(57)【要約】  シングル縦モードリングラマンレーザであって：ポンプ光パワーを出力し、第１リング共鳴器とモード整合して共鳴するポンプソース；前記ポンプ光パワーの第１リング共鳴器に対する共鳴結合を安定化する光測定およびピエゾアクチュエータ；ラマンゲイン媒体を有する第１リング共鳴器；を備え、前記ラマンゲイン媒体は、前記ポンプ光パワーを受け取り、対応するストークス出力波長においてラマン励起して共鳴ストークスパワーを生成し、前記第１リング共鳴器は、前記ポンプ光パワーと前記共鳴ストークスパワーのフィードバックループとして動作し、前記ストークスパワーの一部を前記レーザの出力として出力する。【選択図】図１
2020504333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングル縦モードリングラマンレーザであって、
ポンプ光パワーを出力し、第１リング共鳴器とモード整合して共鳴するポンプソース；
前記ポンプ光パワーを第１リング共鳴器と共鳴結合する安定化光回路；
ラマンゲイン媒体を有する第１リング共鳴器；
を備え、
前記ラマンゲイン媒体は、前記ポンプ光パワーを受け取り、対応するストークス波長においてラマン励起してストークスパワーを生成し、
前記第１リング共鳴器は、前記ポンプ光パワーと前記ストークスパワーのフィードバックループとして動作し、前記ストークスパワーの一部を前記レーザの出力として出力する
ことを特徴とするラマンレーザ。
【請求項２】
前記ラマンレーザはさらに、前記ストークス出力パワーが前記第１リング共鳴器内において１方向伝搬するようにする単方向性アイソレータを備える
ことを特徴とする請求項１記載のラマンレーザ。
【請求項３】
前記単方向性アイソレータは、部分反射素子またはホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を備える
ことを特徴とする請求項２記載のラマンレーザ。
【請求項４】
前記第１リング共鳴器は、前記ラマン励起媒体において前記ポンプ光パワーを楕円断面または円断面に対して集束させる連続した曲面ミラーを有するボウネクタイ型キャビティを備える
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のラマンレーザ。
【請求項５】
前記ラマンゲイン媒体は、低複屈折、低窒素成長ダイアモンド結晶を備える
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のラマンレーザ。
【請求項６】
前記ダイアモンド結晶は、ブリュースター角で切断されていることにより、［１１０］方向に沿って光が伝搬し、［１１１］軸に沿って偏光作用を有する
ことを特徴とする請求項５記載のラマンレーザ。
【請求項７】
前記ラマンレーザはさらに、前記ストークス波長において高選択性を有することにより前記ストークス出力パワーを前記ポンプソースから分離する、連続したダイクロイックミラーを有する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のラマンレーザ。
【請求項８】
前記部分反射ミラーは、再帰反射ミラーを備える
ことを特徴とする請求項３記載のラマンレーザ。
【請求項９】
前記単方向性アイソレータは、非可逆光アイソレータを備える
ことを特徴とする請求項３記載のラマンレーザ。
【請求項１０】
前記単方向性アイソレータは、ポンプ光パワーと２方向生成場の和周波数混合に起因するパラメトリック損失の結果として形成されている
ことを特徴とする請求項２記載のラマンレーザ。
【請求項１１】
前記ポンプ光パワーは、前記ラマンレーザのストークス出力との和周波数混合である
ことを特徴とする請求項１０記載のラマンレーザ。
【請求項１２】
前記和周波数混合は、ＢＢＯ結晶によって提供される
ことを特徴とする請求項１０または１１記載のラマンレーザ。
【請求項１３】
シングル縦モードリングラマンレーザであって、
第１リング共鳴器に対してラマンポンプパワーを入力するポンプパワー入力ユニット；
前記ラマンポンプパワーを受信し、対応するストークス波長においてラマン励起してストークスパワーを生成するラマンゲイン媒体を有する、第１リング共鳴器；
を備え、
前記第１リング共鳴器は、前記ストークスパワーのレーザフィードバックループとして動作するとともに、前記ストークスパワーの一部を前記レーザの出力として出力し、
前記ラマンレーザはさらに、前記第１リング共鳴器内において前記ストークス出力パワーを１方向伝搬させる単方向性アイソレータを備える
ことを特徴とするラマンレーザ。
【請求項１４】
前記単方向性アイソレータは、部分反射素子またはホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を備える
ことを特徴とする請求項１３記載のラマンレーザ。
【請求項１５】
ラマンレーザであって、
ラマンゲイン媒体に対してラマンポンプパワーを入力するポンプパワー入力ユニット；
対応するストークス波長においてキャビティ内でラマン励起するラマンゲイン媒体；
を備え、
前記ラマンゲイン媒体は、実質的にダイアモンドを備え、
前記キャビティは、ポンプ光または補助光信号を参照することにより制御される光路長を有する
ことを特徴とするラマンレーザ。
【請求項１６】
ラマンレーザであって、
第１リング共鳴器に対してラマンポンプパワーを入力するポンプパワー入力ユニット；
前記ラマンポンプパワーを受信し、対応するストークス出力パワーにおいてラマン励起するラマンゲイン媒体を備える、第１リング共鳴器；
を備え、
前記第１リング共鳴器は、前記ポンプ光エネルギーと前記ストークス出力パワーのレーザフィードバックループとして動作するとともに、前記ストークス出力パワーの一部を前記レーザの出力として出力し、
前記ラマンゲイン媒体は、ダイアモンドによって形成されており、これにより共鳴ロックラマンレーザシステムのラマンスペクトルを減少させる
ことを特徴とするラマンレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リングラマンレーザ構造に関する。具体的には、シングル縦モードリングラマンレーザを開示する。
【０００２】
＜参照文献＞
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【０００６】
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【００１７】
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【背景技術】
【００３２】
本明細書全体にわたる背景技術についての記載は、公知技術を自認するものではなく、当該分野における一般的知識を形成するものではない。
【００３３】
連続波（ｃｗ）シングル縦モード（ＳＬＭ）レーザは、光−物質相互作用を利用するアプリケーションにとって重要なツールである。例えば調整可能ＳＬＭレーザは、吸収分光計が流体の狭い吸収特性を検出するのに必要であり［１］、また原子冷却のために必要である［２］。ただし反転ゲイン媒質を用いる従来のレーザ技術は、光スペクトルの限定的な一部のみをカバーしている。したがって、この範囲外の波長に到達するためには非線形周波数変換が必要である。
【００３４】
ｃｗレーザの非線形変換は、放射のピークパワーが低いことに起因する課題がある。２次非線形性（例えば光パラメトリック発振）を利用するコンバータの励起閾値は、２つまたは３つ全ての干渉波を共鳴させることによって減少する場合がある［３］。外部高共鳴キャビティにおけるポンプパワー強化を２次高調波変換［４］とパラメトリック生成［５］に対して適用した例がある。
【００３５】
ラマンレーザは、３次非線形変換プロセスを用いるものであり、干渉長が長いので、ラマンファイバレーザ［６］とガス充填中空コアファイバ［７］において、あるいはキャビティ内もしくはポンプ強化共鳴器［８，９］において、低〜中閾値が得られる。ｃｗ結晶ラマンレーザを用いるほとんどの技術は、従来の固体状態レーザのキャビティ内部においてラマン媒体を用いるものであった（［８，１０，１１］を参照）。
【００３６】
ＳＬＭ動作は、極低温冷却下においてポンプおよびラマンゲインライン幅を狭くすることによって［１２］、または共鳴器内にエタロンや複屈折フィルタを挿入することによって［１３］、実現される。外部キャビティ構成も模索されたが［１４］、合成ダイアモンドのみが効率的に実質パワーを変換できる［１５］。ダイアモンドにおいて、ＳＬＭ動作は３．５Ｗ出力パワーまで観察され［１６］、より高いパワーは動的安定化キャビティ構成において期待される［１７］。
【００３７】
外部ラマンキャビティにおけるポンプレーザの共鳴強化は、主にＨ２とＤ２を用いるガスラマンレーザに制限されている［９，１８，１９］。ＳＬＭ出力は、２ＧＨｚのフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）を有するキャビティを用いることによって確保され、これはラマンゲインライン幅よりも大きい（０．５〜１ＧＨｚ）。報告されている最大出力パワーは、重水素を用いる３００ｍＷである［２０］。ガスシステムの性能は、主に熱効果によって制限される［１９］。
【００３８】
１次ｃｗＳＬＭシリコンラマンレーザにおいて、弱い共鳴強化も用いられた［２１］。ポンプ場とストークス場を長い干渉距離内に閉じ込める導波管、自由キャリアに起因する２光子吸収を緩和する交差反転バイアス、および２倍のポンプ共鳴強化を同時使用することにより、ポンプ閾値は２００ｍＷ以下まで減少した［２１］。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００３９】
本発明の目的は、望ましい形態において、改善したラマンレーザを提供することである。
【００４０】
本発明の第１側面は、シングル縦モードリングラマンレーザを提供する。前記ラマンレーザは：ポンプ光パワーを出力し、第１リング共鳴器とモード整合して共鳴するポンプソース；前記ポンプ光パワーの第１リング共鳴器に対する共鳴結合を安定化する光測定およびピエゾアクチュエータ；ラマンゲイン媒体を有する第１リング共鳴器；を備え、
前記ラマンゲイン媒体は、前記ポンプ光パワーを受け取り、対応するストークス出力波長においてラマン励起して共鳴ストークスパワーを生成し、前記第１リング共鳴器は、前記ポンプ光パワーと前記共鳴ストークスパワーのフィードバックループとして動作し、前記ストークスパワーの一部を前記レーザの出力として出力する。
【００４１】
前記ラマンレーザはさらに、前記ストークスパワーが前記第１リング共鳴器内において１方向伝搬するようにする単方向性アイソレータを備える。前記単方向性アイソレータは、部分反射素子、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶、または非可逆ファラデーアイソレータを備える。
【００４２】
前記第１リング共鳴器は、前記ラマン励起媒体において前記ポンプ光パワーを楕円断面または円断面に対して集束させる連続した曲面ミラーを有するボウネクタイ型キャビティを備える。前記ラマンゲイン媒体は、低複屈折、低窒素成長ダイアモンド結晶を備える。前記ダイアモンド結晶は、ブリュースター角で切断されていることにより、［１１０］方向に沿って光が伝搬し、［１１１］軸に沿って偏光作用を有する。
【００４３】
前記システムは、前記ストークス波長において高選択性を有することにより前記ストークス出力パワーを前記ポンプソースから分離する、連続したダイクロイックミラーを有する。
【００４４】
実施形態において、前記部分反射ミラーは、再帰反射ミラーを備える。実施形態において、前記単方向性アイソレータは、非可逆光アイソレータを備える。前記単方向性アイソレータは、ポンプ光パワーと２方向生成場の和周波数混合に起因するパラメトリック損失の結果として生成することができる。前記ポンプ光パワーは、前記ラマンレーザのストークスパワーとの和周波数混合であってもよい。前記和周波数混合は、ＢＢＯ結晶によって提供される。
【００４５】
本発明の別側面において、シングル縦モードリングラマンレーザを提供する。前記レーザは：第１リング共鳴器に対してラマンポンプパワーを入力するポンプパワー入力ユニット；前記ラマンポンプパワーを受信し、対応するストークス波長においてラマン励起してストークスパワーを生成するラマンゲイン媒体を有する、第１リング共鳴器；を備え、前記第１リング共鳴器は、前記ストークスパワーのレーザフィードバックループとして動作するとともに、前記ストークスパワーの一部を前記レーザの出力として出力し、前記ラマンレーザはさらに、前記第１リング共鳴器内において前記ストークス出力パワーを１方向伝搬させる単方向性アイソレータを備える。
【００４６】
実施形態において、前記単方向性アイソレータは、部分反射素子またはホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を備える。
【００４７】
本発明の別側面において、ラマンレーザを提供する。前記レマンレーザは：ラマンゲイン媒体に対してラマンポンプエネルギーを入力するポンプパワー入力ユニット；対応するストークス波長においてキャビティ内でラマン励起するラマンゲイン媒体；を備え、前記ラマンゲイン媒体は、実質的にダイアモンドを備え、前記キャビティは、キャビティロックされている。
本発明の別側面において、ラマンレーザを提供する。前記レマンレーザは：第１リング共鳴器に対してラマンポンプエネルギーを入力するポンプパワー入力ユニット；前記ラマンポンプエネルギーを受信し、対応するストークス出力パワーにおいてラマン励起するラマンゲイン媒体を備える、第１リング共鳴器；を備え、前記第１リング共鳴器は、前記ポンプ光エネルギーと前記ストークス出力パワーのレーザフィードバックループとして動作するとともに、前記ストークス出力パワーの一部を前記レーザの出力として出力し、前記ラマンゲイン媒体は、ダイアモンドによって形成されており、減少したラマンスペクトルを有する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
添付する図面を用いて、本発明の実施形態を例示目的のためのみ説明する。
【００４９】
【図１】実施形態の概略レイアウトを示す。
【００５０】
【図２】結合出力パワーとフリーランＤＲＬの変換効率のグラフを示す。
【００５１】
【図３】前方生成および後方生成ストークス場のモード競合を示すフリーランＤＲＬの時間挙動のグラフを示す。
【００５２】
【図４】シングルモード動作からマルチモード動作へのＤＲＬ遷移を示す複数のフリースペクトル範囲にわたるファブリーペロースキャンのグラフを示す。
【００５３】
【図５】部分反射ミラーとＢＢＯ内の和周波数混合を用いるＤＲＬの単方向出力パワーを示す。
【００５４】
【図６】フィードバックミラーを用いる単方向ＤＲＬの時間挙動を示す。内側は、スキャンファブリーペローの数十フリースペクトル範囲のシングルモード動作を示す。
【００５５】
【図７】実施形態の予測ストークス出力ｖｓポンプ入力パワーのグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
望ましい実施形態において、ＳＬＭ共鳴ポンプリングダイアモンドラマンレーザ（ＤＲＬ）を提供する。これは、共鳴ポンプデバイスの低閾値と外部キャビティＤＲＬの良好なパワースケール可能性とを組み合わせるプラットフォームを提供する。さらに、単方向ストークス発振を実現する２つの技術を提供する。
【００５７】
本実施形態は、従来のＳＬＭレーザ源の波長範囲を増やす効率的かつロバストな方法を提供する。
【００５８】
図１を参照する。実施形態１０を示す。使用するエンコードは以下を有する：ＨＲ：高反射ミラー、ＰＲ：部分反射ミラー、ＩＣ／ＯＣ：入力／出力カプラ、１％透過＠７２０〜９６０ｎｍ、ＤＭ：ダイクロイックミラー、ＨＲ＠ストークス、ＨＴ＠ポンプ、ＢＳ：非コートビームサンプラ、ＢＭ：ビームダンプ、λ／：半波長板、λ/：４分の１波長板。
【００５９】
まずポンプレーザ１１はシステムをポンプする。ポンプレーザは、商用ＳＬＭ調整可能（７２５〜１０５０ｎｍ）ｃｗ  Ｔｉ：サファイアレーザ（ＳｏｌｓＴｉＳ，Ｍ  Ｓｑｕａｒｅｄ  ｌａｓｅｒｓ  Ｌｔｄから入手可能）であり、７９０ｎｍにおいて最大出力パワー５Ｗを有する。ポンプはリング共鳴器１４に対してモード整合（１２）される。リング共鳴器１４は、Ｈａｎｓｃｈ−Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ法を用いてポンプレーザの波長の長さに固定されており、キャビティミラーの位置を制御するピエゾアクチュエータを制御する。リング１４は、半径５０μｍの２つの曲面ミラー１６と１７を有するボウネクタイ型キャビティを備える。これらは垂直方向と水平方向にそれぞれ半径３５μｍと８５μｍを有するダイアモンド結晶１５において楕円ウエストを形成する。リング入力カプラ１８は、７００〜１０８０ｎｍの範囲において１％透過であり、したがって生成したストークス照射の出力カプラとしても動作する。その他ミラーは全て、ポンプ波長とストークス波長において高反射性である。ラマンゲイン媒体１５は、ＣＶＤ成長シングル結晶であり、５×２×５ｍｍ３のサイズを有し（Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｓｉｘ，低複屈折、低窒素サンプル）、［１１０］方向において伝搬し［１１１］方向に沿って偏光して、最高ゲインを得る［２３］ように、ブリュースター角でカットされている。
【００６０】
ダイクロイックミラー（ＤＭ）２０と２１は、ストークス波長において高反射性を有し、ポンプ波長において透過性を有し、これらを用いてストークス出力がポンプレーザへ戻らないようにし、前方生成ストークスをポンプから分離する。単方向発振させるため、部分反射（ＰＲ）ミラー（７００〜１０８０ｎｍにおける反射率Ｒ＝８７％）２４を挿入して、出力ストークスビームを再帰反射させ、またはＢＢＯ結晶２２をダイアモンド結晶近傍に挿入する。
【００６１】
レーザはまず、ＢＢＯ２２または再帰反射ミラー２４なしで特徴付けされる。図２に示すように、７９０ｎｍポンプ１１について、フリーラン周波数固定ＤＲＬの計８８３ｎｍストークス出力パワー３２が、５Ｗポンプにおいて、線形スロープ３３％で１Ｗまで増加した。このとき変換効率は２２％に達した（３１）。
【００６２】
励起閾値は入力ポンプパワーの１．８Ｗである。ＳｏｌｓＴｉＳレーザからアクセスできるその他波長においてポンプしたとき、同様の出力パワーと効率が得られた。前方と後方ともに大きな出力パワーであった。
【００６３】
図３は、前方４１と後方４２の競合を示す。総出力パワーは非常に安定している。
【００６４】
前方出力と後方出力との間の分散は、わずかなキャビティ調整によって所望の１方向にシフトすることができる。ストークススペクトルは各方向において１つのみ縦モードを有する場合があり、これはＦＳＲ１．５ＧＨｚのファブリーペロー干渉計（ＦＰＩ）によって検証できる。ただし図４に示すように、モード競合に起因する不安定性により、モードホップとマルチモード動作が生じた。
【００６５】
フリーラン時における２重共鳴ＤＲＬの全体性能は、非常に安定している。生成パワーを両方向に分割できるという事実は、ダイアモンドにおける前方ラマンゲインと後方ラマンゲインが等質であるという予測を補強している。
【００６６】
単方向動作を得るために、ストークス出力をある方向から反対伝搬場へ再帰反射することにより、対称性を崩してもよい。これは、ポンプ場に対して後方伝搬するモードを再注入することを含む。前方生成モードは、ゲインのバランスを崩すだけのパワーを有する後方発振を損ねるに至るまで増幅される。再帰反射場は、反転レーザ［２４］と同様に前方散乱波の位相を規定する。
【００６７】
後方伝搬ビームに対して部分反射再帰反射器（Ｒ＝８７％）２４（図１）を挿入した。全ての生成パワーは仮想的に前方場であり、図５に示す単方向出力パワーを有する。閾値は２方向動作と同じであり、フルポンプパワーにおいて後方／前方発振パワー比の測定結果は４％周辺であった。単方向性を得るためにどの程度のフィードバックが必要なのか調べるため、非コートビームサンプラ（ＢＳ）によってＰＲを置き換えた。ＢＳは４％フレネル反射を提供するに過ぎないが、パワー比は約６％にのみ増加した。この再帰反射素子は、ビームの一部を再帰反射する任意の素子でよく、例えばボリュームブラッグ格子のような周波数選択再帰反射器である。
【００６８】
単方向性を実現する第２方法は、方向依存損失を導入することである。これは通常、非可逆光アイソレータの形態による［２５］。一般的なファラデー光アイソレータは、損失があり波長感度があるので、２つの波長を共鳴させる高精度キャビティにとって理想的ではない。その他のアプローチは、単方向ポンプビームと２方向生成場の和周波数混合（ＳＦＭ）に起因するパラメトリック損失を利用することである。ＳＦＭは、ポンプと共伝搬する場に対して損失をもたらし、反対伝搬場に対してはもたらさない。したがって、リングレーザは純粋に反対伝搬場において動作することができる。単一経路ポンプビームが共鳴基本場と干渉する［２６］と比較して、本例においては、２方向ストークス場と周波数混合した単方向共鳴ポンプビームが存在する。共鳴ポンプビームにより、強度が高くより実用的な効果を得られる。
【００６９】
ダイアモンドの後にＢＢＯ結晶２２を挿入して（図１参照）、ポンプと前方生成ストークス波のＳＦＭを導入した。ＢＢＯは９３０〜１０６２ｎｍにおいてＡＲコートされており、サイズは４×４×３ｍｍ３であり、和周波数混合の位相整合のためにθ＝２４°でカットされている。ＳＦＭ導入損失に起因して、前方生成ストークスはほぼ完全に消滅し、前方／後方発振パワー比は０．５％以下と推測された。この構成における出力パワーは図５に示すものよりも低い。ＢＢＯからの散乱と残反射に起因する別の受動的損失は、有用なストークス出力を減少させ、ポンプの強化を妨げる。したがって、励起閾値は３Ｗに増え、スロープ効率は２８％に減った。最大後方生成出力パワーは０．４５Ｗに達した。ブリュースターカットＢＢＯ結晶は、現行のＡＲコート結晶と比較して、寄生損失を減少させる。
【００７０】
両者の単方向レーザにおいて、図６に示すように安定したシングルモード動作を実現した。リング共鳴器の縦モードスペース（１．１ＧＨｚ）と比較してダイアモンドにおけるラマンゲインは非常に広い（３０ＧＨｚ）が、シングル縦モードのみがキャビティ内で発振した（図６の内側図参照）。これは、過去に模索された［１７］動的安定化がない定在波キャビティとは異なるものである。外部振動と結晶内における熱効果［１７］（これらはマルチモード動作を生じさせる可能性がある）から隔離されたキャビティ内モードを維持する際に、キャビティ長のアクティブフィードバックは重要な役割を果たすと考えられる。
【００７１】
ＳＬＭ反転レーザにおいて用いるため、リングレーザの単方向動作を実現する再注入方法を従来文献に対して推奨する。この方法において不可避的に残る２方向動作は、空間ホールバーニングを生じさせる可能性がある。これは安定シングルモード動作を妨げる可能性がある［２５］。ＳＬＭ反転レーザにおいて光アイソレータを用いることに代わるものを提供する。ただし損失と複雑性が増える。誘導ラマン散乱は、アクティブ媒体においてエネルギー蓄積がないフォノン−フォトン干渉であるので、空間ホールバーニングはラマンレーザにおいて起こらず、これにより簡易な再注入方法を用いることができる。
【００７２】
まとめると、シングル縦モードリングＤＲＬは１Ｗのストークス出力を３３％スロープで生成し、変換効率は２２％である。リングＤＲＬにおける単方向生成の２つの方法を提供する。位相整合非線形変換による１方向におけるパラメトリック損失を実装し、共鳴器に対して反射して戻すことにより１方向のシードを提供する。両技術により、安定単方向ＳＬＭ出力を得られる。再帰反射ミラーにより、抑制増幅方向におけるパワー比は約５％となる。一方でパラメトリック損失を用いて、比を０．５％以下に減少させる。ただしＢＢＯに関する導入された損失は、出力パワーと効率に対して悪影響する。
【００７３】
提示するＳＬＭ  ＤＲＬ設計は、ポンプＴｉ：サファイアレーザの波長範囲を、現行の最大１．０５０μｍから１．２２０μｍへ広げることができる。同じキャビティ内でラマンプロセスをカスケードすることにより、この拡大幅を１．４５μｍ以上へさらに増やすことができる。原理的には、このコンセプトを共鳴周波数と組み合わせて、２００ｎｍ〜１４５０ｎｍの任意波長を生成することができる。
【００７４】
＜共鳴ラマン変換＞
理論に縛られることを望むものではないが、共鳴ラマン変換の理論的分析を実施した。
【００７５】
ポンプ波長（損失のあるものよりも小さい）における入力ミラー反射率Ｒ、ラウンドトリップゲインＧのリング拡張キャビティについて、［２５］における入力パワーのキャビティ内共鳴強化係数は下記式である：
【数１】
2020504333.tif 000003
【００７６】
キャビティからはじかれる入力ビームの部分は下記式である：
【数２】
2020504333.tif 000004
【００７７】
Ｒ＝Ｇのとき、はじかれるビームはない。これは、キャビティ損失が入力ミラー伝搬と等しいとき、インピーダンスが整合していることを示している。
【００７８】
モード面積Ａ、ラマンゲインｇ、結晶長ｌ、ラマン量子効率η、受動キャビティ損失Ｌのキャビティを考える。入力ポンプパワーはＰＦｏｕｔであり、キャビティ内ポンプパワーはＰＦｉｎ＝αＰＦｏｕｔである。安定状態において、ストークスゲインはストークス損失と等しい必要があり、したがって：
【数３】
2020504333.tif 000005
または共焦点パラメータｂがｂ＞＞ｌを満たさない場合［２７］は：
【数４】
2020504333.tif 000006
【００７９】
ｂ＞＞ｌとすると、下記式が得られる：
【数５】
2020504333.tif 000007
【００８０】
上記ＲとＧから得られるαの変形もある。基本ゲインＧは「１−受動損失−ラマン損失」として書き換えることができる：
【数６】
2020504333.tif 000008
ＰＳｉｎはキャビティ内ストークスパワーであり、下記式によって出力ストークスパワーと関係している：
【数７】
2020504333.tif 000009
【００８１】
このストークスパワーは、数式を変更することなくリング内において２つの方向へ任意に分割することができ、したがってこのシンプルリング配置の任意の単方向動作を推定することができる。
【００８２】
式（１）（２）と等化、および式（３）（４）に代えて、安定状態ストークス出力パワーＰＳｏｕｔを、ポンプ入力パワーＰＦｏｕｔの関数として得ることができる。分析解をシミュレートすることができる。８００ｎｍポンプ波長を９００ｎｍにシフトし、５ｍｍブリュースターカットダイアモンド、３５ミクロンスポット（接平面における屈折率ｎで伸長する）、０．７５％受動損失、１％入出力ミラー透過を用いるとき、推定ストークス出力ｖｓポンプ入力曲線のグラフ７０を図７に示す。
【００８３】
非拡張レーザと同様に、低閾値と高スロープ効率との間のトレードオフがある。伝搬特性７１は曲がっており、これは非拡張レーザとは異なる。このグラフは、実験結果の閾値が実験最大出力パワーよりやや低いという妥当な結果を示している。
【００８４】
＜検討と別実施形態＞
シンプル再帰反射ミラーを用いて安定ＳＬＭ動作を得ることは、顕著な結果を得る。一般に再帰反射ミラーを用いてマルチモードレーザから単方向出力を得る一方で［２８］、この方法はＳＬＭ動作を実現するには適していないことが知られている。これは、この方法が純粋な単方向動作を実現せず、従来レーザにおいて反対伝搬場間の残ビートが空間ホールバーニングを生じさせ、これがＳＬＭ動作を妨げることに起因する［２５］。リングラマンレーザを用いた予想外の成功は、ラマンレーザにおいて空間ホールバーニングが存在しないことによると考えられる。これにより、純単方向動作を実現しないとしても、再帰反射ミラーを用いた安定ＳＬＭ動作が可能となる［１６］。
【００８５】
単方向動作を実現する代替方法としてキャビティ内和周波数混合を用いることを発見し、これによりさらに純度の高い単方向動作を実現した。これは動作安定性が増す利点がある。補助レーザを用いる前にＳＦＭを用いて単方向レーザを構成した［２６］。この場合において、共鳴基本場を用いて１次ストークス場を混合することにより、非常に強い効果を実現し、必要なＳＦＭ結晶は大幅に薄くなる。ＳＦＭはカスケードラマンレーザにおいて用いることができ、隣接ストークス次を用いて、各新規ストークス場をソースストークス場に対して反対伝搬させることができる。
【００８６】
ＳＦＭは、非共鳴ポンプリングラマンレーザのキャビティ内において用いることができる。共鳴ストークス場を有する非共鳴ポンプのＳＦＭにより、ストークスレーザの単方向動作を実現できる。
【００８７】
熱効果の制御は、２つの理由で実施形態において重要である。第１に、ラマン媒体における熱レンズ効果と逸脱は、ストークス場と基本場のキャビティ損失をもたらし、レーザの性能を妨げる可能性がある。熱効果は、共鳴ポンプガスレーザにおける主要制限要因とされている［２０］，［２９］，［３０］。
【００８８】
第２に、ラマン媒体における熱変動は、媒体を通過する光路長を変動させ、これはキャビティのロックに影響する可能性がある。ＫＧＷを利用する場合において、安定ロックキャビティを実現し維持するのは難しいことが分かった。これは、熱効果に起因すると考えられる。ダイアモンドを用いることは、熱効果の両問題を実質的に緩和すると考えられる：ワットレベル以上までレーザの有効パワースケールを可能とし、キャビティロックの安定性の熱劣化を回避できる。
【００８９】
ダイアモンドは、非常にシンプルなラマンスペクトルを有し、小さいラマンシフトはない。これは共鳴ポンプラマンレーザにおいて特に重要である。光キャビティは、ポンプ波長と所望ストークス波長の双方において高いＱ値を有するので、ラマン材料が小さいラマンシフトを有する場合、ポンプ波長に近い不要な光を生成する可能性がある。これは、非共鳴ラマンレーザにおいてキャビティＱ値をポンプ波長近傍で十分低くすることによって回避できる。この技術は共鳴ポンプレーザにおいては利用できない。共鳴ポンプシステムでＫＧＷを用いる例において、レーザはターゲット波長（９０１ｃｍ−１ラマンシフトに関するもの）において出力を生成せず、代わりにＫＧＷの小さいシフトの１つに起因してポンプ波長に近い光を生成する場合があることが分かった。ダイアモンドを用いる場合、競合する小シフトがなく、全ての光パワーを所望波長へチャンネル化することができる。
【００９０】
再帰反射ミラーを利用する場合、スペクトルフィルタを導入することができる。キャビティへフィードバックされる光場をスペクトルフィルタリングすることにより、キャビティ内ストークス場のスペクトルを制御できる。これにより、この場のスペクトルを狭くしまたは調整することをアシストできる。スペクトルフィルタは、例えばエタロン、複屈折フィルタ、透過回折格子、プリズムなどの素子を備える。フィルタリングは、素子を再帰反射することにより、直接的に実現できる。これは例えば、反射格子やボリュームブラッグ格子を用いることによる。
【００９１】
キャビティ内ストークス場２重化は、２重化ビームを出力結合するために、別の非線形結晶とダイクロイックミラーを必要とする場合がある。シングル非線形結晶を用いて、単方向動作（ポンプ場とストークス場の位相非整合和周波数混合を用いる）と、所望ストークス場のキャビティ内２重化（位相整合周波数２重化による）を実現することができる。
【００９２】
＜用語解釈＞
本明細書における語句「１実施形態」「実施形態」「ある実施形態」は、その実施形態で説明している特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態において含まれていることを意味する。したがって、本明細書の様々な場所において登場する語句「１実施形態」「実施形態」「ある実施形態」は、必ずしも同じ実施形態を指しているのではない。さらに、当業者が理解するように、特定の特徴、構造、または特性は、１以上の実施形態において任意の適当な態様で組み合わせることができる。
【００９３】
本明細書において、明示しない限り、共通のオブジェクトを示す通常の形容詞「第１」「第２」「第３」などは、同様のオブジェクトの異なるインスタンスを示すに過ぎず、そのオブジェクトがその時間的、空間的、ランク的、その他態様の順番でなければならないことを意味するものではない。
【００９４】
特許請求範囲と本明細書において、備えている、備える、〜は備える、などの語句は、その後に続く要素／特徴のうち少なくとも１つが含まれていることを意味するオープンなものであり、それ以外を除外するものではない。したがって、特許請求範囲において用いる語句「備える」は、その後にリストする要素やステップを限定するものと解釈すべきではない。例えばＡとＢを備えるデバイスという表現の範囲は、要素ＡとＢのみを備えるデバイスに限定すべきではない。本明細書における語句「含む」「含んでいる」なども、その後に続く要素／特徴のうち少なくとも１つが含まれていることを意味するオープンなものであり、それ以外を除外するものではない。したがって、「含む」は「備える」の同義語である。
【００９５】
本明細書において、語句「例」は例を提示するために用いるものであり、品質を表すものではない。すなわち、「実施例」は例として提示する実施形態であり、必ずしもその品質の実施形態を意味するものではない。
【００９６】
本発明の上記実施形態において、本発明の様々な特徴は１つの実施形態、図面、その説明にグルーピングされている場合があり、これは本開示を平易にして発明の１以上の側面を理解することをアシストするためのものであることを理解されたい。ただしこの開示方法は、特許請求する発明が各請求項において明示的に記載している以外の要素を必要とする意図を反映していると解釈すべきではない。むしろ特許請求範囲が記載しているように、発明の側面は、単一の実施形態の全特徴よりも少ない部分のなかに存在している。したがって発明の詳細な説明に続く特許請求範囲は発明の詳細な説明に組み込まれ、各請求項は本発明の個別の実施形態を表している。
【００９７】
さらに、本明細書が記載している実施形態のなかには、他の実施形態が記載していないものを含む場合があるが、当業者が理解するように、複数の実施形態の特徴の組み合わせは本発明の範囲内であり、それが別の実施形態を形成する。例えば特許請求範囲において、特許請求する任意の実施形態を任意の組み合わせで用いることができる。
【００９８】
本明細書において、様々な詳細部分を説明した。ただし本発明の実施形態は、これら詳細部分なしで実施できる場合がある。別の例において、本明細書の理解をあいまいにしないようにするため、既知の方法、構造、技術の詳細は記載していない。
【００９９】
同様に、特許請求範囲における語句「接続されている」は、直接接続のみに限定して解釈すべきではない。語句「接続されている」とその派生語句を用いることができる。これら語句は、同義語を意図するものではないことを理解されたい。したがって、デバイスＢに接続されたデバイスＡという表現は、デバイスＡの出力がデバイスＢの入力へ直接接続されているデバイスまたはシステムに限定すべきではない。Ａの出力とＢの入力との間の経路が存在し、その経路は他のデバイスや手段を含むことを意味している。「接続されている」は、２以上の要素が直接物理的または電気的に接触しており、または２以上の要素が直接接触ではないが共同動作することを意味する。
【０１００】
したがって、本発明の望ましい実施形態と思われるものを説明したが、本発明の趣旨から逸脱することなくその他の変形が可能であることを、当業者は理解するであろう。またそのような変形や変更は本発明の範囲内として特許請求することを意図している。例えば上記数式は、使用可能な手順の例示に過ぎない。ブロック図に機能を追加または削除することができ、機能ブロック間で動作を交換することができる。本発明の範囲内において、記載した方法にステップを追加または削除できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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