レーザービームを繰る-波長変換

 

レーザーは原子内の電子のエネルギーか,あるいは半導体のバンドギャップを利用しており,波長可変レーザーなるものがあるものの,一般には特定の波長の光しか得られません。

例えば,ある特定のガスの検出にレーザーを利用しようとすると,そのガス分子が吸収できる波長のレーザー光が必要になってきます。たまたま,その波長のレーザー光が得られる場合は良いでしょうが,普通はちょうどマッチするような波長の光は存在しません。

このような場合,現存のレーザー光の波長を変える技術が必要になってきます。光の波長を変えるためには,非線形光学効果が必要です。光が結晶の中に入ると,光の電場が結晶を構成している個々の原子に力を及ぼします。


図1
図1

この時,重い原子核は光の周波数のような高速変化には追随できませんが,電子は非常に軽いので,光の電場に追随して,図1のように変位します。電子の電荷は負なので,電場と逆方向に力を受けて移動します。光の電場は1秒間に1015回程度,振動していますので,電子も同じ周波数で振動します。

図1のように,正の電荷と負の電荷が分離した状態を分極と言いますが,この分極が電場の振動に合わせて波のように振動します。分極が振動すると,それによって新たに光が発生します。入ってきた光がレーザー光の場合,結晶内の原子が順次分極していき,そこから新しい光が発生するのですが,位相が揃った新しいレーザー光となって,結晶内を伝搬し,最後には結晶から出て行きます。これが結晶中を光が透過する現象です。

結晶が数種類の異なる原子からできている場合,着目する原子の周りの環境は,方向によって異なることがあります。このような結晶を,異方性を持つと言います。結晶の中にレーザー光が入って来て,電子を振動させるのですが,レーザー光が強い場合で,しかも結晶が異方的な場合,電子の振動が方向によっては変位に制限を受けるようになります。


図2
図2

この様子を図2に描いてあります。このように変形した分極には,入射電場に比例する項に加えて,入射電場の二乗に比例する項が含まれているのです。この二乗項を分解すると,元の光の2倍の周波数を持つ光が含まれていることがわかります。周波数が2倍の光ですので,第二高調波発生と呼んでいます。英語ではSecond Harmonic Wave Generationと書きますので,その頭文字をとってSHGと呼んでいます。周波数が2倍のですので,波長が半分の光です。その様子を描いたのが図3です。元の光を基本光と呼んでいます。


図3
図3

図2では,入射光電場E1によって誘起された二次非線形分極波P2だけを描いてあります。当然,E1に比例する分極波も存在します。このP2によって,新しく第二高調波E2が発生します。

ところで,結晶の屈折率は波長が短くなると,必ず大きくなります。すると,基本光と新しく発生したSHG光の結晶内における伝搬速度が異なることになります。当然,SHG光に対する屈折率が,基本光に対する屈折率より大きくなりますので,SHG光の方が遅く伝搬します。

例えば,図3に描いてありますように,点AでSHG光が発生し,さらに点B,点C,点Dでも順次発生します。これらのSHG光が足しあわされて,合成SHG光が形成されるのです。すなわち,B点で発生した波は,A点で派生した波とほぼ位相が揃っていますので,足し合わせることで,合成波の振幅は大きくなります。


その他関連ニュース

  • 新しいレーザー
    新しいレーザー 黒澤 宏 2016年12月20日
  • レーザー光を操る-偏光
    レーザー光を操る-偏光 黒澤 宏 2016年10月25日
  • 半導体レーザー(その二)
    半導体レーザー(その二) 黒澤 宏 2016年10月19日
  • 半導体レーザー
    半導体レーザー 黒澤 宏 2016年10月04日
  • 半導体レーザーの基礎と実際
    半導体レーザーの基礎と実際 黒澤 宏 2016年09月21日
  • ファイバーレーザー
    ファイバーレーザー 黒澤 宏 2016年09月12日
  • 波長可変固体レーザー
    波長可変固体レーザー 黒澤 宏 2016年09月05日
  • ネオジウム固体レーザー
    ネオジウム固体レーザー 黒澤 宏 2016年08月31日