(57)【要約】【課題】  複数のモードで安定して共振する外部共振器を備えたレーザ装置を提供すること。【解決手段】  本発明は外部共振器レーザに関する。安定したマルチモード・レーザビーム（３）を生成するために、レーザ装置は、利得媒質（１０）によって励起誘導されたレーザビーム（３）を生成するための光路を備えた第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）を有する共振器（２）と、前記光路上に取り付けられた第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を有するモード選択フィルタ（３０）とを含む。第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）と第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を互いに調節し、レーザビームが少なくとも２つの選択されたモードを有するようにする。【選択図】図１
2006060206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定したマルチモード・レーザビーム（３）を生成するためのレーザ装置（１）であって、
利得媒質（１０）によって励起誘導されたレーザビーム（３）を生成するための光路を備えた外部共振器（２）であって、第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）を有する外部共振器（２）と、
前記光路上に配置された第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を有するモード選択フィルタ（３０）と
からなり、前記第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）と前記第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）が互いに調節され、前記レーザビーム（３）が少なくとも２つの選択されたモードを有する、レーザ装置。
【請求項２】
前記第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）と前記第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を互いに再調節するように構成された調節装置（３０）をさらに含む、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記レーザ装置（１）に関する物理特性を判定し、対応する制御信号（ＣＳ）を生成するように構成された測定装置（６０）と、
前記制御信号に従って前記第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）と前記第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を互いに調節するように構成された調節装置（３０）と、
をさらに含む、請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記調節装置（３０）は、前記外部共振器（２）と前記モード選択フィルタ（３０）のうちの少なくとも一方について、その幾何学形状と屈折率のうちの少なくとも一方を変更することにより、前記第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）および前記第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を調節するように構成される、請求項２または請求項３に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）と前記第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）がそれぞれ、前記外部共振器（２）の第１の共振周波数間隔と前記モード選択フィルタ（３０）の第２の共振周波数間隔であり、
前記調節装置（３０）は、前記第１の共振周波数間隔（ＦＳＲ１）と前記第２の共振周波数間隔（ＦＳＲ２）の比が実質的に有理数に、特に自然数になるように前記スペクトル特性を調節するように構成される、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記測定装置は、レーザビーム（３）を受け取り、該レーザビーム（３）の実際のパワーに比例する電気検出信号（ＤＳ）を生成するように構成された光電変換器（６０）である、請求項３〜５のうちのいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記電気検出信号（ＤＳ）のうちのダウンミックスされた周波数だけを通過させ、オフセット電圧およびダウンミックスされていない高周波数を遮断することにより、前記電気検出信号（ＤＳ）から電気出力信号を生成するように構成された帯域通過フィルタリング手段（５）をさらに含む、請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記電気検出信号（ＤＳ）または該電気検出信号（ＤＳ）から導出された信号を受信し、前記外部共振器（２）と前記モード選択フィルタ（３０）のうちの少なくとも一方に供給される制御信号（ＣＳ）を生成し、前記第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）および前記第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を調節するように構成された制御装置（７０）を含む、請求項６または請求項７に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記制御装置（７０）は、選択されたピーク間の所望の波長変位（Δλ）に対応するオフセット値と、前記共振周波数間隔を調節するための変調信号（Ｍ１，Ｍ１’）とからなる制御信号（ＣＳ）を生成するように構成され、
前記オフセット値は、前記電気検出信号（ＤＳ）と前記調節信号（ＭＳ，ＭＳ’）を乗算したものの平均値に基づいて決定される、請求項８に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記制御装置（７０）は、環境条件を制御し、前記スペクトル特性（ＦＳＲ１，ＦＳＲ２）の初期設定を維持するように構成される、請求項８に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記外部共振器（２）は、能動モード固定手段と受動モード固定手段のうちの一方をさらに含む、請求項１〜１０のうちのいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記モード選択フィルタ（３０）は、ファブリ−ペロー・エタロン、音響光学フィルタ、リンク共振器、マイケルソン干渉計、およびマッハ・ツェンダー干渉計のうちのいずれか１つを含む、請求項１〜１１のうちのいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
利得媒質（１０）によって励起誘導されたレーザビーム（３）を受け取るための光路を備えた第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）を有する外部共振器（２）と、前記光路上に配置された第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を有するモード選択フィルタ（３０）とを有するレーザ装置（１）を制御する方法であって、
前記レーザ装置（１）に関する物理特性を測定するステップと、
前記外部共振器（２）と前記モード選択フィルタ（３０）の少なくとも一方に関する前記物理特性に基づいて、前記第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）および前記第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を互いに調節し、レーザビーム（３）が少なくとも２つのレーザモードを有するようにするステップと、
からなる方法。
【請求項１４】
第１のスペクトル特性（ＦＳＲ１）を有する外部共振器（２）と、該外部共振器（２）の光路上に配置された第２のスペクトル特性（ＦＳＲ２）を有するモード選択フィルタ（３０）とを有するレーザ装置（１）を制御するための、好ましくはデータ担体に格納されたソフトウェア・プログラムまたは製品であって、制御装置（７０）のデータ処理システム上で実行されたときに、
前記レーザ装置（１）の物理特性（３）に基づく電気検出信号（ＤＳ）を受け取るステップと、
前記外部共振器（２）と前記モード選択フィルタ（３０）のうちの少なくとも一方に関する調節手段に供給される制御信号（ＣＳ）を生成し、前記外部共振器（２）内で共振するレーザビーム（３）が少なくとも２つの選択されたモードを有するようにするステップとからなる方法を実施する、ソフトウェア・プログラムまたは製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部共振器レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
外部共振器レーザは、利得媒質または活性媒体によって励起誘導されたレーザビームを共振させることが可能な光路を備えた共振器を有する。外部共振器レーザの光スペクトルは、利得媒質によって光利得が得られるスペクトル範囲に制限される。共振器の幾何学形状によっては、レーザ放射が、縦モードと呼ばれる特定のスペクトルモードを有する場合がある。このスペクトルモードは、光の様々な異なる波長または周波数に対応する。従って、レーザ共振器に許容される放射スペクトルは、利得カーブによって制限された種々のモード周波数の離散分布になる。外部共振器レーザの例は、特許文献１〜３に記載されている。
【０００３】
特許文献１は、半導体レーザチップと調節式回折格子とを備えた外部共振器レーザに使用される、調節式ファブリ−ペロー・エタロンを開示している。調節式回折格子はレーザ出力波長の大まかな測定に使用され、エタロンは微調節に使用される。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，３３１，６５１号明細書
【特許文献２】欧州特許第０，５５２，３９４号明細書
【特許文献３】欧州特許第１，２０２，４０９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の１つの目的は、選択された複数のモードにおいて安定した共振が可能な外部共振器を備えたレーザ装置を提供することである。この目的は、独立項に記載の発明により達成される。好ましい実施形態は従属項に記載している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、レーザ装置は、利得媒質によって励起誘導されたレーザビームを生成するための光路を備えた外部共振器であって第１のスペクトル特性を有する外部共振器を備え、さらに、前記光路上に取り付けられた第２のスペクトル特性を有するモード選択フィルタを備える。このような構成のスペクトル応答は、共振器のスペクトルとモード選択フィルタ（複数の場合もあり）のスペクトルを乗算したものに対応する。従って、結果として得られるスペクトルの通過帯域に含まれる全てのモードが選択される。モード選択フィルタと外部共振器の整合を実現するために、例えば開ループ制御や閉ループ制御などの設計により第１の特性と第２の特性を相互調節し、レーザビームが少なくとも２つの選択されたモードを有するようにする。
【０００７】
選択されるモードはすべて実質的に同じ光パワーを有することが望ましい。
【０００８】
一実施形態において、レーザ装置は、第１の特性および第２の特性を調節（再調節または変更）するための調節装置を含む。
【０００９】
他の実施形態において、レーザ装置は、レーザ装置に関連する物理特性（例えば、レーザビームの光パワーなど）を判定するための測定手段と、調節装置へのフィードバックループとを含む。測定された物理特性に基づいて制御信号を生成し、調節装置を制御することにより、外部共振器とモード選択フィルタの整合が維持される。
【００１０】
狭帯域フィルタまたは精巧な周期フィルタを用いて少なくとも２つのモードでレーザを生成するためには、対応する通過帯域において一定の利得が必要とされる。本発明の利点は、レーザ装置特性の経時変化（環境条件の変化や時間経過によって起こる）によりスペクトル特性の不整合が発生し、モードパワーが減少し、光パワーが不安定になることを回避できる点にある。
【００１１】
他の実施形態において、調節手段は、外部共振器の幾何学形状（例えば、共振器の長さ）や光路の屈折率を変更すること、および／または、モード選択フィルタの幾何学形状を変更することにより、第１の特性および第２の特性を調節するように構成される。これらの特性の調節は、レーザビームを伝達する物質の屈折率を変更することにより行うことができる。
【００１２】
さらに他の実施形態において、モード選択フィルタは少なくとも１つの周期フィルタから構成され、第１の特性および第２の特性は、外部共振器の第１の共振周波数間隔（ＦＳＲ１）およびモード選択フィルタの第２の共振周波数間隔（ＦＳＲ２）としてそれぞれ表現される。調節手段は、上記２つの特性を調節し、第１の共振周波数間隔（ＦＳＲ１）と第２の共振周波数間隔（ＦＳＲ２）の比が実質的に有理数に、特に自然数になるようにする。なお、共振周波数間隔（ＦＳＲ）はフリー・スペクトル・レンジまたは自由スペクトル領域などと呼ばれることもある。
【００１３】
さらに他の実施形態では、レーザビームの一部を受け取るための光電変換器を備える。レーザビームは、外部共振器の一端に設けられた高反射率のミラーによって外に出される。このミラーは、共振中のレーザビームのうちの大部分を反射し、僅かな部分（例えば５％など）だけを光電変換器へと通過させる。光電変換器は、レーザビームの実際のパワーに比例する電気検出信号を生成する。
【００１４】
さらに他の実施形態では、前記電気検出信号から電気出力信号を生成する帯域通過フィルタリング手段を備える。この電気出力信号は、前記電気検出信号のうちのダウンミックスされた周波数（すなわち、異なるレーザモードの周波数間の差の信号部分）だけを通過させ、オフセット電圧およびダウンミックスされていない高周波数を遮断することにより生成される。
【００１５】
さらに他の実施形態では、前記検出信号、または該検出信号から導出された信号（例えばフィルタリングによって導出される）を受信し、外部共振器とモード選択フィルタのうちの少なくとも一方を調節する（すなわち、そのスペクトル特性を調節する）ための制御信号を生成する制御装置を備える。
【００１６】
さらに他の実施形態において、外部共振器とモード選択フィルタのうちの少なくとも一方のスペクトル特性（ＦＳＲ１、ＦＳＲ２）を制御する前記制御信号は、選択されたピーク間の所望の波長変位に対応するオフセット値と、前記共振周波数間隔を調節するための調節信号とから構成される。このオフセット値は、検出信号と調節信号を乗算したものの平均値に基づいて決定される。
【００１７】
さらに他の実施形態では、温度や圧力などの環境条件を制御することにより、スペクトル特性の初期設定（ＦＳＲ１、ＦＳＲ２）が維持される。従って、検出器や制御装置を介して外部共振器やモード選択フィルタのアクチュエータまでフィードバックループを形成する必要はなく、スペクトル特性は間接的に制御される。この方法は、前記装置のフィードバック制御にも適用することができる。
【００１８】
外部共振器は、能動モード固定手段と受動モード固定手段のうちのいずれか一方を有することが好ましい。能動モード固定の場合、外部共振器の光学素子の電気的調節は、例えば利得媒質自体を調節することにより実施されるか、若しくは、外部共振器の光路上に配置された可変減衰器を調節すること（例えば、電界吸収型変調器（ＥＡＭ）やマッハ・ツェンダー型変調器などを用いて）により実施される。
【００１９】
モード選択フィルタは、ファブリ−ペロー・エタロン、音響光学フィルタ、リング共振器、マイケルソン干渉計、およびマッハ・ツェンダー干渉計のうちのいずれか１つを含む場合、またはその１つだけから構成される場合がある。
【００２０】
本発明の一部または全部は、１以上の適当なソフトウェア・プログラムによって実現され、若しくは支えられている。そして、それらのソフトウェア・プログラムは、いかなる種類のデータ担体に記憶または提供することもでき、任意の適当なデータ処理装置で、若しくは任意の適当なデータ処理装置により実行することができる。
【００２１】
一実施形態では、次の方法を制御装置で実行するためのレーザ装置制御用のソフトウェア・プログラムまたは製品を備える。すなわち、その方法は、検出装置からレーザビームのパワーに比例する電気検出信号を受信し、外部共振器とモード選択フィルタのうちの少なくとも一方に関する調節手段に供給される制御信号を生成し、レーザビームが少なくとも２つの選択されたモードを有するようにすることからなる方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の種々の実施形態に関する他の目的および多数の付随的利点は容易に理解することができ、本発明の好ましい実施形態に関する下記の詳細な説明を添付の図面とともに参照することで、それらをより深く理解することができるであろう。実質的または機能的に同一または類似の特徴には、同じ参照符号が付されている。
【００２３】
次に図面を詳しく参照する。図１は、本発明の一実施形態によるレーザ装置１を示す概略図である。レーザ装置１は外部共振器２を備え、レーザ光は例えばレーザダイオードのような利得媒質１０によって外部共振器２に供給される。ビーム３は、利得媒質１０の第１の端部を形成する第１の共振器端部要素１１と、第２の共振器端部要素４０との間の光路に沿って進む。外部共振器２は、それら２つの共振器端部要素１１および４０によって形成される。これらの共振器端部要素はいずれも高い反射率を有する。第１のコリメート・レンズ２０は、外部共振器２内の利得媒質１０の第２の端部１２の直ぐ近くに配置される。外部共振器２は、ビーム３の光路上に挿入された調節式モード選択フィルタ３０をさらに備える。調節式モード選択フィルタ３０は、ビーム３の種々の縦モードの中から２以上のモードを選択するためのものである。外部共振器２は、ビーム３の一部を出力ビーム４として放出するための出力をさらに備える。出力ビーム４は、第２のコリメート・レンズ５０によって平行化され、光検出器６０によって検出される。制御装置７０は、光検出器６０と調節式モード選択フィルタ３０のそれぞれに電気接続される。
【００２４】
さらに、第２の共振器端部要素４０の前の光路上に他の利得媒質を挿入してもよい（対応する他のコリメート・レンズと共に）。
【００２５】
外部共振器２は、ビーム３を幾つかの特定の波長またはラインで共振させることができる。すなわち、幾つかの特定のレーザモードを形成することができる。調節式モード選択フィルタ３０は、それらの形成可能なレーザモードの中から少なくとも２つのモードを選択する。
【００２６】
広い波長範囲に渡って複数のモードを生成するためには、光路の色分散を最小限に抑えることが重要である。従って、利得媒質１０とモード選択フィルタ３０には、光路に色分散が実質的に発生しないようなものが選択される。あるいは、調節可能な負の分散を有する光デバイスを光路上にさらに挿入し、利得媒質および光学フィルタの分散を補償してもよい。
【００２７】
例えば、第１のモード周波数ｆ１として１９０テラヘルツ（ＴＨｚ）を選択し、第２のモード周波数ｆ２として１９０ＴＨｚ＋１２ギガヘルツ（ＧＨｚ）を選択し、２つのモードを選択する。光検出器６０は、出力ビーム４の一部を受け取り、ビーム３の光パワーに比例する電流を生成する。出力ビーム４の光パワーは、定数関数を複数の正弦関数と重ね合わせたような関数となる。例えば２モードの場合、この信号は次の５つの部分からなる。
−出力ビーム４の平均光パワーに相当する定数関数。
−第１のモード周波数の２倍の周波数（２×ｆ１）を有する正弦関数。
−第２のモード周波数の２倍の周波数（２×ｆ２）を有する正弦関数。
−第１のモード周波数と第２のモード周波数の和の周波数（ｆ１＋ｆ２）を有する正弦関数。
−第１のモード周波数と第２のモード周波数の差の周波数（ｆ２―ｆ１）を有する正弦関数。いわゆる、混合信号。
【００２８】
光検出器６０は、低域通過特性を有するので、実質的にはビーム３のパワーのうちの一定部分と混合部分だけを検出し、所定のオフセットを有する周波数差ｆ２−ｆ１（例えば上記の例の場合、１２ＧＨｚ）の正弦関数として検出信号ＤＳを生成する。検出信号ＤＳを受信する電線は、そのオフセットを抑制する帯域通過特性を有することが望ましい。その結果、単一の周波数を持つ正弦信号が生成される。この信号の周波数は非常に安定しているので、レーザ装置１は高品質の光電発振器を形成する。
【００２９】
しかしながら、外部共振器２とモード選択フィルタ３０を整合させる制御を行わないと、環境変化（例えば、温度変化など）に起因した外部共振器のスペクトル特性のシフトや、モード選択フィルタ３０のスペクトル特性のシフトにより、最初に選択されたモードのうちの１つが消失してしまうことがある。そのため、制御装置７０を設けて、モード選択フィルタ３０のスペクトル特性を制御し、選択されたモードにおいて確実に安定したレーザが生成されるようにする。従って、制御装置７０は検出信号ＤＳの評価に基づく制御信号ＣＳを生成する。
【００３０】
モード選択フィルタ３０は、例えばファブリ−ペロー（ＦＰ）・エタロン、リング共振器、音響光学フィルタ、マッハ・ツェンダー干渉計、またはマイケルソン干渉計などの周期フィルタとして実施することができる。
【００３１】
例えばＦＰエタロンをモード選択フィルタ３０として使用する場合、モード選択フィルタ３０は、外部共振器２の光軸に対して垂直な旋回軸を中心として、アクチュエータ（図示せず）で旋回（図１に両端矢印で示す）させることができるように取り付けられる。アクチュエータは、エタロンを制御信号ＣＳに従って所定の位置まで回転させる。エタロンを回転させると、エタロンの共振周波数間隔は変化する。入射角の変更によるＦＰエタロンの共振周波数間隔の調節の詳細については、特許文献１に記載されている。
【００３２】
モード選択フィルタ３０を調節する代わりに、外部共振器２を調節してもよい。その場合、外部共振器２の第１のスペクトル特性ＦＳＲ１をモード選択フィルタ３０の第２のスペクトル特性ＦＳＲ２に調節する（周期フィルタをモード選択フィルタ３０として使用する場合、モード選択フィルタ３０のスペクトル特性が、共振周波数間隔ＦＳＲ２である）。例えば、第２の共振器端部要素４０を電動式の圧電素子（図示せず）の一端に取り付け、第２の共振器端部要素４０を光路に沿って移動させることにより、光路長を変更することができる。圧電素子の一端は可動にし、他端は共振器２に対して固定される。圧電素子に電圧を加えると、第２の共振器端要素４０は光軸に沿って第１の共振器端部要素１１に近づく方向または離れる方向に移動され、その移動に応じて第１の共振周波数間隔が変化する。一般に、第１のスペクトル特性の調節は、光路長の直接的変更（共振器要素の移動による）若しくは間接的変更（例えば、温度、圧力、電界または磁界などの調節による）、または異なる屈折率の光デバイスの追加、あるいは光路上の光デバイスの屈折率の調節などによって行なうことができる。従って、印加された電界に応じて屈折率が変化するＬＣＤやＬｉＮｂＯ３などからなる光デバイスを使用することができる。
【００３３】
外部共振器２とモード選択フィルタ３０のいずれか一方だけを調節する代わりに、両方のデバイスを調節してもよい。そのような構成によれば、より大きな柔軟性と広い調節範囲が得られる。
【００３４】
さらに他の方法として、装置の環境条件を制御することにより、外部共振器２のスペクトル特性とモード選択フィルタ３０のスペクトル特性との間の整合を確保し、動作前（例えば構成段階や管理段階）に決定された装置の最適調節が、動作中も維持されるようにしてもよい。
【００３５】
外部共振器は、能動モード固定手段または受動モード固定手段（図１には図示せず）をさらに有することが好ましい。能動モード固定手段は、可変減衰器を含むものであってもよいし、減衰器制御信号により利得調節されるものであってもよい。この減衰器制御信号は制御装置７０で生成してもよいし、独立した制御装置で生成してもよい。モード固定手段は、モード間の競合を防止し、選択されたモードを安定させるために使用される。
【００３６】
また、２つの共振器端部要素を備えた外部共振器２の代わりに、リング状の外部共振器を形成し、例えば３以上のミラーや湾曲させた導波管（例えばファイバなど）などによって形成される光路に沿ってビーム３を循環させてもよい。
【００３７】
さらに、１つの単一モード選択フィルタ３０を使用する代わりに、２以上のフィルタ構成（例えば、直列に配置された２つのフィルタなど）を使用してもよい。フィルタを直列に配置した場合の通過スペクトルは、それらのフィルタの通過スペクトルを乗算した結果に等しくなる。
【００３８】
以下では、外部共振器２とモード選択フィルタ３０の相互調節について、さらに詳しく説明する。
【００３９】
図２は、外部共振器２のフィルタスペクトル、モード選択フィルタ３０のフィルタスペクトル、およびその結果得られるレーザビーム３の光強度（すなわち、ビーム４の光強度）のフィルタスペクトルを波長λ（横軸）の関数として示すグラフである。光強度は強度減衰で表現され、対数目盛Ａ／ｄＢ（縦軸）で記入されている。上側の第１のグラフは、図１に示す外部共振器２の第１のスペクトルＳ１と、図１に示すモード選択フィルタ３０の第２のスペクトルＳ２との間の最適な整合状態を示し、その整合状態において、レーザモードＭ１とレーザモードＭ２が、実質的に同じパワーになることを示している。下側の第２のグラフは、互いに実質的に異なるパワーを有する２つの変更されたモードＭ１’およびＭ２’を有するそれらのデバイスの次善の整合状態を示している。図２（および図３）に示すスペクトルＳ１およびＳ２の形状は、実際のデバイスの測定結果ではなく、単に本発明を説明する役割のものであることに注意して欲しい。
【００４０】
図１によれば、例えば、共振器のスペクトル特性Ｓ１は一定に保たれ、モード選択フィルタのフィルタ関数（すなわち一般に、１以上の光フィルタからなるモード選択フィルタ構成の通過スペクトルＳ２）は、その一定の通過スペクトルＳ１に応じて調節される。すなわち、その一定の通過スペクトルＳ１に一致させられる。
【００４１】
第１のグラフは、外部キャビティ２の第１のスペクトルＳ１が、実質的に等間隔に配置された幾つかの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、・・・、ｆｍ、ｆｍ＋１において第１のピークを有し、隣り合う２つの第１のピーク間が第１の周波数距離すなわち第１の共振周波数間隔ＦＳＲ１を有し、第２のスペクトルＳ２が周波数ｆ１およびｆｍにおいて第２のピークを有し、隣り合う２つの第２のピーク間が第２周波数距離すなわち第２の共振周波数間隔ＦＳＲ２を有することを示している。例えば、第２のピークは第１のピークに比べて鋭く（幅が狭く）なっている。すなわち、モード選択フィルタのフィネスは、外部共振器２のフィネスに比べて大きい。第２の共振周波数間隔ＦＳＲ２が第１の共振周波数間隔ＦＳＲ１のちょうど倍数になっているので、スペクトルＳ１のピークとスペクトルＳ２のピークは両方とも、周波数ｆ１および周波数ｆｍを中心としている。従って、外部共振器２のフィルタ特性とモード選択フィルタ３０のフィルタ特性は、最適に一致するように調節されている。
【００４２】
第２のグラフは、モード選択フィルタ３０の共振周波数間隔（不整合状態の共振周波数間隔ＦＳＲ２’とも呼ばれる）が、第１の共振周波数間隔ＦＳＲ１（すなわち、第１のスペクトルＳ１のピーク間の共振周波数間隔）のちょうど倍数にはなっていない点で、第１のグラフとは異なる。従って、変更されたスペクトルＳ２のピークは、第ｍの周波数ｆｍを中心としていない（また、第１の周波数ｆ１にも、ピークのわずかなシフトがある可能性がある）。外部共振器２のフィルタ特性とモード選択フィルタ３０のフィルタ特性が不整合状態にあるため、第２の選択されたモードＳ２’のパワーは大幅に低下している。ただし、ここで重要なのは、不整合問題の原因が主にパワーの経時変化によるものである点である。選択されたモードがすべて十分なパワーを有する限り、選択されたモードのパワーを等しくしたり、実質的に等しくする必要はない。
【００４３】
例えば、第２のピークは第１のピークに比べて鋭くなっている。すなわち、モード選択フィルタ３０のフィネスは、外部共振器２のフィネスに比べて大きい。通過帯域幅の性能指数であるフィネスＦは次式によって定義される。
【００４４】
Ｆ＝ＦＳＲ／ＦＷＨＭ
【００４５】
上式で、ＦＳＲは干渉計またはエタロンの共振周波数間隔、ＦＷＨＭはその５０％のポイントにおける通過ピークの全幅である。周期的な光デバイス（フィルタまたは共振器）のＦＳＲは、（周波数空間における）隣り合う通過ピーク間の距離として定義される。互いに平行な平面状の端部要素を有する共振器またはＦＰ干渉計の場合、ＦＳＲは次式から得られる。
【００４６】
ＦＳＲ＝ｃ／２ｎＬ
【００４７】
上式でｃは光速、Ｌは反射端面間の間隔、ｎは反射端面間の材料の屈折率である。
【００４８】
次に、モード選択フィルタ３０を周波数変調することにより生成ビームを振幅変調するフィルタ整合の制御原理の例について説明する。図３の左側は、幾つかのレーザモードの中から選択されたモードと、モード選択フィルタ３０の一部を、波長λ（横軸）の関数として示している。選択されたモードは第１のピークＰ１を有し、モード選択フィルタ３０の一部は第２のスペクトルＳ２の一部である第２のピークＰ２を有している。
【００４９】
下記の例では、例えば外部共振器の長さを変更することにより、外部共振器特性を調節する（モード選択フィルタ３０を変更することにより、フィルタ特性を調節することも可能である）。第２のピークＰ２は第１の中心波長λＣ１を中心としていて、第１のピークＰ１は第２の中心波長λＣ２を中心にして変調されている。この変調は両端矢印で図示されている。この第１の例では、平均波長シフト、すなわち平均波長変位Δλ＝λＣ２−λＣ１が正である。ピークＰ１およびピークＰ２は、図２の第２のグラフに示されている周波数ｆｍを中心とするレーザモードＭ２’と、周波数ｆｍ−Δｆを中心とする不整合状態のスペクトルＳ２’のピークにそれぞれ対応する場合がある（周波数と波長の関係は、関数：ｃ／ｆ＝λによって規定される）。この場合も、縦軸のフィルタ減衰Ａ／ｄＢは、対数目盛で示されている。
【００５０】
図３はさらに、変位ΔλがΔλ＞０である第１の例と変位ΔλがΔλ＜０である第２の例のそれぞれについて、第１または第２の検出信号Ｄ１またはＤ１’、第１または第２の変調信号Ｍ１またはＭ１’、および第１または第２の結果信号Ｒ１またはＲ１’を示している。第１または第２の結果信号Ｒ１またはＲ１’は、対応する検出信号と変調信号を乗算し、その平均をとることによって得られる。
【００５１】
変位ΔλがΔλ＞０である場合の例
第１の（フィルタ）変調信号Ｍ１は制御信号ＣＳの正弦部分である。制御信号ＣＳはさらに変調オフセットを有する。制御信号ＣＳはモード選択フィルタ３０のアクチュエータに供給され、外部共振器特性（この例では共振周波数間隔）ＦＳＲ１の調節に使用される。すなわち、第２の中心波長λＣ２の調節に使用される。共振器特性ＦＳＲ１とフィルタ特性ＦＳＲ２の両方の実際の整合状態または調節具合のフィードバック情報を得るために、制御信号ＣＳは、オフセット信号（この値は、外部共振器２が波長変位Δλを示すような値にする）と、周期関数（例えば１キロヘルツの周波数の正弦関数）とから構成され、第２の中心波長λＣ２は、第２の中心波長λＣ２を中心にして変調される。実際の波長変位が増大するほど、外部共振器内で共振するビーム３の光パワーは減少し、第１の検出信号Ｄ１の位相は、第１の変調信号Ｍ１に対して１８０度ずれた位相を有する。これらの信号を乗算し、その平均を求めることにより、負の結果関数Ｒ１が得られる（理想的な場合、この関数は一定値しか持たない）。次に、変調オフセットを第１の結果関数Ｒ１の関数（例えば、第１の結果関数に対して負の方向に比例する関数）として判定する（〜−Ｒ１）。
【００５２】
変位ΔλがΔλ＜０である場合の例
この例は、第２の検出信号Ｄ２の位相が第２の変調信号Ｍ２に対してずれていないという点で、第１の例とは異なる。これらの信号を乗算し、その平均を求めると、正の結果関数Ｒ２が得られ、従って負の変調オフセットが得られる。
【００５３】
外部共振器２は、波長変位Δλが第１の共振周波数間隔ＦＳＲ１の少なくとも一部になるところまで変調することができる。上記のような用途における最大許容波長変位Δλは、使用されるフィルタのフィルタ幅（ＦＷＨＭ）およびフィネス（Ｆ）によって決まる。
【００５４】
また、モード選択フィルタを制御して、波長変位ΔλをΔλ＝０にすることも可能である。その場合、対応する検出信号と変調信号を乗算し、その平均を求めるとゼロになる。
【００５５】
このように、変調された送信信号は、外部共振器２とモード選択フィルタ３０の選択されたピーク間の変位Δλの開ループ制御または閉ループ制御に使用される。変位Δλは、Δλ＝０になるように制御してもよいし、Δλ＝ａになるように制御してもよい。ただし、ａは使用される光デバイスのスペクトル特性と必要な信号の挙動によって決まる正または負の波長値である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明によるレーザ装置の一例を示す略ブロック図である。
【図２】外部共振器のスペクトルと外部共振器の光路上に配置されたモード選択フィルタのスペクトルが、光学的に整合している状態（上）と、光学的に整合していない状態（下）とをそれぞれを示す概略図（グラフ）である。
【図３】フィルタの整合を制御するための制御信号の生成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  レーザ装置
２  外部共振器
３  ビーム
１０  利得媒質
１１、４０  共振器端部要素
２０、５０  コリメート・レンズ
３０  モード選択フィルタ
６０  光検出器
７０  制御装置
【図１】
2006060206.tif 000003
【図２】
2006060206.tif 000004
【図３】
2006060206.tif 000005