JP2010109070A - Multiwavelength laser oscillation device and terahertz-wave generation device including same - Google Patents
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Description
この発明は、レーザー発振装置に関し、より詳細にはテラヘルツ波発生を目的とする多波長レーザー発振装置に関する。また、その多波長レーザー発振装置を備えてなるテラヘルツ波発生装置に関する。 The present invention relates to a laser oscillation device, and more particularly to a multiwavelength laser oscillation device for the purpose of generating terahertz waves. The present invention also relates to a terahertz wave generation device including the multi-wavelength laser oscillation device.
テラヘルツ波は、光と電磁波の間の周波数帯域であり、未利用周波数帯である。テラヘルツ波を基礎物性の解析やイメージング技術、超高速通信などに応用する技術が注目され、近年、幅広い応用分野における研究が行われている。テラヘルツ波を発生する装置（テラヘルツ光源）についても種々の研究、開発が行われている。 The terahertz wave is a frequency band between light and electromagnetic waves, and is an unused frequency band. Technology that applies terahertz waves to analysis of basic physical properties, imaging technology, ultra-high-speed communication, etc. has attracted attention, and research in a wide range of application fields has been conducted in recent years. Various researches and developments have also been made on devices that generate terahertz waves (terahertz light sources).
テラヘルツ光源の構成として、
（１）量子カスケード構造の半導体レーザーでテラヘルツ波をダイレクト発振させるもの（例えば、特許文献１、非特許文献１、２参照）、
（２）波長の異なる２つの光源からそれぞれ放射されたレーザービームを光伝導アンテナに照射して差周波数をつくるもの（例えば、特許文献２、非特許文献３参照）、
（３）単一光源から放射されたレーザービームを複数のエタロンを通過させ、２つの波長のレーザービームを得、得られたレーザービームを光伝導アンテナに照射してテラヘルツ波を発生させるもの（例えば、特許文献３参照）
が提案されている。ここで、光伝導アンテナは、例えば、サファイヤ基板上にGaAsやアモルファスシリコンなどからなる光伝導性の薄膜を形成し、その薄膜上にアンテナとして機能する金属膜からなる電極パターンを形成したものである。
(1) A semiconductor laser having a quantum cascade structure that directly oscillates a terahertz wave (for example, see Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2),
(2) A photoconductive antenna is irradiated with laser beams emitted from two light sources having different wavelengths to create a difference frequency (see, for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 3),
(3) A laser beam emitted from a single light source passes through a plurality of etalons to obtain laser beams of two wavelengths, and the obtained laser beam is irradiated to a photoconductive antenna to generate a terahertz wave (for example, , See Patent Document 3)
Has been proposed. Here, the photoconductive antenna is formed, for example, by forming a photoconductive thin film made of GaAs or amorphous silicon on a sapphire substrate and forming an electrode pattern made of a metal film functioning as an antenna on the thin film. .
前記（１）の量子カスケード構造の半導体レーザー素子については、単純な構成でテラヘルツ光源を実現し得る可能性があるが、−234℃で30mWのレーザー発振が確認されたとの報告等はあるものの（例えば、非特許文献２参照）、素子が実用化のレベルに達するまでにはまだ時間を要するものと考えられる。
前記（２）のものは、既に実用段階にあるレーザー光源が利用可能であるが、光学系の構成が複雑になること、異なる２つのレーザー光源からの出力光は2波長出力間の干渉性（コヒーレンシー）が低いためレーザーの利用効率が極めて低いことが課題である。即ち、光伝導アンテナは、光ビート照射によるオン・オフスイッチ効果によって差周波に相当
する電磁波を放出するものであり、効率よいテラヘルツ波発生には2波長出力間の高いコヒーレンシーが必要である。しかし、異なる2つのレーザー光源からの出力光を照射した場合は、互いのレーザー光のコヒーレンシーが低い。従って、テラヘルツ波発生用の有効な光ビート成分を得るためには各光源のレーザー出力強度を十分に高くしなければならない。
Although there is a possibility that a terahertz light source can be realized with a simple configuration with respect to the semiconductor laser device having the quantum cascade structure of (1), there is a report that 30 mW laser oscillation has been confirmed at -234 ° C ( For example, see Non-Patent Document 2), it is considered that it still takes time for the device to reach a practical level.
In the case of (2), a laser light source that is already in a practical stage can be used, but the configuration of the optical system is complicated, and the output light from two different laser light sources is coherent between two wavelength outputs ( The problem is that laser utilization efficiency is extremely low due to low coherency. That is, the photoconductive antenna emits an electromagnetic wave corresponding to a difference frequency by an on / off switch effect by light beat irradiation, and high coherency between two wavelength outputs is required for efficient generation of terahertz waves. However, when the output light from two different laser light sources is irradiated, the coherency of each other's laser light is low. Therefore, in order to obtain an effective optical beat component for generating terahertz waves, the laser output intensity of each light source must be sufficiently increased.
また、前記（３）のものは、単一光源で構成される点では単純な構成であるが、複数のエタロンを使用するためにその部分の光学系が複雑かつ高価になること、さらに、レーザー共振部内に複数のエタロンが配置されるためレーザーの利用効率が低くかつレーザー発振を起動させにくいことが課題である。
以上のように、今日、実用的なテラヘルツ光源は既存のレーザー光源を利用するものである。その場合、1つのレーザー光源で互いに異なる波長のレーザー光を発生させ、それらの波長の差分を得てテラヘルツ波を発生させることが好ましい。テラヘルツ波光源用として、単純な構造で安定した多波長同時発振が可能なレーザー光源が望まれている。そのような多波長発振のレーザー光源が得られれば、取り扱いが簡便で安価なテラヘルツ光源を実現することができるからである。
The above (3) is a simple configuration in that it is composed of a single light source. However, since a plurality of etalon is used, the optical system is complicated and expensive. Since a plurality of etalons are arranged in the resonance part, it is a problem that the laser utilization efficiency is low and it is difficult to start laser oscillation.
As described above, today, practical terahertz light sources use existing laser light sources. In that case, it is preferable to generate laser beams having different wavelengths with a single laser light source and generate a terahertz wave by obtaining a difference between the wavelengths. As a terahertz wave light source, a laser light source capable of stable multi-wavelength simultaneous oscillation with a simple structure is desired. This is because if such a multi-wavelength laser light source is obtained, a terahertz light source that is easy to handle and inexpensive can be realized.
発明者は、光伝導アンテナを用いたテラヘルツ波光源への適用を想定し、単一レーザー光源からの多波長同時発振動作について鋭意研究を行っていたところ、その過程において意外にも、市販の光学顕微鏡用カバーガラスをレーザー共振部内に部分的に挿入すると２波長を中心とする多波長発振動作が安定して再現することを見出した。そこで、さらにその事象について検討を重ね、本明細書に記載の知見を得てこの発明の出願に至った。
この発明は、以上の背景のもとになされたものであって、
The inventor has been diligently researching multi-wavelength simultaneous oscillation operation from a single laser light source, assuming application to a terahertz wave light source using a photoconductive antenna. It has been found that when a microscope cover glass is partially inserted into the laser resonator, a multi-wavelength oscillation operation centered on two wavelengths is stably reproduced. Then, the phenomenon was further examined, the knowledge described in this specification was obtained, and the present invention was filed.
This invention was made based on the above background,
この発明は、所定の波長帯域のレーザー光を出射し得るレーザー媒体、および、出射されたレーザー光を反射して所定の光路を往復させるためのミラーを有するレーザー共振部と、前記レーザー媒体を励起して前記レーザー光を出射させる励起部と、所定の厚さを有する平板状の透明体である波長選択素子とを備えてなり、前記波長選択素子は、前記波長帯域のうち所定の複数の波長のレーザービームを同時に発生させるため、前記光路の断面の一部に配置されることを特徴とする多波長レーザー発振装置を提供する。
また、この発明は、前記多波長レーザー発振装置と、複数の波長の差を得るための光伝導アンテナとを備えてなるテラヘルツ波発生装置を提供する。
The present invention excites the laser medium capable of emitting laser light of a predetermined wavelength band, a laser resonator having a mirror for reflecting the emitted laser light and reciprocating a predetermined optical path, and the laser medium. And a wavelength selection element that is a flat transparent body having a predetermined thickness, and the wavelength selection element includes a plurality of predetermined wavelengths in the wavelength band. In order to simultaneously generate the laser beams, a multi-wavelength laser oscillation device is provided which is disposed in a part of a cross section of the optical path.
The present invention also provides a terahertz wave generator comprising the multi-wavelength laser oscillator and a photoconductive antenna for obtaining a plurality of wavelength differences.
この発明の多波長レーザー発振装置は、前記波長選択素子を前記光路の断面の一部に配置する構成により、前記波長帯域のうち所定の複数の波長のレーザービームを同時に発生させることができるので、単純な構造で安定した多波長同時発振が可能なレーザー光源が提供される。従って、この発明の多波長レーザー発振装置を用いて、取り扱いが簡便で安価なテラヘルツ波発生装置（テラヘルツ光源）を実現することができる。この発明によるテラヘルツ波発生装置は、取り扱いが簡便で安価であるといった特徴を有するので、テラヘルツ波を利用する各種装置への適用、例えば、基礎物性の解析用、イメージング技術用または超高速通信用の装置への適用に好適である。 Since the multi-wavelength laser oscillation device of the present invention can simultaneously generate laser beams having a plurality of wavelengths in the wavelength band by the configuration in which the wavelength selection element is arranged in a part of the cross section of the optical path, Provided is a laser light source capable of stable multi-wavelength simultaneous oscillation with a simple structure. Therefore, it is possible to realize a terahertz wave generator (terahertz light source) that is easy to handle and inexpensive by using the multi-wavelength laser oscillator of the present invention. Since the terahertz wave generator according to the present invention has features such as easy handling and low cost, it can be applied to various devices using terahertz waves, for example, for analysis of basic physical properties, for imaging technology, or for ultra-high speed communication. It is suitable for application to an apparatus.
この発明において、レーザー共振部は、光増幅の原理によってレーザー光を発生させるものであり、光共振器としてのレーザー空洞と、前記レーザー空洞内に配置されるレーザー媒体とを有してなる。前記ミラーは、レーザー空洞を構成するための部材である。その具体的な態様を示すと、例えば、レーザー媒体としては、一方の端面に高反射コーティングが施され、他方の端面に無反射コーティングが施されたLiSrAlF6 レーザー結晶を用いることができる。さらに、レーザー空洞は、凹面鏡と平面鏡とを配置して構成することが
できる（後述する図１の構成を参照）。使用するレーザー媒体に応じて、そのレーザー媒体から出射されるレーザー光の波長帯域が決まる。
In the present invention, the laser resonator generates laser light according to the principle of optical amplification, and includes a laser cavity as an optical resonator and a laser medium disposed in the laser cavity. The mirror is a member for forming a laser cavity. Specifically, for example, as a laser medium, a LiSrAlF 6 laser crystal in which a highly reflective coating is applied to one end face and a non-reflective coating is applied to the other end face can be used. Furthermore, the laser cavity can be configured by arranging a concave mirror and a plane mirror (see the configuration of FIG. 1 described later). Depending on the laser medium used, the wavelength band of the laser light emitted from the laser medium is determined.
凹面鏡は、レーザー媒体の無反射コーティング側の端面から出射するレーザー光を平行光に換え、平面鏡へ向けて反射させる。平面鏡は、凹面鏡からきた平行光を逆方向へ反射させる。平面鏡で反射された平行光は凹面鏡を経て絞り込まれ、レーザー媒体へ戻る。レーザー媒体内に入射したレーザー光は、レーザー媒体の高反射コーティングされた端面で反射され、再びレーザー媒体から出射する。レーザー光がレーザー媒体の一方の端面と平面鏡との間を往復することにより光増幅が生じ、レーザー共振部でのレーザー発振が維持される。なお、平面鏡の反射率は一例で99％であり、1％のレーザー光は平面鏡で反射せずにレーザー共振部から外部へ放射される。この発明によれば、外部へ放射されるレーザー光は、前記所定の波長帯域のうち複数の波長成分のみからなる。 The concave mirror converts the laser light emitted from the end surface of the laser medium on the non-reflective coating side into parallel light and reflects it toward the flat mirror. The plane mirror reflects the parallel light coming from the concave mirror in the reverse direction. The parallel light reflected by the plane mirror is narrowed down through the concave mirror and returned to the laser medium. The laser light incident on the laser medium is reflected by the highly reflective coated end surface of the laser medium and is emitted from the laser medium again. The laser light reciprocates between one end surface of the laser medium and the plane mirror, so that optical amplification occurs, and laser oscillation at the laser resonator is maintained. The reflectivity of the plane mirror is 99%, for example, and 1% of the laser light is emitted from the laser resonator to the outside without being reflected by the plane mirror. According to the present invention, the laser light emitted to the outside consists of only a plurality of wavelength components in the predetermined wavelength band.
なお、レーザー媒体は、LiSrAlF6 レーザー結晶に限定されず、多波長発振させたい波長を発振波長帯域に含むものであれば適用可能である。固体、液体、気体の種別を問わない。例えば、ガリウムヒ素半導体レーザーが適用可能である。
また、励起部は、レーザー媒体中の電子のエネルギー準位を励起するものである。その具体的な態様は、例えば、レーザー空洞内に配置されるレーザー媒体へ外部のレーザー光源からのレーザー光を照射する励起用レーザー光源およびレーザー光学系である。後述する図１の構成において、励起部は、半導体レーザー、対物レンズおよび集光レンズに相当する。あるいは、後述する図２の構成のように、レーザー媒体に通電することによりレーザー媒体中の電子のエネルギー準位を励起できる場合、例えば、半導体レーザー素子をレーザー媒体として用いる場合は、その半導体レーザーに通電する回路が励起部に相当する。
Note that the laser medium is not limited to the LiSrAlF 6 laser crystal, and any laser medium that includes a wavelength desired to oscillate multiple wavelengths in the oscillation wavelength band can be applied. Regardless of the type of solid, liquid, or gas. For example, a gallium arsenide semiconductor laser is applicable.
The excitation unit excites the energy level of electrons in the laser medium. Specific examples thereof include an excitation laser light source and a laser optical system that irradiate laser light from an external laser light source onto a laser medium disposed in the laser cavity. In the configuration of FIG. 1 described later, the excitation unit corresponds to a semiconductor laser, an objective lens, and a condenser lens. Or when the energy level of electrons in the laser medium can be excited by energizing the laser medium as in the configuration of FIG. 2 described later, for example, when a semiconductor laser element is used as the laser medium, the semiconductor laser The energized circuit corresponds to the excitation unit.
さらにまた、波長選択素子は、レーザー媒体から出射される所定の波長帯域のレーザー光のうち、特定の波長成分以外を減衰させる特性を有するものである。ここで、特定の波長は１つの波長に限らず、その高次の波長を含んでいてもよい。この発明において、波長選択素子の具体的な態様は、例えば、板厚が0.04〜0.6mmの範囲のホウケイ酸ガラスの平板である。そのうち、好ましい板厚は、0.22〜0.27mmの範囲である。ただし、その材質はホウケイ酸ガラスに限定されず、他の材質からなるガラス板や樹脂製の透明板など、均一な板厚の透明体であればよい。後述する実施形態では、波長選択素子として光学顕微鏡用のカバーガラス（材質はホウケイ酸ガラス）を用いた。 Furthermore, the wavelength selection element has a characteristic of attenuating other than a specific wavelength component in the laser light of a predetermined wavelength band emitted from the laser medium. Here, the specific wavelength is not limited to one wavelength, and may include higher-order wavelengths. In the present invention, a specific embodiment of the wavelength selection element is, for example, a borosilicate glass plate having a thickness of 0.04 to 0.6 mm. Of these, the preferred thickness is in the range of 0.22 to 0.27 mm. However, the material is not limited to borosilicate glass, and may be a transparent body having a uniform thickness, such as a glass plate made of another material or a transparent plate made of resin. In an embodiment to be described later, a cover glass for optical microscope (material is borosilicate glass) is used as the wavelength selection element.
また、この発明において、「所定の複数の波長のレーザービームを同時に発生させる」とは、レーザー媒体で定まる波長帯域のうちで、レーザー発振をさせたい特定の波長を同時に発振させることをいう。少なくとも２つの波長を同時に発生させれば、その差の周波数を得ることによりテラヘルツ波を発生させることが可能である。さらに、３以上の波長を同時に発生させる場合であって、その周波数間隔がそれぞれ異なる場合は、それらの波長のうちから差の周波数を得る波長を２つ選択する手段を外部に設けることにより、所望の波長のテラヘルツ波を得ることができる。さらに、波長を選択する前記手段を交換すれば、発生させるテラヘルツ波の波長を切り替えることが可能になる。 In the present invention, “to generate laser beams having a plurality of predetermined wavelengths simultaneously” means to simultaneously oscillate specific wavelengths to be oscillated within a wavelength band determined by a laser medium. If at least two wavelengths are generated at the same time, a terahertz wave can be generated by obtaining the difference frequency. Further, in the case where three or more wavelengths are generated at the same time and the frequency intervals are different from each other, a means for selecting two wavelengths for obtaining a difference frequency from those wavelengths is provided outside, and thus desired. Can be obtained. Furthermore, if the means for selecting the wavelength is exchanged, the wavelength of the terahertz wave to be generated can be switched.
この発明において、前記波長選択素子は、前記光路の断面の一部に配置されるが、その配置は、レーザー媒体で定まる波長帯域のうち所望する複数の波長が得られるように配置する種々の態様を意味する。
この発明の多波長レーザー発振装置が、前記波長選択素子を支持する支持部をさらに備え、前記支持部は、前記断面を通過するレーザー光のうち光パワーにして10％以上70％以下の範囲の光成分が前記波長選択素子を通過し残る光成分が前記波長選択素子を介さず通過するように前記波長選択素子を支持するようにしてもよい。前記支持部が、前記断面を
通過するレーザー光のうち光パワーにして10％以上70％以下の範囲の光成分が前記波長選択素子を通過し残る光成分が前記波長選択素子を介さず通過するように波長選択素子を支持するようにすれば、安定して多波長発振が得られることが実験的に確認されている。
In the present invention, the wavelength selection element is arranged in a part of the cross section of the optical path, and the arrangement is various ways of arranging so as to obtain a desired plurality of wavelengths in a wavelength band determined by the laser medium. Means.
The multi-wavelength laser oscillation device of the present invention further includes a support portion that supports the wavelength selection element, and the support portion has an optical power in the range of 10% to 70% of the laser light that passes through the cross section. You may make it support the said wavelength selection element so that the light component which passes through the said wavelength selection element and the light component which passes through without passing through the said wavelength selection element may pass. Of the laser light that passes through the cross-section, the support portion has a light component in the range of 10% to 70% in terms of optical power, and the remaining light component passes through the wavelength selection element without passing through the wavelength selection element. Thus, it has been experimentally confirmed that the multi-wavelength oscillation can be stably obtained by supporting the wavelength selection element.
特に、前記断面を通過するレーザー光のうち光パワーにして50％の部分が前記波長選択素子を介して通過するようにした場合、明確な２波長発振が観測されている。実験では、光学顕微鏡用に市販されているカバーガラスを波長選択素子として用い、そのカバーガラスを前記断面におけるレーザー光の周辺部の一方向から挿入した。ただし、この発明における波長選択素子の配置の態様はこれに限定されるものではない。例えば、前記断面におけるレーザー光の周辺部の複数方向から波長選択素子を挿入する態様、レーザー光の中心部のみに波長選択素子を配置する態様、またはカメラレンズの絞りのごとくレーザー光の全周方向に波長選択素子を配置する態様も考えられる。所望する複数の波長が得られるように波長選択素子を光路中に配置する種々の態様は、実験によりもとめることができる。 In particular, when 50% of the laser light passing through the cross section passes through the wavelength selection element, a clear two-wavelength oscillation is observed. In the experiment, a cover glass commercially available for an optical microscope was used as a wavelength selection element, and the cover glass was inserted from one direction of the peripheral portion of the laser beam in the cross section. However, the mode of arrangement of the wavelength selection elements in the present invention is not limited to this. For example, an aspect in which the wavelength selection element is inserted from a plurality of directions around the laser beam in the cross section, an aspect in which the wavelength selection element is disposed only in the center of the laser beam, or the entire circumferential direction of the laser beam as a diaphragm of a camera lens It is also conceivable to arrange the wavelength selection element in the above. Various modes in which the wavelength selection element is arranged in the optical path so that a plurality of desired wavelengths can be obtained can be obtained by experiments.
さらに、発明者の実験では、平板状の透明体を光路に垂直な方向に配置しているが、光路の垂直断面に対して−45度から＋45度の範囲で変えて配置することにより、波長選択特性を変えることができる。即ち、平板状の透明体の光路に対する角度を変えることにより所望の波長を選択することができる。 Furthermore, in the experiment of the inventor, the flat transparent body is arranged in the direction perpendicular to the optical path, but the wavelength is changed by arranging it in the range of −45 degrees to +45 degrees with respect to the vertical cross section of the optical path. Selection characteristics can be changed. That is, a desired wavelength can be selected by changing the angle of the flat transparent body with respect to the optical path.
この発明の特性から、特性の異なる複数の波長選択素子をそれぞれ光路の一部に配置する構成もとり得ることは明らかである。このようにすれば、レーザー媒体で定まる波長帯域のうち所望の複数の波長を選択する際の自由度がさらに高まると考えられる。 From the characteristics of the present invention, it is apparent that a configuration in which a plurality of wavelength selection elements having different characteristics are arranged in a part of the optical path can be taken. In this way, it is considered that the degree of freedom in selecting a desired plurality of wavelengths in the wavelength band determined by the laser medium is further increased.
以下、この発明の好ましい態様について説明する。
前記波長選択素子は、前記光路に垂直な面に対し−４５°から＋４５°の範囲のいずれかの角度で交差するように配置されてもよい。このようにすれば、波長選択素子を配置する角度を調整することにより多波長発振時のピークとピークの波長の間隔を所望の間隔にすることができる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
The wavelength selection element may be arranged so as to intersect with a plane perpendicular to the optical path at any angle in a range of −45 ° to + 45 °. In this way, by adjusting the angle at which the wavelength selection element is arranged, the interval between the peak and the peak wavelength during multiwavelength oscillation can be set to a desired interval.
また、前記波長選択素子は、その板厚が0.04〜0.6mmの範囲のいずれかの厚さで一様であってもよい。前記板厚の範囲で多波長発振が生じることが確認されている。
さらにまた、前記波長選択素子は、その材質がガラスからなるものであってもよい。
Further, the wavelength selection element may be uniform in any thickness in the range of 0.04 to 0.6 mm. It has been confirmed that multiwavelength oscillation occurs in the range of the plate thickness.
Furthermore, the wavelength selection element may be made of glass.
前記レーザー媒体は、一方の端面が前記レーザー媒体内で前記レーザー光を反射させ、他方の端面が前記レーザー媒体から前記レーザー光を出射させるように形成されてなり、前記ミラーは、前記レーザー媒体の他方の端面から出射されるレーザー光が出射方向の光軸と所定の角度をなして進行する平行光になるように反射させる凹面鏡と前記平行光を進行方向と逆方向に所定の反射率で反射させる平面状の出力鏡とを有してなるものであってもよい。このようにすれば、前記レーザー媒体に直接電流が注入することができない場合、あるいは、前記所定の波長帯域とは異なる波長の励起レーザー光源を用いる場合であっても、所定の波長の多波長レーザー発振装置を実現することができる。従って、前記レーザー媒体として広範なものが使用可能である。 The laser medium is formed such that one end face reflects the laser light in the laser medium and the other end face emits the laser light from the laser medium, and the mirror is formed of the laser medium. A concave mirror that reflects the laser light emitted from the other end surface so as to become parallel light traveling at a predetermined angle with the optical axis in the emission direction, and reflecting the parallel light with a predetermined reflectance in a direction opposite to the traveling direction. And a planar output mirror. In this way, even when a current cannot be directly injected into the laser medium, or even when an excitation laser light source having a wavelength different from the predetermined wavelength band is used, a multiwavelength laser having a predetermined wavelength is used. An oscillation device can be realized. Therefore, a wide variety of laser media can be used.
さらに、前記励起部は、前記レーザー媒体を照射する励起レーザー光を放射する励起用レーザー光源と、前記励起レーザー光を前記レーザー媒体の一方の端面から前記レーザー媒体へ入射させる励起レーザー光学系を含んでいてもよい。このようにすれば、前記所定の波長帯域とは異なる波長の励起レーザー光源を用いる場合であっても、前記レーザー媒体に励起レーザー光を照射して所定の波長の多波長レーザー発振装置を実現することができる。
ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。
Further, the excitation unit includes an excitation laser light source that emits excitation laser light that irradiates the laser medium, and an excitation laser optical system that causes the excitation laser light to enter the laser medium from one end face of the laser medium. You may go out. In this way, even when an excitation laser light source having a wavelength different from the predetermined wavelength band is used, the laser medium is irradiated with the excitation laser light to realize a multi-wavelength laser oscillation device having a predetermined wavelength. be able to.
The various preferable aspects shown here can also be combined.
あるいは、前記レーザー媒体は、電流が注入されることにより前記レーザー光を出射するレーザー素子であり、前記ミラーは、前記レーザー素子から出射される前記レーザー光を平行光に変換する凸レンズと前記平行光を進行方向と逆方向に所定の反射率で反射させる平面状の出力鏡とを有していてもよい。このようにすれば、レーザー媒体に直接電流を注入してレーザー発光させることができるので、励起用レーザー光源を用いる場合に比べて励起部の構成が単純化できる。 Alternatively, the laser medium is a laser element that emits the laser light when current is injected, and the mirror includes a convex lens that converts the laser light emitted from the laser element into parallel light and the parallel light. A planar output mirror that reflects the light beam with a predetermined reflectance in the direction opposite to the traveling direction. In this way, current can be directly injected into the laser medium to cause laser emission, so that the configuration of the excitation unit can be simplified as compared with the case where an excitation laser light source is used.
さらに、前記レーザー媒体は、ガリウムヒ素半導体レーザー素子であってもよい。
さらにまた、前記励起部は、前記レーザー媒体に励起電流を注入する電流注入回路であってもよい。
ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。
Further, the laser medium may be a gallium arsenide semiconductor laser element.
Furthermore, the excitation unit may be a current injection circuit that injects an excitation current into the laser medium.
The various preferable aspects shown here can also be combined.
以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。
≪多波長レーザー発振装置の構成例≫
図１は、この発明による多波長レーザー発振装置の構成例を示す説明図である。図１に示す構成は、発明者が実際にレーザー発振の実験を行った構成である。
図１で、半導体レーザー１から出射されたレーザービームは、対物レンズ２および光学レンズ（集光レンズ）３を経て集光された後、LiSrAlF6レーザー結晶４に入射する。LiSrAlF6レーザー結晶４の入射側の端面は高反射コーティングされており、反対側の端面は無反射コーティングされている。その無反射コーティングされた端面に対して所定角度だけ傾いた状態で反射面が対向するように凹面反射鏡５が配置されている。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In addition, the following description is an illustration in all the points, Comprising: It should not be interpreted as limiting this invention.
≪Example of configuration of multi-wavelength laser oscillator≫
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration example of a multi-wavelength laser oscillation device according to the present invention. The configuration shown in FIG. 1 is a configuration in which the inventor has actually experimented with laser oscillation.
In FIG. 1, the laser beam emitted from the semiconductor laser 1 is condensed through an objective lens 2 and an optical lens (condensing lens) 3 and then incident on a LiSrAlF 6 laser crystal 4. The end surface on the incident side of the LiSrAlF 6 laser crystal 4 is coated with high reflection, and the end surface on the opposite side is coated with antireflection. The concave reflecting mirror 5 is arranged so that the reflecting surface faces the end surface coated with the non-reflective coating while being inclined at a predetermined angle.
さらに、LiSrAlF6レーザー結晶４の無反射コーティングされた端面側から出射するレーザービームが凹面反射鏡５に反射して進む先に平面反射鏡７が配置されている。結晶端面ミラー(反射率100 %)、凹面ミラー(反射率100 %、曲率半径10 cm)、平面反射鏡(反射率99
%)の3枚ミラーは、レーザー共振部を構成する。半導体レーザー(660 nm)からの励起出力120 mWにおいてLiSrAlF6 レーザーの発振（発振波長域850 nm)を確認した。発振を維持しながら、光学顕微鏡用の市販のカバーガラス６を共振器内に部分的に挿入した。このとき得られる出力を光スペクトラムアナライザによって観測し、多波長レーザーの同時発振を確認した。
Further, a planar reflecting mirror 7 is disposed at the destination where the laser beam emitted from the end face side of the non-reflective coating of the LiSrAlF 6 laser crystal 4 is reflected by the concave reflecting mirror 5 and travels. Crystal end mirror (100% reflectivity), concave mirror (100% reflectivity, radius of curvature 10 cm), plane reflector (reflectivity 99)
%) Three mirrors constitute a laser resonator. The oscillation of the LiSrAlF 6 laser (oscillation wavelength region 850 nm) was confirmed at an excitation output of 120 mW from the semiconductor laser (660 nm). While maintaining the oscillation, a commercially available cover glass 6 for an optical microscope was partially inserted into the resonator. The output obtained at this time was observed with an optical spectrum analyzer, and simultaneous oscillation of a multiwavelength laser was confirmed.
多波長レーザー発振装置を構成する部材の詳細は次のとおりである。
（１）半導体レーザー１：定電流源により200 mA（ミリアンペア）の電流を流すことにより、波長660 nm（ナノメートル）で120 mW（ミリワット）の光出力を得ることができるものである。DVD用の市販品を購入した。外径が5.6 mm のキャンタイプである。
（２）対物レンズ２：半導体レーザー１の出力を平行光に変換するために、倍率20倍の対物レンズを用いた。同等の開口数をもつ光学レンズであれば代替可能である。
Details of members constituting the multi-wavelength laser oscillation device are as follows.
(1) Semiconductor laser 1: An optical output of 120 mW (milliwatt) at a wavelength of 660 nm (nanometer) can be obtained by flowing a current of 200 mA (milliampere) from a constant current source. Purchased a commercial product for DVD. Can type with an outer diameter of 5.6 mm.
(2) Objective lens 2: In order to convert the output of the semiconductor laser 1 into parallel light, an objective lens with a magnification of 20 times was used. Any optical lens having an equivalent numerical aperture can be substituted.
（３）光学レンズ３：励起光のしきい値出力を低下させるために、平行光を集光ビームに変換してレーザー結晶に照射するためのレンズである。レーザー結晶の長さ方向に集光ビームの形状を維持するため、ある程度緩やかな集光がのぞましく、焦点距離10 cmの凸型光学レンズ（30mm径、材料 BK7）を用いた。焦点距離10 cmはこの種のレーザー構成では一般的な値である。 (3) Optical lens 3: A lens for converting parallel light into a condensed beam and irradiating the laser crystal to reduce the threshold output of excitation light. In order to maintain the shape of the focused beam in the length direction of the laser crystal, a moderately gentle focusing is desired, and a convex optical lens (30 mm diameter, material BK7) with a focal length of 10 cm was used. A focal length of 10 cm is a common value for this type of laser configuration.
（４）LiSrAlF6 レーザー結晶４：一般に、リサフまたはライサフレーザー結晶と読むが、ここではリサフとする。この実験ではリサフレーザー結晶を用いた。その理由は、波長選択可能な広帯域レーザー結晶（材料）であること、低価格な半導体レーザーで励起でき
ること、即ち、660 nm励起半導体レーザーはDVD用として大量に市販されているため、高出力〜200 mWタイプでも2万円程度と低価格であること、現在、市販されているガリウムヒ素半導体光伝導アンテナの感度に一致する出力波長をもつこと、が挙げられる。リサフレーザー結晶４のサイズは5 x 5 x 5 mm3である。励起光源側の端面に発振波長帯800〜900 nmの広帯域高反射（99%以上）コーティングが施され、その反対側の端面に広帯域無反射（1%以下）コーティングが施されているものを用いた。
(4) LiSrAlF 6 laser crystal 4: Generally read as Lisafu or Risafu laser crystal, but here it is Lisafu. In this experiment, a risaf laser crystal was used. The reason is that it is a wavelength-selectable broadband laser crystal (material) and can be excited by a low-cost semiconductor laser. That is, since a 660 nm-pumped semiconductor laser is commercially available for DVDs in large quantities, it has a high output of ~ 200 The mW type has a low price of about 20,000 yen and has an output wavelength that matches the sensitivity of a commercially available gallium arsenide semiconductor photoconductive antenna. The size of the Lissaf laser crystal 4 is 5 × 5 × 5 mm 3 . Uses an end face on the excitation light source side that has a broadband high-reflection (99% or more) coating with an oscillation wavelength band of 800 to 900 nm, and a non-reflective (1% or less) coating on the opposite end face. It was.
なお、この実施形態ではリサフレーザー結晶を用いたが、それ以外に、固体媒質としてはTi:sapphire（チタンサファイア結晶）、エルビウムドープファイバーなどが適用可能と考えられる。ただし、後者の中心波長は1550 nmであるので、その波長に感度をもつ半導体光伝導アンテナが必要となる。さらに、液体媒質は可視域で広帯域発振するので、一般的に知られた色素レーザーなどの液体レーザー媒質が適用可能と考えられる。 In this embodiment, the Lissaf laser crystal is used, but other than that, it is considered that Ti: sapphire (titanium sapphire crystal), erbium-doped fiber, etc. can be applied as the solid medium. However, since the central wavelength of the latter is 1550 nm, a semiconductor photoconductive antenna sensitive to that wavelength is required. Furthermore, since the liquid medium oscillates in a wide band in the visible range, a generally known liquid laser medium such as a dye laser is considered applicable.
（５）凹面反射鏡５：リサフレーザー結晶４から放射されるレーザービームを平行光に変換するため、曲率半径が10 cm、発振波長帯800〜900 nmにおいて高反射率（99 %以上）を有する凹面鏡５を配置した。凹面鏡５の径のサイズは12.5 mmである。
（６）カバーガラス６：マツナミ社製カバーガラス（ホウケイ酸ガラス（外形18×18 mm2））を使用した。カバーガラス６の厚さは、No.000（0.04 〜 0.06 mm）、 No.00（0.06 〜 0.08 mm）、 No.0（0.08 〜 0.12 mm）、 No.1（0.12 〜 0.17 mm）、 No.3（0.20 〜
0.29 mm）、 No.4（0.35 〜 0.45 mm）、 No.5（0.45 〜 0.60 mm）の計７種類のものを試した。
(5) Concave reflecting mirror 5: In order to convert the laser beam emitted from the Lissaf laser crystal 4 into parallel light, it has a curvature radius of 10 cm and a high reflectance (99% or more) in the oscillation wavelength band of 800 to 900 nm. A concave mirror 5 was arranged. The diameter of the concave mirror 5 is 12.5 mm.
(6) Cover glass 6: A cover glass (borosilicate glass (outside diameter 18 × 18 mm 2 )) manufactured by Matsunami was used. The thickness of the cover glass 6 is No.000 (0.04 to 0.06 mm), No.00 (0.06 to 0.08 mm), No.0 (0.08 to 0.12 mm), No.1 (0.12 to 0.17 mm), No. 3 (0.20 ~
0.29 mm), No. 4 (0.35 to 0.45 mm), and No. 5 (0.45 to 0.60 mm) were tested.
カバーガラスの厚さは、0.6mmかそれ以下のものが適当である。ガラスの厚さを大くし過ぎると損失が増える。また、カバーガラスをレーザー発振器の光路２１内に挿入すると複数の波長を選択的に透過させる櫛状のフィルタ特性を示すが、厚さが大きすぎるとその透過波長の間隔が狭まるという現象がおきる。一方、板厚が薄いと破損し易く、また高価になるので、0.04mm以上の板厚が適当である。 An appropriate cover glass thickness is 0.6 mm or less. If the glass is made too thick, the loss increases. In addition, when the cover glass is inserted into the optical path 21 of the laser oscillator, a comb-like filter characteristic that selectively transmits a plurality of wavelengths is shown. However, if the thickness is too large, the interval between the transmission wavelengths is reduced. On the other hand, if the plate thickness is thin, it is easily damaged and expensive, so a plate thickness of 0.04 mm or more is appropriate.
実験より得られた知見では、板厚が0.22〜0.27mmの範囲のカバーガラスを用いることがさらに好ましい。なぜならば、テラヘルツ帯は0.1〜10THzの周波数帯としてで定義されるが、上記範囲よりも非常に薄いカバーガラスは0.1〜1THzの周波数帯域をカバーする2波長発振を発生しにくく、逆に上記範囲よりも非常に厚いカバーガラスは5〜10THz付近をカバーする2波長を発生しにくいからである。これに対して、0.22mm〜0.27mmの板厚のカバーガラスは、光路への挿入角を調整することによって、テラヘルツ帯のほぼ全域を１枚でカバーできる見込みがある。0.22mmのものと0.27mmのものは、ほぼ同等の実験結果が得られた。なお、実験による確認はまだできていないが、0.22〜0.27mmの範囲内でなくても、それに近い板厚であれば、テラヘルツ帯がカバーできる可能性はある。例えば、前記実験に用いたカバーガラスのうちNo.3（0.20 〜 0.29 mm）の種類のものはすべてより好ましい範囲に入る可能性がある。 According to the knowledge obtained from the experiment, it is more preferable to use a cover glass having a thickness of 0.22 to 0.27 mm. This is because the terahertz band is defined as a frequency band of 0.1 to 10 THz, but a cover glass that is much thinner than the above range is unlikely to generate two-wavelength oscillation covering the frequency band of 0.1 to 1 THz, and conversely the above range This is because an extremely thick cover glass is less likely to generate two wavelengths covering the vicinity of 5 to 10 THz. On the other hand, a cover glass having a thickness of 0.22 mm to 0.27 mm is likely to cover almost the entire terahertz band with a single sheet by adjusting the insertion angle into the optical path. The 0.22mm and 0.27mm ones gave almost the same experimental results. Although it has not been confirmed by experiments yet, even if it is not within the range of 0.22 to 0.27 mm, there is a possibility that the terahertz band can be covered if the plate thickness is close to that. For example, all the types of cover glass used in the experiment No. 3 (0.20 to 0.29 mm) may be in a more preferable range.
実験によれば、板厚が0.22〜0.27mmの範囲のカバーガラスを光路２１の断面の一部に配置した場合は、テラヘルツ域の上限に相当する10テラヘルツの周波数差をもつ2波長出力が得られた。また、前記範囲の厚さを有するカバーガラスを用いた場合は出力パワーの減衰が小さく、光路２１中にカバーガラスを配置しない場合に対し約85％の光出力が得られた。 According to the experiment, when a cover glass having a thickness of 0.22 to 0.27 mm is arranged in a part of the cross section of the optical path 21, a two-wavelength output having a frequency difference of 10 terahertz corresponding to the upper limit of the terahertz region is obtained. It was. In addition, when the cover glass having the thickness in the above range was used, the attenuation of the output power was small, and an optical output of about 85% was obtained compared to the case where the cover glass was not disposed in the optical path 21.
また、カバーガラスの光路２１に対する配置角度や挿入率を変化することにより、テラヘルツ域の下限である0.1テラヘルツに近い0.3テラヘルツの周波数差をもつ多波長出力も得られた。ここで、挿入率とは、光路を通過するレーザー光のうち、カバーガラスが配置された部分を通過する光成分とカバーガラスが配置されない部分を通過する光成分の光パ
ワーの総計に対し、カバーガラスが配置された部分を通過する光成分の光パワーをパーセントで表した数値である。
Further, by changing the arrangement angle and the insertion rate of the cover glass with respect to the optical path 21, a multi-wavelength output having a frequency difference of 0.3 terahertz close to 0.1 terahertz, which is the lower limit of the terahertz region, was obtained. Here, the insertion rate refers to the total of the optical power of the light component that passes through the portion where the cover glass is disposed and the light component that passes through the portion where the cover glass is not disposed in the laser light passing through the optical path. It is a numerical value that expresses the optical power of the optical component that passes through the portion where the glass is disposed, in percent.
さらに、板厚が0.22〜0.27mmの範囲のいずれかで一様な厚さを有するカバーガラスを用いて、２１に対する角度や挿入率を変化させると、１枚でほぼテラヘルツ域（0.1〜10テララヘルツ）を覆う多波長出力が得られた Furthermore, when a cover glass having a uniform thickness in the range of 0.22 to 0.27 mm is used and the angle and the insertion ratio with respect to 21 are changed, one sheet is almost in the terahertz range (0.1 to 10 terahertz). Multi-wavelength output covering
なお、この実施形態ではホウケイ酸ガラス素材を用いて多波長発振現象が生じることを確認しているが、レーザー発振器の光路２１に部分挿入する波長選択素子の材質はこれに限定されず、対象波長域で光学エタロンとして作用する材料、素子であれば代替可能であると考えられる。例えば、ホウケイ酸ガラス以外の材質からなるガラス、即ち、ケイ酸ガラス、ケイ酸アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、カリ石灰ガラス、鉛ガラス、バリウムガラス等、および、ガラス以外の透明樹脂、例えば、ポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂等でもその可能性はあると考えられる。 In this embodiment, it has been confirmed that a multi-wavelength oscillation phenomenon occurs using a borosilicate glass material, but the material of the wavelength selection element that is partially inserted into the optical path 21 of the laser oscillator is not limited to this, and the target wavelength Any material or element that acts as an optical etalon in the region can be considered as a substitute. For example, glass made of a material other than borosilicate glass, that is, silicate glass, alkali silicate glass, soda lime glass, potash lime glass, lead glass, barium glass, and the like, and transparent resin other than glass, for example, polycarbonate resin It is considered that such a possibility is also possible with acrylic resin or the like.
なお、実験では波長選択素子として光学顕微鏡用のカバーガラスを用いたため、波長選択素子の厚さは一様である。しかし、たとえば台形のように厚さが徐々に変わる板状の波長選択素子または厚さが階段状に変わる板状の波長選択素子であっても、多波長同時発振用が得られる可能性はある。 In the experiment, since the cover glass for an optical microscope is used as the wavelength selection element, the thickness of the wavelength selection element is uniform. However, there is a possibility that multi-wavelength simultaneous oscillation can be obtained even with a plate-like wavelength selection element whose thickness changes gradually, such as a trapezoid, or a plate-like wavelength selection element whose thickness changes stepwise. .
また、市販のエタロンは、光路に挿入する波長選択素子としては不適当であると考えられる。そもそも、市販のエタロンは光路に全挿入して所定の周波数のみを選択するための光学素子でありこの発明に係る波長選択素子とは目的、機能が異なるからである。また、市販のエタロンには機械的な縁があり、そのために損失を増大させたり、出力光のビーム形状（分布）が最適にならかったりするなど、問題が生じこの発明には不適であることが予想される。 Moreover, it is considered that a commercially available etalon is not suitable as a wavelength selection element to be inserted into the optical path. In the first place, a commercially available etalon is an optical element that is fully inserted into the optical path and selects only a predetermined frequency, and has a different purpose and function from the wavelength selection element according to the present invention. Also, commercially available etalon has a mechanical edge, which causes problems such as increased loss and optimized beam shape (distribution) of output light, and is not suitable for this invention. Is expected.
（７）平面反射鏡（出力鏡）７：固体レーザーは一般的に光閉じ込め率が高くなければ発振しないため、発振波長帯800〜900 nmにおいて反射率99%の平面反射鏡を用いて出力鏡とした。即ち、1%の透過光を出力光として外部に取り出すようにした。カバーガラス６を光路２１に挿入しない場合、最大でおよそ5 mW程度の平均出力強度を得た。なお、平面反射鏡７の径のサイズは12.5 mmである。 (7) Planar reflector (output mirror) 7: Since solid lasers generally do not oscillate unless the optical confinement ratio is high, an output mirror is used by using a planar reflector having a reflectance of 99% in the oscillation wavelength band of 800 to 900 nm. It was. In other words, 1% of transmitted light was taken out as output light. When the cover glass 6 was not inserted into the optical path 21, an average output intensity of about 5 mW at maximum was obtained. The diameter of the plane reflecting mirror 7 is 12.5 mm.
≪実験手順≫
図１の実験系を用いて、以下の手順（１）−（５）によって実験を行った。
（１）定電流源を用いて660 nm波長の励起用半導体レーザー１に200 mAの電流を流し、120 mW出力を得た。
（２）対物レンズ２を介してリサフレーザー結晶４に励起光を集光した。入射側と逆の端面、即ち、無反射コーティングが施された端面の側から発する蛍光（波長約850 nm）をリサフレーザー結晶４の入射側端面の高反射コーティング、凹面反射鏡５、出力鏡７の３枚鏡からなるレーザー共振部内に閉じ込めた。
≪Experimental procedure≫
Experiments were performed by the following procedures (1) to (5) using the experimental system of FIG.
(1) Using a constant current source, a current of 200 mA was passed through the pumping semiconductor laser 1 having a wavelength of 660 nm to obtain 120 mW output.
(2) The excitation light was condensed on the Risaf laser crystal 4 through the objective lens 2. Fluorescence (wavelength of about 850 nm) emitted from the end surface opposite to the incident side, that is, the side of the end surface on which the non-reflective coating is applied, is a highly reflective coating on the incident side end surface of the resurf laser crystal 4, a concave reflecting mirror 5, and an output mirror 7 It was confined in the laser resonance part consisting of three mirrors.
（３）各鏡の角度、あおりを調整してレーザー発振させた。99%反射の出力鏡７を用いて、最大5 mW程度の出力が得られた。
（４）カバーガラス６を用意し、図１に示すように共振器内の平行光が存在する箇所にそのレーザービームを遮るように垂直方向にカバーガラスを挿入した。
（５）カバーガラスの挿入位置、挿入角度を変化させ、それぞれの条件のもとで、平均出力強度、光強度スペクトル、ビーム形状を測定した。
(3) Laser oscillation was performed by adjusting the angle and tilt of each mirror. Using a 99% reflective output mirror 7, a maximum output of 5 mW was obtained.
(4) The cover glass 6 was prepared, and the cover glass was inserted in the vertical direction so as to block the laser beam at the location where the parallel light was present in the resonator as shown in FIG.
(5) The cover glass insertion position and insertion angle were changed, and the average output intensity, light intensity spectrum, and beam shape were measured under the respective conditions.
≪実験結果≫
図３および図４は、図１の多波長レーザー発振装置の光路２１中に、厚さ220 μmのカバーガラス６を部分挿入および全挿入したときに得られる出力光の光強度スペクトルの測定結果を示すグラフである。共振器へのカバーガラス６の挿入角度はほぼ垂直とした。以下に、測定結果について説明する。
≪Experimental results≫
3 and 4 show the measurement results of the light intensity spectrum of the output light obtained when the cover glass 6 having a thickness of 220 μm is partially and fully inserted into the optical path 21 of the multi-wavelength laser oscillation device of FIG. It is a graph to show. The insertion angle of the cover glass 6 into the resonator was almost vertical. Below, a measurement result is demonstrated.
１．カバーガラス６を共振器へ挿入しない場合、図３(b)のように860 nm付近での連続スペクトルが観測される。実際は共振器長によってきまる多モード発振が、分光器の分解能が低いために連続的スペクトルとして観測されている
２．そのときの平均出力は4.5 mWであった（図４参照）。
３．カバーガラス６の挿入位置を変化させると、ある挿入位置において図３(c)のような明確な2波長発振が生じた。この場合の波長差は6.4 nm（周波数差2.6テラヘルツ）であり、220 μm厚ガラスの光学エタロン効果で決まる波長差1.1 nmの6倍となった。
1. When the cover glass 6 is not inserted into the resonator, a continuous spectrum near 860 nm is observed as shown in FIG. Actually, the multimode oscillation determined by the resonator length is observed as a continuous spectrum due to the low resolution of the spectrometer. The average power at that time was 4.5 mW (see FIG. 4).
3. When the insertion position of the cover glass 6 was changed, a clear two-wavelength oscillation as shown in FIG. 3C occurred at a certain insertion position. The wavelength difference in this case was 6.4 nm (frequency difference 2.6 terahertz), which was six times the wavelength difference 1.1 nm determined by the optical etalon effect of 220 μm thick glass.
４．2波長発振時の平均出力は3.9 mWであった（図４参照）。
５．図３(a)は、カバーガラス６の挿入位置を縦軸にとり、スペクトル強度をコントラストによって示したグラフである。明確な2波長発振以外にも挿入位置に応じて、多波長発振の形態で発振波長が制御されていることがわかる。詳細に調べると1.1 nmの整数倍の波長差をもつ多波長発振が生じている。
６．2波長発振において、最大で10テラヘルツに相当する波長差を観測した。
以上の現象は、カバーガラス６の厚さを変化させた場合も同様に得られた。
The average output at 4.2 wavelength oscillation was 3.9 mW (see Fig. 4).
5). FIG. 3 (a) is a graph in which the insertion position of the cover glass 6 is taken on the vertical axis and the spectral intensity is shown by contrast. In addition to the clear two-wavelength oscillation, it can be seen that the oscillation wavelength is controlled in the form of multiwavelength oscillation according to the insertion position. When examined in detail, multi-wavelength oscillation with a wavelength difference of an integral multiple of 1.1 nm occurs.
6.2 Wavelength difference equivalent to 10 terahertz was observed at maximum in 2 wavelength oscillation.
The above phenomenon was similarly obtained when the thickness of the cover glass 6 was changed.
図５は、図１の２波長レーザー発振装置の光路２１中に、厚さ80μmのカバーガラス６を部分挿入および全挿入したときに得られる出力光の光強度スペクトルの測定結果を示すグラフである。
７．カバーガラス６を全挿入した図５(a)では、カバーガラス６が通常の意味での光学エタロンとして作用し、その光学厚で決まる波長差3.2 nm（周波数差1.3テラヘルツ）に一致した多モード発振が観測された。
８．カバーガラス６を部分挿入した場合（図５(b)）、図５(a)の３倍の波長差（9.6 nm、周波数差3.9テラヘルツに相当）をもつほぼ2波長発振を観測した。
FIG. 5 is a graph showing the measurement result of the light intensity spectrum of the output light obtained when the cover glass 6 having a thickness of 80 μm is partially and fully inserted into the optical path 21 of the two-wavelength laser oscillation device of FIG. .
7). In FIG. 5 (a) with the cover glass 6 fully inserted, the cover glass 6 acts as an optical etalon in the normal sense, and multimode oscillation that matches the wavelength difference 3.2 nm (frequency difference 1.3 terahertz) determined by the optical thickness. Was observed.
8). When the cover glass 6 was partially inserted (FIG. 5 (b)), almost two-wavelength oscillation having a wavelength difference (9.6 nm, corresponding to a frequency difference of 3.9 terahertz) three times that of FIG. 5 (a) was observed.
以下に、一連の実験で得た知見を列挙する。
１．図４に示すように、カバーガラス６の挿入位置が深くなると、出力強度が急激に下がり発振が停止するという傾向は、カバーガラス６の厚さによらず見られる。ただし、全挿入位置までカバーガラス６を挿入すると再び発振する。
The following is a list of findings obtained from a series of experiments.
1. As shown in FIG. 4, when the insertion position of the cover glass 6 becomes deeper, the tendency that the output intensity rapidly decreases and the oscillation stops is seen regardless of the thickness of the cover glass 6. However, when the cover glass 6 is inserted to the full insertion position, it oscillates again.
２．発振が停止する位置は、カバーガラス６の厚さ（あるいは質、平行度やエッジ処理など）に強く依存し、今回の実験ではレーザー共振部内のレーザービーム径（ガウシアン分布の半値幅）は0.7 mmである。これに対し、カバーガラス６の厚さが220 μmの場合、レーザービームの中心を越えて、0.27 mm深く挿入した位置で発振が停止した。一方、カバーガラス６の厚さが150 μmの場合、レーザービームの中心から、0.59 mm離れた浅い挿入位置で発振が停止した。
３．明確な2波長発振は、どの厚さでも発振停止位置より100 μm程度挿入位置が浅いところで生じたが、カバーガラス６の厚さが220 μmの場合には、50 μm程度の狭い範囲で連続的に観測され、カバーガラス６の厚さが150 μmの場合には、500 μm程度の広い範囲の離散的な位置で観測された。
2. The position where the oscillation stops depends strongly on the thickness of the cover glass 6 (or quality, parallelism, edge processing, etc.). In this experiment, the laser beam diameter in the laser resonator (half-width of Gaussian distribution) is 0.7 mm. It is. On the other hand, when the thickness of the cover glass 6 was 220 μm, the oscillation stopped at the position where it was inserted 0.27 mm deep beyond the center of the laser beam. On the other hand, when the thickness of the cover glass 6 was 150 μm, the oscillation stopped at a shallow insertion position 0.59 mm away from the center of the laser beam.
3. A clear two-wavelength oscillation occurred at a depth of about 100 μm from the oscillation stop position at any thickness, but when the cover glass 6 was 220 μm thick, it was continuously in a narrow range of about 50 μm. When the cover glass 6 has a thickness of 150 μm, it was observed at a wide range of discrete positions of about 500 μm.
４．2波長発振は、各厚さのカバーガラスについて、いずれも発振停止位置より共振器外へカバーガラスを抜き去る方向へ移動させたとき、前記発振停止位置からおよそ0.1 mm〜0.15mmだけ移動した位置にある0.05mm程度の範囲で明確に観測された。
５．220μmの厚さのカバーガラスを用いた実験において、2波長発振が明確に観測される
位置にカバーガラスを部分挿入し、光路２１の垂直断面に対しておよそ30度傾けて配置したところ、2波長出力の波長間隔が0.5 nm拡がった。周波数に換算すると0.21テラヘルツ程度の拡大となり、カバーガラスの斜め配置により、周波数差が掃引可能となることを確認した
６．カバーガラス６の部分挿入、全挿入、全ての場合において、ビーム径は0.7 mmで一定であり、出力光のビーム形状はビームの中心部をピークとするガウシアン分布を維持していた。
4. Two-wavelength oscillation is moved by approximately 0.1 mm to 0.15 mm from the oscillation stop position when the cover glass of each thickness is moved from the oscillation stop position to the outside of the resonator in the direction of removing the cover glass. It was clearly observed in the range of about 0.05mm at the position.
5. In an experiment using a cover glass with a thickness of 220 μm, when the cover glass is partially inserted at a position where two-wavelength oscillation is clearly observed and arranged at an angle of about 30 degrees with respect to the vertical section of the optical path 21, The wavelength interval between the two wavelength outputs has increased by 0.5 nm. When converted to frequency, it was expanded to about 0.21 terahertz, and it was confirmed that the frequency difference can be swept by the oblique placement of the cover glass. In the partial insertion, full insertion, and all cases of the cover glass 6, the beam diameter was constant at 0.7 mm, and the beam shape of the output light maintained a Gaussian distribution with the peak at the center of the beam.
≪実験と数値シミュレーション≫
カバーガラス６を共振器内に徐々に挿入すると、ある位置で発振が停止する。その位置を基準として、共振器外へ取り外す方向にカバーガラス６の位置を変化させた。厚さ220 μmのカバーガラス６を用いたときの光強度スペクトルの変化を図３に示す。横軸を波長、縦軸をカバーガラス６の挿入位置とし、得られたスペクトル強度に応じたコントラストでプロットした。カバーガラス位置が0.30 mm以上の範囲ではカバーガラス６のエタロン効果が低下し、波長選択性が見られず連続的なスペクトルが観測された。一方、カバーガラス位置が-0.15 mmの付近では、挿入損失の影響を大きく受けることなく、波長差約6.4 nm（周波数差2.6 THz）の明確な2波長発振が観測された。この波長差は、カバーガラス６の厚さで決定される光学エタロンの自由スペクトル領域の6倍に相当する。
≪Experiment and numerical simulation≫
When the cover glass 6 is gradually inserted into the resonator, the oscillation stops at a certain position. With the position as a reference, the position of the cover glass 6 was changed in the direction of removal from the resonator. FIG. 3 shows changes in the light intensity spectrum when the cover glass 6 having a thickness of 220 μm is used. The horizontal axis is the wavelength, the vertical axis is the insertion position of the cover glass 6, and the plot is plotted with the contrast according to the obtained spectrum intensity. When the cover glass position was in the range of 0.30 mm or more, the etalon effect of the cover glass 6 was reduced, and a continuous spectrum was observed with no wavelength selectivity. On the other hand, when the cover glass position was near -0.15 mm, a clear two-wavelength oscillation with a wavelength difference of about 6.4 nm (frequency difference 2.6 THz) was observed without being greatly affected by insertion loss. This wavelength difference corresponds to six times the free spectral region of the optical etalon determined by the thickness of the cover glass 6.
次に厚さ80μmのカバーガラス６を完全挿入した場合、および部分的に挿入した場合に得られた光強度スペクトルの一例を図５(a)、(b)にそれぞれ示す。図５(a)では全光強度1.7 mW、波長差が約3.2 nm (周波数差1.3 THz)の多モード発振が観測された。この波長差は、カバーガラス６を光学エタロンとする自由スペクトル領域に一致する。一方、カバーガラス６を部分挿入した図５(b)では全光強度2.8 mW、波長差が約9.6 nm（周波数差3.9 THz）の2波長発振が観測された。カバーガラス６を挿入しない場合の光強度（4.3 mW）に比べ、図５(a)は40%、図５(b)は70%の光強度となり、部分挿入時には、損失を抑制した2波長発振が得られることを確認した。 Next, examples of light intensity spectra obtained when the cover glass 6 having a thickness of 80 μm is completely inserted and partially inserted are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), respectively. In FIG. 5 (a), multimode oscillation with a total light intensity of 1.7 mW and a wavelength difference of about 3.2 nm (frequency difference of 1.3 THz) was observed. This wavelength difference coincides with a free spectral region in which the cover glass 6 is an optical etalon. On the other hand, in FIG. 5B in which the cover glass 6 was partially inserted, two-wavelength oscillation with a total light intensity of 2.8 mW and a wavelength difference of about 9.6 nm (frequency difference 3.9 THz) was observed. Compared to the light intensity when the cover glass 6 is not inserted (4.3 mW), the light intensity is 40% in Fig. 5 (a) and 70% in Fig. 5 (b). It was confirmed that
≪実験結果に基づく知見≫
以上の実験結果から、次の知見を得た。
１．多波長発振範囲は、径（半値幅）が0.7mmのレーザービームにカバーガラスの先端を挿入していくとやがてレーザー発振が停止する。発振停止位置からカバーガラスを徐々に抜いていくと、少し移動した位置から多波長発振が観測され、発振停止位置から0.3mm程度はなれた位置までの範囲で多波長発振観測された（ビーム径に対する挿入長さの割合は約43％）。そこで、多波長発振が観測される範囲をカバーガラスの挿入率に換算すると、最も深い挿入位置での挿入率は70%、浅い挿入位置での挿入率は10%であった。ただし、その範囲はカバーガラスの厚さや個体差により異なる。なお、観測結果に基づき、レーザービームの形状はビームの中心部をピークとするガウシアン分布であるとしている。
≪Knowledge based on experimental results≫
The following knowledge was obtained from the above experimental results.
1. In the multi-wavelength oscillation range, laser oscillation will eventually stop when the tip of the cover glass is inserted into a laser beam with a diameter (half width) of 0.7 mm. When the cover glass is gradually removed from the oscillation stop position, multi-wavelength oscillation is observed from a slightly moved position, and multi-wavelength oscillation is observed in a range from the oscillation stop position to a position about 0.3 mm away (with respect to the beam diameter). Insertion length ratio is about 43%). Therefore, when the range in which multi-wavelength oscillation was observed was converted into the insertion rate of the cover glass, the insertion rate at the deepest insertion position was 70%, and the insertion ratio at the shallow insertion position was 10%. However, the range varies depending on the thickness of the cover glass and individual differences. Based on the observation results, the shape of the laser beam is assumed to be a Gaussian distribution having a peak at the center of the beam.
２．１の範囲は全て発振安定領域とみなされるが、光パワーが強く維持できる範囲としては、発振停止位置から0.3mmまでの区間のうち、はじめの0.05mmをのぞく、0.25mmといえる（ビーム径に対する挿入長さの割合は約36％）。
３．明確な2波長発振する領域は、発振停止位置から0.3mmまでの区間のうち、0.1mmから0.15mmまでの0.05mmである（ビーム径に対する挿入長さの割合は約7％）。
The range of 2.1 is regarded as an oscillation stable region, but the range in which the optical power can be maintained strongly is 0.25 mm except for the first 0.05 mm in the section from the oscillation stop position to 0.3 mm (beam The ratio of insertion length to diameter is approximately 36%).
3. The clear two-wavelength oscillation region is 0.05 mm from 0.1 mm to 0.15 mm in the section from the oscillation stop position to 0.3 mm (the ratio of the insertion length to the beam diameter is about 7%).
この実験結果を理論的に検証すべく、後述する多モードレート方程式を用いて2波長発振動作に対する数値シミュレーションを行った。エタロンによる繰り返し干渉効果と部分挿入時のビーム間光路差の影響をレーザー利得に考慮した。その結果、図５の実験結果に一致する光強度スペクトル（図９(a)、(b)）が得られることを確認した。次に、理論的な検証の詳細を説明する。 In order to theoretically verify the experimental results, a numerical simulation for a two-wavelength oscillation operation was performed using the multimode rate equation described later. The effect of the repetitive interference by the etalon and the effect of the optical path difference between the beams during partial insertion were considered in the laser gain. As a result, it was confirmed that a light intensity spectrum (FIGS. 9A and 9B) consistent with the experimental result of FIG. 5 was obtained. Next, the details of theoretical verification will be described.
≪理論的検証≫
レーザー共振部内へ光学エタロンを部分挿入した場合の発振理論は、発明者の知る限りこれまで報告がされていない。ところで、通常の光学エタロン（図６参照）については、以下のことが周知である。
≪Theoretical verification≫
As far as the inventor is aware, the oscillation theory when the optical etalon is partially inserted into the laser resonator has not been reported so far. Incidentally, the following is well known for a normal optical etalon (see FIG. 6).
１．エタロンが高透過率となる周波数間隔δfはc/2nd（ただし、c:光速、 n:エタロン屈折率、 d:エタロン厚）で求まる。
２．エタロン厚（光学長＝ガラス厚さ×屈折率）と光のエタロンへの入射角度に依存して、透過率スペクトルの最大値の周波数間隔が変動する。
３．ガラス程度の反射率（4 %）の場合、透過率はスペクトル上で正弦波的な変動となり、透過率変動の幅は20 %以内である。
この発明に係るレーザーの２波長発振動作を数値的に解析するため、一般的なレーザー発振器に用いられるレート方程式、
1. The frequency interval δf at which the etalon has a high transmittance is obtained by c / 2nd (where c: speed of light, n: etalon refractive index, d: etalon thickness).
2. Depending on the etalon thickness (optical length = glass thickness × refractive index) and the incident angle of light on the etalon, the frequency interval of the maximum value of the transmittance spectrum varies.
3. In the case of a reflectance (4%) of the order of glass, the transmittance is a sinusoidal fluctuation on the spectrum, and the width of the transmittance fluctuation is within 20%.
In order to numerically analyze the two-wavelength oscillation operation of the laser according to the present invention, a rate equation used for a general laser oscillator,
（１）式に対して、この発明に係る波長選択素子（カバーガラス）の部分挿入を考慮する。
共振器内光ビームのうち、カバーガラスを通過する光パワーの割合をx（0 ≦ x ≦ 1）とする。ここで、xは前述したカバーガラスの挿入率の100分の1に相当する値である。カバーガラスが挿入されたビーム成分に対するエタロン効果による透過率Tとカバーガラスを通過する光成分と通過しない光成分間の位相差φを考慮すると、（１）式は、
Considering partial insertion of the wavelength selection element (cover glass) according to the present invention with respect to the equation (1).
The ratio of the optical power passing through the cover glass in the intracavity light beam is assumed to be x (0 ≦ x ≦ 1). Here, x is a value corresponding to 1/100 of the above-described cover glass insertion rate. Considering the transmittance T due to the etalon effect for the beam component into which the cover glass is inserted and the phase difference φ between the light component that passes through the cover glass and the light component that does not pass through, the equation (1) is
である。ここで、R：エタロン（カバーガラス）の表面および裏面の反射率、δ：エタロン内１往復で生じる位相差、ｄ：エタロン厚さ、λ：波長、n：エタロン屈折率、θ：エタロンへの入射角である。
また、位相差φは、入射角θのときのエタロン中の光路d1とエタロン外の光路d2の往復光路差に波数（2π／λ）を乗じた以下の式となる。
It is. Here, R: reflectance of the front and back surfaces of the etalon (cover glass), δ: phase difference generated by one round trip within the etalon, d: etalon thickness, λ: wavelength, n: etalon refractive index, θ: etalon Incident angle.
Further, the phase difference φ is obtained by multiplying the reciprocal optical path difference between the optical path d 1 in the etalon and the optical path d 2 outside the etalon at the incident angle θ by the wave number (2π / λ).
結果として、レーザーの微分利得の表現にエタロン効果が含まれた。
具体的には、ビームの光パワーのうち割合x はエタロンフィルタ効果、およびエタロンを通過する光電界と通過しない光電界間の位相差を含む表現で微分利得に作用させ、残りの光パワー成分（1−x）は、通常の微分利得を作用させる計算を行う（図７、図８参照）。この数値モデルに基づいてシミュレーションを行った。
As a result, the etalon effect was included in the expression of the differential gain of the laser.
Specifically, the ratio x of the optical power of the beam acts on the differential gain with an expression including the etalon filter effect and the phase difference between the optical electric field passing through the etalon and the optical electric field not passing through the etalon, and the remaining optical power component ( 1−x) performs a calculation for applying a normal differential gain (see FIGS. 7 and 8). Simulation was performed based on this numerical model.
エタロンは上式δにもとづいて周波数軸上で透過率変動の周期（自由スペクトル領域）をもつ。これに対して、エタロン部を通過する光成分と通過しない光成分間の位相差φは、この透過率変動の周期を長くする方向に作用する。例えば、垂直入射θ=0の場合でエタロン（カバーガラス）の屈折率を1.5とすると、エタロンは、 The etalon has a cycle of transmittance variation (free spectral region) on the frequency axis based on the above equation δ. On the other hand, the phase difference φ between the light component that passes through the etalon part and the light component that does not pass through acts on the direction in which the cycle of the transmittance variation is lengthened. For example, if the incident angle θ = 0 and the refractive index of the etalon (cover glass) is 1.5, the etalon is
となり、エタロンの本来の周期の3倍となる。したがって、ビーム全体では、エタロンの自由スペクトル領域で決定される周波数間隔よりも広い間隔、特に3倍の間隔で透過率が高くなり、その周波数差をもつ2波長ならびに多波長発振が生じやすい。
図９は、得られた数値モデルに基づいて図５に対応する条件でシミュレーションを行った結果を示すグラフである。図９の計算結果は以上のことに合致する。
この数値モデルによって、レーザー共振器にエタロンを部分挿入すると、エタロンの厚さで決まる自由スペクトル領域よりも広い周波数差をもつ2波長発振（あるいは多波長発振）が本質的に生じやすいことを説明することができた。
It becomes three times the original period of etalon. Therefore, the transmittance of the entire beam becomes higher at an interval wider than the frequency interval determined in the free spectral region of the etalon, particularly at an interval of 3 times, and two-wavelength and multiwavelength oscillations with the frequency difference are likely to occur.
FIG. 9 is a graph showing the results of simulation under the conditions corresponding to FIG. 5 based on the obtained numerical model. The calculation results in FIG. 9 agree with the above.
This numerical model explains that when a etalon is partially inserted into a laser resonator, two-wavelength oscillation (or multiwavelength oscillation) with a wider frequency difference than the free spectral region determined by the thickness of the etalon is inherently likely to occur. I was able to.
≪カバーガラスの挿入角度の影響≫
図１０は、この発明に係る数値モデルにおいて、エタロンとしてのカバーガラス６を回転させ、光路の垂直断面に対する角度（挿入角）を変化させたとき、2波長発振出力への影響について得られた計算結果を示すグラフである。（ａ）は、挿入角0度、即ち、光路に垂直にカバーガラスが配置された状態での特性である。これに対し、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ挿入角が20度、40度、60度の場合の特性を示す。図１０に係る計算では、挿入角0度の（ａ）において2テラヘルツの差周波をもつ2波長発振出力を基準としている。挿入角θを20度、40度と大きくすると、上式のδやφに依存して、透過率の周期が長
くなり、2波長出力の周波数差が広がる。しかし、挿入角60度の(d)のように透過率の周期が広がりすぎると、2波長発振から通常のレーザー共振器長にもとづく多モード発振に移行する。この数値見積もりでは、垂直入射から±45度（−は光路上での対称性を考慮して付加している）の入射角まで、2波長発振を維持し、その周波数差は2テラヘルツから3テラヘルツまで1テラヘルツ掃引（50％拡大）できることを確認した。
≪Effect of cover glass insertion angle≫
FIG. 10 shows the calculation obtained for the influence on the two-wavelength oscillation output when the cover glass 6 as the etalon is rotated and the angle (insertion angle) with respect to the vertical section of the optical path is changed in the numerical model according to the present invention. It is a graph which shows a result. (A) is a characteristic in the state where the insertion angle is 0 degree, that is, the cover glass is arranged perpendicular to the optical path. On the other hand, (b), (c), and (d) show the characteristics when the insertion angle is 20 degrees, 40 degrees, and 60 degrees, respectively. The calculation according to FIG. 10 is based on a two-wavelength oscillation output having a difference frequency of 2 terahertz at (a) with an insertion angle of 0 degrees. When the insertion angle θ is increased to 20 degrees and 40 degrees, the transmittance cycle becomes longer and the frequency difference between the two wavelength outputs is widened depending on δ and φ in the above formula. However, if the transmittance period is too wide as in (d) with an insertion angle of 60 degrees, the mode shifts from two-wavelength oscillation to multimode oscillation based on the normal laser cavity length. In this numerical estimate, two-wavelength oscillation is maintained from normal incidence to the incident angle of ± 45 degrees (-is added in consideration of symmetry on the optical path), and the frequency difference is 2 to 3 terahertz. 1 terahertz sweep (50% expansion) was confirmed.
図１１は、この発明に係る数値モデルおいて、エタロンとしてのカバーガラス６の挿入角に対する周波数差の変化を示すグラフである。挿入角θゼロは、カバーガラス６が光路に垂直に配置された状態に相当する。図１１に示すように、前記挿入角に対する周波数差の変化直線的でなく、挿入角が45度に近づくにつれて大きく変動する傾向をもつ。 FIG. 11 is a graph showing changes in the frequency difference with respect to the insertion angle of the cover glass 6 as an etalon in the numerical model according to the present invention. The insertion angle θ of zero corresponds to a state in which the cover glass 6 is arranged perpendicular to the optical path. As shown in FIG. 11, the change in frequency difference with respect to the insertion angle is not linear, and tends to vary greatly as the insertion angle approaches 45 degrees.
ただし、この数値モデルでは、エタロン挿入率の適合範囲を見積もることはできない。なぜなら、このモデルは完全にコヒーレントな状態にある光波しか扱えず、またエタロンの端部における散乱、回折の影響も考慮できないために、エタロンの挿入率が1%とごく僅かであっても、その影響はコヒーレントに加算され、やがて2波長発振に至るためである。つまり、0%（非挿入）と100%（完全挿入）以外の挿入率では、2波長を含む多波長発振出力が得られる。一般的に光波のインコヒーレントな状態を数値的に扱うことは困難であるため、エタロン挿入率の適合範囲は実験的に見積もることが必要と思われる。
以下に、シミュレーションの結果から得られる知見を説明する。
However, this numerical model cannot estimate the fitting range of the etalon insertion rate. Because this model can only handle light waves in a completely coherent state and cannot consider the effects of scattering and diffraction at the end of the etalon, even if the insertion rate of the etalon is as small as 1%, This is because the influence is added coherently and eventually reaches two-wave oscillation. That is, a multi-wavelength oscillation output including two wavelengths can be obtained at insertion rates other than 0% (non-insertion) and 100% (complete insertion). In general, it is difficult to numerically handle the incoherent state of a light wave, so it seems necessary to experimentally estimate the fitting range of the etalon insertion rate.
Hereinafter, knowledge obtained from the results of the simulation will be described.
≪理論的検証に基づく知見≫
１．全挿入時（x=1）には、図５(a)の実験結果に一致する多モード発振の計算結果（図９(a)）が得られたことより、数値モデルの有効性が確認された。
２．xの値を1より小さくすると、エタロン厚で決定する周波数間隔の３倍の間隔で2波長発振が生じやすいことを見出した。x＝0.5のときの計算例を図９(b)に示す。これは図５(b)の結果に一致する。
３．xの値（エタロンの挿入位置）自体は2波長発振にほとんど依存しないこともわかった。
４．エタロンが理想的な平行平板であると仮定すると、入射角を変化させることにより、発振波長差（2波長含む多波長発振）を走査することができると考えられる。
≪Knowledge based on theoretical verification≫
1. At the time of full insertion (x = 1), the effectiveness of the numerical model was confirmed by obtaining the calculation result of multimode oscillation (Fig. 9 (a)) that agrees with the experimental result of Fig. 5 (a). It was.
2. It has been found that when the value of x is smaller than 1, two-wavelength oscillation is likely to occur at an interval three times the frequency interval determined by the etalon thickness. An example of calculation when x = 0.5 is shown in FIG. This agrees with the result of FIG.
3. It was also found that the value of x (the etalon insertion position) itself hardly depends on the two-wavelength oscillation.
4). Assuming that the etalon is an ideal parallel plate, it is considered that the oscillation wavelength difference (multi-wavelength oscillation including two wavelengths) can be scanned by changing the incident angle.
≪異なる実施形態≫
図１は、現在入手が容易な部材を用いた構成例であるが、さらに単純な構成でこの発明の多波長レーザー発振器を実現することも可能である。
図２は、この発明の多波長レーザー発振装置の異なる構成例を示す説明図である。図１の構成例では、リサフレーザー結晶４に励起用半導体レーザー１からのレーザービームを照射してレーザー発振をさせた。この構成例では、励起用半導体レーザー１およびリサフレーザー結晶４に代えて、波長800 nmのガリウムヒ素半導体レーザーを用いる。各構成部材の詳細は次のとおりである。
<< different embodiments >>
FIG. 1 shows a configuration example using members that are readily available at present, but it is also possible to realize the multi-wavelength laser oscillator of the present invention with a simpler configuration.
FIG. 2 is an explanatory view showing a different configuration example of the multi-wavelength laser oscillation apparatus of the present invention. In the configuration example of FIG. 1, laser oscillation is performed by irradiating the LISAFF laser crystal 4 with a laser beam from the excitation semiconductor laser 1. In this configuration example, a gallium arsenide semiconductor laser having a wavelength of 800 nm is used in place of the pumping semiconductor laser 1 and the resurf laser crystal 4. Details of each component are as follows.
（１）ガリウムヒ素半導体レーザー１４：800 nmに中心波長をもつ（利得帯域は30 nm程度）ガリウムヒ素半導体レーザーの出力端面を無反射コートした半導体レーザー素子を用いる。例えば、外径9 mmキャンタイプが適用可能である。出力強度は、素子長によって変わるが、無反射コート無しで定格電流を流した場合、およそ100 mWの出力強度が得られる。この半導体レーザー素子に対して、定電流源を接続し、150 mA程度の電流を流す。
（２）光学レンズ１３：直線状のレーザー共振部を構成するために、半導体レーザー出力の広がり角に一致する開口数をもつ光学レンズ１３を配置する。レンズの焦点距離は図１の光学レンズ３よりも短く、5 mm程度になる。
(1) Gallium arsenide semiconductor laser 14: A semiconductor laser element having a central wavelength at 800 nm (gain band is about 30 nm) and a non-reflective coated output end face of a gallium arsenide semiconductor laser is used. For example, a can type of 9 mm outer diameter is applicable. Although the output intensity varies depending on the element length, an output intensity of approximately 100 mW can be obtained when a rated current is passed without an antireflection coating. A constant current source is connected to this semiconductor laser element, and a current of about 150 mA flows.
(2) Optical lens 13: An optical lens 13 having a numerical aperture that coincides with the spread angle of the semiconductor laser output is arranged to form a linear laser resonator. The focal length of the lens is shorter than the optical lens 3 in FIG.
（３）カバーガラス：図１と同じ。好ましくは、１枚のカバーガラスでテラヘルツ域（0.
1〜10テラヘルツ）を覆う差周波を発生させる。
（４）平面反射鏡１７：平面反射鏡を出力鏡として用いる。ガリウムヒ素半導体の利得は非常に高いので、光閉じ込め率は通常の固体レーザーに比べて低く、外部への取り出し効率を考慮して最適な反射率を決定する。現実的には10〜50%の反射率をもつ鏡を用意し、その中から最適な反射率を決めればよい。
(3) Cover glass: Same as FIG. Preferably, one cover glass is used for the terahertz range (0.
Generate a difference frequency covering 1-10 terahertz).
(4) Planar reflecting mirror 17: A planar reflecting mirror is used as an output mirror. Since the gain of the gallium arsenide semiconductor is very high, the optical confinement rate is lower than that of a normal solid-state laser, and the optimum reflectivity is determined in consideration of the extraction efficiency to the outside. In practice, a mirror having a reflectance of 10 to 50% is prepared, and an optimum reflectance can be determined from the mirror.
≪波長選択素子の支持方法≫
カバーガラス６の好ましい支持方法について説明する。支持部は、カバーガラス６の光路２１に対する挿入率を変化させ、かつ、光路２１に対する角度を変化させることができるようにカバーガラス６を支持することが好ましい。
図１２は、この発明に係る支持部の好ましい構成の一例を示す説明図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は、側面図である。図１２で、支持部は、平板状の波長選択素子としてのカバーガラス６の光路２１に部分挿入される側の端部の上方は、軸部材X1により支持されている。また、前記端部の下方は、軸部材X2により支持されている。カバーガラス６は、軸部材X1およびX2を中心として回転可能に支持されている。さらに、軸部材X1およびX2は、カバーガラス６の光路に対する角度を維持したまま，光路の垂直断面に沿って移動させることができる。なお、カバーガラス６は光路２１のビーム径に対して十分大きく、軸部材X1およびX2がカバーガラス６を支持する部分は、光路を遮らないように構成されている。
≪Support method of wavelength selection element≫
A preferred method for supporting the cover glass 6 will be described. The support portion preferably supports the cover glass 6 so that the insertion rate of the cover glass 6 with respect to the optical path 21 can be changed and the angle with respect to the optical path 21 can be changed.
FIG. 12 is an explanatory view showing an example of a preferable configuration of the support portion according to the present invention. (A) is a top view, (b) is a side view. In FIG. 12, the support portion is supported by the shaft member X1 above the end portion of the cover glass 6 serving as a plate-like wavelength selection element on the side where the cover glass 6 is partially inserted. The lower part of the end is supported by a shaft member X2. The cover glass 6 is supported rotatably about the shaft members X1 and X2. Furthermore, the shaft members X1 and X2 can be moved along the vertical cross section of the optical path while maintaining the angle of the cover glass 6 with respect to the optical path. The cover glass 6 is sufficiently large with respect to the beam diameter of the optical path 21, and the portions where the shaft members X1 and X2 support the cover glass 6 are configured not to block the optical path.
前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。 In addition to the embodiments described above, there can be various modifications of the present invention. These modifications should not be construed as not belonging to the scope of the present invention. The present invention should include the meaning equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.
この発明による多波長レーザー発振装置は、例えば、公知の光伝導アンテナ等と組み合わせることにより、構造が単純で安定したテラヘルツ光源を提供することができる。テラヘルツ波は、基礎物性の解析やイメージング技術、超高速通信などへの応用が期待されている技術分野であり、単純で安定したテラヘルツ光源はその基礎として極めて有用である。
特に、この発明による多波長レーザー発振装置と光伝導アンテナを備えたテラヘルツ波発生装置は、取り扱いが簡便で安価であるため、テラヘルツ帯通信装置への適用に好適である。
The multi-wavelength laser oscillation device according to the present invention can provide a terahertz light source having a simple structure and stable by combining with a known photoconductive antenna or the like, for example. The terahertz wave is a technical field that is expected to be applied to analysis of basic physical properties, imaging technology, ultrahigh-speed communication, and the like, and a simple and stable terahertz light source is extremely useful as the basis.
In particular, the terahertz wave generator provided with the multiwavelength laser oscillation device and the photoconductive antenna according to the present invention is suitable for application to a terahertz band communication device because it is easy to handle and inexpensive.
なお、少なくとも２波長同時発振が可能なレーザー発振装置であればテラヘルツ光源に適用でき。さらに２波長より多い波長で同時発振するレーザー発振装置の場合は、外部に波長選択素子を配置してそのうちの２波長を選択し、選択された２波長の差としてテラヘルツ波を発生させることができる。波長選択特性の異なる波長選択素子に交換することにより、発生するテラヘルツ波の波長を変えることができる。 Any laser oscillation device capable of simultaneous oscillation of at least two wavelengths can be applied to a terahertz light source. Furthermore, in the case of a laser oscillation device that oscillates simultaneously with more than two wavelengths, a wavelength selection element can be arranged outside and two of these wavelengths can be selected, and a terahertz wave can be generated as the difference between the two selected wavelengths. . By exchanging with wavelength selection elements having different wavelength selection characteristics, the wavelength of the generated terahertz wave can be changed.
１：半導体レーザー
２：対物レンズ
３、１３：光学レンズ、集光レンズ
４：LiSrAlF6 レーザー結晶、リサフレーザー結晶
５：凹面反射鏡
６、１６：カバーガラス
７、１７：平面反射鏡、出力鏡
１４：ガリウムヒ素半導体レーザー
２１：レーザー光、光路
1: Semiconductor laser 2: Objective lens 3, 13: Optical lens, Condensing lens 4: LiSrAlF 6 laser crystal, Resaf laser crystal 5: Concave reflector 6, 16: Cover glass 7, 17: Plane reflector, output mirror 14 : Gallium arsenide semiconductor laser 21: Laser light, optical path
Claims (11)
前記レーザー媒体を励起して前記レーザー光を出射させる励起部と、
所定の厚さを有する平板状の透明体である波長選択素子とを備えてなり、
前記波長選択素子は、前記波長帯域のうち所定の複数の波長のレーザービームを同時に発生させるため、前記光路の断面の一部に配置されることを特徴とする多波長レーザー発振装置。 A laser medium capable of emitting laser light of a predetermined wavelength band, and a laser resonator having a mirror for reflecting the emitted laser light and reciprocating a predetermined optical path;
An excitation unit for exciting the laser medium to emit the laser light;
A wavelength selection element that is a flat transparent body having a predetermined thickness,
The multi-wavelength laser oscillation device, wherein the wavelength selection element is arranged in a part of a cross section of the optical path in order to simultaneously generate laser beams having a plurality of predetermined wavelengths in the wavelength band.
前記支持部は、前記断面を通過するレーザー光のうち光パワーにして10％以上70％以下の範囲の光成分が前記波長選択素子を通過し残る光成分が前記波長選択素子を介さず通過するように前記波長選択素子を支持する請求項１に記載の装置。 Further comprising a support for supporting the wavelength selection element;
The support portion has a light component in a range of 10% to 70% of the laser light passing through the cross section passing through the wavelength selection element and a light component remaining through the wavelength selection element without passing through the wavelength selection element. The apparatus of claim 1, wherein the apparatus supports the wavelength selective element.
前記励起レーザー光を前記レーザー媒体の一方の端面から前記レーザー媒体へ入射させる励起レーザー光学系を含んでなる請求項６に記載の装置。 The excitation unit includes an excitation laser light source that emits excitation laser light that irradiates the laser medium;
The apparatus according to claim 6, further comprising an excitation laser optical system that causes the excitation laser light to enter the laser medium from one end face of the laser medium.
前記ミラーは、前記レーザー素子から出射される前記レーザー光を平行光に変換する凸レンズと前記平行光を進行方向と逆方向に所定の反射率で反射させる平面状の出力鏡とを有してなる請求項１〜５の何れか一つに記載の装置。 The laser medium is a laser element that emits the laser light when an electric current is injected,
The mirror includes a convex lens that converts the laser light emitted from the laser element into parallel light, and a planar output mirror that reflects the parallel light with a predetermined reflectance in a direction opposite to the traveling direction. Apparatus according to any one of claims 1-5.
複数の波長の差を得るための光伝導アンテナとを備えてなるテラヘルツ波発生装置。 The multi-wavelength laser oscillation device according to claim 1,
A terahertz wave generator comprising a photoconductive antenna for obtaining a difference between a plurality of wavelengths.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2014059250A (en) * | 2012-09-19 | 2014-04-03 | Seiko Epson Corp | Spectral device, wavelength-variable interference filter, optical filter device, optical module, and electronic equipment |
| JP2017511613A (en) * | 2014-04-16 | 2017-04-20 | ディレクトフォトニクス インダストリーズ ゲーエムベーハーＤｉｒｅｃｔｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｇｍｂｈ | Laser light generating apparatus and method for adjusting wavelength of laser light |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10504912A (en) * | 1994-08-30 | 1998-05-12 | フォトニック・テクノロジーズ・プロプライエタリー・リミテッド | Split beam Fourier filter |
| JPH10178223A (en) * | 1996-12-17 | 1998-06-30 | Mitsui Chem Inc | Solid laser |
| JPH1174587A (en) * | 1997-07-18 | 1999-03-16 | Alcatel Alsthom Co General Electricite | Laser for generating optical comb |
| JP2000517481A (en) * | 1996-09-05 | 2000-12-26 | ラウレル，フレドリク | laser |
| JP2001102684A (en) * | 1999-10-01 | 2001-04-13 | Toyo Commun Equip Co Ltd | Single wavelength optical oscillator |
| JP2006086227A (en) * | 2004-09-14 | 2006-03-30 | Osaka Univ | Optical switch |
-
2008
- 2008-10-29 JP JP2008278349A patent/JP2010109070A/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10504912A (en) * | 1994-08-30 | 1998-05-12 | フォトニック・テクノロジーズ・プロプライエタリー・リミテッド | Split beam Fourier filter |
| JP2000517481A (en) * | 1996-09-05 | 2000-12-26 | ラウレル，フレドリク | laser |
| JPH10178223A (en) * | 1996-12-17 | 1998-06-30 | Mitsui Chem Inc | Solid laser |
| JPH1174587A (en) * | 1997-07-18 | 1999-03-16 | Alcatel Alsthom Co General Electricite | Laser for generating optical comb |
| JP2001102684A (en) * | 1999-10-01 | 2001-04-13 | Toyo Commun Equip Co Ltd | Single wavelength optical oscillator |
| JP2006086227A (en) * | 2004-09-14 | 2006-03-30 | Osaka Univ | Optical switch |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014059250A (en) * | 2012-09-19 | 2014-04-03 | Seiko Epson Corp | Spectral device, wavelength-variable interference filter, optical filter device, optical module, and electronic equipment |
| JP2017511613A (en) * | 2014-04-16 | 2017-04-20 | ディレクトフォトニクス インダストリーズ ゲーエムベーハーＤｉｒｅｃｔｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｇｍｂｈ | Laser light generating apparatus and method for adjusting wavelength of laser light |
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