JP2004179427A

JP2004179427A - 半導体レーザのレ−ザ光出力波長制御方法及び半導体レーザ発振装置

Info

Publication number: JP2004179427A
Application number: JP2002344491A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Chino; 淳千野; Kazuo Yoshida; 和巨吉田; Tomoharu Ishida; 智治石田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】半導体レーザの出力波長を精密高精度で制御する方法及び半導体レーザ発振装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザから所定波長のレ−ザ光を取り出し、該レ−ザ光の波長を測定し、この測定波長と目的波長とのドリフト量に基づいて半導体レーザ筐体内における雰囲気温度変化分を求め、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度を前記雰囲気温度変化分に応じて該レーザ筐体及び／またはレーザ筐体外の雰囲気温度を調整することにより制御する、さらにまたはあらかじめ、目的波長に応じて、半導体レーザの温度を制御する半導体レーザのレーザ光出力波長制御方法、及び前記レーザ光出力波長制御方法に伴う半導体レーザ発振装置。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザの出力波長を高精度で制御する方法及び半導体レーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザの用途として、吸光現象を利用し、例えば、特定成分の吸収波長のレーザ光を長距離飛ばすことにより大気中の微量成分を測定する方法や、レーザ共鳴イオン化分析、レーザ蛍光等の極微量分析への適用や、レーザクーリングによる極低温の発現等がある。またレーザを原子吸光用光源として用いることもある。
【０００３】
上記のようにレ−ザの吸光を利用する際には、レーザ光を目的波長に正確に制御する必要があり、そのためには、上記で用いるレーザは波長可変レーザであることが必要となる。この波長可変レーザとしては、固体レーザがある。固体レーザは、固体レーザ光をＴｉレーザに当てて広波長域のレーザ光とするものである。しかしながら、固体レーザは、大型・高価である。
【０００４】
その他の波長可変レーザとして、近年開発が進む小型・安価な半導体レーザがあり、半導体レーザの温度を変える事で出力波長が変化する現象を利用し、半導体レーザの温度を制御することで目的波長のレーザ光を取りだし制御する。すなわち、この現象を利用すると、微小の波長領域において、実質的に波長可変レーザとしての利用が可能となる。しかしながら、設定した波長に対して精密な安定性を必要とする場合には温度が変動することで波長も変動してしまい悪影響を及ぼす結果ともなる。そのため、波長を安定化させる手段が種々考案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、半導体レーザ光の発振周波数を安定化するために、まず、半導体レーザモジュールの環境温度を測定し、環境温度の変化による光発振周波数のドリフト分に相当する半導体レーザの温度変化分を求め、次いで、半導体レーザの温度制御を行う安定化方法が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３４３７８７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
通常の半導体レーザにおいては波長のレーザ温度依存性は０．０３−０．１ｎｍ／℃程度である。一方、例えば吸光の光源としてレーザを利用するには波長を目的波長±０．１ｐｍ程度に制御する必要がある。すなわち、目的の波長を±０．１ｐｍ程度のレベルに制御するには半導体レーザの温度を±０．００３℃以下に制御する必要があり、例えば特許文献１において、半導体レーザの温度を上記±０．００３℃以下の精度で制御することは現実には不可能である。
本発明は上記問題点を鑑み、半導体レーザの出力波長を精密高精度で制御する方法及び半導体レーザ発振装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、以下のような構成を有する。
【０００９】
［１］半導体レーザから所定波長のレ−ザ光を取り出し、該レ−ザ光の波長を測定し、この測定波長と目的波長とのドリフト量に基づいて半導体レーザ筐体内における雰囲気温度変化分を求め、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度を前記雰囲気温度変化分に応じて該レーザ筐体及び／またはレーザ筐体外の雰囲気温度を調整することにより制御することを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力波長制御方法。
【００１０】
［２］複数の波長のレーザ光を発振する半導体レーザから所定波長のレ−ザ光を取り出し、該レ−ザ光の波長を測定し、この測定波長と目的波長とのドリフト量に基づいて半導体レーザ筐体内における雰囲気温度変化分を求め、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度を前記雰囲気温度変化分に応じて該レーザ筐体及び／またはレーザ筐体外の雰囲気温度を調整することにより制御することを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力波長制御方法。
【００１１】
［３］上記［１］または［２］において、あらかじめ、目的波長に応じて、半導体レーザの温度を制御することを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力波長制御方法。
【００１２】
［４］半導体レーザと該半導体レーザの温度を制御する温度制御素子を組み込んだレーザ筐体と、該レーザ筐体が収容されるとともに前記レーザ筐体内部の雰囲気温度を制御するための温度制御素子を有する雰囲気温度制御用筐体と前記半導体レ−ザから発振されたレーザ光のうち所定波長のみを透過させる波長選択手段と該波長選択手段により透過された所定波長のレーザ光の波長を測定する波長測定手段と、該波長測定手段により得られた測定波長と目的波長のドリフト量を求め、該ドリフト量に基づいて前記レーザ筐体内部の雰囲気温度を決定する演算手段と該演算手段により得られた雰囲気温度に基づいて前記レーザ筐体内部の雰囲気温度を制御する筐体雰囲気温度制御手段とを備えたことを特徴とする半導体レーザ発振装置。
【００１３】
［５］上記［４］において、半導体レーザは、複数の波長のレーザ光を発振する手段を有していることを特徴とする半導体レーザ発振装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、出力波長を測定し、測定波長と目的波長とのドリフト量に基づいて、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度を、レーザ筐体及び／またはレーザ筐体外の雰囲気温度を調整し制御することにより発振周波数の安定化をはかり、出力波長を精密高精度で制御すること及びそのための装置を特徴とする。そして、本発明の特徴は、下記知見に基づくものである。
【００１５】
通常、半導体レーザは、半導体レーザの温度により発振波長が変化し、高温にすると長波長側へドリフトすることが知られている。しかし、実際には、半導体レーザの温度を一定温度に制御しているにもかかわらず発振波長が変化してしまう。この原因を解明するために、鋭意研究した結果、レーザ筐体内の雰囲気温度の変化によってもレーザの出力波長はドリフトすることを見出した。さらに、レーザ筐体内の雰囲気温度の変化によるレーザの出力波長のドリフトの関係を詳細に調べた。図２は、ペルチェ素子により温度制御状態にある半導体レーザから発振される波長（出力波長）の変化と半導体レーザ筐体の雰囲気温度変化との関係を示したものである。図２より、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度を±０．０３℃程度に制御することにより波長を±０．１ｐｍ以内に制御できることがわかる。すなわち、半導体レーザ筐体の雰囲気温度による波長の変化係数は半導体レーザ本体の温度変化による波長変化係数の１／１０以下となることを見出した。よって、目的波長±０．１ｐｍ以内のレベルに波長を制御するには、半導体レーザ温度制御では半導体レーザの温度を±０．００３℃以下の精度で制御する必要があるが、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度制御では、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度±０．０３℃程度に制御すればよいことになる。
【００１６】
ここで、本発明において、雰囲気温度変化分とは、波長変化（ドリフト）によるレーザ筐体内雰囲気の温度変化の割合であり、単位温度あたりの波長変化係数をもとに決定される。単位温度あたりの波長変化係数は、半導体レーザの種類は勿論のこと、半導体レーザとペルチェ素子の距離や筐体を構成する材質などの各種設備条件により異なる為、適切な組み合わせでシステムを構成した上で、予め波長変化係数を求めておく必要がある。
【００１７】
図１は、本発明のレ−ザ光出力波長制御方法を適用した半導体レーザ発振装置の一実施形態を示すものである。図１において、１は半導体レーザ、２は半導体レーザ１の温度を制御するペルチェ素子、３はレーザ筐体であり、このレーザ筐体３内に、前記半導体レーザ１とペルチェ素子２が組み込まれている。５は雰囲気制御筐体、４は前記レーザ筐体３内の雰囲気温度を制御するためのペルチェ素子であり、前記雰囲気制御筐体５内には前記レーザ筐体３が収容されペルチェ素子４を有している。また、この半導体レーザ発振装置は、半導体レーザ１により発振されたレ−ザ光のうち目的波長のみを取り出すエタロン板９と、このエタロン板９により取り出されたレーザ光の波長を測定する波長測定器１３と、波長測定器１３で測定した波長データを取り込み、目的波長と測定波長とのドリフト量を求め、ドリフト量に応じてあらかじめ求めている単位温度当たりの波長変化係数によりレーザ筐体内の雰囲気温度変化分（＝制御すべきレーザ筐体の雰囲気温度）を決定するパソコン１４と、このパソコン１４により決定した雰囲気温度変化分をもとに、レーザ筐体の雰囲気温度が前記雰囲気温度変化分に応じた値となるようペルチェ素子４への電流値を制御する制御回路２（雰囲気温度制御用）７と、半導体レーザ１の温度を制御する制御回路１（半導体レーザ用）６を備えている。
【００１８】
ここで、前記半導体レーザ１は、広い波長域のレーザ光を発振し、非球面レンズ８より、平行光となる。また、半導体レーザ１は、例えば、青色半導体レーザをメーカー推奨の標準ドライバ（半導体レーザの駆動電流供給及び温度制御機能を有する）で発振させるものであって、トータルで３０ｍＷ程度の出力を持つものを用いることができる。
【００１９】
前記レーザ筐体３内には、半導体レーザ１とペルチェ素子２が組み込まれている。
【００２０】
前記雰囲気制御筐体５内には、レーザ筐体３が収容されるとともに、ペルチェ素子４を有しており、ペルチェ素子４の上にレーザ筐体３が設置されている。なお、前記雰囲気制御筐体５は、レーザ筐体３内の雰囲気温度を制御するために設けられたものである。
【００２１】
前記エタロン板９は、前記レーザ筐体３が収容された前記雰囲気制御筐体５に対して光路上に設置され、半導体レーザ１から発振された複数の波長のレーザ光から極めて高い分解能（透過プロファイルの半値幅で１０ｐｍ程度）で目的波長のみを取り出すことができる機能を有するものであればよく、通常使用されているものが用いられる。そして、前記エタロン板９により目的波長のみ取り出されたレーザ光の光路には石英板１０が備えられている。
【００２２】
前記石英板１０は発振したレーザ光の一部を波長測定器１３に導くために、４５度傾けて置かれている。そして、石英板表面で反射した一部のレーザ光は、集光レンズ１１に集光され、集光されたレーザ光は光ファイバ１２を通じて波長測定器１３に導かれる。なお、前記石英板１０はレーザ光の一部を分岐できる機能をもつものであればよく、前記集光レンズ１１は光を集光できるものであればよく、前記光ファイバ１２は、集光された光を波長測定器に導くものであればよく、これらは他の手段でも構わない。
【００２３】
図１において、半導体レーザ１より発振されたレーザ光は、非球面レンズ８により平行光となり、エタロン板９により目的波長のみ取り出される。ついで、目的波長のみ取り出されたレーザ光の一部は、石英板１０により石英板表面で反射し、集光レンズ１１に導かれ、集光レンズ１１により集光され、集光されたレーザ光は光ファイバ１２を通じて波長測定器１３に導かれる。波長測定器１３では導かれたレーザ光の波長を測定し、次いでパソコン１４により、測定した波長のデータをもとに、目的波長と測定波長とのドリフト量を求め、ドリフト量に応じてあらかじめ求めている単位温度当たりの波長変化係数によりレーザ筐体３内の雰囲気温度変化分を決定する。次いで、制御回路２（雰囲気温度制御用）７により、決定した雰囲気温度変化分をもとに、ペルチェ素子４への電流値を制御し、レーザ筐体３内の雰囲気温度を、レーザ筐体及び／またはレーザ筐体外の雰囲気温度を調整することにより制御する。以上のように、レーザ筐体３内の雰囲気温度を制御することにより、目的波長が精密高精度で得られ、半導体レーザの出力波長を精密高精度で制御することが可能となる。
【００２４】
なお、初期設定や目的波長変更時は、制御回路１（半導体レーザ用）６からペルチェ素子２への電流値を波長の変更に合わせて変更し、半導体レーザ１の温度を変更することにより、波長を目的波長位置にラフに合わせ、最終的な精密調整をレーザ筐体３内の雰囲気温度制御にて行う。
【００２５】
さらに、本発明においては、雰囲気制御筐体を更に温度制御機能を持った筐体に入れておくことも可能かつ有効である。
【００２６】
また、パソコン１４において目的波長と測定波長とのドリフト量から求められる波長変化係数は、実測値よりやや高めとしておくほうが好ましい。実測値よりやや高めとしておくことにより、発散現象が生じずに安全である。
【００２７】
【実施例】
半導体レーザとして、日亜化学（株）製のレーザダイオードを用い、図１により、レーザの出力中心波長：４０３ｎｍ、複数の発振線：３５ｐｍ間隔でレーザ光を出力した。次いで、このレーザ光を非球面レンズを用いて平行光とし、間隙０．２ｍｍのエタロン板に通して４０３．０００ｎｍ±０．００５ｎｍの光のみを透過させた。エタロン板を透過後、光路に石英板を４５度傾けて置き、石英板表面で反射した光を集光して光ファイバーに入れ、波長測定器に導いて、１０秒毎に波長を測定した。なお、ここで、初期設定としては、半導体レーザ本体の温度を本体用ペルチェ素子で制御し、４０３．０００ｎｍ±０．００２ｎｍ程度にした。レーザ筐体内の雰囲気温度は２３℃を初期設定値とし、４０３．００００ｎｍとなるよう筐体温度を制御した結果、概ね３℃以内の温度変動で４０３．００００ｎｍへ波長を移動できた。レーザ波長が４０３．００００ｎｍから０．０００１ｎｍ以上ずれたら、レーザ筐体内の雰囲気温度を変えるという制御方法をとり、出力波長を一定に保った。
【００２８】
上記により得られた結果を図３に示す。図３はレーザ発振からの経過時間と出力波長の変動の関係を示す図である。図３より、約１５時間の出力波長の変動は、通常の半導体レーザ本体の温度制御のみでは、±０．００１ｎｍの幅を持ったが、本発明例では、±０．０００１５ｎｍ以内の幅に抑える事ができた。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザにおいて、極狭範囲幅の安定した波長のレーザ光を得ることが可能となり，半導体レーザの出力波長を精密高精度で制御することができる。また、本発明の半導体レーザ発振装置は、小型かつ安価でありながら半導体レーザの出力波長を精密高精度で制御できるので、産業上有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ発振装置の一実施形態を示す図である。
【図２】雰囲気温度の変化と出力波長の変化との関係を示す図である。
【図３】レーザ発振からの経過時間と出力波長の変動との関係を示す図である。
【符号の説明】
１半導体レ−ザ（光源）
２ペルチェ素子（半導体レ−ザ用）
３レーザ筐体
４ペルチェ素子（雰囲気制御筐体用）
５雰囲気制御筐体
６制御回路１（半導体レーザ用）
７制御回路２（雰囲気温度制御用）
８非球面レンズ
９エタロン板
１０石英板
１１集光レンズ
１２光ファイバ
１３波長測定器
１４パソコン

Claims

半導体レーザから所定波長のレ−ザ光を取り出し、該レ−ザ光の波長を測定し、この測定波長と目的波長とのドリフト量に基づいて半導体レーザ筐体内における雰囲気温度変化分を求め、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度を前記雰囲気温度変化分に応じて該レーザ筐体及び／またはレーザ筐体外の雰囲気温度を調整することにより制御することを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力波長制御方法。
複数の波長のレーザ光を発振する半導体レーザから所定波長のレ−ザ光を取り出し、該レ−ザ光の波長を測定し、この測定波長と目的波長とのドリフト量に基づいて半導体レーザ筐体内における雰囲気温度変化分を求め、半導体レーザ筐体内の雰囲気温度を前記雰囲気温度変化分に応じて該レーザ筐体及び／またはレーザ筐体外の雰囲気温度を調整することにより制御することを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力波長制御方法。
あらかじめ、目的波長に応じて、半導体レーザの温度を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザのレーザ光出力波長制御方法。
半導体レーザと該半導体レーザの温度を制御する温度制御素子を組み込んだレーザ筐体と、該レーザ筐体が収容されるとともに前記レーザ筐体内部の雰囲気温度を制御するための温度制御素子を有する雰囲気温度制御用筐体と前記半導体レ−ザから発振されたレーザ光のうち所定波長のみを透過させる波長選択手段と該波長選択手段により透過された所定波長のレーザ光の波長を測定する波長測定手段と、該波長測定手段により得られた測定波長と目的波長のドリフト量を求め、該ドリフト量に基づいて前記レーザ筐体内部の雰囲気温度を決定する演算手段と該演算手段により得られた雰囲気温度に基づいて前記レーザ筐体内部の雰囲気温度を制御する筐体雰囲気温度制御手段とを備えたことを特徴とする半導体レーザ発振装置。
請求項４における半導体レーザは、複数の波長のレーザ光を発振する手段を有していることを特徴とする半導体レーザ発振装置。