(57)【要約】  ラマンレージングを受けるように適合されたラマンレージング媒体と、ラマンレージング媒体を横切る間に誘導ラマン散乱によってストークスシードビームをポンピングするための少なくとも一つのポンピングビームと、を含むラマンレーザデバイス。【選択図】図５
2018538569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマンレージング又は増幅を受けるように適合されたラマンレージング媒体と、
前記レージング媒体を横切る間に、誘導ラマン散乱によってストークスビームをポンピングするための少なくとも一つのポンピングビームと、を含み、
前記少なくとも一つのポンピングビームが、多モード入力ビーム又は複数の入力ビームのいずれかを含む、ラマンレーザデバイス。
【請求項２】
前記ラマンレージング媒体が等方的に純化される、請求項１に記載のラマンレーザデバイス。
【請求項３】
前記ラマンレージング媒体が室温未満の温度である、請求項１又は２に記載のラマンレーザデバイス。
【請求項４】
前記ラマンレージング媒体が極低温度まで冷却される、請求項１〜３のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【請求項５】
ダイヤモンド冷却プレートが、冷却を助けるために前記ラマンレージング媒体に取り付けられる、請求項１〜４のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【請求項６】
総出力パワーが１ｋＷを超過する、請求項１〜５のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【請求項７】
複数のポンプビームが同時にストークスシードビームを増幅させる、請求項１〜６のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【請求項８】
前記複数のポンプビームが相互インコヒーレントである、請求項１〜７のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【請求項９】
前記複数のポンプビームが非同一線である、請求項１〜８のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【請求項１０】
前記ポンピングビームが前記ラマンレージング媒体に焦点合わせされる、請求項１〜９のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【請求項１１】
前記ラマンレージング媒体が実質的にダイヤモンド材料を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項１２】
前記ダイヤモンド材料が同位体的に高純度のものである、請求項１１に記載のラマンレーザ。
【請求項１３】
前記ダイヤモンド材料が０．０１％未満の炭素１２又は炭素１３の同位体を有する、請求項１２に記載のラマンレーザ。
【請求項１４】
前記複数のポンプビームが前記ストークスシードビームの周りに角度分散される、請求項７に記載のラマンレーザ。
【請求項１５】
前記ポンプビームが、低い高次ストークス生成を有する角度で焦点合わせされる、請求項１〜１４のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項１６】
前記ポンプビームが時間的にインターリーブされる、請求項１〜１５のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項１７】
ストークスシードビーム及びポンピングビームが、前記ラマンレージング媒体内の焦点に焦点合わせされる、請求項１〜１６のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項１８】
前記ストークスシードビーム及びポンプビームが、４光波混合の位相整合角度よりも実質的に大きい角度で交差する、請求項１７に記載のラマンレーザ。
【請求項１９】
前記ポンピングビームが多モードビームである、請求項１〜１８のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項２０】
前記ポンピングビームが、複数の異なるファイバレーザの出力を段階的に行うことにより形成される、請求項１〜１９のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項２１】
前記ストークスシードビーム及びポンピングビームが、前記ラマンレージング媒体中を後方伝播される、請求項１〜２０のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項２２】
前記ポンピングビームが、前記ラマンレージング媒体を通して複数回投射される、請求項１〜２１のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項２３】
前記ポンピングビームが、ブルースター角で前記ラマンレージング媒体とインターフェースをとる、請求項１〜２２のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項２４】
前記ラマンレージング媒体をモスアイ型反射防止表面で被覆することをさらに含む、請求項１〜２３のいずれかに記載のラマンレーザ。
【請求項２５】
ラマンレージングを受けるように適合されたラマンレージング媒体と、
前記ラマンレージング媒体を横切る間に、誘導ラマン散乱によってストークスシードビームをポンピングするための複数のポンピングビームと、を含む、ラマンレーザデバイス。
【請求項２６】
ラマンレージング又は増幅を受けるように適合されたラマンレージング媒体と、
前記ラマンレージング媒体内に形成されるストークス波と、
前記レージング媒体を横切る間に、誘導ラマン散乱によって前記ストークス波をポンピングするための複数のポンピングビームと、を含み、
前記ラマンレージング媒体が等方的に純化されるか、又は室温未満の温度である、ラマンレーザデバイス。
【請求項２７】
出力空間ビーム品質が入力空間ビーム品質より良好である、請求項１〜２６のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【請求項２８】
前記シードビームが、前記ラマンレージング媒体内の自発光から形成される、請求項１〜２７のいずれかに記載のラマンレーザデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高平均パワーレーザ又は増幅器の分野に関し、詳細には、高出力ラマンレーザ又は増幅器デバイスを開示する。
【背景技術】
【０００２】
参考文献
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【０００３】
本明細書全体にわたる背景技術に関するいかなる記述も、かかる技術が広く知られている、又は当該分野における共通の一般的知識の部分を形成するという承認として決して見なされないものとする。
【０００４】
高平均パワーレーザの輝度を上げることは、航空宇宙、材料加工、環境センシング、及び防衛などの領域における次世代システムの発展に非常に重要である[1-3]。
【０００５】
高品質のレーザビームを１００ｋＷのパワーでメガワットレベルまで生成する問題については、５０年以上も研究されており、本発明のレーザ自体の数年以内はまさにそうであった。化学レーザは、メガワットのパワーが実証されていること及び良好なビーム品質を有することから、これまでに最も成功している。しかしながら、これらのシステムは、汚染をしているという点で大きな問題を抱える（ヨウ素、過酸化物、フッ化水素などの排ガスを産生する）。また、波長選択が非常に限られている（酸素−ヨウ素レーザの場合は１．３ミクロンでありアイセーフではなく、ＨＦの場合は２．８ミクロンであり大気透過率が小さい）。したがって、大気を十分に透過し且つアイセーフな波長で出力を理想的に生成することができる電気的にポンピングされたレーザ技術が必要とされる。これまでで最も有望な解決策は、薄ディスクレーザ、スラブレーザ、及びファイバレーザに分類することができる。これまで、達成される最大パワーは、利得媒体の加熱が出力ビーム品質を著しく低下させる前で１０〜２０ｋＷである。活性ビーム処理（補償光学）を用いて収差を補正する試みは、高パワーへの応用が限られていたため、ビーム結合技術はまだ熟していない。長い活性ファイバを使用するなど、非常に長い利得媒体の使用も、誘導ブリルアン散乱などの非線形効果及びモデル不安定性などの熱効果に起因して、限られたパワースケーリング戦略を意味する。さらに、大半の研究は、アイセーフではない１ミクロンで行われていた。
【０００６】
平均出力パワーが１０ｋＷを超えると、非線形効果の影響の増大に起因して、回折限界ビーム品質は、大部分の利得媒体から得るのが難しい[4]。
【０００７】
複数のレーザ発振器のコヒーレントビーム結合は、単一の発振器の限度を越えて回折限界ビームパワーをスケーリングするための方法であり、各発振器の位相が、均一の横位相を有する単一の出力ビームを達成するためにサブ波長精度まで制御される[5-8]。
【０００８】
ラマンビーム結合（ＲＢＣ）は、ラマン媒体内の複数のポンプビームから高ビーム品質の単一のストークスシフトされた出力ビームへパワーを伝達する代替手法である。この技術は、多くの場合、中くらいのパワーでも大半のラマン材料内で発生する著しい熱効果を伴う。
【０００９】
ラマンビーム結合は、高パルスエネルギーだが低平均パワーのパルスガスレーザのピーク輝度をスケーリングするために、１９８０年代に研究された[11,12]。高エネルギービームは、そのようなガスレーザ内に大きなモード体積を必要とし、それが高品質ビームの達成を困難にした。複数の位相相関高エネルギーポンプビームを有する高ビーム品質ストークスシードビームを用いたＲＢＣが、高輝度の高エネルギー紫外レーザの初期開発において輝度スケーリングへの著しい進歩を可能にした[13]。位相相関ビームの要件は、これらの実験においてラマン線幅が、ポンプ及びストークスレーザ源より狭い１ｃｍ−１よりはるかに小さいという事実の反映であった。
【００１０】
ラマン増幅器の利得は、光学フォノンのコヒーレント積層に依存し、相互作用ビームの振幅及び位相特性の関数である。多くの実際の場合において、フォノン場は、ポンプからストークス場へのパワーの位相整合伝達に必要とされる波数ベクトル及び位相を有するように駆動される。励起された光学フォノンが入力波と散乱波との間の運動量の任意の差を取り除く能力の結果である、ラマン相互作用のこの自動位相整合が、多くの他の非線形相互作用と比較して多くの際立った優位性に関与している。これらの優位性は、角度及び温度に対する非感受性、高次ストークス線を生成するためにプロセスを段階的に行う能力、並びにラマンビームクリーンアップの現象を含む。
【００１１】
誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）利得特性は、単一（単色）の入力及び出力平面波場については計算が簡単である[14]。しかしながら、近単色利得を達成するため、広帯域場では、利得は、材料分散並びに場間の位相及び振幅の相関の詳細に依存する[15-18]。ラマン線幅より大きい線幅の場では、それは、場内の位相変動が相互作用中に完全に相関している場合、単色ポンプビームのレベルにのみとどまる。また、コヒーレンスがビームの横の広がりにわたって維持されるように、ビームは十分に小さい角度で結合しなければならない[16]。ビーム路長は、コヒーレンス長内まで整合されなければならない（コヒーレントビーム結合の場合よりもはるかに弱い制約）一方、相関ポンプビームの要件によって、実験は、既製の高パワーレーザを組み合わせるのにより複雑で且つより柔軟性の低いものになる。複数の非同一線上の入力ビームを使用するとき、結果としての干渉パターンに起因して（利得回折格子のこと、及び位相整合した４光波混合（ＦＷＭ）プロセスに起因して[28,29]）さらに複雑な事態が生じる。ビーム交差角度に敏感に依存するこれらの効果は、軸外しビーム生成によりエネルギー損失をもたらし得るか、又はストークスビーム品質を低下させ得る。これまで、理論展開のほとんどはガス増幅器の観点におけるものであった。ラマン結晶の場合、分析を簡略化するためにいくつかの憶測を立てることができる。第一に、ポンプ交差角度は、典型的には、利得回折格子の効果を無視できるくらい十分に大きい[16]。また、角度は、４光波混合の位相整合角度から十分に離れたところにあると考えられる。最後に、無相関のポンプの利得は、ポンプ、ストークス、及びラマン線幅に関与する補正因子に従ってスケーリングし[19]、それは、結晶の典型的な線幅の場合と多くのフリーランニングポンプを使用するときとでほぼ同じである。その結果、ラマン線幅より小さい線幅のストークス波は、単色ラマン利得係数及びその経路に沿って統合されたポンプ波の平均強度によっておおよそ得られる利得で増幅される。
【００１２】
効果的な高出力ラマンレーザが提供される場合が有利である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、高出力ラマンレーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様によると、ストークスビームのラマンレージング又は増幅を受けるように適合されたラマンレージング媒体と、レージング媒体を横切る間に、誘導ラマン散乱によってストークスビームを増幅するための少なくとも一つのポンピングビームとを含み、ラマンレージング媒体が等方的に純化されるか、又は室温未満の温度である、ラマンレーザデバイスが提供される。
【００１５】
本発明のさらなる態様によると、ストークスシードビームのラマンレージング又は増幅を受けるように適合されたラマンレージング媒体と、ラマンレージング媒体を通して投射されるストークスシードビームと、レージング媒体を横切る間に、誘導ラマン散乱によってストークスシードビームをポンピングするための少なくとも一つのポンピングビームとを含み、少なくとも一つのポンピングビームが、多モード入力ビーム又は複数の入力ビームのいずれかを含み得る、ラマンレーザデバイスが提供される。
【００１６】
いくつかの実施形態において、ラマンレージング媒体は、極低温度に冷却され得る。いくつかの実施形態において、ダイヤモンド冷却プレートが、冷却を助けるために結晶性ラマンレージング媒体に接合されることが好ましい。総出力パワーは１ｋＷを超過し得る。結晶性ラマンレージング媒体は、極低温度に冷却され得る。
【００１７】
いくつかの実施形態において、複数のポンプビームは、ストークスシードビームを同時に増幅させることができる。複数のポンプビームは、相互インコヒーレントであることが好ましい。複数のポンプビームは、非同一線であることが好ましい。ポンピングビームは、結晶性ラマンレージング媒体に焦点合わせされることが好ましい。ラマンレージング媒体は、実質的にダイヤモンド材料を含むことができる。ダイヤモンド材料は、等方的に高純度のものであり得る。ダイヤモンド材料は、９９．９９％超の炭素の一つの同位体を有することができる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、複数のポンプビームは、ストークスシードビームの周りに角度分散されることが好ましい。ポンプビームは、反ストークスの生成に起因する損失及び４光波混合によるより高いストークスビームを回避する角度で焦点合わせされることが好ましい。ポンプビームは、時間的にインターリーブされることが好ましい。ストークスシードビーム及びポンピングビームは、結晶性ラマンレージング媒体内の焦点に焦点合わせされることが好ましい。ストークスシードビーム及びポンプビームは、４光波混合の位相整合角度よりも実質的に大きい角度で交差することができる。ポンピングビームは多モードビームであることが好ましい。ポンピングビームは、複数の異なるファイバレーザの出力を段階的に行うことにより形成されることが好ましい。ストークスシードビーム及びポンピングビームは、結晶性ラマンレージング媒体中を後方伝播され得る。ポンピングビームは、結晶性ラマンレージング媒体を通して複数回投射され得る。
【００１９】
本発明のさらなる態様によると、ストークスシードビームのラマンレージングを受けるように適合された結晶性ラマンレージング媒体と、ラマンレージング媒体を通して投射されるストークスシードビームと、レージング媒体を横切る間に、誘導ラマン散乱によってストークスシードビームをポンピングするための少なくとも一つのポンピングビームとを含むラマンレーザデバイスが提供される。
【００２０】
本発明のさらなる態様によると、ストークスシードビームのラマンレージング又は増幅を受けるように適合された結晶性ラマンレージング媒体と、ラマンレージング媒体内に形成されるストークス波と、レージング媒体を横切る間に、誘導ラマン散乱によってストークス波をポンピングするための少なくとも一つのポンピングビームとを含み、結晶性ラマンレージング媒体が等方的に純化されるか、又は室温未満の温度である、ラマンレーザデバイスが提供される。
【００２１】
本発明の実施形態は、同時に以下を含む。
【００２２】
ラマン効果を使用して最適な所望の波長への波長シフティングを提供することであって、
ラマン効果を使用してビーム結合及び輝度変換を提供することと、
ダイヤモンドの極めて良好な熱特性を使用して熱効果の上限を上げること。後者は、ダイヤモンドのより高い熱伝導性に起因して他の材料よりおよそ１００〜１０００倍高く、低減した温度でダイヤモンドを使用することによりおよそ１００倍、及び同位体的に純粋なダイヤモンドを使用することによってさらに１００倍の上昇が利用可能である。
【００２３】
本実施形態は、これらを達成するための、特に、１０ｋＷよりはるかに大きいパワー及び高ビーム品質（例えば、Ｍ２＜２）を有するビームを生成するためのすべての必要なステップ及び手法を把握するために設計されている。
【００２４】
これより本発明の実施形態は、例としてのみ、添付の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】オフセットポンプビームを有する軸上ストークスシードビームが非同一線上のダイヤモンドラマンビーム結合の概念を例証する、シードビームと併せてラマンレージング材料内に焦点合わせされるオフセットポンプビームのプロセスを概略的に例証する図である。
【図２】差込曲線が、いくつかのビームオフセットについてダイヤモンドにおけるｚ（ｚＲ単位で）の関数としての横に積分利得を示す、ビームオフセットｂの関数としての実効利得を例証する図である。
【図３】差込が、１／ｅ２ウエストを示す実線を用いて選択されたビームパッキングパターンを示す、集束レンズ上の理想的に密にパックされたビームについて等しいｐを有するＮ個のポンプビームの実効利得を例証する図である。
【図４】差込の波ベクトル図及びセルマイヤー方程式を使用して値が決定される[32,33]、退化したパラメトリック混合プロセスによる二次ストークス及び反ストークス生成の位相整合角度を例証する図である。
【図５】ポンプ及びストークスビーム経路を示す第１の実施形態構成を概略的に例証する図である。
【図６】ストークスシードビーム（図示されない）が、三つすべてのビームの中央に位置付けられる、集束レンズ（Ｌ１）に入射するポンプビームプロファイルを例証する図である。
【図７】ダイヤモンド内のビームウエストから撮像されたポンプビームプロファイルを例証する図である。
【図８】線が、示されるｇｅｆｆ値を使用した利得方程式へのフィットを示す、同一線上のポンプ及びストークスシードビーム、並びに非同一線上のポンプビームのポンプ強度の関数としてのラマン利得を示す図である。
【図９】三つの非同一線上のポンプの入射（破線）及び出射（実線）パルスを示す図である。
【図１０】ストークスシードの入射（破線）及び出射（実線）パルスを示す図である。
【図１１】１％（１１１）、０．１％（１１２）、及び０．００１％（１１３）の相対的１３Ｃ同位体濃度でのダイヤモンドにおける熱伝導性（実線）及び熱光学係数（破線）の温度依存１１０を例証する図である。
【図１２】天然同位体濃度（１％１３Ｃ１２１）、（１％１３Ｃ１２２）、（１％１３Ｃ１２３）での室温（３００Ｋ）におけるダイヤモンドの性能に対する同位体的に純粋なダイヤモンドの熱感受性の比較１２０を例証する図である。
【図１３】４．１９ｋＷピークパワーシードビームを使用するときの、三つの非同一線上のポンプビームによる増幅前の遠方場ストークスプロファイルを例証する図である。
【図１４】４．１９ｋＷピークパワーシードビームを使用するときの、三つの非同一線上のポンプビームによる増幅後の遠方場ストークスプロファイルを例証する図である。
【図１５】ポンプ及びシードビームからの反ストークスビームのオフセットが、撮像レンズの色収差に起因する、１５０ｍｍ焦点距離レンズ並びに単一の軸外しポンプ及びシードビームを使用した反ストークス生成を示すＣＣＤ画像取込の図である。
【図１６】第１の代替構成を概略的に示す図である。
【図１７】第２の代替構成を概略的に示す図である。
【図１８】第３の代替構成を概略的に示す図である。
【図１９】第４の代替構成を概略的に示す図である。
【図２０】第５の代替構成を概略的に示す図である。
【図２１】ラマンレーザ空洞構成を示す図である。
【図２２】伝導翼を有するダイヤモンドを例証する図である。
【図２３】ラマンレーザ空洞構成を示す図である。
【図２４】波長に対する屈折率吸収の度合いを例証する図である。
【図２５】温度の関数としての、計算された熱光学ｄｎ／ｄＴ、端面バルジング（ｎ−１）（ｖ−ｌ）αＴ、及び複屈折係数（示されるより大きい接線偏光成分ｎ３ＣφαＴ  ａｒのみ）の比較を例証する図である。
【図２６】本実施形態で取得可能な推定パワーレベルを例証する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本実施形態は、高出力ラマンレーザデバイスを提供するシステム及び方法を提供する。
【００２７】
本発明の実施形態は、ラマン効果を使用して最適な所望の波長への波長シフティングを提供すること、ラマン効果を使用してビーム結合及び輝度変換を提供すること、ダイヤモンドの極めて良好な熱特性を使用して有害な熱効果のしきい値を上げることを同時に含む。後者のしきい値は、ダイヤモンドのより高い熱伝導性に起因して他の材料よりおよそ１００〜１０００倍高く、低減した温度でダイヤモンドを使用することによりおよそ１００倍、及び同位体的に純粋なダイヤモンドを使用することによってさらに１００倍の上昇が利用可能である。
【００２８】
本実施形態は、これらを達成するための、特に、１０ｋＷよりはるかに大きいパワー及び高ビーム品質（例えば、Ｍ２＜２）を有するビームを生成するためのすべての必要なステップ及び手法を把握するために設計されている。
【００２９】
結晶性ラマン媒体は、典型的にはガス状媒体よりもはるかに広く、且つフリーランニング固体レーザビームで単色ラマン利得を達成する可能性を提供するラマン線幅（１〜５ｃｍ−１）を有する。ポンプ及びストークス線幅がラマン線幅と比較して小さいという条件で、利得は単色値に近いままである。また、複数の非同一線上のポンプビームを使用するとき、及び互いにコヒーレントな位相関係を有しない場合がこれに当たる。ダイヤモンドの場合、ラマン線幅はおよそ１．５ｃｍ−１である。ラマン線幅と同様の帯域幅を有するビームの場合、参照文献[19-21]に説明されるような小さい利得低減が観察される。
【００３０】
第１の実施形態は、図１に概略的に例証されるように、ダイヤモンドラマンレーザに関与する。この構成では、軸上ストークスシードビーム２は、レンズ６を介してダイヤモンド結晶５を通って投射されるオフセットポンプビーム３、４の効果によって増幅され、ダイヤモンド結晶５が、ラマン利得媒体として働き、シードビームを増幅し出力ビーム７を生成する。
【００３１】
ダイヤモンドの使用は、高パワーラマンビーム結合（ＲＢＣ）の著しい優位性を提供する。ビーム２、３のポンプパワーのかなりの部分は、ラマンプロセスの不順応性に起因してラマン媒体５内の熱として堆積される。これは、ＲＢＣプロセスを高平均パワーシステムへ適合させることにとっての本質的な問題である。ダイヤモンドは、高ラマン利得、低熱膨張係数、高熱伝導性、及び適度な熱光学係数の優れた組み合わせに起因して、非常に効果的な高パワーラマン媒体を提供する。近年、端ポンプ連続波発振器内の数百ワットに近いパワーレベルを有するダイヤモンドラマンレーザが、ダイヤモンドの熱時定数より長い持続時間にわたって飽和なしで実証されている[9,10]。
【００３２】
高パワーレベルで高出力ビーム品質を有するラマン変換には優れた可能性がある。これが、キロワットクラスのレーザのビーム結合に適したパワーレベルを提供する。さらに、高収差の多モードビームが、高平均パワーパルスのダイヤモンドラマンレーザを高品質のストークスシフトされた出力でポンピングするために使用され得る[23]。ほぼ１ミクロンから１．４８μｍへのラマンシフティングプロセスの本質的損失にもかかわらず、７０％超の全体的な輝度改善が数十ワットレベルで実証された。このプロセスは、ラマンビームクリーンアップ効果[24]、ラマン増幅器におけるＲＢＣと同種であるプロセス[25]を活用する。
【００３３】
以下の実施形態のいくつかにおいて、ＣＶＤ成長ダイヤモンドにおける複数のレーザ発振器からの非同線上のＲＢＣの効果が、高出力レーザを形成するために利用される。本構造は、シードビーム品質を保持しながら、複数の多モード相互インコヒーレントポンプビーム３、４から入力シードストークスビーム５上への効率的なパワー伝達を提供する。複数のビームは、密にパックされ、単一の補正済みレンズ６を使用してラマン結晶５内に焦点が合わされる。キロワットピークパワーを有する相互インコヒーレントポンプビームは、定常状態レジームにある高パワーＲＢＣを提供するために使用される。はるかに長いパルス持続時間及びより高い平均パワーに重要である熱効果とは別に効率的なＲＢＣ（即ち、複数のポンプから単一ストークスビームへのパワー伝達のかなりの割合）を決定する基本原理の研究を可能にするためにナノ秒パルスが使用される。角度多重のビームを使用してポンピングされるラマン増幅器の利得特性が計算され、３ビーム入力システムでの結果と比較される。その結果により、最適なポンピング幾何形状及び高効率ダイヤモンドＲＢＣのパワー入力要件が明らかになる。
【００３４】
実施検討事項
【００３５】
非同一線上に焦点を合わせた幾何形状における増幅器利得
【００３６】
誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）は、ポンプ及びストークスビームを任意の位相及び任意の交差角度で結合するために必要とされる値の範囲をとることができる駆動されたフォノンのｋベクトルを用いた、自動位相整合プロセスを検討され得る。したがって、ＳＲＳは、本質的に、結晶角度又は温度と無関係であり、異なる交差角度を有するいくつかのポンプビームが単一ストークスビーム上へ結合され得ることを意味する。また、ＳＲＳは、低いビーム品質を有するポンプレーザがより高いビーム品質のストークスビームを効率的に増幅させることを可能にする[11,25]。
【００３７】
ラマン増幅器の単一パス利得は、ポンプ焦点合わせ条件並びにストークス及びポンプビームの相互重複に依存する。狭い線幅制限内に単一の平行同一線上ポンプビームを有するラマン増幅器の小信号利得は、
【数１】
2018538569.tif 000003
であり、式中、ｇ０は、定常状態ラマン利得係数であり、Ｉｐは、ポンプビームの強度であり、ｌは、結晶長である。
【００３８】
利得は、ポンプパワーＰｐに関してα＝ｇｏＰｐｌ／Ａｅｆｆとして便宜上書かれ、式中、Ａｅｆｆは、基本の（ポンプ）及びストークスビームの横及び回折挙動を記述するものである。実効面積Ａｅｆｆは、結晶の長さにわたって両方のビームの重複を積分することによって恣意的なポンプ及びストークスプロファイルについて計算され、その結果、
【数２】
2018538569.tif 000004
であり、式中、
【数３】
2018538569.tif 000005
及び
【数４】
2018538569.tif 000006
は、それぞれポンプ及びストークス場の正規化強度プロファイルである。
【００３９】
同一線上の平行ビームでは、Ａｅｆｆは、ｌと無関係であるため、ｌが増加すると利得は指数関数的に増える。ｚｒ＜＜ｌであるタイトに焦点合わせされた同一線上のビームの場合、実効面積は結晶長に比例するようになり、軸上の積分利得は最大化され、長さ及び焦点合わせ条件と無関係になる[19,21,26]。小型ラマン増幅器内の実用的ビームでは、指数関数的利得は、（１）及び（２）の解から決定され、その結果、
【数５】
2018538569.tif 000007
であり、式中、η＝λｐ／λｓ、
【数６】
2018538569.tif 000008
及び
【数７】
2018538569.tif 000009
は、ポンプ及びストークス波長の比率、ビーム品質の比率、並びにレイリー範囲の比率である。これは、ガスラマン増幅器についてＢｏｙｄら[27]によって与えられる形式であるが、それがλｐがλｓと実質的に異なることを可能にするために一般化されている点は除く。
【００４０】
（３）中のｔａｎ−１の外側の項は、結晶長に関係のない正規化ポンプとストークス横プロファイルとの間の重複項である。結晶長及びビームが焦点を通って伝播する際のビームの発達に依存する利得は、ｔａｎ−１項内に含まれる。タイトな焦点合わせでは、媒体の長さがビームのレイリー範囲よりはるかに長くなるように、ｔａｎ−１項はπ／２に近づき、利得は最大化され、（３）は、
【数８】
2018538569.tif 000010
まで低減し、ここで整合レイリー範囲（Ｒ＝１）については最大値をとる。
【００４１】
方程式（４）は、整合レイリー範囲を有する線ｘ＝ｂω０ｚ／ｚＲ（図１に例証されるように、ｚ＝０で交差し、ｚ＝ｚＲではｂω０及び集束レンズではｂＷだけオフセットされる）を中心とするポンプビームと相互作用するｚ軸に沿って伝播するシードストークスビームを考慮することによって、焦点で交差する非同一線上のビームの場合は、拡張される。利得は、（２）からのＡｅｆｆの増加値に起因するそのような角度のポンピングの場合は低減される。この低減は、非同一線上のビームのＡｅｆｆ対同一線上のビームのＡｅｆｆの比率を組み込む実効利得係数を使用することによって説明され得、以下であることが分かる。
【数９】
2018538569.tif 000011
であり、解：
【数１０】
2018538569.tif 000012
を有し、式中、Ｉｏ（ｘ）は、ゼロ次の第１種の変形ベッセル関数である。方程式（６）は、ｚＲとは無関係であり、図２に示されるようにビームオフセットｂにのみ依存する。
【００４２】
実効利得は、ポンプビームの角度が軸上シードビームに対して増加すると急速に低下するため、ｂ＝１（１／ｅ２強度レベルで二つのポンプビームについて重複を与えるオフセット）の場合、定常状態ラマン利得は、同一線上幾何形状と比較してｇｅｒｆ／ｇ０＝０．６５だけ低減する。角度付けされたビームの効果は、利得がｂのいくつかの値のｚの関数としてどのように展開するかを示す図２内の差込によってさらに強調される。ｂが大きいほど、実効利得長は、より大きい交差角度に対して予測されるように減少する。
【００４３】
各ポンプビームの帯域幅がダイヤモンド内のラマン線幅よりもはるかに小さいという条件で、複数のポンプビームが同時に使用され得、各々がストークスビームの利得を提供する。この場合、総利得は、すべてのビームのｇｅｆｆＰｐの合計によって決定される。等しいｂ及び等しいパワーを有する角度付けされたビームの場合、ビームの数Ｎの増加は、αを比例的に増加させる。恣意的なビームパターンの場合、予測される利得は、方程式（４）内でｇｅｆｆの平均値及び総ポンプパワーＰＴを使用することによって計算され得る。平均実効利得係数は、ｂ値の範囲に関与する範囲入力パターンについて決定された。
【００４４】
図３は、単一の補正済みレンズ上の各ビーム内で等しいパワーを有する最大２０個の同一のポンプビーム（例えば３１）からなるパターンの選択された範囲について、計算された正規化実効利得係数３０（ｇｅｆｆ／ｇ０）を示す。各ビームは、等しい強度を有し、１／ｅ２強度レベルで密にパックされ、差込において選択されたビームパッキング幾何形状について示されるように隣接するビームと重複する。実効利得は、より多くのポンプビームが結合されると、いくらか減少する。これは、ポンプビームを効率的に消耗するためには、より高パワーのストークスシードが必要とされることを意味する[21]。これらの計算は、個々のビームのレイリー範囲があらゆる場合においてダイヤモンド結晶の長さよりはるかに小さいと考える。１／ｅ２強度レベルでのポンプビームのクリッピングに起因するこの計算における回折効果は、無視されている。これらの効果は、ビームの数が増加すると、ダイヤモンドに伝送される総ポンプパワー（１９個の密にパックされたビームの場合は初期ポンプパワーのおよそ７．６％が回折まで失われ、３ビームの場合はおよそ４．３％である）、並びに遠方場ビームの品質を低減する。
【００４５】
４光波混合（ＦＷＭ）による高次ストークス及び反ストークス生成
【００４６】
ストークスビーム生成の動態は、ポンプビームの重畳及びモードの各ペア間の潜在的な４光波相互作用の考慮を必要とする。例えば、増幅器利得は、広帯域幅の場合、又は位相整合光波混合（ＦＷＭ）がポンプとＳ場との間に広がる[24,28]特定の伝播角度の場合、並びにＦＷＭによる高次ストークス及び反ストークス場の位相整合生成に起因して、下落し得る。
【００４７】
最大変換効率では、角度付けされたビームを有するストークスビームを増幅させるためにＳＲＳを使用するとき、高次ストークス及びストークス周波数のパラメトリック生成を回避することが重要である。いくつかの入力ポンプ角度は、ビーム結合プロセスからパワーを流用するＦＷＭの位相整合条件を満たす。ＦＷＭは、角度の置かれた反ストークス及び高次ストークス線の間にパワーを拡散する追加のモードを生成する。ガス状ラマン媒体において、位相整合角度は、典型的には１ｍｒａｄの大きさであり、１０％ものストークスパワーがＦＷＭプロセスを介して二次ストークス放射に流用され得る[30]。
【００４８】
ダイヤモンドでは、３５００ｎｍまでのダイヤモンド伝送帯域内の位相整合角度は、図４において４０で示されるように、範囲１０〜３０ｍｒａｄにある。退化したパラメトリック混合プロセスによって生成される二次ストークス４１及び反ストークス４２生成の位相整合角度が示される。差込波ベクトル図４３、４４及びセルマイヤー方程式を使用して値が決定される[32,33]。いったん生成されると、二次ストークスは、一次ストークスをポンプと見なし、さらにＳＲＳ増幅を経ることになる。実際、一次ストークスのパワーが飽和パワーより大きい場合（即ち、ポンプの５０％超を消耗することが必要とされるパワー[21]）、二次ストークスは、ポンプに直接結合されると言うことができ[31]、ＲＢＣプロセスとポンプパワーをめぐって強く競合することになる。結果として、結合角度ｂＷ／ｆは、そのようなＦＷＭを軽減するため、及び最大増幅器効率性のため、図４に示される角度から離れて選択されるべきであるか、又は後方伝播ストークスビームを使用することによって選択されるべきである。図３の９個のポンプビームなどのいくつかのパッキング幾何形状は、高次ストークス生成を防ぐために位相整合円すい角周辺にビームをパックすることによって、パッキング密度に基づいてより高い増幅因子を有する７又は８個の密にパックされたビームと比較してより良い性能を有し得る。
【００４９】
構成例
【００５０】
ダイヤモンド内のラマンビーム結合の様々な構成が可能である。
【００５１】
第１の構成例は、図５に示される５０の通りである。三つの相互インコヒーレントビーム５１は、一連のビームスプリッタ及び光遅延線を使用して単一のＮｄ添加Ｑスイッチレーザ（１ｋＨｚパルス繰り返し率で６ｎｓパルスを有する）から生成された。ビームは、密にパックされた平行ビームのアレイ５２内に集められた。
【００５２】
近接場内の測定されたポンプビーム変位量（ｂ＝１．３７）に基づいて、計算された利得係数は、ｇｅｆｆ＝０．４８１ｇ０であった。各ポンプビームのピークパワーは、最大５．２ｋＷのピークパワーを提供するために波長板及び偏光子のセットを使用して制御された。
【００５３】
ポンプレーザからの第４のビームは、第１のダイヤモンドラマンレーザ５６を使用した一次ストークス波長でビーム５５を生成するために使用され、[34]に報告されるものに類似しており、１２４０ｎｍでの一次ストークス生成のために最適化された。出力結合は、６０％であり、及び二次以上のストークスでは８０％超であった。およそ４ｎｓの持続時間のパルス（ＦＷＨＭ）では、１２４０ｎｍで２０ｋＷのピークパワーが得られた。二次ストークスが増幅器に入射しないことを確実にするためショートパスフィルタを使用した。
【００５４】
各ポンプとストークスビームとの経路長の差は、ビームが無相関の位相ノイズを有することを確実にするため、数ｍｍの元の１０６４ｎｍレーザのコヒーレンス長よりもはるかに長くなるように構成した。これは、ラマン媒体のポンピングを三つの別個の独立した発振器で模倣するために行った。パルス包絡線は依然として十分に同期していた。望遠鏡（Ｔ）５８を使用して、ビームサイズ及びシードビームの発散を最適化した。シードビームは、ダイクロイックミラーＤ１５９を使用してタイル状のポンプビームと空間的に結合された。四つすべてのビームの偏光は、複レンズ（Ｌ１）６１に衝突する前に偏光キューブ（ＰＢＳ）６０を使用してピークラマン利得軸（（１１１））と整列させ、１２４０ｎｍのために反射防止（ＡＲ）被覆された９．５ｍｍ長のダイヤモンド結晶６２（英国のＥｌｅｍｅｎｔ  ６から入手可能）内へビームの焦点を合わせた。Ｌ１での複レンズは、球面収差を低減するために使用した。軸外しポンプビームが、ＦＷＭの位相整合角度より実質的に大きい角度を有する焦点でシードストークスビームと交差するように、７５ｍｍの焦点距離を選択した。ポンプ及びストークスの入射及び透過ビームは同時に測定した。非被覆のウェッジ（Ｓ）６４及びダイクロイックフィルタ（Ｄ２）６６が、増幅器６２の前にポンプ及びストークスビームをサンプル抽出した。増幅器の後、レンズ（Ｌ２）６３及びダイクロイックフィルタ（Ｄ３）６７を使用して、撮像（Ｏｐｈｉｒ  ＳＰ６２０）カメラ及びパワーキャリブレーションされた光検出器６９上へ遠方場パターンを映し出した。キャリブレーションは、感光パワーメータ測定値及び集積フォトダイオード信号の比較を使用して、シードビーム及びポンプビームの両方のパワーレベルの範囲にわたって実施した。ショットごとの（数％の）変動の効果は、数十パルスにわたって測定値を平均することによって低減した。各ポンプビームは、タイトな焦点合わせレジームにおける動作のためにダイヤモンド６２内で１．２７ｍｍの名目上のレイリー範囲を持つおよそ２８μｍのウエスト直径を有した。
【００５５】
焦点での三つのビームのプロファイルは、図７に示され、焦点での三つすべてのビームの優れた重複を裏付けている。シードビームは、わずかに大きいウエスト（３３μｍ）を有しており、それにより重畳されたポンププロファイルを有する良好な重複を確実にした。
【００５６】
図６は、集束レンズ（Ｌ１）６１に入射するポンプビームプロファイルを例証する。ストークスシードビーム（図示されない）は、三つすべてのビームの中央に位置付けられる。図７は、ダイヤモンド内のビームウエストから撮像されたポンプビームプロファイルを例証する。
【００５７】
実験結果
【００５８】
小信号利得
【００５９】
図８は、同一線上のポンプ及びストークスシードビーム８１、並びに単一の非同一線上のポンプビーム８２、並びに三つの同一線上のポンプビーム８３のポンプ強度の関数としてのラマン増幅器利得を示す。線８１、８２、８３は、示されるｇｅｆｆ値を使用した利得方程式へのフィットを示す。
【００６０】
自由パラメータ及び既知の実験パラメータとしてｇ０を用いた（３）を使用してフィットすることによって、ラマン利得を推定した。同一線上のポンプ及びシードビームは、強い増幅８１を示し、反復実験に基づいて１５％未満の実験誤差でフィットされたパラメータはｇ０＝１０．５ｃｍ／ＧＷ（ポンプ、ストークス、及びラマンモードの線幅に対して補正された[19,20]）であった。
【００６１】
単一の角度付けされたポンプビームについてｇｅｆｆ／ｇ０の測定された値は、同一線上のビームの場合より０．４６倍低く、（５）に基づいた０．４８の予測値と良く一致した。この小さい差異はおそらく、集束レンズ（ｂ＝１．３４８）上のポンプビームと中央シードビームとの間隔における測定の不確実性、並びに複集束レンズ上の軸外しポンプビームによって生じる収差及びＤ形状の反射鏡（図５内のＴＭ２、ＴＭ３）の端からの回折効果に起因するより劣ったポンプビーム品質（Ｍ２＜１．１からＭ２≒１．２）を考えると、予測よりも小さい。すべてのポンプビームの近接場プロファイル上の回折パターンは、図６に示されるように観察された。
【００６２】
二つの追加の相互インコヒーレントビームを集束レンズ上で同様のビームオフセットで結合すると（ビーム２及び３ではそれぞれｂ＝１．１５２及び１．６１７）、ここでも単一の非同一線上のポンプビームの場合に近いｇｅｆｆ／ｇ０＝０．４７のラマン利得が生じる。総ポンプパワーの関数として観察された同様の利得は、ラマンビームコンバイナ内の角度多重ポンプビームの追加能力を実証する。即ち、利得は、総ポンプパワーに依存するが、そのパワーが単一ビームで送達されるか複数ビームで送達されるかには依存しない。これは、無相関のポンプビームの効率的なＲＢＣの実証である。
【００６３】
パワー増幅
【００６４】
三つのポンプビームからピークパワー４．１９ｋＷのストークスシード内へのパワー伝達が図９に示される。各入力ポンプビーム９１〜９３は、[21]で予想されるような各ポンプビームの相対ピークパワーにかかわらず、およそ７９．４％（ピークパワーで）消耗された９４〜９６。１．４４ｋＷ、２．１２ｋＷ、及び３．１２ｋＷのポンプピークパワーそれぞれについて、５．３２ｋＷ超の総パワーが、ポンプから取り除かれた一方、およそ４．５８ｋＷのパワーがシード内に得られた。このパワー差は、フォノン励起（５．３２ｋＷ×（１−λＰ／λＳ）≒０．７５ｋＷ）に起因する予測された損失にほぼ正確に一致する。したがって、１２４０ｎｍ放射への極小波長変換が観察された。全体的なコンバイナ効率（増幅された出力パワーに対する光学入力パワー）は６９％であった。
【００６５】
図１０は、入力ストークスシードビーム１０１及び結果としての出力増幅シード１０２を例証する。
【００６６】
ダイヤモンドラマン増幅器前後の遠方場ストークスプロファイルは、それぞれ図１３及び図１４に示される。遠方場におけるストークスプロファイルは、その元のガウスプロファイルを維持するということが分かった。
【００６７】
代わりに焦点距離１５０ｍｍの焦点レンズを使用する場合、入力角度は、予想した位相整合反ストークス生成にはるかに近かった。結果的に、反ストークスビームが撮像カメラ上で観察された。図１５は、反ストークスビームの例を例証する。単一のポンプビームからの増幅シードビームに匹敵する強度の１４８５ｎｍでの二次ストークスパワーが見つかった。二次ストークスの正確な位相整合は、およそ１８０ｍｍの焦点距離を使用したビーム幾何形状について得られる、およそ２０．１ｍｒａｄの外角を有するポンプビームに対して予想される。７５ｍｍレンズを使用する場合、二次ストークス発光は大いに低減された（一次ストークス強度の５％未満）。
【００６８】
ストークスビーム上に４．５６ｋＷのパワーを伝達すると、フォノン崩壊に起因してダイヤモンドのバルク内におよそ７６０Ｗが堆積する。パルス持続時間は、定常状態の光学フォノン場を達成するための時間より何倍も長い（ダイヤモンドにおいて７ｐｓの位相緩和時間）というのに、熱効果がはるかに長い時間にわたって生じる（およそ４０μｍのウエスト半径において、≒１０μｓの熱時定数の温度勾配で、結晶にわたって定常状態の温度分布を達成するおよそ１ミリ秒）。
【００６９】
熱誘起応力破壊、複屈折、及びレンズ効果は、重要な検討事項である。堆積されたパワーは、予想された１ＭＷの応力破壊制限未満の大きさである[22]。高平均パワー動作の最大のリスクは、適度に高い熱光学係数のダイヤモンドによるものである。３８０Ｗｃｗダイヤモンドラマンレーザが、熱時定数よりはるかに長い期間にわたってスロープ効率及びビーム品質の低下なしに実証されたということ[9]は、キロワット範囲でダイヤモンドラマンレーザ及び増幅器平均パワーを達成するのに有望である。熱堆積プロファイルがポンプ消耗のプロファイルに一致するという仮定に基づいたレンズ強度の計算は、熱レンズ強度を著しく過大評価することが近年示された[10]。
【００７０】
熱誘起応力破壊、複屈折、及びレンズ効果は、重大な検討事項である。堆積されたパワーは、予想された１ＭＷの応力破壊制限未満の大きさである。ウエストω０のビームにおける所与の熱負荷Ｐｄｅｐでは、熱光学、端面バルジング、及び応力誘起複屈折の結果としての等方晶における熱レンズ強度は、
【数１１】
2018538569.tif 000013
によって得られ、式中、ダイヤモンドの場合ポアソン比ν＝０．０６９であり、熱膨張係数及びＣｒ＝０．０１５、Ｃφ＝−０．０３２である。支配項は、ダイヤモンドでは比較的高い熱光学係数の結果となることが予想される。残念ながら、熱堆積の原因となる基本プロセスは、よく理解されておらず、結果としてレンズ強度の計算は高い不確実性を有する。例えば、熱堆積プロファイルがポンプ消耗のプロファイルに一致するという標準的な仮定を立てることは、熱レンズ強度における著しい過大評価を導くことが分かっている。より長いパルスにわたるダイヤモンド加熱又は連続波動作の影響を正確に予想するためには、フォノン崩壊、熱堆積、及び後続の熱効果の機序の研究を要する。それにもかかわらず、３８０Ｗｃｗダイヤモンドラマンレーザは、熱時定数よりはるかに長い期間にわたってスロープ効率及びビーム品質の低下なしに実証されている。
【００７１】
図１１は、１％（１１１）、０．１％（１１２）、及び０．００１％（１１３）の相対的１３Ｃ同位体濃度でのダイヤモンドにおける熱伝導性（実線）及び熱光学係数（破線）の温度依存１１０を例証する。
【００７２】
図１２は、天然同位体濃度（１％１３Ｃ１２１）、（１％１３Ｃ１２２）、（１％１３Ｃ１２３）での室温（３００Ｋ）におけるダイヤモンドの性能に対する同位体的に純粋なダイヤモンドの熱感受性の比較１２０を例証する。熱感受性は、（ｄｎ／ｄＴ）／κと定義され、堆積されたパワーのワットあたりの焦点距離を単位とする。差込１２８は、８０Ｋ（１２５）、１５０Ｋ（１２６）、及び３００Ｋ（１２７）を含む異なる温度での１３Ｃ濃度の関数としての熱伝導性を示す。熱光学係数は、同位体純度と比較的無関係である。
【００７３】
熱効果が様々なパワーレベルで重要であり得るという大きなリスクにもかかわらず、これらの効果を軽減するために利用可能な戦略はいくつか存在する。同位体的に純粋なダイヤモンド及び極低温動作は、ダイヤモンドラマンビームコンバイナ内の有害な熱効果が明らかになる前に非常に高い「しきい値」の可能性を提供する。ポンプ及び冷却幾何形状は重要な役割を果たすが、ｃｗ動作の下では、熱光学係数対熱伝導性の比は、材料の熱感受性、又は熱レンズの焦点距離が所与の材料内の堆積されたパワーのワットあたりどれくらい生じるか、を説明するための性能指数として使用され得る。この性能指数は、他の一般的な光学及び電子材料に対するダイヤモンドの熱ポテンシャルを説明するために使用されていたが、図１０では、高い同位体純度を有する極低温に冷却されたダイヤモンドの熱ポテンシャルを、天然同位体濃度のダイヤモンドの室温動作と比較するために使用される。
【００７４】
熱光学係数（ｄｎ／ｄＴ）は、低減した温度では値が減少する。液体窒素温度では、ダイヤモンドの熱光学係数はその天然で発生する同位体比（１３Ｃ画分＝１．１％）にあるとき、３００Ｋの場合よりおよそ１４００倍小さい。１００Ｋでは、それは３００Ｋの場合よりおよそ１１０倍小さい。また、熱伝導性は、温度低下の関数として値が減少する。室温では、ダイヤモンドはその天然で発生する同位体比にあるとき、およそ２２Ｗ／ｃｍ．Ｋの熱伝導性を有する。この熱伝導性の値は、ダイヤモンド格子内の不純物及び欠陥が増加すると減少する。液体窒素温度では、ダイヤモンドの熱伝導性は、３００Ｋのときと比較しておよそ７倍増加する。２００Ｋでは、熱伝導性は、室温のときより１．８倍大きい。
【００７５】
液体窒素温度では、熱伝導性は、同位体不純物の小規模の不一致と関連付けられる通常の散乱プロセス（より高温度でのウムクラッププロセスではなく）によって制限される[37,36]。超高純度ダイヤモンドにおける熱伝導性は、２０００Ｗ／ｃｍ．Ｋを超過すると予測され[37]、０．００１％の１３Ｃ濃度では、熱「しきい値」に対する４桁を超える改善が可能である。超高純度ダイヤモンドを用いた過剰な熱伝導性及び極低温度の小さい熱光学係数は、ダイヤモンドラマンビームコンバイナ内の単一の発振器の制限をはるかに超えるパワー取り扱い能力の将来性を強調する。
【００７６】
以下の表は、その天然で発生する同位体比（１．１％の１３Ｃ濃度）のダイヤモンド及び０．００１％の１３Ｃ濃度の同位体的に純粋なダイヤモンドについて、主要温度でのダイヤモンドの熱光学係数、熱伝導性、及び熱感受性をまとめたものである。（表内の値は参照文献３６及び３７から集めてまとめた）。
【００７７】
【表１】
2018538569.tif 000014
【００７８】
この最初の実施形態において、ダイヤモンド内のラマンビーム結合は、複数の相互インコヒーレントビームから単一のストークスシフトされたビームへ良好なビーム品質でパワーを伝達するための効率的な手法を提供した。三つの角度多重の相互インコヒーレントビームは、良好なビーム品質及び６８．５％の全体的なパワー伝達効率で結合されて、単一の増幅されたストークスシフトされたビームとなった。各ポンプビームの７９％超が、４．１９ｋＷピークパワーナノ秒シードパルスによって消耗された。この実施形態は、高平均パワー多モードレーザ技術に好適な結晶性材料内のラマンビーム結合の実証を表す。インコヒーレントポンプビームを使用することにより、この手法は、コヒーレントビーム結合及び従来のガスベースのＲＢＣ技術によって課せられるこれらの制約を緩和する。
【００７９】
これらの結果は、現在のＣＷレーザ技術によって利用可能であるパワーでの、ラマン定常状態レジームにおけるビーム結合を例証する。
【００８０】
代替実施形態
複数の代替構成が可能である。例えば、図１６は、代替構成１４０を概略的に例証するものであり、複数の非同一線上のポンプビームが、ダイクロイックミラー１４２を介して入力される。入力シードビーム１４５は、後方伝播ビーム内に提供される。後方伝播ビームは、位相整合が全体的に満たされないため、無給電４光波混合の機会を減少させる。増幅された出力１４６は、ダイクロイックミラー１４２を介して出射する。
【００８１】
図１７では、直噴構成１５０が示され、高出力レーザ１５１は、シードビームと併せてダイヤモンド増幅器１５２に直接結合される。
【００８２】
図１８では、さらなる代替構成１６０が示され、ポンピング源は、一連の単一モードファイバレーザ（例えば１６１）を含み、それらの出力がまとめて結合されて（１６２）、多モードファイバ１６３内に高パワーの出力を形成する。この結合は、代替的に、光子ランタン構成により発生する場合がある。出力は、シードビーム（図示されない）と併せてダイヤモンドラマン増幅器１６６上に焦点を合わされ（１６４）、増幅された出力１６６を生成する。個々のレーザ１６２はすべて、互いの一つのラマン線幅内にあることが好ましく、それは、レーザ１６２すべてが単一のマスター発振器の増幅により得られることにより取得されるが、コヒーレントビーム結合とは違って、源の各々からの位相を管理する必要はない。
【００８３】
さらなる代替実施形態において、木構造は、光子ランタン型構造と置き換えられ得る。理想的には、Ｍスクエアはできる限り保存されるため、Ｎ個の単一モードファイバが単一要素内に結合されて、高効率を有するＮモードの多モードファイバになり得る。
【００８４】
さらなる代替実施形態は、マルチパスポンプのアーキテクチャを利用することができる。マルチパスアーキテクチャを達成するために偏光効果を利用する第１の構成例は、図１９に１７０で示される。この構成では、偏光されたポンプ入力１７６は、入力シードビーム１７５を増幅させるダイヤモンド基板１７３内に焦点を合わされる前にまず偏光ミラー１７２によって反射される。ダイクロイックミラー１７１は、出力ストークスビームを透過し、残留ポンプを反射する。１／４波長板１７４は、ミラー１７７による４５度反射による残留ポンプの相対的直角偏光状態、及び、波長板１７１を通り、次いで第２のパスのためのラマンダイヤモンド増幅器を通って後方に反射される第２のパスを変化させる。ポンピングされたビームは、ラマンダイヤモンド材料を通る第３のパスのためのダイクロイックミラー１７７によってさらに反射される。ダイクロイックミラー１７７は、任意選択的であり得、ポンプレーザを後方反射から守るためにポンプビームが良好に隔離されている場合に使用され得る。さらなる代替構成においては、ミラーの代わりに再帰性反射板が使用され得る。明白性のため、レンズ効果システムは示されていない。
【００８５】
図２０は、さらなるダブルパス構成１８０を例証するものであり、ここでは偏光された入力ポンプビーム１８１は、ストークスシードビーム入力１８２から逆方向より入力される。ポンプビーム１８１は、ダイクロイックミラー１８９、偏光ビームスプリッタ１８３、及びラマンダイヤモンド増幅器１８４を透過する。続いて、それは、ダイクロイックミラー１８５、１８６、半波長板１８７、及びミラー１８８を介してループを回る。続いて、それは、ラマンダイヤモンド増幅器１８４を回る別のループのために、出力される（１９０）前にビームスプリッタ１８３によって反射される。
【００８６】
ストークス入力１８２は、増幅後、ダイクロイックミラー１８９によって反射され、出力される（１９１）。
【００８７】
さらなる構成は、共鳴増幅器構成を利用することができる。図２１は、一つのそのような構成１９５を概略的に例証するものであり、ここではシード及び入力ポンプビームは、ダイクロイックミラー１９８から形成される共鳴空洞に入力され、空洞長は共鳴目的のために調節可能である。
【００８８】
他の構成では、多段増幅器が提供され得、ここでは一つの段から出力されたストークスは、次の段へのシード入力として働く。
【００８９】
構成において、様々な偏光スキームを使用することができる。偏光スキームはまた、独立した直角に偏光されたポンプビームの対の標準的な偏光結合と、又は非偏光ポンプビームと組み合わせて使用することができる。ポンプ及びシードビームに好ましい偏光は、添付の表に提示される。
【００９０】
【表２】
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【００９１】
非同一線上のポンピングについて、表に明記された方向は、理想の方向である。円偏光の場合、ポンプ偏光方向は、左又は右いずれかに円偏光され得る。シード偏光方向は、反対の偏光特性を有する。＜１１０＞偏光方向の場合、シード偏光は、ポンプ偏光方向に反対の偏光特性を有する楕円形であり得る。この楕円は、短軸より１．５倍強い強度で＜１１０＞に平行に配向された主軸を有する。
【００９２】
ポンプ及びストークスビームの線幅は、ラマン線幅の大きさ以下のものでなければならない。レーザポンプは、パルス波又は連続波であり得る。パルスは、１０００兆分の１秒ほどの短さであり得る。レーザの超短パルスポンピングには、同期ポンピングが望ましい。ポンプのビーム品質に対する主な要件は、ダイヤモンド内のポンプ及びＴＥＭ００ストークスビームの良好な空間的重複を確実にすることである。
【００９３】
好ましいダイヤモンド仕様は以下のようになり得る。同位体的に純粋（例えば、＜０．１％の１２／１３Ｃ不純物）、冷却された温度（８０Ｋ〜３００Ｋの間）、破壊を回避するために低欠陥応力（ラマン分光法によって測定される応力＜１ＧＰａでのビームが通る領域）、コーティングは薄くなければならない（１〜２ミクロン厚）、光子誘起表面酸化を防ぐために結晶の近くに酸素が存在してはならない。
【００９４】
いくつかの構成では、熱膨張に対処するため、及び高い熱伝導性のため、多結晶性ダイヤモンドヒートシンクが提供され得る。人工ダイヤモンドの製造費用の低下を考えると、代替実施形態は、流体冷却と併せて、同位体的に純粋なダイヤモンド製のヒートシンク、及び高い表面対体積比のためにダイヤモンドを使用した導波管を利用する可能性がある。
【００９５】
いくつかの構成において、ダイヤモンド結晶は、銀添着ペースト若しくはエポキシ又は金属はんだなどの熱ペーストを使用してヒートシンクに接触され得る。ダイヤモンド表面は、熱誘起応力破壊のリスクを低減するため、及びはんだのペーストができる限り均一に薄くなることを可能にするために、高度に研磨されるべきである。後者の理由のため、ヒートシンクも高度に研磨されなければならない。銀、金、若しくは銅錫合金、チタン、及びインジウムなどのはんだ材料が使用され得る。界面接触の強度及び完全性を向上させるには、ダイヤモンド表面を、はんだ付けの前に、Ｔｉ、Ａｇ、又はＰｔなどの金属層でスパッタコートすることが重要であり得る。
【００９６】
いくつかの場合においては、界面媒体を使用しないことが有利でもある。この場合、ダイヤモンドとヒートシンクとの間の良好な熱接触は、互いに平坦な表面を確実にして圧力を印加すること[43]又は液体を使った接合技術を使用すること[44]によって達成され得る。
【００９７】
人工ダイヤモンド導波管の製造は、ストークスモード体積の効率的なポンピングのためのさらなる方法を提供し、効果的な熱除去を可能にする。ダイヤモンドが最良の接触冷却媒体である可能性が高いという事実は、ポンプビームの誘導及び活性領域の冷却を同時に提供することに課題をもたらす。両方を達成することができる有利な幾何形状が存在する。例えば、図２２は、破線によって強調されている中央ストークスモードエリア、及び効率的な熱伝達のための一連のタブ２０３、２０４を有する加工されたダイヤモンド構造の端面図を示す一つの構成例の端面図２０１を例証する。導波管２０２の曲線形状は、冷却タブ２０３、２０４内への損失なしに、中央のストークスモードエリアを通る入力ポンプビームの内部反射を提供するように設計される。
【００９８】
本実施形態は、応用エネルギー及び高パワーレーザ応用のための極低温に冷却されたダイヤモンドラマンビームコンバイナの分野における特定の応用を有する。
【００９９】
ダイヤモンドレーザ発振器設計
高ビーム品質出力を生成する高パワーラマンレーザは、図２３に概略的に示される設計２３０に従って構成され得る。入力ポンプビームは、複数のビーム又は単一のポンプビームを含むことができる。ポンプビームは、単一又は多空間モードであり得る。ポンプビームは、ダイヤモンド２３２内に焦点を合わされて、レーザしきい値より大きい強度を達成する。レーザ空洞は、二つのミラー２３３、２３４によって画定される。空洞の曲率及び間隔は、当業者に知られているように、ＴＥＭ００ストークスモードの、結晶のポンピングされた領域との良好な空間的重複を達成するように設計される。ミラーの間隔はまた、ミラーコーティング損傷しきい値を超過しないように、レーザモードがミラーに衝突する前にレーザモードの適度な拡大を確実にするために設計される。
【０１００】
ミラーコーティングは、高い損傷しきい値を有する超損失でなければならない。イオンビームスパッタされたミラーコーティングは、連続波動作のため又は１マイクロ秒より長いパルス持続時間のために高い損傷しきい値を有するコーティングを生成するための好適なコーティング技術の一例である。例えば、１ＭＷ出力ビームの場合、空洞内パワーは、５０〜１００ＭＷの高さであり、それは損傷を回避するためにミラーでのビームサイズが１０ｃｍ（直径）以上の大きさのものであることを要する。空洞コーティングは、当業者によく知られている原理を使用して、選択されたストークス次数で出力を達成するように選択される。
【０１０１】
ミラー基板は、低吸収損失、高熱伝導性、及び熱レンズ効果に対する低感受性が理由で選択されるべきである。不純物融合の低いシリカ、ＳｉＣ、シリコン、及びダイヤモンドなどの基板が優先的であり得る。
【０１０２】
ダイヤモンド
【０１０３】
ダイヤモンド材料は、化学蒸着により、又は高圧高温技術を使用することにより成長する、天然源からのものであり得る。より大きいビームサイズがより高いパワーでは必要であり得るため、開口の大きい結晶が必要な場合がある。出力パワー１ＭＷのラマンレーザの例では、効率的な変換には最大数ミリメートルのビームウエスト直径が最適であり得、したがって結晶端でビームクリッピングを回避するために１ｃｍ×１ｃｍの大きさの結晶開口サイズを余儀なくさせる。成長方法の選択は、開口サイズ、長さ、光及び熱誘起応力破壊、低い不純物吸収、並びに、用途によっては、応力誘起複屈折に起因する低い偏光解消に対する要件を同時に満たすことによって決まることになる。
【０１０４】
ラマン媒体の光学損傷
【０１０５】
光学表面損傷又は光学バルク損傷に起因して、おそらくは、ラマン媒体に損傷が発生し得る。端面における選択されたビームエリアが、しきい値を超過することを回避するのに十分に大きいことを確実にすることによって、アブレーションに起因するレーザ誘起損傷のしきい値を上回って増加するレーザ強度に起因する表面損傷は防がれ得る。ダイヤモンドの場合、炭素種の多光子誘起噴出に起因する表面損傷は、減圧容器内又は無酸素環境内にダイヤモンドを置くことによって、酸素がダイヤモンド表面と接触していないことを確実にすることによって防がれ得る。
【０１０６】
表面上の反射防止光学コーティングの存在は、損傷しきい値を減少させ得る。コーティングは、電子ビームスパッタ及びイオンビームスパッタなどの技術を使用して適用され得る。イオンビームスパッタされたコーティングは、連続波レジーム、１マイクロ秒より長いパルス、及び２０ｐｓより短いパルスにおける高い損傷しきい値に好適である。
【０１０７】
ダイヤモンドはまた、光誘起応力破壊のリスクを低減するように選択及び製作されなければならない。傷のない高度に研磨された表面を有し且つ角のクリッピングのないダイヤモンドの製作は、このリスクを低減する助けとなる。ダイヤモンドはまた、大きな内部応力又は吸収欠陥なしに選択されなければならない。内部応力の測定は、ラマン周波数内の複屈折及び応力誘起シフトの測定により達成され得る。
【０１０８】
高い二軸応力の領域を通るレーザビーム伝播は回避されなければならない。複屈折マップによって明示されるような大きい単軸応力を示す領域も回避されなければならない。
【０１０９】
熱膨張のレベルに起因して光学コーティングが問題となる場合、ダイヤモンドは、ブルースター角度で面を有して切断され得る。これは、極低温度又は冷却設計が利用される場合には、大きな利益を提供し得る。
【０１１０】
この問題に対する別の重要な解決策は、モスアイ（ナノパターン化）反射防止表面構造である。
【０１１１】
自己集束
【０１１２】
超高パワーまでスケーリングするとき、自己集束と呼ばれる効果が作用し始め、これは、その電子的非線形性（カー非線形性）に起因してラマン材料内のレンズを誘起するように働く。これが十分に重度である場合、それはラマン媒体の損傷をもたらし得る。ビームパワーについては、およそＰｃｒｉｔｉｃａｌ＝０．１５λ２／ｎｎ２を上回って発生することが予想される。
【０１１３】
ダイヤモンドは、高い屈折率ｎを有するが、比較的低い非線形屈折率ｎ２を有する。したがって、多くの他の材料と比較して高いＰｃｒｉｔｉｃａｌを有することが予想される。例えば、１．２４ミクロンでは、Ｐｃｒｉｔｉｃａｌは、２ＭＷを上回ることが予想される。それにもかかわらず、上記表現は、自己集束を回避しつつ高パワーを達成するための戦略を強調するものである。これらは、より長い波長（増加されたλ、及びまた、ここではｎ及びｎ２が、図２４に例証されるように低減された値を有することが予想される）での動作を含む。
【０１１４】
媒体内の総ビームパワーを最小限にする構造はまた、超高パワーを達成するのに望ましい。例えば、低品質係数空洞を使用する増幅器又はラマンレーザ発振器は、高品質係数発振器と比較して媒体内の総ビームパワーを低減する実施形態である。何らかの自己集束を経る場合、適切な空洞設計により焦点合わせを補償すること（発振器の場合）、又はラマン媒体の長さ以内で焦点合わせをすることを防ぐ発散を有するように入力シードビームを構成すること（増幅器の場合）によって、損傷は回避され得る。
【０１１５】
主な波長：以下の表は、本システムについていくつかの重要なポンプレーザ及び動作波長［ｎｍ］を示す。
【０１１６】
【表３】
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【０１１７】
結晶歪み及び複屈折の大きな減少はまた、ｎ＝３の場合αＴのおよそＴｎの依存性の結果として予期される。図２６は、方程式（７）中の最後の二つの項の寄与が最も関心のある温度範囲（７７〜３００Ｋ）ではわずかであり、およそ６０Ｋを下回ってはじめて比較可能になるということを示す。低減された温度の利益は、同位体的に純化された材料を検討するときに大いに増大される。０．１％未満の単一の同位体不純物レベルは、化学蒸着を使用して以前に合成されている[57]。κの並外れて大きい増加は、図１２に示されるように利用可能であり、１２５Ｋというはるかに高い温度での熱感受性の低減、又は７７Ｋでは因子１０５による低減をもたらす。（ｄｎ／ｄＴは、同位体濃度に弱く依存する。）低減された温度での同位体的に純粋なダイヤモンドの極めて低い熱感受性は、メガワット範囲に向かい且つ熱による影響を受けないビーム品質を有するパワー取り扱い能力の将来性を強調するものである。メガワットレベルは、カー自己集束も検討を要する可能性があるという点として確認されている[22]。そのようなレベルまでパワーを増加させると、ダイヤモンド損傷しきい値を超過することを回避するために、ダイヤモンド内のビームエリアを比例的に増加させることを要することになる。結晶（これまで使用された結晶では典型的には１〜２ｃｍ２の適度の表面エリアを有する）から著しい熱負荷を除去することは困難であり得る。しかしながら、単一結晶と同様の熱伝導性を有し[59]、大きな薄ウエハ内で容易に成長し得る多結晶性ダイヤモンドは、利得結晶を接触冷却するための、及びほぼ同一の熱膨張係数の付加利益を有する、スケーリング可能な手段を提供する。
【０１１８】
概説されるパワースケーリング手法は、特にラマン線幅よりあまり大きすぎない出力帯域幅を有するものを含む様々なポンプレーザに応用可能である。ダイヤモンドの熱特性の助けを借りて結果として生じるパワーは、任意の他の固体レーザ技術のパワー取り扱い能力をはるかに超えるパワー取り扱い能力を達成するのに有望である。
【０１１９】
ＣＷ  Ｙｂ及びＮｄレーザは第一選択であるが、本手法はまた、他のシステムにおけるビーム変換に対処するように適合され得る。例えば、超高速レーザのビーム結合は、この場合、ダイヤモンド内の自己集束の効果が軽減される必要があるにもかかわらず、検討され得る。原則として、直接ダイオードポンピングも実現可能である。
【０１２０】
図２６は、本実施形態のシステムの結果としての潜在的パワーレベルの指標を与え、高パワーレベルの潜在的可能性を示す２６０。
【０１２１】
解釈
本明細書全体にわたって「一つの実施形態」、「いくつかの実施形態」、又は「一実施形態」への言及は、その実施形態と関連して説明されるある特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたって様々な箇所における「一つの実施形態において」、「いくつかの実施形態において」、又は「一実施形態において」の登場は、必ずしもすべて同じ実施形態について言及しているのではないが、そうである場合がある。さらに、特定の特徴、構造、又は特性は、一つ以上の実施形態において、当業者にはこの開示から明白であるような好適な様式で組み合わされてもよい。
【０１２２】
本明細書で使用される場合、別途指定のない限り、共通の目的物を説明するための序数形容詞「第１の」、「第２の」、「第３の」などの使用は、同様の目的物の異なる例について言及されていることを単に示すだけであり、そのように述べられた目的物が、時間的に、空間的に、順位において、又は任意の他の様式のいずれかにおいて、所与の順序でなければならないと説明されることを示唆することを意図しない。
【０１２３】
以下の特許請求の範囲及び本明細書において、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）、からなる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ  ｏｆ）、又は備える（ｗｈｉｃｈ  ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）という用語のうちのいずれか一つは、少なくとも後に続く要素／特徴を含むが他を除外しないことを意味するオープンタームである。したがって、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）という用語は、特許請求の範囲において使用される場合、その後に列挙される手段又は要素又はステップに限定されるものとして解釈されるべきではない。例えば、Ａ及びＢを備えるデバイスという表現の範囲は、要素Ａ及びＢのみからなるデバイスに制限されるべきではない。本明細書で使用される場合、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）又は含む（ｗｈｉｃｈ  ｉｎｃｌｕｄｅｓ）又は（ｔｈａｔ  ｉｎｃｌｕｄｅｓ）という用語のうちのいずれか一つもまた、少なくともその用語の後に続く要素／特徴を含むが他を除外しないことを意味するオープンタームである。したがって、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）は備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）と同義であり、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）を意味する。
【０１２４】
本明細書で使用される場合、「例示的な」という用語は、質を示すのとは対照的に、例を提供するという意味で使用される。即ち、「例示的な実施形態」は、必然的に例示的な質の実施形態であるのとは対照的に、例として提供される実施形態である。
【０１２５】
本発明の例示的な実施形態の上記説明において、本発明の様々な特徴は、開示を合理化する目的のため、及び様々な発明の態様のうちの一つ以上の理解を助ける目的のため、ときに、単一の実施形態、図、又はそれらの説明においてまとめられるということを理解されたい。しかしながら、本開示の方法は、特許請求された発明が、各特許請求項内に明示的に列挙される特徴より多くを必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求項が反映するように、発明の態様は、単一の前述の開示された実施形態のすべての特徴より少なく存在する。したがって、発明を実施するための形態に続く特許請求項は、これによりこの発明を実施するための形態に明示的に組み込まれ、各特許請求項は、本発明の別個の実施形態として自立している。
【０１２６】
さらに、本明細書に説明されるいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれる一部の特徴を含むが他の特徴は含まないということがあるが、当業者に理解されるように、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内にあり、異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、以下の特許請求項において、特許請求された実施形態のいずれかが、任意の組み合わせで使用され得る。
【０１２７】
さらに、実施形態のうちのいくつかは、コンピュータシステムのプロセッサによって若しくは機能を実行する他の手段によって実施され得る方法又は方法の要素の組み合わせとして本明細書では説明される。したがって、そのような方法又は方法の要素を実行するための必要な命令を有するプロセッサは、方法又は方法の要素を実行するための手段を形成する。さらに、装置実施形態の本明細書に説明される要素は、本発明を実行する目的のために要素によって実施される機能を実行するための手段の例である。
【０１２８】
本明細書に提供される説明においては、多数の特定の詳細事項が明示される。しかしながら、本発明の実施形態はこれらの特定の詳細事項なしで実践され得るということが理解される。他の例では、よく知られている方法、構造、及び技術は、本説明の理解を不明瞭にしないように、詳細には示されていない。
【０１２９】
同様に、結合されるという用語は、特許請求の範囲内で使用されるとき、直接接続にのみ限定されるものとして解釈されるべきではないということに留意されたい。「結合される」及び「接続される」という用語が、それらの派生語と併せて、使用され得る。これらの用語は互いの同義語として意図されないことを理解されたい。したがって、デバイスＢに結合されるデバイスＡという表現の範囲は、デバイスＡの出力部がデバイスＢの入力部に直接接続されるデバイス又はシステムに限定されるべきではない。これは、Ａの出力部とＢの入力部との間に経路が存在し、それは他のデバイス又は手段を含む経路であり得るということを意味する。「結合される」は、二つ以上の要素が、直接の物理的な接触、若しくは電気的な接触のいずれかにあること、又は二つ以上の要素が互いと直接接触していないが、依然として互いと協調しているか相互作用していることを意味し得る。
【０１３０】
このように、本発明の好ましい実施形態であると考えられているものについて説明されているが、当業者は、本発明の趣旨から逸脱することなくそこに他の及びさらなる修正がなされ得るということを理解するものとし、そのような変更及び修正すべては本発明の範囲内に入ると主張することが意図される。例えば、上で示されるいかなる公式も、使用され得る手順を代表するものにすぎない。機能性は、ブロック図に追加されても、そこから削除されてもよく、動作は機能ブロック間で交換されてもよい。ステップは、本発明の範囲内で、説明される方法に追加されても、そこから削除されてもよい。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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