JP2017005127A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モードホッピングによる出力変動を小さくし、戻り光の影響を低減できる安価なレーザ装置。【解決手段】レーザ光源１の光を集光する集光素子２と、集光素子を透過した光を入射する光ファイバ３と、光ファイバの出射光を成型する成型素子４と、レーザ光源の波長領域において波長選択特性を有せず、光の一部を反射させる反射素子５とを備え、反射素子は、レーザ光源と集光素子との間、集光素子と光ファイバとの間、光ファイバと成型素子との間、成型素子の出射側のいずれかに配置され、反射された光の一部を反射素子の位置に最も近いレーザ光源又は集光素子又は光ファイバ又は成型素子に入射させる。【選択図】図１

Description

本発明は、画像処理を伴うアプリケーションに使用される光ファイバ出力型のレーザ装置に関する。

レーザ光を用いて、被対象物を観察及び分析する顕微鏡等のアプリケーションにおいては、レーザ光に含まれるノイズ成分が画質や分解能等の性能品質を劣化させる。このため、レーザ装置には、光出力の安定性や低雑音化が求められている。

レーザ装置に搭載されるレーザ光源としては、アプリケーションに応じて波長及び出力が異なる半導体レーザが多用されるとともに、取扱性の観点から光ファイバ出力の形態が望まれる。

半導体レーザの雑音としては、自然放出光の揺らぎによって生じる量子雑音や、縦モードが変動することによって生じるモードホッピング雑音等が知られている。

モードホッピング雑音は、レーザ外部からの戻り光がレーザに再入射されることで縦モードの変動を誘発し、これによる出力変動が強度雑音として現れる現象である。アプリケーションにおいては、この影響が支配的になる。

モードホッピング雑音を低減する方法としては、縦モードを完全に単一モード化してモードの変動をなくす方法と、縦モードを多モード化して多安定状態を作る方法がある。

縦モードを単一モード化した半導体レーザとして、電流変調や温度変化時においても単一モード動作を維持する動的単一モードレーザが知られている（特許文献１）。半導体レーザを多モード化する方法として、半導体レーザの駆動電流に数百ＭＨｚ程度の高周波電流を重畳する方法が知られている（特許文献２）。

また、上述した雑音低減対策とは別に、半導体レーザへの戻り光自体を回避するために、半導体レーザと外部反射機構との間に光アイソレータを挿入する方法がある。

特許第３２２６０６５号 特許第２５３２２８３号

しかしながら、戻り光の影響を受けやすい半導体レーザにおける光雑音の低減方法は、以下のような課題を有していた。即ち、上述した動的単一モードレーザにおいては、温度変化や変調時の単一モード発振は、維持できるが、外部からの戻り光がある場合には、僅かに存在するサイドモードとの間でモード分配雑音が強調され、アプリケーションの性能に影響を与えてしまう。

また、高周波重畳法を用いた多モード化では、アプリケーションで要求される雑音の周波数が広帯域に及ぶ場合、重畳電流の高周波成分が光ノイズとして残ってしまう。また、光アイソレータにより戻り光を回避する方法では、光アイソレータの適用波長が限定され、さらに装置の小型化が困難となる。即ち、レーザ装置が大型化し高価になる。

本発明の課題は、モードホッピングによる出力変動を小さくし、戻り光の影響を低減できる安価なレーザ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源の光を集光する集光素子と、前記集光素子を透過した光を入射する光ファイバと、前記光ファイバの出射光を成型する成型素子と、前記レーザ光源の波長領域において波長選択特性を有せず、前記光の一部を反射させる反射素子とを備え、前記反射素子は、前記レーザ光源と前記集光素子との間、前記集光素子と前記光ファイバとの間、前記光ファイバと前記成型素子との間、前記成型素子の出射側のいずれかに配置され、反射された光の一部を前記反射素子の位置に最も近い前記レーザ光源又は前記集光素子又は前記光ファイバ又は前記成型素子に入射させることを特徴とする。

本発明によれば、光の一部を波長選択特性を有しない反射素子で反射させ、反射された光の一部を反射素子の位置に最も近いレーザ光源又は集光素子又は光ファイバ又は成型素子に入射させるので、反射光は、レーザ光源に再入射される。

即ち、半導体レーザにおいて、入射波に反射波が加わることにより、安定した多モード発振を実現することができる。これにより、モードホッピングによる出力変動を小さくし、戻り光の影響を低減できる。

本発明の実施例１に係るレーザ装置の構成を示す図である。 半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 本発明の実施例２に係るレーザ装置の半導体レーザの戻り光で不安定となった発振スペクトルを示す図である。 本発明の実施例１に係るレーザ装置の半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 本発明の実施例２に係るレーザ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係るレーザ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーザ装置の第１の変形例の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーザ装置の第２の変形例の構成を示す図である。

以下、本発明のレーザ装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る本発明の実施例１に係るレーザ装置の構成を示す図である。このレーザ装置は、半導体レーザ１、結合レンズ２、光ファイバ３、コリメートレンズ４、反射板５、結合レンズ６、光ファイバ７を備えている。

半導体レーザ１は、本発明のレーザ光源に対応し、任意のスペクトルを有し、供給電流により所望の光出力を得る。

結合レンズ２は、本発明の集光素子に対応し、集光レンズの役目をしており、半導体レーザ１からのレーザ光を集光することにより光ファイバ３に結合する。結合レンズ２は、減反射膜が施されるとともに、光軸に対して所定の角度で配置されている。これにより、半導体レーザ１への戻り光を低減することができる。

光ファイバ３は、結合レンズ２からのレーザ光を伝搬させてコリメートレンズ４に出射する。光ファイバ３の入射端面は、斜めに研磨されており、端面反射光が半導体レーザ１に戻らないように配置されている。

コリメートレンズ４は、本発明の成型素子に対応し、光ファイバ３からのレーザ光を平行光にして出力する。

反射板５は、本発明の反射素子に対応し、レーザ光源の波長領域において波長選択特性を有せず、コリメートレンズ４を透過した光の一部を反射させ、反射光をコリメートレンズ４を通して光ファイバ３に入射させる。反射板５は、残りの光を透過させて結合レンズ６に出射する。反射板５は、石英ガラス又はサファイアに、誘電体又はアルミニウム等の金属がコーティングされて構成されている。

結合レンズ６は、集光レンズの役目をしており、反射板５からのレーザ光を集光することにより光ファイバ７に結合する。結合レンズ６は、減反射膜が施されるとともに、光軸に対して所定の角度で配置されている。これにより、半導体レーザ１への戻り光を低減することができる。

次にこのように構成された実施例１のレーザ装置の動作を説明する。まず、半導体レーザ１で発振したレーザ光は、結合レンズ２で集光されて、光ファイバ３に結合される。光ファイバ３からのレーザ光は、コリメートレンズ４でコリメートされて、反射板５でレーザ光の一部が反射される。このとき、光軸に対する反射板５の角度を調整することにより反射光量を調整する。

反射光量が調整された反射レーザ光は、コリメートレンズ４に入射され、さらに、光ファイバ３に再結合され、結合レンズ２を通って、半導体レーザ１に入射される。このため、半導体レーザ１において、入射光に反射光が加わり、レーザ発振が行われる。

このとき、光ファイバ７の出力側にモニタを接続し、モニタにより発振スペクトルを監視する。そして、反射板の角度を調整することにより、反射光量を調整することで、図４に示すような発振スペクトルが得られる。即ち、安定した多モード発振を実現することができる。

図２に半導体レーザの発振スペクトルを示す。図２では、半導体レーザ１の連続波駆動（ＣＷ）において、縦単一モードに近いスペクトルを示している。この状態から、任意の戻り光を与えた時の発振スペクトルを図３に示す。任意の戻り光により、発振スペクトルが不安定になり、時間的に、図２と図３に示す状態又はその他の状態にスペクトルが変化する。

図４に実施例１のレーザ装置の半導体レーザの発振スペクトルを示す。図４では、反射板５の角度を調整したときの発振スペクトルを示す例である。図３と同様の縦多モード発振となっているが、図４では、図３と比較して明確な縦モードの本数が多くなり、モード間隔も均一になっている。縦モード間隔から、実施例１のレーザは、半導体レーザ１自身の共振器モードで発振していることがわかる。反射板５で構成される外部共振器モードは、競合していないため、安定した発振状態を持続することができる。

このように実施例１のレーザ装置によれば、コリメートレンズ４を透過した光の一部を波長選択特性を有しない反射板５で反射させ、反射された光の一部を反射板５の位置に最も近いコリメートレンズ４に入射させるので、反射光は、半導体レーザ１に再入射される。

即ち、半導体レーザ１において、入射波に反射波が加わることにより、安定した多モード発振を実現することができる。これにより、モードホッピングによる出力変動を小さくし、戻り光の影響を低減できる。

（実施例２）
図５は、本発明の実施例２に係るレーザ装置の構成を示す図である。図１では、反射板５をコリメートレンズ４の出射側に配置したが、図５では、反射板５を光ファイバ３とコリメートレンズ４との間に配置したことを特徴とする。

このように実施例２に係るレーザ装置の場合にも、上述した半導体レーザの多モードの安定発振の原理に基づき、実施例１に係るレーザ装置と同様な効果が得られる。

（実施例３）
図６は、本発明の実施例３に係るレーザ装置の構成を示す図である。実施例３に係るレーザ装置は、多波長出力の光ファイバ出力型レーザ装置である。レーザ装置は、互いに異なる波長λａ，λｂのレーザ光を出力する２つの半導体レーザ１ａ，１ｂと、半導体レーザ１ａ，１ｂの光を集光する２つの結合レンズ２ａ，２ｂ、結合レンズ２ａ，２ｂを透過した光を入射する２つの光ファイバ３ａ，３ｂと、光ファイバ３ａ，３ｂの出射光を成型する２つのコリメートレンズ４ａ，４ｂと、半導体レーザの波長領域において波長選択特性を有せず、光の一部を反射させる２つの反射板５ａ，５ｂと、合波素子８ａと、反射板５ｂからの光を合波素子８ａに導く合波素子８ｂを備えている。合波素子８ｂは、反射ミラー等である。合波素子８ａは、ハーフミラー等である。

合波素子８ａは、合波素子８ｂからの光と反射板５ａからの光とを合波して結合レンズ６に導く。結合レンズ６と光ファイバ７の構成は、図１に示すものと同じであるので、その説明は省略する。

なお、実施例３では、半導体レーザ、結合レンズ、光ファイバ、コリメートレンズ、反射板をそれぞれ２つとしたが、それぞれを３つ以上設けても良い。

このように実施例３に係るレーザ装置によれば、縦多モードを実現できるとともに、多波長のレーザ光を１つの光ファイバに結合することができる。

（第１の変形例）
図７は、本発明の実施例１に係るレーザ装置の第１の変形例の構成を示す図である。図１では、反射板５をコリメートレンズ４の出射側に配置したが、図７では、反射板５を結合レンズ２と光ファイバ３との間に配置したことを特徴とする。

このように第１の変形例の場合にも、上述した半導体レーザの多モードの安定発振の原理に基づき、実施例１に係るレーザ装置と同様な効果が得られる。

（第２の変形例）
図８は、本発明の実施例１に係るレーザ装置の第２の変形例の構成を示す図である。図１では、反射板５をコリメートレンズ４の出射側に配置したが、図８では、反射板５を半導体レーザ１と結合レンズ２との間に配置したことを特徴とする。

このように第２の変形例に係るレーザ装置の場合にも、上述した半導体レーザの多モードの安定発振の原理に基づき、実施例１に係るレーザ装置と同様な効果が得られる。

なお、本発明のレーザ装置は、上述した実施例１乃至３、第１の変形例、第２の変形例に限定されるものではない。例えば、第１の変形例に実施例３を組み合わせて用いても良い。また、例えば、第２の変形例に実施例３を組み合わせて用いても良い。

本発明は、画像処理を伴うアプリケーションに使用される光ファイバ出力型のレーザ装置に利用できる。

１，１ａ 半導体レーザ
２，２ａ，６ 結合レンズ
３，７ 光ファイバ
４ コリメートレンズ
５ 反射板
８ａ，８ｂ 合波素子

Claims (2)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源の光を集光する集光素子と、
   前記集光素子を透過した光を入射する光ファイバと、
   前記光ファイバの出射光を成型する成型素子と、
   前記レーザ光源の波長領域において波長選択特性を有せず、前記光の一部を反射させる反射素子とを備え、
   前記反射素子は、前記レーザ光源と前記集光素子との間、前記集光素子と前記光ファイバとの間、前記光ファイバと前記成型素子との間、前記成型素子の出射側のいずれかに配置され、反射された光の一部を前記反射素子の位置に最も近い前記レーザ光源又は前記集光素子又は前記光ファイバ又は前記成型素子に入射させることを特徴とするレーザ装置。
2. 互いに異なる波長のレーザ光を出力する複数のレーザ光源と、
   前記複数のレーザ光源に対応して設けられ、前記レーザ光源の光を集光する複数の集光素子と、
   前記複数の集光素子に対応して設けられ、前記集光光学素子を透過した光を入射する複数の光ファイバと、
   前記複数の光ファイバに対応して設けられ、前記光ファイバの出射光を成型する複数の成型素子と、
   前記複数の成型素子に対応して設けられ、前記レーザ光源の波長領域において波長選択特性を有せず、前記光の一部を反射させる複数の反射素子とを備え、
   前記複数の反射素子の各々は、前記レーザ光源と前記集光素子との間、前記集光素子と前記光ファイバとの間、前記光ファイバと前記成型素子との間、前記成型素子の出射側のいずれかに配置され、反射された光の一部を前記反射素子の位置に最も近い前記レーザ光源又は前記集光素子又は前記光ファイバ又は前記成型素子に入射させることを特徴とするレーザ装置。
   

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