JP2829479B2 - Metal vapor laser - Google Patents

Metal vapor laser

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JP2829479B2
JP2829479B2 JP5225159A JP22515993A JP2829479B2 JP 2829479 B2 JP2829479 B2 JP 2829479B2 JP 5225159 A JP5225159 A JP 5225159A JP 22515993 A JP22515993 A JP 22515993A JP 2829479 B2 JP2829479 B2 JP 2829479B2
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22Gases
    • H01S3/227Metal vapour

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、管体内に入れた銅等の
蒸気を用いて放電により誘導放出させる金属蒸気レーザ
ーに係り、特にレーザー変換効率に優れた金属蒸気レー
ザーに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal vapor laser which is stimulated to emit by discharge using a vapor of copper or the like contained in a tube, and more particularly to a metal vapor laser excellent in laser conversion efficiency.

【0002】[0002]

【従来の技術】現今、多方面に用いられている各種レー
ザー(誘導放出による光増幅)にあって、銅、マンガ
ン、鉛、金、カルシウム、バリウム、タリウム、ビスマ
ス等の金属の蒸気を入れた管体内でパルス状の放電を行
うことで、金属原子が強い共鳴捕獲現象を伴い励起され
誘導放出する金属蒸気レーザーは、他の固体レーザー、
常温で動作する半導体レーザー、炭酸ガスレーザーおよ
びよう素レーザーを除くガスレーザー等と比較して高出
力で、エネルギー変換効率が高いという特徴を有してい
る。
2. Description of the Related Art At present, in various lasers (light amplification by stimulated emission) used in various fields, vapors of metals such as copper, manganese, lead, gold, calcium, barium, thallium and bismuth are introduced. By performing pulsed discharge inside the tube, the metal vapor laser that stimulates and emits metal atoms with a strong resonance trapping phenomenon is other solid-state lasers,
It has features of higher output and higher energy conversion efficiency than semiconductor lasers, carbon dioxide lasers, and gas lasers except iodine lasers that operate at room temperature.

【0003】この金属蒸気レーザーは、管体内に入れた
金属蒸気中で放電を行うことにより、原子を共鳴遷移の
励起状態とし、この励起状態の原子の一部は螢光を自然
放出して基底状態および準安定状態へ遷移する。そし
て、励起状態の原子の分布数が準安定状態の原子の分布
数よりも多い反転分布状態となると、螢光が励起状態の
原子と作用して誘導放出が起きて新たな光が生じ、これ
が反射鏡間を反射しつつ増幅され一部が出力鏡からレー
ザー光として出力されるものである。
This metal vapor laser discharges atoms in a metal vapor contained in a tube to bring the atoms into an excited state of resonance transition, and some of the atoms in the excited state emit fluorescent light spontaneously to form a ground. State and metastable state. Then, when the number of atoms in the excited state becomes a population inversion state larger than the number of atoms in the metastable state, the fluorescent light acts on the atoms in the excited state, stimulated emission occurs, and new light is generated. The light is amplified while being reflected between the reflecting mirrors, and a part is output as laser light from the output mirror.

【0004】そして、銅をレーザー媒質とする銅蒸気レ
ーザーの場合には、可視光波長領域に波長510.6ナ
ノメートル,578.2ナノメートルの強い発振線が存
在し、1〜1.2%という高いエネルギー変換効率で、
数ワット〜数百ワット以上という高出力が得られてい
る。このため、色素レーザーの励起光源に使用してウラ
ン同位体元素の分離等に用いられているほか、医療用、
産業用等の広い分野で応用研究が進められている。
In the case of a copper vapor laser using copper as a laser medium, strong oscillation lines having wavelengths of 510.6 nanometers and 578.2 nanometers exist in a visible light wavelength region, and 1 to 1.2%. With high energy conversion efficiency
High output of several watts to several hundred watts or more has been obtained. For this reason, it is used as an excitation light source for dye lasers to separate uranium isotopes, etc.
Application research is being pursued in a wide range of fields such as industrial use.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この金
属蒸気レーザーにあっては、励起状態(レーザー上準
位)の金属原子は、螢光放射によって基底状態および準
安定状態のエネルギー準位に遷移するものの、レーザー
遷移では基底状態よりもエネルギー準位の高い準安定準
位であるレーザー下準位に分布することとなる。そし
て、レーザー上準位における励起寿命時間が数百ナノ秒
であるのに対し、このレーザー下準位から基底状態への
遷移は禁制遷移であって、レーザー下準位における励起
寿命時間は数マイクロ秒から数十マイクロ秒と格段に大
きいことから、レーザー発振とともに反転分布状態はた
ちまち終了してしまい、従来の金属蒸気レーザーは出力
パルス幅がせいぜい数ナノ秒から数十ナノ秒で終止する
自己終端型動作となり、多分野に亘る利用可能性にも限
度があった。
However, in this metal vapor laser, the metal atoms in the excited state (upper laser level) transition to the ground state and the metastable state energy levels by fluorescence emission. However, in the laser transition, the energy is distributed to the lower level of the laser which is a metastable level having a higher energy level than the ground state. While the excitation lifetime at the upper laser level is several hundred nanoseconds, the transition from the lower laser level to the ground state is a forbidden transition, and the excitation lifetime at the lower laser level is several microseconds. Since the reversal distribution state ends immediately with laser oscillation because it is extremely large from seconds to several tens of microseconds, the conventional metal vapor laser has a self-termination that the output pulse width ends at most several nanoseconds to several tens of nanoseconds It became a mold operation, and its use in many fields was limited.

【0006】当然のことながら、レーザー下準位におけ
る励起寿命時間を短くすれば、反転分布時間が長くなっ
てレーザー出力パルス幅を大きくすることができ、これ
によりレーザー変換効率が増大するのみならず、連続発
振動作の可能性も増して、金属蒸気レーザーの実用性が
増し、多分野に亘る有効利用が可能となるものである。
As a matter of course, if the excitation lifetime at the lower level of the laser is shortened, the population inversion time is increased and the laser output pulse width can be increased, which not only increases the laser conversion efficiency but also increases the laser conversion efficiency. In addition, the possibility of continuous oscillation operation is increased, and the practicality of the metal vapor laser is increased, and effective use in various fields is enabled.

【0007】本発明は、レーザー遷移におけるレーザー
下準位の励起寿命時間を短くし、レーザー動作における
エネルギー変換効率と連続発振の可能性を増大すること
のできる金属蒸気レーザーを提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a metal vapor laser capable of shortening the excitation lifetime of a lower laser level in a laser transition and increasing the energy conversion efficiency and the possibility of continuous oscillation in laser operation. I do.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成すべ
く、本発明の金属蒸気レーザーは、管体内にレーザー媒
質として金属の蒸気を入れ、この金属原子を放電により
励起状態のレーザー上準位(共鳴励起準位)に励起して
誘導放出させる金属蒸気レーザーにおいて、前記レーザ
ー媒質中に、基底状態のエネルギー値とレーザー遷移若
しくは螢光遷移後の準安定状態であるレーザー下準位の
エネルギー値との差が、前記金属原子におけるレーザー
上準位のエネルギー値とレーザー下準位のエネルギー値
との差と略同等となる他の金属原子の蒸気を添加し、レ
ーザー下準位の前記金属原子とレーザー下準位の前記他
の金属原子との第2種衝突によるエネルギー移乗により
レーザー下準位の前記金属原子を励起状態に遷移させ、
該金属原子における基底状態の原子数よりも励起状態の
原子数が多くなる反転分布状態の保持時間を長くするこ
とを特徴とするものである。
In order to achieve the above-mentioned object, a metal vapor laser according to the present invention is characterized in that a metal vapor is introduced into a tube as a laser medium, and the metal atoms are excited by a discharge to generate a laser upper level. (Resonance excitation level) In a metal vapor laser excited by stimulated emission at a resonance level, an energy value of a ground state and an energy value of a lower laser level which is a metastable state after a laser transition or a fluorescence transition are contained in the laser medium. The difference between the energy value of the upper laser level and the energy value of the lower laser level of the metal atom is added to the vapor of another metal atom, the metal atom of the lower laser level And the metal atoms of the laser lower level transition to the excited state by energy transfer due to the second type collision with the other metal atom of the laser lower level,
The invention is characterized in that the retention time of the population inversion state, in which the number of atoms in the excited state is larger than the number of atoms in the ground state in the metal atom, is lengthened.

【0009】また、管体内にレーザー媒質として金属の
蒸気を入れ、この金属原子を放電により励起状態のレー
ザー上準位(共鳴励起準位)に励起して誘導放出させる
金属蒸気レーザーにおいて、前記レーザー媒質中に、レ
ーザー上準位のエネルギー値とレーザー遷移若しくは螢
光遷移後の準安定状態であるレーザー下準位のエネルギ
ー値との差が、前記金属原子における基底状態のエネル
ギー値とレーザー下準位のエネルギー値との差と略同等
で、且つ基底状態のエネルギー値とレーザー遷移若しく
は螢光遷移後の準安定状態であるレーザー下準位のエネ
ルギー値との差が、前記金属原子におけるレーザー上準
位のエネルギー値とレーザー下準位のエネルギー値との
差と略同等となる他の金属原子の蒸気を添加し、レーザ
ー下準位の前記金属原子とレーザー下準位の前記他の金
属原子との第2種衝突によるエネルギー移乗によりレー
ザー下準位の前記金属原子を基底状態及び励起状態に遷
移させ、該金属原子における基底状態の原子数よりも励
起状態の原子数が多くなる反転分布状態の保持時間を長
くすることを特徴とするものである。
Further, in a metal vapor laser in which a metal vapor is put into a tube as a laser medium, and the metal atoms are excited by a discharge to a laser upper level (resonance excitation level) in an excited state and stimulated emission is performed. In the medium, the difference between the energy value of the upper laser level and the energy value of the lower laser level, which is a metastable state after a laser transition or fluorescence transition, is determined by the energy value of the ground state and the lower laser level of the metal atom. The difference between the energy value of the ground state and the energy value of the laser lower level which is a metastable state after the laser transition or the fluorescence transition is substantially equal to the difference between the energy value of the metal atom and the energy value of the metal atom. A vapor of another metal atom which is substantially equal to the difference between the energy value of the laser level and the energy value of the laser lower level is added, and the gold of the laser lower level is added. The metal atoms in the lower level of the laser are transitioned to a ground state and an excited state by energy transfer due to the second type collision between the atom and the other metal atom in the lower level of the laser. This is also characterized in that the retention time of the population inversion state in which the number of atoms in the excited state increases is lengthened.

【0010】[0010]

【実施例】図1は、本発明の金属蒸気レーザーの装置を
模式的に示すものであり、1はセラミックス等からなる
レーザー管、2はレーザー媒質となる金属または金属化
合物Aと金属または金属化合物Bを蒸発させるべくレー
ザー管1外周を巻回し加熱するヒーター、3,3はレー
ザー管1の両端近くに位置する電極、4は全反射鏡、5
は半透過型の出力鏡、6は供給電源である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 schematically shows a metal vapor laser apparatus according to the present invention, wherein 1 is a laser tube made of ceramics or the like, 2 is a metal or metal compound A serving as a laser medium and a metal or metal compound. Heaters for winding and heating the outer periphery of the laser tube 1 to evaporate B; electrodes 3, 3 located near both ends of the laser tube 1;
Is a transflective output mirror, and 6 is a power supply.

【0011】そして、レーザー管1内に入れた金属また
は金属化合物A,Bをヒータ2で熱して蒸気とし、この
蒸気中で電極3,3間で供給電源6によりパルス放電を
行う。これにより、金属原子Aが励起状態となり、この
励起状態の金属原子Aの一部は螢光を自然放出して基底
状態および準安定状態に遷移する。そして、金属原子A
における励起状態の分布数が準安定状態の分布数よりも
多い反転分布状態となると、螢光が励起状態の金属原子
Aと作用して誘導放出が起きて新たな光が生じ、これが
反射鏡4,5間を反射しつつ増幅され一部が出力鏡5か
らレーザー光として出力されるものである。
Then, the metal or metal compound A or B put in the laser tube 1 is heated by the heater 2 into vapor, and pulse discharge is performed between the electrodes 3 and 3 by the power supply 6 in the vapor. This causes the metal atom A to be in an excited state, and a part of the metal atom A in this excited state spontaneously emits fluorescence and transitions to a ground state and a metastable state. And metal atom A
When the number of distributions of the excited state in the above becomes an inverted distribution state larger than the number of distributions of the metastable state, the fluorescent light acts on the metal atom A in the excited state to cause stimulated emission to generate new light, which is generated by the reflecting mirror 4. , 5 are amplified while being reflected, and a part is output as laser light from the output mirror 5.

【0012】図2は、本発明に係わる金属蒸気レーザー
におけるエネルギー準位図を示し、左側は金属A、右側
は添加する金属Bのエネルギー準位を表わしている。E
(A),E(B)は金属原子A,Bが励起されてい
ない基底状態のエネルギー値を表わし、E(A),E
(B)は電極3,3間の放電による電子の衝突により
金属原子A,Bが励起されたレーザーまたは螢光遷移の
上準位(共鳴励起準位)のエネルギー値を表わし、E
(A)はレーザー上準位の金属原子Aが誘導放出したこ
とにより準安定状態で分布するレーザー下準位のエネル
ギー値を表わし、E(B)は共鳴励起準位の金属原子
Bが螢光放射(若しくは誘導放出)したことにより準安
定状態で分布する準安定準位のエネルギー値を表わして
いる。
FIG. 2 shows an energy level diagram of the metal vapor laser according to the present invention. The left side shows the energy level of metal A, and the right side shows the energy level of metal B to be added. E
0 (A) and E 0 (B) represent ground state energy values in which the metal atoms A and B are not excited, and E 1 (A) and E 1 (E)
1 (B) represents the energy value of the upper level (resonance excitation level) of a laser or fluorescence transition in which metal atoms A and B are excited by collision of electrons due to discharge between electrodes 3 and 3, and E 2
(A) represents the energy value of the lower laser level which is distributed in a metastable state due to the stimulated emission of the metal atom A at the upper level of the laser, and E 2 (B) represents the energy level of the metal atom B at the resonance excitation level. It represents the energy value of a metastable level distributed in a metastable state by light emission (or stimulated emission).

【0013】ΔE(A)は、金属原子AにおけるE
(A)とE(A)とのエネルギー値の差で、レーザ
ー下準位の金属原子Aをレーザー上準位に励起するのに
必要なエネルギー値を表わしている。また、ΔE(B)
は、金属原子BにおけるE(B)とE(B)とのエ
ネルギー値の差で、螢光またはレーザー遷移の下準位の
金属原子Bを螢光またはレーザー遷移の上準位に励起す
るのに必要なエネルギー値を表わしている。
ΔE (A) is the value of E in metal atom A
The energy value difference between 1 (A) and E 2 (A) represents the energy value required to excite the metal atom A at the lower level of the laser to the upper level of the laser. ΔE (B)
Is the difference between the energy values of E 1 (B) and E 2 (B) in metal atom B, which excites metal atom B at the lower level of fluorescence or laser transition to the upper level of fluorescence or laser transition. It represents the energy value required to perform

【0014】そして、レーザー下準位である準安定状態
に溜る金属原子A、螢光またはレーザー遷移の準安定準
位に溜る金属原子Bは、それぞれE(A),E
(B)のエネルギー値に相当する仕事をすることがで
き、このエネルギー値と略同じ値の仕事量に対しては効
率良くエネルギーを消費することができる。
The metal atoms A stored in the metastable state which is the lower level of the laser and the metal atoms B stored in the metastable state of the fluorescence or the laser transition are E 2 (A) and E 2 (A), respectively.
Work corresponding to the energy value of 2 (B) can be performed, and energy can be efficiently consumed for a work amount substantially equal to this energy value.

【0015】[0015] そこで、本発明に関連する第1の実施例とTherefore, the first embodiment related to the present invention and
しては、添加金属原子Bを選択する際に、螢光またはレTherefore, when selecting the additional metal atom B, the fluorescent or
ーザー遷移の下準位である準安定準位の金属原子Bを共Together with the metal atom B of the metastable level
鳴励起準位に励起するのに必要なエネルギー値ΔEEnergy value ΔE required to excite to ring excitation level
(B)が、金属原子Aのレーザー下準位のエネルギー値(B) is the energy value of the laser lower level of metal atom A
E 2 (A)と略同等となるものを選択するものが存在すThere is one that selects something that is almost equivalent to (A)
る。You.

【0016】このようにレーザー媒質である金属原子AAs described above, the metal atom A as the laser medium
に金属原子Bを添加すると、金属原子Aがレーザー光をWhen metal atom B is added to metal atom A, metal atom A emits laser light.
放出してレーザー下準位に遷移すると、その状態に長くWhen the laser emits and transitions to the lower level of the laser,
留まりEStay E 2 (A)のエネルギー値を保持したままレーザLaser while maintaining the energy value of (A)
ー管内温度(数百℃〜千数百℃)で決まる熱運動を行-Performs a thermal motion determined by the temperature in the pipe (several hundred degrees Celsius to several hundred degrees Celsius).
い、周囲の粒子と激しく衝突を繰り返す。また、金属原Repeats violent collisions with surrounding particles. Also, metal
子BのEE of child B 2 (B)状態の粒子も同様な振る舞いをしていThe particles in the (B) state behave similarly.
る。そして、EYou. And E 2 (A)状態にある金属原子AとE(A) Metal atoms A and E in state
2 (B)状態の金属原子Bが衝突すると、金属原子AはWhen the metal atom B in the (B) state collides, the metal atom A becomes
金属原子Bを共鳴励起準位EThe metal atom B is excited by the resonance excitation level E 1 (B)に励起する仕事を(B) Exciting work
行い、金属原子A自身はエネルギーを失い(失活)基底Then, the metal atom A itself loses energy (deactivates).
準位ELevel E 0 (A)に遷移する。また、この逆過程についてTransition to (A). Also, about this reverse process
は、EIs E 2 (A)及びΔE(B)がレーザー遷移のエネル(A) and ΔE (B) are laser transition energy
ギー値と充分異なっていればその確率は無視することがIf the difference is sufficiently different from the energy value, the probability can be ignored.
できる。これにより、レーザー下準位における励起寿命it can. As a result, the excitation lifetime at the lower level of the laser
時間が短くなってレーザー下準位の金属原子Aの粒子数As the time becomes shorter, the number of particles of metal atom A in the lower level of the laser
の増加が抑えられ、レーザー下準位の粒子数よりもレーIncrease in the number of particles at the lower level of the laser.
ザー上準位の粒子数が多くなる反転分布状態の保持時間Retention time of population inversion where the number of particles in the upper level increases
を長くし、すなわちレーザー出力パルス幅が大きくなっThe laser output pulse width
てレーザー変換効率が増大するものである。Therefore, the laser conversion efficiency is increased.

【0017】金属原子Aをマンガン(Mn)とした場合When metal atom A is manganese (Mn)
に、ΔE(B)≒EΔE (B) ≒ E 2 (A)となるような添加金属原子(A) additional metal atom
Bとしては、ユウロピウム(Eu)、バリウム(BAs B, europium (Eu), barium (B
a)、ランタン(La)、モリブデン(Mo)、ニオブa), lanthanum (La), molybdenum (Mo), niobium
(Nb)、白金(Pt)、レニウム(Re)、ルテニウ(Nb), platinum (Pt), rhenium (Re), ruthenium
ム(Ru)、チタン(Ti)、ツリウム(Tm)等が存(Ru), titanium (Ti), thulium (Tm), etc.
在する。Exist.

【0018】また、金属原子Aを銅(Cu)とした場合When the metal atom A is copper (Cu)
に、ΔE(B)≒EΔE (B) ≒ E 2 (A)となるような添加金属原子(A) additional metal atom
Bとしては、ユウロピウム(Eu)、ランタン(LAs B, europium (Eu), lanthanum (L
a)、ニa) d オブ(Nb)、チタン(Ti)、ジルコニウムOf (Nb), titanium (Ti), zirconium
(Zr)、レニウム(Re)、トリウム(Th)、タン(Zr), rhenium (Re), thorium (Th), tan
グステン(W)等が存在する。Gusten (W) and the like exist.

【0019】また、金属原子Aをヒ素(As)とした場When the metal atom A is arsenic (As),
合に、ΔE(B)≒EIn this case, ΔE (B) ≒ E 2 (A)となるような添加金属原(A) additional metal source
子Bとしては、クロム(Cr)、ユウロピウム(EAs the child B, chromium (Cr), europium (E
u)、イリジウム(Ir)、ランタン(La)、マンガu), iridium (Ir), lantern (La), manga
ン(Mn)、白金(Pt)、レニウム(Re)、スカン(Mn), platinum (Pt), rhenium (Re), scan
ジウム(Sc)、タンタル(Ta)、トリウム(TIndium (Sc), Tantalum (Ta), Thorium (T
h)、ジルコニウム(Zr)等が存在する。h), zirconium (Zr) and the like.

【0020】更に、金属原子Aを金(Au)とした場合Further, when the metal atom A is gold (Au)
に、ΔE(B)≒EΔE (B) ≒ E 2 (A)となるような添加金属原子(A) additional metal atom
Bとしては、ガドリニウム(Gd)、ゲルマニウム(GAs B, gadolinium (Gd), germanium (G
e)、ハフニウム(Hf)、イリジウム(Ir)、モリe), hafnium (Hf), iridium (Ir), moly
ブデン(Mo)、ロジウム(Rh)、タンタル(TBuden (Mo), rhodium (Rh), tantalum (T
a)、トリウム(Th)、ジルコニウム(Zr)等が存a), thorium (Th), zirconium (Zr), etc.
在する。Exist.

【0021】そして、金属原子Aをバリウム(Ba)とThe metal atom A is replaced with barium (Ba).
した場合に、ΔE(B)≒EΔE (B) ≒ E 2 (A)となるような添加Addition to become (A)
金属原子Bとしては、ユウロピウム(Eu)、ハフニウAs the metal atom B, europium (Eu), hafnium
ム(Hf)、ニオブ(Nb)、トリウム(Th)、チタ(Hf), niobium (Nb), thorium (Th), titanium
ン(Ti)、ジルコニウム(Zr)等が存在する。(Ti), zirconium (Zr) and the like.

【0022】当然ながら、上記の如き金属原子以外でもNaturally, other than the above metal atoms,
ΔE(B)≒EΔE (B) ≒ E 2 (A)を満足する金属原子A,BであMetal atoms A and B satisfying (A)
ればよいというものである。It is only necessary.

【0023】次に、本発明の第2の実施例としては、添
加金属原子Bを選択する際に、準安定準位の金属原子B
のエネルギー値E(B)が、レーザー下準位の金属原
子Aを共鳴励起準位E(A)に励起するのに必要なエ
ネルギー値ΔE(A)と略同等となるようなものを選択
するものである。
Next, as a second embodiment of the present invention, when selecting an additional metal atom B, a metastable metal atom B
Whose energy value E 2 (B) is substantially equal to the energy value ΔE (A) required to excite the metal atom A at the lower level of the laser to the resonance excitation level E 1 (A). To choose.

【0024】このようにレーザー媒質である金属原子A
に金属原子Bを添加すると、E(A)状態にある金属
原子AとE(B)状態の金属原子Bが衝突し、金属原
子Bは金属原子Aを共鳴励起準位E(A)に励起する
仕事を行い、金属原子Bはエネルギーを失い(失活)基
底準位E(B)に遷移する。これにより、レーザー下
準位における励起寿命時間が短くなってレーザー下準位
の金属原子Aの粒子数の増加が抑えられレーザー上準位
の粒子数の増加が促進され、レーザー下準位の粒子数よ
りもレーザー上準位の粒子数が多くなる反転分布状態の
保持時間を長くし、すなわちレーザー出力パルス幅が大
きくなってレーザー変換効率が増大するものである。
As described above, the metal atom A as the laser medium
When the metal atom B is added to the metal atom A, the metal atom A in the E 2 (A) state collides with the metal atom B in the E 2 (B) state, and the metal atom B displaces the metal atom A to the resonance excitation level E 1 (A ), The metal atom B loses energy (deactivates) and transitions to the ground level E 0 (B). As a result, the excitation lifetime in the lower laser level is shortened, the increase in the number of particles of the metal atom A in the lower laser level is suppressed, and the increase in the number of particles in the upper laser level is promoted. The inversion distribution state in which the number of particles in the upper level of the laser is larger than the number is lengthened, that is, the laser output pulse width is increased and the laser conversion efficiency is increased.

【0025】金属原子Aを銅(Cu)とした場合に、E
(B)≒ΔE(A)となるような添加金属原子Bとし
ては、ユウロピウム(Eu)、鉄(Fe)、オスミウム
(Os)、レニウム(Re)、タングステン(W)、イ
ットリウム(Y)、マンガン(Mn)等が存在する。
When the metal atom A is copper (Cu), E
2 (B) Examples of the additional metal atom B that satisfies ≒ ΔE (A) include europium (Eu), iron (Fe), osmium (Os), rhenium (Re), tungsten (W), yttrium (Y), Manganese (Mn) is present.

【0026】また、金属原子Aをマンガン(Mn)とし
た場合に、E(B)≒ΔE(A)となるような添加金
属原子Bとしては、ひ素(As)、アンチモン(Sb)
等が存在する。
When the metal atom A is manganese (Mn), the additional metal atom B that satisfies E 2 (B) ≒ ΔE (A) includes arsenic (As) and antimony (Sb).
Etc. exist.

【0027】更に、金属原子Aをバリウム(Ba)とし
た場合に、E(B)≒ΔE(A)となるような添加金
属原子Bとしては、スズ(Sn)、マンガン(Mn)等
が存在する。
Further, when the metal atom A is barium (Ba), tin (Sn), manganese (Mn), or the like is used as the additional metal atom B such that E 2 (B) ≒ ΔE (A). Exists.

【0028】また、金属原子Aを鉛(Pb)とした場合
に、E(B)≒ΔE(A)となるような添加金属原子
Bとしては、ユウロピウム(Eu)、イリジウム(I
r)等が存在する。
When the metal atom A is lead (Pb), the additional metal atom B that satisfies E 2 (B) ≒ ΔE (A) includes europium (Eu) and iridium (I
r) and the like.

【0029】また、金属原子Aをタリウム(Tl)とし
た場合に、E(B)≒ΔE(A)となるような添加金
属原子Bとしては、ひ素(As)、モリブデン(M
o)、チタン(Ti)等が存在する。
When the metal atom A is thallium (Tl), the additional metal atom B that satisfies E 2 (B) ≒ ΔE (A) includes arsenic (As) and molybdenum (M
o), titanium (Ti) and the like.

【0030】当然ながら、上記の如き金属原子以外でも
(B)≒ΔE(A)を満足する金属原子A,Bであ
ればよいものである。
Naturally, other than the above metal atoms, any metal atoms A and B that satisfy E 2 (B) ≒ ΔE (A) may be used.

【0031】次に、本発明の第3の実施例としては、添
加金属原子Bを選択する際に、準安定準位の金属原子B
を共鳴励起準位に励起するのに必要なエネルギー値ΔE
(B)が、金属原子Aのレーザー下準位のエネルギー値
(A)と略同等となるとともに、準安定準位の金属
原子Bのエネルギー値E(B)が、レーザー下準位の
金属原子Aを共鳴励起準位に励起するのに必要なエネル
ギー値ΔE(A)と略同等となるようなものを選択す
る。すなわち、ΔE(B)≒E(A)及びE(B)
≒ΔE(A)を共に満足する金属原子を選択するもので
ある。
Next, as a third embodiment of the present invention, when selecting an additional metal atom B, a metal atom B having a metastable level
Energy value ΔE required to excite light to the resonance excitation level
(B) is substantially equal to the energy value E 2 (A) of the metal atom A at the lower laser level, and the energy value E 2 (B) of the metal atom B at the metastable level is lower than the laser level. Is selected so that the energy value ΔE (A) required to excite the metal atom A of the above to the resonance excitation level is substantially equal. That is, ΔE (B) ≒ E 2 (A) and E 2 (B)
A metal atom that satisfies both ≒ ΔE (A) is selected.

【0032】このようにレーザー媒質である金属原子A
に同様にレーザー媒質である金属原子Bを添加し、E
(A)状態の金属原子AとE(B)状態の金属原子B
が衝突すると、金属原子Aは金属原子Bを共鳴励起準位
(B)に励起する仕事を行って、金属原子Aはエネ
ルギーを失い(失活)基底準位E(A)に遷移すると
ともに、金属原子Bは金属原子Aを共鳴励起準位E
(A)に励起する仕事を行って、金属原子Bはエネル
ギーを失い(失活)基底準位E(B)に遷移する。こ
れにより、金属原子AおよびBのレーザー下準位におけ
る励起寿命時間が短くなってレーザー下準位の金属原子
AおよびBの粒子数の増加が抑えられ、逆にそれぞれの
レーザー上準位の粒子数は増加し、レーザー下準位の粒
子数よりもレーザー上準位の粒子数が多くなる反転分布
状態の保持時間を長くし、すなわちレーザー出力パルス
幅が大きくなってA,B両原子のレーザー変換効率が増
大するものである。
As described above, the metal atom A as the laser medium
Similarly, a metal atom B which is a laser medium is added to E 2
Metal atom A in state (A) and metal atom B in state E 2 (B)
Collide, the metal atom A performs the work of exciting the metal atom B to the resonance excitation level E 1 (B), and the metal atom A loses energy (deactivates) and transitions to the ground level E 0 (A). At the same time, the metal atom B replaces the metal atom A with the resonance excitation level E
The metal atom B loses energy (deactivates) and transitions to the ground level E 0 (B) by performing the work of exciting 1 (A). As a result, the excitation lifetime of the metal atoms A and B at the lower laser level is shortened, and the increase in the number of metal atoms A and B at the lower laser level is suppressed. The number of particles increases and the number of particles in the upper level of the laser is larger than the number of particles in the lower level of the laser. The conversion efficiency increases.

【0033】上述した各実施例において、添加する金属
原子Bに付随するエネルギー準位等が、レーザー媒質で
ある金属原子Aのレーザー発振動作を妨げるような相互
作用を有さないことが必要である。また、金属原子A,
Bの蒸気圧の比率は、反転分布状態の保持時間を長くす
べく適宜に設定されるが、1対1程度であってもよい。
In each of the above-described embodiments, it is necessary that the energy level associated with the metal atom B to be added does not have an interaction that hinders the laser oscillation operation of the metal atom A as the laser medium. . Also, metal atoms A,
The ratio of the vapor pressure of B is appropriately set so as to extend the inversion distribution holding time, but may be about 1: 1.

【0034】尚、図1に示す金属蒸気レーザーの装置
は、あくまで模式的なものであり、金属または金属化合
物A,Bの気化温度が異なる場合には各金属原子毎に専
用のヒーターを配設し、各金属原子毎にその蒸気圧をコ
ントロールするものである。
The apparatus of the metal vapor laser shown in FIG. 1 is only a schematic one. When the vaporization temperature of the metal or metal compound A or B is different, a dedicated heater is provided for each metal atom. Then, the vapor pressure is controlled for each metal atom.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明の金属蒸気レ
ーザーによれば、レーザー媒質となる金属原子に第2種
衝突によるエネルギー移乗を行い得る他の金属原子の蒸
気を添加したことにより、レーザー遷移におけるレーザ
ー下準位における励起寿命時間が短くなり、反転分布時
間が長くなってレーザー出力パルス幅を大きくすること
ができ、これによりレーザー変換効率が増大するのみな
らず、連続発振動作の可能性も増して、金属蒸気レーザ
ーの実用性が増し、多分野に亘る有効利用が可能となる
ものである。
As described above in detail, according to the metal vapor laser of the present invention, the metal atom serving as the laser medium is added with the vapor of another metal atom capable of transferring energy by the second type collision. The excitation lifetime at the lower level of the laser in the laser transition is shortened, the inversion distribution time is increased, and the laser output pulse width can be increased, which not only increases the laser conversion efficiency but also enables continuous oscillation operation Thus, the practicality of the metal vapor laser is increased, and effective use in various fields is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の金属蒸気レーザーの装置を示す説明図
である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a metal vapor laser device of the present invention.

【図2】本発明の金属蒸気レーザーにおけるエネルギー
準位図である。
FIG. 2 is an energy level diagram of the metal vapor laser of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 管体 2 ヒーター 3 電極 4 全反射鏡 5 出力鏡 6 供給電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Tube 2 Heater 3 Electrode 4 Total reflection mirror 5 Output mirror 6 Supply power

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/227──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01S 3/227

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 管体内にレーザー媒質として金属の蒸気
を入れ、この金属原子を放電により励起状態のレーザー
上準位(共鳴励起準位)に励起して誘導放出させる金属
蒸気レーザーにおいて、前記レーザー媒質中に、基底状
態のエネルギー値とレーザー遷移若しくは螢光遷移後の
準安定状態である下準位のエネルギー値との差が、前記
金属原子におけるレーザー上準位のエネルギー値とレー
ザー下準位のエネルギー値との差と略同等となる他の金
属原子の蒸気を添加し、レーザー下準位の前記金属原子
と準安定状態である下準位の前記他の金属原子との第2
種衝突によるエネルギー移乗によりレーザー下準位の前
記金属原子をレーザー上準位に遷移させ、該金属原子に
おけるレーザー下準位の原子数よりもレーザー上準位の
原子数が多くなる反転分布状態の保持時間を長くするこ
とを特徴とする金属蒸気レーザー。
1. A metal vapor laser in which a metal vapor is introduced into a tube as a laser medium, and the metal atoms are excited to a laser upper level (resonance excitation level) in an excited state by discharge and stimulated-emitted. In the medium, the difference between the energy value of the ground state and the energy value of the lower level, which is a metastable state after the laser transition or the fluorescence transition, is determined by the energy value of the upper laser level and the lower laser level of the metal atom. And adding a vapor of another metal atom which is substantially equivalent to the energy value of the second metal atom in the lower level of the laser and the other metal atom of the lower level in a metastable state.
The metal atoms in the lower level of the laser are transitioned to the upper level of the laser by energy transfer due to seed collision, and the number of atoms in the upper level of the laser is larger than the number of atoms in the lower level of the laser in the metal atom. A metal vapor laser characterized by a longer holding time.
【請求項2】 管体内にレーザー媒質として金属の蒸気
を入れ、この金属原子を放電により励起状態のレーザー
上準位(共鳴励起準位)に励起して誘導放出させる金属
蒸気レーザーにおいて、前記レーザー媒質中に、レーザ
ー上準位のエネルギー値とレーザー遷移後の準安定状態
であるレーザー下準位のエネルギー値との差が、前記金
属原子における基底状態のエネルギー値とレーザー下準
位のエネルギー値との差と略同等で、且つ基底状態のエ
ネルギー値とレーザー遷移後の準安定状態であるレーザ
ー下準位のエネルギー値との差が、前記金属原子におけ
るレーザー上準位のエネルギー値とレーザー下準位のエ
ネルギー値との差と略同等となる他の金属原子の蒸気を
添加し、レーザー下準位の前記金属原子とレーザー下準
位の前記他の金属原子との第2種衝突によるエネルギー
移乗によりレーザー下準位の前記金属原子および前記他
の金属原子のそれぞれを基底状態及びレーザー上準位に
遷移させ、両金属原子におけるレーザー下準位の原子数
よりもレーザー上準位の原子数が多くなる反転分布状態
の保持時間を長くすることを特徴とする金属蒸気レーザ
ー。
2. A metal vapor laser in which a metal vapor is introduced into a tube as a laser medium, and the metal atoms are excited by a discharge to a laser upper level (resonance excitation level) in an excited state and stimulated emission is performed. In the medium, the difference between the energy value of the upper laser level and the energy value of the lower laser level, which is a metastable state after laser transition, is the energy value of the ground state and the lower energy level of the metal atom in the metal atom. And the difference between the energy value of the ground state and the energy value of the lower laser level which is a metastable state after the laser transition is the same as the energy value of the upper laser level and the lower laser level of the metal atom. A vapor of another metal atom which is substantially equivalent to the difference between the energy value of the level and the metal atom of the lower laser level and the other metal source of the lower laser level are added. The metal atoms at the lower level of the laser and the other metal atoms transition to the ground state and the upper level of the laser, respectively, by the energy transfer due to the second kind collision with the atoms, and the number of atoms of the lower level of the laser in both metal atoms A metal vapor laser characterized by having a longer inversion distribution holding time in which the number of atoms in the upper level of the laser is larger than that of the laser.
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