JP2019101377A - ファイバ出力型レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】閾値電流付近で駆動させたときのファイバ出力を安定させ、光ノイズを低下させ、画像の画質低下を抑制できるファイバ出力型レーザ装置。【解決手段】レーザビームを出射するレーザダイオード１と、レーザダイオードから出射されたレーザビームを成形する第１レンズ２と、ファイバコアを有するシングルモードファイバ４と、シングルモードファイバの一方の端面を保持するために穿孔され、ファイバコアの入射側に固定された第１フェルール５と、第１レンズと第１フェルールとの間で且つファイバコアに結合させるように光軸上に配置された第２レンズ３とを備え、第１レンズ又は第２レンズは、所定距離だけ光軸方向にデフォーカスさせることによりシングルモードファイバの入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源からのレーザ光をレンズで集光させて光ファイバに結合させるファイバ出力型レーザ装置に関する。

光の３原色（赤Ｒ，緑Ｇ，青Ｂ）を出力できるレーザダイオードが知られている。Ｒ，Ｇ，Ｂの３つのレーザダイオードのビームをレンズやミラー等の光学素子を通し且つＲ，Ｇ，Ｂの３つのレーザダイオードを高速に変調しながら、ＭＥＭＳミラー(Micro-Electro-Mechanical Systems)等でレーザビームを走査させる。これにより、レーザプロジェクタとして画像を表示することができる（特許文献１）。

また、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つのレーザダイオードのビームをシングルモードファイバに結合させたＲ，Ｇ，Ｂファイバ出力型レーザ装置が知られている。このＲ，Ｇ，Ｂファイバ出力型レーザ装置は、横モードがシングルモードとなっているため、焦点深度が深い。

さらに、レーザビームに含まれる不要な成分がシングルモードファイバにより取り除かれるため、スペックルノイズが小さくなる。このため、Ｒ，Ｇ，Ｂファイバ出力型レーザ装置を、フォーカスフリーの小型プロジェクタ用レーザ光源等に使用することができる。

Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の出力バランスを調整するためには、各レーザダイオードの駆動電流を直接制御して、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の強度を調整することができる。

ここで、レーザダイオードは、一定の出力を得るために必要な駆動電流が、動作温度によって敏感に変化することが知られている。一般的に、ファイバ出力型レーザ装置は、出力の一部をフォトダイオード等の受光素子にフィードバックさせて安定した出力を得るように構成されている。

レーザダイオード素子の特性として、レーザ発振が開始する閾値電流未満では、発光ダイオード（ＬＥＤ）として発光し、閾値電流以上ではレーザダイオードとして発光することが知られている。

特開２０１６−１０３５７５号公報

しかしながら、閾値電流付近では、ＬＥＤ及びレーザダイオードとしての特性の境界であるため、素子の特性が本質的に不安定である。閾値電流近傍のレーザビームは、光ノイズの値が大きく、ビームプロファイルの形状が不安定である。

レーザダイオードを使用したプロジェクタにおいて、暗い画像を表示する場合を考える。レーザダイオードは、電流駆動型の素子であるため、閾値電流付近でレーザダイオードを駆動させる必要がある。

しかしながら、レーザ特性が不安定であるため、出力の変動が大きい。例えば、ＭＥＭＳミラーでレーザビームを走査させるレーザプロジェクタにおいては、ざらつきが発生し、画質が低下する。

シングルモードファイバを用いたＲＧＢレーザモジュールでは、ファイバ内を伝搬可能なシングルモード成分のみが出力として得られる。前述したように、閾値電流付近では、発光状態がＬＥＤ又はレーザダイオードでビーム品質が大きく異なる。

ＬＥＤ光は、ビーム品質がレーザダイオードに比べて劣るため、シングルモードファイバに対する結合効率が低い。レーザダイオード光は、ビーム品質が優れるため、シングルモードファイバに対する結合効率が高い。このように、閾値電流付近では、結合効率変動が大きくなる。このため、レーザプロジェクタとして投影される画像の画質低下の影響が大きくなる。

本発明の課題は、閾値電流付近で駆動させたときのファイバ出力を安定させ、光ノイズを低下させ、画像の画質低下を抑制することができるファイバ出力型レーザ装置を提供する。

本発明に係るファイバ出力型レーザ装置の請求項１は、レーザビームを出射するレーザダイオード部と、前記レーザダイオード部から出射されたレーザビームを成形する第１レンズと、ファイバコアを有するシングルモードファイバと、前記シングルモードファイバの一方の端面を保持するために穿孔され、前記ファイバコアの入射側に固定された第１フェルールと、前記第１レンズと前記第１フェルールとの間で且つ前記ファイバコアに結合させるように光軸上に配置された第２レンズとを備え、前記第１レンズ又は前記第２レンズは、所定距離だけ光軸方向にデフォーカスさせることにより前記シングルモードファイバの入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げることを特徴とする。

請求項２は、前記シングルモードファイバの他方の端面を保持するために穿孔され、前記ファイバコアの出射側に固定された第２フェルールを備えることを特徴とする。

請求項３において、前記レーザダイオード部は、赤色レーザダイオードと緑色レーザダイオードと青色レーザダイオードとの３つのレーザダイオードからなり、前記３つのレーザダイオードの内の１つのレーザダイオードは、光軸上に配置され、残りの２つのレーザダイオードは、前記光軸に直交する位置に互いに離間して配置され、前記第１レンズと前記第２レンズとの間で且つ光軸上に第１フィルタと第２フィルタとを互いに離間して配置し、前記残りの２つのレーザダイオードの一方のレーザダイオードと前記第１フィルタとの間に前記第１レンズと同一構成のレンズを配置し、前記残りの２つのレーザダイオードの他方のレーザダイオードと前記第２フィルタとの間に前記第１レンズと同一構成のレンズを配置したことを特徴とする。

請求項４において、前記第１レンズと前記第２レンズとで発生する球面収差により、光軸方向にデフォーカスさせることにより前記シングルモードファイバの入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げることを特徴とする。

本発明によれば、第１レンズ又は第２レンズは、所定距離だけ光軸方向にデフォーカスさせることによりシングルモードファイバの入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げるので、閾値電流付近で駆動させたときのファイバ出力を安定させ、光ノイズを低下させ、画像の画質低下を抑制することができる。

本発明の実施例１のファイバ出力型レーザ装置の構成図である。 本発明の実施例１のファイバ出力型レーザ装置のレーザダイオードと第１レンズとの間の位置決め方法を示す図である。 本発明の実施例１のファイバ出力型レーザ装置の第１フェルールと第２レンズ間の位置決め方法を示す図である。 本発明の実施例１のファイバ出力型レーザ装置を利用したレーザプロジェクタの一例を示す図である。 本発明の実施例１のファイバ出力型レーザ装置の第１フェルールと第２レンズ間の位置決め方法を示す図である。 本発明の実施例１のファイバ出力型レーザ装置のフォーカス時の光ファイバ入射端面上のレーザビームプロファイルを示す図である。 本発明の実施例１のファイバ出力型レーザ装置のデフォーカス時の光ファイバ入射端面上のレーザビームプロファイルを示す図である。 本発明の実施例１のファイバ出力型レーザ装置のデフォーカス時のファイバ端面におけるレーザビーム径Ｄを説明する図である。 本発明の実施例２のファイバ出力型レーザ装置の構成図である。 本発明の実施例３のファイバ出力型レーザ装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態に係るファイバ出力型レーザ装置を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のファイバ出力型レーザ装置の構成図である。実施例１のファイバ出力型レーザ装置は、レーザダイオード（ＬＤ）１、第１レンズ２、第２レンズ３、ファイバ４、第１フェルール５、第２フェルール６を備えている。

レーザダイオード（ＬＤ）１は、本発明のレーザダイオード部に対応し、レーザ光を出射する。第１レンズ２は、球面あるいは非球面レンズでプラスチックやガラス等からなり、レーザダイオード１から出射されたレーザビームを成形するもので、レーザビームを平行光にして第２レンズ３に導光する。

ファイバ４は、図示しないファイバコアを有するシングルモードファイバからなり、ファイバ４の一端に第１フェルール５が取り付けられ、ファイバ４の他端に第２フェルール６が取り付けられている。

第１フェルール５は、ファイバ４の一方の端面を保持するために穿孔され、ファイバコアの入射側に固定されている。第２フェルール６は、ファイバ４の他方の端面を保持するために穿孔され、ファイバコアの出射側に固定されている。

第２レンズ３は、第１レンズ２と第１フェルール５との間で且つファイバコアに結合させるように光軸上に配置されている。第１レンズ２は、所定距離だけ光軸方向にデフォーカスさせることによりファイバ４の入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げている。

なお、第１レンズ２の代わりに、第２レンズ３は、所定距離だけ光軸方向にデフォーカスさせることによりファイバ４の入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げるようにしてもよい。

次にこのように構成された実施例１のファイバ出力型レーザ装置の動作を図面を参照しながら説明する。

まず、レーザダイオード１から出射されたビームは、第１レンズ２により成形され、所定距離伝搬した後、第２レンズ３により集光される。第１フェルール５内のファイバ端面が第２レンズ３の集束点と一致するように調整されているため、レーザビームは、ファイバ４に高効率に結合する。

レーザビームは、ファイバ４内を伝送した後、第２フェルール６から出射される。出射されたレーザビームは、ファイバ４の特性の影響を受ける。即ち、ファイバ４にシングルモードファイバを利用した場合には、高次の成分が除去され、横シングルモードの理想的なレーザビームが得られる。

次に、レーザダイオード１及び第１レンズ２間の位置決め方法を図２を参照して説明する。レーザダイオード１及び第１レンズ２から所定距離離れた位置に配置された図示しないＣＣＤ（charge Couple Device）カメラを用いてレーザダイオード１のビーム径、ポインティング位置を確認しながら、基準範囲内になるように第１レンズ２の位置決め調整を行い、第１レンズ２を固定し、ＬＤコリメータを作製する。

次に、第２レンズ３及び第１フェルール５間の位置決め方法を図３を参照して説明する。この場合、マスター光源７、フェルール８、割りスリーブ９を用いる。マスター光源７は、レーザダイオード１と同等のレーザビームを発するものである。割りスリーブ９は、フェルール８と第２フェルール６とを連結する。

ファイバ４は、第２フェルール６とフェルール８とを通りマスター光源７に接続されている。このため、マスター光源７から出射されたレーザビームはフェルール８と第２フェルール６とファイバ４を通り、第１フェルール５から出射される。マスター光源７からのレーザビームがファイバ４へ導かれるようにフェルール８と第２フェルール６とが割りスリーブ９により連結されればよいので、フェルール８はマスター光源７に一体に設けられていてもよい。

第１フェルール５から出射されたビームを、所定距離離れた位置に配置された図示しないＣＣＤ（charge Couple Device）カメラを用いてビーム径、ポインティング位置を確認しながら、基準範囲内になるように第２レンズ３の位置決め調整を行い、第２レンズ３を固定し、ファイバコリメータを作製する。

そして、作製されたＬＤコリメータと、作製されたファイバコリメータとについて、ファイバ結合効率が最大となるように位置決め調整を行い、固定する。このようにして、図１に示す実施例１のファイバ出力型レーザ装置が得られる。

なお、レンズ２，３等の光学素子には、ＡＲコートを施し、フェルール５，６，８の入射端面には斜め研磨等を施してもよい。ＡＲコートや斜め研磨等により、レーザダイオード１への戻り光防止処理がなされ、出力を安定させ、光ノイズを抑制することができる。

図４に、実施例１のファイバ出力型レーザ装置を利用したレーザプロジェクタの一例を示す。レーザプロジェクタは、図１に示すファイバ出力型レーザ装置に、さらに、レーザプロジェクタの光学系１０、ＭＥＭＳミラー１１を備えている。ファイバ出力型レーザ装置（ＲＧＢレーザモジュール）からのレーザビームを、レーザプロジェクタの光学系１０を介してＭＥＭＳミラー１１で走査させることによりスクリーン１３に画像を表示することができる。

次に、実施例１のファイバ出力型レーザ装置の特徴的部分について図５、図６を用いて説明する。まず、図５に示すように、必要なファイバ出力が得られるように、第１レンズ２を所定距離だけ光軸方向（Ｚ方向）にデフォーカス（フォーカスさせない）させ、ファイバ４の入射端面でぼかす。

ここで、光軸方向に垂直な方向（ＸＹ方向）に第1レンズを移動させた場合、ビームプロファイルのピーク位置を光軸と一致させることができなくなる。動作方法、動作環境や経時変化により、位置ずれが発生したとき出力不安定となる。プロジェクタ用途で使用する際に、このような変化により光出力が不安定となることは望ましくない。

このため、第１レンズ２を所定距離だけ光軸方向（Ｚ方向）に移動させることによりデフォーカスさせる。第１フェルール５中のファイバ入射端面の平面におけるビームプロファイル（ビームの領域）は、図６及び図７に示すように、デフォーカスを実施しない場合のビームプロファイルよりも広がる。

図６（ａ）に、フォーカス時のレーザダイオードモード（ＬＤモード）のファイバ４の入射端面におけるコア（外径が数μｍ）とビーム断面を示す。図６（ｂ）は、フォーカス時のＬＥＤモードのファイバ４の入射端面におけるコアとビーム断面を示す。

図７（ａ）は、デフォーカス時のＬＤモードのファイバ４の入射端面におけるコアとビーム断面を示す。図７（ｂ）は、デフォーカス時のＬＥＤモードのファイバ４の入射端面におけるコアとビーム断面を示す。デフォーカス時のＬＤモードでは、ビームの領域が、デフォーカスを実施しない場合のビームの領域（図６（ａ）に示すフォーカス時のビームの領域）よりも広い。

デフォーカス時には、ＬＥＤ発光時とＬＤ発光時のビームプロファイルの差が小さくなり、閾値電流付近のちらつきが抑制される。

図８は、デフォーカス時のファイバ端面におけるレーザビーム径Ｄを説明する図である。ファイバ端面におけるレーザビーム径Ｄを用いてデフォーカスを定義する。図８に示す例では、第２レンズ３から出射されるビームが第１フェルール５の手前で集束した後、第１フェルール５の端面で広がる。ビームウェストを２ｗとすると、ビーム径が√２・２ｗまで広がる光軸方向の距離をレイリー長という。

デフォーカス時のファイバ端面におけるレーザビーム径Ｄは、√２・２ｗよりも大きい。即ち、ファイバ端面において、Ｄ＞√２・２ｗを満たすレーザビーム径Ｄの時にデフォーカスであり、ファイバ端面において、ぼかすことができる。

なお、第１レンズ２を光軸方向にデフォーカスさせるとき、ファイバ端面の前後のいずれの方向でもよい。前（ビーム進行方向の逆方向で図８に示す例）にデフォーカスさせると、ビームは発散気味の伝搬特性を有する。後（ビーム進行方向）にデフォーカスさせると、ビームは集束気味の伝搬特性を有する。

このように実施例１のファイバ出力型レーザ装置によれば、第１レンズ２又は第２レンズ３は、所定距離だけ光軸方向にデフォーカスさせることによりファイバ４の入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げるので、閾値電流付近で駆動させたときのファイバ出力を安定させ、光ノイズを低下させ、画像の画質低下を抑制することができる。

（実施例２）
図９は、本発明の実施例２のファイバ出力型レーザ装置の構成図である。実施例２のファイバ出力型レーザ装置は、ＲＧＢレーザモジュールに適用したものである。

実施例２のファイバ出力型レーザ装置は、赤色レーザダイオード１ａと緑色レーザダイオード１ｂと青色レーザダイオード１ｃと、第１レンズ２ａ，２ｂ，２ｃ、フィルタ１５ａ，１５ｂ、第２レンズ３、第１フェルール５を備えている。

赤色レーザダイオード１ａと緑色レーザダイオード１ｂと青色レーザダイオード１ｃとの３つのレーザダイオードは、本発明のレーザダイオード部に対応する。

赤色レーザダイオード１ａは、光軸上に配置され、残りの２つの緑色レーザダイオード１ｂと青色レーザダイオード１ｃは、光軸に直交する位置に互いに離間して配置されている。フィルタ１５ａ，１５ｂは、第１レンズ２ａと第２レンズ３との間で且つ光軸上に互いに離間して配置されている。

緑色レーザダイオード１ｂとフィルタ１５ａとの間には、第１レンズ２ｂが配置され、青色レーザダイオード１ｃとフィルタ１５ｂとの間には、第１レンズ２ｃが配置されている。

以上の構成によれば、赤色レーザダイオード１ａからのレーザビームは、第１レンズ２ａ、第１及び第２光透過反射素子からなるフィルタ１５ａ，１５ｂ、第２レンズ３を介して第１フェルール５内のファイバ端面に入射される。緑色レーザダイオード１ｂからのレーザビームは、第１レンズ２ａ、フィルタ１５ａ，１５ｂ、第２レンズ３を介して第１フェルール５内のファイバ端面に入射される。青色レーザダイオード１ｃからのレーザビームは、第１レンズ２ａ、フィルタ１５ｂ、第２レンズ３を介して第１フェルール５内のファイバ端面に入射される。

このように実施例２のファイバ出力型レーザ装置によれば、ＲＧＢレーザモジュールに適用することができる。

なお、実施例２のファイバ出力型レーザ装置では、ＲＧＢの３個のレーザダイオードに適用したが、使用するレーザダイオードは、３個に限定せず、何個であってもよい。

なお、フィルタ１５ａ，１５ｂの代わりに、光透過反射素子からなるダイクロイックプリズムを用いても良い。

（実施例３）
図１０は、本発明の実施例３のファイバ出力型レーザ装置の構成図である。実施例３のファイバ出力型レーザ装置は、第１レンズと第２レンズとで発生する図１０（ａ）に示すような球面収差により、光軸方向にデフォーカスさせることによりファイバの入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げることを特徴とする。

図１０（ｂ）に示すように、第１レンズ２は、球面レンズからなり、第２レンズ１６は、ボールレンズからなる。第１レンズ２と第２レンズ１６とで発生する球面収差により、光軸方向に収差が発生した状況を作り、回折限界近傍まで集光できない状況を作って、デフォーカスする。

なお、ファイバ４の入射ＮＡ（開口数）以下のビーム成分のみがファイバ４に結合する。レンズの光軸近傍を伝搬したビーム成分がファイバに結合されるように、レンズを選定する必要がある。

このように実施例３のファイバ出力型レーザ装置によれば、実施例１のファイバ出力型レーザ装置の効果と同様な効果が得られる。

本発明のファイバ出力型レーザ装置は、走査型レーザプロジェクタ、ファイバ結合型レーザダイオードモジュールに適用可能である。

１，１ａ〜１ｃ レーザダイオード（ＬＤ）
２，２ａ〜２ｃ 第１レンズ
３ 第２レンズ
４ ファイバ
５ 第１フェルール
６ 第２フェルール
７ マスター光源
８ フェルール
９ 割りスリーブ
１０ プロジェクタ光学系
１１ ＭＥＭＳミラー
１３ スクリーン
１５ａ，１５ｂ フィルタ
１６ 第２レンズ

Claims (4)

1. レーザビームを出射するレーザダイオード部と、
   前記レーザダイオード部から出射されたレーザビームを成形する第１レンズと、
   ファイバコアを有するシングルモードファイバと、
   前記シングルモードファイバの一方の端面を保持するために穿孔され、前記ファイバコアの入射側に固定された第１フェルールと、
   前記第１レンズと前記第１フェルールとの間で且つ前記ファイバコアに結合させるように光軸上に配置された第２レンズとを備え、
   前記第１レンズ又は前記第２レンズは、所定距離だけ光軸方向にデフォーカスさせることにより前記シングルモードファイバの入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げることを特徴とするファイバ出力型レーザ装置。
2. 前記シングルモードファイバの他方の端面を保持するために穿孔され、前記ファイバコアの出射側に固定された第２フェルールを備えることを特徴とする請求項１記載のファイバ出力型レーザ装置。
3. 前記レーザダイオード部は、赤色レーザダイオードと緑色レーザダイオードと青色レーザダイオードとの３つのレーザダイオードからなり、
   前記３つのレーザダイオードの内の１つのレーザダイオードは、光軸上に配置され、残りの２つのレーザダイオードは、前記光軸に直交する位置に互いに離間して配置され、
   前記第１レンズと前記第２レンズとの間で且つ光軸上に第１光透過反射素子と第２光透過反射素子とを互いに離間して配置し、
   前記残りの２つのレーザダイオードの一方のレーザダイオードと前記第１光透過反射素子との間に前記第１レンズと同一構成のレンズを配置し、前記残りの２つのレーザダイオードの他方のレーザダイオードと前記第２光透過反射素子との間に前記第１レンズと同一構成のレンズを配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のファイバ出力型レーザ装置。
4. 前記第１レンズと前記第２レンズとで発生する球面収差により、光軸方向にデフォーカスさせることにより前記シングルモードファイバの入射端面におけるビームの領域をデフォーカスを実施しない場合のビームの領域よりも広げ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項記載のファイバ出力型レーザ装置。

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