JP5339172B2 - コヒーレントドップラーライダー - Google Patents

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Description

本発明は、コヒーレントドップラーライダー（ＣＤＬ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｌｉｄａｒ）に関し、さらに詳細には、搭載するレーザー光源を改良したコヒーレントドップラーライダーに関する。
近年、航空機の発展に伴いその利用者が増加するにつれて、航空安全に対する要求が急速に高まってきている。
特に、最近しばしば晴天時の乱気流による航空機事故が報告されており、こうした航空機事故を未然に防止することは緊要な課題となっている。
ところが、晴天時の乱気流は、目視で捉えることができないものであることは勿論であるが、電波レーダーを用いても捉えることができないものであり、コンピュータ制御の航行システムが整った現在においても、その回避が困難であることが指摘されている。
こうしたことから、晴天時の乱気流などの突発現象を事前に捉えて回避することを可能にする技術として、観測対象を遠隔地から電波や光を使って観測する技術たるリモートセンシング（遠隔探査）の技術開発が強く望まれてきており、現在、航空機に搭載できるほどにコンパクトに設計できる可能性のあるリモートセンサーであるコヒーレントドップラーライダーが注目されている。

ここで、コヒーレントドップラーライダーについて説明すると、まず、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）とレーダー（Ｒａｄａｒ：Ｒａｄｉｏ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）とは、レーダーが電波を送信するのに対し、ライダーが電波の代わりにレーザー光を送信光源として用いる点において、両者は異なっている。
そして、コヒーレントドップラーライダーは、信号をコヒーレントに検出し、局発とのビート信号の周波数を計測することにより、観測対象による周波数のドップラー偏移を高精度に検出する。
なお、航空機に搭載されるコヒーレントドップラーライダーにおいては、レーザー光を反射する対象物は大気中の微粒子（エアロゾル：Ａｅｒｏｓｏｌ）および雲である。
次に、図１に示す従来のコヒーレントドップラーライダーのブロック構成説明図を参照しながら、上記したコヒーレントドップラーライダーの動作原理を説明すると、コヒーレントドップラーライダーにおいては、マスターレーザー（Ｍａｓｔｅｒ Ｌａｓｅｒ）１０から出力されるシード光の注入同期により、パルスレーザー（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ）１２の発振波長を制御する。
こうして発振波長を制御されたパルスレーザーから出力されたパルスレーザー光を、望遠鏡やスキャナーなどの入出力システム１４を介して大気中に発射する。
そして、上記のようにして大気中で発射されたパルスレーザー光がエアロゾルの動きに応じてドップラーシフトを受けた反射光を入出力システム１４を介して受光し、当該反射光とマスターレーザー１２からのレーザー光とを混合し、検出システム１６のミキサー（Ｍｉｘｅｒ）１６ａで合成する。
ミキサー１６で合成した信号成分のうちで低周波のビート信号をＩＦアンプ（Ｉ．Ｆ． Ａｍｐ．）１６ｂで増幅し、増幅した信号をアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１６ｃでＡ／Ｄしてデジタル信号としてコンピューター（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）１６ｄに記録する。
コンピューター１６ｄでは、周波数解析によりドップラー偏移を求め、オフセット成分を除去した後に風速に変換し、その結果を、表示装置（ディスプレイ：Ｄｉｓｐｌａｙ）１６ｅに表示したり、ＨＤＤやデジタルテープ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔａｐｅ）などの記憶装置１６ｆに記憶する。
なお、上記においては、コヒーレントドップラーライダーの動作の理解を容易にするために説明を省略したが、実際の測定においては、パルスレーザー１２の出力の一部をマスターレーザー１０の出力と混合して、毎パルスごとに出力レーザのオフセットも参照信号としてモニターしている。

ところで、上記したようにコヒーレントドップラーライダーは大気中にパルスレーザー光を放出するものであるが、リモートセンシングにおいて大気中にパルスレーザー光を放出することを考慮すると、人間の目に対して安全性の高い、所謂、アイセイフ領域たる１．５μｍよりも長い波長領域において発振するパルスレーザーを用いることが望ましいものである。
このため、高エネルギーパルス発振可能であり、かつ、１．５μｍよりも長い波長領域のレーザー光を大気中へ出力することが可能なコヒーレントドップラーライダーの開発が強く望まれていた。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。
本発明は、上記した要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高エネルギーパルス発振可能であり、かつ、１．５μｍよりも長い波長領域のレーザー光を大気中へ出力することが可能なコヒーレントドップラーライダーを提供しようとするものである。
上記目的を達成するために、本発明によるコヒーレントドップラーライダーは、その構成要素であるパルスレーザーが、レーザー媒質として、ガーネット構造を有して化学式がＹ３Ａｌ５Ｏ１２として表される透明なＹＡＧセラミックにレーザー活性イオンとしてＴｍとＨｏとの少なくともいずれか一方を添加（以下、「ドープ」と適宜に称する。）した材料（本明細書においては、「Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミック」と称する。）を用いるようにしたものである。
また、本発明によるコヒーレントドップラーライダーの構成要素であるパルスレーザーは、上記したＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックよりなるレーザー媒質を波長７５０ｎｍ〜８２０ｎｍの波長帯の励起光により励起してレーザー発振するようにしたものである。
ここで、ＹＡＧセラミックは、サイズが１ｍｍ以下の単結晶を集合することによってできる多結晶体からなる固体レーザーである。
また、ＹＡＧセラミックに添加するＴｍイオンの添加濃度（ドープ率）については、
０≦Ｔｍ≦２０％ （但し、Ｔｍ＝０，Ｈｏ＝０を除く。）
とすることが好ましく、また、ＹＡＧセラミックに添加するＨｏイオンの添加濃度（ドープ率）については、
０≦Ｈｏ≦１０％ （但し、Ｔｍ＝０，Ｈｏ＝０を除く。）
とすることが好ましい。

ここで、ＴｍとＨｏとの少なくともいずれか一方をドープしたＹＡＧセラミックたるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミック、即ち、ＴｍとＨｏとの少なくともいずれか一方をドープするイオンとして用いた多結晶体からなる固体レーザーたるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックは、Ｈｏイオンによって発振し、また、Ｔｍイオンは励起光を効果的に吸収させる増感剤として作用し、波長７５０ｎｍ〜８２０ｎｍの波長帯の励起光の励起により波長２μｍ帯、より詳細には、波長１．９μｍ〜２．２μｍ帯の高エネルギーのパルスレーザー光を発振する。
但し、Ｈｏ＝０％の場合は、Ｔｍイオンにより発振する。Ｈｏ＝０％の場合は、Ｔｍが活性イオンとなる。この場合、図５で３Ｈ４がレーザー上準位となり、このレベルに蓄積された分布が下準位である３Ｈ６への遷移により、１．９μｍ〜２．１μｍ帯の発振を生じる。
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、マスターレーザーから出力されるシード光の注入同期により発振波長を制御されるパルスレーザーを有し、前記パルスレーザーから出力されたパルスレーザー光を大気中に発射し、該大気中に発射されたパルスレーザー光がドップラーシフトを受けた反射光を受光して、該受光した反射光に基づきドップラー偏移を検出するコヒーレントドップラーライダーにおいて、上記パルスレーザーは、共振器内にレーザー媒質を配置し、励起光として上記レーザー媒質に所定の繰り返し周波数のパルス光を入射することにより上記共振器内においてパルスレーザー発振を生じさせて、上記共振器からパルスレーザー光を出力するパルスレーザーであって、上記レーザー媒質は、ガーネット構造を有して化学式がＹ３Ａｌ５Ｏ１２として表される透明なＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）セラミックにレーザー活性イオンとしてＴｍ（Ｔｈｕｌｉｕｍ：ツリウム）とＨｏ（Ｈｏｌｍｉｕｍ：ホルミウム）とを添加した材料たるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックを有してなる領域を少なくとも有するレーザー媒質であり、上記レーザー媒質を前記励起光により励起して出力されるパルスレーザー光を、１．９μｍ〜２．２μｍで波長を変化することができるものであって、上記ＹＡＧセラミックは、サイズが１ｍｍ以下の単結晶を集合することによってできる多結晶体からなる固体レーザーであり、上記ＹＡＧセラミックに添加するＴｍとＨｏとの添加濃度は、それぞれ３≦Ｔｍ≦６％、０．３≦Ｈｏ≦０．４％であり、上記レーザー媒質は、ロッド状体よりなるものであり、上記ロッド状体の軸方向に沿った中央部の領域にＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックの領域が配置され、上記ロッド状体の上記中央部の両側の領域にはレーザー活性イオンを添加していないＹＡＧセラミックの領域が配置され、上記レーザー媒質は、上記ロッド状体の上記中央部の両側の配置されたレーザー活性イオンを添加していないＹＡＧセラミックの領域において上記共振器内に支持され、上記励起光の波長帯は、波長７８０ｎｍ〜７９０ｎｍの波長帯であるようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、半導体レーザーにより上記励起光を生成するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記励起光として半導体レーザーにより波長７８０ｎｍ〜７９０ｎｍの波長帯の励起光を生成し、上記ロッド状体の軸方向に沿った中央部の領域に配置されたＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックの領域のみに該励起光を入射するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、さらに、上記レーザー媒質を冷却する冷却手段を有するようにしたものである。
本発明によれば、高エネルギーパルス発振可能であり、かつ、１．５μｍよりも長い波長領域のレーザー光を大気中へ出力することが可能なコヒーレントドップラーライダーを提供することができるという優れた効果が奏される。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるコヒーレントドップラーライダーの実施の形態の一例を詳細に説明する。
なお、以下の説明においては、図１に示す構成と同一または相当する構成については、図１において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。

まず、図２には、本発明の実施の形態の一例によるコヒーレントドップラーライダーのブロック構成説明図が示されているが、このコヒーレントドップラーライダー１００は、パルスレーザー１０２の構成が図１に示す従来のパルスレーザー１２の構成と異なる点においてのみ、図１に示す従来のコヒーレントドップラーライダーと異なっている。
即ち、コヒーレントドップラーライダー１００においては、パルスレーザー１０２を除く構成は、従来のコヒーレントドップラーライダー１０とは異なるところがない。
また、コヒーレントドップラーライダー１００の動作については、パルスレーザー１０２におけるパルスレーザー光の生成の動作を除いて、パルスレーザー１０２から出射されたパルスレーザー光の処理を含めて従来のコヒーレントドップラーライダーと異なるところはない。
従って、以下においては、パルスレーザー１０２について詳細に説明するものとし、他の構成ならびにそれらの動作については、上記した図１に示す従来のコヒーレントドップラーライダーの説明を援用して、その重複する説明は省略する。

ここで、図３には、パルスレーザー１０２に用いるレーザー媒質の斜視構成説明図が示されている。
このレーザー媒質１０４は、全体が円柱形状を備えたＹＡＧセラミックのロッド状体よりなるものである。
このレーザー媒質１０４を構成するＹＡＧセラミックのロッドは、その組成が、円柱形状の中心軸方向（長手方向）に沿って中央部に位置する第１領域１０４ａと、第１領域１０４ａの両側にそれぞれ位置する第２領域１０４ｂおよび第３領域１０４ｃとで異なっている。
即ち、第１領域１０４ａは、ＹＡＧセラミックにＴｍとＨｏとの少なくともいずれか一方がドープされてＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックとなされているが、一方、第２領域１０４ｂおよび第３領域１０４ｃは、イオンが何もドープされていない無ドープのＹＡＧ（Ｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ ＹＡＧ）セラミックとなされている。
第１領域１０ａとしてＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックを作製する際のイオンの添加濃度は、Ｔｍについては、
０≦Ｔｍ≦２０％
好ましくは、
３≦Ｔｍ≦６
とし、Ｈｏについては、
０≦Ｈｏ≦１０％
好ましくは、
０．３≦Ｈｏ≦０．４
とする。但し、Ｔｍ＝０，Ｈｏ＝０は除くものとする。
なお、レーザー媒質１０４は、単体のＹＡＧセラミックよりなるものであり、第１領域１０４ａと第２領域１０４ｂと第３領域１０４ｃとを接着剤などにより連結したものではない。
セラミックでは、接着を用いずに、レーザー媒質１０４のような複数種類の材料が接合された物質を容易に作製することができる。

また、図４には、上記したレーザー媒質１０４を備えたパルスレーザー１０２の概念構成説明図が示されている。
このパルスレーザー１０２は、レーザー媒質１０４を内部に配置した励起チャンバー１０６と、励起チャンバー１０６を挟んで対向するようにそれぞれ配置されたリアミラー１０８および出力ミラー１１０と、マスターレーザー１０から出力されたシード光を注入するための光合成器１１２とを有して構成されている。
即ち、このパルスレーザー１０２においては、リアミラー１０８と出力ミラー１１０とにより直線型のレーザー共振器が構成されている。
なお、リアミラー１０８としては、波長１．９μｍ〜２．２μｍの光に対する高反射鏡を用いた。また、出力ミラー１１０としては、波長１．９μｍ〜２．２μｍの光の一部を透過して、パルスレーザー１０２の外部へ波長１．９μｍ〜２．２μｍのレーザー光を出力する部分反射鏡を用いた。

ここで、励起チャンバー１０６についてより詳細に説明すると、励起チャンバー１０６内には、レーザー媒質１０４の一方の端面１０４ｄ（図３を参照する。）をリアミラー１０８に対向させるとともに、レーザー媒質１０４の他方の端面１０４ｅ（図３を参照する。）を出力ミラー１１０に対向させるようにして、レーザー媒質１０４が配置されている。
ここで、レーザー媒質１０４は、第２領域１０４ｂと第３領域１０４ｃとを励起チャンバー１０６に係合することにより励起チャンバー１０６内に支持され、直線型のレーザー共振器内に支持されることになる。
そして、このレーザー媒質１０４の周囲はフローチューブ（図示せず。）で囲まれていて、これによりレーザー媒質１０４を水冷してレーザー媒質１０４の冷却を図っている。
また、励起チャンバー１０６には、レーザー媒質１０４の外周に位置するようにして、レーザー媒質１０４の径方向、即ち、レーザー媒質１０４の側面からの第１領域１０４ａに向けて励起光としてレーザー光を照射する半導体レーザー（レーザーダイオード）１１４が配設されている。なお、この半導体レーザー１１４は、第１領域１０４ａに対してのみレーザー光を照射するように配置されており、第２領域１０４ｂならびに第３領域１０４ｃに対しては、半導体レーザー１１４からレーザー光が照射されることはない。
こうした半導体レーザー１１４としては、波長７５０ｎｍ〜８２０ｎｍの波長帯のレーザー光を出射できるものを用いることとする。
なお、レーザー媒質１０４と半導体レーザー１１４とは、同一系統のチラー（図示せず。）で冷却されている。

以上の構成において、パルスレーザー１０２によれば、ＴｍとＨｏとの少なくともいずれか一方をドープしたＹＡＧセラミックたるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミック、即ち、ＴｍとＨｏとの少なくともいずれか一方をドープするイオンとして用いた多結晶体からなる固体レーザーたるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックよりなる第１領域１０４ａは、Ｈｏイオンによって発振し、また、Ｔｍイオンは励起光を効果的に吸収させる増感剤として作用し、半導体レーザー１１４により照射される波長７５０ｎｍ〜８２０ｎｍの波長帯の励起光の励起により、波長１．９μｍ〜２．２μｍの波長２μｍ帯の高エネルギーのパルスレーザー光を発振するが、その発振波長は、光合成器１１２を介してマスターレーザーから注入されるシード光によって制御される。

ここで、３価のＴｍとＨｏとは波長２μｍの波長帯におけるレーザー発振のための活性イオンとなり、Ｈｏイオンによって発振し、Ｔｍは励起光を効果的に吸収させる増感剤として作用する。
但し、Ｈｏ＝０％の場合は、Ｔｍイオンにより発振する。Ｈｏ＝０％の場合は、Ｔｍが活性イオンとなる。この場合、図５で３Ｈ４がレーザー上準位となり、このレベルに蓄積された分布が下準位である３Ｈ６への遷移により、１．９μｍ〜２．１μｍ帯の発振を生じる。

図５にはＴｍ−Ｈｏ系レーザーのエネルギー準位図が示されているが、パルスレーザー１０２においては、上記したように、Ｔｍの７８０ｎｍ近傍の３Ｈ６−３Ｆ４遷移の吸収に合わせたレーザーダイオード１０８を用いてＴｍを励起している。３Ｆ４へ蓄積された分布が３Ｈ４へ遷移するが、ある確率で交差緩和が生じ、同時に隣接Ｔｍイオンが基底準位から３Ｈ４へ励起され、３Ｈ４に分布が蓄積される。Ｔｍの３Ｈ４レベルからＨｏの５Ｉ７レベルへエネルギーの受け渡しがなされるが、この５Ｉ７レベルはレーザー上準位であり、下準位である５Ｉ８への遷移によって２．１μｍ近傍の発振を生じるものである。
なお、Ｈｏは１．９μｍの光で直接励起できるが、パルスレーザー１０２においては、低コストで高出力の半導体レーザーが入手可能なＴｍの７８０ｎｍ近傍を励起波長として用いることとして、波長７５０ｎｍ〜８２０ｎｍの波長帯のレーザー光を出射する半導体レーザー１１４を用いた。

次に、本願発明者が上記したパルスレーザー１０２を用いて行った実験について説明する。
ここで、実験において用いたパルスレーザー１０２の寸法を説明すると、以下の通りである。
レーザー共振器長Ｌ１：２００ｍｍ
レーザー媒質１０４の直径Ｄ：３ｍｍ
レーザー媒質１０４の全長Ｌ２：７０ｍｍ
第１領域１０４ａの長さＬ３：１０ｍｍ
第２領域１０４ｂの長さＬ４：３０ｍｍ
第３領域１０４ｃの長さＬ５：３０ｍｍ
また、第１領域１０４ａにおけるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックのＴｍとＨｏとの添加濃度（ドープ率）は、Ｔｍが６％、Ｈｏが０．４％とした。
なお、レーザー媒質１０４の両方の端面１０ｄ、１０ｅはレーザーグレードの光学研磨と２１００ｎｍにおける無反射コートを施し、レーザー媒質１０４における第１領域１０４ａの外周面、即ち、側面はサンドブラストを施こした。
また、半導体レーザー１１４は、中心波長７８３ｎｍ、線幅３．５ｎｍであり、最大ピーク電流８０Ａ、パルス幅０．５ｍｓのＱＣＷ動作を行なう電源で駆動した。このときの半導体レーザー１１４の最大出力エネルギーは、９００ｍＪ／パルスであった。
リアミラー１０８としては、波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９９．９％以上の高反射鏡を用いた。
一方、出力ミラー１１０としては、波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９５％の部分反射鏡と、波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡とを準備して、実験毎にそれぞれを用いた。
そして、レーザー媒質１０４の出力ミラー１１０から出力されたレーザー光のパルスエネルギーはジュールメーターを用いて測定し、また、その発振波長はファイバー結合型の小型分光光度計（Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ、ＮＩＲ２５６−２．５）を用いて測定した。

実験は、いかなる制御も行なわない条件で、レーザー発振をフローチューブの水温２０℃において実行したところ、出力ミラー１１０として波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９５％の部分反射鏡を用いた場合には、メインの発振波長２１２０ｎｍで容易にレーザー発振し（図６を参照する。）、また、出力ミラー１１０として波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡を用いた場合には、メインの発振波長２０８８ｎｍで容易にレーザー発振した（図７を参照する。）
図８は、出力ミラー１１０として波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９５％の部分反射鏡を用いた場合における励起エネルギー（Ｐｕｍｐ ｅｎｅｒｇｙ）に対する出力エネルギー（Ｏｕｔｐｕｔ ｅｎｅｒｇｙ）を示している。
また、図９は、出力ミラー１１０として波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡を用いた場合における励起エネルギーに対する出力エネルギーを示している。
なお、図８ならびに図９において、□は繰り返し周波数１Ｈｚにおける結果を示し、○は繰り返し周波数５Ｈｚにおける結果を示し、■は繰り返し周波数１０Ｈｚにおける結果を示し、●は繰り返し周波数２０Ｈｚにおける結果を示している。
この図８ならびに図９に示されているように、繰り返し周波数が高い方がパルスあたりの出力エネルギーが低かった。
なお、同一の繰り返し周波数では、出力ミラー１１０として波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９５％の部分反射鏡を用いた場合の方が、出力ミラー１１０として波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡を用いた場合よりも高い出力エネルギーを示している。
しかしながら、出力ミラー１１０として波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡を用いた場合でも、出力エネルギーとして、最大励起エネルギー８６０ｍＪにおいて１Ｈｚで４１ｍＪ、１０Ｈｚでも３０ｍＪが得られた。

また、水温を変化させて実験を行ったところ、水温を低下させることにより、出力エネルギーは増加した。
図１０には、水温（冷却水温度）を変化させた実験の実験結果が示されているが、この実験においては、波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡のみを出力ミラー１１０として用いた。
なお、図１０において、■は繰り返し周波数１Ｈｚにおける結果を示し、□は繰り返し周波数１０Ｈｚにおける結果を示している。なお、励起エネルギーは、８６０ｍＪ／ｐｕｌｓｅとした。
水温を１６℃にまで低下させた条件では、繰り返し周波数１Ｈｚで４８ｍＪの出力エネルギーが得られ、１０Ｈｚでも４３ｍＪの出力エネルギーが得られた。
即ち、半導体レーザー１１４による８６０ｍＪ励起、１６℃の冷却水温度において、最大４８ｍＪ以上の出力エネルギーを得ることができたものである。
このときの光−光変換効率は５％以上を達成したものであり、７８３ｎｍ付近では半導体レーザー１１４の実効的な吸収パワーは、半導体レーザー１１４の中心波長のシフトに強く依存しないことを示している。

なお、半導体レーザーで励起する場合には、レーザー媒質の励起効率はランプ励起に比べはるかに高く、局所的な発熱をいかに除去するかが問題となっている。 このパルスレーザー１０２におけるレーザー媒質１０４は、ＹＡＧセラミックよりなるものであるので、接着を用いることなしに、第１領域１０４ａのＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックと、第２領域１０４ｂおよび第３領域１０４ｃのＴｍとＨｏとを添加していない無添加のＹＡＧセラミックとが接合されており、第２領域１０４ｂおよび第３領域１０４ｃをヒートシンクとしての機能させて放熱することができる。
また、Ｔｍ、Ｈｏ系における２μｍ帯発振のような準３準位系レーザーの場合には、第２領域１０４ｂおよび第３領域１０４ｃは上記したヒートシンクとしての機能することに加え、励起光を入射して利得を発生する部分（第１領域１０４ａ）にのみイオン添加領域を配置して、励起チャンバー１０６に取り付けるために半導体レーザー１１４を配置できずに励起光を入射できない部位たる第２領域１０４ｂおよび第３領域１０４ｃにはイオンをドープしないことにより、３準位系で問題になる再吸収損失を回避し、より効率的な発振に寄与するという機能がある。

以上において説明したように、パルスレーザー１０２において、ＱＣＷ発振する半導体レーザー１１４でレーザー媒質１０４の第１領域たるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックを励起したところ、波長２μｍの波長帯でレーザー発振が得られるものであり、従って、パルスレーザー１０２を備えたコヒーレントドップラーライダーは、高エネルギーパルス発振可能であり、かつ、１．５μｍよりも長い波長領域のレーザー光を大気中へ出力することが可能である。
ここで、図１１（ａ）（ｂ）ならびに図１２には、上記した実験に用いたパルスレーザー１０２（出力ミラー１１０として波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９５％の部分反射鏡を用いたもの）を配設したコヒーレントドップラーライダー１００を用いた実験で得られると予想される結果を示すため、図１で示した従来のコヒーレントドップラーライダーによって得られた実験結果を示す。
即ち、図１１（ａ）（ｂ）に示すグラフは、上記した従来のコヒーレントドップラーライダー（図１１（ａ）（ｂ）では「ＣＤＬ」として示す。）、従来技術のＶＨＦならびに従来技術のゾンデ（Ｓｏｎｄｅ）を用いて測定した高度に対する風速（図１１（ａ））と風向（図１１（ｂ））を示している。
図１１（ａ）（ｂ）を参照すると、９ｋｍまでの高度においては、ＣＤＬ、ＶＨＦおよびゾンデは、風速、風向ともに非常に高い精度でデータが一致している。ここで、従来技術のゾンデは、その場で計測するために精度は高いが測定装置を空中に飛ばす必要があるため使い切りであり、１回の測定にかかるコストが非常に高かった。
一方、ＣＤＬの場合は地上設置可能であるため、低コストで高精度の風計測が可能である。
また、図１２に示すグラフにおいて、一番下に示されたＲｅｆｅｒｅｎｃｅは、コヒーレントドップラーライダーから出力されたパルスレーザー光のスペクトルを示している。一方、Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅの上の複数のスペクトルは、コヒーレントドップラーライダーから出力されたパルスレーザー光が上空で反射してから戻ってきた光パルスの周波数を示している。風向きにより東風は低周波に、西風は高周波側に、それぞれの風速に応じた分の周波数シフトしたシグナルが観察された。

なお、上記した実施の形態は、以下に説明する（１）乃至（４）に示すように変形してもよい。
（１）上記した実施の形態においては、レーザー媒質１０４の励起するにあたって中心波長７８３ｎｍの半導体レーザー１１４を用いて実験した結果を示したが、レーザー媒質１０４の励起波長はこれに限られるものではないことが勿論であり、７５０ｎｍ〜８２０ｎｍの波長帯、好ましくは７８０ｎｍ〜７９０ｎｍの波長帯でもよい。
（２）上記した実施の形態においては、第１領域１０４ａにおけるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックのＴｍとＨｏとの添加濃度をＴｍが６％、Ｈｏが０．４％として実験した結果を示したが、ＴｍとＨｏとの添加濃度はこれに限られるものではないことは勿論であり、例えば、Ｔｍが３％、Ｈｏが０．３％でもよい。即ち、ＴｍとＨｏとの添加濃度は、
０≦Ｔｍ≦２０％
０≦Ｈｏ≦１０％
の範囲で適宜に設定すればよい。
（３）上記した実施の形態においては、パルスレーザー１０２やレーザー媒質１０４の寸法を具体的な数値により示したが、これらの数値は一例に過ぎないものであってパルスレーザー１０２やレーザー媒質１０４の寸法はこれに限られるものではなく、設計条件に応じて適宜の寸法とすればよい。
（４）上記した実施の形態においては、レーザー媒質１０４は全体が円柱形状を備えたロッド状体よりなるものとしたが、レーザー媒質１０４の形状はこれに限られるものではなく、設計条件に応じて適宜の形状に構成すればよい。
（５）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
本発明は、航空機に搭載すると、晴天時の乱気流などの突発現象を検出して航空事故の発生を未然に防止することができるようになる。
図１は、従来のコヒーレントドップラーライダーのブロック構成説明図である。 図２は、本発明の実施の形態の一例によるコヒーレントドップラーライダーのブロック構成説明図である。 図３は、本発明の実施の形態の一例によるコヒーレントドップラーライダーのパルスレーザーに用いるレーザー媒質の斜視構成説明図である。 図４は、本発明の実施の形態の一例によるコヒーレントドップラーライダーのパルスレーザーの概念構成説明図である。 図５は、Ｔｍ−Ｈｏ系レーザーのエネルギー準位図である。 図６は、出力ミラーとして波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９５％の部分反射鏡を用いた場合のパルスレーザーにより出力されたレーザー光のスペクトルである。 図７は、出力ミラーとして波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡を用いた場合のパルスレーザーにより出力されたレーザー光のスペクトルである。 図８は、出力ミラーとして波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９５％の部分反射鏡を用いた場合のパルスレーザーにおける励起エネルギーに対する出力エネルギーを示すグラフである。 図９は、出力ミラーとして波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡を用いた場合のパルスレーザーにおける励起エネルギーに対する出力エネルギーを示すグラフである。 図１０は、冷却水温度を変化させた場合におけるそれぞれの冷却水温度に対して得られた最大出力エネルギーを示すグラフである。 図１１（ａ）（ｂ）は、コヒーレントドップラーライダーを用いた実験結果を示すグラフである。 図１２は、コヒーレントドップラーライダーを用いた実験結果を示すグラフである。
符号の説明
１０ マスターレーザー（Ｍａｓｔｅｒ Ｌａｓｅｒ）
１２ パルスレーザー（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ）
１４ 入出力システム
１６ 検出システム
１６ａ ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）
１６ｂ ＩＦアンプ（Ｉ．Ｆ． Ａｍｐ．）
１６ｃ アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）
１６ｄ コンピューター（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）
１６ｅ 表示装置（ディスプレイ：Ｄｉｓｐｌａｙ）
１６ｆ 記憶装置１６ｆに記憶する。
１００ コヒーレントドップラーライダー
１０２ パルスレーザー
１０４ レーザー媒質
１０４ａ 第１領域
１０４ｂ 第２領域
１０４ｃ 第３領域
１０４ｄ 端面
１０４ｅ 端面ザー装置
１０６ 励起チャンバー
１０８ リアミラー
１１０ 出力ミラー
１１２ 光合成器
１１４ 半導体レーザー（レーザーダイオード）

Claims (4)

  1. マスターレーザーから出力されるシード光の注入同期により発振波長を制御されるパルスレーザーを有し、前記パルスレーザーから出力されたパルスレーザー光を大気中に発射し、該大気中に発射されたパルスレーザー光がドップラーシフトを受けた反射光を受光して、該受光した反射光に基づきドップラー偏移を検出するコヒーレントドップラーライダーにおいて、
    前記パルスレーザーは、
    共振器内にレーザー媒質を配置し、励起光として前記レーザー媒質に所定の繰り返し周波数のパルス光を入射することにより前記共振器内においてパルスレーザー発振を生じさせて、前記共振器からパルスレーザー光を出力するパルスレーザーであって、
    前記レーザー媒質は、ガーネット構造を有して化学式がＹ３Ａｌ５Ｏ１２として表さ
    れる透明なＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）セラミックにレーザー活性イオンとしてＴｍ（Ｔｈｕｌｉｕｍ：ツリウム）とＨｏ（Ｈｏｌｍｉｕｍ：ホルミウム）とを添加した材料たるＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックを有してなる領域を少なくとも有するレーザー媒質であり、
    前記レーザー媒質を前記励起光により励起して出力されるパルスレーザー光を、１．９μｍ〜２．２μｍで波長を変化することができるものであって、
    前記ＹＡＧセラミックは、サイズが１ｍｍ以下の単結晶を集合することによってできる多結晶体からなる固体レーザーであり、
    前記ＹＡＧセラミックに添加するＴｍとＨｏとの添加濃度は、それぞれ
    ３≦Ｔｍ≦６％
    ０．３≦Ｈｏ≦０．４％
    であり、
    前記レーザー媒質は、ロッド状体よりなるものであり、前記ロッド状体の軸方向に沿った中央部の領域にＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックの領域が配置され、前記ロッド状体の前記中央部の両側の領域にはレーザー活性イオンを添加していないＹＡＧセラミックの領域が配置され、
    前記レーザー媒質は、前記ロッド状体の前記中央部の両側の配置されたレーザー活性イオンを添加していないＹＡＧセラミックの領域において前記共振器内に支持され、
    前記励起光の波長帯は、波長７８０ｎｍ〜７９０ｎｍの波長帯である
    ことを特徴とするコヒーレントドップラーライダー。
  2. 請求項１に記載のコヒーレントドップラーライダーにおいて、
    半導体レーザーにより前記励起光を生成する
    ことを特徴とするコヒーレントドップラーライダー。
  3. 請求項２に記載のコヒーレントドップラーライダーにおいて、
    前記励起光として半導体レーザーにより波長７８０ｎｍ〜７９０ｎｍの波長帯の励起光を生成し、前記ロッド状体の軸方向に沿った中央部の領域に配置されたＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックの領域のみに該励起光を入射する
    ことを特徴とするコヒーレントドップラーライダー。
  4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載のコヒーレントドップラーライダーにおいて、さらに、
    前記レーザー媒質を冷却する冷却手段を有する
    ことを特徴とするコヒーレントドップラーライダー。
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