JP2017511613A - レーザー光の波長を調整するためのレーザー光発生装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザー光の波長を調整するためのレーザー光発生装置及び方法に関する。
本発明は、レーザー光発生及び波長の調整をさらに改善する目的に対処する。本発明は、特に、レーザー光源素子の組み合わせを簡略化することを可能にするものである。これらのレーザー光源素子が発する光の波長はそれぞれ異なっているが制御されている。これらのレーザー光源素子のビームは重なっている。
レーザー光発生装置(100)は、少なくとも１つのレーザー光源素子(11)及び外部共振器を備える。外部共振器は、出力カプラ(40)と周期フィルタ(30)を備え、周期フィルタ(30)は、レーザー光源素子と出力カプラ間に配置される。レーザー光発生装置は、少なくとも２つのカットオフフィルタをさらに備え、それらは、レーザー光源素子と周期フィルタの間に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光の波長を調整するためのレーザー光発生装置及び方法に関する。

レーザー光の生成は、一般的にレーザー光源素子及びキャビティに関係する。キャビティは、光の定常波を形成するための共振器として機能する。キャビティは、付加的要素を加えて構成してもよく、その場合外部共振器と呼ばれる。そのような外部共振器のためのレーザー光源素子は、レーザーダイオードであってもよい。

外部共振器は、キャビティ内に波長選択素子の配置を可能にする点で有利であり、それによって波長依存フィードバックを実現する。レーザー光源素子は、特定の周波数にロックしてもよい。波長選択素子の例としては、回折格子が挙げられ、例えば、ボリュームブラッググレーティング(VBG)、及びファブリペロー干渉計(エタロン)並びにそれらの組み合わせが挙げられる。

リトロー構成では、バックファセットを有するダイオードは、コリメートされたビームを発生し、その後、回折格子と相互作用する。回折格子は、０次回折光が出力ビームを形成する間、１次回折光を反射するように構成される。バックファセットは、回折格子とともに共振器を構成する。回折格子を調整するとレーザーの波長を調整することができるが、パン出力ビームを生じさせる。

リットマン構成では、１次回折光は、回折格子によって直接には反射されず、ミラー上に反射される。ミラーは、その際ダイオードに１次回折光を反射して戻す。ミラーを調整することで、回避される出力ビームがパンニングしている間にレーザーの波長を調整可能となる。

DaneuVらは、Opt.Lett.,2000Mar15;25(6):405-7において、「外部共振器における広いストライプダイオードレーザーアレイの組み合わせたスペクトル光」について説明している。構成１１からの出力（広いストライプを有する線形ダイオードレーザーアレイ）が、回折格子を備える共通の外部共振器を用いて単一光に組み合わせられ、それぞれのアレイは、波長は異なるが制御された波長を操作するように同時に強制し、全ての素子からの光をオーバーラップし、同方向へ伝搬するように強制する。そのような組み合わせも、波長の多重化と呼ばれる。

国際公開公報WO2013143862は、ポンピングのために用いられ得る外部ボリュームブラッググレーティングを有するレーザーダイオードについて説明する。そこで、レーザーダイオードの一対の共振器はレーザー活性媒体としてYb:YAGを備え、スペクトル要素を抑制するファブリペローエタロンも備え、狭帯域VBGによってスペクトル要素を抑制するものではない。

本発明は、レーザー光生成及び波長調整をさらに向上させる目的に対処する。本発明は、特に、レーザー光源素子が、それぞれ異なる波長であるが制御された波長を操作して、それぞれの光を重ね合わせて同方向へ伝搬させるように、レーザー光源素子の組み合わせを簡単に行うことを可能にする。従って、本発明は、一実施形態において、波長のみを安定化するだけでなく、多重化及び安定化を可能とする。

これは、請求項1のレーザー光発生装置により達成される。好ましい実施形態は、従属請求項において特定される。

レーザー光発生装置は、少なくとも１つのレーザー光源素子及び外部共振器を備える。外部共振器は、レーザー光源及び出力カプラ間に、出力カプラ及び周期フィルタを備え、周期フィルタは、レーザー光源素子と出力カプラ間の光路上に配置される。レーザー光発生装置は、少なくとも２つのカットオフフィルタをさらに備え、それぞれがレーザー光源及びエタロン間の光路上に配置される。

カットオフフィルタの使用を介して、バンドパスフィルタは、レーザー光源素子のスペクトルの組み合わせをさらに可能にする簡単な方法で実現される。バンドパスを介して、周期フィルタの単一共振モードは、レーザー光源素子へフィードバックされる。その結果、レーザー光源素子は、単一共振モードのピーク周波数でロックされ、放射する。

実施形態においては、外部共振器は、外部共振器に配置された光学素子のセット用いることや出力カプラの反射率及び曲率を選択することによって最適化してもよい。

カットオフフィルタは、それぞれのカットオフ波長より長波長の放射光の透過を可能にし、それぞれのカットオフ波長よりも短波長の放射光を少なくとも反射する異なるカットオフ波長を有するロングパスフィルタであってもよい。例えば、少なくとも２つのロングパスフィルタは、コールドミラーであってもよい。コールドミラーは、誘電体コーティング層を備えていてもよい。

または、カットオフフィルタは、それぞれのカットオフ波長より短波長の放射光の透過を可能にし、それぞれのカットオフ波長より長波長の放射光を少なくとも反射するショートパスフィルタである。または、カットオフフィルタのうちの1つは、ロングパスフィルタであり、もう一方は、ショートパスフィルタである。

レーザー光源素子及び少なくとも２つのカットオフフィルタ、第一及び第二カットオフフィルタを備え、その光が第一カットオフフィルタ上に照射され、第一カットオフフィルタ上で反射されて第二カットオフフィルタ上へ向かうような光路上に配置されてもよい。

第二レーザー光源素子は、レーザー光発生装置に備えられていてもよく、その光は、外部共振器に配置される第二カットオフフィルタ上に照射され、第二カットオフフィルタ上で反射されるような光路上に配置される。

さらなるカットオフフィルタは、レーザー光発生装置に備えられてもよく、さらなるカットオフフィルタは、第二カットオフフィルタ及び第二レーザー光源素子間の光路上か、又は第二カットオフフィルタ及び周期フィルタ間の光路上に配置される。

レーザー光源素子及び／又は第二レーザー光源素子は、第一方向に対して直交する第二方向より速く第一方向へ発散する光を発光するレーザーダイオードであってもよく、レーザーダイオード及びダイクロイックミラーは、レーザーダイオードの光が第一方向へ重ねられるように配置される。

そして、レーザー光発生装置は、コリメータを備えていてもよく、コリメータは、レーザーダイオードによる光を第一方向及び第二方向へコリメートする。レーザーダイオードは、シングルエミッタであってもよい。シングルエミッタは、アレイ状に配置されていてもよい。シングルエミッタは、水平又は垂直に積層されていてもよい。

周期フィルタは、２つの平行板を備えていてもよく、２つの平行板は、平行板の側面が互いに向かい合う状態で間に空気中に離間して配置されてもよい。それぞれの平行板は、パワー反射率を調整するためにコーティングされ得る。

本発明に係るレーザー光発生装置を用いたレーザー光の波長の調整するため請求項１２に記載の方法がさらに提案される。その方法は、入射角を変えるために光軸を中心にエタロンを回転することで波長を調整する工程を備える。

本発明の異なる実施形態として、それぞれの実施形態を互いに組み合わせ得る。

以下に、本発明の例示的な実施形態は、図を参照して詳細に説明する。

本発明に係るレーザー光発生装置の第一実施形態を示す。

図２は、図１に例示した実施形態のカットオフフィルタ及び周期フィルタの波長λにおける透過率Ｔを概略的に示す。

本発明に係るレーザー光発生装置の第二実施形態を示す。

本発明に係るレーザー光発生装置の第三実施形態を示す。

本発明に係るレーザー光発生装置の第四実施形態を示す。

本発明に係るレーザー光発生装置の第五実施形態を示す。

図７は、図６に例示したカットオフフィルタ及び周期フィルタの波長λにおける透過率Ｔを概略的に示す。

本発明に係るレーザー光発生装置の第六実施形態を示す。

図１は、本発明に係るレーザー光発生装置の第一実施形態を示す。

第一実施形態は、レーザーダイオード11によって例示的に実現されるレーザー光源素子及びロングパスフィルタ21、22によって例示的に実現される少なくとも２つのカットオフフィルタを備える。ロングパスフィルタ21、22は、レーザーダイオード11により放射された光の一部が少なくとも２つのロングパスフィルタ21、22の第一ロングパスフィルタによって反射されるように配置される。反射された光は、第一カットオフ波長W1よりも短い波長を有する。反射された光は、少なくとも２つのロングパスフィルタ21、22の第二ロングパスフィルタへ反射される。第二ロングパスフィルタ22へ向かう反射光の一部は、エタロン30により例示的に実現される周期フィルタを透過する。透過した光は、第一カットオフ波長よりも短波長である第二カットオフ波長W2以下の波長を有する。エタロン30を介して透過光は、出力カプラ40（出力ミラーとも呼ばれる）到達し、第二ロングパスフィルタ22へエタロン30を介して逆に反射される。逆方向へ反射された光は、エタロン及びフィルタを介してさらに選択され、このようにして放射光の波長を選択し、レーザー光源へフィードバックされる。

説明された第一実施形態では、光学エレメント91が外部共振器に配置され性能を最適化する。しかし、光学エレメント91は、オプションであって、本発明のこの例示的な実施形態では、それは用いずに実現されてもよい。

従って、エタロン30が波長の正確な選択を可能にする一方、少なくとも２つのロングパスフィルタ21、22は、第一及び第二カットオフ波長W1、W2間の透過バンドを備え、且つエタロン30によって生成される周期ピークの１つ以上選択するバンドパスフィルタを実現する。

図２は、図１に例示した実施形態のカットオフフィルタ及び周期フィルタの波長λに対する透過率Ｔを概略的に示す。図２に例示的に説明されるように、ピークは、周期フィルタで選択されたモードのピークであって、第一及び第二カットオフ波長W1、W2間の透過バンド幅DC=W1-W2の約半分の幅DLを有する。点線で示されるモードは、フィードバックの際にカットオフフィルタによって選択される。

このことは、非常に正確な波長ロックを提供する。またこれは、第二レーザー光源素子の光を重ね合わせることができ、それによってスペクトルを容易に組み合せることができる。

例えば、重ね合わせは、第二レーザー光源素子の光を第二ロングパスフィルタ22がエタロン30へ向けて反射するように、第二ロングパスフィルタ22への第二レーザー光源素子12の光によって達成され得る。これは、図3において本発明に係るレーザー光発生装置の第二実施形態の記載によって例示的に示される。

そして、エタロンに達する第一レーザーダイオード11の光は、エタロンに達する第二レーザーダイオード12のさらなる光とは共通の波長を有さない。そして、出力カプラ40によって光は逆方向へ反射され、エタロン30を介して逆方向へ透過し、第二ロングパスフィルタにおいて第二カットオフ波長W2より短波長の光をレーザーダイオードへ戻す方向へ反射する。出力カプラから逆方向反射され、逆方向へ第二ロングパスフィルタを透過した光は、第二カットオフ波長以上の波長であるが、第一カットオフ波長より短波長の光を第一ロングパスフィルタによって反射されレーザーダイオードの方へ戻り、それによってエタロン30によって生成される周期ピークの１つ以上を選択する。

本発明に係るレーザー光発生装置の第三実施形態について図４に示すように、第二レーザー光源にフィードバックするエタロンの単一共振モードを選択するために、さらなるカットオフフィルタ60を第二レーザー光源素子20及び第二ロングパスフィルタ22間に配置してもよい。または、本発明に係るレーザー光発生装置の第四実施形態について図5に示すように、さらなるカットオフフィルタ60を第二ロングパスフィルタ22及びエタロン30間に配置してもよい。それぞれのさらなるカットオフフィルタ60は、第一及び第二カットオフ波長W1、W2よりも短い、最も短い波長を有するロングパスフィルタである。

第二実施形態、第三実施形態、第四実施形態においては、外部共振器に配置されたレーザーダイオード11、12のそれぞれに対応して光学エレメント91、92があり、性能を最適化する。しかし、光学エレメント91、92はオプションであって、本発明のこれら実施形態においては、また、光学エレメント91、92を１つのみ用いるか又は何れも用いないで実現されてもよい。

図６において、スケーリングは、本発明に係るレーザー光発生装置の第五実施形態として示される。すなわち、それぞれのレーザー光源素子のスペクトルをさらに組み合わせるため、出力カプラ、エタロン、及びカットオフフィルタが配置された共通の光路上へ向かってそれぞれのレーザー光源素子の光の一部を反射するカットオフフィルタがある。図６において、第三レーザー光源素子13の光は、第二カットオフ波長W2より短い第三カットオフ波長W3を備える第三ロングパスフィルタ23を介して第一及び第二レーザー光源素子11、12の光とスペクトルを組み合わせられる。

図６において、さらなるカットオフフィルタ60も共通の光路上に存在する。この実施形態において、第三カットオフ波長は最も短いカットオフ波長よりも長くなければならない。

第五実施形態においては、外部共振器に配置されるレーザーダイオード11、12、13に対応して光学エレメント91、92、93があり、性能を最適化する。しかし、光学エレメント91、92、93はオプションであって、本発明のこの実施形態は、また、光学エレメント91、92、93の内の２つを用いて若しくは１つのみを用いて若しくは何れも用いないで実現されてもよい。

図６に例示したカットオフフィルタ及び周期フィルタの波長λにおける透過率Ｔを概略的に示す。図７において例示的に示されるように、隣接する一対のカットオフフィルタのカットオフ波長間には、周期フィルタのピークがある。

図８において、４つの異なるレーザー光源素子11、12、13、14により放射される光は、カットオフフィルタ21、22、23、24によってスペクトルを組み合わせられる。この例には、さらなるカットオフフィルタは存在しないが、さらなるカットオフフィルタは、第四カットオフフィルタ24及び第四レーザー光源素子24の間か、又は第四カットオフフィルタ24及びエタロン30の間に追加してもよい。

第六実施形態においては、光学エレメント94は、外部共振器にあるエタロン30及び出力カプラ40の間に配置され、性能を最適化する。しかし、光学エレメント94は、オプションである。それはまた、エタロン30及び第四カットオフフィルタ24の間に配置してもよい。

従って、本発明は、ｎ個のカットオフフィルタ及び単一周期フィルタの使用を介してｎ個のレーザー光源のスペクトルの組み合わせ及び周波数ロックのための手段を提供する。好ましくは、さらなるカットオフフィルタが用いられる。

例示した実施形態は、ロングパスフィルタを使用する。相似の態様として、ショートパスフィルタを用いてもよい。さらに、本発明によれば、カットオフフィルタを備えるか又は使用するために、ロングパスフィルタ又はショートパスフィルタの何れかによって形態を構成されるかにかかわらず、それは個々に決定され得る。

周期フィルタは、カットオフフィルタと共に共通の外部共振器に配置されてもよい。それによって、それぞれのダイオードレーザー又は単一波長を発振するダイオードレーザーのセットの発振波長を自動的に且つ同時に選択することを可能とする。そして、それぞれの発振波長の多重化をする。

Claims (12)

1. レーザー光発生装置（１００）は、少なくとも１つのレーザー光源素子（１１，１２）と、外部共振器とを備え、
   前記レーザー光発生装置（１００）は、少なくとも２つのカットオフフィルタをさらに備え、
   前記外部共振器は、出力カプラ（４０）と、周期フィルタ（３０）を備え、
   前記カットオフフィルタは、それぞれ、前記レーザー光源素子及び前記周期フィルタ間の光路上に配置され、
   前記周期フィルタ（３０）は、前記レーザー光源素子（１１，１２）から前記出力カプラ（４０）への光路上であって、前記レーザー光源素子（１１，１２）及び前記出力カプラ（４０）の間に配置される、
   レーザー光発生装置。
2. 前記カットオフフィルタは、ロングパスフィルタであり、
   前記ロングパスフィルタは、それぞれが異なるカットオフ波長を備えており、それぞれが備えるカットオフ波長よりも長波長の放射光が透過することと、それぞれが備えるカットオフ波長よりも短波長の放射光が少なくとも反射することを可能にする、請求項１に記載のレーザー光発生装置。
3. 前記少なくとも２つのロングパスフィルタは、コールドミラーである、請求項２に記載のレーザー光発生装置。
4. 前記コールドミラーは、誘電体コーティング層を備える、請求項３に記載のレーザー光発生装置。
5. 前記レーザー光源素子及び前記少なくとも２つのカットオフフィルタは、前記光路上に配置された第一及び第二カットオフフィルタであり、
   前記レーザー光源素子の光は、第一カットオフフィルタ上に照射され、且つ第一カットオフフィルタ上で反射されて第二カットオフフィルタに向かい、第二カットオフフィルタを透過する、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載のレーザー光発生装置。
6. 前記レーザー発生装置は、第二レーザー光源素子をさらに備え、
   前記第二レーザー光源素子は、その光が前記外部共振器に配置された前記第二カットオフフィルタ上に照射され、且つ前記第二カットオフフィルタ上で反射されるように光路上に配置される、請求項５に記載のレーザー光発生装置。
7. 前記レーザー発生装置は、さらなるカットオフフィルタをさらに備え、
   前記さらなるカットオフフィルタは、前記第二カットオフフィルタ及び前記第二レーザー光源素子間の光路上に配置されるか、又は前記第二カットオフフィルタ及び前記周期フィルタ間の前記光路上に配置される、請求項６に記載のレーザー光発生装置。
8. 前記レーザー光源素子及び前記第二レーザー光源素子は、第一方向に対して垂直な第二方向より速く前記第一方向へ広がる光を発光するレーザーダイオードであり、
   前記レーザーダイオード及び前記カットオフフィルタは、前記レーザーダイオードの光が前記第一方向に重ねられるように配置される、請求項６又は請求項７に記載のレーザー光発生装置。
9. 前記レーザー光発生装置は、前記レーザーダイオードの光をコリメートするコリメータをさらに備え、
   前記コリメータは、前記第一方向及び前記第二方向へコリメートする、請求項８に記載のレーザー光発生装置。
10. 前記レーザーダイオードは、シングルエミッタである、請求項８又は請求項９に記載のレーザー光発生装置。
11. 前記周期フィルタは、空気中に離間して配置した２つの平行板を備え、
    前記２つの平行板は、互いに向かい合って配置され、５０％の反射率を有する、請求項１〜請求項１０の何れか１つに記載のレーザー光発生装置。
12. レーザー光の波長の調整方法であって、
    前記周期フィルタは、エタロンを備え、
    前記方法は、前記エタロンを光軸に沿って回転させることで前記波長を調整する工程を有する、請求項１〜請求項１１の何れか１つに記載のレーザー光発生装置を用いたレーザー光の波長の調整方法。