JP2017028193A

JP2017028193A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2017028193A
Application number: JP2015147599A
Authority: JP
Inventors: 廣木　知之; Tomoyuki Hiroki; 知之廣木; 次郎齊川; Jiro Saikawa; 直也石垣; Naoya Ishigaki; 進吾宇野; Shingo Uno
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-02-02

Abstract

【課題】スペクトル幅を広げることで、レーザ光の可干渉性を低減させることにより、スペックルを低減することができる半導体レーザ装置。
【解決手段】レーザ光を出力する１以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザモジュールと、複数の半導体レーザモジュールに対応して設けられ、各々の半導体レーザモジュールの温度を個別に制御する複数の温度調整素子と、各々の半導体レーザモジュールの各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないようにし且つ複数の半導体レーザモジュールの重ね合わせられた出力光のスペクトル幅が所定幅以上となるように複数の温度調整素子の各々を制御する温度制御回路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照明機器に適用される半導体レーザ装置に関する。

近年、半導体レーザの高出力化に伴い、プロジェクタや露光装置等の照明装置への半導体レーザの利用が期待されている。レーザ光源は、ランプ光源に比べて単色性、低消費電力、小型という点で優れているため、レーザ光源を利用した照明装置では色再現性の向上や低コスト、小型化が期待されている。

一方、コヒーレンス性の高いレーザ光を照明装置に用いた場合、投影する粗面において反射・拡散された光が互いに干渉し、不規則な斑状の強度分布（スペックル）が生ずる。このため、観測者にちらつきやノイズを与えてしまう。

このスペックルを低減する方法が特許文献１〜３に記載されている。特許文献１では、マルチモードファイバに導光し、マルチモードファイバを振動させることで空間的なコヒーレンスを低減させている。

特許文献２では、光路に設けられた光学素子を振動させて光路長を変化させることにより発生するスペックルパターンを時間的に変化させ、スペックルパターンを平均化させることで実質的にスペックルを低減させている。

特許文献３では、複数の半導体レーザに温度差を設けてスペクトル幅を広げて時間的コヒーレンスを低減させている。

特開２００３−１５６６９８号公報特開２０１４−５９５１３号公報特開２０１４−１２７５４３号公報

しかしながら、特許文献１〜２に記載された方法では、機械的な負荷を光学素子に与えているため、信頼性が低下する。また、振動素子を付加すると、装置が大型化してしまう。

また、特許文献３では、水冷モジュールの配置場所により温度勾配を設け、複数の半導体レーザに温度差を作ることで半導体レーザのスペクトル幅を広げているが、半導体レーザのスペクトル個体差によっては、スペクトル幅が狭くなってしまう。

本発明の課題は、スペクトル幅を広げることで、レーザ光の可干渉性を低減させることにより、スペックルを低減することができる半導体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、本発明に係る半導体レーザ装置は、レーザ光を出力する１以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザモジュールと、前記複数の半導体レーザモジュールに対応して設けられ、各々の半導体レーザモジュールの温度を個別に制御する複数の温度調整素子と、前記各々の半導体レーザモジュールの各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないようにし且つ前記複数の半導体レーザモジュールの重ね合わせられた出力光のスペクトル幅が所定幅以上となるように前記複数の温度調整素子の各々を制御する温度制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザ装置によれば、温度制御回路は、複数の温度調整素子の各々を制御することにより、各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないようにし且つ前記複数の半導体レーザモジュールの重ね合わせられた出力光のスペクトル幅が所定幅以上となるように制御する。即ち、スペクトル幅を広げることで、レーザ光の可干渉性を低減させることにより、スペックルを低減することができる。

本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。半導体レーザ装置の半導体レーザを温度制御しない状態の出力光スペクトルを示す図である。本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の半導体レーザを温度制御した状態の出力光スペクトルを示す図である。本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置において同一の半導体モジュール内の構成及び波長とスペクトル強度との関係を示す図である。

以下、本発明の半導体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。

図１は、本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。この半導体レーザ装置は、図１に示すように、レーザ駆動回路１、半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄ、ペルチェ素子３ａ〜３ｄ、光空間多重部４、温度制御回路５を備えている。

半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの各々は、レーザ光を出力する１以上の半導体レーザからなる。半導体レーザは、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。レーザ駆動回路１は、半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの各々を駆動する。

ペルチェ素子３ａ〜３ｄは、本発明の温度調整素子に対応し、複数の半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄに対応して設けられ、各々の半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの温度を個別に制御する。光空間多重部４は、半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄからの各々のレーザ光を多重化して出力する。

温度制御回路５は、各々の半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないようにし且つ複数の半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの重ね合わせられた出力光のスペクトル幅が所定幅、例えば１０ｎｍ以上となるようにペルチェ素子３ａ〜３ｄの各々を制御する。

次にこのように構成された実施例１の半導体レーザ装置の動作を説明する。ここでは、例えば、４つの半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄを用いた半導体レーザ装置について説明する。

図１に示すように、半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄは、ペルチェ素子３ａ〜３ｄにより一定温度が維持されるようにフィードバック制御されている。

半導体レーザは、半導体レーザの個体差又は半導体レーザの温度によって、スペクトルピークがシフトする。このため、半導体レーザを温度制御しない状態では、半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄからの出力光を合成した光のスペクトルは、図２に示すようにスペクトルピークの重なりが発生する。

ここで、半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄ毎に設定温度を決定し、温度制御回路５は、半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの互いのスペクトルピークが離れるように、即ち各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないように、ペルチェ素子３ａ〜３ｄを制御することにより半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの温度を制御する。

これにより、図３に示すようなスペクトルパターンを形成することができる。図３において、各々のスペクトル半値全幅ｗ１〜ｗ４は、各々のスペクトルピーク値Ｐ１〜Ｐ４の半値となる波長幅である。また、図３に示すように、重ね合わせられた出力光のスペクトル幅ｗが所定幅、例えば１０ｎｍ以上となるようにペルチェ素子３ａ〜３ｄの各々を制御する。

このように実施例１の半導体レーザ装置によれば、温度制御回路５は、複数のペルチェ素子３ａ〜３ｄの各々を個別に制御することにより、ペルチェ素子３ａ〜３ｄが半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄを個別に温調してスペクトルピークをシフトさせる。

そして、温度制御回路５は、各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないようにし且つ重ね合わせられた出力光のスペクトル幅が１０ｎｍ以上となるように制御する。即ち、スペクトル幅を広げることで、レーザ光の可干渉性を低減させることにより、スペックルを低減することができる。

図４は、本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。図４に示す実施例２に係る半導体レーザ装置は、図１に示す実施例１に係る半導体レーザ装置の構成に、さらに、回折格子６ａ〜６ｄ、フォトダイオード（ＰＤ）７を備えたことを特徴とする。

回折格子６ａ〜６ｄは、本発明の分光素子に対応し、半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄに対応して設けられ、各々の半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄからの出力光を分光する。なお、回折格子６ａ〜６ｄの代わりに、特定波長が反射されるように表面にコーティングされたビームスプリッタを用いても良い。

フォトダイオード（ＰＤ）７ａ〜７ｄは、本発明の複数の検出部に対応し、回折格子６ａ〜６ｄに対応して設けられ、回折格子６ａ〜６ｄで分光された複数の出力光に基づく複数の波長の強度を検出する。

温度制御回路５ａは、フォトダイオード（ＰＤ）７ａ〜７ｄからの複数の波長の強度に基づく各々の半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないようにし且つ複数の半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの重ね合わせられた出力光のスペクトル幅が所定幅、例えば１０ｎｍ以上となるようにペルチェ素子３ａ〜３ｄの各々を制御する。

即ち、温度制御回路５ａは、フォトダイオード（ＰＤ）７ａ〜７ｄからの複数の波長の強度に基づき特定の波長の出力が一定値になるように、ペルチェ素子３ａ〜３ｄにより半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄの温度を制御する。これにより、実施例１と同様に、スペクトル幅を広げることで、レーザ光の可干渉性を低減させることにより、スペックルを低減することができる。

また、電流値の変更や半導体レーザの劣化によってスペクトル強度が変化した場合にも図３に示すようなスペクトルパターンを維持することができる。

図５は、本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置において同一の半導体モジュール内の構成及び波長とスペクトル強度との関係を示す図である。図５（ａ）に示すように、同一の半導体モジュール内には複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤｎが配置されている。

同一の半導体モジュール内の複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤｎは、図５（ｂ）に示すように、互いに異なる波長を有し、各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤｎのスペクトルピークが一定温度において±０．５ｎｍ以内で一致するように選別されて組み立てられている。

同一の半導体モジュール内に例えば、３つの半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ３が設けられている場合、半導体レーザＬＤ２の中心波長（０ｎｍとする。）に対して半導体レーザＬＤ１のスペクトルピークと半導体レーザＬＤ３のスペクトルピークとが±０．５ｎｍ以内で一致するように選別されている。

このように選別された複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤｎを同一の半導体モジュール内に配置することにより、図５に示すように、単峰性のスペクトルピークを形成することができる。従って、複数の半導体モジュールの互いのスペクトルピークを離れやすくすることができる。

本発明は、レーザ照明機器に利用できる。

１レーザ駆動回路
２ａ〜２ｄ半導体レーザモジュール
３ａ〜３ｄペルチェ素子
４光空間多重部
５，５ａ温度制御回路
６ａ〜６ｄ回折格子
７フォトダイオード（ＰＤ）

Claims

レーザ光を出力する１以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザモジュールと、
前記複数の半導体レーザモジュールに対応して設けられ、各々の半導体レーザモジュールの温度を個別に制御する複数の温度調整素子と、
前記各々の半導体レーザモジュールの各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないようにし且つ前記複数の半導体レーザモジュールの重ね合わせられた出力光のスペクトル幅が所定幅以上となるように前記複数の温度調整素子の各々を制御する温度制御回路と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記複数の半導体レーザモジュールに対応して設けられ、各々の半導体レーザモジュールからの出力光を分光する複数の分光素子と、
前記複数の分光素子に対応して設けられ、前記複数の分光素子で分光された複数の出力光に基づく複数の波長の強度を検出する複数の検出部とを備え、
前記温度制御回路は、前記検出部からの複数の波長の強度に基づく前記各々のスペクトルピークが互いのスペクトル半値全幅の波長区間に入らないようにし且つ前記複数の半導体レーザモジュールの重ね合わせられた出力光のスペクトル幅が所定幅以上となるように前記複数の温度調整素子の各々を制御することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
同一の半導体モジュール内の前記１以上の半導体レーザの各々は、スペクトルピークが一定温度において±０．５ｎｍ以内で一致するように選別されて組み立てられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザ装置。
前記所定幅は、１０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。