JP2006270106A - 外部キャビティレーザ装置およびその調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部キャビティレーザ装置を望ましい範囲でチューニングするシステムおよび方法であり、モードホップフリーの連続チューニング可能な単一モード出力を提供する。
【解決手段】外部キャビティダイオードレーザ装置は、たわみヒンジを備える素子に載置されるエンドミラーによりチューニングされる出力波長を有する。このたわみヒンジは、望ましいチューニング範囲にわたって静止回動中心点を示すよう設計可能であり、これにより外部キャビティを縦モード間にレーザホップを発生させずにチューニングすることができる。レーザ媒体の色分散は、外部キャビティ内に含まれるレーザダイオードと格子との間の距離を調節することにより調整可能である。この位置は、望ましい全チューニング範囲にわたってモードホップフリーのチューニングを可能とする動作配置を検出するよう調節することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、外部キャビティレーザ装置およびその調整方法に関する。

従来、チューニング可能な外部キャビティ半導体レーザ装置、例えば外部キャビティダイオードレーザ（ＥＣＤＬ：External Cavity Diode Laser）は、光学式の試験機および計測器において広く用いられている。また、波長分割多重方式（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexed）の光音声データ通信装置においてはより一層使用されている。
チューニング可能な外部キャビティダイオードレーザは、外部キャビティ内に挿入されるレーザ利得媒体を備えることにより動作し、これにより、レーザ利得媒体に対し波長選択を可能とする光フィードバックを提供することができる。

このような外部キャビティ半導体レーザ装置においては、複数の縦スペクトルモードがキャビティによりサポート可能である。この縦スペクトルモードは、光学キャビティ長が１／２波長の整数となるような波長に対応する。利得媒体は、隣接するモードの波長においてはほぼ等しい利得を提供する。このため、外部キャビティのチューニングを変更する際に、隣接する外部キャビティ縦モードが同様の外部キャビティ損失を受けると、モードホップが起こり得る。キャビティは複数のモードをサポートするか、またはモード競合によりモード間をホップし得る。

外部キャビティのチューニングは、一般的に回折格子のような波長選択器をキャビティの中に挿入することにより実現可能である。回折格子は、リトロー配置では、外部キャビティ内でエンドリフレクタとして使用可能である。また、リットマン配置ではエンドリフレクタの前に配置可能である。リットマン配置において、レーザ光線は斜入射で格子に入射し、一次回折光線はエンドチューニングミラーから反射される。そして、エンドチューニングミラーは、選択された波長の光線を格子に向けて、さらにはレーザダイオードの中に逆反射させる。この波長は、エンドチューニングミラーの角度を変えることでチューニング可能である。

実用において、斜入射のレーザ光線に覆われる格子の面積が大きいこと、そして波長選択格子上の光線の複光路により、より高いスペクトルの選択性が得られることから、リットマン配置がより好ましい。

前述したリットマン配置、リトロー配置のいずれにおいても、モードホップフリー（モードホップが生じない）のレーザダイオードの出力の連続チューニングを実現するには、キャビティ長を、外部キャビティの波長チューニングに同期させるように変更しなくてはならず、これによりチューニングの間中１／２波長の同じ整数がキャビティ内で維持される。
しかし、全キャビティ長（すなわち有効光路長あるいは全光路長）は、キャビティ内の多様な物質の色分散によるキャビティ長の変動も考慮しなくてはならない。色分散素子は、この物質内を透過する光の波長に依存した屈折率を有する素子である。よって、外部キャビティの有効光路長は外部キャビティ内を循環する光の波長に依存する。

近年、外部キャビティ半導体レーザ装置に対し、モードホップフリーの連続チューニングを提供する多様なコンパクトシステムが紹介されている。これらのシステムとしては、例えば、特許文献１および特許文献２が挙げられる。

特許文献１は、リットマン配置の外部共振器における半導体レーザダイオード用のチューニング構成を開示し、これは回折格子と回動チューニングアームに載置された共振器エンドミラーとを備える。また、チューニングアームの姿勢とエンドミラーの位置をチューニングアームの回動軸に対して調節する調節手段が設けられる。さらに、他の調節手段を設けて回折格子の位置をチューニングアームの回動軸に対して調節してもよい。

特許文献２は、チューニング可能なレーザシステムを開示し、このシステムにおいて、回動エンドミラーの回動中心点は、３つの異なる波長において厳密に１／２波長の整数となり、かつ、チューニング範囲の他の全ての波長においてクローズマッチとなる内部キャビティ長を提供するよう選択可能である。回動中心点の算出においては、レーザの分散効果およびこのシステムにおけるキャビティ長上の他の全ての光学素子が考慮される。特許文献２における回動軸受は、ソケット内に設けられる球である。
米国特許第５，８６７，５１２号 米国特許第５，３１９，６６８号

前述した従来技術のシステムは、レーザ、回折格子、またはエンドミラーの精密な配置に依存し、および／または、これらの構成素子および／または関連する回動中心点の位置を調節するための調節手段を備えることにより、色分散効果を補正し、モードホップフリーの連続チューニングを提供する。
しかし、従来技術における連続チューニングシステムおよび調節手段は、システムのロバスト性に関して妥協しており、これは、一般的に別体で相対移動可能な調節用部品および／または、回動構造を数多く使用するためであり、この構成では、システムの質量および寸法が増加する傾向がある。
さらに、相対移動可能な調節用部品および／または回動構造を使用すると、付随する静摩擦または機械的ヒステリシスを引き起こすおそれがあり、これはレーザの波長安定性を損ない、潜在的な調節不安定性の問題を引き起こすことがある。
チューニング可能なレーザに対して超高速チューニングや高周波振動チューニングが望まれる場合において、寸法、質量、静摩擦の全てが顕著な問題となる。
外部キャビティ半導体レーザ装置においては、超高速およびスムーズチューニング動作が望まれる。しかし、わずかに質量が増加するだけでもシステムの固有振動数が減少し、このシステムを望ましい周波数、つまり実用的に最高の周波数で駆動するには、比較的大きな駆動システムによるより大きな駆動力が必要となる。

さらに、レーザダイオードは、その動作特徴として熱の影響を受けやすいが、一般的に、駆動力が大きいほどより大きな加熱効果を引き起こし得る。このため、レーザシステムの波長安定性または予測精度は、増加した駆動力の影響を受ける。また、相互移動可能な部品およびその組み立てに付随する静摩擦は、動態作用に誘発される潜在的なシフトおよび／または磨耗の影響を受けやすい。よって、相互移動可能な部品は、高周波振動チューニングシステムの短期・長期安定性、および円滑なチューニング特性にとって特に有害となり得る。
さらには、そのような装置は外部衝撃や振動力の影響も受けやすく、これにより部品の位置合わせが変わってしまう傾向にある。レーザチューニング用途においては、数千μｍ以上の組み立て精度が要求され、さらに高度な組み立て後の安定性が望まれる。

また、より複雑な配置および位置合わせ手順ほど時間がかかり、高価で、障害が起こりやすい。よって、配置および位置合わせ手順は、特定のチューニング可能なレーザ用途において望ましい精度および動作特性に対して、できる限り簡素であることが望ましい。
従って、チューニング可能なレーザの配置にわずかな変更を加えるだけでも設計上の調整は複雑になり得て、一定の設計選択は、特定の用途において望ましいチューニング可能なレーザ特性の実用的および経済的な達成において極めて重要となる。

本発明の目的は、望ましいチューニング範囲および／またはチューニング速度または動作周波数特性に対するこれらの問題や制限のうちの１つ以上を克服し、一方でモードホップフリーの連続チューニングを提供する外部キャビティレーザ装置およびその調整方法を提供することにある。

本発明は、外部キャビティレーザ装置を望ましい範囲でチューニングするシステムおよび方法であり、モードホップフリーの連続チューニング可能な単一モード出力を提供することができる。前記外部キャビティは、光線を出力する利得媒体と、前記光線を回折する回折素子と、前記回折された光線を反射するエンドミラーと、を備える。前記連続チューニングは、静止回動中心点の周りを効率的に回動するたわみヒンジに支持された素子に前記エンドミラーを載置することにより実現される。前記静止回動中心点は、モードホップフリーのチューニングを可能とするために、前記エンドミラーの有効反射面と格子面との交差点に公称的に配置される。前記たわみヒンジは、一体構造の一部であるため、チューニング可能なレーザ構造は、静摩擦、バックラッシュ、または障害、磨耗、または駆動力損失などの他の動的要因の影響を受けるおそれがない。

本発明においては、レーザダイオードの位置を調節することにより、レーザダイオードと格子表面との間のキャビティ長を、望ましいチューニング範囲における色分散の効果を十分に補正するよう設定可能である。調節の一方法において、レーザの出力パワーは、モードホップを検出する手段としてモニタされ、一方で前記レーザは望ましいチューニング範囲でチューニングされ、レーザダイオードの位置が調節され得る。レーザダイオードの位置調節は、モードホップの数がゼロまたは、少なくともモードホップの数を低下させる配置が、望ましいチューニング範囲で達成されたことがモニタされた出力パワーによって示されるまで継続され得る。

本発明において、チューニング可能な外部キャビティダイオードレーザ用の機械的配置は、約±０．５ｎｍ、約±１．０ｎｍ、または約±５ｎｍのチューニング範囲に特に適しており、これらのチューニング範囲において従来にはない利点を提供可能である。

具体的な構成として、本発明の外部キャビティレーザ装置は、
利得媒体を備え、平行放射光線を出力するレーザ放射源と、
前記放射光線を回折する格子素子と、
前記回折された放射光線を反射して前記レーザ放射源に戻すチューニングミラーと、
前記チューニングミラーを支持しかつ所定のヒンジ軸を中心に回動可能なたわみヒンジと、を備え、
前記ヒンジ軸は、前記格子素子で規定される第１面と前記チューニングミラーで規定される第２面との交差線に沿って設定されていることを特徴とする。
本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記チューニングミラーが前記ヒンジ軸を中心に回動する際に、前記たわみヒンジの前記ヒンジ軸は、少なくとも前記外部キャビティレーザの第１のチューニング範囲を通して略静止状態であることが望ましい。
本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記外部キャビティレーザの前記第１チューニング範囲を通して、前記たわみヒンジを構成する材料に加わる曲げ応力が前記材料の最大降伏応力を超えないことが望ましい。

本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記第１チューニング範囲は、前記チューニングミラーが公称チューニングミラー位置を中心に少なくとも±１．０ｍｒａｄの回動角度範囲であることが望ましい。
本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記第１チューニング範囲は、前記外部キャビティレーザの最大指定チューニング範囲であり、前記最大指定チューニング範囲は、公称動作波長に対して最大でも±１０ｎｍであることが望ましい。
さらに、前記最大指定チューニング範囲は、公称動作波長に対して最大でも±５ｎｍであることが望ましい。
本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記たわみヒンジは前記ヒンジ軸に平行に形成された２つの切欠を備え、
前記２つの切欠は前記たわみヒンジを構成する前記材料の２つの対向面を規定し、
前記材料は前記対向面の間において最小厚さを有し、
前記２つの対向面はそれぞれ前記最小厚さ部位に曲率半径を有し、
前記曲率半径の前記最小厚さに対する比は約０．５〜約２であることが望ましい。

本発明の外部キャビティレーザ装置において、
さらに、前記レーザ放射源と前記格子素子との間の距離を調節する調節機構を備えたことが望ましい。
本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記調節機構は、少なくとも前記平行放射光線の方向に沿って前記レーザ放射源の位置を調節するのに使用可能であることが望ましい。
本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記調節機構を調節して少なくとも色分散効果を調整することにより、前記外部キャビティレーザが望ましいチューニング範囲にわたってモードホップフリーのチューニングを提供することが望ましい。

本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記調節機構の調節は、
前記望ましいチューニング範囲にわたって、前記外部キャビティレーザを走査する工程と、
前記望ましいチューニング範囲にわたって、前記外部キャビティレーザの出力パワーをモニタする工程と、
前記モニタされた出力パワーに基づいて前記調節機構を調節する工程と、を備えたことが望ましい。

本発明の外部キャビティレーザ装置において、さらに
前記チューニングミラーに結合された第１たわみ素子と前記外部キャビティレーザの不動部に結合された第２たわみ素子との間に結合されるアクチュエータを備え、前記アクチュエータは前記たわみヒンジの前記ヒンジ軸を中心に前記チューニングミラーを回動させるよう動作可能であることが望ましい。
本発明の外部キャビティレーザ装置において、
前記アクチュエータは、電動素子と、この電動素子を前記第１および第２たわみ素子に結合させる結合フレームと、を備えたことが望ましい。

本発明の外部キャビティレーザ装置調整方法は、
望ましいチューニング範囲にわたってモードホップフリーのチューニングを提供するために、外部キャビティレーザ装置を調節し、少なくとも色分散効果を調整するための外部キャビティレーザ装置調整方法であって、
前記外部キャビティレーザ装置のチューニングミラーに結合されるアクチュエータを駆動し、これにより、前記外部キャビティレーザが望ましいチューニング範囲にわたって走査するように、前記チューニングミラーをたわみヒンジのヒンジ軸を中心に回動させる工程と、
前記望ましいチューニング範囲にわたって、前記外部キャビティレーザ装置の出力パワーをモニタする工程と、
前記モニタされた出力パワーに基づき、前記外部キャビティレーザ装置のレーザ放射源と格子素子との間の距離を変更する調節機構を調節することにより、前記望ましいチューニング範囲にわたって前記モードホップフリーのチューニングを提供する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明の外部キャビティレーザ装置調整方法において、
前記調節に際し、計算を行わなくてもモードホップフリーのチューニングに必要な調節を確立することができることが望ましい。

本発明の外部キャビティレーザ装置調整方法は、
外部キャビティレーザ装置におけるモードホップフリーのチューニング範囲を拡大するために少なくとも色分散効果を調整する外部キャビティレーザ装置調整方法であって、
前記外部キャビティレーザ装置の出力波長のチューニングの関数として、前記外部キャビティレーザ装置の出力パワーを測定する工程と、
前記外部キャビティレーザ装置のレーザ放射源と回折素子との間の距離を調節する工程と、
前記出力波長のチューニングの関数としての前記出力パワーを再測定する工程と、を備えたことを特徴とするとしてもよい。
本発明の外部キャビティレーザ装置調整方法において、さらに
前記外部キャビティレーザ装置のチューニングミラーに結合されたアクチュエータを駆動し、前記チューニングミラーがたわみヒンジのヒンジ軸を中心に回動するように駆動し、これにより前記出力波長をチューニングする工程を備えることが望ましい。
更に、前記アクチュエータは、圧電駆動、磁気歪、ボイスコイル駆動、直流モータ駆動、およびステッピングモータ駆動の中の少なくとも１つにより駆動されることを特徴とすることが望ましい。

以下、本発明の具体的な実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
ここに例示される多様なチューニング可能なレーザ素子は、概略的に説明され、様々な寸法や角度関係のいずれも、明確に示される必要のないことを理解されたい。下記に示す多様な実施形態例の詳細な説明に基づき、特定の実施形態や用途に適した装置の寸法や角度関係を選択可能である。

図１は、チューニング可能な外部キャビティダイオードレーザ装置１（以下、単にレーザ１と呼ぶことがある）の幾何学的配置の一例を示す図である。
レーザ１は、レーザダイオードを利用したレーザ利得媒体２を備え、このレーザ利得媒体２の背面７からコリメータレンズ３を通って延びるレーザ出力光線４を出力する。このコリメータレンズ３は、レーザ光線４を平行化する。
出力光線４は、回折格子６に入射可能である。この回折格子６は、出力光線４を回折して一次回折光線９にするとともに、０次光線８を反射し、これが外部キャビティダイオードレーザ装置１の出力光線となり得る。
一次回折光線９は、レーザ１の外部キャビティのエンドミラーの１つを構成するチューニングミラー５に逆反射され得る。
他のエンドミラーは、レーザ利得媒体２の背面７である。

キャビティ内の全光路長Ｌは、レーザ利得媒体２の背面７と回折格子６との間の固定距離Ｌ１と、回折格子６とミラー５の有効反射面との間の可変距離Ｌ２と、で構成可能である。

外部キャビティダイオードレーザ装置１は、例えば、回折格子６に対してチューニングミラー５の角度を変えることによりチューニング可能である。回折格子６の垂直軸に対する一次回折光線９の角度βがレーザ光線４の波長の関数となりうる範囲において、チューニングミラー５の角度により、どの波長が回折格子６に向かって逆反射され、回折されてレーザ利得媒体２にフィードバックされるかを決定することができる。従って、チューニングミラー５は、外部キャビティダイオードレーザ装置１内にチューニング素子を備える。

光路長Ｌの外部キャビティにおけるモードホップフリーの連続チューニングの必要条件は、下記の通りである。

上記式（１）で、λ/Lは定数である。式（１）において、λはチューニングされた波長であり、Ｌは固定距離Ｌ１と可変距離Ｌ２とを含む全光路長である。チューニングミラー５は、静止回動中心点Ｐ１を持つ図示しないアクチュエータ上に配置される。回動中心点Ｐ１がミラーの有効反射面と格子表面の面との交差点に位置し、さらに条件（Ｌ１／ｓｉｎα）＝（Ｌ２／ｓｉｎβ）が満たされる場合、色分散効果を無視すると、式（１）に従い、レーザ１はモードホップフリーの連続チューニングが可能である。従って、モードホップフリーのチューニング可能なレーザを得るために有用であり得る（色分散効果を考慮すると必ずしも十分ではないが）第１の設計特徴としては、チューニングミラー５のアクチュエータの設計が挙げられ、このアクチュエータは、チューニングミラー５の有効反射面と格子表面の面との交差点に位置する静止回動中心点（例えば、図１中の点Ｐ１）を有する。理想的には、このアクチュエータは、全ての予測される動作状況下で一定した回動中心点位置を維持可能で、静摩擦、ヒステリシス、または他の不安定素子に影響されずに回動可能で、比較的に剛性であるとよい。

図２Ａおよび図２Ｂは、外部キャビティダイオードレーザ装置１のチューニングミラー５を支持する多様な実施形態で使用可能なたわみ体１０の一例を示す斜視図である。たわみ体１０は、アクチュエータ駆動機載置たわみ部１２，１３と、たわみヒンジ構造１１によりたわみ体１０に一体的に取り付けられたたわみアーム１４と、を備え、これにより静摩擦、ヒステリシス、または他の不安手性のない略理想的なミラーアクチュエータを提供する。たわみアーム１４は、平面鏡の載置に適した第１の代替ミラー載置面４５を備え得る。平面鏡の有効反射面は、その反射表面の面である。第２の選択肢として、たわみアーム１４は、一組のＶ字型をなす第２の代替ミラー載置面４６を備え、この載置面４６は、Ｖ字表面の接点がヒンジ軸ＨＡ１と直交する軸に沿って位置合わせされるようにたわみアーム１４内に形成される。第２の代替ミラー載置面４６は、下記に多様な組立および位置合わせ手順を参照してより詳細に説明するが、チューニングミラーとして使用可能な直角二面プリズムミラーを載置し、位置合わせするのに有益である。直角二面プリズムミラーは逆反射体タイプであるため、その有効反射面は入射光の方向に部分的に規定される。特に、本願において、直角二面プリズムミラーの有効反射面は、好ましくは、直角二面プリズムミラーにおける直角反射表面の各公称面の交差線を含む面で、かつ、回折格子６または後述する回折格子４０などから発生する光の回折波長の分散面に直交する面であることが望ましい。

図１を参照して前述したとおり、たわみアームのたわみ角ＤＡの望ましい範囲において、好適に設計されたたわみヒンジ構造１１によって、ヒンジ軸ＨＡ１は、効率的に静止状態を維持し、静止回動中心点Ｐ１を提供することができる。このようなヒンジ構造を設計し、たわみアームのたわみ角の望ましい範囲を得るための設計配慮点について、図４〜図８を参照し、下記により詳しく説明する。

実用的な外部キャビティダイオードレーザ装置の設計の場合のように、色分散性材料がレーザキャビティ内を異動する光路上に配置される場合、全光路長Ｌは波長の関数として変更し得る。よって、モードホップフリーのチューニングを提供するには、静止回動中心点の適切な配置に加えて、望ましいチューニング範囲にわたって色分散効果を調整するための第２の設計特徴が必要となりうる。図１を参照すると、レーザ利得媒体２の位置を調節し、またはレーザ利得媒体２とコリメータレンズ３とを含むアセンブリの位置を調節し、回折格子６上の点Ｐ２までの距離（固定距離Ｌ１）を適切に選択することにより、望ましいチューニング範囲にわたって色分散効果を調整可能である。
望ましいチューニング範囲にわたって色分散効果を調整するための距離Ｌ１の選択方法を、図１１〜図１３を参照して下記により詳しく説明する。

実際の製造許容差および制限のために、実用においては、ヒンジ軸ＨＡ１の位置や静止回動中心点Ｐ１の実際の位置は、チューニングミラーの有効反射面と格子表面の面との交差点に対してわずかに変位し得る。つまり、ヒンジ軸ＨＡ１または静止回動中心点Ｐ１の公称配置目標は、前記各面の交差点であり得るが、この公称配置では、完全には理想的な配置を達成しないこともある。しかし、ヒンジ軸ＨＡ１または静止回動中心点Ｐ１の公称配置が、実際の製造および組立許容差により達成し得る理想的な配置に十分に近いと仮定すると、ここで概説した固定距離Ｌ１を調節して色分散を調整する手順は、ヒンジ軸ＨＡ１または静止回動中心点Ｐ１の不完全位置に付随する効果をも調整することになるので、望ましい範囲にわたってモードホップフリーのチューニングを提供可能であることを理解されたい。

図３は、チューニング素子としての一例であるたわみ体１０と、色分散効果を調整するために配置された調節可能なレーザダイオードモジュール３０を備えるレーザ放射源と、を備えた外部キャビティダイオードレーザ装置１００の一例を示す。
レーザダイオードモジュール３０は、たわみ体１０に設置された状態が示されている。このたわみ体１０は、たわみヒンジ構造１１によりたわみ体１０に取り付け可能なたわみアーム１４を備えてもよい。なお、たわみヒンジ構造１１は、図３においてはレーザダイオードモジュール３０に隠れているが、図２Ａ、図２Ｂおよび図４において詳細に示されている。２つのアクチュエータ駆動機載置たわみ部１２、１３によって、圧電変換器６０をたわみ体１０のフレームとたわみアーム１４とに取り付けることができる。圧電変換器６０は、圧電変換器６０のたわみ部１２、１３への取付けに使用される結合フレーム６１を備えてもよい。結合フレーム６１を備えた圧電変換器６０としては、フランス、Cedrat Technologies社製、型番ＡＰＡ４０ＳＭのアセンブリが使用可能である。たわみ部１２、１３は、たわみヒンジ構造１１よりもより柔軟になるよう設計可能である。

アクチュエータ駆動機の代替タイプとしては、磁気歪、ボイスコイル駆動、直流（ＤＣ：Direct Current）およびステッピングモータ駆動に基づくアクチュエータなどが使用可能である。しかし、結合フレーム６１を備えた圧電変換器６０は、結合フレーム６１が十分に柔軟であるためにたわみ部１２、１３に加え、効果的に更なる自由度を実現するという利点があり、これにより、外部キャビティダイオードレーザ装置１００の可動および／または可曉素子が機械的に過剰な拘束を受けないようにするための一助となる。つまり、これにより、たわみアーム１４およびチューニングミラー４１を駆動して偏向させる間、たわみヒンジ構造１１が著しく応力を受けたり歪まされないことが確実となり得る。さらに、このことが効果的な静止ヒンジ軸および／または回動中心点を維持するための設計能力の一助となり、また、予測される動作範囲および動作状況下でたわみ材料の降伏強度の限界が超過されないようにするための一助となる。さらに、結合フレーム６１は、方向６２に沿った中央圧電素子の伸縮がたわみアーム１４の偏向方向と同一である方向６３に沿って増幅されるように形成可能であり、この特徴によって、一定のチューニング可能なレーザ配置においてよりコンパクトな寸法を実現することができる。また、中央圧電素子は、結合フレーム６１によって事前搭載してもよく、そうすることで圧電性結晶の安定性が高められる。

たわみ体１０は、例えばＰＨ１７−４などの強化バネ鋼などいずれの弾性材料で形成してもよく、さらに、例えば放電加工（EDM：Electrode Discharge Machining）などの適切な工程を採用し、多様なたわみ部分をこの材料で加工することができる。必要であれば、多様なたわみ部分の降伏強度を高めるために、多様な硬化工程を適用してもよい。たわみ体１０は、回折格子４０とレーザダイオードモジュール３０の両方がその表面に載置される光学台２１に取付け可能である。

光学台２１は、回折格子４０を載せる表面がレーザダイオードモジュール３０を載せる表面に対して明確な角度を持つように精密に加工され得る。この光学台２１は、レーザセルベース３１に載置され得る。ここで言う精密な加工とは、レーザダイオードモジュール３０からの平行出力光線５０が、光学台２１の対応する合わせ面に対して対応する部品を単に配置するだけで、回折格子４０の表面に対して望ましい入射角度を有していれば十分である。さらに、上記のような配置においては、レーザセルベース３１とこれに取り付けられるレーザダイオードモジュール３０とは、平行出力光線５０の方向に略沿って光学台２１の合わせ面に沿って直動可能である。これにより、下記に概説するが、レーザダイオードモジュール３０と回折格子４０との間の距離を調整する一方で、回折格子４０の表面に対する平行出力光線５０の望ましい入射角度は上記の調節の影響を受けずに済む。

レーザダイオードモジュール３０は、レーザダイオードを利用したレーザ利得媒体３５とコリメータレンズ３６とを備え得る。光は、レーザ利得媒体３５の前面に施された反射防止膜を通ってレーザ利得媒体３５から射出され得る。レーザダイオード面の反射防止膜のコーティング方法は既知であり、許容可能な品質の反射防止コーティングが施されたダイオードは、ドイツ、マールブルグのＳａｃｈｅｒ Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｋ社など。多くの販売者から入手可能である。コリメータレンズ３６は、レーザ利得媒体３５の前面から射出されるＰ偏光光線を平行化し得る。この平行出力光線５０は、図１中角度αで示されるように、回折格子４０の垂直軸に対する角度αで回折格子４０に入射し得る。

回折格子４０とレーザ利得媒体３５とは、この角度αが斜入射角となるように配置され得る。回折格子４０は、光線を回折して一次回折光線５１とし、この一次回折光線５１は、図１に示すとおり、回折格子４０の垂直軸に対する角度βで回折格子４０から射出される。回折格子４０から射出される０次回折の光線は、外部キャビティダイオードレーザ装置１００からの出力光線５２を構成する。

１次回折光線５１は、たわみアーム１４の載置面に載置されたチューニングミラー４１に入射し、選択された波長がチューニングミラー４１により回折格子４０に向かって逆反射され、さらに回折されレーザダイオードモジュール３０のレーザ利得媒体３５へ戻る。このようにして、たわみアーム１４のたわみ角（図２Ｂの角ＤＡ）によって、チューニングミラー４１はレーザ利得媒体３５にフィードバックされる波長を選択可能で、この波長は、回折格子４０からチューニングミラー４１の有効反射面に法線入射で回折される波長である。したがって、チューニングミラーのたわみ角は、外部キャビティダイオードレーザ装置１００の出力波長を決定することができる。

ヒンジ軸ＨＡ１（図２Ａおよび図２Ｂに最も明瞭に示される）を中心とするチューニングミラー４１のたわみ角ＤＡは、圧電変換器６０を制御することにより調節可能である。例えば、プラスまたはマイナスの比較的大きな電圧を変換器６０に印加することにより、変換器６０が方向６３に沿って比較的大きく伸縮する。この伸縮により、たわみアーム１４にそれぞれ下方への（押す）力または上方への（引く）力がかかり、これによってたわみアーム１４はたわみヒンジ構造１１の略静止ヒンジ軸ＨＡ１を中心に回転する。たわみアーム１４の動作により、たわみアーム１４に載置されたチューニングミラー４１の回折格子４０に対する角度および回折格子４０からの距離がモードホップフリーのチューニングに適した同期的な方法で変更される。

たわみヒンジ構造１１は、他の部品に対し相対移動や接触をする部品がないので、利点が大きい。たわみヒンジ構造１１の設計の一例を図４に示す。
たわみヒンジ構造１１は、２つの別体としてのたわみヒンジ構造１１ａ，１１ｂから成り、図示の通り、各々のヒンジや回動軸が同一線上になるように間隙を挟んで配置され得る。たわみヒンジ構造１１ａ，１１ｂ間の間隙により、レーザダイオードモジュール３０の配置を調整することができる。たわみヒンジ構造１１には相対移動する部品がないため、静摩擦やバックラッシュの影響を受けない。さらに、疲労因子などを考慮し、既知の技術を用いてたわみ材料の降伏強度に対して作用応力を適切に設計した場合、たわみヒンジ構造１１は実質的に無制限の使用寿命を実現することができる。

図３に示される設計の一例において、望ましいチューニング範囲は約±０．５ｎｍまたは約±１．０ｎｍとなり得る。このようなチューニング範囲を達成するには、例えば、レーザ利得媒体３５と回折格子４０との間の公称光路長（固定距離Ｌ１）を約１．９０５ｍｍとし、回折格子４０とチューニングミラー４１の有効反射面との間の公称距離Ｌ２を約１．１６７ｍｍとする。外部キャビティダイオードレーザ装置１００を望ましいチューニング範囲である約±０・５ｎｍまたは約±１．０ｎｍでチューニングするには、例えば、たわみアーム１４を約±０．１°偏向可能である。

ここに開示され紹介されるチューニング可能な外部キャビティダイオードレーザ用の機械的配置は、約±０．５ｎｍ、約±１．０ｎｍ、または約±５ｎｍの望ましいチューニング範囲に特に適していることを理解されたい。例えば、ここで説明したたわみヒンジ構造および色分散調整特徴は、上記のようなチューニング範囲での使用と両立し得るものであり、このチューニング範囲での使用において、チューニング応答速度および／またはアクチュエータ動力、動作安定性および／または精度、部品の数、および／またはモードホップフリーのチューニング用の組立や調節の容易さなど多くの改良点を提供する。より一般的には、ここに開示され紹介される多様な特徴、それら特徴の組み合わせ、および／または例示的な寸法は、上記のようなチューニング範囲での使用において特に望ましい。従来技術では、このような特徴、特徴の組み合わせ、および／または例示的な寸法は認識されていない。これは、それらが従来のシステムで予測されたより広いチューニング範囲および／または用途での使用において、両立しえないためである。しかし、約±０．５ｎｍ、約±１．０ｎｍ、または約±５ｎｍのチューニング範囲は、例えば、一次元および二次元絶対干渉距離、レンジング、または表面倣いシステムなどの一定のチューニング可能なレーザ用途での使用において望ましく満足なものとなりうる。

配置によっては、例えば、結合フレーム６１およびたわみ部１２、１３を通して生成される曲げモーメントや偏向によって、圧電変換器６０から生成される不要な力の成分が生じ得る。これらの不要な力の成分や曲げモーメントを最小限に抑えるために、たわみ部１２、１３は、たわみヒンジ構造１１よりもずっと高い柔軟性を備えるように設計され得る。たとえば、これらはたわみヒンジ構造１１と比較して約半分の厚さと約２倍の曲率半径を備え得る。上記に概説したように、ここに開示される原理によると、多様な機械的配置は、それらの設計や動きを規定する複雑な復元力や運動学の影響を受けやすい多様な曲げ素子および／またはたわみ素子を備え得る。配置の多様な動作性質および付随する力の相互関係を正確に決定するには、有限要素解析（FEA：Finite Element Analysis）を行ってもよい。例えば、たわみアーム１４の動きを算出するためのメッシュデータの一例を図４に示す。

たわみアーム１４が回転される時、図４に示される点Ｏ、Ａ、Ｂは、理想的には同一線上に維持され得る。しかし、たわみアーム１４により生じる（たわみアーム１４にかかる）曲げ応力は、たわみヒンジ構造１１の中心点Ｏ（Ｗ，Ｖ）を変位させるか、たわみアーム１４を曲げることになる。いずれの場合においても、たわみアーム１４に載置されたミラーは、理想的な静止回動中心点またはヒンジ軸を中心に回転し得ない。有限要素解析は、合理的に予測される力をかけて、点Ａ、Ｂを結ぶ線の傾きからたわみアーム１４の回転角度を算出し得る。点Ａ、Ｂを結ぶ線の回転角度および位置を知った上で、効果的な回動中心点またはヒンジ軸の位置が計算可能であり、これにより、モードホップフリーのチューニングを提供可能な設計の配置構成の選択あるいは確認が可能となる。

図５は、回転角度の多様な値における点Ｏ、Ａ、およびＢの座標を示す表である。図５では、偏向力の増加に伴い回転角度が増加すると、点ＡおよびＢの位置も同様に移動し得るが、たわみヒンジ構造１１の点Ｏ、つまり公称回動中心点またはヒンジ軸は略静止していることが示されている。

図６は、偏向力に伴う回転角度の関数としての中心点Ｏの位置をより高い倍率で示した表である。図６によると、たわみアーム１４の有効静止回動中心点の位置は、たわみヒンジ構造１１の中心から約０．１８８ｍｍの距離に位置し得る。しかし、この回動中心点は、圧電変換器６０の動作範囲を通して静止可能であるので、外部キャビティダイオードレーザはモードホップフリーのチューニングが可能である。

図４で示される設計において考慮が必要とされるたわみシステムの設計パラメータは、他にもある。第１として、圧電変換器６０の望ましい動作範囲を仮定すると、たわみヒンジ構造１１はその弾性変形の限界を越えることのないように設計されることが好ましい。第２として、動作の望ましい範囲を仮定した場合、圧電変換器６０は、そのブロック力、つまりアクチュエータが生成し得る力の最大量を超える力を荷重されないことが好ましい。これらの調整は、図４に示されるようなたわみ部に適用される既存の分析モデルを使って適宜算出可能である。

図７は、たわみヒンジ構造１１ａ，１１ｂの幾何学的形状の一例を示す。たわみヒンジ構造１１ａ，１１ｂは、たわみヒンジ構造１１ａ，１１ｂの近辺を囲む余剰材料に、ドリル加工または他の方法で、互いに近接し、望ましいヒンジ軸に平行の２つの円筒状の孔を開けることで形成可能である。これらの孔の半径は、図７に示すとおりＲであり、各孔の周縁間の最小距離はｔである。たわみ部の精度は、最小たわみ厚さｔの近辺のこれら２つの孔の形状および位置の精度により決定され得て、たわみ部の残りの部分はその動作を決定する上で２番目に重要である。たわみヒンジ構造１１ａ，１１ｂの近辺を囲む余剰材料は、その後、放電加工などにより取り除かれ、略図示の通りの半円切欠を残す。このような手順により、たわみヒンジ構造１１ａ，１１ｂが加工中に機械的な超過応力を受けたり、あるいは、歪まされることがないことを確実とする一助となる。得られた半円切欠１１０，１１２は、小さい回転角度の弾性回転軸受として機能するたわみ部を形成し得る。得られたたわみ部の厚さをｂ、最小厚さをｔ、最大厚さをｈとする。この軸受の回転角度は、負荷される曲げモーメントＭによって直線状に変化する。

曲げモーメントＭは、モーメントアームの長さＬで割ったモーメントアームに垂直のアクチュエータの力の成分により得られる。小さい偏向において、またｈ／（２Ｒ＋ｔ）の比が約１と仮定すると、曲げモーメントＭに対するヒンジ回転角度θの比は、下記の式（２）で表される。

ここで、Ｅは、材料の弾性係数であり、ｂ、ｔ、およびＲは図７に示すとおりである。上記式（２）は、たわみ材料の弾性限界まで有効である。

図７に示される半円状のたわみ設計は一例にすぎず、また、適合する可撓性ヒンジを作るための他の多くの方法や設計が存在することを理解されたい。可撓性ヒンジを作るためには、例えば、正方形、扁円、長方形など他の形状の切欠を使用可能である。
図７に示される半円設計は、製造やモデリングが比較的簡単であるため、採用されている。ヒンジ部の材料としては、適切なコンプライアンスと降伏強度を備えた弾性材料であればよく、ＰＨ１７−４は一例にすぎない。可撓性ヒンジ部の形状および適した弾性材料を選ぶ際に考慮すべき点については、後にさらに詳しく述べる。

機械的システム破壊としては、例えば、降伏破壊、破断破壊および／または疲労破壊が挙げられる。金属のような延性材料の主な破壊メカニズムとしては、降伏破壊が挙げられる。降伏破壊は、変形がその材料の比例限度を超えて（フックの法則領域）可塑性変形に入る不可逆プロセスである。延性材料において、降伏破壊は、破断破壊の前に起こり得るもので、通常、検査において目視では確認できない。疲労破壊は、例えば、材料への周期的な荷重により起こり得るもので、その材料の降伏応力限界よりも低い応力で起こり得る。

降伏破壊は永久的にたわみ材料を変形させるので、たわみ部の設計において重大な制限となり得る。
図７に示すように、たわみヒンジ構造１１では、曲げ応力はたわみ部の表面に集中して、ここに最大引張力および最大圧縮力がかかる。半円切欠たわみ部における降伏破壊に至る前の最大曲げモーメントＭｍａｘは、下記の式（３）で表される。

上記式（４）は、半円切欠形状による応力集中因子であり、σｍａｘは、たわみ材料の最大降伏応力である。上記式（４）から、最大降伏応力を超えずにたわみ部が回転可能な最大角度は、切欠の曲率半径の厚さに対する比にのみ依存することが示される。下記の表１は、ＰＨ１７−４のステンレス鋼の半径Ｒ＝ｔ／２、Ｒ＝ｔ、およびＲ＝２ｔと仮定した場合の、最大角度の一例および対応するレーザチューニング範囲の一例を示す。レーザの波長変化は回転角度に比例する。表中に示される波長範囲は、一次回折角度２５°、回折格子周期性１８００線／ｍｍのリットマンレーザ配置における公称７８０ｎｍのレーザ出力波長を前提とする。

表１における設計値に対応する設計の配置構成の一例は、約０．５ｎｍ／ｍｒａｄのチューニング率を提供し得ることが示される。むろん、より長い公称レーザ出力波長が使われる配置では、与えられたたわみ角に対する最大チューニング範囲は比例的に増加し得る。例えば、公称レーザ出力波長が１５５０ｎｍの場合、最大チューニング範囲は表１に示される最大チューニング範囲の約２倍である。よって、表１に示される値は、単なる一例にすぎず、これに制限されるものではない。

たわみ部の厚さｔは、たわみ部の共振周波数を増加させるために、結合フレーム６１を含む圧電変換器６０からなるアセンブリのような圧電変換器の力容量を超えない範囲で、可能な限り堅く（最低コンプライアンス）設計され得る。前述したように、特定のアクチュエータにより伝達される力は、アクチュエータのブロック力として知られている。例えば、結合フレーム６１と組み合わせた圧電変換器６０は、１９４Ｎのブロック力を持ち得る。多様な実施形態において、望ましいチューニング範囲を包含するには、約±１０ｍｒａｄの回転が望ましい。上記の式（３）および２５ｍｍのレバーアームを使うと、１０ｍｒａｄの回転におけるたわみ部厚さに対する必要なブロック力を算出可能である。

図８は、Ｒ＝ｔ／２、Ｒ＝ｔ、Ｒ＝２ｔ、全幅ｂ＝１８ｍｍのたわみ形状におけるたわみ部の厚さに対して１０ｍｒａｄの角度でたわみヒンジ構造１１を回転させ際に２５ｍｍのレバーアームに必要な力のプロットの一例である。図８に示されるように、これらの設計のいずれも約１４５Ｎ以上のブロック力を提供する能力のあるアクチュエータに適する。

図３に示される圧電変換器６０のようなアクチュエータは、多様な目的を満たすように選択され得ることを理解されたい。アクチュエータは、オフの時、例えば衝撃、振動、あるいは取扱いによりたわみアーム１４が表１に示される最大角度を超えて曲げられるのを防ぐための停止手段として機能するのに十分な堅さを備え得る。アクチュエータがオンの時は、むろん、望ましい偏向およびチューニング範囲を与えるのに十分な力を伝達すべきである。しかし、アクチュエータおよび／またはその制御回路は、アクチュエータがたわみヒンジ構造をその降伏破壊点を越えて曲げる程の力を伝達し得ないように選択可能である。

前述したように、図７に示されるたわみ部の設計は静止回動中心点を提供するよう選択可能であるが、式（１）で表されるモードホップフリーのチューニングに要する条件は色分散の存在によって変更され得る。コリメータレンズ３６のガラスおよびレーザダイオードモジュール３０のレーザ利得媒体３５は、波長の関数として、これらの部品を通して光路長を変更する色分散を示し得る。

レーザ利得媒体３５の背面から回折格子４０までの光路長Ｌ１（λ）は、色分散により変更し得て、下記の式（５）により表され得る。

式（５）において、ｎｄ（λ）ｌｄはレーザ利得媒体３５の光路長であり、ｎａ（λ）ｌａは回折格子４０とレーザ利得媒体３５との間の空隙の光路長であり、ｎ１（λ）ｌ1はコリメータレンズ３６の光路長である。レーザ媒体は有効屈折率を有する導波管でもあり活性利得媒体でもあるため、その分散は、正確にモデリングするのは難しいといえる。それでも、例えばレーザ利得媒体３５およびコリメータレンズ３６（つまり、レーザダイオードモジュール３０）を回折格子４０に対して光路に沿って直動させ長さＬ１を調節し、これにより色分散効果を補正または調整して、モードホップフリーのチューニングを達成することができる。

連続チューニングにおいて、チューニングされた波長における全光路長Ｌは、隣接する次モードを振動させる量ほど変更してはならない。ここで、チューニングモード誤差Δｍとして理想的なチューニングとの違いを参照する。数学的には、この違いは下記の通り表される。

上記式（６）において、λ０はチューニング範囲の中心波長である。
図９は、前述したレーザ利得媒体２の背面７と回折格子６との間の固定距離Ｌ１と、チューニングミラーのたわみ角により決定された約±１ｎｍの範囲の波長範囲にわたってチューニングさせた７８０ｎｍレーザ（つまり、７７９ｎｍ〜７８１ｎｍ）、回動中心点が最適に位置合わせされたキャビティ、に対する３つの異なる値に関連するチューニングモード誤差を示す。
１つの例では、Ｌ１は、最適または理想的な長さを有し、また他の２つの例では、Ｌ１はその最適または理想的な長さからいずれの方向においても±１００μｍ異なる。レーザ利得媒体３５と回折格子４０との間の公称または理想的な光路長の距離Ｌ１が約１．９０５ｍｍである配置を図３を参照して説明した。より一般的には、公称または理想的な光路長の距離Ｌ１は、本明細書やここに組み込まれた参照文献における関連した開示に従って決定可能である。チューニング誤差Δｍの値が±０．５を超えると、モードホップが起こり得る。図９に示されるモデルでは、Ｌ１がその最適または理想的な長さからいずれの方向においても±１００μｍ異なる場合、モードホップフリーのチューニングは約±０．８ｎｍ（約７７９.０〜７８０．６ｎｍ）の範囲に制限され得ることが示される。さらに、図９に示されるモデルは、たわみアーム１４の有効回動中心点が正しく選択され静止状態に保たれる限り、Ｌ１を略理想的な長さに調節することにより、±１ｎｍをはるかに超える範囲においてモードホップフリーのチューニングが達成可能であることを示す。

図９中の「最適な」誤差ラインは顕著ではない誤差のみを示すが、前述した特許文献２に記載されるように、このモデルが延長された波長チューニング範囲、例えば５〜１０ｎｍなどにわたってプロットされている場合、実際には該誤差ラインは顕著な誤差を示すであろう非線形誤差曲線の比較的平坦な底部に対応し得ることを理解されたい。それでも、下記にさらに詳しく述べるように、Ｌ１を略理想的な長さに調節することは、ここに記載される他の多様な設計特徴と併せて使用可能な技術であり、これにより、約±０．５ｎｍ、約±１．０ｎｍ、または約±５ｎｍのチューニング範囲にわたってモードホップフリーの非常に望ましいチューニング可能な外部キャビティダイオードレーザを提供する。

しかし、最も望ましく動作させるには、Ｌ１の調整と併せて、次にレーザダイオードモジュール３０を、回折格子４０やチューニングミラー４１を含むキャビティの他の部品と慎重に位置合わせしなくてはならない。図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ、レーザダイオードモジュール３０と関連する載置構成の一例を示す、レーザダイオードモジュール３０からの光線路に略沿った図およびこの光線路に直交する方向に沿った側面断面図である。レーザダイオードモジュール３０の位置合わせは、例えば、レーザ光線路に略沿った図である図１０Ａに示される位置合わせネジとしてのクランプネジ３３ａ，３３ｂ，３３ｃおよび図示しない光学オートコリメータによって達成可能である。これら３つのネジ３３ａ，３３ｂ，３３ｃはたわみ体１０の適切な位置に螺合され、それぞれの端部はレーザセルレール３４ａ，３４ｃの上部に係合するように円錐形状に研磨され、これが光学台２１の表面に対して「ロック」された状態となるようにレーザセルベース３１を押圧する。ネジ３３ａ，３３ｂは、（図１０Ａおよび図１０Ｂ中の面内および面外方向へ互い違いに）ずれることができるため、このネジ３３ａ，３３ｂが互いに対して延出および後退することにより格子に対するレーザ光線の偏揺れも調節可能である。下記に示す多様なステップを踏むことにより、外部キャビティレーザ素子が適切に位置合わせされていること、および、外部キャビティレーザがその範囲にわたってモードホップフリーで確実にチューニングされ得る。

外部キャビティレーザのモード安定性を示すには、外部キャビティからレーザ媒体へのフィードバックは、レーザ発振を制御するに足る高さであるべきである。キャビティ損失は、設計上の多くの側面の影響を受けることがある。外部キャビティのレーザ媒体への結合を最大限にするためには、後述するとおり、慎重な設計ガイドラインおよび位置合わせ手順に従ってもよい。

レーザ利得媒体３５の利得閾値はその屈折率と強く関連しており、閾値の利得リップルは、双安定、チューニング非線形性、および／または、軸モード不安定性のような望ましくない現象を引き起こし得る。これらの不安定性により、外部キャビティ反射性が表面反射性よりも高い領域でレーザダイオードを動作させることが望ましいといえる。よって、レーザダイオードは、前面に優れた反射防止膜を備え得る。強い外部フィードバックに加え、キャビティはレーザ導波管への低損失結合が確実となるように設計され、組立てられるべきである。

レーザダイオードの外部キャビティへの効率的な結合を確実にするためには、口径の十分に大きなコリメータレンズを使用することができる。レーザダイオードは、その導波構造のために、一般的に最大３０°の非常に大きな発散角を有する。そのようなダイオードを視準するには、ＮＡ＞０．５５の口径を持つコリメータレンズを使用することができる。出力発散のより狭いレーザダイオードも使用可能であり、これによってダイオードはより効果的に結合され、平行光線の波面誤差が減少される。このレンズも、コーティングし、反射性損失を減少し得る。

波面歪みは、出力光線と戻り光線との間の重なり積分を減少し得るので、全ての部品が光学的に平坦であることが指定される。λ／４波面誤差は、結合効率において２ｄＢ損失に対応する。ダイオードレーザの光線中に存在する数μｍの非点収差もまた結合損失を増加させ、性能を改善させるために補正可能である。広いチューニング範囲におけるコリメータレンズの色収差もまたレーザの結合に影響を与え得る。

外部キャビティからのフィードバックは、回折格子４０およびチューニングミラー４１のずれに非常に影響されやすい。図１を参照すると、平行なレーザ光線４、一次回折光線９、およびチューニングミラー５に反射された光線は、全てチューニングミラー５の回動軸に垂直な平面内に位置するべきである。光が効率的にレーザ導波管に結合されて戻るための位置合わせ感度は、対応する結合係数成分κｔにより表される。

上記式（７）において、δはレーザ導波管とキャビティモードとの間の角度的なずれを示し、ωｇはキャビティ光線のウェスト半径を示す。式（７）によると、外部キャビティの結合効率における３０％の減少は、δ＝１５秒の入射光線と逆反射された光線との間の角度的なずれとして算出可能である。この角度的なずれの要因としては、コリメータレンズ３６の変位、回折格子４０の傾きおよび傾斜、および／またはチューニングミラー４１の角度的なずれが挙げられる。

式（７）によると、結合効率は、レーザダイオードモジュール３０の回折格子４０およびチューニングミラー４１に対する位置合わせに非常に影響されやすい。レーザを効果的にチューニングするように、下記に概説される位置合わせ手順に従うことができる。外部キャビティの光学素子の位置合わせは、オートコリメータ２００を使用することにより達成可能である。

オートコリメータは、光をオートコリメータへ逆反射して戻すミラーに平行光線中の網線の像を投写する装置である。ミラーがオートコリメータの光路に対して正確に垂直である場合、光線は同じ光路に沿って反射される。ミラーがある角度傾斜されると、反射光はある角度でオートコリメータに入射し、対物レンズにより網線の中心から変位した点に焦点を合わされる。この網線の中心からの距離により、ミラーの角度的な変位が測定される。

位置合わせの１つの方法によると、第１ステップでは、オートコリメータ２００は、たわみアーム１４の回動軸に平行または垂直であると知られているたわみ体１０および／または光学台２１の表面を基準とし得る。例えば、オートコリメータはその光軸が回動軸に垂直となるように位置合わせされ得る。そして、オートコリメータを使用して、回折格子４０を、その回折刻線が回動軸に平行となるように光学台２１上に位置合わせし得る。この場合、オートコリメータ光線の垂直反射および格子によるリトロー配置の回折は共にオートコリメータの網線に位置合わせされる。第２ステップでは、オートコリメータ２００は図１１に示すように配置され、これによりオートコリメータの光軸は前ステップで位置合わせされた回折刻線に垂直になる。さらに、オートコリメータを使用して、レーザモジュールからの平行出力光線５０および／または出力光線５２も回折刻線に垂直になるようにレーザダイオードモジュール３０を位置合わせし得る。オートコリメータ２００の光軸は、このようにして外部キャビティダイオードレーザの出力光線５２の望ましい光軸と共線となる。

チューニングミラー４１の位置合わせに関して、妥当な機械的位置合わせ許容量を提供し、外部キャビティとレーザダイオードとの間に特にロバスト性のある安定した結合を提供するためには、反射直角二面プリズムをチューニングミラー４１に使用できる。直角二面プリズムは、互いに直角の２つのルーフ面を備えてもよい。直角二面プリズムは、ルーフ面の交線がレーザキャビティの回動軸に対して垂直になるよう載置され得る。なお、これらの位置合わせに関しては既存の技術、例えば米国特許第５，５９４，７４４号に開示された技術を適宜利用することができる。光は、全反射によりプリズムの垂直背面に反射し、戻り光線がその光軸面に残る。プリズムの先端が回動軸に垂直かつ格子の分散面および視準軸に垂直であるとき、二面プリズムの傾斜のわずかな変化にかかわらず、プリズムはレーザ光線をレーザ光線の光軸面に沿って逆反射可能である。二面プリズムは、ε＜２秒の９０°ルーフの角度において、加工誤差εを有するものと特定され得る。これにより、入射レーザ光線に対する反射レーザ光線の面外方向の偏差を最小限に抑えられる。また、プリズムは、反射光線の波面において１／４波長誤差未満であることも必要とされ得る。これにより、８秒未満の入射面に対するルーフの先端の平行度を厳しく規制し得る。

外部キャビティダイオードレーザは、モードホップフリーのチューニングができるよう設計可能である。キャビティ長の機械的許容量は、モードホップフリーの連続チューニングにおいては数十μｍの範囲とすることができる。これは、図９に関連して前述したとおり、回折格子４０とレーザダイオードモジュール３０との間の距離Ｌ１を微調節することにより達成可能である。この距離Ｌ１は、例えば、レーザダイオードモジュール３０を、その出力光線路のヒンジ軸ＨＡ１に垂直な平面内における位置合わせを維持しつつ、光学台２１の表面に沿って直動させることにより調節可能である。細目ネジ３２は、図３に示すようにレーザセルベース３１の後部に配置可能で、これにより、制御された距離Ｌ１の調節が実行し得る。

レーザダイオードモジュール３０の位置決めは、まず、図１０Ａに示されるクランプネジ３３ａ、３３ｂ、３３ｃの１つかそれ以上を緩めることで実行可能である。そして、キャビティ長は、長さ調節ネジとしての細目ネジ３２を例えば半周回転させることにより調節可能であり、これによりキャビティ長の微調節を行うことができる。キャビティ長を調節すると、光線の照準合わせは変動し得る。レーザ光線が外部キャビティの回動軸に対して的確に位置合わせされることを確実とするためには、図１１に示すオートコリメータを使用することができる。オートコリメータの網線上のレーザ光線の位置は、例えば、ネジ３３ａ、３３ｂを使用してレーザ偏揺れを調節し、ネジ３３ｃを使用してセンタリングを調節することにより、調節可能である。その後、クランプネジは締められ得る。

図１０Ａに示すクランプネジ３３ａ〜３３ｃを含むクランプ構成により、距離Ｌ１を調節する１つの選択肢が与えられることを理解されたい。ただし、他にも多くのクランプおよび／または接着構成の選択肢がありうる。さらに、別の方法で距離Ｌ１を調節する手段を備えた他の外部キャビティダイオードレーザの配置も提供可能である。たとえば、ある構成においては、たわみ体１０と同様の代替たわみ体が光学台２１の一部と同様の部分を一体化するか、あるいは、備え得る。この部分は、回折格子４０が代替たわみ体に沿って移動するように回折格子４０を載置可能なおよび／または調節可能な載置面を備える。レーザダイオードモジュール３０などは、光学台２１の他の部分に似た部分を備えるベース部材上に固定および／または調節され得る。この部分は、レーザダイオードモジュール３０がベース部材に沿って移動するようにレーザダイオードモジュール３０を載置可能なおよび／または調節可能な載置面を備える。このベース部材と代替たわみ部は、組立て後の予想される平行出力光線５０の向きに公称的に平行である補完的な嵌合および位置あわせ面を備え得る。よって、距離Ｌ１を調節するためには、回折格子４０を含む代替たわみ部は、ベース部材に対して、平行出力光線５０の方向に沿って調節され得る。

調節方法にかかわらず、距離Ｌ１の適切な設定を調節および／または実証するには、例えば、０〜１５０Ｖの電圧を圧電変換器６０に印加することにより、望ましいチューニング範囲にわたってレーザ波長を走査してもよい。電圧は、例えば、３０Ｈｚで三角波として圧電変換器６０に印加され、これによりレーザをその全波長範囲にわたって走査することができる。走査中、図１１の配置を採用すると、レーザの出力は、そのレーザ力にはフォトダイオード２４０を使って、また波長走査範囲に沿った波長スケールの設定にはファブリ−ペロエタロン透過検知器２２０を使って、モニタ可能である。ファブリ−ペロエタロン透過検知器２２０の透過ピークは、例えば、８ＧＨＺ毎に発生し、これにより出力パワー信号と同期する波長参照信号を提供する。図１１に示すように、ダイオードレーザ出力光線５２は、光線スプリッタ２１０、２３０により、オートコリメータ２００およびファブリ−ペロエタロン透過検知器２２０に向かって偏向される。

図１２は、前述したプロセスの実験結果を示す。上部のトレースは、ＭＨ１およびＭＨ２と示された位置においてモードホップが発生している場合のフォトダイオード２４０の出力パワーを示し、底部のトレースは、ファブリ−ペロエタロン透過検知器２２０の透過ピークを示す。図１２のチューニング範囲は０．８８ｎｍである。図１２に示されるデータにおいて、２つの非連続的な跳ね上がり、すなわち、ＭＨ１およびＭＨ２が出力パワー中に示され、これらは軸モード間のレーザによるモードホップに対応し得る。レーザダイオードへの入力電流は３３ｍＡであり、フォトダイオード２４０により検出された平均出力パワーは約３ｍＷである。図１２に示されるように、モードホップフリーのチューニング範囲は約０．４ｎｍであるため、０．８８ｎｍの走査範囲において２箇所のモードホップが確認され得る。

図１３は、前述したように、レーザダイオードモジュール３０の配列を維持しつつ距離Ｌ１の調節をした後の実験結果を示す。距離Ｌ１の調節後、レーザは、波長の関数として、滑らかに変動する連続出力パワーを示し、モードホップフリーのチューニングを示している。レーザパワーの滑らかに変動する振動は、単一のダイオードにより形成されるキャビティと外部キャビティとの間の干渉によるものであり得る。図１３中の３つの異なる出力曲線は、レーザダイオードの３つの異なる駆動電流に対応し、それぞれ、４０ｍＡ（下部の曲線）、５０ｍＡ（中部の曲線）、６０ｍＡ（上部の曲線）である。図１２を参照して前述したように、底部のトレースは、ファブリ−ペロエタロン透過検知器２２０の透過ピークを示す。

なお、本発明は前述した実施形態に限らず、多様な実施形態が可能であり、これらにより、特に経済的で、持続性が高く、ロバスト性のチューニング部品を使用しつつも、高スピード、高精度および高信頼性で走査可能な外部キャビティダイオードレーザが提供可能である。

上記説明から、このような外部キャビティレーザが、非常に狭く精密に制御された通信波長が望ましい高密度波長分割多重通信システムでの使用や、多重波長（絶対）位相干渉法、検査機器、実験器具などでの使用を含む多くの用途を有することを理解されたい。

上記に概説した実施形態と共に、多様な詳細についても説明したが、当業者にとってこの開示に基づいた多くの代替、改良および変更が明白であることは明らかである。従って、上記に示された詳細は、例示を目的としたものであり、これに限られるものではない。

本発明における外部キャビティダイオードレーザの幾何学的パラメータを示す図である。 本発明における利用可能なたわみ体の一例を示す斜視図である。 本発明における利用可能なたわみ体の一例を示す斜視図である。 図２Ａおよび図２Ｂのたわみ体を使用したチューニング可能な外部キャビティダイオードレーザアセンブリの一例を、レーザ光線面から見た側断面図である。 図３のチューニング可能な外部キャビティダイオードレーザアセンブリのたわみチューニングアームの有限要素解析に使用されるメッシュデータを示す図である。 図４におけるメッシュデータの有限要素解析の結果を、たわみ角の関数として示す表である。 図４における有限要素解析の結果として得られたたわみヒンジの公称回動中心点を、たわみ角の関数として示す表である。 たわみヒンジのパラメータを示す図である。 たわみ部の厚さに対して、たわみヒンジを１０ｍｒａｄの角度まで回転させるのに必要な力を示す表である。 別の様態で最適に配置された外部キャビティにおいて、レーザダイオード素子と格子素子との間の距離を示す３つの異なる値に付随したチューニングモード誤差を、この外部キャビティのチューニングされた波長の関数として示す表である。 レーザダイオードモジュール載置機構の一例を示し、レーザダイオードの光線路に略沿った図である。 レーザダイオードモジュール載置機構の一例を示し、前記光線路に直交する方向に沿った側断面図である。 外部キャビティダイオードレーザアセンブリの出力パワーを測定するオートコリメータ、フォトダイオード、およびファブリ−ペロエタロンの構成の一例を示す側断面図である。 チューニング範囲においてモードホップがあるレーザダイオード出力の波長スキャンを示す表である。 チューニング範囲においてモードホップが無いレーザダイオード出力の波長スキャンを示す表である。

符号の説明

１，１００ 外部キャビティダイオードレーザ装置（レーザ）
２，３５ レーザ利得媒体
３，３６ コリメータレンズ
４，５２ 出力光線
５，４１ チューニングミラー
６，４０ 回折格子
１１，１１ａ，１１ｂ たわみヒンジ構造
１４ たわみアーム
ＤＡ 角
ＨＡ１ ヒンジ軸
Ｌ 全光路長
Ｌ１ 固定距離
Ｌ２ 可変距離
Ｐ１ 静止回動中心点

Claims (10)

1. 外部キャビティレーザ装置であって、
   利得媒体を備え、平行放射光線を出力するレーザ放射源と、
   前記放射光線を回折する格子素子と、
   前記回折された放射光線を反射して前記レーザ放射源に戻すチューニングミラーと、
   前記チューニングミラーを支持しかつ所定のヒンジ軸を中心に回動可能なたわみヒンジと、を備え、
   前記ヒンジ軸は、前記格子素子で規定される第１面と前記チューニングミラーで規定される第２面との交差線に沿って設定されていることを特徴とした外部キャビティレーザ装置。
2. 請求項１に記載の外部キャビティレーザ装置において、
   前記チューニングミラーが前記ヒンジ軸を中心に回動する際に、前記たわみヒンジの前記ヒンジ軸は、少なくとも前記外部キャビティレーザの第１のチューニング範囲を通して略静止状態であることを特徴とした外部キャビティレーザ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の外部キャビティレーザ装置において、
   さらに、前記レーザ放射源と前記格子素子との間の距離を調節する調節機構を備えたことを特徴とする外部キャビティレーザ装置。
4. 請求項３に記載の外部キャビティレーザ装置において、
   前記調節機構は、少なくとも前記平行放射光線の方向に沿って前記レーザ放射源の位置を調節するのに使用可能であることを特徴とする外部キャビティレーザ装置。
5. 請求項３に記載の外部キャビティレーザ装置において、
   前記調節機構を調節して少なくとも色分散効果を調整することにより、前記外部キャビティレーザが望ましいチューニング範囲にわたってモードホップフリーのチューニングを提供することを特徴とする外部キャビティレーザ装置。
6. 請求項５に記載の外部キャビティレーザ装置において、
   前記調節機構の調節は、
   前記望ましいチューニング範囲にわたって、前記外部キャビティレーザを走査する工程と、
   前記望ましいチューニング範囲にわたって、前記外部キャビティレーザの出力パワーをモニタする工程と、
   前記モニタされた出力パワーに基づいて前記調節機構を調節する工程と、を備えたことを特徴とする外部キャビティレーザ装置。
7. 請求項１から請求項６までの何れかに記載の外部キャビティレーザ装置において、さらに
   前記チューニングミラーに結合された第１たわみ素子と前記外部キャビティレーザの不動部に結合された第２たわみ素子との間に結合されるアクチュエータを備え、前記アクチュエータは前記たわみヒンジの前記ヒンジ軸を中心に前記チューニングミラーを回動させるよう動作可能であることを特徴とした外部キャビティレーザ装置。
8. 請求項１から請求項６までの何れかに記載の外部キャビティレーザ装置において、
   前記アクチュエータは、電動素子と、この電動素子を前記第１および第２たわみ素子に結合させる結合フレームと、を備えたことを特徴とする外部キャビティレーザ装置。
9. 望ましいチューニング範囲にわたってモードホップフリーのチューニングを提供するために、外部キャビティレーザ装置を調節し、少なくとも色分散効果を調整するための外部キャビティレーザ装置調整方法であって、
   前記外部キャビティレーザ装置のチューニングミラーに結合されるアクチュエータを駆動し、これにより、前記外部キャビティレーザが望ましいチューニング範囲にわたって走査するように、前記チューニングミラーをたわみヒンジのヒンジ軸を中心に回動させる工程と、
   前記望ましいチューニング範囲にわたって、前記外部キャビティレーザ装置の出力パワーをモニタする工程と、
   前記モニタされた出力パワーに基づき、前記外部キャビティレーザ装置のレーザ放射源と格子素子との間の距離を変更する調節機構を調節することにより、前記望ましいチューニング範囲にわたって前記モードホップフリーのチューニングを提供する工程と、を備えたことを特徴とする外部キャビティレーザ装置調整方法。
10. 外部キャビティレーザ装置におけるモードホップフリーのチューニング範囲を拡大するために少なくとも色分散効果を調整する外部キャビティレーザ装置調整方法であって、
    前記外部キャビティレーザ装置の出力波長のチューニングの関数として、前記外部キャビティレーザ装置の出力パワーを測定する工程と、
    前記外部キャビティレーザ装置のレーザ放射源と回折素子との間の距離を調節する工程と、
    前記出力波長のチューニングの関数としての前記出力パワーを再測定する工程と、を備えたことを特徴とする外部キャビティレーザ装置調整方法。

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