波長変換装置
【課題】より単純な非線形光学結晶の反転配置により、高効率で波長変換光を取り出す波長変換装置を提供する。
【解決手段】波動ベクトル及びポィンティングベクトルが入射波の方向に向く常光線と、波動ベクトルは入射波の方向に向くが、ポィンティングベクトルが常光線と異なる方向に向く異常光線とに分離する非線形光学結晶を２つ接合する。２つの非線形光学結晶は、常光線と異常光線とが位相整合条件を満たすようにc軸に対する波動ベクトルの方向を決定し、２つの非線形光学結晶の接合面を常光線と異常光線の波動ベクトルの方向と平行とし、波動ベクトルの方向に対して、一方の非線形結晶の結晶方位を反転させて他方の非線形結晶を配置し、２つの非線形結晶の異常光線のポィンティングベクトルが、両結晶の接合面方向に向かうように接合される。
【解決手段】波動ベクトル及びポィンティングベクトルが入射波の方向に向く常光線と、波動ベクトルは入射波の方向に向くが、ポィンティングベクトルが常光線と異なる方向に向く異常光線とに分離する非線形光学結晶を２つ接合する。２つの非線形光学結晶は、常光線と異常光線とが位相整合条件を満たすようにc軸に対する波動ベクトルの方向を決定し、２つの非線形光学結晶の接合面を常光線と異常光線の波動ベクトルの方向と平行とし、波動ベクトルの方向に対して、一方の非線形結晶の結晶方位を反転させて他方の非線形結晶を配置し、２つの非線形結晶の異常光線のポィンティングベクトルが、両結晶の接合面方向に向かうように接合される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換装置に関し、更に詳しくは、ある波長の入射波を非線形光学結晶に通すことによって異なる波長の射出波を高効率に得ることができる波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーは、１９６０年にアメリカのメイマンがルビーレーザーの発振に成功して以来、目覚しい発展を遂げ、現在では多種多様な用途に用いられている。しかし、自然界に存在する物質、あるいは人工的に生成した物質から得られるレーザーの発振波長は、波長の全範囲にわたって存在するわけではなく、図８にその一部を示すように、飛び飛びの値しか存在しない。したがって、欲しい波長のレーザー光が必ずしも簡単に手に入るわけではなく、欲しい波長のレーザー光が得られるのはむしろ稀な例である。
【０００３】
そこで、レーザー光を非線形光学結晶を通して波長変換し、入射レーザー光とは異なる波長を持つ射出レーザー光を得ようとする、いわゆる非線形光学現象を用いた波長変換の試みが広くなされている。
【０００４】
レーザー光の角振動数をωとすると、代表的な非線形光学現象の例として以下の過程が挙げられる。
（１）第二高調波発生：ω＋ω→２ω
（２）和周波発生：ω１＋ω２→ω３
（３）差周波発生：ω１−ω２→ω３
（４）光パラメトリック発生：ω３→ω１＋ω２
【０００５】
（１）の第二高調波発生では、例えば通信波長帯域に属する１．５５μｍ帯のレーザーの波長を、約７８０nmのレーザー光に変換することができる。また、（２）の和周波発生では、１．０６μｍと０．５３μｍのレーザー光を入射して、０．３５μｍの紫外光を得ることができる。更に、（３）の差周波発生では赤外、遠赤外の長波長光を、（４）の光パラメトリック発生では、広い範囲にわたって波長可変のレーザー光を得ることができる。
【０００６】
これらの波長変換に用いられる主な非線形光学結晶の例としては、水晶（αSiO2）、KDP(KH2PO4)、KTP（KTiOPO4）、LN（LiNbO3）、BBO（β-BaB2O4）、LBO（LiB3O5）、CLBO(CsLiB6O10)、有機結晶、ポリマーその他等がある。
【０００７】
非線形光学現象は、非線形光学結晶に強い強度のレーザー光を照射した時に生じる現象である。光の周波数では、磁場の作用は電場の作用に比べて十分小さく無視することができ、電場がかかったときの物質の状態変化は、物質中に分極が誘起されるということで表現できる。通常、分極の大きさは電場に比例するとすれば十分であるが、照射するレーザーの強度を大きくすると、線形応答の範囲を超え、非線形な応答が無視できなくなる。
【０００８】
非線形性を考慮すると、物質の分極は光電場の冪級数で、以下のように展開できる。
【０００９】
Ｐ(t)=ε０χ（１）Ｅ（ｔ）＋ε０χ（２）Ｅ２（ｔ）＋ε０χ（３）Ｅ３（ｔ）＋・・・（１）
【００１０】
ここでε０は真空の誘電率、χ（１）を線形感受率、χ（２）を２次の非線形感受率、χ（３）を３次の非線形感受率といい、第２項、第３項は、それぞれＥ２（ｔ）とＥ３（ｔ）に比例する２次の非線形分極、３次の非線形分極を表す。但し、空間反転に対して対称な結晶に対しては、χ（２）は恒等的に０となる。また、結晶の異方性を考慮すると、本来はχ（ｎ）はテンソルで、Ｅ（ｔ）はベクトルで表現されるが、ここでは簡単のため、電場Ｅおよび分極Ｐはともに一軸方向に偏っているとし、それぞれスカラー量として扱う。
【００１１】
２次の非線形分極P（２）(t)について考察する。結晶への入射波をＥ(t)=Ａcosωtとすると、下記、式（２）が得られる。
【００１２】
Ｐ（２）(t)＝（ε０χ（２）Ａ２／２）（cos２ωt＋１）・・・・・・・（２）
【００１３】
第１項は入射波の２倍の周波数で振動する分極を表し、この分極成分から２倍の周波数の光が発生する。この第１項は第二高調波発生（Second Harmonic Generation;ＳＨＧ）とよばれ、また、第２項は結晶内部に光の強度に比例する静的分極が誘起される現象を表し、光整流（optical rectification）とよばれる。この第二高調波発生の過程を、図９に示す。
【００１４】
この第二高調波発生で高い変換効率を得るには、位相整合条件を満たす必要がある。入射波の波動ベクトルをｋ１、第二高調波発生の波動ベクトルをｋ２とすると、｜Δｋ｜＝｜ｋ２―２ｋ１｜＝０、即ちｋ１、ｋ２を同方向とすると（２ω１／ｃ）（ｎ２−ｎ１）＝０、よって基本波（入射波）と２倍波の屈折率が等しい時に位相整合条件は満たされる。ここでω１は入射波の角振動数、ｎ１は入射波の屈折率、ｎ２は２倍波の屈折率、ｃは光速である。
【００１５】
しかし、屈折率には分散（波長による依存性）があるため、一般に上記関係は満たされず、位相整合条件を満たすために、主として次のような方法が用いられている。
【００１６】
（１）角度位相整合法
（２）導波路構造を利用する方法
（３）擬似位相性合法
【００１７】
本発明は、上記（１）の角度位相整合法、すなわち複屈折を用いた位相整合を用いるため、以下角度位相整合法による位相整合のみ取り扱うものとする。
【００１８】
光の複屈折を取り扱うため、入射波を照射する結晶について簡単に説明しなければならない。結晶を光学的性質で分類すると、等方性結晶、一軸性結晶、二軸性結晶に分けられる。一軸性結晶（uniaxial crystal）では光が伝播するとき、直交する２つの偏光成分の位相速度が等しくなる結晶方位があり、これをｃ軸（光学軸）という。しかし、ｃ軸以外の方向に光が伝播する場合、すなわち波動ベクトルがｃ軸と一致しない場合は、その直交する２つの偏光成分は互いに異なる位相速度を持つ。このとき電場（電束密度）の振動方向がc軸に直交する偏光を常光線（ordinary ray）とよぶ。また、常光線の偏光と直交し、ｃ軸を含む面内にある偏光を異常光線（extraordinary ray）という。常光線の電場ベクトルは波動ベクトルと直交するが、異常光線の電場ベクトルは波動ベクトルと直交しない。このため電場ベクトルと磁場ベクトルの外積で与えられるポィンティングベクトルの向き、すなわち異常光線の伝播する向きは、波動ベクトルの向きと一致しなくなる。
【００１９】
常光線の屈折率は波動ベクトルの方向によらず一定値noをとるが、異常光線の屈折率ｎｅは、波動ベクトルがc軸に対しθの角度をとるとき、以下のように表される。
【００２０】
１／ｎｅ２（ω、θ）＝ｃｏｓ２θ／ｎｏ２（ω）＋ｓｉｎ２θ／ｎｅ２（ω）
・・・・・・・・・・・・・・（３）
【００２１】
ここでｎo（ω）およびｎｅ（ω）は、それぞれ角周波数ωの常光線と異常光線の主屈折率である。また、ｎｅ＞ｎｏの結晶を正の一軸性結晶、ｎｅ＜ｎｏの結晶を負の一軸性結晶という。波動ベクトルｋとｃ軸のなす角θに対して、２つの屈折率をプロットすると、常光線に対応した屈折率円と異常光線に対応した屈折率楕円が描ける。
【００２２】
図１０は、負の一軸性結晶の場合について上記屈折率曲線を描いたものである。図１０でＯＥの長さが式（３）の屈折率ｎｅ（θ）に等しい。
【００２３】
また、第二高調波発生はω光子２個から２ω光子１個が作られるが、上記（１）の複屈折を用いた位相整合では、ω光子２個が同一の偏光状態にあるｔｙｐｅ(ｉ)の位相整合と、ω光子２個が直交する偏光状態にあるｔｙｐｅ(ｉｉ)の位相整合とがある。位相整合条件は、基本波と２倍波の屈折率が等しくなることであり、負の一軸性結晶を用いたｔｙｐｅ(ｉ)の位相整合では、
ｎｅ（２ω、θｍ）＝ｎｏ（ω、θｍ）＝ｎｏ（ω）
すなわち、
ｎｅ２ω（θｍ）＝ｎｏω（θｍ）＝ｎｏω・・・・・・・・・・・・・・・（４）
である。このθｍを位相整合角という。
【００２４】
したがって、θｍに対する条件式（４）と、ω、２ωにおける屈折率を用いて式（３）を書き直して用いると、一軸性結晶の位相整合条件は、下記の式のように表現される。即ち、位相整合条件を満たすc軸に対する光の入射角θｍは、下記の式を満たすように定められる。
【００２５】
【数１】
・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
【００２６】
図１１に負の一軸性結晶の場合について、常光線である入射波（ω）の屈折率円と異常光線である射出波（２ω）の屈折率楕円を図１０と同様に描いたものを示す。負の一軸性結晶では、角周波数２ωの異常光屈折率楕円と角周波数ωの常光線屈折率円は交点を有し得る。この交点で与えられるc軸とＯＥの成す角が上記θｍであり、ｎｅ２ω（θｍ）＝ｎｏω（θｍ）（＝ｎｏω）として与えられるｔｙｐｅ(ｉ)の位相整合条件を満足することができる。
【００２７】
以上のように、角度位相整合することによって、高効率の射出波を取り出せることが期待される。
【００２８】
【特許文献１】特開平７−１２０７９７号公報
【００２９】
【非特許文献１】非線形光学(コロナ社：黒田和男 著)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
しかし、図１０に見るように、一軸性結晶の場合(図１０は負の一軸性結晶を示す)、常光線では波動ベクトルとポィンティングベクトル（エネルギーの流れ）は一致するが、異常光線では波動ベクトルとポィンティングベクトルｓの方向は一致せず、異常光線の光線方向ｓは屈折率楕円体表面に直交する。このため、角度位相整合が満足されて基本波（常光線；ω）と２倍波（異常光線；２ω）の波面は一致しても、エネルギーが流れる方向が異なるウォークオフ（walk off）現象が生じる。これが方解石など複屈折性を持つ光学結晶を通してみた像が２重写しに見える原因であり、レーザーのように入射波（基本波、常光線；ω）のビーム幅が細い場合は、ウォークオフにより基本波と２倍波はウォークオフ角ρで空間的に分離してしまい、相互作用長が短くなってしまう（図１２）。そのため、射出光の強度は弱くなり、２倍波の取り出し効率は著しく低くなる（非特許文献１を参照）。
【００３１】
このようなウォークオフによる第二高調波発生の低効率化を阻止するため、特許文献１には以下のような発明が開示されている。すなわち、光学異方性を示しかつ入射された基本波長の光と該基本波長の光と異なる少なくとも１つの変換波長の光とを射出する複数個の非線形光学材料を、各々を通過する光の進行方向に沿って位相整合条件を満たすような結晶学的方位に向けて位置し、かつ少なくとも２つの非線形光学材料を結晶軸を含む平面が同一になるように配置すると共に該結晶軸の向きを結晶学的に異なる方向に向くように配置した、波長変換装置である（図１３）。
【００３２】
詳細には、図１３に表す結晶片１１２Ａ〜１１２Ｊの各々を、第二高調波発生の位相整合条件が満たされるように入射光軸に対する結晶軸の角度にする。図１４のように、結晶片１１２Ａでは、常光線１２０は上記入射光軸の方向に直進するが、異常光線１２２は通常の屈折の法則に従わず所定角度のウォークオフ角を以って進行する。この結晶片１１２Ａに隣接する結晶片１１２Ｂは、位相整合条件を満たすと同時に、結晶学的に異なる方向に向くように結晶軸方向を反転して配置されるため、異常光線１２２は結晶片１１２Ａにおける所定角度のウォークオフ角と常光線１２０を軸として対称な方向に進行するウォークオフ角を以って進行する。このように結晶片１１２Ａ〜１１２Ｊの各々は、結晶軸１１６Ａ〜１１６Ｊが結晶光学的に異なる方向となるように交互に配置することにより、ウォークオフによる波長変換効率の減少を防止している。
【００３３】
しかし、このようにして得られる変換光（今の場合２倍波）の強度は、変換光の通過する媒質結晶の長さの２乗に略比例するので、上記特許文献１の発明のように、光の進行方向に多数の結晶を配置しなければならない。また、各々の結晶の配置角度の調整も煩雑なものとなる。
【００３４】
そこで、本発明は、より単純な非線形光学結晶の反転配置により、高効率で波長変換光を取り出す装置を提示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明に係る波長変換装置は、波動ベクトル及びポィンティングベクトルが入射波の方向を向く常光線と、波動ベクトルは入射波の方向に向くが、ポィンティングベクトルは該常光線と異なる方向に向く異常光線とに分離する非線形光学結晶を、２つの該非線形光学結晶のc軸（光学軸）が接合面を対称面として互いに対称になるように接合する波長変換装置であって、前記常光線と前記異常光線とが接合面に平行に入射したとき、非線形光学効果による波長変換の位相整合条件を満たすように前記接合面に対する前記c軸の方向を決定し、前記２つの非線形光学結晶の接合面を前記常光線と異常光線との前記波動ベクトルの方向と平行とし、前記波動ベクトルを軸として、一方の前記非線形光学結晶の結晶方位を１８０度反転させて他方の前記非線形光学結晶を配置し、かつ、前記２つの非線形光学結晶の前記異常光線のポィンティングベクトルが、該２つの非線形光学結晶の接合面方向に向かうように、前記２つの非線形光学結晶が接合された波長変換装置である。
【００３６】
本発明に係る波長変換装置は、前記接合された２つの非線形光学結晶の各々を、独立にc軸の向きを調整することにより位相整合条件を満たすように調整する角度調整手段を有し得る。
【００３７】
本発明に係る波長変換装置は、前記接合された２つの非線形光学結晶に、一様に作用する電界を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する電界調整手段を有してもよい。
【００３８】
本発明に係る波長変換装置は、前記接合された２つの非線形光学結晶に、一様に作用する圧力及び／又は温度を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する圧力調整手段及び／又は温度調整手段を有してもよい。
【００３９】
本発明に係る波長変換方法は、前記波長変換装置および該波長変換装置から射出される射出光に垂直に設置されたフィルターを準備するステップと、前記波長変換装置の前記波動ベクトルの方向に入射波を照射するステップと、前記２つの非線形光学結晶の前記異常光線のポィンティングベクトルを、該２つの非線形光学結晶の接合面方向に集中させるステップと、前記入射波に対して波長変換されたレーザー光をフィルターを通して取り出すステップと、を含む。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る波長変換装置によれば、上下に２つの非線形光学結晶を、位相整合条件を満たし、かつ、異常波の進行方向を上記２つの非線形光学結晶の接合面方向に向くように調整して配置・接合するため、ウォークオフによる波長変換効率の減少を抑制し、容易に波長変換効率を向上させることができる。
【００４１】
本発明の波長変換装置は、角度調整手段、電界調整手段、圧力調整手段又は温度調整手段等により、あるいはこれらの調整手段の組み合わせにより、位相整合条件がより満足されるように異常波の進行方向等を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】負の一軸性非線形光学結晶の屈折率楕円、位相整合条件を満たす角度θｍ方向を向く波動ベクトル、および波動ベクトルに対してこれを反転した屈折率楕円とを表す図である。
【図２】非線形光学結晶中の位相整合条件を満たす基本波（正常波）と２倍波（異常波）のそれぞれの波動ベクトルとポィンティングベクトルとを表す図であり、上半分の非線形光学結晶と下半分の非線形光学結晶とでは結晶軸の向きが波動ベクトルを対称軸として反転している図である。
【図３】波動ベクトルを対称軸として、図１の屈折率楕円を分離して表した断面図である。
【図４】互いに結晶方位を反転して接合した２つの非線形光学結晶の接合面に沿って常光波が進行する場合の異常波（ＳＨＧ）の進行方向を表す断面イメージ図である。
【図５】位相整合条件を結晶軸の角度調整により行うことを説明するイメージ図である。
【図６】位相整合条件を結晶に付与する電界によって調整することを説明するイメージ図である。
【図７】位相整合条件を結晶に付与する圧力及び／又は温度により調整することを説明するイメージ図である。
【図８】代表的なレーザーと発振波長の関係を示す図である。
【図９】長さLの非線形光学結晶中に角周波数ωの基本波が入射し、非線形光学効果により角周波数２ωの第二高調波が発生する様子を表す図である。
【図１０】負の一軸性結晶の場合の異常波に対する屈折率楕円と、これと同周波数における正常波の屈折率円を表すとともに、c軸と角度θをなす波動ベクトルｋの方向と異常波のポィンティングベクトルｓ（エネルギーの流れを表す）の方向を示す図である。
【図１１】異常波の屈折率楕円と正常波の屈折率円を表すであり、楕円と円の交点が角度位相整合における角度位相整合条件を満足する位相整合角θｍを与える図である。
【図１２】位相整合におけるウォークオフを表す図である。
【図１３】特許文献１の発明に係る波長変換装置の概略図である。
【図１４】特許文献１の発明に係る波長変換装置を構成するBBO結晶片の配置を説明するためのイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面を参照しながら本発明に係る波長変換装置の実施形態について説明する。なお、以下各図面を通して同一の構成要素には同一の符号を使用するものとする。
【００４４】
また、説明を簡単にするため、入射波を照射する非線形光学結晶は負の一軸性非線形光学結晶とし、本装置による波長変換の例として第二高調波発生を用いることとする。
【００４５】
図２を参照して、本発明に係る波長変換装置１は、波動ベクトルＫo及びポィンティングベクトルＳoが入射波の進行方向に向く常光線と、波動ベクトルＫｅは入射波ベクトルｋの方向に向くが、ポィンティングベクトルＳｅ=ｓが当該常光線と異なる方向に向く異常光線とに分離する負の一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂを、２つの該一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂのｃ軸（光学軸）が接合面を対称面として互いに対称になるように接合する波長変換装置であって、上記常光線と上記異常光線とが位相整合条件を満たすように前記c軸に対する波動ベクトルＫｏ=Ｋｅ／２=ｋの方向および光の入射角を決定する。
【００４６】
さらに、本発明の波長変換装置１は、２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面を、常光線と異常光線の波動ベクトルの方向である波動ベクトルｋの方向に平行とし、波動ベクトルｋを軸として、一方の一軸性非線形光学結晶１０Ａ（１０Ｂ）の結晶方位を１８０度反転させて他方の一軸性非線形光学結晶１０Ｂ（１０Ａ）を配置するようにし、かつ、２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの上記異常光線のポィンティングベクトルｓが、当該２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に向かうように、上記２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂが接合された波長変換装置１である。
【００４７】
上記波長変換装置１では、波動ベクトルＫｏ=Ｋｐ／２=ｋ、すなわち、入射波と常光波の波動ベクトルが等しく、異常光(２倍波)の波動ベクトルが正常波（入射波）の波動ベクトルの１／２となっている。したがって、上記のように、入射波の波動ベクトルをｋ１、第二高調波発生の波動ベクトルをｋ２とすると、｜Δｋ｜＝｜ｋ２―２ｋ１｜＝０が成立し、波長変換装置１は、上記位相整合条件を満たすこととなる。
【００４８】
上記式（４）のように、この位相整合条件は、ｎｅ２ω（θｍ）＝ｎｏω（θｍ）（＝ｎｏω）と等価であり、図１１において実線の円ｎｏω（θ）と実線の楕円ｎｅ２ω（θ）のθ＝θｍでの交点に対応している。すなわち、ｃ軸から角度θｍとなる方向に入射波の波動ベクトルが向くとき、Ｋｏ=Ｋｅ／２=ｋの条件が満たされる。
【００４９】
ところが、一般に、一軸性非線形光学結晶においては、常光線のポィンティングベクトルＳｏ（＝Ｅ×Ｈ）の方向は常光線の波動ベクトルＫｏ=ｋの方向と一致するが、異常光線のポィンティングベクトルＳｅ=ｓの方向は異常光線の波動ベクトルＫｅ=ｋの方向と一致しない。したがって、非線形光学結晶においては、図１２のように常光線と異常光線のエネルギーの流れは分離して相互作用が小さくなり、非線形波（本実施例では第二高調波）の取り出し効率は低くなる。
【００５０】
そこで、波動ベクトルｋを軸として非線形光学結晶を１８０度反転すると、図１１で示される異常波である第二高調波の屈折率楕円ｎｅ２ω（θ）は図１のように軸方位が２θｍだけ傾いたものになる。反転した非線形光学結晶中でエネルギーの流れる方向、即ちポィンティングベクトルｓ’の方向は、位相整合方向（波動ベクトルｋの方向）に対して、ポィンティングベクトルｓと対称の方向となる。
【００５１】
上記２つの一軸性非線形光学結晶のポィンティングベクトルｓ、ｓ’が、２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に向かうように接合するには、図３のように、波動ベクトルｋと平行で、かつ常光線の偏光方向を含む面を接合面として、上記２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの結晶方位を揃えればよい。
【００５２】
上記のように２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂを接合することにより、図４に表すように、異常波（本実施形態において２倍波、；ＳＨＧ光）は接合面の方向に集中するようになり、ウォークオフの現象が実質抑制され、ウォークオフによる波長変換効率の低下を効率よく防止することができる。
【００５３】
しかし、上記本発明に係る波長変換装置１は、異常光線のポィンティングベクトルｓが、該２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に向かうように、ｃ軸の方向が調節されて接合されているが、形状誤差や寸法誤差等により位相整合の効率等が低下する場合がある。このようにして生じる波長変換効率の低下を防止するために、本発明の波長変換装置１は、以下に説明する角度調整手段、電界調整手段、圧力調整手段又は温度調整手段等により、あるいはこれらの調整手段の組み合わせにより、位相整合条件がより満足されるように異常波の進行方向等を調整することができる。
【００５４】
図５のように、本発明に係る波長変換装置１は、上記接合された２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの各々を、独立にc軸の向きを調整することにより位相整合条件を満たすように調整する角度調整手段を有し得る。非線形光学結晶１０Ａと非線形光学結晶１０Ｂのなす角度を微調整することにより、より正確に位相整合条件を満足させることができる。
【００５５】
このような角度調整機能を持たせる場合は、２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの間には間隙が生じるが、非線形光学結晶と略等しい油や溶液で間隙を満たし、間隙による効率の低下が起こらないようにする。
【００５６】
また、本発明の波長変換装置１は、上記接合された２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに、例えば一様に作用する電界を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する電界調整手段を有してもよい。図６に示すように、非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂを電極２０Ａ、２０Ｂで挟持し、電源２２により非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに一様な電界を付与し、常光線と異常光線の屈折率を調整することにより、より正確に位相整合条件を満足させることができる。
【００５７】
さらに、図７に示すように、本発明の波長変換装置１は、上記接合された２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに例えば一様に作用する圧力及び／又は温度を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する圧力調整手段及び／又は温度調整手段を有してもよい。非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂを函体３０で覆い、加減圧装置や加熱冷却装置等３２により非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに作用を加え、位相整合条件を調整することができる。
【００５８】
以上に説明した波長変換装置１により、これを構成する２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに入射波を照射することにより、入射波に対して波長（周波数）が変換された変換波長波を得ることができる。上記実施形態では、この非線形光学現象として第二高調波発生を取り上げ、角周波数ωの光子２つから、角周波数２ωの、波長が入射波の半分となったレーザー光を得る波長変換装置１について説明した。
【００５９】
このような波長変換装置１に入射波を照射して射出光の波長を変換する、本発明に係る波長変換方法は、波長変換装置１および波長変換装置１から射出される射出光に垂直に設置されたフィルター１２を準備するステップと、波長変換装置１の上記波動ベクトルの方向に入射波を照射するステップと、２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂ中に発生する異常光線のポィンティングベクトルを、非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に集中させるステップと、上記入射波に対して波長変換されたレーザー光をフィルター１２を通して取り出すステップと、を含む（図２、図４参照）。
【００６０】
入射波を、波長変換装置１を構成する非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの上記波動ベクトルの方向に照射すると、上述したように、常光線は波動ベクトル及びポィンティングベクトルが共に入射波の方向（波動ベクトルの方向）に向くが、異常光線は波動ベクトルが入射波の方向に向くのに対しポィンティングベクトルは常光線と異なる方向に向く。非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂは、異常光線のポィンティングベクトルが、非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に集中するように接合されるため、結晶の長さＬにわたってウォークオフは抑制され、高パワーの変換波長波が非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面末端から得ることができる。したがって、変換波長波のみを透過させるフィルター１２を通すことにより、高効率に波長の変換されたレーザー光を取り出すことができる。
【００６１】
以上、本発明の波長変換装置について、第二高調波発生（ＳＨＧ）を例として説明したが、本発明は第二高調波発生に限定されるものではなく、入射レーザーを更に異なる波長のレーザーに変換することも可能である。また、本発明に用いる非線形光学結晶は、一軸性に限定されず、二軸性の非線形光学結晶であってもよい。
【００６２】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る波長変換装置は、非線形光学効果によって入射レーザー光の波長を所定の波長に変換したレーザー光を取り出すことができる。所望の波長のレーザー光を得ることにより、種々の産業に応用・利用することが出来る。
【符号の説明】
【００６４】
１：波長変換装置
１０Ａ、１０Ｂ：非線形光学結晶
１２：フィルター
２０Ａ、２０Ｂ：電極
２２：電源
３０：函体
３２：加減圧装置、加熱冷却装置等
１１２：BBO結晶
１１２Ａ〜１１２Ｊ：結晶片
１１６Ａ〜１１６Ｊ：結晶軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換装置に関し、更に詳しくは、ある波長の入射波を非線形光学結晶に通すことによって異なる波長の射出波を高効率に得ることができる波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーは、１９６０年にアメリカのメイマンがルビーレーザーの発振に成功して以来、目覚しい発展を遂げ、現在では多種多様な用途に用いられている。しかし、自然界に存在する物質、あるいは人工的に生成した物質から得られるレーザーの発振波長は、波長の全範囲にわたって存在するわけではなく、図８にその一部を示すように、飛び飛びの値しか存在しない。したがって、欲しい波長のレーザー光が必ずしも簡単に手に入るわけではなく、欲しい波長のレーザー光が得られるのはむしろ稀な例である。
【０００３】
そこで、レーザー光を非線形光学結晶を通して波長変換し、入射レーザー光とは異なる波長を持つ射出レーザー光を得ようとする、いわゆる非線形光学現象を用いた波長変換の試みが広くなされている。
【０００４】
レーザー光の角振動数をωとすると、代表的な非線形光学現象の例として以下の過程が挙げられる。
（１）第二高調波発生：ω＋ω→２ω
（２）和周波発生：ω１＋ω２→ω３
（３）差周波発生：ω１−ω２→ω３
（４）光パラメトリック発生：ω３→ω１＋ω２
【０００５】
（１）の第二高調波発生では、例えば通信波長帯域に属する１．５５μｍ帯のレーザーの波長を、約７８０nmのレーザー光に変換することができる。また、（２）の和周波発生では、１．０６μｍと０．５３μｍのレーザー光を入射して、０．３５μｍの紫外光を得ることができる。更に、（３）の差周波発生では赤外、遠赤外の長波長光を、（４）の光パラメトリック発生では、広い範囲にわたって波長可変のレーザー光を得ることができる。
【０００６】
これらの波長変換に用いられる主な非線形光学結晶の例としては、水晶（αSiO2）、KDP(KH2PO4)、KTP（KTiOPO4）、LN（LiNbO3）、BBO（β-BaB2O4）、LBO（LiB3O5）、CLBO(CsLiB6O10)、有機結晶、ポリマーその他等がある。
【０００７】
非線形光学現象は、非線形光学結晶に強い強度のレーザー光を照射した時に生じる現象である。光の周波数では、磁場の作用は電場の作用に比べて十分小さく無視することができ、電場がかかったときの物質の状態変化は、物質中に分極が誘起されるということで表現できる。通常、分極の大きさは電場に比例するとすれば十分であるが、照射するレーザーの強度を大きくすると、線形応答の範囲を超え、非線形な応答が無視できなくなる。
【０００８】
非線形性を考慮すると、物質の分極は光電場の冪級数で、以下のように展開できる。
【０００９】
Ｐ(t)=ε０χ（１）Ｅ（ｔ）＋ε０χ（２）Ｅ２（ｔ）＋ε０χ（３）Ｅ３（ｔ）＋・・・（１）
【００１０】
ここでε０は真空の誘電率、χ（１）を線形感受率、χ（２）を２次の非線形感受率、χ（３）を３次の非線形感受率といい、第２項、第３項は、それぞれＥ２（ｔ）とＥ３（ｔ）に比例する２次の非線形分極、３次の非線形分極を表す。但し、空間反転に対して対称な結晶に対しては、χ（２）は恒等的に０となる。また、結晶の異方性を考慮すると、本来はχ（ｎ）はテンソルで、Ｅ（ｔ）はベクトルで表現されるが、ここでは簡単のため、電場Ｅおよび分極Ｐはともに一軸方向に偏っているとし、それぞれスカラー量として扱う。
【００１１】
２次の非線形分極P（２）(t)について考察する。結晶への入射波をＥ(t)=Ａcosωtとすると、下記、式（２）が得られる。
【００１２】
Ｐ（２）(t)＝（ε０χ（２）Ａ２／２）（cos２ωt＋１）・・・・・・・（２）
【００１３】
第１項は入射波の２倍の周波数で振動する分極を表し、この分極成分から２倍の周波数の光が発生する。この第１項は第二高調波発生（Second Harmonic Generation;ＳＨＧ）とよばれ、また、第２項は結晶内部に光の強度に比例する静的分極が誘起される現象を表し、光整流（optical rectification）とよばれる。この第二高調波発生の過程を、図９に示す。
【００１４】
この第二高調波発生で高い変換効率を得るには、位相整合条件を満たす必要がある。入射波の波動ベクトルをｋ１、第二高調波発生の波動ベクトルをｋ２とすると、｜Δｋ｜＝｜ｋ２―２ｋ１｜＝０、即ちｋ１、ｋ２を同方向とすると（２ω１／ｃ）（ｎ２−ｎ１）＝０、よって基本波（入射波）と２倍波の屈折率が等しい時に位相整合条件は満たされる。ここでω１は入射波の角振動数、ｎ１は入射波の屈折率、ｎ２は２倍波の屈折率、ｃは光速である。
【００１５】
しかし、屈折率には分散（波長による依存性）があるため、一般に上記関係は満たされず、位相整合条件を満たすために、主として次のような方法が用いられている。
【００１６】
（１）角度位相整合法
（２）導波路構造を利用する方法
（３）擬似位相性合法
【００１７】
本発明は、上記（１）の角度位相整合法、すなわち複屈折を用いた位相整合を用いるため、以下角度位相整合法による位相整合のみ取り扱うものとする。
【００１８】
光の複屈折を取り扱うため、入射波を照射する結晶について簡単に説明しなければならない。結晶を光学的性質で分類すると、等方性結晶、一軸性結晶、二軸性結晶に分けられる。一軸性結晶（uniaxial crystal）では光が伝播するとき、直交する２つの偏光成分の位相速度が等しくなる結晶方位があり、これをｃ軸（光学軸）という。しかし、ｃ軸以外の方向に光が伝播する場合、すなわち波動ベクトルがｃ軸と一致しない場合は、その直交する２つの偏光成分は互いに異なる位相速度を持つ。このとき電場（電束密度）の振動方向がc軸に直交する偏光を常光線（ordinary ray）とよぶ。また、常光線の偏光と直交し、ｃ軸を含む面内にある偏光を異常光線（extraordinary ray）という。常光線の電場ベクトルは波動ベクトルと直交するが、異常光線の電場ベクトルは波動ベクトルと直交しない。このため電場ベクトルと磁場ベクトルの外積で与えられるポィンティングベクトルの向き、すなわち異常光線の伝播する向きは、波動ベクトルの向きと一致しなくなる。
【００１９】
常光線の屈折率は波動ベクトルの方向によらず一定値noをとるが、異常光線の屈折率ｎｅは、波動ベクトルがc軸に対しθの角度をとるとき、以下のように表される。
【００２０】
１／ｎｅ２（ω、θ）＝ｃｏｓ２θ／ｎｏ２（ω）＋ｓｉｎ２θ／ｎｅ２（ω）
・・・・・・・・・・・・・・（３）
【００２１】
ここでｎo（ω）およびｎｅ（ω）は、それぞれ角周波数ωの常光線と異常光線の主屈折率である。また、ｎｅ＞ｎｏの結晶を正の一軸性結晶、ｎｅ＜ｎｏの結晶を負の一軸性結晶という。波動ベクトルｋとｃ軸のなす角θに対して、２つの屈折率をプロットすると、常光線に対応した屈折率円と異常光線に対応した屈折率楕円が描ける。
【００２２】
図１０は、負の一軸性結晶の場合について上記屈折率曲線を描いたものである。図１０でＯＥの長さが式（３）の屈折率ｎｅ（θ）に等しい。
【００２３】
また、第二高調波発生はω光子２個から２ω光子１個が作られるが、上記（１）の複屈折を用いた位相整合では、ω光子２個が同一の偏光状態にあるｔｙｐｅ(ｉ)の位相整合と、ω光子２個が直交する偏光状態にあるｔｙｐｅ(ｉｉ)の位相整合とがある。位相整合条件は、基本波と２倍波の屈折率が等しくなることであり、負の一軸性結晶を用いたｔｙｐｅ(ｉ)の位相整合では、
ｎｅ（２ω、θｍ）＝ｎｏ（ω、θｍ）＝ｎｏ（ω）
すなわち、
ｎｅ２ω（θｍ）＝ｎｏω（θｍ）＝ｎｏω・・・・・・・・・・・・・・・（４）
である。このθｍを位相整合角という。
【００２４】
したがって、θｍに対する条件式（４）と、ω、２ωにおける屈折率を用いて式（３）を書き直して用いると、一軸性結晶の位相整合条件は、下記の式のように表現される。即ち、位相整合条件を満たすc軸に対する光の入射角θｍは、下記の式を満たすように定められる。
【００２５】
【数１】
・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
【００２６】
図１１に負の一軸性結晶の場合について、常光線である入射波（ω）の屈折率円と異常光線である射出波（２ω）の屈折率楕円を図１０と同様に描いたものを示す。負の一軸性結晶では、角周波数２ωの異常光屈折率楕円と角周波数ωの常光線屈折率円は交点を有し得る。この交点で与えられるc軸とＯＥの成す角が上記θｍであり、ｎｅ２ω（θｍ）＝ｎｏω（θｍ）（＝ｎｏω）として与えられるｔｙｐｅ(ｉ)の位相整合条件を満足することができる。
【００２７】
以上のように、角度位相整合することによって、高効率の射出波を取り出せることが期待される。
【００２８】
【特許文献１】特開平７−１２０７９７号公報
【００２９】
【非特許文献１】非線形光学(コロナ社：黒田和男 著)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
しかし、図１０に見るように、一軸性結晶の場合(図１０は負の一軸性結晶を示す)、常光線では波動ベクトルとポィンティングベクトル（エネルギーの流れ）は一致するが、異常光線では波動ベクトルとポィンティングベクトルｓの方向は一致せず、異常光線の光線方向ｓは屈折率楕円体表面に直交する。このため、角度位相整合が満足されて基本波（常光線；ω）と２倍波（異常光線；２ω）の波面は一致しても、エネルギーが流れる方向が異なるウォークオフ（walk off）現象が生じる。これが方解石など複屈折性を持つ光学結晶を通してみた像が２重写しに見える原因であり、レーザーのように入射波（基本波、常光線；ω）のビーム幅が細い場合は、ウォークオフにより基本波と２倍波はウォークオフ角ρで空間的に分離してしまい、相互作用長が短くなってしまう（図１２）。そのため、射出光の強度は弱くなり、２倍波の取り出し効率は著しく低くなる（非特許文献１を参照）。
【００３１】
このようなウォークオフによる第二高調波発生の低効率化を阻止するため、特許文献１には以下のような発明が開示されている。すなわち、光学異方性を示しかつ入射された基本波長の光と該基本波長の光と異なる少なくとも１つの変換波長の光とを射出する複数個の非線形光学材料を、各々を通過する光の進行方向に沿って位相整合条件を満たすような結晶学的方位に向けて位置し、かつ少なくとも２つの非線形光学材料を結晶軸を含む平面が同一になるように配置すると共に該結晶軸の向きを結晶学的に異なる方向に向くように配置した、波長変換装置である（図１３）。
【００３２】
詳細には、図１３に表す結晶片１１２Ａ〜１１２Ｊの各々を、第二高調波発生の位相整合条件が満たされるように入射光軸に対する結晶軸の角度にする。図１４のように、結晶片１１２Ａでは、常光線１２０は上記入射光軸の方向に直進するが、異常光線１２２は通常の屈折の法則に従わず所定角度のウォークオフ角を以って進行する。この結晶片１１２Ａに隣接する結晶片１１２Ｂは、位相整合条件を満たすと同時に、結晶学的に異なる方向に向くように結晶軸方向を反転して配置されるため、異常光線１２２は結晶片１１２Ａにおける所定角度のウォークオフ角と常光線１２０を軸として対称な方向に進行するウォークオフ角を以って進行する。このように結晶片１１２Ａ〜１１２Ｊの各々は、結晶軸１１６Ａ〜１１６Ｊが結晶光学的に異なる方向となるように交互に配置することにより、ウォークオフによる波長変換効率の減少を防止している。
【００３３】
しかし、このようにして得られる変換光（今の場合２倍波）の強度は、変換光の通過する媒質結晶の長さの２乗に略比例するので、上記特許文献１の発明のように、光の進行方向に多数の結晶を配置しなければならない。また、各々の結晶の配置角度の調整も煩雑なものとなる。
【００３４】
そこで、本発明は、より単純な非線形光学結晶の反転配置により、高効率で波長変換光を取り出す装置を提示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明に係る波長変換装置は、波動ベクトル及びポィンティングベクトルが入射波の方向を向く常光線と、波動ベクトルは入射波の方向に向くが、ポィンティングベクトルは該常光線と異なる方向に向く異常光線とに分離する非線形光学結晶を、２つの該非線形光学結晶のc軸（光学軸）が接合面を対称面として互いに対称になるように接合する波長変換装置であって、前記常光線と前記異常光線とが接合面に平行に入射したとき、非線形光学効果による波長変換の位相整合条件を満たすように前記接合面に対する前記c軸の方向を決定し、前記２つの非線形光学結晶の接合面を前記常光線と異常光線との前記波動ベクトルの方向と平行とし、前記波動ベクトルを軸として、一方の前記非線形光学結晶の結晶方位を１８０度反転させて他方の前記非線形光学結晶を配置し、かつ、前記２つの非線形光学結晶の前記異常光線のポィンティングベクトルが、該２つの非線形光学結晶の接合面方向に向かうように、前記２つの非線形光学結晶が接合された波長変換装置である。
【００３６】
本発明に係る波長変換装置は、前記接合された２つの非線形光学結晶の各々を、独立にc軸の向きを調整することにより位相整合条件を満たすように調整する角度調整手段を有し得る。
【００３７】
本発明に係る波長変換装置は、前記接合された２つの非線形光学結晶に、一様に作用する電界を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する電界調整手段を有してもよい。
【００３８】
本発明に係る波長変換装置は、前記接合された２つの非線形光学結晶に、一様に作用する圧力及び／又は温度を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する圧力調整手段及び／又は温度調整手段を有してもよい。
【００３９】
本発明に係る波長変換方法は、前記波長変換装置および該波長変換装置から射出される射出光に垂直に設置されたフィルターを準備するステップと、前記波長変換装置の前記波動ベクトルの方向に入射波を照射するステップと、前記２つの非線形光学結晶の前記異常光線のポィンティングベクトルを、該２つの非線形光学結晶の接合面方向に集中させるステップと、前記入射波に対して波長変換されたレーザー光をフィルターを通して取り出すステップと、を含む。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る波長変換装置によれば、上下に２つの非線形光学結晶を、位相整合条件を満たし、かつ、異常波の進行方向を上記２つの非線形光学結晶の接合面方向に向くように調整して配置・接合するため、ウォークオフによる波長変換効率の減少を抑制し、容易に波長変換効率を向上させることができる。
【００４１】
本発明の波長変換装置は、角度調整手段、電界調整手段、圧力調整手段又は温度調整手段等により、あるいはこれらの調整手段の組み合わせにより、位相整合条件がより満足されるように異常波の進行方向等を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】負の一軸性非線形光学結晶の屈折率楕円、位相整合条件を満たす角度θｍ方向を向く波動ベクトル、および波動ベクトルに対してこれを反転した屈折率楕円とを表す図である。
【図２】非線形光学結晶中の位相整合条件を満たす基本波（正常波）と２倍波（異常波）のそれぞれの波動ベクトルとポィンティングベクトルとを表す図であり、上半分の非線形光学結晶と下半分の非線形光学結晶とでは結晶軸の向きが波動ベクトルを対称軸として反転している図である。
【図３】波動ベクトルを対称軸として、図１の屈折率楕円を分離して表した断面図である。
【図４】互いに結晶方位を反転して接合した２つの非線形光学結晶の接合面に沿って常光波が進行する場合の異常波（ＳＨＧ）の進行方向を表す断面イメージ図である。
【図５】位相整合条件を結晶軸の角度調整により行うことを説明するイメージ図である。
【図６】位相整合条件を結晶に付与する電界によって調整することを説明するイメージ図である。
【図７】位相整合条件を結晶に付与する圧力及び／又は温度により調整することを説明するイメージ図である。
【図８】代表的なレーザーと発振波長の関係を示す図である。
【図９】長さLの非線形光学結晶中に角周波数ωの基本波が入射し、非線形光学効果により角周波数２ωの第二高調波が発生する様子を表す図である。
【図１０】負の一軸性結晶の場合の異常波に対する屈折率楕円と、これと同周波数における正常波の屈折率円を表すとともに、c軸と角度θをなす波動ベクトルｋの方向と異常波のポィンティングベクトルｓ（エネルギーの流れを表す）の方向を示す図である。
【図１１】異常波の屈折率楕円と正常波の屈折率円を表すであり、楕円と円の交点が角度位相整合における角度位相整合条件を満足する位相整合角θｍを与える図である。
【図１２】位相整合におけるウォークオフを表す図である。
【図１３】特許文献１の発明に係る波長変換装置の概略図である。
【図１４】特許文献１の発明に係る波長変換装置を構成するBBO結晶片の配置を説明するためのイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面を参照しながら本発明に係る波長変換装置の実施形態について説明する。なお、以下各図面を通して同一の構成要素には同一の符号を使用するものとする。
【００４４】
また、説明を簡単にするため、入射波を照射する非線形光学結晶は負の一軸性非線形光学結晶とし、本装置による波長変換の例として第二高調波発生を用いることとする。
【００４５】
図２を参照して、本発明に係る波長変換装置１は、波動ベクトルＫo及びポィンティングベクトルＳoが入射波の進行方向に向く常光線と、波動ベクトルＫｅは入射波ベクトルｋの方向に向くが、ポィンティングベクトルＳｅ=ｓが当該常光線と異なる方向に向く異常光線とに分離する負の一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂを、２つの該一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂのｃ軸（光学軸）が接合面を対称面として互いに対称になるように接合する波長変換装置であって、上記常光線と上記異常光線とが位相整合条件を満たすように前記c軸に対する波動ベクトルＫｏ=Ｋｅ／２=ｋの方向および光の入射角を決定する。
【００４６】
さらに、本発明の波長変換装置１は、２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面を、常光線と異常光線の波動ベクトルの方向である波動ベクトルｋの方向に平行とし、波動ベクトルｋを軸として、一方の一軸性非線形光学結晶１０Ａ（１０Ｂ）の結晶方位を１８０度反転させて他方の一軸性非線形光学結晶１０Ｂ（１０Ａ）を配置するようにし、かつ、２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの上記異常光線のポィンティングベクトルｓが、当該２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に向かうように、上記２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂが接合された波長変換装置１である。
【００４７】
上記波長変換装置１では、波動ベクトルＫｏ=Ｋｐ／２=ｋ、すなわち、入射波と常光波の波動ベクトルが等しく、異常光(２倍波)の波動ベクトルが正常波（入射波）の波動ベクトルの１／２となっている。したがって、上記のように、入射波の波動ベクトルをｋ１、第二高調波発生の波動ベクトルをｋ２とすると、｜Δｋ｜＝｜ｋ２―２ｋ１｜＝０が成立し、波長変換装置１は、上記位相整合条件を満たすこととなる。
【００４８】
上記式（４）のように、この位相整合条件は、ｎｅ２ω（θｍ）＝ｎｏω（θｍ）（＝ｎｏω）と等価であり、図１１において実線の円ｎｏω（θ）と実線の楕円ｎｅ２ω（θ）のθ＝θｍでの交点に対応している。すなわち、ｃ軸から角度θｍとなる方向に入射波の波動ベクトルが向くとき、Ｋｏ=Ｋｅ／２=ｋの条件が満たされる。
【００４９】
ところが、一般に、一軸性非線形光学結晶においては、常光線のポィンティングベクトルＳｏ（＝Ｅ×Ｈ）の方向は常光線の波動ベクトルＫｏ=ｋの方向と一致するが、異常光線のポィンティングベクトルＳｅ=ｓの方向は異常光線の波動ベクトルＫｅ=ｋの方向と一致しない。したがって、非線形光学結晶においては、図１２のように常光線と異常光線のエネルギーの流れは分離して相互作用が小さくなり、非線形波（本実施例では第二高調波）の取り出し効率は低くなる。
【００５０】
そこで、波動ベクトルｋを軸として非線形光学結晶を１８０度反転すると、図１１で示される異常波である第二高調波の屈折率楕円ｎｅ２ω（θ）は図１のように軸方位が２θｍだけ傾いたものになる。反転した非線形光学結晶中でエネルギーの流れる方向、即ちポィンティングベクトルｓ’の方向は、位相整合方向（波動ベクトルｋの方向）に対して、ポィンティングベクトルｓと対称の方向となる。
【００５１】
上記２つの一軸性非線形光学結晶のポィンティングベクトルｓ、ｓ’が、２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に向かうように接合するには、図３のように、波動ベクトルｋと平行で、かつ常光線の偏光方向を含む面を接合面として、上記２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの結晶方位を揃えればよい。
【００５２】
上記のように２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂを接合することにより、図４に表すように、異常波（本実施形態において２倍波、；ＳＨＧ光）は接合面の方向に集中するようになり、ウォークオフの現象が実質抑制され、ウォークオフによる波長変換効率の低下を効率よく防止することができる。
【００５３】
しかし、上記本発明に係る波長変換装置１は、異常光線のポィンティングベクトルｓが、該２つの一軸性非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に向かうように、ｃ軸の方向が調節されて接合されているが、形状誤差や寸法誤差等により位相整合の効率等が低下する場合がある。このようにして生じる波長変換効率の低下を防止するために、本発明の波長変換装置１は、以下に説明する角度調整手段、電界調整手段、圧力調整手段又は温度調整手段等により、あるいはこれらの調整手段の組み合わせにより、位相整合条件がより満足されるように異常波の進行方向等を調整することができる。
【００５４】
図５のように、本発明に係る波長変換装置１は、上記接合された２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの各々を、独立にc軸の向きを調整することにより位相整合条件を満たすように調整する角度調整手段を有し得る。非線形光学結晶１０Ａと非線形光学結晶１０Ｂのなす角度を微調整することにより、より正確に位相整合条件を満足させることができる。
【００５５】
このような角度調整機能を持たせる場合は、２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの間には間隙が生じるが、非線形光学結晶と略等しい油や溶液で間隙を満たし、間隙による効率の低下が起こらないようにする。
【００５６】
また、本発明の波長変換装置１は、上記接合された２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに、例えば一様に作用する電界を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する電界調整手段を有してもよい。図６に示すように、非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂを電極２０Ａ、２０Ｂで挟持し、電源２２により非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに一様な電界を付与し、常光線と異常光線の屈折率を調整することにより、より正確に位相整合条件を満足させることができる。
【００５７】
さらに、図７に示すように、本発明の波長変換装置１は、上記接合された２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに例えば一様に作用する圧力及び／又は温度を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する圧力調整手段及び／又は温度調整手段を有してもよい。非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂを函体３０で覆い、加減圧装置や加熱冷却装置等３２により非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに作用を加え、位相整合条件を調整することができる。
【００５８】
以上に説明した波長変換装置１により、これを構成する２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂに入射波を照射することにより、入射波に対して波長（周波数）が変換された変換波長波を得ることができる。上記実施形態では、この非線形光学現象として第二高調波発生を取り上げ、角周波数ωの光子２つから、角周波数２ωの、波長が入射波の半分となったレーザー光を得る波長変換装置１について説明した。
【００５９】
このような波長変換装置１に入射波を照射して射出光の波長を変換する、本発明に係る波長変換方法は、波長変換装置１および波長変換装置１から射出される射出光に垂直に設置されたフィルター１２を準備するステップと、波長変換装置１の上記波動ベクトルの方向に入射波を照射するステップと、２つの非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂ中に発生する異常光線のポィンティングベクトルを、非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に集中させるステップと、上記入射波に対して波長変換されたレーザー光をフィルター１２を通して取り出すステップと、を含む（図２、図４参照）。
【００６０】
入射波を、波長変換装置１を構成する非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの上記波動ベクトルの方向に照射すると、上述したように、常光線は波動ベクトル及びポィンティングベクトルが共に入射波の方向（波動ベクトルの方向）に向くが、異常光線は波動ベクトルが入射波の方向に向くのに対しポィンティングベクトルは常光線と異なる方向に向く。非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂは、異常光線のポィンティングベクトルが、非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面方向に集中するように接合されるため、結晶の長さＬにわたってウォークオフは抑制され、高パワーの変換波長波が非線形光学結晶１０Ａ、１０Ｂの接合面末端から得ることができる。したがって、変換波長波のみを透過させるフィルター１２を通すことにより、高効率に波長の変換されたレーザー光を取り出すことができる。
【００６１】
以上、本発明の波長変換装置について、第二高調波発生（ＳＨＧ）を例として説明したが、本発明は第二高調波発生に限定されるものではなく、入射レーザーを更に異なる波長のレーザーに変換することも可能である。また、本発明に用いる非線形光学結晶は、一軸性に限定されず、二軸性の非線形光学結晶であってもよい。
【００６２】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る波長変換装置は、非線形光学効果によって入射レーザー光の波長を所定の波長に変換したレーザー光を取り出すことができる。所望の波長のレーザー光を得ることにより、種々の産業に応用・利用することが出来る。
【符号の説明】
【００６４】
１：波長変換装置
１０Ａ、１０Ｂ：非線形光学結晶
１２：フィルター
２０Ａ、２０Ｂ：電極
２２：電源
３０：函体
３２：加減圧装置、加熱冷却装置等
１１２：BBO結晶
１１２Ａ〜１１２Ｊ：結晶片
１１６Ａ〜１１６Ｊ：結晶軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波動ベクトル及びポィンティングベクトルが入射波の方向に向く常光線と、波動ベクトルは入射波の方向に向くが、ポィンティングベクトルは該常光線と異なる方向に向く異常光線とに分離する非線形光学結晶を、２つの該非線形光学結晶のc軸（光学軸）が接合面を対称面として互いに対称になるように接合する波長変換装置であって、
前記常光線と前記異常光線とが接合面に平行に入射したとき、非線形光学効果による波長変換の位相整合条件を満たすように前記接合面に対する前記c軸の方向を決定し、
前記２つの非線形光学結晶の接合面を前記常光線と異常光線との前記波動ベクトルの方向と平行とし、
前記波動ベクトルを軸として、一方の前記非線形光学結晶の結晶方位を１８０度反転させて他方の前記非線形光学結晶を配置し、
かつ、前記２つの非線形光学結晶の前記異常光線のポィンティングベクトルが、該２つの非線形光学結晶の接合面方向に向かうように、
前記２つの非線形光学結晶が接合された波長変換装置。
【請求項２】
前記接合された２つの非線形光学結晶の各々を、独立にc軸の向きを調整することにより位相整合条件を満たすように調整する角度調整手段を有する、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記接合された２つの非線形光学結晶に作用する電界を調整することにより、位相整合条件を満たすように調整する電界調整手段を有する、請求項１または２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記接合された２つの非線形光学結晶に作用する圧力及び／又は温度を調整することにより、位相整合条件を満たすように調整する圧力調整手段及び／又は温度調整手段を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の波長変換装置および該波長変換装置から射出される射出光に垂直に設置されたフィルターを準備するステップと、
前記波長変換装置の前記波動ベクトルの方向に入射波を照射するステップと、
前記２つの非線形光学結晶中に発生する前記異常光線のポィンティングベクトルを、該２つの非線形光学結晶の接合面方向に集中させるステップと、
前記入射波に対して波長変換されたレーザー光を、前記フィルターを通して取り出すステップと、を含む、波長変換方法。
【請求項１】
波動ベクトル及びポィンティングベクトルが入射波の方向に向く常光線と、波動ベクトルは入射波の方向に向くが、ポィンティングベクトルは該常光線と異なる方向に向く異常光線とに分離する非線形光学結晶を、２つの該非線形光学結晶のc軸（光学軸）が接合面を対称面として互いに対称になるように接合する波長変換装置であって、
前記常光線と前記異常光線とが接合面に平行に入射したとき、非線形光学効果による波長変換の位相整合条件を満たすように前記接合面に対する前記c軸の方向を決定し、
前記２つの非線形光学結晶の接合面を前記常光線と異常光線との前記波動ベクトルの方向と平行とし、
前記波動ベクトルを軸として、一方の前記非線形光学結晶の結晶方位を１８０度反転させて他方の前記非線形光学結晶を配置し、
かつ、前記２つの非線形光学結晶の前記異常光線のポィンティングベクトルが、該２つの非線形光学結晶の接合面方向に向かうように、
前記２つの非線形光学結晶が接合された波長変換装置。
【請求項２】
前記接合された２つの非線形光学結晶の各々を、独立にc軸の向きを調整することにより位相整合条件を満たすように調整する角度調整手段を有する、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記接合された２つの非線形光学結晶に作用する電界を調整することにより、位相整合条件を満たすように調整する電界調整手段を有する、請求項１または２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記接合された２つの非線形光学結晶に作用する圧力及び／又は温度を調整することにより、位相整合条件を満たすように調整する圧力調整手段及び／又は温度調整手段を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の波長変換装置および該波長変換装置から射出される射出光に垂直に設置されたフィルターを準備するステップと、
前記波長変換装置の前記波動ベクトルの方向に入射波を照射するステップと、
前記２つの非線形光学結晶中に発生する前記異常光線のポィンティングベクトルを、該２つの非線形光学結晶の接合面方向に集中させるステップと、
前記入射波に対して波長変換されたレーザー光を、前記フィルターを通して取り出すステップと、を含む、波長変換方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−２７１６３３（Ｐ２０１０−２７１６３３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２５２７１（Ｐ２００９−１２５２７１）
【出願日】平成２１年５月２５日（２００９．５．２５）
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【出願人】（５０４２９９１０６）株式会社先端赤外 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２５日（２００９．５．２５）
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【出願人】（５０４２９９１０６）株式会社先端赤外 (3)
【Ｆターム（参考）】
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