JP2017203816A

JP2017203816A - 光パラメトリック発振器

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Publication number: JP2017203816A
Application number: JP2016094053A
Authority: JP
Inventors: 昌宏戸井田; Masahiro Toida; 高橋　秀典; Shusuke Takahashi; 秀典高橋; 満池田; Mitsuru Ikeda
Original assignee: Saitama Medical University; ATA Co Ltd
Current assignee: Saitama Medical University; ATA Co Ltd
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2036-05-09
Also published as: JP6714258B2

Abstract

【課題】高効率化、経時安定性、波長変化に対する光出射位置の安定性を確保するとともに、n秒、p秒、f秒のいずれの励起レーザーにも対応可能な光パラメトリック発振器を提供する。【解決手段】光パラメトリック発振器の高効率化は、励起光2ω0を閉じ込めて光パラメトリック増幅用非線形結晶を多数回通過させることで、励起光2ω0からω1とω2へのエネルギー変換の作用長を確保し実現する。経時安定性は光パラメトリック発振器の共振器長を短くすることで確保するとともに、光閉じ込め器内での光パラメトリック励起光と光パラメトリック発振光の両光路長を一致させることで、n秒、p秒、f秒のいずれの励起レーザーにも対応可能な光パラトリック発振器を実現する。さらに光パラメトリック結晶を実質往復した光を光パラメトリック発信器放出光とすることで、波長変化に対する発振光出射位置の不変化を実現する。【選択図】図１

Description

本発明は、光パラメトリック発振器に関するものである。

レーザーは、高出力化（高効率化）、発振波長の高帯域化、固体化の方向で発展してきた。発振波長の高帯域化では波長可変化が強く望まれ、色素レーザーなどが実用化されてきた。一方で、レーザーの実用性の観点からはレーザー構成の固体化が切望され、波長可変光源として非線形光学素子(光パラメトリック結晶)を用いた光パラメトリック光源が開発された。

該光パラメトリック光源は、２次の非線形定数をもつ光パラメトリック結晶に角周波数２ω₀の強い入射光を加えると、２ω₀ ＝ ω₁＋ω₂の条件を満たす角周波数ω₁、ω₂の２光波を光共振器によるフィードバック増幅作用下で増幅発振させるものである。光パラメトリック発振は任意の角周波数で起こすことができ、波長可変コヒーレント光源として有用である。発振波長の選択は光パラメトリック結晶の温度や角度による位相整合条件の制御によって行う。

光パラメトリック発振器では２次の非線形作用を誘起するためピーク出力の大きいn秒Q-SWレーザーやp秒あるいはf秒のモードロックレーザーが励起レーザーとして用いられる。

図８は代表的なn秒Q-SWレーザー励起の光パラメトリック発振器を示す。基本波レーザーKLは、ω₀(例えば1064nm)を発振し、これを非線形光学結晶SHG（例えば、リチウムトリボレート、以下、「LBO」と言う）で２ω₀(基本レーザーの第二高調波、例えば、532nm)に波長変換し、全反射ミラーM１を経由して、光共振器内の光パラメトリック増幅非線形素子、例えば光パラメトリック結晶KTP（カリウムチタンリン酸塩、以下、「KTP」と言う）に入射される。光パラメトリック結晶KTPに入射された光は、出力ミラーM２で反射され、再び光共振器内の光パラメトリック結晶KTPと全反射ミラーM１で900〜1200nm光波が反射され、2ω₀光(例えば、532nm)が再び非線形光学結晶SHGに戻る。

全反射ミラーM１及び出力ミラーM２は、S１面が532nmに対するAR（Anti-Reflection）特性を、S２面が900〜1200nmに対しTR（Total Reflection）かつ532nmに対しAR特性となっている。出力ミラーM２のS３面は900〜1200nmに対しAR特性を、S４面は900〜1200nmに対し７０％PR（Partial Reflection）特性を有している。2ω₀光(例えば、532nm)の励起光で光パラメトリック結晶内KTPに誘起されたω₁とω₂は光パラメトリック結晶KTP内で増幅され、励起光のパルス幅（〜10ns程度）内で全反射ミラーM１及び出力ミラーM２からなる光共振器（OPO cavity）内を多数回往復するうちに発振閾値以上に達し、ω₁とω₂の光が発振する。

発振波長の選択は2ω₀光(例えば、532nm)の進行方向と光パラメトリック結晶KTPの光軸方向の角度（角度位相整合）を制御することで行う。この場合2ω₀光(例えば、532nm)の入射方向と光パラメトリック結晶KTPの入射面との角度が90°からずれるに従い、図９に示すように光パラメトリック発振光のω₁、ω₂の出射位置がずれることになる。波長可変に伴い光パラメトリック発振光の出射位置がずれるのは、その都度光学調整が必要となり不都合が多い。

この点を改善したものとして図１０に示す光パラメトリック発振器が公知である。これは非線形光学結晶SHGで発生した2ω₀光(例えば、532nm)を、ダイクロイックミラーDMを経由して光パラメトリック結晶KTPに入射すると共に、図８とは、全反射ミラーM１及び出力ミラーM２の位置を変えて、ダイクロイックミラーDMを経由して出力ミラーM２に出力することにより、出力ミラーM２を2ω₀光(例えば、532nm)の光路からずらしたものである。ここで、ダイクロイックミラーDMのS１面が532nmに対するAR特性を、S２面が900〜1200nmに対するTR特性かつ532nmに対しAR特性を有している。全反射ミラーM１のS３面は532nm 及び900〜1200nmに対するTR特性を有している。また、出力ミラーM２のS５面は900〜1200nmに対しAR特性を、S６面は900〜1200nmに対し70％PR特性を有している。このようにして、2ω₀光(例えば、532nm)の励起光を光パラメトリック結晶KTPに戻すこと（ダブルパス励起）で、光パラメトリック結晶KTPの角度変化に伴う発振光の位置ずれを補償している。しかしながら、このタイプの光パラメトリック発振でもダブルパス励起にとどまり、一般に励起光パワーに対する光パラメトリック発振光への変換効率が低く、この変換効率の向上が課題である。

p秒あるいはf秒モードロックレーザーを励起レーザーとした場合は、パルス幅が極短なため、１パルス幅内で光パラメトリック結晶KTP内を多数回往復させることは出来ない。このため、モードロックレーザー光を励起光とする場合は、図１１に示すように光パラメトリック発振器をZ型に構成して共振器長を長くし、ω₁とω₂が共振器内を１往復する時間とモードロックレーザーの繰返し発振周期とを等しくすることで、励起レーザーパルスごとに光パラメトリック増幅が蓄積するようにする。ダイクロイックミラーDMの構成は図１０と同一であるが、全反射ミラーM１を光軸がZ型になるように２つ配置して、そのS３面を900〜1200nmに対するTR特性とし、出力ミラーM２を900〜1200nmの励起光の光路長を変化させる移動ステージMV１上に配置してその光共振長を調節するようにしたものである。S５面及びS６面の光学特性は、図１０と同一である。光共振器内に蓄積された光パラメトリック増幅光は発振閾値を超えると、以降は励起レーザーパルスと同期して光パラメトリック発振が起こる。この様子は図１２に示す通りである。（a）に示す通りモードロックレーザーの発振周波数は通常80MHz程度であり、発振周期は12.5nsとなる。（ｂ）このため、OP０１に達する共振長は5×10^-9(s)×3×10⁸(m/s) ＝ 3.75より、約2m弱程度は必要となり経時安定性の確保や小型化への支障となる。またn秒Q-SWレーザーの光パラメトリック発振器との共通化も困難である。

広い範囲での波長可変コヒーレント光源としての光パラメトリック発振器は、その利点は多いものの、励起レーザーごとに専用の光パラメトリック発振器が必要であり、また効率の悪さ、経時安定性の悪さ等の実用面からいまだ課題が多い。

光パラメトリック発振器の課題である高効率化、経時安定性、波長変化に対する光出射位置の安定性を確保すると共に、n秒、p秒、f秒のいずれの励起レーザーにも対応可能な光パラメトリック発振器の実現である。

光パラメトリック増幅の励起光を閉じ込める光閉じ込め器と、光パラメトリック増幅光を発振させる光共振器と、前記光閉じ込め器と前記光共振器とが光パラメトリック増幅非線形素子を共有することを特徴とする光パラメトリック発振器によって達成される。また、光パラメトリック増幅用非線形結晶の角度位相整合により光パラメトリック発振波長を変化させても光パラトリック発振光の出射位置が不変であることを特徴とする上記記載の光パラメトリック発振器により達成される。また、光閉じ込め器での光パラメトリック増幅の励起光の光学的光路長と光パラメトリック発振光の光学的光路長を一致させる上記記載の光パラメトリック発振器により達成される。

光パラメトリック発振器の高効率化は、励起光2ω₀を閉じ込めて光パラメトリック増幅用非線形結晶を多数回通過することで、励起光2ω₀からω₁とω₂へのエネルギー変換の作用長を確保することで実現する。経時安定性は光パラメトリック発振器の共振器長を短くすることで確保するとともに、光閉じ込め器での光パラメトリック励起光の光学的光路長と光パラメトリック発振光の光学的光路長を一致させることで、n秒、p秒、f秒のいずれの励起レーザーに対応可能な光パラトリック発振器を実現する。さらに光パラメトリック発振器からの光取り出しが光パラメトリック結晶を実質往復した光とすることで、波長変化に対して発振光出射位置の不変化を実現する。

本発明の実施例１を示す構成図（実施例１）。本発明の実施例２を示す構成図（実施例２）。本発明の実施例３を示す構成図（実施例３）。本発明の実施例４を示す構成図（実施例４）。本発明の実施例５を示す構成図（実施例５）。本発明の実施例６を示す構成図（実施例６）。本発明の動作を説明する説明図。従来の代表的なn秒Q-SWレーザー励起の光パラメトリック発振器を示す構成図。従来の動作を説明する説明図。従来の光パラメトリック発振器を示す構成図。 p秒あるいはf秒モードロックレーザーを励起レーザーとした場合の光パラメトリック発振器を示す構成図。図１１の動作を説明する説明図。

以下、本発明の光パラメトリック発振器を添付図面の記載に沿って具体的に説明する。

実施例１を図１示す。Nd：YAG Q-SWレーザーからの基本波KL 波長ω₀（1064nm）を、ダイクロイックミラーDMを経由して、非線形光学結晶SHG（例えば、リチウムトリポレート、以下、「LBO」と言う）で2ω₀(基本レーザーKLの第二高調波、例えば、532nm)に波長変換し、全反射ミラーM１を経由して、光パラメトリック増幅非線形素子、例えば光パラメトリック結晶KTP（例えば、カリウムチタンリン酸塩、以下、「KTP」と言う）を励起する。光パラメトリック結晶KTPは全反射ミラーM１と出力ミラーM２で構成された光共振器（OPO cavity）内にある。また非線形光学結晶SHGは、ダイクロイックミラーDMと出力ミラーM２で構成される532 nm光閉じ込め器（cavity）内に配置される。

ここでダイクロイックミラーDMのS１面は1064 nmに対するAR特性を有する。またS２面は1064nmに対しAR特性かつ532 nmに対する TR特性を有する。全反射ミラーM１のS３面は532 nmに対するAR 特性を持ち、S４面は900〜1200 nmに対するTR特性、532 nmに対するAR 特性を有する。出力ミラーM２のS５面は900〜1200nmに対し70％PR特性かつ532nmに対しTR特性を有している。S６面は900〜1200nmに対しAR特性を有している。従って、ダイクロイックミラーDM及び出力ミラーM２で構成される空間が532 nmに対する閉じ込め空間（cavity）を形成する。光パラメトリック結晶KTPは全反射ミラーM１と出力ミラーM２で構成された光共振器（OPO cavity）内にある。即ち、本発明の光パラメトリック発振器は、前記光閉じ込め器と前記光共振器とが光パラメトリック増幅非線形素子（KTP）を共有することを特徴とする。

非線形光学結晶SHGで波長変換された2ω₀光（例えば、532nm）は全反射ミラーM１を透過し光パラメトリック結晶KTPに入射する。KTP結晶内で2ω₀光（532nm）は位相整合条件を満たすω₁とω₂（2ω₀ ＝ ω₁＋ω₂）の光を誘起するとともに2ω₀光（532nm）がKTP結晶内を伝搬しながらω₁とω₂が増幅される。2ω₀光（532nm）は出力ミラーM２で全反射され再びKTP結晶内を伝搬する。さらに全反射ミラーM１を透過した2ω₀光（532nm）はダイクロイックミラーDMのS２面で再度反射され、全反射ミラーM１を経由してKTP結晶へ戻る。この過程は、ダイクロイックミラーDMのS２面と出力ミラーM２のS５面がいずれも2ω₀光（532nm）に対し全反射特性を有しているため、ダイクロイックミラーDMと出力ミラーM２内のSHGで発生した2ω₀光（532nm）はダイクロイックミラーDMと出力ミラーM２間に閉じ込められる。したがって2ω₀光（532nm）にKTP結晶を通過する度にω₁とω₂への光増幅が生じる。全反射ミラーM１と出力ミラーM２で構成される光共振器（OPO cavity）内のω₁とω₂は光増幅を繰返し、発振閾値を超えると出力ミラーM２から光エネルギーが取り出される（発振する）。

一般にn秒Q-SWレーザーのパルス幅は略略10 ns程度である。光パラメトリック発振器の共振器長L（全反射ミラーM１と出力ミラーM２の光学的距離）をL=15cm、2ω₀（532nm）の閉じ込め器の長さl（ダイクロイックミラーDMと出力ミラーM２の光学的距離）をl＝30cmとすると、2ω₀光（532nm）がKTP結晶を透過する10nsの間に、KTP結晶で誘起されたω₁光とω₂光は光共振器（全反射ミラーM１及び出力ミラーM２で形成される空間)内を10往復する（10×10^-9×3×10¹⁰cm／2×15cm＝10）。また2ω₀光（532nm）がKTP結晶に入射してから1ns後には2ω₀光（532nm）が光閉じ込め器内を一周して再びKTP結晶に入射しさらにω₁とω₂光を増幅・発振を増強することとなる。このように発生した2ω₀光（532nm）を多数回用いてω ₁とω₂への波長変換が行われる。この過程はQ-SWの繰返しパルス毎に行われる。これによって変換効率の向上が実現される。

図１に示した実施例１では波長を変化させるのにKTP結晶を回転させる。すると図９において既に説明したように、ω₁とω₂の出射位置がずれる。波長を変えた際に光パラメトリック発振光の出射位置がずれることは、計測系の再調整が必要となり、実用面からは避けたい。

波長可変に伴うKTP結晶の角度変化があっても光パラメトリック発振光の出射位置が不変の実施例を図２から図４に示す。図２の実施例２は図１に示した実施例１のKTP結晶を２つにし、KTP１とKTP２を同期対称回転するようにした構成である。他の構成は、実施例１と同じである。KTP１の回転に伴い発生する光路軸ずれを、対称回転するKTP２により元に戻すことができる。これによりKTPを回転しω₁とω₂を変化させても、ω₁とω₂の出射位置は変わらない。本実施例の光パラメトリック発振器は、前記光閉じ込め器と前記光共振器とが光パラメトリック増幅非線形素子（KTP）を共有することを特徴とする。

図３の実施例３は、図１の実施例１に記載した全反射ミラーM１と出力ミラーM２の位置を入れ替え、励起の2ω₀光（532nm）を再度KTP結晶へ戻す構成である。即ち、基本レーザーKL(1064nm)は、ダイクロイックミラーDM１を経由して第二高調波発生用の非線形光学結晶SHGに入射して2ω₀光（532nm）を発生させる。2ω₀光（532nm）は、ダイクロイックミラーDM２及び出力ミラーM２を経由して光パラメトリック結晶KTPに入射して、ω₁とω₂への波長変換が行われ、全反射ミラーM１に至る。即ち、図３は、ダイクロイックミラーDM２を配すると共に、図１に示す実施例１内の全反射ミラーM１及び出力ミラーM２の位置を変えたものである。

ここで、ダイクロイックミラーDM１のS１面が1064nmに対するAR特性を、S２面が1064nmに対するAR特性かつ532nmに対するTR特性となっている。ダイクロイックミラーDM２のS３面は532nmに対するAR特性を、S４面は532nmに対するAR特性及び900〜1200nmに対するTR特性を持つ。出力ミラーM２のS７面は532nmに対するAR特性を、S８面は900〜1200nmに対し70％PR特性及び532nmに対するAR特性を有している。全反射ミラーM１のS５面は532nm及び900〜1200nmに対しTR特性を有している。

ダイクロイックミラーDM１及び全反射ミラーM１で構成される空間が532 nmに対する閉じ込め空間（cavity）を形成する。また、出力ミラーM２と全反射ミラーM１で形成される空間が光共振器（OPO cavity）を形成し、2ω₀光（例えば、532nm）にKTP結晶を通過する度にω₁とω₂への光増幅が生じる。全反射ミラーM１と出力ミラーM２で構成される光共振器（OPO cavity）内のω₁とω₂は光増幅を繰返し、発振閾値を超えると出力ミラーM２から光エネルギーが取り出され、ダイクロイックミラーDM２を経由して出力される（発振する）。

このようにして、2ω₀光（例えば、532nm）の励起光を光パラメトリック結晶KTPに戻すこと（ダブルパス励起）で、光パラメトリック結晶の角度変化に伴う発振光の位置ずれを補償している。2ω₀光（例えば、532nm）とω₁およびω₂を分離するため、SHG結晶と出力ミラーM２の間にダイクロイックミラーDM2を配置し、発振したω₁とω₂を取り出す。即ち、本実施例の光パラメトリック発振器は、前記光閉じ込め器と前記光共振器とが光パラメトリック増幅非線形素子（KTP）を共有すると共に、全反射ミラーM１で反射した2ω₀光（例えば、532nm）を再度光パラメトリック結晶KTPに戻すこと（ダブルパス励起）を特徴とする。

さらに図４の実施例４は、図３の実施例３と同様、図１の実施例１と全反射ミラーM１と出力ミラーM２の位置を入れ替えると共に、出力ミラーM２を2ω₀光（例えば、532nm）の光軸上から外し、ダイクロイックミラーDM１と全反射ミラーM１で2ω₀光（例えば、532nm）閉じ込め空間（cavity）を形成すると共に、ダイクロイックミラーDM２と全反射ミラーM１及び出力ミラーM２でL型光共振器（OPO cavity）を構成したものである。図３及び図４に示す実施例３および実施例４はいずれもω₁とω₂がKTP結晶を往復した後に光共振器から光を取り出す構成のため、KTP結晶の回転に伴う光出射位置ずれは発生しない。

実施例４のダイクロイックミラーDM１、ダイクロイックミラーDM２，全反射ミラーM１及び出力ミラーM２の構成は、出力ミラーM２のS7面が900〜1200nmに対しAR特性を有する点及びS8 面が単に900〜1200nmに対し70％PR特性を有する点を除いて、実施例３と同一である。

実施例４のダイクロイックミラーDM１及び全反射ミラーM１で構成される空間が532 nmに対する閉じ込め空間（cavity）を形成する。また、全反射ミラーM１、ダイクロイックミラーDM２及び出力ミラーM２で形成されるL型空間（OPO cavity）が光共振器を形成し、2ω₀光（例えば、532nm）がKTP結晶を通過する度にω₁とω₂への光増幅が生じる。全反射ミラーM１と出力ミラーM２で構成される光共振器内のω₁とω₂は光増幅を繰返し、発振閾値を超えると出力ミラーM２から光エネルギーが取り出される（発振する）。本実施例の光パラメトリック発振器も、前記光閉じ込め器と前記光共振器とが光パラメトリック増幅非線形素子（KTP）を共有すると共に、全反射ミラーM１で反射した2ω₀光（例えば、532nm）を再度光パラメトリック結晶KTPに戻すこと（ダブルパス励起）を特徴とする。

励起レーザーがp秒あるいはf秒のモードロックレーザーになると、パルス時間が極短なので１パルス時間内での光パラメトリック増幅と発振は困難である。しかし励起パルス2ω₀光（532nm）を閉じ込めてパルス周期内で光パラメトリック結晶を複数回励起できれば光パラメトリック増幅と発振は可能となる。図５の実施例５は、2ω₀光（532nm）の光閉じ込め器に光路長を制御する機構MV１を設けて、ダイクロイックミラーDM１と出力ミラーM２との間の空間に532 nmに対する閉じ込め空間（cavity）を形成する。また、全反射ミラーM１に光路長を制御する機構MV２を設けて、出力ミラーM２、ダイクロイックミラーDM2及び全反射ミラーM１からなるL型の空間に光共振器（OPO cavity）を形成し、2ω₀光（例えば、532nm）がKTP結晶を通過する度にω₁とω₂への光増幅が生じる。全反射ミラーM１と出力ミラーM２で構成される光共振器（OPO cavity）内のω₁とω₂は光増幅を繰返し、発振閾値を超えると出力ミラーM２から光エネルギーが取り出される（発振する）。

2ω₀光（例えば、532nm）の光閉じ込め器往復時間と光パラメトリック発振のω₁とω₂の光パラメトリック共振器往復時間を一致させ、2ω₀光の１パルス内で2ω₀光による光パラメトリック結晶の複数回励起を行うことで、光パラメトリック増幅と発振を実現する。

ダイクロイックミラーDM１及び出力ミラーM２で構成される空間（cavity）が2ω₀光（532nm）に対する光閉じ込め器を形成し、全反射ミラーM１、ダイクロイックミラーDM2及び出力ミラーM２で構成されるL型の空間（OPO cavity）が光パラメトリック共振器往復期間を形成する。

ダイクロイックミラーDM１のS１面が1064nmに対するAR特性を、S２面が1064nmに対するAR特性かつ532nmに対するTR特性となっている。ダイクロイックミラーDM２のS３面は532nmに対するAR特性を、S４面は900〜1200nmに対するTR特性及び532nmに対するAR特性を持つ。出力ミラーM２のS７面は900〜1200nmに対するAR特性を、S８面は900〜1200nmに対し70％PR特性及び532nmに対するTR特性を有している。全反射ミラーM１のS５面は900〜1200nmに対しTR特性を有している。

従って、ダイクロイックミラーDM１及び出力ミラーM２で構成される空間が532 nmに対する閉じ込め空間（cavity）を形成する。また、全反射ミラーM１、ダイクロイックミラーDM2及び出力ミラーM２で形成されるL型の空間（OPO cavity）が光共振器を形成し、2ω₀光（532nm）にKTP結晶を通過する度にω₁とω₂への光増幅が生じる。全反射ミラーM１と出力ミラーM２で構成される光共振器内のω₁とω₂は光増幅を繰返し、発振閾値を超えると出力ミラーM２から光エネルギーが取り出される（発振する）。即ち、本実施例の光パラメトリック発振器は、前記光閉じ込め器と前記光共振器とが光パラメトリック増幅非線形素子（KTP）を共有することを特徴とする。

図６に示す実施例６は、実質的に図５に示す実施例５と同一であるが、出力ミラーM２及び全反射ミラーM１を入れ替えた構造である。即ち、出力ミラーM２を移動ステージMV２に設けて2ω₀光（例えば、532nm）の光軸上から外した構造である。また、全反射ミラーM１のS５面が、532 nm＆900〜1200nmのTR特性を、出力ミラーM2のS8面が単に900〜1200nmに対し70％PR特性を有する。

従って、ダイクロイックミラーDM１及び全反射ミラーM１で構成される空間が532 nmに対する閉じ込め空間（cavity）を形成する。また、全反射ミラーM１、ダイクロイックミラーDM2及び出力ミラーM２で形成されるL型の空間（OPO cavity）が光共振器を形成し、2ω₀光（532nm）にKTP結晶を通過する度にω₁とω₂への光増幅が生じる。全反射ミラーM１と出力ミラーM２で構成される光共振器（OPO cavity）内のω₁とω₂は光増幅を繰返し、発振閾値を超えると出力ミラーM２から光エネルギーが取り出される（発振する）。本実施例の光パラメトリック発振器も、前記光閉じ込め器と前記光共振器とが光パラメトリック増幅非線形素子（KTP）を共有すると共に、全反射ミラーM１で反射した2ω₀光（例えば、532nm）を再度光パラメトリック結晶KTPに戻すこと（ダブルパス励起）を特徴とする。

図５に示す実施例５及び図６に示す実施例６のように光路長を変化させる移動機構MV１及びMV２を設けることにより、光閉じ込め器での光パラメトリック増幅の励起光の光学的光路長と光パラメトリック発振器の光学的光路長とを一致させることができる。

図７により動作を説明する。図７の(a)はp秒モードロックレーザーの第二高調波2ω₀（例えば、532nm）のパルス列を示している。パルス幅10psのパルスが80MHzの繰返し（12.5ns間隔）でKTP結晶に入射する。図７の(b)は、(a)のP1が2ω₀の閉じ込め器内を複数回往復する様子を示している。P1(n)はｎ回閉じ込め器内を往復したパルスである。ここでP1(n)は正確にはKTP結晶を往復する２つのパルスが極僅かの時間差で重なっているが、ここではP1(n)を１つとして図示している。P1(n)のパルス間の時間差2ω₀光（例えば、532nm）は、閉じ込め器を一往復する時間であるから、いま閉じ込め器長の光学的距離lをl＝30cmとすると、1nsとなる。モードロックレーザーからの次のパルスまでは12.5nsなので、次パルスまでにP1(12)までのパルスがKTP結晶内に入射することとなる。それぞれのP1(n)がKTP結晶に入射する度に光パラメトリック増幅が生じω₁とω₂が誘起される。発生したω₁とω₂はP1(n)ごとにその強度を増大し、閾値を超えたタイミングで光パラメトリック発振となる。図７の(c)はP1(n)によって生じる光パラメトリック増幅・発振の様子を示している。このように極短のp秒パルスを光閉じ込め器内で光パラメトリック結晶内を複数回往復させることで、光パラメトリック発振を実現できる。モードロックレーザーからの80MHzのパルスごとに、上記過程が繰り返されるため、光パラメトリック発振も励起レーザーパルスに同期して80MHzで発振する。

光パラメトリック増幅の励起光を閉じ込める光閉じ込め器と光パラメトリック増幅光を発振させる光共振器とが光パラメトリック増幅非線形光学素子を共有することで、励起光を光パラメトリック増幅用非線形光学素子内を複数回往復させることができ、励起光2ω₀（532nm）から光パラメトリック発振のω₁とω₂へのエネルギー変換が無駄なく高効率に行え、高効率な光パラメトリック発振器が得られる。

実施例２から実施例４に示したように、光パラメトリック増幅非線形光学素子を実質往復した後に光パラメトリック発振器から光取り出しを行うことで、非線形光学素子の角度位相整合により光パラメトリック発振波長を変化させても光パラトリック発振光の出射位置が不変となる。これは光パラメトリック発振光を用いた計測において、波長変化ごとの光学調整を不要とする実用上極めて大きな効果をもたらす。

実施例５および６に示したように、光閉じ込め器での光パラメトリック増幅の励起光の光学的光路長と光パラメトリック発振光の光学的光路長とを一致させることで、n秒、p秒、f秒のいずれの励起レーザーにも対応可能な光パラメトリック発振器が実現できる。さらに従来p秒、f秒用光パラメトリック発振器では励起レーザーの繰返し周期に対応した長い共振器長が必要であったが、実施例５、６では短い共振器長で構成でき、小型化や経時安定性が実現される。

さらに実施例６では、光パラメトリック増幅非線形光学素子を往復した後に光パラメトリック発振器から光取り出しを行うことで、非線形光学素子の角度位相整合により光パラメトリック発振波長を変化させても光パラトリック発振光の出射位置が不変となる効果も実現できる。

以上より、従来広い波長可変特性を有するものの、効率が悪く、大型で経時安定性に乏しく、励起レーザーごとに異なる構成を必要とした、極めて実用性の劣った光パラメトリック発振器に対し、本発明は高効率、小型、安定でn秒からf秒までどのような励起レーザーにも適用可能な実用性の高い光パラメトリック発振器を実現するものである。

DM ダイクロイックミラー
SHG 非線形光学結晶
M１全反射ミラー
KTP 光パラメトリック結晶
M２出力ミラー
ω１シグナル光
ω２アイドラ光
MV 移動ステージ

Claims

光パラメトリック増幅の励起光を閉じ込める光閉じ込め器と、光パラメトリック増幅光を発振させる光共振器と、前記光閉じ込め器と前記光共振器とが光パラメトリック増幅非線形素子を共有することを特徴とする光パラメトリック発振器。
前記光パラメトリック増幅非線形光学素子の角度位相整合により光パラメトリック発振波長を変化させても光パラトリック発振光の出射位置が不変であることを特徴とする請求項１記載の光パラメトリック発振器。
前記光閉じ込め器での前記光パラメトリック増幅の励起光の光学的光路長と前記光パラメトリック増幅光の発振光の光学的光路長を一致させることを特徴とする請求項１記載の光パラメトリック発振器。