４波混合誘導散乱装置
【課題】従来の誘導散乱増幅器は増幅効率が低く、また４波混合誘導散乱過程は計測器に用いられていたが、光強度の空間的一様性に欠けていた。
【解決手段】４波混合誘導散乱過程を利用した装置であって、２本の励起光と１本のストークス光を、誘導散乱容器に入射するとともに、他の２本の励起光と１本のストークス光を入射し、それぞれが、ライトガイドの中心軸で１８０度回転した軸対称な方向で、ライトガイド入口面で重なるように入射させる。励起光、ストークス光、被増幅光を、入射するときは、増幅器として動作する。また、励起光とストークス光を、入射し、被増幅光を入射しないときは、生成器として動作する。
【解決手段】４波混合誘導散乱過程を利用した装置であって、２本の励起光と１本のストークス光を、誘導散乱容器に入射するとともに、他の２本の励起光と１本のストークス光を入射し、それぞれが、ライトガイドの中心軸で１８０度回転した軸対称な方向で、ライトガイド入口面で重なるように入射させる。励起光、ストークス光、被増幅光を、入射するときは、増幅器として動作する。また、励起光とストークス光を、入射し、被増幅光を入射しないときは、生成器として動作する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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）
【０００７】
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。
【特許文献１】特開平６−３７４０７号公報
【特許文献２】特開平１０−１１１５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【発明の効果】
【００２９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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）
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【実施例】
【００５８】
（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。
【００５９】
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）
【００６０】
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。
【００６１】
（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。
【００６２】
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）
【００６３】
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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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）
【００６６】
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。
【００６７】
（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。
【００６８】
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）
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の４波混合誘導散乱装置を示す斜視図
【図２】（ａ）（ｂ）は本発明の４波混合誘導散乱増幅器及び光路を示す図
【図３】本発明の４波混合誘導散乱増幅過程の機構を示す図。（ａ）は波数ベクトル整合条件を示し、（ｂ）（ｃ）は、誘導散乱容器中のライトガイドの入射窓の中心地点での入射方向を示す。
【図４】本発明の４波混合誘導散乱増幅過程の機構を説明する誘導散乱媒質分子のエネルギー準位の図
【図５】（ａ）（ｂ）は本発明のストークス光のライトガイド中での光路を示す図
【図６】（ａ）（ｂ）は本発明の４波混合誘導散乱生成器及び光路を示す図
【図７】本発明の４波混合誘導散乱生成過程の機構を示す図。（ａ）は波数ベクトル整合条件を示し、（ｂ）（ｃ）は、誘導散乱容器中のライトガイドの入射窓の中心地点での伝搬方向を示す。
【図８】本発明の４波混合誘導散乱生成過程の機構を説明する誘導散乱媒質分子のエネルギー準位の図
【図９】（ａ）（ｂ）は本発明の生成光のライトガイド中での光路を示す図
【図１０】従来の誘導散乱増幅器
【図１１】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の図
【図１２】従来の４波混合誘導散乱過程の機構を示す図
【図１３】従来の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
【図１４】従来の４波混合誘導散乱光生成における励起光、ストークス光及び生成光の伝搬方向を示す図
【符号の説明】
【００７３】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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）
【０００７】
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。
【特許文献１】特開平６−３７４０７号公報
【特許文献２】特開平１０−１１１５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【発明の効果】
【００２９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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）
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【実施例】
【００５８】
（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。
【００５９】
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）
【００６０】
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。
【００６１】
（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。
【００６２】
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）
【００６３】
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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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）
【００６６】
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。
【００６７】
（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。
【００６８】
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）
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の４波混合誘導散乱装置を示す斜視図
【図２】（ａ）（ｂ）は本発明の４波混合誘導散乱増幅器及び光路を示す図
【図３】本発明の４波混合誘導散乱増幅過程の機構を示す図。（ａ）は波数ベクトル整合条件を示し、（ｂ）（ｃ）は、誘導散乱容器中のライトガイドの入射窓の中心地点での入射方向を示す。
【図４】本発明の４波混合誘導散乱増幅過程の機構を説明する誘導散乱媒質分子のエネルギー準位の図
【図５】（ａ）（ｂ）は本発明のストークス光のライトガイド中での光路を示す図
【図６】（ａ）（ｂ）は本発明の４波混合誘導散乱生成器及び光路を示す図
【図７】本発明の４波混合誘導散乱生成過程の機構を示す図。（ａ）は波数ベクトル整合条件を示し、（ｂ）（ｃ）は、誘導散乱容器中のライトガイドの入射窓の中心地点での伝搬方向を示す。
【図８】本発明の４波混合誘導散乱生成過程の機構を説明する誘導散乱媒質分子のエネルギー準位の図
【図９】（ａ）（ｂ）は本発明の生成光のライトガイド中での光路を示す図
【図１０】従来の誘導散乱増幅器
【図１１】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の図
【図１２】従来の４波混合誘導散乱過程の機構を示す図
【図１３】従来の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
【図１４】従来の４波混合誘導散乱光生成における励起光、ストークス光及び生成光の伝搬方向を示す図
【符号の説明】
【００７３】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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４波混合誘導散乱装置。
【請求項２】
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４波混合誘導散乱増幅器。
【請求項３】
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４波混合誘導散乱生成器。
【請求項１】
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４波混合誘導散乱装置。
【請求項２】
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４波混合誘導散乱増幅器。
【請求項３】
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４波混合誘導散乱生成器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１２２５４７（Ｐ２０１０−１２２５４７Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９７４５８（Ｐ２００８−２９７４５８）
【出願日】平成２０年１１月２１日（２００８．１１．２１）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２１日（２００８．１１．２１）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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