JP5123421B2 - 部分反射型の光学的構成要素及びかかる構成要素を内蔵するレーザ源 - Google Patents

Description

本発明は、ビームの一方が伝送され、ビームのもう一方が反射される２つの二次的ビームを入射ビームから発生させ、反射されたビームを入射ビームと一次元的に自動的に整合させ、伝送又は透過（transmitted)ビーム及び反射ビームの各々には、それぞれ適合する波先又は波面（wave fronts)を有する２つの半ビームが形成される、部分反射型の光学的構成要素に関する。

かかる構成要素は、自動的に整合させた外部キャビティを有するレーザ源のような多くの用途にて実際上、極めて有利であることが分かっている。

しかしながら、当該発明者が知る限り、かかる装置は未だ設計されておらず、またその製造自体も未だ関心を引いていないように思われる。

自動的整合とは、出力する光の流れの特性が入力する流れと比較して、装置の方向又は位置に対して光学系の性質が殆ど影響を受けない状態を意味するものと理解する。この自動整合は、二次元的に、すなわち入力するビームの方向に対し平行な全ての平面内にて、又は一次元的に、すなわちこれら平面の１つに向けてのみ行うことができる。

図１に図示したような、一次元的な完全自動整合反射器を使用するレーザキャビティは、欧州特許第９５ ４０２ ０７３号に記載されている。この反射器は、鏡により又はプリズムの面により支持された２つの平面状反射面２、３を有している。入射ビーム１は、面２により、その後、面３により反射され、これらの面が垂直である限り、放出するビーム４は、平行な方向に且つ入射ビーム１の反対方向に反射される。

特に、殆どのレーザキャビティから光の流れを取り出すために使用される部分伝送型の鏡も公知である。
このため、本発明は、１つの要素において、一次元的な自動整合した後方反射の機能と部分伝送の機能とを組み合わせることを可能にする。今日迄、これらの機能は、共に、レーザキャビティ内の異なる位置に配置された異なる構成要素にて得られていたものである。

従って、本発明は、単一方向の自動整合した反射器の機能と、入射流れを分割する機能との双方を提供する単一の構成要素を提案することを目的とするものである。

この点に関して、本発明は、一方が伝送され、もう一方が反射される、２つの二次的ビームを入射ビームから発生させる部分反射型の光学的構成要素に関する。

本発明によれば、部分反射型の光学的構成要素は、
全反射型の第一の平坦面と、
第一の平坦面に対して垂直な、部分反射型の第二の平坦面と、
全反射型の第三の平坦面と、を備え、
第一及び第三の面が同一の平面内にあり、
この構成要素が反射したビームを入射ビームと一次元的に自動的に整合させ、伝送又は透過ビーム及び反射ビームの各々には、それぞれ適合する波先又は波面を有する２つの半ビームが形成される。

好ましくは、本発明は、技術的に可能な全ての組み合わせに従って関係し得るようにされ、その各々がそれ自体の利点を有する次の異なる実施の形態に従って実施することができるようなものとする。

第一及び第二の面が、単一の第一のプリズムの面であり、第三の面が、第一のプリズムの第二の面と接触する状態にて第四の面を支持する第二のプリズムにより支持され、その双方のプリズムが同一の屈折率を有することが好ましいことと、
伝送又は透過されるビームが、第二のプリズムにより支持された全反射型の第五の面により入射ビームに対し平行に戻されることと、
第五の面が第二の面に対して平行であり、伝送又は透過されたビームが入射ビームに対し反対方向に戻されることと、
第五の面が第三の面に対して平行であり、伝送又は透過されたビームが入射ビームと同一方向に戻されることと、
第一及び第二のプリズムが互いに対して固着され、その相互の面の方向が、何れのプリズムに属するかに関係なく、制御される単一ブロックを形成することと、
第二及び第四の面の一方には部分的反射処理が施されることとである。

本発明は、また、上述したように、自動整合した反射系を形成し且つ源における同一位置の源から出る流れを取り出すことを許容する、一次元的に自動整合される部分反射系を有する外部キャビティレーザ源にも関するものである。

この外部キャビティレーザ源は、リットマン・メトカフ形態(Littman-Metcalf configuration)に自動整合した反射器に対し配置された、キャビティ内に回折ネットワークを有することが好ましい。このレーザ源は、波長が調節可能であり、また、出る流れは、キャビティの軸線に対し平行な方向にネットワークに向けて方向変更されることが好ましい。このレーザ源は、半導体性の多数ガイドチップを使用して多数波長のものとすることもできる。

従来技術の一次元的な完全自動整合式反射器の側面図である。 本発明による光学的構成要素の３つの直交方向の図である。 取り出した光の流れを入射ビームと平行な方向で且つ反対の方向に戻す、本発明による光学的構成要素の図である。 放出する流れを入射ビームと平行な方向で且つ同一の方向に戻す、本発明による光学的構成要素の図である。 上述したように、第一の形態にある、本発明による光学的構成要素を内蔵する外部キャビティレーザ源の図である。 上述したように、第二の形態にある、本発明による光学的構成要素を内蔵する外部キャビティレーザ源の図である。 上述したように、第三の形態にある、本発明による光学的構成要素を内蔵する外部キャビティレーザ源の図である。

次に、添付図面を参照しつつ、本発明についてより詳細に説明する。
図２は、２つの直線状の二等辺矩形プリズムを備えて形成された光学的構成要素１１の図である。

入射ビーム１２は、この光学的構成要素１１により２つの二次的ビームに分割され、その一方のビーム１３が平行に且つ入射ビーム１２に対して反対方向に反射され、その他方のビーム１４は伝送又は透過され、この場合、入射ビーム１２に対して垂直方向に戻される。

光学的構成要素１１は、全反射型の第一の平坦面１５と、該第一の平坦面１５に対し垂直な部分反射型の平坦面１６と、を有している。
また、該レーザ源は、第一の平坦面１５と同一平面内に配置された全反射型の第三の平坦面１７も有している。

このように、後方反射されたビーム１３には、入射ビーム１２から、それぞれ成分１１の双方の垂直面１５、１６上にてそれぞれ２つの連続的な反射光が形成される。かかる状態において、入力ビーム１２に対し後方反射されたビーム１３により形成された角度は１８０°に等しく、この角度は、２つの面１５、１６により形成される９０°の角度の２倍であることが公知であり、この点については、図１に関して説明した通りである。このため、後方反射されたビーム１３は、平行に且つビーム１２に対し反対方向に戻される。

ビーム１４は、第二の面１６を通じて伝送又は透過され且つ第一の面１５及び第三の面１７（共に同一平面上にある）上で反射することにより形成される。入射ビーム１２が、それぞれ第一の面１５及び第三の面１７である、平坦面により形成された平面に対する法線に対し４５°傾斜したとき、伝送又は透過されたビーム１４は入射ビーム１２に対し垂直となる。

これにより、光学的構成要素１１は、該構成要素に割り当てられた２つの機能、すなわち、一方にて入射ビーム１２から、一次元的に反射された自動整合ビーム１３を形成する機能を果たし、他方にて、伝送又は透過されたビーム１４を形成する機能を果たす。

ビーム１３とビーム１４とのエネルギ比は、部分反射型の面１６の反射率によって決まる。
好ましくは、第一の面１５及び第二の面１６は、プリズム１８の面であり、第三の面１７は、第一のプリズム１８の第二の面１６と接触した第四の面２０を有するプリズム１９により支持されるようにする。プリズム１８、１９は、二等辺三角形の断面を有している。プリズムの最後の面は、それぞれ参照番号２１、２２で示してある。

この構成要素から発生された放出ビーム１３、１４の双方は、各々が他方に対して同一位相にあるような仕方にて、すなわち後方反射されたビーム１３について、双方の半ビーム１３₁、１３₂の波先又は波面が適合するような仕方にて、２つの半ビームから成っている。このことは、取り出されるビーム１４を形成する２つの半ビーム１４₁、１４₂についても当て嵌まる。換言すれば、入射ビーム１２には、それぞれ後方反射された半ビーム１３₁、１３₂と、伝送又は透過された半ビーム１４₁、１４₂とを形成する２つの半ビーム１２₁、１２₂というこの成分が直交する。一方にて半ビーム１３₁、１３₂、他方にて半ビーム１４₁、１４₂は、その波先又は波面が適合する同一位相内にあり、このことは、そのビームの各々を再度、単モードファイバ又は導波管内にて効果的に接続することを可能にする。

幾つかの適用例においては、伝送又は透過されたビーム１４の方向は入射ビーム１２の方向に対し平行であることが有用である。
図３に図示した光学的構成要素は、取り出したビーム１４の方向が入射ビーム１２の方向と反対となる結果となることを許容する。このため、この図には、図２に図示したプリズムの要素１５乃至２１及び第五の一体の面２３が第三の面１７及び第四の面２０が面するプリズムと同一プリズムの一部分であり、これらの面にて、出力ビーム１４が再度、反射されることが示してある。この面２３は、光学的構成要素の第二の面１６に対し平行であり、出力ビームの方向は、入射ビーム１２に対し平行で且つ該入射ビーム１２に対し反対方向である。

同様に、また、図４に図示するように、この結果、すなわち、入射ビーム１２に対し出力ビーム１４が平行になることは、第三の面１７に対し平行な第五の面２４を備える第二のプリズムを使用することにより実現可能である。

全反射型である、この面２４は、第三の面１７に対し平行であり、この面２４に反射される出力ビーム１４は、入射ビーム１２に対し平行で且つ該入射ビームと同一方向である。

図５には、レーザキャビティから出力される光の流れ２５を取り出すべく、全体として参照番号１１で示した、図３を参照しつつ示した光学的構成要素の使用状態が概略図的に図示されている。このキャビティは、レーザダイオード２７の外面２６と、本発明の光学的構成要素１１により形成され且つ入力する流れ２８から部分的に反射された流れ２９を発生させる部分透明型の反射器との間に形成される。これにより、光学的構成要素１１はレーザキャビティの出口面を形成し得るようにされた部分透明型のウィンドウと同等物であることを示し、これと同時に、それ自体の入射ビームの一部分を後方に戻す部分反射型鏡と同等物であり、一次元的自動整合はキャビティに対し良好な安定性を提供するものであることが理解される。

好ましくは、レンズ３１は、回折ネットワーク３２と共にキャビティ内に配置され、この回折ネットワークは、部分的後方反射器３０に対して、この組立体のネットワーク３２−後方反射器３０がリットマン・メトカフ形態にて機能するような仕方に配置されている。

これにより、後方反射器３０を単独で又はネットワーク３２と組み合わせて、或いは、レンズ３１を移動させることにより、以下に更に説明するように、適合させることのできる特に安定的なレーザ源を得ることができる。かかるレーザにより発生された放出波長を連続的に変化させ得るような仕方にてネットワーク３２及び後方反射器３０のそれぞれの動きをチェックすることが可能であることが更に分かった。

更に、放出ビーム２５は、ネットワーク３２と後方反射器３０との間に形成されたレーザキャビティのアームの軸線３３に対し平行な方向に戻される。この構成は、ネットワーク上にて追加的な分光フィルタリングが行われた出力ビーム３４を発生させることを可能にし、レーザ源の残留増幅自発放出（すなわち増幅自発放出に対するＡＳＥ）を効果的にフィルタリングすることを可能にする。

この形態は、ダイオード２７とネットワーク３２との間にてキャビティ内で光ビームの軸線３５に対し傾斜したネットワーク３２から発生される結果として、ビーム２５の楕円率を補償する逆歪像を提供することを更に可能にする。このように、レーザの出力ビーム３４は、レンズ３１とネットワーク３２との間にてキャビティのビーム３５の寸法と同一寸法を有し、また、ネットワーク３１又は構成要素１１の方向の変化に関係なく、ビームに対し平行なままである。要するに、出力波長及びキャビティ内の波長は同一であり、放出されたビーム２５、３４間の角度はキャビティ内ビームの軸線３３、３５間の角度と同一である。

このため、この構成は、波長の点にて適合可能な源について具体化し且つ使用することができ、構成要素１１は、ネットワーク上を２回パスした後、出力ビームの方向を一定に保つことを許容する。

このようにして得られる源の安定性は、図５と同一の要素は同一の参照番号で示す図６に図示する組立体を有利に活用することをも可能にする。放出されたビーム３６は、常に、キャビティ内ビーム２８、２９と平行状態に進むが、再度、ネットワーク３２上を進むことはない。

この形態は、単一のダイオード２７に代えて、多数ダイオードチップが配置される多数波長源を形成するのに特に有用である。これにより、その波長を問わずに、所定の方向及び位置に重ね合わさった放出する流れが得られる。

図７には、追加の反射二面体３７がキャビティを展開させ、また、本発明の構成要素１１が、ネットワーク３２上で２回回折をした後、キャビティを閉じる、図６の形態の追加の実施の形態が図示されている。

出力キャビティ３８は、キャビティ内ビーム３５の軸線に対し平行であり且つ同一の寸法を有し、ネットワーク上における２回の回折後、逆歪像を受ける。また、この形態は、単一ダイオード２７に代えて、多数ダイオードチップも使用することも可能である。

１ 入射ビーム ２、３ 反射面
４ 放出するビーム １１ 光学的構成要素
１２ 入射ビーム １２₁、１２₂ 半ビーム
１３ 反射されたビーム １３₁、１３₂ 後方反射された半ビーム
１４ 伝送されたビーム １４₁、１４₂ 伝送された半ビーム
１５ 第一の平坦面 １６ 部分反射型の第二の平坦面
１７ 全反射型の第三の平坦面 １８ 第一のプリズム
１９ 第二のプリズム ２０ 第四の面
２１、２２ プリズムの最後の面 ２３、２４ 第五の面
２５ 伝送ビーム／光の流れ／放出されたビーム
２６ レーザダイオードの外面 ２７レーザダイオード
２８ 入力する流れ／ビーム ２９ 部分的に反射した流れ／ビーム
３０ 部分的後方反射器 ３１ レンズ
３２ 回折ネットワーク ３３ アームの軸線
３４ 平行なビーム／出力ビーム ３５ キャビティのビーム
３７ 反射二面体 ３８ 出力キャビティ

Claims (1)

1. 外部キャビティレーザ源において、
   前記キャビティは、
   レーザダイオード（２７）の外面（２６）と、
   一次元的な自動整合した反射系を形成し、且つ、放出ビーム（２５）を取り出すことを可能にする光学的構成要素（１１）であって、２つのプリズム（１８、１９）から成る、光学的構成要素（１１）との間に形成され、
   第１の前記プリズム（１８）は、
   全反射型の第一の平坦面（１５）と、
   前記第一の平坦面（１５）に対して垂直な第二の平坦面（１６）とを備え、
   第２の前記プリズム（１９）は、
   第一の平坦面（１５）と同一の平面内にある、全反射型の第三の平坦面（１７）と、
   前記第二の平坦面（１６）と平行、且つ、接触した、第四の平坦面（２０）と、
   前記第二の平坦面（１６）と平行な、全反射型の第五の平坦面（２３）とを備え、
   前記第二の平坦面（１６）または前記第四の平坦面（２０）のいずれかは、部分反射型であり、
   前記キャビティ内に、
   前記レーザダイオード（２７）からのビームを平行にするためのレンズ（３１）と、
   リットマン−メトカフ形態にて前記レンズ（３１）と光学的構成要素（１１）との間に配置された回折格子（３２）とを備え、
   前記光学的構成要素（１１）からの前記放出ビーム（２５）は、
   前記回折格子（３２）に作用し、
   追加的な分光フィルタリングが行われた前記外部キャビティレーザからの出力ビーム（３４）を発生させることを特徴とする、外部キャビティレーザ源。

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