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    公开号:WO1991001054A1
    申请号:PCT/JP1990/000899
    申请日:1990-07-12
    公开日:1991-01-24
    发明作者:Hironari Yamada
    申请人:Sumitomo Heavy Industries, Ltd.；
    IPC主号:H01S3-00
    专利说明:
    [0001] 明 糸田 書 シンク ロ 卜口ン放射光励起レーザ装置 技術分野
    [0002] 本発明はレーザ装置に関し、 特にレーザ媒質を光で励起するレー ザ装置に関する。 また、 他の側面からは、 本発明はシンクロ トロン 軌道放射 （ S O R ) 光利用装置に関する。 背景技術
    [0003] レーザ装置は、 固体を媒質とするガラスレーザ、 半導体レーザ等 や気体を媒質とする He-Ne レーザ、 Arレーザ、 C02 レーザ等が知ら れている。 これらのレーザにおいては、 光放射を行うことのできる レーザ媒質を高周波電力、 電流通電、 放電等の専用の励起手段によ つて励起してレーザ光を発生させている。
    [0004] —方、 短波長光源としてシンクロ ト口ン放射光装置 （S O R ) が 近年注目を集めている。 ほぼ光速にまで加速した.電子を一定の軌道 に蓄積し、 電子が磁場等で曲げられる時に接線方向に発生する S 0 R光を光出力として取出す。 S 0 R光は、 広い波長範囲に亘つて連 続スぺク トルで発生する。
    [0005] S O R光利用装置は、 電子軌道の周囲で、 軌道の接線方向に設け られた光取出室を介して設置される。
    [0006] たとえば、 円形ないし楕円形の電子軌道の周りに数十の S 0 R光 利用装置を設けることができる。
    [0007] 以上述べたように、 従来のレーザ装置においては専用の励起手段 を設けてレーザ媒質を励起していた。 また、 従来の S O R装置にお いては、 利用しない大部分の S 0 R光は内壁に当って消費されてい 十- o 発明の開示
    [0008] 本発明の目的は、 S 0 R光の利用効率を上げることのできるシン クロ トロン放射光励起レーザを提供することである。
    [0009] 本発明.の他の目的は、 種々の波長のレーザ装置を提供することで める o
    [0010] シンク口 トロン放射光装置には利用されずに捨てられている光が 多ぐ存在する。 このシンクロ トロン放射光によってレーザ媒質を励 '起することにより、 レーザ媒質からレーザ光を取出すことができる。
    [0011] 第 1図 （A ) を参照して説明すれば、 電子軌道 1がシンクロ トロ ン放射光装置の内に設定される。 電子軌道 1より も外側にレーザ媒 質 2が配置される。 電子軌道 1 とレーザ媒質 2とは同一平面上に配 置 sれる。
    [0012] 電子軌道 1を運動する電子から発生した S O R光は電子軌道 1の 接線方向に進み.、 電子軌道と同一の平面内で外側に配置されたレー ザ媒質 2を照射する。 S O R光によって照射されたレーザ媒質 2は 励起状態に上がり、 発光可能になる。 ここで誘導光が入射すると誘 導放出が起こり、 レーザ光が発生する。
    [0013] 通常、 無駄 消費される S O R光をレ一ザ媒質の励起に利用する ことにより、 S 0 R光を有効に利用することができ、 レーザ光が得 られる。
    [0014] 連続 iS.長光源である S 0 R光を励起源とすることにより、 種々の 媒質から単色光を取出すことができる。
    [0015] また、 今まで適当な励起手段等がなく利用できなかったレーザ媒 質を使用することも可能となる。 図面の簡 な説明
    [0016] 第 1図 （A ) 、 ( B ) 、 （C ) は本発明の基本実施例を示し、 第 1図 （A ) は平面構成を示す平面図、 第 1図 （B ) は固体用のファ ィバー構造を示す断面図、 第 1図 （C ) は気体用の気体容器構造を 示す断面図、
    [0017] 第 2図 （A ) 〜 （D ) は本発明の実施例による S 0 R光励起レー ザ装置を示し、 第 2図 （A ) は概略平面構造を示す平面図、 第 2図 ( B ) はファイバ一束の構成を示す断面図、 第 2図 （C ) はレーザ 媒質の円形配置を示す概略図、 第 2図 （D ) はレーザ媒質の直線状 配置を示す概略図、
    [0018] 第 3図はファイバーによって構成したレーザ共振器を示す概略平 面図、
    [0019] 第 4図はループ状の円形フアイバーによって構成したレーザ装置 を示す概略図、
    [0020] 第 5図は開放端を有する光路によって形成した進行波型レ一ザを 示す概略図、
    [0021] 第 6図は円形の電子軌道とレーザ媒質の場合のレーザ発生機構を 説明するため概略図である。 実施例
    [0022] 第 1図 （A ) 、 ( B ) 、 ( C ) は本発明の基本.実施例を示す。 第 1図 （A ) は上に述べたように、 電子軌道 1 とレーザ媒質 2の基本 的な配置を示す平面構成図である。 図では、 レース トラック型の軌 道を示したが、 円形軌道等であってもよいし、 また環状であっても よい。 電子軌道 1を運動する電子によって発生する S O R光は電子 軌道 1の定める平面上を外側に進むので、 レーザ媒質 2としては細 い管状の構成が好ま しい。 レーザ媒質は固体、 液体もしくは気体で ある。 なお、 気体、 液体を合せて流体と呼ぶ。 固体媒質は、 代表的 には第 1図 （B ) に示すようなファイバー構造に形成される。 第 1 図 （B ) のファイバーにおいては、 レーザ媒質であるコア 4を光を 閉じこめるためのクラッ ド 5が囲んでいる。 クラッ ド 5は必ずしも コア 4の全周になくてもよい。 たとえば電子軌道と対向する部分は コア 4が直接露出する構成としてもよい。 このような断面構造を有 する長尺のファィバーを電子軌道 1の外側に配置する。 ファイバー は光を閉じ込め誘導する性質を有するので、 曲げて配置することが できる。·
    [0023] 第 1図 （A ) に示すように、 ループ状に配置すれば、 光の閉じ込 めが可能である。
    [0024] レーザ媒質が流体である場合は、 第 1図 （C ) に示すような、 容 器中に流体を収容する。 たとえば、 電子軌道 1の外側に第 1図 （A) に示すレース トラック型レーザ媒質 2のような形に容器 6を配置す る。 容器 6の内側には S 0 R光が透過できる窓 7が設けられている。 窓材と しては、 励起光として可視光を使う場合には石英ガラスが適 当であり、 軟 X線を使う場合には厚さ 1 m程—度の Be薄膜が都合が よい。 さらに、 容器内には半円筒状の鏡 8が配置されている。 円筒 の内面が鏡面:であり、 入射光を中心軸部分に反射すると共に紙面に 対して垂直な軸方向に進む光を反射して所定のレース トラック状に 進行させる。 dの容器 6内に気体を封入し、 電子軌道 1の外側に配 置する。 S O R入射光によって気体が励起され、 発光が生じる。 気 体中で光は鏡 βによってガイ ドされ、 気体容器内.を長さ方向に進行 して誘導放出を生じさせる。 気体媒質がループ状に設けられている 場合にはル一ブ状光通路を形成する。
    [0025] レーザ媒質としては、 通常のレーザで用いられているガラス等の 固体、 Ar、 He-Ne 、 C02 等の気体を用いることができる他、 後に述 ベるように、 さらに種々の材料を用いることもできる。
    [0026] ここで、 S O R光をレーザ媒質の励起に用いているが、 S O R光 は連続スぺク ルを有する光である。 従って、 どの波長を用いる二 とも自由である。 ただし、 電子軌道から発した光がレーザ媒質に到 達するためには、 途中にその光を妨げたり吸収するものがあっては ならない。 従って、 ファイバ一構造の場合のクラッ ド 5、 気体容器 の窓 7は目的とする波長の光を透過する材料で形成する。 S 0 R光 は連続スぺク トルを有するが、 特に、 紫外領域、 極端紫外領域、 軟 X線領域の光の利用価値が高い。 これらの波長の光を用いて初めて 励起することができるようなレーザ媒質ないし量子準位間遷移を用 いることも可能になる。 たとえば BaF2、 CaF2 (Eu)等である。
    [0027] 第 2図 （A ) 〜 （D ) に本発明の実施例による S O R光励起レ一 ザ装置を示す。
    [0028] 第 2図 （A ) は概略平面構造を示す。 電子注入系 1 1を通って加 速された電子が蓄積リ ング 1 3に入射する。 この入射電子 1 0は光 速に近い速度まで加速された電子である。 この電子 1 0が蓄積リ ン グ 1 3の上下に設けられた超電導磁石によって形成される磁場中で 曲げられ、 破線で示す円軌道 1に蓄積される。 円軌道上を運動する 電子からは、 その接線方向に常に光が発生する。 この光を取出すた めの S 0 R光取出し系 1 5が図面中右側に 3系統示されている。 す なわち、 電子軌道 1から発生した出射 S 0 R光 1 7— iが S 0 R光 取出し系 1 5— i に入射している。 ここで、 電子軌道 1の外側にレ —ザ媒質 2が設けられる。
    [0029] このレーザ媒質は、 たとえば第 2図 （B ) に示すように、 束状に したファイバ一 2— i の集まりである。 これらの-ファイバ一は全て 同じ材料で形成してもよいが、 内側と外側で異なる材料を用いても よい。 また、 ファイバー 2— i がそれぞれコアとクラッ ドを有する ものでもよいが、 2— i で示すものはコアのみとし、 それら全体を 囲んでクラッ ド層を設けてもよい。 たとえば、 コアを Erをド一プし たガラスで形成すれば、 波長 1 . 5 5 mのレーザ光を取り出すこ とができる。 クラッ ドは、 たとえば通常のファィバに使用されるも のと同様の弗素をドープしたガラスで形成できる。 コアとしては、 通常のガラスレーザ用材料である Nd3 +を ド-プしたガラスを使うこ ともできる。 これらの材料については、 たとえば M . Shigematsu "Microoptics News" , Vol 8 , No 1 , 1990年 2月を参照されたい。
    [0030] レーザ媒質 2は第 2図 （C ) に示すように、 電子軌道を取り囲ん で円形に配置してもよいが、 第 2図 （D ) に示すように、 それぞれ が直線状の複数の部分 2— j からなる多角形状に配置してもよい。 また、 レーザ罈質を幾つかの部分に分割して設けてもよい。 第 2図 ( D ) に示すような、 それぞれが直線状の複数の部分でレーザ媒質 を構成ずる場合、 各部分 2— jでレーザ共振器を構成してもよいし、 各部分 2— j の間を反射鏡で結合してループ状のレーザ共振器とし てもよい。 このように、 板状またはロッ ド状のレーザ媒質をを使う には、 通常の個体レーザや液体レーザの構成と、 励起手段を除いて、 基本的 変り ^ぃ。
    [0031] 第 3図は、 一部を除いてほぼ円形状に配置したファィバ一によつ てレ一 共振器を形成する構成を示す。 ファイバ一 2の両端に反射 鏡 2 1 、 : 2 2が設けられている。 たとえばフアイバー 2中を進行し て反射鏡 2 1で反射された光はふたたびフアイバ一 2中を進行し、 円形軌道を描いた後、 他の反射鏡 2 2に到達する。 ここで再び反射 を受け、 逆: W¾にファイバー 2中を進む。 このようにして、 フアイ バー 2中を往復する光によってレーザ発振が促進される。 出力レー ザ光の取出. <¾ためには、 反射鏡 2 1 、 2 2の内の 1つを所望の反 射率を有するハーフ ミラーとするか、 Qスィ ッチ.とする。 また、 フ アイバーの途中にハーフ ミラ一または Qスィ ツチ 2 4を設けてもよ い。 たとえば、 電気光学的な Qスィッチを K D P結晶等を用いて形 成する。 ファィバの途中に Qスイ ツチを挿入する時には、 プリズム 状の結晶'を揷入し、 Q値を上げて取り出すのがよいであろう。
    [0032] また、 ファィバ一 2の形状はその両端を接続して第 4図に示すよ うに、 ^：にル一ブ状.としてもよい。 出力光の取出しはファイバー 中にハーフミラ一または Qスィ ツチ 2 5を設けることによって行う。
    [0033] また、 共振器を構成しなくても、 レーザを構成することは可能で ある。.第 5図。に進行波形のレーザを示す。 レーザ媒質のファイバー 2— 1の 1端には反射鏡 2 1が取り付けられ、 他端は光導波路 2 8 を介して他のレーザ媒質のフアイバー 2— 2に結合される。 このレ 一ザ媒質 2— 2の別の端は光取出し開放端 2 9を有する光導波路 3 0に接続している。 光取出し用開放端 2 9から反射鏡 2 1の方向に 向かって進む光は反射鏡 2 1で反射され、 再びレーザ媒質 2— 1、 2— 2を通る。 この時、 レーザ媒質 2— 1、 2— 2において誘導放 出を起こ し、 次第に強い強度の誘導放出光を形成する。 この誘導放 出光が光導波路 3 0の開放端 2 9から取出される。
    [0034] レーザ媒質 2が円形のループ状に配置されたフアイバーである場 合について第 6図を参照してさらに説明する。 電子軌道 1 も円形で あるとする。 相対論的電子 3 1が磁場等によって曲げられ真円の軌 道 1を運動する場合、 その接線方向に S O R光 3 2を発生する。 こ の S O R光 3 2がファイバー内のレーザ媒質 2に当たる。 レーザ媒 質の原子は S 0 R光 3 2によって励起される。 この励起された原子 が再び低い量子準位に遷移する時に光を放出する。 放出した光はフ アイバ一 2に沿って伝播する。 すなわち、 S 0 R光 3 2はレーザ媒 質 2をボンビングするのに用いられており、 レーザ媒質 2内で反転 分布を形成する。
    [0035] ファイバ一 2は曲率を持って設置されているので、 フアブリべ口 共振器を構成するには注意が必要である。 レーザ光がフアイバーの 壁面で反射し、 いろいろな光路を通ると特定の光を干渉させにくい。 従って、 単一モ一 ドで発振させる場合には、 ファイバ一はなるべく 細く して導波路型共振器を構成するのがよい。 取出し周波数に応じ てファイバ一の半径及び屈折率が決定される。 また、 ファイバ一の 両端に反射鏡を設ける第 3図のような構成の場合には、 フアイバー の全長は発振する波長と関係する。 レーザ発振とその安定性を制御 するには、 通常のレーザ発振技術を用いることができる。 たとえば、 " レーザーハン ドブック、 " レーザー学会編、 オーム社発行を参照 されたい。 たとえば、 エタロン板を用いることにより容易に発振条 件を変えることができる。
    [0036] 通常、 蓄積リ ングからの S O R光は周期的に放出される。 これは 電子が群 （バンチ） となって電子軌道上を運動するため、 1つの場 所で見ると発生する S O R光は周期的に放出されることになる。 そ の周期はたとえば小型の S 0 Rリ ングならば数十 nsec程度、 大型の S O Rリ ングならば数 sec 程度のオーダである。 本出願人の開発 した小型 S O R装置 （オーロラ） では、 2つの電子群が運動し発光 周期は 5nsec程度にできる。 従って、 使用するレーザ媒質としては 関連するエネルギ準位のディ ケイコンスタン トがこの値程度まで短 いもの 溝択 きる。 たとえば、 S 0 R光発生の周期が 5 nsecであ >る場合には、 デ:ィケイコンスタン トも 5 nsec程度まで可能である。 BaF2等のアルカ リ土類ハライ ドゃ CsFや RbF等のアルカ リハライ ドの 結晶等を用いることができるであろう。 これらの一般的知識につい ては、 たとえば" 放射光" 第 2巻、 第 3号の伊麁稔の文献等を参照 されたい。
    [0037] さらに詳しぐ説明すると、 第 6図を参照して、 点 P 1 で電子から 放出された S 0 R光がその接線方向に向かい、 レーザ媒質上の点 Q 1 でレーザ媒質を励起する。 電子群が電子軌道上を進行し、 点 P2 で S 0 R:光を発生するとこの S 0 R光は電子軌道の接線上を進みレ —ザ媒質上の点 Q2 でレーザ媒質を励起する。 電子軌道の半径が p、 電子が移動した角度が 0であるとすると、 電子が P 1 から P2 に移 動するのに要する時間は ρ 0Ζνである。 こ こで Vは電子の速度で あるが、 4まぼ光速度に等しい、 V ½ c。
    [0038] 一方、 レーザ媒質 2の半径が Rであるとすると、 点 Q1 で放出さ れた光が点 Q2ザに到達するのに、 R 0 c Ζηの時間がかかる。 ここ で nZ cはレーザ媒質中の光の速度である。 常に R〉 ρであるから レーザ が電子の進行方向と同一方向に進むならば、 レーザ光の進 行方向には常に媒質が励起された反転分布が待機するという状況が 作れる。 従って.、 進行波形のレーザを構成するときには、 媒質とし てはかなり短い寿命の準位を使用することができる。 たとえば CsF (寿命 2. 9 nsec) 、 CsCl (0. 8 0 nsec) 、 CsBr (0. 0 7 nsec) 等のアル力 リハライ ドを使用することが可能であろう。 定在波形のレーザを構成するときには、 レーザ光は電子の進行方 向と逆方向にも進行する。 このときには、 レーザ光は 1周してきた 電子の出した光によって作られる反転分布に遭遇するので、 準位の 寿命は電子の周回時間よりも長いものが好ま しい。
    [0039] いずれの場合にも、 パルス運転をしている S 0 R光発生装置をポ ンビングに使用することにより、 従来では使用することの出来なか つたレーザ媒質の使用が可能となる。
    [0040] S 0 R光は非常に指向性が高いため、 細いファィバーの使用が有 効である。 細いファイバ一を使用することにより、 冷却効果を高め ることも容易である。
    权利要求:
    Claims請求の範囲
    (1) .電子の軌道を含む平面内にシンクロ ト口ン放射光を発生するシ ンクロ トロン放射光装置と、
    前記平面内で前記軌道の外側に配置され、 シンク ロ トロン放射 光によって発光可能な状態に励起され得る物質で形成されたレー ザ媒質部材と
    を有するシンクロ トロン放射光励起レーザ装置。
    (2) .前記レーザ媒質の部材がファィバ一状に構成されている請求項 1記載のシンクロ トロン放射光励起レーザ装置。
    (3) .さらに、 前記レーザ媒質の部材の外側に配置され、 光を反射す ることのできる鏡部材を有する請求項 1記載のシンクロ トロン放 射光励起レーザ装置。
    (4) .前記ファィバ—状のレーザ媒質部材が複数本束状に配置されて いる請求項 2記載のシンクロ ト口ン放射光励起レーザ装置。
    (5) .前記レー 媒質部材が内側に光透過窓を設けた容器中に収容さ れた流体である請求項 3記載のシンクロ トロン放射光励起レーザ 装置。
    (6) .前記レーザ媒質部材が電子軌道の外側でリ ング状に構成されて いる請求項 1〜 5のいずれかに記載のシンクロ トロン放射光励起 レーザ装置。
    类似技术:
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP0451278B1|1993-10-06|
    DE69003803T2|1994-05-05|
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    DE69003803D1|1993-11-11|
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    JPH0346287A|1991-02-27|
    EP0451278A1|1991-10-16|
    JPH0642568B2|1994-06-01|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1991-01-24| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1991-01-24| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB IT LU NL SE |
    1991-03-11| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1990910937 Country of ref document: EP |
    1991-10-16| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1990910937 Country of ref document: EP |
    1993-10-06| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1990910937 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP18154089A|JPH0642568B2|1989-07-13|1989-07-13|シンクロトロン放射光励起レーザ装置|
    JP1/181540||1989-07-13||DE1990603803| DE69003803T2|1989-07-13|1990-07-12|Von synchrotron strahlung erregter laser.|
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