JP2008112940A - レーザ装置およびレーザ装置のモード制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力光の光強度を変化させることなく、所望のモードで発振する外部共振器型のレーザ装置を提供し、外部共振器型のレーザ装置のモード制御方法を提供する。
【解決手段】マルチモードで発振するレーザ光源１１と、レーザ光源１１から出射する０次光２１を受光して、回折光をレーザ光源１１に戻す回折格子１３と、レーザ光源１１に戻す回折光の波長を変化させる、ピエゾアクチュエータ４１とシャフト４１ａとレバー４２と、レーザ装置１１から外部に出射される出力光のモードに応じたモードホップ信号を検出する、ウェッジプリズム１６とモード検出ディテクタ１７と制御部３０と、所望のモードの出力光を得るためにモードホップ信号に応じてピエゾアクチュエータ４１を制御する制御部３０と、を備えるものとした。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ装置およびレーザ装置のモード制御方法に関し、特に、外部共振器型のレーザ装置およびそのようなレーザ装置のモード制御方法に関する。

近年レーザ光源は種々の産業分野で利用されている。そのレーザ光源のうちでも、レーザ光の波長を変化させることができる可変波長レーザに対する注目が高まっている。このような可変波長のレーザ光源が必要とされている産業機器の代表としては、ホログラム記録再生装置がある。ホログラム記録再生装置は、参照光と信号光とを干渉させることによって、ホログラム記録再生媒体に情報をホログラムの形態で記録し、ホログラム記録再生媒体に記録されたホログラムに参照光を照射して情報を再生する記録再生装置である。

このようなホログラム記録再生装置に用いるレーザ光源としては、シングルモードにちかいレーザ光源が望ましく、ガスレーザ、ＳＨＧレーザ等が用いられる。近年、半導体レーザの発振波長が短波長化されてきており青色の半導体レーザも出現しているので、小型、省電力である半導体レーザを使用することが考えられる。しかしながら、ホログラムの記録再生に用いるレーザ光は極めてコヒーレンシーの良いことが必要とされ、通常の半導体レーザはマルチモードのためコヒーレンシーの点で不十分である。そこで半導体レーザを用いて、外部共振器型のレーザ装置を構成すことが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照）。

図１９に示す外部共振器型のレーザ装置１００は、所謂、リトロウ型のレーザ装置であり、マルチモードで発振する半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）１０１からの光ビームをレンズ１０３で平行光として、グレーティング１０２に照射して、支点１０５を中心としてグレーティング１０２をねじ１０４によって回転させて、グレーティング１０２と半導体レーザ１０１との相対角度を調整して、グレーティング１０２で回折して半導体レーザ１０１に戻る１次光のレーザ波長と等しい特定の波長を選択して発振させるものである。また、別の外部共振器型のレーザ装置の構成としては、回折格子と半導体レーザとを固定し、ミラーを用いて回折光を半導体レーザに戻すリットマン型のレーザ装置も知られている。

また、別の分野の技術として、ピエゾ素子を利用したアクチュエータが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。
特開２００５−７５０４９号公報 Tomiji.Tanaka, et al. 「Littrow-type blue laser for holographic data storage」, Technical digest of Optical Data Storage 2004 p311 PiezoMotor社ホームページ[online] 平成１８年１０月４日検索インターネット<URL:http://WWW.Piezomotor.se/>

しかしながら、外部共振器型のレーザ装置では、半導体レーザに印加する電流によっては発振する縦モードがホップすることでコヒーレンシーが劣化することもあり、安定的なホログラム記録再生の動作の為にはコヒーレンシーの劣化を回避する制御が必要となってくる。発振モードの安定化の方法として半導体レーザに入力する電流値を変化させることでモードホップを回避する方法があるが、これを用いた場合は電流を大幅に変更しないとモードが安定しないことがあり、結果的にモード安定のために出力光量が変化してしまうという問題があった。また、半導体レーザの温度を変化させてモードを制御する方法も考えられるが、この場合にはレーザ装置が大型化し、温度を上げる場合には半導体レーザの寿命を短くするという問題が有った。さらに、ホログラム記録再生装置では、後述するシングルモードまたは外部共振器モードが要求されるが、他の電子機器では、シングルモードのみ、または外部共振モードのみ、あるいは、後述するチップモードのみが要求される等の種々の要求が有り、その要求を満たすための技術が求められていた。

本発明は、上述の課題を解決し、出力光の光強度を変化させることなく、所望のモードで発振する外部共振器型のレーザ装置を提供し、外部共振器型のレーザ装置のモード制御方法を提供することを目的とするものである。

本発明のレーザ装置は、外部共振器型のレーザ装置であって、マルチモードで発振するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射する光ビームを受光して、回折光を前記レーザ光源に戻す回折格子と、前記レーザ光源に戻す回折光の波長を変化させる機構部と、前記レーザ装置から外部に出射される出力光のモードに応じたモードホップ信号を検出するモードホップ検出器と、所望のモードの前記出力光を得るために前記モードホップ信号に応じて前記機構部を制御する制御部と、を備えるものである。

このレーザ装置では、回折格子を備えており、回折格子からの光ビームをレーザ光源に戻す。機構部を備え、この機構部によってレーザ光源に戻す回折光の波長を変化させてレーザ光源の発振モードを変化させることができる。モードホップ検出器は、このレーザ装置から得られる出力光のモードに応じたモードホップ信号を検出するので、このモードホップ信号に応じて機構部を制御して所望のモードの出力光を得ることができる。

本発明のレーザ装置のモード制御方法は、レーザ装置のモード制御方法であって、マルチモードで発振するレーザ光源から光ビームを出射し、前記レーザ光源から出射する光ビームを受光して、回折光を前記レーザ光源に戻し、前記レーザ装置から外部に出射される出力光のモードに応じたモードホップ信号を検出し、前記モードホップ信号に応じて前記回折光を前記レーザ光源に戻して所望のモードの前記出力光を得るものである。

このレーザ装置のモード制御方法では、レーザ光源から光ビームを出射し、回折光をレーザ光源に戻してレーザ光源の発振のモードを変化する。レーザ装置から外部に出射される出力光のモードに応じたモードホップ信号を検出し、モードホップ信号に応じて回折光をレーザ光源に戻して所望のモードの前記出力光を得ることができる。

本発明によれば、出力光の光強度を変化させることなく、所望のモードで発振する外部共振器型のレーザ装置を提供し、外部共振器型のレーザ装置のモード制御方法を提供できる。

（レーザ装置およびーザ装置のモード制御方法の概要）
実施形態のレーザ装置は、外部共振器型のレーザ装置、例えば、リトロウ型またはリットマン型の外部共振型のレーザ装置である。レーザ光源はマルチモードで発振する、半導体レーザ等である。また、回折格子を備え、レーザ光源から出射する光ビームを受光して、回折光をレーザ光源に戻す。また、機構部を備えている。機構部は、例えば、レーザ光源と回折格子との相対角度を変化させ、例えば、回折格子と補助ミラーとの相対角度を変化させて、レーザ光源に戻す回折光の波長を変化させるように構成されている。また、レーザ装置は出射光のモードに応じたモードホップ信号を検出するモードホップ検出器を備えている。モードホップ検出器は、シングルモード、外部共振器モード、チップモード等を区別して検出する。そして、制御部を備えており、所望のモードの出力光を得るためにモードホップ信号に応じて機構部を制御するものである。

また、モード制御方法は、レーザ装置のモード制御方法であって以下の処理をおこなう。マルチモードで発振するレーザ光源から光ビームを出射する。このレーザ光源から出射する光ビームを受光して、回折光を発生させてこの回折光をレーザ光源に戻す。このようにして得られ、レーザ装置から外部に出射される出力光のモードに応じたモードホップ信号を検出する。モードホップ信号に応じて回折光をレーザ光源に戻して所望のモードの前記出力光を得るようにする。以下、図面を参照してより詳細に説明する。

図１を参照して、実施形態のレーザ装置１０について、説明する。レーザ装置１０は、マルチモードの半導体レーザ１１、コリメートレンズ１２、回折格子１３、ミラー１４、角度検出ディテクタ１５、ウェッジプリズム１６およびモード検出ディテクタ１７を備えるリトロウ型のレーザ装置に改良を加えたレーザ装置である。

ここで、ミラー１４と回折格子１３とは固着され、回転軸２７を中心に紙面内の矢印で示す方向に回転可能とされている。ここで、回折格子形成面１３ａとミラー表面１４ａとの延長線が交わる点に回転軸２７を設けている。この回転軸２７を中心として回転をさせるために、回転機構として、レバー４２、シャフト４１ａおよびピエゾアクチュエータ４１から構成されている。すなわち、レバー４２がミラー１４と回折格子１３とに固着され、このレバー４２と連結して、シャフト４１ａが配されており、シャフト４１ａはピエゾアクチュエータ４１の可動部に固着されている。これによって、シャフト４１ａの移動に応じて、回折格子形成面１３ａとミラー表面１４ａとのなす角度を一定に、例えば、９０°の一定の角度に保ちながら、ミラー１４と回折格子１３とを回転軸２７を中心として回転させることができる。また、ピエゾアクチュエータ４１の制御をおこなうための制御部３０を備える。

制御部３０は、処理器３０ｃと演算器３０ａを有する。処理器３０ｃは、ハードウエアとして、ＲＡＭ、ＲＯＭ、外部回路とのインターフェイス（例えば、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、電力増幅器）およびＣＰＵ、並びに、ＲＯＭに記憶され、ＣＰＵが処理する処理手順を記載したソフトウエアを有するマイコンで構成される。また、演算器３０ａは差、和の演算をおこなう演算増幅器と割り算をおこなう割り算器とを有している。

図１に示すレーザ装置１０の作用を説明する。半導体レーザ１１から出射された光ビーム２０はコリメートレンズ１２で平行光とされ、平行光とされた光ビーム２１は反射型の回折格子１３で、波長ごとに異なった方向へ向かう回折光である０次光と１次光とに分離される。回折格子１３は、その波長ごとに異なった方向へ回折するが、それらの１次光のうち、半導体レーザ１１に戻る１次光もあり、半導体レーザ１１に戻る１次光によって、回折格子１３と半導体レーザ１１とで共振器が構成され、半導体レーザ１１は、回折格子１３の格子形状と、回折格子１３と半導体レーザ１１の背面との間の距離と、で定まる波長で発振する。また、０次光は回折格子１３がミラーであるかのように反射して０次光２２として進行する。０次光２２は、回折格子１３と垂直に配置されたミラー１４で反射して０次光２４として進行する。０次光２４は、さらにウェッジプリズム１６を通過して０次光２５が最終的に得られる。この０次光２５として出射される出力光を種々の機器、たとえばホログラム記録再生装置に使用することができる。

上述したように、回折格子１３の半導体レーザ１１に対する角度を変えると、レーザ光の波長を変えることができるが、ミラー１４がない場合には、０次光の出射方向も変わって、種々の機器に適用することは困難である。しかし、本実施形態のレーザ装置１０では、回折格子１３と所定角度を維持してともに回転移動をするミラー１４を採用しているので、回折格子１３を回転させて０次光の波長を変化させても、レーザ装置１０からの０次光２２は常に同じ方向に出射されるようになされ、背景技術に示すリトロウ型のレーザ装置を改良したものとされている。

ミラー１４は、ミラー表面１４ａに照射される光ビームの５％程度がミラー１４の背面に透過する透過型ミラーとされている。０次光２２のうちの５％ほどの光量の０次光２３がミラー１４を透過して角度検出ディテクタ１５を照射する。このとき、回折格子１３およびミラー１４の回転角度によって角度検出ディテクタ１５における０次光２３の照射位置が変わる。

角度検出ディテクタ１５は、この照射位置の変化をとらえる方向に配置される２分割ディテクタとして構成されている。そして、この２つのフォトディテクタ１５ａとフォトディテクタ１５ｂとから検出される電気信号の各々の差の電気信号である差信号を検出することによって、回折格子１３およびミラー１４の回転角度を検出することができるものである。そして、この回転角度は、０次光２３の波長、すなわち、０次光２５の波長と、１対１の関係を有しているので、差信号と０次光２３の波長との対応関係を処理機３０ｃのＲＯＭにテーブルとして記憶しておけば、差信号から直ぐに０次光２３の波長を検知することができる。

図２は、角度検出ディテクタ１５を用いて検出する回折格子１３の回動の角度に対応した後述する規格化差信号Ｓ１５ｄｎと、０次光２３の波長、すなわち、０次光２５（出力光）の波長との関係を示す。図２に示すグラフの横軸は、規格化差信号Ｓ１５ｄｎであり、図２に示すグラフの縦軸は、オプティカル・スペクトラム・アナライザで測定した０次光２５の波長である。規格化差信号Ｓ１５ｄｎは以下のようにして求める。まず、角度検出ディテクタ１５を構成するディテクタである、フォトディテクタ１５ａからの電気信号である出力電圧Ｖ１５ａおよびフォトディテクタ１５ｂからの電気信号である出力電圧Ｖ１５ｂを求める。次に、この両者の差の信号である差信号Ｓ１５ｄを求め、出力電圧Ｖ１５ａと出力電圧Ｖ１５ｂの和の信号である和信号Ｓ１５ｓで割る。以下の式１は、規格化差信号Ｓ１５ｄｎを求める式である。

Ｓ１５ｄｎ＝Ｓ１５ｄ／Ｓ１５ｓ
＝（Ｖ１５ａ―Ｖ１５ｂ）／（Ｖ１５ａ＋Ｖ１５ｂ）・・・（１）

規格化差信号Ｓ１５ｄｎは、演算器３０ａにおいて得ることができ、このようにして、規格化することによって、０次光２３の強度によらず、正確な回折格子１３およびミラー１４の回転角度を検出することができ、結果として０次光２３、すなわち、出力光としての０次光２５の波長を精度良く検出することができるものとなる。

（モードホップ検出器について）
レーザ装置１０は、モードホップ検出器を具備している。モードホップ検出器については、図４ないし図８に沿って後述するが、光路中に置かれたウェッジプリズム１６と、モード検出ディテクタ１７と、制御部３０の演算器３０ｂおよび処理器３０ｃと、を有して構成されるものである。実施形態のレーザ装置１０における発振のモードについて説明をした後にモードホップ検出器について説明をする。

図３は、レーザ装置１０における半導体レーザ１１の温度に対するレーザの発振波長を示すものである。半導体レーザ１１の温度が変化するにつれて発振波長の本数（モード）とその間隔が変化する。図３において、符号Ａを付した温度領域がシングルモードで発振しているシングルモードの領域である。符号Ｂを付した温度領域が外部共振器によるモードホップを起こしながら発振している外部共振器モードの領域である。このときの各々のモードの間隔は外部共振器長(半導体レーザ１１と回折格子１３の間の光路長)により決定されるものであり、実施形態では約５ｐｍ（ピコ・メータ）であった。符号Ｃを付した温度領域が半導体レーザによるモードホップを起こしているチップモードの領域（以下、領域Ｃと記す）である。このときのモード間隔は半導体レーザ１１のチップ長により決定されるものであり、実施形態における半導体レーザ１１ではモードホップ間隔は約４０ｐｍであった。

レーザ装置を用いた電子機器の一つとしてのホログラム記録再生装置においては、外部共振器モード程度のモードの分布であれば記録再生は良好な特性となるが、チップモードでは記録再生特性は悪化して正常な記録再生は困難となる。実施形態では、モードホップ検出器からのモードホップ信号を用いていずれのモードであるかの検出をおこなうようにしている。

モードホップ検出器について説明する。ミラー１４で反射した０次光２４は、ウェッジプリズム１６にて透過光である０次光２５と反射光である０次光２６とに分離される。０次光２５は出力光として種々の機器の光源として利用される。０次光２６はモード検知に使用される。０次光２６が、ウェッジプリズム１６の両方の面の各々で反射するので、両方の反射光によって生じる干渉縞がモード検出ディテクタ１７の受光面に形成される。ここで、ウェッジプリズム１６の両方の面は、平行ではない角度を有するようにして形成されているので、上述した干渉縞の態様としては、０次光２６のモードに応じたフリンジコントラストが生じることとなる。すなわち、このフリンジコントラストからシングルモードであるか、外部共振器モードであるか、チップモードであるかのモードを検出できることとなる。

ウェッジプリズム１６は、レーザ光を透過するとともに、レーザ光の一部を透過方向とは異なる方向へ所定方向に対して光路差を有して導く光学部材として機能するものである。ウェッジプリズム１６に入射する０次光２４の大部分は透過して０次光２５として利用されるが、残りの部分は、ウェッジプリズム１６の表面および裏面で反射する（図４を参照）。この表面で反射する光ビームと、この裏面で反射する光ビームとの光路差によってモード検出ディテクタ１７の受光面上で干渉縞を形成する。０次光２６のモードが変化する場合には、この干渉縞のパターン（フリンジコントラスト）が変化するので、この変化を検出することによって、モードを検出できることとなる。このフリンジコントラストをどの様にして電気信号として検出するかについては、図５を参照して後述する。

図４に、ウェッジプリズム１６によってモード検出ディテクタ１７の受光面に生じるフリンジ（干渉縞）を模式的に示す。ここで、図４では、モード検出ディテクタ１７から離れた位置の輝度が高く、モード検出ディテクタ１７に近い位置の輝度が低いことを模式的に示すものである。そして、この振幅が大きい場合がフリンジコントラストが大きいと称し、この振幅が小さい場合がフリンジコントラストが小さいと称するものである。フリンジの形状は、ウェッジプリズム１６の厚みと両面のなす角度によって定めることができるものである。実施形態では、例えば、ウェッジプリズム１６の厚みを３．５ｍｍ、両面のなす角を９０秒としている。

モード検出ディテクタ１７は、ウェッジプリズム１６によって生じる、上述した、フリンジ（干渉縞）の明暗の輝度の差（フリンジコントラスト）に応じた出力信号を出力するものである。モード検出ディテクタ１７は、上述した干渉縞のパターンの変化をとらえる上述の所定方向に２以上の複数の受光素子である分割ディテクタを列状に配して構成されている。このような構成を有するものであれば、モード検出ディテクタ１７は、個別のフォトディテクタを列状に配したものであっても、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサのような複数の受光センサを一体として備えるものであっても良い。モード検出ディテクタ１７の複数のフォトディテクタの各々から、出力電圧Ｖ１７が出力され、演算をおこなうために演算器３０ｂに入力されている。

図５は、このようなフリンジピッチを検出するに好適なるモード検出ディテクタ１７の構成の一例を示すものである。モード検出ディテクタ１７の配置される位置におけるフリンジピッチ（干渉縞の周期）は、本実施形態の光学部品と光学部品配置では２９０μｍ（マイクロ・メータ）であったので、モード検出ディテクタ１７はこのような２９０μｍのフリンジピッチを検出するに好適なる形態とした。モード検出ディテクタ１７は、フォトディテクタ１７ａないしフォトディテクタ１７ｆからなり、フォトディテクタ１７ａとフォトディテクタ１７ｂ、フォトディテクタ１７ｃとフォトディテクタ１７ｄ、フォトディテクタ１７ｅとフォトディテクタ１７ｆの各々の組みで構成される組み合わせが繰り返して配置されている。各々のフォトディテクタのフリンジの変化方向への幅は、６３μｍとし、フォトディテクタ１７ａとフォトディテクタ１７ｂ、フォトディテクタ１７ｃとフォトディテクタ１７ｄ、フォトディテクタ１７ｅとフォトディテクタ１７ｆの各々の組みの相互の離間距離は４μｍとし、上述した各組の相互間のフリンジの変化する所定方向への距離は１６０μｍとした。

図６は、モード検出ディテクタ１７の６個のフォトディテクタからの複数個から構成される出力電圧Ｖ１７の各々である出力電圧Ｖ１７ａ、出力電圧Ｖ１７ｂ、出力電圧Ｖ１７ｃ、出力電圧Ｖ１７ｄ、出力電圧Ｖ１７ｅおよび出力電圧Ｖ１７ｆを示すものである。これらの出力電圧のうちから最大値（図６の上側の太線）と最小値（図６の下側の太線）を探し出し、式２によってモードホップ信号を検出する。

モードホップ信号＝（最小値）／（最大値） （２）

式２から得られたモードホップ信号の値が小さいときはフリンジのコントラストが大きく、モードホップ信号の値が大きいときはフリンジのコントラストが小さいことを表すものとなる。上述したモードホップ信号を得るための演算は演算器３０ｂで行うものである。具体的には、演算器３０ｂは、力電圧Ｖ１７ａ、出力電圧Ｖ１７ｂ、出力電圧Ｖ１７ｃ、出力電圧Ｖ１７ｄ、出力電圧Ｖ１７ｅおよび出力電圧Ｖ１７ｆの各々を検出して、それらの中の最大の値を検出する。また、出力電圧Ｖ１７ａ、出力電圧Ｖ１７ｂ、出力電圧Ｖ１７ｃ、出力電圧Ｖ１７ｄ、出力電圧Ｖ１７ｅおよび出力電圧Ｖ１７ｆの各々を検出して、それらの中の最小の値を検出する。最大値を検出する簡便な回路としては、ダイオードのカソードを共通として、各々のアノードに出力電圧Ｖ１７ａないし出力電圧Ｖ１７ｆの各々を印加して、カソードから得られる電圧を最大値として検出できる。最小値を検出する簡便な回路としては、ダイオードのアノードを共通として、各々のアノードに出力電圧Ｖ１７ａないし出力電圧Ｖ１７ｆの各々を印加して、アノードから得られる電圧を最小値として検出できる。割り算は割り算回路をもちいることができる。また、別の回路構成としては、出力電圧Ｖ１７ａないし出力電圧Ｖ１７ｆの各々を検出して、処理機３０ｃのＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換後にＣＰＵで最大値と最小値とを検出して、ＣＰＵで割り算をするようにすることもできる。

図７は、モードホップ信号と半導体レーザ１１の温度との関係を示すものである。グラフの横軸は、半導体レーザ１１の温度を示し、図７に示すグラフの縦軸は、モードホップ信号およびレーザ装置１０から出射される出力光の波長を示すものである。モードホップ信号を実線のグラフで示し、光出力の波長を破線で各々示している。破線で示す光出力の波長のグラフは図３に示すものと同様のものであり、モードホップ信号と対比するために図７では記載されている。

図７の実線で示すモードホップ信号と破線で示す波長とを対比すると、シングルモードである場合にはモードホップ信号の出力のレベルは小さく、外部共振器モードの場合にはモードホップ信号の出力のレベルはより大きく、モードホップ信号は、チップモードである場合にはモードホップ信号の出力のレベルはさらに大きなものとなっている。これは、モードホップ信号は、上述したようにして、モード検出ディテクタ１７の受光面に生じるフリンジコントラストを検出しており、モードホップ信号のレベルは、このフリンジコントラストに応じたレベルとして検出されるためである。コヒーレンシーが良好なるシングルモードでは、フリンジコントラストが最大となり、モードホップ信号の出力のレベルは小さくなるからである。一方、外部共振器モードからチップモードへ移行するに従いコヒーレンシーが悪化して、フリンジコントラストは小さなものとなり、モードホップ信号の出力のレベルはフリンジコントラストの減少に応じて大きくなるからである。図７に示す閾値は、シングルモードおよび外部共振器モードとチップモードとを判別する境界のラインである。

例えば、ホログラム記録再生装置ではこのモードホップ信号を利用して以下の制御をおこなっている。モードホップ信号がこの閾値を超える場合には、記録再生はできないモードであるとして記録再生の動作を停止し、モードホップ信号がこの閾値を超えない場合には、記録再生ができるモードであるとして記録再生をおこなうように制御をしている。

（外部共振器について）
図８を参照して、レーザ装置１０における外部共振器について、その作用をより詳細に説明する。図８は、外部共振器におけるモード競合を模式的に示している、図８の縦軸は共振特性を示し、横軸は波長を示すものである。大きい山状の曲線Ｋ₁および曲線Ｋ₂が回折格子１３の回転角度に応じて生じる波長選択性を示し、より小さい山状の曲線Ｌ₁ないし曲線Ｌ₅は半導体レーザ１１が有する固有の波長選択性を示し、細線Ｍ_n-1、細線Ｍ_n、細線Ｍ_n+1は半導体レーザ１１の背面と回折格子１３の回折格子形成面１３ａの距離に応じた波長選択性を示すものである。そして、レーザ装置１０からの出力光の波長としては、これら３つの選択性を総合して、選択度が最も高い波長の付近の該当する波長が選択される。なお、曲線Ｌ₁ないし曲線Ｌ₅の隣接する山の間の波長差をダイオードモード間隔Δλ_ldと称して以下では用いる。

上述した、チップモードによるモードホップ状態は、回折格子１３の選択性の山のピークが、曲線Ｋ₁として示すように共振波長λ₁にあり、半導体レーザ１１の選択性の山と山の間（例えば、図８に図示するように曲線Ｌ₂と曲線Ｌ₃の間）に位置するということである。また、シングルモード状態は、回折格子１３の選択性の山のピークが、曲線Ｋ₂として示すように半導体レーザ１１の選択性の山（例えは、図８に図示する曲線Ｌ₃の山）と一致して共振波長λ₂とされ、さらに、細線（例えば、細線Ｍ_n）を両方の山の中心部において含むということである。ここで、半導体レーザ１１の選択性の山は半導体レーザ１１の温度変化により移動するので、半導体レーザ１１の発振の波長、すなわち、０次光２５として得られる出力光の波長は、図３に示すように半導体レーザ１１の温度変化に応じて変化することとなる。

レーザ装置１０では、回折格子１３およびミラー１４を回転軸２７の回りで回転させることによって、回折格子１３の選択性の山のピークを移動させることができる。図８から見て取れるように、チップモードのモードホップから抜け出すには、回折格子１３による選択波長(選択性のピーク)が回折格子１３を回転することによって、ダイオードモード間隔Δλ_ldの半分(Δλ_ld／２)だけ共振波長を移動させれば良いことがわかる。

共振波長λと、回折格子の法線と入射光とのなす角度θと回折格子１３の格子間隔を間隔ｄｇとの間の関係は式３で表される。そして、チップモードのモードホップ状態から抜け出すために必要な回折格子１３の回転角は、以下の式３以下の式で算出される。式３では、角度θは、図９に図示するように回折格子の法線と入射光との間の角度である。また間隔ｄｇは回折格子１３に形成された回折格子ｇの格子間隔である。

λ＝２ｄｇＳｉｎθ （３）

チップモードにおける回折格子１３で構成される共振器の共振波長を共振波長λ₁（図８を参照）とし、シングルモードにおける回折格子１３で構成される共振器の共振波長を共振波長λ₂（図８を参照）とすると、両者の関係は式４で表される。

λ₂＝λ₁＋Δλ_ld／２ （４）

また、式３より共振波長λ1での回折格子１３の角度θの値である角度θ１は式５で表される。
θ₁＝Ａｒｃｓｉｎ(λ₁／２ｄｇ) （５）

回折格子１３の動くべき角度である角度Δθは式６で表される。
Δθ＝θ₂−θ₁
＝Ａｒｃｓｉｎ(λ₂／２ｄｇ)−Ａｒｃｓｉｎ(λ₁／２ｄｇ)
＝Ａｒｃｓｉｎ((λ₁＋Δλ_ld／２) ／２)−Ａｒｃｓｉｎ(λ₁／２ｄｇ) （６）

ここで、回折格子形成面１３ａに形成される回折格子ｇの間隔ｄｇが２７７ｎｍ、半導体レーザ１１に固有のダイオードモード間隔Δλ_ldが４０ｐｍ、共振波長λ₁が４０５ｎｍの場合において、回転させるべき回折格子の角度Δθは、これらの数値を式６に代入して、
Δθ＝０．０５[ｍｒａｄ（ミリ・ラジアン）]
を得ることができる。そして、回折格子１３の回転中心点からレバー４２とシャフト４１ａの接触点までの距離Ｌ（図１を参照）の長さを、例えば、１０ｍｍとする場合には、シャフト４１ａの移動すべき移動量Δｐ（図１を参照）は式８で表される。

Δｐ＝Δθ１０
＝０．５[μｍ] （８）

図１０は、移動量Δｐをシャフト４１ａに発生させるためのピエゾアクチュエータ４１の外観を示す図である。すなわち、移動量Δｐよりも小さな刻み幅でシャフト４１ａを移動させることによって、刻み幅に応じた精度で移動量Δｐを得ることができるものである。一般的にはΔｐは正負のいずれの値も取り得ることとなるが、制御信号Ｓｐｄ（図１を参照）によってこの正負の方向も制御することができるようになされている。

図１１は、ピエゾアクチュエータ４１の主要構成部である、テンションスプリング４１ｄ、ローラベアリング４１ｃ、ベアリングホルダ４１ｂ、ドライブパッド４１ｅの各々を分解して示すものである。図１２は、ピエゾ素子ユニット４１ｆを示すものである。ピエゾ素子ユニット４１ｆは、ドライブパッド４１ｅに保持され、ピエゾ素子脚ａ、ピエゾ素子脚ｂ、ピエゾ素子脚ｃおよびピエゾ素子脚ｄから構成されている。各々のピエゾ素子脚は２つのピエゾ素子が貼り合わせられて形成されている。各々のピエゾ素子に印加する電圧に応じて、各々のピエゾ素子脚は左右に傾き、また上下にも伸び縮みする。これによってシャフト４１ａをリニアモータとしてピエゾアクチュエータ４１は構成されている。

図１３の（Ａ）ないし図１３の（Ｆ）はどの様にして、ピエゾアクチュエータ４１のシャフト４１ａが移動するかをピエゾ素子脚ａないしピエゾ素子脚ｄの運動を模式的に示して説明するものである。図１３の（Ａ）ではピエゾ素子脚ａないしピエゾ素子脚ｄの各々のピエゾ素子脚は図に示すように屈曲し、すべてのピエゾ素子脚の長さは等しい。図１３の（Ｂ）では、ピエゾ素子脚ｂとピエゾ素子脚ｄはシャフト４１ａとは接触せず、ピエゾ素子脚ａないしピエゾ素子脚ｄの各々のピエゾ素子脚は図に示すように屈曲状態から直線状態へと変化する。このとき、シャフト４１ａを紙面の右方向へ送る。図１３の（Ｃ）では、ピエゾ素子脚ｂとピエゾ素子脚ｄはシャフト４１ａとは接触せず、ピエゾ素子脚ａないしピエゾ素子脚ｄの各々のピエゾ素子脚は図に示すように直線状態から屈曲状態へと変化する。このとき、はシャフト４１ａを紙面の右方向へ送る。図１３の（Ｄ）ではピエゾ素子脚ａないしピエゾ素子脚ｄの各々のピエゾ素子脚は図に示すように屈曲し、すべてのピエゾ素子脚の長さは等しい。図１３の（Ｅ）では、ピエゾ素子脚ａとピエゾ素子脚ｃはシャフト４１ａとは接触せず、ピエゾ素子脚ａないしピエゾ素子脚ｄの各々のピエゾ素子脚は図に示すように屈曲状態から直線状態へと変化する。このとき、はシャフト４１ａを紙面の右方向へ送る。図１３の（Ｆ）では、ピエゾ素子脚ａとピエゾ素子脚ｃはシャフト４１ａとは接触せず、ピエゾ素子脚ａないしピエゾ素子脚ｄの各々のピエゾ素子脚は図に示すように直線状態から直屈曲状態へと変化する。このとき、はシャフト４１ａを紙面の右方向へ送る。シャフト４１ａを紙面の左方向へ送るときには、上述した手順とは逆方向に各々のピエゾ素子脚を屈曲させれば良いものである。

図１に示すように、レバー４２とシャフト４１ａとはヒンジ機構を構成して回動可能として連結され、移動量Δｐに応じて、回転軸２７を回転中心として、回折格子１３とミラー１４とは回動するようになされている。このようにして、回折格子１３の半導体レーザ１１に対する角度を変化させ共振器の共振周波数を変化させることができる。本実施例ではピエゾアクチュエータ４１のシャフトを相互に固着された回折格子とミラーとに接続し、実施形態においては、１パルスで、シャフト４１ａを０．２５μｍ（マイクロ・メータ）送るように設定している。なお、このようなピエゾアクチュエータ４１を採用する場合には、制御信号Ｓｐｄの１パルスに対応する移動幅を数百μｍから２ｎｍ（ナノ・メータ）の範囲で適宜に設定することが可能である。また、シャフト４１ａがドライブパッド４１ｅから抜けるまで可動範囲として確保でき、実施形態では１０ｍｍ（ミリ・メータ）以上のシャフト４１ａの移動を可能としている。ピエゾアクチュエータ４１に印加するパルスは処理機３０ｃからの制御信号Ｓｐｄとして得られる。

図１４は、レーザ装置１０から得られる出力光の波長とピエゾアクチュエータ４１に印加されるパルスの回数である。図１４から見てとれるように、４パルス〜５パルス間隔で出力光の波長が４０ｐｍ程度変わるような領域Ｃ（図３を参照）を通過する。図１４においては、この領域Ｃは破線で囲われた狭い範囲に対応している。この領域Ｃでは、チップモードで発振しているが、１パルス前後どちらかに動かすことでチップモードの発振を回避することができる。

図１５はチップモードで発振している領域Ｃ（図３を参照）における出力光のスペクトラムを解析したスペクトラムアナライザの画面表示である。図１６はシングルモードで発振している領域Ａ（図３を参照）における出力光のスペクトラムを解析したスペクトラムアナライザの画面表示である。

図１７は、レーザ装置１０の制御の一実施形態を、処理機３０ｃのＣＰＵがおこなう処理として示すフローチャートである。スタートの前に初期値設定をおこなうが図１７のフローチャートでは省かれている。初期値設定においては、移動フラグは０とされ、駆動方向フラグは１または０とされている。

ステップＳＴ１０では、ＣＰＵはモードホップ信号を検出する。
ステップＳＴ２０では、ＣＰＵはモードホップ信号の値が閾値以上かを判定する。モードホップ信号の値が閾値以上である場合（Ｙｅｓ）には処理はステップＳＴ３０へ移り、モードホップ信号の値が閾値以上である場合ではない場合（Ｎｏ）には処理はステップＳＴ６０へ移る。
ステップＳＴ３０では、ＣＰＵは駆動方向フラグが正方向かを判定する。駆動方向フラグが正方向である場合（Ｙｅｓ）には処理はステップＳＴ４０へ移り、駆動方向フラグが正方向である場合ではない場合（Ｎｏ）には処理はステップＳＴ５０へ移る。
ステップＳＴ４０では、ＣＰＵは負方向に１パルス分だけシャフト４１ａを送る制御信号Ｓｐｄをピエゾアクチュエータへ送る。また、ＣＰＵは移動フラグを１にする。その後処理は、ステップＳＴ１０へ戻る。
ステップＳＴ５０では、ＣＰＵは正方向に１パルス分だけシャフト４１ａを送る制御信号Ｓｐｄをピエゾアクチュエータへ送る。また、ＣＰＵは移動フラグを１にする。その後処理は、ステップＳＴ１０へ戻る。
ステップＳＴ６０では、ＣＰＵは移動フラグが１かを判定する。移動フラグが１である場合（Ｙｅｓ）には処理はステップＳＴ７０へ移り、移動フラグが１である場合ではない場合（Ｎｏ）には処理はステップＳＴ１０へ戻る。
ステップＳＴ７０では、ＣＰＵは駆動方向フラグを反転する。すなわち、駆動方向フラグが正方向である場合には負方向に、駆動方向フラグが負方向である場合には正方向に書き換える。また、ＣＰＵは移動フラグを０にする。その後処理は、ステップＳＴ１０へ戻る。

上述した処理によってレーザ装置１０は常時、チップモードの領域Ｃにいるかどうかを判断して、領域Ｃにいる場合には領域Ｃから抜け出すように制御信号Ｓｐｄをピエゾアクチュエータ４１に印加する。この処理において、一度、領域Ｃから抜け出す処理がなされた場合には、どちらの方向へ、回折格子の角度を変化させて領域Ｃから抜け出したかを駆動方向フラグによって記憶しておき、その次に再び領域Ｃに入った場合には、前回と逆方向にその角度を振るようにしている。これによって、シャフト４１ａの移動距離が大きくならないようにして、シャフト４１ａの可動可能範囲を逸脱しないようにしている。

また、規格化差信号Ｓ１５ｄｎの値をステップＳＴ１０で検出し、ステップＳＴ３０においては、駆動方向フラグ方向の判別に換えて、規格化差信号Ｓ１５ｄｎの値が規定の範囲の幅を超えた場合、すなわち、回折格子１３の角度が規定の範囲を越えた場合には、その規定の範囲に入るようにステップＳＴ４０またはステップＳＴ５０のいずれかの処理をおこなうようにすることもできる。このようにしても、シャフト４１ａの可動可能範囲を逸脱しないようにすることができる。

さらに、変形例としては、図１７に示すようにポーリング処理ではなく、所定時間毎の割り込み処理、または、レーザ装置１０を使用する直前にのみモード設定の処理をおこなうようにしても良い。また、機構部に関しても、回折格子１３を回動させるアクチュエータとしてピエゾアクチュエータに換えて、微小な回動を可能とする他のモータ（アクチュエータ）であっても良い。さらに、回折格子１３の回転中心である回転軸２７と、駆動力を伝達するレバー４２とシャフト４１ａとの連結点との距離Ｌ（図１を参照）を長くすることで、微量な移動量を制御できないモータを使うこともできる。

図１８は、別の実施形態として、リットマン型のレーザ装置１１を示す。レーザ装置６１において図１に示すレーザ装置１０と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。レーザ装置６１は、回折格子形成面８６ａを有する回折格子８６と、ミラー表面８７ａを有する補助ミラー８７とを新たな光学部品として具備する。リットマン型のレーザ装置１１では、回折格子８６とレーザダイオード１１の位置関係は変化させることなく、補助ミラー８７の回折格子８６に対する角度を変化させて図８において、外部共振器の作用を説明したと同様に、共振特性を変化させる。補助ミラー８７は回転軸２７ｂを中心として、シャフト４１ａを介して伝達されるピエゾアクチュエータ４１の駆動力で回転する。出力光８５のモードは、ウェッジプリズム１６、モード検出ディテクタ１７、さらには、制御部３０に含まれる制御部３０の演算器３０ｂおよびによって検出されて、処理器３０ｃからの制御信号Ｓｐｄによって、所定モードとなるように制御される。制御手順は、図１７のフローチャートに示すと同様である。

上述した実施形態のレーザ装置を用いることによって、レーザ装置からの出力光のパワーを変化させることなく、また、強制的にレーザ光源の温度を変化させることなく、所望のモードを有する出力光を得ることができる。このようなレーザ装置は、上述したように、出力光が安定したパワーを有して、種々の産業機器に応用ができるものである。

一例を挙げれば、ホログラム記録再生装置においては、参照光と信号光との干渉縞によってホログラムを形成するので、可干渉距離（コヒーレント長）が長いことが非常に重要である。可干渉距離が短い場合には、ホログラム記録媒体に厚みがあるために記録再生が適切におこなえない。したがって、レーザ装置からの出力光は、シングルモードまたは外部共振器モードであることが要求され、チップモードでの使用は排除しなければならない。さらに、ホログラム記録に用いる場合には、出力光のパワーが安定していることも良好なる記録再生をおこなうには重要な要素となる。以上の点から、上述した実施形態のレーザ装置は、ホログラム記録再生装置の性能向上には不可欠な構成部品である。

また、モードホップ信号が図７に示す閾値以上となるように、機構部を制御する場合には、チップモードのみを使用するのが好適なる電子機器に用いることができる。さらに、図７に示した例では閾値を一つ設けたが、一つに限らずに、シングルモード、外部共振器モード、チップモードの各々を区別するための２つの閾値である第１閾値および第２閾値を設け、モードホップ信号の値が第１閾値未満である場合にはシングルモード、モードホップ信号の値が第１閾値以上、第２閾値未満である場合には外部共振モード、モードホップ信号の値が第２閾値以上である場合にはチップモードの各々を検出するものとすれば、各々のモードにレーザ装置のモードを設定できるのみならず、例えば、シングルモードとチップモードのいずれかを含む組み合わせ（モードホップ信号が第１閾値未満を表す場合または第２閾値以上である場合が該当）と、外部共振器モードとチップモードのいずれかを含む組み合わせ（モードホップ信号が第１閾値以上である場合が該当）でレーザ装置を動作させる事もできる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、開示された技術的思想の範囲内におよぶものである。また実施形態についても、上述の実施形態に限られず、これらを様々に変形し、組み合わせた実施形態が実施可能であることは言うまでもない。

実施形態のレーザ装置の構成を説明する図である。 レーザ装置の角度検出ディテクタから得られる規格化差信号と出力光の波長との関係を示す図である。 半導体レーザの温度に対するレーザの発振波長を示すグラフである。 ウェッジプリズムによって生じるフリンジ（干渉縞）を模式的に示す図である。 モード検出ディテクタの構成例を示す図である。 モード検出ディテクタの６個のフォトディテクタからの複数個の出力電圧の各々と最大電圧および最小電圧を示すものである。 モードホップ信号および出力光の波長と半導体レーザの温度との関係を示す図である。 外部共振器の作用を説明する図である。 回折格子の法線と入射光との間の角度を示す図である。 移動量をシャフトに発生させるためのピエゾアクチュエータの外観を示す図である。 ピエゾアクチュエータの主要構成部を示す図である。 ピエゾ素子ユニットを示すものである。 ピエゾアクチュエータのシャフトの運動を模式的に示して説明する図である。 レーザ装置から得られる出力光の波長とピエゾアクチュエータに印加されるパルスの回数を示すである。 チップモードで発振している領域における出力光のスペクトラムを解析したスペクトラムアナライザの画面表示である。 シングルモードで発振している領域における出力光のスペクトラムを解析したスペクトラムアナライザの画面表示である。 レーザ装置の制御の一実施形態を、ＣＰＵがおこなう処理として示すフローチャートである。 実施形態のレーザ装置の構成を説明する図である。 背景技術のレーザ装置の模式図である。

符号の説明

１０、６１ レーザ装置、１１ 半導体レーザ、１２ コリメートレンズ、１３、８６ 回折格子、１３ａ、８６ａ 回折格子形成面、１４、 ミラー、１４ａ、８７ａ ミラー表面、１５ 角度検出ディテクタ、１５ａ、１５ｂ、１７ モード検出ディテクタ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ フォトディテクタ、１６ ウェッジプリズム、１７ モード検出ディテクタ、２０ 光ビーム、２１ 光ビーム、２２、２３、２４、２６ ０次光、２５ 出力光（０次光）２７、２７ｂ 回転軸、３０ 制御部、３０ａ、３０ｂ 演算器、３０ｃ 処理器、４１ ピエゾアクチュエータ、４１ａ シャフト、４１ｂ ベアリングホルダ、４１ｃ ローラベアリング、４１ｄ テンションスプリング、４１ｅ ドライブパッド、４１ｆ ピエゾ素子ユニット、４２ レバー、８５ 出力光、８７ 補助ミラー

Claims (5)

1. 外部共振器型のレーザ装置であって、
   マルチモードで発振するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射する光ビームを受光して、回折光を前記レーザ光源に戻す回折格子と、
   前記レーザ光源に戻す回折光の波長を変化させる機構部と、
   前記レーザ装置から外部に出射される出力光のモードに応じたモードホップ信号を検出するモードホップ検出器と、
   所望のモードの前記出力光を得るために前記モードホップ信号に応じて前記機構部を制御する制御部と、を備えるレーザ装置。
2. 前記レーザ光源に戻す回折光の波長を変化させる機構部は、
   前記レーザ光源と前記回折格子との相対角度を変化させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記モードホップ検出器は、
   前記光ビームを透過するとともに、前記光ビームの光量の一部を前記光ビームの入射側の面と前記光ビームの出射側の面との各々の面で光路差を有して反射させる光学部材と、
   前記光学部材によって生じる光路差が生じる干渉縞の輝度に応じた信号を出力する複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子の各々の出力信号の中の最小値と、前記複数の受光素子の各々の出力信号の中の最大値との比である比較信号を求める演算器と、を具備し、
   前記複数の受光素子は、前記光ビームの前記モードに応じて、前記比較信号の値が異なるように配置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
4. 前記制御部は、
   前記所望のモードがシングルモードまたは外部共振器モードとなるように前記機構部を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
5. レーザ装置のモード制御方法であって、
   マルチモードで発振するレーザ光源から光ビームを出射し、
   前記レーザ光源から出射する光ビームを受光して、回折光を前記レーザ光源に戻し、
   前記レーザ装置から外部に出射される出力光のモードに応じたモードホップ信号を検出し、
   前記モードホップ信号に応じて前記回折光を前記レーザ光源に戻して所望のモードの前記出力光を得るレーザ装置のモード制御方法。

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