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(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】P2023177027
(43)【公開日】2023-12-13
(54)【発明の名称】レーザ発振器およびレーザ発振方法
(51)【国際特許分類】
G02F 1/37 20060101AFI20231206BHJP
H01S 3/16 20060101ALI20231206BHJP
【ＦＩ】
G02F1/37
H01S3/16
【審査請求】未請求
【請求項の数】19
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022089698
(22)【出願日】2022-06-01
(71)【出願人】
【識別番号】503359821
【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所
(71)【出願人】
【識別番号】503098724
【氏名又は名称】株式会社オキサイド
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】湯本 正樹
(72)【発明者】
【氏名】宮田 憲太郎
(72)【発明者】
【氏名】川田 靖
(72)【発明者】
【氏名】今井 信一
【テーマコード（参考）】
2K102
5F172
【Ｆターム（参考）】
2K102AA02
2K102AA07
2K102AA30
2K102AA35
2K102BA16
2K102BA18
2K102BB02
2K102BC01
2K102BC07
2K102CA26
2K102DA01
2K102DB01
2K102DD10
2K102EA25
2K102EB02
2K102EB08
2K102EB11
2K102EB14
2K102EB20
2K102EB22
2K102EB26
5F172AE01
5F172AF01
5F172AF03
5F172AF06
5F172CC10
5F172EE12
5F172EE13
5F172NP03
5F172NP04
5F172NQ10
5F172NQ25
5F172NQ48
5F172NQ64
(57)【要約】 （修正有）
【課題】中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出させ、当該スペクトル帯域幅における特定の波長でシグナル光をレーザ発振させるレーザ発振器を提供する。
【解決手段】ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶と、励起光が入射された結晶をレーザ発振させる光学系とを備え、結晶は、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を更に有し、励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を励起され、位相整合性により、励起光と、光学系によってスペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でレーザ発振したシグナル光との、差周波のアイドラ光を出力する、レーザ発振器を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶と、励起光が入射された結晶をレーザ発振させる光学系とを備え、結晶は、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を更に有し、励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を励起され、位相整合性により、励起光と、光学系によってスペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でレーザ発振したシグナル光との、差周波のアイドラ光を出力する、レーザ発振器を提供する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶と、
励起光が入射された前記結晶をレーザ発振させる光学系と
を備え、
前記結晶は、
複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を更に有し、
前記励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出し、
前記位相整合性により、前記励起光と、前記光学系によって前記スペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でレーザ発振したシグナル光との、差周波のアイドラ光を出力する、
レーザ発振器。
励起光が入射された前記結晶をレーザ発振させる光学系と
を備え、
前記結晶は、
複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を更に有し、
前記励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出し、
前記位相整合性により、前記励起光と、前記光学系によって前記スペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でレーザ発振したシグナル光との、差周波のアイドラ光を出力する、
レーザ発振器。
【請求項2】
前記スペクトル帯域幅は、０．１μｍ以上である、
請求項１に記載のレーザ発振器。
請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項3】
前記ドーパントは遷移金属イオンであり、前記励起光により前記遷移金属イオンの振動遷移が生じることで前記蛍光が放出される、
請求項２に記載のレーザ発振器。
請求項２に記載のレーザ発振器。
【請求項4】
前記ドーパントは、Ｙｂ、Ｔｍ、ＥｒおよびＨｏのうちの何れかの希土類イオンである、
請求項２に記載のレーザ発振器。
請求項２に記載のレーザ発振器。
【請求項5】
前記結晶は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＣｄＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～０．４）である、
請求項１に記載のレーザ発振器。
請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項6】
前記結晶は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＺｎＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～１．０）である、
請求項１に記載のレーザ発振器。
請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項7】
前記結晶は、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配されている、
請求項５または６に記載のレーザ発振器。
請求項５または６に記載のレーザ発振器。
【請求項8】
前記結晶は、前記励起光、前記シグナル光、および前記アイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配されている、
請求項５または６に記載のレーザ発振器。
請求項５または６に記載のレーザ発振器。
【請求項9】
前記結晶は、前記結晶の温度の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配されている、
請求項５または６に記載のレーザ発振器。
請求項５または６に記載のレーザ発振器。
【請求項10】
前記光学系は、
互いに斜めに対向配置された第１のミラーおよび第２のミラーと、
前記第２のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第２のミラーで反射した光が入射した場合に、前記光を前記第２のミラーに向けて反射する第３のミラーと、
前記第１のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第１のミラーで反射した光が入射した場合に、前記スペクトル帯域幅における前記特定の波長または前記特定の波長幅の前記シグナル光を選択する光学デバイスを有する、
を有する、
請求項１に記載のレーザ発振器。
互いに斜めに対向配置された第１のミラーおよび第２のミラーと、
前記第２のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第２のミラーで反射した光が入射した場合に、前記光を前記第２のミラーに向けて反射する第３のミラーと、
前記第１のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第１のミラーで反射した光が入射した場合に、前記スペクトル帯域幅における前記特定の波長または前記特定の波長幅の前記シグナル光を選択する光学デバイスを有する、
を有する、
請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項11】
前記光学デバイスは、回折格子、音響光学波長可変フィルタ、複屈折フィルタ、および、プリズムのうちの何れかを含む、
請求項１０に記載のレーザ発振器。
請求項１０に記載のレーザ発振器。
【請求項12】
前記第３のミラーを透過する光の波長を測定する波長計と、
前記波長計の測定値に基づいて前記光学デバイスを制御することにより、前記シグナル光の前記特定の波長または前記特定の波長幅を選択するコントローラと
を更に備える、請求項１０または１１に記載のレーザ発振器。
前記波長計の測定値に基づいて前記光学デバイスを制御することにより、前記シグナル光の前記特定の波長または前記特定の波長幅を選択するコントローラと
を更に備える、請求項１０または１１に記載のレーザ発振器。
【請求項13】
ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶に励起光を照射することにより、中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出させることと、
前記スペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でシグナル光をレーザ発振させることと、
前記結晶が有する、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を利用して、前記励起光と前記シグナル光との差周波のアイドラ光を出力することと
を備えるレーザ発振方法。
前記スペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でシグナル光をレーザ発振させることと、
前記結晶が有する、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を利用して、前記励起光と前記シグナル光との差周波のアイドラ光を出力することと
を備えるレーザ発振方法。
【請求項14】
前記結晶は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＣｄＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～０．４）である、
請求項１３に記載のレーザ発振方法。
請求項１３に記載のレーザ発振方法。
【請求項15】
前記結晶は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＺｎＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～１．０）である、
請求項１３に記載のレーザ発振方法。
請求項１３に記載のレーザ発振方法。
【請求項16】
ｘの値が互いに異なる複数の前記結晶を選択することにより、前記アイドラ光の波長範囲を選択することを更に備える、
請求項１４または１５に記載のレーザ発振方法。
請求項１４または１５に記載のレーザ発振方法。
【請求項17】
前記結晶を、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配することを更に備える、
請求項１４または１５に記載のレーザ発振方法。
請求項１４または１５に記載のレーザ発振方法。
【請求項18】
前記結晶を、前記シグナル光および前記アイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合件を満たす向きに配することを更に備える、
請求項１４または１５に記載のレーザ発振方法。
請求項１４または１５に記載のレーザ発振方法。
【請求項19】
前記結晶を、前記結晶の温度の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配することを更に備える、
請求項１４または１５に記載のレーザ発振方法。
請求項１４または１５に記載のレーザ発振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ発振器およびレーザ発振方法に関する。
【背景技術】
【0002】
非特許文献１には、「We exploited Nd3+ laser emission at 1061.9 nm … in a self-x(2) active GdAl3(BO3)4:Nd3+ laser crystal.」と記載されている。
［先行技術文献］
［非特許文献］
［非特許文献１］ A. Brenier, C. Tu, J. Li, Z. Zhu, and B. Wu, "Self-sum- and -differencefrequency mixing in GdAl3(BO3)4:Nd3+ for generation of tunable ultraviolet and infrared radiation," Opt. Lett. 27, 240-242 (2002)
［先行技術文献］
［非特許文献］
［非特許文献１］ A. Brenier, C. Tu, J. Li, Z. Zhu, and B. Wu, "Self-sum- and -differencefrequency mixing in GdAl3(BO3)4:Nd3+ for generation of tunable ultraviolet and infrared radiation," Opt. Lett. 27, 240-242 (2002)
【発明の概要】
【0003】
本発明の第１の態様においては、レーザ発振器を提供する。レーザ発振器は、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶と、励起光が入射された前記結晶をレーザ発振させる光学系と、を備え、前記結晶は、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を更に有し、前記励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を励起され、前記位相整合性により、前記励起光と、前記光学系によって前記スペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でレーザ発振したシグナル光との、差周波のアイドラ光を出力する。
【0004】
上記のレーザ発振器において、前記スペクトル帯域幅は、０．１μｍ以上であってもよい。
【0005】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記ドーパントは遷移金属イオンであり、前記励起光により前記遷移金属イオンの振動遷移が生じることで前記蛍光が励起されてもよい。
【0006】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記ドーパントは、Ｙｂ、Ｔｍ、ＥｒおよびＨｏのうちの何れかの希土類イオンであってもよい。
【0007】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＣｄＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～０．４）であってもよい。
【0008】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＺｎＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～１．０）であってもよい。
【0009】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配されていてもよい。
【0010】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、前記励起光、前記シグナル光、および前記アイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配されていてもよい。
【0011】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、前記結晶の温度の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配されていてもよい。
【0012】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記光学系は、互いに斜めに対向配置された第１のミラーおよび第２のミラーを有してもよい。上記の何れかのレーザ発振器において、前記光学系は、前記第２のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第２のミラーで反射した光が入射した場合に、前記光を前記第２のミラーに向けて反射する第３のミラーを有してもよい。上記の何れかのレーザ発振器において、前記光学系は、前記第１のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第１のミラーで反射した光が入射した場合に、前記スペクトル帯域幅における前記特定の波長または前記特定の波長幅の前記シグナル光を選択する光学デバイスを有してもよい。
【0013】
上記の何れかのレーザ発振器において、前記光学デバイスは、回折格子、音響光学波長可変フィルタ、複屈折フィルタ、および、プリズムのうちの何れかを含むものであってもよい。
【0014】
上記の何れかのレーザ発振器は、前記第３のミラーを透過する光の波長を測定する波長計を更に備えてもよい。上記の何れかのレーザ発振器は、前記波長計の測定値に基づいて前記光学デバイスを制御することにより、前記シグナル光の前記特定の波長または前記特定の波長幅を選択するコントローラを更に備えてもよい。
【0015】
本発明の第２の態様においては、レーザ発振方法を提供する。レーザ発振方法は、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶に励起光を照射することにより、中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出させることと、前記スペクトル帯域幅における特定の波長または前記特定の波長幅でシグナル光をレーザ発振させることと、前記結晶が有する、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を利用して、前記励起光と前記シグナル光との差周波のアイドラ光を出力することとを備える。
【0016】
上記のレーザ発振方法において、前記結晶は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＣｄＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～０．４）であってもよい。
【0017】
上記の何れかのレーザ発振方法において、前記結晶は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＺｎＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～１．０）であってもよい。
【0018】
上記の何れかのレーザ発振方法は、ｘの値が互いに異なる複数の前記結晶を選択することにより、前記アイドラ光の波長範囲を選択することを更に備えてもよい。
【0019】
上記の何れかのレーザ発振方法において、前記結晶を、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配することを更に備えてもよい。
【0020】
上記の何れかのレーザ発振方法において、前記結晶を、前記励起光、前記シグナル光、および前記アイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配することを更に備えてもよい。
【0021】
上記の何れかのレーザ発振方法において、前記結晶を、前記結晶の温度の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす向きに配することを更に備えてもよい。
【0022】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】一実施形態によるレーザ発振システム１０の概略図である。
【図2】一比較例による、レーザ発振のみを行う発振器の模式図である。
【図3】一比較例による、差周波発生のみを行う差周波発生器の模式図である。
【図4】一実施形態によるレーザ発振器１００の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。
【図5】一実施形態によるレーザ発振器１００の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。
【図6】一実施形態によるレーザ発振器１００の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。
【図7】一実施形態によるレーザ発振器１００によって実測されたシグナル光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。
【図8】一実施形態によるレーザ発振器１００によって実測された励起光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。
【図9】一実施形態によるレーザ発振器１００によって実測されたシグナル光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。
【図10】一実施形態によるレーザ発振器１００によって実測された励起光、シグナル光およびアイドラ光の時間波形の一例を示すグラフである。
【図11】一実施形態によるレーザ発振器１００における、サルファイド（Ｓ）濃度ｘとシグナル光の波長λｓとアイドラ光の波長λｉとの関係を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0025】
図１は、一実施形態によるレーザ発振システム１０の概略図である。図１において、光路を実線で示し、光が一方向にのみ進行する箇所には光路上に小さな矢印を示す。また図１において、信号の流れ方向を大きな矢印で示す。また図１において、結晶１４０の結晶軸方位をｃ軸で示し、ビーム伝搬方向をａ軸で示す。なお、結晶１４０として他の材料を用いる場合には、ｃ軸とａ軸の関係は、図１に示すもの以外であってもよい。
【0026】
本実施形態によるレーザ発振システム１０は、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶を用いて、シグナル光を発振させると共にアイドラ光を差周波発生させる。換言すると、レーザ発振システム１０は、このような結晶に、レーザ発振器としての機能だけでなく、差周波発生器としての機能も持たせている。具体的には、レーザ発振システム１０は、このような結晶に励起光を照射してシグナル光を発振させると共に、当該結晶によって励起光およびシグナル光を波長変換し、励起光およびシグナル光よりも長波長のアイドラ光を出力する。
【0027】
レーザ発振システム１０は、レーザ発振器１００、エネルギー計２０１、エネルギー計２０３、オシロスコープ２０５およびユーザインタフェース２０７を備える。図１において、レーザ発振器１００を破線の領域として示す。
【0028】
レーザ発振器１００は、上述の結晶の一例である結晶１４０と、光学系１３０とを備える。本実施形態によるレーザ発振器１００は更に、光学系１３０へと励起光を入射させるべく、励起光源１１０および半波長板１２０を備えてもよい。本実施形態によるレーザ発振器１００は更に、光学系１３０からの光が入力される、ハーフミラー１５０、波長計１６０およびフィルタ１７０を備えてもよい。本実施形態によるレーザ発振器１００は更に、光学系１３０で発振させるシグナル光の波長を選択するべく、コントローラ１８０および駆動部１９０を備えてもよい。図１において、破線の領域で示すレーザ発振器１００の内側に、光学系１３０を破線の領域として示す。
【0029】
励起光源１１０は、パルス状の励起光を出力する。励起光源１１０は、例えば固体レーザ、半導体レーザ、気体レーザなどのレーザ光源であってもよい。励起光源１１０には、例えばＴｍ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦなどの希土類イオンが添加された結晶材料が用いられてもよい。一例として、励起光源１１０は、Ｔｍ：ＹＡＧレーザであって、波長２．０１μｍ、パルス幅３００ｎｓ、パルス繰り返し数１０Ｈｚ、パルスエネルギ０～１６ｍＪの励起光を出力してもよい。以降の説明において、励起光の波長をλｐと表記し、同様に、シグナル光およびアイドラ光の波長をそれぞれλｓおよびλｉと表記する場合がある。
【0030】
半波長板１２０は、励起光源１１０から出力される励起光の偏光状態を異ならせ、光学系１３０へと入射させる。一例として、半波長板１２０は、励起光を図１の紙面奥行き方向に偏光する直線偏光にして光学系１３０へと入射させてもよい。図１には、励起光の偏光方向を◎で示す。
【0031】
結晶１４０は、上述の通り、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する。結晶１４０は更に、複屈折位相整合性を有する。
【0032】
結晶１４０は、励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出する。結晶１４０は更に、複屈折位相整合性により、励起光とシグナル光との差周波のアイドラ光を出力する。
【0033】
具体的な一例として、上述のドーパントは遷移金属イオンであり、例えばＣｒ２＋やＦｅ２＋であってもよい。この場合、結晶１４０は、励起光により、遷移金属イオンの振動遷移、すなわちバイブロニック遷移が生じることで、蛍光を放出される。結晶１４０におけるドーパントの添加濃度は、例えば４０ｐｐｍである。結晶１４０におけるドーパントの他の例は、中赤外線領域のブロードなスペクトルを有する希土類イオンであってもよい。具体的には、ドーパントは、Ｙｂ、Ｔｍ、ＥｒおよびＨｏのうちの何れかの希土類イオンであってもよい。
【0034】
結晶１４０が励起光によって放出させられる蛍光のスペクトル帯域幅は、０．１μｍ以上である。
【0035】
結晶１４０における、ドーパントを添加されるホスト材料は、例えばＣｄＳｅやＺｎＳｅなどであってもよい。本実施形態による結晶１４０は、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＣｄＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～０．４）であり、一例として、Ｃｒ：ＣｄＳｅ（ドーパントをＣｒ２＋としてｘ＝０．０とした場合）である。結晶１４０は、一例として、２０℃の温度条件下で、波長２．０１μｍの励起光を照射されることにより、２．２～２．７μｍ付近の蛍光を励起される。
【0036】
結晶１４０は、一例として、励起光およびシグナル光に対して無反射（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＲ）コーティングが施されている。ＡＲコーティングは、例えば、１．９～３．３μｍの波長の光に対する反射率の平均値が１．５％未満であってもよい。
【0037】
光学系１３０は、励起光が入射された結晶１４０をレーザ発振させる。光学系１３０は、結晶１４０が励起光によって放出される蛍光のスペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でシグナル光をレーザ発振させる。なお、ここで言う特定の波長または特定の波長幅とは、例えば設計波長であり、ガウス分布に従って波長幅を有してもよい。以降の説明においては、特定の波長または特定の波長幅を単に特定の波長と言う場合がある。
【0038】
本実施形態による光学系１３０は、第１のミラー１３１および第２のミラー１３３と、ブリュースタープレート１３５と、第３のミラー１３７と、回折格子１３９とを有する。図１に示すように、光学系１３０には、これらの複数の光学素子が「Ｘ」状に配置されている。なお、光学系１３０において、これら複数の光学素子を「Ｘ」状に配置することは単なる一例に過ぎず、これら複数の光学素子の他の配置構成を採用してもよい。この場合、これら複数の光学素子の一部が省略されてもよく、これに加えて又は代えて、他の光学素子が追加されてもよい。
【0039】
第１のミラー１３１および第２のミラー１３３は、互いに斜めに対向配置されており、間に結晶１４０が配置されている。第１のミラー１３１および第２のミラー１３３は、例えばＺｎＳｅによって形成される。
【0040】
第１のミラー１３１および第２のミラー１３３は、結晶１４０が励起光によって放出させられる蛍光のスペクトル帯域幅に対して高い反射率を有する。第１のミラー１３１には、第２のミラー１３３の側の反対側から、励起光が入射する。第１のミラー１３１は、一例として、励起光源１１０から出力される励起光の９０％を透過させる。
【0041】
第２のミラー１３３には、結晶１４０から出力されるアイドラ光が、第１のミラー１３１の側から入射する。第２のミラー１３３は、第１のミラー１３１の側の反対側へとアイドラ光を透過させる。第２のミラー１３３は、一例として、結晶１４０から出力されるアイドラ光の７３％を透過させる。なお、第２のミラー１３３は、励起光およびシグナル光の一部をアイドラ光と共に透過させてもよい。
【0042】
ブリュースタープレート１３５は、第２のミラー１３３および第３のミラー１３７の間の光路上に配置されている。ブリュースタープレート１３５は、例えばＺｎＳｅによって形成される。ここで、上述した、複屈折位相整合性を有する結晶１４０は、結晶１４０のホスト材料次第で、アイドラ光を差周波発生させるための２つの入力光の各偏光方向を互いに同じにするか、直交させる必要がある。結晶１４０のホスト材料がＣｄＳｅの場合には、２つの入力光、すなわち励起光およびシグナル光の各偏光方向を互いに直交させる必要がある。そこで、ブリュースタープレート１３５は、ブリュースタープレート１３５に入射する光を、励起光の偏光方向と直交する方向に偏光させて透過させるように構成されている。なお、ブリュースタープレート１３５は、結晶１４０のホスト材料次第では、光学系１３０内に配置されなくてもよい。
【0043】
第３のミラー１３７は、第２のミラー１３３で反射する光の光路上に配置されている。第３のミラー１３７は、第２のミラー１３３で反射した光が入射した場合に、当該光を第２のミラー１３３に向けて反射する。第３のミラー１３７は、一例として、９８％の反射率を有する。第２のミラー１３３からブリュースタープレート１３５を介して第３のミラー１３７に入射する光、例えば上述の波長λｓのシグナル光は、一例として、図１の紙面に平行な方向に偏光する直線偏光である。図１には、シグナル光の偏光方向を矢印で示す。
【0044】
回折格子１３９は、第１のミラー１３１で反射する光の光路上に配置されている。回折格子１３９は、第１のミラー１３１で反射した光が入射した場合に、上述した特定の波長のシグナル光のみを、第１のミラー１３１に向けて回折する。当該特定の波長以外の波長の光は、第１のミラー１３１に向けて回折されない。換言すると、回折格子１３９は、光学系１３０において、第１のミラー１３１、第２のミラー１３３、第３のミラー１３７および回折格子１３９の間をラウンドトリップさせる光の波長を選択する。更に換言すると、回折格子１３９は、光学系１３０において特定の波長の光のみをラウンドトリップさせる。回折格子１３９は、一例として、溝数６００本／ｍｍ、回折効率η＞９０％である。なお、回折格子１３９は、第１のミラー１３１で反射する光の光路上に配置され、第１のミラー１３１で反射した光が入射した場合に、上述した特定の波長のシグナル光を選択する光学デバイスの一例である。当該光学デバイスは、回折格子１３９に代えて又は加えて、音響光学波長可変フィルタ、複屈折フィルタ、プリズムなどを含んでもよい。
【0045】
ハーフミラー１５０は、第３のミラー１３７を透過する光の一部を波長計１６０に向けて反射し、残りの光を透過させてエネルギー計２０１へと入射させる。波長計１６０は、第３のミラー１３７を透過する光の波長を測定する。より具体的には、波長計１６０は、第３のミラー１３７を透過してハーフミラー１５０で反射された光、例えば上述のシグナル光の波長λｓを測定する。波長計１６０は、測定値をコントローラ１８０へ出力する。
【0046】
フィルタ１７０は、第２のミラー１３３を透過する光の光路上に配置されている。フィルタ１７０は、第２のミラー１３３を透過する光のうち、波長λｉのアイドラ光を透過させつつ、波長λｐの励起光および波長λｓのシグナル光をフィルタリングする。フィルタ１７０は、一例として、Ｇｅで形成され、アイドラ光に対してＡＲコーティングが施されたプレートである。ＡＲコーティングは、例えば、８～１０μｍの波長の光に対する反射率の平均値が０．７５％未満であってもよい。図１には、フィルタ１７０を透過したアイドラ光の偏光方向を◎で示す。なお、フィルタ１７０に代えて、波長分離可能な光学素子、例えばミラー、プリズム、回折格子などを用いてもよい。
【0047】
コントローラ１８０は、波長計１６０の測定値に基づいて回折格子１３９を制御することにより、光学系１３０でラウンドトリップさせる蛍光の波長、すなわち結晶１４０に励起させるシグナル光の波長を選択する。より具体的には、コントローラ１８０は、波長計１６０の測定値に基づき、駆動部１９０を制御して回折格子１３９の回転角を調整することによって、当該シグナル光の波長を選択してもよい。
【0048】
駆動部１９０は、コントローラ１８０の制御により、回折格子１３９を回転させる。例えば、駆動部１９０は、回折格子１３９を搭載した状態で、図１の紙面奥行き方向に延びる軸の周りを回転するように駆動可能であってもよい。図１には、駆動部１９０の回転方向の一例を黒塗りの矢印で示す。
【0049】
エネルギー計２０１は、ハーフミラー１５０を透過した光、例えばシグナル光を受光し、その強度を検出する。エネルギー計２０３は、フィルタ１７０を透過したアイドラ光を受光し、その強度を検出する。エネルギー計２０１、２０３はそれぞれ、オシロスコープ２０５に電気的に接続されており、検出した光の強度に応じた電圧値をオシロスコープ２０５に出力する。オシロスコープ２０５は、エネルギー計２０１、２０３のそれぞれから入力される電圧値の時間変化を画面に表示する。オシロスコープ２０５はまた、ユーザインタフェース２０７に電気的に接続されており、当該電圧値の時間変化を示すアナログ波形をユーザインタフェース２０７に出力する。
【0050】
ユーザインタフェース２０７は、オシロスコープ２０５から入力される当該アナログ波形を画面に表示してもよい。ユーザインタフェース２０７は、コントローラ１８０に電気的に接続されていてもよい。ユーザインタフェース２０７は、ユーザの入力に基づき、レーザ発振器１００から出力するアイドラ光の波長をコントローラ１８０に指示してもよい。
【0051】
以上で説明した本実施形態によるレーザ発振器１００において、コントローラ１８０は、回折格子１３９の回転角度と、回折格子１３９によって光学系１３０内をラウンドトリップさせる光の波長との対応関係を示す関数や対応表などの参照データを予め記憶し、当該参照データに基づいて駆動部１９０を制御してもよい。この場合、レーザ発振器１００は、波長計１６０およびハーフミラー１５０を備えず、且つ、第３のミラー１３７の反射率を１００％にしてもよい。
【0052】
図２は、一比較例による、レーザ発振のみを行う発振器の模式図である。比較例による発振器においては、波長λｐの励起光がミラー３０１を透過して結晶３０３に入射され、当該励起光により結晶３０３で励起される蛍光がミラー３０５とミラー３０１との間を繰り返し往復することで、波長λｓのシグナル光がミラー３０５から発振される。一例として、結晶３０３はＣｒ：ＣｄＳｅであって、波長λｐは～２μｍであり、この場合、波長λｓは２．２～２．７μｍである。
【0053】
図３は、一比較例による、差周波発生のみを行う差周波発生器の模式図である。比較例による差周波発生器においては、波長λｐの励起光と波長λｓのシグナル光が結晶３１１に入力されると、結晶３１１が有する位相整合性により、波長λｉのアイドラ光が差周波発生される。差周波のアイドラ光の角周波数ωｉは、励起光の角周波数ωｐおよびシグナル光の角周波数ωｓを用いて、下記の数１で定義される。
［数１］
［数１］
【0054】
従って、差周波のアイドラ光の波長λｉは、励起光の波長λｐおよびシグナル光の波長λｓを用いて、下記の数２で定義される。
［数２］
数２の定義に従い、位相整合条件（Δｋ）は、アイドラ光の波数ベクトルｋｉ、シグナル光の波数ベクトルｋｓ、励起光の波数ベクトルｋｐを用いて下記の数３で定義される。
［数３］
ここで、波数ベクトルと屈折率の関係は下記の数４、数５および数６で定義される。
［数４］
［数５］
［数６］
［数２］
［数３］
［数４］
【0055】
一例として、結晶３１１はＣｄＳｅであって、波長λｐは～２μｍであり、波長λｓは２．５～２．７μｍであり、この場合の波長λｉは、上記数２に基づき、８～１０μｍとなる。
【0056】
本出願の発明者は、差周波発生に用いられていた結晶にドーパントをドープしても、差周波を発生させることができる性質を見出し、これにより、１つの結晶で、レーザ発振および差周波発生の両方を行うことができることを見出した。すなわち、図２および図３のそれぞれに示した比較例に対して、本実施形態によるレーザ発振器１００は、レーザ発振器としての機能だけでなく、差周波発生器としての機能も備える。具体的には、レーザ発振器１００は、結晶１４０に励起光を照射してシグナル光を発振させると共に、結晶１４０が有する複屈折位相整合を満たした条件で、励起光とシグナル光との差周波のアイドラ光を出力することができる。
【0057】
【0058】
本実施形態のレーザ発振器１００によれば、理論上、下記の数７～数８に示すＣｄＳｅの常光線（下付きのｏ）と異常光線（下付きのｅ）のセルマイヤーの分散式から計算される屈折率ｎを用いることにより、図４のグラフに示す位相整合特性が上記の数３～数６から計算される。ここで、ＣｄＳｅの場合、アイドラ光は常光線、シグナル光は異常光線、励起光は常光線となるように各々の偏光方向を選択する、即ちアイドラ光とシグナル光の偏光方向が互いに直交関係にあるＴｙｐｅ－２位相整合を用いる。上記の数３～数６から、ＣｄＳｅにおけるＴｙｐｅ－２位相整合条件は下記の数１０で表される。ここで、屈折率ｎの上付きのｏとｅはそれぞれ常光線及び異常光線を示す。常光線および異常光線のそれぞれの屈折率は、下記の数７及び数８を用いることで、下記の数９の波長範囲にて精度良く計算される。
［数７］
［数８］
［数９］
［数１０］
［数７］
【0059】
図４には、励起光の波長λｐを２．０１５μｍで固定した場合における、シグナル光の波長λｓの推移のグラフを紙面の下側に示し、アイドラ光の波長λｉの推移のグラフを紙面の上側に示す。一例として、シグナル光の波長λｓが〇で示す位置の長さである場合に、アイドラ光の波長λｉは〇で示す位置の長さとなる。
【0060】
図４に示される通り、９０度から６４度付近までの位相整合角θに対して、シグナル光の波長λｓおよびアイドラ光の波長λｉはそれぞれ２つの異なる値を取り得ることが理解される。具体的には、位相整合角θを９０度から６４度付近まで連続的に変化させると、シグナル光の波長λｓは２．５９５μｍから２．３００μｍ付近まで連続的に推移し、且つ、アイドラ光の波長λｉは９．０１５μｍから１６．００μｍ付近まで連続的に推移する、または、シグナル光の波長λｓは２．１７５μｍ付近から２．３００μｍ付近まで連続的に推移し、且つ、アイドラ光の波長λｉは２７．００μｍ付近から９．０１５μｍまで連続的に推移する。
【0061】
すなわち、本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、理論上、位相整合角θを９０度から６４度付近までの範囲内で変化させることにより、シグナル光の波長λｓを２．５９５μｍから２．１７５μｍまでの範囲内で変化させることができ、これにより、アイドラ光の波長λｉを９．０１５μｍから２７．００μｍ付近までの範囲内で変化させることができる。
【0062】
本実施形態のレーザ発振器１００によれば更に、例えば、励起光の中心波長λｐを２．０１５μｍとして、波長計１６０で測定されたシグナル光の中心波長λｓが２．５９５μｍである場合に、上記の数２に基づき、理論上は、アイドラ光の中心波長λｉは９．０１５μｍになると判断できる。また、図４のグラフ或いは数３から、この場合における位相整合角θは理論上９０度であることも判断できる。
【0063】
図５は、一実施形態によるレーザ発振器１００の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。図５のグラフの横軸は位相整合角θ［度］を指し、縦軸はシグナル光の波長λｓ［μｍ］を指す。図５のグラフの右側には、グラフに示される線の濃淡と、励起光の波長λｐ［μｍ］との関係を示す。
【0064】
図５のグラフには、図４におけるシグナル光の波長λｓのグラフ上に示した○に対応する位置に〇を示してある。図４および図５を比較すると、図４に示したシグナル光の波長λｓの推移のグラフ、すなわち図５に示す〇が付されたシグナル光の波長λｓの推移のグラフは、励起光の波長λｐの長さを変化させると連続的に変動することが理解される。
【0065】
すなわち、本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、理論上、励起光の波長λｐを１．７０μｍ付近～２．１３μｍ付近の範囲内で変化させ、且つ、位相整合角θを９０度から６４度付近までの範囲内で変化させることにより、シグナル光の波長λｓを１．８０μｍ付近から２．８６μｍ付近までの範囲内で変化させることができる。
【0066】
図６は、一実施形態によるレーザ発振器１００の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。図６のグラフの横軸は位相整合角θ［度］を指し、縦軸はアイドラ光の波長λｉ［μｍ］を指す。図６のグラフの右側には、グラフに示される線の濃淡と、励起光の波長λｐ［μｍ］との関係を示す。
【0067】
図６のグラフには、図４におけるアイドラ光の波長λｉのグラフ上に示した○に対応する位置に〇を示してある。図４および図６を比較すると、図４に示したアイドラ光の波長λｉの推移のグラフ、すなわち図６に示す〇が付されたアイドラ光の波長λｉの推移のグラフは、励起光の波長λｐの長さを変化させると連続的に変動することが理解される。
【0068】
すなわち、本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、理論上、励起光の波長λｐを１．７０μｍ付近～２．１３μｍ付近の範囲内で変化させ、且つ、位相整合角θを９０度から６４度付近までの範囲内で変化させることにより、アイドラ光の波長λｉを８．５μｍ付近から２９μｍ付近までの範囲内で変化させることができる。
【0069】
図７は、一実施形態によるレーザ発振器１００によって実測されたシグナル光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。図７のグラフの下側の横軸はシグナル光の波長λｓ［μｍ］を指し、上側の横軸はアイドラ光の波長λｉ［μｍ］を指す。図７のグラフの左側の縦軸はシグナル光のエネルギ［ｍＪ］を指し、右側の縦軸はアイドラ光のエネルギ［ａｒｂ. ｕｎｉｔｓ（任意単位）］を指す。
【0070】
図７のグラフ上には、波長計１６０の測定結果に基づいて回折格子１３９を順次回転することにより、シグナル光の波長λｓを２．２μｍ付近から２．７μｍ付近まで順次変化させたときに、エネルギー計２０１で順次検出されたシグナル光の強度のプロットデータを黒塗りの丸で示す。図７のグラフ上にはまた、結晶１４０の位相整合角θを９０度として、シグナル光の波長λｓを２．２μｍ付近から２．７μｍ付近まで順次変化させたときに、エネルギー計２０３の位置で順次測定されるアイドラ光の波長λｉと、エネルギー計２０３で検出されたアイドラ光の強度のプロットデータを丸で示す。
【0071】
ここで、図４および図７を比較する。結晶１４０の位相整合角θを９０度とした場合に、図４のグラフによれば、理論上、シグナル光の波長λｓが２．５９５μｍならばアイドラ光の波長λｉは９．０１５μｍになる。一方で、結晶１４０の位相整合角θを９０度とした場合に、図７のグラフによれば、アイドラ光は９．０１５μｍ付近の波長λｉでエネルギが最も高く測定されており、このときのシグナル光は２．５９５μｍ付近の波長λｓを測定されている。
【0072】
すなわち、本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、少なくとも図４に示した理論上の位相整合特性に従って、図４と同じ条件下で、レーザ発振器１００から出力されるアイドラ光の波長λｉを、ユーザが必要な波長に設定することが可能である。
【0073】
図８は、一実施形態によるレーザ発振器１００によって実測された励起光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。図８のグラフの横軸は励起光のエネルギ［ｍＪ］を指し、縦軸はアイドラ光のエネルギ［μＪ］を指す。図８には、第３のミラー１３７の反射率を６０％にした場合における各光のエネルギ測定値を丸で示し、第３のミラー１３７の反射率を９８％にした場合における各光のエネルギ測定値を黒塗りの丸で示す。図８のグラフは、励起光の波長λｐを２．０１μｍに設定して、シグナル光の測定波長λｓが２．５８μｍであり、アイドラ光の測定波長λｉが９．１０μｍであった場合に、各光のエネルギを測定した結果を示す。
【0074】
図８のグラフに示される通り、第３のミラー１３７の反射率を高めることにより、アイドラ光のエネルギが高まることが理解される。また、励起光のエネルギを線形的に増加させた場合に、アイドラ光のエネルギも線形的に増加することが理解される。
【0075】
図９は、一実施形態によるレーザ発振器１００によって実測されたシグナル光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。図９のグラフの横軸は半波長板１２０の角度［度］を指し、縦軸はパルスエネルギ［ａｒｂ. ｕｎｉｔｓ（任意単位）］を指す。図９には、半波長板１２０の角度を０度～１８０度まで回転させて、光学系１３０に入射する励起光の偏光方向を異ならせた場合における、シグナル光のエネルギ測定値を黒塗りの丸で示し、アイドラ光のエネルギ測定値を丸で示す。図９のグラフは、励起光の波長λｐを２．０１μｍ、励起光のエネルギを１０ｍＪ、励起光のパルス幅を４００ｎｓに設定して、シグナル光の測定波長λｓが２．５８μｍであり、アイドラ光の測定波長λｉが９．１０μｍであった場合に、各光のエネルギを測定した結果を示す。
【0076】
図９のグラフに示される通り、半波長板１２０が４５度および１３５度のそれぞれに設定された場合に、シグナル光およびアイドラ光のそれぞれのエネルギが最大となることが理解される。
【0077】
図１０は、一実施形態によるレーザ発振器１００によって実測された励起光、シグナル光およびアイドラ光の時間波形の一例を示すグラフである。図１０のグラフの横軸は時間［１００ｎｓ／ｄｉｖ．］を指し、縦軸は強度［ａｒｂ. ｕｎｉｔｓ（任意単位）］を指す。図１０には、励起光、シグナル光およびアイドラ光のそれぞれの時間波形を示す。図１０のグラフは、図９と同様に、励起光の波長λｐを２．０１μｍ、励起光のエネルギを１０ｍＪ、励起光のパルス幅を４００ｎｓに設定して、シグナル光の測定波長λｓが２．５８μｍであり、アイドラ光の測定波長λｉが９．１０μｍであった場合に、各光の強度を測定した結果を示す。
【0078】
図１０のグラフに示される通り、励起光が光学系１３０に入射されてから、結晶１４０においてシグナル光が発振されてアイドラ光が差周波発生するまでに、時間差が生じることが理解される。
【0079】
図１１は、一実施形態によるレーザ発振器１００における、サルファイド（Ｓ）濃度ｘとシグナル光の波長λｓとアイドラ光の波長λｉとの関係を説明するためのグラフである。グラフ１１ａ、グラフ１１ｂ、グラフ１１ｃおよびグラフ１１ｄのそれぞれの下側の横軸はシグナル光の波長λｓ［μｍ］を指し、それぞれの上側の横軸はアイドラ光の波長λｉ［μｍ］を指す。グラフ１１ａの縦軸は位相整合角θ［度］を指す。グラフ１１ｂの縦軸はウォークオフ角ρ［度］を指す。グラフ１１ｃの縦軸は位相整合角θの許容幅Δθ・Ｌ［度・ｃｍ］を指す。グラフ１１ｄの縦軸はシグナル光の波長λｓの許容幅Δλｓ・Ｌ［ｎｍ・ｃｍ］を指す。図１１の最下部には、グラフ１１ａ、グラフ１１ｂ、グラフ１１ｃおよびグラフ１１ｄのそれぞれに示される線の濃淡と、サルファイド（Ｓ）濃度ｘとの関係を示す。
【0080】
図１１に示すグラフは、サルファイド（Ｓ）濃度ｘを０．０２５刻みで変えて計算し、より具体的には、ｘ＝０、０．０２５、０．０５、０．０７５、０．１、０．１２５、０．１５、０．１７５、０．２、０．２２５、０．２５、０．２７５、０．３、０．３２５、０．３５のそれぞれについて計算した。なお、図１１の実施形態では、一例として、励起光源１１０を、波長２．０５μｍの励起光を出力するＨｏ：ＹＬＦレーザとした。
【0081】
上述の通り、本実施形態による結晶１４０は、Ｃｒ：ＣｄＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～０．４）である。結晶１４０は、ｘ＝０．０～０．４の何れにおいても、少なくとも、第１の位相整合状態、第２の位相整合状態および第３の位相整合状態のうちの何れかの位相整合状態になり得る。
【0082】
第１の位相整合状態とは、結晶１４０の結晶軸方位とビーム伝搬方向とが成す角度θの変化に対する位相整合条件（Δｋ）の一次近似が下記の数１１の条件を満足する状態、即ちビーム伝搬方向の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす状態を意図している。
［数１１］
グラフ１１ａにおいて、第１の位相整合状態となる箇所をｄ（Δｋ）／ｄθ＝０で示す。なお、Δｋは、位相不整合を意図しており、位相不整合は波長変換の効率を妨げるファクタである。よって、Δｋが０になることが望ましい。
［数１１］
【0083】
第２の位相整合状態とは、励起光、シグナル光、およびアイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対する位相整合条件（Δｋ）の一次近似が下記の数１２の条件を満足する状態、即ち当該波長の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす状態を意図している。
［数１２］
グラフ１１ａ、グラフ１１ｂおよびグラフ１１ｃのそれぞれにおいて、励起光の波長を固定した状態でシグナル光およびアイドラ光の波長の変化に対して上記の数１２の条件を満足する第２の位相整合状態となる箇所を破線と共にｄ（Δｋ）／ｄλｓ、ｉ＝０で示す。
［数１２］
【0084】
第３の位相整合状態とは、結晶温度Tの変化に対する位相整合条件（Δｋ）の一次近似が下記の数１３の条件を満足する状態、即ち結晶温度の変化に対して非臨界（ノンクリティカル）位相整合条件を満たす状態を意図している。
［数１３］
［数１３］
【0085】
本実施形態によるレーザ発振器１００において、結晶１４０は、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配されてもよい。これに代えて、結晶１４０は、励起光、シグナル光、およびアイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配されてもよい。すなわち、結晶１４０が第１の位相整合状態、第２の位相整合状態、および第３の位相整合状態の何れかとなるように、ビーム伝搬方向に対して結晶１４０の結晶軸方位を設定してもよい。
【0086】
本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、結晶１４０をビーム伝搬方向の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配することで、結晶１４０の結晶軸方位が正しく設定されておらず位相整合角θに誤差が生じている場合や、レーザ発振器１００を設置している台が振動することで結晶１４０の結晶軸方位が変化してしまい位相整合角θに誤差が生じている場合などに、アイドラ光の波長λｉを殆ど変動させることなく、位相整合を維持することが可能である。当該非臨界位相整合条件を満たす状態、すなわち第１の位相整合状態は、グラフ１１ｃに示される通り、位相整合角θの許容幅Δθ・Ｌが極めて大きく、すなわち位相整合角θの変化に強い、とも言える。また第１の位相整合状態における位相整合を、角度ノンクリティカル位相整合または角度非臨界位相整合と称する場合もある。なお、第１の位相整合状態の場合には、グラフ１１ｂに示される通り、ウォークオフ角ρは０．０度である。
【0087】
本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、結晶１４０を励起光、シグナル光、およびアイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配する場合、結晶１４０の結晶軸方位を僅かにチューニングすることで、すなわち位相整合角θを僅かにチューニングすることで、アイドラ光の波長λｉを数μｍ程度まで大幅にチューニングすることが可能である。当該非臨界位相整合条件を満たす状態、すなわち第２の位相整合状態は、グラフ１１ｄに示される通り、シグナル光の波長λｓの許容幅Δλｓ・Ｌが極めて大きく、すなわち位相整合状態を維持しつつアイドラ光の波長λｉをチューニングし易い状態、とも言える。また第２の位相整合状態における位相整合を、スペクトルノンクリティカル位相整合またはスペクトル非臨界位相整合と称する場合もある。なお、第２の位相整合状態の場合であっても、グラフ１１ｂに示される通り、励起光とシグナル光とのウォークオフ角ρは０．３５度未満である。複数の入力光の間に発生する角度であるウォークオフ角ρがこれほどまでに小さい場合、複数の入力光の相互作用長、すなわち光同士が長くいられる距離および時間を十分に長くすることができる。
【0088】
本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、結晶１４０を温度の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配する場合、高出力レーザーを用いる際に起こり得る結晶１４０の自己吸収による温度上昇や環境温度変化においても、位相整合を維持することが可能である。当該非臨界位相整合条件を満たす状態、すなわち第３の位相整合状態は、位相整合の温度許容幅ΔＴ・Ｌが極めて大きく、即ち位相整合温度Ｔの変化に強い、とも言える。また第３の位相整合状態における位相整合を、温度ノンクリティカル位相整合または温度非臨界位相整合と称する場合もある。
【0089】
本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、一例として、出力されるアイドラ光の波長λｉを９μｍ付近から２５μｍ付近の範囲内で必要な値に設定したい場合には、サルファイド濃度ｘをｘ＝０．０～０．４の範囲で調整すればよいことも、図１１から理解される。またこの場合において更に、ウォークオフ角ρを小さくしたい場合には、位相整合角θを９０度にする又は９０度に近づければよいことも、図１１から理解される。
【0090】
以上で説明した通り、本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶１４０に励起光を照射することにより、中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出させる。また、当該スペクトル帯域幅における特定の波長でシグナル光をレーザ発振させる。そして、結晶１４０が有する、複屈折位相整合性を利用して、励起光とシグナル光との差周波のアイドラ光を出力する。これにより、本実施形態によるレーザ発振器１００によれば、図１から図１１を用いて説明した効果を奏することができる。
【0091】
上述の通り、本実施形態による結晶１４０は、Ｃｒ：ＣｄＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～０．４）であってもよい。この場合に、本実施形態によるレーザ発振器１００は更に、ｘの値が互いに異なる複数の結晶１４０を選択することにより、アイドラ光の波長範囲を選択してもよい。これに代えて又は加えて、本実施形態によるレーザ発振器１００は更に、結晶１４０を、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配してもよく、または、シグナル光およびアイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配してもよい。
【0092】
以上の複数の実施形態において、結晶１４０は、Ｆｅ：ＣｄＳｅであってもよく、複数の実施形態と同様に、アイドラ光の用途や必要な波長に応じて、Ｆｅ：ＣｄＳｅにサルファイド（Ｓ）が適宜添加されていてもよく、具体的には、Ｆｅ：ＣｄＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～０．４）であってもよい。
【0093】
以上の複数の実施形態において、結晶１４０は、複屈折位相整合性を有するものとして説明した。これに代えて、結晶１４０は、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合性、または、多結晶構造体を利用したランダム位相整合性を有してもよい。周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合性、または、多結晶構造体を利用したランダム位相整合性を有する結晶１４０は、例えば、Ｃｒ２＋或いはＦｅ２＋をドーパントとしてドープしたＺｎＳｅ１－ｘＳｘ（ただし、ｘ＝０．０～１．０）であってもよい。
【0094】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【0095】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【0096】
１０ レーザ発振システム
１００ レーザ発振器
１１０ 励起光源
１２０ 半波長板
１３０ 光学系
１３１ 第１のミラー
１３３ 第２のミラー
１３５ ブリュースタープレート
１３７ 第３のミラー
１３９ 回折格子
１４０ 結晶
１５０ ハーフミラー
１６０ 波長計
１７０ フィルタ
１８０ コントローラ
１９０ 駆動部
２０１、２０３ エネルギー計
２０５ オシロスコープ
２０７ ユーザインタフェース
３０１、３０５ ミラー
３０３ 結晶
３１１ 結晶
１００ レーザ発振器
１１０ 励起光源
１２０ 半波長板
１３０ 光学系
１３１ 第１のミラー
１３３ 第２のミラー
１３５ ブリュースタープレート
１３７ 第３のミラー
１３９ 回折格子
１４０ 結晶
１５０ ハーフミラー
１６０ 波長計
１７０ フィルタ
１８０ コントローラ
１９０ 駆動部
２０１、２０３ エネルギー計
２０５ オシロスコープ
２０７ ユーザインタフェース
３０１、３０５ ミラー
３０３ 結晶
３１１ 結晶
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
