TOPTICA Photonics AG - A passion for precision - www.toptica.com

光周波数変換技術

Closing the spectral gaps

半導体レーザーが持つ輝かしい技術革新の歴史にも関わらずまだ多くの”波長ギャップ”があることを否定できません。いくつかの波長領域において現在の半導体レーザー技術では直接発振の難しい波長が存在します。第二高調発生(SHG)また和周波発生(SFG)のような非線形波長変換技術はこういった紫外、青色、緑色、黄色、オレンジ色また赤色波長領域にアクセスするための最も有力なソリューションとなります。

 

 

第二高調波発生 (SHG)に関して:

トプティカ社の周波数変換レーザーシステムは第二高調波発生(SHG)に対応しています。SHG発生プロセスは波動または光子において説明できます。波動においては基本波となる電磁波ω1 が非線形結晶(NLO)の偏光を作用します。結晶の非線形性により偏光が第二高調周波数ω2 = 2·ω1においても励起されます。この現象が周波数ω2おける電磁波のコヒーレント放射を誘導します。

光子においてはレーザー基本波 λ1における2つの光子が非線形結晶内部でひとつの光子と共にオリジナル波長の半分である λ2 = 0.5·λ1に変換されます。基本波の入力パワーの増大、厳選された結晶の高い非線形性また適切な位相整合を行うことでSHG変換効率は向上します。

 

位相整合に関して:

効率的な波長変換を行うために基本波と変換された光の屈折率が非線形結晶の内部で等しい値になることが求められます。波動で見た場合、これは光の伝搬方向に沿って結晶内の異なる位置で発生した第二高調波の分離した波の強め合う干渉につながります。光子で見た場合には位相整合が運動量保存を満たします:2つの光子の運動量 p1 が1つの光子の運動量 p2 = 2·p1に変換されます。

位相整合を妨げる遍在分散を回避するために、複屈折結晶および個々のレーザの異なる偏光が使用されます。結晶の種類と動作波長に依存して結晶の温度または結晶軸と光の伝播の間の角度を適切に調整することにより最適な位相整合の微調整が行われます。



共鳴増強に関して:

トプティカ社の周波数変換システムでは最適化されたミラーコーティングを有するコンパクトで丈夫なボウタイ共振器設計を使用してレーザの基本波出力を共鳴的に50〜400倍に増強します。Pound-Drever-Hall法に従い、共振器長は基本波の波長に対してアクティブに安定化されます。これにより高い長期安定性を備えた堅牢な周波数ロッキングが可能になり基本レーザの共振器内パワーを確実に高めることができます。 またARコーティングが施され温度制御された非線形結晶を用いることでマーケットにおけるで最高レベルの変換効率が達成されます。


第四高調波発生に関して:

第二高調波発生は周波数の倍増を指すのに対し第四高調波発生(FHG)は電磁波の周波数を4倍にする発生法です。通常FHG発生は2つの連続したプロセスに分割されそれぞれに標準のSHG発生プロセスが含まれます。前述の光子の解説で見た場合、周波数ω1を有する基本波レーザの4つの光子は第1のSHG発生プロセスにおいて周波数ω2=2・ω1の2つの光子に変換されます。第2のSHG発生プロセスはこれらの2つの光子を周波数ω4=2・ω2=4・ω1および波長λ4= 0.25・λ1の1つの光子に変換します。合計で4つの基本光子がFHGプロセスで消滅し1つの光子がエネルギーおよび運動量保存にしたがって生成されます。

トプティカ社の用いるこれら4倍波発生プロセスの技術的な実現のために2台の連続したSHG発生ステージが陥られています。それぞれのステージにおいて共鳴増強はアクティブに安定化され温度制御された非線形結晶により位相整合が行われます。特別に改造されたTA-FHGシステムを用いて最大で191 nmのCWレーザー発振をデモンストレーションしています (Scholz et al., Optics Express 20, 18659 (2012)) 。また193 nmにおいて、CW出力15 mW以上を達成しています (Scholz et al., Appl. Phys. Lett. 103, 051114 (2013))。

TOPTICAの周波数変換レーザーシステム