(57)【要約】外部キャビティ・ダイオードレーザとレーザ光の生成方法であって、ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ源（１２）から光を生成し、その光源からの光を内部キャビティ光学素子（１４）で視準し、フィードバックミラー（１８）を介して光を反射し、回折格子（１６）を利用してその光学素子（１４）からの光を受け取り、受け取った光を０次以外でミラー（１８）で回折し、ミラーからの反射光を受け取り、反射光を光学素子（１４）およびファブリー・ペロー・レーザに戻して、外部キャビティを完成させ、回折格子（１６）がさらに光学素子（１４）からの反射光の一部を目標に導く。
2004505455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源と、
前記光源からの光を視準する内部キャビティ光学素子と、
フィードバックミラーとを備え、
前記光学素子からの光を受け取り、受け取った光を前記ミラーに０次以外で回折し、前記ミラーからの反射光を受け取り、反射光を前記光学素子とファブリー・ペロー・ダイオードレーザに戻して、外部キャビティを完了する回折格子を有し、前記回折格子がさらに、前記光学素子から受け取った前記光の一部を目標に向かって導く外部キャビティ・ダイオードレーザであって、
前記外部キャビティ・ダイオードレーザの出力波長を離散的に調整できる外部キャビティレーザ。
【請求項２】
前記ファブリー・ペロー・ダイオードレーザが、反射防止膜がない、および導入電流または温度で調整したとき、十分な差動利得を提供する残留ダイオードレーザファブリー・ペロー・モードと干渉しない反射防止膜を有するグループから選択した特徴を有し、前記回折格子の通過帯域内で単一周波数動作および単一縦モードホッピングを可能にする請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項３】
さらに、マルチパス光学構成を有し、十分に狭い縦モード間隔を提供する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項４】
前記ミラーが、前記回折格子の１次の回折を反射する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項５】
前記ミラーが、目標に向かって導かれた光に波長選択性を提供する請求項４記載の外部キャビティレーザ。
【請求項６】
前記回折格子が十分に低い分散を提供し、回折格子の通過帯域とダイオードレーザファブリー・ペロー・モードの相互作用を介して、回折格子の通過帯域内の縦モードホッピングによる波長調整を可能にし、その相互作用が同時に連続的な単一縦モード動作を保証する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項７】
目標に導かれた光の波長を、前記ダイオードレーザ源のダイオード利得素子導入電流を変えることで調整する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項８】
目標に導かれた光の波長を、前記ダイオードレーザ源の温度を変えることで調整する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項９】
目標に導かれた光の波長を、導入電流変調によって波長変調する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項１０】
目標に導かれた光の波長を、ダイオードレーザの温度変調によって波長変調する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項１１】
ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ源から光を生成し、
前記レーザ源からの光を内部キャビティ光学素子で視準し、
フィードバックミラーを介して光を反射し、
回折格子を利用して、その光学素子からの光を受け取り、受け取った光をミラーに０次以外で回折し、そのミラーからの反射光を受け取り、反射光を光学素子とファブリー・ペロー・ダイオードレーザに戻して、外部キャビティを完了し、その回折格子がさらに光学素子から受け取った光の一部を目標に向かって導くレーザ光生成方法であって、
生成されたレーザ光の出力波長が離散的に調整可能であるレーザ光生成方法。
【請求項１２】
生成する段階で、ファブリー・ペロー・ダイオードレーザが、反射防止膜がない、および導入電流または温度で調整したとき、十分な差動利得を提供する残留ダイオードレーザファブリー・ペロー・モードと干渉しない反射防止膜を有するグループから選択した特徴を有し、その回折格子の通過帯域内で単一周波数動作および単一縦モードホッピングを可能にする請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１３】
さらに、マルチパス光学構成を用いて、十分狭い縦モード間隔を提供する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１４】
反射する段階で、ミラーが回折格子からの１次の回折を反射する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１５】
反射する段階で、ミラーが目標に向かって導かれた光に波長選択性を提供する請求項１４記載のレーザ光生成方法。
【請求項１６】
利用する段階で、回折格子が十分に低い分散を提供し、回折格子の通過帯域とダイオードレーザファブリー・ペロー・モードの相互作用を介して、回折格子の通過帯域内の縦モードホッピングによる波長調整を可能にし、その相互作用が同時に連続的な単一縦モード動作を保証する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１７】
さらに、目標に導かれた光の波長を、前記ダイオードレーザ源のダイオード利得素子導入電流を変えることで調整する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１８】
目標に導かれた光の波長を、前記ダイオードレーザ源の温度を変えることで調整する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１９】
目標に導かれた光の波長を、導入電流変調によって波長変調する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項２０】
さらに、目標に導かれた光の波長を、ダイオードレーザの温度変調によって波長変調する請求項１１記載の方法。
【請求項２１】
利用する段階で、目標が光ファイバに光を注入する手段を有する請求項１１記載の方法。
【請求項２２】
前記目標が、光ファイバに光を注入する手段を有する請求項１記載の外部キャビティ・ダイオードレーザを有する光学系。
【請求項２３】
前記ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源が、高密度波長分割多重チャネル周波数間隔とその整数倍およびその整数分の一からなるグループから選択した間隔で、周波数間隔を備えたファブリー・ペロー・モードを提供する請求項２２記載の光学系。
【請求項２４】
前記ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源が、高密度波長分割多重チャネル周波数間隔とその整数倍およびその整数分の一からなるグループから選択した間隔で、周波数間隔を備えたファブリー・ペロー・モードを提供する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項２５】
ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源が、高密度波長分割多重チャネル周波数間隔とその整数倍およびその整数分の一からなるグループから選択した間隔で、周波数間隔を備えたファブリー・ペロー・モードを提供する請求項１１記載の方法。
【請求項２６】
ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源が、高密度波長分割多重チャネル周波数間隔とその整数倍およびその整数分の一からなるグループから選択した間隔で、周波数間隔を備えたファブリー・ペロー・モードを提供する請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
この出願は、米国仮出願番号６０／２２０，７０８、発明の名称「波長鋭敏外部キャビティ・ダイオードレーザ」、出願日２０００年７月２６日の出願の優先権を主張し、その明細書を参考のためにここに援用する。
【０００２】
（政府の権利）
米国政府は、この発明の支払い済み使用許諾と限定された状況での権利を有し、米国航空宇宙局によって与えられた契約書番号ＮＡＳ３−０００５４、および契約書番号ＮＡＳ３−０１００７の規約で規定されているとおりの適切な規約において、特許所有者が他者に使用許諾することを求める。
【０００３】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学的技術によるガス内の汚染物質の高感度検出と、波長調整可能レーザで一般に実現される光学的技術による通信用途に関する。
【０００４】
【従来技術】
ダイオードレーザは、ガスの光学的検出（微量ガス検出）においてますます重要になっている。一般に、高感度検出は、目標核種の吸収特性全体でレーザ波長を高速に変調することによるダイオードレーザによって実現される。レーザ波長を高速変調することで、レーザのインテンシティノイズ（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｎｏｉｓｅ）が劇的に低減される。しかし、ガス検出用途にダイオードレーザを用いることの欠点は、それらが非常に限られた波長範囲でしか動作できないことである。一般に、所定のレーザでは、核種を一つしか検出できない。ダイオードレーザの出力波長範囲は、外部キャビティ構成を用いることで拡張できる。このような構成では、複数の核種検出が可能になる。しかし、外部キャビティ・ダイオードレーザ（ＥＣＤＬ；ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ）は、数ｋＨｚ以上では波長変調できない。このように高速波長変調できないことが、実現可能なガス検出感度を制限している。
【０００５】
この発明は、現在の外部キャビティレーザによる低い変調周波数の制限を克服する外部キャビティ設計を使用するものである。さらに、現在の外部キャビティレーザ設計と比べて、ここで説明する設計は簡単で、安価に実現でき堅牢性を有する。この発明は、ダイオードレーザの波長鋭敏性とＥＣＤＬの安定性および調整可能性を組み合わせている。
【０００６】
商業的に成功しているＥＣＤＬは、Ｎｅｗ　Ｆｏｃｕｓ，Ｉｎｃ．，で製造されており、同様の装置はＮｅｗｐｏｒｔ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって提供されている。これらのＥＣＤＬは、Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ接線入射設計、Ｍ．Ｇ．ＬｉｔｔｍａｎらのＡｐｐｌ．Ｏｐｔ．１７，２２２４（１９７８）に基づいている。どちらの機器も、キャビティフィードバックミラー（ｃａｖｉｔｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｍｉｒｒｏｒ）の機械的移動を用いている。その最大波長変調周波数は、ミラーを動かす必要性があり２ｋＨｚに制限される。このような低変調周波数は、レーザの「余分な（ｅｘｃｅｓｓ）」ノイズの低減には有効ではなく、これらのノイズは、微量ガス濃度の波長変調吸収測定の限定的なノイズ源となる。Ｌｉｔｔｍａｎ−ＭｅｔｃａｌｆのＥＣＤＬ設計で用いられる高分散性のために、ダイオードレーザの導入電流または温度変調によって、レーザ波長を変調することはできない。
【０００７】
Ｎｅｗ　ＦｏｃｕｓおよびＮｅｗｐｏｒｔのＥＣＤＬは、一般的な実験室用の分光光源として設計され、この用途によく適しているものである。レーザは、モードホップ（ｍｏｄｅ ｈｏｐ）することなく（モードホップとはレーザ出力波長の突然の不連続な変化のこと）、レーザ出力強度をわずかに変化させるだけで拡張された波長調整範囲を示す。それらは、公称の調整範囲内の任意の波長で、２ｋＨｚの波長変調が可能である。従って、レーザは広波長範囲にわたってガス分子の高解像度スペクトルが得られるように設計する。この機能は、最初の分子スペクトルを得たり、調査用に走査するために必要である。残念ながら、汎用調整可能分光光源としての動作では、これらの市販の機器は微量ガス検出に対して必要とされる高感度を実現できない。さらに、それらのコストは多くの検出用途では高すぎる。
【０００８】
この発明は、Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ設計の広波長調整を保持し、微量ガス検出で有用な高周波数波長変調を実現できる。この発明と従来のＥＣＤＬ設計の違いは著しく、以降の設計の説明を通して明らかになる。この発明の波長変調周波数は、利得素子として用いられるダイオードレーザの導入電流変調応答によってのみ制限される。従って、ＧＨｚオーダでの波長変調周波数が可能になる。さらに、この発明は市販の機器の広波長調整範囲を保持している。この発明は、モードホッピングなしでは調整されず、出力振幅は一定ではないので、研究調査分光用ではうまく機能しないかもしれない。それでも、この発明は、微量ガス検出用としては優れており、複雑さを低減し、機能を向上させることで、現在の市販の機器よりずっと低コストなＥＣＤＬをもたらす。
【０００９】
市販のＥＣＤＬ製造者は、単一の機械的移動で連続的なシングルモード調整を行うためにかなり努力している。この要求に適合するために、キャビティ長はキャビティフィードバックミラーの角度選択と共に変化しなければならない、この機能は、Ｎｅｗ　Ｆｏｃｕｓの米国特許第５，３１９，６６８号および５，９９５，５２１号に基づく。この発明は、特に縦モードホッピングを可能にすることで、連続的なシングルモード調整のための要求を取り除き、縦モードホッピングはダイオードレーザの利得素子の導入電流と温度で制御する。モードホッピングは、予想通りに再現性よく発生するように制御されるので長所として機能する。さらに、この発明のモードホッピングの波長は、レーザの導入電流またはダイオードレーザの温度によって決定されるように、ある時点で単一の方向に連続的である。
【００１０】
通信で用いられる光源の重要な部分は、連続波（ｃｗ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）の単一周波数ダイオードレーザであることである。導入電流によるこれらの光源の直接的な振幅変調は、高周波長距離用途では利用されないことが多い。ただし、これらの光源での情報符号化は一般に、電気光学変調器を用いるレーザの下流に追加する。この発明は、単一周波数の連続波ＥＣＤＬを改善し、通信用光源に適したものにする。
【００１１】
通信に用いられる典型的なダイオードレーザ、特に高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ；ｄｅｎｓｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）用途に用いられるものは、分布フィードバック（ＤＦＢ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ）構造に基づく。ＤＦＢ構造は後成長処理を必要とし、ファブリー・ペローを基にした構造より一桁高価な装置となる。ＤＦＢレーザはある程度の温度および電流調整機能を有するが、調整範囲はＥＣＤＬ設計に比べて制限される。個々のＤＦＢレーザは、一つのＤＷＤＭチャネルのみに適している。この発明は、より安価なファブリー・ペロー・レーザ構造と他の安価な光学部材を組み合わせて、多くのＤＷＤＭチャネルの任意の一つで動作可能にする。ＥＣＤＬのコスト全体は、一つのＤＷＤＭチャネルのみでの動作に制限されたＤＦＢレーザとほぼ同じである。
【００１２】
さらに、この発明のＥＣＤＬは、ＤＷＤＭ送信器のバックアップ装置としても非常に適している。主ＤＦＢ駆動チャネルが故障した場合、そのチャネルが修理できるまで、ＥＣＤＬが引き継ぐことができる。ＥＣＤＬは多くのＤＷＤＭチャネル上で動作できるので、多くのＤＦＢレーザの一時的な置き換えとして機能する。また、動的に再構成可能なＤＷＤＭ送信器へ発展させることができるので、この発明のＥＣＤＬ一式は、主光源としても用いられる。各ＥＣＤＬは、多くのＤＷＤＭチャネルの任意の一つで動作するように構成し、実時間の帯域幅の要求に基づいて追加や削除ができる。
この発明の調整可能な光源を用いる他の通信用途も、従来の技術より改善される。例えば、現場や研究開発中の通信部材の試験測定などがある。
【００１３】
【課題の解決に必要な手段】
この発明は、外部キャビティ・ダイオードレーザとレーザ光の生成方法であって、ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ源（Ｆａｂｒｙ−ｐｅｒｏｔ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ）から光を生成し、その光源からの光を内部キャビティ光学素子で視準し、フィードバックミラーを介して光を反射し、回折格子を利用してその光学部材からの光を受け取り、受け取った光を０次以外でミラーに回折し、ミラーからの反射光を受け取り、反射光を光学素子およびファブリー・ペロー・レーザに戻して、外部キャビティを完成させ、回折格子がさらに光学部材からの反射光の一部を目標に導く。好ましい実施例では、ファブリー・ペロー・ダイオードレーザは反射防止膜を有しないか、ファブリー・ペロー・モードの残留ダイオードレーザと干渉しない反射防止膜を有し、導入電流または温度で調整したとき十分な差動利得を提供し、回折格子の通過帯域内での単一周波数動作および単一縦モードホッピングを可能にする。マルチパス光学構成は、十分に狭い縦モード間隔を提供することで実現できる。ミラーは好ましくは、回折格子からの１次の回折を反射し、目標に向かって送られる光に波長選択性を提供し、十分な低分散性を提供して、回折格子の通過帯域とダイオードレーザのファブリー・ペロー・モードとの相互作用を介して、回折格子の通過帯域内での縦モードホッピングによって波長調整を可能にし、その相互作用は同時に連続的な単一縦モード全体での動作を保証する。目標に向かって送られる光の波長はさらに、ダイオードレーザ源のダイオード利得素子の導入電流、またはダイオードレーザ源の温度を変えることによっても調整できる。目標に向かって送られた光の波長変調は、導入電流変調またはダイオードレーザの温度変調によって実現できる。光学系では、目標は光ファイバ光導入装置であってもよい。
【００１４】
目的、利点および新規性、そしてこの発明を適用可能なさらなる範囲は、添付の図面と共に以降の詳細な説明で部分的に示し、以降の説明で部分的には当業者には明らかになり、またはこの発明の実施によってわかるであろう。この発明の目的と利点は、特に添付の請求項に指摘された手段および組み合わせによって実現され獲得される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明のＥＣＤＬは、ＨａｒｖｅｙおよびＭｙａｔｔ．Ｋ．Ｃ．ＨａｒｖｅｙらのＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．１６，９１０（１９９１）によって改良されたＬｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ設計に基づく。基本的な特徴を修復して、ダイオードレーザが微量ガス分析に対応するように、この発明は基本的なファブリー・ペロー・レーザを低分散外部キャビティ・ダイオードレーザの利得素子として用いる。ＥＣＤＬとしての動作は、波長選択光学素子が含まれるようにし、その装置の利得帯域内の所望の波長での動作を保証する。Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ設計では、回折格子の０次の出力をレーザ出力として用いる。キャビティフィードバックミラーは共振器の一端にあり、回折格子からの１次の回折を反射する。共振器の他端は、ファブリー・ペロー・ダイオード素子の外側の小面である。波長選択性は、回折されて戻ってきたビームの角度を、キャビティフィードバックミラーに対して設定することで実現する。
【００１６】
図１は、この発明の低分散ＥＣＤＬの概略図である。この設計は、０次の回折の位置と方向がＥＣＤＬ出力波長に対して変化しないので通信用途に適している。従って、ＥＣＤＬは、０次の出力を介して容易にファイバ接続して、典型的な光ネットワークに組み込むことができる。この分野で知られている様々な光導入手段によって、シングルモードとマルチモードの両方の光ファイバにＥＣＤＬ出力を注入することは、光通信ネットワークにこの発明を実装する場合に適している。
この発明の様々な特徴が、基本的なＬｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ設計とこの発明を差別化している。これらの特徴は、高感度微量ガス検出に必須の機能を提供し、通信用途で他に負けない優位性をもたらす。これらの特徴の説明を次に行う。
【００１７】
第一に、この発明は低分散の回折格子を用いる。Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ共振器の市販の実装に比べて、分散をできるだけ低く選択する。分散は、所定の波長範囲で分散素子を加えたレーザ利得コントラストで測定する。ＥＣＤＬの分散が高いほど、レーザ導入電流または温度で調整中に、レーザは縦モードホッピングしなくなる。一般的な分光レーザ源の場合、モードホッピングしない方が望ましいが、高感度微量ガス検出では必ずしもそうではない。この発明は、現在市販のＥＣＤＬより一桁低い分散のレーザ共振器を用いる。この定量化は制限されるものではなく、この発明の最適な分散は利得媒体として用いられる特定のレーザダイオードおよび特定の用途に依存する。低分散設計の最も重要な特徴は、所定の動作条件下で、分散が十分で一つの外部キャビティ縦モードのみが振動できることである。他の動作条件下では、異なる単一の縦キャビティモードが振動できる。波長の調整は、一つの縦モードから隣接する次の縦モードへの一連の連続するモードホッピングにより実現する。波長の粗調整は、フィードバックミラーを回転させることで実現する。
【００１８】
第二に、ＥＣＤＬ利得媒体として用いられるファブリー・ペロー・ダイオードは、反射防止膜（ＡＲ）を備えていない。これによって、レーザがより広い範囲の波長で安価で利用可能な利得素子として用いられる。高品質のＡＲ膜を得ることが、従来のＬｉｔｔｍａｎ−ＭｅｔｃａｌｆのＥＣＤＬ内で新しいダイオードレーザ材料を用いることの最も重大な障害である。ＡＲ膜がないので、この設計の利得素子のファブリー・ペロー・モードが維持される。より重要なことは、これらのファブリー・ペロー・モードはレーザ導入電流および装置温度を用いて波長を調整できることである。低分散回折格子の通過帯域内で残留ファブリー・ペロー・モードを移動させることで、ＥＣＤＬは波長を調整できる。ダイオード利得素子の公称利得曲線内で完全なスペクトル範囲を実現する。ファブリー・ペロー・モード、外部キャビティの縦モード、および回折格子によって、ＥＣＤＬはダイオードレーザの広い利得曲線内の単一の外部キャビティモードで動作する。ダイオードレーザ導入電流を変えることで、回折格子の通過帯域内の連続的な外部キャビティモードで動作する。ＥＣＤＬは小さく離散的なステップで調整し、その方法は市販のＥＣＤＬとはかなり異なる。ガス検出用途では、各ステップは好ましくは分子吸収特性より小さい。通信用途の場合、外部キャビティ長を選択してＥＣＤＬモード間隔が所望の組の波長精度を提供するようにする。外部キャビティがない場合、ファブリー・ペロー・レーザは別のファブリー・ペロー・モードのダイオードレーザに対して大きな波長変化となる。この発明は、まさしくＡＲ膜のないファブリー・ペロー・ダイオードレーザに限定されるものではない。残留ダイオードレーザファブリー・ペロー・モードが十分な差動利得を提供し、導入電流または温度を調整することで、回折格子の通過帯域内で単一の縦モードホッピングが可能であるかぎり、この発明の動作に悪影響を与えない膜もある。
【００１９】
第三に、ＥＣＤＬキャビティ長は、その用途に必要とされる波長精度を提供するように選択する。連続的な外部キャビティ縦モードの間の波長間隔は、外部キャビティ長さによって決定する。この設計は、一つのモードから隣接する次のモードへのホッピングによる波長調整によるので、間隔を十分小さくして研究中のガス吸収特性の帯域幅内に多くの縦モードがあるようにする。この要求によって、そのキャビティは従来の設計より長くなる。例えば、吸収特性が６ＧＨｚの帯域幅を有し、その帯域幅内に１０個の縦モードがあることが求められる場合、ＥＣＤＬキャビティの長さは２５ｃｍになる。現在の市販のＥＣＤＬのキャビティ長は数ｃｍである。通信用途の場合、縦モード間隔はＥＣＤＬが任意の波長でどれだけ密に動作できるかを決定する。長さ２５ｃｍの上記の例では、ＥＣＤＬはその調整範囲の任意の波長から３００ＭＨｚ以上離れていると動作できない。キャビティ長が５０ｃｍであれば、最も密に実現できる動作波長は、装置の動作範囲の任意の選択した波長から１５０ＭＨｚ以上離れることはない。
【００２０】
この発明によって、キャビティフィードバックミラーの角度を調整すること、およびダイオード利得素子の導入電流を変えることでＥＣＤＬを調整できる。従って、波長変調周波数は現在市販の設計より何桁も高くなる。既存の設計は光学素子の圧電駆動の機械的動作を利用するので、変調周波数は２ｋＨｚ以下に制限される。この発明では、微量ガス検出に適した波長範囲（変調深さ）で、５０ｋＨｚ以上の波長変調が行える。ＧＨｚオーダの周波数も可能である。波長変調周波数が高くなると、微量ガス検出用の光源としてこのＥＣＤＬを用いることが可能になる。より高い周波数の動作によって、レーザの「余分な」ノイズも低減され感度が増大する。吸収特性はかなり弱く、ガス核種は低濃度で存在するかもしれないので最も高い感度が必要とされる。
【００２１】
図２は、この発明の様々な波長選択機構の間の相互作用を示している。ダイオードレーザの一般的な動作波長領域は、ダイオードの活性領域内の材料で決定する。活性層の材料、構造および構成は、その装置の帯域の中心波長と利得曲線の幅を決定する。これは最も粗い波長選択素子であり、図では最も上の滑らかな曲線で示されている。この広い利得曲線内で、ファブリー・ペロー・ダイオードレーザはさらに、単一の利得領域の光路長に対応する波長で動作するように制限される。これらのダイオードレーザのファブリー・ペロー・モードは一般に、複数の波数によって分けられる。通信用途では、所望のＤＷＤＭチャネル間隔、その整数倍、または整数分の一の間隔のファブリー・ペロー・モードを有することが望ましいことがわかっている。さらに、ファブリー・ペロー・モードの間隔は、利得領域の長さと利得領域の屈折率によって決定され、この屈折率はレーザの導入電流および温度に影響される。複数のファブリー・ペロー・モードが同時に動作でき、ダイオードレーザの温度または導入電流を調整することで波長を調整できる。ファブリー・ペロー・モードは、図では三つの最大値を備えた曲線で示されている。回折格子ベースの外部キャビティを組み込むことで、同時に二つ以上の波長選択制限を追加する。単一のダイオードレーザのファブリー・ペロー・モード内の波長は、回折格子の通過帯域で選択する。回折格子の通過帯域の帯域中心は、キャビティフィードバックミラーによる逆反射を経た回折角で設定する。回折格子の通過帯域は、図では破線で示されている。外部キャビティはさらに、キャビティ長によって決定される縦（および横）キャビティモードを強制する。キャビティを長くすると、縦キャビティモード間隔が短くなる。図の垂直の棒は、外部キャビティ縦モードを示している。所定のキャビティ長では、ＥＣＤＬはこれらのキャビティモードに対応する波長でのみ動作する。この発明は、回折格子の通過帯域での回折格子で選択したダイオードレーザのファブリー・ペロー・モードの移動に基づき、選択した単一のＥＣＤＬキャビティモードに十分な差動利得を優先的に加えて、そのモードだけが振動するようにする。回折格子の通過帯域内で、ファブリー・ペロー・モードによってどちらかの波長方向にさらに移動させると、その方向に対応して隣接するＥＣＤＬキャビティモードを選択できる。回折格子の通過帯域内のファブリー・ペロー・モードの移動は、導入電流またはダイオードレーザ温度で制御する。
【００２２】
この発明は、波長鋭敏性と広い波長動作範囲を示している。この設計は、フィードバックミラー角、ダイオードレーザの導入電流、およびダイオードレーザの温度を用いて波長調整を可能にする。フィードバックミラー角を用いる調整曲線は、図３に与えられている。Ｃｈｒｏｍｅｘ分光器の０．２５ｍでのＥＣＤＬレーザ出力の測定は、回折フィードバック角を変えることによる広い波長調整を示している。単一周波数動作は、フィードバックミラーの調整による連続的な回折格子選択ファブリー・ペロー・モード上で干渉波長計を用いることで決定した。この粗調整曲線は図に示されている。各データ点において、ＥＣＤＬは単一周波数であるが、異なるレーザダイオード・ファブリー・ペロー・モードで動作している。図４は、ＥＣＤＬのダイオードレーザの導入電流調整を示している。フィードバックミラーは、この図のデータでは調整されていない。導入電流の変化によって、連続的なＥＣＤＬキャビティモードでモードホッピングが生じる。
【００２３】
ＥＣＤＬ調整特性は、この発明のＥＣＤＬが小さな離散的なステップで調整するので、市販のＥＣＤＬ設計の特性とは異なる。しかし、各ステップは実質的に吸収特性より小さい。この調整モードは、波長変調方式に適している。実際、波長変調分光（ＷＭＳ）検出用途では、離散的な変調ステップを用いることがしばしば好まれる。図５は、このＥＣＤＬ発明を用いて、変調周波数５ｋＨｚ、位相感度検出１０ｋＨｚ、およびＨ１２Ｃ１４Ｎ吸収特性の６４７４．４１ｃｍ−１での波長走査１０Ｈｚで、実験的に得られたＷＭＳスペクトルを示している。
【００２４】
このＥＣＤＬ設計は機械的な変調光学部材を用いていないので、圧電変換器（ＰＺＴ）および関連の駆動回路は必要ない。この発明は、ダイオードレーザの導入電流および温度に対する標準的な電子駆動回路だけが必要である。しかし、フィードバックミラー調整を用いて粗波長選択を行うために、ＰＺＴ駆動光学機械式装置を用いることが便利である。この特徴は、現場の通信用途でＥＣＤＬ動作波長を遠隔制御する場合に役立つ。
【００２５】
内部キャビティ光学系の移動によって調整可能なシングルモードレーザを生成するのではなく、この発明はＥＣＤＬ縦モードホッピングに基づいている。この方式は、この発明のキャビティがより長く、縦モード間隔が既存の市販の設計より小さいので実現できる。この発明は、所定の吸収特性にキャビティ長を調整し、ＥＣＤＬモード間隔を十分小さくして、吸収線の形状について適切な解像度が得られるようにする。物理的に小さな容器にこのＥＣＤＬのより長いキャビティ長を実装するために、内部キャビティ・マルチパス構成を用いることができる。図６は、回折格子とフィードバックミラーの間に配置したミラー２１、２１’を有する平面マルチパス・システムの一例を示している。別の配置として、ダイオードレーザと回折格子の間がある（図示せず）。マルチパス構成の他の形式（例えば、Ｈｅｒｒｉｏｔｔセル、Ｗｈｉｔｅセル、Ｐｅｒｒｙセルなど）も、この発明と共に用いることができる。もちろん、必要に応じてレーザダイオード、回折格子およびフィードバックミラーを物理的に間隔を開けて、単に適切な長さとすることもできるがレーザは物理的により大きくなる。
【００２６】
高感度微量ガス検出器としてのこの発明の動作はまず、キャビティフィードバックミラーの調整によって、目標ガス吸収特性の公称領域に波長を粗調整する。次に、温度および導入電流調整で波長の微調整を行うことができる。最後に、ダイオードレーザの利得媒体の導入電流変調によって、高周波変調を実行する。
【００２７】
この発明の商業的な利点は、長期間の測定で特定の波長に設定したとき、シングルモード・ダイオードレーザと等しい感度で微量ガス検出に低分散ＥＣＤＬを適用できることである。もちろん、ＥＣＤＬの本質的な広波長調整によって、複数の核種の吸収特性上で同じシステムを動作させることができる。従って、複数の核種検出が可能になる。さらに、この設計は、ダイオードレーザ上の高性能ＡＲ膜が不要、ＰＺＴ駆動光学系の省略が可能、および低分散回折格子の使用により、コスト的な長所を提供する。この設計は、現在入手可能な市販のＥＣＤＬ設計より優れた感度を有する。この発明は、可動部が必須ではないので（キャビティフィードバックミラーは位置決めおよび粗調整後に所定の位置に固定できる）より堅牢になる。
【００２８】
この発明の波長変調機構は、振幅変調を付随する。ＤＦＢおよびファブリー・ペロー・レーザの導入電流変調のみを用いた波長変調は、振幅変調も誘導する。これは、振幅変調が検出で用いられる調波に効率的に結びついていないのであれば、波長変調法を用いる場合には必ずしも問題にはならない。さらに、波長変調したＥＣＤＬ出力に平衡型光受信器（Ｎｅｗ　Ｆｏｃｕｓ，Ｉｎｃ．Ｍｏｄｅｌ＃２００７と＃２０１７；米国特許第６，０４０，９１４号、およびＤ．Ｂ．ＯｈらのＡｐｐｌ．Ｏｐｔ．３４，７００２（１９９５））を追加して、振幅変調と区別できる。
この発明は、これらの好ましい実施例を特に参照しながら詳しく説明してきたが、他の実施例も同様の結果を実現できる。この発明の変形と改良は当業者には明らかであり、このような改良および等価なものの全てが添付の請求項の対象であると考えられる。上記の全ての参考文献、出願書類、特許、出版物の開示内容全体は、参考のためにここに援用する。
【００２９】
【図面の簡単な説明】
添付の図面はこの明細書に組み込まれ、一部を構成し、この発明の一つ以上の実施例を示し、その説明と共に、この発明の原理を説明するために機能する。その図面は、この発明の一つ以上の好ましい実施例を説明する目的のためだけであって、この発明を制限するようには解釈されない。
【図１】
この発明のＥＣＤＬ発明１０の部材の概略図である。概略的なレイアウトは、一般化されたＬｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ設計のものである。しかし、市販のファブリー・ペロー・ダイオードレーザ１２は、反射防止膜を備えていない利得素子として用いられている。レーザダイオードの出力はレンズ１４で視準し、波長選択を行う低分散回折格子１６に送る。回折ビームは、ピボット１２を備えたキャビティフィードバックミラー１８から反射し、レーザ共振器を完成させる。
【図２】
複数の波長選択素子のスペクトル縮小効果を示す図であり、ダイオードレーザの導入電流または温度を変えることで、ＥＣＤＬの波長調整を可能にする。広い実線の曲線は、ＥＣＤＬ利得素子として用いたダイオードレーザの本質的な利得曲線を示している。三つの比較的細く均一な間隔の曲線は、ＥＣＤＬ利得素子として用いたダイオードレーザのファブリー・ペロー・モードを示している（便宜上比例関係にはない）。一連の垂直の棒は、外部キャビティによって強制された縦キャビティモードである（便宜上比例関係にはない）。最後に、広い破線の曲線は外部キャビティ回折格子で決定した波長通過帯域である。
【図３】
フィードバックミラー角を用いるＥＣＤＬの粗調整曲線を示すグラフである。各データ点は、特定のレーザダイオード・ファブリー・ペロー・モード内の単一周波数動作の波長を示している。
【図４】
ＥＣＤＬ発明の波長調整とダイオードレーザ導入電流の関係を示すグラフである。曲線上の個々の点は、対応するＥＣＤＬ縦キャビティモード上での動作を示している。つまり、ＥＣＤＬは、この曲線上の連続的な点（波長）でホッピングする。
【図５】
この発明のＥＣＤＬを用いるＨＣＮ用のＷＭＳ吸収スペクトルについて得られたデータである。レーザは５ｋＨｚの波長変調であり、信号は１０ｋＨｚの位相依存検出で処理した。レーザダイオードの電流変調に加えて、１０Ｈｚのレーザダイオード電流傾斜部が、吸収線全体でＥＣＤＬ出力波長を走査する。
【図６】
改良されたレーザキャビティ設計３０を示しており、長いキャビティ長の要求を物理的に小さな容器に適合させるために、内部キャビティ・マルチパスセル３２を組み込んでいる。
【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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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成13年12月21日(2001.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源と、
前記光源からの光を視準する内部キャビティ光学素子と、
フィードバックミラーとを備え、
前記光学素子からの光を受け取り、受け取った光を前記ミラーに０次以外で回折し、前記ミラーからの反射光を受け取り、反射光を前記光学素子とファブリー・ペロー・ダイオードレーザに戻して、外部キャビティを完了する回折格子を有し、前記回折格子がさらに、前記光学素子から受け取った前記光の一部を目標に向かって導く外部キャビティ・ダイオードレーザであって、
前記外部キャビティ・ダイオードレーザの出力波長を離散的に調整できる外部キャビティレーザ。
【請求項２】
前記ファブリー・ペロー・ダイオードレーザが、反射防止膜がない、および導入電流または温度で調整したとき、十分な差動利得を提供する残留ダイオードレーザファブリー・ペロー・モードと干渉しない反射防止膜を有するグループから選択した特徴を有し、前記回折格子の通過帯域内で単一周波数動作および単一縦モードホッピングを可能にする請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項３】
さらに、マルチパス光学構成を有し、十分に狭い縦モード間隔を提供する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項４】
前記ミラーが、前記回折格子の１次の回折を反射する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項５】
前記ミラーが、目標に向かって導かれた光に波長選択性を提供する請求項４記載の外部キャビティレーザ。
【請求項６】
前記回折格子が十分に低い分散を提供し、回折格子の通過帯域とダイオードレーザファブリー・ペロー・モードの相互作用を介して、回折格子の通過帯域内の縦モードホッピングによる波長調整を可能にし、その相互作用が同時に連続的な単一縦モード動作を保証する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項７】
目標に導かれた光の波長を、前記ダイオードレーザ源のダイオード利得素子導入電流を変えることで調整する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項８】
目標に導かれた光の波長を、前記ダイオードレーザ源の温度を変えることで調整する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項９】
目標に導かれた光の波長を、導入電流変調によって波長変調する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項１０】
目標に導かれた光の波長を、ダイオードレーザの温度変調によって波長変調する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項１１】
ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ源から光を生成し、
前記レーザ源からの光を内部キャビティ光学素子で視準し、
フィードバックミラーを介して光を反射し、
回折格子を利用して、その光学素子からの光を受け取り、受け取った光をミラーに０次以外で回折し、そのミラーからの反射光を受け取り、反射光を光学素子とファブリー・ペロー・ダイオードレーザに戻して、外部キャビティを完了し、その回折格子がさらに光学素子から受け取った光の一部を目標に向かって導くレーザ光生成方法であって、
生成されたレーザ光の出力波長が離散的に調整可能であるレーザ光生成方法。
【請求項１２】
生成する段階で、ファブリー・ペロー・ダイオードレーザが、反射防止膜がない、および導入電流または温度で調整したとき、十分な差動利得を提供する残留ダイオードレーザファブリー・ペロー・モードと干渉しない反射防止膜を有するグループから選択した特徴を有し、その回折格子の通過帯域内で単一周波数動作および単一縦モードホッピングを可能にする請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１３】
さらに、マルチパス光学構成を用いて、十分狭い縦モード間隔を提供する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１４】
反射する段階で、ミラーが回折格子からの１次の回折を反射する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１５】
反射する段階で、ミラーが目標に向かって導かれた光に波長選択性を提供する請求項１４記載のレーザ光生成方法。
【請求項１６】
利用する段階で、回折格子が十分に低い分散を提供し、回折格子の通過帯域とダイオードレーザファブリー・ペロー・モードの相互作用を介して、回折格子の通過帯域内の縦モードホッピングによる波長調整を可能にし、その相互作用が同時に連続的な単一縦モード動作を保証する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１７】
さらに、目標に導かれた光の波長を、前記ダイオードレーザ源のダイオード利得素子導入電流を変えることで調整する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１８】
目標に導かれた光の波長を、前記ダイオードレーザ源の温度を変えることで調整する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項１９】
目標に導かれた光の波長を、導入電流変調によって波長変調する請求項１１記載のレーザ光生成方法。
【請求項２０】
さらに、目標に導かれた光の波長を、ダイオードレーザの温度変調によって波長変調する請求項１１記載の方法。
【請求項２１】
利用する段階で、目標が光ファイバに光を注入する手段を有する請求項１１記載の方法。
【請求項２２】
前記目標が、光ファイバに光を注入する手段を有する請求項１記載の外部キャビティ・ダイオードレーザを有する光学系。
【請求項２３】
前記ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源が、高密度波長分割多重チャネル周波数間隔とその整数倍およびその整数分の一からなるグループから選択した間隔で、周波数間隔を備えたファブリー・ペロー・モードを提供する請求項２２記載の光学系。
【請求項２４】
前記ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源が、高密度波長分割多重チャネル周波数間隔とその整数倍およびその整数分の一からなるグループから選択した間隔で、周波数間隔を備えたファブリー・ペロー・モードを提供する請求項１記載の外部キャビティレーザ。
【請求項２５】
ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源が、高密度波長分割多重チャネル周波数間隔とその整数倍およびその整数分の一からなるグループから選択した間隔で、周波数間隔を備えたファブリー・ペロー・モードを提供する請求項１１記載の方法。
【請求項２６】
ファブリー・ペロー・ダイオードレーザ光源が、高密度波長分割多重チャネル周波数間隔とその整数倍およびその整数分の一からなるグループから選択した間隔で、周波数間隔を備えたファブリー・ペロー・モードを提供する請求項２１記載の方法。
【国際調査報告】
2004505455.tif 000033