JP2716277B2 - ２セルレーザラーマン変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ、特にレーザポン
プからこれまでよりも多数のストークスシフトされた波
を得るために刺激された（誘導）ラーマン散乱を使用す
る装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】刺激されたラーマン散乱（ＳＲＳ）は19
62年にヒューズエアクラフト社によって発見された。約
10年前まではＳＲＳは科学的に重要であり、種々のスペ
クトルスコープ作業用の器具として使用されていたが、
一般的に実質的なエネルギまたはパワーを持つ新しいレ
ーザラインの生成には適用されていなかった。ヒューズ
エアクラフト社において、ラーマン変換は最終的にレー
ザによる雲の高さのインジケータに使用され、後にアイ
セイフレンジファインダ（ＭＥＬＩＯＳ）に使用され
た。これらのシステムは振動的なラーマン媒体としてメ
タン（ＣＨ_４）を使用した。1.064 ミクロンの通常のＮ
ｄ：ＹＡＧラインは1.54ミクロンにシフトされ、これは
生成されたエネルギにおけるアイセイフと考えられた。
一般に使用される他のラーマン媒体は水素（Ｈ_２）およ
び重水素（Ｄ_２）である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】いくつかの適用に対し
て、刺激された回転ラーマン散乱（ＳＲＲＳ）は振動的
なＳＲＳより望ましいと考えられている。多くの分子の
回転励起は振動的励起より著しく低いエネルギであり、
したがって小さい波長シフトを生成する。ある従来技術
のストークス波発生器は、一連の長い波長にポンプ波長
を変換するために刺激された回転ラーマン散乱（ＳＲＲ
Ｓ）を使用する単一セルを使用している。このような従
来技術のストークスシフト波の発生方法は典型的に出力
において２または可能な場合には３つのストークスライ
ンを呈している。このような単一セルシステムにおいて
強度を高めることによってさらに高いオーダーを得る試
みはラーマン媒体の光学的ブレークダウンのために失敗
した。

【０００４】ストークスシフトされた波を生成するため
に使用されてきた別の装置は発振器・増幅器構造または
主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）である。このような
増幅器は２つのセルを使用する。ＭＯＰＡにおいて、ポ
ンプの小部分は発振器セル中に偏向され、ここにおいて
シードが増幅器セルを駆動するために生成される。発振
器内の低いパワーレベルは良好なシードビーム品質を提
供する。発振器からのシードは増幅器内のポンプエネル
ギの残りのものと結合され、ここにおいて刺激された放
射方法はシードを増幅し、良好なビーム品質を持つ高パ
ワーラーマンシフト出力を発生する。他の実験は単一の
ストークスラインへの高い変換効率を得るためにこの構
造を使用している。しかしながら、この構造は多数のス
トークスシフト波を発生させない。

【０００５】したがって、本発明の目的は、レーザポン
プから生成することのできるストークスシフト波数を増
加することである。

【０００６】本発明の別の目的はラーマン変換器を改良
することである。

【０００７】本発明の別の目的は、比較的多数のストー
クスシフト波を得るために刺激された回転ラーマン散乱
を使用することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザポンプ
波が刺激されたラーマン散乱（ＳＲＳ）によって長い波
長の放射線に変換される２つ以上のセルを具備する。残
留ポンプおよびストークス成分を含む第１のセルの出力
は類似した第２のセル中に送られる。各ストークス波は
次に高いオーダーのストークス波用のポンプとして作用
する。２つのセル中の圧力は、ストークスラインへのポ
ンプエネルギの最大変換を行うために最適化される。特
定の構造は、最大回転ストークス利得に対して最適化さ
れたセル圧力により刺激された回転ラーマン散乱（ＳＲ
ＲＳ）を使用する。

【０００９】本発明は、単一セルから生成され得るもの
より多数のストークスシフトされた波をレーザポンプか
ら生成する。多数のストークスシフトされた波は、多数
セル概念がラーマン利得長を増大し、第１のものに続く
セル中の処理に対して“シード”を与えるので得られ
る。

【００１０】

【実施例】以下の説明は当業者が本発明を製造して使用
することを可能にするために与えられ、発明者によって
なされた最適モードを示す。しかしながら、本発明の基
本原理はここでは特に比較的多数の回転ストークスシフ
ト波を発生させるように最適化されたラーマン変換シス
テムを提供することに限定されているため、当業者は種
々の修正が残っていることを容易に認識するであろう。

【００１１】刺激されたラーマン散乱の基本原理による
と、波長λ_１を持つ光子は、長い波長λ_２で光子を放出
する材料を活性化し、一方熱の形態で材料中にエネルギ
を残す。波長λ_１およびλ_２の差は材料の特性である。
波長λ_１のエネルギはポンプと呼ばれ、一方波長λ_２は
第１のストークスラインと呼ばれる。波長λ_２のエネル
ギは波長λ_３の第２のストークスライン等を発生させる
ために高いオーダーのストークスラインに類似した転移
を経ることができる。生成されたストークス波長の強度
は以下のように与えられる。

【００１２】 Ｉ_ｓ＝Ｉ_ｓｏｅｘｐ（ｇ_ｓＩ_ｐｚ） （１） ここで、 Ｉ_ｓ ＝生成されたストークスラインの強度 Ｉ_ｓｏ＝ストークスラインの初期の強度 ｇ_ｓ ＝ラーマン利得 Ｉ_ｐ ＝そのストークスオーダーをポンプするラインの
強度 ｚ ＝利得長 この関係は各ストークスオーダーに対して保たれる。

【００１３】図１は第１および第２のラーマンセル15，
23および４つのレンズ13，19，21，27を含むシステムを
示す。ポンプビーム11は第１の集束レンズ13によって集
束され、集束されたビームは第１のラーマンセル15に供
給される。第１のラーマンセル15の出力17は第１のリコ
リメートレンズ19によってリコリメートされ、その出力
は第２の集束レンズ21によって集束され、第２のラーマ
ンセル23に供給される。第２のラーマンセル23の出力25
は第２のリコリメートレンズ27に供給され、それは最後
の回転ラーマン出力に光をリコリメートする。

【００１４】好ましい実施例によると、各ラーマンセル
15，23はＳＲＳ工程に加わる材料またはラーマン媒体を
含む。セルに先行するポンプエネルギは、材料内で高い
強度Ｉ_ｐを発生させるために集束され、出力放射線がリ
コリメートされる。１つのセルより２つのセルが有効な
ことは式（１）から理解されることができる。第１のセ
ル15において生成されるストークスラインは第２のセル
23中により高い初期のストークス強度Ｉ_ｓｏを与え、第
２のセル23は付加的な利得長ｚを提供する。

【００１５】好ましい実施例において、第１および第２
の各ラーマンセル15，23におけるラーマン媒体は水素
（Ｈ_２）である。問題はＨ_２の５つの回転ラインすなわ
ち549 ，567 ，587 ，608 および630 ナノメータ（nm）
にできるだけ均一に入力ポンプビーム11のエネルギを分
配することである。

【００１６】回転ラインへの最大変換を行い、一方望ま
しくない振動的ラインが著しく生成されることを避ける
ために、各ラーマンセル15，23における圧力は別々に最
適化される。好ましい実施例による１つの構造におい
て、最適化された圧力は第１のラーマンセル15に対して
１平方インチゲージ当り10ポンド（psig）Ｈ_２であり、
第２のラーマンセル23に対して20psigＨ_２である。

【００１７】同じ構造において、ポンプビーム11は技術
的に知られている位相共役周波数二重Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザによって生成された532 ナノメータ（nm）レーザビー
ムである。ポンプ11はＭＯＰＡ構造によって形成され、
振動的ＳＲＳを励起しないように円偏波されることが好
ましい。入力ポンプエネルギは、６mmのビーム直径、0.
6 ミリラジアンの発散および最大の半分で25ナノ秒の全
幅のパルス幅でほぼ230 ミリジュール（ｍＪ）である。
第１のレンズ13は＋50cmの焦点距離を有し、第１のラー
マンセル15内で13ＧＷ（ギガワット）／cm^２の近似強度
（Ｉ_ｐ）を発生させるように入力ポンプビーム11を集束
する。第２のレンズ19は＋50cmの焦点距離を有し、第１
のセル15の出力をリコリメートする。この出力はほとん
ど次のように構成される： ポンプ ２３ｍＪ 第１のストークス ５８ｍＪ 第２のストークス １０８ｍＪ 第３のストークス ３０ｍＪ 第３のレンズ21は＋50センチメータの焦点距離を有し、
第２のラーマンセル23に放射線を集束し、第２のラーマ
ンセル23内で次のような初期のストークス強度
（Ｉ_ｓｏ）を生成する。

【００１８】 ポンプ １．３２ＧＷ／ｃｍ^２ 第１のストークス ３．３ＧＷ／ｃｍ^２ 第２のストークス ６．１ＧＷ／ｃｍ^２ 第３のストークス １．７ＧＷ／ｃｍ^２ 第２のセル23の出力は、＋50センチメータの焦点距離を
有する第４のレンズ27によって最後の出力にリコリメー
トされる。

【００１９】動作において、第１のセル15の出力は第１
の２つの回転ストークスラインへの30乃至40％の変換お
よび第３のストークスラインへのほぼ10％の変換から構
成される。少量の第４および第５の回転ストークスライ
ンおよび第１の振動的ストークスラインも存在してい
る。

【００２０】上記されているように、第２のセル23の使
用は飽和を避け、高いオーダーのストークスラインを発
生させる付加的な利得長を提供する。第１のセル15の出
力は第２のセル23において高いオーダーのラーマンライ
ンを生成するためのシードとして動作する。２セル構造
により得られる波長分布は図２に示されており、532nm
ポンプ波長乃至630nm における第５の回転ストークスラ
インまでの比較的広く均一の分布を含む。合計出力のほ
ぼ 2.5％が655nm の第６のストークスラインにおいて測
定され、少量の第７のストークスおよび最初の３つの反
ストークスラインもまた観察された。種々のラーマンラ
インへの532nm のポンプエネルギの変換のために75％よ
り大きい全体効果が維持された。したがって、２セル構
造は単一セル構造より著しく広い波長分布を提供し、一
方高い全エネルギ変換効果を依然として維持することを
示している。

【００２１】単一および二重の両セル構造に関して、高
いストークスオーダーへの変換効果はポンプレーザ特性
およびラーマンセルにポンプを集束するために使用され
る幾何学的形状に依存する。例示的な単一セルおよび二
重セル特性の比較において、レーザおよび集束特性は両
場合において同じである。

【００２２】 入力エネルギ −230 ｍＪ ポンプビーム発散 −0.6 ｍラド 集束構造 −Ｆ／80 （50cm焦点距離，0.6cm ビーム直径） ストークスオーダーへの変換（および残留ポンプ中に残
っているエネルギ）は入力エネルギのパーセンテージで
表される。（例えば、100 ｍＪポンプがストークスライ
ンの10ｍＪを生成するならば、そのラインの変換効果は
10％である。）単一セルおよび二重セル構造に対する典
型的な変換効果は以下に示され、図２においてグラフで
示されている。

【００２３】 したがって、好ましい実施例の２セル変換器は多数の高
いオーダーのストークス波を生成する。回転ラーマン変
換に対して、セル中の圧力は上記の振動的なＭＯＰＡ構
造に対するよりもかなり低い。ラーマン媒体の分子欠乏
による飽和はさらに顕著になる。できる限り多くのスト
ークスオーダーへの変換は第１のセル15において望まし
い。第２のセル23は入力を正確に増幅するが、付加的な
ストークスオーダーを得るために使用されない。

【００２４】２セル構造は与えられたデータおよび図面
によって示されるように単一セル方法に対して明確な利
点を有する。２セル構造は第１の５つの回転ストローク
オーダーで少くとも10％の変換を効果的に生成する。単
一セルおよび発振器・増幅器の両設計は高いオーダーの
ストークスラインに対してこの特性を複写する。単一セ
ルは高い強度の焦点領域における分子数のラーマン媒体
の誘電ブレークダウンおよび飽和のために第１の３つの
ストークスオーダーに限定される。

【００２５】上記のＭＯＰＡ構造は１つのラインに限定
される。ＭＯＰＡ発振器は単一のセル装置と同じ制限を
有している。すなわち増幅器は、増幅器内でコリメート
された幾何学的形状がしきい値を越えるのに十分に高い
強度を生成しないため、発振器においてすでに発生され
たストークスオーダーだけしか増幅することができな
い。

【００２６】したがって、本発明は従来技術において使
用された構造のいずれかによって生成され得るよりも多
い２つ以上の回転ラーマンオーダーを効率的に生じさせ
る。２セル設計の最適化により、すでに開示されたもの
以上の付加的なオーダーの発生が予測される。

【００２７】一定のポンプ強度および低いストークス強
度に対して、ストークス波は上記の式（１）にしたがっ
て成長する。１単位長当りの利得はポンプ強度に比例す
るため、ポンプビーム強度が高い場合にストークス波に
ポンプ波を変換するために要する距離は短い。実際に、
ポンプ強度はビームにおける半径および縦方向の位置と
共に変動する。時間および空間において変動するポンプ
強度のために出力は残留ポンプ波長と複数のストークス
オーダーの組合せである。ポンプ強度が高い場合、さら
に高いストークスオーダーへの変換はポンプ強度が低い
領域以外で生じる。

【００２８】ＳＲＳに対するしきい値強度は通常かなり
高いため、しきい値は気体中でコリメートされたビーム
に対して容易に得られない。レンズによりセル中にビー
ムを集束することによって、しきい値を越えるのに十分
高い強度が焦点の近くで得られることができる。この高
い強度の領域の長さはしばしば“共焦点パラメータ”と
呼ばれる用語によって説明されている。共焦点パラメー
タは２ｚ_０として定められ、ここでｚ_０はレイリー距離
として知られるビームに対するスケール長である。レイ
リー長は次の式を使用して計算されることができる。

【００２９】ｚ_０＝πｗｏ^２／λ ここでｗｏはビームのくびれの半径であり、λは放射線
の波長である。変換効率は利得（強度の関数である）と
相互作用長（共焦点パラメータによって表される）との
関数である。短い焦点距離は結果的に短い共焦点パラメ
ータ、その領域内における高い強度、したがってそこに
おける高い利得を生じさせる。しかしながら、利得の増
大は共焦点パラメータの長さの減少によって消去され
る。変換効率は原理的に焦点距離に依存しない。しかし
ながら、実際には長い焦点距離が結果的に大きい共焦点
パラメータを生じるため、高い利得領域は適切な長さの
セル内に限定されることができない。短い焦点距離のレ
ンズの利点はセル長を小さくすることができることであ
るが、これはラーマン変換効率を高めない。しかしなが
ら、焦点距離は気体の光学的ブレークダウン、刺激され
たブリローイン散乱（ＳＢＳ）または他の類似した非直
線光学効果の任意のものを避けるのに十分に大きくなけ
ればならない。

【００３０】好ましい実施例による２つのセルを使用す
ることは、ブレークダウンする気体がなくなるまで強度
を減少させる。２つ以上のセルは折返された形態で構成
されることができる。もっと利得を得るためにさらにセ
ルが付加されてもよい。高いオーダーのストークス波に
対してでもセルをシードするようにそれらに対するオー
ダーで第２のセルに高いオーダーのストークス波を転送
する必要がある。現在構成されていないが、変換工程を
さらに制御するために種々のストークスオーダーの通路
を修正するために光学的拡散またはその他の手段を使用
することができる。

【００３１】上記の論議から理解されるように、当業者
は本発明の技術的範囲を逸脱することなく示された好ま
しい実施例の種々の調節および修正が行われることがで
きることを理解するであろう。したがって、本発明は添
付された特許輪請求の範囲内でここに特に限定された以
外に実現され得ることが理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施例のブロック図。

【図２】好ましい実施例の動作のグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キャサリン・ブイ・ストラーム アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90266、マンハッタン・ビーチ、サー ド・ストリート 1500 (56)参考文献 ＳＯＶ．Ｊ．ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥ ＣＴＲＯＮ．９（10），ＯＣＴ．1979 ＰＰ．1339−1341

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポンプビームから複数のストークスシフ
   トされた波を発生するレーザ装置において、 ポンプビームを受けて第１の出力ビームを生成する第１
   のラーマンセル手段と、ここで前記第１のラーマンセル
   手段は第１の圧力の第１のラーマン媒体を含み、 前記第１の出力ビームを受けて、少なくとも 第１、第
   ２、第３、第４、第５および第６のストークス出力ライ
   ンを含む第２の出力ビームを生成する第２のラーマンセ
   ル手段とを具備し、ここで第２のラーマンセル手段は第
   ２の圧力の第２のラーマン媒体を含むレーザ装置。
2. 【請求項２】 さらに前記第１のラーマンセル手段に前
   記ポンプビームを集束する第１の集束レンズ手段を具備
   している請求項１記載のレーザ装置。
3. 【請求項３】 さらにリコリメートされた出力を発生さ
   せるように前記第１のラーマンセル手段の出力をリコリ
   メートする第１のリコリメートレンズ手段を具備してい
   る請求項２記載のレーザ装置。
4. 【請求項４】 さらに第２のラーマンセル手段に前記リ
   コリメートされた出力を集束する第２の集束レンズ手段
   を具備している請求項３記載のレーザ装置。
5. 【請求項５】 さらに前記第２のラーマンセル手段の出
   力をリコリメートする手段を具備している請求項４記載
   のレーザ装置。
6. 【請求項６】 レーザポンプビームを生成する前記手段
   は主発振器パワー増幅器構造を具備している請求項１記
   載のレーザ装置。