JPWO2015170780A1 - レーザー装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、近年では、アト秒光源の高強度化による非線形分光学も開拓されつつある(例えば、非特許文献1、非特許文献2等を参照。)。これらの技術は、軟X線の波長域を対象とするものである。
そして、さらなる鋭意研究を行った結果、非線形光学過程において、前記入射レーザー光を非線形光学媒質に入射させ、前記光学媒質は、その内部に透明な分散媒質を1つ以上有し、該分散媒質について、前記レーザー光の伝搬方向に沿った該分散媒質の位置及び該分散媒質の実効的厚みを調節することで、複雑な構成を用いることなく、誘導ラマン散乱過程において、前記相対位相を所望の値に制御できることを発見した。さらに、この技術を用いれば、波長変換用結晶のように熱応力によって破壊されることがなく、長期間使用できることを究明し、本発明を完成するに至った。
本発明の非線形光学過程の操作方法は、一又は複数の周波数の入射レーザー光を用いた非線形光学過程において、発生レーザー光を含む該光学過程に関与する各異なる周波数からなるレーザー光間の相対位相関係を操作することで、目的とする光学過程を実現することを特徴とする。
また、非線形光学過程では、前記入射レーザー光を非線形光学媒質に入射させ、前記光学媒質は、その内部に透明な分散媒質を1つ以上有し、該分散媒質について、前記レーザー光の伝搬方向に沿った該分散媒質の位置及び該分散媒質の実効的厚みを調節することで、発生レーザー光を含むこの光学過程に関与する各異なる周波数のレーザー光間の相対位相関係を、前記目的とする光学過程に応じた値に操作することが好ましい。
mod[Δφ1,2(ωi,t’)+2π[ν2ni(ν2)−ν1ni(ν1)]xi/c,2π]
=Δφ1,2 R(ωi,xi,t)・・・式(1)
mod[Δφ2,3(ωi,t’)+2π[ν3ni(ν3)−ν2ni(ν2)]xi/c,2π]
=Δφ2,3 R(ωi,xi,t)・・・式(2)
…
mod[Δφj,j+1(ωi,t’)+2π[νj+1ni(νj+1)−νjni(νj)]xi/c,2π]
=Δφj,j+1 R(ωi+xi,t)・・・式(j)
…
mod[Δφm−1,m(ωi,t’)+2π[νmni(νm)−νm−1ni(νm−1)]xi/c,2π]
=Δφm−1,m R(ωi+xi,t)・・・式(m−1)
ここで、φj(z,t)は、レーザー光のうち周波数νjをもつレーザー光の、位置z及び時刻tにおける位相を意味する。Δφj,j+1(z,t)は、この光学過程に関与するレーザー光のうち周波数νjをもつレーザー光と周波数νj+1をもつレーザー光との間の、位置z及び時刻tにおける相対位相であり、Δφj,j+1(z,t)=φj+1(z,t)−φj(z,t)を意味する。そして、Δφj,j+1(z,t)は、2πを周期とする周期関数であるため、0≦Δφj,j+1(z,t)<2πである。modは合同式を意味し、例えばmod[f(x),2π]=aは関数f(x)を2πで割ったときの余りがaであることを意味する。
ωiはi番目の分散媒質のレーザー光の光学媒質入射面からの位置であり、xiはi番目の分散媒質の実効的厚みである。mはこの光学過程に関与する異なる周波数をもったレーザー光(入射レーザー光と発生レーザー光の両方を含む)の数であり、2以上の自然数である。ni(νj)は、i番目の分散媒質の周波数νjにおける屈折率であり、cは真空中の光速である。
Δφj,j+1 R(z,t)は目的の光学過程を実現する前記相対位相Δφj,j+1(z,t)に関する位置z及び時刻tにおける理想値を示す。各式の意味するところの詳細については後述する。
前記光学媒質は、その内部に透明な分散媒質を1つ以上有し、該分散媒質について、前記レーザー光の伝搬方向に沿った位置及び実効的厚みを調節することで、発生レーザー光を含むこの光学過程に関与する複数のレーザー光の異なる周波数間の相対位相関係を、目的とする光学過程に応じた値に操作することで、目的とする光学過程を実現することを特徴とする。
mod[Δφ1,2(ωi,t’)+2π[ν2ni(ν2)−ν1ni(ν1)]xi/c,2π]
=Δφ1,2 R(ωi+xi,t)・・・式(1)
mod[Δφ2,3(ωi,t’)+2π[ν3ni(ν3)−ν2ni(ν2)]xi/c,2π]
=Δφ2,3 R(ωi+xi,t)・・・式(2)
…
mod[Δφj,j+1(ωi,t’)+2π[νj+1ni(νj+1)−νjni(νj)]xi/c,2π]
=Δφj,j+1 R(ωi+xi,t)・・・式(j)
…
mod[Δφm−1,m(ωi,t’)+2π[νmni(νm)−νm−1ni(νm−1)]xi/c,2π]
=Δφm−1,m R(ωi+xi,t)・・・式(m−1)
ここで、φj(z,t)は、レーザー光のうち周波数νjをもつレーザー光の、位置z及び時刻tにおける位相を意味する。Δφj,j+1(z,t)は、この光学過程に関与するレーザー光のうち周波数νjをもつレーザー光と周波数νj+1をもつレーザー光との間の、位置z及び時刻tにおける相対位相であり、Δφj,j+1(z,t)=φj+1(z,t)−φj(z,t)を意味する。そして、Δφj,j+1(z,t)は、2πを周期とする周期関数であるため、0≦Δφj,j+1(z,t)<2πである。modは合同式を意味し、例えばmod[f(x),2π]=aは関数f(x)を2πで割ったときの余りがaであることを意味する。
ωiはi番目の分散媒質のレーザー光の光学媒質入射面からの位置であり、xiはi番目の分散媒質の実効的厚みである。mはこの光学過程に関与する異なる周波数をもったレーザー光(入射レーザー光と発生レーザー光の両方を含む)の数であり、2以上の自然数である。ni(νj)は、i番目の分散媒質の周波数νjにおける屈折率であり、cは真空中の光速である。
Δφj,j+1 R(z,t)は目的の光学過程を実現する前記相対位相Δφj,j+1(z,t)に関する位置z及び時刻tにおける理想値を示す。
本発明のレーザー光の設計方法は、離散的なスペクトルからなるレーザー光を、軸性のある結晶板に透過させることで任意のスペクトル偏光分布を作り出すことを特徴とする。 または、その後さらに偏光子に透過させることで任意のスペクトル強度分布を作り出すことを特徴とする。
さらに、本発明のレーザー光の設計方法は、前記第2の軸性のある結晶板を複数設けることが好ましい。
また、その後さらに偏光子に透過させることで任意のスペクトル強度分布を作り出すことを特徴とする。
以下、本願の第1の発明による非線形光学過程の操作方法及びレーザー装置について、必要に応じて図面を参照しつつ、具体的に説明する。
まず、本発明の非線形光学過程の操作方法について説明する。
本発明による方法は、図1(a)に示すように、光源10から発生したレーザー光(矢印)を媒質20に入射させる非線形光学過程に関する。
このように線形光学媒質か非線形光学媒質かは、入射レーザー光との関係で相対的に決まる。そのため、本願において線形光学媒質とは、入射レーザー光に対して媒質中に生成される分極が線形な振る舞いをするものをいう。
上記の通り、入射レーザー光の強度が高い場合には、発生レーザー光の周波数成分は入射する電磁波の周波数と一致するものだけではなく、入射波の2倍の周波数のものや、2つの入射波がある場合はそれらの和及び差周波数のものなどが含まれる。このように、多くの非線形光学過程では、発生レーザー光と入射レーザー光の周波数は、ある程度周波数間隔があき、離散的に存在する。同様に、複数発生する各発生レーザー光同士の周波数も、離散的である。入射レーザー光、及び発生レーザー光は、媒質の中で非線形な相互作用(非線形分極)を通じて、その異なる周波数成分間でエネルギーのやりとりをしながら、媒質を通過する。
本願において非線形光学媒質とは、入射レーザー光に対して媒質中に非線形分極が形成される媒質をいう。
(レーザー)
本発明の非線形光学過程において用いられる入射レーザー光は、図1(a)に示すように、光源10から発生し、媒質20に入射させた後、外部へと出射される。用いられるレーザーの種類については特に限定はされず、例えば、III−V族半導体等を用いた半導体レーザーやYAGレーザー等の固体レーザー、液体レーザー、エキシマレーザーやC02レーザー等の気体レーザーを用いることができる。
なお、上述の「離散的なスペクトル」とは、レーザー光において、離散的に複数のピーク波長が存在する状態のことをいう。
さらに、上記波長範囲のレーザー光を安定して発振できる点からは、レーザーの種類として固体レーザーを用いることが好ましい。
本発明の非線形光学過程において用いられる媒質20は、透明な分散媒質を含む。具体的には、図1(a)に示すように、非線形光学媒質からなる光学媒質21中に、透明な分散媒質22を1つ以上挿入してなる。図1(a)では直方体状の4つの分散媒質22a〜22dを挿入した例を示す。後述するように、前記媒質20を、光学媒質21と複数の分散媒質22から構成することで、この光学過程に関与する複数のレーザー光の異なる周波数間の相対位相を変化させることが可能となる。さらに、該分散媒質の位置や実効的厚みを調整することで、該相対位相を、達成したい光学過程に対して最適に近い値に操作することができる。その結果、達成したい光学過程を効率よく実現することが可能となる。
また、本願において分散媒質とは、屈折率が周波数もしくは波長に依存する媒質をいう。
そして、本発明による非線形光学過程の操作方法は、分散媒質について、レーザー光の伝搬方向に沿った位置及び実効的厚みを調節することで、レーザー光と光学媒質の相互作用における非線形光学特性を操作することを特徴とする。
レーザー光の伝搬方向に沿った位置及び実効的厚みを調節することで、この光学過程に関与する複数のレーザー光の相対位相を制御することが可能となる結果、複雑な装置等を用いなくとも特定の分散媒質を準備するだけで、入射レーザー光と光学媒質の相互作用における非線形の光学特性を操作できるという効果を奏する。また、本発明では、熱応力等によって劣化しやすい波長変換用結晶を用いなくても効率の良い波長変換を実現できるため、レーザー装置の長寿命化にも寄与できる。
また、図1(b)に示すように、直方体からなる各分散媒質22a〜22dの厚みは、それぞれxa〜xdである。前記分散媒質のレーザー光の伝搬方向に沿った実効的厚みは、図1(b)に示す場合には、各分散媒質22a,22b,22c,22dのレーザー光の伝搬方向に沿った厚さであるxa,xb,xc,xdのことをいう。
例えば、図2に示すように、誘導ラマン散乱過程は、この光学過程に関与するレーザー光の相対位相関係によって、関与する該レーザー光の間のエネルギーの流れ(もしくは、やりとり)が決定される。例えば、Wp,Wp+1,Wm’の三種類の周波数が関係する図2(b)の中の一つの誘導ラマン散乱過程では、該三種類の周波数のそれぞれの位相、φp,φp+1,φmの相対的な関係によって、このWp,Wp+1の二種類の周波数のレーザー光間のエネルギーの流れが決定される。
以上の理由により、各分散媒質の位置と実効的厚みを調整し、各レーザー光間の相対位相関係を制御することで、たとえば、所望の周波数をもったレーザー光にエネルギーを集中させる特殊な誘導ラマン散乱過程を実現することが可能になる。
図6(a)に示す例では、非線形光学媒質21に入射する入射光は、周波数ν1、位相φ1(z,t)の入射レーザー光である。入射レーザー光が非線形光学媒質21に入射すると、生成された非線形分極により複数の発生レーザー光が発生する。ここでは、複数の発生レーザー光として、周波数と位相がそれぞれ、ν1,φ1(z,t)のレーザー光1、ν2,φ2(z,t)のレーザー光2、・・・νj,φj(z,t)のレーザー光j、νj+1,φj+1(z,t)のレーザー光j+1、・・・νm,φm(z,t)のレーザー光mが発生した場合を例として示す。
上記のように決定される相対位相の理想値を、Δφ1,2 R(ωi+xi,t)、Δφ2,3 R(ωi+xi,t)、・・・Δφj,j+1 R(ωi+xi,t)、・・・Δφm−1,m R(ωi+xi,t)と表現する。
すなわち、以下の式が成り立つ。
mod[Δφ1,2(ωi,t’)+2π[ν2ni(ν2)−ν1ni(ν1)]xi/c,2π]
=Δφ1,2 R(ωi+xi,t)・・・式(1)
modは合同式を意味し、例えばmod[f(x),2π]=aは関数f(x)を2πで割ったときの余りがaであることを意味する。ni(νj真空中の光速である。図6では説明を簡略化するために、i番目の分散媒質とi+1番目の分散媒質のみを図示し、その他の分散媒質の図示を省略している。なお、分散媒質の数は、1個であっても良い。
分散媒質の入射面の位置(z=ωi)における時刻t’のときのレーザー光1,2の相対位相が、Δφ1,2(ωi,t’)であるから、分散媒質の出射面の位置(z=ωi+xi)における相対位相は、Δφ1,2(ωi,t’)+2π[ν2ni(ν2)−ν1ni(ν1)]xi/cと表すことができる。
相対位相は2πを周期とする周期関数であるから、これを理想値であるΔφ1,2 R(ωi,xi,t)と等値すると、
mod[Δφ1,2(ωi,t’)+2π[ν2ni(ν2)−ν1ni(ν1)]xi/c,2π]
=Δφ1,2 R(ωi+xi,t)・・・式(1)
となる。
ここで、時刻t’は、レーザー光が分散媒質の入射面の位置(z=ωi)に達したときの時刻である。Δφ1,2 R(ωi+xi,t)のtは、分散媒質の出射面の位置(z=ωi+xi)における時刻を表しており、レーザー光が分散媒質内をxiだけ進むのに要する時間分だけt’から進んだ時刻である。
mod[Δφ2,3(ωi,t’)+2π[ν3ni(ν3)−ν2ni(ν2)]xi/c,2π]
=Δφ2,3 R(ωi+xi,t)・・・式(2)
…
mod[Δφj,j+1(ωi,t’)+2π[νj+1ni(νj+1)−νjni(νj)]xi/c,2π]
=Δφj,j+1 R(ωi+xi,t)・・・式(j)
…
mod[Δφm−1,m(ωi,t’)+2π[νmni(νm)−νm−1ni(νm−1)]xi/c,2π]
=Δφm−1,m R(ωi+xi,t)・・・式(m−1)
の式が導かれる。
なお、Δφj,j+1(z,t)は、2πを周期とする周期関数であるため、0≦Δφj,j+1(z,t)<2πである。
mod[Δφ1,2(ωi+1,t’)+2π[ν2ni+1(ν2)−ν1ni+1(ν1)]xi+1/c,2π]
=Δφ1,2 R(ωi+1+xi+1,t)・・・式(1)
mod[Δφ2,3(ωi+1,t’)+2π[ν3ni+1(ν3)−ν2ni+1(ν2)]xi+1/c,2π]
=Δφ2,3 R(ωi+1+xi+1,t)・・・式(2)
…
mod[Δφj,j+1(ωi+1,t’)+2π[νj+1ni+1(νj+1)−νjni+1(νj)]xi+1/c,2π]
=Δφj,j+1 R(ωi+1+xi+1,t)・・・式(j)
…
mod[Δφm−1,m(ωi+1,t’)+2π[νmni+1(νm)−νm−1ni+1(νm−1)]xi+1/c,2π]
=Δφm−1,m R(ωi+1+xi+1,t)・・・式(m−1)
上記式(1)〜式(m−1)から、位置ωi+1における分散媒質の実効的厚みxi+1を求める。
上述の<非線形光学過程の操作方法>は線形光学過程においても利用することができる。線形光学媒質中において、目標値をνk,φk(z,t)に設定する。そして、目標とする出射レーザー光をνk,φk(z,t)と設定すれば、分散媒質の出射面の位置(z=ωi+xi)における各レーザー光の相対位相の理想値が必然的に決まり、分散媒質の出射面における各レーザー光の相対位相が理想値になるような位置ωi及び実効的厚みxiを求めれば良い。
次に、本発明によるレーザー装置について説明する。
本発明によるレーザー装置は、図1(a)に示すように、レーザー光を発生させる光源10と、発生したレーザー光を入射させる媒質20とを備えるレーザー装置であって、前記媒質20は、非線形光学媒質21中に、透明な分散媒質22を複数挿入してなり(図1(a)では4つの分散媒質22a〜22dを挿入)、各分散媒質22a〜22dについて、前記レーザー光の伝搬方向に沿った位置ωa〜ωd及び実効的厚みxa〜xdを調節することで、前記レーザー光と媒質の相互作用における光学特性を操作することを特徴とする。
本発明のレーザー装置は、上記構成を具えることで、複雑な構成を用いることなく、レーザー光と媒質の相互作用における光学特性を操作できるとともに、高出力且つビーム品質の高い長波長及び短波長域のレーザー光を長期間照射できる、という効果を奏する。
以下、本願の第2の発明によるレーザー光の設計方法及びレーザー装置について、必要に応じて図面を参照しつつ、具体的に説明する。
まず、本発明のレーザー光の設計方法について説明する。
本発明による方法は、図12に示すように、光源110から発生したレーザー光(矢印)を軸性のある結晶板120及び偏光子130に順次透過させた後、好ましくは再び、第2の軸性のある結晶板150を透過させ、最後に、透明な分散媒質140に透過させる。
前記結晶板120がレーザー光の偏光状態を変化させ、その後の偏光子130が偏光したレーザー光の透過量を調整することが可能となるため、離散的なスペクトルの振幅(強度分布)を制御することができる。また、前記レーザー光を、再び第2の軸性のある結晶板150を透過させることで、強度分布が制御された該離散スペクトルの偏光分布を制御することができる。さらに、強度分布及び偏光分布が制御された該離散スペクトルを、透明な分散媒質に透過させ、必要に応じてかかる分散媒質の厚さを調節することで、媒質を透過する離散的なスペクトルの位相を操作し、偏光を含むレーザー光の光波形を所望の形に作り出すことが可能となる。
その結果、本発明のレーザー光の設計方法は、複雑な構成を用いることなく、種々の波形を持つレーザー光を作り出すことができる。
(レーザー)
本発明の非線形光学過程において用いられるレーザー光は、図12に示すように、光源110から発生し、軸性のある結晶板120を透過した後、外部へと放出する。用いられるレーザーの種類については特に限定はされず、例えば、III−V族半導体等を用いた半導体レーザーやYAGレーザー等の固体レーザー、液体レーザー、エキシマレーザーやC02レーザー等の気体レーザーを用いることができる。
なお、上述の通り「離散的なスペクトル」とは、レーザー光において、離散的に複数のピーク波長が存在する状態のことをいう。
本発明のレーザー光の設計方法において用いられる軸性のある結晶は、図13(a)に示すように、光源110から発生したレーザー光のスペクトルの偏光分布を操作するための結晶板120と偏光子130からの透過光を再び偏光させるための結晶板150である。
前記結晶板120及び150は、Fast軸とSlow軸の偏光成分間に所定の位相差を与える光学機能素子であり、前記レーザー光の偏光状態を操作することができるものであれば特に限定はされない。例えば、1/2波長板や、1/4波長板、1/8波長板等を用いることができる。
前記スペクトルの偏光状態は、前記結晶板の厚さ及び角度に大きく依存するため、厚さ及び/又は角度を変えることで、効果的に偏光状態の調整を行える。
本発明のレーザー光の設計方法において用いられる偏光子130は、図13(a)に示すように、前記軸性のある結晶板120を透過したレーザー光を構成する各スペクトルについて、特定方向に偏光したものだけを透過させるためのものである。
前記偏光子の種類については特に限定はされず、市販の偏光子を用いればよい。
本発明の線形及び/又は非線形光学過程において用いられる分散媒質140は、透明であり、図14に示すように、スペクトル強度分布、及び/又は、スペクトル偏光分布が所望の分布に制御されたレーザー光を透過させることで、後述するように、透過したレーザー光のスペクトル位相を任意に変化させることが可能となり、所望の波形のレーザー光を実現できる。
例えば、図19に示すように、Ω0、Ω−1のスペクトルから構成されるレーザー光による誘導ラマン散乱過程は、Ω0、Ω−1に加え、この非線形光学過程において発生する高次の誘導ラマン散乱光系列間の相対的な強度、位相、偏光特性に支配される。それゆえ、本発明のスペクトル強度分布、スペクトル偏光分布、スペクトル位相分布の三つを自在に操作する手法を、線形及び/又は非線形光学媒質中に、一つ、又は複数個、組み込み、さらに、該線形及び/又は非線形光学媒質中を伝搬する光の進行方向に沿って、該強度・位相・偏光操作手法を組み込む位置を調整することで、目的の光学過程を効率よく達成するよう、この線形及び/又は非線形光学過程を操作することが可能となる。
次に、本発明によるレーザー装置について説明する。
本発明による方法は、図12に示すように、光源110から発生したレーザー光(矢印)を軸性のある結晶板120及び偏光子130に順次透過させた後、好ましくは、再び、第2の軸性のある結晶板150に透過させ、最後に、透明な分散媒質140に透過させる。
前記結晶板120がレーザー光の偏光状態を変化させ、その後の偏光子130が偏光したレーザー光の透過量を調整することが可能となるため、離散的なスペクトルの振幅(強度分布)を制御することができる。また、前記レーザー光を、再び第2の軸性のある結晶板150を透過させることで、強度分布が制御された該離散スペクトルの偏光分布を制御することができる。さらに、強度分布及び偏光分布が制御された該離散スペクトルを、透明な分散媒質に透過させ、必要に応じてかかる分散媒質の厚さを調節することで、媒質を透過する離散的なスペクトルの位相を操作し、偏光を含むレーザー光の光波形を所望の形に作り出すことが可能となる。
実施例1では、図5に示すように、レーザー光源10と波長変換用結晶40と一つ又は複数の分散媒質22をその中に含む非線形光学媒質21を備えるレーザー装置を作製し、レーザー光を入射させた場合の結果を計算により表した。
なお、レーザー光源10としては注入同期チタンサファイアレーザーをもとに発生させた三波長のレーザー光(801.0817nm,1207.6282nm,840.0000nm)を、非線形光学媒質21としてはパラ水素ガス(密度:2.6x1018cm−3)、分散媒質22としてはフッ化マグネシウム板を用いた。1207.6282nmのレーザー光は、801.0817nmのチタンサファイアレーザー光を励起光として、注入同期型のパラメトリック発生過程を用いて発生させた。また、入射させるレーザー光の波長を制御するため、レーザー光源10と媒質20との間に、波長変換用結晶40であるBBO非線形光学結晶3個を設けた。挿入したフッ化マグネシウム板の位置と実効的厚みは表1の通りである。801.0817nm,1207.6282nmの二波長のレーザー光は、図2(a)のW0’,W−1’にそれぞれ対応し、パラ水素の振動運動を励起するpump光として用いた。840.0000nmのレーザー光は、BBO非線形光学結晶で四倍高調波をとることで210.0000nmに変換された。この210.0000nmのレーザー光は、図2(a)のW0に対応する。
また、レーザー光の異なる周波数間の相対位相関係を操作することで、種々の波長のレーザー光が得られることを示すため、前記位相関係の条件を人為的に所望の値に調節した際に得られるレーザー光の波長ごとの強度(量子変換効率)分布と、非線形媒質の長さとの関係を図11に示す。
図11から、本願発明による方法を実施することで、あらゆる非線形光学過程を実現できることがわかった。
n倍波(n=2,3,4,−−−−)の発生過程に当該発明技術を適用する際のスキームの例を図7に示した。
和周波光、及び、差周波光の発生過程に当該発明技術を適用する際のスキームの例を、図8(a)(b)に示した。
実施例5では、図9(a)に、複数の光を共振器内に効率よく閉じ込めるために当該発明技術を用いるための構成、及び、(b)複数の光を共振器内に効率よく閉じ込めると同時に、当該発明技術を用いて、目的の線形、及び非線形光学過程を効率よく実現するために要請される所望の相対位相関係を満たすように位相操作をおこなって、効率よく目的の光学過程を実現するための構成を示した。
実施例6では、当該発明技術を用いて、ソリトン光の生成を効率よく実現できることを図10に示した。
実施例7では、図17に示すように、5種類の離散的なスペクトルから構成されたレーザー光について、図12に示すように、結晶板120、偏光子130、及び分散媒質140を順次透過させた。
なお、レーザー光源110としては、図17の5種類の周波数からなるレーザー光(高次の誘導ラマン散乱過程で発生が可能)、結晶板120としては1個の水晶板、偏光子130としては1個のフッ化マグネシウムポーラライザー、分散媒質140としては1個の石英ガラス板を用いた。
そして、調節した後の、レーザー光の各スペクトルの強度、位相を図18(a)に、並びに、得られたレーザー光の波形を図18(b)に示す。
20 媒質
21 光学媒質
22 分散媒質
30 増幅手段
40 波長変換用結晶
110 光源
120 軸性のある結晶板
130 偏光子
140 分散媒質
150 第2の軸性のある結晶板
Claims (13)
- 一つ又は複数の光源から発生した、一つ又は複数の周波数からなる入射レーザー光を、非線形光学媒質を透過させて出射させるレーザー装置であって、
前記非線形光学媒質は、該光学媒質の内部に透明な分散媒質を1つ以上有し、該分散媒質は、発生レーザー光を含む該光学過程に関与する複数のレーザー光の異なる周波数間の相対位相関係が所望の値を近似的に満たすように求められる実効的厚みを備えて前記入射レーザー光の伝搬方向に沿った位置に配置されることを特徴とするレーザー装置。 - 前記分散媒質の実効的厚み(xi)は、下記の式(1)〜式(m−1)を近似的に満たすように決められることを特徴とする請求項1記載のレーザー装置。
mod[Δφ1,2(ωi,t’)+2π[ν2ni(ν2)−ν1ni(ν1)]xi/c,2π]
=Δφ1,2 R(ωi+xi,t)・・・式(1)
mod[Δφ2,3(ωi,t’)+2π[ν3ni(ν3)−ν2ni(ν2)]xi/c,2π]
=Δφ2,3 R(ωi+xi,t)・・・式(2)
…
mod[Δφj,j+1(ωi,t’)+2π[νj+1ni(νj+1)−νjni(νj)]xi/c,2π]
=Δφj,j+1 R(ωi+xi,t)・・・式(j)
…
mod[Δφm−1,m(ωi,t’)+2π[νmni(νm)−νm−1ni(νm−1)]xi/c,2π]
=Δφm−1,m R(ωi+xi,t)・・・式(m−1)
(ここで、φj(z,t)は、レーザー光のうち周波数νjをもつレーザー光の、位置z及び時刻tにおける位相を意味する。Δφj,j+1(z,t)は、この光学過程に関与するレーザー光のうち周波数νjをもつレーザー光と周波数νj+1をもつレーザー光との間の、位置z及び時刻tにおける相対位相であり、Δφj,j+1(z,t)=φj+1(z,t)−φj(z,t)を意味する。そして、Δφj,j+1(z,t)は、2πを周期とする周期関数であるため、0≦Δφj,j+1(z,t)<2πである。modは合同式を意味する。
また、ωiはi番目の分散媒質のレーザー光の光学媒質入射面からの位置であり、xiはi番目の分散媒質の実効的厚みである。mはこの光学過程に関与する異なる周波数をもったレーザー光(入射レーザー光と発生レーザー光の両方を含む)の数であり、2以上の自然数である。ni(νj)は、i番目の分散媒質の周波数νjにおける屈折率であり、cは真空中の光速である。
時刻t’は、レーザー光が分散媒質の入射面の位置(z=ωi)に達したときの時刻である。Δφj,j+1 R(ωi+xi,t)のtは、分散媒質の出射面の位置(z=ωi+xi)における時刻を表しており、レーザー光が分散媒質内をxiだけ進むのに要する時間分だけt’から進んだ時刻である。
Δφj,j+1 R(z,t)は目的の光学過程を実現する前記相対位相Δφj,j+1(z,t)に関する位置z及び時刻tにおける理想値を示す。) - 前記入射レーザー光と発生レーザー光の異なる周波数間の間隔が10THz以上であることを特徴とする、請求項1又は2項に記載のレーザー装置。
- 前記光学媒質は液体又は気体であり、前記分散媒質は固体であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のレーザー装置。
- 離散的なスペクトルからなるレーザー光を、軸性のある結晶板に透過させ、該結晶板の厚さ及び/又は角度を変化させることで、任意のスペクトル偏光分布を作り出すことを特徴とする、レーザー装置。
- 前記結晶板に透過させた後に、偏光子に透過させることで任意のスペクトル強度分布を作り出すことを特徴とする、請求項5に記載のレーザー装置。
- 前記偏光子に透過させた後に、第2の軸性のある結晶板に透過させ、該第2の軸性のある結晶板の厚さ及び/又は角度を変化させることで、スペクトル強度分布を操作した前記離散的なスペクトルに、さらに任意の偏光分布を作り出すことを特徴とする、請求項5又は6に記載のレーザー装置。
- 請求項5〜7のいずれか1項に記載のレーザー光を、さらに、1又は複数の透明な分散媒質に透過させ、該分散媒質の光学的厚みを調整することで、スペクトル間に任意の相対位相関係を作り出し、光波形を整形することを特徴とするレーザー装置。
- 前記軸性のある結晶板を複数設けることを特徴とする、請求項5〜8のいずれか1項に記載のレーザー装置。
- 前記第2の軸性のある結晶板を複数設けることを特徴とする、請求項7〜9のいずれか1項に記載のレーザー装置。
- 前記偏光子を複数設けることを特徴とする、請求項6〜10のいずれか1項に記載のレーザー装置。
- 前記離散的なスペクトルの周波数間隔が10THz以上であることを特徴とする、請求項5〜11のいずれか1項に記載のレーザー装置。
- 請求項5〜12のいずれか1項に記載のレーザー光の操作方法を、線形及び/又は非線形光学媒質中に、一又は複数個、組み込み、さらに、該線形及び/又は非線形光学媒質中を伝搬するレーザー光の進行方向に沿ってそれらの位置を調整することで、目的の光学過程を効率よく達成するよう、関与する線形および非線形光学過程を操作することを特徴とするレーザー装置。
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