JP2015023051A - ファイバーレーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクタ装置の光源として用いた場合において、スペックルノイズを低減することができるファイバーレーザ光源装置を提供する。
【解決手段】それぞれ光ファイバーの両端面に一対のミラーよりなる共振器が配置されてなる複数のファイバーレーザを有する光源部と、この光源部におけるファイバーレーザの各々から出射されたレーザ光を合成する光学系とを備えてなるファイバーレーザ光源装置において、前記光源部は、前記光ファイバーの軸に対する当該光ファイバーの両端面の少なくとも一方の傾斜角度がそれぞれ異なる２種類以上のファイバーレーザを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバーの両端面に共振器が配置された複数のファイバーレーザを備えてなるファイバーレーザ光源装置に関する。

従来、レーザ光源としては、フッ化物ガラス中にプラセオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）がドープされたコアを有する光ファイバーを、ＧａＮ系レーザダイオードによって励起するファイバーレーザが知られている（特許文献１参照。）。そして、このようなファイバーレーザを光源として利用したプロジェクタ装置等の画像投影装置が提案されている（特許文献２参照。）。

しかしながら、レーザ光はコヒーレンスが高いため、ファイバーレーザをプロジェクタ装置の光源として利用した場合には、スペックルノイズが発生するという問題がある。

特開平１１−２０４８６２号公報 特開２００１−２６４６６２号公報

本発明の目的は、プロジェクタ装置の光源として用いた場合において、スペックルノイズを低減することができるファイバーレーザ光源装置を提供することにある。

本発明のファイバーレーザ光源装置は、それぞれ光ファイバーの両端面に一対のミラーよりなる共振器が配置されてなる複数のファイバーレーザを有する光源部と、
この光源部におけるファイバーレーザの各々から出射されたレーザ光を合成する光学系と
を備えてなるファイバーレーザ光源装置において、
前記光源部は、前記光ファイバーの軸に対する当該光ファイバーの両端面の少なくとも一方の傾斜角度がそれぞれ異なる２種類以上のファイバーレーザを有することを特徴とする。

本発明のファイバーレーザ光源装置においては、前記共振器における前記一対のミラーは、誘電体多層膜よりなることが好ましい。

本発明のファイバーレーザ光源装置においては、光源部は２種類以上のファイバーレーザを有する。これらの種類の異なるファイバーレーザは、光ファイバーの軸に対する当該光ファイバーの両端面の少なくとも一方の傾斜角度が異なるため、当該光ファイバーの端面に配置されたミラーについても、光ファイバーの軸に対する傾斜角度が互いに異なる。このため、ミラーを例えば入射角依存性を有する誘電体多層膜によって構成することにより、光源部においては、種類の異なるファイバーレーザの各々から、ピーク波長が互いに変位したレーザ光が発振される。そして、これらのファイバーレーザからのレーザ光が合成されることにより、半値幅の大きいピーク波長を有するレーザ光を出射することができる。
従って、本発明のファイバーレーザ光源装置によれば、出射されるレーザ光におけるピーク波長の半値幅が大きいため、プロジェクタ装置の光源として用いた場合において、スペックルノイズを低減することができる。

本発明のファイバーレーザ光源装置の一例における構成を示す説明図である。 図１に示すファイバーレーザ光源装置における各ファイバーレーザの構成を示す説明図である。 出射側ミラーの分光反射率曲線を示す図である。 ３種類のファイバーレーザの各々から発振されるレーザ光の分光スペクトルを示す図である。 ３種類のファイバーレーザから発振される光を合成した合成光の分光スペクトルを示す図である。 本発明のファイバーレーザ光源装置を備えたプロジェクタ装置の構成の概略を示す説明図である。 実施例で使用した実験装置の構成を示す説明図である。

以下、本発明のファイバーレーザ光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明のファイバーレーザ光源装置の一例における構成を示す説明図である。このファイバーレーザ光源装置は、筐体１０と、この筐体１０内に配置された、複数のファイバーレーザ２１よりなる光源部２０と、ファイバーレーザ２１から出射されるレーザ光を合成するバンドルファイバー１６よりなる光学系とを備えてなる。バンドルファイバー１６の出射側端部は、筐体１０の側壁に設けられたファイバーコネクター１５に接続されている。

光源部２０におけるファイバーレーザ２１の各々は、レーザ媒質を構成する光ファイバー２２を有する。この光ファイバー２２において、その一端面（図において左端面）は、励起光が入射される入射側端面２３とされ、その他端面は、レーザ光が出射される出射側端面２４とされている。光ファイバー２２の両端面には、共振器２５が設けられている。具体的には、共振器２５は、光ファイバー２２の入射側端面２３に配置された入射側ミラー２６と、光ファイバー２２の出射側端面２４に配置された出射側ミラー２７とにより構成されている。共振器２５における入射側ミラー２６に対向する位置には、光ファイバー２２に励起光を入射する励起用レーザ素子２８が配置されている。また、入射側ミラー２６と励起用レーザ素子２８との間には、当該励起用レーザ素子２８からの励起光を集光する集光レンズ２９が配置されている。

光ファイバー２２は、レーザ媒質となる断面円形のコアと、当該コアの外周面を覆うよう形成されたクラッドとにより構成されている。
光ファイバー２２におけるコアを構成する材料としては、母材中に希土類元素イオンがドープされたものを用いることができる。
コアの母材としては、フッ化アルミニウム系のフッ化物ガラス、ＺＢＬＡＮＰ（ＺｒＦ₄ −ＢａＦ₂ −ＬａＦ₃ −ＡｌＦ₃ −ＡｌＦ₃ −ＮａＦ−ＰｂＦ₂ ）等のＺｒ系フッ化物ガラスなどを用いることができる。
コア中にドープされる希土類元素イオンとしては、プラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）、エルビウムイオン（Ｅｒ³⁺）、ホルミウムイオン（Ｈｏ³⁺）、ツリウムイオン（Ｔｍ³⁺）などを用いることができる。コア中における希土類元素イオンの割合は、例えば５００〜６０００ｐｐｍである。
光ファイバー２２におけるクラッドを構成する材料としては、希土類元素イオンがドープされていないフッ化アルミニウム系のフッ化物ガラスなどを用いることができる。
また、光ファイバー２２におけるコアの外径は、例えば７〜４０μｍであり、光ファイバー２２の長さは、例えば３０〜１２０ｍｍである。

共振器２５における入射側ミラー２６および出射側ミラー２７の各々は、例えばＳｉＯ₂ よりなる低屈折率層と例えばＴａ₂ Ｏ₅ よりなる高屈折率層とが交互に積層されてなる誘電体多層膜により構成されている。誘電体多層膜における低屈折率層および高屈折率層の各層の厚みは、例えば５０〜１２０ｎｍである。また、多層誘電体膜における低屈折率層および高屈折率層の層数は、両者の合計で例えば１０〜１００層である。
入射側ミラー２６としては、励起用レーザ素子２８からの励起光の透過率が大きく、発振されるレーザ光の波長域の光の反射率が大きいものが用いられる。また、出射側ミラー２７としては、発振されるレーザ光の波長域の光の反射率が入射側ミラー２６よりも僅かに小さいものが用いられる。具体的な一例を示すと、入射側ミラー２６は、波長４３０〜４８０ｎｍの光の透過率が９５％以上で、波長６１５ｎｍの光の反射率が９９％以上である。また、出射側ミラー２７は、波長６１５ｎｍの光の反射率が９５％である。

励起用レーザ素子２８としては、光ファイバー２２のコア中の希土類元素イオンを励起し得る波長の光、例えば希土類元素イオンがプラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）である場合には、４３０〜４８０ｎｍの波長域の青色光を出射するものが用いられる。このような励起用レーザ素子２８の具体例としては、ＧａＮ系レーザダイオードなどが挙げられる。

そして、本発明のファイバーレーザ光源装置においては、光源部２０は、光ファイバー２２の軸（以下、「ファイバー軸」ともいう。）に対する当該光ファイバー２２の両端面の少なくとも一方の傾斜角度がそれぞれ異なる２種類以上のファイバーレーザ２１を有する。ここで、「傾斜角度」とは、光ファイバー２２の入射側端面２３または出射側端面２４の法線と、ファイバー軸とのなす角をいう。

この例のファイバーレーザ光源装置においては、図２に示すように、光源部２０は、ファイバー軸に対する光ファイバー２２の出射側端面２４の傾斜角度がそれぞれ異なる３種類のファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを有する。
具体的に説明すると、ファイバーレーザ２１Ａは、図２（ａ）に示すように、ファイバー軸に対する光ファイバー２２の出射側端面２４の傾斜角度が、ファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃのうち最も小さいものである。このファイバーレーザ２１Ａにおける出射側端面２４の傾斜角度は例えば０°である。
また、ファイバーレーザ２１Ｂは、図２（ｂ）に示すように、ファイバー軸に対する光ファイバー２２の出射側端面２４の傾斜角度が、ファイバーレーザ２１Ａにおける出射側端面２４より大きいものである。
また、ファイバーレーザ２１Ｃは、図２（ｃ）に示すように、ファイバー軸に対する光ファイバー２２の出射側端面２４の傾斜角度が、ファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃのうち最も大きいものである。

そして、光源部２０は、複数のファイバーレーザ２１Ａと、複数のファイバーレーザ２１Ｂと、複数のファイバーレーザ２１Ｃとにより構成されている。光源部２０におけるファイバーレーザ２１Ａ、ファイバーレーザ２１Ｂおよびファイバーレーザ２１Ｃの各々の数は、適宜選択することができるが、各波長でエネルギーバランスが取れるようにそれぞれ同数であることが好ましい。また、光源部２０は、それぞれファイバーレーザ２１Ａ、ファイバーレーザ２１Ｂおよびファイバーレーザ２１Ｃを有する複数のファイバーレーザユニットによって構成されていてもよい。具体的な例を挙げると、光源部２０は、４つのファイバーレーザユニットよりなり、各ファイバーレーザユニットは、６本のファイバーレーザ２１Ａと、６本のファイバーレーザ２１Ｂと、６本のファイバーレーザ２１Ｃとよりなるものである。

ファイバー軸に対して光ファイバー２２の出射側端面２４が傾斜したファイバーレーザ２１Ｂ，２１Ｃにおいては、当該出射側端面２４に配置された出射側ミラー２７は、ファイバー軸に対して出射側端面２４と同じ傾斜角度で傾斜した状態となる。
ここで、出射側ミラー２７は、誘電体多層膜によって構成されているため、その分光特性は入射角依存性を有する。
図３は、出射側ミラー２７の分光反射率曲線を示す図である。この図において、ａは入射角が０°のときの分光反射率曲線、ｂは入射角が５°のときの分光反射率曲線、ｃは入射角が１０°のときの分光反射率曲線、ｄは入射角が１５°のときの分光反射率曲線である。図３から明らかなように、出射側ミラー２７に入射される光の入射角が大きくなるに従って、当該出射側ミラー２７による分光特性は短波長側に変位することが理解される。

このように、ファイバーレーザ２１Ｂの出射側ミラー２７は、ファイバー軸に対して傾斜していることにより、ファイバー軸方向に沿って入射される光に対する分光特性が、ファイバーレーザ２１Ａの出射側ミラー２７による分光特性より短波長側に変位する。このため、ファイバーレーザ２１Ｂから発振されるレーザ光のピーク波長は、ファイバーレーザ２１Ａから発振されるレーザ光のピーク波長よりも短波長側に変位したものとなる。また、ファイバーレーザ２１Ｃの出射側ミラー２７は、ファイバー軸に対してファイバーレーザ２１Ｂの出射側ミラー２７より大きい角度で傾斜していることにより、ファイバー軸方向に沿って入射される光に対する分光特性が、ファイバーレーザ２１Ｂの出射側ミラー２７による分光特性より更に短波長側に変位する。このため、ファイバーレーザ２１Ｃから発振されるレーザ光のピーク波長は、ファイバーレーザ２１Ｂから発振されるレーザ光のピーク波長よりも更に短波長側に変位したものとなる。

図４は、３種類のファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各々から発振されるレーザ光の分光スペクトルを示す図である。この図において、ａは、ファイバーレーザ２１Ａから発振されるレーザ光の分光スペクトルである。このファイバーレーザ２１Ａの光ファイバー２２は、ファイバー軸に対する出射側端面２４の傾斜角度が０°のものである。ｂは、ファイバーレーザ２１Ｂから発振されるレーザ光の分光スペクトルである。このファイバーレーザ２１Ｂの光ファイバー２２は、ファイバー軸に対する出射側端面２４の傾斜角度が３°のものである。ｃは、ファイバーレーザ２１Ｃから発振されるレーザ光の分光スペクトルである。このファイバーレーザ２１Ｃの光ファイバー２２は、ファイバー軸に対する出射側端面２４の傾斜角度が５°のものである。
図４に示すように、ファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各々から発振されるレーザ光は、それぞれピーク強度が同等であるが、ファイバー軸に対する出射側端面２４の傾斜角度に応じてピーク波長が互いに変位したものであることが理解される。

ファイバー軸に対する出射側端面２４の傾斜角度が最も大きいファイバーレーザ２１Ｃにおいて、当該出射側端面２４の傾斜角度ｙは、４〜８°であることが好ましい。ファイバーレーザ２１Ｃにおける出射側端面２４の傾斜角度ｙが過小である場合には、ファイバーレーザ２１Ａに対するピーク波長の変位が小さいため、半値幅の大きいピーク波長を有するレーザ光が得られない。一方、ファイバーレーザ２１Ｃにおける出射側端面２４の傾斜角度ｙが過大である場合には、光ファイバー２２内で相互反射を繰り返す過程で、コア内で閉じ込められていた光線もファイバー軸に対する角度が大きくなるため、光ファイバーの側面から出射される光が多くなり、レーザ発振が困難となる。

ファイバーレーザ２１Ｂにおいて、ファイバー軸に対する出射側端面２４の傾斜角度ｘは、２〜４°であることが好ましい。また、ファイバーレーザ２１Ｂにおける出射側端面２４の傾斜角度ｘとファイバーレーザ２１Ｃにおける出射側端面２４の傾斜角度ｙとの差（ｙ−ｘ）は、２〜４°であることが好ましい。ファイバーレーザ２１Ｂにおける出射側端面２４の傾斜角度ｘが過小である場合には、ファイバーレーザ２１Ａに対するピーク波長の変位が小さいため好ましくない。一方、ファイバーレーザ２１Ｂにおける出射側端面２４の傾斜角度ｙが過大である場合には、ファイバーレーザ２１Ｃに対するピーク波長の変位が小さくなり、波長に対する放射強度のバランスが悪くなる（放射強度の強弱が大きくなる。）。

上記のファイバーレーザ光源装置においては、光源部２０は３種類のファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを有する。これらのファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、ファイバー軸に対する光ファイバー２２の出射側端面２４の傾斜角度が異なるため、当該光ファイバー２２の出射側端面２４に配置された出射側ミラー２７についても、ファイバー軸に対する傾斜角度が互いに異なる。そして、出射側ミラー２７が入射角依存性を有する誘電体多層膜によって構成されているため、光源部２０においては、ファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各々から、ピーク波長が互いに変位したレーザ光が発振される。
図５は、３種類のファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃから発振される光を合成した合成光の分光スペクトルを示す図である。この図において、ａは、ファイバーレーザ２１Ａから発振されるレーザ光の分光スペクトルである。ｂは、ファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂの各々から発振されるレーザ光を合成した合成光の分光スペクトルである。ｃは、ファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各々から発振されるレーザ光を合成した合成光の分光スペクトルである。
これらのファイバーレーザ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃからのレーザ光が、バンドルファイバー１６によって合成されることにより、図５に示すように、半値幅の大きいピーク波長を有するレーザ光を出射することができる。
従って、上記のファイバーレーザ光源装置によれば、出射されるレーザ光におけるピーク波長の半値幅が大きいため、プロジェクタ装置の光源として用いた場合において、スペックルノイズを低減することができる。

図６は、本発明のファイバーレーザ光源装置を備えたプロジェクタ装置の構成の概略を示す説明図である。この図において、３０は青色レーザ光源、３１は緑色レーザ光源、３２は赤色レーザ光源であり、この例では、赤色レーザ光源３２が、図１に示すファイバーレーザ光源装置によって構成されている。３３は、青色レーザ光源３０、緑色レーザ光源３１および赤色レーザ光源３２の各々からのレーザ光を合成するバンドルファイバーである。３４はロッドレンズ、３５および３６は、ロッドレンズ３４の出射側端面を空間変調素子３９に結像させるための結像レンズ、３７はミラー、３８はＴＩＲプリズムである。ＴＩＲプリズム３８には、青色光用、緑色光用および赤色光用の３つの空間変調素子３９，４０，４１が設けられている。４２および４３は、空間変調素子３９による像をスクリーン４５上に写すための投射レンズである。

このようなプロジェクタ装置によれば、赤色レーザ光源３２として図１に示す構成のファイバーレーザ光源装置が用いられているため、スペックルノイズを低減することができる。

本発明のファイバーレーザ光源装置は、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば光源部２０におけるファイバーレーザ２１の種類は、３種類に限定されず、２種類であっても、４種類以上であってもよい。
また、図１に示すファイバーレーザ光源装置は、ファイバーレーザ２１として出射側端面２４の傾斜角度が互いに異なるものを使用した例であるが、入射側端面２３の傾斜角度が互いに異なる２種類以上のファイバーレーザ２１を使用しても、入射側端面２３および出射側端面２４の各々の傾斜角度が互いに異なる２種類以上のファイバーレーザ２１を使用してもよい。

〈実施例１〉
下記の仕様のファイバーレーザ（１）を作製した。
［光ファイバー］
光ファイバーの長さ：４０ｍｍ
コアの材質：フッ化アルミニウム系フッ化物材料中に３０００ｐｐｍのプラセオジムイオンがドープされてなるもの
コアの外径：１５μｍ
ファイバー軸に対する入射側端面の傾斜角度：０°
ファイバー軸に対する出射側端面の傾斜角度：０°
［共振器］
入射側ミラーの構成：ＳｉＯ₂ （波長５００ｎｍの光による屈折率＝１．４６）よりなる低屈折率層（層数が１０層）とＴａ₃ Ｏ₂ （波長５００ｎｍの光による屈折率＝２．０）よりなる高屈折率層（層数が１０層）とからなるもの（全体の厚みが約２μｍ）
入射側ミラーの光学特性：波長４３０〜４８０ｎｍの光の透過率＞９５％，波長６１５ｎｍの光の透過率＞９９％
出射側ミラーの構成：ＳｉＯ₂ よりなる低屈折率層（層数が４０層）とＴａ₃ Ｏ₂ よりなる高屈折率層（層数が４０層）とが交互に積層されてなる誘電体多層膜（全体の厚みが約７μｍ）
出射側ミラーの光学特性：波長４３０〜４８０ｎｍの光の反射率＞９０％，波長６１５ｎｍの光の透過率＝９５％
［励起用レーザ素子］
ＧａＮ系レーザダイオード（励起光のピーク波長＝４４２ｎｍ）

また、ファイバー軸に対する出射側端面の傾斜角度を０°から３°に変更したこと以外は、ファイバーレーザ（１）と同様の仕様のファイバーレーザ（２）を作製した。ファイバーレーザ（１）から発振されるレーザ光の分光スペクトルは、図４のａに示す通りである。また、ファイバーレーザ（２）から発振されるレーザ光の分光スペクトルは、図４のｂに示す通りである。
これらの上記ファイバーレーザ（１）および上記ファイバーレーザ（２）よりなる光源部と、ファイバーレーザ（１）およびファイバーレーザ（２）の各々からのレーザ光を合成するバンドルファイバーとからなるファイバーレーザ光源装置を作製した。

［特性評価］
（１）分光スペクトル
上記のファイバーレーザ光源装置から出射されるレーザ光の分光スペクトルを測定し、最大ピーク波長（ｎｍ）およびピーク波長の半値幅（ｎｍ）を求めた。結果を表１に示す。
（２）スペックルコントラスト
上記のファイバーレーザ光源装置を用い、図７に示す構成の実験装置を構成した。図７において、１はファイバーレーザ光源装置、２は、ファイバーレーザ光源装置からのレーザ光を導光する光ファイバー（コアの外径が８００μｍ）、３はロッドインテグレータ、４はレンズ、５は、励起用レーザ素子からのレーザ光を遮断する青色光カットフィルタ、６は減光フィルタ、７は投射レンズ、８はマットスクリーン、９はＣＣＤである。
そして、ファイバーレーザ光源装置を作動させ、マットスクリーン上に投射された像をＣＣＤで撮影した。次いで、撮影したＣＣＤ像の全画面の明るさ強度の平均値および標準偏差を算出し、スペックコントラスト＝標準偏差÷平均値により、スペックルコントラストを算出した。結果を表１に示す。

〈比較例１〉
ファイバーレーザ（２）を用いず、ファイバーレーザ（１）のみによって光源部を構成したこと以外は実施例１と同様にして、ファイバーレーザ光源装置を作製し、その特性評価を行った。結果を表１に示す。

〈比較例２〉
ファイバーレーザ光源装置の代わりに赤色レーザダイオードを用い、その特性評価を行った。結果を表１に示す。

表１の結果から明らかなように、実施例１に係るファイバーレーザ光源装置においては、出射されるレーザ光の分光スペクトルにおけるピークの半値幅が、比較例１に係るファイバーレーザ光源装置に比較して大きいため、スペックルコントラストが比較例１に係るファイバーレーザ光源装置より低い値を示すことが確認された。

１ ファイバーレーザ光源装置
２ 光ファイバー
３ ロッドインテグレータ
４ レンズ
５ 青色光カットフィルタ
６ 減光フィルタ
７ 投射レンズ
８ マットスクリーン
９ ＣＣＤ
１０ 筐体
１５ ファイバーコネクター
１６ バンドルファイバー
２０ 光源部
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ ファイバーレーザ
２２ 光ファイバー
２３ 入射側端面
２４ 出射側端面
２５ 共振器
２６ 入射側ミラー
２７ 出射側ミラー
２８ 励起用レーザ素子
２９ 集光レンズ
３０ 青色レーザ光源
３１ 緑色レーザ光源
３２ 赤色レーザ光源
３３ バンドルファイバー
３４ ロッドレンズ
３５，３６ 結像レンズ
３７ ミラー
３８ ＴＩＲプリズム
３９，４０，４１ 空間変調素子
４２，４３ 投射レンズ
４５ スクリーン

Claims (2)

1. それぞれ光ファイバーの両端面に一対のミラーよりなる共振器が配置されてなる複数のファイバーレーザを有する光源部と、
   この光源部におけるファイバーレーザの各々から出射されたレーザ光を合成する光学系と
   を備えてなるファイバーレーザ光源装置において、
   前記光源部は、前記光ファイバーの軸に対する当該光ファイバーの両端面の少なくとも一方の傾斜角度がそれぞれ異なる２種類以上のファイバーレーザを有することを特徴とするファイバーレーザ光源装置。
2. 前記共振器における前記一対のミラーは、誘電体多層膜よりなることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ光源装置。

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