JP2006237359A - 波長走査型ファイバレーザ光源 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速で波長を変化させることができる波長可変型のファイバレーザ光源を提供すること。
【解決手段】光ファイバループに発振波長にゲインを有するゲイン媒体と光サーキュレータ１３，１４を設け、光サーキュレータ１３，１４で取り出された光をコリメートレンズ２２，２４で拡大する。その光軸上にポリゴンミラー２５を設け、ポリゴンミラー２５を回転させる。ポリゴンミラー２５で反射された光の受光位置に回折格子２７を設ける。回折格子２７は入射光と同一方向に光を反射するリトロー構成とする。回折格子２７への入射角度によって選択波長が変化し、２回の入射により選択度が増す。従って高速でポリゴンミラー２５を回転させて選択波長を変化させても、挟帯域のままで発振波長を変化させることができる。
【選択図】図１
【解決手段】光ファイバループに発振波長にゲインを有するゲイン媒体と光サーキュレータ１３，１４を設け、光サーキュレータ１３，１４で取り出された光をコリメートレンズ２２，２４で拡大する。その光軸上にポリゴンミラー２５を設け、ポリゴンミラー２５を回転させる。ポリゴンミラー２５で反射された光の受光位置に回折格子２７を設ける。回折格子２７は入射光と同一方向に光を反射するリトロー構成とする。回折格子２７への入射角度によって選択波長が変化し、２回の入射により選択度が増す。従って高速でポリゴンミラー２５を回転させて選択波長を変化させても、挟帯域のままで発振波長を変化させることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は単光性の光を発生してその発光波長を周期的に走査する波長走査型ファイバレーザ光源に関するものである。
従来、光を測定対象に照射し測定対象を分析する分析装置の光源として、広帯域の光源が用いられている。分光分析では広帯域の光を測定対象に投光し、その反射光や透過光を回折格子等で波長成分に空間的に分解したり、干渉計で周波数成分にフーリエ変換して分析する手法が広く用いられている。このような光源としては、例えば白色光源やエルビウムドープドファイバ（ＥＤＦ）を用いたＡＳＥ光源等があった。しかしこのような分光分析では、波長に対する光出力強度密度が低いため、分光において利用できる光のレベルが小さい。そのためフーリエ変換の分析をしても検出光信号がノイズに埋もれてしまい、分析が難しいという欠点があった。
分析装置の光源として、強いレベルの単一スペクトルの光を所望の帯域で変化させる波長可変型の光源を用いる方法もある。これは単光性の強い光の波長を変化させて測定対象に照射し、測定対象を透過したり、又は反射する光をそのまま受光素子で受光するものである。この方法では、光源の波長に対する光強度密度が高いので、検出光のレベルと信号対ノイズ比が十分に高く、十分な測定精度を実現できる。
従来の波長可変型の光源には外部共振器型レーザやファイバリングレーザがある。外部共振器型レーザは、ゲイン媒質、例えば半導体レーザを用い、その半導体レーザの一方の端面と外部のミラーとの間で外部共振器を形成し、外部共振器の中に回折格子等による波長可変フィルタを設けることによって発振波長を変化させ、波長可変型の光源を得るようにしたものである。外部共振器型レーザ光源では、外部共振器型長は例えば５０ｍｍと比較的小さく、縦モード間隔は例えば３０ＧＨｚと広い。従って単に波長可変フィルタの波長を変えただけでは、縦モードの間で不安定になる。例えばモード間では不連続なモードホップが生じたり、マルチモードで発振することもある。そのため単一モードで連続的に波長を可変し、しかも出力を安定とするためには、外部共振器長をピエゾ素子等を用いて微妙に制御しなければならず、複雑な制御が必要となる。又機械的な動作を伴い、波長と外部共振器長とを同期させて制御するため、高速で波長を変化させることが難しいという欠点があった。
又非特許文献１に、エルビウムドープドファイバを用いたリングレーザによる波長可変光源も提案されている。これはエルビウムドープドファイバ（ＥＤＦ）及びこれを励起するファイバアンプをゲイン媒体として用い、その光ファイバループの間に波長可変型のバンドパスフィルタを設けて、このバンドパスフィルタの波長を変化させることによって波長可変光源を得るようにしたものである。この場合には光ファイバループの共振器長を例えば３０ｍと長くできるため、縦モード間隔を狭くすることができる。そのため共振器長を変化させることなく、モードホップの影響をなくすることができる。従って厳密には単一モード発振ではないが、バンドパスフィルタの選択波長を変化させるだけで、擬似的に連続して波長可変を行うことができる。
YAMASHITA ET AL., IEEE JOURAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.7, NO.1 JANUARY/FEBRUARY 2001, PP41〜43
YAMASHITA ET AL., IEEE JOURAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.7, NO.1 JANUARY/FEBRUARY 2001, PP41〜43
波長可変光源を分析装置の光源として用いる場合には、高速で波長を変化させること、及び発振スペクトルの幅を狭くすることが必要であり、これに応じた特性がバンドパスフィルタにも要求される。例えば光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）において、高速の波長走査が利用可能になると、高速の画像処理、血流観測、酸素飽和濃度の変化等の動的な解析が可能となるので、このような装置が要求されている。しかし画像表示フレームレートに追従するような高速の走査が可能な波長レーザ光源は存在しなかった。
従来のフィルタ技術では高速の波長可変特性と、高いＱ値を同時に得ることが難しかった。例えば光音響光学効果（ＡＯ）を利用した波長可変フィルタでは、透過波長以外での抑圧比が十分でなく、安定した発振ができないという欠点があった。又バンドパスフィルタとしてピエゾ素子を用いてファブリペローエタロンを形成した場合には、波長可変速度が数Ｈｚ以下と遅く、ヒステリシスがあるという問題点があった。又バンドパスフィルタに回折格子を用いる場合には、光軸の調整が難しく、高価になるという欠点があった。更にバンドパスフィルタとして光干渉フィルタを用いたものも考えられるが、フィルタを一度通過させるだけではフィルタのＱが低く、あまりスペクトルを狭くすることができないという欠点があった。
本発明はこのような欠点を解消するため成されたもので、狭帯域のスペクトルを持つ光源の波長を広い帯域で高速、且つ連続的に走査できるようにした波長走査型のファイバレーザ光源を提供することを目的とする。
この課題を解決するために、本発明の波長走査型ファイバレーザ光源は、レーザ発振の光路となる光ファイバループと、前記光ファイバループに接続され、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、前記光ファイバループより複数の光を分岐すると共に、分岐光と同一の光路で光を前記光ファイバループに戻す光分岐入射部と、前記光分岐入射部で分岐された複数の分岐光が与えられ、夫々同一の波長を連続的に可変させつつ選択し、選択した波長の光を同一の光路で光分岐入射部に与える波長可変光フィルタと、前記光ファイバループに接続され、前記光ファイバループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、を具備し、前記波長可変フィルタは、前記分岐入射部より得られる光ビームの反射角度を一定範囲で周期的に変化させる光ビーム偏向部と、前記光ビーム偏向部で偏向された光が入射され、入射角と同一方向に入射角に応じて変化する選択波長の光を反射する回折格子と、を具備することを特徴とする。
ここで前記光分岐入射部は、夫々２つの端子が前記光ファイバループに接続された第１，第２の３ポート型光サーキュレータとしてもよい。
ここで前記光分岐入射部は、前記光ファイバループに接続された４ポート型光サーキュレータであり、第１の端子及び第４の端子が光ファイバループに接続され、第２及び第３の端子が夫々並列に前記波長可変フィルタに接続されているようにしてもよい。
ここで前記光分岐入射部は、前記光ファイバループに接続された第１の光サーキュレータと、前記光学カップラの出射側に接続され、出射された光の一部を分岐して前記波長可変フィルタに入射する第２の光サーキュレータと、を有するようにしてもよい。
この課題を解決するために、本発明の波長走査型ファイバレーザ光源は、レーザ発振の光路となる光ファイバループと、前記光ファイバループに接続され、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、前記光ファイバループより光を分岐すると共に、分岐光と同一の光路で光を前記光ファイバループに戻す光分岐入射部と、前記光分岐入射部で分岐された分岐光が与えられ、波長を連続的に可変させつつ選択し、選択した波長の光を同一の光路で光分岐入射部に与える波長可変光フィルタと、前記光ファイバループに接続され、前記光ファイバループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、を具備し、前記波長可変フィルタは、前記光分岐入射部より得られる光ビームを反射し、軸を中心として一定範囲でその反射角度を周期的に変化させる光ビーム偏向部と、前記光ビーム偏向部で偏向された光が第１の光路を通って入射され、入射角に応じて変化する選択波長の光を前記光ビーム偏向部の軸からみて同一方向に前記第１の光路とは異なる第２の光路を通って反射する回折格子と、前記第２の光路を通って前記光ビーム偏向部で反射され、第３の光路を通って入射された光を第３の光路に折り返し反射するミラーと、を具備することを特徴とする。
ここで前記光ファイバループは、偏波面保存型の光ファイバを含んで構成するようにしてもよい。
ここで前記ゲイン媒体は、前記光ファイバループの一部を構成する光ファイバ増幅器としてもよい。
ここで前記ゲイン媒体は、光を増幅する半導体光増幅器としてもよい。
ここで前記光ファイバループには、光ファイバループを通過する光の偏波方向を一定方向に規定する偏波コントローラを更に有するようにしてもよい。
ここで前記波長可変フィルタの光ビーム偏向部は、前記光ファイバより出射される光軸上に配置され、回転によって光の反射角を変化させる複数の反射面を有するポリゴンミラーと、前記ポリゴンミラーを回転させて光の反射角度を制御する駆動部と、を有するようにしてもよい。
ここで前記波長可変フィルタの光ビーム偏向部は、前記光ファイバより出射される光軸上に配置され、回転によって光の反射角を変化させるミラーと、前記ミラーを一定の角度範囲で回動させるガルバノメータと、を有するようにしてもよい。
ここで前記波長可変フィルタは、前記光ビーム偏向部で偏向された光ビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダを更に有し、前記ビームエキスパンダは選択波長が短くなるに従って拡大率を大きくするようにしてもよい。
ここで前記ビームエキスパンダは、前記光ファイバより得られる光ビームのビーム径を拡大し、前記光ビーム偏向部の前に配置された第１のビームエキスパンダと、前記第１のビームエキスパンダから得られる光ビームのビーム径を拡大する第２のビームエキスパンダとを有するようにしてもよい。
このような特徴を有する本発明によれば、光ファイバループをレーザ発振の光路として用いることによって光路長を長くし、波長可変フィルタで発振波長を変化させる。波長可変フィルタは光ビーム偏向部で光を偏向し、回折格子に入射する。回折格子は入射角に応じて波長が変化するフィルタとして用い、入射光と同一方向に光を反射させる。こうすれば波長可変フィルタが光路の一部を構成することとなり、フィルタの選択波長によって発振波長を決めることができる。そして回折格子への入射角を連続的に変化させ、波長可変フィルタの選択波長を連続的に変化させることにより、発振波長を変化させることができる。この光ビーム偏向部の偏向速度を十分高くすることによって、高速で波長走査を行うことができる。この回折格子に同一方向より複数回光を入射することにより、高速で波長を走査しても選択幅を狭く保ち、挟帯域のレーザ光を得ることができるという効果が得られる。
図１は本発明の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源の構成を示す図である。本実施の形態の波長走査型ファイバレーザ光源１０は光ファイバ１１を含んでループを形成している。このループの一部に、ゲイン媒体１２、光サーキュレータ１３，１４、光カップラ１５及び偏波コントローラ１６を設ける。ゲイン媒体１２は、光ファイバループの一部に設けられるエルビウムイオン（Ｅｒ３＋）を添加したエルビウムドープドファイバ１７と、このエルビウムドープドファイバ１７にポンプ光を入射するファイバ励起用の半導体レーザ１８、及びＷＤＭカップラ１９を有している。この光ファイバループは、例えば３０〜５０ｍの長さを有するものとする。この励起用半導体レーザ１８は例えば１４８０ｎｍや９８０ｎｍの波長が用いられ、エルビウムドープドファイバ１７を透過する光を増幅するものである。光サーキュレータ１３，１４は、光ファイバ１１を透過する光の方向を図示のように矢印方向に規制する第１，第２の３ポート型のサーキュレータであって、光分岐入射部を構成している。光サーキュレータ１３の端子１３ａ，１３ｃが光ファイバループに接続されており、端子１３ａから入射した光は光サーキュレータの端子１３ｂより出射される。又光サーキュレータ１３ｂより入射した光は端子１３ｃより出射される。端子１３ｃより入射した光は端子１３ａより出射される。光サーキュレータ１４の端子１４ａ，１４ｃが光ファイバループに接続されており、端子１４ａから入射した光は光サーキュレータの端子１４ｂより出射される。又光サーキュレータ１４ｂより入射した光は端子１４ｃより出射される。端子１４ｃより入射した光は端子１４ａより出射される。又光カップラ１５は光ファイバループの光の一部を抽出するものである。偏波コントローラ１６は、光ファイバループを透過する光の偏波方向を一定方向に規定するものである。
光サーキュレータ１３の端子１３ｂは、光ファイバ２１を介して図示のようにコリメートレンズ２２に接続される。光サーキュレータ１４の端子１４ｂは、光ファイバ２３を介して図示のようにコリメートレンズ２４に接続される。コリメートレンズ２２，２４は夫々光ファイバ２１，２３からの光を平行光とするもので、その光軸上には平面状のポリゴンミラー２５が設けられる。ポリゴンミラー２５は駆動部２６によって紙面に垂直な軸に沿って回転するものであって、ポリゴンミラーの面で反射した光は回折格子（グレーティング）２７に入射される。回折格子２７は一定のピッチで連続して断面のこぎり波形状の面が形成された格子である。そしてこの実施の形態では、リトロー配置によって入射方向が変わっても、入射光は同じ光路を通って投射方向に戻るように構成されている。そして入射角度によって選択波長が変化する。ここで選択波長は例えば１５５０〜１６００ｎｍの範囲とする。ここでポリゴンミラー２５と駆動部２６とは、光ビームの角度を一定範囲で周期的に変化させる光ビーム偏向部を構成している。この光ビーム偏向部と回折格子２７によって波長可変光フィルタを構成している。
図２はコリメートレンズとポリゴンミラー及び回折格子の関係を示す斜視図である。本図に示すように、ポリゴンミラー２５の回転軸をＹ軸とすると、コリメートレンズ２２と２４から照射される光はＹ軸方向に隣接させるように照射することが好ましい。これによって回折格子２７に同一の角度で入射されることとなり、その波長選択特性が一致する。こうすればポリゴンミラー２５と回折格子２７とのＹ軸方向の幅を適宜選択しておくことによって、コリメートレンズ２２，２４を通過する光の波長選択特性を同一に保つことができる。
ここでリトロー配置について説明する。回折格子に対する光ビームの入射角をγ、反射角をδとすると、以下の式によって回折光が得られる。
Λ（sinγ＋sinδ）ｋλ ・・・（１）
ここでｋは次数であり、０，±１，±２・・・の値となる。さて回折光にはリトロー配置とリットマン配置とがある。リトロー配置では−１次の回折光と入射光の角度が等しい。従って（１）式においてγ＝δ−１とすると、（１）式より回折光の波長は次式で決定される。
λ＝２Λsinγ ・・・（２）
ここでΛはグレーティングのピッチ（μｍ）、即ち単位長さ当たりの格子線数ａ（本／ｍｍ）の逆数である。尚、リットマン配置では入射光と反射光の角度は一致していない。
Λ（sinγ＋sinδ）ｋλ ・・・（１）
ここでｋは次数であり、０，±１，±２・・・の値となる。さて回折光にはリトロー配置とリットマン配置とがある。リトロー配置では−１次の回折光と入射光の角度が等しい。従って（１）式においてγ＝δ−１とすると、（１）式より回折光の波長は次式で決定される。
λ＝２Λsinγ ・・・（２）
ここでΛはグレーティングのピッチ（μｍ）、即ち単位長さ当たりの格子線数ａ（本／ｍｍ）の逆数である。尚、リットマン配置では入射光と反射光の角度は一致していない。
光ファイバループの長さは回折格子によるバンドパスフィルタの半値全幅中に複数本の縦モードが含まれるような長さを選択することが必要である。この縦モードの本数は好ましくは１０本以上とし、更に好ましくは１００本以上とし、多いほど好ましい。但し縦モードを多くするためには光ファイバを長くする必要があり、実用的には数十ｍの長さの光ファイバが用いられる。
次にこの実施の形態の動作について説明する。前述した励起用の半導体レーザ１８を駆動し、ＷＤＭカップラ１９を介して光ファイバループをポンピングする。図３（ａ）はゲイン媒体１２の利得を示す。こうすれば光サーキュレータ１３の作用によって端子１３ａから加わった光が端子１３ｂより光ファイバ２１に入り、コリメートレンズ２２によって平行光となる。そしてポリゴンミラー２５の回転角度によって決まる角度で反射された光が回折格子２７に加わる。そして回折格子２７のリトロー配置によって選択された反射光がそのまま同一方向に反射され、ポリゴンミラー２５を介してコリメートレンズ２２に加わる。更にコリメートレンズ２２を介して光サーキュレータ１３より光ファイバループに加わる。更に光サーキュレータ１４の作用によって端子１４ａから加わった光が端子１４ｂより光ファイバ２３に入り、コリメートレンズ２４によって平行光となる。そしてポリゴンミラー２５の回転角度によって決まる角度で反射された光が回折格子２７に加わる。そして回折格子２７のリトロー配置によって選択された反射光がそのまま同一方向に反射され、ポリゴンミラー２５を介してコリメートレンズ２４に加わる。更にコリメートレンズ２４を介して光サーキュレータ１４より光ファイバループに加わる。又偏波コントローラ１６は光ファイバループを透過する光の偏波を一定方向に調整する。図３（ｂ）は光ファイバループの長さと光ファイバの屈折率で定まる光学長に応じて定まる外部共振縦モードを示している。例えばこの光学長を３０ｍとすると、約１０ＭＨｚの間隔の縦モードが存在する。図３（ｃ）は回折格子２７の特性Ｂ１を示している。コリメートレンズ２２，２４からポリゴンミラー２５を介して回折格子２７に２回光が加わって光が選択されるため、この特性Ｂ１を更に挟帯域とした特性を持つ波長で図４（ｄ）に示すように複数の縦モードを含んで多モード発振する。発振波長は例えば１５５０ｎｍとなる。こうして光ファイバループで発振したレーザ光の一部、例えばレーザ光の９０％のレベルの光を光カップラ１５を介して取り出す。尚、多モードの発振での光信号は光波長多重通信で伝送する際には問題となるが、分光分析や光ファイバセンシング、光部品評価などでは発振線幅（厳密には、多モード発振時スペクトルの包絡線の半値幅）が被測定対象の分解能より十分狭ければ、問題となるものではない。光ファイバ１１の長さは光フィルタの半値全幅内に複数本、好ましくは少なくとも１０本以上、更に好ましくは１００本以上のモードが立つような長さを選択しておくものとする。
そして駆動部２６によってポリゴンミラー２５を回動させる。こうすれば回折格子部２７への入射角度が変化し、これによって選択波長が図３（ｃ）のＢ１〜Ｂ２〜Ｂ３のように変化する。従ってポリゴンミラー２５を回動させることによって、図４に示すようにのこぎり波状に発振波長を変化させることができる。この場合に、駆動部２６によってポリゴンミラー２５を回転させることによって、選択波長を例えば５０ｎｍの範囲内で高速の走査速度で変化させることができる。例えばポリゴンミラー２５の回転速度を３万ｒｐｍとし、ポリゴンミラー２５の反射面数を１２とすると、１５．４ＫＨｚの走査速度でファイバレーザ光源の発振波長を変化させることができる。
この実施の形態による発振の場合には、図３（ｄ）に示すように多モードの状態の発振となる。ここで図３（ｂ）のように縦モードの間隔が極めて狭いので、波長可変時の発振モードの移動は包絡線状に連続であり、従来の単一モード発振の外部共振器型半導体レーザのようなモードホップとそれに伴う出力や波長の不安定な状態はなく、波長を連続的に可変できる。なお高速でスキャニングすると光が光ファイバループを１周する時間に応じてフィルタの中心波長が長波長側にシフトし、選択特性が拡大する。また抑圧されていた外部縦モードの発振する速度が追いつかないため、出力スペクトルが拡大する。しかしこの実施の形態では波長可変フィルタを２回通過させているので、高速でスキャニングしても帯域幅を狭く保つことができる。
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態は光ファイバループの部分については第１の実施の形態と同様であり、サーキュレータ１３，１４、光ファイバ２１，２２、コリメートレンズ２２，２４についても同様である。この実施の形態では、図５に示すようにコリメートレンズ２２，２４から出射される光の光ビーム径を拡大するようにしたものである。図５に示すようにコリメートレンズ２２，２４からの光ビームのビーム径をＷ１とすると、プリズム状のビームエキスパンダ３１によって光ビーム径がＷ２に拡大される。ポリゴンミラー２５で反射された光は更にビームエキスパンダ３２によってその光ビーム径がＷ３に拡大されて回折格子２７に加わる。これによって回折格子２７に入射される光の光ビーム径を拡大することができる。
図６はビームエキスパンダ３２と回折格子２７の部分を示す拡大図であり、ビームエキスパンダ３２の第１面への入射角をθ、屈折角をφ、ビームエキスパンダ３２の第２面に対する入射角をν、出射角をμとする。又ビームエキスパンダ３２のプリズムの頂角はαとし、回折格子２７に対して角度βの位置で配置されているものとする。この場合には図示のような屈折により、回折格子２７への入射角はβ＋νとなる。回折格子２７の選択波長λは次式で示される。
λ＝２Λsin（β＋ν） ・・・（３）
ここでΛは回折格子ピッチ（μｍ）であり、回折格子定数ａの定数（本／ｍｍ）の逆数である。又回折格子による選択波長の半値幅Δλは次式で与えられる。
Δλ＝λ２／｛２πＷtan（β＋ν）｝ ・・・（４）
ここでＷは回折格子２７に加わる光の光ビーム径であり、β＋νは回折格子に対する入射角である。式（３）より明らかなように入射角が大きくなれば選択波長が長く、入射角が小さくなれば短波長となる。そして入射角が大きくなれば図６に示されるように、回折格子の面上に投影される光ビーム径も大きくなるため、λ２はほぼ一定と考えると、半値幅Δλは短波長となるほど太くなる。
λ＝２Λsin（β＋ν） ・・・（３）
ここでΛは回折格子ピッチ（μｍ）であり、回折格子定数ａの定数（本／ｍｍ）の逆数である。又回折格子による選択波長の半値幅Δλは次式で与えられる。
Δλ＝λ２／｛２πＷtan（β＋ν）｝ ・・・（４）
ここでＷは回折格子２７に加わる光の光ビーム径であり、β＋νは回折格子に対する入射角である。式（３）より明らかなように入射角が大きくなれば選択波長が長く、入射角が小さくなれば短波長となる。そして入射角が大きくなれば図６に示されるように、回折格子の面上に投影される光ビーム径も大きくなるため、λ２はほぼ一定と考えると、半値幅Δλは短波長となるほど太くなる。
従って半値幅を一定とするためには、波長に応じて入射光の光ビーム径Ｗを変化させるようにすればよい。ビームエキスパンダ３１は元の入射光の光ビーム径Ｗ１をＷ２に拡大するものであり、ビームエキスパンダ３２はポリゴンミラー２５を介して得られる光ビーム径Ｗ２をＷ３に拡大するものである。この拡大された光ビーム径Ｗ２を前述した式（４）に代入することによって半値幅が決定される。ここでビームエキスパンダ３２による光ビーム径Ｗ３は拡大率をＭ２とすると、次式で与えられる。
Ｗ３＝Ｍ２Ｗ２ ・・・（５）
又この拡大率Ｍ２は次式で与えられる。
Ｍ２＝（cosφ・cosν）／（cosθ・cosμ） ・・・（６）
尚、ビームエキスパンダ３１においても同様にビーム径が拡大され、元の光ビーム径Ｗ１がＷ３に拡大される。
Ｗ３＝Ｍ２Ｗ２ ・・・（５）
又この拡大率Ｍ２は次式で与えられる。
Ｍ２＝（cosφ・cosν）／（cosθ・cosμ） ・・・（６）
尚、ビームエキスパンダ３１においても同様にビーム径が拡大され、元の光ビーム径Ｗ１がＷ３に拡大される。
図７はこれらの角度の変化と波長変化を示す図である。図８はこの図に基づいて作成したビームエキスパンダ３２を用いたときの半値幅（線分Ａ）の波長に対する変化と、ビームエキスパンダ３２を用いずそのまま光ビームをポリゴンミラー２５を介して回折格子に入射したときの半値幅（線分Ｂ）の波長に対する変化を示すグラフである。尚このグラフでは半値幅をΔｆ（ＧＨｚ）として表示している。図８より明らかなように、ビームエキスパンダを用いてその角度を適宜設定しておくことによって、図示のように選択波長にかかわらず半値幅をほぼ一定に保つことができる。
図９は本発明の第３の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す図である。この実施の形態においては、３ポート型の２つの光サーキュレータに代えて、４ポート型の光サーキュレータを光分岐入射部として用いたものである。４ポート型の光サーキュレータ４１は端子４１ａ，４１ｄが光ファイバループに接続されており、端子４１ａから入射した光は光サーキュレータの端子４１ｂに出射される。又端子４１ｂより入射した光は端子４１ｃより出射される。端子４１ｃより入射した光は端子４１ｄより出射される。端子４１ｄより入射した光は端子４１ａより出射される。このため第１の実施の形態の２つの光サーキュレータ１３，１４に代えて、４ポート型の光サーキュレータ４１を光分岐入射部として用いることができる。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。この場合にもポリゴンミラー２５を図示のように紙面に垂直な軸に沿って回転させることによって、反射角度を変化させ、発振波長のスキャニングができる。
図１０は本発明の第４の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す図である。この実施の形態では光ファイバループには前述した３ポート型の光サーキュレータ１３のみを挿入する。又光カップラ１５の出力側に第３の光サーキュレータ５１を配置したものである。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。即ち光カップラ１５より光ループを回る一部の光を取り出して光ファイバ２３を介してコリメータ２４に入射する。これによって第１の実施の形態と同一の効果を得ることができる。
尚、この実施の形態においては第１の実施の形態と同様に２つのサーキュレータ１３，１４に更に光サーキュレータ５１を用いてもよい。又第３の実施の形態のように４ポート型の光サーキュレータ４１に加えて更に光サーキュレータ５１を用いてポリゴンミラーに入射するようにしてもよい。この場合には３本の光を平行にポリゴンミラー２５と回折格子２７に入射することによって波長選択性を高めることができる。
図１１は本発明の第５の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す図である。この実施の形態では光ファイバループの一部にゲイン媒体として半導体光増幅器（ＳＯＡ）６１を用いる。ファイバループには通常の光ファイバ１１のみでループを形成する。又偏波コントローラとして１６ａ，１６ｂを挿入する。その他の構成は第１の実施の形態と同様に、光サーキュレータ１３，１４を介して光ファイバ２１，２３、コリメートレンズ２２，２４、ポリゴンミラー２５及び回折格子２７を接続する。こうすれば回折格子２７への入射角に対応した波長で、前述した実施の形態と同様に発振が得られる。そしてポリゴンミラー２５を回動させることによって、高速で発振波長を変化させることができる。この実施の形態においても、ビームエキスパンダを用いて入射角度に応じて光軸の幅を変化させることによって、半値幅の変化を抑えることができる。尚ゲイン媒体としては、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、ファブリペロー半導体レーザ（ＦＰＬＤ）、又はスーパールミネッセントレーザダイオード（ＳＬＤ）等を用いることができる。
図１２は本発明の第６の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す図である。この実施の形態では光ファイバループに偏波面保存型光ファイバ７１を用いてファイバレーザ光源のループを形成したものである。この実施の形態でも第５の実施の形態と同様にゲイン媒体として半導体光増幅器６１を用いる。又光サーキュレータ１３，１４、光カップラ１６を用いることも前述の実施の形態と同様である。この実施の形態では、偏波面保存型光ファイバ７１を用いるため、ループを回って発振する光の偏波面は所定方向に一定となる。その他の構成は前述した実施の形態と同様であり、比較的簡単な構成で同様の効果が得られる。
次に本発明の第７の実施の形態について図１３を用いて説明する。この実施の形態では光ビーム偏向部として平板型のミラー８１とこれを回動するガルバノメータ８２を用いたものである。ガルバノメータは一定の角度で平板型のミラー８１を回動させる。こうすればポリゴンミラーと用いた場合と同様に光ビームを偏向させることができ、波長を変化させることができる。この場合には時間に対する波長の変化はのこぎり波状でなく、三角波状となるが、同様に高速走査が実現できる。
次に本発明の第８の実施の形態について図１４，１５を用いて説明する。この実施の形態では光分岐部として光サーキュレータ１３のみを用い、光サーキュレータ１３から出射された光をコリメートレンズ２２に入射する。コリメートレンズ２２、ポリゴンミラー２５及び回折格子２７の構成、配置は第１の実施の形態と同様である。図１５はこの状態を示す斜視図である。この実施の形態では第１の実施の形態に比べてコリメートレンズ２２よりポリゴンミラー２５に出射する光の光路をＹ軸に垂直な平面からわずかに傾けておく。そしてポリゴンミラー２５で反射された光の光路を第１の光路Ｌ１とすると、光路Ｌ１を通じて回折格子２５に光を入射する。回折格子２７は選択した波長の光を第１の光路とは異なる第２の光路Ｌ２に向けて反射する。第１，第２の光路Ｌ１，Ｌ２は図１４に示すＹ軸に垂直な面内では同一の光路となる。このとき図１５に示すようにポリゴンミラー２５に入射される光のスポット９１，９２はＹ軸に沿ったものとする。こうすれば図１４で示すＹ軸に垂直な面から見ると前述したリトロー配置となっている。さて第２の光路Ｌ２を通じてポリゴンミラー２５に入射した光は反射されて、第３の光路Ｌ３を介してミラー９３に入射する。ミラー９３は入射した光をそのまま第３の光路Ｌ３を介してポリゴンミラー２５に反射するものである。こうすればポリゴンミラー２５で反射された光は再び第２の光路Ｌ２を介して回折格子２７に入射される。再び選択された波長が第１の光路Ｌ１を介してポリゴンミラー２５に入射する。そしてこの光は入射光と同一経路を通ってコリメートレンズ２２より光ファイバ２１に戻る。こうして光が光ファイバループに戻される。尚ポリゴンミラー２５の回転に伴って第１，第２の光路Ｌ１，Ｌ２は変化するが、第３の光路Ｌ３は変化しない。その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様である。この場合にも回折格子に入射された光が２回反射されるため、波長選択性を向上させることができる。
尚前述した各実施の形態では、光ビーム偏向部としてガルバノミラーやポリゴンミラーを用いているが、反射角度を高速で変化させるものであればよく、これらの構成に限定されるものではない。
本実施の形態では２つの光サーキュレータを用いてこれを同時にポリゴンミラー等の光ビーム偏向部に入射するようにしているが、３以上の光サーキュレータを用いて同様にしてこれらの光を平行にして光ビーム偏向部に入射するようにしてもよい。こうすれば同一の波長可変フィルタを用いることにより、更に波長選択性を高めることができる。
本発明は回折格子を用いて比較的簡単な構成で高速で波長が変化するレーザ光源を得ることができる。従って医療用の分析機器、例えば表皮下層の高分解能医用画像診断装置に適用することが可能となる。又ファイバグレーティングセンサを用いて歪みの計測をする場合に、本発明の波長走査型ファイバレーザ光源を光源として用いることができる。
１０ 波長走査型ファイバレーザ光源
１１ 光ファイバ
１２ ゲイン媒体
１３，１４，４１，５１ 光サーキュレータ
１５ 光カップラ
１６ 偏波コントローラ
１７ エルビウムドープドファイバ
１８ 半導体レーザ
１９ ＷＤＭカップラ
２１，２３ 光ファイバ
２２，２４ コリメートレンズ
２５ ポリゴンミラー
２６ 駆動部
２７ 回折格子
３１，３２ ビームエキスパンダ
６１ 半導体光増幅器
７１ 偏波面保存型光ファイバ
８１ ミラー
８２ ガルバノメータ
９１，９２ スポット
９３ ミラー
１１ 光ファイバ
１２ ゲイン媒体
１３，１４，４１，５１ 光サーキュレータ
１５ 光カップラ
１６ 偏波コントローラ
１７ エルビウムドープドファイバ
１８ 半導体レーザ
１９ ＷＤＭカップラ
２１，２３ 光ファイバ
２２，２４ コリメートレンズ
２５ ポリゴンミラー
２６ 駆動部
２７ 回折格子
３１，３２ ビームエキスパンダ
６１ 半導体光増幅器
７１ 偏波面保存型光ファイバ
８１ ミラー
８２ ガルバノメータ
９１，９２ スポット
９３ ミラー
Claims (13)
- レーザ発振の光路となる光ファイバループと、
前記光ファイバループに接続され、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、
前記光ファイバループより複数の光を分岐すると共に、分岐光と同一の光路で光を前記光ファイバループに戻す光分岐入射部と、
前記光分岐入射部で分岐された複数の分岐光が与えられ、夫々同一の波長を連続的に可変させつつ選択し、選択した波長の光を同一の光路で光分岐入射部に与える波長可変光フィルタと、
前記光ファイバループに接続され、前記光ファイバループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、を具備し、
前記波長可変フィルタは、
前記光分岐入射部より得られる光ビームの反射角度を一定範囲で周期的に変化させる光ビーム偏向部と、
前記光ビーム偏向部で偏向された光が入射され、入射角と同一方向に入射角に応じて変化する選択波長の光を反射する回折格子と、を具備することを特徴とする波長走査型ファイバレーザ光源。 - 前記光分岐入射部は、夫々２つの端子が前記光ファイバループに接続された第１，第２の３ポート型光サーキュレータであることを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
- 前記光分岐入射部は、前記光ファイバループに接続された４ポート型光サーキュレータであり、第１の端子及び第４の端子が光ファイバループに接続され、第２及び第３の端子が夫々並列に前記波長可変フィルタに接続されていることを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
- 前記光分岐入射部は、
前記光ファイバループに接続された第１の光サーキュレータと、
前記光学カップラの出射側に接続され、出射された光の一部を分岐して前記波長可変フィルタに入射する第２の光サーキュレータと、を有することを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。 - レーザ発振の光路となる光ファイバループと、
前記光ファイバループに接続され、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、
前記光ファイバループより光を分岐すると共に、分岐光と同一の光路で光を前記光ファイバループに戻す光分岐入射部と、
前記光分岐入射部で分岐された分岐光が与えられ、波長を連続的に可変させつつ選択し、選択した波長の光を同一の光路で光分岐入射部に与える波長可変光フィルタと、
前記光ファイバループに接続され、前記光ファイバループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、を具備し、
前記波長可変フィルタは、
前記光分岐入射部より得られる光ビームを反射し、軸を中心として一定範囲でその反射角度を周期的に変化させる光ビーム偏向部と、
前記光ビーム偏向部で偏向された光が第１の光路を通って入射され、入射角に応じて変化する選択波長の光を前記光ビーム偏向部の軸からみて同一方向に前記第１の光路とは異なる第２の光路を通って反射する回折格子と、
前記第２の光路を通って前記光ビーム偏向部で反射され、第３の光路を通って入射された光を第３の光路に折り返し反射するミラーと、を具備することを特徴とする波長走査型ファイバレーザ光源。 - 前記光ファイバループは、偏波面保存型の光ファイバを含んで構成したことを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
- 前記ゲイン媒体は、前記光ファイバループの一部を構成する光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
- 前記ゲイン媒体は、光を増幅する半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
- 前記光ファイバループには、光ファイバループを通過する光の偏波方向を一定方向に規定する偏波コントローラを更に有することを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
- 前記波長可変フィルタの光ビーム偏向部は、
前記光ファイバより出射される光軸上に配置され、回転によって光の反射角を変化させる複数の反射面を有するポリゴンミラーと、
前記ポリゴンミラーを回転させて光の反射角度を制御する駆動部と、を有することを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。 - 前記波長可変フィルタの光ビーム偏向部は、
前記光ファイバより出射される光軸上に配置され、回転によって光の反射角を変化させるミラーと、
前記ミラーを一定の角度範囲で回動させるガルバノメータと、を有することを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。 - 前記波長可変フィルタは、
前記光ビーム偏向部で偏向された光ビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダを更に有し、
前記ビームエキスパンダは選択波長が短くなるに従って拡大率を大きくするものであることを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。 - 前記ビームエキスパンダは、
前記光ファイバより得られる光ビームのビーム径を拡大し、前記光ビーム偏向部の前に配置された第１のビームエキスパンダと、
前記第１のビームエキスパンダから得られる光ビームのビーム径を拡大する第２のビームエキスパンダとを有することを特徴とする請求項１２記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
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