(57)【要約】【課題】励起光とストークス光とのパルス幅比が大きいパルス幅圧縮用誘導散乱増幅器において、増幅率およエネルギー変換効率を低下させる自発ストークス光の発生を抑制する。【解決手段】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する。また、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する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射ストークス光エネルギーを増倍する後方誘導散乱増幅器において、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し、出力ストークス光強度を励起光強度以下にしたことを特徴とする後方誘導散乱増幅器。
【請求項２】
入射ストークス光エネルギーを増倍する前方誘導散乱増幅器において、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し、出力ストークス光強度を励起光強度以下にしたことを特徴とする前方誘導散乱増幅器。
【請求項３】
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おいて、励起光は、対向する波長選択鏡の間を多重反射により往復し、ストークス光は、波長選択鏡を透過する配置とし、入射および出力ストークス光のビーム口径は、励起光の口径より大きくし、出力ストークス光強度を励起光強度以下にしたことを特徴とした誘導散乱増幅器。
【請求項４】
請求項１記載の後方誘導散乱増幅器において、増幅中のストークス光の光路に集光光学素子を配置し、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とすることにより、出力ストークス光口径が大きくなることを抑制したことを特徴とする後方誘導散乱増幅器。
【請求項５】
請求項２記載の前方誘導散乱増幅器において、増幅中のストークス光の光路に集光光学素子を配置し、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とすることにより、出力ストークス光口径が大きくなることを抑制したことを特徴とする前方誘導散乱増幅器。
【発明の詳細な説明】
【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１ｃｍ２であり、ビーム強度は、０．５ＧＷ／ｃｍ２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１ｃｍ２で、ビーム強度は０．１３ＭＷ／ｃｍ２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　ｃｍ２であり、　ビーム強度は、０．５ＧＷ／ｃｍ２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／ｃｍ２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１ｃｍ２で、ビーム強度は、３　ＧＷ／ｃｍ２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１ｃｍ２で、ビーム強度は０．２５ＧＷ／ｃｍ２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１ｃｍ２で、ビーム強度は、０．０８ＧＷ／ｃｍ２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　ｃｍ２で、ビーム強度は、０．２３ＧＷ／ｃｍ２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／ｃｍ２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１ｃｍ２であり、ビーム強度は、２　ＧＷ／ｃｍ２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／ｃｍ２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１ｃｍ２であり、ビーム強度は０．３ＧＷ／ｃｍ２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１０ｃｍ２で、ビーム強度は、０．００３ＧＷ／ｃｍ２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１０ｃｍ２であり、ビーム強度は、０．２７ＧＷ／ｃｍ２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／ｃｍ２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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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