JPH05502137A - 共振周波数と光共振器のｑ値のモードホップなし同調を行う方法及びこの方法を実施するための装置 - 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】 共振周波数と光共振器のＱ値のモードホップなし同調を行う方法及びこの方法を 実施するための装置技術分野 木兄１゛ｒは、調整可能な光格子、部分反射鏡および光透過素子、たとえば増幅 光素子および空胴内で振動する放射をコリメートする光素子によって構成される 、モードホップなしに光共振器の波長同調を行うための方法及び装置に関するも のである。本発明の重要な用途はレーザー空胴での応用である。本発明の方法は 、紫外線、光、赤外線および１波に応用できる。

背景技術 第１図に示すように、従来の光共振器、たとえばレーザー共振器は、２個の鏡と 中間透過媒質によって構成されている。

通常は、これは１つ以上の（準）単色光周波数で振動する。２つの共振器モード の間の距離は、共振器の光空胴長ｌによって次の式により規定される。

δシーｃ　／　２１　・・・・・・・・・・・（１）ここで、Ｃは空気中での光 の速度である。

レーザーでは、振動する共振器モードの数は増幅物質の線幅Δνと、共振器のレ ーザー放射の閾値レベルによって定まる。式（１）は、空胴長が変化するとき共 振器の振動周波数が変化することを示している。

振動共振器モードの数を制限する１つの方法は、鏡１を波長分散性の素子、たと えば、鏡面３に平行な格子溝をそなえた光反射格子と交換することである。

次に、格子はりドロー配置で使用される。すなわち、格子は所望の波長の光を入 射光とは反対方向に反射する。格子は多くの場合、−次干渉で使用されるよう設 計されている。

この場合、適用可能な格子の関係は次のようになる。

ｓｉｎα−λ／２ｄ　・・・・・・・・・・（２）ここで、λは、空気中での光 の波長 ｄは、格子定数 αは、光の入射角（および出射角） で、いずれも格子面に直角な方向から測定した値である。格子の関係式は、短い 波長λ、−λ／ｐによって満足され、ここでｐは強め合う干渉のための順序数で ある。式（２）のλをｐλ、に置換える。

第２図で、鏡２と長さａの透過物質４は定位置にあるものとし、平面リリーフ格 子は固定部分に対して移動可能とする。リリーフの平均レベルは平面Ｍである。

波長λの光定在波は、共振器を格子関係式（２）と縦方向共振器の条件の両方を 満たすように調節すると、格子と鏡の間に進出することができることが知られて いる。後者の条件とは、共振器の光路長がλ／２の整数倍となることである。定 在波は鏡面３に平行な節平面をそなえている。隣接面相互間の距離は、λ／２で ある。節平面は面３にほぼ平行な格子溝の平面部分に結合されていると見なすこ とができる。格子の第１位置にある共振器が、波長λ。で共振するように調整さ れると仮定する。部平面は平面Ｍと複数の線で交差し、これを以下では格子溝を 表わすものとする。第２図ではこれらの線は点で示されており、これを格子点と 呼ぶ。以下に第２図の面に関し同調条件について数学的さらに考察するが、可動 格子は複数の格子点を有する１つの点によって表わされ、各点間の距離は格子定 数ｄである。

格子上の基準点と鏡２の間の光路長は、これに対応する幾何学的距離よりも大き い。距離の差は（ｎ　−１）ａてあり、ここでｎは中間媒質（空気）の屈折率で あり、ａは媒質の長さである。第２図で虚像の鏡面５を考え、これは鏡面３に対 して光路長と幾何学的距離の差に等しい距離たけずれているとする。共振器が他 の光透過物たとえばレンズを含んでいるとすると、それらの屈折率と長さは、当 然、第２図で虚像面を考えたときと同しやり方で考慮に入れなくてはならない。

第２図で光共振器が共振するよう同調される開始位置を考える。透過物質を設定 し、中実軸線、たとえば鏡面３に直角のレンズ軸線に沿って調節する。一定の格 子点Ａを、中実軸線に最も近い格子点と規定する。

鏡面３への垂線ＡＢ’　Ｂは、面３上に垂線の足Ｂ゛を、また虚像面５上に足Ｂ をもっている。格子か動くと、格子に固定されている点Ａが動き、垂線の￥Ｂ′ とＢ特表平５−５０２１３７　（３） は、それぞれ鏡面３および５に沿って動く。

波長λ。に同調された共振器で、部平面に、０．１．２、・・・・・・・・・、 ＮＳＮ＋１と番号をつけ、部平面０が固定鏡の面３上にあり、部平面Ｎが格子点 Ａによって示される格子溝にくるようにする。

虚像鏡表示で、部平面０は虚像面５に対応し、部平面Ｎは実像費用時の場合のよ うにＡに結び付けられる。

虚像表示では、各部平面は相互距離λ。／２て等距離にある。

光路長ＡＢは、 １−Ｎλａ　／２＝１＋　＋ａ　（ｎ　１）・−・・・・・・・・・・（３） であり、ここで１、は幾何学的距離ＡＢ″である。

第２図の各格子点は、部平面に対応して番号をつけることができる。格子点Ａは 順序数がＮである。格子を虚像として延長する。同調された共振器では、虚像格 子点は虚像鏡面５内に、つまり部平面０内にある。

従って、この格子点の順序数は０である。可動格子は、格子に固定した一連の番 号つきの点で表わされる。線ＡＣの長さは、Ｎｏｄである。

格子の関係式（２）と共振器条件（３）の両方が満たされるように格子を動かす ことによってレーザー共振器の波長同調を行うと、共振器のモード番号Ｎは波長 が変わっても保持される。格子に充分な分散性があるときは、共振器はたた１つ のモードだけに同調され技術の状態 光格子・鏡共振器を同調するための条件、つまり関係式（２）、（３）は、すて に以前から知られて０る。

この同調を行うために実際に用いられる方法（よ、２つの互いに独立した運動を 行なわせることにある。すなわち、（２）による格子の回転と、（３）による鏡 面に直角な格子の移動である。

しかしモードホッピングなしに、つまり、関係式（３）の縦方向順序数Ｎを変え ずに、同調を連続して変化しようとするときは、両方の動きを自動的に整合しな くてはならない。文献には両方の動きを機械的（こ接続して共振器の共振周波数 が連続的に変化するときに、共振モードの順序数Ｎが保持されるようにする方法 かいくつか提案されている。

第３図は、これまでに提案された同調可能な格子・鏡共振器の実際の構成を示し ている。

文献１　（Ｆ、　Ｆａｖｒｅほか−Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ− １９８６年７月１７日、第１巻２２．第１５号、　７９５−７９６ベージ；第３ ａ図）では、格子はアーム上に固定取付けされて０る。アームは２個の回転用軸 受を備えてＬ）る。１個（よ格子端部に、もう１個は他端にある。格子端部のも のはレールに沿って共振器軸の方向へ動く。もう１個（よ固定鏡の面と平行にレ ールに沿って動く。この機械１］装置によって格子の動きは関係式（２）と（３ ）を満たすように限定される。

文献１にはまた、小さい波長間隔では第３ａ図の固定点Ｐのまわりを格子が固定 回転することによって、同調条件を満たせることを示している。すなわち、この 点のまわりを小さく回転することによって格子が共振器軸の方向へ動くようにＰ は選ばれる。

文献１に述べられた解決法は、１個の固定鏡と１個の可動式反射格子をそなえた 共振器のモードホップなしの連続的同調に関するものである。この解決法の特徴 は、固定鏡によって限定される共振器の反射のために格子面の同一部分を使用す る要求を満たす点にある。

このことは共振器の定在波内の部平面の数が、新しい波長に同調されるときも変 わらないことを意味している。この原理に基いて構成された同調可能レーザーで は、格子が動くとき、レーザービームは格子溝に対して固定されたままである。

第３ａ図に示した文献１の解決法は、原則的には正確な解決法であり、分散のな い共振器で角度αの全範囲にわたって式（２）と（３）を模擬している。色分散 について補正するために、わずかな幾何学的補正を行えることが文献１に述べら れているが、これを行う手段については明記されていない。

文献１の結果は、実際に調整範囲が１５５０　ｎｗの固体レーザーで、１５−３ ０　ｎｉｌこ制限されていることを示している。第３ａ図の軸Ｐのまわりの剛性 回転による解決法では、同じ固体レーザーで、理論的にも実験上も、同調可能範 囲は、２〜３ｎ■となる。

文献２　（Ｊ、　Ｍｅｌｌｉｓほか、　”ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒ ｓ”、１９８８年８月４日、第２４巻、第１６号、　９８８−９８９ベージ：第 ３ｂ図）にも、同調可能な固体レーザーが述べられている。この場合には、格子 は開始位置へ、ねしによって調節され、微同調は圧電手段によって行われ、これ により、格子を傾斜、回転、移動させて０．５　ｎｍの間隔内でモードホップな し調整を行う。この調整ねしによって波長範囲１５１５−１５５５　ｎｍがカバ ーされる。

同調条件 共振器内の色分散のない同調条件 色分散なしの共振器とは、共振器内の媒質が一定と見なすことのできる屈折率を 有することを意味している（第４図〜第６図）。

第２図の同調鏡・格子共振器のモード番号Ｎは、Ｎ番目の格子溝、すなわち、第 ２図の格子点Ａに常に関係のある光定在波内のＮ番目の節平面によって規定され る。

格子点Ｃが第６図の固定座標系ｘ’、ｙ゛においてδｘ゛、δｙ′だけ動き、格 子がδα−βの角度で同時に回転するように格子を位ＫＯから位置１へ動かす。

虚像鏡面が位置１の線ＣＢにあるとすると、格子関係式と縦方向条件は新しい波 長でのＮ番目のモードにつ特表千５−５０２１３７　（４） いて満たされる。しかし、虚像鏡面は固定部分と関連があり、格子が動くときＸ ′輪軸上とどまる。そこで波長λ１てＮ番目のモードで離調となり、これを縦モ ード条件で表わすと δＮ−δｙ’／（λ１／２）　・・・・・・・・・・・（４）とすると、同調は 他のモードよりもＮモードによく適合する。これに対応する幾何学的変位条件は 、δｙ’＜λ１／４（−λ。／４）・・・・・・旧・（６）である。しかし、同 調は、格子の変位δＸ°によって影響されない（第６図）。つまり、格子はモー ドを離調せずにＸ方向へ移動できる。

結　論 同調を当初のモードＮに保持したいときは、共振器内での格子に許される動きは 、格子点Ｃのまわりの回転と、Ｘ軸に沿ったこの点の移行の組合せである。同調 周波数は回転によって変わるが移行によって影響されない。理想的な同調は別と して、Ｘ軸からのＣの変位がλ。７４未満のときは、上記の動きは他のいかなる モードよりもＮ番目のモードによく適合する。

共振器内に色分散を有する同調条件 第７図の共振器の場合、媒質は軸方向に距離ａだけ伸び、屈折率はｎであるか、 実際の鏡面から距ＭＬｖのところにある虚像鏡面を導入する。

Ｌ　ｖ　−ａ　（ｎ　−１）　−−（７）共振器内にいくつかの物質があるとき 、または屈折率が中実軸に沿って変動するときは、式（７）のＬｖは、和または 整数として表わされる。ｎを級数展開すると、当初の波長λ。にｎの導関数が現 れる。従ってａ、ｆ（λ０）からｆ”ｆ（λ。）ｄｚとなる。ここで、ｆ（λ０ ）は、ｎ（λ。）””ｎｏを表わし、その導関数は、 ｎ’　（λ。）−ｎ’、、ｎ”　（λ。）−ｎ″０．、。

である。

回転角αが大きくなると、共振波長が増加し、関連屈折率は一般に００からｎへ と減少する。虚像面は空間中で実像鏡の方へ δｌ’　−ａ　（ｎｏ　−ｎ）　・・・・・・・・・・・（８）だけ変位する。

格子面内で、Ｃに平行な軸Ｃ１のまわりにα。−Ｃ１だけ回転することにより、 Ｃは鏡に対してδ１−Ｋ（λ、−λ。）／２　・・・・・・・・・・・（９）だ け変位する。

関連間隔内でδｌ−δｌ°のとき、格子に関係し軸Ｃを通る節平面は、格子の回 転α内の虚像面を追随する。

Ｋ−２ａ　（ｎｏ　ｎｌ　）／　（λ１−λ。）ここで、Ｋはｎ’　（λ。）が 一定のとき一定である。

Ｋ−−２αｎ゛。　・・・・・・・・（１０）回転軸Ｃ１から格子線Ｃまての、 格子に沿った距離はＫｄである。一般に、Ｋは整数ではない。Ｃ３を通るに面は 定在波内の一定の相に対応する而である。Ｋが整数であるときにのみ、それは節 平面となる。

原則として、第７図のシステムを機能させるためには、２つの調節を行う必要が ある。回転軸は固定鏡面から与えられた距離Ｌｃ、になくてはならない。波長の 変化につれてスライドする虚像面に対応する距離は、Ｌｖ−ａ　（ｎ　１）　− −（１１） Ｌｃ、＝Ｌｖ＋にλ／２　・・・・・・・・・・・・（１２）０に近づくと、虚 像面はに面に近づき、線形に変化するｎは、定数ｎ（に近づく。

Ｌｃ、−ａ（ｎｃ−１）　−−（１３）距離り。は、格子の周期的規則に関して 、軸Ｃ１の一定相と関連がある。相位置調節の結果、Ｃ１に対して格子がくｄ／ ２だけ小さく変位する。

回転軸を別に選ぶことによって、高度の分散の効果を補正することができる。Ｃ Ｉを通り垂直な鏡上て軸Ｃ２を適切に選ぶことによって、Ｃ軸と虚像面の間のス ライディングの二次項β２は消滅する。

ｎを級数展開すると、 ｎｗｎｏ＋ｎ、）’　λβ＋ｎｏ”λ２β／２！＋ここで、λβ−λ１−λ。で ある。

Ｃ軸と虚像鏡面の間のスライディングは図８から得られる。

δｌ−δＩ　’　＝　３’ＣＩ　（ｃｏｓ　β−１）＋にλβ／　２−ａ　（ｎ ｏ　−ｎ） ・・・・・・・・・・・（１５） （１４）による級数展開でβとλβの３乗の項で、またＣＯ５βと（１０）を使 用し、λβに λβ− λｏ　（ｃｏｔα０β−β’　／　２−ｃｏｔ　ａ６β３／６）・・・・・・・ ・・・・（１６） を代入し、Ｙｃの値を Ｖｃ＋−ａ　ｎ”　ｏ　２ａ　’　Ｃｏｔ　２α０・・・・・・・・・・（１７ ） ε−（−λｏ　’　Ｃｏｔ　ｔｌｏ　ａｎｏ　−／　２＋λｃ　３ｃｏｔ　’α ｏａｇｏ　”’／６）・・・・・・・・・・・（１９） 第８図の座標系ｘ、ｙで座標Ｘ□とｙＩｌを有する新しい回転軸Ｒを選ぶと、回 転角βてのＣ２軸の変位は、δＹｃｚ−−ＸｐＳｉｎ　β＋ｙｐ　（１−ｃｏｓ 　β）・・・−・・・〜・・・・（２０） δｌ−δｌ゛−δ’／Ｃ２＋εβ３　・・　・・・・　（２１）となる。

特表平５−５０２１３７　（５） 式（２０）のｓｉｎβ　の３乗の項は、一般にεβ３に比べて全く関係がなく、 次のように書くことができる。

δＩ−６＋’−ＸＲβ＋３’ｌｌβ２／２＋εβ３・・・・・・・・・・・・（ ２２） この代わりに、関係式（２２）をＣの最初の位置（α−α０）を原点とする座標 系ｘ’、ｙ’内に書くと、次のようになる。

δ１−δｌ’＝　（Ｘ’ＲＸ’ｃｚ）β＋ここで、角α。ての軸Ｃ１とＣ２の座 標は、Ｘ’　（１−ａ２ｏ　ｎ’ｃｏｔαＯ＋　Ｙ’（＋＝ａλｏ　ｎ’　。

Ｘ　Ｃ２−Ｘ’ＣＩＩ　Ｙ’ｃ−ａλ２ｏ　ｎ　−ｃｏｔ’　ｔｌ。

・・・・・・・・・・・・（２４） （２２）が、選ばれた軸Ｒのまわりの回転角βでλ。

１４に等しいか、これ以上のとき、つまり、１６Ｎ＋〉１１２のとき、当初のモ ードＮは振動しない。モードＮでの安定した振動の最小限の条件は、１−ｘ８β ＋”／Ｒβ２／２＋ε／３’　ｌ＜λ／　４・・・・・・・・・・・（２５） である。

最初の位置での共振器が最適に同調され、Ｃが虚像面と一致するときは、関係式 （２５）は有効である。最初の位置のＣが、モードＮてＣに許された位置である 虚像面のまわりの土λ１４の部分の境界上にあるとき、Ｃが回転角βて一方の境 界からもう一方の境界へ行くときは次の関係が有効となる。

ｌ　ＸＲβ＋ｙＲβ２１．／　２＋εＢ３　ｌ＜λ／２・・・・・・・・・・・ （２６） 関係式（２２ンで、たとえばｘＲ−ｘε、またＹａ−０を選ぶと、１乗と３乗の 項は、関係（２５）を満足する一定のスイングの最も外側部分で互いに釣合う。

ｘε−３／４　３ＪＣελｏ）　、　ｙε−０・・・・・・・・・・　（２７） を有する軸Ｃεについては βｓｗｉｎｇ　−±３Ｊ（λｏｌε）・・・・・・＝　（２８）となる。

Ｃ２に許される角度スイングに比較して、（２８）でのスイングは３Ｊ４倍大き い。全スイングがβ５〉βｇとなるために回転軸Ｒがはいるべき許容領域を指定 することができる。制限スイングβｇを有するＣ２のまわりに許容領域を置き、 ここでβｇは（２２）の剰余項εβ３が無視できるほど小さいものとする。回転 軸を許容領域内に置いたあと、格子を格子面に沿ってｄ以内の距離だけ動かすこ とにより格子の最適調節を行い、軸が完全回転βｇ中にゾーン内に残ることを考 えて、虚像面のまわりにλ／２の幅をもつ許容ゾーンができるたけ有利となるよ うにする。Ｃ２のまわりのＲの許容範囲は、４つの線 ±λ／　２−ｘｇ　ｓＬｎ　１３ｇ＋ｙｇ　（１−ｃｏｓ　１３ｇ）・・・・・ ・・・・・・・　（２９） ２つの放物線 ｘ’ｇ−（±ｙｇ＋λ／４）　・・・・・・・・・・・・（３９）および半径が ｒ＝λ／　２　（１−ｃｏｓβｇ／２）　・・・・・・・・・・・・（３１）で あり、原点に中心を有する円によって限定される。

第９図の許容領域は砂時計のような形をしており、βｇの値が小さいときはそれ はｙ軸に沿って大きく伸びる。ｙ軸に沿った全長は２「であり、最大幅は２Ｘ２ 　＝２　ｒ　ｓｉｎ　（βｇ／　２）　−・・・＝−−−−−−（３２）である 。腰部針での全幅は、 ２ｘｏ−λ／ｓｉｎβｇ　・・・・・・・・・・・・（３３）である。砂時計は 、８ｇ３およびそれ以上の項が無視できるときにのみ許容領域を表わす。スイン グβｇが大きい値をとるときは、砂時計にある許容スイングβ、〉βｇの軸、た とえばＣεが存在する。回転軸について実際に興味深い選択領域Ｔ−２ｒ・２　 Ｘ　２を与えることができ、ここでパラメータｒおよびＸ２は、８ｇ−１０ミリ ラジアンのときに選んだものである。

回転軸Ｒのための選択領域の中心はＣ２のまわりにあり、鏡に直角な方向での全 長は８００００λ　てあり、鏡面に平行な方向での全幅は４Ｃ１（ｌλ　である 。

Ｔ　−８００００λ　＊４００λ　・・・・・・・・・・・・（３４）数値の例 次のデータを有する共振器で半導体物質を選ぶ。

ｎｏ　＝３．１８４　；　ｎ’　ｏ−−１）、１８８μ層−１：ｎ　”　ｏ　＝ ０．２９０μ１ｌ−２ ｎ　”’　。−−Ｉ！２．ｃｚｍ　−３λ。−１，４５μ−ａ−５００μ■　α 。−４５″これによって ε−−４８８μＩＩ　Ｘ’ｃ＋−１２０μ劇Ｙ’　Ｃ＋　冒−１２０μｍ Ｘ’　ｃ２−−１２０　μｍ　ｙ’　Ｃ２−−４２５μｍＸと一一７６μｍ 第９図の砂時計ではＣεのだめの全スイングがβ−２３Ｊ（λ。／ε）−１６， ５’のときは腰部は　Ｘ。−上２゜５５７１１１である。軸Ｃεは、項εβ３の 結果として砂時計の外側にあり、εβ３はその定義によって１乗の項と釣合うた め選ばれているため無視てきない。他方、平衡手順で仮定したように、（２０） の３乗項、すなわち ＸＥβ’　／　６−１．２７β３ は、εβ３−−４８８β３に比較して無視することができる。

下記の表は、上記の数値データをもとにしたものであるが、最も好ましいモード として共振器内で保持される当初の振動モートで達成できる波長スイングを示し ている。一方、たとえばレーザー共振器で全スイングにわたって安定した振動が あるとは考えられない。

特表千５−５０２１３７　（６） これには表の値を２倍だけ縮小したものが当てはまると思われる。表の各軸は第 １０図に対応している。

回転軸　Ｃ２Ｃε　ｃｌｐ　ＣＤ スイング　±１３０　±２１０　±７０　±４　±４　±０４（ｎｉ） 発明の開示 本発明の目的は、広い周波数域にわたってモードポツプなしに簡単に波長同調で きる同調可能な光共振器を提供することである。この共振器は波長可変（チュー ナプル）レーザーで使用することができる。

本発明のもう１つの目的は、固定周波数で可変。値を有する光共振器を提供する ことである。

本発明の基本的特徴は次の通りである。すなわち、１、固定鏡の面に平行な格子 の動きは、一定の共振周波数までは同調に影響しない。他方、共振ゾーンは格子 面の全面をカバーし、定在波での節平面の数が変化する。このことは、格子が固 定鏡に平行に移動するときは、共振器のＱ値は変化するが共振周波数は維持され ることを意味する。

２、第５図に示すように、空気（真空）中の最初の格子位置で同調された格了鏡 共振器では、格子溝は鏡に平行であるか、格子満面と鏡面の間の交線Ｃのまわり を格子か回転するときは、同調は共振に維持される。格子を線Ｃのまわりに回転 させると、共振周波数は連続的に変化するが、一定の格子溝と固定鏡の間での定 在波内の節平面の数は保持される。つまり、モードホップなしに同調が行われる 。回転中に、共振器ゾーンは格子面上をすべり、ゾーン内の節平面の数が変わる 。すなわち、Ｑ値は連続的に変化する（第４図および第５図を参照）。

３、空気中の共振器について示された同調条件は、実像鏡をその虚像鏡面により 置換えると、濃密媒質についても有効である。新しい波長に同調させると、虚像 鏡面は波長分散に応して垂線方向へスライドする。

格子内に固定され、格子面と虚像鏡面の間の交線を構成する回転軸か共振周波数 の変化につれてスライドし、虚像面を追跡するときにのみ共振器の同調は維持さ れる。

４、　Ｒのまわりを回転するＣが共振波長が変わるにつれて虚像面の位置の変化 を追うように回転軸Ｒを選ぶと、格子の固定交点が虚像鏡面内にあるという条件 を、広範囲の波長および角度で達成できる。波長分散ｄｎ／ｄ２が一定であるよ うな波長領域では、Ｒは空間定在波の定位相面および格子面の交線Ｃ１として選 ぶべきである。Ｒを０１を通る鏡上の一定の軸Ｃ２とすることにより、２乗まで の角度βの変化を含む項について補整することもてきる。またＲを０２から少し 変えて、βとβ３の項ならびにβ２とβ４の項が互いに補整するようにすること によって、β３またはβ４によって定まるＣと虚像面の間のスライディングを大 きく補整することかできる。

５　共振器のＱ値に比例する標準因子Ｎを、虚像面との交線Ｃと共振器中心軸と の交点５の間の、格子面上の格子溝数と定義することができる。一般に、格子が 回転するとＮは変化する。回転かＳを通る格子線のまわりで行われるときにのみ Ｎは変化しない。格子が固定鏡に平行に移動すると常にＮは変化するか、共振周 波数は変わらない。

６、平面鏡を備えた格子・鏡共振器のために示された同調条件は、曲面鏡を備え た共振器にも適用できる。鏡と共振器の交線上での曲面鏡の接平面が、虚像鏡面 の計算のための開始点として平面鏡にとって代わる。

発明を実施するための最良の形態 本発明にもとづく方法によって、格子の位置が変化するときに同調されるために 同調格子・鏡共振器によって満たされるべき条件が示される。この原則をもとに して、モードホップなしに共振波長とＱ値を変化できるような実際的な共振器設 計を行うことかできる。

共振波長の変動のための主な解決法が、固定軸のまわりの格子の回転により示さ れた。回転軸は共振媒質内の色波長分散によって選択する。回転軸を適切に選ぶ ことによって広い波長域をカバーすることができる。

与えられた波長間隔をカバーするために可能な回転軸の位置決めのための許容領 域が与えられる。

本発明の第１の実施例では、格子が取付けられている軸受支持アームの固定回転 により、機械的に簡潔な設計を実現することができる。

本発明の第２の実施例では、たわみ曲げ部材を有する格子の単純な回転運動を含 む設計を実現することかできる。　本発明の第３の実施例では、格子か取付けら れている。ｔ：わみ曲げ部材に懸架したアームの剛性回転により設計を実現する ことができる。

上に述べた各実施例の最も重要な応用は、波長可変レーザーのための光共振器で ある。一般に、測定技術、たとえば分光測定では、波長レーザーを本発明によっ て達成できるモードホップなし設計で使用する必要かある。この場合、モードホ ッピングのレーザー光源にとって不可避の結果である突然の強度ジャンプを避け ることか望ましい。

純粋の光共振器として、本発明は測定技術では波長可変性の光フィルターとして 、また干渉計として使用することができる。本発明によって光共振器のＱ値を変 化させることにより、フィルタまたは干渉計の波長鋭敏度を連続的に変化させる ことができる。

本発明の応用か可能なもう１つの分野は、電気通信の分野であり、この場合には 共振器のＱ値を変えるこ特表平５−５０２１３７　（７） とにより、信号伝送に対するレーザー光源の周波数幅の影響をしらべることかで きる。

本発明による格子回転を行うための装置］、軸受支持軸のまわりの剛性回転 固定軸のまわりでの格子回転は、いくつかの異なった方法で行うことかできる。

最も簡単な方法では、第１１図のように格子を剛性アーム上に取付ける。軸受に よって機械的に誘導されるアームは、ＸＲ％　ｙＲてその回転中心Ｒのまわりに 回転させることかできる。軸受は、玉軸受、ころがり軸受または滑り軸受のいず れでもよい。もちろん、もっと複雑なタイプの軸受、たとえばガス軸受または磁 気軸受を考えることもできる。

２、圧電素子による回転 そのまわりに格子を回転する軸は、運動を行う機械的装置の「外側に」あっても よい。第１２ａ図と第１２ｂ図はこの例であるが格子を回転させるため圧電（Ｐ 　Ｚ）素子を用いるには２つの異なった方法がある。

装置の作動電極にプラスまたはマイナスの電圧を加えるとき、圧電素子がその長 さを変えるようにすることができる。たとえば、第１２ａ図の２個の圧電スタフ クが逆の位相で駆動される（１つは膨張し、１つの収縮する）と、格子の回転は この２つの圧電スタックの間にある軸のまわりで行われる。しかし、スタックの うちの一方の長さをもう一方のものから大きく変えることによって、回転点を柱 （パイル）の延長線に直角な方向へ動かすことができる。第１２ｂ図てＰＺ−１ の長さをＰＺ−２の長さよりも大きくする。第１２ａと第１２ｂ図に示した例は 、単なる提案例にすぎない。実際の設計は、これに似た多くの他のやり方で構成 することができる。

３、たわみビームの曲げ 固定軸のまわりの回転を簡単に行う第３の方法は、第１３ａ図のように弾性材（ ビーム）のたわみ性を利用することである。弾性ビームは長さかｈてあり、その 一端がクランプでしっかりと固定されている。力Ｆが加えられると、ビームは曲 がり、端部断面の対称点により示されるその自由端は、荷重を受けない静止位置 から距離δだけ変位する（以下でビームの変形というときはビームの対称線の変 形を意味する）。ビームは次第に新しい（変形された）状態となり、自由端は最 初の方向（つまり変形していないときの方向）と角度γを形成する。ビームの自 由端の運動はビームのクランプ固定点から距離ｈ／３にある回転の固定中心Ｒの まわりの回転となる（γ’＜＜ｌ）。力Ｆを加える代わりに、第１３ｂ図のよう にねしりモーメントＭ′を加えると、たわみ材の自由端は固定軸のまわりを回転 する（固定軸はこの場合ビームの固定点から距離ｈ／２のところにある）。力Ｆ とモーメントＭ°を同時に加えると、状況はさらに複雑となる。一般に回転の中 心は、力とモーメントの大きさと方向の関数である。しかし、モーメントが力に 対して線形に変化する、っまりＭ“−ＫＦとなる特殊な例を考えると、ビームの 自由端は固定軸のまわりを回転する。しかし、回転中心の位置は、比例定数にの 長さと大きさによって定まる（Ｋはプラスとマイナスの両方をとることができ、 またここでは小さいたわみ角γ２くく１を想定していることに注目）。

格子の回転時に、たわみビームは、たとえば第１３ｃ図のように構成することが できる。この場合、格子は空間内に固定されている架空の軸Ｒのまわりを回転す る。実際に格子をたわみビーム上に取り付ける際に点Ｃ２がモードホップなし同 調のため望ましい位置にくるように、つまりＲがＣ２のまわりの許容領域内にく るように構成することができる。

第１４図はたわみ屈曲のもう１つの可能な例を示すものであるが、この場合、回 転はいわゆるたわみヒンジＦＨのまわりて行われる。

この場合にもＲがＣ２のまわりの許容領域内にくるように幾何学的配置を選ぶこ とができる。

第１３ｃ図および第１４図に示した実施例は、固定点のまわりの固定屈曲の代表 的な例にすぎないと見るべきである。実際の設計を多くの似たようなやり方で構 成することができる。

図面の説明 第１図 ａ）高度反射鏡と部分反射出力鏡をそなえたレーザー共振器。２つの鏡の間には 放射増幅物質がある。

ｂ）光周波数の関数としての活性物質の増幅。

Ｃ）レーザー共振器内での可能な振動周波数。

ｄ）放射ビームの周波数スペクトル。

４１２図　波長分散部材として光格子Ｇをそなえた共振器。Ｍは格子凹部の平均 面。断面は格子溝ＧＲに対して直角である。溝間の距離はｄ０格子点Ａは凹面格 子の平均面上にあり、格子溝を表わす。

格子表面は必ずしも階段型でないことに注意。たとえば格子表面は格子がホログ ラフィ−法で作られる場合のように正弦波型であることもある。番号３は実像鏡 面を、５は虚像鏡面を示す。４は放射増幅物質を表わす。

第３ａ図　文献１による装置。矢印はそれぞれ回転方向と移動方向を示す。

第３ｂ図　文献２による装置。Ｊ、−Ｊ３は調節ねしてあり、ＰＺは圧電素子、 Ｇは格子、ＬＤは半導体レーザーチップ、Ｆは光ファイバ、Ｌはコリメータレン ズである。

第４図　空気（真空）中の格子・鏡共振器。鏡２は固定され、共振器の位置を決 定する。共振器の端部には、鏡面に平行な格子溝をそなえた可動格子Ｇかある。

同調条件を考察するため、周期性構造の格子面と鏡面を特表千５−５０２１３７ 　（８） 実際の延長をこえて延長する。その交わるところが格子固定線Ｃである。格子と 共振器の相対的移動ｔは、λ。ての共振に対する同調に影響を与えない。他方、 共振器軸に沿った定在波内の半波長の数は、ＮｏからＮ１へと変化する。共振器 媒質は空気である。以下の考察では、理論上の真空波長の代わりに実際に用いら れている空気中ての波長について述べる。すなわち、屈折率はすべて真空ではな く空気中のものである。

第５図　空気中の共振器では、固定鏡２と可動格子Ｇ上の点の間での、定在波内 の節平面の数は、格子が格子と鏡面の間の交線Ｃのまわりを回転するときは保持 される。しかし、固定共振器ゾーン内の節平面の数は変化する。

ＳｏとＳ、は、２つの異なった格子位置についての、格子面と共振器の対称軸と の交点を定める。格子角が変わるとこの交点は格子面上を動く。

第６図　位置０は、第２図の初期同調状態に対応している。位置１ては格子点Ｃ がδＸ゛、δｙ°だけ、また格子面ＡＣがその最初の位置に対して角度βだけ回 転するように、格子が動いている。

第７図　共振器鏡２と回転軸Ｃ１は、格子の回転時は空間内に固定されている。

格子の回転時には、共振器の波長、したかって共振器内の関連屈折率は変化する 。

αがα＋βへと増加すると虚像面５はδｌ゛たけ固定鏡に近づく。同時に格子置 部平面はαか増加すると同じ方向へ変位する。同調を保持するためには格子線Ｃ および節平面０の変位δｌは、δｌ゛に対応しなくてはならない。これは屈折率 ｎが波長に対して線形に変化する場合に可能である。

第８図　ＣＩに対して垂直な鏡上の軸Ｃ２のまわりの回転角βて、虚像鏡面５に 対するＣ軸のスライディングδｌ　−δ１°の計算。

第９図　回転軸Ｒの位置を決めるための、Ｃ２のまわりの許容領域。許される全 回転β、〉β、は、各四分区間内において線（ｘｏ、ＯからＸｌ、ｙｌ）、放物 線（Ｘ１ｓ　ｙｌからＸ２．３’２）及び円（Ｘ２．）’２から０、ｒ）によっ て与えられる部分に限定されている。第１０図　４３節の表で用いられている回 転軸の位置。文献１で用いられている回転軸の位置は明らかではないがβの概算 のためには、使用される鏡からかつ基準面から約９０１１Ｉのところにあれば充 分である。

第１１図　格子Ｇは、ＸＲ％ＹＲにある軸Ｒのまわりを回転できる剛性アームに 取付けられる。ＲはＣ２のまわりの要求された許容領域内にある。

第１２ａ図および第１２ｂ図　圧電（ｐ　ｚ）素子による格子回転。第１２ａ図 では、格子は２つの圧電スタックの間にある点Ｒのまわりを回転する。第１２ｂ 図では、回転点は２つの圧電スタックに対して直角の側面方向に変位する。いず れの場合もＲが要求された許容領域内にくるよう構成されている。

第１３ａ図　一端をしっかりとクランプで固定したたわみ部材の曲げ。クランプ 固定面から距離りのところで作用する力Ｆによって変形を生しさせる。ビームの 自由端はクランプ固定点から距離ｈ／３の点Ｒのまわりを回転する。

第Ｈｂ図　ビームの自由端に作用するねじれモーメントＭ°によってたわみ部材 を変形させる。この場合、自由端はクランプ固定点から距離ｈ／２の点Ｒのまわ りを回転する。

ｍ１３ｃ　図　格子ＧはホルダーＨによってたわみ曲げ部材ＦＥに固定されてい る。たわみ部材は図ではその軸方向対称線によって示されている。ビームの曲率 中心が点Ｃ２と一致するよう。またはＣ２のまわりの要求された許容領域内にく るようにクランプ固定点を選ぶ。

第１４図　弾性たわみヒンジＦＨのまわりの格子回転。

ＦＩＧ、１ａ ド し 国際調査報告 ＦＩＧ、１３ａ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．部分反射共振器鏡（２）とこの共振器鏡（２）に平行な溝（ＧＲ）を備え、 波長選択反射器として機能する可動式反射光格子によって構成され、鏡と格子の 間に光素子を有し、前記光素子が共振器内の放射の視準、増幅（４）および濾過 のために設けられた、共振周波数のモードホップなし同調及び光共振器のＱ値の 同調を行う方法において、 共振器の共振波長（λ）またはそのＱ値が変化するとき、格子溝（Ｍ）の面と共 振器鏡の虚像鏡面（５）の交差により共振器の最初の同調位置に限定される格子 上の線（Ｃ）が、虚像鏡面からλ／４以下の距離のところにとどまるように格子 が動き、共振器媒質内の色分散の結果、運動中に前記共振周波数を有する固定鏡 ヘスライドすることを特徴とする方法。
2. ２．格子（Ｇ）が、共振器鏡（２）に対して固定されている実像のまたは虚像の 軸のまわりを回転するとき、共振波長（λ）が変化することを特徴とする請求項 １記載の方法。
3. ３．鏡面（３）に平行な共振器鏡（２）に対して移動中のまたは移動した実像の または虚像の軸のまわりを格子（Ｇ）が回転するとき共振波長（λ）が変化する ことを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. ４．格子（Ｇ）が共振器鏡（２）に平行に移動し、共振器のＱ値が一定の共振周 波数で変化することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. ５．最初の同語位置から角度（β）だけ回転したとき虚像鏡面（５）に対する格 子（Ｇ）上での線（Ｃ）のスライドが、３乗またはそれ以上の（β）の項を含む だけの（β）のべキで記述できるように軸（Ｃ２）のまわりの回転を選ぶとき、 共振波長（λ）が変化することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. ６．最初の位置で軸（Ｃ２）のまわりに中心があり、鏡に垂直な方向での長さが ８００００λであり、幅が４００λであるような長方形領域内で、軸のまわりの 回転が行われるとき、共振波長（λ）が変化することを特徴とする請求項２また は３のいずれかに記載の方法。
7. ７．部分反射共振器鏡（２）と、この共振器鏡（２）に平行な溝（ＧＲ）を備え 、波長選択反射器として作用するようされ、鏡と格子の間に光素子を設けること のできる可動式反射光格子を含む光共振器から成り、前記光素子が共振器内の放 射の視準と増幅（４）のために設けられている請求項１記載の方法を実施する装 置において、 格子の動きが、たわみ曲げ部材によって行われることを特徴とする装置。
8. ８．部分反射共振器鏡（２）と、共振器鏡に平行な溝（ＧＲ）を備え、波長選択 反射器として作用するようされ、鏡と格子の間に光素子を設けることのできる、 可動式反射光格子を含む、光共振器によって構成され、前記光素子が共振器内の 放射の視準と増幅（４）のために設けられている、請求項５または６のいずれか に記載の方法を実施するための装置において、回転軸Ｒが軸受支持軸によって構 成され、光格子が回転軸Ｒのまわりを回転できる剛性アームに配置されているこ とを特徴とする装置。
9. ９．格子回転がたわみ曲げヒンジ（ＦＨ）のまわりで行われることを特徴とする 請求項７記載の装置。
10. １０．たわみビーム（ＦＥ）の一端に、光格子が取付けられ、もう一方の端がク ランプで固定され、格子端に力（Ｆ）が加えられ、自由端が非変形時のビームの 最初の方向と一定角度（ア）を形成し、クランプ固定点からビームの長さの１／ ３の距離にある中心のまわりを格子が回転するようにビームが変形均衡状態をと ることを特徴とする、請求項７記載の装置。
11. １１．たわみビーム（ＦＥ）の一端に光格子が取付けられ、もう一方の端がクラ ンプで固定され、格子端にねじりモーメント（Ｍ′）が加えられ、自由端が非変 形時のビームの最初の方向と一定角度（ア）を形成し、クランプ固定点からビー ムの長さの１／２の距離にある中心のまわりを格子が回転するようにビームが変 形均衡状態をとることを特徴とする請求項７記載の装置。
12. １２．たわみビーム（ＦＥ）の一端に光格子が取付けられ、もう一方の端がクラ ンプで固定され、格子端に力（Ｆ）とＦに比例する回転モーメント（Ｍ′）が加 えられ、自由端が非変形時のビームの最初の方向と一定角度（γ）を形成し、非 変形時のビームまたはその延長線上の１点にある中心のまわりを格子が回転する ように、ビームが変形均衡状態をとることを特徴とする請求項７記載の装置。