JP2009266959A - レーザ光源装置とそれを用いた情報記録再生装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法で、滑らかな強度分布パターンをもち、かつ小型の外部共振器型のレーザ光源装置を提供する。さらに、このレーザ光源装置を用いた情報記録再生装置および電子機器を提供する。
【解決手段】半導体レーザ１の光軸３ａに対して体積型回折素子２を傾けて配置する。これにより、光軸３ａに沿って半導体レーザ１から出射した光は、体積型回折素子２を透過する。一方、体積型回折素子２の屈折率の変調方向Ｋに沿って出射した光の一部は、体積型回折素子２によって反射されて半導体レーザ１に帰還する。この結果、出力強度が落込む領域を光軸３ａから遠ざけることができ、光軸３ａ近傍の出力強度を一様にできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光源装置およびそれを用いた情報記録再生装置などの電子機器に関する。より特定的には、外部共振器型の半導体レーザに関する。

半導体レーザと外部共振器とを組み合わせた外部共振器型のレーザ装置が提供されている。このような外部共振器構造を用いてスペクトルを狭窄化してシングルモード発振させることは、最も一般的な半導体レーザの波長制御方法として知られている。

このような狭帯域レーザは、これまでは通信分野やラマン分光などの分光計測用の光源として使用されてきた。最近では、これらの分野以外にも、体積型ホログラムメモリを用いた情報記録再生装置の光源として注目されている。

外部共振器半導体レーザとしてはリトロー型の半導体レーザとリットマン型の半導体レーザとが代表的である。これらの外部共振器半導体レーザにおいて、シングルモード発振をさせる場合には、外部共振器として用いる回折格子に高い波長分解能が必要である。

外部共振器として平面型の回折格子を用いた場合、波長分解能は回折格子が設けられた平面上でのビームスポット径の中に含まれる格子の溝の本数に比例する。よって、より安定したシングルモード発振を得るためには、ビームスポット径を大きくする必要がある。このためにはコリメータの焦点距離を長くする必要があるので、平面型回折格子を用いた外部共振器レーザを小型化することは困難である。

一方、素子の小型化を図る方法としては、体積型回折素子を用いて外部共振器を構成する方法がある（たとえば、特開２００１−２８４７１８号公報（特許文献１）を参照）。次にこの方法について説明する。

図１２は、体積型回折素子１３０を用いた外部共振器レーザ１００の構成を示す図である。図１２を参照して、外部共振器レーザ１００は、レーザダイオードなどの半導体レーザ１１０と、コリメートレンズ１２０と、体積型回折素子１３０とを含む。

半導体レーザ１１０から出射された複数の縦モードを有するレーザ光１４０は、コリメートレンズ１２０によって平行にされ、体積型回折素子１３０に入射する。体積型回折素子１３０は、その内部に屈折率の異なる層が交互に形成された回折格子として機能する回折領域１３２を有している。その回折領域１３２の屈折率の変調方向Ｋ（回折領域３２を構成する各層に垂直な方向）は、レーザ光の光軸の方向１４０ａに一致する。体積型回折素子１３０は、回折格子のブラッグ条件を満たす波長およびその極近傍の波長のみを回折する。その回折角度は図においては１８０度となるため、体積型回折素子１３０によって回折された回折光１４２は、コリメートレンズ１２０を介して半導体レーザ１１０に帰還する。この結果、半導体レーザ１１０は、帰還した回折光１４２に同期して単一モードの光を出射するようになる。この単一モードのレーザ光は体積型回折素子１３０を透過する光として外部に取り出される。

図１２の構成の外部共振器レーザ１００においては、波長選択性はビームスポット径に依存するのではなく、体積型回折素子１３０の回折領域１３２の厚さ、すなわち、光軸方向に積層された格子面の数によって決まる。よって、狭帯域の特性を維持したままで、外部共振器レーザを構成する素子１１０，１２０，１３０の間隔を互いに十分狭くすることができる。このため、平面型回折格子で外部共振器レーザを構成する場合と比較して、より小型化した狭帯域の外部共振器半導体レーザを実現することが可能になる。

同様の構成の外部共振器レーザは、非特許文献１（Scott L. Rudder、外２名、「Hybrid ECL/DBR wavelength & spectrum stabilized lasers demonstrate high power & narrow spectral linewidth」、Photonics West 2006、SPIE proceedings、pp.82-86、January 2006）によっても開示されている。非特許文献１の外部共振器レーザは、高い安定性と狭いスペクトル幅を備えており、高分解能のラマン分光測定への応用などが期待されている。

さらに、コリメータを用いずに、半導体レーザと体積型回折素子のみで外部共振器レーザも構成することも可能であり、実際に製品として市販されている。半導体レーザと体積型回折素子を１パッケージ化してさらなる小型化を図ることで、装置などへの組み込みが容易になるうえ、空気の乱流などの外部要因による波長揺らぎを低減できるなど、信頼性も高めることができる。
特開２００１−２８４７１８号公報 Scott L. Rudder、外２名、「Hybrid ECL/DBR wavelength & spectrum stabilized lasers demonstrate high power & narrow spectral linewidth」、Photonics West 2006、SPIE proceedings、pp.82-86、January 2006

しかしながら、コリメータを用いずに、半導体レーザと体積型回折素子とによって外部共振器レーザを構成した場合には、出力光の強度が極端に弱い部分をもつ強度分布パターンがみられることがある。本発明の発明者らは、検討の結果、このような不均一な強度分布が生じる原因を次のように考えている。

体積型回折素子は、入射する光のうちブラッグ条件を満たす光を回折する。発生した回折光のうちレーザ共振器内に帰還する光の波長で外部共振器レーザは発振する。コリメータを用いる外部共振器レーザの場合、半導体レーザから放射された光は、コリメータを通過することによって光軸に沿って進行する平行光となる。この場合、光軸に沿った平行光がブラッグ条件を満たす。

一方、コリメータを用いない場合には、半導体レーザの光軸近傍に出射された光のみがブラッグ条件を満たす。なぜなら、半導体レーザから放射された光の波面は平面ではなく球面に近いため、発振波長の光でも、光軸近傍から離れた方向に放射される光はブラッグ条件を満たさなくなるからである。ブラッグ条件を満たさないこれらの光は回折を受けずに体積型回折素子をそのまま透過してしまう。

最終的な外部共振器レーザの出力光は、体積型回折素子を透過する光として得られる。このとき、半導体レーザから放射された光のうちブラッグ条件を満たす光は、体積型回折素子によって回折される。したがって、コリメータを用いない場合に、最終的に外部共振器レーザの出力として得られる光の強度分布は、光軸付近で強度が極端に落ち込んだパターンとなる。このような強度分布パターンの品質の悪化は、体積型ホログラムメモリによる情報記録再生装置などでは特に問題になる。

フィルタなどによって強度分布パターンの整形を行うことは一応可能である。しかし、余分に素子を追加する必要があるうえ、強度分布パターンにあわせてフィルタの透過率を設定することが難しい。また、この場合、フィルタによって周辺部の出力光の強度を低下させることになるため、出力光の強度の損失が著しくなる。

また、体積型回折格子に形成する回折層に、半導体レーザ光の球面状の波面に合わせた曲率を与えることによって、強度分布の不均一性を低減することも一応可能である。しかし、そのような曲率を備えた体積型回折格子を形成するのは難易度が増すうえ、半導体レーザと体積型回折格子の間隔の微妙な調整が必要となる。このため、外部共振器レーザの歩留まり悪化や、品質のばらつきが生じ、レーザ装置のコストが高くなる恐れがある。

本発明はこのような問題を鑑みてなされたものである。本発明の目的は、簡易な方法で、滑らかな強度分布パターンをもち、かつ小型の外部共振器型のレーザ光源装置を提供することである。さらに、このレーザ光源装置を用いた情報記録再生装置および電子機器を提供することである。

本発明は要約すれば、レーザ光源と光学素子とを供えるレーザ光源装置である。レーザ光源は、出射口から光を放射する。光学素子は、出射口から放射された光が入射され、第１の方向に沿って屈折率が周期的に変化し、第１の方向と垂直な方向に屈折率が一様な回折領域を内部に含む。ここで、光学素子は、レーザ光源の光軸と異なる第２の方向に沿って出射口から出射された光が、第１の方向から回折領域に到達し、かつ、レーザ光源の光軸に沿って出射口から出射された光が、第１の方向と異なる方向から回折領域に到達するように配置される。また、回折領域は、第１の方向から回折領域に到達した光の一部を、第１の方向に回折してレーザ光源に帰還させ、第１の方向と異なる方向から回折領域に到達した光を透過する。

好ましくは、出射口から出射された光の強度がレーザ光源の光軸の方向の光の強度に対して１／ｅ²（ただし、ｅはネイピア数）になる方向とレーザ光源の光軸とのなす角度をθ_１とするとき、第２の方向とレーザ光源の光軸とのなす角度φは、
θ₁＞φ＞ａｒｃｔａｎ（０．４２×ｔａｎθ₁） …(A1)
の関係を満たす。

好ましい実施の一形態において、光学素子は、レーザ光源を臨み出射口から放射された光が入射する第１の平面をさらに含む。ここで、第１の平面は、レーザ光源の光軸と垂直であり、第１の方向に対して傾斜する。

好ましい実施の他の形態において、光学素子は、レーザ光源を臨み出射口から放射された光が入射する第１の平面をさらに含む。ここで、第１の平面は、第１の方向と垂直であり、レーザ光源の光軸に対して傾斜する。

上述の実施の他の形態の場合、第２の方向は、第１の方向と同じ方向である。この場合、出射口から出射された光の強度がレーザ光源の光軸の方向の光の強度に対して１／ｅ²（ただし、ｅはネイピア数）になる方向とレーザ光源の光軸とのなす角度をθ_１とするとき、第１の方向とレーザ光源の光軸とのなす角度φは、
θ₁＞φ＞ａｒｃｔａｎ（０．４２×ｔａｎθ₁） …(A2)
の関係を満たす。

また、好ましくは、回折領域は、複数の第１の屈折率層と複数の第２の屈折率層とを含む。複数の第１の屈折率層は、第１の屈折率を有し、互いに厚みが等しい。複数の第２の屈折率層は、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有し、互いに厚みが等しく、各々が複数の第１の屈折率層の各々と交互に積層される。ここで、第１の方向は、複数の第１、第２の屈折率層が積層される方向である。

本発明の他の局面において、本発明は上記のレーザ光源装置を備え、レーザ光源装置から出射された光を用いて情報の記録または再生を行なう情報記録再生装置である。

本発明のさらに他の局面において、本発明は上記のレーザ光源装置を備えた電子機器である。

本発明によれば、レーザ光源の光軸方向の光が回折されないように体積型回折素子を配置することによって、出力光の強度分布特性が滑らかな狭帯域のレーザ光源装置を提供できる。また、コリメートレンズを用いない構成であるので、小型で安価なレーザ光源装置が実現できる。また、このようなレーザ光源装置を用いることで、情報記録再生装置などの電子機器を小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

［レーザ光源装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態のレーザ光源装置１０の構成を示す図である。図１に示すように、レーザ光源装置１０は、レーザ光源としての半導体レーザ１と、光学素子２とを備える。図１では、半導体レーザ１の光軸３ａの方向をｚ軸方向（図面の上下方向）とし、図面の左右方向をｘ軸方向とし、ｘ軸方向とｚ軸方向とに直交する紙面の表から裏に向かう方向をｙ軸方向とする。

半導体レーザ１は、マルチモードのレーザ光を発光する。たとえば、半導体レーザ１は、４００ｎｍ程度の青紫色のレーザ光を発光する。また、半導体レーザ１の出射口１ａからから放射される光３は、平行光ではなく、光軸３ａを中心にある程度の角度をもって、図１のように楕円錐状に広がりながら放射される。半導体レーザ１の出射口１ａから放射されたレーザ光３は、半導体レーザ１に臨む第１の平面２ａから光学素子２へ入射する。

光学素子２は、半導体レーザ１から射出した光のうち特定の波長を選択する波長選択機能と、その選択した波長の光のうち一部の光を半導体レーザ１の方向に反射する反射機能とを備えている。本実施の形態における光学素子２は、屈折率変調タイプの反射型の体積型回折素子である。以下、光学素子２を体積型回折素子２と記載する。

図２は、図１の体積型回折素子２の構成を示す斜視図である。
また、図３は、図２の体積型回折素子２の一部の断面図である。図２、図３を参照して、体積型回折素子２は、内部に屈折率が周期的に変化する回折領域２０を含む。回折領域２０は、たとえば、屈折率ｎ_Aを有する材料の内部に、屈折率ｎ_Aと異なる屈折率ｎ_Bを有する複数の屈折率層２１ｂを形成することによって作製される。したがって、回折領域２０では、屈折率ｎ_Aを有し互いに厚みが等しい屈折率層２１ａと、屈折率ｎ_Bを有し互いに厚みが等しい屈折率層２１ｂとが交互に積層されることになる。屈折率ｎ_Aを有する層２１ａと屈折率ｎ_Bを有する層２１ｂとの境界面がグレーティング面２１である。したがって、グレーティング面２１の法線方向Ｋに沿って屈折率が周期的に変化し、グレーティング面２１に平行な方向の屈折率は一様である。以下、グレーティング面２１に垂直な方向Ｋを屈折率変調方向Ｋとも称する。体積型回折素子２の第１の平面２ａ（レーザ光の入射面）は、複数の屈折率層２１ａ，２１ｂと平行に形成される。屈折率変調方向Ｋは、第１の平面２ａと垂直な方向になる。以下の説明では、図２、図３に示すように、回折領域２０の厚みをＤとし、屈折率の変調のピッチ（周期）をΛとする。体積型回折素子２へ入射した光はこの回折領域２０の作用によって一部が反射し、残りは体積型回折素子２を透過する。

このように屈折率が周期的に変化する領域２０を有する体積型回折素子２は、感光性材料を用いた２光束干渉法によって作製することができる。２光束干渉法では、感光する波長域と同じ発振波長のレーザ光で感光材料の内部に干渉縞を生成し、これによって感光材料を露光する。また、感光波長よりも長波長のパルスレーザを用いて、強電場の多光子吸収を利用する方法によっても、感光材料を露光することが可能である。ここで、体積型回折素子が回折する波長は、２光束干渉法におけるレーザ光の交差角度で調節することができる。この２光束干渉法に用いられるレーザの波長は、体積型回折素子の回折波長よりも短波長である。

再び図１を参照して、体積型回折素子２は半導体レーザ１から射出された光３の光軸３ａ（半導体レーザ１の光軸３ａとも称する）に対して傾斜して配置される。体積型回折素子２の内部に形成された回折領域２０のグレーティング面２１の法線方向Ｋも光軸３ａに対して傾斜している。半導体レーザ１から射出した光は体積型回折素子２に入射する際に第１の面２ａで屈折し、光の進行方向を変化させて回折領域２０に入射する。このとき、屈折光４の光軸４ａとグレーティング面２１の法線方向Ｋとが平行とならないように体積型回折素子２の傾斜角度を設定する。

体積型回折素子２によって反射された光のうちの一部は、半導体レーザ１の内部へと帰還する。帰還した光は、半導体レーザ１の出射口１ａと反対側の端面で反射され、半導体レーザ１の活性層で増幅されてから再び半導体レーザ１の出射口１ａから放射される。放射された光は、再び体積型回折素子２へと入射し、入射した光の一部は体積型回折素子２によって反射される。このように、レーザ光源装置１０では、半導体レーザ１の出射口１ａの反対側の端面と、体積型回折素子２との間で共振器が形成される。そして、この共振器を往復する特定の波長（縦モード）の光が増幅されてレーザ発振する。発振した光の大部分は、回折領域２０によって反射されずに回折領域２０をそのまま透過し、共振器のもれ光になる。この共振器のもれ光が、レーザ光源装置１０の出力光５として取出される。

出力光５は、体積型回折素子２と空気層との境界面である第２の平面２ｂで屈折する。体積型回折素子２の第１の平面２ａと第２の平面２ｂとは平行であるので、屈折した光５の光軸５ａは半導体レーザ１から放射される光３の光軸３ａと平行になる。ただし、出力光５の光軸５ａの位置は、体積型回折素子２の傾斜角度に応じてシフトする。

本実施の形態のレーザ光源装置１０は、リトロータイプの外部共振器レーザの１つである。ここで、このようなリトロー型の外部共振器を備えた波長可変レーザ装置の動作特性について、図４を参照して説明する。

図４は、レーザ光源装置１０の動作特性を説明するための図である。図４において、横軸には周波数、縦軸には利得（ゲイン）がとられている。図４に示すように、半導体レーザ１は、所定の波長域において連続的に広いゲインカーブ１３ａを有している。また、図１のレーザ光源装置１０では、所定の周波数間隔で複数の縦モード１３ｃが発生している。この場合の複数の縦モード１３ｃの間隔は、半導体レーザ１の出射口１ａと反対側の端面と体積型回折素子２との距離である共振器長に対応して決まる。また、図４の放物線状の曲線１３ｂは、図１の体積型回折素子２の分解能を表わし、曲線１３ｂの波長範囲の光が反射される。体積型回折素子２の分解能は、図３の体積型回折素子２の屈折率層の屈折率ｎ_Aおよびｎ_Bの差と屈折率層の積層数とに依存する。レーザ光源装置１０は、最終的にはこれら３つの領域がすべて重なった範囲のモードで発振する。

次に、本実施の形態のレーザ光源装置１０の発振波長と射出光の強度分布とについて説明する。

一般に、体積型回折素子によって反射される光は、ブラッグの条件：
λ＝２nΛcosθ …(1)
を満たす光および、その条件に近い光に限られる。ここで、（１）式では、体積型回折素子に入射する光線の光軸とグレーティング面の法線とのなす角度をθとし、入射光の波長をλとし、回折格子のピッチをΛとし、体積型回折素子の媒体の平均屈折率をｎとしている。ブラッグの条件を満たさない角度および波長の光はそのまま体積型回折素子を透過する。

半導体レーザから放射されるレーザ光の角度にはある程度の幅があり、また、レーザ光の波長にもある程度の幅がある。したがって、半導体レーザから放射されたレーザ光が体積型回折素子に入射する場合には、上式（１）のブラッグの条件を満たす波長と角度との組が複数存在し得る。

図５は、図１のレーザ光源装置１０の発振波長を説明するための図である。図５を参照して、まず、半導体レーザ１の光軸に沿って体積型回折素子２に入射する入射光Ａ１について説明する。入射光Ａ１が上式（１）のブラッグ条件を満たす場合、回折領域２０のグレーティング面２１が傾いているため、回折光Ａ２の光軸は入射光Ａ１の光軸から大きくはずれ、回折光Ａ２は半導体レーザ１に帰還しない。

次に、図５のグレーティング面２１に垂直な方向Ｋおよびその近傍に半導体レーザ１から出射された光Ｂ１について説明する。入射光Ｂ１がブラッグ条件をほぼ満たす場合、グレーティング面２１の方向と入射光Ｂ１の波面の方向とがほぼ一致するため、回折光Ｂ２は入射光Ｂ１と同一方向になる。したがって、回折光Ｂ２は、もとの光路を通って半導体レーザ１の内部に帰還する。この結果、半導体レーザ１は、上式（１）でθ＝０の場合であるλ＝２ｎΛ近傍の縦モードの波長で発振するようになる。このように発振波長がλ＝２ｎΛ近傍の場合には、半導体レーザ１の光軸に沿う光Ａ１は、回折を受けずに体積型回折素子２をそのまま透過してしまう。発振波長の光でも、θ＝０の近傍から離れた方向から回折領域２０に入射される光はブラッグ条件を満たさなくなるからである。

ここで、体積型回折素子２の波長分解能および角度分解能は、回折領域２０の厚さＤ、屈折率の変化量、および回折格子のピッチΛなどによって決まる。たとえば、回折領域２０の厚さＤが５００μｍであり、式（１）のブラッグ波長λが４００ｎｍである場合、波長分解能は約０．１ｎｍと見積もられる。すなわち、半導体レーザ１は、４００ｎｍの波長を中心として０．１ｎｍの範囲の縦モードで発振する。なお、波長分解能は図４の曲線１３ｂで表わされる。

また、同様の条件において、体積型回折素子２の角度分解能は±２度程度と見積もられる。すなわち、図５の回折光Ｂ２は、グレーティング面２１の法線方向Ｋに対して約±２度の広がりを持つ。これに対して、半導体レーザ１の長軸方向の放射角度幅は１５度前後の幅を有する。したがって、発振波長の光では、半導体レーザ１の放射角度のうちごく狭い角度範囲の光しか体積型回折素子によって反射されない。この結果、体積型回折素子を透過する光に対しては、グレーティング面の法線方向のごく近傍で極端に透過強度が落ち込むことになる。

外部共振器レーザの出力光の強度分布は、この体積型回折素子の透過強度特性の影響を受ける。すなわち、出力光の強度分布は、グレーティング面の法線方向に沿った部分に極端な窪みがある強度分布になる。そこで、本実施の形態のレーザ光源装置１０では、グレーティング面２１を半導体レーザ１の光軸３ａに対して傾けることによって均一な強度分布が得られるように工夫している。

図６は、レーザ光源装置１０の出力光の強度分布を説明するための図である。図６は、レーザ光源装置１０の出力光のターゲット面Ｔにおける強度分布を示すものである。図６では、半導体レーザ１の光軸３ａの方向をｚ軸方向（図面の上下方向）とし、図面の左右方向をｘ軸方向とし、ｘ軸方向とｚ軸方向とに直交する紙面の表から裏に向かう方向をｙ軸方向とする。ターゲット面Ｔはｘｙ平面と平行になる。ターゲット面Ｔ上では、楕円７ａ状にレーザ光源装置１０からの出力光が照射される。

本実施の形態の外部共振器型のレーザ光源装置１０においては、半導体レーザ１の光軸３ａとグレーティング面２１の法線方向Ｋがずれている。言換えると、体積型回折素子２は、半導体レーザ１の光軸３ａと異なる方向に沿って出射口１ａから出射された光が、法線方向Ｋから回折領域２０に到達し、かつ、半導体レーザ１の光軸３ａに沿って出射口１ａから出射された光が、法線方向Ｋと異なる方向から回折領域２０に到達するように配置される。この場合、グレーティング面２１の法線方向Ｋから回折領域２０に到達した光は、ブラッグ条件を満たすので、到達した光の一部は法線方向Ｋに回折されて半導体レーザ１に帰還する。法線方向Ｋと異なる方向から回折領域２０に到達した光は、ブラッグ条件を満たさないので回折領域２０を透過する。

したがって、図６に示すように強度の弱い窪み部分７ｃは中心位置からシフトする。このシフト量は、実際に使用する領域７ｂ（破線の楕円内）からははずすように体積型回折素子２の傾斜角度φを設定している。この結果、本実施の形態のレーザ光源装置１０では、実際に使用する領域７ｂは滑らかな強度分布を備えており、出力される光ビームに強度整形などを施す必要がなくなる。

この場合の体積型回折素子２の傾斜角度φは、光軸方向３ａの強度の１／e²となるときの光軸３ａに対する光の出射角度をθ₁としたとき、
θ₁＞φ＞arctan（0.42×tanθ₁） …(2)
の範囲にあることが好ましい。本実施の形態の場合、傾斜角度φは、半導体レーザ１の光軸３ａとグレーティング面２１の法線方向Ｋとのなす角度に等しい。半導体レーザ１の光軸３ａに対して角度φで出射口１ａから出射された光が、法線方向Ｋに沿って回折領域２０に到達する。このような条件にすることによって、外部共振器レーザの出力光の強度分布において、ピーク強度の７０％以上になる領域から強度分布の弱いくぼみ部分を除くことができる。上式（２）について図７を参照して説明する。

図７は、体積型回折素子２の最適傾斜角度を説明するための図である。半導体レーザ１から射出された光は拡散光であるため、半導体レーザ１から離れるにつれてビーム径が広がっていく。半導体レーザ１からＬだけ離れた位置での強度分布を、光軸を中心とする図のようなガウシアン関数exp（-２・ｘ²／ω₁ ²）でフィッティングする。この場合、レーザの射出点に対して、強度が１／ｅ²となる角度θ₁はtanθ₁＝ω₁／Ｌと表される。ここで、光軸上の強度は１で規格化し、ｘは光軸と直交する平面上の一軸における座標であり、ω₁は定数である。また、ｅはネイピア数を表わす。

同様に、半導体レーザ１からの距離Ｌの位置での強度分布において、ピーク位置の７０％となるｘ座標は、exp（-２・ｘ²／ω₁ ²）＝0.7の関係から、
ｘ₁＝（-ln0.7／２）^0.5・ω₁ …(3)
と表すことができる。したがって、レーザ光の射出点に対して、強度がピーク位置の７０％となる角度θ₂はtanθ₂＝ｘ₁／Ｌから
θ₂＝arctan（（-ln0.7／２）^0.5・ω₁／Ｌ） …(4)
と求められる。この式の定数部分を計算し、ω₁を、θ₁を用いて表わすと、
θ₂＝arctan（0.42×tanθ₁） …(5)
となり、上述の関係式（２）が得られる。このように、θ₁からθ₂の範囲に体積型回折素子２を傾けることによって、強度の弱いくぼみ部分はこの角度範囲に現れることになり、強度の強い部分への影響を低減することができる。

ここで、ピーク値の0.7倍とした理由は、たとえば、体積ホログラムメモリの用途で使用する場合を考慮したからである。体積ホログラムメモリでは、空間光変調器でビームの断面に情報が付与される。そのため、光の強度分布は一様であるほうが都合がよいが、最周辺部で７０％の落ち込みまでは許容範囲と考えられる。また、ピーク値の１／ｅ²とした理由は、角度が大きくなると、半導体レーザ１に帰還する光量が少なくなるので発振しにくくなる。このため、１／ｅ²を基準としている。

このように、本実施の形態のレーザ光源装置１０によれば、滑らかな出力強度分布を有する狭帯域レーザ光源装置が得られる。また、コリメートレンズを用いない構成であるので、半導体レーザ１と体積型回折素子２との間隔とは無関係に狭帯域化が図れる。このため、半導体レーザ１と体積型回折素子２とを１パッケージ化してさらなる小型化および低価格化を図ることができる。また、１パッケージ化によって電子機器などへの組込が容易になる。さらに、空気の乱流などの外部要因による波長揺らぎを低減できるなど、信頼性を高めることもできる。また、レーザ光源装置１０の温度制御を行う場合でも素子体積が小さいため制御が容易になる。

なお、外部共振器レーザにおいては、半導体レーザ１の端面反射率が高いと、高電流注入時の動作が不安定になる場合がある。これを避けるために、半導体レーザ１の出射側の端面の反射率をなるべく低く設定し、半導体レーザ自身の発振閾値を高めて半導体レーザ単独での発振を抑制することが望ましい。具体的には出射側の端面反射率を１％以下にすることが望ましい。これによって外部共振器レーザにおいて高い出力光を得る際の発振状態を安定化させることが可能になる。

［レーザ光源装置の変形例］
図１の半導体レーザ１および体積型回折素子２の配置では、半導体レーザ１から放射された光は広がりながら体積型回折素子２の入射面２ａに対して斜めに入射するため、非点収差が発生する。図８は、この非点収差を避けるための構成を示すものである。

図８は、変形例のレーザ光源装置１１の構成を示す図である。図８のレーザ光源装置１１は、半導体レーザ１と体積型回折素子１５とを含む。体積型回折素子１５では、半導体レーザ１を臨む第１の平面１５ａおよび反対側の第２の平面１５ｂが、光軸３ａと直交する。また、内部に形成される回折領域２０の屈折率変調方向Ｋ（グレーティング面２１に垂直な方向）は、第１の平面１５ａに対して傾斜する。

図８の構成によれば、半導体レーザ１の光軸３ａに沿って出射した光は、そのまま直進して体積型回折素子１５を透過する。一方、光軸３ａと異なる方向に出射され、第１の面１５ａで屈折した後、屈折率変調方向Ｋに沿って回折領域に２０に入射する光の一部は、回折領域２０で反射されて半導体レーザ１に帰還する。このように、レーザ光源装置１１では、光軸付近の出力光の強度分布を滑らかにするとともに、発生する収差を抑制することが可能になる。

ここで、図１の場合における前述の式（２）と同様に、ピーク強度の７０％以上になる領域から強度分布の弱いくぼみ部分を除くことが好ましい。すなわち、図８の場合、体積型回折素子１５のうち回折領域２０を除く領域の屈折率をｎ_Aとし、屈折率変調方向Ｋと光軸３ａとのなす角度をδとする。そして、光軸３ａに対して角度φで出射された光が、屈折率変調方向Ｋに沿って回折領域２０に到達するとすれば、第１の平面１５ａでの屈折の法則から、空気の屈折率を１としたとき、
sinφ＝ｎ_A・sinδ …(6)
が成り立つ。したがって、光軸３ａに対してφ＝arcsin（ｎ_A・sinδ）の角度で半導体レーザ１から出射された光が、屈折率変調方向Ｋに沿って回折領域２０に入射することになる。このため、前述の式（２）に対応する式は、
arcsin（sinθ₁／ｎ_A）＞δ
＞arcsin（sin（arctan（0.42×tanθ₁））／ｎ_A） …(7)
となる。すなわち、レーザ光源装置１１では、光軸方向３ａの強度の１／e²となるときの光軸３ａに対する光の出射角度をθ₁としたとき、上式（７）を満たすように、屈折率の変調方向Ｋと光軸３ａとのなす角度δを定めるのが好ましい。

また、図８の場合、半導体レーザ１から射出した光のうち、体積型回折素子１５に入射せずに表面１５ａで反射される光が半導体レーザ１内へと直接帰還しやすくなる。この場合、レーザ光源装置１１の発振状態が不安定になることがある。そこで、反射率を抑えるための反射防止コーティングが体積型回折素子１５の半導体レーザ１側の面１５ａに施されていることが望ましい。この場合、表面１５ａでのレーザ光の反射率は１％以下であることが望ましい。

［外部共振器型のレーザ光源装置を用いた情報記録再生装置］
従来から、ホログラムによって光ディスク記録媒体に情報を超高密度で記録するホログラム記録方式が知られている。このホログラム記録方式では、イメージ情報を担持する情報光と記録用の参照光とを光ディスク記録媒体の内部で重ね合わせて干渉縞パターンを生成し、この干渉縞パターンを光ディスク記録媒体中に記録することによってイメージ情報の書込みが行なわれる。記録された干渉縞パターンから情報を再生する場合には、その光ディスク記録媒体中に記録された干渉縞パターンに書込時と同様の再生用の参照光を照射し、干渉縞パターンによって回折を生じさせてイメージ情報を再生する。

図９、図１０は、本実施の形態のレーザ光源装置を用いたホログラム記録再生装置３０の構成を示す図である。ここで、図９は記録時を示し、図１０は再生時を示す。

図９、図１０を参照して、ホログラム記録再生装置３０は、レーザ光源装置３１と、コリメートレンズ３２と、１／２波長板３３，３５と、偏光ビームスプリッタ３４，３７と、反射型液晶の空間光変調器３８と、ビームエキスパンダ３６と、リレーレンズ３９と、ピンホール４０と、対物レンズ４１と、ガルバノミラー４３と、２次元撮像センサ４６と、１／４波長板４４と、反射ミラー４５と、制御部５０とを備える。

レーザ光源装置３１は、図１または図８に示した外部共振器型のレーザ光源装置１０，１１である。ホログラム記録再生装置３０は、角度多重方式により、ホログラム記録媒体４２に対して情報の記録または再生を行なう。以下では、まず図９を参照して、記録時のホログラム記録再生装置３０の動作について説明する。

レーザ光源装置３１から出射された光ビームは、コリメートレンズ３２によって平行光に変換され、１／２波長板３３によってＰ偏光とＳ偏光との割合が調整される。調整された光ビームは、偏光ビームスプリッタ３４によって、Ｐ波の信号光ＬｐとＳ波の参照光Ｌｓとに分割される。

信号光Ｌｐは、１／２波長板３５によって強度が調整され、ビームエキスパンダ３６によってビーム径が調整される。次いで、偏光ビームスプリッタ３７を透過するＰ偏光成分のみが空間光変調器３８に入射される。空間光変調器３８は、制御部５０から受信した２次元データに基づいて信号光を変調する。空間光変調器３８によって変調された信号光は、偏光が９０度回転しているため偏光ビームスプリッタ３７によって反射される。偏光ビームスプリッタ３７で反射された信号光は、リレーレンズ３９によって一旦集光される。集光された信号光は、ピンホール４０により反射型液晶からの高次の回折光がカットされるとともに、ビーム径が調整される。リレーレンズ３９を通過した信号光は、対物レンズ４１によってホログラム記録媒体４２内に集光される。

参照光Ｌｓは、ガルバノミラー４３によって角度が変調される。このとき、ガルバノミラー４３の角度変調は制御部５０によって行なわれる。角度が変調された参照光は、信号光と干渉するようにホログラム記録媒体４２の同一個所に入射される。その結果、ホログラム記録媒体４２内に信号光と参照光との干渉縞が形成される。この際、空間光変調器３８によって変調された情報が、ホログラム記録媒体４２内にホログラムとして記録される。上記のホログラム記録では、ガルバノミラー４３の角度を変えることにより、ホログラム記録媒体４２への入射角度が変わり、角度多重記録を行なうことが可能となる。

次に、図１０を参照して、再生時のホログラム記録再生装置３０の動作について説明する。

レーザ光源装置３１は、再生時には、１／２波長板３３において偏光の割合を調整する等によって信号光を遮断し、参照光Ｌｓのみをホログラム記録媒体４２中に入射させる。

偏光ビームスプリッタ３４によって分離されたＳ偏光の参照光Ｌｓは、ガルバノミラー４３によって角度が変調され、ホログラム記録媒体４２を透過する。このとき、ガルバノミラー４３の角度変調は制御部５０によって行なわれる。ホログラム記録媒体４２を透過した参照光は、１／４波長板４４で円偏光に変換され、反射ミラー４５で反射される。当該反射された参照光は、ホログラム記録媒体４２に記録時とは反対面からＰ偏光として入射する。

上記のようにホログラム記録媒体４２に参照光が入射すると、ホログラム記録媒体４２に記録されていたホログラムから再生光（回折光）が発生する。この再生光は、信号光とは逆の光路をたどり、対物レンズ４１およびリレーレンズ３９を通る。リレーレンズ３９を通る途中で、ピンホール４０によりノイズがカットされる。

ノイズカットされたＰ偏光の再生光は、偏光ビームスプリッタ３７を透過し、２次元撮像センサ４６に入射する。２次元撮像センサ４６は、再生光を空間的な２次元データに対応する電気信号に変換する。２次元撮像センサ４６からの出力は、制御部５０によって２値化データに変換される。

また、ホログラム記録再生装置３０は、ホログラム記録装置とホログラム再生装置とに分離することもできる。

図１１は、再生機能をだけを持つホログラム再生装置５１の構成を示す図である。図１１を参照して、ホログラム記録再生装置３０は、レーザ光源装置３１と、対物レンズ４１と、ガルバノミラー４３と、２次元撮像センサ４６と、１／４波長板４４と、反射ミラー４５と、制御部５２とを備える。

レーザ光源装置３１から射出された光はガルバノミラー４３によって角度が変調され、ホログラム記録媒体４２を透過する。このとき、ガルバノミラー４３の角度変調は制御部５２によって行なわれる。ホログラム記録媒体４２を透過した参照光は、１／４波長板４４で円偏光に変換され、反射ミラー４５で反射される。当該反射された参照光は、ホログラム記録媒体４２にＰ偏光として入射する。

上記のようにホログラム記録媒体４２に参照光が入射すると、ホログラム記録媒体４２にあらかじめ記録されていたホログラムから再生光（回折光）が発生する。この再生光は対物レンズ４１を通り、２次元撮像センサ４６で電気信号に変換される。２次元撮像センサ４６からの出力は、制御部５２によって２値化データに変換される。

体積型ホログラムメモリを用いた情報記録再生装置においては、シングルモードレーザが必要とされる。このため、その光源装置として通常の単体レーザを用いることができないので、情報記録再生装置に占める光源装置の割合が大きくなる。本実施の形態の外部共振器型のレーザ光源装置１０，１１を上記情報記録再生装置３０，５１のレーザ光源装置３１として組み込むことで、情報記録および再生装置の小型化を図ることができる。また、強度分布パターンの特性も向上するため、レーザ光源装置３１の外部に補正用の強度整形素子などが不要となり、よりコンパクトで安価な情報記録再生装置を実現できる。強度整形装置による不要な強度損失も抑えることができるので、情報記録再生特性の向上も図ることができる。

また、本実施の形態のレーザ光源装置１０，１１は、その小型で安価な特性を生かして、ラマン分光装置や光通信装置などのレーザ光源として用いることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態のレーザ光源装置１０の構成を示す図である。 図１の体積型回折素子２の構成を示す斜視図である。 図２の体積型回折素子２の一部の断面図である。 レーザ光源装置１０の動作特性を説明するための図である。 図１のレーザ光源装置１０の発振波長を説明するための図である。 レーザ光源装置１０の出力光の強度分布を説明するための図である。 体積型回折素子２の最適傾斜角度を説明するための図である。 変形例のレーザ光源装置１１の構成を示す図である。 本実施の形態のレーザ光源装置を用いたホログラム記録再生装置３０の構成を示す図である（記録時）。 本実施の形態のレーザ光源装置を用いたホログラム記録再生装置３０の構成を示す図である（再生時）。 ホログラム再生装置５１の構成を示す図である。 体積型回折素子１３０を用いた外部共振器レーザ１００の構成を示す図である。

符号の説明

１ａ 出射口、１ 半導体レーザ、２，１５ 体積型回折素子（光学素子）、２ａ，１５ａ 第１の平面、２ｂ，１５ｂ 第２の平面、３ レーザ光、３ａ 半導体レーザの光軸、１０，１１ レーザ光源装置、２０ 回折領域、２１ グレーティング面、２１ａ，２１ｂ 屈折率層、３０ ホログラム記録再生装置、５１ ホログラム再生装置。

Claims (8)

1. 出射口から光を放射するレーザ光源と、
   前記出射口から放射された光が入射され、第１の方向に沿って屈折率が周期的に変化し、前記第１の方向と垂直な方向に屈折率が一様な回折領域を内部に含む光学素子とを備え、
   前記光学素子は、前記レーザ光源の光軸と異なる第２の方向に沿って前記出射口から出射された光が、前記第１の方向から前記回折領域に到達し、かつ、前記レーザ光源の光軸に沿って前記出射口から出射された光が、前記第１の方向と異なる方向から前記回折領域に到達するように配置され、
   前記回折領域は、前記第１の方向から前記回折領域に到達した光の一部を、前記第１の方向に回折して前記レーザ光源に帰還させ、前記第１の方向と異なる方向から前記回折領域に到達した光を透過する、レーザ光源装置。
2. 前記出射口から出射された光の強度が前記レーザ光源の光軸の方向の光の強度に対して１／ｅ²（ただし、ｅはネイピア数）になる方向と前記レーザ光源の光軸とのなす角度をθ_１とするとき、前記第２の方向と前記レーザ光源の光軸とのなす角度φは、
   θ₁＞φ＞ａｒｃｔａｎ（０．４２×ｔａｎθ₁） …(A1)
   の関係を満たす、請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 前記光学素子は、前記レーザ光源を臨み前記出射口から放射された光が入射する第１の平面をさらに含み、
   前記第１の平面は、前記レーザ光源の光軸と垂直であり、前記第１の方向に対して傾斜する、請求項１または２に記載のレーザ光源装置。
4. 前記光学素子は、前記レーザ光源を臨み前記出射口から放射された光が入射する第１の平面をさらに含み、
   前記第１の平面は、前記第１の方向と垂直であり、前記レーザ光源の光軸に対して傾斜する、請求項１に記載のレーザ光源装置。
5. 前記第２の方向は、前記第１の方向と同じ方向であり、
   前記出射口から出射された光の強度が前記レーザ光源の光軸の方向の光の強度に対して１／ｅ²（ただし、ｅはネイピア数）になる方向と前記レーザ光源の光軸とのなす角度をθ_１とするとき、前記第１の方向と前記レーザ光源の光軸とのなす角度φは、
   θ₁＞φ＞ａｒｃｔａｎ（０．４２×ｔａｎθ₁） …(A2)
   の関係を満たす、請求項４に記載のレーザ光源装置。
6. 前記回折領域は、
   第１の屈折率を有し、互いに厚みが等しい複数の第１の屈折率層と、
   前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有し、互いに厚みが等しく、各々が前記複数の第１の屈折率層の各々と交互に積層される複数の第２の屈折率層とを含み、
   前記第１の方向は、前記複数の第１、第２の屈折率層が積層される方向である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射された光を用いて情報の記録または再生を行なう情報記録再生装置。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ光源装置を備えた電子機器。

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