JPH01181486A - 色素レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は単一縦モード発振色素レーザ装置に係り、特に
狭帯域化した任意の周波数の色素レーザ光を発振し得る
ようにした色素レーザ装置に関する。

（従来の技術） 従来から、レーザ発振器の一つとして色素し〜ザ装置が
用いられてきている。この色素レーザ装置は、レーザ共
振器内に配置された色素セル内に色素溶液を高速で供給
し、この状態で一定波長の励起レーザ光を９色素セルに
流れている色素溶液に照射して色素溶液を励起すること
により、レーザ共振器の作用によって色素レーザ光を発
振するようにしたものである。色素レーザ装置は、その
発振周波数が広い範囲で可変であることや、狭帯域化が
容易であることなどが特徴である。中でも、単一縦モー
ド発振色素レーザ装置は、周波数幅ＩＧＨｚという極め
て単色性のよいレーザ発振が得られるという点で注目す
べき光源である。

ところで、色素レーザ装置の狭帯域化には通常、エタロ
ン、グレーティングなどの狭帯域化素子が用いられる。

狭帯域化色素レーザ装置の周波数掃引の技術的なポイン
トとしては、「直線性の良い掃引」と「各狭帯域化素子
間の同期」があげられる。掃引の手法としては大別して
、メカニカル掃引法と圧力掃引法とがある。前者は、例
えばエタロン、グレーティングの角度を機械的に送るこ
とによって発振周波数を掃引し、フィードバックループ
を介したコンピュータ制御によって、掃引の直線性と各
狭帯域化素子間の同期を実現している。

単一縦モード発振色素レーザ装置では、各狭帯域化素子
間に加えて、これらと共振器縦モードとの同期もとる必
要があることから、専らメカニカル掃引法が用いられて
いる。

一方、後者においては、レーザ共振器内の圧力を変化さ
せる。ことによって周波数掃引を行ない、複雑なフィー
ドバックループを介在させることなしに、上記２つのポ
イントを満足でき、高速化も容易である。

このように、圧力掃引法にはメカニカル掃引法に比較し
て有利な点があり、この簡単な周波数掃引法を単一縦モ
ード発振色素レーザ装置に適用できれば、極めて有力な
単色光源となり得る。

ここで、従来の圧力掃引法を単一縦モード発振色素レー
ザ装置に適用した場合について考察する。

第３図は、この種の単一縦モード発振色素レーザ装置の
一例を示す構成図である。第３図において、反射ミラー
を兼ねたグレーティング１と、出力ミラー２とから構成
されるレーザ共振器内には色素セル３が配置され、この
色素セル３の流路内には色素溶液が供給されている。ま
た、図示しない励起レーザ発振器から発振された励起レ
ーザ光４が、集光レンズ５で集光されて色素セル３の色
素溶液に照射されている。かくして、色素溶液が励起さ
れて光エネルギーに変換され、レーザ共振器の作用によ
って色素レーザ光６が発振される。

一方、７は上記グレーティング１と共に狭帯域化素子を
構成するエアースペースエタロンで、これらグレーティ
ング１およびエアースペースエタロン７は気密容器８内
に設置されている。また、この気密容器８は圧力コント
ローラ９を介してガスボンベ１０に連結され、窒素ガス
等の掃引ガスが充填されている。かくして、圧力コント
ローラ９によって気密容器８内の圧力を変化させること
により、色素レーザ光６の発振周波数の圧力掃引が行な
われる。

なお第３図において、レーザ共振器内にはプリズムビー
ムエキスパンダー１１が設置されている。

このプリズムビームエキスパンダー１１は、例えば狭帯
域化素子の分解能を高める等を目的として、ビームの径
を大きくするためのものである。また、気密容器８には
、図示のようにウィンドー１２が設けられている。

さて、上述したような単一縦モード発振色素レーザ装置
において、色素レーザ装置の発振周波数を掃引する場合
には、狭帯域化素子の掃引周波数とレーザ共振器縦モー
ドの掃引周波数とを同期させて掃引することが必要条件
である。いま、狭帯域化索子として図示のように、グレ
ーティング１とエアースペースエタロン７を用いた場合
について考える。すなわち圧力掃引の場合には、グレー
ティング１とエアースペースエタロン７とは同調して掃
引される。そこで、エアースペースエタロン７とレーザ
共振器縦モードに着目する。

まず、レーザ共振器の共振器長しが Ｌ　−Ｌａ　＋　Ｌｇ　＋　Ｌｄ　　　　　　　　　＝
・（１）にて表わされるとする。ここで、Ｌａはレーザ
共振器の中で掃引ガスにより占められる部分の長さ、Ｌ
ｇはプリズム等のガラスで占められる部分の長さ、Ｌｄ
は色素溶液で占められる部分の長さである。

Ｖ−Ｖｏ　（Ｖはレーザの発振周波数を表わす）におい
て、予めエアースペースエタロン７とレーザ共振器縦モ
ードとの同調がとれていたとする。

この時、気密容器８内の圧力を変化させて、掃引ガスの
屈折率がｎａ→ｎａ＋Δｎａになったとすると、エアー
スペースエタロン７の掃引周波数ΔＶｅ、　　レーザ共
振器縦モードの掃引周波数ΔＶｃは夫々次のようになる
。

Δｖｅ−−Δｎａ　ＶＯ／ｎａ　　　　　　　　　　−
（２）ΔＶＣ−−ΔｎａＬａＶＯ／（ｎｇＬｇ＋ｎｄＬ
ｄ＋ｎａＬａ）　　　−（３）となる。ここで、ｎｇは
ガラスの屈折率、ｎｄは色素溶液の屈折率である。

（２）、（３）式より、Ｌｇ　−Ｌｄ　−０であればΔ
Ｖｅ−ΔＶｃとなり、エアースペースエタロン７とレー
ザ共振器縦モードとは同期して掃引され、原理的に無限
に周波数掃引を行なうことが可能となる。しかしながら
、実際にはＬｇ、Ｌｄに制約があるため、単一縦モード
発振における発振周波数の圧力掃引幅は限定されてしま
う。すなわち、ある限界を超えると、圧力掃引の途中で
縦モードホップを起こす。

次に、この限界を求めるために、モードホップの条件を
求める。

いま、１ΔＶｅ−ΔＶｃ　Ｉが、縦モード間隔Ｃ／２　
（ｎｇ　Ｌｇ　＋ｎｄ　Ｌｄ　＋ｎａ　Ｌａ　）と等し
くなった時にモードホップを起こすとすると、モードホ
ップの条件は次のようになる。

Ｃ／２　（ｎｇ　Ｌｇ　＋ｎｄＬｄ　＋ｎａ　Ｌａ　）
−ΔｎａＶｏ／ｎａ　・（ｎｇＬｇ＋ｎｄＬｄ）／（ｎ
ｇＬｇ＋ｎｄＬｄ＋ｎａＬａ）・・・（４） よって、 Δｎａ　／ｎａ　ｌ　ｍａｘ−λｏ　／２　（ｎｇ　Ｌ
ｇ　＋ｎｃｌ　Ｌｄ　）　　　−（５）（５）式より、
Δｎａ／ｎａ１ｍａｘはＬｇ。

Ｌｄを小さくすれば大きくとれるが、これらを余り小さ
くすることはできない。また例えば、Ｌｇ＝１０ｍ＋ｓ
、ｎｇ−１，４６（石英の屈折率）。

Ｌｄ　ｍ１０ｍｍ、ｎｄ−１，３６（エチルアルコール
の屈折率）とした場合でも、 Δｎａ／ｎａ１ｍａｘ　−１，０６Ｘ１０″５＝・（６
）となる。これは、掃引周波数に置換えると（２）式よ
り、 ΔＶｅ　−５，３（ＧＨｚ）　　　　　　　　−（７）
となる。すなわち、仮にＬｇ、Ｌｄをぎりぎり小さくし
たとしても、単一縦モード発振での圧力掃引は５．３　
（ＧＨｚ）という極めて狭い範囲でのみ可能で、広い範
囲（数十〜数百ＧＨｚ）にわたる周波数掃引を行なうこ
とは不可能ということになる。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、従来の圧力掃引法を単一縦モード発振色
素レーザ装置に適用した場合、発振周波数を圧力掃引に
より広い範囲にわたって掃引することが不可能であると
いう問題があった。

本発明の目的は、単一縦モード発振を維持したまま、発
振周波数を圧力掃引により広い範囲にわたって掃引する
ことが可能な色素レーザ装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明では、レーザ共振器
内に配置された色素セル内に供給される色素溶液に励起
レーザ光を照射して色素溶液を励起することにより色素
レーザ光を発振するようにした単一縦モード発振色素レ
ーザ装置で、第１の掃引ガスが充填された第１の気密容
器内に狭帯域化素子を備え、第１の気密容器内の圧力を
変化させることにより色素レーザ光の発振周波数を圧力
掃引するようにしたものにおいて、 レーザ共振器の出力ミラー１色素セルを内部に設置し、
第２の掃引ガスが充填される第２の気密容器と、狭帯域
化素子の掃引周波数とレーザ共振器縦モードの掃引周波
数とを同期させるように。

第１の気密容器および第２の気密容器に充填する各々の
掃引ガスの圧力を独立的または従属的に制御する圧力制
御手段とを備えて構成している。

（作用） 従って、本発明では以上の手段としたことにより、第１
の気密容器、第２の気密容器に充填する各々の掃引ガス
の圧力を独立的または従属的に制御することにより、狭
帯域化素子の掃引周波数とレーザ共振器縦モードの掃引
周波数とを同期させて掃引することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明を図面に示す一実施例を参照して説明する
。

第１図は、本発明による単一縦モード発振色素レーザ装
置の構成例を示す図で、第３図と同一部分には同一符号
を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分につい
てのみ述べる。

すなわち、第１図は第３図の色素レーザ装置に加えて、
出力ミラー２１色素セル３およびプリズムビームエキス
パンダー１１を内部に設置する第２の気密容器１３を備
え、さらにこの第２の気密容器１３を第２の圧力コント
ローラ１４を介して第２のガスボンベ１５に連結し、窒
素ガス等の掃引ガスを充填するようにしている。ここで
、第２の気密容器１３には、図示のようにウィンドー１
６を設けている。なお、ここでは説明の便宜上、グレー
ティング１．エアースペースエタロン７を内部に設置し
た気密容器８を第１の気密容器、また圧力コントローラ
９を第１の圧力コントローラ、さらにガスボンベ１０を
第１のガスボンベと夫々称することにする。

かかる構成の単一縦モード発振色素レーザ装置において
は、第１の気密容器８．第２の気密容器１３に対する掃
引ガスは、第１のガスボンベ１０゜第２のガスボンベ１
５より、第１の圧力コントロ−ラ９．第２の圧力コント
ローラ１４で夫々独立にその圧力を制御して供給される
ことにより、エアースペースエタロン２の掃引周波数と
レーザ共振器縦モードの掃引周波数とを同期させて掃引
することが可能となる。

すなわち、いま第１の気密容器８に供給する掃引ガスの
圧力をＰｌ　＋掃引ガスの屈折率を０１とし、第２の気
密容器１３に供給する掃引ガスの圧力をＰ　２　＋掃引
ガスの屈折率をｎ２とする。また、レーザ共振器の共振
器長りが Ｌ−Ｌａ　１　＋Ｌａ　２　＋Ｌｇ　＋Ｌｄ　　　　−
（８）にて表わされるとする。ここで、Ｌａ、は第１の
気密容器８の中で掃引ガス（Ｐ２　ｒ　　ｎ２）により
占められる部分の長さ、Ｌａ２は第２の気密容器１３の
中で掃引ガス（Ｐ２．ｎ２）により占められる部分の長
さ、Ｌｇはプリズム等のガラスで占められる部分の長さ
、Ｌｄは色素溶液で占められる部分の長さである。

いま、第１の気密容器８．第２の気密容器１３内の圧力
Ｐ１＋　　Ｐ２を変化させて、夫々掃引ガスの屈折率が
ｎ２ｎｌ−”ｎｌ＋Δｎ１１　ｎ２→ｎ２＋Δｎ２にな
ったとすると、この時のエアースペースエタロン７の掃
引周波数Δｖｅ、レーザ共振器縦モードの掃引周波数Δ
ＶＣは、次のようになる。

ΔＶｅ−−Δｎｔ　Ｖｏ　／ｎｌ　　　　　　　　　　
＋＋　（９）ΔＶｃ　−−（Δｎｌ　Ｌａ、＋Δｎ２　
Ｌａ２）　Ｖ□　／（ｎｇ　Ｌｇ　＋ｎｄ　Ｌｄ　＋ｎ
ｌ　Ｌａ、＋ｎ２　Ｌａ２）　−（１０）となる。

ここで、Δｖｅ−ΔＶｃであれば、エアースペースエタ
ロン７とレーザ共振器縦モードとは同期して掃引される
ことになる。そして、（９）。

（１０）式よりこの条件は、 Δｎ２　＝ｉ（Ｌｇ　ｎｇ　＋Ｌｄ　ｎｄ）／Ｌａ２ｎ
ｌ　＋ｎ２　／ｎｔ）Δｎ１・・・（１１） となる。

また、圧力変化ΔＰ　１　＋　ΔＰ２と屈折率変化Δｎ
１．　　Δｎ２とは比例関係にあり、次のような式で表
わされる。

Δｎ１−ＫｌΔＰ１−２πＮｍ　αｌΔＰ１／ＲＴ１　
　−　（１２）Δｎ２　ｍＫ２ΔＰ２−２ｙｒＮｍ　ａ
２ΔＰ２／ＲＴ２　　−　（１３）ここで、Ｎ＋ｎはア
ボガドロ数、Ｒは気体定数、α１．α２は掃引ガス分子
（または原子）の平均分極率、”ｌ　＋　Ｔ２は掃引ガ
スの絶対温度である。

この（１２）、（１３）式を（１１）式に代入すると、 ΔＰ２−ａＩ　Ｔ２　／ａ２　ＴＩ　（（Ｌｇ　ｎｇ　
＋Ｌｄ　ｎｄ　）　／Ｌａ２ｎｌ　＋ｎ２／ｎｔ）ΔＰ
ｔ　　　　　　　　　＝ｉ１４）となる。

従って、この（１４）式が満されれれば、エアースペー
スエタロン７とレーザ共振器縦モードとは同期して掃引
され、発振周波数は原理的に単一縦モードのまま無限に
圧力掃引することができることになる。すなわち、（１
４）式が満されるように掃引ガスの種類、温度、圧力変
化量およびレーザ共振器構成を決めればよい。

いま、具体的な例として、第１の気密容器８の掃引ガス
として窒素（Ｎ２）ガス、第２の気密容器１３の掃引ガ
スとして炭酸（ＣＯ２）ガスを用いることを考える。こ
の場合、説明の簡単化のためｎ１２：＋１１２２１とお
いて、Ｔ１−Ｔ２．ｎｇ−１，４７（石英ガラス）、ｎ
ｄ−１，３６（エタノール）とすると、（１４）式は Δｐ２−１．５１ΔＰｔ　（（１，４７Ｌｇ　＋１．３
６Ｌｄ　）　／Ｌａ　２　＋　１）］・・・（１５） となる。従って、Ｌａ　１−３５ｍｍ、　　Ｌａ　２−
４６．７ｍｍ、Ｌｇ　＝４５＋ｎｍ、Ｌｄ　−８ｍｍと
決めれば、（１５）式より ΔＰ２！４ΔＰ１ となる。すなわちこの場合、第２の気密容器１３内の圧
力変化変化量を第１の気密容器８内の圧力変化量に対し
て４倍とするように、第１の気密容器８．第２の気密容
器１３に対する掃引ガスの圧力を第１の圧力コントロー
ラ９．第２の圧力コントローラ１４で夫々独立に制御す
ることにより、エアースペースエタロン７とレーザ共振
器縦モードとは同期して掃引される。また、この時の縦
モード間隔は〜０．９ＧＨｚとなるので、プリズムビー
ムエキスパンダー１１の倍率、グレーティング１．エア
ースペースエタロン７を適当に選ぶことにより、単一縦
モード発振を十分に得ることが可能である。

上述したように、本実施例の単一縦モード発振色素レー
ザ装置では、グレーティング１．エアースペースエタロ
ン７からなる狭帯域化素子を内部に設置する第１の気密
容器８と、出力ミラー２゜色素セル３およびプリズムビ
ームエキスパンダー１１を内部に設置する第２の気密容
器１３とにそれぞれ充填される掃引ガスの圧力を、上述
の（１４）式を満すように第１の圧力コントローラ９と
第２の圧力コントローラ１４により夫々独立に制御する
ようにしたので、狭帯域化素子を構成するエアースペー
スエタロン７の掃引周波数とレーザ共振器縦モードの掃
引周波数とを同期させて掃引することができる。従って
、単一縦モード発振色素レーザ装置に周波数圧力掃引法
を適用した場合に、従来では掃引幅が高々数ＧＨｚと非
常に狭い幅しかとれなかったものが、本実施例のもので
は単一縦モード発振を維持したまま、発振周波数を高範
囲に圧力掃引することが可能となる。さらに、本実施例
の単一縦モード発振色素レーザ装置は、高帯域の周波数
掃引が容易な点および高速化が容易な点で、従来のメカ
ニカル掃引型の色素レーザ装置と比較しても、極めて有
用な単色光源として用いることが可能となる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第２図は、本発明による単一縦モード発振色素レーザ装
置の他の構成例を示す図で、第１図と同一部分には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。

すなわち、第２図は第１図の色素レーザ装置における第
２の圧力コントローラ１４を省略し、これに代えて第１
の気密容器８と第２の気密容器１３とを連通ずる気密室
１７を備え、この気密室１７の内部を図示上下方向に移
動自在な気密可動板１８で２つに分離するようにしてい
る。

かかる構成の単一縦モード発振色素レーザ装置において
は、第１の気密容器８内の圧力変化と第２の気密容器１
３内の圧力変化とが常に同一となり、第１の気密容器８
内の圧力を第１の圧力コントローラって制御することに
よって、第２の気密容器１３内の圧力も従属的に制御す
ることができる。従って、この場合には（１４）式より
ａＩＴ２／α２Ｔ、ｌ（Ｌｇ　ｎｇ　＋Ｌｄ　ｎｄ）／
Ｌａ２ｎｌ＋ｎ２／ｎ＋ｌ−１・・・（ｌＧ） となり、この（１６）式が満されるように掃引ガスの種
類、温度、圧力変化量およびレーザ共振器構成を決める
ことにより、エアースペースエタロン２の掃引周波数と
レーザ共振器縦モードの掃引周波数とを同期させて掃引
することが可能となる。

尚、上記各実施例ではレーザ共振器に２つの気密容器を
備えたが、これに限らず３つ以上の気密容器を備えて、
エアースペースエタロン２とレーザ共振器縦モードとの
同期をとることも可能である。

また、上記各実施例では気密容器に充填する掃引ガスの
種類が異なる場合を述べたが、これに限らず同一の種類
の掃引ガス、あるいは種類の異なる掃引ガスの混合ガス
である場合についても、同様に本発明を適用することが
可能である。

さらに、上記各実施例では狭帯域化素子としてグレーテ
ィング、エアースペースエタロンを用いたが、これ以外
の狭帯域化素子として例えばダブルグレーティング、マ
ルチエアースペースエタロンを用いるようにしてもよい
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、狭帯域化素子を内
部に設置する第１の気密容器、およびレーザ共振器の出
力ミラー１色素セルを内部に設置する第２の気密容器に
充填する各々の掃引ガスの圧力を独立的または従属的に
制御するようにしたので、狭帯域化素子の掃引周波数と
レーザ共振器縦モードの掃引周波数とを同期させて掃引
することができ、単一縦モード発振を維持したまま、発
振周波数を圧力掃引により広い範囲にわたって掃引する
ことが可能な色素レーザ装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による色素レーザ装置の一実施例を示す
構成図、第２図は本発明による色素レーザ装置の他の実
施例を示す構成図、第３図は従来の色素レーザ装置の一
例を示す構成図である。 １・・・グレーティング、２・・・出力ミラー、３・・
・色素セル、４・・・励起レーザ光、５・・・集光レン
ズ、６・・・色素レーザ光、７・・・エアースペースエ
タロン、８・・・第１の気密容器、９・・・第１の圧力
コントローラ、１０・・・第１のガスボンベ、１１・・
・プリズムビームエキスパンダー、１２・・・ウィンド
ー、１３・・・第２の気密容器、１４・・・第２′の圧
力コントローラ、１５・・・第２のガスボンベ、１６・
・・ウィンドー、１７・・・気密室、１８・・・気密可
動板。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　レーザ共振器内に配置された色素セル内に供給される
   色素溶液に励起レーザ光を照射して色素溶液を励起する
   ことにより色素レーザ光を発振するようにした単一縦モ
   ード発振色素レーザ装置で、第１の掃引ガスが充填され
   た第１の気密容器内に狭帯域化素子を備え、前記第１の
   気密容器内の圧力を変化させることにより色素レーザ光
   の発振周波数を圧力掃引するようにしたものにおいて、
   前記レーザ共振器の出力ミラー、色素セルを内部に設置
   し、第２の掃引ガスが充填される第２の気密容器と、前
   記狭帯域化素子の掃引周波数とレーザ共振器縦モードの
   掃引周波数とを同期させるように、前記第１の気密容器
   および第２の気密容器に充填する各々の掃引ガスの圧力
   を独立的または従属的に制御する圧力制御手段とを備え
   て成ることを特徴とする色素レーザ装置。