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JP2023177027A - Laser oscillator and laser oscillation method - Google Patents

Laser oscillator and laser oscillation method Download PDF

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JP2023177027A JP2022089698A JP2022089698A JP2023177027A JP 2023177027 A JP2023177027 A JP 2023177027A JP 2022089698 A JP2022089698 A JP 2022089698A JP 2022089698 A JP2022089698 A JP 2022089698A JP 2023177027 A JP2023177027 A JP 2023177027A
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crystal
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mirror
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Japanese (ja)
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正樹 湯本
Masaki Yumoto
憲太郎 宮田
Kentaro Miyata
靖 川田
Yasushi Kawada
信一 今井
Shinichi Imai
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Oxide Corp
RIKEN
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Oxide Corp
RIKEN
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Publication date
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Abstract

【課題】中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出させ、当該スペクトル帯域幅における特定の波長でシグナル光をレーザ発振させるレーザ発振器を提供する。【解決手段】ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶と、励起光が入射された結晶をレーザ発振させる光学系とを備え、結晶は、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を更に有し、励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を励起され、位相整合性により、励起光と、光学系によってスペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でレーザ発振したシグナル光との、差周波のアイドラ光を出力する、レーザ発振器を提供する。【選択図】図1The present invention provides a laser oscillator that emits fluorescence with a broad spectral bandwidth in the mid-infrared region and oscillates signal light at a specific wavelength in the spectral bandwidth. [Solution] Equipped with a crystal doped with a dopant and having second-order optical nonlinearity, and an optical system that causes the crystal into which excitation light is incident to laser oscillate, the crystal has birefringent phase matching, periodic polarization inversion, It also has either quasi phase matching using a structure or random phase matching using a polycrystalline structure, and excitation light excites fluorescence with a broad spectral bandwidth in the mid-infrared region. The present invention provides a laser oscillator that outputs idler light of a difference frequency between excitation light and signal light lased at a specific wavelength or a specific wavelength width in a spectral bandwidth by an optical system due to phase matching. [Selection diagram] Figure 1

Description

本発明は、レーザ発振器およびレーザ発振方法に関する。 The present invention relates to a laser oscillator and a laser oscillation method.

非特許文献1には、「We exploited Nd3+ laser emission at 1061.9 nm … in a self-x(2) active GdAl3(BO3)4:Nd3+ laser crystal.」と記載されている。
[先行技術文献]
[非特許文献]
[非特許文献1] A. Brenier, C. Tu, J. Li, Z. Zhu, and B. Wu, "Self-sum- and -differencefrequency mixing in GdAl3(BO3)4:Nd3+ for generation of tunable ultraviolet and infrared radiation," Opt. Lett. 27, 240-242 (2002)
Non-Patent Document 1 states, "We exploited Nd 3+ laser emission at 1061.9 nm ... in a self-x (2) active GdAl 3 (BO 3 ) 4 :Nd 3+ laser crystal."
[Prior art documents]
[Non-patent literature]
[Non-patent Document 1] A. Brenier, C. Tu, J. Li, Z. Zhu, and B. Wu, "Self-sum- and -differencefrequency mixing in GdAl 3 (BO 3 ) 4 :Nd 3+ for generation of tunable ultraviolet and infrared radiation," Opt. Lett. 27, 240-242 (2002)

本発明の第1の態様においては、レーザ発振器を提供する。レーザ発振器は、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶と、励起光が入射された前記結晶をレーザ発振させる光学系と、を備え、前記結晶は、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を更に有し、前記励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を励起され、前記位相整合性により、前記励起光と、前記光学系によって前記スペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でレーザ発振したシグナル光との、差周波のアイドラ光を出力する。 In a first aspect of the invention, a laser oscillator is provided. The laser oscillator includes a crystal doped with a dopant and having second-order optical nonlinearity, and an optical system that causes the crystal into which excitation light is incident to oscillate a laser, and the crystal has birefringent phase matching, periodicity, and It further has phase matching of either quasi phase matching using a polarization inversion structure or random phase matching using a polycrystalline structure, and the excitation light produces a broad spectral bandwidth in the mid-infrared region. is excited by the fluorescence of do.

上記のレーザ発振器において、前記スペクトル帯域幅は、0.1μm以上であってもよい。 In the above laser oscillator, the spectral bandwidth may be 0.1 μm or more.

上記の何れかのレーザ発振器において、前記ドーパントは遷移金属イオンであり、前記励起光により前記遷移金属イオンの振動遷移が生じることで前記蛍光が励起されてもよい。 In any of the above laser oscillators, the dopant may be a transition metal ion, and the excitation light may cause vibrational transition of the transition metal ion to excite the fluorescence.

上記の何れかのレーザ発振器において、前記ドーパントは、Yb、Tm、ErおよびHoのうちの何れかの希土類イオンであってもよい。 In any of the above laser oscillators, the dopant may be a rare earth ion selected from Yb, Tm, Er, and Ho.

上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたCdSe1-x(ただし、x=0.0~0.4)であってもよい。 In any of the above laser oscillators, the crystal may be CdSe 1-x S x doped with Cr 2+ or Fe 2+ (x=0.0 to 0.4).

上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたZnSe1-x(ただし、x=0.0~1.0)であってもよい。 In any of the above laser oscillators, the crystal may be ZnSe 1-x S x (where x=0.0 to 1.0) doped with Cr 2+ or Fe 2+ as a dopant.

上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配されていてもよい。 In any of the above laser oscillators, the crystal may be oriented to satisfy a non-critical phase matching condition with respect to changes in the beam propagation direction.

上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、前記励起光、前記シグナル光、および前記アイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配されていてもよい。 In any of the above laser oscillators, the crystal is arranged in a direction that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to a change in the wavelength of at least one of the excitation light, the signal light, and the idler light. may have been done.

上記の何れかのレーザ発振器において、前記結晶は、前記結晶の温度の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配されていてもよい。 In any of the above laser oscillators, the crystal may be oriented to satisfy a non-critical phase matching condition with respect to a change in temperature of the crystal.

上記の何れかのレーザ発振器において、前記光学系は、互いに斜めに対向配置された第1のミラーおよび第2のミラーを有してもよい。上記の何れかのレーザ発振器において、前記光学系は、前記第2のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第2のミラーで反射した光が入射した場合に、前記光を前記第2のミラーに向けて反射する第3のミラーを有してもよい。上記の何れかのレーザ発振器において、前記光学系は、前記第1のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第1のミラーで反射した光が入射した場合に、前記スペクトル帯域幅における前記特定の波長または前記特定の波長幅の前記シグナル光を選択する光学デバイスを有してもよい。 In any of the above laser oscillators, the optical system may include a first mirror and a second mirror that are diagonally opposed to each other. In any of the above laser oscillators, the optical system is arranged on the optical path of the light reflected by the second mirror, and when the light reflected by the second mirror is incident, the optical system directs the light to the second mirror. It may have a third mirror that reflects the light toward the second mirror. In any of the above laser oscillators, the optical system is arranged on the optical path of the light reflected by the first mirror, and when the light reflected by the first mirror is incident, the optical system The optical device may include an optical device that selects the signal light having the specific wavelength or the specific wavelength width.

上記の何れかのレーザ発振器において、前記光学デバイスは、回折格子、音響光学波長可変フィルタ、複屈折フィルタ、および、プリズムのうちの何れかを含むものであってもよい。 In any of the above laser oscillators, the optical device may include any one of a diffraction grating, an acousto-optic wavelength tunable filter, a birefringence filter, and a prism.

上記の何れかのレーザ発振器は、前記第3のミラーを透過する光の波長を測定する波長計を更に備えてもよい。上記の何れかのレーザ発振器は、前記波長計の測定値に基づいて前記光学デバイスを制御することにより、前記シグナル光の前記特定の波長または前記特定の波長幅を選択するコントローラを更に備えてもよい。 Any of the above laser oscillators may further include a wavelength meter that measures the wavelength of the light that passes through the third mirror. Any of the above laser oscillators may further include a controller that selects the specific wavelength or the specific wavelength width of the signal light by controlling the optical device based on the measurement value of the wavelength meter. good.

本発明の第2の態様においては、レーザ発振方法を提供する。レーザ発振方法は、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶に励起光を照射することにより、中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出させることと、前記スペクトル帯域幅における特定の波長または前記特定の波長幅でシグナル光をレーザ発振させることと、前記結晶が有する、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を利用して、前記励起光と前記シグナル光との差周波のアイドラ光を出力することとを備える。 In a second aspect of the invention, a laser oscillation method is provided. The laser oscillation method involves emitting fluorescence with a broad spectral bandwidth in the mid-infrared region by irradiating excitation light onto a crystal doped with a dopant and having second-order optical nonlinearity; Laser oscillation of signal light at a specific wavelength or the specific wavelength width, birefringent phase matching, quasi phase matching using a periodically poled structure, and a polycrystalline structure possessed by the crystal. outputting idler light having a difference frequency between the excitation light and the signal light by utilizing the phase matching of the random phase matching used.

上記のレーザ発振方法において、前記結晶は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたCdSe1-x(ただし、x=0.0~0.4)であってもよい。 In the above laser oscillation method, the crystal may be CdSe 1-x S x doped with Cr 2+ or Fe 2+ (where x=0.0 to 0.4).

上記の何れかのレーザ発振方法において、前記結晶は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたZnSe1-x(ただし、x=0.0~1.0)であってもよい。 In any of the above laser oscillation methods, the crystal may be ZnSe 1-x S x doped with Cr 2+ or Fe 2+ (where x=0.0 to 1.0).

上記の何れかのレーザ発振方法は、xの値が互いに異なる複数の前記結晶を選択することにより、前記アイドラ光の波長範囲を選択することを更に備えてもよい。 Any of the above laser oscillation methods may further include selecting a wavelength range of the idler light by selecting a plurality of the crystals having mutually different values of x.

上記の何れかのレーザ発振方法において、前記結晶を、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配することを更に備えてもよい。 Any of the above laser oscillation methods may further include arranging the crystal in an orientation that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to changes in the beam propagation direction.

上記の何れかのレーザ発振方法において、前記結晶を、前記励起光、前記シグナル光、および前記アイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配することを更に備えてもよい。 In any of the above laser oscillation methods, the crystal is oriented in a direction that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to a change in wavelength of at least one of the excitation light, the signal light, and the idler light. The method may further include arranging.

上記の何れかのレーザ発振方法において、前記結晶を、前記結晶の温度の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配することを更に備えてもよい。 Any of the above laser oscillation methods may further include arranging the crystal in an orientation that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to a change in temperature of the crystal.

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 Note that the above summary of the invention does not list all the features of the invention. Furthermore, subcombinations of these features may also constitute inventions.

一実施形態によるレーザ発振システム10の概略図である。1 is a schematic diagram of a lasing system 10 according to one embodiment. FIG. 一比較例による、レーザ発振のみを行う発振器の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an oscillator that performs only laser oscillation, according to a comparative example. 一比較例による、差周波発生のみを行う差周波発生器の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a difference frequency generator that only generates a difference frequency according to a comparative example. 一実施形態によるレーザ発振器100の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。It is a graph showing an example of theoretical phase matching characteristics of the laser oscillator 100 according to one embodiment. 一実施形態によるレーザ発振器100の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。It is a graph showing an example of theoretical phase matching characteristics of the laser oscillator 100 according to one embodiment. 一実施形態によるレーザ発振器100の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。It is a graph showing an example of theoretical phase matching characteristics of the laser oscillator 100 according to one embodiment. 一実施形態によるレーザ発振器100によって実測されたシグナル光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。It is a graph showing an example of output characteristics of signal light and idler light actually measured by the laser oscillator 100 according to one embodiment. 一実施形態によるレーザ発振器100によって実測された励起光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。It is a graph showing an example of output characteristics of pump light and idler light actually measured by the laser oscillator 100 according to one embodiment. 一実施形態によるレーザ発振器100によって実測されたシグナル光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。It is a graph showing an example of output characteristics of signal light and idler light actually measured by the laser oscillator 100 according to one embodiment. 一実施形態によるレーザ発振器100によって実測された励起光、シグナル光およびアイドラ光の時間波形の一例を示すグラフである。It is a graph showing an example of time waveforms of excitation light, signal light, and idler light actually measured by the laser oscillator 100 according to one embodiment. 一実施形態によるレーザ発振器100における、サルファイド(S)濃度xとシグナル光の波長λとアイドラ光の波長λとの関係を説明するためのグラフである。7 is a graph for explaining the relationship between the sulfide (S) concentration x, the wavelength λ s of the signal light, and the wavelength λ i of the idler light in the laser oscillator 100 according to one embodiment.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Furthermore, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the solution of the invention.

図1は、一実施形態によるレーザ発振システム10の概略図である。図1において、光路を実線で示し、光が一方向にのみ進行する箇所には光路上に小さな矢印を示す。また図1において、信号の流れ方向を大きな矢印で示す。また図1において、結晶140の結晶軸方位をc軸で示し、ビーム伝搬方向をa軸で示す。なお、結晶140として他の材料を用いる場合には、c軸とa軸の関係は、図1に示すもの以外であってもよい。 FIG. 1 is a schematic diagram of a lasing system 10 according to one embodiment. In FIG. 1, the optical path is shown by a solid line, and small arrows are shown on the optical path where light travels in only one direction. Further, in FIG. 1, the direction of signal flow is indicated by a large arrow. Further, in FIG. 1, the crystal axis orientation of the crystal 140 is indicated by the c-axis, and the beam propagation direction is indicated by the a-axis. Note that when using another material as the crystal 140, the relationship between the c-axis and the a-axis may be other than that shown in FIG. 1.

本実施形態によるレーザ発振システム10は、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶を用いて、シグナル光を発振させると共にアイドラ光を差周波発生させる。換言すると、レーザ発振システム10は、このような結晶に、レーザ発振器としての機能だけでなく、差周波発生器としての機能も持たせている。具体的には、レーザ発振システム10は、このような結晶に励起光を照射してシグナル光を発振させると共に、当該結晶によって励起光およびシグナル光を波長変換し、励起光およびシグナル光よりも長波長のアイドラ光を出力する。 The laser oscillation system 10 according to this embodiment oscillates signal light and generates idler light at a difference frequency using a crystal doped with a dopant and having second-order optical nonlinearity. In other words, in the laser oscillation system 10, such a crystal has a function not only as a laser oscillator but also as a difference frequency generator. Specifically, the laser oscillation system 10 irradiates such a crystal with excitation light to oscillate signal light, converts the wavelength of the excitation light and signal light with the crystal, and converts the excitation light and signal light into wavelengths longer than the excitation light and signal light. Outputs idler light of the same wavelength.

レーザ発振システム10は、レーザ発振器100、エネルギー計201、エネルギー計203、オシロスコープ205およびユーザインタフェース207を備える。図1において、レーザ発振器100を破線の領域として示す。 The laser oscillation system 10 includes a laser oscillator 100, an energy meter 201, an energy meter 203, an oscilloscope 205, and a user interface 207. In FIG. 1, a laser oscillator 100 is shown as a dashed area.

レーザ発振器100は、上述の結晶の一例である結晶140と、光学系130とを備える。本実施形態によるレーザ発振器100は更に、光学系130へと励起光を入射させるべく、励起光源110および半波長板120を備えてもよい。本実施形態によるレーザ発振器100は更に、光学系130からの光が入力される、ハーフミラー150、波長計160およびフィルタ170を備えてもよい。本実施形態によるレーザ発振器100は更に、光学系130で発振させるシグナル光の波長を選択するべく、コントローラ180および駆動部190を備えてもよい。図1において、破線の領域で示すレーザ発振器100の内側に、光学系130を破線の領域として示す。 The laser oscillator 100 includes a crystal 140, which is an example of the crystal described above, and an optical system 130. The laser oscillator 100 according to this embodiment may further include an excitation light source 110 and a half-wave plate 120 in order to input excitation light into the optical system 130. The laser oscillator 100 according to this embodiment may further include a half mirror 150, a wavelength meter 160, and a filter 170 into which the light from the optical system 130 is input. The laser oscillator 100 according to this embodiment may further include a controller 180 and a drive unit 190 to select the wavelength of the signal light to be oscillated by the optical system 130. In FIG. 1, an optical system 130 is shown as a dotted line area inside the laser oscillator 100, which is shown as a dotted line area.

励起光源110は、パルス状の励起光を出力する。励起光源110は、例えば固体レーザ、半導体レーザ、気体レーザなどのレーザ光源であってもよい。励起光源110には、例えばTm:YAG、Nd:YAG、Yb:YAG、Ho:YLFなどの希土類イオンが添加された結晶材料が用いられてもよい。一例として、励起光源110は、Tm:YAGレーザであって、波長2.01μm、パルス幅300ns、パルス繰り返し数10Hz、パルスエネルギ0~16mJの励起光を出力してもよい。以降の説明において、励起光の波長をλと表記し、同様に、シグナル光およびアイドラ光の波長をそれぞれλおよびλと表記する場合がある。 The excitation light source 110 outputs pulsed excitation light. The excitation light source 110 may be a laser light source such as a solid-state laser, a semiconductor laser, or a gas laser. For the excitation light source 110, a crystal material doped with rare earth ions, such as Tm:YAG, Nd:YAG, Yb:YAG, Ho:YLF, may be used. As an example, the excitation light source 110 may be a Tm:YAG laser that outputs excitation light with a wavelength of 2.01 μm, a pulse width of 300 ns, a pulse repetition rate of 10 Hz, and a pulse energy of 0 to 16 mJ. In the following description, the wavelength of excitation light may be expressed as λ p , and similarly, the wavelengths of signal light and idler light may be expressed as λ s and λ i , respectively.

半波長板120は、励起光源110から出力される励起光の偏光状態を異ならせ、光学系130へと入射させる。一例として、半波長板120は、励起光を図1の紙面奥行き方向に偏光する直線偏光にして光学系130へと入射させてもよい。図1には、励起光の偏光方向を◎で示す。 The half-wave plate 120 changes the polarization state of the excitation light output from the excitation light source 110 and makes it enter the optical system 130 . As an example, the half-wave plate 120 may convert the excitation light into linearly polarized light that is polarized in the depth direction of the paper in FIG. 1 and input it to the optical system 130. In FIG. 1, the polarization direction of the excitation light is indicated by ◎.

結晶140は、上述の通り、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する。結晶140は更に、複屈折位相整合性を有する。 Crystal 140 has second-order optical nonlinearity doped with a dopant, as described above. Crystal 140 also has birefringent phase matching.

結晶140は、励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出する。結晶140は更に、複屈折位相整合性により、励起光とシグナル光との差周波のアイドラ光を出力する。 The crystal 140 emits fluorescence with a broad spectral bandwidth in the mid-infrared region when excited by the excitation light. The crystal 140 further outputs idler light having a difference frequency between the excitation light and the signal light due to birefringence phase matching.

具体的な一例として、上述のドーパントは遷移金属イオンであり、例えばCr2+やFe2+であってもよい。この場合、結晶140は、励起光により、遷移金属イオンの振動遷移、すなわちバイブロニック遷移が生じることで、蛍光を放出される。結晶140におけるドーパントの添加濃度は、例えば40ppmである。結晶140におけるドーパントの他の例は、中赤外線領域のブロードなスペクトルを有する希土類イオンであってもよい。具体的には、ドーパントは、Yb、Tm、ErおよびHoのうちの何れかの希土類イオンであってもよい。 As a specific example, the above-mentioned dopant may be a transition metal ion, such as Cr 2+ or Fe 2+ . In this case, the crystal 140 emits fluorescence due to vibrational transition, that is, vibronic transition, of the transition metal ion caused by the excitation light. The dopant concentration in the crystal 140 is, for example, 40 ppm. Other examples of dopants in crystal 140 may be rare earth ions that have a broad spectrum in the mid-infrared region. Specifically, the dopant may be any rare earth ion of Yb, Tm, Er, and Ho.

結晶140が励起光によって放出させられる蛍光のスペクトル帯域幅は、0.1μm以上である。 The spectral bandwidth of the fluorescence emitted by the crystal 140 by the excitation light is 0.1 μm or more.

結晶140における、ドーパントを添加されるホスト材料は、例えばCdSeやZnSeなどであってもよい。本実施形態による結晶140は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたCdSe1-x(ただし、x=0.0~0.4)であり、一例として、Cr:CdSe(ドーパントをCr2+としてx=0.0とした場合)である。結晶140は、一例として、20℃の温度条件下で、波長2.01μmの励起光を照射されることにより、2.2~2.7μm付近の蛍光を励起される。 The host material to which a dopant is added in the crystal 140 may be, for example, CdSe or ZnSe. The crystal 140 according to the present embodiment is CdSe 1-x S x (where x=0.0 to 0.4) doped with Cr 2+ or Fe 2+ as a dopant; for example, Cr:CdSe (the dopant is Cr 2+ and x=0.0). For example, the crystal 140 is irradiated with excitation light having a wavelength of 2.01 μm under a temperature condition of 20° C., thereby exciting fluorescence in the vicinity of 2.2 to 2.7 μm.

結晶140は、一例として、励起光およびシグナル光に対して無反射(Anti Reflection:AR)コーティングが施されている。ARコーティングは、例えば、1.9~3.3μmの波長の光に対する反射率の平均値が1.5%未満であってもよい。 For example, the crystal 140 is coated with anti-reflection (AR) coating for excitation light and signal light. The AR coating may have an average reflectance of less than 1.5% for light with a wavelength of 1.9 to 3.3 μm, for example.

光学系130は、励起光が入射された結晶140をレーザ発振させる。光学系130は、結晶140が励起光によって放出される蛍光のスペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でシグナル光をレーザ発振させる。なお、ここで言う特定の波長または特定の波長幅とは、例えば設計波長であり、ガウス分布に従って波長幅を有してもよい。以降の説明においては、特定の波長または特定の波長幅を単に特定の波長と言う場合がある。 The optical system 130 causes the crystal 140, into which the excitation light is incident, to oscillate as a laser. The optical system 130 causes the crystal 140 to laser-oscillate signal light at a specific wavelength or a specific wavelength width in the spectral bandwidth of fluorescence emitted by the excitation light. Note that the specific wavelength or specific wavelength width referred to here is, for example, a design wavelength, and may have a wavelength width according to a Gaussian distribution. In the following description, a specific wavelength or a specific wavelength width may be simply referred to as a specific wavelength.

本実施形態による光学系130は、第1のミラー131および第2のミラー133と、ブリュースタープレート135と、第3のミラー137と、回折格子139とを有する。図1に示すように、光学系130には、これらの複数の光学素子が「X」状に配置されている。なお、光学系130において、これら複数の光学素子を「X」状に配置することは単なる一例に過ぎず、これら複数の光学素子の他の配置構成を採用してもよい。この場合、これら複数の光学素子の一部が省略されてもよく、これに加えて又は代えて、他の光学素子が追加されてもよい。 The optical system 130 according to this embodiment includes a first mirror 131, a second mirror 133, a Brewster plate 135, a third mirror 137, and a diffraction grating 139. As shown in FIG. 1, the optical system 130 includes a plurality of optical elements arranged in an "X" shape. Note that in the optical system 130, arranging the plurality of optical elements in an "X" shape is merely an example, and other arrangement configurations of the plurality of optical elements may be adopted. In this case, some of these optical elements may be omitted, and other optical elements may be added in addition to or in place of them.

第1のミラー131および第2のミラー133は、互いに斜めに対向配置されており、間に結晶140が配置されている。第1のミラー131および第2のミラー133は、例えばZnSeによって形成される。 The first mirror 131 and the second mirror 133 are arranged obliquely facing each other, and a crystal 140 is arranged between them. The first mirror 131 and the second mirror 133 are made of ZnSe, for example.

第1のミラー131および第2のミラー133は、結晶140が励起光によって放出させられる蛍光のスペクトル帯域幅に対して高い反射率を有する。第1のミラー131には、第2のミラー133の側の反対側から、励起光が入射する。第1のミラー131は、一例として、励起光源110から出力される励起光の90%を透過させる。 The first mirror 131 and the second mirror 133 have a high reflectivity for the spectral bandwidth of the fluorescence emitted by the crystal 140 by the excitation light. Excitation light enters the first mirror 131 from the opposite side to the second mirror 133 side. For example, the first mirror 131 transmits 90% of the excitation light output from the excitation light source 110.

第2のミラー133には、結晶140から出力されるアイドラ光が、第1のミラー131の側から入射する。第2のミラー133は、第1のミラー131の側の反対側へとアイドラ光を透過させる。第2のミラー133は、一例として、結晶140から出力されるアイドラ光の73%を透過させる。なお、第2のミラー133は、励起光およびシグナル光の一部をアイドラ光と共に透過させてもよい。 The idler light output from the crystal 140 enters the second mirror 133 from the first mirror 131 side. The second mirror 133 transmits the idler light to the side opposite to the first mirror 131 side. As an example, the second mirror 133 transmits 73% of the idler light output from the crystal 140. Note that the second mirror 133 may transmit part of the excitation light and the signal light together with the idler light.

ブリュースタープレート135は、第2のミラー133および第3のミラー137の間の光路上に配置されている。ブリュースタープレート135は、例えばZnSeによって形成される。ここで、上述した、複屈折位相整合性を有する結晶140は、結晶140のホスト材料次第で、アイドラ光を差周波発生させるための2つの入力光の各偏光方向を互いに同じにするか、直交させる必要がある。結晶140のホスト材料がCdSeの場合には、2つの入力光、すなわち励起光およびシグナル光の各偏光方向を互いに直交させる必要がある。そこで、ブリュースタープレート135は、ブリュースタープレート135に入射する光を、励起光の偏光方向と直交する方向に偏光させて透過させるように構成されている。なお、ブリュースタープレート135は、結晶140のホスト材料次第では、光学系130内に配置されなくてもよい。 Brewster plate 135 is arranged on the optical path between second mirror 133 and third mirror 137. Brewster plate 135 is made of ZnSe, for example. Here, depending on the host material of the crystal 140, the crystal 140 having birefringence phase matching described above may have the polarization directions of two input lights the same or orthogonal to each other for generating idler light with a difference frequency. It is necessary to do so. When the host material of the crystal 140 is CdSe, the polarization directions of the two input lights, that is, the excitation light and the signal light, must be orthogonal to each other. Therefore, the Brewster plate 135 is configured to polarize the light incident on the Brewster plate 135 in a direction perpendicular to the polarization direction of the excitation light and transmit the polarized light. Note that Brewster plate 135 may not be disposed within optical system 130 depending on the host material of crystal 140.

第3のミラー137は、第2のミラー133で反射する光の光路上に配置されている。第3のミラー137は、第2のミラー133で反射した光が入射した場合に、当該光を第2のミラー133に向けて反射する。第3のミラー137は、一例として、98%の反射率を有する。第2のミラー133からブリュースタープレート135を介して第3のミラー137に入射する光、例えば上述の波長λのシグナル光は、一例として、図1の紙面に平行な方向に偏光する直線偏光である。図1には、シグナル光の偏光方向を矢印で示す。 The third mirror 137 is placed on the optical path of the light reflected by the second mirror 133. When the light reflected by the second mirror 133 is incident, the third mirror 137 reflects the light toward the second mirror 133 . The third mirror 137 has a reflectance of 98%, for example. The light that enters the third mirror 137 from the second mirror 133 via the Brewster plate 135, for example, the above-mentioned signal light with the wavelength λ s , is linearly polarized light that is polarized in a direction parallel to the plane of the paper in FIG. It is. In FIG. 1, the polarization direction of signal light is indicated by an arrow.

回折格子139は、第1のミラー131で反射する光の光路上に配置されている。回折格子139は、第1のミラー131で反射した光が入射した場合に、上述した特定の波長のシグナル光のみを、第1のミラー131に向けて回折する。当該特定の波長以外の波長の光は、第1のミラー131に向けて回折されない。換言すると、回折格子139は、光学系130において、第1のミラー131、第2のミラー133、第3のミラー137および回折格子139の間をラウンドトリップさせる光の波長を選択する。更に換言すると、回折格子139は、光学系130において特定の波長の光のみをラウンドトリップさせる。回折格子139は、一例として、溝数600本/mm、回折効率η>90%である。なお、回折格子139は、第1のミラー131で反射する光の光路上に配置され、第1のミラー131で反射した光が入射した場合に、上述した特定の波長のシグナル光を選択する光学デバイスの一例である。当該光学デバイスは、回折格子139に代えて又は加えて、音響光学波長可変フィルタ、複屈折フィルタ、プリズムなどを含んでもよい。 The diffraction grating 139 is placed on the optical path of the light reflected by the first mirror 131. When the light reflected by the first mirror 131 is incident on the diffraction grating 139, the diffraction grating 139 diffracts only the signal light having the above-mentioned specific wavelength toward the first mirror 131. Light with wavelengths other than the specific wavelength is not diffracted toward the first mirror 131. In other words, the diffraction grating 139 selects the wavelength of light to be round-tripped between the first mirror 131, the second mirror 133, the third mirror 137, and the diffraction grating 139 in the optical system 130. In other words, the diffraction grating 139 causes only light of a specific wavelength to round-trip in the optical system 130. As an example, the diffraction grating 139 has a groove count of 600/mm and a diffraction efficiency η>90%. Note that the diffraction grating 139 is arranged on the optical path of the light reflected by the first mirror 131, and when the light reflected by the first mirror 131 is incident, the diffraction grating 139 is an optical element that selects the signal light having the above-mentioned specific wavelength. This is an example of a device. The optical device may include an acousto-optic wavelength tunable filter, a birefringence filter, a prism, etc. instead of or in addition to the diffraction grating 139.

ハーフミラー150は、第3のミラー137を透過する光の一部を波長計160に向けて反射し、残りの光を透過させてエネルギー計201へと入射させる。波長計160は、第3のミラー137を透過する光の波長を測定する。より具体的には、波長計160は、第3のミラー137を透過してハーフミラー150で反射された光、例えば上述のシグナル光の波長λを測定する。波長計160は、測定値をコントローラ180へ出力する。 Half mirror 150 reflects part of the light that passes through third mirror 137 toward wavelength meter 160 and transmits the remaining light to enter energy meter 201 . Wavemeter 160 measures the wavelength of light that passes through third mirror 137. More specifically, the wavelength meter 160 measures the wavelength λ s of the light transmitted through the third mirror 137 and reflected by the half mirror 150, for example, the signal light described above. Wavemeter 160 outputs the measured value to controller 180.

フィルタ170は、第2のミラー133を透過する光の光路上に配置されている。フィルタ170は、第2のミラー133を透過する光のうち、波長λのアイドラ光を透過させつつ、波長λの励起光および波長λのシグナル光をフィルタリングする。フィルタ170は、一例として、Geで形成され、アイドラ光に対してARコーティングが施されたプレートである。ARコーティングは、例えば、8~10μmの波長の光に対する反射率の平均値が0.75%未満であってもよい。図1には、フィルタ170を透過したアイドラ光の偏光方向を◎で示す。なお、フィルタ170に代えて、波長分離可能な光学素子、例えばミラー、プリズム、回折格子などを用いてもよい。 The filter 170 is placed on the optical path of the light that passes through the second mirror 133. Among the lights transmitted through the second mirror 133, the filter 170 filters the excitation light with a wavelength λ p and the signal light with a wavelength λ s while transmitting the idler light with a wavelength λ i . The filter 170 is, for example, a plate made of Ge and coated with an AR coating for idler light. The AR coating may have an average reflectance of less than 0.75% for light with a wavelength of 8 to 10 μm, for example. In FIG. 1, the polarization direction of the idler light transmitted through the filter 170 is indicated by ◎. Note that in place of the filter 170, an optical element capable of wavelength separation, such as a mirror, a prism, or a diffraction grating, may be used.

コントローラ180は、波長計160の測定値に基づいて回折格子139を制御することにより、光学系130でラウンドトリップさせる蛍光の波長、すなわち結晶140に励起させるシグナル光の波長を選択する。より具体的には、コントローラ180は、波長計160の測定値に基づき、駆動部190を制御して回折格子139の回転角を調整することによって、当該シグナル光の波長を選択してもよい。 The controller 180 controls the diffraction grating 139 based on the measurement value of the wavelength meter 160 to select the wavelength of the fluorescence to be round-tripped in the optical system 130, that is, the wavelength of the signal light to be excited in the crystal 140. More specifically, the controller 180 may select the wavelength of the signal light by controlling the drive unit 190 and adjusting the rotation angle of the diffraction grating 139 based on the measurement value of the wavelength meter 160.

駆動部190は、コントローラ180の制御により、回折格子139を回転させる。例えば、駆動部190は、回折格子139を搭載した状態で、図1の紙面奥行き方向に延びる軸の周りを回転するように駆動可能であってもよい。図1には、駆動部190の回転方向の一例を黒塗りの矢印で示す。 The drive unit 190 rotates the diffraction grating 139 under the control of the controller 180. For example, the drive unit 190 may be able to be driven to rotate around an axis extending in the depth direction of the paper in FIG. 1 with the diffraction grating 139 mounted thereon. In FIG. 1, an example of the rotation direction of the drive unit 190 is shown by a black arrow.

エネルギー計201は、ハーフミラー150を透過した光、例えばシグナル光を受光し、その強度を検出する。エネルギー計203は、フィルタ170を透過したアイドラ光を受光し、その強度を検出する。エネルギー計201、203はそれぞれ、オシロスコープ205に電気的に接続されており、検出した光の強度に応じた電圧値をオシロスコープ205に出力する。オシロスコープ205は、エネルギー計201、203のそれぞれから入力される電圧値の時間変化を画面に表示する。オシロスコープ205はまた、ユーザインタフェース207に電気的に接続されており、当該電圧値の時間変化を示すアナログ波形をユーザインタフェース207に出力する。 The energy meter 201 receives light, for example, signal light, that has passed through the half mirror 150, and detects its intensity. Energy meter 203 receives the idler light that has passed through filter 170 and detects its intensity. Each of the energy meters 201 and 203 is electrically connected to an oscilloscope 205, and outputs a voltage value to the oscilloscope 205 according to the intensity of the detected light. The oscilloscope 205 displays on the screen temporal changes in the voltage values input from each of the energy meters 201 and 203. The oscilloscope 205 is also electrically connected to the user interface 207 and outputs to the user interface 207 an analog waveform indicating a change in the voltage value over time.

ユーザインタフェース207は、オシロスコープ205から入力される当該アナログ波形を画面に表示してもよい。ユーザインタフェース207は、コントローラ180に電気的に接続されていてもよい。ユーザインタフェース207は、ユーザの入力に基づき、レーザ発振器100から出力するアイドラ光の波長をコントローラ180に指示してもよい。 The user interface 207 may display the analog waveform input from the oscilloscope 205 on the screen. User interface 207 may be electrically connected to controller 180. The user interface 207 may instruct the controller 180 on the wavelength of the idler light output from the laser oscillator 100 based on user input.

以上で説明した本実施形態によるレーザ発振器100において、コントローラ180は、回折格子139の回転角度と、回折格子139によって光学系130内をラウンドトリップさせる光の波長との対応関係を示す関数や対応表などの参照データを予め記憶し、当該参照データに基づいて駆動部190を制御してもよい。この場合、レーザ発振器100は、波長計160およびハーフミラー150を備えず、且つ、第3のミラー137の反射率を100%にしてもよい。 In the laser oscillator 100 according to the present embodiment described above, the controller 180 provides a function or a correspondence table that indicates the correspondence between the rotation angle of the diffraction grating 139 and the wavelength of light round-tripped in the optical system 130 by the diffraction grating 139. Reference data such as the following may be stored in advance and the driving unit 190 may be controlled based on the reference data. In this case, the laser oscillator 100 may not include the wavelength meter 160 and the half mirror 150, and the reflectance of the third mirror 137 may be set to 100%.

図2は、一比較例による、レーザ発振のみを行う発振器の模式図である。比較例による発振器においては、波長λの励起光がミラー301を透過して結晶303に入射され、当該励起光により結晶303で励起される蛍光がミラー305とミラー301との間を繰り返し往復することで、波長λのシグナル光がミラー305から発振される。一例として、結晶303はCr:CdSeであって、波長λは~2μmであり、この場合、波長λは2.2~2.7μmである。 FIG. 2 is a schematic diagram of an oscillator that performs only laser oscillation, according to a comparative example. In the oscillator according to the comparative example, excitation light with wavelength λ p is transmitted through mirror 301 and is incident on crystal 303, and fluorescence excited in crystal 303 by the excitation light travels back and forth between mirror 305 and mirror 301 repeatedly. As a result, a signal light having a wavelength λ s is oscillated from the mirror 305 . As an example, the crystal 303 is Cr:CdSe and the wavelength λ p is ~2 μm, in which case the wavelength λ s is 2.2-2.7 μm.

図3は、一比較例による、差周波発生のみを行う差周波発生器の模式図である。比較例による差周波発生器においては、波長λの励起光と波長λのシグナル光が結晶311に入力されると、結晶311が有する位相整合性により、波長λのアイドラ光が差周波発生される。差周波のアイドラ光の角周波数ωは、励起光の角周波数ωおよびシグナル光の角周波数ωを用いて、下記の数1で定義される。
[数1]

Figure 2023177027000002
FIG. 3 is a schematic diagram of a difference frequency generator that only generates a difference frequency according to a comparative example. In the difference frequency generator according to the comparative example, when the excitation light with the wavelength λ p and the signal light with the wavelength λ s are input to the crystal 311, the idler light with the wavelength λ i becomes the difference frequency due to the phase matching of the crystal 311. generated. The angular frequency ω i of the difference frequency idler light is defined by the following equation 1 using the angular frequency ω p of the excitation light and the angular frequency ω s of the signal light.
[Number 1]
Figure 2023177027000002

従って、差周波のアイドラ光の波長λは、励起光の波長λおよびシグナル光の波長λを用いて、下記の数2で定義される。
[数2]

Figure 2023177027000003
数2の定義に従い、位相整合条件(Δk)は、アイドラ光の波数ベクトルk、シグナル光の波数ベクトルk、励起光の波数ベクトルkを用いて下記の数3で定義される。
[数3]
Figure 2023177027000004
ここで、波数ベクトルと屈折率の関係は下記の数4、数5および数6で定義される。
[数4]
Figure 2023177027000005
[数5]
Figure 2023177027000006
[数6]
Figure 2023177027000007
Therefore, the wavelength λ i of the idler light of the difference frequency is defined by the following equation 2 using the wavelength λ p of the excitation light and the wavelength λ s of the signal light.
[Number 2]
Figure 2023177027000003
According to the definition of Equation 2, the phase matching condition (Δk) is defined by Equation 3 below using wave number vector k i of idler light, wave number vector k s of signal light, and wave number vector k p of excitation light.
[Number 3]
Figure 2023177027000004
Here, the relationship between the wave number vector and the refractive index is defined by Equation 4, Equation 5, and Equation 6 below.
[Number 4]
Figure 2023177027000005
[Number 5]
Figure 2023177027000006
[Number 6]
Figure 2023177027000007

一例として、結晶311はCdSeであって、波長λは~2μmであり、波長λは2.5~2.7μmであり、この場合の波長λは、上記数2に基づき、8~10μmとなる。 As an example, the crystal 311 is CdSe, the wavelength λ p is ~2 μm, the wavelength λ s is 2.5 ~ 2.7 μm, and the wavelength λ i in this case is 8~2 μm based on the above equation 2. It becomes 10 μm.

本出願の発明者は、差周波発生に用いられていた結晶にドーパントをドープしても、差周波を発生させることができる性質を見出し、これにより、1つの結晶で、レーザ発振および差周波発生の両方を行うことができることを見出した。すなわち、図2および図3のそれぞれに示した比較例に対して、本実施形態によるレーザ発振器100は、レーザ発振器としての機能だけでなく、差周波発生器としての機能も備える。具体的には、レーザ発振器100は、結晶140に励起光を照射してシグナル光を発振させると共に、結晶140が有する複屈折位相整合を満たした条件で、励起光とシグナル光との差周波のアイドラ光を出力することができる。 The inventor of the present application discovered the property that a difference frequency can be generated even if the crystal used for generating a difference frequency is doped with a dopant. We found that it is possible to do both. That is, compared to the comparative examples shown in FIGS. 2 and 3, the laser oscillator 100 according to the present embodiment not only functions as a laser oscillator but also functions as a difference frequency generator. Specifically, the laser oscillator 100 irradiates the crystal 140 with excitation light to oscillate the signal light, and also oscillates the difference frequency between the excitation light and the signal light under the condition that the birefringence phase matching of the crystal 140 is satisfied. Can output idler light.

図4は、一実施形態によるレーザ発振器100の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。図4のグラフの横軸は位相整合角θ[度]を指し、縦軸は波長λ、λ[μm]を指す。 FIG. 4 is a graph showing an example of theoretical phase matching characteristics of the laser oscillator 100 according to one embodiment. The horizontal axis of the graph in FIG. 4 indicates the phase matching angle θ [degrees], and the vertical axis indicates the wavelengths λ s and λ i [μm].

本実施形態のレーザ発振器100によれば、理論上、下記の数7~数8に示すCdSeの常光線(下付きのo)と異常光線(下付きのe)のセルマイヤーの分散式から計算される屈折率nを用いることにより、図4のグラフに示す位相整合特性が上記の数3~数6から計算される。ここで、CdSeの場合、アイドラ光は常光線、シグナル光は異常光線、励起光は常光線となるように各々の偏光方向を選択する、即ちアイドラ光とシグナル光の偏光方向が互いに直交関係にあるType-2位相整合を用いる。上記の数3~数6から、CdSeにおけるType-2位相整合条件は下記の数10で表される。ここで、屈折率nの上付きのoとeはそれぞれ常光線及び異常光線を示す。常光線および異常光線のそれぞれの屈折率は、下記の数7及び数8を用いることで、下記の数9の波長範囲にて精度良く計算される。
[数7]

Figure 2023177027000008
[数8]
Figure 2023177027000009
[数9]
Figure 2023177027000010
[数10]
Figure 2023177027000011
According to the laser oscillator 100 of the present embodiment, calculation is theoretically made from the Sellmeyer dispersion formula for the ordinary ray (subscript o) and extraordinary ray (subscript e) of CdSe shown in Equations 7 to 8 below. By using the refractive index n, the phase matching characteristics shown in the graph of FIG. 4 can be calculated from Equations 3 to 6 above. In the case of CdSe, the polarization directions are selected so that the idler light is an ordinary ray, the signal light is an extraordinary ray, and the excitation light is an ordinary ray. In other words, the polarization directions of the idler light and the signal light are orthogonal to each other. A certain Type-2 phase matching is used. From Equations 3 to 6 above, the Type-2 phase matching condition in CdSe is expressed by Equation 10 below. Here, the superscripts o and e of the refractive index n indicate ordinary rays and extraordinary rays, respectively. The refractive index of each of the ordinary ray and the extraordinary ray can be accurately calculated in the wavelength range of the following equation 9 by using the following equations 7 and 8.
[Number 7]
Figure 2023177027000008
[Number 8]
Figure 2023177027000009
[Number 9]
Figure 2023177027000010
[Number 10]
Figure 2023177027000011

図4には、励起光の波長λを2.015μmで固定した場合における、シグナル光の波長λの推移のグラフを紙面の下側に示し、アイドラ光の波長λの推移のグラフを紙面の上側に示す。一例として、シグナル光の波長λが〇で示す位置の長さである場合に、アイドラ光の波長λは〇で示す位置の長さとなる。 In FIG. 4, a graph of the change in the wavelength λ s of the signal light when the wavelength λ p of the excitation light is fixed at 2.015 μm is shown at the bottom of the paper, and a graph of the change in the wavelength λ i of the idler light is shown at the bottom of the paper. Shown at the top of the paper. As an example, when the wavelength λ s of the signal light is the length of the position indicated by a circle, the wavelength λ i of the idler light is the length of the position indicated by a circle.

図4に示される通り、90度から64度付近までの位相整合角θに対して、シグナル光の波長λおよびアイドラ光の波長λはそれぞれ2つの異なる値を取り得ることが理解される。具体的には、位相整合角θを90度から64度付近まで連続的に変化させると、シグナル光の波長λは2.595μmから2.300μm付近まで連続的に推移し、且つ、アイドラ光の波長λは9.015μmから16.00μm付近まで連続的に推移する、または、シグナル光の波長λは2.175μm付近から2.300μm付近まで連続的に推移し、且つ、アイドラ光の波長λは27.00μm付近から9.015μmまで連続的に推移する。 As shown in FIG. 4, it is understood that for the phase matching angle θ from 90 degrees to around 64 degrees, the wavelength λ s of the signal light and the wavelength λ i of the idler light can each take two different values. . Specifically, when the phase matching angle θ is continuously changed from 90 degrees to around 64 degrees, the wavelength λ s of the signal light changes continuously from 2.595 μm to around 2.300 μm, and the idler light The wavelength λ i of the signal light continuously changes from around 9.015 μm to around 16.00 μm, or the wavelength λ s of the signal light changes continuously from around 2.175 μm to around 2.300 μm, and the wavelength of the idler light changes continuously from around 2.175 μm to around 2.300 μm. The wavelength λ i continuously changes from around 27.00 μm to 9.015 μm.

すなわち、本実施形態によるレーザ発振器100によれば、理論上、位相整合角θを90度から64度付近までの範囲内で変化させることにより、シグナル光の波長λを2.595μmから2.175μmまでの範囲内で変化させることができ、これにより、アイドラ光の波長λを9.015μmから27.00μm付近までの範囲内で変化させることができる。 That is, according to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, the wavelength λ s of the signal light can be changed from 2.595 μm to 2.5 μm by theoretically changing the phase matching angle θ within a range from 90 degrees to around 64 degrees. The wavelength λ i of the idler light can be varied within a range from 9.015 μm to around 27.00 μm.

本実施形態のレーザ発振器100によれば更に、例えば、励起光の中心波長λを2.015μmとして、波長計160で測定されたシグナル光の中心波長λが2.595μmである場合に、上記の数2に基づき、理論上は、アイドラ光の中心波長λは9.015μmになると判断できる。また、図4のグラフ或いは数3から、この場合における位相整合角θは理論上90度であることも判断できる。 According to the laser oscillator 100 of this embodiment, for example, when the center wavelength λ p of the excitation light is 2.015 μm and the center wavelength λ s of the signal light measured by the wavelength meter 160 is 2.595 μm, Based on the above equation 2, it can be theoretically determined that the center wavelength λ i of the idler light is 9.015 μm. Further, from the graph of FIG. 4 or Equation 3, it can be determined that the phase matching angle θ in this case is theoretically 90 degrees.

図5は、一実施形態によるレーザ発振器100の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。図5のグラフの横軸は位相整合角θ[度]を指し、縦軸はシグナル光の波長λ[μm]を指す。図5のグラフの右側には、グラフに示される線の濃淡と、励起光の波長λ[μm]との関係を示す。 FIG. 5 is a graph showing an example of theoretical phase matching characteristics of the laser oscillator 100 according to one embodiment. The horizontal axis of the graph in FIG. 5 indicates the phase matching angle θ [degrees], and the vertical axis indicates the wavelength λ s [μm] of the signal light. The right side of the graph in FIG. 5 shows the relationship between the shading of the line shown in the graph and the wavelength λ p [μm] of the excitation light.

図5のグラフには、図4におけるシグナル光の波長λのグラフ上に示した○に対応する位置に〇を示してある。図4および図5を比較すると、図4に示したシグナル光の波長λの推移のグラフ、すなわち図5に示す〇が付されたシグナル光の波長λの推移のグラフは、励起光の波長λの長さを変化させると連続的に変動することが理解される。 In the graph of FIG. 5, a circle is shown at a position corresponding to the circle shown on the graph of the wavelength λ s of the signal light in FIG. Comparing FIGS. 4 and 5, the graph of the change in the wavelength λ s of the signal light shown in FIG. 4, that is, the graph of the change in the wavelength λ s of the signal light marked with a circle in FIG. It is understood that changing the length of the wavelength λ p causes continuous variation.

すなわち、本実施形態によるレーザ発振器100によれば、理論上、励起光の波長λを1.70μm付近~2.13μm付近の範囲内で変化させ、且つ、位相整合角θを90度から64度付近までの範囲内で変化させることにより、シグナル光の波長λを1.80μm付近から2.86μm付近までの範囲内で変化させることができる。 That is, according to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, theoretically, the wavelength λ p of the pumping light can be changed within the range of around 1.70 μm to around 2.13 μm, and the phase matching angle θ can be changed from 90 degrees to 64 degrees. By changing the wavelength λ s of the signal light within a range of about 1.80 μm to about 2.86 μm, the wavelength λ s of the signal light can be changed within a range of about 1.80 μm to about 2.86 μm.

図6は、一実施形態によるレーザ発振器100の、理論上の位相整合特性の一例を示すグラフである。図6のグラフの横軸は位相整合角θ[度]を指し、縦軸はアイドラ光の波長λ[μm]を指す。図6のグラフの右側には、グラフに示される線の濃淡と、励起光の波長λ[μm]との関係を示す。 FIG. 6 is a graph showing an example of theoretical phase matching characteristics of the laser oscillator 100 according to one embodiment. The horizontal axis of the graph in FIG. 6 indicates the phase matching angle θ [degrees], and the vertical axis indicates the wavelength λ i [μm] of the idler light. The right side of the graph in FIG. 6 shows the relationship between the shading of the line shown in the graph and the wavelength λ p [μm] of the excitation light.

図6のグラフには、図4におけるアイドラ光の波長λのグラフ上に示した○に対応する位置に〇を示してある。図4および図6を比較すると、図4に示したアイドラ光の波長λの推移のグラフ、すなわち図6に示す〇が付されたアイドラ光の波長λの推移のグラフは、励起光の波長λの長さを変化させると連続的に変動することが理解される。 In the graph of FIG. 6, a circle is shown at a position corresponding to the circle shown on the graph of the wavelength λ i of the idler light in FIG. Comparing FIG. 4 and FIG. 6, the graph of the transition of the wavelength λ i of the idler light shown in FIG. 4, that is, the graph of the transition of the wavelength λ i of the idler light marked with a circle in FIG. It is understood that changing the length of the wavelength λ p causes continuous variation.

すなわち、本実施形態によるレーザ発振器100によれば、理論上、励起光の波長λを1.70μm付近~2.13μm付近の範囲内で変化させ、且つ、位相整合角θを90度から64度付近までの範囲内で変化させることにより、アイドラ光の波長λを8.5μm付近から29μm付近までの範囲内で変化させることができる。 That is, according to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, theoretically, the wavelength λ p of the pumping light can be changed within the range of around 1.70 μm to around 2.13 μm, and the phase matching angle θ can be changed from 90 degrees to 64 degrees. By changing the wavelength λ i of the idler light within a range of about 8.5 μm to about 29 μm, the wavelength λ i of the idler light can be changed within a range of about 8.5 μm to about 29 μm.

図7は、一実施形態によるレーザ発振器100によって実測されたシグナル光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。図7のグラフの下側の横軸はシグナル光の波長λ[μm]を指し、上側の横軸はアイドラ光の波長λ[μm]を指す。図7のグラフの左側の縦軸はシグナル光のエネルギ[mJ]を指し、右側の縦軸はアイドラ光のエネルギ[arb. units(任意単位)]を指す。 FIG. 7 is a graph showing an example of output characteristics of signal light and idler light actually measured by the laser oscillator 100 according to one embodiment. The lower horizontal axis of the graph in FIG. 7 indicates the wavelength λ s [μm] of the signal light, and the upper horizontal axis indicates the wavelength λ i [μm] of the idler light. The left vertical axis of the graph in FIG. 7 indicates the energy of the signal light [mJ], and the right vertical axis indicates the energy of the idler light [arb. units].

図7のグラフ上には、波長計160の測定結果に基づいて回折格子139を順次回転することにより、シグナル光の波長λを2.2μm付近から2.7μm付近まで順次変化させたときに、エネルギー計201で順次検出されたシグナル光の強度のプロットデータを黒塗りの丸で示す。図7のグラフ上にはまた、結晶140の位相整合角θを90度として、シグナル光の波長λを2.2μm付近から2.7μm付近まで順次変化させたときに、エネルギー計203の位置で順次測定されるアイドラ光の波長λと、エネルギー計203で検出されたアイドラ光の強度のプロットデータを丸で示す。 The graph in FIG. 7 shows the results when the wavelength λ s of the signal light is sequentially changed from around 2.2 μm to around 2.7 μm by sequentially rotating the diffraction grating 139 based on the measurement results of the wavelength meter 160. , plot data of the intensity of signal light sequentially detected by the energy meter 201 is shown by a black circle. The graph of FIG. 7 also shows the position of the energy meter 203 when the phase matching angle θ of the crystal 140 is 90 degrees and the wavelength λ s of the signal light is sequentially changed from around 2.2 μm to around 2.7 μm. Plot data of the wavelength λ i of the idler light sequentially measured by the energy meter 203 and the intensity of the idler light detected by the energy meter 203 is shown by circles.

ここで、図4および図7を比較する。結晶140の位相整合角θを90度とした場合に、図4のグラフによれば、理論上、シグナル光の波長λが2.595μmならばアイドラ光の波長λは9.015μmになる。一方で、結晶140の位相整合角θを90度とした場合に、図7のグラフによれば、アイドラ光は9.015μm付近の波長λでエネルギが最も高く測定されており、このときのシグナル光は2.595μm付近の波長λを測定されている。 Here, FIG. 4 and FIG. 7 will be compared. When the phase matching angle θ of the crystal 140 is 90 degrees, according to the graph in FIG. 4, theoretically, if the signal light wavelength λ s is 2.595 μm, the idler light wavelength λ i is 9.015 μm. . On the other hand, when the phase matching angle θ of the crystal 140 is 90 degrees, the graph in FIG. 7 shows that the idler light has the highest energy at a wavelength λ i around 9.015 μm, The signal light has a measured wavelength λ s around 2.595 μm.

すなわち、本実施形態によるレーザ発振器100によれば、少なくとも図4に示した理論上の位相整合特性に従って、図4と同じ条件下で、レーザ発振器100から出力されるアイドラ光の波長λを、ユーザが必要な波長に設定することが可能である。 That is, according to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, the wavelength λ i of the idler light output from the laser oscillator 100 is set as follows under the same conditions as in FIG. It is possible for the user to set the desired wavelength.

図8は、一実施形態によるレーザ発振器100によって実測された励起光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。図8のグラフの横軸は励起光のエネルギ[mJ]を指し、縦軸はアイドラ光のエネルギ[μJ]を指す。図8には、第3のミラー137の反射率を60%にした場合における各光のエネルギ測定値を丸で示し、第3のミラー137の反射率を98%にした場合における各光のエネルギ測定値を黒塗りの丸で示す。図8のグラフは、励起光の波長λを2.01μmに設定して、シグナル光の測定波長λが2.58μmであり、アイドラ光の測定波長λが9.10μmであった場合に、各光のエネルギを測定した結果を示す。 FIG. 8 is a graph showing an example of output characteristics of pump light and idler light actually measured by the laser oscillator 100 according to one embodiment. The horizontal axis of the graph in FIG. 8 indicates the energy of excitation light [mJ], and the vertical axis indicates the energy of idler light [μJ]. In FIG. 8, the measured energy of each light is shown as a circle when the reflectance of the third mirror 137 is set to 60%, and the energy of each light is shown as a circle when the reflectance of the third mirror 137 is set to 98%. Measured values are shown as black circles. The graph in FIG. 8 shows the case where the excitation light wavelength λ p is set to 2.01 μm, the signal light measurement wavelength λ s is 2.58 μm, and the idler light measurement wavelength λ i is 9.10 μm. Figure 2 shows the results of measuring the energy of each light.

図8のグラフに示される通り、第3のミラー137の反射率を高めることにより、アイドラ光のエネルギが高まることが理解される。また、励起光のエネルギを線形的に増加させた場合に、アイドラ光のエネルギも線形的に増加することが理解される。 As shown in the graph of FIG. 8, it is understood that increasing the reflectance of the third mirror 137 increases the energy of the idler light. It is also understood that when the energy of the excitation light is linearly increased, the energy of the idler light is also linearly increased.

図9は、一実施形態によるレーザ発振器100によって実測されたシグナル光およびアイドラ光の出力特性の一例を示すグラフである。図9のグラフの横軸は半波長板120の角度[度]を指し、縦軸はパルスエネルギ[arb. units(任意単位)]を指す。図9には、半波長板120の角度を0度~180度まで回転させて、光学系130に入射する励起光の偏光方向を異ならせた場合における、シグナル光のエネルギ測定値を黒塗りの丸で示し、アイドラ光のエネルギ測定値を丸で示す。図9のグラフは、励起光の波長λを2.01μm、励起光のエネルギを10mJ、励起光のパルス幅を400nsに設定して、シグナル光の測定波長λが2.58μmであり、アイドラ光の測定波長λが9.10μmであった場合に、各光のエネルギを測定した結果を示す。 FIG. 9 is a graph showing an example of output characteristics of signal light and idler light actually measured by the laser oscillator 100 according to one embodiment. The horizontal axis of the graph in FIG. 9 indicates the angle [degrees] of the half-wave plate 120, and the vertical axis indicates the pulse energy [arb. units]. In FIG. 9, the energy measurement values of the signal light are shown in black when the angle of the half-wave plate 120 is rotated from 0 degrees to 180 degrees to change the polarization direction of the excitation light incident on the optical system 130. The energy measurements of the idler light are shown as circles. In the graph of FIG. 9, the wavelength λ p of the excitation light is set to 2.01 μm, the energy of the excitation light is set to 10 mJ, the pulse width of the excitation light is set to 400 ns, and the measurement wavelength λ s of the signal light is 2.58 μm. The results of measuring the energy of each light when the measurement wavelength λ i of the idler light is 9.10 μm are shown.

図9のグラフに示される通り、半波長板120が45度および135度のそれぞれに設定された場合に、シグナル光およびアイドラ光のそれぞれのエネルギが最大となることが理解される。 As shown in the graph of FIG. 9, it is understood that the energy of each of the signal light and idler light is maximized when the half-wave plate 120 is set at 45 degrees and 135 degrees, respectively.

図10は、一実施形態によるレーザ発振器100によって実測された励起光、シグナル光およびアイドラ光の時間波形の一例を示すグラフである。図10のグラフの横軸は時間[100ns/div.]を指し、縦軸は強度[arb. units(任意単位)]を指す。図10には、励起光、シグナル光およびアイドラ光のそれぞれの時間波形を示す。図10のグラフは、図9と同様に、励起光の波長λを2.01μm、励起光のエネルギを10mJ、励起光のパルス幅を400nsに設定して、シグナル光の測定波長λが2.58μmであり、アイドラ光の測定波長λが9.10μmであった場合に、各光の強度を測定した結果を示す。 FIG. 10 is a graph showing an example of time waveforms of excitation light, signal light, and idler light actually measured by the laser oscillator 100 according to one embodiment. The horizontal axis of the graph in FIG. 10 is time [100ns/div. ], and the vertical axis indicates the intensity [arb. units]. FIG. 10 shows the respective time waveforms of excitation light, signal light, and idler light. Similar to FIG. 9, the graph in FIG. 10 shows that the wavelength λ p of the excitation light is set to 2.01 μm, the energy of the excitation light is set to 10 mJ, and the pulse width of the excitation light is set to 400 ns, so that the measurement wavelength λ s of the signal light is 2.58 μm, and the measurement wavelength λ i of the idler light is 9.10 μm. The results of measuring the intensity of each light are shown below.

図10のグラフに示される通り、励起光が光学系130に入射されてから、結晶140においてシグナル光が発振されてアイドラ光が差周波発生するまでに、時間差が生じることが理解される。 As shown in the graph of FIG. 10, it is understood that a time difference occurs after the excitation light is incident on the optical system 130 until the signal light is oscillated in the crystal 140 and the idler light is generated at a difference frequency.

図11は、一実施形態によるレーザ発振器100における、サルファイド(S)濃度xとシグナル光の波長λとアイドラ光の波長λとの関係を説明するためのグラフである。グラフ11a、グラフ11b、グラフ11cおよびグラフ11dのそれぞれの下側の横軸はシグナル光の波長λ[μm]を指し、それぞれの上側の横軸はアイドラ光の波長λ[μm]を指す。グラフ11aの縦軸は位相整合角θ[度]を指す。グラフ11bの縦軸はウォークオフ角ρ[度]を指す。グラフ11cの縦軸は位相整合角θの許容幅Δθ・L[度・cm]を指す。グラフ11dの縦軸はシグナル光の波長λの許容幅Δλ・L[nm・cm]を指す。図11の最下部には、グラフ11a、グラフ11b、グラフ11cおよびグラフ11dのそれぞれに示される線の濃淡と、サルファイド(S)濃度xとの関係を示す。 FIG. 11 is a graph for explaining the relationship between the sulfide (S) concentration x, the wavelength λ s of the signal light, and the wavelength λ i of the idler light in the laser oscillator 100 according to one embodiment. The lower horizontal axis of each of graphs 11a, 11b, 11c, and 11d indicates the wavelength λ s [μm] of the signal light, and the upper horizontal axis of each indicates the wavelength λ i [μm] of the idler light. . The vertical axis of the graph 11a indicates the phase matching angle θ [degrees]. The vertical axis of the graph 11b indicates the walk-off angle ρ [degrees]. The vertical axis of the graph 11c indicates the allowable width Δθ·L [degrees·cm] of the phase matching angle θ. The vertical axis of the graph 11d indicates the allowable width Δλ s ·L [nm·cm] of the wavelength λ s of the signal light. The bottom part of FIG. 11 shows the relationship between the shading of the lines shown in each of the graphs 11a, 11b, 11c, and 11d and the sulfide (S) concentration x.

図11に示すグラフは、サルファイド(S)濃度xを0.025刻みで変えて計算し、より具体的には、x=0、0.025、0.05、0.075、0.1、0.125、0.15、0.175、0.2、0.225、0.25、0.275、0.3、0.325、0.35のそれぞれについて計算した。なお、図11の実施形態では、一例として、励起光源110を、波長2.05μmの励起光を出力するHo:YLFレーザとした。 The graph shown in FIG. 11 is calculated by changing the sulfide (S) concentration x in 0.025 increments, and more specifically, x=0, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, Calculations were made for each of 0.125, 0.15, 0.175, 0.2, 0.225, 0.25, 0.275, 0.3, 0.325, and 0.35. In the embodiment of FIG. 11, as an example, the excitation light source 110 is a Ho:YLF laser that outputs excitation light with a wavelength of 2.05 μm.

上述の通り、本実施形態による結晶140は、Cr:CdSe1-x(ただし、x=0.0~0.4)である。結晶140は、x=0.0~0.4の何れにおいても、少なくとも、第1の位相整合状態、第2の位相整合状態および第3の位相整合状態のうちの何れかの位相整合状態になり得る。 As described above, the crystal 140 according to this embodiment is Cr:CdSe 1-x S x (where x=0.0 to 0.4). The crystal 140 is in at least one of the first phase matching state, the second phase matching state, and the third phase matching state at any of x=0.0 to 0.4. It can be.

第1の位相整合状態とは、結晶140の結晶軸方位とビーム伝搬方向とが成す角度θの変化に対する位相整合条件(Δk)の一次近似が下記の数11の条件を満足する状態、即ちビーム伝搬方向の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす状態を意図している。
[数11]

Figure 2023177027000012
グラフ11aにおいて、第1の位相整合状態となる箇所をd(Δk)/dθ=0で示す。なお、Δkは、位相不整合を意図しており、位相不整合は波長変換の効率を妨げるファクタである。よって、Δkが0になることが望ましい。 The first phase matching state is a state in which the first order approximation of the phase matching condition (Δk) with respect to the change in the angle θ formed between the crystal axis direction of the crystal 140 and the beam propagation direction satisfies the condition of Equation 11 below. This is intended to be a state that satisfies non-critical phase matching conditions with respect to changes in the propagation direction.
[Number 11]
Figure 2023177027000012
In the graph 11a, the location where the first phase matching state occurs is indicated by d(Δk)/dθ=0. Note that Δk is intended for phase mismatching, and phase mismatching is a factor that impedes wavelength conversion efficiency. Therefore, it is desirable that Δk be 0.

第2の位相整合状態とは、励起光、シグナル光、およびアイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対する位相整合条件(Δk)の一次近似が下記の数12の条件を満足する状態、即ち当該波長の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす状態を意図している。
[数12]

Figure 2023177027000013
グラフ11a、グラフ11bおよびグラフ11cのそれぞれにおいて、励起光の波長を固定した状態でシグナル光およびアイドラ光の波長の変化に対して上記の数12の条件を満足する第2の位相整合状態となる箇所を破線と共にd(Δk)/dλs、i=0で示す。 The second phase matching state is a state in which the first order approximation of the phase matching condition (Δk) with respect to a change in the wavelength of at least one of the excitation light, signal light, and idler light satisfies the condition of Equation 12 below. This is intended to be a state that satisfies non-critical phase matching conditions with respect to changes in wavelength.
[Number 12]
Figure 2023177027000013
In each of graphs 11a, 11b, and 11c, when the wavelength of the excitation light is fixed, a second phase matching state that satisfies the condition of Equation 12 is achieved with respect to changes in the wavelengths of the signal light and idler light. The location is indicated by d(Δk)/dλ s, i =0 along with a broken line.

第3の位相整合状態とは、結晶温度Tの変化に対する位相整合条件(Δk)の一次近似が下記の数13の条件を満足する状態、即ち結晶温度の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす状態を意図している。
[数13]

Figure 2023177027000014
The third phase matching state is a state in which the first-order approximation of the phase matching condition (Δk) with respect to a change in crystal temperature T satisfies the condition of Equation 13 below, that is, it is non-critical with respect to a change in crystal temperature. The state is intended to satisfy the phase matching condition.
[Number 13]
Figure 2023177027000014

本実施形態によるレーザ発振器100において、結晶140は、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配されてもよい。これに代えて、結晶140は、励起光、シグナル光、およびアイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配されてもよい。すなわち、結晶140が第1の位相整合状態、第2の位相整合状態、および第3の位相整合状態の何れかとなるように、ビーム伝搬方向に対して結晶140の結晶軸方位を設定してもよい。 In the laser oscillator 100 according to this embodiment, the crystal 140 may be arranged in an orientation that satisfies the non-critical phase matching condition with respect to changes in the beam propagation direction. Alternatively, the crystal 140 may be arranged in an orientation that satisfies the non-critical phase matching condition with respect to changes in the wavelength of at least any of the excitation light, signal light, and idler light. That is, even if the crystal axis orientation of the crystal 140 is set with respect to the beam propagation direction so that the crystal 140 is in one of the first phase matching state, the second phase matching state, and the third phase matching state, good.

本実施形態によるレーザ発振器100によれば、結晶140をビーム伝搬方向の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配することで、結晶140の結晶軸方位が正しく設定されておらず位相整合角θに誤差が生じている場合や、レーザ発振器100を設置している台が振動することで結晶140の結晶軸方位が変化してしまい位相整合角θに誤差が生じている場合などに、アイドラ光の波長λを殆ど変動させることなく、位相整合を維持することが可能である。当該非臨界位相整合条件を満たす状態、すなわち第1の位相整合状態は、グラフ11cに示される通り、位相整合角θの許容幅Δθ・Lが極めて大きく、すなわち位相整合角θの変化に強い、とも言える。また第1の位相整合状態における位相整合を、角度ノンクリティカル位相整合または角度非臨界位相整合と称する場合もある。なお、第1の位相整合状態の場合には、グラフ11bに示される通り、ウォークオフ角ρは0.0度である。 According to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, by arranging the crystal 140 in an orientation that satisfies the non-critical phase matching condition with respect to changes in the beam propagation direction, the crystal axis orientation of the crystal 140 is not set correctly and the phase When an error occurs in the matching angle θ, or when the crystal axis direction of the crystal 140 changes due to vibration of the table on which the laser oscillator 100 is installed, an error occurs in the phase matching angle θ. , it is possible to maintain phase matching without substantially changing the wavelength λ i of the idler light. In the state that satisfies the non-critical phase matching condition, that is, the first phase matching state, as shown in graph 11c, the allowable width Δθ·L of the phase matching angle θ is extremely large, that is, the state is resistant to changes in the phase matching angle θ. You can say that. Further, the phase matching in the first phase matching state is sometimes referred to as angular non-critical phase matching or angular non-critical phase matching. Note that in the case of the first phase matching state, the walk-off angle ρ is 0.0 degree, as shown in the graph 11b.

本実施形態によるレーザ発振器100によれば、結晶140を励起光、シグナル光、およびアイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配する場合、結晶140の結晶軸方位を僅かにチューニングすることで、すなわち位相整合角θを僅かにチューニングすることで、アイドラ光の波長λを数μm程度まで大幅にチューニングすることが可能である。当該非臨界位相整合条件を満たす状態、すなわち第2の位相整合状態は、グラフ11dに示される通り、シグナル光の波長λの許容幅Δλ・Lが極めて大きく、すなわち位相整合状態を維持しつつアイドラ光の波長λをチューニングし易い状態、とも言える。また第2の位相整合状態における位相整合を、スペクトルノンクリティカル位相整合またはスペクトル非臨界位相整合と称する場合もある。なお、第2の位相整合状態の場合であっても、グラフ11bに示される通り、励起光とシグナル光とのウォークオフ角ρは0.35度未満である。複数の入力光の間に発生する角度であるウォークオフ角ρがこれほどまでに小さい場合、複数の入力光の相互作用長、すなわち光同士が長くいられる距離および時間を十分に長くすることができる。 According to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, when the crystal 140 is arranged in a direction that satisfies the non-critical phase matching condition with respect to a change in the wavelength of at least one of the excitation light, the signal light, and the idler light, the crystal 140 By slightly tuning the crystal axis orientation, that is, by slightly tuning the phase matching angle θ, it is possible to significantly tune the wavelength λ i of the idler light to about several μm. In the state that satisfies the non-critical phase matching condition, that is, the second phase matching state, as shown in graph 11d, the allowable width Δλ s ·L of the wavelength λ s of the signal light is extremely large, that is, the phase matching state is maintained. It can also be said that this is a state in which it is easy to tune the wavelength λ i of the idler light. Further, the phase matching in the second phase matching state is sometimes referred to as spectral non-critical phase matching or spectral non-critical phase matching. Note that even in the case of the second phase matching state, the walk-off angle ρ between the excitation light and the signal light is less than 0.35 degrees, as shown in the graph 11b. If the walk-off angle ρ, which is the angle that occurs between multiple input lights, is so small, it is difficult to make the interaction length of the multiple input lights, that is, the distance and time that the lights can stay together long enough. can.

本実施形態によるレーザ発振器100によれば、結晶140を温度の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配する場合、高出力レーザーを用いる際に起こり得る結晶140の自己吸収による温度上昇や環境温度変化においても、位相整合を維持することが可能である。当該非臨界位相整合条件を満たす状態、すなわち第3の位相整合状態は、位相整合の温度許容幅ΔT・Lが極めて大きく、即ち位相整合温度Tの変化に強い、とも言える。また第3の位相整合状態における位相整合を、温度ノンクリティカル位相整合または温度非臨界位相整合と称する場合もある。 According to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, when the crystal 140 is arranged in an orientation that satisfies the non-critical phase matching condition with respect to temperature changes, a temperature increase due to self-absorption of the crystal 140 that can occur when using a high-power laser It is possible to maintain phase matching even when the temperature changes or the environmental temperature changes. It can be said that the state that satisfies the non-critical phase matching condition, that is, the third phase matching state, has an extremely large temperature tolerance range ΔT·L for phase matching, that is, is resistant to changes in the phase matching temperature T. Further, the phase matching in the third phase matching state is sometimes referred to as temperature non-critical phase matching or temperature non-critical phase matching.

本実施形態によるレーザ発振器100によれば、一例として、出力されるアイドラ光の波長λを9μm付近から25μm付近の範囲内で必要な値に設定したい場合には、サルファイド濃度xをx=0.0~0.4の範囲で調整すればよいことも、図11から理解される。またこの場合において更に、ウォークオフ角ρを小さくしたい場合には、位相整合角θを90度にする又は90度に近づければよいことも、図11から理解される。 According to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, for example, when it is desired to set the wavelength λ i of the output idler light to a necessary value within the range of around 9 μm to around 25 μm, the sulfide concentration x is set to x=0. It is also understood from FIG. 11 that the adjustment can be made within the range of .0 to 0.4. It is also understood from FIG. 11 that in this case, if it is desired to further reduce the walk-off angle ρ, the phase matching angle θ may be set to 90 degrees or close to 90 degrees.

以上で説明した通り、本実施形態によるレーザ発振器100によれば、ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶140に励起光を照射することにより、中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出させる。また、当該スペクトル帯域幅における特定の波長でシグナル光をレーザ発振させる。そして、結晶140が有する、複屈折位相整合性を利用して、励起光とシグナル光との差周波のアイドラ光を出力する。これにより、本実施形態によるレーザ発振器100によれば、図1から図11を用いて説明した効果を奏することができる。 As explained above, according to the laser oscillator 100 according to the present embodiment, by irradiating the crystal 140 doped with a dopant and having second-order optical nonlinearity with excitation light, a broad spectrum in the mid-infrared region can be obtained. Bandwidth fluorescence is emitted. Further, the signal light is lased at a specific wavelength in the spectral bandwidth. Then, by utilizing the birefringence phase matching of the crystal 140, idler light having a difference frequency between the excitation light and the signal light is output. Thereby, according to the laser oscillator 100 according to this embodiment, the effects described using FIGS. 1 to 11 can be achieved.

上述の通り、本実施形態による結晶140は、Cr:CdSe1-x(ただし、x=0.0~0.4)であってもよい。この場合に、本実施形態によるレーザ発振器100は更に、xの値が互いに異なる複数の結晶140を選択することにより、アイドラ光の波長範囲を選択してもよい。これに代えて又は加えて、本実施形態によるレーザ発振器100は更に、結晶140を、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配してもよく、または、シグナル光およびアイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界位相整合条件を満たす向きに配してもよい。 As described above, the crystal 140 according to this embodiment may be Cr:CdSe 1-x S x (where x=0.0 to 0.4). In this case, the laser oscillator 100 according to this embodiment may further select the wavelength range of the idler light by selecting a plurality of crystals 140 having mutually different x values. Alternatively or in addition to this, the laser oscillator 100 according to the present embodiment may further arrange the crystal 140 in an orientation that satisfies the non-critical phase matching condition with respect to changes in the beam propagation direction, or It may be arranged in a direction that satisfies the non-critical phase matching condition with respect to changes in at least one of the wavelengths of the idler light.

以上の複数の実施形態において、結晶140は、Fe:CdSeであってもよく、複数の実施形態と同様に、アイドラ光の用途や必要な波長に応じて、Fe:CdSeにサルファイド(S)が適宜添加されていてもよく、具体的には、Fe:CdSe1-x(ただし、x=0.0~0.4)であってもよい。 In the above embodiments, the crystal 140 may be Fe:CdSe, and as in the embodiments, sulfide (S) may be added to Fe:CdSe depending on the purpose of the idler light and the required wavelength. It may be added as appropriate, and specifically, it may be Fe:CdSe 1-x S x (where x=0.0 to 0.4).

以上の複数の実施形態において、結晶140は、複屈折位相整合性を有するものとして説明した。これに代えて、結晶140は、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合性、または、多結晶構造体を利用したランダム位相整合性を有してもよい。周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合性、または、多結晶構造体を利用したランダム位相整合性を有する結晶140は、例えば、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたZnSe1-x(ただし、x=0.0~1.0)であってもよい。 In the above embodiments, the crystal 140 has been described as having birefringence phase matching. Alternatively, the crystal 140 may have quasi-phase matching using a periodically poled structure or random phase matching using a polycrystalline structure. The crystal 140 having quasi-phase matching using a periodically poled structure or random phase matching using a polycrystalline structure is, for example, ZnSe 1-x S x doped with Cr 2+ or Fe 2+ as a dopant. (However, x may be between 0.0 and 1.0).

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the range described in the above embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the embodiments described above. It is clear from the claims that such modifications or improvements may be included within the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process, such as the operation, procedure, step, and stage in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, specification, and drawings, is specifically defined as "before" or "before". It should be noted that they can be implemented in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the claims, specifications, and operational flows in the drawings are explained using "first," "next," etc. for convenience, this does not mean that it is essential to carry out the operations in this order. It's not a thing.

10 レーザ発振システム
100 レーザ発振器
110 励起光源
120 半波長板
130 光学系
131 第1のミラー
133 第2のミラー
135 ブリュースタープレート
137 第3のミラー
139 回折格子
140 結晶
150 ハーフミラー
160 波長計
170 フィルタ
180 コントローラ
190 駆動部
201、203 エネルギー計
205 オシロスコープ
207 ユーザインタフェース
301、305 ミラー
303 結晶
311 結晶
10 Laser oscillation system 100 Laser oscillator 110 Excitation light source 120 Half-wave plate 130 Optical system 131 First mirror 133 Second mirror 135 Brewster plate 137 Third mirror 139 Diffraction grating 140 Crystal 150 Half mirror 160 Wavemeter 170 Filter 180 Controller 190 Drive unit 201, 203 Energy meter 205 Oscilloscope 207 User interface 301, 305 Mirror 303 Crystal 311 Crystal

Claims (19)

ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶と、
励起光が入射された前記結晶をレーザ発振させる光学系と
を備え、
前記結晶は、
複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を更に有し、
前記励起光によって中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出し、
前記位相整合性により、前記励起光と、前記光学系によって前記スペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でレーザ発振したシグナル光との、差周波のアイドラ光を出力する、
レーザ発振器。
a crystal doped with a dopant and having second-order optical nonlinearity;
an optical system that causes the crystal into which the excitation light is incident to oscillate as a laser;
The crystal is
It further has phase matching of any one of birefringence phase matching, quasi phase matching using a periodic polarization inversion structure, and random phase matching using a polycrystalline structure,
Emitting fluorescence with a broad spectral bandwidth in the mid-infrared region by the excitation light,
Due to the phase matching, an idler light having a difference frequency between the excitation light and a signal light lased at a specific wavelength or a specific wavelength width in the spectral bandwidth by the optical system is output.
laser oscillator.
前記スペクトル帯域幅は、0.1μm以上である、
請求項1に記載のレーザ発振器。
The spectral bandwidth is 0.1 μm or more,
A laser oscillator according to claim 1.
前記ドーパントは遷移金属イオンであり、前記励起光により前記遷移金属イオンの振動遷移が生じることで前記蛍光が放出される、
請求項2に記載のレーザ発振器。
The dopant is a transition metal ion, and the fluorescence is emitted when the excitation light causes a vibrational transition of the transition metal ion.
A laser oscillator according to claim 2.
前記ドーパントは、Yb、Tm、ErおよびHoのうちの何れかの希土類イオンである、
請求項2に記載のレーザ発振器。
The dopant is a rare earth ion selected from Yb, Tm, Er, and Ho.
A laser oscillator according to claim 2.
前記結晶は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたCdSe1-x(ただし、x=0.0~0.4)である、
請求項1に記載のレーザ発振器。
The crystal is CdSe 1-x S x (where x=0.0 to 0.4) doped with Cr 2+ or Fe 2+ as a dopant.
A laser oscillator according to claim 1.
前記結晶は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたZnSe1-x(ただし、x=0.0~1.0)である、
請求項1に記載のレーザ発振器。
The crystal is ZnSe 1-x S x (where x = 0.0 to 1.0) doped with Cr 2+ or Fe 2+ as a dopant.
A laser oscillator according to claim 1.
前記結晶は、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配されている、
請求項5または6に記載のレーザ発振器。
The crystal is arranged in an orientation that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to changes in the beam propagation direction.
A laser oscillator according to claim 5 or 6.
前記結晶は、前記励起光、前記シグナル光、および前記アイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配されている、
請求項5または6に記載のレーザ発振器。
The crystal is arranged in an orientation that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to a change in the wavelength of at least one of the excitation light, the signal light, and the idler light.
A laser oscillator according to claim 5 or 6.
前記結晶は、前記結晶の温度の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配されている、
請求項5または6に記載のレーザ発振器。
The crystal is arranged in an orientation that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to a change in temperature of the crystal,
A laser oscillator according to claim 5 or 6.
前記光学系は、
互いに斜めに対向配置された第1のミラーおよび第2のミラーと、
前記第2のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第2のミラーで反射した光が入射した場合に、前記光を前記第2のミラーに向けて反射する第3のミラーと、
前記第1のミラーで反射する光の光路上に配置され、前記第1のミラーで反射した光が入射した場合に、前記スペクトル帯域幅における前記特定の波長または前記特定の波長幅の前記シグナル光を選択する光学デバイスを有する、
を有する、
請求項1に記載のレーザ発振器。
The optical system is
a first mirror and a second mirror arranged diagonally opposite each other;
a third mirror that is disposed on the optical path of the light reflected by the second mirror and reflects the light toward the second mirror when the light reflected by the second mirror is incident;
The signal light is placed on the optical path of the light reflected by the first mirror, and when the light reflected by the first mirror is incident, the signal light has the specific wavelength in the spectral bandwidth or the specific wavelength width. having an optical device to select,
has,
A laser oscillator according to claim 1.
前記光学デバイスは、回折格子、音響光学波長可変フィルタ、複屈折フィルタ、および、プリズムのうちの何れかを含む、
請求項10に記載のレーザ発振器。
The optical device includes any one of a diffraction grating, an acousto-optic wavelength tunable filter, a birefringence filter, and a prism.
The laser oscillator according to claim 10.
前記第3のミラーを透過する光の波長を測定する波長計と、
前記波長計の測定値に基づいて前記光学デバイスを制御することにより、前記シグナル光の前記特定の波長または前記特定の波長幅を選択するコントローラと
を更に備える、請求項10または11に記載のレーザ発振器。
a wavelength meter that measures the wavelength of light transmitted through the third mirror;
The laser according to claim 10 or 11, further comprising a controller that selects the specific wavelength or the specific wavelength width of the signal light by controlling the optical device based on the measured value of the wavelength meter. oscillator.
ドーパントがドープされた二次の光学的非線形性を有する結晶に励起光を照射することにより、中赤外領域のブロードなスペクトル帯域幅の蛍光を放出させることと、
前記スペクトル帯域幅における特定の波長または特定の波長幅でシグナル光をレーザ発振させることと、
前記結晶が有する、複屈折位相整合、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合、および、多結晶構造体を用いたランダム位相整合、の何れかの位相整合性を利用して、前記励起光と前記シグナル光との差周波のアイドラ光を出力することと
を備えるレーザ発振方法。
emitting fluorescence with a broad spectral bandwidth in the mid-infrared region by irradiating excitation light to a crystal doped with a dopant and having second-order optical nonlinearity;
lasing signal light at a specific wavelength or specific wavelength width in the spectral bandwidth;
The excitation light is produced by utilizing any of the phase matching properties of the crystal, including birefringence phase matching, quasi-phase matching using a periodic polarization inversion structure, and random phase matching using a polycrystalline structure. and outputting an idler light having a difference frequency between the signal light and the signal light.
前記結晶は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたCdSe1-x(ただし、x=0.0~0.4)である、
請求項13に記載のレーザ発振方法。
The crystal is CdSe 1-x S x (where x=0.0 to 0.4) doped with Cr 2+ or Fe 2+ as a dopant.
The laser oscillation method according to claim 13.
前記結晶は、Cr2+或いはFe2+をドーパントとしてドープしたZnSe1-x(ただし、x=0.0~1.0)である、
請求項13に記載のレーザ発振方法。
The crystal is ZnSe 1-x S x (where x = 0.0 to 1.0) doped with Cr 2+ or Fe 2+ as a dopant.
The laser oscillation method according to claim 13.
xの値が互いに異なる複数の前記結晶を選択することにより、前記アイドラ光の波長範囲を選択することを更に備える、
請求項14または15に記載のレーザ発振方法。
further comprising selecting a wavelength range of the idler light by selecting a plurality of the crystals having mutually different values of x;
The laser oscillation method according to claim 14 or 15.
前記結晶を、ビーム伝搬方向の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配することを更に備える、
請求項14または15に記載のレーザ発振方法。
further comprising arranging the crystal in an orientation that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to changes in the beam propagation direction;
The laser oscillation method according to claim 14 or 15.
前記結晶を、前記シグナル光および前記アイドラ光の少なくとも何れかの波長の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合件を満たす向きに配することを更に備える、
請求項14または15に記載のレーザ発振方法。
further comprising arranging the crystal in a direction that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to a change in wavelength of at least one of the signal light and the idler light;
The laser oscillation method according to claim 14 or 15.
前記結晶を、前記結晶の温度の変化に対して非臨界(ノンクリティカル)位相整合条件を満たす向きに配することを更に備える、
請求項14または15に記載のレーザ発振方法。
further comprising arranging the crystal in an orientation that satisfies a non-critical phase matching condition with respect to a change in temperature of the crystal;
The laser oscillation method according to claim 14 or 15.
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