特開 2017-215538 レーザおよびそれを用いたレーザ超音波探傷装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-215538(P2017-215538A)

(43)【公開日】2017年12月7日

(54)【発明の名称】レーザおよびそれを用いたレーザ超音波探傷装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/39 20060101AFI20171110BHJP

   G01N 29/24 20060101ALI20171110BHJP

   H01S 3/108 20060101ALI20171110BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20171110BHJP

   G02F 1/37 20060101ALI20171110BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/39

   G01N29/24

   H01S3/108

   H01S3/00 A

   G02F1/37

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-110489(P2016-110489)

(22)【出願日】2016年6月1日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、内閣府、ＳＩＰ（戦略的イノベーション創造プログラム）委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】畑野 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】山脇 寿

(72)【発明者】

【氏名】竹川 俊二

(72)【発明者】

【氏名】内藤 昌信

(72)【発明者】

【氏名】小口 かなえ

(72)【発明者】

【氏名】榎 学

【テーマコード（参考）】

2G047

2K102

5F172

【Ｆターム（参考）】

2G047AA08

2G047AB05

2G047BA07

2G047BC05

2G047BC07

2G047CA04

2G047GA21

2G047GD01

2G047GF06

2G047GG28

2K102AA06

2K102AA07

2K102AA35

2K102BA18

2K102BB02

2K102BC01

2K102BD09

2K102CA20

2K102DA01

2K102DA10

2K102DA20

2K102DB01

2K102DC07

2K102DD05

2K102DD09

2K102EA21

2K102EB02

2K102EB20

2K102EB25

5F172AE03

5F172AE09

5F172AF02

5F172EE12

5F172NQ64

5F172ZZ20

(57)【要約】

【課題】 中赤外光を発するレーザおよびそれを用いたレーザ超音波探装置を提供すること。
【解決手段】 本発明のレーザは、周期分極反転構造（周期Λ_１）を有し、温度Ｔにおいて、ポンプ光（ポンプ波長λ_ｐ）をアイドラ光（アイドラ波長λ_ｉ）とシグナル光（シグナル波長λ_ｓ）とに波長変換し、１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ＋１／λ_ｉを満たす第１の波長変換素子と、周期分極反転構造（周期Λ_２）を有し、温度Ｔにおいて、シグナル光（シグナル波長λ_ｓ）を差周波光（差周波波長λ_ｄ）とアイドラ光（アイドラ波長λ_ｉ）とに波長変換し、１／λ_ｓ＝１／λ_ｉ＋１／λ_ｄを満たす第２の波長変換素子と、これらを加熱し、温度を制御する温度制御部とを備え、温度制御部は、これらの温度Ｔが、第２の波長変換素子がパラメトリック発振する際の縮退温度Ｔ_０よりも高くなるよう制御する。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の周期Λ_１を有する周期分極反転構造を有する第１の波長変換素子であって、温度Ｔにおいて、ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を、アイドラ波長λ_ｉを有するアイドラ光とシグナル波長λ_ｓを有するシグナル光とに波長変換し、ここで、前記ポンプ波長λ_ｐと前記アイドラ波長λ_ｉと前記シグナル波長λ_ｓとは、関係１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ＋１／λ_ｉを満たす、第１の波長変換素子と、
第２の周期Λ_２を有する周期分極反転構造を有する第２の波長変換素子であって、前記温度Ｔにおいて、前記シグナル波長λ_ｓを有する前記シグナル光を、差周波波長λ_ｄを有する差周波光と前記アイドラ波長λ_ｉを有する前記アイドラ光とに波長変換し、ここで、前記シグナル波長λ_ｉと前記差周波波長λ_ｄと前記アイドラ波長λ_ｉとは、関係１／λ_ｓ＝１／λ_ｉ＋１／λ_ｄを満たす、第２の波長変換素子と、
前記第１の波長変換素子および前記第２の波長変換素子を加熱し、温度を制御する温度制御部と
を備え、
前記温度制御部は、前記第１の波長変換素子および前記第２の波長変換素子の前記温度Ｔを、前記第２の波長変換素子が、前記ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を、アイドラ波長λ_ｉ’を有するアイドラ光とシグナル波長λ_ｓ’を有するシグナル光とに波長変換し、ここで、前記ポンプ波長λ_ｐと前記アイドラ波長λ_ｉ’と前記シグナル波長λ_ｓ’とが、関係１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ’＋１／λ_ｉ’および関係λ_ｓ’＝λ_ｉ’を満たす場合の縮退温度Ｔ_０よりも高くなるよう制御する、レーザ。

【請求項2】

前記第１の波長変換素子および／または前記第２の波長変換素子の周期分極反転構造は、ファンアウト構造である、請求項１に記載のレーザ。

【請求項3】

前記第１の波長変換素子および／または前記第２の波長変換素子は、定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される単結晶からなる、請求項１に記載のレーザ。

【請求項4】

前記第１の波長変換素子および前記第２の波長変換素子は、単一の単結晶からなる、請求項１に記載のレーザ。

【請求項5】

前記第１の波長変換素子および／または前記第２の波長変換素子は、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる単結晶からなり、
前記第１の周期Λ_１は、３０．５μｍ以上３１．５μｍ以下の範囲であり、
前記第２の周期Λ_２は、３２．５μｍ以上３３．１５μｍ以下の範囲である、請求項２に記載のレーザ。

【請求項6】

前記第１の周期Λ_１は、３０．８μｍ以上３１．２μｍ以下の範囲であり、
前記第２の周期Λ_２は、３２．７μｍ以上３２．９μｍ以下の範囲である、請求項５に記載のレーザ。

【請求項7】

前記温度Ｔは、６５℃以上１５０℃以下の範囲の温度である、請求項６に記載のレーザ。

【請求項8】

超音波によって被験物の探傷を試験するレーザ超音波探傷装置であって、
ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を発する励起源と、
前記励起源からの前記ポンプ光を、アイドラ波長λ_ｉを有するアイドラ光に波長変換し、前記アイドラ光を前記被験物に照射するレーザと
を備え、
前記レーザは、請求項１に記載のレーザである、レーザ超音波探傷装置。

【請求項9】

前記レーザは、前記アイドラ光が３．１５μｍ以上３．２５μｍ以下の波長を有する中赤外光を発する、請求項８に記載のレーザ超音波探傷装置。

【請求項10】

前記被験物で発生した超音波を検出し、解析する解析部をさらに備える、請求項８に記載のレーザ超音波探傷装置。

【請求項11】

前記被験物は、炭素繊維強化プラスチックである、請求項９に記載のレーザ超音波探傷装置。

【請求項12】

前記励起源は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザである、請求項８に記載のレーザ超音波探傷装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザおよびそれを用いたレーザ超音波探傷装置に関する。詳細には、本発明は、波長変換素子を用い、中赤外光を発する小型レーザおよびそれを用いたレーザ超音波探傷装置に関する。

【背景技術】

【0002】

炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）は、強度と軽さを併せ持った大変ユニークで革新的な構造材料であり、その有用性は全世界的に認知され、航空機、カーなど様々な分野への応用が始まっているところである。このＣＦＲＰ等カーボン複合材料開発のキーとなる技術の一つが、欠陥検出のための非破壊検査技術である。超音波探傷試験（ＬＵＴ：Ｌａｓｅｒ−Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）とは、検査部に短パルスレーザを照射し、材料に局所的な体積の膨張・収縮を起こして、超音波を発生させその伝搬を解析することで、材料表面や内部の欠陥を非破壊的に検出する方法のことである。ＬＵＴのキーテクノロジは多岐にわたるが、とりわけ、超音波生成用パルスレーザが重要で、ＣＦＲＰ検査に最適化された波長で、使いやすく信頼性の高いレーザが極めて重要であるが、現在ＣＦＲＰのＬＵＴに使用されているレーザは、大型で大変扱いにくく、信頼性の低いＣＯ_２レーザである。

【0003】

最近、ＣＯ_２レーザに代わるレーザとして、光パラメトリック発振（ＯＰＯ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）を用いた中赤外光を発するレーザが開発された（例えば、非特許文献１を参照）。非特許文献１は、周期分極反転構造が形成された、Ｍｇを添加した化学量論組成のＬｉＴａＯ_３単結晶を用い、ＯＰＯ発振を行い、３．２３μｍの中赤外光がＣＦＲＰへのレーザダメージが少なく、感度の高い光源であることを報告している。しかしながら、非破壊検査の精度を向上させるためには、ＯＰＯ発振効率のさらなる向上が求められる。

【0004】

ＯＰＯ発振効率を向上させる別の中赤外光を発するレーザが開発された（例えば、非特許文献２および特許文献１を参照）。特許文献１および非特許文献２によれば、ＯＰＯと差周波発振（ＤＦＭ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｉｘｉｎｇ）とを組み合わせた中赤外光を発するレーザが開示される。

【0005】

図１は、従来技術によるＯＰＯとＤＦＭとの組み合わせのレーザの原理を示す図である。

【0006】

図１（Ｂ）に示すように、特許文献１および非特許文献２によれば、ＯＰＯとＤＦＭとを共振器内に配置した構成を開示する。ここで、ＯＰＯでは、図１（Ａ）に示すように、ポンプ波（ω_ｐｕｍｐ）がシグナル波（ω_{ｓｉｇｎａｌ}）とアイドラ波（ω_{ｉｄｌｅｒ}）とに変換される。目的とする中赤外光は、アイドラ波であるが、Ｍａｎｌｅｙ−Ｒｏｗｅの関係により、その変換効率は、波長３．２μｍ近傍の中赤外光生成の場合、アイドラ光とシグナル光のエネルギー比は１：２なので、最大３３％に制限される。そこで、図１（Ｂ）に示すように、ＯＰＯに続いて、ＤＦＭを組み込むことにより、シグナル波が、アイドラ波と差周波波（ω_{ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ}）とに変換される。これにより、アイドラ生成効率が改善する。

【0007】

実際に、非特許文献２によれば、ＯＰＯとＤＦＭとを組み合わせたレーザにおけるアイドラ波の発振効率は、ＯＰＯ単独によるそれよりも大きいことが示されている。しかしながら、このような構造を達成するためには、ＯＰＯとＤＦＭとを別個に温度制御する必要があり、レーザそのものの小型化が求められている。また、特許文献１においても、具体的な構成が開示されていない。

【0008】

一方、二回連続で波長変換する別の波長変換レーザ装置が開発されている（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２によれば、入射光の波長とは異なる第１の波長の光に変換する第一の波長変換素子と、第一の波長変換素子により変換された光および第一の波長変換素子により変換されなかった基本波が入射されて第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換する第二の波長変換素子とを備えた波長変換レーザ装置が開示されており、第一の波長変換素子と第二の波長変換素子の少なくともいずれか一方が、ファンアウト構造の疑似位相整合素子か、チャープ構造の疑似位相整合素子であり、第一の波長変換素子と第二の波長変換素子が同じ温度に制御されていることを特徴とする。

【0009】

しかしながら、特許文献２では、第一の波長変換素子と第二の波長変換素子とは、いずれも、第二高調波発生をし、ＯＰＯとＤＦＭとの組み合わせではなく、中赤外光を発振することができない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特許第５５２０９３３号明細書

【特許文献2】特開２０１５−１６５２６０号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Ｈ． Ｈａｔａｎｏら，Ｊ．Ｏｐｔｉｃｓ，１７（２０１５）０９４０１１

【非特許文献2】畑野秀樹ら，１４ｐ−２Ｇ−９「ＰＰ−ＭｇＳＬＴを用いたＯＰＯ＋ＤＦＭによる高効率中赤外レーザー光源開発とＣＦＲＰのレーザー超音波探傷への応用」，第７６回応用物理学会秋季学術講演会，２０１５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の課題は、中赤外の光を発する小型レーザ、および、それを用いたレーザ超音波探傷装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明によるレーザは、第１の周期Λ_１を有する周期分極反転構造を有する第１の波長変換素子であって、温度Ｔにおいて、ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を、アイドラ波長λ_ｉを有するアイドラ光とシグナル波長λ_ｓを有するシグナル光とに波長変換し、ここで、前記ポンプ波長λ_ｐと前記アイドラ波長λ_ｉと前記シグナル波長λ_ｓとは、関係１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ＋１／λ_ｉを満たす、第１の波長変換素子と、第２の周期Λ_２を有する周期分極反転構造を有する第２の波長変換素子であって、前記温度Ｔにおいて、前記シグナル波長λ_ｓを有する前記シグナル光を、差周波波長λ_ｄを有する差周波光と前記アイドラ波長λ_ｉを有する前記アイドラ光とに波長変換し、ここで、前記シグナル波長λ_ｉと前記差周波波長λ_ｄと前記アイドラ波長λ_ｉとは、関係１／λ_ｓ＝１／λ_ｉ＋１／λ_ｄを満たす、第２の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子および前記第２の波長変換素子を加熱し、温度を制御する温度制御部とを備え、前記温度制御部は、前記第１の波長変換素子および前記第２の波長変換素子の前記温度Ｔを、前記第２の波長変換素子が、前記ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を、アイドラ波長λ_ｉ’を有するアイドラ光とシグナル波長λ_ｓ’を有するシグナル光とに波長変換し、ここで、前記ポンプ波長λ_ｐと前記アイドラ波長λ_ｉ’と前記シグナル波長λ_ｓ’とが、関係１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ’＋１／λ_ｉ’および関係λ_ｓ’＝λ_ｉ’を満たす場合の縮退温度Ｔ_０よりも高くなるよう制御し、これにより上記課題を達成する。
前記第１の波長変換素子および／または前記第２の波長変換素子の周期分極反転構造は、ファンアウト構造であってもよい。
前記第１の波長変換素子および／または前記第２の波長変換素子は、定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される単結晶からなってもよい。
前記第１の波長変換素子および前記第２の波長変換素子は、単一の単結晶からなってもよい。
前記第１の波長変換素子および／または前記第２の波長変換素子は、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる単結晶からなり、前記第１の周期Λ_１は、３０．５μｍ以上３１．５μｍ以下の範囲であり、前記第２の周期Λ_２は、３２．５μｍ以上３３．１５μｍ以下の範囲であってもよい。
前記第１の周期Λ_１は、３０．８μｍ以上３１．２μｍ以下の範囲であり、前記第２の周期Λ_２は、３２．７μｍ以上３２．９μｍ以下の範囲であってもよい。
前記温度Ｔは、６５℃以上１５０℃以下の範囲の温度であってもよい。
本発明による超音波によって被験物の探傷を試験するレーザ超音波探傷装置は、ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を発する励起源と、前記励起源からの前記ポンプ光を、アイドラ波長λ_ｉを有するアイドラ光に波長変換し、前記アイドラ光を前記被験物に照射するレーザとを備え、前記レーザは、上述のレーザであり、これにより上記課題を解決する。
前記レーザは、前記アイドラ光が３．１５μｍ以上３．２５μｍ以下の波長を有する中赤外光を発してもよい。
前記被験物で発生した超音波を検出し、解析する解析部をさらに備えてもよい。
前記被験物は、炭素繊維強化プラスチックであってもよい。
前記励起源は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザであってもよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によるレーザは、第１の周期Λ_１を有する周期分極反転構造を有する第１の波長変換素子と、第２の周期Λ_２を有する周期分極反転構造を有する第２の波長変換素子と、これらを加熱し、温度を制御する温度制御部とを備え、温度制御部は、これらの温度Ｔを、第２の波長変換素子が、ＯＰＯ発振する場合の縮退温度Ｔ_０よりも高くなるよう制御する。これにより、第１の波長変換素子および第２の波長変換素子を同じ温度Ｔで動作させても、望まない第２の波長変換素子によるＯＰＯ発振を抑制できるので、高い変換効率を達成できる。また、第１の波長変換素子および第２の波長変換素子は、単一の温度制御部によって同一温度に制御すればよいので、別個の温度制御部を不要とし、レーザ全体を小型化できる。このようなレーザを採用すれば、小型かつ高精度なレーザ超音波探傷装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】従来技術によるＯＰＯとＤＦＭとの組み合わせのレーザの原理を示す図

【図2】本発明によるレーザを示す模式図

【図3】本発明によるレーザ超音波探傷装置を示す模式図

【図4】実験で用いた光学系を示す図

【図5】実施例１のレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図

【図6】比較例２の実施例１のレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図

【図7】実施例１のレーザの出力光のエネルギーの温度依存性を示す図

【図8】実施例１のレーザのポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を示す図

【図9】比較例２のレーザにおける第２の波長変換素子の出力光のエネルギーの温度依存性を示す図

【図10】比較例２のレーザのポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を示す図

【図11】実施例３によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図

【図12】実施例４によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図

【図13】実施例５によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図

【図14】実施例６によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図

【図15】実施例７によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明によるレーザを説明する。

【0017】

図２は、本発明によるレーザを示す模式図である。

【0018】

図２（Ａ）に示すように、本発明によるレーザ２００は、少なくとも、第１の周期Λ_１を有する周期分極反転構造を有する第１の波長変換素子２１０と、第２の周期Λ_２を有する周期分極反転構造を有する第２の波長変換素子２２０と、これら第１の波長変換素子２１０と第２の波長変換素子２２０とを同時に加熱し、温度を制御する単一の温度制御部２３０とを備える。第１の波長変換素子２１０と第２の波長変換素子２２０との加熱を単一の温度制御部２３０が行うので、別個の温度制御部を不要とし、レーザ２００全体を小型化できる。

【0019】

第１の波長変換素子２１０は、疑似位相整合によりパラメトリック（ＯＰＯ）発振する波長変換素子である。第１の波長変換素子２１０は、温度Ｔにおいて、ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を、アイドラ波長λ_ｉを有するアイドラ光とシグナル波長λ_ｓを有するシグナル光とに波長変換する。ここで、ポンプ波長λ_ｐとアイドラ波長λ_ｉとシグナル波長λ_ｓとは、関係１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ＋１／λ_ｉを満たす。

【0020】

詳細には、第１の周期Λ_１は、ポンプ波長λ_ｐとアイドラ波長λ_ｉとシグナル波長λ_ｓを用いて、次のように表される。
１／Λ_１＝ｎ_ｐ（Ｔ）／λ_ｐ−ｎ_ｓ（Ｔ）／λ_ｓ−ｎ_ｉ（Ｔ）／λ_ｉ
ここで、ｎ_ｐ（Ｔ）、ｎ_ｓ（Ｔ）およびｎ_ｉ（Ｔ）は、それぞれ、温度Ｔにおける、ポンプ光、シグナル光およびアイドラ光の各波長に対する屈折率である。

【0021】

第２の波長変換素子２２０は、疑似位相整合により差周波（ＤＦＭ）発振する波長変換素子である。第２の波長変換素子２２０は、温度Ｔにおいて、シグナル波長λ_ｓを有するシグナル光を、差周波波長λ_ｄを有する差周波光とアイドラ波長λ_ｉを有するアイドラ光とに波長変換する。ここで、シグナル波長λ_ｉと差周波波長λ_ｄとアイドラ波長λ_ｉとは、関係１／λ_ｓ＝１／λ_ｉ＋１／λ_ｄを満たす。

【0022】

詳細には、第２の周期Λ_２は、差周波波長λ_ｄとアイドラ波長λ_ｉとシグナル波長λ_ｓを用いて、次のように表される。
１／Λ_２＝ｎ_ｓ（Ｔ）／λ_ｓ−ｎ_ｄ（Ｔ）／λ_ｄ−ｎ_ｉ（Ｔ）／λ_ｉ
ここで、ｎ_ｄ（Ｔ）、ｎ_ｓ（Ｔ）およびｎ_ｉ（Ｔ）は、それぞれ、温度Ｔにおける、差周波光、シグナル光およびアイドラ光の各波長に対する屈折率である。

【0023】

温度制御部２３０は、第１の波長変換素子２１０および第２の波長変換素子２２０を温度Ｔに加熱するが、温度Ｔが、第２の波長変換素子２２０がＯＰＯ発振する場合の縮退温度Ｔ_０よりも高くなるように制御する。第２の波長変換素子２２０が、ＯＰＯ発振するとは、ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を、アイドラ波長λ_ｉ’（λ_ｉ≠λ_ｉ’）を有するアイドラ光とシグナル波長λ_ｓ’（λ_ｓ≠λ_ｓ’）を有するシグナル光とに波長変換することをいう。ここで、ポンプ波長λ_ｐとアイドラ波長λ_ｉ’とシグナル波長λ_ｓ’とが、関係１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ’＋１／λ_ｉ’および関係λ_ｓ’＝λ_ｉ’を満たす場合の温度が縮退温度Ｔ_０である。

【0024】

このような温度制御部２３０は、温度制御機構（内部あるいは外部）を備えたヒータ、ペルチエ温度制御器等であり得、４０℃以上２００℃以下の温度範囲に加熱可能であれば足りる。

【0025】

本願発明者らは、差周波発振を目的とする第２の波長変換素子２２０が、所定の条件において、第１の波長変換素子２１０に入射するポンプ光によってパラメトリック発振し、これが発振効率の低下につながることを発見した。そこで、上述の第１の波長変換素子２１０および第２の波長変換素子２２０の温度Ｔを、第２の波長変換素子２２０がＯＰＯ発振する場合の縮退温度Ｔ_０よりも高くすることによって、第２の波長変換素子２２０のＯＰＯ発振が抑制されるので、全体の発振効率を向上させることができる。

【0026】

より詳細には、図２（Ｂ）に示すように、第１の波長変換素子２１０に入射するポンプ波長λ_ｐおよびポンプ周波数ω_ｐを有するポンプ光は、第１の波長変換素子２１０において、アイドラ波長λ_ｉおよびアイドラ周波数ω_ｉを有するアイドラ光と、シグナル波長λ_ｓおよびシグナル周波数ω_ｓを有するシグナル光とに波長変換される。

【0027】

次いで、波長変換されたアイドラ光とシグナル光とは、第２の波長変換素子２２０に入射し、アイドラ光は、第２の波長変換素子２２０を透過し、シグナル光は、第２の波長変換素子２２０において、差周波波長λ_ｄおよび差周波周波数ω_ｄ有する差周波光と、アイドラ波長λ_ｉおよびアイドラ周波数ω_ｉ有するアイドラ光とに波長変換される。

【0028】

ここで、温度制御部２３０が、第１の波長変換素子２１０と第２の波長変換素子２２０の温度Ｔを縮退温度Ｔ_０よりも高くなるように制御するので、第２の波長変換素子２２０は、ポンプ光、アイドラ光およびシグナル光のいずれが入射しても、ＯＰＯ発振することはない。

【0029】

その結果、第１の波長変換素子２１０に入射したポンプ光のポンプ周波数ω_ｐは、理想的な、第１の波長変換素子２１０によって変換されたアイドラ光のアイドラ周波数ω_ｉと、第２の波長変換素子２２０によって変換されたアイドラ光のアイドラ周波数ω_ｉと、第２の波長変換素子２２０によって変換された差周波光の差周波周波数ω_ｄとの和となる。ここで、第１の波長変換素子２１０の第１の周期Λ_１および第２の波長変換素子２２０の第２の周期Λ_２の調整によっては、差周波周波数ω_ｄとアイドラ周波数ω_ｉとが、実質的に等しくなるようにすることもできる。このような場合には、理論的な変換効率が１００％となる。

【0030】

ここで、レーザ２００が中赤外の光を発するレーザである場合には、少なくともアイドラ光のアイドラ波長λ_ｉが、中赤外（例えば、３μｍ〜３．５μｍ）となるように、ポンプ光の波長λ_ｐ、第１の周期Λ_１および／または第２の周期Λ_２を設計すればよい。

【0031】

第１の周期Λ_１および／または第２の周期Λ_２は、固定値であってもよいし、ある幅を持っていてもよい。例えば、ある幅を持っている場合には、第１の波長変換素子２１０および／または第２の波長変換素子２２０の周期分極反転構造は、ファンアウト構造となる。ファンアウト構造とすれば、第１の波長変換素子２１０および／または第２の波長変換素子２２０の発振波長が、第１の周期Λ_１および／または第２の周期Λ_２の幅に応じて可変となるので、スライド機構などを設けて、第１の波長変換素子２１０と第２の波長変換素子２２０とを所望の周期を選択するようにすればチューニング可能な可変波長レーザを提供できる。

【0032】

第１の波長変換素子２１０および／または第２の波長変換素子２２０は、周期分極反転構造を形成可能で、１８０°ドメインを有する強誘電体単結晶であるが、好ましくは、定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される単結晶からなる。これらの単結晶であれば、良質な単結晶が入手でき、大口径の素子を提供でき、レーザダメージ耐性もあり、高い発振効率を可能とする。

【0033】

なお、本明細書中において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ_２Ｏ／（Ｔａ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）またはＬｉ_２Ｏ／（Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論比に近い組成Ｌｉ_２Ｏ／（Ｔａ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）または（Ｌｉ_２Ｏ／（Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）のモル分率＝０．４９０〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。このような実質的に定比組成であるタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム単結晶は、例えば、特許第３５５１２４２号に記載される二重るつぼを使用したチョクラルスキー法により作製され得る。

【0034】

また、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含むことにより、光損傷を低減できるので、発振効率を向上できる。なお、添加量は、光損傷の低減の観点から、好ましくは、０．１ｍｏｌ％以上３．０ｍｏｌ％以下の範囲である。

【0035】

第１の波長変換素子２１０および第２の波長変換素子２２０の周期分極反転構造は、例えば、リソグラフィを用いた、特許第３５１１２０４号等に知られる電子ビーム照射法あるいは電界印加法によって製造される。

【0036】

第１の波長変換素子２１０および第２の波長変換素子２２０が単一の単結晶からなってもよい。これにより、共振器長を短くすることができるので、さらなる小型化を可能にする。

【0037】

第１の波長変換素子２１０および／または第２の波長変換素子２２０は、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される少なくとも１以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる単結晶からなる場合、好ましくは、第１の周期Λ_１は、３０．５μｍ以上３１．５μｍ以下の範囲であり、第２の周期Λ_２は、３２．５μｍ以上３３．１５μｍ以下の範囲である。これにより、レーザ２００は、ポンプ波長λ_ｐが約１μｍ（例示的には１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ）を有する場合、波長３μｍ以上３．５μｍ以下の範囲の中赤外の光を発することができる。

【0038】

より好ましくは、第１の波長変換素子２１０および第２の波長変換素子２２０の周期分極反転構造の周期が固定であり、第１の周期Λ_１は、３０．８μｍ以上３１．２μｍ以下の範囲から選択され、第２の周期Λ_２は、３２．７μｍ以上３２．９μｍ以下の範囲から選択される。これにより、レーザ２００は、波長３．１５μｍ以上３．２５μｍ以下の範囲の中赤外の光を発することができ、とりわけ、ＣＦＲＰのレーザ超音波探傷に有利である。

【0039】

さらに、この場合、温度Ｔは、６５℃以上１５０℃以下の温度範囲に制御される。この範囲であれば、第２の波長変換素子２２０がＯＰＯ発振する場合の縮退温度Ｔ_０よりも高くなるので、ＯＰＯ発振を抑制し、レーザ２００の発振効率を高めることができる。

【0040】

あるいは、第１の波長変換素子２１０の周期分極反転構造の周期が固定であり、第２の波長変換素子２２０の周期分極反転構造がファンアウト構造であり、第１の周期Λ_１は、３０．８μｍ以上３０．９５μｍ以下の範囲から選択され、第２の周期Λ_２は、３２．７μｍ以上３３．１５μｍ以下の範囲を満たす。これにより、レーザ２００は、温度Ｔおよび／または第２の波長変換素子２２０の上記第２の周期Λ_２を適宜選択するだけで、波長３μｍ以上３．５μｍ以下の範囲の中赤外の光を発することができ、波長チューニングが可能となる。

【0041】

さらに、この場合、温度Ｔは、少なくとも室温（３０℃）以上１００℃以下の温度範囲であれば、第２の波長変換素子２２０がＯＰＯ発振する場合の縮退温度Ｔ_０よりも高くなるので、ＯＰＯ発振を抑制し、レーザ２００の発振効率を高めることができる。第２の波長変換素子の周期分極反転構造がファンアウト構造を有する場合を例示したが、第１の波長変換素子の周期分極反転構造がファンアウト構造であり、第２の波長変換素子の周期分極反転構造の周期が固定であっても、同様にチューニング可能なレーザとなることは言うまでもない。また、これらを組み合わせて、さらに複雑なチューニング可能なレーザとしてもよい。

【0042】

図２（Ａ）では、本発明のレーザ２００は、第１の波長変換素子２１０、第２の波長変換素子２２０および温度制御部２３０に加えて、入力カプラ２４０および出力カプラ２５０を備える。これにより、共振器を構成できる。また、本発明のレーザ２００の光の出射側には、フィルタ２６０が設置され、これにより、所望の波長を有する光（ここでは、アイドラ波長λ_ｉを有するアイドラ光および差周波波長λ_ｄを有する差周波光）のみを取り出すことができる。

【0043】

（実施の形態２）
実施の形態２では、本発明によるレーザ超音波探傷装置を説明する。
図３は、本発明によるレーザ超音波探傷装置を示す模式図である。

【0044】

本発明によるレーザ超音波探傷装置３００は、少なくとも、ポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光を発する励起源３１０、および、励起源３１０からのポンプ光をアイドラ波長λ_ｉを有するアイドラ光に波長変換し、被験物３２０に照射するレーザ２００を備える。ここで、レーザ２００は、実施の形態１で説明したレーザ２００と同様であるため、説明を省略する。

【0045】

励起源３１０は、ポンプ波長λ_ｐを有する光が、レーザ２００においてアイドラ波長λ_ｉを有する光に変換される限り制限はないが、例示的には、波長１０６４ｎｍを有する光を発するＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザである。これらは入手可能であり、励起源として優れている。このようなレーザを励起源３１０に使用すれば、波長３μｍ以上３．５μｍ以下の範囲の波長を有する中赤外光をアイドラ光として得ることができる。このような中赤外光は、被験物３２０が炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である場合に被験物３２０へのダメージを生じることなく高い感度で、被験物３２０における欠陥、剥離、亀裂等の探傷を可能にするため好ましい。図３において、励起源３１０とレーザ２００とは、被験物３２０に振動を発生させるパルスレーザとして機能する。

【0046】

本発明によるレーザ超音波探傷装置３００は、パルスレーザによって発生した被験物３２０の振動を検出する別のレーザ３３０をさらに備えることが好ましい。例えばレーザ３３０は、Ｈｅ−Ｎｄレーザ、ファイバレーザ、帰還形半導体レーザ等の周波数が安定なレーザであり得る。

【0047】

図３では、本発明によるレーザ超音波探傷装置３００は、被験物３２０で発生する超音波を検出し、解析する解析部３４０をさらに備える。解析部３４０は、超音波をファブリ・ペロー干渉計、フォトダイオード、増幅器などの光検出に用いられる光学部品を備え、超音波の画像解析等を行う中央演算処理装置や、結果をオシロスコープ等で可視化する表示部を備えてもよい。

【0048】

図３では、図示しないが、ミラー、コリメートレンズ、集光レンズ、ビームスプリッタ、１／４波長板、フィルタ等の光学系を含んでよいことは言うまでもない。

【0049】

本発明によるレーザ超音波探傷装置３００の動作について簡単に説明する。ここで、理解をしやすくるため、励起源３１０が、波長１０６４ｎｍを有するＹＡＧレーザであり、レーザ２００が、ＹＡＧレーザをアイドラ波長３．２μｍを有するアイドラ光に変換し、被験物３２０がＣＦＲＰであり、レーザ３３０がＨｅ−Ｎｄレーザであるものとする。

【0050】

レーザ超音波探傷装置３００において、励起源３１０が発するポンプ波長λ_ｐを有するポンプ光（ＹＡＧレーザ）が、レーザ２００に入射し、レーザ２００は、ＹＡＧレーザをアイドラ波長約３．２μｍを有するアイドラ光に変換する。このアイドラ光がパルスレーザとして機能する。

【0051】

レーザ２００からのパルスレーザは、例えば、ビームスプリッタ（図示せず）、ミラー（図示せず）などの光学系を介して、被験物３２０の表面に照射される。被験物３２０の表面にパルスレーザが照射されると、被験物３２０の表面に広帯域の超音波が発生する。この超音波は、被験物３２０の表面から内部を伝播して裏面まで達し、反射され、再びエコーとして表面に戻る。なお、ビームスプリッタによりパルスレーザの一部を解析部３４０に導き、オシロスコープのトリガ信号として使用してもよい。ここで、本発明では、被験物３２０がＣＦＲＰにおいては、レーザ２００が波長３．２μｍの中赤外光のパルスレーザを発するので、ＣＦＲＰにダメージを生じさせることなく、超音波を発生させることができる。

【0052】

一方、レーザ３３０は、被験物３２０の表面に戻ってきたエコーを検出するように機能するが、レーザ３３０から発せられた連続発振レーザは、ミラー（図示せず）、ビームスプリッタ（図示せず）、１／４波長板（図示せず）等の光学系を介して被験物３２０の表面に照射される。この反射光は、再度、１／４波長板、ビームスプリッタ、レンズ（図示せず）等の光学系を経て、解析部３４０のファブリ・ペロー干渉計、フォトダイオードに入射され、電気信号に変換される。電気信号は適宜増幅器などにより増幅され、低周波ノイズを除去して、オシロスコープに入力される。

【0053】

被験物３２０の裏面で反射されてきたエコーによって、被験物３２０の表面が超音波振動すると、表面の空間的に位置は超音波の周期で変位する。そのため、レーザ３３０からのレーザ（光）は、被験物３２０の表面で反射される際に、変位に伴うドップラーシフトを受け、波長が変化する。このような波長の変化を、解析部３４０において例えばファブリ・ペロー干渉計を通すことにより、強度の変化に変換できる。

【0054】

被験物３２０の表面および裏面で反射を繰り返すエコーが表面に戻る際に、解析部３４０の例えばフォトダイオードの出力信号は大きく変化することになる。この信号を例えばオシロスコープ上で表示させれば、被験物３２０の空洞、亀裂、不純物等の欠陥の有無を判別できる。一定の時間間隔で信号強度が変化する場合には、被験物３２０が欠陥を有さないと判別できる。一定の時間間隔よりも短い時間で信号強度が変化する場合、被験物３２０が欠陥を有しており、欠陥箇所でエコーが反射されていると判別できる。

【0055】

実施の形態２では、エコーの検出方法としてファブリ・ペロー干渉計を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、マイケルソン干渉計、さらにはダイナミックホログラムを組み合わせてもよい。

【0056】

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。

【実施例】

【0057】

［実施例１］
実施例１では、第１の波長変換素子（図２の２１０）および第２の波長変換素子（図２の２２０）が、Ｍｇを１ｍｏｌ％添加した定比組成のタンタル酸リチウム単結晶（Ｍｇ：ＳＬＴと称する）からなり、第１の波長変換素子の第１の周期Λ_１が３０．９μｍ、３ｍｍ×３ｍｍ×２４ｍｍ長の角柱状であり、第２の波長変換素子の第２の周期Λ_２が３２．８８μｍ、３ｍｍ×３ｍｍ×２０ｍｍ長の角柱状であり、これらを単一の温度制御部（図２の２３０）としてヒータに配置したレーザを構築した。第１の波長変換素子は、ＯＰＯ素子であり、第２の波長変換素子は、ＤＦＭ素子であった。図中では、第１の波長変換素子をＯＰＯ、および、第２の波長変換素子をＤＦＭと省略して示す場合がある。

【0058】

ここで、Ｍｇ：ＳＬＴに関する屈折率分散式（例えば、Ｄｏｌｅｖら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ，２００９，９６，４２３−４３２、および、Ｌｉｍら、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，５２，２０１３，０３２６０１を参照）を用いて、ポンプ波長１．０６４μｍである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図５に示す。

【0059】

図４は、実験で用いた光学系を示す図である。

【0060】

図４に示す光学系により、温度と出力光のエネルギーとの関係、ならびに、ポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を調べた。実験に用いた共振器はシグナル波に対する単共振型発振器（ＳＲＯ）として構成した。共振器ミラーは平行平板型で共振器長は約１１０ｍｍとした。ポンプ光の光源（励起源）は、Ｑ−ＳＷ型ＹＡＧレーザ（Ｑｕａｎｔｅｌ社Ｃｅｎｔｕｒｉｏｎレーザ）であった。ポンプ光の波長は１．０６４ｎｍであり、パルス幅９ｎｓ（ＦＷＨＭ）、繰り返し周波数１００Ｈｚおよびパルスエネルギー２８．８ｍＪで使用した。ポンプ光のビームは、ウエスト直径２．４ｍｍφ（１／ｅ^２）のトップハット形状を有した。

【0061】

ポンプ光のビーム（パルス光）は、ビーム整形および光量調節のための光学系を経て、共振器に入射した。次いで、共振器で波長変換された出射光を、赤外光分離フィルタを経て、Ｓｐｅｃｔｒｏｇｅｎ社製ＬＰ２５００フィルタ（２５００ｎｍより短波長の光をカットする）を通して、中赤外光のみを取り出し、１２Ａ−Ｐセンサで検出した。第２の波長変換素子（ＤＦＭ素子）のＯＰＯ光（１．９〜２．４μｍ帯）の一部は、アイドラ分離フィルタの反射光として取り出し。ＰＥ５０型センサで検出した。結果を図７および図８に示す。

【0062】

［比較例２］
比較例２では、第１の波長変換素子の第１の周期Λ_１が３１．１μｍであり、第２の波長変換素子の第２の周期Λ_２が３２．８５μｍであり、いずれも、３ｍｍ×３ｍｍ×２０ｍｍ長の角柱状であり、それぞれ別個の温度制御部に配置した以外は、実施例１と同様であった。

【0063】

実施例１と同様に、ポンプ波長１．０６４μｍである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。また、図４に示す実験系を用いて、温度と出力光のエネルギーとの関係、ならびに、ポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を調べた。ポンプ光のパルスエネルギーが３６ｍＪであり、ポンプ光のビームは、ウエスト直径１．９ｍｍφ（強度１／ｅ^２）であった。これらの結果を図６、図９および図１０に示す。

【0064】

［実施例３］
実施例３では、第１の波長変換素子の第１の周期Λ_１がそれぞれ３０．９μｍ、９０．９５μｍ、３１．０μｍ、３１．０５μｍおよび３１．１μｍの３ｍｍ×３ｍｍ×２４ｍｍ長の角柱状であり、第２の波長変換素子の第２の周期Λ_２がそれぞれ３２．６８μｍ、３２．７３μｍ、３２．７８μｍ、３２．８２μｍ、３２．８５μｍおよび３２．８８μｍの３ｍｍ×３ｍｍ×２０ｍｍ長の角柱状であり、これらを単一の温度制御部（図２の２３０）に配置したレーザを構築した。実施例１と同様に、ポンプ波長１．０６４μｍである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図１１に示す。

【0065】

［実施例４］
実施例４では、第１の波長変換素子の第１の周期Λ_１が３０．８μｍの３ｍｍ×３ｍｍ×２４ｍｍ長の角柱状であり、第２の波長変換素子の第２の周期Λ_２が３２．７０μｍ以上３３．１５μｍ以下の範囲を満たすファンアウト構造を有する３ｍｍ×３ｍｍ×２０ｍｍ長の角柱状であり、これらを単一の温度制御部（図２の２３０）に配置したレーザを構築した。実施例１と同様に、ポンプ波長１．０６４μｍである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図１２に示す。

【0066】

［実施例５］
実施例５では、第１の波長変換素子の第１の周期Λ_１が３０．８５μｍとした以外は、実施例４と同様であった。実施例１と同様に、ポンプ波長１．０６４μｍである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図１３に示す。

【0067】

［実施例６］
実施例６では、第１の波長変換素子の第１の周期Λ_１が３０．９μｍとした以外は、実施例４と同様であった。実施例１と同様に、ポンプ波長１．０６４μｍである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図１４に示す。

【0068】

［実施例７］
実施例７では、第１の波長変換素子の第１の周期Λ_１が３０．９５μｍとした以外は、実施例４と同様であった。実施例１と同様に、ポンプ波長１．０６４μｍである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図１５に示す。

【0069】

図５は、実施例１のレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。

【0070】

図５によれば、単一温度８０℃（Ｔ）において、第１の波長変換素子および第２の波長変換素子も、発振波長（すなわちアイドラ波長）が３．２４μｍで位相整合条件を満たす、すなわち、３．２４μｍのアイドラ光を発することが示される。さらに、第２の波長変換素子によるパラメトリック発振は見られるものの、６４℃（Ｔ_０）で縮退状態となり、それ以上の温度ではパラメトリック発振しないことが分かった。

【0071】

第１の波長変換素子は、ポンプ波長λ_ｐ（１．０６４μｍ）とアイドラ波長λ_ｉ（３．２４２μｍ）とシグナル波長λ_ｓ（１．５８４μｍ）とが、関係１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ＋１／λ_ｉを満たし、第２の波長変換素子は、シグナル波長λ_ｉ（１．５８４μｍ）と差周波波長λ_ｄ（３．０９８μｍ）とアイドラ波長λ_ｉ（３．２４２μｍ）とが、関係１／λ_ｓ＝１／λ_ｉ＋１／λ_ｄを満たしていた。一方、縮退状態では、ポンプ波長λ_ｐ（１．０６４μｍ）とアイドラ波長λ_ｉ’（２．１２８μｍ）とシグナル波長λ_ｓ’（２．１２８μｍ）とが、関係１／λ_ｐ＝１／λ_ｓ’＋１／λ_ｉ’および関係λ_ｓ’＝λ_ｉ’を満たした。

【0072】

図６は、比較例２の実施例１のレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。

【0073】

図６によれば、第１の波長変換素子の温度が３０℃であり、第２の波長変換素子の温度が８０℃である場合に、発振波長（すなわちアイドラ波長）が３．２３μｍで位相整合条件を満たす、すなわち、３．２３μｍのアイドラ光を発することが示される。さらに、第２の波長変換素子によるパラメトリック発振は見られるものの、７１℃で縮退状態となり、それ以上の温度ではパラメトリック発振しないことが分かった。この場合には、第１の波長変換素子と第２の波長変換素子とを別個のヒータ等によりそれぞれ異なる温度に制御する必要があるため、レーザを小型化できない。

【0074】

さらに、図６によれば、単一温度５６℃において、第１の波長変換素子および第２の波長変換素子も、発振波長（すなわちアイドラ波長）が３．１９μｍで位相整合条件を満たす、すなわち、３．１９μｍのアイドラ光を発することが示されるが、この場合には、動作温度（５６℃）が第２の波長変換素子がパラメトリック発振する場合の縮退温度（７１℃）よりも低いため、レーザは、３．１９μｍのアイドラ光に加えて、第２の波長変換素子によるパラメトリック発振の光（ここでは、２．８μｍおよび１．９９μｍ）も発するため、中赤外光への変換効率は著しく低減することが示される。

【0075】

図７は、実施例１のレーザの出力光のエネルギーの温度依存性を示す図である。

【0076】

図７では、ポンプ光のエネルギーが２８．８ｍＪである場合のレーザからのアイドラ波長３．２４μｍを有するアイドラ光（出力光）のエネルギーの温度依存性を示す。図７によれば、温度８０℃近傍において、アイドラ光はもっとも高いエネルギーを有した。このことは、図５に示す結果に良好に一致した。

【0077】

図８は、実施例１のレーザのポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を示す図である。

【0078】

図８では、温度制御部が第１の波長変換素子および第２の波長変換素子を４０℃または８０℃に加熱した際の、ポンプ光のエネルギーとアイドラ波長３．２４μｍを有するアイドラ光（出力光）との関係を示す。図８によれば、温度８０℃におけるアイドラ光のエネルギーは、温度４０℃のそれよりも顕著に大きかった。このことは、図５に示す結果に良好に一致し、第１の波長変換素子および第２の波長変換素子が単一温度で制御され、中赤外の光を発するレーザとして機能することを示す。

【0079】

図９は、比較例２のレーザにおける第２の波長変換素子の出力光のエネルギーの温度依存性を示す図である。

【0080】

図９では、ポンプ光のエネルギーが３６ｍＪである場合の第２の波長変換素子からのアイドラ波長３．２３μｍを有するアイドラ光（出力光）のエネルギーの温度依存性を示す。図９によれば、温度８０℃近傍において、アイドラ光はもっとも高いエネルギーを有した。このことは、図６に示す結果に良好に一致した。

【0081】

図１０は、比較例２のレーザのポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を示す図である。

【0082】

図１０では、第１の波長変換素子を３０℃に、第２の波長変換素子を８０℃にそれぞれ加熱した際の、ポンプ光のエネルギーとアイドラ波長３．２３μｍを有するアイドラ光（出力光）との関係を示す。参考のため、図１０には、第１の波長変換素子のみの結果、すなわち、第１の波長変換素子を室温（３０℃）に維持した際の、第１の波長変換素子におけるポンプ光のエネルギーとアイドラ波長３．２３μｍを有するアイドラ光との関係も示す。

【0083】

図１０によれば、第１の波長変換素子のみの場合よりも、第１の波長変換素子と第２の波長変換素子とを用いることにより、アイドラ光のエネルギーが増大し、ＯＰＯとＤＦＭとのフォトンリサイクリングが有効であることが分かる。なお、図８と図１０とを単純に比較はできないが、単一温度において同様の出力エネルギーが得られることから、本発明の単一温度で制御したレーザが有効であり、別個の温度制御を不要とし、小型化できることが示された。

【0084】

以上から、本発明によるレーザにおいて、第１の周期Λ_１を有する周期分極反転構造を有する第１の波長変換素子と、第２の周期Λ_２を有する周期分極反転構造を有する第２の波長変換素子と、これらを温度Ｔに加熱し、温度を制御する単一の温度制御部とを備え、温度制御部は、これらの温度Ｔを、第２の波長変換素子が、ＯＰＯ発振する場合の縮退温度Ｔ_０よりも高くなるよう制御することが有効であることが示された。

【0085】

図１１は、実施例３によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。

【0086】

図１１によれば、第１の波長変換素子（ＯＰＯ）の位相整合条件のカーブと、第２の波長変換素子（ＤＦＭ）の位相整合条件のカーブとが交差する温度（Ｔ）に設定することにより、単一の動作温度（Ｔ）で第１の波長変換素子および第２の波長変換素子がともに位相整合条件を満たし、波長３．２μ近傍の中赤外の光を発することができることが分かる。さらに、動作温度Ｔが、第２の波長変換素子がＯＰＯ発振する場合の縮退温度（Ｔ_０）よりも高くなる条件を満たす位相整合条件を選択するだけで、高い変換効率を確実にすることができることが示された。

【0087】

具体的には、第１の波長変換素子および第２の波長変換素子がともにＭｇ：ＳＬＴ単結晶からなる場合、第１の周期Λ_１は、３０．８μｍ以上３１．２μｍ以下の範囲であり、第２の周期Λ_２は、３２．７μｍ以上３２．９μｍ以下の範囲であればよいことが分かる。さらには、この場合、温度Ｔは、６５℃以上１５０℃以下の範囲の温度であれば、第２の波長変換素子のパラメトリック発振する場合の縮退温度（Ｔ_０）よりも高くなるので、波長約３．２μｍの中赤外の光を発するレーザを提供できることが分かった。

【0088】

図１２は、実施例４によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。
図１３は、実施例５によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。
図１４は、実施例６によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。
図１５は、実施例７によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。

【0089】

図１２〜図１５には、位相整合温度が３０℃以上１００℃以下の範囲の結果を示すが、位相整合温度が１００℃を超えても動作可能な範囲があることは理解されたい。また、図１２〜図１５の結果は、いずれも、第１の波長変換素子および第２の波長変換素子の温度（すなわち、図中の位相整合温度）が、第２の波長変換素子のパラメトリック発振する場合の縮退温度よりも高くなるよう設計されており、第２の波長変換素子のパラメトリック発振は見られない条件で算出されている。図１２〜図１５において、アイドラ波長は、第１の波長変換素子によるパラメトリック発振に基づくアイドラ波長を有する光と、第２の波長変換素子による差周波発振によるアイドラ波長を有する光との両方の条件を満たしている。

【0090】

図１２〜図１５によれば、第１の波長変換素子の第１の周期を、３０．８μｍ以上３０．９５μｍ以下の範囲から選択される値に固定とし、第２の波長変換素子の第２の周期を、３２．７μｍ以上３３．１５μｍ以下の範囲を満たす幅を有するファンアウト構造とすることにより、少なくとも温度３０℃以上１００℃以下の範囲において、３μｍ以上３．５μｍ以下の範囲の中赤外の光を発することができる。本発明によるレーザは、温度Ｔおよび／または第２の波長変換素子の第２の周期Λ_２を適宜選択するだけで、波長３μｍ以上３．５μｍ以下の範囲の中赤外の光を発することができ、波長チューニングが可能となることが示された。

【0091】

なお、アイドラ光の波長と、差周波光の波長とが交差する温度を採用すれば、理論的に１００％の変換効率を達成できる。しかしながら、例えば、ＣＦＲＰを被験物とする際には、差周波光も中赤外の波長範囲を有するため、レーザ超音波探傷においてはその精度に大きな影響を及ぼさないため、厳密な制御は求められない場合もある。

【0092】

また、実施例４〜７では、第２の波長変換素子の周期分極反転構造がファンアウト構造を有するように設計したが、逆であっても、同様にチューニング可能なレーザとなることは言うまでもない。また、これらを組み合わせて、さらに複雑なチューニング可能なレーザとしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0093】

本発明によるレーザは、とりわけ、波長変換を利用した中赤外光のレーザ光の発振に有利であり、温度制御部が１つでよいので、小型レーザである。このようなレーザは、超音波探傷装置に適用され、ＣＦＲＰの欠陥の検出に好ましい。

【符号の説明】

【0094】

２００ レーザ
２１０ 第１の波長変換素子
２２０ 第２の波長変換素子
２３０ 温度制御部
２４０ 入力カプラ
２５０ 出力カプラ
２６０ フィルタ
３００ レーザ超音波探傷装置
３１０ 励起源
３２０ 被験物
３３０ 別のレーザ
３４０ 解析部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】