JP2004500698A - リットマン配置の外部共振器を備えたダイオードレーザーの調節可能なシステム - Google Patents

Abstract

この発明は一つの回折格子（５）と、レーザーダイオード（３）と回折格子（５）を通過するビームにより形成される光路面に垂直で、格子表面の面内を進み、レーザーダイオード（３）の最終鏡の面と鏡（８）の表面の面に対して等しい間隔を有する軸の周りに回転可能に配置されている回転可能な支持アーム（７）に固定された一つの鏡（８）と、更に鏡の回転軸を形成する支持アームの回転軸（１９）の周りに鏡（８）を動かす一つの調整部材（１４，１５）と、光路面に対して一定の角度で支持アームの回転軸をレーザーダイオードに対して移動させる支持アーム回転の回転軸を調整する手段とを有し、リットマン配置の外部共振器を備えたダイオードレーザーの調節可能なシステム（１）に関する。更に、このシステムには光路面に対する支持アームの回転軸の角度を可変できる支持アームの回転軸を調節する手段がある。この発明による調節可能なシステム（１）により鏡の回転軸と上記ダイオードレーザーでの戻しを簡単に同時に調節できる。

Description

【０００１】
この発明はリットマン（Ｌｉｔｔｍａｎ ）配置の外部共振器を備えたダイオードレーザーの調整可能なシステムに関する。その場合、このシステムには回折格子と、更に回転可能な支持アーム上に固定され、レーザーダイオードと回折格子を通過したビームによって形成される光路面に垂直であり、格子面内を進み、レーザーダイオードの最終鏡の面と鏡の表面の面に対して等しい間隔を有する鏡と、更に鏡の回転軸を形成する支持アームの回転軸の周りに鏡を動かす調整部材と、光路面の一定角度の下でレーザーダイオードに対して支持アーム回転軸を移動させる支持アーム回転軸を調整する手段とを有する。
【０００２】
ダイオードレーザーのレーザーダイオードから外部共振器により放出される光のフィードバックにより、レーザー発光のスペクトル幅が著しく狭くなる。更に、波長選択部材のある外部共振器によりレーザー波長を合わせることができる。反射格子によるフィードバックのある配置は広く普及している。この場合、所謂リットマン配置の装置が特に注目されている。何故なら、取り出されたビームの状況は波長に無関係であるからである。従って、レーザー波長を合わせることによりビーム状況が変化しない（Ｍ． Ｌｉｔｔｍａｎ ａｎｄ Ｈ． Ｍｅｔｃａｌｆ： Ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅｄ ｄｙｅ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｂｅａｍ ｅｘｐａｎｄｅｒ， Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． １７， ２２２４ ［１９７８］）。
【０００３】
リットマン構造では、取り出されたレーザービームが格子の零次干渉により共振器を出てゆく。第一格子次数の光は回転可能な鏡に入射する。この鏡は入射した光を再び格子に逆反射させる。この格子から反射したビームの第一干渉次数がレーザーダイオードに戻される。
【０００４】
波長の合わせは鏡を回転させて行われる。格子は動かないので、取り出されたビームの状況は波長を合わせる時に一定になっている。リットマン配置の他の重要な利点はレーザービームが共振器内を一回回転する時に格子を二度通過することにある。こうして、ただ一つの波長選択性部材を用いて非常に狭い増幅プロフィールが得られる。
【０００５】
外部共振器を用いたダイオードレーザーのモードに飛びのない広い調整範囲は格子で選択された波長と共振器波長とを同期させて合わせることにより得られる（Ｋ． Ｌｉｕ ａｎｄ Ｍ． Ｌｉｔｔｍａｎ： Ｎｏｖｅｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒｓ， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ６， １１７ ［１９８１］） 。これには鏡を円軌道上でそれに応じて選択された回転軸の周りに回転させる必要がある。
【０００６】
鏡の回転軸として、外部共振器を有するダイオードレーザーの光路が進む面を垂直に交差し、格子の表面の面内にある直線を選ぶと、レーザーダイオードの最終鏡を通過する面と鏡の表面を通過する面が鏡の回転軸に対して等しい間隔であるなら、モードに飛びのない合わせが可能である。（Ｋ． Ｌｉｕ ａｎｄ Ｍ． Ｌｉｔｔｍａｎ： Ｎｏｖｅｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒｓ， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ６， １１７ ［１９８１］；Ｐ． ＭｃＮｉｃｈｏｌｌ ａｎｄ Ｈ． Ｍｅｔｃａｌｆ： Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃａｖｉｔｙ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｆｅｅｄ ｂａｃｋ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓａｃｎｎｉｎｇ ｉｎ ｄｙｅ ｌａｓｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｇｒａｔｉｎｇｓ， Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ． ２４， ２７５７ ［１９８５］）。
【０００７】
最終鏡の回転によるモードに飛びのない合わせは鏡の回転軸と鏡自体の位置決め精度に関する高い要請を与える。それ故、通常外部共振器を伴うダイオードレーザーは、レーザーを組立後に回転軸の位置を正確に調整できるように構成されている。更に、光を外部共振器からレーザーダイオードチップへの戻しを最適にするため、部品であるレーザーダイオード、格子および鏡の少なくとも一つを調節可能に固定する。
【０００８】
刊行物、米国特許第 ５，３１９，６６８号明細書には外部共振器を備えたダイオードレーザーに対して調節可能なシステムが開示されている。しかし、この調節可能なシステムでは、鏡自体が鏡の支持アームの回転軸に関して調節可能であるが、支持アームの回転軸がその位置で可変できないことが不利である。これにより、鏡がその回転軸に関して傾くが、支持アームの回転軸をその位置で光路面に対して垂直に移動させることは不可能である。回転軸の軸受は予め正確に指定する必要がある。これは周知の調節可能なシステムの場合ボール継手で与えられる。しかし、このようなボール継手では簡単に動かなかったり一定の遊びを甘受しなければならないことが難点である。しかし、支持アームの軸受の荒い動きは特定な発光周波数にスムーズに合わせたり正確に始動することを妨げる。
【０００９】
欧州特許第 ０ ７０２ ４３８号明細書では同類の調節可能なシステムが開示されている。このシステムでは鏡の支持アームの回転軸が回転軸の向きに垂直で、更に互いに直角となる二つの方向に移動できる。しかし、この配置では回転軸が傾かなくて、鏡から反射したレーザービームのレーザーダイオードへの戻しの調整が行えないことが不利である。
【００１０】
この発明の課題は、鏡の回転軸と戻しの同時調整が可能になるリットマン配置の外部共振器を備えたダイオードレーザーの調節可能なシステムを提供することにある。
【００１１】
この課題は、光路面に対する支持アームの回転軸の角度を可変する支持アーム回転軸を調整する手段が更にある同類の調節可能なシステムにより解決されている。
【００１２】
この発明による調節可能なシステムは外部共振器を備えたレーザーダイオードの構造がコンパクトで機械的に安定である。従って、レーザー光の振幅や周波数の高い安定性が得られ、鏡の回転軸とレーザービームのレーザーダイオードへの戻しの同時調整が簡単に可能になる。回転軸を光路面に正確に垂直に調整できる。これによりビームの鏡上での動きが防止される。こうして、鏡の表面の均一度に関する要請を低下させることができる。というのは、鏡上でビームが動く場合、調整中にレーザーダイオードへ戻らないように反射する光の成分が変化する。このために振幅変動が生じる。更に、ビームが動くと異なった部分ビームに対する共振器の長さの差異が変わる。それ故、調整中に部分ビーム間の位相関係が乱れ、そのためにレーザー発光のスペクトルの広がりが生じる。
【００１３】
支持アームに固定された鏡は全反射する直角プリズムである。その場合、このプリズムはビームが斜辺を通して入射するように配置されている。平面鏡の代わりにそのようなプリズムの利点は、このプリズムに入射するビームが反射ビームに対して必ず平行になる点にある。同じ利点は鏡が直角に継ぎ合わせた二つの部分鏡を有するＶ字状の再帰反射体で形成されていることにより達成される。
【００１４】
支持アームの回転軸を光路面の両側に配置されている高さ調整可能な二つの継手で形成されていると有利である。互いに無関係に調整可能なこの継手により支持アームの回転軸は回折格子の面に対して角度をもって簡単に可変できる。
【００１５】
支持アームの継手は、例えばバネ鋼の固体継手であると有利である。これにより遊びのない継手となる。
【００１６】
回転軸の継手は回折格子と鏡の間の間隔を拡げようとする復帰力を有するように構成できる。この復帰力は、例えばコイルバネで増強できる。
【００１７】
鏡を動かす調整部材は力を鏡の支持アームに回折格子に向けて及ぼすように設計することができる。これには、調整部材を鏡あるいは支持アームの裏側に位置決めし、これにより光路の妨害が排除されるという利点がある。この場合、調整部材は光路面内で鏡の裏側に当たる。こうして、調整部材と両方の支持アームの継手は共に鏡の支持アームに対して、従って鏡に対して安定な三点軸受を形成する。
【００１８】
調整部材は好ましくは少なくとも一つの圧電アクチエータである。調整部材の作用範囲を広げるためそのようなアクチエータのスタックも設けてもよい。この代わりに、調整部材としてネジ、モータあるいは前記調整部材の組み合わせを設けてもよい。
【００１９】
支持アーム継手はそれぞれ高さ調整のために主に調整部材のところに固定されていて、この調整部材は台部材にヒンジ止めされていることにより高さ調整できる。このヒンジ止め部分は回転軸に対向する調整部材あるいは台部材の平行な側部上にある。この場合、調整部材と台部材が平行に向いている場合互いに一定の間隔を持っているなら有利である。調整部材の継手も好ましくは固体継手であるとよい。
【００２０】
個々の調整部材には垂直方向にこの調整部材を貫通する調節ネジがあり、このネジにより調整部材と台部材の間隔を可変できる。
【００２１】
更に、この発明によれば、鏡がレーザーダイオードと回折格子に対して移動可能であり、レーザーダイオードと回折格子の相互位置が固定されていると有利である。こうして、調節可能性の数が少なく維持されるが、同時に必要な自由度の全てが依然として充分正確に調整できる。
【００２２】
この発明による調節可能なシステムは、調整に重要な部品が調節可能であり、一部その位置で一定のレーザーダイオードに関して固定して予め与えられ、これによりシステムがレーザーダイオードを交換した場合にも利用できる限り、有利でもある。
【００２３】
以下、この発明による調節可能なシステムを二つの実施例に基づきより詳しく説明する。その場合、関連する図面で同じ部品には同じ参照符号を付ける。
【００２４】
図１の調節可能なシステム１にはダイオードレーザー３，コリメータレンズ４と回折格子５を含む第一部品群２がある。
【００２５】
更に、調節可能なシステム１には図２に別に示す第二部品群６がある。この第二部品群６には鏡８が固定されている支持アーム７がある。
【００２６】
図にはただ一つにして示し参照符号９を付けたバネ鋼の二つの固体継手により支持アーム７が二つの調整部材１０と１０′のところに固定されている（図３を参照）。
【００２７】
調整部材１０は他のバネ鋼固体継手１１により台部材１２に固定されている。調整部材１０と台部材１２の間の間隔は調節ネジ１３により調整できる。
【００２８】
鏡８の後ろ側に圧電アクチエータのスタック１４が当たる。圧電アクチエータのスタック１４の上には微調ネジ１５がある。
【００２９】
図３には、調節可能なシステム１の部品群６が取り出したビームが出る側から見た平面図にして示してある。第二調整部材１０′，第二台部材１２′および両方の部材を連結する他のバネ鋼固体継手１１′が設けてある。更に、第二調節ネジ１３′が示してある。この調節ネジにより調整部材１０′の高さ、つまりｚ方向の位置（図２を参照）が付属する支持アーム継手を担持する側部エッジで調整部材１０の場合のように可変される。
【００３０】
二つの支持アーム継手９（ただ一方のみ示し、符号９を付ける）の高さの差により、図４に示すように、両方の支持アーム継手９で形成された支持アーム回転軸１９（説明のために記入してある）と鏡８の傾きがｙ−ｚ面内で設定される。即ち、支持アーム回転軸１９と鏡８のｙ軸に対する角度が設定される。鏡８の傾きをこのように可変することにより、光のレーザーダイオード３へ光の戻しが最適にされる。
【００３１】
両方の調節ネジ１３と１３′を異なった深さに螺入すると、固体継手１１または１１′と９のバネ鋼に捩じりが生じる。支持アーム７と支持アーム回転軸１９を傾けるには、一方で両方の継手９をレーザーダイオードの両方の側部で異なった強さに締め付け、他方で支持アーム回転軸に垂直な継手１１と１１′の弱い柔軟性を利用する。バネ鋼を捩じると大きな復帰力が傾きの調整範囲を制限し、継手を適当に設計することにより傾き調整範囲を実際に生じる危険な角度に合わせることができる。
【００３２】
図１から分かるように、符号１６を付けたレーザービームはコリメータレンズ４を通過し、回折格子５に入射する。格子５の零干渉次数のビーム１７が取り出されて共振器から出てゆく。第一干渉次数のビーム１８は回折格子５に再入射し、レーザーダイオード３に戻るように鏡８で反射する。
【００３３】
次に、支持アーム７の回転軸の調整と戻しをどのように行うかを説明する。先ず、一方の支持アーム継手の高さを調整し、次いで鏡８による最適な戻しが行われるように第二の支持アーム継手の高さを合わせる。支持アーム７の回転軸と鏡８の回転軸との最適位置を見出すまでこの方法を反復して繰り返す。この場合、モードの飛びのスペクトル間隔は回転軸の最適位置からのずれの尺度となる。
【００３４】
支持アーム７の回転軸をｘ方向で調整するため、鏡８，鏡アーム７，回転軸継手９，固体継手１１，１１′，調整部材１３，１３′，圧電アクチエータのスタック１４および鏡８を回転する調節ネジ１５から成る図１に示す構造部品群６を固定構造部品群２に対してｘ方向に移動させ、次いで固定する。構造部品群２はレーザーダイオード３，コリメータレンズ４と回折格子５である。
【００３５】
調節ネジ１５と圧電アクチエータのスタック１４を部品群６の他の部品と一緒に動かすのでなく、レーザーダイオード３に対して位置固定する実施態様も可能である。
【００３６】
調節ネジ１３，１３′を圧電アクチエータやモータで置き換えるか補完することもできる。鏡８を回転する調整部材としては空圧および油圧調整部材も採用できる。
【００３７】
図５に示すように、平面鏡８の代わりに、全反射直角プリズム２０も使用できる。図６にはプリズム２０に入射したビーム２１と反射ビーム２２が必ず平行に進む光路が示してある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による調節可能なシステムの模式的な側面図、
【図２】支持アームの回転軸を調整する手段と鏡の支持アームを有する部材群の模式側面図、
【図３】取り出したレーザービームが出てゆく側から見た図２の部品群の模式図、
【図４】傾いた支持アーム回転軸を有する図３の部材群と、更にレーザーダイオードと格子の模式原理図、
【図５】鏡として全反射直角プリズムを使用する調節可能なシステムの模式図、
【図６】図５のプリズムでの光路の模式図を示す。

Claims (11)

1. 一つの回折格子（５）と、レーザーダイオード（３）と回折格子（５）を通過するビームにより形成される光路面に垂直で、格子表面の面内を進み、レーザーダイオード（３）の最終鏡の面と鏡（８）の表面の面に対して等しい間隔を有する軸の周りに回転可能に配置されている回転可能な支持アーム（７）に固定された一つの鏡（８）と、更に鏡の回転軸を形成する支持アームの回転軸（１９）の周りに鏡（８）を動かす一つの調整部材（１４，１５）と、光路面に対して一定の角度で支持アームの回転軸をレーザーダイオードに対して移動させる支持アーム回転の回転軸（１９）を調整する手段とを有し、リットマン配置の外部共振器を備えたダイオードレーザーの調節可能なシステム（１）において、更に支持アームの回転軸（１９）を調節する手段（１０，１０′，１１，１１′，１２，１２′，１３，１３′）があり、この手段により光路面に対する支持アームの回転軸の角度を可変できることを特徴とするシステム。
2. 支持アーム（７）に固定された鏡（８）は全反射直角プリズムであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 支持アームの回転軸（１９）は光路面の両側に配置されている互いに独立に高さ調整できる二つの継手（９）で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 支持アームの継手（９）は固体継手であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 鏡（８）を動かす調整部材（１４，１５）は力を回折格子（５）に向けて支持アーム（７）へ及ぼすことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のシステム。
6. 調整部材には圧電アクチエータ（１４）があることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のシステム。
7. 支持アームの継手（９）はそれぞれ一つの調整部材（１０，１０′）に固定され、この調整部材は台部材（１２，１２′）に結合させることにより高さを調整できることを特徴とする請求項３〜６の何れか１項に記載のシステム。
8. 調整部材（１０，１０′）と台部材（１２，１２′）は互いに平行に向けてあるなら互いに一定の間隔を持っていることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 調整部材の継手（１１，１１′）は固体継手であることを特徴とする請求項７または８に記載のシステム。
10. 調整部材（１０，１０′）の各々には調整部材と台部材（１２，１２′）の間の間隔を可変する調節ネジ（１３，１３′）があることを特徴とする請求項７〜９の何れか１項に記載のシステム。
11. 鏡（８）はレーザーダイオード（３）と回折格子（５）に対して移動可能であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のシステム。