【光学】光パラメトリック発振器

概要

光パラメトリック発振器（Optical Parametric Oscillator, OPO）は、非線形光学現象を利用して、特定の周波数の光を生成するデバイスです。OPOは、入力されたポンプ光を元に、異なる2つの周波数の光（シグナル光とアイドラー光）を生成します。これにより、広範囲の波長の光を得ることができ、レーザー技術や分光分析など、さまざまな応用分野で利用されています。

特徴

長所

OPOの最大の長所は、広範な波長範囲にわたって調整可能な光を生成できることです。これは、他の光源と比べて非常に柔軟性が高く、特に可視光から赤外線にかけての波長が得られることが大きなメリットです。また、OPOは比較的シンプルな構造でありながら、出力する光の品質が高く、特定の波長において高いコヒーレンスを持つ点も優れています。

短所

一方で、OPOの短所としては、非線形光学結晶の品質や位相整合条件に依存するため、特定の波長や出力が制限されることがあります。また、高いポンプ光の強度が必要であり、効率的な光生成のためには精密な光学配置や調整が求められます。さらに、OPOの動作が不安定になりやすい場合があるため、安定した出力を得るためには細心の注意が必要です。

他の手法との違い

OPOはレーザーと異なり、励起状態からの自発放射を利用するのではなく、非線形光学効果を利用して光を生成します。これにより、レーザーでは得られない波長の光を生成することが可能です。また、可変波長の特性を持つ他の手法、たとえばチューナブルレーザーと比べても、広範囲かつ高効率で波長を調整できる点が特徴です。

原理

OPOの基本的な動作原理は、非線形光学結晶内での三波混合に基づいています。ポンプ光と呼ばれる高エネルギーの光を非線形結晶に照射すると、その結晶内でエネルギーが分割され、2つの異なる光（シグナル光とアイドラー光）が生成されます。

この過程はエネルギー保存則と運動量保存則に従い、次のように表されます。

\(h\omega_p=h\omega_s+h\omega_i\)

\(k_p=k_s+k_i\)

ここで、\(\omega_p、\omega_s、\omega_i\)はそれぞれポンプ光、シグナル光、アイドラー光の角周波数を示し、\(k_p、k_s、k_i\)​はそれぞれの波数ベクトルです。このように、OPOはポンプ光のエネルギーを分割して、異なる波長の光を生成することが可能です。

歴史

OPOの原理が初めて提案されたのは1960年代で、非線形光学の分野が急速に発展していた時期に遡ります。特に、ルビーレーザーの開発に伴い、OPOの研究も進展しました。1965年には、初めてOPOの実験が成功し、それ以降、多くの研究者によってさまざまな非線形結晶が探索され、OPOの性能が向上してきました。

応用例

分光分析

OPOは、広範囲にわたる波長をカバーできるため、分光分析において非常に有用です。特に、化学物質や生体組織の分光特性を詳細に調べるために使用されます。例えば、赤外分光法では、OPOを使用して特定の波長の赤外線を生成し、物質の吸収スペクトルを解析することができます。

医療用レーザー

OPOは、特定の波長が求められる医療用レーザーにも応用されています。例えば、皮膚の治療や眼科手術において、OPOによって生成されたレーザー光が使用されることがあります。これにより、従来のレーザーでは難しかった波長範囲をカバーすることができ、治療の効果を高めることが可能です。

通信分野

光通信においてもOPOは重要な役割を果たしています。特に、波長変換や波長多重通信の分野で、OPOが利用されることで、通信容量の拡大や効率的な波長変換が実現されています。

今後の展望

OPOの技術は今後も進化し続けると期待されています。特に、より高性能な非線形結晶の開発や、低電力で動作するOPOの実現が進められており、これにより、さらに多様な波長の光を効率的に生成できるようになるでしょう。また、量子光学やナノフォトニクスとの融合により、OPOは新しい光学デバイスの開発にも貢献する可能性があります。

参考

1. 光パラメトリック発振器 | オプティペディア – Produced by 光響
2. Ⅱ 光パラメトリック発振器ネットワークの物理