JP2011138996A - ビームフィルタ、それを備えたレーザチップ及び外部共振器レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】寄生発振を抑え、高出力動作においても特性劣化の起こりにくい外部共振器レーザ、それに用いられるレーザチップ及びビームフィルタを提供する。
【解決手段】光乱散乱体薄膜を用いたビームフィルタとする。ピンホールが形成された光散乱体薄膜を用いたビームフィルタとする。光乱散乱体薄膜を用いたビームフィルタを備えたレーザチップとする。または、光乱散乱体薄膜を用いたビームフィルタを備えたレーザチップと、レーザチップからの光を回折させる回折格子と、回折格子からの光を反射するミラーと、を有する外部共振器レーザとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビームフィルタ、それを備えたレーザチップ及び外部共振器レーザに関する。

波長可変レーザは、物質構造や化学現象の解析の分野において非常に有用であり、波長可変レーザの一つとして外部共振器型レーザがある。一般に外部共振器型レーザは、光源と、この光源から放出された光を共振させる外部共振器と、を有し、光源及び外部共振器をチューニングすることで発振波長を調整することができる。外部共振器レーザはカスタマイズが容易でかつ比較的安価に製造することができるといった利点がある。

外部共振器型レーザには複数の型が存在し、例えばＬｉｔｔｒｏｗ型やＬｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型が存在する。Ｌｉｔｔｍａｎｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型は、外部共振器に回折格子とミラーとを用いており、回折格子に照射するレーザ光の面積を広くすることができるため分解能が高く、波長を変える際に出力光の出射方向が変化しないといった利点がある。

Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型の外部共振器レーザに関する技術が記載された文献として、例えば下記特許文献１に記載がある。

米国特許第５３１９６６８号明細書

しかしながら、外部共振器型レーザの光源にレーザチップを用いる場合、外部共振器内の様々な光路による光学フィードバックに起因する寄生発振が生じるといった課題がある。

この課題に対し、本発明者らは例えばレーザチップ前面にペイントを施すことでこの寄生発振を抑制できるのではないかと考えた。しかしながら、高出力動作では反射ビームによりこのペイントが燃焼してレーザチップ前端面に付着し、端面反射の増加と同調特性の劣化を引き起こしてしまうといった新たな課題を生じさせてしまった。つまり、レーザチップ前面に対するペイント以外に上記問題を解決する方法を見出さなければならない。

そこで、本発明は上記課題を鑑み、寄生発振を抑え、高出力動作においても特性劣化の起こりにくい外部共振器レーザ、それに用いられるレーザチップ及びビームフィルタを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一観点にかかるビームフィルタは、光乱散乱体薄膜を用いる。

また本発明の他の一観点にかかるレーザチップは、光乱散乱体薄膜を用いるビームフィルタを備えている。

また本発明の他の一観点にかかるレーザチップは、光乱散乱体薄膜を用いるビームフィルタを備えたレーザチップと、レーザチップからの光を回折させる回折格子と、回折格子からの光を反射するミラーと、を有する。

以上、本発明により、寄生発振を抑え、高出力動作においても特性劣化の起こりにくい外部共振器レーザ、それに用いられるレーザチップ及びビームフィルタを提供することができる。

外部共振器レーザの概略を示す図である。 レーザチップの一例を示す図である。 実施形態に係る光乱散乱体の例についての概略図である。 実施形態に係る光乱散乱体の例についての概略図である。 寄生発振を抑えた状態を示す図である。 実施例に係る中心波長測定結果を示す図である。 実施例に係る光乱散乱体薄膜の写真図である。 比較例に係る中心波長測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る外部共振器レーザ１の概略を示す図である。本レーザ１は、光乱散乱体薄膜を用いたビームフィルタ２１を備えたレーザチップ２と、レーザチップ２からの光を回折させる回折格子３と、回折格子３からの光を反射するミラー４と、を有する。また本レーザ１には、回折格子３とレーザチップ２との間にコリメートレンズ５と、λ／２板６が配置されている。

本実施形態に係るレーザチップ２は、光を放出することのできるものであって、この限りにおいて限定されるわけではないが、図２の一例で示すように、マウント２２１と、サブマウント２２２と、レーザダイオード２２３と、を有して構成されている。またレーザダイオードは活性層２２３１と、この活性層２２３１を挟む一対のｐ型の導波路層２２３２及びｎ型の導波層２２３３と、これらを挟むｐ型及ｎ型のクラッド層２２３４、２２３５と、更にいずれか一方、マウント２２１と活性層２２３１を挟み込む側に配置される電極２２３６を備えたものである。本図で示すレーザチップ２は、マウント２２１と電極２２３６の間に電流を流し活性層２２３１内で発光させ、この発光を伝播させて積層方向に垂直な方向から光を放出させる。なおこのため、レーザチップ２の後端面（回折格子３に向いていない側の端面）には、反射層がコーティングされており、回折格子３から戻ってきた光を反射させて再び回折格子３側に光を放出させることができる。放出する光の波長範囲としては、発振させるレーザ光の波長に応じ適宜調整可能であり限定されるわけではないが、例えば７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは９００ｎｍ以上１０００ｎｍである。

図３、４は、本実施形態に係る光乱散乱体の例についての概略図である。本実施形態に係るレーザチップ２の前端面側には、光乱散乱体薄膜２１を用いたビームフィルタ２が配置されている。本実施形態に係る光乱散乱体薄膜２１は、光を散乱させることのできるものであって、この限りにおいて限定されるわけではないが、例えばセラミックスを好適に用いることができる。本実施形態に係る光乱散乱体薄膜２１は、限定されるわけではないが、マウント２２１及びサブマウント２２２を覆うように配置されていることが好ましい。寄生発振は主としてマウント２２１、サブマウント２２２及びこれらの間に必然的に存在するハンダ等の接着層によって発生し、場合によってはレーザダイオード２２３とサブマウント２２２の間に不可避的に配置される接着層及びレーザダイオードの電極２２３６により生じることとなる。そのため、少なくともサブマウント２２２及びマウント２２１の前端面を覆って配置されていることが好ましい。このようにすることで、外部共振器内の様々な光路による光学フィードバックに起因する寄生発振を効率的に抑えることができるようになる。また本実施形態に係る光乱散乱体薄膜２１の厚さは、材料等の条件によって適宜調整可能であるが、セラミックスを用いた場合は０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．７ｍｍ以下である。０．３ｍｍ以上とすることで照射される十分に光を乱散乱させることができる一方、１ｍｍ以下とすることで、レーザダイオードから放出されるブロードな光が乱散乱に当たって乱散乱されてしまうことを防止することができ、０．７ｍｍ以下とすることでこの効果をより顕著にすることができる。

また、本実施形態に係る光乱散乱体薄膜２１の形状は、上記の通り、サブマウント２２２及びマウント２２１の前端面を覆うことができる限りにおいて限定されるわけではなく、サブマウント及びマウントの形状と同一の形状であっても、これら全体を覆う矩形状であってもよいが、例えばピンホール（微小な孔）２１１が形成された円形状であることは好ましい一例である。この場合ピンホールの大きさとしては、レーザダイオード２２３から放出される光及び回折格子３側から戻ってくる光（図４中点線）が透過できる程度の大きさである限りにおいて限定されるわけではないが、例えば上記０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下の厚さの光乱散乱体を用いた場合、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下の円形状であることが好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の円形状である。このようにすることで、マウント及びサブマウントを効果的に覆い、レーザダイオードから放出される光を十分に透過させ、レーザダイオードから放出される光がブロードに広がっている場合でも、この光を乱散乱させる虞が少なくなるといった効果がある。なお本実施形態においてビームフィルタ２１は、レーザチップ２の前端面から所定の距離をとって支持部材により固定されていてよいが、レーザチップにおけるマウント又はサブマウント、好ましくはマウントの前端面に接着部材を介して貼り付けておくことは不必要な光を乱散乱させて必要な光を乱散乱させない観点から好ましい。

本実施形態に係る回折格子３は、レーザチップ２からの光のうち特定の波長の光を回折させてミラー４側に放出させる一方、ミラー４からの反射光を再び回折させて再びレーザチップ２側に放出するものである。回折格子３は上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えば表面３１に鋸状の歯３２を複数形成してなる回折格子であることは好ましい一例である。

反射するミラー４は、回折格子３から入射される光を反射して再び回折格子３に戻すことのできるものであり、この機能を有する限りにおいて限定されず、周知のミラーを使用することができる。

本実施形態において、回折格子３とミラー４は、レーザチップ２からの光が回折及び反射を経て再びレーザチップ２側に戻ることができるよう、所定の角度をもって向き合って配置されるだけでなく、この向き合う角度を調節することによって光路長を変化させ、発振する波長を変化させることができるよう配置される。例えば本実施形態に係る回折格子３及びミラー４のそれぞれ表面３１、４１は、常時回転中心（Ｐｉｖｏｔ Ｐｏｉｎｔ）ＰＰを通る直線上にあるよう支持部材によって固定されるとともに、支持部材を操作することによって回折格子３又はミラー４の一方を回転させ、光路長を変化させることができる。なおここで回転中心ＰＰは、レーザチップ２の後端面ＢＥに平行な面上にあることが好ましい。

また本実施形態において、コリメートレンズ５は、レーザチップ２から放出され光を平行にするためのレンズであり、コリメートレンズ５により平行にされた光は回折格子３及びミラー４により回折及び反射され、再びコリメートレンズ５に入射され、再び光を集光してレーザチップ２に入射させる。

また本実施形態においてλ／２板６は、レーザチップ２から放出される光が偏光である場合に、良好な同調性及び高出力の少なくともいずれかを得ることができるように配置するものである。λ／２板６の遅延軸は、レーザチップ２から放出される光の進行方向に対し垂直であれば、回折格子３又はミラー４の回転面に対して平行な方向であってもよいし、垂直な方向であっても良い。

本実施形態に係る外部共振器レーザ１は、上記の通り光乱散乱体薄膜２１を備えたビームフィルタ２を配置しているため、例えば図５で示すような寄生発振をきわめて有効に抑えることができる。具体的には、様々な光路による光学フィードバックにより、光乱散乱体の領域に回折、反射して戻ってきた光は光乱散乱体薄膜２１によって乱散乱されることとなる。この結果、寄生発振に悩まされることなく利得領域全体にわたる波長同調が可能となり、高出力動作においても特性劣化を極めて少なくすることができる。

ここで、上記実施形態に係る外部共振器レーザを実際に作製し、その効果を確認した。この結果を以下に示す。

（実施例）
レーザチップ２として、銅のマウントにハンダ層を介してサブマウントを固定し、その上に更にはんだを介して固定されたレーザダイオードを用いた。なおレーザダイオードとしては通常での利得中心が１０６０ｎｍのレーザダイオードを用い、回折格子３としては１２００Ｌ／ｍｍのもの（Ｎｗｅ Ｐｏｒｔ社製、型番１０ＲＧ １２００−１０００−２）を用い、ミラーとしては金コートのもの（エドモンド・オプティクス・ジャパン社製、直径２５φ、厚さ３ｍｍ）を用いた。また、レーザチップ２及び回折格子３に関しては支持具を用いて固定し、ミラー４については、回転中心ＰＰを中心に回転可能に支持し、Ｌｉｔｔｍａｎ型の配置とした。また本実施例ではマウントの前端面に、０．６ｍｍのピンホールが形成されたセラミックス（直径１ｃｍの略円形状、厚さ０．５ｍｍ）からなる光乱散乱体を配置し、接着部材により貼り付けた。

そして、２５℃、３００ｍＡの条件下で駆動し、モーターのカウント数に対する中心波長を測定した。この結果を図６に示す。この結果、中心波長にとびがなく、波長同調領域の拡大が確認でき、高出力動作においても寄生発振を十分に抑えることができるのを確認した。なお、この場合における光乱散乱体薄膜を貼った状態の写真図を図７に示す。

（比較例）
上記実施例において、ピンホールを形成した光乱散乱体薄膜を備えたビームフィルタを、レーザダイオードの前端面に塗布したペイントに変えた以外はほぼ実施例１と同様の構成として、外部共振器を駆動させた。すると、高出力時において反射ビームによりペイントが焼け、燃焼物がレーザチップの前面に付着し、端面反射の増加と同調特性の劣化を引き起こしてしまった。上記実施例と同様モーターのカウント数に対する中心波長を測定した結果を図８に示す。この結果、寄生発振が発生していることが確認できた。

以上、本実施例及び比較例により、本外部共振器レーザの有用性を確認することができた。

本発明は、外部共振器レーザ及びその構成部材として産業上の利用可能性がある。

１…外部共振器レーザ、２…レーザチップ、３…回折格子、４…ミラー、５…コリメートレンズ、６…ミラー

Claims (6)

1. 光乱散乱体薄膜を用いたビームフィルタ。
2. ピンホールが形成された光散乱体薄膜を用いたビームフィルタ。
3. 光乱散乱体薄膜を用いたビームフィルタを備えたレーザチップ。
4. 前記光乱散乱体にはピンホールが形成されてなる請求項３記載のレーザチップ。
5. 光乱散乱体薄膜を用いたビームフィルタを備えたレーザチップと、
   前記レーザチップからの光を回折させる回折格子と、
   前記回折格子からの光を反射するミラーと、を有する外部共振器レーザ。
6. 前記光乱散乱体薄膜にはピンホールが形成されてなる請求項５記載の外部共振器レーザ。