(57)【要約】  この発明は、測定対象（１２；１５；１８）の特性を光学的に測定するための測定装置（６）に関し、この測定装置は、ある有効光学空洞長さを有する空洞（７）を形成する、第１および第２反射端（１、２）を有する主共振器（１１）、この第１および第２反射端（１、２）の間の光ビーム経路に沿って進む光を発生するための光学ゲイン素子（３）、並びにこの光学ゲイン素子（３）とこの第２反射端（２）の間のこの光ビーム経路に沿って配置してある分散集束共振器素子（５）を含み、それでこの測定対象が少なくとも部分的にこの主共振器（１１）のこの光ビーム経路内にあるように配置してあり、およびそれでこの測定装置（６）が更にこの主共振器から出た光の特性を検出するための検出手段（８）を含み、この検出した特性の値がこの測定対象の特性の尺度である。
2007517194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象（１２；１５；１８）の特性を光学的に測定するための測定装置（６）であって：
ある有効光学空洞長さを有する空洞（７）を形成する、第１および第２反射端（１、２）を有する主共振器（１１）、
上記第１および第２反射端（１、２）の間の光ビーム経路に沿って進む光を発生するための光学ゲイン素子（３）、
上記光学ゲイン素子（３）と上記第２反射端（２）の間のこの光ビーム経路に沿って配置してある分散集束共振器素子（５）を含み、
それでこの測定対象が少なくとも部分的に上記主共振器（１１）のこの光ビーム経路内にあるように配置してあり、
それでこの測定装置（６）が更に上記主共振器から出た光の特性を検出するための検出手段（８）を含み、この検出した特性の値が上記測定対象の特性の尺度である測定装置。
【請求項２】
請求項１のような測定装置（６）に於いて、上記検出手段（８）によって検出すべき光の特性が上記主共振器（１１）から出る光の波長（λ）、パワー（Ｐ）、偏光状態または位相の少なくとも一つである測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２のような測定装置に於いて、上記測定対象が固体物体である測定装置。
【請求項４】
請求項１、請求項２または請求項３のような測定装置に於いて、この反射端（２）を上記測定対象によって構成してある測定装置。
【請求項５】
請求項４のような測定装置に於いて、上記測定対象とこの測定装置の残りが互いに関して、上記測定対象が反射する光ビームの方向と本質的に垂直な方向に動くように配置してある定装置。
【請求項６】
請求項５のような測定装置に於いて、上記検出手段（８）が上記測定対象上に存在する表面凹凸を検出するように配置してある測定装置。
【請求項７】
請求項１または請求項２のような測定装置に於いて、上記測定対象がガス、液体または粒子エアロゾルの一つである測定装置。
【請求項８】
請求項７のような測定装置に於いて、上記測定対象が上記主共振器（１１）の光ビーム経路を貫流し、それによってこの有効光学空洞長さに影響するように配置してある測定装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８の何れか一つのような測定装置に於いて、更に、可変駆動電流で上記光学ゲイン素子（３）を付勢するための調整可能ドライバ（９）を含む測定装置。
【請求項１０】
請求項９のような測定装置に於いて、更に、上記光学ゲイン素子を付勢するために上記ドライバ（９）が使う電流を検出するための電流検出装置（１０）を含む測定装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０の何れか一つのような測定装置に於いて、上記光学ゲイン素子（３）が第１および第２の対向する端面（３ａ、３ｂ）を有し、上記第２面（３ｂ）が上記主共振器（１１）内に配置してある測定装置。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１の何れか一つのような測定装置に於いて、この主共振器（１１）から出す光を上記反射端（１、２）の少なくとも一つから出す測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の特性を光学的に測定するための測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日市場で入手できる、測定対象の特性を光学的に測定するための測定装置は、多数ある。例えば、レーザを使う測定装置は、化学分析、分光分析法、光ディスク読取り装置、および測定法のような種々の用途で使われている。
【０００３】
小距離および光路長を変えられるその他の物理パラメータを測定するためのそのような測定装置の一つがＧＢ１０３８１４０に記載してある。この装置は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、このレーザと整列した外部反射器、および光検出器を含む。この反射器は、このレーザへ戻る反射光の位相をこのレーザから出た光に関して調整でき、それによってレーザ光の生成を、それぞれ、強めまたは相殺するように可動である。
【０００４】
しかし、ＧＢ１０３８１４０で開示された測定装置、並びに他の既知の測定装置の問題は、それがその構造のために整列不良、特に外部反射器の整列不良に敏感であることと、同時に製造がかなり高価であり、制御が困難なことである。その上、ＧＢ１０３８１４０での読取りが周期的、即ち非単調であり、それで、例えば、距離の絶対測定を直接得ることが可能でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、既知の測定装置に比べて改良した測定装置を提供することである。
【０００６】
特別な目的は、費用効率の高い方法で実現でき且つ制御が容易な測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これらやその他の目的は、前置として述べた種類の測定装置で、更に、ある有効光学空洞長さを有する空洞を形成する、第１および第２反射端を有する主共振器、この第１および第２反射端の間の光ビーム経路に沿って進む光を発生するための光学ゲイン素子、並びにこの光学ゲイン素子とこの第２反射端の間のこの光ビーム経路に沿って配置してある分散集束共振器素子を含み、それでこの測定対象が少なくとも部分的にこの主共振器のこの光ビーム経路内にあるように配置してあり、およびそれでこの測定装置が更にこの主共振器から出た光の特性を検出するための検出手段を含み、この検出した特性の値がこの測定対象の特性の尺度である測定装置によって達成される。
【０００８】
この発明は、この測定対象が主共振器の有効空洞長さおよび／または共振器損失に影響し、それによってこの共振器から出た光の特性がこの分散集束素子の特性のために影響されるという理解に基づく。この出た光の特性は、この発明によれば、この有効空洞長さおよび／または共振器損失が変るとき、単調に変るかも知れない。それによって、制御が容易で読取りが容易な測定装置が達成できるかも知れない。その上、簡単な構造のために、この測定装置は、製造がそれ程高価でないかも知れない。
【０００９】
また、この発明による測定は、測定を主共振器内部で行うので、共振的であり、それによって有効測定距離が非常に長くなる。この様に、有効測定長さは長いが、それでも物理的サイズが小さい測定装置を達成可能にするのは、この発明の構成により、それがこの有用性を増大する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この検出手段によって検出すべき光の特性は、出る光の波長、パワー、偏光状態、および位相の少なくとも一つであるのが好ましい。
【００１１】
この発明の一実施例で、測定すべき対象は、固体物体である。この測定対象がこの測定装置の第２反射端を構成するのが好ましい。それで、この測定対象がフィードバック素子として作用し、光をこの共振器空洞の中へ反射し戻す。この測定対象の位置は、この主共振器の有効光学空洞長さに影響し、それは次にこの共振器から出る光の特性に影響し、それでその特性がこの測定対象の位置の尺度である。
【００１２】
また好ましくは、この測定対象と測定装置の残りが互いに関して、この測定対象が反射する光ビームの方向と本質的に垂直な方向に、即ち、このビームと直角を成す平面内で動くように配置してあってもよい。この様に、測定対象は動いてもよいが、一方残りの測定装置は、本質的に固定して保持する。その代りに、残りの測定装置を動かし、一方測定対象を本質的に固定して保持する。更なる代案として、測定対象と残りの測定装置の両方を周囲に対して動かす。
【００１３】
この測定対象と測定装置の残りを互いに関して動かすことによって、表面凹凸を有する物体を都合よく測定することが出来る。この表面凹凸は、主共振器の有効光学空洞長さを変えさせ、それによってこの分散集束共振器素子の特性のために出た光の特性を変え、およびそれで出た光の特性値がこの表面凹凸の尺度である。これは、簡単で実現可能性のある測定装置をもたらし、それは、例えば、走査顕微鏡に使ってもよい。この発明による測定装置は、ディスク上のデータトラックを読むために、例えば、ＣＤプレーヤ、ＤＶＤプレーヤ、またはＣＤ−ＲＯＭプレーヤのピックアップとして非常に有利に使うことができる。この場合、この発明によるピックアップは、本質的に自己整合性であるので、ウォーブリング補償に関してピックアップを動かす必要がない。それで、このピックアップは、少ない可動部品で構成することができ、それは、例えば、製造を容易にし且つ安定な作用を保証する。また、このピックアップは、多層、例えば二層光ディスクから同時に情報を読取るために都合よく配置することができる。
【００１４】
この発明の別の実施例によれば、この測定対象は、例えば、ガス、液体または粒子エアロゾルで、それは、この主共振器の光ビーム経路を通って流れるように配置してある。この流れは、用途に依って、０ｍ／ｓ以上の流速を有してもよい。この測定対象の流れは、主共振器の有効光学空洞長さに影響し、それによってこの共振器から出る光の特性を変える。例えば、出た光の波長またはパワーの変化をこの検出手段によって検出してもよい。この測定装置は、幾つかの種類の測定に、例えば、測定対象の存在の測定に都合よく使うことができる。
【００１５】
この発明の更なる実施例で、この測定装置は、この主共振器を付勢するための調整可能ドライバ、およびこのドライバが使う電流を検出するための電流検出装置も含む。測定対象がこの共振器損失に影響するとき、この主共振器から出る光が変り、それによって出た光のパワーを一定に保持するようにこのドライバを調整し、およびそれで上記調整可能ドライバが使った電流がこの測定対象の特性の尺度である。更に、この第２反射端、例えば、ミラーを付けた素子を動かすことによって、この測定装置は、ある波長で作動し、および／または、例えばどの波長で共振器損失が起るかを決めるために広範囲の波長に亘って走査するように構成してもよく、それでこの損失は、例えば吸収および／または散乱の結果かも知れない。この実施例による測定装置は、例えば既知の測定対象の内容または濃度を検出するため、または混合物の中にどの物質が存在するか、並びに混合物の中のこれらの物質の濃度を検出するために都合よく使うことができる。
【００１６】
この検出手段によって検出すべき光は、この主共振器の第１および第２反射端の少なくとも一つから出るのが好ましい。
【００１７】
さて、この発明の現在好ましい実施例を、添付の図面を参照して更に説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の第１実施例の第１代案を図１に開示する。図１は、第１および第２反射端１、２を有し、空洞７を形成し、それでこの第２反射端２の位置がその特性を測定すべき測定対象１２によって定められる共振器１１を含む測定装置６を示す。光学ゲイン素子３がこの共振器空洞７内に配置してある。この光学ゲイン素子３は、例えば、図１のように、端放射半導体素子でもよい。その代りに、この光学ゲイン素子は、表面放射半導体素子でもよい。
【００１９】
端放射半導体素子という用語は、その中で、この光学ゲイン素子の活物質を構成するエピタキシャル層の基準表面に本質的に垂直である方向に光ビームが伝播する光学ゲイン素子と解釈すべきである。表面放射半導体素子という用語は、その中で、この光学ゲイン素子の活物質を構成するエピタキシャル層の基準表面に本質的に平行である方向に光ビームが伝播する光学ゲイン素子と解釈すべきである。
【００２０】
この光学ゲイン素子は、第１および第２の対向する端面３ａ、３ｂを有し、それでこの第１端面３ａは、この場合、主共振器１１の第１反射端１を構成するように配置してある。
【００２１】
この測定装置６は、更に、この空洞内に光学ゲイン素子３の第２端面３ｂとこの空洞の第２反射端２、即ち測定対象１２との間に配置した、分散集束素子５を含む。この分散集束素子５は、図２に示すように、波長依存位置に像面を作る、波長依存焦点距離を示す。図２に、第１波長λ１の光を第１面に集束し、第２波長λ２の光を第２面に集束し、および第３波長λ３の光を第３面に集束することを示す。それで、例えば、この第１面に位置する反射素子は、波長λ１の光を反射する。この分散集束素子５は、例えば、屈折および回折素子で構成してもよい。この分散集束素子５の構造は、以下で更に説明する。
【００２２】
再び図１を参照して、測定装置６は、検出手段８も含む。この検出手段８は、この場合、光の特性、例えば、主共振器から出る光の波長、パワー、偏光状態または位相を検出するために主共振器に隣接して配置してある。この検出手段８は、例えば、測定すべき特性に依って波長検出器または光強度検出器でもよい。
【００２３】
上述の分散集束素子５の特性の結果として、この測定対象を異なる縦方向位置の間で、即ち、共振器の光ビーム経路に沿って動かし、それによってこの空洞７の有効長さを変えることによって、この測定装置６を異なる波長の光を出すように構成し、それで出た光が測定対象のある縦方向位置に一意的に対応するある波長を有するようにしてもよい。この分散集束素子は、この共振器に対して高Ｑ値、即ち、あらゆる位置の測定対象に対して狭波長間隔での小損失を可能にする。
【００２４】
従って、ｚ軸に沿う測定対象の位置の測定をこの分散集束素子５から少し離れた、この測定対象の反射面が位置する、像面に対応する波長を検出することによって達成する。この波長は、この測定対象の移動に関して単調に変動するようにしてもよい。
【００２５】
この測定は、共振器にモードホップを生じることなく比較的大距離範囲（および従って波長範囲）に亘って行ってもよい。これは、この分散集束素子５が、共振器のモードのウエストがこの空洞の光軸に沿うノードパターンの伸縮と同じ速度で動き、それによって共振器の全位相シフトを測定対象が動いても一定に保つように作ってあり、それはモードホップを避けることを意味するという事実による。この発明による測定装置の波長範囲は、光学ゲイン素子の帯域幅によってしか制限されない。
【００２６】
この光は、主共振器１１の第１反射端１を通して、即ち、この場合は光学ゲイン素子３の第１端面３ａを通して外に接続するのが好ましく、それによってこの光をこの空洞に隣接して配置した検出手段８によって検出してもよい。更に、検出手段８によって検出したある波長は、主共振器空洞７のある長さに対応する。上に説明したように、主共振器１１は、この場合第１反射端１と測定対象１２によって形成され、それでこの測定対象の絶対位置を容易に得られるかも知れない。測定装置６は、連続測定用にも使ってよく、それによって検出手段８によって検出した波長がこの測定対象と測定装置の間の相対位置の変化に対応する。
【００２７】
第１実施例のこの第１代案による測定装置は、例えば、測定対象までの距離の検出または未知の表面微細構造の検出に関する幾つかの用途で使ってもよい。後者は、測定対象を測定装置に対してｘ−ｙ平面で動かすことによって達成してもよく、それによって表面凹凸を検出してもよい。その代りに、測定装置を測定対象に対してｘ−ｙ平面で動かす。例えば、この装置を測定装置が測定対象の上を掃引する走査顕微鏡に使ってもよい。そこでこの対象の表面が反射した波長を検出手段によって検出し、それによって共振波長の変動がこの表面微細構造の尺度になり、それを使って上記対象の拡大像を表示してもよい。
【００２８】
この発明の第１実施例の第２代案によれば、この測定装置を光ディスクプレーヤ、例えば、ＣＤプレーヤ、ＤＶＤプレーヤ、またはＣＤ−ＲＯＭプレーヤに使ってもよい。第１実施例のこの第２代案による構成を図３に概略的に示す。図３は、第１および第２反射端１、２を有し、空洞７を形成する主共振器１１を示し、その第２反射端２は、測定対象、この場合はＣＤ１５によって構成されている。光学ゲイン素子３、例えば、上にこの第１実施例の第１代案に関して説明したような端放射半導体素子がこの共振器空洞内に配置してある。その代りに、表面放射半導体素子を光学ゲイン素子として使ってもよい。この光学ゲイン素子３は、第１および第２の対向する端面３ａ、３ｂを有し、それでこの第１端面３ａは、この場合、主共振器１１の第１反射端１を構成するように配置してある。
【００２９】
この測定装置６は、更に、この空洞７内に光学ゲイン素子３の第２端面３ｂと測定対象との間に配置した、分散集束素子５を含む。この分散集束素子５は、図２に示すように、波長依存位置に像面を作る、波長依存焦点距離を示す。この分散集束素子５は、例えば、屈折および回折素子で構成してもよい。
【００３０】
図３の測定装置６は、検出手段８も含む。この検出手段８は、主共振器から出る光の特性を検出するために主共振器１１に隣接して配置してある。この検出手段は、例えば、パワーを検出するフォトダイオード、および／または波長検出装置でもよい。
【００３１】
この測定対象、即ち、ＣＤ１５は、ディジタル形式で記憶したデータを含む。このディジタルデータを、このディスクに埋込んだ表面凹凸１６を形成する小さい空洞によって表す。これらの空洞は、ディスク上の螺旋状データトラックに配置してある。空洞が第１データ値を表し、およびこのデータトラック上の無空洞領域が第２データ値を表す。
【００３２】
このディスクを、空洞がこの共振器の光ビーム経路に沿う、無空洞に比べて異なる縦方向位置を表すように、この測定装置に関して配置する。それによって、上述のような分散集束素子５の特性の結果として、空洞および無空洞が異なる波長を有する光を反射し、それらの波長は、それぞれ、この分散集束素子からｚ軸に沿って少し離れた像面に対応する。それで、第１波長が空洞を表し、第２波長が無空洞を表す。
【００３３】
ここで、このＣＤトラックを読むために光を集束するとき、この光の集束した読取り領域がこのトラックの空洞の幅以上に及ぶことに注目すべきである。これは、この読取り光が空洞の所定の位置にあるとき、この光の第１部分が空洞によって反射され、この光の第２部分がこの空洞の周囲のディスク領域によって反射されることを意味する。これは、反射した光の第１部分は、ある波長を有する分散集束素子により、一方反射した光の第２部分は、別の波長を有することを意味する。それで、空洞のある領域では、この共振器モードの種々の横部分が異なる位相シフトを示し、それが空洞損失を効果的に増やし、この共振器の出力を減らす結果となる。
【００３４】
従って、光ディスク上のデータの再生は、この共振器から出る光のパワーを検出しおよびこの出力を１と０に転換することによって達成することが出来、それによって１と０の文字列を次に復号し且つ復調して、例えば、音楽に変換してもよい。ディスクの位置に対するパワー出力を概略的に図４ａに示す。
【００３５】
この光は、主共振器１１の第１反射端１を通して、即ち、この場合は光学ゲイン素子３の第１端面３ａを通して外に接続するのが好ましく、それによってこの出た光のパワーをこの検出手段によって検出してもよい。
【００３６】
再び図２を参照して、波長λ１の光を面Ｚ３１に集束し、波長λ３の光を面Ｚ３３に集束する。最大範囲Ｚ３１−Ｚ３３は、この光学ゲイン素子の帯域幅に依存する。好適構成では、この範囲Ｚ３１−Ｚ３３がこのピックアップによって読取るべき光ディスク上の空洞の深さより遥かに大きい。ｚ軸に沿うディスクの位置に依って、異なる波長、従ってパワーレベルを上に説明したようにこのピックアップによって検出するだろう。しかし、空洞によって発生したパワーと無空洞によって発生したパワーの間の相対差は、全ての位置に対して本質的に同じであり、それは光ディスク上のデータの再生が出来ることを意味する。従って、このディスクをｚ軸に沿う範囲Ｚ３１−Ｚ３３内のどの位置に置いてもよい。これを図４ｂに概略的に示す。
【００３７】
図４ｂに、この検出手段によって検出した二つの異なる概略データ信号を示す。このｙ軸は、このディスクの波長または軸方向位置を示し、一方ｘ軸のラベル“位置”は、ディスク表面上のデータトラックに沿う位置を指す。二つの信号が異なる波長レベルにあっても（ｚ軸に沿うこのディスクの二つの異なる場所を示す）、異なるデータ信号の第１および第２データ値、例えば、１と０の相対位置が同じであるので、それらは、まだこの光ディスクプレーヤに本質的に同じ出力を発生する。この様に、このピックアップは、図３でｚ軸に沿う位置に関して自己整合性である。図４ｂの二つの曲線の波長の小さな変化は、光のパワーに変化を生じ、それは、上に説明したように、このディスク上の情報を表す。
【００３８】
この自己整合は、それがウォーブリング補償をするようになるとき利点である。ウォーブリングは、ディスクが完全に平坦でないとき起り、それで、このディスクが既知の光ディスクプレーヤで、回転してこのディスクとピックアップレンズの間の距離が変動するとき、焦点整合を保つために、即ち、ウォーブル補償のためにピックアップをディスクに近接・離隔するために典型的にはサーボ機構を使う。しかし、本発明によるピックアップを使うことによって、焦点整合を追跡するためにレンズを動かす必要がないので、ウォーブリングが避けられる。これは、ピックアップをあまり動かない部品で作ってもよいことを意味し、それはより頑丈で製造が容易なピックアップという結果になる。
【００３９】
この発明によるピックアップは、光ディスク上の異なる層から同時に情報を読取るために有利に使うこともできる。これらの層、例えば、ディスクの片側の二つの層は、この分散集束素子からｚ軸に沿う異なる距離を表し、それでこれらの異なる層から反射した光は、上述のように、異なる波長を有する。ディスクのこれらの層がｚ軸に沿って十分分離していれば、光ディスク上のデータの再生を達成できるように、これらの空洞がもたらす小さな波長変化、従って対応するパワー変化を抽出することができる。勿論、ウォーブリング補償のこの態様をこの多層読取りにも適用してよい。
【実施例２】
【００４０】
本発明の第２実施例を図５に示す。図５は、第１および第２反射端１、２によって形成する空洞７を有する主共振器１１を含む測定装置６を示す。光学ゲイン素子３、例えば、この第１実施例の第１代案に関して上に説明したような端放射半導体素子がこの共振器空洞７内に配置してある。その代りに表面放射半導体素子を光学ゲイン素子として使ってもよい。この光学ゲイン素子３は、第１および第２の対向する端面３ａ、３ｂを有し、それでこの第１端面３ａは、この場合、主共振器１１の第１反射端１を構成するように配置してある。この測定装置は、更に、この空洞７内に光学ゲイン素子３の第２端面３ｂとこの第２反射端２との間に配置した、分散集束素子５を含む。この分散集束素子５は、図２に示すように、波長依存位置に像面を作る、波長依存焦点距離を示す。この分散集束素子５は、例えば、屈折および回折素子で構成してもよい。
【００４１】
再び図５を参照して、測定装置６は、検出手段８も含む。この検出手段は、主共振器から出る光の特性を検出するために主共振器１１に隣接して配置してある。この検出手段は、例えば、波長検出器でもよい。
【００４２】
この実施例による測定装置では、測定対象、例えば、ガス、液体または粒子エアロゾルが主共振器１１の光ビーム経路を通って流れるように配置してあり、それでこの流れは０ｍ／ｓ以上の流速を有してもよい。この測定対象は、分散集束素子５のどちら側を流れてもよい。
【００４３】
反射端２は、この場合、例えば、ミラー素子によって構成してもよく、この共振器の光ビーム経路に沿って固定縦方向位置に配置してあり、それでこの空洞内に測定対象がないとき、この共振器は、一定の波長を有する光を出すように構成してもよい。この一定の波長を検出手段８によって検出してもよい。
【００４４】
しかし、測定対象（例えば、ガス１８）がこの主共振器内にあるとき、このガス１８の存在および特性がこの共振器媒体の屈折率を変えさせる。これは、今度はこの共振器の有効光学空洞長さを変える結果となり、それでこの主共振器から出た光の波長が、この第１実施例の第１代案に関して上に説明したように分散集束素子５のために変る。
【００４５】
従って、この発明のこの実施例による測定装置は、この測定装置内の測定対象の存在を検出するために使ってもよく、それでこの存在は、この共振器から出る光の波長またはパワーの変化によって示され、その光は、検出手段８によって検出する。図５の測定装置は、例えば、この共振器内の屈折率を変える圧力、温度、および／または湿度等の変化を測定するためにも使ってよい。
【００４６】
図５で、検出手段８によって検出すべき光は、主共振器１１の第１反射端１を通して、即ち、光学ゲイン素子３の第１端面３ａを通して外に接続してある。この変形として、第２反射端２が反射型広帯域ミラーに構成してあり、一方第１端面３ａがこの検出手段８によって検出してもよい光の所望の所定部分を透過するように構成してある。その代りに、この光をこの主共振器の第２反射端２を通して外に接続してもよい。この変形として、第２反射端２を、この検出手段８によって検出してもよい光の一部を透過するように構成する。
【００４７】
更に、反射端２、例えば、ミラー素子は、この空洞の主モードに対して高度に反射的であり、一方高次のモードに対して反射率が低いような方法で、この素子の断面全体に亘って反射率が変動してもよい。これは、空間濾過をする結果となり、即ち、高次の空間モードを抑制し、およびこの空洞の主モードを支持し、それは、ガス分析のようなある用途には望ましいかも知れない。上記の効果は、この主モードに対する高度に反射性の中央領域の外側のこの素子領域に反射防止膜、吸収層、拡散光分散層、または反射性若しくは透過性回折表面凹凸を付けることによって達成してもよい。
【実施例３】
【００４８】
この発明の第３実施例を図６に示す。図６は、第１および第２反射端１、２によって形成する空洞７を有する主共振器１１を含む測定装置６を示す。この第２反射端２は、例えば、上に第２実施例に関して説明したような特性を有するミラーを付けた素子でもよい。光学ゲイン素子３、例えば、この第１実施例の第１代案に関して上に説明したような端放射半導体素子がこの共振器空洞７内に配置してある。その代りに表面放射半導体素子を光学ゲイン素子として使ってもよい。この光学ゲイン素子３は、第１および第２の対向する端面３ａ、３ｂを有し、それでこの第１端面３ａは、この場合、主共振器１１の第１反射端１を構成するように配置してある。
【００４９】
この測定装置は、更に、この空洞７内に光学ゲイン素子３の第２端面３ｂとこの第２反射端２との間に配置した、分散集束素子５を含む。この分散集束素子５は、図２に示すように、波長依存位置に像面を作る、波長依存焦点距離を示す。この分散集束素子５は、例えば、屈折および回折素子で構成してもよい。
【００５０】
再び図６を参照して、測定装置６は、検出手段８も含み、それは、この主共振器から出る光の特性、例えば、この光の波長および／またはパワーを検出するためにこの空洞に隣接して配置してある。上に説明した第２実施例のように、この光は、主共振器１１の第１反射端１か、および／または第２反射端２を通して外に接続してあってもよい。この測定装置も検出手段８に、および光学ゲイン素子３に接続したドライバ９を含む。このドライバは、光学ゲイン素子３を付勢するように、およびこの光学ゲイン素子３を付勢するために使う駆動電流の変動を可能にするために調整可能であるように構成してある。また、この測定装置は、ドライバ９が使う電流を検出するようになっている、電流検出手段１０を含む。
【００５１】
この実施例による測定装置では、測定対象、例えば、ガス、液体または粒子エアロゾルが主共振器１１の光ビーム経路に存在するように構成してある。この測定対象は、光ビーム経路を通ってこの共振器を貫流してもよく、それによってこの流れは用途に依って０ｍ／ｓ以上の流速を有してもよい。この測定対象は、この分散集束素子のどちら側を流れてもよい。
【００５２】
図６に示すこの発明の実施例は、この共振器内に存在するガス、液体または粒子エアロゾルのような測定対象が共振器損失に影響し、それによってこの測定対象を通過する光のパワー、および従ってこの検出手段によって検出した光のパワーが減少するという理解に基づく。
【００５３】
このパワーの減少は、例えば、ガス、液体または粒子エアロゾルがある波長の光を吸収するかも知れないという事実によって生じるかも知れない。
【００５４】
この実施例による測定装置６は、例えば、既知の測定対象の内容または濃度を測定するために使ってもよい。例えば、既知の波長（以後λａｂｓによって示す）を有する光を吸収する既知のガスを測定する前に、反射端２を主共振器１１のビーム経路に沿うある縦方向位置へ動かすことによってこの測定装置の反射端２を調整し、それによってこの測定装置の共振波長が波長λａｂｓに対応するようにこの共振器の有効光学長さを変える。この共振波長の調整は、第１実施例の第１代案に関して上に説明したのと同じ方法で達成する。この発明の装置のために、この調整間隔が比較的大きく、それがこの測定装置の有用性を高める。中で所望の波長を設定してもよいこの間隔は、この光学ゲイン素子の帯域幅によってしか制限されない。この共振器から出る波長は、検出手段８によってモニタしてもよい。
【００５５】
測定対象、ここでは例えばガス１８がこの共振器内に存在するとき、共振器損失は、波長λａｂｓの吸収のために増大する。しかし、放出光を本質的に一定に保つように、光学ゲイン素子３用のドライバ９を制御して光学ゲイン素子３を付勢するために使う駆動電流を調整する。これは、ドライバ９と検出手段８の間のフィードバックループによって達成する。それで、ゲイン素子３の駆動電流の変化がガスによる吸収のための光のパワー損失を補償し、それによって放出光のパワーを本質的に一定に保つ。放出光のパワーを一定のレベルに保つために上記ドライバが使った電流は、そこで図７に概略的に示すように、このガスの濃度の尺度である。ドライバ９が使った電流は、電流検出手段１０によって検出する。
【００５６】
図７から、放出光のパワーを一定に保つために高電流を必要とすることは、共振器損失が高いこと、従ってガス濃度が高いことを示すことを理解すべきである。異なる測定対象に対する電流対濃度比を決めるために、この測定装置を使用する前に較正するのが好ましい。
【００５７】
このガスは、共振器を貫流するように配置してもよく、それによってこのガスの内容を終りまで連続的に測定することが可能であることに注目すべきである。この発明による共振測定のために、測定を大容積の測定対象について行ったかのように、光がこの測定対象を複数回通過することにも注目すべきである。これは、測定装置のサイズが、光を測定対象の片側から放出し、測定対象を通し、および測定対象の反対側で検出する従来の装置に比べてかなり減少できることを意味する。
【００５８】
また、この実施例による測定装置６は、例えば、ガスの混合物中に存在するガスの種類を検出するために、吸収解析に基づいて上記混合物に使ってもよい。この場合、この混合物が共振器内に存在するとき、上に説明したような測定装置が対応する範囲の波長を有する光を出すようになっているように、この測定装置の反射端２を縦に主共振器１１のビーム経路に沿って動かす。この波長スペクトルを走査するとき、ある波長がこの混合物中の種々のガスによって多少なりとも吸収され、それがこれらの波長での光のパワーの損失を生じる。この放出光のパワーをこれらの波長で一定に保つために光学ゲイン素子３を調整するためにドライバ９が使った電流の増加によってこれらのパワー損失を示す。例示的走査の結果を図８に概略的に示す。どのガスによってどの波長が吸収されたかを知ることによって、図８から、どの種類のガスがこの被検混合物の中に存在するかを知ることができる。
【００５９】
この測定装置の較正を通じておよびこの光学ゲイン素子のゲイン曲線を知ることによって、この電流−波長線図に基づいてこの混合物の中のガスの絶対量を決めることもできる。
【００６０】
ここでこの手順も幾つかの吸収波長を有するガスを分析するために使ってもよいことに注目すべきである。本発明によれば、この集束分散素子５の特性のために上述の走査を広範囲の波長に亘って実行してもよいことにも注目すべきである。この走査範囲は、この光学ゲイン素子の分光幅によってしか制限されない。これは、この測定装置を広範囲の異なる測定対象を検出および測定するために使ってもよいことを意味する。
【００６１】
この第３実施例による測定装置も光散乱に基づく測定用に使ってもよい。この変形は、ガス、液体または粒子エアロゾルのような測定対象の中の粒子が波長依存散乱を示すという理解に基づく。例えば、ガスをある方向から入射するある波長の光に当てるとき、この光は散乱する。その結果、共振器損失が変り、それによってこの共振器から出るパワーが変る。例えば、濃い濃度のガスは、ある波長のより多くの光を散乱する。
【００６２】
上述のように、測定対象、例えば、ガス１８が測定装置６の主共振器１１を貫流するとき、ドライバ９を制御して、この放出光のパワーを本質的に一定に保持するように上記光学ゲイン素子３の駆動電流を調整する。それで、この光学ゲイン素子の駆動電流の変化が、このガスによる散乱のためのこの光のパワー損失を補償し、それによってこの放出光のパワーが本質的に一定である。
【００６３】
この放出光のパワーを一定レベルに保つために上記ドライバ９が使う電流は、そこで電流検出装置１０によって検出し、そこでこの電流は、この測定対象の特性の尺度である。
【００６４】
再び上述のように、第３実施例のこの変形は、例えば、既知の波長λｓｃａｔｔｅｒ  を有する光を散乱する既知の測定対象の内容または濃度を測定するために使ってもよい。この場合、この共振器は、使用する前に反射端２の調節によってこの波長に共振するように調整する。この測定装置も、どの波長の光を散乱するかを決めるために波長スペクトルを走査することによって、混合物の中にどの物質が存在するか、並びに混合物の中のこれらの物質の濃度を検出するために使ってもよい。この走査は、広スペクトルに亘って実施することができ、それはこの発明の測定装置の構成が光学ゲイン素子の帯域幅によってしか制限されないからである。
【００６５】
上記実施例の分散集束素子を以下に更に詳しく説明する。直接的アプローチによれば、この分散集束素子は、分散および集束両特性を有する単一の屈折正レンズ素子で出来ている。この屈折素子の屈折率は、入射光の波長に依り、それで分散効果を達成する。その代りに、この分散集束素子は、屈折レンズの組合せで構成し、その組合せの一つか二つが負でも全体的に正レンズとして作用するようにしてもよい。この場合、この組合せの焦点距離は、入射光の波長で変る。この組合せに適当な材料の組合せを選ぶことにより、波長変化による共振器の光学長さの変化のバランスを取るためにその分散を調整し、および従ってモードホップのない共振器を提供することが可能である。その上、この分散集束素子は、一つの屈折素子と一つの回折素子で構成してもよい。これは、例えば、一つの屈折面と反対の回折面凹凸を備える屈折面を有するレンズによって提供してもよい。そのような素子は、屈折レンズ素子および別の回折素子として提供してもよく、それを、例えば、この第２反射端を担持する素子上に回折面凹凸として配置してもよい（回折面凹凸を有する一面上およびミラーを備える反対面上のガラス板のように）。そのような別の回折素子もこの第２反射端から分離してもよい。しかし、この所望の機能を達成するためには、第２端と回折面凹凸の間にある距離がなければならないことに注意すべきである。折返し空洞のように、非直線状空洞構造の場合、この分散集束素子を、回折面凹凸を備える集束反射面として設けてもよい。更なる代案として、この分散集束素子は、好ましくは回折面凹凸をその表面の一つに備える、所謂ＧＲＩＮ素子（屈折率分布素子）として構成してもよい。別の代案として、この分散集束素子は、この反射端２を担持する本体の一部である平面または曲面上の回折面凹凸として構成してもよい。その上、この分散集束素子としてホログラフィ光学素子を、単独かまたは上述の代案のどれか一つと組合わせて利用することが可能である。また、上述の代案の他の組合せが可能である。
【００６６】
上に説明した分散集束素子に関して、この測定装置は、この集束素子が適当な分散を有するや否や、この分散の符号に関係なく、種々の波長で共振できることに注目すべきである。しかし、ある場合にはモードホップが問題かも知れない。この分散を共振器Ｑ値がこの共振器内の一定位相シフトと一致するこの波長依存共振器長さに対して最大であるような方法でバランスを取ることによって、モードホップのない測定装置が得られるかも知れない。この分散は、モードのウエストがこの空洞の光軸に沿うノードパターンの伸縮と同じ速度で動くように選択すべきである。波長に対するこのウエストの移動速度は、あるレンズ分散に対しては、この光学ゲイン素子とこの分散集束素子の間の距離を調整することによって制御できるかも知れない。
【００６７】
従って、本発明によれば、光学ゲイン素子の分光幅によってしか制限されない、共振間隔、即ち、測定間隔を有する測定装置が得られる。反対に、分散集束素子を使わなければ、狭い、限られた共振間隔（この共振器の約１自由分光幅の大きさのオーダで）しか示さない、測定装置が得られる。
【００６８】
この発明の構成によって、端放射半導体ゲイン素子を使うとき、この光学ゲイン素子の第２端を共振器の第２反射端上に結像し、および表面放射半導体ゲイン素子を使うとき、第１反射端をこの共振器の第２反射端上に結像し、上記結像がこの共振器装置を安定にすることも注目すべきである。従って、一つのミラー平面上のどんな物点でも他のミラー平面上に結像する。この原理を、端放射半導体ゲイン素子を使い、反射端２、例えば測定対象が角度的に整列不良である場合について図９ａに示す。図９ａで２１と表示する光線が反射端２に当り、２と表示するビーム経路に沿って再びこの共振器の中へ向け戻される。この２２と表示した光線が表面３ｂに達するとき、モードはこの光学ゲイン素子の導波モードで畳込まれ、第１反射端３ａの方へ進み続け、この光学ゲイン素子内で反射され、再び面３ａに入射し、その後上記を繰返す。これは、あたかも循環共振器モードがこの共振器内の往復当り一度、この導波路／ゲイン素子で空間的の濾過されるように見えるかも知れない。表面放射半導体ゲイン素子を使う場合、角度的に整列不良の反射端２を有する共振器の安定性を図９ｂに示し、２１〜２５と表示する光線を再びこの共振器へ向けるのを示す。この基本原理は、本質的に上に図９ａを参照して説明したのと同じである。
【００６９】
この様に、この光学ゲイン素子の、場合によって（上記参照）、第１反射端、または第２端上のどんな物点でも第２反射端上に（および逆）結像するという事実のために、この測定装置の共振器は、非常に安定で、整列不良に鈍感である。
【００７０】
更に、このゲイン素子の端面３ｂは、反射防止膜を備えても備えなくてもよいと言うことに注目すべきである。表面３ｂがある反射率を有する場合、この主共振器は、一つは表面３ａと３ｂによって形成され、一つは表面３ｂと反射端２によって形成される、二つの結合した共振器を含む。これは、得た単調測定信号も周期的変動を含むという結果になる。この変動は、表面３ｂによって生じる。この周期性は、この分散集束素子の分散を選択することによって制御してもよい。
【００７１】
最後に、この発明の多くの他の修正および代案並びにその部品が、この開示と添付の請求項を検討すれば、当業者に明白である。
【００７２】
例えば、上記の実施例の光学ゲイン素子の第１端面と共振器の第１反射面は、別でもよく、それでその場合の第１端面は、反射防止膜を備えてもよい。
【００７３】
また、上記の実施例の光学ゲイン素子は、半導体ゲイン素子であるが、この光学ゲイン素子を、半導体材料、エルビウムドープド光ファイバのような、ドープした導波路材料、またはドープした固体水晶のような、多種多様な材料で製造してもよい。
【００７４】
更に、この測定装置は、折返し空洞のような、非直線状空洞構造を有してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１実施例の第１代案による測定装置を概略的に示す。
【図２】この発明の作動原理を概略的に示す。
【図３】本発明の第１実施例の第２代案による測定装置を概略的に示す。
【図４ａ】図３の測定装置により発生した出力データの線図を概略的に示す。
【図４ｂ】図３の測定装置により発生した出力データの線図を概略的に示す。
【図５】本発明の第２実施例を概略的に示す。
【図６】本発明の第３実施例を概略的に示す。
【図７】図６の測定装置により発生した出力データの線図を概略的に示す。
【図８】図６の測定装置により発生した出力データの線図を概略的に示す。
【図９ａ】この発明による測定装置の共振器を循環するビームの多重往復経路を概略的に示す。
【図９ｂ】この発明による測定装置の共振器を循環するビームの多重往復経路を概略的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【国際調査報告】
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