JP2010141283A - 広帯域な波長可変レーザ装置 - Google Patents

広帯域な波長可変レーザ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明の目的は、波長を連続的に走査でき、波長範囲が青色〜近赤外にわたる広帯域な波長可変レーザを提供することである。
【解決手段】 波長範囲が４２０〜４７５ｎｍのＧａＮ系レーザダイオードからなる励起光源と、該励起光源からの励起光を透過し且つ励起光を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと所望の波長帯の光を反射する第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置され、さらには該レーザ媒質と第２のミラーの光路間に第１の波長選択手段が配置されている共振器とを備えるレーザ装置において、
レーザ媒質に少なくともＰｒ３＋が添加されているフッ化物ガラスを用いることにより連続的に変化可能であることを特徴とする波長可変レーザ装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広帯域な波長可変光源に関するものである。
近年、非線形光学結晶等を用いた波長変換技術により、ＵＶ光領域から赤外領域までのレーザが得られるようになった。
例えば、波長７７２ｎｍでレーザ発振させたＴｉサファイアレーザの４倍波を得ることによってＡｒＦレーザの波長である１９３ｎｍの波長のレーザ光を得られることが知られている（特許文献１）。または、特許文献２では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザとＴｉ：Ａｌ２Ｏ６（Ｔｉサファイア）レーザの差周波混合によって、３．２μｍ〜２０μｍの差周波光を得られることが知られている（特許文献２）。
上記のような波長変換技術によって所望の波長のレーザ光を発生させる場合、広帯域発振可能な波長可変光源を実現するためには、基本波レーザの発振波長を可能な限り広帯域に変化させることできるのが望ましい。このためには、広帯域な利得を有するレーザ媒質を選択し、より低損失な共振器を構成する必要がある。
しかしながら、一般に用いられる結晶構造をもつレーザ媒質は、広帯域発振には適しておらず、最適なレーザ媒質は見出されていない。
これに対し、ガラス構造からなるレーザ媒質では、構成する各原子はより乱雑な配位子場を取れるため、より広帯域な発光が可能となる。さらに、共有性の結合である石英ガラスよりも、イオン性の結合であるフッ化物ガラスの方が、シュタルク分裂が大きく、より広帯域な発光が可能であることが知られている。例えば、Ｐｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバを用いたレーザ発振は、利得がピークとなる波長（４９１ｎｍ、５２０ｎｍ、６０５ｎｍ、６３５ｎｍ）において確認されている（非特許文献１、特許文献３）。また、Ｊ．Ｙ．Ａｌｌａｉｎらは波長４７６．５ｎｍのＡｒ＋レーザを用いてＰｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバを励起し、６０１〜６１８ｎｍ、６３１〜６４１ｎｍ、６９０〜７０３ｎｍ、７０７〜７２５ｎｍなどの範囲において離散的なレーザ発振を確認している（非特許文献２）。しかし、波長４７６．５ｎｍの光による励起（３Ｈ４→３Ｐ０）は、発光上準位を直接励起しているため、励起光自身により（３Ｐ０→３Ｈ４）の誘導放出が生じるため、反転分布が得にくくなる。
また、Ｐｒ３＋添加フッ化物ファイバを青色半導体レーザで励起し、（３Ｈ４→３Ｐ１、３Ｐ２）を直接励起し、４９１ｎｍ、５２１ｎｍ、６３５ｎｍ付近でレーザ発振を得ていることが報告されている（非特許文献３、特許文献４）が、青領域、緑領域における広帯域な発振特性は示されていない。
特開２００１−２３０４７８ 実開平４−１１６１７０ 特表平６−５０７０４５ 特開２００７−１５７７６４
Ｓｍａｒｔ， Ｒ．Ｇ．，Ｈａｎｎａ， Ｄ．Ｃ．， Ｔｒｏｐｐｅｒ， Ａ．Ｃ．、 Ｄａｖｅｙ， Ｓ．Ｔ．、 Ｃａｒｔｅｒ， Ｓ．Ｆ．， Ｓｚｅｂｅｓｔａ， Ｄ．‘ＣＷ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｌａｓｉｎｇ ａｔ ｂｌｕｅ， ｇｒｅｅｎ ａｎｄ ｒｅｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ ｉｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ−ｐｕｍｐｅｄ Ｐｒ３＋−ｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｆｉｂｒｅ’、 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９１、Ｐａｇｅ（ｓ）：１３０７‐１３０９． Ａｌｌａｉｎ， Ｊ．Ｙ．； Ｍｏｎｅｒｉｅ， Ｍ．； Ｐｏｉｇｎａｎｔ， Ｈ．，’ Ｔｕｎａｂｌｅ ＣＷ ｌａｓｉｎｇ ａｒｏｕｎｄ ６１０， ６３５， ６９５， ７１５， ８８５ ａｎｄ ９１０ ｎｍ ｉｎ ｐｒａｓｅｏｄｙｍｉｕｍ‐ｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｆｉｂｒｅ’、 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９１、Ｐａｇｅ（ｓ）：１８９‐１９１ ＷＥＩＣＨＭＡＮＮ, Ｕ., ＢＡＩＥＲ, Ｊ., ＢＥＮＧＯＥＣＨＥＡ, Ｊ., ａｎｄ ＭＯＥＮＣＨ, Ｈ. ：‘ＧａＮ−ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ Ｐｒ３＋：ＺＢＬＡＮ ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ’, Ｐｒｏｃ．ＣＬＥＯ／Ｅｕｒｏｐｅ−ＩＱＥＣ, Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ., Ｍｕｎｉｃｈ, Ｇｅｒｍａｎｙ, ２００７
広帯域な波長可変光源において、上記のとおり、波長範囲が６０１〜６１８ｎｍ、６３１〜６４１ｎｍ、６９０〜７０３ｎｍ、７０７〜７２５ｎｍにおいて離散的な波長可変範囲が報告されているが、さらに広帯域にわたり、レーザ発振波長が連続的に変化可能なレーザ装置は見出されていない。
本発明では、励起光源として波長範囲が４２０〜４７５ｎｍのＧａＮ系レーザダイオードを用いるレーザ装置において、青、緑、橙〜深赤、近赤外領域における広帯域の波長可変レーザ装置を提供することを目的としている。
本発明は、波長範囲が４２０〜４７５ｎｍのＧａＮ系レーザダイオードからなる励起光源と、
該励起光源からの励起光を透過し且つ励起光を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと所望の波長帯の光を反射する第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置され、さらには該レーザ媒質と第２のミラーの光路間に第１の波長選択手段が配置されている共振器とを備えるレーザ装置において、
レーザ媒質に少なくともＰｒ３＋が添加されているフッ化物ガラスを用いることにより、レーザ発振波長を連続的に変化可能であることを特徴とする波長可変レーザ装置であり、
また、上記記載の波長可変レーザ装置において、第１の波長選択手段が、プリズム、エタロン、複屈折フィルタ、誘電体多層膜フィルタ、またはグレーティングを用いることを特徴とする波長可変レーザ装置、または、該レーザ媒質部分を光導波路のコア部とすることを特徴とする波長可変レーザ装置、または、該レーザ媒質の両端に石英系ガラスからなる光導波路を接続することを特徴とする、波長可変レーザ装置を提供するものである。
さらには、上記記載の波長可変レーザ装置において、該レーザ媒質と第２のミラーの光路間に、該共振器全体の波長分散を補償するための分散補償素子を配置することにより、パルス光を生成することを特徴とする波長可変レーザ装置、または、該分散補償素子が第１の波長選択手段と対をなす第２の波長選択手段であることを特徴とする波長可変レーザ装置を提供するものである。
本発明により、波長を連続的に走査できる広帯域な波長可変レーザを提供することができる。
本発明の一例を示すものである。 光源の広帯域化を可能とする準位構造の例を示すものである。 本発明の一例を示すものである。 Ｐｒ３＋イオンの準位構造を示す。 実施例１及び実施例３〜５の構成を示す。 実施例１の出力モニターにより得られた発振スペクトルを示す。 実施例２の構成を示す。 実施例２の出力モニターにより得られた発振スペクトルを示す。 実施例３の出力モニターにより得られた発振スペクトルを示す。 実施例４の出力モニターにより得られた発振スペクトルを示す。 実施例５の出力モニターにより得られた発振スペクトルを示す。 実施例６の構成を示す。
本発明の例を、図１を用いて示す。図１は励起光源１０１、集光レンズ１０２、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３、希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４、コリメートレンズ１０５、プリズム１０６、可動ミラー１０７で構成される。励起光源１０１より照射された励起光は集光レンズ１０２により集光され、希土類添加レーザファイバ１０４へ結合される。励起光源側のファイバ端１０４−ａは直角に研磨されており、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３の表面に隙間なく密着させられている。励起光源側と反対側のファイバ端１０４−ｂではフレネル反射を抑制するため、８°以上に斜め研磨されている。励起光は励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３を損失なく透過する。ファイバ１０４の内部で発生された自然放出（ＡＳＥ）光はコリメートレンズ１０５でコリメートされ、プリズム１０６で波長ごとに分離され、可動ミラー１０７によって反射される。発生したＡＳＥ光は励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３および可動ミラー１０７によって構成された共振器内を往復することによってレーザ発振する。
集光レンズ１０２は励起レーザの波長に対し反射防止膜が施され、コリメートレンズ１０５、プリズム１０６はレーザ発振波長に対し反射防止膜が施されているものが望ましい。プリズム１０６は三角プリズムである必要はなく、入射面および出射面が光軸に対してブリュースタ角にカットされていてもよい。また、第１の波長選択手段としてプリズムを用いているが、エタロン、複屈折フィルタ、グレーティング、または誘電体多層膜フィルタを用いてもよい。
レーザの出力を得る場合には、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３または可動ミラー１０７のレーザ波長における反射率を下げることによって一部を透過させたり、共振器内の光路間にタップフィルタを挿入したりしてもよい。
発振波長を変化させる場合には、プリズム１０６または可動ミラー１０７を回転させることにより入射角または反射角を走査し、所望の波長の光のみをファイバ１０４へ帰還させることにより可能となる。
本発明の広帯域なレーザ発振に用いる、フッ化物ガラス中の希土類元素の準位構造について図２により例を示す。２０４はレーザの上準位、２０３および２０２は近接している異なるレーザ発振の下準位、２０１は基底準位を示す。フッ化物ガラスはイオン性結合のガラスであり、結晶や共有性結合の石英系ガラス材料に比べて、自由な原子配置を取りやすく、その結果、シュタルク分裂の幅が大きい。そのため、フッ化物ガラス中の近接した異なる準位は重なりを持ち、特に共振器損失の小さいレーザ発振系においては連続した１つの準位として振舞うことができる。ここでは、レーザ発振の下準位が近接している場合について述べたが、レーザ発振の異なる２つ上準位が近接している場合も、近接している異なる２つのレーザ発振の下準位の場合と同様に、１つの連続した上準位として振舞えるため、広帯域なレーザ発振特性が得られる。
さらには、複数のレーザ上準位または複数の下準位が近接している場合には、さらに広帯域なレーザ発振特性が得られる。
そこで、最も広帯域なレーザ発振特性を得るために、Ｐｒ３＋が添加されているフッ化物ガラスをレーザ媒質として用いる。
Ｐｒ３＋を効率的に励起する場合、励起波長の範囲は４２０〜４７５ｎｍに含まれることが必要である。ガラス種にもよるため一概には規定できないが、より好ましくは４３０〜４７３ｎｍが望ましい。さらに好ましくは、吸収係数が大きな４３５〜４５５ｎｍが望ましい。
すなわち、本発明においては、特性の波長によりＰｒ３＋を励起することで、反転分布の形成が容易になるため、波長可変範囲が拡がるものである。
例えば、Ｐｒ３＋が添加された増幅媒体により広帯域な波長可変特性を得る場合には、（３Ｐ１、３Ｐ０）→３Ｈ４の遷移を用いることにより、波長範囲４７０〜５００ｎｍ付近にわたり連続的に発振波長を変化させることができる。
また、３Ｐ１→３Ｈ６、３Ｐ０→（３Ｈ６、３Ｆ２）、３Ｐ１→３Ｆ３、３Ｐ０→（３Ｆ３、３Ｆ４）、３Ｐ１→３Ｆ４の遷移を用いることにより、波長範囲５９０〜７５０ｎｍ付近にわたり連続的に発振波長を変化させることができる。
また、（３Ｐ１、３Ｐ０）→３Ｈ５の遷移を用いることにより、波長範囲５１０〜５５０ｎｍ付近にわたり連続的に発振波長を変化させることができる。
また、（３Ｐ１、３Ｐ０）→１Ｇ４の遷移を用いることにより、波長範囲７５０〜９６０ｎｍ付近にわたり連続的に発振波長を変化させることができる。
ここで、波長５９０ｎｍ付近には基底準位吸収（３Ｈ４→１Ｄ２）が存在するため、その波長付近においてレーザ発振させることは困難である。
また、波長８００ｎｍ付近には励起状態吸収（１Ｇ４→（３Ｐ０、３Ｐ１、３Ｐ２、１Ｉ６））が存在するためこれらの波長帯でレーザ発振させるためには共振器損失を極めて小さくする必要がある。
例えば、損失が１％以下の共振器を用いたり、基底準位吸収（例えば、３Ｈ４→（１Ｄ２、３Ｐ０、３Ｐ１、３Ｐ１、１Ｉ６））や励起状態吸収（例えば、１Ｇ４→（３Ｐ０、３Ｐ１、３Ｐ２、１Ｉ６））を抑制するために、波長が吸収波長に含まれる補助の励起光（例えば、波長４６７ｎｍのＡｒ＋レーザ、波長が約５８０ｎｍの波長変換レーザ、約８５０ｎｍの半導体レーザ）などを用いることにより、吸収による共振器損失を低減し、発振波長をさらに広帯域化することもできる。前記の手法により、Ｐｒ３＋添加したレーザ媒質を用いて、波長範囲：約４６０ｎｍ〜約１０００ｎｍのすべての領域を連続的に波長走査可能な波長可変光源を構成することもできる。
また本発明で用いたフッ化物ガラスの組成は、ＺＢＬＡＮ系、Ａｌ−Ｚｒ系、Ａｌ系などでもよいが良い。ここで、ＺＢＬＡＮ系フッ化物ガラスとは、主にＺｒＦ４‐ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＹＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ− ＲＥＦ３（ただし、ＲＥは希土類元素を示す）などで構成されるガラスを示す。ここで、Ａｌ−Ｚｒ系ガラスとは、ＡｌＦ３−ＺｒＦ４−ＭｇＦ２−ＣａＦ２−ＳｒＦ２−ＢａＦ２−ＮａＦ２−ＲＥＦ３（ただし、ＲＥは希土類元素を示す）などで構成されるガラスを示す。また、Ａｌ系ガラスとは、主にＡｌＦ３−ＢａＦ２−ＣａＦ２−ＭｇＦ２−ＳｒＦ２−ＹＦ３−ＲＥＦ３（ただし、ＲＥは希土類元素を示す）などで構成されるガラスを示す。高効率なレーザ発振には、ＺＢＬＡＮ系がよい。また、ガラスの耐久性が重視される環境にレーザ媒質を配置する必要がある場合、Ａｌ−Ｚｒ系、Ａｌ系を用いることが望ましい。
さらには、上記のレーザ媒質と第２のミラーの光路間に、分散補償素子をさらに設置することにより、パルス光を発生させることができる。本発明で用いられる分散補償素子は、各波長の光に異なった遅延を与えるものであり、波長選択手段などにより構成される。分散補償素子としては、プリズム、グレーティング、ファイバグレーティング（特に分散補償に用いられる場合はチャープドファイバグレーティングとも呼ばれる）、分散補償ミラー、フォトニック結晶ファイバなどを用いることができる。例えば、図１に示された例に含まれる第１の波長選択手段のほかに、分散補償素子としてさらに第２の波長選択手段を追加することでパルス光を発生させることができる。
その具体例として、図３を用いて示す。図３は、励起光源３１０１、集光レンズ３１０２、励起光透過／レーザ光反射フィルタ３１０３、希土類添加フッ化物ガラスファイバ３１０４、コリメートレンズ３１０５、プリズム対であるプリズム３１０６−ａとプリズム３１０６−ｂ、可動ミラー３１０７で構成される。励起光源３１０１より照射された励起光は集光レンズ３１０２により集光され、希土類添加レーザファイバ３１０４へ結合される。励起光源側のファイバ端３１０４−ａは直角に研磨されており、励起光透過／レーザ光反射フィルタ３１０３の表面に隙間なく密着させられている。励起光源側と反対側のファイバ端３１０４−ｂではフレネル反射を抑制するため、８°以上に斜め研磨されている。励起光は励起光透過／レーザ光反射フィルタ３１０３を損失なく透過する。ファイバ３１０４の内部で発生された自然放出（ＡＳＥ）光はコリメートレンズ３１０５でコリメートされ、プリズム対プリズム３１０６−ａとプリズム３１０６−ｂを通過した後、可動ミラー３１０７によって反射される。発生したＡＳＥ光は励起光透過／レーザ光反射フィルタ３１０３および可動ミラー３１０７によって構成された共振器内を往復することによってレーザ発振する。一般に、ファイバ中を異なる波長の光が伝搬する場合、導波路構造や材料によって、各波長の光の伝搬速度が異なる（これを波長分散と称する。）。そこで、共振器内に第１の波長選択手段を設置する場合、共振器全体の波長分散を補正する分散補償素子を共振器中に設置することにより、時間的に短いパルスを生成できる。図３に示す例では、分散補償素子として第２の波長選択手段であるプリズムを追加し、第１の波長選択手段と第２の波長選択手段をプリズム対（プリズム３１０６−ａとプリズム３１０６−ｂ）で共振器中に配置することにより、短パルス光が生成され、その一部が可動ミラー３１０７を透過して出力される。
レーザの出力を得る場合には、励起光透過／レーザ光反射フィルタ３１０３または可動ミラー３１０７のレーザ波長における反射率を下げることによって一部を透過させたり、共振器内の光路間にタップフィルタを挿入したりしてもよい。
パルス光の発振波長を変化させる方法について例を示す。可動ミラー３１０７に到達する光は、プリズムにより分光されている。そこで、図３に示すように、分光された光のビームサイズよりも小さな可動ミラーを用い、さらに可動ミラー３１０７の位置をレーザの光軸に対して垂直に動かすことによって、所望の波長帯の光のみを反射させることができる。これにより、パルス光の発振波長を変化させることができる。
ただし、可動ミラー３１０７の大きさは制限されるものではない。例えば、分光された光のビームサイズよりも大きな可動ミラー３１０７を用いる場合、プリズム３１０６−ｂと可動ミラー３１０７の間に、スリットを挿入して分光された光のうち所望の波長帯の光だけを透過させてもパルス光の発振波長を変化させることができるし、または、空間変調素子（例えば、液晶空間変調素子）を挿入して一部の波長帯の光を制限したり、各波長の透過率を変化させたりしてもパルス光の発振波長を変化させることができる。あるいは、該スリットまたは該空間変調素子を、プリズム３１０６−ａとプリズム３１０６−ｂの間に挿入してもパルス光の発振波長を変化させることができる。
また、パルス光の発振波長を変化させる必要がない場合には、可動ミラー３１０７の大きさを任意に設定することもできる。
分散補償素子としてプリズムを追加する代わりに、例えば、励起光透過／レーザ光反射フィルタ３１０３または可動ミラー３１０７に分散補償ミラーを兼ねたミラーを用いても良く、あるいは、励起光透過／レーザ光反射フィルタ３１０３または可動ミラー３１０７をチャープドファイバグレーティングに置き換えても良い。または、フォトニック結晶ファイバが共振器内の光路中のいずれかの場所に含まれていても良い。
また、高品質な短パルス光を得たい場合には、共振器中に可飽和吸収体を配しても良い。さらには、可飽和吸収体での光パワー密度を調整する場合には、レンズを挿入して可飽和吸収体上で集光しても良い。
また、パルス光の繰り返し周波数を変調したい場合には、共振器中に音響光学素子などの変調素子を挿入しても良い。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
図４にＰｒ３＋の準位図を示す。橙色〜赤色発光である遷移３Ｐ０→３Ｆ２および３Ｐ０→３Ｈ６の下準位間のエネルギー差はおよそ８６０ｃｍ−１である。フッ化物ガラスは結晶や石英系ガラスに比べて準位の分裂が大きいので、近接した２つの準位（３Ｆ２、３Ｈ６）は重なりをもち連続している。３Ｐ０→（３Ｆ２、３Ｈ６）の遷移を連続的に波長可変させるために、図５に示す波長可変レーザ装置を構成した。
図５に示す波長可変レーザ装置は、励起光源としてＧａＮレーザダイオード４０１（中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業）を用い、非球面レンズ４０２（ＮＡ０．６０）、シリンドリカルレンズ４０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ４０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ４０５（ＮＡ０．３０）、フィルタ４０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：５５０〜６５０ｎｍ)、Ｐｒ３＋添加フッ化物ファイバ４０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｐｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．２μｍ、ファイバ長９ｃｍ）、非球面レンズ４０８（ＮＡ０．５５）、三角プリズム４０９、ミラー４１０（ＨＲ：５３０〜７００ｎｍ）からなり、フィルタ４０６〜ミラー４１０間で共振器が構成される。励起光が透過する光学部品（４０２，４０３，４０４，４０５，４０６）は波長４４８ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。レーザ光が透過する光学部品（４０８，４０９）には波長５００〜６５０ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。波長可変レーザ装置内の共振器の透過損失は０．８ｄＢ（往復）であった。励起光源側のファイバ端４０７−ａは直角に研磨され、フィルタ４０６に隙間なく密着している。励起光源側と反対側のファイバ端４０７−ｂはフレネル反射を抑制するために、８°研磨されている。発振するレーザ光の一部はプリズム表面で反射され、この反射光４１１を光スペクトルアナライザ（ＡＮＤＯ製ＡＱ６３１５Ａ）にて測定することにより出力のモニターを行う。
出力１６４ｍＷの励起光をファイバ４０７に投入し、入反射角を変えるようにミラー４１０を回転させて発振波長を変化させたときにモニターされた出力の発振スペクトルを図６に示す。利得の小さい６２０〜６３０ｎｍ（２つの下準位が重なっている領域と考えられる帯域）においても、レーザ発振が確認された。その結果、波長範囲５９８．２５〜６４２．２５ｎｍ（波長幅４４ｎｍ）の全域においてレーザ発振させることが確認できた。
こうして得られた波長可変光源と非線形光学結晶を組み合わせて、第２高調波を得る場合、ＵＶ領域において波長範囲２９９．１３〜３２１．１３ｎｍ（波長幅２２ｎｍ）のＵＶ波長可変光源が得られる。さらに、ＵＶ波長可変光源と４８８ｎｍレーザ（例えば、アルゴンイオンレーザやＤＰＳＳレーザ）の和周波混合を行うと、範囲１８５．５〜１９３．７ｎｍ（波長幅）の波長範囲が得られる。こうして得られた光源は、ＡｒＦレーザなどの波長（１９３．３ｎｍ）も得ることができる。
本発明における波長可変レーザ装置の第２の実施例を図７に示す。図７に示す波長可変レーザ装置は、励起光源としてＧａＮレーザダイオード６０１（中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業）を用い、非球面レンズ６０２（ＮＡ０．６０）、シリンドリカルレンズ６０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ６０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ６０５（ＮＡ０．３０）、誘電体多層膜つきフェルール６０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：５５０〜６５０ｎｍ)、両端にそれぞれ石英ファイバ６０７，６０９（ＮＡ：０．２２、コア径：３．２μｍ）が接続されたＰｒ３＋添加フッ化物ファイバ６０８（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｐｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．２μｍ、ファイバ長９ｃｍ）、反射防止膜付フェルール６１０（ＡＲ：５１０〜７２０ｎｍ）、非球面レンズ６１１（ＮＡ０．５５）、三角プリズム６１２、ミラー６１３（ＨＲ：５３０〜７００ｎｍ）からなり、誘電体多層膜つきフェルール６０６〜ミラー６１３間で共振器が構成される。励起光が透過する光学部品（６０２，６０３，６０４，６０５）は波長４４８ｎｍにおいてＡＲコーティングがされている。レーザ光が透過する光学部品（６１１，６１２）には波長５１０〜７００ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。尚、石英ファイバとフッ化物ファイバの接続損失は、波長６３５ｎｍにおいて１接続点あたり０．３ｄＢであった。励起側の石英ファイバ端には、励起光を損失なく透過させ、かつ、レーザ光を反射させる誘電体多層膜つきフェルール６０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：５５０〜６５０ｎｍ)が接続されている。逆端の石英ファイバ端には、レーザ光を損失なく透過させる反射防止膜付フェルール６１０（ＡＲ：５１０〜７２０ｎｍ）が接続されている。発振するレーザ光の一部はプリズム表面で反射され、この反射光６１６を光スペクトルアナライザ（ＡＮＤＯ製ＡＱ６３１５Ａ）にて測定することにより出力のモニターを行う。
出力１９０ｍＷの励起光をファイバ６０７に投入し、入反射角を変えるようにミラー６１３を回転させて発振波長を変化させたときにモニターされた出力の発振スペクトルを図８に示す。波長範囲５９８．２５〜６４２．２５ｎｍ（波長幅４４ｎｍ）の全域においてレーザ発振していることが確認できた。
実施例１におけるフィルタ４０６を、青〜緑にかけて反射率の高いフィルタに置き換えた以外は、実施例１と同様の構成である。すなわち、図５において、励起光源としてＧａＮレーザダイオード４０１（中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業）を用い、非球面レンズ４０２（ＮＡ０．６０）、シリンドリカルレンズ４０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ４０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ４０５（ＮＡ０．３０）、フィルタ４０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：４７５〜５００ｎｍおよび５１５〜５５０ｎｍ)、Ｐｒ３＋添加フッ化物ファイバ４０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｐｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．２μｍ、ファイバ長９ｃｍ）、非球面レンズ４０８（ＮＡ０．５５）、三角プリズム４０９、ミラー４１０（ＨＲ：４００〜１１００ｎｍ）からなり、フィルタ４０６〜ミラー４１０間で共振器が構成される。励起光が透過する光学部品（４０２，４０３，４０４，４０５，４０６）は波長４４８ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。レーザ光が透過する光学部品（４０８，４０９）には波長４７０〜９６０ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。波長可変レーザ装置内の共振器の透過損失は０．８ｄＢ（往復）であった。励起光源側のファイバ端４０７−ａは直角に研磨され、フィルタ４０６に隙間なく密着している。励起光源側と反対側のファイバ端４０７−ｂはフレネル反射を抑制するために、８°研磨されている。発振するレーザ光の一部はプリズム表面で反射され、この反射光４１１を光スペクトルアナライザ（ＡＮＤＯ製ＡＱ６３１５Ａ）にて測定することにより出力のモニターを行う。
出力２００ｍＷの励起光をファイバ４０７に投入し、入反射角を変えるようにミラー４１０を回転させて発振波長を変化させたときにモニターされた出力の発振スペクトルを図９に示す。青色領域では、４７８〜４９８ｎｍにわたり連続的にレーザ発振波長を変化させることができた。また緑色領域では、５１４〜５４８ｎｍにわたり連続的にレーザ発振波長を変化させることができた。
実施例１におけるフィルタ４０６及びミラー４１０を、広帯域で高い反射率を有するものに置き換えた以外は、実施例１と同様の構成である。すなわち、図５において、励起光源としてＧａＮレーザダイオード４０１（中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業）を用い、非球面レンズ４０２（ＮＡ０．６０）、シリンドリカルレンズ４０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ４０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ４０５（ＮＡ０．３０）、フィルタ４０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：５５０〜７３０ｎｍ)、Ｐｒ３＋添加フッ化物ファイバ４０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｐｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．２μｍ、ファイバ長９ｃｍ）、非球面レンズ４０８（ＮＡ０．５５）、三角プリズム４０９、ミラー４１０（ＨＲ：４００〜１１００ｎｍ）からなり、フィルタ４０６〜ミラー４１０間で共振器が構成される。励起光が透過する光学部品（４０２，４０３，４０４，４０５，４０６）は波長４４８ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。レーザ光が透過する光学部品（４０８，４０９）には波長４７０〜９６０ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。波長可変レーザ装置内の共振器の透過損失は０．８ｄＢ（往復）であった。励起光源側のファイバ端４０７−ａは直角に研磨され、フィルタ４０６に隙間なく密着している。励起光源側と反対側のファイバ端４０７−ｂはフレネル反射を抑制するために、８°研磨されている。発振するレーザ光の一部はプリズム表面で反射され、この反射光４１１を光スペクトルアナライザ（ＡＮＤＯ製ＡＱ６３１５Ａ）にて測定することにより出力のモニターを行う。
出力２００ｍＷの励起光をファイバ４０７に投入し、入反射角を変えるようにミラー４１０を回転させて発振波長を変化させたときにモニターされた出力の発振スペクトルを図１０に示す。５９６〜７３６ｎｍにわたり連続的にレーザ発振波長を変化させることができた。
実施例１におけるフィルタ４０６及びミラー４１０を、赤外領域で高い反射率を有するものに置き換えた以外は、実施例１と同様の構成である。すなわち、図５において、励起光源としてＧａＮレーザダイオード４０１（中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業）を用い、非球面レンズ４０２（ＮＡ０．６０）、シリンドリカルレンズ４０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ４０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ４０５（ＮＡ０．３０）、フィルタ４０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：８６０〜９６０ｎｍ)、Ｐｒ３＋添加フッ化物ファイバ４０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｐｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．２μｍ、ファイバ長９ｃｍ）、非球面レンズ４０８（ＮＡ０．５５）、三角プリズム４０９、ミラー４１０（ＨＲ：４００〜１１００ｎｍ）からなり、フィルタ４０６〜ミラー４１０間で共振器が構成される。励起光が透過する光学部品（４０２，４０３，４０４，４０５，４０６）は波長４４８ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。レーザ光が透過する光学部品（４０８，４０９）には波長４７０〜９６０ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。波長可変レーザ装置内の共振器の透過損失は０．８ｄＢ（往復）であった。励起光源側のファイバ端４０７−ａは直角に研磨され、フィルタ４０６に隙間なく密着している。励起光源側と反対側のファイバ端４０７−ｂはフレネル反射を抑制するために、８°研磨されている。発振するレーザ光の一部はプリズム表面で反射され、この反射光４１１を光スペクトルアナライザ（ＡＮＤＯ製ＡＱ６３１５Ａ）にて測定することにより出力のモニターを行う。
出力２００ｍＷの励起光をファイバ４０７に投入し、入反射角を変えるようにミラー４１０を回転させて発振波長を変化させたときにモニターされた出力の発振スペクトルを図１１に示す。８７０〜９３０ｎｍにわたり連続的にレーザ発振波長を変化させることができた。
こうして得られた波長可変光源と非線形光学結晶を組み合わせて、第２高調波を得る場合、ＵＶ領域において波長範囲２３９〜２４９ｎｍ（波長幅１１ｎｍ）、波長範囲２５７〜２７４ｎｍ（波長幅１８ｎｍ）、波長範囲２９８〜３６８ｎｍ（波長幅７１ｎｍ）、波長範囲４３５〜４６５ｎｍ（波長幅３１ｎｍ）のＵＶ波長可変光源が得られる。すなわち、Ｎ２レーザ（３３７ｎｍ）やＣｅ:ＬｉＳＡＦレーザ（２８５〜２９９ｎｍ）の一部の波長、ＸｅＦレーザ（３５１ｎｍ）、ＸｅＣｌレーザ（３０８ｎｍ）、ＫｒＦレーザ（２４８ｎｍ）などの波長を得ることができる。
さらに、本発明による光源の第２高調波により得られたＵＶ波長可変光源と例えば４８８ｎｍレーザ（例えば、アルゴンイオンレーザやＤＰＳＳレーザ）の和周波混合を行うと、範囲１６０．４〜１６４．９ｎｍ、１６８．３〜１７５．５ｎｍ、１８５．０〜２０９．８ｎｍ、２３０．０〜２３８．１ｎｍの波長範囲が得られる。こうして得られた光源は、Ｘｅ２エキシマレーザ（１７２ｎｍ）、ＡｒＦレーザなどの波長（１９３．３ｎｍ）も得ることができる。
さらには、本発明による光源の第２高調波により得られたＵＶ波長可変光源と例えば４０５ｎｍレーザ（例えば、ＧａＮ系半導体レーザ）の和周波混合を行うと、範囲１５０．３〜１５４．２ｎｍ、１５７．２〜１６３．４ｎｍ、１７１．７〜１９２．８ｎｍ、２０９．７〜２１６．５ｎｍの波長範囲が得られる。こうして得られた光源は、Ｆ２レーザ（１５８ｎｍ）））などの波長も得ることができる。
また、本発明により得られた、異なる波長のレーザ光源を組み合わせて、和周波・差周波を発生させることにより、新規の波長帯のレーザを得ることもできる。
上記実施例１〜５は、レーザ媒質の形状としてファイバ構造を示したが、その限りではなく、導波路構造を有するものや導波路構造を有さないＰｒ３＋添加フッ化物ガラスからなるバルク状のものでもよい。また、共振器の損失を低減、または励起パワーを増加させた場合には、レーザ発振する波長帯域がさらに拡大されることはいうまでもない。
パルス光が発生する波長可変レーザ装置の実施例を図１２に示す。
図１２に示す波長可変レーザ装置は、励起光源としてＧａＮレーザダイオード１１０１（中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業）を用い、非球面レンズ１１０２（ＮＡ０．６０）、シリンドリカルレンズ１１０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ１１０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ１１０５（ＮＡ０．３０）、誘電体多層膜つきフェルール１１０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：５５０〜７２０ｎｍ)、Ｐｒ３＋添加フッ化物ファイバ１１０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｐｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．８μｍ、ファイバ長９ｃｍ）、反射防止膜付フェルール１１０８（ＡＲ：５１０〜７２０ｎｍ）、非球面レンズ１１０９（ＮＡ０．５５）、一対の三角プリズム１１１０、ビームスプリッタ１１１２（透過９３％、反射７％）、表面に色素（ローダミン６４０）が塗布された可動ミラー１１１１からなり、誘電体多層膜つきフェルール１１０６〜可動ミラー１１１１間で共振器が構成される。色素は劣化が著しいため、可動ミラー１１１１を回転させながら使用した。ビームスプリッタ１１１２により反射された２つの光のうち、１つはオートコリレータ（ＡＰＥ社製Ｍｉｎｉ）に入射させてパルス幅の計測に用い、もう一つの反射光はパワー測定および波長測定に用いた。励起光が透過する光学部品（１１０２，１１０３，１１０４，１１０５）は波長４４８ｎｍにおいてＡＲコーティングがされている。レーザ光が透過する光学部品（１１０９）には波長５１０〜７２０ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。本実施例で使用したフッ化物ファイバ１１０７の波長分散は波長６３５ｎｍにおいて−２４０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍであり、この波長分散を、一対の三角プリズム１１１０を用いることにより補償した。
ビームスプリッタ１１１２の反射光の一つを光スペクトルアナライザ（ＡＮＤＯ製ＡＱ６３１５Ａ）で測定したところ、波長６３５ｎｍ付近でレーザ発振が確認された。同時に、もう一つの反射光をオートコリレータにより計測したところ、パルス幅は１３ｐｓであった。
次に、可動ミラー１１１１の位置を変化させると、波長７１６ｎｍ付近でレーザ出力が得られ、そのときのパルス幅は１０ｐｓであった。
ここで、より高精度に作製された可飽和吸収体や分散補償素子を用いれば、より（時間的に）短いパルス光が得られる可能性があることは言うまでもない。
今回、分散補償手段としてプリズムを用いたが、ファイバブラッググレーティング、分散補償ミラー、フォトニック結晶ファイバなども利用できる。
尚、上記実施例１〜６で使用したファイバは、いずれもレーザ発振波長帯においてマルチモードファイバであるが、シングルモードファイバを用いても良い。
本発明は、可視光領域における広帯域波長可変光源として利用できるだけでなく、可視光領域において広帯域な波長可変光源が実現できるため、波長変換技術を用いたＵＶ領域の波長可変光源を構成する場合に、赤外レーザを基本波とする波長変換によるＵＶ領域の波長可変光源に比べ波長変換の回数が少なくなるため、効率がよく、さらには、波長可変範囲を広くとることが可能となる。
このため、リソグラフィーなどの分野においても利用可能なＵＶ光の波長可変光源において、この基本波の光源として利用可能である。また、ディスプレイ・プロジェクション分野においては、本発明により青色域や緑色域の任意の波長の光源が得られるので、色再現性の良い光源として利用できる。
さらに本発明は、パルス光源としても利用でき、加工分野（特にプラスチックなどの透明材料の加工）などに利用可能である。
１０１、３１０１：励起光源
１０２、３１０２：集光レンズ
１０３、３１０３：励起光透過／レーザ光反射フィルタ
１０４、３１０４：希土類添加フッ化物ガラスファイバ
１０４−ａ、３１０４−ａ：励起光源側の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面
１０４−ｂ、３１０４−ｂ：励起光源側と反対側の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面
１０５、３１０５：コリメートレンズ
１０６、３１０６−ａ、３１０６−ｂ：プリズム
１０７、３１０７、１１１１：可動ミラー
２０１：希土類イオンの基底準位
２０２：レーザ発振における下準位
２０３：準位２０２に隣接したレーザ発振における下準位
２０４：レーザ発振における上準位
４０１、６０１、１１０１：ＧａＮレーザダイオード
４０２、６０２、１１０２：非球面レンズ
４０３、６０３、１１０３：シリンドリカルレンズ
４０４、６０４、１１０４：シリンドリカルレンズ
４０５、６０５、１１０５、１１０９：非球面レンズ
４０６：フィルタ
４０７、６０８、１１０７：Ｐｒ３＋添加フッ化物ファイバ
４０７−ａ：励起光源側のＰｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面
４０７−ｂ：励起光源側と反対側のＰｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面
４０８、６１１：非球面レンズ
４０９、６１２、１１１０：三角プリズム
４１０、６１３：ミラー
４１１、６１６：プリズム表面からの反射光
６０６、１１０６：誘電体多層膜付フェルール
６０７、６０９：石英ファイバ
６１０、１１０８：反射防止膜付フェルール
６１４、６１５：石英ファイバとフッ化物ファイバの接続点
１１１２：ビームスプリッタ

Claims (6)

  1. 波長範囲が４２０〜４７５ｎｍのＧａＮ系レーザダイオードからなる励起光源と、
    該励起光源からの励起光を透過し且つ励起光を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと所望の波長帯の光を反射する第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置され、さらには該レーザ媒質と第２のミラーの光路間に第１の波長選択手段が配置されている共振器とを備えるレーザ装置において、
    レーザ媒質に少なくともＰｒ３＋が添加されているフッ化物ガラスを用いることによりレーザ発振波長を連続的に変化可能であることを特徴とする波長可変レーザ装置。
  2. 第１の波長選択手段が、プリズム、エタロン、複屈折フィルタ、誘電体多層膜フィルタ、またはグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ装置。
  3. 該レーザ媒質が光導波路のコア部を形成すること特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ装置。
  4. 該レーザ媒質の両端に石英系ガラスからなる光導波路が接続されていることを特徴とする請求項３に記載の波長可変レーザ装置。
  5. 該レーザ媒質と第２のミラーの光路間に、該共振器全体の波長分散を補償するための分散補償素子を配置することにより、パルス光を生成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
  6. 該分散補償素子が第１の波長選択手段と対をなす第２の波長選択手段であることを特徴とする請求項５に記載の波長可変レーザ装置。
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