JP2007042971A - 波長走査型レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で等変化率で変化させることができる波長走査型のレーザ光源を提供すること。
【解決手段】レーザ発振の光路にゲイン媒体１２と波長可変フィルタを設ける。波長可変フィルタとして、光ビームを等角速度で周期的に変化させる光ビーム偏向部と、偏向された光を入射するプリズム２６及び回折格子２７を設ける。そしてプリズム２６の頂角αとプリズム２６と回折格子２７との成す角βとを適宜選択することによって、一定の速度で発振周波数を変化させる波長走査型レーザ光源とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は単色性の光を発生してその発光周波数を一定の変化率で周期的に走査する波長走査型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周波数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。これは単色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出力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。

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。

波長可変型光源を用いて波長を周期的に変化させることで波長走査型光源とすることができる。波長走査型光源を用いた光干渉断層画像診断（OCT:Optical Coherent Tomography）システムにおいて、従来、２次元画像を生成するため、１回の波長走査の中で画像の分解能に合わせて例えば等周波数間隔で１０２４ポイントをとり、フーリエ変換を行うタイミング信号として与える必要がある。通常これをｋトリガという。このｋトリガ信号を生成する方法として、光源の出力の一部をファイバカプラなどで分岐して、そこにサンプリングの周波数間隔と同じＦＳＲをもったエタロンを介して、フォトダイオードでの受光信号のスパイク応答を矩形のトリガ信号に変換して生成する方法がある。トリガ信号の間隔Δｋは観察深さ範囲に比例し、より細かく取るほど深くまで解析できる。このトリガ信号の間隔Δｋは等周波数間隔である必要がある。これが等周波数間隔でなければ、画像が歪んだりノイズの影響を受けるという問題点が生じる。
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。例えば前述のＯＣＴシステムにおいて、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。

又光源としては一定の変化率で周波数を走査することができれば信号処理が容易となるが、このような光源は存在しなかった。

本発明は上記課題に着目し、高速走査と、広帯域可変を実現し、且つ一定の変化率で発振周波数を走査できる波長走査型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レーザ光源は、レーザ発振の光路と、前記光路内に設けられ、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、前記レーザ発振の光路内に配置され、波長を連続的に可変する波長可変光フィルタと、を具備し、前記波長可変フィルタは、光ビームを一定範囲で等角速度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によって偏向された光が入射されるプリズムと、前記プリズムを出射した光が入射され、入射角に応じて変化する選択波長の光を入射方向と同一方向に反射する回折格子と、を具備し、発振周波数を前記プリズムへの入射角度θの関数ｆ（θ）として表した場合に、その直線近似式ｆ_Ｌ（θ）との差を前記プリズムを用いない場合より小さくなるように、前記プリズムの頂角αと前記プリズムと前記回折格子との成す角度βの値を選択したものである。

ここで前記直線近似式ｆ_Ｌ（θ）は、前記反射周波数の角度範囲に対する偏向角度θがθ_１〜θ_２まで変化する場合に、その角度範囲における発振周波数ｆ（θ）との誤差の最大値が最小となる直線近似式であり、前記直線近似式と発振周波数ｆ（θ）との誤差の最大値ｅ_ｍａｘが
ｅ_ｍａｘ＝ＭＡＸ｛（ｆ_Ｌ（θ）−ｆ（θ））／（ｆ（θ_２）−ｆ（θ_１））｝
で表され、最大値ｅ_ｍａｘが０．１％以下となるように、前記プリズムの頂角α及び前記プリズムと回折格子との成す角度βを選択するようにしてもよい。

ここで前記回折格子は、発振周波数範囲ｆ（θ_１）〜ｆ（θ_２）において、前記誤差の最大値ｅ_ｍａｘが最小となる回折格子線数を選択するようにしてもよい。

ここで前記光路は、ミラーと、前記波長可変フィルタの回折格子とによって構成されるようにしてもよい。

ここで前記光路は、ループ状に形成された光ループであり、前記光ループに接続され、前記光ループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、第１〜第３の端子を有し、前記第１，第２の端子が光ループに接続され、前記第３の端子が前記波長可変フィルタに接続され、各端子に入射される光の方向を制御する光サーキュレータと、を更に有するようにしてもよい。

ここで前記光ループは、光ファイバによって構成されるようにしてもよい。

ここで前記光ファイバは、偏波面保存型光ファイバとしてもよい。

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プリズムは、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。

ここで前記回折格子の一次反射光を受光する走査範囲の端部の位置に一次反射光を受光する受光素子を設けるようにしてもよい。

前記受光素子の前面にその角度の波長のみを透過するバンドパスフィルタを設け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、レーザ発振の共振器光路に波長可変フィルタを用いることによって、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、プリズムを介して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。こうすれば反射可変フィルタが光路の一部を構成することとなり、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等角速度で連続的に変化させ、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。又、プリズムの頂角の角度及びプリズムと回折格子の角度を選択することによって、一定の変化率で周波数を走査することができる。又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という効果が得られる。この光源をＯＣＴに用いた場合、容易に周波数軸で等間隔のサンプリングをすることができるため、歪みとノイズの少ない断面画像を得ることができる。

図１は本発明の実施の形態による波長走査型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レーザ光源１０は光ファイバ１１によってループによる光路を形成している。このループの一部に、ゲイン媒体１２として半導体光増幅器、光サーキュレータ１３、光カップラ１４及び偏波コントローラ１５を設ける。光サーキュレータ１３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ものである。即ち光サーキュレータ１３の入力端子１３ａ，１３ｂが光ファイバループに接続されており、入力端子１３ａから入射した光は光サーキュレータの端子１３ｃより出射される。又光サーキュレータの入力端子１３ｃより入射した光は端子１３ｂより出射される。端子１３ｂより入射した光は端子１３ａより出射される。又光カップラ１４は光ファイバループの光の一部を抽出するものであり、偏波コントローラ１５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１３ｃ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。コリメートレンズ２２は光ファイバ２１からの光を平行光とするもので、その光軸上にはプリズム２３、ポリゴンミラー２４が設けられる。ポリゴンミラー２４は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、平行光を図示の範囲で一定の角速度を変化させて反射するものである。プリズム２３はコリメートレンズ２２から出射される光の光ビーム径を拡大するものである。図２に示すようにコリメートレンズ２２からの光ビームのビーム径をＷ_１とすると、プリズム２３によって光ビーム径がＷ_２に拡大される。ポリゴンミラー２４で反射された光は更にプリズム２６によってその光ビーム径がＷ_３に拡大されて回折格子（グレーティング）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。

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１２６０〜１３６０ｎｍの範囲とする。ここでポリゴンミラー２４と駆動部２５とは、光ビームの角度を一定範囲で周期的に等角速度で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。

又図１では省略しているが、図２に示すように、回折格子２７で反射される偏向角の一端からの一次反射光を受光する位置に、光フィルタ２８、レンズ２９、フォトダイオード３０を設ける。光フィルタ２８はこの発振する光のみを通過させる光バンドパスフィルタである。又フォトダイオード３０はこの光を受光することにより、波長走査の開始点のトリガ信号を得るものである。

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）を示す。これは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好ましい。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ｍ〜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。この実施の形態において前述したゲイン媒体１２の半導体光増幅器を駆動する。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１３ｃ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。この光はプリズム２３により拡大され、ポリゴンミラー２４に加わる。そしてその回転角度によって決まる角度で反射された光がプリズム２６により更に拡大されて回折格子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、プリズム２６，ポリゴンミラー２４，プリズム２３を介してコリメートレンズ２２に加わる。更に光ファイバ２１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。又偏波コントローラ１５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を示しており、この回折格子２７によって選択された波長で図３（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１２６０ｎｍ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１４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。

そして駆動部２５によってポリゴンミラー２４を回動させる。こうすればのこぎり波状に回折格子部２５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２４を回動させることによって、図３に示すように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なく波長を連続的に可変できる。

駆動部２５によってポリゴンミラー２４を回転させることによって、選択波長を例えば１００ｎｍの範囲内で数Ｋ〜数十KHｚＨｚ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２４の回転速度を３万ｒｐｍとし、ポリゴンミラー２４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のこぎり波状に変化させることができる。

さて、図５はプリズム２６と回折格子２７の部分を示す拡大図である。本図において、プリズム２６の第１面への入射角をθ、屈折角をφ、プリズム２６の第２面に対する入射角をν、出射角をμとする。又プリズム２６のプリズムの頂角はαとし、回折格子２７に対して角度βだけ傾けて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）

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＝λ^２／｛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５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、λ^２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。プリズム２３は元の入射光の光ビーム径Ｗ_１をＷ_２に拡大するものであり、プリズム２６はポリゴンミラー２４を介して得られる光ビーム径Ｗ_２をＷ_３に拡大するものである。この拡大された光ビーム径Ｗ_３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。ここでプリズム２６による光ビーム径Ｗ_３は拡大率をＭ_２とすると、次式で与えられる。
Ｗ_３＝Ｍ_２Ｗ_２ ・・・（５）
又この拡大率Ｍ_２は次式で与えられる。
Ｍ_２＝（cosφ・cosν）／（cosθ・cosμ） ・・・（６）

ここで回折格子２７で選択される波長は式（２）で示されるように、入射角γに対して正弦波状に変化する。従って光ビーム偏向部の光ビーム偏向角度が等角速度に角度可変する間は発振波長は時間軸に対してサイン波状に変化することとなる。光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）にこの光源を用いる場合には、干渉信号を周波数軸上でサンプリングする。従って周波数軸上で直線的又は等間隔となるトリガ信号を用いて光源からの光を周波数間隔毎に出力し、処理する必要がある。通常このような等周波数間隔のトリガ信号をｋトリガという。フーリエ変換は計測される干渉信号の処理のタイミングを等周波数間隔のｋトリガ信号で与えることによって行われる。そして走査周波数が時間軸に対して線形であれば、時間軸で等間隔にサンプリングすればよく、演算処理回路ボードの内部のクロックによって等時間間隔でサンプリングすればよくなり、ｋトリガ信号を発生させるための光学系や周波数軸への補間処理、またノイズカット回路等が不要となる。さらに、前記補間処理のためにデータをバッファする必要がないので、波長走査のレートによって決まる速度でリアルタイムな画像処理、および表示が可能となる。また、外部に出力光を分岐する必要がないので、光出力を無駄にせず効率的に利用できる。

図６はプリズムを使用しない場合の回折格子への入射角度と回折格子で選択される回折波長との関係を示すグラフであり、直線に対してわずかに上に凸で湾曲しており、サインカーブの変化であることが示される。又図７はプリズム２６の入射角度θと出射角度νの関係を示しており、下に凸で湾曲した特性を有している。このためプリズムを通して回折格子に入射光を与えることによって、これらの特性の変化を相殺し、直線性を向上させることができる。

さてプリズム２６の屈折率をｎとすると、入射部分では入射角度θとプリズム内で屈折した角度φとの間に以下の関係が成り立つ。
ｎ・sinφ＝sinθ ・・・（７）
又プリズム２６の出射面でのプリズム内の入射角μと出射角νとは以下の関係がある。
sinν＝ｎ・sinμ ・・・（８）
この入射角μはプリズムの頂角α及びθから以下のように表される。
μ＝α−θ ・・・（９）
これらの式（７）〜（９）を式（２）と連立することによって、回折格子による選択波長λが以下の式で表される。
λ＝２Λsin［β＋asin｛ｎ・sin（α−asin（sinθ／ｎ））｝］
これを周波数で表すと、ｆ（θ）は次式で表される
ｆ（θ）＝λ／ｃ＝ｃ／２Λsin［β＋asin｛ｎ・sin（α−asin（sinθ／ｎ））｝］
・・・（１０）
この式からプリズム頂角αとプリズムと回折格子の成す角度βとを調整して次式
ｆ_Ｌ（θ）＝Ａθ＋Ｂ ・・・（１１）
という直線近似式に近づけるように最適化することができる。ここでＡ及びＢは任意の定数であり、直線近似式ｆ_Ｌ（θ）は式（１０）に最も近い直線、即ち所定の周波数範囲（入射角θ_１とθ_２で得られる周波数ｆ（θ_１）〜ｆ（θ_２）の範囲）で誤差のピークが最小となる直線とする。

ここで角度α，βに対する直線近似のずれについて更に詳細に説明する。例えば回折格子線数ａが１２００（本／ｍｍ）（Λ＝０．８３μｍ）とし、波長帯域を１．３μｍ帯（２２０〜２４０ＴＨｚ）にした場合に、図８にαが２５°、３０°、３５°の場合に夫々βを横軸にして示した周波数近似直線とのずれを％で示す。このグラフからαを適宜選択した場合に、いずれも近似直線とのずれを０．１％に保つβが存在することが示される。

ここで入射角度θの変化範囲をθ_１〜θ_２とし、夫々の入射角に対する周波数の範囲内で式（１１）で示す直線近似式ｆ_Ｌ（θ）との誤差ｅｒｒの最大値ｅ_ｍａｘを、次式で示す。
ｅ_ｍａｘ＝ＭＡＸ｛（ｆ_Ｌ（θ）−ｆ（θ））／（ｆ（θ_２）−ｆ（θ_１））｝・・・（１２）
図８から知られるように、角度α，βを選択することにより、誤差の最大値ｅ_ｍａｘを最も小さくすることができる。ｅ_ｍａｘは小さいほど望ましいが、ＯＣＴの光源として用いる場合には、０．１％〜０．５％以下であれば実用上十分である。

更に図９は回折格子線数ａを１２００（本／ｍｍ）、αを３０°、βを５３°としたときの入射角θに対する周波数変化と近似曲線との誤差を示す。図９のグラフで最適値となり、この周波数帯域（２２０〜２４０ＴＨｚ）では一点鎖線で示すｅ_ｍａｘは０．０８４％以下となる。更にこの帯域１．３μｍ帯域で最適化するために格子線数ａを調整することによって、更に直線に近い値が得られる。図１０は回折格子線数ａが１１００（本／ｍｍ）、β＝４５°の場合であり、ｅ_ｍａｘは０．０３５％以下となる。図１１は格子定数ａが１０００（本／ｍｍ）、β＝３６．４°の場合であり、ｅ_ｍａｘは０．０２５％以下となる。尚、回折格子線数ａは小さくなると半値幅が大きくなるため、１０００（本／ｍｍ）以上が実用的な範囲となる。

更に前述したようにプリズム２６を用いることによって、選択波長にかかわらず半値幅の変化を少なく保つことができる。図２１は半値幅（線分Ａ）の波長に対する変化と、プリズム２６を用いずそのまま光ビームをポリゴンポリゴンミラー２４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）として表示しており、格子線数ａが１２００（本／ｍｍ）、αが３０°、βが５３°において、波長１２６０〜１３６０ｍｍの範囲の波長変化及び偏向ディバイスからのビーム径を１．２ｍｍとした例を示している。

前述した第１の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源では、ゲイン媒体として半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いたが、ゲイン媒体１２としては、光ファイバループの一部にエルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）を添加したエルビウムドープドファイバを設け、このエルビウムドープドファイバにポンプ光を入射するファイバ励起用の半導体レーザや、及びＷＤＭカップラを用いて構成することもできる。

図１３は本発明の第２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４１を用いてレーザ発振の光路を形成したものである。この実施の形態でもゲイン媒体１２として半導体光増幅器、光サーキュレータ１３、光カップラ１４を用いる。この実施の形態では、偏波面保存型光ファイバ４１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り、偏波コントローラは不要となる。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３の実施の形態について図１４、図１５を用いて説明する。この実施の形態では光ファイバはループ状でなく、ゲイン媒体と光ファイバ及び波長可変フィルタ部を用いて光共振器を構成する。ゲイン媒体５１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。そしてゲイン媒体５１の一方の面５１ａを高反射膜、例えば８０〜１００％程度の反射率を有する反射膜とし、他方の面５１ｂは無反射膜とし、面５１ｂを透過する光をコリメートレンズ５２を介して光ファイバ５３に接続する。光ファイバ７３は偏波コントローラ５４が接続されており、その他端には前述した第１の各実施の形態の波長可変フィルタ５６が設けられる。波長可変フィルタ５６は前述した実施の形態のように、ポリゴンミラー２４などから成る光ビーム偏向部と、回折格子２７とによって構成する。従って回折格子２７と面５１ｂ（ミラー）を両端とし、光ファイバによって光路が形成される。ここで光ファイバ５３には光カップラ５５が取付けられており、レーザ光の一部を外部に出射するようになっている。尚、光ファイバ５３は光路長を十分大きくするために用いられる。この光ファイバ５３の長さは回折格子２７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m〜数十ｍの長さの光ファイバが用いられる。

尚ゲイン媒体５１の面５１ａについても無反射膜とし、その外側に全反射ミラーを設けてもよい。この場合には、分岐ミラーと波長可変フィルタ部５６によって光路が構成されることになる。この場合も光ファイバ５３を偏波部保存型の光ファイバとすることによって偏波コントローラ５４を省略することができる。

次に第４の実施の形態について図１６、図１７を用いて説明する。この実施の形態では図１６に示すようにゲイン媒体６１の一方の面６１ｂは無反射膜とし、もう一方の面６１ａは１０％程度の低い反射率として、その反射面６１ａから発振出力光を取り出すようにしたものである。ゲイン媒体の面６１ｂにはコリメートレンズ６２及び出力用の光ファイバ６３が設けられる。このため光を取り出すための光カップラは不要となる。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

尚前述した各実施の形態では、光ビーム偏向部としてポリゴンミラーと駆動部とを用いているが、反射角度を一定の角速度で変化させるものであれば足りる。

本発明は回折格子を用いて一定の変化率で周波数が変化するレーザ光源を得ることができる。従って種々の分析機器、例えば医療用途では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。

本発明の第１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概略図である。 本実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源の波長可変フィルタ部分を示す概略図である。 本実施の形態の光ファイバレーザ光源のゲイン媒体の利得、発振モード、バンドパスフィルタ及び発振出力を示すグラフである。 本実施の形態の発振波長の時間的な変化を示すグラフである。 プリズムと回折格子を示す拡大図である。 プリズムがない場合の回折格子への入射角度に対する回折格子の選択波長を示すグラフである。 プリズムを用いた場合に、プリズムへの入射角度θに対するプリズムの出射角度νの関係を示すグラフである。 プリズムの頂角αを変化させた場合のプリズムと回折格子との角度βに対する直線近似式とのずれを示すグラフである。 回折格子線数ａ＝１２００本／ｍｍ、α＝３０°、β＝５３°の場合における入射角度に対する発振周波数と直線近似式との誤差を示すグラフである。 回折格子線数ａ＝１１００本／ｍｍ、α＝３０°、β＝４５°の場合における入射角度に対する発振周波数と直線近似式との誤差を示すグラフである。 回折格子線数ａ＝１０００本／ｍｍ、α＝３０°、β＝３６．４°の場合における入射角度に対する発振周波数と直線近似式との誤差を示すグラフである。 プリズムの有無に対する選択波長と半値幅との関係を示すグラフである。 本発明の第２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概略図である。 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概略図である。 本実施の形態によるゲイン媒体の詳細を示す図である。 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概略図である。 本実施の形態によるゲイン媒体とその周辺部分の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 波長走査型レーザ光源
１１，５３ 光ファイバ
１２，５１，６１ ゲイン媒体
１３ 光サーキュレータ
１４ カップラ
１５ 偏波コントローラ
２１ 光ファイバ
２２ コリメートレンズ
２３，２６ プリズム
２４ ポリゴンミラー
２５ 駆動部
２７ 回折格子
４１ 偏波面保存型光ファイバ
５６ 波長可変フィルタ

Claims (11)

1. レーザ発振の光路と、
   前記光路内に設けられ、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、
   前記レーザ発振の光路内に配置され、波長を連続的に可変する波長可変光フィルタと、を具備し、
   前記波長可変フィルタは、
   光ビームを一定範囲で等角速度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によって偏向された光が入射されるプリズムと、
   前記プリズムを出射した光が入射され、入射角に応じて変化する選択波長の光を入射方向と同一方向に反射する回折格子と、を具備し、
   発振周波数を前記プリズムへの入射角度θの関数ｆ（θ）として表した場合に、その直線近似式ｆ_Ｌ（θ）との差を前記プリズムを用いない場合より小さくなるように、前記プリズムの頂角αと前記プリズムと前記回折格子との成す角度βの値を選択した波長走査型レーザ光源。
2. 前記直線近似式ｆ_Ｌ（θ）は、前記反射周波数の角度範囲に対する偏向角度θがθ_１〜θ_２まで変化する場合に、その角度範囲における発振周波数ｆ（θ）との誤差の最大値が最小となる直線近似式であり、
   前記直線近似式と発振周波数ｆ（θ）との誤差の最大値ｅ_ｍａｘが
   ｅ_ｍａｘ＝ＭＡＸ｛（ｆ_Ｌ（θ）−ｆ（θ））／（ｆ（θ_２）−ｆ（θ_１））｝
   で表され、最大値ｅ_ｍａｘが０．１％以下となるように、前記プリズムの頂角α及び前記プリズムと回折格子との成す角度βを選択した請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
3. 前記回折格子は、発振周波数範囲ｆ（θ_１）〜ｆ（θ_２）において、前記誤差の最大値ｅ_ｍａｘが最小となる回折格子線数を選択した請求項２記載の波長走査型レーザ光源。
4. 前記光路は、ミラーと、前記波長可変フィルタの回折格子とによって構成される請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
5. 前記光路は、ループ状に形成された光ループであり、
   前記光ループに接続され、前記光ループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、
   第１〜第３の端子を有し、前記第１，第２の端子が光ループに接続され、前記第３の端子が前記波長可変フィルタに接続され、各端子に入射される光の方向を制御する光サーキュレータと、を更に有する請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
6. 前記光ループは、光ファイバによって構成される請求項５項記載の波長走査型レーザ光源。
7. 前記光ファイバは、偏波面保存型光ファイバである請求項６項記載の波長走査型レーザ光源。
8. 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、を有する請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
9. 前記波長可変フィルタのプリズムは、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請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
10. 前記回折格子の一次反射光を受光する走査範囲の端部の位置に一次反射光を受光する受光素子を設けた請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
11. 前記受光素子の前面にその角度の波長のみを透過するバンドパスフィルタを設けた請求項１０記載の波長走査型レーザ光源。
    

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