JP2007033951A

JP2007033951A - 非線形光波混合を用いたレーザー波面合成方法及びそれを用いた装置

Info

Publication number: JP2007033951A
Application number: JP2005218150A
Authority: JP
Inventors: Takashige Omatsu; 尾松　　孝茂
Original assignee: Chiba University NUC
Current assignee: Chiba University NUC
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】
より光エネルギーの損失無く、高い効率で波面合成効率ができるレーザー波面合成方法及びそれを用いた装置を提供すること。
【解決手段】
レーザー光を発生させるレーザー発生装置と、このレーザー発生装置が発生させるレーザー光を複数の回折光を発生させるホログラムと、ホログラムにより発生した複数の回折光のうち、少なくともいずれかを反射させて他の回折光と光路を重複させる光学系と、光路が重複する位置に配置されるフォトリフラクティブ効果を示す素子と、を有するレーザー波面合成装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形光波混合を用いたレーザー波面合成技術（以下「波面シンセシス」という。）に関する。

回折光学素子や液晶空間変調器などを利用してレーザー波面の位相、振幅を高度に変調するいわゆる波面シンセシスに対するニーズが急速に高まりつつある。波面シンセシスの従来の技術としては、下記特許文献１に記載の技術がある。

しかしながら、１次回折光として取り出される所望の波面を合成すると、１次回折に付随して現れる不要な０次回折光や高次回説光がシステム損失となり、波面合成効率が著しく低下してしまうといった課題がある。

そこで、本発明は、より光エネルギーの損失無く、高い効率で波面合成効率ができるレーザー波面合成方法及びそれを用いた装置を提供することを目的とする。

上記課題につき本発明者が鋭意検討を行った結果、不要な０次回折光や高次回折光のエネルギーを非線形光波結合により、一次回折光へリサイクルして波面合成効率を向上させることに着目し、本発明に想到するに至った。

即ち、本発明に係るレーザー波面合成装置は、レーザー光を発生させるレーザー発生装置と、このレーザー発生装置が発生させるレーザー光を複数の回折光を発生させるホログラムと、このホログラムにより発生した複数の回折光のうち、少なくともいずれかを反射させて他の回折光と光路を重複させる光学系と、この光路が重複する位置に配置されるフォトリフラクティブ効果を示す素子と、を有することとする。

また、本発明に係るレーザー波面合成装置において、フォトリフラクティブ効果を示す素子は、強誘電性結晶又は半絶縁性半導体結晶により構成されていることが望ましく、具体的には上記効果を示す限りこれらに限られることは無いが、例えばＢａＴｉＯ_３、ＳＢＮ、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｓｎ_２Ｐ_２Ｓ_６の少なくともいずれかを含んで構成されていることがより望ましい。

また、本発明にかかるレーザー波面合成装置において、光路が重複する回折光は、０次回折光と１次回折光であることも望ましく、更には、０次回折光のエネルギーを１次回折光のエネルギーに移乗させることがより望ましい。

また、本発明に係るレーザー波面合成方法は、レーザー光から複数の回折光を発生させる工程、この複数の回折光のうち、少なくともいずれかを反射させて他の回折光と光路を重複させてフォトリフラクティブ効果を示す素子に入射させる工程、を有することとする。

また、本発明に係るレーザー波面合成方法において、フォトリフラクティブ効果を示す素子は、強誘電性結晶又は半絶縁性半導体結晶により構成されていることが望ましく、具体的には上記効果を示す限りこれらに限られることは無いが、例えばＢａＴｉＯ_３、ＳＢＮ、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｓｎ_２Ｐ_２Ｓ_６の少なくともいずれかを含んで構成されていることがより望ましい。

また、本発明に係るレーザー波面合成方法において、光路を重複させる回折光は、０次回折光と１次回折光であることが望ましく、更には、０次回折光のエネルギーを１次回折光のエネルギーに移乗させることがより望ましい。

以上により、より光エネルギーの損失無く、高い効率で波面合成効率ができるレーザー波面合成方法及びそれを用いた装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係るレーザー波面合成装置の概略を示す図である。本実施例に係るレーザー波面合成装置１は、レーザーを発生させるレーザー発生装置２、このレーザー発生装置が発生させるレーザー光を複数の回折光を発生させるホログラム３、このホログラムにより発生した複数の回折光のうち、少なくともいずれかを反射させて他の回折光と光路を重複させる光学系４、この光路が重複する位置に配置されるフォトリフラクティブ効果を示す素子５、を有する。

本実施形態に係るレーザー発生装置は、レーザー光を発生させることができる限りにおいて周知のものを種々用いることができるが、例えばＮｄ：ＹＶＯ_４、波長１μｍのＣＷレーザー装置（２４０ｍＷ）を好適に用いることができる。

ホログラム３は、ラゲールガウスビームなどの特異点を有する波面を生成するものであって、レーザー光を回折し、複数の回折光を発生させることができるものである。なお、ホログラム３としては、所望の機能を達成することができる限りにおいて様々な構成を採用することができるが、例えば液晶空間変調器を好適に用いることができる。

液晶空間変調器とは、画素に対応した電極が配置された一対の基板と、この一対の基板の間に挟持されるネマティック液晶などの液晶、を有するものであって、各画素に印加させる電圧を調整することによって液晶分子の配向を調整し、これに応じて入射した光の位相を変調させることができるものである。但し、一般に液晶空間変調器を用いた場合、その位相変調度は可視光に対しては２π、赤外光に対してはπ程度にとどまるため、ラゲールガウスビームなどの特異点を有する波面を生成するには、コンピュータで予めキャリア周波数を有する位相変調された干渉縞に対応するよう計算されたホログラムを液晶空間変調器に表示させておくことが極めて有用である（図２参照）。

以上のとおり、入射されるレーザー光はホログラムによって回折され、１次回折光として所望の変調光を取り出すことができるが、入射されるレーザー光のうちの大部分はホログラムによって回折されない（変調されない）０次回折光となる。また、液晶空間変調器の画素構造そのものも回折格子として働くため、更に損失を増やしてしまうこととなる。従って、入射光から合成波面へのエネルギー変換効率が数十％を超えることは難しい（理論限界は３３％である）。

そこで、本実施形態では、ホログラム３により発生した複数の回折光のうち、少なくともいずれかを反射させて他の回折光と光路を重複させる光学系４を設け、更に、この光路が重複する位置に配置されるフォトリフラクティブ効果を示す素子５を設けて波面合成効率を高めている。

光学系４は、ホログラム３により発生した複数の回折光のうち、少なくともいずれかを反射させて他の回折光と光路を重複させるものであって、例えば１次回折光をフォトリフラクティブ効果を示す素子５に導くレンズ４１、０次回折光を反射させてフォトリフラクティブ効果を示す素子５において１次回折光と光路を重複させるための反射板４２と、を有して構成されている。なおレンズ４１や反射板４２の構成としては、これらの機能を奏する限りにおいて特段に制限されない。

フォトリフラクティブ効果を示す素子５は、ある回折光から他の回折光にエネルギーを移乗させることができる素子である。フォトリフラクティブ効果を示す素子としては、例えば強誘電性結晶、半絶縁性半導体結晶が挙げられる。この材料からなる素子は、互いにコヒーレントな微弱な信号光（以下「シグナル光」という。）と強い励起光（以下「ポンプ光」という。）を入射させた場合、両者が作る干渉縞を介してエネルギーの交換を起こし、ポンプ光のエネルギーをシグナル光へ移乗させることができる（これを二光波混合という。図３参照）。上記フォト利不落ティ部素子を示す阻止としては上記効果を示す限りこれらに限られることは無いことはもちろんであるが、ＢａＴｉＯ_３、ＳＢＮ、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｓｎ_２Ｐ_２Ｓ_６の結晶を好適に用いることができ、これらのうち少なくともいずれかを含んで構成されていることが好ましい。なお、本実施形態の例において、フォトリフラクティブ効果を示す素子５を透過する前後における１次回折光の強さについて確認した結果を図４に示す。

以上、本実施形態に係るレーザー波面合成装置は、フォトリフラクティブ効果を示す素子のニ波混合に注目し、ホログラムが発生する０次回折光と１次回折光を結合させ、０次回折光のエネルギーを１次回折光へ移乗させることで合成波面へのエネルギー変換効率を向上させることができるようになる。この方法によると原理的には１００％近くまで波面合成効率を向上させることができ、極めて有用である。なお、本実施形態では０次回折光と１次回折光の二波の場合を説明として用いているが、上記に限定されず、２次回折光をもフォトリフラクティブ効果を示す素子に入射させ、エネルギーを移乗させることが可能であって、有用であることはいうまでもない。

以上、本発明に係るレーザー波面合成方法及びそれを用いた装置によると、波面合成技術の光ピンセット、顕微鏡光学、超微細光造形など光によるナノテクノロジー（ナノフォトニクス）に用いることができ、産業上の利用可能性がある。

実施形態に係るレーザー波面合成装置の概略を示す図。液晶空間変調器を用いたホログラムによる波面合成を説明するための図。フォトリフラクティブ効果を示す素子による二光波混合を説明する図。フォトリフラクティブ効果を示す素子を透過する前後における１次回折光の強さを比較した結果を示す図。

符号の説明

１…レーザー波面合成装置、２…レーザー発生装置、３…ホログラム、４…光学系、４１…レンズ、４２…反射板、５…フォトリフラクティブ効果を示す素子

Claims

レーザー光を発生させるレーザー発生装置と、
該レーザー発生装置が発生させるレーザー光を複数の回折光を発生させるホログラムと、
前記ホログラムにより発生した複数の回折光のうち、少なくともいずれかを反射させて他の回折光と光路を重複させる光学系と、
前記光路が重複する位置に配置されるフォトリフラクティブ効果を示す素子と、を有するレーザー波面合成装置。
前記フォトリフラクティブ効果を示す素子は、強誘電性結晶又は半絶縁性半導体結晶により構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザー波面合成装置。
前記フォトリフラクティブ効果を示す素子は、ＢａＴｉＯ_３、ＳＢＮ、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｓｎ_２Ｐ_２Ｓ_６のいずれかを含んで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー波面合成装置。
前記光路が重複する回折光は、０次回折光と１次回折光であることを特徴とする請求項１記載のレーザー波面合成装置。
０次回折光のエネルギーを１次回折光のエネルギーに移乗させることを特徴とする請求項４記載のレーザー波面合成装置。
レーザー光から複数の回折光を発生させる工程、
該複数の回折光のうち、少なくともいずれかを反射させて他の回折光と光路を重複させてフォトリフラクティブ効果を示す素子に入射させる工程、を有するレーザー波面合成方法。
前記フォトリフラクティブ効果を示す素子は、強誘電性結晶又は半絶縁性半導体結晶により構成されていることを特徴とする請求項６記載のレーザー波面合成方法。
前記フォトリフラクティブ効果を示す素子は、ＢａＴｉＯ_３、ＳＢＮ、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｓｎ_２Ｐ_２Ｓ_６の少なくともいずれかを含んで構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザー波面合成方法。
前記光路を重複させる回折光は、０次回折光と１次回折光であることを特徴とする請求項６記載のレーザー波面合成方法。
０次回折光のエネルギーを１次回折光のエネルギーに移乗させることを特徴とする請求項９記載のレーザー波面合成方法。