JP2014209646A - 高速波長走査の小型多モードレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ほぼ連続した波長走査を備える小型レーザシステムを提供する。
【解決手段】小型レーザシステムは、可変同調多モードレーザ光源であって、２つの反射器間に形成された複数の光モードをサポートする光キャビティと、光キャビティ内に位置決めされた光利得媒質及び同調セクションとを含み、同調セクションは利得媒質から受光して複数の光モードのモード間の同調をするべく結合され、広い波長範囲にわたって高い走査速度で走査することができ、可変コヒーレンス長を有し得る。特に、１４０ｎｍを超える波長走査に関する実施形態は、約１ｎｍ／ｓまでの連続可変走査速度、及び走査速度の約１０ｎｍ／ｓまでの離散的な増加、並びに１ｍｍから約３０ｍｍまでの可変コヒーレンス長を達成することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は可変同調多モードレーザに関し、詳しくは、モードホッピング波長走査の小型レーザに関する。

関連出願
本願は、２００５年１月２４日に出願されたAlex Cable、Michael Larsson、Lars Sandstrom及びBengt Klemanによる名称「Compact Laser with Continuous Wavelength Scanning」の米国仮特許出願第６０／６４７，０７８号の優先権を主張する。

連続可変同調レーザ光源が必要とされるいくつかのアプリケーションでは今や、外部キャビティレーザ（ＥＣＬ）が一般に使用される。市場において広範な設計範囲をカバーする外部キャビティレーザの商業的な製造業者は多数存在するが、現行の設計では提供できない同調速度の劇的増大から利益を受ける多くのアプリケーションが、その増大が、例えば動的コヒーレンス長及びパワー安定性のような他のシステム動作パラメータを犠牲にして得られるとしても、依然として存在する。

詳しくは、１，０００，０００ｎｍ／ｓを超える同調速度、中心波長の少なくとも５％の同調範囲、及び少なくとも数ミリメートルのコヒーレンス長を有する高速外部キャビティレーザは、現在のところ商業的に入手することができない。波長同調速度の欠如は、現行の外部キャビティレーザにおいて大きな短所となっている。同調速度の実質的な増大から利益を受けるアプリケーションが多数存在するからである。現行の外部キャビティレーザは例えば、十分な同調範囲、及び真正の単一モード挙動も有し、ひいては数ミリメートルを著しく超える（数メートルの場合もある）コヒーレンス長を有するが、その同調速度は約１，０００ｎｍ／ｓ未満に限られる。

留意すべきなのは、高速かつ高精度な波長切り替えを提供する可変同調レーザが存在することである。例えば、SwedenのKistaのSyntuneは、かかる切り替え可能レーザを提供する。これは、５０ｎｓ未満の二点間波長切り替え時間を可能とする。しかしながら、かかるシステムは、出力波長の連続的な掃引を提供しない。その代わり、かかるシステムは、一の波長から他の波長へと離散的に動き、一の安定波長から他の安定波長へと動くのに要する時間間隔において十分に画定された波長を生成することがない。さらに、Syntuneレーザは、著しい製造基盤設備を必要とし、かつ、新たな波長を実装することが容易ではない。いくつかの望ましい特性を有する他の製品が、Micron Opticsから提供されている。Micron Opticsのシステムは、非特許文献１の科学論文に言及されている。Micron Opticsの光源は、光パワー２ｍＷ、掃引時間３．５ｍｓ、中心波長１３０８ｎｍ、及びＦＷＨＭ（半波高全幅値）掃引帯域幅８７ｎｍを与える。Micron Opticsのシステムは、（９９％パワー点として定義される）合計掃引範囲をＦＷＨＭ掃引帯域幅８７ｎｍの約２倍と仮定し、掃引速度約５０，０００ｎｍ／ｓをもたらす。しかしながら、Micron Opticsのシステムはキャビティ内光ファイバ要素を利用するので、高速度アプリケーションが必要とする同調速度よりもかなり低い同調速度に限られるほか、望ましくない偏光のばらつきの影響を受けやすい。付加的に、Micron Opticsのシステムは、ファイバに基づくレーザであるから、キャビティを十分短くして極めて高い同調速度を可能とすることが難しい。可変同調レーザの長さは、一の光子又は一群の光子の走行時間を決定する。特定波長の一群の光子がフィルタ要素に戻るときの、当該レーザを通過する時間が長すぎる場合、フィルタ要素は他の波長に同調され得ることになるので、レーザ作用の望ましくない減衰がもたらされる。非特許文献２は、この制限についてさらに完全な記載を与える。

外部キャビティレーザの典型的な設計ソリューションは、レーザの同調範囲全体にわたり同じ縦モードにレーザを保持するべく枢動軸まわりに回転可能な鏡又は回折格子を設けることである。枢動軸は、以下に示される式１及び２の双方が同時に満たされるように選択される。
λ_Ｎ＝ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ） （１）
Ｎλ_Ｎ＝２Ｌ （２）
式１及び２において、λ_Ｎはレーザの平均瞬間出力波長、Ｎはレーザの縦モード数、ｄは波長と同じ単位で測定された格子定数、αは回折格子への光照射野の入射角、βは回折格子から出る光照射野の回折角、及び、Ｌはレーザキャビティの光路長である。Ｎが固定された波長同調の間に式１及び２の２つの条件が同時に満たされる場合、得られるレーザは、連続的にかつ縦モードホップ皆無で同調する。上述した２つの式の要件を満たす機械的ソリューションがいくつか存在するが、商業的に又は科学文献に見出されるものは、そのサイズゆえに望ましい同調速度を著しく下回る同調速度に限られる。Ｎが固定された上述の式２による鏡又は回折格子を回転させるのに必要な機構は、必ずといってよいほど複雑なメカニズムとなる。それは、大きな慣性質量を有するので、高速同調に必要な高速度で作動させることができない。

我々の知るところでは、最高速の商業的に入手可能な連続掃引単一縦モード可変同調レーザが、New Focusによって提供されており、走査速度１０００ｎｍ／ｓと宣伝されている。１，０００，０００ｎｍ／ｓという望ましい走査速度に到達するべく、典型的には鏡又は光回折格子である可動な光要素は、その質量中心まわりに回転されるのが最適であり、かつ、極力小さいままとされるのが最適である。共振走査器を利用することにより、こうした目的を達成するのに便宜な手段が得られる。しかしながら、この方法は典型的に、可動な光要素を中心とする回転軸を有するので、Ｎが一定に保持されている場合、一般には式２を満たすことができない。すなわち、縦モード条件Ｎλ_Ｎ＝２Ｌを連続的に満たすことができないので、レーザ放射は、同調範囲が興味対象になるほど十分に重要な場合には一の縦モードから他の縦モードにジャンプすることになる。

モードジャンプは、一つ又はいくつかのモード距離幅であり得る。モード距離は、
Δλ＝λ^２／２Ｌ
である。こうしたモードジャンプが存在すると、レーザはもはや連続可変同調レーザとはいえず、レーザの動的コヒーレンス長は、不安定となってシステムの静的コヒーレンス長未満に劣化する。モードジャンプのサイズを低減するべく、キャビティ長を増大することができるが、これによると、レーザが多モード挙動をするようにもなり、ひいては短いコヒーレンス長にも寄与する。

特許文献１には、波長変化を補償するべく幅広い可変同調の単一モードレーザのキャビティ長が調整されるレーザ設計が開示される。特許文献１に開示されるのは、レーザが、レーザキャビティのコンポーネント及び幾何学形状を適切に選択することによりほぼ連続的な周波数同調を与える一方で高い走査速度も提供することである。特許文献１に提案される方法は、操縦可能な鏡及び回折格子（これらは波長選択性を与える）を使用する。これらは、当該操縦可能な鏡が回折格子にわたって光照射野を掃引するように配向される。上述した式２のＮが一定に保持されたバランスをほぼ維持するという目標により、波長変化を相殺するべくキャビティ長を変化させる。特許文献１においてさらに提案されているのは、式２の残余誤差又はアンバランスを説明するべく付加的要素を加えることである。その結果、広い同調範囲にわたって式２の正確なバランスが維持される。我々の知識にとってこのアプローチは実現可能に見えるが、この提案された設計の実装が成功したことはない。

掃引レーザ波長の瞬間コヒーレンス長は、通常は異なる種類の干渉計が関連するいくつかの方法の一つを利用して測定することができる。かかる方法の一つは、ファイバ系マイケルソン干渉計を利用する。コヒーレンス長Ｌ_ｃが
Ｌ_ｃ＝２×ＨＷＨＭ
で与えられる。ここで、ＨＷＨＭは、最大１００％から最大５０％までインターフェログラムを変化させるのに必要な干渉計内の一つの鏡の変位である。留意すべきだが、２という因子は、マイケルソン干渉計の可動アームにおける二重経路（前後方向）による。

多くのアプリケーションには、高いほぼ連続的な同調速度と少なくとも数ミリメートルの動的コヒーレンス長とを同時に達成する必要性が存在する。これは、いくつかの遠隔光ファイバセンシング及び光コンポーネント試験アプリケーションの場合のほか、掃引光源型光干渉断層撮影（ＳＳ−ＯＣＴ）の場合にも当てはまる。掃引光源型光干渉断層撮影では、光源のコヒーレンス長が撮像深度の限界を設定し、潜在的な撮像深度はコヒーレンス長に伴い直線的に変化する。

米国特許第５，９５６，３５５号明細書

Optics Express, 8 Sept. 2003, Vol. 11, No 18, pages 2183 to 2189 R. Huber et. al. Optics Express 2 May 2005 V13, No 9 page 3513 to 3528 R. Huber et al. Optics Express 26 Dec. 2005 V13, No 26 page 10523 to 10538 L. A. Kranendonk, RJ. Bartula, and S. T. Sanders, "Modeless operation of a wavelength-agile laser by high-speed cavity length changes," Opt. Express 13, 1498-1507 (2005) P.I. Richter and T.W. Hansen, "Diode-Lasers in External Cavities with Frequency-Shifted Feedback," Opt. Commun. 85, 414-418 (1991) M. P. Arroyo, R. K. Hanson, "Absorption measurements of water-vapor concentration, temperature, and line-shape parameters using a tunable InGaAsP diode laser," App. Optics, V 32, No 30, (1993) pg 6104-6116 A. Olsson, C. L. Tang "Coherent Optical Interference Effects in External-Cavity Semiconductor Lasers," IEEE J. of Quantum Electronics QE-17 No 8, (1981) pp1320 JJ. Snyder "Paraxial ray analysis of a cat’s-eye retro-reflector," Applied Optics V 14, No 8, (1975) pp. 1825

本発明によれば、ほぼ連続的な波長走査多モードレーザが提示される。これは、高い走査速度を有する一方で、掃引光源アプリケーションの利用に十分なコヒーレンス長を維持する。本発明のいくつかの実施形態では、小型レーザ光源は、約１４０ｎｍを超える波長走査範囲と、約１０ｎｍ／μｓまでの可変走査速度及び約３ｍｍから約３０ｍｍまでのコヒーレンス長とを有し得る。

レーザが波長走査されるときに、上述の他のシステムで試行されるように単一縦モード又はほぼ単一の縦モードを維持する代わりに、本発明のいくつかの実施形態は、意図的に多モードとなるレーザ設計を与える。付加的に、本発明のいくつかの実施形態に係る同調メカニズムは、レーザが波長同調されるときに、縦キャビティモードのファミリーが、ときには数万モードまで著しく変化する。

本発明のいくつかの実施形態に係る小型レーザシステムは、光キャビティと、発光及び光利得媒質セクションと、ビーム整形光システムと、光伝播媒質と、発光セクション及び光伝播媒質から受光するべく位置決めされた高速機械的波長同調セクションとを含み、高速機械的波長同調セクションは、選択された波長の光を光伝播媒質及び発光セクションへ逆反射させる分散部分を含み、レーザシステムの波長を走査することができる。いくつかの実施形態では、光キャビティの第１端反射器は、発光及び光利得媒質の一端から作られる。いくつかの実施形態では、光キャビティの第２端反射器は、高速機械的波長同調セクション内に埋め込まれる。いくつかの実施形態では、光キャビティの第２端反射器は別個の光要素である。いくつかの実施形態では、高速機械的波長同調セクションは、分散部分、分光フィルタリング部分及び反射器部分を含む。いくつかの実施形態では、反射器部分は分散部分である。いくつかの実施形態では、反射器部分は、レーザシステムキャビティの第２端反射器として機能する。いくつかの実施形態では、反射器部分は、分光フィルタリング部分と組み合わせられる。いくつかの実施形態では、キャビティの全光路長は、２５ｍｍもの短さである。いくつかの実施形態では、キャビティの全光路長は、２５ｍｍから数メートルまで可変である。

以下の図面を参照して、これら及び他の実施形態がさらに詳細に記載される。

本発明に係るレーザシステムの一実施形態を例示する。 本発明に係るレーザシステムの他の実施形態を例示する。 本発明に係るレーザシステムの他の実施形態を例示する。 本発明に係るレーザシステムの他の実施形態を例示する。 本発明に係るレーザシステムの他の実施形態を例示する。 本発明に係るレーザシステムのいくつかの実施形態のコヒーレンス長対走査速度を例示する。 本発明に係るレーザシステムの他の実施形態を例示する。 本発明に係る光源の模式的な表現を例示する。 図８に例示の光源のキャビティに対するフィルタ関数を示す。 図８に例示される光源の一実施形態の出力パワーを、駆動電流の関数として例示する。 図８に例示される光源の一実施形態のための励起を防止するべく内部キャビティが塞がれた利得要素の増幅自然放出光（ＡＳＥ）スペクトルの光スペクトル分析器（ＯＳＡ）による掃引線である。 図８に例示される光源の一実施形態の増幅自然放出光スペクトルを例示する。

異なる図面において、一つの及び同じ型のコンポーネント及び他の詳細は一貫して付番される。番号の最初の数字が当該図における付番を言及し、後続の数字がコンポーネント又は詳細の特定型を言及する。

本発明のいくつかの実施形態によれば、単一モード光ファイバから送達される平均光パワーが５ｍＷ、動的コヒーレンス長が約２ｍｍ超過、同調範囲（９９％パワー点において測定）が、例えば約８５０ｎｍの中心波長で動作する場合の約５％、及び例えば約１３３０ｎｍの中心波長で動作する場合の中心波長の約１０％、並びに、０から約２，０００，０００ｎｍ／ｓまで連続的に可変である同調速度を与える可変同調レーザシステムが提示される。いくつかの実施形態では、同調速度の約１０，０００，０００ｎｍ／ｓまでの離散的な増大も付加的に得ることができる。この同調速度の上限は、適切な高速度走査器又は高速度可変同調光フィルタの利用可能性によって定まる。いくつかの実施形態では、レーザから放出されたレーザ光の偏光状態は、直線偏光性かつ高安定性である。ひとたび単一モードファイバに結合されると、偏光状態は、手動偏光制御器を介して容易に制御することができる。波長の関数としての強度プロファイルは、極めて概略的にはガウス分布の形状となり得る。さらに、例えば半導体系利得要素に適用される駆動電流を電気的に制御することによって、ガウス分布プロファイルに良好に従う形状とすることができる。本発明のいくつかの実施形態が与える高速走査可変同調レーザが提供する改善された性能から利益を受けるアプリケーションの例は、コヒーレンス長が約２ｍｍから約５０ｍｍの範囲にある高速同調レーザ光源を必要とする計測学、分光学、医用イメージング、及び他の任意の光学技術を含む。

図１は、本発明のいくつかの実施形態に係る光源１００を示す。図１に示されるように、本発明に係る光源は、発光セクション１０１、伝送セクション１０２及び同調要素セクション１０３を含む。本発明のいくつかの実施形態において、発光セクション１０１は、キャビティ内の側に曲がり導波路を備える利得要素を有し、かつ、自己励起を抑制して当該要素が外部キャビティレーザのための有効な利得媒質として機能できるようにする反射防止（ＡＲ）被覆外表面又は切子面を有する。利得要素の他方の切子面は、例えば約２０％の反射率のような部分的に反射性の表面を含み得る。これは、レーザの出力結合器として機能する。本発明のいくつかの実施形態では、利得要素の両側をＡＲ被覆することができ、鏡を画定するレーザキャビティの一側は、当該利得要素に対して適切に位置決めすることができる。いくつかの実施形態では、出力結合器の反射率は約１０％から５０％の範囲であり得る。

いくつかの実施形態では、発光セクション１０１は、延長されたキャビティレーザシステムのための従来型のものでよい。かかるシステムは典型的に、第１光キャビティ端反射器を含む。これは、広帯域利得要素の外表面の一つであることが多いが、常にというわけではない。利得要素の他方の表面が、短焦点レンズによってコリメートされた発散性光照射野を放出する。発光セクション１０１は、ここでは発光セクション又は単に「第１セクション」と称してよく、様々な波長における励起を達成する任意数の利得要素を含んでよい。活性レーザ利得媒質は、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化インジウム／インジウムガリウムヒ素リン（ＭＶＩｎＧａＡｓＰ）、及びリン化インジウム／インジウムガリウムヒ素／インジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ）のような半導体から、典型的には（ネオジム、イッテルビウム、エルビウムのような）いくつかの希土類イオン若しくは（チタン若しくはクロムのような）遷移金属イオンがドープされたバルクガラス及び光ファイバの双方を含む（珪酸塩若しくはリン酸塩ガラスのような）所定のガラスから、いくつかのレーザ活性イオンがドープされた所定の光学結晶から、ヘリウムとネオンの混合物、窒素、アルゴン、一酸化炭素、二酸化炭素、若しくは金属蒸気のような気体から、又は、所定の色素の液体溶液から作ることができる。

発光セクション１０１のビーム整形光学機器は、レーザダイオードの出力を整形又はコリメートするべく一般に使用される光要素の広範な選択肢から選ぶことができる。例えばＧＲＩＮレンズ又は非球面レンズであり得るコリメーションレンズが使用される。選択された光学機器の焦点距離が、それが波長分散を与えるべく選択された要素である場合に光回折格子を完全に照明する。第１光キャビティ端反射器が利得要素に取り付けられていないが、別個の光要素である場合は、利得要素の第１表面から放出された光をコリメートするべく、付加的なコリメーションレンズを使用することができる。ビーム整形光学機器は、例えばアナモルフィックプリズム対又は円柱レンズであり得る。

本発明に係る光源の複数の実施形態は、多モードレーザを形成するべく配列される。従来型単一モード動作とは対照的である。多モードレーザは、多重縦モード（すなわち、全体でレーザの直線形状をなす所定数の離散波長）を有するレーザである。一般に、キャビティの長さ、キャビティのフィルタ関数、レーザキャビティの端鏡の利得、損失、整合性、又は反射率特性を変えることは、キャビティ内で励起可能なモードの数を変えることになる（これらの変化のうち最後の３つは励起しきい値を変えることによってモード数を変える）。本発明に使用されるように、用語「利得媒質」は、光利得を与える任意の要素であり得る。これは、半導体要素、希土類ドープ光ファイバ系増幅器、有機色素又は他の材料を含む。用語「波長掃引」、「波長同調」、「周波数同調」、「周波数掃引」及び「波長走査」は、一般に互換可能なものと理解される。「キャビティフィルタ関数」が言及される場合、これは、レーザキャビティ全体の、その組み付け後の有効なフィルタ関数であって、光源が励起しきい値未満で動作するシステムから放出される光の分光特性を測定することによって測定される。用語「光源」及び「レーザシステム」又は「レーザ」は、ここでは互換可能に用いられる。

一般に、本発明に係る光源は、２つのキャビティ端鏡、利得要素及び可変同調波長選択デバイスから作られたレーザを含む。これらのコンポーネントは、（モード間隔を設定する）キャビティ長とキャビティのフィルタ関数との双方が、当該レーザが望ましい出力特性を与えるように予め決められた構成に一緒にまとめられる。主要コンポーネントは多モードレーザも形成する。コヒーレンス長が約２ｍｍを超える光源の固有特性を達成する各要素を正確に特定する一方で、レーザ中心波長の約５％である波長範囲にわたって約１０，０００，０００ｎｍ／ｓまでの掃引速度を与えるという課題が以下に例示される。

図１に示されるように、本発明のいくつかの実施形態では、発光セクション１０１には伝送セクション１０２が後続し得る。これは、自由空間セクションであり得る。代替的に、伝送セクション１０２は、例えば光ファイバのような特定の伝播媒質を包含し得る。光ファイバを使用する一つの利点は、付加的な波長選択性を、光源１００のような光源のキャビティ内に与えることのほかに、本発明に係る光源のサイズをさらに圧縮できることにある。いくつかの実施形態では、伝送セクション１０２の長さは、ほんの数ミリメートルから数メートルまで調整することができる。これにより、光源１００のキャビティにおいて光子が費やす平均時間のほかに、レーザ光源１００のモード間隔も調整することができる。

光伝播セクション（又は第２セクション）１０２は、自由空間、又は単一モード若しくは単一モード偏光保持の光ファイバのような媒質のいずれかであり得る。第２セクション１０２は、光源の光キャビティ内における光路の主要部分を形成し得る。いくつかの実施形態では、第２セクション１０２の長さは、本発明に係る光源のレーザシステムの性能を最適化するべく調整することができる。その長さが変化すると、光源のコヒーレンス特性のほかに光キャビティにおける縦モード距離も変化する。光源の各実施形態に対し、コヒーレンス長、同調範囲及び光パワーの点でレーザ性能が最適化されるまでキャビティ長を調整することができる。第２セクションのための様々な長さ設定を有するレーザキャビティが実験的に検討されている。その結果は、極めて広い範囲の距離にわたって許容可能な性能を取得可能なことを示す。例えば５０ｍｍ未満の短いキャビティ長を有する光源の実施形態は、外部キャビティが十分に整合してフィルタリングされた光を第１セクション１０１の利得要素に戻す効率的な結合を与える場合に、良好な全般的性能を得ることができる。この効率的な結合により保証されるのは、利得要素のキャビティ内の側からの残留反射によっては、波長の関数としての出力パワーに望ましくない振幅変調が生じないということである。不十分な整合、又はキャビティ内切子面又は利得要素の切子面からの著しい残留反射により、出力では波長の関数としての振幅変調がもたらされ得る。これは、利得要素の自由分光範囲によって与えられる周波数を有する。キャビティ長が例えば４００ｍｍを超えて長い場合でも、光源の性能は依然として許容可能なままである。しかしながら、キャビティ長がこのレベルを超えて著しく増大すると、結果的な光源の走査速度が限られるようになり得る。この効果は、かなりの出力パワーを維持するべく各波長が十分な通過回数を実現するのに十分な利得を達成する十分な時間がキャビティに必要であるという事実に起因する。したがって、光源の同調速度には、キャビティ長、利得要素の利得特性、及び、利得要素に戻る結合損失を含む外部キャビティ光学機器の損失に関連する上限がある。

高速波長同調セクション１０３は、伝送セクション１０２を通過した発光セクション１０１からの光を受光する。この高速波長同調セクション１０３は、選択された波長を分光フィルタリングして発光セクション１０１へ逆反射させる。同調セクション１０３は、波長選択コンポーネントのほかに、分光フィルタリング反射器デバイスを含み得る。分光フィルタリングデバイスの反射器部分は、レーザシステムのキャビティの第２光端反射器として機能し得る。

同調セクション（又は第３セクション）１０３は、単数又は複数の同調要素、及び、伝送セクション１０２から受光する単数又は複数の補助分光フィルタリング要素を含む。第３セクション１０３は、キャビティ光の増強された分光フィルタリングを与えることとレーザに同調システムを与えることとの双方の作用をする。第３セクション１０３はまた、光源のレーザ共振器を形成するのに必要な高効率の逆反射も与える。第３セクション１０３は、増幅を目的としてシステムの第１セクションに戻るキャビティ内光照射野の選択された波長を与える。

発光セクション１０１、伝送セクション１０２及び同調セクション１０３の個々のコンポーネントを説明しながら本発明に係る光源のいくつかの特定の実施形態を以下に記載する。いくつかの実施形態の性能が実験的に調べられ、コヒーレンス長が１１ｍｍ以上の、走査方向から独立した関連波長範囲をカバーする約１６ｋＨｚまでの高周波数の繰り返し速度すなわち１秒当たりの走査回数での期待された走査速度及び同調が実証された。さらに、遅い同調速度ではコヒーレンス長が増大される。

本発明に係る光源のいくつかの実施形態は、可変同調外部キャビティレーザシステムを形成する。これは、掃引光源型光干渉断層撮影システムにおいて画像をビデオ速度で取得可能とするミリワット範囲の出力パワー、数ミリメートルから数十ミリメートルまでのコヒーレンス長、及び上限同調速度を有する。しかしながら、本発明の様々な実施形態の有用性は、断層撮影アプリケーションに限られない。本発明のいくつかの実施形態に係るレーザシステムはまた、コヒーレント光放射源の高速度可変同調性を必要とする他の測定アプリケーションも対象とする。

本発明のいくつかの実施形態は、約０．１メートルから約１メートルまでの往復キャビティ長を有する中程度の長さのキャビティを利用する。これは、キャビティのフィルタ関数を狭める一方で高効率逆反射器としても作用する補助分光フィルタも伴う。光源のキャビティ長は、所与の分光フィルタに対して調整される。その結果、コヒーレンス長、光出力パワー、光出力強度ノイズ、並びに光源のサイズ及び重量であり得るレーザの望ましい性能特性が最適化される。一般に、分光フィルタの通過帯域が狭いほど、コヒーレンス長は長くなる。しかしながら、レーザから高出力パワーを得ようとすれば、補助分光フィルタの通過帯域に下限が設けられるのが典型的である。付加的な分光フィルタは、補助フィルタと称される。ほとんどの商業的に入手可能な外部キャビティレーザ設計では、利得要素のアパチャとレーザキャビティに見出されるのが典型的な光回折格子との双方が、一次分光フィルタリング要素を形成するべく作用する。本発明は、約１０００ｎｍ／ｓから約１０，０００，０００ｎｍ／ｓまでの同調速度を達成する。特定のレーザキャビティ構成に対して同調速度が増大されるに従いコヒーレンス長が減少する。約２，０００，０００ｎｍ／ｓで動作する場合、本発明に係る例示的な光源からは約１２ｍｍのコヒーレンス長が得られた。これらの測定は、中心波長１．３３μｍ及び同調範囲約１３０ｎｍで動作するシステムに対して行われた。図６は、フィルタ関数が固定されるが連続的な可変走査速度であるシステムに対するコヒーレンス長を、同調速度の関数として示す。

本発明の一実施形態が、掃引光源型光干渉断層撮影イメージングシステムの中で試験された。この特定のレーザの設計は以下の段落で詳述される。光干渉断層撮影イメージング研究の結果についての詳細は、非特許文献３に公表されている。その全体がここに参照として組み入れられる。

図８は、本発明に係る光源８００の模式的な表現を示す。光源８００の一実施形態が試験された。いくつかの試験結果が以下に与えられる。さらに、光源８００において設計されたシステムは、非特許文献３に含まれる測定を行うべく利用された。図８に示されるように、発光セクション１０１は利得要素８１１及び非球面レンズ８１２を含む。利得要素８１１は、長さが約１ｍｍであり、推定屈折率が約３．５である。いくつかの実施形態では、利得要素８１１は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ半導体光増幅器からなる。利得要素８１１左側の切子面は、光源８００の出力結合器として機能する。利得要素８１１の左側の切子面（又は出力切子面）の反射率は、いくつかの実施形態では、約１５％から約２０％までの範囲にあると推定される。上述のように、本発明に係る光源のいくつかの実施形態では、利得要素８１１の左側の切子面は、反射防止（ＡＲ）被覆がされ、かつ、可能であれば他の光学機器を介して反射器に結合される。反射器は出力結合器であるが、いくつかの実施形態では、結果的なレーザキャビティの実質的な反射端を形成する。

利得要素８１１は、いくつかの実施形態では、一定の温度を維持する熱電（ＴＥ）冷却器に結合される。いくつかの実施形態では、利得要素８１１は約２２℃の温度に維持することができる。

利得要素８１１のキャビティ内の側は、曲がり導波路及びＡＲ被覆切子面を利用することができる。いくつかの実施形態では、約１０^−４のキャビティ内切子面推定有効反射率が達成される。これにより、自己励起が抑制されて要素８１１は、光源８００の外部キャビティに対する有効な利得媒質として機能することができる。利得要素８１１からの光が非球面レンズ８１２に結合される。いくつかの実施形態では、非球面レンズ８１２は、焦点距離が２ｍｍであり、ＡＲ被覆がされている。いくつかの実施形態では、非球面レンズ８１２の光表面は凸面であり得る。

光源８００において、伝送セクション１０２は自由空間領域である。いくつかの実施形態では、伝送セクション１０２の自由空間領域は約３７０ｍｍであり得る。伝送セクション１０２の自由空間領域は、光源８００に形成されたキャビティの全体的な長さを調整するべく利用され得る。

伝送セクション１０２の自由空間領域からの光が、光源８００の同調セクション１０３に結合される。同調セクション１０３は、回折格子８１３、レンズシステム８１４、スリット組付体８１６及び鏡８１５を含む。いくつかの実施形態では、回折格子８１３は、溝密度が約１０１７本／ｍｍであり得る。回折格子８１３は、角度変位及び特定の動作周波数を与える共振走査器８１７に取り付けることができる。例えば、８ｋＨｚにおいて合計角度変位が約１４度である共振走査器８１７を、Electro-Optical Products社から入手することができる。

回折格子８１３からの光がレンズシステム８１４に結合され得る。いくつかの実施形態では、レンズシステム８１４は、色収差補正複レンズであり得る。いくつかの実施形態では、レンズシステム８１４は、多重波長において動作するべく最適に配列され得る。例えば、いくつかの実施形態では、レンズシステム８１４の最適化において１．０μｍ、１．３μｍ及び１．５μｍの３つの波長が使用された。いくつかの実施形態では、レンズシステム８１４は、焦点距離が４５ｍｍであり得る。

レンズシステム８１４は、走査器８１３からの光をスリット８１６に合焦する。いくつかの実施形態では、スリット８１６は、１０μｍのスリットである。これは、広帯域誘電体鏡８１５の反射表面に直接結合される。いくつかの実施形態では、鏡８１５は、光源８００の完全な動作範囲にわたり反射率が約９８．５％を超えることが可能であり、かつ、レンズシステム８１４の後方焦点面に配置される。したがって、鏡８１５とスリット８１６との組み合わせが、光源８００のレーザ共振器の後方反射器を形成する。

いくつかの実施形態では、光源８００は、コリメーティングレンズシステム（図示せず）に結合され得る。コリメーティングレンズシステムは、例えばＡＲ被覆非球面レンズであり、例えば焦点距離が０．７ｍｍである。いくつかの実施形態では、コリメーティングレンズシステムからの光が、例えば−５５ｄＢ光アイソレータのようなアイソレータに結合される。これは、後方反射が光源８００のレーザキャビティに再入射しないようにする。いくつかの実施形態では、アイソレータは、非球面レンズを介して光ファイバに結合され得る。例えば、光をＡＲ被覆単一モードファイバに結合するべく、焦点距離が４ｍｍのＡＲ被覆非球面レンズを利用することができる。

光源８００は、図８に示されるように、回折格子８１３を共振走査器８１７とともに回転させることによって波長掃引され得る。共振走査器８１７は、回折格子８１３を回転させてスリット８１６にわたり様々な波長を掃引する。これにより、レーザが同調されるときに一定のキャビティ長が維持される。光システム８００のレーザの動的挙動は、鏡８１５と利得要素８１１の部分的反射表面との間に形成されたキャビティ内で単一縦モードが励起される状況を考慮することによって理解することができる。回折格子８１３の回転軸が、光源８００の光照射野が画定する平面に垂直であり、かつ、当該光照射野が当該回転軸まわりに中心を置く場合、キャビティ長は、回折格子８１３が回転しても実質的に一定に維持される。したがって、回折格子８１３の極めて小さな回転に対しては、キャビティ内には波長変化が存在しない。ひとたび回転が、次の縦モードの損失が低くなることが保証される程度十分になると、光源８００に形成されたレーザは、この次のモードへホップする。その結果、レーザの中心周波数は、キャビティの自由分光範囲によって与えられた一つ又はいくつかの縦キャビティモードだけシフトされる。いくつかの実施形態では、レーザキャビティの自由分光範囲は約３３０ＭＨｚである。さらに、回折格子８１３の回転により、自身を繰り返すこのパターンがもたらされる。これにより、レーザ波長（すなわち光源８００の出力周波数）が、回折格子角度の関数として、「階段」形状の同調曲線に追従する。実際には、回折格子８１３のフィルタ関数の有限幅により、光源８００のいくつかの実施形態のための、同時に励起する約８０の多くの縦モードを許容することができる。したがって、レーザは、縦モード間隔と等しい段のサイズを有する階段の態様で同調する一櫛状の周波数を生成する。

非特許文献４に示されるように、キャビティ長を高速度で変化させることにより、非特許文献５に説明された周波数シフトフィードバックレーザの動作に類似した動作がもたらされる。値Ｒは、複数のキャビティモードの、光の往復中における自由分光範囲に対する相対的な周波数変化として定義される。非特許文献４のレーザは、キャビティ長の高速変化を使用して、値Ｒ＞＞０．０５のモードレスレジームで同調する。その高速変化は、当該モードレス動作を達成するべく意図的に導入される。対照的に、本発明に係る光源８００及び他のいくつかの光源は、離散的なキャビティモードで同調する。

図８に示される光源８００では、レーザが同調されている間、キャビティ長は実質的に変化しない。その結果、値Ｒは実質的に０となる。したがって、この配列は、モード構造にとって最適な蓄積時間を与え、高出力パワー安定性を与えることが実証されている。

非ゼロの値Ｒを有する他の所定数のキャビティ設計が検討された。性能結果が、図８に示された光源８００の一実施形態と対比された。これらの設計は、同じ順序のコンポーネントを備える同様のレイアウトであったが、キャビティ長を変化させた。回折格子の回転軸から光軸をずらすことによって、非ゼロの値Ｒが取得された。各例では、瞬間コヒーレンス長が、図８に示される光源８００の一実施形態のものよりも短いことが見出された。

周波数同調されている間の光源８００の実施形態のコヒーレンス特性を推定するべく、出力がマイケルソン干渉計に結合されている間の干渉縞コントラストが測定された。干渉縞信号の振幅が、干渉計アーム長さの差分の関数として測定された。マイケルソン干渉計におけるアーム長さの差分約３．５から４ｍｍまでにわたり３ｄＢ降下が観測された。レーザが周波数走査されていない静的な場合のコヒーレンス長が、光スペクトル分析器を使用して出力のスペクトル線幅を測定することにより決定される。分解能により制限される０．０２ｎｍ未満の静的な線幅が測定された。これは、約８ｃｍを超えるコヒーレンス長に対応する。

光源８００のキャビティのフィルタ関数が、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ半導体光増幅器から形成された利得要素８１１のしきい値より十分に低い４５ｍＡに設定された注入電流によって取得された。いくつかの実施形態では、結果的な直線形状のＦＷＨＭが、当該直線形状がちょうどノイズから出現し始める点以上に駆動電流が増加しても、認識可能に変化しないことを保証するべく注意が払われた。

図８に示されるように、スリット８１６の１０μｍのスリットを利用することが、キャビティのＦＷＨＭ通過帯域を約０．１７ｎｍまでに制限する。図８は、回折格子の位置がその中心位置に固定されて取得された。フィルタ関数のＦＷＨＭが、しきい値未満からこの測定に使用された４５ｍＡまで電流が増加しても、認識可能に変化しないことを保証するべく注意が払われた。レーザしきい値電流は、図１０に示されるように、約６２．５ｍＡであることが測定された。図１０は、光源８００の一実施形態の出力パワーを駆動電流の関数として例示する。図１０は、較正された光パワーメータを使用して取得された。しきい値は、温度２２℃において注入電流約６２．５ｍＡのところにある。光スペクトル分析器（AnritsuのＭＳ９７１０Ａ型光スペクトル分析器）が、その最高分解能０．０７ｎｍに設定され、この測定に対してＶＢＷ（ビデオ帯域幅）１ｋＨｚが使用された。走査器がオフ位置に静止したまま電流が６２．５ｍＡを超えて増加すると、分光プロファイルのＦＷＨＭが急速に狭まって光スペクトル分析器の測定分解能を超える。予測どおり、レーザの静的線幅は、動的線幅よりも実質的に小さい。

図１１は、利得要素の増幅自然放出光スペクトルの光スペクトル分析器による掃引線である。上述のように、光源８００の一実施形態のための励起を防止するべく内部キャビティが塞がれている。利得要素への注入電流が３００ｍＡに設定された。利得要素の温度を制御するＴＥ冷却器が２２℃に設定された。光スペクトル分析器分解能が０．０７ｎｍに設定された。５，０００のデータ点が取得された。プロットの右側の構造は、水蒸気に起因すると仮定される。こうした吸収特徴と、当該プロットに見える強度変調との双方が以下に説明される。

図１１に見える強い吸収線は、水蒸気の結果であることが確認された。最も強い線が１３４０から１４１０ｎｍまでの間で生じている。非特許文献６を参照のこと。システムの光干渉断層撮影イメージング性能の品質に対するキャビティ内の水蒸気吸収損失の効果が調査された。システムは一晩かけて乾燥窒素によりパージされた。パージの前後において光干渉断層撮影画像が取得された。対比しても識別可能な効果は認められなかった。しかしながら、予測されるのは、広範囲の使用が意図される光源８００の実施形態であれば、不活性雰囲気中に密封される必要があるだろうということである。これは、商業的に製造される多くの外部キャビティレーザダイオードシステムに当てはまる。

図１１に見られる高速強度変調は、キャビティ内切子面の残留反射率からもたらされる利得要素８１１のファブリペローモードと相関することが見出された。増幅自然放出光スペクトルの変調により、周波数掃引レーザの出力スペクトルには振幅リップルがもたらされる。付加的に、このアーチファクトにより、光干渉断層撮影の画像には、望ましくない異常がもたらされる。キャビティ内切子面のＡＲ被覆の品質と外部キャビティの全体的な効率との双方が、当該リップルの大きさに著しく影響することが見出された。

上述の分光リップルを低減する要求を満たすことのほかに、これらの実施形態の光源８００の広い同調範囲にわたる安定動作を保証するべく、外部キャビティからの強いフィードバックを利用することができる。強いフィードバックは、Ｒ_ＥＣ＞＞Ｒ_ＳＧという条件として定義することができる。ここで、Ｒ_ＳＧは、利得媒質８１１のキャビティ内切子面の反射率であり、Ｒ_ＥＣは、利得媒質８１１に戻るフィードバックの結合損失を含むすべての光要素が考慮された場合の延長されたキャビティの有効反射率である。非特許文献７を参照のこと。したがって、Ｒ_ＥＣは、空間モード構造及びキャビティ内の光照射野の整合誤差のほか、光源８００内の各光表面の反射率に依存する。

図８に示されるように、光源８００が部分的に保証するのは、Ｒ_ＥＣが、利得要素８１１の放出波長範囲にわたって相対的に波長から独立していることである。キャビティ長の変化が光源８００の性能に悪影響を及ぼさなかったことも保証する。光源８００は、レンズ８１４と鏡８１５との組み合わせを含む。この組み合わせは典型的に、鏡８１５がレンズシステム８１４の焦点面に配置される「キャッツアイ」構成と称される。図８に例示される光源８００の光学的配列は、逆反射器の角度整合不良に対するフィードバックの感度を低減することができる一方、利得要素８１１の増幅自然放出光スペクトル全体にわたる良好な光学的性能も保証する。非特許文献８を参照のこと。図１２は、光源８００の一実施形態の増幅自然放出光スペクトルを例示する。これは、上述したのと同じAnritsuの光スペクトル分析器を使用して得られた。上述のように、ピークホールド機能及び２０ｍｓのサンプル間隔を備える。光スペクトル分析器の分解能帯域幅は１ｎｍに設定された。５００のデータ点が、AnritsuのＭＳ９７１０Ａ型光スペクトル分析器の２０ｍｓのピークホールド機能を使用して取得された。半波高全幅値は、平均出力パワー１５ｍＷの場合に約１２２ｎｍであることが決定された。

光スペクトル分析器のピークホールド機能は、スペクトル分析器の固有の低い時間的応答ゆえに１６ｋＨｚで動作する光源８００からの多数の前方及び後方走査を捕捉かつ平均化するべく利用された。なお、光スペクトル分析器によって取得された分光データには、同調セクション１０３の共振走査器系同調要素の正弦波的な性質による歪みが存在する。この効果は、レーザの同調範囲を超えるように走査振幅を増加させて光源８００のデューティーサイクルを８５％未満に設定することによって最小化された。これにより、正弦波走査器メカニズムの直線部分をさらに利用することが保証される。

単一モードファイバに結合された光源８００の一実施形態からのレーザ出力後に測定された平均光パワーは約１５ｍＷであった。共振走査器の各完全なサイクルに対し、光源８００の実施形態は、その波長範囲の一つの前方（短い波長から長い波長へ）及び一つの後方（長い波長から短い波長へ）掃引をもたらす。前方掃引は、わずかに高出力パワーすなわち約１０％であることが見出された。しかしながら、レーザの前方及び後方掃引のイメージング特性が個々に試験されたとき、それらの品質には差異がほとんど又はまったく見られなかった。ピーク出力パワーは、約３０ｍＷと推定された。これは近似的に、光源８００が静止し、かつ、図１２に示される増幅自然放出光曲線の近似的なピークにおいて励起する場合に達成されたパワーである。したがって、４５０ｍｍのキャビティ長は、キャビティが１６ｋＨｚの繰り返し速度で走査されている場合であっても、各波長がその飽和パワーに到達するのに十分な時間が許容される程度に短い。

図８に関連して上述したように、本発明に係る光源８００は、高速同調セクション１０３を備える多モードレーザキャビティ内に位置決めされた利得要素８１１を含む。これらの要素のために利用可能な各コンポーネントは、考慮すべき所定のトレードオフを有する。各特定設計仕様に対し、こうしたトレードオフを考慮しながら、光セクション１０１、伝送媒質１０２及び同調セクション１０３のコンポーネントが慎重に選択される。

利得要素８１１の選択はまず、望ましい中心波長、全同調範囲及び光出力パワーに基づく。これらの主要パラメータを満たす材料がひとたび決定されると、典型的には、最大の同調範囲かつ最高の出力パワーを備える要素が第１候補として選択される。考慮のもと、同調範囲が、利得要素のために増幅自然放出光の分光プロットにより示される。利得要素８１１の出力切子面によって制限されるのが典型的な利得要素８１１の光損傷しきい値により、光パワーが決定される。利得要素８１１の長さは、その屈折率に従って利得要素８１１の自由分光範囲（ＦＳＲ）を決定する。ＦＳＲは、上述したレーザのリップルの特性周波数であるか、又は、波長に変換される場合は特性波長となる。例えば、光源が光干渉断層撮影光源として使用されることが意図される場合、利得要素８１１からの当該リップルは、十分大きければゴースト画像をもたらす。このゴースト画像（深さ方向にシフトさせた主要画像の再現）は、利得要素８１１の光路長に関連する深さに生じる。非特許文献３に説明される例示的な利得要素では、約３．５５ｍｍ（１ｍｍの材料の屈折率３．５５倍）のところにゴースト画像が形成される。非特許文献３の研究で使用された試料のような高散乱性の媒質においては重要な問題とはならないが、他のアプリケーションは、かかるゴースト画像の存在を被る場合がある。利得要素８１１の長さを、例えばその元の長さの２倍又は例えば２ｍｍにまで延長することで、利得要素８１１を利用するイメージングデバイスの一次画像の範囲からゴースト画像を潜在的に追い出すことができる。

利得要素材料と利得要素８１１の長さとがひとたび決まれば、利得要素８１１の切子面の反射率を選択することができる。２つの基本的なアプローチが合理的な結果をもたらす。一つは、左側切子面（図８の利得要素８１１を参照）に対して最も高い可能性のある反射率を備える利得要素を選択することである。理想的には、これは９０％以上の範囲とすべきである。この場合、レーザキャビティは、図８に要素８１５として示される鏡であって、結果的なレーザの出力結合器として作用するように部分的な反射器に置換されたものによって構築される。これは多くの場合、第１の予備的選択肢となる。これにより、特定のレーザ設計に対して最良の出力結合器反射率を決定するべくシステムを機能試験することができるからである。このアプローチは、利得要素８１１の切子面の反射率を変更するよりも要素８１５を交換することが、通常は容易であることから有利である。

第２のアプローチは、出力結合器が利得要素８１１の左側切子面となるように、利得要素８１１の反射率を２０％の範囲で選択して光源を設計することである。両方の場合において、利得要素８１１の他方の切子面はＡＲ被覆され、理想的には、さらに曲がり導波路を利用して残留反射率が低減される。望ましい反射率を達成するべく利得要素８１１がひとたび処理されると（外部キャビティレーザ製造の分野で周知の被覆技術を使用して被覆されると）、利得要素は、その増幅自然放出光スペクトル及び当該スペクトルに存在するリップルの程度を決定するべく、光スペクトル分析器を使用して試験される。このリップルが、キャビティのエタロンモードに整合する波長周期を有することが見出され、かつ、当該リップルの大きさが５％未満である場合、利得要素は、波長範囲も許容可能であれば適切であると仮定される。５％から１０％までの場合は、キャビティの残りがかなり低損失であることと、利得要素まで戻る延長キャビティからの逆結合強度が大きいこととを保証するべく注意が払われる。意図される実際のアプリケーションは、リップルの上限を設定する。

利得要素８１１の選択が完了した後、図８のコリメーティング光レンズシステム８１２を考慮することができる。ここで、主要因子は、望ましい波長における及び望ましい波長範囲にわたるレンズシステムの光性能である。理想的には、レンズシステムは、ほぼ回折限界性の性能をもたらすべきである。しかしながら、ほとんどの半導体利得要素から放出される光照射野は理想から遠いので、レンズシステム８１２においては、光要素の広い範囲を利用することができる。許容可能な結果を与えることが試験で見出されている安価な成形ガラス非球面レンズが、ＧＲＩＮレンズのほかにも多数存在する。他の関心事は、光源８００の同調範囲を制限し得るＡＲ被覆の品質及び任意の色効果である。光学機器の焦点距離が、コリメートされたビームの直径が、同調セクション１０３の回折格子の十分な照明を与えるべく選択された。これにより、波長同調セクションの最大の波長分解能が得られる。回折格子の性能と、以下に記載される色収差補正複レンズの性能とは双方ともビーム直径の影響を受ける。

利得要素８１１の反射表面と鏡８１５との間に形成されたキャビティの自由空間であり得る伝送媒質１０２を、隣接する縦キャビティモード間の空間を調整するべく使用することができる。この調整は、波長同調及び選択セクションの所与の構成に対してフィルタ関数内に収まる十分な数のモードを与えることのほか、同調に際しキャビティのフィルタ関数を通過する単位時間当たりの適切な数のキャビティモードを達成するべく行われる。全体的なコヒーレンス長が、キャビティにおいて形成されるフィルタ関数の幅によって概略的に決定されるので、リップルのほか、レーザの安定性、同調範囲にわたるコヒーレンス長の均一性、強度ノイズすべてが、キャビティの全体的な長さの選択によって影響を受け得る。典型的には、光源の設計目標を保証しながら短いキャビティ長を達成することができる。波長同調及び選択セクションの分解能は、キャビティ長を短くする能力において重要な因子である。

次に回折格子８１３が選択される。図８において利用される回折格子８１３のサイズは典型的に、高速度共振走査器８１７がサポートすることができる質量によって制限される。利得要素８１１からの出力ビームは典型的に楕円なので、回折格子８１３を、当該回折格子に対して利用可能な質量割り当て量を最大限に利用するアスペクト比を有するように選択するか、又はビーム形状を、例えばアナモルフィックプリズム対によって変えることができる。非特許文献３は、ビーム整形光学機器の複雑性を追加させることを必要としなかった。ビーム形状及び回折格子への大きな入射角が、利用可能な回折格子面積の良好な利用を与えたからである。回折格子を選別するときの一番の関心事は、興味波長範囲にわたる効率である。付加的に、入射光照射野の偏光が、回折格子の好ましい偏光に、実際に一つでもあれば、整合することも確認する必要がある。溝密度は、色収差補正レンズ及びスリット／鏡組付体によって画定される回折光照射野が光軸にわたって掃引可能となるように選択することができる。付加的に、励起動作を走査時間の約８０％から８５％に抑制したい場合、溝密度の選択肢はさらに限られる。溝密度は、キャビティのフィルタ関数を極力狭くするようになるべく高く作られるからである。このフィルタ関数はさらに、スリット幅の選択によっても画定される。広いスリットは一般に大きな出力パワーをもたらすが、光源のコヒーレンス長が短くなる結果となるのが一般的である。

図８における回折格子の次のコンポーネントは、色収差補正複レンズ８１４である。色収差補正複レンズは、回折格子８１３からのコリメートされているが分散されたビームを受け入れ、かつ、スリットを通り光軸に沿って進行する特定の波長を、光源８００のキャビティの後端鏡を形成する高反射性の反射器に合焦させる。色収差補正レンズの品質は部分的に、波長選択セクションの形状フィルタ関数を決定するので、この要素は、興味波長範囲にわたり、ほぼ回折に制限される性能を与えるはずである。幾何学形状ゆえに、光軸に沿って又は光軸に極めて近いシステムを通過する光のみが増幅用利得要素に戻ることができる。このレンズは、広い波長範囲にわたり極めて良好な軸上性能を有する必要がある。これは、興味波長範囲に広がる一組の波長を使用して色収差補正レンズを設計することによって達成された。付加的に、色収差補正レンズシステム８１４上のＡＲ被覆の品質が、重要な役割を果たすことが決定された。外部キャビティの低損失を保証するべく、色収差補正レンズシステム８１４の双方のレンズに高品質ＡＲ被覆が利用された。

色収差補正レンズシステム８１４の焦点距離に対し、所定範囲の焦点距離が試験された。約１５ｍｍから約５０ｍｍまでの範囲にわたり良好な性能が達成された。短い焦点距離が、波長範囲、パワー及びコヒーレンス長の点でわずかに良好な全体的性能を与えることが見出された。非特許文献３に記載の光源が４５ｍｍの色収差補正レンズシステムを有していたが、これよりも短い焦点距離の光学機器を使用して良好な結果を得ることができる。色収差補正レンズシステム８１４の選択では、キャビティがサポートすることができる最大直径のビームを考慮することもできる。典型的には、直径が大きいほど性能が良好になる。しかしながら、焦点距離が短い色収差補正レンズが使用される場合、その小さな直径を考慮する必要がある。ここで設計上の課題は、フィルタの中心波長において最大程度の波長選択性を与える一方で最低限度に可能な損失を導入することである。

図８において考慮すべき次のコンポーネントはスリット８１６である。この要素により、光源８００に形成されるフィルタ関数の中心波長を通過させる一方で他の波長を阻止することができる。実験によるほか、設計シミュレーションによっても、幅が５μｍから１５μｍの範囲にあるスリットが、スリット８１６に対して許容可能なパワー及びコヒーレンス長とともに最良の全体的な結果をもたらすことが見出された。色収差補正レンズシステム８１４の焦点距離が当該範囲の短い端の近くにある場合、小さな幅のスリットが良好に機能した。スリットはNational Apertureから商業的に入手可能であり、及び、望ましくない後方反射を最小限にするべく金属箔にレーザ加工かつ黒化されていた。

スリット８１６が結合された鏡８１５は、光源８００の波長範囲にわたって実質的に１００％の反射率を有するのが理想的である。この目標が、Thorlabs社が提供する高品質広帯域鏡を使用してほぼ達成された。

上述のように、同調セクション１０３にキャッツアイ構成を使用することで、広い範囲の波長にわたって良好な性能の設計が得られる一方、前述された整合不良に対し相対的に耐性のあるシステムも得られる。

本発明に係る光源の他の実施形態が図１〜５に例示される。以下に述べるように、スリット鏡は、狭い幅のスリット形状とされた反射器を意味するものと理解される。これは、例えば、鏡を直接後ろに伴う透明スリット、又は反射器の後ろにその放射を当該スリットを通して戻るように逆反射する光システムを一緒に伴う透明スリットである。さらに、光放射の文脈では用語「光」は、可視、紫外又は赤外放射を表す。

図１は、本発明に係る光源１００の一実施形態を例示する。光源１００は、第１端反射器１１から第２端反射器１９へ延びる可変同調レーザから形成される。光パワーの一部の結合を推定することが、従来的な方法によって、例えば、第１端反射器１１において若しくは第２端反射器１９において若しくは一次入射光の反射若しくは分散要素１６からの逆反射された分散光を使用することによって、又は光ビーム分割器を光源１００のレーザキャビティ内のビーム経路に挿入することによって行われる。発光及び光利得媒質１２において放射が生成される。その後、光はビーム変換光学機器１３を通過する。１３からのコリメートされた射出ビームが伝播媒質１４に入る。その放射は、媒質内を自由に伝播し又は光ファイバのようなチャネルに結合することができる。媒質を適切に選択することにより、キャビティの光路長、ひいてはレーザデバイスの縦モード距離を選択することができる。伝播媒質１４から射出されるコリメートされたビームａは、分散要素１６に対し、直接に又は可動反射器により偏位された後にぶつかる。分散要素１６は、高速機械的回転器１５によって回転される。分散要素１６からの光が、スリット鏡１９への合焦光学機器１７に結合される。スリット鏡１９は、合焦光学機器１７の焦点面に位置決めされる。

図２は、本発明に係る光源２００の他の実施形態を示す。図２に示されるように、伝送媒質１４からの光は走査鏡２１０に入射する。走査鏡２１０は、高速機械的回転走査配列体１５に取り付けられる。走査鏡２１０からの光は色収差補正レンズ１１に結合される。色収差補正レンズ１１は、走査鏡２１０がその焦点面に存在するように位置決めされる。色収差補正レンズ１１からの光は色収差補正レンズ２１２に結合される。色収差補正レンズ２１２は、走査鏡２１０がレンズ２１２及び２１１の組み合わせられた焦点距離に存在するような焦点距離を有する。回折格子１６がレンズ２１２から、近似的にレンズ２１２の焦点距離に配置される。この場合、量α（λ_０）が、波長λ_０のコリメートされたビームとなる、

すべての波長のコリメートされたビームである分散ビームｂは、図１及び図２において、レンズシステム１７によってフィルタリング反射スリット鏡１９に合焦される。図１においては分散要素１６を動かすことにより、図２においては反射器２１０を動かすことにより、スリット鏡１９にわたって波長が走査される。

図１に示される実施形態では、分散要素１６は、高速機械的走査配列体１５によって回転される。分散された放射線ｂは、端スリット鏡１９に合焦される。

図２に示される実施形態では、入射コリメートビームａは、高速回転機械的反射器配列体によって、すなわち高速機械的回転走査配列体１５に取り付けられた鏡からなる走査反射器２１０と、レンズ２１１及び２１２からなる光システムとによって、角度が動かされる。コリメートされたビームａは、鏡２１０の瞬間回転位置に応じて異なる入射角で静止分散要素１６に当たる。そして、端スリット鏡２９によって逆反射された分散放射線は、鏡２１０の高速回転により波長が変化する。

図３に示される実施形態では、静止分散要素１６が、コリメートされた分散ビームｂを、波長λに依存する角度に配向する。スペクトルが合焦光学機器１７の焦点面１８に形成される。焦点面１８のスペクトルが、回転ホイールに固定されたスリット鏡組付体３１３によって走査される。スリット鏡組付体３１３は、スリット鏡の規則的な周縁パターンを有するホイールである。ホイールは、合焦光学機器１７の焦点面１８に配置される。動く細長片状の鏡が、光キャビティの第２端反射器を構成する。スリット鏡組付体３１３が駆動モータ３１４によって駆動される。

図４に示される実施形態では、図１及び３に例示される実施形態が複合されて使用される。この配列体により、図１及び３の２つの異なる走査モードに対して一つかつ同じデバイスを使用することができる。この走査モードでは、分散要素１６が走査を行う一方、ホイール上のスリット鏡３１３の一つが静止端スリット鏡として使用される。他の実施形態の走査モードでは、分散要素１６が静止する一方、スリット鏡組付体３１３のホイールが旋回する。

図５に示される実施形態では、分光フィルタリングデバイスは、レンズシステム５１５の内部において分散要素１６の前に堆積されたスリット又はピンホールである。レンズシステム５１５は、内部分光フィルタリングスリット又はピンホールを備える光レンズシステムである。いくつかの実施形態では、レンズシステム５１５は分光フィルタから形成することができる。これは、約５μｍから約２５μｍの範囲にある狭いスリットによって焦点距離の合計分だけ離れたレンズ対の形態にあり、第１レンズの焦点に配置されて使用される。したがって、この構成に対しては、分光フィルタリング要素は、第２セクション１０２内に埋め込まれているとみなすことができる。図５に示される分散要素の配列がリトロー構成である一方、４つの好ましい実施形態では修正リットマン型構成を使用することができる。

図１〜５に例示されるレーザシステムの実施形態はすべて、新しい各構成に対して第３セクションのみを変更した第１及び第２セクションのための部分の同じ配列体を示す。いくつかの実施形態では、図１に示されて「キャビティの第１端反射器」として特定される第１光表面１１はまた、図３のレンズ３７と同様のレンズが追加された利得要素の低反射率出力表面でもあり得る。これは、利得媒質１２の表面１１からの光放射出力をコリメートするべく作用する。別個の端反射器を利得要素１２に結合してキャビティを形成することもできる。

いくつかの実施形態では、図１に示される可動波長分散デバイス１６と、図２に示される走査鏡２１０との双方は、高速角度走査デバイス１５に配置される。角度走査デバイス１５は、コイル誘導メカニズム、圧電メカニズム、電気光学ビーム偏向器、音響光学ビーム偏向器、ＭＥＭＳ系ビーム偏向器又は電気モータメカニズムのような、ガルバノメータ又は同様のメカニズムによって共振モードで適宜駆動される。

図１に示されるような光源１００の一実施形態の実験的な試験では、光回折格子を回転するべく共振走査器が使用された。第２セクションの出力が、回折格子１６をほぼ完全に照明するようにコリメートされた自由空間ビームとなるように選択された。この実施形態に対しては、回折格子１６は第３セクション１０３に含まれる。第３セクション１０３は、共振走査器１６、回折格子１５、レンズ１７及び狭い１０μｍスリット鏡１９を含む。スリット鏡１９は、鏡に直接取り付けられた１０μｍスリットである。本発明の実施形態での使用に対して成功裏に試験された共振走査器１６の一つのファミリーは、ＮＹ州GlendaleのElectro-Optical Products社によるモデルＳＣ−３０型である。試験された走査器の範囲により、１０ｋＨｚから２４ｋＨｚまでの範囲にあるレーザ繰り返し速度が得られた。回折格子１６は、かかるデバイスで典型的に提供される鏡の代わりに、共振走査器１６の可動部分に直接取り付けられた。回折格子１６は、厚さ約１ｍｍであって、幅約８ｍｍで高さ約６ｍｍから幅約６ｍｍで高さ約５ｍｍまでの範囲にある基板上に製造された。実際のサイズは、共振走査器の特定の共振周波数によって決定された。走査器周波数が増加すればするほど回折格子の質量は低減される。回折格子の溝密度は、８００本／ｍｍから１１００本／ｍｍまでの範囲で試験された。各例において、レーザの第２セクションの長さは、パワー、波長同調範囲、安定性、光出力ノイズのようなレーザ動作パラメータのほか、レーザの動的コヒーレンス長が、及び利得要素内での望ましくないエタロン効果の抑制が最大となるように調整することができる。

第２セクション１０２からのコリメート光照射野は、第３セクション１０３に入って回折格子１６に入射する。回折格子１６の最大領域を照明するべく、かつ、第１セクション１０１の広帯域利得要素１２が発する光の最大角度分散を得るべく、入射角が最大化された。分散光はその後、高品質色収差補正レンズ１７に入射する。そして、分散光照射野は、狭いスリット及び鏡の組付体１９に合焦された。試験結果が良好なレンズは、利得媒質又はガラス非球面レンズの波長範囲で使用するべく設計された高品質の色収差補正レンズであった。すべてのレンズには、キャビティ内損失を最小化するべく高品質多層反射防止被覆が使用された。成功裏に使用された焦点距離は、色収差補正レンズに対しては約１０ｍｍから約５０ｍｍまでの範囲であり、非球面レンズに対しては約６ｍｍから約８ｍｍまでの範囲であった。

このセクションの最終光コンポーネントであるスリット鏡１９は、直径９．５ｍｍ（３／８インチ）の薄い箔に切り込まれた狭いスリットを含む。成功裏に試験されたスリット幅は、幅が５μｍから２５μｍまでの範囲、かつ、高さが３ｍｍであった。この場合、スリットは、スリット鏡１９を形成するべく高品質鏡に直接接触するように取り付けられた。最も良好な結果を与えた鏡は、興味波長範囲にわたって反射率が高い広帯域誘電体被覆を特徴とする商業的に入手可能な鏡であった。Thorlabsの波長範囲１．３μｍの型番BB1-E04、及び波長範囲８００ｎｍのBB1-E03を参照のこと。回折格子１６から約１０から２０ｍｍのところにレンズが配置された。レンズ１７と回折格子１６との間の距離は、レーザの動作を成功させることに特に重要とは見出されなかったが、一般に、レンズ１７が回折格子１６の近くに配置されるとコヒーレンス長及び出力パワーがわずかに向上することが見出されている。共振走査器１５をオフにすると、レンズ１７がシステムの光軸上に配置される。この場合、光軸は、広帯域利得要素１２が放出する自然放出光の中心波長によって画定される経路として画定される。この自然放出光は、回折格子１６から離れるように、当該格子の特性及び入射光照射野の入射角によって画定される方向に伝播する。そして、その光照射野を一焦点距離だけ離れた領域に合焦するべく、レンズ１７が位置決めされて作用する。この時点で、スリット及び鏡の組付体は、レーザ共振器の分光フィルタリング要素及び逆反射器の双方として作用するように配置される。

第１要素への適切な整合及び十分な電力により、上述の実施形態の光源１００が励起される。共振走査器１６オンに切り替わると、光源１００は、利得媒質１２及びキャビティ損失によって決定される波長範囲にわたる走査を開始する。励起されると、利得要素試験の一つに対し、出力パワーは１５ｍＷを超えて大きくなった。この試験は、１３８ｎｍよりも大きな同調範囲、及び１１ｍｍよりも長く測定されるコヒーレンス長（Ｌ_Ｃ＝２×マイケルソン干渉計内の干渉縞コントラスト測定のＨＷＨＭ）を例示した。所定数の利得要素が成功裏に試験された。実際の選択利得要素は、望ましい中心波長、光パワー、及び必要な同調範囲に依存する。半導体利得要素が、所定数の供給者（例えばＣＡ州LivermoreのInPhenix社）から容易に入手可能である。

図１及び３に例示される実施形態間の対比の結果、以下の観測が得られる。図１に例示される光配列体光源１００は明らかに、図２に例示される光源２００のものよりもはるかに単純である。他方、高速に動くことができる分散反射器１６のサイズはむしろ限られる。５ｋＨｚから２０ｋＨｚまでの範囲で動作する商業的な共振走査メカニズムは、当該メカニズムがサポートすることができる光要素のサイズに限られる。これらの実験で使用された共振走査器について、分散要素１６のために使用された回折格子は、５ｋＨｚ走査器に対し厚さが１ｍｍで高さが約５ｍｍ及び幅が８ｍｍであり、かつ、高周波数走査器としては小型であった。これは、照明を受けることができる回折格子の本数を制限し、ひいては得られる回折格子の分解能も制限した。図２に示される実施形態には対応する制限が存在しない。走査回折格子に対して必ず傾斜する入射とは対照的に、走査反射器に対してほぼ垂直な入射ビームを使用することができるからである。図２に例示する光源２００で使用された静止回折格子は、図１に例示する光源１００で使用された回転回折格子よりもかなり大きな回折格子領域を許容する。

フィルタリング端鏡として使用されたスリット鏡１９は、製造するには複雑なコンポーネントである。実験では、下層の鏡膜と接触する金属箔のスリットが成功裏に使用されている。スリットが狭く作られれば作られるほど、フィルタリング作用は良好になる。しかしながら同時に、レーザ放射の強度は当然に低下する。実験では、スリット鏡幅は５〜２５μｍの範囲が、フィルタリングと強度性能とのバランスの面から最適であることが見出されている。しかしながら、他のスリット幅を使用することもできる。

調整可能な幅のスリット鏡がフィルタリングにとって有利である場合、分光計スリットを、当該スリットの後ろに備えた逆反射光システムと一緒に使用することができる。光システムは、自身にスリットを結像する。コリメーティングレンズ又は平面鏡と２つのレンズとを備えた平面鏡が、スリットからの光をコリメートするべく位置決めされ、その後その光を合焦し、その後その光を第２レンズの焦点に配置された鏡によって反射する。代替的には、凹面鏡もこの目的を果たすことができる。付加的に、２つの可動な不透明板を、鏡の頂部又は鏡に密接した位置に保持することができる。２つのカミソリ刃がこの目的のために試験された。一つが並進ステージに取り付けられ、一つが鏡の表面に固定された。このアプローチにより許容可能な結果が得られた。

図３及び４に例示される実施形態では、回転フィルタリング及び逆反射デバイス１３が使用された。所定数のスリット鏡が、旋回ホイールの周縁近くに均等に離れて位置決めされた。金属箔に加工された薄いスリットが整合具の補助により直径５０ｍｍの鏡に取り付けられ、機能可能なソリューションが得られた。その後、シャフトが鏡及びスリット組付体の後ろに取り付けられて完全な逆反射ホイール１３が得られた。ホイールは、駆動モータ１４として機能する電気モータによって駆動される。走査時間、すなわちスリット鏡の一つが対応波長範囲を一方向に走査するのにかかる時間を、図１及び２に示される実施形態で使用され得る高速共振走査メカニズムによる程度に短くすることはできない。モータ駆動旋回ホイールの利点は、高速共振走査メカニズムとは対照的に、走査時間が連続的に可変である点にある。

２つの走査原理の組み合わせが図４に例示される。同時走査が、アプリケーションが遅い速度で画像を取得するための強力なツールを与える。かかるアプリケーションでは、そうでない場合、データセットが手に負えないほど大きくなる。付加的に、遅い走査速度の延長されたコヒーレンス長は、光干渉断層撮影アプリケーションのシステムを利用する場合に潜在的な価値を有する。例えば、組織とプローブとの間の距離が極めて劇的に変わり得る食道内において、延長されたコヒーレンス長であれば、大きなイメージング範囲が許容される。

図３に示される実施形態において、第３セクション１０３は、静止回折格子１６、レンズ１７及び回転多スリット鏡３１３を含む。回折格子１６の溝密度が、８００本／ｍｍから１本／ｍｍまでの範囲で試験された。各例では、レーザの第２セクションの長さ、すなわちキャビティ長を、動的コヒーレンス長、パワー、安定性、光出力ノイズを最適化し、かつ、利得要素内の望ましくないエタロン効果を抑制するべく調整することができる。第２セクション１０２からのコリメートされた光照射野が第３セクション１０３に入って回折格子１６に入射する。回折格子１６の最大領域を照明するべく、かつ、第１セクション１０１の広帯域利得要素１２から生じた光の最大の角度分散を与えるべく、入射角が最大化された。分散光が高品質レンズ１７によって捕捉されて像平面１８に合焦された。像平面では、所与の波長の光が鉛直線で表される。異なる波長の像平面を横切る動きが遭遇する。

試験結果が良好なレンズは、利得媒質の波長範囲において使用するべく設計された高品質色収差補正レンズであった。すべてのレンズには、キャビティ内損失を最小限にするべく高品質多層反射防止被覆が使用された。成功裏に使用された焦点距離は、３０ｍｍから５０ｍｍまでの範囲であった。多レンズ構成のほかに単一レンズ構成も試験された。多レンズ構成は、光パワー及びコヒーレンス長の点でわずかに良好な性能であった。このセクションの最終光コンポーネントは、多スリット鏡３１３から構成された。スリット鏡には、２０の反射スリットがあった。それぞれが幅２０μｍであった。反射表面がアルミニウム保護された。２０μｍ反射スリットの両側から約７００μｍの材料が、ダイシング鋸によって除去された。反射スリット同士の間にある残りの反射領域が、黒色マスキングテープによって覆われた。他の種類のスリット鏡の試験結果も良好であった。例えば、Ａｌ保護鏡に取り付けられた薄い箔ディスクに加工されたいくつかのスリットである。多スリット鏡が、ＣＡ州VenturaのThingap社のブラシレスサーボモータ製造番号TG2385-Deltaに取り付けられた。これは、製造番号B30A8のAdvanced Motion Controls Brushless servo増幅器によって駆動された。公称電流は、４５Ｖにおいて４Ａであった。使用された電源は、ベンチトップBK precisionの６０Ｖ、６ＡのＤＣ電源であった。

使用可能な所定数のスリットが、選択された回折格子１６、レンズ１７の焦点距離、レンズ１７の直径サイズ、キャビティの利得媒質１２の波長範囲、及び光源の望ましいデューティーサイクルの組み合わせによって設定される。

レンズ１７は、回折格子１６（ビームがレンズセルの前端に当たる回折格子上の点）から３８ｍｍのところに位置決めされたThorlabsの色収差補正レンズAC254-050-Cであり得る。レンズセル（SM1L05）の前端から反射スリットまでの距離は、レーザ電流が２９９．７ｍＡかつモータが１３２Ｈｚで動作している場合、５０ｍｍであり、かつ、１１１ｎｍ同調範囲の３ｄＢ点を与えた。結果的なレーザのコヒーレンス長は、測定では走査時間に応じて１７．２から２８．７ｍｍまでであった。

走査時間と生じた放射線のコヒーレンス長との間にはつながりが存在する。実験では、上述した多スリット鏡に関してこの関係が考察された。放射線のコヒーレンス長は、ファイバ系マイケルソン干渉計を使用して、走査時間の関数として測定された。図６は、縦軸にｍｍでプロットしたコヒーレンス長、横軸にμｓでプロットした走査時間を示す。図６に示されるグラフによれば、コヒーレンス長が、走査時間の減少に伴い直線的に減衰することが明示される。

図３及び４に示される光システム１７はそれぞれ、ほぼ完全に平坦な焦点領域を与えるべく極めて良好な色収差補正品質を有する必要がある。同じことが、レンズ２１１及び２１２によって形成されるレンズシステム並びにその当該２つのレンズ間に平面焦点領域を実現する能力に対しても当てはまる。

図５に示される実施形態は、本発明に係る光源の実施形態の最小限に複雑な構成を例示し、かつ、高出力エネルギーを与える傾向がある。一例では、図５の実施形態で使用されたレンズシステム５１５の２つのレンズは、Thorlabsのｆ＝６．１６ｍｍのC170TM-Cであり、レンズ間のスリットは幅が１０μｍであった。２２ｍＷの連続的なパワーが達成され、測定されたコヒーレンス長は、キャビティ長に応じて約２から約４ｍｍであった。波長同調範囲は約１３０ｎｍであった。

図７は、本発明に係る小型走査レーザの他の実施形態を例示する。図７に示される実施形態では、走査鏡１５が、ビームを回折格子（ｂ（λ）によって示される）へと偏向し、かつ、リトロー構成における端鏡としても動作する。いくつかの実施形態では、図７に見られるように、分光フィルタセクションも使用することができる。図７に例示される光源の実施形態は、リトロー配向の回折格子をキャビティの第２端反射器として使用した結果キャビティ長全体が実質的に変化する点で、図１〜５及び８に例示される実施形態から著しく逸脱する。コリメートされたビームが回折格子１６にわたって、高速機械的回転走査配列体に取り付けられた鏡を含む走査鏡７５により走査されると、走査鏡の中心と回折格子１６との間の距離が変化する。これは、図７から明らかにわかる。特許文献１は同様の幾何学形状を使用する。しかしながら、特許文献１は、軸モード同調の一次補償を与えるべく、走査鏡と回折格子との間の距離と、走査鏡から前切子面反射器までの距離と、中心波長での回折格子への入射角とのバランスをとる。特許文献１は、レーザを調整可能及び／又はその同調範囲にわたってほぼ単一モード動作するべく構成可能、ひいては遭遇する数万のモードホップ（これは外部キャビティレーザシステムにおいて知られている）のほぼすべてが回避されることを保証するべく使用可能なシステムの分析を与える。単一モード点での動作は実質的な努力を必要とし、かつ、当該システムもまた、一次補正がなされた後に残る残留モードホップの除去手段を有しない限り、光源の同調範囲全体にわたって動的コヒーレンス長が不安定かつ不均一となる。図７に示される設計のいくつかの実施形態では、これらの同じ距離が、数千又は数万と推定される実質的な数のモードホップがシステムの同調に際して導入されるように、意図的に調整された。このアプローチにより、業界で知られているような、真の無モードホップ可変同調レーザによって可能となるものよりも実質的に短いコヒーレンス長が得られた。しかしながら、ロバストなレーザに数ミリメートルよりも大きなコヒーレンス長を与えるという我々の設計目標を満たすことができることが保証された。図７に例示される光源のいくつかの実施形態では、約４ｍｍまでのコヒーレンス長が得られた。特許文献１は、レーザの中心波長において生じる縦モード数Ｎの放物線増加が最小限となるように慎重にバランスがとられたキャビティの幾何学形状を有する。波長の関数としてのＮがシステムの同調範囲内の最小値を通過しないように構成されたシステムが良好に動作する。この構成は、その波長範囲を通してレーザが掃引されたときに単位波長変化当たりのＮに著しい変化が存在することを保証した。このＮの変化を与える幾何学形状による動作が、レーザの同調範囲全体にわたって高安定性のコヒーレンス長を与えることが証明された。他方、特許文献１に従って一次補償を与えるべくバランスがとられた同じレーザの動作は、これと同じ性能を一般的に提供することはなかった。さらに、多モードシステムは、特許文献１に開示される単一モードシステムよりも良好に動作する。

一般に、光干渉断層撮影（ＯＣＴ）のようなイメージングアプリケーションは、コヒーレンス長が約３ｍｍ超過、同調範囲が中心波長の５％から１０％、８５０ｎｍ範囲で動作するレーザに対するパワーが約０．５ｍＷ以上、及び１３００ｎｍ範囲で動作するレーザに対するパワーが約５ｍＷ以上、走査反復周波数が約１０ｋＨｚ超過、並びにリップルが小さい本発明に係る光源によって最も良好に機能する。付加的に、同時に励起可能なモード数と同様に、モード間隔もバランスさせる必要がある。パワー変動又は強度ノイズは、バランスがとられた検出スキームを介して実質的に除去することができる。コヒーレンス長は、システム走査に際して実質的に変化することがない。主に、コヒーレンス長は、キャビティのフィルタ関数に依存するので、高速波長同調セクションのフィルタ関数を変えることによって最も容易に調整される。同調範囲にわたるコヒーレンス長の安定性は、いくつかの用途において重要な場合があり、キャビティがサポートするモード数のほかモード間隔を変えることによって調整される。同調範囲は、利得要素、コンポーネント損失、波長依存のコンポーネント損失、走査器振幅（走査器振幅が、利得要素により生じる周波数の広い範囲をカバーするのに十分か否か）、及び、回折格子特性又は選択されるどのような波長同調及びフィルタ要素の特性に依存する。走査要素が正弦波走査を与える場合に有用なのは、走査要素の振幅が、利得要素の帯域幅の約１２０％をカバーするのに十分広いことである。回折格子の設計は、溝、ブレージング、入射角及び照明領域に依存する。

キャビティ長は、短くても中くらいでも長くてもよく、又は変化してもよい。短いキャビティは、広いモード間隔を有するので、固定されたフィルタ関数に対するモード数はわずかである。しかしながら、長いキャビティ長は、キャビティ内の光子が往復移動する時間ゆえに、走査速度が制限される。レーザのパワーは、光利得要素、キャビティ内の光コンポーネントの損傷しきい値、動作周波数及びキャビティ損失に依存する。モード間隔は、十分に画定することができ、かつ、キャビティの光路長に依存する。キャビティにおいてサポートされるモード数は、フィルタ関数、キャビティの損失、利得、及びキャビティの整合に依存する。フィルタ関数は、キャビティの幾何学形状、スリット鏡のスリット幅、回折格子、及び導波路に依存する。光源の走査速度は、走査器、回折格子及び当該格子への光の入射角、並びにレーザの波長範囲に依存する。

本明細書を考慮してここに開示された本発明の実施することにより、本発明の他の実施形態が、当業者にとって明らかとなる。本明細書及び例が例示のみとみなすべきであることが意図される。本発明の真の範囲及び要旨は、以下の特許請求の範囲に示される。

Claims (19)

1. 可変同調多モードレーザ光源であって、
   ２つの反射器間に形成された光キャビティであって複数の光モードをサポートする光キャビティと、
   前記光キャビティ内に位置決めされた光利得媒質と、
   前記光キャビティ内に位置決めされた同調セクションと
   を含み、
   前記同調セクションは、前記利得媒質から受光して前記複数の光モードのモード間の同調をするべく結合され、
   約２ｍｍよりも長いコヒーレンス長を備える外部キャビティ波長同調多モードレーザが形成される光源。
2. 前記同調セクションは、前記光利得媒質の中心波長の約５％よりも大きな同調範囲にわたって同調可能であり、かつ、約２０Ｈｚから約５０ｋＨｚまでの波長走査周波数において走査可能である、請求項１に記載の光源。
3. 約０．５ｍＷよりも大きな出力パワーを有する、請求項１に記載の光源。
4. 前記キャビティのフィルタ関数未満の前記複数のモードの平均が、前記同調セクションによって同調された波長に依存する、請求項１に記載の光源。
5. 前記同調セクションは、前記光キャビティがサポートする複数のモードに含まれる複数組のモード間で変化する、請求項４に記載の光源。
6. 前記光キャビティの長さは、前記同調セクションの同調範囲を通じて実質的に一定である、請求項１に記載の光源。
7. 前記同調セクションは、実質的に一定の光キャビティ長を保持する、請求項６に記載の光源。
8. 前記キャビティの一部の長さが、前記同調セクションによって導入された長さの変化を相殺するべく調整される、請求項１に記載の光源。
9. 前記光利得媒質と前記同調セクションとの間のキャビティ内に位置決めされた光伝播媒質をさらに含む、請求項１に記載の光源。
10. 前記光伝播媒質は自由空間である、請求項９に記載の光源。
11. 前記光伝播媒質は、光を透過する液体、気体又は固体である、請求項９に記載の光源。
12. 前記光伝播媒質は光ファイバである、請求項９に記載の光源。
13. 前記光利得媒質は半導体利得要素である、請求項１に記載の光源。
14. 可変同調波長選択セクションが、
    光走査器に取り付けられた分散要素であって前記利得媒質から受光する分散要素と、
    前記分散要素から受光するべく結合されたレンズシステムと、
    前記レンズシステムに光結合されたスリット鏡であって前記レンズシステムの焦点面に位置決めされたスリット鏡と
    を含む、請求項１に記載の光源。
15. 高速機械的波長の前記同調セクションは、分散部分、分光フィルタリング部分及び反射器部分を含む、請求項１に記載の光源。
16. 前記反射器部分は前記分散部分である、請求項１５に記載の光源。
17. 前記反射器部分は、前記キャビティの第２端反射器として機能する、請求項３に記載の光源。
18. 前記反射器部分は、前記分光フィルタリング部分と組み合わせられる、請求項３に記載の光源。
19. 高速機械的波長の前記同調セクションは、分散部分、分光フィルタリング部分、光イメージング部分、及び反射器部分を含み、前記光イメージング部分と前記反射器部分とが光キャッツアイ配列に構成されるように配列される、請求項１に記載の光源。

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