JP2004228546A - Laser beam output method for semiconductor laser and equipment - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザでのレーザ光出力方法、特に極狭幅の波長で高出力のレーザ光を出力する半導体レーザのレーザ光出力方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
発光現象、吸光現象などに基づく光の発生・増減を利用して分光分析を行なう際にレ−ザが利用される。この分光分析は、pmオーダーの波長の違いでも分析精度に大きな影響を及ぼし、高い精度が要求される。これはレーザを光源とした場合でも同様であり、レーザの波長・強度を初めとして各種のパラメータの安定性向上が求められている。
【0003】
このような中で、極めて狭いライン幅を有し、且つ高出力の光を出力する安価な小型レーザとして半導体レーザが広く利用されている。特に近年は低波長(青色)領域においても高出力発振が可能なレーザの開発も進み、例えば青色半導体レーザ等がある。しかし、この半導体レーザから出力されるレーザ光の出力波長はpm(ピコメートル:10−12m)オーダーでは単一でなく、半導体のサイズと振動数により定まる間隔の波長が複数出るため、複数の波長の中から取り出す目的波長の出力強度は小さくなり、半導体レーザ全出力の20%を定常的に超えることは難しい。
【0004】
例えば、上記青色半導体レーザはライン幅の極めて小さい(1pm以下)発振線が35pm前後を最小単位とした波長間隔で5−20本程度の本数で林立している状態であり、適切な分解能を持つ分光器やエタロンなどの分光手段を用いることにより目的とする1本のライン(波長)を取り出す事が可能となる。しかし、目的とする波長が占める割合は大きい場合で約20%程度であり、ほとんどの場合には10%以下である。
【0005】
上記問題を解決するため、定常的に目的とする波長での強度を確保する方法として「反射増幅法」がある。これはレ−ザに特定波長の光のみを帰還させる、すなわち光学的フィ−ドバックをかけることによりレ−ザ光の中の目的波長のみを増幅させ、強度をアップさせる方法である。この反射増幅法に関して、例えば、半導体レーザと波長選択素子と半導体レーザに光学的フィードバックをかけるための反射手段とを備え、半導体レーザの発振波長が波長変換素子の波長許容度内に安定化されている安定化光源を開示した文献がある(例えば、特許文献1参照)。また、例えば、半導体光増幅器から出射した光を波長選択した上で半導体光増幅器に戻すことにより、発光波長を所望値に制御するようにした半導体発光装置がある(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
上記反射増幅法以外の方法としては、強度向上を目的とした複数本ビームの合成や、ビーム整形の為の各種光学部品配置等がある。
【0007】
【特許文献1】
特開平8−213686号公報
【0008】
【特許文献2】
特開平10−190105号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの技術についても一時的或いは短期的な効果はあるものの、長時間にわたる強度の維持が困難であるという問題がある。すなわち、周囲温度の微妙な変化や長期の発振に伴う半導体レーザの経時的な劣化を起因とした熱的な変動や、フィードバックを行う為の各種光学部品の僅かなズレによる物理的な変動等に起因するビームシフト(光軸ずれ)が発現し、増幅状態の悪化による強度低下が起こる。
【0010】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、所定の波長を反射増幅した状態のレーザ光について、ビームシフトによる強度変動の影響を受けず長期にわたり安定化させるための半導体レーザのレーザ光出力方法および装置を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討した結果、以下のような知見を得た。すなわち、光学的フィ−ドバックするレ−ザ光の面積(レ−ザ光の進行方向と直交する方向でのレ−ザ光の断面積)が反射前の所定波長のレ−ザ光の面積と異なるように反射させることにより、半導体レ−ザから発振されたレーザ光に対して光学的フィ−ドバックするレ−ザ光のずれの影響が極めて小さくなり、増幅状態の悪化(=強度低下)や強度変動の影響を受けにくいことを見出した。
【0012】
また、反射増幅後の光の強度を測定し、得られた光強度をもとに光学的フィ−ドバックの際の反射角度等を調製することにより、長期にわたり反射増幅状態を維持することが可能となることを見出した。
【0013】
本発明は、上記のような知見に基づいてなされたものであり、以下のような構成を有する。
【0014】
[1]複数の波長のレ−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,次いで、所定波長のレーザ光の一部を反射させ半導体レーザに光学的フィードバックするレーザ光出力方法において、光学的フィードバックするレーザ光の面積が反射前の所定波長のレーザ光の面積と異なるようにレーザ光の一部を反射させることを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力方法。
【0015】
[2]上記[1]において、光学的フィードバックするレーザ光の面積が、反射前の所定波長のレーザ光の面積より大きいことを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力方法。
【0016】
[3]上記[1]において、光学的フィードバックするレーザ光の面積が、反射前の所定波長のレーザ光の面積の2.25〜100倍であることを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力方法。
【0017】
[4]上記[1]〜[3]において、凹面状もしくは凸面状のレンズを用いて、所定波長のレーザ光の一部を反射させ半導体レーザに光学的フィードバックすることを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力方法。
【0018】
[5]複数の波長のレーザ光を発振する半導体レーザと、該半導体レーザから発振されたレーザ光を平行光とするための平行光化手段と、該平行光化手段により平行光化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一部を反射させ半導体レーザに光学的フィードバックをかけるための反射手段とを備え、該反射手段は、光学的フィードバックするレーザ光の面積が反射前の所定波長のレーザ光の面積と異なるように反射させる手段を有していることを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力装置。
【0019】
[6]上記[5]において、さらに、反射増幅後の光の強度を測定する強度測定手段と、該強度測定手段により得られた光強度をもとに前記反射手段における反射角度を調製する反射角度調製手段とを備えていることを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力装置。
【0020】
[7]上記[6]において、さらに、前記強度測定手段により得られた光強度をもとに前記波長選択手段における角度を調製する角度調製手段とを備えていることを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力装置。
【0021】
[8]上記[7]に記載の半導体レーザのレーザ光出力装置を用いてレーザ光出力を行い、さらに、波長選択手段における角度を調製する角度調製手段であら調整を、反射手段における反射角度を調製する反射角度調製手段で微調整を、各々行うことにより、反射増幅状態の修正を行うことを特徴とする半導体レーザのレーザ光出力方法。
【0022】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の半導体レーザのレーザ光出力装置について具体的に説明する。
【0023】
図1は、本発明の半導体レーザにおけるレーザ光出力装置の一実施形態を示す説明図である。図1に示すように、このレーザ光出力装置は、レーザ光を発振する半導体レーザ1、この半導体レーザ1により発振されたレーザ光を平行光とする光学部品2、この光学部品2により平行光化されたレーザ光から目的波長のみを取り出すエタロン3、このエタロン3により取り出された目的波長の一部を反射させ半導体レーザに光学的フィードバックする光学部品4とを備えている。
【0024】
前記半導体レーザ1は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)で発振させたものであって、トータルでは30mW程度の出力を持つものを用いることができる。
【0025】
前記光学部品2は半導体レーザより発振させたビームをコリメート(平行光化)する為のレンズであり、要求されるレンズ透過後の強度やビーム径に合わせて適切な大きさ、形状のものを配置する。例えば、図1では、利用した素子のビーム拡がり角が大きい事、またレンズ透過後のビーム径を数mm程度以内にする必要性から、非球面レンズを用いて効率の良いコリメートを行い、レンズ透過後のビームはおよそ2mm×3mm程度の楕円形状であった。また、その後にエタロン板等の波長選択治具を配置する必要性を考慮すると、透過効率を上げる為にはレンズ透過後のビームは可能な限り平行である事が望ましい。
【0026】
前記エタロン3は、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。
【0027】
前記光学部品4は、エタロン3により取り出された目的波長の一部を光学的フィードバックするに際し、光学的フィードバックするレーザ光の面積(レーザ光の進行方向と直交する方向でのレーザ光の断面積)が反射前の所定波長のレーザ光の面積と異なるような構造となっている。この光学部品4としては、最終的に用いるレーザが透過後のビームである事から吸収が少ない材質が好ましい。波長領域にもよるが、光学部品用に一般的に利用されているガラス・石英などを用いることができる。また、入手の容易さや形状・焦点距離に基づくビーム整形手段の多様性から、凹面もしくは凸面のレンズを用いるのが簡便且つ適切である。特にレンズ透過後のビーム形状を整える容易さからは、平凸・平凹・両凸・両凹タイプのレンズなどが好ましい。図1では平凹レンズを用い、レンズを配置することで低下した平行度を再コリメートする目的で直後に同じ焦点距離を持つ光学部品6を配置した。また、更に透過率を向上させるには、光学部品の表面に波長に応じたコーティングを施す手段も考えられる。しかし、コーティング材が干渉縞などを発生させ、光密度のムラに起因した出力安定性の悪化に繋がる危険性もある事から、特に必要な場合を除いてコーティングは不要である。
【0028】
そして、光学的フィードバックするレーザ光の中心位置は、可能な限り反射前のレーザ光の中心位置と一致させ、光軸のずれがいずれの方向に発現した場合でもこれを緩和出来る様な状態が望ましく、中心位置及び光軸を調整可能とする構成が好ましい。
【0029】
また、上記半導体レーザ1、光学部品2、エタロン3、光学部品4の光学部品の性能と各部品間の距離(=配置)は、最適な条件範囲内となるように組み合わせる必要がある。すなわち、反射ビームの拡がり角に対して例えば半導体レーザ光源1と反射用光学部品4の距離が大き過ぎると、目的波長を増幅させるのに必要な光量が半導体レーザ1の位置で確保出来なくなる。逆に反射ビームの拡がり角が小さ過ぎる場合には、本発明の効果が希薄になる。しかし、前者の問題に対しては、例えば反射用光学部品の反射用端面に適切なコーティングを施して反射光自身の強度を増加させる等の対策も考えられる事から、要求される機能を鑑み、システム全体のバランスを考慮した上で設計する必要がある。
【0030】
次に図1に基づいて、本発明の半導体レーザのレーザ光出力方法を述べる。
半導体レーザ1より発振したレーザ光は光学部品2で平行光となり、エタロン3に入射する。エタロン3は、目的の波長に応じてエタロンの間隙を設計し、入射角度を微調整することによって目的波長を取り出すことができるようになっており、エタロン3に入射したレーザ光は目的波長のみ取り出されて光学部品4へと送られる。光学部品4では、取り出した目的波長の一部の光を、例えば大径化させた上で反射させて半導体レーザに戻す。以上より、半導体レーザ光における目的波長の増幅状態の(時間的な)維持が大幅に改善される。
【0031】
以上のように、本発明の半導体レーザのレーザ光出力方法は、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ーザ光を取り出し,次いで、所定波長のレーザ光の一部を反射させ半導体レーザに光学的フィ−ドバックすることにより、所定波長の出力強度をアップさせる。
【0032】
そして、本発明においては、所定波長のレーザ光の一部を反射させ半導体レーザに光学的フィードバックする際に、光学的フィードバックするレーザ光の面積が反射前の所定波長のレーザ光の面積と異なるように反射させることを特徴とする。このように光学的フィードバックするレーザ光の面積が反射前の所定波長のレーザ光の面積と異なるように反射させることにより、半導体レーザから発振されたレーザ光に対して光学的フィードバックするレーザ光のずれが解消される。
【0033】
図2は半導体レ−ザから発振されたレーザ光に対して光学的フィードバックするレ−ザ光のずれの程度を示したものである。図2−aに示すように、平面板を用いて反射させた場合(従来法)は、光学的フィードバックするレーザ光の形状(面積)と反射前のレーザ光の形状(面積)とが同一であるため、ビームシフト(ずれ)が起こった際にお互いのレ−ザ光どうしが重なりずらくなり、長期的な増幅状態の維持が困難である。一方、図2−bに示すように、凹面板を用いて反射させた場合(本発明法)は、光学的フィードバックするレーザ光の形状(面積)を反射前のレーザ光の形状(面積)より大きくしているため、従来法と同量のビームシフト(ずれ)が起こった場合でも光学的フィ−ドバックするレ−ザ光が反射前のレ−ザ光を覆ってしまい、反射前のレ−ザ光に対して光学的フィ−ドバックするレ−ザ光が重なり、反射増幅状態が維持されやすい状況となっている。
【0034】
特に、本発明では、光学的フィードバックするレーザ光の面積が、反射前の所定波長のレーザ光の面積より大きいことが好ましい。これは、一般的にレーザの発光点は数μm2程度の大きさしかなく、元のビームに対して反射ビームの面積を小さくした場合、目的波長の増幅の為には発光点内に反射ビームを戻す光学調整が必要である事から、技術的な困難さを伴う為である。更に、反射ビームの径を大きくした場合に許容されるビームシフト(ずれ)と、小さくした場合に許容されるビームシフトを比較すると前者の方が大きく、発光点の大きさに依らず前者の方が有利である事は明らかである。
尚、光学的フィードバックするレーザ光の面積はある範囲の大きさであることが好ましい。その理由は、光学的フィードバックするレーザ光の面積が、反射前のレーザ光の面積に対してあまり大きくないと、緩和の効果が低下し、逆に大きすぎると光密度が足りずに増幅自体が起こらない可能性があるためである。よって、光学的フィードバックするレーザ光の面積は、反射前のレ−ザ光の面積に対して2.25〜100倍、より好ましくは9〜25倍がさらに好ましい。
【0035】
光学的フィードバックするレ−ザ光の面積が反射前のレーザ光の面積と異なるように反射させる方法については、光学的フィードバックするレーザ光の面積が反射前のレーザ光の面積と異なるように反射させる方法であれば良く、特に限定はしない。
【0036】
図8は、本発明の半導体レーザにおけるレーザ光出力装置の他の実施形態を示す説明図である。図8において、レーザー光を発振する半導体レーザ1と、半導体レーザ1の温度を制御するペルチェ素子7と、半導体レーザ1とペルチェ素子7を組み込んだレーザ筐体8と、半導体レーザ1の駆動電流供給と温度制御を行う制御回路9と、半導体レーザ1により発振されたレ−ザ光を平行光とする光学部品2と、光学部品2により平行光化されたレーザ光から目的波長のみを取り出すエタロン板10と、エタロン板10の角度調整を行うエタロン制御コントローラ20と、エタロン板10により取り出された波長の光の一部を反射(光学的フィードバック)される反射板11と、反射板11を固定し角度調整を行うコントローラ12と、反射増幅されたレーザ光の一部をサンプリングする為のサンプリングミラー13と、サンプリングミラー13によりサンプリングされた光を分割するハーフミラー14とを備えている。さらに、ハーフミラー14で分割された反射増幅後の光の強度を測定する強度モニタ15、強度モニタ15により測定された測定強度値をもとに必要に応じてコントローラ12を通じて反射板11の角度を調整パソコン16と、ハーフミラー14で分割された反射増幅後の光を集光する集光レンズ17、集光レンズ17により集光された光の波長を測定するための光ファイバ18、波長計19を備えている。
【0037】
前記半導体レーザ1、前記光学部品2は、図1と同様のものを用いることができる。
【0038】
前記制御回路9は、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。
【0039】
前記エタロン板10は、前記レーザ筐体8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。特に限定はなく、通常使用されているものが用いられる。
【0040】
前記エタロン制御コントローラ20は、反射増幅の状態が悪化し修正が必要となるときに、前記エタロン板10の角度の調製を行う。
【0041】
前記反射板11は、図1における光学部品4と同様の増幅に必要な光量が発光点に戻す機能を有していれば良い。レーザの種類や波長にも依存するが、反射率は、通常、5%程度であり、石英板等を用いることができる。
【0042】
前記コントローラ12は、反射増幅の状態が悪化し修正が必要となるときに、反射板の保持及び反射板の角度の調製を行う。
【0043】
前記サンプリングミラー13及びハーフミラー14は、発振したレーザ光の一部を前記強度モニタ15及び前記波長計19に導くために、レーザ光の進行方向に対してそれぞれ45度傾けて置かれている。そして、前記サンプリングミラー13及びハーフミラー14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い。
【0044】
前記強度モニタ15は、前記サンプリングミラー13及びハーフミラー14により導かれたレーザ光の強度を測定し、その測定値を出力する。前記集光レンズ17は、光を集光する。前記光ファイバ18は、集光された光を波長測定器に導く。前記波長計19は集光レンズ17により集光され光ファイバ18により導かれたレーザ光の波長を測定する。これら前記強度モニタ15、前記集光レンズ17、前記光ファイバ18、前記波長計19は、特に限定はなく上記機能を有していれば良い。
【0045】
前記パソコン16は、予めシーケンスが組み込まれており、強度測定値が伝送される事により、必要に応じて前記コントローラ12を通じて反射板11の角度を調整する。
【0046】
図8によれば、制御回路9により設定された強度と波長のレーザ光が半導体レーザ1より発振される。半導体レーザ1より発振されたレーザ光は、光学部品2により平行光となり、エタロン板10により目的波長のみ取り出される。次いで、目的波長のみ取り出されたレーザ光の一部は、反射板11により反射板表面で反射し、この光が半導体レーザ1の発光点までフィードバックされる事により目的波長のみが反射増幅された状態となる。そして、反射増幅されたレーザ光は、サンプリングミラー13により波長及び強度測定の為に一部サンプリングされ、サンプリングされたレーザ光はさらにハーフミラー14により分岐する。分岐した一部のレーザ光は、強度モニタ15に導かれ、強度が測定される。強度モニタ15により得られた強度測定値は強度信号としてパソコン16に伝送され、パソコン16では、予め設定されたタイミングで閾値と強度測定値が比較され、強度測定値が閾値を下回った場合には、エタロン制御コントローラ20によりエタロン板11の角度、及びコントローラ12により反射板11の角度(例えば、ビームと直交する平面におけるX軸・Y軸に沿って角度α及びβ)を調整する事により出力が最大となるような制御を行う。一方、ハーフミラー14により分岐した他のレーザ光は、集光レンズ17により集光され、光ファイバ18を通過し、波長計19にて波長が測定される。
【0047】
以上のように、エタロン板11及び反射板11の角度を制御及び調整することにより反射増幅状態の悪化は定期的に修正され、半導体レーザの出力を長期にわたり安定化することが可能となる。なお、出力が最大となるような制御を行うにあたっては、まず、エタロン制御コントローラ20によるエタロン板11の角度調整であら調整を行い、次いで、コントローラ12による反射板11の角度調整で微調整することが好ましい。
【0048】
なお、出力と同時に出力波長も長期的に安定化させるためには、波長計19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ペルチェ素子7の温度変化分を決定し、ペルチェ素子7の温度制御を介して出力波長を安定化することができる。この場合は、上記機能をパソコン16に組み込む事も可能である。
【0049】
さらに、長時間の発振を行う過程において、微妙な室温の変動やレーザ光を発する素子自身の劣化などの様々な要因によって発振されるビームの位置が変化する(ビームシフトする)場合、発振当初は反射増幅に必要な光量が発光点まで戻されていても、このビームシフトの程度に伴い次第に発光点に戻される光量は減少していき、最終的には光学的フィードバックに必要な光量の閾値を下回る事により、増幅がされない状態になる事がある。このような場合には長期にわたり反射増幅状態を維持する為、ビームシフトの影響を経時的にモニタ・修正する必要があり、図8の実施形態はこの点で有効な手段である。
【0050】
【実施例】
(実施例1)
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3に示すレーザ光出力装置により、複数の波長のレーザ光を発振させた。ここで、図3は半導体レーザにおけるレーザ光出力装置の他の実施形態を示すもので、5は光学的フィードバックしたレーザ光の反射光径を確認する反射光径確認手段、6はレーザ光を再平行光化するための光学部品である。なお、その他の構造は図1と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【0051】
この時、図4に示すように、レーザの出力中心波長は403nm、複数の発振線が35pmを最小単位とした間隔で出力された。また、レーザ出力光の全波長合計の光強度は、30mWであるが、目的の波長403.000nmの光強度はこの18%であり5.4mWであった。次いで、半導体レーザから発振されるレーザ光を、非球面レンズを用いて平行光とした後、平行光を間隙0.2mmのエタロンに通して目的波長403.000nm、半値全幅0.001nm以下の光のみを透過させた。この時の波長プロファイルを図5に示す。このときのエタロンの効率は60%であり、従って目的波長の強度は3.2mWとなった。
【0052】
次に、エタロンを透過した光の一部を光学部品(凹面レンズ)にて反射させ、光学的フィードバックするレ−ザ光の面積が反射前のレーザ光の面積より大きくなるように角度を調整して反射光が半導体レーザへ戻るように調整した。且つ反射光ビームの中心位置は可能な限り元のビームの中心位置と一致させた。その結果、反射光径確認手段5により光学的フィードバックするレ−ザ光の面積は反射前のレーザ光の面積の9倍と25倍であった。また。干渉縞等による反射光の強度ムラを回避する為に表面のコーティングは行わなかった。この時の反射率は約5%(透過率95%)程度であった。なお、この時のレーザの発光点からの反射面の入射側端面までの距離はおよそ60cmとした。また、透過後のビーム形状・拡がり等については、必要があれば適切な光学部品、例えば、光学部品6の配置により修正可能とした。
【0053】
以上より、最終的に得られた目的波長の出力強度は8.0mWであった。これは反射用の光学部品として平面状の基盤(反射光の面積は維持される)を用いた以外は上記方法と同じ方法で行った比較例の結果と同じ増幅率であった。
【0054】
図6、図7に、目的波長の増幅状態の継続性に関して、レーザ光発振開始からの経過時間とレーザ光の出力強度の関係を示す。図6は本発明の光学部品として凹面レンズを用いた場合であり、図7は比較例として光学部品として平面状のレンズを用いた場合である。なお、図6、図7において、レーザ光発振開始からの経過時間に対するレーザ光の出力強度は相対強度(レーザ発振開始時、すなわちt=0の強度を1とした時の相対値に規格化したもの)で表わし、2割の強度低下(=0.8)までを増幅状態(出力維持)の許容範囲とした。図6、図7から、比較例の平面状のレンズを用いた場合は増幅状態が1時間程度しか維持されなかったのに対して、本発明例の凹面レンズを用い、光学的フィードバックするレ−ザ光の面積を反射前のレーザ光の面積の9倍と25倍とした場合は、増幅状態が1週間程度以上(9倍:7.5日、25倍:8.2日)維持された。以上から、光学的フィードバックするレーザ光の面積を反射前のレーザ光面積の9倍〜25倍とした場合は、増幅された出力の維持に関して極めて有効であることがわかる。また、図6において面積を25倍とした場合の方が、9倍とした場合よりも規定出力を長時間維持した結果となっている。
【0055】
(実施例2)
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8に示すレーザ光出力装置により、複数の波長のレーザ光を発振させた。
【0056】
この時、実施例1と同様、図4に示すように、レーザの出力中心波長は403nm、複数の発振線が35pmを最小単位とした間隔で出力された。また、レーザ出力光の全波長合計の光強度は、30mWであるが、目的の波長403.000nmの光強度はこの18%であり5.4mWであった。次いで、半導体レーザから発振されるレーザ光を、非球面レンズを用いて平行光とした後、平行光を間隙0.2mmのエタロンに通して目的波長403.000nm、半値全幅0.001nm以下の光のみを透過させた。この時の波長プロファイルを図5に示す。このときのエタロンの効率は約60%であり、従って目的波長の強度は3.2mW程度となった。
【0057】
次に、エタロンを透過した光の一部を、この波長に対する反射率が5%程度の石英板にて反射させ、反射光が半導体レーザへ戻るように調整した。なお、この時のレーザの発光点からの反射面の入射側端面までの距離はおよそ60cmとした。
【0058】
以上より、反射増幅させる事により最終的に得られた目的波長の出力強度は8.0mWであった。この出力の初期値に対して、閾値を80%と設定した上で1分おきに強度モニタによる出力強度の測定を行い、計測値が6.4mWを下回った場合にはコントローラを通じて反射用の石英板角度を調整する事により、反射増幅後の光強度の制御を実施した。
【0059】
図9に、目的波長の増幅状態の継続性に関して、レーザ光発振開始からの経過時間とレーザ光の出力強度の関係を示す。なお、図9において、出力強度の経時変化は相対強度(レーザ発振開始時、すなわちt=0の強度を1とした時の相対値に規格化したもの)で表わす。
【0060】
図9から、光強度制御を行った本発明例では、増幅状態が30.0日程度維持されており、増幅された出力の維持に関して、本発明の制御方法が極めて有効であることがわかる。
【0061】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、所定波長のレーザ光を大出力でかつその強度を維持したまま長期にわたり安定して出力することが可能となる。また、本発明のレーザ装置は増幅状態が良好で、かつ、目的波長の増幅状態の(時間的な)維持が大幅に改善されるため、レーザを光源とし、長時間にわたり光強度の安定性を必要とする各種技術・装置に対して有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体レーザにおけるレーザ光出力装置の一実施形態を示す説明図である。
【図2】反射前後のレーザ光の位置関係を示す図である。
【図3】本発明の半導体レーザにおけるレーザ光出力装置の他の実施形態を示す説明図である。
【図4】エタロン透過前の波長プロファイルを示す図である。
【図5】エタロン透過後の波長プロファイルを示す図である。
【図6】レーザ光発振開始からの経過時間とレーザ光出力強度の関係を示す図である。
【図7】比較例におけるレーザ光発振開始からの経過時間とレーザ光出力強度の関係を示す図である。
【図8】本発明の半導体レーザにおけるレーザ光出力装置の他の実施形態を示す説明図である。
【図9】レーザ光発振開始からの経過時間とレーザ光出力強度の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ
2 光学部品
3 エタロン
4 光学部品
5 反射光径確認手段
6 光学部品
7 ペルチェ素子
8 レーザ筐体
9 制御回路
10 エタロン板
11 反射板
12 コントローラ
13 サンプリングミラ−
14 ハーフミラー
15 強度モニタ
16 パソコン
17 集光レンズ
18 光ファイバ
19 波長計
20 エタロン制御コントローラ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser light output method for a semiconductor laser, and more particularly to a laser light output method and apparatus for a semiconductor laser that outputs high-power laser light with a very narrow wavelength.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A laser is used when performing spectroscopic analysis using the generation and increase / decrease of light based on a light emission phenomenon, a light absorption phenomenon, and the like. In this spectroscopic analysis, even a difference in wavelength on the order of pm has a great influence on the analysis accuracy, and high accuracy is required. The same applies to the case where a laser is used as a light source, and there is a demand for improving the stability of various parameters including the wavelength and intensity of the laser.
[0003]
Under such circumstances, semiconductor lasers are widely used as inexpensive small-sized lasers having an extremely narrow line width and outputting high-power light. Particularly in recent years, lasers capable of high-power oscillation even in a low-wavelength (blue) region have been developed, for example, blue semiconductor lasers. However, the output wavelength of the laser light output from this semiconductor laser is pm (picometer: 10 -12 m) On the order, there is not a single wavelength but a plurality of wavelengths at intervals determined by the size and frequency of the semiconductor. Therefore, the output intensity of the target wavelength extracted from the plurality of wavelengths is small, and 20% of the total output of the semiconductor laser is steady. It is difficult to exceed.
[0004]
For example, the blue semiconductor laser has an oscillation line with an extremely small line width (1 pm or less) in a state of standing at about 5 to 20 lines at a wavelength interval of about 35 pm as a minimum unit, and has an appropriate resolution. By using a spectroscope or an etalon or other spectroscopic means, it is possible to extract a single target line (wavelength). However, the proportion occupied by the target wavelength is about 20% when the wavelength is large, and is 10% or less in most cases.
[0005]
In order to solve the above problem, there is a "reflection amplification method" as a method for constantly securing the intensity at a target wavelength. In this method, only the light of a specific wavelength is fed back to the laser, that is, optical feedback is applied to amplify only the target wavelength in the laser light to increase the intensity. For this reflection amplification method, for example, a semiconductor laser, a wavelength selection element, and a reflection unit for applying optical feedback to the semiconductor laser are provided, and the oscillation wavelength of the semiconductor laser is stabilized within the wavelength tolerance of the wavelength conversion element. There is a document that discloses a stabilized light source (see, for example, Patent Document 1). Further, for example, there is a semiconductor light emitting device in which light emitted from a semiconductor optical amplifier is wavelength-selected and returned to the semiconductor optical amplifier to control the emission wavelength to a desired value (for example, see Patent Document 2).
[0006]
As a method other than the reflection amplification method, there are a method of synthesizing a plurality of beams for the purpose of improving the intensity and an arrangement of various optical components for beam shaping.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-8-21686
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-10-190105
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, although any of the above techniques has a temporary or short-term effect, there is a problem that it is difficult to maintain the strength for a long time. In other words, thermal fluctuations due to subtle changes in ambient temperature and deterioration over time of the semiconductor laser due to long-term oscillation, and physical fluctuations due to slight misalignment of various optical components for performing feedback. As a result, a beam shift (optical axis shift) appears, and the intensity is reduced due to the deterioration of the amplification state.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and is intended to stabilize laser light in a state where a predetermined wavelength is reflected and amplified, for a long time without being affected by intensity fluctuation due to beam shift. An object of the present invention is to provide a laser light output method and device of a semiconductor laser.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have studied to solve the above problems, and as a result, have obtained the following knowledge. That is, the area of the laser light to be optically fed back (the cross-sectional area of the laser light in a direction orthogonal to the direction of travel of the laser light) is equal to the area of the laser light of a predetermined wavelength before reflection. By differently reflecting the laser light, the influence of the shift of the laser light which is optically fed back to the laser light oscillated from the semiconductor laser becomes extremely small, and the deterioration of the amplification state (= intensity decrease) and It was found that it was hardly affected by intensity fluctuation.
[0012]
In addition, by measuring the intensity of light after reflection amplification and adjusting the reflection angle at the time of optical feedback based on the obtained light intensity, it is possible to maintain the reflection amplification state for a long time. I found that.
[0013]
The present invention has been made based on the above findings, and has the following configuration.
[0014]
[1] Laser light of a predetermined wavelength is extracted from a semiconductor laser that oscillates laser light of a plurality of wavelengths, and then a laser light output that reflects a part of the laser light of a predetermined wavelength and provides optical feedback to the semiconductor laser. A method for outputting a laser beam from a semiconductor laser, wherein a part of the laser beam is reflected such that the area of the laser beam to be optically fed back is different from the area of the laser beam of a predetermined wavelength before reflection.
[0015]
[2] The laser light output method for a semiconductor laser according to the above [1], wherein the area of the laser light to be optically fed back is larger than the area of the laser light of a predetermined wavelength before reflection.
[0016]
[3] The method of [1], wherein the area of the laser light to be optically fed back is 2.25 to 100 times the area of the laser light of a predetermined wavelength before reflection. .
[0017]
[4] The semiconductor laser according to [1] to [3], wherein a part of the laser light having a predetermined wavelength is reflected by using a concave or convex lens and optically fed back to the semiconductor laser. Laser light output method.
[0018]
[5] A semiconductor laser that oscillates laser light of a plurality of wavelengths, a collimating means for converting the laser light oscillated from the semiconductor laser into parallel light, and a laser collimated by the parallelizing means A wavelength selection unit that transmits only a predetermined wavelength of light, and a reflection unit that reflects a part of the predetermined wavelength transmitted by the wavelength selection unit and applies optical feedback to the semiconductor laser, the reflection unit including: A laser beam output device for a semiconductor laser, comprising means for reflecting the laser beam to be fed back so that the area of the laser beam to be fed back differs from the area of the laser beam having a predetermined wavelength before reflection.
[0019]
[6] In the above [5], further, an intensity measuring means for measuring the intensity of the light after the reflection amplification, and a reflection for adjusting a reflection angle in the reflecting means based on the light intensity obtained by the intensity measuring means. A laser light output device for a semiconductor laser, comprising: an angle adjusting unit.
[0020]
[7] The semiconductor laser according to [6], further comprising an angle adjusting unit that adjusts an angle in the wavelength selecting unit based on the light intensity obtained by the intensity measuring unit. Laser light output device.
[0021]
[8] A laser light output is performed using the laser light output device of the semiconductor laser according to the above [7], and the angle adjusting means for adjusting the angle in the wavelength selecting means adjusts the reflection angle in the reflecting means. A laser light output method for a semiconductor laser, wherein a reflection amplification state is corrected by making fine adjustments by a reflection angle adjusting means to be adjusted.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, a laser light output device for a semiconductor laser according to the present invention will be specifically described.
[0023]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing one embodiment of a laser light output device in a semiconductor laser of the present invention. As shown in FIG. 1, this laser light output device includes a
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
When the
[0028]
It is desirable that the center position of the laser light to be fed back optically coincides with the center position of the laser light before reflection as much as possible, and that a state where the deviation of the optical axis appears in any direction can be mitigated. , The center position and the optical axis are preferably adjustable.
[0029]
Further, the performance of the optical components of the
[0030]
Next, a laser light output method for a semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to FIG.
Laser light oscillated from the
[0031]
As described above, the laser light output method for a semiconductor laser of the present invention extracts a laser light of a predetermined wavelength from a semiconductor laser that oscillates a plurality of wavelengths of laser light, and then reflects a part of the laser light of the predetermined wavelength. The output intensity at a predetermined wavelength is increased by optically feeding back the semiconductor laser.
[0032]
In the present invention, when a part of the laser light having the predetermined wavelength is reflected and optically fed back to the semiconductor laser, the area of the laser light to be optically fed back is different from the area of the laser light having the predetermined wavelength before the reflection. Is characterized by being reflected. As described above, the laser beam to be optically fed back is reflected so that the area of the laser beam of a predetermined wavelength before the reflection is different from that of the laser beam. Is eliminated.
[0033]
FIG. 2 shows the degree of deviation of laser light which is fed back optically to laser light oscillated from a semiconductor laser. As shown in FIG. 2A, when the light is reflected using a flat plate (conventional method), the shape (area) of the laser light to be optically fed back is the same as the shape (area) of the laser light before reflection. For this reason, when a beam shift occurs, the laser beams of the laser beams do not easily overlap each other, and it is difficult to maintain a long-term amplification state. On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the light is reflected using the concave plate (the method of the present invention), the shape (area) of the laser light to be optically fed back is made smaller than the shape (area) of the laser light before reflection. Since the laser beam is enlarged, even if a beam shift (shift) of the same amount as in the conventional method occurs, the laser beam that performs optical feedback covers the laser beam before the reflection, and the laser beam before the reflection. The laser light that optically feeds back to the laser light overlaps, and the reflection amplification state is easily maintained.
[0034]
In particular, in the present invention, it is preferable that the area of the laser light to be fed back optically is larger than the area of the laser light of a predetermined wavelength before reflection. This generally means that the laser emission point is a few μm 2 When the area of the reflected beam is small compared to the original beam, optical adjustment is required to return the reflected beam to the emission point for amplification of the target wavelength. This is because of the difficulty. Furthermore, comparing the allowable beam shift (deviation) when the diameter of the reflected beam is increased and the allowable beam shift when the reflected beam is reduced, the former is larger, and the former is larger regardless of the size of the light emitting point. Is clearly advantageous.
The area of the laser light to be fed back optically is preferably within a certain range. The reason is that if the area of the laser light to be optically fed back is not too large with respect to the area of the laser light before reflection, the effect of relaxation is reduced, and if it is too large, the light density is insufficient and the amplification itself is not performed. This is because it may not happen. Therefore, the area of the laser light to be optically fed back is preferably 2.25 to 100 times, more preferably 9 to 25 times the area of the laser light before reflection.
[0035]
As for the method of reflecting the laser light so that the area of the laser light to be optically fed back is different from the area of the laser light before the reflection, the light is reflected so that the area of the laser light to be fed back is different from the area of the laser light before the reflection. Any method may be used, and there is no particular limitation.
[0036]
FIG. 8 is an explanatory view showing another embodiment of the laser light output device in the semiconductor laser of the present invention. 8, a
[0037]
As the
[0038]
The control circuit 9 may have any function as long as it has a drive current supply and temperature control function for the semiconductor laser, and a commonly used one is used.
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The reflecting
[0042]
The
[0043]
The
[0044]
The intensity monitor 15 measures the intensity of the laser light guided by the
[0045]
The
[0046]
According to FIG. 8, laser light having the intensity and wavelength set by the control circuit 9 is oscillated by the
[0047]
As described above, by controlling and adjusting the angles of the
[0048]
In addition, in order to stabilize the output wavelength simultaneously with the output for a long time, the drift amount between the target wavelength and the measured wavelength is obtained based on the data of the wavelength measured by the
[0049]
Furthermore, if the position of the oscillated beam changes (beam shifts) due to various factors such as subtle room temperature fluctuations and deterioration of the laser light emitting element itself in the process of performing long-time oscillation, the oscillation may initially be oscillated. Even if the amount of light required for reflection amplification is returned to the light emitting point, the amount of light returned to the light emitting point gradually decreases with the degree of this beam shift, and eventually the threshold of the light amount required for optical feedback is reduced. If it falls below this level, amplification may not be performed. In such a case, in order to maintain the reflection amplification state for a long period of time, it is necessary to monitor and correct the influence of the beam shift with time, and the embodiment of FIG. 8 is an effective means in this respect.
[0050]
【Example】
(Example 1)
A laser diode manufactured by Nichia Corporation was used as a semiconductor laser, and laser light having a plurality of wavelengths was oscillated by a laser light output device shown in FIG. Here, FIG. 3 shows another embodiment of a laser light output device in a semiconductor laser, in which 5 is a reflected light diameter confirming means for confirming the reflected light diameter of the laser light fed back by optical feedback, and 6 is a laser light reproducing device. It is an optical component for making parallel light. Since other structures are the same as those in FIG. 1, the same reference numerals are given and the detailed description is omitted.
[0051]
At this time, as shown in FIG. 4, the output center wavelength of the laser was 403 nm, and a plurality of oscillation lines were output at intervals having a minimum unit of 35 pm. The total light intensity of the laser output light at all wavelengths was 30 mW, and the light intensity at the target wavelength of 403.000 nm was 18%, which was 5.4 mW. Next, the laser light oscillated from the semiconductor laser is converted into parallel light using an aspherical lens, and the parallel light is passed through an etalon having a gap of 0.2 mm to emit light having a target wavelength of 403.000 nm and a full width at half maximum of 0.001 nm or less. Only permeate. FIG. 5 shows the wavelength profile at this time. At this time, the efficiency of the etalon was 60%, and the intensity at the target wavelength was 3.2 mW.
[0052]
Next, a part of the light transmitted through the etalon is reflected by an optical component (concave lens), and the angle is adjusted so that the area of the laser light to be optically fed back is larger than the area of the laser light before reflection. The reflected light was adjusted so as to return to the semiconductor laser. In addition, the center position of the reflected light beam was matched as much as possible with the center position of the original beam. As a result, the area of the laser light optically fed back by the reflected light diameter confirming means 5 was 9 times and 25 times the area of the laser light before reflection. Also. No surface coating was performed to avoid unevenness in the intensity of reflected light due to interference fringes and the like. At this time, the reflectivity was about 5% (transmittance 95%). At this time, the distance from the laser emission point to the incident side end face of the reflection surface was set to about 60 cm. In addition, the beam shape and spread after transmission can be corrected, if necessary, by disposing an appropriate optical component, for example, the
[0053]
From the above, the output intensity of the target wavelength finally obtained was 8.0 mW. This was the same amplification factor as the result of the comparative example performed by the same method as described above, except that a planar substrate (the area of the reflected light was maintained) was used as an optical component for reflection.
[0054]
6 and 7 show the relationship between the elapsed time from the start of laser light oscillation and the output intensity of laser light with respect to the continuity of the amplification state of the target wavelength. FIG. 6 shows a case where a concave lens is used as an optical component of the present invention, and FIG. 7 shows a case where a planar lens is used as an optical component as a comparative example. In FIGS. 6 and 7, the output intensity of the laser light with respect to the elapsed time from the start of the laser light oscillation is relative intensity (normalized to a relative value at the start of laser oscillation, that is, when the intensity at t = 0 is set to 1). ), And up to a 20% reduction in intensity (= 0.8) was taken as the allowable range of the amplification state (output maintenance). From FIGS. 6 and 7, when the planar lens of the comparative example was used, the amplification state was maintained for only about 1 hour, whereas the concave lens of the present invention was used to provide optical feedback. When the area of the light is 9 times and 25 times the area of the laser light before reflection, the amplification state is maintained for about one week or more (9 times: 7.5 days, 25 times: 8.2 days). . From the above, it can be seen that when the area of the laser light to be optically fed back is 9 to 25 times the area of the laser light before reflection, it is extremely effective in maintaining the amplified output. In addition, in FIG. 6, when the area is 25 times, the specified output is maintained for a longer time than when the area is 9 times.
[0055]
(Example 2)
A laser diode manufactured by Nichia Corporation was used as a semiconductor laser, and laser light having a plurality of wavelengths was oscillated by a laser light output device shown in FIG.
[0056]
At this time, as in Example 1, as shown in FIG. 4, the output center wavelength of the laser was 403 nm, and a plurality of oscillation lines were output at intervals of 35 pm as a minimum unit. The total light intensity of the laser output light at all wavelengths was 30 mW, and the light intensity at the target wavelength of 403.000 nm was 18%, which was 5.4 mW. Next, the laser light oscillated from the semiconductor laser is converted into parallel light using an aspherical lens, and the parallel light is passed through an etalon having a gap of 0.2 mm to emit light having a target wavelength of 403.000 nm and a full width at half maximum of 0.001 nm or less. Only permeate. FIG. 5 shows the wavelength profile at this time. At this time, the efficiency of the etalon was about 60%, and the intensity at the target wavelength was about 3.2 mW.
[0057]
Next, a part of the light transmitted through the etalon was reflected by a quartz plate having a reflectance of about 5% with respect to this wavelength, and adjustment was made so that the reflected light returned to the semiconductor laser. At this time, the distance from the laser emission point to the incident side end face of the reflection surface was set to about 60 cm.
[0058]
As described above, the output intensity at the target wavelength finally obtained by the reflection amplification was 8.0 mW. With respect to the initial value of the output, the threshold value is set to 80%, and the output intensity is measured by the intensity monitor every one minute. When the measured value is lower than 6.4 mW, the quartz for reflection is transmitted through the controller. The light intensity after the reflection amplification was controlled by adjusting the plate angle.
[0059]
FIG. 9 shows the relationship between the elapsed time from the start of laser light oscillation and the output intensity of laser light with respect to the continuity of the amplification state of the target wavelength. In FIG. 9, the change over time of the output intensity is represented by a relative intensity (normalized to a relative value at the start of laser oscillation, that is, when the intensity at t = 0 is set to 1).
[0060]
FIG. 9 shows that in the example of the present invention in which the light intensity control is performed, the amplification state is maintained for about 30.0 days, and it is understood that the control method of the present invention is extremely effective in maintaining the amplified output.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to stably output a laser beam having a predetermined wavelength for a long period of time while maintaining a large output and its intensity. In addition, since the laser device of the present invention has a good amplification state and greatly improves the (temporal) maintenance of the amplification state of the target wavelength, the laser device is used as a light source to stabilize the light intensity for a long time. It is effective for various necessary technologies and devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing one embodiment of a laser light output device in a semiconductor laser of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a positional relationship between laser beams before and after reflection.
FIG. 3 is an explanatory view showing another embodiment of the laser light output device in the semiconductor laser of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a wavelength profile before transmission through an etalon.
FIG. 5 is a diagram showing a wavelength profile after transmission through an etalon.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the elapsed time from the start of laser light oscillation and the laser light output intensity.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between an elapsed time from the start of laser light oscillation and a laser light output intensity in a comparative example.
FIG. 8 is an explanatory view showing another embodiment of the laser light output device in the semiconductor laser of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between an elapsed time from the start of laser light oscillation and a laser light output intensity.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor laser
2 Optical components
3 etalons
4 Optical components
5 Reflected light diameter confirmation means
6 Optical components
7 Peltier element
8 Laser housing
9 Control circuit
10 Etalon board
11 Reflector
12 Controller
13 Sampling mirror
14 Half mirror
15 Strength monitor
16 PC
17 Condensing lens
18 Optical fiber
19 Wavelength meter
20 Etalon control controller
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JP2014035307A (en) * | 2012-08-10 | 2014-02-24 | Hitachi High-Technologies Corp | Defect inspection device and defect inspection method |
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- 2003-03-27 JP JP2003088397A patent/JP2004228546A/en active Pending
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