JPH06511600A - 外部空洞をもつレーザー - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 外部空洞をもつレーザ一 本発明は、外部および内部からの擾乱に対して安定なレーザー装置を構成し、調 整する方法で、レーザー装置は少なくとも三つの要素から構成される。すなわち 、ある波長帯の光学的放射線を発生するレーザー素子と、レーザー素子から放射 される放射線をコリメートする（平行にする）ためにレーザ一部品の中に配置さ れる光学コリメータと、平行な格子溝をもつ平面反射格子とで構成され、平面反 射格子は、し〜ザ一部品の一方の端部とすることのできる平板反射面と共に、共 振器を形成して、レーザーにより放射される放射波長を選択する。

ｔｉ立且ｌ 小型で、単純で、安定した、長寿命で、スペクトルが純正で、良く限定された光 学的周波数を持つレーザーは、今日にいたるもまだ実現していない。外部共振空 洞が配備された半導体部品の形をとる固体レーザーは、もしそれが小さくて安定 したものに出来れば、前記の要求を満足するものとなる。そのようなレーザーは 、実際的な観点からは、−゛　レー　−と呼ばれる。

基本的には固定周波数レーザーに対応する実際的な特性をもち、しかし、使用環 境によらずその波長が固定されている、単純で安定なし〜ザーもまた望まれる対 象である。大気の環境、あるいは機器周辺のガス環境が例えば圧力や温度に関し て変化しても、その放射波長が一定に保たれる形の周波数調整が行われるレーザ ーは、肛−波」Ｌｊ二二１−と呼ばれる。

−固じｔ士二二２乙ニーという言葉を、二つの異なる言葉、すなわち固定周波数 レーザーと、固定波長レーザーに使い分けるのは、実際的な興味からである。接 頭語である固定とは、実際的な観点からの周波数あるいは波長が、内部あるいは 外部の環境の意図的でない変化、すなわち、温度変化や機械的なショックあるい は湿度の変化に対して常に一定は保たれることを意味する。一方では、接頭語の 固定という言葉は、周波数を制御する５１能性を示１ものではない。周波数を強 制的に変化させる、あるいは変調させることは、固定レーザーの様々な実施例に は、前もって想定されている。すなわち、周波数の変化は、たとえばピエゾ圧電 効果による力によってレーザー装置の空洞のくｔ法を機械的Ｉ、：変化させたり 、レーザ一部品などの温度を変化させたりすることにより実現される。

多くの応用例では、レーザーが固定周波数をもつもので十分である。しかし、周 波数がある価に固定されている、あるいは周波数が変化できることは、必ずしも 必要でない。これは、レーザーが、安定した外部環境での干渉測定のための光源 として使用される場合、あるいは測定粘度に対する要求がそう厳しくない場合に 当てはまることである。典型的な応用例は、製造工業などにおける、対象物品の 幾何学的ＸＪ法の測定、位置の変化の読み取りなどへの応用である固定レーザー が固定周波数を持つだけで十分で、周波数を変化させる必要のない応用例は、レ ーザーを、レーザー光源の光学周波数の変化の測定に、局所的な発信器として使 用する場合である。

一方、レーザーが、変化４る大気の外部環境化で、精密な干渉測定に使用される 場合には、レーザー光の空気中の波長を一定に保つことが必要である。つまり、 周波数が、大気のパラメータの変化にしたがって、ｉ１１節されなければならな いことを意味する。

固定レーザーの多くの意図的な応用例では、その周波数を制御出来ることが必要 である。固定レーザーの分光分析への応用、すなわち、ガス分析などの場合には 、レーザーの周波数が、吸収線の周波数に一致するように調節しなければならな い。別の言い方をすれば、レーザーの周波数を、吸収線をふくむような周波数対 域で、掃引しなければならない。

ピエゾ圧電効果あるいは同じような種類の力によってレーザーの外部空洞の幾何 学的寸法を変化させることにより、固定レーザーの周波数を変化させるあるいは 変調させる必要のあるも　つの応用分野は、情報の伝達に係わる光学通信および 関連分野である。

以上をまとめると、固定レーザーは、計測技術、分析技術、検知技術、あるいは 情報技術にかかわる応用分野で、光源としての多くの応用が期待されている。

固定レーザーを実現することは、多くの技術的問題に対する解答を与えることと なる。

レーザー装置の中の光学部品を製作しアラインメントする通常の機械的方法では 、限られた精度しか達成できない。位置精度あるいは角度精度で言えば、これら は典型的には、それぞれ、１０μ■および１ミリラシ゛１ンである。さらにコス トのかかる製作方法を使えば、その精度は幾分か改善される。上記の精度は、レ ーザーの外部空洞を、レーザー発信するように保つには十分ではない。これを実 現するためには、位Ｗｌ精度で（１／１０）μｍあるいは（数／１０）μｍ、角 度精度で（１／１０）ミリラノ゛アンあるいは（数ハ０）ミリラシ゛アンの精度 が必要である。

＋１一 本発明が解決しようとする第一の課題は、小型で、長寿命で、スペクトルが純正 で、良く限定された光学的周波数を持ち、内部およしない固定レーザーを実現す ることである。

本発明が解決しようとする第二の課題は、単純な構造を持つ固定レーザー、すな わち、組み立てるのが簡単で、調整には最小限の努力しか必要としない、また、 その周波数を保持するように、調節された位置に部品が固定できる、固定レーザ ーを実現することである本発明の第三の！！題は、外部空洞の幾何学的な寸法を 変化させることにより、その周波数が制御できるあるいは変調できる固定レーザ ーを実現することにある。

本発明の第四の課題は、光源の　が、外部の空気やガス環境の変化があっても、 常に一定に保たれる固定レーザーを実現することである。

本発明の以上の課題は、添付された請求の範囲に特定される方法によって実現さ れる。

本発明で注目する基本的な観点は、格子共振器をもつレーザー装置を配列する過 程できわめて重要な二つの方向、すなわち、コリメートされた放射光の方向ＬＯ と、格子の溝の方向Ｇがあることである。これらの二つの方向が直角になるとき 、レーザー装置はきちんと配列され、次の回折格子の方程式 ％式％（１） によって決められる波長をもつ光が、回折格子がら入射光に対して反対の方向に 返される。式（１）で、＾は波長で、Ｎｏは回折の次数で、ｄは回折格子の溝間 隔で、αは回折格子に対する光の入射角度である。返ってくる光は、レンズによ って収束され、このレンズは、光を、光が放射されるレーザー装置の点あるいは スポットに収束する。このように、もし、上記の方向の間の角度Φが９０＠にな るとき、このレーザー装置は発振出来るようにきちんと配列されたことになる。

しかし、レーザー発振するためには、さらにもう一つの条件が必要である。

レーザー素子は回折格子の条件（１）式を満足する波長＾０で発振しなければな らない。αの正確な値α。はあらかじめ決まっているものではなくて、装置の組 み上げの過程で、あるいは角度Φを調整する過程で、ある想定された値あるいは 公称の値がらずれるものである。レーザー装置はこのように、λ０の波長帯で発 振出来るものでなくてはならない。

固定レーザー素子として応用されるひとつのタイプである半導体レーザー素子を 使う場合には、波長λ。がレーザー素子の波長帯に来ることの要求を満たすのは 困難ではない。典型的には、公称＾：１．５５μｍの波長で発振する半導体レー ザーが、波長帯１．５０−１゜６０μ園のレーザー光を発振するために使用され る。回折格子の式（１）によると、　Ｎｏ　＝　１、λ、＝　１．５５μ■、　 α：４５°を使うと、波長帯域＾１−＾、　＝　１．５５±０．０５μ腸は、角 度範囲　α、−α、＝４５″″±２′″に対応する。このように、角度αは、＾ が発振可能な波長帯にはいるように、あらかじめ容易に選択できる。

コリメートされた光の方向は、第１図に示される線ＬＯで定義され、その方向は 、レーザ一部品の口径と、すなわち、半導体部品の場合には約１μ難の放射チャ ネルの端部表面と、レンズの光軸中心０とを結ぶ線である。今問題にしている線 に対するレンズの傾きは決定的に重要というわけではない。これは、光軸に近い 平行光線に対して焦点面に良好な点像が得られるという事実に対応している。

光学部品の位置の調整で、（１／１０）μ■あるいは（数ハ０）μ■の精度が必 要であるとの、前に述べた要求は、コリメーションの方向ＬＯと回折格子の溝の 方向Ｇを含む平面に関してで、方向Ｇに注目している。対応する、角度調整の精 度に対する要求は、上記に記述した平面内での角度に関するものである。

コリメーションの方向での調整、すなわち、レンズとレーザ一部品の間の距離の 調整は、方向の変動に対して必要な精度よりも、おそらく十倍低い精度で行われ なければならない。可能な方法は、レンズ部品のユニットとレーザ一部品のユニ ットを別々に製作し、それを調整することである。レーザーが二つのモードの間 の不安定な点で振動するのを避けるために必要な、空洞の長さの＾ハまでの微調 整は、レーザ一部品の屈折率の変化を通じて、すなわち、部品に流す電流あるい は部品の温度を通じてレーザーを発振させながら行うのがもっとも良い。

本発明の背景となる仮定は、固定レーザーの構造体部品、光学部品のホールダー などを通常の工作精度で装造し組み立てるのが可能であるという仮定である。本 発明の基本釣行えは、固定レーザーを組み上げた復、波長帯＾１−λ２の中で、 あらかじめ設定された値＾０と全く同じではない波長で、最適な発振ができるよ うに、最終的な調節が、レーザーの光学部品の一つを回転させることにより行わ れ、その後にそれを固定することである。

第２図および第３図は、最終的な回転による調整の例を示す。例えば、レーザ一 部品１が、溝の方向Ｇに対してほぼ垂直な固定軸にのまわりに回転されたとする と、レーザ一部品の開口部りと、レンズの光字中心０の間の１ｉＬｏは振動し、 その頂点が０であるような円錐を描く。また、かわりに、レンズが同じような方 法で回転されたときには、回転のある角度での線ＬＯは回折格子溝に垂直、っま りΦ：９０６になる。円錐角度の選択は、Φ＝　９０”の状態に到達したのを確 かめるために、回さなければならない回転量を決めることとなる一つの部品、即 ちレーザ一部品の回転は、その軸が回転軸にとなるように、円筒管の中に偏心さ せて部品を配置することにより実現される。もし、レンズが、レーザ一部品を回 転させる管の中に対称的におかれたときには、ＬＯの円誰状の揺れ動きは、レン ズが離れて固定されたときと同じ動きとなる。

回転されるのがレーザ一部品であるときには、円錐角度を十分に大きく選ぶ理由 がある。すなわち、レーザ一部品の姿勢が変わらないようにするためで、姿勢が 変われば発振される光の偏光性に問題が生じるからである。もし、レーザ一部品 の代わりに回折格子を回転させる場合にも、対応する同じ問題が生じる。しかし ながら、回転されるのがレンズである場合には、この問題は起こらない。

図面の簡単な説明 本発明について、以下に、添付された図面を参照しながら、本発明の実施例のい くつかの例を記述する。

第１図は、本発明によるレーザーの光学部品の配置を模式的に示す。

第２図は、本発明によるレーザーで、コリメーションＬＯの方向を変化させるた めに、レーザ一部品を回転させる様子を示す。

第３図は、本発明によるレーザーで、コリメーションＬＯの方向を変化させるた めに、レンズを回転させる様子を示す。

第４図は、本発明の固定レーザの第一の実施例で、主軸＾に沿った中央断面図を 示す。

第５図は、第４図の断面の平面に垂直な、第４図の固定レーザーの中央断面図を 示す。

第６図は、本発明の固定レーザの第二の実施例で、主軸＾に沿った中央断面図を 示す。

第７図は、本発明による固定レーザーで、調節機構の付いたレーザ一部品のホー ルダーの実施例の前面図を示す。

第８図は、本発明の第一の実施例による固定レーザーの爆接シームを示す。

第９図は、本発明による固定レーザーで、能動的な温度制御および断熱の施され た例を示す。

第１０図は、本発明による、ある外部環境で、光源の波長を一定に保つ固定レー ザーの配置を示し、波長は、しっかりとレーザーに取付けられ、外部環境に大気 を通じて接触している波長検知干渉計からの信号をフィードバックすることによ って制御される。

第１１図は、第１０図の配置にさらにレーザー、二つのレーザーからの光を重ね 合わせる光学部品、および、本発明による外部環境の屈折率の変化を測定するた めの二つのレーザー光検出器が加えられた例を示す。

第１２図は、たくさんのシート・タップの上へのホログラフ用回折格子の共通の 応用のための固定装置の断面図で、ａ）は、シート・タップに直接、ホログラフ ィック層を配置する装置で、ｂ）は、シート・タップに固定された基板に、ホロ グラフィック層を配置する装置第１３図は、半田付は用の舌をもつヒンジ・タイ プのレーザー用附属品を示す。ａ）は、附属品の前面図で、ｂ）は、ａ）の平面 に対して垂直な断面図を示す。

第１４図は、多くのレーザー附属品の同時製造における、基板、絶縁体ブロック 、および半田付けよう舌の接合部を示し、ａ）は、基板の連続シートの一部と、 半田付けよう舌シートとブロック装置の詳細を示し、ｂ）は、ａ）の前面図に垂 直な断面Ｂ−Ｂを示す。

１１五 第４図に示される第一の実施例の固定レーザーは、回転対称で、主軸＾にその軸 がそろえられた、中心軸をラインナツプするための内径１７のある本体部１０を もっている。シリンダーにぴったりはまりあう、すなわち、±０．５μｍという 高い精度ではまりあう回折格子の台座１３が、位置調整用内径に差し込まれてい る。レンズ２が管１２に固定され、一方、この管は、管１１に差し込まれている 。管１２の管１１に対する相対的に最適な位置は、調整用固定台の上などで別々 にテストされ、放射光５があらかじめ決められた公称の波長値にコリメートされ ているかどうかチェックされる。その後に、管１１と管１２はお互いに、例えば 溶接法によって固定される。

レーザ一部品１と、レーザーを出ていく光ビーム１５をコリメートするコリメー ター・レンズ１４は、それぞれ管１１と管６とに装着され、本体部１０にある二 つの円筒形の支持部にはめこまれる。部品類はこのように、すべての管の軸が主 軸Ａに一致するように、入れ予成の原理にしたがって、お互いに組み合わせられ る。回転対称の配置からはずれているのは、回折格子３が台座７の傾斜して面取 りをしたタップの上に装着されていることと、レーザ一部品１を固定するために ？＃１１の上に固定装置があることである。レーザー素子１を調節するためには 、管１１が、主軸Ａの周りに、固定レーザーからの放射光が角度Φが９０′″に なったことを示すまで回転する。その後で、管１１は主本体部に固定される。

固定レーザーの第１の実施例に示された例では、レーザー素子１が管１１に対し て偏心しておかれ、その対称軸＾からの偏心量は１０−５０μｍである。レーザ ー素子１を装着する際には、その位置が顕微鏡でか、あるいは管１１に円筒状に はまりあい、位置マークのついたゲージを差し込むことによってチェックされる 。管１２に中心対称位置にレンズ２を配置することは、特別の測定用ゲージを使 用しなくても十分な精度で簡単に実現できる。

固定レーザーの第１の実施例は、いくつかの詳細な設計について変えることがで きる。例えば、光学部品を装着する管は、上の例に示されたのとは異なる方法で 主本体部１０に取付けられる。また管１１と管１２は、例示されたのとは異なる 方法で、主本体部に差し込まれる、あるいは滑りこまされる。また例えば、−個 あるいはいくつかの光学部品を装着した管が、主軸＾とは異なる回転軸Ｋをもつ ようにもできる。

第６図は、装着方法が異なる例を示す。それは固定レーザーで回折格子装着する 第２の実施例で、それでは主本体部１０の主軸＾の周りの回転対称性が放棄され ている。この配置の利点は、回折格子が台座の円筒タップ７に対して垂直に装着 されることで、この場合、台座は主本体部１８の傾斜した空洞に、回折格子の表 面への垂線がレーザーの中でのコリメートされた光に対して予め決められた角度 αもつように差し込まれる。また調整の終わった光学部品を固定するのは、溶接 以外のいくつかの方法、すなわち、半田づけ、あるいは接着によって行われる。

上記のことから明らかなように、本発明による固定レーザーは、大部分の部品の 回転対称性に基礎をおいている。それは非常にコンパクトな構造で、この種のレ ーザー装置はｌＯｘ２０ｍｍの寸法をもつようにできる。それは第８図に示され るように装着が簡単でラインアップするのが簡単である。回転対称性をもつ細部 は、その製作が潜在的に安価なものである。またその構造は、横方向の熱膨張の ために起きる欠点が避けもれという利点がある。

第９図はレーザー装置の熱的な安定化の一例を示す。例えばシリコン・ラバー、 ポリウレタン、あるいはポリスチレンなどの断熱材３８が、冷却用フランジ４０ と、温度を平均化するのに役立つ内管３９との間に入れられる。これに加えて、 断熱材は音響からの干渉に対して、振動を押さえる役割を果たす。この例では熱 電素子３７、例えばペルチェ素子が、外側冷却フランジ４０の底端部と内側温度 均等化のための管３９との間に作られる空間に配置される。

構造材の適切の選択によって、本装置は受動的な形で安定化することもできる。

温度の影響に関して、できるだけ安定な光周波数を得るためには、レーザー装置 の共振器の光路長、すなわちレーザ一部品の光学的長さと外部空洞の長さの和の 変動を最小限におさえる必要がある。

第１図の固定レーザー装置の回転対称性をもつ構造は、部品のお互いの組み合わ せが、レーザーの内側を外側の大気から密封することを意味している。この方法 で、固定レーザーの周波数は空気圧力や湿度の変化によっては影胃されなくなる 。密封シールは、また、レーザ一部品が環境によってその放射特性が劣化するよ うな影響を受けることを防護している。またレーザー空洞の中の普通の空気を不 活性ガスによって置き換えることも可能である。

ここで示された実施例は、固定レーザーの可能な変形例として考えられている。

を 光学共振器の長さ１０が温度の変化によって変わることは避けられない。その中 でも大きな寄与は以下のものからくる。すなわち（Ａ）レーザ一部品１、コリメ ーター・レンズおよび光学部品を所定の位置に保つ構造部品７．１０．１１およ び１２の熱膨張および熱収縮。

（Ｂ）空洞の光学部品の屈折率の温度による変化、ｄｎ／ｄＴ。

レーザ一部品１の屈折率の変化率（１／ｎ）ｄｎ／ｄＴは、例えば５Ｘ１０−” Ｋ−１のオーダーで、レンズ２の変化率は１０−’　Ｋ−’のオーダーである。

すべてのこれらの寄与は、それに対応する振幅を、符号を考慮して加算される。

従って望ましいのは、これらの寄与を加算して得られる“ベクトル和”を可能な かぎり小さくすることである。

幾何学的長さ１をもつ光学的共振器の中には、光学部品の形の多くの光学要素と 空気があり、それらは一連の添え字ｉで番号付けされる。

■　＝共振器の幾何学的な長さ＝Σａｉａ□　：要素の長さ αｉ＝膨張係数 Ｌ＋　＝屈折率 共振＝の光学的長さは、 ｌａ　”Σａｌ　ｎｔ　＝Ｉｎａｔｒ＋Σ１１１（ｎｓ　−ｎａｍｒ）ここで、 Σはすべての要素ｉについての和を意味する。光学的共Ｉｌｌの長さ１０の温度 に依存する変化は、ＤＥＲｔｏ　”　ＤＥＲ（ｌｎａａ　、、）＋Σ＆（（Ｘ（ Ｃｎｘ　−ｎｍ１ｒ）＋ΣＩｌｌ　ＤＥＲ（ｎｉ　−ｎａｚＦ）（３）ここで、 ＤＥＲは温度Ｔに関する微分係数を意味する。

温度が変化するとき、放射光の波長の変化をできるだけ小さくするためには、（ ３）式によると、ＤＥＲｌｏを選ぶ必要がある。

さらに熱的な影響は回折格子が温度と共にその溝間隔の振動数を変化することで ある。従って、できるだけ熱膨張率の小さな基板を選ぶことに利点がある。別の 方法は結晶格子が温度変化と共に回転し、従って、一定の波長出力をあたえるよ うに回折格子の（１）を満足させることである。

レーー゛ル −ザ一部品ｌ、レンズ２、あるいは回折格子３などの光学部品を回転して、線Ｌ Ｏが回折格子の溝の方向Ｇに垂直になるようにし、固定レーザーを発振するよう に調整する際に、レーザーが発振する波長は、かならずしも完全に予定したもの ではない。ただ、ある波長領域にあることが予言できるだけで、この領域は、レ ーザーの機械的な製作や組立ての粘度によってきめられる。このように、レーザ ーは、一つの部品の調整のために円筒状の回転対称を持つ構造を取ることにより 、すべて予め決められた波長ではないが、固定された周波数のレーザーとするこ とが出来る。このレーザーは、前述された多くの応用のために使用される。

もし、レーザーを、ある与えられた周波数になるように調整したければ、第二の ａ整機構が導入されなければならない。一つの光学部品を、ある固定された軸の 周りに回転する機構により、回折格子面への垂線Ｎと、第５図のコリメートされ た放射光５の方向ＬＯの間の角度αを、角度Φ　がΦ＝９０°であることを保ち ながら変化させることができる。そのような回転は、回折格子を、格子溝の方向 Ｇに平行な固定軸の周りに回転させることによって実現できる。レーザー装置の 中で光学部品を配列する際の最初の状態の不正確さの結果、回折格子の回転軸と 回折溝とは必ずしも平行ではなく、おそらく数ミリラジアンの角度を持っている 。角度αの調整とΦ：９０′″をたもつことには弱い関連がある。レーザーの発 振特性を変えるために、Φをそんなに変化させることなしに、つまり（数ハ０） ミリラジアン以内の変化で、αを士ビ変化させることができると算定される。波 長が１．５５μ園の固定レーザーに対しては、これは、回折格子の式（１）によ ると、波長帯域が１．５５　±０．０２μ謹に相当する。

固定レーザーでは１回折格子（３）以外に、いくつかの他の部品を回転させるこ とがより現実的である。第５図の固定レーザー９では、偏心して設置された固定 レーザ一部品１の取付けられた管１１を回転して、Φが９０″になるように調整 される。

第７図は、レーザー・ホールダ−２７の基板を示し、これは、回転可能な管２３ の端部表面に第一の溶接によって固定されている。管を回転すると、偏心して配 置されたレーザ一部品１によって、第一の調節が実行される。第二の調節は、ホ ールダーが、レーザ一部品１を軸Ｒの周りに回転させる弾性ヒンジを形成してい ることにより行われる。

管２３の回転軸はＡである。管を少し回転することにより、部品１を距離Δｙだ け変位させる。変化Δｙは、角度Φを調節することに対応する。もし力Ｆが、軸 Ｒに対して直角方向にヒンジの上部に加えられると、レーザ一部品は軸Ｒの周り に回転し、レーザ一部品はΔＸだけ移動し、それは、Δｙに対してほとんど直角 方向である。ΔＸの変化は角度αの変化に対応し、それは、放射光の波長あるい は周波数に対応する。ΔＸの最終的な調整の債に、基板は溶接２９によって固定 される。

波長あるいは周波数の微調整は、固定レーザーでは、各部品が固定されシールが 行われた後でも、もし、光学部品の一つの位置あるいは姿勢が、ピエゾ圧電素子 あるいは同様のものからの力によって変化させることが出来れば、可能である。

もし、加えられる力が、特Ｗ請求ＳＥ　８９０２９４８−２に記述された方法で 、回折格子を軸の周りに回転させれば、跳びばねのない回転が実現される。

放射光の速い周波数変調は、たとえば、ある光学部品、たとえば回折格子上の一 つあるいは幾つかのピエゾ圧電素子からの力の作用によって、空洞の長さに変調 をかけることにより実現される。

シールされた固定レーザーの周波数は、また、例えば第９図に示される温度制御 のための装置２９によって、レーザーの内部温度を制御することにより、変化さ せることが出来る。もし、レーザーが室温よりも上のある温度で動作させられる ならば、熱電装置１３７は単に抵抗ヒータに置き換えられる。これははるかに安 上がりの方法である。

−゛　の　いは　口　ｆｌシレー− 例えば干渉計による測定など多くの場合に、レーザー光が、外部大気の中で一定 の波長を維持できることが望ましい、すなわち、大気の気圧、温度、湿度の影響 によって、波長が影響されないことカイ望ましい。上記のパラメータは、空気の 屈折率に影響を与え、したがって、レーザー光の波長に影響を与えるからである 。

空気の屈折率が変化するときでも、波長を一定に保つためには、固定レーザーの 周波数を変化させることが必要となる。この周波数は、波長の安定化された干渉 ３１がらの信号によって、制御することが可ｔ＠である。波長が固定された値か らずれる場合には、固定レーザーの周波数を制御する。このフィードバック・シ ステムは、信号をある一定の固定値に保つように機能する。対応する方法は、外 部環境が空気以外の他のガスであっても、応用可能である。

第１０図に示された、波長の安定化をした干渉計４５は、固定レーザー９に固定 した形で組み込まれている。プリズム４８で終わる干渉計アームの長さは、円筒 形のピエゾ圧ｆｉ素子５２によって制御される。

二つの干渉計アームからの光は、二つの光検出ｉＦ＋５３４：にもってこられ、 これらの検出器には出力５４がある。反射プリズム４８の位置、したがって、光 検出！！５３からの信号は、５５にかけられるピエゾ圧電素子制御信号によって 変調される。干渉語は、測定が行われる空間と大気でつながっていなければなら ないので、干渉計の中の大気は、測定環境を表すことになる。

空気中の光の波長λ１、振動数し、屈折率ｎ工の間の関係は、λ１　：ｃ　／　 （ｎｘＶ）　□＝・・・（５）ここで、定数Ｃは、光の速度である。波長λ１が 一定に保たれるためには、第１２図の固定レーザー９の周波数は、以下の式にし たがって変えられなければならない。

ｎ、ｖ　＝　ｃｏｎｓｔ、　−（６） このように、空気あるいはガスの屈折率の変化は、周波数の変化によって記録さ れる。周波数の変化は、第１０図の装置からのレーザー光１５を、周波数の違い を記録するのに十分速い検出器の付いた第二の固定レーザーからの光に加えるこ とによって測定される。この場合には、第二のレーザーは、光学的な局所的発振 器としての役割を果たす。

６　ム　ヘ　−　オ 光学的回折格ｒが取付けられる台座１３は例えば石英、セラミックあるいは金属 で作ることができる。タップは高い精度で製作される第４図および６図のふたつ の固定レーザー装置の実施例では、回折格子の台座のタップはななめにあるいは 垂直に削られている。ななめの場合に、タップの端部表面がタップの軸に対して 角度が４５＠になるように作られる。回折格子のついた台座を安い費用で作るた めには多くの回折格子が同時に台座に装着される必要がある。

これを実行する方法が以下の第１２ａ図に示されている。たくさんの回折格子の 台座、例えばｄａ”あたり１００−４００が、インパールなどの固定用ブロック のよい精度で円筒形になった平行な穴の中に配置される。台座は、例えば上部ク ランプ装置！７１と、その表面がグラインドされ、磨かれた共通の止めによって 固定されタップの端部は平面７２にくるようにする。ホログラフによる格子の製 作法が、共通の端部平面に対して取卸の技術を用いて実施される。回折格子の取 付けられた台座は、共通のホログラフ層から切り離されて自由となる。

固定用ブロックにある台座の穴は、その軸がホログラフ層の面に対して垂直であ るか、あるいはこれに対してタップのななめカットに対応した角度を持つように 作られる。台座の端部表面に回折格子を取付ける別の方法が、第１２ｂ図に示さ れている。その方法は上記と同じような固定用ブロック７０をもちいるが、まず 最初に石英などでできた平板な基底部７３を回折格子の台座のタップ７の底部に 取付ける。基底部は、また、ピエゾ圧電材料で作ることもでき、この場合は、外 部空洞の長さを制御する可能性を与え、あるいは回折格子の溝の間隔を制御する 可能性を与える。

基板は横方向の固定用板７４におかれ、その固定用板の厚さはベースの高さより も幾分低い。ベースと台座のタップの間には接合装置剤が付けられ、その固定は オーブンでの加熱や乾燥によって実行される。固定する間は、ベースは台座のタ ップに平な上部表面７７のある下部クランプ装２７６によって押しつけられてい る。こうして固定された後のベースは、その表面によって決められる共通の端部 平面７５を持つことになる。

−−４番 第１３ａ図および第１３ｂ図のレーザー取付は装置は、シート技術によって多く の取付は装置が同時に製作できるようデザインされており、その場合取付は装置 の数はｄｍ″あたり１００コの量である。この製作方法では、基板２７はセラミ ックスのブロック８２および半田用台８１と接合されなけれせばならない。接合 が行われた後で、別々のレーザー装着装置がお互いに切断されてばらばらにされ る。次にレーザー素子１が基板の上方を向いた端部に半田付けされ、レーザ一部 品と半田付は用言の間でボンディング８０が実行される。レーザー装着装置の製 作はその詳細に関してはいろいろ変わり得るが、主な特徴については以下の通り である。

Ｌ　レーザー装着装置２７のための連結された基板のシートが、例えば１鳳ｌの 厚さの金属ディスクからエツチングあるいは同様の技術によって製作される。

２　例えば半田付は用鍋などの接着剤が、スクリーン印刷法によって、セラミッ ク・ブロックが固定される基板８４のシート上の点に印刷される。別の方法では セラミック・ブロックを装着する表面に接着剤の点状の塗布が行われる。

ａ　セラミック・ブロックが正確なパターンで支持ディスクの上に配置され、横 方向の固定装置の使用によってベースプレートに取付けられる。

屯　ベース・プレートのシートはブロックのついたシートの上に位置決めされる 。加熱あるいは乾燥によって、ブロックはベース・プレートに固定される。

５　連続した半田付は川、Ｚａ＋のシートが、エツチングあるいは同様の技術に よって、例えば０，３■の厚さの金属デスクから製作される。

α　半田付は用言をブロックに半田付けする半田が、スクリーン印刷法によって 半田付はｍ８に印刷される。別の方法では接着剤による固定のために接着剤の点 状塗布が行われる。

７、　半田付は用言が付いたシートがセラミック・ブロックの上に置かれ、舌が 加熱あるいは乾燥によってブロックに固定される。

８、曲げ用道具および引き剥がし道具が、半田付は用言があるシートの上に取付 けられ、これらの上にある端部８５がプロ・ツクの端部の上に曲げられ、半田Ｃ １け用言が共通のシートから引き剥がされる９、連続したプレートが引き剥がし 道具によってお互０（こ弓１き離され、別々のレーザー装着装置がレーザー素子 を装着できる状態となり、レーザー素子と曲げられた半ＨＪ付は用言の端部との 間でボンディングが行われる。

雫舌Ｉス Ｌ：光を発信ずレーザ一部品の表面部分、０：レンズ２の光学中心、 ＬＯ＝　Ｌと０とを通る線。

Ｎ：回折格子３の溝の平面に対して垂直の線、Ｇ：回折格子の溝４の方向の線、 Φ＝　ＬＯとＧとの間の角度、 α＝　ＬＯとＮとの間の角度、 Ｋ：光学部品に対する回転軸、 ＾＝１０および１９で、内径を整列させる主軸、Ｆ：圧力、 Ｒ＝１を回転させるためのヒンジ軸、 Ｘ＝Ｒの周りに回転するときのＸ方向の１の動き、Ｙ＝Ａの周りに回転するとき のＹ方向の１の動き、１−レーザ一部品、 ２：内部へ放射光５に対するレンズ、 ３＝反射格子、 ４：格子の溝、 ５＝固定レ一ザー内部でのコリメートされた放射光、６；コリメータ・レンズ１ ４に対する管状ホールダー、７＝回折格子シート上のタップあるいはシート・タ ップ、９：固定レーザー、 １０＝ラインナツプ用の内径と部品を取付けるための円形の受け部のある回転対 称の本体部、 １１＝１のためのホールダーのある管状部品、１２＝２のための管状ホールダー 、 １３＝回折格子のためのシート、 １４：外部への放射１５のためのコリメーター・レンズ、１５−レーザーを出て いくコリメートされた放射光、１６　＝回折格子シートの頭部、 １７　＝ラインナツプ用の内径、 １８：固定レーザー、 １９　＝ラインナツプ用の内径と部品を取付けるための円形の受け部のある本体 部、 ２３：　レーザ一部品を保持するための管、２７；弾性のあるヒンジの形レーザ ー・ホールダーの基板、２８：第一の溶接部、 ２９：爆接シーム、 ３１：爆接シーム、 ３２：爆接シーム、 ３３−爆接シーム、 ３４：爆接シーム、 ３５：温度制御と断熱装置のついた固定レーザー、３７；　熱１＊了、 ３８＝　シリコン・ラバー、ポリウレタンあるいはポリスチレンなどの断熱材、 ３９：温度を一様にする内側の管、 ４０−外側の冷却用フランジ、 ４４二干渉計のついたレーザー装置、 ４５−干渉計、 ４６：ミラー、 ４７：第一の干渉計アームにある反射プリズム、４８：第二の干渉計アームにあ る反射プリズム、４９：反射プリズム、 ５０　＝　ビーム分岐管、 ５２：圧電シリンダー、 ５３；光電検出器、 ５４：検出器出力、 ５５：圧電素子への電圧の人力、 ５６＝　ビーム分岐管、 ６１：　ミラー、 ６２　＝　ビーム分岐管、 ６３；検出器出力、 ６４＝検出器、 ６５；外部環境の屈折率の変化を測定する固定レーザーの配置、６６：局所的な 発［！として使用される固定レーザー、７０；固定用ブロック、 ７１：上部クランプ・ヨーク、 ７２：端部表面、 ７３：平板状の基底ベース、 ７４＝横方向の固定物。

７５：端部表面、 ７６−下部クランプ・ヨーク、 ７７二上部面表面、 ８０：接続ワイヤー、 ８１：半田付は用の舌、 ８２；絶縁用セラミック・ブロック、 ８４；基底プレート用シート、 ８５：半田付は用の舌の縁部 国際調査報告 フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ（ＢＦ 、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＳＮ、ＴＤ、ＴＧ ）、ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　Ｃ５，ＦＩ、　ＨＵ、ＪＰ。

ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、Ｎｏ、ＰＬ、ＲＯ，ＲＵ、ＳＤ、ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外部および内部環境からの影響に対して安定なレーザー装置を構成および調 整する方法であって、該レーザー装置は少なくとも三つの光字部品、すなわち、 波長帯域λ１−λ２内にある光学的放射線を発生することができるレーザー素子 （１）と、該レーザー装置の中にあって該レーザー素子から放射される放射線を コリメートする光字コリメーター（２）と、平行な格子溝を持つ平面反射格子（ ３）とを含み、該反射格子は該レーザー素子の一方の端部表面であることができ る平らな反射表面と共に共振器を形成し、このようにして該レーザー装置から放 射される放射波長を選択できるように配置されたレーザー装置において、 少なくとも一個の光字部品、例えば上記の（１）、（２）又は（３）がホールダ ーに固定状態で取付けられ、該ホールダーは、レーザーをある発振条件に調整す る目的で、該レーザー装置に固定された軸の周りに回転することができ、二つの 方向、すなわち回折格子溝に沿った方向（Ｇ）と放射線のコリメーションの方向 （ＬＯ）の間の角度ΦがΦ　＝９０°を含む領域で変化でき、該レーザー素子か らのコリメートされた放射線がΦ＝９０°で該回折格子で反射して戻され、該放 射線はコリメーター（２）を通して該レーザー素子の該放射線を放出する部分に 帰ってくるようにし、こうして選択された波長が帯域λ１−λ２内に入るように していることを特徴とする、レーザー装置の構成・調整方法。 ２、波長を調節する光学部品の少なくとも一個が、固定軸の周りでコリメートさ れた放射線が格子溝に対して直角に留まるように回転でき、結果として該格子溝 の平面に対する入射角度（ａ）が変えられ、放射線の波長が帯域λ１−λ２の中 で変化し、それがレーザー装置の光字共振器の中で維持されることを特徴とする 、請求の範囲１記載の方法。 ３、すくなくとも一つの光学部品が固定軸の周りに、一個またはいくつかのピエ ゾ圧電素子あるいは同じような様式で機能する素子の助けを借りて回転でき、そ の回転に際しては、コリメートされた放射線は回折格子溝に対して直角に留まり 、その結果該格子溝の平面に対する入射角度（ａ）が制御でき、従って放射線の 波長が変化できることを特徴とする、請求の範囲１および２に記載の方法。 ４、請求の範囲１、２、または３に記載の方法を実施するレーザー装置であって 、それは少なくとも三つの光学部品、すなわち、波長帯域λ１−２内にある放射 線を発生することができるレーザー素子（１）と、該レーザーの中にあって該レ ーザー素子から放出される放射線をコリメートする光字コリメーター（２）と、 平行な格子溝を持つ平面反射格子（３）を含み、該反射格子は該レーザー素子の 一方の端部表面であり得る平らな反射表面と共に共振器を形成し、このようにし て該レーザーから放出される放射波長を選択できるようにしたレーザー装置にお いて、 主本体部（１０，１９）は主軸（Ａ）に同軸に回転できる支持部を持ち、その一 つが中心となる部品配列用穴で、管６は該主本体部の回転できる該支持部の一つ に円筒状にはめ込まれ、管（１２）は管（１１）の回転できる支持部あるいは該 主本体部の回転できる支持部の一つにはめ込まれ、そして管（１１）は該主本体 部の回転できる支持部の一つあるいは管（１２）の回転できる支持部にはめ込ま れていることを特徴とする、上記のレーザー装置。 ５、回折格子が、格子台座（１３）のななめに面取りした円筒状のタッブ（７） に装着され、そしてそのタップが中心の部品整列用穴（１７）に差し込まれてい ることを特徴とする、請求の範囲４記載のレーザー装置。 ６、回折格子が、格子台座（１３）のななめあるいは直角にカットされた円筒状 のタップ（７）の上に配置され、そしてタップ（７）は主本体部（１９）にある 穴に差し込まれ、その軸が主軸（Ａ）の方向とは異なる方向にあること特徴とす る、請求の範囲４あるいは５記載のレーザー装置。 ７、レーザー素子（１）が基板（２７）の上に配置され、該基板の主な部分がレ ーザー素子の位置の移動によって放射線の波長を調節するための弾性体ヒンジを 構成し、そしてそのヒンジはレーザー素子の調節が終わった後で、例えば溶接（ ２９）によって固定されることを特徴とする、請求の範囲４−６記載のレーザー 装置。 ８、光字共振器の端部表面と回折格子面の相対的な位置を、Φ＝９０°を維持し ながら、一個またはいくつかのピエゾ圧電素子の助けをかりて、あるいは同様の 様式で機能する素子の助けをかりて、制御または変調された様式で変更すること によって、光の周波数を変化できることを特徴とする、請求の範囲４−８のいず れかに記載のレーザー装置。 ９、異なる熱膨張係数を持つ材質でできたさまざまの構造部品を使用することに よって、発生した光の周波数が外側あるいは内側からの熱的影響に対して、受動 的に安定化され、該構造部品は温度がある範囲で変化しても光共振器の光学的長 さが一定の値に維持できるように設計されていることを特徴とする、請求の範囲 ４−８のいずれかに記載のレーザー装置。 １０、熱の供給あるいは除去（３７）によって、あるいはレーザー装置の中の温 度が外界の温度に比べてかなり高い状態に保たれるときには例えば抵抗なとによ る熱の供給によって、レーザー装置の中の温度を一定に保つことにより、光の周 波数が熱的影響に対して能動的に安定化されていることを特徴とする、請求の範 囲４−９のいずれかに記載のレーザー装置。 １１、レーザー溶接（３１−３４）あるいは同様の方法で溶接密封が施され、内 部環境の屈折率が外部環境の圧力、温度およびガスの組成の変化によって影響を 受けないようにしていることを特徴とする、請求の範囲４−１０のいずれかに記 載のレーザー装置。 １２、レーザー装置（９）の周波数が、外部環境におかれた波長測定用干渉計（ ４５）あるいは同様の光学測定機器からの信号のフィードバックによって制御さ れ、該レーザー装置から放出される放射線が外部大気の中で、例えば、圧力、湿 度、湿度あるいはガス組成の変化の結果、環境大気の屈折率が変わっても、外部 大気中で波長を一定に保つことができるようにしていること特徴とする、請求の 範囲１−１１のいずれかに記載のレーザー装置。 １３、上記の干渉計（４５）が、レーザー装置（９）に固定された形で組み合わ されていることを特徴とする、請求の範囲１２記載のレーザー装置。 １４、外部環境の中での波長が一定に保たれているレーザー装置（９）からの放 射線と、一定の周波数をもつ局所的発信器として作動する該装置内のレーザー（ ６６）からの放射線との周波数の差が測定されその周波数の差が外部環境の屈折 率の逆数の変化に比例する尺度として使えることを特徴とする、請求の範囲１２ 又は１３に記載のレーザー装置。