(57)【要約】【課題】効率よく分子を励起することが容易なラマンレーザ装置を提供する。【解決手段】励起光を放出可能な励起光源と、前記励起光が入射され、波長変換されたラマンレーザ光を放出可能なラマンセルと、前記ラマンレーザ光の一部を、フィードバックして前記ラマンセルに入射可能なフィードバック光学部と、を備えたことを特徴とするラマンレーザ装置が提供される。【選択図】図１
2012047939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を放出可能な励起光源と、
前記励起光が入射され、波長変換されたラマンレーザ光を放出可能なラマンセルと、
前記ラマンレーザ光の一部を、フィードバックして前記ラマンセルに入射可能なフィードバック光学部と、
を備えたことを特徴とするラマンレーザ装置。
【請求項２】
シード光を放出可能なシード光源をさらに備え、
前記ラマンレーザ光の波長は、前記シード光の波長と同一とされることを特徴とする請求項１記載のラマンレーザ装置。
【請求項３】
内部を分子が通過可能な反応セルをさらに備え、
前記ラマンレーザ光を前記反応セル内に向けて照射した場合、前記フィードバック光学部は、前記分子により吸収されない反射光の一部及び透過光の一部の少なくともいずれかをフィードバック可能とすることを特徴とする請求項１または２に記載のラマンレーザ装置。
【請求項４】
第１の励起光を放出可能な第１の励起光源と、
前記第１の励起光が入射され、波長変換された第１のラマンレーザ光を出射可能な第１のラマンセルと、
第２の励起光を放出可能な第２の励起光源と、
前記第１のラマンレーザ光の一部をシード光として、前記第２の励起光が波長変換された第２のラマンレーザ光を放出可能な第２のラマンセルと、を有する第１のレーザ増幅器と、
を備えたことを特徴とするラマンレーザ装置。
【請求項５】
前記第１のラマンレーザ光が照射され、内部に分子が通過可能な第１の反応セルと、
前記第２のラマンレーザ光が照射され、内部に前記分子が通過可能な第２の反応セルと、
をさらに備え、
前記第１の反応セル内の前記分子により吸収されない透過光の一部が前記シード光として前記第２のラマンセルに入射されることを特徴とする請求項４記載のラマンレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ラマンレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の分子をレーザ光を照射して励起する場合、その分子の吸収スペクトルに対応した波長のレーザ光を照射すると吸収の効率を高めることができる。
【０００３】
すべての分子を励起するには、分子の光吸収断面積から決まる飽和エネルギー強度を照射する必要がある。しかし、照射したエネルギーがすべて吸収されるわけではなく、その一部は透過し分子に有効には吸収されない。
【０００４】
所定量の分子数を励起するには、レーザ光源は吸収率の逆数が乗算されたエネルギーを放出することが要求される。気体ガスレーザを励起する場合は、特に、吸収率が低く、透過するレーザ光の量が多くなり、ロスが増加する問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５１１７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
効率よく分子を励起することが容易なラマンレーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、励起光を放出可能な励起光源と、前記励起光が入射され、波長変換れたラマンレーザ光を放出可能なラマンセルと、前記ラマンレーザ光の一部を、フィードバックして前記ラマンセルに入射可能なフィードバック光学部と、を備えたことを特徴とするラマンレーザ装置が提供される。
【０００８】
また、他の実施形態によれば、第１の励起光を放出可能な第１の励起光源と、前記第１の励起光が入射され、波長変換された第１のラマンレーザ光を出射可能な第１のラマンセルと、第２の励起光を放出可能な第２の励起光源と、前記第１のラマンレーザ光の一部をシード光として、前記第２の励起光が波長変換された第２のラマンレーザ光を放出可能な第２のラマンセルと、を有する第１のレーザ増幅器と、を備えたことを特徴とするラマンレーザ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるラマンレーザ装置の構成図である。
【図２】図２（ａ）は比較例にかかるラマンレーザ装置の構成図、図２（ｂ）は出力エネルギーの入力エネルギーに対する依存性を示すグラフ図である。
【図３】第２の実施形態にかかるラマンレーザ装置の構成図である。
【図４】第２の実施形態の変形例にかかるラマンレーザ装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるラマンレーザ装置の構成図である。
ラマンレーザ装置５は、高繰り返し炭酸ガスレーザなどからなる励起光源２０、ラマンセル３０、フィードバック光学部４０、を有している。なお、シード光源１０をさらに有するとより好ましい。
【００１１】
ラマンセル３０は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）を利用して波長変換を行うことができる。すなわち、ラマンセル３０は、一対の凹面鏡にレーザ光の注入孔３２とレーザ光の出力孔３４と、がそれぞれ設けられている。またその内部にはパラ水素が充填されている。
【００１２】
ラマンセル３０の筐体に、例えばステンレス材料などを用いると、気密構造が可能となり内部にパラ水素を確実に閉じ込めることができる。
【００１３】
水素分子には、原子核の核スピンの配向により、オルトとパラの異性体が存在する。低温になるほどパラ水素の存在比が増し、絶対零度付近では、ほぼ１００％近くがパラ水素となる。
【００１４】
励起光源２０からの１０μｍ波長の励起光Ｇｅが注入孔３２から入射され、一対の凹面鏡で反射を繰り返す間に、パラ水素のラマン効果により波長変換された１６μｍ波長のラマンレーザ光Ｇｏが生成され、出力孔３４から放出される。
【００１５】
フィードバック光学部４０は、シード光源１０からのシード光Ｇｓを透過するミラーＭ１、分子に吸収されなかった透過光Ｇｔを反射するミラーＭ３、Ｍ４、Ｍ５、などを有する。なお、ミラーＭ５で反射された透過光Ｇｔは、ミラーＭ１により反射され、注入孔３２からラマンセル３０に入射する。また、ミラーＭ２により反射された励起光Ｇｅは、注入孔３２からラマンセル３０に入射する。また、シード光源１０を備えた場合、ミラーＭ２を透過したシード光Ｇｓは、注入孔３２からラマンセル３０に入射する。すなわち、ミラーＭ２は、１０μｍ波長の励起光Ｇｅを反射し、１６μｍ波長の光を透過する波長選択性を有している。
【００１６】
なお、フィードバック光学部４０を構成するミラーＭ１、Ｍ３、Ｍ４、およびＭ５は、ＡｕやＣｕなどの金属ミラーや多層膜誘電体ミラーなどを使用することができる。また、ミラーＭ２は、１６μｍ波長の光を透過可能なＺｎＳｅやＫＣｌなどを基板材料に用いた多層膜誘電体ミラーを使用することができる。
【００１７】
図２（ａ）は比較例にかかるラマンレーザ装置の構成図、図２（ｂ）はラマンレーザ光の出力エネルギーの励起光の入力エネルギーに対する依存性を示すグラフ図である。
ラマンレーザ装置１０６は、高繰り返し炭酸ガスレーザなどからなる励起光源１２０、ラマンセル１３０、を有している。励起光源１２０から放出された１０μｍ波長の励起光Ｇｅｅは、ミラーＭ１０２により反射され、パラ水素が充填されたラマンセル１３０へ入射する。ラマンセル１３０内において、パラ水素のラマン効果により波長変換された１６μｍ波長のラマンレーザ光が生成され、出力孔からラマンレーザ光Ｇｏｏが出射する。
【００１８】
図２（ｂ）はシミュレーションの結果を示し、縦軸はラマンレーザ光の出力エネルギー（Ｊ）、横軸は励起光の入力エネルギー（Ｊ）である。
破線はシード光を用いない場合を示し、入力エネルギーを１Ｊ（ジュール）としたとき、出力エネルギーが略０．０８２Ｊである。他方、実線は、シード光源１１０から放出され、パルス幅が１０ｎｓ、エネルギーが１μＪの１６μｍ波長のシード光Ｇｓｓを、ミラーＭ１０２を透過させたのち、ラマンセル１３０へ入射した場合を示す。
【００１９】
実線では、入力エネルギーを０．５Ｊとしたとき、出力エネルギーが略０．０７８Ｊである。このように、シード光をラマンセルに導入すると、ラマン閾値を低減し、効率を略２倍とできるので、より好ましい。比較例において、一旦出射したラマンレーザ光Ｇｏｏが、再び誘導ラマン散乱に寄与することはないので、効率をより高めることは困難である。
【００２０】
これに対して、第１の実施形態では、出力孔３４から放出された１６μｍ波長のラマンレーザ光Ｇｏは、反応セル５０内を通過するガス状の分子を照射する。分子３８に吸収されずに反応セル５０を透過した透過光Ｇｔは、フィードバック光学部４０により、フィードバックされラマンセル３０の注入孔３２へ入射可能となる。また、分子３８により吸収されずに反射した光をラマンセル３０に戻してもよい。
【００２１】
本実施形態では、ラマンレーザ光Ｇｏの反射光または透過光Ｇｔをフィードバックするので、ラマンレーザ装置５は減衰した量に相当する分を生成すれば所定出力を維持できる。このため、飽和エネルギー強度に到達するのに必要な励起光Ｇｅの出力を低減可能である。また、一旦シード光Ｇｓが立ち上がったのちは、シード光源１０はシード光Ｇｓを出射しなくともレーザ発振は継続される。すなわち、本実施形態により、定常動作時の消費電力が低減され、ラマンレーザ装置５の全体の効率が向上される。
【００２２】
また、ラマンレーザ装置５において、ラマンレーザ光Ｇｏの発生開始時には励起光Ｇｅの高い強度が必要であるのでパルスレーザとすることが多い。励起光Ｇｅのパルス幅は、例えば１ｎｓ〜数百ｎｓなどとされる。この場合、パルス励起光と、フィードバックされたパルスラマンレーザ光と、の立ち上がりのタイミングを合わせるが必要である。この制御は、例えばフィードバック光学部４０の光路長を調整するか、またはラマンレーザ光Ｇｏとタイミングを合わせて励起光Ｇｅを励起するか、などにより行うことができる。
【００２３】
さらに、反応セル５０を有するラマンレーザ装置５は、分子励起レーザ装置７と呼ぶことができる。ラマンレーザ光Ｇｏは反応セル５０内で、例えばガス状の分子３８を照射する。この照射により、特定の分子を選択的に励起すると励起分子の物理化学的性質を変化させることができる。
【００２４】
図３は、第２の実施形態にかかるラマンレーザ装置の構成図である。
ラマンレーザ装置６は、高繰り返し炭酸ガスレーザなどからなる第１の励起光源２０と、第１のラマンセル３０と、第１のレーザ増幅器６０と、を有している。なお、シード光源１０をさらに有すると、より好ましい。
【００２５】
第１のラマンセル３０は、第１の励起光Ｇｅを波長変化し、シード光Ｇｓの波長と同一の波長を有する第１のラマンレーザ光Ｇｏを出射する。第１のレーザ増幅器６０は、第２の励起光Ｇｅ２を放出可能な第２の励起光源６１と、第２の励起光Ｇｅ２を波長変換し、第１のラマンレーザ光Ｇｏの波長と同一の波長を有する第２のラマンレーザ光Ｇｏ２を出射可能な第２のラマンセル６２と、を有している。
【００２６】
第１のラマンレーザ光Ｇｏは、反応セル５０内の分子３８を照射し、その一部が吸収され、残りが第１のレーザ増幅器６０の第２のラマンセル６２に入射する。第２の励起光Ｇｅ２も第２のラマンセル６２へ入射され、波長変換されて第２のラマンレーザ光Ｇｏ２が生成され、出力孔から出射する。第１のラマンレーザ光Ｇｏは、第１のレーザ増幅器６０においてシード光となるので、第２のラマンレーザ光Ｇｏ２の波長は、第１のラマンレーザ光Ｇｏの波長と同一にできる。第２のラマンレーザ光Ｇｏ２は、第２の反応セル５１内の分子３８を照射し、その一部を励起できる。
【００２７】
この場合、第１のレーザ増幅器６０において、透過光Ｇｔが導入される第２のラマンセル６２は、その減衰した量に相当する分を生成すればよく、所定出力のラマンレーザ光Ｇｏ２を第２の反応セル５１へ向けて照射できる。すなわち、飽和エネルギー強度に到達するのに必要な励起光Ｇｅ２の出力を低減可能である。さらに、第１の増幅器６０は、シード光源を必要としない。このため、ラマンレーザ装置８において、全体の効率を高めることができる。さらに、第２の反応セル５１の透過光の一部を破線で表すＧｆのように、フィードバックしシード光として第１のラマンセル３０へ入射することができる。
【００２８】
また、本図のように、第２のレーザ増幅器６３を設けてもよい。この場合、第２のレーザ増幅器６３は、第３の励起光Ｇｅ３を放出可能な第３の励起光源６４と、第３の励起光Ｇｅ３を波長変換し、第１のラマンレーザ光Ｇｏの波長と同一の波長を有する第３のラマンレーザ光Ｇｏ３を出射可能な第３のラマンセル６５と、を有している。
【００２９】
第２のラマンレーザ光Ｇｏ２が第２の反応セル５１内の分子３８を照射し、残りを第２のレーザ増幅器６３へ入射する。この場合、第２のラマンレーザ光Ｇｏ２の一部が、第２のレーザ増幅器６３においてシード光として作用する。第３の反応セル５２を設けると、さらに効率を高めることができる。すなわち、縦続に配置されるレーザ増幅器及び反応セルの数を増やすことができる。
【００３０】
図４は、第２の実施形態の変形例にかかるラマンレーザ装置の構成図である。
第２の実施形態において、第１のラマンセル３０の出射側に、第１のレーザ増幅器６６、及び第２のレーザ増幅器６７がさらに並列に配置されている。反応セル５０を透過した透過光Ｇｔは、ビームスプリッタＢＳやハーフプリズムなどにより２つに分岐される。第１及び第２のレーザ増幅器６６、６７は、励起光源６１、６４と、ラマンセル６２、６５と、をそれぞれ有している。透過光Ｇｔは、第１及び第２のレーザ増幅器６６、６７において、それぞれシード光として作用し、ラマンレーザ光Ｇｏ２、Ｇｏ３を、それぞれ生成し出射する。
【００３１】
分子励起レーザ装置８は、ラマンレーザ装置６と、反応セル５０、５３、５４と、を有している。ラマンレーザ光Ｇｏ２、Ｇｏ３は、反応セル５３、５４内の分子３８をそれぞれ照射し、その一部を励起する。
【００３２】
この場合、第１のレーザ増幅器６６において、透過光が導入される第２のラマンセル６２は、その減衰した量に層とする分だけを生成すればよく、所定出力のラマンレーザ光Ｇｏ２を第２の反応セル５３へ向けて照射できる。また、 第２のレーザ増幅器６７において、透過光が導入される第３のラマンセル６５は、その減衰した量に相当する分だけを生成すれば、所定出力のラマンレーザ光Ｇｏ３を第３の反応セル５４へ向けて照射できる。すなわち、飽和エネルギー強度に到達するのに必要な励起光Ｇｅ２、Ｇｅ３の出力を低減可能である。さらに、第１のレーザ増幅器６６および第２のレーザ増幅器６７は、シード光源を必要としない。このため、分子励起レーザ装置８において、全体の効率を高めることができる。
【００３３】
図４のように、レーザ増幅器を並列に配置すると、もし一方のレーザ増幅器の能力が低下した場合でも他方のレーザ増幅器によりバックアップができる。このため、分子へ向けて照射するラマンレーザ光の出力がゼロとなることはなく分子励起システムの信頼性を高めることが容易となる。なお、並列配置するレーザ増幅器の数は、３つ以上でもよい。
【００３４】
第１及び第２の実施形態によれば、全体の効率を高めつつ分子を励起することが容易なラマンレーザ装置が提供される。また、定常状態における消費電力を低減することが容易となる。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
５、６  ラマンレーザ装置、１０  シード光源、２０、６１、６４  励起光源、３０、６２、６５  ラマンセル、３８  分子、４０  フィードバック光学部、５０、５１、５２、５３、５４  反応セル、６０、６３、６６、６７  レーザ増幅器、Ｇｓ  シード光、Ｇｅ、Ｇｅ２、Ｇｅ３  励起光、Ｇｏ、Ｇｏ２、Ｇｏ３  ラマンレーザ光、Ｇｔ  透過光  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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