(57)【要約】  可変レーザ装置は、光利得領域を有し、ファセットを介してコヒーレント放射を生成する固体レーザ媒体を有する。レンズは、コヒーレント放射を集光し、平行光線を生成する。外部キャビティの要素は、平行ビームをレンズおよびレーザ媒体に向けて反射する反射面と、反射面とレンズとの間に配置されレーザ媒体の光利得領域内に熱可変光透過帯域を有する２つの面を有する光学フィルタとを含む。光学フィルタは、（１）所望の動作波長で平行ビームの主たる部分を透過し、（２）光学フィルタに入射する入射平行ビームの残る部分を、反射平行ビームが入射平行ビームに対してノンゼロ角度で伝搬するように、各面で鏡面反射する。【選択図】図１
2014517522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ出力を有する可変レーザ装置であって、
光利得領域を有し、電気信号に応じてファセットを介してコヒーレント放射を生成する固体レーザ媒体と、
前記コヒーレント放射を集光し、平行ビームを生成するレンズと、
反射面および光学フィルタを含む外部キャビティの要素であって、前記反射面は、前記平行ビームを前記レンズおよび前記固体レーザ媒体に向けて反射して戻し、前記光学フィルタは、前記反射面と前記レンズとの間に配置され、かつ、前記固体レーザ媒体の前記光利得領域内に熱可変光透過帯域を有する２つの面を有し、前記平行ビームが前記光学フィルタの各面に入射する外部キャビティと、
を備え、
前記光学フィルタは、
（１）所望の動作波長で入射する前記平行ビームの主たる部分を透過し、
（２）前記光学フィルタの各面に入射する前記平行ビームの残る部分を、反射平行ビームが入射する前記平行ビームに対してノンゼロ角度で伝搬するように、所望の動作波長で鏡面反射する、
可変レーザ装置。
【請求項２】
前記外部キャビティは、前記反射面およびレンズの間の前記外部ザキャビティ内に配置され前記固体レーザ媒体の動作範囲内に熱可変透過帯域を有する第２の光学フィルタをさらに有し、前記第２の光学フィルタは、
（１）所望の動作波長で前記平行ビームの第２の主たる部分を透過し、
（２）前記第２の光学フィルタの各面に入射する前記平行ビームの第２の残る部分を、反射平行ビームが入射する前記平行ビームに対してある角度をなして伝搬するように、鏡面反射し、
（３）第１の波長において上記第１の光学フィルタと同じ帯域で放射を透過し、前記第１の光学フィルタの第２の波長において透過を遮る、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項３】
前記第１および前記第２の光学フィルタはエタロンであり、各フィルタは異なる自由スペクトル領域を有し、可変バーニアフィルタとして動作して可変レーザを生成するよう構成される、請求項２に記載の可変レーザ装置。
【請求項４】
前記反射面が部分的に透過してレーザ出力を生成する、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項５】
鏡面反射される平行ビームが前記レーザ出力である、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項６】
鏡面反射される平行ビームの出力が前記光学フィルタの熱調整に応じて変化する、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項７】
レーザ出力が、前記光学フィルタの熱調整に応じて、前記鏡面反射される平行ビームの出力よりもゆっくりと変化する、請求項６に記載の可変レーザ装置。
【請求項８】
鏡面反射される平行ビームが参照信号として用いられる、請求項６に記載の可変レーザ装置。
【請求項９】
前記可変フィルタおよび反射面は光学的に透明な共通基板に組み合わせられる、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１０】
前記可変フィルタおよび反射面は共通基板に組み合わせられ、前記共通基板は前記平行ビームを透過する開口部を有する、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１１】
前記鏡面反射される平行ビームの出力は、前記レーザ出力と反比例の関係にある、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１２】
前記レーザ利得媒質、レンズ、光学フィルタ、および反射面は、温度安定化した熱伝導性基板に搭載されている、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１３】
前記可変フィルタおよびレンズは組み合わせられて単一アセンブリを形成する、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１４】
前記光学フィルタの熱可変透過領域の空間的直径は、前記可変光学フィルタの所望の動作波長において、前記平行ビームの１／ｅ２直径よりも少なくとも２２％小さい、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１５】
前記可変透過領域は前記可変レーザ装置の全動作の波長で同時に透過性を有する領域を含む、請求項１４に記載の可変レーザ装置。
【請求項１６】
前記光学フィルタは、自由スペクトル領域が前記固体レーザ媒体の光利得領域の波長幅を超えるエタロンである、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１７】
前記光学フィルタはエタロンであり、前記固体レーザ媒体の光利得領域は利得の高い領域間に分散する利得の低い波長領域を有し、前記利得の低い領域は前記エタロンの光通過帯域に対応する、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１８】
前記熱可変透過帯域の波長が、前記平行ビームの吸収の結果、変化する、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１９】
前記光学フィルタの温度を前記平行ビームの吸収に応じて変化させる制御回路をさらに含む、請求項１８に記載の可変レーザ装置。
【請求項２０】
前記光学フィルタはエタロンであり、
前記可変レーザ装置はさらに断熱化エタロンを含み、前記光学フィルタエタロンの自由スペクトル領域は前記断熱化エタロンの自由スペクトル領域よりも少ない、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項２１】
前記レーザ出力を機械的に調整させる光格子をさらに含む、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項２２】
前記光学フィルタの温度を変化させることにより一定のレーザ出力を維持する制御電子機器およびレーザ出力検出器をさらに含む、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項２３】
前記鏡面反射される平行ビームの出力を変化させることにより一定のレーザ出力を維持する制御電子機器およびレーザ出力検出器をさらに含む、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項２４】
前記レーザ出力は第１の所望の連続波動作波長であり、前記電気信号はパルス発振して前記レーザ装置を第２の所望の連続波動作波長に調整させる、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
入力パラメータに応じて光透過率を変更可能な可変光学素子は、光学分野において多くの用途に有用である。一例として、そのエアギャップひいては光通過帯域を電気信号に応じて変化させることができる圧電変換器を有するエアギャップエタロンがある。別の例としては、シリコンの屈折率の温度依存性により、通過帯域がエタロンの温度に応じて変化するシリコンエタロンがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
量子カスケードレーザ（装置）（ＱＣＬ）は、分子分光学の分野において多大な注目を集める、３〜１３ｕｍの範囲の波長を含む赤外波長でのレーザ発振を実現するユニポーラ固体レーザ（装置）である。ＱＣＬには、分布帰還型（ＤＦＢ）やファブリ・ペロー（ＦＰ）レーザ（装置）など、様々な構成のものがある。各種の分光学の利用においてとりわけ注目されるのが可変レーザ（装置）であり、これは動作パラメータの調整により様々な波長でのレーザ発振を実現することができる。調整可能なパラメータには、レーザ（装置）の動作温度やレーザ駆動電流がある。通常、ＤＦＢまたはＦＰ構成のレーザ（装置）では、このような調整による波長調整範囲がきわめて制限されている。いずれの場合でも、レーザキャビティがＱＣＬレーザ媒体内に限定されるためである。ただし、ＱＣＬ媒体の外部にレーザキャビティが広がる外部キャビティ装置には、この制限がない。レーザ（装置）の利得媒質によってサポートされる場合、格子またはそのほかの波長選択素子を用いることにより、中心波長の２０％を上回る比較的広い調整範囲を実現することができる。利得領域の広さは、バックグラウンド識別の向上に役立つため、単一レーザ（装置）での複数の対象となる材料（気体、液体、および固体）の吸収線検出能力とともに、分子分光学において特に魅力的なＱＣＬの特徴の１つである。よって、波長選択素子を用いて複数の波長にレーザ（装置）を調整する方法は、特に、医療、産業、環境、軍事、バイオ技術市場を包含する用途において低コスト製造および環境安定性を追求する人々にとって、注目の的である。以下の開示では、熱光学可変フィルタの複数の実施形態、および波長選択デバイスとして１つ以上の熱光学可変フィルタを備える熱光学可変レーザ（装置）の複数の実施形態を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一実施形態において、外部キャビティレーザ（装置）は、レーザ（装置）の外部キャビティ内に、量子カスケードレーザ（装置）（ＱＣＬ）と、１つ以上の熱光学可変（ＴＯＴ）フィルタとを備える。上記フィルタは、マイクロマシニング（ＭＥＭＳ）加工技術を用いて製造され、少なくとも１つの熱光学材料を含む１つ以上の光学キャビティと、屈折率の異なる実際には熱光学的であってもなくてもよい少なくとも２つの材料からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラーとを備える。本明細書において、熱光学材料とは、温度によって変化する光学特性（例えば、ｎ値またはｋ値）が少なくとも１つ存在する材料を指す。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
上記およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示すように、以下の本発明の具体的な実施形態の説明を参照することにより明らかとなる。同図面において、同じ参照番号は同じ要素を示すものである。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の各種の実施形態の原理を示すことを重視するものである。
【０００５】
【図１】図１は、レーザシステムのブロック図である。
【図２】図２は、  波長依存の透過ピークの図である。
【図３】図３は、  波長依存の透過ピークの図である。
【図４】図４は、熱光学フィルタの細部を示すレーザシステムの模式図である。
【図５】図５は、熱光学フィルタの細部を示すレーザシステムの模式図である。
【図６】図６は、フィルタ構造の模式図である。
【図７】図７は、フィルタ構造の模式図である。
【図８】図８は、フィルタ構造のＭＥＭＳ構成を示す図である。
【図９】図９は、フィルタ構造のＭＥＭＳ構成を示す図である。
【図１０】図１０は、フィルタ構造のＭＥＭＳ構成を示す図である。
【図１１】図１１は、多層薄膜フィルタの模式図である。
【図１２】図１２は、多層薄膜フィルタの模式図である。
【図１３】図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、フィルタ構造の模式図である。
【図１４】図１４は、集積回路構造のレイアウトを示す図である。
【図１５】図１５は、集積回路構造のレイアウトを示す図である。
【図１６】図１６は、ＭＥＭＳに基づくフィルタ構造の製造方法のフロー図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図１８】図１８は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図１９】図１９は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図２０】図２０は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図２１】図２１は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図２２】図２２は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図２３】図２３は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図２４】図２４は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図２５】図２５は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図２６】図２６は、図１６に示す製造方法の別の段階におけるＭＥＭＳワークを示す図である。
【図２７】図２７（ａ）および図２７（ｂ）は、ＴＯＴ−ＱＣＬレーザ（装置）のアクティブフィルタ領域の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
図１に、量子カスケード（ＱＣ）レーザ素子１２と、レンズ４、反射器１４、および熱光学フィルタ１６を含む外部キャビティ要素とを備える可変レーザシステム（装置）１０を示す。動作は、制御部１８によって制御され、制御部１８は、駆動電流をＱＣレーザ１２に与え、ヒータ制御信号を熱光学フィルタ１６に与える。通常、制御部１８は、ユーザまたはシステムからの上位制御入力を含む入力、およびレーザ（装置）の動作からのフィードバック（ＦＢ）に応じて動作する。このフィードバックは、例えば、測定レーザ出力、波長または空間モード、レーザまたは外部キャビティ要素（単数または複数）の動作温度、およびレーザ駆動電流を示すことができる。制御部は、当該技術分野において知られるように、脈波または連続波（ＣＷ）動作でレーザ（装置）を動作させてもよい。また、制御部は、レーザシステム（装置）の調整を支援するために、連続波動作では１つ以上の所望の幅および振幅の単一パルスを生成してもよい。反射器１４は、レーザキャビティの一方の端部を構成する。図に示す実施形態において、反射器１４は部分的に透過性であり、反射器１４を通過した光がレーザ出力となる。別の実施形態において（不図示）、反射器は完全に光を反射してもよく、レーザ出力はＱＣレーザ素子１２のファセットで直接生成される。ＱＣレーザ素子１２は、反射器１４およびフィルタ１６を含むレーザキャビティ全体を形成するよう構成されるＱＣレーザ利得媒質を含み、よっていくつかの実施形態では、キャビティの他方の境界を構成する独立したファセット反射器（図１には図示せず）が設けられる。一般に知られるように、当該技術分野において、ＱＣレーザ素子１２は、光利得を得ることができ、比較的広い波長の範囲（「利得領域」と呼ばれる）にわたってレーザ（装置）の動作をサポートすることができる。熱光学フィルタ１６は、特定波長のレーザ（装置）の動作を実現する熱可変波長セレクタである。この動作波長の選択は、後でより詳細に説明するように、粗要素および微小要素の両方を有することができる。
【０００７】
図２および図３に、２つの異なる手法による図１のレーザシステム（装置）の構成を示す。縦方向の矢印は、波長に応じた熱光学フィルタ１６の透過のピークを表す。後でより詳細に説明するように、透過ピークの周期的な側面は、ある種の薄膜光学フィルタを特徴づける。また、ＱＣレーザ１２の利得対波長特性を表す「利得曲線」１９を示す。図２は、ＱＣレーザ１２の利得領域がλ０で示す波長における透過ピークのみに重なる場合を示す。この限定された重なりは、ＱＣレーザ素子１２および熱光学フィルタ１６を適切な構成とすることにより実現することができ、粗い波長選択の例である。レーザシステム（装置）は、この単一の重複透過ピークである波長λ０でのみ動作する。後でより詳細に説明するように、λ０の厳密な値は、動作中、動作波長の細かい選択を行う熱光学フィルタの温度を調整することにより変化可能である。
【０００８】
図３は、ＱＣレーザ１２の利得領域が１つの光学フィルタ素子の複数の透過ピークに重なる、もう１つの手法を示す。この場合、熱光学フィルタ１６は、２個の独立した素子を含む。一方は透過ピークのパターンが第１の周期性を示し、もう一方は透過ピークのパターンが第２の、通常は異なる周期性を示す。図３に、この２つのパターンを、それぞれ実線矢印および破線矢印で示す。この場合、連続波動作下でのレーザ発振は、２つの素子の透過ピークが重なる波長（単数または複数）、たとえば図に示すようにλ０においてのみ発生する。パルスモード動作では、レーザ発振は、通常、重複量によって増減するが、十分に重複した波長で発生する。このフィルタ素子の一方または両方が、熱的に制御されて、波長の微小選択動作が実現する。
【０００９】
図３は、一対のフィルタがＱＣレーザキャビティ内で調整されて、例えばガス検知などにおいて用いることができるスペクトル的に変化するレーザ出力を生成する様子を示す。２つのフィルタは、このフィルタの一方または両方の温度を制御することにより両フィルタにおいて動作波長の高い透過率を実現するよう、分光透過率がわずかに異なるよう設計されている。フィルタの種類によっては、これはバーニア調整とも呼ばれ、フィルタは、所望の光帯域通過および全調整範囲特性を実現するために、自由スペクトル領域がわずかに異なるエタロン型のフィルタであってもよい。
【００１０】
上記の原理を取り入れたレーザ（装置）は、複数の気体の検知に特に都合がよい。格子調整したレーザ（装置）の連続調整、または機械的なスイッチドフィルタの機械的複雑性のかわりに、これらの熱光学フィルタは、高速熱応答性を目的として設計されたフィルタの９０％または９９％を超えるデューティサイクル（対象となる測定波長における繰り返し期間の％）で１つの目標波長から別の目標波長へ遷移するよう構成されてもよい。３つの透過ピークを選択可能な複合フィルタの構成については、２つの対象ガスラインおよび参照波長が、すべて高デューティサイクルに含められてもよい。
【００１１】
図２および図３は、それぞれ、１つまたは２つのフィルタ素子を利用する場合のものであるが、２つ以上のフィルタ素子、またはフィルタとそのほかのスペクトル的識別装置（例えば、回折格子）の組み合わせを用いてもよい。全体として、厳密な構成は、ＱＣレーザ１２の波長特性、フィルタ素子の総合的なスペクトル特性、および特定の用途におけるレーザ出力の必要条件に依存するものである。
【００１２】
図４および図５に、フィルタ素子を１つだけ使用する場合と２つ使用する場合の、両方のタイプの構成例を示す。いずれの場合にも、ＱＣレーザ１２は、高反射（ＨＲ）背面コーティング２０と、反射防止（ＡＲ）前面コーティング２２とを備えている。ＨＲ背面コーティング２０および反射器１４は、レーザキャビティの境界を規定する。反射器１４は、レーザビーム信号を出力結合するために、部分的に透過性であり、この信号はレンズ２４の作用によってコリメートされている。図４では一枚の薄膜フィルタ素子２６が図１のフィルタ１６を形成し、図５では、上述において図３を参照して説明したように、一対の薄膜フィルタ素子３０，３２によって形成されている。いずれの場合でも、薄膜フィルタ素子２６，３０，３２は、光軸から離れる方向にわずかに傾斜して反射光をキャビティの外に向けることが好ましい（以下で説明する図６および図７参照）。光学的に透明な楔状の基板２８，３４，３６によって、薄膜フィルタ素子２６，３０，３２および反射器１４の望ましい間隔と望ましい向きを維持してもよい。一般に、１ミリメートルよりもずっと小さなレーザファセット口径、および直径数ミリメートル程度の光ビームの場合、この目的を実現するためには、数度ほどオフノーマル（例えば、１０度未満）な入射角で十分である。例えば、４０度よりもずっと大きな角度である場合には、フィルタ性能が低下、特にフィルタ帯域通過が拡大するおそれがある。
【００１３】
本レーザシステム（装置）は、熱伝導性基板および熱電（ＴＥ）冷却器（いずれも不図示）の上に搭載されており、ＱＣレーザ１２およびフィルタ１６はいずれも制御部１８に電気的に接続されており、必要に応じて各装置との間で電気制御信号を送受する。フィルタ１６に与えられる信号は、通常、所望の温度（よって、光透過率）を長時間実現するために制御される。本レーザシステム（装置）は、密封されたパッケージ（例えば、「バタフライ」型またはＴＯ型パッケージ）に収容してもよく、１つ以上の透過性のある窓を備えてレーザパッケージから光信号を出力することができるようにしてもよい。
【００１４】
本実施形態では素子としてＱＣレーザ１２を開示しているが、電磁スペクトル（例えば、可視スペクトル、近赤外スペクトル、および遠赤外スペクトル）の利得領域の範囲内における複数の波長でのレーザ発振をサポートすることのできるそのほかのタイプのレーザを代わりに用いることもできる。どの用途においても、これに対応する外部キャビティの構成および対象波長用の光学材料の選択肢が存在する。
【００１５】
一実施形態において、フィルタ（例えば、２６）で反射された反射光は、レーザ（装置）からの出力信号を与えるために用いてもよい。このフィルタは、所望の出力レベルの出力信号を与えるための反射率を実現するよう構成されてもよい。この反射光は、レーザ（装置）からの一次出力信号（すなわち、反射器１４またはそのほかの光学素子からの出力結合）であってもよく、レーザ（装置）の動作特性（例えば、出力や波長）をモニタするために用いられる二次出力信号であってもよい。また、二次信号は、レーザ（装置）またはフィルタ制御信号用の制御ループ（例えば、図１に示すフィードバックＦＢ）の一部として用いてもよい。平行ビームがフィルタに入射するたびに反射光が生成されるため、フィルタ素子それぞれに２つずつ反射出力信号を生成してもよい。反射光は、可変レーザシステム（装置）の特定の機械的定数を満たすために、キャビティ内の別の素子（例えば、反射器１４）で反射させてもよい。
【００１６】
システム（装置）の動作中、入射および反射平行ビームはいずれも、所望の動作波長となる。フィルタに入射して反射される平行ビームの割合はＴＯＴフィルタの調整に応じて変化してもよく、一例として、反射平行ビームが増加し、これによってキャビティ内損失を高め、部分的に透過性であるミラー１４を介して結合される出力光の出力を低減するようにしてもよい。ＴＯＴフィルタの透過機能は、反射平行ビームの出力の割合変化が、例えば部分的に透過性の反射器１４を通してキャビティの外で直接結合したレーザ（装置）の出力よりも大きな割合で変化するよう構成されてもよい。この変化割合の上昇は、システム（装置）の制御のためのフィードバック信号を与えるために有利である。
【００１７】
反射平行ビームは、そのほかのタイプのフィードバック信号を生成するために用いてもよい。反射平行ビームの出力は、外部キャビティ内の損失機構を表し、レーザ効率の要素である。例えば、２つのＴＯＴフィルタの透過ピークのずれや、ＴＯＴフィルタのピーク波長と異なる波長でＴＯＴ−ＱＣＬレーザ（装置）が動作することにより、動作波長でのＴＯＴフィルタの透過が減少すると、反射平行ビームに含まれる出力（およびキャビティ損失）が増加する。出力に対する反射ビームの出力の割合を最小限に抑えて、レーザ（装置）を動作させることが望ましい。よって、ＱＣＬへの電力が変化する、またはＴＯＴ−ＱＣＬ波長が変化するため、出力に対する反射平行ビーム出力の割合を、ＴＯＴ−ＱＣＬ制御部へのフィードバック信号として用いることができる。
【００１８】
図５を参照すると、あるフィルタ（例えば、３０）が固定され（すなわち熱可変ではなく）、別のフィルタ（例えば、３２）も固定されている場合、スペクトル範囲は連続しないかもしれない。しかしながら、フィルタ３０，３２の両方が調整可能である場合、連続するスペクトル範囲を実現することができる。
【００１９】
図６は、反射器１４が光軸に垂直でレーザ利得媒質（ＱＣレーザ１２）に反射光を返すミラー反射面を有し、レーザ光軸に対して可変フィルタ２６の角度を変える楔状基板２８を用いてフィルタ２６と同じ構造に結合されている実施形態を示す。また、図６は、フィルタ２６の片側からの上記反射光２７を示している。
【００２０】
図７は、薄膜フィルタ３０，３２が、熱伝導性のある光学的に透明な共通基板４０（例えば、シリコンまたはゲルマニウム）の両面それぞれに結合されている別の実施形態を示す。好ましくは、薄膜フィルタ３０，３２は、反射光をフィルタ３０，３２から外部キャビティの外へそらす、楔状またはそのほかの傾きのある面に、結合されている。別の実施形態において、熱伝導性の共通基板４０は、レーザ光が穴にかかった両面のフィルタの間を通る「ドーナツホール」を有する場合には、光学的に透明である必要はない。このようにして、熱伝導性および／または導電性材料―アルミニウムなどの金属またはＡｌ２Ｏ３などのセラミック―を基板として用いることができる。その後、共通基板は、基板の温度を制御するＴＥ冷却器に取り付けてもよく、または外部キャビティに断熱化された光学プラットフォームを設けてもよい。また、このＴＥ冷却器は、同時にレーザ（装置）の温度制御の支援を行うためにＱＣレーザ１２に取り付けてもよい。また、２つ以上のフィルタを１つの装置に積層し、フィルタと楔状基板とを層の「サンドイッチ」に結合してもよい。
【００２１】
より具体的には、図７において、２つの薄膜フィルタ３０，３２が、通常、１つ以上の高熱伝導性の金属、セラミック、または半導体材料によって構成される共通土台４２に構造的に結合されている。この構造には、（動作波長を決定するための）基準自由スペクトル領域を形成する、または熱光学可変ＱＣレーザ（ＴＯＴ−ＱＣＬ）システム（装置）の安定性を向上させる縦モードを優先的に行うエタロンが含まれる。材料支持アーム４０を規定するエタロンは、エタロンの一方の反射面を形成する適切な光反射コーティングを有する一面と、フィルタ３０，３２の一方の熱的機械的支持構造を構成する第２の面を有する。エタロンキャビティ４４は、エアギャップまたはエタロンを規定する材料とは異なる屈折率を有する材料であってもよい。フィルタ３０，３２は光軸に対して傾いており、エタロンは光軸に直交している。エタロンがエアギャップ型である場合には、ギャップは真空であってもよいし、波長較正およびシステム（装置）の安定性の維持に有用である参照波長でのスペクトル吸収を行う気体が充填されていてもよい。支持アーム４０は、楔状であり、光ビームがスネルの法則に従って偏位しないように、可変フィルタ３０，３２が並行、または光軸に対して任意の非垂直の角度をとる、または光軸に対して同じ正負の角度をとるよう構成されてもよい。両方の支持アームを保持するキャリア４２は、部分的に透過性の出力結合ミラー１４を保持してもよく、これにより可変フィルタ、エタロン（任意）、およびミラーを光学的配列に保持する。別の態様において、レンズはキャリアに搭載されてもよく、これによってレーザ（装置）に整合する単一アセンブリおよび単一の断熱化されたアセンブリを形成する。
【００２２】
別の実施形態では、熱光学フィルタをレンズ２４などのレンズの表面、またはレンズの曲面に接着可能なフレキシブル基板に蒸着させてもよい。
【００２３】
図８〜図１０に、可変フィルタ実施形態の全体構造を示す。図に示す実施形態において、光学フィルタ素子は、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）および半導体処理技術を用いて、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ上に製造される。図８は、光学フィルタ素子５２の温度を変化させるための光透過性のある抵抗シートヒータ５０が、光学フィルタ素子５２の外部の１つ以上の層に含まれている一実施形態を示す。また、シリコン「ハンドル」５４（例えば、シリコン基板）、ヒータ電気接点５６、および埋没酸化物（ＢＯＸ）層５８によってハンドル５４から分離されたリード線（不図示）を示す。図９〜図１０は、光透過性のある抵抗ヒータ６０（例えば、低ドープ結晶シリコンまたはゲルマニウム）がフィルタの熱光学キャビティ層（単数または複数）に含まれている実施形態の一態様を示す。また、図１０に、光学フィルタ素子５２のＤＢＲミラー６２を示す。別の実施形態（不図示）において、光学的に不透明なヒータ（例えば、メタルリングヒータ）が、フィルタ素子を取り囲んで形成される。抵抗ヒータとして用いることのできる光透過性のある材料には、シリコン、ゲルマニウム、およびこれらの合金などがあるが、これに限らない。別の実施形態（不図示）において、フィルタ素子５２は、熱光学キャビティの形成に適した厚みを有し、その上面および下面に蒸着させたＤＢＲミラーを含むＳＯＩデバイス層を含む。この光学的積層構造は、ＢＯＸ層を含むよう構成されてもよい。
【００２４】
図１１および図１２に、マルチキャビティフィルタの２つの例を示す。マルチキャビティフィルタは、第１の材料の奇数個の四分の一波長（ＱＷ）熱光学キャビティ層を用いて形成され、この四分の一波長（ＱＷ）熱光学キャビティ層は、屈折率の異なる第２の材料の偶数個のＱＷスペーサ層によって分離され、またＤＢＲミラーに取り囲まれている。図１１は、「３２２２３トリプルピーク」と呼ばれるキャビティが３個の構成を示し、図１２は、「４２２４ダブルピーク」と呼ばれるキャビティが２個の構成を示す。共に調整を行うよう動作するフィルタ対または単キャビティエタロンには、キャビティ層もしくはスペーサ層、または特定のフィルタ様式においてはその両方の厚みを変化させることにより実現される、透過ピーク間の間隔が異なるフィルタを設けることが望ましい。特定の用途において求められるキャビティの構成および数は、多数の設計パラメータに依存し、このパラメータには、分解する波長の数、所望のレーザ（装置）の出力特性、キャビティおよびＤＢＲミラーに用いられる材料、ＤＢＲミラー対の数、およびフィルタの光学的・機械的・熱的設計要件などがある。上記の層は、業界標準の蒸着技術（蒸着対象の材料に応じて、例えば、ＰＥＣＶＤ、ＩＢＳ、電子ビームなど）により基板に蒸着させることができる。
【００２５】
図１１に示すようなトリプルキャビティ構成は、離散的な３つの波長の測定に用いることができ、これはＮＯおよびＮＯ２気体種類の検出に有用である。もう１つのトリプルキャビティ構成では、２ミラー対・トリプル４ＱＷキャビティ・３ＱＷスペーサ構成を用いる。高指数層および低指数層それぞれに用いられる材料は、例えば、非晶質シリコンおよびＴａ２Ｏ５であるが、これに限らない。また、ミラー対に用いられる高指数層および低指数層は、いずれも、誘電材料ではない材料で形成することができる。実際には、対象波長における指数が異なるならば、これらはいずれも半導体（例えば、シリコンおよびゲルマニウム）であってもよい。１０−３という低い吸光係数であっても、実質的に光共鳴構造内のフィルタ伝送損失につながるため、対象波長に対応する材料の選択には注意が必要である。
【００２６】
フィルタの加熱と冷却に関連する熱時定数は、フィルタとその周囲との間の熱伝導率およびフィルタの有効熱質量によって決定される。熱的にその周囲から分離されたフィルタ（例えば、マイクロボロメータ構造を参照）は、フィルタ温度の変化に必要な出力が低いだけでなく、フィルタの応答時間を低減する。同様に、通常は、フィルタ厚が大きいほどフィルタの熱質量が増え応答時間が短くなる（すなわち、時定数が長くなる）。
【００２７】
このフィルタは、ヒータ素子および温度センサ素子の少なくとも１つを含む。１つ以上のヒータを１つのフィルタ素子で用いてもよい。これにより、フィルタの平均温度の制御とは別に、フィルタ全体にわたる温度勾配を意図的に形成し補償することができるという効果がある。
【００２８】
このヒータはパターン形成された金属からなってもよく、温度センサ素子（例えば、ＲＴＤ）はパターン形成された金属からなってもよく、パターニングによって所望の電気的・熱的特性を与えることができる。パターニングは、フォトリソグラフィーまたはシャドウマスクなどの技術を用いて実現されてもよい。ヒータ材料として、蒸着したＰｔ、Ｎｉ、Ｃｒを用いてもよい。これらの材料は光学的に不透明であるため、ビーム経路外でパターン形成されることになる。
【００２９】
また、ヒータは、半導体材料（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ）の拡散ドーピングによって形成されてもよい。抵抗器パターンとしては、リングヒータ、蛇行ヒータ、またはシートヒータがあるが、これに限らない。
【００３０】
ヒータおよび温度センサは、フィルタを所望の温度に設定するために制御ループで長時間用いられてもよい。動作の一態様において、温度は、特定温度に長時間維持されてもよい。動作の別の態様において、温度は、上昇後、冷却または沈降期間が続いてもよい。別の実施形態において、フィルタと熱的に結合されたＴＥ冷却器は、フィルタの温度を気温より低くする、またはフィルタの冷却サイクルを加速するために用いられてもよい。
【００３１】
動作中、ＴＯＴフィルタは、アクティブフィルタ素子全体（すなわち、フィルタの、調整可能な透過性があり、レーザビームと光学的に相互作用する部分）の温度勾配を感じることができる。一例では、フィルタおよびシートヒータは、四面すべてが熱的に取り付けられた（すなわち、ヒートシンクに接地された）薄い熱絶縁膜上に幅広のストリップとして規定される（例えば、ＢＯＸ層５８がヒータ５０の下方に広がる図８）。ピーク透過波長がフィルタ面全体、すなわちフィルタに入射する平行ビーム全体にわたって変化するため、フィルタ温度勾配は、スペクトル帯域通過を広げ、フィルタの平均伝送損失を増加させることができる。温度勾配は、フィルタの機械的設計および熱的分離構造、熱伝導性パスの量と物理的位置、フィルタ内のレーザビームの吸収熱、温度センサの加熱、ならびにヒータによって誘発される不均一性などの、複数の原因によって生じる。一実施形態において、ヒータまたは熱的分離領域の形状および抵抗率は、レーザ吸収などのほかの原因によって誘発される不均一性を低減するよう構成されてもよい。例えば、フィルタを取り囲むまたは熱分離膜上のフィルタ全体に埋め込まれたヒータは、抵抗率またはパターン密度が異なる複数の領域を有し、熱的分離構造内の不均一な熱損失を弱めるような形で不均一な加熱を膜に対して行ってもよい。同様に、フィルタの一面と接触する透明なヒータは、レーザ光を吸収することによってフィルタの過熱を弱めるように、厚みまたは物理的配置またはパターニングが不均一に構成されてもよい。また、平行ビームも、非対称ビーム、ガウスビーム形状、または複数の横空間モードの存在に起因するように、事実上不均一であってよい。ヒータは、このような平行ビームの結果起こりうる不均一な吸収熱による温度勾配を低減するような形状であってもよい。
【００３２】
加えて、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、熱不均一性を弱めて必要とされるフィルタ光学特性を維持するような形で、フィルタ透過率がフィルタ表面全体にわたって空間的に（すなわち、光軸に垂直に）変化するように構成されてもよい。例として、フィルタ中央部により高い温度（すなわち、より長い波長）が集中しやすい熱不均一性は、フィルタ中央部がフィルタの端部に比べてわずかに薄く（波長が短く）なるよう、意図的に膜を蒸着させることにより補償することができる。図１３（ａ）および図１３（ｂ）（原寸に比例せず）に、熱光学キャビティ６２およびＤＢＲミラー対６２をキャビティ６２の上面および下面に有する、空間的に変化するフィルタ５２の実施形態を示す。図１３（ａ）において、空間的変化は、キャビティ６２の厚みにおける一連の離散的な段である。図１３（ｂ）おいて、空間的変化は、キャビティ６２の厚みの連続変化である。これは、当該技術分野において知られる、フォトリソグラフィー技術によるフォトレジスト現像（例えば、エッチング速度に空間的変化を生じさせるための部分的なフォトレジスト現像）、エッチング、蒸着、およびマスキング技術を用いて実現することができる。図１３（ａ）のフィルタの離散的な厚みの段は、フィルタを透過しこれに反射する光を変化させる回折格子として作用することができる。この段の大きさ、間隔、および形状（例えば、矩形、円形、など）は、ＴＯＴ−ＱＣＬ内の非熱的な光学可変素子または格子として特定の波長の光を分散させるよう構成することができる。
【００３３】
図１４および図１５に、ボンディングパッド７０と、金属製の接続線７２と、パターン形成された熱的分離脚部８０およびヒータ７４を有する熱的分離プラットフォーム８２を有する熱的分離領域７８と、２つの４点測定抵抗温度検出器（ＲＴＤ）または温度センサ（不図示）と、熱光学フィルタ領域７６とを備えるＴＯＴフィルタレイアウトの例を示す。この態様において、レイアウトは対称であって、ヒータのリード、ＲＴＤ温度センサ、およびボンディングパッドからの熱伝導による温度勾配を低減する。別の実施形態において、熱的分離領域は、パターン形成されていなくてもよく、１つ以上の材料の固体シートであってもよい。別の実施形態において、熱的分離領域７８は、熱光学フィルタ領域７６の熱的分離を変化させるために、形状の異なる分離脚部８０によってパターン形成されてもよく、これによってフィルタの一時的な反応およびヒータに必要とされる出力を変化させて、フィルタ温度を任意に変化させる。図１５に、リングヒータ７４および勾配ヒータ８４を有する熱的分離プラットフォーム８２の別の実施形態を示す（わかりやすくするために接続リードは７２省略している）。以下に説明するように、勾配ヒータ８２は、熱光学フィルタ領域７６における温度勾配の増減に有利である。
【００３４】
続く図から明らかなように、本実施形態において、ヒータ７４は、熱的分離プラットフォーム８２上のフィルタ７６を取り囲む「リング」型ヒータである。同様に、本実施形態において、２つのＲＴＤ型温度センサは、熱的分離プラットフォーム８２上のヒータのすぐ近くに位置している。温度センサの数はこれよりも多くても少なくてもよく、またほかのタイプのセンサを用いることもできる。従来のヒータの実施形態と同様に、リングヒータの代わりに、またはこれに加えて、ヒータは熱光学フィルタ領域７６内に１つ以上の層を有してもよい。また、ヒータは、熱光学フィルタ領域７６の内部または外部に配された光学的に透明な層であってもよい。同様に、温度センサも、所望の特性を有する材料を用いて形成することができる。例えば、適切にドープした、適切な厚さおよび形状のシリコンを温度センサとして用いてもよいし、フィルタミラーまたは四分の一波長キャビティの層を形成する材料としてもよい。
【００３５】
図１６〜図２６に、フィルタキャビティがＳＯＩシリコンウェハのデバイス層によっておおよそ規定される、フィルタの態様の製造プロセスを示す。これは、本明細書に記載のフィルタの態様を製造するための技術を反映したものである。本実施形態において、熱的分離領域はフィルタのミラー層を有し、これによってミラー材料が、熱的分離構造、ならびに光学フィルタ構造およびフィルタ領域上の素子を機械的支持として機能する。また、熱的分離を変化させるために熱的分離領域内の使用するミラー層の数が少ない実施形態や、同様の結果を得るために１つ以上のキャビティ層を使用する実施形態などの、そのほかの実施形態も可能である。図に示す実施形態において、ヒータおよび温度センサのリード線は、熱的分離領域を横切り、パターン形成されて、導電率を許容範囲に保ちつつ熱抵抗を高める。よって、パターン形成されたリードは熱的分離領域を備え、一実施形態においては熱的分離領域のみを備えてもよい。
【００３６】
図１６に示すように、本製造プロセスは、以下のステップを含む。
１．  ステップ８０において、シリコンの表面機械加工を行う。これは、傾きのついた側壁用のＫＯＨの使用と、平坦かつ傷がない場合を除いて、ＬＰＣＶＤ窒化物の除去と再蒸着を含む。図１７〜図１９は、処理の中間段階を示す。
２．  ステップ８２において、表面ヒータの一体化を行う。このステップには、Ｔｉメタライゼーション、およびおおよそ５０ｕｍの傾斜トポロジー上のパターン形成を含む。これを、図２０に示す。
３．  ステップ８４において、表面ミラーの蒸着を行う。これはＳｉＮｘ／ａ−ＳｉまたはＴａ２Ｏ５／ａ−ＳｉまたはＧｅ／Ｓｉであってもよい。このステップには、導体パッドホールのエッチングと、場合によって、より高い熱抵抗のための支持ブリッジの規定が含まれる。これを、図２１に示す。
４．  ステップ８６において、シリコンの背面機械加工を行う。このステップには、ハードベークポリイミドを用いた表面の保護と、その後の窒化物ハードマスク、ＫＯＨ、およびＢＯＥのパターン形成を連続して行うことを含む。これを、図２２〜図２３に示す。
５．  ステップ８８において、背面ミラーの蒸着を行う。これはＳｉＮｘ／ａ−ＳｉまたはＴａ２Ｏ５／ａ−ＳｉまたはＧｅ／Ｓｉであってもよい。図２４に示すように、これはブランケットコートであって、パターン形成されない。
６．  ステップ９０において、プロセスを完了する。通常は、ダイシングおよびそのほかの表面処理工程を含む。これを、図２５〜図２６に示す。このフィルタは、図２６に示すように、一体化することができる。本実施形態において、フィルタダイは、ＭＥＭＳ技術を熟知する者に知られる多くの技術のうち任意のものを用いて、ダイまたはウェハの段階で互いに接合される。
【００３７】
上述のように、熱的分離領域は、フィルタアイランドの所望の熱的分離を得るためにパターン形成されてよい。パターニングの形状は、材料、プロセス、およびレイアウトを考慮して決めることができる。また、この形状は、フィルタアイランド全体にわたる特定の温度プロフィールまたは勾配を得るために、決めてもよい。一実施形態において、ヒータ、レーザビーム、フィルタ熱的分離プラットフォーム、リード線、ボンディングパッド、および熱的分離領域の形状および位置の１つ以上を用いて、フィルタ全体にわたる温度勾配を低減することができる。例えば、一実施形態において、リード線およびボンディングパッドが対称となるように配置されてパターン形成され、よってフィルタアイランド、熱的分離領域、およびフィルタアイランドの反対側の面で熱的分離領域を囲むまたはこれに取り付けられた領域の、温度勾配を低減する。
（詳細および利点）
【００３８】
ＴＯＴ−ＱＣＬレーザ（装置）において、フィルタ素子の光学エリアは、レーザの平行ビームよりも大きい。一実施形態において、フィルタ直径は、ビームの１／ｅ２直径よりも少なくとも２２％大きく（ここで、直径とは、おおむね、ビームの伝播方向に直交する当該ビームの二次元的空間広がりを指し、厳密な円形または対称なビームの断面を意味するものではない）。これは、フィルタの熱均一性の向上に有利である。
【００３９】
図２７に示すＴＯＴ−ＱＣＬレーザ（装置）において、アクティブフィルタ領域のエリア１１０がレーザ１１２のビームのエリアよりも小さく、レーザビームの光路内のフィルタ領域（アクティブフィルタ領域を除く）は光透過率の異なる非可変フィルタ領域１１４である。この非可変フィルタ領域１１４は、帯域における良好な平均光透過率を確保するために、高い透過率を有してもよい。この非可変フィルタ領域１１４は、図２７（ａ）に示すようにフィルタを取り囲んでもよいし、図２７（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて得られる市松模様またはそのほかのパターンでフィルタ内に散在してもよい。一実施形態において、アクティブフィルタエリア１１０は、ビームの１／ｅ２直径（またはそのように内接したエリア）よりも少なくとも２２％小さい。この態様は、フィルタの熱質量の低減、熱均一性の向上、または所望のレベルの波長選択およびキャビティ損失の生成に有利である。別の実施形態において、非可変フィルタ領域は、可変であってもよいが、その可変透過特性はアクティブ領域と異なる。
【００４０】
ＴＯＴフィルタにおいて、キャビティまたはＤＢＲミラーを有する材料の１つ以上が熱伝導性を有し、フィルタ全体にわたる熱均一性、ひいては波長の均一性を向上させる。
【００４１】
ＴＯＴフィルタにおいて、熱伝導性の光学的に透明な材料がフィルタ構造に追加されて、フィルタ全体にわたる熱均一性を向上させる。別の態様では、この材料は、導電性であってもよい。別の態様では、この材料は、部分的に反射するものでもよい。シリコンまたはゲルマニウムを用いることができる。
【００４２】
ＴＯＴ−ＱＣＬレーザ（装置）において、フィルタが、入射光が部分的にしかコリメートされていない、またはコリメートされていない場合に、曲面を用いることにより透過率が上昇またはフィネスが向上されるように構成されている。
【００４３】
ＴＯＴ−ＱＣＬレーザパッケージ、または図２６のバックフィルガスを有する一体化されたフィルタ間間隔２００は、以下の１つ以上の用途に用いることができる。（ｉ）レーザ（装置）の基準信号または較正信号を生成する目的のフィルタとして作用する、（ｉｉ）少なくとも部分的に、レーザ（装置）の出力波長を決定するフィルタとして作用する、（ｉｉｉ）加熱時または冷却時にフィルタの時間応答を変更する。その後、調整速度と入力電力のトレードオフが可能となる。
【００４４】
背面エッチングのエッチング停止部としての埋没酸化物のＳＯＩウェハへの使用において、この埋没酸化物は光学フィルタの光学機械的構成の一部である。
【００４５】
ＱＣレーザのファセットに機械的に取り付けられたＴＯＴフィルタは、屈折率が１以上である材料と光学的に結合可能である。この光学的に結合された材料は、シリコンと比べて熱伝導性が低い材料、またはＱＣＬの光学キャビティに用いられる材料で構成することができる。このフィルタは、ＱＣレーザの発散的な光出力に対応するよう、湾曲、または厚みが変化する。
【００４６】
空間的な厚み勾配を有する形式的には光軸に垂直なＴＯＴフィルタは、以下の１つ以上を補償する：（ｉ）フィルタの温度勾配、（ｉｉ）フィルタに入射する発散または集束ビーム。
【００４７】
空間的な厚み勾配を有する形式的には光軸に垂直なＴＯＴフィルタは、フォトリソグラフィー技術を用いて製造される。厚み勾配は、均一に正または負であってよく（すなわち、フィルタ中心部から端部への厚みの変化が一定である）、または、（例えば、ＭＥＭＳ処理で一般に用いられるような離散的なフォトリソグラフィー・エッチングステップを用いることにより）離散的な正または負の段（ステップ）で変化してもよい。
【００４８】
レーザキャビティ内に熱的に制御される素子を有したＴＯＴ−ＱＣＬは、素子の屈折率が熱的に変化することにより光学キャビティのパス長を変化させる。一実施形態において、熱光学材料の単一層の両面が反射防止コーティングされており、温度、ひいては素子の光路長を変化させるために用いられる一体化したヒータを有する。
【００４９】
ＴＯＴ−ＱＣＬの熱光学フィルタは、フィルタまたは複数のフィルタの温度すなわちその透過率を変化させることにより、レーザ（装置）をオンオフさせてパルスを発生し、または実質的にレーザ出力を変調し、これによりレーザ（装置）に供給される電力を変化させることなくレーザ（装置）のパルス動作または時間変動動作を可能とする。また、この態様を、焦電型赤外検出器などのＡＣ結合検出器用の光変調器として用いることができる。
【００５０】
ＴＯＴ−ＱＣＬの熱光学フィルタにおいて、フィルタの温度とレーザ（装置）への出力とが同期制御されてレーザ（装置）の所望のスペクトル出力を実現する。例えば、パルスモードで動作するレーザ（装置）については、レーザ（装置）の電力をパルス発振し、フィルタの温度を制御することにより、熱フィルタがない場合と比べてレーザ発振の期間が短くなるようにレーザ出力を変調してもよい。また、同様にして、パルス期間中のレーザモードのスペクトル線の幅または数が制御されてもよい。
【００５１】
ＴＯＴ−ＱＣＬにおいて、所望のレーザ出力特性を得られるように、ＱＣＬへの電力またはレーザ（装置）の温度は、ＴＯＴフィルタまたは複数のフィルタの温度に応じて変化する。この出力特性としては、レーザ出力レベル、レーザ（装置）の縦モードまたは横モード、同時レーザモードの数、およびレーザ波長の１つ以上を含んでよい。
【００５２】
ＴＯＴ−ＱＣＬにおいて、所望のレーザ出力特性を得られるように、フィルタへの電力またはフィルタの温度は、レーザ（装置）の温度またはレーザ（装置）の電力に応じて制御される。この出力特性としては、レーザ出力レベル、レーザ（装置）の縦モードまたは横モード、同時レーザモードの数、およびレーザ波長の１つ以上を含んでよい。
【００５３】
ＴＯＴ−ＱＣＬにおいて、ＱＣＬの利得媒質は、（１）スペクトル領域におけるレーザ発振を実現し、ここで１つ以上の対象となる物質が対象となるスペクトル特性を有する。また、（２）レーザ利得媒質の利得プロファイルは、複数の透過ピークを有するＴＯＴフィルタの透過ピークの間隔（例えば、エタロン型フィルタの自由スペクトル領域）よりも狭い。ＴＯＴフィルタピークの１つがレーザ利得窓内に位置する場合、当該１つのＴＯＴフィルタピークのもとにあるレーザモードのみが発振する。このようにして、ＴＯＴ−ＱＣＬにおいて、より少ない数のＴＯＴフィルタを用いることができる。ＱＣＬは、ＴＯＴフィルタ特性に特に一致するよう構成されてもよく、また、それぞれ自由スペクトル領域よりも小さい幅を有しレーザ発振をサポートしない利得の低い領域によって分離された複数の利得領域を有する、対象となる複数のスペクトル領域で動作するよう構成されてもよい。
【００５４】
ＴＯＴ−ＱＣＬにおいて、レーザ光の吸収がＴＯＴフィルタの温度を変化させ、これによりフィルタのピーク透過時の波長および好ましいレーザ発振波長を変化させる。連続波で動作するレーザ（装置）については、ＴＯＴフィルタ透過ピークが第２の波長に移る場合、レーザ（装置）は第１の波長で動作し続け、これによりキャビティ損失が増加しレーザ出力が低減されてもよい。同様に、ＴＯＴフィルタのピークではない波長で連続波動作するレーザ（装置）については、ＴＯＴフィルタ透過ピークが第２の波長に移る場合、レーザ（装置）は第１の波長で動作し続け、これによりキャビティ損失が低減されレーザ出力が増加することになってもよい。
【００５５】
第２のＴＯＴフィルタと合わせたときには、レーザ吸収による第１のＴＯＴフィルタにおける透過波長の変化は、２つのＴＯＴフィルタのピーク透過時の相対的な配列に応じて、レーザ出力を増減させる。例として、一方のＴＯＴフィルタの透過ピーク波長が第２のＴＯＴフィルタの透過ピークの勾配に揃っている場合、第２のフィルタに対する一方のフィルタの透過波長のわずかな変化は、挿入損失、ひいてはレーザ出力の比較的大きな変化につながることがある。この態様は、分光学の用途において、ＣＷ動作またはパルス動作のいずれにおいても、レーザ出力の変調において追加利得を与えるために有用である。本構成の別の態様において、レーザ入力電気信号を変調することができる。ＴＯＴ−ＱＣＬであって、レーザ光の吸収が空間的に不均一な形でＴＯＴフィルタの温度を変化させ、これによりレーザ出力の波長線幅（例えば、縦モードの数）を広げたり狭めたりする。ＱＣＬへの電流（すなわち、電力）を変化させることにより、レーザ出力が変化し、これによって吸収に誘発される線の増減量も変化する。この態様は、分光学の用途において、ＣＷ動作またはパルス動作のいずれにおいても、レーザ中心波長を一定に維持しつつプローブ線幅を変化させるために有用である。本構成の別の態様において、ＴＯＴフィルタ温度は、望ましい透過波長を維持するために、レーザ出力の変化に応じて変化してしてもよい。
【００５６】
ＴＯＴ−ＱＣＬにおいて、ＴＯＴフィルタが、さまざまなＱＣＬ温度、さまざまなＱＣＬ出力レベル、またはさまざまな周囲もしくは環境条件における動作波長を一定に維持するために用いられる。
【００５７】
ＴＯＴ−ＱＣＬにおいて、ＴＯＴフィルタおよび第２の光学フィルタが、さまざまなＱＣＬ温度、さまざまなＱＣＬ出力レベル、さまざまな周囲温度、または環境条件における動作波長を一定に維持するために用いられる。変調されたＱＣＬ出力は、焦電検出器または音響検出器などのＡＣ結合赤外検出器に光信号を与えるために望ましく、またはロックイン増幅器もしくはスペクトル信号処理において行われるように、検出帯域幅を変化させることにより総合感度の向上のために用いられる。
【００５８】
ＴＯＴ−ＱＣＬは、さらに、ＴＯＴフィルタおよび実質的に熱光学係数が低いフィルタという２つのフィルタを含み、これにより第２のフィルタの温度を制御する必要がなくなる。大幅に断熱化された第２のフィルタは、ＱＣＬの利得曲線の範囲に入る利用可能なＴＯＴフィルタ透過ピークの数を制限するために用いることができる。一例として、エアギャップエタロンは、断熱化エタロンとして用いてもよい。
【００５９】
ＴＯＴ−ＱＣＬは、さらに、フィルタと、格子とを含む。機械的動作で調整を行う格子調整外部キャビティＱＣＬの問題は、波長の安定性と再現性を得ることが難しいことにある。格子が広いスペクトル領域での粗調整機能を有し、ＴＯＴフィルタが格子の各機械的位置における微小調整を行う格子およびＴＯＴフィルタにより、波長の安定性と再現性を向上させることができる。ＴＯＴフィルタの調整範囲は、格子のみの構成における、粗調整のステップサイズおよび波長の不確実性または再現性エラーの量を超えるよう構成されることになる。例えば、格子調整ＱＣＬは、経時的な波長の不確実性が０．２ｃｍ−１、ＴＯＴフィルタの調整範囲が０．４ｃｍ−１であってもよい。一実施形態において、フィルタおよび格子は、共通基板に一体化される。
【００６０】
ＴＯＴ−ＱＣＬの別の態様において、フィルタ全体にわたって温度勾配を誘発し、これにより有効フィルタフィネスおよびレーザ線幅を変化させるために、ＴＯＴフィルタの第１のヒータに第２のヒータを加えることができる。第２のヒータへの電力は、一定でも時間的に変化してもよく、これによりフィネスおよび線幅を設定または時間的に変化するフィネスおよび線幅を誘発する。このように、レーザ（装置）の縦モードの数、反射平行ビーム出力、またはレーザ出力は、波長の変化に関わらず、動的に変化することができる。ヒータは、フィルタの片面に沿って、フィルタの一面から他面にかけておおよそ一次元の勾配となるストリップの形をとってもよい。代替的に、ヒータは、フィルタ中央部に配置され、フィルタの中央部から周辺部にかけて放射状の温度勾配を形成する「点」ヒータの形をとってもよい。第１のヒータおよび第２のヒータを、フィネスが変調される際に一定の平均透過波長を維持するよう合わせて制御してもよい。
【００６１】
ＴＯＴ−ＱＣＬの別の態様において、膜フィルタ／エタロンは変形可能であり、レンズとして作用することができる。これは、意図的に行って、外部キャビティを向上または劣化させてレーザ（装置）をオンオフし、中心波長をシフトさせることができる。機械的変形は、熱的に誘発される熱膨張の不整合、または膜全体にわたる圧力差によって得ることができる。
【００６２】
ＴＯＴ−ＱＣＬの別の態様において、レーザ利得領域において複数のスペクトル透過ピークを有する（「マルチピーク」）単一フィルタ素子を、キャビティ内で複数の、隣接しておらず、また波長の連続的な順番ではない、同時レーザ発振モードを選択するために用いてもよい。ラムダ１、ラムダ２、およびラムダ３の波長での同時レーザ発振をサポート可能なレーザ利得媒質については、ラムダ１およびラムダ３での同時レーザ発振をサポートするがラムダ２ではサポートしない単一レーザにおいて有用であり、これは、ラムダ１およびラムダ３の透過ピークを有しラムダ２では有しないＴＯＴフィルタ素子を組み込むことにより実現することができる。波長識別は、干渉フィルタ／ミラーまたは離散的なフィルタを用いることにより、レーザ出力検出器で可能となる。
【００６３】
ＴＯＴ−ＱＣＬの別の態様において、レーザ利得領域において複数のスペクトル透過ピークを有する（「マルチピーク」）ＴＯＴフィルタは、レーザキャビティ内で、ＴＯＴフィルタ温度が一定である、複数の非同時レーザ発振波長を選択するために用いられてもよい。レーザ動作条件の１つ以上の変化を、パルスレーザ（すなわち、レーザがオンオフする）としての動作、パルスデューティサイクルの変化、パルス期間の変化、レーザ出力の変化、またはレーザ（装置）の温度の変化を含む非同時レーザ発振の実現のために用いてもよい。一例として、波長１および波長２の帯域通過を有するマルチピークフィルタ（またはフィルタの組み合わせ）について検討する。波長１での動作中にレーザ（装置）の温度が変化する場合、波長３における異なる波長の動作が誘発されてもよい。しかしながら、レーザキャビティに挿入されたＴＯＴフィルタによって、波長３のレーザ（装置）の動作の優先度は波長２よりも低く、レーザ（装置）は波長２で動作することになる。このように、例えば、特定の参照波長と合わせて特定の気体吸収線を選択するさいに望まれるように、特定の動作波長を優先的に選択または除外してもよい。
【００６４】
マルチピークＴＯＴフィルタは、２つのＴＯＴフィルタを２つの波長の透過特性が等価であるようにバーニア調整することによって実現される。そして、ＴＯＴフィルタ調整の小さな変化によって、またはレーザ（装置）の動作温度または駆動電流の変化などそのほかの動作条件の変化の誘発によって、２つの波長を高速で切り替ることができるようになり、これによりＱＣＬ利得曲線特性を変化させてもよい。ＣＷモードで動作する場合、別の波長におけるより好ましい動作条件の生成にもかかわらず、ＣＷレーザの選択を切って新しい波長への急速な切り替えを支援し、その電流動作波長を維持するためにレーザ電流をパルス発振させることが、好都合である。上述のように、マルチピークフィルタは、異なる種類のフィルタまたはフィルタの組み合わせを用いた３つ以上のピークの可能性を含んでいる。
【００６５】
当業者には、非可変マルチパスフィルタは、新しい波長や動作条件に対して動的に調整する能力がなくても、上記の結果を実現可能であることが認識できるであろう。ただし、可変ＴＯＴフィルタが望ましい。例えば、環境条件（例えば、外部キャビティ温度）またはレーザ利得プロファイル（経年劣化や焼き付きにより生じるような）の変化により、ＴＯＴフィルタは、その通過帯域特性を調整して変化を補償し、所望の動作波長または出力が長時間維持できるよう保証することができる。
【００６６】
ＴＯＴ−ＱＣＬの別の態様において、レーザ利得領域内に複数のスペクトル透過ピークを有する（「マルチピーク」）ＴＯＴフィルタは、フィルタ透過ピークが、ＴＯＴ−ＱＣＬ動作条件（例えば、レーザ出力、パルス期間、出力レベル、または温度）の変化と同時に、またその結果として複数の波長でのレーザ発振を実現するために、レーザ利得波長曲線に一致するように構成されても、またはその逆に構成されてもよい。
【００６７】
多くの産業上の利用においては、レーザ（装置）の安定性は、信頼性のある動作、バックグラウンドスキャンや平均化による信号対雑音の改善、および低維持費を実現するための重要な基準である。よって、レーザシステム（装置）の安定性を向上する技術は重要である。このような技術の１つに、１つ以上の素子のシステム（装置）を構成することにより、環境に対するシステム（装置）の感度やシステム（装置）の乱れを低減することがある。レンズの非熱化は、光学設計におけるこの技術の一例である。
【００６８】
特定の動作条件の小さな変化がレーザ波長（ＥＭ−ＱＣＬ）の変化につながることがないような、特定の縦キャビティモードが高められるＴＯＴ−ＱＣＬを検討する。例えば、縦モードは、ＱＣレーザのファセットへの反射により形成することができる（例えば、光学共鳴またはキャビティモードは、ＱＣＬの両端のファセット反射によってＱＣＬ内に、またはＱＣＬファセットとほかの外部キャビティ内の部分または全反射面との間で形成される）。外部キャビティに対抗するキャビティファセット（表面）の良好な反射防止コーティングは、このモードにおける強度の低減に望ましいが、ファセット面でより大きく反射させることにより強めることもできる。よって、レーザ（装置）は、ますます優先的に、ＱＣＬキャビティモードによりサポートされる波長でのみレーザ発振するようになる。よって、ＴＯＴフィルタが温度を変化させる（または、例えば、キャビティ構造の温度の変化に応じて、光学キャビティの有効長さが変化する）と、レーザ（装置）は、温度変化が別のＱＣＬキャビティモードでの好ましいレーザ発振条件を作り出すのに十分となるまで１つの波長にとどまる。一例として、４．５ｕｍで動作する通常のＱＣＬについて、ＱＣＬモード間隔は１ｎｍであってもよく、縦モードから縦モードへ遷移するためのＴＯＴフィルタ温度の変化は５℃を超えてもよい。よって、ＴＯＴフィルタの温度安定性に対する要求が低くなる。重要な点としては、ＴＯＴフィルタの温度範囲全体にわたる絶対温度の精度も下がるということである。例えば、ＴＯＴフィルタが４００℃〜５００℃の間で動作する場合、５００℃でのキャビティモード間のジャンプには５℃の温度変化が必要となり、システム（装置）は長期的な温度精度を２．５℃に維持するだけでよい。しかしながら、短期的な安定性および長期的な再現性の許容誤差は、独立しておらず、システム（装置）構成において割り当ててトレードオフしなければならない。
【００６９】
ＱＣＬのファセットは、ファセットの反射性を高めるためにコーティングされていなくてもよい。反射率が１％より大きいファセットにコーティングを蒸着させて、縦キャビティモードを高めてもよい。モード選択の（ファセットの反射性を高めることによる）強度と、ＴＯＴフィルタがモード波長から離れる方向に調整させられると起こるレーザ閾値の増加（ＴＯＴフィルタが調整するのでレーザ出力の変化につながりうる）との間には、トレードオフが存在する。
【００７０】
用途によっては、おおよそ１ｎｍの縦間隔が望ましい。その場合、外部キャビティの別の面は、所望の間隔を得るために用いることができる。また、エタロンまたはそのほかのフィルタ構造などのモード形成光学素子を、所望の波長とモード強度を得るために正しい（right）モード間隔および表面反射率を有するキャビティに導入することができる。この光学素子は、所望の温度安定性と再現性を得るために、断熱化されていてもよく、またＴＥ冷却器に搭載されてもよい。モード間隔は、さらに、光軸に対して素子をそろえることにより調整することができ、機械的手段（例えば、圧電ドライバ）によって位置が固定、または動的に調整可能となる。
【００７１】
レーザ（装置）は、複数のモード強化構造を有してもよい。例えば、ＥＣ（外部キャビティ）内にある、上記のレーザチップ、ＥＣ反射（または出力結合）ミラーおよび少なくとも部分的に反射するもう１つの面、およびそのほかの光学面により形成される縦モードがある。ＴＯＴ−ＱＣＬは、様々な波長（すなわち、間隔）で様々な強度の複数のモード形成構造を有するよう構成されてもよい（例えば、図７のエタロンキャビティ４４）。例えば、１組の弱キャビティモードは、比較的良好な反射防止コーティングを有しモード間の波長間隔が狭い面によって形成してもよく（すなわち、厚型低Ｑエタロン）、また第２の組の強キャビティモードは、第１の組よりも大きな波長間隔で形成してもよい（すなわち、低ＡＲファセットコーティング付きＱＣチップ）。第１の組のキャビティモードは、所望のレーザのスペクトル分解を得られる波長で間隔をおいてもよい。第２の組のキャビティモードは、より高い波長、より長期間、環境条件の変化、またはそのほかの理由にわたるレーザ（装置）の較正を容易にする間隔をおいてもよい。よって、モード間隔およびモード強度の様々な組み合わせを想定することができ、これらの組み合わせはそれぞれ、複数のレーザ（装置）の動作条件に対する、所望の波長もしくは出力の再現性、レーザ波長の安定性もしくは間隔、または特定のレベルの出力変調の維持に関して、固有の利点を有する。
【００７２】
上記のＥＭ−ＱＣＬにおいて、レーザ（装置）は、パルス動作またはＣＷ動作で動作してもよい。ＣＷで動作する場合、レーザ（装置）は、ＴＯＴフィルタを用いてレーザ（装置）を調整させるよう任意の波長に「ロック」してもよい。レーザ（装置）は、任意の周波数（および縦モード）に「固定」され、これによりＴＯＴフィルタを、ＴＯＴフィルタ透過率のピークが次の縦モードに揃うポイントを超えて調整させ、隣接する縦モードにおけるレーザ発振波長の変化を実現させる。これは、ＴＯＴフィルタが動作における電流波長の最適波長からいっそう離れて調整するため、閾値出力が増加し、レーザ（装置）からの出力が低減するという問題をさらに有する。この効果を軽減または除去するために、ＣＷモードで動作するレーザ（装置）は、パルス発振を再開するときに、ＴＯＴフィルタおよび縦キャビティモードが最も近接して配列するときの波長でレーザ発振可能とすることによって、パルス発振することができる。
【００７３】
よって、ＣＷ動作でＴＯＴ−ＱＣＬレーザ（装置）を調整させる方法は、以下を含む。
１．  レーザ装置の縦キャビティモードとＴＯＴフィルタ帯域通過が配列する第１のレーザ動作波長を確立する（注意：ＴＯＴフィルタは１つ以上の光学フィルタを備えてもよく、縦キャビティモードはＴＯＴ−ＱＣＬのモード形成面の組み合わせによって形成される有効モードであってもよい）。
２．  ＴＯＴフィルタをレーザ装置の第２の縦モードの波長位置に調整し、当該レーザ装置は、第１の動作波長での発振を継続する。
３．  レーザ装置の第２の縦モードに対応する波長でレーザ装置が発振するよう単一パルスのレーザ電力を低減する。
【００７４】
別の態様では、レーザ装置は、レーザ装置がデータ収集に用いられる時間に比べて、非常に長いデューティサイクル（すなわち、９９．９％フルパワー、１％削減した出力）と短いパルス時間（すなわち、１ｕｓｅｃ）で連続的にパルス発振する。これを、上記のステップ３と置き換えてもよい。
【００７５】
別の態様では、キャビティモードのＴＯＴフィルタ透過ピークへの配列は、ＴＯＴフィルタ波長を変化させてレーザ出力を最大にする方法により決定される。
【００７６】
別の態様では、制御ループが任意のキャビティモード波長での最大出力を維持するために用いられ、この制御は、（１）所望の動作波長の設定、（２）検出器でのレーザ出力のモニタリング、および（３）ＴＯＴフィルタの温度を変更して所望の出力、または出力および波長の結果を得ることによって実現される。
【００７７】
別の態様では、ＴＯＴ−ＱＣＬのレーザ発振波長は、キャビティモード決定素子の温度またはそのほかの動作条件を変更することにより、変化させられる。一例として、キャビティモード決定素子は、ＱＣレーザであってもよく、レーザ（装置）のキャビティモードがＱＣレーザのチップモードであって、少なくとも部分的にはＱＣレーザの長さと温度によって決定される。ＴＯＴフィルタの温度は、キャビティモードの波長およびＴＯＴフィルタを配列状態に維持するために、キャビティモード波長の変化と同時に変化させてもよい。配列状態を維持するために制御ループを用いてもよく、ＴＯＴフィルタまたはキャビティモード決定素子が最大出力を維持するよう調整される。
【００７８】
別の態様では、制御ループは最大出力ではなく一定の出力を維持するよう動作する。これによって、レーザ出力は各波長で一定に維持され、レーザ（装置）が測定データの生成に用いられる。
【００７９】
別の態様では、キャビティモードの波長は、ＱＣレーザへの電流入力を変更することによって変化させられる。制御ループは、レーザ電流が変化する際に、ＴＯＴフィルタの制御を通して一定のレーザ出力を維持するために用いられてもよい。一例として、２つのＴＯＴフィルタの透過ピークの波長を互いに調整することにより、複合フィルタ透過率の中心波長およびＦＷＨＭ帯域通過を制御することができる。別の態様では、制御ループは、ＱＣＬ電流が変化する際に、レーザ（装置）の温度の制御を通して一定のレーザ出力を維持するために用いられてもよい。別の態様では、制御ループは、ＱＣＬレーザの温度が変化する際に、レーザ（装置）の入力電流を制御するために用いられてもよい。
【００８０】
別の実施形態において、ＴＯＴフィルタ（キャビティまたはＤＢＲ材料）内のある光吸収特性は、波長参照を設けるために用いることができる。例えば、非晶質シリコンを含むＴＯＴフィルタは、約５ｕｍの吸収特性を有することで知られる。また、ＴＯＴフィルタは、特定の吸収特性を有する材料で構成されてもよい。例えば、その光学キャビティとしてシリコンを有するＴＯＴフィルタは、調整可能な波長にわたってスイープするため、ＴＯＴ−ＱＣＬの較正用の光学参照として用いることのできる１つ以上の吸収特性を与える不純物でドープされたシリコンを有してもよい（すなわち、フィルタは、吸収波長（単数または複数）において低い透過率を有することになり、非吸収波長に対するレーザ出力の変調につながる）。代替的に、フィルタにコーティングを蒸着させて吸収特性を得てもよい。
【００８１】
また、モード形成光学素子は、システム（装置）内の光学参照として用いられてもよい。
【００８２】
フィルタは、図２６を参照して上述したように、高度に一体化してもよい。本実施形態において、フィルタダイは、ＭＥＭＳ技術を熟知する者に知られる多くの技術のうち任意のものを用いて、ダイまたはウェハの段階で互いに接合される。また、ＭＥＭＳ処理技術を用いることにより、封止または気体がフィルタ間の空間に容易に入り込めるような穴によって解放されたフィルタ間に、ギャップまたはキャビティを形成することができる。封止もしくは排気される（ウェハボンディング技術を用いて容易に可能である）、または既知の気体で再充填されるギャップの形成は、好都合である。この気体の熱伝導率は、窒素よりも高くても低くてもよい。また、この気体のスペクトル吸収が、参照波長において、波長較正およびシステム（装置）の安定性の維持に役に立つものであってもよい。３つ以上のフィルタを積層することも可能であり、形成された空間およびエッチングされたキャビティが熱的に分離されたフィルタ素子間の熱的接触の防止に用いられ、埋没したリードへの電気的接触を可能とする半導体技術が用いられる。その後、単一アセンブリとして接合されたフィルタを、熱伝導性基板または台に熱的に取り付けることができる。
【００８３】
また、ＱＣＬの利得曲線が参照波長を与えるであろう。ＱＣＬ利得曲線は、少なくとも１つのピーク（図２）またはそのほかのスペクトル特性を有し、これはＴＯＴ−ＱＣＬの出力のピークまたはスペクトル特性となる。ＱＣＬの利得曲線は、波長参照として作用する特性を利得曲線内に与えるよう構成されるであろう。ＴＯＴ−ＱＣＬは利得曲線全体にわたって調整されるため、結果として生じるレーザ（装置）の出力スペクトル密度出力を分析して、ＴＯＴ−ＱＣＬフィルタの温度に対する既知のＱＣＬスペクトル特性の位置を判断することができる。このようにしてＴＯＴフィルタ温度対レーザ波長の較正が長時間再較正され、ＴＯＴ−ＱＣＬシステム（装置）のドリフトまたは不安定性を排除する。さらに、スペクトル参照ポイントを、参照較正の精度を高めるために用いることができる。
【００８４】
レーザ（装置）には横モードと縦モードを示すものがあることは周知である。ＱＣＬは、単一横モード（例えば、ＴＥＭ００）を有してもよいし、マルチ横モードを有してもよい。多くの用途では、単一ＴＥＭ００モードが好ましい。しかしながら、構成または製造に起因して、任意のＱＣＬにおいて非ＴＥＭ００動作を行うことがある。外部キャビティのＴＯＴフィルタを、ＱＣＬレーザキャビティへのフィードバックを与えて好適な横動作モードを優先的に選択するために用いてもよい。優先的なフィードバックは、好適な動作モードについてのイントラキャビティ利得を増加させることによって実現することができる。ＴＯＴフィルタは、特定の縦レーザモードの損失を増加させるよう光路に直交する空間的勾配で構成されてもよい。別の態様では、フィルタは、平行ビームがフィルタを通過する際にその一部が遮られるように、ＱＣＬの動作波長で吸収性のあるまたは非透過性の材料によって囲まれていてもよい。
【００８５】
本明細書において説明する実施形態の多くが外部キャビティレーザ（装置）内のイントラキャビティ素子として有用であるが、例えばファブリ・ペローＱＣＬなど、複数波長でのスペクトル出力を有するレーザ（装置）またはそのほかの光源の可変波長選択フィルタとしても有用である。可変フィルタは、光源の１つ以上の対象のスペクトル波長を選択するために用いることができる。
【００８６】
また、ＴＯＴフィルタは、ＱＣＬと合わせて、上述のように複数波長で同時に発光するレーザ光源を形成するために用いてもよい。一例として、上述のように、単一ＴＯＴは、ＴＯＴフィルタの自由スペクトル領域と間隔をおいた複数の通過帯域を有してもよい。ＥＣ−ＱＣＬ可変素子として用いられる場合、レーザ（装置）は、レーザ（装置）が複数の波長の光出力を生成するよう動作することができ、ＴＯＴフィルタ通過帯域および上記閾値レーザ利得曲線が交差する。そして、ＴＯＴフィルタは、ＴＯＴフィルタの各動作ポイントで複数のレーザ出力波長においてではあるが、自由スペクトル領域に調整させられてフルスペクトル範囲を実現する。
【００８７】
この同時波長レーザ光源は、フルゥゲル（Ｐｆｌｕｇｌ）他のスペクトロメータ（米国２０１１／００５８１７６Ａ１）のように、高輝度広帯域光源として用いることができる。ただし、フルゥゲルは、固定広帯域単一光源（例えば、ＦＰレーザ）、または単一光源として作用する複数の狭可変広帯域光源について説明しているが、本明細書では、複数の狭スペクトル発光を同時に行った後に長時間調整可能であり、所望の広帯域スペクトル波長範囲を形成する単一レーザ（装置）について説明している。
【００８８】
干渉計などの波長分散素子と組み合わせる場合、このＴＯＴ−ＱＣＬ同時波長光源は、それぞれ異なる波長で動作する複数のアレイ型ＱＣレーザ（装置）（おそらくスキャニングを用いず、狭ＦＳＲを有する）と同じ、またははるかに広いスペクトル範囲（スキャニングと可変性を用いて）の単一レーザ（装置）を実現する。単一動作波長を実現する２つのＴＯＴフィルタでの動作モードと比較すると、光源と干渉計とを同時に備えることにより、従来（広帯域インコヒーレント光源では）は得られなかった非常に狭い高出力スペクトル線を、同時に干渉計によって測定されるスペクトル波長において形成しつつも、第２のＴＯＴフィルタの必要性が排除される。
【００８９】
干渉計と合わせて用いる場合、同時光源の調整速度は、干渉計のスキャニングよりも遅くても、早くても、またはこれに同期する速度であってもよい。干渉計よりもゆっくりとスキャンする場合には、通常の動作モードは、干渉計スキャンを収集し、光源を新しい動作ポイントに調整させ、これにより新しい同時波長の組を出力したあと、第２の干渉計スキャンを行うことになる。
【００９０】
（新規性を有する態様）
以下に、一桁の番台、１００台、２００台、３００台、４００台、５００台、および６００台の数字で示す、新規性を有する態様の明確な分類の概要を説明する。
【００９１】
１．  レーザ出力を有する可変レーザ装置であって、
光利得領域を有し、電気信号に応じてファセットを介してコヒーレント放射を生成するよう構成される固体レーザ媒体と、
上記コヒーレント放射を集光し、平行ビームを生成するよう構成されるレンズと、
上記平行ビームを上記レンズおよび上記レーザ媒体に反射して戻し、これにより外部レーザキャビティを形成する反射面と、
上記レーザ媒体の上記光利得領域内に熱可変光透過帯域を有する２つの面を有し、上記反射面およびレンズの間の外部レーザキャビティ内に配置される光学フィルタであって、
（１）所望の動作波長で平行ビームを透過し、
（２）上記光学フィルタに入射する平行ビームを、反射される平行ビームが入射する平行ビームに対してある角度をなして伝搬するように、各面で鏡面反射するよう構成される光学フィルタと、
を備える可変レーザ装置。
【００９２】
２．  上記レーザ媒体の動作範囲内に熱可変透過帯域を有し、上記反射面およびレンズの間の外部レーザキャビティ内に配置される第２の光学フィルタをさらに備え、上記第２の光学フィルタは、
（１）所望の動作波長で上記平行ビームを透過し、
（２）上記光学フィルタに入射する平行ビームを、反射される平行ビームが入射する平行ビームに対してある角度をなして伝搬するように、各面で鏡面反射し、
（３）第１の波長において上記第１の光学フィルタと同じ帯域で放射を透過し、第２の波長において透過を遮るよう構成される、上記１の可変レーザ装置。
【００９３】
３．   上記第１および第２の光学フィルタはエタロンであり、各フィルタは異なる自由スペクトル領域を有し、可変バーニアフィルタとして動作して可変レーザを生成するよう構成される、上記２の可変レーザ装置。
【００９４】
４．  上記反射面が部分的に透過してレーザ出力を生成する、上記１の可変レーザ装置。
【００９５】
５．  鏡面反射される平行ビームが上記レーザ出力である、上記１の可変レーザ装置。
【００９６】
６．  鏡面反射される平行ビームの出力が上記光学フィルタの熱調整に応じて変化する、上記１の可変レーザ装置。
【００９７】
７．  鏡面反射される平行ビームが参照信号として用いられる、上記６の可変レーザ装置。
【００９８】
８．  上記可変フィルタおよび反射面は光学的に透明な共通基板に組み合わせられる、記１の可変レーザ装置。
【００９９】
９．  上記可変フィルタおよび反射面は共通基板に組み合わせられ、上記共通基板は上記平行ビームを透過する開口部を有する、上記１の可変レーザ装置。
【０１００】
１０．  上記鏡面反射される平行ビームの出力は、上記レーザ出力と反比例の関係にある、上記１の可変レーザ装置。
【０１０１】
１１．  上記レーザ利得媒質、レンズ、光学フィルタ、および反射面は、温度安定化した熱伝導性基板に搭載されている、上記１の可変レーザ装置。
【０１０２】
１２．  上記可変フィルタおよびレンズは組み合わせられ単一アセンブリを形成する、上記１の可変レーザ装置。
【０１０３】
１３．  上記光学フィルタの熱可変透過領域の空間的直径は、上記可変光学フィルタの所望の動作波長において、上記平行ビームの１／ｅ２直径よりも少なくとも２２％小さい、上記１の可変レーザ装置。
【０１０４】
１４．  上記可変透過領域は上記可変レーザ装置の全動作の波長で同時に透過性を有する領域をさらに含む、上記１３の可変レーザ装置。
【０１０５】
１５．  上記光学フィルタはエタロンであり、上記エタロンの自由スペクトル領域が上記固体レーザ媒体の光利得領域の波長幅を超える、上記１の可変レーザ装置。
【０１０６】
１６．  上記光学フィルタはエタロンであり、上記固体レーザ媒体の光利得領域は利得の高い領域間に分散する利得の低い波長領域を有し、上記利得の低い領域は上記エタロンの光通過帯域に対応する、上記１の可変レーザ装置。
【０１０７】
１７．  上記熱可変透過帯域の波長が、上記平行ビームの吸収の結果、変化する、上記１の可変レーザ装置。
【０１０８】
１８．  上記光学フィルタの温度を上記平行ビームの吸収に応じて変化させる制御回路をさらに含む、上記１７の可変レーザ装置。
【０１０９】
１９．  上記光学フィルタはエタロンであり、
上記可変レーザ装置はさらに断熱化エタロンを含み、上記光学フィルタエタロンの自由スペクトル領域は上記断熱化エタロンの自由スペクトル領域よりも少ない、上記１の可変レーザ装置。
【０１１０】
２０．  上記レーザ出力を機械的に調整させる光格子をさらに含む、上記１の可変レーザ装置。
【０１１１】
２１．  上記光学フィルタの温度を変化させることにより一定のレーザ出力を維持する制御電子機器およびレーザ出力検出器をさらに含む、上記１の可変レーザ装置。
【０１１２】
２２．  上記鏡面反射される平行ビームの出力を変化させることにより一定のレーザ出力を維持する制御電子機器およびレーザ出力検出器をさらに含む、上記１の可変レーザ装置。
【０１１３】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−
１００．  熱可変光学フィルタであって、
熱伝導性基板と、
熱光学材料と、２つの分布ブラッグ反射器とを有し、光伝播方向の厚みが上記熱伝導性基板の厚みよりも薄いフィルタ領域と、
上記基板とフィルタ領域とを接続し、温度勾配を有する熱的分離領域と、
上記フィルタ領域に熱的に接続され、上記基板からは上記熱的分離領域によって熱的に分離された、電気信号に応じて上記フィルタ領域の温度を変化させるパターン形成された薄膜ヒータと、
上記フィルタ領域に熱的に接続されたパターン形成された温度センサと、
上記ヒータに与えられる電気信号に応じて変化する、上記フィルタ領域内の光透過波長と、
上記ヒータ電気信号を制御するよう構成される制御回路と、
を備える熱可変光学フィルタ。
【０１１４】
１０１．  上記薄膜ヒータは光透過性があり、実質的に上記フィルタ領域を覆う、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１１５】
１０２．  上記薄膜ヒータの形状および位置が、上記フィルタ領域における熱不均一性を低減する、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１１６】
１０３．  上記光透過率が好ましい光伝播方向に直交する方向に空間的に変化して、光帯域通過の空間的変化を低減する、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１１７】
１０４．  上記分布ブラッグ反射器が熱伝導層を含む、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１１８】
１０５．  熱伝導性の光学的に透明な導電層をさらに備える、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１１９】
１０６．  上記フィルタ領域が曲面である、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１２０】
１０７．  上記基板が埋没酸化物層を含む、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１２１】
１０８．  上記パターン形成された薄膜ヒータは、上記光透過性領域内で空間的に変化する光帯域通過を形成するようパターン形成される、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１２２】
１０９．  上記パターン形成された薄膜ヒータは、上記光透過性領域内で空間的に変化する光帯域通過を低減するようパターン形成される、上記１００の熱可変フィルタ。
【０１２３】
１１０．  独立制御される第２のヒータをさらに備える、上記１０２の熱可変フィルタ。
【０１２４】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−
２００．  外部キャビティ半導体レーザ装置であって
電気信号に応じて第１のファセットを介してコヒーレント放射を生成するよう構成される固体レーザ媒体と、
上記コヒーレント放射を集光し、平行光線を生成するよう構成されるレンズと、
上記平行ビームを上記レンズおよび上記レーザ媒体に反射して、これにより外部レーザキャビティを形成する反射面と、
上記平行光線の光伝播方向に垂直な空間的厚み勾配を有する熱薄膜光学フィルタと、
を備える外部キャビティ半導体レーザ装置。
【０１２５】
２０１．  上記厚み勾配は光学的厚みの離散的変化から成る、上記２００の外部キャビティ半導体レーザ装置。
【０１２６】
２０２．  熱光学材料の温度に応じて上記外部キャビティの光路長を変化させる熱光学材料をさらに備える、上記２００の外部キャビティ半導体レーザ装置。
【０１２７】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−
３００．  レーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置であって、
レーザ電気信号に応じて第１のファセットを介してコヒーレント放射を生成するよう構成される固体レーザ媒体と、
上記コヒーレント放射を集光し、平行光線を生成するよう構成されるレンズと、
上記平行ビームを上記レンズおよび上記レーザ媒体に反射する反射面と、
それぞれヒータを有し、合わせてバーニア光学波長調整器として動作する、２つの熱薄膜光学フィルタと、
上記熱薄膜光学フィルタの温度を制御するヒータ信号を生成し、上記バーニア光通過帯域および上記レーザ出力を変調するよう構成される制御回路と、
を備える外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１２８】
３０１．  上記バーニア光通過帯域の変調により、上記レーザ出力がオンオフされる、上記３００のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１２９】
３０２．  上記レーザ出力の変調は実質的に正弦波である、上記３００のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３０】
３０３．  上記制御回路は上記バーニア光通過帯域および上記レーザ電気信号を同期変調する、上記３００のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３１】
３０４．  上記レーザ出力はパルス信号であり、上記同期変調により上記信号パルスの継続時間を変化させる、上記３００のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３２】
３０５．  上記レーザ（装置）の温度は制御され、上記制御回路は上記バーニア光通過帯域および上記レーザ（装置）の温度を同期変調する、上記３００のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３３】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−
４００．  レーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置であって、
レーザ電気信号に応じて第１のファセットを介してコヒーレント放射を生成するよう構成される固体レーザ媒体と、
上記コヒーレント放射を集光し、平行光線を生成するよう構成されるレンズと、
上記平行ビームを上記レンズおよび上記レーザ媒体に反射する反射面と、
それぞれヒータを有し、合わせてバーニア光学波長調整器として動作する、２つの熱薄膜光学フィルタと、
上記熱薄膜光学フィルタの温度を制御するヒータ信号を生成して上記バーニア光通過帯域を変調し、実質的に安定したレーザ出力を維持するよう構成される制御回路と、
を備える外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３４】
４０１．  上記制御回路は上記バーニア光通過帯域および上記レーザ電気信号を同期変調する、上記４００のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３５】
４０２．  上記レーザ出力はパルス信号であり、上記同期変調により上記信号パルスの継続時間を変化させる、上記４０１のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３６】
４０３．  上記レーザ（装置）の温度は制御され、上記制御回路は上記バーニア光通過帯域および上記レーザ（装置）の温度を同期変調する、上記４００のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３７】
４０４．  上記レーザ出力は一定の波長で維持される、上記４００のレーザ出力を有する外部キャビティ可変レーザ装置。
【０１３８】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−
４０５．  レーザ出力を生成する可変レーザ装置であって、
電気信号に応じて第１のファセットを介してコヒーレント放射を生成するよう構成される固体レーザ媒体と、
上記コヒーレント放射を集光し、平行光線を生成するよう構成されるレンズと、
上記平行ビームを上記レンズおよび上記レーザ媒体に反射して、これにより外部レーザキャビティを形成する反射面と、
上記反射面およびレンズの間の上記外部レーザキャビティ内に配された、上記レーザ媒体の動作範囲の熱光学可変透過帯域を有する光学フィルタであって、上記可変透過帯域の波長が上記平行ビームの吸収によって変化する光学フィルタと、
を備える可変レーザ装置。
【０１３９】
４０６．  上記レーザ出力は上記平行ビームの吸収によって変調される、上記４０６の可変レーザ装置。
【０１４０】
４０７．  上記レーザ出力の光学線幅は上記平行ビームの吸収によって増加する、上記４０６の可変レーザ装置。
【０１４１】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−
５００．  熱可変光学フィルタアセンブリであって、
第１および第２の熱伝導性基板と、
上記第１および第２の基板から熱的に分離され、第１および第２の自由スペクトル領域をそれぞれ有する第１および第２の熱光学フィルタ領域と、
上記第１および第２のフィルタ領域の温度を制御する温度制御アセンブリと、を備え、
上記第１および第２の熱伝導性基板は、互いに接合されて、上記第１および第２のフィルタ領域の間に熱分離ギャップを形成する、熱可変光学フィルタアセンブリ。
【０１４２】
５０１．  上記熱分離ギャップは真空を含む、上記５００の熱可変光学フィルタアセンブリ。
【０１４３】
５０２．  上記熱分離ギャップは、上記第１の熱光学フィルタ領域の光透過帯域内に吸収線を有する気体を含む、上記５００の熱可変光学フィルタアセンブリ。
【０１４４】
５０３．  上記第１および第２のフィルタ領域の上記熱分離ギャップに対向する表面は、上記第１および第２のフィルタ領域の光透過帯域内の光透過帯域を有するエタロンを形成する、上記５００の熱可変光学フィルタアセンブリ。
【０１４５】
５０４．  上記第１および第２のフィルタ領域の上記熱分離ギャップに対向する表面は平行ではない、上記５００の熱可変光学フィルタアセンブリ。
【０１４６】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−
６００．  外部キャビティレーザ（装置）の調整方法であって、
レーザ利得媒質に制御信号を供給して、連続波動作レーザ出力を生成するステップと、
上記外部キャビティ内の可変素子の第１の動作条件を設定して、第１の光学フィードバックおよび第１の波長のレーザ（装置）の動作を選択するステップと、
上記外部キャビティ内の上記可変素子の第２の動作条件を変化させて、第２の光学フィードバックを選択し、上記レーザ（装置）は上記第１の波長での動作を継続しているステップと、
上記制御信号内のパルスを生成して、第２の波長のレーザ（装置）の動作を開始するステップと、
を備える外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１４７】
６０１．  上記パルスの長さは１０マイクロ秒未満である、上記６００の外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１４８】
６０２．  上記パルスは上記制御信号を初期振幅の５０％未満変調することにより生成される、上記６００の外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１４９】
６０３．  上記可変素子の動作条件を変化させつつ、上記第１の波長でのレーザ（装置）の動作の維持にイントラキャビティ光学モードを用いる 、上記６００の外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１５０】
６０４．  上記イントラキャビティモードは上記利得媒質のファセット間に形成される、上記６０３の外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１５１】
６０５．  上記イントラキャビティモードは上記利得媒質のファセットと外部キャビティミラーとの間に形成される、上記６０３の外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１５２】
６０６．  上記イントラキャビティモードは上記可変素子によって形成される、上記６０３の外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１５３】
６０７．  上記可変素子は格子であり、上記動作条件は機械的位置であり、上記光学フィードバック条件は波長反射ピークである、上記６００の外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１５４】
６０８．  上記可変素子は熱光学フィルタであり、上記動作条件は温度であり、上記フィードバック条件は光帯域通過波長である、上記６００の外部キャビティレーザ（装置）の調整方法。
【０１５５】
以上、本発明の各種の実施形態を具体的に示し説明したが、添付の請求項に規定される本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、形態や詳細に関する各種の変更が可能であることは、当業者には言うまでもない。
【図１】
2014517522.tif 000003
【図２】
2014517522.tif 000004
【図３】
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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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【図８】
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【図９】
2014517522.tif 000011
【図１０】
2014517522.tif 000012
【図１３（ａ）】
2014517522.tif 000013
【図１３（ｂ）】
2014517522.tif 000014
【図１５】
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【図１６】
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【図２６】
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【図２７（ａ）】
2014517522.tif 000018
【図２７（ｂ）】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年1月10日(2014.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ出力を有する可変レーザ装置であって、
光利得領域を有し、電気信号に応じてファセットを介してコヒーレント放射を生成する固体レーザ媒体と、
前記コヒーレント放射を集光し、平行ビームを生成するレンズと、
反射面および光学フィルタを含む外部キャビティの要素であって、前記反射面は、前記平行ビームを前記レンズおよび前記固体レーザ媒体に向けて反射して戻し、前記光学フィルタは、前記反射面と前記レンズとの間に配置され、かつ、前記固体レーザ媒体の前記光利得領域内に熱可変光透過帯域を有する２つの面を有し、前記平行ビームが前記光学フィルタの各面に入射する外部キャビティと、
を備え、
前記光学フィルタは、
（１）所望の動作波長で入射する前記平行ビームの主たる部分を透過し、
（２）前記光学フィルタの各面に入射する前記平行ビームの残る部分を、反射平行ビームが入射する前記平行ビームに対してノンゼロ角度で伝搬するように、所望の動作波長で鏡面反射する、
可変レーザ装置。
【請求項２】
前記外部キャビティは、前記反射面およびレンズの間の前記外部キャビティ内に配置され前記固体レーザ媒体の動作範囲内に熱可変透過帯域を有する第２の光学フィルタをさらに有し、前記第２の光学フィルタは、
（１）所望の動作波長で前記平行ビームの第２の主たる部分を透過し、
（２）前記第２の光学フィルタの各面に入射する前記平行ビームの第２の残る部分を、反射平行ビームが入射する前記平行ビームに対してある角度をなして伝搬するように、鏡面反射する、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項３】
鏡面反射される平行ビームの出力が前記光学フィルタの熱調整に応じて変化する、請求項２に記載の可変レーザ装置。
【請求項４】
レーザ出力が、前記光学フィルタの熱調整に応じて、前記鏡面反射される平行ビームの出力よりもゆっくりと変化する、請求項３に記載の可変レーザ装置。
【請求項５】
前記鏡面反射される平行ビームの出力は、前記レーザ出力と反比例の関係にある、請求項２に記載の可変レーザ装置。
【請求項６】
前記光学フィルタの温度を変化させることにより所望のレーザ出力を実現する制御電子機器およびレーザ出力検出器をさらに含む、請求項２に記載の可変レーザ装置。
【請求項７】
前記電気信号を変化させ、前記光学フィルタの温度を変化させることにより一定のレーザ出力を維持する制御電子機器をさらに含む、請求項２に記載の可変レーザ装置。
【請求項８】
前記光学フィルタの温度に応じて前記電気信号を変化させ、所望のレーザ出力を実現する制御電子機器をさらに含む、請求項２に記載の可変レーザ装置。
【請求項９】
前記電気信号に応じて前記光学フィルタの温度を変化させ、所望のレーザ出力波長を実現する制御電子機器をさらに含む、請求項２に記載の可変レーザ装置。
【請求項１０】
前記鏡面反射される平行ビームの出力を変化させることにより一定のレーザ出力を維持するレーザ出力検出器および制御電子機器をさらに含む、請求項２に記載の可変レーザ装置。
【請求項１１】
前記レーザ出力は第１の所望の連続波動作波長であり、前記電気信号はパルス発振してレーザ装置を第２の所望の連続波動作波長に調整させる、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１２】
前記光学フィルタの温度を前記光学フィルタにおける前記平行ビームの吸収に応じて変化させる制御回路をさらに含む、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１３】
前記光学フィルタは前記固体レーザ媒体にフィードバックして、優先的な横モードのレーザ装置の動作を選択する、請求項１に記載の可変レーザ装置。
【請求項１４】
外部キャビティ連続波固体レーザ装置の調整方法であって、
（ａ）レーザ装置の縦キャビティモードとイントラキャビティの光学フィルタの通過帯域とが実質的に配列する第１の動作波長で、前記レーザ装置を動作させるステップと、
（ｂ）前記光学フィルタの通過帯域を、前記レーザ装置の第２の縦キャビティモードに実質的に配列する第２の動作波長に調整し、前記レーザ装置は前記第１の動作波長で動作を継続するステップと、
（ｃ）前記レーザ装置の動作が前記第１の動作波長での動作から前記第２の動作波長での動作へ遷移するように、電力を前記レーザ装置にパルス発振させるステップと、を備える方法。
【請求項１５】
第２のイントラキャビティ光学フィルタの通過帯域を調整して、所望のレーザ出力を維持するステップをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2014517522.tif 000032