JP2000505599A - レーザーダイオードを使用する方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、調整信号を用いてレーザービーム（９）をその強度に関して調整し、第一ビーム通路（１０）を経由して照明すべき有効面（５）に向けるレーザーダイオード（２）を動作させる方法に関する。その場合、反射体として働く有効面（５）のレーザーダイオード（２）に対して時間的および／または空間的に不安定な乱れ反射がレーザーダイオード（２）に作用する。レーザーダイオード（２）がコヒーレンス崩壊の動作状態にあるように、時間的に安定であり、レーザーダイオード（２）に対して空間的に安定な部材（１９，２８，３１，３７，３８）により、レーザーダイオード（２）から出た光の一部を付加的な第二ビーム通路（１１）を介してレーザーダイオード（２）の活性領域（４３）に帰還させる。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザーダイオードを使用する方法とその装置 この発明は、請求の範囲第１項、第１３項および第１４項の前段に規定するレ ーザーダイオードを使用する方法およびその装置を使用することに関する。 レーザーダイオードは情報伝送の多くの分野で使用されている。レーザーダイ オードは発生したレーザービームをその強度に関して変調するのに特に適してい る。レーザーダイオードの寸法が小さく、電子操作性を簡単に実現できるのでレ ーザーダイオードを用いると、データ伝送率が非常に高くなる。これは、情報伝 送や情報の再生でも特に有利である。 しかし、レーザーダイオードで生じる問題は、特定の強度範囲のその特性か種 々のモードの間で突然切り換わる点にある。この効果は周波数の低い強度変動を 誘起する。この効果は「モードホッピング（Mode hopping;モードの飛び）」と 称されている。レーザーダイオードを使用する場合、特に信号の変調で異なった 輝度の間で静的あるいは動的に切り換えたいなら、この効果は乱れとなる。 モードの飛びを防止するため、過去に一連の解決策が既に知られている。例え ば、米国特許第4,817,096号明細書にはレーザー出力を種々の処置で一定に維持 する制御システムが提唱されている。この明細書では、一方でモードの飛びを避 けるため、レーザーダイオードの温度を測定することが提案されている。他方、 レーザーダイオードの温度を制御して温度変動をできる限り小さく維持し、これ によりレーザーダイオードの出力を可能な限り一様にする研究が行われていた。 米国特許第5,283,793号明細書には、記録材料上に録画する時、画像信号に高 周波信号を重畳させることを提案している。 最後に、米国特許第4,799,069号明細書および米国特許第5,386,124号明細書に は、モードの飛びを避けるため、二つの画素信号の間でその都度レーザーダイオ ードの動作を止めることを提案している。 モードの飛びを避ける上記の研究は、技術的に経費がかなりかかるか、あるい は可なり不満足な結果を与えている。それ故、この発明の課題はモードの飛びに 起因するレーザーダイオードのビーム強度の周波数の低い突然の乱れを防止する 方法とその装置を提供することにある。特に、この発明の課題は、有効面により 擾乱反射がレーザーダイオードに影響を与える場合、有効面を走査している間に レーザーダイオードの光をモードの飛びに関して安定化することにある。 上記の課題は請求の範囲第１，１３と１４項に記載する発明により解決されて いる。この発明の有利な実施態様は従属請求項の内容である。 この発明は、レーザーダイオードの中でできる限り多くの異なったモードを同 時に励起させることによりモードの飛び（Mode hops）を無くせるという認識に 基礎を置いている。これは、周波数の高い雑音を与えるが、他方でモードの飛び による周波数の低い雑音を抑制する。 それ故、この発明により、レーザーダイオードから出る光が、時間的に安定で あり、しかもレーザーダイオードに対して空間的に安定な光学素子により少なく とも部分的にレーザーダイオードの活性領域に帰還するので、このレーザーダイ オードはコヒーレンス崩壊の状態にある。このため、例えばレーザーダイオード から出た光の少量の部分が外部の鏡で反射し、適当な光学部材により再びレーザ ー共振器に戻る。この帰還は付加的な第二のビーム通路により行われる。このビ ーム通路は有効なビーム通路とは少なくとも一部光学的に分離されている。レー ザーダイオードの光出射面は、帰還部材と共に外部の共振器を形成し、この共振 器の長さはレーザーダイオードの共振長さより著しく長い。従って、外部の共振 器の共振周波数（＝モード）の間隔はレーザー共振器のそれよりも著しく小さい 。例えば、モードの間隔は30cmの長さの外部の共振器で500MHzであり、0.2mmの 長さのGaAlAsレーザーダイオードで170GHzである。 レーザーダイオード内で有効ビーム通路を経由して帰還される光ビームには、 振幅と位相角に関して必ず僅かな変動がある。これ等の変動はレーザーダイオー ド自体の光雑音（自発放出）や、可動部品（振動鏡、フィルム）の時間的に変化 する光反射により生じる。 第二光通路で狙い通りに帰還された光の出力が一定の最小値を越えると、その 振幅の変動や位相の変動はレーザーダイオードの活性領域で光出力（ＡＭ）とレ ーザー周波数（ＦＭ）の統計的な固有の変調が生じる程度に増幅される。この固 有の変調の周期Ｔは付加的な外部の共振器内の光波の走行時間２・Ｌ_extern/cで 決まる。ここで、Ｌ_externは外部の共振器の長さであり、ｃは光速度である。こ の周期の逆数は丁度外部の共振器のモードの周波数間隔dfである。つまり、 df＝1/Ｔ＝c/(2・Ｌ_extern）;ｃ＝３・10¹⁰cm/s である。 この組み合わせたＡＭ−ＦＭの固有の変調により、多数の側波帯が発生する。 これ等の側波帯は外部の共振器のモードに正確に一致する。こうして、レーザー ダイオードと付加的な外部の共振器から成るレーザーシステムで、同時に多数の 外部の共振器モードが励起される。これは、放出されたレーザーエネルギが多数 のモードに均一に分布し、時間平均して非常に一定に維持されると言う結果にな る。 この発明により狙い通りに惹起され時間的に安定に維持されて得られる効果は 、多数のモード数により発生したビームの可干渉距離を著しく低減することにな る。レーザーダイオードのこの動作状態はコヒーレンス崩壊と称されている。何 故なら、レーザービームが帰還された光出力に対する臨界値を越えると、コヒー レンスの高い状態（統計的に生じるモードの飛びのある単一モード駆動）から、 コヒーレンスの小さい状態（モードの飛びのない多重モード駆動）へ移行するか らである。 レーザー光の周波数を安定化する狙いに基礎を置くシステムでは、光帰還で、 帰還の光路長がレーザー光の可干渉距離より短いか最大で等しいことが重要であ る。このようなシステムは、例えばドイツ特許第34 42 188号明細書およびドイ ツ特許第34 10 729号明細書に開示されている。この種のシステムとは異なり、 コヒーレンス崩壊の生じるこの発明のシステムでは、帰還路の長さが光の可干渉 距離さより長い帰還となる。それ故、この種のシステムの帰還は非コヒーレント であると称されている。 コヒーレンス崩壊に必要な光学的な帰還出力はレーザーダイオードの特性と外 部の共振器の反射能に依存し、放出された出力の数パーセントの程度になる。R. W．Tkach，Regimes of Feedback Effects in 1.5μm Distributed Feedback Las ers．Journal of Lightware Technology，Vol．LT-4，No．11，November 1986，pages 1655-1661およびK．Petermann，Laserdiode Modulation and Noise ，Kluwer Academic Publishers，Dordrecht(NL)，1988 pages 251-290にはコヒ ーレンス崩壊の動作状態のレーザーダイオードに対する研究が開示され、適当な 反射率の値が記載されている。K．Petermann，External Optical Feed-back Phe nomena in Semiconductor Lasers，IEEE Journal of Selected Topics in Quant um Electronics，Vol．1，No．2，June 1996，pages 480-489には、コヒーレン ス崩壊の動作状態でのレーザーダイオードに対する他の研究が開示されている。 この発明は、内部の共振器が通常ただ一つの波長の光しか発生しない所謂単一 モードルーザーで特に有利に利用できる。この種の単一モードルーザーは、通常 、電流強度が変化すると、特定のところで急激なモードの飛びを示す。つまりレ ーザーの働きがあるモードから他の隣のモードへ飛ぶ。その場合、発生する光出 力も通常他の値へ飛ぶ。この発明では、コヒーレンス崩壊を狙い通りに導くこと により周波数の低い領域の光出力が単一モードの動作より著しく良好に一定に維 持できることを認識した。更に、レーザービームは光学装置の他の部分からの意 図しない光反射に対して鈍感である。 モードの飛びは内部モードの飛びと外部モードの飛びに分類できる。単一モー ドレーザーの内部モードの飛びはレーザーの内部構造により影響される。例えば 、分布したブラッグ反射体（Distributed Bragg Reflector;ＤＢＲ）のレーザー では内部の共振器構造体により内部モードの飛びが生じる。レーザーで活性化す る半導体材料の屈折率はレーザーダイオードの温度や電流強度でも変化する。温 度および／または電流強度が一定のしきい値を越えると、共振周波数が強く変わ り、モードの飛びが生じる。これ等の飛びは大体数百ギガヘルツ(GHz)の非常高 い周波数範囲内にある。この種のレーザーダイオードでは、内部の共振器の増幅 曲線、つまり波長に対する増幅率もレーザーダイオードの温度と共にずれること が加わる。この効果は単一モードルーザーのモードの飛びに著しく寄与する。 外部モードの飛びは外部の共振器、つまりレーザーダイオードの内部の共振器 の外にあるもので生じる。この種の効果は、例えばレーザービームプリンタで（ 例えば記録紙の）反射面が短時間レーザービーム通路の中に入り、光がレーザ ーダイオードへ反射して戻る場合に生じる。他言すれば、レーザーの全光出力に 作用し、モードの飛びを与える外部の共振器が短時間生じる。 上に述べた二つのタイプのモードの飛びはコーレンス崩壊を狙い通りに与える ことにより抑制される。 この発明によれば、例えば繊維光学手段あるいは反射光学手段で光をレーザー ダイオードに帰還させることが行われる。非コヒーレントな帰還を得るために、 帰還される光の光路長、つまり外部の共振器の長さ、あるいは第二光路の長さが 光のコーヒレンス長より十分長いと有利である。この光路長が少なくとも100mm であると特に有利である。更に、レーザーダイオードから放出されたる出力の少 なくとも0.001％がこのダイオードに帰還されると有利である。発生した光が0.1 ％〜1％帰還するだけで、コヒーレンス崩壊は確実に生じる。帰還の有効性に影 響を与える第三の判定基準はレーザーダイオードの活性領域を帰還された光で覆 う度合にある。放出されたビームの横断面とレーザー鏡のところで反射されたビ ームの少なくとも50％重なると、レーザーダイオード中のコヒーレンス崩壊が特 に大きくなることが分かる。その時、この種の配置は内部帰還係数、つまりレー ザーダイオードの活性領域に帰還される光の強度成分が10^-5と１％の間にあり、 これによりレーザーダイオード中でコヒーレンス崩壊が生じることを与える。 以下、この発明を多数の実施例と図面に基づきより詳しく説明する。異なった 実施例で同じタイプの部材には何れも同じ参照符号を付ける。 ここに示すのは、 図１，レーザー画像記録装置の原理図、 図２，レーザー帰還配置の種々の実施態様、 図３，レーザー帰還に対する詳細な図面、 図４，二重側面のレーザービーム配置、 図５，導波体を用いた帰還配置、 図６，レーザーダイオードの詳細図、 図７，異なったモードのスペクトル、 図８，二つの雑音スペクトル、 図９，レーザーダイオードの雑音変調回路、および、 図１０，コヒーレント崩壊と雑音変調の作用の比較、 である。 図１には、レーザー画像記録装置１の例に付いてこの発明の原理的な機能が示 してある。レーザーダイオード２は画像信号導体３により階調度の画像信号で駆 動される。このレーザーダイオード２は画像信号に応じて時間的に変調された出 力Ｐ_A(t)の強度変調されたレーザービーム９を発生する。画像信号は、例えばＣ ＣＤベースの原稿スキャナーから、あるいはＣＴ，ＮＭＲまたは超音波診断装置 のような医療診断装置から生じる。この出射ビーム９は取出光学系４内で出力Ｐ_nutz の有効ビーム１０と、出力Ｐ_ruckの帰還ビーム１１に分離される。有効ビー ム１０は、ポリゴンミーラあるいは振動ミラーのような図示していない偏向装置 により周知の方法で周期的に偏向された後、記録担体５に入射する。この担体５ は、例えば燐記憶フォイルであるか、あるいは送りローラ６で方向Ａに駆動され る写真フィルムである。この応用の目的のため、約100mWまたはそれ以上のかな り大きな出力のレーザーダイオードが必要である。 図１に示す配置では、帰還ビーム１１が帰還光学系７を介して取込光学系８へ 導入される。この取込光学系８は帰還ビーム１１を狙い通りにレーザーダイオー ド２の活性領域に再び帰還させる。この帰還光学系７はこれに対して時間的に安 定に、しかもレーザーダイオード２に対して空間的に安定に支持部材の上に配置 されている。 図２は帰還に対する種々の実施態様を示す。図２ａと２ｂに示す実施態様では 、帰還ビーム１１は出射ビーム９と少なくとも一部同じ光路、あるいは同じ光学 部材を通過するが、図２ｃと２ｄに示す実施態様では、帰還ビーム１１は別な光 路を介して、あるいは別々の光学部材を用いてレーザーダイオード２の活性領域 に帰還される。 図２ａ，２ｂおよび２ｄに示す実施例には、取出光学系４が部分的に反射する 部材を有することが共通している。 図２ａでは、部分的に反射する部材は透過性の反射光学系１２で構成されてい る。この部材は出射ビーム９の入射光出力の所定の部分を光軸に反射するか、あ るいは、少なくとも反射ビーム１１が出射ビーム９に平行にあるいは少なくとも 光軸の近くを進むように反射する。 図２ｂに示す実施例では、光軸に対して斜めに置かれた一部透過する鏡１３に より帰還ビーム１１を全反射鏡３３へ指向させている。この全反射鏡から帰還ビ ームは光軸上あるいはその近くで一部透過する鏡１３を経由して再びレーザーダ イオード２に反射して戻る。帰還ビーム１１の光路およびこれにより全レーザー 装置の外部の共振器の長さは、これにより、図２ａに示す実施例の場合より相当 大きい。 図２ｃに示す実施例では、レーザーダイオード２の内部レーザー共振器から、 その前側にも後側にも、つまり内部の共振器を仕切る両方の鏡で光を取り出せる 。内部の共振器の前側で生じるビーム１０は望む利用（例えば画像記録）に対す る有効ビームとして完全に利用される。これに反して、内部の共振器の後側から 出るレーザービーム１５は反射鏡１４で全反射し、帰還ビーム１１として内部の 共振器の逆行鏡を経由して再びレーザーダイオード２の活性領域に帰還される。 この実施例は、レーザーダイオードの二つの共振器鏡が１より大きい反射係数を 持っていることを前提としている。 外部の共振器の長さは、ここえはレーザーダイオード２の逆行共振器鏡と全反 射鏡１４の間の光路長である。 適当な帰還配置に対する他の実施例を図２ｄに示す。この配置では、ただ一つ のレーザービーム９を再びレーザーダイオード２から取り出す。このレーザービ ーム９は再び取出光学系４内で半透明な鏡１３により有効ビーム１０と帰還ビー ム１１に分離される。帰還ビーム１１は、ここでは、帰還光学系７に取り込まれ る。この帰還光学系７は光屈折部材や反射システムあるいは繊維光学部材も含む 。帰還光学系７を経由して帰還ビーム１１は、例えばレンズ系を有する入射光学 系８に移される。このレンズシステムにより帰還ビーム１１はレーザーダイオー ド２の共振器の裏側の鏡に集束し、これにより帰還ビーム１１はレーザーダイオ ード２の活性領域に入射する。 図３はレーザーダイオード２内でコヒーレンス崩壊を発生させるのに適したビ ーム帰還の正確に詳細な配置を示す。レーザーダイオード２はレーザーモジュー ル１６の内部のレーザー支持体１７（熱シンク）の上にある。レーザーモジュー ル１６の出口窓を通してレーザーダイオード２内で発生したレーザービーム９が 出る。この発散したこのレーザービーム９は、焦点がレーザーダイオード２の内 部の共振器の取出鏡に正確に一致する集光レンズ１８により平行なビーム束にさ れる。集光レンズ１８の焦点距離をｆ₁と記す。平行なビーム束９は部分反射性 の平面鏡１９に入射する。この平面鏡１９の入射面２０はこのために誘電的に被 覆されているので、光束９の入射ビームの１％と２０％，好ましくは約５％の間 が再帰反射する。再帰反射した成分は帰還ビーム１１を形成する。平面鏡１９の 出射面２１はレーザーダイオード２を特徴付ける波長範囲に対して、つまり可能 な全てのモードの波長に対して反射防止コーテイングされている。平面鏡１９か ら出た平行な有効ビーム１０は他の集光レンズ２２を介して更に集束する。この レンズの焦点には、記録すべき情報を再現する記録担体がある。この記憶担体は 、光軸Ｂに対して垂直な面３４に対して傾斜角度αだけ傾いている面２４内に配 置されている。この傾きは記録担体（例えフィルム）から著しく弱い光を光軸を 経由してレーザーダイオード２の活性領域に戻す。特に、記録媒体が光学部品に 対して相対運動するこの種の偶然の逆行反射は記録品質に対して極度に乱れとな る。従って、この発明では、この種の偶然の逆行反射の代わりに、選択されたビ ーム成分をレーザーダイオードの活性領域へ目的通りに制御可能に逆行反射させ ることが行える。 図３ｂには、集束配置が示してある。この配置は、図３ａの配置でそこに示す 無限焦点システムの代わりに、鏡１９のところに使用されている。この配置では 、部分的に反射する平面鏡１９の前と後にそれぞれ一つのレンズ２５と２６が接 続されている。このレンズ配置とその焦点距離は、レンズの焦点が平面鏡１９の 部分的に反射する入射面２０上に正確に位置するように選択されている。 図３ａに示す配置では、ビーム１１をレーザーダイオード２の活性領域に十分 帰還するため、部分的に反射する鏡１９が光軸Ｂに対して正確に垂直にある必要 がある。これに反して、図３ｂの配置では、部分的に反射する鏡の光軸Ｂに対す る調整はそれほど厳しくない。反射面２０に対する二つのレンズ２５，２６の集 束条件により、部分的に反射する鏡１９が光軸Ｂに対して正確に垂直でない場合 でも、反射ビーム１１は正確に光軸Ｂ内にある。 図３ｃでは、帰還レーザーダイオード配置に対して更に改良された実施例が示 してある。レーザーダイオード２から出たビーム９により、ここではビームスプ リッタ立方体２７の中で光出力の約１０％が取り出されたビーム２９となる。出 て行くビーム９の残りの９０％の光出力は有効ビーム１０として記録担体に向か う。取り出されたビーム２９は平坦な鏡面２８に入射する。この鏡面２８は全反 射鏡であってもよく、あるいは光ダイオード３１の部分的に反射する入射面であ ってもよい。完全に鏡面被覆された面２８を使用すれば、取り出されたビーム２ ９はレーザーダイオード２の活性領域に完全に帰還させるため利用される。これ に反して、たた一部のみ反射する光ダイオードを使用すれば、光ダイオード３１ の中に進入した光成分が、適当な信号帰還部３１ａと対応する電子制御部により レーザーダイオード２の出力変動をレーザーモジュール１６中で再調整するため に使用される。この配置の他の利点は、光ダイオード３１の信号に基づき周波数 の低い雑音の抑制またはコヒーレンス崩壊に使用をできる点にある。この信号は 、例えば配置を調整する場合や、有効面を照明する間でも、レーザーダイオード の機能を制御するのに有利に使用できる。 取り出した無限焦点ビーム２９は集光レンズ３０により鏡面２８に集束する。 鏡面２８が焦点距離ｆ₂のレンズ３０の焦点内に正確にあることが重要である。 こうして、この配置でも取り出したビーム２９は帰還ビーム１１としてレーザー ダイオード２の中に非常に正確に逆行反射される。 レーザーダイオード２をレンズ１８の焦点内に高精度に調整するには、この実 施例の場合、レーザーモジュール１６を調節可能な部材２３で移動可能に配置さ れている。この調節部材により、光軸Ｂに沿って移動でき、光軸Ｂに対して垂直 な両方の空間方向にも移動できる。 同様に、レンズ３０に対してｘ，ｙ，ｚの調節部材３２で反射鏡３１もこのレ ンズの焦点に調整できる。図３ｃに比べて単純化された実施例では、レンズ３０ ははぶくことができ、取り出されたビーム２９は伝播方向に垂直な反射面２８に より逆に反射される。 調節部材２３，３２としては、例えばステップモータあるいは圧電結晶をベー スにしたアクチエータが適している。適当な制御回路により、面２８とレーザー ダイオード２がそれぞれ隣のレンズの焦点に正確に位置するように調整部材の位 置を周知の方法で再調整できる。 図４には、レーザーダイオード２がこのダイオードの光学共振器の両端で光を 放出できるようにレーザーダイオード２を支持体３５に取り付けてある配置が示 してある。このChip-on-Carrier（支持体上のチップ）システムでは、有効ビー ム１０を共振器の一方の側で、また帰還ビーム１１をレーザーダイオード２の光 学共振器の他方の側で光軸Ｂに沿って取り出せる。レンズ１８は取り出したビー ム１１の無限焦点ビーム通路のためにあり、レンズ３０はこのビームを焦点ｆ₂ の中に正確にある鏡面２８に集束させる。この面２８は、コヒーレンス崩壊を発 生させるため、帰還ビーム１４を再びレーザーダイオード２の活性領域に取り込 む。このシステムでも、レーザーダイオード２の活性領域あるいは取出鏡がレン ズ１８の焦点ｆ₁の中に正確にあることが重要である。レンズ３６により有効ビ ーム１０が平行にされているので、このビームを望む応用目的、例えばフィルム への録画に使用できる。 図５もChip-on-Carrierシステムを示すが、この場合には、帰還ビーム１１は レーザーダイオード２を出たビーム９からビームスプリッタ立方体２７により取 り出される。帰還ビーム１１は傾斜屈折率棒、所謂グリンロッドルンズ３７で繊 維光学光導体３８に取り込まれる。このガラス繊維３８から帰還ビームはレーザ ーダイオード２の裏側の第二のグリンロッドレンズにより再びその活性化層内に 取り込まれる。 図６はレーザーダイオード２の主要部を示す。このレーザーダイオードはドー プされたｐ型半導体層４０とドープされたｎ型半導体層４１で構成されている。 レーザーの活性化はｐｎ接合部の活性領域４２内で行われる。レーザー結晶の両 終端面の少なくとも一方が100％以下の反射能を持つので、その端面を通して活 性領域４２から光を外部に取り出せる。これはレーザー鏡上に回折による光放出 面４３を与える。この発明では、この活性面４２から以前に出ていった光がこの 活性面４２に帰還する。この帰還は、好ましくは二つのレーザー鏡の一方により 行われる。完全なコヒレーレンス崩壊になるためには、帰還光面４４が放出光面 ４３をできる限り広い面積で覆うことが必要である。この場合、50〜100％の被 覆度が好ましいことが確認されている。 図７にはこの発明の作用効果が示してあり、この発明が実験室の試験でどのよ うに検証されたかを示す。図７ａ，７ｂと７ｃには4.95GHzの自由スペクトル範 囲（free spectral range，ＦＳＲ）を持つ光学スペクトル分光器（ファブリ・ ペロー干渉計）で測定されたスペクトル４５，４６と４７が示してある。これ等 のスペクトルは分布したブラグ反射（ＤＢＲ）の単一モード・レーザーダイオー ドに由来するものである。帰還のタイプは図３ｃに示す配置に対応している。図 ３の鏡面２８を２０と１０μmだけレンズ３０の正確な焦点の外に配置して異な ったスペクトル４５と４６を発生させた。 ファブリ・ペロー分光計を通常フィルムの来る位置に置いた。スペクトル４５ によれば、この種の配置ではレーザーダイオード２は正確に一つのモードを発生 した。この測定では、ファブリ・ペロー分光計を約５の自由スペクトル範囲でウ ォブラーさせた。こうして、ＤＢＲレーザーの単一モードのスペクトル線は約８ msの時間間隔ΔTで５回示してある。鏡面２８がレンズ３０の正確な焦点に近づ くと、スペクトル４５はスペクトル４６に移行した。この場合、レーザーダイオ ードは異なった三つの共振モードの活性化することが容易に分かる。 鏡面２８がレンズ３０の焦点ｆ₂に正確に近づくと、レーザーの動作はマルチ モードに切り換わった。つまり、コヒーレンス崩壊が生じた。この場合、異なる モードの周波数の間隔Δｆは525MHzに過ぎなかった。このスペクトル４７ではレ ーザーの出力は多くの異なったモードに分布した。 図８は異なったモードのスペクトルの作用効果を示す。図８ａでは二つの模式 的な雑音スペクトルが周波数ｆに対して記入されている。これ等の雑音スペクト ルは反射鏡２８としての光ダイオードを備えた図３ｃの配置を用いて求めたもの である。スペクトル４８は、モードの飛びが生じた場合に測定されたスペクトル の雑音状況に対する信号（相対強度雑音；relative intensity noise;ＲＩＮ） を示す。スペクトル４９はコヒーレンス崩壊に達した時のＲＩＮの値を示す。コ ヒーレンス崩壊時に雑音状況に対する信号は周波数の低い範囲、つまり0.5GHz以 下で非常に小さくて一定であることが明らかに分かる。これは0.5GHz以下の 画素周波数の録画で非常に一定した画質を可能にする。 図８ｂは0〜10MHzの範囲の低周波雑音レベルの測定した変化５０を時間の関数 にして示す。ここでは約２分の後にコヒーレンス崩壊が生じ、その結果、低周波 雑音レベルが突然急激に25dBだけ低下する。これによりコヒーレンス崩壊の安定 な作用が確認される。 コヒーレンス崩壊の原理は、ダイオードの出力を安定化するため、レーザーダ イオードを大部分静的に動作させるが、異なった出力の間で切り換える配置にも 使用できる。このようなシステムは、例えば医療分野で、Ｘ線の潜像のある、所 謂刺激可能な燐フォイルをレーザービームで点状に励起してＸ線像を読み取るた めに必要である。 コヒーレンス崩壊の状態でレーザーダイオードをこの発明により動作させる実 施例を説明する。この場合、専門家の力量の範囲で、簡単に思い付く応用を提示 できることは明らかである。例えば、図示する外部のガラス繊維配置の代わりに 、レーザーダイオード・モジュールの中に完全な繊維光学的な取出部を設けるこ とができる。この種の配置では、集束レンズが余分である。再帰反射はここでは 繊維の端部を簡単に鏡面処理して行われる。図示する種々の実施例の個別部材の 組み合わせも簡単に提示できる。その外、提示する方法や装置を、モードの飛び の前でレーザーダイオードを安定化する従来の技術により周知である他の方法や 装置と組み合わせることも簡単に可能である。 上に説明した配置はドイツ特許出願第196 07 880.6号明細書に説明されていて 、全世界に及ぶ（殊に日本や米国で）も特許出願されている方法と組み合わせ得 ることか分かる。従って、これ等の出願の内容は参照することによりこの明細書 に取り入れてある（incorporated by reference；参照で取り入れてある）。こ こでは、特にレーザーダイオードを調整信号あるいは変調信号に加えて雑音信号 で駆動することが説明されている。雑音信号は決定的な信号でなく、偶発的な広 帯域の信号であることにより、レーザーダイオード内に多数のモードが発生する 。その結果、レーザー光の全エネルギは多くの異なったモードに均一に分布し、 モードの飛びにより光の出力に関して突然不規則に変動するレーザーダイオード の故障し易さが著しく低減する。その場合、雑音信号が約100MHzまでの範囲で できる限り広い帯域幅を有すると有利である。 そこに記載されている発明では、特に強度調整信号に加えて帯域の広い帯域通 過雑音信号でレーザーダイオードを駆動することが行われている。この非周期の ランダム信号のスペクトルは連続スペクトルで、その中には全ての周波数が下限 遮断周波数ｆ_uから上限遮断周波数ｆ_oまで同じ振幅で生じる。従って、雑音で変 調されたレーザー光のスペクトルには連続した側帯波があり、これ等の中では全 ての周波数が均一に生じる。この連続するスペクトル分布により、寄生する外部 の共振器の共振周波数に一致するそのような側帯波の周波数も存在する。活性の レーザーダイオードは、外部の共振器の周波数で存在するエネルギを、これ等の 周波数で減衰しないレーザー振動が生じるほど増幅する。この種の雑音変調はレ ーザーダイオードにより生じた光出力が均一にしかも時間的に安定に外部の共振 器の多数のモードに配分されることを与える。モードの飛びの発生とこれに関連 する急激な出力の変化はこうして大幅に抑制される。 調整信号あるいは変調信号に雑音信号を重ねるため、周波数選択性の重畳回路 を設ける。この回路は有効信号に対して低域通過フィルターとして、また雑音信 号に対して高域通過フィルターとして働く。この回路は両方の信号からレーザー ダイオードを駆動する重畳信号を形成する。 図９は図２または図３のレーザーモジュール１６内にある制御電子回路６１の 内部の雑音信号を強度調整信号（変調画像信号あるいは静的な調整信号）に加算 的に重ねるための実施態様を示す。画像信号増幅器６３に到来した画像信号ある いは調節信号は、この場合、周波数選択性の重畳回路６４に導入される。この重 畳回路は画像信号に雑音発生器６２で生じた雑音信号を重ねる。その場合、この 重畳回路は信号源の相互干渉を防止する。このように重なった信号は次にレーザ ーモジュール６６内のレーザーダイオード２に導入され、このレーザーダイオー ドはレーザービーム６５を発生する。 レーザーダイオードの静的な状態では、レーザーに有効な媒体の光増幅とレー ザー共振器の光損失の間の差、所謂利得差が零になる。周波数スペクトルがレー ザーの共振周波数の程度内にある高周波の擾乱では、この利得差は時間的に変化 する。この時間的な変動、動的な利得差、の実効値はレーザーダイオードの付加 的な内部モードおよび外部モードを励起する目安となる。 図１０はレーザーダイオードを流れる電流に応じた動的な利得差Δｇを示す。 この動的利得差は光学帰還度の強さあるいは外部雑音信号の有効値によって影響 される。モードの飛びを有効に抑制したいなら、外部モードの飛びに対して、条 件、 Δｇ＞0.01cm^-1 が、またＤＢＲレーザーの内部モードの飛びに対して、条件、 Δｇ＞1.0cm^-1 が当てはまる。 図示する曲線はモデルを用いて計算により求め、実験的に確認されている。曲 線７０は広帯域の雑音変調の結果である。曲線７１，７２，７３と７４はレーザ ーダイオードへの光帰還の結果であって、この場合、曲線７１は２・１０^-7の、 曲線７２は２・１０^-5の、曲線７３は２・１０^-4の、そして曲線７４は２・１０^-3 の内部帰還係数に基づいている。 明らかに分かることは、低電流、つまり光強度の弱い領域の雑音変調が強い光 帰還（コヒーレンス崩壊）よりも効果的にモードの飛びを抑制するが、大電流、 つまり光強度の強い領域では雑音変調よりも十分強い光帰還、モードの飛びを効 果的に抑制する。 ドイツ特許第916 07 880.6号明細書に開示されている雑音変調の方法により、 特別な同調処置なしに、モードの飛びの最適な抑制を行うことが確認されている 。これは、各共振周波数が光スペクトルの帯域幅内にある限り、異なったモード の飛びを持つ多数の外部の共振器がある場合にも当てはまる。その外、調整信号 に雑音信号を重ねることにより、利用できる光出力は既に知られている従来技術 の他のブランキング法に比べて相当大きい。 半導体レーザーでは、光スペクトルの帯域幅は雑音信号の二倍の帯域幅よりも もっと広い。何故なら、半導体レーザーを直接変調する場合、振幅変調（ＡＭ） の外に、強い周波数変調（ＦＭ）も生じるからである。光スペクトルの帯域幅Ｂ はレーザーダイオードの所謂周波数変調の傾斜度Ｓ_FMと雑音電流の実効値Ｉ_eff で決まる。つまり、 Ｂ＝Ｓ_FM・Ｉ_eff （B3） この関係により雑音変調によるモードの飛びを効果的に抑制する簡単な条件を 提示できる。即ち、Ｌ_extがレーザーダイオードと最初の光学的に有効な面（反 射個所）の間の距離とすると、モードの飛びを抑制するため実効値、 を有する雑音電流が特に有利である。この構成では、もっと遠くにある反射個所 による全てのモードの飛びも抑制される。レーザーダイオードのＦＭ傾斜度は通 常Ｓ_FM＝100MHz/mAからＳ_FM＝500MHz/mAまでの範囲にある。Ｓ_FM＝200MHz/mAの 典型的な値の場合、例えば30cmの長さの共振器に対して少なくとも５mAの実効値 を持つ雑音電流が特に効果的である。雑音量の実効値は帯域幅とスペクトル出力 密度の積の平方根に比例するので、雑音変調には低出力密度の広帯域雑音も、高 出力密度の狭帯域雑音も使用できる。この事実は実験的な試験で確認されている 。この試験では、雑音帯域幅に無関係に(6MHzまたは50MHz)，約５mAの有効雑音 電流でモードの飛びが抑制された。 最初に述べたコヒーレント崩壊の方法に最後に述べた雑音変調の方法を組み合 わせて、画像走査、画像伝送および画像記録の分野での応用に決定的な利点を達 成できる。結局、レーザーダイオードの利用可能な全出力範囲にわたりモードの 飛びを均一で良好な抑制が生じる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１２月１１日（１９９７．１２．１１） 【補正内容】 請求の範囲 １．レーザーダイオード（２）に関して時間的におよび／または空間的に不安定 な反射体として働く有効面（５）からの乱れた反射かレーザーダイオード（２） に作用していて、レーザービーム（９）をその強度に関して調整信号で変調し、 第一ビーム通路（１０）を経由して照明すべき有効面（５）に向けるレーザーダ イオード（２）を動作させる方法において、レーザーダイオード（２）がコヒー レンス崩壊の動作状態となるように、狙い通りに制御可能な帰還を与える部材（ １９，２８，３１，３７，３８）により、レーザーダイオード（２）から出た光 の一部が付加的な第二ビーム通路（１１）を経由してレーザーダイオード（２） の有効領域（４２）に帰還されることを特徴とする方法。 14．レーザーダイオード（２）に関して時間的におよび／または空間的に不安定 な反射体として働く有効面（５）からの乱れた反射がレーザーダイオード（２） に作用していて、レーザービーム（９）を動作中に調整信号によりその強度に関 して変調し、第一ビーム通路（１０）を経由して照明すべき有効面（５）に向け るレーザーダイオード（２）を動作させる装置において、レーザーダイオード（ ２）がコヒーレンス崩壊の動作状態となるように、付加的な第二ビーム通路（１ １）を経由してレーザーダイオード（２）から出た光の一部をレーザーダイオー ド（２）の有効領域（４２）に再び帰還させる帰還部材（１９，２８，３１，３ ７，３８）を備えていることを特徴とする装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＫＲ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．レーザーダイオード（２）に関して時間的におよび／または空間的に不安定 な反射体として働く有効面（５）からの乱れた反射がレーザーダイオード（２） に作用していて、レーザービーム（９）をその強度に関して調整信号で調整し、 第一ビーム通路（１０）を経由して照明すべき有効面（５）に向けるレーザーダ イオード（２）を動作させる方法において、レーザーダイオード（２）がコヒー レンス崩壊の動作状態となるように、時間的に安定でレーザーダイオード（２） に対して空間的に安定な部材（１９，２８，３１，３７，３８）により、付加的 な第二ビーム通路（１１）を経由してレーザーダイオード（２）から出た光の一 部をレーザーダイオード（２）の有効領域（４２）に帰還させることを特徴とす る方法。 2．前記帰還は繊維光学手段（３７，３８）で行われることを特徴とする請求の 範囲第１項に記載の方法。 3．前記帰還は反射光学手段（１９，２８）で行われることを特徴とする請求の 範囲第１項または第２項に記載の方法。 4．レーザービーム（９）は有効ビーム（１０）と帰還ビーム（１１）に分離さ れ、帰還ビーム（１１）はレーザーダイオード（２）に帰還されることを特徴と する請求の範囲第１〜３項の何れか１項に記載の方法。 5．レーザーダイオード（２１）から出た光を反射面（１２）で反射させて帰還 ビーム（１１）を発生させ、光が出た同じ光路を反射したビーム（１１）が少な くとも一部レーザーダイオード（２）に再帰反射することを特徴とする請求の範 囲第４項に記載の方法。 6．レーザービーム（９）あるいは帰還ビーム（１１）は特に部分的に反射する 反射面（２０，２８）上に集束することを特徴とする請求の範囲第４項または第 ５項に記載の方法。 7．レーザービーム（９）あるいは帰還ビーム（１１）は平行ビーム束として少 なくとも一部同じ方向に再帰反射することを特徴とする請求の範囲第１〜６項の 何れか１項に記載の方法。 8．レーザーダイオード（２）から出た光出力の少なくとも１％が帰還されるこ とを特徴とする請求の範囲第１〜７項の何れか１項に記載の方法。 ９．レーザーダイオード（２）の活性領域（４２）の外にある帰還光の光路長は 少なくとも100mmであることを特徴とする請求の範囲第１〜８項の何れか１項に 記載の方法。 10．帰還光はその横断面（４４）が放出された光ビームの横断面（４３）を少な くとも50％まで覆うようにレーザーダイオード（２）の活性領域（４２）に取り 込まれることを特徴とする請求の範囲第１〜９項の何れか１項に記載の方法。 11．調整信号は変調信号であり、これによりレーザーダイオード（２）は明るさ に付いて変調されることを特徴とする請求の範囲第１〜１０項の何れか１項に記 載の方法。 12．変調された光を用いて、画像記録あるいは画像走査が、特に写真材料あるい はシュミレーション可能な燐記録フォイルの上で行われることを特徴とする請求 の範囲第１〜１１項の何れか１項に記載の方法。 13．レーザーダイオード（２）に関して時間的におよび／または空間的に不安定 な反射体として働く有効面（５）からの乱れた反射かレーザーダイオード（２） に作用していて、レーザービーム（９）をその強度に関して調整信号で調整し、 第一ビーム通路（１０）を経由して照明すべき有効面（５）に向けるレーザーダ イオード（２）を動作させる方法において、狙い通りに制御可能な帰還を与える 部材（１９，２８，３１，３７，３８）により、レーザーダイオード（２）がコ ヒーレンス崩壊の状態となるレーザーダイオード（２）から出た光の部分をレー ザーダイオード（２）の活性領域（４２）に帰還させることを特徴とする方法。 14．レーザーダイオード（２）に関して時間的におよび／または空間的に不安定 な反射体として働く有効面（５）からの乱れた反射がレーザーダイオード（２） に作用していて、レーザービーム（９）をその強度に関して調整信号で調整し、 第一ビーム通路（１０）を経由して照明すべき有効面（５）に向けるレーザーダ イオード（２）を動作させる装置において、レーザーダイオード（２）がコヒー レンス崩壊の動作状態となるように、時間的に安定でレーザーダイオード （２）に対して空間的に安定な部材（１９，２８，３１，３７，３８）により、 レーザーダイオード（２）から出た光の一部が付加的な第二ビーム通路（１１） を経由してレーザーダイオード（２）の有効領域（４２）に帰還されていること を特徴とする装置。 15．帰還手段は光繊維装置を有することを特徴とする請求の範囲第１４項に記載 の装置。 16．帰還手段は反射光学部材（１２，２８）を有することを特徴とする請求の範 囲第１４項または第１５項に記載の装置。 17．レーザービーム（９）を帰還ビーム（１１）と有効ビーム（１０）に分離す る手段が設けてあり、帰還ビーム（１１）はレーザーダイオード（２）の活性領 域に帰還することを特徴とする請求の範囲第１４〜１６項の何れか１項に記載の 装置。 18．レーザービーム（９）あるいは反射ビーム（１１）を反射手段（２８）に集 束させる集束手段（３０）が設けてあることを特徴とする請求の範囲第１６項ま たは第１７項に記載の装置。 19．レーザーダイオード（２）を光軸（Ｂ）に対して軸方向および／または横方 向に移動させるレーザーダイオード（２）の移動手段（２３）が設けてあること を特徴とする請求の範囲第１４〜１８項の何れか１項に記載の装置。 20．反射手段（３１）を光軸（Ｂ）に対して軸方向および／または横方向に移動 させる移動手段（３１）が設けてあることを特徴とする請求の範囲第１４〜１９ 項の何れか１項に記載の装置。 21．変調信号を調整信号として伝送する手段（６４）が設けてあることを特徴と する請求の範囲第１４〜２０項の何れか１項に記載の装置。 22．第二反射体（１２，２８）として光ダイオードが設けてあることを特徴とす る請求の範囲第１４〜２１項の何れか１項に記載の装置。 23．第二反射体（１２，２８）は第二光路（１１）でレーザーダイオード（２） の出射窓から少なくとも100mm離れていることを特徴とする請求の範囲第１４〜 ２２項の何れか１項に記載の装置。 24．強度を調整するため、特にレーザーダイオード（２）で生じたレーザービー ム（１２，１５）を調整信号で変調するための回路を備え、請求の範囲第１４〜 ２３項の何れか１項の装置において、雑音信号を発生する手段（６２）および雑 音信号と調整信号に重なる信号でレーザーダイオード（２）を動作させる手段（ ６４）が設けてあることを特徴とする装置。