JP7398437B2

JP7398437B2 - 複数のコンポーネントレーザを有するレーザモジュール

Info

Publication number: JP7398437B2
Application number: JP2021512868A
Authority: JP
Inventors: パートリジ，ガスリー; テラ，リチャード・ピー
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2018-09-30
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: DE112019004915T5; JP2022501806A; CN112789773A; WO2020068260A1

Description

興味のある多くの測定は、既知の波長の光ビームに対する試料の反応を、波長の関数として測定することを伴う。これらの測定の多くの光源は波長可変レーザである。しかしながら、多くの測定が、レーザ中の単一の利得チップ（gain chip）を用いて達成可能なものを超えるチューニング範囲を必要とする。限られたチューニング範囲に対する従来技術の解決策が提案されてきた。或る種の解決策は、光を直列（in series）に処理する複数の利得チップを利用し、各利得チップが対応する波長帯域における増幅を提供することによって、レーザの利得セクションの増幅範囲を拡張する。これらの解決策は、非活性利得チップが、別のチップによって増幅された光を吸収することに関連する問題を有する。

他の解決策は、各活性層が異なるスペクトル範囲において利得を提供する複数の活性レイヤ（layer：層）を有する利得チップを利用する。これらの解決策は、複数の活性レイヤが同時に利得を提供するという問題を有する。

本発明は、複数のコンポーネントレーザ（component laser）を有するレーザモジュールを含み、各コンポーネントレーザは、利得チップと、回折格子構造（diffraction gating structure）と、回動点（pivot point）と、出力ビーム方向に進行する出力レーザビームとによって特徴付けられる。回動点のそれぞれにドライブシャフトが結合され、ドライブシャフトは回折格子構造のそれぞれを、そのコンポーネントレーザと関連付けられた回動点の周りで回転させる。レーザモジュールは、複数の反射器も備え、各反射器は、複数のコンポーネントレーザのうちの１つから出力レーザビームを受信し、出力レーザビームを、全てのコンポーネントレーザビームに共通の出力経路に沿って方向付けるように位置決めされる。コントローラは、ドライブシャフトの回転角度を制御する。

本発明の１つの態様において、複数のコンポーネントレーザの回折格子構造は、ドライブシャフトの任意の所与の回転角度についてコンポーネントレーザのうちの２つ以上がレーザ照射することがないように位置決めされる。

本発明の別の態様において、反射器のうちの１つは部分反射ミラーを含む。

本発明の別の態様において、反射器のうちの１つは、コンポーネントレーザのうちの対応するコンポーネントレーザによって生成された光を反射し、コンポーネントレーザのうちの別のコンポーネントレーザによって生成された光を通過させるディコティック（dichotic：２つに分かれた）反射器を含む。

本発明の別の態様において、反射器のうちの１つは、この反射器が、出力経路に沿った光を遮断しないように反射器にある軸の周りを回転し、この回転はコントローラによって制御される。

本発明の別の態様において、コンポーネントレーザのうちの１つは第１の回折格子及び第２の回折格子を備え、この第１の回折格子及びこの第２の回折格子は、回動点の周りの回折格子構造の任意の所与の回転について、この回折格子のうちの最大１つがコンポーネントレーザにおける利得チップからの光を反射するように位置決めされた、異なる格子間隔を有する。

本発明の１つの実施形態によるコンポーネントレーザを示す図である。本発明によるレーザモジュールの１つの実施形態の側面図である。本発明の別の実施形態によるレーザモジュールの側面図である。２つの格子を有するコンポーネントレーザを示す図である。

本発明は、共にチューニングされる複数のコンポーネントレーザから指示を受けるレーザモジュールを提供することによって、上記の問題に対処する。ここで、本発明の１つの実施形態によるコンポーネントレーザを示す図１を参照する。コンポーネントレーザ１０は、利得チップ１１と、利得チップ１１によって増幅された光のための波長選択フィルタを提供する格子１６とを備える。利得チップ１１は、端部１２に反射コーティングを有し、端部１３に反射防止コーティングを有する。利得チップ１１からの光は、レンズ１４によってビーム１５に拡張され、回折格子６０に突き当たる。回折して利得チップ１１に戻された光は、勾配とビーム１５との間の角度によって決まる波長の狭帯域内にある。格子から反射され、ビーム１７となった光は、格子１６に対し直角のミラー１８から反射される。ミラー１８から反射された光は、光を図の平面に対し垂直な方向に反射させる経路１９に沿って反射器１２に向けられる。

格子１２及びミラー１８は、図の平面に対し垂直な軸２１の周りを共に動かされるように構造的に接続される。コンポーネントレーザ１０は、格子１２及びミラー１８に軸２１の周りを回転させることによってチューニングされる。コンポーネントレーザ１０がレーザ照射する格子１６の角度範囲が存在する。格子１６がこの範囲から回転して出ると、コンポーネントレーザ１０はレーザ照射を中止する。

以下の論考を単純化するために、コンポーネントレーザは、利得チップ及び回折格子を有するレーザであると定義され、ここで、回折格子は、回折格子の平面に対し直角に取り付けられた平面ミラーを備える格子構造に取り付けられ、回折格子及び平面ミラーが互いに対して固定され、回動点の周りを共に回転するようにし、回折格子から利得チップに反射して戻された光が、回折格子の平面と、利得チップから回折格子への経路との間の角度に依拠する波長を有し、平面ミラーから反射された光が、コンポーネントレーザからの出力光ビームを形成するようにする。

ここで、本発明によるレーザモジュール３０の１つの実施形態の側面図である図２を参照する。個々のコンポーネントレーザは、３１、３２及び３３に示される。コンポーネントレーザ３１～３３に対応する個々の反射器が、それぞれ２５～２７に示される。図に示される例において、コンポーネントレーザ３３がレーザ照射し、出力ビーム２７Ａを生成している。各レーザモジュールがレーザ照射しているとき、対応する出力ビームはビーム２７Ａと一致する。コンポーネントレーザのそれぞれの格子の回転角度は、シャフト２８の回転角度を設定することによってユーザによって指定される波長に一致するように格子の角度を設定するコントローラ３５の制御下にあるモータ２９によって制御される。

１つの例示的な実施形態において、コンポーネントレーザにおける格子の角度は、シャフト２８の任意の所与の回転角度について１つの格子のみがレーザ照射するように位置決めされるように設定される。個々の利得チップ及び開始格子位置は、出力波長が、シャフト２８の回転角度と共に連続して変動するように選択される。

別の例示的な実施形態において、コンポーネントレーザ及び利得チップにおける勾配の角度は、コンポーネントレーザのうちの２つが重複する動作範囲を有するように選択される。シャフトの角度が変化する際、第１のコンポーネントレーザは、第２のコンポーネントレーザの動作範囲の終点における第２のコンポーネントレーザによっても供給される波長で、動作範囲の始点におけるレーザ稼働を開始する。

上記で説明した実施形態において、各コンポーネントレーザからの出力ビームは、そのコンポーネントレーザの一部である反射器によって共通経路に沿って方向付けられ、このため、レーザモジュールの出力は、単一のレーザから到来するように見える。例えば、反射器２６は、コンポーネントレーザ３１によって生成された光を通さなくてはならない。１つの例示的な実施形態において、反射器は、部分反射ミラー又はディコティック反射器である。

別の例示的な実施形態において、ミラーは、各ミラーが、そのコンポーネントレーザ格子がレーザ稼働するように位置決めされると、適所にフリップし、レーザモジュールがもはやレーザ照射をしていないときに進路から外れるようにフリップするようにヒンジ結合される。ここで、本発明の別の実施形態によるレーザモジュール４０の側面図である図３を参照する。レーザモジュール４０は、反射器２５～２７が可動反射器４５～４７と置き換えられているという点で、図２に示すレーザモジュール３０と異なる。各可動反射器は、反射器が、反射器の上に重なったコンポーネントレーザからの光を妨害しない垂直位置と、反射器が対応するコンポーネントレーザからの光を反射し、光を下方に向ける４５度の向きとの間でシャフト４９の周りを回動する。コンポーネントレーザ４１の反射器４５は、４５度の向きにあるのに対し、コンポーネントレーザ４２及び４３の反射器４６及び４７はそれぞれ垂直位置にある。シャフト２８又はコントローラ３５の回転角度により、いずれの反射器がそのコンポーネントレーザからの光を偏向するように位置決めされるかを制御することができる。この構成において、一時点に１つのみのコンポーネントレーザが動作していると仮定して、全反射ミラーを反射器として用いることができる。

上記で説明した実施形態では、一時点に、コンポーネントレーザのうちの１つのみがレーザ照射していた。しかしながら、２つ以上のレーザが同時に光を生成している実施形態も構築することができる。そのような光源は、ラマン散乱又は他のスペクトル測定において利用することができる複数の波長を有する光を提供することができる。

全てのレーザが同時に光を生成しているわけではない実施形態において、レーザ照射していないレーザにおける利得チップに電力供給することが依然として有利である場合がある。これにより、全ての利得チップの温度を動作温度に維持し、このため、加熱時の利得チップの温度変化に起因したシフト及び波長を防ぐことになる。

いくつかの用途の場合には、同じ利得チップであっても異なる格子間隔を有するレーザを提供することが有利である場合がある。格子間隔を変えることにより、レーザによって生成されるスペクトル線の幅が変わる。このため、異なるスペクトル幅を有する波長可変レーザが特定の用途に望ましい場合、異なる格子間隔を有するコンポーネントレーザを利用することができる。１つの実施形態において、異なるコンポーネントレーザの格子間隔は異なる。そのような実施形態において、同じ利得チップを有するが異なる格子間隔を有する２つのコンポーネントレーザを利用することができる。しかしながら、これは、追加のコンポーネントレーザを必要とする。代替的に、複数の格子を有する単一のコンポーネントレーザが提供されてもよい。

上記で説明した実施形態において、各コンポーネントレーザは、単一の格子と、格子の平面に対し９０度に取り付けられたその対応する反射器とを含んでいた。しかしながら、コンポーネントレーザにおいて複数の格子が用いられる実施形態も構築することができる。ここで、２つの格子を有するコンポーネントレーザを示す図４を参照する。この例において、第２の格子８８が、図１に示す格子１６の平面に対し直角に取り付けられる。格子１６の背面は、格子８８のための反射器としての役割を果たす。格子８８は、上述した方式と類似の方式で格子構造に軸２１の周りを回転させることによって、光路内に導入される。

上記の実施形態は、特定の数、すなわち３つの複合レーザを有している。しかしながら、複合レーザの数は３に限定されないことが理解される。

本発明の上述した実施形態は、本発明の種々の態様を示すために提供されている。しかし、異なる特定の実施形態において示される本発明の異なる態様を組み合わせて、本発明の他の実施形態を提供することができることが理解される。さらに、本発明に対する種々の変更形態が、上記の説明及び添付図面から明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲だけによって制限される。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
複数のコンポーネントレーザであって、該複数のコンポーネントレーザのそれぞれが、利得チップと、回折格子構造と、回動点と、出力ビーム方向に進行する出力レーザビームとによって特徴付けられる、複数のコンポーネントレーザと、
前記回動点のそれぞれに結合されたドライブシャフトであって、前記回折格子構造のそれぞれを、前記コンポーネントレーザと関連付けられた前記回動点の周りで回転させる、ドライブシャフトと、
複数の反射器であって、該複数の反射器のそれぞれは、前記複数のコンポーネントレーザのうちの１つから前記出力レーザビームを受信し、前記出力レーザビームを、全ての前記コンポーネントレーザビームに共通の出力経路に沿って方向付けるように位置決めされる、複数の反射器と、
前記ドライブシャフトの回転角度を制御するコントローラと
を備える、レーザモジュール。
請求項２：
前記複数のコンポーネントレーザの前記回折格子構造は、前記ドライブシャフトの任意の所与の回転角度について前記複数のコンポーネントレーザのうちの２つ以上がレーザ照射することがないように位置決めされる、請求項１に記載のレーザモジュール。
請求項３：
前記複数の反射器のうちの１つは部分反射ミラーを含む、請求項１に記載のレーザモジュール。
請求項４：
前記複数の反射器のうちの１つは、前記複数のコンポーネントレーザのうちの対応するコンポーネントレーザによって生成された光を反射し、前記複数のコンポーネントレーザのうちの別のコンポーネントレーザによって生成された光を通過させるディコティック反射器を含む、請求項１に記載のレーザモジュール。
請求項５：
前記複数の反射器のうちの１つは、該複数の反射器のうちの該１つが、前記出力経路に沿った光を遮断しないように前記反射器における軸の周りで回転し、該回転は前記コントローラによって制御される、請求項１に記載のレーザモジュール。
請求項６：
前記複数のコンポーネントレーザのうちの１つは第１の回折格子及び第２の回折格子を備え、該第１の回折格子及び該第２の回折格子は、前記回動点の周りの前記回折格子構造の任意の所与の回転について、該回折格子のうちの最大で１つが前記コンポーネントレーザにおける前記利得チップからの光を反射するように位置決めされた、異なる格子間隔を有する、請求項１に記載のレーザモジュール。

Claims

複数のコンポーネントレーザであって、該複数のコンポーネントレーザのそれぞれが、利得チップと、回折格子構造と、ミラーと、回動点と、出力ビーム方向に進行する出力レーザビームとによって特徴付けられる、複数のコンポーネントレーザと、
前記回動点のそれぞれに結合されたドライブシャフトであって、前記複数のコンポーネントレーザのそれぞれの前記回折格子構造及び前記ミラーを、前記コンポーネントレーザと関連付けられた前記回動点の周りで回転させる、ドライブシャフトと、
複数の反射器であって、該複数の反射器のそれぞれは、前記複数のコンポーネントレーザのうちの１つから前記出力レーザビームを受信し、前記出力レーザビームを、全ての前記コンポーネントレーザビームに共通の出力経路に沿って方向付けるように位置決めされる、複数の反射器と、
前記ドライブシャフトの回転角度を制御するコントローラと
を備え、
前記ミラーは前記回折格子構造の平面に対して直角に取り付けられ、前記ミラーは前記回折格子構造と共に前記回動点の周りを回転するようにされ、
前記回折格子構造は、前記利得チップからの光を受信し、回折した光を前記利得チップに戻し、さらに前記回折格子構造は前記回折格子構造において反射した光を前記ミラーに向けて反射して、前記回折格子構造が前記ミラーに向けて反射した光が前記コンポーネントレーザからの前記出力レーザビームとなるものである、レーザモジュール。
前記複数のコンポーネントレーザの前記回折格子構造は、前記ドライブシャフトの任意の所与の回転角度について前記複数のコンポーネントレーザのうちの２つ以上がレーザ照射することがないように位置決めされる、請求項１に記載のレーザモジュール。
前記複数の反射器のうちの少なくとも１つは部分反射ミラーを含む、請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
前記複数の反射器のうちの少なくとも１つは、前記複数のコンポーネントレーザのうちの対応するコンポーネントレーザによって生成された光を反射し、前記複数のコンポーネントレーザのうちの別のコンポーネントレーザによって生成された光を通過させるディコティック反射器を含む、請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
前記複数の反射器のうちの少なくとも１つは、該複数の反射器のうちの該１つが、前記出力経路に沿った光を遮断しないように前記反射器における軸の周りで回転し、該回転は前記コントローラによって制御される、請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
前記複数のコンポーネントレーザのうちの少なくとも１つは第１の回折格子構造及び第２の回折格子構造と、第１のミラー及び第２のミラーとを備え、
前記第１のミラーは前記第１の回折格子構造の平面に直角に取り付けられ、前記第２のミラーは前記第２の回折格子構造の平面に直角に取り付けられ、さらに、前記第１の回折格子構造の背面に前記第２のミラーが取り付けられているか、あるいは前記第２の回折格子構造の背面に前記第１のミラーが取り付けられているかしており、
前記第１の回折格子構造及び前記第２の回折格子構造は異なる格子間隔を有し、前記回動点の周りの前記回折格子構造の所定の回転に対して、前記第１の回折格子構造及び第２の回折格子構造のうちの１つが前記コンポーネントレーザにおける前記利得チップからの光を反射するように位置決めされる、請求項１～５のいずれか一項に記載のレーザモジュール。