(57)【要約】  レーザキャビティ（２）の出力のロックおよびスキャンに用いることができるシステムおよび方法が記載されている。このシステムおよび方法は、レーザキャビティ（２８）の出力と、調整可能な外部基準キャビティ（３）を通したレーザの伝送（２８）との間のエラー信号を生成する信号生成器の使用を含む。二重の圧作動ミラー（６ｂ）が、２つの圧電結晶（２２、２３ｂ）へ電気的フィードバック信号を送るのに用いる別々の信号処理回路（２９ａ、２９ｂ）で、エラー信号の処理を可能にする。レーザキャビティの中に組み込まれた場合、記載されたシステムと方法は、レーザキャビティの出力のロックおよびスキャンに利用できるとともに、縮小された線幅のレーザ出力を提供する。【選択図】図４（ｂ）
2015519010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザキャビティ用ロックおよびスキャン装置において、当該装置が、外部基準キャビティと、前記レーザキャビティの二重の圧作動ミラーに電気的に接続されたロックおよびスキャン回路とを具え、当該回路が：
前記レーザキャビティからの出力と前記外部基準キャビティからの出力との間のエラー信号を生成し、当該エラー信号を第１成分と第２成分とに分割する信号生成器と；
前記エラー信号の第１成分を処理して、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶へフィードバック信号を送る第１信号処理回路と；
前記エラー信号の第２成分を処理して、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶へフィードバック信号を送る第２信号処理回路と；
を具えることを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項２】
請求項１に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶の厚みが、前記第１圧電結晶の厚みより薄いことを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶は、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶よりも高い周波数で駆動できるよう構成されていることを特徴とするロックおよびスキャン装置
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶が、ロックされた単一縦キャビティモードをスキャンする手段を提供することを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶が、前記レーザキャビティの動作を単一縦キャビティモードにロックする手段を提供することを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶の厚みが４ｍｍであることを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶は、１０ｋＨｚ未満の周波数で駆動可能に構成されていることを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶の厚みが１ｍｍ未満であることを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶の厚みが０．５ｍｍ未満であることを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶は、１５ｋＨｚより上の周波数で駆動可能に構成されていることを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のロックおよびスキャン装置において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶は、１００ｋＨｚより上の周波数で駆動可能に構成されていることを特徴とするロックおよびスキャン装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のレーザキャビティと、ロックおよびスキャン装置とを具えることを特徴とするレーザシステム。
【請求項１３】
二重の圧作動ミラーを具えるレーザキャビティのロックおよびスキャン方法であって、当該方法が、
外部基準キャビティを前記レーザキャビティに設けるステップと、
前記レーザキャビティからの出力と前記外部基準キャビティからの出力との間のエラー信号を生成するステップと、
前記エラー信号を第１成分と第２成分とに分割するステップと、
前記エラー信号の第１成分を処理して、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶へフィードバック信号を送るステップと、
前記エラー信号の第２成分を処理して、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶へフィードバック信号を送るステップと、
を具えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載のレーザキャビティのロックおよびスキャン方法において、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶へのフィードバック信号が、ロックされた単一縦キャビティモードをスキャンする手段を提供することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載のレーザキャビティのロックおよびスキャン方法において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶へのフィードバック信号が、前記レーザキャビティの動作を単一縦キャビティモードにロックする手段を提供することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載のレーザキャビティのロックおよびスキャン方法において、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶へのフィードバック信号が、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶を１０ｋＨｚ未満の周波数で駆動することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載のレーザキャビティのロックおよびスキャン方法において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶へのフィードバック信号が、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶を１５ｋＨｚより上の周波数で駆動することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３乃至１７のいずれか１項に記載のレーザキャビティのロックおよびスキャン方法において、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶へのフィードバック信号が、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶を１００ｋＨｚまたはそれ以上の周波数で駆動することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ光源の分野、特にレーザキャビティからの出力のロックおよびスキャン方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一周波数レーザの使用は、レーザキャビティの縦モードを選択し、長時間これを維持する能力に頼るところが大きい。レーザキャビティの長さが出力周波数を変えるためにスキャンされる場合は、これにモードの追跡も含まれるであろう。この選択は通常、キャビティの中に挿入された光学素子の組み合わせ、および／または、外部基準キャビティの使用により実現される。キャビティ内の要素は、例えば複屈折フィルタおよびエタロンを含んでもよい。
【０００３】
幅広く調整できるレーザ媒質の場合、これらの光学素子に課される周波数選択の要件は特に厳しい。第１の要件は、所望の動作モードが、キャビティが動作するであろう数多くの考えられる縦モードのうちの１つであるという事実から生じる。第２に、レーザ周波数を調整する必要性は、選択された要素が同様に調整されなければならないことを意味し、一般的にはその軸の１つのまわりを回転することによる。その結果、選択された要素が回転できるように使用された取付技術は、レーザ周波数を流動しやすくし、それとともに、これらの要素によって誘発される機械的ノイズが、出力フィールドの線幅を広げる原因となる。
【０００４】
数多くの幅広く調整することのできる単一周波数のレーザ利得媒質が、当業者に知られており、例えば、色素、チタンサファイア、Ｃｒ：ＬｉＣａＦ、およびＣｒ：ＺｎＳｅのようなカルコゲナイドを添加された遷移金属である。これらの利得媒質により提供される調整範囲は、５０ＴＨｚ以上（または１００ｎｍ以上）である。単一のモードが選択されなければならないレーザキャビティのモードは、一般的に数百ＭＨｚで間隔を空ける。先に述べたように、選択はキャビティ内へのいくつかの光学素子の挿入によって達成され、それぞれが稼働の力の損失をもたらし、これがレーザ周波数の周期関数となる。この周期は要素のフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）と呼ばれる。一般的に、単一周波数の動作を達成するのに選択される要素は、低い挿入損失の連続する狭い領域に対応する連続的な小さなフリースペクトルレンジを有するよう選択される。
【０００５】
光学装置は、１のみの縦レーザモードが、すべての挿入要素の最低限の損失に対応する周波数で振動できるように構成される。モードを選択する要素の正確な要件は、空間的ホールバーニング効果と同様に、利得媒質での均質な広がりに対する不均質な広がりの量に左右されることが知られている。さらに、いくつかの他の要因がレーザキャビティの出力の線幅を広げるように作用することが知られており、例えば、温度、屈折率変化、機械振動などである。
【０００６】
レーザ光源の用途の数の増加にともない、可能な限り狭い線幅を示す出力のレーザを提供するという継続的な要望が存在する。例えば、狭い線幅のレーザ光源は、光学センサにおける使用や、光通信および光周波数測定学の分野での使用において非常に望ましい。
【０００７】
したがって本発明の実施例の目的は、本分野の周知技術よりも縮小した線幅のレーザ出力を提供する、レーザキャビティの出力のロックおよびスキャン用の代替的な方法および装置を提供することである。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の第１態様によると、レーザキャビティ用ロックおよびスキャン装置が提供され、この装置は、外部基準キャビティと、前記レーザキャビティの二重の圧作動ミラーに電気的に接続されたロックおよびスキャン回路とを具え、この回路が：
前記レーザキャビティからの出力と、前記外部基準キャビティからの出力との間のエラー信号を生成する信号生成器と；
前記エラー信号の第１成分を処理して、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶へフィードバック信号を送る第１信号処理回路と；
前記エラー信号の第２成分を処理して、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶へフィードバック信号を送る第２信号処理回路と；を具える。
【０００９】
上述の装置は、公知技術の回路と比較してより狭い線幅のレーザ出力を提供するロックおよびスキャン回路を提供する。信号処理回路を別々の信号経路に分離することで、各々が対応する圧電結晶の特性に合うように最適化される。これにより、制御ループの安定性を維持しつつ、処理回路の「ループゲイン」が最大になる。最大の安定したループゲインの増加につれて、レーザの周波数変調ノイズ（線幅）はこうして基準キャビティの固有のノイズレベルへと低減する。
【００１０】
第２圧電結晶の厚みは、第１圧電結晶の厚みよりも薄いことが好ましい。最も好適には第２圧電結晶が、第１圧電結晶よりも高い周波数で駆動するように構成されている
【００１１】
その結果、第１圧電結晶が、ロックされた単一縦キャビティモードをスキャンする手段を好適に提供するとともに、第２圧電結晶が、レーザキャビティの動作を単一縦キャビティモードにロックする手段を提供する。
【００１２】
第１圧電結晶は４ｍｍの厚みを有してもよい。この第１圧電結晶の構成により、これが好適に１０ｋＨｚ未満の周波数で駆動する。
【００１３】
第２圧電結晶は１ｍｍ未満の厚みを有してもよい。最も好適には第２圧電結晶の厚みは０．５ｍｍ未満である。第２圧電結晶の厚みは０．１ｍｍでもよい。
【００１４】
この第２圧電結晶の構成により、これが好適に１５ｋＨｚ以上の周波数で駆動する。最も好適にはこの第２圧電の構成により、これが１００ｋＨｚまたはそれ以上で駆動する。
【００１５】
本発明の第２態様によると、本発明の第１態様にかかるレーザキャビティとロックおよびスキャン装置とを具えるレーザシステムが提供される。
【００１６】
本発明の第２態様の実施例は、本発明の第１態様の好適なまたは選択的な特徴を実装する特徴を具えてもよく、逆もまた同様である。
【００１７】
本発明の第３態様によると、二重の圧作動ミラーを具えるレーザキャビティをロックおよびスキャンする方法が提供され、この方法は：
外部基準キャビティをレーザキャビティに設けるステップと；
前記レーザキャビティからの出力と、前記外部基準キャビティからの出力との間のエラー信号を生成するステップと；
前記エラー信号の第１成分を処理して、前記二重の圧作動ミラーの第１圧電結晶へフィードバック信号を送るステップと；
前記エラー信号の第２成分を処理して、前記二重の圧作動ミラーの第２圧電結晶へフィードバック信号を送るステップと；を具える。
【００１８】
二重の圧作動ミラーの第１および第２圧電結晶へそれぞれ独立してフィードバック信号を処理するステップは、公知技術の方法と比べてより狭い線幅を示すレーザ出力を作り出す点で有利である。
【００１９】
好適には、第１圧電結晶へのフィードバック信号は、ロックされた単一縦キャビティモードをスキャンする手段を提供する。
【００２０】
第２圧電結晶へのフィードバック信号は、レーザキャビティの動作を単一縦キャビティモードにロックする手段を提供してもよい。
【００２１】
第１圧電結晶へのフィードバック信号は、この第１圧電結晶を１０ｋＨｚ未満の周波数で駆動してもよい。
【００２２】
好適には第２圧電結晶へのフィードバック信号が、この第２圧電結晶を１５ｋＨｚ以上の周波数で駆動する。最も好適には、第２圧電結晶へのフィードバック信号は、この第２圧電結晶を１００ｋＨｚまたはそれ以上の周波数で駆動する。
【００２３】
本発明の第３態様の実施例は、本発明の第１または第２態様の好適なまたは選択的な特徴を実装する特徴を具えてもよく、逆もまた同様である。
【００２４】
本発明の第４態様によると、レーザキャビティのロックおよびスキャン用の外部基準キャビティが提供され、この外部基準キャビティは、第１キャビティミラーと、第２キャビティミラーと、基準キャビティ駆動システムとを具え、この基準キャビティ駆動システムが、基準キャビティ内の第１キャビティミラーの位置を独立して制御する手段を提供する。
【００２５】
公知の外部基準キャビティと比べて、レーザキャビティの出力で誘発されたノイズが効果的に半減されるため、単一のミラーのみをロックされたレーザキャビティのスキャンに用いることは有効であり、これにより、逆位相で第１および第２キャビティミラーを同時に駆動することでスキャンが成し遂げられる。
【００２６】
最も好適には基準キャビティ駆動システムが、基準キャビティ内の第２キャビティミラーの位置を独立して制御する手段もまた提供する。これにより、外部基準キャビティは、例えば原子吸光線またはサードパーティー製の高精度の周波計などの、絶対周波数基準にレーザキャビティをロックするための外部入力信号を取り入れることができる望ましい機能をなおも提供することができる。
【００２７】
最も好適には、第１キャビティミラーが第１圧電結晶に取り付けられ、第２キャビティミラーが第２圧電結晶に取り付けられ、ここで第１および第２圧電結晶の熱膨張が、第１および第２キャビティミラーを基準キャビティの縦軸に沿った同じ方向に動くように作用するように、第１および第２圧電結晶は基準キャビティ内に機械的に取り付けられる。
【００２８】
本発明の第４態様の実施例は、本発明の第１から第３態様の好適なまたは選択的な特徴を実装する特徴を具えてもよく、逆もまた同様である。
【００２９】
本発明の第５態様によると、レーザキャビティを具えるレーザシステムが提供され、このレーザキャビティは、本発明の第４態様にかかる外部基準キャビティに従属する。
【００３０】
本発明の第５態様の実施例は、本発明の第１から第３の態様の好適なまたは選択的な特徴を実装する特徴を具えてよく、逆もまた同様である。
【００３１】
本発明の第６態様によると、第１キャビティミラーと第２キャビティミラーとを具える外部基準キャビティを駆動する方法が提供され、この方法は基準キャビティ内で第１キャビティミラーの位置を独立して制御するステップを具える。
【００３２】
最も好適にはこの方法がさらに、基準キャビティ内で第２キャビティミラーの位置を独立して制御するステップを具える。
【００３３】
本発明の第６態様の実施例は、本発明の第１から第５態様の好適なまたは選択的な特徴を実装する特徴を具えてよく、逆もまた同様である。
【００３４】
本発明の第７態様によると、レーザキャビティを具えるレーザシステムが提供され、このレーザキャビティは、本発明の第４態様にかかる外部基準キャビティに従属する。
【００３５】
最も好適には本発明の第１態様にかかるロックおよびスキャン装置によって、レーザキャビティが外部基準キャビティに従属する。
【００３６】
本発明の第７態様の実施例は、本発明の第１から第６態様の好適なまたは選択的な特徴を実装する特徴を具えてよく、逆もまた同様である。
【００３７】
本発明の第８態様によると、レーザキャビティのロックおよびスキャン用の外部基準キャビティが提供され、この外部基準キャビティは、第１圧電結晶に取り付けられた第１キャビティミラーと、第２圧電結晶に取り付けられた第２キャビティミラーとを具え、ここで第１および第２圧電結晶の熱膨張が、第１および第２キャビティミラーを基準キャビティの縦軸に沿った同じ方向に動くように作用するように、第１および第２圧電結晶が前記基準キャビティ内に機械的に取り付けられる。
【００３８】
上述の外部基準キャビティは、キャビティ内での熱ドリフトの影響を補うように作動する光学機械式装置を提供する。
【００３９】
好適には、外部基準キャビティはさらに基準キャビティ駆動システムを具え、この基準キャビティ駆動システムは、基準キャビティ内で第１キャビティミラーの位置を独立して制御する手段を提供する。
【００４０】
本発明の第８態様の実施例は、本発明の第１から第７態様の好適なまたは選択的な特徴を実装する特徴を具えてよく、逆もまた同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
本発明の態様と利点は、以下の詳細な説明を読むことと、以下の図面を参照することで明らかとなる。
【００４２】
【図１】図１は、本発明の実施例にかかるアクティブ安定化装置を組み込んだチタンサファイアレーザの略図を示す。
【図２】図２は、図１のチタンサファイアレーザで使用された外部基準キャビティの略図を示す。
【図３】図３は、図１のレーザシステム内での使用に適した２つの二重の圧作動ミラーの略図を提供する。
【図４】図４は、図３の二重の圧作動ミラーを制御する２つのロックおよびスキャン回路のブロック図を提供する。
【図５】図５は、図１のチタンサファイアレーザの外部基準キャビティを駆動する２つの基準キャビティ駆動回路のブロック図を提供する。
【００４３】
以下の説明において、明細書および図面を通して、同じ部品には同じ参照番号が付されている。図面は必ずしも一定の比率ではなく、本発明の実施例の詳細と特徴をよりよく示すために、特定の部品の比率が誇張されている。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
レーザキャビティからの出力をロックおよびスキャンするとともに、関連するキャビティの線幅を縮小する方法と装置が、図１から５を参照して詳細に説明される。特に、図１は、アクティブ安定化装置を組み込んだチタンサファイアレーザ１の略図を示す。ここに記載された実施例では、レーザ１が、レーザキャビティ２と外部基準キャビティ３とを具えることが示されている。
【００４５】
レーザキャビティ２は、第１ミラー４と、第２ミラー５と、圧作動ミラー６と、出力カプラ７とにより規定されるボウタイリング状のキャビティ形状を示し、これらはすべて機械的に安定したハウジング８の中に配置される。キャビティ２の中に配置されるのは、（第１ミラー４と第２ミラー５との間の）チタンサファイア利得媒質９と；（第１ミラー４と圧作動ミラー６との間の）光ダイオード１０と；（第２ミラー５と出力カプラ７との間の）複屈折フィルタ（ＢＲＦ）１１と；（圧作動ミラー６と出力カプラ７との間の）エアースペースエタロン１２と；である。リング状のキャビティ形状と光ダイオード１０との組み合わせによって、レーザキャビティ２を一方向の態様で作動させ、キャビティ内の波の移動が、利得媒質９内の空間的ホールバーニング効果の有害な影響を取り除く結果になる。
【００４６】
光吸収がチタンサファイア内で〜４００ｎｍから〜６００ｎｍまでの幅広い波長域で起こるならば、利得媒質９は、例えば５３２ｎｍのダイオード励起固体レーザ光源（図示せず）などの、様々な商業的に利用可能な連続波の「グリーン」レーザによって光学的に励起されうる。利得媒質９の励起は好適には第２ミラー５を通して生じる。
【００４７】
レーザ出力１３の波長を調整するために、キャビティ内複屈折フィルタ１１が使用される。この複屈折フィルタ１１はキャビティ２内に波長依存性損失を導き、波長の調整は複屈折フィルタ１１の回転によって達成される。複屈折フィルタ１１は、比較的迅速であるが粗い波長の調整を提供する。さらなる線幅縮小の技術なしでは、レーザ出力１３は〜８ＧＨｚの線幅を示す。
【００４８】
エアースペースエタロン１２をレーザキャビティ２へ導入すると、レーザ１の線幅動作をさらに縮小するように作用する。これは、エアースペースエタロン１２がキャビティ２内にスペクトルの損失を導き、これは複屈折フィルタ１１が示すものよりも狭い伝送帯域幅を有するためである。エアースペースエタロン１２の間隔を電気的に調整することで、レーザ出力１３の細かい調整もできる。レーザキャビティ２の長時間の単一モードの動作はまた、キャビティ内のエアースペースエタロン１２の電気的サーボロックを通して達成され、この技術は当業者に知られている。この技術は、エアースペースエタロン１２の間隔をディザリングすることにより、エアースペースエタロン１２の伝送機能のピークを（サーボループのキャプチャーレンジの範囲内で）キャビティ２の縦モードの最も近くにロックすることを含む。さらなる線幅縮小の技術なしには、レーザ出力１３は〜５ＭＨｚの線幅を示す。
【００４９】
圧作動ミラー６の正確な制御によりキャビティ長を精密に変更することができ、キャビティ長が調整されると単一発振の縦キャビティモード周波数に合うように調節できるため、圧作動ミラー６は、レーザ周波数を調整することで単一縦モードの動作を維持する手段を提供する。エアースペースエタロン１２のピークロック回路が接続されると、圧作動ミラー６によってこの周波数が調整された場合でも、エアースペースエタロン１２の伝送のピークが（ロック回路のキャプチャーレンジの範囲内で）この発振縦モード周波数にロックされて維持されたままとなる。さらなる線幅縮小の技術ない場合、レーザ出力１３は約２倍〜１０ＭＨｚの増大した線幅を示す。これは、圧作動ミラー６の動作によりレーザキャビティ２に機械的ノイズがもたらされた結果である。したがって、レーザキャビティ２を単一縦モードに調整できることとレーザ出力１３の線幅との間には既知のトレードオフが存在する。
【００５０】
単一モードの動作を誘発し、レーザキャビティの出力周波数をスキャンする手段を提供するための代替的な公知技術は、レーザキャビティ２を外部基準キャビティ３に従属させることである。これはピックオフミラー１４を使用して、レーザキャビティ２からの出力１３の小部分を、外部基準キャビティ３へと偏向することにより達成される。ロックおよびスキャン回路に電気的に接続された二重の圧作動ミラー６ａは、外部基準キャビティ３にレーザキャビティ２を制御する手段を提供し、さらなる詳細は以下に示される。
【００５１】
図２を参照すると、外部基準キャビティ３が、高安定性で、高フィネスの、直線上のキャビティを具え、これは、全体が符合１５および１６で示す第１および第２キャビティミラーにより規定される。縦軸１７が参照を容易にするためこの図に含まれている。第１キャビティミラー１５と第２キャビティミラー１６は、全体が符合１８および１９で示す第１および第２圧電結晶に取り付けられ、（以下にさらに詳細に説明されるように）これらにより基準キャビティがスキャン可能となる。第１ミラー１５と第２ミラー１６との違いは、この要素を通して光が通過するように、開口部２０が第２ミラー１６を通して形成されていることのみである。同様に、第１圧電結晶１８と第２圧電結晶１９との違いは、この要素を通してここでも光が伝播するように、開口部２１が第２圧電結晶１９を通して形成されていることのみである。
【００５２】
圧電結晶１８および１９は高い温度膨張係数を有することが知られ、したがって、これらの熱膨張によってキャビティミラー１５および１６の両方が縦軸１７に沿った同じ方向に動くように、圧電結晶１８と１９は機械的に取り付けられている。この方法により、外部基準キャビティ３の光学機械構造は、熱ドリフトの影響を補うように作用する。
【００５３】
図３（ａ）は、二重の圧作動ミラー６ａの第１実施例の略図を示す。本実施例では、デュアルスタック内の第１圧電結晶２２は、レーザキャビティ２を一般的には約３０ＧＨｚである所望の長さを超えて調整できるように長さの変動を提供する。この物理的な厚みは４ｍｍ程度である。この物理的な構成は、駆動可能な最大周波数が１０ｋＨｚ未満であり、この理由で圧電結晶２２は「スローピエゾ」と呼ばれる。デュアルスタック内の第２圧電結晶２３ａの厚みは０．５ｍｍ程度であり、一般的には１００ＭＨｚ程度のみの非常に小さな調整範囲を提供する。しかしながらこの物理的な構成により、第１圧電結晶２２と比較して、約２０ｋＨｚのより高い周波数で駆動可能となり、この理由で圧電結晶２３ａは「ファストピエゾ」と呼ばれる。ファストピエゾ２３ａの主要な機能は、レーザキャビティ２に固有のノイズの低減を補助して、これによりレーザ出力１３の線幅を縮小することである。
【００５４】
図３（ｂ）は、二重の圧作動ミラー６ｂの好ましい実施例を示す。本実施例は、図３（ａ）を参照して上述した実施例と似ているが、違いとして、ファストピエゾ２３ｂの厚みが０．１ｍｍ程度であり、この物理的な構成によってより高い周波数、一般的には１００ｋＨｚまたはそれ以上も駆動する。ファストピエゾ２３ｂとスローピエゾ２２との間の駆動周波数の増加した差は、図４（ｂ）を参照して以下にさらに詳細に説明するように、改善されたロック用電子素子を提供するのに利用可能である。
【００５５】
単一縦モードでのレーザキャビティ２のロックおよびスキャンは、以下のように達成される。フリンジパターンがレーザ出力１３と基準キャビティ３からの出力との間の干渉によって生成され、この基準キャビティからの出力は、出力ビーム１３の一部がピックオフミラー１４によって基準キャビティ３の中へ偏向されることにより生成される。フリンジ電圧は、基準キャビティ３のモードに対応したレーザ出力１３の波長の尺度となる。したがって、フリンジ電圧をそのピーク値に対する固定部分（一般的には５０％）に保持することにより、レーザ出力１３の波長が基準キャビティ３のモードに「ロックされた」ことを示す。
【００５６】
ロックシステムは、レーザキャビティ２内の圧作動ミラー６ａまたは６ｂにフィードバック信号を送ることによって、レーザ出力１３の波長を一定に保持する。従来から、フィードバック信号は、図３（ａ）の二重の圧作動ミラー６ａとともに、ブロック図４（ａ）に示すロックおよびスキャン回路２４により生成される。第１ブロック２５で、フリンジ電圧２７と、レーザ出力２８に比例する電圧とを比較することにより、エラー信号２６が生成される。次いでエラー信号は、信号処理回路２９内で処理および等化される。
【００５７】
処理および等化されたエラー信号の第１成分３０が、低域フィルタ３１によりフィルタ処理され、次いで第１高電圧増幅器３２により増幅され、スローピエゾ２２にフィードバック信号３３を送りロックされたレーザキャビティ２をスキャンする手段を提供する。処理および等化されたエラー信号の第２成分３４は、同様に第２高電圧増幅器３５により増幅され、ファストピエゾ２３ａにフィードバック信号３６を送る。
【００５８】
代替的には、フィードバック信号は、図３（ｂ）の二重の圧作動ミラー６ｂとともに、ブロック図４（ｂ）に示すロックおよびスキャン回路３７により生成される。第１ブロック２５はここでも、フリンジ電圧２７と、レーザ出力２８に比例する電圧とを比較することにより、エラー信号２６を生成する。しかしながらエラー信号２６は、２つの成分２６ａと２６ｂとに分割され、専用の信号処理回路２９ａと２９ｂ内でそれぞれ個別に処理され等化される。処理され等化されたエラー信号２６ａは次いで、第１増幅器３５により増幅され、ファストピエゾ２３ｂにフィードバック信号３６が送られる。処理され等化されたエラー信号２６ｂは同様に、第２増幅器３２により増幅され、スローピエゾ２２にフィードバック信号３３が送られる。
【００５９】
エラー信号２６を２つの成分に分けることによって、この２つの信号２６ａおよび２６ｂは、これらに関連する圧電結晶２２および２３ｂに対応して、ノイズ、ダイナミックレンジ、直流（ＤＣ）、および高周波運用にそれぞれが個別に最適化される。これにより信号処理回路２９ａの制御ループゲインが最大化され、レーザキャビティ２が外部基準キャビティ３にロックされたときにレーザ出力１３の線幅が縮小する結果となる。
【００６０】
上述のようにレーザキャビティ２を外部基準キャビティ３にロックするとともに、基準キャビティ長３をスキャン（または調整）することにより、レーザの出力周波数が次いでスキャン（またはオフセット）できるようになる。伝統的に、これは図５（ａ）のブロック図に示す基準キャビティ駆動システム３８の使用を通じて達成される。最初の例では、制御システム３９は信号処理回路４１への第１入力信号４０を生成する。
【００６１】
これはまた、原子吸光線やサードパーティ製の高精度の波長計のような絶対周波数基準にレーザキャビティ２をロックする手段を提供できる点でしばしば好適である。外部基準キャビティ３はこの機能性を、信号処理回路４１に第２入力信号４２を受信するのに適した外部入力を設けることにより実現し、この信号４２は様々適切な周波数エラー信号であってもよく、例えば、波長計からのフィードバック信号、または原子セルからの送信若しくは反射信号である。
【００６２】
第１入力信号４０と、もし存在すれば、第２入力信号４２とは、次いで信号処理回路４１内で処理され、第１圧電結晶１８への第１駆動信号４３と、第２圧電結晶１９への第２駆動信号４４とが生成される。第１駆動信号４３と第２駆動信号４４の双方はそれぞれ、高電圧増幅器４５および４６を通じてそれぞれの圧電結晶１８と１９とに電気的に接続される。これらの信号４３および４４は、第１圧電結晶１８および第２圧電結晶１９が縦軸１７に沿って等しく逆方向に動くように、これらを逆位相で同時に駆動するように構成される。第１圧電結晶１８と第２圧電結晶１９との厚みは、外部基準キャビティが１２０ＧＨｚ程度でスキャンされるようになっている。
【００６３】
上記のように、基準キャビティ３の設計は、第１圧電結晶１８と第２圧電結晶１９とのすべての可能な偏向のうちの小さな一部のみを利用している。したがって、基準キャビティ長が高精度で調整され、レーザキャビティ２の出力周波数の精密なスキャンが可能となる。この構成によりレーザキャビティ２は、５０ｋＨｚ以下の線幅で１００ＭＨｚ／ｈｒ／°Ｃ程度の絶対周波数ドリフトを示す出力を生成することが示された。
【００６４】
基準キャビティ３に到達する電気的ノイズの量は、レーザキャビティ２の全体の性能にとって重大である。観測された線幅はしたがって、第１圧電結晶１８および第２圧電結晶１９の動きにより誘発されるノイズによって影響を受ける。外部ソースからの第２入力信号４２に固有のノイズは、存在するときは、レーザキャビティ２の出力の線幅を広げる原因としても作用する。これらの有害な影響に対処するために、外部基準キャビティ３の第１ミラー１５と第２ミラー１６との機能性を分けることが大いに有益であるとわかっている。これは図５（ａ）に示す基準キャビティ駆動システム３８を、図５（ｂ）の基準キャビティ駆動システム４７に入れ替えることにより達成される。
【００６５】
特に、図５（ｂ）では２つの独立したキャビティ駆動システム４７ａと４７ｂとを具えることがわかる。第１キャビティ駆動システム４７ａは、第１圧電結晶１８のみ、したがって第１基準キャビティミラー１５のみを駆動するのに用いられる。第１キャビティ駆動システム４７ａにおいて、制御システム３９は再度入力信号４８を生成し、これは第１高電圧増幅器４９を通じて第１圧電結晶１８に電気的に接続される。第２キャビティ駆動システム４７ｂは、第２圧電結晶１９のみ、したがって第２基準キャビティミラー１６のみを駆動するのに用いられる。第２キャビティ駆動システム４７ｂにおいて、第２の外部入力信号４２は、第２高電圧増幅器５０を通じて第２圧電結晶１８に電気的に接続される。
【００６６】
この構成により第１基準キャビティミラー１５および第２基準キャビティミラー１６は互いに独立して動く。レーザキャビティ２のスキャンは、第２の外部入力信号４２が存在しないときは第２基準キャビティミラー１６が静止しているため、第１基準キャビティミラー１５によって主に制御される。これにより外部基準キャビティ３のスキャン範囲が６０ＧＨｚ程度まで効果的に低減されることが理解されている。しかしながら、このスキャン範囲はなおも、レーザキャビティ２の第１圧電結晶２２と第２圧電結晶２３とのすべての可能な偏向の２倍大きい。さらに基準キャビティ長を高精度で調整し、レーザキャビティ２の出力周波数の精密なスキャンが可能であることが、十分すぎるほどわかる。
【００６７】
有意な利点は、外部基準キャビティ３の第１ミラー１５と第２ミラー１６との機能を分けることにより、レーザキャビティ２の出力に誘発されるノイズが効果的に半減することである。これは、基準キャビティ駆動システム３９と比べて、基準キャビティ駆動システム４７ａが具える電気回路が少ないことから説明できる。さらに、基準キャビティ駆動システム４７で、外部基準キャビティ３の１つの圧電結晶１８のみがレーザキャビティ２のスキャンに用いられる。
【００６８】
当業者は、代替的な実施例では、基準駆動システムが第１キャビティ駆動システム４７ａのみを具え、第２基準キャビティミラー１６を動かす設備はなくてもよいことを理解するであろう。このような実施例はレーザ出力１３の線幅を縮小するのになおも有効ではあるが、これは外部入力信号４２を取り入れることができる望ましい機能を取り除くことになる。
【００６９】
図３（ｂ）の二重の圧作動ミラー６ｂを利用し、図５（ｂ）の基準キャビティ駆動システム４７とともに、図４（ｂ）のブロック図に示すようにロックおよびスキャン回路３７を用いることで、レーザキャビティ２が、数十ＧＨｚをスキャンできて１０ｋＨｚ以下の線幅を示す単一モード出力１３を提供することができる。これは、これらの構成要素を使用していない本技術分野で公知のスキャンシステムに見られる数百ｋＨｚの線幅と好ましく比較できる。
【００７０】
上記の実施例のすべてがボウタイリング状のキャビティ形状を有するチタンサファイアレーザシステムに関連して説明されてきたが、当業者によって、この装置と技術はこのようなシステムに用いるものに限定されないことが理解できる。これらの構成要素は、ロックおよびスキャン目的で二重の圧作動ミラーと、外部キャビティとを用いるどんな代替的なレーザキャビティにも等しく適用することができる。
【００７１】
上記では、レーザキャビティの出力のロックおよびスキャンに用いることができる２つのシステムが説明された。第１は二重の圧作動ミラーの使用を含み、これが２つの圧作動結晶への電気的フィードバック信号を送るのに用いられるエラー信号の独立した処理を可能にする。第２は基準キャビティ駆動システムを含み、これがレーザキャビティのロックおよびスキャンに用いられた外部基準キャビティの第１および第２ミラーの機能性を分けるように作用する。別々に適用されても、または一緒に適用されても、説明された方法と装置は、レーザキャビティの出力のロックおよびスキャンに用いることができるとともに、本技術で公知のレーザシステムと比較して縮小した線幅のレーザ出力を提供する。
【００７２】
明細書を通して、文脈が他を要求しなければ、「具える」若しくは「有する」という用語、または「具え」若しくは「具えている」、「有し」若しくは「有している」のような活用形は、記載した数または数の群を包含するが、他の数または数の群の除外を意味するものではないと理解されるべきである。
【００７３】
さらに、詳細な説明の先行技術に関しては、先行技術が通常の一般知識の一部を形成すると示していると受け取るべきではない。
【００７４】
先述の本発明の詳細な説明は、解説および説明の目的のために示され、排他的なものではなく、または本発明を開示された正確な形態に限定すべきものではない。記載された実施例は、本発明の原理およびこれらの実際の適用を最良に説明するために選択されて説明され、これらによって他の当業者が、考えられる特定の使用に適した様々な変更をともなう本発明の様々な実施例を最適に利用することが可能になる。したがって、添付された特許請求の範囲により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる変更または改良が包含される。
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【国際調査報告】
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