JP2017504973A - チューニングレーザのための微小電気機械システム - Google Patents

Abstract

提案されるものは、微小機械的に形成される装置（１）を支えるためのキャリア（２）と、光（ＬＩ）を回折するための回折格子（３）と、回折格子（３）を支えるためのプレート（４）と、キャリア（２）に対してプレート（４）を偏位（ＰＴ，ＰＲ）させるための偏位手段（５，６；６，１８，１９）であって、プレート（４）を移動可能に支持するための支持手段（５；１８，１９）と、プレート（４）を移動させるための駆動手段（６）とを備える、偏位手段（５，６；６，１８，１９）と、を含み、偏位手段（５，６；６，１８，１９）が、プレート（４）の回転偏位（ＰＲ）のため及びプレート（４）の並進偏位（ＰＴ）のために構成される、微小機械的に形成される光学装置である。

Description

本発明は、チューニングレーザのためのシステム及び波長可変レーザに関する。
特に、本発明は、中赤外領域（ＭＩＲ）のための波長可変レーザに関する。それらは特に分光のために必要とされる。例：呼吸用ガス解析（ＣＯ_２、窒素など）、食料品分析（金型、タンパク質含有量、脂肪含有量など）、環境計測工学（細塵、炭化水素による汚染など）、爆発物の検出、化学工業及び製薬工業におけるプロセス分析。

レーザの波長は段階的に或いは連続的に変えられる。放射されるレーザビームは、分析されるべき材料を通過する（透過／吸収分光法）或いは前述の材料によって反射される（反射分光法）。結果として生じる信号の強度は、波長に応じて検出器を用いて決定される。このようにして得られるスペクトルは、検査される材料の組成を決定するための基準として役立つ。

チューニングは、連続的に或いは半連続的に、すなわち、適切に高いスペクトル分解能が得られるように十分に小さいステップで行われなければならない。さもなければ、材料にとって特有の重要な吸収線が消失せず或いは十分に消失せず、それにより、同定が更に困難になる或いは妨げられる。

検査されるべき物質に応じて、ＭＩＲ内の特定の波長域が対象となる。
この場合、所要の波長範囲に柔軟に調整され得る小型の連続的にチューニング可能なＭＩＲレーザ源を用意すべき要件が生じる。動的プロセスも検査すべき必要性によって更なる要件が生じ、それにより、高速同調性が必要となり、また、高度な光結合効率を得る必要性によって更なる要件が生じ、それにより、適切に大きい寸法を有するミラー又は回折格子によって共振器を密封することが求められる。

第１の既知の手法は、広帯域放射を伴う光源を使用することに関連する。
ＭＩＲにおいては、例えば分光法のための波長選択要素と組み合わされるＧｌｏｂａｒなどの広帯域放射を伴う光源が時として使用されてきた。そのような波長選択要素は、例えばチューニング可能なファブリー・ペローフィルタをもたらす。或いは、広帯域光源は、フーリエ変換スペクトロメータと組み合わされる。

ファブリー・ペローフィルタを使用する際には、フィルタの達成可能な分解能と自由スペクトル領域とが厳密に相関されるようにするべく気を付けなければならない。その結果、柔軟な適用可能性を得るために求められる広いチューニング範囲は、分解能の対応するかなりの減少を伴ってのみ達成し得る。広いチューニング範囲及び高い分解能の両方を得るために、異なる自由スペクトル領域を有する幾つかのフィルタの組み合わせが必要とされ、それにより、システムの複雑さ及び製造コストが高まる。

同調性を得るためには、フィルタと高度に反射するミラーとが一般に互いに対してオフセットされなければならない−或いは、アレイが入射ビームに関して回転される。この作動は、今日では、精密機械的に形成されるモータ、例えばステッピングモータによって主に行われる。したがって、小型化の程度が明らかに制限される。或いは、ＭＥＭＳファブリー・ペローフィルタ（ＭＥＭＳ＝微小電気機械システム）が例えばＡｘｓｕｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによって使用されてもよいが、近赤外領域（ＮＩＲ）においてのみである。この場合、高度な小型化が達成される。しかしながら、ＭＥＭＳに基づく製造は、高度に反射するブラッグ反射器を形成するために選択された層を使用することを要する。ＮＩＲではＭＥＭＳ技術で高回折層と低回折層との典型的な組み合わせが容易に利用可能にされ得るが、ＭＩＲではＣａＦ_２などの材料又は他の非標準的な材料が必要とされる。

光路長の所要の調節に起因して、フーリエ変換スペクトロメータは、一般に遅く重いととともに、それらが振動に非常に敏感であるため持ち運びできない。最初のＭＥＭＳに基づく手法がこの分野で非常に有望な場合であっても、冷却された検出器がＭＩＲにおいて必要とされるという一般的な問題が残る。前記検出器は、非常に高い電力消費量を有し（熱電冷却モジュール、ペルチェ素子）、或いは、液体窒素を用いて冷却されなければならない。

更なる既知の手法は、狭帯域放射を伴う光源を使用することに関連する。
別の手法は、狭帯域放射を伴う光源、例えばレーザの使用であり、この場合、放射波長が適切な光学素子によって変えられてもよい。ＭＩＲでは、量子カスケードレーザが幅広く受け入れられてきた。これは、他のタイプのレーザが実際にはこの波長範囲を網羅しないからである。放射波長をチューニングするため、外部レーザキャビティを制限する及び／又は外部レーザキャビティ内に配置される波長選択光学素子がレーザチップの外側で一般に使用される。

そのような光学素子の第１の例として、既に前述したファブリー・ペローフィルタが言及されるべきである。図１は、量子カスケードレーザチップ、ビーム視準用レンズ、２つのチューニング可能な（ファブリー・ペロー）フィルタ、及び、外部キャビティを密封する高度に反射するミラーを伴う基本的な配列を示す。キャビティの第１のミラーは、レーザダイオードの側面によって形成される（図１では、これがレーザダイオードの左側である）。同調性を拡張させるために、既に前述したように２つのファブリー・ペローフィルタがカスケード接続されてしまっている。

２つのフィルタによって透過される波長だけが、共振器内で増幅され、したがってレーザアレイによって放射される。ファブリー・ペローフィルタを使用することによってもたらされる前述した根本的な不都合が依然として残る。

別の手法が図２に描かれる。ここでは、ファブリー・ペローフィルタの機能及び高度に反射するミラーの機能を果たす回折格子が使用される。

レーザチップにより放射される様々な波長が回折格子に衝突する。格子周期と格子を回転させることにより変えられてもよい入射角αとに応じて、一次回折では、１つの波長だけが、それが入射ビームと共線的な態様でレーザチップへと逆行するように回折される。それにしたがって、前記波長が増幅され、それにより、配列がこの波長で放射する。この波長に関して、回折格子、及び、レーザ共振器を密封する第２の高度に反射するミラーは、ファブリー・ペローフィルタとして作用する。フィルタ、及び、回折格子によって元の共振器へと回折される波長は、互いにチューニングされなければならない。しかしながら、それらのフィルタ及び波長は、異なる角度関数にしたがって格子の回転角度が変化するにつれてそれらの特性を変える。このように、格子が回転されれば、したがって、異なる波長が回折して戻されれば、共振器長さがモードホッピングを避けるように適合されなければならない。回折格子の回動点は、連続チューニング範囲が可能にされるように、それぞれの形態（格子周期、チューニング範囲の中心波長）ごとに個別に決定されて調整されなければならない。簡単で柔軟な再構成は、簡単な自動態様で変化され得る回動点を必要とする。今日知られる技術的解決策では、回折格子を回転させるために、主に精密機械的に形成されるモータが使用されるが、このモータは、回動点の位置を変えるために再装着されなければならない。異なる波長範囲に関する直接的な柔軟性の欠如に加え、小型化は選択の余地がない。

回折格子が固定されるとともにミラーが代わりに回転できる図３に示される変形は、非常に類似している。このいわゆるリットマン形態を用いて、共振器長さ−及び、したがって、共振器のファブリー・ペローフィルタ効果によって規定される波長−並びにミラーの傾動によって回折して戻される波長が同じ角度関数によって変化することが達成される。この目的のために適切な回動点が選択されるべきであるが、このとき、回動点は固定されたままでもよい。この回動点は、一般に、格子構造の外側に明確に位置される。

可視域（ＶＩＳ）範囲内及び最大で２μｍのＮＩＲ範囲内の波長可変レーザ源のためのＭＥＭＳ技術における小型化構成の例は、例えばＡ．Ｑ．Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．（Ａ．Ｑ．Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．：“Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ＭＥＭＳ ｅｘｔｅｒｎａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒｓ”，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１７（２００７），ＲＩ−Ｒ１３，及びＡ．Ｑ．Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．：“Ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｔｕｎｉｎｇ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５（２００４｝，５．３６８４−６）によって記載されている。ある場合には、格子と回折格子を回転させるための静電アクチュエータとがシリコンにおける深掘反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって形成される。回折格子は垂直方向で制限された寸法を有し、これはエッチング技術に起因する。ここでは、典型的な値が１００μｍである。結果として、特に非常に発散的なレーザダイオードにおいて、結合効率が明確に制限される。高い度合の効率を得るために、例えば円柱レンズなどの更なる光学部品が必要とされる。深掘反応性イオンエッチングでは、いわゆるスカロッピング（ＤＲＩＥプロセスにおいて連続的なエッチング及び不動態化により引き起こされる引っかき傷）に起因して側壁の表面品質が制限される。また、これは、結合効率に対してマイナスの影響も与える。そのような影響は、ＤＲＩＥエッチングされた全ての構造において付随的に生じ、そのため、このようにして形成されるミラー表面が同じ不都合を示す。最後に、ＤＲＩＥを用いてエッチングされた回折格子の場合に関しては、エッチングマスクにより規定される格子構造が、深さが増大するにつれて増大する度合まで、表面に存在する構造とは異なることに留意すべきである。これも、格子品質に対して、したがって結合効率に対してマイナスの影響を与える。

また、ＤＲＩＥエッチングされた構造の根本的な不都合は、Ｗ．Ｈｕａｎｇ（Ｗ．Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．：“Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＭＥＭＳ ｆｌｅｘｕｒｅ ｍｏｕｎｔ ｆｏｒ ａ Ｌｉｔｔｍａｎ ｔｕｎａｂｌｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｌａｓｅｒ”，ＩＥＥ Ｐｒｏｃ．−Ｓｃｉ．Ｍｅａｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｖｏｌ１５１（２）（２００４），ｐｐ．６７−７５）によって与えられる例にも当てはまる。ここには、静電アクチュエータによって傾けられ得るミラーが記載され、アクチュエータ及びミラーの表面はＤＲＩＥを用いて形成されている。複合的な固形物懸濁並びに傾動及び並進のための異なるアクチュエータの結果として、ミラーの事実上の回動点がチップの外側に大きく外れて位置され、それにより、チップを小さく維持できる場合がある。しかしながら、両方の動きは、互いに独立ではなく、したがって複雑な制御を必要とする。約０．１°の達成し得る傾動角は、比較的小さいが、±５０ｎｍのチューニング範囲にとって十分である。ミラーの長さは２．３ｍｍであり、前述した理由により、高さは７５μｍにすぎない。

ＤＲＩＥミラー及び／又はＤＲＩＥ回折格子の小さい高さを補償するために、例えば円柱レンズが使用される。レンズの品質及び調整のための費用に課される要件は、ミラー及び／又は回折格子の寸法が増大するにつれて減らすことができ、これが、１００μｍよりも明らかに大きい長さ及び高さを有するミラー／回折格子が好ましいとされる理由である。また、ＭＩＲスケールにおいては波長に対応する格子構造が必要とされ、これが、ＮＩＲにおける場合よりも大きい屈折格子／ミラーがここで必要とされる理由である。

リットロー形態における格子の回転時の共振器長さの変化を補償するための異なる手法は、格子又は共振器ミラーの並進移動のために精密機械的な圧電アクチュエータを使用することにある。

本発明の目的は、レーザの同調性を改善することである。

この目的は、
微小機械的に形成される装置を支えるためのキャリアと、
光を回折するための回折格子と、
回折格子を支えるためのプレートと、
キャリアに対してプレートを偏位させるための偏位手段であって、プレートを移動可能に支持するための支持手段と、プレートを移動させるための駆動手段とを備える、偏位手段と、
を含み、
偏位手段が、プレートの回転偏位のため及びプレートの並進偏位のために構成される、
微小機械的に形成される光学装置によって達成される。

ＭＥＭＳ技術を使用することにより、回折格子を高い光学的品質を伴って且つ大きな寸法を伴って形成することができる。数ミリメートルの寸法が容易に想定し得る。回折格子は、特に、層蒸着又は構造化によって形成されてもよい。したがって、このようにして形成される回折格子は、ＤＲＩＥを用いて形成される前述の光学面とはかなり異なる。

非常に遠隔の回動点を中心とする回転は、回折格子が配置されるプレートからの肩押しと回転とを適切に組み合わせることによって実現されてもよい。このようにすると、モードホッピングを何ら伴うことなくレーザをチューニングすることができる。

したがって、本発明の装置は、構成の簡潔さという利点、高い光学的品質という利点、及び、モードホッピングが無い動作という利点を融合させる。

本発明の有利な更なる進展によれば、回折格子は、中赤外領域内の光を回折するように構成される。このようにすると、中赤外領域内で作用するレーザをチューニングできる。中赤外領域は、２．５−２５μｍの範囲内の波長にかかわる。

本発明の都合の良い更なる進展によれば、支持手段が弾性的に変形可能な支持要素を含む。そのような支持要素は、プレートの十分な可動性を可能にするとともに、ＭＥＭＳ技術によって簡単且つ正確な態様で形成され得る。

本発明の有利な更なる実施形態によれば、プレートは、それに関連付けられる位置センサを有し、この位置センサは、プレートの回転偏位を測定する及び／又はプレートの並進偏位を測定するように構成される。結果として、プレートの動作のオープンループ制御だけでなくクローズドループ制御も行うことができ、それにより、プレートの回転偏位及び／又は並進偏位の精度に対してプラスの影響を与えることができる。

本発明の有利な更なる進展によれば、駆動手段は、少なくとも１つの電極配列と、少なくとも１つの電極配列に対して制御電圧を印加するための制御手段とを含む静電駆動手段である。静電駆動手段は、異なって帯電される電極の相互静電引力、及び／又は、同じ種類の電極の相互静電反発に基づく。電極配列は、それらに電荷生成制御電圧が印加された場合に互いと直接に静電相互作用し得る電極の配列を意味すると理解される。そのような電極配列は、ＭＥＭＳ技術を用いて簡単な小型化された態様で形成され得る。

本発明の都合の良い更なる進展によれば、電極配列のうちの少なくとも一方は、プレートの並進偏位及び回転偏位のための電極配列である。これは、装置の簡単な構成をもたらす。

本発明の有利な更なる進展によれば、静電駆動手段は、専らプレートの並進偏位のみのための少なくとも１つの電極配列と、専らプレートの回転偏位のみのための第２の電極配列とを含む。このようにすると、プレートの並進偏位をプレートの回転偏位とは無関係に引き起こすことができ、それにより、偏位の精度に対してプラスの影響を与えることができる。

本発明の都合の良い更なる発明によれば、静電駆動手段は、プレートの並進偏位が準静的態様で行われるように構成される。

本発明の有利な更なる進展によれば、静電駆動手段は、プレートの回転偏位が準静的態様で行われるように構成される。

準静的な偏位は、偏位のそれぞれの瞬時値を制御電圧の値と一義的に関連付けることができる偏位を意味すると理解される。言い換えると、制御電圧と同期する態様で偏位の瞬時値が変化するときには性質が静的な偏位であると言える。準静的な偏位の場合には、レーザのチューニングをほぼ任意のパターンで行うことができる。例えば、ジグザグパターン又は正弦曲線パターンが想定し得る。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、静電駆動手段は、プレートの並進偏位が共鳴励起によって行われるように構成される。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、静電駆動手段は、プレートの回転偏位が共鳴励起によって行われるように構成される。
これは、プレートが回転及び／又は並進態様で共振させられることを意味すると理解される。結果として、小さな力及び／又は制御電圧を用いて大きな偏位を達成できる。しかしながら、この態様では正弦曲線偏位だけが可能である。

本発明の有利な更なる進展によれば、支持手段がキャリアとプレートとを接続する弾性変形可能な支持要素を含む。キャリアとプレートとの直接的な弾性接続は、装置の構成を簡略化する。

本発明の有利な更なる進展によれば、少なくとも１つの電極配列は、キャリア上に固定された少なくとも１つの電極と、プレート上に固定された少なくとも１つの電極とを含む。この特徴も、装置の構成の簡潔さに対してプラスの影響を与える。

本発明の有利な更なる進展によれば、支持手段は、キャリア及びプレートにそれぞれ移動可能に接続される中間フレームを含む。そのような中間フレームは、プレートの並進偏位と回転偏位とを互いから構造的に分離できるようにする。これは、精度に対してプラスの影響を与える。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、支持手段は、中間キャリアとプレートとを接続する少なくとも１つの弾性的に変形可能な支持要素と、中間キャリアとキャリアとを接続する少なくとも１つの第２の弾性的に変形可能な支持要素とを含む。これは、装置の簡単な構成をもたらす。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、駆動手段は、中間キャリアをキャリアに対して偏位させるための少なくとも１つの第１の電極配列と、プレートを中間キャリアに対して偏位させるための少なくとも１つの第２の電極配列とを備える。この特徴も、装置の構成の簡潔さに対してプラスの影響を与える。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、中間キャリアをキャリアに対して偏位させるための少なくとも１つの第１の電極配列は、中間キャリア上に固定された少なくとも１つの電極と、キャリア上に固定された少なくとも１つの電極とを備え、また、プレートを中間キャリアに対して偏位させるための少なくとも１つの第２の電極配列は、中間キャリア上に固定された少なくとも１つの電極と、プレート上に固定された少なくとも１つの電極とを備える。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、支持手段は、キャリアに対する中間キャリアの並進偏位のため及び中間キャリアに対するプレートの回転偏位のために構成される。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、支持手段は、キャリアに対する中間キャリアの回転偏位のため及び中間キャリアに対するプレートの並進偏位のために構成される。
このようにすると、プレートの回転偏位と並進偏位とを互いから完全に切り離すことができる。

また、目的は、波長を決定するレーザ共振器を用いて可変波長を有するレーザビームを生成するためのレーザであって、波長を変えることができる先の請求項のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置をレーザ共振器が備える、レーザによって更に達成される。前述の利点が生じる。

本発明の都合の良い更なる進展によれば、レーザが半導体レーザである。
本発明の有利な更なる進展によれば、レーザが量子カスケードレーザである。
本発明の有利な更なる進展によれば、レーザは、中赤外領域内のレーザビームを生成するように構成される。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、回折格子の偏光は、レーザの活性媒体へのフィードバック効率を最大にすることを目的としている。

先に論じられた及び／又は従属請求項で示された本発明の有利な実施及び更なる進展は、例えば明らかな従属関係又は不適合な代案の場合を除き、個別に或いは任意の組み合わせで使用されてもよい。

以下、本発明、並びに、その有利な実施及び更なる進展、加えて、それらの利点を、図面を用いて更に詳しく説明する。
概略図ではそれぞれ、図が以下を示す。

従来技術に係る第１の波長可変レーザを示す。 従来技術に係る第２の波長可変レーザを示す。 従来技術に係る第３の波長可変レーザを示す。 本発明の装置の第１の有利な実施形態を平面図で示す。 本発明の装置の第１の有利な実施形態を切断側面図で示す。 本発明の装置のプレートの偏位を示すための略図を示す。 本発明の装置の第２の有利な実施形態を平面図で示す。 本発明の装置の第２の有利な実施形態を切断側面図で示す。 本発明の装置の第３の有利な実施形態を平面図で示す。 本発明の装置の第３の有利な実施形態を切断側面図で示す。 本発明の装置の第４の有利な実施形態を平面図で示す。 本発明の装置の第４の有利な実施形態を切断側面図で示す。 本発明のレーザの一実施形態を示す。 準静的な偏位を示すための略図を示す。 共鳴励起によって引き起こされる偏位を示すための略図を示す。

図４は、本発明の装置の第１の有利な実施形態を平面図で示し、また、図５は、本発明の装置の第１の有利な実施形態を切断側面図で示す。

図４及び図５は、微小機械的に形成される光学装置１を示し、該装置は、
微小機械的に形成される装置１を支えるためのキャリア２と、
光を回折するための回折格子３と、
回折格子３を支えるためのプレート４と、
キャリア２に対してプレート４を偏位ＰＴ，ＰＲさせるための偏位手段５，６；６，１８，１９であって、プレート４を移動可能に支持するための支持手段５；１７，１８，１９と、プレート４を移動させるための駆動手段６とを備える、偏位手段５，６；６，１７，１８，１９と、
を含み、
偏位手段５，６；６，１７，１８，１９は、プレート４の回転偏位ＰＲのため及びプレート４の並進偏位ＰＴのために構成される。

ＭＥＭＳ技術を使用することにより、回折格子３を高い光学的品質を伴って且つ大きな寸法を伴って形成することができる。数ミリメートルの寸法が容易に想定し得る。回折格子３は、特に、層蒸着又は構造化によって形成されてもよい。したがって、このようにして形成される回折格子３は、ＤＲＩＥを用いて形成される前述の光学面とはかなり異なる。

非常に遠隔の回動点を中心とする回転は、回折格子３が配置されるプレート４からの肩押しと回転とを適切に組み合わせることによって実現されてもよい。このようにすると、モードホッピングを何ら伴うことなくレーザをチューニングすることができる。

したがって、本発明の装置は、構成の簡潔さという利点、高い光学的品質という利点、及び、モードホッピングが無い動作という利点を融合させる。

本発明の有利な更なる進展によれば、回折格子３は、中赤外領域内の光を回折するように構成される。このようにすると、中赤外領域内で作用するレーザをチューニングできる。中赤外領域は、２．５−２５μｍの範囲内の波長にかかわる。

本発明の都合の良い更なる進展によれば、支持手段５が弾性的に変形可能な支持要素５を含む。そのような支持要素５は、プレート４の十分な可動性を可能にするとともに、ＭＥＭＳ技術によって簡単且つ正確な態様で形成され得る。

本発明の有利な更なる実施形態によれば、プレート４は、それに関連付けられる位置センサ１２を有し、この位置センサ１２は、プレート４の回転偏位ＰＲを測定する及び／又はプレート４の並進偏位ＰＴを測定するように構成される。結果として、プレート４の動作のオープンループ制御だけでなくクローズドループ制御も行うことができ、それにより、プレート４の回転偏位ＰＲ及び／又は並進偏位ＰＴの精度に対してプラスの影響を与えることができる。

本発明の有利な更なる進展によれば、駆動手段６は、少なくとも１つの電極配列７，８と、少なくとも１つの電極配列７，８に対して制御電圧Ｕ１，Ｕ２を印加するための制御手段９とを含む静電駆動手段６である。静電駆動手段６は、異なって帯電される電極１０，１１の相互静電引力、及び／又は、同じ種類の電極の相互静電反発に基づく。電極配列７，８は、それらに電荷生成制御電圧Ｕ１，Ｕ２が印加された場合に互いと直接に静電相互作用し得る電極１０，１１の配列を意味すると理解される。そのような電極配列７，８は、ＭＥＭＳ技術を用いて簡単な小型化された態様で形成され得る。

本発明の都合の良い更なる進展によれば、電極配列７，８のうちの少なくとも一方は、プレートの並進偏位ＰＴ及び回転偏位ＰＲのための電極配列７，８である。これは、装置の簡単な構成をもたらす。第１の実施形態において、電極配列７は、それに対して第１の制御電圧Ｕ１が供給され、一方、電極配列８は、それに対して第１の制御電圧Ｕ１とは無関係な制御電圧Ｕ２が供給される。並進偏位ＰＴは、例えば、準静的な場合には、Ｕ１，Ｕ２が経時的に互いに一致するという点において達成されてもよい。しかしながら、回転偏位ＰＲは、例えば準静的な場合には、Ｕ１，Ｕ２が経時的に異なる値を取るという点においてもたらされ得る。

本発明の有利な更なる進展によれば、支持手段５がキャリア２とプレート４とを接続する弾性変形可能な支持要素５を含む。キャリア２とプレート４との直接的な弾性接続は、装置の構成を簡略化する。

本発明の有利な更なる進展によれば、少なくとも１つの電極配列７，８は、キャリア上に固定された少なくとも１つの電極１０と、プレート上に固定された少なくとも１つの電極１１とを含む。この特徴も、装置の構成の簡潔さに対してプラスの影響を与える。

図６は、本発明の装置のプレートの偏位を示すための略図を示す。図６は、回折格子３を支持するプレート４の回転偏位と並進偏位とを適切に組み合わせることによって遠隔回動点周りの回転がどのように実現され得るのかを示す。図６は、プレート４の偏位中の２つの位置ＰＯ１，ＰＯ２を示す。第１の位置ＰＯ１において、プレート４は、傾けられておらず、並進的に偏位されない。位置ＰＯ２において、プレート４は、遠隔回動点を中心とするプレート４の回転が結果として起こるように距離ｔ_ｒだけ並進移動されつつ角度θだけ傾けられ、前記回動点は、半径Ｒを有する描かれた円の中心を表す。

プレート４の共鳴ねじり振動に起因して回転角の時系列θ（ｔ）が予め規定されれば、簡単な幾何学的関係
方程式１：ｔ_ｒ（ｔ）＝Ｒ×ｔａｎθ（ｔ）
が、例えば準静的である並進ドライブによって利用できるようにされる必要な並進偏位をもたらす。

したがって、方程式１にしたがう装置１の動作は、リットロー形態（簡単な構成、図２参照）の利点とリットマン形態（配列の外側に位置される回動点を実施することによるモードホッピングが無いレーザ動作、図３参照）の利点との組み合わせを可能にする。

特定のケースは、小さな回転角度での動作である。小さな値においては、タンジェントがその引数に取って代えられてもよい。このとき、方程式１は、近似的に以下をもたらす。
方程式２：ｔ_ｒ（ｔ）＝Ｒ×ｔａｎθ（ｔ）

これは、回転が辿るのと同じ時系列を並進が辿ることができることを意味する。したがって、回転の共振動作の場合には、並進も共鳴態様で励起され得る。これは、特にチューニングを行うことができる達成可能な周波数においてかなりの利点を有する。準静的な装置は更に低い周波数に制限される。これは、より高い周波数が、ＭＥＭＳ装置によって利用可能にされ得ない力を要するからである。しかしながら、共振動作の場合にはＱ値が利用され、それにより、十分な振幅を伴う動作が数ｋＨｚの範囲内の周波数でも可能にされる。それに対応して、共振動作されるシステムの電力消費量は更に低い。また、制御エレクトロニクス及び位置の読み出しに対して課される要件は、準静的制御を用いるよりも共振動作中の方が明らかに低い。

一定でない半径Ｒにおいては更なるケースが結果として生じる。リットロー形態において、例えば、広いチューニング可能範囲にわたって回折格子の回転中に回動点の変化が必要になれば、これは、回転の進展が予め規定されるときに並進の時系列をそれに応じて適合させることにより、方程式１にしたがって達成されてもよい。この目的のためには、半径の角度依存が考慮に入れられなければならず、この角度依存は以下のように時間依存へと変換される。
方程式３：ｔ_ｒ（ｔ）＝Ｒ（θ（ｔ））×ｔａｎθ（ｔ）

回転軸が準静的な態様で偏位可能であれば、それぞれの含まれる波長範囲は、最大チューニング範囲全体を通過する必要なく、チューニング可能な最大波長範囲Δｍａｘ＝λ１〜λ２内を通過され得る。例えば、物質を同定するための特性波長範囲が知られ、その範囲がΔｍａｘよりも小さければ、それにより、特に平均化のための複数の測定に関して時間的利益が生じる。また、未知の物質に関し、最初に、特性波長範囲を特定するべく、平均化のため少ない数Ｎに関して測定が行われ、その後、複数の更なる測定が−信号／雑音比を高めるために−特性波長範囲で行われることが想定され得る。

図７は、本発明の装置１の更に有利な実施形態を平面図で示し、また、図８は、本発明の装置１の第２の有利な実施形態を切断側面図で示す。第２の実施形態は第１の実施形態に基づき、したがって、以下では相違のみについて説明する。

本発明の有利な更なる進展によれば、静電駆動手段６は、専らプレート４の並進偏位ＰＴのみのための少なくとも１つの第１の電極配列１３，１４と、専らプレート４の回転偏位ＰＲのみのための第２の電極配列１５，１６とを含む。このようにすると、プレートの並進偏位をプレートの回転偏位とは無関係に引き起こすことができ、それにより、偏位の精度に対してプラスの影響を与えることができる。第２の実施形態において、第１の電極配列１３，１４は、それらに対して制御電圧Ｕ３が印加され、また、第２の電極配列１５，１６は、それらに対して、前者に依存しない制御電圧Ｕ４が印加される。

図９は、本発明の装置の第３の有利な実施形態を平面図で示し、また、図１０は、本発明の装置の第３の有利な実施形態を切断側面図で示す。第３の有利な実施形態も第１の実施形態に基づいており、そのため、ここでも、対応する相違のみについて説明する。明確にするために、ここでは制御手段９が省かれる。

本発明の有利な更なる進展によれば、支持手段１７，１８，１９は、キャリア２及びプレート４にそれぞれ移動可能に接続される中間フレーム１７を含む。そのような中間フレーム１７は、プレート４の並進偏位ＰＴと回転偏位ＰＲとを互いから構造的に分離できるようにする。これは、精度に対してプラスの影響を与える。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、支持手段は、中間キャリア１７とプレート４とを接続する少なくとも１つの弾性的に変形可能な支持要素１８と、中間キャリア１７とキャリア２とを接続する少なくとも１つの第２の弾性的に変形可能な支持要素１９とを含む。これは、装置１の簡単な構成をもたらす。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、駆動手段は、中間キャリア１７をキャリア２に対して偏位させるための少なくとも１つの第１の電極配列２０，２１と、プレート４を中間キャリア１７に対して偏位させるための少なくとも１つの第２の電極配列２２，２３とを備える。この特徴も、装置の構成の簡潔さに対してプラスの影響を与える。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、中間キャリア１７をキャリア２に対して偏位させるための少なくとも１つの第１の電極配列２０，２１は、中間キャリア上に固定された少なくとも１つの電極２４と、キャリア上に固定された少なくとも１つの電極２５とを備え、また、プレート４を中間キャリア１７に対して偏位させるための少なくとも１つの第２の電極配列２２，２３は、中間キャリア上に固定された少なくとも１つの電極２６と、プレート上に固定された少なくとも１つの電極２７とを備える。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、支持手段１７，１８，１９は、キャリア２に対する中間キャリア１７の並進偏位ＰＴのため及び中間キャリア１７に対するプレート４の回転偏位ＰＲのために構成される。

図１１は、本発明の装置の第４の有利な実施形態を平面図で示し、また、図１２は、本発明の装置の第４の有利な実施形態を切断側面図で示す。第４の実施形態は第３の実施形態に基づいている。したがって、以下では、両方の実施形態の間の相違のみについて説明する。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、キャリア２に対する中間キャリア１７の回転偏位ＰＲのため及び中間キャリア１７に対するプレート３の並進偏位のための支持手段がここでは構成される。この場合、中間キャリア１７の回転偏位ＰＲのために電極配列３３，３４が設けられ、また、中間キャリア１７に対するプレート３の並進偏位のために電極配列３５，３６が設けられる。

図１３は、本発明のレーザ２８の一実施形態を示す。可変波長を有するレーザビームＬＩを生成するためのレーザ２８は、波長を決定するレーザ共振器１，３１を備え、レーザ共振器１，３１は、波長を変えることができる前述したタイプの回折格子３を有する微小機械的に形成された光学装置１を備える。既知の態様で、レーザ２８は、活性媒体２９とポンプ３０とを含む。周知でもある態様で、活性媒体２９と回折格子３との間にレンズ３２が設けられる。前述の利点が生じる。

本発明の都合の良い更なる進展によれば、レーザ２８は半導体レーザ２８である。
本発明の有利な更なる進展によれば、レーザ２８は量子カスケードレーザ２８である。
本発明の有利な更なる進展によれば、レーザ２８は、中赤外領域内のレーザビームＬＩを生成するように構成される。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、回折格子３の偏光は、レーザ２８の活性媒体２９へのフィードバック効率を最大にすることを目的としている。

図１４は、準静的な偏位を示すための略図を示す。

本発明の都合の良い更なる発明によれば、静電駆動手段６は、プレート４の並進偏位ＰＴが準静的態様で行われるように構成される。
本発明の有利な更なる進展によれば、静電駆動手段６は、プレート４の回転偏位ＰＲが準静的態様で行われるように構成される。

準静的な偏位は、偏位のそれぞれの瞬時値ａ（ｔ）を制御電圧Ｕの値Ｕ（ｔ）と一義的に関連付けることができる偏位を意味すると理解される。言い換えると、制御電圧Ｕ（ｔ）と同期する態様で偏位の瞬時値ａ（ｔ）が変化するときには性質が静的な偏位であると言える。準静的な偏位の場合には、レーザのチューニングをほぼ任意のパターンで行うことができる。例えば、ジグザグパターン又は正弦曲線パターンが想定し得る。

図１４において、プレート４は、制御電圧Ｕ１（図４参照）により、０の値からＡの上側最大値まで直線的に偏位されて、そこから０の値へ直線的に戻される。このプロセスは、時間ｔ_０で始まり、時間ｔ_１で終わる。その後、プレート４は、制御電圧Ｕ２（図４参照）により、０の値から−Ａの下側最大値まで直線的に偏位されて、そこから０の値へ直線的に戻される。このプロセスは時間ｔ_２で完了される。

図１５は、共鳴励起による偏位を示すための略図を示す。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、静電駆動手段６は、プレート４の並進偏位ＰＴが共鳴励起によって行われるように構成される。

本発明の目的にかなった更なる進展によれば、静電駆動手段６は、プレート４の回転偏位ＰＲが共鳴励起によって行われるように構成される。

これは、プレート４が回転及び／又は並進態様で共振させられることを意味すると理解される。結果として、小さな力及び／又は制御電圧Ｕを用いて大きな偏位Ａを達成できる。しかしながら、この態様では正弦曲線偏位だけが可能である。

図１５には、想定し得る共振振幅Ａ及び下にある制御電圧Ｕが一例として描かれる。図１４とは異なり、ここでは、電圧ｕ（ｔ）と振幅ａ（ｔ）との一義的な関連性が生じない。

１ 微小機械的に形成された装置
２ キャリア
３ 回折格子
４ プレート
５ 支持手段、弾性的に変形可能な支持要素
６ 駆動手段
７ 電極配列
８ 電極配列
９ 制御手段
１０ キャリア上に固定された電極
１１ プレート上に固定された電極
１２ 位置センサ
１３ 電極配列
１４ 電極配列
１５ 電極配列
１６ 電極配列
１７ 中間キャリア
１８ 第１の弾性的に変形可能な支持要素
１９ 第２の弾性的に変形可能な支持要素
２０ 第１の電極配列
２１ 第１の電極配列
２２ 第２の電極配列
２３ 第２の電極配列
２４ 中間キャリア上に固定された電極
２５ キャリア上に固定された電極
２６ 中間キャリア上に固定された電極
２７ プレート上に固定された電極
２８ レーザ
２９ 活性媒体
３０ ポンプ
３１ ミラー
３２ レンズ
ＰＴ 並進偏位
ＰＲ 回転偏位
ＰＯ１ 第１の位置
ＰＯ２ 第２の位置
Ｒ 半径
ｔ_ｒ 距離
θ 角度
ＬＩ 光

Claims (24)

1. 微小機械的に形成される装置（１）を支えるためのキャリア（２）と、
   光（ＬＩ）を回折するための回折格子（３）と、
   前記回折格子（３）を支えるためのプレート（４）と、
   前記キャリア（２）に対して前記プレート（４）を偏位（ＰＴ，ＰＲ）させるための偏位手段（５，６；６，１８，１９）であって、前記プレート（４）を移動可能に支持するための支持手段（５；１７，１８，１９）と、前記プレート（４）を移動させるための駆動手段（６）とを備える、偏位手段（５，６；６，１７，１８，１９）と、
   を含み、
   前記偏位手段（５，６；６，１７，１８，１９）は、前記プレート（４）の回転偏位（ＰＲ）のため及び前記プレート（４）の並進偏位（ＰＴ）のために構成される、
   微小機械的に形成される光学装置。
2. 前記回折格子（３）は、中赤外領域内の光（ＬＩ）を回折するように構成される請求項１に記載の微小機械的に形成される光学装置。
3. 前記支持手段（５；１７，１８，１９）が弾性的に変形可能な支持要素（５，１８，１９）を含む請求項１又は請求項２に記載の微小機械的に形成される光学装置。
4. 前記プレート（４）は、それに関連付けられる位置センサ（１２）を有し、前記位置センサ（１２）は、前記プレート（４）の回転偏位（ＰＲ）を測定する及び／又は前記プレート（４）の並進偏位（ＰＴ）を測定するように構成される請求項１から３のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
5. 前記駆動手段（６）は、少なくとも１つの電極配列（８，９；１３，１４，１５，１６；２０，２１，２２，２３；３３，３４，３５，３６）と、前記少なくとも１つの電極配列（８，９；１３，１４，１５，１６；２０，２１，２２，２３；３３，３４，３５，３６）に対して制御電圧（Ｕ１，Ｕ２；Ｕ３，Ｕ４）を印加するための制御手段（９）とを含む静電駆動手段（６）である請求項１から４のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
6. 前記電極配列（８，９；１３，１４，１５，１６；２０，２１，２２，２３；３３，３４，３５，３６）のうちの少なくとも１つは、前記プレート（４）の並進偏位（ＰＴ）のため及び回転偏位（ＰＲ）のための電極配列（８，９）である請求項５に記載の微小機械的に形成される光学装置。
7. 前記静電駆動手段（６）は、専ら前記プレート（４）の並進偏位（ＰＴ）のみのための少なくとも１つの第１の電極配列（１３，１４；２０，２１）と、専ら前記プレート（４）の回転偏位（ＰＲ）のみのための第２の電極配列（１５，１６；２２；２３）とを含む請求項５又は請求項６に記載の微小機械的に形成される光学装置。
8. 前記静電駆動手段（６）は、前記プレート（４）の並進偏位（ＰＴ）が準静的態様で行われるように構成される請求項５から７のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
9. 前記静電駆動手段（６）は、前記プレート（４）の回転偏位（ＰＲ）が共鳴励起によって行われるように構成される請求項５から７のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
10. 前記静電駆動手段（６）は、前記プレート（４）の回転偏位（ＰＲ）が準静的態様で行われるように構成される請求項５から９のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
11. 前記静電駆動手段（６）は、前記プレート（４）の並進偏位（ＰＴ）が共鳴励起によって行われるように構成される請求項５から９のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
12. 前記支持手段（５；１７，１８，１９）は、前記キャリア（２）と前記プレート（４）とを接続する弾性的に変形可能な支持要素（５）を含む請求項１から１１のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
13. 前記少なくとも１つの電極配列（７，８）は、前記キャリア上に固定された少なくとも１つの電極（１０）と、前記プレート上に固定された少なくとも１つの電極（１１）とを含む請求項５から１２のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
14. 前記支持手段（５；１７，１８，１９）は、前記キャリア（２）及び前記プレート（４）にそれぞれ移動可能に接続される中間フレーム（１７）を含む請求項１から１３のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
15. 前記支持手段（５；１７，１８，１９）は、前記中間キャリア（１７）と前記プレート（４）とを接続する少なくとも１つの弾性的に変形可能な支持要素（１８）を含み、前記支持手段（５；１７，１８，１９）は、前記中間キャリア（１７）と前記キャリア（２）とを接続する少なくとも１つの第２の弾性的に変形可能な支持要素（１９）を含む請求項１４に記載の微小機械的に形成される光学装置。
16. 前記駆動手段（６）は、前記中間キャリア（１７）を前記キャリア（２）に対して偏位させるための少なくとも１つの第１の電極配列（２０，２１；３３，３４）と、前記プレート（４）を前記中間キャリア（１７）に対して偏位させるための少なくとも１つの第２の電極配列（２２，２３；３５，３６）とを備える請求項５から１５のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
17. 前記中間キャリア（１７）を前記キャリア（２）に対して偏位させるための前記少なくとも１つの第１の電極配列（２０，２１；３３，３４）は、前記中間キャリア上に固定された少なくとも１つの電極（２４）と、前記キャリア上に固定された少なくとも１つの電極（２５）とを備え、前記プレート（４）を前記中間キャリア（１７）に対して偏位させるための前記少なくとも１つの第２の電極配列（２２，２３；３５，３６）は、前記中間キャリア上に固定された少なくとも１つの電極（２６）と、前記プレート上に固定された少なくとも１つの電極（２７）とを備える請求項１６に記載の微小機械的に形成される光学装置。
18. 前記支持手段（５；１７，１８，１９）は、前記キャリア（２）に対する前記中間キャリア（１７）の並進偏位（ＰＴ）のため及び前記中間キャリア（１７）に対する前記プレート（４）の回転偏位（ＰＲ）のために構成される請求項１５から１７のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
19. 前記支持手段（５；１７，１８，１９）は、前記キャリア（２）に対する前記中間キャリア（１７）の回転偏位（ＰＲ）のため及び前記中間キャリア（１７）に対する前記プレート（４）の並進偏位（ＰＴ）のために構成される請求項１５から１７のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置。
20. 波長を決定するレーザ共振器（１，３１）を用いて可変波長を有するレーザビーム（ＬＩ）を生成するためのレーザであって、前記レーザ共振器（１，３１）は、波長を変えることができる請求項１から１９のいずれか一項に記載の微小機械的に形成される光学装置（１）を備える、レーザ。
21. 前記レーザ（２８）が半導体レーザ（２８）である請求項２０に記載のレーザ。
22. 前記レーザ（２８）が量子カスケードレーザ（２８）である請求項２０又は請求項２１に記載のレーザ。
23. 前記レーザ（２８）は、中赤外領域内のレーザビーム（ＬＩ）を生成するように構成される請求項２０から２２のいずれか一項に記載のレーザ。
24. 前記回折格子（３）の偏光は、前記レーザ（２８）の活性媒体（２９）へのフィードバック効率を最大にすることを目的としている請求項２０から２３のいずれか一項に記載のレーザ。

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