JP2013520804A - 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及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
dIs/dz=g.Ip.Is (1)
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/dq)2に対して比例する。
g=k/m.ωs.(dα/dq)2.T2 (2)
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)。
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。
ダイヤモンドは、ラマンレーザーシステムにとって特に魅力的な多くの際だった特性を有している。ダイヤモンドは、ラマンレーザーがより短い結晶で形成されるのを可能にする特に高いラマンゲイン係数を有している。また、高い熱伝導率及び低い熱膨張係数は、他のラマン材料よりも著しく高い平均パワーでラマン変換を可能にする上で有望であり、他のラマン材料と比較して良好な耐光学損傷性をダイヤモンドに与える。別の固体ラマン材料と比較してダイヤモンドの幅広い透過範囲(図1F参照)はダイヤモンドを、赤外スペクトル領域内の他の材料の範囲外にある波長を生成するために重要な材料にする。
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、
一般に、或る材料に対するラマンゲイン係数は、
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。
中赤外から遠赤外のダイヤモンド・ラマンレーザーのレーザー閾値を達成するために、上に概要を述べた数値モデルを用いて入力ポンプ要件を予測することができる。
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、Sorokina, I. T., Crystalline mid-infrared lasers; in Solid-State Mid-Infrared Laser Sources, Topics in Applied Physics, Springer Berlin/ Heidelberg Volume 89 2003 DOI 10.1007/3-540-36491-9_7 Pages 255-351参照]。
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Rui Fen Wu, et al, “Multiwatt mid-IR output from a Nd:YALO laser pumped intracavity KTA OPO(Nd:YALOレーザーでポンピングされた空洞内KTA OPOからのマルチワット中IR出力)” Optics Express, Vol. 8 Issue 13, pp. 694-698参照]、及びLiNbO3[例えばHideki Ishizuki and Takunori Taira, “High-energy quasi-phase-matched optical parametric oscillation in a periodically poled MgO:LiNbO3 device with a 5mm x 5mm aperture(5mm×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)” Opt. Lett. 30, 2918-2920 (2005)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10cm-1以下の線幅(例えば約0.1〜約10cm-1、約0.1cm-1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768cm-1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。
Claims (32)
- 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。
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