JPH05190991A

JPH05190991A - ラマンレーザ

Info

Publication number: JPH05190991A
Application number: JP4192254A
Authority: JP
Inventors: Stewart T Whittley; トレヴァーウィットリースチュアート
Original assignee: G II C FUERANTEI DEIFUENSU SYS; G II C FUERANTEI DEIFUENSU SYST Ltd; GEC Ferranti Defence Systems Ltd
Current assignee: G II C FUERANTEI DEIFUENSU SYS; G II C FUERANTEI DEIFUENSU SYST Ltd; Leonardo UK Ltd
Priority date: 1991-07-18
Filing date: 1992-07-20
Publication date: 1993-07-30
Also published as: IL102538A; EP0524020A1; DE69200468D1; IL102538A0; DE69200468T2; US5258988A; EP0524020B1

Abstract

(57)【要約】【目的】目に安全な放射を発生するラマンレーザを提
供する。【構成】ポンプレーザソース(20)からの危険な放射が
レンズ(25)によりラマン活性媒体を含むセル(27)に集束
され、吸収ビームダンプ(30)へ通されるようなラマンレ
ーザが提供される。ミラー(29,26) の作用によりセル(2
7)内にレーザ作用が維持され、これらミラーは、ラマン
波長で発生された放射を各々完全に及び部分的に反射
し、そしてこれらミラーはどちらもポンプビームを透過
する。ラマンビームは、セルから部分透過ミラー(26)を
経て出力され、レンズ(25)によって再集束され、装置の
出力(31)へ通される。この構成では、「目に安全」なラ
マンビームがポンプビームに対して後方に発生されるラ
マンレーザが形成され、通常の動作中、光学系がブレー
クダウンした場合、又はセル内で変換が行われなかった
ときに、危険レベルにある潜在的に有害な波長によって
出力ビームが汚染されないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はラマンレーザに係り、よ
り詳細には、「目に安全」な放射を発生するラマンレー
ザに係るが、これに限定されるものではない。

【０００２】

【従来の技術】距離測量、通信、地域追跡、ワイヤ回避
等々の多数のレーザ用途においては、自由に使用するこ
とのできる目に安全なレーザソースが必要とされる。最
も優れたクラスのソリッドステートレーザの１つは、ネ
オジムイオンをレーザ種として使用している。このレー
ザは、効率は良いが、波長が通常約１ミクロンであり、
有効動作出力及び反復率において目に危険である。しか
しながら、これは、１９２８年にサー・カンドラセクハ
ラ・バンカタ・ラマンによって最初に観察されたラマン
効果により約１．５ミクロンの目に安全なスペクトル領
域へ振動数シフトすることができる。

【０００３】ラマン効果は、分子構造体に入射する光子
の形態のエネルギが分子のエネルギ状態を中間又は仮想
状態まで上昇させて、散乱光子と称するエネルギの光子
を発生するストークス遷移を形成するときに生じる。散
乱光子は、入射光子と同じエネルギを有してもよいし、
或いはラマンシフトされたより高い又は低いエネルギ
（振動数）のものであってもよい。例えば、メタンガス
中でＮｄ：ＹＡＧレーザをラマンシフトすると、１．５
４ミクロンのレーザビームが発生する。同様に、重水素
ガス中でシフトすると、１．５６ミクロンのレーザビー
ムが発生する。

【０００４】ラマン効果を用いたラマンレーザは、ラマ
ン活性媒体を収容するセルにポンプビームとして知られ
ているレーザビームを通すことにより発生できる。出力
が低いときには、ポンプビームが通常収束されて、ラマ
ン活性媒体内の出力密度を高め、非リニアな相互作用を
増進させると共に変換効率を高める。又、コリメートさ
れた形態及び導波管形態を含む多数の他の構成も考えら
れる。

【０００５】ラマン変換プロセスは、典型的に、約４０
％効率である。ラマン散乱は非弾性プロセスであり、即
ち相互作用の終わりにラマン媒体にエネルギが蓄積され
る。メタン中で振動ラマン散乱する間にはポンプエネル
ギの３０％程度がそのガス中に蓄積される。変換されな
かった残留ポンプ光線がセルから放出され、目に危険な
残留光線となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ラマンシフトされたレ
ーザが目に安全なものとなるよう保証することは困難で
ある。これには、システムの出口において危険な光線を
除去するか又は許容出力レベル以下に抑えるように設計
しなければならない。これは、ラマンレーザが何らかの
理由で故障してポンプビームがそのまま送り出される場
合や、或いは使用する光学系の製造が不完全であったり
もしくはダメージを受けたりした場合にも言えることで
ある。

【０００７】現在のラマンレーザに関連した問題点を理
解するために、長手方向ポンピングを使用した一般のラ
マンレーザ構成を示す図１を参照して説明する。この構
成では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザであるレーザソース１がポ
ンプビーム２を発生する。これは、ミラー３（ポンプビ
ーム波長は透過であるがラマンシフトされた波長は反射
する）を経て、ラマン媒体５を収容するセル４へ送ら
れ、ここでポンプビームの一部分が振動数シフトされ
る。ラマン及び残留ポンプビーム６はセル４を出てラマ
ン出力カプラー７に通される（これは、ラマンビームの
波長を部分的に反射しそして残留ポンプビームを完全に
透過する）。このカプラーは、ミラー３に対し、共振器
を形成してセル４内にラマン光子の刺激放射を生じさせ
るように間隔がとられる。又、セル内に放射を収束して
上記したように変換効率を高めるためにレンズエレメン
ト８が設けられている。ラマン及び残留ポンプビーム
は、レンズ９によって再収束されて出口１０から放出さ
れ、誘電体被覆されたビームスプリッタ（図示せず）及
び／又はバルクアブソーバ（例えば、シリコン）によっ
て分離及びフィルタされる。このような方法はあまり完
全なものではない。というのは、誘電体ミラー／スプリ
ッタの製造が完全でないことがあり、例えば、ピンホー
ル欠陥を含んでいたり、スプリッタ及びバルクアブソー
バの両方が高い入射ビーム強度においてストレスを受け
て故障することがあるからである。又、４波混合(Four
Wave Mixing)として知られている方法では、このような
簡単な構成においてポンプ及びラマンビームが一緒に伝
播するときに別の危険な波長を前方に発生することがあ
る。この場合も、スプリッタ及びバルクアブソーバでこ
れらに対処しなければならない。

【０００８】上記した簡単な長手方向ポンプ式のラマン
レーザ構成では考えられる光線強度を最小に抑えること
が重要である。というのは、ラマンレーザが何らかの理
由で故障した場合（例えば、ガスが失われたり、ラマン
共振器が不整列であったり、ラマン共振器の光学系にダ
メージが及んだりして）、ポンプビームが変換されない
からである。図１から明らかなように、このような事態
が起きると、危険な放射がシステム出口においてほぼ３
倍になり、出力の保護用光学系及び／又はバルクアブソ
ーバにかかるストレスが増大し、不所望な放射が流出す
る危険性が高くなる。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上記の問題を克
服するラマンレーザを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、軸方向
ポンプ式のラマンレーザであって、光学路に沿ってポン
プビームを発生するためのポンプレーザソースと、上記
光学路にあって上記ポンプビームを透過し且つ所望波長
のラマンシフト放射を部分的に反射する第１の光学エレ
メントと、上記光学路にあって上記ポンプビームを透過
し且つ所望波長のラマンシフト放射を反射する第２の光
学エレメントと、上記第２の光学エレメントを通るポン
プビームを受け入れるためのビームダンプと、ラマン活
性ガスを収容するセルとを具備し、上記２つの光学エレ
メントはラマン活性ガス内に共振器を形成し、そして上
記ラマンシフト放射はこの共振器から上記第１の光学エ
レメントを経て出力されることを特徴とするラマンレー
ザが提供される。

【００１１】本発明による構成体は、残留ポンプビーム
に対して異なった方向に出力されるラマンビームを発生
する。これは、従来の構成で必要であったラマンビーム
のみを得るために出力をフィルタすることに関連した問
題を回避する。又、これは、このような公知構成体にお
ける構成部品の故障に関連した問題も軽減する。

【００１２】本発明の上記構成では、ラマン変換が行わ
れ、不所望な危険な残留ポンプビームはセルから出てビ
ームダンプに吸収される。ラマンビームはポンプビーム
に対して逆方向にセルから出てシステムの出力に向けら
れる。この構成では、「目に安全」なラマン放射が、危
険な入射ポンプビームに対して逆方向に発生される。上
記したような何らかの理由でラマンレーザが故障した場
合には、増大した危険な放射がビームダンプ（例えば、
セラミック又はＫＧ３ガラス）に吸収される。このダン
プは、非常に大きなストレスレベルを取り扱うことがで
きる。更に、故障中の出力光学系に対するストレスレベ
ルが実際に減少される。

【００１３】ラマンレーザは、更に、ポンプビームをセ
ルに収束するためのレンズエレメントを備えているのが
好ましい。これは、セル内の出力密度を高め、非リニア
な相互作用を促進し、それにより、変換効率を高める。
又、ビームスプリッタを使用し、セルから放射されるラ
マンビームを、ポンプソースからセルへと延びる光学路
からそらすように配置するのが効果的である。これは、
レーザソースへと戻るラマンビームを阻止する。

【００１４】メタン中でのラマンシフトの問題は、ラマ
ン散乱が刺激ブリュアン散乱（ＳＢＳ）として知られて
いるプロセスに匹敵することである。このＳＢＳ相互作
用では、危険なポンプビームの若干が出力ビームと同じ
方向に後方散乱されることがある。このような匹敵する
プロセスをほぼ完全になくすようにラマンレーザ設計を
選択できるが、若干の低レベルの危険な放射が依然とし
て残る。又、ラマンミラー及び入力光学系も、ある量の
僅かな危険な放射を後方散乱させる。

【００１５】上記の問題を解消するために、ポンプビー
ムを、セルに入射する前に円偏光するのが効果的であ
る。このようにすれば、ＳＢＳによるか又はラマン光学
系（或いはおそらくダメージを受けた光学系）からのフ
レネル反射による後方散乱ポンプ光線が円偏光とは逆の
回転で戻ることになり、これは、ラマンビームの経路に
ビームスプリッタ及び１／４波長プレートを含ませるこ
とにより除去することができる。このプレートは、ポン
プビームに対しては１／４波長プレートとして機能する
がラマンビームに対しては中性となるよう設計すること
ができ、これは、多くの用途に見られる１．０６ミクロ
ンないし１．５４ミクロンのラマン波長に対してポンプ
波長がほぼ半分の整数関係であることによって達成され
る。

【００１６】４波混合によって発生される危険な光線周
波数は、主として後方に生じ、ビームダンプに吸収され
る。

【００１７】円偏光のポンプレーザ光線を使用すること
により別の重要な効果が得られる。ラマンセルは短い長
さにパッケージすることが一般に望ましいが、セルが緊
密収束設計で短く形成されるときには光学系に対する出
力密度が増加するためにしばしば制約が生じる。リニア
な偏光ポンプ光線を使用する場合には、ラマン共振器に
定在波が確立されることがある。ラマン共振器内を前方
及び後方に進行するラマンビームの電界は互いに構造上
干渉し合い、ある点では２つの電界が加えられて単一ビ
ームの４倍の強度となる。これは、ラマン共振器ミラー
の誘電体被覆内では特に問題であり、高いストレス、ひ
いては故障を招く。しかしながら、ポンプビームが円偏
光されている場合は、ラマンビームも円偏光されて発生
される。ラマン共振器には定在波が確立されず、強度は
１／２以下になる。

【００１８】

【実施例】以下、図２を参照し、本発明の一実施例を詳
細に説明する。図２に示す構成体はＮｄ：ＹＡＧレーザ
２０を備え、これは１ミクロン波長のポンプビーム２１
を発生する。このポンプビームは偏光器２２によって偏
光され、ビームスプリッタ２３により１／４波長プレー
ト２４に通され円偏光される。次いで、このビームはレ
ンズ２５によって集束され、ミラー２６（これは通常ポ
ンプ波長を１００％透過する）に通され、メタンガス２
８を含むセル２７に通され、ミラー２９（これもポンプ
ビームを完全に透過する）に通され、吸収ビームダンプ
３０へ送られる。

【００１９】ポンプビームは、セル２７を通る際にメタ
ン分子を中間状態に励起し、これにより、メタン分子は
ストークス遷移を受けて、異なった波長の光子を放出さ
せ、ラマンビームを発生する。ミラー２９は、このよう
に発生されたラマンビームを完全に反射し、一方、ミラ
ー２６は、この発生されたラマンビームを部分的に反射
し、キャビティ内にレーザ作用を生じさせる。ラマンビ
ームはミラー２６を通って出てくる。このビームはレン
ズ２５によって再収束され、そのままの状態でプレート
２４を通過する（ラマンビームの波長はポンプビームと
は相当に異なるので、このプレートはラマンビームに対
しては１／４波長プレートではない）。次いで、ラマン
ビームは、ラマンシフト光線は通すが危険な光線は反射
するように誘電体被覆されたビームスプリッタ２３と、
強度の低い危険な残留放射を除去するシリコンバルクア
ブソーバ３３とを経て出力３１へ送られる。

【００２０】又、セル２７内では刺激ブリュアン散乱
（ＳＢＳ）が生じ、危険なポンプビームの若干を出力ビ
ームと同じ方向に後方散乱する。更に、ポンプビームの
ある成分は光学系によって反射される。しかしながら、
この後方散乱された放射は反射を受けるので、ポンプビ
ームとは逆の方向に円偏光され、そして１／４波長プレ
ートを通過するときに平面偏光され、ビームスプリッタ
２３によって出力３１へ通過することが防止されると共
に、ビームダンプ３２によって吸収されて偏光器２２に
よってポンプレーザへ到達しないようにされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】長手方向ポンピングを使用した一般のラマンレ
ーザ構成体を示す図である。

【図２】目に安全なラマンビーム出力を発生するための
本発明によるラマンレーザを概略的に示す図である。

【符号の説明】

２０Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２１ポンプビーム２２偏光器２３ビームスプリッタ２４１／４波長のウェーブプレート２５レンズ２６、２９ミラー２７セル２８メタンガス３０、３２ビームダンプ３１出力３３バルクアブソーバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学路に沿ってポンプビームを発生する
ためのポンプレーザソースと、上記光学路にあって上記ポンプビームを透過し且つ所望
波長のラマンシフト放射を部分的に反射する第１の光学
エレメントと、上記光学路にあって上記ポンプビームを透過し且つ所望
波長のラマンシフト放射を反射する第２の光学エレメン
トと、上記第２の光学エレメントを通るポンプビームを受け入
れるためのビームダンプと、ラマン活性ガスを収容するセルとを具備し、上記２つの光学エレメントはラマン活性ガス中に共振器
を形成し、そして上記ラマンシフト放射はこの共振器か
ら上記第１の光学エレメントを経て出力されることを特
徴とする軸方向ポンプ式のラマンレーザ。
【請求項２】上記ポンプビームをセル内に収束するた
めのレンズエレメントを更に備えた請求項１にラマンレ
ーザ。
【請求項３】上記セルから放射されるラマンビーム
を、上記ポンプレーザソースからセルへと延びる光学路
からそらすように配置されたビームスプリッタを更に備
えた請求項１又は２に記載のラマンレーザ。
【請求項４】上記ポンプビームは、セルに入射する前
に円偏光される請求項の前記いずれかに記載のラマンレ
ーザ。
【請求項５】上記ラマンビームの経路にビームスプリ
ッタ及び１／４波長プレートを更に備えている請求項の
前記いずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項６】上記光学エレメントは、ポンプビーム及
びラマンビームが互いに逆方向に円偏光するように配置
される請求項５に記載のラマンレーザ。
【請求項７】上記ラマンビームの波長は、ポンプビー
ム波長の整数倍のほぼ半分である請求項６に記載のラマ
ンレーザ。
【請求項８】上記ラマン活性媒体はメタン又は重水素
である請求項の前記いずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項９】上記ポンプビームの波長は目に危険なも
のでありそして上記ラマンビームの波長は「目に安全」
なものである請求項の前記いずれかに記載のラマンレー
ザ。
【請求項１０】実質的に図２に示されそしてこれを参
照して説明したラマンレーザ。