JPH0476236B2 - - Google Patents

Description

明細書 同期ポンピング位相共役レーザ 発明の背景 この発明は一般に位相共役反射素子を採用した
レーザに関し、特に位相共役反射器がパルス化レ
ーザエネルギによりポンピングされる位相共役レ
ーザに関する。 過去10年間、位相共役反射器を採用したレーザ
システムの開発が盛んに成された。位相共役の概
念では、光学的に非線形の媒体を使用し、これは
かなり歪んだ光学ビームをもとの収差していない
状態にもどすように、入射レーザエネルギにより
付勢することができる。光学位相共役の一般的な
1981年４月発行の“Physics Today”に
Coucetto R.Gulianoによつて記載された
“Applications of Optical Phase Conjugate”
に記載されている。 さらに位相の原理は、レーザ共振器を形成する
のに採用されてきた。このような装置は米国特許
第4233571号の“Laser Having ａ Nonlinear
Phase Conjugate Reflector”に記載されてい
る。ここに開示されたレーザはレーザ共振器のエ
ンドミラーの１つが位相共役反射器に置換えられ
たものである。４波混合、３波混合、疑似ラマン
散乱、誘発ブリユアン散乱あるいは光子エコープ
ロセスを利用した種々の位相共役反射器を採用す
ることができる。これらの位相共役原理は一般に
その分野において公知であり、いくつかは上述し
たGinlianoの刊行物に記載されている。 現在行われている研究では、光学共振器に位相
共役反射器を利用し、その出力が高品質のスペー
シヤルビームにより特徴づけられる新しいタイプ
のレーザを生み出す方向にある。しかし、これら
のレーザの有する利点を引き出すためには、少く
とも共振器空胴往復時間より長い期間、位相共役
反射器および空胴内増幅器が適度に高反射値およ
び高増幅を維持することが絶対に必要である。こ
のような制約は位相共役反射器および増幅器をポ
ンピングするのに、使用されるレーザは光エネル
ギの条件が厳しくなる。長時間にわたり必要とさ
れる高ピーク電力により、しばしば熱の問題を生
じ、高速位相−共役反射器によるCW動作を非常
に困難にする。 従つて位相共役反射器と空胴内増幅器のポンピ
ングの必要性を最小限にしたレーザシステムを提
供することはレーザ技術の改良になる。又適度の
平均的電力でもつて、改良された位相共役効率お
よび増幅利得がえられるレーザシステムを提供す
ることは利点がある。又ポンプレーザの熱の問題
ならびに全体のエネルギを減少したレーザシステ
ムを提供することは改良になる。さらに短いパル
ス出力に応答するように設計された位相共役レー
ザシステムを提供することは改良である。 発明の要約 上述した改良を得るために、この発明は、光路
に沿つて適度に配置されたレージング媒体、位相
共役反射器および出力結合装置を組み込み、レー
ザ共振器を形成している。この発明の目的からし
て、一般的なエンドミラーと他のエンドミラーと
しての位相共役反射器を有したレーザ共振器は位
相共役レーザと考えることができる。出力結合装
置はレーザの一方のエンドミラーを形成し、位相
共役反射器は他方のエンドミラーを形成する。出
力結合装置は入射されるエネルギの実質部を反射
し、レーザエネルギの一部を伝搬し、レーザの出
力ビームを形成するように構成されている。位相
共役反射器はレーザ共振器の第２エンドミラーと
して使用され、入射される位相共役のエネルギを
反射する。この発明のこの部分は、上述した米国
特許第4233571号に開示されている装置と同じで
ある。 この発明の改良点はレーザパレスを位相−共役
反射器に印加するパルスポンプ源を採用したこと
にある。レーザパルスは相対的に高ピーク電力
と、相対的に低い平均電力を有している。これら
のパルスは、レーザエネルギがレーザ共振器を横
切る往復時間に一致した所定周期を有している。
これらのポンプパルスは、共振器を横切るエネル
ギに同期して位相−共役反射器に印加される。 さらに、レージング媒体も、一般的なレーザシ
ステムの場合のように連続ポンプによるか、ある
いは位相−共役反射器をポンピングするのに使用
される源と同様のパルスポンプ源によりポンピン
グされる。パルスモードでは、レージング媒体は
別のポンプ源でポンピングするか、マスタ発振器
を用いて両媒体をポンピングすることができる。
このポンプ源によつて供給されるパルスは、レー
ザを横切るエネルギに同期して印加されるように
適切は時間、前記レージング媒体に印加される。
従つて、このレージング媒体へのパルスの印加
は、ポンプエネルギが、位相−共役反射器によつ
て供給されたポンプエネルギと同期して印加され
るようにタイミングが取られている。 この発明は位相共役反射器として採用すること
のできる手法として４波混合、３波混合あるいは
光子エコーを使用している。これらの手法は、非
線形媒体での反射プロセスを誘発するようにポン
プレーザを使用する。レーザ波長、非線形媒体お
よびレージング媒体の選択に応じて位相共役反射
器の反射能は一単位に近づくか又は超える。高反
射能および適切な利得媒体の使用の条件下では、
この発明によれば、位相−共役反射器用のパルス
ポンプ源を無くすことができる。例えば、位相共
役レーザの自己ポンピングを得るために、出力結
合装置によつて共振器から結合された電力をフイ
ードバツクして、４波混合位相共役反射器のポン
プエネルギを得ることができる。このようなシス
テムでは、レーザ共振器の始動機構にパルスポン
プ源を使用することができる。この場合、一度共
振器が十分に動作可能状態になつた後では、パル
スポンプ源をオフにすることができる。しかしな
がら、レージング媒体のポンプ源はいつでも動作
している。

【図面の簡単な説明】

この発明の特徴と利点は、添付図面に関連した
以下の詳細な説明を参照することにより、さらに
良く理解できる。なお同一部には同符号が付して
ある。 第１図は、この発明の原理に基づいた同期ポン
ピング位相共役レーザの第１実施例を示す図；第
２図は、特に４波混合を位相共役処理として用い
た場合の第１図に示すレーザの詳細図；および第
３図はこの発明の原理に基づいたレーザの自己ポ
ンピング実施例を示す図である。

【発明の詳細な説明】

第１図を参照すると、この発明の原理に基づい
た同期ポンプ位相共役レーザ２０が示されてい
る。レーザ２０は、光路に沿つて配置された位相
−共役反射器２１、レージング媒体２２および出
力結合装置２３とで構成される。レーザ共振器は
位相−共役反射器２１および出力結合装置２３と
の間に形成されている。この位相−共役反射器２
１は、４波混合、３波混合、光子エコープロセス
あるいはそれと同等物を使用した多くの位相−共
役反射装置のいずれでも良い。これらの処理は公
知であり、多くの特許文献および刊行物に記載が
あるが、例えば、“Applications of Optical
Phase Conjugation”および上述した米国特許第
4233571号が挙げられる。 出力結合装置２３は従来技術において知られた
一般的なレーザ共振器あるいは他の装置にあるよ
うな部分反射および部分伝搬するミラーで良い。
このレージング媒体２２は染料、ネオジムYAG
（Nd；YAG）、CO₂、ルビー等で良い。位相−共
役反射器２１、レージング媒体２２および出力結
合装置２３は互換性のある適切な動作周波期間を
有している。Giulianoの文献には種々のレージン
グ媒体、位相共役処理、非線形媒体、および種々
のレーザ波長に対する位相−共役反射器の測定さ
れた反射能を示すテーブルが示されている。 パルスポンプ源２４およびポンプ源２５は、そ
れぞれ位相−共役反射器２１とレージング媒体２
２をポンピングするように設けられている。ポン
プ源２５は一般的なポンプ源として示されている
が、パルスポンプ源２４と同様にパルス化しても
良い。ポンプ２５の別の性質については後で詳述
する。パルスポンプ源２４は位相−共役反射器２
１に使用される非線形媒体と互換性のある一般的
なモードロツクレーザで良い。例えば、パルスポ
ンプ源２４は位相−共役反射器２１に４波混合を
発生するのに使用されるＱスイツチおよびモード
ロツクされたネジウムYAGレーザで良い。この
処理では、位相−共役反射器２１に使用される非
線形媒体はシリコン、飽和可能吸収材等で良い。
この４波混合構成は、1979年10月に発行された
“Optics Letters”の４巻第10号にR.K.Jain他に
よつて書かれた“High Hfficiency Degenerate
Four−Nave Mixing of 1.06 Micron
Radiation in Silicon”のタイトル記事に記載さ
れている。さらに、上述したテーブルに示すよう
に多くの他の材料やレーザを使用することができ
る。 正しく動作させるためには、パルスポンプ源２
４はレーザ２０で共振するエネルギの空胴往復時
間に一致する周期で脈動しなければならない。
又、開始時間と期間を含む、パルスポンプ源２４
からの励振パルスのタイミングは、ポンプエネル
ギが共振エネルギに伝搬されるように適切に制御
されなければならない。これは自動的に唯一のパ
ルスポンプ源２４（例えばポンプ源２４）が使用
される場合である。何故ならばこの源がシステム
を駆動し、それゆえ共振器のタイミングを制御す
るからである。しかしながら、ポンプ源２５もパ
ルスポンプ源である場合には、レージング媒体２
２を介してエネルギが横切るとき、エネルギを適
切にポンピングするように、パルスポンピング源
２４に関して適切なタイミング条件を持たなけれ
ばならない。パルスポンプ源２４により供給され
るパルスエネルギの性質は、相対的に高いピーク
電力と相対的に低い平均電力を有しているという
ことである。パルスポンプ源２４によつて供給さ
れるパルスのエネルギ条件とパルス期間はレーザ
２０に使用される部品の選択によつて異る。 ポンプ源２５もパルスモードで動作する場合に
は、両ポンプ２４，２５にマスタ発振器を持たせ
ることができる。両ポンプ源が脈動される場合
は、ポンピングするのに必要は光エネルギを最小
に保持するように共振器を構成すれば良い。位相
共役反射器２１とレージング媒体２２に２つの異
る波長を使用したい場合にはマスタ発振器に光周
波数シフト装置を設ければ良い。２つのポンプ源
２４，２５がパルスモードで動作しかつ共通の源
（マスタ発振器）でない場合、最適動作に要求さ
れる２つのポンプ源２４，２５の同期と相対タイ
ミングを制御するのにタイミング回路あるいは光
学デイレイラインを用いることができる。各レー
ザパルスはビームスプリツタ３０等により分光さ
れ、非線形媒体２６の対向端にパルス３１，３２
として印加される。非線形媒体２６に衝突する前
に、パルス３１，３２が横切る各光路長は、非線
形媒体２６の両端に印加されたパルスが、コヒー
レンス時間よりも短かい期間内で、媒体２６に到
達するようにタイミングが取られるように、ほぼ
一致させなければならない。 位相共役は、コヒーレンス時間よりも短かい期
間内に、非線形媒体２６に、両ポンプパルス３
１，３２が入射されたときに生ずる。非線形媒体
２６のコヒーレンス時間は、媒体２６が入射パル
スを検知する緩和時間に相当する。さらに、レー
ザ２０内の空胴内電力を表わし、位相共役を受け
る第３パルス３３すなわちプローブパルス３３も
適切にタイミングが取られねばならない。これら
３つのパルス３１，３２，３３が非線形媒体に印
加されると、プローブパルス３３の位相共役であ
る後方散乱パルス３４を発生する。非線形媒体２
６は、これら３つのパルス３１，３２，３３が加
えられると、非線形媒体２６の適切な緩和時間よ
りも短かい相対時間遅延で位相共役エネルギを生
じる。この結果位相−共役反射器２１が、印加さ
れたレーザパルス３１，３２，３３の期間ならび
に周期および非線形媒体２６の緩和時間により、
オン、オフされる。従つてレーザシステムの全体
の利得は相対的に低いデユーテイサイクルを持つ
ように変調できる。これによりシステム全体のエ
ネルギを低く保つ一方、高い位相共役効率とポン
プレーザパルスの高ピーク電力により、レーザ２
０の出力パルス３５として高いピーク電力を供給
することができる。 レーザ２０が正常に動作するには、位相−共役
反射器２１の応答時間と非線形媒体２６のレーザ
パルス３１，３２，３３の期間は空胴往復時間よ
りもはるかに小さくなければならない。この空胴
往復時間はパルスポンプ源２４によつて供給され
たパルス列の周期に一致する。さらに、ポンプ源
２５がパルスモード駆動される場合、レーザパル
ス３３がレージング媒体２２を中を横切るときに
パルスがレージング媒体２２に印加されなければ
ならない。それゆえ、パルス３３および反射パル
ス３４によつて表わされる、レーザ共振器内を巡
環するパルスは、それぞれポンプ源２５，２４に
より各媒体２６，２２がオンになつたそのときに
レージング媒体２２および非線形媒体２６に到達
する。残りの期間では、位相−共役反射器２１と
レージング媒体２２はオフになる。 ある条件下では、位相−共役反射器２１によつ
て供給される反射能を非常に高く、又一単位を超
えるようにすることができる。これは例えばパル
スポンプ源２４にパルス色素レーザを、非線形媒
体２６としてソジウムを使用した場合である。そ
の他の例も上述のGiulianの文献に示されたテー
ブルに載つている。第３図において、位相共役反
射器２１の反射能が大であり、レージング媒体２
２の利得が十分高くできるときは、システムが動
作した後はパルスポンプ源２４を消去できる。こ
れは、非常に大きなエネルギが出力パルス３５に
得られ、（所望であれば）共振空胴外で増幅した
パルスの一部をフイードバツクさせて４波混合処
理を誘発するパルスを作り出すことができる。こ
のフイードバツクループは、出力パルスの一部を
位相−共役反射器２１に戻すように、ビームスプ
リツタ等により設けることができる。このために
は、出力結合装置２３は大部分のエネルギを伝搬
し、このエネルギが部分的に位相共役反射器２１
に帰還されるように結合される。ポンプビームに
所望のエネルギが得られるように外付の利得媒体
３７をフイードバツクループに使用しても良い。
この構成では、ポンプ源２５は依然として、レー
ジング媒体２２に反転母集団を発生するのに必要
である。 以上低平均電力で短かいパルス動作が得られる
新規で改良された同期ポンプ位相共役レーザシス
テムについて述べた。これらのパルスに相関した
短かいパルス励振と高いピーク電力により、高い
位相共役効率と高増幅利得が得られ、他方励振の
繰返しの性質により、最適平均電力を使用するレ
ーザのようなレージング動作を組立てることがで
きる。電力消費の節減により、ポンプ源に要求さ
れる全体のエネルギを下げることが、熱の問題を
最小限にすることができる。 上述実施例は、この発明の原理の応用例を表わ
す多くの実施例のうちいくつかを例示したに過ぎ
ない。他の多くの変更を、この発明の精神と範囲
を逸脱することなく当業者が即考案できることは
明らかである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光路に沿つて配置されたレイジング媒体と、
   前記レイジング媒体に隣接する前記光路の一端に
   配置され、入射されるレーザエネルギの位相共役
   であるレーザエネルギを反射する位相共役反射手
   段と、前記位相共役反射手段と出力結合手段との
   間にレーザ共振器を形成するように前記レージン
   グ媒体に燐接する前記光路の他端に配置され、レ
   ーザ動作を持続するように、入射されるエネルギ
   の実質部を反射し、レーザエネルギの一部を出力
   ビームとして伝搬する出力結合手段とから成るレ
   ーザ装置において、前記位相共役反射手段と前記
   レイジング媒体にレーザパルスを印加するポンピ
   ング手段を備え、前記レーザパルスは相対的に高
   いピーク電力と相対的に低い平均電力を有し、前
   記レーザパルスは、レーザエネルギが前記共振器
   を横切る往復時間に一致する所定周期を有し、前
   記共振器を横切るレーザエネルギが前記共振器内
   に存在するとき、前記位相共役反射手段および前
   記レイジング媒体に印加されることを特徴とする
   レーザ装置。 ２ 前記ポンピング手段によつて前記位相共役反
   射手段に供給されるレーザパルスに同期して前記
   レイジング媒体にレーザパルスを印加する第２ポ
   ンピング手段を更に有したことを特徴とする第１
   請求項記載のレーザ装置。 ３ 前記ポンピング手段は前記レーザパルスを供
   給するように前記出力結合手段と前記位相共役反
   射手段との間に形成されたフイードバツク構成か
   ら成り、それにより自己ポンプレーザ構成を供給
   することを特徴とする第１請求項および第２請求
   項のいずれかに記載のレーザ装置。 ４ 前記フイードバツク構成は、前記フイードバ
   ツク構成内に配置され、前記位相共役反射手段に
   印加されたレーザパルスの電力を制御する利得媒
   体をさらに有したことを特徴とする第１乃至第３
   請求項のいずれかに記載のレーザ装置。 ５ 前記ポンピング手段は、前記レイジング媒体
   および前記位相共役反射手段にパルス駆動される
   ポンピング放射を供給するマスタ発振器を更に備
   えたことを特徴とする第１請求項記載のレーザ装
   置。 ６ 前記マスタ発振器と前記位相共役反射手段と
   の間に動作可能に接続された少なくとも１つの周
   波数シフト手段をさらに有したことを特徴とする
   第５請求項記載のレーザ装置。 ７ 前記マスタ発振器と前記レイジング媒体との
   間に動作可能に接続された少なくとも１つの周波
   数シフト手段をさらに有したことを特徴とする第
   ５請求項記載のレーザ装置。 ８ 前記ポンピング手段は、実質的に定常状態の
   ポンピング放射を前記レイジング媒体と前記位相
   共役反射手段に供給するマスタ発振器と；前記マ
   スタ発振器からの実質的に定常状態のポンピング
   放射を前記レイジング媒体に結合する第１放射結
   合手段と、；前記マスタ発振器と動作可能に接続
   され、前記マスタ発振器の定常状態の出力からパ
   ルス駆動される放射を、前記共振器におけるレー
   ザエネルギの往復時間により決定される所定周期
   で前記位相共役手段に供給するパルス形成手段
   と；および 前記パルス形成手段と前記位相共役反射手段と
   の間に配置され、パルス駆動されるポンピング放
   射を前記パルス形成手段から前記位相共役反射手
   段に供給する第２放射結合手段とをさらに有した
   ことを特徴とする第１請求項記載のレーザ装置。 ９ 前記ポンピング手段と前記第２ポンピング手
   段との間に接続され、前記共振器内のレーザエネ
   ルギの往復時間に固有の関係を有して放射が前記
   位相共役反射手段に印加されるように、各ポンピ
   ング手段のパルスレートを制御する同期手段をさ
   らに有しらことを特徴とする第２請求項記載のレ
   ーザ装置。