JP3932355B2

JP3932355B2 - Stimulated scattering amplifier

Info

Publication number: JP3932355B2
Application number: JP2002185919A
Authority: JP
Inventors: 裕治松本; 栄一高橋; 芳郎大和田野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP2004029404A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射ストークス光エネルギーを増倍する誘導散乱増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の後方誘導散乱増幅器を図6ー１に示す。励起光とストークス光の重ね合せおよび分離は、波長選択鏡６により行われ、励起光とストークス光の口径は、おなじ寸法であった。励起光とストークス光は、同一軸上を逆方向に伝搬し、長パルス励起光エネルギーを短パルスストークス光に変換していた。
【０００３】
図6ー２に示すように、文献「IEEE Journal of Quantum Electronics」、 Vol. QE-15, No5, P.363 には、励起光とストークス光の口径を変化させるコニカル型増幅器が提案されている。しかし、この配位も励起光とストークス光の入射および出射時点での口径は、同一に形成されている。
【０００４】
また、図7に示すように、従来の前方誘導ラマンパルス幅圧縮器（特公平７ー１２２７２２号公報参照）においても、波長選択鏡６により励起光とストークス光を分離し、ストークス光の光路をパルス幅に対応した距離だけ長くすることで、多重光路を伝搬するたびごとに長パルスの励起光エネルギーの１部が短パルスのストークス光に誘導ラマン変換し、パルス幅圧縮を行うものが開示されているが、これも励起光とストークス光の口径が同じであるため、出力ストークス光強度は、励起光強度を越えて増大している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
誘導散乱増幅器においては、長パルスの励起光から短パルスのストークス光へエネルギーを誘導散乱増幅により変換するので、ストークス光エネルギーをパルス幅およびビーム口径で割ったストークス光強度は、励起光エネルギーをパルス幅およびビーム口径で割った励起光強度より大きくなる可能性がある。従来の誘導散乱増幅器の自発ストークス光発生閾値は、誘導散乱媒質によって決まる誘導散乱増幅係数、媒質の長さおよび出力ストークス光強度の積の誘導散乱利得により決定されている。
【０００６】
増幅器を設計する場合、励起光の自発ストークス光を発生させないように励起光の誘導散乱利得を20以下に設定している。しかし、従来の増幅器の励起光とストークス光の口径は、同じであったので、励起光エネルギーが誘導散乱増幅によりストークス光に変換すると、ストークス光強度が、励起光強度を越えて大きくなり、増幅した高強度の出力ストークス光が、自発ストークス光を発生させて、励起光から出力ストークス光への変換エネルギーを減少させるという問題があった。
【０００７】
上記文献IEEE 「Journal of Quantum Electronics」のコニカル型増幅器においても、励起光とストークス光の口径は、同一であり、励起光エネルギーが誘導散乱増幅によりストークス光に変換すると、ストークス光強度が励起光強度を越えて大きくなる。増幅した高強度のストークス光が自発ストークス光を発生させる。上記文献において述べられているが、コニカル型にすることによる自発ストークス光の抑制効果は、１／２倍程度しかない。
【０００８】
出力ストークス光が高次自発ストークス光を発生する原因は、出力ストークス光強度が、励起光強度を越えて増幅し、ストークス光の誘導散乱利得が自発ストークス光発生閾値を越えるためである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、請求項１記載の発明においては、後方誘導散乱増幅器における入射ストークス光のビーム口径は、励起光の口径と等しくし、出力ストークス光の口径は、励起光の口径より大きくすることにより、出力ストークス光強度を励起光強度以下にしている。
【００１０】
また、請求項２記載の発明においては、前方誘導散乱増幅器における入射ストークス光のビーム口径は、励起光の口径と等しくし、出力ストークス光の口径は、励起光の口径より大きくすることにより、出力ストークス光強度を励起光強度以下にしている。
【００１１】
また、請求項3記載の発明においては、励起光が、対向する波長選択鏡の間を多重反射により往復する型の誘導散乱増幅器における入射および出力ストークス光の口径を励起光の口径より大きくすることにより、出力ストークス光強度を励起光強度以下にしている。
【００１２】
また、請求項４、５記載の発明においては、誘導散乱増幅器における出力ストークス光の口径が大きくなるのを抑制するため、径方向に焦点距離が変化する非球面の集光レンズを用いて、励起光との相互作用を終えた部分のストークス光を平行ビームにし、出力時の口径が大きくなることを抑制している。
【００１３】
【実施例１】
図１は、実施例１の概略構成図である。誘導散乱容器５に、誘導散乱媒質を充填し、励起光３とストークス光１は、その中を逆方向に伝播する。励起光（波長２４９nm)とストークス光(波長２６８nm)の重ねあわせ、分離は、波長選択鏡６により行っている。ストークス光が入射する容器左側の窓の位置での励起光とストークス光の口径は、同じとしている。出力ストークス光が出射する容器右側の窓の位置でのストークス光の口径２は、励起光の口径３より大きし、励起光強度より低くしている。
【００１４】
実施例１の具体的な数値を以下に示す。誘導散乱媒質は、メタンガス１気圧であり、媒質容器長さ（相互作用距離）は、１００cmである。励起光については、波長２４９nm 、エネルギー３J、パルス幅６ns、入射および出射ビーム口径１cm^２であり、ビーム強度は、0.5GW／cm^２である。入射ストークス光については、波長２６８nm、エネルギー0.08 mJ、パルス幅０．６ns、入射ビーム面積１cm^２で、ビーム強度は0.13MW／cm^２である。出力ストークス光は、エネルギー０．3J、パルス幅０．６ns、ビーム面積6 cm^２であり、ビーム強度は、0.5GW／cm^２に増幅する。自発ストークス光の発生させる誘導散乱利得は、メタンガスの利得係数 0.2 cm／GW、相互作用長１００cmおよび出射ストークス光ビーム強度0.5GW／cm^２の積であり、閾値（２０）より小さい10となる。自発ストークス光強度は、出力ストークス光強度の4.5x10^-7倍以下である。
【００１５】
従来の図６ー１に示す後方誘導散乱増幅器においては、上記と同じ運転条件の時、出力ストークス光は、エネルギー 1.8 J、パルス幅０．６ns、ビーム面積１cm^２で、ビーム強度は、3 GW／cm^２に増幅する。出力ストークス光が自発ストークス光を発生させる誘導散乱利得は、閾値（２０）以上の60となる。自発ストークス光強度は、出力ストークス光強度以上に大きくなる。
【００１６】
図６ー２のコニカル型増幅器での自発ストークス光の抑制効果は、１／２と計算されているが、ここで示した実施例においては、自発ストークス光の誘導散乱利得が30で、自発ストークス光強度は、出力ストークス強度以上に大きくなる。
【００１７】
【実施例２】
図２は、実施例２の概略構成図である。誘導散乱容器5中を励起光3およびストークス光1は、同じ方向に伝播している。入射励起光とストークス光は、波長選択鏡６で重ね合わされている。第１番目の相互作用光路を伝播後、波長選択鏡で分離し、ストークス光は、励起光よりストークス光のパルス幅分だけ長い光路を伝播して、再度、励起光と波長選択鏡で重ね合わされて、誘導散乱容器の第２番目の相互作用光路に入射している。第３番目の相互作用行路以降においても、同様な励起光を遅延させる方法により、励起光とストークス光の重ね合わせを行っている。第１番目の相互作用光路に入射するストークス光と励起光の口径は、同じである。誘導散乱容器５の一番下の最終相互作用光路における出力ストークス光の口径２は、励起光の口径４より大きくして、出力ストークス光強度は、入射励起光強度より低くしている。
【００１８】
上記実施例２の具体的な数値を以下に示す。誘導散乱媒質は、メタンガス１気圧で、容器の長さ（相互作用距離）は、１００cmである。多重光路の数は、１０である。励起光については、波長２４９nm、エネルギー１．５J、パルス幅６ns、入射および出射ビーム口径１cm^２で、ビーム強度は0.25GW／cm^２である。入射ストークス光については、波長２６８nm、エネルギー０．0５J、パルス幅０．６ns、入射ビーム面積１cm^２で、ビーム強度は、0.08GW／cm^２ある。最終１０パス目の光路から出射する増幅ストークス光は、エネルギー１．４J、パルス幅０．６ns、ビーム面積10 cm^２で、ビーム強度は、0.23GW／cm^２に増幅する。自発ストークス光の発生させる誘導散乱利得は、メタンガスの利得係数 0.2cm／GW、相互作用長１００cmおよび出力ストークス光ビーム強度0.23GW／cm^２の積であり、閾値以下の５となる。自発ストークス光強度は、出力ストークス光強度の３x１０^- ^９倍以下である。
【００１９】
従来の図７に示す前方ラマンパルス幅圧縮器においては、上記と同じ運転条件の時、最終光路から出射するストークス光は、エネルギー１．4 J、パルス幅０．６ns、ビーム面積１cm^２であり、ビーム強度は、2 GW／cm^２に増幅する。最終光路における増幅ストークス光の自発ストークス光を発生させる誘導散乱利得は、メタンガスの利得係数 0.2 cm／GW、相互作用長１００cmおよび出力ストークス光ビ強度２GW／cm^２の積であり閾値を越えた40となる。自発ストークス光強度は、出力ストークス光強度以上に大きくなる。
【００２０】
【実施例３】
図３は、実施例３の概略構成図である。励起光３が誘導散乱容器５中に対向した波長選択鏡６により反射され、該反射を繰り返しながら多重光路を伝播する。入射ストークス光１は、対向する波長選択鏡６を透過する。入射および出力ストークス光口径１、２を、励起光口径４より大きくし、出力ストークス光強度は、入射励起光強度より低くしている。
【００２１】
実施例３の具体的な数値を示す。誘導散乱媒質は、水素ガス１気圧であり、容器の長さ（相互作用距離）は、１５cmである。多重光路の数は、２０である。励起光については、波長２４９nm、エネルギー３J、パルス幅１０ns、入射および出射ビーム口径１cm^２であり、ビーム強度は0.3GW／cm^２である。入射ストークス光については、波長２６８nm、エネルギー０．０３J、パルス幅１ns、入射ビーム面積１０cm^２で、ビーム強度は、0.003GW／cm^２ある。出力ストークス光は、エネルギー２．７J、パルス幅１ns、ビーム面積１０cm^２であり、ビーム強度は、0.27GW／cm^２に増幅する。自発ストークス光を発生させる誘導散乱利得は、水素ガスの利得係数２cm／GW、相互作用長１５cmおよび出力ストークス光ビーム強度0.24GW／cm^２の積であり、閾値以下の８となる。自発ストークス光強度は、出力ストークス光強度の６x１０^- ^８倍以下である。
【００２２】
【実施例４】
図４は、実施例４の概略構成図である。図４ー１においては、ストークス光は、誘導散乱容器を伝播するに伴い、ビーム口径が急激に大きくなっていく。図４ー２においては、誘導散乱容器の中に、径方向に焦点距離が変化する非球面の集光光学素子を配置することにより、励起光との相互作用を終えた部分のストークス光を平行ビームに集光することで、出力ストークス光口径が入射口径に比べ増加することを抑制している。
【００２３】
実施例4の具体的な数値を下記に示す。図４ー１におけるAは、ストークス光の集光点、Bは誘導散乱容器のストークス光の入射窓の位置、Eは出力窓の位置、Fは出力ストークス光の集光光学素子の位置である。A〜Bの距離は１m、B〜Eの距離は９m、E〜Fの距離は１mとし、B地点でのストークス光口径は１cmとすると、F地点での出力口径は１１cmまで拡大する。
【００２４】
図４ー２のC、D、E地点に集光レンズを配置する。A〜Bの距離は１m、B〜C, C〜D, D〜Eの距離は、それぞれ、３m、E〜Fの距離は、１mとする。C地点の集光レンズとして、レンズ中心から励起光の口径（g,1cm）までの焦点距離は、無限大（平行平板）または、穴空きレンズとし、口径g〜h（1cm〜４cm）の焦点距離は、無限大から４mにする。D地点の集光レンズとして、レンズの中心から励起光の口径（i,1cm）までの焦点距離は、無限大または、穴空きレンズとし、口径i〜j（1cm〜1.4cm）の焦点距離は、無限大から7mにし、口径j〜k（1.4cm〜4cm）の焦点距離は、7mから無限大にする。F地点での出力ストークス光口径は、４cmとなり、上記集光光学素子を配置することで、出力口径は、１１cmから４cmに減少する。
【００２５】
【実施例５】
図５は、実施例５の概略構成図である。前方パルス幅圧縮器の往復光路の各光路に、径方向に焦点距離が変化する非球面の集光レンズを配置することで、励起光との相互作用を終えた部分のストークス光を平行ビームに集光することで、出力ストークス光口径が入射口径に比べ増加することを抑制している。
【００２６】
実施例５の具体的な数値を下記に示す。図中Aは、ストークス光の集光点、Bは、誘導散乱容器に入射するストークス光の入射窓の位置、Gは、出力窓の位置、C〜Hは、非球面の集光レンズを配置する地点である。A〜B、B〜C、C〜D、D〜E、E〜F、F〜Gの距離は、それぞれ１０m、G〜Hの距離１mとする。B地点でのストークス光口径１０cmとする。C地点の非球面の集光レンズとして、B〜C区間で励起光と相互作用する口径まで（１０cmまで）の焦点距離は、無限大または穴空きレンズとし、B〜C区間で口径が励起光より大きくなるストークス光部分（1０cm〜２０cm）の焦点距離は、無限大から２０mにする。 D地点の非球面の集光レンズとして、励起光と相互作用する口径まで（１０cmまで）の焦点距離は、無限大（平行平板）または穴空きレンズとし、C〜D区間で口径が励起光より大きくなるストークス光部分（1０cm〜１５cm）の焦点距離は、無限大から３０mにし、B〜C区間で口径が励起光より大きくなるストークス光部分（１５cm〜２０cm）の焦点距離は、３０mから無限大にする。B〜C区間で口径が励起光より大きくなるストークス光部分は、この集光レンズ以降、平行ビームとなる。同様に、ストークス光の口径を調整し、平行ビームとする非球面レンズをE,F,Gに配置する。G地点での最終光路から出力ストークス光口径は、２０cmとなる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、従来の誘導散乱増幅器においては、長パルスの励起光から短パルス光ストークス光へのエネルギー変換する場合、出力ストークス光が励起光強度を越えて大きくなるので、出力ストークス光が自発ストークス光を発生しないようにするために、励起光とストークス光とのパルス幅比には限界があった。本発明においては、出力ストークス光口径を励起光の口径より大きくすることで、出力ストークス光が自発ストークス光を発生しないようにできるので、パルス幅圧縮比に対する自発ストークス光が発生することによる限界がなくなった。現在よりさらに短パルスへの誘導散乱増幅器でのパルス幅圧縮が可能となった。さらに、自発ストークス光の発生も抑制でき、高効率に励起光からストークス光へ変換できるので、出力ストークス光の大エネルギー化が可能となった。これらの利点により、誘導散乱増幅器の短パルスレーザー光応用分野への適用が急速に拡大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る実施例１の概略構成図
【図２】本願発明に係る実施例２の概略構成図
【図３】本願発明に係る実施例３の概略構成図
【図４】本願発明に係る実施例４の光学素子の配置図
【図５】本願発明に係る実施例５の光学素子の配置図
【図６】図６−１は、従来の後方誘導散乱増幅器であり、図６−２は、従来のコニカル型後方誘導散乱増幅器の概略構成図
【図７】従来の前方ラマンパルス幅圧縮器の概略構成図
【符号の説明】
１……入射ストークス光口径
２……出力ストークス光口径
３……入射又は出射励起光口径
４……入射又は出射励起光口径
５……誘導散乱容器
６……波長選択鏡
７……ストークス光反射鏡
８……ストークス光口径制御用レンズ
９……９〜１７ストークス光口径制御用非球面レンズ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stimulated scattering amplifier for multiplying incident Stokes light energy.
[0002]
[Prior art]
A conventional backscattered scattering amplifier is shown in Fig. 6-1. The superposition and separation of the excitation light and the Stokes light were performed by the wavelength selective mirror 6, and the apertures of the excitation light and the Stokes light were the same size. The excitation light and the Stokes light propagated in the opposite directions on the same axis, and converted the long pulse excitation light energy into the short pulse Stokes light.
[0003]
As shown in Fig. 6-2, the document "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-15, No5, P.363 proposes a conical amplifier that changes the apertures of the excitation light and Stokes light. . However, in this coordination as well, the aperture diameters at the time of incidence and emission of the excitation light and Stokes light are the same.
[0004]
Further, as shown in FIG. 7, in a conventional forward-guided Raman pulse width compressor (see Japanese Patent Publication No. 7-122722), the wavelength selection mirror 6 separates the excitation light and the Stokes light, and the Stokes light path is changed. By extending the distance corresponding to the pulse width, a part of the excitation light energy of the long pulse is subjected to stimulated Raman conversion to short Stokes light each time it propagates through the multiple optical paths, and pulse width compression is disclosed. However, since the aperture diameters of the excitation light and the Stokes light are the same, the output Stokes light intensity increases beyond the excitation light intensity.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In a stimulated scattering amplifier, energy is converted from long-pulse excitation light to short-pulse Stokes light by stimulated scattering amplification, so the Stokes light intensity divided by the pulse width and beam aperture is the excitation light energy pulsed. It can be greater than the intensity of the excitation light divided by the width and beam aperture. The spontaneous Stokes light generation threshold of the conventional stimulated scattering amplifier is determined by the stimulated scattering gain which is the product of the stimulated scattering amplification coefficient determined by the stimulated scattering medium, the length of the medium, and the output Stokes light intensity.
[0006]
When designing the amplifier, the stimulated scattering gain of the pumping light is set to 20 or less so as not to generate the spontaneous Stokes light of the pumping light. However, since the apertures of the excitation light and the Stokes light of the conventional amplifier are the same, when the excitation light energy is converted to Stokes light by stimulated scattering amplification, the Stokes light intensity becomes larger than the excitation light intensity and is amplified. The high-intensity output Stokes light generates spontaneous Stokes light, and there is a problem that the conversion energy from the excitation light to the output Stokes light is reduced.
[0007]
In the conical amplifier of IEEE “Journal of Quantum Electronics” mentioned above, the aperture diameter of the excitation light and the Stokes light is the same, and when the excitation light energy is converted to Stokes light by stimulated scattering amplification, the Stokes light intensity becomes the excitation light intensity. It grows beyond. The amplified high-intensity Stokes light generates spontaneous Stokes light. As described in the above document, the effect of suppressing the spontaneous Stokes light by using the conical type is only about 1/2 times.
[0008]
The reason why the output Stokes light generates higher-order spontaneous Stokes light is that the output Stokes light intensity is amplified beyond the excitation light intensity, and the stimulated scattering gain of the Stokes light exceeds the spontaneous Stokes light generation threshold.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, in the first aspect of the present invention, the beam diameter of the incident Stokes light in the backward stimulated scattering amplifier is equal to the diameter of the excitation light, and the diameter of the output Stokes light is greater than the diameter of the excitation light. By making it larger, the output Stokes light intensity is made lower than the excitation light intensity.
[0010]
In the invention according to claim 2, the beam diameter of the incident Stokes light in the forward stimulated scattering amplifier is made equal to the diameter of the excitation light, and the diameter of the output Stokes light is made larger than the diameter of the excitation light, The Stokes light intensity is set below the excitation light intensity.
[0011]
In the invention according to claim 3, the diameter of the incident and output Stokes light in the stimulated scattering amplifier of the type in which the excitation light reciprocates between opposing wavelength selective mirrors by multiple reflection is made larger than the diameter of the excitation light. Thus, the output Stokes light intensity is set to be equal to or lower than the excitation light intensity.
[0012]
According to the fourth and fifth aspects of the present invention, in order to suppress an increase in the diameter of the output Stokes light in the stimulated scattering amplifier, excitation is performed using an aspherical condensing lens whose focal length changes in the radial direction. The Stokes light of the part that has finished the interaction with the light is made into a parallel beam, and an increase in the aperture at the time of output is suppressed.
[0013]
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the first embodiment. The stimulated scattering container 5 is filled with a stimulated scattering medium, and the excitation light 3 and the Stokes light 1 propagate in the reverse direction. The overlapping and separation of the excitation light (wavelength 249 nm) and Stokes light (wavelength 268 nm) are performed by the wavelength selection mirror 6. The apertures of the excitation light and the Stokes light at the position of the window on the left side of the container where the Stokes light enters are the same. The aperture 2 of the Stokes light at the position of the window on the right side of the container from which the output Stokes light is emitted is larger than the aperture 3 of the excitation light and lower than the excitation light intensity.
[0014]
Specific numerical values of Example 1 are shown below. The stimulated scattering medium is 1 atm of methane gas, and the medium container length (interaction distance) is 100 cm. The excitation light has a wavelength of 249 nm, an energy of 3 J, a pulse width of 6 ns, an incident and output beam diameter of 1 cm ² , and a beam intensity of 0.5 GW / cm ² . The incident Stokes light has a wavelength of 268 nm, an energy of 0.08 mJ, a pulse width of 0.6 ns, an incident beam area of 1 cm ² and a beam intensity of 0.13 MW / cm ² . The output Stokes light has an energy of 0.3 J, a pulse width of 0.6 ns, and a beam area of 6 cm ^{2. The} beam intensity is amplified to 0.5 GW / cm ² . The stimulated scattering gain generated by the spontaneous Stokes light is a product of a methane gas gain coefficient of 0.2 cm / GW, an interaction length of 100 cm, and an outgoing Stokes light beam intensity of 0.5 GW / cm ² , which is 10 smaller than the threshold value (20). The spontaneous Stokes light intensity is 4.5 × 10 ⁻⁷ times or less of the output Stokes light intensity.
[0015]
In the conventional backscattered scattering amplifier shown in FIG. 6A, the output Stokes light has an energy of 1.8 J, a pulse width of 0.6 ns, a beam area of 1 cm ² and a beam intensity of 3 GW under the same operating conditions as described above. amplifying the / cm ^2. The stimulated scattering gain at which the output Stokes light generates spontaneous Stokes light is 60 which is equal to or greater than the threshold (20). The spontaneous Stokes light intensity is larger than the output Stokes light intensity.
[0016]
The suppression effect of the spontaneous Stokes light in the conical amplifier of FIG. 6-2 is calculated as ½, but in the embodiment shown here, the stimulated scattering gain of the spontaneous Stokes light is 30, and the spontaneous Stokes light is The light intensity is greater than the output Stokes intensity.
[0017]
[Example 2]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the second embodiment. The excitation light 3 and the Stokes light 1 propagate in the stimulated scattering container 5 in the same direction. Incident excitation light and Stokes light are superimposed by the wavelength selection mirror 6. After propagating the first interaction optical path, it is separated by the wavelength selective mirror, and the Stokes light propagates along the optical path longer than the excitation light by the pulse width of the Stokes light, and is again overlapped by the excitation light and the wavelength selective mirror. And is incident on the second interaction optical path of the stimulated scattering container. Also after the third interaction path, the excitation light and the Stokes light are superposed by the same method of delaying the excitation light. The apertures of the Stokes light and the excitation light that enter the first interaction optical path are the same. The aperture 2 of the output Stokes light in the final interaction optical path at the bottom of the stimulated scattering container 5 is made larger than the aperture 4 of the excitation light, and the output Stokes light intensity is made lower than the incident excitation light intensity.
[0018]
Specific numerical values of Example 2 are shown below. The stimulated scattering medium is 1 atm of methane gas, and the container length (interaction distance) is 100 cm. The number of multiple optical paths is ten. The excitation light has a wavelength of 249 nm, an energy of 1.5 J, a pulse width of 6 ns, an incident and output beam aperture of 1 cm ² , and a beam intensity of 0.25 GW / cm ² . The incident Stokes light has a wavelength of 268 nm, an energy of 0.05 J, a pulse width of 0.6 ns, an incident beam area of 1 cm ² , and a beam intensity of 0.08 GW / cm ² . The amplified Stokes light emitted from the optical path of the final tenth pass has an energy of 1.4 J, a pulse width of 0.6 ns, a beam area of 10 cm ² , and a beam intensity of 0.23 GW / cm ² . The stimulated scattering gain generated by the spontaneous Stokes light is a product of a gain coefficient of 0.2 cm / GW for methane gas, an interaction length of 100 cm, and an output Stokes light beam intensity of 0.23 GW / cm ² , which is 5 below the threshold value. Spontaneous Stokes light intensity of the output Stokes beam intensity 3x10 ^- ⁹ times or less.
[0019]
In the conventional forward Raman pulse width compressor shown in FIG. 7, the Stokes light emitted from the final optical path under the same operating conditions as described above has an energy of 1.4 J, a pulse width of 0.6 ns, and a beam area of 1 cm ² . The beam intensity is amplified to 2 GW / cm ² . The stimulated scattering gain for generating the spontaneous Stokes light of the amplified Stokes light in the final optical path is a product of a gain coefficient of 0.2 cm / GW for methane gas, an interaction length of 100 cm and an output Stokes light intensity of ² GW / cm ² , which exceeds the threshold value. It becomes. The spontaneous Stokes light intensity is larger than the output Stokes light intensity.
[0020]
[Example 3]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the third embodiment. The excitation light 3 is reflected by the wavelength selective mirror 6 facing the stimulated scattering container 5, and propagates through multiple optical paths while repeating the reflection. Incident Stokes light 1 passes through the opposing wavelength selection mirror 6. The incident and output Stokes light apertures 1 and 2 are made larger than the excitation light aperture 4, and the output Stokes light intensity is made lower than the incident excitation light intensity.
[0021]
The concrete numerical value of Example 3 is shown. The stimulated scattering medium is 1 atm of hydrogen gas, and the length (interaction distance) of the container is 15 cm. The number of multiplexed optical paths is 20. The excitation light has a wavelength of 249 nm, an energy of 3 J, a pulse width of 10 ns, an incident and output beam diameter of 1 cm ² , and a beam intensity of 0.3 GW / cm ² . The incident Stokes light has a wavelength of 268 nm, an energy of 0.03 J, a pulse width of 1 ns, an incident beam area of 10 cm ² , and a beam intensity of 0.003 GW / cm ² . The output Stokes light has an energy of 2.7 J, a pulse width of 1 ns, a beam area of 10 cm ² , and the beam intensity is amplified to 0.27 GW / cm ² . The stimulated scattering gain for generating spontaneous Stokes light is a product of a gain coefficient of hydrogen gas of 2 cm / GW, an interaction length of 15 cm, and an output Stokes light beam intensity of 0.24 GW / cm ² , which is 8 below the threshold value. Spontaneous Stokes light intensity of the output Stokes beam intensity 6x10 ^- is ⁸ times or less.
[0022]
[Example 4]
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the fourth embodiment. In FIG. 4A, as the Stokes light propagates through the stimulated scattering container, the beam aperture rapidly increases. In FIG. 4-2, an aspherical condensing optical element whose focal length varies in the radial direction is arranged in the stimulated scattering container, so that the Stokes light of the part that has finished the interaction with the excitation light is parallelized. Condensing the beam suppresses an increase in the output Stokes light aperture compared to the incident aperture.
[0023]
Specific numerical values of Example 4 are shown below. In FIG. 4A, A is the Stokes light condensing point, B is the Stokes light incident window position of the stimulated scattering container, E is the output window position, and F is the output Stokes light condensing optical element position. . If the distance from A to B is 1 m, the distance from B to E is 9 m, the distance from E to F is 1 m, and the Stokes light aperture at point B is 1 cm, the output aperture at point F is expanded to 11 cm.
[0024]
Condensing lenses are placed at points C, D, and E in Fig. 4-2. The distances A to B are 1 m, the distances B to C, C to D, and D to E are 3 m, and the distances E to F are 1 m. As a condenser lens at point C, the focal length from the center of the lens to the aperture (g, 1cm) of the excitation light is infinite (parallel plate) or a perforated lens, with a focal length of g to h (1cm to 4cm) The distance should be 4m from infinity. As the condensing lens at point D, the focal length from the center of the lens to the aperture (i, 1cm) of the excitation light is infinite or perforated, and the focal length of the aperture i ~ j (1cm ~ 1.4cm) is From infinity to 7m, the focal length of the aperture j ~ k (1.4cm ~ 4cm) is changed from 7m to infinity. The output Stokes light aperture at the point F is 4 cm, and the output aperture is reduced from 11 cm to 4 cm by arranging the condensing optical element.
[0025]
[Example 5]
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the fifth embodiment. By placing an aspherical condensing lens whose focal length changes in the radial direction in each optical path of the reciprocating optical path of the front pulse width compressor, the Stokes light of the part that has finished interacting with the excitation light is converted into a parallel beam. By condensing, the output Stokes light aperture is suppressed from increasing compared to the incident aperture.
[0026]
Specific numerical values of Example 5 are shown below. In the figure, A is the focal point of the Stokes light, B is the position of the Stokes light incident window incident on the stimulated scattering container, G is the position of the output window, and C to H are aspherical condensing lenses. It is a point to do. The distances A to B, B to C, C to D, D to E, E to F, and F to G are 10 m and G to H are 1 m, respectively. The Stokes light aperture at point B is 10 cm. As an aspherical condensing lens at point C, the focal length to the aperture (up to 10 cm) that interacts with the excitation light in the section B to C is an infinite or perforated lens, and the diameter is excitation light in the section B to C. The focal length of the larger Stokes light portion (10 cm to 20 cm) is changed from infinity to 20 m. As an aspherical condensing lens at point D, the focal length up to the aperture that interacts with the excitation light (up to 10 cm) is an infinite (parallel plate) or perforated lens, and the aperture in the C to D section is larger than the excitation light The focal length of the Stokes light part (10 cm to 15 cm) that increases is changed from infinity to 30 m, and the focal length of the Stokes light part (15 cm to 20 cm) whose aperture is larger than the excitation light in the section B to C is from 30 m to infinity. To. The Stokes light portion whose aperture is larger than the excitation light in the section B to C becomes a parallel beam after this condenser lens. Similarly, the diameter of the Stokes light is adjusted, and aspherical lenses for parallel beams are arranged at E, F, and G. The output Stokes light aperture from the final optical path at point G is 20 cm.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, in the conventional stimulated scattering amplifier, when the energy conversion from the long pulse excitation light to the short pulse light Stokes light is performed, the output Stokes light becomes larger than the excitation light intensity. In order not to generate spontaneous Stokes light, the pulse width ratio between excitation light and Stokes light has a limit. In the present invention, since the output Stokes light aperture is made larger than the aperture of the excitation light, the output Stokes light can be prevented from generating the spontaneous Stokes light, so there is a limit due to the generation of the spontaneous Stokes light with respect to the pulse width compression ratio. lost. It has become possible to compress the pulse width with a stimulated scattering amplifier to a shorter pulse than at present. Furthermore, the generation of spontaneous Stokes light can be suppressed, and the excitation light can be converted from Stokes light with high efficiency, so that the energy of the output Stokes light can be increased. These advantages rapidly expand the application of stimulated scattering amplifiers to short pulse laser light applications.
[Brief description of the drawings]
1 is a schematic configuration diagram of Example 1 according to the present invention. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of Example 2 according to the present invention. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of Example 3 according to the present invention. FIG. 5 is a layout diagram of an optical element according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 6A is a conventional back stimulated scattering amplifier, and FIG. -2 is a schematic configuration diagram of a conventional conical back stimulated scattering amplifier. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a conventional forward Raman pulse width compressor.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Incident Stokes light aperture 2 ... Output Stokes light aperture 3 ... Incident or outgoing excitation light aperture 4 ... Incident or outgoing excitation light aperture 5 ... Stimulated scattering vessel 6 ... Wavelength selection mirror 7 ... Stokes light reflection Mirror 8 ... Stokes light aperture control lens 9 ... 9 to 17 Stokes light aperture control aspheric lens

Claims

In a back stimulated scattering amplifier that makes incident Stokes light incident from one window of a stimulated scattering container and multiplies the optical energy of incident Stokes light emitted from the other window, the incident Stokes light is proximate to the incident window. the aperture control lens to increase the beam diameter in the exit window than the beam diameter at the entrance window of the light is disposed, the beam diameter of the incident Stokes beam equal to the diameter of the excitation light, the beam diameter of the output Stokes A back stimulated scattering amplifier characterized in that the output Stokes light intensity is made lower than the excitation light intensity by making it larger than the diameter of the excitation light.

In a forward stimulated scattering amplifier in which incident Stokes light is incident from one window of the stimulated scattering container and output Stokes light is emitted from the other window, the incident Stokes light is multiplied near the incident window. the aperture control lens to increase the beam diameter in the exit window than the beam diameter at the entrance window of the light is disposed, the beam diameter of the incident Stokes beam equal to the diameter of the excitation light, the beam diameter of the output Stokes A forward stimulated scattering amplifier characterized in that the output Stokes light intensity is made lower than the excitation light intensity by making it larger than the diameter of the excitation light. .

In a stimulated scattering amplifier that multiplies incident Stokes light energy, excitation light reciprocates between opposing wavelength selective mirrors by multiple reflection, and the Stokes light is arranged to pass through the wavelength selective mirror, and the incident and output Stokes light beam diameter is stimulated scattering amplifier is characterized in that the output Stokes beam intensity by greater than the diameter of the excitation light below the excitation light intensity.

2. The backward stimulated scattering amplifier according to claim 1, wherein a condensing optical element is disposed in the optical path of the Stokes light being amplified, and the Stokes light of the portion that has finished the interaction with the excitation light is converted into a parallel beam, thereby producing an output Stokes light. A back stimulated scattering amplifier characterized by suppressing an increase in light aperture.

3. The forward stimulated scattering amplifier according to claim 2, wherein a condensing optical element is disposed in the optical path of the Stokes light being amplified, and the Stokes light of the portion that has finished the interaction with the excitation light is converted into a parallel beam, thereby producing an output Stokes light. A forward stimulated scattering amplifier characterized in that an increase in light aperture is suppressed.