JP5120953B2 - Four-wave mixing stimulated scattering system - Google Patents
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Description
本発明は、大出力の4波混合誘導散乱光に効率よく変換する誘導散乱装置、増幅器および生成器に関する。 The present invention relates to a stimulated scattering device, an amplifier, and a generator that efficiently convert high-power four-wave mixed stimulated scattered light.
従来の誘導散乱増幅器は、誘導散乱波動を介して、励起光エネルギーをストークス光エネルギーに変換し、被増幅光強度を増加させるものであった。図10は従来の一般的な誘導散乱増幅器の例である。誘導散乱容器12に、励起光1と被増幅光41を波長選択鏡10で重ねて入射し、増幅された被増幅光41を、出力側の波長選択鏡11で分離して得ていた。このような従来の誘導散乱増幅器における誘導ラマン散乱過程のエネルギー準位を図11に示して増幅の原理を説明する。従来の誘導散乱増幅器では、基底エネルギーレベルAにあった誘導散乱媒質分子が、励起光1でエネルギーレベルCまで励起される。その分子が励起エネルギーレベルCからBへ遷移するとき、被増幅光のエネルギーと誘導散乱媒質分子の波動エネルギー9に分割され、被増幅光41のエネルギーを大きくしていた。
Conventional stimulated scattering amplifiers convert excitation light energy into Stokes light energy via stimulated scattering waves to increase the intensity of amplified light. FIG. 10 shows an example of a conventional general stimulated scattering amplifier. The
また、反射鏡を中空の四角柱をなすように配置した誘導散乱増幅器として、本願発明者が開発した誘導ラマンパルス増幅器(特許文献1参照)が知られている。この誘導ラマンパルス増幅器は、励起光からの自発光、および被増幅光からの自発高次光の生成を抑制して、変換効率の高く、出力パワー密度の高い誘導散乱増幅器である。 A stimulated Raman pulse amplifier (see Patent Document 1) developed by the inventors of the present application is known as a stimulated scattering amplifier in which reflecting mirrors are arranged so as to form a hollow quadrangular prism. This stimulated Raman pulse amplifier is a stimulated scattering amplifier having high conversion efficiency and high output power density by suppressing generation of self-emission from pump light and spontaneous high-order light from amplified light.
また、誘導散乱増幅を用いて多数本のレーザービームを高出力な1本のストークス光に変換するレーザービーム統合器として、本願発明者等が開発したライトガイドを構成する上下一組の反射鏡と左右一組の反射鏡を用いたレーザービーム統合器(特許文献2参照)がある。 In addition, as a laser beam integrator that converts a large number of laser beams into a single high-power Stokes light by using stimulated scattering amplification, a pair of upper and lower reflecting mirrors constituting a light guide developed by the present inventors, etc. There is a laser beam integrator (see Patent Document 2) using a pair of right and left reflecting mirrors.
4波混合誘導散乱を用いた技術として、CARS(コヒーレントアンチストークス光ラマン散乱光生成)と呼ばれる反ストークス・ラマン分光法が知られ、媒質の構成成分の分析に用いられている。図12(a)はCARSの構成を示す図である。図12(a)に示すように、励起光1とストークス光2の交点である位置P点で、生成光42を生成させていた。
As a technique using four-wave mixed stimulated scattering, an anti-Stokes Raman spectroscopy called CARS (coherent anti-Stokes light Raman scattered light generation) is known, and is used for analysis of components of a medium. FIG. 12A shows the configuration of CARS. As shown in FIG. 12A, the
CARS(コヒーレントアンチストークス光ラマン散乱光生成)の従来の4波混合誘導散乱では、図12(b)に示すような波数ベクトルの整合条件下記(式1)を満たす必要がある。K1、K2、K42は、それぞれ、励起光1、ストークス光2、生成光42の波数ベクトルである。波数ベクトルの方向はそれぞれの光の伝搬方向であり、波数ベクトルの大きさは波長の逆数である。
K1+K1=K2+K42 (式1)
In the conventional four-wave mixed stimulated scattering of CARS (coherent anti-Stokes light Raman scattering light generation), it is necessary to satisfy the following wave number vector matching condition (formula 1) as shown in FIG. K1, K2, and K42 are wave number vectors of the
K1 + K1 = K2 + K42 (Formula 1)
図13は4波混合誘導散乱におけるラマン散乱過程のエネルギー準位を示す図である。基底エネルギーレベルAにあった誘導散乱媒質分子(CARSの場合は分析するP地点での構成成分)は、励起光1とストークス光2によって励起エネルギーレベルBに励起される。励起エネルギーレベルBの誘導散乱媒質分子は、再度、励起光1でエネルギーレベルBからDに励起される。その励起分子がエネルギーレベルDからAに遷移するとき、生成光42が生成していた。図12(a)に示すように、生成光42は、励起光1とストークス光2で決まる特定の方向に伝搬するので計測が容易であった。
従来の誘導散乱増幅器では、図11に示すように、励起光1エネルギーが被増幅光41エネルギーと誘導散乱媒質分子の波動エネルギー9に分割されることになるので、励起光から被増幅光エネルギーへの変換効率は、どうしても波動エネルギー分だけ小さくなるという問題があった。波長が赤外域のガラスレーザー光と水素ガス媒質を用いた場合は36%、紫外域のエキシマレーザーと水素ガス媒質を使用した場合は9%の効率低下がある。
In the conventional stimulated scattering amplifier, as shown in FIG. 11, the
反射鏡を中空の四角柱をなすように配置した誘導散乱増幅器(特許文献1参照)では、図10の従来の誘導散乱増幅器と同じく、励起光から被増幅光エネルギーへの変換効率がどうしても波動エネルギー分だけ小さくなるという問題があった。また、従来のレーザービーム統合器(特許文献2参照)も、図10の従来の誘導散乱増幅器と同じく、励起光から被増幅光エネルギーへの変換効率がどうしても波動エネルギー分だけ小さくなるという問題があった。 In the stimulated scattering amplifier (see Patent Document 1) in which the reflecting mirrors are arranged so as to form a hollow quadrangular prism, the conversion efficiency from the excitation light to the amplified light energy is inevitably wave energy as in the conventional stimulated scattering amplifier of FIG. There was a problem of getting smaller by the minute. Further, the conventional laser beam integrator (see Patent Document 2) also has a problem that the conversion efficiency from the excitation light to the amplified light energy is inevitably reduced by the amount of wave energy, like the conventional stimulated scattering amplifier of FIG. It was.
一方、CARSなどの計測分野で用いられている従来の4波混合誘導散乱においては、図12(b)に示すような波数ベクトルの整合条件(式1)を満たす必要がある。図12(c)は、励起光1とストークス光2が重なる測定点Pでの、励起光1とストークス光2の伝搬方向と生成光42の伝搬方向を示す。励起光1とストークス光2の交差角度はT1とすると、生成光42と励起光1との交差角度は、T2である。
On the other hand, in the conventional four-wave mixed stimulated scattering used in the measurement field such as CARS, it is necessary to satisfy the wave vector matching condition (Equation 1) as shown in FIG. FIG. 12C shows the propagation directions of the
このように、4波混合誘導散乱生成では、励起光1、ストークス光2及び生成光42は、それぞれ伝搬方向が特定される。図14は、4波混合誘導散乱生成における励起光1、ストークス光2及び生成光42の伝搬方向の違いによる損失を示している。励起光1とストークス光2は、誘導散乱容器12の入射窓13(図14の左側)から入射する。その入射窓13上で、励起光1、ストークス光2を重ねている。生成光42は、誘導散乱容器中で励起光1とストークス光2により波数ベクトルの整合条件を満たす方向に生成される。誘導散乱容器の入射窓13上での、励起光1、ストークス光2及び生成光42のビーム断面を51と52の範囲で示している。4波混合誘導散乱は、励起光1、ストークス光2及び生成光42に、波数ベクトルの整合条件という伝搬方向に制約があるので、出射窓14上では、励起光1のビーム断面は55と58の範囲、ストークス光2のビーム断面は53と57の範囲、生成光42のビーム断面は56と59の範囲となる。励起光1、ストークス光2及び生成光42が完全に重なる部分(51、54、56、57を頂点する四辺形部分)以外では、生成光42が成長できない部分ができる。このため、変換効率の低下及びビームの空間強度分布の乱れという問題がある。
As described above, in the four-wave mixed stimulated scattering generation, the propagation directions of the
また、4波混合誘導散乱を利用する生成器を含め、4波混合誘導散乱を利用する誘導散乱装置を考えた場合に、同様の問題が考えられる。 Similar problems can be considered when considering a stimulated scattering device that uses four-wave mixed stimulated scattering, including a generator that uses four-wave mixed stimulated scattering.
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、励起光から被増幅光エネルギーへの増幅効率が高く、または励起光から生成光への生成効率が高く、さらにビームの空間強度分布の一様性を向上させた、4波混合誘導散乱装置、増幅器及び生成器を実現することを目的とするものである。 The present invention is intended to solve these problems. The amplification efficiency from the excitation light to the amplified light energy is high, or the generation efficiency from the excitation light to the generation light is high. Further, the spatial intensity distribution of the beam An object of the present invention is to realize a four-wave mixed stimulated scattering device, an amplifier, and a generator with improved uniformity.
そして、本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。 And this invention has the following characteristics, in order to achieve the said objective.
本発明の4波混合誘導散乱装置は、誘導散乱容器中に、励起光、ストークス光、被増幅光及び生成光の波長の光を反射する対向する反射鏡で構成されるライトガイドを具備していることを特徴とする。ここで、反射鏡は、反射率に波長選択性がある誘電体多層膜鏡を用いることが望ましい。 The four-wave mixed stimulated scattering device according to the present invention includes a light guide including a reflecting mirror that reflects light having wavelengths of excitation light, Stokes light, amplified light, and generated light in a stimulated scattering container. It is characterized by being. Here, it is desirable to use a dielectric multilayer mirror having a wavelength selectivity in the reflectance as the reflecting mirror.
本発明の4波混合誘導散乱装置は、少なくとも励起光及びストークス光が、4波混合誘導散乱過程の波数ベクトルの整合条件を満たす方向で入射することを特徴とする。 The four-wave mixed stimulated scattering apparatus according to the present invention is characterized in that at least the excitation light and the Stokes light are incident in a direction satisfying a wave number vector matching condition in the four-wave mixed stimulated scattering process.
本発明の4波混合誘導散乱装置は、励起光及びストークス光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に関して180度回転した軸対称の角度で、別の励起光及びストークス光を追加して入射することを特徴とする。 The four-wave mixed stimulated scattering apparatus according to the present invention adds another excitation light and Stokes light to each of the excitation light and the Stokes light at an axially symmetric angle rotated by 180 degrees with respect to the central axis of the light guide. It is characterized by doing.
本発明の4波混合誘導散乱装置は、4波混合誘導散乱過程の波数ベクトルの整合条件を満たす方向に、励起光、ストークス光及び被増幅光を入射し、ライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称の角度で、別の励起光、ストークス光及び被増幅光を入射するときは、4波混合誘導散乱増幅器として動作することを特徴とする。 The four-wave mixed stimulated scattering device of the present invention makes excitation light, Stokes light, and amplified light enter in a direction that satisfies the matching condition of the wave vector of the four-wave mixed stimulated scattering process, and rotates 180 degrees around the central axis of the light guide. When another pump light, Stokes light, and light to be amplified are incident at such an axially symmetric angle, it operates as a four-wave mixed stimulated scattering amplifier.
本発明の4波混合誘導散乱装置は、4波混合誘導散乱過程の波数ベクトルの整合条件を満たす方向に、励起光及びストークス光を入射し、ライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称の角度で、別の励起光及びストークス光を入射し、被増幅光を入射しないときは、4波混合誘導散乱生成器として動作することを特徴とする。 The four-wave mixed stimulated scattering device of the present invention is axially symmetric when the excitation light and Stokes light are incident in the direction satisfying the matching condition of the wave vector of the four-wave mixed stimulated scattering process and rotated by 180 degrees about the central axis of the light guide. When another excitation light and Stokes light are incident at an angle and no light to be amplified is incident, it operates as a four-wave mixed stimulated scattering generator.
本発明の4波混合誘導散乱増幅器は、励起光、ストークス光及び被増幅光を入射する4波混合誘導散乱増幅器であって、励起光4本、ストークス光2本及び被増幅光2本を用い、励起光、ストークス光及び被増幅光を反射する対向する反射鏡で構成したライトガイドを具備した誘導散乱容器を用いることを特徴とする。ここで、励起光、ストークス光及び被増幅光を反射する反射鏡は、反射率に波長選択性がある誘電体多層膜鏡を用いることが望ましい。 The four-wave mixed stimulated scattering amplifier of the present invention is a four-wave mixed stimulated scattering amplifier that receives excitation light, Stokes light, and amplified light, and uses four excitation light, two Stokes light, and two amplified light. A stimulated scattering container including a light guide composed of opposing reflecting mirrors that reflect excitation light, Stokes light, and amplified light is used. Here, as the reflecting mirror that reflects the excitation light, the Stokes light, and the amplified light, it is desirable to use a dielectric multilayer mirror having a wavelength selectivity in reflectance.
本発明の4波混合誘導散乱増幅器は、2本の励起光、1本のストークス光及び1本の被増幅光は、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす角度で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射していることを特徴とする。 In the four-wave mixing stimulated scattering amplifier of the present invention, two excitation light, one Stokes light, and one amplified light are surfaces including the normal line of the reflecting mirror facing the light guide and the central axis of the light guide. The incident angle is such that the angle satisfies the wave vector matching condition of the four-wave mixed stimulated scattering process and overlaps the light guide entrance surface.
本発明の4波混合誘導散乱増幅器は、2本の励起光、1本のストークス光及び1本の被増幅光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に対して180度回転した軸対称の角度で、別の2本の励起光、1本のストークス光及び1本の被増幅光を、ライトガイド入口面で重なるように入射することを特徴とする。 The four-wave mixed stimulated scattering amplifier of the present invention is axially symmetric rotated by 180 degrees with respect to the central axis of the light guide with respect to each of two excitation lights, one Stokes light, and one amplified light. Two other excitation lights, one Stokes light, and one amplified light are incident at an angle so as to overlap at the light guide entrance surface.
本発明の4波混合誘導散乱生成器は、励起光及びストークス光を入射する4波混合誘導散乱生成器であって、励起光4本、ストークス光2本及び生成光2本を用い、励起光、ストークス光及び生成光を反射する対向する反射鏡で構成されたライトガイドを具備する誘導散乱容器を用いることを特徴とする。ここで、励起光、ストークス光及び生成光を反射する反射鏡は、反射率に波長選択性がある誘電体多層膜鏡を用いることが望ましい。 The four-wave mixed stimulated scattering generator according to the present invention is a four-wave mixed stimulated scattering generator that receives excitation light and Stokes light, and uses four excitation light, two Stokes light, and two generated light. A stimulated scattering container having a light guide composed of opposing reflecting mirrors that reflect Stokes light and generated light is used. Here, as the reflecting mirror that reflects the excitation light, the Stokes light, and the generated light, it is desirable to use a dielectric multilayer mirror having a wavelength selectivity in reflectivity.
本発明の4波混合誘導散乱生成器は、2本の励起光及び1本のストークス光は、誘導散乱容器中に配置したライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射していることを特徴とする。 In the four-wave mixed stimulated scattering generator according to the present invention, the two excitation lights and the one Stokes light include the normal line of the reflecting mirror of the light guide disposed in the stimulated scattering container and the central axis of the light guide. It is characterized in that it is incident on the surface so as to satisfy the wave vector matching condition of the four-wave mixed stimulated scattering process and to overlap with the light guide entrance surface.
本発明の4波混合誘導散乱生成器は、2本の励起光及び1本のストークス光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に関して180度回転した軸対称の角度で、別の2本の励起光及び1本のストークス光を、ライトガイド入口面で重なるように入射することを特徴とする。 The four-wave mixed stimulated scattering generator according to the present invention has two other two excitation light beams and one Stokes light beam that are rotated by 180 degrees with respect to the central axis of the light guide at two angles. Excitation light and one Stokes light are incident so as to overlap at the light guide entrance surface.
上記の課題を解決するために、本発明の4波混合誘導散乱装置は、少なくとも励起光及びストークス光を入射する4波混合誘導散乱装置であって、誘導散乱容器中に、励起光、ストークス光、被増幅光及び生成光の波長の光を反射する反射鏡で構成されるライトガイドを具備し、少なくとも励起光及びストークス光を入射するとともに、該励起光及び該ストークス光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に関して180度回転した軸対称の角度で、励起光及びストークス光を入射することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a four-wave mixed stimulated scattering device according to the present invention is a four-wave mixed stimulated scattering device that receives at least excitation light and Stokes light, and includes excitation light and Stokes light in a stimulated scattering container. A light guide composed of a reflecting mirror that reflects light having a wavelength of the amplified light and the generated light, and at least the excitation light and the Stokes light are incident on each of the excitation light and the Stokes light. Excitation light and Stokes light are incident at an axially symmetric angle rotated 180 degrees with respect to the central axis of the light guide.
上記の課題を解決するために、本発明の4波混合誘導散乱増幅器は、励起光、ストークス光及び被増幅光を入射する4波混合誘導散乱増幅器であって、誘導散乱容器中に、励起光、ストークス光および被増幅光を反射する反射鏡で構成されるライトガイドを具備し、2本の励起光、1本のストークス光及び1本の被増幅光を、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射するとともに、該2本の励起光、該1本のストークス光及び該1本の被増幅光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に対して180度回転した軸対称の角度で、2本の励起光、1本のストークス光及び1本の被増幅光を、ライトガイド入口面で重なるように入射することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a four-wave mixed stimulated scattering amplifier according to the present invention is a four-wave mixed stimulated scattering amplifier that receives excitation light, Stokes light, and amplified light. A light guide composed of a reflecting mirror that reflects the Stokes light and the amplified light, the two excitation lights, the one Stokes light, and the one amplified light being transmitted from the reflecting mirror facing the light guide. The two excitation lights are incident on the surface including the normal line and the center axis of the light guide in a direction satisfying the wave vector matching condition of the four-wave mixed stimulated scattering process and overlapping the light guide entrance surface, For each of the one Stokes light and the one light to be amplified, two excitation lights, one Stokes light, and an axis-symmetric angle rotated by 180 degrees with respect to the central axis of the light guide. A single amplified light Wherein the incident so as to overlap with Togaido inlet face.
上記の課題を解決するために、本発明の4波混合誘導散乱生成器は、励起光及びストークス光を入射する4波混合誘導散乱生成器であって、誘導散乱容器中に、励起光、ストークス光及び生成光を反射する反射鏡で構成されるライトガイドを具備し、2本の励起光及び1本のストークス光を、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射するとともに、該2本の励起光及び該1本のストークス光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に関して180度回転した軸対称の角度で、2本の励起光及び1本のストークス光を、ライトガイド入口面で重なるように入射することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a four-wave mixed stimulated scattering generator according to the present invention is a four-wave mixed stimulated scattering generator that receives excitation light and Stokes light, and includes excitation light and Stokes light in a stimulated scattering container. A light guide composed of a reflecting mirror that reflects light and generated light, including two excitation light and one Stokes light, including the normal of the reflecting mirror facing the light guide and the central axis of the light guide In the direction satisfying the wave vector matching condition of the four-wave mixed stimulated scattering process on the surface and overlapping with the entrance surface of the light guide, and for each of the two excitation lights and the one Stokes light Thus, two excitation lights and one Stokes light are incident on the light guide entrance surface so as to overlap each other at an axisymmetric angle rotated by 180 degrees with respect to the central axis of the light guide.
本発明によれば、4波混合誘導散乱装置において、励起光から出力されるアンチストークス光への変換効率の向上、及びビームの強度分布の空間的一様性を向上させることができる。また、4波混合誘導散乱増幅器において、励起光から被増幅光への増幅効率、及びビームの強度分布の空間的一様性を向上させることができる。また、4波混合誘導散乱生成器において、励起光から生成光への変換効率の向上、及びビームの空間強度分布の空間的一様性を向上させることができる。さらに、本発明の4波混合誘導散乱装置の反射鏡として、反射率に波長選択性がある誘電体多層膜鏡を用いることにより、励起光、ストークス光、被増幅光、生成光の波長以外の光の反射を低減させることができる。 According to the present invention, in the four-wave mixing stimulated scattering device, it is possible to improve the conversion efficiency from the excitation light to the anti-Stokes light and to improve the spatial uniformity of the beam intensity distribution. Further, in the four-wave mixed stimulated scattering amplifier, the amplification efficiency from the excitation light to the amplified light and the spatial uniformity of the beam intensity distribution can be improved. Further, in the four-wave mixed stimulated scattering generator, it is possible to improve the conversion efficiency from the excitation light to the generated light and improve the spatial uniformity of the spatial intensity distribution of the beam. Furthermore, by using a dielectric multilayer mirror having a wavelength selectivity in reflectivity as a reflecting mirror of the four-wave mixed stimulated scattering apparatus of the present invention, it is possible to obtain a wavelength other than the wavelengths of excitation light, Stokes light, amplified light, and generated light. Light reflection can be reduced.
4波混合誘導散乱装置について図1を参照して以下説明する。 A four-wave mixed stimulated scattering apparatus will be described below with reference to FIG.
4波混合誘導散乱装置は、図1に示すように、励起光(1、3、5、7)、ストークス光(2、6)、被増幅光(41、81)および生成光(42、82)の波長の光を反射する対向する反射鏡で構成されるライトガイド30を、誘導散乱容器中12に具備している。図1において、Xは、ライトガイドの入口面と平行の面上の上下方向であるX軸を示し、Yは、ライトガイドの入口面と平行の面上の左右方向であるY軸を示し、Zは、ライトガイドの中心軸方向であるZ軸を示している。2本の励起光(1、3)及び1本のストークス光(2)は、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で、4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、誘導散乱容器入口面で重なるように入射している。
As shown in FIG. 1, the four-wave mixed stimulated scattering device includes excitation light (1, 3, 5, 7), Stokes light (2, 6), amplified light (41, 81), and generated light (42, 82). The stimulated scattering
ここで、励起光1と3、ストークス光2、被増幅光41を、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で入射するとともに、別の励起光5と7、ストークス光6、被増幅光81を、上記の励起光1と3、ストークス光2、被増幅光41のそれぞれに対して、誘導散乱容器中のライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称の角度で、入射するときは、4波混合誘導散乱光増幅器として動作する。出力の被増幅光は、図1の紙面右側に記載された41と81として得られる。
Here,
また、励起光1と3、ストークス光2を、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトルの整合条件を満たす方向で入射するとともに、別の励起光5と7、ストークス光6を、上記の励起光1と3、ストークス光2のそれぞれに対して、誘導散乱容器中のライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称の角度で、入射して、被増幅光を入射しないときは、4波混合誘導散乱生成器として動作する。出力の生成光は、図1の紙面右側に記載された42と82として得られる。図1において、ライトガイドの形状は断面が四角形であるが、四角形だけでなく他の多角形でもよい。また、反射鏡として、反射率に波長選択性がある誘電体多層膜鏡を用いると、励起光、ストークス光、被増幅光および生成光の波長以外の光の反射を低減することができる。
Also, the
つぎに、本発明の4波混合誘導散乱装置を増幅器に適用した4波混合誘導散乱増幅器について図2〜図5を参照して以下説明する。 Next, a four-wave mixed stimulated scattering amplifier in which the four-wave mixed stimulated scattering apparatus of the present invention is applied to an amplifier will be described below with reference to FIGS.
図2(a)は、励起光1、ストークス光2、励起光3及び被増幅光41のライトガイド30での光路を示す。図2(b)は、同じライトガイド30での励起光5、ストークス光6、励起光7及び被増幅光81の光路である。図の見やすさのために、別々の図で光路を示している。本発明の増幅器では、ライトガイド30に、励起光1、ストークス光2、励起光3、被増幅光41、励起光5、ストークス光6、励起光7及び被増幅光81を、図2(a)及び図2(b)の光路で入射する。図2(a)及び図2(b)において、励起光1と5の光路、ストークス光2と6の光路、励起光3と7の光路、被増幅光41と81の光路は、相互に、誘導散乱容器12中に配置したライトガイド30の中心軸に関して180度回転した軸対称の位置にある。誘導散乱容器12は、対向した反射鏡(38、39)で構成されるライトガイド30を具備し、誘導散乱媒質を充填した容器である。
FIG. 2A shows the optical paths of the
この4波混合誘導散乱増幅器では、2本の励起光(1、3)、1本のストークス光(2)及び1本の被増幅光(41)は、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射している。別の2本の励起光(5、7)、1本のストークス光(6)及び1本の被増幅光(81)は、他の2本の励起光(1、3)、1本のストークス光(2)及び1本の被増幅光(41)に対して、ライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称な角度で、ライトガイド入口面で重なるように入射するものである。 In this four-wave mixed stimulated scattering amplifier, two excitation lights (1, 3), one Stokes light (2), and one amplified light (41) are normal lines of the reflecting mirrors facing the light guide. On the plane including the central axis of the light guide and in a direction satisfying the wave vector matching condition of the four-wave mixed stimulated scattering process and so as to overlap with the light guide entrance surface. The other two excitation lights (5, 7), one Stokes light (6) and one amplified light (81) are composed of the other two excitation lights (1, 3) and one Stokes. The light (2) and one amplified light (41) are incident so as to overlap at the light guide entrance surface at an axisymmetric angle rotated by 180 degrees about the central axis of the light guide.
このように、励起光(1、3、5、7)、ストークス光(2、6)及び被増幅光(41、81)は、誘導散乱容器12の入射窓13に、図2(a)(b)図示の入射方向で入射し、誘導散乱容器12の出力窓14より、励起光(1、3、5、7)、ストークス光(2、6)及び被増幅光(41、81)が出射され、励起光のエネルギーを被増幅光のエネルギーに変換する。
As described above, the excitation light (1, 3, 5, 7), the Stokes light (2, 6), and the amplified light (41, 81) enter the
励起光(1、3、5、7)は、レーザー装置からの出力光を用いる。ストークス光(2、6)は、励起光エネルギーより誘導散乱媒質の波動エネルギー分少ない光であり、レーザー装置からの出力光を誘導散乱光生成器に集光して生成し、プリズムなどの波長分散素子を用いて分離される光を用いる。被増幅光は、励起光エネルギーより誘導散乱媒質の波動エネルギー分大きい光であり、被増幅光もレーザー装置からの出力光を誘導散乱光生成器に集光して生成し、プリズムなどの波長分散素子を用いて分離されるものを用いる。 As the excitation light (1, 3, 5, 7), output light from the laser device is used. Stokes light (2, 6) is light that is less than the excitation light energy by the wave energy of the stimulated scattering medium. The Stokes light (2, 6) is generated by converging the output light from the laser device on the stimulated scattered light generator, and wavelength dispersion such as prisms. Light separated using an element is used. The amplified light is light that is larger than the excitation light energy by the wave energy of the stimulated scattering medium, and the amplified light is also generated by converging the output light from the laser device on the stimulated scattered light generator, and wavelength dispersion such as prism A device that is separated using an element is used.
また、発振波長幅の広い色素レーザー装置やチタンサファイアレーザーの場合は、発振波長を励起光波長、励起光エネルギーより誘導散乱媒質の波動エネルギー分小さいストークス光波長、および、励起光エネルギーより誘導散乱媒質の波動エネルギー分大きな被増幅光波長に調整した3台のレーザー装置からの光を、励起光、ストークス光、被増幅光として用いることもできる。 In the case of a dye laser device or a titanium sapphire laser with a wide oscillation wavelength width, the oscillation wavelength is the excitation light wavelength, the Stokes light wavelength smaller than the excitation light energy by the wave energy of the stimulated scattering medium, and the stimulated scattering medium than the excitation light energy. The light from the three laser devices adjusted to the amplified light wavelength that is larger by the wave energy can be used as excitation light, Stokes light, and amplified light.
図3(a)は、励起光、ストークス光及び被増幅光の4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を示している。励起光1、3、5、7の波数ベクトルをそれぞれK1、K3、K5、K7とし、ストークス光2、6の波数ベクトルをそれぞれK2、K6とし、被増幅光41、81の波数ベクトルをそれぞれK41、K81とするとき、波数ベクトルは、下記(式2)及び(式3)の整合条件を満たしている。
K1+K3=K2+K41 (式2)
K5+K7=K6+K81 (式3)
FIG. 3A shows the wave number vector matching condition in the four-wave mixed stimulated scattering process of the excitation light, Stokes light, and amplified light. The wave number vectors of the
K1 + K3 = K2 + K41 (Formula 2)
K5 + K7 = K6 + K81 (Formula 3)
図3(b)(c)は、励起光、ストークス光及び被増幅光の、図2の誘導散乱容器中のライトガイドの入射窓の中心地点15での入射方向を示している。
FIGS. 3B and 3C show the incident directions of the excitation light, Stokes light, and amplified light at the
図4は、誘導散乱媒質分子のエネルギー遷移の様子を示している。基底エネルギーレベルAにあった誘導散乱媒質分子は、励起光1と5とストークス光2と6によって励起エネルギーレベルBに励起される。励起エネルギーレベルBの誘導散乱媒質分子は、励起光3と7によってエネルギーレベルBからDに励起される。その励起分子がエネルギーレベルDからAに遷移するとき、被増幅光41、81にエネルギーを与え、光エネルギーが増大する。
FIG. 4 shows the state of energy transition of the stimulated scattering medium molecule. Stimulated scattering medium molecules at the ground energy level A are excited to the excitation energy level B by the
図5(a)(b)は、ストークス光2と6のライトガイド中での光路を示す。図5(a)に示すように、ライトガイドの31、32の点で決まるライトガイドの入射断面(紙面に垂直な断面)からストークス光2は入射し、上部鏡38で反射し、ライトガイド中の34、35の点で決まる断面の位置に伝搬する。ライトガイドの34、35の点で決まる断面から後、36、37の点で決まる断面(ライトガイドの出射断面)までは、31、32の点で決まる断面からと同様に伝搬し、ライトガイドから出射する。ライトガイド中の32、33、35の点で囲まれた部分を、ストークス光2は伝搬しない。そこで、図5(b)で示すようにストークス光2と対称な方向に、ストークス光6を伝搬させ、ストークス光2の空白部分だった誘導散乱容器32、33、35の点で囲まれた部分に、ストークス光6を伝搬させる。
5A and 5B show optical paths in the light guide of the Stokes lights 2 and 6. FIG. As shown in FIG. 5A, the
ライトガイド中のストークス光の光路は、ライトガイド中の31、32、33の点で囲まれた部分では、ストークス光2と6で、容器の中心軸40に対して紙面上で対称な上向きと下向きのストークス光が伝搬している。ライトガイド中の31、33、34の点で囲まれた部分では、ストークス光2の上部鏡38で反射する前と後の光で、容器の中心軸に対して紙面上で対称な上向きと下向きのストークス光が伝搬している。ライトガイド中の32、33、35の点で囲まれた部分は、ストークス光6の下部鏡39で反射する前と後の光で、容器の中心軸40に対して紙面上で対称な上向きと下向きのストークス光が伝搬している。ライトガイド中の33、34、35の点で囲まれた部分は、ライトガイドで反射したストークス光2および6で、容器の中心軸40に関して紙面上で対称な上向きと下向きのストークス光が伝搬している。このようにして、図3(a)で示したストークス波数ベクトルK2とK6をライトガイドのすべての領域で存在させることができる。励起光1、3、5、7および被増幅光41、81も、ライトガイドの中心軸に関して軸対称の方向に入射することによって、同様に、ライトガイドのすべての領域で存在させることができる。本発明の4波混合誘導散乱光増幅器によって、被増幅光を空間的に均一に増幅することが可能となる。
The optical path of the Stokes light in the light guide is upwardly symmetrical with respect to the
本発明の4波混合誘導散乱増幅器の効率について、従来の誘導散乱増幅器と比較して説明する。従来の誘導散乱増幅器では、図11に示すように、励起光1のエネルギーを被増幅光41と誘導散乱媒質の波動エネルギー9に分割している。これに対して、本発明の4波混合誘導散乱増幅器では、図4に示すように、励起光(1、5)のエネルギーはストークス光(2、6)と誘導散乱媒質の波動エネルギー9に分割される。エネルギーレベルBの誘導散乱媒質分子は、励起光(3、7)によりさらにエネルギーレベルDに励起され、励起光(3、7)のエネルギーに媒質の波動エネルギー9を加えて、被増幅光(41、81)のエネルギーに変換される。従って、4波混合誘導散乱増幅器では、媒質の波動エネルギー分の損失がなくなることで、効率の改善を図ることができる。
The efficiency of the four-wave mixed stimulated scattering amplifier of the present invention will be described in comparison with a conventional stimulated scattering amplifier. In the conventional stimulated scattering amplifier, as shown in FIG. 11, the energy of the
また、4波混合誘導散乱増幅器のライトガイド中の対向する反射鏡38、39は、反射率に波長選択性があり、励起光、ストークス光、被増幅光の波長のみを反射する誘電体多層膜を使用している。このことにより、被増幅光が高強度になったときに被増幅光と励起光の4波混合誘導散乱光生成で、さらに短波長の光になることを抑制することができる。
The opposing
つぎに、4波混合誘導散乱生成器について図6〜9を参照して説明する。
図6(a)は、励起光1、ストークス光2、励起光3及び生成光42のライトガイド30での光路を示す。図6(b)は、同じライトガイド30での励起光5、ストークス光6、励起光7及び生成光82の光路を示す。図の見やすさのために、別々の図に示している。本発明の生成器では、ライトガイド30に、励起光1、ストークス光2、励起光3、励起光5、ストークス光6及び励起光7を、図6(a)(b)の光路で入射する。励起光1、3、5、7及びストークス光2、6は、ライトガイドの外から入射され、生成光42、82は、励起光とストークス光により4波混合誘導散乱過程の波数ベクトルの整合条件の満たす方向にライトガイド中で生成される。図6(a)(b)において、励起光1と5の光路、ストークス光2と6の光路、励起光3と7の光路、生成光42と82の光路は、相互に、誘導散乱容器12中に配置したライトガイド30の中心軸に関して180度回転した軸対称の位置にある。誘導散乱容器12は、対向した反射鏡(38、39)で構成されるライトガイド30を具備した、誘導散乱媒質を充填した容器である。
Next, a four-wave mixed stimulated scattering generator will be described with reference to FIGS.
FIG. 6A shows the optical paths of the
この4波混合誘導散乱生成器では、2本の励起光(1、3)と1本のストークス光(2)は、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射している。1本の生成光(42)は、誘導散乱容器中のノイズレベル強度(励起光強度の10−11倍の強度)の光を種にして波数ベクトル整合条件を満たす角度方向に成長する。別の2本の励起光(5、7)と1本のストークス光(6)は、他の2本の励起光(1、3)と1本のストークス光(2)と、ライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称な角度で、ライトガイド入口面で重なるように入射するものである。別の1本の生成光(82)は、上記生成光(42)とライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称の方向に成長する。
In this four-wave mixed stimulated scattering generator, two excitation lights (1, 3) and one Stokes light (2) are surfaces including the normal line of the reflecting mirror facing the light guide and the central axis of the light guide. The incident light is in the direction that satisfies the wave vector matching condition of the four-wave mixed stimulated scattering process and overlaps the light guide entrance surface. One generated light (42) grows in the angle direction satisfying the wave number vector matching condition using the light of the noise level intensity (
励起光1、3、5、7は、レーザー装置からの出力光を用いる。ストークス光2、6は、励起光エネルギーより誘導散乱媒質の波動エネルギー分少ない光である。レーザー光を誘導散乱光生成器にレーザー光を集光し生成した出力光を分光して、ストークス光として用いることができる。また、励起光波長とストークス光波長に発振波長を調整した2台のレーザー装置の出力光を用いることもできる。
As the
図7(a)は、励起光、ストークス光及び生成光の4波混合誘導散乱過程の波数ベクトルの整合条件を示している。励起光(1、3、5、7)の波数ベクトルをそれぞれK1、K3、K5、K7とし、ストークス光(2、6)の波数ベクトルをそれぞれK2、K6とし、生成光(42、82)の波数ベクトルをそれぞれK42、K82とするとき、波数ベクトルは、下記(式4)及び(式5)の整合条件を満たしている。
K1+K3=K2+K42 (式4)
K5+K7=K6+K82 (式5)
FIG. 7A shows the matching condition of the wave vector in the four-wave mixed stimulated scattering process of the excitation light, Stokes light, and generated light. The wave number vectors of the pumping light (1, 3, 5, 7) are respectively K1, K3, K5, and K7, the wave number vectors of the Stokes light (2, 6) are respectively K2 and K6, and the generated light (42, 82). When the wave number vectors are K42 and K82, respectively, the wave number vectors satisfy the matching conditions of the following (Expression 4) and (Expression 5).
K1 + K3 = K2 + K42 (Formula 4)
K5 + K7 = K6 + K82 (Formula 5)
図7(b)(c)は、励起光、ストークス光及び生成光の、図6の誘導散乱容器中のライトガイドの入射窓の中心地点15での伝搬方向を示している。
FIGS. 7B and 7C show the propagation directions of excitation light, Stokes light, and generated light at the
図8は、誘導散乱媒質分子のエネルギー遷移の様子を示している。基底エネルギーレベルAにあった誘導散乱媒質分子は、励起光(1、5)とストークス光(2、6)によって励起エネルギーレベルBに励起される。励起エネルギーレベルBの誘導散乱媒質分子は、励起光(3、7)によってエネルギーレベルBからDに励起される。その励起分子がエネルギーレベルDからAに遷移するとき、生成光(42、82)にエネルギーを与え、光エネルギーが増大する。 FIG. 8 shows a state of energy transition of the stimulated scattering medium molecule. Stimulated scattering medium molecules at the ground energy level A are excited to the excitation energy level B by the excitation light (1, 5) and Stokes light (2, 6). Stimulated scattering medium molecules having an excitation energy level B are excited from energy levels B to D by excitation light (3, 7). When the excited molecule transitions from the energy level D to A, energy is given to the generated light (42, 82), and the light energy increases.
図9(a)に、誘導散乱媒質中での、励起光とストークス光との波数ベクトルの整合条件を満たす角度方向に生成した生成光42の光路を示す。生成光42は、図9(a)のライトガイド中の61、62の点で決まるライトガイドの入射断面(紙面に垂直な断面)から右方向に伝搬し、下部鏡39で反射し、容器中の64、65の点で決まる断面(ライトガイドの出射断面)の位置に伝搬し、出射する。容器中の61、63、64の点で囲まれた部分を、生成光42は伝搬しない。そこで、図9(b)で示すように、生成光42と軸対称な方向に生成光82を伝搬させ、生成光42の空白部分だったライトガイド中の61、63、64の点で囲まれた部分に、生成光82を伝搬させる。
FIG. 9A shows an optical path of the generated light 42 generated in the angle direction satisfying the matching condition of the wave number vectors of the excitation light and the Stokes light in the stimulated scattering medium. The generated
ライトガイド中の生成光の光路は、ライトガイド中の61、62、63の点で囲まれた部分では、生成光42と82で、容器の中心軸40に対して紙面上で対称な上向きと下向きの生成光が伝搬している。ライトガイド中の61、63、64の点で囲まれた部分では、生成光82の上部鏡38で反射する前と後の光で、容器の中心軸に対して紙面上で対称な上向きと下向きの生成光が伝搬している。ライトガイド中の62、63、65の点で囲まれた部分は、生成光42の下部鏡39で反射する前と後の光で、容器の中心軸40に対して紙面上で対称な上向きと下向きの生成光が伝搬している。ライトガイド中の63、64、65の点で囲まれた部分は、ライトガイドで反射した生成光42と82で、容器の中心軸40に関して紙面上で対称な上向きと下向きの生成光が伝搬している。このようにして、図7(a)で示す生成光の波数ベクトルK42とK82をライトガイドのすべての領域で存在させることができる。励起光1、3、5、7およびストークス光2、6も、同様に、ライトガイドのすべての領域で存在させることができる。本発明の4波混合誘導散乱生成器によって、生成光を空間的に均一に成長させることが可能となる。
The light path of the generated light in the light guide is upwardly symmetrical with respect to the
本発明の4波混合誘導散乱生成器の効率について説明する。本発明の4波混合誘導散乱生成器では、図8に示すように、励起光(1、5)のエネルギーが、ストークス光(2、6)と誘導散乱媒質の波動エネルギー9に分割される。エネルギーレベルBの誘導散乱媒質分子は、励起光(3、7)によりさらにエネルギーレベルDに励起された後、エネルギーレベルDからAに遷移するとき、励起光(3、7)のエネルギーに媒質の波動エネルギー9を加えて、生成光(42、82)のエネルギーに変換される。従って、本発明の4波混合誘導散乱生成器では、媒質の波動エネルギー分の損失がなくなるので、効率の改善を図ることができる。
The efficiency of the four-wave mixed stimulated scattering generator of the present invention will be described. In the four-wave mixed stimulated scattering generator of the present invention, as shown in FIG. 8, the energy of the excitation light (1, 5) is divided into Stokes light (2, 6) and wave
また、4波混合誘導散乱生成器のライトガイド中の対向する反射鏡は、反射率に波長選択性があり、励起光、ストークス光、生成光の波長のみを反射する誘電体多層膜を使用している。このことにより、生成光が高強度になったときに生成光と励起光の4波混合誘導散乱光生成でさらに短波長の光になることを抑制することができる。 The opposing reflectors in the light guide of the four-wave mixed stimulated scattering generator use a dielectric multilayer that reflects the wavelength of the excitation light, Stokes light, and generated light, with reflectivity being wavelength selective. ing. As a result, when the generated light becomes high intensity, generation of four-wave mixed induced scattered light of the generated light and the excitation light can be suppressed from becoming light with a shorter wavelength.
4波混合誘導散乱装置として、増幅器と生成器の例を示してその作用効果を説明したように、4波混合誘導散乱光生成により、媒質の波動エネルギー分の損失がなくなることで、装置の効率の向上を図ることができる。また、ライトガイドの中心軸に関して180度回転した軸対称の角度で、励起光及びストークス光を追加して入射することにより、ライトガイドのすべての領域で励起光、ストークス光、被増幅光または生成光を存在させることができ、ビームの強度分布の空間的一様性を向上させることができる。 As an example of an amplifier and a generator as a four-wave mixed stimulated scattering apparatus, the effects of the apparatus are described, and the loss of the wave energy of the medium is eliminated by the generation of the four-wave mixed stimulated scattered light. Can be improved. In addition, excitation light, Stokes light, amplified light, or generation is generated in all areas of the light guide by adding incident excitation light and Stokes light at an axially symmetric angle rotated by 180 degrees with respect to the central axis of the light guide. Light can be present and the spatial uniformity of the intensity distribution of the beam can be improved.
(実施例1)
実施例の4波混合誘導散乱光増幅器は、誘導散乱容器の中に、誘導散乱媒質である水素ガスを充填したものを用いる。誘導散乱容器中の対向する面に、励起光、ストークス光及び被増幅光を反射する反射鏡で構成されるライトガイドを備えている。反射鏡は、反射率に波長選択性がある誘電体多層膜鏡で構成され、励起光波長(248.6nm)、ストークス光波長(277.2nm)、被増幅光波長(225.3nm)の反射率は95%以上、その他の波長での反射率は1%以下である。励起光、ストークス光、被増幅光のそれぞれの入射条件を下記に示す。ビーム形状は、対向する反射鏡で構成されるライトガイドの断面の形状と同じ1cm×1cmの四角形である。ライトガイドの入射窓の断面で、励起光、ストークス光、被増幅光の断面は重ねている。励起光1と3、ストークス光2、被増幅光41は、波数ベクトルの整合条件を満たしている角度で入射するとともに、励起光5と7、ストークス光6、被増幅光81を、ライトガイドの入射窓の断面で重ねて入射する。ここで、励起光5と7、ストークス光6、被増幅光81は、他の励起光1と3、ストークス光2及び被増幅光41のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称な角度で入射する。
Example 1
The four-wave mixed stimulated scattering optical amplifier of the embodiment uses a stimulated scattering container filled with hydrogen gas that is a stimulated scattering medium. A light guide composed of a reflecting mirror that reflects excitation light, Stokes light, and amplified light is provided on opposing surfaces of the stimulated scattering container. The reflecting mirror is composed of a dielectric multilayer film mirror having wavelength selectivity in reflectance, and reflects the excitation light wavelength (248.6 nm), Stokes light wavelength (277.2 nm), and amplified light wavelength (225.3 nm). The rate is 95% or more, and the reflectance at other wavelengths is 1% or less. Each incident condition of excitation light, Stokes light, and amplified light is shown below. The beam shape is a 1 cm × 1 cm quadrangle that is the same as the cross-sectional shape of the light guide composed of the opposing reflecting mirrors. In the cross section of the light guide entrance window, the cross sections of the excitation light, the Stokes light, and the light to be amplified overlap. The excitation lights 1 and 3, the
誘導散乱媒質 水素ガス(大気圧)
入射光の性質
(1)励起光1、5 波長 248.6nm
(2)ストークス光2、6 波長 277.2nm
(3)励起光3、7 波長 248.6nm
(4)被増幅光41、81 波長 225.3nm
(5)励起光1とストークス光2のなす角度T1
4.0mrad(0.23度)
(6)励起光1と励起光3のなす角度T2
3.5mrad(0.2度)
(7)励起光1と被増幅光41のなす角T3
0.05mrad(3×10−3度)
Stimulated scattering medium Hydrogen gas (atmospheric pressure)
Properties of incident light (1)
(2)
(3)
(4) Amplified
(5) Angle T1 formed by
4.0 mrad (0.23 degrees)
(6) Angle T2 formed by
3.5mrad (0.2 degree)
(7) Angle T3 formed by
0.05 mrad (3 × 10 −3 degrees)
ここで、励起光5とストークス光6のなす角度は、励起光1とストークス光2のなす角度T1と同じであり、励起光5と励起光7のなす角度は、励起光1と励起光3のなす角度T2と同じであり、励起光5と被増幅光81のなす角度は、励起光1と被増幅光41のなす角T3と同じである。ライトガイドの長さは、100cmで、ライトガイドの断面は、1cm×1cmの四角形である。誘導散乱容器の両端には、石英の窓がある。励起光1と3の強度は、それぞれ、5.7×106W/cm2 で、ストークス光2は1.1×107W/cm2 、被増幅光41は1.1×105W/cm2 で、これらをライトガイド入口で重ねて入射すると、容器出力端より、励起光を被増幅光に変換し、1.1×107W/cm2 の強度の被増幅光41が得られる。これらとライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称である、励起光5と7の強度は、それぞれ、5.7×106W/cm2 で、ストークス光6は1.1×107W/cm2 、被増幅光81は1.1×105W/cm2 で、ライトガイド入口に重ねて入射すると、容器出力端より、励起光を被増幅光に変換し、1.1×107W/cm2 の強度になった被増幅光81が得られる。このように、被増幅光の増幅効率が向上し、またライトガイドのすべての領域で励起光、ストークス光、被増幅光が存在するので、ビームの強度分布の空間的一様性が向上する。
Here, the angle between the
(実施例2)
励起光1と励起光3を同方向とすること以外は実施例1と同様に、下記の条件で4波混合誘導散乱光増幅器を作成した。
(Example 2)
A four-wave mixed stimulated scattering light amplifier was prepared under the following conditions in the same manner as in Example 1 except that the
誘導散乱媒質 水素ガス(大気圧)
入射光の性質
(1)励起光1、5 波長 248.6nm
(2)ストークス光2、6 波長 277.2nm
(3)励起光3、7 波長 248.6nm
(4)被増幅光41、81 波長 225.3nm
(5)励起光1とストークス光2のなす角度T1
1.4mrad(0.08度)
(6)励起光1と励起光3のなす角度T2
0mrad(励起光1と3は同方向)
(7)励起光1、5と被増幅光41、81のなす角T3
1.1mrad(0.06度)
Stimulated scattering medium Hydrogen gas (atmospheric pressure)
Properties of incident light (1)
(2)
(3)
(4) Amplified
(5) Angle T1 formed by
1.4 mrad (0.08 degrees)
(6) Angle T2 formed by
0 mrad (
(7) Angle T3 formed by
1.1 mrad (0.06 degrees)
ライトガイドの長さは、100cmで、ライトガイドの断面は、1cm×1cmの四角形である。誘導散乱媒質容器の両端には、石英の窓がある。励起光1と3の強度は、合計で1.1×107W/cm2 で、ストークス光2の強度は1.1×107W/cm2 で、被増幅光41の強度は1.1×105W/cm2 で、これらをライトガイド入口で重ねて入射すると、容器出力端より、励起光を被増幅光に変換し、1.1×107W/cm2 の強度の被増幅光41が得られる。ライトガイドの中心軸で180度回転した軸対称の励起光5と7の強度は、合計で1.1×107W/cm2 で、ストークス光6の強度は1.1×107W/cm2 で、被増幅光81の強度は1.1×105W/cm2 で、ライトガイド入口に重ねて入射すると、容器出力端より、励起光を被増幅光に変換し、1.1×107W/cm2 の強度になった被増幅光81が得られる。このように、被増幅光の増幅効率が向上し、またライトガイドのすべての領域で、励起光、ストークス光及び被増幅光が存在するので、ビームの強度分布の空間的一様性が向上する。
The length of the light guide is 100 cm, and the cross section of the light guide is a square of 1 cm × 1 cm. There are quartz windows at both ends of the stimulated scattering medium container. The total intensity of the
(実施例3)
本実施例3の4波混合誘導散乱光増幅器は、誘導散乱媒質として純水を用いた以外は実施例1と同様の誘導散乱媒質容器を用い、下記の条件で作成した。ライトガイドは、反射鏡として、下記の励起光波長、ストークス光波長及び被増幅光波長で、反射率に波長選択性がある誘電体多層膜鏡を備えている。
(Example 3)
The four-wave mixed stimulated scattering optical amplifier of Example 3 was prepared using the same stimulated scattering medium container as in Example 1 except that pure water was used as the stimulated scattering medium under the following conditions. The light guide includes a dielectric multilayer mirror having a wavelength selectivity in reflectivity at the following excitation light wavelength, Stokes light wavelength, and amplified light wavelength as a reflection mirror.
誘導散乱媒質 純水
入射光の性質
(1)励起光1、5 波長 248.6nm
(2)ストークス光2、6 波長 271.7nm
(3)励起光3、7 波長 248.6nm
(4)被増幅光41、81 波長 229.1nm
(5)励起光1、5とストークス光2、6のなす角度T1
0.12rad(6.9度)
(6)励起光1、5と励起光3、7のなす角度T2
0.1rad(5.7度)
(7)励起光1、5と被増幅光41、81のなす角度T3
0.0063rad(0.36度)
Stimulated scattering medium Pure water Properties of incident light (1)
(2)
(3)
(4) Amplified
(5) Angle T1 formed by
0.12 rad (6.9 degrees)
(6) Angle T2 formed by
0.1 rad (5.7 degrees)
(7) Angle T3 formed by
0.0063 rad (0.36 degrees)
ライトガイドの長さは、100cmで、ライトガイドの断面は、1cm×1cmの四角形である。誘導散乱容器の両端には、石英の窓がある。励起光1、3、5、7の強度は、それぞれ、4.3×107W/cm2 で、ストークス光2、6の強度は8.5×107W/cm2で、被増幅光41、81の強度は9.0×105W/cm2 で、ライトガイド入口に重ねて入射すると、容器出力端より、励起光を被増幅光に変換し、それぞれ8.6×107W/cm2 の強度に成長した被増幅光41、81が得られる。このように、被増幅光の増幅効率が向上し、またライトガイドのすべての領域で励起光、ストークス光、被増幅光が存在するので、ビームの強度分布の空間的一様性が向上する。
The length of the light guide is 100 cm, and the cross section of the light guide is a square of 1 cm × 1 cm. There are quartz windows at both ends of the stimulated scattering vessel. The intensity of
(実施例4)
実施例の4波混合誘導散乱生成器は、誘導散乱容器の中に、誘導散乱媒質として水素ガスを充填したものを用いる。誘導散乱容器中の対向する面に、励起光、ストークス光及び生成光を反射する反射鏡で構成されるライトガイドを備えている。励起光、ストークス光の入射条件を下記に示す。ビーム形状は、ライトガイドの断面の形状と同じ1cm×1cmの四角形である。ライトガイド入口で、励起光及びストークス光の断面は重ねている。
(Example 4)
The four-wave mixed stimulated scattering generator of the embodiment uses a stimulated scattering container filled with hydrogen gas as a stimulated scattering medium. A light guide composed of a reflecting mirror that reflects excitation light, Stokes light, and generated light is provided on opposing surfaces in the stimulated scattering container. The incident conditions of excitation light and Stokes light are shown below. The beam shape is a 1 cm × 1 cm square that is the same as the cross-sectional shape of the light guide. At the light guide entrance, the sections of the excitation light and Stokes light overlap.
誘導散乱媒質 水素ガス(大気圧)
入射光の性質
(1)励起光1、5 波長 248.6nm
(2)ストークス光2、6 波長 277.2nm
(3)励起光3、7 波長 248.6nm
(4)励起光1とストークス光2のなす角度T1
4.0mrad(0.23度)
(5)励起光1と励起光3のなす角度T2
3.5mrad(0.2度)
Stimulated scattering medium Hydrogen gas (atmospheric pressure)
Properties of incident light (1)
(2)
(3)
(4) Angle T1 formed by
4.0 mrad (0.23 degrees)
(5) Angle T2 formed by
3.5mrad (0.2 degree)
ライトガイドの長さは、100cmで、対向する反射鏡で構成される断面は、1cm×1cmの四角形である。誘導散乱容器の両端には、石英の窓がある。励起光1、3、5、7の強度は、それぞれ9.4×106W/cm2 で、ストークス光2、6の強度は、1.9×107W/cm2 で、これらを誘導散乱容器に重ねて入射すると、容器出力端より、励起光を生成光に変換し、それぞれ1.9×107W/cm2 の強度の下記の生成光42、82が得られる。
The length of the light guide is 100 cm, and the cross section formed by the reflecting mirrors facing each other is a square of 1 cm × 1 cm. There are quartz windows at both ends of the stimulated scattering vessel. The intensity of the
生成光の性質
(1)生成光42、82 波長 225.3nm
(2)励起光1、5と生成光42、82のなす角T3
0.05mrad(3×10−3度)
このように、生成光の生成効率が向上し、またライトガイドのすべての領域で、励起光、ストークス光及び生成光が存在するので、ビームの強度分布の空間的一様性が向上する。
Properties of generated light (1) Generated
(2) Angle T3 formed by
0.05 mrad (3 × 10 −3 degrees)
Thus, the generation efficiency of the generated light is improved, and the excitation light, the Stokes light, and the generated light are present in all regions of the light guide, so that the spatial uniformity of the intensity distribution of the beam is improved.
本発明によれば、4波混合誘導散乱増幅器での励起光から被増幅光への増幅効率、4波混合誘導散乱生成器での励起光から生成光への変換効率の向上、および、強度の空間的一様性の向上が可能となる。これらによって、計測の分野だけで利用されていた4波混合誘導散乱過程を、誘導散乱光の生成器や増幅器等の誘導散乱装置として利用できる。 According to the present invention, the amplification efficiency from the excitation light to the amplified light in the four-wave mixed stimulated scattering amplifier is improved, and the conversion efficiency from the excitation light to the generated light in the four-wave mixed stimulated scattering generator is improved. Spatial uniformity can be improved. As a result, the four-wave mixed stimulated scattering process, which has been used only in the field of measurement, can be used as a stimulated scattering device such as a generator or amplifier for stimulated scattered light.
1、3、5、7 励起光
2、6 ストークス光
9 誘導散乱分子の波動エネルギー
10 励起光と被増幅光を重ねる波長選択鏡
11 励起光と被増幅光を分離する波長選択鏡
12 誘導散乱容器
13 誘導散乱容器の入射窓
14 誘導散乱容器の出射窓
15 誘導散乱容器中のライトガイドの入口面の中心位置
30 対向する反射鏡で構成されるライトガイド
31〜37 ストークス光の光路を示すライトガイド中の位置
38、39 反射鏡
40 ライトガイドの中心軸
41、81 被増幅光
42、82 生成光
51〜59 従来の誘導散乱容器中の励起光、ストークス光、生成光の光路
61〜65 生成光の光路を示すライトガイド中の位置
DESCRIPTION OF
Claims (3)
誘導散乱容器中に、励起光、ストークス光、被増幅光及び生成光の波長の光を反射する反射鏡で構成されるライトガイドを具備し、
少なくとも励起光及びストークス光を、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射するとともに、該励起光及び該ストークス光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に関して180度回転した軸対称の角度で、励起光及びストークス光を上記ライトガイド入口面で重なるように入射し、
上記ライトガイド中で、励起光が、波数ベクトル整合条件を満たすアンチストークス光に変換されることを特徴とする4波混合誘導散乱装置。 A four-wave mixed stimulated scattering device that receives at least excitation light and Stokes light,
In the stimulated scattering container, a light guide composed of a reflecting mirror that reflects light having the wavelengths of excitation light, Stokes light, amplified light, and generated light is provided.
At least the excitation light and the Stokes light are in a direction satisfying the wave vector matching condition of the four-wave mixed stimulated scattering process on the plane including the normal of the reflecting mirror facing the light guide and the central axis of the light guide, and the light guide entrance The excitation light and the Stokes light are incident on the light guide entrance surface at an axially symmetric angle rotated 180 degrees with respect to the central axis of the light guide with respect to each of the excitation light and the Stokes light. Incident to overlap ,
A four-wave mixed stimulated scattering apparatus , wherein excitation light is converted into anti-Stokes light satisfying a wave vector matching condition in the light guide .
導散乱容器中に、励起光、ストークス光および被増幅光を反射する反射鏡で構成されるライトガイドを具備し、
2本の励起光、1本のストークス光及び1本の被増幅光を、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射するとともに、該2本の励起光、該1本のストークス光及び該1本の被増幅光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に対して180度回転した軸対称の角度で、2本の励起光、1本のストークス光及び1本の被増幅光を、ライトガイド入口面で重なるように入射することを特徴とする4波混合誘導散乱増幅器。 A four-wave mixed stimulated scattering amplifier that receives excitation light, Stokes light, and amplified light,
A light guide composed of a reflecting mirror that reflects excitation light, Stokes light, and amplified light is provided in the light scattering container.
A wave number vector of a four-wave mixed stimulated scattering process on two planes of excitation light, one Stokes light, and one amplified light on a plane including the normal of the reflecting mirror facing the light guide and the central axis of the light guide. The light guide is incident on the light guide entrance surface in a direction satisfying the alignment condition, and the light guide is applied to each of the two excitation light, the one Stokes light, and the one light to be amplified. Two excitation light beams, one Stokes light beam, and one amplified light beam are incident on the light guide entrance surface so as to overlap each other at an axially symmetric angle rotated by 180 degrees with respect to the central axis of the light guide. A four-wave mixed stimulated scattering amplifier.
誘導散乱容器中に、励起光、ストークス光及び生成光を反射する反射鏡で構成されるライトガイドを具備し、
2本の励起光及び1本のストークス光を、ライトガイドの対向する反射鏡の法線とライトガイドの中心軸を含む面上で4波混合誘導散乱過程の波数ベクトル整合条件を満たす方向で、かつ、ライトガイド入口面で重なるように入射するとともに、該2本の励起光及び該1本のストークス光のそれぞれに対して、ライトガイドの中心軸に関して180度回転した軸対称の角度で、2本の励起光及び1本のストークス光を、ライトガイド入口面で重なるように入射し、
波数ベクトル整合条件を満たす生成光が、上記ライトガイド中で生成されることを特徴とする4波混合誘導散乱生成器。 A four-wave mixed stimulated scattering generator for injecting excitation light and Stokes light,
The stimulated scattering container has a light guide composed of a reflecting mirror that reflects excitation light, Stokes light, and generated light.
Two excitation lights and one Stokes light in a direction satisfying the wave vector matching condition of the four-wave mixed stimulated scattering process on the plane including the normal of the reflecting mirror facing the light guide and the central axis of the light guide, In addition, the light beams are incident on the entrance surface of the light guide so as to overlap with each other, and each of the two excitation lights and the one Stokes light has an axially symmetric angle rotated by 180 degrees with respect to the central axis of the light guide. the excitation light and one Stokes light of the incident so as to overlap with the light guide inlet face,
A four-wave mixed stimulated scattering generator, wherein generated light that satisfies a wave vector matching condition is generated in the light guide .
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