JP2012531754A - 連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザ - Google Patents

Abstract

連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザであって、利得媒質とコリメートレンズとからなる少なくとも１つの光学ユニットと、同調装置と、少なくとも１つの回折格子とを備え、前記利得媒質から出射されたコヒーレントビームは、前記コリメートレンズを経て平行光になり、前記平行光が前記回折格子で回折された後に、一部の回折光は、そのまま出力される第１出力レーザ光になり、他の一部の回折光は、元の入射光路に沿って前記利得媒質に戻り、前記利得媒質において、レーザ発振閾値を超えるまで発振・増幅されると、第２出力レーザ光になり、前記回折格子は前記同調装置に設けられ、前記同調装置は前記回折格子を前記回折格子の裏面に位置する回転軸回りに回転させるように駆動し、前記回転軸は前記回折格子の回折表面に平行しかつレーザの光軸に垂直する。レーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現でき、レーザの生産コストを削減できる。

Description

本発明はレーザダイオードの技術分野に関し、特に、連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザに関する。

光源の波長同調技術はレーザ技術の重要な構成要素である。同調可能格子外部空洞レーザ（ＧＴＥＣＬ：Grating-tuned external cavity lasers）は、光スペクトルの高純度、広い波長カバー範囲、コンパクトな構成、高変換効率、シングルモード出力、低コスト、よい信頼性などの優れるメリットを持つため、光通信、光交換、光記憶、光ファイバジャイロ、計測測定、高解像度の光スペクトル測定、および生物医学などの諸分野で広く適用され、極めて大きな適用見込みがある。

従来技術では、通常、同調可能格子外部空洞レーザには２つのタイプがある。１つはリトロ（Littrow）型の同調可能格子外部空洞レーザであり、もう１つはリットマン（Littman-Metcalf）型の同調可能格子外部空洞レーザである。次に、この２つのタイプのレーザをそれぞれ説明する。

Ｌｉｔｔｒｏｗ型の同調可能格子外部空洞レーザは、線幅の非常に狭くて、光のコヒーレンス性の非常に高い、周波数調整可能なレーザビームを生成することができる。そして、実際の製品生産では、Ｌｉｔｔｒｏｗ型のＧＴＥＣＬレーザは非常にコンパクトかつ簡単な共振空洞構成を持ち、通常、該共振空洞はレーザ利得媒質とするレーザダイオードと、周波数選択素子とする回折格子と、レーザビームをコリメートするコリメートレンズとの３つの光学デバイスのみを備える。これにより、非常に簡単かつ低コストの製造過程を実現することができる。例えば、ＷｉｅｍａｎとＨｏｌｌｂｅｒｇにより提案された同調可能格子外部空洞レーザ（非特許文献１を参照）が、典型的なＬｉｔｔｒｏｗ型の同調可能格子外部空洞レーザである。

図１は従来技術１のＬｉｔｔｒｏｗ型の同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。図１に示すように、該同調可能格子外部空洞レーザは、レーザダイオード（laser diode）１０１と、コリメートレンズ１０２と、回折格子（diffraction grating）１０３と、を備える。ここで、レーザダイオード１０１は背面１０６と前面１０７とを有する。該レーザダイオード１０１で生成されたビームがコリメートレンズ１０２を経て平行光が得られ、該平行光が回折格子１０３に入射して該回折格子１０３で回折される。ここで、０次回折光はそのまま出力レーザ光１０４とすることができるが、１次回折光は元の入射光路に沿ってレーザダイオード１０１に戻り、レーザダイオード１０１において発振・増幅された後に、出力レーザ光１０５になる。これにより、狭い線幅のシングル縦モード（ＳＬＭ：single longitudinal mode）レーザ出力を実現する。

上記の同調可能格子外部空洞レーザでは、回折格子１０３は、Ｇ点を通りかつ紙面方向に垂直する固定回転軸回りに回転することができる。ここで、前記Ｇ点は光軸１００と回折格子１０３の表面との交点である。回折格子１０３を上記の固定回転軸回りに回転すると、出力レーザ光の周波数または波長の同調を実現することができる。しかし、上記の共振空洞の設計に従い連続同調を行うと、上記のレーザのシングル縦モード方式は１つの縦モードから突然に別の縦モードにホッピングして、モードホッピング（mod hopping）現象が現れるおそれがある。該モードホッピング現象によれば、レーザ出力周波数において、レーザの縦モード間隔に相当する周波数ホッピングを生成して、レーザ周波数の連続同調の特徴を壊すことで、周波数同調の精確度、同調線形度、および周波数同調特性に依存する他の適用にも不利な影響を及ぼす。そのため、それをできるだけ回避すべきであり、モードホップフリー（ＭＨＦ：mod-hop-free）の連続周波数同調または波長同調の実現を要求する。

上記のモードホッピング現象について、下記のような数式により相応に説明することができる。
格子方程式

および共振条件

から、

がわかる。

ここで、Ｎ（Ｎは整数）は共振空洞におけるＮ番目の縦モードのモード数を表す。λ（θ）はレーザ発振波長を表し、即ち、格子分散（grating dispersion）で選択されたレーザ波長であり、該レーザ波長がθに関連するものであり、即ち、λ(θ)の値はθの変化に伴って変化する。Ｌ_ＭＧはＭ点（即ち、光軸１００とレーザダイオード１０１の背面１０６との交点）からＧ点までの光学距離を表し、即ち外部空洞の光学長さ（外部空洞長さと略称することができ、以下同じ）である。ｄ_ｇは回折格子１０３の溝密度（grooving density）を表す。θはレーザビームが回折格子１０３に入射する入射角を表し、回折角でもある。

図１からわかるように、通常、Ｌ_ＭＧとｄ_ｇは定数である。回折格子１０３が上記の固定回転軸回りに回転すると、回折角θの大きさは変わる。数式（１．２）からわかるように、このとき、該レーザから出力されたレーザ周波数またはレーザ波長も変化する。数式（１．３）からわかるように、回折角θの大きさが変わると、モード数Ｎもそれに伴って変化し、即ち、回折角θの変化に対するモード数Ｎは定数ではない。これにより、回折角θの変化が比較的に大きい場合、モードホッピング（即ち、モード数Ｎの値は＋１または−１の数量で変化する）が発生する。つまり、図１に示すレーザは、回折格子を回転することによりレーザ周波数またはレーザ波長を同調する（即ち、出力レーザ光の周波数を変化させる）場合、モードホッピング現象が現れる。そのため、上記のＬｉｔｔｒｏｗ型ＧＴＥＣＬは、非常に小さくまたは有限のＭＨＦ同調のみ実現できるが、レーザ周波数または波長に対してＭＨＦ連続同調を行うことができない。

従来技術では、もう１つのＬｉｔｔｒｏｗ型の同調可能格子外部空洞レーザがある。例えば、Ｔｒｕｔｎａ Ｊｒ．により米国特許Ｎｏ．６，７３１，６６１に公開された同調可能格子外部空洞レーザである。図２は従来技術２のＬｉｔｔｒｏｗ型の同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。図２に示すように、該同調可能格子外部空洞レーザも、レーザダイオード１０１と、コリメートレンズ１０２と、回折格子１０３と、を備える。図１の同調可能格子外部空洞レーザと異なるのは、図２において、回折格子１０３の回転軸がＬであり、該回転軸Ｌが回折格子１０３の回折表面の延長線とレーザダイオード１０１の背面１０６の延長線との交点に位置し、かつ該回転軸Ｌが紙面方向に垂直する。回折格子１０３が固定の回転軸Ｌ回りに回転すると、出力レーザ周波数または波長の同調も実現することができる。

同様に、格子方程式

および共振条件

から、
かつ共振空洞内部の光学部材がいずれも理想状態にある場合には、

を得ることができる。
ここから、

がわかる。

ここで、L_MG(θ)はレーザダイオード１０１の背面１０６上のＭ点から回折格子１０３の表面の中心までの距離を表し、即ち外部空洞の長さである。該外部空洞の長さはθに関連するものであり、即ち、L_MG(θ)の値はθの変化に伴って変化する。

は回転軸Ｌからレーザダイオード１０１の背面１０６上のＭ点までの距離を表す。

数式（２．４）からわかるように、

とｄ_ｇが変わらないとき、回折格子１０３を回転して、回折角θを変化させると、モード数Ｎも変化し、即ち、回折角θの変化に対するモード数Ｎも定数ではない。回折角θの変化が比較的に大きい場合、モードホッピング（即ち、モード数Ｎの値は＋１または−１の数量で変化する）が発生する。そのため、図１の同調可能格子外部空洞レーザに比べて、図２の同調可能格子外部空洞レーザは、より大きなＭＨＦ同調範囲を生成することができるが、そのモード数Ｎが依然として回折角θに依存するため、回折角θの変化範囲が比較的に大きい場合、Ｎが定数であることを依然として保持できない。従って、図２に示す同調可能格子外部空洞レーザにおいても、レーザ周波数へのＭＨＦ連続同調を実現することができない。

上記の問題を解決するために、従来技術では、Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ共振空洞構成を使用することにより、広帯域ＭＨＦ同調可能ＧＴＥＣＬレーザ、即ち、Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型の同調可能格子外部空洞レーザを製造する。該タイプのレーザの共振空洞の構造は、既に多くの文献または特許に公開された。例えば、Ｌｕｅｃｋｅの特許文献１、Ｓａｃｈｅｒの特許文献２、Ｌａｎｇの特許文献３、Ｚｈａｎｇの特許文献４および特許文献５、Ｚｈａｎｇの特許文献６、Ｚｈａｎｇの特許文献７、Ｚｈａｎｇの特許文献８、およびＬｅの特許文献９などがある。

図３は従来技術３のＬｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型の同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。図３に示すように、該Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型の同調可能格子外部空洞レーザは、レーザダイオード１０１と、コリメートレンズ１０２と、回折格子１０３とに加えて、平面反射ミラー１０８も備える。ここで、回転軸Ｌは、レーザダイオード１０１の背面１０６の延長線と、回折格子１０３の回折表面の延長線と、平面反射ミラー１０８の反射表面の延長線との交点に位置し、かつ該回転軸Ｌが紙面方向に垂直する。Ｑ点は、Ｇ点を通る反射光線と平面反射ミラー１０８との交点である。該同調可能格子外部空洞レーザでは、回折格子１０３は固定的なものであるが、平面反射ミラー１０８は固定の回転軸Ｌ回りに回転することができる。平面反射ミラー１０８が回転軸Ｌ回りに回転すると、回折角θは変化し、外部空洞の空洞長さ（即ち、Ｍ、Ｇ両点の間の距離とＧ、Ｑ両点の間の光路との総和）も変化する。回転軸Ｌが適当な位置にあると、このときのモード数Ｎを定数に保持することができるため、レーザ周波数が変化しながらモード数Ｎをそのまま維持することができ、レーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することができる。

米国特許５，３１９，６６８ 米国特許５，８６７，５１２ 米国特許５，７７１，２５２ 米国特許５，８０２，０８５ 米国特許６，６０６，３４０ 米国特許６，６０８，８４７ 米国特許６，７８８，７２６ 米国特許６，９４０，８７９ 米国特許７，３８８，８９０

‘Ｕｓｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ Ａｔｏｍｉｃ Ｐｈｙｓｉｃｓ’ｂｙ Ｃａｒｌ Ｅ．Ｗｉｅｍａｎ ａｎｄ Ｌｅｏ Ｈｏｌｌｂｅｒｇ，Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｖｏｌ．６２，Ｐａｇｅｓ１−１９，Ｊａｎｕａｒｙ， １９９１

原理上の分析からわかるように、図３に示すレーザが理想の動作状態にあると設計される場合、例えば、該レーザの共振空洞内に使用される光学装置は光分散が発生しない場合、または空洞内の光学デバイスを正確に相応の位置に合わせることができる場合、該Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型のレーザダイオードは、回折格子により生成された光スペクトル範囲全体をカバーする最大のＭＨＦ同調範囲を生成することができる。しかし、工業製造技術および組立調整手段の制限で、図３に示す同調可能格子外部空洞レーザの実際の製品には、一般的に、装置の分散および光学デバイスの位置ずれの問題があり、該レーザのＭＨＦ同調範囲も大幅に制限される。

上記の問題を克服するために、ＺｈａｎｇとＨａｋｕｔａは、光学デバイスの位置自動調整および受動補償を有する共振空洞構成を提案することで、上記の広帯域ＭＨＦ同調を実現する。それにもかかわらず、上記のレーザの製造過程には、依然として複雑な光学的・機械的アライメント、光学デバイスの余分な材料コスト、極めて大きな空洞サイズ、および遅い同調速度などの諸問題がある。

上記からわかるように、従来技術に使用されているレーザにはいずれも上記の諸問題があるため、各分野における同調可能格子外部空洞レーザの適用が大幅に制限される。そのため、レーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現するように、連続モードホップフリー、かつ低製造コスト、量産可能、高い安定性、およびコンパクトな構成である同調可能格子外部空洞レーザが非常に必要とされている。
本発明の実施例は、レーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現でき、前記レーザの生産コストを削減できる連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザを提供する。

上記の目的を達成するために、本発明の実施例に係る解決手段は下記のように実現される。

連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザであって、利得媒質とコリメートレンズとからなる少なくとも１つの光学ユニットと、同調装置と、少なくとも１つの回折格子とを備え、前記利得媒質から出射されたコヒーレントビームは、前記コリメートレンズを経て平行光になり、前記平行光が前記回折格子で回折された後に、一部の回折光は、そのまま出力される第１出力レーザ光になり、他の一部の回折光は、元の入射光路に沿って前記利得媒質に戻り、前記利得媒質において、レーザ発振閾値を超えるまで発振・増幅されると、第２出力レーザ光になり、前記回折格子は前記同調装置に設けられ、前記同調装置は、前記回折格子を前記回折格子の裏面に位置する回転軸回りに回転させるように駆動し、前記回転軸が前記回折格子の回折表面に平行しかつレーザの光軸に垂直する。前記回転軸の位置は、前記レーザの出力レーザ周波数の同調過程で、前記レーザの共振空洞で選択された縦モードのモード数が定数であるという条件を満たすように、予め設定されている。

前記回折格子が前記回転を行うときの回転半径は、前記回転軸から前記回折格子の回折表面への垂直距離である。

前記同調装置は、さらに、前記回転軸の位置をリアルタイムに変え、または前記回転軸と前記回折格子との相対位置をリアルタイムに変える。

前記同調装置は、前記回折格子を支持または装着する回転ベースと、前記回折格子を前記回転軸回りに回転させるように前記回転ベースを駆動し、かつ、前記回転軸の位置をリアルタイムに変え、または前記回転軸と前記回折格子との相対位置をリアルタイムに変える駆動装置と、を備え、前記回転ベースが前記駆動装置に接続される。前記駆動装置は、回転モーター、ステッピングモーター、または微小電気機械システムである。

前記同調装置は、前記回転ベースの移動を追跡して、追跡結果を制御装置に送信する符号化器と、選定された出力レーザ光の波長および前記追跡結果に基づいて、前記回転ベースの移動を選択的に制御することで、必要な周波数のレーザ光を出力するとともに、出力されたレーザ周波数に対してモードホップフリー連続同調を行う制御装置と、をさらに備える。

前記レーザは複数の回折格子を備え、前記複数の回折格子は前記同調装置に設けられ、前記同調装置は前記複数の回折格子を同一の回転軸回りに回転させるように駆動し、前記回転軸は前記回折格子の回折表面に平行しかつレーザの光軸に垂直し、前記光学ユニットは、前記同調装置に設けられたいずれかの回折格子を利用して、出力すべきレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現する。

前記レーザは、前記コリメートレンズと前記回折格子との間の光路に設けられる部分反射ミラーをさらに備え、前記部分反射ミラーは、第３出力レーザ光と、光スペクトル雑音がフィルタリングされた第４出力レーザ光とを生成する。前記部分反射ミラーは、分光器、空間フィルター、または結合光ファイバである。

前記レーザは、前記レーザの少なくとも１つの出力レーザ光を、必要なシングルモードまたはマルチモード光ファイバに結合する結合装置をさらに備える。

前記レーザは、前記同調装置の周囲に設けられる１つまたは複数の光学ユニットをさらに備え、各光学ユニットはいずれも、前記同調装置に設けられたいずれかの回折格子を利用して、出力すべきレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現する。

上記からわかるように、本発明の実施例では、連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザを提供している。該連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザは、同調装置と、少なくとも１つの回折格子とを備え、回折格子が同調装置に設けられ、同調装置が、前記回折格子を予め設けられた該回折格子の裏面に位置する回転軸回りに回転させるように駆動し、かつ該回転軸が該回折格子の回折表面に平行しかつレーザの光軸に垂直する。これにより、レーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することができ、前記レーザの生産コストを削減することができる。

従来技術１のＬｉｔｔｒｏｗ型の同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。 従来技術２のＬｉｔｔｒｏｗ型の同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。 従来技術３のＬｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型の同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。 本発明の実施例１に係る同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。 本発明の実施例１に係る同調可能格子外部空洞レーザの原理図である。 本発明の実施例２に係る同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。 本発明の実施例３に係る同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。 本発明の実施例４に係る同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。

以下、図面および実施例を参照して、本発明の具体的な実施形態をさらに詳しく説明する。

図４は本発明の実施例１に係る同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。図４に示すように、本発明に係る同調可能格子外部空洞レーザは、利得媒質（gain medium）４０１と、コリメートレンズ４０２と、回折格子４０３と、を備える。ここで、前記利得媒質４０１とコリメートレンズ４０２とは、光学ユニットを構成することができる。前記利得媒質４０１は、安定的な光利得を生成して、コヒーレントビームを出射する。例えば、該利得媒質４０１は、全反射または一部反射の背面４０６と、反射防止（ＡＲ：anti-reflection）コートが塗布された前出力表面４０７と、レーザダイオードチップ（該チップは慣用のＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏ型のレーザダイオードチップであってもよく、類似機能を持つ他のデバイスであってもよい）と、を備えてよい。図中のＭ点は光軸４００と利得媒質４０１の背面４０６との交点であり、Ｇ点は光軸４００と回折格子４０３との交点である。そのため、該レーザの外部共振空洞（外部空洞と略称する、以下同じ）は、利得媒質４０１の背面４０６と回折格子４０３とで限定される。利得媒質４０１は、前出力表面４０７からコヒーレントビームを出射する。該コヒーレントビームは、前記コリメートレンズ４０２を経て平行光になる。該平行光は、回折格子４０３に入射してから回折される。回折格子４０３で回折された光は、一部の回折光（例えば、０次回折光）がそのまま出力される第１出力レーザ光（例えば、出力レーザ光４０４）になることができ、他の一部の回折光（例えば、１次回折光、またはより高次の回折レベル）が元の入射光路に沿って利得媒質４０１の背面４０６に戻る。該背面４０６は、戻った光を再び回折格子４０３に反射する。このようにして、該回折光が前記利得媒質４０１においてレーザ発振閾値を超えるまで発振・増幅されると、該回折光を第２出力レーザ光（例えば、出力レーザ光４０５）とすることができる。ここからわかるように、該レーザの共振空洞における外部空洞の長さは、Ｍ点とＧ点との間の光路の総和である。

レーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現するために、本発明に係る解決手段では、図４に示すレーザは、上記の回折格子４０３とともに同調ユニットを構成することができる同調装置４０９をさらに備える。前記回折格子は前記同調装置に設けられる。また、該同調装置４０９は、該回折格子４０３を、予め設けられた、前記回折格子の裏面に位置する回転軸回りに回転可能にするように、上記の回折格子４０３を駆動する。前記回転軸は、前記回折格子の回折表面に平行しかつレーザの光軸４００に垂直する（即ち、前記回転軸はＯ点を通りかつ紙面方向に垂直する回転軸である）。即ち、前記回転軸は、前記回折格子４０３の回折表面の延長線に位置せずに、前記回折格子４０３の裏面に位置する。なお、該同調装置４０９は、Ｏ点の位置をリアルタイムに変えること（即ち、前記回転軸の位置を変えること）、またはＯ点と回折格子４０３との相対位置をリアルタイムに変えること（即ち、前記回転軸と回折格子４０３との相対位置を変えること）に用いることもできる。前記回折格子４０３が上記の回転を行うときの回転半径は、前記Ｏ点（即ち、前記回転軸）から回折格子４０３の回折表面までの垂直距離であり、該距離が

で表示される。ここで、Ｐ点は、Ｏ点から回折格子４０３の回折表面への垂線と該回折格子４０３の回折表面との交点である。

本発明の実施例では、上記の回折格子４０３が上記の回転軸回りに回転するとき、該回転軸が前記回折格子４０３の回折表面の延長線に位置せずに、前記回折格子４０３の裏面に位置し、そして該回転軸の位置および／または該回転軸と回折格子４０３との相対位置を予めまたはリアルタイムに設定することができる。そのため、上記の同調可能格子外部空洞レーザは、レーザ周波数同調のニーズに応じて、柔軟な設計を行い、前記レーザの共振空洞で選択された縦モードのモード数Ｎが定数であるＭＨＦ同調を満たすことができる。従って、いかなる付加的な制御方式または手段も要せずに、レーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することができ、かつ回折格子により生成された光スペクトル範囲全体をカバーする最大のＭＨＦ同調範囲を生成することができ、レーザの共振器構成を簡略化して、前記レーザの生産コストを削減することができる。次に、上記のモードホップフリー連続同調を実現する具体的な原理を説明する。

図５は本発明の実施例１に係る同調可能格子外部空洞レーザの原理図である。図５に示すように、上記の回折格子４０３が、上記のＯ点を通る回転軸回りに角度μ回転すると、回折格子４０３の位置が移動するため、回折角が差θからθ'に変化して、Ｇ点がＧ'点に移動する。即ち、該レーザの回折角も外部空洞の長さも変化するため、上記の変化を利用してレーザ周波数の同調を実現することができる。

回折格子４０３が初期状態にあり、回転を開始していないとき、回折角がθであり、回折格子４０３の溝密度をｄ_ｇとすると、共振条件から、このとき該回折格子４０３で選択されるレーザ光の中心波長が

になることがわかる。
図５に示すように、回折角がθである場合、該レーザの外部空洞の長さはＭ点とＧ点との間の光路の総和Ｌ_光(θ)になり、格子方程式から、

になることがわかる。
ここで、Ｎ(θ)（Ｎ(θ)は整数）は、回折角がθであるとき、上記の同調可能格子外部空洞レーザの共振空洞におけるＮ番目の縦モードのモード数を表す。

同調装置４０９は、上記の回折格子４０３を、上記のＯ点を通る回転軸回りに一定の角度回転させるように駆動すると、例えば、回折格子４０３は、回折角がθ'である位置に回転すると、回折格子４０３の回折表面上のＧ点がＧ'点の位置に移動し、このとき、該レーザの外部空洞の長さは、Ｍ点とＧ'点との間の光路の総和Ｌ_光(θ)になり、即ち、該レーザの外部空洞の長さは、

のように変化する。
ここで、

が該レーザの外部空洞の長さの変化量である。

図５の光路から、

になることがわかる。
ここで、

であり、

であり、

、

および

はそれぞれ、Ｏ点とＰ点との間の距離、Ｐ'点とＧ点との間の距離、Ｇ点とＰ点との間の距離を表す。図５からわかるように、ｒ_０とｔ_０は、Ｏ点の位置と決定関係を有するパラメータである。Ｏ点の位置が決定されると、またはＯ点と回折格子４０３との相対位置が決定されると、ｒ_０とｔ_０の値もそれに伴い決定される。逆に、ｒ_０とｔ_０の値に基づいて、Ｏ点の位置、またはＯ点と回折格子４０３との相対位置を決定するようにしてもよい。

回折角がθ'である場合、Ｎ(θ')（Ｎ(θ')は整数）は上記の同調可能格子外部空洞レーザの共振空洞におけるＮ番目の縦モードのモード数を表し、λ(θ)は該回折格子４０３で選択されるレーザ光の中心波長であるとすると、

になる。
上記の数式（４．１）〜（４．５）から、

になることがわかる。
ここで、α_１＝ｒ_０／Ｌ_光(θ)であり、α_２＝ｔ_０／Ｌ_光(θ)である。前記のα_１とα_２は、回転軸の位置ｒ_０とｔ_０を変えること、または回転軸と回折格子との相対位置を変えることにより、レーザの共振空洞の縦モードのモード数Ｎの値の大きさを調整できることを表す。

上記の数式（４．６）からわかるように、すべてのレーザ周波数に対してＭＨＦ連続同調を実現するために、レーザ周波数の同調の全過程にわたって、共振空洞で選択される縦モードのモード数Ｎ(θ')が定数であることが必要となり、即ち、モードホップフリー連続同調条件

を満たすべきである。

実際の応用環境のレーザにおいて、利得媒質１１の利得帯域幅が制限されるため、上記のモードホップフリー連続同調条件を満たすだけで、上記の制限される利得帯域幅内の所定周波数範囲内でモードホップフリー連続同調を行うことが保証できる。上記の数式（４．６）からわかるように、数式（４．６）のｒ_０とｔ_０を適当に調整するだけで、上記のモードホップフリー連続同調条件を容易に満たすことができ、すべてのレーザ周波数に対してＭＨＦ連続同調を容易に実現することができる。

回折格子４０３および／または回転軸の位置（即ち、Ｏ点の位置）の変化が上記のｒ_０とｔ_０の値の変化につながるため、本発明に係る解決手段では、Ｏ点の位置（即ち、前記回転軸の位置）を付加的なフィードバック制御の方式でリアルタイムに調整することにより、あるいは、回折格子４０３とＯ点との絶対位置または相対位置をリアルタイムに調整することにより、上記の２つの座標ｒ_０とｔ_０の値を変えてもよい。これにより、上記のモードホップフリー連続同調条件をより大きな周波数同調範囲で満たすことができる。

図５からわかるように、Ｏ点の位置が決定されると、またはＯ点と回折格子４０３との相対位置が決定されると、ｒ_０とｔ_０の値もそれに伴い決定される。そのため、本発明に係る解決手段では、実際の応用状況に応じて、Ｏ点の位置を予めまたはリアルタイムに選定し、あるいは、Ｏ点と回折格子４０３との相対位置を予めまたはリアルタイムに選定するようにしてもよい。これにより、前記回折格子４０３が、Ｏ点を通りかつ紙面方向に垂直する回転軸回りに回転するとき、該回折格子４０３の所属するレーザの共振空洞は、必要な周波数のレーザ光を出力できるように、適当な長さを有するとともに、出力されるレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調が実現される。

本発明に係る解決手段では、上記のＯ点の位置、またはＯ点と回折格子４０３との相対位置への選定、および、回折格子４０３の回転は、いずれも同調装置４０９によって実現することができる。前記同調装置４０９は、本技術分野に慣用の各種類の固定的または動的な位置調節装置であってよい。例えば、本発明の具体的な実施例では、前記同調装置４０９は、駆動装置と、回転ベース（base）と、を備えてよい（図４、図５に図示せず）。前記回折格子４０３は前記回転ベースに設けられる。また、前記回転ベースは、駆動装置に接続され、前記回折格子４０３の支持または装着に用いることができ、駆動装置の駆動により回折格子４０３の位置を変えることもできる。前記駆動装置は、前記回折格子４０３を前記回転軸回りに回転させるように、前記回転ベースを駆動することに用いることができ、該回折格子４０３を、Ｏ点を通りかつ紙面方向に垂直する回転軸回りに必要な位置に回転させるように、Ｏ点の位置、またはＯ点と回折格子４０３との相対位置を変えることに用いることもできる。ここで、前記駆動装置は、回転モーター、ステッピングモーター、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、または上記の駆動を実現できる他の装置であってよい。前記駆動装置と回転ベースとの接続方式は、直接固定方式（例えば、回転モーターやステッピングモーターの回転軸受は、直接に回転ベースに固定接続され、または自在継手を介して回転ベースに固定接続され、回転軸受の接続は、回転ベースが、Ｏ点を通りかつ紙面に垂直する回転軸回りに回転できること、または回転軸を移動できることを保証する）、または本分野に慣用の他の接続方式を使用するようにしてもよく、ここで説明を省略する。

また、前記同調装置４０９は、制御装置と、符号化器と（例えば、線形符号化器やモーター回転符号化器であり、図４、図５に図示せず）をさらに備えてよい。ここで、前記符号化器は、回転ベースの移動を追跡して、追跡結果を前記制御装置に送信する。前記回転ベースの移動は、並進運動、回転運動、または並進運動と回転運動との組合わせであってよい。ここで、回転ベースの並進運動により、前記回転軸の位置、または前記回転軸と前記回折格子との相対位置を変えることができる。前記回転ベースの回転運動により、前記回転ベース上の回折格子を前記回転軸回りに回転させることができる。前記制御装置は、選定された出力レーザ光の波長および前記追跡結果に基づいて、回転ベースの移動を選択的に制御することで、必要な周波数のレーザ光を出力するとともに、出力されるレーザ周波数に対してモードホップフリー連続同調を行う。ここからわかるように、上記のような同調装置４０９により、必要な周波数のレーザ光を出力するとともに、出力されるレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することができる。

図５に示す同調可能格子外部空洞レーザでは、出力レーザ光とすることができるものとして、１）回折格子４０３の回折表面で反射された後に、直接に出力されたレーザ光により形成された出力レーザ光４０４と、２）回折格子４０３の回折表面から利得媒質４０１に反射されて、利得媒質４０１において発振・増幅された後に、利得媒質４０１の背面４０６から出力された出力レーザ光４０５とがある。

しかし、上記の出力レーザ光４０４と出力レーザ光４０５には、いずれも比較的に高い光スペクトル「雑音」がある。該光スペクトル「雑音」は、利得媒質４０１における光源自然放出（ＳＳＥ：source spontaneous emission）と増幅自然放出（ＡＳＥ：amplified spontaneous emission）によるものである。上記の光スペクトル「雑音」の存在は、出力されるレーザ光のコヒーレンス性および強度に不利な影響を及ぼす。そのため、本発明に係る解決手段では、図５に示す同調可能格子外部空洞レーザに、上記の出力レーザ光における光スペクトル「雑音」（即ち、出力レーザ光におけるＡＳＥとＳＳＥ成分）を「除去」するための部分反射ミラーを追加するようにしてもよい。

図６は、本発明の実施例２に係る同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。図６に示すように、本発明に係る同調可能格子外部空洞レーザは、利得媒質４０１と、コリメートレンズ４０２と、回折格子４０３と、同調装置４０９とに加えて、コリメートレンズ４０２と回折格子４０３との間の光路に設けられた部分反射ミラー６０１をさらに備える。該部分反射ミラー６０１は、実際のニーズに応じて必要な任意の角度に設定または回転することができ、出力レーザ光における光スペクトル雑音をフィルタリングする。好ましくは、該部分反射ミラー６０１は、分光器または他の形式の空間フィルターであってよい。前記光スペクトル「雑音」の波長が、出力されたレーザ光の波長と異なるため、空間の分布では、上記の光スペクトル「雑音」を、回折格子４０３の回折により、前記出力レ―ザーの光路から駆逐または逸脱させることができる。そのため、上記の部分反射ミラー（例えば、分光器、空間フィルター、または結合光ファイバ）を挿入することにより、前記出力レーザ光における上記の光スペクトル「雑音」を完全に「除去」することができる。
本発明に係る実施例では、上記の部分反射ミラー６０１は、該部分反射ミラー６０１を通るレーザ光を、２つのレーザビームに分けてそれぞれ出力することができる。そのうち一方のレーザビームは出力レーザ光６０２であり、上記の部分反射ミラー６０１の「除去」という役割で、該出力レーザ光６０２に上記の光スペクトル「雑音」を含まないことになる（即ち、該出力レーザ光６０２には、ＡＳＥとＳＳＥ成分が含まれない）。他方のレーザビームは出力レーザ光６０３であり、該出力レーザ光６０３が伝統的な同調可能レーザビームであり、その中には依然として上記の光スペクトル「雑音」が含まれて（即ち、該出力レーザ光６０３には、依然としてＡＳＥとＳＳＥ成分が含まれる）、かつ上記の出力レーザ光６０２の方向と逆になる。

図６に示す同調可能格子外部空洞レーザにより、伝統的な同調可能レーザビーム（例えば、出力レーザ光４０４、４０５、６０３など）を取得するとともに、光スペクトル「雑音」が除去された（即ち、ＡＳＥとＳＳＥ成分を含まない）、高コヒーレンス性、高い光スペクトル純度を有するレーザビーム（例えば、出力レーザ光６０２）を取得することもできる。これにより、上記の同調可能格子外部空洞レーザの性能を向上させ、上記の同調可能格子外部空洞レーザの適用範囲を効果的に拡張する。

なお、本発明に係る実施例では、上記の同調可能格子外部空洞レーザで生成されたモードホップフリー連続同調レーザと相応のシングルモードまたはマルチモード光ファイバ６２０との結合を実現するために、上記の同調可能格子外部空洞レーザは、図６に示すような結合装置６１０をさらに備えてよい。該結合装置６１０は、上記のレーザの出力レーザ光を、必要なシングルモードまたはマルチモード光ファイバ６２０に結合することができる。次に、出力レーザ光４０５を例として、本発明に係る解決手段を説明する。

該結合装置６１０は、ビーム収集装置６１１と、光アイソレータ６１２と、補正レンズ６１３と、を備える。ここで、ビーム収集装置６１１は、上記の利得媒質４０１の背面４０６から出力された出力レーザ光４０５を収集して、収集された出力レーザ光を光アイソレータ６１２に伝送する。前記光アイソレータ６１２は、外部フィードバック光の干渉を防止して、上記の出力レーザ光の一方向出力を実現する。前記補正レンズ６１３は、前記光アイソレータ６１２から出力されたレーザ光をコリメートして、該出力されたレーザ光を平行なレーザビームにし、または、前記光アイソレータ６１２から出力されたレーザ光を集光して、該出力されたレーザ光を相応の光ファイバ６２０に結合する。

なお、上記の同調可能格子外部空洞レーザの出力レーザ光４０４、６０３または６０２の方向においても、上記の出力レーザ光を必要な光ファイバに結合するように、上記の結合装置６１０をそれぞれ使用してもよい。

本発明に係る解決手段では、上記の同調可能格子外部空洞レーザの同調ユニットをさらに改善することで、上記の同調可能格子外部空洞レーザの重複掃引速度（sweeping rate）および同調速度を向上させることができる。

図７は本発明の実施例３に係る同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。図７に示すように、本発明に係る同調可能格子外部空洞レーザは、利得媒質４０１と、コリメートレンズ４０２と、同調装置４０９と、部分反射ミラー６０１と、結合装置６１０と、少なくとも１つの回折格子４０３と、を備える。本発明の具体的な実施例では、上記の同調可能格子外部空洞レーザは、１つまたは複数の回折格子４０３を備えてよいが、本発明に係る解決手段をよりよく説明するために、以下、該同調可能格子外部空洞レーザが３つの回折格子４０３を備える場合を例として説明する。

図７に示すように、上記の３つの回折格子４０３は、同調装置４０９に設けられて、該同調装置４０９とともに同調ユニットを構成する。前記同調装置４０９は、前記回折格子４０３を装着・支持するための回転ベース（base）と、駆動装置とを備える。前記回転ベースは前記駆動装置に接続される。前記接続方式は、本技術分野に慣用の接続方式であってよく、例えば、前記回転ベースと前記ステッピングモーターとを、回転軸受（rotation bearing）を介して接続してもよい。ここで、前記３つの回折格子４０３は、同調装置４０９の回転ベースに設けられる。該回転ベースは、Ｏ点を通りかつ紙面方向に垂直する回転軸回りに回転することができる。前記ステッピングモーターは、該回転ベースを所定の回転速度に応じて回転させるように、前記の回転軸受により前記の回転ベースを駆動することに用いることができる。これにより、回転ベースに設けられた各回折格子４０３の位置を変えて、上記の複数（図７に３つを示す）の回折格子４０３のうちいずれかの位置がモードホップフリー連続同調条件を満たすことを可能にし、レーザから出力すべきレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することができる。

上記の同調可能格子外部空洞レーザでは、前記同調装置は、上記の複数の格子を同一の回転軸（即ち、上記のＯ点を通りかつ紙面方向に垂直する回転軸）回りに回転させるように駆動するようにしてよい。各回折格子の回転半径は、同じであってもよく、異なってもよいが、実際のニーズに応じて調整することができる。即ち、前記同調装置４０９における前記３つの回折格子の位置（各回折格子の間の角度と、各回折格子とＯ点との相対位置と、各回折格子からＯ点までの距離とを含む）はいずれも、数式（４．６）および実際の応用環境に応じて決定することができる。また、上記の駆動装置は、ステッピングモーター、または上記の駆動を実現できる他の装置であってよい。

図７からわかるように、上記の同調可能格子外部空洞レーザが複数の回折格子を備えるため、前記同調装置４０９が、Ｏ点を通りかつ紙面方向に垂直する回転軸回りに１周回転する過程では、利得媒質とコリメートレンズとからなる各光学ユニットはいずれも、前記同調装置に設けられたいずれかの回折格子を利用して、出力すべきレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することができる。そのため、該同調可能格子外部空洞レーザは、上記の複数の回折格子のそれぞれにより、出力されるレーザに対して複数回のモードホップフリー連続同調を行うことができる。これにより、毎回のモードホップフリー連続同調の間の周期を縮減して、上記の同調可能格子外部空洞レーザの掃引速度および同調速度を向上させる。

また、図７に示す同調可能格子外部空洞レーザは、１つの回折格子を備えてよいが、複数の回折格子を備えてもよい。上記の回折格子の数は、具体的に実際のニーズに応じて予め設定してもよい。

なお、図７に示す同調可能格子外部空洞レーザでは、実際のニーズに応じて、上記の部分反射ミラー６０１および／または結合装置６１０を設けるかどうかを選択してもよい。即ち、上記の部分反射ミラー６０１および結合装置６１０は、上記の同調可能格子外部空洞レーザの必要な構成要素ではない。

図８は本発明の実施例４に係る同調可能格子外部空洞レーザを示す図である。図８に示すように、上記の回折格子の利用率をよりよく向上させるために、同調可能格子外部空洞レーザにおける同調装置４０９の周囲に１つまたは複数の光学ユニットを設けてもよい。ここで、各光学ユニットはいずれも、利得媒質４０１と、コリメートレンズ４０２とを備え、部分反射ミラー６０１と、結合装置６１０とをさらに備えてもよい。そのため、同調装置４０９が、Ｏ点を通りかつ紙面方向に垂直する回転軸回りに回転すると、各光学ユニットはいずれも、同調装置４０９に設けられるいずれかの回折格子を単独に利用して、出力すべきレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することができる。これにより、上記の回折格子の利用率をさらに向上させ、毎回のモードホップフリー連続同調の間の周期を縮減し、上記の同調可能格子外部空洞レーザの掃引速度および同調速度を向上させ、マルチ光路のレーザ光出力を実現することができる。

なお、図８に設けられる複数の光学ユニットでは、異なる光学ユニットは、異なる利得媒質、異なるコリメートレンズ、異なる回折格子、または異なる部分反射ミラーを選択して、異なる波長の出力レーザ光を生成して、独特なマルチ波長、マルチ光路のレーザ光出力を実現することができる。

上記からわかるように、本発明に係る解決手段では、多様な連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザを提供している。本発明の実施例で提供された上記のコンパクトな構成である多機能出力を実現できる連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザを使用することにより、レーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することができるとともに、生産コストを削減することもでき、レーザの掃引速度および同調速度を向上させることができる。これにより、上記の連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザは、大きなＭＨＦ同調能力を有するため、高解像度レーザ計測（high-resolution laser metrology）、および原子時計、レーザ冷却／レーザトラップ、オンフィールド（on-field）生化学分析装置などのような分光センサ（spectroscopic sensor）に広く適用することができる。

なお、本発明の解決手段で提供された連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザは、Ｌｉｔｔｒｏｗ型の同調可能格子外部空洞レーザであるため、レーザの共振空洞の構成が非常にコンパクトであり、形式も簡単であり、かつ多機能出力を実現することができる。これにより、非常に簡略化されかつ低コストである製造過程を実現することができ、そして、低コスト、量産可能、高安定性およびコンパクトな構成などのメリットがある。

上記は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明の精神と原則内で行われる種々の修正、均等置換え、改善などはすべて本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

４００ 光軸
４０１ 利得媒質
４０２ コリメートレンズ
４０３ 回折格子
４０４ 出力レーザ光
４０５ 出力レーザ光
４０６ 背面
４０７ 前出力表面
４０９ 同調装置
６０１ 部分反射ミラー
６０２ 出力レーザ光
６０３ 出力レーザ光
６１０ 結合装置
６１１ ビーム収集装置
６１２ 光アイソレータ
６１３ 補正レンズ
６２０ 光ファイバ

実際の応用環境のレーザにおいて、利得媒質４０１の利得帯域幅が制限されるため、上記のモードホップフリー連続同調条件を満たすだけで、上記の制限される利得帯域幅内の所定周波数範囲内でモードホップフリー連続同調を行うことが保証できる。上記の数式（４．６）からわかるように、数式（４．６）のｒ_０とｔ_０を適当に調整するだけで、上記のモードホップフリー連続同調条件を容易に満たすことができ、すべてのレーザ周波数に対してＭＨＦ連続同調を容易に実現することができる。

Claims (12)

1. 連続モードホップフリー同調可能格子外部空洞レーザであって、
   利得媒質とコリメートレンズとからなる少なくとも１つの光学ユニットと、同調装置と、少なくとも１つの回折格子とを備え、
   前記利得媒質から出射されたコヒーレントビームは、前記コリメートレンズを経て平行光になり、前記平行光が前記回折格子で回折された後に、一部の回折光は、そのまま出力される第１出力レーザ光になり、他の一部の回折光は、元の入射光路に沿って前記利得媒質に戻り、前記利得媒質において、レーザ発振閾値を超えるまで発振・増幅されると、第２出力レーザ光になり、
   前記回折格子は前記同調装置に設けられ、前記同調装置は、前記回折格子を前記回折格子の裏面に位置する回転軸回りに回転させるように駆動し、前記回転軸が前記回折格子の回折表面に平行しかつレーザの光軸に垂直することを特徴とするレーザ。
2. 前記回転軸の位置は、前記レーザの出力レーザ周波数の同調過程で、前記レーザの共振空洞で選択された縦モードのモード数が定数であるという条件を満たすように、予め設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
3. 前記回折格子が前記回転を行うときの回転半径は、前記回転軸から前記回折格子の回折表面への垂直距離であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
4. 前記同調装置は、さらに、前記回転軸の位置をリアルタイムに変え、または前記回転軸と前記回折格子との相対位置をリアルタイムに変えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
5. 前記同調装置は、
   前記回折格子を支持または装着する回転ベースと、
   前記回折格子を前記回転軸回りに回転させるように前記回転ベースを駆動し、かつ、前記回転軸の位置をリアルタイムに変え、または前記回転軸と前記回折格子との相対位置をリアルタイムに変える駆動装置と、を備え、
   前記回転ベースが前記駆動装置に接続されることを特徴とする請求項４に記載のレーザ。
6. 前記駆動装置は、回転モーター、ステッピングモーター、または微小電気機械システムであることを特徴とする請求項５に記載のレーザ。
7. 前記同調装置は、
   前記回転ベースの移動を追跡して、追跡結果を制御装置に送信する符号化器と、
   選定された出力レーザ光の波長および前記追跡結果に基づいて、前記回転ベースの移動を選択的に制御することで、必要な周波数のレーザ光を出力するとともに、出力されたレーザ周波数に対してモードホップフリー連続同調を行う制御装置と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザ。
8. 前記レーザは複数の回折格子を備え、
   前記複数の回折格子は前記同調装置に設けられ、前記同調装置は前記複数の回折格子を同一の回転軸回りに回転させるように駆動し、前記回転軸は前記回折格子の回折表面に平行しかつレーザの光軸に垂直し、
   前記光学ユニットは、前記同調装置に設けられたいずれかの回折格子を利用して、出力すべきレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
9. 前記レーザは、前記コリメートレンズと前記回折格子との間の光路に設けられる部分反射ミラーをさらに備え、
   前記部分反射ミラーは、第３出力レーザ光と、光スペクトル雑音がフィルタリングされた第４出力レーザ光とを生成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
10. 前記部分反射ミラーは、分光器、空間フィルター、または結合光ファイバであることを特徴とする請求項９に記載のレーザ。
11. 前記レーザは、前記レーザの少なくとも１つの出力レーザ光を、必要なシングルモードまたはマルチモード光ファイバに結合する結合装置をさらに備えることを特徴とする請求項１または９に記載のレーザ。
12. 前記レーザは、前記同調装置の周囲に設けられる１つまたは複数の光学ユニットをさらに備え、
    各光学ユニットはいずれも、前記同調装置に設けられたいずれかの回折格子を利用して、出力すべきレーザ周波数へのモードホップフリー連続同調を実現することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。

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