JP2008016698A

JP2008016698A - レーザ光源システムおよびレーザ光源の制御方法

Info

Publication number: JP2008016698A
Application number: JP2006187603A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Hayashibe; 和弥林部
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】複雑な温度制御や精密なアライメントを必要とせずに、シングルモード発振を得ることができるレーザ光源システムを提供する。
【解決手段】発振する夫々の縦モードの半値幅がモード間隔よりも狭く、個々の縦モードを分離できるレーザ光源１１の出射光を干渉測定部１９に導入し、干渉測定部１９には、レーザ光源１１のモード間隔よりも広いフリースペクトラルレンジ（FSR）を持つファブリペロー型のエタロン１５、干渉縞を結像する受光素子１７および発光モードを識別する計算機１８等を備え、検知した干渉縞の強度分布と比較する閾値を設け、エタロン１５によって形成される干渉縞のフリースペクトラルレンジ（FSR）内において閾値以上となるモードの数をカウントし、そのモード数が単一縦モードになるように、レーザ光源１１の励起強度もしくは駆動温度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉性の高いレーザ光源に係り、レーザ光源システムおよびレーザ光源の制御方法に関する。

ストレージや画像表示用途のホログラム記録システムや、干渉計などの光学系において、光源にはコヒーレンスの高さが求められるため、従来、He-NeレーザやNd:YAGレーザの第２高調波など、シングルモード（単一モード）発振させたガスレーザや固体レーザが広く用いられてきている。

一般的に、レーザの出力を上昇させようとした場合、発振閾値以下であった隣接モードが閾値を越えてしまうため、干渉性の高いシングルモード発振ではなくなってしまう。また、光源の強度を上げようとして他モード発振状態になると、モード間での競合等が起こりレーザの発振自体が不安定となる。

したがって、高速に露光を行うホログラムストレージ記録の場合など、高い光源の出力を要求されるような用途において、レーザがシングルモードで安定に発振するような制御をする必要がある。

そのような方法としては、注入光源を用いてシングルモード発振させる方法があるが、注入光源を別途用意する必要があり、システムが複雑になる。また、エタロンを共振器内部においてシングルモードを得る固体レーザもあるが、アライメントや温度制御などに精密さが要求される。

小型で、かつ、駆動電流による制御が行いやすい半導体レーザは干渉性が低いため、ホログラム記録などの干渉実験用途にはあまり用いられてはいなかったが、近年、半導体レーザと回折格子を組み合わせた外部共振器型のレーザ(Littrow型、Littman型)や分布帰還型（DFB）半導体レーザが普及し始めており、シングルモードの干渉性の高い光源として用いられるようになってきた。

しかしながら、外部共振器型の半導体レーザは、共振器の温度特性などにより干渉性の高いシングルモード発振する領域が離散的に存在し、発振を安定化させるため細かい制御を行う必要があった。

このようなレーザをシングルモード動作させる制御方法としては、例えば下記特許文献１に示されるように、特定の波長域に損失のあるファブリーペローエタロンを用い、精密な温度制御やアライメントを行って発振状態を確認して、レーザの動作へフィードバックする方法がある。
特開平０８−２０２２４６号公報

しかしながら、上記方法では熱的・機械的な細かい制御が必要となるため、光源の周辺環境を管理する必要があった。

以上のことから、干渉実験の用途に用いるレーザ光源システムとして、複雑な制御を必要とせずにシングルモード発振が得られるような方法が望まれていた。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、複雑な温度制御や精密なアライメントを必要とせずに、シングルモード発振を得ることができるレーザ光源システムおよびレーザ光源の制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明のレーザ光源システムは、レーザ光源と、前記レーザ光源からの光が導入されるエタロンと、前記エタロンを通過した干渉縞を結像する光学系と、前記干渉縞の強度分布を求める手段と、前記求められた干渉縞の強度分布のうち、所定の閾値を超えた各ピーク間のモード間隔と、前記エタロンで形成される干渉縞のフリースペクトラルレンジとを比較して前記レーザ光源の発振モードを識別する手段と、前記識別された発振モードに応じて、前記レーザ光源の発振モードを制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。

また上記課題を解決するための本発明のレーザ光源の制御方法は、レーザ光源と、前記レーザ光源からの光が導入されるエタロンと、前記エタロンを通過した干渉縞を結像する光学系とを有したレーザ光源システムにおける、前記レーザ光源を制御する方法であって、強度分布検知手段が、前記干渉縞の強度分布を求めるステップと、比較識別手段が、前記求められた干渉縞の強度分布のうち、所定の閾値を超えた各ピーク間のモード間隔と、前記エタロンで形成される干渉縞のフリースペクトラルレンジとを比較して前記レーザ光源の発振モードを識別するステップと、制御手段が、前記識別された発振モードに応じて、前記レーザ光源の発振モードを制御する制御ステップとを備えたことを特徴としている。

具体例としては、発振する夫々の縦モードの半値幅がモード間隔よりも狭く、個々の縦モードを分離できるレーザ光源と、レーザ光源のモード間隔よりも広いフリースペクトラルレンジ（FSR）を持つファブリペロー型のエタロンと、干渉縞を結像する光学系と、干渉縞の強度分布を検知するディテクタとを備えたレーザ光源システムであって、検知した干渉縞の強度分布と比較する閾値を設け、エタロンによって形成される干渉縞のフリースペクトラルレンジ（FSR）内において閾値以上となるモードの数をカウントし、そのモード数が単一縦モードになるように、レーザ光源の励起強度もしくは駆動温度を制御することを特徴としている。

また本発明のレーザ光源システムにおける、前記レーザ光源は、発振する夫々の縦モードの半値幅がモード間隔よりも狭く、個々の縦モードを分離できるレーザ光源であり、前記エタロンは、前記レーザ光源のモード間隔よりも広いフリースペクトラルレンジを有し、前記制御手段は、単一モード発振となるように制御することを特徴としている。

また前記強度分布を求める手段は、単一モード発振時の各干渉縞間の間隔が等しくなるように座標軸を規格化して強度分布を求めることを特徴としている。

また前記レーザ光源は、半導体レーザを用いていることを特徴としている。

また前記レーザ光源は、外部共振器型の半導体レーザを用いていることを特徴としている。

また前記レーザ光源はホログラム記録再生装置に組み込まれていることを特徴としている。

また本発明のレーザ光源の制御方法における、前記レーザ光源は、発振する夫々の縦モードの半値幅がモード間隔よりも狭く、個々の縦モードを分離できるレーザ光源であり、前記エタロンは、前記レーザ光源のモード間隔よりも広いフリースペクトラルレンジを有し、前記制御ステップは、単一モード発振となるように制御することを特徴としている。

また前記強度分布を求めるステップは、単一モード発振時の各干渉縞間の間隔が等しくなるように座標軸を規格化して強度分布を求めることを特徴としている。

上記構成によれば、レーザ光源の発振モードが確実に識別され、例えば多モード発振している場合に、干渉性の高い単一モード発振に制御することができる。

（１）請求項１〜１１に記載の発明によれば、レーザ光源において、干渉性の高いシングルモード発振状態を、比較的簡易な光学部品と制御によって得ることができる。また求められた干渉縞の強度分布のうち所定の閾値を超えた各ピーク間のモード間隔を用いて発振モードを識別しているので、レーザ光源の絶対発振波長がずれても、確実に単一発振モード状態を得ることができる。また、レーザ光源の共振器外部に光学部品を付加し、精密なアライメントや制御を必要としないため、光源自体に修正を加えることなく、単一モード発振が得られる。
（２）請求項５，６に記載の発明によれば、外部共振器型半導体レーザなどを用いることにより、小型で干渉性の高い光源を得ることができる。
（３）請求項７に記載の発明によれば、ホログラム記録などの干渉実験用の光源として用いることができる。すなわちホログラム記録では光源に高い干渉性が求められるが、本発明のレーザ光源を用い単一モード発振を確認しながらホログラム記録動作と同期を取ることにより、安定な露光が行える。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は本発明のレーザ光源システムの一実施形態例としてのレーザ光源システム１０の構成図である。図１において、レーザ光源１１から出た光の一部を、半透過ミラー１２、および、全反射ミラー１３によって干渉測定部１９へ入射させている。

このときレーザ光源１１としては、外部共振器型の半導体レーザや、ＤＦＢレーザ、固体レーザ、固体レーザの高調波を用いても良い。また、干渉測定部１９への入射光路はこれに限ったものではなく、状況に応じ、適時複数のレンズやミラーを用いてもかまわない。

干渉測定部１９では、レーザ光が拡散板１４に照射され、適当な角度成分を持った拡散光とする。拡散板１４はスペックル除去のため、回転機構や往復振動機構を設けてもかまわない。その後、エタロン１５を通り、集光レンズ１６によって干渉縞を受光素子１７に結像する。

エタロン１５は後述するようにレーザ光源１１のモード間隔よりも広いフリースペクトラルレンジ（以下、ＦＳＲと略称することもある）を持つ例えばファブリペロー型であり、その材料は、一般的な光学ガラス材料のほか、エアギャップ型のエタロンを用いてもかまわない。またエタロン１５の多重干渉を行う境界面には、用いるレーザ光の波長や各縦モードの半値幅にあわせ、適当な反射膜を形成しておくことが望ましい。

受光素子１７はＣＣＤやＣＭＯＳなどの面受光素子のほか、ラインセンサーのような１次元受光素子を用いることや、フォトダイオードのような受光素子を走査させることでもかまわない。受光素子１７で取得された干渉縞の情報は、計算機１８に送られ発振状態を判断し、レーザ光源１１へフィードバックを行う。

この計算機１８は、本発明の、干渉縞の強度分布を求める手段（強度分布検知手段）、レーザ光源の発振モードを識別する手段（比較識別手段）、レーザ光源の発振モードを制御する制御手段としての各機能を有した例えばコンピュータのＣＰＵ（中央演算ユニット）で構成される。

以下、干渉縞の情報からレーザ光源１１をシングルモード（単一モード）で発振させる動作について述べる。図２は、レーザ光源１１がシングルモード発振動作している際の、受光素子１７面上の干渉縞を示したものである。エタロン１５で多重干渉した光は、輪体状の干渉縞を受光素子１７面上に形成する(図２（ａ）)。

ここで、干渉縞の動径方向に面受光素子の画像を切り出すことや、ラインセンサーなどを用いることで、図２（ｂ）のような一次元方向の干渉縞の強度分布を得る。この干渉縞の分布は、透過率が極大となる干渉縞の輪体中心からの位置をr、波長をλ、エタロンの屈折率をn、厚みをd、レンズの焦点距離をｆ、mを次数とすると、次の式（１）で表される。

ここで、上記式（１）を用いて座標変換を行うことにより、横軸をΔλとして干渉縞をグラフに表すと図３のようになる。この座標変換の結果、図３の実線Ａ₁で示すグラフのように干渉縞は等間隔に生じ、この間隔がエタロン１５のフリースペクトラルレンジ（FSR）に相当する。各干渉縞の間隔は、エタロン１５の屈折率と厚みによって決まり、その間隔はほぼ一定である。したがって、レーザ光源１１のシングルモード動作の確認を行うためには、フリースペクトラルレンジ（FSR）が、用いるレーザ光源１１の縦モード間隔よりも大きくなっていることが望ましい。

次に、適当な閾値以上の干渉縞のピーク検出を行い、各ピーク間の相対的間隔を算出する。間隔の算出方法としては、例えば、Δλの小さいほうから順に極大値の検出を行い、極大値の値が設定した閾値よりも大きな場合に縦モードとしてカウントし、その相対波長位置と直前の縦モードの波長位置との間で差分をとり波長間隔を算出する。

シングルモード発振の場合は、上述のように、干渉縞の間隔はFSRとほぼ同じになる。レーザ光源１１が多モードで発振した場合は、図３の破線Ａ₂、Ａ₃で示したように、FSRの間に各モードに対応した複数の干渉縞が生じる。閾値を超えた各ピーク間のモード間隔が、FSRの幅よりも狭い場合はレーザ光源が多モード発振していると判定する(図３の破線Ａ₂)。

また、干渉縞の検出機構の測定精度に応じ、干渉縞の間隔の判定には、測定誤差のマージンを設けて判定することが望ましい。

ここで、各干渉縞のピーク位置は波長の絶対値の変化により、例えば図４のＡ₁からＡ₁´のように移動する。一般に、レーザ光源１１の温度などの環境の変化により、発振中心波長はわずかながら変化するため、干渉縞の位置も波長の変化に応じて移動する。

しかし本発明においては、閾値以上の干渉縞のピーク位置を検出し、その相対的なピーク位置の間隔を算出しているため、このようなレーザの中心発振波長のずれが生じた場合においても、シングルモード発振・多モード発振の識別が可能となる。

上記のように識別された干渉縞の情報を元に、シングルモード発振を行うようにレーザ光源１１へフィードバックを行う。

一般に、レーザ光源の温度や励起電流値を増やしていくと、図５の発振波長対温度・電流特性図のように発振波長が徐々に変化する。このとき、温度や励起電流値によって、シングルモードで発振する状態（例えば図示Ｔ₀区間）と発振波長が複数存在し多モード発振となる状態（例えば図示Ｔ₁区間）とがある。干渉縞の測定によって多モード状態が検出された場合は、図５の特性図に基づくマッピングを行うことや、一定のオフセットを与えることにより、温度や励起電流値を、シングルモード発振領域（Ｔ₀）までオフセットさせてシングルモード状態を得る。

すなわち予め図５に示す発振波長と温度・電流との対応関係を記憶しておき、多モード状態検出時に、温度や励起電流値をシングルモード発振領域（Ｔ₀）の温度・励起電流となるように制御するものである。

また本発明のレーザ光源の制御方法は、例えば前述したレーザ光源システムの各動作を実行するものである。

以上のようなレーザ光源システムは、例えば図６に示すようにホログラム記録用の干渉光源として利用することができる。ホログラム記録では光源に高い干渉性が求められるが、上述のレーザ光源システム１０を用いシングルモード発振を確認しながらホログラム記録動作と同期を取ることにより、安定な露光が行える。

図６は、本発明を、ステレオグラムの原理に基づいた画像表示用ホログラムの露光装置に適用した装置構成を示している。

図６において、シングルモード発振させたレーザ光源システム１０からレーザ光Ｌ１が出射される。このレーザ光Ｌ１はシャッター２２によってＯｎ／Ｏｆｆでき、必要な露光時間に応じて、シャッター２２の切り替えを行う。

シャッター２２を通り抜けたレーザ光はハーフミラー２３によってＬ２，Ｌ３に分離される。ハーフミラー２３で分離された光の一方Ｌ２は参照光（再生光）となり、もう一方の光Ｌ３が物体光（信号光）となる。

Ｌ２の光軸には、参照光（再生光）用の光学系として、シリンドリカルレンズ２５とコリメータレンズ２６、全反射ミラー２７が夫々配置されており、シリンドリカルレンズ２５で広げられ、コリメータレンズ２６で平行光となった光を、全反射ミラー２７によって反射し記録媒体２Ｄへ照射させる。

一方、Ｌ３の光軸では、透過光を反射する全反射ミラー２４によって反射され、空間フィルター２８によって点光源からの拡散光とされる。その後、コリメータレンズ２９によって平行光とされ、たとえば透過型の液晶パネルからなる画像表示装置２Ａに入射する。ここで、画像表示装置２Ａにはステレオグラムの原理に基づいて計算された画像を表示する。そして画像表示装置２Ａによって変調された光は、投影レンズ２Ｂを通り、シリンドリカルレンズ２Ｃを経て、記録媒体２Ｄに照射される。

記録方法は、上記ステレオホログラムの露光に限らず、一般的なイメージホログラム（「ホログラフィー」辻内順平著裳華房）・計算機ホログラムなど、種々の方法を用いることが可能である。

また本発明は、図６以外のストレージ用の光学系にも適用することができる。

以上、本発明による実施の形態例を説明したが、本発明は以上の形態に限定されること無く、その他種々の変形、変更が可能である。

すなわち例えば本発明の制御手段としての計算機１８は、識別された発振モードに応じてレーザ光源の発振モードを、シングルモードに限らず多モード発振となるように制御することも可能である。

また本発明の制御手段は、レーザ光源の共振器内の、レーザ結晶を挟むミラー間隔を変えることで発振モードを制御するものであっても良い。

さらに本発明の制御手段は、計算機１８に限らず他の装置で構成しても良い。

本発明の一実施形態例のレーザ光源システムの構成図。本発明の一実施形態例の動作説明を表し、（ａ）はシングルモード発振動作時の干渉縞の説明図、（ｂ）は一次元方向の干渉縞の強度分布図。図２（ｂ）の干渉縞の強度分布を座標変換して表した干渉縞のグラフ。波長の絶対値変化に応じて干渉縞のピーク位置が移動することを表す干渉縞のグラフ。発振波長と温度・電流の関係を示す特性図。本発明のレーザ光源システムをホログラム記録再生装置に適用した実施形態例の構成図。

符号の説明

２Ａ…画像表示装置、２Ｄ…記録媒体、１０…レーザ光源システム、１１…レーザ光源、１２…半透過ミラー、１３，２４，２７…全反射ミラー、１４…拡散板、１５…エタロン、１６…集光レンズ、１７…受光素子、１８…計算機、２２…シャッター、２３…ハーフミラー、２５…シリンドリカルレンズ、２６，２９…コリメータレンズ、２８…空間フィルター。

Claims

レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光が導入されるエタロンと、
前記エタロンを通過した干渉縞を結像する光学系と、
前記干渉縞の強度分布を求める手段と、
前記求められた干渉縞の強度分布のうち、所定の閾値を超えた各ピーク間のモード間隔と、前記エタロンで形成される干渉縞のフリースペクトラルレンジとを比較して前記レーザ光源の発振モードを識別する手段と、
前記識別された発振モードに応じて、前記レーザ光源の発振モードを制御する制御手段と
を備えたことを特徴とするレーザ光源システム。
前記レーザ光源は、発振する夫々の縦モードの半値幅がモード間隔よりも狭く、個々の縦モードを分離できるレーザ光源であり、
前記エタロンは、前記レーザ光源のモード間隔よりも広いフリースペクトラルレンジを有し、
前記制御手段は、単一モード発振となるように制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源システム。
前記強度分布を求める手段は、単一モード発振時の各干渉縞間の間隔が等しくなるように座標軸を規格化して強度分布を求めることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源システム。
前記強度分布を求める手段は、単一モード発振時の各干渉縞間の間隔が等しくなるように座標軸を規格化して強度分布を求めることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源システム。
前記レーザ光源は、半導体レーザを用いていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源システム。
前記レーザ光源は、外部共振器型の半導体レーザを用いていることを特徴とする請求項５に記載のレーザ光源システム。
前記レーザ光源がホログラム記録再生装置に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源システム。
レーザ光源と、前記レーザ光源からの光が導入されるエタロンと、前記エタロンを通過した干渉縞を結像する光学系とを有したレーザ光源システムにおける、前記レーザ光源を制御する方法であって、
強度分布検知手段が、前記干渉縞の強度分布を求めるステップと、
比較識別手段が、前記求められた干渉縞の強度分布のうち、所定の閾値を超えた各ピーク間のモード間隔と、前記エタロンで形成される干渉縞のフリースペクトラルレンジとを比較して前記レーザ光源の発振モードを識別するステップと、
制御手段が、前記識別された発振モードに応じて、前記レーザ光源の発振モードを制御する制御ステップと
を備えたことを特徴とするレーザ光源の制御方法。
前記レーザ光源は、発振する夫々の縦モードの半値幅がモード間隔よりも狭く、個々の縦モードを分離できるレーザ光源であり、
前記エタロンは、前記レーザ光源のモード間隔よりも広いフリースペクトラルレンジを有し、
前記制御ステップは、単一モード発振となるように制御することを特徴とする請求項８に記載のレーザ光源の制御方法。
前記強度分布を求めるステップは、単一モード発振時の各干渉縞間の間隔が等しくなるように座標軸を規格化して強度分布を求めることを特徴とする請求項８に記載のレーザ光源の制御方法。
前記強度分布を求めるステップは、単一モード発振時の各干渉縞間の間隔が等しくなるように座標軸を規格化して強度分布を求めることを特徴とする請求項９に記載のレーザ光源の制御方法。