(57)【要約】      （修正有）【課題】完全で且つ正確な数学モデルに依らずに、ピボット位置における誤差（エラー）を補償するレーザ同調を可能にする。【解決手段】共振モードの共振周波数を含む１組みの実現可能な共振周波数と、光学利得を有する光増幅器(14)と、中心周波数を有する通過帯域(36,50)を有するモードフィルタとを備えるレーザシステム(150)内においてレーザを同期同調させるための方法であって、光増幅器の光学利得を決定するステップと、光学利得を表す光学利得信号を提供するステップとを含むことからなる、方法である。通過帯域の中心周波数を、共振モードの共振周波数(38,52)に向かって動かすために、通過帯域の中心周波数が、光学利得信号に従って調整される。誤り信号が、光学利得に従って決定されて、通過帯域の中心周波数が、誤り信号に従ったサーボシステムによって調整される。通過帯域の中心周波数はまた、音響周波数を表す信号に従って調整される。【選択図】図５
2006229229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振モードの共振周波数（３８、５２）を含む１組の実現可能な共振周波数と、光学利得を有する光増幅器（１４）と、中心周波数を有する通過帯域（３６、５０）を有するモードフィルタ（１８０）とを備えるレーザシステム（１５０）内において、レーザを同期同調させるための方法であって、
前記光増幅器（１４）の前記光学利得を決定し、
前記光学利得を表す光学利得信号を提供し、及び、
前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数を、前記共振モードの共振周波数（３８、５２）に向かって動かすために、前記光学利得信号に従って前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数を調整する
といったステップを含むことからなる、方法。
【請求項２】
前記光学利得信号に従って、誤り信号を判定し、及び、
前記誤り信号に従って、サーボシステムによって前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数を調整する
といった更なるステップを含むことからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
音響周波数を表わす信号に従って、前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数を調整する更なるステップを含むことからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザシステム（１５０）は、音響・光学的デバイス（１８、２２）を含み、前記音響・光学的デバイス（１８、２２）によって前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数をシフトさせる更なるステップを含むことからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザシステム（１５０）は、音響周波数を表わす信号を含み、前記音響周波数を表わす前記信号に従って、前記音響・光学的デバイス（１８、２２）によって前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数をシフトさせる更なるステップを含むことからなる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記光学利得の最小値を決定し、及び、
前記光学利得を光学利得の前記最小値に維持するために、前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数を調整する
といった更なるステップを含むことからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
基準信号に従って、前記光学利得信号の前記最小値を調整する更なるステップを含むことからなる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数と前記共振周波数（３８、５２）との間のオフセットを提供するために、前記基準信号を調整する、更なるステップを含むことからなる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
共振モードの共振周波数（３８、５２）を含む１組の実現可能な共振周波数と、中心周波数を有する通過帯域（３６、５０）を有するモードフィルタ（１８０）とを備えるレーザシステム（１５０）内において、レーザを同期同調させるための装置であって、
光学利得を有する光増幅器（１４）と、
周波数シフタであって、前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数を前記共振モードの共振周波数（３８、５２）に向かって動かすために、前記光学利得に従って、前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数をシフトさせることからなる、周波数シフタ
とを備える、装置。
【請求項１０】
サーボシステムを更に含み、
前記サーボシステムは、前記光学利得に従って、前記通過帯域（３６、５０）の前記中心周波数を調整することからなる、請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザの同調に関し、特にレーザシステム内においてフィードバックによってレーザを同期同調させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
モードホップを生じさせずに、単一モードにおいてレーザを同調させるためには、空洞（共振器）とレーザのモード選択フィルタとが、同期して同調されなければならない。既知の、レーザの機械的な同調技術においては、何十ナノメートルもの波長の同期した同調範囲を、特定のピボットポイント（又は転心、又は回転軸）について空洞ミラーか又は回折格子を回転させることによって達成することができる。ピボットポイントの、ただ１つの位置によって、レーザの同期した同調が提供される。リットマン（Ｌｉｔｔｍａｎ）及びリトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）の構成が、このタイプの機械的に同調されたレーザ（機械式同調レーザ）の周知の例である。
【０００３】
機械式同調レーザにおける、ピボット位置の機械的な許容誤差は、１μｍか又はそれ未満のオーダーである可能性があり、この許容誤差を達成することにはコストがかかる。更に、ピボットポイントの位置は、温度と気圧とによって変動する可能性がある。ピボットポイントの位置はまた、発振波長によってわずかに変動する可能性もある。これらの理由から、ピボットポイントを物理的に動かさずに、同期に関してレーザを調整できることが魅力的なこととなる。これを行うためのある静的な方法が、特許文献１において記載されている。ある動的な方法が、特許文献２において記載されている。
【特許文献１】米国特許出願第２００４／００７５９１９Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７６３，０４４号明細書
【特許文献３】米国特許出願第２００４／０１０９４７９Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ピボット位置における誤差（エラー）を補償することが可能になっていることは、問題の一部にすぎない。温度か又は気圧のようなパラメータが変化する時にどれだけの補償が適用されなければならないかを知ることもまた必要である。これを行うための一方法が、特許文献３において記載されている。そこで教示される方法は、フィード・フォワード（feed forward）技法である。その方法は、周囲温度のようなパラメータによる数学モデルによってレーザを特性付けることに依存する。温度が変化する時には、結果として生じるピボットポイント誤差が、そのモデルから推定され、これに基づいて補正が加えられる。この技法の不利な点の１つは、該技法が、レーザの完全で且つ正確なモデルを必要とすることである。このことは、特に、レーザの挙動が時間的に変化する可能性があるので、実際には達成することが難しい。真の負のフィードバック法が、効果のある改善となり、本明細書において解説される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、本発明の原理による、レーザを同期同調させる方法を、光増幅器とモードフィルタとを有する類のレーザシステム内において実施することができる。光増幅器は光学利得を有する。モードフィルタは、中心周波数を有する通過帯域を有する。レーザシステムは、ある共振モードの共振周波数を含む、１組の実現可能な共振周波数を有する。前記方法は、光増幅器の光学利得を決定するステップと、該光学利得を表す光学利得信号を提供するステップと、該光学利得信号に従って通過帯域の中心周波数を調整して、該通過帯域の該中心周波数を前記共振モードの共振周波数に向かって動かすステップとを含む。
【０００６】
別の態様において、レーザシステム内においてレーザを同期同調させるための装置は、ある共振モードの共振周波数を含む１組の実現可能な共振周波数と、中心周波数を有する通過帯域を有するモードフィルタとを備える。前記装置は、光学利得を有する光増幅器と、周波数シフタとを備える。該周波数シフタは、該光学利得に従って、通過帯域の中心周波数をシフトさせて、該通過帯域の該中心周波数を、該共振モードの共振周波数に向かって動かす。
【発明の効果】
【０００７】
完全で且つ正確な数学モデルに依らずに、ピボット位置における誤差（エラー）を補償するレーザ同調が可能となる。
【実施例】
【０００８】
本発明は、同様の参照番号が同様の要素を示す添付図面に関連して解説される。
【０００９】
次に、図１を参照すると、従来技術の音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１０の概略図が示されている。該外部空洞レーザシステム１０において、ミラー１２が、該レーザシステム１０の空洞（共振器）２８を画定する。音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１０の空洞２８は、該外部空洞レーザシステム１０がその共振モードにおいて動作している時には、光ビーム１６が、ミラー１２間を行ったり来たりできるように構成される。外部空洞レーザシステム１０の空洞２８はまた、光ビーム１６を周波数シフトさせるためのアップシフト音響・光学素子（Ａ．Ｏ．Ｄ．）１８とダウンシフトＡ．Ｏ．Ｄ．２２とを含む。特定のレーザ設計に用いられる音響・光学素子のタイプには、デフレクタか、フィルタか、変調器か、又はこれらのタイプの組み合わせを含めることができる（但しこれらに限定されない）。
【００１０】
アップシフトＡ．Ｏ．Ｄ．１８とダウンシフトＡ．Ｏ．Ｄ．２２とが、光ビーム１６を周波数シフトさせる時には、それらは、レーザシステム１０内におけるいかなる要素のいかなる機械的な移動も必要とせずに、光ビーム１６が音波と相互作用することを可能にさせることによって、外部空洞レーザシステム１０内における共振モードを変化させる。例えば、ある光周波数νと、ある音響周波数ｆ１とが、アップシフトＡ．Ｏ．Ｄ．１８に対して印加される場合には、アップシフトＡ．Ｏ．Ｄ．１８の出力部において、光周波数ν＋ｆ１を生成することができる。更には、ある光周波数νと、ある音響周波数ｆ２とが、ダウンシフトＡ．Ｏ．Ｄ．２２に印加される場合には、ダウンシフトＡ．Ｏ．Ｄ．２２の出力部において、光周波数ν−ｆ２を生成することができる。この手法において、光ビーム１６がレーザシステム１０の空洞２８内において伝搬する際に、光ビーム１６の光周波数内にわずかな変化を挿入することができる。
【００１１】
光ビーム１６の波長が、ミラー１２によって画定された空洞２８の長さと比べて実質的に短いので、音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１０内において、多くの実現可能な共振モードが存在することが、当業者であれば理解されよう。従って、当業者であれば周知の手法において、所望のモードを除く全ての共振モードを減衰させるために、受動構成要素ブロック２６内におけるフィルタのような他の構成要素が提供される。外部空洞レーザシステム１０の受動構成要素ブロック２６は、回折格子及び追加ミラーのような、実際の設計において必要となる他の既知のデバイスを含むこともできる。
【００１２】
次に図２を参照すると、音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１０のようなレーザシステムにおいて実施されることが可能な同期同調プロセスのグラフ３０が示されている。グラフ３０は、同期同調処理前の外部空洞レーザシステム１０の状態を表わすグラフ３４を含む。グラフ３０はまた、同期同調処理後の外部空洞レーザシステム１０の状態を表わすグラフ４８も含む。
【００１３】
グラフ３４は、外部空洞レーザシステム１０のモードフィルタの、いくつかの実現可能な空洞モード４０を、垂直な矢印として示す。空洞モード４０間の分離は、自由スペクトル領域（Ｆ．Ｓ．Ｒ．）４２として既知である。Ｆ．Ｓ．Ｒ．４２は、典型的には、ＧＨｚ領域内とすることができる。外部空洞レーザシステム１０のモードフィルタの通過帯域は、グラフ３４内における釣鐘形フィルタ曲線３６として表わされる。フィルタ曲線３６の通過帯域の中心周波数は、外部空洞レーザシステム１０の所望の共振周波数とおおよそ等しくなるように選択される。従って、グラフ３４の、多くの実現可能な空洞モード４０のうちの１つだけが、すなわち共振空洞モード３８が、発振している。
【００１４】
グラフ４８は、同調された後の外部空洞レーザシステム１０の状態を示す。空洞２８が同調される時には、グラフ４８の各空洞モード５６は、空洞モード４０に比べてシフトさせられる。空洞モード４０に対する空洞モード５６の該シフトは、点線５４によって示されている。外部空洞レーザシステム１０が、この手法において同調される際にモードホップを生じることなく連続的に発振することになる場合には、フィルタ曲線５０が共振空洞モード３８から共振空洞モード５２に移動する際に、該フィルタ曲線５０がレーザシステム１０の共振モードと同期してシフトしなければならない。この処理は、同期同調として既知である。
【００１５】
本発明のシステム及び方法において、フィルタ曲線５０及び共振モード５２の同期的な移動は、次のように成し遂げられることができる。前述のように、音響周波数ｆ１がアップシフトＡ．Ｏ．Ｄ．１８に印加され、音響周波数ｆ２がダウンシフトＡ．Ｏ．Ｄ．２２に印加される。外部空洞レーザシステム１０のような、実際の、同調が施される外部空洞レーザにおいて、ｆ１とｆ２とが、ｆ１≒ｆ２＝ｆ、及びｆ１−ｆ２＝Δｆ（ここで、Δｆ＜＜ｆ）となるように選択される。これらの条件下において、外部空洞レーザシステム１０が発振している光周波数をνとし、空洞２８の往復通過時間をＴとする。従って、空洞２８の同調中の光周波数νの変化率を定める式は、次の通りである。
ｄν／ｄｔ＝２Δｆ／Ｔ      式（１）
本発明の一好適実施形態において、音響周波数ｆは、約５０〜１０００ＭＨｚの範囲内とすることができ、光周波数は、約１００〜５００ＴＨｚの範囲内とすることができる。２ＧＨｚのＦ．Ｓ．Ｒ．４２によるレーザシステム１０内における空洞２８についての通過時間Ｔは、５００ｐｓである。光周波数νの変化率は、１０〜１０００ＴＨｚ／ｓの範囲内とすることができる。
【００１６】
当業者にとって周知のように、モード選択フィルタの通過周波数を、音響周波数ｆを変化させることによって制御することができる。通過周波数におけるその対応する変動は、Ａ．Ｏ．Ｄ．１８、２２のタイプと設計とに、受動構成要素２６のタイプと設計とに、及びＡ．Ｏ．Ｄ．１８、２２と受動構成要素２６とが相互作用する仕方とに依存する。上述の構成要素にもかかわらず、外部空洞レーザシステム１０のモードフィルタは、量（ｄν／ｄｆ）、すなわち、音響周波数に対するフィルタの通過周波数の変化率によって特徴付けられる。典型的には、この変化率は、１０６の値を有することができる。モードフィルタの同調を定める式は、次の通りである。
【００１７】
【数１】
2006229229.tif 000003
【００１８】
従って、同期同調については次の通りとなる。
【００１９】
【数２】
2006229229.tif 000004
【００２０】
当業者であれば理解されるように、Ｔと（ｄν／ｄｆ）との両方は、νの関数である。更に、それらがまた、周囲温度及び圧力のような環境要因にも依存することは既知である。前述の依存性は弱いが、それにもかかわらず重要である。結果として、外部空洞共振器レーザシステム１０が、広範囲の波長にわたって連続的に同調させることになる場合には、音響周波数ｆを連続的に調整することが必要である可能性がある。このことは、具体的には、外部空洞レーザシステム１０をとりまく周囲条件が変化している時に当てはまる。この問題は、共振空洞モード３８の空洞発振周波数がモードフィルタの通過帯域内における中心に置かれる時には、最小か又はほぼ最小付近の光学利得を外部空洞レーザ・システム１０内において提供することによって、本発明に従って対処される。前述のように、このことは、グラフ３４内において、釣鐘形フィルタ曲線３６として示される。
【００２１】
次に、図３Ａ、３Ｂを参照すると、グラフ８０、９０が示されている。グラフ８０は、外部空洞レーザシステム１０のモードフィルタのピーク応答が、空洞２８の共振周波数と一致する場合を示す。この場合において、フィルタによる損失と、空洞２８内における任意の他の構成要素による損失との両方を含む全空洞透過率（total cavity transmission）をＦ０とする。これらの状況下における光増幅器１４の利得を、次の通りとする。
Ｇ０＝１／Ｆ０                        式（４）
【００２２】
グラフ９０は、レーザシステム１０のモードフィルタが、空洞共振とわずかに同期がはずれて移動した場合を示す。この場合には、空洞透過率（cavity transmission）は、Ｆ１にまで低下し、光増幅器１４の利得は、下記にまで増加されるはずである。
Ｇ１＝１／Ｆ１                        式（５）
このことは、空洞２８とフィルタとが同期して同調される時には光増幅器１４の利得が最小化されることをはっきりと示す。
【００２３】
次に図４を参照すると、音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１００の概略図が示されている。音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１００は、一好適実施形態における本発明の上述の同期同調を実施するために必要とされる、音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１０に対する修正のいくつかを例示する。本発明のこの好適実施形態において、式（４）と式（５）との算定を行わせるために、本発明の同期同調中に、光増幅器１４の利得Ｇが測定される。
【００２４】
外部空洞レーザシステム１００内において、光増幅器１４に入射し且つ出射する光ビーム１６が、ビーム分光器キューブ１０４を用いてサンプリングされる。ビーム分光器キューブ１０４は、空洞損失を最小化させるために、外部空洞レーザシステム１００の空洞２８を通って伝搬する光の大部分を通過させるべきである。本発明の一好適実施形態において、ビーム分光器の反射率は、１％か又はそれ未満で十分とすることができる。更に、ビーム分光器キューブ１０４のようなビーム分光器が、外部空洞レーザシステム１００内において必ずしも必要とされるとは限らないことが理解されよう。本発明の代替の実施形態において、ビーム分光器キューブ１０４の代わりに、適切にコーティングされたプレートか又はペリクルのようなデバイスを使用することもできる。
【００２５】
ビーム分光器キューブ１０４によってサンプリングされた光は、サンプリングされたフラックス（又は光流、又は光束、：fluxes）を表わす出力信号を提供する検出器１０２に印加される。検出器１０２の出力は、トランスレジスタンス増幅器１０８に印加される。該トランスレジスタンス増幅器１０８は、信号を増幅させて、電圧Ｖ１とＶ２とを電圧分圧器１１０に印加する。ここでの電圧Ｖ１とＶ２とが、ビーム分光器キューブ１０４によって提供された光フラックスを表わす。光増幅器１４の利得Ｇは、従って、電圧分圧器１１０内においてＶ１とＶ２との商として計算される。
【００２６】
次に、図５、図６を参照すると、グラフ１６０と、音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１５０の概略図とが示されている。音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１５０は、一好適実施形態における本発明の、サーボ方式の同期同調を実施するための、音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１００に対するいくつかの修正を例示する。従って、音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム１５０は、サーボ同調レーザシステム１５０と呼ばれる。グラフ１６０は、サーボ同調レーザシステム１５０内における光増幅器１４の光学利得を、音響周波数ｆの関数として示す。
【００２７】
サーボ同調レーザシステム１５０は、本発明のサーボシステム及び方法の、１つの実現可能な実施形態を示すが、本発明のシステム及び方法の、多くの他の実施形態も可能であることが理解されよう。例えば、サーボという用語は、サーボデバイスが、機械式か又は非機械式にかかわらず、電気式か又は光学式にかかわらず、誤り信号を検知するための、且つ、該誤り信号を減少させるために構成された補正信号を提供するための任意のデバイスを含むことが、本明細書内において理解される。更に、下記の説明における明瞭化のため、サーボ同調レーザシステム１５０の少なくともいくつかの部分において、アナログ電子装置が用いられることが仮定される。しかしながら、本明細書内において説明される原理はまた、ディジタル実施形態にも適用される。更に、本明細書内における説明は、音響・光学的同調が施されるレーザシステムに関してなされるが、本発明を、他のタイプのレーザシステムに適用することもできる。例えば、本発明を、機械的に同調が施されるレーザシステムにも適用することができる。更に、本発明を、環状空洞を有するレーザシステム、並びに線形構造を有するレーザシステムにも適用することができる。
【００２８】
本発明のサーボ同調レーザシステム１５０を使用すると、光増幅器１４の利得を更に詳細に後述されるサーボ・ループを用いて最小値Ｇ０に維持することができる。このことを例示するために、サーボ同調レーザシステム１５０の空洞２８の共振が固定されると仮定する。更に、レーザシステム１５０のフィルタの通過周波数が、音響周波数ｆを変化させることによって調整されると仮定する。結果として生じる光増幅器の利得における変化を、グラフ１６０に関連して説明することができる。周波数ｆ０において、フィルタのピークは、共振空洞モードと一致する。結果として、空洞透過率が最大化される。従って、光増幅器１４の利得は、ゆえに最小値でなければならない。
【００２９】
グラフ１６０における音響周波数ｆに対する利得の曲線は、次の形の２次方程式としてモデル化される。
Ｇ＝Ｇ０＋Ａ（ｆ−ｆ０）２                        式（６）
ここで、ＡとＧ０（最小利得）とは定数である。
【００３０】
音響周波数がｆ１に設定されると仮定し、且つ、変調度（modulation depth）が±ｆｄであり、変調周波数がΩである小さい正弦波ＦＭディザ信号が重畳されるものと仮定する。これにより、時間ｔにおける、瞬時的な音響周波数は次のようになる。
ｆ＝ｆ１＋ｆｄｃｏｓΩｔ                          式（７）
式（６）と（７）とを組み合わせると、次のようになる。
Ｇ＝Ｇ０＋Ａ［（ｆ１−ｆ０）＋ｆｄｃｏｓΩｔ］２     式（８）
式（８）を、下記のように書き直すことができる。
【００３１】
【数３】
2006229229.tif 000005
【００３２】
式（９）において、Ωにおける基本波の項が（ｆ１−ｆ０）に比例することに留意されたい。従って、空洞の共振がモードフィルタと完全に同期される時には、Ωにおける基本波の項は零である。このことは、この基本波を使用して、レーザの同調を同期させるためのサーボ・ループ内における誤り信号を導き出すことができることを示唆する。
【００３３】
サーボ同調レーザシステム１５０内において、アップシフトＡ．Ｏ．Ｄ．１８とダウンシフトＡ．Ｏ．Ｄ．２２とが、電力増幅器１２６を介して、それぞれ電圧制御された発振器（ＶＣＯ）１２４によって駆動されている。ＶＣＯ１２４は、周波数ロック接続１２８において示されるように、互いに周波数ロックされる。ＶＣＯ１２４の出力が、外部空洞レーザシステム１０に関して前述のように周波数信号ｆ１とｆ２とを提供する。従って、ＶＣＯ１２４によってアップシフトＡ．Ｏ．Ｄ．１８とダウンシフトＡ．Ｏ．Ｄ．２２とに印加された駆動周波数間の差分は、Δｆである。
【００３４】
この周波数差Δｆによって、空洞Ｆ．Ｓ．Ｒ．、従って、サーボ同調レーザシステム１５０の、実現可能な空洞共振モードが制御される。アナログ加算回路１２２が、周波数差Δｆを入力電圧Ｖ［Δｆ］として受け取る。ここで示される四角い括弧は、電圧Ｖ［ｘ］がＶＣＯ１２４に印加される時には、その出力が周波数ｘＨｚの正弦波であることを示すことが理解されよう。周波数ｆは、サーボ同調レーザシステム１５０の別の入力パラメータである。周波数ｆは、モードフィルタのピークの光周波数を決定する。周波数ｆは、入力電圧Ｖ［ｆ］としてアナログ加算回路１２０に印加される。従来技術のレーザ同調システムにおいて、レーザの正確な同期同調のためには、ｆとΔｆとが、式（３）を厳密に満たすことが必要とされた。しかしながら、本発明のシステム及び方法は、式（３）がおおよそ満足されただけでも、サーボ同調レーザシステム１５０の同期同調が実行されることを可能にする。
【００３５】
サーボ同調レーザシステム１５０の誤り信号は、光増幅器１４の、測定された利得から導き出される。測定された利得は、ビーム分光器キューブ１０４を用いて、２つの光ビーム１６をサンプリングすることによって得られる。このようにして得られた、サンプリングされた光ビーム１６を表わす信号が、検出器１０２とトランスレジスタンス増幅器１０８とを介して電圧分圧器１１０に印加される。光増幅器１４の、測定された利得は、アナログ電圧分圧器１１０内において、トランスレジスタンス増幅器１０８によって該アナログ電圧分圧器１１０に印加された２つの信号の商として計算される。
【００３６】
電圧分圧器１１０の出力部において測定された利得は、ロックイン増幅器１３８に対する入力を形成する。更に、正弦波信号発生器１４２が、周波数ΩによるＦＭディザ信号を生成する。正弦波信号発生器１４２によって提供されたＦＭディザ信号は、アナログ加算回路１２０によってＶ［ｆ］と組み合わされる。信号発生器１４２の出力部において提供された正弦波はまた、ロックイン増幅器１３８のための基準としての役割も果たす。
【００３７】
ロックイン増幅器１３８の出力は、電圧分圧器１１０内において決定されたような、光増幅器１４の測定された利得の、Ω周波数成分に比例する。上述のように、この基本波成分は、共振空洞モードとモードフィルタのピークとの間における光周波数における差分に比例する。ロックイン増幅器１３８の出力電圧は、サーボ同調レーザシステム１５０内におけるサーボ・ループを安定化させるために、周波数補償ネットワーク１３６によってフィルタリングされる。
【００３８】
高利得差動増幅器１３４に対して、周波数補償ネットワーク１３６の出力と共に、基準電圧ＶＲＥＦもまた印加される。これらの２つの入力信号を比較することによって、高利得差動増幅器１３４は、レーザシステム１５０内における誤り信号を判定することが可能である。レーザシステム１５０の空洞モードが、モードフィルタの通過帯域のピークに同期されることになる場合には、電圧ＶＲＥＦを零に設定することができる。しかしながら、本発明の、いくつかの実施形態において、わずかではあるが一定の周波数だけ、モードフィルタのピークと空洞モードとをオフセットさせることが有利である可能性もある。この場合には、ＶＲＥＦを、適切な非ゼロ値に設定することができる。
【００３９】
差動増幅器１３４によって提供された誤り信号は、これもまた加算回路１２０に加えられるＶ［ｆ］に対して、誤り信号を加算するために、加算回路１２０に印加される。更に、ディザ信号ブロック１４２内において生成された正弦波ＦＭディザ信号Ｖ［ｆｄｃｏｓΩｔ］が、加算回路１２０内においてＶ［ｆ］上に重畳される。加算回路１２０の出力信号が用いられて、ＶＣＯ１２４の出力周波数が制御され、それにより、Ａ．Ｏ．Ｄ．１８、２２に印加される周波数と、光ビーム１６の周波数シフトとが制御される。この出力信号は、ダウンシフトＡ．Ｏ．Ｄ．２２のＶＣＯ１２４に直接的に印加され、ＶＣＯ１２４に印加される前に、加算回路１２２においてＶ［Δｆ］と加算される。
【００４０】
次に図７を参照すると、線形空洞レーザシステム１７５が示されている。線形空洞レーザシステム１７５は、本発明のシステム及び方法のより一般化された表現を提供する。線形空洞レーザシステムは、例えば、ミラーか又は格子の終端反射板１２と、前述のように空洞損失に打ち勝つための光増幅器１４とを含む。モード選択フィルタ１８０が、モードを選択する。該モードにおいて、空洞２８のレーザが発振する。空洞同調器１８２が、発振の周波数を選択する。本発明の一般化表現は、環状空洞を有するレーザ、並びに線形空洞を有するレーザに適用されることは、当業者にとって明らかであろう。
【００４１】
同調レーザの場合には、ビーム分光器キューブ１０４か又はペリクルのような他の等価なデバイスが空洞２８内において提供される。ビーム分光器キューブ１０４は、該ビーム分光器キューブ１０４上における少量の入射光を方向転換させて、光増幅器１４から光検出器１０２へと出射させる。光検出器１０２の電気的な出力は、増幅器１０８によって増幅されて、電圧分圧器内１１０において分圧される。このようにして、光増幅器１４の利得が測定される。信号プロセッサ１８４によって、電圧分圧器１１０の出力部において、測定された利得信号に対する信号処理が実施される。信号プロセッサ１８４の出力は、モード選択を調整するために、モード選択フィルタ１８０に印加されて、レーザシステム１７５の同期同調が提供される。
【００４２】
本発明の方法に従って、モード選択フィルタ１８０は、レーザシステム１７５の出力周波数を変化させるために空洞２８が同調される際に、光増幅器１４の利得を、最小値か又は最小値付近において維持する。このようにして、線形空洞レーザシステム１７５内においてその出力周波数が変化させられる際、モードホップを生じることなく、レーザは常に同じモードにおいて発振する。
【００４３】
従って、光増幅器１４の利得は、測定された利得から導き出されたフィードバック信号が信号プロセッサ１８４を介してモード選択フィルタに印加されるサーボ・ループによって、最小値か又は最小値付近に保持される。線形空洞レーザシステム１７５内におけるサーボ・ループは、任意のタイプの機械式ループを含む任意の類のサーボ・ループとすることができる。信号プロセッサ１８４は、信号増幅器、フィルタ、及びロックイン増幅器を含むことが可能な（但しこれらに限定されない）構成要素から構成されることが可能である。
【００４４】
本発明の一好適実施形態において、レーザは、音響・光学的同調によって同調される。しかしながら、サーボ・ループに応答して、周波数を同調させるための任意の既知の装置か又は方法を用いることができることが理解されよう。音響・光学的同調が用いられる場合には、レーザの空洞は、音響・光学的デバイス内において、光が音波と相互作用する時に発生する周波数シフトを用いて同調される。この手法において良好に制御された空洞同調を得るためには、２つのこのようなデバイス、すなわち、アップシフタとダウンシフタとが、空洞内において周波数シフトを提供することが好ましい。音響・光学的デバイスによって、モードフィルタリングを実施することもできる。例えば、音響・光学的デバイスがフィルタである場合には、それらはモードフィルタとしての役割を直接的に果たす。音響・光学的デバイスがデフレクタである場合には、それらは、一般的には、回折格子と連携して用いられて、モードフィルタを形成する。
【００４５】
本発明が、詳細に且つその特定の例に関連して説明されてきたが、その思想及び範囲から逸脱することなく様々な改変と修正とを実施することができることは、当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステムの概略図である。
【図２】図１の音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステムにおいて実施されることが可能な同期同調プロセスのグラフの図である。
【図３Ａ】図１の音響・光学的同調が施される外部空洞レーザのモードフィルタのピーク応答を、該空洞の共振周波数に対して示すグラフの図である。
【図３Ｂ】図１の音響・光学的同調が施される外部空洞レーザのモードフィルタのピーク応答を、該空洞の共振周波数に対して示すグラフの図である。
【図４】図１の音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステムの光学利得を測定するための、該外部空洞レーザシステムの代替の実施形態の概略図である。
【図５】レーザシステムの同期同調を可能にするための、負のフィードバック・サーボが提供された、図４の音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステムの代替の実施形態の概略図である。
【図６】図５の音響・光学的同調が施される外部空洞レーザシステム内における、全空洞透過率と光増幅器の光学利得との関係を示すグラフの図である。
【図７】本発明のレーザシステム内において用いるのに適した線形レーザ空洞を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１４  光増幅器
１８  音響・光学的デバイス
２２  音響・光学的デバイス
３６  通過帯域
３８  共振周波数
５０  通過帯域
５２  共振周波数
１５０  レーザシステム
１８０  モードフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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