JP4822672B2 - 単一モードレーザ発振のためのロバストシーディング技術 - Google Patents

Description

本発明は一般的にはレーザシステムに関し、より詳細には単一縦モード発振のためにレーザをシーディングするための技術に関する。

レーザシステムはキャビティ（空洞共振器）を含み、出力を誘導するために軸（または縦）モードで発振する。応用形態の具体的な要件に応じて、レーザは単一モードあるいは多モードで動作するように制御されることができる。単一モード動作では、キャビティ内の１つの軸モードのみが発振する。多モード動作では、２つ以上の軸モードが発振する。

そのような軸モード発振を開始させるために、外部ソース（放射源）からの放射がレーザキャビティに注入される。そのような注入される放射は、当分野においてシード（種）放射として知られている。シード放射は、レーザキャビティ内の軸モードのうちの１つあるいは複数のモードを励起し、それにより出力をそれらのモードのみに制限する。

レーザシステムに関連するある特定のプロセスでは、適切な動作のために、レーザはある特定の狭い周波数帯域幅を生成しなければならない。そのようなプロセスは非線形の光学的な位相共役である。許容可能な帯域幅内において、共役処理（プロセス）が所望の結果を与える。その帯域幅外では、共役処理はレーザシステムに悪影響を及ぼす場合があり、光学部品によっては破壊される場合もある。

適切な帯域幅を確実に生成するためには、シード放射の周波数がレーザキャビティ内の軸モードのうちの１つの周波数と一致しなければならない。これにより、レーザキャビティが１つの周波数あるいは軸モードのみを放射できるようになる。目的とする結果は、レーザキャビティが、通常の多数の周波数ではなく、制御された１つの周波数を放射することである。

シード放射を単一の軸モードに一致させるための従来の技術は、単一周波数シード放射源およびいくつかのタイプの共振フィードバック制御システムによる。フィードバックによって、レーザキャビティあるいはシード放射がリアルタイムに調整され、概ね連続した一致を確保できるようになる。１つの機構では、レーザキャビティ長をディザ（dither）操作して、キャビティ内の軸モードが外部のシード放射周波数と最も一致する条件を見つけられるようにするために、フィードバックが用いられる。最も一致する条件が見つかった後に、レーザキャビティは適切に固定される。別の機構では、フィードバックを用いてシード周波数をディザリングし、固定されたレーザキャビティと一致させる。この場合、シード周波数を変化させながら、一致する状態が達成されるまで注入される。その後、シード周波数が固定される。

そのようなフィードバック制御によるシステムの性能は概ね満足のいくものであるが、必ずしも信頼性があるとは限らない。これは特に、厳しい環境条件において当てはまる。たとえば、航空機あるいは他の移動するプラットフォームの機械的な振動が、キャビティあるいはシード周波数のディザリングに影響を及ぼすようになる。非常に硬いプラットフォームで外部の振動の影響を減衰させようする試みは、システムを隔離することで、わずかに成功を収めているにすぎない。結局、外部振動のために、フィードバック制御で周波数を一致させようとする試みは難しくなる。

それゆえ、本発明の目的は、レーザシステムが外部振動による影響を受けないように、レーザシステムにおいて単一モード発振を励起するためのよりロバストなシーディング技術を提供することである。

上記の目的および他の目的は、単一モード発振を得るためにレーザをシーディングする方法によって達成される。その方法は、単一モード出力を得るためにシーディングされることになるレーザシステムをシードレーザ放射源に結合することを含む。次に、レーザシステムのキャビティの軸モードの周波数キャプチャレンジおよび間隔が決定される。その後、帯域幅が軸モード間隔に対応するシードスペクトルがシードレーザ放射源から生成される。そのシードスペクトルは櫛形状の離散した周波数を含み、その離散した周波数のうちの１つあるいは複数の周波数が、軸モードのうちの少なくとも１つの周波数キャプチャレンジに入る。その後、軸モードのうちの少なくとも１つがシード放射で発振するように、シードスペクトルがキャビティに注入される。本発明の好ましい実施形態では、その方法は、軸モードのうちの２つ以上がシード放射で発振するか否かを判定する。そうである場合には、シードスペクトルが軸モード間隔の半分だけシフトされ、単一モード発振を確保する。シードレーザ放射源は、異なる周波数で動作する電気光学位相変調器のうちの１つあるいは複数の変調器に結合される連続波単一周波数レーザを含むことが好ましい。

本発明の利点および目的が達成される態様を理解するために、添付の図面に示される特定の実施形態を参照することにより、本発明をさらに具体的に説明する。これらの図面は本発明の好ましい実施形態を示しているにすぎず、発明の範囲を制限するものと見なすべきでないことを理解した上で、添付の図面を用いることにより、本発明をさらに具体的かつ詳細に説明する。

本発明は、単一モード発振を得るためにレーザをシーディングする方法に向けられる。本発明によれば、シードレーザ放射源からのシードスペクトルが、単一モード出力を得るためにシーディングされるレーザシステムに供給される。そのシードスペクトルは櫛形状の離散した周波数を含む。離散した周波数のうちの少なくとも１つは、シーディングされることになるレーザシステムの軸モードのキャプチャレンジ内にある。シードスペクトルの帯域幅は、キャビティ内の軸モード間隔に等しい。その場合に、キャビティ内の軸モードのうちの少なくとも１つが、そのスペクトル内のシード周波数のうちの１つを捕捉し、発振するであろう。軸モードのうちの２つ以上が発振する場合には、シードスペクトルは軸モード間隔の半分だけシフトされ、単一モード出力を確保する。

ここで図面を参照すると、図１はシードレーザ放射源１２に結合される、単一モード出力を得るためにシーディングされることになるレーザシステム１０を概略的に示す。レーザシステム１０は、Ｑスイッチ１６の上流に配置されるエンドミラー１４を含む。Ｑスイッチ１６はポラライザ（偏光子）１８の上流に配置される。偏光子１８は利得媒体２０の上流に配置される。利得媒体２０は出力ミラー２２の上流に配置される。

エンドミラー１４および出力ミラー２２は、レーザシステム１０のレーザキャビティ２４を構成する。偏光子１８およびＱスイッチ１６はレーザ発振をオフ状態にするとともに、パルス出力を生成する。単一軸モード出力を開始するために、レーザキャビティ２４は、エンドミラー１４に導かれる第１の経路２６と、偏光子１８に導かれる第２の経路２８とを経由して、シードレーザ放射源１２からのシード放射が注入される。これは、レーザキャビティ２４内のシード放射の結合を与える。

ここで図２を参照すると、シードレーザ放射源１２の例示的な実施形態が示される。放射源１２は、第１の電気光学位相変調器３２に直列に接続される単一周波数連続波レーザ３０を含む。第１の電気光学位相変調器３２は、第２の電気光学位相変調器３４に直列に接続される。シード放射源１２は、複数の離散した周波数３８を含むシードスペクトル３６を出力する。複数の離散した周波数３８は櫛形状周波数と呼ばれる場合もある。スペクトル３６は、単一周波数レーザ３０からの放射を合成する第１および第２の位相変調器３２および３４によって生成される。

より具体的には、連続波レーザ３０は周波数Ｆ０で動作する。第１の電気光学位相変調器３２は周波数Ｆ１で動作する。第２の電気光学位相変調器３４は周波数Ｆ２で動作する。その組み合わせによって、離散した周波数Ｆ０、Ｆ０−Ｆ２、Ｆ０＋Ｆ２、Ｆ０−Ｆ１＋Ｆ２、Ｆ０＋Ｆ１−Ｆ２、Ｆ０−Ｆ１、Ｆ０＋Ｆ１、Ｆ０−Ｆ１−Ｆ２およびＦ０＋Ｆ１＋Ｆ２が生成される。

たとえば、第１の変調器３２の周波数が９０ＭＨｚに設定され、第２の変調器３４の周波数が３０ＭＨｚに設定される場合には、第１の変調器３２によって、±９０ＭＨｚの場所に２つの帯域が生成される。この出力は第２の変調器３４に送信され、第２の変調器３４は、０および±９０ＭＨｚの成分毎に±３０ＭＨｚの場所に２つのさらに別の帯域を生成する。これは、０、−３０、３０、−６０、６０、−９０、９０、−１２０および１２０ＭＨｚの周波数を生成する。その場合に、放射源１２は、既知の間隔あるいは帯域幅４０と、既知の数の周波数成分３８とを有する放射スペクトル３６を与える。

図１および図３をまとめて参照すると、本発明のスペクトル要件が記載される。レーザキャビティ２４内の各軸モード４２は、ある特定の周波数キャプチャレンジ４４内のシード放射を捕捉することができる。キャプチャレンジ４４は、外部からのシード放射の周波数が軸モード４２の共振周波数に非常に近いので、シード放射を受ける際に軸モード４２が発振し始める確率が高い周波数範囲である。各軸モード４２の共振周波数は幅が限定されおり、その場合に、シード周波数成分３８は、捕捉されることになるその共振からある特定の周波数距離内になければならない。キャプチャレンジ４４は、離散した周波数成分３８がキャプチャレンジ４４内に入ることを保証するために注入されなければならないスペクトル３６の最小限の密度、すなわち櫛間隔を与える。

キャプチャレンジ４４を決定するために、レーザキャビティ２４の測定を行うことができる。キャビティ２４のエンドミラー１４のスキャンニング（走査）を手動で行いながら、ある一定の周波数を生成するシードレーザからの放射がレーザキャビティ２４に注入される。エンドミラー１４が走査されるとき、種々の異なる共振周波数を通過する。エンドミラー１４がキャビティ２４の軸モード４２のキャプチャレンジ４４の中を走査するとき、レーザ１０は単一周波数出力を生成する。キャプチャレンジ４４の外側では、単一出力周波数が止まり、レーザ１０は多モード周波数を出力する。エンドミラー１４が走査され続けるとき、レーザキャビティ２４の次の軸モード４２の共振周波数に到達し、再び単一周波数出力が得られる。

キャプチャレンジ４４はスペクトル３６の間隔を与えるが、レーザキャビティ２４に注入される離散した周波数成分３８の数も重要である。シード放射スペクトル３６は、レーザキャビティ軸モード間隔４６に等しくなるように選択された帯域幅４０を有する。より具体的には、帯域幅４０は、レーザキャビティ２４の自由スペクトルレンジに対応するように制御される。

レーザキャビティ２４は、軸モード４２を発振させる１組の周波数を有する。１組の周波数はキャビティ２４の自由スペクトルレンジである。シード放射スペクトル３６は複数の周波数成分３８からなり、それはほぼ厳密にレーザキャビティ２４の１つの自由スペクトルレンジに及ぶ。スペクトル３６に自由スペクトルレンジに等しい帯域幅４０を与え、それによりスペクトル３６が２つの隣接する軸モード間隔４６のうちの１つの間に丁度当てはまるようにすることにより、レーザキャビティあるいはシードレーザスペクトル中心周波数が互いに対してシフトする場合であっても、シードスペクトル３６は常に１つの軸モード４２に、稀には２つの隣接する軸モード４２に重なる。

２つの周波数成分４８および５０が２つの隣接する軸モード４２のシードキャプチャレンジ４４に入る場合には、２つの隣接する軸モード４２がシード放射で発振することができる。応用形態によっては、これは影響ない場合もあるであろう。他の応用形態では、２つの発振モードを有することは許容できない。これを避けるために、スペクトル３６は、概ね５２で示される場所まで、軸モード間隔４６の半分だけシフトされる。その後は、１つの周波数成分３８のみがシードキャプチャレンジ４４に入ることになるので、単一モード発振が回復される。

再び図２を参照すると、一対の変調器３２および３４はスペクトル３６の相対的な振幅および成分３８の良好な制御を与えるが、単一の変調器シード放射源１２を用いることもできる。この場合には、第１の変調器３２が過励振され、第１の周波数の高調波である５つの帯域を生成できるようにする。たとえば、第１の変調器３２が３０ＭＨｚで動作するように設定される場合には、０、３０、６０、９０および１２０ＭＨｚの成分を生成するように励振することができるであろう。しかしながら、この手法によって生成される振幅は、２つの変調器を用いる技術において与えられる振幅ほど均一にはならない。

シードレーザ放射源１２の他の代替の例は、帯域幅が制御された出力を有し、半導体レーザを備えるファイバレーザを含む。ファイバレーザでは、ある特定の限られた帯域幅の多縦モード出力が生成される。ファイバレーザのモード間隔は、ファイバの長さによって決定される。その場合に、ファイバの長さは、出力のモード間隔が所望のシード周波数間隔に等しくなるように選択される。ファイバレーザの出力スペクトルモードは、出力スペクトルが、シーディングされることになるレーザの縦モード間隔の幅に一致する、予め選択された数のモードからなるように制限される。ファイバレーザは通常かなり広帯域の出力を生成するので、分散性要素、フィルタあるいはその他の光学機構を用いて、レーザ帯域幅をある一定の周波数レンジに制限することができる。

半導体レーザでは、モード間隔は非常に大きく離隔される傾向がある。しかしながら、予め選択された帯域幅を有する単一モード出力が望ましい。これを果たすために、シーディングされることになるレーザに結合されるときには実質的には常に、半導体レーザの連続して分布する周波数成分を利用できるにようにする。

別の代替形態は、シーディングされることになるレーザを類似の材料の別のソリッドステート（固体）レーザと結合することである。第２のレーザは、予め選択されたモード間隔および帯域幅で放射を生成するための異なるレーザキャビティを含む。しかしながら、これは、シード放射を生成するかなり有力な方法である。

上記の内容に鑑みて、本発明が、櫛状に離散した周波数から構成されるシード放射スペクトルを用いて、単一モードあるいは隣接する一対のモードにおいて、シーディングされたレーザ発振を達成することは理解されよう。シードスペクトルの帯域幅は、シーディングされることになるレーザキャビティの軸モード間隔に等しくなるように選択される。シード放射がレーザキャビティに注入されるとき、通常１つのシード周波数が軸モードのキャプチャレンジに入る。これは、大抵の場合に単一モードで発振することを保証する。シードスペクトルが期せずして一対の隣接する軸モードと重なるとき、２つのモードで発振が生じる場合もある。その際、シードスペクトルは、軸モード間隔の半分だけシフトされ、単一モード発振を回復することができる。モードのビートを検出することによりそのような条件を判定するために、フィードバック方式を用いることができる。

本発明は、厳しい環境の場合にロバスト性のある（頑健な）シーディングを確保するとともに、レーザシステム設計を緩和するという点で有利である。さらに、市販の部品を用いて、シード放射源を構成することができる。たとえば、連続波単一周波数レーザおよび電気光学位相変調器を用いて、シードスペクトルを合成することができる。また放射源は、ファイバレーザおよび半導体ダイオードレーザを含むことができる。この技術は特に、単一モード出力を一時的にでも失うことが結果として、著しい性能の低下となるレーザシステムの場合に費用対効果が優れている。そのようなシステムは、航空機およびその他の移動するプラットフォーム内のイルミネータ（照明器）およびライダー（lidar）に関連する防御手段としての適用形態を含む。産業上の利用可能性としては、高電力および高輝度レーザビームを必要とする用途が含まれる。

有益なのは、本発明の動作のためにフィードバックが必要とされないことである。レーザキャビティは単に放射スペクトルを注入され、レーザキャビティが機械的、熱的あるいは他の作用によって摂動され、周波数条件が変更される場合でも、軸モードは常にシードスペクトル内の一致する周波数到達するであろう。同様に、シード放射源がその中心周波数において上下にシフトする場合には、シード周波数がスライドして、レーザキャビティの１つの軸モードに一致させる。

上記の説明から、本発明の広範な教示が種々の形態で実施できることが当業者には理解されよう。それゆえ、本発明はその特定の実施例とともに説明したが、図面、明細書および特許請求の範囲を精査することにより、他の変更形態が当業者には明らかになるので、本発明の真の範囲はそのような実施例には限定されるべきものではない。

本発明の教示による、単一モード出力を励起するためにシードレーザ放射源に結合されるレーザシステムの概略図である。 シードレーザ放射源およびそれにより生成されるシード放射スペクトルの概略図である。 本発明のスペクトル要件を示す図である。

Claims (8)

1. 単一モード発振のためにレーザをシーディングする方法であって、
   単一モード出力のためにシーディングされるレーザシステムを配設するステップと、
   前記レーザシステムにシードレーザ放射源を結合するステップと、
   前記レーザシステムのキャビティの軸モード間隔を決定するステップと、
   複数の離散した周波数を含み、帯域幅が前記キャビティの軸モード間隔にほぼ等しくなるように設定され、前記複数の離散した周波数の間隔を規定する、シードスペクトルを、前記シードレーザ放射源から生成するステップと、
   前記シードスペクトルを前記キャビティに注入するステップと、
   前記キャビティの軸モードによって前記複数の離散した周波数のうちの少なくとも１つを捕捉するステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記キャビティの自由スペクトルレンジあるいは軸モード間隔に等しく前記帯域幅を設定することをさらに含む方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   前記複数の離散した周波数のうちの２つが捕捉されたか否かを判定すること、および
   前記複数の離散した周波数のうちの２つが捕捉された場合には、前記シードスペクトルを前記軸モード間隔の半分だけシフトする、
   ことをさらに含む方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記複数の離散した周波数のうちの２つが捕捉されたか否かを判定するステップはさらに、モードのビートを検知することを含む方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記シードレーザ放射源として、少なくとも１つの電気光学位相変調器に結合される連続波単一周波数レーザを配設することをさらに含む方法。
6. 請求項５に記載の方法において、第１の電気光学位相変調器を第１の周波数で動作させ、第２の電気光学位相変調器を第２の周波数で動作させることをさらに含む方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記シードレーザ放射源として、帯域幅が制御された出力を有するファイバレーザを配設することをさらに含む方法。
8. 請求項１に記載の方法において、前記シードレーザ放射源として、半導体レーザを配設することをさらに含む方法。

Images