分散光学システム
【課題】波長依存性が少なく、高効率で大きな分散が得られるような小型の分散光学システムを提供する。
【解決手段】入射光を入射して分散する分散プリズムと、上記分散プリズムの後段に配置され、上記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置され、上記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズとを有し、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズから出射される上記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が上記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して上記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が上記分散拡大レンズのコバ側に入射して上記コバ側に結像するように配置した。
【解決手段】入射光を入射して分散する分散プリズムと、上記分散プリズムの後段に配置され、上記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置され、上記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズとを有し、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズから出射される上記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が上記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して上記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が上記分散拡大レンズのコバ側に入射して上記コバ側に結像するように配置した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散光学システムに関し、さらに詳細には、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学ユニットやテラヘルツ波発生器の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器（ｉｓ−ＴＰＧ方式）の非線形光学結晶に入射させるシード光の分散光学ユニットなどとして用いて好適な分散光学システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、フェムト秒レーザー光を発生させる際には、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を位相整合してパルス幅の圧縮を行うようになされている。
【０００３】
図１には、こうした位相整合を行うための従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システムの一例の概念構成説明図が示されている。
【０００４】
即ち、この図１に示す従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００は、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を入射して当該入射したパルス光を反射させる第１ミラー１０２と、第１ミラー１０２により反射されたパルス光を分散させる第１回折格子１０４と、第１回折格子１０４により分散されたパルス光を反射させる第２ミラー１０６と、第２ミラー１０６により反射されたパルス光を反射させ波長ごとに平行光束にする第１凹面鏡１０８と、第１凹面鏡１０８の焦点位置に配置されるとともに第１凹面鏡１０８により波長ごとに平行光束にされたパルス光の位相を波長ごとに変調する空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）１１０と、空間光位相変調器１１０により変調されたパルス光を反射して回折格子１１６上に集光する第２凹面鏡１１２と、第２凹面鏡１１２により集光されたパルス光を反射させる第３ミラー１１４と、第３ミラー１１４により集光された分散しているパルス光を合成する第２回折格子１１６と、第２回折格子１１６により合成されたパルス光を反射して外部へ出射する第４ミラー１１８とを有して構成されている。
【０００５】
以上の構成において、上記した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００によれば、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を内部に取り込み、内部へ取り込んだパルス光を位相整合してパルス幅の圧縮を行って外部へ出射することにより、フェムト秒レーザー光を発生させることができる。
【０００６】
なお、非線形光学結晶により発生したパルス光の波長領域が広いほど、パルス幅を圧縮することが可能である。
【０００７】
しかしながら、上記した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００のように回折格子を用いたシステムにおいては、回折格子自体が広い波長領域において高い効率を得ることが困難であり、また、回折格子の出射光として２倍の波長（１オクターブ）の光が２次回折光として重なってしまい、広帯域の波長領域において高効率でフェムト秒レーザー光を発生させることが困難であるという問題点があった。
【０００８】
一方、上記したフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００のように回折格子を用いたシステムとは異なり、回折格子の代わりにプリズムを用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムも知られている。
【０００９】
しかしながら、プリズムは分散の波長依存性が大きいため、長波長領域では大きな分散を得ることが困難であるという新たな問題点を招来するものであった。
【００１０】
具体的には、フェムト秒レーザー光を得るために、パルスレーザー光のパルス幅を数１０フェムト秒に圧縮するには、波長３００〜１２００ｎｍの波長領域において効率約８０％で２次回折光などの高次回折光が発生しないような分散素子あるいは分散光学システムが必要となる。
【００１１】
ところが、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００において、第１回折格子１０４および第２回折格子１１６として、ブレーズ波長が５００ｎｍである格子数１５０本／ｍｍの反射型回折格子を用いた場合には、波長５００ｎｍにおける効率は７５％程度であるが、波長３００ｎｍにおける効率は１５％程度と低く、また、波長１２００ｎｍにおける効率は２５％程度と低いものであり、さらに、波長３００〜６００ｎｍの位置に波長６００〜１２００ｎｍの２次回折光が重なってしまうという問題点があった。
【００１２】
一方、テラヘルツ波を発生させるための光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器（ｉｓ−ＴＰＧ方式）は、その内部に非線形光学結晶が配置されており、この非線形光学結晶にシード光およびポンプ光を入射してテラヘルツ光を得るものである。
【００１３】
図２には、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の概念構成説明図が示されている。
【００１４】
この図２に示す光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００においては、非線形光学結晶２０８に入射させるシード光の入射角調整光学システムとして、回折格子を用いた分散光学システム２０４が用いられている。
【００１５】
上記した従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００は、シード光を発生するシード光発生用光源２０２と、シード光発生用光源２０２により発生されたシード光を分散させる分散光学システム２０４と、ポンプ光を発生するポンプ光発生用光源（図示せず）と、ポンプ光発生用光源により発生されたポンプ光を反射するミラー２０６と、入射されたシード光およびポンプ光からテラヘルツ波を生成する非線形光学結晶２０８と、非線形光学結晶２０８上に載置されるとともに非線形光学結晶２０８により生成されたテラヘルツ波を取り出すカップラ２１０とを有して構成されている。
【００１６】
また、上記した分散光学システム２０４は、シード光発生用光源２０２により発生されたシード光を分散する表面レリーフ型の回折格子２０４ａと、回折格子２０４ａにより分散された光を入射して平行光として出射するコリメータレンズ２０４ｂと、コリメータレンズ２０４ｂより出射された平行光を結像する結像レンズ２０４ｃとを有して構成されている。
【００１７】
なお、非線形光学結晶としては、適宜の材料を選択すればよく、例えば、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いることができる。
【００１８】
ところで、こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００の分散光学システム２０４に用いられる回折格子２０４ａは、格子間隔を狭くすることにより大きな分散が得られるようになるものであるが、格子間隔が波長に近づくと回折効率が急激に低下してしまうことが知られている。
【００１９】
ここで、分散光学システムの各構成部材の寸法や配置は回折格子２０４ａの格子間隔に依存するものであり、従ってその小型化には限界があるという問題点があった。
【００２０】
例えば、図２に示した光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００の分散光学システム２０４により約０．２７°／ｎｍの角度分散を得るためには、回折格子２０４ａとして格子数１２００本／ｍｍを有する表面レリーフ型の回折格子と、焦点距離がｆ＝７５０ｍｍのコリメータレンズ２０４ｂと、焦点距離がｆ＝２５０ｍｍの結像レンズ２０４ｃとを用い、回折格子２０４ａとコリメータレンズ２０４ｂとの間隔を７５０ｍｍとし、コリメータレンズ２０４ｂと結像レンズ２０４ｃとの間隔を７５０ｍｍ＋２５０ｍｍとし、結像レンズ２０４ｃと非線形光学結晶２０８との間隔を２５０ｍｍとする必要があるため、分散光学システム２０４の距離が約２ｍに及ぶ長さになり、装置全体が極めて大型化するという問題点があった。
【００２１】
なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、波長依存性が少なく、高効率で大きな分散が得られるような小型の分散光学システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明による分散光学システムは、分散プリズムより出射された分散光を結像する結像レンズ後段において、当該結像レンズの焦点面近傍に分散拡大レンズを配置し、さらに、結像レンズより出射された光のうち分散プリズムにおける屈折角が大きい光を分散拡大レンズの光軸付近に入射し、分散プリズムにおける屈折角が小さい光を分散拡大レンズの縁付近に入射するようにしたものである。
【００２４】
従って、本発明によれば、広い波長範囲内で高次回折光を発生することなく高効率で大きな分散を得ることができるようになる。
【００２５】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、入射光を分散する分散光学システムにおいて、入射光を入射して分散する分散プリズムと、上記分散プリズムの後段に配置され、上記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置され、上記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズとを有し、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズから出射される上記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が上記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して上記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が上記分散拡大レンズのコバ側に入射して上記コバ側に結像するように配置するようにしたものである。
【００２６】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置されるとともに、上記結像レンズから出射される上記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が上記分散拡大レンズの光軸上に入射して上記光軸上に結像するように配置されるようにしたものである。
【００２７】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、入射光を分散する分散光学システムにおいて、入射光を入射して分散する回折格子と、上記回折格子の後段に配置され、上記回折格子から出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置され、上記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズとを有し、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズから出射される上記回折格子により分散された光について、上記分散拡大レンズに入射して回折角を拡大するように配置するようにしたものである。
【００２８】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、上記結像レンズから出射される上記回折格子により分散された光について、長波長側の光が上記分散拡大レンズの光軸上あるいは光軸近傍に入射して、短波長側の光が上記分散拡大レンズのコバ側に入射するように配置されるようにしたものである。
【００２９】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記分散プリズムは、三角プリズムであり、上記分散プリズムが二等辺三角形あるいは正三角形の場合に上記分散プリズムに入射する入射光は、上記分散プリズムの底面と平行になるように入射角θ０
θ０＝ｓｉｎ−１{ｎ１（λ０）ｓｉｎ（α／２）}
ｎ１（λ０）：λ０の屈折角
α：分散プリズムの角度
を有するものとし、上記入射光のうち波長λの光は、上記分散プリズム中に入射の際の屈折角θ１（λ）が
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１{ｓｉｎθ０／ｎ１（λ）}
ｎ（λ）：λの屈折角
であり、上記入射光が上記分散プリズムより出射する際の出射角θｏｕｔ（λ）は
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ０）ｓｉｎ{α−θ１（λ）｝］
であり、上記出射角θｏｕｔ（λ）を有する出射光は、上記結像レンズを出射後に、上記結像レンズの光軸から高さ方向における距離ｘだけ離れた結像位置から上記分散拡大レンズに入射するものであって、上記ｘは、
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ{θｏｕｔ（λ）−θ}
θ：任意の角度
であり、上記分散拡大レンズに入射する入射角φｉｎ（λ）は
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１{（ｘ＋ａ）／Ｒ}
ａ：結像レンズと分散拡大レンズの光軸の距離
Ｒ：分散拡大レンズの曲率半径
であり、上記分散拡大レンズ内における光軸となす角φ１（λ）は
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１ [ｓｉｎ{φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］
ｎ２（λ）：λの分散拡大レンズに対する屈折率
であり、上記分散拡大レンズより出射される光の出射角φｏｕｔ（λ）は
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１[ｎ２（λ）ｓｉｎ{φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］
であるようにしたものである。
【００３０】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは凸形状であるようにしたものである。
【００３１】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは凹形状であるようにしたものである。
【００３２】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項６または７のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズはシリンドリカルレンズであるようにしたものである。
【００３３】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、 上記分散拡大レンズは非球面や自由曲面を備えたレンズであるようにしたものである。
【００３４】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは１または複数のレンズよりなるようにしたものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は、以上説明したように構成されているので、波長依存性が少なく、高効率で大きな分散が得られる小型の分散光学システムを提供することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による分散光学システムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００３７】
図３には、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の概念構成説明図が示されている。
【００３８】
この本発明の第１の実施の形態による分散光学システム１０は、例えば、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学ユニットとして用いることができるものである。
【００３９】
即ち、分散光学システム１０は、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光などの入射光を分散させる分散プリズム１２と、分散プリズム１２により分散された光束を結像する結像レンズ１４と、結像レンズ１４の出射面１４ａより出射された光の焦点位置である結像レンズ１４の結像面近傍（焦点面近傍）に設置されるとともに入射した光の分散を拡大する分散拡大レンズ１６とを有して構成されている。
【００４０】
なお、この分散光学システム１０においては、分散プリズム１２として各頂角が６０°を有する石英製の正三角柱形状の三角プリズムを用い、また、結像レンズ１４として焦点距離が１００ｍｍである平凸レンズを用い、また、分散拡大レンズ１６として曲率半径が１７ｍｍの石英からなる凸形状のシリンドリカルレンズを用いた。
【００４１】
また、分散光学システム１０は、上記した各構成部材により構成されてなるものであるが、これら各構成部材は、以下に説明するように配置されている。
【００４２】
即ち、結像レンズ１４の出射面１４ａから出射される分散プリズム１２により分散された光束について、屈折角が大きいスペクトルの短波長側、即ち、青色光（図３において破線で示す。）を分散拡大レンズ１６の光軸近傍上に入射して光軸近傍上に結像させ、屈折角が小さいスペクトルの長波長側、即ち、赤色光（図３において一点鎖線で示す。）を分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に入射してコバ側、即ち、縁近傍に結像させるように配置する。
【００４３】
なお、分散光学システム１０においては、波長３００ｎｍの光が分散拡大レンズ１６の光軸上を通るように設計されている。
【００４４】
以上の構成において、分散光学システム１０によれば、分散プリズム１２により分散された光束を結像レンズ１４で波長毎に結像させ、結像面近傍に分散拡大レンズ１６が配置されていることにより、分散拡大レンズ１６で波長分散を拡大して分散の波長依存性を制御することができる。
【００４５】
即ち、分散光学システム１０は、分散プリズム１２により分散された光束について、屈折角が大きいスペクトルの短波長側、即ち、青色光（図３において破線で示す。）を分散拡大レンズ１６の光軸近傍上に入射させ、屈折角が小さいスペクトルの長波長側、即ち、赤色光（図３において一点鎖線で示す。）を分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に入射させているので、分散プリズム１２により分散された光束のなかでスペクトルの長波長側の光束の分散を大きくすることができる。
【００４６】
従って、分散光学システム１０においては、分散拡大レンズ１６の曲率半径の選択と入射角（光軸からの距離）の調整とを行うことにより、表面刻線型の回折格子より大きな分散や、波長あるいは波数に対してほぼ線形と見なすことができる分散特性を得ることができる。
【００４７】
なお、分散拡大レンズ１６として、複数のレンズを組み合わせたり、非球面や自由曲面を備えたレンズを採用することにより、波長あるいは波数に対して任意の分散特性を得ることができるようになる。
【００４８】
また、分散光学システム１０において、分散プリズム１２に代えて回折格子を用いることにより、１オクターブ以内の波長範囲において極めて大きな分散を得ることが可能である。
【００４９】
次に、分散光学システム１０によって光を分散させる際の作用について、図４および図５を合わせて参照しながら詳細に説明することとする。
【００５０】
まず、分散プリズム１２への入射光として、例えば、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光などの入射光が分散プリズム１２に入射すると、当該入射光は分散プリズム１２により分散されてスペクトルが得られる。
【００５１】
なお、図３乃至図５においては、本発明の理解を容易にするために、赤色光（図３乃至図５において一点鎖線で示す。）、緑色光（図３乃至図５において二点鎖線で示す。）および青色光（図３乃至図５において破線で示す。）のみを図示するものとし、以下の説明においても、上記した赤色光、緑色光および青色光に関して説明する。
【００５２】
ここで、分散プリズム１２により分散されて出力される赤色光、緑色光および青色光のなかで、青色光に対する屈折率が最も大きく、また、赤色光に対する屈折率が最も小さいものであり、図３に示されているようにそれぞれの角度に屈折した赤色光、緑色光および青色光が分散プリズム１２から出射される。
【００５３】
次に、分散プリズム１２より出射した赤色光、緑色光および青色光（以下、これら赤色光、緑色光および青色光を総称して「分散光」と称する。）は、分散プリズム１２の後段に配置された結像レンズ１４に入射し、結像レンズ１４の出射面１４ａより出射される。
【００５４】
そして、結像レンズ１４を出射した分散光はそれぞれ、結像レンズ１４の焦点面付近に配置された分散拡大レンズ１６に入射し、青色光は分散拡大レンズ１６の光軸近傍に結像し、また、赤色光は分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に結像する。
【００５５】
上記のようにして分散拡大レンズ１６に入射された分散光は、分散拡大レンズ１６から出射されて、分散光学システム１０の外部へ取り出されるものである。
【００５６】
上記において説明したように、本発明による分散光学システム１０は、分散プリズム１２により分散された光束を波長ごとに結像させるため、結像レンズ１４の後段に分散拡大レンズ１６を設けるとともに、分散プリズム１２により大きく屈折した波長の光は分散拡大レンズ１６の光軸近傍に入射するようにし、分散プリズムにより小さく屈折した波長の光は分散拡大レンズの縁近傍に入射するようになされていおり、分散プリズムと結像レンズのみから得られる光の分散よりも、光の分散をより拡大することができる。
【００５７】
即ち、分散光学システム１０においては、青色光が分散拡大レンズ１６の光軸近傍に収束し、赤色光が分散拡大レンズ１６の縁近傍に収束しており、波長の分散を大きくとることができるものである。
【００５８】
こうした分散光学システム１０は、分散拡大レンズ１６に光が入射する際に、分散拡大レンズ１６における光の入射位置によって屈折角が異なる球面収差のため、光軸近傍は屈折角が小さくなり、光軸から離れて縁近傍にいくに従って屈折角が大きくなることを利用している。
【００５９】
より詳細には、分散プリズム１２から出射された光束のなかで、短波長の光束は大きく屈折し、長波長の光束は小さく屈折するものであるので、分散拡大レンズ１６に入射する際には、分散プリズム１２における屈折率とは逆となるように、即ち、短波長の光は屈折角を小さくさせるように分散拡大レンズ１６の光軸近傍に入射させ、長波長の光は屈折角を大きくさせるように分散拡大レンズ１６の縁近傍に入射させるように制御することによって、それぞれの波長の波長分散を調整することができるものである。
【００６０】
ここで、図４および図５を参照しながら、分散光学システム１０の分散拡大レンズ１６における入射位置および出射光の屈折角についての関数を詳細に説明する。
【００６１】
なお、図４は分散プリズム１２における入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図であり、図５は分散拡大レンズ１６における入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図である。
【００６２】
分散光学システム１０における分散プリズム１２として用いられる三角プリズムの形状が二等辺三角形もしくは正三角形の場合に、分散プリズム１２内において、任意の波長（例えば、中心波長）λ０の光束を図４に示すように分散プリズム１２の底辺と平行に進行させるためには、入射面における光束の入射角θ０は、分散プリズム１２の頂角αと波長λ０の屈折率ｎ１（λ０ ）とを用いて式１で示すことができる。
【００６３】
θ０＝ｓｉｎ−１｛ｎ１（λ０ ）ｓｉｎ（α／２）｝ ・・・ 式１
即ち、波長λ０の光を上記式１より得られた入射角θ０で入射させると、光は分散プリズム１２内を分散プリズム１２の底面と平行に進行することになる。
【００６４】
より具体的には、例えば、石英で形成されているとともに頂角α＝６０°を有する分散プリズム１２を用いた分散光学システムにおいて、中心波長λ０＝４００ｎｍの光を入射させた場合には、屈折率ｎ１ はｎ１（４００ｎｍ）＝１．４７０１であるので、上記の式１より入射角θ０を求めると、以下の値が得られる。
【００６５】
θ０＝ｓｉｎ−１｛１．４０１×ｓｉｎ（６０／２）｝＝４７．３１２°
従って、中心波長λ＝４００ｎｍの光を分散プリズム１２に入射する際に、入射角θ０を４７．３１２°とすると、分散プリズム１２内を分散プリズム１２の底面と平行な状態で入射光が進行する。
【００６６】
上記により算出された入射角θ０を用いて、入射光の各波長（λ）における分散プリズム１２内の屈折角θ１（λ）を表すと、以下の式２で示すことができる。
【００６７】
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１｛ｓｉｎθ０／ｎ１（λ ）｝ ・・・ 式２
さらに、分散プリズム１２より出射した出射光の屈折角θｏｕｔ（λ）は、上記式２により表された各波長の屈折率ｎ１（λ）を用いて、式３によって表される。
【００６８】
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ ）ｓｉｎ{α−θ１（λ ）｝］ ・・・ 式３
分散プリズム１２より出射し、式３より得られた出射角θｏｕｔ（λ）を有する光は、結像レンズ１４に入射したのち、分散拡大レンズ１６に入射する。
【００６９】
そのときの、分散拡大レンズ１６上の結像レンズ１４焦点面における結像位置ｘ（λ）が式４から求められる。より詳細には、結像位置ｘ（λ）は、分散プリズム１２からの出射光の屈折角θｏｕｔ（λ）から任意の角度θ（例えばλ０の出射後の屈折角θｏｕｔ（λ０）＝入射角θ０）を差し引いた際に得られる値と、結像レンズ１４の焦点距離ｆとを用いて算出される。
【００７０】
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ｛θｏｕｔ（λ）−θ｝・・・ 式４
こうして得られた各波長の結像位置ｘ（λ）より、分散拡大レンズ１６における各波長の光の入射位置がわかるものである。
【００７１】
さらに、分散拡大レンズ１６に入射する際の入射角φｉｎ（λ）は、結像位置ｘ（λ）の値に結像レンズ１４と分散拡大レンズ１６との光軸の距離ａを加えて得られる値と、分散拡大レンズ１６の曲率半径Ｒとを用いて式５により表される。
【００７２】
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１｛（ｘ＋ａ）／Ｒ｝・・・ 式５
そして、上記式５より得られた分散拡大レンズ１６への入射角φｉｎ（λ）と、屈折率ｎ２（λ）とを用いて、分散拡大レンズ１６内における入射光と光軸とのなす角φ１（λ）が式６により求められる。
【００７３】
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１［ｓｉｎ｛φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］・・・ 式６
さらに、式５から得られた分散拡大レンズ１６への入射角φｉｎ（λ）と、式６から得られた分散拡大レンズ１６の光軸となす角φ１（λ）とを用いて、分散拡大レンズ１６を出射した各波長の出射角φｏｕｔ（λ）は、以下の式７より得られる。
【００７４】
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ２（λ）ｓｉｎ｛φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］・・・ 式７
ここで、上記した本発明による分散光学システム１０における分散特性について、図６（ａ）（ｂ）を参照しながら以下に説明する。
【００７５】
まず、図６（ａ）には、本発明による分散光学システム１０を用いて光を分散させた場合における各波長の屈折角を表した分散曲線が示されている。これは、波長に対する分散特性（波長分散）を示すものである。
【００７６】
なお、図６（ａ）には、本発明による分散光学システム１０の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。
【００７７】
一方、図６（ｂ）には、本発明による分散光学システム１０を用いて光を分散させた場合における波数に対する屈折角をプロットした波数に対する分散特性（波数分散）が示されている。
【００７８】
なお、図６（ｂ）には、図６（ａ）と同様に、本発明による分散光学システム１０と比較するために、図６（ａ）に示す上記回折格子および上記分散プリズムを用いて光を分散させた場合の波数に対する分散特性（波数分散）とがあわせて示されている。
【００７９】
図６（ａ）に示されているように、本発明の分散光学システム１０の波長に対する分散特性は、長波長になるにつれて分散し難くなり、波長依存性が高いものであることがわかる。
【００８０】
一方、回折格子の分散特性は、波長に対する屈折角を直線で表すことができ、一定の分散が得られることがわかる。また、プリズムの分散特性は、短波長領域での分散については回折格子のみの場合より大きいが、長波長になるにつれて分散が小さくなることがわかる。
【００８１】
また、図６（ｂ）に示されているように、本発明の分散光学システム１０の波数に対する分散特性は、波長に対する分散特性よりもより直線的であり、一定に近い分散が得られていることがわかる。
【００８２】
一方、回折格子の波数に対する分散特性は一定ではない（非線形である。）ことがわかる。また、プリズムの分散特性は、直線的であり、一定の分散が得られているが、本発明による分散光学システム１０に比べると分散が小さいことがわかる。
【００８３】
ここで、フェムト秒レーザーを発生させる場合には、広い波長領域において高い効率を維持できるとともに、パルス圧縮の効率や制御の点で、広い波数領域において一定の波数分散特性を示す分散素子が望まれているため、上記した分散特性から判断すると本発明による分散光学システム１０はフェムト秒レーザーの発生に適していると認められる。
【００８４】
すなわち、本発明による分散光学システム１０は、分散が大きい回折格子のみの場合の利点と波数特性が直線的で分散が一定であるプリズムのみの場合利点とを兼ね備えているものである。
【００８５】
次に、図７（ａ）（ｂ）を参照しながら、本発明による分散光学システム１０の第１の変形例および第２の変形例について説明する。
【００８６】
即ち、図７（ａ）は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０（図３参照）において、結像レンズ１４から出射した光束のうち波長３００ｎｍの光束が分散拡大レンズの光軸より１０ｍｍ上の位置に入射するようにした第１の変形例の各波長における屈折角を表した分散曲線、即ち、波長に対する分散特性（波長分散）が示されている。
【００８７】
なお、図７（ａ）には、上記した第１の変形例の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。
【００８８】
この図７（ａ）から、上記した第１の変形例の波長に対する分散特性は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０や回折格子あるいはプリズムのみの場合と比較して直線性が増していることから、得られる分散がより一定であるとともに、各波長における屈折角も増加していることから大きい分散が得られ、高い効率で分散光を得ることができることが認められる。
【００８９】
次に、図７（ｂ）は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０（図３参照）において、分散拡大レンズ１６として第１の実施の形態とは曲率半径が異なる分散拡大レンズ、具体的には、曲率半径が６．５ｍｍの石英製凸形状レンズを用いるようにした第２の変形例の各波長における屈折角を表した分散曲線、即ち、波長に対する分散特性（波長分散）が示されている。
【００９０】
なお、図７（ｂ）には、上記した第２の変形例の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。
【００９１】
この図７（ｂ）から、上記した第２の変形例の波長に対する分散特性は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０、第１の変形例ならびに回折格子あるいはプリズムのみの場合と比較して、各波長における屈折角が大きく増加しており、大きい分散が得られることが認められる。また、波長６００〜１０００ｎｍの領域における分散曲線はほぼ線形であることから、この波長領域において一定の分散が得られることが認められる。
【００９２】
次に、図８を参照しながら、本発明による分散光学システムの第２の実施の形態について説明する。
【００９３】
なお、以下の説明においては、図３を参照しながら説明した本発明の第１の実施の形態による分散光学システム１０と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
【００９４】
この図８に示す第２の実施の形態の分散光学システム４０は、上記した第１の実施の形態の分散光学システム１０（図３参照）と比較すると、分散拡大レンズとして凹形状のシリンドリカルレンズを用いている点においてのみ異なっている。
【００９５】
即ち、この第４の実施の形態の分散光学システム４０は、分散プリズム１２と、結像レンズ１４と、結像レンズ１４から出射された光の焦点位置に設置されて入射した光の分散を拡大する分散拡大レンズ４６とを有して構成されており、分散拡大レンズ４６としては、曲率半径が１７ｍｍのＢＫ７製凹形状レンズシリンドリカルを用いている。
【００９６】
こうした凸形状の分散拡大レンズ１６を有する分散光学システム１０および凹形状の分散拡大レンズ４６を有する分散光学システム４０は、分散プリズム１２の代わりに回折格子を配置することで、１オクターブ以内の波長範囲において、極めて大きな分散を得ることも可能になる。
【００９７】
次に、図９を参照しながら、本発明による分散光学システム１０の使用例として、分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムについて説明することとする。
【００９８】
この図９に示す本発明による分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００は、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と比較すると、第１の回折格子１０４および第２の１１６に代えて、本発明による分散光学システム１０を用いて構成した点において、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と異なっている。
【００９９】
なお、以下の説明においては、図１を参照しながら説明した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
【０１００】
即ち、分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００は、第１のミラー１０２と、第１のミラー１０２の後段に配置される第１の分散光学システム１０と、分散光学システム１０の後段に配置される第２のミラー１０６と、第１の凹面鏡１０８と、空間光位相変調器１１０と、第２の凹面鏡と、第３のミラー１１４と、第２の分散光学システム１０と、第２の分散光学システム１０の後段に配置された第４のミラー１１８とを有して構成されている。
【０１０１】
上記したように、本発明による分散光学システム１０は、図６（ａ）に示す分散特性を有する分散光学ユニットであり、こうした分散光学システム１０を用いることにより、波長３００ｎｍ〜１２００ｎｍの領域においては、８０％以上の効率が得られるものである。
【０１０２】
さらに、回折格子を用いた従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００の場合と比べると、パルス幅の圧縮に重要な短波長において分散が大きいため、位相整合の精度を向上することが可能である。
【０１０３】
次に、本発明による分散光学システム４０の使用例として、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００内に本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００について、図１０を参照しながら説明することとする。
【０１０４】
この図１０に示す本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と比較すると、分散光学システム２０４に代えて、本発明による分散光学システム４０が用いられている点において異なっている。
【０１０５】
また、上記した第２の実施の形態の分散光学システム４０においては、分散光学システム４０内に分散プリズム１２を用いたが、光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００における分散光学システム４０においては、分散プリズム１２に代えて格子数３００本／ｍｍの表面レリーフ型回折格子１２’を用いている。
【０１０６】
なお、以下の説明においては、図２を参照しながら説明した従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
【０１０７】
即ち、図１０には本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００の概念構成説明図が示されており、この光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、シード光源２０２と、分散光学システム４０と、ポンプ光源（図示せず。）と、ミラー２０６と、非線形光学結晶２０８と、カップラ２１０とを有して構成されている。
【０１０８】
さらに、分散光学システム４０は、回折格子４０２と、結像レンズ１４と、分散拡大レンズ４６とを有して構成されている。
【０１０９】
こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、回折格子と非線形光学結晶との距離が０．８ｍとすることができ、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と比較すると、従来の４０％の距離で構成されるため装置を小型化することが可能である。
【０１１０】
次に、図１１には、こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００に用いた本発明による分散光学システムの分散特性が示されている。
【０１１１】
即ち、使用波長領域（波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ）において、波長に対して直線的な分散特性を得られることから、分散が一定で、かつ、効率の良く分散できるものであることが認められる。
【０１１２】
また、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００は格子数１２００本／ｍｍの回折格子２０４ａを用いていたが、本発明による分散光学システム４０とともに格子数３００本／ｍｍの回折格子を用いることにより、格子数１２００本／ｍｍの回折格子を用いた場合に対して、５０〜２００％程度の効率向上が期待できるものである。
なお、上記した実施の形態においては、分散光学システム１０に分散プリズム１２を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、分散プリズム１２の代わりに回折格子を用いて光の分散を行ってもよいものである。ただし、図９に示す本発明による分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００の場合においては、分散光学システム１０の構成を変更せずに分散プリズム１２を用いるものとする。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明は、レーザー関連機器、テラヘルツ波発生光源、各種計測・分析装置あるいは光通信機器などに用いることができ、例えば、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学システム、テラヘルツ波発生器の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の非線形光学結晶に入射させるシード光を分散させる分散光学システム、差周波テラヘルツ波発生器の非線形光学結晶用の分散光学システム、光通信用波長弁別および混合器、単色光源あるいは分光光度計などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】図１は、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システムの一例の概念構成説明図である。
【図２】図２は、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の概念構成説明図である。
【図３】図３は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の概念構成説明図である。
【図４】図４は、図３に示す分散光学システムの分散プリズムにおける入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図である。
【図５】図５は、図３に示す分散光学システムの分散拡大レンズにおける入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態を用いて光を分散させた場合における波長に対する屈折角をプロットした波長に対する分散特性（波長分散）を示すグラフであり、図６（ｂ）は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態を用いて光を分散させた場合における波数に対する屈折角をプロットした波数に対する分散特性（波数分散）を示すグラフである。
【図７】図７（ａ）は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の第１の変形例を用いて光を分散させた場合における波長に対する屈折角をプロットした波長に対する分散特性（波長分散）を示すグラフであり、図７（ｂ）は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の第２の変形例を用いて光を分散させた場合における波長に対する屈折角をプロットした波長に対する分散特性（波長分散）を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明による分散光学システムの第２の実施の形態の概念構成説明図である。
【図９】図９は、本発明による分散光学システムを用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムの概念構成説明図である。
【図１０】図１０は、本発明による分散光学システムを用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の概念構成説明図である。
【図１１】図１１は、図１０に示した光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器に用いた分散光学システムの分散特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、４０ 分散光学システム
１２ 分散プリズム
１４ 結像レンズ
１６、４６ 分散拡大レンズ
１００、３００ フェムト秒レーザー用位相整合光学システム
１０２、１０６、１１４、１１８ ミラー
１０４、１１６ 回折格子
１０８、１１２ 凹面鏡
１１０ 空間光位相変調器
２００、４００ 光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器
２０２ シード光源
２０４ 分散光学システム
２０６ ミラー
２０８ 非線形光学結晶
２１０ カップラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散光学システムに関し、さらに詳細には、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学ユニットやテラヘルツ波発生器の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器（ｉｓ−ＴＰＧ方式）の非線形光学結晶に入射させるシード光の分散光学ユニットなどとして用いて好適な分散光学システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、フェムト秒レーザー光を発生させる際には、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を位相整合してパルス幅の圧縮を行うようになされている。
【０００３】
図１には、こうした位相整合を行うための従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システムの一例の概念構成説明図が示されている。
【０００４】
即ち、この図１に示す従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００は、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を入射して当該入射したパルス光を反射させる第１ミラー１０２と、第１ミラー１０２により反射されたパルス光を分散させる第１回折格子１０４と、第１回折格子１０４により分散されたパルス光を反射させる第２ミラー１０６と、第２ミラー１０６により反射されたパルス光を反射させ波長ごとに平行光束にする第１凹面鏡１０８と、第１凹面鏡１０８の焦点位置に配置されるとともに第１凹面鏡１０８により波長ごとに平行光束にされたパルス光の位相を波長ごとに変調する空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）１１０と、空間光位相変調器１１０により変調されたパルス光を反射して回折格子１１６上に集光する第２凹面鏡１１２と、第２凹面鏡１１２により集光されたパルス光を反射させる第３ミラー１１４と、第３ミラー１１４により集光された分散しているパルス光を合成する第２回折格子１１６と、第２回折格子１１６により合成されたパルス光を反射して外部へ出射する第４ミラー１１８とを有して構成されている。
【０００５】
以上の構成において、上記した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００によれば、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を内部に取り込み、内部へ取り込んだパルス光を位相整合してパルス幅の圧縮を行って外部へ出射することにより、フェムト秒レーザー光を発生させることができる。
【０００６】
なお、非線形光学結晶により発生したパルス光の波長領域が広いほど、パルス幅を圧縮することが可能である。
【０００７】
しかしながら、上記した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００のように回折格子を用いたシステムにおいては、回折格子自体が広い波長領域において高い効率を得ることが困難であり、また、回折格子の出射光として２倍の波長（１オクターブ）の光が２次回折光として重なってしまい、広帯域の波長領域において高効率でフェムト秒レーザー光を発生させることが困難であるという問題点があった。
【０００８】
一方、上記したフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００のように回折格子を用いたシステムとは異なり、回折格子の代わりにプリズムを用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムも知られている。
【０００９】
しかしながら、プリズムは分散の波長依存性が大きいため、長波長領域では大きな分散を得ることが困難であるという新たな問題点を招来するものであった。
【００１０】
具体的には、フェムト秒レーザー光を得るために、パルスレーザー光のパルス幅を数１０フェムト秒に圧縮するには、波長３００〜１２００ｎｍの波長領域において効率約８０％で２次回折光などの高次回折光が発生しないような分散素子あるいは分散光学システムが必要となる。
【００１１】
ところが、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００において、第１回折格子１０４および第２回折格子１１６として、ブレーズ波長が５００ｎｍである格子数１５０本／ｍｍの反射型回折格子を用いた場合には、波長５００ｎｍにおける効率は７５％程度であるが、波長３００ｎｍにおける効率は１５％程度と低く、また、波長１２００ｎｍにおける効率は２５％程度と低いものであり、さらに、波長３００〜６００ｎｍの位置に波長６００〜１２００ｎｍの２次回折光が重なってしまうという問題点があった。
【００１２】
一方、テラヘルツ波を発生させるための光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器（ｉｓ−ＴＰＧ方式）は、その内部に非線形光学結晶が配置されており、この非線形光学結晶にシード光およびポンプ光を入射してテラヘルツ光を得るものである。
【００１３】
図２には、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の概念構成説明図が示されている。
【００１４】
この図２に示す光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００においては、非線形光学結晶２０８に入射させるシード光の入射角調整光学システムとして、回折格子を用いた分散光学システム２０４が用いられている。
【００１５】
上記した従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００は、シード光を発生するシード光発生用光源２０２と、シード光発生用光源２０２により発生されたシード光を分散させる分散光学システム２０４と、ポンプ光を発生するポンプ光発生用光源（図示せず）と、ポンプ光発生用光源により発生されたポンプ光を反射するミラー２０６と、入射されたシード光およびポンプ光からテラヘルツ波を生成する非線形光学結晶２０８と、非線形光学結晶２０８上に載置されるとともに非線形光学結晶２０８により生成されたテラヘルツ波を取り出すカップラ２１０とを有して構成されている。
【００１６】
また、上記した分散光学システム２０４は、シード光発生用光源２０２により発生されたシード光を分散する表面レリーフ型の回折格子２０４ａと、回折格子２０４ａにより分散された光を入射して平行光として出射するコリメータレンズ２０４ｂと、コリメータレンズ２０４ｂより出射された平行光を結像する結像レンズ２０４ｃとを有して構成されている。
【００１７】
なお、非線形光学結晶としては、適宜の材料を選択すればよく、例えば、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いることができる。
【００１８】
ところで、こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００の分散光学システム２０４に用いられる回折格子２０４ａは、格子間隔を狭くすることにより大きな分散が得られるようになるものであるが、格子間隔が波長に近づくと回折効率が急激に低下してしまうことが知られている。
【００１９】
ここで、分散光学システムの各構成部材の寸法や配置は回折格子２０４ａの格子間隔に依存するものであり、従ってその小型化には限界があるという問題点があった。
【００２０】
例えば、図２に示した光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００の分散光学システム２０４により約０．２７°／ｎｍの角度分散を得るためには、回折格子２０４ａとして格子数１２００本／ｍｍを有する表面レリーフ型の回折格子と、焦点距離がｆ＝７５０ｍｍのコリメータレンズ２０４ｂと、焦点距離がｆ＝２５０ｍｍの結像レンズ２０４ｃとを用い、回折格子２０４ａとコリメータレンズ２０４ｂとの間隔を７５０ｍｍとし、コリメータレンズ２０４ｂと結像レンズ２０４ｃとの間隔を７５０ｍｍ＋２５０ｍｍとし、結像レンズ２０４ｃと非線形光学結晶２０８との間隔を２５０ｍｍとする必要があるため、分散光学システム２０４の距離が約２ｍに及ぶ長さになり、装置全体が極めて大型化するという問題点があった。
【００２１】
なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、波長依存性が少なく、高効率で大きな分散が得られるような小型の分散光学システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明による分散光学システムは、分散プリズムより出射された分散光を結像する結像レンズ後段において、当該結像レンズの焦点面近傍に分散拡大レンズを配置し、さらに、結像レンズより出射された光のうち分散プリズムにおける屈折角が大きい光を分散拡大レンズの光軸付近に入射し、分散プリズムにおける屈折角が小さい光を分散拡大レンズの縁付近に入射するようにしたものである。
【００２４】
従って、本発明によれば、広い波長範囲内で高次回折光を発生することなく高効率で大きな分散を得ることができるようになる。
【００２５】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、入射光を分散する分散光学システムにおいて、入射光を入射して分散する分散プリズムと、上記分散プリズムの後段に配置され、上記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置され、上記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズとを有し、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズから出射される上記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が上記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して上記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が上記分散拡大レンズのコバ側に入射して上記コバ側に結像するように配置するようにしたものである。
【００２６】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置されるとともに、上記結像レンズから出射される上記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が上記分散拡大レンズの光軸上に入射して上記光軸上に結像するように配置されるようにしたものである。
【００２７】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、入射光を分散する分散光学システムにおいて、入射光を入射して分散する回折格子と、上記回折格子の後段に配置され、上記回折格子から出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置され、上記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズとを有し、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズから出射される上記回折格子により分散された光について、上記分散拡大レンズに入射して回折角を拡大するように配置するようにしたものである。
【００２８】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、上記結像レンズから出射される上記回折格子により分散された光について、長波長側の光が上記分散拡大レンズの光軸上あるいは光軸近傍に入射して、短波長側の光が上記分散拡大レンズのコバ側に入射するように配置されるようにしたものである。
【００２９】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記分散プリズムは、三角プリズムであり、上記分散プリズムが二等辺三角形あるいは正三角形の場合に上記分散プリズムに入射する入射光は、上記分散プリズムの底面と平行になるように入射角θ０
θ０＝ｓｉｎ−１{ｎ１（λ０）ｓｉｎ（α／２）}
ｎ１（λ０）：λ０の屈折角
α：分散プリズムの角度
を有するものとし、上記入射光のうち波長λの光は、上記分散プリズム中に入射の際の屈折角θ１（λ）が
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１{ｓｉｎθ０／ｎ１（λ）}
ｎ（λ）：λの屈折角
であり、上記入射光が上記分散プリズムより出射する際の出射角θｏｕｔ（λ）は
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ０）ｓｉｎ{α−θ１（λ）｝］
であり、上記出射角θｏｕｔ（λ）を有する出射光は、上記結像レンズを出射後に、上記結像レンズの光軸から高さ方向における距離ｘだけ離れた結像位置から上記分散拡大レンズに入射するものであって、上記ｘは、
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ{θｏｕｔ（λ）−θ}
θ：任意の角度
であり、上記分散拡大レンズに入射する入射角φｉｎ（λ）は
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１{（ｘ＋ａ）／Ｒ}
ａ：結像レンズと分散拡大レンズの光軸の距離
Ｒ：分散拡大レンズの曲率半径
であり、上記分散拡大レンズ内における光軸となす角φ１（λ）は
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１ [ｓｉｎ{φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］
ｎ２（λ）：λの分散拡大レンズに対する屈折率
であり、上記分散拡大レンズより出射される光の出射角φｏｕｔ（λ）は
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１[ｎ２（λ）ｓｉｎ{φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］
であるようにしたものである。
【００３０】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは凸形状であるようにしたものである。
【００３１】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは凹形状であるようにしたものである。
【００３２】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項６または７のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズはシリンドリカルレンズであるようにしたものである。
【００３３】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、 上記分散拡大レンズは非球面や自由曲面を備えたレンズであるようにしたものである。
【００３４】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは１または複数のレンズよりなるようにしたものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は、以上説明したように構成されているので、波長依存性が少なく、高効率で大きな分散が得られる小型の分散光学システムを提供することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による分散光学システムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００３７】
図３には、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の概念構成説明図が示されている。
【００３８】
この本発明の第１の実施の形態による分散光学システム１０は、例えば、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学ユニットとして用いることができるものである。
【００３９】
即ち、分散光学システム１０は、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光などの入射光を分散させる分散プリズム１２と、分散プリズム１２により分散された光束を結像する結像レンズ１４と、結像レンズ１４の出射面１４ａより出射された光の焦点位置である結像レンズ１４の結像面近傍（焦点面近傍）に設置されるとともに入射した光の分散を拡大する分散拡大レンズ１６とを有して構成されている。
【００４０】
なお、この分散光学システム１０においては、分散プリズム１２として各頂角が６０°を有する石英製の正三角柱形状の三角プリズムを用い、また、結像レンズ１４として焦点距離が１００ｍｍである平凸レンズを用い、また、分散拡大レンズ１６として曲率半径が１７ｍｍの石英からなる凸形状のシリンドリカルレンズを用いた。
【００４１】
また、分散光学システム１０は、上記した各構成部材により構成されてなるものであるが、これら各構成部材は、以下に説明するように配置されている。
【００４２】
即ち、結像レンズ１４の出射面１４ａから出射される分散プリズム１２により分散された光束について、屈折角が大きいスペクトルの短波長側、即ち、青色光（図３において破線で示す。）を分散拡大レンズ１６の光軸近傍上に入射して光軸近傍上に結像させ、屈折角が小さいスペクトルの長波長側、即ち、赤色光（図３において一点鎖線で示す。）を分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に入射してコバ側、即ち、縁近傍に結像させるように配置する。
【００４３】
なお、分散光学システム１０においては、波長３００ｎｍの光が分散拡大レンズ１６の光軸上を通るように設計されている。
【００４４】
以上の構成において、分散光学システム１０によれば、分散プリズム１２により分散された光束を結像レンズ１４で波長毎に結像させ、結像面近傍に分散拡大レンズ１６が配置されていることにより、分散拡大レンズ１６で波長分散を拡大して分散の波長依存性を制御することができる。
【００４５】
即ち、分散光学システム１０は、分散プリズム１２により分散された光束について、屈折角が大きいスペクトルの短波長側、即ち、青色光（図３において破線で示す。）を分散拡大レンズ１６の光軸近傍上に入射させ、屈折角が小さいスペクトルの長波長側、即ち、赤色光（図３において一点鎖線で示す。）を分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に入射させているので、分散プリズム１２により分散された光束のなかでスペクトルの長波長側の光束の分散を大きくすることができる。
【００４６】
従って、分散光学システム１０においては、分散拡大レンズ１６の曲率半径の選択と入射角（光軸からの距離）の調整とを行うことにより、表面刻線型の回折格子より大きな分散や、波長あるいは波数に対してほぼ線形と見なすことができる分散特性を得ることができる。
【００４７】
なお、分散拡大レンズ１６として、複数のレンズを組み合わせたり、非球面や自由曲面を備えたレンズを採用することにより、波長あるいは波数に対して任意の分散特性を得ることができるようになる。
【００４８】
また、分散光学システム１０において、分散プリズム１２に代えて回折格子を用いることにより、１オクターブ以内の波長範囲において極めて大きな分散を得ることが可能である。
【００４９】
次に、分散光学システム１０によって光を分散させる際の作用について、図４および図５を合わせて参照しながら詳細に説明することとする。
【００５０】
まず、分散プリズム１２への入射光として、例えば、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光などの入射光が分散プリズム１２に入射すると、当該入射光は分散プリズム１２により分散されてスペクトルが得られる。
【００５１】
なお、図３乃至図５においては、本発明の理解を容易にするために、赤色光（図３乃至図５において一点鎖線で示す。）、緑色光（図３乃至図５において二点鎖線で示す。）および青色光（図３乃至図５において破線で示す。）のみを図示するものとし、以下の説明においても、上記した赤色光、緑色光および青色光に関して説明する。
【００５２】
ここで、分散プリズム１２により分散されて出力される赤色光、緑色光および青色光のなかで、青色光に対する屈折率が最も大きく、また、赤色光に対する屈折率が最も小さいものであり、図３に示されているようにそれぞれの角度に屈折した赤色光、緑色光および青色光が分散プリズム１２から出射される。
【００５３】
次に、分散プリズム１２より出射した赤色光、緑色光および青色光（以下、これら赤色光、緑色光および青色光を総称して「分散光」と称する。）は、分散プリズム１２の後段に配置された結像レンズ１４に入射し、結像レンズ１４の出射面１４ａより出射される。
【００５４】
そして、結像レンズ１４を出射した分散光はそれぞれ、結像レンズ１４の焦点面付近に配置された分散拡大レンズ１６に入射し、青色光は分散拡大レンズ１６の光軸近傍に結像し、また、赤色光は分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に結像する。
【００５５】
上記のようにして分散拡大レンズ１６に入射された分散光は、分散拡大レンズ１６から出射されて、分散光学システム１０の外部へ取り出されるものである。
【００５６】
上記において説明したように、本発明による分散光学システム１０は、分散プリズム１２により分散された光束を波長ごとに結像させるため、結像レンズ１４の後段に分散拡大レンズ１６を設けるとともに、分散プリズム１２により大きく屈折した波長の光は分散拡大レンズ１６の光軸近傍に入射するようにし、分散プリズムにより小さく屈折した波長の光は分散拡大レンズの縁近傍に入射するようになされていおり、分散プリズムと結像レンズのみから得られる光の分散よりも、光の分散をより拡大することができる。
【００５７】
即ち、分散光学システム１０においては、青色光が分散拡大レンズ１６の光軸近傍に収束し、赤色光が分散拡大レンズ１６の縁近傍に収束しており、波長の分散を大きくとることができるものである。
【００５８】
こうした分散光学システム１０は、分散拡大レンズ１６に光が入射する際に、分散拡大レンズ１６における光の入射位置によって屈折角が異なる球面収差のため、光軸近傍は屈折角が小さくなり、光軸から離れて縁近傍にいくに従って屈折角が大きくなることを利用している。
【００５９】
より詳細には、分散プリズム１２から出射された光束のなかで、短波長の光束は大きく屈折し、長波長の光束は小さく屈折するものであるので、分散拡大レンズ１６に入射する際には、分散プリズム１２における屈折率とは逆となるように、即ち、短波長の光は屈折角を小さくさせるように分散拡大レンズ１６の光軸近傍に入射させ、長波長の光は屈折角を大きくさせるように分散拡大レンズ１６の縁近傍に入射させるように制御することによって、それぞれの波長の波長分散を調整することができるものである。
【００６０】
ここで、図４および図５を参照しながら、分散光学システム１０の分散拡大レンズ１６における入射位置および出射光の屈折角についての関数を詳細に説明する。
【００６１】
なお、図４は分散プリズム１２における入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図であり、図５は分散拡大レンズ１６における入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図である。
【００６２】
分散光学システム１０における分散プリズム１２として用いられる三角プリズムの形状が二等辺三角形もしくは正三角形の場合に、分散プリズム１２内において、任意の波長（例えば、中心波長）λ０の光束を図４に示すように分散プリズム１２の底辺と平行に進行させるためには、入射面における光束の入射角θ０は、分散プリズム１２の頂角αと波長λ０の屈折率ｎ１（λ０ ）とを用いて式１で示すことができる。
【００６３】
θ０＝ｓｉｎ−１｛ｎ１（λ０ ）ｓｉｎ（α／２）｝ ・・・ 式１
即ち、波長λ０の光を上記式１より得られた入射角θ０で入射させると、光は分散プリズム１２内を分散プリズム１２の底面と平行に進行することになる。
【００６４】
より具体的には、例えば、石英で形成されているとともに頂角α＝６０°を有する分散プリズム１２を用いた分散光学システムにおいて、中心波長λ０＝４００ｎｍの光を入射させた場合には、屈折率ｎ１ はｎ１（４００ｎｍ）＝１．４７０１であるので、上記の式１より入射角θ０を求めると、以下の値が得られる。
【００６５】
θ０＝ｓｉｎ−１｛１．４０１×ｓｉｎ（６０／２）｝＝４７．３１２°
従って、中心波長λ＝４００ｎｍの光を分散プリズム１２に入射する際に、入射角θ０を４７．３１２°とすると、分散プリズム１２内を分散プリズム１２の底面と平行な状態で入射光が進行する。
【００６６】
上記により算出された入射角θ０を用いて、入射光の各波長（λ）における分散プリズム１２内の屈折角θ１（λ）を表すと、以下の式２で示すことができる。
【００６７】
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１｛ｓｉｎθ０／ｎ１（λ ）｝ ・・・ 式２
さらに、分散プリズム１２より出射した出射光の屈折角θｏｕｔ（λ）は、上記式２により表された各波長の屈折率ｎ１（λ）を用いて、式３によって表される。
【００６８】
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ ）ｓｉｎ{α−θ１（λ ）｝］ ・・・ 式３
分散プリズム１２より出射し、式３より得られた出射角θｏｕｔ（λ）を有する光は、結像レンズ１４に入射したのち、分散拡大レンズ１６に入射する。
【００６９】
そのときの、分散拡大レンズ１６上の結像レンズ１４焦点面における結像位置ｘ（λ）が式４から求められる。より詳細には、結像位置ｘ（λ）は、分散プリズム１２からの出射光の屈折角θｏｕｔ（λ）から任意の角度θ（例えばλ０の出射後の屈折角θｏｕｔ（λ０）＝入射角θ０）を差し引いた際に得られる値と、結像レンズ１４の焦点距離ｆとを用いて算出される。
【００７０】
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ｛θｏｕｔ（λ）−θ｝・・・ 式４
こうして得られた各波長の結像位置ｘ（λ）より、分散拡大レンズ１６における各波長の光の入射位置がわかるものである。
【００７１】
さらに、分散拡大レンズ１６に入射する際の入射角φｉｎ（λ）は、結像位置ｘ（λ）の値に結像レンズ１４と分散拡大レンズ１６との光軸の距離ａを加えて得られる値と、分散拡大レンズ１６の曲率半径Ｒとを用いて式５により表される。
【００７２】
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１｛（ｘ＋ａ）／Ｒ｝・・・ 式５
そして、上記式５より得られた分散拡大レンズ１６への入射角φｉｎ（λ）と、屈折率ｎ２（λ）とを用いて、分散拡大レンズ１６内における入射光と光軸とのなす角φ１（λ）が式６により求められる。
【００７３】
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１［ｓｉｎ｛φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］・・・ 式６
さらに、式５から得られた分散拡大レンズ１６への入射角φｉｎ（λ）と、式６から得られた分散拡大レンズ１６の光軸となす角φ１（λ）とを用いて、分散拡大レンズ１６を出射した各波長の出射角φｏｕｔ（λ）は、以下の式７より得られる。
【００７４】
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ２（λ）ｓｉｎ｛φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］・・・ 式７
ここで、上記した本発明による分散光学システム１０における分散特性について、図６（ａ）（ｂ）を参照しながら以下に説明する。
【００７５】
まず、図６（ａ）には、本発明による分散光学システム１０を用いて光を分散させた場合における各波長の屈折角を表した分散曲線が示されている。これは、波長に対する分散特性（波長分散）を示すものである。
【００７６】
なお、図６（ａ）には、本発明による分散光学システム１０の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。
【００７７】
一方、図６（ｂ）には、本発明による分散光学システム１０を用いて光を分散させた場合における波数に対する屈折角をプロットした波数に対する分散特性（波数分散）が示されている。
【００７８】
なお、図６（ｂ）には、図６（ａ）と同様に、本発明による分散光学システム１０と比較するために、図６（ａ）に示す上記回折格子および上記分散プリズムを用いて光を分散させた場合の波数に対する分散特性（波数分散）とがあわせて示されている。
【００７９】
図６（ａ）に示されているように、本発明の分散光学システム１０の波長に対する分散特性は、長波長になるにつれて分散し難くなり、波長依存性が高いものであることがわかる。
【００８０】
一方、回折格子の分散特性は、波長に対する屈折角を直線で表すことができ、一定の分散が得られることがわかる。また、プリズムの分散特性は、短波長領域での分散については回折格子のみの場合より大きいが、長波長になるにつれて分散が小さくなることがわかる。
【００８１】
また、図６（ｂ）に示されているように、本発明の分散光学システム１０の波数に対する分散特性は、波長に対する分散特性よりもより直線的であり、一定に近い分散が得られていることがわかる。
【００８２】
一方、回折格子の波数に対する分散特性は一定ではない（非線形である。）ことがわかる。また、プリズムの分散特性は、直線的であり、一定の分散が得られているが、本発明による分散光学システム１０に比べると分散が小さいことがわかる。
【００８３】
ここで、フェムト秒レーザーを発生させる場合には、広い波長領域において高い効率を維持できるとともに、パルス圧縮の効率や制御の点で、広い波数領域において一定の波数分散特性を示す分散素子が望まれているため、上記した分散特性から判断すると本発明による分散光学システム１０はフェムト秒レーザーの発生に適していると認められる。
【００８４】
すなわち、本発明による分散光学システム１０は、分散が大きい回折格子のみの場合の利点と波数特性が直線的で分散が一定であるプリズムのみの場合利点とを兼ね備えているものである。
【００８５】
次に、図７（ａ）（ｂ）を参照しながら、本発明による分散光学システム１０の第１の変形例および第２の変形例について説明する。
【００８６】
即ち、図７（ａ）は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０（図３参照）において、結像レンズ１４から出射した光束のうち波長３００ｎｍの光束が分散拡大レンズの光軸より１０ｍｍ上の位置に入射するようにした第１の変形例の各波長における屈折角を表した分散曲線、即ち、波長に対する分散特性（波長分散）が示されている。
【００８７】
なお、図７（ａ）には、上記した第１の変形例の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。
【００８８】
この図７（ａ）から、上記した第１の変形例の波長に対する分散特性は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０や回折格子あるいはプリズムのみの場合と比較して直線性が増していることから、得られる分散がより一定であるとともに、各波長における屈折角も増加していることから大きい分散が得られ、高い効率で分散光を得ることができることが認められる。
【００８９】
次に、図７（ｂ）は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０（図３参照）において、分散拡大レンズ１６として第１の実施の形態とは曲率半径が異なる分散拡大レンズ、具体的には、曲率半径が６．５ｍｍの石英製凸形状レンズを用いるようにした第２の変形例の各波長における屈折角を表した分散曲線、即ち、波長に対する分散特性（波長分散）が示されている。
【００９０】
なお、図７（ｂ）には、上記した第２の変形例の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。
【００９１】
この図７（ｂ）から、上記した第２の変形例の波長に対する分散特性は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０、第１の変形例ならびに回折格子あるいはプリズムのみの場合と比較して、各波長における屈折角が大きく増加しており、大きい分散が得られることが認められる。また、波長６００〜１０００ｎｍの領域における分散曲線はほぼ線形であることから、この波長領域において一定の分散が得られることが認められる。
【００９２】
次に、図８を参照しながら、本発明による分散光学システムの第２の実施の形態について説明する。
【００９３】
なお、以下の説明においては、図３を参照しながら説明した本発明の第１の実施の形態による分散光学システム１０と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
【００９４】
この図８に示す第２の実施の形態の分散光学システム４０は、上記した第１の実施の形態の分散光学システム１０（図３参照）と比較すると、分散拡大レンズとして凹形状のシリンドリカルレンズを用いている点においてのみ異なっている。
【００９５】
即ち、この第４の実施の形態の分散光学システム４０は、分散プリズム１２と、結像レンズ１４と、結像レンズ１４から出射された光の焦点位置に設置されて入射した光の分散を拡大する分散拡大レンズ４６とを有して構成されており、分散拡大レンズ４６としては、曲率半径が１７ｍｍのＢＫ７製凹形状レンズシリンドリカルを用いている。
【００９６】
こうした凸形状の分散拡大レンズ１６を有する分散光学システム１０および凹形状の分散拡大レンズ４６を有する分散光学システム４０は、分散プリズム１２の代わりに回折格子を配置することで、１オクターブ以内の波長範囲において、極めて大きな分散を得ることも可能になる。
【００９７】
次に、図９を参照しながら、本発明による分散光学システム１０の使用例として、分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムについて説明することとする。
【００９８】
この図９に示す本発明による分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００は、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と比較すると、第１の回折格子１０４および第２の１１６に代えて、本発明による分散光学システム１０を用いて構成した点において、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と異なっている。
【００９９】
なお、以下の説明においては、図１を参照しながら説明した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
【０１００】
即ち、分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００は、第１のミラー１０２と、第１のミラー１０２の後段に配置される第１の分散光学システム１０と、分散光学システム１０の後段に配置される第２のミラー１０６と、第１の凹面鏡１０８と、空間光位相変調器１１０と、第２の凹面鏡と、第３のミラー１１４と、第２の分散光学システム１０と、第２の分散光学システム１０の後段に配置された第４のミラー１１８とを有して構成されている。
【０１０１】
上記したように、本発明による分散光学システム１０は、図６（ａ）に示す分散特性を有する分散光学ユニットであり、こうした分散光学システム１０を用いることにより、波長３００ｎｍ〜１２００ｎｍの領域においては、８０％以上の効率が得られるものである。
【０１０２】
さらに、回折格子を用いた従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００の場合と比べると、パルス幅の圧縮に重要な短波長において分散が大きいため、位相整合の精度を向上することが可能である。
【０１０３】
次に、本発明による分散光学システム４０の使用例として、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００内に本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００について、図１０を参照しながら説明することとする。
【０１０４】
この図１０に示す本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と比較すると、分散光学システム２０４に代えて、本発明による分散光学システム４０が用いられている点において異なっている。
【０１０５】
また、上記した第２の実施の形態の分散光学システム４０においては、分散光学システム４０内に分散プリズム１２を用いたが、光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００における分散光学システム４０においては、分散プリズム１２に代えて格子数３００本／ｍｍの表面レリーフ型回折格子１２’を用いている。
【０１０６】
なお、以下の説明においては、図２を参照しながら説明した従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
【０１０７】
即ち、図１０には本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００の概念構成説明図が示されており、この光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、シード光源２０２と、分散光学システム４０と、ポンプ光源（図示せず。）と、ミラー２０６と、非線形光学結晶２０８と、カップラ２１０とを有して構成されている。
【０１０８】
さらに、分散光学システム４０は、回折格子４０２と、結像レンズ１４と、分散拡大レンズ４６とを有して構成されている。
【０１０９】
こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、回折格子と非線形光学結晶との距離が０．８ｍとすることができ、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と比較すると、従来の４０％の距離で構成されるため装置を小型化することが可能である。
【０１１０】
次に、図１１には、こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００に用いた本発明による分散光学システムの分散特性が示されている。
【０１１１】
即ち、使用波長領域（波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ）において、波長に対して直線的な分散特性を得られることから、分散が一定で、かつ、効率の良く分散できるものであることが認められる。
【０１１２】
また、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００は格子数１２００本／ｍｍの回折格子２０４ａを用いていたが、本発明による分散光学システム４０とともに格子数３００本／ｍｍの回折格子を用いることにより、格子数１２００本／ｍｍの回折格子を用いた場合に対して、５０〜２００％程度の効率向上が期待できるものである。
なお、上記した実施の形態においては、分散光学システム１０に分散プリズム１２を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、分散プリズム１２の代わりに回折格子を用いて光の分散を行ってもよいものである。ただし、図９に示す本発明による分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００の場合においては、分散光学システム１０の構成を変更せずに分散プリズム１２を用いるものとする。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明は、レーザー関連機器、テラヘルツ波発生光源、各種計測・分析装置あるいは光通信機器などに用いることができ、例えば、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学システム、テラヘルツ波発生器の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の非線形光学結晶に入射させるシード光を分散させる分散光学システム、差周波テラヘルツ波発生器の非線形光学結晶用の分散光学システム、光通信用波長弁別および混合器、単色光源あるいは分光光度計などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】図１は、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システムの一例の概念構成説明図である。
【図２】図２は、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の概念構成説明図である。
【図３】図３は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の概念構成説明図である。
【図４】図４は、図３に示す分散光学システムの分散プリズムにおける入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図である。
【図５】図５は、図３に示す分散光学システムの分散拡大レンズにおける入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態を用いて光を分散させた場合における波長に対する屈折角をプロットした波長に対する分散特性（波長分散）を示すグラフであり、図６（ｂ）は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態を用いて光を分散させた場合における波数に対する屈折角をプロットした波数に対する分散特性（波数分散）を示すグラフである。
【図７】図７（ａ）は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の第１の変形例を用いて光を分散させた場合における波長に対する屈折角をプロットした波長に対する分散特性（波長分散）を示すグラフであり、図７（ｂ）は、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の第２の変形例を用いて光を分散させた場合における波長に対する屈折角をプロットした波長に対する分散特性（波長分散）を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明による分散光学システムの第２の実施の形態の概念構成説明図である。
【図９】図９は、本発明による分散光学システムを用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムの概念構成説明図である。
【図１０】図１０は、本発明による分散光学システムを用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の概念構成説明図である。
【図１１】図１１は、図１０に示した光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器に用いた分散光学システムの分散特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、４０ 分散光学システム
１２ 分散プリズム
１４ 結像レンズ
１６、４６ 分散拡大レンズ
１００、３００ フェムト秒レーザー用位相整合光学システム
１０２、１０６、１１４、１１８ ミラー
１０４、１１６ 回折格子
１０８、１１２ 凹面鏡
１１０ 空間光位相変調器
２００、４００ 光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器
２０２ シード光源
２０４ 分散光学システム
２０６ ミラー
２０８ 非線形光学結晶
２１０ カップラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を分散する分散光学システムにおいて、
入射光を入射して分散する分散プリズムと、
前記分散プリズムの後段に配置され、前記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、
前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置され、前記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズと
を有し、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズから出射される前記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が前記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して前記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が前記分散拡大レンズのコバ側に入射して前記コバ側に結像するように配置した
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項２】
請求項１に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、前記結像レンズから出射される前記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が前記分散拡大レンズの光軸上に入射して前記光軸上に結像するように配置された
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項３】
入射光を分散する分散光学システムにおいて、
入射光を入射して分散する回折格子と、
前記回折格子の後段に配置され、前記回折格子から出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、
前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置され、前記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズと
を有し、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズから出射される前記回折格子により分散された光について、前記分散拡大レンズに入射して回折角を拡大するように配置した
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項４】
請求項３に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、前記結像レンズから出射される前記回折格子により分散された光について、長波長側の光が前記分散拡大レンズの光軸上あるいは光軸近傍に入射して、短波長側の光が前記分散拡大レンズのコバ側に入射するように配置された
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項５】
請求項１または２のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散プリズムは、三角プリズムであり、
前記分散プリズムが二等辺三角形あるいは正三角形の場合に前記分散プリズムに入射する入射光は、前記分散プリズムの底面と平行になるように入射角θ０
θ０＝ｓｉｎ−１{ｎ１（λ０）ｓｉｎ（α／２）}
ｎ１（λ０）：λ０の屈折角
α：分散プリズムの角度
を有するものとし、
前記入射光のうち波長λの光は、前記分散プリズム中に入射の際の屈折角θ１（λ）が
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１{ｓｉｎθ０／ｎ１（λ）}
ｎ（λ）：λの屈折角
であり、
前記入射光が前記分散プリズムより出射する際の出射角θｏｕｔ（λ）は
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ０）ｓｉｎ{α−θ１（λ）｝］
であり、
前記出射角θｏｕｔ（λ）を有する出射光は、前記結像レンズを出射後に、前記結像レンズの光軸から高さ方向における距離ｘだけ離れた結像位置から前記分散拡大レンズに入射するものであって、
前記ｘは、
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ{θｏｕｔ（λ）−θ}
θ：任意の角度
であり、
前記分散拡大レンズに入射する入射角φｉｎ（λ）は
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１{（ｘ＋ａ）／Ｒ}
ａ：結像レンズと分散拡大レンズの光軸の距離
Ｒ：分散拡大レンズの曲率半径
であり、
前記分散拡大レンズ内における光軸となす角φ１（λ）は
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１ [ｓｉｎ{φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］
ｎ２（λ）：λの分散拡大レンズに対する屈折率
であり、
前記分散拡大レンズより出射される光の出射角φｏｕｔ（λ）は
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１[ｎ２（λ）ｓｉｎ{φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］
である
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、凸形状である
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項７】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、凹形状である
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項８】
請求項６または７のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、シリンドリカルレンズである
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項９】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、非球面や自由曲面を備えたレンズである
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項１０】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、１または複数のレンズよりなる
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項１】
入射光を分散する分散光学システムにおいて、
入射光を入射して分散する分散プリズムと、
前記分散プリズムの後段に配置され、前記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、
前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置され、前記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズと
を有し、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズから出射される前記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が前記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して前記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が前記分散拡大レンズのコバ側に入射して前記コバ側に結像するように配置した
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項２】
請求項１に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、前記結像レンズから出射される前記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が前記分散拡大レンズの光軸上に入射して前記光軸上に結像するように配置された
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項３】
入射光を分散する分散光学システムにおいて、
入射光を入射して分散する回折格子と、
前記回折格子の後段に配置され、前記回折格子から出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、
前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置され、前記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズと
を有し、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズから出射される前記回折格子により分散された光について、前記分散拡大レンズに入射して回折角を拡大するように配置した
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項４】
請求項３に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、前記結像レンズから出射される前記回折格子により分散された光について、長波長側の光が前記分散拡大レンズの光軸上あるいは光軸近傍に入射して、短波長側の光が前記分散拡大レンズのコバ側に入射するように配置された
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項５】
請求項１または２のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散プリズムは、三角プリズムであり、
前記分散プリズムが二等辺三角形あるいは正三角形の場合に前記分散プリズムに入射する入射光は、前記分散プリズムの底面と平行になるように入射角θ０
θ０＝ｓｉｎ−１{ｎ１（λ０）ｓｉｎ（α／２）}
ｎ１（λ０）：λ０の屈折角
α：分散プリズムの角度
を有するものとし、
前記入射光のうち波長λの光は、前記分散プリズム中に入射の際の屈折角θ１（λ）が
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１{ｓｉｎθ０／ｎ１（λ）}
ｎ（λ）：λの屈折角
であり、
前記入射光が前記分散プリズムより出射する際の出射角θｏｕｔ（λ）は
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ０）ｓｉｎ{α−θ１（λ）｝］
であり、
前記出射角θｏｕｔ（λ）を有する出射光は、前記結像レンズを出射後に、前記結像レンズの光軸から高さ方向における距離ｘだけ離れた結像位置から前記分散拡大レンズに入射するものであって、
前記ｘは、
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ{θｏｕｔ（λ）−θ}
θ：任意の角度
であり、
前記分散拡大レンズに入射する入射角φｉｎ（λ）は
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１{（ｘ＋ａ）／Ｒ}
ａ：結像レンズと分散拡大レンズの光軸の距離
Ｒ：分散拡大レンズの曲率半径
であり、
前記分散拡大レンズ内における光軸となす角φ１（λ）は
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１ [ｓｉｎ{φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］
ｎ２（λ）：λの分散拡大レンズに対する屈折率
であり、
前記分散拡大レンズより出射される光の出射角φｏｕｔ（λ）は
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１[ｎ２（λ）ｓｉｎ{φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］
である
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、凸形状である
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項７】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、凹形状である
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項８】
請求項６または７のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、シリンドリカルレンズである
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項９】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、非球面や自由曲面を備えたレンズである
ことを特徴とする分散光学システム。
【請求項１０】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、１または複数のレンズよりなる
ことを特徴とする分散光学システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１５０１４（Ｐ２００９−１５０１４Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７６６５５（Ｐ２００７−１７６６５５）
【出願日】平成１９年７月４日（２００７．７．４）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月４日（２００７．７．４）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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