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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2016-92279(P2016-92279A)
(43)【公開日】2016年5月23日
(54)【発明の名称】酸素分子レーザ発振器
(51)【国際特許分類】
H01S 3/095 20060101AFI20160418BHJP
【ＦＩ】
H01S3/095
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2014-226797(P2014-226797)
(22)【出願日】2014年11月7日
(71)【出願人】
【識別番号】507351702
【氏名又は名称】武久 究
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(74)【代理人】
【識別番号】100129953
【弁理士】
【氏名又は名称】岩瀬 康弘
(72)【発明者】
【氏名】武久 究
【テーマコード（参考）】
5F172
【Ｆターム（参考）】
5F172AD04
5F172EE26
5F172NQ43
5F172NQ44
(57)【要約】
【課題】酸素分子レーザ発振器から取り出されるレーザ光を大気伝送する際の、減衰を低減することができる酸素分子レーザ発振器を提供すること。【解決手段】本発明の一態様にかかる酸素分子レーザ発振器は、全反射鏡１０３と出力鏡１０２とを備えた共振器１１１と、共振器１１間に配置されたエタロン１０４と、を備えたものである。波長選択素子としては、エタロン１０４を用いることができる。あるいは、波長選択素子として、分散プリズムを用いることも可能である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
全反射鏡と出力鏡とを備えた共振器と、
前記共振器間に配置された波長選択素子と、を備えた酸素分子レーザ発振器。
前記共振器間に配置された波長選択素子と、を備えた酸素分子レーザ発振器。
【請求項2】
前記波長選択素子がエタロンを有していることを特徴とする請求項１の酸素分子レーザ発振器。
【請求項3】
前記波長選択素子が分散プリズムを有していることを特徴とする請求項１の酸素分子レーザ発振器。
【請求項4】
前記波長選択素子によって、一重項励起酸素分子から基底状態の酸素分子への遷移におけるＰブランチの波長においてレーザ発振させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素分子レーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、酸素分子レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【0002】
過酸化水素水（H2O2）と水酸化カリウム（KOH）または水酸化ナトリウム（NaOH）の混合溶液（ＢＨＰ溶液と呼ばれる。ＢＨＰはBasic Hydrogen Peroxideの略である。）と、塩素ガス（Cl2）との化学反応によって一重項の励起状酸素分子（通常、O2(1Δg)と示される。また、以下、励起酸素と呼ぶ。）を生成できることが知られており、O2(1Δg)のエネルギーをヨウ素原子（I）に移乗させる（すなわち基底状態のI(2P1/2)から励起状態のI(2P3/2)を生成する）ことでレーザ動作するヨウ素レーザ（一般にCOILと呼ばれている。COILは、Chemical Oxygen Iodine Laserの略である。）は、波長1.315ミクロンでレーザ発振する高出力レーザとして広く知られている。なお、ヨウ素レーザに関しては、非特許文献１〜５において説明されている。
【0003】
一方、ヨウ素レーザのように、励起酸素のエネルギーをヨウ素に移乗させてレーザ発振させる理由の一つとしては、励起酸素を直接レーザ発振させることが困難だと考えられてきたからである。その理由としては、励起酸素の自然放出寿命が極めて長いため、自然放出寿命に反比例する利得（ゲイン）が極めて低くなるからである。
【0004】
しかし、ゲインが低くなることは、レーザ発振が不可能ということではなく、レーザ発振しにくいだけである。そこで、ゲイン長を十分長くすればレーザ発振できると考えられ、励起酸素のレーザ発振を目指した実験も含めて理論考察された非特許文献６によると、レーザ発振の可能性が示されている。さらに、酸素分子レーザを発振させるのに適した励起酸素発生器に関しては、非特許文献７において示されている。
【0005】
ところで酸素分子レーザ発振器からの発振スペクトルに関する報告は見当たらないが、レーザ遷移に関する上準位と下準位における各回転準位からの発振可能ラインの中で、最も強いラインのみでレーザ発振すると考えられる。つまり、非特許文献５に示されている自然放出光のスペクトル（図７参照）であるＰブランチ、Ｑブランチ、及びＲブランチの３つの遷移において最も強いＱブランチのピーク波長のみに集中してレーザ発振すると推定される。なお、図７は、非特許文献５のFigure １２であり、自然放出光のスペクトルを示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Stephen C. Hurlick, et al., “COIL technology development at Boeing,” Proceedings of SPIE Vol. 4631, 101-115 (2002).
【非特許文献2】Masamori Endo, “History of COIL development in Japan: 1982-2002,” Proceedings of SPIE Vol. 4631, 116-127 (2002).
【非特許文献3】Edward A. Duff and Keith A. Truesdell, “Chemical oxygen iodine laser (COIL) technology and development,” Proceedings of SPIE Vol. 5414, 52-68 (2004).
【非特許文献4】Jarmila Kodymova, “COIL--Chemical Oxygen Iodine Laser: advances in development and applications,” Proceedings of SPIE Vol. 5958, 595818 (2005).
【非特許文献5】Stephen C. Hurlock,“COIL technology development at Boeing,” Proceedings of SPIE Vol. 4631 (2002).
【非特許文献6】Masamori Endo, et al.,“Chemically Pumped O2(a-X) Laser,” Applied Physics B, Vol. 56, 71-78 (1993).
【非特許文献7】K. Takehisa, “ New concepts of realizing a chemical oxygen laser,” Proceedings of SPIE Vol. 9251 (2014).
【非特許文献8】K. M. Smith and D. A. Newnham,“Near-infrared absorption cross section and integrated absorption intensities of molecular oxygen,” Journal of Geophysical Research, Vol. 105, 7383-7396 (2000).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
酸素分子レーザが発振したとしても、取り出されるレーザ光は、一重項励起状態の酸素分子（O2(1Δg)）から基底状態の酸素分子（O2(3Σg)）への遷移エネルギーに相当する光子エネルギーを有するため、大気中を長距離伝搬させると、大気中に含まれる基底状態の酸素分子によって吸収されやすい。すなわち大気伝搬させるとレーザ光が吸収減衰を受けることから、特に１０キロ以上の長距離を効率良く伝搬させることが困難であった。
【0008】
具体的には、上記非特許文献８において、酸素分子による近赤外光の吸収断面積が示されており、これによると酸素が７５％、窒素が２５％含まれる気体中を約５１３ｍ伝送させると、吸収が最も強い波長での透過率は約５９％になると説明されている。そこで、このデータから算出される吸収係数を用いると、１気圧の大気（酸素２１％、窒素７９％の混合気体と仮定した場合）中を例えば１０ｋｍ伝送させると、透過率は約５．８％、すなわち約９４％も減衰してしまうことになる。
【0009】
本発明の目的は、酸素分子レーザ発振器から取り出されるレーザ光を大気伝送する際の、減衰を低減することができる酸素分子レーザ発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記目的を達成するために、本発明の酸素分子レーザ発振器では、共振器間に波長選択素子を配置したものである。波長選択素子としては、エタロン、ピンホール、あるいはプリズムなどが該当する。これに対して、一般に波長選択素子として広く利用される回折格子は、挿入損失が大きいことから、ゲインの低い酸素分子レーザ発振器に対しては不適切である。
【0011】
低損失の波長選択素子を用いることで、一重項励起酸素分子から基底状態に遷移する各回転準位の中で、Ｐブランチ、あるいはＲブランチの遷移に相当する波長でレーザ発振させることができる。これらのブランチでは、非特許文献８に示されているグラフ（図８に示す。）から判るように、吸収のピークの吸収係数は、Ｑブランチの吸収のピークの吸収係数よりも大幅に小さい。従って、基底状態の酸素分子が含まれた大気中を伝搬させる間の減衰を大幅に低減できる。
【0012】
なお、Ｐブランチ、Ｑブランチ、及びＲブランチとは、レーザ遷移の上準位と下準位に回転微細構造を有する場合、上準位に対する全角運動量の量子数から、下準位に対する全角運動量子数を差し引いた値で遷移を区別したものである。Ｐブランチでは、この値は−１、Ｑブランチでは０、Ｒブランチでは＋１と決められている。したがって、上準位の回転準位が同じ場合、遷移波長は、Ｐブランチ、Ｑブランチ、Ｒブランチとで異なり、この順に短くなっていく（つまり光子エネルギーは増えていく）。なお、以上に関しては、分光学の分野で広く知られている。
【0013】
例えば、Ｐブランチのピークの吸収係数はＱブランチのピークの吸収係数の約１／３となっているため、例えば大気中を１０ｋｍ伝送させると、透過率は約４０％になる。その結果、Ｑブランチの場合の７倍ものパワーを伝送できることになる。
【0014】
ただし、ＰブランチやＲブランチのレーザ遷移に対する利得係数は、上準位（すなわちO2(1Δg)）の回転準位が同じ場合、Ｑブランチにおける利得係数より小さくなってしまう。これは図７に示されたように自然放出光の強度がＰブランチやＲブランチでは、Ｑブランチより小さいことからも容易に推測される。
【0015】
しかしながら、発振して取り出されるレーザ光のエネルギーは、基本的にゲインの大小には関係なく、上準位であるO2(1Δg)の総数に比例するものである。したがって、Ｐブランチ、あるいはＲブランチでレーザ発振させる場合に、共振器中の損失に比べてゲインが十分大きくなるようにゲイン長を長くすることで、Ｑブランチでレーザ発振させる場合に比べて、ほぼ同等のレーザエネルギーを得ることができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、酸素分子レーザ発振器から取り出されるレーザ光を大気伝送する際の、減衰を低減することができる酸素分子レーザ発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】実施形態１にかかる酸素分子レーザ発生器１００の構成を示す断面図である。
【図2】酸素分子レーザ発生器１００の共振器内のレーザ光ＬＡ１０のビームプロファイルを示す説明図である。
【図3】酸素分子レーザ発生器１００で用いられるエタロン１０４の特性図である。
【図4】伝送距離とパワー比率との関係を示すグラフである。
【図5】実施形態２にかかる酸素分子レーザ発生器２００の構成を示す断面図である。
【図6】ピンホール板２０５を示す説明図である。
【図7】O2(1Δg)からの自然放出光のスペクトルであり、非特許文献５で示されたグラフである。
【図8】基底状態の酸素分子の吸収断面積の波長依存性を示すグラフであり、非特許文献８で示されたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本実施の形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【0019】
以下、本実施の形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【0020】
実施形態１．以下、本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１は本発明の酸素分子レーザ発生器１００構成を示す断面図である。酸素分子レーザ発振器１００では、気密性を有するハウジング１０１内において、出力鏡１０２と全反射鏡１０３とで共振器１１１が構成されている。そして、共振器１１１間にエタロン１０４が配置されている。すなわち、出力鏡１０２と全反射鏡１０３との間に、波長選択素子となるエタロン１０４が配置されている。したがって、出力鏡１０２から全反射鏡１０３に向かう光、及び全反射鏡１０３から出力鏡１０２に向かう光は、エタロン１０４を通過する。
【0021】
レーザ発振させる場合、開閉バルブ１０９を開き、（図示されていない）真空ポンプで矢印１０８のように、ハウジング１０１内をあらかじめ真空排気しておく。排気が終わったら開閉バルブ１０９を閉じ、励起酸素発生器１０７から励起酸素分子を発生させる。例えば、励起酸素発生器１０７には、ＢＨＰ溶液と塩素ガスが供給されている。ＢＨＰ溶液は、過酸化水素水（H2O2）と水酸化カリウム溶液（KOH）の混合溶液である。励起酸素発生器１０７では、ＢＨＰ溶液と、塩素ガス（Cl2）とが反応する。これにより、多数の矢印で示したように、一重項励起酸素分子（O2(1Δg)）が発生し、ハウジング１０１内に満たされる。
【0022】
共振器１１１中で往復する光が発振閾値を越すと、共振器１１１間ではレーザ光ＬＡ１０が発生する。そして、レーザ光ＬＡ１１が出力鏡１０２から外部に取り出される。その際に共振器１１１間にはエタロン１０４が挿入されている。エタロン１０４は波長選択素子であり、所定の波長の光を通過する。このため、発振波長は発振可能な多数の遷移ラインの中から選べるようになっている。ここではＰブランチでレーザ発振するようになっている。
【0023】
エタロン１０４は出力鏡１０２に近い位置に配置されている。この理由を以下に説明する。レーザ光ＬＡ１０のビームプロファイルを強調して描いた図２に示すように、本実施形態では、出力鏡１０２は平面鏡であり、全反射鏡１０３は凹面鏡だからである。つまり出力鏡１０２に対して、発振するレーザ光は垂直入射するからであり、出力鏡１０２の近傍でのレーザ光ＬＡ１０は、平行なビームになっている。その結果、エタロン１０４を通過するレーザ光ＬＡ１０もほぼ平行なビームになることから、エタロン１０４において最も透過率が高くなる波長（すなわち選択波長）が、レーザ光ＬＡ１０のビーム断面内全てにおいて等しくなるからである。このように、エタロン１０４と出力鏡１０２との距離は、エタロン１０４と全反射鏡１０３との距離よりも小さくなっている。
【0024】
なお、上記のようにＱブランチで最もレーザ発振しやすくなっている。ＱブランチとＰブランチとでは、非特許文献５にも示されているが、１〜２ｎｍの波長差が存在する。そこでエタロン１０４は、ギャップ間が０．５ｍｍのエアギャップ式になっている。その結果、エタロン１０４の透過率カーブの周期（ＦＳＲと呼ばれる数値）は約１．６ｎｍとなる。このことから、Ｑブランチでの発振を抑制して、Ｐブランチのみでレーザ発振させることができる。あるいは、Ｑブランチでの発振を抑制して、Ｒブランチのみでレーザ発振させるようにしてもよい。この場合、Ｒブランチでの波長に、エタロン１０４の選択波長を一致させる。
【0025】
エタロン１０４は、例えば、平行配置された一対の基板を有している。エタロン１０４の基板のラフネスが波長６３３ｎｍの約１／５０である。またエタロン１０４の内側面はノーコートになっているため反射率は約４％である。その結果、図３に示すような透過率特性を有するようになる。そこで、エタロン１０４は、発振させるＰブランチの波長において透過率がピーク値になるように、設置する傾きによって調整する。
【0026】
図３に示されたように、エタロン１０４では、透過率が極大値となる波長から、０．５ｎｍ離れるだけで透過率は９０％を下回る。酸素分子レーザ発振器はゲインが１％／ｍ以下と他の一般的なレーザに比べて非常に低いことから、損失が１０％もあればレーザ発振しない。したがって、Ｐブランチから波長１ｎｍ以上離れたＱブランチでは発振しないようになる。なお、エタロン１０４の内側面をノーコートにした理由としては、反射膜をコーティングする場合に比べて表面のダメージ閾値が大幅に高くなるからである。
【0027】
本発明によれば、酸素分子に対して最も吸収が強いＱブランチ以外のブランチにおいてレーザ発振できる。このことから、以下に説明するように、伝搬距離が長くなるほど効果が大きくなる。例えばＰブランチでレーザ発振させる場合、図７に示されたように、Ｑブランチでの吸収断面積の約１／３の吸収断面積である。吸収断面積が１／３になると伝送パワーは３倍になる訳ではなく、伝送距離が増える程、伝送できるパワー比率は指数関数的に高くなる。具体的には、Ｑブランチで発振させる場合のレーザ光のパワーに対するＰブランチで発振させる場合のレーザ光のパワー比率を計算すると、図４に示したようになり、例えば３０ｋｍ伝送させると４００倍もの高いパワーを伝送できることになる。この構成によれば、大気伝送におけるレーザ光の減衰を低減することができる。
【0028】
実施形態２．次に実施形態２にかかるレーザ発振器について、図５を用いて説明する。図５は本実施形態にかかる酸素分子レーザ発振器２００の断面を示す構成図である。酸素分子レーザ発振器２００では、気密性を有するハウジング２０１の中に、共振器２１１を構成する出力鏡２０２と全反射鏡２０３とが配置されている。共振器２１１間には一対の凸レンズ２０４ａ、凸レンズ２０４ｂ、分散プリズム２０６、及びピンホール板２０５が配置されている。凸レンズ２０４ａ、凸レンズ２０４ｂ、分散プリズム２０６、及びピンホール板２０５が波長選択素子を構成する。すなわち、出力鏡２０２と全反射鏡２０３の間に配置された凸レンズ２０４ａ、凸レンズ２０４ｂ、分散プリズム２０６、及びピンホール板２０５が波長選択素子として機能する。全反射鏡２０３は平面鏡になっている。
【0029】
全反射鏡２０３で反射された光は分散プリズム２０６によって波長分散する。分散プリズム２０６からの光は、凸レンズ２０４ｂに入射する。凸レンズ２０４ｂは、分散プリズム２０６からの光をピンホール板２０５に集光する。ピンホール板２０５には、光を通過させるための穴（ピンホール）が設けられている。したがって、ピンホール板２０５のピンホールに入射した光は、ピンホール板２０５を通過して凸レンズ２０４ａに入射する。一方、ピンホール板２０５のピンホールの外側に入射した光は、ピンホール板２０５で遮光される。ピンホール板２０５を通過した光は凸レンズ２０４ａで屈折されて、出力鏡２０２に入射する。
【0030】
レーザ動作させるには、実施形態１と同様、予め開閉バルブ２０９を開いて、図示されない真空ポンプによって矢印２０８の方向に真空排気しておく。また、ハウジング２０１の下部には、励起酸素発生器２０７が配置されており、多数の矢印のように一重項励起酸素分子（O2(1Δg)）が発生し、ハウジング２０１内に満たされる。
【0031】
レーザ発振させた場合、共振器２１１内部で発生するレーザ光ＬＡ２０は分散プリズム２０６で屈折する。分散プリズム２０６での屈折角は波長依存性を有する。ここではＰブランチの遷移波長のレーザ光のみが共振器２１１間を往復できるようになっている。すなわち、Ｑブランチ、Ｒブランチでの遷移波長のレーザ光は、分散プリズム２０６による屈折角が僅かに異なるため、ピンホール板２０５の穴（ピンホール）を完全には通過しない。すなわちＱブランチとＲブランチの波長のレーザ光は共振器２１１間を往復できない。したがってＰブランチのみでレーザ発振するようになる。このように、分散プリズム２０６、及びピンホール板２０５等が波長選択素子として機能する。
【0032】
本実施形態の酸素分子レーザ発振器２００の特長としては、実施形態１の酸素分子レーザ発振器１００に比べると、波長選択素子での損失をさらに低減しやすい。その理由としては、波長選択素子である分散プリズム２０６に対して、レーザ光ＬＡ２０はブリュースタ角で入射するため、損失が無視できる。また、レンズ凸２０４ａ、２０４ｂに関しては、表面に無反射コーティングを施すだけで良いからである。この構成によれば、実施の形態１と同様に、大気伝送におけるレーザ光の減衰を低減することができる。
【0033】
なお、ピンホール板２０５をレーザ光ＬＡ２０の光軸方向から見ると、図６（ａ）に示されたように丸い穴が空いている金属板を用いているが、あるいは図６（ｂ）に示したようなスリット形状に穴が空いているスリット板２１０を替わりに用いても良い。ただしスリットの長手方向は、図５の紙面に垂直な方向になるように配置する必要がある。このように、分散プリズム２０６で波長分散された光のうち、所定の波長のみを通過し、所定の波長以外の波長を遮光できる形状を有する遮光部材を用いることができる。
【0034】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。
【符号の説明】
【0035】
１００、２００ 酸素分子レーザ素発生器１０１、２０１ ハウジング
１０２、２０２ 出力鏡
１０３、２０３ 全反射鏡
１０４ エタロン
１０７、２０７ 励起酸素発生器
１０８、２０８ 排気方向
１０９、２０９ 開閉バルブ
２０４ａ、２０４ｂ 凸レンズ
２０５ ピンホール板
２０６ 分散プリズム
２１０ スリット板
ＬＡ１０、ＬＡ２０ 共振器間で発生するレーザ光
ＬＡ１１、ＬＡ２１ 取り出されるレーザ光