JPH0237794A - 格子同調レーザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、一般に、レーザーに関するものであり、とり
わけ、同調可能な外部空洞半導体レーザに関するもので
ある。

Ｃ従来技術およびその問題点］ 以下の説明において、参照番号の１の位は、その参照番
号で表わされた素子が提示される最初の数字であること
を示している。

はじめに、本明細書中で用いる語の定義を行う。

レーザービームの「光学軸」は、レーザービームの方向
と平行で、ビーム内の漢方向における中型直距離の関数
としてほぼガウス分布を示す光ビームという意味を含む
。

「楕円ガウスビーム」は、光学軸に垂直な平面において
、ビームの出力密度が光学軸上の出力密度の１／ｅ２に
なるビームのポイントの軌跡が、楕円形になるガウスビ
ームという意味を含む。

レーザービームと交差する平面上の「レーザースポット
」は、その平面に入射し、出力密度がレーザービームの
光学軸上における出力密度の１／ｅ２を超えるレーザー
ビームの一部である。

「円形ガウスビーム」は、光学軸に垂直な平面上のレー
ザースポットが円形をなす楕円ガウスビームである。

「メリジオナル平面」は、光学軸を含む平面である。

光学軸における所定のポイントにおいて、「主（ρｒｉ
ｎｃｉｐａｌ）メリジオナル平面」は、その平面上にレ
ーザースポットの楕円軸の１つを含むメリジオナル平面
である。これらの２つの主メリジオナル平面は垂直であ
る。

回折格子逆反射体（ｒｅＬｒｏｒｅｆ　１ｅｃｔｏｒ）
を備えたレーザーシステムにおいて、「平行メリジオナ
ル平面」は、回折格子の罫線（ｒｕｌｉｎｇ）に平行で
あり、「垂直メリジオナル平面」は、回折格子の罫線に
垂直であるメリジナル平面である。

円形レーザービームの「ウェスト　（ｗａｉｓｔ）Ｊは
、レーザービームの光波面が平面をなす、光学軸に沿っ
た各ポイントに生じる。

楕円ガウスビームにおいて、「主メリジオナル平面ウェ
スト」は、レーザービームの光線が主メリジオナル平面
内において平行をなす、光学軸に沿った各ポイントに生
じる。

「アナモルフィックレンズシステム」は、２つの主メリ
ジオナル平面における倍率の異なるレンズシステムであ
る。例えば、アナモルフィックレンズシステムは、ワイ
ドスクリーン映画を圧縮し、もう１つのアナモルフィッ
クレンズシステムによってスクリーンへもう一度拡大す
ることのできる標準フィルムのフォーマットにするのに
用いられる。

ついてはぼやける乱視である。

回折格子は、回折次数の１つの選択された波長を逆反射
して、入射ビーム光の方向に沿って戻すように配向が施
されると、「リトロ−構造」をなすとみなされる。

回折格子同調式外部空洞レーザーの「波長分解能」は、
外部空洞からレーザーチップへの光学フィールドバック
が、フィードバックのピーク′直のトとは関係なく、発
射光分布と一致する所定の人力分布を必ず逆反射する逆
反射光学系である。

「線形レーザースポット」は、楕円の高さが、楕円の幅
に比べてはるかに少ない楕円レーザースポットである。

「非均質ビーム拡大器」は、ビームの横寸法の１つを、
それに垂直な横寸法とは異なるように拡大する素子であ
る。

「均質なビーム拡大器」は、ビームの垂直をなす両方の
横寸法を等しく拡大するものである。

以下、従来技術とその問題点について説明する。

レーザーは、光学利得素子（すなわち、光学増幅器）を
通るフィードバック径路を形成するファプリー・ペロー
共振器（空洞）から構成される。

光共振器には、レンズ、ミラー、プリズム、光導波管、
フィルター、エタロン、回折格子といった光学コンポー
ネントを含むことができる。レーザーは、外部エネルギ
ー源によってしきい値準位を超えるまでポンピングを施
されると、光放射線を放出する。この共振器は、１組の
離散的光周波数に位置する狭共振ピークの場合に限り、
レーザー光を放射するのに十分な利得を示す。従って、
レーザービームは、１つ以上のこうした離散的周波数を
含むことになる。

光の波動性のため、レーザービームの外周は明確に輪郭
が決まらない。レーザービームを特徴づけているパラメ
ータについては、第１図に示されている。核間において
、Ｚ軸は、ガウスビーム１２の光学軸１１と一致するよ
うに選択されている。

一般に、レーザービームの出力密度は、光学軸からの垂
直距離の関数として、はぼガウス分布を示す。こうした
ビームは、ガウスビームと呼ばれる。第１Ａ図に示すｘ
−Ｚ平面において、エネルギー密度が、光学軸上の同じ
Ｚ値におけるエネルギー密度の１／ｅ２になるポイント
の軌跡が、ライン１３及び１４で表わされている。Ｚ軸
からライン１３または１４上のポイントまでの漢方向の
距離が、ｒ、（Ｚ）で表わされており、ＸＺ平面におけ
るレーザービームのスポットサイズと呼ばれる。

ライン１３と１４が平行をなす領域１５は、レーザービ
ームのウェストと呼ばれる。ビームのウェストにおける
半径は、Ｗ　ＯＸで表わされ、ウェストのＺ軸における
位置は、Ｚ　ＯＸで表わされる。レーザービームの波面
１６は、Ｚの関数である曲率半径Ｒ。

（Ｚ）を示す。遠視野領域において（すなわち、Ｗｏよ
りもはるかに長いウェストからの距離において）、波面
１６は、はぼ、共通のポイントＰに集中し、ビームが、
ポイントＰから放出されているように見えることになる
。単色レーザーの遠視野領域において、ライン１３及び
１４は、レーザービームの波長の２倍をウェストサイズ
Ｗ０のＰ＋倍で割ったものに等しい角度ｅ　ｄｉｖ＋１
で発散する。

ポイントＰと７０におけるポイントＱの距離は、レイリ
ー距離と呼ばれ、ＺＩＸで表わされており、ＷｏＸの２
乗のＰ＋倍を波長で割ったものに等しい。

従って、ガウスビームの形状は、ウェスト位置Ｚ０とウ
ェストのスポットサイズＷ。やによって一義的に定義さ
れる（例えば、１９８６年のカリフォルニア州０！、ｆ
ｉｌｌ　ＶａｌｌｅｙのＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　５ｃｉ
ｅｎｃｅ　ＢｏｏｋｓにおけるＡ、　Ｅ、Ｓｉｅｇｍａ
ｎによるしａｓｅｒｓ参照のこと）。

レンズ、プリズム、及び、ミラーといった光学素子は、
スポットサイズの半径ｒ、（ｚ）及び波面の曲率Ｒ，（
Ｚ）に影響を与える。これらの素子を適当に構成するこ
とによって、光学軸に沿ってもう１つのウェストが形成
される。光学系を通るガウスビームの伝搬を解析するた
めの行列数字は、十分に発達しており、簡単に行なえる
（例えば、１９７５年のロンドンのＪｏｈｎ　ｗｉｌｅ
ｙ　ａｎｄ　５ｏｎｓ社刊のＡ　　Ｇｅｒｒａｒｄ　ａ
ｎｄ　Ｊ、　！Ｊ、ＢｕｒｃｈによるＩｎむｒｏｄｕｃ
ｔ　＋ｏｎｔｏ　ｍａｔｒｉｘ　５ｌｅｔｈｏｄ　ｉｎ
　０ｐｔｉｃｓ参照のこと）。

一般に、ガウスビームは、光学軸に関し、円筒状に対称
である必要はない。一般に、波面は楕円形であり、光学
軸に対し垂直などの断面においても、楕円のスポットサ
イズを示す。ｘ−Ｚ平面におけるウェストの位置Ｚ、、
、、は、Ｙ−Ｚ平面におけるウェストの位置Ｚ　ｏＹと
一致する必要はない。Ｘ軸及びＹ軸は、こうした楕円の
主長軸は主短軸に沿った向きになるように、それぞれ、
選択されるので、ｘＺ平面とＹＺ平面は、そのポイント
におけるエメリジオナル平面をなす。これが済むと、ガ
ウスビームの特性が、ｘＺ平面におけるスポットサイズ
の半径ｒ、（Ｚ）、ＹＺ平面におけるスポットサイズの
半径ｒ、（Ｚ）、ｘＺ平面における波面の曲率半径Ｒ，
（Ｚ）、ＹＺ平面における波面の曲率半径Ｒ，，（Ｚ）
、ｘＺ平面におけるウェスト位置Ｚ。Ｎ、及び、ＹＺ平
面におけるウェスト位置ＺｏＹによって示されることに
なる。第１Ｂ図には、ＹＺ平面におけるビームの断面が
示されている。

半導体レーザーの場合、半導体チップは、利得媒体とし
て働き、また、光導波管の一部としての働きもする。こ
うしたレーザーには、ミラー、すなわち、分布波長選択
反射体として働く構造を含めることができる。フィード
バック径路が、完全に、半導体チップの境界内に含まれ
ている場合には、そのレーザーは、内部空洞半導体レー
ザーと呼ばれ、第２Ａ図〜第２Ｃ図に例示されている。

これらの図は、それぞれ、内部空洞固体レーザー片側外
部空洞レーザー、及び、両側外部空洞レーザーを表わし
ている。内部導波管は、レーザーチップの端面がその終
端をなしている。各端面のさしわたし約１〜２ミクロン
の小さな放出領域から、光が放出される。

レーザーの線幅は、狭いほうが望ましい。線幅は、空洞
の長さと共に増大する空洞のＱと反比例する。しかし、
半導体チップのしきい値は、長さと共に増すため、最適
値を超えて延長すると、半導体レーザーの長さは、はぼ
０．２０〜０．２５＋ｕωになり、その結果、モード間
隔はｌｎｍになる。空洞のＱは、長さと共に増大するの
で、チップ長を制限すると、レーザー線幅の鮮鋭度が制
限されることになりがちである。また、現在では半導体
チ、ツブに組み込むごとができる波長選択構造は、チッ
プに組み込めない光学素子に比べると、それほど広範囲
にわたって同調することはできない。

第２Ｂ図及び第２Ｃ図には、レーザーのフィードバック
径路の一部が半導体チップの外部にあるため、外部空洞
レーザー（ＥＣＬ）と名づけられたレーザーが示されて
いる。ＥＣＬレーザーの場合、外部素子は、レーザーの
振動波長の選択に制御を加える必要はない。従って、共
振器の外部からのフィードバックは、共振器の内部から
のフィードバックに対し優勢でなければならない。内部
フィードバックを弱めるため、端面に反射防止膜のコー
ティングを施して、端面で反射する光のパーセントを減
少させることもできるし、あるいは、端面を傾斜させて
、反射が結合して共振モードに戻ることがないようにす
ることも可能である。

第２Ｂ図の場合、片側の端面だけが、反射防止膜のコー
ティングを施されている。もう一方の端面は、ミラーと
してそのまま作用する。この実施例は、片側ＥＣＬであ
る。第２Ｃ図の場合、両方の端面とも、反射防止膜のコ
ーティングを施されており、２つのフィードバック径路
が含まれている。これは、両側ＥＣＬである。

各外部フィードバックセクションには、一般に、リレー
光学素子セクション及び逆反射体が含まれている。リレ
ー光学素子セクションのコンポーネントは、チップ面の
放出領域から光を集め、逆反射鏡に向けて、伝送し、こ
れにより、放出領域へ送り返されるようにする。以下の
説明は、平面をなす放出表面及び逆反射表面に関するも
のであるが、以下の分析は、これらの表面が非平面の場
合にもあてはまるものである。例えば、湾曲した逆反射
体は、平面逆反射体にレンズを加えたものに置き換える
ことが可能であり、これにより、この修正した逆反射体
のレンズ部分は、リレー光学素子の一部としてまとめる
ことができる。

同調できるようにするため、波長選択逆反射体（例えば
、回折格子）を用いることもできるし、あるいは、リレ
ー光学素子セクションに伝送フィルターを組み込むこと
も可能である。強力な外部フィードバックを得るため、
外部フィードバンクセクションは：（１）低損失である
ことが望ましく（２）フィードバックされる光を放出領
域と同じサイズのスポットに集束させるべきであり；（
３）フィードバックされたスポットは放出領域に重なる
必要がある。

回折格子同調式レーザー（第３図及び第４図に示す）の
場合、回折格子３１は、回折格子の罫線３３に平行な軸
３２とほぼ平行な軸Ｐまわりを回転する、ホルダーに取
りつけられる。回折格子は、入射ビームを回折して、そ
れぞれ、軸Ｐまわりの小さな角度範囲に分布するさまざ
まな次数のスペクトル（第４図に示す）を形成するので
、こうした次数のスペクトルは、それぞれ、逆反射ビー
ムとして用いることが可能である。従って、この回転軸
Ｐまわりで回折格子を回転させることによって、波長の
選択を行い、レーザーの放出表面を横切ってこの次数の
スペクトル掃引を行う。あいにく、この回転軸Ｐと回折
格子の罫線３３の方向３３との完全なアライメントは不
可能であるため、軸Ｐまわりを回転すると、回折格子と
同一平面上にあり、回転軸Ｐに垂直な軸Ｔまわりで、回
折格子が、やはり、ある程度傾斜することになる。回折
格子の、レーザー放出表面からの離隔距離に対し、レー
ザービームの直径はわずかであるため、回折格子からレ
ーザーへ戻る結合量は、Ｔ軸の回転に対し極めて敏感で
ある。この結果、こうしたレーザーシステムは、レーザ
ー波長を選択するためのＰ軸まわりでの回転に加え、機
械的衝撃や振動にも敏感になる。

長期間にわたって出力を安定させ、広範囲にわたって同
調するため、回折格子３ＩをＰ軸まわりで回転させる場
合、意図的に、回転格子をＴ軸まわりで回転させ、Ｔ軸
まわりにおける罫線３３の望ま用の回折格子同調式外部
空洞レーザーシステムの設計が困難になっている。

現在、継続したアライメントは、Ｐ軸まわりで回折格子
に手動または電気機械的調整を加えることによって維持
されている。あいにく、手動調整は、緩慢であり、熟練
したオペレータが絶えず介在していなければならず、プ
ログラムされた遠隔操作には向いていない。電気機械式
調整は、応答帯域幅が制限されており、サーボメカニズ
ムの一般的問題による影響を受ける（例えば、機械的衝
撃によって、押され、サーボループの捕捉範囲外にアラ
イメントがずれる可能性がある）。

［解決しようとする問題点および解決手段］本発明は上
記した従来技術の欠陥を除くためになされた。

第２Ｂ図及び第２Ｃ図には、それぞれ、片側外部空洞レ
ーザーと両側外部空洞レーザーの側面図が示されている
。第３図は、逆反射体が回折格子である特殊な場合に関
する第２Ｂ図の片側外部空洞レーデ−の透視図である。

各外部空洞には、リレー光学素子セクションと逆反射体
が含まれている。各逆反射体において、強力なフィード
バックを得るため、レーザービームの波面（すなわち、
一定句の表面）は、逆反射体の表面と一致しなければな
らない。

この条件が強力なフィードバックにとって必要であると
いうことは、以下から分かる。波面の各ポイントは、そ
のポイントにおける波面に対し垂直な方向に進む。逆反
射体において、波面の形状が逆反射体の反射表面と同じ
である場合、波面におけるそのポイントの進行方向は、
反射表面に対し垂直であり、従って、反射表面によって
逆転する。これが波面の全表面にわたって生じると、波
面の各ポイン７トは、逆反射され、レーザーから逆反射
体へ進行した同じ径路に沿って戻っていく。

この結果、レーザービームは、ビーム全体が同相をなし
てレーザー放出表面に戻ることになる。さらに、ビーム
の各光線は、レーザーから逆反射体への経路をたどって
戻るので、逆反射されたビームは、レーザーにおけるス
ポットサイズがレーザー放出表面のサイズに等しくなる
。このことは、光の選択されたほぼ全ての波長をレーザ
ーに戻るように向けるという点において重要なだけでな
く、この光のモードが、レーザーによって発生するモー
ドに整合するという点においても重要である。

Ｓｉｅｇｍａｎによる参考文献の数字を用いることで、
これらの結果を求めることができる。

レーザー放出表面が平面の場合、レーザービームのウェ
ストは、この表面における両方の主メリジオナル平面に
位置することになる。逆反射体の反射表面が平面の場合
、逆反射体における波面の形状が、逆反射表面と同じに
なる要件は、ビームのウェストが、両方の主メリジオナ
ル平面の逆反射表面に生じる場合、それも、その場合に
限って満たされる。

逆反射体のレーザービームに対するアライメントが慎重
にとられた場合に限って、ビームの入射ヤマ 波面と逆反射体の反射表面と妾一致することになる。逆
反射体の角度のミスアライメントに対する許容差は、あ
る回折次数の回折格子の発散角によって決まる。回折格
子を発散角の１／２だけ回転させると、レーザーの放出
表面に対するビームの強度は、ビームのピーク強度の１
／ｅ２未満となり、従って、チップレーザーに対するフ
ィードバツクはかなり劣化する。第１図に示すように、
発散角は、ガウスビーム源の横寸法と反比例する。

その回折次数の光をチップレーザーに向けて戻す場合は
、この回折次数の光源は、回折格子に結像するレーザー
スポットになる。従って、Ｐ軸まわりにおける回折格子
の回転に対するミスアライメントに対する許容差は、こ
の回折格子におけるレーザースポットの幅２ＷＰに反比
例する。

第４図に示すように、回折格子３１は、入射光ビーム４
２を回折して、複数の回折次数の光（例えば、ある回折
次数の光４３及び４４）にする。回折格子同調式レーザ
ーシステムの場合、（回折格子４１の罫線３３と平行な
）Ｐ軸まわりで、回折格子３１を回転させることで方向
を決め、これら次数のうちの１つの光を逆反射して、レ
ーザーに戻す。この逆反射構造は、ＩＪ）ロー構造とし
て知られている。回折格子の罫線３３のそれぞれについ
ての輪郭は、般に、この逆反射された次数の光が他の次
数の光よりもかなり強くなるように選択される。レーザ
ーの波長選択は、回折格子をＰ軸まわりで回転させるこ
とによって行なわれる。

第４図において、回折格子の面４６と垂直な軸は、Ｎ軸
と表示され、Ｐ軸とＮ軸の両方に垂直な軸は、Ｔ軸と表
示されている。入射ビーム４２の軸は、ここでは、光学
軸Ａと称し、ＡＰ平面は、ここでは、平行なメリジオナ
ル平面と称し、ＡＴ平面は、ここでは、垂直なメリジオ
ナル平面と称される。垂直なメリジオナル平面の場合、
回折格子は、ブラッグ条件に従って光を分散する。平行
なメリジオナル平面の場合、回折格子は、ミラーのよう
に作用する。従って、Ｔ軸まわりにおける回折格子のミ
スアライメントは、逆反射ビームを傾斜させて、レーザ
ー放出表面から離すことになるため、レーザーの働きを
かなり劣化させることになる。

回折格子同調式外部空洞レーザーシステムの波長分解能
は、入射レーザービーム４２がカバーする罫線３３の数
に比例しており、従って、回折格子の面４６におけるレ
ーザースポット４７のＴ方向における幅（２Ｗ？）に比
例する。従って、図示の望ましい実施例によれば、アナ
モルフィックリレーセクションを用いて、回折格子の面
４６に、高さ（２ＷＰ）がその幅（２Ｗ？）よりもかな
り少ないスポット４７が形成され、これによって、レー
ザーは、Ｔ軸まわりの回転に対する感度がＰ軸まわりの
場合に比べてはるかに鈍くなる。スポット４７は、はぼ
楕円形をなし、高さ２Ｗ、と幅２Ｗアは、ちょうど、楕
円形スポット４７の短軸と長軸の長さになる。上述のよ
うに、アナモルフィックセクションの倍率は、２つの主
メリジオナル平面で異なっている（＾。

Ｅ、　Ｓｉｅｇｍａｎによる参考文献参照のこと）。こ
うしたセクションには、普通、アナモルフィック素子と
非点収差補正用素子の両方または一方が含まれている。

上述のように、非点収差補正用素子は、２つの異なるメ
リジオナル平面を伝搬する光のために変位した像平面を
形成する。

外部空洞レーザーの同調作用が、半導体チップレーザー
の内部空洞のモード構造ではなく、外部空洞のモード構
造によって支配されることを保証するため、外部空洞の
波長分解能は、チップの空洞モードの間隔（すなわち、
チップ空洞の隣接モード間における波長の差）のほぼ１
／１０以下でなければならない。−船釣な０．８３ミク
ロンの格子ピッチ（すなわち、回折格子の隣接する罫線
間の間隔）で、波長が１３００ｎｍの場合、この分解能
条件は、回折格子におけるビームのスポット幅２ＷＴが
、はぼ０．２ｃｍ以上になることを必要とする。スポッ
トがほぼ円形であれば、このスポットサイズは、Ｔ軸ま
わりにおける回転アライメントの許容差が、１ミリラジ
アン未満になることを必要とする。こうした厳しいアラ
イメントの許容差は、ロー・メンテナンスの簡易な装置
にとっては実用的ではない。

素子の角度のミスアライメントだけでなく、レーザシス
テムは、素子の横方向の（すなわち、入射ビームの光学
軸に対し垂直な）ミスアライメントや、縦方向の（すな
わち、入射ビームの光学軸に対し平行な）ミスアライメ
ントについても敏感である。第５図には、リレー光学素
子が、レーザー増幅器の放出領域から距離δだけ横方向
にミスアライメントを生じる場合について示されている
。

放出領域の横寸法に等しい距離δだけ、横方向ヘミスア
ライメントが生じると、外部空洞からのフィードバック
は大幅に減少する可能性がある。こうしたミスアライメ
ントに対する感度は、外部空洞の寸法を選択し、それが
、第６図に示すように、縮退空洞を形成するようにする
ことによって低下する　（１９７６年、米国ニューヨー
ク州、ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ社刊の、Ｊ、＾、　
ＡｒｎａｕｄによるＢｅａｍ　ａｎｄ　Ｆｉｂ−ｅｒ　
Ｏρｔｉｃｓ参照のこと）。縮退空洞は、発射分布のミ
スアライメントとは関係なく、必ず、発射分布と一致す
る所定の人力分布の逆反射を行なう逆反射光学系である
。幾何学的光線追跡の観点によれば、任意の光線は系を
一回往復した後、それ自体の経路を再びたどることにな
る。光学変換理論の観点によれば（＾、　Ｇｅｒｒａｎ
ｄ他による参考文献参照のこと）、縮退条件は、光線が
エミッタから逆反射体へ進み、また、エミッタへ戻って
くる１回の往復において閉経路をたどることと、全往復
光線行列の対角線外成分がゼロであることを必要とする
。

［実施例］ 第７図には、改良を受けた、回折格子同調式外部空洞レ
ーザーが示されている。このレーザーシステムには、光
学増幅器７１、アナモルフィック光学リレーセクション
７２、及び、複数の罫線７４を含む平面回折格子７３が
設けられている。光学増幅器７１から放出される光ビー
ム７５が結像して、回折格子７３にウェストを形成し、
この結果、レーザーと一ムの全ての光線は、回折格子の
表面に対し垂直になる。

回折格子７３は、回転可能な形で取りつけられ、回折格
子７４にほぼ平行な軸Ｐのまわりを回転する。

回折格子において組をなす３つの直交軸が、Ｐ（罫線７
４に対し平行な軸）、Ｎ（回折格子の表面に対し垂直な
軸）、及び、Ｔ（軸Ｐ及びＮに対し垂直な軸）で表示さ
れている。

の 一般に、光学増幅器７１号放出表面は、はぼ円形である
。従って、こうした細長い像を回折格子上に形成するた
めには、光学リレーセクション７２が、アナモルフィッ
クであるか、一般には、アナモルフィック素子と非点収
差補正用素子の両方または一方を含むことになる。光学
リレーセクション７２には、焦点距離がｆｌの円筒状の
対称レンズ７６と、平行なメリジオナル平面では焦点距
離ｆ２、垂直なメリジオナル平面では無限焦点距離にな
るよう１こ配向が施された円筒状レンズ７７が設けられ
ている。レンズ７７は、従って、アナモルフィック光学
素子である。レーザービーム７５は、レンズ７６にほぼ
円形のレーザースポット７８を形成し、レンズ７７にほ
ぼ円形のレーザースポット７９を形成するが、回折格子
７３の正面７１１には、かなり細長い円筒状のレーザー
スポット　７１０を形成する。スポット７１０の高さＷ
Ｐは、スポット　７１０の幅Ｗアに比べてかなり少ない
（すなわち、はぼｌ／１０以下）ので、このレーザーシ
ステムは、レーザーの同調のためＰ軸まわりで行なわれ
る回転に対する感度に比べ、Ｔ軸まわりにおける回折格
子のミスアライメントに対する感度がはるかに鈍くなる
。回折格子上におけるレーザースポットが極度の楕円形
をなすことは、このスポットがほぼ線形状であることを
意味し、本書では、「線形スポット」と呼ぶことにする
。

’Ｊ）ロー構造の場合、軸Ｎは、一般に、レーザービー
ムの光学軸Ａに対しほぼ５０’の角度θを形成する。こ
のため、回折格子７３の全てのポイントが、光学軸に沿
って同じ距離とは限らなくなる。

従って、円筒状レンズ７７が光学軸Ａに対しほぼ垂直に
なるように配向を施すと、回折格子７４のレンズ７７か
らの平均距離が、「２となる。この結果、回折格子に対
するビームの結像度が、円筒状レンズと回折格子との間
隔の関数として最適化される。

第７図に示すように、素子７１．７６．７７、及び、７
３の間の距離について特定の選択を行なう場合、レーザ
ーのこの外部空洞は、θ＝θ、につぃて、実質的に縮退
空洞となり（ここで、θつは、レーザーの同調のため、
回折格子が回転する角度範囲の中間点である）、このた
め、このシステムは、この外部空洞の素子の横方向及び
角度に関するわずかなミスアライメントに対して鈍感に
なる。

レンズ７７は、光学軸Ａに対し回折格子７４と同じ角度
を形成するのが望ましい。この結果、円筒状レンズ７７
の軸りは、軸Ｔとほぼ平行になり、従って、レンズ７７
は、軸りが軸Ｔに対し平行でない場合に比べると、回折
格子７３に焦点合わせが施される像がはるかに鮮鋭にな
る。実施例の１つでは、レンズ７７は、回折格子に対し
て回転しないように、しっかり固定される。この実施例
の場合、レンズ７７の軸りと光学軸へとの間の角度Φは
、レーザーシステムの同調範囲における焦点度が最適に
なるように選択されている。最適角度は、レーザーの同
調に用いられる角度θの範囲のほぼ中間点になる。

代替実施例の場合、平行度は、機械的メカニズムと電気
機械的メカニズムの両方または一方によって、全ての角
度θについて維持される。このシステムは、Ｐ軸に平行
なそれぞれの軸まわりにおけるＬ軸とＴ軸のわずかな相
対回転に対しかなり鈍感になる。従って、周知の安価な
機械的リンク機構を用いて、ＬとＴを共に回転させるこ
とができる。例えば、レンズ７７は、軸Ｐと平行な軸Ｐ
′まわりを回転する回転式スピンドル７１２に取りつけ
ることが可能であり、回折格子７３は、Ｐ軸上に位置す
る回転式スピンドル７１３に取りつけることが可能であ
る。これら２つのスピンドルは、ラジアル直径が同じに
なるように選択されており、ベルトで結合されて、はぼ
同じ角度で共に回転する。

もう１つの代替実施例の場合、レンズ７９は回転しない
が、その代わり、Ｐ軸まわりの回転範囲におけるレーザ
ースポット７１０の焦点ぼけの量が最小になる角度を光
学軸Ａに対し形成するように選択されている。この角度
は、回折格子７１１が回転する角度θの範囲の中間点に
ほぼ等しい。

第８図の実施例は、光学リレーセクション７２の代わり
に、円筒状レンズ７７が円錐状レンズに置き換えられた
光学リレーセクション７２”が用いられているという点
で、第７図の実施例とは異なっている。この円錐状レン
ズは、曲率半径８８及び端部８８がもう一方の端部に比
べて小さくなっているため、端部８８における焦点距離
ｆ、は、端部８９における焦点距離ｆ、に比べて短い。

これによって、レンズ８７の軸Ｌ゛に対し、軸Ｔと光学
軸Ａの間における角度θ十／２とは異なる。光学軸Ａか
らの角度Φをなすように配向を施すことが可能になる。

とりわけ、Ｌは、Ｎ軸と光学軸への間における全ての角
度θについて、光学軸Ａに対し垂直になるように選択す
ることができる。次に、ｆｌとｆ２が、このレーザーシ
ステムの同調範囲において焦点合わせ度が最適になるよ
うに選択される。こうした最適化は、概ね、同調角度θ
の範囲の中間点θ、で、回折格子７３の正面７１１にレ
ーザ−スポット７１０全体の焦点が合うようにｆ、とｆ
４を選択することによって行われる。

第８図において、Ｚ軸は、光学軸へと一致しており、Ｎ
軸は、Ｐ軸と平行であり、Ｙ軸は、Ｎ軸とＺ軸に対し右
手の三幅対を形成している。この図における２つの素子
間の「射影距離」は、これら２つの素子における２点間
のＺ座標における差を表わしており、Ｘ座標とＹ座標の
値も同じになる。Ｄ、は、レンズ８７の端部８８と回折
格子７３におけるその射影（Ｚ軸方向における）像との
射影距離である。Ｄ２は、レンズ８７の端８８９と回折
格子７３におけるその射影（Ｚ軸方向における）像との
射影距離である。ｆ、及びｆ、は、それぞれ、θ＝θ、
の場合に、Ｄｌ及びり、と等しくなるように選択される
。第８図に示された素子７１．７６、及び、８７の間の
離隔圧ｆｉ（Ｚ軸における）について特定の選択を行う
場合、このレーザーシステムの外部空洞は、θ＝θ、に
ついて、縮退し、従って、このシステムの素子に関する
わずかな並進ミスアライメントには鈍感になる。

代替実施例においては、回転軸Ｐ”に沿ってアライメン
トがとられた回転スピンドルに、円錐状レンズ８７を取
りつけることができる。第７図の実施例とちょうど同じ
ように、アナモルフィック素子（この場合、素子８７）
は、回折格子７３と同じように回転させることができる
。

効率をよくするには、焦点距離「１の短いレンズ７６を
利用して、レーザーからの光のかなりの部分を捕捉する
のが好都合である。しかしながら、こうしたレンズ７６
によって生じる円筒状の平行ビ−人は、回折格子７３に
おける所望のレーザースポットの幅Ｗ１よりも横方向の
寸法が短い。従って、光学素子は、光学リレーにおいて
、レーザービームを拡大しなければならない。

第９図には、光学リレー７２０代わりに、プリズム対８
１１のようなビーム拡大器を含む光学リレー７２”を用
いた、回折格子同調式外部空洞レーザーのもう１つの実
施例が示されている。「非均質ビーム拡大器」は、その
垂直方向の横寸法とは異なるように、ビームの漢方向の
寸法の１つを拡大する素子である。「非均質なビーム拡
大器」は、ビームの垂直方向における横寸法を両方とも
等しく拡大する。プリズム対８１１は、非均質ビーム拡
大器の一例であり、レーザースポット７１０の幅ＷＴを
増すために用いられる。第７図の実施例におけるように
、レーザースポット７１０の高さＷｐは、円筒状レンズ
７７によって減少する。もう１つの実施例の場合、円筒
状レンズ７７の代わりに、球状レンズを用いるか（より
背の高いレーザースポット７３）、あるいは、円錐状レ
ンズ（第８図における実施例の利点が得られる）を用い
ることができる。

さらにもう１つの実施例の場合、プリズム対８１１の代
わりに、均質ビーム拡大器を用いることが可能である。

しかし、Ｗ、を増す非均質ビーム拡大器とＷＰを減らす
アナモルフィック素子の両方を用いると、Ｗ　Ｔ　　：
　Ｗ　ｐの割合が増し、その結果、Ｐ軸のまわりにおけ
る回転に対する所定の感度に対し、Ｔ軸まわりにおける
回転に対する不感度が最大になる。

上述の実施例は、回折格子が平面でないシステムにも適
合する。非平面回折格子の場合、回折格子の罫線は、平
行な線ではない。例えば、ホログラフィ−回折格子の場
合、罫線は、回折格子の表面と、回折格子の形成のため
、フォ）　ＩＪングラフィー処理に用いられる１対のレ
ーザービーム間の干渉によって生じる１組の双曲面との
交線にしかすぎない。こうした回折格子の場合、Ｐ軸は
、これら湾曲した罫線に対し最大限に平行になるように
選択される。従って、これらの罫線が湾曲しており、平
均接線方向だけしか軸Ｐに対して平行でないとしても、
Ｐ軸は、これら罫線に対しほぼ平行であると言うことが
できる。

［効果］ 本発明は、以上のように構成され、作用するものである
から、上記の問題点を解決し、ミスアライメントの許容
度の高い回折格子同調式外部空洞レーザーを提供するこ
とができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は技術的背景の説明に係る、ガ
ウス光学ビームのそれぞれ平面図、側面図である。 第２Ａ図は、内部空洞レーザーチップの側面図であり、
第２Ｂ図は片側外部空洞レーザーの側面図であり、第２
Ｃ図は両側外部空洞レーザーの側面図である。 第５図は、外部空洞レーザーの光学素子の漢方向のミス
アライメントの効果を示す図である。 第６図は、縮退空洞を示す図である。 第７図は、本発明の実施例を示す斜視図である。 第８図および第９図は別実施例に係る斜視図である。 瀬

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　レーザービームを放射するレーザー増幅器を具備し
   、 前記レーザービームの光学軸に対して垂直でありかつ互
   いに垂直な方向に沿った前記レーザービームの横方向の
   寸法をそれぞれ高さ及び幅と呼ぶとき、 前記レーザー増幅器に対してある回折次数のビームを逆
   反射させ、それにより前記レーザー増幅器と前記格子と
   の間に外部空洞を形成するものであり、前記レーザー増
   幅器に同調するため前記高さ方向に平行な軸に関して回
   動可能であり、該軸に対して実質的に平行な１組の格子
   を有し、前記光学軸に対して所定の角度θをなす平面を
   有する回折格子を具備し、 前記高さの前記幅に対する比が１以下であるようなレー
   ザースポットを前記回折格子上に形成するようなアナモ
   ルフィック光学リレー・セクションとを備えたことを特
   徴とする格子同調レーザー。 ２　前記高さの幅に対する比は０．１以下であることを
   特徴とする、請求項１に記載の格子同調レーザー。