JPH04192577A - レーザ周波数掃引装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、レーザ光の発振スペクトルが照射対象粒子
（以下、単に照射対象という）の光吸収スペクトル幅を
覆うようにしたレーザ周波数掃引装置に関し、特に電圧
値の低い電圧信号を用いて周波数掃引量（周波数変化量
）を確保できるレーザ周波数掃引装置に関するものであ
る。　　　　□［従来の技術］ 一般に、色素レーザ媒質を用いたレーザ光は、可視領域
を中心とする前後の紫外領域及び近赤外領域で連続的に
波長を変更できるため、分光学の分野で用いられており
、例えば、照射対象が有する光の吸収作用を利用して照
射対象の選択励起又は同位体分離等に用いられている。

このとき、照射対象の光吸収特性は、光の周波数に対し
である程度の幅を有しているので、高効率な選択励起を
行うためには、照射対象の光吸収スペクトルを十分に覆
う発振スペクトルからなるレーザ光が要求される。

従来より、周波数掃引された色素レーザ光は、照射対象
の光吸収スペクトルを覆うことにより、照射対象のエネ
ルギ状態において断熱反転を作ることができ、特に高効
率な選択励起及び同位体分離ができるため、ウラン濃縮
用等に用いられている。

第８図は、例えばバイク他（Ｐｉｋｅ　ｅｔ　ａｌ）に
よる米国特許第４，６３６，２８７号明細書に記載され
た、従来のレーザ周波数掃引装置を示す構成図である。

図において、（１０）は狭スペクトル幅のレーザ光Ｌ１
を放射するレーザ発振器であり、例えば、ＣＷ（連続発
振）タイプの色素レーザ媒質（１１）と、色素レーザ媒
質（１１）と同軸上に配列された波長選択素子（１２）
と、色素レーザ媒質（１１）及び波長選択素子（１２）
を両側から挟み込むように配置された全反射ミラー（１
３）及び部分反射ミラー（１４）とを備えている。

波長選択素子（１２）は、例えば、複屈折フィルタ、エ
タロン、回折格子等で構成されており、必要に応じて設
けられている。

（２０）はレーザ発振器（１０）を励起するための励起
レーザであり、例えばエキシマレーザやアルゴンレーザ
等の励起レーザ光ＬＯを色素レーザ媒質（１１）に放射
するようになっている。

（３０）はレーザ発振器（１０）から放射されたレーザ
光Ｌ１の周波数を掃引するための周波数掃引手段であり
、レーザ光Ｌ１が通過するように配置された結晶（３１
）と、結晶（３１）に電圧信号Ｅを印加するための電力
増幅器（３２）とを備えている。

結晶（３１）は、電気光学素子からなり、例えば、Ｌ！
ＮｂＯ３、ＬｉＴａ０：＋、ＫＤＰ、＾ＤＰ、　ＤＫＤ
Ｐ、ＤＡＤＰ等で構成されている。又、電力増幅器（３
２）は、半導体素子からなり直接スイッチングできるよ
うになっている。電力増幅器（３２）は、電圧信号Ｅの
振幅ＥＯ及び周波数ω等を決定している。

（４０）は電力増幅器（３２）を駆動するための周波数
信号を生成する発振器である。

（５０）は周波数掃引手段（３０）を介したレーザ光Ｌ
２を増幅するためのレーザ増幅手段であり、レーザ光Ｌ
２が通過するように配置された色素溶液等からなるレー
ザ増幅媒質（５１）と、レーザ増幅媒質（５１）を励起
するための増幅用励起源（５２）とを備えている。

増幅用励起源（５２）は、例えば、銅蒸気レーザ、エキ
シマレーザ、アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、窒素
レーザ、ＹＡＧレーザの高調波、又は、フラッシュラン
プ等から構成されており、レーザ増幅媒質（５１）を励
起できるものなら何でもよい。

Ｌ３は周波数掃引され且つ増幅されて最終的に出力され
るレーザ光である。

（６０）は発振器（４０）に接続された検波器であり、
発振器（４０）と共にタイミング制御手段を構成し、レ
ーザ光Ｌ２の増幅タイミングを周波数掃引タイミングに
同期させている。

次に、第９図の電圧信号波形図及び第１０図の周波数変
化量波形図を参照しながら、第８図に示した従来のレー
ザ周波数掃引装置の動作について説明する。

レーザ発振器（１０）内の色素レーザ媒質（１１）は、
励起レーザ（２０）からの励起レーザ光ＬＯにより励起
され、波長選択素子（１２）、全反射ミラー（１３）及
び部分反射ミラー（１４）により、単一の縦モードのス
ペクトルで発振する。

レーザ発振器（１０）から放射されたレーザ光Ｌ１は、
周波数掃引手段（３０）内の結晶（３１）を通過する。

このとき、結晶（３１）には、発振器（４０）の周波数
（例えば、数ｋＨｚ）で駆動される電力増幅器（３２）
により、所定振幅ＥＯ及び所定周波数ωの電圧信号Ｅが
印加されている。従って、結晶（３１）の屈折率が変化
し、これにより、レーザ光Ｌ１は位相変調を受けて周波
数が掃引され、照射対象の光吸収スペクトルを覆うよう
なレーザ光Ｌ２となる。このときのレーザ光Ｌ２の周波
数掃引量（周波数変化量ΔΩ）は、結晶（３１）の大き
さ、並びに、電圧信号Ｅの立ち上がり速度即ち電力増幅
器（３２）の容量に比例する。

こうして周波数掃引されたレーザ光Ｌ２は、続いて、レ
ーザ増幅手段（５０）内のレーザ増幅媒質（５１）を通
過する。このとき、レーザ増幅媒質（５１）は増幅用励
起源（５２）により励起されており、増幅用励起源（５
２）は、発振器（４０）の周波数信号を検波した検波器
（６０）の出力により発光タイミングが制御されている
。従って、レーザ光Ｌ２は、周波数掃引と同期して、線
形掃引に近い部分がレーザ増幅媒質（５１）により増幅
され、最終的なレーザ光Ｌ３となって出力される。

例えば、結晶（３０）に印加される電圧信号Ｅが時間ｔ
に対して第９図のように変化する場合、電圧信号Ｅ’（
ｔ）は、 Ｅ　（ｔ　）＝　−Ｅｏ　・ｃｏｓ（ωｔ）　　　　　
−■で表わされる。但し、Ｅｏは電圧信号Ｅ　（ｔ）の
振幅、ωは電圧信号Ｅ　（ｔ　）の角周波数である。こ
のとき、周波数掃引されるレーザ光Ｌ２の周波数変化量
ΔΩは、時間ｔの関数として、 ΔΩ（ｔ）＝ｄＥ（ｔ）／ｄｔ ＝ωＥｏ−ｓｉｎ（ωｔ）　　　　−■により与えられ
、第１０図のようになる。

従って、検波器（６０）により増幅用励起源（５２）の
励起タイミングを調整すれば、時刻ｔ１からｔ２までの
周波数変化領域のみを増幅し、最終的なレーザ光Ｌ３と
して取り出すことができる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のレーザ周波数掃引装置は以上のように、結晶（３
１）に対して単一の電圧信号Ｅを印加しているので、レ
ーザ光Ｌ３の周波数掃引量を十分に確保するためには、
電圧信号Ｅの振幅Ｅｏや角周波数ωを高くするか又は結
晶（３１）を大きくする必要があり、装置が大形化する
という問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、低い電圧値の電圧信号を用いてレーザ光の周
波数掃引量を十分に確保できるレーザ周波数掃引装置を
得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るレーザ周波数掃引装置は、結晶に対して
複数の電圧信号を印加するための複数の電力増幅器を設
けたものである。

又、この発明の別の発明に係るレーザ周波数掃引装置は
、結晶を複数の電圧信号で駆動するための複数の制御回
路を設けたものである。

［作用コ この発明においては、比較的低い電圧値の複数の電圧信
号を結晶に印加して、レーザ光の周波数掃引量及び掃引
速度を制御し、所定時間内に照射対象の光吸収スペクト
ルを覆うだけの十分な周波数掃引量を確保する。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示す構成国であり、（３０Ａ
）は周波数掃引手段（３０）に対応しており、（１０）
、（３１）、（４０）及び（５０）〜＜ｂｚ＞は前述と
同様のものである。

（２０Ａ）は励起レーザ（２０）に対応するレーザ励起
源であり、例えば、銅蒸気レーザ、アルゴンレーザ、ク
リプトンレーザ、エキシマレーザ、窒素レーザ、ＹＡＧ
レーザの高調波、又は、フラッシュランプ等から構成さ
れている。ここては、レーザ励起源（２０Ａ）が励起レ
ーザ光ＬＯを放射する場合を示している。

（３２ａ）〜（３２ｃ）は周波数掃引手段（３０Ａ）内
に設けられた複数の電力増幅器であり、結晶（３１）に
対して個別の電圧信号Ｅａ〜Ｅｃを印加するようになっ
ている。

（６０ａ）〜（６３ｄ）はタイミング制御手段となる遅
延回路であり、発振器（４０）により同期的に駆動制御
されている。このうち、遅延回路（６０ａ）〜（６０ｃ
）は又雷±ｍ帆興（”４９．）、／Ｆ？、）箇齢什々ノ
≧ソ〃曲仁電圧信号Ｅａ〜Ｅｃの印加タイミングを制御
し、遅延回路（６０ｄ）は増幅用励起源（５２）の動作
タイミング即ちレーザ光Ｌ２の増幅タイミングを制御す
るようになっている。

尚、ここでは、電力増幅器が３個の場合を示しているが
、電力増幅器は任意数だけ配設することができ、電力増
幅器数に対応した数の遅延回路を同様に設ければよい。

次に、第２図〜第５図の波形図を参照しながら、第１図
に示したこの発明の一実施例の動作について説明する。

レーザ励起源（２０Ａ）からの励起用レーザ光１．０に
より励起されたレーザ発振器（１０）は、前述と同様に
狭スペクトル幅で例えば単一縦モードのレーザ光Ｌ１を
放射する。

一方、結晶（３１）には、発振器（４０）の周波数によ
って動作する電力増幅器（３２ａ）〜（３２ｃ）からの
電圧信号Ｅａ〜Ｅｃが印加されており、結晶（３１）を
通過するレーザ光Ｌ１は、結晶〈３１）の屈折率変化に
より位　・相変調を受け、周波数が掃引される。このと
き、各電力増幅器（３２ａ）〜（３２ｃ）からの電圧信
号Ｅａ〜Ｅｅにより、レーザ光Ｌ２の周波数掃引量（周
波数変化量Δω）及び周波数掃引速度（周波数掃引時間
）が制御される。

例えば、各電力増幅器（３２ａ）〜（３２ｃ）から第９
図と同様の電圧信号Ｅを発生させ、 Ｅａ＝　Ｅｂ＝　Ｅｃ＝　Ｅ として、結晶（３１）にそれぞれ印加すると、レーザ光
Ｌ２の周波数掃引量は従来の３倍になる。従って、各電
圧信号Ｅの振幅Ｅｏは従来の１“／３でよく、低い電圧
信号Ｅａ〜Ｅｃにより所要の掃引量を確保することがで
きる。

又、２個の電力増幅器（３２ａ）及び（３２ｂ）を用い
て、それぞれ第２図のような電圧信号Ｅａ（破線）及び
Ｅｂ（−点鎖線）をそれぞれ発生させた場合、時間ｔに
関する各電圧信号Ｅａ（ｔ）及びＥｂ（ｔ）は、Ｅ　ａ
（ｔ）＝　−Ｅ　ｏ°Ｃ０５（ωｔ）Ｅ　ｂ（ｔ）＝　
Ｅ　ｏ　−ｃｏｓ（２ωｔ）／　２となる。この場合、
実際に結晶（３１）に印加される電圧信号Ｅは、電圧信
号Ｅａ及びＥｂを合成した電圧信号Ｅａｂ（実線）とな
り、時間ｔの関数として、Ｅ　ａｂ（ｔ）＝　−Ｅｏ・
ｃｏｓ（ωｔ）＋　Ｅｏ・ｃｏｓ（２ωｔ）／２・・・
■ で表わされる。

従って、この場合の周波数掃引後のレーザ光Ｌ２の周波
数変化量ΔΩａｂ（ｔ）は、 ΔΩａｂ（ｔ）＝ΔΩａ（ｔ）＋ΔΩｂ（ｔ）＝ωＥＯ
°５ｉｎ（ωｔ）　−ωＥ　ｏｌｓｉｎ（２ωｔ）・・
・■ となり、第３図の波形図のように表わされる。第３図に
おいて、周波数変化量ΔΩａ（破線）は電圧信号Ｅａに
対応し、周波数変化量ΔΩｂ（−点鎖線）は電圧信号Ｅ
ｂに対応し、周波数変化量ΔΩａｂ（実線）は電圧信号
Ｅａｂに対応している。

更に、３個目の電力増幅器（３２ｃ）を用いて、第４図
のような電圧信号Ｅｃ（二点鎖線）を発生させ、この電
圧信号Ｅｃ（ｔ）を、 Ｅ　ｃ（ｔ）−−Ｅ　ｏ−ｃｏｓ（３ωｔ）／　３とす
ると、実際に結晶（３１）に印加される電圧信号Ｅａｂ
ｃ（実線）は、各電圧信号Ｅａ〜Ｅｃの合成により得ら
れる。このとき、時間ｔの関数からなる電圧信号Ｅａｂ
ｃ（ｔ）は、 Ｅ　ａｂｃ（ｔ）　＝　−Ｅｏ−ｃｏｓ（ωｔ）＋　Ｅ
ｏ−ｅｏｓ（２ωｔ）／２−　Ｅｏ−ｃｏｓ（３ωｔ）
／３　　−■で表わされる。

従って、この場合の周波数掃引後のレーザ光Ｌ２の周波
数変化量ΔΩａｂｃ（ｔ）は、 ΔΩａｂｃ（ｔ）−ΔΩａ（ｔ）＋ΔΩｂ（ｔ）＋ΔΩ
ｃ（ｔ）＝ωＥＯ°５ｉｎ（ωｔ）　−ωＥｏ−ｓｉｎ
（２ωｔ）＋　（１１Ｅｏ−ｓｉｎ（３ωｔ） ・・・■ となり、第５図の波形図のように表わされる。第５図に
おいて、周波数変化量ΔΩＣ（二点鎖線）は電圧信号Ｅ
ｃに対応し、周波数変化量ΔΩａｂｃ　（実線）は電圧
信号Ｅ　ａｂｃに対応している。

こうして周波数掃引されたレーザ光Ｌ２は、増幅″　用
励起源（５２）によって励起されたレーザ増幅媒質（５
１）を通過して増幅され、最終的なレーザ光Ｌ３となっ
て放射される。このとき、増幅用励起源（５２）乃１に
１７−４僧醇靜暑ｔぺＩＭ、−）スし−ぜ尊１？箇僧鈑
タイミングが遅延回路（６０ｄ）により調整されている
ので、レーザ増幅手段（５０）は、掃引タイミングと同
期してレーザ光Ｌ２の線形掃引に近い部分を増幅する。

この場合も、増幅タイミングを調整することにより、時
刻ｔ１からｔ２までの周波数変化領域のみを増幅したレ
ーザ光Ｌ３を取得することができる。

このように、周波数掃引手段（３０＾）において結晶（
３１）に複数の電圧信号Ｅａ〜Ｅｃを印加することによ
り、比較的低い電圧で周波数掃引量を十分に確保するこ
とができる。又、周波数掃引速度を制御することにより
、所定時間内に照射対象の光吸収スペクトルを覆い、照
射対象のエネルギ状態において断熱反転状態を作り出す
ことができる。

尚、上記実施例では、１つの結晶（３１）に複数の電圧
信号Ｅａ〜Ｅｃを印加するように構成したが、第６図の
ように、周波数掃引手段（３０Ｂ）に直列配置された複
数の結晶（３１ａ）〜（３１ｃ）を設け、各結晶（３１
ａ）〜（３１ｃ）に個別に電圧信号Ｅａ〜Ｅｃを印加し
てもよい。ここでは、３個の結晶（３１ａ）〜（３１ｃ
）を設置したが、３個に限らず任意数の結晶を設置でき
、これに対応して電力増幅器及び遅延回路を増設すれば
よい。

このように複数の結晶を用いることにより、各電圧信号
Ｅａ〜Ｅｃが分散されて印加されるので、１個の場合と
比べて各結晶（３１ａ）〜（３１ｃ）の負担が軽減され
る。

又、各結晶（３１ａ）〜（３１ｃ）の位相変調による周
波数掃引量は、直列配置により合成されるため、最終的
な周波数掃引量は１個の結晶（３１）の場合と同様にな
る。従って、第２図又は第４図と同様の電圧信号を印加
することにより、第３図又は第５図と同様の周波数変化
量ΔΩａｂ、又はΔΩａｂｃが得られ、上述の実施例と
同等の効果を奏する。

又、複数の電圧信号Ｅａ〜Ｅｃを印加するための手段と
して複数の電力増幅器（３２ａ）〜（３２ｃ）を用いた
が、単一の電力増幅器と結晶との間に複数の制御回路を
それぞれ個別に挿入し、各制御回路に電圧信号Ｅａ〜Ｅ
ｃの波形整形機能及びタイミング制御機能を含ませても
よい。

次に、単一の電力増幅器から複数の制御回路を介して個
別の電圧信号を生成するようにした、この発明の別の発
明の一実施例について説明する。

第７図はこの発明の別の発明の一実施例を示す構成図で
あり、周波数掃引手段（３０Ｃ）は、直列に配列された
複数の結晶（３１ａ）〜（３１ｃ）と、これら複数の結
晶（３１ａ）〜（３１ｃ）に電圧信号を印加するための
単一の電力増幅器（３２）と、電力増幅器り３２）と各
結晶（３１ａ）〜（３１ｅ）との間に個別に挿入されて
電圧信号Ｅａ〜Ｅｃを生成するための複数の制御回路（
３３ａ）〜（３３ｃ）とを備えている。

この場合、電力増幅器（３２）は、発振器（４０）によ
り駆動され、゛各制御回路（３３ａ）〜（３３ｃ）を介
した電圧信号Ｅａ〜Ｅｃを各結晶（３１ｍ）〜（３１ｃ
）にそれぞれ個別に印加するようになっている。

制御回路（３３ａ）〜（３３ｃ）は、電圧信号Ｅａ〜Ｅ
ｃの波形整形機能と共に遅延回路と同様のタイミング制
御機能等を有している。

第７図の構成においても、第２図又は第４図の電圧信号
を印加することにより、第３図又は第５図と同様の周波
数変化量ΔΩａｂ、又はΔΩａｂｃが得られ、上述の発
明の一実施例と同等の効果を奏する。

又、この場合も結晶め数は任意に設定でき、４個以上で
あっても、又は、第１図のように１個の結晶（３１）を
用いてもよい。

尚、上記各実施例においては、レーザ増幅手段（５０）
を設けた場合を示したが、レーザ発振器（１０）を任意
に選択し、例えばパルス発振による大出力のレーザ光Ｌ
１を放射するようにすれば、レーザ増幅手段（５０）を
特に設ける必要はなく、周波数掃引されたレーザ光Ｌ２
を直接出力してもよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、結晶に対して複数の電
圧信号を印加するための複数の電力増幅器を設け、比較
的低い電圧信号を合成して結晶に印加するようにしたの
で、低い電圧信号でレーザ光の周波数掃引量を十分に確
保できると共に、掃引時間の制御により所定時間内に照
射対象の光吸収スペクトルを覆うことができ、この結果
、断熱反転状態を作ることのできるレーザ周波数掃引装
置が得られる効果がある。

又、この発明の別の発明によれば、結晶を複数の電圧信
号で駆動する複数の制御回路を設け、比較的低い電圧信
号を合成して結晶に印加するようにしたので、低い電圧
信号でレーザ光の周波数掃引量を十分に確保できると共
に、掃引時間の制御により所定時間内に照射対象の光吸
収スペクトルを覆うことができ、この結果、断熱反転状
態を作ることのできるレーザ周波数掃引装置が得られる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は２
つの電圧信号の合成によって得られる電圧信号を示す波
形図、第３図は２つの電圧信号による周波数変化量を合
成して得られる周波数変化量を示す波形図、第４図は３
つの電圧信号の合成によって得られる電圧信号を示す波
形図、第５図は３つの電圧信号による周波数変化量を合
成して得られる周波数変化量を示す波形図、第６図はこ
の発明の他の実施例を示す構成図、第７図はこの発明の
別の発明の一実施例を示す構成図、第８図は従来のレー
ザ周波数掃引装置を示す構成図、第９図は従来装置によ
る電圧信号を示す波形図、第１０図は従来装置による周
波数変化量を示す波形図である。 （１０）・・・レーザ発振器 （３０＾）〜（３０Ｃ）・・・周波数掃引手段（３１）
、（３１ａ）〜（３１ｃ）・・・結晶（３２）　、（３
２ａ）〜（３２ｃ）・・・電力増幅器（３３ａ）〜（３
３ｃ）・・・制御回路（６０ａ）〜（６０ｄ）・・・遅
延回路（タイミング制御手段）Ｌ１〜Ｌ３・・・レーザ
光 Ｅ、Ｅａ〜Ｅｃ・・・電圧信号 尚、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）狭スペクトル幅のレーザ光を放射するレーザ発振
   器と、 前記レーザ光が通過するように配置された結晶を含み、
   この結晶に電圧信号を印加したときの位相変調により前
   記レーザ光の周波数を掃引するための周波数掃引手段と
   、 前記周波数掃引手段の動作タイミングを制御するタイミ
   ング制御手段とを備えたレーザ周波数掃引装置において
   、 前記周波数掃引手段は、前記結晶に対して複数の電圧信
   号を印加するための複数の電力増幅器を含み、 前記タイミング制御手段は、前記複数の電力増幅器の動
   作タイミングを個別に制御することを特徴とするレーザ
   周波数掃引装置。
2. （２）狭スペクトル幅のレーザ光を放射するレーザ発振
   器と、 前記レーザ光が通過するように配置された結晶を含み、
   この結晶に電圧信号を印加したときの位相変調により前
   記レーザ光の周波数を掃引するための周波数掃引手段と
   を備えたレーザ周波数掃引装置において、 前記周波数掃引手段は、前記結晶に対して電圧信号を印
   加するための電力増幅器と、この電力増幅器と前記結晶
   との間に並列に挿入されて複数の電圧信号を生成する複
   数の制御回路とを含むことを特徴とするレーザ周波数掃
   引装置。
3. （３）周波数掃引手段は、直列配置されて複数の電圧信
   号が個別に印加される複数の結晶を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載のレーザ周波数
   掃引装置。