JPH02500943A - ラーマン空洞ダンプレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ｌｉｉ）光子強度がしきい値を越えたときに光子を吸収し、第２の周波数で光 子を放射する散乱媒体とを具備するレーザシステム。

９、第１の周波数において反射性である第１の反射器と、第１の周波数において レーザ光を与えるレーザ媒体と、第１の周波数において実質上透明である表面と 、第２の反射器であって、 （１）第１の周波数において実質上透明であり、（１１）第２の周波数において 反射性である第２の反射器と、第２の反射器から受けた光を焦点に集中させるた めの集中レンズと、 ０）レーザ光の強度がしきい値を越えたときのみレーザ光の顕著な量を吸収し、 （１１）それに応答して第２の周波数において光を放射するラーマン媒体と、 ラーマン媒体から受けた光をコリメートするためのコリメートレンズと、 第１の周波数において反射性であり、第２の周波数において実質上透明である第 ３の反射器とをこの順序で光路に沿って具備しているレーザシステム。

１０、１０８４ナノメータにおいて反射性である第１の表面（Ｓｌ）と、 １０６４ナノメータにおいてレーザ光を与えるレーザ媒体（３）と、 １０６４ナノメータにおいて実質上透明である第２の表面（Ｓ２）と、 １５４２ナノメータにおいて反射性であり、１０６４ナノメータにおいて実質上 透明である媒体（２２）と、１０６４ナノメータおよび１５４２ナノメータにお いて実質上透明である集中レンズ（２Ｂ）および約６９気圧の圧力のメタンを含 むラーマンセル（２０）と、 １０６４ナノメータおよび１５４２ナノメータの両者において実質上透明である 媒体（３０）と、・ １（１Ｂ４ナノメータおよび１５４２ナノメータの両者において実質上透明であ るコリメートレンズ（３３）と、１０６４ナノメータにおいてほとんど１００％ に近い反射率でありおよび１５４２ナノメータにおいては１２％より低い反射率 である媒体（１８）であって、（ａ）の第１の表面および（１）の媒体が（ｂ） のレーザ媒体のための共振空洞を形成している媒体（１８）とをこの順序で光路 に沿って具備し、 （ｒ）のラーマンセル数は、（１）レーザ光子の強度がしきい値を越えたとき１ ０６４ナノメータにおいてレーザ光子を吸収して光子のポピュレイションを実質 的に枯渇させ、（２）　（ｉ）の媒体を通過する１５４２ナノメータにおけるラ ーマンシフトされた光子を放射するレーザシステム。

１１、レーザ作用中空洞内にラーマン媒体を維持し、ラーマン媒体はレーザ光子 の強度が充分に大きいときにＱを低下させるように作用して刺激されたラーマン 放射を誘起させるステップを含むレーザ空洞のＱを低下させる方法。

１２、光空洞中にレーザ光子の増加したポピュレイションを設定し、一方空洞中 に含まれたラーマン媒体を光子に通過させ、刺激されたラーマン放射が生じたと きには空洞のＱを変。

えて共振を減少させ、空洞からの光の伝送を促進させるステップを含むレーザ光 の周波数のシフトを生成する方法。

明　細　書 ラーマン空洞ダンプレーザ ［発明の背景］ １、発明の分野 この発明はレーザシステムに関するものであり、特に共振空洞のＱが通常のシャ ッターを使用することなく刺激されたラーマン効果の使用によって低下されるシ ステムに関するものである。

２、論　説 第１図に示すように典型的なレーザは２個のミラー６と９の間に配置されたレー ザ媒体３を有している。ミラー間の間隔１２はレーザ周波数の半波長の整数倍で ある。すなわち、距離１２はＮ×λ／２に等しい。ここでＮは整数であり、λは 波長である。それ故ミラー６と９は波長λにおける定在波を生じる空洞を形成す る。

Ｑはフィギュア・オブ・メリットであり、それは空洞の共振のシャープさを表わ す。Ｑスイッチングと呼ばれる技術がレーザ空洞から短い、強い光のバーストを 得るためにしばしば使用される。

Ｑスイッチングにおいては、シャッター１５が閉じられ、ミラーの一方、この実 施例の場合はミラー９を遮蔽し、それによって光子がミラー間で前後に移動する のを阻止する。閉じたシャッターは空洞のＱを減少（低下）させることによって 発振を阻止する。発振がないと、刺激された放射は抑制され、レーザ媒体３中の 増加されたポピュレイション反転が増進される。シャッター１５が開かれたとき 空洞は高いＱとなり、ミラー６と９との間の反射が再び行われ、それによって放 射が刺激され、ポピニレイション反転の枯渇を可能にする。枯渇は迅速であり、 その結果短い強力な光パルスが生じる。

いくつかの形式のシャッターが使用できる。電子・光学的、磁気・光学的、音響 ・光学的変調器が使用されることができ、また充分な光子の存在において透明に なる漂白可能な染料も使用されることができる。また回転ミラーも使用できる。

しかしながら、染料スイッチを除くこれらのシャッターの全ては高価である。染 料スイッチに関してはある環境条件が染料Ｑスイッチの使用を不可能にしている 。

短い光パルスを発生するためにＱスイッチングによるラーマンセルを使用する研 究が行われた。例えば文献（Ｒ，Ｆｒｅｙ。

Ａ、ｄｅＭａｒｔｉｎｏおよび）’、Ｐｒａｄｅｒｅ　”０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔ ｔｅｒｓ、　８巻Ｎｏ、８゜４３７頁、１９８３年８月）には第１のストーク周 波数で短いパルスを発生するためのイントラ空洞ラーマンセルの使用について述 べている。さらに別の文献（Ｆ、ｄｅＲｏｕｇｅｍｏｎｔ　、　ＤｉｎｇＫｏｎ ｇ　Ｘ１ａｎ、　Ｒ，ＦｒｅｅｙおよびＦ、Ｐｒａｄｅｒｅ　”０ｐｔｉｃｓ　 Ｌｅｔｔｅｒｓ”９巻Ｎｏ、ｌＯ、４６０頁、１９８４年１０月）では第２のス トーク周波数で短いパルスを発生するために使用される第１のストーク周波数の 高いＱの共振器の使用について述べている。しかしながら、これらの研究者は全 てそれらの装置において通常のＱスイッチを使用している。

［発明の目的］ この発明の目的は、改善されたレーザシステムを提供することである。

この発明の別の目的は、通常のＱスイッチを使用せずに短い光パルスを生成する レーザシステムを提供することである。

この発明のさらに別の目的は、レーザ周波数からシフトされる周波数において光 を生成するレーザシステムを提供することである。

［発明の要約］ この発明の１形態においては、２個の反射器が共振空洞を形成する。空洞はレー ザ媒体およびラーマン媒体の両者を含んでいる。レーザ媒体はラーマン媒体を通 過するレーザ光子を生成する。レーザ光子の強度がしきい値（それは使用される ラーマン媒体の特性である）に到達したとき、ラーマン媒体はレーザ光子を吸収 して、それによってレーザ光子のポピュレイションを枯渇させる。この時ラーマ ン媒体は光を再放射するが、それはストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）周波数と呼ばれ るレーザ周波数からシフトされた周波数である。さらに再放射された光はコヒー レントである。

［図面の簡単な説明］ 第１図は、通常のレーザを示す。第２図および第３図は、この発明の１形態を２ つの異なった動作位相において示す。

第４図は、この発明の出力強度対時間の特性である。

［発明の詳細な説明］ 第２図および第３図はこの発明の１形態を示している。各図の部品は同一である が、この発明の２つの異なった動作位相を示すために異なった部品はそれぞれに おいて強調されている。

第２図において、レーザ媒体３は直径４．３ｍ■、長さ４５ｍｍのＮｄ　：ＹＡ ＧＧロッドであり、表面Ｓｌはほぼ１００％の反射率になるように被覆され、表 面Ｓ２は非反射性に被覆され、両方の被覆は１０６４ナノメータにおいて有効で ある。反射器１８は表面Ｓ３を１０６４ナノメータにおいてほぼ１００％の反射 率になるように被覆された光学的に平坦なりＫ７である。また反射器１８は両方 の表面Ｓ３およびＳ４を含む全体の反射率が別の波長、即ち１５４２ナノメータ においてはほぼ１２％（またはそれより下）であるように被覆されている。長い 波長におけるこの後者の、より小さい反射率の意義については後述する。

表面Ｓ１と８３との間の光学的距離は４８．７ｅ■である。以上説明した装置は 反射器として作用する表面Ｓｌと８３とにより１０６４ナノメータにおけるレー ザ媒体３のレーザ作用のための共振空洞を与える。この空洞はＳＩ　Ｓ３空洞と 呼ばれる。

レーザ媒体３はＬＣパルス放電回路を使用するクセノンフラッシュランプによっ てホンピングされる（ランプおよび回路は示されていない）。Ｌの値は２５マイ クロヘンリーであり、Ｃの値は２５．３マイクロフアラツドである。

フラッシュランプの点火において、Ｓｔ　Ｓ３空洞は１０６４ナノメータで発振 する。しかしながら、レーザ光の強度がそのしきい値に到達するときラーマン媒 体２’Ｏは第３図に関連して以下説明するように活性になる。

第３図において、１０６４ナノメータにおいて約２％の反射率で、１５４２ナノ メータにおいて９８％以上の反射率になるように被覆された光学的に平坦なりＫ ７である反射器２２は、反射器１８と共同して１５４２ナノメータにおいて低い Ｑの空洞を与える。

反射器２２の表面はＳ５として示され、そのためこの低いＱの空洞はＳ３　Ｓ５ 空洞と呼ぶことができる。上述のように１５４２ナノメータにおける反射器１８ の反射率は１２％以下である。これは反射器１８および２２に低いＱの空洞を形 成させる。何故ならば、１５４２ナノメータにおいて反射器１８に入射する光子 の大部分は反射されず矢印２４で示すように透過されるからである。

この低いＱの空洞内には約６９気圧に加圧された容器中にメタン（ＣＨ４）の形 態でラーマン媒体が含まれている。左側の窓２６はは＋６３ａｍの焦点距離のＢ Ｋ７メニスカス（ｍｅｎｉｓｃｕｓ）レンズであり、それは１０６４ナノメータ および１５４０ナノメータで非反射性の被覆をされている。このメニスカスレン ズは波形矢印２８によって示されているようにメタン中に入力するレーザ光に焦 点を結ばせる。右側の窓３０は１０６４ナノメータおよび１５４２ナノメータで 非反射性の被覆をされている光学的に平坦なりＫ７である。再コリメートレンズ ３３は＋５０ｆｌｌｆｌｌの焦点距離のＢＫ７メニスカス（ｍｅｎｉｓｃｕｓ） レンズであり、１０６４ナノメータおよび１５４２ナノメータで非反射性の被覆 をされている。

この後者のレンズは波形矢印３７で示されているようにラーマンセルから出る光 子を再コリメートするように作用する。

ラーマン媒体２０に対する強度しきい値に到達したとき刺激されたラーマン散乱 が発生し、ラーマン媒体の特徴である第１のストークス周波数において光子４０ の生成を行う。この場合に、波長は１５４２ナノメータであり、以下のように計 算される。メタンに対する振動周波数は２９１４ｃｍ−”である。１０６４ナノ メータのレーザ波長は９３９９ｃ＋ａ−１の周波数に変換される。これら２つの 周波数の差、すなわち、６４８５ｃｍ−１は１５４２ナノメータにおける第１の ストークスラインの波長に対応している。

第４図は装置の出力のオシロスコープ表示の例である。

特性は１５４２ナノメータにおける放射の強度対時間特性である。インジュウム ガリウムひ素フォトダイオード検出器が、４００ＭＨｚの帯域幅を有する蓄積オ シロスコープと共にパルスを記録するために使用された。平均出力エネルギはゲ ルマニウムフォトダイオード検出器を使用して約２ミリジユールであることが測 定された。

この発明のいくつかの重要な点について以下説明する。

１、この発明は、通常のＱスイッチングを使用しないで高い強度の光パルスを出 力する。上述のようにエネルギは約２ミリジユールであり、パルス継続時間は第 ４図に示すように約３．５ナノ秒である。さらに出力は１次レーザ波長（１０６ ４ナノメータ）からシフトされた波長（１５４２ナノメータ）である。

２、第４図に関連して記載されているようにフラッシュランプの単一のフラッシ ュに応答して単一のパルスが得られる。

この発明は第３図および第４図におけるレーザ３を連続波（ＣＷ）レーザに置換 することによってパルス列を得ることを可能にする。この場合に、刺激されたラ ーマンしきい値に到達したとき、ラーマン媒体２０は迅速にレーザ光子ポビュレ イションを枯渇させ、ストークス周波数で放射する。これに続いてラーマンしき い値にれ−ざ光子ポピュレイションを再び蓄積するためにある長さの時間が必要 である。この再蓄積されたとき再び吸収が発生して第１のストークス周波数で連 続したパルス列が生じる。

３、この発明は少なくとも一つの観点において通常のＱスイッチレーザと基本的 に異なった方法で動作する。この相違を説明するためにＱスイッチを過度に単純 化して以下説明する。

Ｑスイッチングにおいては、エネルギ蓄積が電子のポピュレイション反転の形態 で生じる。すなわち、電子は１つ（またはいくつか）の高いエネルギレベルへ昇 進される。それがら空洞が高いＱに切替えられたとき刺激放射が生じる。しかし ながら、充分なポビュレイション反転がＱスイッチングの時に存在しなければな らないことは明白である。再び言うが自然発生的な転移の割合いまたは電子の減 衰はＱスイッチングの時に充分な数が高いエネルギ状態に残る場合よりも充分に 低くなければならない。

この発明においては、刺激ラーマン散乱はレーザ光子のポビュレイション（レー ザ媒体中の増加された電子のポビュレイシジンではない）がラーマンしきい値を 越えたときに生じる。それ故、レーザ媒体は上述のＮｄ：ＹＡＧよりも速い自然 減衰率を有して使用されることができる。刺激放射が生じるまでポビュレイショ ン反転を維持する機構はＱスイッチングにおける場合のようにこの発明では支配 的ではない。

別の観点では、Ｑスイッチングにおいてレーザ出力は空洞のＱが高い時に得られ る。この発明においては、出力は５１Ｓ３空洞が低い時に得られる。

この発明は高いＱの空洞（ＳＩ　Ｓ３空洞）が低いＱの空洞（Ｓ３　Ｓ５空洞） を含んでいる実施例により説明されている。

高いＱの空洞は１波長、例えば１０６４ナノメータに同調され、一方低いＱの空 洞はそれより長い波長、例えば１５４２ナノメータに同調される。ラーマン媒体 は低いＱの空洞中に含まれている。レーザは高いＱの空洞中に含まれ、レーザ、 高いＱの空洞、および低いＱの空洞は全て共通の光学経路を共有している。

レーザがポンプされるとき、高いＱの空洞はレーザ光子のポピュレイションを増 加させる。この増加中ラーマン媒体はレーザ光子のポビュレイションに対して実 効的に透明である。

しかしながら、光子のポピュレイションがしきい値に到達すると、ラーマン媒体 はレーザ光子を吸収してそれを刺激されたラーマン効果によってシフトされた周 波数で再放射する。

ラーマン媒体による吸収は高いＱの空洞（ＳＩ　Ｓ３空洞）のＱを低下させる。

以下の請求の範囲に記載されたこの発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の 置換または変形を行うことが可能である。

二ズ＝＝＝、己。

ニコ＝匡＝コ・ｂ・ 国際調査報告 １−０“＾＠ｔｈ＠＋″胃・　ＰロＴ／ＵＳＢＳ１０２２ムロＳＡ　２３７５２

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザ光子の強度がしきい値を越えたときに共振空洞のＱを低下させるラー マン媒体を含むＱ低下装置を具備しているレーザシステム。
2. ２．光空洞中にレーザ媒体を具備しているレーザシステムにおいて、空洞内にラ ーマン媒体が含まれているレーザシステム。
3. ３．第１の周波数において低い反射率の反射器を有する低いＱの空洞と、 この低いＱの空洞内に含まれているラーマン媒体と、第１の周波数においてラー マン媒体中に刺激されたラーマン放射を誘起するレーザとを具備し、第１の周波 数における光の伝送が反射器を通って生じるレーザシステム。
4. ４．ラーマン媒体と、 このラーマン媒体中に光を投射するレーザと、ラーマン媒体およびレーザを含む 光空洞と、光空洞から刺激されたラーマン放射によって生成された光子を導く手 段とを具備するレーザシステム。
5. ５．レーザと、 ラーマン媒体中にレーザ光の焦点を結ばせるためのレンズと、 ラーマン媒体から受けた光をコリメートするためのコリメートレンズと、 刺激されたラーマン散乱によって生成された光子がレーザに向かって移動するこ とを阻止する反射器とを具備するレーザシステム。
6. ６．ラーマン媒体がガス状のメタンから構成されている請求項５記載のレーザシ ステム。
7. ７．レーザ光源と、 （ｉ）レーザ光がしきい値を越えた時にのみレーザ光を吸収し、 （ｉｉ）吸収に応答して、しかしレーザ光とは異なった周波数で光を放射し、 （ｉｉｉ）上記に（ｉ）および（ｉｉ）を繰返して異なった周波数でパルスを生 成する手段とを具備している連続的レーザ源からパルス光を得る装置。
8. ８．第１の周波数において光子を与えるレーザ媒体と、（ｉ）レーザ媒体から光 子を受け、 （ｉｉ）光子強度がしきい値より下であるときは光子に実質上透明であり、 （ｉｉｉ）光子強度がしきい値を越えたときに光子を吸収し、第２の周波数で光 子を放射する散乱媒体とを具備するレーザシステム。
9. ９．第１の周波数において反射性である第１の反射器と、第１の周波数において レーザ光を与えるレーザ媒体と、第１の周波数において実質上透明である表面と 、第２の反射器であって、 （ｉ）第１の周波数において実質上透明であり、（ｉｉ）第２の周波数において 反射性である第２の反射器と、第２の反射器から受けた光を焦点に集中させるた めの集中レンズと、 （ｉ）レーザ光の強度がしきい値を越えたときのみレーザ光の顕著な量を吸収し 、 （ｉｉ）それに応答して第２の周波数において光を放射するラーマン媒体と、 ラーマン媒体から受けた光をコリメートするためのコリメートレンズと、 第１の周波数において反射性であり、第２の周波数において実質上透明である第 ３の反射器とをこの順序で光路に沿って具備しているレーザシステム。
10. １０．１０６４ナノメータにおいて反射性である第１の表面（Ｓ１）と、 １０６４ナノメータにおいてレーザ光を与えるレーザ媒体（３）と、 １０６４ナノメータにおいて実質上透明である第２の表面（Ｓ２）と、 １５４２ナノメータにおいて反射性であり、１０６４ナノメータにおいて実質上 透明である媒体（２２）と、１０６４ナノメータおよび１５４２ナノメータにお いて実質上透明である集中レンズ（２６）および約６９気圧の圧力のメタンを含 むラーマンセル（２０）と、 １０６４ナノメータおよび１５４２ナノメータの両者において実質上透明である 媒体（３０）と、 １０６４ナノメータおよび１５４２ナノメータの両者において実質上透明である コリメートレンズ（３３）と、１０６４ナノメータにおいてほとんど１００％に 近い反射率でありおよび１５４２ナノメータにおいては１２％より低い反射率で ある媒体（１８）であって、（ａ）の第１の表面および（ｉ）の媒体が（ｂ）の レーザ媒体のための共振空洞を形成している媒体（１８）とをこの順序で光路に 沿って具備し、 （ｆ）のラーマンセル数は、（１）レーザ光子の強度がしきい値を越えたとき１ ０６４ナノメータにおいてレーザ光子を吸収して光子のポピュレイションを実質 的に枯渇させ、（２）（ｉ）の媒体を通過する１５４２ナノメータにおけるラー マンシフトされた光子を放射するレーザシステム。
11. １１．レーザ作用中空洞内にラーマン媒体を維持し、ラーマン媒体はレーザ光子 の強度が充分に大きいときにＱを低下させるように作用して刺激されたラーマン 放射を誘起させるステップを含むレーザ空洞のＱを低下させる方法。
12. １２．光空洞中にレーザ光子の増加したポピュレイションを設定し、一方空洞中 に含まれたラーマン媒体を光子に通過させ、刺激されたラーマン放射が生じたと きには空洞のＱを変えて共振を減少させ、空洞からの光の伝送を促進させるステ ップを含むレーザ光の周波数のシフトを生成する方法。