JP4470480B2 - 波長変換レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換レーザ装置に関し、さらに詳しくは、外気温が変動しても安定したパワーの波長変換光を得られると共に必要な電力を低減できる波長変換レーザ装置に関する。

従来、半導体発光素子と、内部に回折格子を形成した光ファイバとを組み合わせた半導体レーザモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、非線形物質からなる基板に形成した周期状分極反転層により波長変換するレーザ光源が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
さらに、レーザ出力の一部をビームスプリッタで取り出し、検出器で検知し、フィードバック回路を介して駆動用電源で半導体レーザの出力パワーを制御する高調波出力制御方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
特許第３１２０８２８号公報 特許第３２２３６４８号公報 特開平８−２１１４３３号公報

本願発明者は、半導体光増幅素子と、グレーティング部を内部に形成した偏波保持型光ファイバと、半導体光増幅素子と偏波保持型光ファイバとで構成される光共振器から出射した光を波長変換する波長変換素子と、波長変換素子から出射される波長変換光の一部を分岐する分岐手段と、分岐手段で分岐された光の強度を検出する検出手段と、検出手段による検出強度が所定値になるように半導体光増幅素子に注入する電流を制御する電流制御手段とを具備する波長変換レーザ装置を開発してきた。
しかし、この波長変換レーザ装置では、半導体光増幅素子を温度制御していても、外気温が変動すると、波長変換光のパワーが変動する問題点があった。
そこで、本発明の目的は、外気温が変動しても安定したパワーの波長変換光を得られると共に必要な電力を低減できる波長変換レーザ装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、半導体光増幅素子と、グレーティング部を内部に形成した偏波保持型光ファイバと、前記半導体光増幅素子と前記偏波保持型光ファイバとで構成される光共振器から出射した光を波長変換する波長変換素子と、前記偏波保持型光ファイバを一定温度にするための温度制御手段とを具備することを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
本発明の発明者が鋭意研究したところ、次のことが判明した。すなわち、上記構成の波長変換レーザ装置は、基本的に直線偏光である（バイオエンジニアリング分野や計測分野では直線偏波が求められることが多いため。）。そして、一般的に、波長変換素子では、ある偏波面を持った直線偏光成分しか波長変換されないため、偏光比が変動すると波長変換光のパワーも変動してしまう。半導体光増幅素子で発生するレーザ光は基本的には直線偏光であるが、半導体光増幅素子の偏波面と偏波保持光ファイバの偏波面とは、一般に完全に一致させることは組立精度の限界によって困難であり、その結果、光ファイバを通過する光は、有限の値を持つ偏光比を有することとなる。そして、外気温が変動して偏波保持型光ファイバの温度も変動すると、光ファイバ内の相直交する偏波面における屈折率がそれぞれ異なった変動をするために、偏光比が変動してしまう。この結果、半導体光増幅素子を温度制御していても、外気温が変動すると、波長変換光のパワーが変動することになる。
そこで、上記第１の観点による波長変換レーザ装置では、偏波保持型光ファイバを一定温度に制御する。これにより、外気温が変動しても、偏波保持型光ファイバの温度は変動せず、偏光比も変動しないため、安定したパワーの波長変換光が得られる。

第２の観点では、本発明は、半導体光増幅素子と、グレーティング部を内部に形成した偏波保持型光ファイバと、前記半導体光増幅素子と前記偏波保持型光ファイバとで構成される光共振器から出射した光を波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子から出射される波長変換光の一部を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された光の強度を検出する検出手段と、前記検出手段による検出強度が一定になるように前記半導体光増幅素子に注入する電流を制御する電流制御手段と、前記電流が小さくなるように前記偏波保持型光ファイバの温度を制御する温度制御手段とを具備することを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上述のように、外気温が変動して偏波保持型光ファイバの温度も変動すると、偏光比が変動してしまう結果、波長変換光のパワーが変動する。この波長変換光のパワー変動は、電流制御手段により抑制できるが、効率が変動している。
そこで、上記第２の観点による波長変換レーザ装置では、電流が小さくなるように偏波保持型光ファイバの温度を制御し、効率を向上させる。これにより、必要な電力を低減できる。

第３の観点では、本発明は、上記構成の波長変換レーザ装置において、前記温度制御手段は、所定範囲で前記偏波保持型光ファイバの温度を変更し、前記電流が最も小さくなった温度を求めて記憶し、その後、前記偏波保持型光ファイバの温度を前記記憶した温度に制御することを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第３の観点による波長変換レーザ装置では、電流が最も小さくなる温度を自動的に求めることが出来る。

本発明の波長変換レーザ装置によれば、外気温が変動しても安定したパワーの波長変換光が得られる。また、必要な電力を低減でき、発熱量を低減でき、寿命化できる。

以下、図に示す実施形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る波長変換レーザ装置１００を示す構成説明図である。
この波長変換レーザ装置１００は、光反射面１ａと光出射面１ｂとこれらの面で挟まれた領域に電流を注入することによりレーザ光を発生する半導体光増幅素子１と、内部にグレーティング部３を形成した偏波保持型光ファイバ２と、偏波保持型光ファイバ２から出射した光を集光するレンズ４と、レンズ４を透過して入射された光の第２高調波光を出力する波長変換素子５と、波長変換素子５から出力された第２高調波光をコリメートするレンズ６と、レンズ６から出射した第２高調波光の一部を分岐するビームスプリッタ７と、分岐した第２高調波光を受光する受光素子８と、受光素子８で受光した第２高調波光の強度を検出すると共に検出強度が一定になるように半導体光増幅素子１に注入する電流を制御する半導体光増幅素子駆動回路２１と、グレーティング部３のグレーティング周期を調整するための光ファイバ伸張機構１０と、偏波保持型光ファイバ２の温度を調整するための温調素子３２と、偏波保持型光ファイバ２の温度を検出するための感温素子３１と、感温素子３１で検出した温度に基づいて温調素子３２を駆動する温度制御回路２２とを具備している。

半導体光増幅素子１は、例えば波長が９００[ｎｍ]〜１１００[ｎｍ]の範囲の光を発生し増幅する。光反射面１ａにはこの波長に対して高反射率となるコーティングが施され、光出射面１ｂにはこの波長に対して低反射率となるコーティングが施されている。

偏波保持型光ファイバ２の入射側の端面２ａは、半導体光増幅素子１から出射した光がより多く入射するように、テーパ状またはくさび状に加工されている。

偏波保持型光ファイバ２のグレーティング部３は、ある波長帯域の光のみ反射する。例えば、９００[ｎｍ]〜１１００[ｎｍ]の間に中心波長λｉを持ち、約０.６[ｎｍ]の帯域幅を持つ光のみを反射する。帯域幅は、グレーティング部３の長さで決まり、中心波長λｉは、屈折率が変動する周期を光ファイバ伸張機構１０により後述のように調整できる。
グレーティング部３は、偏波保持型光ファイバ２の一部に屈折率が周期的に変動するような加工を施して形成されている。例えば、エキシマレーザ等の紫外レーザをビームスプリッタで２光束に分け、異なる光路を通した後、光ファイバ上に重ね合わせて照射し、干渉縞を発生させ、紫外線強度に応じて生じる光ファイバのフォトリフラクティブ効果により、干渉縞と同じ間隔で周期的に屈折率を変動させることにより形成されている。グレーティング部３の周期，長さを適宜設定することにより、帯域幅や中心波長および反射率を自由に設定できる。

半導体光増幅素子１とグレーティング部３とで光共振器が構成される。すなわち、半導体光増幅素子１を出射した光は、偏波保持型光ファイバ２の入射側端面２ａに入射される。偏波保持型光ファイバ２に入射した光は、グレーティング部３で決定される波長帯域の光が反射され、半導体光増幅素子１へ戻り、半導体光増幅素子１で増幅され、再び半導体光増幅素子１を出射し、偏波保持型光ファイバ２に入射する。これが繰り返されることにより、グレーティング部３の周期で決定される波長帯域の光が偏波保持型光ファイバ２の出射側端面２ｂから出射される。また、端面２ｂは、反射防止膜を施すことが好ましい。

偏波保持型光ファイバ２の出射側端面２ｂから出射された光は、レンズ４で波長変換素子５の端面５ａに集光される。レンズ４には、反射防止膜が施されている。

波長変換素子５は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３，ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ_３，ＫＮｂＯ_３，ＫＴｉＯＰＯ_４、あるいはこれらに分極反転処理を施したものに、光導波路を形成したものである。波長変換素子５は、例えば中心波長が９００[ｎｍ]〜１１００[ｎｍ]の光が入射することにより、その第２高調波である中心波長が４５０[ｎｍ]〜５５０[ｎｍ]の光を発生する。
波長変換素子５の入射側端面５ａおよび出射側端面５ｂは、反射防止膜が施されていることが好ましい。

ビームスプリッタ７は、例えばハーフミラーまたは貼り合わせプリズムであり、レンズ６から出射した光の一部を分岐して受光素子８へ導き、残りの光を波長変換レーザ装置１００外へ透過させる。

受光素子８は、入射した光の強度によって起電力や抵抗値などの電気的特性が定まる素子であり、例えば、ＧａＡｓＰ系のフォトダイオードである。

感温素子３１は、例えばサーミスタ，バレッタ，熱電対であり、温度によって抵抗や起電力などの電気的特性値が定まる素子である。

温調素子３２は、例えばペルチエ素子やヒータであり、光ファイバ伸張機構１０を冷却または加熱しうる。

図２は、光ファイバ伸張機構１０の外観を示す斜視図である。
光ファイバ伸張機構１０は、ベース１１と、ベース１１の上面に形成された基部１３と、ベース１１の上面でスライドして基部１３に対する距離を変えうる可動部１６と、基部１３に対する可動部１６の距離を変えるためのネジ棒１７と、ネジ棒１７を手動または工具を用いて回転させうる操作部１８とを具備している。

基部１３，可動部１６およびベース１１は、例えばインバーまたはスーパーインバーなどの熱膨張係数の極めて小さい材料製である。

偏波保持型光ファイバ２は、基部１３，可動部１６およびベース１１に巻き付けられ、基部１３の側面に設けられた第１固定部１４及び第２固定部１５でグレーティング部３を挟む部分が固定されている。

また、感温素子３１はベース１１に埋め込まれ、温調素子３２はベース１１の下面に取り付けられている。

操作部１８を回して基部１３と可動部１６の距離を変えると、光ファイバ伸張機構１０の第１固定部１４から可動部１６を経て第２固定部１５に至る外周の長さが変わり、第１固定部１４と第２固定部１５とで挟まれたグレーティング部３を挟む部分が伸縮し、グレーティング部３のグレーティング周期を調節することが出来る。これにより、偏波保持型光ファイバ２から波長変換素子５へと出射する光の波長を、波長変換素子５の波長変換可能帯域に合わせることが出来る。

温度制御回路２２の温度制御動作は次のように行われる。
（１）半導体光増幅素子駆動回路２１で制御し、一定強度の波長変換光を出力する。
（２）例えば３０℃〜５０℃の間で温度掃引を行い、温度ｔと電流ｉの関係を調べ、最小電流ｉminを与える温度ｔｏを記憶する。
（３）以後、記憶した温度ｔｏになるように温調素子３２を駆動する。

なお、温度掃引を行って最小電流ｉminを与える温度ｔｏを記憶する動作は、例えば電源投入時に１回だけ行ってもよいし、運転中に定期的に行ってもよい。

本発明の波長変換レーザ装置は、バイオエンジニアリング分野や計測分野などで利用できる。

実施例１に係る波長変換レーザ装置を示す構成説明図である。 光ファイバ伸張機構を示す斜視図である。

符号の説明

１ 半導体光増幅素子
１ａ 光反射面
１ｂ 光出射面
２ 光ファイバ
２ａ 入射側端面
２ｂ 出射側端面
３ グレーティング部
４，６ レンズ
５ 波長変換素子
５ａ 入射側端面
５ｂ 出射側端面
７ ビームスプリッタ
８ 受光素子
１０ 光ファイバ伸張機構
１１ ベース
１３ 基部
１４ 第１固定部
１５ 第２固定部
１６ 可動部
１７ ネジ棒
１８ 操作部
２１ 半導体光増幅素子駆動回路
２２ 温度制御回路
３１ 感温素子
３２ 温調素子
１００ 波長変換レーザ装置

Claims (3)

1. 半導体光増幅素子と、グレーティング部を内部に形成した偏波保持型光ファイバと、前記偏波保持型光ファイバが巻き付けられる周長を変化させて前記グレーティング部のグレーティング周期を調整しうる光ファイバ伸張機構と、前記半導体光増幅素子と前記偏波保持型光ファイバとで構成される光共振器から出射した光を波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子から出射される波長変換光の一部を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された光の強度を検出する検出手段と、前記検出手段による検出強度が所定値になるように前記半導体光増幅素子に注入する電流を制御する電流制御手段と、前記光ファイバ伸張機構で前記偏波保持型光ファイバが巻き付けられる部材の温度を調整することにより前記電流が小さくなるように前記偏波保持型光ファイバの温度を制御する温度制御手段とを具備することを特徴とする波長変換レーザ装置。
2. 請求項１に記載の波長変換レーザ装置において、前記偏波保持型光ファイバが巻き付けられる部材は、インバー製またはスーパーインバー製であることを特徴とする波長変換レーザ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の波長変換レーザ装置において、前記温度制御手段は、所定範囲で前記偏波保持型光ファイバの温度を変更し、前記電流が最も小さくなった温度を求めて記憶し、その後、前記偏波保持型光ファイバの温度を前記記憶した温度に制御することを特徴とする波長変換レーザ装置。

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