JP2009529786A - 外部キャビティレーザ - Google Patents

Abstract

チューナブルレーザ装置についてのシステムおよび方法の実施態様を提供する。チューナブルレーザ装置は、ピボットアームに接続された回折格子を備え得、ピボットアームは、レーザ装置をチューニングするために回折格子をピボットポイントの周囲で旋回させる。回折格子がピボットポイントの周囲を旋回することにより、回折格子がチューニングされる波長および光学キャビティの長さが両方とも変化し得る。ピボットアームの長さは、レーザ装置をそのチューニング範囲にわたってチューニングする場合に、チューナブルレーザ装置のモードホップ数を減少させるように選択され得る。

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２００６年３月９日に出願された「外部キャビティレーザ」という発明の名称の米国特許出願番号６０／７８０３５４の優先日について言及しそして主張する。上記出願の開示および内容の全体は、参照として本明細書に援用される。

本発明は、一般にレーザに関し、そしてより詳細には外部キャビティレーザに関する。

スペクトル選択的要素による外部レーザキャビティの使用は、代表的なレーザのレーザキャビティにおいて、非波長選択的ミラーによって利用可能であるものよりも狭いスペクトル線幅のレーザを生成するため、数十年間にわたって用いられてきた。加えて、スペクトル選択的要素の堅固さは、線幅が狭くかつ広いチューニング範囲に及び得る鋭敏な波長を有するレーザを生成し得る。多くの非一体型外部キャビティレーザにおけるスペクトル選択的要素は、回折格子であり得る。これらの回折格子は、例えば、サイズ、効率、および分散性などの広い範囲のレーザキャビティの必要性を満たすように設計され得る。レーザ波長のチューニングは、レーザ光線に対する回折格子の格子角度を調整することによってなされ得る。

格子角度の単なる調整によるこのようなレーザのチューニングは、時々、あるキャビティモードから別のキャビティモードへのレーザの「ホッピング」を生じ得る。キャビティモード（以下「モード」と称する）とは、レーザの光学キャビティに適合するチューニングされた波長での、光の１／２波長の積分数をいう。さらに、あるモードから別のモードへのこれらのホップは、モードホップという。モードホップにより、レーザシステムによるレーザ出力が不安定になり得る。したがって、レーザシステムのチューニング範囲にわたって存在するモードホップ数を減少させることが望ましい。

したがって、チューニング範囲にわたるモードホップの性能が改良されたレーザシステムの必要性がある。

本発明の第１の広い局面によれば、レーザシステムが提供され、該レーザシステムは：
光を供給する光源；
平行化されたコヒーレント光線を供給するために該光を平行化するレンズ；
該平行化されたコヒーレント光線の光の波長の少なくとも一部を該光源へ反射する回折格子；および
該回折格子に接続されたピボットアームであって、該ピボットアームが該回折格子を旋回させ、それによって、該回折格子によって該光源へ反射される光の波長を調整し、そして光路長を調整する、ピボットアーム、
を備える。

本発明の第２の広い局面によれば、コヒーレント光線を生成する方法を提供し、該方法は、以下の工程：
（ａ）平行化されたコヒーレント光線を供給する工程；および
（ｂ）回折格子に接続されたピボットアームを、該回折格子の位置を調整するために旋回させ、それによって、該回折格子によって反射される該平行化されたコヒーレント光線の光の波長を調整し、そして光路長を調整する工程、
を含む。

本発明の第３の広い局面によれば、コヒーレント光線を生成するレーザシステムが提供され、該システムは：
平行化されたコヒーレント光線を供給する手段；
該平行化されたコヒーレント光線の光の波長の少なくとも一部を反射する手段；および
該反射手段の位置を調整し、それによって、該反射手段によって反射される該平行化されたコヒーレント光線の光の波長を調整し、そして該レーザシステムの光路長を調整する手段、
を備える。

本発明を、添付の図面と併せて説明する。

本発明を説明する前に、いくつかの用語を定義することが好都合である。本出願を通して以下の定義が用いられることが理解されるべきである。

定義
用語の定義が、その用語が一般的に用いられる意味から逸脱する場合には、特に示さない限り、出願人は以下に提供される定義を利用することを意図する。

本発明の目的のために、用語「光源」とは、単一波長または多波長を有する電磁放射線の供給源をいう。光源は、レーザ、レーザダイオード、１以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）などに由来し得る。

本発明の目的のために、用語「コヒーレント光線」とは、例えば、レーザ光線などの、特定の（例えば、一定の）位相関係を有する波を含む光線をいう。

本発明の目的のために、用語「プロセッサ」とは、指示を実施および／または論理を実行することが可能な装置をいう。代表的なプロセッサとしては、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、中央演算処理装置、マイクロプロセッサ（例えば、ＩｎｔｅｌおよびＡＭＤなどから市販されているマイクロプロセッサ）などが挙げられ得る。

本発明の目的のために、用語「反射装置」とは、光を反射することが可能な装置をいう。代表的な反射装置には、ミラー、回折格子（例えば、チューナブル透過回折格子を含む）などが含まれる。

本発明の目的のために、用語「回折格子」とは、光学特性が周期的に調節され、波長に依存する角度で格子を出るような入射光を生じる装置をいう。代表的な回折格子としては、反射格子または透過格子が挙げられ得る。

本発明の目的のために、用語「透過格子」とは、非回折光が基板を透過することを可能にする透明基板上の回折格子をいう。代表的な透過格子には、例えば、装置の角度を調整することによって、入射光が進んだのと同じ経路に沿って戻り装置を通過する特定の波長で、光の一部を回折することができる装置が含まれる。

本発明の目的のために、用語「チューナブル透過格子」とは、反射された光の特定の波長が調整され得る透過格子をいう。

本発明の目的のために、用語「反射格子」とは、非回折光が基板から反射することを可能にする反射基板上にある回折格子をいう。

本発明の目的のために、用語「平行化された光線」とは、伝播の方向に対してほぼ平行および垂直な、ほぼ一定の位相の面を含む光線をいう。例えば、実施態様において、平行化された光線は、伝播の方向に対してできる限り平行に近くおよび垂直である一定の位相の面を有し得る。

本発明の目的のために、用語「チューニングする」とは、装置を所望の状態に調整することをいう。例えば、代表的な実施態様において、回折格子によって反射または透過した特定の波長を所望の波長に調整することによって、回折格子はチューニングされ得る。

本発明の目的のために、用語「光学キャビティ」とは、２つの反射装置の間の空間をいう。代表的な光学キャビティは、レーザシステムにおける反射装置間の空間、例えば、レーザダイオードの面上の反射コーティングと、透過格子、回折格子、ミラーなどとの間の空間を含み得る。

本発明の目的のために、用語「外部キャビティ」とは、光子および光学利得の供給源であるレーザシステムの構成要素の外部にある光学キャビティの一部分をいう。代表的な外部キャビティは、レーザダイオードとレーザダイオードの外部の反射装置（例えば、透過格子）との間の、レーザシステムの光学キャビティの一部分を含み、そして通常、レーザの縦および／または横モード構造の制御を提供する。

本発明の目的のために、用語「モード数」とは、光学キャビティ内に適合する光の特定の波長の１／２波長の数をいう。

本発明の目的のために、用語「モードホップ」とは、レーザをチューニングする間に生じるモード数の積分変化をいう。

本発明の目的のために、用語「基板」とは、材料の層をいう。代表的な基板としては、例えば、透明材料（例えば、ガラス、プラスチックなど）が挙げられ得る。

説明
図１は、本発明の方法およびシステムの実施態様による、代表的なレーザシステムを示す。図示されるように、レーザシステム１００は、レーザダイオード１０２、コリメートレンズ１０４、透過格子１０８、プロセッサ１４０、およびピボットアーム１５０を備え得る。レーザシステム１００は、例えば、ホログラフィーメモリーシステムに用いられるようなレーザシステムであり得る。レーザダイオード１０２は、例えば、コヒーレント光線を生成することが可能な任意のタイプの装置であり得る（例えば、コヒーレント光線を生成することが可能なセミコンダクター装置など）。さらに、レーザダイオード１０２は、外部キャビティ１３２の反対側の面上に高反射コーティング１１２（例えば、Ｒ＞９８％）およびレーザダイオード１０２の他の面上に抗反射コーティング１１４（例えば、Ｒ＜０．５％）を含み得る。プロセッサ１４０は、例えば、市販のマイクロプロセッサなどの任意のタイプのプロセッサであり得、そして例えばピボットアーム１５０を制御する（例えば、動かす）ために用いられ得る。

コリメートレンズ１０４は、例えば市販されているものなどの、高品質のコリメートレンズであり得る。この実施態様には示されていないが、任意の１／２波長板（ＨＷＰ）（例えば、任意のタイプの市販のＨＷＰなど）が、レンズ１０４と透過格子１０８との間に配置され得る。透過格子１０８は、例えば、M. Merimaa、H. Talvitie、P. Laakkonen、M. Kuittinen、I. TittonenおよびE. Ikonen、「Compact External-Cavity Laser with a Novel Transmission Geometry」、Optics Communications 174:175-180（２０００年１月１５日）に記載されたような透過格子であり得る。さらに、レーザシステム１００において、透過格子１０８は、例えば、約１０〜約５０％の反射率を有し得る。本実施態様は透過格子を用いることとして記載されているが、他の実施態様においては、他のタイプのスペクトル選択的要素が用いられ得る（例えば、他のタイプの回折格子（例えば反射格子など）など）。

ピボットアーム１５０は、ピボットポイント１５２の周囲を旋回するように透過格子１０８に接続され得、したがって、透過格子１０８は、レーザシステム１００を所望の波長にチューニングするための角度位置（angular position）まで旋回される（例えば、回転される）。代表的な透過格子１０８のさらなる説明を、ピボットアーム１５０を用いて透過格子１０８を所望の角度位置まで旋回することによってレーザシステム１００をチューニングすることに関する説明とともに、以下に提供する。

作動において、レーザダイオード１０２は、コリメートレンズ１０４によって無彩色的（achromatically）に平行化され得るコヒーレント光線１２０を生成し得る。次いで、旋回可能な透過格子１０８は、レーザダイオード１０２に向かって直接戻るコヒーレント光線１２０の選択された波長のみを回折することによって、レーザシステム１００を所望の光の波長にチューニングするために用いられ得る。所望の波長（すなわち、レーザシステム１００がチューニングされる波長）以外の光の波長は、他の角度で回折される。次いで、所望の波長での反射光のみが、コリメートレンズ１０４およびレーザダイオード１０２を通過して戻り得、次いで、反射コーティング１１２によって反射されて戻り得る。レーザは全レーザキャビティ１３４を通した各往復の光子エネルギーを増幅するので、レーザシステム１００の外部キャビティ１３２の透過格子１０８は、１つのみ（または少数）の波長が占めることを選択的に許容する（すなわち、レーザ光線を発する）ために用いられ得る。

上述したように、透過格子１０８は、光源に戻る所望の波長の光の約１０％から約５０％を回折することができ、これは、例えば、レーザシステム１００の本実施態様に記載された外部キャビティレーザシステムの出力カプラーに対して、約１０％と約５０％との間の反射率である。したがって、作動において、チューナブル透過格子１０８は、レーザキャビティに戻る光の約１０から約５０％までの回折ならびに回折格子または反射コーティングの設計により他の角度で回析または反射される他の任意の光を除いて、この格子への入射光のほとんど全てを透過し得る。さらに、透過格子１０８は、チューニングされた波長（ならびに光の他の全ての波長）の残りの光（すなわち、約５０から約９０％まで）が、透過格子１０８を通過して平行化された出力レーザ光線１２２を形成することを可能にし得る。

以下に、チューニングのために旋回可能な透過格子１０８を用いたレーザシステム１００を設計するための、代表的な方法のより詳細な説明を提供する。以下の説明において、レーザダイオード１０２を、ナノメートル（ｎｍ）換算で、所望の中心波長λ_centerおよびチューニング範囲Δλ_totalに関して説明する。さらに、以下の説明を簡単にするために、中心波長を、チューニング範囲の中心に設定する。レーザダイオード１０２は、最小波長λ_min＝λ_center−Δλ_halfおよび最大波長λ_max＝λ_center＋Δλ_half（式中、Δλ_half＝Δλ_total/２である）もまた有し得る。

透過格子１０８は、複数の等間隔で平行な格子を含み得る。格子線の密度Ｇ（線／ｎｍ）は、Ｇ＝２＊sin（α_λ）／λ_０として定義され得、式中α_λはリトロー角である。したがって、例えば、リトロー角α_λ＝４５度については、Ｇ＝√２／λ_０である。したがって、λ_center＝４０５ｎｍおよびα_λ＝４５度である代表的なシステムにおいて、Ｇ＝３４９２線／ｍｍである。

図２Ａおよび２Ｂは、リトロー角αを示す簡略図を提供する。透過格子１０８のリトロー角αは、透過格子１０８が目的の波長を格子自体上に直接後方に回折する角度である（すなわち、透過格子１０８は、目的の波長を光軸に沿って後方に回折する）。図２Ａにおいて、透過格子１０８は、目的の波長についてのリトロー角α_λの角度ではなく、代わりに、異なる角度αに設定される。これによって、目的の波長λ_centerが、光軸に沿ってではなく、代わりに、回折された出力Ｒ_１によって示されるように角度βで反射される結果となる。対照的に、図２Ｂにおいては、透析格子１０８は、目的の波長λ_centerについてのリトロー角α_λで配置され、したがって、目的の波長λ_centerを、ラインＲ_１で示されるように光軸に沿って後方に、角度α_λで反射する。また、図２Ａおよび２Ｂには、透過出力Ｔ_０、透過出力Ｔ_１、および反射出力Ｒ_０が示され、これらは、回折格子の後に光が進む最も一般的な経路である。下付きの「０」は、異なる屈折率で透明基板に面する場合に、光が進むまさに自然な方向を表すために用いられる。他の２つの光線は下付きの「１」を有し、これは、光が格子によって種々の角度に回折されたことを表す。一般的な格子の式は：Ｇｍλ＝sin(α)＋sin(β)であり、式中ｍは回折次数であって、整数でなければならない。この式および他の回折格子の詳細は、文献「Diffraction Grating Handbook」（Christopher PalmerおよびErwin Loewen、Newport Corporation、2005）に記載されており、この文献は、参照として本明細書に援用される。

以下に、透過格子１０８のピボットポイント１５２の配置、およびピボットアーム１５０の長さＰを決定する代表的な方法の説明を提供する。簡易化するために、透過格子１０８についての第一の反射回折次数は、以下の説明において目的の次数ｍ＝１であると仮定し、したがって、Ｒ_１光線は、外部キャビティレーザ光路を定義するものである。

図１に戻って参照すると、光学キャビティ長Ｌは、レーザキャビティ１３４の中心を下に進む波長λの光子についての光路長であり、そして、図１に示されるような経路が横断する各材料の経路長および屈折率を考慮に入れる。例えば、レーザシステム１００の光学キャビティ長Ｌは、以下のように定義され得る：

式中、Ｌ_diode＝中心光路に沿ったレーザダイオードの物理長であり、ｎ_diode＝レーザダイオード１０２の中心波長λ_centerにおける屈折率であり、Ｌ_air＝空気である中心光路に沿った空間の物理長であり、ｎ_air＝空気のλ_centerにおける屈折率であり、Ｌ_{lens_material_n}＝中心光路に沿ったレンズ１０４の物理長であり、そしてｎ_{lens_material_n}＝レンズ１０４のλ_centerにおける屈折率である。

上述したように、透過格子１０８についてのリトロー角α_λは、以下のように定義される：

上述したように、透過格子１０８は、所望のチューニング範囲にわたってレーザシステム１００をチューニングするための角度位置に旋回され得る。したがって、レーザシステム１００は、例えば、透過格子１０８が旋回して、α_minからα_maxまでの範囲のリトロー角を形成し得るように設計され得、ここで、以下のとおりである。

および

レーザシステム１００におけるモードホップ数をチューニング範囲にわたって減少させるために、レーザシステム１００は、全キャビティ長Ｌが波長の変化に比例して変化するように設計され得る：

ここで、
Ｌ_center＝λ_centerにおけるレーザのキャビティ長
Δλ＝λ_１−λ_center
ΔＬ＝Ｌ_１−Ｌ_center（ここで、Ｌ_Ｎ＝λ_Ｎにおけるレーザのキャビティ長）、および
λ_min≦λ_Ｎ≦λ_max
である。

すなわち、レーザシステム１００のモードホップのないチューニングは、新しい波長についてのキャビティ長Ｌが、λ_centerについての開始キャビティ長Ｌと同じモード数を含む場合に達成され得る。モード数Ｍは、キャビティ内に適合する１／２波長の数として定義され得る：

したがって、モードホップのないチューニングは、チューニング範囲における全てのλについてＭ＝Ｍ_λである（すなわち、Ｍが、チューニング範囲における全てのλについて一定である）場合に生じ得る。リトロー外部キャビティレーザにおいて、チューニング範囲にわたってモード数を変化させないことは困難であり得るが、本発明の実施態様は、透過格子１０８の回転中心を最適位置に配置することにより、モードホップ数を最小にするために用いられ得る。

図３は、ピボットポイント１５２が透過格子１０８の直下に位置する、簡略化したレーザシステム１００を示す。図３において、ピボットアーム１５０は、中心波長が光学キャビティ１３４内でレーザ光線を発するように、中心波長λ_centerを光軸に沿って後方に反射する位置に設置される。図示するように、ピボットアーム１５０はまた、傾斜したΔα_min度反時計回りに回転され得、レーザシステム１００内で最小波長λ_minのレーザ光線を発するように、透過格子１０８の角度位置を調整する。さらに、示すように、ピボットアーム１５０は、Δα_max度時計回りに回転され得、レーザシステム１００内で最大波長λ_maxのレーザ光線を発するように、透過格子１０８の角度位置を調整する。

以下により詳細に記載するように、ピボットアーム１５０の長さＰは、チューニング範囲にわたって生じたモードホップの総数（Δλ_total）を変化させ得る。したがって、モードホップＭにおける変化を最小にするために長さＰを選択することは、好都合であり得る。Δα≦３°の小さな角度では、最小のモードホップ数Ｍを生じ得るピボットアーム長Ｐ_bestは、Ｐ_min＜Ｐ_best＜Ｐ_maxの狭い範囲内であり得る。

したがって、ある実施態様においては、Ｐ_minおよびＰ_maxが算出され、そしてピボットアーム長ＰはＰ_minとＰ_maxとの間であるように選択され得る。例えば、Ｐは、Ｐ＝（Ｐ_min＋Ｐ_max）／２であるように選択され得る。

図４は、ピボットアームの種々の長さＰについて、代表的なレーザシステムのチューニング範囲にわたるモード数Ｍ対波長を示す、代表的なプロット４００を提供する。図４の例では、ピボットポイントは、コヒーレント光線１２０が透過格子１０８を遮断する地点の直下（以下「遮断ポイント」と称する）に配置され得る。上記のように、モード数はＭ＝Ｌ／（λ／２）である。ピボットアーム１５０はさらに、透過格子１０８の角度を動かし、レーザシステム１００をチューニングする。透過格子１０８のこの角変位は、光学キャビティ長Ｌの変化の効果、およびそれに対応して、チューニングされた波長におけるレーザシステム１００についてのモード数（すなわち、光学キャビティ内に適合するチューニングされた波長における１／２波長の数）を有し得る。

図４は、種々のピボットアーム長についての５本の曲線４０２、４０４、４０６、４０８および４１０を、光学キャビティにおける代表的な得られたモードホップ数Ｍ対Ｌ_center＝２０ｍｍについての波長λで示す。特に、曲線４０２は、ピボットアーム長Ｐ＝１８ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝２４３のモードホップ数の変化（すなわち、９８９００−９８６５７）を生じる。曲線４０４は、ピボットアーム長Ｐ＝１９ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝１２１のモードホップ数の変化（すなわち、９８８４８−９８７２７）を生じる。曲線４０６は、ピボットアーム長Ｐ＝２０ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝１６のモードホップ数の変化（すなわち、９８７８１−９８７６５）を生じる。曲線４０８は、ピボットアーム長Ｐ＝２１ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝１２３のモードホップ数の変化（すなわち、９８８４８−９８７２５）を生じる。そして、曲線４１０は、ピボットアーム長Ｐ＝２２ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝２４５のモードホップ数の変化（すなわち、９８９０２−９８６５７）を生じる。図４から、ピボットアーム長Ｐの変化が、チューニング範囲にわたって生じたモードホップＭの総数を変化させ得ることは明らかであり、そしてそれが、モードホップの変化を最小にするように長さＰを選択すること（例えば、図４の例におけるＰ＝２０ｍｍなど）は好都合であり得る。

以下に、Ｇ＝３４９２線／ｍｍ（０．００３４９２線／ｎｍ）の格子を用いて約４００から約４１０ｎｍ（Δλ_total＝１０ｎｍ）までのチューニング可能な範囲にわたるチューナブルレーザの、ピボットアーム長Ｐを算出するための代表的な計算を提供し、ここでチューニング範囲の中心波長λ_center＝４０５ｎｍである。したがって、この例において、Ｐは以下のように決定され得る：

次いで、キャビティ長Ｌ＝Ｌ_centerが、上記のように決定され得、ここで、Ｌは、ダイオードで開始されるキャビティを通る単一の経路における中心光学光線の関数である：

式中、ｌ_ｉは光軸上の対象の物理長であり、そしてｎ_ｉは屈折率である。代表的には、
ｉ＝１は、レーザダイオード１０２をいい、
ｉ＝２は、レーザダイオード１０２の前面とコリメートレンズ１０４との間の空気をいい、
ｉ＝３は、コリメートレンズ１０４中を進んだ移動距離をいい（注記：コリメートレンズで用いられるいくつかの異なる空隙および材料があり得る）、そして
ｉ＝４は、（その公称α_center位置における）レンズ１０４と透過格子１０８との間の空気をいい、
そのため、上記のように、

式中、Ｌ_airは、レーザダイオード１０２とレンズ１０４との間の空気中を進んだ長さと、レンズ１０４と透過格子１０８との間の空気中を進んだ長さとの組み合わせである。

代表的な目的のために、この例において、算出されたキャビティ長Ｌを、Ｌ＝２０ｍｍであると仮定する。したがって、
Ｐ_min＝１９．８８ｍｍ
Ｐ_max＝２０．１２ｍｍ、および
１９．８８ｍｍ＝Ｐ_min＜Ｐ_Ｓ＜Ｐ_max＝２０．１２ｍｍ（ここで、Ｐ_Ｓは選択されたピボットアーム長である）である。

図５は、Ｐ_minとＰ_maxとの間のピボットアームの種々の長さについて、モード数Ｍ対代表的なレーザシステムのチューニング範囲にわたる波長を示す、代表的なプロット５００を提供する。特に、図５は、Ｐ_min＝１９．８８ｍｍからＰ_max＝２０．１２ｍｍまでの範囲の種々のピボットアーム長について、５本の曲線、５０２、５０４、５０６、５０８および５１０を示し、そして対応する光学キャビティにおけるモードホップ数Ｍ対波長λを示す。特に、曲線５０２は、ピボットアーム長Ｐ＝１９．８８ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝２３のモードホップ数の変化（すなわち、９８７８８−９８７６５）を生じる。曲線５０４は、ピボットアーム長Ｐ＝１９．９４ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝１９のモードホップ数の変化（すなわち、９８７８４−９８７６５）を生じる。曲線５０６は、ピボットアーム長Ｐ＝２０．００ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝１６のモードホップ数の変化（すなわち、９８７８１−９８７６５）を生じる。曲線５０８は、ピボットアーム長Ｐ＝２０．０６ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝１９のモードホップ数の変化（すなわち、９８７８４−９８７６５）を生じる。そして、曲線５１０は、ピボットアーム長Ｐ＝２０．１２ｍｍの曲線を示し、この例では、Ｍ＝２３のモードホップ数の変化（すなわち、９８７８８−９８７６５）を生じる。図５から、ピボットアーム長Ｐ＝２０．００ｍｍが、最小のモードホップ数になることは明らかである。

図５はまた、この例において、選択されたピボット長Ｐには公差があり、たとえピボットアームの選択されたピボット長Ｐが最適のピボット長ではなくても、良好な性能を提供し得ることを示す。例えば、図示するように、Ｐ_minとＰ_maxとの間でどのピボット長Ｐを選択しても、モードホップ数の変化は２３よりも小さくなる。図４および５で示された曲線は、例えば、レーザシステム１００において異なるピボットアーム長Ｐを置き換え、そして、例えば、平行化された出力レーザ光線１２２を分析する高解像度光学スペクトルアナライザを用いてモードホップＭを決定することによって、決定され得る。

別の例において、ピボットポイント１５２の配置のターゲットは、単に長さＰ_bestを有する透過格子１０８上の遮断ポイントの直下の地点にあり得る代わりに、ピボットポイント１５２は、ピボットポイント１５２がある透過格子１０８の下のライン上に位置し得る。ピボットポイント１５２をこのようなライン上に配置することは、例えば、図１に示すように透過格子１０８の遮断ポイントの直下にピボットポイント１５２を配置することが望ましくない場合などに、公差化ならびにキャビティ設計の柔軟性を可能にすることに有用であり得る。例えば、いくつかの実施態様において、間隔要件、ピボットアームの特定の長さに対する要望、または、例えば、遮断ポイントの直下に他の構成要素を配置する必要性のために、ピボットアーム１５２を遮断ポイントの直下以外の場所に設置することが所望され得る。

図６は、ピボットポイントを配置するための種々の位置を示す、簡略化した代表的なレーザシステム６００を示す。図示するように、ピボットポイントは、コヒーレント光線１２０の光軸が透過格子１０８を遮断する透過格子１０８上のポイント６５４の直下に位置するピボットポイント６５２について算出されたＰ_bestを通過するライン６０２上のどこへでも配置され得る。さらに、図示するように、ライン６０２は、中心波長λ_centerに対してリトロー角α_λに等しい角度を有する。次いで、ピボットポイントは、ライン６０２に沿った任意の位置に設置され得、ピボットアーム長Ｐはピボットポイントについて、ライン６０２と遮断ポイント６５４との間の距離が等しくなるように選択される。例えば、図６は、ライン６０２上に位置した３つの可能なピボットポイント、すなわち６５２、６６２および６６４を示す。さらに、例えば、図５〜６に図示して上述したように、ピボットポイントが透過格子遮断ポイントの直下に配置される場合、ピボットアーム長Ｐには公差があり、そして、ピボットアーム長ＰはＰ_minとＰ_maxとの間である。同様に、ピボットポイントがライン６０２に沿ったどこか他の場所に位置する場合、ピボットアーム長には同様に公差がある。

レーザシステムの性能を向上させるために、例えば、レーザダイオード１０２およびレンズ１０４などのレーザシステムの構成要素のアライメントを調整できることもまた所望され得る。例えば、１つの実施態様において、レーザシステムの構成要素の位置およびアライメントが調整され得、そして、得られるレーザシステムのモードホップ性能は、例えば、高解像度光学スペクトルアナライザを用いてレーザシステムの出力レーザ光線を分析することによって、チューニング範囲にわたって測定される。このような光学スペクトルアナライザは、例えば、中心波長λ_centerにおけるレーザシステムの固定されたキャビティ長Ｌについてのモードホップに関連した波長Δλの変化よりも大きな解像度を有し得る。例えば、上記のように、

この式は、周波数換算に変換され得る（例えば、ヘルツ）：

式中、ｃ＝λν＝光速度＝２９９７９２４５８ｍ／秒である。したがって、この例において、高解像度光学スペクトルアナライザは、例えば、Δυ＝７．５ＧＨｚより大きいかまたは等しい解像度（例えば、ヘルツ換算で）を有し得る。

図７は、レーザシステムの構成要素のアライメントが、例えば、その性能を向上させるためにレーザシステムをチューニングするように調整され得る、代表的なレーザシステムを示す。図示するように、レーザシステム７００は、レーザシステム１００に類似しているが、レーザシステム７００では、レーザダイオード７０２およびレンズ７０４は、可動アセンブリ７６２上に位置する。可動アセンブリ７６２は、例えば、レーザダイオード７０２およびレンズ７０４が実装されたプラットホームであり得る。可動アセンブリ７６２はまた、例えば、プロセッサの制御下で移動可能であり得るか、または、例えばダイヤルを用いて、例えば手動で調整され得る。

レーザシステム７００は、最初に、以下のようにチューニングされ得る：まず、レーザシステム７００を、ピボットアーム７５０が上述のような方法を用いて算出された最適な長さＰ_bestと等しいピボット長Ｐを有するように組み立て、そして、ピボットポイント７５２および透過格子７０８を、ピボットポイント７５２が透過格子７０８上の予想される遮断ポイント７５４の直下に位置するように設置し得る。上記のように、ピボットポイント７５２を遮断ポイントの直下に位置させるよりもむしろ、他の実施態様において、ピボットポイントを、ライン７８２に沿った別の場所に位置させ得る。ライン７８２は、ピボットポイント７５２を通過し、そして、図６を参照して上述したように、中心波長λ_centerについてのリトロー角α_λに等しい角度にある。

次に、レーザシステム７００を作動させ、そして、透過格子７０８を旋回させて、レーザシステム７００についてのチューニング範囲にわたってチューニングさせ得る（すなわち、レーザ光を得る）。次いで、光学スペクトルアナライザを用いて、出力レーザ光線７２２を分析することによって、チューニング範囲にわたるモードホップ数を決定し得る。次に、可動アセンブリ７６２の位置を調整し、そして、モードホップ数を、レーザシステム７００についてのチューニング範囲にわたって決定し得る。例えば、可動アセンブリ７６２は、上下および／または左右に移動可能であり得る。可動アセンブリ７６２を移動することは、キャビティ長Ｌを変更する効果を有し得る。例えば、可動アセンブリ７６２を下に移動させることは、この例において透過格子７０８の角度によって、透過格子７０８上の光７２０の遮断ポイントを下および左に移動することによって、キャビティ長Ｌを縮小する効果を有し得る。同様に、可動アセンブリの上または左への移動は、キャビティ長Ｌを増大する効果を有し得る。

次いで、可動アセンブリ７６２を調整し、そして、レーザシステム７００のチューニング範囲にわたってモードホップ数を最小にする可動アセンブリ７６２の場所が決定されるまで、例えば、反復プロセスによってモードホップ数を測定し得る。可動アセンブリ７６２は、次いで、例えば、可動アセンブリをこの場所に固定するのに役立ち得るねじ締めによって、この決定された場所に固定され得る。可動アセンブリ７６２の位置を決定するこのプロセスは、例えば、レーザシステム７００を顧客に出荷する前に行われ得る。次いで、可動アセンブリは、例えば、レーザシステム７００の耐用年数の間、所定の位置に設置されたままであり得、または、例えば、この位置は、例えばレーザシステム７００でエラーまたは問題が見出された場合に、調整され得る。

図８Ａおよび８Ｂは、本発明の方法およびシステムの実施態様による、透過格子を取り付けた代表的なピボットアームを示す。図８Ａに示すように、ピボットアーム８００は、第１の部分８１２および第２の部分８１４および３つの旋回軸８２２、８２４および８２６を含み得る。透過格子８０８は、ピボットアーム８００の第１の部分８１２に取り付けられたマウント８１６（図８Ｂ参照）上に実装され得る。図８Ｂはまた、ピボットアーム８００がどのようにレーザシステム１００などのレーザシステムに設置され得るかを示す目的で、レーザダイオード１０２およびレンズ１０４を示す。図８Ｂはまた、ピボットアーム８００についての効果的なピボットアーム長Ｐも示す。

図９Ａおよび９Ｂは、本発明の方法およびシステムの実施態様による、代表的なマウント８１６、透過格子８０８および第１の部分８１２を示す。図示するように、透過格子８０８は、第１の部分８１２上に実装され得るマウント８１６に設置され得る。マウント８１６は、第１の部分８１２のピン９０４に合わせた穴９０２を含み得る。ピン９０４は、第３の回転軸８２６として機能し得、そのためマウント８１６は第１の部分８１２上で回転され得る。一旦、第１の部分８１２上のマウント８１６の所望の回転角度が決定されると、マウント８１６は、第１の部分８１２の対応するメカニズムに取り付けられ、例えば、ねじ９０８またはマウント８１６上の他の固定メカニズムを用いた場所に固定され得る。

第１の軸８２２を用いて、透過格子８０８を旋回させ、図１のレーザシステム１００を参照して上述のようなレーザシステムをチューニングさせ得る。例えば、ピボットアーム８００は、レーザシステムのチューニングされた波長を減少させるために、透過格子８０８を反時計回りの方向に回転させ得、そして、チューニングされた波長を増加させるために、透過格子８０８を時計回りの様式で回転させ得る。第２の軸８２４および第３の軸８２６は、レーザシステムのアセンブリの間、レーザシステムのチューニングをさらに改良するために用いられ得、そして次いで、軸８２４および８２６は、レーザシステムの通常の操作の間、固定され得る。例えば、第２の軸８２４を用いて、透過格子８０８の面を回転させ、コヒーレント光線１２０の反射を改良して、透過格子８０８が所望の波長を回転軸８２２に対してちょうど直角に反射することを確実にし得る。第３の軸８２６を用いて、例えば、透過格子８０８を回転させて、透過格子の格子線を第１の軸８２２の方向に方向付けし得る。ピボットアーム８００の一部が第２および第３の軸８２４および８２６の周囲を回転する角度は、これらの軸について異なる回転でレーザシステムの性能を測定することによって決定され得、そして、一旦最適な位置が決定されると、第２および第３の軸８２４および８２６は、レーザシステムの通常の操作の間、これらの軸が移動しないように、例えば対応するねじを締めることによって、固定され得る。

例えば、第２の軸８２４の回転の最適位置は、回転の角度位置を反復して調整し、そして出力レーザ光線１２２の光強度を測定することによって決定され得る。これらの測定は、例えば、レーザシステムがその中心波長にチューニングされるように中心位置に設置された第１の回転軸８２２で実施され得る。第２の軸８２４の回転の最適な角度位置は、出力レーザ光線１２２が最大出力であるように決定され得る。

第３の軸８２６の回転の最適角度位置は、同様に、例えば、回転の角度位置を反復して調整し、そしてレーザシステムのチューニング範囲にわたって出力レーザ光線１２２の光強度を測定することによって決定され得る。第３の軸８２６の回転の最適な角度位置は、出力レーザ光線１２２が、レーザシステムの全チューニング範囲にわたって最大出力であるように決定され得る。

上記のように、ピボットアーム８００のようなピボットアームを用いるレーザシステムは、例えば、まず第３の軸８２６を回転させて、透過格子８０８の格子線を第１の回転軸８２２と平行になるようにアラインすることによって、最初にチューニングされ得る。次いで、第１の軸８２２を回転させて、レーザシステムをその中心波長にチューニングさせ得る。次いで、例えば、第２の軸８２４の回転は、出力レーザ光線１２２の出力を測定するためにパワーメータを用いて、最大出力の位置で回転を固定することによって、上述のように決定され得る。次いで、レーザシステムは、そのチューニング範囲にわたってチューニングされ得、そして、出力レーザ光線１２２は、全チューニング範囲にわたって最適な性能を確実にするために分析され得、そして、第２および第３の軸８２４および８２６は、全チューニング範囲にわたってレーザシステムの最適な性能を確実にするために調整され得る。

本出願において引用した文献、特許、学術論文および他の資料はすべて、参照として本明細書に援用される。

本発明は、添付の図面を参照してそのいくつかの実施態様と併せて十分に記載されているが、種々の変更および改変が当業者にとって明らかであり得ることが理解されるべきである。このような変更および改変は、そこから逸脱しない限りは、添付の請求の範囲に定義される、本発明の範囲内に含まれることが理解されるべきである。

本発明の方法およびシステムの実施態様による、代表的なレーザシステムを示す。 図２Ａおよび２Ｂは、本発明の方法およびシステムの実施態様による、リトロー角を示す簡略図である。 本発明の方法およびシステムの実施態様による、ピボットポイントが透過格子上の遮断ポイントの直下に配置された、簡略化した代表的なレーザシステムを示す。 本発明の方法およびシステムの実施態様による、種々の長さのピボットアームについて、代表的なレーザシステムのチューニング範囲にわたる、モード数Ｍ対波長を示す代表的なプロットである。 本発明の方法およびシステムの実施態様による、Ｐ_minとＰ_maxとの間の種々の長さのピボットアームについて、代表的なレーザシステムのチューニング範囲にわたる、モード数Ｍ対波長を示す代表的なプロットである。 本発明の方法およびシステムの実施態様による、ピボットアームのピボットポイントを配置するための種々の位置を示す、簡略化した代表的なレーザシステムを示す。 本発明の方法およびシステムの実施態様による、レーザシステムの構成要素のアライメントが調整され得る、代表的なレーザシステムを示す。 本発明の方法およびシステムの実施態様による、透過格子を取り付けた、代表的なピボットアームを示す。 本発明の方法およびシステムの実施態様による、透過格子を取り付けた、代表的なピボットアームを示す。 図９Ａおよび９Ｂは、本発明の方法およびシステムの実施態様による、ピボットアームの代表的なマウント、透過格子および第１の部分を示す。

Claims (21)

1. レーザシステムであって：
   高反射面；
   光を供給する光源；
   平行化されたコヒーレント光線を供給するために該光を平行化するレンズ；
   該平行化されたコヒーレント光線の光の波長の少なくとも一部を該光源へ反射する回折格子；および
   該回折格子に接続されたピボットアームであって、該ピボットアームが該回折格子を旋回させるように構成され、それによって、該回折格子によって該光源へ反射される光の波長を調整し、そして該レーザシステムの光路長を調整する、ピボットアーム、
   を備える、レーザシステム。
2. 前記ピボットアームが、前記回折格子から間隔をあけたピボット長で配置された回転軸の周囲を回転して、該回折格子が旋回する場合に、該回折格子と前記光源との間の長さが調整されるように、前記反射される光の波長を調整する、請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記ピボット長が、前記レーザシステムのチューニング範囲にわたってモードホップ数を最小にするように選択される、請求項２に記載のレーザシステム。
4. 前記ピボット長が、算出された最小ピボット長と最大ピボット長との間であるように選択され、該最小ピボット長が、前記レーザシステムの中心波長から最長波長までの前記回折格子の回転についてのリトロー角の変化を用いて算出され、該最大ピボット長が、該レーザシステムの中心波長から最短波長までの該回折格子の回転についてのリトロー角の変化を用いて算出される、請求項２に記載のレーザシステム。
5. 前記回転軸が、前記コヒーレント光線が前記回折格子を遮断する該回折格子上の地点の直下に配置された算出された地点を通過するように決定されたライン上に配置され、そして該ラインが、前記レーザシステムが中心波長にチューニングされる場合に、該回折格子のリトロー角に対応する角度である、請求項２に記載のレーザシステム。
6. 前記コヒーレント光源および前記レンズが、回折格子に対して該コヒーレント光源および該レンズの位置を調整する可動アセンブリ上に配置される、請求項１に記載のレーザシステム。
7. 前記ピボットアームが、少なくとも第１、第２および第３の回転軸を備え、該回転軸の周囲を該ピボットアームの少なくとも一部が旋回し得る、請求項１に記載のレーザシステム。
8. コヒーレント光線を生成する方法であって、該方法は、以下の工程：
   （ａ）平行化されたコヒーレント光線を供給する工程；および
   （ｂ）回折格子に接続されたピボットアームを、該回折格子の位置を調整するために旋回させ、それによって、該回折格子によって反射される該平行化されたコヒーレント光線の光の波長を調整し、そしてレーザシステムの光路長を調整する工程、
   を含む、方法。
9. 前記ピボットアームが、前記回折格子から間隔をあけたピボット長で配置された回転軸の周囲を回転して、該回折格子が旋回する場合に、光学キャビティの長さが調整されるように、前記反射される光の波長を調整する、請求項８に記載の方法。
10. 前記ピボットアームが、前記回折格子の位置を第１の位置から第２の位置までの位置の範囲内で調整し、該第１の位置および該第２の位置が、該回折格子によって反射される光の最小波長および光の最大波長に対応し、そして前記ピボット長が、チューニング範囲にわたるモードホップ数を最小にするように選択される、請求項９に記載の方法。
11. 前記ピボット長が、算出された最小ピボット長と最大ピボット長との間であるように選択され、該最小ピボット長が、前記レーザシステムの中心波長から最長波長までの前記回折格子の回転についてのリトロー角の変化を用いて算出され、該最大ピボット長が、該レーザシステムの中心波長から最短波長までの該回折格子の回転についてのリトロー角の変化を用いて算出される、請求項９に記載の方法。
12. 前記回転軸が、前記コヒーレント光線が前記回折格子を遮断する該回折格子上の地点の直下に配置された算出された地点を通過するように決定されたライン上に配置され、そして該ラインが、中心波長での該回折格子のリトロー角に対応する角度である、請求項９に記載の方法。
13. 前記供給された平行化されたコヒーレント光線が、コヒーレント光源およびレンズを用いて供給され、そして該コヒーレント光源および該レンズが、可動アセンブリ上に配置され、該方法がさらに以下の工程：
    前記回折格子に対して該コヒーレント光源および該レンズの位置を調整するように、該可動アセンブリの位置を調整する工程、
    を含む、請求項８に記載の方法。
14. 前記ピボットアームが、少なくとも第１、第２および第３の回転軸を備え、該回転軸の周囲を該ピボットアームの少なくとも一部が旋回し得る、請求項８に記載の方法。
15. コヒーレント光線を生成するためのレーザシステムであって、
    平行化されたコヒーレント光線を供給する手段；
    該平行化されたコヒーレント光線の光の波長の少なくとも一部を反射する手段；および
    該反射手段の位置を調整し、それによって、該反射手段によって反射される該平行化されたコヒーレント光線の光の波長を調整し、そして該レーザシステムの光路長を調整する手段、
    を備える、レーザシステム。
16. 前記調整手段が、前記反射手段を該反射手段から間隔をあけたピボット長で配置された回転軸の周囲を回転させて、該反射手段が該回転軸の周囲を回転する場合に、光学キャビティの長さが調整されるように、前記反射される光の波長を調整するための手段を備える、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記調整手段が、前記反射手段の位置を第１の位置から第２の位置までの位置の範囲内で調整し、該第１の位置および該第２の位置が、該反射手段によって反射される光の最小波長および光の最大波長に対応し、そして前記ピボット長が、前記レーザシステムのチューニング範囲にわたるモードホップ数を最小にするように選択される、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記ピボット長が、算出された最小ピボット長と最大ピボット長との間であるように選択され、該最小ピボット長が、前記レーザシステムの中心波長から最長波長までの前記反射手段の回転についてのリトロー角の変化を用いて算出され、該最大ピボット長が、該レーザシステムの中心波長から最短波長までの該反射手段の回転についてのリトロー角の変化を用いて算出される、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記回転軸が、前記コヒーレント光線が前記反射手段を遮断する該反射手段上の地点の直下に配置された算出された地点を通過するように決定されたライン上に配置され、そして該ラインが、中心波長での該反射手段についてのリトロー角に対応する角度である、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記反射手段に対して、前記平行化されたコヒーレント光線を供給する手段の位置を調整するための手段をさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
21. 前記調整手段が、少なくとも第１、第２および第３の回転軸を備え、該回転軸の周囲を前記旋回手段の少なくとも一部が旋回し得る、請求項１５に記載のシステム。

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