繰り返し増幅を受けて、高い変
換効率を達成することができる。出力は、平面鏡のうち
励起光の入射しない方の平面鏡５の変換光に対する反射
率を、変換効率とのかねあいにおいて９８％程度に設定
しておくことによって取り出される。この変換出力光は
光学フィルタによって励起光と分離された後、プリズム
により１．５５μｍ　および１．０３μｍ　の２波長が
空間的に分離される。この構成により、パルス幅１００
ｆｓ　、尖塔出力１Ｗの変換光が取り出される。 【００２０】以上の作用は、従来例に示した共振器の構
成では期待することができない。その理由は、共振器中
に存在する変換パルスが、同時にＬＢＯに入射すること
が保証されないので、高い変換効率を達成できないから
である。 【００２１】 【発明の効果】以上説明したように、本発明では従来の
方法における励起光に対する共振器長を、入射パルス光
の繰り返し周波数の逆数と有理数比となるように構成し
ている。この構成により発生した変換パルス光は、有理
数比に応じた間隔で励起光と同時に光学結晶に入射する
ことが保証されるので、共振器内を周回する間に繰り返
し増幅が行われ、高い変換効率を達成することが可能と
なる。これにより従来実現が困難であった低エネルギー
の極短光パルスによる非線形波長変換を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長可変極短パルス光源の基本構成図
である。

【図２】本発明の一実施例の構成図である。

【図３】従来の典型的な波長可変光源の基本構成図であ
る。

【符号の説明】

１　　非線形光学結晶 ２，３　　集光光学系 ４，５　　平面鏡 ６　　移動機構 ７　　回転機構 ８　　光学フィルタ ９　　プリズム １０　　ＬＢＯ（トリー硼酸リチウム）１１　　可視カ
ットフィルタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　共振器中に非線形波長変換特性を有す
   る光学結晶を有し、該光学結晶に繰り返しパルス光列を
   入射する光学系において、共振器長を光速度で除した値
   と、入射パルス光の繰り返し周波数の逆数との比が、有
   理数となるように調節し得る手段を有することを特徴と
   する波長可変極短パルス光源。