JP2014063933A - レーザ装置及びレーザ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＬＤと透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成し、波長が狭帯域化、安定化され、且つ、ＳＬＤの駆動電流に対するレーザ光の出力特性が安定なレーザ装置及びレーザ装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ＳＬＤと透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成するレーザ装置を準備するステップ、レーザ装置から出射されるレーザ光を狭帯域化、安定化するように、レーザ光の波長をモニタしながら透過型グレーティング素子の位置を調整するステップ、ＳＬＤを駆動する駆動電流の値に対してレーザ装置から出射されるレーザ光の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性が得られるように、駆動電流とレーザ光の出力との関係をモニタしながら透過型グレーティング素子の位置を調整するステップを含み、レーザ光が狭帯域化、安定化され、且つ、安定な出力特性が得られるまで、透過型グレーティング素子の位置を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スーパールミネッセントダイオードと透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成するレーザ装置及びレーザ装置の製造方法に関する。

レーザ装置の波長安定化手法として、反射型回折格子、例えばボリュームブラッググレーティング（Volume Bragg Grating：ＶＢＧ）やボリュームホログラフィックグレーティング（Volume Holographic Grating：ＶＨＧ）などの透過型（体積型）グレーティング格子を用いて半導体レーザと共に外部共振器を構成して波長を安定化する手法や、光ファイバに回折格子を形成したフィバーブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）を使用する手法が用いられている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００９−１８２１５８号公報

スーパールミネッセントダイオード（以下において「ＳＬＤ」という。）、ＳＬＤから出射されるレーザ光を整形するレンズ、及び透過型グレーティング素子を用いて外部共振器を構成し、波長を狭帯域化、安定化したレーザ装置において、ＳＬＤを駆動する駆動電流に対するレーザ光の出力の特性が不安定になることがある。例えば、駆動電流値を増減させたときに、レーザ光の出力特性にヒステリシス領域が生じたり、単調増加や単調減少にならない領域が存在したりする場合がある。

本発明は、ＳＬＤと透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成し、波長が狭帯域化、安定化され、且つ、ＳＬＤの駆動電流に対するレーザ光の出力特性が安定なレーザ装置及びレーザ装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）レーザ光を出射するＳＬＤ、レーザ光を整形する整形レンズ、及び整形レンズを透過したレーザ光が入射される透過型グレーティング素子を備え、ＳＬＤと透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成するレーザ装置を準備するステップと、（ロ）レーザ装置から出射されるレーザ光を狭帯域化、安定化するように、レーザ光の波長をモニタしながら透過型グレーティング素子の位置を調整するステップと、（ハ）ＳＬＤを駆動する駆動電流の値に対してレーザ装置から出射されるレーザ光の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性が得られるように、駆動電流とレーザ光の出力との関係をモニタしながら透過型グレーティング素子の位置を調整するステップとを含み、（ニ）レーザ光が狭帯域化、安定化され、且つ、安定な出力特性が得られるまで、透過型グレーティング素子の位置を調整するレーザ装置の製造方法が提供される。

本発明の他の態様によれば、レーザ光を出射するＳＬＤ、レーザ光を整形する整形レンズ、及び整形レンズを透過したレーザ光が入射される透過型グレーティング素子を備え、ＳＬＤと透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成するレーザ装置であって、（イ）レーザ装置から出射されるレーザ光を狭帯域化、安定化するように、レーザ光の波長をモニタしながら透過型グレーティング素子の位置が調整され、（ロ）ＳＬＤを駆動する駆動電流の値に対してレーザ装置から出射されるレーザ光の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性が得られるように、駆動電流とレーザ光の出力との関係をモニタしながら透過型グレーティング素子の位置が調整され、（ハ）レーザ光が狭帯域化、安定化され、且つ、安定な出力特性が得られるまで、透過型グレーティング素子の位置が調整されたレーザ装置が提供される。

本発明によれば、ＳＬＤと透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成し、波長が狭帯域化、安定化され、且つ、ＳＬＤの駆動電流に対するレーザ光の出力特性が安定なレーザ装置及びレーザ装置の製造方法を提供できる。

本発明の実施形態に係るレーザ装置の製造方法を説明するための模式図である。 本発明の実施形態に係るレーザ装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 ＳＬＤを駆動する駆動電流に対するレーザ光の出力の特性を示すグラフである。 ＳＬＤを駆動する駆動電流に対するレーザ光の出力の他の特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るレーザ装置のＳＬＤを駆動する駆動電流に対するレーザ光の出力の特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るレーザ装置の他の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るレーザ装置の更に他の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るレーザ装置が出力するレーザ光の例を示す模式図である。 本発明のその他の実施形態に係るレーザ装置の製造方法を説明するための模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係るレーザ装置１０の製造方法は、例えば図１に示す製造システムによって行われる。ここで、レーザ装置１０は、レーザ光Ｌ０を出射するＳＬＤ１１、レーザ光Ｌ０を整形する整形レンズ１２、及び整形レンズ１２を透過したレーザ光Ｌ０が入射される透過型グレーティング素子１３を備える。更に、ＳＬＤ１１を駆動する駆動電流をＳＬＤ１１に供給する駆動装置１４を備える。

整形レンズ１２によって、ＳＬＤ１１の出射するレーザ光Ｌ０の光径や出射方向などが調整される。例えば、整形レンズ１２は、レーザ光Ｌ０のビームの楕円率を改善する。

透過型グレーティング素子１３は、入射されるレーザ光Ｌ０の一部を反射してＳＬＤ１１との間で外部共振器を構成する。これにより、レーザ装置１０はレーザ光Ｌ０の波長を狭帯域化、安定化する。透過型グレーティング素子１３は、例えばＶＢＧやＶＨＧなどである。

なお、レーザ装置１０は、出力するレーザ光Ｌ０の中心波長が、例えば１０４０ｎｍ±３０ｎｍであるように構成されている。

本発明の実施形態に係るレーザ装置１０の製造方法は、例えば図２に示すように行われる。以下に、図１及び図２を参照して、レーザ装置１０の製造方法を説明する。

先ず、図２のステップＳ１において、ＳＬＤ１１、整形レンズ１２及び透過型グレーティング素子１３を備え、ＳＬＤ１１と透過型グレーティング素子１３との間で外部共振器を構成するレーザ装置１０を準備する。

次いで、ステップＳ２において、レーザ装置１０から出射されるレーザ光Ｌ０の波長を狭帯域化、安定化するために、レーザ光Ｌ０の波長をモニタしながら透過型グレーティング素子１３の位置を調整する。例えば、図１に示すように、レーザ光Ｌ０の一部であるレーザ光Ｌ１を解析装置２０に入射させ、解析装置２０によってレーザ光Ｌ０の波長を解析する。解析装置２０には、スペクトルアナライザなどを採用可能である。作業者は、解析装置２０に表示されるレーザ光Ｌ１のスペクトルをモニタしながら透過型グレーティング素子１３の位置調整して、レーザ光Ｌ０の狭帯域化、安定化を行う。具体的には、レーザ光Ｌ０の光軸に対して透過型グレーティング素子１３の角度を調整する。

図２のステップＳ３において、ＳＬＤ１１を駆動する駆動電流に対してレーザ装置１０から出射されるレーザ光Ｌ０の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性が得られるように、透過型グレーティング素子１３の位置を調整する。例えば、図１に示すように、レーザ光Ｌ０の一部であるレーザ光Ｌ２を計測装置３０に入射させ、且つ、駆動装置１４から駆動電流の値Ｉｄを計測装置３０に出力する。駆動電流の値Ｉｄを増減させながらレーザ光Ｌ２の出力を測定することにより、計測装置３０は、駆動電流の値Ｉｄに対するレーザ光Ｌ２の出力特性を表示する。これにより、作業者は、駆動電流の値Ｉｄとレーザ光Ｌ０の出力との関係をモニタしながら、所望の安定な出力特性が得られるように、透過型グレーティング素子１３の位置を調整できる。具体的には、レーザ光Ｌ０の光軸に対する透過型グレーティング素子１３の角度を調整する。

計測装置３０は、レーザ光Ｌ２の出力を測定するための受光装置、例えばパワーメータを内蔵する。なお、レーザ光Ｌ０を解析装置２０に入射するレーザ光Ｌ１と計測装置３０に入射するレーザ光Ｌ２とに分割するために、ビームスプリッタなどのビーム分岐装置４０が使用される。

図２のステップＳ４において、レーザ光Ｌ０が狭帯域化、安定化され、更に、駆動電流に対してレーザ光Ｌ０の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性が得られているかが判断される。そして、所望の波長又は安定な出力特性が得られていない場合には、ステップＳ１に戻り、新たにステップＳ１及びステップＳ２が繰り返されて、透過型グレーティング素子１３の位置を調整する。

一方、ステップＳ４において、レーザ光Ｌ０の所望の波長及び安定な出力特性が得られていると判断された場合には、処理が終了する。その結果、レーザ光Ｌ０が狭帯域化、安定化され、且つ、駆動電流に対してレーザ光Ｌ０の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性が得られるように透過型グレーティング素子１３の位置が調整されたレーザ装置１０が完成する。

レーザ装置において、レーザ光の波長を狭帯域化、安定化する波長でＳＬＤと透過型グレーティング素子間に外部共振器を構成した際に、ＳＬＤの駆動電流に対するレーザ光の出力が不安定になることがある。例えば図３に示すように、駆動電流を増大させる場合と減少させる場合とで、同じ駆動電流でも光出力が異なるヒステリシス領域が生じる場合がある。図３において、菱形で示した特性Ａが駆動電流を増大させる場合であり、四角で示した特性Ｂが駆動電流を減少させた場合である（以下において同様。）。更に、図４に示すように、駆動電流を増減させた場合に、単調増加や単調減少にならない領域が存在する不連続な光出力である場合がある。

レーザ光の出力が不安定であると、波長安定化モジュールとして、例えば波長変換用の基本波に使用した場合に、高調波の出力も同様の不安定な特性となり、ＡＰＣ（Auto Power Control）機能も不安定になるおそれがある。

本発明者らが調査した結果、透過型グレーティング素子の位置の調整により、波長の狭帯域、安定状態が同一であって、ＳＬＤの駆動電流に対するレーザ光の出力特性が安定な状態と上記の不安定な状態とをそれぞれ実現できることが確認された。そして、図１、図２を参照して説明した製造方法によれば、波長の状態とＳＬＤ１１の駆動電流に対するレーザ光Ｌ０の出力特性とを確認しながら透過型グレーティング素子１３の位置を調整することにより、所望の波長で狭帯域化、安定化しつつ、ヒステリシスや不連続なレーザ光出力の無い、安定した出力特性を有するレーザ装置１０を実現できる。

図５に、本発明の実施形態に係るレーザ装置１０の製造方法によって得られたＳＬＤ１１の駆動電流に対するレーザ光Ｌ０の出力特性の例を示す。図５に示した出力特性では、ヒステリシスや不連続なレーザ光出力が見られない。

なお、図６に示すように、ＳＬＤ１１のレーザ光Ｌ０を出射する出射面上に反射防止膜としてＡＲコーティング１１０を施してもよい。これにより、ＳＬＤ１１と透過型グレーティング素子１３との間で構成される外部共振器において、ＳＬＤ１１での反射のほとんどが、例えば９９％以上、抑制され、外部共振器の特性を向上できる。

また、レーザ装置１０では、出力されるレーザ光Ｌ０の波長は安定である。このため、図７に示すように、透過型グレーティング素子１３から出射されるレーザ光Ｌ０が入射されるシングルモードファイバ１５を、透過型グレーティング素子１３の光出射面に結合してもよい。シングルモードファイバ１５は、例えば偏波保持ファイバである。

なお、レーザ光Ｌ０が入射する透過型グレーティング素子１３の受光面の有効径を、整形レンズ１２を透過後のレーザ光Ｌ０の光径の２．５倍以上とすることが好ましい。ここでのレーザ光Ｌ０の光径は、ピーク強度値から１／ｅ²に低下したときの幅である。上記のように透過型グレーティング素子１３の受光面の有効径を設定するのは、ビームの光軸ずれに対して十分な値であるためである。一般的にガウシアンビームは、１／ｅ²で規定されるビーム径に対して約２倍の幅の光路を考慮しておけば、ガウシアンビーム全体を周囲にぶつかることなく伝送することができる。このため、整形レンズ１２透過後に光軸ずれが生じても、レーザ光Ｌ０を透過型グレーティング素子１３に入射させることができる。

したがって、整形レンズ１２透過後に光軸ずれが生じても、想定される光軸ずれ分以上の余裕を透過型グレーティング素子１３の受光面サイズに持たせることにより、透過型グレーティング素子１３の光軸に垂直な方向の直線的な移動が不要である。つまり、光軸に対して透過型グレーティング素子１３の角度を調整することにより、光学調整を行うことができる。

ところで、レーザ光Ｌ０の波長及び出力特性が共に安定な外部共振器を実現した場合に、図８に示すように、安定化後に出力されるレーザ光Ｌ０と共に、レーザ光Ｌ０とは出射方向が異なるレーザ光Ｌｓが出射される現象が見られる。レーザ光Ｌｓの出力はレーザ光Ｌ０の１０％程度である。したがって、レーザ光Ｌ０について所望の波長及び安定な出力特性を得るために透過型グレーティング素子１３の調整を行った後に、レーザ装置１０から互いに異なる方向に出射される２つのレーザ光Ｌ０、Ｌｓを観測することを、波長が狭帯域化、安定化され、且つ、出力特性が安定化されたことの目視可能な確認ステップとして用いることができる。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係るレーザ装置１０の製造方法によれば、ＳＬＤ１１を駆動する駆動電流に対してレーザ光Ｌ０の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性を有するレーザ装置１０が得られる。つまり、レーザ光Ｌ０の波長が狭帯域化、安定化されると共に、ＳＬＤ１１の駆動電流に対するレーザ光の出力特性が安定なレーザ装置を提供できる。

なお、ＳＬＤや半導体レーザなどを光源に用いたレーザ装置では、出射されるレーザ光の波長が一般的には不安定である。このため、このレーザ装置を用いて構成された波長変換機能などを有するレーザモジュールには、レーザモジュールから出力されるレーザ光の波長を一定にするために、光源や波長変換素子の温度を所定値に制御するための温度調整機構が必要である。

しかしながら、本発明の実施形態に係るレーザ装置１０では、ＶＨＧやＶＢＧといった透過型グレーティング素子１３が特定の波長のレーザ光のみをＳＬＤ１１の活性層に一部フィードバックし、そして、誘導放出により出力されるレーザ光がその特定の波長に遷移するため、レーザ光Ｌ０の波長が安定である。このため、レーザ装置１０を使用したレーザモジュールでは、サーモモジュール、ヒータ、サーミスタ、熱電対などの温度調整機構を必要としない。したがって、小型で取り扱い性のよいレーザモジュールを実現できる。レーザ装置１０は、例えば固体レーザ装置、波長変換型レーザ装置、加工用レーザ装置などに使用される。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記では、レーザ光の波長をモニタするのと、駆動電流とレーザ光の出力との関係をモニタするのとを同時に行いながら、透過型グレーティング素子１３の位置を調整する方法を説明した。しかし、レーザ光の波長をモニタしながら透過型グレーティング素子１３の位置を調整する工程と、駆動電流とレーザ光の出力との関係をモニタしながら透過型グレーティング素子１３の位置を調整する工程とを、交互に行ってもよい。この場合、例えば図９に示すように、レーザ装置１０から出力されるレーザ光Ｌ０を解析装置２０と計測装置３０とに交互に入射させればよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０…レーザ装置
１１…ＳＬＤ
１２…整形レンズ
１３…透過型グレーティング素子
１４…駆動装置
１５…シングルモードファイバ
２０…解析装置
３０…計測装置
４０…ビーム分岐装置
Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌｓ…レーザ光

Claims (15)

1. レーザ光を出射するスーパールミネッセントダイオード、前記レーザ光を整形する整形レンズ、及び前記整形レンズを透過した前記レーザ光が入射される透過型グレーティング素子を備え、前記スーパールミネッセントダイオードと前記透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成するレーザ装置を準備するステップと、
   前記レーザ装置から出射される前記レーザ光を狭帯域化、安定化するように、前記レーザ光の波長をモニタしながら前記透過型グレーティング素子の位置を調整するステップと、
   前記スーパールミネッセントダイオードを駆動する駆動電流の値に対して前記レーザ装置から出射されるレーザ光の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性が得られるように、前記駆動電流と前記レーザ光の出力との関係をモニタしながら前記透過型グレーティング素子の位置を調整するステップと
   を含み、前記レーザ光が狭帯域化、安定化され、且つ、前記出力特性が得られるまで、前記透過型グレーティング素子の位置を調整することを特徴とするレーザ装置の製造方法。
2. 前記レーザ光の波長をモニタするのと、前記駆動電流と前記レーザ光の出力との関係をモニタするのを同時に行いながら、前記透過型グレーティング素子の位置を調整することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置の製造方法。
3. 前記レーザ光の波長をモニタしながら前記透過型グレーティング素子の位置を調整するステップと、前記駆動電流と前記レーザ光の出力との関係をモニタしながら前記透過型グレーティング素子の位置を調整するステップとを、交互に行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置の製造方法。
4. 前記レーザ光が狭帯域化、安定化され、且つ、前記出力特性が得られた後に、前記レーザ装置から互いに異なる方向に出射される２つのレーザ光を観測するステップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ装置の製造方法。
5. 前記レーザ光を出射する出射面上にＡＲコーティングが施された前記スーパールミネッセントダイオードを使用することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ装置の製造方法。
6. 出射される前記レーザ光の中心波長が１０４０ｎｍ±３０ｎｍであるように前記レーザ装置を構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ装置の製造方法。
7. 前記透過型グレーティング素子から出射される前記レーザ光が入射されるシングルモードファイバを取り付けるステップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ装置の製造方法。
8. 前記シングルモードファイバが偏波保持ファイバであることを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置の製造方法。
9. 前記スーパールミネッセントダイオードから出射される前記レーザ光のビームの楕円率を改善する前記整形レンズを使用することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザ装置の製造方法。
10. レーザ光を出射するスーパールミネッセントダイオード、前記レーザ光を整形する整形レンズ、及び前記整形レンズを透過した前記レーザ光が入射される透過型グレーティング素子を備え、前記スーパールミネッセントダイオードと前記透過型グレーティング素子との間で外部共振器を構成するレーザ装置であって、
    前記レーザ装置から出射される前記レーザ光を狭帯域化、安定化するように、前記レーザ光の波長をモニタしながら前記透過型グレーティング素子の位置が調整され、
    前記スーパールミネッセントダイオードを駆動する駆動電流の値に対して前記レーザ装置から出射されるレーザ光の出力が単調に変化し、且つ一義的に定まる安定な出力特性が得られるように、前記駆動電流と前記レーザ光の出力との関係をモニタしながら前記透過型グレーティング素子の位置が調整され、
    前記レーザ光が狭帯域化、安定化され、且つ、前記出力特性が得られるまで、前記透過型グレーティング素子の位置が調整されたことを特徴とするレーザ装置。
11. 前記スーパールミネッセントダイオードの前記レーザ光を出射する出射面上にＡＲコーティングが施されていることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ装置。
12. 前記レーザ光の中心波長が１０４０ｎｍ±３０ｎｍであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のレーザ装置。
13. 前記透過型グレーティング素子から出射される前記レーザ光が入射されるシングルモードファイバを更に備えることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。
14. 前記シングルモードファイバが偏波保持ファイバであることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ装置。
15. 前記整形レンズが、前記スーパールミネッセントダイオードから出射される前記レーザ光のビームの楕円率を改善することを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載のレーザ装置。

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