(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部キャビティレーザー内で光の波長を同調させる装置（３００）であって、前記装置（３００）は、
光学増幅半導体チップ（３１０）と、
第１の反射面（３１２）と、
反射防止（ＡＲ）被覆を施した半導体チップ切子面（３１４）と、
半導体チップ切子面（３１４）から放射された光線の少なくとも一部が入射して光学増幅半導体チップ（３１０）に回折される回折格子（３３０）と、
導体チップ切子面から放射された光線を回折格子に向けて平行光線にする手段（３２０）と、
その運動により上記した光線の波長の一部が外部キャビティレーザー内で同調される剛体の可動部分（３６０）とを含んでなり、
外部キャビティレーザーの前記剛体の可動部分（３６０）が外部キャビティレーザーの光軸に対して回転運動を行い、第１と第２の反射面間で伝播する光線の中心により該光軸が画定され、上記した運動が前記剛体の可動部分の集積部分により発生された電磁力により励動され、前記電磁力を発生する前記剛体の可動部分の集積部分が第１の磁石（３７０）を有しており、電流が通される第１のコイル（３７４）との相互作用で前記電磁力が発生されることを特徴とする外部キャビティレーザー内で光の波長を同調させる装置。
【請求項２】
前記剛体の可動部分が回折格子（３３０）が配置されている可動アーム（３６０）を有していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
さらに補助ミラー（１５０）を有しており、回折格子（３３０）からの回折光線の少なくとも一部が入射して回折格子に向けて反射され、前記剛体の可動部分が補助ミラー（１５０）が配置された可動アームを有していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
電磁力を発生する前記剛体の可動部分（３６０）の集積部分が電流が通される第１のコイル（３７４）を有しており、静的な第１の磁石（３７０）と相互作用中に電磁力が発生されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかひとつに記載の装置。
【請求項５】
さらに少なくとも１個の第２のコイル（３７６）とこれに併設された少なくとも１個の第２の磁石（３７２）とを有しており、これらの電磁相互作用が前記剛体の可動部分（３６０）の運動を検知するために使われることを特徴とする請求項１〜４のいずれかひとつに記載の装置。
【請求項６】
前記剛体の可動部分（３６０）の検知された運動が、外部キャビティレーザー中の光線の波長の制御を改良する制御システムに、使用されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
さらに前記剛体の可動部分（３６０）の位置を検知する手段（３８０、４８５）を有しており、前記剛体の可動部分の位置が前記の制御システムに使用されて、外部キャビティレーザー中の光線の波長制御に用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかひとつに記載の装置。
【請求項８】
前記剛体の可動部分の位置検知手段が位置感応検知子（ＰＳＤ）とＰＳＤにより検知される光線を発生するのに用いられる二次光源（４８０）とを有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
外部キャビティレーザー装置内で光の波長を同調させる方法であって、前記装置が、
光学増幅半導体チップ（３１０）と、
第１の反射面（３１２）と、
反射防止（ＡＲ）被覆を施した半導体チップ切子面（３１４）と、
半導体チップ切子面（３１４）から放射された光線の少なくとも一部が入射して光学増幅半導体チップ（３１０）に回折される回折格子（３３０）と、
半導体チップ切子面から放射された光線を回折格子に向けて平行光線とする手段（３２０）と、
その運動により上記した光線の波長の一部が外部キャビティレーザー内で同調される剛体の可動部分（３６０）とを含み、
前記剛体の可動部分の集積部分において発生された電磁力により外部キャビティレーザーの前記剛体の可動部分（３６０）に回転運動を与え、前記電磁力を発生する前記剛体の可動部分の集積部分が第１の磁石（３７０）を有しており、電流が通される第１のコイル（３７４）との相互作用で前記電磁力が発生されることを特徴とする外部キャビティレーザー内で光の波長を同調させる方法。
【請求項１０】
第２のコイル（４７６）とそれに併設された第２の磁石（３７２）との間の電磁相互作用により前記剛体の可動部分（３６０）の回転運動を追加的に検知することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記剛体の可動部分（３６０）の検知された運動を、外部キャビティレーザー中の光線の波長を制御する制御システムに、用いることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
さらに前記剛体の可動部分（３６０）の位置を検知して、これを外部キャビティレーザー中の光線の波長を制御する制御システムに、用いることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかひとつに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
この発明は、外部キャビテイ半導体レーザー内において、正確で、迅速で、連続的な、同調をさせるための装置と方法に関し、この発明によれば、摩擦および機械的磨耗による固有の制約が、絶対最小値まで削減される。
【０００２】
【発明の背景技術】
精密で波長調整が可能な、レーザー光源が必要とされる用途においては、しばしば外部キャビテイで安定化する、半導体レーザーを使う必要があった。従来式レーザーは、第１反射面と第２反射面の間に、光学的増幅手段を含む。一体式半導体レーザーにおいては、これらの反射面は通常、光学的に増幅する半導体チップの端部切子面である。波長固定式一体型レーザーは、第２の半導体チップ切子面に、反射防止（ＡＲ）被膜を施こすと共に、波長選択用として、外部に第２の可動式反射面を準備することにより、調整可能とすることができる。
【０００３】
波長選択を行なうための、数々の方法が存在し、その中では可動回折格子、あるいは固定格子に対して作動する、可動ミラーが最も一般的である。何故なら、それらは典型的に、広範囲の同調レンジを提供するからである。
【０００４】
また、光学的増幅手段を通じて、第１反射面と第２反射面の間を伝播する、レーザー光を利用する、いくつかの方法も存在する。その中では、一部分が反射し、一部分が透過する第１反射面がその一例である。もうひとつの方法は、上述の固定格子からの、部分反射光を有効利用する方法である。
【０００５】
外部キャビテイ半導体レーザー内において波長を選択し、その結果として、該外部キャビティレーザーからの、出力光の波長を選択することは通常、反射防止（ＡＲ）被膜を施こした、半導体チップ切子面から出てくる、平行光線にしたビームと、回折格子の垂直面との間の、角度を変更することによって達成される。この平行光線化は、普通はレンズ系を用いて行なわれる。
【０００６】
入射角の変更は、回折格子そのものを動かすか、あるいは補助ミラーを用いて、回折格子に向かうビームの方向を変更するかの、どちらかにより達成できる。両方の装置において、連続的な同調は、可動部分の移動、回転を調整することにより達成できる。
【０００７】
波長選択範囲を確保するための補助ミラー、あるいは回折格子の動作機構は普通、歯車装置を組み合わせた、機械的駆動系により達成される。ひとつのそのような装置が、米国特許第５４９１７１４号に記載されている。
【０００８】
外部キャビティレーザー内で、光の波長を変更する目的で、電動モーターを用いることもまた、良く知られている。これらの装置においては、典型的にウォームギア、または別タイプの、機械的歯車装置を含めることができる。
【０００９】
外部キャビティレーザー内で、機械的装置または歯車装置と共に、従来型モーターを使うことの、不都合のひとつは、そのような機械的装置が、固有の摩擦の故に、同時迅速かつ正確な、同調を妨げることである。さらに詳しくは、制約のひとつとして、歯車比の選択時、高精度では低速、あるいは高速では低精度の、いずれかに妥協するしかないという固有の結末がある。
【００１０】
外部キャビティレーザー内で、光の波長を同調するための、既知のシステムにおける、さらなる不都合の内には、例えば次のようなことが有る。それは、機械的磨耗、摩擦発熱、遊び、潤滑膜圧のばらつき、機械的剛性不足など、長期的信頼性、およびシステム性能に有害な不都合である。
【００１１】
【当該発明の説明】
この発明により解決される問題は、外部キャビティレーザー内における、光の波長を決める、光学諸要素の方向と、適切な場合の場所を、高速かつ高精度に、変動させるという難題である。この発明はまた、最小量の摩擦発熱と最小量の機械的磨耗のもとに、波長変更を可能にする。
【００１２】
外部キャビティレーザー内における、光の波長を同調するための、次のものを含む、この発明による方法と装置に基づいて、上述の問題は解決される。ここに含まれるものは、光学増幅半導体チップ、第１反射面、反射防止（ＡＲ）被覆を施した半導体チップ切子面、ＡＲ被覆した半導体チップ切子面から出た、ビームの少なくとも一部が入射し、光学増幅半導体チップへ回折反射する回折格子、ＡＲ被覆した半導体チップ切子面から出射して、回折格子へ向かう光を平行光線にする手段、ならびに、その可動部分により、外部キャビティレーザー内における、光の波長が同調できる、駆動手段に基づく可動部分であって、該外部キャビティレーザー内における可動部分が、外部キャビティレーザーの光学軸に対し、相対的に回転運動を示し、該光学軸が、第１反射面および第２反射面を伝播する、ビームの中心として定義され、前記駆動手段が、前記可動部分の集積箇所内で生成された、電磁力で駆動される手段である可動部分。
【００１３】
外部キャビティレーザー内における可動部分の動作が、可動部分の集積箇所内で生成された、電磁力で駆動されるという事実に基づき、この電磁力を、直接動作および外部キャビティレーザー内における光の波長調整に、作用させる目的で使うことができる。このようにして、中間媒体としての、歯車装置その他の類似物は、もはや不必要である。その結果、外部キャビティレーザーの可動部分は、最小限の摩擦で、動くようにすることができ、その動作、さらにひいては、外部キャビティレーザー内における光の波長を、精密に、迅速に、かつ連続的に、広い波長領域にわたって、同調させることができる。
【００１４】
この発明の一実施例として、装置の可動部分が、該装置の回折格子を搭載した、回転可能なアームを含む。
【００１５】
この発明の別の実施例として、装置の可動部分がまた、回折格子から回折されて出た光の、少なくとも一部を入射し、該回折格子に向けて反射する、補助ミラーを含むことができる。この装置において、上述の可動部分が、該補助ミラーを搭載した、回転可能なアームを含む。
【００１６】
電磁力が生成される、可動部分の該集積箇所は、電流が流された第１固定コイルとの相互作用で、電磁力が生成される第１磁石、または第１固定磁石との相互作用で、電磁力が生成される、電流が流された第１コイルを含むことができる。
【００１７】
この発明の望ましい一実施例として、該装置がまた、少なくとも１個の第２コイル、およびそれに付随する、少なくとも１個の第２磁石を含み、両者の内どちらかが、該装置の可動部分に搭載され、第２コイルと第２磁石間の、電磁力の相互作用が、該可動部分の動作検出のために使用される。
【００１８】
電磁力の影響下で可動部分が動くと、第２磁石はそれに従って、第２コイルと関係して動作を演じ、あるいは逆に、その結果として、第２コイルに電圧が発生する。この第２コイルと第２磁石間の電磁力の相互作用は、換言すれば、第２コイルに発生した電圧が、該可動部分の動作検出の目的に使用できる。該可動部分の動作に関する情報が今度は、外部キャビティレーザー光の、波長制御を改善するために、制御系に活用することができる。
【００１９】
【実施例】
図１にこの発明を適用した外部キャビティレーザー（１００）の基本的な構成を示す。該外部キャビティレーザー（１００）は以下に説明する公知の「リトマン（Ｌｉｔｔｍａｎ）構造」に沿って構成されたものである。
【００２０】
外部キャビティレーザー（１００）は光学増幅半導体チップ（１１０）と、第１の反射面（１１２）と、ＡＲ被覆半導体チップ切子面（１１４）と、回折格子（１３０）と、コリメーターレンズ（１２０）と可動部分上に配置された補助ミラー（１５０）とを有している。チップ（１１０）の切子面（１１４）を通して放射された光線は回折格子（１３０）に入射するが、これに向けて光線はコリメーターレンズ（１２０）により平行光線とされる。回折格子（１３０）から光線は補助ミラー（１５０）に向けて完全にまたは一部回折される。ついで回折格子（１３０）およびコリメーターレンズ（１２０）を経て半導体チップ（１１０）に向けて反射される。
【００２１】
可動部分には補助ミラー（１５０）が設けられていて回転軸（１４０）について回転し、この補助ミラーの回転により補助ミラー（１５０）と回折格子との間の角度と距離とが変化して、外部キャビティレーザー（１００）中の光線の波長を変化させることができ、図１中矢印で示すように出力光線の波長λを変化させることができる。
【００２２】
図２にこの発明を適用した外部キャビティレーザー（２００）の基本的な構成を示す。該外部キャビティレーザー（２００）は以下に説明する公知の「リトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）構造」に沿って構成されたものである。
【００２３】
前記の外部キャビティレーザー（１００）同様に、外部キャビティレーザー（２００）は好ましくは光学増幅半導体チップである光学増幅媒体（２１０）を有している。この光学増幅チップは好ましくは反射半導体チップ切子面である第１の反斜面（２１２）とＡＲ被覆半導体チップ切子面（２１４）とを有している。
【００２４】
光線は光学増幅媒体（２１０）から放射された光線はＡＲ被覆半導体チップ（２１４）を経て回折格子（２３０）に向かう。この光線はレンズ（２２０）により平行光線にされる。さらにこの回折格子（２３０）から光線の全部または一部はレンズ（２２０）を経て光学増幅半導体チップ（２１０）に反射される。このレンズは回折格子からの光線を光学増幅半導体チップ（２１０）に焦点させる。
【００２５】
光学増幅半導体チップ（２１０）からの光線は第１の反斜面（２１２）（この例では一部を反射し一部を透過させている）を通すことも可能である。この反射面からのレーザー光線は公知の適宜な方法で利用することができる。
【００２６】
図２に示すように、回折格子（２３０）は回転軸（２４０）について回転可能である。この回折格子は可動部分上に配置されており、好ましくは図示しない外部キャビティレーザー（２００）中のアームにより支持されている。回転軸（２４０）について回折格子（２３０）を回転させることにより、平行光線と回折格子に垂直な面との間の角度を変更できる。これと同時に回折格子と第１の反斜面（２１２）との間の光路長を変更できる。かくして外部キャビティレーザー（２００）中の光線の波長λを連続的に変更できる。換言すると、第１の反斜面（２１２）を経て取出されるレーザー光線は回転軸（２４０）についての回折格子（２３０）の回転により連続的に変更され得るのである。
【００２７】
リトマン構造またはリトロー構造またはその他の構造のいずれに関係なく、外部キャビティレーザーは可動部分を有しており、その運動によりレーザーから放射されるレーザー光線の波長を同調させることができる。この発明の核心は外部キャビティレーザーの正確にして迅速な連続同調装置と方法に関するものである。そこでは本来的な摩擦および機械的な摩耗を最少に低減している。上記したいずれの構造であっても、可動部分の移動と回転とを整合させることにより連続同調が達成される。
【００２８】
図３に示すこの発明の装置すなわち外部キャビティレーザー（３００）にあっては、そこから放射されたレーザー波長は上記したリトロー構造に沿って変更されるが、リトマン構造にもこの発明は適用されるものである。
【００２９】
該外部キャビティレーザー（３００）は光学増幅半導体チップ（３１０）を有しており、この半導体チップ（３１０）は第１の反射面（３１２）（好ましくは半導体チップ切子面）および非反射ＡＲ被覆半導体チップ切子面（３１４）とを有している。切子面を経て放射された光線はレンズ（３２０）により平行光線とされて、回折格子（３３０）に向かう。この回折格子は軸転または回転アーム（３６０）などの可動部分に配置されており、該可動部分は回転中心（３４０）について回転する。
【００３０】
矢印（３９０）で示す方向にアーム（３６０）を回転することにより、平行光線と回折格子（３３０）に垂直な面との間の角度および回折格子と第１の反射面（３１２）との間の光路長とが同時に変更される。この結果装置中のレーザー光線の波長も連続的に変化する。光線は例えば図３に示した第２、第３のレンズ（３９２、３９５）を経て装置外に放射される。これらのレンズにより光線は光ファイバー（３９８）中に導かれるが、これは光線利用の一例に過ぎないものである。
【００３１】
この発明において可動アーム（３６０）は第１の磁石（３７０）を有しており、この磁石の周りには静的な第１のコイル（３７４）が配置されている。第１の磁石（３７０）と第１のコイル（３７４）とは相互作用して電磁力を生じ、これがアームを運動させる。この電磁力はコイルに電流を通すことにより発生する。通電による電磁力発生の結果第１の磁石とアームとが回転中心（３４０）について運動し、外部キャビティレーザー中の光線の波長を所望の態様で同調することができる。
【００３２】
コイルが接触することなしに磁石ひいてはアームを動かすので、アームの動く際の摩擦力は最小とある。残る唯一の摩擦力はアーム（３６０）を軸（３４０）に取り付けることによるものである。かくして外部キャビティレーザー（３００）により放射される波長の制御は高い正確さ、高速および最少の摩擦と機械的な摩耗により達成されるのである。
【００３３】
この発明の装置は外部キャビティレーザーにより放射された波長を広い範囲に亙って所望の波長に変更するのに使用でき、該範囲は主として使用された光学増幅媒体の性質により定まるものである。
【００３４】
またこの発明によれば、上記したような電磁力を発生する要素に関する限りでは、逆の態様でも設計が可能となる。つまり可動アームはコイルを有してもよく、第１の磁石（３７０）をアーム上に配置する代わりに静的に配置して、コイル（３７４）と相互作用するようにもできる。
【００３５】
さらに同調の正確さと速度を増加すべく、第２の磁石（３７２）を可動アーム（３６０）上に固定してもよい。第２の磁石の周りには第２のコイル（３７６）が設けられている。第１のコイル（３７４）が第１の磁石（３７０）と電磁運動的に相互作用してアームを動かすと、第２の磁石（３７２）もまた第２のコイル（３７６）に対して動く。この動きは電磁誘導により第２のコイル（３７６）中に電圧を発生する。
【００３６】
可動アーム（３６０）の速度に応じて第２のコイル（３７６）中の電圧が変化するので、この電圧を使って可動アームの速度を検知できる。これを制御システムに用いて、外部キャビティレーザー（３００）中の光線の波長の制御を改善できる。
【００３７】
外部キャビティレーザー（３００）における正確な位置付けと速度制御とを両立させるには、アーム（３６０）の位置を検知する追加の装置が必要となる。これらとしては好ましくはレーザーダイオードなどの第２の光源（３８０）、ＰＳＤとして知られている装置、位置感応検知子（ＰＳＤ）（３８５）などがある。第２の光源（３８０）は、放射光線が回折格子（３３０）上に入射してＰＳＤ（３８５）に向けて反射されるように、配置されている。
【００３８】
ＰＳＤは周知の装置であるので詳しくは記載しないが、その表面が光線により照射されたときに２通りの電流を発生するものである。これら２通りの電流の差を合計で除算したものはＰＳＤの表面のどこを光線が照射したかを示し、これにより回折格子の位置に関しての情報が得られ、可動部分の位置が得られる。アームの位置に関するこの情報は、可動アームの速度に関する情報とともに、上記した制御システムにおいて適宜利用される。かくしてアームの速度と正確な位置を制御することができ、外部キャビティレーザーにより放射されるレーザー光線の波長が制御できる。
【００３９】
図４に示すのはこの発明の制御システム（４００）であって、アームの位置と速度に関する情報によりアームの運動を制御するものである。この制御システム（４００）は第１の加算ノード（４２０）と第２の加算ノード（４４０）と第１の制御器（４３０）と第２の制御器（４５０）と速度センサー（４７０）と位置センサー（４８０）とモーター（４６０）とを有している。
【００４０】
制御システム（４００）中の速度センサー（４７０）は好ましくは第２の磁石（３７２）と相互作用する第２のコイル（３７６）であって、図３に関する上記した記載によれば、可動部分の運動を検知するのに用いることができる。
【００４１】
制御システムのモーター（４６０）は好ましくは第１の磁石（３７０）と相互作用する第１のコイル（３７４）であり、図３についての記載によれば可動部分を運動させるものである。
【００４２】
位置センサー（４８０）は好ましくはＰＳＤからなり、その機能については図３に間連して上記したところである。
【００４３】
以下制御システム（４００）の機能について詳細に説明する。装置中の可動部分の位置は位置センサー（４８０）により検知されて、第１の加算ノード（４２０）への入力データとして用いられる。この発明による可動部分の所望の位置が第１の加算ノード（４２０）へのもうひとつの入力データとして用いられる。したがって該ノードからの出力データは装置中における可動部分の実際の位置と所望の位置との間の位置誤差となり、これを第１の制御器（４３０）への入力データとする。
【００４４】
第１の制御器（４３０）からの出力データは第２の加算ノード（４４０）への入力データとして用いられる。速度センサー（４７０）からの値は第２の加算ノード（４４０）へのもうひとつの入力データとして用いられる。第２の加算ノード（４４０）からの差値は速度誤差をなし、第２の制御器（４５０）に入力されて、これがモーター（４６０）を制御する。
【００４５】
したがって制御システム（４００）は制御ループから構成されていると考えられ、入れ子状のループ（４１０）を含んでおり、この内部制御ループ（４１０）が可動部分の速度を処理する。
【００４６】
この発明は以上開示した実施例に限定されるものではなく、当業者推考可能な限りで種々変更が可能である。
【００４７】
以上の記載において、外部キャビティレーザーに含まれる光学増幅媒体はＡＲ被覆半導体切子面を具えた光学増幅半導体チップとして説明されたが、他のタイプのものも勿論使用できる。その場合には例えば第１の反射面は光学増幅媒体とは別体に配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  外部キャビティレーザーの一例の原理を示す説明図である。
【図２】  この発明を適用した外部キャビティレーザーの他の例の原理を示す説明図である。
【図３】  この発明の装置の基本構成を示す図である。
【図４】  この発明において用いる制御システムのブロック線図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００：外部キャビティレーザー
１１０：光学増幅半導体チップ
１２０：コリメーターレンズ
１３０、２３０：回折格子
１５０：補助ミラー
２１０：光学増幅媒体
２１４：切子面
【図１】
0004731691.tif 000002
【図２】
0004731691.tif 000003
【図３】
0004731691.tif 000004
【図４】
0004731691.tif 000005