非線形結晶

非線形結晶とは？

非線形結晶は、光と相互作用し、周波数（色）、位相、偏光といった特性を変化させる特殊な物質です。どの程度の効果をもたらすかは、入射光の強度によって変化します。光と物質との相互作用が光の強度によって変化しない、従来の光学系とは異なります。

非線形結晶は、従来の光学材料では不可能だった方法で光の操作を実現することにより、光学の分野における重要な役割を果たす特殊な物質です。このような結晶は、周波数、位相、偏光といった光の特性を、通過する光の強度に応じて変化させることができるという点で、「線形」結晶とは異なります。

非線形結晶は、さまざまな先進光技術と応用の基礎を成します。その範囲は、レーザ周波数変換から光通信システムまで、多岐にわたります。

非線形結晶を詳しく説明するには、高度な数学を使用する必要があります。本概要では、非線形結晶の基本原理と主な用途を非数学的に紹介し、最も一般的に使用される非線形結晶材料に注目します。

非線形光学効果とは？

物質（固体、液体、気体を問わない）と光の相互作用は、ほとんどが線形です。つまり、物質が光に与える効果の大きさは、光の強度で変化しません。したがって、屈折、反射、透過、吸収、回折などの光と物質の相互作用は、強度に依存しません。

たとえば、屈折に基づくレンズの焦点距離は、光が明るくなっても変化しません。鏡が光を反射する角度は、強度によって変化しません。

非線形光学効果では逆です。この場合、光の強度は、物質がどの程度光と相互作用するかに影響を与えます。このプロセスが不要な場合もありますが、線形の条件下では達成できないような結果を生み出すために利用することもできます。

最も有益な非線形効果は、光の周波数を変え、光の位相や偏光を増幅もしくは変化させるという効果です。大きな非線形効果を生み出すために必要な光の強度レベルは比較的高くなります。したがって、これらの効果は大抵の場合、ほとんどの通常の光源に対してはごくわずかであると言えます。しかし、レーザは容易に必要な強度レベルに到達できるため、レーザによる非線形効果の出現は比較的よく見られます。このような現象のそれぞれがどのようなものかを個々に見てみましょう。

周波数逓倍

ほとんどすべての高出力産業用固体レーザとファイバーレーザは、波長約1 µmで近赤外光を放出します。しかし、多くの材料加工用途において、より短い波長で作業をする方が好都合です。これは加工される材料、特に赤外線で高い反射を示す傾向のある金属の吸収により良く合わせるためだと言えるかもしれません。また、短い波長の方が、より小さいスポットに焦点を絞ることができます。これにより、微細な形状などの生成が可能になります。

周波数の変換または逓倍は、これらのさまざまな赤外線レーザから、より短い波長出力を得るために、幅広く使用されている手法です。たとえば、Nd:YVO₄レーザの1064 nm出力から、2倍波の532 nm（グリーン）または3倍波の355 nm（紫外線）の周波数を得ることができます。まさにこのように、出力される波長は、CoherentのAVIA LX、AVIA NX、およびMATRIX 355レーザで取得されています。固体レーザの周波数を4倍波の266 nm（深紫外線）にすることも可能です。たとえば、Coherent HyperRapid NXTやAzure NXがあります。

これはどのように作用するのでしょうか？ 周波数の倍化または第二高調波発生（SHG）は、非線形結晶が、通過する光ビームを元の周波数のちょうど2倍（または波長の半分）に変換するときに起こります。これは、結晶の非線形の性質によって、ビーム内で2つの光子（光の粒子）が組み合わされ、エネルギーを2倍にする単一の光子に変換されるために発生します。その結果、光の色は倍化した周波数に対応する色に変化します。

周波数の3倍化では、この概念がさらに一歩進みます。周波数倍化の効果をもう1つのプロセスと組み合わせ、光の元の周波数を3倍にします。これは通常、2段階で達成されます。まず、光の周波数を2倍にし、次に倍化された光が、同じまたは異なる非線形結晶内で元の光とさらに混合されます。このような相互作用により、元の光の3倍のエネルギー（周波数）を持つ光が生成されます。

このプロセスの発生を成功させるために、対応しなければならない条件がいくつかあります。まず当然ながら、材料そのものが、入射光との非線形相互作用に対応する必要な能力を有していなければなりません。次に、入射レーザ光に十分な強度がなければなりません。強度が高いほど、非線形効果の動作は効率的になります。

周波数逓倍のもう1つの重要な条件は「位相整合」です。これは、非線形結晶内の分散によって、より波長の長い入射光と、生成された高調波光が異なる速度で伝播するため、必要になります。この速度のミスマッチは、二者間に破壊的な干渉を生み出し、高調波発生の効率が低下する可能性があります。

位相整合で、分散によってもたらされる課題を克服することができます。基本波と高調波の位相を調整して、これらが同じ効果の速度で伝搬し、結晶全体で建設的な干渉を維持するようにします。この調整により、基本波から高調波へのエネルギー転換の最大化が保証されます。

温度管理も、いくつかの非線形結晶で有用です。温度は結晶の屈折率に影響し、それが位相整合の条件に影響を与えるためです。これこそ、Coherentのようなメーカーの多くが、高調波結晶オーブン内で統合された製品を提供している理由です。

和周波発生と差周波発生

和周波発生（SFG）と差周波発生（DFG）は、レーザ光の波長を変えることのできる、別の2つの非線形プロセスです。これらにおいては、2つの入射光波が結びつき、元のビームとは異なる周波数を持つ第三の光波を生み出します。SFGの主な動作原理は、新しい光波の周波数が2つの入力周波数の和であるという点です。一方DFGでは、新しい光波の周波数は、2つの入力周波数間の差となります。

光パラメトリック増幅器（OPA）はDFGの特定の形態です。信号が吸収され、媒質によって再発光される必要なく、レーザビームを増幅させるために使用されます。OPAでは、2つの光ビームが非線形結晶に導入されます。1つは、より高い周波数、高密度の「励起ビーム」で、もう1つは、より低い周波数、低出力の「信号ビーム」（増幅されるビーム）です。非線形結晶の特性により、励起ビームからのエネルギーを信号ビームへと転送させることができます。このプロセスは、パラメトリックダウンコンバージョンと呼ばれています。