JPH0136987B2 - - Google Patents

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JPH0136987B2
JPH0136987B2 JP58179075A JP17907583A JPH0136987B2 JP H0136987 B2 JPH0136987 B2 JP H0136987B2 JP 58179075 A JP58179075 A JP 58179075A JP 17907583 A JP17907583 A JP 17907583A JP H0136987 B2 JPH0136987 B2 JP H0136987B2
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laser
axis
wavelength
light
grating
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JP58179075A
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JPS5984487A (ja
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Aaru Fuatsukusuogu Furederitsuku
Daburyu Motsukaa Hansu
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Honeywell Inc
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Honeywell Inc
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Publication date
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Publication of JPH0136987B2 publication Critical patent/JPH0136987B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/105—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H01S3/1055—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length one of the reflectors being constituted by a diffraction grating

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、迅速に同調できるリツトロウ
（Littrow）構成のレーザに関するものであり、
とくにこの種のパルスレーザに関するものであ
る。
〔従来技術〕
リツトロウ構成の平面状反射格子および凹面状
反射格子の表面が分光写真器またはレーザの光軸
に交わるように平面状反射格子および凹面状反射
格子が装置される。種々の波長の入射光がレーザ
の光軸に沿つて反射されるように、レーザに組合
わされて、格子の表面はその光軸に対して種々の
角度で置かれる。反射される特定の波長λは次式
で与えられる。
Kλ＝ａ sinθ (1) ここに、ａは格子の素子の間隔、θは格子の法
線に対するレーザ光の入射角、Ｋは採用される次
数により決定される整数である。
θを変えることにより種々の波長を選択し、か
つレーザを同調できるように回転するために装置
された格子が知られている。米国特許第3443243
号明細書に開示されているレーザ装置において
は、レーザの光共振空洞を形成する反射素子の外
側に格子が配置され、振動数分解能を最高にする
ためにその格子から反射された光がアパーチヤを
通る。前記米国特許明細書に開示されているレー
ザ装置において採用されている凹面状反射格子は
格子線に平行な軸を中心として回転させることが
できる。米国特許第3739295号明細書においては
色素レーザにおける同調素子として回転可能な平
面状反射格子が用いられる。その格子からレーザ
媒体へ戻る蛍光を阻止するために、共振空洞反射
素子の１つと格子の間にアパーチヤが含まれる。
米国特許第4241318号明細書に開示されている装
置においては、レーザの平面状反射格子は、２つ
の光学素子を含んでいるホイールに組合わされ
て、光学素子をレーザビームの光路中に周期的に
置くようにされる。そのためにレーザビームが偏
向されるから、格子へのビームの入射角が変えら
れ、各素子ごとにレーザの長手軸に沿つて異なる
波長が反射される。２つ以上の波長を選択できる
ように、レーザの長手軸に対して垂直な平面に対
して格子とホイールをまとめて回転させることが
できる。
米国特許第4287486号明細書の第９図に示され
ている実施例は、レーザからの種々の波長の光が
反射鏡上に分散させられるように、格子が互いに
向き合わされた（ただし互いにずれて、平行でな
い）二重格子装置が示されている。１度に一連の
波長のうちのただ１つの波長だけを順次発生させ
るために反射鏡は回転させられる。第１の波長の
光が反射鏡に垂直に入射した時にレーザはトリガ
されてレーザ光を発生し、対象とする全ての波長
の光が走査されるまでレーザ光パルスは持続す
る。このようにして、チヤープさせられたパルス
（すなわち、パルス内で波長が変化するようなパ
ルス）が得られる。しかし、前記米国特許第
4287486号明細書には、各パルスを異なる波長に
同調させることができる、とくに非常に高速のス
イツチング時間が望ましい場合に各パルスを異な
る波長に同調させることができるパルスレーザは
示されていない。
レーザ技術の進歩（Advances in Laser
Engieering）（1977）、SPIE Volume122記載のホ
リー（S.Holly）およびエイケン（S.Aikin）の
「波長を迅速に切り換えられるCO2プローブレー
ザ（CO2 Prove Laser with Rapid
Wavelength Switching）」と題する論文には、
走査器すなわちステツピングモータに装置されて
いる反射鏡を中心として８個の格子を回転木馬式
に配置することにより、持続波CO2プローブレー
ザを迅速に同調させる技術が示されている。それ
ら８個の格子はプローブレーザの光空洞内に順次
スイツチングされる。種々の波長の間の切り換え
は約10ミリ秒の間に行われることが報告されてい
る。前記論文に記載されている装置により走査で
きる波長の数は用いる格子の数により制限され、
かつ格子の位置合せの問題のために複雑な電気光
学的制御ループ装置を必要とする。
１つのレーザ源からの何十種類または100種類
もの波長を迅速に（すなわち、10ミリ秒台または
それ以下）走査るための比較的簡単な装置は知ら
れていない。そのような装置は、研究室における
診断実験、汚染物質および有毒ガスの遠隔検出装
置、およびある種のレーザ兵器などにおける分光
的測定において特に有用である。
〔発明の概要〕
本発明は、光共振空洞を形成する第１と第２の
反射器を有し、かつ、反射器の一方が連続して回
転させられるにつれて、レーザの増幅媒体により
放射された光から種々の波長の光を順次選択し、
選択した光をレーザの増幅媒体を通る光路に沿つ
て個々に導くようにされる分散器を含むレーザを
開示するものである。
本発明の好適な実施例においては、全ての面が
ほぼ全反射面である正多角形の固体がそれの中心
軸を中心として連続回転させられ、その正多角形
が回転させられるにつれてそれの面から１つの、
そしてただ１つの波長の光を順次反射させるよう
になつている。その多角形固体とともに断続的に
動作させられる増幅媒体が用いられる。レーザが
断続的に動作させられるたびにその増幅媒体から
放射された光パルスが多角形固体の種々の面へ異
なる入射角で入射するように、断続動作の時刻が
遅らされる。増幅媒体により放射された光に含ま
れている１つの、そしてただ１つの波長の光がレ
ーザの長手軸に沿つて導かれるように、種々の入
射角が選択される。多角形固体の面自体にリツト
ロウ形状の格子を設けることもできれば、多角形
の面がリツトロウ形状の１つの格子へレーザビー
ムを反射させるようにすることもできる。
本発明は、レーザを多数の波長にわたつて迅速
に同調する方法も開示するものである。
短い時間間隔をおいて隔てられているパルス対
を含む二重パルスを用いる方法と装置も開示され
る。
以下、図面を参照して本発明を詳しく説明す
る。
〔実施例〕
第１図は本発明の第１の実施例10を示すもので
ある。この実施例においては、たとえば
CO2TEAレーザのようなレーザ１２が利得媒体
部１４と、部分反射器（たとえば半透明平面鏡）
１６と、ほぼ全反射する反射器１８とを含む。反
射器１６と１８はレーザ１２のための共振空洞を
形成する。CO2TEAレーザの利得媒体部１４は
CO2（およびN2、CO、Xe、Heなどのような他の
気体）であり、プラズマ管２０の内部にとじ込め
られる。このプラズマ管はブリユースター角に設
定されているブリユースター窓２２によりふたを
されて、直線偏波の選択された向きの光だけを反
射器１８へ全て送る。
反射器１８は横断面が一様な多角形の固体でな
るべく作り、その多角形の各面２４は同一であつ
て、隣りの面に同じ角度で交わるようにする。反
射器１８の中心軸は軸２６に一致する。その多角
形横断面としては第１図に示す六角形が便利であ
る。多角形の面２４は反射格子、すなわち、リツ
トロウ構成にできる。先に説明したように、レー
ザ１２からの光ビーム２７の入射角を変えること
により、その光ビーム２７中の種々の波長の光を
個々に選択して、その光をレーザ１２の長手軸す
なわち振動軸２８に沿つて伝えることができる。
そのように選択された光の半波長の積分数
（integral number）が共振空洞の長さに等しい
時は、出力レーザビーム３０が発生される。
CO2レーザの場合には、利得媒体部１４が励起
されると、CO2分子の３つの振動エネルギーレベ
ルの数多くの回転エネルギー幅レベルのために、
ビーム２７中の70以上の放射された光の波長でレ
ーザを動作させることが可能である。それらの波
長はCO2スペクトルの９ミクロンおよび10ミクロ
ンの波長帯のＲ分岐とＰ分岐中に現われる。10ミ
クロンの波長帯が第３図に示されている。
反射器１８は同期電動機３１により軸２６を中
心として回転させられる。軸２６は角度符号器３
２（第２図）まで延びる。面２４の角度位置は軸
２６に平行な基準平面について決定される。
理想的には、反射器１８の新しい各面２４を軸
２８が交差している間にレーザ１２はパルス光ビ
ームを発生するように構成される。各面２４はな
るべく同一に構成し、レーザ１２にそのような時
刻に脈動的に動作するようにし、光ビーム２７に
より放射された光の１つ、そしてただ１つの波長
を軸２８に沿つて反射するように選択された種々
の角度で光ビーム２７が面２４に入射するように
するとよい。したがつて、70の波長を対象とする
ものとすると、反射器１８の新しい面２４が軸２
８に関して正しい位置にくるたびに、対象とする
70の波長が軸２８に沿つて順次、個々に反射され
るように、面２４への70種類の光ビームの27の入
射角（すなわち、(1)式からθ）が選択されること
が好ましい。
一連の波長を走査するのに適当な電子装置の一
例が第１図に示されている。角度符号器３２はパ
ルスカウンタ３４とともに動作するように構成さ
れる。角度符号器３２は、たとえば、１つの面と
それの周縁部に等しい間隔で1000個のマークが配
置された円板（図示せず）を含むことができる。
その円板は反射器１８とともに回転する。また、
その円板に基準マークが設けられ、または1000個
のマークのうちの１個を他のマークと区別できる
ようにすることができる。基準マークがカウンタ
３４に含まれているマーク検出器（図示せず）の
近くを通つた時に、カウンタ３４はリセツトされ
る。その後で、カウンタ３４はマークの数をカウ
ントし、比較器３６がそのカウント数を第１の数
（△１）と比較する。第１の数△１は対象とする
第１の波長（λ1）に対応し、その第１の数は粗
選択メモリ場所３８に格納される。カウンタ３４
のカウント数が△１に等しい時は、比較器３６か
らの信号により精密タイミング遅延器４０が動作
可能状態にされる。その精密タイミング遅延器４
０が動作可能状態にされる。その精密タイミング
遅延器４０は、それからの出力信号を、波長λ1
に対応する第１の遅延時間（T1）により決定さ
れて、精密選択メモリ場所４２に格納されている
時間だけ遅延させる。第２の比較器４４が時間
T1を、比較器３６からの信号が精密タイミング
遅延器４０へ与えた時からの経過時間と比較し、
両者が等しい時は比較器４４はレーザ１２のパル
ス形成回路４６をトリガする。
ある特定のレーザ１２に対しては、パルス形成
回路４６のトリガとレーザ１２の発振の開始の間
に更に遅延時間が存在する。これを補償するため
に、精密遅延時間（T1、T2、T3、……Tn）が
精密選択メモリ４２に格納されて、求められてい
る時刻にだけレーザ１２が動作を開始するように
する。
1000個の基準マークのうちの２個のマークの間
に含まれる角度符号器３２（および面２４）の角
度位置においてレーザを動作できるように、精密
遅延時間Tnが選択される。これにより面２４へ
のビーム２７の入射角を精密に選択できる。もち
ろん、ビーム２７が正しい角度θ1，θ2，θ3，……
θnで面２４に入射するように、装置１０による
面２４の角度位置の識別とレーザ１２の動作開始
との間には装置１０の固有の遅延時間が存在する
から、装置１０の電子装置は、反射器１８が(1)式
により決定される角度位置にくる前に、ある特定
の波長に合わせてレーザ１２を動作させるために
レーザ１２に合図するように構成させねばならな
い。すなわち、レーザ１２の動作開始時刻の決定
においては反射器１８の回転速度を考慮に入れな
ければならない。
第１図に示されている電子装置は別の好適な諸
特徴も示すものである。選択器４８は、粗メモリ
５０と精密メモリ５２にそれぞれ格納されている
種々のｎ値とTn値を順次選択し、格納すること
を粗選択器３８と精密選択器４２に自動的に指令
するように構成される。なるべくなら、選択器４
８は、レーザ１２の各動作開始後にメモリ５０，
５２から検索したデータの場所を増加させるため
に、粗選択器３８と精密選択器４２に指令する。
もちろん、第１図に示す電子装置はマイクロプロ
セツサで構成できる。更に、ビーム２７に含まれ
ている種々の波長パターンを選択できるように、
すなわち、ランダム選択性能が含まれるように、
選択器４８はなるべく再プログラムできるように
する。
装置１０においてとくに有利なことは、軸２６
を中心として一定の角速度で回転する反射器１８
のことである。これにより面２４の角度位置を常
に正確に決定することが簡単となり、角度位置お
よび２個の基準マークの間にある対象とする角度
位置を決定するために角度符号器３２がそのよう
な基準マークを用いる時にはとくにそうである。
第２図は、反射器１８のほぼ一定の回転角速度
を得られる、本発明の装置の一部（それから第３
図に示すデータが得られる）を示すものである。
その部分にはヒステリシス同期電動機５４を用い
た。この同期電動機としてはボーデイン・エレク
トリツク社（Bordin Electric Company）製の
NCH―13型ヒステリシス同期電動機を用いた。
電動機５４は軸２６，２８により鋼製の円筒形部
材５６に連結した。軸２６，５８はスリーブ６０
の中に挿入した。スリーブ６０は熱間圧延鋼で製
作し、電動機５４からの震動が軸２６に到達する
前に減衰させられるようにスリーブ６０は極めて
軟かくした。非常に高品質の軸受（すなわち、
ABECNo.７級）（図示せず）が軸２６をスリーブ
６０の内部に地面と高度に平行な関係で支持し
た。また、軸５８の回転速度の変動が円筒形部材
５６の回転速度に及ぼす影響を最少限にするため
に、大きい回転質量（すなわち、約３〜４Kg（数
ポンド））が円筒形部材５６として含めた。最後
に、震動による影響を一層減衰させるために軟か
い取付台６２を設けた。
ただ１つの多角形格子６４が用いられているこ
とに第２図において注意されたい。格子６４の線
の数は１mm当り130本であつた。レーザ１２とし
てはタキスト・トラツク（Tachisto Trac）
II215A型TEAレーザを用いた。第３図に示すデ
ータは、各波長λnごとに粗選択数△ｎと精密遅
延時間Tnを手動で選択することにより得たもの
である。符号器３２としてはテレダイン・ガーレ
イ（Teledyne Gurley）製の光学的角度符号器、
カタログ番号8625―100―012―10Sを用い、パル
スカウンタ３４としてベツクマン（Beckman）
製のプリセツト可逆累算器を用い、精密遅延クロ
ツク４０としてバークリイ・ニユークレオニクス
社（Berkely Nucleonics Corporation）製の
7055型デジタル遅延発生器を用いた。
第３図に示されているデータを得るために用い
られる電動機５４のための電気的駆動装置が第４
図に示されている。その電気的駆動装置において
は、電動機５４を1000rpmsで回転させるために、
低周波電力増幅器６６，６８が正弦波発振器７０
により駆動される。低周波電力増幅器６６，６８
としてはマツキントツシユ（Mclntosh）製のMC
―60Sを用い、正弦波発振器７０としてはヒユー
レツト・パツカード（Hewlett Packard）製の
208A型試験発振器を用いた。
第３図に示すデータは装置１０を10ミリ秒また
はそれより短い時間でCO3の回転レベル線の間で
全く同調できることを示すものである。
CO2TEAレーザの９ミクロン帯と10ミクロン帯
のＰ分岐とＲ分岐を走査するために必要な、格子
６４へのビーム２７の入射角θの変化は９度以下
であつた。円筒形部材５６の両側の表面に２つの
平らな部分（図示せず）が形成され、一方の平ら
な表面に格子６４が置かれ、他方の表面に釣合を
とるための板が置かれる。
面２４へビーム２７のパルスが入射している間
に面２４の位置が変化するためにTEAレーザに
非常に小さいチヤープが導入される。しかし、反
射器１８の角速度と比較してパルスの持続時間は
非常に短い（TEAレーザの場合には70ナノ秒台）
から、装置１０を用いて行われる測定は一般に影
響を受けない。しかし、ある特定の用途に対して
は別の電子装置を必要とすることがある。第３図
に示されているデータの場合には、チヤープは
5MHz／μsecと計算される。１mm当り130本の線を
有する格子６４では第３図に示されているデータ
に対しては隣接する出力パルスが多少重なり合う
ような形に出力パルスを形成できるが、個々のパ
ルスの形を良く整えることができる。隣接する出
力パルスを一層分離させるために分解能がより高
い格子を採用できる。
本発明の別の実施例が第５図に装置２７として
示されている。図示を明確にするために、装置１
０と６６の間の対応する構造には同じ番号をつけ
て示している。装置７２の別の特徴は、反射器１
８の代りにほぼ全反射する多角形の反射鏡７４を
別の格子７６に組合わせて用いることである。そ
の格子７６は静止しているからその構造は簡単で
ある。装置７２は装置１０より大幅に安価となる
ようであり、反射鏡の面の間の角度の許容誤差が
小さい多角形反射鏡は市販されている。
遠隔検出の用途では、２つの異なる波長のパル
ス対（第６図ではパルス８０と８２）を100μ秒
またはそれ以下のパルス間隔７８で放射すると有
利である。２個のパルス８０と８２の一方が基準
波長を表し、他方はλ，１，２，３，……ｎに同
調できる波長のプロービングパルスを表す。それ
らのパルスの強さは等しい。
この二重パルス技術の目的を第７図を参照して
説明することにする。吸収曲線８４，９０をそれ
ぞれ有する第１と第２の気体状汚染物質を測定す
るものとする。それらの汚染物質に波長がそれぞ
れ８６，８８の第１のパルスと第２のパルスを照
射する。それらのパルスの間隔は100μ秒または
それ以下である。波長８８は第１の気体状汚染物
質による吸収と散乱によりあまり影響を受けない
ように選択され、波長８６は強く影響を受けるよ
うに選択される。第１のパルスと第２のパルスが
第１の媒体を通つた後で波長８６，８８における
光の強さが測定される。それらの光の強さの比が
第１の汚染物質を特徴づけるものである。したが
つて、未知の気体中に第１の汚染物質が存在する
か否かはこの方法により容易に決定できる。同様
に、波長が９２と９４のパルスを用いることによ
り第２の汚染物質を検出できる。２つのパルスが
同一の大気条件におかれるように、測定対象であ
る気体をパルスの間で「凍結」するために、プロ
ーブパルスと基準パルスの間隔はなるべく100μ
秒またはそれ以下にする。乱気流のような大気の
事象は典型的には10Hzの周期で変動する。
二重パルス技術を実現するための１つの装置が
第８図に示されている。狭い間隔の２個のパルス
を１つのTEA利得部では発生できないから、
TEAレーザ９７においてはロゴウスキー
（Rogowsky）電極９６が用いられる。この制約
は、第１の放電により強いイオン化が行われ、そ
の結果として第２の放電の際にアーク放電が生
じ、そのアーク放電によりTEAレーザにおける
気体の一様な励起が阻害される。実際には、
TEAレーザは気体の流量に応じて100〜1000Hzの
繰り返えし周波数に制限される。
第２図に示す装置においては、共振器の折り返
えされた構造により二対の電極が設けられる。そ
うすると、パルス対は、両方のパルス形成回路網
９８，１０６を、放射される２本の線の波長の隔
りに対応する特定の遅延時間をおいてトリガする
ことにより発生される。この動作は単一レーザ出
力パルスの同調に関連して述べたのと同様なやり
方で行われる。しかし、いまの場合には、格子１
００の格子面ごとに２つの波長（一方が基準波
長、他方がプローブ波長）が放射される。レーザ
９７における振動は第８図の１点破線に沿つて起
る。ブリユースター窓１０２は気体をレーザ９７
の内部に閉じ込めることを容易にし、隅の反射器
１０４は出力ビーム１０８を半透明鏡１１０を通
つて導く。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のパルスCO2TEAレーザのブ
ロツク斜視図、第２図は第１図のうち同期電動機
と改造された回転可能な格子を含む部分の線図、
第３図は第２図に示す構造を含む第１図の改造し
た装置から得た出力データを示すグラフ、第４図
は第１図に示す同期電動機用の電気的駆動装置の
ブロツク回路図、第５図は本発明の他の実施例を
示す概略図、第６図は短い時間間隔をおいて隔て
られている２個の出力パルスの強さと時間の関係
を示すグラフ、第７図は二重パルス装置により識
別される２種類の気体の吸収度と波長の関係を示
す２つのグラフ、第８図は本発明の二重パルス装
置の線図である。 １６…部分反射器、１８，７４…全反射器、２
０…プラズマチユーブ、２２…ブリユースター
窓、３２…角度符号器、３４…パルスカウンタ、
３６，４４…比較器、３８…粗選択器、４０…遅
延器、４２…精密選択器、４６，９８，１０６…
パルス形成回路網、５０…粗メモリ、５２…精密
メモリ、５４…同期電動機、６４，７６，１００
…格子。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 光を部分的に反射する第１の反射手段と、 光を部分的に反射し、上記第１の反射手段と協
    働して光空洞を形成する第２の反射手段と、 上記光空洞内の媒体にして、上記第１および第
    ２の反射手段の間の軸線により定まる第１の軸に
    沿つて複数の光波長にてレーザ動作を行える媒体
    と、 選択した時刻に上記媒体を上記レーザ動作の状
    態に励起し、上記第１の軸に沿つてその選択した
    時刻にレーザ光パルスを発生させる励起手段とを
    備え、 上記第２の反射手段は、第２の軸を中心に連続
    的に回転してその第２の軸に直交する断面の形状
    が正多角形である回転体を有するとともに、少な
    くとも１つの格子を有していて、上記回転体の回
    転につれて、上記レーザ光パルスの少なくとも幾
    つかから、そのレーザ光パルスそれぞれごとに１
    つの光波長を選択し、もつて種々の光波長を順次
    選択し、かく選択した光波長のものを順次上記第
    １の軸に沿つて導くように、上記回転体および格
    子は組み合わされており、 更に、上記回転体に結合され、上記励起手段の
    ためにタイミング・パルスを選択した時刻に与
    え、それにより選択した上記光波長にてレーザ光
    パルスを生じるようにするための角度符号化手段
    と、 上記種々の光波長の特定の光波長の選択に必要
    である符号化された特定の角度がランダム選択に
    従つて決定された時に上記励起手段をトリガする
    手段とを備えることを特徴とする迅速同調レー
    ザ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の迅速同調レーザ
    において、上記第２の反射手段は、複数の格子を
    上記回転体の表面の上に形成したものであること
    を特徴とする迅速同調レーザ。
JP58179075A 1982-09-30 1983-09-27 迅速同調レーザ Granted JPS5984487A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/431,930 US4601036A (en) 1982-09-30 1982-09-30 Rapidly tunable laser
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