光パラメトリック発振器 (OPO) [1, 2] とは、レーザー共振器を用いた、レーザーと類似した光源であり、誘導放出による光利得より、むしろ非線形結晶内のパラメトリック増幅による光学利得に基づいているものである。レーザーと同様に、このようなデバイスは、それ以下では無視できる出力パワー (パラメトリック蛍光のみ)がある励起パワーの閾値がある。

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 1: 光パラメトリック発振器の模式図。

パラメトリック発振器の大きな魅力は、位相整合条件によって決まる信号とアイドラーの波長が、広範囲にわたって可変なことである。そのため、いかなるレーザーを用いても、実現することが困難であったり、不可能である波長 (例えば、中赤外や遠赤外そしてテラヘルツのスペクトル領域) の波長を得ることができ、広範囲の波長チューニング (位相整合条件を変えることで多くの場合、実現させる) が可能である。このため、光パラメトリック発振器は、レーザー分光等に非常に価値あるものとなる。

いかなる光パラメトリック発振器も、高光強度で比較的空間的コヒーレンスが高い励起光源が必要という制限がある。そのため、レーザーは本質的にいかなる時も光パラメトリック発振器用の励起光源として必要となり、レーザーダイオードを直接利用することは、ほとんどの場合不可能であるので、システムは、例えばレーザーダイオード、半導体励起固体レーザーそして光パラメトリック発振器を含むこととなり、比較的複雑になる。

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 2: 典型的なリング共振器を用いた光パラメトリック発振器のセットアップ。励起ビームは、ダイクロイックミラーを通して注入される。アイドラーが通常は、少なくとも共振器ミラーによって排除されるのに対して、信号ビームは共鳴する。

レーザーとの比較

パラメトリック発振器は、多くの点においてレーザーと類似しているが、重要な違いがいくつか存在する。

  • 多くのレーザーが、励起光源に対して空間的コヒーレンスを持たず運転できるのに対して、光パラメトリック発振器は、光源に対して、比較的高い空間コヒーレンス性が求められる。多くの場合では、半導体励起固体レーザーが用いられる。
  • ほとんどのレーザーの発振波長が狭帯域でのみ可変であるのに対して、多くの光パラメトリック発振器は、極端に広い範囲の波長可変の可能性をもたらす。これらは、電磁波スペクトル領域における可視や近あるいは中赤外領域に分布している。特に、中赤外領域においては、光パラメトリック発振器は広く利用される。なぜなら、中赤外レーザーと競合がほとんどないからである。
  • 効率的なパラメトリック増幅過程には、位相整合が必要である。位相整合の詳細によって、発振波長が決まる。波長チューニングは、ほとんどの場合、位相整合条件を変えることで実現される。例えば、結晶温度を変えたり、(クリティカル位相整合のために) 結晶の角度の向きを変えたり、(周期分極反転結晶内の擬似位相整合のための) 分極反転周期を変えることが挙げられる。位相整合帯域幅内では、共振器内部の光フィルターを用いたチューニングもできる。チューニング範囲は、位相整合の制限 (以下を参照) や非線形材料の透過領域によって、また共振器ミラーの高反射率のスペクトル領域によって制限される。
  • パラメトリック増幅は、励起ビームの方向のみで起こり (位相整合のもう一つの結果として) 、それは、リング型共振器内での一方向発振が自動的に実現されることを意味している。(事実、リング型共振器は、さまざまな利点があるのでよく利用される。)
  • 励起、信号そしてアイドラーの波長において寄生吸収がない限り、非線形結晶内で熱が溜まることはない。光パラメトリック発振器は、ほとんど透過領域内に存在する全ての波長において動作するので、通常はほとんど加熱されることはない。かなり高いパワーレベルでのみ、位相整合が崩れる可能性がある。熱レンズ効果は、通常は大きくはない。
  • 生成された信号パワーと吸収された励起パワー間の差をなくす、アイドラー波が生成される。 (あまり利用されない縮退パラメトリック発振器における場合のみ、アイドラー波が存在しない。) より正確には、アイドラー波の光子のエネルギーは、励起と信号の光子のエネルギーの差になる。アイドラー波は、非線形変換過程において本質的な役割を果たす。光パラメトリック発振器が、結晶内の強いアイドラー吸収を持つスペクトル領域内で稼働するとき、励起光源のパワーの閾値はより高くなり、効率は落ちる。
  • 非線形結晶内には、エネルギーが保存されない。そのため、利得は、励起される限り存在し、励起のゆらぎは、直接信号パワーに影響を及ぼす。そのため、そのダイナミクスは、レーザーのダイナミクスと異なっている。
  • レーザー利得媒質の蛍光のほかに、パラメトリック蛍光は、励起ビームの方向のみで生じる。より正確には、パラメトリック利得を経験するようなモードで観測される。

一重共振対二重共振光パラメトリック発振器

ほとんどの光パラメトリック発振器は、単一共振である。すなわち、信号とアイドラーの波長のいずれかに対しては共鳴しているが、両方には共鳴しないような共振器である。(非共振波には、ダイクロイック共振器ミラーや分極光学素子を用いることで、高い共振器損失につながり、光フィードバックがほとんどなくなる。) しかし、信号とアイドラーの両方が共振する二重共振光パラメトリック発振器が存在する。後者は、単一周波数励起レーザーの場合のみ意味を成す。

二重共振光パラメトリック発振器の利点は、励起パワーの閾値がかなり小さくなることである。これは、特にCW動作において興味深いことである。しかし、チューニングは複雑である。結晶温度や励起光の波長が変わると、信号とアイドラーの波長が跳び、チューニングは一般的には、単調ではなくなる。これは、動作波長が主に、信号とアイドラー (モードクラスター) の同時共鳴の必要性だけでなく、位相整合の条件によって決まるからである。

もうひとつの可能性としては、励起波の共振増強であり、これは励起レーザーが単一周波数のデバイスの時、適用される。三重共鳴光パラメトリック発振器では、励起と信号とアイドラー波は同時に共鳴する。しかし、そういったデバイスは慎重に扱う必要がある。より単純な選択肢としては、励起レーザーの共振器内に非線形結晶を配置することで、共振器内部の高出力パワーを利用できる共振器内励起光パラメトリック発振器を作製することである。

光パラメトリック発振器の励起

基本的に、光パラメトリック発振器を励起するための選択肢が3つある。

  • CW動作に対しては、光パラメトリック発振器は、(ことによると周波数二倍化された) CWレーザーを用いて励起される (例として、参考文献[16]を参照)。一重共鳴光パラメトリック発振器 (上記を参照) に対する励起パワーの閾値は、比較的高く、通常は数W、時には1 W以下となる。たった数十mWで、連続的に励起することのできる二重共鳴光パラメトリック発振器もある。
  • ほとんどの光パラメトリック発振器は、Qスイッチレーザーのナノ秒パルスを用いて励起される。このモードでは、一重共鳴光パラメトリック発振器の閾値でさえも簡単に超えることができる。出力パルスは多くの場合、励起パルスより短い場合が多い、これは、パラメトリック発振器が少し遅れを有するからである。出力の線幅は、多くの場合比較的広く、パルス光パラメトリック発振器は、パルスが定常状態に落ち着くまでに多くの場合時間が足りず、その結果、比較的ノイズに影響を強く受けるため、パルス間の揺らぎが大きい [21]。
  • 超短パルスを生成するには、光パラメトリック発振器を、モード同期レーザーを用いて同期しながら励起をする。同期励起の際には、通常共振器の周回周波数が励起の繰り返しレートに一致するように光パラメトリック発振器長を調整する。(あまり多くはないが、共振器の周波数が、励起光源の繰り返し周波数の倍数あるいは分数であることがある。) 共振器を何回も周回するうちに、生成されたパルスは定常状態に達し、ノイズが比較的小さくなる。パルス持続時間は、通常は、励起パルス持続時間と同程度であるが、ある条件下においては、 (群速度の不整合が大きい場合) かなり短くなる [22]。典型的なモード同期レーザーのデューティサイクルが低いため、必要とされる平均励起パワーは1 W以下である。

多くの場合では、光パラメトリック発振器の励起光は、近赤外レーザーや、緑光等を生成する周波数二倍器から用いられる。あまり一般的ではないが、光パラメトリック発振器は、紫外や中赤外光によって励起されることがある。

光パラメトリック発振器の種類

幅広い種類の光パラメトリック発振器を以下に記す。

  • CW光パラメトリック発振器は、通常、周期分極反転LiNbO3 [16] やKTPといった非線形性の大きい結晶材料に基づき、1 μmイッテルビウム添加レーザーや周波数二倍化固体レーザーを用いて励起される。励起光源が単一周波数でなくとも、一重共振光パラメトリック発振器の場合であれば、光パラメトリック発振器の単一周波数出力は可能である。
  • 特に高出力用の、その他のCW光パラメトリック発振器は共振器内励起である。そのため、非線形結晶は、典型的にはネオジムベースの高出力レーザーの共振器内に置かれる。
  • もっとも典型的な光パラメトリック発振器は、一重共振で、アクティブQスイッチNd:YAGレーザーで励起されるものである。近および中赤外領域のマイクロジュールやミリジュールのパルスエネルギーを有するナノ秒パルスを出力する。比較的長い波長で動作をさせるためには、一段目の光パラメトリック発振器が1 μmから2 μmの領域へ波長変換を行い、その出力が中赤外光パラメトリック発振器 (例、ZGP をもとにしたもの) の励起として用いられるようなタンデム光パラメトリック発振器を使用することがある。
  • 典型的な同期励起光パラメトリック発振器は、1 μm ネオジム添加レーザーやチタンサファイヤレーザーのようなピコ秒あるいはフェムト秒モード同期レーザーを励起光源とする。平均励起パワーは、数百mWから数Wの間となり、パルス繰り返しレートは100 MHzから1 GHzの間となる。また、パワー変換効率は、30-50 %のオーダーとなる。
  • 強い超短パルスを用いると高パラメトリック利得が実現できるので、シングルモードファイバーを含む光パラメトリック発振器からなるファイバーフィードバック光パラメトリック発振器を構築すること可能となる[25, 29]。そのようなデバイスは、共振器長にあまり敏感でないといった実用上便利な点がある。
  • 80 GHzを超えるような超高パルス繰り返しレートの同期励起光パラメトリック発振器が実証されている [27]。高繰り返しレートが要求されている時、受動モード同期レーザーから、高平均パワーを得ることはほとんど不可能であるため、平均励起パワーの閾値がパルス繰り返しレートと線形に変化することが課題である。そのため、極端に高い繰り返しレートには、MOPA励起光源が必要となる。
  • あまり一般的ではないのが、結晶のχ(2)ではなく光ファイバーのχ(3)非線形性をもとにしたファイバー光パラメトリック発振器である。初期のファイバー光パラメトリック発振器は、多くの場合、信号とアイドラー波長近辺に励起波長があり、光通信用途が興味の的であった。特殊な波長分散特性を有したフォトニック結晶ファイバーを用いると、広い波長帯において出力を得ることができる[32, 33]。

光パラメトリック発振器の用途

光パラメトリック共振器が応用できる可能性のある分野は、多岐にわたる。以下に例をあげる。

  • 光パラメトリック発振器の広いスペクトル範囲と狭線幅で高出力を用いることで、分光学やその他の科学的用途において恩恵がある。
  • 一般的な軍事用途としては、航空機が攻撃される際の熱探知ミサイルを見えなくする3から5 μm 帯の高出力光の生成である。
  • 光パラメトリック発振器は、デジタルプロジェクションディスプレイ等に用いられる高出力RGB源の一部となる。

商用化の問題点

光パラメトリック発振器は素晴らしい性能を兼ね備えるが、数年にわたる興味深い研究によって実証されているように、光パラメトリック発振器は今のところ商品として普及していない。以下に、その理由を簡単に議論する。

  • 少なくとも、励起レーザーと光パラメトリック発振器そして場合によっては温度安定化された結晶オーブンを含んでいるので、光パラメトリック発振器のシステムは、純粋なレーザーシステムに比べて複雑である。
  • 位相整合が必要であるので、結晶温度等の面で、通常はより寛容なレーザー利得媒質よりも非線形変換の段階をより複雑なものとしている。結晶用に温度安定化されたオーブンが必要な光パラメトリック発振器は、その複雑性、起動時間、熱散逸等の理由から、多くの用途に対してはあまり魅力的なものではない。
  • 吸湿性の非線形結晶や、グレートラッキング (すなわち、寄生損失が増える) の影響を受けやすいものもある。そして、頑丈な反射防止コーティングを施すことが難しい非線形結晶もある(例、非等方的な熱膨張による)。
  • 最後に、非線形光学と特に、パラメトリック増幅の詳しい物理の理解は、レーザー業界においては、あまり広まっていない。

参考文献

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参考
https://www.rp-photonics.com/optical_parametric_oscillators.html