(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主コリメートビームを発生させるコリメーション光学素子の焦点面内に一方の端部を有する少なくとも１つの導波路と、
平行な線を有する回折格子であって、コリメートしたビーム内で、当該回折格子の線に対して垂直な拡散面に対して平行な方向に向けて主ビームの異なる波長を拡散させる回折格子と、
前記拡散面に対して垂直な長手方向面内で自動整合させる反射器系と
を備える、波長のフィルタリング用の単一方向の自動整合した後方反射光学系において、
前記反射器系が、球状レンズと、単一方向の自動整合した反射器系とから成っており、
前記単一方向が、前記回折格子の前記拡散面に対して平行である
ことを特徴とする、単一方向の自動整合した後方反射光学系。
【請求項２】
請求項１による自動整合した後方反射光学系において、
前記単一方向の自動整合した反射器系が、その端縁が前記回折格子の前記拡散面に対して垂直で且つ前記球状レンズの焦点面内に配置された反射器二面体であることを特徴とする、自動整合した後方反射光学系。
【請求項３】
請求項２による自動整合した後方反射光学系において、
前記反射器二面体が、内面で２回の全反射を行う二重の全内反射プリズムであることを特徴とする、自動整合した後方反射光学系。
【請求項４】
請求項２又は３の何れか１つによる自動整合した後方反射光学系において、
前記反射器二面体が９０°±０．５°の角度を形成することを特徴とする、自動整合した後方反射光学系。
【請求項５】
請求項２乃至４の何れか１つによる自動整合した後方反射光学系において、
前記反射器二面体の双方のミラーの少なくとも一方が、反射ビームのスペクトルの選択性を向上させるために横方向に制限された寸法を有することを特徴とする、自動整合した後方反射光学系。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１つによる自動整合した後方反射光学系において、
前記導波路は、当該導波路の前記一方の端部にマイクロレンズを有し、
導波路モードの寸法は、前記マイクロレンズを有しない場合に比して幅がより広い
ことを特徴とする、自動整合した後方反射光学系。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１つによる自動整合した後方反射光学系において、
２つの平行な出力ビームを有することが可能な偏光スプリッタが、前記コリメーション光学素子と前記回折格子との間に挿入され、
前記球状レンズの中心が、前記偏光スプリッタから出力される２つの平行な出力ビームの間の等しい距離に配置される
ことを特徴とする、自動整合した後方反射光学系。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１つによる自動整合した後方反射光学系において、
前記回折格子の前記拡散面に対して平行な端縁を有する追加的な二面体は、ビームが前記回折格子を４回通過することを可能にする一方、
前記回折格子を２回通過した後、ビームが前記自動整合した後方反射器に達する
ことを特徴とする、自動整合した後方反射光学系。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１つによる自動整合した後方反射光学系を備えるモノクロメータにおいて、
前記導波路が受動型であり、
前記導波路が前記モノクロメータの入力スロット及び出力スロットを形成する
ことを特徴とする、モノクロメータ。
【請求項１０】
請求項１乃至８の何れか１つによる自動整合した後方反射光学系を備えるモノクロメータにおいて、
第一の受動型導波路が前記モノクロメータの入力スロットを形成し、
第二の受動型導波路が前記モノクロメータの出力スロットを形成する
ことを特徴とする、モノクロメータ。
【請求項１１】
請求項１乃至８の何れか１つによる自動整合した後方反射光学系を備えるレーザにおいて、
導波路が、その端部と単一方向に自動整合した前記反射器系との間にて波長調節可能な外部キャビティレーザの境を設定することを特徴とする、レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動整合した後方反射型光学系の波長をフィルタリングすることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学的構成要素が取り付けられた装置の品質は、その光学構成要素を整合させることによって決まることが一般の常識である。このため、何らかの自動整合装置、すなわち、光束の性質が幾つかの構成要素の１つの方向又は位置によって殆ど影響を受けない何らかの組立体が必要とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
永年に亙って公知の自動整合した後方反射系の内、例示目的のため、次のものを掲げることができる。すなわち、図１に図示したコーナキューブであり、このキューブにより、反射型の直交三面体３への入射ビーム１、１´は、キューブの対角線５に対する入射角度、及び入射点４の位置に関係なく、平行な出力ビーム２、２´を発生させるものである。
【０００４】
また、光学軸線９に対して多少なりとも垂直な、その内にミラー１０が配置される焦点面内に光学軸線９を有する収斂型光学系８から成る、いわゆる「猫の眼」組立体も周知である。ミラー１０に収斂するコリメートした入射ビーム１１、１１´は、上記ミラーにて反射され、その後、光学系８に拡がり、この光学系８は、同様にコリメートされ且つビーム１１、１１´に対して平行な出力ビーム１２、１２´を発生させる。かかる猫の眼は、図２に示してある。
【０００５】
上述したこれら光学系の双方は、それぞれ、１、１´、１１、１１´で示した入力ビームにおける出力ビーム２、２´、１２、１２´の方向を自動的に２方向に向けて、すなわち、入力ビームの方向に対して平行な全ての面内にて整合させる。特定の光学系において、単一方向への自動整合を実現しなければならない。次に、図１の三面体に代えて直交二面体又は円筒状の猫の眼を使用する、すなわち、図２の場合の球状の光学系８に代えてレンズ又は円筒状の光学系を使用しなければならない。この二面体は、その母線に対して垂直な面内にてその端縁及び筒形レンズに対して垂直な面内での自動整合を保証する。平行な面内において、これら光学系の双方はミラーのように挙動する。
【０００６】
我々は、また、波長のフィルタリングを行う光学系も知っており、この光学系の最も従来型式のものは、図３に図示するように、入力スロット１５と出力スロット１６との間に配置され且つ入射角度ｉにて広スペクトルの光束１７を受け取る拡散系１４から成るものである。出力光束１８は、拡がり、その拡がり方向は、波長に依存し、出力スロット１６により選択されたビーム１９のみが光学系によって伝送（ｔｒａｎｓｍｉｔ）される。また、２段階のスペクトルフィルタリングを行うことも可能である一方、２つの格子１４、１４´の間に配置された中間のスロット１５´は、不要な線の伝送を制限することに寄与する。
【０００７】
入射ビームの中央光線と格子により拡散されたビームの中央光線とを含む、格子の線に対して垂直な面は、従来から「拡散面」と称されている。ビームの各々について、我々は、中央光線に対して垂直な面を「直交面」と称し、中央光線を含む拡散面に対して垂直な面を「長手方向面」と称する。
【０００８】
図４に図示した従来技術の装置において、直交二面体２３は、拡散面に対して平行な端縁２３´を有している。この配置の結果、この拡散面内にてミラー状の挙動を呈し、また、長手方向面内にて自動的に整合した挙動を呈する。
【０００９】
波長を調節可能なレーザの外部キャビティを具体化し又はある波長を選択するため、例えば、波長をフィルタリングするために波長をフィルタリングする自動整合した後方反射型光学系を使用することができる。この光学系は、図４の後者の適用例にて極く概略図的に図示されている。格子２０は、第一の単モード光学導波管２１からレンズ２２を通じて出力光束を受け取る。格子２０は、その光束を直交二面体２３に回折し、その二面体の端縁２３´は、格子の拡散面に対して平行であり、この二面体がこの光束を戻す。格子２０は、戻り路にて、この光束を再度、その波長に依存する方向に回折する。このため、第二の導波管２４の位置に対応する波長の光束のみがこの導波管２４内にて接続される。これらの導波管は、特に、光ファイバとすることができる。
【００１０】
導波管装置の性能は、大部分、直交二面体の精度に依存することが分かった。本発明の目的は、その構成要素の性質、特に、その構成要素と関係する二面体の角度の値に関して、十分な許容度を可能にする、自動整合した後方反射型光学系を実現することである。
【００１１】
本発明の目的は、公知の自動整合した光学系の有利な点を保持する一方にて、上記問題点を解決する装置であって、反射器が拡散面の方向に向けてミラーのように挙動し、また、長手方向面の方向に自動整合した挙動を呈する装置を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、中間スロットの位置の調節が容易とされた、２段階の波長選択的組立体の実現を可能にすることである。
【００１３】
この目的のため、本発明は、波長のフィルタリング用の単一方向の自動整合した後方反射光学系であって、
主コリメートビームを発生させるコリメーション光学素子の焦点面内に１つの内面を有する少なくとも１つの導波管と、
平行な線を有する回折格子であって、上記線が、コリメートしたビーム内にて格子の線に対して垂直な拡散面に対し平行な方向に向けて主ビームの異なる波長を拡散させる回折格子と、
拡散面に対し垂直な長手方向面内にて自動整合させる反射器系とを備える光学系に関するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、反射器は、球状レンズと、単一方向の自動整合した反射器系とから成っており、該方向が格子の拡散面に対して平行である。
【００１５】
異なる実施の形態の各々は、次のような特定の有利な点を呈する。
該装置は、入力光束を伝送し且つ出力光束を集める単一のファイバを備えること；
該装置は、一方が入力光束を伝送し、他方が出力光束を集める少なくとも２本のファイバを備えること；
一方向の自動整合した反射器系は、その端縁が格子の拡散面に対して垂直で且つレンズの焦点面内に配置された反射器二面体であること；
反射器二面体は二重の全内反射プリズムであること；
反射器二面体は約９０°の角度を形成すること；
反射器二面体の双方のミラーの少なくとも一方が横方向に縮小した寸法を有すること；
自動整合した反射器系は、互いに独立的な支持体の上に支持された２つの垂直なミラーから成ること；
ミラーの各々は制限された寸法であること；
導波管モードの寸法はより幅が広いこと；
平行な出力を有する偏光ミラーがコリメーション光学素子と格子との間に挿入され、レンズの中心がこのスプリッタの出力ビームの間における空間の中間に配置されること；
水平方向端縁二面体は光を格子の外側を４回通過させ、光は格子を２回通過した後、自動整合した後方反射器に達する。
【００１６】
本発明はモノクロメータにも関するものである。
第一の実施の形態において、導波管は受動型であり、モノクロメータの入力スロット及び出力スロットを形成する。
【００１７】
第二の実施の形態において、第一の受動型導波管はモノクロメータの入力スロットを形成し、第二の受動型導波管はその出力スロットを形成する。
【００１８】
本発明は、かかる自動整合した反射器装置を内蔵するレーザにも関するものである。かかる場合、導波管は、その端部と単一方向に自動整合した反射器系との間にて波長調節可能な外部キャビティレーザの境を設定する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付図面を参照しつつ以下により詳細に説明する。
【００２０】
本発明の波長フィルタリング用の自動整合した後方反射光学系は、格子１０１を備えている。単モード導波管１０３は、その中心１０４´が主ビーム１０５内にある光学系１０４によりコリメートされた光束をその端部１０２にて伝送する。面回折格子１０１は、ビーム１０５に対し多少なりとも平行な垂直面の境を設定する等距離の平行線１０６を保持しており、格子１０１の拡散面と称される。
【００２１】
主入射ビーム１０５は、拡散面内で格子１０１により回折され、その方向が波長に依存する回折したビーム１０８を発生させる。これらのビームは、単一方向の自動整合した反射系により反射され、この場合、この反射系は、好ましくは９０°の二重の全反射プリズムの形態をした反射器二面体１１１であり、その端縁１１１´は格子の拡散面に対し垂直であり、中心１１０´がレンズ１１０の焦点面内にある状態にて配置されている。
【００２２】
第一の実施の形態において、単モード導波管１０３は、光学系の出力光束を集める。
【００２３】
第二の実施の形態において、第二の導波管１１２は、出力光束を集める。
本発明の装置において、二面体１１１は、拡散面に対して垂直な端縁１１１´を有している。このため、該二面体は、長手方向にミラー状に挙動するが、二面体は光学装置１１０と関係しており、その結果、実際には、長手方向面内で猫の眼の性質を有し、従って、必要とされる自動整合を実現する装置となる。拡散面内において、レンズ１１０／二面体１１１の組み合せ体は、レンズ１１０の中心１１０´及び二面体１１１の端縁１１１´により境が設定された軸線に対し平行な法線を有する、実際上、ミラーと同等のものを形成する。二面体の自動整合方向は、キューブコーナの自動整合方向と反対であり、その双方の効果は互いに打ち消し合い、このことは、二面体の端縁に対して垂直な方向は何ら自動整合を行うことなくミラーに対し同等の挙動を呈することを意味する。
【００２４】
従来技術の状態に関して、本発明の二面体の角度に必要とされる精度は低くてよい。
【００２５】
実際上、自動整合が十分であるためには、反射したビームの位相前面が入射光のそれ（位相前面）とλ／４以上だけ重なり合うことを必要とする。
【００２６】
従来技術による二面体を具体化し、幅が数ｍｍのコリメートしたビームにより作動させることにより、二面体の直交精度、すなわち９０°頂点におけるその角度値は、約１０-4ラジアン（すなわち円弧の５セコンド）でなければならない。本発明の装置において、ビームは二面体に向けて収斂し、入射波の像がこの二面体に形成される。この像の寸法は、典型的に、数十分の１ミクロンである。すなわち、上記の実施の形態の場合よりも２桁小さい。
【００２７】
自動整合時、同一の精度を実現するため、二面体の角度に要求される条件は、２桁程度、緩和することができ、このため、本発明によれば、従来技術の１０-4ラジアンではなくて、１０-2ラジアンの頂点角度（すなわち０．５°）の精度を有する二面体で十分である。
【００２８】
更に、従来の装置の特定の光束の損失が回避される。従来の装置を具体化するときに光束の損失を回避するため、導波管２１、２４から出るコリメートしたビームは、二面体２３の上で互いに重なり合わなければならない。このことは、二面体２３とレンズ２２との間の光学的距離が上記レンズ２２とファイバ２１、２４の端部の間の格子における釣合ったビームの非結晶距離に等しいこと、すなわち、格子におけるビームの釣合った歪像の焦点距離に等しいことを要求する。実際的な空間条件の理由のため、このことは常に可能であるとは限らない。本発明は、一方にて、レンズ１０４と二面体との間の距離に関係なく、また一方にて、二面体の角度を最大にしつつ、ファイバ１０３、１１２の端部間の距離に関係なく、ビームが重なり合うことを可能にする。
【００２９】
このように、図５に図示したモノクロメータを具体化することができる。一方、出力導波管１１２は、その波長がこの出力導波管１１２の横断方向位置、格子１０１の性質及びその方向に依存する入力導波管１０３により放出された光束の一部を集める。かかる場合、幾何学的寸法の小さい二面体１１１を使用することにより、この二面体１１１に対する導波管１０３の端部１０２の像を制限し、これにより、二重モノクロメータ（二段式モノクロメータ）の中間スロットの通常の機能を発揮することを可能にする。このように、格子により拡散される光を抑制しつつスペクトルの選択性が向上する。
【００３０】
また、二面体１１１は、図５Ａに図示するように、互いに垂直な２つのミラー１５０、１５１で形成することもできる。
【００３１】
これらのミラー１５０、１５１の各々は、小型であり且つプリズム１５２、１５３により実現されるようにすると好都合である。このように、これらミラー１５０、１５１の位置を互いに独立的に調節し、これにより、このようにして行われたフィルタリングの帯域幅の限界を独立的に制御することが可能となる。この二面体により反射された入射ビームは、参照番号１５４、１５５で示してある。
【００３２】
出力導波管１１２は、入力導波管１０３に重ね合わせることができ、この実施の形態は、図５に図示されている。勿論、これらの導波管は実質的に相違させることができ、例えば、互いに並べて配置してもよい。また、各々、波長が選択された光束の一部分をその位置に関して集めるぺく互いに並べて配置された幾つかの出力導波管１１２を使用しつつ、波長のデマルチプレクサを具体化することも可能である。
【００３３】
導波管１０３が入力及び出力側にて同時に使用される能動的な導波管であるならば、導波管の背面と二面体１１１との間に形成される外部キャビティレーザを具体化することが可能である。
【００３４】
導波管モードの寸法は、例えば、導波管１０３の端部１０２にてマイクロレンズを呈する一方、より幅が広いことが好都合である。
【００３５】
コリメーション光学素子１０４と格子１０１との間に挿入された平行な出力を有する偏光スプリッタは、格子１０１から離れ且つ格子１０１に戻る間にそれぞれ通路の間にて偏光状態を交換することを可能にする。このように、格子１０１により発生される可能性のある不良な偏光状態が回避される。次に、レンズ１１０の中心１１０´をこのスプリッタの出力ビームの間の空間の中間に配置する。
【００３６】
水平端縁を有する二面体１２５は、格子１０１の上でビームが４回通ることを実現することを可能にし、これにより、この格子の外側を２回通過した後、光は自動整合した後方反射器１１１に達する。
【００３７】
この実施の形態は、図６、図７、図８に関してより特定的に説明する。
図６には、例えば、フランス国特許出願第２，７５４，０５４号に記載されたような従来技術の装置の１つが示してある。偏光スプリッタ１２０は、ビーム１０５から直交の偏光成分１０５´、１０５´´を有する２つの平行なビームを発生させる。λ／２ブレード１２１がビーム１０５´´の上に配置され且つビームの偏光方向を回転させる。このため、２つのビーム１０５´、１０５´´´の偏光方向は格子１０１の線に対して垂直となる。格子１０１によりこれらのビームの双方を拡散させた後、これらビームは二面体１２２により交換される。フランス国特許第２，７５４，０５４号に詳細に記載されたこの装置は、光学的スペクトル分析器において、格子の外側の回折に起因する損失が最小とされ、これと同時に、入射ビーム１０５の偏光程度に影響されず、高精度の装置を具体化することが可能な装置を実現することができる。
【００３８】
本発明によれば、二面体１２２をレンズ１１０及び二面体１１１により形成された組立体と置換することが可能である。
【００３９】
このように、上述したように、レンズ１１０及び二面体１１１により形成された組立体は二面体１１１の角度が僅かに約９０°である場合でも正確に作動するから、二面体１２２の角度の制限が解消されると同時に、上述した装置の全ての有利な点が得られることになる。
【００４０】
当該フランス国特許第２，７５４，０５４号において、格子の外側でビームが４回通過する形態を伴い、二段階の組立体を形成する「第三の実施の形態」が記載されている。
【００４１】
この装置において、ビームの横断寸法に対して大きい寸法の二面体１２５は、格子の外側を最初に通過した後、ビームの方向を変更し、ビームが格子により再度回折され、自動整合した後方反射光学系１２６は、これらのビームを互いに交換し且つそのビームを格子に向けて方向変更し、そのビームの各々が再度２回、回折されるようにする。
【００４２】
自動整合した後方反射光学系１２６は、本発明に適合すると好都合であり、また、このため、格子の拡がり面に対して垂直な端縁を有する二面体１１１がその焦点面内に配置されたレンズ１１０から成っている。
【００４３】
１つの代替的な実施の形態において、面格子１０１に代えて凹状格子を使用する一方、該格子自体が導波管１０３から発生されたビームをコリメートし、又は、二面体１１１上に収斂させ、これにより、光学系１０４又は１１０をそれぞれ抑制することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の二方向に自動整合した装置を形成するキューブコーナの図である。
【図２】従来技術の二方向に自動整合した装置を形成する猫の眼の図である。
【図３】従来技術のスペクトルフィルタリング装置の図である。
【図４】リットマン−メトカフ形態の従来技術の単一方向に自動整合した型スペクトルフィルタリング装置の図である。
【図５】本発明によるリットマン−メトカフ形態のビームを伴う本発明の第一の形態の図である。５Ａは、本発明を具体化するのに使用可能な反射器の特別な実施の形態の図である。
【図６】従来技術の格子の外側を２回通過させる拡散装置の図である。
【図７】従来技術の格子の外側を２回通過させる、本発明による拡散装置の図である。
【図８】従来技術の格子の外側を４回通過させる、本発明による拡散装置の図である。
【符号の説明】
１０１  回折格子                １０２  導波管の端部
１０３  単モード導波管／入力導波管
１０４  光学系／コリメーション光学素子
１０４´  光学系の中心          １０５  主ビーム
１０５´、１０５´´、１０５´´´  ビーム／偏光成分
１０６  等距離の平行な線
１０８  回折ビーム              １１０  レンズ
１１０´  レンズの中心          １１１  後方反射器
１１１´  二面体の端縁          １１２  第二の導波管／出力導波管
１２１  λ／２ブレード          １２２  二面体
１２５  二面体                  １２６  自動整合手段／後方反射光学系
１５０、１５１  ミラー          １５２、１５３  プリズム
１５４、１５５  入射ビーム
【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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