(57)【要約】【課題】高速でほぼ連続的なチューニング速度と、少なくとも2,3ミリメートルの動的コヒーレンス長の両方を実現する。【解決手段】小型レーザシステムは広い範囲にわたってスキャンされることができる。小型レーザシステムは、速いスキャン速度でスキャンされることができる。小型レーザシステムは可変コヒーレンス長を有することができる。特に、約1nm/sに達する連続可変スキャン速度で140nmにわたる波長スキャンと、約10nm/sに達するスキャン速度の離散的な上昇と、1mmから約30mmまでの可変コヒーレンス長が実現されることができる。【選択図】図８
2008529068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの反射器の間に形成された光学キャビティであって、複数の光学モードをサポートする前記の光学キャビティと、
前記光学キャビティ内に配置された光増幅媒体と、
前記光学キャビティに配置されたチューニングセクションであって、前記増幅媒体から光を受け、前記複数の光学モードのモードの間でチューニングする前記のチューニングセクション
とを備える同調可能マルチモードレーザ光源であって、
約2mmより大きいコヒーレンス長で、外部キャビティにおいて波長同調されたマルチモードレーザが形成される前記の同調可能マルチモードレーザ光源。
【請求項２】
前記チューニングセクションが、前記光増幅媒体の中心波長の約５％より広いチューニング範囲にわたってチューニングすることが可能であり、約２０ｋＨｚから約５０ｋＨｚの間の波長スキャン周期でスキャンすることが可能である請求項１に記載の光源。
【請求項３】
出力パワーが０．５ｍＷより大きい請求項１に記載の同調可能マルチモードレーザ光源。
【請求項４】
前記キャビティのフィルタ機能によって、前記複数のモードの平均が、前記チューニングセクションで同調された前記波長に依存する請求項１に記載の光源。
【請求項５】
前記チューニングセクションが、前記光学キャビティでサポートされる複数のモードに含まれるモードの一式の間で変える請求項４に記載の光源。
【請求項６】
前記光学キャビティの長さが、前記チューニングセクションの前記チューニング範囲を通して、ほぼ一定である請求項１に記載の光源。
【請求項７】
前記チューニングセクションが、前記光学キャビティの前記長さをほぼ一定に保つ請求項６に記載の光源。
【請求項８】
前記キャビティの部分の長さが、前記チューニングセクションによって生じた長さの変化を相殺するよう調整される請求項１に記載の光源。
【請求項９】
前記光増幅媒体及び前記チューニングセクションの間の前記キャビティに配置された光伝達媒体を更に備える請求項１に記載の光源。
【請求項１０】
前記光伝達媒体が自由空間である請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
前記光伝達媒体が光を透過させる液体、ガス、又は固体である請求項９に記載の光源。
【請求項１２】
前記光伝達媒体が光ファイバである請求項９に記載の光源。
【請求項１３】
前記光増幅媒体が半導体増幅素子である請求項１に記載の光源。
【請求項１４】
光学スキャナに配置された分散素子であって、前記増幅素子から光を受ける前記の分散素子と、
前記分散素子から光を受けるためのレンズ系と、
前記レンズ系に光学的に向けられたスリット鏡であって、前記レンズ系の焦点面に配置された前記のスリット鏡
とを備える可変波長選択セクションを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項１５】
前記高速機械式波長チューニングセクションが、分散部、分光光学フィルタ部、及び反射部を備える請求項１に記載の光源。
【請求項１６】
前記反射部が前記分散部である請求項１５に記載の光源。
【請求項１７】
前記反射部が前記キャビティの第2のエンドリフレクタとして機能する請求項１５又は１６に記載の光源。
【請求項１８】
前記反射部が前記分光光学フィルタ部と結合されている請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の光源。
【請求項１９】
前記高速機械式波長チューニングセクションが、分散部、分光光学フィルタ部、光学画像化部、及び反射部を備え、前記光学画像化部及び前記反射部が、光学キャッツアイ配置に構成されている請求項１に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同調可能マルチモードレーザに関し、特にモードホッピング波長スキャンする小型レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、連続可変レーザ光源が必要ないくつかの応用分野において、外部キャビティレーザ(ECLs)が一般的に使用されている。市場において多岐にわたる規格を満たすECLsの商業生産者は多くいる。しかし、たとえ動的コヒーレンス長や出力安定性のようなシステムの他の動作パラメータを犠牲にしてでも、現在の設計では提供不可能なチューニング速度の劇的向上によって恩恵を受ける応用分野はまだ多くある。
【０００３】
特に、チューニング速度が1,000,000 nm/s以上であり、チューニング範囲が中心波長の少なくとも5%あり、コヒーレンス長が少なくとも数ミリメートルである高速ECLsは今のところ市場で入手不可能である。非常に向上されたチューニング速度によって恩恵を受ける応用分野が多くあるという点において、波長チューニング速度の悪さは、現在のECLsの大きな欠点である。例えば現在のECLsは、充分なチューニング範囲と、さらに真のシングルモード動作とを有し、このため有意に数ミリメートル以上（しばし数メートル）のコヒーレンス長を有する。しかし、それらのチューニング速度は約1,000 nm/s未満に限られる。
【０００４】
ここで、高速で精度の高い波長スイッチングを提供する同調可能レーザはある。例えばスウェーデンのシスタ(Kista)のシンチューン(Syntune)は、50ns以下のポイント間波長スイッチング時間を実現する切り替え可能レーザを提供する。しかしそのシステムは、出力波長の連続スイープを提供しない。代わりにそれらは、ある安定な波長からその他の波長に動くのに要する時間の間隔の間に、良好に確定された波長を生成することなく、ある波長からその他の波長に離散的に移動する。さらにシンチューンのレーザは大規模な製造用社内設備を必要とし、新しい波長において容易に実行されない。所望の特性をいくつか有するその他の製品は、マイクロン・オプティクス(Micron Optics)から提供されている。マイクロン・オプティクスのシステムは、オプティクス・エクスプレス(Optics Express)という学術誌の11巻第18（2003年9月8日）の2183頁から2189頁で参照されている。マイクロン・オプティクスの光源は2mWの光出力と、3.5msのスイープ時間と、1308nmの中心波長と、87nmの半値全幅(FWHM: Full Width Half Maximum)の掃引バンド幅を提供していた。マイクロン・オプティクスのシステムは、（99%の出力点として定義された）全掃引帯域が87nmのFWHM掃引バンド幅のおおよそ2倍である仮定しており、結果としてスイープ速度はおおよそ50,000 nm/sである。しかしマイクロン・オプティクスのシステムはキャビティ内部の光ファイバ素子を利用し、好ましくない偏光の変化の影響を受けやすく、またチューニング速度が高速アプリケーションで要求されるチューニング速度より非常に低いものに限定される。加えてマイクロン・オプティクスのシステムはファイバ型レーザであるため、非常に高速なチューニング速度を実現するためにキャビティを充分な短さにすることが困難である。同調可能レーザの長さは、光子や光子群の通過時間を決定する。もし特定波長の光子群がレーザを通過するのに長い時間がかかると、それらがフィルタ素子に戻ったときに、フィルタ素子がその他の波長に同調されている。そのため、レーザ態様の好ましくない減衰をもたらす。オプティクス・エクスプレス(Optics Express)の13巻第9（2005年5月2日）の3513頁から3528頁のR. Huberらによる記事は、この制限についてより徹底された記述を提供している。
【０００５】
ECLの典型的な設計改善方法は、中心軸のまわりを回転し、レーザの全チューニング範囲にわたって、レーザを同じ縦モードに保つために回転させられる鏡又は回折格子を与えることである。中心軸は下記式(1)及び式（2）の両方が同時に満たされるように選択される。
【０００６】
λN = d(sinα+sinβ)     …(1)
NλN = 2L        …(2)
式(1)及び式（2）において、λNはレーザの平均瞬間出力波長であり、Nはレーザの縦モードの数であり、dは波長と同じ単位で測定された格子定数であり、αは回折格子に対する光照野の入射角であり、βは回折格子からの光照野の回折角度であり、Lはレーザのキャビティの光路長である。Nを固定して波長チューニングしている間、式(1)及び式(2)の二つの条件が同時に満たされている場合、結果としてレーザは連続的に同調し、いかなる縦モードホップも生じない。上記2式の条件を満たす機械的な解決方法はいくつかあるものの、サイズや所望のチューニング速度を大幅に下回るチューニング速度のために、市販されているものや学術誌に掲載されたものは限られている。Nを固定し、上記式(2)に満たすために鏡や回折格子を回転させるために要される機構は、たいてい常に複雑な機構であり、大きな内部質量を有する。そしてそれは、高速チューニングに必要な高速駆動を妨げる。
【０００７】
我々の知るところ、市場で入手可能な最速の連続掃引単一縦モード同調可能レーザはニューフォーカス(New Focus)によって提供されており、1000 nm/sのスキャン速度を提供すると宣伝されている。1,000,000 nm/sの所望のスキャン速度に達するために、典型的には鏡や光学回折格子等である可動光学素子はその質量中心の周りを最適に回転させられ、可能な限り最適に小さくされる。共鳴スキャナの利用はこれらの目的の両方に達する便利な手段を提供する。しかしこの方法は典型的には動く光学素子の中心上に回転軸が位置し、Nが一定の場合に式(2)が通常満たされない。換言すれば、縦モード条件NλN = 2Lが連続的に満たされず、チューニング範囲が関心を持つに足るほど充分に意義がある時に、レーザ発光はある縦モードから別に飛ぶであろう。
【０００８】
モードジャンプは一又はいくつかのモード間隔幅であることができ、モード間隔は下記式で与えられる。
【０００９】
Δλ = λ2/2L
これらのモードジャンプが存在する場合、レーザはもはや連続同調可能レーザでなくなる。そしてレーザの動的コヒーレンス長が不規則になり、システムの静的コヒーレンス長以下に悪くなる。モードジャンプの大きさを低減するためには、キャビティの長さを長くすることができる。しかしそれはレーザをよりマルチモード態様にし、そのためコヒーレンス長を短くもする。
【００１０】
米国特許番号5,956,355（以下、’355特許という。）において、波長の変動を補償するために広域同調可能シングルモードレーザのキャビティの長さが調整されたレーザ装置が開示されている。’355特許は、高速スキャン速度も提供しつつ、レーザのキャビティの部材と形状の適切な選択によって、ほぼ連続する周波数チューニングを提供するよう、レーザが作られることができることを開示していた。’355特許で提案された方法は可動鏡と回折格子を使用していた。Nを一定に保ったまま上記式(2)の近似バランスを保つために、波長の変動を相殺するようキャビティの長さを変化させるような方法で、格子を横切る光照野を可動鏡がスイープするよう、選択的に方向付けられた波長を提供した。式(2)の正確なバランスが広いチューニング範囲にわたって維持されるように、残余誤差及び式(2)の不平衡が補償されるような付加的な素子が追加されうることも’355特許に提案されていた。この方法はもっともらしく思えるが、我々の知る限り、この提案された設計の成功した実施はこれまでにない。
【００１１】
波長スイープレーザの瞬間コヒーレンス長は、たいてい異なる種類の干渉計を含むいくつかの方法の一つを用いて測定されることができる。そのような方法の一つが、ファイバ型マイケルソン(Michelson)干渉計の使用である。コヒーレンス長Lcは下記式で与えられる。
【００１２】
Lc = 2 x HWHM
ここでHWHMは、最大値の100%から最大値の50%まで干渉図形を変えるために要する干渉計中の複数の鏡の一つの移動である。2という係数は、マイケルソン干渉計の可動アームにおける往復（前進と後進）を意味することに注意されたい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
多くの応用分野において、高速でほぼ連続的なチューニング速度と、少なくとも2,3ミリメートルの動的コヒーレンス長の両方を実現したいという要求がある。例えば遠隔光ファイバ検出や光学部材検査用途のみならず、光周波数掃引コヒーレンストモグラフィー(SS-OCT: Swept Source Optical Coherence Tomography)がこれに当てはまる。SS-OCTにおいて、光源のコヒーレンス長は撮像深度の限界を決定する。潜在する撮像深度はコヒーレンス長に比例して変化する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願は、アレックス・ケイブル、マイケル・ラルソン、ラーズ・サンドストレム、及びベングト・クレマンによって2005年1月24日に出願された米国予備出願60/647,078, "Compact Laser with Continuous Wavelength Scanning,"に基づき優先権を主張し、その総ての内容が本願発明に含まれる。
【００１５】
本発明に関して、波長掃引光源の用途に利用されるために充分なコヒーレンス長を維持しつつ速いスキャン速度を有する、ほぼ連続的な波長掃引マルチモードレーザが示される。
【００１６】
本発明のいくつかの実施の形態において、小型レーザ光源は約10 nm/μsまでの可変スキャン速度で約140nmを超える波長スキャン範囲と、約3mmから約30mmの間のコヒーレンス長を有する。
【００１７】
レーザが波長スキャンされる時、上述した他のシステムでなされたように単一縦モード又は近似単一縦モードを保とうとする変わりに、意図的にマルチモードであるレーザ装置を本発明のいくつかの実施の形態は提供する。加えて本発明のいくつかの実施の形態に係るチューニング機構は、レーザが波長チューニングされる時に、縦キャビティモードの一群が、時に幾万ものモードまで顕著に変化するようにする。
【００１８】
本発明のいくつかの実施の形態に係る小型レーザシステムは、光学キャビティ、光生成及び光学増幅媒体セクション及びビーム整形光学系と、光学伝搬媒体と、光生成セクション及び光学伝搬媒体から光を受光するよう配置された高速機械式波長チューニングセクションとを含み、高速機械式波長チューニングセクションが光の選択波長を光学伝搬媒体に逆反射する分散部と光生成セクションとを含み、レーザシステムの波長がスキャンされる。いくつかの実施の形態において、光学キャビティの第1エンドリフレクタは、光生成及び光学増幅媒体の一端からなる。いくつかの実施の形態において、光学キャビティの第2エンドリフレクタは、高速機械式波長チューニングセクションの内部に実装される。いくつかの実施の形態において、光学キャビティの第2エンドリフレクタは、独立した光学素子である。いくつかの実施の形態において、高速機械式波長チューニングセクションは、分光部、分光光学フィルタ部、及び反射部を含む。いくつかの実施の形態において、反射部は分散部である。いくつかの実施の形態において、反射部はレーザシステムのキャビティの第2エンドリフレクタとして機能する。いくつかの実施の形態において、反射部は分光光学フィルタ部に結合されている。いくつかの実施の形態において、キャビティの全光路長は25mm程度の短さである。いくつかの実施の形態において、キャビティの全光路長は25mmから数メートルまで変えられることができる。
【００１９】
これらと他の実施の形態が、以下において図面を参照しながらより詳細に議論される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
異なる図面において、一つの及び同じタイプの部材と他の細部は同じ符号を有する。符号の最初の数値は図面の番号を反映しており、続く数値は部材又は細部の特定の種類を反映している。
【００２１】
本発明のいくつかの実施の形態に関して、シングルモード光ファイバ由来の5mW以上の平均光出力と、約2mm以上の動的コヒーレンス長と、例えば約850nmの中心波長で動作している時には中心波長の約5%、例えば約1330nmの中心波長で動作している時には中心波長の約10%の（99%の出力点で測定された）チューニング範囲と、0から約2,000,000 nm/sまで連続的に変化するチューニング速度とを提供する同調可能レーザシステムが示される。いくつかの実施の形態において、適切な高速スキャナ又は高速同調可能光ファイバの性能によって限定されるチューニング速度の上限で、約10,000,000 nm/sに達するチューニング速度のさらなる離散的な上昇も得られる。いくつかの実施の形態において、レーザから発せられたレーザ光の偏光状態は直線偏光であり、高度に安定している。シングルモードファイバに一度向けられると、偏光状態は手動の偏光制御器を介して容易に制御されることができる。波長の関数で表される強度特性は、非常におおざっぱなガウシアン形状を有すことができ、さらに例えば半導体型増幅素子に加えられる駆動電流を電気的に制御することにより、よりガウシアン特性によく従った形状に整形されることができる。本発明の実施の形態で提供されるような高速掃引同調可能レーザで供されるパフォーマンス向上の恩恵を受ける適用分野の例としては、計測学、分光学、医学イメージング、及び約2mmから約50mmの範囲のコヒーレンス長で高速に同調されたレーザ光の光源を必要とするあらゆる他の光学技術がある。
【００２２】
図1は本発明のいくつかの実施の形態に係る光源100を示す。図1に示すように、本発明に係る光源は光生成セクション101、伝搬セクション102、及びチューニング素子セクション103を備える。本発明のいくつかの実施の形態において、光生成セクション 101は曲線状の導波路を有するキャビティ内の側面と、反射防止(AR)コートされた外部表面、又は自励を抑制し、素子を外部キャビティレーザのための効果的な増幅媒体として機能させるための面を有する増幅素子を備えうる。また増幅素子のその他の面は、例えば反射率がおおよそ20%でレーザの出力カプラとして機能する部分反射面を備えることができる。本発明の実施の形態において、増幅素子の両面はARコートされることができる。レーザキャビティの一方の側面を定義する鏡は、増幅素子に対して適切に配置されることができる。いくつかの実施の形態において、出力カプラの反射率はおおよそ10%から50%でありうる。
【００２３】
いくつかの実施の形態において、光生成セクション101は拡大キャビティ型レーザシステムの一般的なタイプであり得る。典型的にそのようなシステムは、第1の光学キャビティエンドリフレクタを備える。第1の光学キャビティエンドリフレクタはしばしば、しかし常にではないが、広帯域増幅素子の外側表面の一つである。増幅素子のその他の表面は、短焦点レンズでコリメートされる分散光照射野を発する。光生成セクション101はここでは光生成セクション又は単に「第1のセクション」と呼ばれ、任意の波長でのレーザ発振のために任意の数の増幅素子を含みうる。活性なレーザ増幅媒体は、例えばガリウム砒素(GaAs)、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、窒化ガリウム(GaN)、インジウムリン／インジウムガリウム砒素リン(MVInGaAsP)、及びインジウムリン／インジウムガリウム砒素／インジウムガリウム砒素リン(InP/InGaAs/InGaAsP) 等の半導体、あるいはバルクガラス及び光ファイバの両方を含み、（ネオジウム、イッテルビウム、又はエルビウム等の）希土類イオン又は（チタニウム又はクロム等の）遷移金属イオンで典型的にドープされた（例えばケイ酸塩又は燐酸ガラス等の）ある種のガラス、あるいはこれも何らかのレーザ活性イオンでドープされたある種の光学結晶、あるいはヘリウムとネオンの混合物、窒素、アルゴン、一酸化炭素、二酸化炭素、又は蒸発金属等のガス、あるいはある種の染料の溶液から作られることができる。
【００２４】
光生成セクション101のビーム整形光学素子は、レーザダイオードの出力を整形又はコリメートするために一般的に用いられる複数の光学素子から幅広く選択されうる。例えば光学格子が波長分散を供するために選択された素子である時に、GRINレンズのようなコリメーションレンズ又は非球面レンズが、光学格子を全面的に照明するために選択された焦点距離で使われる。第1の光学キャビティエンドリフレクタが増幅素子に接触しておらず別個の光学素子である場合、別個のコリメーションレンズが増幅素子の第1の表面から発せられた光をコリメートするために使用されうる。ビーム整形光学素子は、例えば一対のアナモフィックプリズム又はシリンドリカルレンズ等でありうる。
【００２５】
一般的なシングルモード動作と異なり、本発明の実施の形態に係る光源はマルチモードレーザを形成するよう設定されている。マルチモードレーザは、複数の縦モードを有するレーザである（例えば、複数の分離された波長が全体としてレーザの線形を成している。）。一般的に、キャビティの長さ、キャビティのフィルタ機能、増幅、損失、アライメント又はレーザキャビティの終端鏡の反射特性を変えることは、キャビティ内で生じることができるモードの数を変える（こららのうち最後の3つは、発振閾値を変えることによりモードの数を変える。）。本発明に用いられる際、「増幅媒体」の語は、半導体素子、希土類がドープされた光ファイバを用いた増幅器、有機染料、又は他の物質を含む光学的増幅を供するあらゆる素子を意味する。「スイープされた波長」、「同調された波長」、「同調された周波数」、「スイープされた周波数」及び「波長アジャイル」の語は、一般的に交換可能であると理解される。参照された時に、「キャビティフィルタ機能」は組み立てられた後のレーザキャビティ全体の有効なフィルタ機能であり、発振閾値以下で動作する光源を用いたシステムから放射される光の分光特性を測定することにより測定される。「光源」及び「レーザシステム」又は「レーザ」の語は、ここでは交換可能に用いられる。
【００２６】
全般的に本発明に係る光源は、二つのキャビティ末端の鏡で構成されたレーザ、増幅素子、及び同調可能波長選択装置を含む。これらの構成要素は、レーザが所望の出力特性を供するよう、（モード間隔を設定する）キャビティの長さ及びキャビティのフィルタ機能の両方が予め定められた構成となるよう、一体化される。さらに主な構成要素はマルチモードレーザを形成する。レーザの中心波長の約5%である波長帯域にわたって約10,000,000 nm/sに達するスイープ速度を供しながら、2nm以上のコヒーレンス長を有する光源のユニークな特性を得るためにそれぞれの素子を正確に特定する手順は、下記において例示される。
【００２７】
図1に示すように、本発明のいくつかの実施の形態において、光生成セクション 101に続いて伝搬セクション102があり、伝搬セクション102は自由空間部でありうる。あるいは伝搬セクション102は、例えば光ファイバ等の特定の伝搬媒体を含んでいてもよい。光ファイバを用いる一つの利点は、光源100のような光源のキャビティ内においてさらなる波長選択性を供するのみならず、本発明に係る光源のサイズをより縮小することを可能にすることである。いくつかの実施の形態において、伝搬セクション102の長さはほんの数ミリメータから何メートルまで調整され、光子が光源100のキャビティに滞在する平均時間のみならず、レーザ光源100のモード間隔をも調整する。光伝搬セクション（あるいは第2のセクション）102は自由空間でもシングルモード又はシングルモード偏光保存ファイバのような媒体でもよい。第2のセクション102は、光源の光学キャビティ内の光路の主要な部分を構成する。いくつかの実施の形態において、第2のセクション102の長さは本発明に係る光源のレーザシステムのパフォーマンスを最適化するために調整されることができる。長さを変えることにより、光源のコヒーレンス特性のみならず光学キャビティにおける縦モード距離も変わる。それぞれの実施の形態に係る光源においてキャビティの長さは、コヒーレンス長、チューニング範囲、及び光出力の観点からレーザのパフォーマンスが最適化されるまで調整されることができる。第2のセクションにおいて、いくつかの長さに設定されたレーザキャビティのパフォーマンスが実験的に探索さている。その結果は、許容しうるパフォーマンスが非常に広い範囲の距離にわたって得られることを示している。例えば50mm未満の短いキャビティ長の光源の実施の形態において、第1のセクション101の増幅素子に返されるフィルタされた光の効率的なカップリングを供するよう、外部キャビティが良好に調整されている時に、全体にわたる良好なパフォーマンスが得られることができる。増幅素子のキャビティ内部側からの残留反射が波長の関数として表される出力パワーの好ましくない振幅変調をおこさないことを、この効率的なカップリングが確実にする。調整不足、あるいは増幅素子のキャビティ内面又は複数の面からの顕著な残留反射が、出力において波長の関数として表される振幅変調をもたらし、それは増幅素子の自由スペクトル領域で与えられる周波数を有する。例えば400mmより長いキャビティ長でも、光源のパフォーマンスはなお許容可能でありつづけることができる。しかし、キャビティの長さがこのレベルを遙かに超えて増加すると、結果として光源のスキャン速度は限界になりうる。この効果は、相当の出力パワーを維持するための充分な増幅率に達するために、キャビティは、おのおのの波長がキャビティ周囲を充分な回数通過することを実現するための充分な時間を必要としているという事実に帰する。このように光源のチューニング速度は、キャビティ長、増幅素子の増幅特性、及び増幅素子に返すカップリング損失を含む外部キャビティ光学素子における損失に関連づけられる上限を有する。
【００２８】
高速波長チューニングセクション103は、伝搬セクション102を通過した光生成セクション101からの光を受光する。この高速波長チューニングセクション103は光の選択波長を分光的にフィルタし、光生成セクション101に逆反射する。チューニングセクション103は、波長選択部に加えて分光光学フィルタ及び反射装置を含みうる。分光光学フィルタ装置の反射部は、レーザシステムのキャビティの第2の光学エンドリフレクタとして機能することができる。
【００２９】
チューニングセクション（あるいは第3のセクション）103は、単一又は複数のチューニング素子、及び伝搬セクション102から光を受光する単一又は複数の補助的な分光フィルタ素子を含む。第3のセクション103は、キャビティ光の強調分光フィルタリングと、レーザのチューニングシステムの両方を供するよう機能する。また第3のセクション103は、光源のレーザ共鳴を形成するために要求される高効率逆反射を提供する。第3のセクション103は、増幅のためにシステムの第1のセクションに返されるキャビティ内光照野の選択波長を供する。光生成セクション101、伝搬セクション102、及びチューニングセクション103の個々の構成部品の議論と共に、本発明のいくつかの特定の実施の形態に係る光源が以下において議論される。いくつかの実施の形態のパフォーマンスは実験的に研究され、予測されるスキャン速度と高周波繰り返し率におけるチューニング、つまり、11nm以上のコヒーレンス長で16kHzに達するスキャン方向に無関係な関連波長範囲をカバーする1秒あたりのスキャン数が示されている。さらに、遅いチューニング速度においてコヒーレンス長は増大した。
【００３０】
本発明のいくつかの実施の形態に係る光源は、ミリワット範囲の出力パワーと、2，3ミリメートルから20，30ミリメートルのコヒーレンス長と、SS-OCTシステムにおける画像取り込みビデオレートを可能にする上位のチューニング速度とを伴う同調可能外部キャビティレーザシステムを形成する。しかし本発明の様々な実施の形態の有益性は断層撮影用途に限定されない。本発明のいくつかの実施の形態に係るレーザシステムは、光線のコヒーレント光源の高速同調性能を要する他の測定用途にとっても興味深いものとなろう。
【００３１】
本発明のいくつかの実施の形態は、キャビティの往復長が約0.1メートルから約1メートルである適度な長さのキャビティを利用する。加えて、高効率逆反射部として機能する一方、キャビティのフィルタ機能を狭める補助的な分光フィルタが併用される。レーザの所望のパフォーマンス特性が最適化されるよう、与えられた分光フィルタに対して光源のキャビティ長は調整される。パフォーマンス特性とは、光源の大きさ及び重さのみならず、コヒーレンス長、光出力パワー、光出力強度ノイズである。一般的に、分光フィルタの通過帯域が狭くなるほど、コヒーレンス長は長くなる。しかし、レーザから高出力パワーを得たいという望みは、補助的な分光フィルタの通過帯域に下限を与える。追加的な分光フィルタは、補足的フィルタとして参照される。なぜなら多くの市場で入手可能なECLの設計において、典型的にレーザキャビティ内に見られる光学格子と共に増幅素子の開口は、主たる分光フィルタ素子を形成するよう、共に機能するからである。本発明は約1000nm/sから約10,000,000 nm/sのチューニング速度を実現し、あるレーザキャビティの構造においてはチューニング速度が上げられると、コヒーレンス長は減少する。約2,000,000 nm/sで動作するとき、約12mmの本発明の実施例に係る光源からのコヒーレンス長が得られた。これらの測定値は、中心波長が1.33μmで、チューニング範囲が約130nmで動作するシステムのものである。図6は、フィルタ機能は固定されているが、連続的に変化可能なスキャン速度を有するシステムにおける、チューニング速度の関数としてのコヒーレンス長を示す。
【００３２】
SS-OCT画像システム内で本発明の一つの実施の形態が試験された。この特定のレーザの設計は、以下の段落で詳述される。OCT画像化研究の結果の詳細は、R. フーバー(Huber)らの、オプティクス・エクスプレス、2005年12月、第13巻、第26号、10523頁から10538頁まで（以下、フーバーら）に出版されており、その総てが本願に取り込まれる。
【００３３】
図8は本発明に係る光源800の概略図を示す。実施の形態に係る光源800は試験され、いくつかの試験結果が以下に示される。さらに光源800のように設計されたシステムは、フーバー(Huber)らに含まれた測定を実施するために用いられた。図8に示すように、光生成セクション101は増幅素子811及び非球面レンズ812を含む。増幅素子811はおおよそ1mmの長さを有し、見積もられた屈折率は約3.5である。いくつかの実施の形態において、増幅素子811はInP/InGaAsP半導体光学増幅器で形成されうる。増幅素子811の左側の面は、光源800の出力カプラとして機能する。いくつかの実施の形態における増幅素子811の左側の面（あるいは出力面）の反射率は、約15%から約20%の範囲と見積もられている。上述したように、本発明のいくつかの実施の形態に係る光源において、増幅素子811の左面は反射防止(AR)コートされており、場合によってはその他の光学素子を介して、反射器に結合されている。反射器は出力カプラであり得るが、いくつかの実施の形態において、本質的に結果としてレーザキャビティの反射末端を形成しうる。
【００３４】
いくつかの実施の形態において、増幅素子811は、一定の温度に保つために、熱電気(TE: Thermo Electric)クーラーに接続されている。いくつかの実施の形態において、増幅素子811は約22℃の温度に保たれることができる。
【００３５】
増幅素子811のキャビティ内部側は、曲がり導波路及びARコート面を利用可能である。いくつかの実施の形態において、約10-4 の見積もられた有効キャビティ内面反射率が達成される。それは自励を抑制し、素子811が光源800の外部キャビティのためのより効果的な増幅媒体として機能することを可能にする。増幅素子811からの光は、非球面レンズ812に合わせられる。いくつかの実施の形態において、非球面レンズ812は2mmの焦点距離を有し、ARコートされている。いくつかの実施の形態において、非球面レンズ812の両方の光学面が凸面であり得る。
【００３６】
光源800において、伝搬セクション102は自由空間領域である。いくつかの実施の形態において、伝搬セクション102の自由空間領域は約370mmである。伝搬セクション102の自由空間領域は、光源800内に形成されるキャビティの全長を調整するために利用されることができる。
【００３７】
伝搬セクション102の自由空間領域からの光は、光源800のチューニングセクション103に結びつけられる。チューニングセクション103は、格子813、レンズ系814、スリット組み立て品816及び鏡815を含む。いくつかの実施の形態において、回折格子813は約1017線数/mmの支配密度を有する。回折格子813は、角度配置と特定の動作周波数を提供する共鳴スキャナ817上に配置されることができる。例えば8kHzで約14度の総ての角度配置を供する共鳴スキャナ817が、エレクトロ・オプチカル・プロダクツ社(Electro-Optical Products Corp)から入手可能である。
【００３８】
格子813からの光は、レンズ系814に向けられることができる。いくつかの実施の形態において、レンズ系814は色消し複レンズでありうる。いくつかの実施の形態において、レンズ系814は複数の波長での動作のために最適化されることができる。例えばいくつかの実施の形態において、1.0μm、1.3μm、1.5μmの3つの波長がレンズ系814の最適化に使用された。いくつかの実施の形態において、レンズ系814は45nmの焦点距離を有する。
【００３９】
レンズ系814は、スキャナ813からの光をスリット816上に焦点を結ぶ。いくつかの実施の形態において、スリット816は広帯域誘電体鏡815の反射面上に直接接着された10μmスリットであることができる。いくつかの実施の形態において、鏡815は光源800の全動作範囲にわたって約98.5%以上の反射率を有し、レンズ系814の後焦点面に配置される。このように鏡815とスリット816の組み合わせは、光源800のレーザ共振器の後ろ側のリフレクタを形成する。
【００４０】
いくつかの実施の形態において、光源800はコリメートレンズ系（不図示）に接続されることができる。例えばコリメートレンズ系はARコートされた非球面レンズであり、焦点距離は例えば0.7mmである。いくつかの実施の形態において、コリメートレンズ系からの光はアイソレータに合わせられる。アイソレータは例えば-55dBの光学アイソレータであり、背面反射が光源800のレーザキャビティに再入射するのを防止する。いくつかの実施の形態において、アイソレータからの光は非球面レンズを介して光ファイバに合わせられる。例えばARコートされた4mmの焦点距離の非球面レンズが、光をARコートされたシングルモードファイバに合わせるために利用されることができる。
【００４１】
光源800は、図8に示すように、共鳴スキャナ817で格子813を回転させることにより、波長スイープが可能である。共鳴スキャナ817は、スリット816に交差する様々な波長をスイープするために格子813を回転する。それにより、レーザが同調される時も、一定のキャビティ長を保っている。鏡815と増幅素子811の部分反射面との間で形成されるキャビティ内で、単一縦モードが発振する状況を考慮することによって、光システム800のレーザ力学は理解されることができる。格子813の回転軸が光源800の光学的光照野で規定される平面に対して垂直であり、回転軸に対して光照野が中心に位置する場合に、回折格子813が回転させられる時に、キャビティ長は実質的に一定に保たれるであろう。そのため、回折格子813の非常に小さな回転に対するキャビティ内の波長変化は生じない。一度、その回転が、次の縦モードがより低い損失を有することを保証するに充分なものであれば、光源800内に形成されるレーザは次のモードにホップするであろうし、レーザの中心周波数は、結果としてキャビティの自由スペクトル範囲で与えられる1又は2，3の縦キャビティモードによってシフトされる。いくつかの実施の形態において、レーザキャビティの自由スペクトル範囲は約330MHzである。さらに回折格子813の回転は、このパターンそれ自身の繰り返しをもたらし、それにより、格子角度の関数としてのレーザ波長（つまり光源800の出力周波数）は、「階段」状のチューニング曲線に従う。実際に、格子813のフィルタ機能の有限幅は、多くの縦モード、いくつかの実施の形態に係る光源800ではおおよそ80である、が同時に励起することを可能にする。そのためレーザは階段状に同調する周波数のくし形を生成し、ステップ幅は縦モード間隔と等しい。
【００４２】
L. A. Kranendonk, RJ. Bartula, and S. T. Sanders, "Modeless operation of a wavelength-agile laser by high-speed cavity length changes," Opt. Express 13, 1498-1507 (2005)に示されたように、高速でのキャビティ長の変化は、周波数シフト帰還型レーザの動作と同じような動作を生み出し、それはP.I. Richter and T.W. Hansen, "Diode-Lasers in External Cavities with Frequency-Shifted Feedback," Opt. Commun. 85, 414-418 (1991)で議論されている。Rの値は、光の一往復の間の自由スペクトル範囲に関する、キャビティモードの相対周波数変化として定義される。Kranendonkの文献のレーザは、このモードレスな動作を実現するために意図的に導入されたキャビティ長の高速変化を用いて、R>>0.05という値のモードレスな型で同調する。これに対し、光源800及び本発明に係るその他の光源は、区別可能なキャビティモードで同調する。
【００４３】
図8に示す光源800において、レーザが同調されている間、キャビティ長は実質的に変化しない。結果としてRの値は実質的に0である。故にこの構造は、モード構造のための最適化されたビルドアップ時間を提供し、より高い出力パワー安定性を供することが示されている。Rの値が0でないその他の多数のキャビティの設計が探索され、それらのパフォーマンス結果が図8に示された実施の形態に係る光源800と比較された。これらの設計は、構成部品の配列が同じであり、同様のレイアウトを持っていたが、キャビティ長が変化していた。0でないRの値は、回折格子の回転軸から光軸をずらすことによって得られる。各々の事例において、瞬間コヒーレンス長は図8に示したような光源800の実施の形態よりも短いことが分かった。
【００４４】
周波数同調されている間の実施の形態に係る光源800のコヒーレンス特性を見積もるために、出力がマイケルソン干渉計に向けられた間の、縞のコントラストが測定された。縞シグナルの振幅が、干渉計のアーム長差の関数として測定された。マイケルソン干渉計における約3.5から4mmのアーム長差にわたる3dBのドロップが観察された。レーザが周波数スキャンされていない静的な場合のコヒーレンス長は、光スペクトルアナライザで出力のスペクトル線幅を測定することにより決定される。分解能が限定された0.02nm未満の静的な線幅が測定され、それは約8cm以上のコヒーレンス長に対応する。光源800のキャビティのフィルタ機能は45mAに設定された注入電流で実現し、それはInP/InGaAsP半導体光増幅器で形成された増幅素子811の閾値より充分に低い。いくつかの実施の形態において、線形状がちょうどノイズから現れ始めるポイントから駆動電流が増加された時に、結果的な線形状のFWHMが明らかに変化しないように注意がなされた。
【００４５】
図8に示すように、10μmのスリットをスリット816に使用することは、キャビティのFWHMの通過帯域を約0.17nmに制限する。図8は、その中心位置で固定された格子の配置によって得られた。閾値以下からこの測定に用いられる45mAまで電流が増加される時に、フィルタ機能のFWHMがはっきりと変化しないよう、注意が払われた。図10に示すように、レーザ閾値電流は約62.5mAと測定された。図10は、駆動電流の関数として表される実施の形態に係る光源800の出力パワーを示す。図10は、較正された光出力メータを用いて得られた。閾値は、温度が22℃で注入電流が約62.5mAのときに生じる。光スペクトルアナライザ(OSA model Anritsu MS9710A)は、その分解能が最も高い0.07nmに設定され、1kHzのビデオバンド幅(VBW: video bandwidth)がこの測定に用いられた。スキャナが経路外にあるままで電流が62.5mAより増加した場合、分光特性のFWHMはOSAの測定分解能を超えて急速に狭まった。期待されるようにレーザの静的線幅は、動的線幅より大幅に短い。
【００４６】
図11は、上述したように実施の形態に係る光源800が自励することを妨げるためにブロックされた内部キャビティを用いた場合の増幅素子のASEスペクトルのOSAのトレースである。増幅素子への注入電流は300mAに設定され、増幅素子の温度を制御するTEクーラーは22℃に設定された。OSAの分解能は0.07nmに設定され、5,000点のデータが得られた。プロットの右側の構造は水蒸気によるものと考えられる。このプロットにはっきり見える強度変調のみならず、これらの吸収特性の両方が以下詳述される。図11に現れる強い吸収曲線は水蒸気によるものと確認され、1340から1410nmの間に最も強い線が現れた。”M. P. Arroyo, R. K. Hanson, "Absorption measurements of water- vapor concentration, temperature, and line-shape parameters using a tunable InGaAsP diode laser," App. Optics, V 32, No 30, (1993) pg 6104-6116”を参照されたい。システムのOCT画像化能力の質に対するキャビティ内水蒸気吸収損失の影響が調査された。乾燥窒素を用いて、システムが一晩空気抜きされた。空気抜きの前後でOCT画像が撮られた。比較すると、認識しうる影響は見受けられなかった。しかし多くの商用に開発された外部キャビティレーザダイオードシステムに当てはまるように、広範囲に使用されることを意図した実施の形態に係る光源800は、不活性雰囲気に密封される必要があると予測される。
【００４７】
図11に現れる高速強度変調は、キャビティ内面の残留反射に起因する増幅素子811のファブリペロ・モードに相関づけられた。ASEスペクトルのこの変調は、周波数掃引レーザの出力のスペクトルにおいて、振幅のリップル（さざ波）をもたらす。加えてこの副作用は、OCT画像に好ましくない異常をもたらす。キャビティ内面上のARコートの質と、外部キャビティの全体的な効率の両方が、リップルの大きさに顕著な影響を与えることが分かった。
【００４８】
上述したスペクトルのリップルを減少させる必要性を満たすのみならず、広いチューニング範囲にわたるこれらの実施の形態に係る光源800の安定動作を保証するために、外部キャビティからの強いフィードバックを利用可能である。増幅素子811に返されるフィードバックのカップリング損失を含む総ての光学素子が考慮された時に、RSGを増幅媒体811のキャビティ内面の反射率とし、RECを拡大キャビティの実効反射率とした場合に、REC>>RSGの条件を満たす場合に強いフィードバックが定義される。”A. Olsson, C. L. Tang "Coherent Optical Interference Effects in External-Cavity Semiconductor Lasers," IEEE J. of Quantum Electronics QE-17 No 8, (1981) pp 1320”を参照されたい。故にRECは、キャビティ内の空間モード構造及び光照野の調整誤差のみならず、光源800内の各々の光学表面の反射率に依存する。
【００４９】
図8に示すように、光源800は、RECが増幅素子811の発光波長帯域にわたる波長に比較的依存しないことを部分的に保証し、キャビティ長の変化が光源800のパフォーマンスに不利に影響しないことも保証する。光源800は、一般的に「キャッツアイ」構造と称される、レンズ814と鏡815の組み合わせを含む。そこで鏡815は、レンズ系814の焦点面に配置される。図8に示された光源800の光学配置は、増幅素子811のASEスペクトル全般にわたる良好な光学パフォーマンスを保証する一方、逆反射の角度ズレに対するフィードバックの低減された感度を提供可能である。「JJ. Snyder "Paraxial ray analysis of a cat's-eye retro-reflector," Applied Optics V 14, No 8, (1975) pp. 1825」を参照されたい。図12は、実施の形態に係る光源800のASEスペクトルを示し、ピークホールド特性を可能にし、20msのサンプル間隔で上述したようなアンリツのOSAを用いて得られたものである。OSAの分解能のバンド幅は1nmに設定され、500個のデータポイントが、アンリツのMS9710A OSAモデルの20msのピークホールド特性を用いて得られた。15mWの平均出力パワーで、半値全幅は約122nmと決定された。
【００５０】
OSAピークホールド特性は、光源800からの多数の前後スキャンをキャプチャし、平均化するために利用され、分光アナライザの固有の低速反応により16kHzで動作していた。なおOSAで得られた分光データは、チューニングセクション103の共鳴スキャナ型のチューニング素子の正弦曲線特性により乱される。この効果は、スキャン振幅をレーザのチューニング範囲以上に上昇させて光源800の負荷時間率を85%以下に設定することにより、最小化される。このようにして、正弦曲線型スキャナ機構のよりリニアな部分が利用されることを保証する。
【００５１】
シングルモードファイバに接続された実施の形態に係る光源800からのレーザ出力の後で測定された平均光強度は、約15mWであった。共鳴スキャナの各々の完全なサイクルにおいて、実施の形態に係る光源800は、波長範囲の一つの前進スイープ（短波長から長波長へ）と一つの後進スイープ（長波長から短波長へ）を生成する。後進スイープは約10%、僅かに高出力パワーであることが分かった。しかし、レーザの前進及び後進スイープの画像特性をそれぞれ試験すると、それらの質において差異は少ないか、あるいはなかった。ピーク出力パワーは約30mWと見積もられた。それは光源800が静的な時に達せられたおおよそのパワーである。ASEカーブのおおよそのピークでの自励は図12に示される。故に、450mmのキャビティ長は、キャビティが16kHzの繰り返し率でスキャンされる時でさえも、各々の波長が、その飽和出力に達するのに充分な時間を可能にする短さである。
【００５２】
図8に示すように、本発明に係る光源800は高速チューニングセクション103と共に、マルチモードレーザキャビティに配置された増幅素子811を含む。これらの素子に利用される各々の部材は、考慮されるべきあるトレードオフを有する。それぞれの特定の設計規格において、光源セクション101、伝達媒体102、及びチューニングセクション103の部材は、これらのトレードオフを考慮しつつ念入りに選択される。
【００５３】
増幅素子811の選択は、まず望まれる中心波長、全チューニング範囲、及び光出力パワーに基づく。一度、これらの主たるパラメータを満たす物質が決定されると、最も広いチューニング範囲と最も高い出力パワーの素子が、第1の候補として典型的に選択される。チューニング範囲は、考慮中の増幅素子のためのASEスペクトルのプロットで示される。光パワーは増幅素子811の光学ダメージ閾値で決定され、それは典型的に増幅素子811の出力面によって限定される。屈折率に沿った増幅素子811の長さは、増幅素子811の自由スペクトル領域 (FSR)を決定する。FSRは、前述したレーザリップルの特徴的な周波数、あるいは波長に変換すると、特徴的な波長である。例えば、もし光源がOCT光源として用いられることを意図されている場合、増幅素子811からのこのリップルは、もし充分に大きければ、ゴースト画像をうむであろう。（深さ方向に単にシフトされたメインイメージの再生である）このゴースト画像は、増幅素子811の光路長に関係する深さで生じるであろう。R. フーバー(R. Huber)らが議論した増幅素子の例において、(1mmに物質の3.55インデックスをかけた)約3.55mmにゴースト画像が生じた。フーバー(Huber)の研究で使用されたサンプルのような高分散媒質においてこれは重大な問題でないかもしれない一方、他の応用分野はそのようなゴースト画像の存在の影響を受けうる。例えば元の長さの2倍、あるいは2mmに増幅素子811の長さを伸ばすことは、増幅素子811を利用する画像装置の主画像の範囲の外にゴースト画像を潜在的にシフトしうる。
【００５４】
増幅素子の物質と増幅素子811の長さが一度決定されると、増幅素子811の面の反射率が選択されることができる。二つの基本的なアプローチが、合理的な結果を提供している。一つ目は、（図8を参照して増幅素子811の）左側の面について、可能な限り最も高い反射率の増幅素子を選ぶことである。理想的には、これは90%以上の範囲であるべきである。結果として生じるレーザの出力カプラとして機能するように部分反射器で置き換えられた図8の素子815として示される鏡で、レーザキャビティは組み立てられる。これがたいてい最初の予備的な選択であり、最適な出力カプラの反射率が特定のレーザ設計のために決定されることができるよう、システムが機能的に試験されることが可能となる。このアプローチは有利である。なぜなら増幅素子811の面の反射率を変えるより、素子815を交換することのほうが簡単だからである。
【００５５】
二つ目のアプローチは、増幅素子811の反射率を20%の範囲で選択し、出力カプラが増幅素子811の左面であるよう、光源を設計することである。両方のケースにおいて、増幅素子811のその他の面はARコートされ、曲面導波路をも用いることによって理想的に残留反射率は減少されている。所望の反射率を得るために、増幅素子811が一度処理（ECL製造分野でよく知られたコーティング技術を用いてコート）されると、スペクトルに存在するリップルの程度のみならず、ASEスペクトルを決定するために、OSAを用いて増幅素子は試験される。もしこのリップルがキャビティのエタロンモードに匹敵する波長周期を有していることが分かり、リップルの振幅が5%未満である場合、波長帯域が許容可能であれば、増幅素子は適当であると仮定される。もし5%から10%である場合、キャビティの残りがかなり低い損失を有し、拡大キャビティから増幅素子に返されたバックカップリングの強さが大きいことを確実にするために注意が払われる必要がある。実際に意図されるアプリケーションがリップルの上限を決定する。
【００５６】
増幅素子811の選択の後、図8のコリメーティング光学レンズ系812が考慮されることができる。ここで主な要因は、所望の波長における、そして所望の波長帯域にわたるレンズ系の光学性能である。理想的には、レンズシステムはほぼ回折限界的な性能を提供する。しかし、ほとんどの半導体増幅素子から放射された光照野は理想からほど遠いため、幅広い光学素子がレンズシステム812に利用されることができる。GRINレンズのみならず多くの高額でないモールドガラスによる非球面レンズがあり、それらは試験によって許容可能な結果をもたらすことが確認された。その他の懸念事項はARコーティングの質であり、光源800のチューニング範囲を限定しうるあらゆる色の効果である。波長チューニングセクションの最高波長分解能を提供するために、コリメートされたビームの直径がチューニングセクション103の回折格子を全て照明するよう、光学系の焦点距離は選択される。回折格子と後述される色消し複レンズの性能はビームの直径に影響される。
【００５７】
増幅素子811の反射面と鏡815の間に形成されるキャビティの自由空間であり得る伝達媒体102は、隣接する縦キャビティモードの間の距離を調節するために用いられることができる。この調節は、波長チューニング及び選択部の与えられた構成のためのフィルタ機能内に落とし込められる充分な数のモードを供するだけでなく、チューニング時にキャビティのフィルタ機能を通る単位時間あたりのキャビティモードの適切な数を実現するためになされる。キャビティ内に形成されるフィルタ機能の幅によって概ね決定される全コヒーレンス長と共に、リップルのみならず、レーザの安定性、チューニング範囲にわたるコヒーレンス長の単一性、強度ノイズの総てがキャビティの全長の選択に影響されうる。典型的には、光源の設計目標を確かにしつつ、短いキャビティ長が実現されうる。波長チューニング及び選択セクションの分解能は、キャビティ長を短くしうる重要な要因であった。
【００５８】
次に回折格子813が選択される。図8で用いられる格子813のサイズは、典型的には高速共鳴スキャナ817がサポートできる重さで限定される。増幅素子811からの出力ビームは典型的には楕円形であるため、回折格子813は、使用可能な重さの最大限の利用を格子に割り当てさせるアスペクト比を有するか、例えばビームの形がアナモルフィックプリズム対で変えられることができる。R. フーバー(R. Huber)らの文献は、ビーム整形光学のさらなる複雑さは要しない。なぜならビームの形と格子に対する大きな入射角が、使用可能な格子面積の良好な利用のために供されたからである。格子を選ぶ時の主要な懸念事項は、対象の波長帯域にわたるその効率である。加えて、入射する光照野の偏光が、もし実際にそれが一つ持っていれば、回折格子の好適な偏光にそろえられていることを確認するべきである。支配密度は、回折された光照野が、色消しレンズとスリットと鏡の組み立て品によって定義される光軸にわたってスイープされることができるよう、選択されることができる。さらに、レーザのアクションをスキャン時間の約80%から85%に制限したいという望みが、支配密度の選択を制限した。そしてそれは、キャビティのためのできる限り最も狭いフィルタ機能を供するために、可能な限り高くされる。このフィルタ機能は、スリット幅の選択によってさらに決定される。より広いスリットは一般的に大きな出力パワーをもたらすが、一般的に光源にとって短いコヒーレンス長をももたらす。
【００５９】
図8の格子の後ろの次の部品は色消し複レンズ814である。色消し複レンズはコリメートされたが分散されたビームを回折格子813から受け、光軸に沿って進む特定の波長を、スリットを通して光源800のキャビティのバックエンドミラーを形成する高反射器に焦点を結ばせる。アクロマートの質は波長選択セクションの形状フィルタ機能を部分的に決定するので、この素子は対象の波長帯域にわたる略回折限定性能を提供しなければならない。配置に応じて、光軸に沿って、又は光軸のとても近くに沿って系を通過する光のみが増幅のための増幅素子に戻ることができる一方、このレンズは広い波長帯域にわたってとても良好な軸上性能を有する必要がある。これは、対象の波長帯域にわたる複数の波長の組み合わせを用いてアクロマートを設計することによって達成された。加えて、色消し複レンズ系814のARコーティングの質が重要な役割を果たすことが分かった。色消し複レンズ系814の両方のレンズの高品質ARコーティングが、外部キャビティにおける損失の低下を確実にするために利用された。
【００６０】
色消し複レンズ系814の焦点距離について、焦点距離の範囲が試験され、約15mmから約50mmの範囲にわたって良好なパフォーマンスが得られた。波長帯域、パワー、及びコヒーレンス長の観点から、より短い焦点距離がわずかながら良好な全般的なパフォーマンスを供することが分かった。フーバー(Huber)らが記載した光源が45mmの色消しレンズ系を有していた一方、より短い焦点距離の光学系を用いることによって、より良い結果を得ることが可能となる。色消しレンズ系814の選択は、キャビティによってサポートされることができる最も大きい直径のビームを考慮することも可能となる。典型的には、直径が大きくなればなるほど、パフォーマンスがより良くなる。しかし、もしより短い焦点距離の色消しレンズが使用された場合、その時、それらの短い直径が考慮され必要がある。ここでの設計上の取り組みは、フィルタの中心波長における可能な限り最も低い損失を導く一方、最大程度の波長選択性を供することである。
【００６１】
図8で考慮されるべき次の部材は、スリット816である。この素子は光源800内に形成されたフィルタ機能の中心波長を透過させる一方、その他の波長をブロックする。実験のみならず設計シミュレーションからも、5μmから15μmの範囲の幅のスリットが、許容可能なパワー及びコヒーレンス長と共に、スリット816にとって全般的に最高の結果を供することが分かった。色消しレンズ系814の焦点距離が範囲の最短に近いとき、より短い幅のスリットが良好に機能する。スリットはナショナルアパーチャ社(National Aperture)から商業的に入手可能であり、金属箔にレーザ加工されており、好ましくない背面反射を最小化するために黒色化されている。
【００６２】
スリット816が固定される鏡815は、理想的には光源800の波長帯域にわたって実質的に100%の反射率を有する。この目標は、ソーラボ社(Thorlabs, Inc)によって供される高品質広帯域鏡を用いることによってほぼ達せされる。
【００６３】
チューニングセクション103における上述したキャッツアイ様構成の使用は、広い波長帯域にわたる良好なパフォーマンスを伴う設計を供し、また上述したような調整ミスに対して比較的寛容なシステムを供する。
【００６４】
本発明のその他の実施の形態に係る光源が、図1乃至図5に示されている。後述するようにスリット鏡は細幅スリット状の反射器を意味すると理解されるべきであり、例えば鏡、透過スリットで直接後ろに鏡があるもの、又は透過スリットで後ろに光学系と共に反射器があるものであり、スリットを通して光線を逆反射するものである。さらに光線の文脈において光の語は、可視光線、紫外線又は赤外線を意味する。
【００６５】
図1は、本発明の一つの実施の形態に係る光源100を示す。光源100は第1エンドリフレクタ11から第2エンドリフレクタ19に伸びる同調可能レーザから構成される。光パワーの部分の推定される結合は、例えば第1エンドリフレクタ11又は第2エンドリフレクタ19における一般的な方法、又は主たる入射光の反射又は分散素子16からの逆反射分散光を用いること、又は光源100のレーザキャビティ内のビーム光路に光学ビームスプリッタを挿入すること等の一般的な方法でなされる。光線は光生成及び光学増幅媒体12で生じる。そして光はビーム変換光学系13を通過する。ビーム変換光学系13からのコリメートされた出力ビームは伝搬媒体14に入射する。光線は媒体中を自由に伝搬するか、例えば光ファイバ等のチャネルに向けられる。媒体の適切な選択を通して、キャビティの光路長とレーザ装置の縦モード距離が選択されうる。コリメートされたビーム”a”は伝搬媒体14を去り、分散素子16に直接、又は可動反射器でそらされた後に当たる。分散素子16は高速機械式回転器15によって回転させられる。分散素子16からの光はスリット鏡19に向けられた焦点光学系17に向けられる。スリット鏡19は焦点光学系17の焦点面に位置する。
【００６６】
図2は本発明のその他の実施の形態に係る光源200を示す。図2に示すように、伝搬媒体14からの光は、高速機械式回転走査装置15上に固定された走査鏡210に入射する。走査鏡210からの光は色消しレンズ11に向けられる。色消しレンズ11は走査鏡210がその焦点面に位置するように配置されている。色消しレンズ11からの光は色消しレンズ212に向けられる。色消しレンズ212は、焦点鏡210がレンズ212とレンズ211の焦点距離を合わせたところに位置するような焦点距離を有する。格子16はレンズ212からレンズ212のほぼ焦点距離に配置されている。そして数量α(λ0)は、波長λ0のコリメートされたビームである。
【００６７】
図1及び図2において、分散されたビーム”b”は、全ての波長のコリメートされたビームであり、レンズ系17によってフィルタ機能を有する反射型スリット鏡19に焦点を結ばれる。図1においては可動分散素子16によって、図2においては可動反射器210によって、波長はスリット鏡19を横切ってスキャンされる。
【００６８】
図1に示す実施の形態において、分散素子16は高速機械式走査装置15の手段によって回転する。分散された光線”b”は終端スリット鏡19に焦点を結ばれる。
【００６９】
図2に示す実施の形態において、コリメートされた入射光”a”は、高速回転機械式反射装置、つまり高速機械式回転走査装置15上に固定された鏡からなる走査反射器210とレンズ211, 212からなる光学系によって角度を変えられる。コリメートされたビーム”a”は、鏡210のその時の回転位置に応じた異なる入射角で、静止している分散素子16に当たる。終端スリット鏡29で逆反射される分散光線は、このように鏡210の高速回転によって波長が変わる。
【００７０】
図3に示す実施の形態において、静止している分散素子16はコリメートされた分散光”b”を波長λに応じた角度に向ける。スペクトルは焦点光学系17の焦点面18に形成される。焦点面18におけるスペクトルは、回転円盤に固定されたスリットと鏡の組み立て品313でスキャンされる。スリットと鏡の組み立て品313は、焦点光学系17の焦点面18に配置され、縁に規則的なスリット鏡のパターンを有する円盤である。細長い可動鏡は光学キャビティの第2エンドリフレクタを形成する。スリットと鏡の組み立て品313は駆動モータ314で駆動される。
【００７１】
図4に示す実施の形態において、図1及び図3に示された実施の形態に係る部材が使用されている。この装置は、図1及び図3の二つの異なるスキャンモード用に、一つの同じ装置を使用することが可能となる。スキャンモードにおいて、円盤状のスリット鏡313の一つが静止した終端スリット鏡として使用される間、分散素子16は走査し続ける。その他の実施の形態のスキャンモードにおいては、スリットと鏡の組み立て品313を伴う円盤が回転している間、分散素子16は静止している。
【００７２】
図5に示す実施の形態において、分光光学フィルタ装置はスリット、又は分散素子16の前に配置されたレンズ系515の内部にあるピンホールである。レンズ系515は、内部に分光フィルタスリット又はピンホールを有する光学レンズ系である。いくつかの実施の形態において、レンズ系515は、焦点距離の合計によって分離された一組のレンズと、第1のレンズの焦点に配置された約5μmから25μmの範囲の狭いスリットとの形をとる分光フィルタから形成されることができる。そしてこの構成のために、第2のセクション102の内部に分光フィルタ素子が実装されることを考慮することができる。図5に示す分散素子の配置は、リトロー(Littrow)構成として知られるタイプのものであり得るが、その他の4つの好適な実施の形態は、修正されたリトロータイプの構成を使用することができる。
【００７３】
図1乃至図5に示された実施の形態に係るレーザシステムは、第1及び第2のセクションにおいては、総て同じ配置を示している。しかしそれぞれの新しい構成において、第3のセクションだけが変わっている。ある実施の形態において、図1に示され、「キャビティの第1エンドリフレクタ」として示された第1の光学面11は、図3のレンズ37と同様の付加的なレンズと共に、増幅素子の低反射出力面でもあり得る。そしてそれは、増幅媒体12の表面11からの光線出力をコリメートするために機能しうる。キャビティを形成するために、分離されたエンドリフレクタが増幅素子12に結合されることも可能である。
【００７４】
いくつかの実施の形態において、図1に示された可動波長分散装置16と図2に示された走査鏡210の両方は、高速角度走査装置15上に配置される。角度走査装置15は、検流計、又は共鳴モードにおける同様の機構、誘電コイル機構、圧電機構、電気光学ビーム偏光板、音響光学ビーム偏光板、MEMS型ビーム偏光板、又は電気モータ機構によって適切に駆動される。
【００７５】
図1に示されたような実施の形態に係る光源100の実験的試験において、共鳴スキャナが光学格子を回転するために使用された。コリメートされたビームがこの実施の形態に係る第3のセクション103に含まれた回折格子16をほぼ全部照射するように、第2のセクションの出力は、コリメートされた自由空間ビームであるよう選択された。第3のセクション103は、共鳴スキャナ16、回折格子15、レンズ17、及び10μmの狭いスリット鏡19を含む。スリット鏡19は、10μmのスリットを直接鏡に貼り付けたものである。本発明の実施の形態の実用化のために良好に試験された共鳴スキャナ16の一つの種類が、ニューヨーク・グレンデールのエレクトロ・オプティカル・プロダクト社（Electro-Optical Products Corp.）のモデルSC-30である。試験されたスキャナの範囲は、0kHzから24kHzの範囲のレーザ繰り返し率を供した。そのような装置上には典型的には鏡が配置されるのだが、その代わりに回折格子16が共鳴スキャナ16の可動部分上に直接配置された。基板上に設けられた格子16は約1mmの厚さで、高さ約6mmかつ幅約8mmから、高さ約5mmかつ幅約6mmに及んだ。スキャナの周波数が上昇するほど格子の量が減ったため、実際の大きさは共鳴スキャナの特定の共鳴周波数によって決定された。試験された格子の支配密度は、ミリメータあたり800線数からミリメータあたり1100線数に及んだ。いくつかの例において、パワー、波長チューニング範囲、安定性、光出力ノイズ、及び増幅素子内の望ましくないエタロン効果の抑制等のレーザのその他の動作パラメータのみならず、レーザの第2のセクションの長さが、レーザの動的コヒーレンス長を最長化するよう調整されることができた。
【００７６】
第2のセクション102からのコリメートされた光照野は第3のセクション103に入り、回折格子16上に入射する。格子16の最大限の領域が照射されるよう、また第1のセクション101の広帯域増幅素子12によって生じる光の最大限の角度の分散を供するよう、入射角は最大化された。高品質な色消しレンズ17によって分散光は入射し、分散された光照野は下方の細いスリットと鏡の組み立て品19に焦点を結ばれる。試験で良好な結果をもたらしたレンズは、どれも高品質色消しレンズで、増幅媒体又はガラス非球面レンズの波長帯域に使用されるよう設計されたものであった。キャビティ内の損失を最小化するために、総てのレンズは高品質多層反射防止コーティングが採用されていた。うまくいった焦点距離は、色消しレンズについては約10mmから約50mmの範囲であり、非球面レンズについては約6mmから約8mmの範囲であった。
【００７７】
このセクションの最後の光学部材であるスリット19は、薄い箔に刻まれた直径が3/8"である細いスリットを含んでいた。試験の結果が良好であったスリットの幅は5μmから25μmの範囲で、高さは3mmであった。スリット鏡19を形成するために、スリットは高品質鏡に直接接して配置された。最良の結果をもたらした鏡は商業的に入手可能な鏡であり、広帯域誘電コーティングを採用し、対象の波長帯域にわたって高い反射率を示した。1.3μmの波長帯域にはソーラボ(Thorlabs)の型番BB1-E04を、800nmの波長帯域にはBB1-E03を参照されたし。レンズは格子16から約10から20mmのところに配置された。レンズ17と格子16との間の距離は、レーザの良好な動作にあまり重要でないことが分かった。しかし一般的に、レンズ17が格子16の近くに配置された方が、コヒーレンス長及び出力パワーにおいて僅かな向上が見られた。共鳴スキャナ15の電源が入っていない場合状態で、レンズ17は系の光軸に配置された。この場合、格子16から格子の特性と入射光照野に対する入射角度によって決まる方向に光が伝搬するときに、広帯域増幅素子12から照射された自然放射光の中心波長によって決定される経路として光軸が定義される。このように配置されたレンズ17は、光照野を一つの焦点距離にある領域に焦点を結ぶ機能を果たす。この点において、分光フィルタ素子のみならずレーザ共振器のための逆反射器の両方として機能するよう、スリットと鏡の組み立て品は配置される。
【００７８】
適切な調整と第1の素子に対する充分な電力によって、上述された実施の形態に係る光源100はレーザ発光する。共鳴スキャナ16のスイッチがつけられると、光源100は、増幅媒体12及びキャビティ損失によって決定される波長帯域にわたってスキャンし始める。レーザ発光するとき、増幅素子の一つの試験につき、出力パワーは15mWより大きかった。試験は、138nmより広いチューニング範囲と、11mmより長いと測定されたコヒーレンス長（Lcはマイケルソン干渉計内のフリンジコントラスト測定のHWHMの2倍）を示した。多くの増幅素子がうまく試験された。実際に選択された増幅素子は、所望の中心波長、光出力、及び要求されるチューニング範囲に依存するだろう。半導体増幅素子は、多くの供給会社（例えば、カリフォルニアのリバーモアのインフェニックス社(InPhenix, Inc.)）から容易に入手可能である。
【００７９】
図1及び図2に示された実施の形態どうしの比較は、以下に述べる観察をもたらした。図1に示された光源100の光学装置は、図2に示された光源200のそれと比較して明らかにとてもシンプルである。一方、高速に動かされることができる分散反射器16のサイズはむしろ制限される。5kHzから20kHzの範囲で動作する商用の共鳴スキャン機構は、サポート可能な光学素子のサイズが限定される。これらの実験に用いられた共鳴スキャナのために、分散素子16のために利用された回折格子は、5kHzのスキャナの場合、約5mmの高さ、8mmの幅、1mmの厚さを有し、その高周波数スキャナのために小さかった。これは照射されることができる格子の線数を限定し、このため得ることができる格子の解像度も限定した。図2に示された実施の形態においては、これに対応する限定はない。なぜなら、スキャンする格子上においては必然的にとても斜めになる入射とは対照的に、ほとんど垂直な入射ビーム”a”が走査反射器上で使用されることができるからである。図2に示された光源200に利用された静止している格子は、図1に示された光源100で利用された回転させられる格子よりもより大きい格子面積を可能にする。
【００８０】
フィルタ機能を有する末端鏡として用いられるスリット鏡19は、製造するには難しい部材である。実験においては、下の鏡フィルムに接触された金属箔のスリットがうまく利用されている。スリットがより狭く作られるほど、フィルタ機能はよりよくなる。しかしレーザ光線の強度は、当然、同時に低下する。実験において、フィルタ機能と強度性能のバランスの観点から、5から25μmの範囲の幅のスリット鏡が最適であることが分かっている。しかし、他のスリット幅も利用されることができる。
【００８１】
もし幅が調整可能なスリット鏡がフィルタ機能に有利であるならば、分光器のスリットとスリットの後ろの逆反射光学システムが使用されることができる。光学系は、スリットをそれ自身上に描く。コリメートレンズと共に平板鏡が、又は平板鏡と2つのレンズが、スリットからの光をコリメートし、そして焦点を結び、そして2つ目のレンズの焦点に配置された鏡で反射する。代わりに凹面鏡がこの目的を達するであろう。加えて、二つの可動非透過板が、鏡の上、又は近くに配置されうる。二つのカミソリの刃がこの目的のために試験された。一つは変換ステージに接続され、一つは鏡の表面に固定された。このアプローチは、許容可能な結果をもたらした。
【００８２】
図3及び図4に示された実施の形態においては、回転フィルタ及び逆反射装置13が使用された。多数のスリット鏡が、回転円盤上の縁に近接して等しい間隔で配置されている。金属箔に加工された薄いスリットを直径50mmの鏡に、調整固定具を用いて貼り付けることが有効な解決法であった。そして完全な逆反射円盤13を供するために、シャフトが鏡とスリットの組み立て品の後ろに接続された。円盤は、駆動モータ14として機能する電気モータによって駆動される。スリット鏡の一つが一定の方向で適切な波長範囲をスキャンするための時間であるスキャン時間は、図1及び図2で示された実施の形態において使用された高速共鳴スキャナ機構ほど短くすることはできない。高速共鳴スキャナ機構に対して、モータで駆動される回転円盤を用いる有利な点は、スキャン時間が連続的に変えられることができるということである。
【００８３】
二つの走査原理の組み合わせが図4に示されている。同時スキャンは、手に負えないほど大きなデータセットにさもなければなってしまうアプリケーションのための、低速での画像取得のための強力な手段を供する。加えてより遅いスキャン速度で長くなったコヒーレンス長は、システムを例えば食道のような内部のOCTアプリケーションに利用するときに、意義のある値となる。そこでは、組織とプローブとの距離が動的に変化し、長くなったコヒーレンス長はより大きな画像化範囲を可能にする。
【００８４】
図3に示す実施の形態において、第3のセクション103は、静止している格子16、レンズ17、及び回転する複数スリット鏡313を含む。試験された格子16の支配密度は、ミリメートルあたり800線数からミリメートルあたり1070線数に及ぶ。どの例においても、レーザの第2のセクションの長さ、つまりキャビティの長さは、動的コヒーレンス長、出力、安定性、光出力ノイズ、及び増幅素子内部の望ましくないエタロン効果の抑制を最適化するために、調整されることができる。第2のセクション102からのコリメートされた光照野は第3のセクション103に入り、回折格子16上に入射する。格子16の最大限の領域を照射し、第1のセクション101の広帯域増幅素子12によって生じる光の最大限の角度の分散を供するために、入射角は最大化される。分散光は高品質レンズ17によってキャプチャされ、像面18に焦点を結ばれる。像面において、与えられた波長の光は縦の線で表される。この像面に沿って動くと、異なる波長に遭遇される。
【００８５】
試験で良好な結果を伴ったレンズは、増幅媒体の波長帯域で使用されるよう設計された高品質な色消しレンズであった。キャビティ内での損失を最小化するために、総てのレンズは高品質多層反射防止コーティングを採用していた。使用してうまくいった焦点距離は、30mmから50mmの範囲であった。複数のレンズ構成のみならず、一つのレンズ構成も試験された。複数のレンズ構成の方が、光出力及びコヒーレンス長の観点から僅かに良好な性能を示した。このセクションの最後の光学部材は、複数スリット鏡313からなる。スリット鏡は20の反射スリットを有し、それぞれは20μmの幅であった。反射面は保護されたアルミニウムであった。20μmの反射スリットの両側から約700μmの物質がダイシングソーで除去された。反射スリット間の残った反射領域は、黒いマスキングテープで覆われた。他の種類のスリット鏡も試験され、良好な結果が得られた。例えばアルミで保護された鏡上に配置された薄い箔板に機械加工されたいくつかのスリット等である。複数スリット鏡は、ブラシレス・サーボモータ(P/N TG2385-Delta, Thingap Corp of Ventura Ca.)上に配置され、それはAdvanced Motion Controls ブラシレス・サーボ・増幅器 P/N B30A8で駆動された。公称電流は45Vで4Aであった。使用された電源は、卓上のBK precision 60 V 6 Amp 直流電源であった。
【００８６】
使用されることのできるスリットの数は、選択された回折格子16、レンズ17の焦点距離、レンズ17の直径のサイズ、キャビティの増幅媒体12の波長範囲、及び光源の所望の負荷時間率の組み合わせによって設定される。
【００８７】
レンズ17は、格子16（そこからのビームがレンズセルの先端にあたる格子上の点）から38mmのところに配置されたソーラボ(Thorlabs)の色消しレンズAC254-050-Cでありうる。レンズセル(SMl L05)の先端から反射スリットまでの距離は50mmで、レーザ電流が299.7mAの時に111nmのチューニング範囲の3dBポイントを与え、モータは132kHzで動作していた。結果としてレーザのコヒーレンス長は、スキャン時間に応じて、17.2から28.7mmの間であると測定された。
【００８８】
スキャン時間と生成された光線のコヒーレンス長との間には、関係がある。上述したマルチスリットを用いた実験で、この関係が研究された。スキャン時間の関数である光線のコヒーレンス長が、ファイバ型マイケルソン干渉計で測定された。図6は、縦にmmでプロットされたコヒーレンス長と、水平方向にμsでプロットされたスキャン時間を示す。図6に示されたグラフは、スキャン時間の減少と共に線形的に減少するコヒーレンス長をはっきりと示している。
【００８９】
図3及び図4に示された光学システムは、ほぼ完全に平面の焦点面を与える非常に良好な色消し品質でなければならない。これはレンズ211, 212で形成されるレンズシステムと、二つのレンズの間の平面の焦点面を実現する性能においても全く同様である。
【００９０】
図5に示された実施の形態は、最も複雑でない本発明の実施の形態に係る光源の構成を示し、高出力エネルギーを与えるのに向いている。実験において、図5の実施の形態に使用されたレンズ系515の二つのレンズは、ソーラボ(Thorlabs)のC170TM-C, f = 6.16 mmで、レンズの間のスリットは10μm幅であった。22mWの継続的な出力が実現され、コヒーレンス長は、キャビティ長に応じて約2から約4mmであると測定された。波長チューニング範囲は、約130nmであった。
【００９１】
図7は本発明のその他の実施の形態に係る小型スキャンレーザを示す。図7に示された実施の形態において、ビームを（b(λ)で示されている）格子に屈折させる走査鏡15は、リトロー(Littrow)構成における末端鏡としても機能する。いくつかの実施の形態において、分光フィルタセクションが図7に示されたように使用されることもできる。キャビティの第2エンドリフレクタとしてリトロー配置された回折格子を使用した結果生じる全キャビティ長の本質的変化があるという点において、図7に示された実施の形態に係る光源は、図1乃至図5及び図8に示された実施の形態と顕著に異なる。コリメートされたビームが回折格子16を横切るよう、高速機械式回転走査装置上に配置された鏡を含む走査鏡75でスキャンされた時、図7から明らかなように、走査鏡の中心と回折格子16の間の距離は変化する。’355特許は似たような配置を利用する。しかし’355特許は、軸モードチューニングに対する第1級の補償を提供するために、走査鏡と格子の間の距離、全面反射器に対する走査鏡の間の距離、及び中心波長における格子に対する入射角のバランスをとる。’355特許は、レーザが調整されたこと、及び／又はそのチューニング範囲にわたってほぼシングルモードで動作するよう構成されたことを確認するために使用されることができるシステムの分析を提供し、ECLシステムの技術分野で周知のように、遭遇される何万ものモードホップのほぼ総てを回避している。シングルモード点での動作はかなりの努力を要し、さらに一次の補正がなされた後に残る残余モードホップを除く手段をシステムが有さない限り、動的コヒーレンス長は異常で光源の全チューニング範囲にわたって均一でない。図7に示された設計のある実施において、数千あるいは数万と見積もられる非常に多数のモードホップがシステムの同調時に生じるよう、これらの同じ距離は意図的に調整されている。技術分野において周知なように、このアプローチは、真にモードホップが生じない同調可能レーザで可能なものより非常に短いコヒーレンス長を与える。しかし、2,3ミリメートルより長いコヒーレンス長のしっかりとしたレーザを提供するという我々の設計目標を我々は見合ったことは確かめられた。図7に示されたいくつかの実施の形態に係る光源において、約4mmに達するコヒーレンス長が得
られた。縦モード数Nの放射状の上昇がレーザの中心波長に生じる最小を有するように、’355特許は注意深くバランスをとられたキャビティ構造を有する。波長の関数であるNがシステムのチューニング範囲内の最小を通らないよう構成されたシステムは、良好に動作する。この構成は、レーザがその波長範囲にわたってスイープされる時に、波長の単位変化あたりのNの顕著な変化を有したことを確実にした。Nのこの変化を提供する構造を用いた操作は、レーザの全チューニング範囲にわたる高度に安定したコヒーレンス長を与えることが示された。一方、’355特許のように、1次の補償を提供するためにバランスがとられた同じレーザを操作することは、この同じパフォーマンスを一般的に与えなかった。さらにマルチモードシステムは、’355特許に開示されたシングルモードシステムより良好に動作する。
【００９２】
一般的にOCTのような画像化の応用分野は、約3mm以上のコヒーレンス長と、中心波長の5%から10%を超えるチューニング範囲と、850nm範囲で動作するレーザにおいては約0.5mW以上の出力、1300nm範囲で動作するレーザにおいては約5mW以上で動作する出力と、約10kHz以上のスキャン繰り返し周波数と、小さなリップルを有する本発明に係る光源によって機能する。加えて、パワーの揺らぎ又は強度ノイズがバランスの取れた検出機構を介して本質的に取り除かれることができるよう、そしてシステムがスキャンする時にコヒーレンス長が本質的に変化しないよう、同時に励起することができるモードの数のみならず、モード間隔がバランスをとられる必要がある。大部分において、コヒーレンス長はキャビティのフィルタ機能に依存し、それは換言すれば、第1の波長チューニングセクションのフィルタ機能を変えることによってとても簡単に調整されることができる。チューニング範囲にわたるコヒーレンス長の安定性はいくつかの利用分野において重要であり、キャビティによってサポートされるモードの数のみならず空間を変えることによっても調整される。チューニング範囲は、増幅素子、部材における損失、波長依存性の部材における損失、スキャナの振幅（増幅素子によって生成される周波数の広い範囲をスキャナが充分にカバーするか否か）、及び回折格子の特性又は選択された波長チューニング及びフィルタ素子の総ての特性に依存する。走査素子が正弦波スキャンを提供する場合、走査素子の振幅が増幅素子の帯域幅の約120%をカバーするのに充分に広ければ、それは有益である。格子の設計は、ルーリング、ブレージング、入射角、及び照射領域に依存する。
【００９３】
キャビティの長さは短くても、媒体でも、長くてもよく、あるいは変化しうる。短いキャビティはより広いモード間隔を有し、このため固定されたフィルタ機能に対するモードの数は僅かである。しかし、長いキャビティ長は、キャビティにおける格子の往復時間のため、スキャン時間を制限する。レーザのパワーは、光学増幅素子、キャビティ内の光学素子の破損閾値、動作周波数、及びキャビティの損失に依存する。モード間隔は良好に定義され、キャビティの光路長に依存する。キャビティ内にサポートされるモードの数は、フィルタ機能、キャビティにおける損失、及びキャビティの調整に依存する。フィルタ機能は、キャビティの配置、スリット鏡のスリット幅、回折格子、及び導波路に依存する。光源のスキャン速度は、スキャナと、回折格子及び格子に入射する光の入射角と、レーザの波長範囲に依存する。
【００９４】
ここに記載された発明の詳細と実施例を考慮することにより、本発明のその他の実施の形態は本技術分野の知識を有する者にとって明らかであろう。明細と例は単に模範的なものとして考慮されることを意図しており、本発明の真の範囲と思想は、請求項に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザシステムを示す。
【図２】本発明のその他の実施の形態に係るレーザシステムを示す。
【図３】本発明のその他の実施の形態に係るレーザシステムを示す。
【図４】本発明のその他の実施の形態に係るレーザシステムを示す。
【図５】本発明のその他の実施の形態に係るレーザシステムを示す。
【図６】本発明のいくつかの実施の形態に係るレーザシステムにおける、スキャン速度に対するコヒーレンス長を示す。
【図７】本発明のその他の実施の形態に係るレーザシステムを示す。
【図８】本発明に係る光源の概略図を示す。
【図９】図8に示されたような光源のキャビティのためのフィルタ機能を示す。
【図１０】図8に示されたような実施の形態に係る光源の出力パワーを、駆動電流の関数として示す。
【図１１】図8に示されたような実施の形態に係る光源がレーザ発光することを防ぐためにブロックされた内部キャビティによる、増幅素子のASEスペクトルのOSAのトレースである。
【図１２】図8に示されたような実施の形態に係る光源のASEスペクトルを示す。
【符号の説明】
【００９６】
100…光源
101…光生成セクション
102…伝搬セクション
103…チューニング素子セクション
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2008529068.tif 000016
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