(57)【要約】【課題】  所望の範囲に渡り連続的な、モードホップのない同調をもたらしながら、速度、単純性、経済性、及び／又は信頼性が増した外部共振器型半導体レーザを同調するシステムと方法を提供すること。【解決手段】  外部共振器型レーザはモータ軸に取り付けられた回転同調素子により同調されるレーザ出力の波長を有する。回転同調素子は波長選択用の可変厚さの干渉膜と、同調要素を回転しながら、選択された波長に対して共振器長を安定波長とモードホップのない同調範囲に適切に調整するための可変厚さ補償プリズムとを含む。【選択図】      図２
2005150720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転角の関数として変化する透過波長を有する可変透過率フィルタと、
回転角の関数として変化する厚さを有する補償プリズムであって、前記可変透過率フィルタの透過波長に対応する外部共振器型レーザの共振器長を変更するために使用可能な補償プリズムと、
を備えることを特徴とする回転同調素子。
【請求項２】
前記可変透過率フィルタの前記透過波長が前記回転同調素子の直径に渡り実質的に直線的に変化する、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転同調素子。
【請求項３】
前記補償プリズムの厚さが前記回転同調素子の直径に渡り実質的に直線的に変化する、
ことを特徴とする請求項２に記載の回転同調素子。
【請求項４】
前記回転同調素子の回転軸と同心のトラックの回りで多数の透過波長サイクルをもたらすように前記可変透過率フィルタの前記透過波長が変化する、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転同調素子。
【請求項５】
前記回転同調素子の回転軸と同心のトラックの回りで多数の厚さサイクルをもたらすように前記補償プリズムの厚さが変化する、
ことを特徴とする請求項４に記載の回転同調素子。
【請求項６】
前記回転同調素子の回転角を示す信号を供給するようにセンサと相互作用するマークを更に備える回転同調素子であって、前記マークがａ）トリガマークとｂ）ロータリエンコーダ目盛りマークの少なくとも一方を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転同調素子。
【請求項７】
前記回転同調素子の直径に平行な方向に沿って多数の透過波長サイクルをもたらすように前記可変透過率フィルタの前記透過波長が変化する、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転同調素子。
【請求項８】
前記回転同調素子の直径に平行な方向に沿って多数の厚さサイクルをもたらすように前記補償プリズムの前記厚さが変化する、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転同調素子。
【請求項９】
前記可変透過率フィルタの前記透過波長に対応するように回転角の関数として変化する透過波長を有するエタロンを更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転同調素子。
【請求項１０】
前記エタロンが楔状エアギャップエタロンである、
ことを特徴とする請求項９に記載の回転同調素子。
【請求項１１】
前記可変透過率フィルタの前記透過波長に対応するように回転角の関数として変化する透過波長を有する第二のエタロンを更に備える、
ことを特徴とする請求項９に記載の回転同調素子。
【請求項１２】
レーザダイオードと、リフレクタと、前記レーザダイオードと前記リフレクタの間の光路に沿って、動作するように配設された請求項１に記載の回転同調素子とを備える、
ことを特徴とする外部共振器型レーザ。
【請求項１３】
光路に沿って配設された少なくとも一つの光絶縁素子を更に備える、
ことを特徴とする請求項１２に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項１４】
光路に沿って配設された少なくとも一つのレンズを更に備える、
ことを特徴とする請求項１２に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項１５】
前記回転同調素子を回転するために使用可能な回転モータを更に備える、
ことを特徴とする請求項１２に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項１６】
前記回転同調素子が、前記回転同調素子の回転角を示す信号を供給するようにセンサと相互作用するマークを更に含み、前記マークがａ）トリガマークとｂ）ロータリエンコーダ目盛りマークの少なくとも一方を備え、前記外部共振器型レーザが前記マークを検知するセンサを更に備える、
ことを特徴とする請求項１２に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項１７】
前記回転モータが前記回転同調素子に連結された軸に連結され、前記回転同調素子に連結された前記モータが光路に対して横方向に沿ってレーザダイオードに隣接して配設可能であるように前記回転同調素子が充分大きい半径を有する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項１８】
往復運動を使用しないで繰り返し変化する可変波長出力をもたらすように動作可能である、
ことを特徴とする請求項１５に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項１９】
往復運動を使用しないで繰り返し変化するモードホップのない可変波長出力をもたらすように動作可能である、
ことを特徴とする請求項１８に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項２０】
少なくとも１００Ｈｚの周波数で繰り返し変化するモードホップのない可変波長出力をもたらすように動作可能である、
ことを特徴とする請求項１９に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項２１】
精密な運動制御に頼らないで精密に繰り返される波長範囲に渡り繰り返し変化するモードホップのない可変波長出力をもたらすように動作可能である、
ことを特徴とする請求項１８に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項２２】
前記回転同調素子が回転角の関数として前記回転同調素子の回りで多数回複製されるパターンを含み、前記外部共振器型レーザが少なくとも１，０００Ｈｚの周波数で繰り返し変化する可変波長出力をもたらすように動作可能である、
ことを特徴とする請求項１８に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項２３】
少なくとも１０，０００Ｈｚの周波数で繰り返し変化する可変波長出力をもたらすように動作可能である、
ことを特徴とする請求項２２に記載の外部共振器型レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転同調素子及びこれを有する外部共振器型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変外部共振器型ダイオードレーザ（ＥＣＤＬ）は光学式試験又は測定装置に広く使用され、また波長分割多重（ＷＤＭ）光学式音声及びデータ通信装置にますます使用されてきている。いくつかの波長可変外部共振器型ダイオードレーザにおいては、出力は共振器に挿入された干渉フィルタを含むシステムにより、あるいは共振器に挿入された格子要素により同調される
【０００３】
多重縦モードは、半波長の整数倍が共振器長内に丁度収まるような波長に対応して共振器により維持される。利得媒質が隣のモードの波長において利得をもたらす場合、外部共振器の同調を変更しながら隣の分光モードが発振し始めるときにモードホッピングが生じ得る。共振器は多モードを維持する場合もあるし、多波長に対して不連続信号を出力することによりモード間を「ホップ」する場合もある。
【０００４】
最近の外部共振器型半導体レーザに関して連続的なモードホップのない同調が可能な種々のコンパクトなシステムについて、例えば特許文献１、２及び３に開示されている。
【０００５】
特許文献１はモードホッピングがなく、また干渉及び反射からのフィードバックが減少した外部共振器型レーザ（ＥＣＬ）を同調するために干渉フィルタを使用するシステムを開示している。特許文献１はまた外部共振器型レーザ同調素子の機械的に周波数変調された同調に備える同調機構を開示している。特許文献１に開示されているように、同調エタロンは楔状の補正素子と組み合わされてモードホッピングのない同調をもたらす。具体的には、同調素子はエンコーダと読み取り装置に基づいて並進される。並進軸方向の並進器の必要運動範囲は実際にはセンチメートルの範囲であり、熱機械的超音波ステッパ及び直線ステッパを含むモータ技術が開示されている。また、ボイスコイルアクチュエータが同調素子に連結され位置決めするものも一実施例として開示されている。
【０００６】
特許文献２は、選択された波長グリッドの個々のチャンネルと、レーザのサイドモードを抑える技巧とに対応する第一の通過帯域を示すグリッド発生器を有する類似の波長可変レーザシステムを開示している。特許文献２に述べられている外部共振器型レーザは閉ループフィードバックを必要としない。むしろ、既知の位置又は電気的パラメータ（例えば電圧、電流、又は容量）への電気的又は機械的同調に備える同調機構が開示されている。チャンネルセレクタは第一の通過帯域より広い第二の通過帯域を示す。第二の通過帯域は、選択された波長グリッドの最短波長チャンネルと最長波長チャンネルの間の間隔に少なくとも実質的に対応する周期性と、選択されたチャンネルに隣接するチャンネルを抑える技巧とを有する。
【０００７】
特許文献１及び２に開示されているアクチュエータと制御システム及び方法はあまりにも遅く、費用がかさみ、複雑であり、かつ／あるいは種々の用途に対して信頼性がない可能性がある。
【０００８】
特許文献３はモノリシックなプリズムアセンブリを含むシステムを開示しており、プリズムアセンブリは第一の外面と、第一の外面に対向しかつ第一の外面と外部共振器の横平面に対して鋭角で傾斜した第二の外面とを有する基板を備える。好ましくは傾斜面である基板の片面は薄膜ファブリー・ペロー干渉フィルタを合体している。モノリシックなプリズムアセンブリを光軸に対して横方向に並進させることによりレーザ出力波長の連続的な、モードホップのない同調を生じる。しかしながら、開示された干渉フィルタの要求される加工精度は高く、製造コストが高くなってしまうという問題がある。更に、実際に達成可能なフィルタに対応する必要外部共振器長は種々の望ましい、安価な光学部品を含むには短すぎる可能性がある。最後に、特許文献１及び２と同様に、特許文献３で開示及び／又は示唆されるアクチュエータと制御システム及び方法は種々の用途に対してあまりにも遅く、費用がかさみ、複雑であり、かつ／あるいは信頼性がない可能性がある。
【０００９】
【特許文献１】Ｚｏｒａｂｅｄｉａｎの米国特許第６２８２２１５号明細書
【特許文献２】Ｚｏｒａｂｅｄｉａｎの米国特許第６５２６０７１号明細書
【特許文献３】Ｓｃｏｂｅｙの米国特許第６１１５４０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
所望の範囲に渡り連続的な、モードホップのない同調を可能としながらこれらの前記欠点又は限界を克服することができる、外部共振器型半導体レーザに関する同調システムと方法の開発が望まれている。
【００１１】
本発明は、モードホップのない連続的に波長が可変の単一モード出力をもたらすように所望の範囲に渡り外部共振器型レーザ装置を同調するシステム及び方法を提供する。
【００１２】
本発明は速度、単純さ、経済性、及び／又は信頼性が増した、所望の範囲に渡り外部共振器型レーザ装置を同調するシステム及び方法を別々に提供する。
【００１３】
本発明は複雑な運動制御なしに所望の波長走査パターン又はシーケンスを用いて外部共振器型レーザ装置を同調するシステム及び方法を別々に提供する。
【００１４】
本発明は波長走査の所望のパターンをある一定の事象に同期させるシステム及び方法を別々に提供する。
【００１５】
本発明は複雑な運動制御なしに所望の波長走査パターンを繰り返し達成するシステム及び方法を別々に提供する。
【００１６】
本発明は方向性のない回転運動を用いて外部共振器型レーザの所望の同調パターンを達成するシステム及び方法を別々に提供する。
【００１７】
本発明は特にコンパクトな配置で外部共振器型レーザ装置のモードホップのない波長制御を達成するシステム及び方法を別々に提供する。
【００１８】
本発明は特に安価で信頼性のある運動制御部品を用いて、外部共振器型レーザ装置の波長制御を達成するシステム及び方法を別々に提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によるシステム及び方法の種々の実施例において、回転同調素子は透明光学基板の表面に膜として設けられた回転連続可変フィルタを含み、この透明光学基板は連続可変フィルタの円形トラックに沿って変化する厚さを有する。この回転連続可変フィルタは全ての個所が連続可変レーザ周波数を設定する狭帯域干渉フィルタとなっており、透明光学基板の変化する厚さは対応する光路長変化をもたらし、従ってモードホップのない同調を可能とする。
【００２０】
種々の実施例において、本発明によるシステム、装置及び／又は方法を組み入れた光学装置は比較的短い外部共振器を含み、半導体ダイオードレーザのような利得媒質は、外部共振器に光学結合された、外部共振器に面する出射面上に反射防止膜を有する。出力カプラ反射膜がダイオードレーザの出射面、即ちレーザ出力方向に面する一方の共振器端面に設けられる。回転同調素子が光軸に沿って外部共振器の中に配置される。ステップモータ、直流モータ等の回転モータは回転同調素子を回転して光路に沿って配置される同調素子の部分を決定するように制御される。レーザダイオードの第一の出射面と回転同調素子の間で光をフォーカス及び／又はコリメートするためにレンズも外部共振器の中に配置される。種々の実施例において、光路に沿いかつ回転同調素子を通って透過される光を受けるために光学共振器の端部に配置されたリフレクタやレトロリフレクタを含む種々の光絶縁器及び／又は他の光学素子も光路に沿って配置してよい。レトロリフレクタは光を光路に沿いかつ回転同調素子を通って共振器に面する、利得媒質の出射面に戻す。種々の実施例において、四分の一波長板等の種々の光絶縁素子を光軸に沿って配置してもよい。
【００２１】
本発明によるシステム及び方法の種々の他の実施例において、回転同調素子は、回転同調素子の両面が光軸に対して非垂直を維持するような平面内に合わせられる。このようにして、擬似反射が共振器の光軸から逸らされ、それに付随する所望のレーザ動作の妨害を回避する。
【００２２】
本発明によるシステム及び方法の種々の他の実施例において、外部共振器型レーザは外部共振器を比較的長くできるエタロンを含む。共振器長が長いほどより間隔が密なスペクトルモードで動作可能であるように、エタロンはその自由スペクトル領域により外部共振器型レーザに関する中心動作波長の選択の仔細さを増加する。種々の実施例において、エタロンは可変フィルタの円形トラックに固定的に位置合せされた円形路に沿って変化するエタロン厚さを含んでもよい。エタロンは、それが連続可変フィルタに適切に位置合せされるときに、可変フィルタの基準通過帯域幅及び／又は外部共振器の基準モード間隔に少なくとも近似的に合致又は超過する自由スペクトル領域を提供しながら連続可変フィルタの中心周波数に充分対応する可変通過帯域を提供するように設計され、それにより連続的なモードホップのない同調がもたらされる。エタロンのどの部分が光路に沿って配置されても共振器光路長の一定部分を成すことが可能な楔状のエアギャップエタロンである。
【００２３】
本発明によるシステム及び方法のこれら及び他の特徴及び利点は本発明によるシステム及び方法の種々の実施例の以下の詳細な説明において述べられ、あるいはその説明から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明によるシステム及び方法の種々の実施例は図面を参照して詳細に述べられる。
【００２５】
本願に図解される光学装置がそれらの種々の寸法や、それらの角度の関係に必ずしも基準を設けなくてもよいことは言うまでもない。特定の実施例又は用途に適した装置に対して寸法及び角度関係を選択することは、種々の実施例の以下の詳細な説明の助けを借りれば、充分当業者の能力範囲内に入るであろう。
【００２６】
ファブリー・ペローのような既知のレーザ干渉計と対照的に、本願に開示されるシステム及び装置の種々の実施例においては、可変透過波長を有する薄膜ファブリー・ペロー干渉フィルタが可変厚透過基板に合体され、干渉フィルタと透明基板が外部共振器内で回転されて狭いスペクトル領域内で外部共振器型レーザの発光波長又は発光帯域を掃引する。外部共振器により維持されるレーザ発光モードが干渉フィルタにより選択された波長に適切に対応するように、可変厚基板が回転しながら可変光路長を提供することにより可変厚基板（又は補償プリズム）が外部共振器を補償する。可変透過率フィルタと可変厚補償プリズムとの組み合わせは回転素子が共振器内で回転しながら連続的な、モードホップのない同調を可能にする。
【００２７】
図１は本発明による外部共振器型レーザアセンブリ１００の一つの実施例を図解する。図１に示すように、外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００は第一の出射面１２２と、第二の対向する出射面１２４を有するレーザダイオード１２０を含む。出射面１２４には膜１２５が付いており、これは種々の実施例においては出力カプラ反射膜である。出力光は膜１２５を通って外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００から出射される。出射面１２２には膜１２３が付いており、これは種々の実施例においては反射防止膜である。膜１２３を通過する光はフォーカス又はコリメート用レンズ要素１３０により受光されるが、これは端面に反射防止膜を有する勾配屈折率レンズ等でもよい。光は光軸１１５に沿ってフォーカス又はコリメート用レンズ要素１３０から随意の四分の一波長板の光絶縁素子１４０まで進む。これらの光絶縁器構造は周知であり、それらの使用法、及び本願に開示される外部共振器型レーザにおける他の随意の構成要素の使用法は、本開示を考慮しかつ本願の種々の図を参照すれば当業者には明らかであろう。光は次いで回転同調素子１６０まで進む。
【００２８】
種々の実施例において、回転同調素子１６０は、光軸１１５と交差する円形トラック１７５に沿って配置された回転連続可変フィルタ１７０と、透明光学基板１６２とを含む。回転同調素子１６０は軸１１２に取り付けられ、この軸はミニチュアモータ１１０の軸でもよい。種々の実施例において可変透過率フィルタ１７０はファブリー・ペロー干渉フィルタでもよい。図１に示す実施例において、可変透過率フィルタ１７０は回転同調素子１６０のレーザから最も遠い側に配置される。しかしながら、種々の他の実施例においては可変透過率フィルタ１７０が回転同調素子１６０のレーザから最も近い側に配置されることが分かるはずである。次いで回転同調素子１６０を通った光はエンドリフレクタ１５０に当たるが、このリフレクタは破線１５２で示すように、軸合わせされた平面ミラー、あるいはレトロリフレクタでもよい。第一の随意の四分の一波長板の光絶縁素子１４０を含んだ実施例において、回転同調素子１６０からの光は先ず第二の四分の一波長板の光絶縁素子１４５を通過することが分かるはずである。これらの四分の一波長板の光絶縁素子１４０と１４５は光がエンドリフレクタ１５０から反射されてレーザの元の偏光モードに戻るように対として存在しなければならない。第一の光絶縁素子１４０はフィルタの表面から反射された光の偏光をレーザ偏光に対して直交するように回転し、従って戻り光はレーザダイオードの横電気（ＴＥ）モードに結合しない。第二の光絶縁素子１４５はエンドミラーから反射された光に更なる回転を加え、それによりその偏光は、それがレーザに戻ったときに元のレーザ偏光と平行になり、従って戻り光はレーザダイオードの横電気（ＴＥ）モードに結合される。
【００２９】
種々の実施例において、図１に示す外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００の全体サイズが主としてモータ１１０（これは種々の実施例において種々の市販モータを用いれば直径で６〜１２ｍｍ程度の大きさである）により支配及び決定されることが分かるはずである。図１に図解される外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００は十分コンパクトに詰め込むことが出来、従って、高密度波長分割多重用途のようなある一定のファイバー光通信、あるいは座標測定機のヘッドにプローブとして波長可変レーザを配置すること等を含む種々の商業用途のサイズ上の制約又は制限を満たす。
【００３０】
動作において、レーザダイオード１２０の反射防止膜の付いた面１２２から出射された光は光軸１１５に沿って連続可変フィルタ１７０を含む回転同調素子１６０を透過し、レーザダイオード１２０の面１２２に向いかつそれを通過するように後方に反射される。外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００の外部共振器は出力カプラ反射膜１２５とエンドリフレクタ１５０の間で定められる。レーザの外部共振器の全光路長Ｌは
【００３１】
【数１】
2005150720.tif 000003
ただし、niとLiは光路に沿って種々のエアギャップと構成要素中を進む光の屈折率と物理的経路長である。
【００３２】
基準波長λに対して、レーザ共振器の光路長Ｌはレーザが維持できる縦モードの波長間隔Δλを以下のように定める。
【００３３】
【数２】
2005150720.tif 000004
【００３４】
モードホップのない単一モード出力を与える種々の実施例において、回転同調素子１６０の可変透過率フィルタ１７０の３ｄＢ、即ち半値幅の帯域幅は隣り合うモード間隔の２倍より狭くなる。そのような透過プロファイルはフィルタ透過プロファイルのピークの下に実質的に中心を置く縦モード以外のモードの発振を避ける傾向にある。可変透過率フィルタの半値幅がモード間隔の２倍より広い種々の実施例においては、フィルタの多数回通過の効果を含むフィルタの等価減衰が次の隣接モードの発振を抑制するほど充分である限り、外部共振器型レーザの単一モード動作を得ることができる。フィルタの透過プロファイルの形と帯域幅は種々の知られた技術により制御できるが、そのいくつかは後で更に説明する。本発明による外部共振器型レーザの単一モード動作をもたらすために動作可能なフィルタ帯域幅は必要なら実験により確認及び／又は調整されることは言うまでもない。
【００３５】
図１に示す外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００の種々の実施例において、構成要素は以下の表１に示すサイズと光学特性を有する。
【００３６】
【表１】
2005150720.tif 000005
【００３７】
スペクトルモード間隔に対する数２と、上の表１に挙げられた構成要素に対する値を用いれば、λ＝１５５０ｎｍに対して、７．０５ｍｍの光学的共振器長を有する４．２５ｍｍの物理的共振器長に対してΔλはおよそ０．１７ｍｍとなる。単一モード動作に対して、回転同調素子１６０のファブリー・ペロー干渉フィルタ１７０は望ましくはこの値の２倍以下、即ち０．３４ｎｍ以下の３ｄＢ帯域幅を有する。例えば、０．２５ｎｍの３ｄＢ帯域幅を有する１５５０ｎｍに中心を置くファブリー・ペロー干渉フィルタを採用することにより、１５５０ｎｍにおけるスペクトルモードは他のモードが排除されながら透過される。詳細には、ファブリー・ペロー干渉フィルタ１７０を通る各ダブルパスにおいて、最も近い１５５０．１７ｎｍと１５４９．８３ｎｍのスペクトルモードは９ｄＢだけ排除される。こうして、１５５０透過モードからもっと遠いスペクトルモードは一層大きく排除されて隣接するスペクトルモードの排除が達成される。
【００３８】
単一基準波長においてそのようなフィルタリングをもたらすのに必要な特性を有する狭帯域干渉フィルタを製作する方法は商業的に知られた技術に従って生み出される。少なくとも一つの実施例が引用される特許文献３に記述及び／又は言及されている。そこに特に言及されているように、例えばニオビア、チタニア、及びシリカ等の酸化金属材料の積層から成る高品質干渉フィルタは、イオンアシスト電子ビーム蒸着、イオンビームスパッタリング、及び反応性マグネトロンスパッタリング等の商業的に知られたプラズマ成膜技術により作ることができる。そこに特に言及されているように、フィルタは、望まない波長に対するリフレクタをそれら自身で形成する二つの誘電体薄膜積層がキャビティ層により分離されたマルチキャビティー膜から成っていてもよい。次にこの構造は一回又はそれ以上繰り返されて遮断性が向上されかつ帯域内透過率平坦性が改良された上記のマルチキャビティフィルタを生み出す。最終効果は帯域内光が透過され、帯域外光が反射される狭帯域透過性フィルタを作ることである。上記の成膜技術により作られる三例の共振器において、高密度で安定した金属酸化膜積層を用いて例えば１５５０ｎｍでかつ例えば０．３ｎｍ以下の超狭帯域幅において摂氏１度当たり０．００４ｎｍ以下の優れた熱安定性が達成された。
【００３９】
しかしながら、本発明による原理の種々の実施例を用いれば、可変狭帯域フィルタを有する回転同調素子が望ましい。図２は可変狭帯域フィルタ２７０を有する回転同調素子２６０の等角図を示す。図３は図２に図解される回転同調素子の側面図を示す。種々の実施例において、回転連続可変フィルタ２７０は、可変フィルタの前面２７４と可変フィルタ２７０の裏面の間に広がる可変厚さの多層薄膜に相当する可変フィルタリング特性を有し、可変フィルタ２７０の裏面は図３に示す実施例における基板２６２の表面２６４と一致する。可変周波数フィルタ２７０は図２の縦軸に沿って変化する可変厚さを付けて示す。このように一つの実施例において、可変狭帯域フィルタ２７０は各誘電体層の厚さが一方向に沿って増加する楔フィルタである。全体厚さに係わらず、種々の層の厚さ比はフィルタを通る光路の方向に沿って一定のままである。このように、引用される特許文献３において記述及び／又は参照される例示的フィルタ作成方法は一方向に沿って種々の層の厚さを直線的に変更する方法を含むようにすることもでき、本発明による種々の実施例に使用可能な可変フィルタをもたらす。フィルタ作成方法は予め製作された円形基板を採用しても、あるいは比較的大きい基板を採用し、続いて適当な形と大きさをした回転連続可変フィルタを得るために機械加工、あるいは整形してもよい。種々の適用可能なフィルタ製作技術は米国特許第３４４２５７２号、第４３０３４８９号、 第４９５７３７１号、第５３８９３９７号、第５９９３９０４号及び第５９４０１８２号にも開示され、そのそれぞれはそのまま本願に引用する。可変フィルタはまたカリフォルニア州、サンタローザのＯＰＴＩＣＡＬ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ社から入手できる。
【００４０】
一定厚さの層の異なる領域において可変屈折率を作り出せる材料及び／又は処理技術が知られていることも言うまでもない。従って、種々の他の実施例において、回転連続可変フィルタ２７０は一定の厚さと可変屈折率を持っていてもよく、本願に図示及び記述される種々の回転可変フィルタの変化する厚さはそのような代替実施例については可変屈折率の空間分布を示す視覚的模式表現と見なすべきである。一般的に、円形可変フィルタを作る適当な既知の、あるいは後で開発された方法は何れでも本発明の原理に従って使用される。従って、本願に図示及び説明される実施例と方法は例示に過ぎず、限定するものではない。
【００４１】
種々の実施例において、基板２６２は共にＳｃｈｏｔｔｇｌａｓｗｅｒｋｅ（独国、マインツ）から入手可能なＢＫ７又はＢ２７０等のような光学ガラスである。少なくとも円形トラックに沿って、基板２６２の面２６４と２６３の間の距離は上に概説したように、また以下にもっと詳細に述べるようにモードホップのない同調をもたらすために回転連続可変フィルタ２７０の中心周波数に対応するように変化する。種々の実施例において、基板２６２の面２６３と２６４は平面であり、基板２６２の面２６３と２６４の間の距離は図１に示すように角度αに基づく面間最大角に従って変化する。回転同調素子２６０は又回転同調素子２６０を軸１１２に取り付けかつ位置合せするのに適した取り付け穴及び／又は取り付けハブ等（図示せず）を含む。取り付け穴及び／又は取り付けハブは種々の従来の方法により製作及び位置合せされる。
【００４２】
図３は図２に図解する回転同調素子２６０の側面図を示す。図３に示すように、可変透過周波数干渉フィルタ２７０が楔角αを有する光学的に透明な基板材料２６２の楔状部品上に成膜される。楔状基板２６２は可変光路長をもたらし、それにより共振器を通る光路長が連続可変フィルタ２７０の透過波長に比例して変化する。楔角αの選択は後でもっと詳細に述べる。
【００４３】
図４は図２と３に示す回転同調素子２６０を製作する一つの方法に適した製作用マスク２１０と随意のマスク要素２２０を示す。薄膜成膜材料は成膜中に矢印２０５の方向を辿る。基板２６２は干渉フィルタ膜の各層の成膜中に方向２１３に沿ってマスク２１０のマスク開口２１２の後ろで走査される。図４の上から下に位置が変化しながら走査速度が直線的に増加した場合、フィルタの各干渉膜層の厚さは直線的に減少して図２と３に示す回転同調素子２６０の直径に沿って直線的に変化する通過帯域を有する楔状狭帯域可変フィルタを生み出す。フィルタ材料が基板２６２の端まで広がらないことを望む場合、破線輪郭で示すマスク要素２２０は基板２６２をマスクするために用いてもよい。製作中に基板２６２に対して固定されるマスク要素２２０は可変フィルタの所望の直径に相当する直径を有する開口２２２を含む。フィルタ材料が基板２６２の端まで広がることを望む場合、マスク要素２２０を省略してもよいことは言うまでもない。
【００４４】
あるいは、適当な基板上に直線的可変フィルタを製作するために、前に引用した参考文献に述べられた直線的可変フィルタ作成技術の何れかを用いてもよいことは言うまでもない。基板は楔角αを成し、フィルタは種々の実施例において基板に適切に位置合せされる。種々の他の実施例において、フィルタは先ず一定の厚さの基板上に製作され、その後に楔角αを成す基板に接合されてもよい。種々の実施例において可変フィルタと基板は例えば米国特許第５９４０１８２号に開示されるように大きく製作された要素の所定の部分から切断又は機械加工してもよい。
【００４５】
数１における光路長Ｌの外部共振器に対する連続的なモードホップのない同調の要件は
【００４６】
【数３】
2005150720.tif 000006
ただし、λ/Lは一定
【００４７】
基板２６２の角度αは基板２６２と一体化された共振器長補償フィルタをもたらす。図２に示す実施例に関し、プリズム、即ち可変フィルタ２７０に対して固定された可変補償プリズムの幾何学的厚さｔは以下の式によって変化する。
【００４８】
【数４】
2005150720.tif 000007
ただし、αは楔角で、dsは方向sに沿った位置変化
【００４９】
この変化ｄｔを補償プリズムの異なる部分による共振器の光路長変化ｄＬに関係付ければ
【００５０】
【数５】
2005150720.tif 000008
ただし、npはプリズムの屈折率
【００５１】
あるいは位置ｓに関しては
【００５２】
【数６】
2005150720.tif 000009
【００５３】
数３を満たすためにはｓとαに関する波長変化ｄλは
【００５４】
【数７】
2005150720.tif 000010
【００５５】
種々の用途に対して本発明による原理の種々の実施例に従う外部共振器型波長可変レーザを設計するためにこれらの表現を用いる一つの例として、基準が７８０ｎｍであり、およそ±１ｎｍだけ変化するレーザ波長が望ましい。こうして、種々の実施例において、可変フィルタ２７０は前に述べたようにおよそ８ｍｍの直径を有する円形トラック２７５の回りでおよそ±１ｎｍ変化する７８０ｎｍの基準狭通過帯域をもたらすように製作される。従って、ｄλ／ｄｓ＝２ｎｍ／８ｍｍ＝２．５ｘ１０−７。この実施例において補償プリズムを形成する基板６２の屈折率ｎｐの典型的な値はｎｐ＝１．５である。前に述べた７．０５ｍｍの例示的光学的共振器長を用いれば、Ｌ／λ（ｎｐ−１）＝１．８０５ｘ１０４。従って、数９に従えば、モードホップのない同調をもたらすために、角度αは以下のように選択及び製作すべきである。
【００５６】
【数８】
2005150720.tif 000011
【００５７】
種々の実施例において、補償プリズム角の製作が基準角度αのユニットごとの変動を生じる場合、数３により、外部共振器長に含まれるエアギャップがそれに対応して調整でき、それにより補償プリズムを通る光路の変動が、フィルタ変動に合った予測比ｄ／Ｌをもたらすように調整された共振器長に合わされ、所望のモードホップのないレーザ同調をもたらすことが分かるはずである。
【００５８】
更に、種々の実施例において、本願に述べられたフィルタ製作技術が波長フィルタリングの所望のパターンの基準波長のユニットごとの変動を生じる場合、種々の実施例において、光軸に対してフィルタ面の角度を調整することにより波長を再調整又はずらすことができることは言うまでもない。この角度は例えばモータ及び／又は回転軸と回転同調素子を、それらの基準方位に対して傾けることによりずらすことができる。即ち、基準が１５５０ｎｍの狭帯域フィルタの中心透過波長はフィルタを光軸に対し約０〜１８°の間で傾けることにより約１５３０ｎｍ乃至約１５６０ｎｍに同調することができる。しかしながら、そのような場合、補償プリズムが、それぞれ光軸に垂直及び平行なｓ及びｔと等価な方向に揃った、回転軸に取り付けられた別個の素子として設けられるのが最良であることは言うまでもない。次いで、傾けられたフィルタは適当な方向に補償プリズムに対して固定してもよい。更に、外部共振器長に含まれるエアギャップがそれに対応してΔＬだけ調整されてもよく、それにより回転同調素子２６０の基板２６２を通る光路長の傾斜により導入される増加ｄＬが、調整された共振器全長ΔＬにより補償されて所望のモードホップのないレーザ同調がもたらされる。
【００５９】
外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００を１０〜１２ｍｍオーダの高さ及び幅寸法に詰め込めることを認識すべきである。また、外部共振器型ダイオードレーザ装置１００が３０ｍｍオーダのビーム方向の長さを持ち得ることも認識すべきである。もちろん、代わりに、外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００をもっと大きいパッケージの中にもっと大きい部品を用いて製作及び組み立でき、これが種々の実施例においてある一定の経済的又は組み立て上の利点を有し得る。更に、外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００は、顕著なシステム振動や、磨耗を生じる慣性負荷を生じることなく秒当たり１６６〜３３３回のオーダで可変フィルタにより提供される波長パターンの全サイクルを繰り返すように１０，０００〜２０，０００ｒｐｍオーダの速度で動作できることも認識すべきである。そのような性能条件を達成するために、同等の従来の直線構造ではおよそ１６６〜３３３Ｈｚの周波数でフィルタ素子及びその保持装置に対しおよそ３．５〜４ｍｍの往復ストロークを駆動しなければならないであろう。先行技術のシステムと方法を用いて同様にコンパクトなパッケージで同様の信頼性と無振動をもたらす安価な部品を完成するためにはこれは困難又は不可能である。これは特に往復同調システムにおいて機械的共振を典型的に生じる三角波又は階段波の変化パターンに当てはまる。より一般的には、外部共振器型ダイオードレーザ装置１００は、回転同調素子１６０の円形トラックの回りの波長変化の一サイクルを含む種々の実施例において少なくとも１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、及び３００Ｈｚより大きい周波数の出力波長の繰り返しパターンをもたらすように動作できる。
【００６０】
最後に、外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００は円形路の回りにフィルタ２７０を分布させることによりもたらされる幾何学的利点により、安価な部品を用いて、非常にコンパクトなパッケージで非常に高レベルの単一波長制御を可能にすることを認識すべきである。例えばおよそ１０ｍｍの直径を有する回転フィルタ素子はおよそ３０ｍｍの可変フィルタトラック長を提供できる。直線可変フィルタと比較して、このトラック長は同様のシステムパッケージ寸法に対しておよそ２０ｍｍ余分の可変フィルタトラック長を可能にする。この余分のトラック長は与えられた波長パターンの拡大に使用され、それにより位置解像力がおよそ３倍緩和できる。あるいは、拡大部に渡り単一波長を含むように、あるいは拡大部に渡り緩やかに変化する波長を含むようにトラック部を製作してもよい。そのような部分は安価なステップモータからの単純な開ループ位置制御を用いて含まれる単一波長を外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００からもたらすために、あるいは安価なステップモータからの単純な開ループ位置制御の位置を選択又は調整するために別個の波長センサ等を用いて緩やかに変化する波長の高度の微細同調を可能にするために使用してもよい。
【００６１】
ある意味では、図１〜４に示す可変フィルタ１７０と２７０は直径方向に沿った直線可変フィルタであることは言うまでもない。しかしながら、円形トラック２７５に沿って、回転角の関数として狭通過帯域の中心波長が、０°から１８０°の回転の回転角の増大線形関数として、また１８０°回転から３６０°回転の回転角の減少線形関数として変化するように製作されたフィルタに対しておよそ±１．５％以下だけ変化する。更に、以上の実施例の補償プリズムの線形構造は所望のモードホップのない同調をもたらすように線形フィルタ変化に名目上正確に合っていることは言うまでもない。従って動作上の困難には遭遇することはなく、また望むなら特定の出力波長をもたらすためにどの特定波長に関連付けられた回転角も位置決めのために容易に決定及び／又は選択される。
【００６２】
図５は本発明による回転同調素子３６０の第二の実施例の等角図であり、連続可変フィルタ３７０の透過波長が回転同調素子３６０の中心と同心のトラック３７４の回りの繰り返しパターンに従って変化する。それにより連続可変フィルタ３７０は回転同調素子３６０の回転軸と同心のトラックの回りに多数の透過波長サイクルを備える。図６は図５に示す回転同調素子３６０の第二の実施例の側面図である。第一の実施例と同様に、表面３６３により定められる補償プリズム３６２の厚さは回転同調素子３６０の中心と同心のトラック３７４の回りの多数の厚さサイクルの繰り返しパターンに従って変化する。従って、以下に述べる過渡領域を除き、回転同調素子３６０の回転は可変フィルタの周期性と回転同調素子の回転速度により決定される周波数で、可変フィルタ３７０により定められる種々の波長及び範囲に対してモードホップのない同調をもたらす。この実施例は近似的に台形変化を示すけれども、可変フィルタ３７０の形状はこの実施例に限定されない。近似的階段関数、近似的鋸歯パターン等のような他のパターンも本願で述べられた技術を用いて適合し得ることは言うまでもない。回転同調素子２６０と同様に、回転同調素子３６０も回転同調素子３６０を軸１１２に取り付け及び位置合せするのに適した取り付け穴及び／又は取り付けハブ等（図示せず）を含む。取り付け穴及び／又は取り付けハブは種々の従来方法により製作及び位置合せしてもよい。
【００６３】
回転同調素子３６０の台形パターンの種々の辺の斜面が交差するところでは斜面過渡部又は湾曲部を含む過渡領域が存在することを認識すべきである。これらの過渡領域が光路１１５に沿って透過された光の波面を乱し、一般的には、光路１１５に沿う光ビームのかなりの部分が過渡領域と重なる限り、波長可変レーザの動作と干渉し、あるいはそれを乱すことは言うまでもない。従って、一般的には平面の辺又は面を含むパターンが好まれる。過渡領域が光路から外れるとモードホップのない同調がほとんど「瞬時に」回復されることは言うまでもない。従って、レーザを使用する外部動作のタイミングがそのようなレーザの潜在的な乱れを考慮する限り、レーザは一般的な効用を有する一連のモードホップのない波長及び／又は同調範囲をやはりもたらす。また、回転同調素子２６０にはそのような過渡領域がなく、回転同調素子２６０が一定速度で回転されながら乱されない繰り返し制限は変動をもたらす連続可変のモードホップのない同調範囲をもたらすことは言うまでもない。
【００６４】
回転同調素子３６０のような回転同調素子の円形トラックの回りに波長変化パターンの多数の繰り返し又は周期を備える回転同調素子を用いれば、外部共振器型ダイオードレーザ装置１００は少なくとも１００Ｈｚ、２００Ｈｚ，及び３００Ｈｚに円形トラックの回りのパターンの繰り返し数を掛けたもの以上の周波数で多数の透過波長サイクルの繰り返しパターンをもたらすように動作できることを認識すべきである。例えば、トラックの回りで４０サイクルの波長変化により波長を変化する実施例において、外部共振器型ダイオードレーザ装置１００は少なくとも４０００Ｈｚ、８０００Ｈｚ，及び１２０００Ｈｚ以上の周波数で出力波長の繰り返しパターンをもたらすように動作することができる。
【００６５】
図７は図５に示す回転同調素子３６０の第二の実施例を用いる外部共振器型ダイオードレーザアセンブリの出力グラフである。図７に示すように、出力光の波長はトラック３７４の回りのパターンにより決定される周波数及びパターンにより変化する。図７はまた図２と３に示す連続可変フィルタ２６０が用いられる回転同調素子を使用する正弦波出力と、フィルタ及び補償プリズムが近似的な鋸歯波又は近似的な矩形波パターン等の他のパターンで変化する他の出力とを示す。そのようなパターンの変動及び詳細なプロファイルは回転同調素子３６０等を製作するために使用される種々の知られた、あるいは後で開発される方法の限界によってのみ制限されることを認識すべきである。図７に描かれた特徴は外部共振器型レーザアセンブリ１００の実際の機能を定性的にのみ表していることは言うまでもない。例えば、鋸歯及び台形曲線の上向き斜面エッジと下向き斜面エッジの間の過渡部は任意に尖っているように示されるけれども、実際の動作においては、過渡部は上記のように過渡領域によるレーザを乱す小さな領域を含む。
【００６６】
図８は図５と６の回転同調素子３６０の構造を製作する一つの方法に適した製作用マスク３１０を示す。薄膜成膜材料は、成膜中は矢印３０５の方向を辿る。基板３６２は干渉フィルタ膜３７０の各層の成膜中にマスク３１０のマスク開口３１２の後ろで円形経路３１３に沿ってトラック３７４を走査するように回転される。走査速度が周期的に増加及び減少される場合、干渉膜層の各部の厚さは補足的にトラック３７４に沿ってそれに対応して減少及び増加し、回転同調素子の対応する円形トラックの回りでパターンに対応して変化する通過帯域を有する空間的にパターンの付いた狭帯域可変フィルタを生み出す。種々の実施例において、パターンは周期パターンでもよい。
【００６７】
代案として、適当な基板上にパターン付きの可変フィルタを製作するのに適した他の知られた、あるいは後で開発された如何なる方法を使用してもよいことは言うまでもない。そのような技術には、可変屈折率を設ける方法、所望の波長変化パターンに対応する成膜ピンホールの濃度パターンを有する非走査マスクを設ける方法等を含む。そのような方法は前に引用した参考文献に開示され、あるいはそれから改造してもよい。種々の実施例において、フィルタは先ず一定厚さの基板上に製作され、その後に補償厚さ変化を含む基板に接合されてもよい。
【００６８】
光路長Ｌの外部共振器に対する連続的なモードホップのない同調条件は数３に述べられたものと同じである。同様に、補償プリズムの異なる部分による共振器の光路長変化ｄＬに対する条件は数６に述べられる通りである。可変パラメータｄλ／λ又は中心波長λは設計により、あるいは円形トラックの各点における試験により既知であり、パラメータｎｐとＬが設計により既知であるから、補償厚さの所望の変化ｄｔ又は厚さｔは補償面３６３に対して円形トラックの回りの各点において決定してもよい。種々の実施例において、補償面３６３は基板３６２をダイヤモンド加工することにより製作してもよい。ダイヤモンド加工は１０ｎｍオーダの分解能で制御することができる。種々の市販ソースからは７８０ｎｍの波長に対してλ／７乃至λ／１０オーダの最終形状精度が可能である。あるいは、原型が機械加工され、補償面３６３が適当な光学材料を成形することにより複製され、これを成形の前又は後に基板３６２に貼り付けてもよい。種々の実施例において、そのような成形は円形トラックに沿っておよそ２０ミクロンオーダの表面変動全幅を有し、これは現在回折光学素子等を作るのに用いられる種々の知られたマイクロ又はナノ整形技術の使用を実行可能にすることを認識すべきである。
【００６９】
図９は本発明による回転同調素子４６０の第三の実施例である。図９に示すように、可変周波数フィルタ４７０の膜厚は回転同調素子４６０の下から可変厚さ補償プリズム４６２の上まで縦方向に繰り返しパターンに従って変化する。しかしながら、可変周波数フィルタ４７０の厚さは水平方向には変化しない。図１０は第三の実施例４６０の側面図である。図１０に示すように、レーザ共振器の光軸に沿って配置された可変周波数フィルタ４７０の円周の回りの円形トラック４７５に対応する面４６３に少なくとも沿って、可変厚さ補償プリズム４６２の厚さが可変周波数フィルタ４７０の波長変化に対応するように回転同調素子４６０の上から下まで繰り返しパターンに従って多数の厚さサイクルで変化し、これは上記のものと類似の過渡領域を除き、この回転同調素子４６０を用いて種々の波長において、また種々の範囲に渡りモードホップのない同調をもたらす。回転同調素子２６０と同様に、回転同調素子４６０も回転同調素子４６０を軸１１２に取り付け及び位置合せするのに適した取り付け穴及び／又は取り付けハブ等（図示せず）を含む。
【００７０】
図１１は図９と１０に示す構造を製作する一つの方法に適した製作マスク４１０と随意のマスク要素４２０を示す。成膜材料は成膜中に矢印４０５の方向を辿る。基板４６２は、基板４６２の表面が干渉フィルタ膜の各層の成膜中にマスク開口４１２の後ろで走査される速度を周期的に変化しながら、軸４１３に沿って垂直にマスク４１０内のマスク開口４１２の後ろで走査される。その結果、表面４７４と基板４６２の間の可変周波数フィルタ４７０の厚さのパターンの付いた変化を図９の等角図に見ることができる。位置が垂直方向４１３に上下しながら走査速度が増加及び減少される場合、各干渉膜層の厚さはそれに対応して補足的に減少及び増加し、回転同調素子４６０の全面に渡り基板４２０の垂直方向に沿って変化する通過帯域を有する空間的にパターンの付いた狭帯域可変フィルタ４７０を生み出す。種々の実施例において、パターンは周期的である。フィルタ材料が基板４６２の端まで広がらないことを望む場合、破線の輪郭で示すマスク要素４２０は基板４６２をマスクするために使用してもよい。製作中に基板４６２に対して固定されたマスク要素４２０は可変フィルタの所望の直径に対応する直径を有する開口４２２を含む。フィルタ材料が基板２６２の端まで広がることを望む場合、マスク要素４２０は省略してもよいことは言うまでもない。
【００７１】
図１２は本発明による外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ５００の第二の実施例を図解する。図１２に示す外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ５００は図１に示す外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００に類似するが、回転同調素子１６０より大きい直径を有する（このためアセンブリの全体高さがわずかに大きくなる）回転同調素子５６０を用いることにより、アセンブリのパッケージ全長を外部共振器型ダイオードアセンブリ１００のそれに比較して減少できることを除く。これは、この場合、モータ５１０がレーザダイオード５２０の上に配置でき、それによりモータ５１０とレーザダイオード５２０を保持するのに必要なアセンブリ全長を短くできるからである。例えば、外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ５００は２０ｍｍオーダの直径内に詰め込むことができ、２０ｍｍオーダのビーム方向の長さを持つことができる。
【００７２】
以上の実施例において、前にのべた例示的寸法の組とそれに関連する指示された波長に対する必要な通過帯域により図解されるように、外部共振器長が非常に小さくなっても干渉フィルタ１７０、２７０、３７０、４７０及び／又は５７０に対する狭帯域条件は厳しいことを認識すべきである。前に述べたようにそのようなフィルタを製作することは可能であるが、安い値段で広く入手可能であるわけではない。更に、種々の他の実施例においては、より短いレーザ波長を提供し、かつ／あるいはより長い外部共振器長を許すことが望ましいであろう。例えば、より長い共振器は都合の良いことに、更なる光絶縁部品、及び／又はより安価で、より容易に入手可能で、より組み立て易いより大きい部品の使用を可能にし得る。
【００７３】
図１３は回転同調素子がエタロンを含む、本発明による外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ６００の第三の実施例を示す。図１３に示す実施例は緩い狭帯域フィルタ仕様、及び／又はより短い波長、及び／又はより長い共振器で使用できる。図１３に示す外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ６００は図１に示す外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ１００のように動作し、外部共振器ダイオードレーザアセンブリ６００がまたエタロンギャップ６８５と、面６２５からレトロリフレクタ６５０までのより長い共振器を含むことを除き、同様に番号を付けられた要素は同様に動作する。より長い共振器では、光絶縁要素６４０と６４５が望ましいが、必須ではなく、大抵の場合、レンズ６３２がレーザビームをフィルタ領域において（コリメートではなく）より小さいスポットにフォーカスするために選ばれ、これはより良好な波長選択（実効的には狭通過帯域）をもたらす。レンズ６３４はコリメーションを行い、レトロリフレクタ６５０は正確なミラー位置合せの必要性を減少するためには望ましい。
【００７４】
一般的に、外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ６００の実施例は回転同調素子に取り付けられた、あるいはそれと一体化されたエタロンを含む。エタロンはレーザ共振器の光軸に回りに配置された円形トラックに沿って変化するエタロン厚さを含み、可変フィルタの円形トラックに固定して位置合せできる。エタロンは、連続可変フィルタに適切に位置合せされたら、連続可変フィルタの中心波長に充分対応する可変通過帯域波長をもたらすように設計される。それと同時に、エタロンは可変フィルタの基準通過帯域幅及び／又は外部共振器の基準モード間隔を超える自由スペクトル領域をもたらし、それにより、たとえ可変フィルタが前に議論した実施例１７０〜５７０と比較して比較的広い通過帯域を持っているか、あるいは比較的長い外部共振器光路長を持っているか、あるいはその両方であったとしても連続的なモードホップのない同調がもたらされる。
【００７５】
図１４は楔状エアギャップのエタロンを含む回転同調素子６６０の等角図である。図１５は回転同調素子６６０の側面図であり、楔状エタロン角β、楔に沿って可変のエタロンギャップｇ、及び屈折率ｎｅ（これは種々の実施例において屈折率ｎｐと同じでもよい）を示す。種々の実施例において、回転同調素子６６０は図２〜４を参照して前に述べたものと類似している。エタロンは楔状光路長補償基板６６２の光学的に平坦な適当に膜付けされた表面６６３と、一定の厚さのプレート６８６の光学的に平坦な適当に膜付けされた表面６８７との間に形成された楔状のエアギャップ６８５である。この構造では、エアギャップエタロン６８５は光路に沿って位置決めされたエタロン６８５の部分に係わらず共振器の全長に影響を与えない。楔状エアギャップエタロン６８５は、一定厚さのプレート６８６と楔状基板６６２の表面６６３の間でエタロンの対向する（裏側の）エッジに近似的に対称に配置された、スタンドオフ６８２及び６８４と、スタンドオフ６８４に類似の更なるスタンドオフを配置することにより形成してもよい。一定厚さのプレート６８６の外側表面６８８には反射防止膜が設けられてもよい。前の実施例におけるように、可変波長透過フィルタ６７０は基板６６２の表面６６４に設けられる。
【００７６】
一般的にエタロンの透過中心波長は
【００７７】
【数９】
2005150720.tif 000012
ただし、Nは整数
【００７８】
従って、楔変化方向に沿う透過波長の変化は
【００７９】
【数１０】
2005150720.tif 000013
【００８０】
エタロンの垂直入射からの傾斜が小さい（例えば、前に述べた実施例と同様にα＝０．２５°）と仮定すれば、エタロンギャップの変化ｄｇは
【００８１】
【数１１】
2005150720.tif 000014
【００８２】
従って、
【００８３】
【数１２】
2005150720.tif 000015
【００８４】
一般的に基準波長λ、及び／又は回転角の関数としての空間的変化ｄλ/ｄｓは可変フィルタと回転同調素子の所定の関数であり、従って設計により既知であり、かつ／あるいは実験により確かめられる。種々の実施例において、楔エタロンのパラメータｇとβは以下の議論に従って、これらの所定及び／又は既知のパラメータに基づいて決定される。
外部共振器の与えられた光路長は数２により共振器における縦スペクトルモード間隔を決定する。Δλが可変狭帯域フィルタの−３ｄＢ帯域幅のおよそ半分より小さい場合、可変フィルタは信頼性よく単一モードを選択できない。そのような場合、エタロンは縦スペクトルモードの中から単一波長のみを透過するのに適した自由スペクトル領域（ＦＳＲ）と機構ｆを備えなければならない。即ち、
【００８５】
【数１３】
2005150720.tif 000016
【００８６】
表１に示す種々の寸法を用いれば７．０５ｍｍの光路長が概算された。この光路長と、λ＝７８０ｎｍの異なる（即ち、前に議論した１５５０ｎｍ基準波長と異なる）基準波長を用いれば、それに関連付けられる共振器モード間隔はおよそ０．０４３ｎｍに減少される。前に述べた０．２５ｎｍの３ｄＢ帯域幅を有する多重共振器ファブリー・ペロー干渉フィルタはこの場合充分でない。
【００８７】
本発明によって使用可能なエタロンが、２０又はそれよりよいオーダのフィネスをもたらすと仮定することは妥当である。従って、エタロンの自由スペクトル領域はおよそＦＲＳ＜２０ｘ２ｘ０．０４３ｎｍ＝１．７２ｎｍでなければならない。重要なことは、この自由スペクトル領域がまた可変フィルタの０．２５ｎｍ帯域幅よりかなり大きいことである。従って、可変フィルタは単一モードのエタロンギャップを効率的に選択する。エタロンの自由スペクトル領域は物理的考察から以下のように決定できる。
【００８８】
【数１４】
2005150720.tif 000017
【００８９】
このように、表１に示す寸法を用いれば、１．７２ｎｍの自由スペクトル領域に対して、自由スペクトル領域が近似的に狭帯域可変フィルタの帯域幅より小さくならない限り、ｇはおよそ１７５ミクロン、あるいはもっと安全を見ておよそ２００ミクロン以上となるように選ばねばならない。ｇ＝２００ミクロン、ｄλ／ｄｓ＝０．２５ｎｍ／１ｍｍ、λ＝７８０ｎｍの場合、数１５によればβ＝０．０６４ミリラジアンで、これは非常に小さい楔角である。
【００９０】
表２は近似的に図１３に示すような実施例に対する一組の例示的設計値を示す。
【００９１】
【表２】
2005150720.tif 000018
【００９２】
前の例に対して、更なる部品及び部品長により光学共振器が７．０５ｍｍから１３．６５ｍｍまで延長されている。従って、数２から得られるスペクトルモード間隔Δλは７８０２／（２ｘ１３．６５ｍｍ）＝０．２２ｎｍの縦モード間隔である。前の例で使用された例示的パラメータ値と数１７によれば、このモード間隔の必要な自由スペクトル領域はおよそ２ｘ２０ｘ０．２２ｎｍ＝０．８８ｎｍより小さくなる。重要なことは、この自由スペクトル領域はまた可変フィルタの０．２５ｎｍ帯域幅よりかなり大きいことである。従って、可変フィルタはエタロンギャップの単一モードを効率的に選択できる。ｇに対する対応する基準値はこの場合、自由スペクトル領域が近似的に狭帯域可変フィルタの帯域幅より小さくならない限り、およそ３５０ミクロン、あるいはもっと安全を見ておよそ３７５ミクロン以上である。ｇ＝３７５ミクロン、ｄλ／ｄｓ＝０．２５ｎｍ／１ｍｍ、λ＝７８０ｎｍの場合、数１５によればβ＝０．１２０ミリラジアンである。
【００９３】
上記の例から、ますます長くなる共振器長又はますます短くなる波長に対して、単一エタロンに必要なギャップは増加しかつ非実用的になる可能性があり、あるいは可変フィルタの通過帯域は所定の実用レベルのエタロンフィネスに必要な自由スペクトル領域を超えてモードホップのない同調を阻害し、あるいは少なくとも危うくする可能性があることを認識すべきである。そのような場合、直列の二つのエタロンが１００以上オーダのフィネスをもたらすことができることを認識すべきである。更に、都合のよいことに、直列の二つの同一エタロンは、個々のエタロンの自由スペクトル領域をもたらす一方、個々のエタロンより一桁近く高い合計フィネスをもたらす。従って、例えば、前に述べたｇ＝２００ミクロン、β＝０．０６４ミリラジアンの二つのエタロンを同じ可変フィルタを用いて直列に組み立てることもでき、これにより１００以上のオーダのフィネスをもたらし、およそ０．００９ｎｍの共振器モード間隔を可能にするが、これはおよそ３３ｍｍまで共振器光路長を増加することに相当し、あるいはおよそ５００ｎｍまで波長を減少することに相当する。
【００９４】
エタロンの製作と間隔設定は本質的に精密な製作作業であり、基準ギャップ、可変フィルタに対する回転位置合せ、及び適切な楔角が全て既知のエタロン検査及び／又は生産管理法により確認されるまで、間隔設定要素をラップ、あるいは整形又は調整することによりプレート６８６の注意深い調整を必要とする可能性があることを認識すべきである。図１４と１５に示すように間隔設定要素６８２と６８４を周辺に配置する代わりに、同様に調整又は整形された間隔設定要素又は単一の台を円形トラック６７５の内部に配置してもよい。
【００９５】
図１６は、図１４と１５に示す回転同調素子の第四の実施例と近似的に同じ機能を備える回転同調素子の第五の実施例を作るのに適した更なるエタロン製作技術を示す側面図である。種々の実施例において、必要とされるエアギャップが図１６に示すような楔状基板６６２’にダイヤモンド加工されることはますます実現可能になってきている。図６に示すものと同様に、図１６においては可変透過率フィルタ６７０の円形トラック６７５に対応する円形トラック６６３は、図５と６、又は図９と１０等に示すタイプのフィルタ構造を補足する可変又は周期的エタロンエアギャップを備えるようにダイヤモンド加工してもよい。そのようなエタロン表面トラックの構造はトラックの回りの各点において前のエタロンギャップ解析技術を適用することにより決定できる。可変エタロンギャップを含む要素を通る光路長に顕著な変化が存在する場合、そのような実施例に使用される補償面（例えば補償プリズム）はまたこれらの光路長変化の補償を含むように形成されることは言うまでもない。
【００９６】
図１６に示す回転同調素子の第四の実施例と同じ動作上の寸法を備える回転同調素子を備える代わりの実施例において、プレート（図示せず）はその両面間の楔角βで製作され、円形トラック６６３は楔状基板６６２’ではなく、このプレートに機械加工される。次いでこのプレートは楔状基板６６２に組付けられる。
【００９７】
以上の実施例の何れに関しても、数３で暗示されるように、基準フィルタ波長及び／又は種々の構成要素の光学的厚さに影響する多数の生産変動は外部共振器の全長Ｌを調節することにより、最も好都合なのは外部共振器の長さに含まれるエアギャップの長さを変更することにより補償できることを認識すべきである。こうして、補償はこれらのプリズム及びエタロンの絶対製造誤差のために行われる。しかしながら楔角のうねりのような相対誤差は補正できない。
【００９８】
図１７は本発明による外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ７００の第四の実施例を示す。図１７に示すように、回転同調素子７１０は外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ７００全体に対して固定関係に表面７１５に取り付けられたセンサ７１４を備え、これはセンサ７１４の感知視野を横切る、回転同調素子７６０上のマーク位置、又は一つ以上のトリガマーク、又はロータリエンコーダ目盛りマークの通過を検出する。センサ７１４は一つ以上のトリガマーク又はロータリエンコーダ目盛りマークの存在を感知する、光学的手段でも、磁気的手段でも、電磁的手段でも、容量的手段でも、他の類似の手段でもよい。センサ７１４は一つ以上の、電圧のような電気信号又は光信号を出力してセンサ７１４に対するトリガマーク又はロータリエンコーダ目盛りマークの位置を指示し、トリガマーク又は目盛りマークに対応する回転同調素子７６０の特定の位置及び／又は波長に関する外部事象を同期又はトリガさせてもよい。
【００９９】
図１８は図１７の外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ７００で使用する回転同調装置７６０の一つの実施例の更なる詳細を示す。図１８によれば、回転同調装置７６０にはトリガマーク７７６が設けられ、これは回転同調装置７６０に固定され、レーザの光路に沿って配置される円形トラック７７５の内側又は外側に配置される。トリガマーク７７６は一つ以上の、光学的に不透明又は反射性のマーク（光学センサ又はロータリエンコーダ読み取りヘッドの場合）、又は磁気マーク（磁場センサの場合）等の対応するセンサと相互作用するように設計された如何なるマークでもよい。トリガマーク７７６は回転同調装置７６０と共に回転するので、それがセンサ７１４の前を通過することは回転同調素子７６０が対応する回転角に到達したことを示す。回転同調装置７６０の回転角は外部共振器型レーザ７００の出力波長を決定するので、トリガマーク７７６がセンサ７１４の前を通過することは外部共振器型レーザが指定された波長を出力していることを示す。従って、トリガマーク７７６はセンサ７１４と組み合わせて、データ収集ハードウェアのような更なるハードウェアに、外部共振器型レーザ７００がその同調範囲の指定された点に到達しかつ指定された波長を出力していることを示すタイミング信号を供給するために使用することができる。
【０１００】
種々の実施例において、本発明によるシステムと方法が、高い性能及び信頼性を以って非常に高速で繰り返し走査出でき、あるいは選択肢として、特に安価な運動制御部品を使用しながら低速で走査でき、あるいは種々の精密に制御可能な単一波長に固定できる外部共振器型レーザを提供できることを認識すべきである。
【０１０１】
上記の議論から、本願に開示される外部共振器型レーザが、極端に狭く、精密に制御された透過波長が望ましい高密度波長分割多重遠隔通信システムでの使用を含む無数の用途を有することを認識すべきである。更に、多波長（絶対）位相シフト干渉法や試験装置及び研究器具にもこの発明の用途が見出せるかも知れない。
【０１０２】
本発明は上に概説した実施例に関連して説明したが、当業者には多くの代案、修正及び変形が目に浮かぶことは明白である。従って、上に記載された発明の実施例は限定ではなく例示を意図したものである。特許請求項により規定される発明の精神と範囲から逸脱することなく種々の変形が成され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明による波長可変外部共振器型ダイオードレーザアセンブリの一つの実施例を図解する。
【図２】本発明による回転同調素子の第一の実施例の等角図である。
【図３】本発明による図２の回転同調素子の第一の実施例の側面図である。
【図４】図２と３の回転同調素子の第一の実施例を作り出すために応用可能な製作技術を図解する。
【図５】本発明による回転同調素子の第二の実施例の等角図である。
【図６】図５の回転同調素子の第二の実施例の側面図である。
【図７】本発明による外部共振器型ダイオードレーザアセンブリと回転同調素子の第二の実施例により提供可能な波長走査パターンの例示的代案を示すグラフである。
【図８】図５と６の回転同調素子の第二の実施例を製作するのに適したもう一つの製作工程を図解する。
【図９】本発明による回転同調素子の第三の実施例の等角図である。
【図１０】本発明による回転同調素子の第三の実施例の側面図である。
【図１１】図９と１０に示す回転同調素子の第三の実施例を作るのに適したもう一つの製作工程を図解する。
【図１２】本発明による波長可変外部共振器型ダイオードレーザアセンブリの第二の実施例を図解する。
【図１３】本発明による波長可変外部共振器型ダイオードレーザアセンブリの第三の実施例を示す。
【図１４】図１３の波長可変外部共振器型ダイオードレーザアセンブリの回転同調素子の第四の実施例の等角図である。
【図１５】図１４に示す回転同調素子の第四の実施例の側面図である。
【図１６】図１４と１５に示す回転同調素子の第四の実施例と同じあるいは類似の機能を一般的に備える回転同調素子の第五の実施例を作るのに適した製作技術の代案を図解する側面図である。
【図１７】本発明による波長可変外部共振器型ダイオードレーザアセンブリの第四の実施例を示す。
【図１８】図１７の波長可変外部共振器型ダイオードレーザアセンブリの等角図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１００  外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ
１１０  モータ
１１２  軸
１２０  レーザダイオード
１３０  コリメート用レンズ
１４０  光絶縁素子
１４５  光絶縁素子
１５０  リフレクタ
１６０  回転同調素子
１７０  可変透過率フィルタ
１７５  円形トラック
２６０  回転同調素子
２７０  可変フィルタ
２７５  円形トラック
３６２  補償プリズム
３６０  回転同調素子
３７０  可変フィルタ
３７４  円形トラック
４６０  回転同調素子
４６２  補償プリズム
４７０  可変フィルタ
４７５  円形トラック
５００  外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ
５１０  モータ
５２０  レーザダイオード
５６０  回転同調素子
６００  外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ
６３２  レンズ
６３４  レンズ
６４０  光絶縁素子
６４５  光絶縁素子
６５０  レトロリフレクタ
６６０  回転同調素子
６６３  円形トラック
６７０  可変透過率フィルタ
６７５  円形トラック
６８５  楔状エアギャップエタロン
７００  外部共振器型ダイオードレーザアセンブリ
７１４  センサ
７６０  回転同調素子
７７５  円形トラック
７７６  トリガマーク
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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