JP3878257B2 - レーザ・システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ放射光を発生するための光学システムに関し、とりわけ、線形光学空洞を備えた、ダイオード・ポンピングによる受動ロック式レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多くのレーザ応用（例えば、化学的検知）において、強度の高いレーザ光が必要とされる。強度の高い光を発生する方法の１つは、光学空洞内に捕獲された光を利用することである。光学空洞または共振器は２つ以上の鏡面から構成され、入射光は、それら鏡面で捕獲され、往復させることができるように配置されている。こうして、空洞内の光を入射光より何桁分も強くすることが可能になる。
【０００３】
多くの用途において、光学空洞内に、（ヘリウム・ネオン放電管等の）光学利得媒体が配置される。典型的なダイオード・レーザの場合、ダイオード利得媒体自体に、空洞鏡が直接被着される。ただし、周波数を同調させたり、線幅を狭くするといったような一部の用途においては、ダイオードのフェーセット（端部鏡面）の一方または両方に反射防止コーティングを施したり、ダイオード外部の鏡によって形成される光学空洞内において、ダイオードを動作させる場合もある。ダイオード利得媒体は、こうした空洞内において動作させることが可能であるが、ダイオードの放射フェーセットの損傷しきい値が低いので、空洞内で生じるパワー量が厳しい制限を受けることになる。
【０００４】
この制限を克服し、同時に、大きい光学的場を発生するため、ダイオード・レーザは、ダイオード・レーザ放射光が捕獲される、独立した高フィネス光学空洞の外部に配置することが可能である。この独立した空洞は、今後、「ビルド・アップ」空洞と呼ばれる。しかし、ダイオード・レーザは、高フィネス・ビルド・アップ空洞のそれよりもはるかに広い光学帯域幅の放射光を射出する。ビルド・アップ空洞内においてダイオード・レーザ放射光の大幅な増幅を実現するためには、空洞共振周波数において空洞の帯域幅に近いか、または、一致する帯域幅を有するコヒーレントな放射光をダイオード・レーザから強制的に放射させなければならない。このプロセスは、今後、「光学的ロック」と呼ばれる。
【０００５】
ダイオード・レーザの帯域幅を狭める方法の１つは、ダイオード・レーザの全電子的周波数ロックを利用することである。しかし、この技法には、超高速サーボ、ダイオード・レーザと空洞とのかなりの程度の光学的分離、及び、高度な電子制御が必要になる。
【０００６】
代替方式として、実質的に線幅を狭めることを光学帰還（すなわち、受動）方式によって実現することも可能である。例えば、ダマニ（Dahmani）他：“共振光学帰還による半導体レーザ・ダイオードの周波数安定化（ Frequency stabilization of semi-conductor lasers by resonant optical feedback)”, Opt. Lett., 12, pp. 876-878(1987)には、ビルド・アップ空洞に対するダイオード・レーザの受動光学ロックが報告されている。この技法の場合、ダイオード・レーザからの光は、ビルド・アップ空洞に送り込まれる。この光の周波数が空洞の共振周波数と整合する場合、光は捕獲されることになる。次に、捕獲された光の一部が、ダイオード・レーザに送り返されて、受動帰還・メカニズムとして作用し、ダイオードの放射光帯域幅を狭めるだけでなく、低フィネスのダイオード・レーザの周波数を高フィネスのビルド・アップ空洞の周波数にロックする。
【０００７】
上記ダマニ他が開示すると同様のシステムの欠点は、こうしたシステムで用いられる光学ロックが弱い、すなわち、ビルド・アップ空洞における光のごくわずかな部分だけしかダイオード・レーザに帰還されないということである。弱い光学ロック技法の欠点は、やはり、ダイオード・レーザに帰還される光の強さと位相の両方について、慎重な電気機械的制御が必要になるということである。さらに、こうしたシステムには、少なくとも４つの反射器が含まれる。
【０００８】
外部共振空洞に対する反射防止コーティングを施したダイオード・レーザの受動全光学ロックが、最近になって広く活用されるようになってきた。例としては、周波数の２逓倍（レント及びリスク（W.Lenth and W.P. Risk）へ1991年８月に与えられた米国特許５、０３８、３５２号：非線型結晶共振器を用いたレーザ・システムと方法（Laser system and method using a nonlinear crystal resonator）, 及び、コズロフスキ（W.J. Kozlovsky)他：“伸長空洞レーザ・ダイオードの共振器増強周波数２逓倍による青色光の発生（Blue light generation by resonator -enhanced frequency doubling of an extended diode laser)”,Aug. 1994, 65(5), pp.525-527, Appl. Phys. Lett.),周波数混合（P.G. Wigley, Q. Zhang, E. Miesak, and G.J. Dixon:" 高出力467nm受動ロック式信号共振合成周波数レーザ（High power 467nm passively-locked signal-resonant sum frequency laser)", Post deadline paper CPD21-1, Conference on Lasers and Electro-optics, Baltimore, MD., Optical Society of America, 1995）、及び、化学的検知（キング（David A. King)他に１９９５年７月に与えられた米国特許5,432,610号：化学検知用ダイオード・ポンプ電力ビルドアップ空洞（Diode-pumped power build-up cavity for chemical sensing)がある。上記キング他（参考までに本明細書にそっくりそのまま組み込まれている）は、ダイオード・レーザが外部共振空洞と光学的にロックされるいくつかの実施例について解説している。キング他の教示によれば、３つの反射素子を含むシステムに関して非共振反射を排除するためには、ダイオード電流を大幅に制限し、追加部品を要する可能性がある。
【０００９】
ダイオード・レーザの受動全光学ロックの困難を明らかにするため、光学空洞の物理的特性について簡単な説明を行うことにする。図１に示すように、２つの表面２及び４（それぞれ、反射率（反射係数）Ｒ1及びＲ2））によって、空洞６が形成される。この空洞６は、櫛歯状の共振周波数分布を備えており、櫛歯の間隔はｃ／２Ｌである（ｃは空洞内における光の速度、Ｌは２つの表面２及び４間の光学距離である）。
【００１０】
線形空洞に入射する光は、一般に、図１Ａ、図１Ｂに示す２つの現象の１つに従う。図１Ａの場合、入射光８の周波数は空洞の共振周波数とは全く異なる。従って、入射光８は、表面２によって反射光１０として反射されるだけである。図１Ｂには、入射光８が空洞の共振周波数である（またはそれに極めて近い）状況が示されている。この場合、入射光は表面２と４の間に空洞内ビーム１２として捕獲される。捕獲された光は、さらに、表面２及び４から漏れて、それぞれ、反射ビーム１０及び透過ビーム１４に影響を及ぼす。漏出光は入射ビーム８と位相がずれているので、表面２からの単なる非共振反射ビーム１０の一部に破壊的な干渉を及ぼすことになる。
【００１１】
入射ビーム８が空洞の共振周波数を有する場合、空洞６の有効反射率（有効反射係数）は、表面２の単なる非共振反射率（または非共振反射係数）より低くなる。この効果が、図１Ａ及び図１Ｂに示す空洞の反射率（Ｉref／Ｉinc）が正規化周波数の関数として作図された図１Ｃに示されている。該周波数は、空洞の櫛歯間隔に対して正規化されるので、正規化周波数の各整数値毎に、空洞共振が生じることになる。空洞の帯域幅は、各共振の半値幅であり、表面２及び４の反射率が低下するにつれて小さくなる。Ｒ1がＲ2に等しい場合、表面２からの共振反射及び非共振反射の大きさは、等しく、位相が１８０゜ずれている。こうして、空洞反射率は、空洞共振に関してゼロまで低下する（散乱がない場合）。
【００１２】
空洞に対するダイオード・レーザの受動ロックの目的は、ダイオード・レーザからの入射ビーム８によって空洞内ビーム１２を発生することにある。これによって、空洞から生じる所望の光学特性（例えば、帯域幅及び周波数）がダイオード・レーザに加えられることになる。空洞からの反射ビーム１０を利用して、ダイオード・レーザが空洞共振にロックされる。しかし、図１Ｃに示すように、反射ビーム１０は空洞共振において再弱である。従って、光学帰還によれば、ダイオード電流が増すにつれて、レーザは空洞共振周波数以外の周波数においてしきい値に達するようになるのは明らかである。従って、当該技術の熟練者が長年にわたって信じていたように、図１Ａに示す構造はダイオード・レーザの周波数ロックには極めて不適当である。
【００１３】
上述の破壊的干渉を軽減し、ダイオード・レーザに戻される最強の反射が光学空洞だけから生じるという保証が得られるようにするため、さまざまなアプローチが利用されてきた。単純なアプローチは、共振帰還の空間的分離を可能にする追加空洞反射器または反射の利用である（前掲のダマニ文献を参照）。他の解決策は、鏡で誘導される複屈折によるダイオード・レーザへのごくわずかな帰還（C.E. Tanner 他：Atomic beam collimation using a laser diode with a self locking power-build-up cavity, May 1988, vol.13(5), pp. 357-359, Optics Letters 参照）、または、ごく弱く励起される逆伝搬モードの利用（A. Hemmerrich 他：Second-harmonic generation and optical stabilization of a diode laser in an external ring resonator, April 1990, Vol. 15(7), pp.372-374, Optics Letters 参照）に依存するものである。しかし、こうした追加反射器は、レーザ・システムを構成する複雑さ及び費用を増すことになりがちである。
【００１４】
狭帯域のレーザ光をさまざまな周波数で同調させることができることが望ましい場合もある。色素レーザといった、伝統的な同調可能な放射源は、構造的に複雑であり、比較的大きい。ダイオード・レーザは、単純で、小さく、多少は同調可能であるが、放出する放射光は狭帯域ではない。ダイオード・レーザの出力パワーを増すことによって帯域幅を狭くしようとする方法は望ましくない。出力パワーの増加は数桁必要になのに、ダイオード・レーザの損傷しきい値が低いので、個々のダイオードのパワーを穏当な低い値に制限しなければならないからである。より有効な代替方式は、ダイオードの空洞長を増すことである。これは、ダイオード・レーザの反射フェーセットに反射防止コーティングを施し、ダイオードから比較的大きく離して外部反射器を配置することによって実施される場合が最も多い。このタイプのレーザは、通常、外部空洞ダイオード・レーザと呼ばれる。この装置の同調性は、外部反射器として反射格子を用いることによって得られる（例えばHewlett-Packard Journal, 1993年２月号参照）。しかし、空洞長が増すと（一般に、１〜数十センチメートルの範囲で）、空洞の縦モードの密度が高くなる。格子の同調時には、縦モードのホッピング（同調曲線における不適切な不連続）に遭遇することが極めて多い。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較的単純な構造ではあるが、それにもかかわらず、強度の高い光を発生することが可能な受動ロック・レーザを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、その間に共通の反射器が設けられた第１の共振空洞と第２の共振空洞を備えるレーザ・システムが得られる。これらの共振空洞は、本書では、それぞれ、「レーザ空洞」及び「外部共振空洞」（または略して「外部空洞」）と定義される。一般に、レーザ・ビルド・アップ・システムには、３つの反射器、すなわち、反射率Ｒ1を有する第１の反射器、レーザ空洞を形成するため、第１の反射器から間隔をあけて配置された第２の反射器、及び、外部空洞を形成するため、第２の反射器から間隔をあけて配置された第３の反射器が含まれている。第２の反射器の反射率Ｒ2は、第１の反射器の反射率Ｒ1より大きい。第３の反射器の反射率Ｒ3も、第１の反射器の反射率Ｒ1より大きい。レーザ利得媒体は、レーザ空洞内に納められ、レーザ空洞内で共振する光を放射する。レーザ空洞からの通過光が、外部共振空洞内で共振する。この光の一部は、外部共振空洞を通過してレーザ空洞に戻り、レーザ利得媒体を光学的にロックする。
【００１７】
望ましい実施例の場合、外部共振空洞の空洞長は、共振周波数と同調するように調整可能である。
【００１８】
こうしたシステムを用いて、高強度のレーザ光を発生するための方法が提供される。この方法の場合、レーザ利得媒体から放出された光が、レーザ空洞内で共振し、外部共振空洞に入って、共振により、高強度に達する。外部共振空洞内における共振光の一部は、第２の反射器を通ってレーザ空洞に送り返され、強力な光学帰還によって、レーザ利得媒体を外部共振空洞の共振周波数に対して光学的にロックする。
【００１９】
先行技術による外部空洞ダイオード・レーザとは対照的に、本発明の場合、第２の反射器の反射率Ｒ2は、第１の反射器の反射率より小さくされることはない。Ｒ1、Ｒ2、及び、Ｒ3の相対値の選択によって、レーザ空洞の周波数帯域幅は、外部空洞の周波数帯域幅より広くなる。このレーザ・ビルド・アップ・システムの場合、狭帯域幅の外部空洞が、光学帰還によってレーザ利得媒体を支配する。こうして、レーザ利得媒体の外部空洞に対する全光学式受動ロック（光学素子の空間関係または光学位相を調整するための電気機械式部品を必要としない方式）を実現することができる。従来の受動ロック・レーザ・システムとは異なり、本発明の場合、かなりの量の共振帰還で、レーザ利得媒体を外部空洞の共振周波数にロックすることによって、安定した動作を得ることが可能である。これは、「強帰還」受動ロックと呼ばれる。こうした強帰還受動ロックによれば、従来の受動ロックとは異なり、前述のように、レーザ利得媒体に帰還される光の位相及び強さの制御に、追加電気機械式メカニズムを必要としない。
【００２０】
また、安定性を促進するため追加光学素子を必要とする、比較的大きい帰還・ロックを利用する従来のレーザ・ビルド・アップ・システム（前掲のレントとリスクの文献及びコズロフスキの文献参照）とは異なり、本レーザ・ビルド・アップ・システムは、安定性を付加するために、こうした追加素子を必要としない。追加光学素子が、アライメントを必要とし、製造プロセスを複雑にし、さらに、部品のコストを増大させることになるのは周知の事実である。
【００２１】
さらに、本発明の場合、レーザ利得媒体が、外部空洞内には配置されないので、レーザ利得媒体に損傷を与えることなく、外部空洞内に極めて強度（パワー）の高い光を生じさせることが可能である。高反射率の反射器によって、外部空洞内における多重パスで光を反射することが可能になり、この結果、長い空洞長を必要とせずに、狭帯域幅が得られる。本発明によれば、高強度のレーザ光源は、理論的に最少数の部品（反射器のような光学素子、及び、光学素子の位置を微調整する電気機械的素子を含む）で製造することが可能である。外部共振空洞における光強度は、レーザ空洞内の強度よりも１桁以上強くすることが可能であり、利得媒体による放射光強度の１０〜１０5倍とすることが可能である。さらに、狭帯域幅の外部空洞は、ダイオードの放射光に一時的な平均効果を及ぼし、高速の揺動を最小限に抑えられる（外部空洞は、光学コンデンサと考えることが可能である）。従って、本発明は、コンパクトな高強度の光源を得るのに極めて適している。
【００２２】
本発明のレーザ・ビルド・アップ・システムまたは方法によって得られる高強度の光には、さまざまな用途がある。例としては、それに限定するものではないが、（１）ダイオード・レーザ・モード・クリーンアップ --１つ以上の固体光源からの特性の優れた出力ビームが必要とされる、（２）化学検知（前掲米国特許5,432,610号及び米国特許5,437,849号（King他））、粒子カウント、非線形周波数発生（例えば、外部空洞内に非線形媒体を用いて）、環境検知、及び、距離測定がある。
【００２３】
【実施例】
本発明の場合、比較的反射率の大きい第２の表面（または反射器）が、第１の表面（または反射器）と第３の表面（または反射器）の間に配置されて、レーザ空洞（レーザ利得媒体を含む）及び外部空洞を形成している。光が、外部空洞内において共振し、そこから帰還してレーザ利得媒体を受動的に外部空洞の共振周波数にロックする。
【００２４】
図２には、レーザ・ビルド・アップ・システムの第１の望ましい実施例が示されている。レーザ・システム内には、３つの表面（または反射器）１０１、１０２、及び、１０４が配置され、光はそれらの間の直線光路（軸またはライン１０６で表示）を進むことができるようになっている。３つの表面の反射率は、それぞれ、Ｒ1、Ｒ2、及び、Ｒ3である。表面（または反射器）１０１と１０２の間に、レーザ空洞１０８（この場合、２つの鏡による光学空洞）が形成される。表面１０２と１０４によって、もう１つの２つの鏡による空洞、すなわち、外部空洞１１０が形成される。レーザ空洞１０８内には、あまり追加反射を導入しなくても、軸１０６に沿って進む光が増幅されるように、光学利得媒体１１４が配置されている。これは、利得媒体１１４のフェーセットに反射防止コーティングを施して、反射を除去することによって行うことが可能になる。利得媒体からの反射を回避する代替方法の１つは、そのフェーセットに面取りを施すことである。Ｒ1、Ｒ2、及び、Ｒ3の値が本発明に基づいて選択され、利得媒体が光学的に非線形性を示す場合、レーザしきい値を超えると、空洞１０８及び１１０の両方における光は、同じ光学特性（例えば、周波数及び帯域幅）を示すことになる。レーザ空洞１０８における光の特性は、外部空洞１１０における光によって決まる。
【００２５】
外部空洞１１０に入射する光のかなりの部分が、表面１０２を通って、レーザ空洞１０８に戻り、利得媒体を光学的にロックする。（例えば、表面１０４を通って）外部空洞を出る光の印加方法及び量によって、戻って、利得媒体を光学的にロックすることになる光の量が、変動する可能性がある。一般に、この量は、約３％〜約９０％であるが、一般に利用可能な光学素子の光学的制限のため、約１０％〜約５０％が望ましい。従って、この結果、外部空洞の共振周波数に対する利得媒体の全光学式受動ロックのための、強い光学帰還が生じることになる。適合する利得媒体は、十分な非線形性を備えているので、強力な光学帰還によって外部空洞に光学的にロックすることが可能である。非線形性が大きいので、ダイオード・レーザが望ましい利得媒体であるが、チタンをドープしたサファイア、有機材料等の他の非線形性利得材料を用いることも可能である。
【００２６】
光学空洞の帯域幅は、空洞鏡の反射率によって決まる。本発明の場合、反射率Ｒ2及びＲ3は、反射率Ｒ1よりはるかに高くなるように選択される。こうした反射率により、外部空洞１１０の帯域幅は、レーザ空洞１０８の帯域幅より数桁分狭くなる。レーザ空洞長と外部空洞長とは、それぞれ、表面１０１と表面１０２との間の距離、及び、表面１０２と表面１０４との間の距離である。
【００２７】
本発明の場合、Ｒ1の値は、約０．１〜約０．９９であり、Ｒ2の値は、約０．９〜約０．９９９９９９であり、Ｒ3の値は、約０．９〜約０．９９９９９９である。化学分析（例えばキング等への米国特許5,432,610号に開示の技術と同様の技術）のように、用途によっては、外部空洞内の光の強度をさらに増すため、Ｒ1を約０．１〜約０．９９、Ｒ2を約０．９９５〜約０．９９９９９９、Ｒ3を約０．９９５〜約０．９９９９９９とするのが望ましい場合もある。空洞内非線形発光のような他の用途には、望ましい値が、Ｒ1については０．１〜０．９９、Ｒ2については０．９〜０．９９９９９９、Ｒ3については０．９〜０．９９９９９９といった場合もある。さらに、より強力な光学帰還を得るには、Ｒ1がＲ2未満であることが望ましく、また、Ｒ2がＲ3未満であることが望ましい（すなわち、Ｒ1＜Ｒ2＜Ｒ3）。しかし、Ｒ2がＲ3以上の場合でも、光学的にロックされるシステムは機能する。実施の際には（実用的部品を利用し）、Ｒ2及びＲ3が等しい場合もあるが、空洞の反射率は、光の散乱損失のためゼロにはならない。
【００２８】
従来の外部空洞ダイオード・レーザ（ＥＣＬ）（Jens Buus:"Single frequency semiconductor laser", SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, WA, 1991, Section 8.2 に開示のようなもの）の場合、表面１０１及び１０２は、ダイオード・レーザのフェーセットである。周知のように、安定した動作のため、反射率Ｒ2は、できるだけ小さくされる -- Ｒ1より数桁小さい（P. Zorabedian,:" Axial-mode instability in tunable external-cavity semiconductor lasers," July 1994, vol. 30(7), pp. 1542-1552, IEEE Journal of Quantum Electronics)。やはり周知のように、Ｒ3が大きく、Ｒ2がＲ1に接近している場合、図２に示すシステムは、コヒーレンス崩壊状況に入り（上記Jens Buus 参照）、動作は不安定になる。不安定は、２つの空洞１０８及び１１０における光の光学（位相）特性の相違によってはっきりと示され、通常、線幅が広くなる。帰還が強まる（例えば、１０％を超えて）条件下では、ダイオード・レーザは、放射フェーセットが反射防止コーティングを施されている場合だけしか、動作が安定しない（R.W. Tkach:, and A.R. Chraplyvy:" Regimes of feedback effects in 1.5μm distributed feedback lasers," November, 1986, vol. LT-14(11), pp.1655-1661, Journal of Lightwave Technology）。こうした放射フェーセットに反射防止コーティングを施すと、レーザ・システムは、事実上、２鏡・レーザ・システムになる。
【００２９】
しかし、驚くべきことには、本発明の２空洞レーザ・システムの場合、安定動作は、Ｒ2がＲ1よりはるかに大きい（すなわち、その対応する透過率が、Ｒ1よりも数桁大きい）場合に得られる。実際、本発明に基づいて、反射率Ｒ1、Ｒ2、及び、Ｒ3を選択することによって、全く新しい動作状況に達することになる。さらに、よりコンパクトな設計によって、線幅をはるかに狭くすることができ、ビーム形状が、より望ましい低次のエルミート・ガウス・モードＴＥＭ00になるので、この装置の性能は、従来のＥＣＬよりはるかに優れている。本発明の場合、安定動作は、レーザ・ビルド・アップ・システムにおける表面の反射率を慎重に選択することによって実現される。
【００３０】
本発明の場合、２つの共振空洞（レーザ空洞及び外部空洞）が、例えば、表面１０２のような共通表面によって分離されている。反射率Ｒ1は、Ｒ2及びＲ3よりはるかに小さい。周知のように、単純な２鏡空洞の帯域幅は、鏡の反射率によって決まる。即ち反射率が高くなるほど、帯域幅が狭くなる。従って、レーザ空洞１０８の帯域幅は、外部空洞１１０の帯域幅よりはるかに広くなる。広帯域照射下においては、レーザ空洞１０８における循環電界は、２つの成分、すなわち、広い帯域幅の成分（レーザ空洞内で生じる）と、狭い帯域幅の成分（外部空洞１１０において生じ、鏡１０２を通って漏出する）の和とみなすことが可能である。レーザ空洞１０８内の光が、外部空洞１１０内の光と同じ光学特性を備えている場合、利得媒体１１４の利得がレーザしきい値に向かって増大するにつれて、狭い帯域幅の成分が優勢になるはずである。
【００３１】
図１Ｃに示すように、Ｒ1＝０．４で、Ｒ2＝０．９の空洞の場合（曲線Ｃ１）、空洞共振時における空洞の反射率は、前方の鏡の反射率Ｒ1の６０％になる可能性がある。曲線Ｃ２は、Ｒ1＝Ｒ2の空洞に関する反射率を示している。Ｒ1＝０．８５、Ｒ2＝０．９９９３６、及び、Ｒ3＝０．９９９９９の、図２に示すシステムの場合、空洞共振時における外部空洞１１０の反射率を計算すると、前方の鏡の反射率Ｒ2 の９４％になる可能性がある。しかし、レーザ空洞長が５ｃｍで、外部空洞長が９ｃｍの場合、外部空洞の帯域幅は、レーザ空洞のほぼ２８０倍も狭くなる。既知のように、レーザ作用に関するしきい値反転密度は、空洞の帯域幅に反比例する（A.E. Siegman:"Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA, 1986, p.511）。外部空洞からの狭帯域光は、広帯域幅レーザ空洞成分光より低い光学利得で発振しきい値に達することになる。従って、利得媒体は、表面１０２からの単純な反射ではなく、外部空洞１１０からの帰還によって支配されることになる。上記理論は、正しいと思われるが、本発明のレーザ・システムの動作及び構成は、実用的なものであり、特定の理論に従うものではない。
【００３２】
図３には、もう１つの望ましい実施例が示されている。この場合、利得媒体は、半導体ダイオード・レーザ２１４の構造に組み込まれている。レーザの後部フェーセットは、反射性のコーティングが施されており、表面２０１を形成する。ダイオード・レーザの放射フェーセット２０３は、反射防止（ＡＲ）コーティングが施されており、反射率は１０-3未満の範囲が望ましい。表面２０２及び２０４は、それぞれ、鏡（基板）２０７及び２０９をなすようにコーティングが施されている。これらの表面は、外部空洞２１０内（表面２０２と２０４の間）において安定した空間モードを支持するのに適した曲率を備えている。当該技術の熟練者に取って周知のモード整合光学素子２１６（例えば、レンズ及び／またはプリズム）を利用することによって、空間的にダイオード放射光の整合をとって、外部空洞２１０に送り込むことが可能になる。レーザ空洞２０８に面した鏡（基板）２０７の表面２１９は、約０．０４〜０．００１の範囲内の反射率になるように反射防止コーティングを施すのが望ましい。代替方式として、表面２１９が光路２０６とある食いつき角度をなすようにすることによって、利得媒体への光の反射を減少させることも可能である。
【００３３】
一例として、反射率が１０-5〜１０-4の範囲内になるようにコーティングを施された放射フェーセット２０３を備える利得媒体２１４として、フィリップスＣＱＬ８０１Ｄダイオード・レーザを利用して、こうしたシステムを構成することが可能である。米国コロラド州ボールダーのＲｅｓｅａｒｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓから鏡２０７及び２０９（反射率Ｒ２＝Ｒ３＝０．９９９９９の表面を備える）を得ることが可能である。外部空洞を形成する表面２０２及び２０４のそれぞれの曲率半径は、５ｃｍである。モード整合光学素子は、ピッチが０．２３で、焦点距離が５ｃｍのモード整合レンズと共に、ＡＲコーティングを施した傾斜屈折率レンズ（ＧＲＩＮレンズ）によって構成される。外部空洞長は、２ｃｍで、レーザ空洞長は、４ｃｍである。こうしたシステムでは、ダイオード電流が約７０ｍＡ（９Ｖトランジスタ・バッテリから得られる）の場合、外部空洞内において、ＴＥＭ00モードで発生した約１４５Ｗの全パワーによって、安定した連続波（ＣＷ）動作が得られた。
【００３４】
Ｒ２の最適値は、外部空洞内における所望のパワーと利得媒体に対する帰還（または、システム安定性）との間のトレード・オフによって決まる。例えば、モード整合光学素子（または、レーザ空洞内における他の任意の光学部品）の光学損失が大きく、表面２０３が完全に反射防止コーティングを施されていない場合、高帰還状況において安定したシステム性能を実現するには、外部空洞からレーザ空洞内により多くの光が漏出しなければならない。これは、Ｒ2の値を減少させ、その一方で、Ｒ3の値を一定に保つことによって実現することが可能である（図１Ｃ参照）。しかし、同時に、外部空洞内のパワーも低下することになる。実際には、Ｒ2の最適値は、光学損失及びモード整合度によって決まる。
【００３５】
もう１つの実施例の場合（図４Ａ）、レーザ空洞の表面を両方とも利得媒体（ダイオード・レーザが望ましい）に設けることが可能である。表面３０１及び反射率の高い表面３０２が、それぞれ、ダイオード・レーザの裏面フェーセット及び放射フェーセットによって形成され、この結果、３反射器（すなわち、表面３０１、３０２、３０４）システムが得られることになる。表面３０４は、鏡面基板３０９に被着することも可能である。やはり、表面３０１、３０２、及び、３０４の曲率は、当該技術の熟練者に取って周知のやり方で、安定した空洞モードを支援するように選択することが望ましい。こうした表面を形成するのに適した技法は、誘電体スタック鏡を基板上に被着し、該スタックを放射フェーセットに移すことから構成される（E.Schmidt 他:"Evaporative coatings," May 1995, pp.126-128, Photonics Spectra）。
【００３６】
図４Ｂには、１つまたは複数の追加利得媒体が非線形性を示す限りにおいて、２つ以上の利得媒体が、外部空洞に対して同時に光学的にロックされる実施例が示されている。図４Ｂの場合、図２のシステムと同様のシステムであるが、反射率がＲ4の表面１０１Ａと表面１０２の間に、ビーム分割器１０３を介して形成された第２のレーザ空洞１０８Ａ内に、追加利得媒体１１４Ａが納められている。Ｒ4は、同様の働きをすることによって、結果として、外部共振空洞１１０内に共振が生じ、光が送り込まれることになる限りにおいて、必須ではないが、Ｒ1と同じにすることが可能である。
同様に、追加利得媒体１１４Ａ及び追加レーザ空洞１０８Ａは、第１の利得媒体１１４及び第１のレーザ空洞１０８と同じ帯域幅とすることができるが必須ではない。実際、利得媒体１１４Ａ及びレーザ空洞１０８Ａは、利得媒体１１４及びレーザ空洞１０８とは異なる周波数で共振することが可能である。２つ以上の利得媒体を外部空洞に対して光学的にロックする利点は、外部空洞内においてより大きいパワーまたは追加周波数を捕獲することができるという点にある。追加利得媒体は、同じやり方で追加することが可能である。ビーム分割器１０３は、偏光ビーム分割器とすることが可能である。関連するもう１つの例の場合では、図３と同様のシステムにおいて、ダイオード利得媒体２１４の代わりにダイオード・アレイを用いることも可能である。
【００３７】
共振周波数の制限：
周波数制限装置を備えた望ましい実施例の１つが、図５に示されている。一般に、利得媒体は、多くの空洞共振周波数にまたがる増幅帯域幅を備えている。光学帰還・レーザ・システムの場合、利得媒体は、外部空洞の共振周波数の任意の１つと周波数ロックすることが可能である。例えば、一般的なＩｎＧａＡｌＰダイオード・レーザの利得帯域幅は、約６７０ｎｍを中心とする約１０ＴＨｚであり、外部空洞長が１０ｃｍの場合、外部空洞共振周波数の間隔は、１．５ＧＨｚである。粒子カウントのように、用途によっては、この周波数範囲が許容可能である場合もあるが、何らかの化学（例えば、スペクトル）分析、非線形周波数変換、または、距離測定のように、用途によっては、可能性のあるロック周波数の数を制限しなければならない場合もある（場合によっては、１０未満に）。これらの例では、周波数制限装置を用いて、フィルタリングを施すことによって、望ましくない周波数を除去することが可能である。こうした装置の例については、Ｋｉｎｇ他への米国特許の明細書に詳細な説明がある。これらの装置には、格子、エタロン、リオ・フィルタ、または、誘電体スタック・フィルタの１つまたはこれらの組み合わせを含むことが可能である。Ｋｉｎｇ他は、ダイオード・レーザ利得媒体の背面を分布ブラッグ・反射器で被うことが可能な方法についても解説しているが、これもシステムの許容可能な周波数を制限する。
【００３８】
図５に示すように、周波数制限装置２２２が、図３と同様のシステムにおいて、モード整合光学素子２１６と鏡２０７の間に配置される。こうして、周波数制限装置２２２は、最少数の部品を用いて、最大の効果が得られるようにする。こうしたシステムは、フィリップスＣＱＬ８０１Ｄダイオード・レーザを利得媒体２１４として利用し、その放射フェーセットに、反射率が１０-5〜１０-4の範囲内になるようにコーティングを施して、構成された。モード整合光学素子２１６は、開口数（ＮＡ）が０．４８で、焦点距離が４．８ｍｍの反射防止コーティング（ＡＲコーティング）を施したレンズ、アナモルフィック・プリズム対（３：１）、及び、焦点距離が２５ｃｍのレンズから構成された。表面２０２及び２０４は、曲率半径が１７ｃｍで、Ｒ２＝０．９９９９、及び、Ｒ３＝０．９９９９９であった。外部空洞２１０の長さは、１０ｃｍであった。
【００３９】
図６には、この例に関する周波数制限装置２２２が示されている。それは、金属被覆鏡２３２、及び、１８００ｇ／ｍｍの回折格子（Ｚｅｉｓｓ製）２３６から構成された。鏡２３２によって、光路２３８に沿った光ビームが回折格子を２度通過できるようになり、有効分散が２倍になった。同じ部品を用いて、回折格子から光を多数回にわたってはね返らせ、これによって、システム帯域幅全体を縮小させることができた。代替方式として、回折格子による１回のはね返りを用いることも可能であった。このシステムの場合、ダイオード電流が６５ｍＡで、約２３０Ｗの光が外部空洞内に発生し、安定したシステム性能が得られた。
【００４０】
もう１つの望ましい周波数制限装置は、半波長の厚さの層によって間隔があけられた極めて低損失の誘電体スタック鏡に基づいた超狭帯域透過フィルタである（前掲Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ製）。図５と同様のシステムで、１インチ（２．５４ｃｍ）基板上に堆積されたフィルタが利用された。このフィルタは、透過率が約８０％で、帯域幅が０．０８ｎｍであった。このフィルタは、ＡＲコーティングを施した東芝９２２５ダイオード・レーザ２１４から成るシステムにおいて用いられた。モード整合光学素子２１６は、ＮＡ＝０．４８で、焦点距離が４．８ｍｍの、ＡＲコーティングを施したレンズ、３：１円筒状ガリレイ望遠鏡（焦点距離＋３８．１ｍｍ及び−１２．７ｍｍ）、及び、１２．５ｃｍ球面レンズ２１６から構成され、周波数制限装置２２２として超狭帯域透過フィルタが設けられた。Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓからの鏡２０７及び２０９は、それぞれ、曲率半径が１０ｃｍである。外部空洞長は、８ｃｍであった。表面２０４の反射率Ｒ3は、約０．９９９９９であった。さまざまな値のＲ2（表面２０２の反射率）が用いられた。その結果が下表にまとめられている。
【００４１】
---------------------------------------------
R2 直流電流(mA) 外部空洞内のパワー（W)
---------------------------------------------
0.99936 72 約 60
0.99966 78 約 70
0.99980 69 約 100
---------------------------------------------
周波数制限装置２２２として超狭帯域透過フィルタを用いる利点は、単一の直線軸２０６に沿って全ての部品のアライメントをとることが可能であるという点にある。もう１つの実施例では、反射防止コーティング２１９の代わりに、超狭帯域透過フィルタを直接鏡２０７上に被着することも可能である。
【００４２】
用途によっては、１つだけの、または、少数の外部空洞モードによって、発振（すなわち、共振）可能であることが望ましい場合がある。このため、レーザ空洞長と外部空洞長の比に追加制限を加えることが可能である。動作が、利得媒体または周波数制限装置２２２の帯域幅によって、ほんの少数のモードだけに制限される場合、パワー安定性は、利得媒体の有効ロック範囲によって決まる。ダイオード・レーザの場合、ロックは、外部空洞の有効反射率によるとともに、部分的には利得と位相の相互作用（波長が外部空洞によって決まるので）による（C.H. Henry 他:" Locking range and stability of injection locked 1,54μm InGaAsP semiconductor lasers," Aug. 1985, vol. QE-21(8), pp.1152-1156, IEEE Journal of Quantum Electronics)。外部空洞とレーザ空洞の両方が同じ波長で共振する場合、各空洞における光路長は、半波長の整数倍でなければならない。ダイオード・レーザは、その位相遅延を調整し、飽和利得を変更することによってこの条件に整合することが可能である（前掲Henry他）。
【００４３】
レーザ空洞内において安定したビルド・アップ（従って、周波数ロック）が生じる場合、外部空洞共振周波数が異なれば、異なる位相遅延で、レーザ空洞内に電界が生じるということを、数学的に立証することが可能である。レーザ空洞長と外部空洞長の比ｒは、ｒ＝ｎ＋ａ／ｂとして表すことが可能であり、ここで、ｎは整数であり、ａ及びｂは実数である。ａ＝０の場合、比ｒは整数である。従って、外部空洞の全共振周波数における電界は、２π毎に繰り返す、同じ位相遅延で生じることになる。ダイオード・レーザの初期位相遅延は、空洞共振周波数の任意の１つにおける電界の初期位相遅延と異なる可能性がある。この場合、外部空洞にロックされた状態に保つため、ダイオード・レーザが調整しなければならない最大位相量（すなわち、利得）は、±πである。一方、ａ＝１、ｂ＝３で、ダイオード空洞が、わずか３モードだけの発振に制限される（例えば、周波数制限装置２２２によって）場合、最大位相調整は、±π／３であることが示される。周波数制限装置がなければ、追加位相遅延を得るために、ダイオード・レーザは、ただ単に異なる空洞共振周波数で発振するだけである。
【００４４】
ダイオード・アレイが少数のモードだけに制限される場合、ダイオードが位相遅延を十分に迅速に調整することができなければ、ロックが不安定になる。利得依存位相に影響する非線形性は、ダイオード・レーザにより異なる。非線形性が小さい場合、安定したロックを維持するのに、大幅な移相調整を施すより、わずかな移相調整を加えるほうが望ましい。図５のシステムが利用されたときのこの効果が図７に示されている。利得媒体２１４は、日立６７１４Ｇレーザであり、周波数制限装置は、超狭帯域透過フィルタであった。しきい値電流（飽和利得の測度）は、レーザ空洞長が外部空洞長（９ｃｍ）の整数倍になる毎に、大きくなる。利得媒体が制限されたロック範囲（または制限された非線形性）を示す実施例の場合、非整数の外部空洞長対レーザ空洞長比が望ましい。ｂ／ａ比は大きいのが望ましく、３を超えればより望ましい。
【００４５】
本発明のレーザ・ビルド・アップ空洞を備えたコンパクトな装置を製造するため、基板（例えば、シリコン、二酸化珪素等）に機械加工（微細機械加工のような）を施し、適合する誘電体（または別の適合する反射材料）によるコーティングを施して、所望の位置において選択された反射率が得られるようにすることによって、第１、第２、及び、第３の表面を形成することが可能である。こうして、適正な位置にレーザ空洞及び外部共振空洞を形成することが可能になる。微細機械加工技法及びマイクロリソグラフィ技法を含む、標準的な機械加工技法を利用することが可能である。例えば、Ｊｅｒｍａｎ他:" A miniature Fabry-Perot interferometer with a corrugated silicon diaphragm support," Sensor and Actuators, 29, 151(1991)は、２鏡空洞に微細機械加工を施す方法について述べている。この技法を利用すれば、本発明に従って３鏡システムのレーザ空洞及び外部共振空洞を製造することが可能になる。さらに、こうした機械加工技法を用いることによって、モード整合装置のような他の光学部品を形成することも可能になるように企図されている。基板上に光学素子を形成することによって（できれば、単体の一体装置として）接着剤、ナット、ボルト、ネジ、クランプ等のような固定手段の必要がなくなり、同時に、アライメント及び移動の問題も軽減される。
【００４６】
用途：
本発明は、多くの用途において有効に利用することが可能である。例としては、非線形周波数変換及び距離測定などがある。適合するレーザが得られると（例えば、本発明によって）、当該技術において既知の技術によってこうした作業が実施可能になる。空洞内周波数変換については、周波数２倍化に関する応用（E.S. Polzik と H.J. Kimble :" Frequency doubling with KNbO3 in an external cavity," September 15, vol.16(18), Optics Letters, W. Lenth とW.P. Riskの前掲文献、W.J. Kozlovsky他の前掲文献、及びA.Hemmerich他の前掲文献を参照）、及び、非線形混合に関する応用（P.G. Wigley他の前掲論文及びP.N. KeanとG.J. Dixonの“Efficient sum-frequency upconversion in a resonantly pumped Nd:YAG laser," Jan. 15, vol.17(2), Optics Lettersを参照）といったように、幾人かの著者による説明がある。
【００４７】
図８には、利得媒体２０４によって供給される周波数以外の光学周波数を発生するために用いることが可能なシステムを例解する略図が示されている。図２と同様の構成において、非線形結晶４０１が外部空洞１１０内に配置される。非線形結晶は、利得媒体１１４からの光を他の周波数の光に変換する。表面４０２及び４０４が、図２の表面１０２及び１０４に取って代わっている。表面４０２及び４０４は、表面１０２及び１０４と同じ反射率範囲を備えているだけではなく（光が結晶を通過することに関連した追加光学損失を考慮して）、非線形に発生する光の周波数のどれにおいても反射することが可能である。非線形変換を完全なものにするには、１つ以上の結晶が必要になる可能性がある。必要とあれば、外部空洞１１０内にいくつかの結晶を配置することが可能である。非線形周波数変換が、狭い周波数帯域にわたって生じ、周波数を制限する他のメカニズムが存在しないといった場合のように、場合によっては、周波数制限装置２２２を利用することも可能である。
【００４８】
図８において、光路１０６内において光にさらされる結晶表面は、反射防止コーティングを施して、外部空洞の帯域幅を最小限に抑え、それによって、レーザ空洞に対する外部空洞の周波数ロックを改善するのが望ましい。図９には、表面４０２及び４０４が直接結晶４０１の表面上に被着される、より単純な代替実施例が示されている。図９に示すように、ダイオード・レーザ２１４は、光源として用いられる。最適な動作を得るため、モード整合光学素子２１６及び周波数制限装置２２２を利用することも可能である。
【００４９】
光学距離測定には、安定した帯域幅の狭いビームを発生する光源が必要になる。適合する光源は、本発明の実施例である（例えば、図１０に示す光源）。この実施例の場合、表面２０２及び２０４は、光学的に透明な固体の支持体５０１上に被着される。適合する支持材料は、極めて熱膨張係数が低い、例えば、ｚｅｒｏｄｕｒまたは融解石英などである。熱安定性を増すため、固体の支持体５０１を熱的に制御することが可能である（市販のヘリウム・ネオン・レーザをベースにした距離メータで現在実施されているように）。熱的に制御するための手段は、当該技術において周知のところである。
【００５０】
前述のように、本受動ロック外部空洞によって得られる光（とりわけ、強度の高い光）は、化学検知（分析）に用いるのに有効である。例えば、レーザ・システム５０６を示す図１１の場合、目標検体を含むサンプル５０３を外部共振空洞１１０のビーム経路１０６内に配置して、光の相互作用（例えば、吸光、光の散乱、ラマン散乱、蛍光発生、間接的蛍光発生、燐光発生）を生じさせることが可能である。サンプル５０３に隣接して、検出器５０５を配置することによって、光の相互作用を検知し、この結果、サンプル５０３中の検体に関する分析データが得られるようにすることが可能である。所望の１つ（または複数）の周波数の光を実質的に吸収したり反射したりしない容器５０７を用いて、ビーム経路内にサンプルを配置することも可能である。代替方式として、表面１０２、１０４をサンプルを閉じ込める構造（例えば、容器）の一部とすることも可能である。もう１つの例では、外部共振空洞１１０の外部の表面１０４の側にサンプルを配置して、光の相互作用が、エバネッセント励起によって生じるようにしている。
【００５１】
第２の反射器と第３の反射器との間の距離調整：
外部空洞の共振周波数を同調させるため（狭帯域の場合）、第２の反射器と第３の反射器を支持している構造の熱膨張及び収縮によって、これら２つの反射器間における距離調整を行うことが可能である。図１２には、第３の反射器を移動させるためのサーボ機構を利用する代替実施例が示されている。サーボ機構は、図１２だけにしか示されていないが、言うまでもなく、本明細書に記載のの強帰還レーザ・システムのどれにでも、サーボ機構を適用することが可能であり、この場合、第２と第３の反射器が、互いに移動しないように固定されることはない。
【００５２】
図１２の場合、サーボ機構は、図５と同様のレーザ・システムに組み込まれている。このサーボ機構５１１には、第３の表面２０４の鏡２０９に作用を及ぼすように接続された（すなわち、表面が被着された基板に接続された）圧電スタック５１２が含まれている。この圧電スタック５１２は、さらに、それを駆動して移動させるのに適した電気駆動装置（図１２には示されていない）に接続されている。こうして、第２の表面と第３の表面との間の距離調整を行って、外部空洞２１０の共振周波数を同調させることが可能になる。
【００５３】
波長（または周波数）を測定する光分析器５１３を用いて、表面２０４（及び鏡２０９）または表面２０１を介した放射光を検査することによって、外部空洞内の光の波長を測定することが可能である。こうした波長（または周波数）測定装置は、当該技術において周知のところであり、これには、格子分光計、あるいは、代わりに、エタロンが含まれる（例えば、Kuntz他:"Miniature integrated-optical wavelength analyzer chip," Optics Letters, 20, p.2300(1995) も参照）。さらに、電子帰還システム（または装置）５１５を利用して、波長測定装置からの帰還に基づいて、圧電スタック装置に制御を加え、利得媒体２１４から所望の波長が得られるようにすることも可能である。
【００５４】
本発明のレーザ・システムの重要な利点の１つは、第２と第３の表面が適切な曲率をなすように製造できるので、ある空間モードだけしか支持されないようにすることができるので、空間モードの質が極めて高いということである。表面２０４または２０１からの漏洩を分析することによって、狭帯域放射光にアクセスすることが可能である。代わりに、例えば、ドップラ・フリー分光器の利用によって、外部空洞内の光を分析することが可能である（M.D. Levinson :" Introduction to Nonlinear laser Spectroscopy, Academic Press, New York, 1982, p.164を参照）。
【００５５】
以上述べた説明により下記の実施態様が開示された。
（実施態様１）：
（ａ）レーザ利得媒体（１１４）と、
（ｂ）反射率Ｒ1を有する第１の反射器（１０１）、及び第１の反射器（１０１）から間隔をあけて配置されて、共にレーザ利得媒体（１１４）を納めるレーザ空洞（１０８）を形成し、レーザ利得媒体（１１４）から放射される光がレーザ空洞（１０８）内で共振を生じるようにする、反射率Ｒ1より大きい反射率Ｒ2を有する第２の反射器（１０２）と、
（ｃ）第２の反射器（１０２）から間隔をあけて配置されて、共に、レーザ空洞（１０８）の外部に共振空洞（１１０）を形成し、レーザ空洞（１０８）からの通過光によって、外部共振空洞内において共振が生じ、外部共振空洞（１１０）からの通過光によってレーザ利得媒体（１１４）が光学的にロックされるようにする、反射率Ｒ1より大きい反射率Ｒ3を有する第３の反射器（１０４）を備える、
レーザ・システム（１００）。
【００５６】
（実施態様２）：
レーザ利得媒体が、外部共振空洞からレーザ・ダイオードへの強い光学帰還によって、外部共振空洞（２１０）の共振周波数にロックさせられるレーザ・ダイオード（２１４）であることを特徴とする、実施態様１に記載のレーザ・システム。
（実施態様３）：
外部共振空洞（１１０）の光強度が、レーザ空洞（１０８）の光強度より少なくとも１桁高いことを特徴とする、実施態様１〜２の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様４）：
Ｒ1が０．９９〜０．１、Ｒ2が０．９〜０．９９９９９９、Ｒ3が、０．９〜０．９９９９９９であることを特徴とする、実施態様１〜３の任意の１つに記載のレーザ・システム。
【００５７】
（実施態様５）：
レーザ利得媒体が、レーザ・ダイオードから外部共振空洞に送られる光の１０％を超える光のレーザ・ダイオードへの光学帰還によって、外部共振空洞（２１０）の共振周波数にロックさせられるレーザ・ダイオード（２１４）であることを特徴とする、実施態様２〜４の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様６）：
Ｒ3がＲ2より大きく、Ｒ2がＲ1より大きいことを特徴とする、実施態様１〜５の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様７）：
さらに、第２の反射器（４０２）と第３の反射器（４０４）の間に配置されて、レーザ利得媒体からの光を異なる周波数に変換するための非線形光学素子（４０１）を備えることと、第２と第３の反射器が、異なる周波数の光の共振に用いられることを特徴とする、実施態様１〜６の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様８）：
レーザ利得媒体が、第２の反射器（２０２）から間隔をあけ、それに面して配置された反射防止コーティングを施したフェーセット（２０３）を備えることを特徴とする、実施態様１〜７の任意の１つに記載のレーザ・システム。
【００５８】
（実施態様９）：
レーザ利得媒体（３１４）が、第１と第２の反射器（１０１、１０２）から間隔をあけて配置された、２つの反射防止コーティング付きフェーセットを備えることを特徴とする、実施態様１〜７の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様１０）：
さらに、レーザ利得媒体から放射される光と外部共振空洞（２１０）を空間的に整合させるためのモード整合光学素子（２１６）を備えることを特徴とする、実施態様１〜９の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様１１）：
前記第３の反射器と前記第２の反射器の間の距離を調整することによって、外部共振空洞（２１０）の共振周波数を同調させることが可能であることを特徴とする、実施態様１〜１０の任意の１つに記載のレーザ・システム。
【００５９】
（実施態様１２）
（ａ）レーザ利得媒体（１１４）と、
（ｂ）反射率（Ｒ1）を有する第１の反射器（１０１）、及び、第１の反射器（１０１）から間隔をあけて配置されて、共に、レーザ利得媒体（１１４）を収容し、その内部でレーザ利得媒体から放射される光の共振を生じる、レーザ空洞（１０８）を形成し、第１の反射器の反射率（Ｒ1）より大きい反射率（Ｒ2）を有する第２の反射器（１０２）と、
（ｃ）第２の反射器（１０２）と共に、レーザ空洞（１０８）の外部に共振空洞（１１０）を形成し、レーザ空洞（１０８）からの通過光が、外部共振空洞内において共振空洞内ビーム経路に沿って共振を生じ、外部共振空洞（１１０）からの通過光がレーザ空洞（１０８）に入って、レーザ利得媒体（１１４）を光学的にロックするようにする、第１の反射器（１０１）の反射率（Ｒ1）より大きい反射率（Ｒ3）を有する第３の反射器（１０４）と、
（ｄ）外部共振空洞（１１０）と連係して、分析サンプルを外部共振空洞（１１０）からの光エネルギにさらし、分析サンプルにおける分析物の光相互作用特性が示されるようにするための手段（５０７）と、
（ｅ）露光させる手段（５０７）に隣接して配置され、光相互作用を検出するための検出器（５０５）を備え、
分析サンプルにおける分析物の存在を検出するために用いられることになる、レーザ・システム（５０６）。
【００６０】
（実施態様１３）
（ｉ）第１の反射器（１０１）及び第１の反射器（１０１）から間隔をあけて配置された第２の反射器（１０２）によって形成されるレーザ空洞（１０８）内に配置されたレーザ利得媒体から光ビームを放射させて、レーザ利得媒体（１１４）からの光がレーザ空洞（１０８）内で共振するようにするステップと、
（ii）レーザ空洞（１０８）から、第２の反射器（１０２）と第３の反射器（１０４）によって形成される、レーザ空洞（１０８）の外部の共振空洞（１１０）に光を送り、レーザ利得媒体（１１４）から放射される光が外部共振空洞（１１０）内において共振し、外部共振空洞（１１０）内の光の一部が、レーザ空洞（１０８）に送り返されて、レーザ利得媒体（１１４）を外部共振空洞（１１０）の共振周波数にロックするようにするステップから成る、
レーザ利得媒体を受動的にロックするための方法。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】共振のない光学空洞に対する入射光の略図である。
【図１Ｂ】共振を伴う光学空洞に対する入射光の略図である。
【図１Ｃ】光学空洞内における反射器の反射率の効果を示す、正規化周波数に関連した空洞反射率のグラフである。
【図２】本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図３】モード整合装置を備えた、本発明のレーザ・システムのもう１つの実施例に関する略図である。
【図４Ａ】レーザ空洞の表面が利得媒体上にある、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図４Ｂ】２つ以上の利得媒体を備えた、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図５】周波数制限装置を備えた、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図６】本発明において適用可能な周波数制限装置の実施例に関する略図である。
【図７】周波数制限装置を備えた、レーザ空洞長と外部空洞長に関連した利得媒体のしきい値電流に関する略図である。
【図８】外部空洞における非線形結晶を示す、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図９】反射する表面が形成された非線形結晶を示す、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図１０】反射する表面が固体の支持体に配置された、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図１１】分析を受けるサンプル、及び、サンプルによって光の相互作用を検出するための検出器を示す、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図１２】第２と第３の反射器間における距離調整のための圧電スタックを示す、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【符号の説明】
１０１ 表面
１０２ 表面
１０３ ビーム分割器
１０４ 表面
１０６ 光路
１０８ レーザ空洞
１０８Ａ レーザ空洞
１１０ 外部空洞
１１４ 光学利得媒体
１１４Ａ 追加利得媒体
２０１ 表面
２０２ 表面
２０３ 放射フェーセット
２０４ 表面
２０６ 光路
２０７ 鏡
２０８ レーザ空洞
２０９ 鏡
２１０ 外部空洞
２１４ ダイオード・レーザ
２１６ モード整合光学素子
２１９ 鏡面
２２２ 周波数制限装置
２３２ 鏡
２３６ 回折格子
２３８ 光路
３０１ 表面
３０２ 表面
３０４ 表面
３０９ 鏡面基板
４０１ 非線形結晶
４０２ 表面
４０４ 表面
５０１ 支持体
５０３ サンプル
５０５ 検出器
５０６ レーザ・システム
５０７ 容器
５１１ サーボ機構
５１２ 圧電スタック
５１３ 光分析器
５１５ 電子帰還装置
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ放射光を発生するための光学システムに関し、とりわけ、線形光学空洞を備えた、ダイオード・ポンピングによる受動ロック式レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多くのレーザ応用（例えば、化学的検知）において、強度の高いレーザ光が必要とされる。強度の高い光を発生する方法の１つは、光学空洞内に捕獲された光を利用することである。光学空洞または共振器は２つ以上の鏡面から構成され、入射光は、それら鏡面で捕獲され、往復させることができるように配置されている。こうして、空洞内の光を入射光より何桁分も強くすることが可能になる。
【０００３】
多くの用途において、光学空洞内に、（ヘリウム・ネオン放電管等の）光学利得媒体が配置される。典型的なダイオード・レーザの場合、ダイオード利得媒体自体に、空洞鏡が直接被着される。ただし、周波数を同調させたり、線幅を狭くするといったような一部の用途においては、ダイオードのフェーセット（端部鏡面）の一方または両方に反射防止コーティングを施したり、ダイオード外部の鏡によって形成される光学空洞内において、ダイオードを動作させる場合もある。ダイオード利得媒体は、こうした空洞内において動作させることが可能であるが、ダイオードの放射フェーセットの損傷しきい値が低いので、空洞内で生じるパワー量が厳しい制限を受けることになる。
【０００４】
この制限を克服し、同時に、大きい光学的場を発生するため、ダイオード・レーザは、ダイオード・レーザ放射光が捕獲される、独立した高フィネス光学空洞の外部に配置することが可能である。この独立した空洞は、今後、「ビルド・アップ」空洞と呼ばれる。しかし、ダイオード・レーザは、高フィネス・ビルド・アップ空洞のそれよりもはるかに広い光学帯域幅の放射光を射出する。ビルド・アップ空洞内においてダイオード・レーザ放射光の大幅な増幅を実現するためには、空洞共振周波数において空洞の帯域幅に近いか、または、一致する帯域幅を有するコヒーレントな放射光をダイオード・レーザから強制的に放射させなければならない。このプロセスは、今後、「光学的ロック」と呼ばれる。
【０００５】
ダイオード・レーザの帯域幅を狭める方法の１つは、ダイオード・レーザの全電子的周波数ロックを利用することである。しかし、この技法には、超高速サーボ、ダイオード・レーザと空洞とのかなりの程度の光学的分離、及び、高度な電子制御が必要になる。
【０００６】
代替方式として、実質的に線幅を狭めることを光学帰還（すなわち、受動）方式によって実現することも可能である。例えば、ダマニ（Dahmani）他：“共振光学帰還による半導体レーザ・ダイオードの周波数安定化（ Frequency stabilization of semi-conductor lasers by resonant optical feedback)”, Opt. Lett., 12, pp. 876-878(1987)には、ビルド・アップ空洞に対するダイオード・レーザの受動光学ロックが報告されている。この技法の場合、ダイオード・レーザからの光は、ビルド・アップ空洞に送り込まれる。この光の周波数が空洞の共振周波数と整合する場合、光は捕獲されることになる。次に、捕獲された光の一部が、ダイオード・レーザに送り返されて、受動帰還・メカニズムとして作用し、ダイオードの放射光帯域幅を狭めるだけでなく、低フィネスのダイオード・レーザの周波数を高フィネスのビルド・アップ空洞の周波数にロックする。
【０００７】
上記ダマニ他が開示すると同様のシステムの欠点は、こうしたシステムで用いられる光学ロックが弱い、すなわち、ビルド・アップ空洞における光のごくわずかな部分だけしかダイオード・レーザに帰還されないということである。弱い光学ロック技法の欠点は、やはり、ダイオード・レーザに帰還される光の強さと位相の両方について、慎重な電気機械的制御が必要になるということである。さらに、こうしたシステムには、少なくとも４つの反射器が含まれる。
【０００８】
外部共振空洞に対する反射防止コーティングを施したダイオード・レーザの受動全光学ロックが、最近になって広く活用されるようになってきた。例としては、周波数の２逓倍（レント及びリスク（W.Lenth and W.P. Risk）へ1991年８月に与えられた米国特許５、０３８、３５２号：非線型結晶共振器を用いたレーザ・システムと方法（Laser system and method using a nonlinear crystal resonator）, 及び、コズロフスキ（W.J. Kozlovsky)他：“伸長空洞レーザ・ダイオードの共振器増強周波数２逓倍による青色光の発生（Blue light generation by resonator -enhanced frequency doubling of an extended diode laser)”,Aug. 1994, 65(5), pp.525-527, Appl. Phys. Lett.),周波数混合（P.G. Wigley, Q. Zhang, E. Miesak, and G.J. Dixon:" 高出力467nm受動ロック式信号共振合成周波数レーザ（High power 467nm passively-locked signal-resonant sum frequency laser)", Post deadline paper CPD21-1, Conference on Lasers and Electro-optics, Baltimore, MD., Optical Society of America, 1995）、及び、化学的検知（キング（David A. King)他に１９９５年７月に与えられた米国特許5,432,610号：化学検知用ダイオード・ポンプ電力ビルドアップ空洞（Diode-pumped power build-up cavity for chemical sensing)がある。上記キング他（参考までに本明細書にそっくりそのまま組み込まれている）は、ダイオード・レーザが外部共振空洞と光学的にロックされるいくつかの実施例について解説している。キング他の教示によれば、３つの反射素子を含むシステムに関して非共振反射を排除するためには、ダイオード電流を大幅に制限し、追加部品を要する可能性がある。
【０００９】
ダイオード・レーザの受動全光学ロックの困難を明らかにするため、光学空洞の物理的特性について簡単な説明を行うことにする。図１に示すように、２つの表面２及び４（それぞれ、反射率（反射係数）Ｒ1及びＲ2））によって、空洞６が形成される。この空洞６は、櫛歯状の共振周波数分布を備えており、櫛歯の間隔はｃ／２Ｌである（ｃは空洞内における光の速度、Ｌは２つの表面２及び４間の光学距離である）。
【００１０】
線形空洞に入射する光は、一般に、図１Ａ、図１Ｂに示す２つの現象の１つに従う。図１Ａの場合、入射光８の周波数は空洞の共振周波数とは全く異なる。従って、入射光８は、表面２によって反射光１０として反射されるだけである。図１Ｂには、入射光８が空洞の共振周波数である（またはそれに極めて近い）状況が示されている。この場合、入射光は表面２と４の間に空洞内ビーム１２として捕獲される。捕獲された光は、さらに、表面２及び４から漏れて、それぞれ、反射ビーム１０及び透過ビーム１４に影響を及ぼす。漏出光は入射ビーム８と位相がずれているので、表面２からの単なる非共振反射ビーム１０の一部に破壊的な干渉を及ぼすことになる。
【００１１】
入射ビーム８が空洞の共振周波数を有する場合、空洞６の有効反射率（有効反射係数）は、表面２の単なる非共振反射率（または非共振反射係数）より低くなる。この効果が、図１Ａ及び図１Ｂに示す空洞の反射率（Ｉref／Ｉinc）が正規化周波数の関数として作図された図１Ｃに示されている。該周波数は、空洞の櫛歯間隔に対して正規化されるので、正規化周波数の各整数値毎に、空洞共振が生じることになる。空洞の帯域幅は、各共振の半値幅であり、表面２及び４の反射率が低下するにつれて小さくなる。Ｒ1がＲ2に等しい場合、表面２からの共振反射及び非共振反射の大きさは、等しく、位相が１８０゜ずれている。こうして、空洞反射率は、空洞共振に関してゼロまで低下する（散乱がない場合）。
【００１２】
空洞に対するダイオード・レーザの受動ロックの目的は、ダイオード・レーザからの入射ビーム８によって空洞内ビーム１２を発生することにある。これによって、空洞から生じる所望の光学特性（例えば、帯域幅及び周波数）がダイオード・レーザに加えられることになる。空洞からの反射ビーム１０を利用して、ダイオード・レーザが空洞共振にロックされる。しかし、図１Ｃに示すように、反射ビーム１０は空洞共振において再弱である。従って、光学帰還によれば、ダイオード電流が増すにつれて、レーザは空洞共振周波数以外の周波数においてしきい値に達するようになるのは明らかである。従って、当該技術の熟練者が長年にわたって信じていたように、図１Ａに示す構造はダイオード・レーザの周波数ロックには極めて不適当である。
【００１３】
上述の破壊的干渉を軽減し、ダイオード・レーザに戻される最強の反射が光学空洞だけから生じるという保証が得られるようにするため、さまざまなアプローチが利用されてきた。単純なアプローチは、共振帰還の空間的分離を可能にする追加空洞反射器または反射の利用である（前掲のダマニ文献を参照）。他の解決策は、鏡で誘導される複屈折によるダイオード・レーザへのごくわずかな帰還（C.E. Tanner 他：Atomic beam collimation using a laser diode with a self locking power-build-up cavity, May 1988, vol.13(5), pp. 357-359, Optics Letters 参照）、または、ごく弱く励起される逆伝搬モードの利用（A. Hemmerrich 他：Second-harmonic generation and optical stabilization of a diode laser in an external ring resonator, April 1990, Vol. 15(7), pp.372-374, Optics Letters 参照）に依存するものである。しかし、こうした追加反射器は、レーザ・システムを構成する複雑さ及び費用を増すことになりがちである。
【００１４】
狭帯域のレーザ光をさまざまな周波数で同調させることができることが望ましい場合もある。色素レーザといった、伝統的な同調可能な放射源は、構造的に複雑であり、比較的大きい。ダイオード・レーザは、単純で、小さく、多少は同調可能であるが、放出する放射光は狭帯域ではない。ダイオード・レーザの出力パワーを増すことによって帯域幅を狭くしようとする方法は望ましくない。出力パワーの増加は数桁必要になのに、ダイオード・レーザの損傷しきい値が低いので、個々のダイオードのパワーを穏当な低い値に制限しなければならないからである。より有効な代替方式は、ダイオードの空洞長を増すことである。これは、ダイオード・レーザの反射フェーセットに反射防止コーティングを施し、ダイオードから比較的大きく離して外部反射器を配置することによって実施される場合が最も多い。このタイプのレーザは、通常、外部空洞ダイオード・レーザと呼ばれる。この装置の同調性は、外部反射器として反射格子を用いることによって得られる（例えばHewlett-Packard Journal, 1993年２月号参照）。しかし、空洞長が増すと（一般に、１〜数十センチメートルの範囲で）、空洞の縦モードの密度が高くなる。格子の同調時には、縦モードのホッピング（同調曲線における不適切な不連続）に遭遇することが極めて多い。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較的単純な構造ではあるが、それにもかかわらず、強度の高い光を発生することが可能な受動ロック・レーザを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、その間に共通の反射器が設けられた第１の共振空洞と第２の共振空洞を備えるレーザ・システムが得られる。これらの共振空洞は、本書では、それぞれ、「レーザ空洞」及び「外部共振空洞」（または略して「外部空洞」）と定義される。一般に、レーザ・ビルド・アップ・システムには、３つの反射器、すなわち、反射率Ｒ1を有する第１の反射器、レーザ空洞を形成するため、第１の反射器から間隔をあけて配置された第２の反射器、及び、外部空洞を形成するため、第２の反射器から間隔をあけて配置された第３の反射器が含まれている。第２の反射器の反射率Ｒ2は、第１の反射器の反射率Ｒ1より大きい。第３の反射器の反射率Ｒ3も、第１の反射器の反射率Ｒ1より大きい。レーザ利得媒体は、レーザ空洞内に納められ、レーザ空洞内で共振する光を放射する。レーザ空洞からの通過光が、外部共振空洞内で共振する。この光の一部は、外部共振空洞を通過してレーザ空洞に戻り、レーザ利得媒体を光学的にロックする。
【００１７】
望ましい実施例の場合、外部共振空洞の空洞長は、共振周波数と同調するように調整可能である。
【００１８】
こうしたシステムを用いて、高強度のレーザ光を発生するための方法が提供される。この方法の場合、レーザ利得媒体から放出された光が、レーザ空洞内で共振し、外部共振空洞に入って、共振により、高強度に達する。外部共振空洞内における共振光の一部は、第２の反射器を通ってレーザ空洞に送り返され、強力な光学帰還によって、レーザ利得媒体を外部共振空洞の共振周波数に対して光学的にロックする。
【００１９】
先行技術による外部空洞ダイオード・レーザとは対照的に、本発明の場合、第２の反射器の反射率Ｒ2は、第１の反射器の反射率より小さくされることはない。Ｒ1、Ｒ2、及び、Ｒ3の相対値の選択によって、レーザ空洞の周波数帯域幅は、外部空洞の周波数帯域幅より広くなる。このレーザ・ビルド・アップ・システムの場合、狭帯域幅の外部空洞が、光学帰還によってレーザ利得媒体を支配する。こうして、レーザ利得媒体の外部空洞に対する全光学式受動ロック（光学素子の空間関係または光学位相を調整するための電気機械式部品を必要としない方式）を実現することができる。従来の受動ロック・レーザ・システムとは異なり、本発明の場合、かなりの量の共振帰還で、レーザ利得媒体を外部空洞の共振周波数にロックすることによって、安定した動作を得ることが可能である。これは、「強帰還」受動ロックと呼ばれる。こうした強帰還受動ロックによれば、従来の受動ロックとは異なり、前述のように、レーザ利得媒体に帰還される光の位相及び強さの制御に、追加電気機械式メカニズムを必要としない。
【００２０】
また、安定性を促進するため追加光学素子を必要とする、比較的大きい帰還・ロックを利用する従来のレーザ・ビルド・アップ・システム（前掲のレントとリスクの文献及びコズロフスキの文献参照）とは異なり、本レーザ・ビルド・アップ・システムは、安定性を付加するために、こうした追加素子を必要としない。追加光学素子が、アライメントを必要とし、製造プロセスを複雑にし、さらに、部品のコストを増大させることになるのは周知の事実である。
【００２１】
さらに、本発明の場合、レーザ利得媒体が、外部空洞内には配置されないので、レーザ利得媒体に損傷を与えることなく、外部空洞内に極めて強度（パワー）の高い光を生じさせることが可能である。高反射率の反射器によって、外部空洞内における多重パスで光を反射することが可能になり、この結果、長い空洞長を必要とせずに、狭帯域幅が得られる。本発明によれば、高強度のレーザ光源は、理論的に最少数の部品（反射器のような光学素子、及び、光学素子の位置を微調整する電気機械的素子を含む）で製造することが可能である。外部共振空洞における光強度は、レーザ空洞内の強度よりも１桁以上強くすることが可能であり、利得媒体による放射光強度の１０〜１０5倍とすることが可能である。さらに、狭帯域幅の外部空洞は、ダイオードの放射光に一時的な平均効果を及ぼし、高速の揺動を最小限に抑えられる（外部空洞は、光学コンデンサと考えることが可能である）。従って、本発明は、コンパクトな高強度の光源を得るのに極めて適している。
【００２２】
本発明のレーザ・ビルド・アップ・システムまたは方法によって得られる高強度の光には、さまざまな用途がある。例としては、それに限定するものではないが、（１）ダイオード・レーザ・モード・クリーンアップ --１つ以上の固体光源からの特性の優れた出力ビームが必要とされる、（２）化学検知（前掲米国特許5,432,610号及び米国特許5,437,849号（King他））、粒子カウント、非線形周波数発生（例えば、外部空洞内に非線形媒体を用いて）、環境検知、及び、距離測定がある。
【００２３】
【実施例】
本発明の場合、比較的反射率の大きい第２の表面（または反射器）が、第１の表面（または反射器）と第３の表面（または反射器）の間に配置されて、レーザ空洞（レーザ利得媒体を含む）及び外部空洞を形成している。光が、外部空洞内において共振し、そこから帰還してレーザ利得媒体を受動的に外部空洞の共振周波数にロックする。
【００２４】
図２には、レーザ・ビルド・アップ・システムの第１の望ましい実施例が示されている。レーザ・システム内には、３つの表面（または反射器）１０１、１０２、及び、１０４が配置され、光はそれらの間の直線光路（軸またはライン１０６で表示）を進むことができるようになっている。３つの表面の反射率は、それぞれ、Ｒ1、Ｒ2、及び、Ｒ3である。表面（または反射器）１０１と１０２の間に、レーザ空洞１０８（この場合、２つの鏡による光学空洞）が形成される。表面１０２と１０４によって、もう１つの２つの鏡による空洞、すなわち、外部空洞１１０が形成される。レーザ空洞１０８内には、あまり追加反射を導入しなくても、軸１０６に沿って進む光が増幅されるように、光学利得媒体１１４が配置されている。これは、利得媒体１１４のフェーセットに反射防止コーティングを施して、反射を除去することによって行うことが可能になる。利得媒体からの反射を回避する代替方法の１つは、そのフェーセットに面取りを施すことである。Ｒ1、Ｒ2、及び、Ｒ3の値が本発明に基づいて選択され、利得媒体が光学的に非線形性を示す場合、レーザしきい値を超えると、空洞１０８及び１１０の両方における光は、同じ光学特性（例えば、周波数及び帯域幅）を示すことになる。レーザ空洞１０８における光の特性は、外部空洞１１０における光によって決まる。
【００２５】
外部空洞１１０に入射する光のかなりの部分が、表面１０２を通って、レーザ空洞１０８に戻り、利得媒体を光学的にロックする。（例えば、表面１０４を通って）外部空洞を出る光の印加方法及び量によって、戻って、利得媒体を光学的にロックすることになる光の量が、変動する可能性がある。一般に、この量は、約３％〜約９０％であるが、一般に利用可能な光学素子の光学的制限のため、約１０％〜約５０％が望ましい。従って、この結果、外部空洞の共振周波数に対する利得媒体の全光学式受動ロックのための、強い光学帰還が生じることになる。適合する利得媒体は、十分な非線形性を備えているので、強力な光学帰還によって外部空洞に光学的にロックすることが可能である。非線形性が大きいので、ダイオード・レーザが望ましい利得媒体であるが、チタンをドープしたサファイア、有機材料等の他の非線形性利得材料を用いることも可能である。
【００２６】
光学空洞の帯域幅は、空洞鏡の反射率によって決まる。本発明の場合、反射率Ｒ2及びＲ3は、反射率Ｒ1よりはるかに高くなるように選択される。こうした反射率により、外部空洞１１０の帯域幅は、レーザ空洞１０８の帯域幅より数桁分狭くなる。レーザ空洞長と外部空洞長とは、それぞれ、表面１０１と表面１０２との間の距離、及び、表面１０２と表面１０４との間の距離である。
【００２７】
本発明の場合、Ｒ1の値は、約０．１〜約０．９９であり、Ｒ2の値は、約０．９〜約０．９９９９９９であり、Ｒ3の値は、約０．９〜約０．９９９９９９である。化学分析（例えばキング等への米国特許5,432,610号に開示の技術と同様の技術）のように、用途によっては、外部空洞内の光の強度をさらに増すため、Ｒ1を約０．１〜約０．９９、Ｒ2を約０．９９５〜約０．９９９９９９、Ｒ3を約０．９９５〜約０．９９９９９９とするのが望ましい場合もある。空洞内非線形発光のような他の用途には、望ましい値が、Ｒ1については０．１〜０．９９、Ｒ2については０．９〜０．９９９９９９、Ｒ3については０．９〜０．９９９９９９といった場合もある。さらに、より強力な光学帰還を得るには、Ｒ1がＲ2未満であることが望ましく、また、Ｒ2がＲ3未満であることが望ましい（すなわち、Ｒ1＜Ｒ2＜Ｒ3）。しかし、Ｒ2がＲ3以上の場合でも、光学的にロックされるシステムは機能する。実施の際には（実用的部品を利用し）、Ｒ2及びＲ3が等しい場合もあるが、空洞の反射率は、光の散乱損失のためゼロにはならない。
【００２８】
従来の外部空洞ダイオード・レーザ（ＥＣＬ）（Jens Buus:"Single frequency semiconductor laser", SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, WA, 1991, Section 8.2 に開示のようなもの）の場合、表面１０１及び１０２は、ダイオード・レーザのフェーセットである。周知のように、安定した動作のため、反射率Ｒ2は、できるだけ小さくされる -- Ｒ1より数桁小さい（P. Zorabedian,:" Axial-mode instability in tunable external-cavity semiconductor lasers," July 1994, vol. 30(7), pp. 1542-1552, IEEE Journal of Quantum Electronics)。やはり周知のように、Ｒ3が大きく、Ｒ2がＲ1に接近している場合、図２に示すシステムは、コヒーレンス崩壊状況に入り（上記Jens Buus 参照）、動作は不安定になる。不安定は、２つの空洞１０８及び１１０における光の光学（位相）特性の相違によってはっきりと示され、通常、線幅が広くなる。帰還が強まる（例えば、１０％を超えて）条件下では、ダイオード・レーザは、放射フェーセットが反射防止コーティングを施されている場合だけしか、動作が安定しない（R.W. Tkach:, and A.R. Chraplyvy:" Regimes of feedback effects in 1.5μm distributed feedback lasers," November, 1986, vol. LT-14(11), pp.1655-1661, Journal of Lightwave Technology）。こうした放射フェーセットに反射防止コーティングを施すと、レーザ・システムは、事実上、２鏡・レーザ・システムになる。
【００２９】
しかし、驚くべきことには、本発明の２空洞レーザ・システムの場合、安定動作は、Ｒ2がＲ1よりはるかに大きい（すなわち、その対応する透過率が、Ｒ1よりも数桁大きい）場合に得られる。実際、本発明に基づいて、反射率Ｒ1、Ｒ2、及び、Ｒ3を選択することによって、全く新しい動作状況に達することになる。さらに、よりコンパクトな設計によって、線幅をはるかに狭くすることができ、ビーム形状が、より望ましい低次のエルミート・ガウス・モードＴＥＭ00になるので、この装置の性能は、従来のＥＣＬよりはるかに優れている。本発明の場合、安定動作は、レーザ・ビルド・アップ・システムにおける表面の反射率を慎重に選択することによって実現される。
【００３０】
本発明の場合、２つの共振空洞（レーザ空洞及び外部空洞）が、例えば、表面１０２のような共通表面によって分離されている。反射率Ｒ1は、Ｒ2及びＲ3よりはるかに小さい。周知のように、単純な２鏡空洞の帯域幅は、鏡の反射率によって決まる。即ち反射率が高くなるほど、帯域幅が狭くなる。従って、レーザ空洞１０８の帯域幅は、外部空洞１１０の帯域幅よりはるかに広くなる。広帯域照射下においては、レーザ空洞１０８における循環電界は、２つの成分、すなわち、広い帯域幅の成分（レーザ空洞内で生じる）と、狭い帯域幅の成分（外部空洞１１０において生じ、鏡１０２を通って漏出する）の和とみなすことが可能である。レーザ空洞１０８内の光が、外部空洞１１０内の光と同じ光学特性を備えている場合、利得媒体１１４の利得がレーザしきい値に向かって増大するにつれて、狭い帯域幅の成分が優勢になるはずである。
【００３１】
図１Ｃに示すように、Ｒ1＝０．４で、Ｒ2＝０．９の空洞の場合（曲線Ｃ１）、空洞共振時における空洞の反射率は、前方の鏡の反射率Ｒ1の６０％になる可能性がある。曲線Ｃ２は、Ｒ1＝Ｒ2の空洞に関する反射率を示している。Ｒ1＝０．８５、Ｒ2＝０．９９９３６、及び、Ｒ3＝０．９９９９９の、図２に示すシステムの場合、空洞共振時における外部空洞１１０の反射率を計算すると、前方の鏡の反射率Ｒ2 の９４％になる可能性がある。しかし、レーザ空洞長が５ｃｍで、外部空洞長が９ｃｍの場合、外部空洞の帯域幅は、レーザ空洞のほぼ２８０倍も狭くなる。既知のように、レーザ作用に関するしきい値反転密度は、空洞の帯域幅に反比例する（A.E. Siegman:"Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA, 1986, p.511）。外部空洞からの狭帯域光は、広帯域幅レーザ空洞成分光より低い光学利得で発振しきい値に達することになる。従って、利得媒体は、表面１０２からの単純な反射ではなく、外部空洞１１０からの帰還によって支配されることになる。上記理論は、正しいと思われるが、本発明のレーザ・システムの動作及び構成は、実用的なものであり、特定の理論に従うものではない。
【００３２】
図３には、もう１つの望ましい実施例が示されている。この場合、利得媒体は、半導体ダイオード・レーザ２１４の構造に組み込まれている。レーザの後部フェーセットは、反射性のコーティングが施されており、表面２０１を形成する。ダイオード・レーザの放射フェーセット２０３は、反射防止（ＡＲ）コーティングが施されており、反射率は１０-3未満の範囲が望ましい。表面２０２及び２０４は、それぞれ、鏡（基板）２０７及び２０９をなすようにコーティングが施されている。これらの表面は、外部空洞２１０内（表面２０２と２０４の間）において安定した空間モードを支持するのに適した曲率を備えている。当該技術の熟練者に取って周知のモード整合光学素子２１６（例えば、レンズ及び／またはプリズム）を利用することによって、空間的にダイオード放射光の整合をとって、外部空洞２１０に送り込むことが可能になる。レーザ空洞２０８に面した鏡（基板）２０７の表面２１９は、約０．０４〜０．００１の範囲内の反射率になるように反射防止コーティングを施すのが望ましい。代替方式として、表面２１９が光路２０６とある食いつき角度をなすようにすることによって、利得媒体への光の反射を減少させることも可能である。
【００３３】
一例として、反射率が１０-5〜１０-4の範囲内になるようにコーティングを施された放射フェーセット２０３を備える利得媒体２１４として、フィリップスＣＱＬ８０１Ｄダイオード・レーザを利用して、こうしたシステムを構成することが可能である。米国コロラド州ボールダーのＲｅｓｅａｒｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓから鏡２０７及び２０９（反射率Ｒ２＝Ｒ３＝０．９９９９９の表面を備える）を得ることが可能である。外部空洞を形成する表面２０２及び２０４のそれぞれの曲率半径は、５ｃｍである。モード整合光学素子は、ピッチが０．２３で、焦点距離が５ｃｍのモード整合レンズと共に、ＡＲコーティングを施した傾斜屈折率レンズ（ＧＲＩＮレンズ）によって構成される。外部空洞長は、２ｃｍで、レーザ空洞長は、４ｃｍである。こうしたシステムでは、ダイオード電流が約７０ｍＡ（９Ｖトランジスタ・バッテリから得られる）の場合、外部空洞内において、ＴＥＭ00モードで発生した約１４５Ｗの全パワーによって、安定した連続波（ＣＷ）動作が得られた。
【００３４】
Ｒ２の最適値は、外部空洞内における所望のパワーと利得媒体に対する帰還（または、システム安定性）との間のトレード・オフによって決まる。例えば、モード整合光学素子（または、レーザ空洞内における他の任意の光学部品）の光学損失が大きく、表面２０３が完全に反射防止コーティングを施されていない場合、高帰還状況において安定したシステム性能を実現するには、外部空洞からレーザ空洞内により多くの光が漏出しなければならない。これは、Ｒ2の値を減少させ、その一方で、Ｒ3の値を一定に保つことによって実現することが可能である（図１Ｃ参照）。しかし、同時に、外部空洞内のパワーも低下することになる。実際には、Ｒ2の最適値は、光学損失及びモード整合度によって決まる。
【００３５】
もう１つの実施例の場合（図４Ａ）、レーザ空洞の表面を両方とも利得媒体（ダイオード・レーザが望ましい）に設けることが可能である。表面３０１及び反射率の高い表面３０２が、それぞれ、ダイオード・レーザの裏面フェーセット及び放射フェーセットによって形成され、この結果、３反射器（すなわち、表面３０１、３０２、３０４）システムが得られることになる。表面３０４は、鏡面基板３０９に被着することも可能である。やはり、表面３０１、３０２、及び、３０４の曲率は、当該技術の熟練者に取って周知のやり方で、安定した空洞モードを支援するように選択することが望ましい。こうした表面を形成するのに適した技法は、誘電体スタック鏡を基板上に被着し、該スタックを放射フェーセットに移すことから構成される（E.Schmidt 他:"Evaporative coatings," May 1995, pp.126-128, Photonics Spectra）。
【００３６】
図４Ｂには、１つまたは複数の追加利得媒体が非線形性を示す限りにおいて、２つ以上の利得媒体が、外部空洞に対して同時に光学的にロックされる実施例が示されている。図４Ｂの場合、図２のシステムと同様のシステムであるが、反射率がＲ4の表面１０１Ａと表面１０２の間に、ビーム分割器１０３を介して形成された第２のレーザ空洞１０８Ａ内に、追加利得媒体１１４Ａが納められている。Ｒ4は、同様の働きをすることによって、結果として、外部共振空洞１１０内に共振が生じ、光が送り込まれることになる限りにおいて、必須ではないが、Ｒ1と同じにすることが可能である。
同様に、追加利得媒体１１４Ａ及び追加レーザ空洞１０８Ａは、第１の利得媒体１１４及び第１のレーザ空洞１０８と同じ帯域幅とすることができるが必須ではない。実際、利得媒体１１４Ａ及びレーザ空洞１０８Ａは、利得媒体１１４及びレーザ空洞１０８とは異なる周波数で共振することが可能である。２つ以上の利得媒体を外部空洞に対して光学的にロックする利点は、外部空洞内においてより大きいパワーまたは追加周波数を捕獲することができるという点にある。追加利得媒体は、同じやり方で追加することが可能である。ビーム分割器１０３は、偏光ビーム分割器とすることが可能である。関連するもう１つの例の場合では、図３と同様のシステムにおいて、ダイオード利得媒体２１４の代わりにダイオード・アレイを用いることも可能である。
【００３７】
共振周波数の制限：
周波数制限装置を備えた望ましい実施例の１つが、図５に示されている。一般に、利得媒体は、多くの空洞共振周波数にまたがる増幅帯域幅を備えている。光学帰還・レーザ・システムの場合、利得媒体は、外部空洞の共振周波数の任意の１つと周波数ロックすることが可能である。例えば、一般的なＩｎＧａＡｌＰダイオード・レーザの利得帯域幅は、約６７０ｎｍを中心とする約１０ＴＨｚであり、外部空洞長が１０ｃｍの場合、外部空洞共振周波数の間隔は、１．５ＧＨｚである。粒子カウントのように、用途によっては、この周波数範囲が許容可能である場合もあるが、何らかの化学（例えば、スペクトル）分析、非線形周波数変換、または、距離測定のように、用途によっては、可能性のあるロック周波数の数を制限しなければならない場合もある（場合によっては、１０未満に）。これらの例では、周波数制限装置を用いて、フィルタリングを施すことによって、望ましくない周波数を除去することが可能である。こうした装置の例については、Ｋｉｎｇ他への米国特許の明細書に詳細な説明がある。これらの装置には、格子、エタロン、リオ・フィルタ、または、誘電体スタック・フィルタの１つまたはこれらの組み合わせを含むことが可能である。Ｋｉｎｇ他は、ダイオード・レーザ利得媒体の背面を分布ブラッグ・反射器で被うことが可能な方法についても解説しているが、これもシステムの許容可能な周波数を制限する。
【００３８】
図５に示すように、周波数制限装置２２２が、図３と同様のシステムにおいて、モード整合光学素子２１６と鏡２０７の間に配置される。こうして、周波数制限装置２２２は、最少数の部品を用いて、最大の効果が得られるようにする。こうしたシステムは、フィリップスＣＱＬ８０１Ｄダイオード・レーザを利得媒体２１４として利用し、その放射フェーセットに、反射率が１０-5〜１０-4の範囲内になるようにコーティングを施して、構成された。モード整合光学素子２１６は、開口数（ＮＡ）が０．４８で、焦点距離が４．８ｍｍの反射防止コーティング（ＡＲコーティング）を施したレンズ、アナモルフィック・プリズム対（３：１）、及び、焦点距離が２５ｃｍのレンズから構成された。表面２０２及び２０４は、曲率半径が１７ｃｍで、Ｒ２＝０．９９９９、及び、Ｒ３＝０．９９９９９であった。外部空洞２１０の長さは、１０ｃｍであった。
【００３９】
図６には、この例に関する周波数制限装置２２２が示されている。それは、金属被覆鏡２３２、及び、１８００ｇ／ｍｍの回折格子（Ｚｅｉｓｓ製）２３６から構成された。鏡２３２によって、光路２３８に沿った光ビームが回折格子を２度通過できるようになり、有効分散が２倍になった。同じ部品を用いて、回折格子から光を多数回にわたってはね返らせ、これによって、システム帯域幅全体を縮小させることができた。代替方式として、回折格子による１回のはね返りを用いることも可能であった。このシステムの場合、ダイオード電流が６５ｍＡで、約２３０Ｗの光が外部空洞内に発生し、安定したシステム性能が得られた。
【００４０】
もう１つの望ましい周波数制限装置は、半波長の厚さの層によって間隔があけられた極めて低損失の誘電体スタック鏡に基づいた超狭帯域透過フィルタである（前掲Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ製）。図５と同様のシステムで、１インチ（２．５４ｃｍ）基板上に堆積されたフィルタが利用された。このフィルタは、透過率が約８０％で、帯域幅が０．０８ｎｍであった。このフィルタは、ＡＲコーティングを施した東芝９２２５ダイオード・レーザ２１４から成るシステムにおいて用いられた。モード整合光学素子２１６は、ＮＡ＝０．４８で、焦点距離が４．８ｍｍの、ＡＲコーティングを施したレンズ、３：１円筒状ガリレイ望遠鏡（焦点距離＋３８．１ｍｍ及び−１２．７ｍｍ）、及び、１２．５ｃｍ球面レンズ２１６から構成され、周波数制限装置２２２として超狭帯域透過フィルタが設けられた。Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓからの鏡２０７及び２０９は、それぞれ、曲率半径が１０ｃｍである。外部空洞長は、８ｃｍであった。表面２０４の反射率Ｒ3は、約０．９９９９９であった。さまざまな値のＲ2（表面２０２の反射率）が用いられた。その結果が下表にまとめられている。
【００４１】
---------------------------------------------
R2 直流電流(mA) 外部空洞内のパワー（W)
---------------------------------------------
0.99936 72 約 60
0.99966 78 約 70
0.99980 69 約 100
---------------------------------------------
周波数制限装置２２２として超狭帯域透過フィルタを用いる利点は、単一の直線軸２０６に沿って全ての部品のアライメントをとることが可能であるという点にある。もう１つの実施例では、反射防止コーティング２１９の代わりに、超狭帯域透過フィルタを直接鏡２０７上に被着することも可能である。
【００４２】
用途によっては、１つだけの、または、少数の外部空洞モードによって、発振（すなわち、共振）可能であることが望ましい場合がある。このため、レーザ空洞長と外部空洞長の比に追加制限を加えることが可能である。動作が、利得媒体または周波数制限装置２２２の帯域幅によって、ほんの少数のモードだけに制限される場合、パワー安定性は、利得媒体の有効ロック範囲によって決まる。ダイオード・レーザの場合、ロックは、外部空洞の有効反射率によるとともに、部分的には利得と位相の相互作用（波長が外部空洞によって決まるので）による（C.H. Henry 他:" Locking range and stability of injection locked 1,54μm InGaAsP semiconductor lasers," Aug. 1985, vol. QE-21(8), pp.1152-1156, IEEE Journal of Quantum Electronics)。外部空洞とレーザ空洞の両方が同じ波長で共振する場合、各空洞における光路長は、半波長の整数倍でなければならない。ダイオード・レーザは、その位相遅延を調整し、飽和利得を変更することによってこの条件に整合することが可能である（前掲Henry他）。
【００４３】
レーザ空洞内において安定したビルド・アップ（従って、周波数ロック）が生じる場合、外部空洞共振周波数が異なれば、異なる位相遅延で、レーザ空洞内に電界が生じるということを、数学的に立証することが可能である。レーザ空洞長と外部空洞長の比ｒは、ｒ＝ｎ＋ａ／ｂとして表すことが可能であり、ここで、ｎは整数であり、ａ及びｂは実数である。ａ＝０の場合、比ｒは整数である。従って、外部空洞の全共振周波数における電界は、２π毎に繰り返す、同じ位相遅延で生じることになる。ダイオード・レーザの初期位相遅延は、空洞共振周波数の任意の１つにおける電界の初期位相遅延と異なる可能性がある。この場合、外部空洞にロックされた状態に保つため、ダイオード・レーザが調整しなければならない最大位相量（すなわち、利得）は、±πである。一方、ａ＝１、ｂ＝３で、ダイオード空洞が、わずか３モードだけの発振に制限される（例えば、周波数制限装置２２２によって）場合、最大位相調整は、±π／３であることが示される。周波数制限装置がなければ、追加位相遅延を得るために、ダイオード・レーザは、ただ単に異なる空洞共振周波数で発振するだけである。
【００４４】
ダイオード・アレイが少数のモードだけに制限される場合、ダイオードが位相遅延を十分に迅速に調整することができなければ、ロックが不安定になる。利得依存位相に影響する非線形性は、ダイオード・レーザにより異なる。非線形性が小さい場合、安定したロックを維持するのに、大幅な移相調整を施すより、わずかな移相調整を加えるほうが望ましい。図５のシステムが利用されたときのこの効果が図７に示されている。利得媒体２１４は、日立６７１４Ｇレーザであり、周波数制限装置は、超狭帯域透過フィルタであった。しきい値電流（飽和利得の測度）は、レーザ空洞長が外部空洞長（９ｃｍ）の整数倍になる毎に、大きくなる。利得媒体が制限されたロック範囲（または制限された非線形性）を示す実施例の場合、非整数の外部空洞長対レーザ空洞長比が望ましい。ｂ／ａ比は大きいのが望ましく、３を超えればより望ましい。
【００４５】
本発明のレーザ・ビルド・アップ空洞を備えたコンパクトな装置を製造するため、基板（例えば、シリコン、二酸化珪素等）に機械加工（微細機械加工のような）を施し、適合する誘電体（または別の適合する反射材料）によるコーティングを施して、所望の位置において選択された反射率が得られるようにすることによって、第１、第２、及び、第３の表面を形成することが可能である。こうして、適正な位置にレーザ空洞及び外部共振空洞を形成することが可能になる。微細機械加工技法及びマイクロリソグラフィ技法を含む、標準的な機械加工技法を利用することが可能である。例えば、Ｊｅｒｍａｎ他:" A miniature Fabry-Perot interferometer with a corrugated silicon diaphragm support," Sensor and Actuators, 29, 151(1991)は、２鏡空洞に微細機械加工を施す方法について述べている。この技法を利用すれば、本発明に従って３鏡システムのレーザ空洞及び外部共振空洞を製造することが可能になる。さらに、こうした機械加工技法を用いることによって、モード整合装置のような他の光学部品を形成することも可能になるように企図されている。基板上に光学素子を形成することによって（できれば、単体の一体装置として）接着剤、ナット、ボルト、ネジ、クランプ等のような固定手段の必要がなくなり、同時に、アライメント及び移動の問題も軽減される。
【００４６】
用途：
本発明は、多くの用途において有効に利用することが可能である。例としては、非線形周波数変換及び距離測定などがある。適合するレーザが得られると（例えば、本発明によって）、当該技術において既知の技術によってこうした作業が実施可能になる。空洞内周波数変換については、周波数２倍化に関する応用（E.S. Polzik と H.J. Kimble :" Frequency doubling with KNbO3 in an external cavity," September 15, vol.16(18), Optics Letters, W. Lenth とW.P. Riskの前掲文献、W.J. Kozlovsky他の前掲文献、及びA.Hemmerich他の前掲文献を参照）、及び、非線形混合に関する応用（P.G. Wigley他の前掲論文及びP.N. KeanとG.J. Dixonの“Efficient sum-frequency upconversion in a resonantly pumped Nd:YAG laser," Jan. 15, vol.17(2), Optics Lettersを参照）といったように、幾人かの著者による説明がある。
【００４７】
図８には、利得媒体２０４によって供給される周波数以外の光学周波数を発生するために用いることが可能なシステムを例解する略図が示されている。図２と同様の構成において、非線形結晶４０１が外部空洞１１０内に配置される。非線形結晶は、利得媒体１１４からの光を他の周波数の光に変換する。表面４０２及び４０４が、図２の表面１０２及び１０４に取って代わっている。表面４０２及び４０４は、表面１０２及び１０４と同じ反射率範囲を備えているだけではなく（光が結晶を通過することに関連した追加光学損失を考慮して）、非線形に発生する光の周波数のどれにおいても反射することが可能である。非線形変換を完全なものにするには、１つ以上の結晶が必要になる可能性がある。必要とあれば、外部空洞１１０内にいくつかの結晶を配置することが可能である。非線形周波数変換が、狭い周波数帯域にわたって生じ、周波数を制限する他のメカニズムが存在しないといった場合のように、場合によっては、周波数制限装置２２２を利用することも可能である。
【００４８】
図８において、光路１０６内において光にさらされる結晶表面は、反射防止コーティングを施して、外部空洞の帯域幅を最小限に抑え、それによって、レーザ空洞に対する外部空洞の周波数ロックを改善するのが望ましい。図９には、表面４０２及び４０４が直接結晶４０１の表面上に被着される、より単純な代替実施例が示されている。図９に示すように、ダイオード・レーザ２１４は、光源として用いられる。最適な動作を得るため、モード整合光学素子２１６及び周波数制限装置２２２を利用することも可能である。
【００４９】
光学距離測定には、安定した帯域幅の狭いビームを発生する光源が必要になる。適合する光源は、本発明の実施例である（例えば、図１０に示す光源）。この実施例の場合、表面２０２及び２０４は、光学的に透明な固体の支持体５０１上に被着される。適合する支持材料は、極めて熱膨張係数が低い、例えば、ｚｅｒｏｄｕｒまたは融解石英などである。熱安定性を増すため、固体の支持体５０１を熱的に制御することが可能である（市販のヘリウム・ネオン・レーザをベースにした距離メータで現在実施されているように）。熱的に制御するための手段は、当該技術において周知のところである。
【００５０】
前述のように、本受動ロック外部空洞によって得られる光（とりわけ、強度の高い光）は、化学検知（分析）に用いるのに有効である。例えば、レーザ・システム５０６を示す図１１の場合、目標検体を含むサンプル５０３を外部共振空洞１１０のビーム経路１０６内に配置して、光の相互作用（例えば、吸光、光の散乱、ラマン散乱、蛍光発生、間接的蛍光発生、燐光発生）を生じさせることが可能である。サンプル５０３に隣接して、検出器５０５を配置することによって、光の相互作用を検知し、この結果、サンプル５０３中の検体に関する分析データが得られるようにすることが可能である。所望の１つ（または複数）の周波数の光を実質的に吸収したり反射したりしない容器５０７を用いて、ビーム経路内にサンプルを配置することも可能である。代替方式として、表面１０２、１０４をサンプルを閉じ込める構造（例えば、容器）の一部とすることも可能である。もう１つの例では、外部共振空洞１１０の外部の表面１０４の側にサンプルを配置して、光の相互作用が、エバネッセント励起によって生じるようにしている。
【００５１】
第２の反射器と第３の反射器との間の距離調整：
外部空洞の共振周波数を同調させるため（狭帯域の場合）、第２の反射器と第３の反射器を支持している構造の熱膨張及び収縮によって、これら２つの反射器間における距離調整を行うことが可能である。図１２には、第３の反射器を移動させるためのサーボ機構を利用する代替実施例が示されている。サーボ機構は、図１２だけにしか示されていないが、言うまでもなく、本明細書に記載のの強帰還レーザ・システムのどれにでも、サーボ機構を適用することが可能であり、この場合、第２と第３の反射器が、互いに移動しないように固定されることはない。
【００５２】
図１２の場合、サーボ機構は、図５と同様のレーザ・システムに組み込まれている。このサーボ機構５１１には、第３の表面２０４の鏡２０９に作用を及ぼすように接続された（すなわち、表面が被着された基板に接続された）圧電スタック５１２が含まれている。この圧電スタック５１２は、さらに、それを駆動して移動させるのに適した電気駆動装置（図１２には示されていない）に接続されている。こうして、第２の表面と第３の表面との間の距離調整を行って、外部空洞２１０の共振周波数を同調させることが可能になる。
【００５３】
波長（または周波数）を測定する光分析器５１３を用いて、表面２０４（及び鏡２０９）または表面２０１を介した放射光を検査することによって、外部空洞内の光の波長を測定することが可能である。こうした波長（または周波数）測定装置は、当該技術において周知のところであり、これには、格子分光計、あるいは、代わりに、エタロンが含まれる（例えば、Kuntz他:"Miniature integrated-optical wavelength analyzer chip," Optics Letters, 20, p.2300(1995) も参照）。さらに、電子帰還システム（または装置）５１５を利用して、波長測定装置からの帰還に基づいて、圧電スタック装置に制御を加え、利得媒体２１４から所望の波長が得られるようにすることも可能である。
【００５４】
本発明のレーザ・システムの重要な利点の１つは、第２と第３の表面が適切な曲率をなすように製造できるので、ある空間モードだけしか支持されないようにすることができるので、空間モードの質が極めて高いということである。表面２０４または２０１からの漏洩を分析することによって、狭帯域放射光にアクセスすることが可能である。代わりに、例えば、ドップラ・フリー分光器の利用によって、外部空洞内の光を分析することが可能である（M.D. Levinson :" Introduction to Nonlinear laser Spectroscopy, Academic Press, New York, 1982, p.164を参照）。
【００５５】
以上述べた説明により下記の実施態様が開示された。
（実施態様１）：
（ａ）レーザ利得媒体（１１４）と、
（ｂ）反射率Ｒ1を有する第１の反射器（１０１）、及び第１の反射器（１０１）から間隔をあけて配置されて、共にレーザ利得媒体（１１４）を納めるレーザ空洞（１０８）を形成し、レーザ利得媒体（１１４）から放射される光がレーザ空洞（１０８）内で共振を生じるようにする、反射率Ｒ1より大きい反射率Ｒ2を有する第２の反射器（１０２）と、
（ｃ）第２の反射器（１０２）から間隔をあけて配置されて、共に、レーザ空洞（１０８）の外部に共振空洞（１１０）を形成し、レーザ空洞（１０８）からの通過光によって、外部共振空洞内において共振が生じ、外部共振空洞（１１０）からの通過光によってレーザ利得媒体（１１４）が光学的にロックされるようにする、反射率Ｒ1より大きい反射率Ｒ3を有する第３の反射器（１０４）を備える、
レーザ・システム（１００）。
【００５６】
（実施態様２）：
レーザ利得媒体が、外部共振空洞からレーザ・ダイオードへの強い光学帰還によって、外部共振空洞（２１０）の共振周波数にロックさせられるレーザ・ダイオード（２１４）であることを特徴とする、実施態様１に記載のレーザ・システム。
（実施態様３）：
外部共振空洞（１１０）の光強度が、レーザ空洞（１０８）の光強度より少なくとも１桁高いことを特徴とする、実施態様１〜２の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様４）：
Ｒ1が０．９９〜０．１、Ｒ2が０．９〜０．９９９９９９、Ｒ3が、０．９〜０．９９９９９９であることを特徴とする、実施態様１〜３の任意の１つに記載のレーザ・システム。
【００５７】
（実施態様５）：
レーザ利得媒体が、レーザ・ダイオードから外部共振空洞に送られる光の１０％を超える光のレーザ・ダイオードへの光学帰還によって、外部共振空洞（２１０）の共振周波数にロックさせられるレーザ・ダイオード（２１４）であることを特徴とする、実施態様２〜４の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様６）：
Ｒ3がＲ2より大きく、Ｒ2がＲ1より大きいことを特徴とする、実施態様１〜５の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様７）：
さらに、第２の反射器（４０２）と第３の反射器（４０４）の間に配置されて、レーザ利得媒体からの光を異なる周波数に変換するための非線形光学素子（４０１）を備えることと、第２と第３の反射器が、異なる周波数の光の共振に用いられることを特徴とする、実施態様１〜６の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様８）：
レーザ利得媒体が、第２の反射器（２０２）から間隔をあけ、それに面して配置された反射防止コーティングを施したフェーセット（２０３）を備えることを特徴とする、実施態様１〜７の任意の１つに記載のレーザ・システム。
【００５８】
（実施態様９）：
レーザ利得媒体（３１４）が、第１と第２の反射器（１０１、１０２）から間隔をあけて配置された、２つの反射防止コーティング付きフェーセットを備えることを特徴とする、実施態様１〜７の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様１０）：
さらに、レーザ利得媒体から放射される光と外部共振空洞（２１０）を空間的に整合させるためのモード整合光学素子（２１６）を備えることを特徴とする、実施態様１〜９の任意の１つに記載のレーザ・システム。
（実施態様１１）：
前記第３の反射器と前記第２の反射器の間の距離を調整することによって、外部共振空洞（２１０）の共振周波数を同調させることが可能であることを特徴とする、実施態様１〜１０の任意の１つに記載のレーザ・システム。
【００５９】
（実施態様１２）
（ａ）レーザ利得媒体（１１４）と、
（ｂ）反射率（Ｒ1）を有する第１の反射器（１０１）、及び、第１の反射器（１０１）から間隔をあけて配置されて、共に、レーザ利得媒体（１１４）を収容し、その内部でレーザ利得媒体から放射される光の共振を生じる、レーザ空洞（１０８）を形成し、第１の反射器の反射率（Ｒ1）より大きい反射率（Ｒ2）を有する第２の反射器（１０２）と、
（ｃ）第２の反射器（１０２）と共に、レーザ空洞（１０８）の外部に共振空洞（１１０）を形成し、レーザ空洞（１０８）からの通過光が、外部共振空洞内において共振空洞内ビーム経路に沿って共振を生じ、外部共振空洞（１１０）からの通過光がレーザ空洞（１０８）に入って、レーザ利得媒体（１１４）を光学的にロックするようにする、第１の反射器（１０１）の反射率（Ｒ1）より大きい反射率（Ｒ3）を有する第３の反射器（１０４）と、
（ｄ）外部共振空洞（１１０）と連係して、分析サンプルを外部共振空洞（１１０）からの光エネルギにさらし、分析サンプルにおける分析物の光相互作用特性が示されるようにするための手段（５０７）と、
（ｅ）露光させる手段（５０７）に隣接して配置され、光相互作用を検出するための検出器（５０５）を備え、
分析サンプルにおける分析物の存在を検出するために用いられることになる、レーザ・システム（５０６）。
【００６０】
（実施態様１３）
（ｉ）第１の反射器（１０１）及び第１の反射器（１０１）から間隔をあけて配置された第２の反射器（１０２）によって形成されるレーザ空洞（１０８）内に配置されたレーザ利得媒体から光ビームを放射させて、レーザ利得媒体（１１４）からの光がレーザ空洞（１０８）内で共振するようにするステップと、
（ii）レーザ空洞（１０８）から、第２の反射器（１０２）と第３の反射器（１０４）によって形成される、レーザ空洞（１０８）の外部の共振空洞（１１０）に光を送り、レーザ利得媒体（１１４）から放射される光が外部共振空洞（１１０）内において共振し、外部共振空洞（１１０）内の光の一部が、レーザ空洞（１０８）に送り返されて、レーザ利得媒体（１１４）を外部共振空洞（１１０）の共振周波数にロックするようにするステップから成る、
レーザ利得媒体を受動的にロックするための方法。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】共振のない光学空洞に対する入射光の略図である。
【図１Ｂ】共振を伴う光学空洞に対する入射光の略図である。
【図１Ｃ】光学空洞内における反射器の反射率の効果を示す、正規化周波数に関連した空洞反射率のグラフである。
【図２】本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図３】モード整合装置を備えた、本発明のレーザ・システムのもう１つの実施例に関する略図である。
【図４Ａ】レーザ空洞の表面が利得媒体上にある、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図４Ｂ】２つ以上の利得媒体を備えた、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図５】周波数制限装置を備えた、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図６】本発明において適用可能な周波数制限装置の実施例に関する略図である。
【図７】周波数制限装置を備えた、レーザ空洞長と外部空洞長に関連した利得媒体のしきい値電流に関する略図である。
【図８】外部空洞における非線形結晶を示す、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図９】反射する表面が形成された非線形結晶を示す、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図１０】反射する表面が固体の支持体に配置された、本発明のレーザ・システムのさらにもう１つの実施例に関する略図である。
【図１１】分析を受けるサンプル、及び、サンプルによって光の相互作用を検出するための検出器を示す、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図１２】第２と第３の反射器間における距離調整のための圧電スタックを示す、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【符号の説明】
１０１ 表面
１０２ 表面
１０３ ビーム分割器
１０４ 表面
１０６ 光路
１０８ レーザ空洞
１０８Ａ レーザ空洞
１１０ 外部空洞
１１４ 光学利得媒体
１１４Ａ 追加利得媒体
２０１ 表面
２０２ 表面
２０３ 放射フェーセット
２０４ 表面
２０６ 光路
２０７ 鏡
２０８ レーザ空洞
２０９ 鏡
２１０ 外部空洞
２１４ ダイオード・レーザ
２１６ モード整合光学素子
２１９ 鏡面
２２２ 周波数制限装置
２３２ 鏡
２３６ 回折格子
２３８ 光路
３０１ 表面
３０２ 表面
３０４ 表面
３０９ 鏡面基板
４０１ 非線形結晶
４０２ 表面
４０４ 表面
５０１ 支持体
５０３ サンプル
５０５ 検出器
５０６ レーザ・システム
５０７ 容器
５１１ サーボ機構
５１２ 圧電スタック
５１３ 光分析器
５１５ 電子帰還装置
Claims (3)
- （ａ）レーザ利得媒体と、
（ｂ）反射率Ｒ１を有する第１の反射器、及び、前記第１の反射器から間隔をあけて配置されて、共に、前記レーザ利得媒体を収容し、内部でレーザ利得媒体から放射される光の共振を生じる、レーザ空洞を形成し、前記第１の反射器の反射率Ｒ１より大きい反射率Ｒ２を有する第２の反射器と、
（ｃ）前記第２の反射器と共に、前記レーザ空洞の外部にある外部共振空洞を形成し、前記レーザ空洞からの通過光が、前記外部共振空洞内に入って共振を生じ、前記外部共振空洞からの通過光が前記レーザ空洞に入って、前記レーザ空洞を前記外部共振空洞の共振周波数に光学的にロックするようにする、前記第１の反射器の反射率Ｒ１より大きい反射率Ｒ３を有する第３の反射器と、
（ｄ）前記外部共振空洞に組み込まれて、分析サンプルを前記外部共振空洞からの光エネルギにさらし、前記分析サンプルにおける分析物の光相互作用特性が示されるようにするためのさらす手段と、
（ｅ）前記さらす手段に隣接して配置され、前記光相互作用を検出するための検出器とを備え、
前記反射率Ｒ１が０．１〜０．９９、前記反射率Ｒ２が０．９９５〜０．９９９９９９、前記反射率Ｒ３が、０．９９５〜０．９９９９９９であり、かつ、前記検出手段によって検出された前記光相互作用に基づいて前記分析サンプルにおける前記分析物の存在を検出することを特徴とする、レーザ・システム。 - 前記レーザ利得媒体が、レーザ・ダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ・システム。
- 前記反射率Ｒ３が前記反射率Ｒ２より大きく、前記反射率Ｒ２が前記反射率Ｒ１より大きいことを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載のレーザ・システム。
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