JP2006332500A - レーザー光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザー素子から出射される光線の波長が安定しない場合でも回折格子により安定的に共振出力を得る。
【解決手段】 半導体レーザー素子ＬＤからのレーザー光を第１光ファイバーＦ１でＦＢＧに導いて共振出力し、このＦＢＧからのレーザー光を第２光ファイバーＦ２でＰＰＬＮに導く導波系を形成する。半導体レーザー素子ＬＤの光出射面３６の反射率を１％未満に設定することにより共振出力を安定させた。
【選択図】 図５

Description

本発明は、光出射面と光反射面とを有したレーザー素子の光出射面から出射される光線を回折格子により共振出力し、この共振出力による光線の波長を波長変換素子によって変換して送り出すレーザー光源装置に関する。

上記のように構成された、レーザー光源装置と類似するものして特許文献１に記載されるものが存在する。この特許文献１では、半導体発光素子からの光を光ファイバーに導き、この光ファイバーに回折格子を設けることにより共振出力系を構成している。半導体発光素子は活性領域を挟む位置に光反射面と光射出面とを形成した構造であり、光射出面の反射率を１％以下に設定している。

この特許文献１に示す半導体発光素子のように活性領域を挟む位置に光反射面と光射出面とを形成した構造のものでは、活性領域で発生した光が光出射面から完全に出射されず、光反射面との間で往復増幅され、微弱なレーザー光として余分に出力される結果、所望とするレーザー光の発振状態が余分なレーザー光の影響を受け、注入電流−光出力の特性に非直線領域を生ずる。この不都合を解消するために光射出面の反射率を１％以下に設定することにより、光出射面と光反射面との間で往復する光を低減し、余分なレーザー光を抑制している。

特開平９‐２８３８４７号公報 （段落番号〔０００３〕、〔００１７〕〜〔００２０〕、図１）

３原色となるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３種のレーザービームを用いて露光を行う露光ユニットを備えた写真プリント装置を例に挙げると、この種の露光ユニットでは、３原色となる各波長のレーザービームを必要とするため、従来は、Ｒ（赤）として半導体レーザー光源を使用し、Ｇ（緑）及びＢ（青）として半導体レーザー励起固体レーザー光源からのレーザー光の第２高調波を使用していた。

しかしながら、半導体レーザー励起固体レーザー光源は部品数が多く、コスト高であるため、半導体レーザー素子のように比較的安価なレーザー素子から出射される光線を回折格子により共振出力し、この共振出力による光線の波長を波長変換素子によって変換して送り出すレーザー光源装置の使用が考えられている。回折格子を用いた共振出力としてファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating））を想定し、波長変換素子としてＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）素子を想定すると、ＰＰＬＮで高出力を得るためには、このＰＰＬＮに入力する光線は安定した波長であることが望ましい。

前記ＦＢＧでの共振形態を考えると、レーザー素子と、光ファイバーと、ＦＢＧとを含む系によって共振系が形成されると考えられる。また、安定した共振を得るためにはＦＢＧの中心波長とレーザー素子の発振波長とを高い精度で一致させる必要があり、目標とする波長を得るために、従来は、ペルチェ素子等を用いてレーザー素子の温度調節を行っていた。

因みに、ＦＢＧの中心波長とレーザー素子の発振波長とが数ｎｍ異なっている場合には共振が不安定となり、ＦＢＧの中心波長とレーザー素子の発振波長とが１０ｎｍ異なっている場合には適正な共振出力を得がたく、また、レーザー素子で目標とする波長のレーザー光を得るためには、数度以内の精度での温度調節を必要とするものであった。

本発明の目的は、レーザー素子から出射される光線の波長が安定しない場合でも回折格子により安定的に共振出力を得るレーザー光源装置を構成する点にある。

本発明の特徴は、光出射面と光反射面とを有したレーザー素子の光出射面から出射される光線を回折格子により共振出力し、この共振出力による光線の波長を波長変換素子によって変換して送り出すレーザー光源装置において、
前記出射面の光線の反射率を１％未満に設定することにより前記共振出力の安定化を図っている点にある。

レーザー素子と、光ファイバーと、ＦＢＧとを含む共振系について様々な実験を行った結果、レーザー素子の光出射面の光線の反射率を低下させることが効果的であることを見いだした。この実験の結果、レーザー素子の光出射面の光線の反射率を１％未満に設定することにより、導体レーザー素子の波長と、ＦＢＧの波長とのズレが大きくとも安定した共振を得ることが可能になる。その結果、レーザー素子から出射される光線の波長が安定しない場合でも回折格子により安定的に共振出力を得るレーザー光源装置が合理的に構成された。

前述した実験の具体例として、図６に示すように、レーザー素子として半導体レーザー素子を用い、回折格子を用いた共振系として光ファイバーによってＦＢＧに導く構造のものを用い、半導体レーザー素子の光出射面の反射率を０．１％・０．５％・２．０％に設定した場合において、導体レーザー素子の波長と、ＦＢＧの波長とのズレの許容量が±１３．３ｎｍ・±１０．１ｎｍ・±６．４ｎｍとなり、反射率が２．０％・０．５％との境界（１．０％程度）を基準として、その基準より低い反射率であるものにおいて共振性能が顕著に向上することが分かる。

本発明は、前記レーザー素子が半導体レーザー素子であり、前記半導体レーザー素子からの光線を光ファイバーを介して前記回折格子としてのファイバー・ブラッグ・グレーティングに導くことにより共振出力を行うように構成しても良い。

この構成により、安価な半導体レーザー素子を用い、比較的構造が簡単なファイバー・ブラッグ・グレーティンによる回折格子による共振が実現する。

本発明は、前記半導体レーザー素子が近赤外線を発振し、前記波長変換素子が第２高調波により近赤外線を可視光線に変換する光導波路を有した非線形光学結晶で構成されると共に、
前記半導体レーザー素子と、前記ファイバー・ブラッグ・グレーティングとの間における前記光ファイバーの導波距離を５００ｍｍ〜１５００ｍｍ以上に設定し、前記ファイバー・ブラッグ・グレーティングと非線形光学結晶との間の導波距離を２５０ｍｍ以上に設定しても良い。

この構成により、干渉や不要な共振が発生せず偏光も安定した光出力が得られた。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、感光材料としての銀塩式の印画紙Ｐを搬送機構Ｃによって副走査方向（同図において上方向）に搬送するとともに、この搬送時に搬送速度と同期したタイミングで印画紙Ｐに対して前記副走査方向と直交する水平方向となる主走査方向Ｘにライン状にレーザービームＬＢによって露光を行う露光ユニットＵが構成されている。同図に示す露光ユニットＵは、デジタルミニラボと称せされる写真プリント装置に備えられるものである。

前記露光ユニットＵは、密封構造となるアルミニウム合金等の軽金属合金のハウジング１に対して、レーザービームＬＢ（後述するレーザービームＬＢｒ、ＬＢｇ、ＬＢｂの上位概念）を送り出す開口部に防塵ガラス２を備え、ハウジング１の内部に３種のレーザー光源装置Ａ（後述する３種のレーザー光源装置Ａｒ、Ａｇ、Ａｂの上位概念）と、夫々のレーザー光源装置ＡからのレーザービームＬＢを主走査方向に走査する形態で送り出す光学系とを備えている。

前記搬送機構Ｃは一対の駆動ローラ５、５と、この駆動ローラ５、５に圧着する方向に付勢された従動ローラ６、６と、一対の駆動ローラ５、５夫々を無端ベルト７によって駆動する搬送モータ８を備えている。この搬送機構Ｃでは、駆動ローラ５、５と従動ローラ６、６とで印画紙Ｐを圧着して設定速度で搬送するものであるが、この搬送機構Ｃの構造はこれに限るものではない。

前記レーザー光源装置Ａとして、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色に対応して３種のレーザー光源装置Ａｒ、Ａｇ、Ａｂを備えており（詳細は後述する）、前記光学系としてレーザー光源装置からのレーザービームＬＢｒ、ＬＢｇ、ＬＢｂの強度（光量）を調節する音響光学式の変調器（ＡＯＭ：Acoust Optical Modulator）１０ｒ、１０ｇ、１０ｂと、レーザービームＬＢｒ、ＬＢｇ、ＬＢｂを反射するビームミラー１１ｒ、１１ｇ、１１ｂと、このビームミラー１１ｒ、１１ｇ、１１ｂからのレーザービームＬＢｒ、ＬＢｇ、ＬＢｂが導かれるアルミニウム等の軽合金製のポリゴンミラー１２と、このポリゴンミラー１２を回転駆動する電動モータ１３と、ポリゴンミラー１２で反射されたレーザービームＬＢを露光位置の印画紙Ｐに導くｆθレンズ群１４と、ポリゴンミラー１２からのレーザービームＬＢが走査端に達したタイミングをタイミングミラー１５で反射されたレーザービームＬＢから取得する同期センサ１６とを備えている。

前記ポリゴンミラー１２は、縦向き姿勢の軸芯Ｙに沿う方向視で正多角形となる外周面を平坦な鏡面となる複数のミラー１２ｍを形成している。前記ｆθレンズ群１４は複数のシリンドリカルレンズで成り、ポリゴンミラー１２の回転によって主走査方向に等角度走査（一定の角速度で走査）されるレーザービームＬＢを、印画紙Ｐの感光面上で等速走査（一定の線速度で走査）するように機能する。

この構成により、印画紙Ｐに対して露光ユニットＵで画像情報の露光を行う際には、１フレームのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色の画像情報を、半導体メモリ（図示せず）の３つの記憶領域に対して８ビットの濃度情報を有するビットマップ構造として展開する処理を予め行った後に、設定された周波数の間歇信号により電動モータ１３を駆動してポリゴンミラー１２を回転させ、この回転と同期した速度で前記搬送機構Ｃによって印画紙Ｐの搬送を開始する。

この後、印画紙Ｐの先端が露光可能な位置に達すると、前記同期センサ１６からの同期信号に基づいたタイミング毎に、半導体メモリに展開したＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）夫々の画像情報から走査方向に沿うライン領域の情報を読み出し、Ｄ／Ａ変換を行い、対応する前記変調器１０ｒ、１０ｇ、１０ｂを駆動することにより、レーザービームＬＢの光量を調節し、このレーザービームＬＢによって主走査方向にライン状の露光を行うことにより１フレームの画像情報の露光が行われる。

前記Ｒ（赤）のレーザー光源装置Ａｒは、半導体レーザー素子（図示せず）からのレーザービームを直接的に送り出す半導体レーザー型に構成されている。前記Ｇ（緑）とＢ（青）とのレーザー光源装置Ａｇ、Ａｂは半導体レーザー素子からの光線を回折格子で共振出力し、波長変換素子で波長を変換して送り出すように構成されている。このＧ（緑）とＢ（青）とのレーザー光源装置Ａｇ、Ａｂの構成は基本的に変わるものではなく、その構成の詳細を以下に説明する。

レーザー光源装置Ａｇ、Ａｂ（以下、レーザー光源装置Ａと称する）は、図２〜図４に示すように、ケース本体２１と蓋状のカバー２２とで密封構造となるケース内部に、レーザー素子としての半導体レーザー素子ＬＤ（レーザーダイオード）と、この半導体レーザー素子ＬＤからのレーザー光を第１光ファイバーＦ１で前記回折格子として機能するファイバー・ブラッグ・グレーティングＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）に導いて共振出力し、このＦＢＧからのレーザー光を第２光ファイバーＦ２で前記波長変換素子としてのＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）（非線形光学結晶の一例）に導く。

このレーザー光源装置Ａでは、前記半導体レーザー素子ＬＤとして近赤外線を発振するものが使用されている。前記ＰＰＬＮは非線形光学結晶の一例であり、第２高調波によって近赤外線を可視光線に変換する光導波路を備えた構造を有している。

前記ＰＰＬＮにおいて設定波長（Ｇ（緑）又はＢ（青））に変換されたレーザービームＬＢはコリメートレンズ２３、赤外光除去フィルタ２４、ビームスプリッタ２５、集光レンズ２６を介して送り出される。

前記コリメートレンズ２３はＰＰＬＮからのレーザービームＬＢを平行化し、集光レンズ２６は平行化したレーザービームＬＢを集光する。前記ビームスプリッタ２５は、レーザービームＬＢの一部の光線を分岐する機能を有するものであり、このビームスプリッタ２５で分岐したレーザービームは光量センサＳで光量が計測され、半導体レーザー素子ＬＤによる光量を目標値に維持する制御のためにフィードバックされる。

前記半導体レーザー素子ＬＤと、ＦＢＧとの調温が可能な位置にペルチェ素子で成る調温プレート３１が配置され、この調温プレート３１での温度調節により半導体レーザー素子ＬＤと、ＦＢＧとが目標温度に維持される。前記第１光ファイバーＦ１と第２光ファイバーＦ２とはケース本体２１に形成された環状の溝２１Ｇにループ状に収容される。

前記ＰＰＬＮは、ステンレス等の金属で成る素子ホルダ３２の上面の溝部３２Ｇに嵌め込む形態で配置され、この素子ホルダ３２の下部には温調用のペルチェ素子で成る調温プレート３３を配置している。

前記半導体レーザー素子ＬＤ、第１光ファイバーＦ１、ＦＢＧ、第２光ファイバーＦ２、ＰＰＬＮによる導波系の概要を図５のように示している。前記半導体レーザー素子ＬＤには光反射面３５と光出射面３６とが形成され、光反射面３５に反射被膜を形成することにより反射率を極めて高い値に設定し、光出射面３６に反射防止コーティング（ＡＲコーティング）を施すことにより、光線の反射率を１％未満、具体的には０．１％程度に設定している。

また、前記半導体レーザー素子ＬＤと、前記ＦＢＧとの間における前記第１光ファイバーＦ１の導波距離Ｌ１を５００ｍｍ〜１５００ｍｍ以上、具体的には１０００ｍｍに設定し、前記ＦＢＧとＰＰＬＮとの間における前記第２光ファイバーＦ２の導波距離Ｌ２を２５０ｍｍ以上、具体的には５００ｍｍに設定している。

前述したように、半導体レーザー素子ＬＤの光出射面３６の反射率を０．１％に設定した根拠として、この光出射面３６の反射率を０．１％・０．５％・２．０％に設定した場合において、半導体レーザー素子ＬＤの波長と、ＦＢＧの波長とのズレの許容量を求めた結果を図６のように示している。同図に示すように、光出射面３６の反射率を０．１％・０．５％・２．０％に設定した場合において導体レーザー素子ＬＤの波長と、ＦＢＧの中心波長とのズレ（波長の差）の許容量は±１３．３ｎｍ・±１０．１ｎｍ・±６．４ｎｍとなり、反射率が２．０％・０．５％との境界（１．０％程度）を基準として、その基準より低い反射率であるものにおいて共振性能が顕著に向上することが分かる。

このズレの許容量とは、ＦＢＧの中心波長として共振させて送り出すことが可能なる半導体レーザー素子ＬＤからのレーザー光の波長と、ＦＢＧから送り出すべき中心波長との差を意味するものであり、この波長の差がズレの許容量を超えた場合には、ＰＰＬＮから送り出されるレーザービームの光量が低下し、この波長の差がズレの許容量の範囲内にある場合には半導体レーザー素子ＬＤから出射されるレーザー光の殆どの波長をＰＰＬＮにおいて共振させて設定された波長にして送り出せ、レーザービームの光量を高い値に維持できる。

また、前記光出射面３６の反射率を低い値に設定した際には、ＦＢＧによる無駄な共振が解消し、縦モードの影響も低減することも確認できた。その根拠として、光出射面３６の反射率を０．１％・０．５％・１．０％に設定した場合の半導体レーザー素子ＬＤへの供給電流と可視光出力との関係を図７、図８、図９に示すようにグラフ化すると、図７に示すように、光出射面３６の反射率が０．１％のものにおいて、出力制御範囲が広くなり、自動出力制御の設定が容易になることが理解できる。

前述したように、前記半導体レーザー素子ＬＤと、前記ＦＢＧとの間における前記第１光ファイバーＦ１の導波距離Ｌ１を１０００ｍｍに設定し、前記ＦＢＧとＰＰＬＮとの間における前記第２光ファイバーＦ２の導波距離Ｌ２を５００ｍｍに設定した根拠として、前記第２光ファイバーＦ２の導波距離Ｌ２を５００ｍｍに固定し、前記第１光ファイバーＦ１の導波距離Ｌ１を１０００ｍｍに設定したものと、２５０ｍｍに設定したものとにおける半導体レーザー素子ＬＤへの供給電流と可視光出力との関係を図１０（ａ）、（ｂ）に示すようにグラフ化すると、図１０（ａ）に示すように、第１光ファイバーＦ１の導波距離Ｌ１を１０００ｍｍに設定したものにおいて、電流に対する可視光の可視光の出力特性が安定することが理解できる。

このように本発明のレーザー光源装置Ａは、固体レーザーと比較して安価な構造を採用したものでありながら、半導体レーザー素子ＬＤの光出射面３６の反射率の設定と云う極めて簡単な改良によって、この半導体レーザー素子ＬＤからのレーザー光を第１光ファイバーＦ１でファイバー・ブラッグ・グレーティングＦＢＧに導く構造の共振出力を安定させて強力なレーザービームＬＢを得ている。特に、光出射面３６の反射率を低く設定することにより、半導体レーザー素子ＬＤに供給する電流に対する可視光出力の関係を広い範囲で安定させて出力制御範囲を広くし、しかも、第１光ファイバーＦ１の導波距離Ｌ１と第２光ファイバーＦ１の導波距離Ｌ２との設定により可視光の出力特性を安定させるものとなった。

レーザービームを感光材料に直接照射する構造の写真プリント装置以外に、感光ドラムとトナーとを用いた構造の写真プリント装置において感光ドラムにレーザービームを照射するものに適用することも可能である。

露光ユニットの構造を示す斜視図 レーザー光源装置の構造を示す斜視図 レーザー光源装置の平面図 レーザー光源装置の縦断側面図 レーザー光源装置の光導波系を模式的に示す図 半導体レーザー素子の出射面の反射率に対する導体レーザー素子の波長とＦＢＧの波長とのズレの許容量を一覧化した図 出射面の反射率が０．１％での半導体レーザー素子に供給される電流と可視光出力とをグラフ化した図 出射面の反射率が０．５％での半導体レーザー素子に供給される電流と可視光出力とをグラフ化した図 出射面の反射率が１．０％での半導体レーザー素子に供給される電流と可視光出力とをグラフ化した図 ＦＢＧとＰＰＬＮとの間の導波距離を５００ｍｍに設定し、ＦＢＧと半導体レーザー素子との間の導波距離を１０００ｍｍ及び２５０ｍｍに設定した際の半導体レーザー素子に供給される電流と可視光出力とをグラフ化した図

符号の説明

３５ 光反射面
３６ 光出射面
Ｆ１ 光ファイバー
ＬＤ レーザー素子

Claims (3)

1. 光出射面と光反射面とを有したレーザー素子の光出射面から出射される光線を回折格子により共振出力し、この共振出力による光線の波長を波長変換素子によって変換して送り出すレーザー光源装置であって、
   前記出射面の光線の反射率を１％未満に設定することにより前記共振出力の安定化を図っているレーザー光源装置。
2. 前記レーザー素子が半導体レーザー素子であり、前記半導体レーザー素子からの光線を光ファイバーを介して前記回折格子としてのファイバー・ブラッグ・グレーティングに導くことにより共振出力を行うように構成されている請求項１記載のレーザー光源装置。
3. 前記半導体レーザー素子が近赤外線を発振し、前記波長変換素子が第２高調波により近赤外線を可視光線に変換する光導波路を有した非線形光学結晶で構成されると共に、
   前記半導体レーザー素子と、前記ファイバー・ブラッグ・グレーティングとの間における前記光ファイバーの導波距離を５００ｍｍ〜１５００ｍｍ以上に設定し、前記ファイバー・ブラッグ・グレーティングと非線形光学結晶との間の導波距離を２５０ｍｍ以上に設定している請求項２記載のレーザー光源装置。

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