(57)【要約】  スピン交換による希ガスの超偏極のための、アルカリ原子の偏極のための光照射装置であって、波長に関してアルカリ原子の偏極に適したレーザ光（１４）を発生することが可能である少なくとも１つの半導体レーザ装置（１）と、少なくとも１つの半導体レーザ装置（１）によって発生したレーザ光（１４）の円偏光のための偏光手段（７）と、偏極されるべきアルカリ原子を配置することが可能な作業領域にレーザ光（１４）を入射させるための手段と、レーザ光（１４）の波長を設定するための手段（４）とを有し、かかる手段は、それによってレーザ光（１４）の波長を予め定める波長に、または予め定める波長領域に設定するために、レーザ光（１４）の一部を半導体レーザ装置内に戻して結合することが可能である光照射装置。
2008543094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にアルカリ原子の偏極のための光照射装置であって、
波長に関してアルカリ原子の偏極に適したレーザ光（１４）を発生することが可能である少なくとも１つの半導体レーザ装置（１）と、
少なくとも１つの半導体レーザ装置（１）によって発生したレーザ光（１４）の円偏光のための偏光手段（７）と、
偏極されるべきアルカリ原子を配置することが可能な作業領域にレーザ光（１４）を入射させるための手段とを有する光照射装置において、
該照射装置は、レーザ光（１４）の波長を設定するための手段（４）を有し、かかる手段は、それによってレーザ光の波長を予め定める波長に、または予め定める波長領域に設定するために、レーザ光の一部を半導体レーザ装置内に戻して結合することが可能であることを特徴とする光照射装置。
【請求項２】
レーザ光の波長を設定するための手段（４）は、グレーチングとして、特に、ブラッググレーチングまたはリトロ型グレーチングとして実施されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
該照射装置は、レーザ光（１４）を均質化することが可能な均質化手段（８，９）を有することを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
均質化手段（８，９）は２段階構成とされることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
均質化手段（８，９）は互いに垂直な２つの方向（ｘ，ｙ）に関してレーザ光（１４）を均質化することが可能であることを特徴とする請求項３または４記載の装置。
【請求項６】
均質化手段は、レンズアレイ、特にシリンドリカルレンズアレイ（１５，１６，１７，１８）を備える少なくとも１つの光学的に機能する境界面を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
作業領域にレーザ光（１４）を入射させるための手段は、少なくとも１つのレンズ（１１）を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
該照射装置は、望遠鏡ユニット（１０）を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
希ガスの超偏極のための装置であって、アルカリ原子の偏極のための光照射装置と、偏極されたアルカリ原子のスピン交換による希ガスの超偏極のための手段とを有する装置において、前記光照射装置は請求項１〜８のいずれか１項に記載の光照射装置であることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光照射装置に関し、詳細には、特にアルカリ原子の偏極のための光照射装置であって、波長に関してアルカリ原子の偏極に適したレーザ光を発生することが可能である少なくとも１つの半導体レーザ装置と、少なくとも１つの半導体レーザ装置によって発生したレーザ光の円偏光のための偏光手段と、偏極されるべきアルカリ原子を配置することが可能な作業領域にレーザ光を入射させるための手段とを有する光照射装置に関する。さらにまた、本発明は、希ガスの超偏極のための装置であって、アルカリ原子の偏極のための上述の形式の光照射装置と、偏極されたアルカリ原子のスピン交換による希ガスの超偏極のための手段とを有する装置に関する。
【０００２】
超偏極された希ガスは、ＭＲＩ（磁気共鳴映像法）測定のために利用することが可能である。希ガスまたは希ガス核の超偏極は、偏極されたアルカリ原子のスピン交換によって実現することが可能である。アルカリ原子の偏極は、適切な波長の円偏光された光の吸収によって達成することが可能である。この場合、その帯域と入射した光の円偏光度は、達成されるべき超偏極の実行にとっての重要な要素である。さらにまた、入射する光の波長は、アルカリ原子の偏極にとっての対応する吸収波長に精確に対応することになる。
【０００３】
アルカリ原子の偏極のための照射装置と、冒頭に述べた形式の希ガスの超偏極のための装置とは、欧州特許ＥＰ  ０  ８９６  ６５５  Ｂ１から知られる。そこに記載の実施形態は、半導体レーザ装置と作業面に光を入射させるための光学装置に加えて、直線偏光された光を発生させるための偏光ビームスプリッタと、直線偏光された光を円偏光された光に変換するための１／４波長板とを有する。
【０００４】
半導体レーザ装置のある一定の温度にわたって、発生するレーザ光の波長を少なくともある程度一定に保つためには、高価な温度制御装置を使用することが必要になる。さらにまた、このような装置によって、均一に照射する作業範囲をより広くとることができない。
【０００５】
本発明の基礎となる課題は、照射装置およびより効果的に構成された冒頭に述べた形式の、希ガスの超偏極のための装置を提供することである。
【０００６】
これは、本発明に従えば、照射装置については、請求項１または３の特徴を有する冒頭に述べた形式の照射装置、および希ガスの超偏極のための装置については、請求項９の特徴を有する、希ガスの超偏極のための冒頭に述べた形式の装置によって達成される。
【０００７】
請求項１に従えば、照射装置は、レーザ光の波長を設定するための手段を有し、かかる手段は、それによってレーザ光の波長を一定の波長に、または一定の波長領域に設定するために、レーザ光の一部を半導体レーザ装置内に結合することが可能である。このようなレーザ光の波長を設定するための手段によって、高額な温度制御装置をなくすことが可能となる。波長は光学手段によって一定に維持されるからである。このような、波長を光学的に設定すること、または波長を安定化することは、事情によっては、波長を精確に見守ることにつながり得るのみならず、また事情によっては、より小さな帯域のレーザ光にもつながり得る。
【０００８】
レーザ光の波長を設定するための手段は、グレーチングとして、特に、ブラッググレーチングまたはリトロ型グレーチングとして実施される。
【０００９】
請求項３に従えば、照射装置は、レーザ光を均質化することが可能な均質化手段を有する。かかる均質化手段によって、比較的大きな作業領域を最大限に広く均質に照らすことが可能となる。
【００１０】
この場合、均質化手段は２段階構成としてもよい。それによって、作業領域におけるレーザ光の均質化を一層高められる。
【００１１】
さらにまた、均質化手段は互いに垂直な２つの方向に関してレーザ光を均質化することが可能な構成としてもよい。
【００１２】
特に、均質化手段は、レンズアレイ、特にシリンドリカルレンズアレイを備える少なくとも１つの光学的に機能する境界面を有してもよい。このような均質化手段によって、簡易な手段による効果的な均質化を実現させることができる。
【００１３】
作業領域にレーザ光を入射させるための手段は、少なくとも１つのレンズを有してもよい。
【００１４】
この場合、球面レンズとすることも可能である。その代わりに、互いに交差したシリンドリカルレンズを利用してもよい。
【００１５】
さらにまた、照射装置は、望遠鏡ユニットを有してもよい。この望遠鏡ユニットは、レーザ光を拡げることに寄与することができる。
【００１６】
請求項９に従えば、光照射装置として、本発明に従う照射装置が組込まれる。
【００１７】
本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図を参照した、好適な実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。
【００１８】
図においては、説明を分かり易くするために、デカルト座標ｘ，ｙ，ｚが記載されている。
【００１９】
図１および図２から明らかな照射装置は、レーザ光１４の伝搬方向に、半導体レーザ装置１と、速軸コリメーションレンズ２と、光学的ビーム変換のための装置３と、遅軸コリメーションレンズ４と、レーザ光１４の波長を設定するための手段５と、レーザ光１４の直線偏光のための偏光手段１６と、レーザ光１４の円偏光のための偏光手段７と、第１および第２の均質化手段８，９と、望遠鏡ユニット１０と、凸面が球面の平凸レンズ１１とウインドー１２とを有する。
【００２０】
ウインドーからｚの正方向に出射されるレーザ光１４は、希ガスの超偏極のための装置の一部である概略的に示された装置１３に入射する。この希ガスの超偏極のための装置に、アルカリ原子は、レーザ光１４の吸収によって偏極可能に設けられる。同様に、装置１３に設けられた希ガス核を、偏極されたアルカリ原子によるスピン交換によって、超偏極することが可能である。
【００２１】
半導体レーザ装置１は、たとえば、レーザダイオードバーとして実施可能であって、レーザダイオードバーは実質的に線状の光源を形成する。かかる線状光源に代えて、点状光源または点光源群からなる光源、または任意の角度配分の平面形状光源を利用することも可能である。レーザダイオードバーは、実質的にｘ方向に延び、この方向に、たとえば１０ｍｍの延びている。それに対して、ｙ方向においてはレーザダイオードバーは１μｍの大きさである。レーザダイオードバーから出射された光は、ｙ軸、すなわち、いわゆる速軸の方向に、ｘ軸、すなわち遅軸の方向におけるよりも大きなダイバージェンスを有している。ｙ方向におけるダイバージェンスは、たとえば、およそ０．５ｒａｄであり、ｘ方向におけるダイバージェンスはたとえば、およそ０．１ｒａｄである。さらにまた、レーザダイオードバーは、ｘ方向に、複数の発光区分に、たとえば長手方向に１９〜２５の区分に分割される。
【００２２】
半導体レーザ装置１から出射された光は、実質的にｘ方向に延びる速軸コリメーションレンズ２に、ｙ方向におけるダイバージェンスが、たとえばわずか０．００５ｒａｄとなるように回折限界でコリメートされ、したがって、光９は、速軸コリメーションレンズ２後方において、実質的にｙ軸に関して平行に進む。速軸コリメーションレンズ２は、たとえば、ｘ方向にシリンダ軸を有する凸面が球面の平凸シリンドリカルレンズとして実施することが可能である。
【００２３】
光学的ビーム変換のための装置３において、入射する光は、９０°の角度だけ回転される。光学的ビーム変換のための装置３の場合、透光性を有する材料からなる直方体形状のブロックであり、その上には、入力側と出力側に、複数のシリンドリカルレンズセグメントが互いに平行に設けられる。シリンドリカルレンズセグメントのｘ方向に延びる軸は、直方体形状の装置３の下部側と４５°の角をなす。たとえば、シリンドリカルレンズアレイによって形成される両凸シリンドリカルレンズ深さが、これらの両凸シリンドリカルレンズそれぞれ焦点距離の２倍になるように構成してもよい。各両凸シリンドリカルレンズは、平行な光ビームを再び平行な光ビームに変換する。
【００２４】
レーザダイオードバーの各発光区分から出射する部分ビームは、装置３を通過するとき、９０°回転され、したがって、各部分ビームは、装置３を通過した後、ｙ方向に延びるだけである。このような方法では、光源１の各区分から出射する部分ビームは、装置３の前の、事情によっては比較的強いｘ方向におけるダイバージェンスのために、互いにオーバーラップする。装置３を通過した後は、ｘ方向における回折限界の残留ダイバージェンスがあるだけであり、それに対して、ｙ方向におけるダイバージェンスは、たとえばおよそ０．１ｒａｄのｘ方向における元来のダイバージェンスに相当するからである。
【００２５】
このように、ｘ方向においてはそれほど実質的に発散されておらず、ｙ方向に中程度に発散された光ビームは、たとえば、ｘ方向にシリンダ軸を有する凸面が非球面の平凸レンズとして実施された遅軸コリメーションレンズ４によって、ｙ方向に延びる遅軸に関してコリメートすることが可能である（図３および図４参照）。
【００２６】
他の実施形態の速軸コリメーションレンズ２と遅軸コリメーションレンズ４では、場合によっては、ビーム変換のための装置３を省いてもよい。
【００２７】
レーザ光の波長を設定するための手段５は、グレーチングとして、特に、ブラッググレーチングまたはリトロ型グレーチングとして実施することが可能である。一定の波長λのレーザ光１４は、このグレーチングによってわずかばかり反射されて戻されて、再び半導体レーザ装置１の共振器に入射する。それによって、共振器は、実質的に戻り反射される波長λのレーザ光発光を誘導し、したがって、半導体レーザ装置１から出射するレーザ光１４は、実質的には、波長λの光である。レーザ光の波長を設定するための手段５は、図３および図４から明らかな位置の代わりに、速軸コリメーションレンズ２と光学的ビーム変換のための装置３との間、または、光学的ビーム変換のための装置３と遅軸コリメーションレンズ４との間に設けてもよい。さらにまた、波長を設定するための手段５は、速軸コリメーションレンズ２、または光学的ビーム変換のための装置３、または遅軸コリメーションレンズ４に統合してもよい。特に、この場合、上述の構成部品に、たとえば周期的な屈折率を変動させてブラッググレーチングを形成してもよい。
【００２８】
レーザ光１４の直線偏光のための偏光手段６は、図示される実施形態においては、立方体形状の偏光ビームスプリッタとして実施されている。代わりに、たとえば薄層偏光板またはブリュースタプレートなどの偏光手段を考慮してもよい。直線偏光のための偏光手段６に入射する前には、半導体レーザ装置１のレーザ光は、９０％より大きな偏光度を有する。直線偏光のための偏光手段６を通過した後、この偏光度は顕著に高くなっている。
【００２９】
直線偏光のための偏光手段６を通過した後、レーザ光１４は、円偏光のための偏光手段７にぶつかる。この円偏光のための偏光手段７において、高い線形度で偏光されたレーザ光１４は高い円形度で偏光されたレーザ光１４に変換される。レーザ光１４の円偏光のための偏光手段７としては、図示された実施形態においては、１／４波長板が用いられている。レーザ光の円偏光のための他の偏光手段を用いてもよい。
【００３０】
レーザ光１４の伝搬方向において偏光手段７に結合している第１および第２の均質化手段８，９は、それぞれ、それぞれの入射側と出射側にシリンドリカルレンズアレイ１５，１６，１７を有する透光性の基板として実施される。かかる均質化手段８，９は、技術の水準からよく知られている。特に、第１の均質化手段８のシリンドリカルレンズアレイ１５，１６の焦点距離は、均質化手段８，９の各入射面間の距離よりも小さいまたはそれに等しい、または均質化手段８，９の各出射面間の距離よりも小さいまたはそれに等しい。
【００３１】
均質化手段８，９の入射側にあるシリンドリカルレンズアレイ１５，１７のシリンダ軸は、図示された実施形態においては、ｙ方向に向けられている。このシリンドリカルレンズアレイ１５，１７は、ｘ方向に関して、レーザ光１４を均質化する。均質化手段８，９の出射側にあるシリンドリカルレンズアレイ１６，１８のシリンダ軸は、図示された実施形態においては、ｘ方向に向けられている。これらのシリンドリカルレンズアレイ１６，１８は、ｙ方向に関してレーザ光１４を均質化する。均質化手段８，９によって、レーザ光１４は、２つの互いに垂直な方向ｘ，ｙに関して互いに設けられた２つの段階で均質化される。
【００３２】
代わりに、第１の均質化手段８のシリンドリカルレンズアレイ１５，１６のシリンダ軸を互いに平行に、かつｘ方向に向けてもよい。この場合、第２の均質化手段９のシリンドリカルレンズアレイ１７，１８のシリンダ軸は、互いに平行に、かつｙ方向に向けてもよい。
【００３３】
また、別の構成の均質化手段を用いてもよい。さらにまた、この均質化手段を異なった位置に設けてもよく、たとえば、直線偏光のための偏光手段６と円偏光のための偏光手段７との間に設けてもよい。
【００３４】
望遠鏡ユニット１０は、図示された実施形態においては、ｚ方向に互いに設けられた２つの球面レンズ１９，２０から成り、これらは、互いに間隔をあけて設けられ、その間隔は、それらの焦点距離の合計に相当する。望遠鏡ユニット１０によって、レーザ光１４は拡げられる。望遠鏡ユニット１０の領域において、レーザ光１４は大きなダイバージェンスを有し、かつ小さい焦点を有する。
【００３５】
望遠鏡ユニット１０より後段のレーザ光１４の伝搬方向ｚに、平凸レンズとして実施されて設けられたレンズ１１は、望遠鏡ユニット１０に対して、または望遠鏡ユニット１０の焦点に対して距離を有し、かかる距離は、レンズ１１の焦点距離に相当する。レンズ１１の焦点距離は、たとえば、２００ｍｍである。図１および図２から、レーザ光１４は、レンズ１１より後段のｚ方向において実質的にコリメートされる。この場合、レーザ光１４の断面は、レンズ１１を通過した後、たとえば３０〜４０ｍｍ拡大し得る。
【００３６】
凸面が球面の平凸レンズに代わって、たとえば２つの互いに交差したシリンドリカルレンズを用いてもよい。
【００３７】
さらにまた、少なくとも２つの、特に複数の半導体レーザ装置１を用いてもよい。 これらの半導体レーザ装置から出射したレーザ光は、たとえば、直線偏光のための偏光手段６の前で、ミラーまたは／プリズムを介して互いに結合されてもよい。さらにまた、かかる少なくとも２つの、特に複数の半導体レーザ装置１から出射したレーザ光を、偏光ビームスプリッタとして実施された直線偏光のための偏光手段６に結合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】希ガスの超偏極のための本発明に従う装置の部分を有する本発明に従う照射装置の側面図である。
【図２】希ガスの超偏極のための本発明に従う装置の部分を有する本発明に従う照射装置の９０°回転された側面図である。
【図３】照射装置のいくつかの詳細部についての拡大された側面図であって、各構成部間の距離は実際上のものではない、側面図である。
【図４】９０°回転された、図３に対応した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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