JPH07294418A - 化学物質検出システム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルドアップシステム - Google Patents
化学物質検出システム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルドアップシステムInfo
- Publication number
- JPH07294418A JPH07294418A JP7112676A JP11267695A JPH07294418A JP H07294418 A JPH07294418 A JP H07294418A JP 7112676 A JP7112676 A JP 7112676A JP 11267695 A JP11267695 A JP 11267695A JP H07294418 A JPH07294418 A JP H07294418A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cavity
- laser
- optical
- sample
- intracavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/14—External cavity lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
- H01S3/082—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors defining a plurality of resonators, e.g. for mode selection or suppression
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/14—External cavity lasers
- H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 低損失で、かつ安定した出力を得ることがで
きる、化学物質検出システム、化学物質検出方法、およ
び半導体レーザ出力ビルドアップシステムを提供する。 【構成】 Ａ）半導体レーザ１１９と、Ｂ）第１，第２
の入り口反射要素１２０と第２の反射要素１２２との間
で限定される光共振キャビティと、Ｃ）入射ビーム１１
４と一致するがそれにと逆方向である戻りビーム１３６
と、Ｄ）検出系１３０、とから構成され、Ｅ）試料１２
８はキャビティの相互作用領域に置かれ、検出系はその
相互作用領域内部で試料の所定の特性を検知できるよう
配置されること、Ｆ）検出系が相互作用領域に隣合って
置かれること、Ｇ）レーザはキャビティに全体的に光学
ロッキングされること、Ｈ）キャビティ内ビームは、試
料との相互作用以外は実質上無損失でキャビティ内部を
通過すること、を特徴とする試料中の化学物質検出シス
テム。
きる、化学物質検出システム、化学物質検出方法、およ
び半導体レーザ出力ビルドアップシステムを提供する。 【構成】 Ａ）半導体レーザ１１９と、Ｂ）第１，第２
の入り口反射要素１２０と第２の反射要素１２２との間
で限定される光共振キャビティと、Ｃ）入射ビーム１１
４と一致するがそれにと逆方向である戻りビーム１３６
と、Ｄ）検出系１３０、とから構成され、Ｅ）試料１２
８はキャビティの相互作用領域に置かれ、検出系はその
相互作用領域内部で試料の所定の特性を検知できるよう
配置されること、Ｆ）検出系が相互作用領域に隣合って
置かれること、Ｇ）レーザはキャビティに全体的に光学
ロッキングされること、Ｈ）キャビティ内ビームは、試
料との相互作用以外は実質上無損失でキャビティ内部を
通過すること、を特徴とする試料中の化学物質検出シス
テム。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化学物質検出システ
ム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルド
アップシステムに関し、具体的には、薬品等の化学物質
を検出するための光学系、特に化学分析物の存在に応答
して光信号を発生するセルフロッキング（自己閉塞）光
学キャビティ（ｓｅｌｆ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｏｐｔｉｃ
ａｌ ｃａｖｉｔｙ）に関する。
ム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルド
アップシステムに関し、具体的には、薬品等の化学物質
を検出するための光学系、特に化学分析物の存在に応答
して光信号を発生するセルフロッキング（自己閉塞）光
学キャビティ（ｓｅｌｆ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｏｐｔｉｃ
ａｌ ｃａｖｉｔｙ）に関する。
【０００２】
【技術背景】光学技術のもつ感度及びダイナミックレン
ジは、光学検知系における用途によく適合する。従っ
て、これらの特性を利用しようとする種々の検知装置が
現在使用されている。
ジは、光学検知系における用途によく適合する。従っ
て、これらの特性を利用しようとする種々の検知装置が
現在使用されている。
【０００３】如何なる光学検知系においても、光源は重
要な要素である。光源を選択する際、設計者は、光の出
力レベル、高効率、低コスト、小型化、及び構造強度に
関するしばしば相反する要請の中で、一般的に釣り合い
をとる必要がある。特にこの関連での１つの有益な進展
は、半導体技術の進歩により、（アルゴンイオン又はヘ
リウムーネオンレーザのような）コヒーレントな光源
を、数メーターから（面発光量子井戸レーザダイオード
のように）数ミクロンに小型化させたことである。例え
ば、現在ではミリワットからワットまでの出力電力範囲
を有する半導体ダイオードレーザが市販されている。そ
うしたデバイスの例は、Ｐａｒｋｅ，Ｒ．，等、「２．
０Ｗ ｃｗ，ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｌｉｍｉｔｅｄ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｏｍｏｌｉｔｈｉ
ｃａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍａｓｔｅｒ ｏｓ
ｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅ
ｒ，」ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔ
ｔ．，５，ｐｐ．２９７〜３００，（１９９３）に記載
されている。
要な要素である。光源を選択する際、設計者は、光の出
力レベル、高効率、低コスト、小型化、及び構造強度に
関するしばしば相反する要請の中で、一般的に釣り合い
をとる必要がある。特にこの関連での１つの有益な進展
は、半導体技術の進歩により、（アルゴンイオン又はヘ
リウムーネオンレーザのような）コヒーレントな光源
を、数メーターから（面発光量子井戸レーザダイオード
のように）数ミクロンに小型化させたことである。例え
ば、現在ではミリワットからワットまでの出力電力範囲
を有する半導体ダイオードレーザが市販されている。そ
うしたデバイスの例は、Ｐａｒｋｅ，Ｒ．，等、「２．
０Ｗ ｃｗ，ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｌｉｍｉｔｅｄ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｏｍｏｌｉｔｈｉ
ｃａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍａｓｔｅｒ ｏｓ
ｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅ
ｒ，」ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔ
ｔ．，５，ｐｐ．２９７〜３００，（１９９３）に記載
されている。
【０００４】ダイオードレーザのウォールプラグ（ｗａ
ｌｌ−ｐｌｕｇ）の効率は高いとはいえ、大ワットの光
出力を直接発生する光源は、しばしばそれを冷却するた
めさらに大ワットの電源を必要とする。それ故、検知用
途には、大ワットの光出力についての要請と、小量の電
力を僅かにしか消費しないコンパクトな携帯用装置に対
する要望とをバランスさせなければならない。
ｌｌ−ｐｌｕｇ）の効率は高いとはいえ、大ワットの光
出力を直接発生する光源は、しばしばそれを冷却するた
めさらに大ワットの電源を必要とする。それ故、検知用
途には、大ワットの光出力についての要請と、小量の電
力を僅かにしか消費しないコンパクトな携帯用装置に対
する要望とをバランスさせなければならない。
【０００５】この問題の１つの解決法は、光学キャビテ
ィ内部に捕捉された光を使用することである。光学キャ
ビティ即ち共振器は、入射光が捕捉され、鏡の間で前後
に往復する（ｂｏｕｎｃｉｎｇ）よう配置された２個以
上の鏡面から構成される。この方法でキャビティ内部の
光は入射光より桁違いに強力になるであろう。この一般
的な解決法はよく知られており、種々の方面で利用され
てきた。例えば非線形周波数変換（例えば、Ｙａｒｉｖ
Ａ．，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｏｐｔｉｃ
ａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２ｎｄ Ｅｄ．，Ｈｏ
ｌｔ， Ｒｉｎｅｈａｒｔ，ａｎｄ Ｗｉｎｓｔｏｎ
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９７６，８章参照）、及びさらに
広範囲には、Ｄｅｍｔｒｏｄｅｒ，Ｗ．，Ｌａｓｅｒ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒ
ｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９８２，ｐｐ．３９０〜３９
５に記述されているような分光分析法がそれである。
ィ内部に捕捉された光を使用することである。光学キャ
ビティ即ち共振器は、入射光が捕捉され、鏡の間で前後
に往復する（ｂｏｕｎｃｉｎｇ）よう配置された２個以
上の鏡面から構成される。この方法でキャビティ内部の
光は入射光より桁違いに強力になるであろう。この一般
的な解決法はよく知られており、種々の方面で利用され
てきた。例えば非線形周波数変換（例えば、Ｙａｒｉｖ
Ａ．，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｏｐｔｉｃ
ａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２ｎｄ Ｅｄ．，Ｈｏ
ｌｔ， Ｒｉｎｅｈａｒｔ，ａｎｄ Ｗｉｎｓｔｏｎ
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９７６，８章参照）、及びさらに
広範囲には、Ｄｅｍｔｒｏｄｅｒ，Ｗ．，Ｌａｓｅｒ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒ
ｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９８２，ｐｐ．３９０〜３９
５に記述されているような分光分析法がそれである。
【０００６】この解決法を化学検知にまで拡大するに
は、キャビティ内光と光信号を発する化学分析物との相
互作用を目当てにすることになる。光信号は、通常はコ
ヒーレントでもインコヒーレントでもよく、かつキャビ
ティ内光と同一周波数である必要はない。光信号の大き
さは、化学分析物の量及びキャビティ内光の強度により
決まる。この技法は気体監視に応用されており、そこで
は光信号が自発ラマン散乱により発生される。例えば、
米国特許第４，６４８，７１４号、「Ｍｏｌｅｃｕｌａ
ｒ Ｇａｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ Ｒａｍａｎ Ｓ
ｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ
Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，」Ｂｅｎｎ
ｅｒ，等、１９８７年３月１０日、参照。
は、キャビティ内光と光信号を発する化学分析物との相
互作用を目当てにすることになる。光信号は、通常はコ
ヒーレントでもインコヒーレントでもよく、かつキャビ
ティ内光と同一周波数である必要はない。光信号の大き
さは、化学分析物の量及びキャビティ内光の強度により
決まる。この技法は気体監視に応用されており、そこで
は光信号が自発ラマン散乱により発生される。例えば、
米国特許第４，６４８，７１４号、「Ｍｏｌｅｃｕｌａ
ｒ Ｇａｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ Ｒａｍａｎ Ｓ
ｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ
Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，」Ｂｅｎｎ
ｅｒ，等、１９８７年３月１０日、参照。
【０００７】前述の方法ではすべて、（ヘリウムネオン
放出管のような）光学的利得媒体は光学キャビティ内部
にある。典型的なダイオードレーザに関しては、キャビ
ティミラーはダイオード利得媒体自体の上に直接配置さ
れている。しかし、周波数同調及び線幅極限化のよう
な、いくつかの応用例では、ダイオード面の片面または
両面には反射防止膜が形成され、そのダイオードは、ダ
イオードの外部にあるミラーによって規定される光学キ
ャビティ内部で動作する。ダイオード利得媒体はそうし
たキャビティ内部で動作できるが、ダイオード放射面の
低損傷しきい値は、出力のビルドアップ（増強；ｂｕｉ
ｌｄ−ｕｐ）量を厳しく制限する。換言すれば、もしダ
イオードがキャビティ内部に置かれるなら、出力をダイ
オードが破損するほど大きくは増加させることができ
ず、しかも、最大許容出力は、しばしば小さ過ぎて効率
の良い簡単な検知方式には向かない。
放出管のような）光学的利得媒体は光学キャビティ内部
にある。典型的なダイオードレーザに関しては、キャビ
ティミラーはダイオード利得媒体自体の上に直接配置さ
れている。しかし、周波数同調及び線幅極限化のよう
な、いくつかの応用例では、ダイオード面の片面または
両面には反射防止膜が形成され、そのダイオードは、ダ
イオードの外部にあるミラーによって規定される光学キ
ャビティ内部で動作する。ダイオード利得媒体はそうし
たキャビティ内部で動作できるが、ダイオード放射面の
低損傷しきい値は、出力のビルドアップ（増強；ｂｕｉ
ｌｄ−ｕｐ）量を厳しく制限する。換言すれば、もしダ
イオードがキャビティ内部に置かれるなら、出力をダイ
オードが破損するほど大きくは増加させることができ
ず、しかも、最大許容出力は、しばしば小さ過ぎて効率
の良い簡単な検知方式には向かない。
【０００８】大きい光学フィールドを発生しながらこの
限界を克服するため、ダイオードレーザは、ダイオード
レーザの放射が捕捉される別の高微細化光学キャビティ
の外部に置いてよい。この別のキャビティは以後「ビル
ドアップ」キャビティを指すものとする。しかし、ダイ
オードレーザは、高微細化ビルドアップキャビティのそ
れよりさらに大きい光学帯域幅を有するコヒーレント放
射を放出する。ビルドアップキャビティでのダイオード
レーザ放射の実質的増幅を達成するには、ダイオードレ
ーザが、キャビティのそれに近いか又は整合する線幅を
持ったコヒーレント放射を強制的に放射するようにしな
ければならない。
限界を克服するため、ダイオードレーザは、ダイオード
レーザの放射が捕捉される別の高微細化光学キャビティ
の外部に置いてよい。この別のキャビティは以後「ビル
ドアップ」キャビティを指すものとする。しかし、ダイ
オードレーザは、高微細化ビルドアップキャビティのそ
れよりさらに大きい光学帯域幅を有するコヒーレント放
射を放出する。ビルドアップキャビティでのダイオード
レーザ放射の実質的増幅を達成するには、ダイオードレ
ーザが、キャビティのそれに近いか又は整合する線幅を
持ったコヒーレント放射を強制的に放射するようにしな
ければならない。
【０００９】ダイオードレーザの帯域幅を減ずるため
の、よく知られた技術がいくつかある。例えば、ダイオ
ードレーザの能動的、全電子的周波数ロッキングが使用
される。しかし、この技術は、２０ＭＨｚ以上かそれを
さらに大きく上回る帯域幅を有する高速サーボを必要と
し、かつキャビティからダイオードレーザを光学的に大
きく分離することが必要となる。受動的ロッキングは、
能動的、全電子的周波数ロッキングを上回る重要な利点
を持っている。例えば、必要な電子的制御は、特に狭帯
域放射が必要なとき、大幅に減少し、かつ光学アイソレ
ータが要らないことであろう。
の、よく知られた技術がいくつかある。例えば、ダイオ
ードレーザの能動的、全電子的周波数ロッキングが使用
される。しかし、この技術は、２０ＭＨｚ以上かそれを
さらに大きく上回る帯域幅を有する高速サーボを必要と
し、かつキャビティからダイオードレーザを光学的に大
きく分離することが必要となる。受動的ロッキングは、
能動的、全電子的周波数ロッキングを上回る重要な利点
を持っている。例えば、必要な電子的制御は、特に狭帯
域放射が必要なとき、大幅に減少し、かつ光学アイソレ
ータが要らないことであろう。
【００１０】あるいは、実質的な線幅減少は、光学フィ
ードバック方式で実施してよい。例えば、Ｄａｈｍａｎ
ｉ等は、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔ
ｉｏｎ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅ
ｒｓ ｂｙ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｅ
ｅｄｂａｃｋ，」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１２，ｐｐ．８
７６〜８７８（１９８７）で、ビルドアップキャビティ
へのダイオードレーザの受動的光学ロッキングを報告し
た。この技術では、ダイオードレーザからの光は、ビル
ドアップキャビティ内へ向けられ、もし光の周波数がキ
ャビティの共振周波数と整合するなら、その光は捕捉さ
れる。その時、捕捉光の一部はダイオードレーザの方向
へ逆戻りして低微細化ダイオードレーザの周波数を高微
細化ビルドアップキャビティのそれにロッキングする受
動フィードバック機構として作動する。
ードバック方式で実施してよい。例えば、Ｄａｈｍａｎ
ｉ等は、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔ
ｉｏｎ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅ
ｒｓ ｂｙ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｅ
ｅｄｂａｃｋ，」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１２，ｐｐ．８
７６〜８７８（１９８７）で、ビルドアップキャビティ
へのダイオードレーザの受動的光学ロッキングを報告し
た。この技術では、ダイオードレーザからの光は、ビル
ドアップキャビティ内へ向けられ、もし光の周波数がキ
ャビティの共振周波数と整合するなら、その光は捕捉さ
れる。その時、捕捉光の一部はダイオードレーザの方向
へ逆戻りして低微細化ダイオードレーザの周波数を高微
細化ビルドアップキャビティのそれにロッキングする受
動フィードバック機構として作動する。
【００１１】Ｔａｎｎｅｒ等は、「Ａｔｏｍｉｃ ｂｅ
ａｍ ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｌａ
ｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ ａ ｓｅｌｆ−ｌｏｃ
ｋｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｂｕｉｌｄｕｐ ｃａｖｉｔ
ｙ，」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１３，ｐｐ．３５７〜３５
９（１９８８）で、入射した光より千倍以上の光をキャ
ビティ内で発生するセルフロッキング、出力ビルドアッ
プキャビティを記述しているが、彼らはセシウム原子の
光学的励起のためにのみこの強力なキャビティ内光学フ
ィールドを利用している。しかし、この技術は、Ｓｉｍ
ｏｎｓｅｎ，Ｈ．Ｒ．が、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏ
ｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｓｉｂｌｅ
ＩｎＧａＡｌＰ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ｂｙ ｄ
ｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｅｅｄｂａｃｋ
ｍｅｔｈｏｄｓ，」 ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌ
ｅｃ．，２９，ｐｐ．８７７〜８８４（１９９３）にお
いて報告しているように、最近、可視ダイオードレーザ
に応用された。
ａｍ ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｌａ
ｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ ａ ｓｅｌｆ−ｌｏｃ
ｋｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｂｕｉｌｄｕｐ ｃａｖｉｔ
ｙ，」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１３，ｐｐ．３５７〜３５
９（１９８８）で、入射した光より千倍以上の光をキャ
ビティ内で発生するセルフロッキング、出力ビルドアッ
プキャビティを記述しているが、彼らはセシウム原子の
光学的励起のためにのみこの強力なキャビティ内光学フ
ィールドを利用している。しかし、この技術は、Ｓｉｍ
ｏｎｓｅｎ，Ｈ．Ｒ．が、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏ
ｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｓｉｂｌｅ
ＩｎＧａＡｌＰ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ｂｙ ｄ
ｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｅｅｄｂａｃｋ
ｍｅｔｈｏｄｓ，」 ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌ
ｅｃ．，２９，ｐｐ．８７７〜８８４（１９９３）にお
いて報告しているように、最近、可視ダイオードレーザ
に応用された。
【００１２】Ｄａｈｍａｎｉ等、Ｔａｎｎｅｒ等、及び
Ｓｉｍｏｎｓｅｎによって言及されたシステムの短所
は、それらが全て弱い光学ロッキングを採用しているこ
と、即ち、ビルドアップキャビティ内の光の極小部分だ
けがダイオードレーザにフィードバックされることであ
る。しかし、弱い光学ロッキング技術の欠点は、それが
やはり、ダイオードレーザにフィードバックされた光の
大きさと位相の両方について細心の電磁的制御を必要と
していることである。このことは、例えば、米国特許第
４，９０７，２３７号，「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｅｅｄｂ
ａｃｋ Ｌｏｃｋｉｎｇ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ，」Ｄａｈｍａｎｉ，Ｂ．等、１
９９０年３月６日；Ｈｅｍｍｅｒｉｃｈ，Ａ．，等、
「Ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉ
ｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔ
ｉｏｎ ｏｆ ａ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ｉｎ ａ
ｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏ
ｒ，」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１５，ｐｐ３７２〜３７４
（１９９０）；及びＢｕｃｈ，Ｐ．とＫｏｈｎｓ，
Ｐ．，「Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｓｅｌｆ−ｌｏｃｋｅｄ
ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ
ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｆｅｅｄｂａｃ
ｋ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｃｕｒｒｅｎ
ｔ，」ＩＥＥＥ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．，２７，１８
６３（１９９１）において議論されている。
Ｓｉｍｏｎｓｅｎによって言及されたシステムの短所
は、それらが全て弱い光学ロッキングを採用しているこ
と、即ち、ビルドアップキャビティ内の光の極小部分だ
けがダイオードレーザにフィードバックされることであ
る。しかし、弱い光学ロッキング技術の欠点は、それが
やはり、ダイオードレーザにフィードバックされた光の
大きさと位相の両方について細心の電磁的制御を必要と
していることである。このことは、例えば、米国特許第
４，９０７，２３７号，「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｅｅｄｂ
ａｃｋ Ｌｏｃｋｉｎｇ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ，」Ｄａｈｍａｎｉ，Ｂ．等、１
９９０年３月６日；Ｈｅｍｍｅｒｉｃｈ，Ａ．，等、
「Ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉ
ｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔ
ｉｏｎ ｏｆ ａ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ｉｎ ａ
ｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏ
ｒ，」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１５，ｐｐ３７２〜３７４
（１９９０）；及びＢｕｃｈ，Ｐ．とＫｏｈｎｓ，
Ｐ．，「Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｓｅｌｆ−ｌｏｃｋｅｄ
ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ
ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｆｅｅｄｂａｃ
ｋ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｃｕｒｒｅｎ
ｔ，」ＩＥＥＥ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．，２７，１８
６３（１９９１）において議論されている。
【００１３】セルフロッキンク、出力ビルドアップキャ
ビティはまた、特に極端な量のコヒーレント放射の非線
形的発生に用いられている。レーザダイオードをキャビ
ティに光学ロッキングするためのビルドアップキャビテ
ィからの低〜中位（＜１％）のフィードバックの使用
は、例えば、上述のＨｅｍｍｅｒｉｃｈ等による論文、
及びＤｉｘｏｎ，Ｇ．Ｊ．．，Ｔａｎｎｅｒ，Ｃ．Ｅ．
とＷｉｅｍａｎ，Ｃ．Ｅ．，「４３２−ｎｍ ｓｏｕｒ
ｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｅｃｏ
ｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ
ＧａＡｌＡｓｄｉｏｄｅ−ｌａｓｅｒ ｒａｄｉａｔ
ｉｏｎ ｉｎ ａ ｓｅｌｆ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｅｘｔ
ｅｒｎａｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｖｉｔｙ，」Ｏｐ
ｔ．Ｌｅｔｔ．，１４，ｐｐ７３１〜７３３（１９８
９）、及び米国特許第４，８８４，２７６号、「Ｏｐｔ
ｉｃａｌ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ
ｔｈｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ
ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ Ｒａｄｉａｔｉｏ
ｎ，」Ｄｉｘｏｎ，等、１９８９年１１月２８日、に記
述されている。
ビティはまた、特に極端な量のコヒーレント放射の非線
形的発生に用いられている。レーザダイオードをキャビ
ティに光学ロッキングするためのビルドアップキャビテ
ィからの低〜中位（＜１％）のフィードバックの使用
は、例えば、上述のＨｅｍｍｅｒｉｃｈ等による論文、
及びＤｉｘｏｎ，Ｇ．Ｊ．．，Ｔａｎｎｅｒ，Ｃ．Ｅ．
とＷｉｅｍａｎ，Ｃ．Ｅ．，「４３２−ｎｍ ｓｏｕｒ
ｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｅｃｏ
ｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ
ＧａＡｌＡｓｄｉｏｄｅ−ｌａｓｅｒ ｒａｄｉａｔ
ｉｏｎ ｉｎ ａ ｓｅｌｆ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｅｘｔ
ｅｒｎａｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｖｉｔｙ，」Ｏｐ
ｔ．Ｌｅｔｔ．，１４，ｐｐ７３１〜７３３（１９８
９）、及び米国特許第４，８８４，２７６号、「Ｏｐｔ
ｉｃａｌ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ
ｔｈｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ
ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ Ｒａｄｉａｔｉｏ
ｎ，」Ｄｉｘｏｎ，等、１９８９年１１月２８日、に記
述されている。
【００１４】この概念は、さらにＷ．ＬｅｎｔｈとＷ．
Ｐ．Ｒｉｓｋによって米国特許第５，０３８，３５２に
採用されており、そこでは、反射防止（ＡＲ）膜被覆さ
れたダイオードレーザと強い（１０％〜５０％）フィー
ドバックとを使うことにより、ロッキングの安定度が増
すことが教示されている。さらに、Ｗ．Ｊ．Ｋｏｚｌｏ
ｖｓｋｙは、Ｌｅｎｔｈ及びＲｉｓｋと共に、Ｐｒｏｃ
ｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｂｌｕ
ｅ−Ｇｒｅｅｎ Ｌａｓｅｒｓ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅ
ｅｔｉｎｇでの「Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ−ｅｎｈａｎｃｅ
ｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｉｎ ａ
ｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｃａｖｉｔｙｄｉｏｄｅ ｌａ
ｓｅｒ，」Ｎｅｗ Ｏｒｌｅａｎｓ，Ｌｏｕｉｓｉａｎ
ａ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒ
ｉｃａ，Ｆｅｂ．１９９３，ｐ．ＰＤ２−１において、
彼らが強力な（３％）光学フィードバックをＡＲ膜被覆
されたダイオードレーザにどのように使い、かつビルド
アップキャビティから放射された光をキャビティを通し
てダイオードレーザに反射し返す分散要素をどのように
付加したかを報告した。分散要素により周波数の安定度
が付加された。
Ｐ．Ｒｉｓｋによって米国特許第５，０３８，３５２に
採用されており、そこでは、反射防止（ＡＲ）膜被覆さ
れたダイオードレーザと強い（１０％〜５０％）フィー
ドバックとを使うことにより、ロッキングの安定度が増
すことが教示されている。さらに、Ｗ．Ｊ．Ｋｏｚｌｏ
ｖｓｋｙは、Ｌｅｎｔｈ及びＲｉｓｋと共に、Ｐｒｏｃ
ｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｂｌｕ
ｅ−Ｇｒｅｅｎ Ｌａｓｅｒｓ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅ
ｅｔｉｎｇでの「Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ−ｅｎｈａｎｃｅ
ｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｉｎ ａ
ｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｃａｖｉｔｙｄｉｏｄｅ ｌａ
ｓｅｒ，」Ｎｅｗ Ｏｒｌｅａｎｓ，Ｌｏｕｉｓｉａｎ
ａ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒ
ｉｃａ，Ｆｅｂ．１９９３，ｐ．ＰＤ２−１において、
彼らが強力な（３％）光学フィードバックをＡＲ膜被覆
されたダイオードレーザにどのように使い、かつビルド
アップキャビティから放射された光をキャビティを通し
てダイオードレーザに反射し返す分散要素をどのように
付加したかを報告した。分散要素により周波数の安定度
が付加された。
【００１５】ダイオードレーザ用受動的全光周波数ロッ
キング技術は、全電子的かもしくは弱光フィードバック
のロッキングより単純ではるかに安定である。何故な
ら、それによってダイオードレーザ又は光学フィールド
の精巧な電子的制御の必要性が排除されるからである。
ダイオードレーザがビルドアップキャビティに安定にロ
ッキングされることを保証するためには、ダイオード利
得媒体への支配的な光のフィードバックは、他の任意の
源からというよりはむしろビルドアップキャビティから
の、例えば、ダイオードレーザ放射面からの光のダイオ
ード利得媒体への戻り反射からであるべきである。
キング技術は、全電子的かもしくは弱光フィードバック
のロッキングより単純ではるかに安定である。何故な
ら、それによってダイオードレーザ又は光学フィールド
の精巧な電子的制御の必要性が排除されるからである。
ダイオードレーザがビルドアップキャビティに安定にロ
ッキングされることを保証するためには、ダイオード利
得媒体への支配的な光のフィードバックは、他の任意の
源からというよりはむしろビルドアップキャビティから
の、例えば、ダイオードレーザ放射面からの光のダイオ
ード利得媒体への戻り反射からであるべきである。
【００１６】典型的には、ダイオード放射面は、反射防
止膜被覆されており、システム全体はキャビティ内エタ
ロンを有する正規の半導体レーザと見なしてよい。ビル
ドアップキャビティからダイオードレーザにフィードバ
ックさる光が多ければ多いほど、安定な光学ロッキング
を可能にするダイオード放射面の反射率は高くなる。
止膜被覆されており、システム全体はキャビティ内エタ
ロンを有する正規の半導体レーザと見なしてよい。ビル
ドアップキャビティからダイオードレーザにフィードバ
ックさる光が多ければ多いほど、安定な光学ロッキング
を可能にするダイオード放射面の反射率は高くなる。
【００１７】前述の全ての方法のうち、大きいフィード
バックを有する全光学ロッキングを採用している僅かに
２つの例は、ＬｅｎｔｈとＲｉｓｋ（米国特許第５，０
３８，３５２）によって、及びＫｏｚｌｏｖｓｋｙ等に
よって開示されたものである。しかし、これらの方法の
何れも検知の用途にはうまく適用しない。言明されたこ
れらのシステムの目的に対しては、入射光の波長を半分
にすること、特に近赤外光を青色に変えることが不可欠
である。
バックを有する全光学ロッキングを採用している僅かに
２つの例は、ＬｅｎｔｈとＲｉｓｋ（米国特許第５，０
３８，３５２）によって、及びＫｏｚｌｏｖｓｋｙ等に
よって開示されたものである。しかし、これらの方法の
何れも検知の用途にはうまく適用しない。言明されたこ
れらのシステムの目的に対しては、入射光の波長を半分
にすること、特に近赤外光を青色に変えることが不可欠
である。
【００１８】ＳｉｅｇｍａｎがＬａｓｅｒｓ，Ｕｎｉｖ
ｅｒｓｉｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｏｏｋｓ，Ｍｉｌｌ
Ｖａｌｌｅｙ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１９８６，ｐ
ｐ．４２８〜４３１において述べているように、光学ビ
ルドアップキャビティ内部で発生し得る出力は、キャビ
ティの光学損失に逆比例する。光学損失は、ミラーのよ
うな個々のキャビティ内要素の全ての光学損失のほぼ合
計である。
ｅｒｓｉｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｏｏｋｓ，Ｍｉｌｌ
Ｖａｌｌｅｙ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１９８６，ｐ
ｐ．４２８〜４３１において述べているように、光学ビ
ルドアップキャビティ内部で発生し得る出力は、キャビ
ティの光学損失に逆比例する。光学損失は、ミラーのよ
うな個々のキャビティ内要素の全ての光学損失のほぼ合
計である。
【００１９】コヒーレントな放射発生に最適である構造
は、必ず有効量の出力放射を招来する（Ｋｏｚｌｏｖｓ
ｋｙとＬｅｎｔｈ参照）。この変換はまた、キャビティ
内放射に対する付加的損失メカニズムとしても作用し、
光学キャビティで発生し得る出力量を減少させる。Ｌｅ
ｎｔｈ及びＫｏｚｌｏｖｓｋｙのそれのようなシステム
で用いられる非線形結晶は、キャビティの微細度を下げ
るよう作用する付加的吸収損失を有している。これらの
実質的損失の両メカニズムは、コヒーレントな放射発生
にとって本質的である。しかし、キャビティ内化学検知
には、特にラマン気体検知には、でき得る限り大きいキ
ャビティ内出力を要し、従って、不必要なしかも実在す
る損失を組み入れた構造は何れも、鋭敏なキャビティ内
化学検知には不適当である。化学検知に最適な構造は、
実施できるような低い光学損失を有するビルドアップキ
ャビティであろうし、その結果可及的には少ない光量が
キャビティから漏れ出るようになり、従ってＬｅｎｔｈ
及びＫｏｚｌｏｖｓｋｙによって記述されたものとは根
本的に異なっている。
は、必ず有効量の出力放射を招来する（Ｋｏｚｌｏｖｓ
ｋｙとＬｅｎｔｈ参照）。この変換はまた、キャビティ
内放射に対する付加的損失メカニズムとしても作用し、
光学キャビティで発生し得る出力量を減少させる。Ｌｅ
ｎｔｈ及びＫｏｚｌｏｖｓｋｙのそれのようなシステム
で用いられる非線形結晶は、キャビティの微細度を下げ
るよう作用する付加的吸収損失を有している。これらの
実質的損失の両メカニズムは、コヒーレントな放射発生
にとって本質的である。しかし、キャビティ内化学検知
には、特にラマン気体検知には、でき得る限り大きいキ
ャビティ内出力を要し、従って、不必要なしかも実在す
る損失を組み入れた構造は何れも、鋭敏なキャビティ内
化学検知には不適当である。化学検知に最適な構造は、
実施できるような低い光学損失を有するビルドアップキ
ャビティであろうし、その結果可及的には少ない光量が
キャビティから漏れ出るようになり、従ってＬｅｎｔｈ
及びＫｏｚｌｏｖｓｋｙによって記述されたものとは根
本的に異なっている。
【００２０】外部キャビティの半導体レーザの関係で
は、ダイオード出力面の反射防止膜被覆及び強力な光学
フィードバックは、安定性能を確保するには不可欠であ
ることはよく知られている。Ｒｏｎｇ−Ｑｉｎｇ，Ｈ．
とＳｈａｎｇ−Ｐｉｎｇ，Ｔ．，「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ
ｒａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｅｘｔｅｒｎ
ａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌ
ａｓｅｒｓ，」ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．，
２５，ｐｐ．１５８０〜１５８４，１９８９参照。これ
らのレーザシステムはキャビティ内分光学に採用されて
いる、Ｂａｅｖ，Ｖ．Ｍ．，Ｅｓｃｈｎｅｒ，Ｊ．，Ｐ
ａｅｔｈ，Ｅ．，Ｓｈｕｌｅｒ，Ｒ．，及びＴｏｓｃｈ
ｅｋ，Ｐ．Ｅ．，「Ｉｎｔｒａ−ｃａｖｉｔｙ ｓｐｅ
ｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅ
ｒｓ，」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ．，Ｂ５５，ｐｐ．４
６３〜４７７，１９９２参照、しかし、上述のように、
キャビティ内微細化例えばキャビティ内出力は、ダイオ
ードのレーザ面に対する光学的損傷を防ぐために慎重に
低く維持される。従って、これらの装置は、高いキャビ
ティ内出力に立脚している検知用途には不適当である。
は、ダイオード出力面の反射防止膜被覆及び強力な光学
フィードバックは、安定性能を確保するには不可欠であ
ることはよく知られている。Ｒｏｎｇ−Ｑｉｎｇ，Ｈ．
とＳｈａｎｇ−Ｐｉｎｇ，Ｔ．，「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ
ｒａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｅｘｔｅｒｎ
ａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌ
ａｓｅｒｓ，」ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．，
２５，ｐｐ．１５８０〜１５８４，１９８９参照。これ
らのレーザシステムはキャビティ内分光学に採用されて
いる、Ｂａｅｖ，Ｖ．Ｍ．，Ｅｓｃｈｎｅｒ，Ｊ．，Ｐ
ａｅｔｈ，Ｅ．，Ｓｈｕｌｅｒ，Ｒ．，及びＴｏｓｃｈ
ｅｋ，Ｐ．Ｅ．，「Ｉｎｔｒａ−ｃａｖｉｔｙ ｓｐｅ
ｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅ
ｒｓ，」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ．，Ｂ５５，ｐｐ．４
６３〜４７７，１９９２参照、しかし、上述のように、
キャビティ内微細化例えばキャビティ内出力は、ダイオ
ードのレーザ面に対する光学的損傷を防ぐために慎重に
低く維持される。従って、これらの装置は、高いキャビ
ティ内出力に立脚している検知用途には不適当である。
【００２１】化学検知にとって、必要なことは、キャビ
ティ内高出力と所要の低入力を併有し、受動的かつ光学
的にロックし、それによって複雑かつ高価なロッキング
回路系の必要性を排除するコンパクトなシステムであ
る。本発明は、低入力で高出力を得ることができ（すな
わち低損失で）、かつ安定した出力を得ることができ
る、化学物質検出システム、化学物質検出方法、および
半導体レーザ出力ビルドアップシステムを提供すること
を目的とする。
ティ内高出力と所要の低入力を併有し、受動的かつ光学
的にロックし、それによって複雑かつ高価なロッキング
回路系の必要性を排除するコンパクトなシステムであ
る。本発明は、低入力で高出力を得ることができ（すな
わち低損失で）、かつ安定した出力を得ることができ
る、化学物質検出システム、化学物質検出方法、および
半導体レーザ出力ビルドアップシステムを提供すること
を目的とする。
【００２２】
【発明の概要】半導体レーザの出力ビルドアップシステ
ムは、放射面を有し、入射ビームを出力する半導体レー
ザが含まれる。光共振キャビティは、第１の入り口反射
要素と１つ以上の第２の反射要素との間で規定され、キ
ャビティ内光路に沿ってキャビティ内ビームを有するも
のである。戻りのビームは、入り口反射要素を透過し、
入射ビームと一致するが、それとは方向が逆のキャビテ
ィ内ビームの一部からなる。レーザは、完全に光学的に
キャビティにロッキングされており、キャビティ内ビー
ムは、キャビティ内を実質上無損失で通過する。
ムは、放射面を有し、入射ビームを出力する半導体レー
ザが含まれる。光共振キャビティは、第１の入り口反射
要素と１つ以上の第２の反射要素との間で規定され、キ
ャビティ内光路に沿ってキャビティ内ビームを有するも
のである。戻りのビームは、入り口反射要素を透過し、
入射ビームと一致するが、それとは方向が逆のキャビテ
ィ内ビームの一部からなる。レーザは、完全に光学的に
キャビティにロッキングされており、キャビティ内ビー
ムは、キャビティ内を実質上無損失で通過する。
【００２３】好ましくは、本発明は、さらにレーザと第
１の反射要素との間の入射ビーム路に回折格子（グレー
ティング）又はエタロンのような波長決定要素を包含す
る。
１の反射要素との間の入射ビーム路に回折格子（グレー
ティング）又はエタロンのような波長決定要素を包含す
る。
【００２４】放射面は、好ましくは、例えば反射防止膜
により、０．０１より小さい又はさらに０．０００１よ
り小さい反射率を持つ。戻りビームの放射面を通してレ
ーザへのフィードバックは、強く、例えば３％より大き
くてよい。
により、０．０１より小さい又はさらに０．０００１よ
り小さい反射率を持つ。戻りビームの放射面を通してレ
ーザへのフィードバックは、強く、例えば３％より大き
くてよい。
【００２５】また好ましくは、本発明は、インピーダン
ス整合のため入射光路に光学形成装置を包含してもよ
い。
ス整合のため入射光路に光学形成装置を包含してもよ
い。
【００２６】システムの好ましい用途は、試料中の化学
物質の検出である。そのために試料はキャビティの相互
作用領域に配置され、検出系はその相互作用領域内で試
料の所定の特性（例えば、ラマン散乱光）を検知できる
ように配置される。キャビティ内ビームは、試料と相互
作用する以外は実質上無損失でキャビティ内を通過す
る。
物質の検出である。そのために試料はキャビティの相互
作用領域に配置され、検出系はその相互作用領域内で試
料の所定の特性（例えば、ラマン散乱光）を検知できる
ように配置される。キャビティ内ビームは、試料と相互
作用する以外は実質上無損失でキャビティ内を通過す
る。
【００２７】本発明の別の態様は、半導体レーザは、無
修正放射面を有する高出力ダイオードレーザであること
である。この場合、本発明は、裸ダイオードのしきい値
電流より小さい電流でダイオードレーザを駆動する方法
を提供する。
修正放射面を有する高出力ダイオードレーザであること
である。この場合、本発明は、裸ダイオードのしきい値
電流より小さい電流でダイオードレーザを駆動する方法
を提供する。
【００２８】
【実施例】本発明は、主として、その気体検知（本発明
は、この用途に特によく適合する）における用途に関し
て説明する。しかし、本発明はまた液体検知に用いても
よい。必要な変更を以下に述べる
は、この用途に特によく適合する）における用途に関し
て説明する。しかし、本発明はまた液体検知に用いても
よい。必要な変更を以下に述べる
【００２９】本発明の最初の、かつ好ましい実施例を図
１で説明する。ダイオードレーザは光源１１０を形成
し、これは放射面１１２と後部面１１３とを有する。光
源はビーム１１４を放出する。光源１１０として適当な
市販デバイスの例は、東芝９２１５、日立ＨＬ６７１４
Ｇ、又はフィリップスＣＱＬ６０１Ｄ方式の単一縦モー
ドでインデックス誘導型（ＳＬＭ−ＩＤ）レーザ並びに
フィリップスＣＱＬ６０２Ｄのような高出力・広領域デ
バイスがある。
１で説明する。ダイオードレーザは光源１１０を形成
し、これは放射面１１２と後部面１１３とを有する。光
源はビーム１１４を放出する。光源１１０として適当な
市販デバイスの例は、東芝９２１５、日立ＨＬ６７１４
Ｇ、又はフィリップスＣＱＬ６０１Ｄ方式の単一縦モー
ドでインデックス誘導型（ＳＬＭ−ＩＤ）レーザ並びに
フィリップスＣＱＬ６０２Ｄのような高出力・広領域デ
バイスがある。
【００３０】加えて、光源１１０の後部面１１３は、
（例えば、反射防止膜被覆の結果として）低反射率をも
っていてよい。この場合は、小ミラーを光源の後部面の
背後に置いて、光源から放出された光を反射させ、後部
面を通してビーム１１４のラインに沿って光源へ戻すよ
うにすべきである。この配置構成の利点は、その後でこ
の追加ミラーの位置を変えて系を調整できることであ
り、また後部面１１３とこの追加ミラー間に（後述の）
光学要素を置いてもよいことである。この実施例を図２
を参照して以下により詳細に説明する。
（例えば、反射防止膜被覆の結果として）低反射率をも
っていてよい。この場合は、小ミラーを光源の後部面の
背後に置いて、光源から放出された光を反射させ、後部
面を通してビーム１１４のラインに沿って光源へ戻すよ
うにすべきである。この配置構成の利点は、その後でこ
の追加ミラーの位置を変えて系を調整できることであ
り、また後部面１１３とこの追加ミラー間に（後述の）
光学要素を置いてもよいことである。この実施例を図２
を参照して以下により詳細に説明する。
【００３１】光源１１０を強化するのに必要な回路系は
従来知られており、ここには示さない。しかし、上に挙
げたものを含むいくつかの適当な半導体レーザ装置は、
典型的には、装置冷却にほとんど又は全く追加電力を使
わなければ、約１００ｍＷを越える出力はもたらさない
であろう、ということに留意。さらに、反射防止膜被覆
したダイオードレーザ又は超ルミネッセンスダイオード
のような他の半導体デバイスを光源１１０として用いて
よい。
従来知られており、ここには示さない。しかし、上に挙
げたものを含むいくつかの適当な半導体レーザ装置は、
典型的には、装置冷却にほとんど又は全く追加電力を使
わなければ、約１００ｍＷを越える出力はもたらさない
であろう、ということに留意。さらに、反射防止膜被覆
したダイオードレーザ又は超ルミネッセンスダイオード
のような他の半導体デバイスを光源１１０として用いて
よい。
【００３２】光源１１０はビーム１１４を放出し、これ
は従来の光学形成系１１６により公知の方法で空間的に
形成されて、適切なインピーダンス整合を確保する。波
長決定要素１１８は、ビーム１１４の光路に包含されて
動作波長の値を設定し、ダイオードキャビティの平均光
学帯域幅を制限する。追加された従来の光ビーム形成系
１３５は、もし形成系１１６を出るビーム１１４が空間
的に最適化されない場合に波長決定要素１１８及びビル
ドアップキャビティへのインピーダンス整合の両方につ
いて必要になろう。公知の製作技術を使って、光源１１
０、光学形成系１１６（及びもしあれば光ビーム形成系
１３５）、及び波長決定要素１１８を、破線１１９で示
すように、単一の光源ユニットに機械的に組み込んでよ
い。光学的な同調可能帯域フィルタとして作動する光学
形成系１１６及び波長決定要素１１８は、その構造と操
作がよく知られている従来装置でよい。ビーム１１４
は、図１において右向きの矢印によって示されている入
射ビームを形成する。
は従来の光学形成系１１６により公知の方法で空間的に
形成されて、適切なインピーダンス整合を確保する。波
長決定要素１１８は、ビーム１１４の光路に包含されて
動作波長の値を設定し、ダイオードキャビティの平均光
学帯域幅を制限する。追加された従来の光ビーム形成系
１３５は、もし形成系１１６を出るビーム１１４が空間
的に最適化されない場合に波長決定要素１１８及びビル
ドアップキャビティへのインピーダンス整合の両方につ
いて必要になろう。公知の製作技術を使って、光源１１
０、光学形成系１１６（及びもしあれば光ビーム形成系
１３５）、及び波長決定要素１１８を、破線１１９で示
すように、単一の光源ユニットに機械的に組み込んでよ
い。光学的な同調可能帯域フィルタとして作動する光学
形成系１１６及び波長決定要素１１８は、その構造と操
作がよく知られている従来装置でよい。ビーム１１４
は、図１において右向きの矢印によって示されている入
射ビームを形成する。
【００３３】ビーム１１４は、ミラー１２０、１２２及
び１２４のような反射要素から成るビルドアップキャビ
ティに衝突して、キャビティ内ビーム１２６を発生す
る。ミラー１２０は、好ましくは、傾斜させて（但しビ
ーム１１４の方向に垂直ではなく）ビーム１１４の直接
反射が光源に戻らないようにする。このことはキャビテ
ィ内ビーム１２６をロックする光源の能力を減ずること
になろう。傾斜したミラー１２０で反射したビーム１１
４の一部分と、ミラー１２０が通す（ミラー１２４から
の）ビーム１２６の極めて小部分とを破線矢印１２５で
示す。
び１２４のような反射要素から成るビルドアップキャビ
ティに衝突して、キャビティ内ビーム１２６を発生す
る。ミラー１２０は、好ましくは、傾斜させて（但しビ
ーム１１４の方向に垂直ではなく）ビーム１１４の直接
反射が光源に戻らないようにする。このことはキャビテ
ィ内ビーム１２６をロックする光源の能力を減ずること
になろう。傾斜したミラー１２０で反射したビーム１１
４の一部分と、ミラー１２０が通す（ミラー１２４から
の）ビーム１２６の極めて小部分とを破線矢印１２５で
示す。
【００３４】ビーム１２６は、（任意の従来セル又は他
の保持構造物に入れられている）試料１２８を通過し、
試料１２８とビーム１２６との相互作用により発生した
光信号は、従来の検出系１３０で検出される。例えばラ
マン散乱光を検出してもよい。、検出系からの出力は、
従来の処理回路１３２への入力信号となり、公知の分析
技術を使って試料１２８中の対象物質の存在もしくはそ
の量が決定される。プロセッサによる分析結果は、さら
に処理回路系（図示せず）へ回してよく、又は従来の表
示装置１３４上に表示してもよい。
の保持構造物に入れられている）試料１２８を通過し、
試料１２８とビーム１２６との相互作用により発生した
光信号は、従来の検出系１３０で検出される。例えばラ
マン散乱光を検出してもよい。、検出系からの出力は、
従来の処理回路１３２への入力信号となり、公知の分析
技術を使って試料１２８中の対象物質の存在もしくはそ
の量が決定される。プロセッサによる分析結果は、さら
に処理回路系（図示せず）へ回してよく、又は従来の表
示装置１３４上に表示してもよい。
【００３５】ビーム１２６の小部分は、入り口のミラー
１２０を通って戻りビーム１３６として漏れる。戻りビ
ーム１３６は（左向きの矢印で示すように）方向は逆だ
が入射ビーム１１４と一致する。入り口のミラー１２０
からの戻りビーム１３６は、波長決定要素１１８、光学
形成系１１６（及びもしあれば光ビーム形成系１３５）
を通過し、そしてその放射面１１２を通って光源１１０
に戻る。
１２０を通って戻りビーム１３６として漏れる。戻りビ
ーム１３６は（左向きの矢印で示すように）方向は逆だ
が入射ビーム１１４と一致する。入り口のミラー１２０
からの戻りビーム１３６は、波長決定要素１１８、光学
形成系１１６（及びもしあれば光ビーム形成系１３５）
を通過し、そしてその放射面１１２を通って光源１１０
に戻る。
【００３６】本発明は、従来の安定電流源（図示せず）
以外には光源について何ら電子的制御を要することなく
キャビティ内ビーム１２６の出力を入射ビーム１１４よ
り何桁も大きくさせるものである。さらに別の利点は、
小型で安価な光源によって試料から極めて大きい光信号
を発生することである。これは、放射面１１２、光学形
成系１１６（及びもしあれば光ビーム形成系１３５）、
波長決定要素１１８、及びミラー１２０、１２２、１２
４のパラメータを選択してキャビティ内ビーム１２６の
出力を後述のように極大にすることによって達成され
る。
以外には光源について何ら電子的制御を要することなく
キャビティ内ビーム１２６の出力を入射ビーム１１４よ
り何桁も大きくさせるものである。さらに別の利点は、
小型で安価な光源によって試料から極めて大きい光信号
を発生することである。これは、放射面１１２、光学形
成系１１６（及びもしあれば光ビーム形成系１３５）、
波長決定要素１１８、及びミラー１２０、１２２、１２
４のパラメータを選択してキャビティ内ビーム１２６の
出力を後述のように極大にすることによって達成され
る。
【００３７】キャビティ内ビーム１２６の最大強度を確
保するためは、光源１１０からの出力のほとんどは、ビ
ルドアップキャビティと（同じ周波数について）共振し
なければならない。換言すれば、光源はキャビティに光
学的にロッキングされるべきである。本発明により、こ
れは、光源１１０への支配的フィードバックが戻りビー
ム１３６であることを確実にすることにより達成され
る。この関連での主な問題は、光源１１０へ戻る、ビー
ム１１４の放射面１１２による反射である。
保するためは、光源１１０からの出力のほとんどは、ビ
ルドアップキャビティと（同じ周波数について）共振し
なければならない。換言すれば、光源はキャビティに光
学的にロッキングされるべきである。本発明により、こ
れは、光源１１０への支配的フィードバックが戻りビー
ム１３６であることを確実にすることにより達成され
る。この関連での主な問題は、光源１１０へ戻る、ビー
ム１１４の放射面１１２による反射である。
【００３８】本発明に従い、戻りビーム（漏れビーム）
１３６が支配的フィードバックであることを保証するた
めにいくつかある方法の何れかを用いてよい。もしダイ
オードレーザ（光源）１１０が、東芝９２１５、日立６
７１４Ｇ、又はフィリップスＣＱＬ６０１Ｄ方式のＳＬ
Ｍ−ＩＤ装置であるなら、それは通常、最適の出力ビル
ドアップができるよう、裸ダイオードのしきい値電流
（分離して作動する無修正ダイオードレーザに対する電
流しきい値）以上で良好に作動する。計算と実験によ
り、戻りビーム１３６は、出力安定度を保証するために
は１％〜５０％の範囲のフィードバックを有することが
示されている。ビーム１３６が支配的フィードバックで
あることを保証するために、放射面１１２からのビーム
１１４の反射は、その強度がビーム１３６より少なくと
も１０〜１００倍小さくなければならない。この場合、
放射面１１２はほぼ０．０１又は０．００１の反射率を
もつべきであり、安定なロッキングを保証するために
は、それは、好ましくは０．００１と０．０００１の間
のオーダーであるべきである。本発明の１つの試作で
は、キャビティからのフィードバックは１０％と２０％
の間と推定され、また安定なロッキングのため日立６７
１４Ｇ型ダイオードレーザの放射面の反射率は、０．０
０１〜０．０００１の範囲内であった。
１３６が支配的フィードバックであることを保証するた
めにいくつかある方法の何れかを用いてよい。もしダイ
オードレーザ（光源）１１０が、東芝９２１５、日立６
７１４Ｇ、又はフィリップスＣＱＬ６０１Ｄ方式のＳＬ
Ｍ−ＩＤ装置であるなら、それは通常、最適の出力ビル
ドアップができるよう、裸ダイオードのしきい値電流
（分離して作動する無修正ダイオードレーザに対する電
流しきい値）以上で良好に作動する。計算と実験によ
り、戻りビーム１３６は、出力安定度を保証するために
は１％〜５０％の範囲のフィードバックを有することが
示されている。ビーム１３６が支配的フィードバックで
あることを保証するために、放射面１１２からのビーム
１１４の反射は、その強度がビーム１３６より少なくと
も１０〜１００倍小さくなければならない。この場合、
放射面１１２はほぼ０．０１又は０．００１の反射率を
もつべきであり、安定なロッキングを保証するために
は、それは、好ましくは０．００１と０．０００１の間
のオーダーであるべきである。本発明の１つの試作で
は、キャビティからのフィードバックは１０％と２０％
の間と推定され、また安定なロッキングのため日立６７
１４Ｇ型ダイオードレーザの放射面の反射率は、０．０
０１〜０．０００１の範囲内であった。
【００３９】これらの低反射率を得るための１つの方法
は、その面について反射防止膜を用いることによるもの
である。この反射率減少技術は公知である（例えば、Ｅ
ｉｓｅｎｓｔｅｉｎ，Ｇ．とＳｔｕｌｚ，Ｌ．Ｗ．，
「Ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉ
ｏｎ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｆａｃｅ
ｓｔｓ ｂｙ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ
ｎｉｔｒｉｄｅ，」Ａｐｐｌｅ．Ｏｐｔ．，２３，１６
１（１９８４）参照）。本発明により、ダイオードレー
ザに施した反射防止膜の１つの利点は、ダイオードをキ
ャビティに位相ロックする、従来必要とした別の電子回
路系を必要としないことである。
は、その面について反射防止膜を用いることによるもの
である。この反射率減少技術は公知である（例えば、Ｅ
ｉｓｅｎｓｔｅｉｎ，Ｇ．とＳｔｕｌｚ，Ｌ．Ｗ．，
「Ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉ
ｏｎ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｆａｃｅ
ｓｔｓ ｂｙ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ
ｎｉｔｒｉｄｅ，」Ａｐｐｌｅ．Ｏｐｔ．，２３，１６
１（１９８４）参照）。本発明により、ダイオードレー
ザに施した反射防止膜の１つの利点は、ダイオードをキ
ャビティに位相ロックする、従来必要とした別の電子回
路系を必要としないことである。
【００４０】あるいは、放射面を変更しないで高出力Ｓ
ＬＭ−ＩＤ又は他のダイオードレーザを用いてよい。も
しフィードバックが十分大きければ、ダイオードーキャ
ビティ系のレイジング（ｌａｓｉｎｇ）は、裸ダイオー
ドのしきい値電流以下で起こるであろう。ダイオードー
キャビティ系がレーザを発生しさえすれば、放射面から
の光の反射は、ダイオード利得を枯渇させない程度に十
分低くなければならない。ダイオードの電流が裸ダイオ
ードのしきい値近くまで増えると、放射面反射がダイオ
ード利得を減らし始め、続いて出力が不安定となるであ
ろう。
ＬＭ−ＩＤ又は他のダイオードレーザを用いてよい。も
しフィードバックが十分大きければ、ダイオードーキャ
ビティ系のレイジング（ｌａｓｉｎｇ）は、裸ダイオー
ドのしきい値電流以下で起こるであろう。ダイオードー
キャビティ系がレーザを発生しさえすれば、放射面から
の光の反射は、ダイオード利得を枯渇させない程度に十
分低くなければならない。ダイオードの電流が裸ダイオ
ードのしきい値近くまで増えると、放射面反射がダイオ
ード利得を減らし始め、続いて出力が不安定となるであ
ろう。
【００４１】それ故、出力ビルドアップの限界は、フィ
ードバック量と放射面反射率によって決まる。本発明の
１つの利点は、可変減衰器又は光アイソレータのような
前述のフィードバック制限装置を何ら要しないで作動で
きることである。例えば、高出力ダイオードは、裸ダイ
オードのしきい値電流以下で良好に作動し、しかも、光
がビルドアップキャビティからフィードバックされる時
にレーザを発生するのに十分な利得を有するであろう。
そうしたダイオードは、Ｕｅｎｏ，等、「３０−ｍＷ
６９０−ｎｍ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｓｔｒａｉｎｅ
ｄ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｅｅ ＡｌＧａＩｎＰ ｌａ
ｓｅｒ，」ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．，２
９，１８５１（１９９３）；及びＡｒｉｍｏｔｏ，等、
「１５０ｍＷ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ−ｔｒａｎｓｖ
ｅｒｓｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ６７
０ｎｍ ｗｉｎｄｏｗ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ，ＩＥ
ＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．，２９，１８７４
（１９９３）に説明されている。本発明の１つの試作で
は、高反射鏡の後部面と１０％の反射率をもつ放射面と
を有する６８０ｎｍのＳＬＭ−ＩＤレーザを用いた。こ
のダイオードは、裸ダイオードのしきい値電流以下１０
ｍＡで作動し、しかも、ビルドアップキャビティの有効
反射率が１０％を越えるため、適切な安定出力のビルド
アップを達成した。
ードバック量と放射面反射率によって決まる。本発明の
１つの利点は、可変減衰器又は光アイソレータのような
前述のフィードバック制限装置を何ら要しないで作動で
きることである。例えば、高出力ダイオードは、裸ダイ
オードのしきい値電流以下で良好に作動し、しかも、光
がビルドアップキャビティからフィードバックされる時
にレーザを発生するのに十分な利得を有するであろう。
そうしたダイオードは、Ｕｅｎｏ，等、「３０−ｍＷ
６９０−ｎｍ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｓｔｒａｉｎｅ
ｄ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｅｅ ＡｌＧａＩｎＰ ｌａ
ｓｅｒ，」ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．，２
９，１８５１（１９９３）；及びＡｒｉｍｏｔｏ，等、
「１５０ｍＷ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ−ｔｒａｎｓｖ
ｅｒｓｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ６７
０ｎｍ ｗｉｎｄｏｗ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ，ＩＥ
ＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．，２９，１８７４
（１９９３）に説明されている。本発明の１つの試作で
は、高反射鏡の後部面と１０％の反射率をもつ放射面と
を有する６８０ｎｍのＳＬＭ−ＩＤレーザを用いた。こ
のダイオードは、裸ダイオードのしきい値電流以下１０
ｍＡで作動し、しかも、ビルドアップキャビティの有効
反射率が１０％を越えるため、適切な安定出力のビルド
アップを達成した。
【００４２】ダイオードレーザへ戻る他の反射源は最小
にすべきである。例えば、光学形成系１１６（及びもし
あれば光ビーム形成系１３５）と波長決定要素１１８
は、反射防止膜被覆するか、単に少し傾斜させるべきで
ある。
にすべきである。例えば、光学形成系１１６（及びもし
あれば光ビーム形成系１３５）と波長決定要素１１８
は、反射防止膜被覆するか、単に少し傾斜させるべきで
ある。
【００４３】ビーム１２６の強度を最大にするため、光
学形成系１１６（及びもしあれば光ビーム形成系１３
５）は、ビーム１１４を形成し、ビーム１２６を空間的
に整合するレンズ又はプリズムのような要素を包含す
る。加えて、波長決定要素１１８は、特異な入射ビーム
の特性により最適に作動するだろう。例えば、もし波長
決定要素１１８がエタロンなら、最適入射ビームは、最
大量の光を通すため非発散でなければならない。この場
合、光学要素１１６は、要素１１８を通過できるようビ
ーム１１４を最適に形成し、また光学要素（光ビーム形
成系）１３５は、この通過光をビーム１２６へ空間的に
整合させる。波長決定要素１１８は、例えばもしそれが
回折格子なら、ビーム１１４も形成できることに注意さ
れたい。ある応用では、要素１１８の準最適の性能は許
容でき、この場合、要素１３５のビーム形成機能は、要
素１１６に組み入れてよい。
学形成系１１６（及びもしあれば光ビーム形成系１３
５）は、ビーム１１４を形成し、ビーム１２６を空間的
に整合するレンズ又はプリズムのような要素を包含す
る。加えて、波長決定要素１１８は、特異な入射ビーム
の特性により最適に作動するだろう。例えば、もし波長
決定要素１１８がエタロンなら、最適入射ビームは、最
大量の光を通すため非発散でなければならない。この場
合、光学要素１１６は、要素１１８を通過できるようビ
ーム１１４を最適に形成し、また光学要素（光ビーム形
成系）１３５は、この通過光をビーム１２６へ空間的に
整合させる。波長決定要素１１８は、例えばもしそれが
回折格子なら、ビーム１１４も形成できることに注意さ
れたい。ある応用では、要素１１８の準最適の性能は許
容でき、この場合、要素１３５のビーム形成機能は、要
素１１６に組み入れてよい。
【００４４】前述のビーム形成についての構成要素及び
技術の両方とも光学分野ではよく分かっており、従来の
要素を使ってよい。ビーム１２６の形状は、ミラー１２
０、１２２、及び１２４で形成されたビルドアップキャ
ビティで決まり、１つ以上の横電磁キャビティモードで
あってよい。
技術の両方とも光学分野ではよく分かっており、従来の
要素を使ってよい。ビーム１２６の形状は、ミラー１２
０、１２２、及び１２４で形成されたビルドアップキャ
ビティで決まり、１つ以上の横電磁キャビティモードで
あってよい。
【００４５】当業者に公知の光学形成系１１６（及びも
しあれば光ビーム形成系１３５）の設計には多くの選択
枝がある。適当な構成例は、以下のごとくである。 （ａ）ビーム１１４を集め、かつビルドアップキャビテ
ィに焦点を結ばせるための単一レンズもしくは多重レン
ズ。 （ｂ）ビーム１１４をコリメートするための単一レンズ
もしくは多重レンズ、及びビーム１１４をビルドアップ
キャビティに焦点を結ばせるための追加レンズ。この場
合、追加レンズの位置及び焦点距離はビーム１１４をビ
ルドアップキャビティにインピーダンス整合するよう選
択される。 （ｃ）（ｂ）に加えてビーム１１４を循環させるための
円筒レンズ２個。 （ｄ）（ｂ）と同じ、加えてビーム１１４を循環させる
ための円柱プリズム対。 （ｅ）（ｃ）又は（ｄ）と同じ、加えて非点収差補正レ
ンズ。 （ｆ）ビーム１１４を平行にするＧＲＩＮレンズ及びビ
ームをビルドアップキャビティにフォーカスさせるため
の第２のレンズ。
しあれば光ビーム形成系１３５）の設計には多くの選択
枝がある。適当な構成例は、以下のごとくである。 （ａ）ビーム１１４を集め、かつビルドアップキャビテ
ィに焦点を結ばせるための単一レンズもしくは多重レン
ズ。 （ｂ）ビーム１１４をコリメートするための単一レンズ
もしくは多重レンズ、及びビーム１１４をビルドアップ
キャビティに焦点を結ばせるための追加レンズ。この場
合、追加レンズの位置及び焦点距離はビーム１１４をビ
ルドアップキャビティにインピーダンス整合するよう選
択される。 （ｃ）（ｂ）に加えてビーム１１４を循環させるための
円筒レンズ２個。 （ｄ）（ｂ）と同じ、加えてビーム１１４を循環させる
ための円柱プリズム対。 （ｅ）（ｃ）又は（ｄ）と同じ、加えて非点収差補正レ
ンズ。 （ｆ）ビーム１１４を平行にするＧＲＩＮレンズ及びビ
ームをビルドアップキャビティにフォーカスさせるため
の第２のレンズ。
【００４６】構成（ａ）〜（ｆ）は全て、ビーム１１４
を別々の効率でビルドアップキャビティに結像する。こ
の効果を補償するため、同一の光出力を発生するようダ
イオード電流を変更する必要があろう。ビーム１２６と
１３６が与えられたダイオードレーザ電流で最も強くな
るよう最高能力を有する結像系を選択しなければならな
い。この選択は、与えられた用途についての特定幾何学
的配置、並びに費用によって決まり、公知の実験的理論
的技法を使って実施してよい。
を別々の効率でビルドアップキャビティに結像する。こ
の効果を補償するため、同一の光出力を発生するようダ
イオード電流を変更する必要があろう。ビーム１２６と
１３６が与えられたダイオードレーザ電流で最も強くな
るよう最高能力を有する結像系を選択しなければならな
い。この選択は、与えられた用途についての特定幾何学
的配置、並びに費用によって決まり、公知の実験的理論
的技法を使って実施してよい。
【００４７】ビルドアップキャビティは、Ｄ＝ｃ／２Ｌ
の間隔の「櫛形」の共振周波数を持つ。ここでＤはヘル
ツ単位のモード間隔であり、ｃは光速、及びＬはビルド
アップキャビティの往復路長（ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ
ｐａｔｈ ｌｅｎｇｔｈ）である。例えば、もしＬ＝３
０ｃｍなら、Ｄ＝０．５０ＧＨｚとなる。もし特定の検
知用途でキャビティ内ビーム１２６が１つもしくは数個
のキャビティモードを包含すべきなら、波長（又は周波
数決定要素）１１８を採用しなければならない。
の間隔の「櫛形」の共振周波数を持つ。ここでＤはヘル
ツ単位のモード間隔であり、ｃは光速、及びＬはビルド
アップキャビティの往復路長（ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ
ｐａｔｈ ｌｅｎｇｔｈ）である。例えば、もしＬ＝３
０ｃｍなら、Ｄ＝０．５０ＧＨｚとなる。もし特定の検
知用途でキャビティ内ビーム１２６が１つもしくは数個
のキャビティモードを包含すべきなら、波長（又は周波
数決定要素）１１８を採用しなければならない。
【００４８】典型的なダイオードレーザの利得媒体は、
約３ＴＨｚ（即ち、６７０ｎｍで５ｎｍ）の幅にわたっ
て実質的利得を有し、その結果、多くのキャビティ周波
数が、ランダム状態で同時又は別々にレーザを発生し、
かつビルドアップできるようになる。波長決定要素１１
８の目的は、レーザを発生できるビルドアップキャビテ
ィモード数を制限することにある。レイジングモード数
は、波長決定要素１１８の帯域により決まり、１つであ
ってもよい。ビーム１２６と１３６ができるだけ大きい
ことを保証するには、波長決定要素１１８の透過率は、
大きくなければならない。本発明の種々の稼働試作機で
は、８０％以上の透過率が用いられた。
約３ＴＨｚ（即ち、６７０ｎｍで５ｎｍ）の幅にわたっ
て実質的利得を有し、その結果、多くのキャビティ周波
数が、ランダム状態で同時又は別々にレーザを発生し、
かつビルドアップできるようになる。波長決定要素１１
８の目的は、レーザを発生できるビルドアップキャビテ
ィモード数を制限することにある。レイジングモード数
は、波長決定要素１１８の帯域により決まり、１つであ
ってもよい。ビーム１２６と１３６ができるだけ大きい
ことを保証するには、波長決定要素１１８の透過率は、
大きくなければならない。本発明の種々の稼働試作機で
は、８０％以上の透過率が用いられた。
【００４９】波長決定要素１１８には適当なフィルタ要
素があり、これは分散型か、吸収型かあるいは両者の組
合わせ型でよい。狭帯域を有する光学フィルタ又は吸収
体は、大多数のモードを多く減衰させ、従ってそれらが
増えないようにするために用いてよい。適当なフィルタ
の例には、誘電スタック帯域フィルタ、エタロン、ライ
オット・フィルタ（Ｌｙｏｔ ｆｉｌｔｅｒ）、及び超
音波光学フィルタがある。要素１１８は、光源１１０の
後部面１１３に、例えば、誘電スタック反射体またはそ
の他の公知被膜を後部面１１３上に堆積することによ
り、組み入れてよい。この場合、後部面１１３の作用
は、所定の適当に狭い周波数帯だけを反射させてビーム
１１４の光路に沿って戻すことにあり、これによってレ
ーザを発生できるキャビティモード数を制限するのであ
る。
素があり、これは分散型か、吸収型かあるいは両者の組
合わせ型でよい。狭帯域を有する光学フィルタ又は吸収
体は、大多数のモードを多く減衰させ、従ってそれらが
増えないようにするために用いてよい。適当なフィルタ
の例には、誘電スタック帯域フィルタ、エタロン、ライ
オット・フィルタ（Ｌｙｏｔ ｆｉｌｔｅｒ）、及び超
音波光学フィルタがある。要素１１８は、光源１１０の
後部面１１３に、例えば、誘電スタック反射体またはそ
の他の公知被膜を後部面１１３上に堆積することによ
り、組み入れてよい。この場合、後部面１１３の作用
は、所定の適当に狭い周波数帯だけを反射させてビーム
１１４の光路に沿って戻すことにあり、これによってレ
ーザを発生できるキャビティモード数を制限するのであ
る。
【００５０】分散要素、例えば回折格子及びプリズム
は、ビームをある角度（光の周波数に依存）だけ偏光す
る。従って、僅か数個のビルドアップキャビティモード
だけがビーム１２６で発生でき、かつダイオードレーザ
光源１１０へ戻るビーム１３６を供給する。この場合、
ビルドアップできるモード数は、波長決定要素１１８の
分散及びこの要素とビルドアップキャビティ間の距離で
決まる。
は、ビームをある角度（光の周波数に依存）だけ偏光す
る。従って、僅か数個のビルドアップキャビティモード
だけがビーム１２６で発生でき、かつダイオードレーザ
光源１１０へ戻るビーム１３６を供給する。この場合、
ビルドアップできるモード数は、波長決定要素１１８の
分散及びこの要素とビルドアップキャビティ間の距離で
決まる。
【００５１】適当な回折要素の例は、８０％の透過効率
を有し、ｍｍ当り１８００本の溝を持つ透過格子であ
る。反射格子を用いてもよい。本発明の試作では、ｍｍ
当り２４００本の溝と反射効率９０％を有する格子を用
いた。ビーム１１４は、波長決定要素１１８を通過する
際、偏光（又は反射）してよい。
を有し、ｍｍ当り１８００本の溝を持つ透過格子であ
る。反射格子を用いてもよい。本発明の試作では、ｍｍ
当り２４００本の溝と反射効率９０％を有する格子を用
いた。ビーム１１４は、波長決定要素１１８を通過する
際、偏光（又は反射）してよい。
【００５２】図２は、本発明の第２の実施例を説明する
もので、ここでは、後部面１１３は、放射面１１２同
様、ＡＲ膜被覆されており、さらに追加ミラー２００
は、ビーム１１４を反射して後部面１１３を通して光源
１１０に戻す。波長決定要素１１８は、もしそれが今度
はミラー２００と後部面１１３間に置かれると、上述と
同じように動作するであろう。加えて、要素１１８の最
適性能が得られるようビーム１１４を形成するには、光
学形成系１１６が必要になろう。この場合、これも、ミ
ラー２００と後部面１１３間に、好ましくは（但し必要
ではないが）波長決定要素１１８と後部面１１３間に配
置されることになる。
もので、ここでは、後部面１１３は、放射面１１２同
様、ＡＲ膜被覆されており、さらに追加ミラー２００
は、ビーム１１４を反射して後部面１１３を通して光源
１１０に戻す。波長決定要素１１８は、もしそれが今度
はミラー２００と後部面１１３間に置かれると、上述と
同じように動作するであろう。加えて、要素１１８の最
適性能が得られるようビーム１１４を形成するには、光
学形成系１１６が必要になろう。この場合、これも、ミ
ラー２００と後部面１１３間に、好ましくは（但し必要
ではないが）波長決定要素１１８と後部面１１３間に配
置されることになる。
【００５３】波長決定要素１１８によって通された周波
数ウインド（即ち、帯域濾波）が同調できるなら、ビー
ム１２６の平均周波数も同調できよう。同調範囲は、最
終的にダイオードレーザ光源１１０の利得帯域によって
制限される。同調の例には、回折格子かエタロンの何れ
かを回転することが含まれる。本発明では、波長決定要
素１１８は、レーザ光源１１０とキャビティとの間に置
かれる。要素１１８は、このとき、光源の後部面１１３
に組み込んでよく、もしくは光源と外部の追加ミラー２
００との間に置いてよい。本発明における要素１１８の
位置は、それ故、例えばＫｏｚｌｏｖｓｋｙによって記
述されたそれとは根本的に異なっている。本発明のキャ
ビティの設計により、極僅かな量の光をミラー１２２及
び１２４を通して通過させることができる。
数ウインド（即ち、帯域濾波）が同調できるなら、ビー
ム１２６の平均周波数も同調できよう。同調範囲は、最
終的にダイオードレーザ光源１１０の利得帯域によって
制限される。同調の例には、回折格子かエタロンの何れ
かを回転することが含まれる。本発明では、波長決定要
素１１８は、レーザ光源１１０とキャビティとの間に置
かれる。要素１１８は、このとき、光源の後部面１１３
に組み込んでよく、もしくは光源と外部の追加ミラー２
００との間に置いてよい。本発明における要素１１８の
位置は、それ故、例えばＫｏｚｌｏｖｓｋｙによって記
述されたそれとは根本的に異なっている。本発明のキャ
ビティの設計により、極僅かな量の光をミラー１２２及
び１２４を通して通過させることができる。
【００５４】ミラー１２０、１２２、及び１２４はそれ
ぞれ、ビーム１２６の強度を最適化するために従来の基
準を併用して任意の特定検知用途のニーズを満足するよ
う選択した曲率半径と相対的間隔をもっている。ミラー
の反射率の値は、光学キャビティの反射率の微細さ、従
ってビーム１２６と１３６の強度を決める。実際の値
は、与えられた用途によって異なり、またそれは、主要
な考察事項ががインピーダンス整合である公知技術を用
いて、実験もしくは計算によって決めてよい。計算によ
れば、最適のインピーダンス整合したミラー１２０は、
５０〜３００（ｐｐｍ）の範囲の（透過、吸収、及び散
乱損失を含む）損失をもつであろうこと、及び第２のミ
ラー１２２、１２４の損失は１〜１００ｐｐｍの範囲に
なるだろうということが示されている。本発明の試作に
用いられた適当なミラーの透過損失の２つの例は、３個
のミラー全てが１２ｐｐｍという透過損失を持つとき
か、またはミラー１２０が約１００ｐｐｍの損失を有
し、かつミラー１２２及び１２４が約１２ｐｐｍの損失
を持つときかである。回折格子を使う系と光路において
キャビティより後の（キャビティの「エンドミラー」よ
り向こうの）他の周波数ロッキング装置とを比べると、
本発明のエンドミラー１２２、１２４は、従って、数桁
多く反射してよく、損失を大幅に減少して本発明の効率
を高めることができる。
ぞれ、ビーム１２６の強度を最適化するために従来の基
準を併用して任意の特定検知用途のニーズを満足するよ
う選択した曲率半径と相対的間隔をもっている。ミラー
の反射率の値は、光学キャビティの反射率の微細さ、従
ってビーム１２６と１３６の強度を決める。実際の値
は、与えられた用途によって異なり、またそれは、主要
な考察事項ががインピーダンス整合である公知技術を用
いて、実験もしくは計算によって決めてよい。計算によ
れば、最適のインピーダンス整合したミラー１２０は、
５０〜３００（ｐｐｍ）の範囲の（透過、吸収、及び散
乱損失を含む）損失をもつであろうこと、及び第２のミ
ラー１２２、１２４の損失は１〜１００ｐｐｍの範囲に
なるだろうということが示されている。本発明の試作に
用いられた適当なミラーの透過損失の２つの例は、３個
のミラー全てが１２ｐｐｍという透過損失を持つとき
か、またはミラー１２０が約１００ｐｐｍの損失を有
し、かつミラー１２２及び１２４が約１２ｐｐｍの損失
を持つときかである。回折格子を使う系と光路において
キャビティより後の（キャビティの「エンドミラー」よ
り向こうの）他の周波数ロッキング装置とを比べると、
本発明のエンドミラー１２２、１２４は、従って、数桁
多く反射してよく、損失を大幅に減少して本発明の効率
を高めることができる。
【００５５】ミラー１２０、１２２、及び１２４の最適
曲率半径も与えられた用途によって変わり、実験的もし
くは理論的に決めることができる。本発明の１つの試作
では、全てのミラー１２０、１２２、及び１２４の曲率
半径は１７ｃｍであった。ミラー１２０と１２２間の距
離、及びミラー１２０と１２４間の距離は、また、安定
なキャビティモードを形成できるよう従来の任意のやり
方で選択されるべきである。たった今述べた本発明の試
作では、ミラー間の間隔は１４ｃｍであった。
曲率半径も与えられた用途によって変わり、実験的もし
くは理論的に決めることができる。本発明の１つの試作
では、全てのミラー１２０、１２２、及び１２４の曲率
半径は１７ｃｍであった。ミラー１２０と１２２間の距
離、及びミラー１２０と１２４間の距離は、また、安定
なキャビティモードを形成できるよう従来の任意のやり
方で選択されるべきである。たった今述べた本発明の試
作では、ミラー間の間隔は１４ｃｍであった。
【００５６】試料１２８が、キャビティのビーム路に充
満する多くの気体を含有する場合は、ミラー１２０、１
２２、及び１２４によって形成されるＶ型ビルドアップ
キャビティの２本のアーム間の角度は、小さい（例え
ば、２０度未満）はずである。さもなければ、気体の変
化に起因する屈折率の変化は、ビーム１１４が入り口の
ミラー１２０を通過する際そのビームの屈折に影響を及
ぼすことになる。他のミラーの位置と曲率半径は、別の
用途、例えば１つの小さいソリッドマウント内にはめ込
めるようミラー１２４と１２０とを互いに接近させる使
い方に適するであろう。
満する多くの気体を含有する場合は、ミラー１２０、１
２２、及び１２４によって形成されるＶ型ビルドアップ
キャビティの２本のアーム間の角度は、小さい（例え
ば、２０度未満）はずである。さもなければ、気体の変
化に起因する屈折率の変化は、ビーム１１４が入り口の
ミラー１２０を通過する際そのビームの屈折に影響を及
ぼすことになる。他のミラーの位置と曲率半径は、別の
用途、例えば１つの小さいソリッドマウント内にはめ込
めるようミラー１２４と１２０とを互いに接近させる使
い方に適するであろう。
【００５７】検出系１３０は、発生された信号のを集め
るのに適した公知の光学系及び集めた信号を検出するた
めの検出器を組み込んでいる。検出系１３０の位置は、
検出系１３０に採用された光学系の位置で決まり、試料
１２８の隣もしくは他の適切などこかの場所になろう。
検出系の配置は、通常、用途によって決まり、試料が発
すると予測される（ラマン散乱又は蛍光のような）光信
号の特性についての実験又は知識により簡単に決めるこ
とができる。
るのに適した公知の光学系及び集めた信号を検出するた
めの検出器を組み込んでいる。検出系１３０の位置は、
検出系１３０に採用された光学系の位置で決まり、試料
１２８の隣もしくは他の適切などこかの場所になろう。
検出系の配置は、通常、用途によって決まり、試料が発
すると予測される（ラマン散乱又は蛍光のような）光信
号の特性についての実験又は知識により簡単に決めるこ
とができる。
【００５８】ミラー１２０、１２２、及び１２４によっ
て特徴付けられる３ミラー式、Ｖ型のビルドアップキャ
ビティは、唯一の好適なキャビティ構成ではない。他の
構成を下に述べる。しかし、本発明のビルドアップキャ
ビティの一般的性質は、ダイオードレーザへの大量の光
のフィードバックが確保されることである。一般的に、
キャビティ内ビーム１２６に由来する単一の戻りビーム
１３６をもたらすキャビティ構成を選択すべきである。
Ｖ型キャビティはこのことを達成するもので、その理由
は、非共振入射ビームは何れも入り口のミラー１２０で
反射し、ダイオードレーザへは戻らないであろう。これ
を達成する別の方法は、リングキャビティに必要になる
ような、余分のキャビティミラーを追加することにより
行われるであろう。追加要素を必要としない好ましい例
を図２及び図３に示す。
て特徴付けられる３ミラー式、Ｖ型のビルドアップキャ
ビティは、唯一の好適なキャビティ構成ではない。他の
構成を下に述べる。しかし、本発明のビルドアップキャ
ビティの一般的性質は、ダイオードレーザへの大量の光
のフィードバックが確保されることである。一般的に、
キャビティ内ビーム１２６に由来する単一の戻りビーム
１３６をもたらすキャビティ構成を選択すべきである。
Ｖ型キャビティはこのことを達成するもので、その理由
は、非共振入射ビームは何れも入り口のミラー１２０で
反射し、ダイオードレーザへは戻らないであろう。これ
を達成する別の方法は、リングキャビティに必要になる
ような、余分のキャビティミラーを追加することにより
行われるであろう。追加要素を必要としない好ましい例
を図２及び図３に示す。
【００５９】図３は、本発明の第３の実施例を説明する
もので、ここでは光学立方体３１０が図１に示されたミ
ラー１２０、１２４の代わりをする。図２及び図３の両
実施例に共通する特徴は、図１での参照番号を用いてい
ることである。特に、第１の実施例におけるように単一
ユニットに統合する必要はないが、一体化された光源、
形成光学系及び波長決定要素は１１９の符合が付けられ
ている。
もので、ここでは光学立方体３１０が図１に示されたミ
ラー１２０、１２４の代わりをする。図２及び図３の両
実施例に共通する特徴は、図１での参照番号を用いてい
ることである。特に、第１の実施例におけるように単一
ユニットに統合する必要はないが、一体化された光源、
形成光学系及び波長決定要素は１１９の符合が付けられ
ている。
【００６０】光学立方体３１０は、既知の手法で２個の
プリズム３１２と３１４を一緒にして光学的にセメント
接合することにより作られる。１つの試作では、２個の
直角プリズムを使用した。プリズム３１２の１つの面
（事実上、入射ビーム１１４及び戻りビーム１３６に平
行な面）は強く反射するが、一方、面３１６と３１８
（事実上、光学立方体３１０のそれぞれ入り口及び出口
表面のビームに垂直な面）は、反射防止膜被覆されてい
る。できるだけ大きい強度を持ったキャビティ内ビーム
３２２を作り出すためには、表面又は面３１８はできる
だけ損失を低くしなければならない。プリズム３１２の
第３の面３２４（２個のプリズムの接触表面にある面）
も強く反射し、その反射率の値は、既知の何れかの手法
で、入力ビーム１１４をキャビティにインピーダンス整
合できるように選択される。
プリズム３１２と３１４を一緒にして光学的にセメント
接合することにより作られる。１つの試作では、２個の
直角プリズムを使用した。プリズム３１２の１つの面
（事実上、入射ビーム１１４及び戻りビーム１３６に平
行な面）は強く反射するが、一方、面３１６と３１８
（事実上、光学立方体３１０のそれぞれ入り口及び出口
表面のビームに垂直な面）は、反射防止膜被覆されてい
る。できるだけ大きい強度を持ったキャビティ内ビーム
３２２を作り出すためには、表面又は面３１８はできる
だけ損失を低くしなければならない。プリズム３１２の
第３の面３２４（２個のプリズムの接触表面にある面）
も強く反射し、その反射率の値は、既知の何れかの手法
で、入力ビーム１１４をキャビティにインピーダンス整
合できるように選択される。
【００６１】光学キャビティは、３個のミラー３２０、
３２４、及び１２２で形成される。この構成の利点は、
２個の光学要素が１つに統合されていることである。し
かし、プリズム材料の複屈折を減ずるよう配慮すること
が必要である。偏光−回転要素（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉ
ｏｎ−ｒｏｔａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）３２６、好
ましくは半波長板は、ビーム１１４が偏光しているとき
必要となるもので、公知の従来技術を使って調整できよ
う。
３２４、及び１２２で形成される。この構成の利点は、
２個の光学要素が１つに統合されていることである。し
かし、プリズム材料の複屈折を減ずるよう配慮すること
が必要である。偏光−回転要素（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉ
ｏｎ−ｒｏｔａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）３２６、好
ましくは半波長板は、ビーム１１４が偏光しているとき
必要となるもので、公知の従来技術を使って調整できよ
う。
【００６２】図４は、本発明による、再度適当な光源１
１９を有する光学キャビティの第４の実施例を説明する
ものである。この実施例では、キャビティ構成は線形
で、その反射率によってビーム１１４をキャビティにイ
ンピーダンス整合する入り口ミラー４１０を有し、ミラ
ー４１０と１２２で形成されるものである。
１９を有する光学キャビティの第４の実施例を説明する
ものである。この実施例では、キャビティ構成は線形
で、その反射率によってビーム１１４をキャビティにイ
ンピーダンス整合する入り口ミラー４１０を有し、ミラ
ー４１０と１２２で形成されるものである。
【００６３】この場合、正確にビーム１３６に沿って戻
るミラー４１０からの反射が存在し、これは２つの成分
から成る。第１の反射成分は、キャビティの共振周波数
の光から成り、第２の成分はその他の全ての入射周波数
の光から成る。第１の共振成分は、ミラー４１０と１２
２のパラメータ（曲率と反射率）及びビーム１１４と１
２６間の空間的重複の度合いの両方によって測定され
る。第１の反射成分の大きさは、ミラー４１０を通して
漏れ戻るキャビティ内光量と見なしてよく、それに反
し、第２の成分は、ミラー４１０のみのパラメータ（曲
率と反射率）によって決定される。これらの反射成分の
両方とも、光源へのフィードバックとなる。このフィー
ドバックの大きさは、さらにビーム形成光学系で決めら
れる。
るミラー４１０からの反射が存在し、これは２つの成分
から成る。第１の反射成分は、キャビティの共振周波数
の光から成り、第２の成分はその他の全ての入射周波数
の光から成る。第１の共振成分は、ミラー４１０と１２
２のパラメータ（曲率と反射率）及びビーム１１４と１
２６間の空間的重複の度合いの両方によって測定され
る。第１の反射成分の大きさは、ミラー４１０を通して
漏れ戻るキャビティ内光量と見なしてよく、それに反
し、第２の成分は、ミラー４１０のみのパラメータ（曲
率と反射率）によって決定される。これらの反射成分の
両方とも、光源へのフィードバックとなる。このフィー
ドバックの大きさは、さらにビーム形成光学系で決めら
れる。
【００６４】もしそれが大きさの点で第１の共振フィー
ドバック経路に類似しているなら、第２のフィードバッ
ク経路は、光源における光学利得と競合し、出力の不安
定状態に至るであろう。光源を第１の共振フィードバッ
ク反射に安定して閉じ込めるには、第２のフィードバッ
クの大きさが第１の共振フィードバックより約１０倍以
上小さいことが保証されなければならない。この場合、
例えば、光源に対する駆動電流は、その系が第１の共振
フィードバックのみに対するレイジングしきい値以上に
なるのに十分な利得だけを与えるよう選択してよい。こ
の解決法の限界は、出力の不安定状態が起こるため、光
源の利得をさらに増加できないことである。それ故、ミ
ラー４１０及び１２２によって形成されるキャビティで
ビルドアップし得る出力の量が制限されることになる。
別の、そして好ましい解法は、波長決定要素（図４では
ユニット１１９に含まれている）を包含させ、それを光
源とミラー４１０の間に置くことである。
ドバック経路に類似しているなら、第２のフィードバッ
ク経路は、光源における光学利得と競合し、出力の不安
定状態に至るであろう。光源を第１の共振フィードバッ
ク反射に安定して閉じ込めるには、第２のフィードバッ
クの大きさが第１の共振フィードバックより約１０倍以
上小さいことが保証されなければならない。この場合、
例えば、光源に対する駆動電流は、その系が第１の共振
フィードバックのみに対するレイジングしきい値以上に
なるのに十分な利得だけを与えるよう選択してよい。こ
の解決法の限界は、出力の不安定状態が起こるため、光
源の利得をさらに増加できないことである。それ故、ミ
ラー４１０及び１２２によって形成されるキャビティで
ビルドアップし得る出力の量が制限されることになる。
別の、そして好ましい解法は、波長決定要素（図４では
ユニット１１９に含まれている）を包含させ、それを光
源とミラー４１０の間に置くことである。
【００６５】光学キャビティの共振モード間の周波数間
隔は、ミラーの分離距離に逆比例する。もし光源（ある
いはより正確には、光源の高い反射体、即ち、後部面１
１３かミラー２００の何れか）とミラー４１０間の距離
が、ミラー４１０と１２２との間の距離より小さいな
ら、前者における共振モード間の周波数差は、後者にお
けるより大きい。例えば、もし狭帯域フィルタが、今述
べた周波数差より小さい大きさの帯域濾波に関して用い
られようなことがあれば、第１の共振経路が依然として
レーザを発生するとはいえ、第２のフィードバック経路
はレーザを発しないようにされるであろう。同様の解決
法は、上述の波長決定要素に対して、特にそれらがエタ
ロンとして与えられるとき、可能となろう。
隔は、ミラーの分離距離に逆比例する。もし光源（ある
いはより正確には、光源の高い反射体、即ち、後部面１
１３かミラー２００の何れか）とミラー４１０間の距離
が、ミラー４１０と１２２との間の距離より小さいな
ら、前者における共振モード間の周波数差は、後者にお
けるより大きい。例えば、もし狭帯域フィルタが、今述
べた周波数差より小さい大きさの帯域濾波に関して用い
られようなことがあれば、第１の共振経路が依然として
レーザを発生するとはいえ、第２のフィードバック経路
はレーザを発しないようにされるであろう。同様の解決
法は、上述の波長決定要素に対して、特にそれらがエタ
ロンとして与えられるとき、可能となろう。
【００６６】非共振反射を分離する別の方法は、偏光に
よる。もし半波長板のような低損失偏光−回転要素が光
学キャビティに包含されるなら、共振反射は、非共振反
射とは位相が異なり、光源とキャビティ間に偏光子を挿
入することにより区別できる。もし光源が実質的に偏光
した放射を放出するなら、さらに偏光−回転要素が必要
になろう。
よる。もし半波長板のような低損失偏光−回転要素が光
学キャビティに包含されるなら、共振反射は、非共振反
射とは位相が異なり、光源とキャビティ間に偏光子を挿
入することにより区別できる。もし光源が実質的に偏光
した放射を放出するなら、さらに偏光−回転要素が必要
になろう。
【００６７】本発明について説明した実施例において、
キャビティ内ビームは、入り口の反射要素（ミラー１２
０及び４１０又はプリズム対３１０）から、試料を通っ
て、エンドミラー１２２まで、直進するものとして示さ
れている。これは最も単純で、本発明が試料によるラマ
ン散乱のような物理的特性を理解するのに使われるとき
は、従って好ましいキャビティ内光路であるが、その必
要はない。その代わり、キャビティ内ビームは、キャビ
ティ内ビームと検出系１３０に関して適切に配置された
試料を有する１つ以上の中間反射要素に向けることがで
きよう。但し、実質的にキャビティ内で無損失ビルドア
ップが維持されるほど中間要素が強く反射するもので、
かつキャビティの幾何学的形状（間隔及び曲率半径）と
その制限反射要素が従来の何れかの方法で調整されて安
定なキャビティモードが形成されることが保証される場
合に限る。
キャビティ内ビームは、入り口の反射要素（ミラー１２
０及び４１０又はプリズム対３１０）から、試料を通っ
て、エンドミラー１２２まで、直進するものとして示さ
れている。これは最も単純で、本発明が試料によるラマ
ン散乱のような物理的特性を理解するのに使われるとき
は、従って好ましいキャビティ内光路であるが、その必
要はない。その代わり、キャビティ内ビームは、キャビ
ティ内ビームと検出系１３０に関して適切に配置された
試料を有する１つ以上の中間反射要素に向けることがで
きよう。但し、実質的にキャビティ内で無損失ビルドア
ップが維持されるほど中間要素が強く反射するもので、
かつキャビティの幾何学的形状（間隔及び曲率半径）と
その制限反射要素が従来の何れかの方法で調整されて安
定なキャビティモードが形成されることが保証される場
合に限る。
【００６８】そうした配置は、例えば、キャビティ内ビ
ームが直接試料中を通過しないで、むしろ対象とする試
料の識別特性がビームと試料の間の何らかの他の相互作
用に基づいて検出される用途には、必要であるかも知れ
ない。何れの場合においても、試料は、光学キャビティ
のある相互作用領域に置かれることになり、これは（図
に示すように）キャビティ自体の内部であってよい。さ
らに、試料の光学損失はキャビティミラーのそれより小
さくすべきである。もしそうでないなら、ミラーの反射
率は、キャビティへのインピーダンス整合を最適化する
よう選択されなければならない。
ームが直接試料中を通過しないで、むしろ対象とする試
料の識別特性がビームと試料の間の何らかの他の相互作
用に基づいて検出される用途には、必要であるかも知れ
ない。何れの場合においても、試料は、光学キャビティ
のある相互作用領域に置かれることになり、これは（図
に示すように）キャビティ自体の内部であってよい。さ
らに、試料の光学損失はキャビティミラーのそれより小
さくすべきである。もしそうでないなら、ミラーの反射
率は、キャビティへのインピーダンス整合を最適化する
よう選択されなければならない。
【００６９】本発明の種々の実施例においては、非線形
結晶のような何らかの損失機構をキャビティに故意に包
含させる必要はない。本発明の全ての実施例の１つの大
きな利点は、それらによって、レーザダイオード放射の
全スペクトルにわたって実質上無損失の反射が可能にな
ることである。事実、キャビティ内の固有の構造的損失
は全く無く、唯一つの「損失」は、試料によって吸収、
変換、もしくは散乱された、勿論検出系１３０で検出さ
れるエネルギーに関係のあるものだけであろう。
結晶のような何らかの損失機構をキャビティに故意に包
含させる必要はない。本発明の全ての実施例の１つの大
きな利点は、それらによって、レーザダイオード放射の
全スペクトルにわたって実質上無損失の反射が可能にな
ることである。事実、キャビティ内の固有の構造的損失
は全く無く、唯一つの「損失」は、試料によって吸収、
変換、もしくは散乱された、勿論検出系１３０で検出さ
れるエネルギーに関係のあるものだけであろう。
【００７０】本発明は、上記の実施例に限定されるもの
ではない。すなわち、下記に述べるような好適な種々の
実施態様を有している。
ではない。すなわち、下記に述べるような好適な種々の
実施態様を有している。
【００７１】すなわち、本発明の化学物質検出システム
は、〔１〕Ａ）放射面を有し、かつ入射ビームを入射ビ
ーム経路に沿って出力する半導体レーザと、 Ｂ）第１の入り口反射要素と少なくとも１つの第２の反
射要素との間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿
ってキャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 Ｃ）入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれとは逆方向
である戻りビームと、 Ｄ）検出系と、から構成される試料中の化学物質検出シ
ステムであって、 Ｅ）試料はキャビティの相互作用領域に置かれ、検出系
はその相互作用領域内部で試料の所定の特性を検知でき
るよう配置されること、 Ｆ）検出系が相互作用領域に隣合って置かれること、 Ｇ）レーザはキャビティに対して全体的に光学ロッキン
グされること、 Ｈ）キャビティ内ビームは、試料との相互作用以外は実
質上無損失でキャビティ内部を通過することを特徴と
し、〔２〕〜〔１８〕のような好適な実施態様を有して
いる。
は、〔１〕Ａ）放射面を有し、かつ入射ビームを入射ビ
ーム経路に沿って出力する半導体レーザと、 Ｂ）第１の入り口反射要素と少なくとも１つの第２の反
射要素との間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿
ってキャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 Ｃ）入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれとは逆方向
である戻りビームと、 Ｄ）検出系と、から構成される試料中の化学物質検出シ
ステムであって、 Ｅ）試料はキャビティの相互作用領域に置かれ、検出系
はその相互作用領域内部で試料の所定の特性を検知でき
るよう配置されること、 Ｆ）検出系が相互作用領域に隣合って置かれること、 Ｇ）レーザはキャビティに対して全体的に光学ロッキン
グされること、 Ｈ）キャビティ内ビームは、試料との相互作用以外は実
質上無損失でキャビティ内部を通過することを特徴と
し、〔２〕〜〔１８〕のような好適な実施態様を有して
いる。
【００７２】〔２〕さらに、レーザと入り口反射要素と
の間の入射ビーム経路に波長決定要素を包含する〔１〕
に記載のシステム。
の間の入射ビーム経路に波長決定要素を包含する〔１〕
に記載のシステム。
【００７３】〔３〕波長決定要素が回折格子である
〔２〕に記載のシステム。
〔２〕に記載のシステム。
【００７４】〔４〕波長決定要素がエタロンである
〔２〕に記載のシステム。
〔２〕に記載のシステム。
【００７５】〔５〕入り口反射要素が５０〜３００ｐｐ
ｍの範囲の損失を有し、かつ各第２の反射要素が１〜１
００ｐｐｍの範囲にある損失を有することを特徴とする
〔１〕に記載のシステム。
ｍの範囲の損失を有し、かつ各第２の反射要素が１〜１
００ｐｐｍの範囲にある損失を有することを特徴とする
〔１〕に記載のシステム。
【００７６】〔６〕放射面を通したレーザへの戻りビー
ムのフィードバックが３％より大きい〔１〕に記載のシ
ステム。
ムのフィードバックが３％より大きい〔１〕に記載のシ
ステム。
【００７７】〔７〕放射面が反射防止膜被覆されている
〔１〕に記載のシステム。
〔１〕に記載のシステム。
【００７８】〔８〕放射面が０．０１より小さい反射率
を有する〔７〕に記載のシステム。
を有する〔７〕に記載のシステム。
【００７９】
〔９〕放射面が０．０００１より小さい反
射率を有する〔８〕に記載のシステム。
射率を有する〔８〕に記載のシステム。
【００８０】〔１０〕さらに、光学形成，インピーダン
ス整合装置を入射ビーム経路に包含する〔１〕に記載の
システム。
ス整合装置を入射ビーム経路に包含する〔１〕に記載の
システム。
【００８１】〔１１〕入り口反射要素が入射ビームに垂
直にならないような角度に置かれる〔１〕に記載のシス
テム。
直にならないような角度に置かれる〔１〕に記載のシス
テム。
【００８２】〔１２〕さらに、バックミラーを包含し、
ここで Ａ）半導体レーザが後部面を有すること、 Ｂ）バックミラーが、後部面を出る光を反射して後部面
を通して半導体レーザへ戻すこと、を特徴とする〔１〕
に記載のシステム。
ここで Ａ）半導体レーザが後部面を有すること、 Ｂ）バックミラーが、後部面を出る光を反射して後部面
を通して半導体レーザへ戻すこと、を特徴とする〔１〕
に記載のシステム。
【００８３】〔１３〕さらに、バックミラーと後部面と
の間に配置される波長決定要素を包含する〔１２〕に記
載のシステム。
の間に配置される波長決定要素を包含する〔１２〕に記
載のシステム。
【００８４】〔１４〕後部面が反射防止膜被覆されてい
る〔１３〕に記載のシステム。
る〔１３〕に記載のシステム。
【００８５】〔１５〕さらに、半導体レーザから放出さ
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための、光学形成，インピーダンス整合手段を包含する
〔１４〕に記載のシステム。
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための、光学形成，インピーダンス整合手段を包含する
〔１４〕に記載のシステム。
【００８６】〔１６〕半導体レーザが狭帯域幅の反射膜
被覆される後部面を有する〔１〕に記載のシステム。
被覆される後部面を有する〔１〕に記載のシステム。
【００８７】〔１７〕狭帯域幅の反射膜が誘電スタック
である〔１６〕に記載のシステム。
である〔１６〕に記載のシステム。
【００８８】〔１８〕さらに、半導体レーザから放出さ
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための、光学形成，インピーダンス整合手段を包含する
〔１７〕に記載のシステム。
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための、光学形成，インピーダンス整合手段を包含する
〔１７〕に記載のシステム。
【００８９】また、本発明の化学物質検出方法は、〔１
９〕Ａ）半導体レーザからの入射光を、入射ビームとし
て実質上無損失の、内部に障害の無い光共振キャビティ
に向けるステップ、 Ｂ）レーザを光共振キャビティに対し全体的に光学ロッ
キングするステップ、 Ｃ）試料をキャビティの相互作用領域に配置するステッ
プ、 Ｄ）相互作用領域内で試料の所定の特性を検出するステ
ップ、とからなることを特徴とし、〔２０〕〜〔２２〕
のような好適な実施態様を有している。
９〕Ａ）半導体レーザからの入射光を、入射ビームとし
て実質上無損失の、内部に障害の無い光共振キャビティ
に向けるステップ、 Ｂ）レーザを光共振キャビティに対し全体的に光学ロッ
キングするステップ、 Ｃ）試料をキャビティの相互作用領域に配置するステッ
プ、 Ｄ）相互作用領域内で試料の所定の特性を検出するステ
ップ、とからなることを特徴とし、〔２０〕〜〔２２〕
のような好適な実施態様を有している。
【００９０】〔２０〕さらに、入射ビームの少なくとも
３％の強度を有する戻りビームをレーザへフィードバッ
クするステップを包含する〔１９〕に記載の方法。
３％の強度を有する戻りビームをレーザへフィードバッ
クするステップを包含する〔１９〕に記載の方法。
【００９１】〔２１〕半導体レーザが無修正の放射面を
有するダイオードレーザであり、さらに裸ダイオードの
しきい値電流より少ない電流でダイオードレーザを駆動
するステップを包含する〔２０〕に記載の方法。
有するダイオードレーザであり、さらに裸ダイオードの
しきい値電流より少ない電流でダイオードレーザを駆動
するステップを包含する〔２０〕に記載の方法。
【００９２】〔２２〕さらに、半導体レーザの放射面を
反射防止膜で被覆するステップを包含する〔２０〕に記
載の方法。
反射防止膜で被覆するステップを包含する〔２０〕に記
載の方法。
【００９３】さらに、本発明の半導体レーザ出力ビルド
アップシステムは、〔２３〕Ａ）放射面を有し、入射ビ
ームを入射ビーム経路に沿って出力する半導体レーザ
と、 Ｂ）第１の入り口反射要素と少なくとも１つの第２の反
射要素間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿って
キャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 Ｃ）入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれとは逆方向
である戻りビームと、から構成され、 Ｄ）レーザはキャビティに全体的に光学ロッキングされ
ること、 Ｅ）キャビティ内ビームは実質上無損失でキャビティ内
部を通過すること、を特徴とするもので、〔２４〕〜
〔３９〕のような好適な実施態様を有している。
アップシステムは、〔２３〕Ａ）放射面を有し、入射ビ
ームを入射ビーム経路に沿って出力する半導体レーザ
と、 Ｂ）第１の入り口反射要素と少なくとも１つの第２の反
射要素間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿って
キャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 Ｃ）入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれとは逆方向
である戻りビームと、から構成され、 Ｄ）レーザはキャビティに全体的に光学ロッキングされ
ること、 Ｅ）キャビティ内ビームは実質上無損失でキャビティ内
部を通過すること、を特徴とするもので、〔２４〕〜
〔３９〕のような好適な実施態様を有している。
【００９４】〔２４〕さらに、レーザと入り口反射要素
との間の入射ビーム経路に波長決定要素を包含する〔２
３〕に記載のシステム。
との間の入射ビーム経路に波長決定要素を包含する〔２
３〕に記載のシステム。
【００９５】〔２５〕波長決定要素が回折格子である
〔２４〕に記載のシステム。
〔２４〕に記載のシステム。
【００９６】〔２６〕入り口反射要素が５０〜３００ｐ
ｐｍの範囲の損失を有し、かつ第２の反射要素が１〜１
００ｐｐｍの範囲にある複数の損失を有することを特徴
とする〔２３〕に記載のシステム。
ｐｍの範囲の損失を有し、かつ第２の反射要素が１〜１
００ｐｐｍの範囲にある複数の損失を有することを特徴
とする〔２３〕に記載のシステム。
【００９７】〔２７〕放射面が０．０１より小さい反射
率を有する〔２３〕に記載のシステム。
率を有する〔２３〕に記載のシステム。
【００９８】〔２８〕放射面が０．０００１より小さい
反射率を有する〔２７〕に記載のシステム。
反射率を有する〔２７〕に記載のシステム。
【００９９】〔２９〕放射面を通してレーザへもどる戻
りビームのフィードバックが３％より大きい〔２３〕に
記載のシステム。
りビームのフィードバックが３％より大きい〔２３〕に
記載のシステム。
【０１００】〔３０〕放射面が反射防止膜被覆されてい
る〔２９〕に記載のシステム。
る〔２９〕に記載のシステム。
【０１０１】〔３１〕さらに、光学形成，インピーダン
ス整合装置を入射ビーム経路に包含する〔２３〕に記載
のシステム。
ス整合装置を入射ビーム経路に包含する〔２３〕に記載
のシステム。
【０１０２】〔３２〕入り口反射要素が入射ビームに垂
直にならないような角度に置かれる〔２３〕に記載のシ
ステム。
直にならないような角度に置かれる〔２３〕に記載のシ
ステム。
【０１０３】〔３３〕さらに、バックミラーを包含し、 Ａ）半導体レーザが後部面を有すること、 Ｂ）バックミラーが、後部面を出た光を反射し後部面を
通して半導体レーザへ戻すこと、を特徴とする〔２３〕
に記載のシステム。
通して半導体レーザへ戻すこと、を特徴とする〔２３〕
に記載のシステム。
【０１０４】〔３４〕さらに、バックミラーと後部面と
の間に配置される波長決定要素を包含する〔３３〕に記
載のシステム。
の間に配置される波長決定要素を包含する〔３３〕に記
載のシステム。
【０１０５】〔３５〕後部面が反射防止膜被覆されてい
る〔３４〕に記載のシステム。
る〔３４〕に記載のシステム。
【０１０６】〔３６〕さらに、半導体レーザから放出さ
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための光学形成，インピーダンス整合手段を包含する
〔３５〕に記載のシステム。
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための光学形成，インピーダンス整合手段を包含する
〔３５〕に記載のシステム。
【０１０７】〔３７〕半導体レーザが狭帯域幅の反射膜
被覆される後部面を有する〔２３〕に記載のシステム。
被覆される後部面を有する〔２３〕に記載のシステム。
【０１０８】〔３８〕狭帯域幅の反射膜が誘電スタック
である〔３７〕に記載のシステム。
である〔３７〕に記載のシステム。
【０１０９】〔３９〕さらに、半導体レーザから放出さ
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための光学形成，インピーダンス整合手段を包含する
〔３８〕に記載のシステム。
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための光学形成，インピーダンス整合手段を包含する
〔３８〕に記載のシステム。
【０１１０】
【発明の効果】以上述べたように、本発明では、低入力
で高出力を得ることができ（すなわち低損失で）、かつ
安定した出力を得ることができる、化学物質検出システ
ム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルド
アップシステムを提供することができる。すなわち、本
発明によれば、光源について何ら電子的制御を要するこ
となくキャビティ内ビームの出力を入射ビームより何桁
も大きくさせることができる。またキャビティに位相ロ
ックする別の電子回路系を必要としない等により、小型
で安価な光源によって試料から極めて大きい光信号を発
生できる。
で高出力を得ることができ（すなわち低損失で）、かつ
安定した出力を得ることができる、化学物質検出システ
ム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルド
アップシステムを提供することができる。すなわち、本
発明によれば、光源について何ら電子的制御を要するこ
となくキャビティ内ビームの出力を入射ビームより何桁
も大きくさせることができる。またキャビティに位相ロ
ックする別の電子回路系を必要としない等により、小型
で安価な光源によって試料から極めて大きい光信号を発
生できる。
【図１】発明の第１の実施例を示す図であり、出力ビル
ドアップキャビティに対して外部にある光学ロッキング
半導体光源を有する、検知システムを説明する図であ
る。
ドアップキャビティに対して外部にある光学ロッキング
半導体光源を有する、検知システムを説明する図であ
る。
【図２】外部ミラーは光を反射して反射防止膜被覆した
後部面を通して光源へ戻す、本発明の第２の実施例を説
明する図である。
後部面を通して光源へ戻す、本発明の第２の実施例を説
明する図である。
【図３】光学立方体が、図１に示された実施例における
複数のミラーと入れ換えられる第３の実施例を説明する
図である。
複数のミラーと入れ換えられる第３の実施例を説明する
図である。
【図４】キャビティが線形構成を有する、本発明の第４
の実施例を説明する図である。
の実施例を説明する図である。
１１０ 光源（レーザ） １１２ 放射面 １１３ 後部面 １１４ ビーム １１６ 光学形成系 １１８ 波長決定要素 １１９ 光源のユニット １２０ 入り口のミラー １２２，１２４ エンドミラー １２５ ビームの一部 １２６ キャビティ内ビーム １２８ 試料 １３０ 検出系 １３２ 処理回路 １３４ 表示装置 １３５ 光ビーム形成系 １３６ 戻りビーム ２００ 追加ミラー ３１０ 光学立方体（プリズム対） ３１２，３１４ プリズム ３１６，３１８ 光学立方体３１０の入り口及び出口表
面 ３２２ キャビティ内ビーム ３２４ プリズム３１２の第３の面 ３２６ 偏光−回転素子 ４１０ 入口ミラー
面 ３２２ キャビティ内ビーム ３２４ プリズム３１２の第３の面 ３２６ 偏光−回転素子 ４１０ 入口ミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダミアン・エフ・グレイ アメリカ合衆国テキサス州オースチン ク レイグ・ドライブ 4906 (72)発明者 リチャード・ジェイ・ピッタロ アメリカ合衆国カリフォルニア州サンカル ロス カリー・コート 70
Claims (3)
- 【請求項１】 Ａ）放射面を有し、かつ入射ビームを入
射ビーム経路に沿って出力する半導体レーザと、 Ｂ）第１の入り口反射要素と少なくとも１つの第２の反
射要素との間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿
ってキャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 Ｃ）入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれにと逆方向
である戻りビームと、 Ｄ）検出系と、から構成され、 Ｅ）試料はキャビティの相互作用領域に置かれ、検出系
はその相互作用領域内部で試料の所定の特性を検知でき
るよう配置されること、 Ｆ）検出系が相互作用領域に隣合って置かれること、 Ｇ）レーザはキャビティに全体的に光学ロッキングされ
ること、 Ｈ）キャビティ内ビームは、試料との相互作用以外は実
質上無損失でキャビティ内部を通過すること、を特徴と
する試料中の化学物質検出システム。 - 【請求項２】 Ａ）半導体レーザからの入射光を、入射
ビームとして実質上無損失の、内部に障害の無い光共振
キャビティに向けるステップ、 Ｂ）レーザを光共振キャビティに対し全体的に光学ロッ
キングするステップ、 Ｃ） 試料をキャビティの相互作用領域に配置するステ
ップ、 Ｄ） 相互作用領域内で試料の所定の特性を検出するス
テップ、とからなることを特徴とする試料中の化学物質
検出方法。 - 【請求項３】 Ａ）放射面を有し、入射ビームを入射ビ
ーム経路に沿って出力する半導体レーザと、 Ｂ）第１の入り口反射要素と少なくとも１つの第２の反
射要素間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿って
キャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 Ｃ）入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれに関して逆
方向である戻りビームと、から構成され、ここで Ｄ）レーザはキャビティに対して全体的に光学ロッキン
グされること、 Ｅ）キャビティ内ビームは実質上無損失でキャビティ内
部を通過すること、を特徴とする半導体レーザ出力ビル
ドアップシステム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US228317 | 1994-04-15 | ||
| US08/228,317 US5432610A (en) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Diode-pumped power build-up cavity for chemical sensing |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07294418A true JPH07294418A (ja) | 1995-11-10 |
| JP3827343B2 JP3827343B2 (ja) | 2006-09-27 |
Family
ID=22856677
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11267695A Expired - Lifetime JP3827343B2 (ja) | 1994-04-15 | 1995-04-14 | 化学物質検出システム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルドアップシステム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5432610A (ja) |
| EP (1) | EP0677736B1 (ja) |
| JP (1) | JP3827343B2 (ja) |
| DE (1) | DE69531322T2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000208865A (ja) * | 1999-01-07 | 2000-07-28 | Agilent Technol Inc | レ―ザ装置 |
| JP2003520955A (ja) * | 2000-01-20 | 2003-07-08 | トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシティ | ブルースター角プリズム逆反射体に基づく共振空洞リングダウン分光のための改善されたモードマッチング |
| JP2007212212A (ja) * | 2006-02-08 | 2007-08-23 | Tokai Univ | ２波長同時外部共振型半導体レーザー装置及びガス検出装置 |
| JP2008209377A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Sun Tec Kk | バイオチップ読取装置 |
| JP2011158307A (ja) * | 2010-01-29 | 2011-08-18 | Shikoku Res Inst Inc | ガス濃度測定装置 |
Families Citing this family (46)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5555253A (en) * | 1995-01-09 | 1996-09-10 | Amoco Corporation | Technique for locking a laser diode to a passive cavity |
| US5572542A (en) * | 1995-04-13 | 1996-11-05 | Amoco Corporation | Technique for locking an external cavity large-area laser diode to a passive optical cavity |
| EP0755104A1 (en) * | 1995-07-21 | 1997-01-22 | Hewlett-Packard GmbH | Method for adjusting a laser resonator |
| US5917188A (en) * | 1995-09-01 | 1999-06-29 | Innovative Lasers Corporation | Diode laser-pumped laser system for intracavity laser spectroscopy (ILS) |
| US5723864A (en) * | 1995-09-01 | 1998-03-03 | Innovative Lasers Corporation | Linear cavity laser system for ultra-sensitive gas detection via intracavity laser spectroscopy (ILS) |
| US5747807A (en) * | 1995-09-01 | 1998-05-05 | Innovative Lasers Coropration | Diode laser-pumped laser system for ultra-sensitive gas detection via intracavity laser spectroscopy (ILS) |
| US5742054A (en) * | 1995-09-01 | 1998-04-21 | Innovative Lasers Corporation | Ultra-sensitive detection of contaminants in corrosive gas via intracavity laser spectroscopy (ILS) |
| US5642375A (en) * | 1995-10-26 | 1997-06-24 | Hewlett-Packard Company | Passively-locked external optical cavity |
| DE19642409B4 (de) * | 1995-10-26 | 2011-05-12 | Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d. Staates Delaware), Santa Clara | "Lasersystem mit externem Resonator" |
| US6174424B1 (en) * | 1995-11-20 | 2001-01-16 | Cirrex Corp. | Couplers for optical fibers |
| US5684623A (en) * | 1996-03-20 | 1997-11-04 | Hewlett Packard Company | Narrow-band tunable optical source |
| US5929981A (en) * | 1996-06-18 | 1999-07-27 | Ohmeda Inc. | System for monitoring contamination of optical elements in a Raman gas analyzer |
| US5673109A (en) * | 1996-07-10 | 1997-09-30 | Ohmeda Inc. | System and method for increasing the efficiency of a raman gas analysis system |
| US5835522A (en) * | 1996-11-19 | 1998-11-10 | Hewlett-Packard Co. | Robust passively-locked optical cavity system |
| US5963577A (en) * | 1997-04-11 | 1999-10-05 | Blue Sky Research | Multiple element laser diode assembly incorporating a cylindrical microlens |
| US5912740A (en) * | 1997-06-20 | 1999-06-15 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Ring resonant cavities for spectroscopy |
| FR2778244B1 (fr) * | 1998-04-30 | 2000-07-13 | Univ Joseph Fourier | Procede d'excitation d'une cavite optique pour la detection de gaz a l'etat de traces |
| US6205354B1 (en) | 1999-06-18 | 2001-03-20 | University Of Utah | Method and apparatus for noninvasive measurement of carotenoids and related chemical substances in biological tissue |
| US7173706B2 (en) * | 1999-07-02 | 2007-02-06 | Otago Innovation Limited | Apparatus and method for gas sensing |
| FR2830617B1 (fr) * | 2001-10-10 | 2004-01-30 | Univ Joseph Fourier | Dispositif a laser couple a une cavite par retroaction optique pour la detection de traces de gaz |
| GB2385459B (en) * | 2001-10-30 | 2005-06-15 | Laser Quantum Ltd | Laser Cavity |
| DE10157275A1 (de) | 2001-11-22 | 2003-06-05 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Gasprobenbehälter für einen Gasanalysator |
| US7039452B2 (en) | 2002-12-19 | 2006-05-02 | The University Of Utah Research Foundation | Method and apparatus for Raman imaging of macular pigments |
| US20030148391A1 (en) * | 2002-01-24 | 2003-08-07 | Salafsky Joshua S. | Method using a nonlinear optical technique for detection of interactions involving a conformational change |
| EP1339142A1 (en) * | 2002-02-25 | 2003-08-27 | Agilent Technologies, Inc. - a Delaware corporation - | Means of suppression of non-bragg side modes |
| US20040254479A1 (en) | 2003-02-20 | 2004-12-16 | John Fralick | Bio-photonic feedback control software and database |
| US20050278184A1 (en) * | 2004-06-10 | 2005-12-15 | John Fralick | Bio-photonic feedback control software and database |
| US7365839B2 (en) * | 2004-11-03 | 2008-04-29 | Nu Skin International, Inc. | Process and compositions for synthetic calibration of bio-photonic scanners |
| CN100559147C (zh) * | 2007-04-26 | 2009-11-11 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于半导体激光器自混合效应的高反射率测量方法 |
| US9182406B2 (en) * | 2008-08-04 | 2015-11-10 | Biodesy, Inc. | Nonlinear optical detection of molecules comprising an unnatural amino acid possessing a hyperpolarizability |
| US8327686B2 (en) * | 2010-03-02 | 2012-12-11 | Li-Cor, Inc. | Method and apparatus for the photo-acoustic identification and quantification of analyte species in a gaseous or liquid medium |
| US8976834B2 (en) | 2010-09-06 | 2015-03-10 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. | Method of generating enhanced intra-resonator laser light, enhancement resonator and laser device |
| AU2012230899A1 (en) | 2011-03-21 | 2013-10-10 | Biodesy, Llc | Classification of kinase inhibitors using nonlinear optical techniques |
| US8665442B2 (en) | 2011-08-18 | 2014-03-04 | Li-Cor, Inc. | Cavity enhanced laser based isotopic gas analyzer |
| US8659759B2 (en) * | 2011-08-25 | 2014-02-25 | Li-Cor, Inc. | Laser based cavity enhanced optical absorption gas analyzer |
| US8659758B2 (en) | 2011-10-04 | 2014-02-25 | Li-Cor, Inc. | Laser based cavity enhanced optical absorption gas analyzer with laser feedback optimization |
| US9212990B1 (en) | 2011-12-06 | 2015-12-15 | Zybertec Llc | System and methods for molecular detection using intracavity laser absorption spectroscopy |
| US8885167B2 (en) | 2012-11-02 | 2014-11-11 | Li-Cor, Inc. | Cavity enhanced laser based gas analyzer systems and methods |
| US9194742B2 (en) | 2012-11-02 | 2015-11-24 | Li-Cor, Inc. | Cavity enhanced laser based gas analyzer systems and methods |
| US9905990B1 (en) * | 2014-04-17 | 2018-02-27 | Alakai Defense Systems, Inc. | Background removal from Raman spectra by an intracavity active-tuning element for a laser |
| EP3237906B8 (en) | 2014-12-23 | 2020-10-28 | Bluelight Therapeutics, Inc. | Attachment of proteins to interfaces for use in nonlinear optical detection |
| US10203285B2 (en) | 2016-12-12 | 2019-02-12 | Massachusetts Institute Of Technology | Apparatus, methods, and systems for high-power and narrow-linewidth lasers |
| EP3361234A1 (en) * | 2017-02-14 | 2018-08-15 | Nokia Technologies Oy | A method and apparatus for spectroscopy |
| US10527492B2 (en) | 2017-05-16 | 2020-01-07 | Li-Cor, Inc. | Mode matching method for absorption spectroscopy systems |
| FR3091925B1 (fr) | 2019-01-18 | 2021-01-29 | Ap2E | Système de cavité optique résonnante a rétroaction optique, adaptée à la détection de traces de gaz par spectrométrie de Raman |
| US11592389B2 (en) | 2021-02-03 | 2023-02-28 | Nikira Labs Inc. | System and method of providing incoherent coupling of a laser into a high finesse optical cavity |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4435808A (en) * | 1981-01-22 | 1984-03-06 | Ali Javan | Production of radiation at frequencies of preselected absorbing resonances and methods using same |
| US4648714A (en) * | 1985-09-11 | 1987-03-10 | University Of Utah | Molecular gas analysis by Raman scattering in intracavity laser configuration |
| DE3826716A1 (de) * | 1987-10-30 | 1990-02-08 | Max Planck Gesellschaft | Modengekoppelter laser |
| US4884276A (en) * | 1987-11-25 | 1989-11-28 | Amoco Corporation | Optical feedback control in the frequency conversion of laser diode radiation |
| US5108931A (en) * | 1988-09-16 | 1992-04-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method for detecting chemical vapors using a lasing dye sensor |
| US4907237A (en) * | 1988-10-18 | 1990-03-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Optical feedback locking of semiconductor lasers |
| US5038352A (en) * | 1990-11-13 | 1991-08-06 | International Business Machines Incorporation | Laser system and method using a nonlinear crystal resonator |
| US5134622A (en) * | 1990-12-20 | 1992-07-28 | Deacon Research | Diode-pumped optical parametric oscillator |
| US5283801A (en) * | 1992-05-26 | 1994-02-01 | Trw Inc. | External resonant ring cavity for generating high-peak-power laser pulses |
| US5351121A (en) * | 1993-01-27 | 1994-09-27 | Spectra-Physics Laser Diode Systems | Solid-state laser Fourier-Transform Raman Spectrometer |
-
1994
- 1994-04-15 US US08/228,317 patent/US5432610A/en not_active Expired - Lifetime
-
1995
- 1995-04-11 DE DE69531322T patent/DE69531322T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-11 EP EP95302412A patent/EP0677736B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-14 JP JP11267695A patent/JP3827343B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000208865A (ja) * | 1999-01-07 | 2000-07-28 | Agilent Technol Inc | レ―ザ装置 |
| JP2003520955A (ja) * | 2000-01-20 | 2003-07-08 | トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシティ | ブルースター角プリズム逆反射体に基づく共振空洞リングダウン分光のための改善されたモードマッチング |
| JP2007212212A (ja) * | 2006-02-08 | 2007-08-23 | Tokai Univ | ２波長同時外部共振型半導体レーザー装置及びガス検出装置 |
| JP2008209377A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Sun Tec Kk | バイオチップ読取装置 |
| JP2011158307A (ja) * | 2010-01-29 | 2011-08-18 | Shikoku Res Inst Inc | ガス濃度測定装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0677736B1 (en) | 2003-07-23 |
| DE69531322D1 (de) | 2003-08-28 |
| JP3827343B2 (ja) | 2006-09-27 |
| EP0677736A3 (en) | 1996-12-04 |
| US5432610A (en) | 1995-07-11 |
| DE69531322T2 (de) | 2004-06-03 |
| EP0677736A2 (en) | 1995-10-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3827343B2 (ja) | 化学物質検出システム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルドアップシステム | |
| US5642375A (en) | Passively-locked external optical cavity | |
| US5684623A (en) | Narrow-band tunable optical source | |
| US5134622A (en) | Diode-pumped optical parametric oscillator | |
| US7535938B2 (en) | Low-noise monolithic microchip lasers capable of producing wavelengths ranging from IR to UV based on efficient and cost-effective frequency conversion | |
| EP0803137B1 (en) | laser with a passive optical cavity | |
| KR100195769B1 (ko) | 고체 레이저 장치 | |
| EP1630911B1 (en) | Diode-pumped laser | |
| WO1998025327A9 (en) | Frequency conversion laser | |
| US5835522A (en) | Robust passively-locked optical cavity system | |
| US8736835B2 (en) | Dual-gas microcavity Raman sensor and method of use | |
| CN104953461A (zh) | 一种基于扭摆模腔和体光栅的固体激光器 | |
| JP3410108B2 (ja) | ポンプレーザと光パラメトリック発振器の両者の単一共振器空洞にブリュースター角度のｑスイッチを有するアイセーフレーザを使用するレンジ発見システム | |
| JPH1093182A (ja) | 周波数変換型固体レーザ装置、周波数２倍型固体レーザ装置および周波数変換型結合型共振キャビティ | |
| JP3878257B2 (ja) | レーザ・システム | |
| US20050041703A1 (en) | Laser system | |
| CN109638640B (zh) | 半导体激光器 | |
| US7633978B2 (en) | Frequency stabilized laser source | |
| KR950002068B1 (ko) | 제2고조파 발생방법 및 그 장치 | |
| US4023117A (en) | Stimulated raman scattering resonator | |
| US20220320816A1 (en) | Resonant cavity and a method of manufacturing the same | |
| KR100360474B1 (ko) | 제2고조파발생장치 | |
| JP2959955B2 (ja) | 同調レーザ | |
| JPH05211369A (ja) | レーザーダイオードポンピング固体レーザー | |
| JP2518179B2 (ja) | レ―ザ光源 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20041028 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20050127 |
|
| A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20050201 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050426 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060105 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060428 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20060516 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060615 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060704 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100714 Year of fee payment: 4 |