JP2019532333A - カスケードしたロングパルス連続波ラマンレーザ - Google Patents

Abstract

ｎ次ストークスシフトラマン出力を有するラマンレーザデバイスであって：レーザポンプ入力；両端にフィードバック素子を有するレーザキャビティ；前記キャビティ内のダイアモンドラマンアクティブゲイン媒質であって、前記レーザポンプ入力によって励起されたとき１次および高次ストークス出射を提示する、ゲイン媒質；を備え、前記フィードバック素子は、前記ポンプ入力、前記ゲイン媒質からの１次ストークス出力、および前記高次ストークス出力のゲイン部分をフィードバックし、前記ｎ次ストークス出力の伝搬部分は前記デバイスの出力である。【選択図】図４

Description

本発明は、高パワーレーザの波長レンジを多様化するシステムと方法を提供する。また本発明は、ラマン周波数変換を用いて高出力パワーレーザを提供するシステムと方法を提供する。

＜参考文献＞
[1] V. R. Supradeepa and J. W. Nicholson, Optics Letters 38(14), 2538-2541 (2013).

[2] Y. Jeong, S. Yoo, C. A. Codemard, J. Nilsson, J. K. Sahu, D. N. Payne, R. Horley, P. W. Turner, L. Hickey, A. Harker, M. Lovelady, and A. Piper, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 13(3), 573-579 (2007).

[3] M. A. Jebali, J. N. Maran, and S. LaRochelle, Optics Letters 39(13), 3974-3977 (2014).

[4] A. Sabella, J. A. Piper, and R. P. Mildren, Optics Letters 39(13), 4037-4040 (2014).

[5] E. Granados, D. J. Spence, and R. P. Mildren, Optics Express 19(11), 10857-10863 (2011).

[6] M. Jel^'inek, O. Kitzler, H. Jel^'inkova^', J. S^'ulc, and M. Ne^'mec, Laser Physics Letters 9(1), 35-38 (2012).

[7] O. Kitzler, A. McKay, and R. P. Mildren, Optics Letters 37(14), 2790-2792 (2012).

[8] M. Murtagh, J. Lin, R. P. Mildren, and D. J. Spence, Optics Letters 39(10), 2975-2978 (2014).

[9] P. J. Schlosser, D. C. Parrotta, V. G. Savitski, A. J. Kemp, and J. E. Hastie, Optics Express 23(7), 8454-8461 (2015).

[10] R. J. Williams, J. Nold, M. Strecker, O. Kitzler, A. McKay, T. Schreiber, and R. P. Mildren, Laser & Photonics Reviews 9(4), 405-411 (2015).

[11] O. Kitzler, A. McKay, D. J. Spence, and R. P. Mildren, Optics Express 23(7), 8590-8602 (2015).

[12] A. Sabella, J. A. Piper, and R. P. Mildren, Optics Express 19(23), 23554-23560 (2011).

[13] A. McKay, O. Kitzler, and R. P. Mildren, Laser & Photonics Reviews 8(3), L37-L41 (2014).

[14] R. J. Williams, O. Kitzler, A. McKay, and R. P. Mildren, Optics Letters 39(14), 4152-4155 (2014).

本明細書全体における背景技術に関する議論は、その技術が広く知られまたは当該分野における公知技術の一部を形成することを認めるものとみなすべきではない。

１．５〜１．６μｍ波長レンジおよびそれ以上の高輝度連続波（ＣＷ）ビームは、長距離ビーム伝搬を必要とする防衛、セキュリティ、産業、および検出アプリケーションにおいて、多大な関心を集めている。これは、大気の透過性と、散乱出射からの相対的な“眼に対する安全”の組み合わせによるものである。にも関わらず、Ｅｒ添加ファイバレーザのパワースケーリングは、Ｙｂ添加およびＴｍ添加のもののようには成功していない。

Ｙｂ添加ファイバレーザは、回折限界ビームの１．１μｍ周辺において１０ｋＷレベルに達しており、Ｔｍ添加ファイバレーザは、２．０μｍにおいて１ｋＷを超えている。これに対して１．５μｍ付近のＣＷ回折限界ビームパワーは、単一横モードファイバレーザにおいて、３０１Ｗを超えていない［１］。Ｅｒ、Ｙｂ共添加ファイバは、イッテルビウム寄生発振によって阻害され、効率が制限される［２］。１．４８μｍにおけるエルビウムのインバンド励起のためのダイオードは、依然高コストである。ダイオード励起を実施する代替手段として、Ｊｅｂａｌｉ等は、３６個のＥｒ、Ｙｂ共添加ファイバレーザの組み合わせを採用し、エルビウムのインバンド励起を実現して、２６４Ｗ出力に達した［３］。

ラマンファイバレーザと増幅器は、５個のストークスシフトにより１．１２から１．４８μｍへの高パワー変換を可能にした［１］。しかし、ガラスファイバにおけるラマンゲインからのスペクトル広帯域化により、線幅は１０ｎｍ以上となり、大気透明ウインドウへのカスケードを妨げている。したがって、１．５μｍ近傍およびそれ以上における高輝度ＣＷビームの要求を満たすための、新たなソース技術が必要とされている。

本発明の目的は、その望ましい実施形態において、ラマン周波数変換を用いて高出力レーザを提供する方法とシステムを提供することである。

本発明の第１側面によれば、２次ストークスシフト出力を有するラマンレーザデバイスを提供する。前記デバイスは：レーザポンプ入力；両端にフィードバック素子を有するレーザキャビティ；前記キャビティ内のダイアモンドラマンアクティブゲイン媒質であって、前記レーザポンプ入力によって励起されたとき１次および２次ストークス出射を提示する、ゲイン媒質；を備え、前記フィードバック素子は、前記ポンプ入力と、前記ゲイン媒質からの１次ストークス出力をフィードバックし、前記２次ストークス出力の一部にゲインを与えて前記デバイスの２次ストークス出力として伝搬する。

前記フィードバック素子は、前記ポンプおよび１次ストークス波長において高反射率を有するミラーを備えることができ、前記出力ミラーは、前記２次ストークス波長において低反射率を有する。

実施形態において、前記ポンプおよび１次ストークス波長における前記ミラーの反射率は、９８％超である。実施形態において、前記出力ミラーは、前記２次ストークス波長において約５０％未満の反射率を有する。実施形態において、前記出力ミラーは、前記２次ストークス波長において約１２％未満の反射率を有する。

前記レーザポンプは連続波入力を提供することができ、前記２次ストークス出力は連続波出力であってもよい。前記ポンプ波長は、約１．０６〜１．１μｍの範囲であってもよい。前記ダイアモンドは、低複屈折低窒素ダイアモンド材料を含む。前記ポンプレーザは、Ｎｄ：Ｙａｇレーザを含む。

実施形態において、前記レーザポンプ入力は調整可能であり、調整可能２次ストークスシフト出力を生成する。前記レーザポンプは、第２レーザ増幅器によって増幅される第１出力を生成する調整可能ＤＦＢレーザを備えることができ、これにより前記レーザポンプ入力を生成する。前記デバイスは、前記レーザポンプ入力と前記レーザキャビティとの間に接続された光アイソレータを備えることができる。実施例において前記デバイスは、前記２次ストークス出力においてフィードバックを提供するＶｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇａｔｉｎｇ（ＶＢＧ）２次キャビティミラーを備える。前記ＶＢＧは、温度安定性を有するものであってもよい。

本発明の別側面によれば、ｎ次ストークスシフト出力を有するラマンレーザデバイスを提供する。前記デバイスは：レーザポンプ入力；両端にフィードバック素子を有するレーザキャビティ；前記キャビティ内のダイアモンドラマンアクティブゲイン媒質であって、前記レーザポンプ入力によって励起されたとき１次および２次ストークス出射を提示する、ゲイン媒質；を備え、前記フィードバック素子は、前記ポンプ入力、前記ゲイン媒質からの１次ストークス出力、および前記高次ストークス出力のゲイン部をフィードバックし、前記ｎ次ストークス出力の伝搬部を前記デバイスの出力として伝搬する。

本発明の別側面によれば、ｎ次ストークスシフト出力を有するラマンレーザデバイスを提供する。前記デバイスは：レーザポンプ入力；両端にフィードバック（すなわち、特定のストークス波長における共鳴）素子を有するレーザキャビティ；前記キャビティ内のダイアモンドラマンアクティブゲイン媒質であって、前記レーザポンプ入力によって励起されたとき複数のカスケードストークス出射を提示する、ゲイン媒質；を備え、前記フィードバック素子は、選択したｎ次ストークス出力までの範囲における全てのストークス次数において強いフィードバックを提供し、ｎ次ストークス出力において前記ゲイン媒質からのフィードバックを提供し、（ｎ＋１）ストークス出射のフィードバックを抑制する構造を有する。実施形態において、ｎは奇数であり、（ｎ＋１）ストークス出射は偶数である。奇数および偶数ｎ次の最適出力結合係数と、（ｎ＋１）次の最適所要損失値は、全く異なるものとなった。

本発明の別側面によれば、実質的に約２μｍ以上のレーザを提供するラマンレーザシステムを提供する。前記システムは：ダイアモンドコアレーザ媒質；前記コアを囲み前記コア内で１次および２次ストークス出力を生成するカスケードストークス生成システム；を備える。前記カスケードストークス生成システムは：前記ダイアモンドコアレーザ媒質内で約２μｍ以下のストークス出力を生成する第１ストークス生成システム；前記１次ストークス出力とともに前記ダイアモンドコアレーザ媒質を励起して、約２ミクロン以上の２次ストークス出力を生成する、第１ストークスポンプシステム；を備える。

本発明の実施形態を、例示目的のみで、図面を参照して説明する。

本発明とともに用いるのに適したデバイスの実施形態の概略図である。

入力ポンプパワーに対する２次ストークス出力パワーのスロープ効率曲線を示すグラフであり、ビームプロファイルを併記する。

高反射率２次ストークスミラーについての、入力ポンプパワーに対する２次ストークス出力パワーのスロープ効率曲線を示すグラフである。

実施形態にしたがって形成した、提案するプロトタイプレーザの側面斜視図である。

調整可能２次ストークスラマンレーザの代替例の概略を示す。

１次および２次ストークス出射の出力パワー、および残部ポンプパワー対ポンプパワーとともに、２次ストークスダイアモンドラマンレーザの性能を示す。

ＤＦＢポンプレーザダイオードの温度に対するラマンレーザスペクトルの依拠性を示す。

ＶＢＧ安定化２次ストークスラマンレーザの実験セットアップを示す。

２次ストークスダイアモンドラマンレーザのスペクトル特性を示す：（ａ）Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇａｔｉｎｇ（ＶＢＧ）からの光フィードバックがあるものとないもののストークス出力。

５００ｍＷストークスパワーで測定した中心波長の温度変動を示す。

２次ストークスダイアモンドラマンレーザのモードホップを示す。

２次ストークスラマンレーザにおける有効モード間隔は、キャビティモード間隔の２倍であることを示す図である。

３００Ｗポンプパワーによる１．０６μｍポンプでダイアモンドの３０μｍ半径のスポットへ集束したときの、１次、２次、３次、４次、５次ストークスシフトの出力結合についての、外部キャビティダイアモンドラマンレーザのモデルのグラフである。ダイアモンドにおける４次と５次ストークスシフト（２．５μｍと３．７μｍ）の多フォノン吸収は無視している。

５０Ｗポンプパワーによる０．５３μｍポンプでダイアモンドの１５μｍ半径のスポットへ集束したときの、１次、２次、３次、４次、５次ストークスシフトの出力結合についての、外部キャビティダイアモンドラマンレーザのモデルのグラフである。

（ｎ＋１）ストークスへのカスケード（ポンプパワーが高いときｎ次ストークス出力を固定する）を避けるための、ｎ次ストークスレーザについての（ｎ＋１）次ストークスにおける最小許容損失のプロットである。 （ｎ＋１）ストークスへのカスケード（ポンプパワーが高いときｎ次ストークス出力を固定する）を避けるための、ｎ次ストークスレーザについての（ｎ＋１）次ストークスにおける最小許容損失のプロットである。

ダイアモンドの吸収係数を波数とともに示す。

望ましい実施形態は、ＣＷ、ナノ秒、フェムト秒パルス領域において実現し難い様々な波長に対して、効率的で高パワーな周波数変換を提供するシステムと方法を提供する。

ダイアモンドにおけるラマン変換は新たに出現した技術であり、ＣＷ、ナノ秒、フェムト秒パルス領域において実現し難い様々な波長に対して、周波数変換を提供することができる［４−９］。

ダイアモンドの特殊な熱特性により、ダイアモンドは従来のラマン結晶とは異なり、顕著な熱による悪影響なしで、ＣＷパワーレベルは３８０Ｗに達する［１０］。また、ダイアモンドの材料特性は、外部キャビティ構成において、高パワーのＣＷ変換を可能とし［７］、例えばファイバレーザなどの既存の高パワーポンプソースの変換に適した設計である。外部キャビティＣＷ領域におけるダイアモンドラマン変換は、１次ストークスシフトにおいて提示され（１．０６μｍ〜１．２４μｍ）、最近のモデルによりデバイス性能に対する設計パラメータの影響が明らかになった［１１］。

眼にとって安全な波長への変換のための、外部キャビティにおける２次ストークスシフトへのカスケードは、ナノ秒パルスポンプによって提示され［１２，１３］、数値法によってモデル化された［１２］。高ピークポンプ強度は通常、非常に高いゲインを提供する。

しかし、ポンプ強度と往復ストークスゲインが非常に小さいと考えられる、ＣＷ外部キャビティ領域における効率的なカスケードストークスシフトは、未だ提示されていない。

第１実施形態は、外部キャビティを用いたＣＷカスケードストークス結晶ラマン発振器を提供する。これにより、１．０６〜１．１μｍにおいて出射するイッテルビウムファイバレーザを、１．５μｍスペクトル範囲へ直接変換する。

ダイアモンドの特別な熱特性は、回折限界ビーム品質を維持しつつ高出力パワーにおける効率的な変換を可能とし、ダイアモンドの大きいラマンシフト（１３３２ｃｍ^−１）は、２つのストークスシフトにおける１．１から１．５μｍへの変換を促進する。

理論に固執しないように、２次ストークス外部キャビティラマン発振器の分析モデルを実験し、高効率変換への道筋として２次ストークスの高ゲイン領域を示した。この領域において高効率変換が示され、１００Ｗ出力と５５％スロープ効率を実現した。モデル検証のため、強い２次ストークスフィードバック（高Ｑ）と弱い２次ストークスフィードバック（低Ｑ）を用いた実験結果を取得した。これら結果は、弱いフィードバックで高効率動作を得られることを示した。一方で、強いフィードバックを用いたとき、ポンプからの変換が抑制されることにより、効率は低下した。米国特許公開２０１５／００８５３４８と［１０］が開示しているような、１次ストークスダイアモンドレーザ結果と組み合わせた高ゲイン領域における効率傾向は、３００Ｗ超におけるこの技術のパワースケーリングのために利用することができる。

図１は、上述の米国特許公開２０１５／００８５３４８が開示しているレーザの実施形態を示す。このデバイスは、受信光１２を変換するためのものであり、デバイスは符号１０で示される。光１２は、連続波希土類イオンドープレーザである光源１１によって生成される。レーザは、ネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネット結晶を有するが、任意の適当な光源を用いてもよい。他実施形態においてレーザは、ネオジム添加バナジン酸塩結晶を有する。デバイス１０と光源１１は、デバイスが光１２を受け取るように配置されている。すなわちこの実施形態においては（ただし全ての実施形態において必須ではない）、光源１１のビーム出力は、デバイスの入力光ポート１５において光軸１３に揃えられている。

図１の構成を利用して、高レベル２次ストークスビームパワーを提供した。外部キャビティＣＷ変換のための実際のレーザ設計に基づく簡素な分析モデルを可能にするため、以下を仮定した。結晶全体の固定半径のトップハットプロファイルと、ポンプビーム、１次ストークスビーム、２次ストークスビームの等半径のトップハットプロファイル。このケースにおける結晶全体の固定半径は許容可能であり、結晶長はポンプビームとストークスビームの共焦点パラメータに類似する。

各ビームの等半径の仮定は、有効ゲインを過大評価するが、ＣＷ動作における緩い閾値を実現するために必要な緊密集束したポンプビームとストークスビームの場合においては、許容できる。このモデルにおいて、ダイアモンドを通過するポンプの２重パスを設けた。線形キャビティを用いるので、ストークス場は往復時に結晶を２回通過する。ポンプ場の減衰と２次ストークス場のゲインはともに１次ストークスキャビティ内強度の関数であり、下記式で表される：

Ｉ_ｐ、Ｉ_１Ｓ、Ｉ_２Ｓはそれぞれ、ポンプキャビティ内強度、１次ストークスキャビティ内強度、２次ストークスキャビティ内強度；ｚはビーム伝搬軸；Ｌはダイアモンドの長さ；αは２次ストークス場の分散損失係数（ラマン結晶内の吸収と散乱の原因）；ｇは１次ストークス場のラマンゲイン係数；η_１＝λ_ｐ／λ_１Ｓは１次ストークスシフトの量子欠損（λ_ｐ、λ_１Ｓはそれぞれ、ポンプ波長と１次ストークス波長）；同様にη_２＝λ_１Ｓ／λ_２Ｓ。ポンプの減衰は、各散乱１次ストークス光子についてのフォノンへのエネルギー損失により、ｇ／η_１に比例する。２次ストークスのゲインは、η_２ｇに比例し、長い波長におけるラマンゲイン減衰の原因となる。

Ｉ_１Ｓ（ｚ）＋Ｉ_１Ｓ（２Ｌ−ｚ）は、ダイアモンドのｚにおける前方伝搬および後方伝搬１次ストークス強度の合計である。実際の２次ストークスレーザにおいて、１次ストークスにおけるキャビティ出力結合はできる限りゼロに近くなり、これにより１次ストークスについてキャビティ内の顕著な個別損失はないので、１次ストークス強度は安定状態においてｚ上で不変と仮定する。したがってＩ_１Ｓ（ｚ）＋Ｉ_１Ｓ（２Ｌ−ｚ）＝２Ｉ_１Ｓであり、式（１）と式（２）は１往復について以下のように統合できる：

安定状態のレーザについて、２次ストークス出力カプラＲ_２Ｓ＝Ｉ_２Ｓ（０）／Ｉ_２Ｓ（２_Ｌ）を代入し、以下を得る：

したがって、２次ストークス閾値以上にポンプパワーを上げるため、キャビティ内１次ストークス強度を固定レベルにクランプし、式（５）は単に２次ストークスレーザの閾値条件となる。Ｉ_１Ｓのこの数式を式（３）に代入して以下を得る：

２次ストークス発振の閾値超の残部ポンプパワーは、注入ポンプパワーに比例し、比例定数は出力カプラの反射率に近い（寄生損失が小さい一般的なレーザにおいて）。したがって、低２次ストークス出力結合について（Ｒ_２Ｓが１に近い）、ダイアモンドキャビティはポンプについてほぼ透明であり、ポンプから１次および２次ストークスへの変換は抑制される。一方で高２次ストークス出力結合について、ポンプ減衰と２次ストークスへの変換は高い場合がある。

１次ストークスキャビティ内場は２次ストークスレーザにクランプされるので、エネルギー保存により、２次ストークスの閾値を超えて注入されたポンプ光の減衰部分は、２次ストークスへ変換される。したがって出力結合２次ストークス強度は以下となる：

Ｉ_ｐＴｈ（ｚ）は、２次ストークス生成についての閾値におけるキャビティ内ポンプ強度である。表１は、各Ｒ_２Ｓ値セットについての、スロープ効率と残部ポンプのスロープの計算値を提供する。２次ストークスダイアモンドレーザを１．０６μｍでポンプした（λ_２Ｓ＝１．４９μｍ、量子制限効率η_１η_２＝７２％）。

１次ストークス出力のクランプは、振幅ノイズが小さくポンプレーザ強度変動に対して反応しにくいラマンレーザを開発するのに有用であることを、付言しておく。

表１ ダイアモンドにおける１０６４ｎｍポンプについての２次ストークススロープ効率と残部ポンプのモデル値

ダイアモンドラマンレーザキャビティ設計は、従来の成果［７，１０，１４］と類似している。ただし、ミラーは２次ストークス動作の利点を得るように設計されている。ポンプ（１．０６μｍ）に対して実質的に透明であり、１次および２次ストークス波長（それぞれ１．２４μｍと１．４９μｍ）において高反射性となり、曲率半径１００ｍｍとなるように、入力カプラミラーを形成した。使用したダイアモンドは、８×４×２ｍｍの低複屈折、低窒素、単結晶ダイアモンドである（ＥｌｅｍｅｎｔＳｉｘ Ｌｔｄ．，英国）。このモデルによる新たな傾向を示すため、３つの異なる出力カプラをテストした。その反射率を表２にリストする。これら出力カプラの曲率半径は、ＯＣ１、２、３について、それぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ、５０ｍｍ、である。

表２ λ_ｐ、λ_１Ｓ、λ_２Ｓにおいてテストした出力カプラの反射率

これら実験において用いたポンプレーザは、［１４］におけるものと類似している：２５０μｓパルスの間において２７０Ｗ動作時パワーまでを生成する疑似ＣＷ Ｎｄ：ＹＡＧレーザであり、ビーム品質Ｍ^２＜１．２である。１００μｓの動作時間は、緊密集束の下でダイアモンドにおける安定状態熱勾配を得るために十分以上のものである［１４］。したがって、この領域におけるダイアモンドレーザからのパワースケーリングとビーム品質は、ＣＷ動作に匹敵する。

図２に示すように、ＯＣ１（Ｒ_２Ｓ＝１１％）を用いて、閾値約５３Ｗの２次ストークスシフト上でレーザを動作させた。出力は、５５％スロープで、１．４９μｍにおける最大１１４Ｗ出力へ２５８Ｗの１．０６μｍにおける注入ポンプパワーから線形増加した。最大変換効率は４４％であり、これは、２次ストークス動作における量子欠損が大きいにもかかわらず、報告されている多くのＣＷ１次ストークスダイアモンドレーザを超えており、この波長で動作するナノ秒パルスダイアモンドレーザに匹敵する（４０〜５１％［１２，１３］）。出力パワーは出力飽和を示すことなくポンプ制限されており、最大パワーにおける２次ストークスビームプロファイルはガウス形状であった（図２に併記している）。ポンプ波長とストークス波長におけるＯＣ１の高反射率により、分光計で計測した出力のスペクトル純度は＞９９％であった。

モデルから予測されるように、ＯＣ２とＯＣ３について、ダイアモンドレーザは、変換効率が減少し残部ポンプが増加した。ＯＣ２のケースについて、２次ストークス閾値とスロープ効率はそれぞれ、２７Ｗと３６％であった。ＯＣ３について、２次ストークス閾値とスロープ効率は、それぞれ７７Ｗと２．６％であった（図３参照）。ＯＣ３における閾値増加は、このミラーにおける顕著な１次ストークス出力結合によるものであり（１．２％）、１次ストークス閾値は大幅に高くなった。

モデルから予測されるように、各ケースにおける残部ポンプ光は、２次ストークス閾値以上に線形増加した。残部パワーの勾配は、入力パワーの関数であり、ＯＣ１、ＯＣ２、ＯＣ３それぞれについて、２３％、４８％、９５％であった。２次ストークス出力を量子欠損η_１η_２で除算して抽出ポンプパワーを計算することにより、残部ポンプのスロープの合計と抽出ポンプが、ＯＣ１においては閾値超の注入ポンプパワー＞９９％、ＯＣ２とＯＣ３においては＞９８％の原因となっていることが分かり、モデルの結果を確認した：すなわち、２次ストークス閾値超において、１次ストークス場はクランプされ、全ての減衰ポンプは２次ストークスへ変換される。

これらレーザの変換効率はモデルによって予測したものより小さく、残部ポンプのスロープは各ケースにおいて対応して高い（特にＯＣ１とＯＣ２）。例えばモデルは、ＯＣ１がスロープ効率として５５％ではなく６８％を得ると予測した。これは、キャビティ内におけるポンプウエストのストークスモードに対する整列が最適ではないことに起因する可能性がある。１次と２次ストークス励起の閾値間のポンプの減衰は、通常観察されるものほど高くないからである。理想的ケースにおいて、残部ポンプのスロープは負であり、１次ストークスのみが閾値超である（［１１］の図２と図４参照）；一方で、ここで述べる全てのケースにおいてスロープは正である。したがってＯＣ１によって、ここに示すよりも高い効率の動作を実現できる。この例において、整列をさらに最適化するのは避けた。これは高ポンプパワーにおけるミラーコートに対するダメージを理由とするものであり、このダメージはＮｄ：ＹＡＧポンプレーザサイクルのリーディングエッジにおける大きい強度スパイクによって主に生じる（［１４］の図４参照）。これはファイバレーザなどのＣＷ高パワーポンプソースにおいては存在しない。

このレーザのパワースケーリングに対する主な検討事項は、熱レンズと光コートに対するダメージである。光コートダメージの観点において、本明細書のシステム設計は非常に安定している。１次ストークスキャビティ内強度は閾値超でクランプされ（モデルにしたがって２０ｋＷ超レベル）、これにより回転場からのダメージリスクは高パワーにおいて増加しない。本明細書で用いる効率的な２次ストークス生成のための出力結合は８９％と高いので、２次ストークスキャビティ内強度は、ｋＷ出力パワーレベルに達するまでは１次ストークスのものへ接近することはない。

熱レンズの観点において、２次ストークスレーザは、高出力結合に起因するダイアモンド内の２次ストークスのパワー損失を無視できる利点を得ることができる。上述のように残部パワー、２次ストークス出力パワー、および量子欠損により、＜１％の生成した２次ストークスパワーは、例えば欠陥、不純物吸収、散乱などの寄生効果に起因して、ダイアモンド内で散逸することが分かった。これら１次ストークス場の効果により散逸するパワーは、２次ストークス閾値超のポンプパワーに固定される。したがって、２次ストークスパワーが増加するとき、熱負荷に対する主な寄与分は、生成したラマンフォノンである。出力結合が大幅に低い（１％未満のこともある）１次ストークスＣＷダイアモンドレーザにおいて、ダイアモンドへのパワー損失は、生成したストークスパワーの１０〜５０％以上となり得る［１０，１４］（出力結合を含むダイアモンド損失の総損失に対する所与の比率による）。したがって、ラマン材料の加熱に対する不純物と欠陥吸収の寄与分は、最適２次ストークスレーザにおいて大幅に減少する。１．０６〜１．４９μｍ２次ストークスシフトについて、これは減衰ポンプパワーの２８％に達する（出力２次ストークスパワーの４０％に等しい）。ダイアモンド内の１次ストークス損失とラマン生成フォノンの結合加熱が、それぞれ１０８Ｗレーザと３８０Ｗレーザにおいて約１５０Ｗ［１４］または１２０Ｗ［１０］である、１次ストークスダイアモンドラマンレーザについての従来の結果と比較して（計算は、Ｐ_Ｈｅａｔ＝Ｐ_Ｏｕｔ×［２αＬ／Ｔ_ＯＣ＋（１−η_１）／η_１］、Ｔ_ＯＣは出力カプラ伝搬、Ｐ_Ｏｕｔは測定したストークス出力、として実施した）、２次ストークスレーザは、これらの加熱レベルを超えることなく３７５Ｗ出力に近づくことができる。このレベルを超えるパワースケーリングは、ビーム品質の損失無でモードサイズを増やすと可能であると考えられるが、ダイアモンドから多大な熱抽出を必要とする。

実施形態は、外部キャビティ構成において、ＣＷ２次ストークス結晶ラマンレーザを提供する。分析モデルは、２次出力結合とポンプの減衰率との間で、ほぼ線形比例を示した。したがって２次ストークスにおける高出力結合が、高効率変換のために必要である。

ダイアモンドの優れた熱特性とラマンシフトを利用して、１１４Ｗ出力パワーまでにおける５５％スロープ効率と４４％変換効率で、１．０６μｍから１．４９μｍへの高効率変換を提示した。このコンパクトレーザは、１．５〜１．６μｍスペクトルレンジへのＹｂファイバレーザの直接変換に適しており、これら波長で動作するファイバレーザの現在の性能を超えたパワースケーリングへの優れた可能性を示した。約５０ＧＨｚ未満のポンプレーザ線幅は、ダイアモンドの高ラマンゲインを得るためには望ましい。ダイアモンドを室温以下に冷却して、熱特性を改善し、高パワーを処理する可能性を得ることができる。これは例えば反射防止コート結晶またはブリュースターカット結晶である。あるいは同位体純化結晶である。反射防止コートを用いる場合、奇数次ストークス波長の低反射を実現するため特に重要である。奇数次における反射防止要件を緩和すると、高ダメージ閾値と低コストコートを実現する観点から利点がある。

図４を参照する。本実施形態にしたがって構築したラマンレーザ４０の動作部の１形態の側部斜視図を示す。構成４０において、ダイアモンド光媒質４１は、ヒートシンク４２とベース４３上に取り付けられている。ヒートシンク４２とベース４３は、例えば銅などの高熱伝導率材料から形成することができる。ベース４３はさらに、ステージ４８上に取り付けることができる。ステージ４８上には、２つの反射ミラー４４と４５が形成されている。これらミラーは表２に示す反射率を有する。構成４０は、入力ビーム４６によってポンプされ、出力ビーム４７を生成する。

単一レーザゲインキャビティを参照して第１実施形態を説明したが、リングキャビティレーザや複数ミラー構成を含むその他形態を利用できることは、当業者にとって明らかである。

＜別実施形態＞

別実施形態において、既存レーザシステムの、微量ガス検出に適した選択放出波長への高効率周波数変換を可能とするラマンレーザを提供する。コンパクト性を除くと、ラマンレーザの主な利点は自動フェーズマッチングであり、これにより熱離調と熱調整ずれを減少させるとともに、いわゆるラマンビームクリーンアップ効果を得ることができる。後者は、生成したストークスビームによる空間ゲインプロファイルが、ガウス分散に収束するポンプ場とストークス場の畳み込みであり、したがって基本横モード（ＴＥＭ００）出力と回折限界ビーム品質を提供することを表している。

さらに近年の研究によれば、定在波キャビティ内で空間ホールバーニングがないことにより、単一縦モード動作（狭帯域レーザ出射の前提となっている）がラマンレーザにおいて促進される。ＣＶＤダイアモンドは、高パワー周波数変換の優れた材料である。これはラマンゲイン係数が大きく、熱機械特性が優れていることによる。これをラマンビームクリーンアップ効果と組み合わせて、有害な熱レンズ効果を回避し、高輝度出力を提供できる。

ダイアモンドラマンレーザによりさらに、選択した吸収ラインにおいて、近赤外スペクトル領域で周波数安定狭帯域出力を生成することができる。この目的のため、単一縦モード（ＳＬＭ）で動作する外部キャビティダイアモンドラマンレーザを開発した。これは１４８３から１４８８ｎｍまで調整可能である。外気内の水蒸気を、吸収ガス種として選択し、レーザによる微量ガス検出の可能性を示した。水蒸気は、大気中に多量に存在し、地球温暖化を加速する主要要素であるため、主要なグリーンハウスガスである。したがって大気中の水蒸気密度を正確に測定することは、気候モデルをチェック改善するため必須であり、より正確な気候変動と天候の予測を提供できる。

本実施形態は、ラマンレーザのスペクトル特性上でＶｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇａｔｉｎｇ（ＶＢＧ）を利用することを含む。ＶＢＧは、レーザのスペクトル狭帯域化とモード選択のための、コンパクトかつロバストな光素子である。本実施形態は、ストークスオーダスケールのＳＬＭラマンレーザの良好なモード間隔を示した。これにより、高次ストークスラマンレーザにおける単一モードを促進できる。

図５は、外部キャビティ２次ストークスラマンレーザの初期セットアップ５０の概略を示す。単一周波数分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザ５１からの出力（ＴＯＰＩＣＡ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，モデルＤＬ ＤＦＢ ＢＦＹ）を、Ｙｂファイバ増幅器５２（ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，モデルＹＡＲ−ＬＰ−ＳＦ）によって増幅し、ポンプソースとして用い、回折限界ビーム品質（Ｍ^２＝１．０５）において４０ＷまでのＣＷ出力パワーと高い周波数安定性（毎時４０ＭＨｚ超）を供給する。熱調整レート８０ｐｍ／ＫでＤＦＢレーザ５１の動作温度を変化させることにより、ポンプ波長は１０６２．８から１０６５．６ｎｍまで調整可能である。

ポンプとラマンレーザとの間の光フィードバックは、光アイソレータ５３と偏光アライナ５４、５５を用いることによって妨げられる。半波長板５６を利用して、ダイアモンド媒質６０の［１１１］軸に沿ってポンプ光を偏光し、これにより高次ラマンゲインを提供する。ｆ_Ｌｌ＝５０ｍｍ焦点距離の平凸レンズ５８を用いて、ポンプビームを、低窒素低複屈折ＣＶＤ成長単一結晶ダイアモンド６０（ＥｌｅｍｅｎｔＳｉｘ，Ｌｔｄ．）へ集束した。ダイアモンド６０は、近同心光キャビティの中心において、銅ブロック６１上に配置されている。

線形ラマン発振器は、それぞれ曲率半径５０ｍｍと１００ｍｍの２つの凹ミラー５９と６３によって形成されている。両ミラーは１次ストークス波長において高反射率であり、ｋＷレンジのキャビティ内１次ストークス場パワーを生成する。入力カプラ（Ｍ１ ５９）も２次ストークス出射において高反射率であり、出力カプラ（Ｍ２ ６３）はこの成分を一部透過させる（Ｔ≒３０％）。

図６は、１次（例えば７４）および２次（例えば７３）ストークスレーザ性能７０の計測結果を示す。１次と２次ストークス生成ともに閾値は小さく（≒６Ｗ）、１次ストークスパワーは２次ストークス場が上昇しても略一定を維持している。２次ストークス閾値超において、１次ストークス場はポンプ（７１）と２次ストークス場との間の仲介として動作し、これにより後者への高効率変換を実現する。最大２次ストークスパワーの測定結果は、３４Ｗポンプパワーにおいて７Ｗであった。これは変換効率２１％に対応する。

ＤＦＢポンプレーザダイオード（図５の５１）の温度を変化させることにより、出力波長を継続的に調整できる。これにより、１４８３から１４８８ｎｍの調整可能レンジを実現できる。図７はその結果の結果得られたスペクトルであり、レーザスペクトルアナライザを用いて取得した。スムーズなローレンツライン形状は、約１００ｍＷの低出力パワーにおけるラマンレーザのＳＬＭ動作を示している。これは、ポンプ周波数変動（４０ＭＨｚ）のみによって制約される中心周波数の高い安定性によっても確認された。ただし複数モード動作とさらに大きい変動が、より高い出力パワーにおいて観察された。ラマンシフトの熱誘導変化と光経路長は、ＳＬＭパワーを制約する主な理由と考えられる。ラマン生成フォノンの減衰からの熱は、１次ストークスレーザと比較して約２倍である。また、不純物と、強いキャビティ内１次ストークス場によって生じる欠陥吸収とに起因して、ダイアモンドの熱負荷は１次ストークスラマンレーザと比較して悪化する可能性がある。これにより、ストークスパワーと光キャビティ長との間のより強い結合が生じ、その結果、ＳＬＭ出力パワーが低下し周波数安定性が乏しくなる。

＜Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇａｔｉｎｇを用いた波長安定化＞

ＳＬＭパワーを増やすとともに、より長い時間スケール上で周波数安定性を改善するため、Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇａｔｉｎｇ（ＶＢＧ）をシステムに組み込んだ。

図８は、変形デザイン９０におけるＶＢＧ９１を利用する構成図である。ＶＢＧは、格子に対する法線入射の１４８６．０ｎｍ波長においてピーク回折効率（反射率）５５％を有し、反射帯域幅約１００ｐｍ（ＦＷＨＭ）を有するように設計されている。このように、外部光共鳴器の２次出力カプラとして動作し、内部レーザキャビティに対する光フィードバックを提供する。内部レーザキャビティは、２つのミラーＭ１とＭ２によって形成されている。Ｍ２の後ろに配置されている平凸レンズは、出力ビームをコリメートし、これにより２次ストークスビーム入射とＶＢＧからの反射が空間上で十分重なる。ロングパスフィルタ（ＬＰＦ）９２は、２次ストークス波長において透過率が高く、これを利用して、キャビティを介したポンプと１次ストークス出射のリークを抑制した。ＶＢＧ安定化ラマンレーザの波長調整は、ポンプレーザ波長をスキャンすることと温度制御オーブン内で格子９１を加熱することの組み合わせにより実現される。後者により、ＶＢＧピーク波長を約１ｐｍ（１３５ＭＨｚ）の精度で１４８６．０から１４８６．６ｎｍへ調整できる。

ラマンレーザのスペクトル純度に対するＶＢＧの影響を、２次ストークス波長が格子ピークとオンレゾナンスまたはオフレゾナンスとなるように調整するケースの下でスペクトルを記録することにより、調査した。図９は、５００ｍＷ出力パワーで測定したケース１０１と１０２を示す。ＶＢＧはオフレゾナンス１０１またはオンレゾナンス１０２である。ラマンレーザをオフレゾナンス１０１に調整してＶＢＧが２次ストークス出射に対して透過であるとき、複数モード動作が示された。一方で、２次ストークス波長が室温ＶＢＧピーク波長１４８６．００ｎｍに合致しかつ光フィードバックを提供するようにポンプレーザ波長をセットしたとき、単一縦モード１０２の発振が観察された。図１０は、中心周波数の安定性が１〜２分間にわたって約４０ＭＨｚであることを示す。これはポンプ周波数変動のオーダである。したがって、ＶＢＧを利用することによりＳＬＭ動作を促進できる。約１００ｐｍの広帯域幅にもかかわらずモード間の区別を改善するからである。

数分間にわたる中心波長の温度変動の測定結果は、図１１の１２１、１２２、２３、１２４が示すように、モードホップが発生していることを表している。これらは、ダイアモンドとその取付部の加熱に起因すると考えられる。強いキャビティ内１次ストークス場により、ダイアモンドは数分間で数十ケルビン加熱し、これにより光経路長が増加し、ラマンシフトの中心値に影響する。２ＧＨｚのオーダでモードホップを測定した。これは、内部キャビティの光経路長から計算したモード間隔の２倍である。

理論に縛られることなく、その理由としては以下のものが考えられる。１次ストークス成分のＳＬＭ動作の場合において、対応する場がポンプとして同じキャビティと共鳴していることが必要である。これは図１２に示すように、周波数が内部キャビティモード間隔Δνの整数倍であることを示しており、約１２４０ｎｍラマンゲインのピークに近い。２次ストークスモードは１次ストークス場をポンプとしてゲインを取得し、自発ラマン散乱と、基本周波数ν_０の１次ストークス周波数ν_ｓｔ１＝ν_０−ｎ・Δν（ｎは正整数）との非フェーズ一致４波混合の結果とによって、シードされる。前者のプロセスは全てのキャビティモードをシードする可能性があり、後者はエネルギー保存により２ν_ｓｔ１−ν_０＝ν_０−２ｎ・Δνにおけるシードのみを提供する。したがって、観察されたモードホップ間隔２Δνから、４波混合が支配的シードメカニズムであることが推測される。その結果、２次ストークス場も同様に１次ストークスキャビティと共鳴する。

モードホップが１次ストークスレーザについて発生する場合、フォノン周波数（ラマンシフト）はキャビティモード間隔の量だけ増加（または減少）する。これにより、１次から２次ストークスへのシフトがより大きく（またはより小さく）なり、１つのモードがスキップされ、有効モード間隔は１次ストークスの２倍となる。この概念は、より高次のストークスへも適用できる。周波数間隔はストークス次元に比例して増加するので、ラマンゲイン帯域幅内で利用可能な縦モードの個数は減少する。これは有用な特徴である。例えば周波数選択可能キャビティ素子によってＳＬＭ安定性をアシストし、２次モードをより容易に区別できるからである。

以上の説明は、光路長がＭ１とＶＢＧによって形成され、Ｍ１とＭ２がオンレゾナンスとなるように選択されると仮定していることを付言しておく。ただしＶＢＧによって形成するキャビティのフィット性は低く、これはレンズＬ２とロングパスフィルタによって生じるキャビティ内損失によりさらに減少するので、正確なキャビティ長は、２次ストークスレーザの安定ＳＬＭ動作にとってさほど重要ではない。一般にミラー間隔をアクティブミラー位置決め器とフィードバック電子部品によって正確に制御し、安定単一モード動作を実現する。

眼にとって安全なスペクトル領域を出射するダイアモンドラマンレーザのＳＬＭ動作を別実施形態で実施した。２次ストークス成分への調整可能ポンプレーザの高効率周波数変換により、１４８３から１４８８ｎｍ範囲で、７Ｗ複数モード出力パワーを生成した。Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇａｔｉｎｇを実装することにより、単一モード出力パワーが５００ｍＷへ増加し、周波数変動は４０ＭＨｚへ減少した。長期周波数安定性の分析により、ラマンレーザの有効モード間隔はキャビティモード間隔の２倍であり、ＳＬＭ動作したとき高次ラマンレーザの有用な特性を提供することが分かった。最後に、ラマンレーザを水蒸気検出において用いることができた。

レーザ周波数安定性を改善することにより、測定エラーが顕著に減少した。これは例えば、室温ピーク波長が選択した吸収線の中心波長と一致するＶＢＧを用いることによる。

その他ガス種の検出は、現行システムを調整して、Ｙｂファイバ増幅器ゲインスペクトルのより広い部分（例えば１０１０〜１１２０ｎｍ）を用い、これにより１次（１１６５〜１３２０ｎｍ）と２次（１３８０〜１６００ｎｍ）ストークス生成を介して近赤外の主要部分へアクセス可能とすることによって、実現できる。したがって、開発したコンセプトに基づくＳＬＭラマンレーザは、大気ガスの遠隔検出において適用される既存のＯＰＯ／ＯＰＡおよびＥｒ：ＹＡＧレーザ源に対する代替となる。さらに、可視スペクトル範囲へ利用可能出射波長を拡張することは、後続２次高調波生成によって実現することができる。これにより、例えばＳｒ原子クロックにおける１Ｓ０→３Ｐ０クロック遷移の波長を表す６９８ｎｍに達する。

本実施形態は、特にダイアモンドラマンレーザのパワースケーリングの可能性を示し、高パワーＳＬＭレーザを開発する新たな可能性を開いた。これは、遠隔検出アプリケーションのみならず、例えば重力波検出やレーザ冷却などのその他領域においても多大な関心があるものである。

＜代替実施形態＞

以上の構成は、複数ストークスカスケードへ一般化できる。これにより、外部キャビティを用いた非共鳴または弱共鳴ポンプのカスケードストークスロングパルス連続波ラマンレーザを実現できる。

設計パラメータにより、１以上のストークス波長において、光キャビティの非共鳴または弱共鳴ポンプを用いた結晶内の高効率ロングパルスまたは連続波ラマンビーム変換を実現できる。これにより、２以上のカスケードストークスシフトを介して、ポンプビームからのエネルギーを、ストークスシフトビームへ変換する。

したがって本実施形態により、２以上のストークス次数における高効率変換を実現するために必要な出力結合値を実現できる。

２次ストークスＣＷ外部キャビティラマンレーザにおけるポンプ変換を規定する一般式は、以下の通りである：

Ｉ_ｐ（０）は注入ポンプ強度；γ＝４ｇ_１Ｌ／η_１、ｇ_１は１次ストークス波長におけるラマンゲイン係数、Ｌはゲイン結晶の長さ、η_１はポンプ波長を１次ストークス波長で除算したものに等しい；￣Ｉ_１（ｚ）と￣Ｉ_２（ｚ）はそれぞれ、１往復における回転１次および２次場の強度平均；Ｉ_ｐＴＨ１＝（−ｌｎＲ_１＋２α_１Ｌ）／（４ｇ_１Ｌ）、Ｒ_１は１次ストークス波長におけるキャビティ反射率（すなわち、２つのミラーの反射率の積）、α_１は１次ストークス波長におけるダイアモンドの損失係数。

この数式は、２重通過ポンプに対して適用される；単一通過ポンプγ＝２ｇ_１Ｌ／η_１であり、２次ストークス項の前に係数２がある（すなわち、￣Ｉ_２（ｚ）は￣｛２Ｉ_２（ｚ）｝で置き換えられる）。

１次ストークスのみのレーザにおいて、￣Ｉ_２（ｚ）＝０。２次ストークスレーザについて

全てのストークス次数について成立する下記式を用いて、高カスケードストークス次数について、任意の奇数次を￣Ｉ_１（ｚ）に代入し、偶数次を￣Ｉ_２（ｚ）に代入することができる：
Ｒ_ｎ−１は（ｎ−１）次ストークス波長におけるキャビティ反射率、α_ｎ−１は（ｎ−１）次ストークス波長における結晶損失係数、ｇ_ｎ−１は（ｎ−１）次ストークス波長におけるラマンゲイン係数。

例として、５次ストークスレーザについて、所与のキャビティ内５次ストークス強度を実現するために必要なポンプ強度は、下記式で与えられる：
４次ストークスレーザについて、所与のキャビティ内４次ストークス強度を実現するために必要なポンプ強度は、下記式で与えられる：

任意の所与のストークスラインにおける出力パワーは、下記式を用いてキャビティ内強度から計算することができる：
Ａは結晶内のビーム面積である。

カスケードストークスラインについての安定状態キャビティ内強度を表す上述の分析式は、全ての奇数次ストークスシフトが注入ポンプ強度に対して同様の関係を有しており、したがって全ての奇数次ストークスシフトに対する変換についての最適出力結合値は同様に低いことを示している。同様に、全ての偶数次発振ストークスシフトのキャビティ内強度は、注入ポンプ強度に対して同様の関係を有し、これは奇数ストークス次とは全く異なり、したがって全ての偶数ストークスシフトに対する変換について最適出力結合値は類似している。

導出した分析式は、２次ストークスへの高効率変換解も含んでおり、奇数次ストークスシフトの最適値と比較して、全ての偶数次ストークスシフトについて、最適変換効率のためには非常に高い出力結合値が必要であることを示している。

これらの傾向を、図１３と図１４に明確に示す。これら図面は、１次、２次、３次、４次、５次ストークスシフトにおける出力がポンプからシフトするダイアモンドラマンレーザについて、最終（ｎ次）ストークス出力結合の関数として、総パワー変換効率をプロットしている。図１３は、１次、２次、３次、４次、５次ストークスシフト（１３１〜１３５）における出力結合について、外部キャビティダイアモンドラマンレーザのモデル結果のグラフを示す。１．０６μｍのポンプパワー３００Ｗ、ダイアモンドにおいて半径３０μｍのスポットへ集束し、４次と５次ストークスシフト（２．５μｍと３．７μｍ）におけるダイアモンドの多フォノン吸収を無視した。

図１４は、１次、２次、３次、４次、５次ストークスシフト（１４１〜１４５）における出力結合について、外部キャビティダイアモンドラマンレーザのモデル結果のグラフを示す。０．５３μｍのポンプパワー５０Ｗ、ダイアモンドにおいて半径１５μｍのスポットへ集束した。

上記分析式を解くことによりプロットを生成した。全てのケースにおいて、低次（＜ｎ）ストークス波長における出力結合は、最終（ｎ次）ストークス波長よりも小さく（約ゼロ）、高次カスケードストークス波長（ｎ＋１次）において十分高く、これにより不要なカスケードを抑制する。導出した解は、例えば複数ストークス次における同時出力などにおいて一般的に適用できる。

２つのケースを示す。図１３は１．０６μｍにおける３００Ｗポンプであり、図１４は０．５３μｍにおける１４．５０Ｗポンプである。図１３と図１４は、奇数次ストークスシフトについて出力結合値２０％未満で最高変換効率を明確に示している。これに対して偶数次ストークスシフトについては、最適出力結合値は大幅に大きい（図１３と図１４に示すほとんどのケースにおいて６０％超）。

図１３を生成するために用いたモデルパラメータは以下の通りである：中間ストークス次におけるミラー反射率に起因するキャビティ損失：−ｌｏｇ（０．９９９）；（ｎ＋１）ストークス次におけるミラー反射率に起因するキャビティ損失：−ｌｏｇ（０．００００００１）；注入ポンプパワー：３００Ｗ；ポンプおよびダイアモンドにおける全てのストークスウエスト半径：３０μｍ；ゲイン媒質長：０．８ｃｍ；全てのストークス波長におけるゲイン媒質内の分散損失係数：０．００３７５ｃｍ^−１；１次ストークスにおけるラマンゲイン係数：１０ｃｍ／ＧＷ；ストークス波長（１次から６次）：１２４０ｎｍ、１４８５ｎｍ、１８５１ｎｍ、２４５７ｎｍ、３６５３ｎｍ、７１１９ｎｍ；２次および高次ストークス次におけるゲイン係数は、１次ストークスにおけるゲインに比例し、波長の２乗の逆スケールであり、これによりラマンゲインの１／λスケーリングと共鳴器内のモード領域のλスケーリングを実現する（これにより、ビーム強度（すなわちラマンゲイン）の反比例スケーリングを実現する）。

図１４を生成するために用いたモデルパラメータは以下を除いて図１３と同じである：注入ポンプパワー：５０Ｗ、ポンプおよびダイアモンドにおける全てのストークスウエスト半径：１５μｍ；全てのストークス波長におけるゲイン媒質内の分散損失係数：０．０１１ｃｍ^−１；１次ストークスにおけるラマンゲイン係数：２０ｃｍ／ＧＷ；ストークス波長（１次から６次 １４１〜１４６）：５７３ｎｍ、６２０ｎｍ、６７６ｎｍ、７４２ｎｍ、８２４ｎｍ、９２６ｎｍ。

ｎ次ストークスにおけるキャビティ内強度は、１次と２次ストークス強度をポンプ強度に関連付ける上記式を解き、上記式にしたがって１次と２次ストークス（Ｉ_１（ｚ）とＩ_２（ｚ））に高次発振ストークスを表す項を代入することにより計算できる。このモデルにおいてビーム半径は定数であり、ポンプと全てのストークス次について等しいので、ｎ次ストークスについて変換効率は、ｎ次ストークスにおけるキャビティ内強度に−ｌｏｇ（Ｒ_ｎ）を乗算し注入ポンプ強度で除算することにより、計算できる。Ｒ_ｎはｎ次ストークス波長における出力カプラ反射率である。

ダイアモンドにおける１．０６μｍからの４次と５次ストークスシフトに対応する波長（２．５μｍと３．７μｍ）におけるダイアモンド内の高い光損失は、格子吸収に起因して生じ、このモデルにおいては説明されていない。これは、当該ポンプ波長においてダイアモンド特有のものだからである。これらモデルは、干渉ゲインと、ポンプと各キャビティ内ストークス場との間の損失項とに起因する最適出力結合における傾向を示している。全ての波長における予測性能を正確にモデル化するため、各ストークス波長におけるより正確な損失値を、上記推測値ではない数式へ代入する必要がある。

低出力結合値における偶数ストークス次の低変換効率の原因は、低出力結合により往復ごとのポンプ減衰が低レートとなることであり、キャビティ内でポンプは共鳴しないので、総合的にポンプからのパワー変換は低レートであることを意味する。

モデルからの別の重要な知見は、効率的なｎ次ストークスレーザ（ｎは奇数）を実現するため、（ｎ＋１）次ストークスにおけるキャビティ反射を高度に最小化することが必要なことである。

図１５と図１６は、同じ分析式と同じパラメータを用いて、（ｎ＋１）次ストークスにおける最小必要キャビティ損失を解いたプロットを、所望（ｎ次）ストークスにおけるキャビティ出力結合の関数として示す。（ｎ＋１）ストークスへのカスケードを回避するためのものである。これら解は、１次から５次ストークスレーザについて与えられる。出力結合＜２０％（図１５における最適値近傍）の奇数次ストークスレーザについて、次の偶数次ストークスについての最小許容キャビティ損失は通常非常に高いことを示している。一方で、偶数次ストークスレーザ（ｎ＝２、４など）について、（ｎ＋１）次ストークスの最小必要損失は、全範囲にわたって比較的低い。

図１５と図１６は、ｎ次ストークスレーザについて、（ｎ＋１）次ストークス（増加したポンプパワーにおいてｎ次ストークス出力をクランプする）へのカスケードを避けるため、（ｎ＋１）次ストークスにおける最小必要損失をプロットしている。プロットは、図１５において用いたパラメータと同じである。１．０６μｍの３００Ｗポンプパワーでダイアモンドにおいて半径３０μｍのスポットへ集束し、４次と５次ストークスシフト（２．５μｍと３．７μｍ）におけるダイアモンドの多フォノン吸収を無視する。図１６は、０．５３μｍの５０Ｗポンプパワーをダイアモンドにおいて半径１５μｍスポットへ集束した場合を示す。

この結果から得られる実際上の示唆は、１次ストークスレーザを含む効率的な奇数次ストークスレーザを生成するためには、次の偶数次ストークスへのカスケードと、その結果としての所望ストークス次数の出力パワーのクランプを避けるための、特別な配慮が必要であることである。一方で、効率的な偶数次ストークスレーザについて、次の奇数次ストークスへの不要なカスケードを抑制することは、キャビティ反射／損失に対して厳格な追加要件を課すことはない。この議論は、２次ゲインラマンモードを有するダイアモンド以外の材料（例えばカリウムガドリニウムタングステン）にも適用される。この場合、２次モードの対応するストークスシフトの波長において十分な損失を提供することも重要である。

カスケードストークスラマンレーザの高結合領域と低結合領域の利点と不利益を以下に説明する。所与のストークス次数について、低出力係数または伝搬により、強い寄生非線形効果が生じる。例えばＳＢＳや４波混合、出力結合と比較して大きい寄生損失割合（例えば吸収や散乱）、偶数次ストークス出力結合における小さいポンプ減衰、など。奇数次ストークスレーザについて、次のストークス次数への不要なカスケードと、所望ストークスの出力のクランプのリスクが高い。

出力結合または伝搬が非常に高い場合、閾値は増加し（特に奇数次ストークス出力結合において）、したがってレーザ効率は低下する。

モデルの結果は、奇数次ストークス出力の効率と、次の高次（偶数）の抑制であることが分かる。これは、偶数次ストークス出力におけるものよりも厳格である（図１５と１６に示すように）。これは実際には、高次においてキャビティミラーが高透過性となるようにすることによって実現できる。例えばフィルタ、エタロン、吸収材などのキャビティ内要素を用いて、抑制を実現してもよい。抑制レベルを上げる別技術としては、屈折キャビティ（例えば別の“屈折”ミラーから跳ね返らせる）を用い、屈折ミラーが高次において高損失となるようにすることである。この場合、全体の往復損失はミラー損失の少なくとも２倍である。

より短い波長におけるキャビティ内２次高調波生成の可能性もある。この場合、出力結合は代わりに、出力カプラ（高調波に対して高透過性）から出力される非線形２次高調波生成によって提供される。出力結合の最適化は、部分反射ミラーと同様に生じる。出力結合値は原則的に、非線形材料、結晶長、結晶内のビームサイズの選択に依拠する。

別のレーザを用いることもできる。Ｎｄ：ＹＡＧに加えて可能性があるポンプレーザとしては、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂファイバレーザ、ＶＥＣＳＥＬ、Ｅｒファイバレーザ、これらの高調波が挙げられる。本明細書が記載しているものと同じ原理を、同期ポンプされる超短波ラマンレーザ（例えばピコ秒ラマンレーザ）に対して適用できる。

Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇａｔｉｎｇを用いる場合は一般に、共鳴器ミラー間隔のキャビティ長を安定化または動的制御することが重要である。これは、単一縦モードで動作する調整可能または波長安定レーザの要件として既知のものである。

＜別代替実施形態−２．１μｍ領域＞

２．１μｍ超波長（シリカ光ファイバの伝搬ウインドウ）において出射する固体状態レーザ源は、多くの理由により実現困難である−特に連続波動作において。ソフトガラスに基づくファイバレーザ源は、高パワーに適しておらず、ほとんどのレーザ遷移は不十分である。この波長領域における高パワーレーザは、プラスチック溶接において要望がある。これは、これら波長において添加材や増感剤なしでプラスチックが光を吸収することによる。

ダイアモンドは、ラマン励起を用いてこれら課題を解決できる可能性がある。ラマン励起はレーザ遷移を必要とせず、短波長レーザからのラマン周波数変換に依拠している。この波長領域におけるレーザを開発する主な要求がある。例えばプラスチック溶接用途である。

ただしダイアモンドも２〜３μｍ波長領域における多大な損失がある。これは、ダイアモンドに内在する多フォノン吸収（格子吸収）に起因すると考えられる。多フォノン吸収は、１．９ミクロン（４フォノン）吸収の閾値波長においてある程度生じ、２．５ミクロン（３フォノン）においてより強く生じる（２つのフォノンは３．７５ミクロンにおいて開始する）。図１７は、ダイアモンドの吸収係数の波数による対数グラフを示す。複数フォトン吸収特性を示している。結果として、この領域におけるレーザシステムを提供するニーズがある。

レーザモデルは、これら波長（または波数）において動作するダイアモンドレーザ（単一ラマンシフトに基づくもの）が、高閾値パワー要件と低出力効率を有し、これによりそのような手法が無駄になる可能性を示唆する。例えば、２〜３．８μｍにおけるダイアモンド損失は０．２〜２ｃｍ^−１である（ｃｆ．１．２μｍにおいて＜０．００４ｃｍ^−１）。通常のダイアモンドレーザ：往復ごとに結晶を２回通過する０．８ｃｍダイアモンドについて、往復損失は２７〜９６％であり、これに対して１．２μｍにおいては０．６％である。

例えば、λ_{Ｒａｍａｎ}＝２．４６μｍ、λ_ｐｕｍｐ＝１．８５μｍ、２．４６μｍにおける損失係数α_２．４６＝０．３ｃｍ^−１（したがって往復損失＝６２％）、ミラー反射率Ｒ_１Ｒ_２＝１×０．８＝０．８、ゲイン係数ｇ＝１０^−８×１２４０／２４５７ｃｍ．Ｗ^−１、ダイアモンド長Ｌ＝０．８ｃｍの１次ストークスレーザにおいて、最大変換効率は下記式で与えられる：

上記変換効率へアプローチするためには、閾値ポンプパワーの約４倍のポンプパワーＰ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}が必要である：

ダイアモンドにおけるポンプ焦点スポット半径ｗ_０＝０．００３ｃｍについて。閾値超複数回におけるこの非常に高い閾値と低い予想変換効率により、このタイプのレーザはいずれの用途においても期待できない非実用的なものである。

本実施形態は、カスケード連続波ラマンレーザを利用して、これら波長において（またはこのレーザ波長において損失が大きい任意の状況において）動作するレーザ設計を実現する。このレーザ設計は、効率的に動作することができ、閾値ポンプパワー要件が非常に低い。２次ストークスシフト（高効率動作するために低フィット性／高ゲインキャビティを必要とする）で動作することにより、１次ストークスシフトで動作するように設計されたラマンレーザよりも、寄生損失から受ける影響が大幅に小さい。

以下に説明する例は、２次ストークスレーザ設計についての閾値パワーと予測スロープ効率を提供する。

２〜３μｍの波長において動作する高パワー固体状態レーザは、多くの用途を有する。即ターゲットとなる用途はプラスチック溶接である。本実施形態は、実質的に高い寄生損失が存在する場合における効率的動作を実現するための理論および設計原理を意図している。

同様の出力波長：λ_{Ｒａｍａｎ}＝２．４６μｍ、λ_１Ｓ＝１．８５μｍ、λ_ｐｕｍｐ＝１．４９μｍ、２．４６μｍにおける損失係数α_２．４６＝０．３ｃｍ^−１、１．８５μｍにおける損失係数α_１．８５＝０．００４ｃｍ^−１、１．８５μｍにおけるラマンゲイン係数ｇ_１＝１０^−８×１２４０／１８５１ｃｍ．Ｗ^−１、２．４６μｍにおける有効ラマンゲイン係数（キャビティ内において１次ストークスモードと比較して拡大した２次ストークスモードのビームサイズを考慮する）ｇ_２＝１０^−８×（１２４０／２４５７）（１８５１／２４５７）ｃｍ．Ｗ^−１、１次ストークス波長におけるミラー反射率Ｒ^２ _１．８５＝０．９９６、２次ストークス波長におけるミラー反射率Ｒ_２．４６＝Ｒ_１Ｒ_２＝１×０．３＝０．３、ダイアモンドにおけるポンプウエスト半径ｗ_０＝０．００３ｃｍ、ダイアモンド長Ｌ＝０．８ｃｍ、で動作する２次ストークスレーザについて。２．４６μｍにおける２次ストークス励起の閾値ポンプパワーは、以下のように計算される：

したがって、２次ストークスケースについて非常に高いミラー透過率（閾値を増やす傾向があるが、特に高寄生損失レーザにおいてスロープ効率も増やす）であっても、閾値ポンプパワー要件は１次ストークスレーザと比較して２４倍以上減少する。

閾値超におけるこのレーザのスロープ効率は３２％と計算され、より短い波長１．４９μｍにおけるポンプの量子欠損に起因するエネルギー損失（１−１４８５／２４５７＝４０％）とこのレーザ波長における高寄生損失の組み合わせを考慮すると、これは非常に高い。したがって１．４９μｍにおける１５０Ｗポンプパワーについて、２．４６μｍにおける約３２Ｗ出力を得ることができる。したがってこれにより、到達し難い２．５μｍ波長領域について、実用的かつ相対的に効率のよいレーザが得られる。

上記例において述べたダイアモンドについての損失値は、概算である。ただしこれら例は、１次ストークスシフトと比較して、損失が多い波長における２次ストークスシフトの動作から得られる顕著に優れた性能を明確に示している。

１．５ミクロン近傍の適当なポンプソースとしては、エルビウムファイバレーザ、ラマンファイバレーザ、ダイアモンドレーザ、が挙げられる。後者のケースにおいて、２ステージダイアモンドレーザ構成は、成熟した１ミクロンファイバレーザ技術をメイン駆動レーザとして用いることができる。代替形態としては、１ミクロンポンプを用いて４次ストークス出力でダイアモンドレーザを動作させることができる。キャビティ内の損失が大きい波長において２次ストークス出力を用いて高効率低出力を生成することは、その他偶数次ストークス波長に対しても適用できる。４次ストークスレーザは、２ステージＤＲＬと比較してシンプルであると考えられるが、ミラーコートの仕様を満たすのがより困難となる。

＜解釈＞
本明細書における“１実施形態”“実施形態において”“ある実施形態”などの表現は、その実施形態とともに記載している特定の特徴、構造、特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の様々な場所に登場する“１実施形態において”“実施形態において”“ある実施形態において”などの語句は、必ずしも同じ実施形態を指しているものではないが、そうである場合もある。さらに、１以上の実施形態において本開示から当業者にとって明らかであるように、特定の特徴、構造、または特性は、任意の適当な態様で組み合わせることができる。

本明細書において、明示しない限り、共通オブジェクトを表している順序を表す形容語句“第１”“第２”“第３”などは、同様のオブジェクトの別インスタンスを表すことを示しているに過ぎず、そのオブジェクトが時間的、空間的、ランク上、その他態様において与えられた順序でなければならない旨を示すことを意図するものではない。

特許請求範囲と本明細書において、備えている、から構成される、備える、などの語句は、少なくともその後に続く要素／特徴を含むことを意味するオープンタームであり、その他のものを排除するものではない。したがって特許請求範囲において用いる“備える”という語句は、その後にリストする手段や要素やステップに限定するように解釈すべきではない。例えばＡとＢを備えるデバイスの範囲は、要素ＡとＢのみを備えるデバイスに限定すべきではない。本明細書において用いる、含んでいる、含む、有する、などの語句も、少なくともその後に続く要素／特徴を含むことを意味するオープンタームであり、その他のものを排除するものではない。したがって、“含む”は“備える”の同義語である。

本明細書において、語句“例”は、品質を示すのではなく、例を提供する意味で用いている。すなわち、“実施例”は例として提供する実施形態であり、例示する品質の実施形態を必ずしも示しているのではない。

本発明の上記実施例の記載において、本開示を分かりやすくするとともに様々な発明側面の理解を助けるため、本発明の様々な特徴は、単一の実施形態、図面、それらの説明にグループ化されている場合もあることを、理解されたい。ただし本開示の方法は、特許請求する発明が各請求項で明示的に記載している以上の特徴を要求している旨の意図を表していると解釈すべきではない。むしろ特許請求範囲は、以上の単一実施形態の全特徴よりも少ない部分が表している発明側面を反映している。したがって発明の詳細な説明に続く特許請求範囲は、発明の詳細な説明に組み込まれ、各請求項は本発明の個別の実施形態を表すことができる。

さらに、実施形態のなかには他実施形態に含まれない特徴を備えるものがあるが、当業者が理解するように、異なる実施形態の特徴を組み合わせることは本発明の範囲内であり、別の実施形態を形成する。例えば特許請求範囲において、特許請求する実施形態は任意の組み合わせにおいて用いることができる。

さらに、実施形態のなかには、コンピュータシステムのプロセッサまたはその他機能を実施する手段によって実装することができる方法または方法の要素の組み合わせとして記載しているものがある。したがって、その方法または方法の要素を実施するために必要な命令を備えたプロセッサは、その方法または方法の要素を実施する手段を形成する。さらに、装置実施形態の要素は、本発明を実施するための要素によって実施する機能を実施する手段の例である。

本明細書において、様々な詳細部分を記載した。ただし、本発明の実施形態はこれら詳細部分なしで実施できることを理解されたい。他の実施例において、本明細書の理解を曖昧にしないようにするため、既知の方法、構造、技術は、詳細部分を示していない。

同様に、特許請求範囲において用いる、接続しているという用語は、直接接続のみを意味すると解釈すべきではない。用語“連結している”“接続している”およびその派生語句を用いることができる。これら語句は互いの同義語を意図したものではないことを理解されたい。したがって、デバイスＢに接続されたデバイスＡの範囲は、デバイスＡの出力がデバイスＢの入力に直接接続されたデバイスまたはシステムに限定するべきではない。出力Ａと入力Ｂとの間に、他デバイスまたは手段を含む経路が存在し得ることを意味する。“接続している”は、２以上の要素が直接物理的にまたは電気的に接触し、あるいは２以上の要素が直接接続ではないが互いに協調動作または干渉することを意味する。

したがって、本発明の望ましい実施形態と考えられるものを説明したが、本発明の趣旨から逸脱することなくその他の変改も可能であり、それら全ての変更と変形が本発明の範囲内に含まれるように特許請求する意図であることを、当業者は認識するであろう。例えば上記数式は使用可能な手順を表しているに過ぎない。ブロック図から機能を追加または削除し、動作を機能ブロック間で交換することができる。本発明の範囲内の方法へステップを追加しまたは削除することができる。

Claims (25)

1. ２次ストークスシフト出力を有するラマンレーザデバイスであって、
   レーザポンプ入力、
   フィードバック素子を有するレーザキャビティ、
   前記キャビティ内のラマンアクティブゲイン媒質であって、前記レーザポンプ入力によって励起されたとき１次および２次ストークス出射を提示する、ゲイン媒質、
   を備え、
   前記フィードバック素子は、前記ポンプ入力、前記ゲイン媒質からの１次ストークス出力、および前記２次ストークス出力のゲイン部分をフィードバックし、前記２次ストークス出力の伝搬部分は前記デバイスの出力である
   ことを特徴とするデバイス。
2. 前記フィードバック素子は、前記１次ストークス波長において高反射率を有するミラーを備え、出力ミラーは前記２次ストークス波長においてより低い反射率を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
3. 前記１次ストークス波長における前記ミラーの反射率は、９８％を超える
   ことを特徴とする請求項２記載のデバイス。
4. 前記２次ストークス波長における前記出力ミラーの反射率は、５０％未満である
   ことを特徴とする請求項２記載のデバイス。
5. 前記出力ミラーは、前記２次ストークス波長において１２％未満の反射率を有する
   ことを特徴とする請求項４記載のデバイス。
6. 前記レーザポンプは連続波入力を提供し、前記２次ストークス出力は連続波出力である
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のデバイス。
7. 前記ポンプ波長は、約１．００〜１．１μｍである
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のデバイス。
8. 前記ダイアモンドは、低複屈折低窒素ダイアモンド材料を含む
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のデバイス。
9. 前記ポンプレーザは、Ｎｄ：Ｙａｇレーザを備える
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載のデバイス。
10. 前記レーザポンプ入力は調整可能であり、調整可能２次ストークスシフト出力を生成する
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載のデバイス。
11. 前記レーザポンプは、第１出力を生成する調整可能ＤＦＢレーザを有し、
    前記第１出力は、第２レーザ増幅器によって増幅され、前記レーザポンプ入力を生成する
    ことを特徴とする請求項１０記載のデバイス。
12. 前記デバイスはさらに、前記レーザポンプ入力と前記レーザキャビティとの間に接続された光アイソレータを備える
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載のデバイス。
13. 前記デバイスはさらに、前記レーザキャビティへの前記フィードバックをフィルタリングするＶｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇａｔｉｎｇ（ＶＢＧ）波長選択フィードバック素子を備える
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項記載のデバイス。
14. 前記ＶＢＧは温度安定化されていることを特徴とする請求項１３記載のデバイス。
15. ｎ次ストークスシフトラマン出力を有するラマンレーザデバイスであって、
    レーザポンプ入力、
    両端にフィードバック素子を有するレーザキャビティ、
    前記キャビティ内のダイアモンドラマンアクティブゲイン媒質であって、前記レーザポンプ入力によって励起されたとき１次および高次ストークス出射を提示する、ゲイン媒質、
    を備え、
    前記フィードバック素子は、前記ポンプ入力、前記ゲイン媒質からの１次ストークス出力、および前記高次ストークス出力のゲイン部分をフィードバックし、前記ｎ次ストークス出力の伝搬部分は前記デバイスの出力である
    ことを特徴とするデバイス。
16. ｎ次ストークスシフトラマン出力を有するラマンレーザデバイスであって、
    レーザポンプ入力、
    両端にフィードバック素子を有するレーザキャビティ、
    前記キャビティ内のダイアモンドラマンアクティブゲイン媒質であって、前記レーザポンプ入力によって励起されたとき複数のカスケードストークス出射を提示する、ゲイン媒質、
    を備え、
    前記フィードバック素子は、前記ポンプ入力、および前記ゲイン媒質からのｎ次ストークス出力をフィードバックし、前記（ｎ＋１）次ストークス出射のフィードバックを抑制するように構成されている
    ことを特徴とするデバイス。
17. ｎは奇数であることを特徴とする請求項１６記載のデバイス。
18. ｎは偶数であることを特徴とする請求項１６記載のデバイス。
19. 実質的に約２μｍ領域以上において励起するラマンレーザシステムであって、
    ダイアモンドコアレーザ媒質、
    前記コアを囲み前記コア内で１次および２次ストークス出力を生成するカスケードストークス生成システム、
    を備え、
    前記カスケードストークス生成システムは、
    前記ダイアモンドコアレーザ媒質内で約２μｍ以下のストークス出力を生成する第１ストークス生成システム、
    前記１次ストークス出力とともに前記ダイアモンドコアレーザ媒質をポンプして、約２ミクロン以上の２次ストークス出力を生成する第１ストークスポンプシステム、
    を備える
    ことを特徴とするシステム。
20. 前記カスケードストークス生成システムは、前記ストークス出力を出力するように調整された調整済反射ミラーを有する第１および第２レーザキャビティを有する
    ことを特徴とする請求項１９記載のラマンレーザシステム。
21. 前記調整済反射ミラーは、前記２次ストークス出力において約０．３の反射率を有する出力ミラーを有する
    ことを特徴とする請求項２０記載のラマンレーザシステム。
22. 前記調整済反射ミラーは、前記１次ストークス出力において約０．９９６の反射率を有する出力ミラーを有する
    ことを特徴とする請求項２０記載のラマンレーザシステム。
23. 前記２次ストークス出力は約２．４６μｍである
    ことを特徴とする請求項１９記載のラマンレーザシステム。
24. 前記１次ストークス出力は約１．８５μｍである
    ことを特徴とする請求項１９記載のラマンレーザシステム。
25. 前記ポンプシステムは約１．４９μｍで動作する
    ことを特徴とする請求項１９記載のラマンレーザシステム。