(57)【要約】【課題】スペクトル依存性空間フィルタリング（ＳＤＳＦ）を実現し、同調装置として２つの主要な要素を有するレーザ同調装置を提供する。【解決手段】ＳＤＳＦ同調装置の第１の要素は、レーザキャビティ内のＳＤＳＦ同調素子によるスペクトル依存性ビーム歪（すなわち、ビームの振幅および／または位相プロファイルの変更）である。ＳＤＳＦ同調装置の第２の要素は、往復キャビティ損失をビーム歪およびキャビティ整合に感受性を有する関数にするキャビティ内空間フィルタである。このようなレーザは、最小の往復キャビティ損失を得るために、同調可能な波長でＳＤＳＦ同調素子によってもたらされる特定のビーム歪が必要となるように配置することができ、その結果、同調可能なレーザ発光が得られる。ＳＤＳＦ同調装置の好ましい形態として、０次音響光学同調素子を有する外部キャビティ半導体レーザがある。【選択図】        図４
2004193545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振器を有するレーザであって、該光共振器が、
ａ）ポンピングされた利得媒体、
ｂ）ＳＤＳＦ同調素子、および
ｃ）出力カプラを有し、
該出力カプラからの出力が実質的に単一の発光波長を有することを特徴とするレーザ。
【請求項２】
前記光共振器が、空間フィルタをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記利得媒体が、単一モード導波路であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４】
前記ＳＤＳＦ同調素子が、体積ホログラムであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５】
前記ＳＤＳＦ同調素子内に、３波パラメトリック相互作用が起ることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６】
前記３波パラメトリック相互作用が、音響光学相互作用であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ。
【請求項７】
前記利得媒体が、電気的にポンピングされた単一モード半導体導波路であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ。
【請求項８】
前記共振器が、グリッド固定エタロンをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項９】
前記発光波長と、前記グリッド固定エタロンの透過率が最大となる波長との差を監視するための手段をさらに有することを特徴とする請求項８に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記利得媒体の長さが、前記利得媒体の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が、前記グリッド固定エタロンのＦＳＲを整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ。
【請求項１１】
前記共振器の往復光路長が、前記共振器のＦＳＲが、前記グリッド固定エタロンのＦＳＲを整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ。
【請求項１２】
前記共振器内の寄生エタロンによって離散的な同調が可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１３】
前記共振器の往復光路長が、離散的な同調を可能にするように選択されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１４】
前記共振器が定在波共振器であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１５】
前記共振器がリング共振器であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１６】
前記発光波長を監視するための手段をさらに有する請求項１に記載レーザ。
【請求項１７】
前記発光波長と、前記ＳＤＳＦ同調素子の中央波長との差を監視するための手段をさらに有する請求項１に記載のレーザ。
【請求項１８】
前記ＳＤＳＦ同調素子内で音響光学相互作用が起ることを特徴とする請求項１７に記載のレーザ。
【請求項１９】
光共振器を有するレーザであって、該光共振器が、
ａ）ポンピングされた利得媒体、
ｂ）該光共振器内を循環する光ビームが０次ビームとして通過する音響光学同調素子、および
ｃ）出力カプラを有し、
該出力カプラからの出力が実質的に単一の発光波長を有することを特徴とするレーザ。
【請求項２０】
前記利得媒体が電気的にポンピングされた単一モード半導体導波路であり、前記出力カプラが該単一モード導波路の端面であることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２１】
前記共振器が定在波共振器であることを特徴とする請求項２０に記載のレーザ。
【請求項２２】
前記共振器がグリッド固定エタロンをさらに有することを特徴とする請求項２１に記載のレーザ。
【請求項２３】
前記利得媒体の長さが、前記利得媒体の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が、前記グリッド固定エタロンのＦＳＲを整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項２２に記載のレーザ。
【請求項２４】
前記共振器の往復光路長が、前記共振器のＦＳＲが、前記グリッド固定エタロンのＦＳＲを整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項２３に記載のレーザ。
【請求項２５】
前記発光波長と、前記同調素子の中央波長との差を監視するための手段をさらに有する請求項２４に記載のレーザ。
【請求項２６】
前記発光波長と、前記グリッド固定エタロンの透過率が最大となる波長との差を監視するための手段をさらに有することを特徴とする請求項２５に記載のレーザ。
【請求項２７】
前記発光波長を監視するための手段をさらに有することを特徴とする請求項２６に記載のレーザ。
【請求項２８】
ａ）キャビティ内光路を画定する光共振器内に設けられた利得媒体をポンピングし、
ｂ）該光路に沿って伝播する光にＳＤＳＦ同調素子を通過させ、
ｃ）該光共振器から実質的に単一の発光波長で光を発光させることでレーザビームを供給する過程を有することを特徴とする、レーザビームを発生する方法。
【請求項２９】
前記光路に沿って伝播する光に、空間フィルタを通過させる過程をさらに有することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記利得媒体が、単一モード導波路である請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記ＳＤＳＦ同調素子が、体積ホログラムであることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記ＳＤＳＦ同調素子内に、３波パラメトリック相互作用が起ることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記３波パラメトリック相互作用が、音響光学相互作用であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記利得媒体が、電気的にポンピングされた単一モード半導体導波路であることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記光路に沿って伝播する光に、グリッド固定エタロンをさらに通過させることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
ｄ）前記グリッド固定エタロンから反射されるビームの一部を導出することで検波器にエタロン信号を供給し、
ｅ）前記光路に沿って循環するビームの一部を導出することで検波器に基準信号を供給し、
ｆ）該エタロン信号および該基準信号から正規化エタロン信号を求め、
ｇ）該光路の光路長を制御することで該正規化エタロン信号を所定値に維持する過程をさらに有することを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記利得媒体が電気的にポンピングされた単一モード半導体導波路であり、前記光路長が、該利得媒体に供給される電流を調節することで変更されることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記利得媒体の長さが、前記利得媒体の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が、前記グリッド固定エタロンのＦＳＲを整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記共振器の往復光路長が、前記共振器のＦＳＲが、前記グリッド固定エタロンのＦＳＲを整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記共振器内の寄生エタロンによって離散的な同調が可能であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項４１】
前記光路の光路長が、離散的な同調を可能にするように選択されることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項４２】
前記共振器が定在波共振器であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項４３】
前記共振器がリング共振器であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項４４】
前記ＳＤＳＦ同調素子内で音響光学相互作用が起り、
ｄ）前記共振器から１次ビームの一部を導出することで検波器に１次信号を供給し、
ｅ）前記共振器から０次ビームの一部を導出することで検波器に０次信号を供給し、
ｆ）該１次信号および該０次信号から正規化１次信号を求め、
ｇ）前記同調素子の中央波長を制御することで該正規化１次信号を所定値に維持する過程をさらに有することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項４５】
前記同調素子に供給される電気周波数を調節することで前記中央波長を変更することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記同調素子の温度を調節することで前記中央波長を変更することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
ｄ）前記共振器から診断ビームを発生させ、
ｅ）該診断ビームを第１のビームと第２のビームに分割し、
ｆ）線形性の波長依存性を有する光フィルタによって該第２のビームをフィルタリングし、
ｇ）該第１のビームを第１の検波器で検波することで第１の信号を供給し、
ｈ）該第２のビームを第２の検波器で検波することで第２の信号を供給し、
ｉ）該第１の信号と該第２の信号によって波長測定を行う過程をさらに有することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項４８】
ｄ）前記共振器から診断ビームを発生させ、
ｅ）該診断ビームを第１のビームと第２のビームに分割し、
ｆ）該第２のビームの波長に対して線形的に依存する透過率を有するコーティングを施した裏面を有するウェッジ状干渉計によって該第２のビームを反射させ、
ｇ）該第１のビームを第１の検波器で検波することで第１の信号を供給し、
ｈ）該干渉計によって形成された縞パターンを、空間直角位相が成立する間隔に配置された第２の検波器および第３の検波器によって検波することで、それぞれ第２の信号および第３の信号を供給し、
ｉ）該第１の信号、該第２の信号および該第３の信号によって波長測定を行う過程をさらに有することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項４９】
ａ）キャビティ内光路を画定する光共振器内に設けられた利得媒体をポンピングし、
ｂ）該光路に沿って伝播する光に、該光の周波数が変移しないように０次で音響光学同調素子を通過させ、
ｃ）該光共振器から実質的に単一の発光波長で光を発光させることでレーザビームを供給する過程を有することを特徴とするレーザビームを発生する方法。
【請求項５０】
前記利得媒体が電気的にポンピングされた単一モード半導体導波路であることを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記共振器が定在波共振器であることを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記光路上を伝播する光にグリッド固定エタロンを通過させることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記利得媒体の長さが、前記利得媒体の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が、前記グリッド固定エタロンのＦＳＲを整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記光路の光路長が、前記共振器のＦＳＲが、前記グリッド固定エタロンのＦＳＲを整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
ｄ）前記共振器内に０次ビームの一部を導出して０次監視ビームを供給し、
ｅ）前記共振器内に１次ビームの一部を導出して１次監視ビームを供給し、
ｆ）前記グリッド固定エタロンの表面から反射されるビームの一部を導出してエタロン監視ビームを供給する過程をさらに有することを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
ｇ）前記１次監視ビームを第１のサブビームおよび第２のサブビームに分割し、
ｈ）該第１のサブビームを第１の検波器で検波することで１次基準信号を供給し、
ｉ）該第２のビームの波長に対して線形的に依存する透過率を有するコーティングを施した裏面を有するウェッジ状干渉計によって該第２のサブビームを反射させ、
ｊ）該干渉計によって形成された縞パターンを、空間直角位相が成立する間隔に配置された第２の検波器および第３の検波器によって検波することで、それぞれ第２の信号および第３の信号を供給し、
ｋ）該１次基準信号、該第２の信号および該第３の信号によって波長測定を行う過程をさらに有することを特徴とする請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
ｌ）検波器によって前記０次監視ビームの一部を検波することで０次信号を供給し、
ｍ）該１次基準信号および該０次信号から正規化１次信号を求め、
ｎ）前記同調素子に供給される電気周波数を制御することで該正規化１次信号を所定値に維持する過程をさらに有することを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
ｏ）前記エタロン監視ビームの一部を検波することでエタロン信号を供給し、
ｐ）該エタロン信号、前記０次信号および前記１次信号から正規化エタロン信号を求め、
ｑ）前記利得素子に供給される電流を制御することで該正規化エタロン信号を所定値に維持する課程をさらに有することを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
光共振器を有するレーザであって、該光共振器が、
ａ）ポンピングされた利得媒体、
ｂ）発光波長を選択するための手段、および
ｃ）出力カプラを有し、
該出力カプラからの出力が実質的に該発光波長を有することを特徴とするレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、同調可能なレーザに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
レーザは、光共振器の中にポンプ利得媒体を設けることで構成される。ポンプ利得媒体によって光を増幅し、光共振器によって光を帰還させることで、光共振器内の光路に沿って光が循環し、利得媒体によって繰返し増幅される。光共振器（またはレーザキャビティ）は、リングキャビティであっても定在波キャビティであっても良い。ポンピング方法として、光ポンピングや、利得媒体に電流を印加することによる電気ポンピングが知られている。発光波長は、電磁波スペクトルの可視領域内である必要はない。光共振器内に、出力カプラとして機能する素子が設けてあり、循環しているパワーの一部を光共振器から導出し、有効レーザ出力とする。出力カプラの典型例として、部分透過ミラーがある。半導体レーザにおいて、通常、半導体利得チップの端面が出力カプラとなり、性能を最適化するような反射性を設けるためにコーティングが施されていることがある。さらに、レーザを制御するにあたり、光共振器内に１つまたは複数の二次出力カプラを設け、出力カプラから放射される主レーザ出力から容易に離別できるように、二次出力カプラから循環光パワーの僅か一部を導出することが好ましい場合がある。
【０００３】
１つまたは複数の適切な同調素子を、所望の波長帯域において利得を供する利得媒体と組み合わせることで、同調可能なレーザが得られる。レーザの同調素子として最も一般的なものは、レーザキャビティ内に挿入される同調可能な帯域通過光フィルタである。帯域通過フィルタは、狭い波長帯域（λｃを中央波長とする）における損失が比較的低く、有効量の利得を有するその他の波長における損失が比較的高いものである。レーザの発光波長は、必ず純利得（すなわち、利得−損失）が最大である波長の周辺にあるため、波長に対するフィルタ損失の変動が波長に対する利得の変動より大きい限り、同調可能な帯域通過フィルタはレーザ同調素子として使用することができる。
【０００４】
半導体レーザを同調可能にするために、モノリシック構造の半導体レーザキャビティでは使用不可能な同調素子の使用を可能にするように、外部キャビティ構造を採用することが好ましい場合がある。外部キャビティ型の半導体レーザ内の光が一往復するにあたり、ポンピングされた半導体利得媒体から光が放射され、様々な光素子を通過し、戻りビームとして利得媒体に入射する。半導体利得媒体は、通常、エピタキシアル成長による多層構造を有し、放射される光の伝播方向によって分類される。伝播方向が層の表面に対して垂直であれば、利得媒体は表面放射体である。伝播方向が層の表面に対して平行であれば、利得媒体は側面放射体である。側面放射型の半導体利得媒体は、通常、単一モードの光導波路を有する。単一光導波路から放射される光は、モードプロファイルと称するその振幅および位相プロファイルが、導波路によって決定する。戻りビームの振幅および位相プロファイルは、通常モードプロファイルと等しくはないが、その場合、戻りビームのパワーがすべて利得媒体導波路に導入（すなわち、結合）されることはない。例えば、導波路の端面にあるパワーＰｂが入射する場合、実際に導波路に導入されるパワーＰ０はそれより少ない。結合効率η＝Ｐ０／Ｐｂは、戻りビームの振幅および位相プロファイルがどの程度モードプロファイルに近いかによる。
【０００５】
レーザ同調素子の一種として、音響光学（ＡＯ）装置がある。ＡＯ装置は、Ｊ．Ｘｕ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｓｔｒｏｕｄ，  Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ：  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｗｉｌｅｙ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  １９９２に記載されている。ＡＯ装置とは、ＡＯ相互作用を行うための装置である。ＡＯ相互作用とは、入射光ビームと音響ビームの相互作用により１つまたは複数の回折光ビームを発生させる媒体内におけるパラメトリック３波合成方法である。慣用されているＡＯ媒体として、石英、ＴｅＯ２おおびＨｇ２Ｃｌ２がある。ただし、物質的媒体（すなわち真空以外）である限り、ある程度のＡＯ相互作用が発生する。ＡＯレーザ同調素子は、回折光が、回折ビームまたは１次ビームと称する単一のビームからなるように設計されるのが通常である。入射光のうち回折光に変換されない部分は０次ビーム、すなわち非回折光である。通常、０次ビームと１次ビームは両方とも媒体から放射される。入射ビームと０次ビームの光周波数は同一であり、１次ビームの周波数との差が、音響周波数である。０次ビームと１次ビームとは、さらに、異なる方向に伝播したり、偏光状態が異なっていたり、それ以外にも異なる点があっても良い。ＡＯ装置における音響ビームは、適切な高周波（ＲＦ）で電力を印加するとＡＯ媒体に同周波数の音響ビームを導入する、媒体の表面に取付けられた変換器によって発生される。
【０００６】
ＡＯ相互作用はパラメトリック３波合成プロセスであるため、入射光が効率的に回折光に変換されるのは、位相合せ条件が満たされる中央波長λｃを有する狭い範囲の入射光波長に対してのみである。ＡＯ相互作用の中央波長λｃは、ＡＯ装置に適用されるＲＦ周波数を偏光することで変えることができる。従って、ＡＯ装置を１つの入力と２つの出力（０次および１次）を有する３ポートの光学装置として考える場合、入力から１次出力への透過（１次透過）によって同調可能な帯域通過フィルタが得られ、入力から０次出力への透過（０次透過）によって対応する同調可能ノッチフィルタ（すなわち、中央波長λｃを有する狭い範囲の光波長に対する損失が比較的高く、その範囲外の波長に対する損失が比較的低い）が得られる。ＡＯ同調可能フィルタ、ＡＯディフレクタおよびＡＯ変調器等、様々なＡＯ装置が知られているがこの説明（すなわち、１次透過において帯域通過フィルタであり、０次透過においてノッチフィルタであること）はＡＯ装置一般に関するものである。
【０００７】
音響光学装置は、元々、色素レーザの同調（例えば、Ｓｔｒｅｉｆｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １７（８）  ｐ．  ３３５  １９７０、Ｔａｙｌｏｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １９（８）  ｐ．  ２６９  １９７１、Ｈｕｔｃｈｅｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ｐ．  ４６２，  Ａｐｒ．  １９７４を参照）に使用されたものである。その後、ファイバレーザ（Ｗｙｓｏｃｋｉ等による米国特許第５，１８９，６７６号、Ｗｙｓｏｃｋｉ等による米国特許第５，２５５，２７４号、Ｊｅｏｎ等による米国特許第５，８１２，５６７号）、半導体レーザ（Ｃｏｑｕｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２４（１０）  ｐ．  ５９９  １９８８、Ｋｏｈ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ  ｖ３６３１  ｐ．  ９８  １９９９、Ｚｏｒａｂｅｄｉａｎ，  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １３（１）  ｐ．  ６２  １９９５）およびチタンドープサファイヤレーザ（Ｗａｄａ等による米国特許第５，８３５，５１２号）のような、帯域幅の広い利得媒体を有するその他のレーザにも使用されている。また、特許文献においても、ＡＯ装置でレーザを同調させる方法がいくつか提案されている。例えば、Ｒａｈｎ等による米国特許第４，１１８，６７５号には、ＡＯ装置が、所望の波長における振動を発生させるための分散素子とビームディフレクタの機能を同時に果たすものが記載されている。Ｈａｌｌ等による英国特許第２，１５３，１３７号には、レーザを同調させるためのＡＯビームディフレクタと、別に設けた分散素子が記載されている。Ｃｈａｎｇによる米国特許第５，７２４，３７３号には、ＡＯ相互作用によって導波路モード変換装置が得られ、このＡＯ装置をレーザキャビティ内に適切に設けられた偏光系と組み合わせることで狭帯域フィルタリングが得られるＡＯレーザ同調方法が開示されている。
【０００８】
上述の文献は、いずれにおいても、回折（すなわち、１次、偏向またはモード変換）光は、同調装置にとって最重要であり、非回折（すなわち、０次、非偏向または非モード変換）光は同調装置に使用されない。これらの文献は、いずれも、レーザを同調させるためにＡＯ装置の１次透過を利用することを教示する。ＡＯ装置を介する１次透過は周波数変位を伴うため、上記の従来技術は、非補償の場合の周波数変位がレーザの動作に及ぼす影響および／またはそのレーザの動作に対する影響を取り除くために周波数変位を補償する方法に関するものが多い。
【０００９】
ＡＯ相互作用でレーザを同調させるものであって、１次ビーム以外のもの（０次ビームを含まない）を使用することを開示する文献は１つ存在する。すなわち、Ｏｓｔｅｒｗａｌｄｅｒによる米国特許第５，３８４，７９９号には、定在音響波によって、ＡＯ装置内に周期的屈折率摂動を発生させることが開示されている。さらに、周期的屈折率摂動による狭帯域反射に基づく、レーザキャビティへの同調可能狭帯域フィードバック装置も開示されている。
【００１０】
【特許文献１】
ＵＳ５１８９６７６号公報
【特許文献２】
ＵＳ５２５５２７４号公報
【特許文献３】
ＵＳ５８１２５６７号公報
【特許文献４】
ＵＳ５８３５５１２号公報
【特許文献５】
ＵＳ４１１８６７５号公報
【特許文献６】
ＧＢ２１５３１３７号公報
【特許文献７】
ＵＳ５７２４３７３号公報
【特許文献８】
ＵＳ５３８４７９９号公報
【非特許文献１】
Ｊ．  Ｘｕ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｓｔｒｏｕｄ，  Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ：  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，  Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｗｉｌｅｙ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  １９９２
【非特許文献２】
Ｓｔｒｅｉｆｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １７（８）  ｐ．  ３３５  １９７０
【非特許文献３】
Ｔａｙｌｏｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １９（８）  ｐ．  ２６９  １９７１
【非特許文献４】
Ｈｕｔｃｈｅｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ｐ．  ４６２，
Ａｐｒ．  １９７４
【非特許文献５】
Ｃｏｑｕｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２４（１０）  ｐ．  ５９９  １９８８
【非特許文献６】
Ｋｏｈ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ  ｖ３６３１  ｐ．  ９８  １９９９
【非特許文献７】
Ｚｏｒａｂｅｄｉａｎ，  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １３（１）  ｐ．  ６２  １９９５
【００１１】
【発明の概要】
本発明は、「スペクトル依存性空間フィルタリング」（ＳＤＳＦ）を実施するレーザ同調装置を提供し、同調装置は、２つの素子を有するものである。ＳＤＳＦ同調装置の第１の素子は、レーザキャビティにおけるＳＤＳＦ同調素子によるスペクトル依存性ビーム歪（すなわち、光の振幅および／または位相プロファイルの変動）を設けるものである。ＳＤＳＦ同調装置の第２の素子は、往復キャビティ損失を、ビーム歪とキャビティ位置の両方に対して反応する関数とするキャビティ内空間フィルタである。このレーザは、往復キャビティ損失を最小化するために、同調可能波長においてＳＤＳＦ同調素子による特定ビーム歪が得られるように配置することで、同調可能なレーザ発光を得ることができる。ＳＤＳＦ同調装置の好ましい実施形態は、０次音響光学同調素子を有する外部キャビティ半導体レーザを有するものである。
【００１２】
既知の同調可能レーザ構造において、短い同調時間（＜１ｍｓ）、高い出力パワー（＞４０ｍＷ）、広い同調範囲（＞７０ｎｍ）および単一モード動作（ＳＭＳＲ＞５０ｄＢ）を同時に実現することは困難であった。本発明は、上記のパラメータについて同時に上述の性能を得ることを可能にする装置および方法を提供することで当該問題を解決する。
【００１３】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
ＳＤＳＦ同調装置の基本は、図１を参照することで理解できる。０次透過によるＡＯ装置等のＳＤＳＦ同調素子を有するレーザの場合を考える。次に、レーザキャビティが、ＳＤＳＦ同調素子によるビーム歪が無視できる場合に、出力パワーが最大（すなわち、往復損失が最小）になるように調製してあることとする。下述するように、ＳＤＳＦ同調素子によるビーム歪は、ある中央波長λｃを有する特定範囲の波長に対してのみ行われる。従って、往復透過率の波長依存性は、図１の実線で示す関係となる。透過率は背景値Ｔ０の場合にはほぼ一定であり、λｃの周辺の波長について、ＳＤＳＦ同調素子の歪による損失の増加によって低下する。このキャビティ構造では、透過率ピークが存在しないため、レーザの同調は不可能である。
【００１４】
ここで、同様のレーザにおいて、往復損失を最小化するために、ある特定の波長λ０でＳＤＳＦ同調素子によるビーム歪が得られるように、キャビティが配置されているとする。この場合、往復透過率の波長依存性は、図１の点線で示すようになる。レーザの配置の変更によって、背景透過率Ｔ１が必然的に透過率Ｔ０より低くなる。ビーム歪によるキャビティの非整合に対する補償により、λ０における往復透過率ＴはＴ１より大きく、図１に示すλ０におけるピークが形成される。λ０とλｃは一緒に同調されるため、このキャビティ内帯域通過フィルタは、中央波長λｃを変更することで同調させることができる。従って、レーザを動向させるためにキャビティのアラインメントを変更させる必要はない。
【００１５】
往復キャビティ損失（または透過率）のキャビティ位置およびビーム歪に対する感度を向上させることで、ＳＤＳＦ同調装置の効率を上げることが可能である。従って、レーザキャビティ内に、個別の素子または他の素子（例えば、単一モード導波路の利得媒体）の一部として、空間フィルタを設けることで、より広い範囲の波長に亘って同調が可能となり、ＳＤＳＦ同調装置を強化することができる。ただし、発明を実施するために、空間フィルタリングは必ずしも必要ではない。
【００１６】
図２に、好ましいＡＯ同調素子を概略的に示す。ＡＯ媒体２０は、適切な音響光学材料からなる。好ましい材料として、非常に高いＡＯ値が得られる二酸化テルル（ＴｅＯ２）や塩化第一水銀（Ｈｇ２Ｃｌ２）等がある。一般に、ＡＯ相互作用は共線的または非共線的に位相整合されている。好ましい材料ＴｅＯ２およびＨｇ２Ｃｌ２において、共線的に位相整合されたＡＯ相互作用は、結晶の対象性によって不可能である。従って、これらの材料における位相整合は非共線的であり、そのため、音響位相速度の方向が、入射光の位相速度の方向と同じではない。しかし、ＴｅＯ２やＨｇ２Ｃｌ２等の異方性媒体内の光は群速度の方向に伝播するため、これらの好ましい材料においても、非共線的に位相整合されたＡＯ装置の音響および光学ビームを整合することが可能である。ビームを共線的に整合する場合、フィルタの帯域幅が小さくなり、消費電力が低くなるといった利点がある。ビームを整合するための方法として、図２に示すように、音響反射を利用することができ、この場合、トランスデューサ２２が発生する音響ビームが装置の表面２６によって反射され、光ビームの軸２４と同線上の群速度を有する音響ビーム２８が得られる。Ｋｕｓｔｅｒｓ（米国特許第３，６８７，５２１号）は、非共線的位相整合ＡＯ装置における光および音響ビームの共線整合を教示し、ビームの整合を実現するために音響反射を使用することを記載している。ＴｅＯ２やＨｇ２Ｃｌ２等の材料における音響異方性は非常に大きく、図２に示す如く（すなわち、反射角が入射角と大きく異なる）であり、これはビームを整合する際に役立つ。場合によって、光および音響ビームを整合するために、トランスデューサ２２を、媒体２０の表面２６に対して直角ではない切断面上に配置することが好ましい。
【００１７】
ここまで、レーザ同調素子として様々なＡＯ装置を使用したレーザ同調方法を述べてきたが、現在最も好ましいと考えられるＡＯ同調素子は、図２に示すように、相互作用長が約２０ｍｍである共線的ビーム構造を有するＴｅＯ２装置である。次の結果は、この段落で述べた好ましいＡＯ同調素子に関するものである。ＡＯ同調素子は動く部分を有しないため、レーザ同調時間が非常に短い（例えば、同調時間＜１ｍｓ）。
【００１８】
図３に、図２の構造を有するＴｅＯ２ＡＯ同調素子を介する０次（実線）および１次（点線）透過の測定スペクトルを示す。この測定において、約９０ｍＷのＲＦパワーがトランスデューサ２２に印加され、このＲＦパワー値は１次ビームの回折効率を最大化するように選択されている。ＲＦパワーが９０ｍＷを超えると、ビームが同調素子を通過する際に、パワーが０次ビームから１次ビームへ移り、また０次ビームに戻るので、回折効率が低下する。トランスデューサ２２に印加されるＲＦ周波数は、図３の下の方の横軸に示すように変化させながら、０次出力と１次出力が測定される。ＲＦ周波数を変化させながら、入力光の波長が一定に保持される。ＡＯ相互作用によって、ＲＦ周波数と光周波数との間に１対１の関係が成立するので、波長スペクトルは、図３の上下の横軸で示すＲＦスペクトルの関係を有する。従って、約１５４５ｎｍの固定波長で直接測定されるＲＦスペクトルは、約４７．５６ＭＨｚの固定ＲＦ周波数で得られる光スペクトルに等しい。図３に見えるように、ＡＯ同調素子は、０次透過においてノッチフィルタの機能を有し、すなわち、中央波長λｃ（＝約１５４５ｎｍ）を有する狭い波長帯域内の波長に対して比較的高損失を示し、その他の波長に対して比較的低損失を示す。このようなノッチフィルタリングは、図１の説明に示したように、ＳＤＳＦ同調素子の特徴である。
【００１９】
図４は、本発明の実施形態による同調可能レーザアセンブリ３０の概略図である。便宜上、半導体利得素子３４の出力面３４−２で開始し、レーザキャビティの往復路に沿って説明することが好ましい。出力面３４−２は、レーザ出力パワーを最適にする低レベルの反射性を付与するためのコーティングが施されていることが好ましい。出力面３４−２の反射率として、１％ないし１０％の範囲が一般的である。出力面３４−２から反射する光は、利得素子３４を通過し、利得素子３４の内面３４−１から出射する。利得素子３４は、単一モードの光導波路を形成する電気ポンプ半導体による単一または複数量子井戸構造を有するものであることが好ましい。発光波長を１．５ミクロン周辺に設定したい場合、ＴＥ偏向された光に対する利得を得るために、量子井戸が圧縮ひずみを受けるような構造を成長させることが好ましい。それ以外の発光波長の量子井戸ひずみとして、圧縮ひずみが必ずしも好ましくはない。特定の発光波長によっては、引張ひずみまたはひずみが無いことが好ましい場合もある。内面３４−１は、好ましくは、反射防止コーティングを有し、図４に示すように、利得素子３４の導波路軸に対して鋭角である。これらの手段は、いずれも、内面３４−１からの反射の、レーザの動作に対する悪影響を低減するために設けたものである。
【００２０】
利得素子３４の内面３４−１から反射される光は、水平および垂直方向の拡り角がそれぞれ約４０度および５２度（１／ｅ強度幅における完全角度）であるビームとして放射される。本発明によるレーザ同調は、様々なビーム拡りを有する多様の半導体利得素子について観察済みであるので、これらのパラメータは発明の実施にあたり、重要ではない。内面３４−１から放射されるビームは、該ビームをコリメートするレンズ３６に入射する。レンズ３６として、現在好ましいとされるのは、焦点距離が１．４５ｎｍの非球面レンズであるＧｅｌｔｅｃｈ社製の３５０１４０型であるが、本発明を実施するためには、様々な焦点距離を有するその他のレンズも使用可能である。平行ビームは、レンズ３６から、任意のグリッド固定エタロン３８へ伝播する。このグリッド固定エタロン３８の有無は任意であるため、そのレーザ性能に対する効果や特性については後記する。
【００２１】
レンズ３６（存在すればエタロン３８）からのビームは、ＡＯ媒体２０に入射し、ＡＯ媒体２０内で光軸２４に沿って伝播する。ＡＯ媒体２０は、図２について上述したものと同様のものであることが好ましい。適切選択された高周波の電力が、ＡＯ媒体２０に取り付けられたトランスデューサ２２に印加される。トランスデューサ２２は、ＡＯ媒体２０内で伝播する音響波を発生する。光軸２４に沿って伝播する光とトランスデューサ２２が発生する音響波との間のＡＯ相互作用によって、１次光ビーム（５０−Ａと示す一点鎖線）が生成される。非回折の、つまりは０次ビームは、ＡＯ媒体２０から射出し、戻りミラー４０に入射する。戻りミラー４０は、高反射率を付与するためにコーティングが施された内面４０−１を有する。内面４０−１の反射率は、通常約９９％である。戻りミラー４０の内面４０−１と利得素子３４の外面３４−２が、レーザアセンブリ３０のレーザキャビティを画定する２つの面である。従って、０次ビームが内面４０−１によって反射され、ＡＯ媒体２０、エタロン３８（存在すれば）、レンズ３６および利得素子３４を通過して戻ることによりキャビティを一往復することになる。レーザ出力ビーム３２は、利得素子３４の外面３４−２から射出される。
【００２２】
さらなる機能性を設けるために、レーザキャビティ外で、出力ビームのパス上に光学素子を追加配置することができる。例えば、出力監視、出力制御、データ信号の高速変調、光の偏光純度の向上および／または光ファイバへの結合は、いずれも、レーザキャビティ外に適切な部材を配置することで得られる機能である。出力制御機能は、特に、全発光波長に亘って出力が等しいことあるいはレーザの寿命に亘って出力が等しいことを必要とする応用において重要である。出力制御は、通常、可変光減衰器によって行われるが、この機能を果たすために利得素子を使用することも考えられる。また、利得素子３４を適切制御することによって出力を制御することも可能であるが、上述のように、出力ビームパス上に素子を配置することで出力制御を行うことが好ましいことが多い。
【００２３】
長時間に亘るレーザの単一モード操作を必要とする応用も存在する。安定した単一モードレーザ操作を図るために、レーザを制御することを可能にする様々な信号をレーザアセンブリ３０のキャビティ内から得ることができる。図４には、任意の監視サブアセンブリ６０に導入される３本の監視ビーム５０−Ａ、５０−Ｂおよび５０−Ｃが示してある。これらのビームは、好ましくは、戻りミラー４０を介して得られるため、戻りミラー４０の内面４０−１は適当な透過率（例えば、約１％）を有することが好ましく、戻りミラーの外面４０−２が、３本のビームを監視サブアセンブリ６０内に導くように曲面状であることが好ましい。図４中、一点鎖線で示すビーム５０−Ａは、１次ビームのうち戻りミラー４０を通過した部分である。図４中、実線で示すビーム５０−Ｂは、０次ビームのうち戻りミラー４０を通過した部分である。図４中、点線で示すビーム５０−Ｃは、グリッド固定エタロン３８の表面から反射されたビームのうち戻りミラー４０を通過した部分である。図４に示すように、ビーム５０−Ａ、５０−Ｂおよび５０−Ｃは、少しずつ異なる方向に伝播する。ビーム５０−Ａと５０−Ｂは、ＡＯ同調素子２０内の非共線性位相整合によって、異なる方向に伝播する。グリッド固定エタロン３８は、その表面から反射されるビームをレーザキャビティから射出させるために傾いており、この傾きを、図４に示すように、ビーム５０−Ｃがビーム５０−Ａおよび５０−Ｂから離れるように選択することができる。監視サブアセンブリ６０の動作は以下に詳説する。
【００２４】
発明は、監視信号に基づいてレーザを制御せずに実施することが可能であるため、監視サブアセンブリ６０は任意である。監視サブアセンブリ６０を有しない実施形態において、各ビーム５０−Ａ、５０−Ｂおよび５０−Ｃを設ける必要がなく、戻りミラー４０の外面４０−２を曲面状のものにする必要もない。
【００２５】
図５は、図４に示す本発明の実施形態による測定ファイバ結合出力対発光波長を示すものである。広い同調範囲（＞７０ｎｍ）に亘って、高出力（すなわち、＞４０ｍＷファイバ結合出力）が得られる。
【００２６】
図６は、図５に示す結果に対応するＡＯ媒体に印加された高周波の関数として、ｄＢ対数目盛における測定側モード抑制率（ＳＭＳＲ）（実線と左側の縦軸）および発光波長（点線と右側の縦軸）を示すものである。発光波長曲線は、ＡＯ同調素子２０のトランスデューサ２２に印加される高周波とレーザ発光波長との間の関係を示し、ＳＭＳＲは、最も強い非レージングモードにおける出力に対する所望のレージングモードの電力の比率である。図６に見えるように、同調範囲全体に亘ってＳＭＳＲが高い場合、同調範囲全体に亘って単一モードレージングが得られることを示す。
【００２７】
図７は、図６の一部を拡大したものである。ここで、レーザが１つのエタロン透過率ピークから次のピークに離散的に移り、その間の波長には同調しないので、グリッド固定エタロン３８の効果がはっきり解る。その理由は、グリッド固定エタロン３８がその透過率ピーク以外の全波長においてキャビティ内に大きな損失をもたらすためである。ここで、エタロンの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）と称するエタロン透過率ピークの間隔は２５ＧＨｚであり、レーザは、互いに２５ＧＨｚ離れているチャネル（すなわち、波長）に同調する。自由空間における光の速度をｃとした場合、自由空間波長λと周波数ｆとの間にｃ＝λｆという関係が成立するため、単色光の「色」は、その波長または周波数によって特定することができる。離散的同調性は、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）等において、レーザが、周波数が等間隔に位置する個別のチャネルに同調することが必要な応用に適している。レーザの組立時に、グリッド固定エタロンの透過率ピークによって規定されるレーザチャネルを望ましい周波数グリッドと合せることで、優れた開ループ精度が得られ、望ましいグリッドからの測定開ループ偏差は、少なくとも５ＴＨｚの同調範囲に亘って、通常では１ＧＨｚ未満である。
【００２８】
試験装置の発生源等のＤＷＤＭの応用において、離散的同調性による開ループ波長精度で足りる。この場合、離散的同調性によって、同調可能な発生源として通常必要である波長制御ループを省略することを可能になる。光通信源等のその他のＤＷＤＭ応用において、離散的同調性では、波長制御ループを取除くことができない。このような場合であっても、全体的な大きさや部品数が（レーザ＋外部ロッカー構造と比較して）小さくなり、安定した、受動性のキャビティ内装置によって波長精度が保証されるため、総合的なレーザ制御の柔軟性が向上するなどといった利点がある。
【００２９】
その目的とする機能を果たすために、図４におけるグリッド固定エタロン３８は、好ましくは、エタロン表面の法線がキャビティ軸に対して小さな角度（好ましくは０．１ないし２度）を成すように挿入することで、エタロン表面から反射されるビームがレーザキャビティ内に結合され難くなるようにする。エタロンのフィネスは中間的（例えば、２＜フィネス＜１０）であり、このフィネス値は、傾いているエタロンを通過する場合に損失を低くし、好ましいレベルのスペクトル選択性を得るように選択される。エタロンは、レーザの絶対波長基準となるため、融解石英等、機械的に安定し、温度に対して感受性のない材料を使用して製造することが好ましい。
【００３０】
同調可能レーザ内にグリッド固定エタロンを挿入することによる利点は、例えば、既にキャビティ内に存在する寄生エタロン（例えば、半導体利得素子の２つの面によって形成されるエタロン）を適切変更することでグリッド固定機能を付加することで、同様の方法を利用しても実現可能である。また、レーザの軸方向のモード間隔は往復光路長によって決定するため、レーザキャビティの全体的な光路長を利用することでグリッド固定機能を設けることも可能である。この明細書において、１つまたは複数のグリッド固定エタロンを有するレーザまたは類似の方法を採用するレーザを、総称して「離散的同調性」を有するものとする。
【００３１】
上述のように、離散的同調性は、通常の実施においてある程度は同時に存在する複数の異なる物理的メカニズムによって実現または変更することができる。例えば、図４の利得素子３４の面によって形成される寄生エタロンの効果が、上述したようにＡＲコーティングや傾きによって低下させることができた場合であっても、この寄生エタロンはレーザの性能に影響を及ぼす可能性がある。離散的同調性を実現および／または影響する傾向を有する複数のメカニズムが多数存在する場合、各メカニズムが互いに協力し合うことによって、望ましい結果が得られることを保証しておくことが好ましい。
【００３２】
グリッド固定エタロンの挿入によって離散的同調性が得られるレーザにおいて、利得素子（チップ）長を、その寄生エタロンの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）がグリッド固定エタロンＦＳＲを１以上の整数で除算した値に実質的に等しくなるように選択することが好ましい。そうすると、寄生チップエタロンは、全チャネルにおいて、レーザ操作に対して同一の効果を有することになる。従って、チップエタロンによる損失が低減したチャネルへのモードホップを引起すことで同調を妨害するといったチップエタロンの傾向が低下することができる。また、レーザキャビティの軸方向モード間隔（レーザキャビティＦＳＲと称する）が、グリッド固定エタロンＦＳＲを２以上の整数で除算した値に実施的に等しくする総合レーザキャビティ長を選択することが好ましい。例えば、グリッド固定エタロンのＦＳＲが２５ＧＨｚである場合、レーザキャビティのＦＳＲとして、１２．５ＧＨｚ、８．３３ＧＨｚまたは２５ＧＨｚがその整数倍となるその他の値はいずれも好ましい。エタロンＦＳＲがキャビティＦＳＲの整数倍である場合、グリッド固定エタロンによって規定されたチャネルに対するキャビティモード周波数波形の不整合による損失が隣接するチャネル同士で等しくなるため、レーザのモードホッピングを引起す傾向が低下する。
【００３３】
図５ないし１０に示す結果は、２５ＧＨｚをその整数倍とするキャビティＦＳＲを有し、チップ長が約８６０ミクロンである２５ＧＨｚのグリッド固定エタロンを有するレーザ構造のものである。これによるチップエタロンＦＳＲは約５０ＧＨｚである。このレーザは、図面に示すように優れた性能を有するものであるが、上述の理由で、チップエタロンＦＳＲがグリッドエタロンＦＳＲ（すなわち、この例において２５ＧＨｚ）と整合することが好ましい。２５ＧＨｚのレーザにおいて、好ましいチップ長は、約１．７ｍｍであるが、利得チップとしては若干長い。利得チップの非線形性は、単一モード同調性能を妨害し、利得チップのエピタキシアルデザインが変更されなければ、チップ長が増す毎に利得チップの非線形性も増す傾向があることが解っている。従って、好ましい利得チップのデザインは、通常、チップ長を好ましい離散的同調性周波数間隔と整合するように設定し、その長さについて、優れた同調性能と高出力が得られるように有効領域をデザイン（特に、量子井戸の数）することで得られる。
【００３４】
本発明を実施するためには、離散的同調性を得ることが必要なく、レーザキャビティ内にグリッド固定エタロンを設ける必要もない。本発明の好ましい実施形態において、ＳＤＳＦレーザ同調装置による利点を超えた離散的同調性の利点をさらに得るために、キャビティ内にグリッド固定エタロンが挿入されている。
【００３５】
図８は、標準のキャビティ配置を有する図４に示すレーザにおける測定往復キャビティ透過率対波長を示すものである。この測定は、利得素子３４が閾値未満で動作している状態で行われるので、利得素子導波路の端面における空間フィルタリングの効果が測定値に反映されている。標準配置では、すべての受動光素子がビーム軸に合せてあり、ＡＯ媒体２０が、媒体内の０次光ビームと音響ビームが図２に示すように同軸上に配置されるように合せてあり、戻りミラー４０が０次ビームの再帰反射用に合せてあり、レンズ３６が、ＡＯ同調素子２０に高周波が供給されていない状態で往復損失が最小となるように合せてある。この標準配置では、ＡＯによるビーム歪および減衰が存在しない場合、往復損失が最小化されることが明らかであるので、予想どおり、標準配置における往復損失は、ＡＯ相互作用の中央波長から遠い波長に対して低い。図８に示す測定において、トランスデューサ２２に印加される高周波電力は２５０ｍＷである。図３について説明したとおり、ＡＯ媒体２０のピークノッチ深度は高周波電力９０ｍＷで観察されるため、印加される高周波電力が２５０ｍＷである場合、ＡＯ媒体２０が過度に駆動されてしまい、ノッチの構造が図８に示すような二谷構造になる。
【００３６】
図８に示す曲線は、帯域通過フィルタ特性を示さないので、この結果から予想できるように、標準配置を有する図４のレーザは同調性を有しない。図１に関する説明では、ＳＤＳＦ同調メカニズムを可能にするために必要な標準配置と異なるレーザ配置を選択する重要性について述べた。勿論、レーザの配置を標準配置と異なるようにするためには、様々な方法があり、中でも、戻りミラー４０を再帰反射用の配置から傾きを変更したり、レンズ３６をレーザキャビティの光軸上で移動させたり、ＡＯ媒体２０を横に移動させたり傾かせたりして光および音響ビームの重複状態を崩したり、レンズ３６や利得素子３４等の他の光素子を中心からずらしたり、傾かせたりすることが考えられるが、これらに限定されない。
【００３７】
原則として、上記の配置のいずれの組合せによってもＳＤＳＦ同調メカニズムを有効にすることができる。ＳＤＳＦ有効配置として、戻りミラー４０を図４のｙ軸上で傾かせ、ＡＯ媒体２０を図４のｘ方向に平行移動させることが好ましい。配置を２次元のパラメータ空間に制限することで、パラメータ空間を系統的に調査することを可能にし、最適化された配置パラメータで、優れたレーザ性能が得られた。ただし、場合によって、ＳＤＳＦ同調メカニズムを有効化するために、ミラーの傾きやＡＯ同調素子の位置設定以外の配置パラメータを利用することが好ましいことがある。
【００３８】
図９には、戻りミラー４０を再帰反射状態から図４のｙ軸の廻りを０．８４ｍｒａｄ傾かせ、ＡＯ媒体２０を光および音響ビームの重複状態から図４のｘ方向に０．７ｍｍへ移動させた場合の、図４に示すようなレーザの往復キャビティ透過率対波長を示す。このキャビティ配置では図５、６および７に示す結果も得られる。図９に見えるように、顕著な往復透過率ピークが存在し、これは、ＳＤＳＦ同調メカニズムによるレーザ同調のための帯域通過フィルタを示すものである。
【００３９】
図１０は、測定レーザＳＭＳＲ対傾きおよび位置パラメータを示した２次元グレイスケールグラフである。図１０において暗い色で示す増加ＳＭＳＲは、より優れたレーザ性能に対応する。図１０は、傾＝−０．８ｍｒａｄ、位置＝２．１ｍｍの辺りに中心を有するパラメータ値の範囲に亘って優れたレーザ性能を示す。光および音響ビームがちょうど重複するＡＯ媒体２０の位置は位置＝２．８ｍｍであるため、「標準」配置からの偏差は０．７ｍｍである。図５、６、７および９において選択された操作点は、図１０に示す高ＳＭＳＲ領域の中央付近に位置する。
【００４０】
レーザ系統を形成する部品を変えると上記の数値も変える必要がある場合も考えられるが、上述した方法と同様にして適切に変更された値を得ることができる。また、レーザを形成する部品を変更することで、上述したようなミラーの傾きやＡＯ同調素子の平行移動以外の好ましい配置パラメータを選択することが必要になる可能性もある。当業者であれば、特定のレーザ部品に対してＳＤＳＦ同調メカニズムを有効にするためにどの配置パラメータを採用すべきか容易に判断し得ることであろう。
【００４１】
図１１は、監視手段を提供する監視サブアセンブリ６０の実施形態を示す概略図である。図１１において、ビーム５０−Ａ、５０−Ｂおよび５０−Ｃが監視サブアセンブリ６０に入射する。図４に関して説明したとおり、ビーム５０−Ａは１次ビームのうち戻りミラー４０を通過する部分であり、ビーム５０−Ｂは０次ビームのうち戻りミラー４０を通過する部分であり、ビーム５０−Ｃはグリッド固定エタロン３８の表面から反射されるビームのうち戻りミラー４０を通過する部分である。ビーム５０−Ｂおよび５０−Ｃの偏光方向は同一であり、ビーム５０−ＡはＡＯ媒体２０内の複屈折性ＡＯ相互作用によってビーム５０−Ｂから生成されるため、ビーム５０−Ａの偏光方向に対して垂直である。図１１に示すように、ビーム５０−Ａ、５０−Ｂおよび５０−Ｃは、ビーム５０−Ｂおよび５０−Ｃの反射を最小にして透過を最大にし、ビーム５０−Ａを部分的に反射して部分的に透過するように設計された偏光ビームスプリッタ６２に入射する。
【００４２】
ビーム５０−Ａの透過部分は、検波器アレイ７２の一部である検波器７２−Ａによって受信される。ビーム５０−Ａの反射された部分は、レンズ６４を通過し、ウェッジ状干渉計６６に入射する。ビーム５０−Ａはウェッジ状干渉計６６の表面６６−１およびウェッジ状干渉計６６の裏面６６−２によって反射され、これらの反射ビームが互いに干渉し、縞パターン６８（図１１中、波状の線によって示す）を発生する。２つの検波器７０−Ａおよび７０−Ｂを有する検波器アレイ７０は、図１１に示すように、各検波器７０−Ａおよび７０−Ｂの中央を通る線上で測定した場合、各検波器７０−Ａおよび７０−Ｂが、縞パターンの空間周期の約１／４に相当する距離だけ離れている縞パターン６８上の２点で測定を行うように配置されている。片方の検波器に縞パターンの極大が存在する時、他方の検波器は縞パターンの半値点の測定を行うことになる。このような検波器間の９０度の間隔（またはその任意の奇数倍数）は、「空間直角位相」（ｓｐａｔｉａｌ  ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）と称する。レンズ６４は、縞パターン６８が検波器アレイ７０に対して適当に配置されていることを保証するために設けてある。ウェッジ状干渉計６６の裏面６６−２には、波長に対する反射率の線形依存性を付与するコーティングが施されている。
【００４３】
図１１中、７２−Ａ、６２、６４、６６、６６−１、６６−２、７０、７０−Ａおよび７０−Ｂは、いずれも、検波器７０−Ａ、７０−Ｂおよび７２−Ａをレーザの発光波長を求めるために使用することができる波長監視器を有する。簡単に説明すると、検波器７２−Ａから発信される信号によって、検波器７０−Ａおよび７０−Ｂの信号を正規化することで、出力変動の影響を取除く。検波器７０−Ａおよび７０−Ｂの正規化信号は、レーザ操作のチャネルを求めることができるほど絶対波長を測定することを可能にする。
【００４４】
ビーム５０−Ｂおよび５０−Ｃは、それぞれ、検波器アレイ７２の検波器７２−Ｂおよび７２−Ｃによって受信される。検波器７２−Ａおよび７２−Ｃから供給される信号は、検波器７２−Ｂの信号を使用して出力変動に対して正規化される。検波器７２−Ａの正規化信号は、ＡＯ同調素子２０の中央波長とレージング波長との差を示すものである。７２−Ｃの正規化信号は、レージング波長とグリッド固定エタロンの最も近い透過率ピークの波長との差を示すものである。
【００４５】
図１２は、他の監視手段を有する監視サブアセンブリ６０の他の実施形態を示す概略図である。図１２の実施形態は、波長の監視方法によって図１１の実施形態と異なる。図１２中、ビーム５０−Ａは、図１１と同様に、偏光ビームスプリッタ６２に入射し、ビーム５０−Ａの反射された部分は線形透過フィルタ７４を通過した後に、検波器７６によって受信される。線形透過フィルタ７４の透過率は、波長に対してほぼ線形な関係を有する。検波器７２−Ａの信号は、検波器７６の信号を正規化するために使用され、検波器７６の正規化信号によって、レーザ操作のチャネルを求めることができるほどの精度で絶対波長を測定することができる。
【００４６】
当業者であれば、図１１および１２の実施形態による信号をレーザ制御に使用する方法として、様々な方法が考えられるであろう。標準的な制御方法を使用してグリッド固定エタロン３８の温度をある特定値Ｔ０に維持する方法が好ましい。標準エタロン温度Ｔ０は、レーザアセンブリ３０の初期の製造および試験段階で、エタロン透過率ピークが望ましい離散的同調グリッドに適切に整合するように決定される。この構造では、グリッド固定エタロンが各レーザチャネルに対して固定周波数基準を提供する。
【００４７】
グリッド固定エタロン３８の透過率ピークとレージングモードとの一致を維持するために、検波器７２−Ｃの正規化信号が、適切な整合性が得られる所定値に保持されるように、利得素子３４に供給される電流が制御される。レーザアセンブリ３０の初期の製造および試験段階で、各チャネルについて検波器７２−Ｃから必要になる正規化信号を求めるための測定が行われ、これらの値は制御システム内で使用する第１の索引表に保存される。
【００４８】
ＡＯ同調素子を使用してレージングモードの精確な一致を維持するために、検波器７２−Ａの正規化信号が、整合性が確実に得られる所定値に保持されるように、ＡＯ同調素子２０に供給される高周波の周波数が制御される。レーザアセンブリ３０の初期の製造および試験段階で、各チャネルについて検波器７２−Ａから必要になる正規化信号を求めるための測定が行われ、これらの値は制御システム内で使用する第２の索引表に保存される。高周波の周波数とともに、またはその代わりに、ＡＯ同調素子の温度を制御変数として使用することも可能である。
【００４９】
図１１および１２の実施形態による波長測定は、レーザが望ましいチャネルでレージングしていることを確かめるために行われる。利用者が選択したチャネルと監視サブアセンブリ６０によって測定されたチャネルが一致しなかった場合、レーザ制御処理器および／または利用者に誤り状態が伝えられる。
【００５０】
図１１および１２の説明において、適切な制御信号を得るために第１の検波器信号を第２の検波器信号に対して正規化することを述べた。多くの場合、この正規化は、単に２つの信号の比率を求めることで達成され、光出力の変動は制御信号を影響しない。しかし、比率を求めるだけで正規化を行うことができない場合もある。片方または両方の検波器に背景信号（例えば、迷光によるもの）が存在する場合、制御信号として使用する比率を求める前に背景信号を除去することが好ましい。より一般的に、各正規化信号は一部またはすべての検波器信号の関数である。また、検波器を図４、１１および１２に示すものと違う位置に設けても、同一または同等の機能性が得られる。
【００５１】
図１１および１２に関連して説明した制御メカニズムのうちいくつかは、レーザ共振器の光路長（すなわち、実際の長さ×屈折率）および／または共振器内の素子を変えることによるものである。例えば、電気的にポンピングされた半導体利得素子に印加される電流またはその利得素子の温度を変えると、利得素子の光路長および共振器の往復光路長が変化する。
【００５２】
図１３に、図４の裏面監視サブアセンブリ６０から供給される信号の例を示すが、グリッド固定エタロン３８を含む図４に示す発明の実施形態による測定監視信号である。図１３中、○印は測定０次監視ビーム出力（例えば、図４のビーム５０−Ｂから）対ＡＯ同調素子２０に印加される高周波周波数を示す。■印は、測定１次監視ビーム出力（例えば、図４のビーム５０−Ａから）対ＡＯ同調素子２０に印加される高周波周波数を示す。この例において、正規化１次信号は０次出力対１次出力の比率である。ＡＯ同調素子２０に印加される高周波周波数が変化するにつれ、レーザは離散的にチャネルからチャネルへと同調し、図１３に示す信号において、あるチャネルから隣接するチャネルへの転移は不連続および／または傾の不連続として現れる。
【００５３】
図１３に示す０次および１次監視信号は、チャネル転移によって発生する不連続間で滑らかに変化するので、同調素子およびレージングモードの一致を図るために様々な制御方式でこれらの信号を使用することが可能になり、ＡＯ同調素子２０内のドリフトは不要なチャネル転移につながらない。例えば、１つの方法は、ＡＯ同調素子２０に印加される高周波周波数を制御することで、０次信号が極小に維持されるようにする。また、他の方法として、ＡＯ同調素子２０に印加される高周波周波数を制御することで、正規化された１次信号が適切に選択した固定値（例えば、図１３の結果では、０．２１は適切な選択である）に維持する。また、初期目盛定め方法を使用して、レーザが各チャネルの中央に同調している場合に得られる０次および／または１次監視信号を索引表に記録することができる。その後、レーザが特定チャネルに設定されると、監視信号がそのチャネルに対応して索引表に記録された値からずれないように、同調素子が（例えば、ＡＯ同調素子２０に印加される高周波周波数および／またはＡＯ同調素子２０の温度を変えることで）制御される。
【００５４】
ＳＤＳＦ同調メカニズムの好ましい形態では、ＳＤＳＦ同調素子として０次透過のＡＯ装置を使用する。ＡＯ相互作用は３波パラメトリック相互作用の典型例であるため、電気光学装置や非線形光学装置等の他の３波パラメトリック相互作用装置もＳＤＳＦ同調素子として使用可能である。また、ＡＯ相互作用は、光学的に肉厚の回折格子による光の回折として捉えることができるので、格子特性が制御可能な肉厚の格子装置（すなわち、体積ホログラム）もＳＤＳＦ同調素子として使用することができる。
【００５５】
ＳＤＳＦ同調素子は、透過方式または反射方式のものである。３波合成や体積ホログラムからの回折はいずれも透過においてノッチフィルタとなる狭帯域処理であるため、ＳＤＳＦ同調素子は透過方式の場合に最も容易に差動する。反射モードのＳＤＳＦ同調素子は、様々な方法で製造することができる。１つの方法として、透過モードのＳＤＳＦ同調素子にミラーを接着することができる。また、異なる波長帯域に狭帯域反射を有する複数の体積ホログラムを組み合わせて、反射スペクトルにノッチフィルタを有するアセンブリを形成する方法がある。
【００５６】
ＳＤＳＦ同調素子は、光ビームにスペクトル依存性歪をもたらすものでなくてはならない。そのため、ＳＤＳＦ同調素子として適切なのは、ビーム振幅および位相プロファイルが２次元であるバルク光学装置あるいはビーム振幅および位相プロファイルが１次元である平面導波路装置である。
【００５７】
従って、「ＳＤＳＦ同調素子」とは、バルクまたは平面導波路装置が透過方式または反射方式で動作し、物理メカニズムが少なくとも１つの肉厚の格子またはパラメトリック相互作用である同調可能なスペクトルノッチフィルタを提供するものである。ＳＤＳＦ同調素子の適切な制御入力として、特定周波数および／または振幅の電気信号を含む。
【００５８】
ＳＤＳＦ同調装置の好ましい形態は、キャビティ内空間フィルタを形成する単一モード導波路利得媒体を利用するものである。キャビティ内空間フィルタを形成する方法として、レーザキャビティへのピンホールの挿入など、他にも適切な方法がある。空間フィルタは、往復損失をキャビティ整合およびビーム歪に対する感受性を上げ、単一モード同調範囲を広くすることを目的とする。しかし、一部の応用においては、空間フィルタがなくても、ＳＤＳＦ同調装置でも充分な単一モード同調範囲が得られる。
【００５９】
以上説明したことから明らかなように、本発明は、レーザおよびレーザ同調装置を提供するものであり、その好ましい形態は０次音響光学同調レーザである。よって、当業者であれば、例えば、レーザキャビティおよび／または同調素子内の光路を折り込むことでレーザをコンパクトにする等、本発明の技術範囲から逸脱しない程度に構造や方法の詳細について様々な偏光が可能であることが容易に理解されるであろう。ここで開示された装置によって同調されるレーザへの周知のレーザ工学原理の応用は本発明の技術範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、２つの異なるレーザ構造の往復透過率対波長を概略的に示すものである。
【図２】図２は、ＡＯ同調素子の好ましい構造を概略的に示すものである。
【図３】図３は、ＡＯ同調素子における０次および１次ビームの測定パワー対波長を示すものである。
【図４】図４は、本発明の実施形態を概略的に示すものである。
【図５】図５は、本発明の実施形態における測定出力パワー対発光波長を示すものである。
【図６】図６は、本発明の実施形態における同調曲線および測定側モード抑制率を示すものである。
【図７】図７は、本発明の実施形態における同調曲線の一部および測定側モード抑制率を示すものである。
【図８】図８は、基準レーザ構造における測定往復透過率対波長を示すものである。
【図９】図９は、最適化レーザ構造における測定往復透過率対波長を示すものである。
【図１０】図１０は、測定側モード抑制率対戻りミラー傾およびＡＯ同調素子の位置の２つのレーザ位置パラメータを示すものである。
【図１１】図１１は、監視サブアセンブリーの実施形態を示すものである。
【図１２】図１２は、監視サブアセンブリーの他の実施形態を示すものである。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態における０次および１次ビームの測定監視信号を示すものである。
【符号の説明】
２０        ＡＯ媒体
２２        トランスデューサ
２４        光軸
２６        ＡＯ媒体の表面
２８        音響ビーム
３０        レーザアセンブリ
３２        レーザ出力ビーム
３４        利得素子
３４−１    利得素子の内面
３４−２    利得素子の外面
３６        レンズ
３８        グリッド固定エタロン
４０        戻りミラー
４０−１    戻りミラーの内面
４０−２    戻りミラーの外面
５０−Ａ    監視ビーム
５０−Ｂ    監視ビーム
５０−Ｃ    監視ビーム
６０        監視サブアセンブリ
６２        偏光ビームスプリッタ
６４        レンズ
６６        干渉計
６６−１    干渉計の表面
６６−２    干渉計の裏面
６８        縞パターン
７０        検波器アレイ
７０−Ａ    検波器
７０−Ｂ    検波器
７２        検波器アレイ
７２−Ａ    検波器
７２−Ｂ    検波器
７２−Ｃ    検波器
【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６】
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【図７】
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【図８】
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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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【図１３】
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