JPH09246644A

JPH09246644A - 赤外光発生装置

Info

Publication number: JPH09246644A
Application number: JP5634096A
Authority: JP
Inventors: Takanori Suzuki; 隆則鈴木; Jiyuketsu Hayashi; 樹傑林; Yoshito Tanaka; 義人田中
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】位置調整が必要な光学デバイスの数を低減し、
光学デバイスの位置調整工数を低減した赤外光発生装置
を実現すること。【解決手段】光をパルス出力する第１の光学系と、より
長波長の光を同期パルス出力する第２の光学系と、光路
合わせを行う光路合わせ光学系と、第１の光学系の出力
光をポンプ光、第２の光学系の出力光を種光として光パ
ラメトリック増幅を行い、アイドラ光として赤外光を出
力する非線形光学素子と、該素子が呈するアイドラ光
（またはシグナル光）波長の位相整合角度の依存特性に
おいて、位相整合角度変化のアイドラ光（またはシグナ
ル光）波長変化に対する微分係数が零となる点が２点発
生する位相整合角度で、非線形光学素子に対してポンプ
光が入射するように、ＭＬＮ素子の配置状態を調整する
ための調整機構とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光パラメトリック
増幅を利用して赤外光を発生させる装置に係わり、特
に、装置を構成する各種の光学デバイスの調整工数を低
減することを可能にする、赤外光の発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外領域の光（２〜２０（μｍ））は、
主な分子の振動スペクトルを検出するのに好適であるた
め、成膜過程（ＣＶＤ、エッチング等における化学反
応）等の光学的手法による評価を始めとする各種の分野
への応用が考えられ、可視領域や近赤外領域のレーザ光
の波長変換を行い、２（μｍ）以上の波長の赤外光を発
生させる装置の開発が盛んである。

【０００３】ところで、このような波長変換を行うため
に、光パラメトリック効果や光パラメトリック増幅を利
用した装置が提案されていた。光パラメトリック効果
は、回転ステージ等に固定された非線形光学素子にポン
プ光（角周波数ω1 ）を入射し、回転ステージを調整し
てポンプ光の入射角度を位相整合条件を満たすように設
定することにより、シグナル光（角周波数ω2 ）とアイ
ドラ光（角周波数ω3 ：ω2 ＞ω3 、ω＝ω2 + ω3
）を得る光学的効果である。本効果によれば、ポンプ
光の波長が固定であっても、回転ステージを調整して、
位相整合条件を満足させながらポンプ光の非線形光学素
子への入射角度を変更することにより、アイドラ光とシ
グナル光の波長を変更することが可能になる。

【０００４】また、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）
は、回転ステージ等に固定された非線形光学素子にポン
プ光（角周波数ω1 ）および種光（シーディング光：角
周波数ω2 またはω3 ）を入射し、回転ステージを調整
してポンプ光の入射角度を位相整合条件を満たすように
設定することにより、増幅されて強い光となったシグナ
ル光（角周波数ω2 ）とアイドラ光（角周波数ω3 ：ω
2 ＞ω3 、ω1 ＝ω2 +ω3 ）とを得るものである。光
パラメトリック増幅においても、回転ステージを調整し
て、位相整合条件を満足させながらポンプ光の非線形光
学素子への入射角度を変更することにより、ポンプ光と
種光で決まる位相整合条件下で種光を増幅する。

【０００５】さて、このような光パラメトリック効果や
光パラメトリック増幅を利用した赤外光発生装置の従来
の例を図面を参照して説明する。図７は、従来の赤外光
発生装置の構成例を示す。

【０００６】本装置は、可視または近赤外の光であるポ
ンプ光を発生するポンプ光生成部１７と、ポンプ光から
種光を生成する種光生成部１９と、光パラメトリック増
幅を利用して赤外光を生成するＯＰＡ部１５と、ポンプ
光を遅延させる光学系とを有して構成される。

【０００７】ポンプ光生成部１７は、固定波長の赤外レ
ーザ光を発生するポンプ用レーザ１２と該レーザ光を絞
るレンズ１（焦点距離１（ｍ））とからなる。また、種
光生成部１９は、入射されるポンプ光をもとにシグナル
光およびアイドラ光を生成する光パラメトリック効果を
奏する非線形光学素子であるＭＬＮ１（２）（ニオブ酸
リチウムLiNBO₃に酸化マグネシウムMgO を混ぜ合わせ製
造した素子）と、出力されるアイドラ光（シグナル光）
を集光する集光レンズ３（焦点距離７０（ｍｍ））と、
集光された光を反射するミラー５と、所定の波長の光を
選択するためのグレーティング４からなる。なお、図示
はしないが、ＭＬＮ１は回転ステージに固定され、該回
転ステージを操作することによって、ビームスプリッタ
６を透過してきたポンプ光の入射角を調整可能になって
いる。また、グレーティング４も、回転ステージに固定
され、該回転ステージを操作することによって、ミラー
５で反射されてきた２種類のアイドラ光（シグナル光）
のいずれかを選択可能になっている。

【０００８】さらに、ＯＰＡ部１５は、光の照射するエ
リアを制限するスリット１０と、照射された光を受光し
て光パラメトリック増幅を行うＭＬＮ２（１１）からな
っている。なお、図示はしないが、ＭＬＮ２は回転ステ
ージに固定され、該回転ステージを操作することによっ
て、スリット１０を通過してきた光の入射角を調整可能
になっている。

【０００９】さて、このような光学系における赤外線発
生の動作原理について説明する。まず、ポンプ用レーザ
１２から出力されたレーザ光は、コリメートレンズ１に
よってゆるく絞られ、絞られた光は、ビームスプリッタ
６によって２光路に分割される。１つの光路を形成する
光は集光レンズ２（焦点距離２００（ｍｍ））によって
再度、集光され、遅延プリズム７によって所定時間の遅
れが与えられた後ミラー８によって反射され、さらに、
ダイクロイックミラー９によって反射されてＯＰＡ部１
５に投光される。なお、遅延プリズム７によって与えら
れる遅れは、図示しない移動機構によって遅延プリズム
７を移動することによって、調整可能である。

【００１０】一方、他の光路を形成する光（角周波数ω
1 ）は、ＭＬＮ１の光パラメトリック効果によって、シ
グナル光（角周波数ω2 ）とアイドラ光（角周波数ω3
：ω2 ＞ω3 、ω1 ＝ω2 + ω3 ）を生成する。そし
て、シグナル光とアイドラ光はミラー５で反射されて、
グレーティング４によって、シグナル光またはアイドラ
光のいずれかが選択されてダイクロイックミラー９を介
してＯＰＡ部１５に投光される。したがって、ダイクロ
イックミラー９は、遅延を与えられたポンプ光の光路と
グレーティング４によって選択された光の光路を同一に
してＯＰＡ部１５に投光する機能を有する。

【００１１】そして、ＯＰＡ部１５に投光された光はス
リット１０を介してＭＬＮ２に照射される。ＭＬＮ２
は、ポンプ光と種光生成部１９で生成された種光（ＭＬ
Ｎ１の光パラメトリック効果によって発生し、グレーテ
ィング４によって選択されたシグナル光またはアイドラ
光）によるパラメトリック増幅により、シグナル光（角
周波数ω2 ）とアイドラ光（角周波数ω3 ：ω2 ＞ω3
、ω1 ＝ω2 + ω3 ）を増幅した出力する。

【００１２】さらに、図示しない光選択素子によってシ
グナル光またはアイドラ光を選択して赤外光として出力
する。従来の装置によっては、このようにして赤外光を
得ていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな装置において、赤外線の波長を変更する場合、位相
整合条件を満足させながら、ＭＬＮ１に対するポンプ光
の入射角を変更して、光パラメトリック効果によって発
生するアイドラ光（またはシグナル光）の角周波数（波
長に対応する）を変化させるため、回転ステージを操作
して微妙な入射角度の調整を行わなければならず、膨大
な作業工数を要していた。

【００１４】さらに、ＭＬＮ１の光パラメトリック効果
によって発生するアイドラ光（またはシグナル光）の角
周波数の変化に伴ってグレーティング４を固定する回転
ステージを操作することによる調整作業や、光パラメト
リック増幅を行うために、ＭＬＮ２を固定する回転ステ
ージを操作することによる調整作業も生じてしまい、さ
らにＭＬＮ２の回転に伴い結晶から出力される光の方向
も変わり、同一光路で赤外線を出力させるためには、ダ
ミー結晶でこれを補正するなど、出力する赤外線の波長
を変更するためには、多くの作業工数を要していたとい
う問題点があった。

【００１５】また、ＭＬＮやグレーティング４等の光学
デバイスを多く使用したり、遅延光路を形成する必要か
ら装置サイズが大きく、装置の小型化の要請もあった。
そこで、本発明は、ＭＬＮやグレーティング等の光学デ
バイスの数を低減し、装置の調整工数を低減した赤外光
発生装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し本発明
の目的を達成するため、請求項１記載の発明は、光パラ
メトリック増幅を用いて赤外光を発生する装置であっ
て、光を所定の周期でパルス出力する第１の光学系と、
前記光より長波長の光を所定波長範囲内で選択可能で、
選択した波長の光を前記パルスと同期してパルス出力す
る第２の光学系と、両光学系の光路合わせを行う光路合
わせ光学系と、該光路合わせ光学系から出力される光を
受光し、前記第１の光学系の出力光をポンプ光、かつ、
前記第２の光学系の出力光を種光として光パラメトリッ
ク増幅を行い、アイドラ光として赤外光を出力する機能
を有する非線形光学素子と、前記第１の光学系の光の波
長で定まる前記非線形光学素子が呈する、アイドラ光
（またはシグナル光）波長の位相整合角度の依存特性に
おいて、位相整合角度変化のアイドラ光（またはシグナ
ル光）波長変化に対する微分係数が零となる点が２点発
生する位相整合角度で、前記非線形光学素子に対して前
記ポンプ光が入射するように、前記非線形光学素子の配
置状態を調整するための調整機構とを備える赤外光発生
装置である。

【００１７】なお、請求項１記載の発明はパルス光の発
生装置であるが、ＣＷの赤外光を発生させる他の態様も
考えられる。即ち、請求項２記載の発明は、光パラメト
リック増幅を用いて赤外光を発生する装置であって、光
を出力する第１の光源と、該第１の光源から出力される
光より長波長の光を所定波長範囲内で選択可能で、選択
した波長の光を出力する第２の光源と、両光源の光路合
わせを行う光路合わせ光学系と、該光路合わせ光学系か
ら出力される光を受光し、前記第１の光源の出力光をポ
ンプ光、かつ、前記第２の光源の出力光を種光として光
パラメトリック増幅を行い、アイドラ光として赤外光を
出力する機能を有する非線形光学素子と、前記第１の光
源の波長で定まる前記非線形光学素子が呈する、アイド
ラ光（またはシグナル光）波長の位相整合角度の依存特
性において、位相整合角度変化のアイドラ光（またはシ
グナル光）波長変化に対する微分係数が零となる点が２
点発生する位相整合角度で、前記非線形光学素子に対し
て前記ポンプ光が入射するように、前記非線形光学素子
の配置状態を調整するための調整機構とを備える赤外光
発生装置である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、図面
を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態にか
かる装置の構成例を示す図面である。

【００１９】本装置は、光を所定の周期でパルス出力す
る第１の光学系１００と、該光より長波長の光を所定波
長範囲内で選択可能で、選択した波長の光を前記パルス
出力と同期してパルス出力する第２の光学系１１０と、
第２の光学系１１０からの出力光を反射するミラー２４
と、該ミラー２４で反射された光の光路と第１の光学系
１００から出力される光の光路との光路合わせを行う光
路合わせ光学系として機能するダイクロイックミラー３
４と、該ダイクロイックミラー３４を介して投光される
光を利用して光パラメトリック増幅を行う非線形光学素
子であるＭＬＮ３６と、ＭＬＮ３６から出力されるアイ
ドラ光（またはシグナル光）を透過し、かつ、ポンプ光
成分を反射するダイクロイックミラー３８と、不要な光
である該ダイクロイックミラー３８で反射されたポンプ
光を反射させない非反射器４２と、ＭＬＮ３６から出力
されるアイドラ光のみを透過するＧｅ（ゲルマニウム）
素子４４と、ＭＬＮ３６を固定し、ＭＬＮ３６へ照射す
る光の位相整合角度を調整可能な調整機構５０と、同期
したパルス光を生成するためのタイミンングジエネレー
タ４０と、を有している。

【００２０】以下、本装置の主要な構成要素について説
明する。第１の光学系は、ＴｉＳレーザ（チタンサファ
イアレーザ）３０と該レーザの光を増幅しパルス出力す
る光アンプ３２からなる。

【００２１】ＴｉＳレーザ３０は、一例として、パルス
幅２（ｐｓ）、繰り返し周波数８２（Ｈｚ）、出力１０
（ｎＪ）、波長７７８（ｎｍ）なる特性を有する。光ア
ンプ３２は、ＴｉＳレーザ３０から出力される波長７７
８（ｎｍ）のパルス光を、平均出力１（ｍＪ／パルス）
まで増幅し、１０（Ｈｚ）の繰り返しパルス（パルス幅
２（ｐｓ））として出力する。なお、光アンプ３２は、
タイミンングジエネレータ４０によって、１０（Ｈｚ）
の繰り返しパルスを出力するように駆動制御される。

【００２２】この光アンプ３２は通常「再生増幅器」と
称されており、その構成は、例えば「レーザ科学研究，
ＮＯ．１６（１９９４）」等の文献に掲載されており公
知のデバイスである。構成を概略説明すると次のように
なる。即ち、モードロックレーザとして機能するＴｉＳ
レーザ３０から出力されるパルス光を、内蔵する増幅励
起用ＹＡＧレーザ（パルス幅１０（ｎｓ）、繰り返し周
波数１０（Ｈｚ）、出力３０（ｍＪ）、波長５３２（ｎ
ｍ））の繰り返し周波数１０（Ｈｚ）で切り出し、切り
出したパルス光を複数のミラーやＴｉＳ（チタンサファ
イア）結晶等で構成される光共振器で増幅し、増幅光を
出力する構成となっている。なお、タイミンングジエネ
レータ４０は、ＴｉＳレーザ３０から出力されるパルス
光を切り出すために上記増幅励起用ＹＡＧレーザおよび
光共振器が備える発振駆動部を駆動している。

【００２３】このようにして増幅された光アンプ３２の
出力光は、ポンプ光となる。次に、第２の光学系は、Ｙ
ＡＧレーザ（ヤグレーザ）２０と該レーザの光をポンプ
光として利用して、出力光の波長範囲が広く、最長波長
１．８（μｍ）程度の赤外光を出力するＯＰＯ（Optica
l Parametric Oscillator ：オプティカル・パラメトリ
ック・オシレータ）２２からなる。

【００２４】ＹＡＧレーザ２０は、内蔵するフラッシュ
ランプ（図示せず）で励起され内蔵するＱスイッチ（図
示せず）でスイッチングされるレーザ光源であり、実際
には、レーザ光の第３高調波が出力される。この第３高
調波は、例えば、レーザ光の出力位置にBaB₂0₄等の非線
形光学素子を有した構成にすることによって得ることが
可能である。具体的には、非線形光学素子で第２高調波
を生成し、これに基本波であるレーザ光を重畳する構成
とすればよい。なお、このような構成は公知であるため
詳細に説明することは避ける。なお、タイミンングジエ
ネレータ４０がフラッシュランプおよびＱスイッチを駆
動することによりパルス光が出力され、このパルス繰り
返し周期は１０（Ｈｚ）でありポンプ光の出力と同期し
たパルス光が出力される。

【００２５】なお、ＹＡＧレーザ２０の一例としては、
パルス幅９〜１２（ｎｓ）、出力１．５（Ｊ）、波長
１．０６（μｍ）なる特性を有し、実際には、出力４７
５（ｍＪ）、波長３３５（ｎｍ）なる第３高調波に変換
された光が出力されるものが挙げられる。

【００２６】ＯＰＯ２２は、内部に光パラメトリック効
果を奏するＢＢＯ（BaB₂O₄）等の非線形光学素子を有
し、ＹＡＧレーザ２０の第３高調波をポンプ光として、
シグナル光（４４０〜６９０（ｎｍ））、アイドラ光
（７３５〜１８００（ｎｍ））を得て、近赤外のみを選
択可能な光学デバイスによってアイドラ光（７３５〜１
８００（ｎｍ））またはシグナル光を選択して出力する
構成になっている。

【００２７】ＯＰＯ２２の特性の一例としては、パルス
幅３〜７（ｎｓ）、パルス繰り返し周期は１０（Ｈ
ｚ）、出力５〜５０（ｍＪ）、発振バンド幅０．２（１
／ｃｍ）であって、選択可能な波長範囲は、０．７３〜
１．８（μｍ）である。なお、ＯＰＯレーザ２２内のＢ
ＢＯが、操作ダイアル等によって回転可能に設けられ
て、ＢＢＯを回転操作することによってアイドラ光の波
長が０．７３〜１．８（μｍ）の波長範囲内で変更可能
に構成されている。このようにＯＰＯ２２の波長可変範
囲は、第１の光学系から出力されるポンプ光の波長より
長波長の領域を含むようにしておくことによって、ω1
＞ω2 ( ω1 ポンプ光の角周波数、ω2 種光角周波数）
となり光パラメトリック増幅が行えるようになる。

【００２８】なお、ＯＰＯ２２の出力が種光となり、Ｏ
ＰＯ２２の出力パワーの約１（％）、即ち、０．０５
（ｍＪ）程度のパワーが種光のパワーとなる。次に、非
線形光学素子であるＭＬＮ３６は、ニオブ酸リチウム(l
iNbO₃) に酸化マグネシウム（MgO ）を７（％）混ぜ合
わせた結晶を、「カット角、θ＝４８．５度：φ＝０
度」でカットしたもので、実際には10(mm)×10(mm)×20
(mm)の直方体形状を有する非線形光学機能を有する素子
である。

【００２９】また、ミラー２４は、ＯＰＯ２２から出力
される種光を反射して、ダイクロイックミラー３４に種
光を投光する光学デバイスであり、また、ダイクロイッ
クミラー３４は、ポンプ光を透過しかつ種光を反射し、
種光の光路とポンプ光の光路とを合わせ、ＭＬＮ３６へ
と光を導く機能を有する光学デバイスである。さらに、
ダイクロイックミラー３８は、不要な光であるポンプ光
をポンプ光を反射させない非反射器４２に投光すると共
に、シグナル光とアイドラ光を透過させＧｅ素子４４に
導く機能を有する光学デバイスである。なお、非反射器
４２は、例えば黒色フェルト布地等の材料で実現可能で
ある。さらに、Ｇｅ素子４４は、アイドラ光のみを透過
させ赤外光を出力させるための素子である。

【００３０】タイミンングジエネレータ４０は、上述し
たように２種類のパルス光を得るために光学デバイスに
トリガ信号を与える回路であり、例えば、各種の論理回
路素子、抵抗、コンデンサ等の電子素子によって実現で
きる。

【００３１】また、調整機構５０は、ＭＬＮ３６を固定
した回転ステージで実現され、該回転ステージを操作し
て、所望の位相整合角度で、ＭＬＮ３６に対してポンプ
光および種光が入射するように、ＭＬＮ３６の配置状態
を調整するためのコンポーネントである。ここで、位相
整合角度とは、非線形光学結晶において、ポンプ光と種
光の位相速度が一致する方向を結晶の光学軸から測った
角度である。

【００３２】なお、この位相整合角度は、赤外線発生装
置の起動時に予め設定しておく角度であるが、この設定
角度については本発明の原理と関係することから、これ
については後に原理説明を行う際に述べる。

【００３３】以下、本発明の原理を説明し、その後に具
体的動作について説明する。図２は、ＭＬＮ３６が呈す
る「アイドラ光（またはシグナル光）波長の位相整合角
度の依存特性」を示す図面である。横軸は、調整機構５
０を操作して調整するＭＬＮ３６の位相整合角度、縦軸
は、ＭＬＮ３６の光パラメトリック増幅作用により発生
するアイドラ光（またはシグナル光）の波長を示す。

【００３４】なお、図２には、３種類の特性が示されて
いるが、このような特性はポンプ光の光源であるＴｉＳ
レーザ３０の出力波長（７５０〜８５０（ｎｍ）で可
変）によって定まる。

【００３５】したがって、図２では、ポンプ光（ＴｉＳ
レーザ３０の出力光）の波長が、７５０、８２２、８４
０（ｎｍ）の３種類の場合の、アイドラ光（またはシグ
ナル光）波長の位相整合角度の依存特性について示して
いる。

【００３６】図３は、原理説明のために、ポンプ光の波
長が８４０（ｎｍ）の場合のアイドラ光（またはシグナ
ル光）波長の位相整合角度の依存特性についてのみ示し
た図面である。

【００３７】図３において、横軸は、調整機構５０を操
作して調整するＭＬＮ３６の位相整合角度、縦軸は、Ｍ
ＬＮ３６の光パラメトリック増幅作用により発生するア
イドラ光（またはシグナル光）の波長を示す。

【００３８】さて、この図面を参照して、調整機構５０
で初期設定する位相整合角度について説明する。図中Ｂ
は、位相整合角度を約４６．２５度に設定した場合のア
イドラ光、シグナル光の発生状態を説明するための点線
である。点線Ｂと特性曲線との交点は４つ存在し、波長
の短いほうから順に点ｄ、点ｃ、点ｃ’、点ｄ’とす
る。

【００３９】そして、点ｄ、点ｄ’は、１組のシグナル
光ｄ、アイドラ光ｄ’の発生点に対応し、また、点ｃ、
点ｃ’は、１組のシグナル光ｃ、アイドラ光ｃ’の発生
点に対応する。このように４つの交点ができるように位
相整合角度を設定した場合には、２組のアイドラ光とシ
グナル光の組が発生する。

【００４０】ところで、この様な設定角度では、位相整
合角度の変化量に対するアイドラ光（またはシグナル
光）波長の変化量が大きく、即ち、位相整合角度変化の
分周波波長変化に対する微分係数が大きく、一旦設定し
た設定角度においては、広い範囲でアイドラ光（または
シグナル光）の波長を変更することはできない。広い範
囲でアイドラ光（またはシグナル光）の波長を変更する
ためには、随時適切な位相整合角度を定めて、該位相整
合角度を設定角度となるように調整機構５０を操作する
作業を要してしまう。

【００４１】このことは、図３の領域αを見て分かるよ
うに、わずか約０．５（μｍ）幅のアイドラ光の波長変
化に対して約０・７５度も位相整合角度が変化してしま
うため、一度設定した設定角度において、広い範囲でア
イドラ光（またはシグナル光）の波長を変化させること
は困難である。

【００４２】次に、図中Ａは、位相整合角度を約４５．
７５度に設定した場合のアイドラ光、シグナル光の発生
状態を説明するための点線である。点線Ａと特性曲線と
の交点は２つ存在し、波長の短いほうの点ｂがシグナル
光、他の交点ａがアイドラ光の発生点に対応する。この
ように２つの交点ができるように位相整合角度を設定し
た場合には、１組のアイドラ光およびシグナル光が発生
する。

【００４３】ところで、この様な設定角度では、アイド
ラ光（またはシグナル光）波長の変化量に対する位相整
合角度の変化量が小さく、即ち、位相整合角度変化のア
イドラ光（またはシグナル光）波長変化に対する微分係
数が「０」となる。このような点をリトレーシイングポ
イントと称する。さらに、リトレーシイングポイントに
対する位相整合角度をリトレーシイング位相整合角度と
称する。

【００４４】このリトレーシイングポイントに対応する
設定角度においては、比較的広い範囲でアイドラ光（ま
たはシグナル光）の波長を変更することができる。な
お、リトレーシイングポイントについては、次のことを
留意されたい。

【００４５】リトレーシイングポイントは、図３に示す
ように数学的にはポイント（点）を示すが、光学的特性
としては、ある幅を有したエリアとして作用する。即
ち、リトレーシイングポイントにおいて、種光（シグナ
ル光）の波長を変化させることにより、所定範囲でアイ
ドラ光の波長が変化しうる。このことは、特性曲線が有
する許容範囲（アクセプタンスレンジ）として知られて
いる。

【００４６】もちろん、リトレーシイング位相整合角度
は、図３に示すリトレーシイングポイントを数学的な点
として扱って求めればよい。具体例として、図３の領域
βを見て分かるように、約０．７（μｍ）もの波長幅で
アイドラ光の波長を変化させても、位相整合角度が約０
・２５度しか変化しないため、一度設定した設定角度に
おいて、広い範囲でアイドラ光（またはシグナル光）の
波長を変化させることができる。このことは、位相整合
角度変化のアイドラ光（またはシグナル光）波長変化に
対する微分係数が「０」となる点が存在する位相整合角
度を設定角度として設定しておき、ＭＬＮの光パラメト
リック増幅特性において、位相整合角度があまり変化し
なくても波長を変更できる領域を使用するからである。

【００４７】なお、点ｅ（位相整合角度が約４６・７５
度）においても、位相整合角度変化のアイドラ光（また
はシグナル光）波長変化に対する微分係数が「０」とな
るが、アイドラ光とシグナル光の波長が一致してしま
い、短い波長の種光で長い波長の赤外線を得ることが難
しいため一般には実用に供さない。なお、このような点
ｅをディジエネレーティングポイントと称する。

【００４８】現在比較的入手しやすい種光光源の最長波
長は、２．０（μｍ）程度であり、振動分光等の光学実
験では、３．０〜４．０（μｍ）程度の赤外線発生装置
の開発が望まれていることを考慮すると、上述した特性
を有する、ＭＬＮ３６、種光発生のための第２の光学系
１１０、ポンプ光発生のための第１の光学系１００等を
用いて、ＭＬＮ３６の光パラメトリック増幅によってア
イドラ光を赤外線（３．０（μｍ）程度）として発生さ
せる、本実施形態で述べてきたような装置構成にするの
が好ましい。

【００４９】このように、本発明においてはリトレーシ
ングポイントに対応する位相整合角度が、ＭＬＮ３６に
対するポンプ光の入射角度となるように調整機構５０を
操作しておく点に特徴がある。

【００５０】なお、図４は、ポンプ光の波長と、赤外光
波長（アイドラ光の波長）およびリトレーシイング位相
整合角度との関係の一例を示した説明図である。使用し
たＭＬＮの特性は上述したように、ニオブ酸リチウム(l
iNbO₃) に酸化マグネシウム（MgO ）を７（％）混ぜ合
わせた結晶を、カット角４８．５度でカットしたもので
ある。

【００５１】図４の横軸にはポンプ光の波長をとり、縦
軸のうち図面左側の縦軸は赤外光波長を示し、縦軸のう
ち図面右側の縦軸はリトレーシイング位相整合角度を示
している。図４中Ａが、赤外光波長とポンプ光波長との
関係を示している。また、図４中Ｂが、リトレーシイン
グ位相整合角度とポンプ光波長との関係を示している。
赤外光波長、リトレーシイング位相整合角度共に、赤外
光波長が長くなるにしたがって減少していく様子が示さ
れている。

【００５２】さて、以下、ポンプ光がＭＬＮに対してリ
トレーシイング位相整合角度で入射されるように調整さ
れたものとして、赤外線発生の動作を説明する。まず、
ＴｉＳレーザ３０から出力されたパルス光は光アンプ３
２で増幅され、繰り返し周波数が１０（ＨＺ）のパルス
光として放出され、これがポンプ光（角周波数ω1)とな
る。なお、タイミングジェネレータ４０が繰り返し周波
数が１０（ＨＺ）となるように光アンプの動作を制御し
ている。

【００５３】一方、タイミングジェネレータ４０の動作
によってパルス発振するＹＡＧレーザ２０から出力され
るパルス光は、ＯＰＯ２２内の光パラメトリック増幅に
よって近赤外のパルス光に変換されて出力される。

【００５４】なお、ＯＰＯ２２から出力される近赤外光
は種光として作用し、さらにその波長（角周波数ω2)
は、上述したＯＰＯ２２が備える操作ダイアルの操作に
よって、所定波長範囲内で変更可能である。

【００５５】次に、第２の光学系１１０によって生成さ
れた種光（角周波数ω2)は、ミラー２４によって反射さ
れ、ダイクロイックミラー３４に入射する。一方、第１
の光学系１００によって生成されたポンプ光も、ダイク
ロイックミラー３４に入射する。

【００５６】ダイクロイックミラー３４は、両光学系の
光路合わせを行う光路合わせ光学系として機能する。そ
して、種光およびポンプ光はＭＬＮ３６に対して、予め
設定されている位相整合角度で入射する。このとき、非
線形素子であるＭＬＮ３６の光パラメトリック増幅によ
って、アイドラ光、シグナル光が増幅され出力される。

【００５７】このとき、光パラメトリック増幅の原理に
よって、シグナル光、アイドラ光の角周波数を夫々、ω
2 、ω3 とすると、「ω2 ＞ω3 、ω1 ＝ω2 + ω3
（但し、ω1 はポンプ光の角周波数）」なる関係が成立
する。

【００５８】次に、ダイクロイックミラー３８は、ＭＬ
Ｎ３６内を透過したポンプ光を反射すると共に、シグナ
ル光、アイドラ光を透過させる。ダイクロイックミラー
３８によって反射されたポンプ光は不要な光であるた
め、これを消滅させるべくポンプ光を非反射器４２に投
光される。これによってポンプ光は消滅する。

【００５９】一方、Ｇｅ素子４４は、シグナル光および
アイドラ光のうち、アイドラ光のみを透過させ、透過さ
せたアイドラ光を赤外線として出力する。なお、ＯＰＯ
２２の操作ダイアルを操作して種光の各周波数ω2 を変
更することによって、出力される赤外線の波長は所定範
囲内で変更されることになる。

【００６０】また、本装置においては、一度、調整機構
５０を用いた調整を行った後は、ＴｉＳレーザ３０等の
光学デバイスの変更がない限り、調整機構５０を用いた
調整作業を行う必要がない。

【００６１】図５に、上述した特性を有する光学デバイ
スで構成された赤外線出力装置の出力特性例を示す。Ｔ
ｉＳレーザ３０の波長は７７８（ｎｍ）であり、これに
対するリトレーシング位相整合角度は、４６．０６度で
ある。

【００６２】図５の横軸は、種光（シグナル光）の波
長、アイドラ光として発生する赤外光の波長を示し、縦
軸は、赤外光の強度（単位は任意）を示している。図５
ａ，ｂ，ｃ，ｄの順に、ＭＬＮに入射するポンプ光の位
相整合角度がリトレーシング位相整合角度に近づくよう
にして測定した結果である。なお、赤外線の強度は、赤
外線領域の光に感度を持つレーザーパワーメータ（パイ
ロエレクトリック光検出器）等の赤外線検出器にて測定
した。

【００６３】図５ａにおいて、２つのピークが生じるの
は、図３Ｂにて示したように２種類のアイドラ光が発生
することに起因している。図３の特性曲線を参照しても
分かるように、ＭＬＮに入射するポンプ光の位相整合角
度がリトレーシング位相整合角度に近づくにしたがっ
て、アイドラ光の発生によって生じる２つのピーク位置
が接近する。そして、図５ｃに示す状態を経て、図５ｄ
においては、アイドラ光が１つになるため単峰性の強度
分布になる。

【００６４】図５ｄを見て分かるように、ＭＬＮに入射
するポンプ光の位相整合角度がリトレーシング位相整合
角度になった場合には、３．４〜３．８（μｍ）の赤外
領域で、高出力の赤外線が得られる。

【００６５】なお、図５ｃは、アイドラ光の発生によっ
て生じるピークの数が２個から１個に変化する過程にお
ける出力例であり、このようにリトレーシング位相整合
角度より若干小さめ（図５では、０．０２度）となるよ
うに、位相整合角度を設定すると、広い波長範囲に渡っ
てフラットな特性を有する赤外線出力特性が得られる。
図５ｃでは、約３．３５〜３．８５（μｍ）の波長範囲
でフラットな出力特性を有する赤外線を得ることができ
た。

【００６６】このように、ＴｉＳレーザ３０から出力さ
れる光をポンプ光、ＹＡＧレーザ２０から出力される光
を種光とし、ＭＬＮの光パラメトリック増幅を利用しア
イドラ光を赤外光として出力する構成により、約３（μ
ｍ）程度の所定範囲で波長を可変できる赤外線発生装置
を実現することが可能になる。

【００６７】なお、上述してきた実施形態によればパル
ス光を得るための装置構成について述べてきたが、図１
に示す装置構成を多少変更することによって、ＣＷの赤
外線を発生するＣＷ赤外線発生装置を実現することも可
能である。

【００６８】この場合、第１の光学系、第２の光学系の
夫々を、ＣＷ発振可能な第１の光源、第２の光源で置き
換え、不要なタイミングジェネレータ４０を取り除いた
装置構成とする。

【００６９】具体的には、例えば、第１の光源をＣＷ発
振するＴｉＳレーザを用いて構成し、また、第２の光源
をＣＷ発振するＹＡＧレーザのレーザ光をポンプ光とす
る波長可変のＯＰＯ２２を用いて構成する。なお、ＯＰ
Ｏ２２の波長可変範囲は第１の光源から出力されるポン
プ光の波長より長波長の領域を含むようにしておくこと
によって、光パラメトリック増幅が行えるようになる。
また、ＯＰＯ２２を用いずに、第２の光源を波長可変の
１つのレーザ装置で構成してもよい。

【００７０】そして、ミラー２４およびダイクロイック
ミラー３４の配置調整を行って両光源から出力される光
の重畳を行い、重畳した光をＭＬＮ３６に照射可能に装
置を構成し、調整機構５０、ダイクロイックミラー３８
およびＧｅ素子４４は、パルス型の装置構成と同一の構
成にすれば良い。また、光パラメトリック増幅の効率を
向上させるためには、ポンプ光波長に対してＭＬＮ３６
を共振器内に含むような共振器を構成するのもよい。

【００７１】なお、調整機構５０により設定するリトレ
ーシング位相整合角度はパルス型の装置と変わるところ
がない。このような装置構成によってＣＷ赤外線発生装
置を実現することも可能である。

【００７２】また、上述した実施形態では使用する非線
形光学素子としてＭＬＮを採用した場合について述べて
きたが他の非線形光学素子例えば、LiB₃O₅,KTP,LiO₃, A
sGaS _2,AsGaSe₂等を用いてもよい。

【００７３】また、出力される赤外線のパルス幅は、ポ
ンプ光のパルス幅とほぼ等しいことから、ポンプ光のパ
ルス幅をピコ秒やフェムト秒としてピコ秒やフェムト秒
のパルス幅を有する赤外線を得るような構成にし、ま
た、第２の光源として、本実施形態で述べたナノ秒のパ
ルス光源またはＣＷ発振可能な光源（半導体レーザ等）
を用いて、各種の光学実験に用いる装置を実現すること
もできる。さらに、本装置自体を他の狭帯域レーザの種
光光源として用いることも考えられる。（実験例）上述してきた特性を有する光学デバイスから
なる装置を用いて光学実験を行った。

【００７４】具体的には、光が照射されることによって
ＬＢ膜によって発生する和周波信号であるＳＦ信号を測
定する実験を本装置を用いて行った。この実験を行うた
め、上記実施形態で述べてきた特性を有する光学デバイ
スを有して構成される赤外線発生装置から出力される赤
外線と、図１には図示しないビームスプリッタ等の光学
系によって取り出したＴｉＳレーザ３０のレーザ光とを
ＬＢ膜に照射した。なお、ＳＦ信号の強度はフォトマル
チプライヤーで検出した。

【００７５】なお、レーザ光同士を特定の材料に照射す
ることにより両光の和の周波数の光が発生する現象であ
る和周波発生は、一般に知られている。測定対象となる
ＬＢ膜は、スライドグラス上に約１０（ｎｍ）の厚さを
持つアラキン酸((CH₃(CH₂)₁₈COO)₂Cd)を成長させたもの
である。

【００７６】なお、赤外線のＬＢ膜に対する入射角度は
４０度、ＴｉＳレーザ光のＬＢ膜に対する入射角度は４
５度として実験を行った。なお、両レーザ光のＬＢ膜へ
の照射は、いわゆる平行型で行った。

【００７７】図６に、実験結果を示す。図６の横軸は赤
外線の波長を波数表現した値、縦軸は適当な大きさの強
度信号を「１」としたときのＳＦ信号の強さを示した値
であり、測定点を黒丸でプロットとした。

【００７８】ＯＰＯ２２の操作ダイアルを操作して赤外
線の波数（波長の逆数に対応する）を変化させていき、
ＳＦ信号の強さを測定した結果、約２９５０（１／ｃ
ｍ）においてＳＦ信号がピーク値を有する特性を得た。
このピークは、「CH₃」分子の振動によるものと推測さ
れる。

【００７９】このように、本装置によれば、３〜４（μ
ｍ）程度の赤外線を用いて各種の光学実験を行うことが
可能になる。以上のように、本発明によれば、光パラメ
トリック効果を用いて赤外光を発生させる際に、非線形
光学素子やグレーティング等の位置調整が必要な光学デ
バイスの数を低減して、調整工数を低減可能とする。

【００８０】また、広い赤外波長範囲、特に、３・３５
〜３．８５（μｍ）で高出力の赤外光を、結晶を回転さ
せることなく、発生させる装置を実現できることにな
る。

【００８１】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１また
は２記載の発明によれば、非線形光学素子やグレーティ
ング等の位置調整が必要な光学デバイスの数を低減し、
調整工数を低減できる赤外光発生装置を実現可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる装置の構成図である。

【図２】位相整合角度とアイドラ光（またはシグナル
光）波長の関係を示す説明図である。

【図３】調整機構にて設定すべき位相整合角度を示す説
明図である。

【図４】ポンプ光波長と、赤外光波長およびリトレーシ
ング位相整合角度の関係を示す説明図である。

【図５】本装置による赤外線出力特性の説明図である。

【図６】本装置を用いた光学実験結果の説明図である。

【図７】従来装置の構成図である。

【符号の説明】

１レンズ２集光レンズ３集光レンズ４グレーティング５ミラー６ビームスプリッタ７遅延プリズム８ミラー９ダイクロイックミラー１０スリット１１ＭＬＮ２１２ポンプ用レーザ１５ＯＰＡ部１７ポンプ光生成部１９種光生成部２０ＹＡＧレーザ２２ＯＰＯ２４ミラー３０ＴｉＳレーザ３２光アンプ３６ＭＬＮ３８ダイクロイックミラー４０タイミングジェネレータ４２非反射器４４Ｇｅ素子５０調整機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光パラメトリック増幅を用いて赤外光を
発生する装置であって、光を所定の周期でパルス出力する第１の光学系と、前記
光より長波長の光を所定波長範囲内で選択可能で、選択
した波長の光を前記パルスと同期してパルス出力する第
２の光学系と、両光学系の光路合わせを行う光路合わせ
光学系と、該光路合わせ光学系から出力される光を受光
し、前記第１の光学系の出力光をポンプ光、かつ、前記
第２の光学系の出力光を種光として光パラメトリック増
幅を行い、アイドラ光として赤外光を出力する機能を有
する非線形光学素子と、前記第１の光学系の光の波長で
定まる前記非線形光学素子が呈する、アイドラ光（また
はシグナル光）波長の位相整合角度の依存特性におい
て、位相整合角度変化のアイドラ光（またはシグナル
光）波長変化に対する微分係数が零となる点が２点発生
する位相整合角度で、前記非線形光学素子に対して前記
ポンプ光が入射するように、前記非線形光学素子の配置
状態を調整するための調整機構とを備える赤外光発生装
置。
【請求項２】光パラメトリック増幅を用いて赤外光を
発生する装置であって、光を出力する第１の光源と、該第１の光源から出力され
る光より長波長の光を所定波長範囲内で選択可能で、選
択した波長の光を出力する第２の光源と、両光源の光路
合わせを行う光路合わせ光学系と、該光路合わせ光学系
から出力される光を受光し、前記第１の光源の出力光を
ポンプ光、かつ、前記第２の光源の出力光を種光として
光パラメトリック増幅を行い、アイドラ光として赤外光
を出力する機能を有する非線形光学素子と、前記第１の
光源の波長で定まる前記非線形光学素子が呈する、アイ
ドラ光（またはシグナル光）波長の位相整合角度の依存
特性において、位相整合角度変化のアイドラ光（または
シグナル光）波長変化に対する微分係数が零となる点が
２点発生する位相整合角度で、前記非線形光学素子に対
して前記ポンプ光が入射するように、前記非線形光学素
子の配置状態を調整するための調整機構とを備える赤外
光発生装置。