JP2000286496A - 光波長同調方法および光発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単にかつ高い効率で特定の波長を選択する
ことができる光波長同調方法および光発振装置を提供す
る。 【解決手段】 共振器２２の中にチタンサファイアより
なる発光媒質２１とＮｄ：ＹＡＧよりなる光吸収体２３
を備える。発光媒質２１にＮｄ：ＹＡＧレーザー１１お
よび２次高調波発生装置１２を用いて発生させた５３２
ｎｍの励起光Ｌ２を入射して発光させる。出力された光
はおよそ７００ｎｍ〜９００ｎｍの広い波長域において
連続スペクトルを有している。この光は共振器２２によ
り増幅されると共に、共振器２２の光学特性およびＮ
ｄ：ＹＡＧよりなる光吸収体２３の吸収スペクトルに応
じて選択される。これにより、共振器２２から７１０ｎ
ｍ前後の高い干渉性を有する発振光が出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光媒質から出力
された光を共振器により増幅して発振させる発振光の波
長を同調する光波長同調方法、およびその光発振装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー光は、一般に、電波よりも周波
数が高いので情報収容能力が大きく、また、波長が同一
であり位相がそろっているので単色性や指向性に優れ、
通常の光線にはみられない干渉性を持つという特性を有
している。更に、極めて細く収束できるので、微小な面
積にエネルギーを集中して局部的にかつ瞬間的にも高温
高圧を実現できるなどの特性も有している。よって、こ
のような特性を有するレーザー光は、現在、通信・情報
分野、計測分野、加工分野および医療分野など多方面に
わたって応用されている。

【０００３】ところで、これら各種技術分野にレーザー
光を応用する場合には、その目的に応じた波長のレーザ
ー光が必要となる。近年では、波長を選択することがで
きる波長可変レーザーの開発により、広い波長域で波長
の選択が可能となっている。その際、波長を選択する技
術も必要となるが、従来は、複屈折フィルター，エタロ
ン，プリズムあるいはグレーティングなどの波長選択素
子により波長の選択を行っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、波長選
択素子に複屈折フィルターまたはエタロンを用いる場合
には、波長の移動が可能な反面、適切な組み合わせでな
いと複数の波長帯のうち所望の波長を選択することが難
しいという問題があった。また、波長選択素子にプリズ
ムを用いる場合には、吸収波長付近において最も分散が
大きくなるという相反する特性により有効性が制限され
てしまうという問題があった。更に、波長選択素子にグ
レーティングを用いる場合には、格子形状を工夫して精
度よく加工できたとしても１次回折効率を１００％近く
まで高めることが難しいという問題があった。

【０００５】なお、これらの波長選択素子以外でも、多
層膜を用いた干渉フィルターにより特定の波長域を選択
することが可能であるが、このような干渉フィルターは
透過中心波長においても吸収や反射があるために透過率
は概して低く、共振器内で用いるには効率が悪く、損失
も多いという問題がある。すなわち、従来は、簡便にか
つ高い効率で波長を選択することができなかった。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、簡単にかつ高い効率で特定の波長を
選択することができる光波長同調方法および光発振装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による光波長同調
方法は、発光媒質から出力された光を共振器により増幅
して発振される発振光の波長を同調するものであって、
少なくとも１種の希土類イオンを含む光吸収体の吸収ス
ペクトルを利用するものである。

【０００８】本発明による光発振装置は、発光媒質と、
この発光媒質から出力された光を増幅し発振光を発振す
る共振器と、少なくとも１種の希土類イオンを含み、吸
収スペクトルを利用して発振光の波長を選択する光吸収
体とを備えたものである。

【０００９】本発明による光波長同調方法では、少なく
とも１種の希土類イオンを含む光吸収体の吸収スペクト
ルを利用することにより発振光の波長が選択される。

【００１０】本発明による光発振装置では、発光媒質か
ら出力された光が共振器により増幅され、発振光が発振
される。発振光の波長は少なくとも１種の希土類イオン
を含む光吸収体により選択される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明の光波
長同調方法は本発明の光発振装置により具現化すること
ができるので、以下の実施の形態においては、光発振装
置と併せて説明する。

【００１２】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る光発振装置の概略構成を表すもの
である。この光発振装置は、例えば、励起光源１０と、
この励起光源１０から出力された励起光が照射されるこ
とにより光を発振する光発振部２０とを備えている。励
起光源１０は、例えば、１．０６４μｍの赤外光Ｌ１を
発振するＮｄ：ＹＡＧレーザー１１と、このＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザー１１から出力された赤外光Ｌ１の一部を５３
２ｎｍの２次高調波Ｌ２に変換し励起光として光発振部
２０に照射する２次高調波発生装置１２とを有してい
る。

【００１３】ここで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１は、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ（すなわちネオジムイオン（Ｎｄ³⁺）を含む
イットリウムアルミニウムガーネット（yttriumu alumi
numgarnet；Ｙ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂））よりなるレーザー媒質
を用いた固体レーザーである。２次高調波発生装置１２
は、例えば、ホウ酸リチウム（ＬｉＢ₃ Ｏ₅ ）などの非
線形光学結晶１２ａにより２次高調波Ｌ２を発生させる
ものである。

【００１４】なお、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１と２次高
調波発生装置１２との間には例えば光学レンズ１３が配
置されており、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１から出力され
た赤外光Ｌ１はこの光学レンズ１３を介して２次高調波
発生装置１２に入射されるようになっている。また、２
次高調波発生装置１２と光発振部２０との間には例えば
ミラー１４，１５および光学レンズ１６が配置されてお
り、２次高調波発生装置１２から出力された２次高調波
Ｌ２はこれらミラー１４，１５および光学レンズ１６を
介して光発振部２０に入射されるようになっている。こ
こでミラー１４，１５は、例えば、不要な波長を分離す
るように構成されていてもよい。

【００１５】光発振部２０は、例えば、２次高調波Ｌ２
を受けて光を発生する発光媒質２１と、この発光媒質２
１から出力される光を増幅して発振光Ｌ３を発振させる
共振器２２とを有している。発光媒質２１は、例えば、
チタンサファイア（Ｔｉ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ；すなわちチタン
イオン（Ｔｉ³⁺）を含むサファイア（Ａｌ₂ Ｏ₃ ））よ
りなるレーザー媒質により構成されている。

【００１６】この発光媒質２１は、図２に示したような
吸収・発光特性を有している（W. Koechner,“Solid St
ate Laser Engineering ”, 2ed. Ed, Springer Verla
g,(1988) 参照）。すなわち、この発光媒質２１は５０
０ｎｍの近傍において強い吸収スペクトルを有すると共
に、およそ７００ｎｍから９００ｎｍの広い波長域にお
いて強い連続発光スペクトルを有している。つまり、こ
の発光媒質２１は連続した複数の波長を有する光を出力
するようになっている。また、この発光媒質２１はブリ
ュースター角（Brewster's angle）で切り出されている
ことが好ましく、発光媒質２１には共振器２２内におけ
る反射光がブリュースター角で入射されることが好まし
い。すなわち、発光媒質２１は発振光Ｌ３がブリュース
ター角で入射するように構成されることが好ましい。光
が発光媒質２１を通過する際の反射損失を最小とするた
めである。

【００１７】共振器２２は、例えば、入射ミラー２２
ａ，折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃおよび出力ミラー２
２ｄにより構成されており、発光媒質２１から出力され
た光を入射ミラー２２ａと出力ミラー２２ｄとの間にお
いて折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃを介して反射し往復
させるようになっている。これら入射ミラー２２ａ，折
り曲げミラー２２ｂ，２２ｃおよび出力ミラー２２ｄの
各反射率は、例えば、７００ｎｍ付近の波長で高く、そ
れ以上の波長で低くなるように設定されている。これに
より、この光発振部２０では、共振器２２の特性と発光
媒質２１の発光特性との関係から、７２０ｎｍ付近の波
長で発振しやすくなっている。

【００１８】なお、入射ミラー２２ａは、２次高調波発
生装置１２から出力された２次高調波Ｌ２を透過するよ
うに設定されており、２次高調波Ｌ２が入射ミラー２２
ａを介して発光媒質２１に入射されるようになってい
る。また、出力ミラー２２ｄは、入射ミラー２２ａおよ
び折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃに比べて７００ｎｍ付
近の波長に対する反射率が低く設定されており、共振器
２２内において発振された発振光Ｌ３の一部を出力する
ようになっている。

【００１９】光発振部２０は、また、共振器２２の中に
配置された光吸収体２３を有している。この光吸収体２
３は、吸収スペクトルを利用して発光媒質２１から出力
された光を選択的に吸収し発振光Ｌ３の波長を選択する
ものである。光吸収体２３は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧに
より構成されており、図３に示したような透過分光特性
を有している。この透過分光特性はネオジムイオンに由
来するものである。なお、図３は、ネオジムイオンの含
有率が１．１原子％で厚さ１．７６ｎｍの板状に形成さ
れた光吸収体２３の透過分光特性を表しており、両面の
フレネル反射による透過率の低下分および分散を無視し
屈折率ｎを１．８と概算して補正してある。

【００２０】図３から分かるように、この光吸収体２３
は、５５０ｎｍ付近，６５０ｎｍ付近および７００ｎｍ
付近において透過率の高い領域を有している。更に、こ
れら透過率の高い領域のうち７００ｎｍ付近の透過分光
特性を図４に拡大して示す。図４から分かるように、こ
の光吸収体２３は、７００ｎｍから７１０ｎｍ付近にお
いて透過率が約９９．７％以上と高くなっており、７０
２ｎｍ付近において最も高い透過率を有している。

【００２１】これにより、この光発振部２０では、光吸
収体２３の透過分光特性と発光媒質２１の発光特性との
関係から選択された例えば図５に示したスペクトルを有
する発振光Ｌ３を発振するようになっている。発振光Ｌ
３の発振波長幅は半値全幅で約１ｎｍ程度と非常に狭
く、発振光Ｌ３は高い干渉性を有しており、その波長は
約７０５ｎｍである。なお、比較例として、光吸収体２
３を有さないことを除き本実施の形態と同一の構成を有
する光発振装置における発振光のスペクトルを図６に示
す。このように、光吸収体２３を用いない場合には、発
振光の発振波長幅は半値全幅で約３０ｎｍ程度と広くな
っている。つまり、光吸収体２３により極めて狭帯域の
波長を選択できることが分かる。

【００２２】ちなみに、図５に示した発振光Ｌ３のスペ
クトルは、光吸収体２３が図３に示した透過分光特性を
有する場合のものである。光吸収体２３の透過分光特性
はネオジムイオンの含有率および厚さにより変化するの
で、それらを調節することにより発振光Ｌ３の波長を変
化させることができる。例えば、７００ｎｍ以上７３０
ｎｍ以下の範囲内の波長について同じように極めて狭帯
域に選択することができる。

【００２３】なお、光吸収体２３の形状について特に限
定はなく、例えば、平板状，プリズム状あるいは楔状と
されている。また、光吸収体２３は共振器２２内におけ
る反射光に対してブリュースター角に傾けて配置される
ことが好ましく、光吸収体２３には共振器２２内におけ
る反射光がブリュースター角で入射されることが好まし
い。すなわち、光吸収体２３は発振光Ｌ３がブリュース
ター角で入射するように構成されることが好ましい。光
が光吸収体２３を通過する際の反射損失を最小とするた
めである。更に、例えば、光吸収体２３を発振光Ｌ３に
対してほぼ垂直に配置する場合には、光吸収体２３の表
面にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂ ）などの誘電体より
なる減反射膜を設けることが好ましい。

【００２４】このような構成を有する光発振装置は、次
のように動作する。

【００２５】この光発振装置では、まず、Ｎｄ：ＹＡＧ
レーザー１１から波長１．０６４μｍの赤外光Ｌ１が出
力され、光学レンズ１３を介して２次高調波発生装置１
２に入射される。２次高調波発生装置１２では、入射さ
れた赤外光Ｌ１の一部を非線形光学結晶１２ａにより波
長５３２ｎｍの２次高調波Ｌ２に変換する。この２次高
調波Ｌ２は、ミラー１４，１５および光学レンズ１６を
介して励起光として光発振部２０に入射され、入射ミラ
ー２２ａを介して発光媒質２１に照射される。発光媒質
２１では、２次高調波Ｌ２の照射により、発光特性に応
じて光を出力する。この光は、共振器２２の中において
反射を繰り返し増幅される。但し、ここでは、共振器２
２の中に光吸収体２３が配置されているので、光は光吸
収体２３の透過分光特性に応じて選択的に吸収される。
これにより、例えば７１０ｎｍ前後の波長が選択されて
高い干渉性を有する７１０ｎｍ前後の発振光Ｌ３が発振
され、出力ミラー２２ｄを介して出力される。すなわ
ち、光吸収体２３により発振光Ｌ３の波長は選択され、
同調される。

【００２６】このように本実施の形態によれば、ネオジ
ムイオンを含む光吸収体２３の吸収スペクトルを利用し
て発振光Ｌ３の波長を選択するようにしたので、簡単に
かつ高い効率で波長を選択することができ、高い干渉性
を有する発振光Ｌ３を得ることができる。

【００２７】また、発光媒質２１をチタンサファイアに
より構成すれば、発振光Ｌ３の波長を簡単に７００ｎｍ
以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同調することができる。
更に、発光媒質２１を波長が５３２ｎｍの励起光により
発光させることができるので、市販されているＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザー１１および２次高調波発生装置１２を用い
ることにより容易に励起光を得ることができ、容易に発
光させることができる。

【００２８】加えて、発光媒質２１または光吸収体２３
に発振光Ｌ３がブリュースター角で入射されるようにす
れば、反射損失を最小とすることができ、効率を高める
ことができる。

【００２９】（第２の実施の形態）図７は本発明の第２
の実施の形態に係る光発振装置の概略構成を表すもので
ある。この光発振装置は、第１の実施の形態の光発光部
２０に変えて、発光媒質３１および共振器３２の構成が
異なる光発振部３０を備えたことを除き、第１の実施の
形態と同一の構成を有している。よって、ここでは、同
一の構成要素には同一の符号を付すと共に、対応する構
成要素には１０の位を“３”に変更した符号を付し、同
一部分についての詳細な説明を省略する。

【００３０】発光媒質３１は、励起光である２次高調波
Ｌ２を受けて光パラメトリック効果により光を発生する
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）などの非線形光学結
晶により構成されている。発光媒質３１から出力される
光はシグナル光およびアイドラー光であり、それらの各
波長は数１に示した光子のエネルギー保存則により決定
される。数１中においてｃは光速、λ₁ は励起光の波
長、λ₂ はシグナル光の波長、λ₃ はアイドラー光の波
長である。

【００３１】

【数１】ｃ／λ₁ ＝ｃ／λ₂ ＋ｃ／λ₃

【００３２】また、シグナル光およびアイドラー光の各
波長は励起光の入射角と位相整合条件によっても決定さ
れる。この発光媒質３１は励起光の入射角と位相整合条
件に従い幅広い波長域でパラメトリック発光利得を有し
ているが、ここでは、例えば、発光媒質３１が６２度の
角度で切り出されており、５３２ｎｍの２次高調波Ｌ２
から７１０ｎｍのシグナル光と２．１μｍのアイドラー
光とを出力するように調整されている。なお、これらシ
グナル光およびアイドラー光は、通常、複数の波長にわ
たる連続スペクトルを有しており、上述した７１０ｎｍ
または２．１μｍというのはそれらの中心波長である。
これにより、この光発振部３０では、このシグナル光を
そのまま共振させると発振波長幅の広い発振光が発振さ
れるようになっている。

【００３３】よって、本実施の形態では、光吸収体２３
によりシグナル光およびアイドラー光を選択的に吸収し
て、後述する共振器３２により発振される発振光Ｌ３３
の波長を選択し、発振光Ｌ３３の発振波長幅を狭くする
ようになっている。ここでは、特に、シグナル光の発振
光Ｌ３３について約７１０ｎｍの極めて狭帯域の波長を
選択できるようになっている。なお、シグナル光の波長
および光吸収体２３の透過分光特性をそれぞれ調整する
ことにより、７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の
波長についても極めて狭帯域に選択することができる。

【００３４】共振器３２は、例えば、第１の実施の形態
と同様に、入射ミラー３２ａ，折り曲げミラー３２ｂ，
３２ｃおよび出力ミラー３２ｄにより構成されており、
発光媒質３１から出力された光を入射ミラー３２ａと出
力ミラー３２ｄとの間で折り曲げミラー３２ｂ，３２ｃ
を介して反射し往復させるようになっている。これら入
射ミラー３２ａ，折り曲げミラー３２ｂ，３２ｃおよび
出力ミラー３２ｄの各反射率は、例えば、シグナル光の
７１０ｎｍ付近で高く、アイドラー光の２．１μｍ付近
で低くなるように設定されている。すなわち、この共振
器３２はシグナル光を増幅してその発振光Ｌ３３を発振
させるようになっており、安定した発振が得られる単共
振パラメトリック発振器（Singly Resonant Optical Pa
rametricOscillator ）を構成している。

【００３５】但し、入射ミラー３２ａ，折り曲げミラー
３２ｂ，３２ｃおよび出力ミラー３２ｄの各反射率をシ
グナル光の７１０ｎｍ付近およびアイドラー光の２．１
μｍ付近で共に高くなるように設定し、シグナル光およ
びアイドラー光を共に共振させる複共振パラメトリック
発振器（Doubly Resonant Optical Parametric Oscilla
tor ）を構成するようにしてもよい。単共振パラメトリ
ック発振器の方が安定性は高いが、複共振パラメトリッ
ク発振器の方が発振閾値が低くなるので、発振効率を高
くすることができ、安定性も電気回路を併用することに
より確保することができるからである。

【００３６】その際、入射ミラー３２ａ，折り曲げミラ
ー３２ｂ，３２ｃおよび出力ミラー３２ｄは、例えば、
誘電体の多層膜によりそれぞれ構成される。この多層膜
は、反射させたい波長をλとすると、光路長λ／４の膜
厚をそれぞれ有する高屈折率の層と低屈折率の層とを交
互に積層したものである。これは、ある反射面から見る
と、次の位相が反転する反射層からは位相差πで重な
り、反転しない反射層からは位相差２πで重なるので、
他の層からの反射光を繰り返し干渉させることにより、
外から見た反射率が高くなるという原理によるものであ
る。つまり、波長λについて高い反射率を有する多層膜
は、波長λの１／３倍の波長λ’＝（１／３）λについ
ても、各層の光学厚みが３λ’／４となることから波長
λと同様の干渉効果が得られ高い反射率を有している。

【００３７】なお、実際には屈折率の波長依存性がある
ので、厳密に波長λ’について波長λと同様の干渉効果
が得られるわけではない。しかし、実用上、波長λ’と
波長λは同一の多層膜において共に高い反射率を有する
有利な組み合わせとなる。従って、本実施の形態では、
シグナル光の波長が７１０ｎｍでアイドラー光の波長
２．１μｍの約１／３倍となっているので、このような
多層膜を用いることにより、容易に複共振パラメトリッ
ク発振器を構成することができる。

【００３８】ちなみに、ここでは励起光の波長を５３２
ｎｍとするようにしたが、５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以
下の範囲内であれば同様の効果を得ることができるので
好ましい。

【００３９】このような構成を有する光発振装置は、第
１の実施の形態と同様に動作する。すなわち、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧレーザー１１から出力された赤外光Ｌ１は、２次高
調波発生装置１２により一部が２次高調波Ｌ２に変換さ
れ、励起光として発光媒質３１に照射される。これによ
り、発光媒質３１では、光パラメトリック効果によって
シグナル光およびアイドラー光を出力する。この光は、
共振器３２により増幅されると共に、光吸収体２３の透
過分光特性に応じて選択的に吸収される。これにより、
例えば、シグナル光について７１０ｎｍ前後の波長が選
択され、高い干渉性を有する７１０ｎｍ前後の発振光Ｌ
３３が発振される。すなわち、光吸収体２３により発振
光Ｌ３３の波長は選択され、同調される。

【００４０】このように本実施の形態によれば、第１の
実施の形態と同様に、光吸収体２３の吸収スペクトルを
利用して発振光Ｌ３３の波長を選択するようにしたの
で、簡単かつ高い効率で波長を選択することができ、高
い干渉性を有する発振光Ｌ３３を得ることができる。

【００４１】また、発光媒質３１をニオブ酸リチウムな
どの非線形光学結晶により構成すれば、約５３２ｎｍの
波長を有する励起光を照射することにより、約７１０ｎ
ｍの波長を有するシグナル光を発生させることができ、
発振光Ｌ３３の波長を簡単に７００ｎｍ以上７３０ｎｍ
以下の範囲内に同調することができる。更に、約５３２
ｎｍの励起光も市販されているＮｄ：ＹＡＧレーザー１
１および２次高調波発生装置１２を用いることにより容
易に得ることができる。加えて、約７１０ｎｍのシグナ
ル光と約２．１μｍのアイドラー光を出力させることが
できるので、複共振パラメトリック発振器を容易に構成
することができ、高い効率で発振させることができる。

【００４２】更にまた、第１の実施の形態と同様に、光
吸収体２３に発振光Ｌ３３がブリュースター角で入射さ
れるようにすれば、反射損失を最小にすることができ、
効率を高めることができる。

【００４３】（第３の実施の形態）図８は本発明の第３
の実施の形態に係る光発振装置の概略構成を表すもので
ある。この光発振装置は、第１の実施の形態と同様にし
て発生させた発振光Ｌ３を和周波混合用光Ｌ５４と和周
波混合するようにしたものである。よって、ここでは、
第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付
し、その詳細な説明を省略する。

【００４４】この光発振装置は、例えば、第１の実施の
形態と同様に、励起光源４０と、この励起光源４０から
出力された励起光が照射されることにより光を発振する
光発振部５０とを備えている。励起光源４０は、例え
ば、ミラー１４，１５に変えてミラー４７が配置された
ことを除き、第１の実施の形態の励起光源１０と同一の
構成を有している。すなわち、励起光源４０は、Ｎｄ：
ＹＡＧレーザー１１から赤外光Ｌ１を出力し、光学レン
ズ１３を介して２次高調波発生装置１２に入射して２次
高調波Ｌ２に変換したのち、励起光として光学レンズ１
６およびミラー４７を介して光発振部２０に入射するよ
うになっている。ここでミラー４７は、例えば、不要な
波長を分離するように構成されていてもよい。

【００４５】光発振部５０は、例えば、共振器５２の構
成が異なり、かつ共振器５２の中に波長変換素子５４が
配置されたことを除き、第１の実施の形態の光発振部２
０と同一の構成を有している。共振器５２は、例えば、
第１の実施の形態の共振器２２から出力ミラー２２ｄが
削除され、入射ミラー２２ａおよび折り曲げミラー２２
ｂ，２２ｃにより構成されている。すなわち、この共振
器５２は、発振光Ｌ３をほとんど外部に出力しないよう
に設計されている。

【００４６】波長変換素子５４は、例えば、ベータホウ
酸バリウム（β−ＢａＢ₂ Ｏ₄ ）などの非線形光学結晶
により構成されており、共振器５２により発振された発
振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とを和周波混合して和
周波Ｌ５５を出力する和周波混合手段の機能を有してい
る。この波長変換素子５４は、入射角，温度または波長
を調整することにより位相整合される。ここでは、例え
ば、波長変換素子５４の入射角を約７５度とすることに
より、約７１０ｎｍの発振光Ｌ３と約２６６ｎｍの和周
波混合用光Ｌ５４とを和周波混合して約１９３ｎｍの紫
外光である和周波Ｌ５５を発生するように調整されてい
る。なお、発振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とは、波
長変換素子５４において時間的および空間的に十分重な
るように調節されている。

【００４７】光発振装置は、また、例えば、和周波混合
用光Ｌ５４を出力する和周波混合用光源６０と、発振光
Ｌ３および和周波混合用光Ｌ５４がパルスの場合にそれ
らの時間的な重なりを制御する制御部７０とを備えてい
る。和周波混合用光源６０は、例えば、１．０６４ｎｍ
の赤外光Ｌ６１を発振するＮｄ：ＹＡＧレーザー６１
と、この赤外光Ｌ６１の一部を５３２ｎｍの２次高調波
Ｌ６２に変換する２次高調波発生装置６２と、この２次
高調波Ｌ６２の一部を２６６ｎｍの４次高調波に変換し
和周波混合用光Ｌ５４として波長変換素子５４に入射す
る４次高調波発生装置６３とを有している。

【００４８】２次高調波発生装置６２は、例えば、２次
高調波発生装置１２と同様に、ホウ酸リチウムなどの非
線形光学結晶６２ａにより２次高調波Ｌ６２を発生させ
るものである。４次高調波発生装置６３は、例えば、ベ
ータホウ酸バリウムなどの非線形光学結晶６３ａにより
４次高調波を発生させるものである。

【００４９】また、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー６１
から出力された赤外光Ｌ６１は光学レンズ６４を介して
２次高調波発生装置６２に入射され、２次高調波Ｌ６２
はミラー６５および光学レンズ６６を介して４次高調波
発生装置６３に入射され、和周波混合用光Ｌ５４である
４次高調波はミラー６７および光学レンズ６８を介して
波長変換素子５４に入射されるようになっている。ここ
でミラー６５，６７は、例えば、不要な波長を分離する
ように構成されていてもよい。

【００５０】制御部７０は、例えば、パルスジェネレー
タなどのトリガーパルス発生装置７１を有している。例
えば、このトリガーパルス発生装置７１から出力される
トリガーパルスはケーブル７２を介してＮｄ：ＹＡＧレ
ーザー１１に入力されると共に、ケーブル７３を介して
遅延発生器７４に入力され、ケーブル７５を介してＮ
ｄ：ＹＡＧレーザ６１に入力されるようになっている。
遅延発生器７４は、波長変換素子５４において発振光Ｌ
３と和周波混合用光Ｌ５４とが時間的に重なるように時
間を調整するものであり、トリガーパルスを必要な時間
だけ遅らせてＮｄ：ＹＡＧレーザー６１に出力するよう
になっている。

【００５１】このような構成を有する光発振装置は、次
のように動作する。

【００５２】この光発振装置では、トリガーパルス発生
装置７１からトリガーパルスが発生されると、ケーブル
７２を介してＮｄ：ＹＡＧレーザー１１に出力されると
共に、ケーブル７３を介して遅延発生器７４に出力され
る。遅延発生器７４では、波長変換素子５４において発
振光Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とが時間的に重なるよ
うに必要な時間だけトリガーパルスを遅延させ、ケーブ
ル７５を介してＮｄ：ＹＡＧレーザー６１に出力する。

【００５３】Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１では、トリガー
パルスが入力されるとそれに応じて赤外光Ｌ１が発振さ
れる。この赤外光Ｌ１は、光学レンズ１３を介してその
一部が２次高調波発生装置１２により２次高調波Ｌ２に
変換され、光学レンズ１６およびミラー４７を介して励
起光として発光媒質２１に入射される。発光媒質２１で
は２次高調波Ｌ２が入射されると発光特性に応じて光が
出力され、共振器５２により増幅されると共に、光吸収
体２３の透過分光特性に応じて選択的に吸収される。こ
れにより、高い干渉性を有する約７１０ｎｍの発振光Ｌ
３が共振器５２の中において発振され、共振器５２の中
に配置された波長変換素子５４に入射される。

【００５４】一方、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー６１でも、ト
リガーパルスが入力されるとそれに応じて赤外光Ｌ６１
が発振される。この赤外光Ｌ６１は、光学レンズ６４を
介してその一部が２次高調波発生装置６２により２次高
調波Ｌ６２に変換されたのち、ミラー６５および光学レ
ンズ６６を介してその一部が４次高調波発生装置６３に
より約２６６ｎｍの４次高調波に変換され、和周波混合
用光Ｌ５４としてミラー６７および光学レンズ６８を介
して波長変換素子５４に入射される。

【００５５】これにより、波長変換素子５４では発振光
Ｌ３と和周波混合用光Ｌ５４とが重なり合い、和周波混
合されて約１９３ｎｍの紫外光である和周波Ｌ５５が出
力される。すなわち、ここでは、光吸収体２３により高
い干渉性を有する７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲
内の波長を有する発振光Ｌ３が得られるので、高い干渉
性を有する約１９３ｎｍの紫外光が容易に得られる。

【００５６】なお、ここでは、約７１０ｎｍの発振光Ｌ
３と約２６６ｎｍの和周波混合用光Ｌ５４とを和周波混
合して約１９３ｎｍの紫外光を得るようにしたが、発振
光Ｌ３は７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の波長
であればよく、和周波混合用光Ｌ５４は２５６ｎｍ以上
２７６ｎｍ以下の範囲内の波長であればよい。

【００５７】このように本実施の形態によれば、第１の
実施の形態と同様にして発振光Ｌ３の波長を同調するよ
うにしたので、第１の実施の形態と同一の効果を有す
る。また、７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内の波
長を有する発振光Ｌ３を容易に得ることができるので、
波長変換素子５４により２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ以下
の範囲内の波長を有する和周波混合用光Ｌ５４と和周波
混合することにより、容易に高い干渉性を有する約１９
３ｎｍの紫外光を得ることができる。すなわち、安定性
良くかつ低価格で約１９３ｎｍの紫外光が得られる。

【００５８】以上、各実施の形態を挙げて本発明を説明
したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるもので
はなく、種々変形可能である。例えば、上記各実施の形
態では、光吸収体２３をＮｄ：ＹＡＧにより構成する場
合について説明したが、ネオジムイオンを含む他の材料
により構成するようにしても同様の効果を得ることがで
きる。例えば、光吸収体をＮｄ：ＹＬＦ（すなわちネオ
ジムイオンを含むＬｉＹＦ₄ ）またはＮｄ：ＹＶＯ
₄ （すなわちネオジムイオンを含むＹＶＯ₄ ）により構
成するようにしてもよい。

【００５９】また、ネオジムイオン以外の他の希土類イ
オンを含む材料により光吸収体を構成するようにしても
よい。例えば、セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐ
ｒ），サマリウム（Ｓｍ），ユウロピウム（Ｅｕ），エ
ルビウム（Ｅｒ）あるいはイッテリビウム（Ｙｂ）のイ
オンを含む材料により光吸収体を構成すれば、それらの
吸収特性を利用して他の波長を選択することができる。

【００６０】更に、複数の希土類イオンを含む材料によ
り光吸収体を構成するようにしてもよい。異なる透過分
光特性を有する希土類イオンを複数組み合わせることに
より、更に多くの波長を選択することができる。なお。
異なる希土類イオンを含む複数の光吸収体を備えるよう
にしても、同様の効果を得ることができる。

【００６１】加えて、上記各実施の形態では、光吸収体
２３を共振器２２，３２，５２の中に配置するようにし
たが、発光媒質２１，３２から出力された光を増幅する
共振器と一部を共有するように設けられた他の共振器の
中に配置するようにしてもよい。また、第１および第２
の実施の形態では、共振器２２，３２の外に出力された
発振光Ｌ３，Ｌ３３の光路中に配置するようにしてもよ
く、第３の実施の形態では、共振器５２の外に発振光Ｌ
３を出力するようにして出力された発振光の光路中に配
置するようにしてもよい。但し、光吸収体２３は、発光
媒質２１，３２から出力された光を増幅する共振器と少
なくとも一部を共有する共振器の中に配置された方が、
高い効果を得ることができるので好ましい。また、第３
の実施の形態では、光吸収体２３により選択された発振
光Ｌ３が波長変換素子５４に入射されるようにすること
が好ましい。

【００６２】更にまた、上記第１および第３の実施の形
態では、発光媒質２１をチタンサファイアよりなるレー
ザー媒質により構成するようにしたが、他のレーザー媒
質により構成するようにしてもよい。但し、本発明は、
レーザー媒質が複数の発光波長を有する場合において特
に有効である。

【００６３】加えてまた、上記第２の実施の形態では、
発光媒質３１をニオブ酸リチウムよりなる非線形光学結
晶により構成するようにしたが、ベータホウ酸バリウム
またはホウ酸リチウムなどの他の非線形光学結晶により
構成するようにしてもよい。例えば、ベータホウ酸バリ
ウムにより発光媒質を構成するようにすれば、上記第２
の実施の形態と同様に構成することができ、同一の効果
を得ることができる。但し、本発明は、光パラメトリッ
ク効果により出力された光が波長幅を有しており、光吸
収体２３を用いないときに発振光が広い発振波長幅を有
するような場合において、特に高い効果を得ることがで
きる。

【００６４】更にまた、上記各実施の形態では、共振器
２２，３２，５２の構成について具体的に例を挙げて説
明したが、他の構成を有するようにしてもよい。例え
ば、折り曲げミラー２２ｂ，２２ｃ，３２ｂ，３２ｃは
必要に応じて備えていればよい。また、反射特性につい
ても目的に応じて設定することができる。

【００６５】加えてまた、上記各実施の形態では、励起
光源１０，４０をＮｄ：ＹＡＧレーザー１１および２次
高調波発生装置１２により構成し、５３２ｎｍの励起光
を発光媒質２１，３１に照射するようにしたが、他の構
成を有する励起光源を用いてもよく、他の波長の励起光
を発光媒質に照射するようにしてもよい。但し、発光媒
質が高い吸収率を有する波長を照射するようにすること
が好ましい。また、上記各実施の形態で示したように、
５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長であれ
ば、市販のＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いることによ
り容易に得ることができるので好ましい。更に、上記第
２の実施の形態では、約５３２ｎｍの励起光から約７１
０ｎｍのシグナル光と約２．１μｍのアイドラー光を出
力させるようにすれば多層膜の利用により容易に複共振
パラメトリック発振器を構成することができるので、励
起光の波長を５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内と
することが好ましい。

【００６６】更にまた、上記第３の実施の形態では、波
長変換素子５４をベータホウ酸バリウムよりなる非線形
光学結晶により構成するようにしたが、他の非線形光学
結晶により構成するようにしてもよい。

【００６７】加えてまた、上記第３の実施の形態では、
波長変換素子５４を共振器５２の中に配置するようにし
たが、発光媒質２１から出力された光を増幅する共振器
５２と一部を共有するように設けられた他の共振器の中
に配置するようにしてもよい。また、共振器５２の外に
発振光Ｌ３を出力するようにし、出力された発振光の光
路中に配置するようにしてもよい。但し、発光媒質２１
から出力された光を増幅する共振器５２と少なくとも一
部を共有する共振器の中に配置するようにした方が、損
失を少なくできるので好ましい。

【００６８】更にまた、上記第３の実施の形態では、発
光媒質２１をレーザー媒質により構成するようにした
が、第２の実施の形態と同様に、光パラメトリック効果
により光を出力する非線形光学結晶により構成しても同
様の効果が得られる。

【００６９】加えてまた、上記第３の実施の形態では、
和周波混合用光源６０および制御部７０の構成について
具体的に説明したが、他の構成を有する和周波混合用光
源を用いてもよく、他の方法により発振光Ｌ３と和周波
混合用光Ｌ５４との重なりを制御するようにしてもよ
い。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし請求
項１２のいずれか１に記載の光波長同調方法、または請
求項１３ないし請求項２４のいずれか１に記載の光発振
装置によれば、少なくとも１種の希土類イオンを含む光
吸収体の吸収スペクトルを利用して発振光の波長を同調
するようにしたので、簡単にかつ高い効率で波長を同調
することができるという効果を奏する。

【００７１】特に、請求項２記載の光波長同調方法、ま
たは請求項１４記載の光発振装置によれば、希土類イオ
ンとしてネオジムイオンを含む光吸収体を用いるように
したので、発振光の波長を例えば７００ｎｍ以上７３０
ｎｍ以下の範囲内に同調することができるという効果を
奏する。

【００７２】また、請求項３記載の光波長同調方法、ま
たは請求項１５記載の光発振装置によれば、光吸収体を
発光媒質から出力された光を増幅する共振器と少なくと
も一部を共有する共振器中に配置するようにしたので、
より効果的に波長を選択することができるという効果を
奏する。

【００７３】更に、請求項５記載の光波長同調方法、ま
たは請求項１７記載の光発振装置によれば、発光媒質を
チタンサファイアにより構成するようにしたので、発振
光の波長を例えば７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲
内に同調することができると共に、市販されているＮ
ｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いることにより容易に発光
させることができるという効果を奏する。

【００７４】加えて、請求項６記載の光波長同調方法、
または請求項１８記載の光発振装置によれば、発光媒質
を光パラメトリック効果により光を出力する非線形光学
結晶によって構成するようにしたので、例えば、５２０
ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起光
により約７１０ｎｍの波長を有するシグナル光を発生さ
せることができ、発振光の波長を７００ｎｍ以上７３０
ｎｍ以下の範囲内に同調することができる。また、５２
０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起
光も市販されているＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いる
ことにより容易に得ることができる。更に、約７１０ｎ
ｍのシグナル光と約２．１μｍのアイドラー光を出力さ
せることができるので、複共振パラメトリック発振器を
容易に構成することができ、高い効率で発振させること
ができるという効果を奏する。

【００７５】更にまた、請求項８記載の光波長同調方
法、または請求項２０記載の光発振装置によれば、５２
０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起
光を照射して発光させるようにしたので、市販されてい
るＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いることにより容易に
励起光を得ることができ、容易に発光させることができ
るという効果を奏する。

【００７６】加えてまた、請求項９記載の光波長同調方
法、または請求項２１記載の光発振装置によれば、発光
媒質または光吸収体の少なくとも一方をブリュースター
角で発振光が入射されるようにしたので、反射損失を小
さくすることができ、効率を高めることができるという
効果を奏する。

【００７７】更にまた、請求項１２記載の光波長同調方
法、または請求項２４記載の光発振装置によれば、発振
光の波長を７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内に同
調して、波長変換素子により２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ
以下の範囲内の波長を有する和周波混合用光と和周波混
合するようにしたので、安定性良くかつ低価格で容易に
約１９３ｎｍの紫外光を得ることができるという効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光発振装置を
表す概略構成図である。

【図２】図１に示した光発振装置における発光媒質の吸
収・発光特性図である。

【図３】図１に示した光発振装置における光吸収体の透
過分光特性図である。

【図４】図３の一部を拡大して表す透過分光特性図であ
る。

【図５】図１に示した光発振装置から出力される発振光
のスペクトルを表す特性図である。

【図６】比較例における発振光のスペクトルを表す特性
図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態に係る光発振装置を
表す概略構成図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態に係る光発振装置を
表す概略構成図である。

【符号の説明】

１０，４０…励起光源、１１，６１…Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザー、１２，６２…２次高調波発生装置、１２ａ，６２
ａ，６３ａ…非線形光学結晶、１３，１６，６４，６
６，６８…光学レンズ、１４，１５，４７，６５，６７
…ミラー、２０，３０，５０…光発振部、２１，３１…
発光媒質、２２，３２，５２…共振器、２２ａ，３２ａ
…入射ミラー、２２ｂ，２２ｃ，３２ｂ，３２ｃ…折り
曲げミラー、２２ｄ，３２ｄ…出力ミラー、２３…光吸
収体、５４…波長変換素子、６０…和周波混合用光源、
６３…４次高調波発生装置、７０…制御部、７１…トリ
ガーパルス発生装置、７２，７３，７５…ケーブル、７
４…遅延発生器、Ｌ１，Ｌ６１…赤外光、Ｌ２，Ｌ６２
…２次高調波、Ｌ３，Ｌ３３…発振光、Ｌ５４…和周波
混合用光、Ｌ５５…和周波

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光媒質から出力された光を共振器によ
   り増幅して発振させる発振光の波長を同調する光波長同
   調方法であって、 少なくとも１種の希土類イオンを含む光吸収体の吸収ス
   ペクトルを利用して発振光の波長を同調することを特徴
   とする光波長同調方法。
2. 【請求項２】 希土類イオンとしてネオジムイオンを含
   む光吸収体を用いることを特徴とする請求項１記載の光
   波長同調方法。
3. 【請求項３】 発光媒質から出力された光を増幅する共
   振器と少なくとも一部を共有する共振器中に光吸収体を
   配置することを特徴とする請求項１記載の光波長同調方
   法。
4. 【請求項４】 発光媒質としてレーザー媒質を用いるこ
   とを特徴とする請求項１記載の光波長同調方法。
5. 【請求項５】 レーザー媒質をチタンサファイアにより
   構成することを特徴とする請求項４記載の光波長同調方
   法。
6. 【請求項６】 発光媒質として光パラメトリック効果に
   より光を出力する非線形光学結晶を用いることを特徴と
   する請求項１記載の光波長同調方法。
7. 【請求項７】 発振光の波長を７００ｎｍ以上７３０ｎ
   ｍ以下の範囲内に同調することを特徴とする請求項１記
   載の光波長同調方法。
8. 【請求項８】 発光媒質に５２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以
   下の範囲内の波長を有する励起光を照射して発光させる
   ことを特徴とする請求項１記載の光波長同調方法。
9. 【請求項９】 発光媒質または光吸収体の少なくとも一
   方を、発振光がブリュースター角で入射するように構成
   することを特徴とする請求項１記載の光波長同調方法。
10. 【請求項１０】 発振光を波長変換素子に入射すること
    を特徴とする請求項１記載の光波長同調方法。
11. 【請求項１１】 発振光と共に和周波混合用光を波長変
    換素子に入射し、波長変換素子によりそれらを和周波混
    合することを特徴とする請求項１０記載の光波長同調方
    法。
12. 【請求項１２】 ２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の範囲
    内の波長を有する和周波混合用光を波長変換素子に入射
    すると共に、発振光の波長を７００ｎｍ以上７３０ｎｍ
    以下の範囲内に同調することを特徴とする請求項１１記
    載の光波長同調方法。
13. 【請求項１３】 発光媒質と、 この発光媒質から出力された光を増幅し発振光を発振さ
    せる共振器と、 少なくとも１種の希土類イオンを含み、吸収スペクトル
    を利用して発振光の波長を選択する光吸収体とを備えた
    ことを特徴とする光発振装置。
14. 【請求項１４】 前記光吸収体は、希土類イオンとして
    ネオジムイオンを含むことを特徴とする請求項１３記載
    の光発振装置。
15. 【請求項１５】 前記光吸収体は、前記共振器と少なく
    とも一部を共有する共振器中に配置されたことを特徴と
    する請求項１３記載の光発振装置。
16. 【請求項１６】 前記発光媒質は、レーザー媒質よりな
    ることを特徴とする請求項１３記載の光発振装置。
17. 【請求項１７】 前記レーザー媒質は、チタンサファイ
    アよりなることを特徴とする請求項１６記載の光発振装
    置。
18. 【請求項１８】 前記発光媒質は、光パラメトリック効
    果により光を出力する非線形光学結晶よりなることを特
    徴とする請求項１３記載の光発振装置。
19. 【請求項１９】 前記光吸収体により選択される発振光
    の波長は７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下の範囲内である
    ことを特徴とする請求項１３記載の光発振装置。
20. 【請求項２０】 更に、前記発光媒質に５２０ｎｍ以上
    ５４０ｎｍ以下の範囲内の波長を有する励起光を照射す
    る励起光源を備えたことを特徴とする請求項１３記載の
    光発振装置。
21. 【請求項２１】 前記発光媒質または前記光吸収体の少
    なくとも一方は、発振光がブリュースター角で入射する
    ように構成されたことを特徴とする請求項１３記載の光
    発振装置。
22. 【請求項２２】 更に、発振光が入射される波長変換素
    子を備えたことを特徴とする請求項１３記載の光発振装
    置。
23. 【請求項２３】 更に、和周波混合用光を出力する和周
    波混合用光源を備えると共に、前記波長変換素子は、和
    周波混合用光と発振光とを和周波混合する和周波混合手
    段であることを特徴とする請求項２２記載の光発振装
    置。
24. 【請求項２４】 前記波長変換素子により和周波混合す
    る和周波混合用光は２５６ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の範
    囲内の波長を有すると共に、発振光は７００ｎｍ以上７
    ３０ｎｍ以下の範囲内の波長を有することを特徴とする
    請求項２３記載の光発振装置。