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JP2743517B2 - Laser light wavelength converter - Google Patents
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JP2743517B2 - Laser light wavelength converter - Google Patents

Laser light wavelength converter

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JP2743517B2
JP2743517B2 JP1260568A JP26056889A JP2743517B2 JP 2743517 B2 JP2743517 B2 JP 2743517B2 JP 1260568 A JP1260568 A JP 1260568A JP 26056889 A JP26056889 A JP 26056889A JP 2743517 B2 JP2743517 B2 JP 2743517B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はリチュームナイオベート等の非線形光学媒質
にレーザ光を投射してこれと異なる波長の光に変換する
ための装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for projecting a laser beam onto a nonlinear optical medium such as lithium niobate and converting the laser beam into light having a different wavelength.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

周知のようにレーザは強力で鋭い指向性をもつたコヒ
ーレントな光を発生するもので、その応用分野は材料加
工や計測分野に止まらず、最近では医学、科学工業分野
にも広く浸透しつつあるが、一部のものを除いて特定の
波長でしか発振せず、これがその応用に際して最大の障
害の一つになっている。本発明が対象とする非線形光学
結晶を利用するレーザ光の波長変換技術は、この問題を
解決する有力な手段として注目されているもので、以下
にその原理と主な従来技術を説明する。
As is well known, lasers generate coherent light with strong and sharp directivity, and their application fields are not limited to material processing and measurement fields, but recently have become widespread in the medical and scientific industries. However, it oscillates only at specific wavelengths except for a few, which is one of the biggest obstacles in its application. The wavelength conversion technology of laser light using a nonlinear optical crystal, which is the subject of the present invention, has attracted attention as a powerful means for solving this problem, and its principle and main conventional technology will be described below.

一般に、非線形光学結晶に周波数が異なる2個のレー
ザ光が入射すると、その内部にこれらレーザ光の光電場
にそれぞれ比例する強度の分極波のほかに、両電場の積
に比例する強度の分極波が発生する。後者の分極波は両
入射レーザ光の周波数の和の周波数をもつので、これを
取り出すことにより元のレーザ光と異なる周波数ないし
波長の光に変換できる。これが和周波生成と呼ばれる波
長変換の原理であるが、実用的にとくに重要なのは2個
の入射レーザ光の周波数が同じ場合つまり単一のレーザ
光を非線形光学結晶に与えて、その2倍の周波数ないし
半波長の光に変換するもので、第2高調波発生ないしは
SHG(Second Harmonic Generation)方式と呼ばれてい
る。
In general, when two laser beams having different frequencies are incident on a nonlinear optical crystal, a polarized wave having an intensity proportional to the product of the electric fields as well as a polarized wave having an intensity proportional to the optical electric field of the laser light is entered therein. Occurs. Since the latter polarized wave has a frequency equal to the sum of the frequencies of both incident laser beams, it can be converted into light having a different frequency or wavelength from the original laser beam by extracting it. This is the principle of wavelength conversion called sum frequency generation, but what is particularly important in practice is when the frequencies of two incident laser beams are the same, that is, when a single laser beam is given to a nonlinear optical crystal and the frequency is doubled. Or half-wavelength light, and second harmonic generation or
It is called SHG (Second Harmonic Generation) method.

一方、上記とは逆の波長変換,すなわちある周波数の
レーザ光を非線形光学結晶に与えてそれぞれの周波数の
和が元のレーザ光の周波数に等しい2個の光に変換する
ことも可能であり、この場合ふつうは非線形光学結晶を
共振器内に組み込んでその共振条件を調整することによ
り、2個の変換光の双方または一方のみを発振させて取
り出すようにする。これは光パラメトリック発振ないし
はOPO(Optical Parametric Oscillation)方式と呼ば
れている。
On the other hand, it is also possible to perform a wavelength conversion opposite to the above, that is, to give a laser light of a certain frequency to a nonlinear optical crystal and convert the sum of the respective frequencies into two lights equal to the frequency of the original laser light, In this case, usually, a nonlinear optical crystal is incorporated in a resonator and its resonance condition is adjusted to oscillate and extract both or only one of the two converted lights. This is called an optical parametric oscillation or OPO (Optical Parametric Oscillation) method.

ところで、かかるSHG,OPOのいずれの方式でも、波長
変換効率を上げるには非線形光学結晶内でレーザ光と変
換光を位相を揃えて進行させる必要があり、これを位相
整合と呼んでいる。例えばSHGでは、入射レーザ光と同
周波の分極波である基本波とその倍周波の分極波である
第2高調波とを位相整合条件下で同方向に進行させる。
このためには、両波の速度従ってそれらに対する非線形
光学結晶の屈折率が同じでなければならないが、ふつう
は光の周波数が高いほど屈折率が高くなるから、一般に
はこの位相整合条件は満たされない。
By the way, in any of the SHG and OPO systems, it is necessary to advance the laser light and the converted light in the nonlinear optical crystal with the same phase in order to increase the wavelength conversion efficiency, and this is called phase matching. For example, in the SHG, a fundamental wave which is a polarization wave having the same frequency as the incident laser light and a second harmonic which is a polarization wave having a frequency multiplied thereto advance in the same direction under the phase matching condition.
For this purpose, the velocities of the two waves and therefore the refractive index of the nonlinear optical crystal for them must be the same, but in general, the higher the frequency of the light, the higher the refractive index, so that this phase matching condition is generally not satisfied. .

かかる位相整合に結晶の光学的異方性を利用する方法
がある。すなわち、光学的異方性結晶内では光は常光と
異常光に分かれて進行し、常光の屈折率は進行方向に依
存しないが異常光の屈折率は依存することを利用して、
非線形光学結晶の光軸に対するレーザ光の入射角度を基
本波と第2高調波に対する屈折率が揃うように選定す
る。この方法を角度位相整合法と呼んでいる。
There is a method of utilizing the optical anisotropy of a crystal for such phase matching. That is, in the optically anisotropic crystal, light travels by being divided into ordinary light and extraordinary light, and utilizing the fact that the refractive index of ordinary light does not depend on the traveling direction but the refractive index of extraordinary light depends,
The incident angle of the laser beam with respect to the optical axis of the nonlinear optical crystal is selected so that the refractive indices for the fundamental wave and the second harmonic are equal. This method is called an angle phase matching method.

ところが、この方法では位相整合条件が光学結晶の複
屈折性により影響されやすい問題がある。このため、非
線形光学結晶に対するレーザ光の入射角度をその光軸に
対して90°の方向に固定することによって複屈折が生じ
ないようにし、かつ非線形光学結晶の温度を調整するこ
とによって常光と異常光の屈折率がもつ温度依存性の差
を利用して位相整合を行なう方法があり、これを温度位
相整合法と呼んでいる。
However, this method has a problem that the phase matching condition is easily affected by the birefringence of the optical crystal. Therefore, by fixing the incident angle of the laser beam to the nonlinear optical crystal in a direction at 90 ° to the optical axis, birefringence does not occur, and by adjusting the temperature of the nonlinear optical crystal, ordinary light and abnormal There is a method of performing phase matching using the difference in temperature dependence of the refractive index of light, and this method is called a temperature phase matching method.

なお、かかる従来方法における実際の位相整合条件に
は、基本波を常光とし第2高調波を異常光とするタイプ
Iの位相整合条件と、逆に基本波を異常光とし第2高調
波を常光とするタイプIIの位相整合条件の二つの場合が
ある。
The actual phase matching conditions in the conventional method include the type I phase matching condition in which the fundamental wave is ordinary light and the second harmonic is extraordinary light, and conversely, the fundamental wave is extraordinary light and the second harmonic is ordinary light. There are two cases of type II phase matching conditions.

この〔従来の技術〕の項で述べた波長変換と位相整合
の理論的根拠の詳細や上記以外の若干の従来技術につい
ては、以下に続く(解説)の項の記載を参照されたい。
ただし、本発明の本質的な内容の理解上は、これを飛ば
して〔発明が解決しようとする課題〕の項に進んで差し
支えない。
For the details of the theoretical basis of the wavelength conversion and the phase matching described in the section of [Prior Art] and the related art other than the above, refer to the description in the following (Explanation).
However, in order to understand the essential contents of the present invention, this may be skipped and proceed to the section [Problems to be Solved by the Invention].

一般に光が透明な結晶に入射すると、振動電場による
分極で双極子が誘起され、その振動双極子が新たに光を
発生する。
Generally, when light is incident on a transparent crystal, a dipole is induced by polarization by an oscillating electric field, and the oscillating dipole newly generates light.

との関係は、次のようになる。 The relationship is as follows.

はそれぞれ1次,2次,3次の分極率である。一般に高次の
分極率は に比べて小さいため通常の光では(1)式の2次項以上
は無視できるが、強力なレーザ光で の値が大きいと高次の分極が現れるようになる。特に2
次の項は3次以上の項に比べて大きいため、以下では非
線形分極 を2次の項のみで表わすることにする。従って と置くと非線形分極PNLは次式で表わされる。
Are the first, second and third order polarizabilities, respectively. In general, the higher order polarizability is In ordinary light, the second-order terms and higher in equation (1) can be ignored, but with strong laser light Is large, higher-order polarization appears. Especially 2
Since the next term is larger than the third and higher terms, Is represented only by a quadratic term. Therefore , The nonlinear polarization P NL is expressed by the following equation.

ここでx,y,z軸は結晶軸の方向にとりz軸を光軸の方
向にとるものとし、d11等は光学結晶の非線形光学係数
である。
Here x, y, and z-axis shall take in the direction of the optical axis of the z-axis is taken in the direction of the crystal axis, d 11 etc. are non-linear optical coefficient of the optical crystal.

いま、結晶中に二つの角周波数ω1およびω2の電界 が存在する場合を考え、(1)式の電界 を次のように置く。Now, the electric field of two angular frequencies ω 1 and ω 2 in the crystal Consider the case where As follows.

ただし、ここで は光学結晶内の位置ベクトル、 は波数ベクトル、φ1,φ2は位相角である。 However, here Is the position vector in the optical crystal, Is a wave number vector, and φ 1 and φ 2 are phase angles.

となり、この(4)式中の項を書き直すと、 となるので、非線形分極 は周波数成分0,2ω1,ω1−ω2,ω1+ω2,2ω2に分け
ることができる。これらのうち周波数0の成分つまり直
流成分は、非線形媒質中での光周波数電磁波の整流作用
を意味する。また、2ω1および2ω2の成分はω1およ
びω2の第2高調波発生,ω1−ω2の成分は差周波数の
発生,またω1+ω2の成分は和周波数発生の原因となる
分極である。しかし、これらの異なる周波数の分極波す
べてから光が発生するわけでなく、実際にどの周波数の
光が発生するかは以下に述べる位相整合の条件がから
む。また、入射光だけでなく発生した光との間の相互作
用も考えなければならない。
And rewriting the terms in this equation (4), So that nonlinear polarization The frequency component 0,2ω 1, ω 1 -ω 2, ω 1 + ω 2, can be divided into 2 [omega 2. Of these, the component of frequency 0, that is, the DC component, means a rectifying action of the optical frequency electromagnetic wave in the nonlinear medium. The 2ω 1 and 2ω 2 components cause the second harmonic generation of ω 1 and ω 2 , the ω 1 −ω 2 component generates a difference frequency, and the ω 1 + ω 2 component generates a sum frequency. Polarization. However, light is not generated from all of these polarized waves of different frequencies, and the frequency of light actually generated depends on the phase matching conditions described below. One must also consider the interaction between the incident light as well as the generated light.

いま、上記の二つの光から角周波数ω3の第3の光が
発生するものとしてその電場を とすると、全体の電場は、 となる。したがって2次の非線形分極は のように9個の周波数成分を含むことになる。発生する
光が和周波数ω3=ω1+ω2の場合、 すなわちω1,ω2,ω3の三つのモードが結合する。
Now, assuming that a third light having an angular frequency ω 3 is generated from the above two lights, the electric field is Then, the whole electric field is Becomes Therefore, the second-order nonlinear polarization is As shown in FIG. When the generated light has the sum frequency ω 3 = ω 1 + ω 2 , That is, the three modes ω 1 , ω 2 and ω 3 are coupled.

との関係は次のMaxwellの方程式で表わされる。 Is expressed by the following Maxwell's equation.

ただし、ここで であり、またcは真空中の光の速度,ηは媒質の屈折
率、μは媒質の透磁率である。三つの光がz方向に進ん
でいる場合を考え、それぞれの光の電界ベクトルを と表す。ここで は単位ベクトル、ρiは振幅を表わす変数である。
(7)式,(8)式,(10)式に代入し、 と仮定すると次式を得る。
However, here Where c is the speed of light in a vacuum, η is the refractive index of the medium, and μ is the magnetic permeability of the medium. Consider the case where three lights are traveling in the z direction, and calculate the electric field vector of each light. It expresses. here Is a unit vector, and ρ i is a variable representing amplitude.
Substituting into equations (7), (8) and (10), Then, the following equation is obtained.

入射光の偏光面のとり方などによって異なって来る。μ
oは真空中の透磁率である。この微分方程式を解くこと
によって3個の周波数成分の振幅ρ1,ρ2,ρ3を求め
ることができる。
It differs depending on how to take the plane of polarization of the incident light. μ
o is the magnetic permeability in vacuum. By solving this differential equation, the amplitudes ρ 1 , ρ 2 , and ρ 3 of the three frequency components can be obtained.

いま、特別な場合として第2高周波発生の場合を考え
る。これは(11)式において、 ω1=ω2=ω,ω3=ω1+ω2=2ω ρω=ρ1=ρ2,ρ2ω=ρ3 と置いた場合に相当するから、次式が得られる。
Now, the case of the second high frequency generation is considered as a special case. This corresponds to the case where ω 1 = ω 2 = ω, ω 3 = ω 1 + ω 2 = 2ω ρω = ρ 1 = ρ 2 , ρ = ρ 3 in the equation (11). can get.

この(12)式を解いて第2高調波の振幅ρ2ωの変化
を求めると第18図に示す結果が得られる。ここで のとき基本波出力の約75%が第2高調波に変換されるの
に要する長さを表わす。この結果からΔS=0の時ρ
2ωはzとともに一様に増加するが、ΔS≠0のときは
ρ2ωは振動的に変化し、効率よく波長変換が行なわれ
ないことがわかる。これは定性的には、ΔS=0のとき
は分極波とそれにより発生する第2高調波とが媒質内を
位相をそろえて進むため第2高調波が効率良く増幅する
のに対し、ΔS≠0の場合は分極と第2高調波との速度
が異なり位相不整合を生じることを意味する。
When the change of the amplitude ρ of the second harmonic is obtained by solving the equation (12), the result shown in FIG. 18 is obtained. here Represents the length required for about 75% of the fundamental wave output to be converted to the second harmonic. From this result, when ΔS = 0, ρ
It can be seen that increases uniformly with z, but when ΔS ≠ 0, ρ changes oscillatingly and wavelength conversion is not performed efficiently. Qualitatively, when ΔS = 0, the polarization wave and the second harmonic generated by the polarization wave advance in the medium in the same phase, so that the second harmonic is efficiently amplified. If it is 0, it means that the speeds of the polarization and the second harmonic are different and phase mismatch occurs.

次に、波長変換を効率よく行なうため上述のΔS=0
つまり(12)式で とする条件を求める。まず、 で表わされる。ここでλω,λ2ωとηω,η2ωとは
それぞれ基本波と第2高調波の波長と屈折率である。従
って となるためにはηω=η2ωでなければならない。とこ
ろが白色光がプリズムで分光されることからもわかると
おり、波長によって屈折率は異なり、一般にη2ω>η
ωである。すなわち通常は である。
Next, in order to efficiently perform wavelength conversion, the above-mentioned ΔS = 0
In other words, in equation (12) Is obtained. First, Is represented by Here λ ω, λ and eta omega, and eta 2 [omega is the wavelength and the refractive index of the respective fundamental wave and the second harmonic wave. Therefore Η ω = η to satisfy However, as can be seen from the fact that white light is split by the prism, the refractive index varies depending on the wavelength, and in general, η > η
ω . That is, usually It is.

この問題を解決するために各種の位相整合方法が提案
されている。第一の方法は光学的異方性のある非線形光
学結晶を用いるものである。このような結晶においては
入射光は常光と異常光とに分かれ、前者に対しては屈折
率は入射の方向によらず一定であるが、後者については
方向によって屈折率が変化する。ただし両者の屈折率が
一致する方向があり、この方向を光軸と呼んでいる。光
軸が1個の一軸性結晶と2個の二軸性結晶があるが、い
まは一軸性結晶のみを考えることにする。また、複屈折
により二つの光は光軸に対して90°の方向以外では進行
方向にずれを生ずる。例えば入射角が0°,つまり結晶
面と入射光線との角度が90°の場合、第19図に示すとお
り、常光Loは直線的に進むが異常光Leは屈折して進む。
以上をまとめると、常光と異常光との屈折率が等しいの
が光軸方向、常光と異常光との進行方向の等しいのが光
軸に対して90°の方向となる。
Various phase matching methods have been proposed to solve this problem. The first method uses a nonlinear optical crystal having optical anisotropy. In such a crystal, the incident light is divided into ordinary light and extraordinary light, and the refractive index of the former is constant irrespective of the direction of incidence, but the refractive index of the latter changes depending on the direction. However, there is a direction in which the refractive indices coincide with each other, and this direction is called an optical axis. Although there is one uniaxial crystal and two biaxial crystals with one optical axis, only uniaxial crystals will be considered now. Also, due to birefringence, the two lights are displaced in the traveling direction except for the direction at 90 ° to the optical axis. For example, when the incident angle is 0 °, that is, the angle between the crystal plane and the incident light beam is 90 °, as shown in FIG. 19, the ordinary light Lo travels linearly, but the extraordinary light Le travels refracted.
In summary, the refractive indices of the ordinary light and the extraordinary light are equal to each other in the optical axis direction, and the traveling directions of the ordinary light and the extraordinary light are equal in the direction at 90 ° to the optical axis.

第20図は光の方向θと屈折率ηとの関係を示すもので
ある。図中、η ωとη ωとは基本波の常光と異常光
の屈折率、η 2ωとη zωとは第2高調波の常光と
異常光の屈折率をそれぞれ表わす。これから図のz軸で
ある光軸に対してある角度θmではη ωとη 2ω
が一致することがわかる。すなわち基本波を常光として
θmの角度で入射すると、異常光として発生する第2高
調波との間に位相整合がとれることになる。基本波を常
光とするには、z軸に対して90°方向の直線偏光として
基本波を入射する。これにより高調波はz軸に平行な直
線偏光として放出される。このように基本波を常光、高
調波を異常光とするものを一般にタイプIの位相整合と
呼ぶ。これに対し基本波を常光と異常光との組み合わ
せ、高調波を異常光とすることも可能で、これをタイプ
IIの位相整合と呼ぶ。以下では簡単化のためにタイプI
の位相整合のみを考えることにする。
FIG. 20 shows the relationship between the light direction θ and the refractive index η. Drawing, eta o omega and eta e omega the ordinary and extraordinary refractive index of the fundamental wave, the eta o 2 [omega and eta e Zw represents the ordinary and refractive index of the extraordinary light of the second harmonic, respectively. From this, it can be seen that η o ω and η e coincide at a certain angle θ m with respect to the optical axis which is the z-axis in the figure. That is, incident at an angle of theta m fundamental wave as ordinary light, so that the phase matching take between the second harmonic generated as extraordinary light. In order for the fundamental wave to be ordinary light, the fundamental wave is incident as linearly polarized light in a direction at 90 ° to the z-axis. Thereby, harmonics are emitted as linearly polarized light parallel to the z-axis. Such a type in which the fundamental wave is ordinary light and the harmonic wave is extraordinary light is generally called type I phase matching. On the other hand, the fundamental wave can be a combination of ordinary light and extraordinary light, and the harmonics can be extraordinary light.
Called II phase matching. In the following, for simplicity, type I
Let us consider only the phase matching of.

上記の角度位相整合法は入射角を調節するだけでよい
ため簡便であるが、第19図に示すように常光Loである基
本波と異常光Leである第2高調波の進行方向が異なるた
め、両者の相互作用の領域が図の斜線部分に限られる。
しかし、もしθmを90°にすることができれば両光線の
進行方向が一致し、効率の高い波長変換ができることに
なるが、一般にはη ω≠η 2ω(90°)である。と
ころが温度を変えることによって両者が一致する場合が
ある。これは屈折率の温度依存性がη ωとη 2ω
で異なるからである。例えばYAGレーザの出力(波長1.0
6μm)を基本波とした場合、リチウムナイオベート(L
iNbO3)では165℃、ポタジウムナイオベート(KNbO3
では181℃に温度を制御することによりこの90°位相整
合が可能である。もちろんこの温度は波長によって異な
り、例えば0.86μmに対してはKNbO3を用いて25℃で90
°位相整合が可能である。
The above angle phase matching method is simple because it is only necessary to adjust the incident angle. However, as shown in FIG. 19, the traveling direction of the fundamental wave, which is ordinary light Lo, and the second harmonic, which is extraordinary light Le, are different. However, the interaction region between the two is limited to the hatched portion in the figure.
However, if θ m can be set to 90 °, the traveling directions of both light beams coincide with each other, and efficient wavelength conversion can be performed. Generally, η o ω ≠ η e (90 °). However, there are cases where the two coincide with each other by changing the temperature. This is because the temperature dependence of the refractive index differs between η o ω and η e . For example, the output of a YAG laser (wavelength 1.0
6μm) as the fundamental wave, lithium niobate (L
165 ° C for iNbO 3 ), Potassium niobate (KNbO 3 )
By controlling the temperature to 181 ° C., this 90 ° phase matching is possible. Of course, this temperature depends on the wavelength. For example, for 0.86 μm, 90 ° C. at 25 ° C. using KNbO 3
° Phase matching is possible.

位相整合を行なう手段としてはこの他に導波路を用い
るものと異なる方向から基本波を入射するものがある。
前者は光ファイバや薄膜を用いる導波路の直径や厚さを
変化させると実効的な屈折率が変化することを利用す
る。すなわち導波路を伝播する光のモードは離散的で導
波路の幅に対する屈折率の依存性が異なるので、基本波
と高調波とに異なるモードを割り当て、導波路の厚さな
どを調節することにより位相整合を行なう。
As another means for performing phase matching, there is a means for inputting a fundamental wave from a direction different from that using a waveguide.
The former utilizes the fact that the effective refractive index changes when the diameter or thickness of an optical fiber or a waveguide using a thin film is changed. That is, since the modes of light propagating through the waveguide are discrete and the dependence of the refractive index on the width of the waveguide is different, different modes are assigned to the fundamental wave and the harmonic, and the thickness of the waveguide is adjusted by adjusting the thickness and the like. Perform phase matching.

一方、後者はベクトル量としての位相整合を考えるも
のである。すなわち、これまでの考え方では基本波と高
調波とは同一方向に進むものと考えてきたが、第21図に
示すように基本波を角度αだけ異なる二つの方向から波
数ベクトル をもって入射させると、誘起される非線形分極波は波数
ベクトル をもって伝播する。この非線形分極波と同一方向に伝播
する波数ベクトル の第2高調波に対する位相整合条件は、 となる。従ってバルク結晶では基本波を常光、第2高調
波を異常光とし、αを調節することにより位相整合が可
能となる。また、導波路を用いて基本波と高調波とを異
なるモードに割り当て、導波路の幅ではなくαを調節す
ることにより位相整合を行なうこともできる。
On the other hand, the latter considers phase matching as a vector quantity. In other words, although the fundamental wave and the harmonic wave have been thought to travel in the same direction in the conventional thinking, as shown in FIG. , The induced nonlinear polarization wave becomes a wave vector Propagate with Wave vector propagating in the same direction as this nonlinear polarization wave The phase matching condition for the second harmonic of Becomes Therefore, in the bulk crystal, the fundamental wave is ordinary light and the second harmonic is extraordinary light, and by adjusting α, phase matching becomes possible. In addition, it is also possible to assign a fundamental wave and a higher harmonic wave to different modes using a waveguide and adjust α instead of the width of the waveguide to perform phase matching.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

前述の従来技術中の角度位相整合法は原理上最も簡単
で実用性が高いが、光学結晶の複屈折性によって第19図
のように常光と異常光の伝搬方向が異なって来るので、
基本波と第2高調波が相互作用し得る範囲が図にハッチ
ッグを付したごく狭い領域に限られてしまい、このため
波長変換効率があまり上がらない欠点がある。
The above-described angle phase matching method in the prior art is the simplest in principle and the most practical, but since the propagation directions of ordinary light and extraordinary light differ as shown in FIG. 19 due to the birefringence of the optical crystal,
The range in which the fundamental wave and the second harmonic can interact with each other is limited to a very narrow area with hatching in the figure, and therefore, there is a disadvantage that the wavelength conversion efficiency does not increase much.

これに対し温度位相整合法では、常光と異常光の伝搬
方向を一致させて基本波と第2高調波の相互作用領域を
広げることができ、従って波長変換効率を高め得る利点
を有するが、光学結晶の温度変化による屈折率の変化幅
はふつうごく僅かなので、この位相整合法を実際に適用
可能な非線形光学結晶はその光軸と90°方向の屈折率が
元々これに適した値をもつ特定の結晶に限られてしま
い、かつ実用上重要な波長範囲内で位相整合のための調
整温度が150℃以上の高温になるので、温度制御が厄介
で僅かな制御誤差によって波長変換効率が変動しやすい
問題を抱えている。
On the other hand, the temperature phase matching method has an advantage that the propagation direction of the ordinary light and the extraordinary light can be matched to expand the interaction region of the fundamental wave and the second harmonic wave, and thus the wavelength conversion efficiency can be increased. Since the width of the change in the refractive index due to the temperature change of the crystal is usually very small, a nonlinear optical crystal to which this phase matching method can be actually applied is specified so that its optical axis and the refractive index in the 90 ° direction originally have an appropriate value. The temperature is difficult to control and the wavelength conversion efficiency fluctuates due to a slight control error because the temperature for adjusting the phase is raised to 150 ° C or higher within the wavelength range that is practically important. Have easy problems.

一方、導波路の幅を調整する方法は原理上は有望であ
るが、非常に高い精度で幅調整を行なう必要があるの
で、実用的にはまだ困難な面が多い。また、レーザ光を
2方向から非線形光学結晶に入射する方法についても、
レーザ光束を集光して入射エネルギ密度を高めようとす
ると2個の入射光が重なり合う領域が小さくなってしま
い、波長変換効率があまり上がらない問題がある。
On the other hand, a method of adjusting the width of the waveguide is promising in principle, but it is necessary to perform the width adjustment with extremely high accuracy, so that there are many practically difficult aspects. Also, a method of injecting a laser beam into a nonlinear optical crystal from two directions is described.
When the laser beam is condensed to increase the incident energy density, a region where two incident lights overlap is reduced, and there is a problem that the wavelength conversion efficiency does not increase much.

本発明はかかる従来技術のもつ問題点を解決して、位
相整合が容易で波長変換効率を高め得る実用的なレーザ
光波長変換装置を提供することを主たる目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems of the prior art and to provide a practical laser light wavelength converter capable of easily performing phase matching and increasing the wavelength conversion efficiency.

本発明の他の目的は、非線形光学結晶の種類や波長領
域に対する制約が少ない波長変換装置を提供することに
ある。本発明のさらに他の目的は高精度で温度を調整す
る必要なくあるいは温度調整以外の手段で容易に位相整
合できる波長変換装置を提供することにある。本発明の
より具体的な目的はかかる特長をもつSHGおよびOPO方式
の波長変換装置を得ることにある。
It is another object of the present invention to provide a wavelength conversion device having less restrictions on the type and wavelength range of a nonlinear optical crystal. Still another object of the present invention is to provide a wavelength converter that can easily perform phase matching by means other than temperature adjustment without having to adjust the temperature with high accuracy. A more specific object of the present invention is to obtain an SHG and OPO type wavelength converter having such features.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明によればこの目的は、レーザ光発生手段から投
射されるレーザ光束を受け円錐状のレーザ光波面をもつ
収斂性のレーザ光束に変換する波面変換手段と、この変
換レーザ光束が内部に集光されるようにそれを受ける非
線形光学媒質により、あるいはレーザ光発生手段から投
射されるレーザ光束を受け円環状に発散するレーザ光波
面をもつレーザ光束に変換する波面変換手段と,この変
換レーザ光束を集光しかつ波面変換手段との間隔が調整
可能な集光手段と,変換レーザ光束が内部に集光される
非線形光学媒質により波長変換装置を構成し、非線形光
学媒質が受けるレーザ光から位相整合条件下で波長変換
された変換光を取り出すことにより達成される。
According to the present invention, an object of the present invention is to provide a wavefront converting means for converting a laser beam projected from a laser beam generating means into a convergent laser beam having a conical laser beam wavefront, and to collect the converted laser beam inside. Wavefront converting means for converting a laser beam projected from a non-linear optical medium receiving the light beam or from a laser beam generating means into a laser beam having a laser beam wavefront diverging in an annular shape, and the converted laser beam The wavelength conversion device is composed of a focusing means for focusing the light and adjusting the distance from the wavefront converting means, and a nonlinear optical medium in which the converted laser beam is focused. This is achieved by extracting wavelength-converted converted light under matching conditions.

上記構成中の入射レーザ光束を円錐状のレーザ光波面
をもつ収斂性のレーザ光束に変換する波面変換手段は、
最も簡単には光収斂性の円錐レンズにより構成でき、非
線形光学媒質の外方に凸な円錐状の受光面によっても構
成できる。
Wavefront conversion means for converting the incident laser beam in the above configuration into a convergent laser beam having a conical laser wavefront,
Most simply, it can be constituted by a converging conical lens having a light converging property, and can also be constituted by an outwardly convex conical light receiving surface of a nonlinear optical medium.

かかる波面変換手段により収斂ないし集光されるレー
ザ光束を内部に受ける非線形光学媒質は、原理上はその
温度を調整する必要はないが、実際上は簡単な温度調整
によってその波長変換上の位相整合条件を最適化するの
が望ましい。
The nonlinear optical medium which receives the laser beam converged or condensed by the wavefront converting means does not need to adjust its temperature in principle, but in practice, the phase matching on the wavelength conversion is performed by simple temperature adjustment. It is desirable to optimize the conditions.

また、入射レーザ光束を円環状に発散するレーザ光波
面をもつレーザ光束に変換する波面変換手段は凸な円錐
ミラーでも構成できるが、ふつうは凹な円錐レンズで構
成するのが有利で、これと組み合わせる集光手段は凸な
集光レンズで構成するのが有利である。この際、集光レ
ンズの受光面を凸な円錐面としてレンズ内の光束を平行
にし、出射面を凸な集光面とするのが望ましい。
Further, the wavefront converting means for converting the incident laser beam into a laser beam having a laser wavefront that diverges in an annular shape can be constituted by a convex conical mirror, but it is usually advantageous to constitute a concave cone lens. Advantageously, the combined focusing means comprises a convex focusing lens. At this time, it is desirable to make the light receiving surface of the condenser lens a convex conical surface so that the light flux in the lens is parallel, and make the exit surface a convex condenser surface.

本発明をSHG方式の波長変換に適用する場合は、波長
変換装置をレーザ光発生手段の共振系外に配置するのが
ふつうであるが、場合により共振系内に組み込むことも
できる。本発明をOPO方式の波長変換に適用する場合
は、波長変換装置をレーザ光発生手段の共振系内に配置
するのが有利である。
When the present invention is applied to the wavelength conversion of the SHG method, it is usual to arrange the wavelength conversion device outside the resonance system of the laser light generating means, but it is also possible to incorporate the wavelength conversion device in the resonance system in some cases. When the present invention is applied to OPO-type wavelength conversion, it is advantageous to arrange the wavelength conversion device in the resonance system of the laser light generating means.

〔作用〕[Action]

本件発明者は円錐レンズを通った光が集光する様子を
詳しく解析することにより本発明に到達したのである
が、まず理解を容易にするため2方向から基本波として
のレーザ光束が光学結晶に入射する場合について述べ
る。第11図は、方向Qとのなす角度がαである二つの方
向から波長λωの光L1,L2が光学媒質中に入射して交叉
した状態を示し、光の進行方向と直角な細線が光の波面
である。これらの光L1,L2が相互交叉部内に作る電界を
Q方向にみたときの波長λは図から明らかなように次
式で表わされる。
The present inventor has arrived at the present invention by analyzing in detail the manner in which light passing through the conical lens is collected. First, in order to facilitate understanding, a laser beam as a fundamental wave is applied to the optical crystal from two directions. The case of incidence will be described. FIG. 11 shows a state in which light L1 and L2 of wavelength λ ω are incident on the optical medium and intersect from two directions in which the angle between the direction Q and α is α, and a thin line perpendicular to the light traveling direction is shown. Wavefront of light. The wavelength λ Q when the electric field created by these lights L1 and L2 in the crossing portion is viewed in the Q direction is expressed by the following equation as is apparent from the figure.

λ=λω/cos α …………(16) このように角度αを変えることにより基本波のQ方向
の波長λを操作でき、この基本波から光学媒質内で波
長変換される高調波はQ方向に発生するから、高調波と
基本波との位相整合が可能になる。しかし、波長変換を
効率良く行なうために基本波を集光すると二つのビーム
の相互作用範囲が狭くなってしまう。
λ Q = λ ω / cos α (16) By changing the angle α in this way, the wavelength λ Q of the fundamental wave in the Q direction can be manipulated, and the harmonic wave that is wavelength-converted in the optical medium from the fundamental wave Since the wave is generated in the Q direction, phase matching between the harmonic and the fundamental wave becomes possible. However, if the fundamental wave is collected in order to perform the wavelength conversion efficiently, the interaction range between the two beams is narrowed.

そこで本件発明者は円錐レンズ等の波面変換手段が利
用できることに着目した。第12図はこの本発明の原理を
図示するものである。
Therefore, the present inventor paid attention to the fact that wavefront conversion means such as a conical lens can be used. FIG. 12 illustrates the principle of the present invention.

第12図(a)では、例えば平行なレーザ光束22である
基本波を波面変換手段40としての凸な円錐レンズに与え
て、収斂性の光束に変換し、第11図の二つの光の交叉部
と類似な図でハッチングが施された範囲を光学媒質70内
に作る。第12図(b)では、レーザ光束21である基本波
を波面変換手段50としての凹な円錐レンズに与えて一旦
発散性の光束23に変換した後、集光手段60としての凸な
集光レンズによって同様に第11図の光の交叉部と類似な
ハッチング範囲を光学媒質70内に作る。かかる第12図を
第11図と比較すると両者は類似しているがこれは2次元
の図として表わしたためにそう見えるのであって、本発
明の場合は第11図の光の交叉部と異なりハッチング部が
収斂性ないし集光性の光束で作られている違いがある。
In FIG. 12 (a), for example, a fundamental wave which is a parallel laser beam 22 is given to a convex conical lens as a wavefront converting means 40 to be converted into a convergent beam, and the intersection of two lights in FIG. 11 is performed. A hatched area is created in the optical medium 70 in a view similar to the section. In FIG. 12 (b), after the fundamental wave which is the laser beam 21 is given to the concave conical lens as the wavefront converting means 50 and is once converted into the divergent light beam 23, the convex light is condensed as the light collecting means 60. The lens also creates a hatched area in the optical medium 70 similar to the light crossover in FIG. When FIG. 12 is compared with FIG. 11, they are similar, but this is apparent because they are represented as a two-dimensional diagram. In the case of the present invention, hatching is different from the intersection of light in FIG. The difference is that the parts are made of convergent or convergent light flux.

すなわち、本発明の場合には第13図に示すような開口
Aを通った光の伝播の様子を表す次のようなKirchhoff
の式を用いる必要がある。
That is, in the case of the present invention, the following Kirchhoff showing the state of propagation of light through the aperture A as shown in FIG.
It is necessary to use the following equation.

ただし、ここでuaは開口A上の電界の振幅分布、up
開口Aから伝播した光が他の面Pに達したときの振幅分
布、Rは開口A上の点と面Pの上の一点とを結ぶベクト
ルの長さ、θBはベクトルがAの法線となす角度、dsは
開口A上の面積要素である。円錐レンズによる集光過程
を論じるためには、平面波が開口部分に達したところで
レンズによる位相のおくれを生じると考えればよい。
今、位相おくれを で表わすと、例えば円錐レンズ40に対応する第14図から
明らかなように、 となる。ここで は空気中の光の波数、θLはレンズの円錐面がレンズの
底面と成す角度、ηLはレンズの屈折率、dはレンズの
直径、rはレンズの中心からの距離である。開口面Aで
の電界強度の絶対値を1とすると、 となるから、これを(17)式に代入して数値積分を実行
すると光の分布が求まる。upは電界強度を表わす複素振
幅であるからエネルギ密度Iは I=|up2 ………………(21) として求まる。
However, where u a is the amplitude distribution of the electric field on the opening A, u p is an amplitude distribution when light propagating from the opening A has reached the other side P, R is on the point on the opening A and the plane P Is the length of the vector connecting the point A, the angle θ B is the angle between the vector and the normal to A, and ds is the area element on the opening A. In order to discuss the light-condensing process by the conical lens, it is sufficient to consider that when the plane wave reaches the aperture portion, the phase is delayed by the lens.
Now, phase shift If, for example, as apparent from FIG. 14 corresponding to the conical lens 40, Becomes here Is the wave number of light in air, θ L is the angle formed by the conical surface of the lens with the bottom surface of the lens, η L is the refractive index of the lens, d is the diameter of the lens, and r is the distance from the center of the lens. Assuming that the absolute value of the electric field strength at the opening surface A is 1, By substituting this into equation (17) and performing numerical integration, the light distribution is obtained. u p is the energy density I because it is complex amplitude representing the field strength I = | u p | 2 .................. obtained as (21).

第15図はこのようにしてレンズを通った後のビームの
中心線,すなわち第12図のQ軸上のエネルギ密度を求め
たものである。
FIG. 15 shows the energy density on the center line of the beam after passing through the lens in this manner, that is, the energy density on the Q axis in FIG.

なお、横軸の距離lはQ軸上の円錐レンズ40からの距離
で、縦軸のエネルギ密度Iは入射光のエネルギ密度を1
とした場合の相対値である。この第15図から明らかなよ
うにIは距離lに比例して増加するが約2.6cmの所で急
に減少する。ここは重なった光が再び分離する距離つま
り第12図のハッチング範囲の端に相当する。この計算か
ら中心線上のエネルギ密度が入力光の4×104倍程度に
なることがわかる。なお、増加曲線に重畳された振動は
開口Aの端における回析が原因で生じる。
Note that the distance l on the horizontal axis is the distance from the conical lens 40 on the Q axis, and the energy density I on the vertical axis is the energy density of the incident light.
Is a relative value when As apparent from FIG. 15, I increases in proportion to the distance l, but suddenly decreases at about 2.6 cm. This corresponds to the distance at which the overlapped light is separated again, that is, the end of the hatched area in FIG. This calculation shows that the energy density on the center line is about 4 × 10 4 times the input light. Note that the vibration superimposed on the increase curve is caused by diffraction at the end of the opening A.

次に第16図は第15のl=2.5cmの位置におけるQ軸と
垂直方向のエネルギ密度Iを求めた結果であって、横軸
はQ軸から90°方向の半径rである。エネルギ密度Iは
中心付近の半径約2μmの領域に大きなピークを持つこ
とがわかる。
Next, FIG. 16 shows the result of obtaining the energy density I in the direction perpendicular to the Q axis at the 15th l = 2.5 cm position, and the horizontal axis is the radius r in the direction of 90 ° from the Q axis. It can be seen that the energy density I has a large peak near the center with a radius of about 2 μm.

エネルギ密度ではなく電界強度を知るにはupの実数部
分を求めればよい。第17図はQ軸上のl=2.499〜2.5cm
の10μmの区間の電界Eを拡大して示すものである。こ
のQ軸上の波長はλ=1.082μmとなる。一方上記の
レンズを用いた場合、屈折後の光線がz軸と成す角度α
は11.026°となるから、(16)式からλ=1.083μm
となりQ軸上の振動電界の波長が(16)式による予測値
とほぼ一致することがわかる。
It may be obtained the real part of u p to know the field intensity rather than energy density. Fig. 17 shows l on the Q axis = 2.499 to 2.5 cm
The electric field E in the section of 10 μm is enlarged and shown. The wavelength on the Q axis is λ Q = 1.082 μm. On the other hand, when the above lens is used, the angle α formed by the refracted light beam with the z axis
Is 11.026 °, so from equation (16), λ Q = 1.083 μm
It can be seen that the wavelength of the oscillating electric field on the Q axis substantially matches the predicted value obtained by the equation (16).

以上からわかるように、第12図(a)の波面変換手段
40により,あるいは同図(b)の波面変換手段50と集光
手段60の組み合わせにより基本波を非線形光学媒質70内
に集光することによって、基本波のエネルギをこの集光
の中心線上に高密度に集中させるとともに、波面変換手
段や集光手段による光学媒質内への基本波の集光角度を
適宜に選択することにより、この高エネルギ密度領域の
広さおよびその内部の基本波の振動電界の中心線方向の
波長を所望の値に調整することができる。
As can be seen from the above, the wavefront conversion means shown in FIG.
By condensing the fundamental wave into the nonlinear optical medium 70 by using the wavefront converting means 50 and the condensing means 60 shown in FIG. The concentration of the fundamental wave into the optical medium by the wavefront converting means and the focusing means is appropriately selected while the concentration of the fundamental wave is focused on the density, so that the width of the high energy density region and the oscillating electric field of the fundamental wave inside the high energy density area are increased. Can be adjusted to a desired value in the direction of the center line.

本発明は波面変換手段や集光手段がもつかかる機能を
利用するもので、非線形光学媒質の種類と基本波の波長
から第2高調波等の変換光と位相整合し得る上述の基本
波の中心線方向の波長をまず決めて、この位相整合条件
を満たすように波面変換手段や集光手段による基本波の
光学媒質内への集光角度を合わせる。これにより位相整
合条件がほぼ正確に満たされるが、さらに微調整が必要
なときは非線形光学結晶の温度あるいは波面変換手段と
集光手段の間隔を調整できる。
The present invention utilizes such functions of the wavefront converting means and the condensing means. The center of the above-mentioned fundamental wave which can be phase-matched with the converted light such as the second harmonic from the type of the nonlinear optical medium and the wavelength of the fundamental wave. First, the wavelength in the linear direction is determined, and the converging angle of the fundamental wave into the optical medium by the wavefront converting means and the condensing means is adjusted so as to satisfy the phase matching condition. This substantially satisfies the phase matching condition, but when fine adjustment is required, the temperature of the nonlinear optical crystal or the distance between the wavefront converting means and the light condensing means can be adjusted.

このように本発明によれば、基本波と高調波を容易か
つ正確に位相整合させながら、非線形光学媒体内の波長
変換作用領域に基本波のエネルギを高密度で集中させ、
かつこの領域の広さを充分に取って波長変換効率を高め
ることにより前述の課題を解決することができる。
As described above, according to the present invention, the energy of the fundamental wave is concentrated at a high density in the wavelength conversion action region in the nonlinear optical medium while easily and accurately performing the phase matching between the fundamental wave and the harmonic.
In addition, the above-described problem can be solved by sufficiently increasing the area of this region to increase the wavelength conversion efficiency.

〔実施例〕〔Example〕

以下、第1図から第10図を参照しながら本発明の若干
の実施例を説明する。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10.

第1図は波面変換手段40として凸な円錐レンズを用い
る本発明によるレーザ光波長変換装置の構成図であり、
この実施例ではSHG方式の波長変換によりレーザ光が第
2高調波光に変換される。図のレーザ光発生手段10は、
通例のようにYAGロッド等のレーザ媒質11,全反射ミラー
12,部分反射性の出力ミラー13,偏光器14等からなり、励
起光源等は簡略化のため図から省略されている。このレ
ーザ光発生手段10は偏光器14により直線偏光された例え
ば、1.063μmの波長のレーザ光20を発振する。
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser light wavelength conversion device according to the present invention using a convex conical lens as the wavefront conversion means 40.
In this embodiment, the laser light is converted into the second harmonic light by SHG wavelength conversion. The laser light generating means 10 shown in the figure
As usual, laser medium 11, such as YAG rod, total reflection mirror
12, a partially reflective output mirror 13, a polarizer 14, etc., and the excitation light source and the like are omitted from the figure for simplification. The laser light generating means 10 oscillates a laser light 20 having a wavelength of, for example, 1.063 μm, which is linearly polarized by the polarizer.

この例では、このレーザ光発生手段10に付随して凹レ
ンズ15aと凸レンズ15bからなるビーム拡張器15が設けら
れ、これによりレーザ光発生手段10からの細いレーザ光
束21が太いこの例では平行なレーザ光束22に一旦広げら
れる。元のレーザ光束20のビーム径が大な場合には、こ
のビーム拡張器15はもちろん不要である。
In this example, a beam expander 15 including a concave lens 15a and a convex lens 15b is provided in association with the laser light generating means 10, whereby a narrow laser light flux 21 from the laser light generating means 10 is a parallel laser in this example. The light beam 22 is once spread. When the beam diameter of the original laser beam 20 is large, the beam expander 15 is of course unnecessary.

波面変換手段40としての凸な円錐レンズは、このビー
ム拡張器15により広げられたレーザ光束22を平坦な受光
面に受け、それを収斂性のレーザ光束に変換してその出
射側に近接配置された非線形光学媒質70の内部に集光す
る。
The convex conical lens as the wavefront converting means 40 receives the laser beam 22 spread by the beam expander 15 on a flat light receiving surface, converts it into a convergent laser beam, and is disposed close to the emission side thereof. The light is condensed inside the nonlinear optical medium 70.

非線形光学媒質70としては例えばMgOドープのリチュ
ームナイオベート(LiNbO3)の結晶が用いられ、この例
のようにSHG方式の波長変換では前述のタイプIの位相
整合が有利なのでその偏光方向は光軸に対して直角方向
にとられる。この非線形光学媒質70と波面変換手段40は
容器80内に収納され、簡単な温度コントローラ90等の手
段で温度が定値に保たれる。
As the nonlinear optical medium 70, for example, MgO-doped lithium niobate (LiNbO 3 ) crystal is used. In the SHG type wavelength conversion as in this example, the above-mentioned type I phase matching is advantageous, so the polarization direction is the optical axis. At right angles to The nonlinear optical medium 70 and the wavefront converting means 40 are housed in a container 80, and the temperature is kept at a constant value by means of a simple temperature controller 90 or the like.

この実施例における上述のタイプIの位相整合上は、
波面変換手段40としての円錐レンズの傾斜角を例えば12
°または14.5°とし、レーザ光20を非線形光学媒質70内
に中心線に対して2.8°または3.43°の角度で投射し、
かつ非線形光学媒質70の温度を59℃または36℃に制御す
ることによりこの位相整合条件が達成される。この条件
下で基本波であるレーザ光20から変換される第2高調波
光である変換光30は、もちろん非線形光学媒質70の中心
線付近から細い光束で発生し、その出射側端面から図示
のように容器80外に取り出される。なお、この端面から
放射状に放出される基本波であるレーザ光20は適宜な手
段で吸収される。
In the above-described type I phase matching in this embodiment,
The inclination angle of the conical lens as the wavefront conversion means 40 is set to, for example, 12
° or 14.5 °, the laser beam 20 is projected into the nonlinear optical medium 70 at an angle of 2.8 ° or 3.43 ° with respect to the center line,
The phase matching condition is achieved by controlling the temperature of the nonlinear optical medium 70 to 59 ° C. or 36 ° C. Under this condition, the converted light 30, which is the second harmonic light converted from the laser light 20, which is the fundamental wave, is of course generated as a thin light beam near the center line of the nonlinear optical medium 70, and as shown in the drawing from the exit end face thereof. Is taken out of the container 80. The laser beam 20, which is a fundamental wave radially emitted from the end face, is absorbed by appropriate means.

第2図の実施例では、非線形光学媒質70の入射側端面
が円錐状の光学面に研磨されて波面変換手段41として用
いられる点が前の実施例と異なり、他の部分は第1図と
同じであって同じ符号が付されている。容易にわかるよ
うに、この実施例の動作原理は前の実施例と同じで、こ
れよりも全体構成を簡易化できる利点を有する。
2 is different from the previous embodiment in that the incident side end face of the nonlinear optical medium 70 is polished into a conical optical surface and is used as the wavefront converting means 41. The same and the same reference numerals are given. As can be easily understood, the operation principle of this embodiment is the same as that of the previous embodiment, and has the advantage that the overall configuration can be simplified.

これに対し、第3図の実施例では波長変換装置をレン
ズ共振系内に組み込む点が上述の二つの実施例と大きく
異なる。この実施例では、レーザ光発生手段10内に組み
込まれていた出力ミラー13のかわりに非線形光学媒質70
の右側端面に対向して凹な球面状の反射面を有する出力
ミラー16が配置されており、非線形光学媒質70から放射
状に出射される基本波としてのレーザ光20がこれにより
反射されて非線形光学媒質70に送り返される。
On the other hand, the embodiment of FIG. 3 is significantly different from the above-mentioned two embodiments in that the wavelength converter is incorporated in the lens resonance system. In this embodiment, the nonlinear optical medium 70 is used instead of the output mirror 13 incorporated in the laser light generating means 10.
An output mirror 16 having a concave spherical reflecting surface is arranged opposite to the right end face of the laser beam, and a laser beam 20 as a fundamental wave radially emitted from the nonlinear optical medium 70 is reflected by the It is sent back to the medium 70.

従って、レーザ光20は外部に放出されることなくこの
出力ミラー16と全反射ミラー12の間のレーザ共振系内に
閉じ込められ、この共振系内に波面変換手段40と非線形
光学媒質70が組み込まれる。非線形光学媒質70の波面変
換手段40と対向する左側端面にはレーザ光20に対しては
高透過率であるが変換光30に対しては高反射率の波長選
択性コーティングが施され、非線形光学媒質70内で発生
する変換光30はその右側端面から出力ミラー16の中心部
に明けられた小さな出射口を介して外部に取り出され
る。
Therefore, the laser light 20 is confined in the laser resonance system between the output mirror 16 and the total reflection mirror 12 without being emitted to the outside, and the wavefront converting means 40 and the nonlinear optical medium 70 are incorporated in the resonance system. . On the left end face of the nonlinear optical medium 70 facing the wavefront conversion means 40, a wavelength selective coating having high transmittance for the laser light 20 but high reflectance for the converted light 30 is applied, The converted light 30 generated in the medium 70 is extracted to the outside from a right end face thereof through a small exit port opened at the center of the output mirror 16.

この実施例では共振系内の高強度のレーザ光が基本波
として波長変換装置に与えられ、非線形光学媒質の2次
の非線形分極が基本波の強度の2乗に比例するから、今
までの実施例よりも波長変換効率を格段に高め、ないし
高強度の変換光を取り出すことができる。なお、容易に
わかるようにこの実施例においても第2図の実施例と同
様に非線形光学媒質の端面を円錐面に形成して、波面変
換手段としての役目を持たせることができる。
In this embodiment, a high-intensity laser beam in the resonance system is supplied to the wavelength converter as a fundamental wave, and the second-order nonlinear polarization of the nonlinear optical medium is proportional to the square of the intensity of the fundamental wave. The wavelength conversion efficiency can be significantly increased as compared with the example, and converted light with high intensity can be extracted. As can be easily understood, in this embodiment, similarly to the embodiment of FIG. 2, the end face of the nonlinear optical medium can be formed as a conical surface to serve as a wavefront converting means.

第4図の実施例では、波長変換装置がレーザ共振系外
に置かれるが、非線形光学媒質72の受光側と反対の端面
が円錐面に形成され、かつ高反射性コーティングが施さ
れて波面変換手段42として用いられる。非線形光学媒質
72に基本波であるレーザ光束22が平坦な受光面から入射
すると、波面変換手段42により反射されて円錐状の収斂
性レーザ光束に変換され、その集光部から高調波である
変換光30が発生してこの例では基本波の入側に配された
平行平面板17から直角方向に取り出される。なお、平行
平面板17には基本波に高透過性で高調波に高反射性のコ
ーティングが施される。
In the embodiment shown in FIG. 4, the wavelength conversion device is placed outside the laser resonance system, but the end face of the nonlinear optical medium 72 opposite to the light receiving side is formed as a conical surface, and a highly reflective coating is applied to perform wavefront conversion. Used as means 42. Nonlinear optical medium
When the laser beam 22 which is a fundamental wave enters the 72 from a flat light-receiving surface, the laser beam 22 is reflected by the wavefront converting means 42 and converted into a conical convergent laser beam, and the converted light 30 which is a harmonic wave from the condensing portion. It is generated and in this example is taken out at right angles from the plane parallel plate 17 arranged on the input side of the fundamental wave. The parallel plane plate 17 is provided with a coating that is highly transmissive to the fundamental wave and highly reflective to the harmonics.

第5図の実施例では平坦な両端面をもつ非線形光学媒
質70を用い、その受光側と反対の端面に対向して凹な円
錐ミラーである機能的に第4図の波面変換手段42と等価
な波面変換手段43が配設される。この実施例では非線形
光学媒質70と波面変換手段43の間に隙間ができて基本波
をすべて非線形光学媒質70内に集光できないが、光学結
晶の加工が容易になる利点がある。
The embodiment shown in FIG. 5 uses a nonlinear optical medium 70 having flat end faces, and is a conical mirror which is concave on the end face opposite to the light receiving side, and is functionally equivalent to the wavefront conversion means 42 shown in FIG. A simple wavefront converting means 43 is provided. In this embodiment, a gap is formed between the nonlinear optical medium 70 and the wavefront converting means 43 so that all fundamental waves cannot be collected in the nonlinear optical medium 70, but there is an advantage that the processing of the optical crystal becomes easy.

第6図は波面変換手段と集光手段を組み合わせて両手
段の間隔を可調整とする本発明の実施例を示すもので、
同図(a)には間隔が大な状態,同図(b)には小な状
態がそれぞれ示されている。この実施例における波面変
換手段50には凹な円錐レンズが用いられ、その受光面は
平坦に形成されてレーザ光発生手段10で発生された細い
レーザ光束21を今までの実施例のようにビーム拡張器を
介することなく受け、その凹な円錐形状の出射面により
平行なレーザ光束21を図示のように円環状に発散するレ
ーザ光束23に変換する。
FIG. 6 shows an embodiment of the present invention in which the distance between the two means is adjustable by combining the wavefront converting means and the condensing means.
FIG. 11A shows a state where the interval is large, and FIG. 10B shows a state where the interval is small. In this embodiment, a concave conical lens is used for the wavefront converting means 50, the light receiving surface of which is formed flat, and the thin laser beam 21 generated by the laser light generating means 10 is beam-formed as in the previous embodiments. The laser beam is received without passing through the dilator, and is converted into the laser beam 23 which diverges in an annular shape as shown in FIG.

この円環状に発散するレーザ光束23を受ける集光手段
60は、その受光面が波面変換手段50の円錐面と同じ角度
をもつ凸な円錐面に形成されているので、レーザ光束は
その内部で円環状の平行光束となり、この例では凸な球
面状に形成されたその出射面ないし集光面により図の円
環状のレーザ光束24で示すように非線形光学媒質70内の
集光面の焦点Fに集光される。なお、この集光手段60の
出射面はかかる球面状に限らず例えば第12図(b)に示
したような凸な円錐面に形成してもよい。
Focusing means for receiving this annularly divergent laser beam 23
Since the light receiving surface 60 is formed as a convex conical surface having the same angle as the conical surface of the wavefront converting means 50, the laser beam becomes an annular parallel light beam inside thereof, and in this example, a convex spherical surface is formed. The light exiting surface or the light condensing surface formed in the above-mentioned manner converges on the focal point F of the light converging surface in the nonlinear optical medium 70 as shown by the annular laser beam 24 in the figure. The exit surface of the light condensing means 60 is not limited to such a spherical shape, and may be formed, for example, in a convex conical surface as shown in FIG. 12 (b).

この実施例では、波面変換手段50の集光手段60との間
隔xを調整して非線形光学媒質70内に集光される基本波
としてのレーザ光の中心線との角度αを微調整すること
により、基本波と高調波間の位相整合を容易にとること
ができる。すなわち、第6図(a)のように間隔xを大
にした場合は、集光手段60に入射するレーザ光束23の円
環径が大で、従って角度αが大になるが、同図(b)の
ように間隔xを小にした場合は、レーザ光束23の円環径
が小で、従って角度αが小になる。
In this embodiment, fine adjustment of the angle α with respect to the center line of the laser light as the fundamental wave focused in the nonlinear optical medium 70 by adjusting the distance x between the wavefront converting means 50 and the focusing means 60. Accordingly, phase matching between the fundamental wave and the harmonic can be easily achieved. That is, when the interval x is increased as shown in FIG. 6 (a), the annular diameter of the laser beam 23 incident on the condensing means 60 is large, and therefore the angle α is large. When the distance x is small as in b), the annular diameter of the laser beam 23 is small, and therefore the angle α is small.

このように第4図の実施例は、基本波の非線形光学媒
質への投射角度αを簡単に調整できる点で角度が固定さ
れた今までの第1図〜第5図の実施例にない利点を有す
る。
Thus, the embodiment of FIG. 4 has an advantage over the embodiment of FIGS. 1 to 5 in that the angle is fixed in that the projection angle α of the fundamental wave onto the nonlinear optical medium can be easily adjusted. Having.

もちろん角度αが固定であっても、波面変換手段の例
えば円錐面の角度を正確に形成してこの角度αを所定値
に合わせれば位相整合条件を満たすことができ、非線形
光学媒質の温度を制御してこの条件を微調整することも
できる。しかし、非線形光学媒質の光学特性がその結晶
生成条件により変動しやすくて円錐面に与えるべき角度
の予測が困難な場合があり、また結晶の種類によっては
常光と異常光に対する屈折率の温度依存性がほとんど等
しい場合もあるので、正確な位相整合を得るのが困難に
なることがある。
Of course, even if the angle α is fixed, the phase matching condition can be satisfied if the angle of the conical surface of the wavefront conversion means is accurately formed and this angle α is adjusted to a predetermined value, and the temperature of the nonlinear optical medium can be controlled. Then, this condition can be finely adjusted. However, the optical characteristics of the nonlinear optical medium tend to fluctuate depending on the crystal formation conditions, making it difficult to predict the angle to be given to the conical surface. Depending on the type of crystal, the temperature dependence of the refractive index for ordinary light and extraordinary light In some cases, it may be difficult to obtain accurate phase matching.

第6図のように波面変換手段と集光手段を組み合わせ
て両手段の間隔を可調整とする波長変換装置はかかる場
合に適用して効果が高く、常に確実に位相整合条件を満
たしかつ非線形光学媒質を温度調整する必要をなくすこ
とができる。
As shown in FIG. 6, a wavelength converter in which the distance between the two means can be adjusted by combining the wavefront converting means and the condensing means is highly effective when applied to such a case, and always satisfies the phase matching condition and ensures non-linear optics. The need to adjust the temperature of the medium can be eliminated.

第6図の実施例ではレーザ光束24を非線形光学媒質70
内の焦点Fに集光するようにしたので、円環状のレーザ
光束24の図の円環角度幅δがあまり大きいと、レーザ光
の投射角度αに分布があることになって位相整合上で不
利になり、この不都合をなくすには波面変換手段50に与
えるレーザ光束21の径を充分に細めねばならない。
In the embodiment shown in FIG. 6, the laser beam 24 is
When the annular angle width δ in the figure of the annular laser beam 24 is too large, the projection angle α of the laser beam has a distribution, and the To eliminate this inconvenience, the diameter of the laser beam 21 applied to the wavefront conversion means 50 must be sufficiently reduced.

第7図の実施例はこの制約をなくしたもので、波面変
換手段51に第4図の円錐レンズとほぼ同形であるが受光
面がやや凹なものを用いる。これにより変換された円環
状のレーザ光束23は第4図の場合より発散性が強くな
り、これを受ける集光手段60内のレーザ光束は平行光束
から外れたやや末広がり傾向をもつ光束となり、非線形
光学媒質70に投射される集光性のレーザ光束24が第1図
の場合と等価な均一な投射角度αをもつ光束になる。な
お、この実施例でも波面変換手段51の出射面と集光手段
60の受光面の円錐角度を揃えることにより、波面変換手
段51と集光手段60の間隔が変化しても投射角度αの均一
性を維持できる。
The embodiment of FIG. 7 eliminates this restriction, and uses a wavefront converting means 51 which is substantially the same as the conical lens of FIG. 4, but has a slightly concave light receiving surface. The converted annular laser light beam 23 has a higher divergence than the case of FIG. 4, and the laser light beam in the condensing means 60 receiving the light beam has a slightly divergent light beam deviating from the parallel light beam. The converging laser light beam 24 projected on the optical medium 70 becomes a light beam having a uniform projection angle α equivalent to the case of FIG. It should be noted that also in this embodiment, the exit surface of the wavefront converting means 51 and the light collecting means
By making the cone angles of the light receiving surfaces 60 uniform, the uniformity of the projection angle α can be maintained even if the distance between the wavefront converting means 51 and the light collecting means 60 changes.

第8図の実施例は第7図と等価な機能をもつ。この実
施例では、波面変換手段52は第7図の場合と同様に凹な
受光面をもつが、その出射面が凸な円錐面に形成され
る。この波面変換手段52で変換されたレーザ光束23が一
旦集光された後に発散する光束となる点を除いて、集光
手段60からの投射光束24は第5図の場合と同じになり、
波面変換手段51の出射面と集光手段60の受光面の円錐角
度を揃えるのが望ましいことも同じである。
The embodiment of FIG. 8 has a function equivalent to that of FIG. In this embodiment, the wavefront converting means 52 has a concave light-receiving surface as in the case of FIG. 7, but its emission surface is formed as a convex conical surface. Except that the laser beam 23 converted by the wavefront converting means 52 becomes a divergent light beam once collected, the projected light beam 24 from the light collecting means 60 is the same as in the case of FIG.
It is also the same that it is desirable to make the cone angles of the output surface of the wavefront conversion means 51 and the light receiving surface of the light collection means 60 uniform.

以上説明した実施例はいずれもSHG方式の波長変換に
適するが、第9図以降の実施例はOPO方式の波長変換に
適するものである。OPO方式の原理は前に(7)式〜(1
1)式等によって説明したとおりであって、被変換波と
して周波数ω3の光を投射してω3=ω1+ω2の関係にあ
るω1とω2の双方または一方の周波数をもつ変換光を取
り出すものである。この際の位相整合は周波数ω1,ω2
に対応する2個の波数ベクトルのベクトル和が周波数ω
3に対応する波数ベクトルと等しくなる条件で満たされ
る。
The embodiments described above are all suitable for the wavelength conversion of the SHG system, but the embodiments after FIG. 9 are suitable for the wavelength conversion of the OPO system. The principle of the OPO method has been explained before using equations (7) to (1).
1) As described by the equation and the like, a light having a frequency of ω 3 is projected as a converted wave and a conversion having both or one of ω 1 and ω 2 in a relationship of ω 3 = ω 1 + ω 2 is performed. It extracts light. At this time, the phase matching is performed at frequencies ω 1 and ω 2
Is the sum of the two wavenumber vectors corresponding to the frequency ω
It is satisfied under the condition that it becomes equal to the wave number vector corresponding to 3 .

この位相整合上でOPO方式がSHG方式と異なるのは被変
換波の波長が変換波の波長よりも短い点のみであり、上
述のSHGに適する実施例からもわかるように本発明によ
れば同様な手段でかつふつうは光学結晶の複屈折を利用
することなくこの位相整合条件を満たし得る。ただし、
OPO方式の場合は波長変換効率を高めるために非線形光
学媒質を変換光の周波数に同調された共振系内に入れ、
媒質内で発生する変換光を増幅した上で外部に取り出す
のがふつうである。
On this phase matching, the OPO system differs from the SHG system only in the point that the wavelength of the converted wave is shorter than the wavelength of the converted wave, and as can be seen from the above-described embodiment suitable for SHG, the same applies according to the present invention. By any means, this phase matching condition can usually be satisfied without utilizing the birefringence of the optical crystal. However,
In the case of the OPO method, the nonlinear optical medium is placed in a resonance system tuned to the frequency of the converted light in order to increase the wavelength conversion efficiency,
It is common to amplify the converted light generated in the medium and then extract it outside.

第9図は第1図に対応するOPO方式の波長変換装置の
実施例であって、波面変換手段40に円錐レンズを用いる
のは第1図と同じであるが、非線形光学媒質70の入射側
端面70aに被変換光であるレーザ光20には透過性である
が変換光には高反射性の波長選択性コーティングが施さ
れ、かつ出射側端面70bに対向して部分反射性の出力ミ
ラー18が配設される。媒体内で発生する変換光31は入射
側端面70aと出力ミラー18の間の共振系内で増幅された
後に外部に取り出される。
FIG. 9 shows an embodiment of an OPO type wavelength converter corresponding to FIG. 1, in which a conical lens is used for the wavefront converting means 40 as in FIG. The laser beam 20 to be converted is transparent to the end face 70a, but the converted light is coated with a wavelength-selective coating having high reflectivity, and the output mirror 18 is partially reflective to face the emission side end face 70b. Is arranged. The converted light 31 generated in the medium is amplified in a resonance system between the incident side end face 70a and the output mirror 18 and then extracted outside.

かかるOPO方式の波長変換では、被変換光であるレー
ザ光20の波長が1.06μmである場合、例えば3.00μmと
1.64μmの波長の双方または一方の変換光31が発生され
る。もちろん、かかる変換光31の波長の設定は出力ミラ
ー73の非線形光学媒質70からの距離を微調整して共振系
の共振周波数を選択することにより行なわれる。なお、
SHG方式の波長変換は前述のように90°位相整合条件下
で行なうのが有利であるが、OPO方式の波長変換では光
学結晶の光軸方向と90°方向のいずれの位相整合条件を
も有利に利用できる。
In such OPO wavelength conversion, when the wavelength of the laser light 20 to be converted is 1.06 μm, for example, 3.00 μm.
Both or one converted light 31 at a wavelength of 1.64 μm is generated. Of course, the setting of the wavelength of the converted light 31 is performed by finely adjusting the distance of the output mirror 73 from the nonlinear optical medium 70 and selecting the resonance frequency of the resonance system. In addition,
As described above, it is advantageous to perform the SHG wavelength conversion under the 90 ° phase matching condition, but the OPO wavelength conversion is advantageous in both the optical axis direction and the 90 ° direction of the optical crystal. Available to

第10図は前の第7図に対応するOPO方式の波長変換装
置の実施例であって、波面変換手段51と集光手段60を組
み合わせて用いるのは第7図と同じであるが、非線形光
学媒質73の被変換光としてのレーザ光20に対する入射側
端面73aと出射側端面73bを変換光31に対する反射ミラー
として利用して共振系を構成し、前述の発生可能な2個
の変換光の波長中の例えば短い方の1.64μmの波長にこ
の共振系を同調させる。
FIG. 10 shows an embodiment of an OPO type wavelength converter corresponding to the previous FIG. 7, in which the wavefront converting means 51 and the condensing means 60 are used in combination as in FIG. A resonance system is configured by using the incident side end face 73a and the emission side end face 73b of the optical medium 73 for the laser light 20 as the light to be converted as a reflection mirror for the converted light 31, and the above-described two types of generated converted light can be generated. The resonance system is tuned to the shorter wavelength of 1.64 μm, for example.

かかる共振系を構成するため、非線形光学媒質73の両
端面73aと73bには、いずれもレーザ光20に対しては高透
過性であるが、変換光31に対しては前者が高反射性で後
者が例えば90%反射性になるように波長選択性コーティ
ングが施される。もちろん、出射側端面73bを反射ミラ
ーとするかわりにそれに対向して第9図の場合と同様に
部分反射性の出力ミラー18を設けて、共振系の微調整な
いし変換光の波長選択が容易にできるようにしてもよ
い。なお、出射側端面73bは図のように凸な球面状に形
成して、共振系の共振動作を安定化させるのが望まし
い。このように構成された第10図の実施例では、変換光
31は90%反射性コーティングが施された出射側端面73b
から図示のように取り出される。
To configure such a resonance system, both end surfaces 73a and 73b of the nonlinear optical medium 73 are highly transmissive to the laser light 20, but the former is highly reflective to the converted light 31. A wavelength-selective coating is applied so that the latter is, for example, 90% reflective. Of course, instead of using the output side end face 73b as a reflecting mirror, a partially reflecting output mirror 18 is provided opposite to the reflecting mirror as in the case of FIG. 9 to facilitate fine adjustment of the resonance system or selection of the wavelength of the converted light. You may be able to. It is desirable that the emission-side end face 73b is formed in a convex spherical shape as shown in the figure to stabilize the resonance operation of the resonance system. In the embodiment of FIG. 10 configured as described above, the converted light
31 is the emission side end face 73b coated with 90% reflective coating
As shown in the drawing.

なお、以上説明した第9図と第10図のOPO方法の波長
変換では、前述の式ω3和ω1+ω2を満たすω1とω2
どの周波数の変換光が発生するかは、共振系の共振状態
ももちろん関係はするが、主には位相整合の状態に依存
する。
In the above-wavelength conversion in FIG. 9 and OPO method of FIG. 10 described, or converted light formula omega 3 sum omega 1 + omega 2 to satisfy omega 1 and omega 2 throat frequencies above occurs, resonance Of course, the resonance state of the system is related, but mainly depends on the state of phase matching.

従って、第9図の実施例では非線形光学媒質70の温度
調整により位相整合条件を変えて、発生する変換光の波
長を連続的に制御できる。同様に、第10図の実施例でも
波面変換手段51と集光手段60の間隔を変えて非線形光学
媒質73へのレーザ光20の投射角度を調整し、位相整合条
件を満たす周波数を変化させて変換光の波長を連続的に
制御できる。とくに第10図の実施例は第9図の温度調整
の場合より変換光の波長制御を自在ないしは頻繁にかつ
広範囲で行なえる利点を有する。
Therefore, in the embodiment shown in FIG. 9, the wavelength of the converted light to be generated can be continuously controlled by changing the phase matching condition by adjusting the temperature of the nonlinear optical medium 70. Similarly, in the embodiment of FIG. 10, the projection angle of the laser beam 20 to the nonlinear optical medium 73 is adjusted by changing the distance between the wavefront conversion unit 51 and the light collection unit 60, and the frequency satisfying the phase matching condition is changed. The wavelength of the converted light can be controlled continuously. In particular, the embodiment shown in FIG. 10 has the advantage that the wavelength control of the converted light can be performed freely or frequently and over a wide range as compared with the case of the temperature adjustment shown in FIG.

以上、若干の実施例を挙げて本発明を説明したが、か
かる実施例に限定されることなく、本発明はその要旨内
で種々の態様で実施可能である。例えば集光手段は理解
を容易にするため波面変換手段と用語上区別したが、こ
れも一種の波面変換手段であってレンズに限らずミラー
等の光学的手段を適宜利用でき、仮にレンズに限っても
その受光面を平坦に形成してもよく、その集光面も球面
状に限らず円錐面等に適宜形成できることは容易に理解
されよう。
As described above, the present invention has been described with reference to some examples. However, the present invention is not limited to such examples, and the present invention can be implemented in various modes within the gist of the present invention. For example, the condensing means is terminologically distinguished from the wavefront converting means in order to facilitate understanding, but this is also a kind of wavefront converting means, and not only a lens but also an optical means such as a mirror can be appropriately used. However, it is easily understood that the light receiving surface may be formed flat, and the light condensing surface is not limited to the spherical shape but may be appropriately formed to be a conical surface or the like.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明では以上説明したとおり、レーザ光発生手段か
ら投射されるレーザ光束を受け円錐状のレーザ光波面を
もつ収斂性のレーザ光束に変換する波面変換手段と、こ
の変換レーザ光束をそれが内部に集光されるように受け
る非線形光学媒質とにより、あるいはレーザ光発生手段
から投射されるレーザ光束を受け円環状に発散するレー
ザ光波面をもつレーザ光束に変換する波面変換手段と、
この変換レーザ光束を集光しかつ波面変換手段との間隔
が調整可能な集光手段と、変換レーザ光束が内部に集光
される非線形光学媒質とによりレーザ光波長変換装置を
構成した上で、非線形光学媒質が受けるレーザ光から位
相整合条件下で波長変換された変換光を非線形光学媒質
から取り出すようにすることによって、非線形光学媒質
内の基本波と高調波との間ないしは被変換光と変換光と
の間の位相整合条件を従来に比べて格段に容易にかつ確
実に満たしながら、波長変換効率を高めることができ
る。
As described above, in the present invention, wavefront converting means for converting a laser beam projected from a laser beam generating means into a convergent laser beam having a conical laser wavefront, and converting the converted laser beam inside Wavefront converting means for converting the laser beam projected from the laser light generating means by a non-linear optical medium received so as to be focused or a laser beam having a laser light wavefront diverging in an annular shape,
A laser light wavelength converter is formed by a light collecting means that collects the converted laser light flux and adjusts an interval with the wavefront converting means, and a nonlinear optical medium in which the converted laser light flux is collected. By converting the wavelength-converted converted light from the laser light received by the nonlinear optical medium under the phase matching condition from the nonlinear optical medium, the converted light between the fundamental wave and the harmonics in the nonlinear optical medium or the converted light can be converted. The wavelength conversion efficiency can be increased while the phase matching condition with light is much more easily and reliably satisfied as compared with the related art.

これをSHGの場合を例にとって説明する。非線形光学
媒体への基本波の投射角度をαとし、基本波の常光に対
する屈折率をn1oとし、基本波および第2高調波の異常
光に対する光軸と90°方向の屈折率をそれぞれn1eおよ
びn2eとすると、本発明では、 タイプIの位相整合条件が、 cosα=n2e/n1o タイプIIの位相整合条件が、 cosα=2n2e/(n1o+n1e) となる。従来の波長変換ではもちろんα=0で、従って
cosα=1になるから、位相整合のためには上式の分子
と分母を等しくする必要があり、かかる屈折率に対する
条件をほぼ満たす非線形光学媒質を選定しかつ前述のよ
うにその温度を150℃以上に上げて精密に制御する必要
がある。本発明では基本波に対する波面変換手段の収斂
ないし集光角度の設定、あるいは波面変換手段の集光手
段との間隔の調整によって投射角度αを選定して上式の
条件を容易に満たすことができる。
This will be described taking the case of SHG as an example. The projection angle of the fundamental wave onto the nonlinear optical medium is α, the refractive index of the fundamental wave for ordinary light is n 1o , and the optical axis and the 90 ° direction refractive index for the fundamental wave and the second harmonic extraordinary light are n 1e respectively. and When n 2e, in the present invention, the phase matching condition of type I phase matching conditions cosα = n 2e / n 1o type II, and cosα = 2n 2e / (n 1o + n 1e). In conventional wavelength conversion, of course, α = 0, so
Since cosα = 1, it is necessary to equalize the numerator and denominator in the above equation for phase matching, select a nonlinear optical medium that almost satisfies the condition for the refractive index, and raise the temperature to 150 ° C. as described above. It is necessary to precisely control the above. In the present invention, the projection angle α can be easily selected by setting the convergence or converging angle of the wavefront converting means with respect to the fundamental wave, or adjusting the distance between the wavefront converting means and the converging means. .

これからわかるように、本発明により、 (a)種々の光学結晶を波長変換に利用でき、 (b)室温ないしそれに近い温度で波長変換が可能にな
り、 (c)温度制御を簡単にないしはその必要をなくすこと
ができ、 (d)非線形光学媒質への投射角度を適切に選ぶことに
より波長変換効率を高める、 等の利点が得られる。
As can be seen from the above, according to the present invention, (a) various optical crystals can be used for wavelength conversion, (b) wavelength conversion can be performed at room temperature or a temperature close thereto, and (c) temperature control can be simplified or required. And (d) the wavelength conversion efficiency can be increased by appropriately selecting the angle of projection onto the nonlinear optical medium.

本発明をとくにOPO方式の波長変換に適用すると、光
学結晶の複屈折を用いることなく位相整合が可能になる
ので、種々の光学結晶がもつ特性を活かして高い波長変
換効率を達成できる。
When the present invention is applied to wavelength conversion of the OPO method in particular, phase matching can be performed without using birefringence of the optical crystal. Therefore, high wavelength conversion efficiency can be achieved by utilizing characteristics of various optical crystals.

光学結晶の複屈折を利用して波長変換を行なう場合、
基本波を常光に変換波を異常光にするため分極を基本波
の偏光方向と90°の方向に発生させねばならない。従っ
て、前述の(2)式からわかるように、光学結晶の二次
非線形光学係数のマトリックス中のd11やd22等の対角線
係数diiを波長変換に利用できなかった。
When performing wavelength conversion using the birefringence of an optical crystal,
In order to convert the fundamental wave into ordinary light and the converted wave into extraordinary light, polarization must be generated in a direction 90 ° from the polarization direction of the fundamental wave. Accordingly, as can be seen from the above equation (2), diagonal coefficients d ii such as d 11 and d 22 in the matrix of the second-order nonlinear optical coefficient of the optical crystal could not be used for wavelength conversion.

ところが、ふつうはかかる対角線係数diiは他の係数
よりも格段に大きく、例えば非線形光学係数がとくに大
きい点で近年注目されているMNA(2−methyl−4−nit
roaniline)ではd11の値はd12の8.6倍もある。本発明で
は複屈折を利用する必要がないので、従来有効利用でき
なかった非線形光学係数のかかる大きな対角線係数を利
用して波長変換効率を高めることができる。さらに、非
線形光学係数は大きいが複屈折がないためこれまで利用
できなかったテルリウム,カリウム砒素等の光学結晶を
も利用できるようになる。
However, usually, the diagonal coefficient dii is much larger than other coefficients, and for example, MNA (2-methyl-4-nititium) which has recently been noticed in that the nonlinear optical coefficient is particularly large.
Roaniline) A value of d 11 is also 8.6 times the d 12. Since it is not necessary to use birefringence in the present invention, it is possible to increase the wavelength conversion efficiency by using a large diagonal coefficient having a nonlinear optical coefficient which has not been effectively used conventionally. Further, optical crystals such as tellurium and potassium arsenic, which have a large nonlinear optical coefficient but do not have birefringence, which could not be used until now, can be used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

図はすべて本発明に関し、第1図〜第5図は波面変換手
段を単独で用いるレーザ光波長変換装置のそれぞれ異な
る実施例の装置構成図、第6図〜第8図は波面変換手段
と集光手段を組み合わせて用いる波長変換装置のそれぞ
れ異なる実施例の装置構成図、第9図と第10図は本発明
をOPO方式の波長変換に適用した実施例の装置構成図、
第11図は2方向から投射される交叉光の波面を示す模式
図、第12図は本発明によるレーザ光波長変換装置の原理
を説明する模式図、第13図はKirchhoffの式中の変数を
示す説明図、第14図は波面変換手段としての円錐レンズ
による光の位相のずれを示す説明図、第15図は円錐レン
ズにより集光された光束のエネルギ密度と中心線上の位
置との関係を示す線図、第16図は集光された光束のエネ
ルギ密度の中心線と直角方向の変化を示す線図、第17図
は中心線上の光の電界強度の分布を示す線図、第18図は
SHG方式の波長変換時の第2高調波の電力の増加を示す
線図、第19図は複屈折による常光と異常光の分離を示す
模式図、第20図は複屈折を利用する位相整合の原理を示
す屈折率の線図、第21図は2方向から入射する基本波の
波数ベクトルと非線形分極波の波数ベクトルとの関係を
示すベクトル線図である。これらの図において、 10:レーザ光発生手段、11:レンズ媒質、12:全反射ミラ
ー、13:出力ミラー、14:偏光器、15:ビーム拡張器、16:
出力ミラー、17:平行平面板、18:出力ミラー、20:レー
ザ光、21〜24:レーザ光束、30,31:変換光、40〜43,50〜
52:波面変換手段、60:集光手段、70〜73:非線形光学媒
質、である。
FIGS. 1 to 5 are diagrams each showing an apparatus configuration of a different embodiment of a laser beam wavelength conversion apparatus using a wavefront conversion means alone, and FIGS. FIG. 9 and FIG. 10 are device configuration diagrams of an embodiment in which the present invention is applied to OPO wavelength conversion, and FIG. 9 and FIG.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a wavefront of crossed light projected from two directions, FIG. 12 is a schematic diagram for explaining the principle of the laser light wavelength converter according to the present invention, and FIG. 13 is a diagram showing Kirchhoff's variables. FIG. 14 is an explanatory diagram showing a phase shift of light by a conical lens as a wavefront converting means, and FIG. 15 is a diagram showing a relationship between an energy density of a light beam condensed by the conical lens and a position on a center line. FIG. 16 is a diagram showing a change in the energy density of the condensed light flux in a direction perpendicular to the center line, FIG. 17 is a diagram showing a distribution of electric field intensity of light on the center line, and FIG. Is
Diagram showing an increase in the power of the second harmonic during wavelength conversion of the SHG method, FIG. 19 is a schematic diagram showing the separation of ordinary and extraordinary light by birefringence, and FIG. 20 is a diagram of phase matching using birefringence. FIG. 21 is a diagram of the refractive index showing the principle, and FIG. 21 is a vector diagram showing the relationship between the wave vector of the fundamental wave incident from two directions and the wave vector of the nonlinearly polarized wave. In these figures, 10: laser light generating means, 11: lens medium, 12: total reflection mirror, 13: output mirror, 14: polarizer, 15: beam expander, 16:
Output mirror, 17: parallel plane plate, 18: output mirror, 20: laser beam, 21 to 24: laser beam, 30, 31, converted light, 40 to 43, 50 to
52: wavefront converting means, 60: condensing means, 70 to 73: nonlinear optical medium.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】レーザ光発生手段から投射されるレーザ光
束を受け円錐状のレーザ光波面をもつ収斂性のレーザ光
束に変換する波面変換手段と、この変換レーザ光束をそ
れが内部に集光されるように受ける非線形光学媒質とを
備えてなり、非線形光学媒質が受けるレーザ光から位相
整合条件下で波長変換された変換光を非線形光学媒質か
ら取り出すようにしたレーザ光波長変換装置。
1. A wavefront converting means for converting a laser beam projected from a laser beam generating means into a convergent laser beam having a conical laser wavefront, and the converted laser beam is focused inside. A laser light wavelength conversion device, comprising: a nonlinear optical medium receiving the nonlinear optical medium so as to extract converted light whose wavelength has been converted from the laser light received by the nonlinear optical medium under the phase matching condition from the nonlinear optical medium.
【請求項2】レーザ光発生手段から投射されるレーザ光
束を受け円環状に発散するレーザ光波面をもつレーザ光
束に変換する波面変換手段と、この変換レーザ光束を集
光しかつ波面変換手段との間隔が調整可能な集光手段
と、変換レーザ光束が内部に集光される非線形光学媒質
とを備えてなり、非線形光学媒質が受けるレーザ光から
位相整合条件下で波長変換された変換光を非線形光学媒
質から取り出すようにしたレーザ光波長変換装置。
2. A wavefront converting means for converting a laser beam projected from a laser beam generating means into a laser beam having a laser wavefront which diverges in an annular shape, and a beamfront converting means for condensing the converted laser beam. A non-linear optical medium in which the converted laser beam is condensed, and converts the converted light wavelength-converted from the laser light received by the non-linear optical medium under phase matching conditions. A laser light wavelength conversion device designed to extract light from a nonlinear optical medium.
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