"ダイヤモンドラマン材料を含む固体ラマンレーザーシステムであって、約5.5マイクロメートルを上回る出力波長を有するラマンシフト出力ビームを生成するようになっている、固体ラマンレーザーシステム。前記出力波長は約6~約12マイクロメートルの範囲内にある、請求項1に記載のレーザーシステム。前記出力波長は約6~約8マイクロメートルの範囲内にある、請求項1に記載のレーザーシステム。約3マイクロメートルを上回る波長を有するポンプ光を生成するためのポンプ源を含み、前記ポンプ光は前記ラマン材料中で前記出力波長に変換される、請求項1~3のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記ラマンシフト出力ビームは、前記ラマン材料中の第1ストークスシフトに相当する波長を有する、請求項1~4のいずれか1項に記載のレーザーシステム。非ドープ固体ラマン材料を含む固体ラマンレーザーシステムであって、当該レーザーシステムからの出力波長が5.5マイクロメートルを上回る、固体ラマンレーザーシステム。共振器空洞と固体ダイヤモンドラマン材料とを含む、中赤外から遠赤外の固体ラマンレーザーシステムであって、前記共振器空洞は入力リフレクタと出力リフレクタとを含み、前記入力リフレクタは、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内で選択された第1波長を有するポンプビームを前記共振器空洞内に入れるために、前記第1波長を有する光について高透過性であるようになっており、前記出力リフレクタは、約5.5マイクロメートルを上回る第2波長を前記共振器内で共振させて出力ビームを出力するために、前記第2波長を有する光について部分的に透過性であるようになっており、前記入力リフレクタはさらに、前記共振器内の前記第2波長を共振させるために、前記第2波長において高反射性であるようになっており、前記固体ダイヤモンドラマン材料は前記ポンプビームをラマンシフトして前記第2波長を生成するために前記共振器空洞内に配置されており、前記第2波長は約5.5マイクロメートルを上回る、固体ラマンレーザーシステム。前記第1波長は約3マイクロメートル~約5マイクロメートルの範囲内にあり、前記第2波長は5.5マイクロメートルを上回る、請求項7に記載のシステム。前記出力リフレクタは前記第2波長において約1~約80の透過率を有する、請求項8に記載のシステム。前記出力リフレクタは前記第2波長において20~50の透過率を有する、請求項8に記載のシステム。前記第1波長は約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にある、請求項5~10のいずれか1項に記載のシステム。前記ラマン材料は非ドープラマン材料である、請求項7~11のいずれか1項に記載のシステム。前記ラマン材料は単結晶ダイヤモンド材料又は同位体的に純粋なダイヤモンド材料である、請求項7~12のいずれか1項に記載のシステム。前記ダイヤモンドラマン材料は化学蒸着製造工程から導出される、請求項13に記載のシステム。当該レーザーシステムは連続波レーザーシステムであり、前記共振器空洞は前記第2波長の光について高フィネス共振器空洞であり、前記第2波長における前記共振器空洞のフィネスは100を上回る、請求項7~14のいずれか1項に記載のシステム。前記第2波長は一次ストークス波長若しくは二次ストークス波長又はこれらの任意の組み合わせである、請求項1~15のいずれか1項に記載のシステム。サイドポンプレーザーシステム又は非共線ポンプレーザーシステムである、請求項1~16のいずれか1項に記載のシステム。ポンプ源が、強度約0.1GW/cm2~約60GW/cm2及びパルス幅約1ns~100nsの第1波長のポンプパルスを含むパルス化ポンプビームを生成するようになっている、請求項1~14又は16~18のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記パルス幅が約1ns~10nsである、請求項18に記載のレーザーシステム。前記出力波長が約8マイクロメートルよりも大きい、請求項1~19のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記第2波長が約8マイクロメートル~約200マイクロメートルの範囲内にある、請求項1~20のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記第2波長が、100マイクロメートルを上回る波長を有するテラヘルツスペクトル領域内にある、請求項1~20のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記第1波長が、光パラメトリック発振器、固体ラマンシフトツリウムレーザー、固体ラマンシフトホルミウムレーザー、及び固体ラマンシフトエルビウムレーザーから成る群から選択されたポンプレーザー源から導出される、請求項1~22のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記ラマン材料は、前記共振器空洞内において前記第1波長及び/又は第2波長の光を案内するための導波路を含む、請求項1~23のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記共振器は、3.2マイクロメートル未満の波長を有するポンプビームを入力するようになっており、当該レーザーシステムはさらに、3~7.5マイクロメートルの範囲内の前記第1波長を生成するために前記共振器空洞内に配置されたレーザー材料であって、前記ポンプビームによってポンピングされるようになっているレーザー材料を含む、請求項1~24のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記第1波長を同調することによって前記第2波長を同調することができるように、前記第1波長が同調可能な源から導出される、請求項1~25のいずれか1項に記載のレーザーシステム。前記第2波長は約6マイクロメートル~約100マイクロメートルの範囲にわたって同調可能である、請求項26に記載のレーザーシステム。前記第2波長は約6マイクロメートル~約100マイクロメートルの範囲にわたって連続的に同調可能である、請求項27に記載のレーザーシステム。固体ラマンレーザーシステム内で中赤外から遠赤外のビームを生成する方法であって、共振器空洞を提供するステップであって、該共振器空洞は、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内の第1波長を有するポンプビームを該共振器空洞内に入れるために、前記第1波長を有する光について高透過性であるようになっている入力リフレクタと、約5.5マイクロメートルを上回る第2波長を該共振器内で共振させて出力ビームを出力するために、前記第2波長について部分的に透過性であるようになっている出力リフレクタとを含み、前記入力リフレクタはさらに、前記共振器内の前記第2波長を共振させるために前記第2波長において高反射性であるようになっている、ステップと、前記共振器空洞内に配置されたダイヤモンドラマン材料を提供するステップと、前記第1波長を有するポンプビームを前記共振器空洞内に導いて前記ラマン材料に入射させ、このことによって前記ラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して前記第2波長を生成するステップと、前記第2波長を有する出力ビームを前記共振器空洞から出力するステップとを含む、中赤外から遠赤外のビームを生成する方法。レーザー処理方法であって:請求項1~28のいずれか1項に記載のレーザーシステムを提供するステップと、約3.47マイクロメートルの第1波長を有するポンプビームを提供するステップと、前記ポンプビームを前記共振器空洞内に導いて前記ラマン材料に入射させ、このことによって前記ラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して、約6.45マイクロメートルの第2波長を有する出力ビームを生成するステップと、選択された処理区域にレーザー処理を施すべく、前記処理区域に前記出力ビームを導くステップとを含む、レーザー処理方法。神経外科のために適合されている、請求項30に記載の処理方法。リモートセンシング方法であって、請求項1~28のいずれか1項に記載のレーザーシステムを提供するステップと、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内の第1波長を有するポンプビームを提供するステップと、前記ポンプビームを前記共振器空洞内に導いて前記ラマン材料に入射させ、このことによって前記ラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して、約5.5マイクロメートル~約100マイクロメートルの範囲内の第2波長を有するビームを生成するステップと、前記共振器空洞から前記第2波長を出力ビームとして出力するステップと、前記出力ビームを対象に向かって又は対象若しくは環境物質が位置していることが疑われる環境内に導くステップと、前記対象又は環境物質からの後方散乱放射を検出するステップと、検出された放射を処理し、このことによって前記対象又は環境物質の有無を検知するステップとを含む、リモートセンシング方法。本発明の目的は、従来技術の欠点のうちの1つ以上を実質的に克服するか、又は少なくとも緩和することであり、或いは、少なくとも有用な代替手段を提供することである。下記定義は、一般的な定義として提供され、本発明の範囲をこれらの用語だけに限定するものでは決してなく、下記説明のよりよい理解のために示される。他に定義されない場合には、ここに使用される全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する分野における当業者によって広く理解されているのと同じ意味を有する。本発明の目的上、次の用語を以下のように定義する。本明細書に使用される冠詞a及びanは、1つ以上すなわち少なくとも1つの、冠詞の文法的対象を意味する。例えばanelementは1つのエレメント又は2つ以上のエレメントを意味する。本明細書に使用される用語約は、基準の量に対して30、好ましくは20、より好ましくは10だけ変化する量を意味する。本明細書全体を通して、文脈が他のものを必要としないならば、comprise、comprises、及びcomprisingという語は、言及した工程又はエレメント又は工程群又はエレメント群を含むが、任意の他の工程又はエレメント又は工程群又はエレメント群を排除することはないことを暗示するものと理解されたい。本明細書中に記載されたものと同様又は同等のいかなる方法及び材料も本発明の実施又は試験において用いることができるが、好ましい方法及び材料が記載されている。言うまでもなく、本明細書中に記載されている方法、装置及びシステムは、種々の方法で、そして種々の目的で実施されてよい。本明細書中の説明は一例を示すに過ぎない。第1の態様によれば、固体ラマン材料を含む固体ラマンレーザーシステムであって、約5.5マイクロメートルを上回る出力波長を有するラマンシフト出力ビームを生成するようになっている、固体ラマンレーザーシステムが提供される。出力波長は約6~約10マイクロメートルの範囲内にあってよい。出力波長は約6~約8マイクロメートルの範囲内にあってよい。出力波長は、約5.5μm~150μm、例えば5.5μm、又は6,6.5,7,7.5,8,8.5,9,9.5,10,10.5,11,11.5,12,12.5,13,13.5,14,14.5,15,15.5,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,19.5,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,又は約150μmであってよい。レーザーシステムは、約3マイクロメートル~約7.5マイクロメートル、又は約3μm~約5μm又は約3μm~約4μm、又は約3.2μm~約3.8μm、例えば約3.0μm、又は3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,4.0,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.6,4.7,4.8,4.9,5.0,5.1,5.2,5.3,5.4,5.5,5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,又は約7.5μmの波長を有する第1波長のポンプ光を生成するためのポンプ源を含んでいてよい。ポンプ光はラマン材料中で出力波長に変換される。ポンプ源は、ラマン材料をエンドポンピング又はサイドポンピングすることが可能であってよい。別の構成では、ラマン材料はエンドポンピングされ且つサイドポンピングされてよい。ダイヤモンドラマンレーザー材料にとっては、ポンプ波長が約3.8μm~7.5μmの範囲内にある場合、ラマン材料のサイドポンピングが特に有利である。ポンプビームは偏光ポンプビームであってよい。ポンプビームの偏光は、ポンプビームがラマンゲインの増大のために適宜の結晶軸に対して平行になるように配向されてよい。偏光ポンプビームの偏光は、ダイヤモンド結晶格子の<111>、<100>又は<110>軸に対して平行又はほぼ平行であってよい。ブリュースターカットされたダイヤモンド結晶の場合、結果として生じるラマン変換ストークス光の偏光は、ポンプ光と同じ配向に偏光することにより、ブリュースターカットファセットにおいてストークス光の反射損失を最小限にすることができる。ポンプビームは、ラマン材料のラマンゲインの線幅よりも小さい又はこれにほぼ等しい線幅を有していてよい。ポンプビームは、約1.6cm1以下、例えば約0.01~約1.6cm1、又は約0.01cm1,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6cm1の半値幅を有する線幅を有していてよい。或いは、線幅は約0.01cm1~約10cm1、例えば約0.01cm1,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6,2.7,2.8,2.9,3.0,3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,4.0,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.6,4.7,4.8,4.9,5.0,5.1,5.2,5.3,5.4,5.5,5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,7.5,7.6,7.7,7.8,7.9,8.0,8.1,8.2,8.3,8.4,8.5,8.6,8.7,8.8,8.9,9.0,9.1,9.2,9.3,9.4,9.5,9.6,9.7,9.8,9.9又は10.0cm1であってもよい。ラマンシフト出力ビームは、ラマン材料中の第1ストークスシフトに相当する波長であってよい。ラマンレーザーシステムは非ドープ固体ラマン材料を含んでよく、レーザーシステムからの出力波長は5.5マイクロメートルを上回る。ラマン材料はダイヤモンドであってよい。ラマン材料は非ドープダイヤモンドであってよい。ラマン材料は単結晶ダイヤモンドであってよい。ラマン材料はダイヤモンドの2つ又は3つ以上の単結晶を含んでよく、これらの結晶は例えば接着剤なしの接触結合処置、例えば拡散結合によって互いに結合されていてよい。ラマン材料は多結晶又は単結晶ダイヤモンドであってよい。ラマン材料は低複屈折ダイヤモンドであってよい。ダイヤモンドラマン材料は低い窒素不純物含量を有していてよい。窒素不純物含量は約0.1ppb~約10000ppb、又は0.1ppb~500ppb、又は0.1ppb~200ppb、例えば約0.1ppb、又は0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,2,3,4,5,10,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,105,110,115,120,125,130,135,140,145,150,155,160,165,170,175,180,185,190,195,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1250,1500,1750,2000,2500,3000,3500,4000,4500,5000,5500,6000,6500,7000,7500,8000,8500,9000,9500,又は約10000ppbであってよい。第2の態様によれば、非ドープ固体ラマン材料を含む固体ラマンレーザーシステムであって、レーザーシステムからの出力波長が5.5マイクロメートルを上回る、固体ラマンレーザーシステムが提供される。ラマン材料はダイヤモンドであってよい。ラマン材料は多結晶又は単結晶ダイヤモンドであってよい。ラマン材料は同位体的に純粋なダイヤモンド材料結晶例えばエンリッチされた炭素-12であってよい。ラマン材料は低複屈折ダイヤモンドであってよい。ダイヤモンドラマン材料は低い窒素不純物含量を有していてよい。窒素不純物含量は約0.1ppb~約10000ppb、又は0.1ppb~500ppb、又は0.1ppb~200ppb、例えば約0.1ppb、又は0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,2,3,4,5,10,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,105,110,115,120,125,130,135,140,145,150,155,160,165,170,175,180,185,190,195,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1250,1500,1750,2000,2500,3000,3500,4000,4500,5000,5500,6000,6500,7000,7500,8000,8500,9000,9500,又は約10000ppbであってよい。出力波長は約5.5μm~200μm、例えば5.5μm、又は5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,7.5,7.6,7.7,7.8,7.9,8.0,8.1,8.2,8.3,8.4,8.5,8.6,8.7,8.8,8.9,9.0,9.1,9.2,9.3,9.4,9.5,9.6,9.7,9.8,9.9,10,10.5,11,11.5,12,12.5,13,13.5,14,14.5,15,15.5,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,19.5,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,又は約200μmであってよい。レーザーシステムは、約3マイクロメートル~約7.5マイクロメートル、又は3μm~約5μm又は3μm~約4μm、又は3.2μm~約3.8μm、例えば約3.0μm、又は3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,4.0,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.6,4.7,4.8,4.9,5.0,5.1,5.2,5.3,5.4,5.5,5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,約7.5μmの第1波長を有するポンプ源によってポンピングされてよい。ポンプ源は同調可能であってよい。出力波長は同調可能であってよい。第3の態様によれば、中赤外から遠赤外の固体ラマンレーザーシステムが提供される。レーザーシステムは共振器を含んでいてよい。共振器は、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内の第1波長を有するポンプビームを共振器空洞内に入れるために、第1波長を有する光について高透過性であるようになっている入力リフレクタを含んでよい。共振器はさらに、約5.5マイクロメートルを上回る第2波長を共振器内で共振させて出力ビームを出力するために、第2波長を有する光について部分的に透過性であるようになっている出力リフレクタを含んでよい。入力リフレクタはさらに、共振器内の第2波長を共振させるために、第2波長において高反射性であってよい。レーザーシステムはさらに、ポンプビームをラマンシフトして第2波長を生成するために共振器空洞内に配置された固体ラマン材料を含んでいてよい。第2波長は約5.5マイクロメートルを上回っていてよい。或いは、第1波長は約3~約4マイクロメートルの範囲内にあってよい。或いは、第1波長は約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にあってもよい。ラマン材料はダイヤモンドであってよい。ラマン材料は非ドープダイヤモンドであってよい。ラマン材料は単結晶ダイヤモンドであってよい。ラマン材料はダイヤモンドの2つ又は3つ以上の単結晶を含んでよく、これらの結晶は例えば接着剤なしの接触結合処置、例えば拡散結合によって互いに結合されていてよい。ラマン材料は多結晶又は単結晶ダイヤモンドであってよい。ラマン材料は低複屈折ダイヤモンドであってよい。ダイヤモンドラマン材料は低い窒素不純物含量を有していてよい。窒素不純物含量は約0.1ppb~約10000ppb、又は0.1ppb~500ppb、又は0.1ppb~200ppb、例えば約0.1ppb、又は0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,2,3,4,5,10,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,105,110,115,120,125,130,135,140,145,150,155,160,165,170,175,180,185,190,195,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1250,1500,1750,2000,2500,3000,3500,4000,4500,5000,5500,6000,6500,7000,7500,8000,8500,9000,9500,又は約10000ppbであってよい。第3の態様の構成によれば、共振器空洞と固体ラマン材料を含む中赤外から遠赤外の固体ラマンレーザーシステムであって、共振器空洞は、入力リフレクタと出力リフレクタとを含み、入力リフレクタは、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内の第1波長を有するポンプビームを共振器空洞内に入れるために、第1波長を有する光について高透過性であるようになっており、出力リフレクタは、約5.5マイクロメートルを上回る第2波長を共振器内で共振させて出力ビームを出力するために、第2波長を有する光について部分的に透過性であるようになっており、入力リフレクタはさらに、共振器内の第2波長を共振させるために、第2波長において高反射性であるようになっており、固体ラマン材料はポンプビームをラマンシフトして第2波長を生成するために共振器空洞内に配置されている、固体ラマンレーザーシステムが提供される。或いは、第1波長は約3~約4マイクロメートルの範囲内にあってよい。或いは、第1波長は約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にあってもよい。高反射性の入力リフレクタの、第2波長における反射率は70を上回っていてよく、すなわち、約70~99.99、又は約90~99.99であってよく、第2波長における反射率は例えば約70,75,80,85,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,99.5,99.9,99.95,又は約99.99であってよい。部分透過性の出力リフレクタの、第2波長における透過率は約1~約80、又は約20~約50であってよく、部分透過性の出力リフレクタの、第2波長における透過率は例えば、約1,約2,約3,約4,約5,約6,約7,約8,約9,約10,約15,約20,約25,約30,約35,約40,約45,約50,約55,約60,約65,約70,約75,約80であってよい。第1波長本明細書中では、ポンプビームがポンプ波長/第1波長を有するビームであり、ポンプ源によって生成/提供される場合、互換的にポンプ波長とも呼ばれる。この定義は本明細書中に開示された態様、構成及び例のそれぞれに当てはまるは約3.8マイクロメートル未満であってよく、第2波長出力ビームが出力波長/第2波長を有するビームである場合、互換的に出力波長とも呼ばれる。この定義は本明細書中に開示された態様、構成及び例のそれぞれに当てはまるは約5.5マイクロメートル超、又は約6マイクロメートル超であってよい。第1波長は約3~約7.5μmの範囲にあってよい。或いは、第1波長は約3~約4μmの範囲にあってもよい。或いは、第1波長は約3.2~約3.8μmの範囲にあってもよい。レーザーシステムは、約3マイクロメートル~約7.5マイクロメートル、又は3μm~約5μm又は3μm~約4μm、又は3.2μm~約3.8μmの第1波長のポンプ光を生成するためのポンプ源を含んでよい。第1波長は、例えば約3.0μm、又は3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,4.0,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.6,4.7,4.8,4.9,5.0,5.1,5.2,5.3,5.4,5.5,5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,約7.5μmであってよく、ポンプ光はラマン材料中で出力波長に変換される。第1波長は、同調可能なポンプ源によって生成されることができる。ポンプ源はラマン材料をエンドポンピング又はサイドポンピングすることが可能であってよい。別の構成では、ラマン材料はエンドポンピングされ且つサイドポンピングされてよい。ダイヤモンドラマンレーザー材料にとっては、ポンプ波長が約3.8μm~7.8μmの範囲内にある場合、ラマン材料のサイドポンピングが特に有利である。ポンプビームは偏光ポンプビームであってよい。ポンプビームの偏光は、ポンプビームがラマンゲインの増大のために適宜の結晶軸に対して平行になるように配向されてよい。結果として生じるラマン変換ストークス光の偏光は、ポンプ光と同じ配向に偏光することにより、ラマン材料中のストークス光の吸収損失を最小限にすることができる。ラマン材料は非ドープラマン材料であってよい。ラマン材料はダイヤモンドであってよい。ラマン材料は単結晶ダイヤモンドラマン材料であってよい。ダイヤモンドラマン材料は化学蒸着製造工程から導出されてよい。ラマン材料は冷却されてよい。ラマン材料の冷却は、ラマン材料中の多フォノン相互作用を最小化し、材料の吸収係数を低減することができる。いくつかの波長における吸収量を低減するためには、同位体的に純粋なダイヤモンド結晶が有利な場合もあるThomasRAnthonyWilliamFBanholzerPropertiesofdiamondwithvaryingisotopiccompositionDiamondandRelatedMaterialsVolume1Issues56ProceedingsoftheSecondEuropeanConferenceonDiamondDiamondlikeandRelatedCoatings15April1992Pages717726ISSN09250635DOI1010160925963590197V参照。レーザーシステムは連続波レーザーシステムであってよく、共振器空洞は第2波長の光について高フィネス共振器空洞であり、第2波長における共振器空洞のフィネスは100を上回る。或いは、第2波長における共振器空洞のフィネスは15超、200超、250超、300超、400超、500超、1000超、2000超、3000超、4000超、5000超、6000超、7000超、8000超、9000超、10000超、15000超、20000超、25000超、30000超、35000超、40000超、45000超であってよい。第2波長における共振器空洞のフィネスは、100~50000、100~45000、100~40000、100~35000、100~30000、100~25000、100~20000、100~15000、100~10000、100~9000、100~8000、100~7000、100~6000、100~5000、100~4000、100~3000、100~2000、100~1000、100~500の範囲にあってよく、そしてほぼ100,150,200,250,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,950,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600,1700,1800,1900,2000,2250,2500,2750,3000,3250,3500,3750,4000,4250,4500,4750,5000,6000,7000,8000,9000,10000,11000,12000,13000,14000,15000,16000,17000,18000,19000,20000,25000,30000,35000,40000,45000,又は約50000以上であってよい。第2波長は一次ストークス波長若しくは二次ストークス波長又はこれらの任意の組み合わせであってよい。レーザーシステムはエンドポンプレーザーシステムであってよい。レーザーシステムはサイドポンプレーザーシステムであってよい。レーザーシステムは非共線ポンプレーザーシステムであってよい。ポンプ源が、強度が約0.3GW/cm2~約60GW/cm2、又は約1GW/cm2~約60GW/cm2、約1GW/cm2~約30GW/cm2、約1GW/cm2~約20GW/cm2、約1GW/cm2~約10GW/cm2、約2GW/cm2~約5GW/cm2、例えば約0.3GW/cm2、又は0.4,0.5,0.6.0,7,0.8,0.9,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9,9.5,10,10.5,11,11.5,12,12.5,13,13.5,14,14.5,15,15.5,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,19.5,20,25,30,35,40,45,50,55,又は60GW/cm2の第1波長のポンプパルスを含むパルス化ポンプビームを生成するようになっていてよい。ポンプ源は、パルス幅が約1ns~100nsの第1波長のポンプパルスを含むパルス化ポンプビームを生成するようになっていてよい。パルス幅は、約1ns~20ns、又は約1ns~15ns、又は1ns~10ns、又は5ns~20ns又は5ns~15nsであってよい。強度は約0.3GW/cm2超であってよい。別の構成では、パルス幅は約1ns~1μs、又は約1μs~1ms、又は1ms~1sであってよい。或いはさらに、ポンプ源は連続波ポンプビームを生成するようになっていてよい。出力波長は約5.5マイクロメートル~約8マイクロメートルの範囲内にあってよい。或いは、出力波長は約5.5~7.5マイクロメートル、又は約5.5~7マイクロメートル、又は約5.5~6.5マイクロメートル、又は約3~6マイクロメートルの範囲内にあってもよい。或いは、出力波長は約8マイクロメートル超であってもよい。第2波長は約8マイクロメートル~約200マイクロメートルの範囲内にあってよい。第2波長は、100マイクロメートルを上回る波長を有するテラヘルツスペクトル領域内にあってよく、例えば出力波長は、約5.5μm~200μm、例えば5.5μm、又は5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,7.5,7.6,7.7,7.8,7.9,8.0,8.1,8.2,8.3,8.4,8.5,8.6,8.7,8.8,8.9,9.0,9.1,9.2,9.3,9.4,9.5,9.6,9.7,9.8,9.9,10,10.5,11,11.5,12,12.5,13,13.5,14,14.5,15,15.5,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,19.5,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,又は約200μmであってよい。出力波長は同調可能であってよい。上記態様又は構成のうちのいずれか1つにおいて、第1波長は、光パラメトリック発振器、固体ラマンシフトツリウムレーザー、固体ホルミウムレーザー、及び固体エルビウムレーザー、及びクロミウムドープセレン化亜鉛レーザーCr3:ZnSeから成る群から選択されたポンプレーザー源から導出されてよい。エルビウム、ツリウム、又はホルミウムレーザーはラマンシフトレーザーであってよい。例えばこれは、約3.8マイクロメートルの波長で動作するラマンシフトEr:YAGレーザーであってよい。ポンプレーザー源は、付加的な光増幅器を含む光パラメトリック発振器であってよい。光増幅器は光パラメトリック増幅器であってよい。ポンプ源は、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内の第1波長でポンプ放射を生成するようになっていてよい。ポンプ放射は約3マイクロメートル~約4マイクロメートル、又は3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にある波長、例えば約3.0μm、又は3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,4.0,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.6,4.7,4.8,4.9,5.0,5.1,5.2,5.3,5.4,5.5,5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,約7.5μmの波長を有していてよい。第1波長は同調可能なポンプ源によって生成されてよい。ポンプ放射は、ラマン材料のラマンゲインの線幅よりも小さい又はこれにほぼ等しい線幅を有していてよい。ポンプ放射は、約1.6cm1以下、例えば約0.5~約1.6cm1、又は約0.5cm1,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,又は約1.6cm1の半値幅を有する線幅を有していてよい。或いは、線幅は、約0.01cm1~約4cm1、例えば約0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6,2.7,2.8,2.9,3.0,3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,又は約4cm1であってもよい。ポンプ源は、パルス化ポンプビームを生成するように適合されていてよく、ポンプパルスのパルス長は約100ns以下であってよい。パルス長は、約1~100ns、又は約1~90ns、1~80ns、1~70ns、1~60ns、1~50ns、1~40ns、1~30ns、1~20ns、1~10ns、1~5ns、2~20ns、2~10ns、2~5ns、5~20ns、又は約5ns~15ns、又は約5ns~10ns、例えば約1ns,又は2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,又は約100nsであってよい。別の構成では、パルス幅は約1ns~1μs、又は約1μs~1ms、又は1ms~1sであってよい。或いはさらに、ポンプ源は連続波ポンプビームを生成するようになっていてよい。ポンプ源は、1ミリジュールよりも大きいパルスエネルギーを有するポンプ放射を生成するようになっていてよい。ポンプパルスエネルギーは約0.1mJ~約10J、例えば約0.1mJ,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9又は1.0mJ,2,3,4,5,6,7,8,9,又は10mJ,15,20,25,30,35,40,45,50,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600,1700,1800,1900,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,9000,又は約10000mJ10Jであってよい。言うまでもなく、ラマン材料中のポンプパルスエネルギー送達及び変換効率は、材料中のポンプビームのエネルギー密度、すなわちラマン材料中のポンプビームのサイズに依存する。パルスエネルギーは一般に概ね、パルス継続時間、パルスエネルギー時間、ラマン材料中のスポットサイズでありうる。例えば、約10nsのパルス継続時間の場合、ラマン材料中のポンプパルスエネルギーは約0.1GW/cm2~約60GW/cm2、又は約1~45GW/cm2、約1~30GW/cm2、約1~20GW/cm2、約1~10GW/cm2、約2~5GW/cm2、例えば約0.1GW/cm2、又は0.2,0.3,0.4,0.5,0.6.0,7,0.8,0.9,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9,9.5,10,10.5,11,11.5,12,12.5,13,13.5,14,14.5,15,15.5,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,19.5,20,25,30,35,40,45,50,55,又は60GW/cm2であってよい。別のパルス幅の場合、パルスエネルギーは上記関係に従って変化してよい。或いは、より低いパルスエネルギーで十分な連続波ポンプビームの場合、例えばエネルギー密度は約0.1mW/cm2~約10MW/cm2であってよく、また約0.1MW/cm2、又は0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2,3,4,5,6,7,8,9,又は10MW/cm2であってよい。別の構成では、ラマン材料は、共振器空洞内において第1波長及び/又は第2波長の光を案内するための導波路を含んでよい。ラマンレーザーシステムは空洞内ラマンレーザーシステムであってよく、共振器空洞は、3.2マイクロメートル未満の波長を有するポンプ光を入力するようになっていてよく、レーザーシステムはさらに、3~7.5マイクロメートルの範囲内の第1波長を生成するために共振器空洞内に配置されたレーザー材料を含み、レーザー材料は、第1波長を生成するようになっている外部ポンプ源からのポンプビームによってポンピングされるようになっていてよい。レーザー材料によって生成された第1波長は、約3~約4マイクロメートル、又は約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にあってよい。レーザー材料によって生成された第1波長は例えば、約3.0μm、又は3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,4.0,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.6,4.7,4.8,4.9,5.0,5.1,5.2,5.3,5.4,5.5,5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,又は約7.5μmであってよい。態様又は構成のうちのいずれか1つにおいて、第1波長を同調することによって第2波長を同調することができるように、第1波長は同調可能な源から導出されてよい。第2波長は約5.5マイクロメートル~200マイクロメートルの範囲にわたって同調可能であってよい。第2波長は、5.5マイクロメートル~約200マイクロメートルの範囲にわたって、例えば約5.5μm、又は5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,7.5,7.6,7.7,7.8,7.9,8.0,8.1,8.2,8.3,8.4,8.5,8.6,8.7,8.8,8.9,9.0,9.1,9.2,9.3,9.4,9.5,9.6,9.7,9.8,9.9,10,10.5,11,11.5,12,12.5,13,13.5,14,14.5,15,15.5,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,19.5,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,又は約200μmに連続的に同調可能である。第4の態様によれば、中赤外から遠赤外の固体ラマンレーザーシステムを提供する方法が提供される。この方法は、共振器空洞を提供するステップであって、共振器空洞は、ポンプビームを共振器空洞に入れるために、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内の波長を有する光について高透過性であるようになっている入力リフレクタと、約5.5マイクロメートルを上回る第2波長を共振器内で共振させて出力ビームを出力するために、第2波長を有する光について部分的に透過性であるようになっている出力リフレクタとを含む、ステップを含んでよい。入力リフレクタは、共振器内の第2波長を共振させるために第2波長において高反射性であってよい。この方法はさらに、共振器空洞内に配置された固体ラマン材料を提供するステップを含んでよい。この方法はさらに、第1波長を有するポンプビームを共振器空洞内に導いてラマン材料に入射させ、このことによってラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して第2波長を生成するステップを含んでよい。この方法はさらに、第2波長を有する出力ビームを共振器空洞から出力するステップを含んでよい。第1波長は約3~約4マイクロメートル又は約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にあってよい。第4の態様の構成によれば、中赤外から遠赤外の固体ラマンレーザーシステムを提供する方法であって、共振器空洞を提供するステップであって、共振器空洞は、ポンプビームを共振器空洞内に入れるために、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内の波長を有する光について高透過性であるようになっている入力リフレクタと、約5.5マイクロメートルを上回る第2波長を共振器内で共振させて出力ビームを出力するために、第2波長を有する光について部分的に透過性であるようになっている出力リフレクタとを含み、入力リフレクタはさらに、共振器内の第2波長を共振させるために第2波長において高反射性であるようになっている、ステップと、ポンプビームをラマンシフトして出力ビームを生成するために共振器空洞内に配置された固体ラマン材料を提供するステップと、ポンプビームを共振器空洞内に導いてラマン材料に入射させ、このことによってラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して出力ビームを生成するステップと、出力ビームを共振器空洞から出力するステップとを含む、方法が提供される。第1波長は約3~約4マイクロメートル又は約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にあってよい。第1波長ポンプ波長とも呼ばれるは例えば、約3.0μm、又は3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,4.0,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.6,4.7,4.8,4.9,5.0,5.1,5.2,5.3,5.4,5.5,5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,又は約7.5μmであってよい。第1波長は同調可能なポンプ源によって生成されてよい。出力ビームは約5.5μm~200μm、例えば5.5μm、又は5.6,5.7,5.8,5.9,6.0,6.1,6.2,6.3,6.4,6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,7.3,7.4,7.5,7.6,7.7,7.8,7.9,8.0,8.1,8.2,8.3,8.4,8.5,8.6,8.7,8.8,8.9,9.0,9.1,9.2,9.3,9.4,9.5,9.6,9.7,9.8,9.9,10,10.5,11,11.5,12,12.5,13,13.5,14,14.5,15,15.5,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,19.5,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,又は約200μmの波長を有していてよい。出力波長は同調可能であってよい。高反射性の入力リフレクタの、第2波長における反射率は90を上回っていてよく、すなわち、約90~99.99であってよく、第2波長における反射率は例えば90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,99.5,99.9,99.95,又は約99.99であってよい。部分透過性の出力リフレクタの、第2波長における透過率は約1~約80、又は約20~約50であってよく、部分透過性の出力リフレクタの、第2波長における透過率は例えば、約1,約2,約3,約4,約5,約6,約7,約8,約9,約10,約15,約20,約25,約30,約35,約40,約45,約50,約55,約60,約65,約70,約75,約80であってよい。第5の態様によれば、レーザー処理方法が提供される。この方法は第1~第3の態様のうちのいずれか1つに記載のレーザーシステムを提供するステップを含んでよい。この方法はさらに約3.47マイクロメートルの第1波長を有するポンプビームを提供するステップを含んでよい。この方法はさらに、ポンプビームを共振器空洞内に導いてラマン材料に入射させ、このことによってラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して、約6.45マイクロメートルの第2波長を有する出力ビームを生成するステップを含んでよい。この方法はさらに、選択された処理区域にレーザー処理を施すべく、処理区域に出力ビームを導くステップを含んでよい。第5の態様の構成によれば、レーザー処理方法であって、第1~第3の態様のうちのいずれか1つに記載のレーザーシステムを提供するステップと、約3.47マイクロメートルの第1波長を有するポンプビームを提供するステップと、ポンプビームを共振器空洞内に導いてラマン材料に入射させ、このことによってラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して、約6.45マイクロメートルの第2波長を有する出力ビームを生成するステップと、選択された処理区域にレーザー処理を施すべく、処理区域に出力ビームを導くステップとを含む、レーザー処理方法が提供されている。この方法は神経外科のために適合されていてよい。第6の態様によれば、リモートセンシング方法が提供される。この方法は、第1~第3の態様のうちのいずれか1つに記載のレーザーシステムを提供するステップを含んでよい。この方法はさらに、約3~7.5マイクロメートルの範囲内の第1波長を有するポンプビームを提供するステップを含んでよい。この方法はさらに、ポンプビームを共振器空洞内に導いてラマン材料に入射させ、このことによってラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して、約5.5マイクロメートル~約100マイクロメートルの範囲内の第2波長を有するビームを生成するステップを含んでよい。この方法はさらに、共振器空洞から第2波長を出力ビームとして出力するステップを含んでよい。この方法はさらに、出力ビームを対象に向かって又は対象若しくは環境物質が位置していることが疑われる環境内に導くステップを含んでよい。この方法はさらに、対象又は環境物質からの後方散乱放射を検出することを含んでよい。この方法はさらに、検出された放射を処理し、このことによって対象又は環境物質の有無を検知するステップを含んでよい。第6の態様の構成によれば、リモートセンシング方法であって、第1~第3の態様のうちのいずれか1つに記載のレーザーシステムを提供するステップと、約3~7.5マイクロメートルの範囲内の第1波長を有するポンプビームを提供するステップと、ポンプビームを共振器空洞内に導いてラマン材料に入射させ、このことによってラマン材料内において誘導ラマン散乱を誘発して、約5.5マイクロメートル~約100マイクロメートルの範囲内の第2波長を有するビームを生成するステップと、共振器空洞から第2波長を出力ビームとして出力するステップと、出力ビームを対象に向かって又は対象若しくは環境物質が位置していることが疑われる環境内に導くステップと、対象又は環境物質からの後方散乱放射を検出するステップと、検出された放射を処理し、このことによって対象又は環境物質の有無を検知するステップとを含む、リモートセンシング方法が提供される。ポンプビームの波長は約3~約4マイクロメートル又は約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にあってよい。上記態様又は構成のうちのいずれにおいても、第2波長は一次ストークス波長若しくは二次ストークス波長又はこれらの任意の組み合わせであってよい。第1波長又はポンプ波長λ1と、第2波長又は出力波長λ2とは組合せλ1,λ2であってよく、第2波長/出力波長が第1波長/ポンプ波長の第1ストークスラマンシフト波長である場合、組合せλ1,λ2は例えばλ1≒3.0μm,λ2≒5.0μm、又は3.1μm,5.3μm、3.2μm,5.6μm、3.3μm,5.9μm、3.4μm,6.2μm、3.5μm,6.6μm、3.6μm,6.9μm、3.7μm,7.3μm、3.8μm,7.7μm、3.9μm,8.1μm、4.0μm,8.6μm、4.1μm,9.0μm、4.2μm,9.5μm、4.3μm,10.1μm、4.4μm,10.6μm、4.5μm,11.2μm、4.6μm,11.9μm、4.7μm,12.6μm、4.8μm,13.3μm、4.9μm,14.1μm、5.0μm,15.0μm、5.1μm,15.9μm、5.2μm,16.9μm、5.3μm,18.0μm、5.4μm,19.2μm、5.5μm,20.6μm、5.6μm,22.0μm、5.7μm,23.7μm、5.8μm,25.5μm、5.9μm,27.6μm、6.0μm,29.9μm、6.1μm,32.5μm、6.2μm,35.6μm、6.3μm,39.2μm、6.4μm,43.4μm、6.5μm,48.4μm、6.6μm,54.6μm、6.7μm,62.3μm、6.8μm,72.2μm、6.9μm,85.3μm、7.0μm,103.6μm、7.1μm,130.8μm、7.2μm,175.8μm、7.3μm,264.1μm、7.4μm,516.8μm、λ1≒7.5μm,λ2≒7500μmであってよい。或いは、第2波長/出力波長が第1波長/ポンプ波長の第2ストークスラマンシフト波長である場合、組合せλ1,λ2は例えばλ1≒3.0μm,λ2≒14.9μm、3.1μm,17.8μm、3.2μm,21.7μm、3.3μm,27.3μm、3.4μm,36.1μm、3.5μm,51.8μm、3.6μm,87.9μm、又は3.7μm,258.4μmであってよい。ラマン変換ダウンシフト出力波長λ2=1/ν2は、所与のポンプ波長λ1=1/ν1に対して、関係ν2=ν1-νRν1,ν2及びνRのそれぞれは[cm1]の単位で表されるによって割り出すことができる。ここでνRはラマン材料の特性ラマンシフトであり、例えばダイヤモンドにおいて、νR≒1332cm1である。添付の図面を参照して、ラマンレーザーシステムの構成を一例として以下に説明する。本明細書中に開示されているのは、中赤外から遠赤外のスペクトル領域約5.5μm超、そしてテラヘルツ領域100μm超へ延びる領域において出力放射を生成するためのラマンレーザーシステムである。具体的には、開示されたレーザーシステムは、ラマン材料中の誘導ラマン散乱によって第1波長をラマンシフトするための固体ダイヤモンドラマン材料を含むことによって、レーザーシステムから中赤外~遠赤外出力放射を生成する。外部ラマンレーザーシステム及び内部ラマンレーザーシステムの両方が、出力放射の生成のために想定される。ダイヤモンドラマン材料は単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドであってよい。或いは、ダイヤモンドラマン材料は2つ以上の単結晶を含んでいてもよく、これらの結晶は接着剤なしの工程、例えば拡散結合によって互いに結合されていてよい。ラマン材料は低い窒素不純物含量、例えば10000ppb未満、又は5000ppb未満、又は1000ppb未満、又は500ppb未満、又は200ppb未満、又は150ppb未満、又は120ppb未満、又は100ppb未満のダイヤモンド材料中の窒素不純物含量を有することによって、7~11μm領域内の例えばラマンシフトされる出力放射に対する吸収損失を最小化することができる。窒素不純物含量は約0.1ppb~約10000ppb、又は0.1ppb~500ppb、又は0.1ppb~200ppb、例えば約0.1ppb、又は0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,2,3,4,5,10,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,105,110,115,120,125,130,135,140,145,150,155,160,165,170,175,180,185,190,195,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1250,1500,1750,2000,2500,3000,3500,4000,4500,5000,5500,6000,6500,7000,7500,8000,8500,9000,9500,又は約10000ppbであってよい。ラマン材料は多結晶又は単結晶ダイヤモンドであってよい。ラマン材料は低複屈折ダイヤモンドであってよい。ダイヤモンドラマン材料は低い窒素不純物含量を有していてよい。ラマンレーザーは、レーザー共振器内で光増幅するための誘導ラマン散乱SRSの現象に依存する。波長λ1及び周波数ω1=ωp=λ1/cここでcは光の速度であるを有する第1波長の入力ポンプ光子は、ラマン材料の結晶格子内の正規振動モードを励起し、そして残りのエネルギーは、第2波長λ2及び周波数ω2=ωs=λ2/cのストークスシフトされた光子として運び去られる。第1及び第2波長は、波数それぞれν1=1/λ1及びν2=1/λ2で表されることもでき、そしてセンチメートルの逆数[cm1]の単位で表される。ラマン変換ダウンシフトストークス波長λ2=1/ν2は、所与のポンプ波長λ1=1/ν1に対して、関係ν2=ν1-νRν1,ν2及びνRのそれぞれは[cm1]の単位で表されるによって割り出すことができる。ここでνRはラマン材料の特性ラマンシフトである。例えばダイヤモンドにおいて、特性ラマン周波数はνR≒1332cm1である。固体材料の場合、ラマン散乱の確率は、格子振動の小さな変位dqとともに分極率αが変化する材料の場合に、すなわちdα/dqが大きい場合により高くなる。分極率の変化率dα/dqは、入射光の結果としてラマン材料中の電子雲が被る歪みの量の尺度であり、そしてその二乗dα/dq2は、自然発生的なラマン断面積に対して正比例する。SRSは、ストークス光子と2つのポンプ光子との相互作用を必要とし、ひいては第3高調波、四波混合、及び二光子吸収の非線形過程と同様の三次非線形光学的過程である。z軸に沿ってラマン媒質を通って伝搬するのに伴う、ストークス周波数ωsによるストークス場強度Isの増幅は、dIs/dz=g.Ip.Is1の関係によって与えられ、上記式中、Ipは波長λp=λ1のポンプ場の強度であり、Isは、波長λs=λ2のラマンシフトストークス場の強度であり、そしてゲイン係数gはdα/dq2に対して比例する。ポンプパルス継続時間が、コヒーレント格子フォノンが材料中に残る脱位相時間T2よりも長い定常状態下では、ラマンゲイン係数はg=k/m.ωs.dα/dq2.T22の関係によって与えられ、上記式中、mは振動原子の換算質量であり、kは定数であるしかしながら、ポンプパルス継続時間がフォノン脱位相時間T2と同等であるか又はこれよりも短い場合には、コヒーレントフォノンの蓄積速度が考慮される必要があり、また有効ゲインが低減される。ダイヤモンドは、dα/dq2/m及びT2の両方の値が高いため、例外的に高いラマンゲイン係数を有する。注目に値するいくつかの興味深いラマンレーザー特性がある。1ラマン増幅の等式は、反転分布を伴うコンベンショナルなレーザーゲインと極めて類似している。ラマンの場合、自然発生的なラマン断面積が、誘導放出断面積材料パラメータと類似しており、反転分布項はIpによって置き換えられる。2ポンプ場が存在している間だけゲインが存在するので、出力パルスとポンプパルスとの間には一般に密接な時間的オーバラップがある。結果として、ラマンレーザーはしばしば非線形光学コンバータと考えられる。レーザーエネルギーは反転分布吸収レーザーと同様に媒質中に貯えられない。3高調波生成及び四波混合のような非線形光学的変換過程とは対照的に、ラマン生成は自動的に位相整合される。すなわちポンプビーム及び出力ビームの運動量ベクトルとは本質的に独立して,運動量は相互作用中に保存される。ラマン材料中の散乱フォノンがあらゆるリコイルrecoilをも持ち去るため、相互作用中に運動量が保存され、その結果ラマンレーザーはいくつかの重要な特性を有する。ラマンビームの位相特性は、ラマン共振器の設計によって拘束され、そして結果として、ラマン出力ビームの空間特性はしばしばポンプビームよりも良好であり、これは、ラマンレーザーがラマンビームクリーンアップとしばしば呼ばれるプロセスにおいてビーム質コンバータとして作用するのを可能にする特性である。このことは、位相整合非線形変換過程、つまり出力ビームの位相特性がポンプビームの位相特性と直接に関係してビームプロフィール内の歪み及びホットスポットの悪化を招くように作用する過程とは異なっている。ラマンレーザーは、コンベンショナルなレーザーにおいてしばしば使用されるサイドポンプ形態におけるように、出力ビーム軸に対して非共線的な種々の角度でポンピングすることもできる。非共線ポンプ配置において、ポンプビームはラマン活性媒質中でレーザー空洞の共振器モードと実質的にオーバラップするが、しかしポンプビームは、ラマン活性媒質を通過するため、共振器モード軸と共線的ではない。サイドポンピング配置は、非共線ポンプ形態の一例であり、ここでポンプビームは共振器モード軸に対して90°又はその近くの角度を成しているが、90°よりも小さい角度を用いてもよい。自動位相整合の必然的な結果は、ラマン過程をカスケード式に行うことにより、整数のストークスシフトを生成することができる。注意深いラマンレーザーの設計によって、選択されたストークス次数又は複数のストークス次数での効率的な生成を達成することができる。ラマンレーザーの設計は、図1A及び1Bに最も基本的なよく知られた形態で示されているような、外部空洞ラマンレーザー及び空洞内ラマンレーザーという2つのカテゴリーに分けることができる。図1Aに示されているような外部空洞ラマンレーザー110の場合、ラマン活性媒質116が、入力リフレクタ114と出力リフレクタ115とを含む共振器空洞111とともに配置されている。外部ポンプ源117からの第1波長のポンプビーム112が共振器111内に入れられてラマン活性媒質116に入射するように、リフレクタは構成されている。ラマン活性媒質116は、ポンプビーム112を、共振器111内で共振する第2波長のラマン変換ビーム113ストークスビームに変換する。入力ミラー114はポンプ波長に対して実際にできるだけ高透過性であるべきであり、また、出力ミラー115は、ポンプ放射112がラマン活性媒質116をダブルパスするのを可能にするようにポンプ波長で反射性であるべきである。出力リフレクタ/ミラー115はまた、ラマン変換ビーム113の一部を透過して、第2波長のラマン出力ビーム118を生成するように適合されている。ラマン出力ビーム118のスペクトル空間特性は共振器の設計によって決定づけられる。例えば所望のストークス次数で出力結合するように、しかしより低いストークス次数を反射させるように出力ミラー115を設計して、これらの低いストークス次数が空洞111内で共振させられ、ラマン材料116内で連続してより高いストークス次数に順次変換されるようにすることによって、高次ストークス出力を選択することができる。外部ラマンレーザー110はパルス化ポンプレーザーのために最も効率的に動作するが、好適な空洞設計によって連続波動作も可能である。外部共振器配置の主な魅力は、これが変更なしのポンプ源に対する単なる付加物であることが可能であり、ひいては、入手可能なレーザーシステムをポンプ源として活用するアプローチを可能にすることである。中赤外から遠赤外及びテラヘルツの外部ラマンレーザーシステムの1配置例において、中赤外から遠赤外の固体ラマンレーザーシステムは、入力リフレクタ114を有する共振器111を含んでおり、この入力リフレクタ114は、第1入力ビームを共振器空洞111へ入れるために、第1波長を有する光に対して高透過性であるように適合されている。第1波長は約3~約7.5マイクロメートル、又は約3~5マイクロメートル、3~4マイクロメートル、又は約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内にあってよい。入力リフレクタ114はさらに、所望の中赤外から遠赤外の出力放射118の波長で高反射性であるように適合されている。入力リフレクタ114は概ね、所望の透過特性及び反射特性を得るために光学コーティングを含むことになる。共振器111はまた出力リフレクタ115を含んでいる。出力リフレクタ115は、約5.5マイクロメートルを上回る第2波長を共振器111内で共振させるために、そして出力ビーム118を出力するために、第2波長を有する光に対して部分的に透過性であるように適合されている。入力リフレクタ114はさらに、共振器111内の第2波長を共振させるために、第2波長において高反射性である。共振器空洞111内には固体ラマン材料116が配置されているので、使用時には、第1波長の入射ポンプビーム112がラマンシフトされて、ラマン材料116内の誘導ラマン散乱によって第2波長を生成する。第2波長は約5.5マイクロメートルよりも大きい。共振器内のラマン生成放射の一部が出力リフレクタによって透過されることにより、システムの動作中に中赤外から遠赤外の出力ビーム118を形成する。部分透過性の出力リフレクタ115のラマンシフトされた第2波長における透過率は約1~約80又は約20~約50であってよい。入力リフレクタの第2波長における反射率は典型的には90を上回り、すなわち90~99.99である。この共振器配置例110の場合、第1波長の入力ポンプビーム112を生成するためにポンプ源117が必要とされる。入力ポンプビーム112は使用時に、所望の中赤外から遠赤外の出力ビーム118を生成するためにラマンレーザーシステムに導かれる。ポンプビーム112は、当業者には明らかな適切なレンズ図示せずを用いてラマン材料内に集束されることができる。エンドポンプ配置の場合、集束されたポンプビームのウエストが共振器空洞111のモードの直径未満又はこれにほぼ等しいように、そしてポンプビーム112のレイリー範囲がラマン材料116の長さにほぼ等しいように、ポンプビーム112を集束することができる。ポンプレーザー源は、光パラメトリック発振器、固体ツリウムレーザー、固体ホルミウムレーザー、及びエルビウムレーザーから成る群から選択されてよく、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内にあるポンプ放射を生成するように適合されていてよい。別の配置の場合、ポンプ源は、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内にある放射を生成するように適合された光パラメトリック発振器OPOであってよい。レーザーシステムはさらにヒートシンクを含んでいてよい。ヒートシンクはラマン材料と熱接触しており、これにより動作中、ラマン材料表面からの過剰な熱を取り除く。ヒートシンクは例えば熱電冷却装置であってよい。レーザーシステムはさらに、特に放射が約4~約5.5マイクロメートルの範囲内にある場合には、ラマンレーザー材料を室温未満に冷却するための冷却メカニズムを含むことによって、多フォノン吸収量を最小化するそしてラマンゲインを高めることができる。冷却メカニズムは例えばラマン材料を液体窒素温度まで、又は必要な場合にはこの温度未満に冷却してよいすなわち液体窒素又は別の冷却用液体を使用することにより、明細書に開示されたラマンレーザーシステムのうちのいずれかに使用されるラマン材料を冷却することができる。さらなる配置において、ラマン材料は、第1波長及び/又は第2波長の光を共振器空洞内で案内するための導波路を含んでいてよい。導波路は、さもなければ回折によって可能になるよりも長い、ラマン材料中の距離にわたって、ポンプ放射又はストークス放射又はその両方の閉じ込めを可能にする。従って導波路は、ラマンレーザー作用の閾値を低くするために重要であり、低いポンプピークパワーを使用するときに効率を高める。理想的には、導波路は低損失であり、ポンプ場とストークス場との良好な空間的なオーバラップを可能にする.現在まで、ダイヤモンド内の導波路はリブ導波路をマイクロマシン加工することによって形成されている[例えばHiscocksMPetalDiamondwaveguidesfabricatedbyreactiveionetching参照]。また、イオン注入[例えばOliveroPetalControlledvariationoftherefractiveindexiniondamageddiamond20thEuropeanConferenceonDiamond,Greeceで発表参照]、及び直接レーザー書き込み例えば結晶性Nd:YAGにおけるフェムト秒レーザー書き込み[例えばRodenaslAetalRefractiveindexchangemechanismsinfemtsecondlaserwrittenceramicNdYAGwaveguidesmicrospectroscopyexperimentsandbeampropagationcalculationsフェムト秒レーザー書き込みされたセラミックNd:YAG導波路における屈折率変化メカニズム:マイクロスペクトロスコピー試験及びビーム伝搬計算AppliedPhysicsBLasersandOpticsVolume95Pages8596参照参照によって、低損失埋め込み式チャネル導波路の形成も可能である。具体的な構成において、固体ラマン材料116は、νR=1332cm1の特性ラマンシフトを有するダイヤモンドである。有利には、ダイヤモンド固体ラマン材料116は低複屈折単結晶ダイヤモンドである。このように、約3.2μm~約3.8μmの範囲内にある第1波長を有する入力ビーム112を使用することにより、ダイヤモンドラマン材料116中の入力放射112の第1ストークスラマンシフトを活用して、約5.5μm~約7.7μmの範囲内にある第2波長を有する出力ビーム118を生成することができる。他の配置では、共振器111の入力リフレクタ114及び出力リフレクタ115の両方が、約5.5μm~約7.7μmの範囲内にある放射に対して高反射性であるように適合されていてよく、これにより、共振器111内部でこの波長範囲内にある放射を共振させる。この放射は続いて、ダイヤモンドラマン材料116中のカスケードラマン過程によって第2ストークス波長に変換される。出力リフレクタ115を、第2ストークス波長で少なくとも部分的に透過性であるように適合することにより、この波長の共振器内の放射の一部が共振器を出て出力放射118を形成することができる。約3.2μm~約3.8μmの範囲内にある波長を有する入力ビーム/ポンプビーム112を使用する場合、第2ストークスの生成のために共振器111の入力リフレクタ114及び出力リフレクタ115の透過率及び反射率の特性を最適化すると、結果として、約21μm~約200μmの範囲内にある波長を有する出力ビーム118が生じる。別の外部空洞ラマンレーザーアーキテクチャが、図1B同様の数字は同様のエレメントを意味するに概略的に示すようなサイドポンプ配置120である。ここでは、ラマン材料は出力ビーム軸に対して非共線的な角度を成してポンピングされる。ポンプ源117aは、ポンプ光112aを発するように配置されている。ポンプ光112aは、共振器111aの共振モード軸上でラマン材料116の長さに沿って共振器111aのモードをポンピングする。レーザー結晶のサイドポンピングは、より高いラマン閾値を有することがあるものの、依然として高い光-光変換効率をもたらすことができ、そしてより容易にスケーリング可能scalableであり、又は共振器構成部分を配置することができるより大きなフレキシビリティを可能にする。レーザー軸に沿うのではなくレーザー媒質をサイドポンピングすることは、レーザー設計の制約を著しく変化させ、いくつかの利点、例えば共振器ミラーコーティングに対する要件の緩和、入射パワー密度の低減、及び活性媒質内部のポンプレーザー浸透の短縮のような利点を含む。サイドポンピングは、ポンプビームと出力ビームとを空間的に分離し、そしてレーザー構造におけるいくつかの設計の自由を可能にする。主要な自由は、ラマン媒質による著しい吸収を被る波長のレーザーをポンピングする可能性を含む。結晶の長さと幅との比と同じ量だけ、損失を軽減することができる。このことは数桁の改善となり得る。利点はまた、ミラーに対する制約、及びより広い範囲のピーク及び平均パワーを有するビームを結合するための制約が大幅に低減されることを含む。サイドポンピングは、コンベンショナルな反転分布レーザーにおけるパワースケーリングpowerscalingのためのよく知られた方法ではあるものの、ラマンレーザーにおける用途は最近になってようやく詳細に研究されだしたにすぎない。発明者によって企てられたこれらの研究が示したところによれば、効率及び閾値ポンプ強度は、誘電結晶性ラマンレーザーの場合のエンドポンピングシステムにおいて観察されるものと同様である。ポンプ波長におけるラマン媒質の吸収深さは一般に反転分布レーザーよりも著しく長いので、多軸ポンピングが任意の結晶形状及び寸法に対して容易であり、高輝度用途のためのコヒーレントビーム結合への興味深いアプローチをもたらす。サイドポンピングはまた、媒質を通過する光路が長いことに起因して又はエンドミラーコーティングの制約に起因してエンドポンピングが問題をはらむ場合に、効率的な動作を可能にする代替手段を提供する。サイドポンピングは、著しい多フォノン吸収を被る波長すなわち2~6ミクロンの範囲内にあるポンプ波長でポンピングされるダイヤモンドラマンレーザーにとって特に有利である。横型形態が、ビーム直径とラマン材料長さとの比と同じ量だけポンプ吸収量を低減することになる。ポンプ波長が材料バンドギャップの近傍にあるシステムにおいて同様の原理が当てはまる。このような形態はポンプ放射の寄生吸収を最小化することもできる。それというのも媒質を通るポンプ光線の光路長が、ラマンレーザービーム直径と同じ短さであることが可能であるからである。このことは、ポンプ放射の光路長がラマン材料の長さのオーダーであるエンドポンピング配置とは対照的である。従ってサイドポンプ配置の場合、光路長及び結果として生じる吸収量は、数桁低くなることが可能である。例えばラマン材料中のポンプ放射の吸収量が高いすなわちダイヤモンドにおいて約3.8~約5.5μm又は約7~約11μm特定の配置の場合、エンドポンプ及びサイドポンプの両方にとって、ラマン材料は同時に有利である。SRSについてのゲイン及び閾値を実証する理論は1960年代に確立されているが、散乱ジオメトリー及び振動波の関連動力学特性に明確に対処する結晶におけるSRSの詳細な取り扱いはほとんどない。Shen及びBloembergen[YRShen及びNBloembergenTheoryofStiumulatedBrillouinandRamanScattering誘導ブリルアンラマン散乱の理論PhysRev137A1787A1805参照]は光学フォノン波ベクトルの関数としてSRSを具体的に調査した。問題点は古典的に十分に対処される。なぜならば、相互作用は大きなフォトン群に関与するからである。閾値近くの挙動に関しては、ポンプ場Epの枯渇は無視することができ、またほとんどの振動中心が基底状態にあるので反ストークス波を無視し得ることが想定される。ストークス場Es~expi2/c2κsωvΓによって定常状態ラマンゲイン係数等式6参照と関係づけられる。エネルギーの保存はωp=ωsωvを必要とする。等式3からは、フォノンと光子との結合強度が伝搬とは独立しており、そしてポンプ及びストークスの偏光、及びαの特性にのみ依存していることが判る。唯一の方向依存性は、運動量保存κp=κsκvのための要件から生じる。90°散乱の場合、フォノン波ベクトルの大きさは、図1Caに示された前方散乱のものと後方散乱のものとの間にある。しかし、フォノン波ベクトルがブリルアンゾーン境界と比較して極めて小さく、フォノン分散も低いことがほとんどいつも一般には想定される。可視波長のラマン後方散乱の例では、κvは105cm1のオーダーであり又はゾーン境界のほぼ1である。結果として、光学フォノンの共振周波数の変化ωv0=ω02-β2κv205は無視できる程度であり、ラマン線幅内の周波数のフォノンを、散乱方向とは無関係に、運動量保存相互作用において生成することができる。Γがフォノン波ベクトルの大きさに依存しており、この場合、ラマンゲインが定常状態レジームにおいて影響を及ぼされることも示唆されている。著者はκvに対する有意なΓ依存の証拠を知らず、その効果は無視できるものと想定される。従って、ラマンゲインは一次的には散乱ジオメトリーから独立していると結論づけられる。図1Bのサイドポンプ配置120では、入力リフレクタがポンプ光112aを透過させる必要がないため入力リフレクタの反射率要件を緩和することができ、従って入力リフレクタをリフレクタ119と置き換えてもよい。リフレクタ119は、ラマン材料116によって生成された共振ラマンシフト波長113において高反射性であるように適合されている。ここでもやはり、ポンプビーム112aは、適切なレンズ図示せずを用いてラマン材料内に集束されることができる。サイドポンプ形態の場合、当業者には明らかなように、円柱状に集束されるポンプビームのウエストが共振器空洞111aのモードウエストの直径未満又はこの直径にほぼ等しいように、そしてポンプビーム112aのレイリー範囲が共振器ビームウエストよりも概ね大きいか又はこれにほぼ等しいように、ポンプビーム112aを集束することができる。サイドポンプレーザーの場合、高いビーム質を有するビームを生成するために、不安定共振器を使用することが重要な場合がある。図15Aのラマンレーザー1500では、サイドポンプ配置例が示されている。ここではポンプビーム1501はラマン共振器軸1503に対して垂直である。この配置は、タングステン酸カリウムガドリニウムKGWラマン材料を使用して示されているが、この配置はダイヤモンドラマン材料にも容易に適合させることができる。532nmポンプレーザー1507からの線焦点円柱レンズ1511を使用と、共振器1515を形成するために図示のポンプビーム方向に対して垂直な軸を有する状態で配置されたラマン共振器光学素子1509及び1510を使用して、ラマン材料、すなわち方形KGW結晶1505をサイドポンピングした。この配置のラマンレーザー閾値は4.5mJであり、出力ビーム1520中の最大出力エネルギーは、スロープ効率47のポンプエネルギー12mJを使用して2.7mJが得られた。KGWラマン結晶1505の長さは25mmであった。共振器1515の空洞長さは34mmであった。KGWのラマンシフト901cm1に対して最大ゲインdα/dQを提供するために、Nm軸がポンプビーム1501の偏光に対してほぼ平行であるように、ラマン結晶1505を整列させた。リフレクタ1509は、範囲530~650nmの波長のための広帯域高反射リフレクタCVI-TLM2であり、出力カプラ1510は第1ストークス波長559nmにおいてHRであり、そして第2ストークス波長589nmにおいて70Tであったそれぞれポンプ源1507からの532nmポンプ放射に対応。532nmポンプビーム1501はTEM00モードであり、約8nsのパルス継続時間を有した。ポンプ源1507からの6mm出力ビーム1501を、10×の円柱テレスコープ1517を使用して水平方向に拡大した。拡大されたポンプビームを、アパーチャ1519を使用してクリップして、ポンプビーム1501の中心部分だけが使用されるように、そしてポンプビーム1501aがラマン結晶1505の長さの中央90だけを照射するようにした。ポンプビーム1501のエッジのクリッピングは、使用されるポンプエネルギー範囲に対応して、ラマン材料1505の端部角隅、及びラマン結晶1505中のポンプ放射の最も強力な線焦点領域にあるバルク領域の両方にとって、結晶損失閾値を超えないことを保証した。41mm焦点長の円柱レンズ1511を使用して鉛直方向に集束することによって、ポンプビーム1501aの線焦点をラマン結晶中に形成した。ラマン結晶1505中のポンプストライプ長は20mmであり、既知のビーム特性M2=1.5に基づいた。計算された鉛直方向ウエストマイナー半径及びレイリー範囲はそれぞれ5μm及び100μmであった。サイドポンプ形態の性能をエンドポンプ形態の性能と対比するために、エンドポンプラマンレーザーシステム1500aを図15Bに示すように研究した。サイドポンプ形態における高反射リフレクタ図15Aのリフレクタ1509を二色性入力カプラ1509aと交換した。この二色性入力カプラ1509aは、532nmにおける透過率が92であり、またストークス波長において高反射性であった。上で使用されたものと同じポンプ源1507からのポンプビーム1501532nm、TEM00モード、パルス継続時間8ns、及びM2ビーム質因数約1.5を、焦点長f=500mmを有する球面レンズ1525を用いて、上で使用されたのと同じKGWラマン結晶1505内に集束することにより、それぞれ約55μm及び約3.5cmのポンプビーム1501bのウエスト半径及びレイリー範囲を提供した。エンドポンプラマンレーザー1500aを、最大12mJのポンプエネルギーについて調査した。高いパルスエネルギーでポンピングした時にポンプビーム1501bの平面内に観察される増幅された自然発生的なラマン散乱を用いることによって、ラマン共振器1515aを整列させた。先ず、観察されたダブルパス第1ストークスSRS信号を最大化することによって、高反射性リフレクタ1509aをポンプストライプ軸と整列させた。サイドポンプ形態のために使用されるような出力カプラ1510を次いで所定の位置に置いて整列させることにより、第2ストークスレーザー出力を最大化した。整列されたサイドポンプラマンレーザー1500のエネルギー変換を下記のように図15Cに示す。サイドポンプポンプ形態からの出力ビーム1520a中のストークス出力に対するポンプ閾値図15Cのグラフ1530参照は、ポンプエネルギー>6.5mJについての線形フィットによって定義して6.2mJであった。比較すると、図15Bのエンドポンプ形態1500aに対するエネルギー閾値図15Cのグラフ1535参照は0.16mJであり又は図15Aのサイドポンプ形態の39分の1の低さである。閾値におけるポンプ強度は、エンドポンピング及びサイドポンピングのラマンゲイン係数が比較されるのを可能にする。閾値近くのストークス強度の成長は、それぞれの場合にdIs=IsLdzによって与えられる。式中、往復運動損失係数Lは固定的であると想定される。従って閾値においてゲインは、往復運動全体にわたってIpの積分に対して反比例する。閾値における∫Ipdzの値は、これらを計算するために使用されるパラメータとともに、下記表1に示されているように因数2以内で互いに類似している。理論から予測されるパリティからの逸脱は、ポンプモード体積と共振器モード体積との想定モードオーバラップが無効であること、そしてポンプレーザー内の複数の長手方向モードの存在から生じる影響によるものである。サイドポンプレーザー形態の場合、遠距離場出力ビームプロフィールが著しく非対称であるMx2/My2はほぼ750であって、My2=1.8であり、式中xはポンプ方向であることに注目すべきである。このことはストークスモードのシーディングがエンドポンプの事例この場合Mxy2<1.5とは大きく異なることを示唆する。図15Cから判るように、サイドポンプ形態1500からの横方向ラマンレーザー出力エネルギー1530は、スロープ46でポンプエネルギーと線形スケーリングし、エンドポンプ形態1500aを使用した場合に見られる最大値よりも僅かに低い。エンドポンプ形態1500aでは、レーザー出力エネルギー1535はスロープ効率53を呈した。最大ポンプエネルギーにおいて、サイドポンプ形態の変換効率は22である。これは、ニトロベンゼンに関して以前に実証されたシングルパスサイドポンプの100倍超高い効率である[JHDennis及びPETannenwaldStimulatedRamanemissionat90ototherubybeamルビービームに対して90°を成す誘導ラマン発光ApplPhysLett55860参照]。より高いポンプエネルギーで、そしてポンプビームの改善されたモード制御によって行われる将来的な活動によって、著しく高い変換効率が可能になり、そしてエンドポンプレーザーから見られる、>50であり得る最大値に近づくことが予測される。例えば図1Dに示されているような空洞内ラマンレーザー130は、エンドリフレクタ132と出力リフレクタ134とを含む共振器131を含んでいる。レーザー媒質133及びラマン活性媒質135の両方が共振器空洞131内に配置されている。レーザー媒質133を外部ポンプ源図示せずによってポンピングすることによって、第1波長136のポンプビームを生成する。第1波長はラマン媒質135内で、ストークスビームへのラマン変換過程を介して第2波長へ変換される。共振器131は、第1ポンプ波長及び第2ラマン/ストークス波長の両方を共振させるように適合されており、これは、ラマン媒体中の変換を促進し、ポンプパワー閾値の低下を可能にするという利点を伴い、また低いピークパワーで効率的に動作可能なコンパクトなダイオードポンプ装置によく適したアーキテクチャをもたらす。出力リフレクタ134は、第2波長で部分透過性であることにより、ラマン変換された波長の出力ビーム138が共振器131から出るのを可能にする。空洞内システムの利点は、第1波長における広いポンプ場ラマン材料によって変換されることになると、第2波長におけるラマン結晶によって生成されたラマンストークス場とが、ラマン変換波長への変換効率を改善することである。しかしながら、ラマン材料中の空洞内ポンプ場の第1波長の吸収が大量である場合には、空洞内システムは一般に利益が少ない。従って、空洞内ラマンレーザーの効率的動作のために、共振器は、ポンプ場の波長において高品質共振器すなわち吸収に起因する損失を含む、最小限の損失であることを必要とする。更なる配置において、レーザーシステムは、2つの出力波長の間で切り換え可能であるように適合されていてよい。いくつかの用途、例えば医療処置において、出力波長間の迅速な切り換え、例えば水吸収量が高い3.47μmと吸収係数が大幅に低い6.45μmとの間で切り換え可能な出力を送達することができるレーザーは、外科医が浸透深さ及びレーザーシステムのアブレーション特徴を変更するのを可能にするために特に有利である。出力波長間で選択的に切り換わるように適合された、基本的な切り換え可能なラマンレーザーシステム140の配置例が図1Eに概略的に示されている。ここではポンプレーザー141は、ポンプ波長λ1を有するポンプビーム142を生成するように適合されている。切り換え可能なシステム140は、ここではリフレクタとして示すスイッチ145を含んでいる。このリフレクタは、第1位置145aと第2位置145bとの間で機械的に移動可能である。例えば偏光に基づく方法、又は光ファイバー切り換え方法ポンプビームが光ファイバーを介して送達される、及び当業者には明らかな他の方法を含む他の切り換えメカニズムを使用してもよい。スイッチ145が第1位置145aにある間は、ポンプビーム142はダイヤモンドラマンレーザーシステム143に導かれる。ダイヤモンドラマンレーザーシステム143は、ラマンシフト波長λ2の出力ビーム144を生成するための、本明細書中に記載されたシステムであってよい。或いは、スイッチ145が第2位置145bにある時には、ポンプビーム142はラマンレーザーシステム143を迂回し、そして切り換え可能なレーザーシステムの代わりの出力ビーム145を形成する。具体的な配置において、レーザーシステム140は、1つ以上の光ファイバー、又は当業者に明らかなような連結された出力送達システムp24参照]。実際には、ダイヤモンドラマン材料をポンプ放射の偏光に対して配向することによって、より高効率のラマンゲイン係数にアクセスし、ひいてはより効率的な動作を可能にするべきである。従って、ダイヤモンドラマンレーザー配置のいずれかを最適化するためには、ポンプビームが偏光ポンプビームであること、そしてポンプビームの偏光が、これがラマンゲインの増大のために好適な結晶軸に対して平行であるように配向されていることを保証することが有利である。結晶軸はダイヤモンド結晶格子の<100>,<110>又は<111>軸であってよく、入力ポンプビームの偏光は結晶軸に対して平行にされる。ブリュースターカットラマン結晶の場合にも、結果としてのラマン変換ストークス光の偏光がやはりポンプ光と同じ配向で偏光され、これによりラマン材料のブリュースターファセットにおけるストークス光及びポンプ光の反射損失を同時に最小化し得ることを保証することが有利である。ダイヤモンドのレーザー損傷閾値も重要なパラメータではあるが、現在まで、特に最近の材料に関して入手可能な情報が不足している。単結晶ダイヤモンドの測定は、継続時間1nsのパルス化された1064nm放射についてほぼ10GWcm2であり、多くの他のラマン材料よりもおそらくは高いことを示唆している。ダイヤモンドラマンレーザーのモデリング固体ダイヤモンドラマン材料中のラマン過程を理解予測するために、図2に示されているような図1Aの外部空洞ラマンレーザーシステム110と同様の基本的な外部空洞形態におけるポンプ場及びストークス場の時間的動力学特性をシミュレートするように、数値モデルを作成した。数値モデルの基本仮定は、平面波相互作用だけが考察されること、そして入力ポンプビームの線幅がラマン線幅よりも概ね小さいか又はこれとほぼ等しいことである。第1ストークスへのラマン変換のためのよく知られた結合等式は、であり、上記式中及びは、前方及び後方に伝搬するポンプ波p及びストークス波sであり、であり、αspは材料吸収損失係数であり、そしてzは空洞内の長手方向位置である。モデルは、時間ステップdt=dzn/cを使用して場を伝搬し、外部共振器は、ポンプ場及びストークス場を結晶を通して伝搬することによりモデリングされる。結晶と共振器ミラーとの間の小さな空隙も考えられる。入力カプラ及び出力カプラは、ストークス波長の光を共振させるように、そしてまた、入力ポンプレーザーのダブルパスが一般試験条件と一致するのを可能にするように適合される。言うまでもなく、ラマンレーザーモデルの精度は、モデル仮定及び入力パラメータの妥当性に依存する。試験入力パラメータ、例えばポンプパルスエネルギー、パルス継続時間、及びパルス速度はよく知られたパラメータであるのに対して、結晶内のビーム輝度は、スポットエリア測定によって導入される際の不確実性が比較的大きいため、僅かに周知度が低い。結晶中の入力ビーム及び出力ビームは典型的には概ねガウス横方向プロフィールの低次モード遠距離場プロフィールであるので、このモデルの平面波仮定はいくらかの有意な誤差を招くことにはなるものの、ポンプ線幅とラマン線幅との間のスペクトルオーバラップは、Ndベースのポンプレーザーに対する今日までの良好な仮定であると考えられている。モデル精度はもちろん、ゲイン係数g及び吸収損失係数αspを含む材料パラメータの十分な知識にも依存する。ラマンゲイン係数一般に、或る材料に対するラマンゲイン係数は、という関係によって与えられる。上記式中、T2は脱位相時間であり、dα/d1は、振動中心間の変位の関数としての分極率の導関数であり、そしてωs及びωrはそれぞれ、ストークスビームの周波数、及び結晶格子のラマン振動モードの特性周波数すなわちラマン材料の特性ラマン周波数である。定数k=4πN/n2npc2mは集中定数であり、ここでNは換算質量の振動中心の数密度であり、m,n2及びnpはそれぞれストークス周波数及びポンプ周波数の屈折率であり、そしてcは真空中の光の速度である。ラマンゲイン係数の強い波長依存性は、ゲイン等式におけるストークスビームの周波数ωsの明確な出現及び波長におけるdα/dqの何らかの依存性から生じる。気体中の試験的研究[WKBishel及びMJDyerJOptSocAmB3677参照]は、ここでDはフィッティングパラメータであるの関係以後Bishel式と呼ぶに従って、周波数がバンドギャップ周波数viに接近するのに対応して、ゲイン係数が著しく増大することを示唆する。ダイヤモンドに関するラマンゲイン係数の測定は、1970年代前半に遡る僅かな機会に、いくつかの波長だけに関して報告されているにすぎない。初期の研究は天然ダイヤモンドにおいて行われたのに対して、Kaminskiiによる最近の測定[KaminskiiAAetalHighorderStokesandantiStokesRamangenerationinCVDdiamondCVDダイヤモンドにおける高次ストークス及び反ストークスのラマン生成PhysStatusSolidi242R4R6及びKaminskiiAAetalHighorderstimulatedRamanscatteringinCVDsinglecrystaldiamondCVD単結晶ダイヤモンドにおける高次誘導ラマン散乱LaserPhysLett4350353参照]は、CVD工程を用いて成長させられた合成ダイヤモンドを使用して行われた。結晶配向はそれぞれの事例において報告されなかった。おそらくは、ダイヤモンドのラマンゲイン係数gRを最も信頼性高く指し示すものは、ピークラマン断面積を比較することから得られ[BasievTTetalApplOpt38594参照]、このことによって、488nmにおけるダイヤモンドの定常状態ラマンゲインが、数倍、すなわち硝酸バリウムの1.4倍であり、タングステン酸カリウムガドリニウムの4倍であることが示唆される。全ての測定は、SRSのための観察閾値に基づく方法を用いており、図3の第2ストークス波長の関数としてのラマンゲイン係数のグラフから判るように、結果には有意な変化がある。図3において、黒丸はダイヤモンドの測定データであり、白丸は別のラマン材料のタングステン酸バリウムBaWO4の測定データ値である。図3の実線は、計算がKaminskii2007データポイント301にフィットするように選択されたフィッティングパラメータDを有する等式7を用いて計算されている。モデル検証例-可視ダイヤモンドラマンレーザー数値モデルを試験して検証するために、532nm第1波長の標準周波数倍増Nd:YAGレーザーによってポンピングされるダイヤモンドラマンレーザーシステム例からの試験データと比較した。第1波長は、CVD低複屈折単結晶によって第1ストークス波長へラマンシフトされると、外部空洞配置によって573nm第2波長の出力ビームを生成した。図4は、上に概要を述べた数値モデルの検証のために使用される可視ダイヤモンドラマンレーザーシステムを示す概略図である。ブリュースターファセット401及び403を有する平行六面体ダイヤモンド結晶410をカットすることにより、レーザーシステム400のファセット401及び403からの反射損失の影響をなくした。この例ではダイヤモンド結晶410は、ファセット401を通ってブリュースター角度を成して結晶410に入り、そしてファセット403から出る光の光路長6.7mmを提供した。ダイヤモンド結晶寸法は長さ6.7mm、幅3.0mm、そして厚さ1.2mmであり、材料中の複屈折を低減する方法を用いてダイヤモンド結晶を成長させた[FrielIetalDiamondandRelatedMaterials18808815参照]。ダイヤモンド結晶410を熱電冷却マウント図示せず上に載置し、そして図4に示されているような入力リフレクタ402と出力カプラ404とを含む光学共振器空洞420の内部に入れた。共振器空洞420は、ダイヤモンドラマン材料を通る光の伝搬方向が結晶構造の110方向に対して平行であり且つ成長方向に対して垂直であることにより複屈折を最小化するように設計された。ダイヤモンド結晶410のブリュースターファセット401及び403は、p偏光が110平面内にあるように、そして散乱ストークス発光が、ダイヤモンド結晶クラスの三次感受性テンソルに従ってポンプ場に対して平行な偏光を有するように配向された。この例のリフレクタ402は、ポンプ源430からポンプビーム406を透過するように532nmで94.2透過性Tであり、そしてストークス波長で空洞408内の光を反射するように560~650nmで高反射性HRである入力カプラである。ラマン結晶410の第2パスを提供するためにポンプビーム406を逆反射させる出力カプラ404は、532nmでHRであり、573nmで20Tであり、そして620nmで80Tであった。この例における両共振器リフレクタ402及び404は曲率半径が20cmであった。共振器空洞420の全長が約10~12mmであるように、リフレクタ402及び404をダイヤモンドラマン結晶410に隣接して配置した。この空洞420の最低次の共振器モードに対応する計算ウエスト半径は約85μmであった。それぞれがパルス継続時間8nsとポンプ波長532nmとを有する2つの周波数倍増型Q切り換え式Nd:YAGレーザー図示せずのうちの一方からのパルス化されたポンプビーム406を使用して、ダイヤモンドラマンレーザー400をポンピングした。第1ポンプレーザーは5kHzのパルス繰り返し周波数で動作し、最大0.44mJのポンプ光の出力パルスエネルギーに相当する最大約2.2Wを生成した。第2ポンプレーザーは、10HzのポンプレーザーHyperYagLunomics図示せずを使用してより高い出力エネルギーにおける性能を調査するために使用した。それぞれのポンプレーザーの出力部に高調波分離器図示せずを配置することにより、システム400からのストークス出力パワーの測定に、ポンプ源からの残留1064nm出力の存在による影響が及ぼされないことを保証した。両方のポンプレーザー源は、1.3未満の測定ビーム質因数を有する基本空間モード出力を有した。5kHzのポンプレーザーについて、10cm焦点長レンズ図示せずを使用して出力ビームを結晶内に集束させることにより、共振器420の基本モード範囲とほぼ一致するポンプスポットサイズを提供した。一次ストークス波長573nmの出力ビーム412におけるラマンシフト光へポンプ光を変換した第1ストークス光。ストークス出力ビーム412中の出力パワーを、較正±3精度パワーメーターNewport1801012を使用して測定し、そしてパルスエネルギーをエネルギーメーターED100Gentecを使用して測定した。ビーム412のストークス出力パルスのパルス形状を、高速フォトダイオード及びオシロスコープを500MHzの応答と組み合わせて使用して記録した。較正スペクトル応答を有する格子分光計を使用して、出力ビーム412のスペクトル組成を測定した。図5は、ダイヤモンド結晶410に入射するパルスエネルギーの関数として出力エネルギー501を示す入力カプラ401からの反射損失に基づく約5.8の評価損失を織り込む。5Hzのポンプレーザーについてのラマンレーザー閾値502は、ほぼ0.1mJのポンプ光406であることが測定された。ポンプパワーが高くなると、ストークス出力パワーは、約74.9±2.0のスロープ効率で、最大パルスエネルギー0.24mJまで線形に増大した。最大エネルギーの変換効率は63.5±1.0であった。入力パルスエネルギー<0.23mJに対しては、線形フィットを上回る僅かな偏差が観察されるこの範囲内でのスロープは80を越える。このことは、ポンプパルスの特性パルス短縮約10nsから8nsへ、及び入力電流が増大するのに伴う、相応のピークポンプパワー向上に帰せしめられる。出力ビーム412は概して573nmの第1ストークス光から成っている。0.28mJを上回る高入力エネルギーで、第2ストークス波長620nmの少量の光が出力ビーム412中に観察された。観察された最大出力パルスエネルギー0.44mJでは、ほぼ10が620nmの第2ストークス光であることが観察された。出力パワーの面で、組み合わされた第1及び第2のストークス出力最大値は1180mWであった。より高い入力パワーにおける性能をさらに調査することは、ポンプレーザーの能力によって制限された。5kHzのポンプパルス601及びストークス出力パルス603のパルス形状を記録することにより、ストークス変換の時間的挙動を分析し、これを図6に示す。ここでは、測定された入力及び出力のパルスエネルギーを用いてポンプパルス及びストークスパルスの形状をスケーリングすることにより、瞬時パワー及び変換効率を割り出した。ポンプのラマン変換の開始は、ポンプパルス601のパワーがそのピーク値のほぼ30に達したときに発生し602、ポンプパルスの立ち上がりエッジから1~2nsのラグを引き起こした。ストークスパルス603のFWHM継続時間は約6.5nsであると測定され、これはポンプパルス601よりもほぼ1.7ns短い。ストークスパルス603のピークパワーは29kWであった。瞬時変換効率605は3ns以内にゼロから80超まで急速に増大した。ストークスパルス603のピーク値は、ポンプパルス601のピーク値のほぼ85である。これは第1ストークスの量子効率ηS1=92.8に密に近似する。実際に、フォトン変換効率605における測定ピークは91である。ピーク後、変換効率605はポンプ強度がそのピーク値のほぼ30まで減少すると、ほぼ40まで徐々に減少する。より長い時間t>15nsでは、この期間に非線形検出器応答の証拠があること、また信号がゼロに近づくにつれて結果として大きい誤差が出ることにより、図示していない。図6はまた、ラマンレーザー400の共振器空洞420のダブルパスを形成した後の枯渇ポンプビームのパルス形状607を示している。時間積分がポンプエネルギーと、ラマン変換によって失われたエネルギーとの間のエネルギー差すなわち、第1ストークスパルスエネルギー/ηS1第2ストークスパルスエネルギー/ηS2となるように、ラマンレーザーからの逆反射ポンプビームをサンプリングし、そして信号をスケーリングすることによって、パルス形状607を得た。ストークス変換602の開始前の枯渇ポンプパルス607の挙動は、予測通りポンプパルスと密に一致している。一旦閾値に達するとT>3.5ns、入射ポンプ強度が増大するのに対して、透過されるポンプパルスが急速に減少することにより、大規模な枯渇が明らかである。枯渇がその最大値tはほぼ7nsにあるときのパルスのピーク時に、ポンプ枯渇率は88であり、これは上で計算したストークスへのピークフォトン変換効率91と十分に合致する。ポンプエネルギーと出力エネルギーとの均衡が、全ポンプパルス段階すなわちストークスパルス前、ストークスパルス中、及びストークスパルス後の未変換ポンプフォトンによって説明されると推定される。測定可能なポンプ吸収量熱量測定によって得られた値は532nmで<1.1cm1はあるものの、パルス形状は、これがこれらの条件下で変換効率に有意な影響を及ぼすものではないことを示唆している。10Hzのポンプレーザーを使用して、より高いパルスエネルギーでダイヤモンドラマンレーザー400の性能を調査した。ポンプ焦点スポット半径100μmを使用すると、変換効率42及びスロープ効率効率64は、5kHzのものと同様であった。さらに出力エネルギーをスケーリングし、そして入力カプラ上の二色性コーティングに対する損傷を回避するために、ポンプウエストサイズを200μmまで増大させることによって、入射フルエンスを制限し、ひいてはダイヤモンド結晶に対する損傷可能性を最小化した。ラマンレーザー閾値エネルギー図5の符号504は0.4mJであり、出力図5の符号503は~80kWのピークパワーを有する0/67mJの最大出力エネルギーに対して45のスロープ効率で線形スケーリングされた。最大変換効率は35であった。ポンプモードと共振器モードとの空間的オーバラップを改善するために、曲率が低減された共振器ミラーを使用することによって、より高い変換効率を予測した。出力カプラ図4の符号404を、532nmのポンプ光及び573nmの第1ストークス光について高反射性反射率>99であり且つ620nm第2ストークス光について高透過性透過率約40である出力カプラと交換することによって、ダイヤモンドラマンレーザー400からの優先的な第2ストークス出力も、10Hzのレーザーを使用して観察した。第1ストークスと第2ストークスとの出力の性能を第1及び第2ストークスの生成に適した出力カプラを使用して比較したものを図7に示し、図7は、620nmの第2ストークス性能701スロープ効率48が、第1ストークス出力703第1ストークス出力カプラを使用した同様の条件について64のスロープ効率と比較して僅かに低効率であることを実証している。図8A及び8Bはそれぞれ、上記数値モデル図8A、及び試験的に測定されたパルス形状図8B、これは比較しやすさのためにここで再び示される図6の再現であるを使用して得られた上記可視ダイヤモンドラマンレーザーシステム400に対応するパルス形状を比較したものを示している。上記のように、ダイヤモンドラマンレーザー材料の長さは6.7mmであり、空洞全長は11mmであり、そしてそれぞれ532nm及び573nmのポンプ波長及びストークス波長における吸収係数は約αps≒0.012cm1であった。図8Aは、ポンプ破線801;ストークス点線803;及び枯渇ポンプ実線805のモデリングパルス形状を示している。同様に、図8Bは、ポンプ破線802;ストークス破線804;及び枯渇ポンプ実線806の試験的に観察されたパルス形状を示している。試験的なパルスエネルギー値からモデルに対応する入力エネルギー密度を計算するために、80μmのポンプスポット半径を使用した。システム例400のモデル検証からの観察パルス特徴の多くが、図8Aのモデリング結果に見られることが判る。ポンプパルスの立ち上がりエッジに対するモデル図8A及び試験データ図6及び8B双方におけるストークスパルス発生の遅延はそれぞれの事例において約4nsである。ピークストークス出力の時間及び振幅も極めて類似している。最も際だった不一致は、モデリングストークスパルスの立ち下がりエッジに見られる。枯渇はモデルにおいてより完全であり、モデリングストークス強度はより高い。モデリング枯渇ポンプパルスは、試験的に見られるものよりも著しく低いベースラインを有しており、パルス内の遅い第2ピークは著しく小さい。この差は、モデル内で用いられる平面波仮定の有効性に限界があることに起因する可能性が高い。不一致区域を理解するためにはより多くの詳細な分析が必要となるが、しかし特に閾値レージング強度thresholdlasingintensityに関して質的に合致していることは、モデルが、他のポンプ波長のレージングを達成するためのポンプパラメータを予測するために有用である可能性があることを示唆する。上記された可視出力のためにダイヤモンドラマン材料を使用した結果は、合成低複屈折ダイヤモンドが高効率的なラマンレーザーを実現するのに適していることと、主要な光学パラメータ、例えば吸収、散乱及び偏光解消が効率的なパルス化装置を可能にするのに十分に低いこととを実証する。ダイヤモンドラマン材料とともに532nmのポンプビームを使用すると、573nmの出力レーザー波長第1ストークス及び620nmの出力レーザー波長第2ストークスは、医療及びバイオセンシングのような用途において有用である場合がある。しかしながら、この実証の値は、ダイヤモンドの際だった透明度範囲及び熱特性を活用するダイヤモンドラマンレーザーシステムを実現するのに向けた大きな一歩である。ダイヤモンドは、他のラマンレーザーシステム及び非ラマンレーザーシステムを使用しては容易に達成されない特性空間、例えば高輝度レーザー及び生成するのが他では難しい領域内の波長のレーザー、例えば5マイクロメートルを上回る波長のレーザーにおける特性空間にアクセスするのに有望である。ダイヤモンドの際だって高い熱伝導率から予期されるように、現在の出力パワーレベルでは、結晶における熱効果の証拠は観察されなかった。より高いパルスエネルギー又は繰り返し速度を用いることにより、著しく高い出力パワーが生じ得る。ピーク入力パワー密度がコーティング損傷の及び自己焦点のような寄生非線形効果についての閾値を下回り続けることを保証するために、パルスエネルギー増大時にはビームウエスト直径を増大させることが必要となる場合がある。ダイヤモンドの高い熱伝導率に単純に基づけば、他のラマン材料よりもほぼ2桁高いストークスパワーについて、熱レンズ効果は予期されない。ダイヤモンド以外のラマン材料を使用した現在利用可能な外部空洞ラマンレーザーシステムのための現在の出力パワーが目下のところ10Wに接近しつつあることを考えれば、熱レンズによる影響を性能が受けることなしに、ダイヤモンドが数百ワットのダイヤモンドラマンレーザーまでスケーリングする見込みがあるもっともダイヤモンドの等方性が、熱的に誘発される応力複屈折を考慮することを必要とするようになる。上記された可視ダイヤモンドラマンレーザーの性能を、関連の研究[RPMildrenHMPaskandJAPiperinAdvancedSolidStatePhotonicsOSATechnicalDigestSeriesdoi1011171222490のFigure6;及びWilks,EWilksJPropertiesandApplicationsofDiamondPaperback525頁、発行元:ButterworthHeinemannISBN1007506191の図3.5参照の周りにおけるダイヤモンドの好ましい低い吸収係数値αspと一致させる。Kaminskii2007データポイント図3の301、Basiev他の相対的測定[BasievTTetalApplOpt38594参照]、及び上記された可視ダイヤモンドラマンレーザーシステムのモデリング結果を考察すると、532nmにおける単結晶固体ダイヤモンド結晶のラマンゲイン係数は、約45±~15cm/GWの近傍にあることが評価される。上記等式7のBishel式が有効であると想定すると、ストークス波長7.5μmに当てはめられたゲインは約2cm/GWである。しかし、注意すべきは、Bishel式等式7が約3~5μmに延びるダイヤモンド多フォノン吸収特徴から生じた攪乱に起因して、長波赤外波長のダイヤモンドラマン材料に対しては正確でない場合がある点である。この例において使用されたダイヤモンドラマンレーザーのための数値モデルに対する入力パラメータを表5に示す。ここでは、ポンプ線幅がダイヤモンドのラマン線幅と同様又はこれよりも小さいことが想定されている半値幅は、典型的には約1.6cm1であるが、一般の線幅拡大メカニズムに応じて大きくなり得る。レーザー閾値に達するために2つの重要な考慮事項がある。往復運動損失を超えるラマン材料中のゲインを生成するのに十分なポンプ強度が必要とされる。また、ポンプ光は、ポンプビームをほとんど枯渇させるほど十分に強力なストークスビームを形成可能にするのに十分な継続時間にわたって存在することが必要である。図9は、ダイヤモンドラマンレーザーについて、ポンプ強度とゲイン係数との積Ipg[cm1]を単位として表される3.6μmのポンプ入力場の強度の関数として、閾値に達して7.5μmの第1ストークス光の生成を開始するための予測時間黒丸901及び905をナノ秒で示す。定常状態の変換効率も示されている白丸903及び907。このモデル計算は、一般には試験と比較可能ではないステップ関数レーザーパルスを使用している生モデル出力の一例が図10に示されている。しかしながら、これらの結果は、閾値に達して効率変換を達成するのに必要とされるポンプパワー及びパルス継続時間の要件を良好に指示している。2組のモデル結果を、それぞれThomas実線902Wilks破線906の吸収データに関して提示する。定常状態の効率は、ダイヤモンド中のポンプ及びストークスの吸収損失に起因して、量子効率48よりも著しく低い。図9におけるモデル結果は、10nsオーダーのパルスについて、使用される入力パラメータの例について少なくとも1GW/cm2のポンプ強度が必要とされることを予測する。Thomas基準上記から得られた吸収係数の場合、ポンプパルス<1GW/cm2では、レージング閾値には決して到達しない。それというのも往復運動吸収損失がゲインよりも大きいからである。Wilks基準上記から得られる吸収係数の場合、閾値はほぼ0.3GW/cm2まで減少する。数値モデルを次に用いて、図11A及び11Bに示されるような10nsのFWHMの3.6μmのレーザーポンプパルスについて、それぞれThomas基準及びWilks基準から得られた吸収値を使用して、いくつかのポンプ強度に対応する時間的レーザー性能を計算した。Wilks吸収係数を用いた数値結果図11Bは、ダイヤモンドラマンレーザー閾値が約10J/cm2であることを示唆しているのに対して、より高いThomas吸収値に関しては閾値はほぼ2倍である図11B。パルスの大部分は、約30J/cm2よりも大きい入力エネルギー密度の場合にストークスに変換される。公称ポンプスポットサイズ60μmに対して、必要とされる対応ポンプパルスエネルギーが図6に示されている。ポンプ強度が結晶全長にわたって維持されることを保証するために、材料中のレイリー範囲は約5mmよりも大きいか又はこれにほぼ等しくあるべきであり、入力ビーム質はM2=1.5未満であるか又はこれにほぼ等しくあるべきである。モデルにおける平面波近似は、ダイヤモンドラマン材料内でポンプ場とストークス場との良好なモードオーバラップを成す。実際に、このことは、外部共振器形態について、容易に達成することができる。なぜならば、ポンプウエストサイズを共振ストークス場のウエストサイズとは独立して制御できるからである。ラマン材料を通過するのに伴うポンプモードサイズは、ポンプレーザー、及びラマン材料中にビームを中継するビーム光学素子のビーム特性によって決定される。例えば、焦点長を低減すること、又は集束レンズ又は画像化テレスコープの位置を動かすことによって、ラマン結晶内のポンプスポットを増大させることができる。他方において、ストークス場のモードサイズは主として、共振器ミラーのレンズ特性によって決定される。一般に、ポンプモードサイズが共振器ストークスモードサイズにほぼ等しいか又はこれよりも僅かに小さい、例えばストークスモードサイズの約0.5~約1.1倍共振器モードサイズの例えば0.50倍、又は0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0.85,0.90,0.95,1.00,1.05,又は約1.10倍であることを条件として、良好な変換効率を維持することができる。ここでポンプモード半径はラマン材料中で最小値である。基礎理論によれば、全ての他のパラメータは一定であり、モードサイズは波長すなわちラマンレーザーシステムの共振器内で共振するラマンシフト波長と比例してスケーリング増大する。従って、同調可能なラマンレーザーシステムの場合、レーザーを同調している間に、光学素子の空間、例えばビームテレスコープ内のレンズの空間を調節することにより変換出力効率を維持することが有利なことがある。すなわち、ポンプ波長が同調されるときに、ポンプビームのビームサイズを同時に同調することによって、ラマン材料中のポンプビームのサイズとラマン変換波長についての共振器モードとの間のモード整合状態を維持することができる。このことは、より長いポンプ波長に同調するときに特に重要である。なぜならば、ストークス波長はポンプ波長の増大に伴って、著しく高い速度で増大するからである。モード整合原理は外部空洞レーザー及び空洞内ラマンレーザーの両方の分野においてよく知られており、本明細書中に開示されたダイヤモンドラマンレーザーシステムに、必要に応じて適用することができる。モデリングされたレーザーポンプの閾値及び出力効率は、異なる吸収係数を用いると著しく変化することが上で判った。種々の不純物を有するダイヤモンドを使用したとき、及び動作波長を変えたときの性能の予測を可能にするために、閾値及び効率がポンプ波長及びストークス波長それぞれαp及びαsにおける吸収係数の関数として、どのように変化するかを理解することが重要である。吸収値におけるこの不確実性がどのようにモデルに影響を及ぼすかを理解することも重要である。これらの事項を調査するために、数値モデルを使用して、閾値に達するために必要となる所要ポンプ強度がαp及びαsの関数としてどのように変化するかを計算した。ステップ関数ポンプパルスを使用し、ポンプ強度を、ラマンレーザー出力が固定時間t=10nsの閾値を超えるまで変化させた。定常状態変換効率すなわち、t→∞も記録した。ここでもまた、試験と直接に比較することは真には実現可能ではあるが、このアプローチは、閾値及び効率の傾向が調査されるのを可能にする。効率値はこのように、より現実的な例えばガウス時間的ポンプパルスプロフィールを用いて達成可能な最大ピーク値である。図12に示されているように、閾値Ipgはαpが高められるにつれて線形よりも僅かに大きく増大する。このことは、吸収量が高くなると、結晶全長にわたって積分されたIpgが直接に低減されることを考えれば驚くには値しない。定常状態の効率は全調査範囲にわたって僅かに減少するが、明らかにαpの強い関数ではない。他方において、αsを増大させると、主要な効果は効率を低下させることであるのに対して、閾値は弱く変化するだけである図13参照。これらの結果は、一次的には、ポンプ波長αpにおけるより高い吸収係数値での動作を、比例的に高いポンプ強度を用いることによって補償し得ることを示唆している。ストークス波長αsにおけるより高い吸収係数で動作する際には、閾値はほぼ同じであり続けるが、達成可能な変換効率は低くなる。波長の関数として、生じ得る性能に関するいくつかの定性的説明をここで行うことができる。αpはポンプ周波数1700~2650cm1に対してのみ大きい>2cm1ので、主要な閾値増大はこの範囲内で予期されるものと思われる。原則的には、結晶に対する損傷の閾値を超えないことを条件とすると、比例的に大きいポンプ強度を用いれば、ラマンレーザー動作がこの範囲内で可能である。これらの高い吸収条件下でより短いダイヤモンド結晶を使用することは利点となり得る。範囲νs=1700~2600cm1約3.8μm~約5.8μm内のストークス周波数における動作のために、この周波数範囲内のダイヤモンドの高い吸収係数は、最大変換効率を10未満に制限する。このような低い変換率は多くの用途についてそれでもなお十分であることに留意されたい。良好な最大効率>10が波長>5.5μmνs>1800cm1に対して予測される。これらの結論は図14において、波長及び波数の関数として強調されている。多次ストークス生成が、ダイヤモンドラマンレーザーがポンプレーザーの波長からのシフトを増大させるのを可能にする。例えば二次ストークス生成は、出力波長をダイヤモンドラマンシフト2665cm1の2倍ステップさせる方法を提供し、3.75μmよりも短いポンプ波長に適切である。原理的にはこのことは、極めて長い波長の源が中IRポンプレーザーに基づくことを可能にする。外部共振器では、第2ストークスにおける出力を集中させる方法が以前に報告されてきた[MildrenRPetalEfficientallsolidstateRamanlaserintheyelloworangeandred黄、橙及び赤における効率的な全固体ラマンレーザーOptExpressvol12pp785790参照]が、三次にカスケーディングすることによってエネルギー損失を防止する手段は、ポンプ波長が2.5μm未満である限り、この事例では必要とならないことにも注目すべきである。長波長の多次ストークス生成において、ストークス波長、及びポンプ場と低次ストークス場との四波混合に対するラマンゲインの依存が、閾値を割り出すために考慮される必要があり得る。光子変換効率が極めて高いにもかかわらず、パワー又はエネルギーに基づく変換効率は、それぞれ大きいエネルギーがポンプ光子から差し引かれることに基づき、多次ストークス変換にとっては極めて低いものとなり得る。上記数値モデルは、ポンプ波長、結晶長、結晶吸収特性、ポンプパルス継続時間、及び出力カプラ値を含む多くの固定パラメータを有する外部空洞ダイヤモンドラマンレーザーのための予測を可能にする。これらのパラメータは、閾値に達するために必要な最低ポンプエネルギーを提供するパラメータに関する簡潔で非厳密な研究に基づいて選ばれる。厳密な最適化ならば、詳細で長期にわたる分析が必要となるところであるが、下記表7に見られるように、ポンプレーザー、結晶材料、及び共振器設計を含む設計パラメータを選択するのを補助するために、重要パラメータの効果を定性的に検討すれば有用である。中赤外から遠赤外のダイヤモンドラマンレーザーシステムの数値モデリングは、約5.5マイクロメートル超の光典型的には約5.5~約8マイクロメートルの範囲内を生成する実際のレーザーシステムを、約3.2~約3.8マイクロメートルの範囲内のポンプ放射を生成するポンプ源を使用して実現することができる。数値モデリングはまた、約3~約7.5マイクロメートルの範囲内のダイヤモンドラマン材料についてのポンプ波長も実現可能であることを示唆している。多フォノン吸収遷移に起因して、レーザーシステムのラマン閾値は約4~5.5マイクロメートルの領域内で増大するが、モデリングはこのことが十分な強度及び/又は配置で克服され得ることを示唆している。例えばエンドポンプ配置ではなくサイドポンプラマンレーザーシステムにおいて、ポンプ放射の吸収量は、所要浸透深さが短いことに起因して最小化される。ダイヤモンドラマンレーザーポンプ源中赤外から遠赤外のダイヤモンドラマンレーザーシステムをポンピングするのに適したポンプ源は固体レーザー、光パラメトリック発振器、ファイバーレーザー、色中心レーザーなどを含んでよい[3~4マイクロメートル範囲内の潜在的なレーザー源の概説として、SorokinaITCrystallinemidinfraredlasersinSolidStateMidInfraredLaserSourcesTopicsinAppliedPhysicsSpringerBerlinHeidelbergVolume892003DOI10100735403649197Pages255351参照]。光パラメトリック発振器高ピークパワーパルス化ポンプレーザーの潜在的な候補は、光パラメトリック発振器を含む。KTA[例えばRuiFenWuetalMultiwattmidIRoutputfromaNdYALOlaserpumpedintracavityKTAOPONd:YALOレーザーでポンピングされた空洞内KTAOPOからのマルチワット中IR出力OpticsExpressVol8Issue13pp694698参照]、及びLiNbO3[例えばHidekiIshizukiandTakunoriTairaHighenergyquasiphasematchedopticalparametricoscillationinaperiodicallypoledMgOLiNbO3devicewitha5mmx5mmaperture5mm×5mmのアパーチャを有する周期的分極MgO:LiNbO3デバイスにおける高エネルギー擬似位相整合光パラメトリック発振OptLett3029182920参照]は堅牢な材料であり、有意なエネルギー及びパワーのための能力が証明されている。光パラメトリック発振器は、関心事のポンプ波長への良好なアクセスを提供し例えば3~7.5マイクロメートル、そしてポンプ波長を同調することにより、同調可能なダイヤモンドラマンレーザー出力を提供するために使用されることができる。このような光パラメトリック発振器は、付加的な段、例えば増幅器段を含むことにより、パルス化ポンプ放射のピークパワーが、ダイヤモンドラマンレーザーシステムの閾値を得るのに十分であることを保証することができる。このような増幅器段の例は光パラメトリック発振器を含んでいてよい。上記モデル予測に基づいて、好適な光パラメトリック発振器OPOポンプ源は、波長約3~7.5μm、パルスエネルギー約1mJ~約10J、パルス継続時間約1~100ns、線幅約2cm1未満又はこれに等しい、及びビーム質輝度のための要件を満たす必要がある。3~7.5μmのOPOは、ガス検知、及び防衛対策のような用途のために容易に入手可能ではあるものの、公表済みの利用可能なシステムの性能はこれら全ての要件を同時には満たさない。それにもかかわらず、所要の特性を有するOPOを開発する方法及び技術は、十分に確立されており、当業者に理解されている。要件を満たすことができると思われるOPOの数多くの形態も存在する。図17に概略的に示されている最も基本的な形において、OPO1700は、高いカイ二乗χ2非線形性を有する非線形結晶1701を含んでいる。非線形結晶は、共振器空洞1703内部に配置され、且つ、周波数ωpを有するポンプビーム1706を生成するポンプレーザー1705によってポンピングされる。OPO1700は2つのビームを生成する。これらのビームは、周波数ωsを有するシグナルビーム1707と、周波数ωiを有するアイドラービーム1709と呼ばれる。ここでアイドラーはより長い波長を有しており、そして位相整合条件ωp=ωsωiが満たされている。共振器1703は単一共振型であってよく、この場合、共振器リフレクタ1711及び1713は、シグナルビーム1707又はアイドラービーム1709のうちの一方を共振させるように適合されるので、非共振ビームがOPO1700から出力ビーム1710として発せられ、或いは、共振器は二重共振型であってもよく、この場合、共振器リフレクタ1711及び1713は、シグナルビーム1707及びアイドラービーム1709の両方を共振させるように適合され、そし出力リフレクタ1713は、シグナルビーム又はアイドラービームの周波数で部分透過性となるように適合されるので、共振ビームの透過部分はOPO1700から出力ビーム1710として発せられる。3~5ミクロンの範囲内の出力波長のためには、1μmに近い波長を有するポンプレーザー1705例えば波長1.064μmを有するNd:YAGレーザー源を使用すると、所望の出力ビームはアイドラービーム1709となる。両事例において、入力リフレクタ1711は、ポンプビーム1706を共振器1703内に透過させることにより非線形結晶1701をポンピングすることになる。非線形材料1701は堅牢な材料、例えばKTP、KTA及びニオブ酸リチウムを含む。KTAは、中IR波長領域における吸収量が少ないことに基づいて、高い平均パワーについてKTPに優先して使用される。非線形材料、例えばリン化亜鉛ゲルマニウム及びAgGaSe2を使用することもできるが、しかしこれらの非線形材料の損傷閾値がより低いことに基づいて、所要ピークパワーへのスケーリングがより難しい場合があり、さらに、これらの材料は、2ミクロン未満の波長でポンピングすることができず、標準的なポンプレーザー源、例えばNdドープ固体レーザーの使用を排除してしまうという欠点を有している。KTP、KTA及びニオブ酸リチウムという材料は、より高い非線形性がアクセスされるのを可能にするために、周期的に分極されてよい。OPOの効率は、出力光子の数をポンプ光子の一部と考えると、典型的には40~70である。出力ビーム1710中の出力エネルギーは、ポンプビーム1706中のエネルギーを増大させることにより増大させることができる。しかし、OPO源のエレメントに対する光学損傷を回避するためには、さらに非線形材料1701中のポンプビーム1706のサイズすなわちビームウエストを増大させることが必要な場合がある。OPOポンプ源からの出力ビーム1710の線幅及びビーム質は、一般に、システムを注意深く設計しない限り、上記ダイヤモンドラマンレーザーをポンピングするための要件を満たさない。線幅は、共振器光学素子の帯域幅、及び非線形結晶1701内の位相整合条件によって決定される但しポンプ線幅と他のシグナルビーム/アイドラービームとの和よりも大きくなることはない。出力ビーム1710の線幅は、当業者にはよく知られているように、ポンプビーム1706及びシグナルビーム1707又はアイドラービーム1709の周波数範囲を制限することによって制約されることができる。このことは、OPO共振器1703内部の付加的な線選択的エレメント、例えば格子、プリズム又はエタロン図示せずを使用することによりしばしば達成される。当業者には明らかな別の配置において、OPO1700及びポンプビーム源1705は同じ共振器を共有してもよく、これはしばしば空洞内OPOと呼ばれる。これは、低パルスエネルギーで効率的な変換を可能にするために、高パルスレートでしばしば使用される。非線形材料中のポンプビームのスポットサイズをスケーリングすることによってOPOからの出力ビーム中の出力エネルギーをスケーリングする場合、高いビーム質を維持することがしばしば難しい。さらに、狭線幅OPOの出力スケーリングも、線選択的エレメント例えば格子、プリズム、又はエタロンの損傷閾値が典型的には低いことに起因して困難である。これらの問題点を克服するよい方法は、図18Aに概略的に示されているような注入シードOPO1810、又は図18Bに概略的に示されているような光学パラメトリック増幅器OPA1820を使用することである。OPO又はOPAそれぞれ1817,1827を、親発振器シード源それぞれ1813,1823からのシードビームそれぞれ1814,1824でシーディングすることにより、ビーム質及びOPOからの出力それぞれ1819,1829の空間特性は、シードビームそれぞれ1814,1824のものと、より密接に類似する。本明細書中に開示されたOPOシステムのそれぞれは、本明細書中に開示されたダイヤモンドラマンレーザーシステムをポンピングするために利用可能な光学パワーを高めるために、任意には出力部の増幅段例えば光学パラメトリック増幅器を含んでいてもよい。低い繰り返し速度でポンプレーザーを操作することが、ポンプビーム中の光学ピークパワーを増大させるために有利である場合もある。シードレーザー又は親発振器それぞれ1813,1823はしばしば、主要パワーOPO又はOPAと同じポンプレーザーによってポンピングされたOPOであるが、別個のレーザーであってもよい。注入シードOPO装置の利点は、より高いゲインが可能なので、必要となる注入エネルギーが極めて低いことである。本明細書中に開示された中赤外から遠赤外のダイヤモンドラマンレーザーシステムをポンピングするための要件に近い性能特性を有する多くのOPO例がある。例えば、DasSDasIEEEJournalofQuantumElectronicsVol45No9September2009は、3.5ミクロンへの変換率10、パルスエネルギー2~5mJ、パルス継続時間10ns、及び線幅0.5~2cm1を有する、1064nmでポンピングされるKTAOPOのよい例を記述している。WuRuiFenWuetalMultiwattmidIRoutputfromaNdYALOlaserpumpedintracavityKTAOPONd:YALOレーザーでポンピングされた空洞内KTAOPOからのマルチワット中IR出力OpticsExpressVol8Issue13pp694698参照]も、平均パワー4Wで動作する空洞内3.5ミクロンKTAOPOの例を記述しており、このKTAOPOは、ダイヤモンドラマンレーザーをポンピングする適合性のために改変され、パルスエネルギーを高めることによって改善されることができる。このことは、例えばパルス繰り返し速度を低下させ、そして線選択的エレメントを含むことによって線幅を低減させることによって達成されることができる。JohnsonBCJohnsonVJNewellJBClarkandESMcPheeJOptSocAmBVol12p2122は、同時に高パルスエネルギー、狭線幅、及び高出力ビーム質を有して動作する注入シードパワーOPOを示している。Johnsonの設計は、本明細書中に論じられた設計原理を中赤外OPOシステムに適用することによって、所要の中IR波長を生成する適合性のために改変されることができる。本明細書中に開示された中赤外から遠赤外のダイヤモンドラマンレーザーシステムをポンピングするための、線幅、ビーム質、及びピークパワーの要件を満たすことを目的とした出力ビーム1840を有するOPOポンプ源1830の示唆される実際の設計例が、図18Cに概略的に示されている。概略図は、狭線幅シードOPO1833、及び不安定共振器空洞を有するパワーOPO1835をポンピングする10nsポンプパルスを生成するように適合された単一のNd;YAGパルスレーザー源1831を示している。不安定共振器が、より良好なビーム質を生成するためにレーザーシステムにおいて利点を有している。上記技術は、5~7.5ミクロンの範囲内の波長を有する好適なダイヤモンドラマンレーザーポンプ源を形成するように適合されることができる。固体レーザーポンプ源上述のように、好適な波長及び光学特性、すなわち3~7.5μmの波長、約1mJ~約10mJのパルスエネルギー、約1~20nsのパルス継続時間、約10cm1以下の線幅例えば約0.1~約10cm1、約0.1cm1未満の線幅に対しては、アクティブな線幅減少を採用してもよい、及び良好なビーム質輝度を有する固体レーザー源を用いて、本明細書中に開示されたダイヤモンドラマンレーザーシステムをポンピングすることもできる。例えばEr:YAGは、高いエネルギーと2.9ミクロン近くの高いパワーとを生成する、幅広く使用されているレーザー材料であり、高いピークパワーを生成するためにQ切り換えモードで操作されることができる。約7.5μmのダイヤモンドラマンレーザーシステムからのラマン変換出力を提供するために、タングステン酸カリウムガドリニウムKGWの768cm1ラマンシフトを用いてEr:YAGレーザーをラマンシフトすることによって、約3.8μmのポンプ波長を有する源の一例を実現することができる。ポンプ源におけるレーザーErレーザーホスト例えばEr:YSGG又はタングステン酸ラマン材料の組成を変えることにより、他の隣接する波長が可能である。3~4マイクロメートルのポンプ光の更なる潜在的な源は、ホルミウム及びツリウムでドープされたレーザーこれらは2ミクロン近くの良好なポンプレーザー源であるのラマンシフト出力を含む。ホルミウムレーザー材料Cr:Tm:Ho:YAGをQ切り換えモードで操作することにより、2.1マイクロメートルの高いピークパワーを生成することができる。このピークパワーは次いでラマンシフトすることによって、3~4マイクロメートル範囲内のポンプ波長を提供することができる。希土類でドープされたレーザー材料、すなわち、ランタニド例えばエルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジミウム、イッテルビウム又はその他の不純物イオン例えばセリウムでドープされた固体ホスト材料ガラス、結晶、ポリマー、又はセラミック材料の好適な組み合わせを、好適な固体非線形及び/又はラマン活性材料と一緒に使用して、約3μm~約7.5μmの範囲内の出力波長を有する他の固体ポンプ源を開発することにより、レーザー材料からの基本レーザー出力を、ダイヤモンドラマンレーザーシステムをポンピングするための所望範囲内の波長に変換することもできる。材料の好適な組み合わせは当業者によって容易に選択されるが、ポンプ源はまた、効率的な動作のためのダイヤモンドラマンレーザーシステムのモデリングに関連して上述したポンプビーム質要件を満たすことを必要とすることになる。本明細書中に記載され且つ/又は図面に示されたダイヤモンドラマンレーザーシステム、及び操作方法は一例にすぎず、本発明の範囲として限定されることはない。他に特に明記しない限り、本明細書中に記載されたシステム及び方法の個々の態様及び構成部分は変更されてよく、或いは、既知の等価物、又は未知の代替物、例えば将来開発され得る、又は将来容認可能な代替物であることが見いだされ得るものによって置き換えられていてよい。潜在的な用途が多様であるため、また、ここに記載した本システム及び本方法が数多くのこのような変化に適合し得るようになっているため、本明細書中に記載されたシステム及び方法は、主張された本発明の範囲及び思想の中に留まりながら種々の用途のために変更されてもよい。"