JP2759745B2

JP2759745B2 - レーザー波長変換方法およびその装置

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Publication number: JP2759745B2
Application number: JP5262905A
Authority: JP
Inventors: 英夫田代; 明良常見
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH0799374A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー波長変換方法
およびその装置に関し、さらに詳細には、分子の誘導ラ
マン散乱現象によるレーザー波長変換（ラマン変換）を
用いたレーザー（ラマン・レーザー）のレーザー波長変
換方法およびその装置に関し、分子レーザー法によるＵ
Ｆ₆（６フッ化ウラン）の同位体分離などに使用して好
適なものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＵＦ₆の同位体たる²³⁵ＵＦ₆を
分離するために使用されるラマン・レーザー装置とし
て、例えば、図９に示すようなラマン・レーザー装置が
知られている。

【０００３】この図９に示すラマン・レーザー装置は、
ラマン媒質を励起するための励起光レーザー系１００
と、内部にラマン媒質を充填したラマン・セルたる大型
マルチ・パス・ラマン・セル（以下、「ＭＰＣ」と称
す。）１１０との、それぞれ別個独立して設けられた装
置群により構成されている。

【０００４】さらに詳細には、励起光レーザー系１００
は、大気圧横放電型炭酸ガス（以下、「ＴＥＡ−Ｃ
Ｏ₂」と称す。）レーザー発振器１０２と多段に構成さ
れた複数のＴＥＡ−ＣＯ₂増幅器１０４とからなるもの
である。

【０００５】また、ＭＰＣ１１０は、パラ水素をラマン
媒質として充填しており、凹面鏡よりなる全反射鏡１１
４ａと凹面鏡よりなる反射鏡１１４ｂとを備えている。

【０００６】即ち、このラマン・レーザー装置は、励起
光レーザー系１００より出射された波長約１０μｍの励
起レーザー光がＭＰＣ１１０内に入射され、この励起レ
ーザー光がＭＰＣ１１０を通過する間にＭＰＣ１１０内
に充填されたラマン媒質（パラ水素）による誘導ラマン
散乱現象により約１６μｍの波長に波長変換（ラマン変
換）されて、ＭＰＣ１１０よりラマン変換光として１次
ストークス光が出射されるように構成されている。

【０００７】そして、ＭＰＣ１１０より出射された１次
ストークス光を、ＵＦ₆に照射することにより、ＵＦ₆の
同位体たる²³⁵ＵＦ₆を分離することができるものであ
る。

【０００８】即ち、上記した従来のラマン・レーザー装
置においては、励起光レーザー系１００のＣＯ₂レーザ
ー発振器１０２で作り出した励起レーザー光を、複数の
ＴＥＡ−ＣＯ₂増幅器１０４を通過させることにより増
幅させて、それをＭＰＣ１１０に導入してラマン変換さ
せるものであり、所謂、外部変換型と称することができ
るものである。

【０００９】以上の構成において、作動の際には、ＴＥ
Ａ−ＣＯ₂レーザー発振器１０２より出射された波長約
１０μｍの励起レーザー光が、複数のＴＥＡ−ＣＯ₂増
幅器１０４により増幅されてＭＰＣ１１０に導入され
る。

【００１０】そして、ＭＰＣ１１０の導入口１１２ａよ
り導入された励起レーザー光（波長約１０μｍ）は、全
反射凹面鏡１１４ａと全反射凹面鏡１１４ｂとの間を数
十回往復しながらラマン変換を行い、ラマン変換光とし
てＭＰＣ１１０の出射口１１２ｂより波長約１６μｍの
１次ストークス光が出射される。

【００１１】また、このラマン・レーザー装置おいて
は、励起光レーザー系１００より出射された励起レーザ
ー光は、ラマン媒質が充填されたＭＰＣ１１０内を一回
伝搬する間に波長変換される通過型であり、ＴＥＡ−Ｃ
Ｏ₂レーザー発振器１０２から出射されるレーザ・パル
ス光（励起レーザー光）は、図１０に示すように、幅約
１００ｎｓの主スパイク部分と、その後部に約１μｓに
わたる尾とからなり、このようなレーザー・パルス光を
ＭＰＣ１１０に導入すると、図１１に示すように、主ス
パイクの中心部分のみが幅約５０ｎｓの範囲でラマン変
換されるものである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のラマン・レーザー装置では、ＴＥＡ−ＣＯ₂レ
ーザー発振器および多段に構成された複数のＴＥＡ−Ｃ
Ｏ₂増幅器からなる励起光レーザー系と、ラマン媒質を
充填したＭＰＣとの２つの独立した装置を組合わせて構
成されているために、装置全体が大型化してスペース的
に不利であるとともに取扱性が悪く、しかもコスト高に
なるなどの問題点があった。

【００１３】また、上記したラマン・レーザー装置にお
いて高繰り返し動作が要求される場合には、さらに多く
のＴＥＡ−ＣＯ₂増幅器を増設しなければならず、一層
装置が大型化してスペース的不利や取扱性の悪さが顕著
になり、しかも更なるコスト高を招来して経済的効率が
低下するなどの問題点があった。

【００１４】さらに、従来のラマン・レーザー装置にあ
っては、励起レーザー光をＭＰＣ内を一回伝搬させるこ
とにより波長変換させる通過型であるから、根本的にラ
マン変換効率に限界があった。

【００１５】即ち、ラマン変換効率の観点から考察した
場合には、ラマン・レーザーに通常用いられるＴＥＡ−
ＣＯ₂レーザー発振器から出射されるレーザー・パルス
光をＭＰＣに導入すると、図１１に示すように、主スパ
イクの中心部分のみ幅約５０ｎｓの範囲でラマン変換が
起こるが、それ以外の前後部分は実質的にラマン変換に
寄与しないため、そこでラマン変換効率が制限されるこ
とになっていたという問題点があった。

【００１６】さらにまた、上記ＭＰＣにおいて、レーザ
ー光はＭＰＣ内の全反射鏡と半透過型反射鏡との間を３
０〜４０回の反射を繰り返すために、多重反射による反
射損失が大きいという問題点があった。

【００１７】なお、上記ＭＰＣ内の反射において、トー
タルの反射率Ｒは、一回の反射による反射率をｒとし、
反射回数をｎすると、Ｒ＝ｒⁿ により表すことができ、例えば、ｒ＝０．９９、ｎ＝４
０としたときには、Ｒ＝ｒⁿ＝０．９９⁴⁰＝０．６７より、トータルの反射率は「０．６７」に低下する。

【００１８】本発明は、従来の技術の有する上記した種
々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とす
るところは、装置全体の大型化ならびに複雑化を招来す
ることなく、しかも高いラマン変換効率を達成でき、さ
らにはラマン・セル内における反射損失を低減したレー
ザー波長変換方法およびその装置を提供しようとするも
のである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるレーザー波長変換方法は、励起レーザ
ー光をラマン媒質内に入射し、ラマン変換を行なうこと
によりレーザーの波長変換を行うレーザー波長変換方法
において、励起レーザー光を発生するレーザー発振器の
共振器内の光路の一部あるいは全部を、励起レーザー光
がラマン媒質を通過する際の光路と重畳させて、励起レ
ーザー光の波長をラマン変換させ、その際に、前記レー
ザー発振器領域と前記ラマン・セル領域との間に配設さ
れた波長セパレータにより、ラマン変換光が前記レーザ
ー発振器領域内に入るのを防止するとともに、前記レー
ザー発振器領域内において前記レーザー発振器と前記波
長セパレータとの間に配設された半透過型反射鏡によ
り、前記ラマン・セルへ入射される励起レーザー光のエ
ネルギーを制御することによって前記レーザー媒質から
の光エネルギーの取り出し効率を高めるようにしたもの
である。

【００２０】また、本発明によるレーザー波長変換装置
は、励起レーザー光をラマン媒質内に入射し、ラマン変
換を行なうことによりレーザーの波長変換を行うレーザ
ー波長変換装置において、対向する反射鏡により構成さ
れる共振器と、前記共振器内に配置された励起レーザー
光を発生するレーザー媒質を充填したレーザー発振器
と、前記共振器内に配置されるとともに、前記レーザー
発振器により発生される励起レーザー光の光路の一部あ
るいは全部と重畳するように配置されたラマン媒質を充
填したラマン・セルと、前記レーザー発振器領域と前記
ラマン・セル領域との間に配設され、前記ラマン・セル
領域内のラマン変換光が前記レーザー発振器領域内に入
るのを防止する波長セパレータと、前記レーザー発振器
領域内において前記レーザー発振器と前記波長セパレー
タとの間に配設され、前記ラマン・セルへ入射される励
起レーザー光のエネルギーを制御することによって前記
レーザー媒質からの光エネルギーの取り出し効率を高め
る半透過型反射鏡とを有し、前記レーザー発振器より発
生された励起レーザー光を前記共振器内で増幅させなが
ら、前記ラマン・セル内の前記ラマン媒質によりラマン
変換させ、前記ラマン変換によるラマン変換光を外部に
取り出すようにしたものである。ここで、前記共振器内
に外部から円偏光に制御されたレーザー光を注入し、励
起レーザー光の波長および偏光を注入したレーザー光の
波長および偏光と一致するように制御し、円偏光のラマ
ン変換光を外部に取り出すようにすることができる。ま
た、前記共振器内に偏光制御素子を配設し、励起レーザ
ー光の偏光を制御することができる。また、前記レーザ
ー発振器領域と前記ラマン・セル領域とにおいて、レー
ザー媒質とラマン媒質とをそれぞれ循環させるようにし
てもよい。また、前記ラマン媒質としては、パラ水素や
オルソ重水素を用いることができる。また、前記レーザ
ー発振器としては、ＣＯ_２レーザー発振器や高気圧型パ
ルスＣＯ_２レーザー発振器を用いることができる。

【００２１】

【作用】本発明によれば、レーザー発振器から発生され
た励起レーザー光は、共振器内に配置されたラマン媒質
が充填されたラマン・セル内に導入され、共振器を構成
する対向する反射鏡の間を往復する際に増幅されながら
ラマン変換される。このため、共振器内の高い光電場強
度を直接的にラマン変換に利用できるので、効率的なラ
マン変換が可能になる。

【００２２】従って、従来の技術における多段に構成さ
れた複数のＴＥＡ−ＣＯ_２増幅器や、多重反射による損
失の大きいＭＰＣなどが不要になり、装置全体の小型化
が図られるので設置スペースも少なく、また取扱性が容
易であり、かつ構成部品が少ないので大幅なコスト低減
を図ることができ、しかも高いラマン変換効率を得るこ
とができる。また、励起レーザー光の波長をラマン変換
させる際に、レーザー発振器領域とラマン・セル領域と
の間に配設された波長セパレータにより、ラマン・セル
領域内のラマン変換光がレーザー発振器領域内に入るの
を防止されるので、ラマン変換光が励起レーザー光に吸
収されてしまうおそれを防止することができるととも
に、レーザー発振器領域内においてレーザー発振器と波
長セパレータとの間に配設された半透過型反射鏡によ
り、ラマン・セルへ入射される励起レーザー光のエネル
ギーが制御されるので、レーザー媒質からの光エネルギ
ーの取り出し効率を高めることができる。また、共振器
内に外部から円偏光に制御されたレーザー光を注入する
と、励起レーザー光の偏光が注入したレーザー光の偏光
と一致するように制御され、その結果、円偏光のラマン
変換光を外部に取り出すことができる。

【００２３】

【実施例】以下、図面に基づいて、本発明によるレーザ
ー波長変換方法およびその装置の実施例を詳細に説明す
るものとする。

【００２４】図１には、本発明によるレーザー波長変換
装置の原理を示す概略構成図が示されている。

【００２５】このレーザー波長変換装置１０は、全反射
鏡１２と半透過型の半透過型反射鏡１４とにより共振器
を構成している。そして、この共振器の間に、炭酸ガス
（ＣＯ₂）レーザー媒質を充填したＣＯ₂レーザー発振器
１６と、パラ水素をラマン媒質として充填したラマン・
セル１８とを連接して一体型に組付け、ＣＯ₂レーザー
発振器１６より発せられた励起レーザー光の光路とラマ
ン・セル１８によるラマン変換光の光路とを、互いに共
有するように構成している。

【００２６】このように、共振器内にＣＯ₂レーザー発
振器１６とラマン媒質を充填したラマン・セル１８とを
連接したレーザー波長変換装置１０を、従来の外部変換
型に対して、内部変換型と称することとする。

【００２７】以上の構成において、作動の際には、ＣＯ
₂レーザー発振器１６より発せられた波長約１０μｍの
励起レーザー光は、全反射鏡１２と半透過型反射鏡１４
とにより構成される共振器内を往復しながら増幅される
ととともに、ラマン・セル１８内の誘導ラマン散乱現象
によりラマン変換されて波長約μｍ１６のラマン変換光
となり、このラマン変換光が半透過型反射鏡１４よりレ
ーザー波長変換装置１０の外部に取り出されることにな
る。

【００２８】即ち、レーザー波長変換装置１０において
は、共振器内の高い光電場強度を直接的にラマン変換に
利用できるので、効率的なラマン変換が可能になる。即
ち、ＣＯ₂レーザー発振器１６より発せられた励起レー
ザー光が、全反射鏡１２と半透過型反射鏡１４とにより
構成される共振器内を往復して増幅する過程で、励起レ
ーザー光からラマン変換光にエネルギーが移っていくの
で、極めて効率よくラマン変換を行うことが可能とな
る。

【００２９】また、全反射鏡１２と半透過型反射鏡１４
とにより構成される共振器内では、通常、定在波ができ
ているため、光路上で前方および後方に進む電磁波が重
なり合うようになり、ラマン変換領域（ラマン・セル１
８内）では、前方ラマン散乱および後方ラマン散乱が同
時に起こっていることになって、さらにラマン変換が促
進される。

【００３０】さらに、ＣＯ₂増幅器やＭＰＣを用いない
内部変換型であるため、装置全体も非常にコンパクトに
なり、またＭＰＣを用いることがないので、多重反射に
よる光エネルギーの反射損失を低減することができ、従
来のラマン・レーザー装置と比較すると、非常に高い効
率でラマン変換を行うことができるようになる。

【００３１】図２は、本発明の第一の実施例によるレー
ザー波長変換装置を示す概略構成図であり、レーザー波
長変換装置２０は、ＣＯ₂レーザー発振器２０ａとラマ
ン・セル２０ｂとが、窓部２２を介してを一体に連接さ
れた構造になっている。

【００３２】上記ＣＯ₂レーザー発振器２０ａには、レ
ーザー媒質となるＣＯ₂ガスを封入したパルスＣＯ₂レー
ザー放電部２４が配置されており、このパルスＣＯ₂レ
ーザー放電部２４に電圧が印加されると、電極間の放電
によりレーザー媒質のＣＯ₂ガスを励起する。また、上
記レーザー波長変換装置１０のＣＯ₂レーザー発振器２
０ａ側の領域内には、凹面鏡により形成された後方反射
鏡２６が設置され、ラマン・セル２０ｂ側の領域内には
レーザー光の光強度を高めるために、光路上に対向する
凹面鏡２８ａ乃至凹面鏡２８ｎを設置し、レーザ光を集
光反射するようにしている。なお、凹面鏡２８ｎは、半
透過型の反射鏡として構成されている。

【００３３】以上の構成において、作動の際には、ＣＯ
₂レーザー発振器２０ａより発生された励起レーザー光
は、後方反射鏡２６と凹面鏡２８ｎとの間で反射を繰り
返し、レーザ媒質中で増幅されるとともに、ラマン・セ
ル２０ｂによりラマン変換されて、凹面鏡２８ｎから外
部へラマン変換光が取り出される。

【００３４】上記したように構成されたレーザー波長変
換装置２０において、ＣＯ₂レーザー発振器２０ａの利
得領域を１ｍ、ラマン・セル２０ｂのラマン変換領域を
１ｍとした場合のレーザー光の出力波形について説明す
る。なお、ＣＯ₂レーザー発振器２０ａとして、最大取
出しエネルギー２．８Ｊのものを用いた。

【００３５】まず、図３は、ラマン・セル２０ｂ内にラ
マン媒質を充填せず真空にした状態において、ＣＯ₂レ
ーザー発振器２０ａによりＣＯ₂レーザー光（励起レー
ザー光）のみ発振させたときの出力波形である。このと
きのＣＯ₂レーザー光の出力エネルギーは、２．３Ｊで
あった。

【００３６】一方、図４は、ラマン・セル２０ｂ内にラ
マン媒質として常温でパラ水素を充填して発振させた場
合の出力波形であり、取り出されたラマン変換光たる１
次ストークス光のエネルギーは１．４Ｊであった。これ
は、エネルギー効率で５０％、量子効率に換算すると８
０％のラマン変換効率となる。

【００３７】なお、ＣＯ₂レーザー発振器２０ａのみの
発振による励起レーザー光のエネルギーを、ＭＰＣでラ
マン変換させると、最も高い変換効率でも３０％に過ぎ
ず、ラマン変換光のエネルギーは、最大でも７００ｍＪ
に満たないものである。

【００３８】従って、上記した原理図に示すように、本
発明による内部変換型の方がはるかに高い効率でラマン
変換光を生成できることが確認された。

【００３９】図５は、本発明による第二の実施例を示す
レーザー波長変換装置の概略構成図であり、レーザー発
振を得るためのレーザー波長変換装置３０は、ＣＯ₂レ
ーザー発振器３０ａとラマン・セル３０ｂとが窓部３４
を有する仕切壁３２を介して一体に連接された構成にな
っている。

【００４０】さらにレーザー波長変換器３０は、ＣＯ₂
レーザー発振器３０ａの領域内には後方反射鏡３６を備
えており、ラマン・セル３０ｂの領域内にはレーザー光
の光強度を高めるために、光路上に対向する凹面鏡３８
ａ乃至凹面鏡３８ｎを設置し、レーザー光を集光反射す
るようにしている。なお、後方反射鏡３６は若干の透過
性を有するが、大部分のレーザー光を反射する特性を有
し、ラマン・セル３０ｂ内の凹面鏡３８ｎは半透過性を
有しており、ラマン変換光を外部に取り出すことができ
るようになっている。

【００４１】また、注入同期用レーザー発振器としての
ＣＷ（連続発振型）−ＣＯ₂レーザー発振器４０より出
射された注入レーザー光（シード光）が、戻り光をカッ
トする光アイソレータ４２を通り、平面鏡４４またはプ
リズムなどを介してレーザー波長変換装置３０の後方反
射鏡３６より注入されるようになっている。

【００４２】さらに、ＣＯ₂レーザー発振器３０ａに
は、レーザー媒質となるＣＯ₂ガスを封入したパルスＣ
Ｏ₂レーザー放電部４６が配置されている。

【００４３】以上の構成において、作動の際には、ＣＷ
−ＣＯ₂レーザー発振器４０からのシード光が、後方反
射鏡３６の後方からレーザー波長変換装置３０の光路上
に導入されることになる。そうすると、ＣＯ₂レーザー
発振器３０ａより発生されて、後方反射鏡３６と凹面鏡
３８ｎとの間で反射を繰り返しながらレーザー媒質中で
増幅される励起レーザー光は、シード光の周波数および
偏光に一致するように制御される。こうして、シード光
の周波数および偏光に一致するように制御された励起レ
ーザー光が、ラマン・セル３０ｂによりラマン変換され
て、凹面鏡３８ｎから外部へラマン変換光が取り出され
る。

【００４４】このように、レーザー波長変換装置３０に
別のレーザー光を注入すると、発振波長の精密同調及び
偏光の制御を行うことができるものであり、ＣＯ₂ガス
レーザーの発振波長は、約９μｍ乃至約１１μｍの間で
波長可変であるため、ラマン変換光として得られる１次
ストークス光は、約１３μｍ乃至約１８μｍの間で任意
の波長に変化させることができるようになる。

【００４５】また、ラマン媒質にパラ水素を使用したパ
ラ水素ラマン・レーザーの場合は、ラマン変換に回転準
位を利用しているため、ラマン変換利得や四光波混合現
象が、ＣＯ₂レーザー光の偏光状態に大きく依存するこ
とから、ＣＯ₂レーザー発振器３０ａでのＣＯ₂レーザー
光の偏光を円偏光に制御する必要がある。

【００４６】ところが通常のレーザー共振器では、直線
偏光またはランダムな偏光の光しか発生させることがで
きないが、図５に示すように共振器内に円偏光に制御し
たレーザー光を注入すると、円偏光のラマン変換光を取
出すことが可能になる。

【００４７】近年、文献（Ｍ．Ｓｕｚｕｋｉｅｔａ
ｌ．Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３１，１２１０（１９
９２））には、円偏光レーザー光を共振器内に注入する
ことにより、円偏光のレーザー光を取り出せることが報
告されている。

【００４８】なお、上記ＣＯ₂レーザー発振器３０ａに
おけるＣＯ₂レーザー光の偏光制御は、図６に示すよう
に、ＣＯ₂レーザー発振器３０ａの内部の光路上に透過
型または反射型の偏光制御素子４８を挿入することによ
っても可能であり、図５に示す実施例と同様の作用効果
を奏することができる。また、上記偏光制御素子はＣＯ
₂レーザー発振器３０ａ側に配設したが、これに限定す
るものではなく、ラマン・セル３０ｂ側に配設すること
も可能である。

【００４９】図７は、本発明による第三の実施例を示す
レーザー波長変換装置の概略構成図である。

【００５０】レーザー波長変換装置５０は、ＣＯ₂レー
ザー発振器５０ａとラマン・セル５０ｂとが仕切り壁５
２を介して一体に連接されており、この仕切り壁５２の
光路上には４５度に傾斜した二色性ミラー５４などの波
長セパレーターが設置されている。二色性ミラー５４
は、例えば、波長約１０μｍのレーザー光は透過する
が、波長約１６μｍのレーザー光は反射するなどの特性
を有している。

【００５１】また、上記した他の実施例と同様に、ＣＯ
₂レーザー発振器５０ａには、レーザー媒質となるＣＯ₂
ガスを封入したパルスＣＯ₂レーザー放電部５６が配置
されており、このパルスＣＯ₂レーザー放電部５６に電
圧が印加されると、電極間の放電によりレーザー媒質の
ＣＯ₂ガスを励起する。

【００５２】また、上記レーザー波長変換装置５０のＣ
Ｏ₂レーザー発振器５０ａ側には全反射鏡５８が設置さ
れ、ラマン・セル５０ｂ側の領域にはレーザー光の光強
度を高めるために、光路上に対向する凹面鏡６０ａ乃至
６０ｎを設置し、レーザー光を集光反射するようにして
いる。なお、この第三の実施例においては、凹面鏡６０
ｎは全反射鏡として構成されており、ラマン変換光は半
透過型平面鏡６６より外部に取り出すことができるよう
になっている。

【００５３】さらに、注入同期用レーザー発振器として
のＣＷ−ＣＯ₂レーザー発振器６２より出射されたシー
ド光が、戻り光をカットする光アイソレータ６４を通
り、二色性ミラー５４を介してＣＯ₂レーザー発振器５
０ａ側に注入されるようになっている。

【００５４】以上の構成において、作動の際には、ＣＷ
−ＣＯ₂レーザー発振器６２からの波長約１０μｍの注
入レーザー光が、二色性ミラー５４によってレーザー波
長変換装置５０の光路上に導入されることになる。そう
すると、ＣＯ₂レーザー発振器５０ａより発生されて、
後方反射鏡５８と凹面鏡６０ｎとの間で反射を繰り返し
ながらレーザー媒質中で増幅される励起レーザー光は、
シード光の周波数および偏光に一致するように制御され
る。こうして、シード光の周波数および偏光に一致する
ように制御された波長約１０μｍの励起レーザー光が、
ラマン・セル２０ｂにより波長約１６μｍの１次ストー
クス光にラマン変換されて、半透過型平面鏡６６から外
部へ１次ストークス光が取り出される。

【００５５】この際に、ラマン変換された波長約１６μ
ｍの１次ストークス光は、二色性ミラー５４により反射
されてＣＯ₂レーザー発振器５０ａ側へ導入されること
がないので、波長約１６μｍの１次ストークス光が励起
レーザー光に吸収されてしまう恐れを防止できる。

【００５６】即ち、ラマン変換光は、波長によって励起
レーザー光に吸収されてしまう場合があるが、図７の実
施例に示すように、レーザー波長変換装置５０の内部に
二色特性ミラー５４を設置すると、ＣＯ₂レーザー発振
器５０ａの領域内にラマン変換光が侵入するのを防止す
ることができる。

【００５７】このように、本発明の第三の実施例では、
励起レーザー光とラマン変換光とが二色性ミラー５４と
凹面鏡６０ｎとの間の光路を共有しており、二色特性ミ
ラー５４により反射されたラマン変換光だけを半透過型
平面鏡６６を透過させて取り出すことが可能であり、非
常に高い変換効率を実現することができる。

【００５８】図８は、本発明による第四の実施例を示す
レーザー波長変換装置の概略構成図であり、基本構成は
図７に示した第三の実施例とほぼ同一であるので、同一
あるいは相当する構成に関しては、図７と同一の符号を
付して示すことにより説明の一部を省略する。

【００５９】この第四の実施例においては、ラマン・セ
ル５０ｂによるラマン変換効率を高めるために、ＣＯ₂
レーザ発振器５０ａ側の領域とラマン・セル５０ｂ側の
領域との間に設置された二色性ミラー５４のＣＯ₂レー
ザー発振器５０ａ側に、ＣＯ₂レーザー光用の半透過型
ミラー６８を配設した構造としたものである。

【００６０】これは、半透過型ミラー６８により、ラマ
ン変換領域であるラマン・セル５０ｂに流入する励起レ
ーザーの光エネルギーが制御され、ＣＯ₂レーザー媒質
からのエネルギーの取出し効率を高めることができるか
らである。

【００６１】これによって、励起レーザー光はラマン変
換領域に関係なく、全反射鏡５８と半透過型ミラー６８
との間で増幅され、その一部の光エネルギーが半透過型
ミラー６８を透過してラマン変換領域であるラマン・セ
ル５０ｂに流出することになるため、全反射鏡５８と半
透過型ミラー６８との間では高い光強度が維持され、レ
ーザー媒質からのエネルギー取出し効率を高めることが
できる。

【００６２】以上において詳細に説明したように、本発
明による各実施例では、ラマン媒質としてパラ水素を用
いているために、波長のシフト量は３５４ｃｍ^-1、また
はその整数倍である。

【００６３】従って、ＣＯ₂レーザーを励起レーザー光
とすると、ラマン変換光の１次ストークス光としては１
３μｍから１８μｍ、２次ストークス光としては２５μ
ｍから５０μｍの範囲で波長変換が可能である。

【００６４】また、ラマン媒質にオルソ重水素を用いた
場合には、波長のシフト量は１７９ｃｍ^-1となり、１１
μｍから１４μｍの範囲で波長変換が可能である。

【００６５】なお、ラマン媒質としては、パラ水素、あ
るいはオルソ重水素に限らず、窒素、メタン、酸素など
のラマン遷移を起こすようなラマン活性物質であれば使
用可能であり、さまざまな波長のレーザー光を発生させ
ることができる。

【００６６】一方、実際のＣＯ₂レーザーは、連続波長
可変ではなく、９μｍから１１μｍの範囲において、約
８０本の発振線の間で断続的に波長変換されるために、
ラマン変換されて出力される波長も断続的ならざるを得
なかった。

【００６７】そこで、上記のような断続的な波長を連続
させるためには、各実施例の装置において、パルスＣＯ
₂レーザー放電部に高気圧型（ガスの圧力を高めたタイ
プ）を用いればよい。

【００６８】即ち、パルスＣＯ₂レーザー放電部を高気
圧型にすることにより、断続的な発振線の一つひとつの
線幅が広がり、隣の発振線とつながり合って、発振線の
間の波長でもレーザー光の利得が得られ、連続的に波長
変換が可能になる。

【００６９】また、上記した各実施例においては、励起
レーザー光のレーザー発振器としてＣＯ₂レーザー発振
器を用いたが、これに限られることなしに、他のレーザ
ー媒質のレーザー発振器を用いたものに本発明を適用し
て良いことは勿論である。

【００７０】さらに、レーザー発振器領域とラマン・セ
ル領域とにおいて、レーザー媒質とラマン媒質とをそれ
ぞれ循環させるようにすると、レーザー動作を高繰り返
し化することができるようになる。

【００７１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００７２】従来のラマン・レーザー装置において必要
とされた多段に構成された複数のＴＥＡ−ＣＯ₂増幅器
や、多重反射による損失の大きいＭＰＣなどが不要にな
るので、装置全体の小型化を図ることができるととも
に、設置スペースも狭くて済む。また、構成部品が少な
くて済むため、取扱性も容易になるとともに、大幅なコ
スト低減を図ることができる。

【００７３】また、レーザー発振器より発生された励起
レーザー光が、共振器内で増幅されるとともにラマン変
換されるので、共振器内の高い光電場強度を直接的にラ
マン変換に利用できることになり、効率的なラマン変換
を行うことができ、ラマン変換効率を著しく向上するこ
とができる。

【００７４】さらに、共振器内では、通常、定在波がで
きているので、光路上で前方および後方に進む電磁波が
重なり合うようになり、ラマン変換領域では、前方ラマ
ン散乱および後方ラマン散乱が同時に起こることにな
り、一層ラマン変換を促進することができる。また、励
起レーザー光の波長をラマン変換させる際に、レーザー
発振器領域とラマン・セル領域との間に配設された波長
セパレータにより、ラマン・セル領域内のラマン変換光
がレーザー発振器領域内に入るのを防止されるので、ラ
マン変換光が励起レーザー光に吸収されてしまうおそれ
を防止することができるとともに、レーザー発振器領域
内においてレーザー発振器と波長セパレータとの間に配
設された半透過型反射鏡により、ラマン・セルへ入射さ
れる励起レーザー光のエネルギーが制御されるので、レ
ーザー媒質からの光エネルギーの取り出し効率を高める
ことができるようになる。さらにまた、共振器内に外部
から円偏光に制御されたレーザー光を注入すると、励起
レーザー光の偏光が注入したレーザー光の偏光と一致す
るように制御され、その結果、円偏光のラマン変換光を
外部に取り出すことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザー波長変換装置の原理を示
す概略構成図である。

【図２】本発明の第一の実施例によるレーザー波長変換
装置の概略構成図である。

【図３】図２においてＣＯ₂レーザーのみ発振させたと
きのＣＯ₂レーザー光の出力波形図である。

【図４】図２においてラマン変換を起こさせたときのＣ
Ｏ₂レーザー光（励起レーザー光）およびラマン変換光
の出力波形図である。

【図５】本発明の第二の実施例によるレーザー波長変換
装置の概略構成図である。

【図６】図５に示す第二の実施例によるレーザー波長変
換装置に偏光制御素子を配設した状態を示す概略構成図
である。

【図７】本発明の第三の実施例によるレーザー波長変換
装置の概略構成図である。

【図８】本発明の第四の実施例によるレーザー波長変換
装置の概略構成図である。

【図９】従来のラマン・レーザー装置の概略構成図であ
る。

【図１０】図９に示す従来のラマン・レーザー装置のＴ
ＥＡ−ＣＯ₂レーザー発振器から出射されるレーザ・パ
ルス光の出力波形図である。

【図１１】図９に示すレーザー・パルス光をラマン変換
したときの励起レーザー光およびラマン変換光の出力波
形図である。

【符号の説明】

１０，２０，３０，５０レーザー波長変換装置１２全反射鏡１４半透過型反射鏡１６，２０ａ，３０ａ，５０ａＣＯ₂レーザー発振
器１８，２０ｂ，３０ｂ，５０ｂラマン・セル２２，３４窓部２４，４６，５６パルス・レーザー放電部５４二色性ミラー４０，６２ＣＷ−ＣＯ₂レーザー発振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/30 H01S 3/108

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】励起レーザー光をラマン媒質内に入射
し、ラマン変換を行なうことによりレーザーの波長変換
を行うレーザー波長変換方法において、励起レーザー光を発生するレーザー発振器の共振器内の
光路の一部あるいは全部を、励起レーザー光がラマン媒
質を通過する際の光路と重畳させて、励起レーザー光の
波長をラマン変換させ、その際に、前記レーザー発振器
領域と前記ラマン・セル領域との間に配設された波長セ
パレータにより、ラマン変換光が前記レーザー発振器領
域内に入るのを防止するとともに、前記レーザー発振器
領域内において前記レーザー発振器と前記波長セパレー
タとの間に配設された半透過型反射鏡により、前記ラマ
ン・セルへ入射される励起レーザー光のエネルギーを制
御することによって前記レーザー媒質からの光エネルギ
ーの取り出し効率を高めることを特徴とするレーザー波
長変換方法。
【請求項２】励起レーザー光をラマン媒質内に入射
し、ラマン変換を行なうことによりレーザーの波長変換
を行うレーザー波長変換装置において、対向する反射鏡により構成される共振器と、前記共振器内に配置された励起レーザー光を発生するレ
ーザー媒質を充填したレーザー発振器と、前記共振器内に配置されるとともに、前記レーザー発振
器により発生される励起レーザー光の光路の一部あるい
は全部と重畳するように配置されたラマン媒質を充填し
たラマン・セルと、前記レーザー発振器領域と前記ラマン・セル領域との間
に配設され、前記ラマン・セル領域内のラマン変換光が
前記レーザー発振器領域内に入るのを防止する波長セパ
レータと、前記レーザー発振器領域内において前記レーザー発振器
と前記波長セパレータとの間に配設され、前記ラマン・
セルへ入射される励起レーザー光のエネルギーを制御す
ることによって前記レーザー媒質からの光エネルギーの
取り出し効率を高める半透過型反射鏡とを有し、前記レーザー発振器より発生された励起レーザー光を前
記共振器内で増幅させながら、前記ラマン・セル内の前
記ラマン媒質によりラマン変換させ、前記ラマン変換に
よるラマン変換光を外部に取り出すことを特徴とするレ
ーザー波長変換装置。
【請求項３】前記共振器内に外部から円偏光に制御さ
れたレーザー光を注入し、励起レーザー光の波長および
偏光を注入したレーザー光の波長および偏光と一致する
ように制御し、円偏光のラマン変換光を外部に取り出す
請求項２記載のレーザー波長変換装置。
【請求項４】前記共振器内に偏光制御素子を配設し、
励起レーザー光の偏光を制御する請求項２または３のい
ずれか１項に記載のレーザー波長変換装置。
【請求項５】前記レーザー発振器領域と前記ラマン・
セル領域とにおいて、レーザー媒質とラマン媒質とをそ
れぞれ循環させる請求項２、３または４のいずれか１項
に記載のレーザー波長変換装置。
【請求項６】前記ラマン媒質がパラ水素である請求項
２、３、４または５のいずれか１項に記載のレーザー波
長変換装置。
【請求項７】前記ラマン媒質がオルソ重水素である請
求項２、３、４、５または６のいずれか１項に記載のレ
ーザー波長変換装置。
【請求項８】前記レーザー発振器がＣＯ_２レーザー発
振器である請求項２、３、４、５、６または７のいずれ
か１項に記載のレーザー波長変換装置。
【請求項９】前記レーザー発振器が高気圧型パルスＣ
Ｏ_２レーザー発振器である請求項２、３、４、５、６、
７または８のいずれか１項に記載のレーザー波長変換装
置。