JP2008536333A - 同調可能外部キャビティレーザのためのモード整合システム - Google Patents

Abstract

外部キャビティレーザはレーザ発振キャビティ及び光結合されたフィードバックキャビティを備え、共振レーザ発振モード周波数間隔と共振フィードバックモード周波数間隔は異なる。レーザ発振モードは選択されたフィードバックモードに一括して、または個別に、整合させることができる。例えば、個々のレーザ発振モードをシフトさせて選択されたフィードバックモードに一致させるために、レーザ発振キャビティを駆動する電流を調節することができる。

Description

同調可能外部キャビティレーザは、ある範囲のビーム周波数を増幅するための共振モードを有するレーザ発振キャビティ及び、レーザ発振キャビティに光結合され、レーザのビーム周波数出力を同調するための選択を受ける共振モードを有するフィードバックキャビティを備える。

光は、前面と背面の間のレーザキャビティ内で、波長の整数倍でなされる両面間の完全な往復によって定在波が生じる特定の周波数モードにおいて共振する。レーザキャビティ内の利得に対するポテンシャルは周波数の分布関数として変化し、光パワーは利得が最大になる、逆に言えば損失が最小になる、周波数モードに集中する傾向がある。レーザキャビティ内のレーザ発振媒質との遭遇以外のレーザキャビティ内での光の他の遭遇のほとんどは損失をともない、一般に損失が最小になるモード周波数がレーザによって最も増幅される周波数モードである。

レーザ源の周波数同調は一般に、損失が最小になる公称周波数を変更するための、レーザキャビティ内で光が発振する条件の調節を含む。これを行う一方法はレーザの出力を光の発振にさらに関与する隣接キャビティに結合することである。外部キャビティは、利得媒質で満たされ、「レーザ発振キャビティ」と称される本来のキャビティ、及び、それほど満たされてはおらず、「フィードバックキャビティ」と称される隣接キャビティを有する。

いわゆる「リトロー」キャビティ構成によれば、フィードバックキャビティは、光の一部を（一次で）回折してレーザ発振キャビティに向かう後方反射経路に戻し、光の別の一部をレーザ出力として（０次で）第２の方向に反射する、回折格子の形態の調節可能な出力ミラーまたはカプラを有する。レーザ発振キャビティ及びフィードバックキャビティは、レーザキャビティの前面上の活性領域を通して放射される光をコリメートする、コリメートレンズによって結合される。光が格子から回折される角度は周波数の関数として変化する。回折光の内、限られた周波数帯域だけが、後方反射経路と十分に揃えられて、レーザ発振キャビティ内への再入射のために前面の活性領域上にコリメートレンズによって集束される。回折格子の傾角を制御することによって、後方反射されてレーザ発振キャビティに戻ることができる周波数を調節することができる。

回折格子による回折に利用できる周波数はレーザ発振キャビティで増幅されてレーザ発振キャビティから放射される周波数に限定される。放射される周波数のいずれかをレーザ発振キャビティに戻す効果は、受ける利得及び損失の相対量を放射される周波数の間で変更することである。結合されたレーザ発振キャビティとフィードバックキャビティにおいても発振することができる帰還周波数によって損失プロファイルへのより大きな効果が生じる。損失はさらに、フィードバックキャビティの両端の間（すなわち、レーザ発振キャビティの前面と回折格子の間）を伝搬するときに往復毎に正確に２πの整数倍の位相を生じる条件を満たすさらに数が限定された一組の周波数によって低減される。フィードバックキャビティの周波数モードは一般にレーザ発振キャビティの周波数モードより間隔が密である。

外部キャビティレーザの周波数出力は、レーザ発振キャビティ内で増幅を受ける連続周波数範囲にわたって、あるいはレーザ発振キャビティとフィードバックキャビティの結合共振周波数に対応する離散ステップで、制御、すなわち同調することができる。単一出力周波数に有利なスペクトル的に純粋な周波数出力は、レーザ発振キャビティ及びフィードバックキャビティの両者内の共振モードの整合に依存する。理想的には、フィードバックキャビティの周波数選択素子（例えば回折格子）によって後方反射される周波数は、フィードバックキャビティの共振（モード）周波数及びレーザ発振キャビティの共振（モード）周波数のいずれとも整合すべきである。フィードバックキャビティ内で共振がかかる周波数がレーザ発振キャビティ内の共振に有利な周波数の内の１つと整合しなければ、出力ビームのスペクトル純度は低下する。得られる出力ビームは複数の周波数を含むことになり、したがってコヒーレンスが低くなり得る。さらに、出力ビームの公称周波数はレーザ発振キャビティの自然モード周波数から外れることがあり得る。フィードバックキャビティによってサポートされるモード周波数がレーザ発振キャビティの２つのモードの間にあると、あるいはレーザ発振キャビティのモード周波数がフィードキャビティの２つのモードの間にあっても、不安定性が高くなり得る。夾叉モード周波数のいずれかまたはいずれもが増幅され得る。

固定長を有するフィードバックキャビティの共振モード周波数は、端面間の伝搬のほとんどが分散（すなわち屈折率の周波数依存性）を僅かしか示さない空気を通しておこるから、等間隔になる傾向がある。しかし、レーザダイオードのレーザ発振キャビティのような、固定長を同じく有するレーザ発振キャビティの共振モード周波数は、レーザ発振媒質は一般に分散を示すから、増幅周波数範囲にわたって間隔にいくらかの変動を受け得る。したがって、レーザ発振キャビティモードとフィードバックキャビティモードの間の間隔が、増幅のピーク周波数のような、１つの周波数で整合されていても、レーザ発振キャビティモードとフィードバックキャビティモードの間の間隔の整合は、高周波数側または低周波数側では次第に外れてくる。レーザ発振キャビティモード間の公称間隔がフィードバックキャビティモードの整数倍に対応している場合は特に、レーザ発振キャビティモード間の間隔はフィードバックキャビティモードの整数倍の遷移にともなって大きく変わり得る。周波数出力は、モードホッピング及び複数のレーザ発振周波数が観測される、遷移領域内で特に不安定である。

一般に、単一モード半導体レーザダイオードは単一波長で動作し、同調される場合、レーザは一般に、いずれの遷移領域も除いた、さらに制限された範囲内でしか同調されない。温度変動及びその他の擾乱がモード周波数をさらにシフトさせ、なお遷移領域を安全に回避する周波数範囲を制限し得る。

本発明の課題は、同調可能外部キャビティレーザにおいて、スペクトル純度が高い周波数出力を確保し、周波数同調範囲を拡大できる、モード整合手段を提供することである。

スペクトル純度が改善された周波数同調範囲の拡大は、レーザ発振周波数範囲全体にわたる離散同調選択を提供する構成を備える、本発明によって達成することができる。１つまたはそれより多くの好ましい実施形態において、本発明は、レーザ発振キャビティの少なくとも初期の不等間隔共振モードを光結合されたフィードバックキャビティの選択された共振モードに整合させるための、所定の周波数感応光路長調節を行う手段を備える。レーザ発振キャビティ及びフィードバックキャビティのモードをさらに正確に一致させるかまたは変化する条件の下で所望の一致を維持するために、さらに微細な調整を行うことができる。

同調可能外部キャビティレーザのためのモード整合システムとしての本発明の一態様は、不等間隔ビーム周波数の増幅に有利な一組の初期レーザ発振モードを有するレーザ発振キャビティと、レーザ発振キャビティに光結合され、より等間隔のビーム周波数のレーザ発振キャビティへのフィードバックに有利な一組のフィードバックキャビティモードを有する、固定長フィードバックキャビティとを備える。非線形光路長調節装置がレーザ発振キャビティモードの周波数を相対的に変更してフィードバックキャビティモードの選択された周波数に整合させる。

初期レーザ発振キャビティモードは、レーザキャビティ内で増幅される周波数の関数として変わる周波数間隔を有するタイプのモードとすることができる。フィードバックキャビティモードはレーザ発振キャビティ内で増幅される周波数の範囲にわたって実質的に一定のままの周波数間隔を有することができる。フィードバックキャビティの固定長は、フィードバックキャビティモード間の実質的に一定の周波数間隔の所定の整数倍がレーザ発振キャビティモードの少なくとも一対の間の周波数間隔に少なくともほぼ整合するように設定されることが好ましい。レーザ発振キャビティモードの少なくとも一対の間の間隔をフィードバックキャビティモード間の間隔の所定の整数倍にさらに微細に整合させるために、基本構成において非線形光路長調節装置を用いることができる。

レーザ発振キャビティは屈折率分散プロファイルを示すレーザ発振媒質を有することができ、レーザ発振媒質の屈折率は増幅されるビーム周波数に関して非線形に変化する。非線形光路長調節装置は、個々のレーザ発振キャビティモードを選択されたフィードバックキャビティモードに一致させるための移動量を変えることによって屈折率分散プロファイルを偏移させる。例えば、非線形光路長調節装置は、レーザ発振キャビティの屈折率分散プロファイルを偏移させるためにレーザ発振キャビティに印加される電流を変えるように構成することができる。

レーザ発振キャビティモードの不等周波数間隔は一般に予測可能であり、非線形光路長調節装置はレーザ発振キャビティモードを選択されたフィードバックキャビティモードに一致させるようにあらかじめ構成することができる。さらに、非線形光路長調節装置にフィードバックを与えてレーザ発振キャビティモードとフィードバックキャビティモードを、スペクトル純度が最高になるように、より精密にまたは動的に一致させるためにスペクトル周波数または純度モニタを用いることができる。温度変動を含む環境の影響を補償するために出力ビームのスペクトル状態に応答するようにつくられた光路長調節装置を用いることができる。

選択同調の目的のため、フィードバックキャビティモードの中から選択して、対応する、変更されたレーザ発振キャビティモードにレーザ発振周波数出力をシフトさせるために、周波数調節装置を用いることができる。非線形光路長調節装置は相対的に変更されたレーザ発振キャビティモード間のレーザ発振周波数出力のシフトが選択されたフィードバックキャビティモード間の周波数シフトに対応するように周波数調節装置によって実施される選択に応答することが好ましい。

外部キャビティレーザのための周波数同調システムとしての本発明の別の態様は、ある範囲の周波数を増幅するための増幅媒質を有し、いくつかの初期共振レーザ発振周波数に有利な長さを有する、レーザ発振キャビティを備える。増幅媒質は増幅される周波数範囲にわたり、初期共振レーザ発振周波数の間隔を不等にする効果を有する、屈折率の非線形変動を示す。レーザ発振キャビティに光結合される、フィードバックキャビティは、初期共振レーザ発振周波数とは異なる間隔パターンを有するいくつかの初期共振フィードバック周波数に有利な固定長を有する。間隔が対応する共振レーザ発振周波数の増幅を優先するために共振フィードバック周波数の中から周波数セレクタが選択する。非線形共振周波数調節装置が共振フィードバック周波数に対して共振レーザ発振周波数を相対的に変更して、相対的に変更された共振レーザ発振周波数を選択された共振フィードバック周波数に個別に整合させる。

フィードバックキャビティの初期共振フィードバック周波数は実質的に等間隔であり、非線形共振周波数調節装置が共振レーザ発振周波数を変更して選択された共振フィードバック周波数に整合させることが好ましい。例えば、誘導放出により光子を生成するためにレーザ発振キャビティに印加される電流を変更することによるように、増幅媒質の屈折率を変更するために非線形共振周波数調節装置を用いることができる。さらに、増幅媒質の温度またはレーザ発振キャビティの物理的長さの変更も、共振レーザ発振周波数を選択された共振フィードバック周波数に個別に整合させるために用いられる。

あるいは、レーザ発振キャビティの共振レーザ発振周波数に整合させるために固定長フィードバックキャビティの共振フィードバック周波数を変更するように非線形共振周波数調節装置を構成することができる。例えば、増幅される周波数の範囲にわたって非線形に変わる屈折率を示すフィードバックキャビティ内の光学媒質で、非線形共振周波数調節装置を形成することができよう。フィードバックキャビティ内の光学媒質の屈折率の非線形変化は、増幅される周波数の範囲にわたるレーザ発振キャビティ内の増幅媒質の屈折率の非線形変化に対応するように調整することができる。

レーザの出力周波数のスペクトル純度は共振レーザ発振周波数と選択された共振フィードバック周波数の間の相対的一致の関数として変化することができ、この変化をモニタするためにスペクトル純度モニタが用いられる。所望の一致を実施するために出力周波数のスペクトル純度の尺度に応答するように、非線形共鳴周波数調節装置を作成することができる。

外部キャビティレーザ内のレーザ発振キャビティとフィードバックキャビティの間のモード整合を行う方法としての本発明の別の態様は、実質的に等間隔の共振フィードバックモードを有するフィードバックキャビティをレーザ発振キャビティ内で増幅される周波数の範囲にわたり間隔が不等の共振レーザ発振モードを有するレーザ発振キャビティに光結合する工程を含む。フィードバックキャビティの光路長は、フィードバックキャビティモード間の間隔の整数倍がレーザ発振キャビティ内のレーザ発振キャビティモード１つまたはそれより多くの対の間の間隔に一致するように設定される。レーザ発振キャビティへの結合のためのフィードバックキャビティモードの中から選択がなされ、選択されたフィードバックキャビティモードに整合するように別のレーザ発振キャビティモードに相対的調節がなされる。

相対的調節は、レーザ発振キャビティに結合されたフィードバックキャビティモードにともなうレーザ発振キャビティモードに個別に調節する工程を含むことが好ましい。例えば、レーザ発振キャビティ内の光学媒質の屈折率を変えるためにフィードバック周波数の中からの選択にともなってレーザ発振キャビティへの電流を調節することができる。

フィードバックキャビティの光路長は、フィードバックキャビティモード間の間隔の整数倍がレーザ発振キャビティ内で増幅される周波数の範囲の中心近くにあるレーザ発振キャビティモードの１つまたはそれより多くの対の間の間隔に一致するように設定されることが好ましい。レーザ発振キャビティモード間の不等間隔に対する調節は、レーザ発振キャビティによって増幅される周波数の範囲の中心からレーザ発振キャビティモードが離れていくほど調節を漸次大きくする工程を含む。

さらに、出力レーザ発振周波数のスペクトル純度は、さらに個々のレーザ発振モードを選択されたフィードバックモードと一致させるために調節するかまたは一致を維持するためのフィードバックとしてモニタすることができる。さらに調節することにより、出力ビームのスペクトル純度を維持するかまたは高めるために、環境の影響を補償することができる。

本発明は、個々の点が照明ビーム周波数の変化にともない増加的干渉条件と減殺的干渉条件の間で周期変化するレートを決定することによる表面高さの変化の測定を含む距離測定を行う、周波数偏移干渉計のための同調可能光源として特に有用である。レートは距離とともに高くなる。より広い範囲にわたってビーム周波数を増分変化させることによって確度を高めることができる。したがって、拡大された同調可能範囲は周波数偏移干渉計に特に有益である。コントラストまたは位相の測定をスペクトル純度及び周波数ドリフトを測定するためのフィードバックとして用いることもできる。

図１に示されるように、半導体ダイオードレーザであることが好ましい、レーザ１０は共通の光軸１６に沿って揃えられたレーザ発振キャビティ１２及び隣接するフィードバックキャビティ１４を備える。キャビティ１２及び１４は合せて外部キャビティ１８を形成する。

レーザ発振キャビティ１２は、２つの電気バイアス印加領域１３及び１７（例えばｐ型及びｎ型領域）に挟み込まれたレーザ発振媒質（活性層）１５を有し、レーザ発振キャビティ１２の対向する両端におかれた反射性背面２０と反射性前面２２の間の光軸１６に沿う固定長Ｌ_Ｌを有する。利得は、共振周波数モードをサポートするために前面２２の反射率を極小さく（例えばほぼ４％に）する必要がある従来のレーザダイオードに対するような利得である。空気で満たされている、フィードバックキャビティ１４はレーザ発振キャビティ１２の前面２２とフィードバックキャビティ１４の対向端におかれた可旋回反射性面２４の間の固定長Ｌ_Ｆを有する。コリメートレンズ２８が、前面２２の活性領域３２を介する、レーザ発振キャビティ１２とフィードバックキャビティ１４の間の光カプラ３０を形成する。レーザ発振キャビティ１２とフィードバックキャビティ１４は、結合して、固定全長Ｌを有する外部キャビティを形成する。

可旋回面２４は、１つの次数の光、好ましくは１次光を回折してレーザ発振キャビティ１２に向けて戻し、別の次数の光、好ましくは０次光を回折してレーザ出力ビーム３８としてフィードバックキャビティ１４の外に出す、回折格子３４を有する。好ましい１次回折の範囲内で、回折格子３４は、単一周波数光が後方反射されて光軸１６に沿って光カプラ３０に戻るように、入射光をその周波数にしたがって角度分散させる。しかし、回折格子３４は表面２４の一部として旋回軸３６を中心として旋回して旋回角αをなし、よってある範囲の様々な周波数が光軸１６に沿って後方反射され得る。折返しミラー（図示せず）が回折格子３４とともに動いて、レーザ出力に対して単一の出力方向を維持する。そのような折返しミラーは、名称を「可調節外部キャビティを有する同調可能レーザシステム（TUNABLE LASER SYSTEM HAVING AN ADJUSTABLE EXTERNAL CAVITY）」とする、米国特許第６６９０６９０号の明細書に示されている。この特許明細書は本明細書に参照として含まれる。

他の周波数も概ね光カプラ３０の方向に反射されるが、実質的に光軸１６に沿ってコリメートされた光だけが制限された活性領域３２を通してレーザ発振キャビティに結合される。回折格子３４によって光軸１６から角度分散された近隣周波数は、光カプラ３０の制限された活性領域３２上ではない、他のどこかに収斂する。回折格子３４の分解能は、それぞれの周波数に対して一意的な角度αに回折格子３４の位置を定めることによってレーザ１０の同調可能範囲内でそれぞれの周波数をフィードバックするに十分に高いことが好ましい。

回折格子３４の反射面を貫通して延びる、旋回軸３６は光軸１６と交差し、よって旋回軸３６を中心とする回折格子３４の角運動がフィードバックキャビティ１４の長さＬ_Ｆを変えることはない。したがって、回折格子３４は、フィードバックキャビティ１４内で光軸１６に沿って後方反射される光の周波数を制御するためにある範囲の角度αをなして旋回することができる。光カプラ３０はフィードバックキャビティ１４からレーザ発振キャビティ１２への光の結合を光軸１６に沿う後方反射光に制限する。可旋回回折格子３４と光カプラ３０は合せて、レーザ発振キャビティ１２に戻ることができる周波数を制御する。

図２に示されるようなフィードバックキャビティ１４の固定長Ｌ_Ｆは、定在波４０として同調可能な周波数の中からのいくつかの周波数の共振をサポートする。フィードバックキャビティ１４の共振周波数またはモードはフィードバックキャビティ１４の往復光路長をその波長が等分割する周波数に対応する。フィードバックキャビティ１４のほとんどは伝搬媒質として空気で満たされているから、光路長はフィードバックキャビティ１４の物理的経路長Ｌ_Ｆにほぼ等しく、ビーム周波数の変化に比較的不感である。したがって、光路長の２倍はフィードバックキャビティ１４の共振周波数またはモードの波長の整数（Ｎ２）倍に等しい。フィードバックキャビティ１４内の他の周波数の伝搬は干渉によって抑制される。したがって、回折格子３４の角位置によって回折されて戻る周波数の中で、フィードバックキャビティ１４の共振周波数またはモードが最大振幅で伝搬する。

フィードバックキャビティ１４のモード間の周波数間隔Δν_Ｆは下式：
Δν_Ｆ＝ｃ/２ｎ_ＦＬ_Ｆ
で与えられる。ここで、ｃは光の速度、ｎ_Ｆはフィードバックキャビティの平均屈折率（ほぼ１）、Ｌ_Ｆはフィードバックキャビティ１４の物理的長さである。空気の公称屈折率ｎ_Ｆ及びキャビティ長Ｌ_Ｆはいずれもビーム周波数範囲にわたって実質的に一定のままであるから、周波数間隔Δν_Ｆもビーム周波数範囲にわたって実質的に同じままである。例えば、屈折率ｎ_Ｆをほぼ１.０とすれば、ほぼ１５ｍｍのフィードバックキャビティ長Ｌ_Ｆから、１０ＧＨｚのフィードバックモード間隔Δν_Ｆが得られる。

レーザ発振キャビティ１２の固定長Ｌ_Ｌは、定在波４２としてのレーザ発振媒質１５による増幅を受ける周波数の中からのいくつかの周波数νの共振をサポートする。レーザ発振キャビティ１２の共振周波数またはモードはレーザ発振キャビティ１２の往復光路長をその波長が等分割する周波数νに対応する。しかし、レーザ発振媒質１５はビーム周波数νにしたがう非線形変化を受ける屈折率ｎ_Ｌを有する。

レーザ発振キャビティ１２のモード間の周波数間隔Δν_Ｌは下式：
Δν_Ｌ＝ｃ/２ｎ_ＬＬ_Ｌ
で与えられる。

レーザ発振キャビティ１２の屈折率ｎ_Ｌはビーム周波数にしたがう、下式：
ｎ_Ｌ＝ｆ（ν）
の非線形変化を受ける。ここでｆ（ν）はνの非線形関数である。図３のグラフは、レーザ発振キャビティ１２によって増幅される周波数の範囲にわたる代表的な非線形屈折率変化１７を示す。結果は、図５で強調されている、レーザ発振キャビティ１２のモード間の不等間隔である。ほぼ３.５の公称屈折率を有するレーザ発振媒質１５に対しては、ほぼ１ｍｍのキャビティ長Ｌ_Ｌから５０ＧＨｚの公称レーザ発振モード間隔Δν_Ｌが得られる。全体で、例示的レーザ１０の外部キャビティはほぼ１６ｍｍの長さＬを有することができる。

図４は、レーザ発振キャビティ１２内のレーザ発振媒質１５からの利得に対してレーザ発振閾値５０を上回る利得をもつ共振周波数またはモード４３，４４，４５，４６，４７，４８及び４９をグラフで示す。モード４３，４４，４５，４６，４７，４８及び４９は、レーザ発振キャビティ１２内での増幅に対する（包絡線５２で上限が定められる）それぞれのポテンシャルにしたがって振幅が変わり、レーザ発振媒質１５の周波数感応屈折率変化ｆ（ν）の結果として間隔も若干変わる。後者の結果は、フィードバックキャビティ１４の等間隔モードとレーザ発振キャビティ１２の不等間隔モードの間の位置ずれである。

図４及び５には７つのレーザ発振モード４３，４４，４５，４６，４７，４８及び４９しか示されていないが、一般にはより多くのレーザ発振モードが同調の目的のために利用可能である。例えば、７８５ｎｍの公称波長を有するML6XX34シリーズレーザとして三菱電機から入手できる半導体レーザダイオードは、ほぼ５０００ＧＨｚの帯域幅にわたりほぼ５０ＧＨｚの公称間隔のレーザ発振モードを増幅することができる。総数で約１００の相異なるレーザ発振モードが離散同調可能周波数として利用できる。しかし、レーザ発振モード間の正確な間隔は帯域幅にわたって変化する。

図５はレーザ発振キャビティ１２のサンプルレーザ発振モード４３〜４９を、増幅を受ける周波数範囲にわたる、フィードバックキャビティ１４の等間隔フィードバックモード６２ａ〜ｄ，６３ａ〜ｄ，６４ａ〜ｄ，６５ａ〜ｄ，６６ａ〜ｄ，６７ａ〜ｄ，６８ａ〜ｄ及び６９ａ〜ｄと比較している。フィードバックキャビティ１４のフィードバックモード６２ａ〜６９ｄは考察している周波数範囲にわたり実質的に、一定の間隔Δν_Ｆで、等間隔である。レーザ発振キャビティ１２の個々のレーザ発振モード４３〜４９は間隔Δν_Ｌが変わり、間隔Δν_Ｌは周波数νが高くなるにしたがって狭くなる傾向がある。若干太くした線幅で強調されている、フィードバックモード周波数６３ａ，６４ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａ，６８ａ，６９ａは、レーザ発振キャビティ１２との光結合のために選択されるフィードバック周波数に対応する。中央周波数ν_０の近傍において、レーザ発振キャビティ１２のレーザ発振モード対４５と４６及び４６と４７はフィードバックモード６０ａ〜６９ｄ間の一定間隔Δν_Ｆの４倍の整数倍にほぼ等しい大きさだけ隔てられ、選択されるフィードバックモード６５ａと６６ａ及び６６ａと６７ａに直に位置が合せられる。図示される周波数範囲の端に近づくと、レーザ発振モード対４３と４４の間隔は広くなり、レーザ発振モード対４８と４９の間隔は狭くなる。間隔変化の結果、レーザ発振モード４４及び４８はドリフトして選択されたフィードバックモード６４ａ及び６８ａとの位置合せが外れてしまっている。実際、レーザ発振モード４３及び４９はドリフトして選択されたフィードバックモード６３ａ及び６９ａとの位置合せからから大きく外れて別のフィードバックモード６２ｄ及び６８ｄと位置が合ってしまっている。選択されたフィードバックモードと最近接レーザ発振モードの間のそのような位置ずれにより、特にずれた位置が別のフィードバックモードに接近する場合に、周波数不安定性及び低下したスペクトル純度が生じ得る。

好ましく具現化された本発明は、選択されたフィードバックモード周波数、例えば、６３ａ，６４ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａ，６８ａ及び６９ａから離れたレーザ発振モード周波数を変更することによるように、そのような位置ずれを処理する。一般に、フィードバックキャビティ１４はレーザ発振キャビティ１２より長く、よってフィードバックキャビティ１４のモード間隔Δν_Ｆはレーザ発振キャビティ１２のモード間隔Δν_Ｌより細かいと考えられる。フィードバックキャビティ１４の長さＬ_Ｆは、フィードバックモード間隔Δν_Ｆの整数倍がレーザ発振キャビティモードの、平均間隔または増幅される周波数の中心または他のどこかにある間隔と見なすことができる、公称間隔Δν_Ｌに等しくなるように設定されることが好ましい。図５は、選択されたフィードバックキャビティモード６５ａ，６６ａ，６７ａの中心（中央）周波数ν_０の周りのレーザ発振モード４５，４６及び４７との好ましい位置合せを示す。

図６に示されるレーザ制御システムは、レーザ発振キャビティ１２とフィードバックキャビティ１４の重なりモードに対応する、外部キャビティレーザ１０の出力３８の離散ステップによる同調を提供する。モーター（またはボイスコイル）８２が回折格子３４を旋回させ、モーター８２の回転位置をモニタ及び制御して角度αをなす（図１を見よ）回折格子３４の所望の傾角を達成するために、通常のフィードバックシステム８４（例えばロータリーエンコーダ）がモーター駆動装置８６とともに用いられる。レーザ発振キャビティ１２の利用できるレーザ発振モードの中から選択するための所望のフィードバック周波数を選択するために角度αが変えられる。角度αの変更は、角度αにリンクされるフィードバックモードが所望のレーザ発振モードと位置合せされるように、レーザ発振キャビティ１２の非線形光路長調節によって達成される。

レーザ発振キャビティ１２内に光子の誘導放出を誘起するため、レーザ発振キャビティ１２にレーザダイオード駆動装置９０から電流が供給される。そのような駆動装置の一例は、米国ニュージャージー州ニュートン（Newton）のThorlab, Inc.からレーザダイオード駆動装置No. LD1255として入手できる。レーザダイオード駆動装置９０の外部制御機能がレーザ発振キャビティ１２に供給される電流を調節するための制御電圧を受け入れる。レーザ発振キャビティ１２に供給される電流の変化は図３の一点鎖線１９に示されるように屈折率分散プロファイルを偏移させる傾向がある。レーザ発振媒質１５の屈折率プロファイルが一定のままでいるかまたは媒質１５を通って伝搬するビーム周波数の変化に比例して変化するように、電圧調整器によって電流を変えることができる。レーザ発振モードが選択されたフィードバックモードに個々に整合されるように、増幅が目的とされるビーム周波数が異なれば、異なる周波数のそれぞれに対して異なる大きさの電流を供給することができる。

フィードバックモードの整数倍で隔てられた、選択されたフィードバックモードが特定の電流値（例えばベース電流）において、増幅される周波数の中央値近傍のレーザ発振モード対のような、同様の間隔のレーザ発振モードと整合されるならば、レーザ発振キャビティ１２に印加される電流を調節することによって残りのレーザ発振モードを他の同様の間隔のフィードバックモードに整合させることができる。電流補正量は、選択されたフィードバックモードに初めに整合されたときの周波数（例えば中央周波数）からレーザ発振モードが離れるにつれて、大きくなると考えることができる。

すなわち、電流変化量は、初期整合周波数からの周波数離隔及び周波数離隔にともなう屈折率の非線形変化量に依存する。レーザ発振周波数が異なればそれにともなって電流を異ならせることにより、レーザ発振キャビティ１２の実効モード間隔をフィードバックキャビティ１４のモード間隔の整数倍に整合させることができる。

あるいは、レーザ発振キャビティ１２への光結合のために選択されたフィードバックモード周波数は、フィードバックモード間隔Δν_Ｆの倍数が異なる場合のように不規則な間隔をとることができる。選択されたフィードバックモード間の間隔の変化は、上述した屈折率の電流誘起変化によるように、レーザ発振キャビティ１２の実効光路長を変えることによって調和し、よって、レーザ発振モードを不規則間隔の選択されたフィードバックモードのそれぞれに整合させることができる。すなわち、不等間隔レーザ発振モードを等間隔の選択されたフィードバックモードに整合させる代りに、等間隔であるかまたは不等間隔の、レーザ発振モードを不等間隔の選択されたフィードバックモードに整合させることもできる。選択されたフィードバックモード間の不等間隔は不等モード間隔Δν_Ｆの結果であるかまたは選択されたフィードバックモード間の不等数の等モード間隔の結果であり得る。

レーザ発振周波数にしたがう屈折率変化、すなわち屈折率分散プロファイルによって生じるレーザ発振モード間の不等間隔は、レーザ発振モードを選択されたフィードバックモードに整合させるに必要な電流の変化とともにあらかじめ定めることができる。しかし、出力ビーム３８のスペクトル純度で測定されるようなレーザ性能は、選択されたフィードバックモードに整合させるため、あるいは、レーザ発振キャビティまたはフィードバックキャビティのモード位置をシフトさせるかまたは歪ませることができる環境の影響またはシステム不安定性のような動的要因を補償するために、レーザ発振モードをさらに微細に調節するためのフィードバックを提供するために測定することができる。

図６に示されるレーザ制御システムは、ビームスプリッタ９２によって分流された出力ビーム３８の一部分をモニタするために用いることができる、周波数アナライザのような、モニタを含む光フィードバックシステム８８を備える。そのようなフィードバックシステムの一例は、共に譲渡された、名称を「モード選択チューナからの光フィードバック（OPTICAL FEEDBACK FROM MODE-SELECTIVE TUNER）」とする、米国特許出願第１０/９４６６９１号の明細書に開示されている。この特許出願明細書は本明細書に参照として含まれる。例えば、出力ビーム３８のスペクトル純度をモニタするために、フィードバックシステム８８内につくられる干渉縞間のコントラストを用いることができる。高コントラストは、良好なスペクトルコヒーレンス及びレーザ発振モードとフィードバックモードの間の密な一致の証拠である。低コントラストは劣悪なスペクトルコヒーレンス及びレーザ発振モードとフィードバックモードの間の位置ずれの証拠である。フィードバックシステム８８によるスペクトル純度及び周波数ドリフトの測定値は、フィードバック周波数の制御のために回折格子３４が傾けられる角度αに対する調節を含む、その他の調節を行うために用いることもできる。コントローラ９４はモーター駆動装置８６及びレーザ駆動装置９０のいずれをも制御するためにフィードバックシステム８８から光情報を収集する。

レーザ発振モードとフィードバックモードの第１の対を初めに整合させるベース電流の変化は、レーザ発振キャビティ１２の物理的長さＬ_Ｌの変化と同様に、フィードバックモードの周波数に対してレーザ発振モードの周波数をシフトさせる傾向がある。レーザ発振キャビティ１２の公称モード間隔Δν_Ｌの小さな変化もともなうが、周波数シフトは、多くの共振サイクルにわたるモード間隔変化の累積効果を反映するから、はるかに顕著である。これにより、フィードバックキャビティ長Ｌ_Ｌをレーザ発振モードの公称間隔Δν_Ｌの整合のために設定することが可能になり、レーザ発振媒質１５の公称屈折率ｎ_Ｌを対応するレーザ発振モードとフィードバックモードをそれぞれの重なり範囲内の中心または他のどこかでのさらに精密な位置合せのために設定することが可能になる。残りのレーザ発振モードを選択されたフィードバックモードに位置合せするために、電流に対する個々の調節を行うことができる。

図７は、レーザ発振キャビティ帯域幅の3つの異なる区画において制御電圧に関して参照される、電流変化の周波数効果を詳細に示す。レーザ発振モード＋２〜−２に対応する帯域幅の中央区画において、電流の小さな変化によって生じる光路長の変化は、光路長差がレーザ発振キャビティモードをフィードバックキャビティモードの異なる１つと位置を合せるに十分になるまで、モード周波数に有意な変化はおこさせない。回折格子の設定がα_０にあるような、帯域幅の中心区画内での所望の位置合せは、８０.２ｍＡのレーザダイオード電流入力に対応する−０.３Ｖのレーザダイオード駆動装置９０への入力制御信号において達成される。レーザ発振モード＋４２〜＋４７に対応するレーザ発振キャビティ帯域幅の一端において、回折格子設定α_＋４５で所望の位置合せを達成するためには、−０.７Ｖ（７９.４ｍＡ）の制御信号が必要である。若干低い負電圧（すなわち、ほぼ０.０Ｖ）において出力周波数は不確定領域に入り、若干高い負電圧（すなわち、ほぼ−１.１Ｖ）において出力周波数は不確定領域を通過した後にフィードバックモード間隔Δν_Ｆだけ高い周波数にホップする。モード−４６〜−５０に対応するレーザ発振キャビティ帯域幅の他端において、回折格子設定α_−４８で所望の位置合せを達成するためには、ほぼ−１.１Ｖ（７８.５ｍＡ）の制御信号が必要である。若干低い負電圧（すなわち、ほぼ−０.４Ｖ）において出力周波数はフィードバックモード間隔Δν_Ｆだけ低い周波数にホップし、若干高い負電圧（すなわち、ほぼ−１.４Ｖ）において出力周波数は不確定領域を通過した後にフィードバックモード間隔Δν_Ｆだけ高い周波数にホップする。すなわち、帯域幅の両端では、レーザ発振キャビティ帯域幅全体にわたってモードを等間隔にするために負電圧にともなう電流調節が必要である。得られたレーザ発振キャビティに対する電流変化は２ｍＡの範囲内にある。

レーザ発振モードを選択されたフィードバックモードに整合させるためには、レーザ発振媒質１５の屈折率ｎ_Ｌを変えることによるような、レーザ発振キャビティ１２の光路長の変化が用いられることが好ましいが、同様の整合を行うためにフィードバックキャビティの光路長の変化させることもできる。例えば、光カプラ３０を含む、１つまたはそれより多くの光透過性媒質を、レーザ発振媒質１５の屈折率分散プロファイルに実効的に一致する屈折率分散プロファイルをもつ材料を選択して配置することができる。屈折率分散プロファイルのある程度の一致であっても、レーザ発振モードを選択されたフィードバックモードに個別に整合させるための要件を軽減するために用いることができるであろう。

本発明は特に、異なる測定ビーム周波数における一連の干渉パターンを生成することによって距離、特に表面高さ変化が測定される、周波数変位干渉法に適用できる。レーザ１０は、レーザ発振キャビティのモード間隔またはモード間隔の整数倍に対応する離散ビーム周波数の同調をサポートする。連続周波数にわたるビーム周波数の変化より容易にモニタすることができるいくつかのステップ周波数にビーム周波数の測定を限定することによって、周波数モニタリングが簡易になる。

本発明を特定の実施形態に関して説明したが、当業者であれば、本発明の全体的な教示の範囲内で、コンポーネント、構成及び同調方法に広範な変形がなされ得ることを認めるであろう。例えば、本発明は、ガスレーザ、ダイレーザ及び固体レーザを含む、別のタイプのレーザを用いて実施することができる。

固定長レーザ発振キャビティ及び固定長フィードバックキャビティを有する、本発明にしたがう外部キャビティレーザの概念図である レーザのレーザ発振キャビティ及びフィードバックキャビティの、両キャビティ内でモードが整合している、光路長を示す概念図である レーザ発振キャビティの屈折率分散プロファイルを示すグラフである ポテンシャル利得曲線の下の利用できる周波数モードを簡略に示すレーザ発振キャビティについての周波数ドメインにわたる利得をグラフで示す 一致中心点からのフィードバックキャビティモードに対するレーザ発振キャビティモードの漸進的位置ずれを示す概念図である フィードバックキャビティモードの中からの選択のため及び選択されたフィードバックキャビティモードへのレーザ発振キャビティモードの整合のための制御システムを示す概念図である 周波数応答が異なる３つのドメインにわたるレーザ周波数応答への電流操作の効果を示す図である

符号の説明

１０ レーザ
１２ レーザ発振キャビティ
１３，１７ 電気バイアス印加領域
１４ フィードバックキャビティ
１５ レーザ発振媒質
１６ 光軸
１８ 外部キャビティ
２０ 背面
２２ 前面
２４ 可旋回面
２８ コリメートレンズ
３０ 光カプラ
３２ 活性領域
３４ 回折格子
３６ 旋回軸
３８ レーザ出力ビーム

Claims (10)

1. 同調可能外部キャビティレーザのためのモード整合システムにおいて、
   不等間隔ビーム周波数の増幅が卓越する一組の初期レーザ発振キャビティモードを有するレーザ発振キャビティ、
   前記レーザ発振キャビティに光結合され、より等間隔のビーム周波数の前記レーザ発振キャビティへのフィードバックが卓越する一組のフィードバックキャビティモードを有する、固定長フィードバックキャビティ、及び
   前記フィードバックキャビティモードの選択された周波数に整合させるために前記レーザ発振キャビティモードの前記周波数を相対的に変更する非線形光路長調節装置、
   を備えることを特徴とするシステム。
2. （ａ）前記初期レーザ発振キャビティモードが、前記レーザ発振キャビティ内で増幅される前記周波数の関数として変化する周波数間隔を有し、
   （ｂ）前記フィードバックキャビティモードが、前記レーザ発振キャビティ内で増幅される前記周波数の範囲にわたり実質的に一定のままの周波数間隔を有し、
   （ｃ）前記フィードバックキャビティモード間の前記実質的に一定の周波数間隔の所定の整数倍が前記レーザ発振キャビティモードの少なくとも１つの対の間の前記周波数間隔に実質的に一致するように、前記フィードバックキャビティの前記固定長が設定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記レーザ発振キャビティが、前記レーザ発振媒質の屈折率が前記増幅されるビーム周波数に関して非線形に変化する屈折率分散プロファイルを示すレーザ発振媒質を含み、前記非線形光路長調節装置が、個々の前記レーザ発振キャビティモードを移動させて前記選択されたフィードバックキャビティモードと一致させるために可変量だけ前記屈折率分散プロファイルを偏移させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記非線形光路長調節装置が、
   （ａ）前記レーザ発振キャビティの前記屈折率分散プロファイルを偏移させるための前記レーザ発振キャビティに印加される電流、及び
   （ｂ）前記レーザ発振キャビティの前記屈折率分散プロファイルを偏移させるための前記レーザ発振媒質の温度、
   の内の少なくとも１つを変えることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記変更されたレーザ発振キャビティモードを前記選択されたフィードバックキャビティとさらに密に一致させるために、前記非線形光路長調節装置を動作させるためのフィードバックを提供するモニタをさらに備え、該モニタが（ａ）前記レーザ発振周波数出力のスペクトル純度及び（ｂ）干渉縞コントラストの内の少なくとも１つを測定することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. レーザ発振周波数出力を対応する相対的に変更されたレーザ発振キャビティモードにシフトさせるために、前記フィードバックキャビティモードの中から選択する周波数調節装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記非線形光路長調節装置が、前記相対的に変更されたレーザ発振キャビティモード間のレーザ発振周波数のシフトが前記選択されたフィードバックキャビティモード間の周波数シフトに対応するように、前記周波数調節装置によって実施される前記選択に応答できることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 外部キャビティレーザのレーザ発振キャビティとフィードバックキャビティの間のモード整合方法において、
   実質的に等間隔である共振フィードバックモードを有するフィードバックキャビティをレーザ発振キャビティに光結合する工程であって、前記レーザ発振キャビティは前記レーザキャビティ内で増幅される周波数の範囲にわたり不等間隔である共振レーザ発振モードを有するものである工程、
   フィードバックキャビティモード間の間隔の整数倍が前記レーザ発振キャビティ内のレーザ発振キャビティモードの１つまたはそれより多くの対の間の間隔に一致するように前記フィードバックキャビティの光路長を設定する工程、
   増幅のために前記フィードバックキャビティモードの中から選択する工程、及び
   前記選択されたフィードバックキャビティモードに整合させるために別の前記レーザ発振キャビティモードを相対的に調節する工程、
   を有してなることを特徴とする方法。
9. 前記レーザキャビティに光結合させるために前記共振フィードバックモードの中から選択する工程を含み、相対的に調節する前記工程が、前記レーザ発振キャビティへの結合のために選択された前記フィードバックモードに関連して前記レーザ発振モードに個別に調節を施す工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記フィードバックキャビティの前記光路長を設定する前記工程が、前記フィードバックキャビティモード間の間隔の前記整数倍を前記レーザ発振キャビティモードの前記１つまたはそれより多くの対の間の間隔に少なくとも近似的に整合させる工程を含み、相対的に調節する前記工程が、前記フィードバックモード間の間隔の前記整数倍に近似的に整合させられたレーザ発振キャビティモードの前記１つまたはそれより多くの対から離れるレーザキャビティモードに対し、前記レーザキャビティモードの離隔が大きくなるにつれて漸進的に大きくなる調節を施す工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。

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