JP3878257B2 - レーザ・システム - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ放射光を発生するための光学システムに関し、とりわけ、線形光学空洞を備えた、ダイオード・ポンピングによる受動ロック式レーザに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
多くのレーザ応用(例えば、化学的検知)において、強度の高いレーザ光が必要とされる。強度の高い光を発生する方法の1つは、光学空洞内に捕獲された光を利用することである。光学空洞または共振器は2つ以上の鏡面から構成され、入射光は、それら鏡面で捕獲され、往復させることができるように配置されている。こうして、空洞内の光を入射光より何桁分も強くすることが可能になる。
【0003】
多くの用途において、光学空洞内に、(ヘリウム・ネオン放電管等の)光学利得媒体が配置される。典型的なダイオード・レーザの場合、ダイオード利得媒体自体に、空洞鏡が直接被着される。ただし、周波数を同調させたり、線幅を狭くするといったような一部の用途においては、ダイオードのフェーセット(端部鏡面)の一方または両方に反射防止コーティングを施したり、ダイオード外部の鏡によって形成される光学空洞内において、ダイオードを動作させる場合もある。ダイオード利得媒体は、こうした空洞内において動作させることが可能であるが、ダイオードの放射フェーセットの損傷しきい値が低いので、空洞内で生じるパワー量が厳しい制限を受けることになる。
【0004】
この制限を克服し、同時に、大きい光学的場を発生するため、ダイオード・レーザは、ダイオード・レーザ放射光が捕獲される、独立した高フィネス光学空洞の外部に配置することが可能である。この独立した空洞は、今後、「ビルド・アップ」空洞と呼ばれる。しかし、ダイオード・レーザは、高フィネス・ビルド・アップ空洞のそれよりもはるかに広い光学帯域幅の放射光を射出する。ビルド・アップ空洞内においてダイオード・レーザ放射光の大幅な増幅を実現するためには、空洞共振周波数において空洞の帯域幅に近いか、または、一致する帯域幅を有するコヒーレントな放射光をダイオード・レーザから強制的に放射させなければならない。このプロセスは、今後、「光学的ロック」と呼ばれる。
【0005】
ダイオード・レーザの帯域幅を狭める方法の1つは、ダイオード・レーザの全電子的周波数ロックを利用することである。しかし、この技法には、超高速サーボ、ダイオード・レーザと空洞とのかなりの程度の光学的分離、及び、高度な電子制御が必要になる。
【0006】
代替方式として、実質的に線幅を狭めることを光学帰還(すなわち、受動)方式によって実現することも可能である。例えば、ダマニ(Dahmani)他:“共振光学帰還による半導体レーザ・ダイオードの周波数安定化( Frequency stabilization of semi-conductor lasers by resonant optical feedback)”, Opt. Lett., 12, pp. 876-878(1987)には、ビルド・アップ空洞に対するダイオード・レーザの受動光学ロックが報告されている。この技法の場合、ダイオード・レーザからの光は、ビルド・アップ空洞に送り込まれる。この光の周波数が空洞の共振周波数と整合する場合、光は捕獲されることになる。次に、捕獲された光の一部が、ダイオード・レーザに送り返されて、受動帰還・メカニズムとして作用し、ダイオードの放射光帯域幅を狭めるだけでなく、低フィネスのダイオード・レーザの周波数を高フィネスのビルド・アップ空洞の周波数にロックする。
【0007】
上記ダマニ他が開示すると同様のシステムの欠点は、こうしたシステムで用いられる光学ロックが弱い、すなわち、ビルド・アップ空洞における光のごくわずかな部分だけしかダイオード・レーザに帰還されないということである。弱い光学ロック技法の欠点は、やはり、ダイオード・レーザに帰還される光の強さと位相の両方について、慎重な電気機械的制御が必要になるということである。さらに、こうしたシステムには、少なくとも4つの反射器が含まれる。
【0008】
外部共振空洞に対する反射防止コーティングを施したダイオード・レーザの受動全光学ロックが、最近になって広く活用されるようになってきた。例としては、周波数の2逓倍(レント及びリスク(W.Lenth and W.P. Risk)へ1991年8月に与えられた米国特許5、038、352号:非線型結晶共振器を用いたレーザ・システムと方法(Laser system and method using a nonlinear crystal resonator), 及び、コズロフスキ(W.J. Kozlovsky)他:“伸長空洞レーザ・ダイオードの共振器増強周波数2逓倍による青色光の発生(Blue light generation by resonator -enhanced frequency doubling of an extended diode laser)”,Aug. 1994, 65(5), pp.525-527, Appl. Phys. Lett.),周波数混合(P.G. Wigley, Q. Zhang, E. Miesak, and G.J. Dixon:" 高出力467nm受動ロック式信号共振合成周波数レーザ(High power 467nm passively-locked signal-resonant sum frequency laser)", Post deadline paper CPD21-1, Conference on Lasers and Electro-optics, Baltimore, MD., Optical Society of America, 1995)、及び、化学的検知(キング(David A. King)他に1995年7月に与えられた米国特許5,432,610号:化学検知用ダイオード・ポンプ電力ビルドアップ空洞(Diode-pumped power build-up cavity for chemical sensing)がある。上記キング他(参考までに本明細書にそっくりそのまま組み込まれている)は、ダイオード・レーザが外部共振空洞と光学的にロックされるいくつかの実施例について解説している。キング他の教示によれば、3つの反射素子を含むシステムに関して非共振反射を排除するためには、ダイオード電流を大幅に制限し、追加部品を要する可能性がある。
【0009】
ダイオード・レーザの受動全光学ロックの困難を明らかにするため、光学空洞の物理的特性について簡単な説明を行うことにする。図1に示すように、2つの表面2及び4(それぞれ、反射率(反射係数)R1及びR2))によって、空洞6が形成される。この空洞6は、櫛歯状の共振周波数分布を備えており、櫛歯の間隔はc/2Lである(cは空洞内における光の速度、Lは2つの表面2及び4間の光学距離である)。
【0010】
線形空洞に入射する光は、一般に、図1A、図1Bに示す2つの現象の1つに従う。図1Aの場合、入射光8の周波数は空洞の共振周波数とは全く異なる。従って、入射光8は、表面2によって反射光10として反射されるだけである。図1Bには、入射光8が空洞の共振周波数である(またはそれに極めて近い)状況が示されている。この場合、入射光は表面2と4の間に空洞内ビーム12として捕獲される。捕獲された光は、さらに、表面2及び4から漏れて、それぞれ、反射ビーム10及び透過ビーム14に影響を及ぼす。漏出光は入射ビーム8と位相がずれているので、表面2からの単なる非共振反射ビーム10の一部に破壊的な干渉を及ぼすことになる。
【0011】
入射ビーム8が空洞の共振周波数を有する場合、空洞6の有効反射率(有効反射係数)は、表面2の単なる非共振反射率(または非共振反射係数)より低くなる。この効果が、図1A及び図1Bに示す空洞の反射率(Iref/Iinc)が正規化周波数の関数として作図された図1Cに示されている。該周波数は、空洞の櫛歯間隔に対して正規化されるので、正規化周波数の各整数値毎に、空洞共振が生じることになる。空洞の帯域幅は、各共振の半値幅であり、表面2及び4の反射率が低下するにつれて小さくなる。R1がR2に等しい場合、表面2からの共振反射及び非共振反射の大きさは、等しく、位相が180゜ずれている。こうして、空洞反射率は、空洞共振に関してゼロまで低下する(散乱がない場合)。
【0012】
空洞に対するダイオード・レーザの受動ロックの目的は、ダイオード・レーザからの入射ビーム8によって空洞内ビーム12を発生することにある。これによって、空洞から生じる所望の光学特性(例えば、帯域幅及び周波数)がダイオード・レーザに加えられることになる。空洞からの反射ビーム10を利用して、ダイオード・レーザが空洞共振にロックされる。しかし、図1Cに示すように、反射ビーム10は空洞共振において再弱である。従って、光学帰還によれば、ダイオード電流が増すにつれて、レーザは空洞共振周波数以外の周波数においてしきい値に達するようになるのは明らかである。従って、当該技術の熟練者が長年にわたって信じていたように、図1Aに示す構造はダイオード・レーザの周波数ロックには極めて不適当である。
【0013】
上述の破壊的干渉を軽減し、ダイオード・レーザに戻される最強の反射が光学空洞だけから生じるという保証が得られるようにするため、さまざまなアプローチが利用されてきた。単純なアプローチは、共振帰還の空間的分離を可能にする追加空洞反射器または反射の利用である(前掲のダマニ文献を参照)。他の解決策は、鏡で誘導される複屈折によるダイオード・レーザへのごくわずかな帰還(C.E. Tanner 他:Atomic beam collimation using a laser diode with a self locking power-build-up cavity, May 1988, vol.13(5), pp. 357-359, Optics Letters 参照)、または、ごく弱く励起される逆伝搬モードの利用(A. Hemmerrich 他:Second-harmonic generation and optical stabilization of a diode laser in an external ring resonator, April 1990, Vol. 15(7), pp.372-374, Optics Letters 参照)に依存するものである。しかし、こうした追加反射器は、レーザ・システムを構成する複雑さ及び費用を増すことになりがちである。
【0014】
狭帯域のレーザ光をさまざまな周波数で同調させることができることが望ましい場合もある。色素レーザといった、伝統的な同調可能な放射源は、構造的に複雑であり、比較的大きい。ダイオード・レーザは、単純で、小さく、多少は同調可能であるが、放出する放射光は狭帯域ではない。ダイオード・レーザの出力パワーを増すことによって帯域幅を狭くしようとする方法は望ましくない。出力パワーの増加は数桁必要になのに、ダイオード・レーザの損傷しきい値が低いので、個々のダイオードのパワーを穏当な低い値に制限しなければならないからである。より有効な代替方式は、ダイオードの空洞長を増すことである。これは、ダイオード・レーザの反射フェーセットに反射防止コーティングを施し、ダイオードから比較的大きく離して外部反射器を配置することによって実施される場合が最も多い。このタイプのレーザは、通常、外部空洞ダイオード・レーザと呼ばれる。この装置の同調性は、外部反射器として反射格子を用いることによって得られる(例えばHewlett-Packard Journal, 1993年2月号参照)。しかし、空洞長が増すと(一般に、1〜数十センチメートルの範囲で)、空洞の縦モードの密度が高くなる。格子の同調時には、縦モードのホッピング(同調曲線における不適切な不連続)に遭遇することが極めて多い。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較的単純な構造ではあるが、それにもかかわらず、強度の高い光を発生することが可能な受動ロック・レーザを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、その間に共通の反射器が設けられた第1の共振空洞と第2の共振空洞を備えるレーザ・システムが得られる。これらの共振空洞は、本書では、それぞれ、「レーザ空洞」及び「外部共振空洞」(または略して「外部空洞」)と定義される。一般に、レーザ・ビルド・アップ・システムには、3つの反射器、すなわち、反射率R1を有する第1の反射器、レーザ空洞を形成するため、第1の反射器から間隔をあけて配置された第2の反射器、及び、外部空洞を形成するため、第2の反射器から間隔をあけて配置された第3の反射器が含まれている。第2の反射器の反射率R2は、第1の反射器の反射率R1より大きい。第3の反射器の反射率R3も、第1の反射器の反射率R1より大きい。レーザ利得媒体は、レーザ空洞内に納められ、レーザ空洞内で共振する光を放射する。レーザ空洞からの通過光が、外部共振空洞内で共振する。この光の一部は、外部共振空洞を通過してレーザ空洞に戻り、レーザ利得媒体を光学的にロックする。
【0017】
望ましい実施例の場合、外部共振空洞の空洞長は、共振周波数と同調するように調整可能である。
【0018】
こうしたシステムを用いて、高強度のレーザ光を発生するための方法が提供される。この方法の場合、レーザ利得媒体から放出された光が、レーザ空洞内で共振し、外部共振空洞に入って、共振により、高強度に達する。外部共振空洞内における共振光の一部は、第2の反射器を通ってレーザ空洞に送り返され、強力な光学帰還によって、レーザ利得媒体を外部共振空洞の共振周波数に対して光学的にロックする。
【0019】
先行技術による外部空洞ダイオード・レーザとは対照的に、本発明の場合、第2の反射器の反射率R2は、第1の反射器の反射率より小さくされることはない。R1、R2、及び、R3の相対値の選択によって、レーザ空洞の周波数帯域幅は、外部空洞の周波数帯域幅より広くなる。このレーザ・ビルド・アップ・システムの場合、狭帯域幅の外部空洞が、光学帰還によってレーザ利得媒体を支配する。こうして、レーザ利得媒体の外部空洞に対する全光学式受動ロック(光学素子の空間関係または光学位相を調整するための電気機械式部品を必要としない方式)を実現することができる。従来の受動ロック・レーザ・システムとは異なり、本発明の場合、かなりの量の共振帰還で、レーザ利得媒体を外部空洞の共振周波数にロックすることによって、安定した動作を得ることが可能である。これは、「強帰還」受動ロックと呼ばれる。こうした強帰還受動ロックによれば、従来の受動ロックとは異なり、前述のように、レーザ利得媒体に帰還される光の位相及び強さの制御に、追加電気機械式メカニズムを必要としない。
【0020】
また、安定性を促進するため追加光学素子を必要とする、比較的大きい帰還・ロックを利用する従来のレーザ・ビルド・アップ・システム(前掲のレントとリスクの文献及びコズロフスキの文献参照)とは異なり、本レーザ・ビルド・アップ・システムは、安定性を付加するために、こうした追加素子を必要としない。追加光学素子が、アライメントを必要とし、製造プロセスを複雑にし、さらに、部品のコストを増大させることになるのは周知の事実である。
【0021】
さらに、本発明の場合、レーザ利得媒体が、外部空洞内には配置されないので、レーザ利得媒体に損傷を与えることなく、外部空洞内に極めて強度(パワー)の高い光を生じさせることが可能である。高反射率の反射器によって、外部空洞内における多重パスで光を反射することが可能になり、この結果、長い空洞長を必要とせずに、狭帯域幅が得られる。本発明によれば、高強度のレーザ光源は、理論的に最少数の部品(反射器のような光学素子、及び、光学素子の位置を微調整する電気機械的素子を含む)で製造することが可能である。外部共振空洞における光強度は、レーザ空洞内の強度よりも1桁以上強くすることが可能であり、利得媒体による放射光強度の10〜105倍とすることが可能である。さらに、狭帯域幅の外部空洞は、ダイオードの放射光に一時的な平均効果を及ぼし、高速の揺動を最小限に抑えられる(外部空洞は、光学コンデンサと考えることが可能である)。従って、本発明は、コンパクトな高強度の光源を得るのに極めて適している。
【0022】
本発明のレーザ・ビルド・アップ・システムまたは方法によって得られる高強度の光には、さまざまな用途がある。例としては、それに限定するものではないが、(1)ダイオード・レーザ・モード・クリーンアップ --1つ以上の固体光源からの特性の優れた出力ビームが必要とされる、(2)化学検知(前掲米国特許5,432,610号及び米国特許5,437,849号(King他))、粒子カウント、非線形周波数発生(例えば、外部空洞内に非線形媒体を用いて)、環境検知、及び、距離測定がある。
【0023】
【実施例】
本発明の場合、比較的反射率の大きい第2の表面(または反射器)が、第1の表面(または反射器)と第3の表面(または反射器)の間に配置されて、レーザ空洞(レーザ利得媒体を含む)及び外部空洞を形成している。光が、外部空洞内において共振し、そこから帰還してレーザ利得媒体を受動的に外部空洞の共振周波数にロックする。
【0024】
図2には、レーザ・ビルド・アップ・システムの第1の望ましい実施例が示されている。レーザ・システム内には、3つの表面(または反射器)101、102、及び、104が配置され、光はそれらの間の直線光路(軸またはライン106で表示)を進むことができるようになっている。3つの表面の反射率は、それぞれ、R1、R2、及び、R3である。表面(または反射器)101と102の間に、レーザ空洞108(この場合、2つの鏡による光学空洞)が形成される。表面102と104によって、もう1つの2つの鏡による空洞、すなわち、外部空洞110が形成される。レーザ空洞108内には、あまり追加反射を導入しなくても、軸106に沿って進む光が増幅されるように、光学利得媒体114が配置されている。これは、利得媒体114のフェーセットに反射防止コーティングを施して、反射を除去することによって行うことが可能になる。利得媒体からの反射を回避する代替方法の1つは、そのフェーセットに面取りを施すことである。R1、R2、及び、R3の値が本発明に基づいて選択され、利得媒体が光学的に非線形性を示す場合、レーザしきい値を超えると、空洞108及び110の両方における光は、同じ光学特性(例えば、周波数及び帯域幅)を示すことになる。レーザ空洞108における光の特性は、外部空洞110における光によって決まる。
【0025】
外部空洞110に入射する光のかなりの部分が、表面102を通って、レーザ空洞108に戻り、利得媒体を光学的にロックする。(例えば、表面104を通って)外部空洞を出る光の印加方法及び量によって、戻って、利得媒体を光学的にロックすることになる光の量が、変動する可能性がある。一般に、この量は、約3%〜約90%であるが、一般に利用可能な光学素子の光学的制限のため、約10%〜約50%が望ましい。従って、この結果、外部空洞の共振周波数に対する利得媒体の全光学式受動ロックのための、強い光学帰還が生じることになる。適合する利得媒体は、十分な非線形性を備えているので、強力な光学帰還によって外部空洞に光学的にロックすることが可能である。非線形性が大きいので、ダイオード・レーザが望ましい利得媒体であるが、チタンをドープしたサファイア、有機材料等の他の非線形性利得材料を用いることも可能である。
【0026】
光学空洞の帯域幅は、空洞鏡の反射率によって決まる。本発明の場合、反射率R2及びR3は、反射率R1よりはるかに高くなるように選択される。こうした反射率により、外部空洞110の帯域幅は、レーザ空洞108の帯域幅より数桁分狭くなる。レーザ空洞長と外部空洞長とは、それぞれ、表面101と表面102との間の距離、及び、表面102と表面104との間の距離である。
【0027】
本発明の場合、R1の値は、約0.1〜約0.99であり、R2の値は、約0.9〜約0.999999であり、R3の値は、約0.9〜約0.999999である。化学分析(例えばキング等への米国特許5,432,610号に開示の技術と同様の技術)のように、用途によっては、外部空洞内の光の強度をさらに増すため、R1を約0.1〜約0.99、R2を約0.995〜約0.999999、R3を約0.995〜約0.999999とするのが望ましい場合もある。空洞内非線形発光のような他の用途には、望ましい値が、R1については0.1〜0.99、R2については0.9〜0.999999、R3については0.9〜0.999999といった場合もある。さらに、より強力な光学帰還を得るには、R1がR2未満であることが望ましく、また、R2がR3未満であることが望ましい(すなわち、R1<R2<R3)。しかし、R2がR3以上の場合でも、光学的にロックされるシステムは機能する。実施の際には(実用的部品を利用し)、R2及びR3が等しい場合もあるが、空洞の反射率は、光の散乱損失のためゼロにはならない。
【0028】
従来の外部空洞ダイオード・レーザ(ECL)(Jens Buus:"Single frequency semiconductor laser", SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, WA, 1991, Section 8.2 に開示のようなもの)の場合、表面101及び102は、ダイオード・レーザのフェーセットである。周知のように、安定した動作のため、反射率R2は、できるだけ小さくされる -- R1より数桁小さい(P. Zorabedian,:" Axial-mode instability in tunable external-cavity semiconductor lasers," July 1994, vol. 30(7), pp. 1542-1552, IEEE Journal of Quantum Electronics)。やはり周知のように、R3が大きく、R2がR1に接近している場合、図2に示すシステムは、コヒーレンス崩壊状況に入り(上記Jens Buus 参照)、動作は不安定になる。不安定は、2つの空洞108及び110における光の光学(位相)特性の相違によってはっきりと示され、通常、線幅が広くなる。帰還が強まる(例えば、10%を超えて)条件下では、ダイオード・レーザは、放射フェーセットが反射防止コーティングを施されている場合だけしか、動作が安定しない(R.W. Tkach:, and A.R. Chraplyvy:" Regimes of feedback effects in 1.5μm distributed feedback lasers," November, 1986, vol. LT-14(11), pp.1655-1661, Journal of Lightwave Technology)。こうした放射フェーセットに反射防止コーティングを施すと、レーザ・システムは、事実上、2鏡・レーザ・システムになる。
【0029】
しかし、驚くべきことには、本発明の2空洞レーザ・システムの場合、安定動作は、R2がR1よりはるかに大きい(すなわち、その対応する透過率が、R1よりも数桁大きい)場合に得られる。実際、本発明に基づいて、反射率R1、R2、及び、R3を選択することによって、全く新しい動作状況に達することになる。さらに、よりコンパクトな設計によって、線幅をはるかに狭くすることができ、ビーム形状が、より望ましい低次のエルミート・ガウス・モードTEM00になるので、この装置の性能は、従来のECLよりはるかに優れている。本発明の場合、安定動作は、レーザ・ビルド・アップ・システムにおける表面の反射率を慎重に選択することによって実現される。
【0030】
本発明の場合、2つの共振空洞(レーザ空洞及び外部空洞)が、例えば、表面102のような共通表面によって分離されている。反射率R1は、R2及びR3よりはるかに小さい。周知のように、単純な2鏡空洞の帯域幅は、鏡の反射率によって決まる。即ち反射率が高くなるほど、帯域幅が狭くなる。従って、レーザ空洞108の帯域幅は、外部空洞110の帯域幅よりはるかに広くなる。広帯域照射下においては、レーザ空洞108における循環電界は、2つの成分、すなわち、広い帯域幅の成分(レーザ空洞内で生じる)と、狭い帯域幅の成分(外部空洞110において生じ、鏡102を通って漏出する)の和とみなすことが可能である。レーザ空洞108内の光が、外部空洞110内の光と同じ光学特性を備えている場合、利得媒体114の利得がレーザしきい値に向かって増大するにつれて、狭い帯域幅の成分が優勢になるはずである。
【0031】
図1Cに示すように、R1=0.4で、R2=0.9の空洞の場合(曲線C1)、空洞共振時における空洞の反射率は、前方の鏡の反射率R1の60%になる可能性がある。曲線C2は、R1=R2の空洞に関する反射率を示している。R1=0.85、R2=0.99936、及び、R3=0.99999の、図2に示すシステムの場合、空洞共振時における外部空洞110の反射率を計算すると、前方の鏡の反射率R2 の94%になる可能性がある。しかし、レーザ空洞長が5cmで、外部空洞長が9cmの場合、外部空洞の帯域幅は、レーザ空洞のほぼ280倍も狭くなる。既知のように、レーザ作用に関するしきい値反転密度は、空洞の帯域幅に反比例する(A.E. Siegman:"Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA, 1986, p.511)。外部空洞からの狭帯域光は、広帯域幅レーザ空洞成分光より低い光学利得で発振しきい値に達することになる。従って、利得媒体は、表面102からの単純な反射ではなく、外部空洞110からの帰還によって支配されることになる。上記理論は、正しいと思われるが、本発明のレーザ・システムの動作及び構成は、実用的なものであり、特定の理論に従うものではない。
【0032】
図3には、もう1つの望ましい実施例が示されている。この場合、利得媒体は、半導体ダイオード・レーザ214の構造に組み込まれている。レーザの後部フェーセットは、反射性のコーティングが施されており、表面201を形成する。ダイオード・レーザの放射フェーセット203は、反射防止(AR)コーティングが施されており、反射率は10-3未満の範囲が望ましい。表面202及び204は、それぞれ、鏡(基板)207及び209をなすようにコーティングが施されている。これらの表面は、外部空洞210内(表面202と204の間)において安定した空間モードを支持するのに適した曲率を備えている。当該技術の熟練者に取って周知のモード整合光学素子216(例えば、レンズ及び/またはプリズム)を利用することによって、空間的にダイオード放射光の整合をとって、外部空洞210に送り込むことが可能になる。レーザ空洞208に面した鏡(基板)207の表面219は、約0.04〜0.001の範囲内の反射率になるように反射防止コーティングを施すのが望ましい。代替方式として、表面219が光路206とある食いつき角度をなすようにすることによって、利得媒体への光の反射を減少させることも可能である。
【0033】
一例として、反射率が10-5〜10-4の範囲内になるようにコーティングを施された放射フェーセット203を備える利得媒体214として、フィリップスCQL801Dダイオード・レーザを利用して、こうしたシステムを構成することが可能である。米国コロラド州ボールダーのResearch Electro−opticsから鏡207及び209(反射率R2=R3=0.99999の表面を備える)を得ることが可能である。外部空洞を形成する表面202及び204のそれぞれの曲率半径は、5cmである。モード整合光学素子は、ピッチが0.23で、焦点距離が5cmのモード整合レンズと共に、ARコーティングを施した傾斜屈折率レンズ(GRINレンズ)によって構成される。外部空洞長は、2cmで、レーザ空洞長は、4cmである。こうしたシステムでは、ダイオード電流が約70mA(9Vトランジスタ・バッテリから得られる)の場合、外部空洞内において、TEM00モードで発生した約145Wの全パワーによって、安定した連続波(CW)動作が得られた。
【0034】
R2の最適値は、外部空洞内における所望のパワーと利得媒体に対する帰還(または、システム安定性)との間のトレード・オフによって決まる。例えば、モード整合光学素子(または、レーザ空洞内における他の任意の光学部品)の光学損失が大きく、表面203が完全に反射防止コーティングを施されていない場合、高帰還状況において安定したシステム性能を実現するには、外部空洞からレーザ空洞内により多くの光が漏出しなければならない。これは、R2の値を減少させ、その一方で、R3の値を一定に保つことによって実現することが可能である(図1C参照)。しかし、同時に、外部空洞内のパワーも低下することになる。実際には、R2の最適値は、光学損失及びモード整合度によって決まる。
【0035】
もう1つの実施例の場合(図4A)、レーザ空洞の表面を両方とも利得媒体(ダイオード・レーザが望ましい)に設けることが可能である。表面301及び反射率の高い表面302が、それぞれ、ダイオード・レーザの裏面フェーセット及び放射フェーセットによって形成され、この結果、3反射器(すなわち、表面301、302、304)システムが得られることになる。表面304は、鏡面基板309に被着することも可能である。やはり、表面301、302、及び、304の曲率は、当該技術の熟練者に取って周知のやり方で、安定した空洞モードを支援するように選択することが望ましい。こうした表面を形成するのに適した技法は、誘電体スタック鏡を基板上に被着し、該スタックを放射フェーセットに移すことから構成される(E.Schmidt 他:"Evaporative coatings," May 1995, pp.126-128, Photonics Spectra)。
【0036】
図4Bには、1つまたは複数の追加利得媒体が非線形性を示す限りにおいて、2つ以上の利得媒体が、外部空洞に対して同時に光学的にロックされる実施例が示されている。図4Bの場合、図2のシステムと同様のシステムであるが、反射率がR4の表面101Aと表面102の間に、ビーム分割器103を介して形成された第2のレーザ空洞108A内に、追加利得媒体114Aが納められている。R4は、同様の働きをすることによって、結果として、外部共振空洞110内に共振が生じ、光が送り込まれることになる限りにおいて、必須ではないが、R1と同じにすることが可能である。
同様に、追加利得媒体114A及び追加レーザ空洞108Aは、第1の利得媒体114及び第1のレーザ空洞108と同じ帯域幅とすることができるが必須ではない。実際、利得媒体114A及びレーザ空洞108Aは、利得媒体114及びレーザ空洞108とは異なる周波数で共振することが可能である。2つ以上の利得媒体を外部空洞に対して光学的にロックする利点は、外部空洞内においてより大きいパワーまたは追加周波数を捕獲することができるという点にある。追加利得媒体は、同じやり方で追加することが可能である。ビーム分割器103は、偏光ビーム分割器とすることが可能である。関連するもう1つの例の場合では、図3と同様のシステムにおいて、ダイオード利得媒体214の代わりにダイオード・アレイを用いることも可能である。
【0037】
共振周波数の制限:
周波数制限装置を備えた望ましい実施例の1つが、図5に示されている。一般に、利得媒体は、多くの空洞共振周波数にまたがる増幅帯域幅を備えている。光学帰還・レーザ・システムの場合、利得媒体は、外部空洞の共振周波数の任意の1つと周波数ロックすることが可能である。例えば、一般的なInGaAlPダイオード・レーザの利得帯域幅は、約670nmを中心とする約10THzであり、外部空洞長が10cmの場合、外部空洞共振周波数の間隔は、1.5GHzである。粒子カウントのように、用途によっては、この周波数範囲が許容可能である場合もあるが、何らかの化学(例えば、スペクトル)分析、非線形周波数変換、または、距離測定のように、用途によっては、可能性のあるロック周波数の数を制限しなければならない場合もある(場合によっては、10未満に)。これらの例では、周波数制限装置を用いて、フィルタリングを施すことによって、望ましくない周波数を除去することが可能である。こうした装置の例については、King他への米国特許の明細書に詳細な説明がある。これらの装置には、格子、エタロン、リオ・フィルタ、または、誘電体スタック・フィルタの1つまたはこれらの組み合わせを含むことが可能である。King他は、ダイオード・レーザ利得媒体の背面を分布ブラッグ・反射器で被うことが可能な方法についても解説しているが、これもシステムの許容可能な周波数を制限する。
【0038】
図5に示すように、周波数制限装置222が、図3と同様のシステムにおいて、モード整合光学素子216と鏡207の間に配置される。こうして、周波数制限装置222は、最少数の部品を用いて、最大の効果が得られるようにする。こうしたシステムは、フィリップスCQL801Dダイオード・レーザを利得媒体214として利用し、その放射フェーセットに、反射率が10-5〜10-4の範囲内になるようにコーティングを施して、構成された。モード整合光学素子216は、開口数(NA)が0.48で、焦点距離が4.8mmの反射防止コーティング(ARコーティング)を施したレンズ、アナモルフィック・プリズム対(3:1)、及び、焦点距離が25cmのレンズから構成された。表面202及び204は、曲率半径が17cmで、R2=0.9999、及び、R3=0.99999であった。外部空洞210の長さは、10cmであった。
【0039】
図6には、この例に関する周波数制限装置222が示されている。それは、金属被覆鏡232、及び、1800g/mmの回折格子(Zeiss製)236から構成された。鏡232によって、光路238に沿った光ビームが回折格子を2度通過できるようになり、有効分散が2倍になった。同じ部品を用いて、回折格子から光を多数回にわたってはね返らせ、これによって、システム帯域幅全体を縮小させることができた。代替方式として、回折格子による1回のはね返りを用いることも可能であった。このシステムの場合、ダイオード電流が65mAで、約230Wの光が外部空洞内に発生し、安定したシステム性能が得られた。
【0040】
もう1つの望ましい周波数制限装置は、半波長の厚さの層によって間隔があけられた極めて低損失の誘電体スタック鏡に基づいた超狭帯域透過フィルタである(前掲Research Electro−optics製)。図5と同様のシステムで、1インチ(2.54cm)基板上に堆積されたフィルタが利用された。このフィルタは、透過率が約80%で、帯域幅が0.08nmであった。このフィルタは、ARコーティングを施した東芝9225ダイオード・レーザ214から成るシステムにおいて用いられた。モード整合光学素子216は、NA=0.48で、焦点距離が4.8mmの、ARコーティングを施したレンズ、3:1円筒状ガリレイ望遠鏡(焦点距離+38.1mm及び−12.7mm)、及び、12.5cm球面レンズ216から構成され、周波数制限装置222として超狭帯域透過フィルタが設けられた。Research Electro−opticsからの鏡207及び209は、それぞれ、曲率半径が10cmである。外部空洞長は、8cmであった。表面204の反射率R3は、約0.99999であった。さまざまな値のR2(表面202の反射率)が用いられた。その結果が下表にまとめられている。
【0041】
---------------------------------------------
R2 直流電流(mA) 外部空洞内のパワー(W)
---------------------------------------------
0.99936 72 約 60
0.99966 78 約 70
0.99980 69 約 100
---------------------------------------------
周波数制限装置222として超狭帯域透過フィルタを用いる利点は、単一の直線軸206に沿って全ての部品のアライメントをとることが可能であるという点にある。もう1つの実施例では、反射防止コーティング219の代わりに、超狭帯域透過フィルタを直接鏡207上に被着することも可能である。
【0042】
用途によっては、1つだけの、または、少数の外部空洞モードによって、発振(すなわち、共振)可能であることが望ましい場合がある。このため、レーザ空洞長と外部空洞長の比に追加制限を加えることが可能である。動作が、利得媒体または周波数制限装置222の帯域幅によって、ほんの少数のモードだけに制限される場合、パワー安定性は、利得媒体の有効ロック範囲によって決まる。ダイオード・レーザの場合、ロックは、外部空洞の有効反射率によるとともに、部分的には利得と位相の相互作用(波長が外部空洞によって決まるので)による(C.H. Henry 他:" Locking range and stability of injection locked 1,54μm InGaAsP semiconductor lasers," Aug. 1985, vol. QE-21(8), pp.1152-1156, IEEE Journal of Quantum Electronics)。外部空洞とレーザ空洞の両方が同じ波長で共振する場合、各空洞における光路長は、半波長の整数倍でなければならない。ダイオード・レーザは、その位相遅延を調整し、飽和利得を変更することによってこの条件に整合することが可能である(前掲Henry他)。
【0043】
レーザ空洞内において安定したビルド・アップ(従って、周波数ロック)が生じる場合、外部空洞共振周波数が異なれば、異なる位相遅延で、レーザ空洞内に電界が生じるということを、数学的に立証することが可能である。レーザ空洞長と外部空洞長の比rは、r=n+a/bとして表すことが可能であり、ここで、nは整数であり、a及びbは実数である。a=0の場合、比rは整数である。従って、外部空洞の全共振周波数における電界は、2π毎に繰り返す、同じ位相遅延で生じることになる。ダイオード・レーザの初期位相遅延は、空洞共振周波数の任意の1つにおける電界の初期位相遅延と異なる可能性がある。この場合、外部空洞にロックされた状態に保つため、ダイオード・レーザが調整しなければならない最大位相量(すなわち、利得)は、±πである。一方、a=1、b=3で、ダイオード空洞が、わずか3モードだけの発振に制限される(例えば、周波数制限装置222によって)場合、最大位相調整は、±π/3であることが示される。周波数制限装置がなければ、追加位相遅延を得るために、ダイオード・レーザは、ただ単に異なる空洞共振周波数で発振するだけである。
【0044】
ダイオード・アレイが少数のモードだけに制限される場合、ダイオードが位相遅延を十分に迅速に調整することができなければ、ロックが不安定になる。利得依存位相に影響する非線形性は、ダイオード・レーザにより異なる。非線形性が小さい場合、安定したロックを維持するのに、大幅な移相調整を施すより、わずかな移相調整を加えるほうが望ましい。図5のシステムが利用されたときのこの効果が図7に示されている。利得媒体214は、日立6714Gレーザであり、周波数制限装置は、超狭帯域透過フィルタであった。しきい値電流(飽和利得の測度)は、レーザ空洞長が外部空洞長(9cm)の整数倍になる毎に、大きくなる。利得媒体が制限されたロック範囲(または制限された非線形性)を示す実施例の場合、非整数の外部空洞長対レーザ空洞長比が望ましい。b/a比は大きいのが望ましく、3を超えればより望ましい。
【0045】
本発明のレーザ・ビルド・アップ空洞を備えたコンパクトな装置を製造するため、基板(例えば、シリコン、二酸化珪素等)に機械加工(微細機械加工のような)を施し、適合する誘電体(または別の適合する反射材料)によるコーティングを施して、所望の位置において選択された反射率が得られるようにすることによって、第1、第2、及び、第3の表面を形成することが可能である。こうして、適正な位置にレーザ空洞及び外部共振空洞を形成することが可能になる。微細機械加工技法及びマイクロリソグラフィ技法を含む、標準的な機械加工技法を利用することが可能である。例えば、Jerman他:" A miniature Fabry-Perot interferometer with a corrugated silicon diaphragm support," Sensor and Actuators, 29, 151(1991)は、2鏡空洞に微細機械加工を施す方法について述べている。この技法を利用すれば、本発明に従って3鏡システムのレーザ空洞及び外部共振空洞を製造することが可能になる。さらに、こうした機械加工技法を用いることによって、モード整合装置のような他の光学部品を形成することも可能になるように企図されている。基板上に光学素子を形成することによって(できれば、単体の一体装置として)接着剤、ナット、ボルト、ネジ、クランプ等のような固定手段の必要がなくなり、同時に、アライメント及び移動の問題も軽減される。
【0046】
用途:
本発明は、多くの用途において有効に利用することが可能である。例としては、非線形周波数変換及び距離測定などがある。適合するレーザが得られると(例えば、本発明によって)、当該技術において既知の技術によってこうした作業が実施可能になる。空洞内周波数変換については、周波数2倍化に関する応用(E.S. Polzik と H.J. Kimble :" Frequency doubling with KNbO3 in an external cavity," September 15, vol.16(18), Optics Letters, W. Lenth とW.P. Riskの前掲文献、W.J. Kozlovsky他の前掲文献、及びA.Hemmerich他の前掲文献を参照)、及び、非線形混合に関する応用(P.G. Wigley他の前掲論文及びP.N. KeanとG.J. Dixonの“Efficient sum-frequency upconversion in a resonantly pumped Nd:YAG laser," Jan. 15, vol.17(2), Optics Lettersを参照)といったように、幾人かの著者による説明がある。
【0047】
図8には、利得媒体204によって供給される周波数以外の光学周波数を発生するために用いることが可能なシステムを例解する略図が示されている。図2と同様の構成において、非線形結晶401が外部空洞110内に配置される。非線形結晶は、利得媒体114からの光を他の周波数の光に変換する。表面402及び404が、図2の表面102及び104に取って代わっている。表面402及び404は、表面102及び104と同じ反射率範囲を備えているだけではなく(光が結晶を通過することに関連した追加光学損失を考慮して)、非線形に発生する光の周波数のどれにおいても反射することが可能である。非線形変換を完全なものにするには、1つ以上の結晶が必要になる可能性がある。必要とあれば、外部空洞110内にいくつかの結晶を配置することが可能である。非線形周波数変換が、狭い周波数帯域にわたって生じ、周波数を制限する他のメカニズムが存在しないといった場合のように、場合によっては、周波数制限装置222を利用することも可能である。
【0048】
図8において、光路106内において光にさらされる結晶表面は、反射防止コーティングを施して、外部空洞の帯域幅を最小限に抑え、それによって、レーザ空洞に対する外部空洞の周波数ロックを改善するのが望ましい。図9には、表面402及び404が直接結晶401の表面上に被着される、より単純な代替実施例が示されている。図9に示すように、ダイオード・レーザ214は、光源として用いられる。最適な動作を得るため、モード整合光学素子216及び周波数制限装置222を利用することも可能である。
【0049】
光学距離測定には、安定した帯域幅の狭いビームを発生する光源が必要になる。適合する光源は、本発明の実施例である(例えば、図10に示す光源)。この実施例の場合、表面202及び204は、光学的に透明な固体の支持体501上に被着される。適合する支持材料は、極めて熱膨張係数が低い、例えば、zerodurまたは融解石英などである。熱安定性を増すため、固体の支持体501を熱的に制御することが可能である(市販のヘリウム・ネオン・レーザをベースにした距離メータで現在実施されているように)。熱的に制御するための手段は、当該技術において周知のところである。
【0050】
前述のように、本受動ロック外部空洞によって得られる光(とりわけ、強度の高い光)は、化学検知(分析)に用いるのに有効である。例えば、レーザ・システム506を示す図11の場合、目標検体を含むサンプル503を外部共振空洞110のビーム経路106内に配置して、光の相互作用(例えば、吸光、光の散乱、ラマン散乱、蛍光発生、間接的蛍光発生、燐光発生)を生じさせることが可能である。サンプル503に隣接して、検出器505を配置することによって、光の相互作用を検知し、この結果、サンプル503中の検体に関する分析データが得られるようにすることが可能である。所望の1つ(または複数)の周波数の光を実質的に吸収したり反射したりしない容器507を用いて、ビーム経路内にサンプルを配置することも可能である。代替方式として、表面102、104をサンプルを閉じ込める構造(例えば、容器)の一部とすることも可能である。もう1つの例では、外部共振空洞110の外部の表面104の側にサンプルを配置して、光の相互作用が、エバネッセント励起によって生じるようにしている。
【0051】
第2の反射器と第3の反射器との間の距離調整:
外部空洞の共振周波数を同調させるため(狭帯域の場合)、第2の反射器と第3の反射器を支持している構造の熱膨張及び収縮によって、これら2つの反射器間における距離調整を行うことが可能である。図12には、第3の反射器を移動させるためのサーボ機構を利用する代替実施例が示されている。サーボ機構は、図12だけにしか示されていないが、言うまでもなく、本明細書に記載のの強帰還レーザ・システムのどれにでも、サーボ機構を適用することが可能であり、この場合、第2と第3の反射器が、互いに移動しないように固定されることはない。
【0052】
図12の場合、サーボ機構は、図5と同様のレーザ・システムに組み込まれている。このサーボ機構511には、第3の表面204の鏡209に作用を及ぼすように接続された(すなわち、表面が被着された基板に接続された)圧電スタック512が含まれている。この圧電スタック512は、さらに、それを駆動して移動させるのに適した電気駆動装置(図12には示されていない)に接続されている。こうして、第2の表面と第3の表面との間の距離調整を行って、外部空洞210の共振周波数を同調させることが可能になる。
【0053】
波長(または周波数)を測定する光分析器513を用いて、表面204(及び鏡209)または表面201を介した放射光を検査することによって、外部空洞内の光の波長を測定することが可能である。こうした波長(または周波数)測定装置は、当該技術において周知のところであり、これには、格子分光計、あるいは、代わりに、エタロンが含まれる(例えば、Kuntz他:"Miniature integrated-optical wavelength analyzer chip," Optics Letters, 20, p.2300(1995) も参照)。さらに、電子帰還システム(または装置)515を利用して、波長測定装置からの帰還に基づいて、圧電スタック装置に制御を加え、利得媒体214から所望の波長が得られるようにすることも可能である。
【0054】
本発明のレーザ・システムの重要な利点の1つは、第2と第3の表面が適切な曲率をなすように製造できるので、ある空間モードだけしか支持されないようにすることができるので、空間モードの質が極めて高いということである。表面204または201からの漏洩を分析することによって、狭帯域放射光にアクセスすることが可能である。代わりに、例えば、ドップラ・フリー分光器の利用によって、外部空洞内の光を分析することが可能である(M.D. Levinson :" Introduction to Nonlinear laser Spectroscopy, Academic Press, New York, 1982, p.164を参照)。
【0055】
以上述べた説明により下記の実施態様が開示された。
(実施態様1):
(a)レーザ利得媒体(114)と、
(b)反射率R1を有する第1の反射器(101)、及び第1の反射器(101)から間隔をあけて配置されて、共にレーザ利得媒体(114)を納めるレーザ空洞(108)を形成し、レーザ利得媒体(114)から放射される光がレーザ空洞(108)内で共振を生じるようにする、反射率R1より大きい反射率R2を有する第2の反射器(102)と、
(c)第2の反射器(102)から間隔をあけて配置されて、共に、レーザ空洞(108)の外部に共振空洞(110)を形成し、レーザ空洞(108)からの通過光によって、外部共振空洞内において共振が生じ、外部共振空洞(110)からの通過光によってレーザ利得媒体(114)が光学的にロックされるようにする、反射率R1より大きい反射率R3を有する第3の反射器(104)を備える、
レーザ・システム(100)。
【0056】
(実施態様2):
レーザ利得媒体が、外部共振空洞からレーザ・ダイオードへの強い光学帰還によって、外部共振空洞(210)の共振周波数にロックさせられるレーザ・ダイオード(214)であることを特徴とする、実施態様1に記載のレーザ・システム。
(実施態様3):
外部共振空洞(110)の光強度が、レーザ空洞(108)の光強度より少なくとも1桁高いことを特徴とする、実施態様1〜2の任意の1つに記載のレーザ・システム。
(実施態様4):
R1が0.99〜0.1、R2が0.9〜0.999999、R3が、0.9〜0.999999であることを特徴とする、実施態様1〜3の任意の1つに記載のレーザ・システム。
【0057】
(実施態様5):
レーザ利得媒体が、レーザ・ダイオードから外部共振空洞に送られる光の10%を超える光のレーザ・ダイオードへの光学帰還によって、外部共振空洞(210)の共振周波数にロックさせられるレーザ・ダイオード(214)であることを特徴とする、実施態様2〜4の任意の1つに記載のレーザ・システム。
(実施態様6):
R3がR2より大きく、R2がR1より大きいことを特徴とする、実施態様1〜5の任意の1つに記載のレーザ・システム。
(実施態様7):
さらに、第2の反射器(402)と第3の反射器(404)の間に配置されて、レーザ利得媒体からの光を異なる周波数に変換するための非線形光学素子(401)を備えることと、第2と第3の反射器が、異なる周波数の光の共振に用いられることを特徴とする、実施態様1〜6の任意の1つに記載のレーザ・システム。
(実施態様8):
レーザ利得媒体が、第2の反射器(202)から間隔をあけ、それに面して配置された反射防止コーティングを施したフェーセット(203)を備えることを特徴とする、実施態様1〜7の任意の1つに記載のレーザ・システム。
【0058】
(実施態様9):
レーザ利得媒体(314)が、第1と第2の反射器(101、102)から間隔をあけて配置された、2つの反射防止コーティング付きフェーセットを備えることを特徴とする、実施態様1〜7の任意の1つに記載のレーザ・システム。
(実施態様10):
さらに、レーザ利得媒体から放射される光と外部共振空洞(210)を空間的に整合させるためのモード整合光学素子(216)を備えることを特徴とする、実施態様1〜9の任意の1つに記載のレーザ・システム。
(実施態様11):
前記第3の反射器と前記第2の反射器の間の距離を調整することによって、外部共振空洞(210)の共振周波数を同調させることが可能であることを特徴とする、実施態様1〜10の任意の1つに記載のレーザ・システム。
【0059】
(実施態様12)
(a)レーザ利得媒体(114)と、
(b)反射率(R1)を有する第1の反射器(101)、及び、第1の反射器(101)から間隔をあけて配置されて、共に、レーザ利得媒体(114)を収容し、その内部でレーザ利得媒体から放射される光の共振を生じる、レーザ空洞(108)を形成し、第1の反射器の反射率(R1)より大きい反射率(R2)を有する第2の反射器(102)と、
(c)第2の反射器(102)と共に、レーザ空洞(108)の外部に共振空洞(110)を形成し、レーザ空洞(108)からの通過光が、外部共振空洞内において共振空洞内ビーム経路に沿って共振を生じ、外部共振空洞(110)からの通過光がレーザ空洞(108)に入って、レーザ利得媒体(114)を光学的にロックするようにする、第1の反射器(101)の反射率(R1)より大きい反射率(R3)を有する第3の反射器(104)と、
(d)外部共振空洞(110)と連係して、分析サンプルを外部共振空洞(110)からの光エネルギにさらし、分析サンプルにおける分析物の光相互作用特性が示されるようにするための手段(507)と、
(e)露光させる手段(507)に隣接して配置され、光相互作用を検出するための検出器(505)を備え、
分析サンプルにおける分析物の存在を検出するために用いられることになる、レーザ・システム(506)。
【0060】
(実施態様13)
(i)第1の反射器(101)及び第1の反射器(101)から間隔をあけて配置された第2の反射器(102)によって形成されるレーザ空洞(108)内に配置されたレーザ利得媒体から光ビームを放射させて、レーザ利得媒体(114)からの光がレーザ空洞(108)内で共振するようにするステップと、
(ii)レーザ空洞(108)から、第2の反射器(102)と第3の反射器(104)によって形成される、レーザ空洞(108)の外部の共振空洞(110)に光を送り、レーザ利得媒体(114)から放射される光が外部共振空洞(110)内において共振し、外部共振空洞(110)内の光の一部が、レーザ空洞(108)に送り返されて、レーザ利得媒体(114)を外部共振空洞(110)の共振周波数にロックするようにするステップから成る、
レーザ利得媒体を受動的にロックするための方法。
【図面の簡単な説明】
【図1A】共振のない光学空洞に対する入射光の略図である。
【図1B】共振を伴う光学空洞に対する入射光の略図である。
【図1C】光学空洞内における反射器の反射率の効果を示す、正規化周波数に関連した空洞反射率のグラフである。
【図2】本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図3】モード整合装置を備えた、本発明のレーザ・システムのもう1つの実施例に関する略図である。
【図4A】レーザ空洞の表面が利得媒体上にある、本発明のレーザ・システムのさらにもう1つの実施例に関する略図である。
【図4B】2つ以上の利得媒体を備えた、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図5】周波数制限装置を備えた、本発明のレーザ・システムのさらにもう1つの実施例に関する略図である。
【図6】本発明において適用可能な周波数制限装置の実施例に関する略図である。
【図7】周波数制限装置を備えた、レーザ空洞長と外部空洞長に関連した利得媒体のしきい値電流に関する略図である。
【図8】外部空洞における非線形結晶を示す、本発明のレーザ・システムのさらにもう1つの実施例に関する略図である。
【図9】反射する表面が形成された非線形結晶を示す、本発明のレーザ・システムのさらにもう1つの実施例に関する略図である。
【図10】反射する表面が固体の支持体に配置された、本発明のレーザ・システムのさらにもう1つの実施例に関する略図である。
【図11】分析を受けるサンプル、及び、サンプルによって光の相互作用を検出するための検出器を示す、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【図12】第2と第3の反射器間における距離調整のための圧電スタックを示す、本発明のレーザ・システムの実施例に関する略図である。
【符号の説明】
101 表面
102 表面
103 ビーム分割器
104 表面
106 光路
108 レーザ空洞
108A レーザ空洞
110 外部空洞
114 光学利得媒体
114A 追加利得媒体
201 表面
202 表面
203 放射フェーセット
204 表面
206 光路
207 鏡
208 レーザ空洞
209 鏡
210 外部空洞
214 ダイオード・レーザ
216 モード整合光学素子
219 鏡面
222 周波数制限装置
232 鏡
236 回折格子
238 光路
301 表面
302 表面
304 表面
309 鏡面基板
401 非線形結晶
402 表面
404 表面
501 支持体
503 サンプル
505 検出器
506 レーザ・システム
507 容器
511 サーボ機構
512 圧電スタック
513 光分析器
515 電子帰還装置
Claims (3)
- (a)レーザ利得媒体と、
(b)反射率R1を有する第1の反射器、及び、前記第1の反射器から間隔をあけて配置されて、共に、前記レーザ利得媒体を収容し、内部でレーザ利得媒体から放射される光の共振を生じる、レーザ空洞を形成し、前記第1の反射器の反射率R1より大きい反射率R2を有する第2の反射器と、
(c)前記第2の反射器と共に、前記レーザ空洞の外部にある外部共振空洞を形成し、前記レーザ空洞からの通過光が、前記外部共振空洞内に入って共振を生じ、前記外部共振空洞からの通過光が前記レーザ空洞に入って、前記レーザ空洞を前記外部共振空洞の共振周波数に光学的にロックするようにする、前記第1の反射器の反射率R1より大きい反射率R3を有する第3の反射器と、
(d)前記外部共振空洞に組み込まれて、分析サンプルを前記外部共振空洞からの光エネルギにさらし、前記分析サンプルにおける分析物の光相互作用特性が示されるようにするためのさらす手段と、
(e)前記さらす手段に隣接して配置され、前記光相互作用を検出するための検出器とを備え、
前記反射率R1が0.1〜0.99、前記反射率R2が0.995〜0.999999、前記反射率R3が、0.995〜0.999999であり、かつ、前記検出手段によって検出された前記光相互作用に基づいて前記分析サンプルにおける前記分析物の存在を検出することを特徴とする、レーザ・システム。 - 前記レーザ利得媒体が、レーザ・ダイオードであることを特徴とする、請求項1に記載のレーザ・システム。
- 前記反射率R3が前記反射率R2より大きく、前記反射率R2が前記反射率R1より大きいことを特徴とする、請求項1あるいは請求項2に記載のレーザ・システム。
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