JP7002407B2 - 波長同調発信源装置 - Google Patents

Description

本願は、２００３年６月６日出願の米国特許出願第６０／４７６６００号明細書に基づく優先権を主張するものであり、その開示は、全て参照により本願に含まれる。
そして、本発明は広く光学システムに関し、特に波長同調に用いる光学波長フィルターシステムに関する。

光学的反射率測定、生物医学的画像診断、センサーによる調査、および検査・測定に用いる高速かつ広範囲に同調可能な波長レーザー発信源の開発には、これまで相当の努力が払われてきた。共振器内狭帯域波長走査フィルターの利用により、狭い線幅で広範囲かつ高速な同調が実現されている。拡張共振型半導体レーザーでは、回折格子フィルター設計を用いてモードホップフリーの単一波長動作が行われてきた。しかしながら、単一波長レーザー動作を実現し、モードホップフリーの同調を保証するには、複雑な機械装置を用いることになり、最大同調速度に限界が生じる。これまでに実証されてきた同調速度としては、最速でも１００ｎｍ／ｓには届かない。生物医学的画像診断のような種類のアプリケーションにおいては、１０ＧＨｚ以上の瞬間輝線幅に対応するマルチ縦モード動作で十分である。この輝線幅で、光コヒーレンス断層映像法では組織内に数ミリの深さ範囲が得られ、スペクトル的にコード化した共焦点顕微鏡においてはマイクロメーターレベルでの横方向解像度が得られる。

１０ＧＨｚ程度の線幅は、共振器内同調素子（音響光学フィルター、ファブリーペロフィルター、ガルバノメーター駆動の回折格子フィルターなど）を用いれば容易に実現可能である。しかしながら、これまでに示された掃引周波数は、フィルターの同調速度の限界により制限され、１ｋＨｚに届いていない。生物医学的アプリケーションにおいては、ビデオ並み（３０フレーム毎秒以上）の高解像度での光学的画像診断のために、１５ｋＨｚを超える繰返し速度でのより高速な同調が求められている。

したがって、上記の欠点を克服する必要がある。

本発明の例示的概念によれば、広いスペクトル域にわたって１５ｋＨｚを超える繰返し速度で同調が可能な光学波長フィルターを提供することができる。また、そのような光学フィルターにレーザー利得媒質を合わせて備える波長同調発信装置を提供することができる。このような同調発信装置は、光コヒーレンス断層映像法やスペクトル的にコード化した共焦点顕微鏡など、ビデオ並みの光学的画像診断アプリケーションに有用である。

一般的に、本発明のある例示的実施形態にかかる光学フィルターは、回折格子と、回転多面体スキャナーと、テレスコープとを備える。このような光学フィルターは、従来のフィルターに比べて相当規模で高速な同調速度で動作することができる。波長同調光発信装置は、例えばレーザー利得媒質と合わせて前記フィルターを用いることにより実施することができる。さらに、このフィルターと利得媒質をレーザー共振器に組み込むこともできる。例えば、レーザーは中心波長を広い波長域にわたって高い繰返し速度で掃引するような狭帯域のスペクトルを出射することができる。

本発明のある例示的実施形態では、平均周波数が時間とともに実質的に連続的に変化するスペクトルの電磁放射線を発する構成を備える装置を提供する。この電磁放射線は、１００テラヘルツ毎ミリ秒を超える同調速度を備えてもよい。前記平均周波数は、５キロヘルツを超える繰返し速度で繰り返し変化してもよく、また１０テラヘルツを超える範囲で変化してもよい。このスペクトルの同調範囲は、可視光線、近赤外線または赤外線波長の一部にかかってもよい。スペクトルの例として、ほぼ８５０ｎｍ、１３００ｎｍ、または１７００ｎｍの波長に中心をおいてもよい。さらに、前記スペクトルの瞬間輝線幅が１００ギガヘルツ未満であってもよい。また前記装置は、往復の長さが５ｍ未満のレーザー共振器を備えてもよい。この装置は、前記発せられた電磁放射線の少なくとも一部を受信し、この一部をさらなる位置へ反射または偏向するように構成することができる多面体スキャナー構成を備えてもよい。また、前記電磁放射線の成分を選択的に受信するビーム分離構成を設けてもよい。

本発明の別の例示的実施形態によれば、前記電磁放射線をフィルタリングする装置は、前記電磁放射線の周波数に基づいて前記電磁放射線の１つ以上の成分を物理的に分離するよう構成された少なくとも１つのスペクトル分離構成を備えてもよい。前記装置はまた、物理的に分離された成分を受信し、個々の成分を選択的にビーム選択構成へ導くように構成された、少なくとも１つの連続回転光学構成を備えてもよい。

本発明のある変形例では、前記スペクトル分離構成は、回折格子、プリズム、グリズム、音響光学ビーム偏向、バーチャル・フェイズド・アレイ、および／またはアレイ導波路回折格子を含む。前記連続回転光学構成は、多面鏡、回折素子、実質的に透明な領域の配列を有する実質的に不透明な円盤、および／または実質的に反射する領域の配列を有する実質的に透明な円盤であってよい。前記スペクトル分離構成は、前記連続回転光学構成を備える基板上に取り付けられたホログラフィック格子を含んでもよい。

本発明の別の変形例では、前記ビーム選択構成は、光ファイバー、光導波路、ピンホール開口、レンズと光ファイバー、導波路又はピンホールを組み合わせたもの、および／または空間フィルターであってもよい。前記ビーム選択構成は複数のビーム選択素子を含み、当該複数のビーム選択素子により透過される前記電磁放射線が結合されてもよい。前記信号は、前記選択構成により受信される前に、複数回、前記連続回転光学構成から反射されてもよい。

本発明のさらに別の例示的実施形態によれば、この電磁放射線をフィルタリングする装置は、前記電磁放射線の周波数に基づいて前記電磁放射線の１つ以上の成分を角度分離するよう構成された少なくとも１つのスペクトル分離構成を含んでもよい。このような構成は、回転軸を含み、前記電磁放射線の前記成分を受信し、当該成分をビーム選択構成に導くよう構成された少なくとも１つの角度偏向光学構成を含んでもよい。さらに、この構成は前記電磁放射線の前記成分を受信し、当該成分に関連する１つ以上の分散素子の像を生成するように構成された少なくとも１つの光結像構成を含んでもよい。前記回転軸は、前記分散素子のうち少なくとも１つの実像または虚像の近傍に位置してもよい。

本発明のある変形例では、角度偏向光学素子の偏向点は、前記分散素子のうち少なくとも１つの実像と実質的に重なってもよい。前記少なくとも１つの角度偏向光学構成から少なくとも１つの信号を受信するよう構成された少なくとも１つの反射器をさらに設けてもよい。前記分散素子のうち１つ以上は、回折格子、プリズム、グリズム、音響光学ビーム偏光器、バーチャル・フェイズド・アレイ、および／またはアレイ導波路回折格子であってよい。前記角度偏向光学素子は、多面鏡スキャナー、ガルバノ・ミラー・スキャナー、またはピエゾミラースキャナーであってよい。

本発明のさらに別の例示的実施形態によれば、電磁放射線をフィルタリングする装置が提供される。この装置は、前記電磁放射線の周波数に基づいて前記電磁放射線の成分を角度分離し、周波数分離した成分を生成するよう構成された少なくとも１つの分散構成を含むことができる。この装置は、角度偏向の回転軸を有する少なくとも１つの角度偏向光学素子を含んでもよい。前記回転軸は、実質的に全ての前記周波数分離した成分が重なる位置に実質的に重なってもよい。

本発明の別の例示的実施形態においては、前記電磁放射線の周波数に基づいて前記電磁放射線の１つ以上の成分を物理的に分離するよう構成された少なくとも１つのスペクトル分離構成を設けることができる。また、前記１つ以上の成分に関連する少なくとも１つの信号を受信するよう構成された少なくとも１つの連続回転光学構成を含んでもよい。少なくとも１つのビーム選択構成は前記信号を受信するよう構成されてもよい。前記エミッターは、レーザー利得媒質、半導体光増幅器、レーザーダイオード、スーパールミネッセントダイオード、ドープ光ファイバー、ドープレーザー結晶、ドープレーザーガラス、および／またはレーザー色素であってよい。

本発明のさらに別の例示的実施形態においては、発信源構成は電磁放射線を発してもよい。この発信源は、前記電磁放射線のエミッターを少なくとも１つと、前記電磁放射線の周波数に基づいて前記電磁放射線の１つ以上の成分を角度分離するよう構成された少なくとも１つのスペクトル分離構成と、回転軸を含み、前記電磁放射線の前記成分を受信して当該１つ以上の成分に関連する信号を生成するよう構成された少なくとも１つの角度偏向光学構成とを備える。またこの発信源構成は、前記信号を受信し、少なくとも１つの選択された信号を選択的に生成するよう構成された少なくとも１つのビーム選択構成と、前記選択された信号を受信し、前記１つ以上の成分に関連する１つ以上の分散素子の像を生成するように構成された少なくとも１つの光結像構成とを備える。本発明の変形例では、電磁放射線を発する複数のレーザー利得媒質と、前記電磁放射線の周波数に基づいて前記電磁放射線の１つ以上の成分を物理的に分離するよう構成された少なくとも１つのスペクトル分離構成とを設けることができる。本変形例では、各レーザー利得媒質からの電磁放射線の選択された成分は同期しており、個別に、または組み合わせて用いることができる。

本発明のさらに別の例示的実施形態において、外部共振器半導体レーザーの高速同調を提供することができる。このレーザー共振器は、単方向性の光ファイバーリングと、利得媒質として半導体光増幅器と、多面体スキャナーによる走査フィルターとを含んでもよい。１．３２μｍを中心とした７０ｎｍの波長幅にわたって、最大１１５０ｎｍ／ｍｓ（繰返し周波数１５．７ｋＨｚ）の可変同調速度を得ることができる。このような同調速度は、従来公知よりも相当規模で高速であり、半導体光増幅器における自己周波数偏移によっていくぶん容易になっている。この発信源の瞬間輝線幅は９－ｍＷｃｗの出力電力に対し０．１ｎｍ未満であってよく、８０ｄＢの低い自然放出外来振動を得ることができる。

本発明のその他の特徴および効果は、本願請求項と合わせて、以下に述べる本発明の実施形態の詳細な説明を見れば明らかとなろう。

本発明のさらなる目的、特徴、および効果は、本発明の具体的な実施形態を示す本願明細書に添付の図面とあわせて、以下の詳細な説明から明らかとなろう。

図１Ａは、本発明にかかる光学波長フィルター１の第１の例示的実施形態を示すブロック図である。本第１の例示的実施形態においては、光学波長フィルター１は、以下で一般的な例を挙げるような種々のアプリケーションに用いることができる。この例では、フィルター１を、光源２を介して１つ以上のアプリケーション３に接続することができる。ある種のアプリケーションの例では、フィルター１は光源以外のデバイス（例えば、受動光学素子や能動光学素子）を介してアプリケーション（前記１つ以上のアプリケーション３）とともに用いたり、これに接続してもよいことは当然である。図１Ａに示す第１の例示的実施形態においては、広域スペクトル光源・光制御部２（以下、光制御部と呼ぶ）を波長分散素子４に接続することもできる。光制御部２は、さらに、光学画像処理、光学画像システム、レーザー機械処理およびシステム、フォトリソグラフィーおよびフォトリソグラフィーシステム、レーザー地形システム、電気通信処理およびシステムなど（ただし必ずしもこれらに限定されない）を用いて、あるいはこれらのための１つ以上のタスクを行うよう構成された１つ以上のアプリケーション３に接続することができる。波長分散素子４は、レンズシステム６に接続してもよく、このレンズシステムはさらにビーム偏向装置８に接続される。

光制御部２は、広い周波数（ｆ）スペクトルの光線を通すように構成された１つ以上の各種システムまたは構成であってよい。ある例示的実施形態において、前記光線は平行ビームであってもよい。この光線には、可視光域内（例えば、赤、青、緑）のλ～λｎの複数の波長が含まれてよい。同様に、光制御部２からの光線には、可視光域外（例えば、紫外線、近赤外線、または赤外線）のλ～λｎ複数の波長が含まれてもよい。本発明のある例示的実施形態においては、光制御部２は、波長同調レーザー発信装置の例示的実施形態を示す図３を参照して以下で詳述する、単方向性光透過リングを含んでもよい。また、本発明の別の例示的実施形態においては、光制御部２は、波長同調レーザー発信装置の例示的実施形態を示す図６を参照して以下で詳述する、線形共振器システムを含んでもよい。

光学波長フィルター１の波長分散素子４は、光制御部２からの光線を受光するよう、また従来の方法で光線を複数の多方向の波長の光に分離するように構成された１つ以上の素子を含んでもよい。波長分散素子４は、さらに、光軸３８に対して角度方向または変位の等しい、異なる波長の光の一部分を導くことができる。本発明のある例示的実施形態では、波長分散素子４は光分散素子を含むことができ、この光分散素子は、反射回折格子、透過型回折格子、プリズム、回折格子、音響光学回折セル、またはこれらの素子の組み合わせを含んでもよいが、これに限定されるものではない。

光学波長フィルター１のレンズシステム６は、波長分散素子からの分離された波長の光を受光するように構成された１つ以上の光学素子を含んでもよい。各波長の光は、光軸３８に対して傾きのある経路に沿って広がる。この角度は、波長分散素子４により決定される。さらに、レンズシステム６は、ビーム偏向装置８上の所定の位置へ各波長の光を導くよう、またはその焦点をあわせるように構成される。

ビーム偏向装置８は、１つ以上の離散的な光の波長を受光し、レンズシステム６を介して光軸３８に沿って逆方向に、波長分散素子４へ、さらに光制御部２へと、選択的にリダイレクトするよう制御されてもよい。光制御部２は、その後、受光した離散的な光の波長を複数のアプリケーションのいずれか１つ以上に選択的に導くことができる。ビーム偏向装置８は、さまざまな方法で設けてよい。例えば、ビーム偏向装置８は、多面鏡、回転シャフト上に設けた平面鏡、ガルバノメーター上に設けた鏡、または音響光学変調器（ただし必ずしもこれらに限定されない）などの素子により設けることができる。

図１Ｂは、光学波長フィルター１’の第２の例示的実施形態を示す模式図である。例示的光学波長フィルター１’は、反射型フィルターとして構成されており、実質的に全く同じの入力ポートと出力ポートを有してもよい。入出力光ファイバー１０およびコリメーターレンズ１２は光制御部２’（図１Ａを参照して、上で説明された光制御部２と実質的に類似でもよい）から光学波長フィルター１’への入力を行う。光学波長フィルター１’は、回折格子１６と、光学テレスコープ素子６’（以下、「テレスコープ６’」と呼ぶ。図１Ａのレンズシステム６と類似であってもよい）と、多面鏡スキャナー２４とを含む。テレスコープ６’は２枚のレンズ、例えば４－ｆ構成された第１と第２のレンズ２０，２２を含んでもよい。

図１Ｂに示す光学波長フィルター１’の第２の例示的実施形態において、テレスコープ６’は第１と第２のレンズ２０、２２を含んでおり、この第１と第２のレンズの中心は実質的に光軸３８に沿っている。第１のレンズ２０は、波長分散素子４’（例えば、回折格子１６）から第１の距離に位置してもよく、この第１の距離は第１のレンズ２０の焦点距離Ｆ１にほぼ等しい距離とすることができる。第２のレンズ２２は、第１のレンズ２０から第２の距離に位置してもよく、この第２の距離は第１のレンズ２０の焦点距離Ｆ１と第２のレンズ２２の焦点距離Ｆ２の和にほぼ等しい距離とすることができる。このような構成を用いることにより、第１のレンズ２０は波長分散素子４’から１つ以上の平行な離散的な光の波長を受光することができ、１つ以上の平行な離散的な光の波長のそれぞれに対して効果的にフーリエ変換を行って、像面ＩＰに投影される１つ以上のほぼ等しい集束ビームを発することができる。

像面ＩＰは、第１のレンズ２０と第２のレンズ２２の間であって第１のレンズ２０から所定の距離に位置することが好ましい。本発明のある例示的変形例によれば、このような所定の距離は第１のレンズ２０の焦点距離Ｆ１によって決まる。この１つ以上の集束ビームが像面ＩＰを介して広がった後、第２のレンズ２２で受光される、この１つ以上の集束ビームに等しいまたは対応する１つ以上の発散ビームが形成される。第２のレンズ２２はこの発散ビームを受光し、これとほぼ等しい数の、光軸３８に対して所定の角度変位を有する平行ビームを発するように構成されている。したがって、第２のレンズ２２は、この平行ビームをビーム偏向装置８’の所定の部分に導くことができる。

本発明の第２の例示的実施形態にかかるテレスコープ６’は、１つ以上の上述のような特徴を備え、回折格子からの発散した角度分散を、第２のレンズ２２の後で、集束する角度分散へと変換する。このような結果はフィルターの適正な動作に有利である。また、テレスコープ６’は、同調範囲や線幅を制御するための調整可能なパラメーターを与えてもよく、ビームの切り落としを防ぐために多面鏡でのビームの大きさを低減できる。図１Ｂの例示的実施形態に図示されるように、ビーム偏向装置６’（例えば多面鏡または多面体構成２４を含んでもよい）は、光軸３８に対する多面体構成２４の正面の鏡面の角度に応じて狭い通過帯域のスペクトル成分だけを逆反射するように構成されることが好ましい。反射された狭帯域の光は分散されて光ファイバー１０により受光される。光軸に対する入射ビーム３０の向きと多面体構成２４の回転方向４０は、波長同調の方向、例えば波長アップ（正）スキャンか、波長ダウン（負）スキャンかを決定するために用いられる。図１Ｂに示される構成例では、正の波長掃引を引き起こす。図１Ｂの多面体構成２４には１２面あるが、当然ながら、１２面よりも少ない、あるいは１２面よりも多い面数の多面体構成を用いることもできる。実際の機械的限界については通常考慮しないが、従来の製造技術に基づくならば、任意の用途において用いられる多面体構成２４の面の数は、特定の用途に望ましい走査速度および走査範囲による。

さらに、多面体構成２４の大きさは特定の用途の優先事項に基づいて選択され、製造可能性や多面体構成２４の重量などの（ただし必ずしもこれらに限定されない）要因を考慮にいれることが好ましい。また、これも当然であるが、異なる焦点距離を有するレンズ２０、２２を設けてもよい。例えば、レンズ２０、２２は、ほぼ多面体構成２４の中心点２４ａの位置に焦点がくるように選択されることになる。

ある例示的実施形態では、ファイバーコリメーター１２から回折格子へ入射する広い光スペクトルとともに、ガウスビーム３０を用いることができる。公知の回折格子はλ＝ｐ・（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）という式で表され、ここで、λは光の波長であり、ｐは回折格子のピッチであり、αとβは、それぞれ、回折格子の垂直軸４２に対するビームの入射角と回折角である。フィルターの同調範囲の中心波長は、λ_０＝ｐ・（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ_０）によって決まり、ここで、β_０はテレスコープの光軸３８と回折格子の垂直軸の間の角度である。フィルターのＦＷＨＭバンド幅は（δλ）_ＦＷＨＭ／λ_０＝Ａ／（ｐ／ｍ）ｃｏｓα／Ｗによって定義され、ここで、ダブル・パスは

であり、ｍは回折次数、Ｗは１／ｅ^２、すなわちファイバーコリメーターでのガウスビームの幅である。

フィルターの同調範囲は第１のレンズ２０の開口数の限界によって制限することができる。ビームの切り落としのない第１のレンズ２０の受容角は、Δβ＝（Ｄ_１－Ｗｃｏｓβ_０／ｃｏｓα）／Ｆ_１により決まり、ここでＤ_１およびＦ_１は第１のレンズ２０の直径と焦点距離である。このような式は、Δλ＝ｐｃｏｓβ_０・Δβを介して、フィルターの同調範囲につながる。多面鏡は多面を有するという性質からくるフィルターの設定パラメーターの一例が、次に説明する自由スペクトル範囲である。第１のレンズ２０と第２のレンズ２２を通って広がった後のスペクトル成分は、光軸３８に対して角度β’のビーム伝達軸を有してもよい。例えば、β’＝－（β－β_０）・（Ｆ_１／Ｆ_２）で、ここでＦ_１とＦ_２はそれぞれ第１のレンズ２０と第２のレンズ２２の焦点距離である。多面体構成２４の面対面の極角は、次の式によって求められる。θ＝２π／Ｎ≒Ｌ／Ｒ、ここでＬは面幅であり、Ｒは多面体の半径であり、Ｎは面数である。もし入射スペクトルのβ’の範囲が面の角度よりも大きければ、すなわちΔβ’＝Δβ・（Ｆ_１／Ｆ_２）＞θであれば、多面体構成２４は一度に１つ以上のスペクトル成分を逆反射することができる。同時に反射されるマルチスペクトル成分の間隔、すなわち自由スペクトル範囲は、（Δλ）_ＦＳＲ＝ｐｃｏｓβ_０（Ｆ_１／Ｆ_２）・θによって決めることができる。共振器内走査フィルターアプリケーションの一例では、多周波数帯域（不均一に広がった利得媒質の場合）あるいは同調範囲の制限（利得媒質が均一に広がった場合）を避けるために、フィルターの自由スペクトル範囲が利得媒質のスペクトル範囲を超えることになる。

フィルターによるレーザー同調の負荷サイクルは、例えば、次の２つの好ましい条件が満たされるならば、ビームの切り落としによる過剰損失なしで１００％となる。

数式（１）の１つ目の数式は、第２のレンズ２２の後のビーム幅は面幅よりも小さいという条件から導かれる。２つ目の数式は、同調範囲の最短波長３２および最長波長３４における、多面体構成２４において互いに重なることのない２つのビームから導かれる。数式（１）のＳは第２のレンズ２２と多面体構成２４の正面の鏡との間の距離を示す。

光学部品として、以下のパラメーターを有するもの選択してもよい。Ｗ＝２．４ｍｍ、ｐ＝１／１２００ｍｍ、α＝１．２ｒａｄ、β_０＝０．７１ｒａｄ、ｍ＝ｌ、Ｄ_１＝Ｄ_２＝２５ｍｍ、Ｆ_１＝１００ｍｍ、Ｆ_２＝４５ｍｍ、Ｎ＝２４、Ｒ＝２５ｍｍ、Ｌ＝６．５４、Ｓ＝５ｍｍ、θ＝０．２６ｒａｄ、λ_０＝１３２０ｎｍ。これらのパラメーターから、以下のようにフィルターの理論上のＦＷＨＭバンド幅、同調範囲、および自由スペクトル範囲を算出することができる。（δλ）_ＦＷＨＭ＝０．０９ｎｍ、Δλ＝１２６ｎｍ、（Δλ）_ＦＳＲ＝７４ｎｍ。数式（１）の２つの条件はどちらも特定のマージンで満たされてもよい。

図１Ｃは、本発明にかかる、同じ多面体回転速度で同調速度が２倍になる波長同調フィルター構成の第３の例示的実施形態を示すブロック図である。本例示的実施形態において、多面体構成２４の鏡面は、実質的にレンズ２２からの距離Ｆ２に位置し、光線は０でない角度で（多面体構成２４の鏡面から直接テレスコープに反射されるのではなく）反射される。多面体構成２４から反射した光の掃引角は多面体構成２４の回転角の２倍である。多面体構成２４に対するλ_１とλ_Ｎの入射角の差９０が多面体の面対面の角９２とほぼ同じ、例えば角度θの場合、反射された光の掃引角９４は、多面体構成２４の角度θの回転に対して２θとなる。２つの反射器１００、１０２は、多面体構成２４からの光線を多面体構成２４およびテレスコープ（例えば、図１Ｂのテレスコープ６’に類似のもの）に反射することが好ましいのであるが、この２つの反射器の間の角度がθになるように配することで、一度の面対面の角θでの多面体回転につき二度のλ_１からλ_Ｎの波長走査が実現される。

本発明にかかる第４の例示的実施形態を示す図１Ｄにおいて、多面体構成２４に対するλ_１とλ_Ｎの入射角の差９０は多面体の面対面の角９２よりも小さく、例えばφ（＝θ／Ｋ、ここでＫ＞１）である。これは、回折格子のピッチを小さくし、Ｆ２／Ｆ１比を大きくすることによって実現することができる。本例示的実施形態では、フィルターの同調速度は、多面体構成２４の回転速度や面数を増やすことなく、要因２Ｋの分だけ速くすることができる。

多面体構成２４により光線を複数回数反射させることにより、フィルターの同調速度をさらに速くすることができる。図１Ｅに図示される本発明の第５の例示的実施形態は、要因４Ｋの分だけ同調速度を速めた構成であり、Ｋは角９２と角９０の比（Ｋ＝θ／φ）である。光線は、反射された光の掃引角度９４が角４θになるように、多面体構成２４で２度反射され（例えば、４往復）、同調速度は４Ｋ倍となる。このような反射は、面１００、１０２、１０４、１０６、１０８の反射によって補助することもできる。本例示的実施形態のフィルター構成は、フィルターの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）を広げるのに用いることもできる。例えば、図１Ｅの実施形態における最終反射器１０２の１つが取り除かれた場合、フィルターのＦＳＲは２倍広くなる。この場合には同調速度が向上するとは考えられない。同様に、図１Ｅにおける最終反射器１００ひとつだけを残しておくこともできる。本実施形態におけるＦＳＲは４倍広くなる。

図１Ｆは、２つの光入力と光出力を有する多面体同調フィルターを提供する本発明の第６の例示的実施形態を示す。例えば、このフィルターの２つ以上の光入力と光出力を支持するために、それぞれ入出力ファイバー１０、１０’、コリメーターレンズ１２、１２’、回折格子１６、１６’、およびテレスコープを有する２つ以上の光学構成のセットで、１つの多面体構成２４を共有してもよい。多面体構成２４の走査ミラーは、構造的に回転軸を中心とした等方性を有するため、光線を多面体構成２４に届けることができる種類の光学構成はどの方向からも収容することができる。図１Ｆの実施例の光学構成のセットはいずれも同じ多面体スキャナーを使用するので、それぞれの走査光透過スペクトルは同期している。当然ながら、図１Ｆの例示的実施形態は、複数の（２より多くの）専用の入出力光チャネルを有する光学構成を含むように拡張してもよい。

上述したような本発明の第６の実施形態にかかる多面体同調フィルターの応用例としては、広帯域波長走査光発信源でもよい。本発明の第７の例示的実施形態を示す図１Ｇにおいて、第１の広帯域光発信源６０は、波長がλ_１～λ_ｉの光信号を発し、第２の広帯域光発信源６００は、波長がλ_ｉ－ｊ～λ_Ｎの光信号を発する。波長λ_１～λ_ｉと波長λ_ｉ－ｊ～λ_Ｎをそれぞれ支持する前記２つの光学構成が同期して、ほぼ同じ波長を同時に出力する場合、このような構成例は線形走査速度がλ_１～λ_Ｎの広帯域波長走査光発信源とすることができる。多面体走査フィルターのＦＳＲは光学性能を落とすことなく２００ｎｍ以上に調整可能であるので、異なる中心波長を有する２つ以上の広帯域光発信源を組み合わせることで２００ｎｍ以上の同調バンド幅の線形走査光発信源を設けることができる。当然ながら、図１Ｇの実施形態は、複数（例えば２より多く）の光学構成および複数（例えば２より多く）の広帯域光発信源を備えるように拡張してもよい。

図１Ｇの例示的実施形態は、各光学構成と広帯域光発信源の波長同調バンドが不連続となるように構成することもできる。このような構成により、同調バンドを連続または非連続的に順次掃引したり、同時に掃引することができる。

図２は、本発明の例示的実施形態にかかるフィルターの特性を測定した例示的グラフである。フィルターの正規化した反射スペクトル、例えば曲線４８は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）や光スペクトルアナライザーからの広帯域増幅器の任意の発光を用いて測定する。光スペクトルアナライザーは、多面体構成２４が最高速度である１５．７ｋＨｚで回転している間のピークホールド・モードでの正規化した処理（反射）スペクトルを求めたり、記録したりすることができる。測定する同調範囲は、理論値１２６ｎｍよりも実質的に小さい９０ｎｍであってよい。回折格子からのビームの比較的大きな角発散と関連して、テレスコープ６’の収差によるずれ、主としてフィールド湾曲が生じることもある。このような収差は、当技術分野において公知のレンズ設計を最適化することで補正することができる。図２の曲線４６は、多面体構成が特定の位置で静止している場合のスループットスペクトルを図示する。７３．５ｎｍの自由スペクトル範囲が観察されたが、これは理論計算と一致する。曲線４６のＦＷＨＭバンド幅は０．１２ｎｍと測定された。この測定されたＦＷＨＭと理論上の限界である０．０９ｎｍとのずれは、光学素子のずれと不完全性を考慮するなら妥当である。

図３は、本発明の波長同調レーザー発信源の例示的実施形態を示す。例えば、多面体系フィルターは、ファラデーサーキュレーター５０を介して拡張共振型半導体レーザーに組み込むことができる。共振器内素子は単一モードの光ファイバー１０により接続されてよい。利得媒質は半導体光増幅器５２（例えば、ＳＯＡ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、ＣＱＦ８８２／ｅ）であってよい。レーザー出力７２は光ファイバー溶融カプラー７０の９０％ポートによって得てもよい。２つの偏光制御部６４、６２は、回折格子１６の最大効率とＳＯＡ５２の最大利得の軸に対する共振器内光の偏光状態を揃えるために用いることができる。電流源５４はＳＯＡ５２へ電流を投入する。多面体構成２４はモーター駆動部９７によって駆動され制御されてよい。将来の適用に有用な同期信号を発生させるために、レーザー出力のおよそ５％が０．１２ｎｍのバンド幅で可変波長フィルター８０を介して光検出素子８２に導かれてもよい。この実施の例では、フィルターの中心波長は１２９０ｎｍで固定されている。検出信号は、固定波長フィルターの狭い通過帯域をレーザーの出力波長で掃引するときに、短パルスを発生させる。同期パルスのタイミングは、フィルターの中心波長を変化させることによって制御することができる。

図４Ａは、本発明にかかるレーザー発信源の第１の出力特性（レーザースペクトル対波長）を例示するグラフであり、図４Ｂは、本発明にかかるレーザー発信源の第２の出力特性（出力電力対時間）を例示するグラフである。図４Ａにおいて、曲線１１０は、ピークホールド・モード、例えば多面体構成が１５．７ｋＨｚで回転しているときに、光スペクトルアナライザーによって測定されたレーザーの出力スペクトルである。観察された掃引範囲は端から端までが１２８２ｎｍ～１３５５ｎｍであり、これはフィルターの自由スペクトル範囲と等しい。測定されたスペクトルが矩形分布というよりはガウス型分布であるのは、主としてフィルターの偏光感度と共振器の複屈折によって起こる偏光依存の共振器損失による。偏光制御部が最大の掃引範囲と出力電力を得ることができるように調整することが好ましい。図４Ｂにおいて、曲線１１４は例示的レーザーの時間領域における出力である。上の線１１２は、固定波長フィルターによって得られる同期信号である。面ごとのパワーの変動の振幅は、３．５％よりも小さかった。ピークおよび平均出力電力は、それぞれ９ｍＷと６ｍＷであった。図４Ａの曲線１１０のｙ軸の尺度は時間領域測定から調整することができるが、これは、レーザー同調速度がスペクトルアナライザーの掃引速度よりもずっと早いことにより、光スペクトルアナライザーが時間で平均化されたスペクトルを記録するからである。

共振器内レーザー光の光スペクトルにおける周波数は、バンド内４光波混合現象の結果として、ＳＯＡ利得媒質を光が通過するときにシフトダウンすることがある。周波数のシフトダウンがおこると、波長走査フィルターを正の波長掃引方向に動作させることにより、大きな出力電力を発生させることができる。図５は、同調速度に応じて正規化されたピーク電力を示す。負の同調速度は、本発明にかかる例示的実施形態の構成の光軸３８に対するコリメーターの位置と回折格子の向き方位を入れ替えることによって、得ることができる。フィルターの物理的なパラメーターを両方の同調方向で同じにすることが好ましい。その結果、曲線１２０に示すように、自己周波数偏移と正方向同調を組み合わせた働きにより、より高い出力を得ることができ、レーザーをより速い同調速度で動作させることができる。したがって、正方向の波長走査動作が好ましい。同調速度を上げることにより、出力電力を減少させることができる。同調速度に対する出力電力の感度を下げるために、共振器長を短くすることが望ましい。このような場合、自由空間レーザー共振器が好ましい。

本発明にかかる自由空間拡張共振型半導体同調レーザー構成の例示的実施形態を図６に示す。基板チップ１６０に形成された半導体導波路１６２は、コリメーターレンズ１８０を介して多面体走査フィルターに接続することができる。その正面１６４には反射防止膜を施すことができ、出力面１６６は、最適反射率が得られるように、劈開または好ましくは誘電体で被覆してもよい。レーザー出力１９０は出力結合レンズ１８２を介して得ることもできる。同期出力は、多面体スキャナー２４から逆反射した光が０次回折する経路に位置する、レンズ１４０、ピンホール１４２、および光検出素子１４４を用いて行われる。光検出素子１４４は、特定波長の光ビームの焦点がピンホール１４２を掃引するとき、短パルスを発生させることができる。その他のタイプの利得媒質には、希土類イオンでドープしたファイバー、Ｔｉ：Ａｌ_２０_３、およびＣｒ^３＋：フォーステライトなどがあるが、これに限らない。第１と第２のレンズ２０、２２は、特に像面湾曲とコマ収差において収差の低いアクロマートが好ましい。コリメーターレンズ１８０、１８２は非球面レンズであることが好ましい。

図７は、波長同調フィルターの別の例示的実施形態を図示しており、これは同図に示されるように、入力コリメーターレンズ１２、回折格子１６、集束レンズ２００、および回転盤２１０を含む。回折格子１６は、焦点距離を有するため集束レンズ２００を使用する必要がなくなるような凹面状の湾曲を有することが好ましい。回折格子の代わりに、プリズムなどのその他の角分散素子を用いてもよい。複数の反射器２１２を回転盤２１０の表面に配することが好ましい。この反射器２１２は、好ましくは、半径方向に周期的なパターンの複数の細い線を有してもよい。反射器の材料としては金が好ましい。回転盤２１０は軽量プラスチックまたはシリコンの基板であってもよい。複数の反射器を回転盤の上面に配するかわりに、回転盤は、その裏面に取り付けられたあるいは回転盤とは独立して支持される単一の反射器がつながる、一連のスルーホールを有してもよい。光ファイバー１０から入射するさまざまな波長の光ビームは、回折格子１６によって回折されレンズ２００によって焦点をあわせられた後、回転盤の表面で照らされて１つの方向に向けられる。回転盤の反射器に当たるビームは、逆反射され、光ファイバー１０によって受光される。例えば、ビームが容易に回転盤に届くように、鏡２０２を用いることができる。

レンズ２００から回転盤２１０の反射器までの距離は、ほぼレンズ２００の焦点距離Ｆに等しい。フィルターの同調範囲は、Δλ＝ｐｃｏｓβ_０（Ｄ／Ｆ）、ここでＤは線の間の距離である。線の幅ｗは、回転盤の表面におけるビームの点の大きさｗ_Ｓに実質的に等しいことが好ましい。

ここでｚ＝πｗ_ｓ ^２／λである。

このような式から、以下の式によって求められるＦＷＨＭフィルターのバンド幅につながる。（δλ）_ＦＷＨＭ／λ_０＝Ａ・（ｐ／ｍ）ｃｏｓα／Ｗ、ここにおいて

である。ｗ＞ｗ_Ｓについては、フィルターのバンド幅がこれより大きくてもよく、ｗ＜ｗ_Ｓについては、ビームの切り落としによりフィルターの効率（反射率）を落としてもよい。レンズ２００の光軸と回転方向２２０に対する入射ビーム３０の向きが波長同調の方向を決定してもよい。図７に示された例示的実施形態の場合のように、正の波長走査が好ましい。

以下に、本発明の例示的実施形態のアプリケーションの例を２つ述べる。図８は、上述の同調レーザー発信装置３００を用いた例示的実施形態のスペクトル的にコード化した共焦点顕微鏡（ＳＥＣＭ）のブロック図である。ＳＥＣＭの基本原理は、米国特許第６３４１０３６号明細書に詳述されており、その開示は全て参照により本願明細書に含まれる。例示的プローブ３１０は、２つのシリコンプリズム３１４、３１６の間に配された透過型回折格子３１２と、コリメーター３１８と、顕微鏡対物レンズ３２０とを含む。プローブは、サンプル３３０がある別の位置にビームを走査するマイクロ・アクチュエーター３２２を備える。アクチュエーター３２２は、アクチュエーター駆動部３２４によって、実質的にレーザー発信装置の同調速度よりも遅い速度で駆動することができる。プローブの動作は、回転式、または並進運動であることが好ましく、レーザー発信装置の出力に同期していることが好ましい。ある例では、波長掃引周波数は１５．７ｋＨｚ、プローブ走査周波数は３０Ｈｚであってよく、これによって１秒間に３０フレームの画像を得ることができる。対物レンズ３２０は高開口数を有し、マイクロメーターレベルでの横方向解像度と数マイクロメータの共焦点パラメーターが得られる。光ビームの焦点は、光学発信装置の掃引出力波長とプローブの走査動作によって、サンプル３３０上を遅れないように連続して走査する。サンプルから戻された光強度は、任意の時間内でビームの焦点が一番小さくなる小さな区画内でのサンプルの反射率に比例する。サンプルの二次元正面画像が信号処理部３４４によって構成される。検出部３４０は、トランスインピーダンス増幅器３４２がつながったアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）であることが好ましい。反射された光はファラデーサーキュレーター３５０またはファイバーカプラーを介して受け取られる。

本発明の例示的実施形態のアプリケーションのもう１つの例として、光コヒーレンス断層映像法（ＯＣＴ）に用いられるものがある。ＯＣＴの詳細については、米国特許第５９５６３５５号明細書に詳述されており、その開示は全て参照により本願明細書に含まれる。図９に図示される構成例においては、同調発信装置３００からの出力は、光ファイバーカプラー４１０を経由してサンプル３３０に導かれる。プローブの対物レンズ４１２は、一般に、サンプル３３０の表面の近傍に焦点がある。参照ミラー４２０は、参照アーム１２０におけるマイケルソン干渉計の２本のアーム間の光経路の長さが実質的に一致する場所に位置することができる。また、参照経路は光を透過型で非反射性の構成とすることができる。検出部４３０は、周波数バンド幅に限界のあるトランスインピーダンス増幅器４３２がつながったＰＩＮフォトダイオードであってもよい。検出器には、多角偏光でデュアルバランスの検出機能を組み込むことが好ましい。検出信号は、プロセッサー４３４において、サンプルの深度画像を構成するための高速のフーリエ変換によって処理することができる。プローブは、アクチュエーター４１４とアクチュエーター駆動部４１６によって、サンプルの３次元画像を得るために走査される。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明にかかる波長同調フィルターのもう１つの例示的実施形態を示す上面図および斜視平面図である。本例示的実施形態の角度偏向光学素子７００は、多面体の面が中空円柱の内径上に位置する回転多面体構成２４でもよい。回折格子のような分散素子７０２を、多面体構成２４の中心に配することもできる。光は光ファイバーを介して回折格子に届き、回折格子において平行になり、光の各周波数成分は異なる角度（Θ）に回折される。複数の周波数のうち、１つの狭帯域のみが多面体構成２４の１つの面に実質的に直交し、したがってこの周波数帯域は回折格子に逆反射して光ファイバー７０４／７０６によって収集される。円柱が回転すると、照射された多面体構成の面の表面法線の方向は新しい狭周波数帯域に揃う。このように、円柱を回転させることによって、周波数同調が得られる。円柱の回転角度が大きくなると、多面体構成２４の隣接する面が回折格子によって回折された光に揃い、フィルターはもう一度周波数同調サイクルを繰り返す。自由スペクトル範囲とその精度は、多面体の直径、面数、平行ビームの直径、および回折格子の刻線密度を適切に選択することによって制御することができる。

上述は、本発明の基本原則を述べたにすぎない。ここに教示された内容に照らして、上述の実施形態への各種の修正や変更を加えることは、当業者にはあきらかとなるであろう。例えば、本発明は米国特許第６０／５１４７６９号明細書に記載の方法、システム、および装置の例とともに用いることができる。したがって、本発明には明記されていないが本発明の原則を具体化し、本発明の精神と範囲内に含まれる数々のシステム、構成、および方法を、当業者が考案することが望まれる。

本発明にかかる光学波長フィルターの第１の例示的実施形態を示すブロック図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの第２の例示的実施形態を示すブロック図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの第３の例示的実施形態を示すブロック図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの第４の例示的実施形態を示すブロック図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの第５の例示的実施形態を示すブロック図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの第６の例示的実施形態を示すブロック図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの第７の例示的実施形態を示すブロック図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの特性を例示するグラフである。 本発明にかかる波長同調レーザー発信源の例示的実施形態を示す図である。 本発明にかかるレーザー発信源の第１の出力特性（レーザースペクトル対波長）を例示するグラフである。 本発明にかかるレーザー発信源の第２の出力特性（出力電力対時間）を例示するグラフである。 本発明にかかる掃引速度に応じて備わる出力電力を例示するグラフである。 本発明にかかる自由空間拡張共振型半導体同調レーザー構成の例示的実施形態を示す図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの第７の例示的実施形態を示す図である。 本発明にかかる同調レーザー発信源を用いたスペクトル的にコード化した共焦点顕微鏡の例示的実施形態を示す模式図である。 本発明にかかる同調レーザー発信源を用いた周波数領域光コヒーレンス断層映像法構成の例示的実施形態を示す模式図である。 本発明にかかる光学波長フィルターの第８の例示的実施形態を示す上面図である。 図１０Ａに示す波長フィルターの斜視平面図である。

Claims (11)

1. 波長同調レーザー装置であって、
   共振器内に、スペクトルを有する電磁放射を発生するレーザー共振器と、
   前記レーザー共振器内に配置されたレーザー利得媒質と、
   前記レーザー共振器内に配置された光学波長掃引フィルターと、を含み、
   前記レーザー利得媒質は、共振器電磁放射スペクトルにおける自己周波数シフトダウンを引き起こし、
   前記光学波長掃引フィルターは、特定の方向で動作され、
   前記レーザー利得媒質によって引き起こされた前記自己周波数シフトダウンと同じ方向に動作する前記光学波長掃引フィルターは、出射電磁放射スペクトルの電力の増加を引き起こす、装置。
2. 前記特定の方向は、正の波長掃引方向である、請求項１に記載の装置。
3. 出射電磁放射スペクトルの電力は、負の波長掃引方向で動作されるときよりも正の波長掃引方向で動作されるときの方が大きい、請求項２に記載の装置。
4. 前記出射電磁放射スペクトルは、１００ギガヘルツ未満である瞬間輝線幅を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記光学波長掃引フィルターは、前記共振器電磁放射の周波数に基づいて前記共振器電磁放射の少なくとも一部を少なくとも透過または反射するように構成され、前記共振器電磁放射の前記少なくとも一部は、１００ギガヘルツ未満であるFWHM（半値全幅）周波数分布を有している、請求項１に記載の装置。
6. 前記光学波長掃引フィルターは、多面体構成部を含み、
   前記多面体構成部の回転方向、および入射する前記共振器電磁放射の光軸に対する向きは、波長同調の方向に関して波長アップ（正）スキャンとなるように決定される、請求項１に記載の装置。
7. さらに、前記多面体構成部に隣接するテレスコープを含む、請求項６に記載の装置。
8. さらに、回折格子を含み、
   前記テレスコープは、前記光軸に沿って、前記回折格子と前記多面体構成部との間に設けられる、請求項７に記載の装置。
9. 前記多面体構成部の回転は、１５．７ｋＨｚの掃引繰返し速度を提供する、請求項８に記載の装置。
10. 前記光学波長掃引フィルターは、多面体ミラー・スキャナー、ガルバノメーターミラー・スキャナー、およびピエゾミラー・スキャナーの少なくとも一つを含む、請求項１に記載の装置。
11. 前記レーザー利得媒質は、半導体光増幅器を含む、請求項１に記載の装置。
    

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