JPS61134090A - 周波数被安定化パルス・レーザ - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、２個のミラー（その一方は４波を混合する
ことによって位相共役を行うミラーである）間に形成さ
れた共振空胴中でパルス励振される第１のレーザ媒体と
、少なくとも１個のポンピング・レーザと関連した第２
の非直線性レーザ媒体とを備え、ポンピング・レーザが
第２のし〜ザ媒体に射突する２つのポンピング・ビーム
を反対の両方向でかつ同一周波数で送るパルス・レーザ
に関するものである。

〔従来の技術〕

パルス・レーザとは少なくとも大気圧程度の高圧にある
ガス媒体がパルス状横方向励振をうけるレーザと考えて
良いので、そのよ５なレーザはＴＥＡ　（横方向に励振
される雰囲気）レーザと呼ばれる。パルス状横方向励振
は、一般にはガス媒体中に延びる２個の長手方向電極な
し・し極板によるコンデンサの放電で提供される。

ＴＥＡレーザの利点は、特に遠隔測定の場合に好都合に
使用できる非常に短いパルスを放出することである。従
って、例えば主ピークが１０ナノ秒程度の持続時間を持
つパルスを得ることができ、ガス媒体の高圧は２０ナノ
秒程度の持続時間のパルスに極端に鋭い立上り縁を持た
せる。。

距離を測定するためにはＴＥＡレーザが完全に適してい
る。ＴＥＡレーザ・パルスの発信と目標からのエコーの
受信との間の経過時間の測定は、この目標の距離を与え
る。他方、ＴＥＡレーザでの速度の測定は、光の周波数
に近い周波数を測定できないという問題を提起する。こ
の問題を解決するため、慣用の低圧連続波レーザ（その
発信周波数は完全に安定化され得る）を発信とのビート
を取ることにより、当業者には周知のヘテロダイン検波
が使用される。

レーザの共振空胴の長さと両立し得る周波数で光子アバ
ラン７エを刺激する自由光子の異なる周波数に相当する
幾つかの同時長手方向モードでＴＥＡレーザの発信は行
われる。ＴＥＡレーザは従って広い増巾帯を有するマル
チモード・レーザである。

ＴＥＡレーザと連続波レーザ間のビートはＴＥＡレーザ
の中央モードで行われ、ＴＥＡし〜ザはこのＴＥＡレー
ザの他の長手方向モードのエネルギーの損失を避けるよ
うにモノモード・パルス・レーザへ周知の仕方で従来は
変換された。モノモードＴＥＡレーザ、ハイブリッド・
レーザ、周波数注入レーザまたは短空胴レーザは、例え
ば［光通信（０ｐｔｉｃｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏ
ｎｓ　］　Ｊ　、第５０巷、第５号１１９８４年１月７
日号）に掲載されたスコツ）　（５ｃｏｔｔ　）氏等著
の論文“単一モードＴＥＡレーザの安定化”°から周知
である。

この発明はマルチモードＴＥＡレーザをモノモードＴＥ
Ａレーザへ変換することに関しないので、この適応技術
について更に詳しく説明することはこ瓦では無意味であ
る。

上述したように連続波レーザの周波数を制御することが
完全に可能であるけれども、周知のＴＥＡレーザの中央
モードの周波数、もって一般的洗はパルス・レーザの周
波数に対して絶対的にそうではない。それは、レーザ放
出が出現する瞬間に或は空胴の光学的長さが変る時にレ
ーザのガス媒体が全膨張状態にあるためである。

そして連続波選択レーザまたは周波数注入レーザの周波
数がたとえ少し変えられても、例えばパルス・レーザの
発信周波数はパルス・セルのモードの固有周波数（連続
波選択レーザの周波数に一番近い）に常に一致する。

従って、連続波レーザとパルス・レーザノ間の、安定化
されていない周波数のビートは全く不利な清音現象（ち
ゆ−ちゆ−と（・う音）を起させるもとになり得るので
、除去するのが望ましいことは容易に理解できる。

位相共役（Ｃｏｎｊｓｂｅ−ｇａｔｅ　）　　または周
波数シフト・ミラーもまた周知である。これらは固体ま
たは液体のガス媒体であって非直線性吸収係数を有し、
その機能は例えば入射波頭を部分的に位相シフトして即
ちひずませて反射することであり、反射される波頭は部
分的にしかし反転された即ち共役位相シフトを有する。

これら位相共役ミラーの機能は、従来技術特にアメリカ
合衆国特許第４．２５３，５７１号に良く述べられてい
る。

共役ミラーは既に周知であり、４波混合用位相共役ミラ
ーと呼ばれる共役ミラーは非直線性媒体および少なくと
も１個一般には２個の外部ポンピング・レーザを備え、
このポンピング・レーザは同一の周波数でかつベクトル
方向が互に反対の両方向で非直線性媒体に入射する２つ
のポンピング波頭を放出する。非直線性媒体に入射する
が位相歪または周波数歪がもたらされた第６の波頭は、
３つの入射波頭の作用下で第４の位相共役波頭として反
射される。

例えばレーザ媒体のレベルで歪＋δを受けてそのような
ミラーに入射する周波数ω＋δの変質した即ち歪んだ波
頭は、全ての他の位相共役ミラーにおけるように、周波
数ω−δの波頭として反射される。その帰路においてが
っレーザ媒体通過後に、同一の歪＋δをまた受ける反射
された波頭は周波数ωに戻る。アメリカ合衆国特許第４
．２３３．５７１号の２個のポンピング・レーザと関連
した非直線性媒体器の機能は、従って波頭を補正するこ
とである。非直線性媒体と関連したレーザはポンピング
機能だけを果す。この媒体器はレーザの中央放出モード
を純化することを目的とする。

その結果、上述した周波数安定化の問題は上述のアメリ
カ合衆国特許では全く処理されない。

［アイイーイーイー〇ジャーナル・オブ畢カンタムのエ
レクトｏ＝クス（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＱｕ
ａｎｔ、ｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　）　Ｊ　、第
ＱＥ−１５巻、第１０号（１９７９年１０月号）に掲載
されたオーニング（Ａｕｙｅｕｎｇ　）氏等著の論文“
位相共役ミラーを有する光共振器のモードの理論的かつ
実験的調査”は、位相共役ミラーから第２のパルス・ポ
ンピング・レーザの周波数を第１のパルス・レーザヘリ
コピーすることを教える。しかし、第２のパルス・レー
ザの周波数それ自体が安定でないので、それは第１のパ
ルス・レーザの周波数を安定化させること等の問題では
ない。

［レビュー・オフティクス・レターズ（Ｒｅｖｉｅｗ　
０ｐｔｉｃａｌ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　Ｊ　、第６巻、
第１１号（１９８１年１１月号）に掲載されたリント（
ｂｉｎｄ　）氏等著の論文”位相共役ミラーを有する連
続波グイ・レーザの長手方向モードおよび収差補正特性
の証明″は、位相共役ミラーの連続波ボンピング・レー
ザの周波数で連続波レーザを安定化させることを教示す
る。しかし、この論文からはパルス・レーザを安定化さ
せることは教示されない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

パルス・レーザの周波数安定化の問題は解決されないま
〜であり、本出願人が解決したのはこの問題である。

〔問題点を解決するための手段〕

従って、この発明は、２個のミラー間に形成された共振
空胴中でパルス励振される第１のレーザ媒体を備え、前
記２個のミラーのうちの一方が４波混合用位相共役ミラ
ーであり、少なくとも１個のポンピング・レーザと関連
した第２の非直線性レーザ媒体を更に備え、前記ポンピ
ング・レーザは前記第２の非直線性レーザ媒体に射突す
る２つのポンピング・ビームを反対の両方向でかつ同一
周波数で送るパルス・レーザにおいて、前記第２の非直
線性レーザ媒体は可飽和増巾用媒体であり、前記ポンピ
ング・レーザは前記パルス・レーザの安定化されるべき
周波数での放出をトリガ・オフすべき自由光子の周波数
に等しい安定な周波数を有する連続波レーザであること
を特徴とするパルス・レーザに関するものである。

〔作　用〕

この発明はパルス・レーザの周波数安定化が本当に提案
された最初のものであるので、その進歩は顕著である。

この発明は、予想されたアイデアに反していることでも
、注目すべ１きことである。上述したように、パルス拳
レーザとパルス・ボンピング・レーザを有する位相共役
ミラーとを組み合わせること、或は連続波レーザと連続
波ボンピング・レーザを有する位相共役ミラーとを組み
合わせるここは既に提案されたが、パルス状放出、連続
波放出およびパルス状放出の周波数安定化の３つの概念
を組み合わせることは誰も考えなかった。

予想されたアイデアは、増巾媒体中で４波を混合するこ
とについて形成された最初の理論が偽だったので、心に
根強くあった。この理論によれば、高出力レーザだげ従
って位相共役ミラーのパルス・レーザはパルス・レーザ
の周波数を制御できるが安定化させることができなかっ
た。今や、［ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａ
ｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃ−ｔｒｏｎｉｃｓ　ｊ　、第ＱＥ−
１８巻、第１１号（１９８２年１１月号）に掲載された
レインジエ（Ｒｅ１ｎｔｊ　ｅｓ　）氏等著の論文“変
質周波数混合による可飽和増巾器中での位相共役″で真
実が再確立され、この論文によればボンピング波は共役
効果により非直線性媒体中でまた増巾された。しかし、
この論文の著者は、パルス・レーザ、位相共役ミラーお
よび連続波ポツピング・レーザを組み合わせることが可
能であることの結論を下さなかった。

真実の再確立は、従って当業者を刺激してボンピング番
レーザとして低出力パルス・レーザを使用させたにすぎ
なかった。

最後に、かつこの発明のパルス・レーザが連続波レーザ
（その周波数は完全に安定化され得る）によって周波数
安定化され得るが、そのスペクトル純度だけは増巾用媒
体中の利得の有限持続時間によって制限される。

４波混合用位相共役ミラーでは、もし入射周波数または
プローブがω１　であり、共役被反射周波数がωＣであ
り、そしてボンピング周波数がω１　およびω２　なら
ば、下記の関係が存在する。

ω。＝ω１＋ω２−ω。

もしω１＝ω２＝ωならば ω　＝２ω−ωｉ もしパルス・レーザの自由光子の周波数がωならばかつ
この周波数がレーザ媒体中でシフト＋δをうけるならば
、 ω　＝ω＋δ ω。？２ω−（ω＋δ） ＝　ω　−δ アバランシェをトリガする被反射光子の周波数または（
ω−δ）＋δ＝ωである。

もし自由光子の周波数がωと違うならば、被反射光子の
周波数（強さの減少を伴う）は自由光子の周波数と同一
ではな（、レーザ効果のアバランシェは起り得ない。換
言すれば、位相共役ミラーの連続波ボンピング周波数で
の自由光子だけがレーザ効果を起させ得る。

ミラーの連続波ボンピング・し〜ザの出力が非常に低く
て良いことに注目されたい。

この発明のパルス・レーザのミラーが反射周波数フィル
タとして働（こと、およびこのレーザが単一モードのレ
ーザであってその幾何学的形状がボンピング・レーザの
幾何学的形状と同じであることにも注目されたい。

この発明のパルス・レーザは、１個または２個の連続波
レーザによってボンピングされ得る位相共役ミラーを備
える。単一の連続波レーザが使用される時に、位相共役
ミラーは更に例えば第１の半透明ミラーおよび第２のミ
ラー（これらは両方共周知の光ビーム分割手段である）
を備える。

もちろん、この発明は、特に大気圧程度の高圧下にある
ガス媒体を有しかつ横方向励振（ＴＥＡレーザ）される
パルス・レーザに適用され、そしてレーザ媒体はＣＯ２
が好都合である。

この発明は、添付図面に連関した、この発明のパルス−
レーザの２つの実施例についての以下の説明からより良
く理解されよ５゜ 〔実施例〕 第１図のパルス・レーザは第１の増巾用レーザ媒体ＴＥ
Ａ　ｊを備える。この第１のレーザ媒体１は、大気圧に
在り、ケース２の中に収容され、このケース２の内側で
長手方向に延びる２個の電極６および４によりパルス化
された横方向電界による励振を５ける。コンデンサ５の
極板は、スイッチの役目を果す火花ギャップ１３を介し
てそれぞれ電極３，４へ接続されており、そして電圧源
６は、コンデンサ５を励振放電させるためにその端子間
に接続されている。第１のレーザ媒体１は、第１の慣用
の半透明ミラー７（これは出力ミラーと呼ばれる）と４
波混合用位相共役ミラー８との間に形成された共振空胴
中が広がる。

位相共役ミラー８は、今説明したばかりの主セル１〜６
と同様な２次セル９中に第２の非直線性可飽和増巾用Ｔ
ＥＡレーザ媒体１２を備える。

２次セル９の第２の非直線性レーザ媒体１２は、周波数
が安定化された２個の連続波レーザ１０および１１によ
ってポンピングされる。これらレーザ１０および１１は
この第２の非直線性レーザ媒体１２に２つのポンピング
用光ビームを同一の周波数でかつベクトル的に反対の両
方向で送る。

ポンピング・レーデ１０および１１の周波数にある第１
のＴＥＡレーザ媒体１の自由光子だけが主セル中でレー
ザ効果のアバランシェを起させる。

パルス化励振手段が図示されていない第２図のレーザの
望ましい実施例では、位相共役ミラーの２次セルは、周
波数が安定化されるべき主セル中で生じられる。

ＴＥＡ媒体を有する主セルは、ケース２２中に符号２０
で示され、電極２３および２４並びにケース２２に収容
されたＴＥＡ媒体２１を有する。

主セル２０は、慣用の反射ミラー２７とケース２２中に
収容されたレーザ媒体の一部３０との間に形成された共
振空胴中に配置される。主セル２０は位相共役ミラーと
組み合わされ、この位相共役ミラーは周波数が安定化さ
れた連続波ポンピング・レーザ２９、非直線性媒体とじ
ての、ケース２２に収容されたＴＥＡ媒体の一部５０、
この一部３０を規定するための焦点合わせレンズ６１、
光学的アイソレータ２８　、ＴＥＡ媒体２１およびその
他側のミラー２７によって構成され、これら手段は全て
軸３２上に整列されている。非直線性媒体の長さは適切
な焦点距離のレンズ３１を使って最適にされ得る。

第１の光ボンピング・ビームは連続波レーザ２９により
第２図において左から右へ直接放出される。このビーム
は、例えば１／４波長ミラーまたはファラデー回転体と
関連した偏光体であり得るアイソレータ、レンズ６１お
よびレーザ媒体を通過しかつミラー２７によって反射さ
れ、第２図において右から左への反対方向で第２の光ポ
ンピング・ビームを形成する。

周波数が安定化されるべき増巾用レーザ媒体の一部は、
レンズ６１が存在するため位相共役ミラーの非直線性媒
体を形成するっ主・セルおよび２次セルの一方だけを形
成する２つの媒体は、このようにして都合良く同一ケー
ス中に閉込められる。位相共役ミラー用の第２の独立セ
ルおよび第２の連続波ポンピング・レーザは従って省略
される。

レーザの今説明したばかりの光放出は、連続波レーザ２
９の周波数に安定化された周波数で、アイソレータ２８
により、軸３２とは異なる方向３３で反射後存在する。

位相共役ミラーは従ってこ−では空胴の出力ミラーであ
る。もし位相共役ミラーの反射度が１よりも大きければ
、レーザ・ビームはこの際半透明であるミラー２７によ
って抽出される。

このパルス・レーザの構成を有効にするため、ＴＥＡ媒
体として例えばＣＯ２であるガス媒体を使用すると共に
、４ワット程度の非常に低い出力を有しかつ約１０μｍ
の波長のビームを発するＣＯ２連続波ポンピング・レー
ザを使用した。

周波数が安定化されたＴＥＡレーザについて説明したが
、この発明を他のパルス・レーザにも適用できることを
強調しておきたい。

〔発明の効果〕

この発明によれば、パルス・レーザの周波数が安定化さ
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のパルス・レーザの一般原理を説明す
る概略図、第２図はこの発明の望ましい実施例を示す概
略図である。 １と２１：第１のレーザ媒体、７：半透明ミラー、８：
４波混合用位相共役ミラー、１０および１１並びに２９
：ボノピング・レーザ、１２：第２の非直線性レーザ媒
体、２７：反射ミラー、２８：光学的アイソレータ、６
０は２１の一部、６１：焦点合わせレンズである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２個のミラー間に形成された共振空胴中でパルス励
   振される第１のレーザ媒体を備え、前記２個のミラーの
   うちの一方が４波混合用位相共役ミラーであり、少なく
   とも１個のポンピング・レーザと関連した第２の非直線
   性レーザ媒体を更に備え、前記ポンピング・レーザは前
   記第２の非直線性レーザ媒体に射突する２つのポンピン
   グ・ビームを反対の両方向でかつ同一周波数で送るパル
   ス・レーザにおいて前記第２の非直線性レーザ媒体は可
   飽和増巾用媒体であり、前記ポンピング・レーザは前記
   パルス・レーザの安定化されるべき周波数での放出をト
   リガ・オフすべき自由光子の周波数に等しい安定な周波
   数を有する連続波レーザであることを特徴とするパルス
   ・レーザ。 ２、第１のレーザ媒体は、ＴＥＡ（横方向に励振される
   雰囲気）媒体である特許請求の範囲第１項記載のパルス
   ・レーザ。 ３、第１のレーザ媒体は、ＣＯ＿２ガス媒体である特許
   請求の範囲第１項または第２項記載のパルス・レーザ。 ４、第２の非直線性レーザ媒体は、ＴＥＡ媒体である特
   許請求の範囲第１項または第２項記載のパルス・レーザ
   。 ５、第２の非直線性レーザ媒体は、２個の連続波レーザ
   によってポンピングされる特許請求の範囲第１項または
   第２項記載のパルス・レーザ。 ６、位相共役ミラーの第２の非直線性レーザ媒体は、周
   波数が安定化されるべき第１のレーザ媒体の一部である
   特許請求の範囲第１項または第２項記載のパルス・レー
   ザ。 ７、４波混合用位相共役ミラーは、連続波レーザ、焦点
   合わせレンズ、第１のレーザ媒体の一部および反射ミラ
   ーを含む特許請求の範囲第６項記載のパルス・レーザ。 ８、光学的アイソレータが連続波ポンピング・レーザと
   レンズの間に配置される特許請求の範囲第７項記載のパ
   ルス・レーザ。