JP2000514248A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザ装置は、ノンコリニア光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）およびポンプ波光源（４）を含む。ＯＰＧは、発生器内に固定して取り付けられた非線形結晶（１）を含み、ポンプ波（３）および発生した各波（５）の非線形結晶（１）の光学軸（２）に対する相対的な配向が、実質的に、発生した波の一つのポンプ波の配向に対する波長の同調曲線に変曲点が生じて、広帯域スペクトル出力が得られるようになっている。この装置は、入カ力シード波の波長と整合させるために結晶を回転させる必要のない入力シード波用の増幅器にする、または連続的に同調可能な狭帯域光源の一部分にすることも含めて、多くの応用例を有する。その他、分光分析および可干渉性トモグラフィにも適用される。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ装置 本発明はレーザ装置に関する。 光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）は、ある特定のスペクトル範囲内のレーザ 状出力を発生させるために使用されている。ＯＰＧは、ポンプ光源が当てられる 非線形結晶材料を含む。スペクトル範囲は、ポンプ光源の波長、使用する非線形 材料のタイプ、およびこれに関連し実施する幾何形状のタイプによって制約され る。ＯＰＧの出力は、通常は、ポンプ軸に対する結晶軸の角度によって決まる波 長を中心とする比較的狭いスペクトル帯域幅となる。従来通り、この中心波長は 、結晶の配向を変更する、または結晶の温度を変化させることによって連続的に 同調させることができ、同調は、運動量の保存、すなわち非線形光学系の用語で 言えば位相整合の原理を考慮して行われる。通常は、ある特定の結晶の配向では 、ごく狭いスペクトル範囲の信号およびアイドラ波長は位相整合の制約を満たし 、したがってごく狭いスペクトル範囲の信号およびアイドラ波長を同時 に発生させることができる。色素レーザシステムまたはバイブロニックレーザシ ステムを使用してより広いスペクトル帯域幅の出力を得る試みがなされているが 、色素システムで使用される色素は有害となることもあり、特殊な安全措置が必 要となり、一方、バイブロニックシステムは操作が複雑であり、得られる帯域幅 も通常は５０ｎｍ未満と小さい。 本発明の第一の態様によれば、レーザ装置は、ノンコリニア（ｎｏｎ−ｃｏｌ ｌｉｎｅａｒ）光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）とポンプ波光源とを含み、Ｏ ＰＧは発生器内に固定して取り付けられた非線形結晶を含み、ポンプ波および発 生した各波の非線形結晶の光学軸に対する相対的な配向は、実質的に、発生した 波の一つのポンプ波の配向に対する波長の同調曲線に変曲点が生じ、それにより 広帯域スペクトル出力が得られるようになっている。 本発明は、頑丈であり、従来の広帯域装置より安全かつ簡単に使用できる、よ り大きな帯域幅を与える装置から広帯域出力を生み出す。 この装置が、発生した波の少なくとも一つが共振する共振器を形成する反射手 段をさらに含むことが好ましい。ポンプ波は ＯＰＧに直接進入することも、反射手段を介して進入することもできるが、この レーザ装置が一対の反射器をさらに含み、それによりポンプ波がＯＰＧに結合さ れることが好ましい。 反射器は、一対のダイクロイックミラーを含むことが好ましい。 この装置がポンプ波反射手段をさらに含み、それによりポンプ波光源の強度が 高められることが好ましい。 本発明の第二の態様によれば、増幅器は、第一の態様による装置と、この装置 にシード波を注入する手段とを含む。 従来の狭帯域ＯＰＧ増幅器では、シード波の波長と整合するようにＯＰＧ内の 結晶を回転させなければならないが、本発明ではその必要はなく、構造はより簡 単になる。本発明により、広帯域増幅のためのより広い利得帯域幅および改善さ れたスペクトル範囲を達成することも可能となる。 本発明の第三の態様によれば、本発明の第一の態様によるレーザ装置を含む連 続的に同調可能な狭帯域光源は反射手段をさらに含み、この反射手段は、少なく とも一つの鏡および同調手段を含み、この少なくとも一つの鏡は固定され、同調 手段は可動式に取り付けられ、連続的に同調可能な狭帯域出力が生み出 されるようになっている。 従来は、光源を同調させる度に結晶を再配向する必要があったが、本発明では 同調手段を調節するだけでよい。 同調手段はエタロンを含むことができるが、同調手段は分散的であることが好 ましい。分散特性を有していればいかなる適当な構成要素でも使用することがで きるが、分散的同調手段は、リトロー（ＬｉｔｔｒｏＷ）またはリットマン（Ｌ ｉｔｔｍａｎ）配置の回折格子、リトロープリズム、あるいは音響光学偏光器を 含むことが好ましい。 本発明の第四の態様によれば、可干渉性トモグラフィ光源は、本発明の第一の 態様によるレーザ装置を含む。 本発明の装置の帯域幅の増大によって可干渉距離がさらに短くなり、解像度の 高められた３Ｄ撮像が可能となる。 本発明の第五の態様によれば、媒体の分光分析用システムは本発明の第一の態 様によるレーザ装置を含み、このシステムは分析手段をさらに含み、発生した波 の一つが媒体と接触し、分析手段は、接触後にこの発生した波のスペクトルを分 析する。 本発明によるレーザ装置の例およびその応用例について、添付の図面に関連し て以下に記述する。 第１図は、本発明によるレーザ装置を示す図である。 第２図は、発振器を形成するようになされた、本発明によるレーザ装置を示す 図である。 第３図は、追加のポンプ波結合反射器を有する、本発明によるレーザ装置を示 す図である。 第４図は、第３図の装置についての同調曲線を示す図である。 第５図は、本発明によるさらに別のレーザ装置を示す図である。 第６図は、第５図の装置についての同調曲線を示す図である。 第７図は、第二種位相整合の幾何形状を有する、本発明によるレーザ装置を示 す図である。 第８図は、第７図の装置についての同調曲線を示す図である。 第９図は、同調した狭帯域出力を生み出す、本発明によるレーザ装置を示す図 である。 第１０図は、本発明によるレーザ装置を組み込む、分光分析用システムを示す 図である。 第１１図は、第１０図のシステムにおける波の発生を示す図である。 第１２図は、本発明によるレーザ装置を組み込む、もう一つ の分光分析用システムを示す図である。 第１３図は、本発明によるレーザ装置を組み込む、広帯域光パラメトリック増 幅器（ＯＰＡ）の幾何形状を示す図である。 第１４図は、散乱媒体を介した高解像度３Ｄ撮像用の撮像システム中で使用す る、本発明によるレーザ装置を示す図である。 第１図は、本発明によるレーザ装置の第一の例を示す図である。この装置は、 光学軸２がその中で規定された非線形結晶１から形成された光パラメトリック発 生器（ＯＰＧ）を含む。ポンプ波３はポンプ光源４から入力され、光学軸２に対 して角度αで結晶１から出る。発生した波５は光学軸２に対して角度βで結晶か ら出る。第２図では、発生した信号波５この場合では共振波のための定常波共振 器を規定する一対の鏡６、７が設けられ、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を 形成している。別法として、鏡を追加して、鏡６、７でリングキャビティを形成 することもできる。 ポンプ波３は鏡６、７を通って、またはその周囲から進入することも、第３図 に示すように、ポンプ光源４からのポンプ波３を結晶１に結合する一対の反射器 ８、９を介して進入することもできる。通常は、これらの反射器はダイクロイッ クミラー であり、ポンプ波のみが反射され、信号波はこれらを通過するようになっている 。第３図に示す任意選択の機構は、ポンプ波３を二重通過させることによってポ ンプ光源４の強度を高めるポンプ波反射器１０である。 ポンプ波３は結晶１に入射し、出力信号波５およびアイドラ波（図示せず）が 発生する。これらの例では、結晶１は、容易に入手できるベータバリウムボレー ト（ＢＢＯ）であり、ＯＰＧは第一種ノンコリニア位相整合の幾何形状を有する 。リチウムトリボレート（ＬＢＯ）、および周期的にポーリングされたニオブ酸 リチウム（ＰＩＰＬＮ）などの周期的にポーリングされた非線形材料も含めて、 その他のタイプの結晶を使用することもできる。周期的なポーリングを変化させ ることにより、疑似位相整合が生み出され、より高い非線形係数を利用すること が可能になる。第一種幾何形状は、ポンプ波３の偏向方向が信号波５およびアイ ドラ波の両方の偏向方向に対して直交するように規定される。非線形結晶１は、 共振した信号波５およびポンプ波３が、それそれ光学軸２に対するポンプ波ベク トル方向および信号波ベクトル方向を特定の一連の角度α、βで、結晶１を通過 するように配列される。 動作中に、ＯＰＯは、Ｑスイッチのネオジウムイットリウムアルミニウムガー ネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザの第三高調波（３５５ｎｍ）によってポンプされ る。ポンプパルスのエネルギーは１０ナノ秒の持続時間で１５ｍＪ以下である。 第３図の特定の構成では、光学軸２に対する信号波ベクトル方向の角度β＝４０ ．３°、光学軸に対するポンプ波ベクトル方向の角度α＝３５．９°である。与 えた角度は概算であり、その条件は、それらが、波長対ポンプ波配向の曲線中で 変曲点が生じる、信号波ベクトル方向およびポンプ波ベクトル方向についての概 算角度となることである。この幾何形状では、ウォークオフは一部ノンコリニア 性によって補償される。ただし、ウォークオフを補償することは不可欠というわ けではない。ＢＢＯ結晶はθ＝４０°で切断され、８×４×１８ｍｍ³の寸法を 有する。入力面および出口面は、単一層のフッ化マグネシウムコーティングで広 帯域無反射コーティングされる。この結晶およびポンプの幾何形状では、０．６ ミリラジアンのポンプビームの固有の拡がりに留意すれば、Δｋ＜π／ｌという 通常の位相整合条件から、結晶の長さ（ｌ）が１８ｍｍであれば、この幾何形状 の同調曲線を図示する第４図に示すように５００ｎｍ〜６００ｎ ｍの範囲にわたって広帯域発振が観察されるものと予想される。この構成ではウ ォークオフ効果がほとんどないので、長い結晶を使用することができることに留 意されたい。これと同様のスペクトル範囲を実験で観察した。 第５図は、信号波ベクトル方向を光学軸２に対してβ＝３１．５°とし、ポン プ波ベクトル角をα＝３５．９°とした、さらに別の例を示す図である。この構 成は第一の例と比較して比較的大きなウォークオフ角を有するが、より大きな許 容角および有効な非線形係数を有する。その出力の帯域幅は、第６図の同調曲線 で示すように、第３図の例のそれと同様である。 別の例を第７図に示す。これは、非線形結晶材料としてＢＢＯを利用する第二 種ノンコリニアＯＰＯを示す図である。第二種幾何形状は、信号波およびアイド ラ波の偏向ベクトルが互いに直交し、一方がポンプ波の偏向ベクトルと平行にな るように規定される。このＯＰＯの特定の構成では、光学軸２に対する信号波ベ クトル方向β＝４０．５°、光学軸に対するポンプ波ベクトル方向α＝３６．０ ５°である。この構成の重要性は、第８図に示す約９００ｎｍ〜１３００ｎｍの 範囲にわたる極端に広い帯域幅を示す可能性がある点にある。 第９図の例では、連続的に同調可能な狭帯域光源が図示されている。この場合 、ＯＰＯ共振器の一方の鏡７が分散エレメント、この例ではリトローまたはリッ トマン配置の回折格子１１で置換されている点を除いて、前述の実施形態で記述 したものと同様のレーザ装置を利用する。この配列の利点は、従来の狭帯域光源 では重大な問題となる可能性がある、非線形結晶１の配向を変化させる必要がな い点である。第９図は、一次リトロー配置回折格子の場合のこの実施形態を説明 する図である。従来の狭帯域光源では、非線形結晶の配向および回折格子の配向 の両方に対して相補的な調節を行い、このような狭帯域装置の同調を達成する必 要がある。本発明のレーザ装置に適当な位相整合幾何形状を実施すれば、スペク トル出力の波長を制御する手段として回折格子１１の調節は維持したまま、結晶 の配向を調節する必要がなくなることにより、この複雑さは軽減される。 レーザ装置の別の応用例は、発生した波の一つの空間分散特性を利用する分光 分析器として運用するものである。この装置の動作の性質は、発生した波すなわ ち信号波またはアイドラ波の一方の周波数で発生した光のあらゆる光子について 、相補的な波の周波数の一方で発生した第二の光子が存在することを必 要とし、エネルギー保存には、ｐ、ｓ、およびｉがポンプ波、ならびに発生した 二つの波、つまり信号波およびアイドラ波を指すものとして、ω_p＝ω_s＋ω_iと なることが必要となる。何らかの信号波周波数でこの装置の優先的または改善さ れた動作が確立されると、何らかの対応するアイドラ周波数でも優先的または改 善された出力が観察される。空間的に分散したアイドラ波１３をレンズ１２を介 して例えばＣＣＤアレイ１４上に結像させることにより、分散した波の強度の任 意の変動を測定することができる。この効果は、例えば下記の様々な方法で分光 分析を実行する際に利用することができる。 （ｉ）最初の四つの実施形態で記述したタイプと同様のレーザ装置で発生させ た信号波のスペクトル範囲内の周波数の光１５が非線形結晶１に注入されると、 その周波数で優先利得が観察されることになり、それに対応する二次波の強度の 増大がＣＣＤアレイ１４で監視される。適当な数値解析により、注入された波の 存在、波長、および強度を導出することができ、したがって広帯域光検出器およ び分光分析器として働く。これを第１０図および第１１図に概略的に示す。第１ １図は、同軸の波および空間的に分散した波の発生を示すノンコリニア位相整合 機構を示す図であり、ｘは分析可能な帯域幅であり、空間的に分散したアイドラ 波１６は、注入されて結晶１を通過した光１５から発生したものとする。この配 列の装置は、遠隔汚染監視に使用して、例えば大気中のＣＯ₂のレベルまたはそ の他の有害ガス、あるいは河川および河口の油、汚水、化学薬品などの汚染物質 の存在を識別および監視することができる。 （ｉｉ）材料の吸収特性は、第１２図に概略的に示すものと同様の装置タイプ で研究することができる。吸収サンプルは、ＯＰＯの外側に位置決めすることも できるが、この場合には、サンプル１７はＯＰＯ内に位置する。このサンプルは 、ＯＰＯの信号波スペクトル範囲内の周波数で光を吸収する。したがってこれら の周波数は抑制され、この変調はやはりＣＣＤアレイ１４上で監視される相補的 な分散波のプロフィルに現れる。この例の応用例は第１０図の場合と同様である が、遠隔操作でなくサンプルを収集することができる場合である。代替の分光分 析の応用例として、レーザ装置は、差分吸収光（ＤＩＡＬ）の検出およびレンジ ング用の広帯域光の光源として使用することもできる。 第１３図は、非線形媒体としてＢＢＯを利用する第一種光パ ラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を示す図である。この増幅器は、光学軸２を有す る非線形結晶１と、一対の反射器８、９と、光ポンプ反射器１０とを含む。ポン プ波３はポンプ光源４から発生し、信号波５は、この信号波の方向に沿って非線 形結晶１に広帯域または狭帯域放射線を照射することによってシードされ、その 結果、位相整合の制約によって規定された位相整合可能なスペクトル範囲内にあ るスペクトル成分は光学利得を受ける。 この装置の別の応用例は超短パルス発生器である。ポンプ光源は、きわめて短 いパルス持続時間を有するように選択され、この装置は特に超短パルスを発生さ せるために使用される。達成可能な最短のパルス持続時間は、不確実な関係Δυ Δτ＜１によってパルスのスペクトル幅から決定される。本発明のレーザ装置は ＯＰＯの許容帯域幅を拡張し、その結果持続時間のより短いパルスの発生を可能 にする。パルス圧縮は、チャープ反転および非線形結晶中の自己圧縮によって達 成される。 この装置が適している第１４図に示す別の応用例は、多色光源に伴う短い可干 渉距離および低いビームの拡がりに基づいて、撮像に適用するために深い深さと 高い空間的解像度とを結合する、可干渉性トモグラフィ用の光源２４である。従 来の光源は、 組織など濁った媒体で現れる散乱効果を補償するのに必要なパワーおよび帯域幅 が不足している。レーザ装置１８は本明細書で記述したタイプにすることができ 、装置１８から出力されたコリニア、同軸、かつ多色性のビーム１９がビームス プリッタ２２によって二つのビーム２０、２１に分割される補助装置を伴う。一 方のビーム２０は、埋め込まれた、またはより離れた対象物２４の深さおよび空 間の解像度が必要とされる散乱媒体２３を横切って、対象物に当たり、後方散乱 される。もう一方のビーム２１は調節可能な遅延線２５を横切り、その後二つの ビームは非線形の可干渉性検出装置２６に入る。したがって、散乱材料の影響が 補償されて改善された画像を与える、対象物、例えば骨や腫瘍の画像を得ること ができる。 上記の実施形態は、例示のみを目的として記述したものであり、本発明の範囲 を逸脱することなくそれらに修正を加えることもできる。例えば、その他の非線 形材料を実施することもできる。この種の実現可能な構成としては、ｘ−ｙ平面 中での光学軸に対する信号波ベクトル方向が５１°やはりｘ−ｙ平面中での光学 軸に対するポンプ波ベクトル方向が４７．５°となる、非線形媒体としてＬＢＯ を利用する第一種ノンコリニアＯＰＧ がある。さらに、広帯域出力の中心波長は、３０８ｎｍで動作する塩化キセノン （ＸｅＣｌ）エキシマレーザからの出力など、異なるレーザ波長を有するその他 のポンプ光源を使用することによってシフトさせることができる。この場合には 、ＢＢＯベースの装置の信号波ベクトル方向は光学軸に対して４７．６°、ポン プ波ベクトルは光学軸に対して４２．５°となる。

【手続補正書】 【提出日】平成１１年１月１４日（１９９９．１．１４） 【補正内容】 請求の範囲 １．ノンコリニア光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）とポンプ波光源とを含むレ ーザ装置であって、ＯＰＧが、光パラメトリック発生器内に固定して取り付けら れた非線形結晶と、発生した波の少なくとも一つが共振する共振器を形成する反 射手段とを含み、ポンプ波および発生した各波の非線形結晶の光学軸に対する相 対的な配向が、実質的に、発生した波の一つのポンプ波の配向に対する波長の同 調曲線に変曲点が生じて、多色性の広帯域スペクトル出力が得られるようになっ ているレーザ装置。 ２．一対の反射器をさらに含み、それによりポンプ波がＯＰＧに結合される、請 求の範囲第１項に記載の装置。 ３．反射器が一対のダイクロイックミラーを含む、請求の範囲第２項に記載の装 置。 ４．ポンプ波反射手段をさらに含み、それによりポンプ波光源の強度が高められ る、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の装置。 ５．請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の装置と、この装置にシ ード波を注入する手段とを含む増幅器。 ６．請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の装置を含む連続的に同 調可能な狭帯域光源であって、反射手段をさらに含み、この反射手段が少なくと も一つの鏡および同調手段を含み、この少なくとも一つの鏡が固定され、同調手 段が可動式に取り付けられ、連続的に同調可能な狭帯域出力が生み出されるよう になっている光源。 ７．同調手段が分散的である、請求の範囲第６項に記載の連続的に同調可能な狭 帯域光源。 ８．分散的同調手段が、リトローまたはリットマン配置の回折格子、リトロープ リズム、あるいは音響光学偏光器の一つを含む、請求の範囲第７項に記載の光源 。 ９．請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のレーザ装置を含む、可 干渉性トモグラフィ用の光源。 １０．請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のレーザ装置を含む、 媒体の分光分析用のシステムであって、分析手段をさらに含み、発生した波の一 つが媒体と接触し、分析手段が接触後にこの発生した波のスペクトルを分析する システム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワン，ジアン イギリス国、フアイフ・ケー・ワイ・16・ ９・エス・エス、セント・アンドリユー ス、ノース・ホウ、ユニバーシテイ・オ ブ・セント・アンドリユース（番地なし) (72)発明者 ダン，マルコム・ハリー イギリス国、フアイフ・ケー・ワイ・16・ ９・エス・エス、セント・アンドリユー ス、ノース・ホウ、ユニバーシテイ・オ ブ・セント・アンドリユース（番地なし) (72)発明者 レイ，キヤメロン・フランシス イギリス国、フアイフ・ケー・ワイ・16・ ９・エス・エス、セント・アンドリユー ス、ノース・ホウ、ユニバーシテイ・オ ブ・セント・アンドリユース（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ノンコリニア光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）とポンプ波光源とを含むレ ーザ装置であって、ＯＰＧが、光パラメトリック発生器内に固定して取り付けら れた非線形結晶を含み、ポンプ波および発生した各波の非線形結晶の光学軸に対 する相対的な配向が、実質的に、発生した波の一つのポンプ波の配向に対する波 長の同調曲線に変曲点が生じて、広帯域スペクトル出力が得られるようになって いるレーザ装置。 ２．発生した波の少なくとも一つが共振する共振器を形成する反射手段をさらに 含む、請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．一対の反射器をさらに含み、それによりポンプ波がＯＰＧに結合される、請 求の範囲第１項または第２項に記載の装置。 ４．反射器が一対のダイクロイックミラーを含む、請求の範囲第３項に記載の装 置。 ５．ポンプ波反射手段をさらに含み、それによりポンプ波光源の強度が高められ る、請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の装置。 ６．請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の装置 と、この装置にシード波を注入する手段とを含む増幅器。 ７．請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の装置を含む連続的に同 調可能な狭帯域光源であって、反射手段をさらに含み、この反射手段が少なくと も一つの鏡および同調手段を含み、この少なくとも一つの鏡が固定され、同調手 段が可動式に取り付けられ、連続的に同調可能な狭帯域出力が生み出されるよう になっている光源。 ８．同調手段が分散的である、請求の範囲第７項に記載の連続的に同調可能な狭 帯域光源。 ９．分散的同調手段が、リトローまたはリットマン配置の回折格子、リトロープ リズム、あるいは音響光学偏光器の一つを含む、請求の範囲第８項に記載の光源 。 １０．請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載のレーザ装置を含む、 可干渉性トモグラフィ用の光源。 １１．請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載のレーザ装置を含む、 媒体の分光分析用のシステムであって、分析手段をさらに含み、発生した波の一 つが媒体と接触し、分析手段が接触後にこの発生した波のスペクトルを分析する システム。