JP2009212273A - 波長走査型レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で波長を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】光ファイバ１１のループに光サーキュレータ１３を設け、取り出した光をポリゴンミラー２５に入射する。ポリゴンミラー２５で反射した光は一旦固定ミラー２７で反射し、再びポリゴンミラー２５の別の面に入射した後、回折格子２８に入射する。回折格子２８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。こうすればポリゴンミラー２５の回転角Δθに対して偏向角は４Δθとなる。ポリゴンミラー２５を高速で回転させた場合に、狭線幅のままで発振波長を高速に広帯域に走査させることができる。
【選択図】図２

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レーザ光源に関するものである。

次世代のＯＣＴ（オプティカルコヒーレントトモグラフィー）や分光、センシング用途には、高速、広帯域の波長走査型光源が望まれる。従来のレーザ光源の１つに、例えば特許文献１に示されているように、ポリゴンミラーを回転させて偏向ミラーとして回折格子の回折波長を繰り返し変化させる可変フィルタをもつレーザ光源がある。

このようなレーザ光源において、波長の挿引速度はポリゴンミラーの面数Ｍと回転数ｆｐ［回転／秒］からｆ＝Ｍ・ｆｐで示される。又ポリゴンミラーの一面当りの回転角をΔθ_mとすると、回転角Δθ_mは３６０°／Ｍである。又一定方向からポリゴンミラーに光を入射したときに、ポリゴンミラーの回転によって反射光が偏向する角度を以下、偏向角という。ポリゴンミラーの一面での偏光角は、回転角Δθ_mの２倍の２Δθ_mとなる。さてポリゴンミラーで反射され、回折格子に光が入射し、その入射角が２Δθ_m偏向するときに、発振波長の走査範囲Δλは次式（１）で示される。
Δλ＝４ａcosθ₀・Δθ_m ・・・（１）
ここでａは回折格子定数、θ₀は発振の中心波長λ₀での回折角である。

ここで波長走査速度を高速にするためには、ポリゴンミラーの回転速度を上げることが考えられる。しかしポリゴンミラーの回転速度は４〜５万ＲＰＭ程度が限界である。そのため偏向周期を速くするには、ポリゴン面数Ｍを増やすことが考えられる。

図１Ａにポリゴン面数Ｍと走査レートの関係を示す。本図において、ポリゴン面数Ｍを例えば３０面から１２０面に増加させると、走査レートは２０ｋＨｚから約８０ｋＨｚと高速になる。

但しポリゴン面数Ｍを増加させても、一挿引（走査）当りの偏向角２Δθ_mが小さくなり、波長走査範囲を広く確保することができないという問題がある。図１Ｂはポリゴン面数Ｍと波長走査範囲の関係を示す。例えばポリゴン面数Ｍを例えば３０面から１２０面に増加させると、図１Ｂの曲線Ａに示すように、波長走査範囲は約３５０ｎｍから１００ｎｍ程度と狭くなる。従ってポリゴン面数Ｍを増やしても、挿引速度（レート）は速くなるが、波長挿引範囲は狭くなるというトレードオフの関係となる。

又式（１）より知られるように、回折格子定数ａを大きくすればΔλを大きくできる。一方、光可変フィルタの線幅δλは次の式（２）で示される。
δλ＝λ₀ａcosθ₀／πω ・・・（２）
ここでλ₀は中心波長、ωは光ビームのスポットサイズである。この式から知られるように、回折格子定数ａを大きくすれば、この線幅δλが太くなってしまうという問題がある。従ってレーザ光の線幅を維持するため回折格子定数ａを変化させずに、高速、広帯域の走査を実現することは難しいという欠点があった。

これを解決する手段として、特許文献２では、ポリゴンミラーの二つの異なる面に対して、レンズ対と直角の反射面を持つ反射鏡を用いることによって、固定の焦点位置に光ビームを連続して投射することにより２倍の偏向角を実現することが示されている。又特許文献３ではこれをリットマン構成を用いた可変フィルタに組合わせることによって、同様な効果を実現している。
特開２００６−２３７３５９号公報 特開平６−２７３６８３号公報 米国特許出願公開２００５／００３５２９５号公報

しかし、特許文献２，３の構成はレンズや複数の反射面を持つミラー等の光学素子を追加する必要がある。これらの光学素子の光軸調整は困難であり、光路長が長くなるため、全体の剛性や安定性に欠けるという欠点があった。

本発明は上記の課題に着目し、レンズを用いることなくより簡単に偏向角を大きくして高速かつ広帯域な波長走査ができる波長走査型レーザ光源を実現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、レーザ発振の共振器と、前記共振器内に設けられ、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、前記レーザ発振の共振器内に配置され、選択波長を連続的に変化させる波長可変光フィルタと、を具備し、前記波長可変光フィルタは、回転によって光ビームの反射角を変化させる複数の反射面を有し、光ビームの反射角度を一定範囲で周期的に変化させるポリゴンミラーと、前記ポリゴンミラーを回転する駆動部と、前記ポリゴンミラーの外部に近接して設けられ、前記ポリゴンミラーで反射された光を前記ポリゴンミラーの異なる面に入射する固定ミラーと、
前記ポリゴンミラー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、を具備するものである。

ここで前記固定ミラーは、前記ポリゴンミラーで反射された光を１回ポリゴンミラーの異なる面に反射するものであり、前記固定ミラーは前記ポリゴンミラーの外接円の直径Ｄのおおよそ１／８の距離に配置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、ポリゴンミラーに近接して固定ミラーを配置し、ポリゴンミラーにｎ回（ｎは２以上の整数）効率的に反射させる構成を実現することによって、偏向角を２ｎΔθ_mに拡大する。これにより、波長挿引範囲を狭くしたりレーザの線幅を太くすることなく、波長走査速度を高速にすることができる。

図２は本発明の第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のループによる外部共振器を有している。このループの一部に、ゲイン媒体１２、光サーキュレータ１３、光カップラ１４及び偏波コントローラ１５を設ける。ゲイン媒体１２は、例えば半導体光増幅器を用いる。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は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。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る。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。

図３は本実施の形態の光学系部分を示す斜視図である。以下図２及び図３を用いて説明する。光サーキュレータ１３の端子１３ｂは、光ファイバ２１、偏波コントローラ２２を介して図示のようにコリメートレンズ２３に接続される。コリメートレンズ２３は夫々光ファイバ２１からの光を平行光とするもので、その光軸上にはビームエキスパンダ２４を介してポリゴンミラー２５が設けられる。駆動部２６はポリゴンミラー２５を図３に示すＹ軸に沿って回転するものである。

さて本実施の形態では、ポリゴンミラー２５の近傍に固定ミラー２７を設ける。固定ミラー２７の反射面はポリゴンミラー２５に向けられたものであり、ポリゴンミラー２５から反射された光を再びポリゴンミラー２５の異なった面に反射する。固定ミラー２７は１回の反射によりポリゴンミラー２５が回転したときの偏向角を２倍に拡大するようにしたものである。

ポリゴンミラー２５の面で反射された光は回折格子２８に入射する。回折格子２８は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。ここでポリゴンミラー２５、駆動部２６、固定ミラー２７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２８によって波長可変光フィルタを構成している。

ここでリトロー配置について説明する。リトロー配置では回折格子２８に対する光ビームの入射角φと回折光の回折角は等しく、回折光の波長は次式で決定される。
λ＝２ａsinφ ・・・（３）
ここでａは回折格子定数（μｍ）、即ち単位長さ当たりの格子線数Λ（本／ｍｍ）の逆数である。

次に本実施の形態の特徴である光学系の配置について図を用いて詳細に説明する。図４に示すように、ポリゴンミラー２５への入射角度をφとして点Ｐ０に入射すると、ポリゴンミラー２５は入射光を反射面の法線に対称に図示のように反射し、固定ミラー２７の点Ｐ１に入射する。そしてポリゴンミラー２５がΔθ回転したときには、反射光の偏向角の変化は２Δθとなる。固定ミラー２７で反射した光が再びポリゴンミラー２５の他の面に入射するときの光の偏向に伴う入射位置の変化をΔｘとする。このとき光の偏向に基づく固定ミラー２７への入射位置は点Ｐ１からＰ２に変化し、その間隔はΔｘ／２となる。固定ミラー２７の面とポリゴンミラー２５の１つの面とが平行になったときに、その平面間の間隔をＬとする。また点Ｐ１，Ｐ３を結ぶ線を点Ｐ０，Ｐ２を結ぶ直線への垂線とすると、Ｐ１，Ｐ３間の距離は
（Ｌ／cosφ）・sin２Δθ
であり、Δｘ／２は次式（４）で示される。

さてΔθの最大値Δθ_mは、ポリゴンミラーの面数Ｍを用いて次式で示される。
Δθ_m＝２π／Ｍ ・・・（５）
本実施の形態では、ポリゴンミラー２５のミラー面数Ｍをできるだけ大きくしており、例えば１２０とすると、図２に示す一面当たりの回転角Δθ_mは例えば３°となる。従ってポリゴンミラーの回転角度Δθは０〜３°の範囲にあり、十分小さく、sin２Δθを２Δθと近似すると、Δｘ（Δθ）は次式（６）で示される。

従ってポリゴンミラー２５が回転し、１つの面の端部から端部まで光が入射したときのポリゴンミラー２５上での光の移動距離Δｘ（Δθ_m）は式（６）のΔθに式（５）を代入して、次式（７）で示される。

又ポリゴン面に入射する光の移動変位ΔＸは、ポリゴンミラー２５の外接円の直径をＤとすると、次式（８）で示される。
ΔＸ＝πＤ／Ｍ ・・・（８）
さてポリゴンミラーの隣の面は図４のＸ軸から見て角度（２π／Ｍ）反時計方向にずれているので、ここでΔｘ＝ΔＸcos（２π／Ｍ）とすると、光ビームの移動はポリゴン面の移動に同期することになる。Δｘ＝ΔＸとすると、以下のような関係式が得られる。
Ｌ≒＝cosφ・cos（φ＋２Δθ）・Ｄ／８
≒Ｄ／８ ・・・（９）
例えば直径Ｄを８０ｍｍとすると、この距離Ｌは約１０ｍｍとなる。

又固定ミラー２７で反射された光はポリゴンミラー２５の２つ隣の面に入射するものとすると、固定ミラー２７の反射に伴う図４のｘ軸方向への移動距離が１つ隣接する面の端面に入射する必要があり、次式（１０）を満たす必要がある。
２Ｌtanφ＝ΔｘcosΔθ_m ・・・（１０）
前述した式（９）を式（１０）に代入し、φが小さいときにtanφをφと近似すると、次式が得られる。
φ＝４π／Ｍ ・・・（１１）

例えば走査レートを８０ｋＨｚとするためにポリゴン面数Ｍを１２０とし、ポリゴンミラーの直径Ｄを８０ｍｍとすれば、Δθ_mは３°となり、Δｘは２．０９ｍｍとなる。又距離Ｌは１０ｍｍとなり、φは０．１（ｒａｄ）＝６°となる。

ここまではビーム幅を考慮していなかったが、ビーム幅をＷとすると、ポリゴンミラー２５での１回目の反射によって反射光が固定ミラー２７に入射し、入射光が固定ミラー２７で遮られない条件は次式で示される。
φ＞ａsin（0.5ＷＬ）＝５．７°
従って前述した例のようにφが６°であればこれを満たしている。このように偏向点と近い別の面にビームを投射させることにより、面に追従してビームが投射される。

次にこの実施の形態の動作について説明する。まず半導体光増幅器１２を駆動する。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２３によって平行光となる。ポリゴンミラー２５の一面で反射された光ビームが一旦固定ミラー２７に入射し、ポリゴンミラー２５の他の面に反射される。ポリゴンミラー２５は２回目の入射光も再度反射し、反射光を回折格子２８へ入射する。ポリゴン面で２度反射するので、偏向角度は従来に比べて２倍、即ち４Δθ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２８に加わる。そして回折格子２８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２３に加わる。又偏波コントローラ２２，１５は光ファイバを透過する光の偏波を一定方向に調整する。

そしてポリゴンミラー２５が回転するにしたがって、ビームが偏向し、固定ミラー２７の面での反射位置、及び、ポリゴンミラー２５への投光位置が徐々に横方向へシフトしていく。上記指定位置に固定ミラー２７を配置しておけば、ポリゴンミラー２５の一面分の偏向が終了するまで、第２面に対して投光位置が追従する。即ち、ビームが一挿引内、つまりポリゴンミラーがΔθ_m回転する際に、２回目の反射点が同じ面で偏向され、また追従することによって走査の途中で別の面に入射することなく、偏向が実現できる。つまり１回目と２回目の反射の同期をとることができる。

図１Ｂの曲線Ｂは、本実施の形態において、格子線数Λが１３００本／ｍｍ（ａ＝０．７６μｍ），ポリゴンミラー２５の回転数を40,000rpmつまりfp=667Hzの場合、本構成で走査レートｆ＝ｍ・ｆｐと波長走査範囲の関係を示す。この図から知られるように、ポリゴン面数Ｍを例えば１２０と増加させた場合は、波長走査範囲は約２００ｎｍとなり、光源のほぼ走査可能な範囲とすることができる。この場合には走査レート周波数は図１Ａに示すように、８０ｋＨｚとなり、高速の走査と広い走査範囲と同時に実現することができる。

尚本実施の形態では、ポリゴンミラー２５で反射される回数を１回とし、偏向角度を２倍となるようにしているが、複数回、例えば２回の反射によって偏向角を４倍とするようにしてもよい。

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、光ファイバ増幅器を用いてもよい。又光ファイバ１１を偏波面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１５を省略することができる。

次に本発明の第２の実施の形態について図５，図６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４％〜５０％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５３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２５、固定ミラー２７及び回折格子２８によって構成する。従って回折格子２８と面５１ａ（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。

本発明はポリゴンミラー、固定ミラー、回折格子を用いて高速、広帯域に発振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本発明の波長走査型レーザ光源を光源として用いることができる。

ポリゴン面数Ｍと走査レートとの関係を示すグラフである。 ポリゴン面数Ｍと波長走査範囲との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態による波長走査型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レーザ光源のフィルタ部分の主要部を示す斜視図である。 本実施の形態の光学系の配置を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態による波長走査型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光ファイバの詳細を示す図である。

符号の説明

１０ 波長走査型ファイバレーザ光源
１１，５３ 光ファイバ
１２ ゲイン媒体
１３ 光サーキュレータ
１４，５５ 光カップラ
１５，２２，５４ 偏波コントローラ
２１ 光ファイバ
２３ コリメートレンズ
２４ ビームエキスパンダ
２５ ポリゴンミラー
２６ 駆動部
２７ 固定ミラー
２８ 回折格子
５１ ゲイン媒体
５６ 波長可変フィルタ

Claims (2)

1. レーザ発振の共振器と、
   前記共振器内に設けられ、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、
   前記レーザ発振の共振器内に配置され、選択波長を連続的に変化させる波長可変光フィルタと、を具備し、
   前記波長可変光フィルタは、
   回転によって光ビームの反射角を変化させる複数の反射面を有し、光ビームの反射角度を一定範囲で周期的に変化させるポリゴンミラーと、
   前記ポリゴンミラーを回転する駆動部と、
   前記ポリゴンミラーの外部に近接して設けられ、前記ポリゴンミラーで反射された光を前記ポリゴンミラーの異なる面に入射する固定ミラーと、
   前記ポリゴンミラー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、を具備する波長走査型レーザ光源。
2. 前記固定ミラーは、前記ポリゴンミラーで反射された光を１回ポリゴンミラーの異なる面に反射するものであり、
   前記固定ミラーは前記ポリゴンミラーの外接円の直径Ｄのおおよそ１／８の距離に配置した請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
   

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