JP4876446B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、外部共振器型半導体レーザを含むレーザ装置に関する。

近年、レーザ装置は、小型かつ低消費電力である等の理由から、情報機器に多く使われるようになってきた。例えば、ホログラフィックデータストレージ（ＨＤＳ：Holographic Data Storage）については、１本のレーザ光をビームスプリッタで２本に分けた後に記録メディア上で再びあわせ、その干渉によってデータを記憶する。

このような、ホログラム記録再生用の光源としては、シングルモードのレーザ光源を使用する。例えば、ガスレーザ、ＳＨＧレーザを用いる。また、レーザダイオード（ＬＤ）を使用した外部共振器型半導体レーザも用いることができる。

通常のレーザダイオードは、マルチモードであるためコヒーレンシーの点で不十分である。そこで、レーザダイオードを用いて、外部共振器型半導体レーザを構成すれば、シングルモード化でき、コヒーレンシーの良好なホログラム記録再生用の光源が実現できる。このような、外部共振器型半導体レーザを含むレーザ装置の代表的な構成が下記の非特許文献１に記載されている。

L. Ricci, et al. :"A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics",Optics Communications, 117 1995 , pp541-549

図１は、レーザダイオードを用いたリットロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）型と呼ばれる外部共振器型半導体レーザの構成を示す。レーザダイオード１から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ２で平行光とされて、反射型回折格子（以下、グレーティングと称する）３に入射される。

グレーティング３は、グレーティング取付部４に取り付けられている。グレーティング取付部４は、板バネ５を介して支柱６に保持されている。グレーティング取付部４の板バネ５が取り付けられた位置から離れた位置がネジ７の回転に応じて上下に変位されることによって、グレーティング３の角度が可変される。ネジ７は、図示しないが、ネジ支えに挿入されている。

グレーティング３でレーザ光が反射される際に、レーザ光が０次光Ｌ０と１次光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃに分離される。１次光の反射角が波長によって変化するので、１次光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃは、それぞれ異なる波長に対応している。

グレーティング３の角度に応じて特定の波長の１次光Ｌ１ａが再びコリメータレンズ２を通り、レーザダイオード１に逆注入される。この結果、レーザダイオード１が注入された１次光Ｌ１ａの波長が優勢となってシングルモードとなる。シングルモードにおいて出射される光の波長は、グレーティング３から戻ってきた光の波長と同じである。すなわち、１次光Ｌ１ａによりグレーティング３とレーザダイオード１の間で共振器が形成され、グレーティング３の格子形状と、グレーティング３とレーザダイオード１との距離で定まる波長で、レーザダイオード１が発振する。０次光Ｌ０は、通常のミラーと同じように反射して外部に出射され、例えばホログラム記録再生用に使用される。

外部共振器型のレーザ装置では、レーザパワーの増加に伴って射出されたレーザ光の波長が徐々に大きくなる外部共振器モードホップの領域と、レーザパワーが増加した場合に、射出されたレーザ光の波長が急激に小さくなる、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップの領域が存在する。レーザ光の波長は、レーザパワーの増加に伴い、ある程度離散的に推移する。

レーザ装置から出力されるレーザ光のレーザパワーと波長の関係は、グラフの横軸はレーザパワーをとり、グラフの縦軸に波長をとると、レーザ光のレーザパワーの増加に伴って、レーザ光の波長は、のこぎり波状の変化を示す。パワーと波長変化との関係において、レーザダイオードのモードホッピングによって生じる波長変化は、約０．０４ｎｍ程度である。所定のレーザパワーでは、図２に示すように、特定の波長のレーザ光のみを発生させることができる。なお、図２の例では、波長（４０７．８９ｎｍ）が示されている。

図３に示すように、チューナブルレーザ装置では、グレーティング３の角度を変えることによって、中心波長例えば４０３．５ｎｍに対して波長を例えば±２ｎｍ程度変える構成とされる。演算出力（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）は、後述するように、レーザの波長によって変化するスポットの位置を２分割ディテクタで検出した検出信号ＡおよびＢを演算したものである。

一例として、中心波長で演算出力が０となるように設定される。波長多重方法でホログラムメディアに対して記録を行う場合に、波長変化のステップとしては、１００ｐｍ程度が要求される。この波長変化のステップは、グレーティング３の回転角度の変化のステップに関して０．０１５°となる。

しかしながら、グレーティング３の角度を変化させた場合、出射される０次光Ｌ０の方向も変化し、レーザ装置を光源として使用する上で問題を生じる。グレーティング３の角度を変えても、出射光が同じ光路のとるように、グレーティングとミラーを組み合わせる構成が下記の非特許文献２に記載されている。

T.M.Hard :"Laser Wavelength Selection and Output Coupling by a Grating", APPLIED OPTICS, Vol. 9, No. 8, August 1970, pp1825-1830

図４は、かかる構成のレーザ装置を示す。グレーティング３とミラー８とが例えば９０°の開き角でもって対向されている。レーザダイオード１からのレーザ光がグレーティング３で反射され、さらに、ミラー８で反射されて外部に出射される。グレーティング３とミラー８は、回転軸９を中心に、開き角を維持したまま回転する。回転軸９は、グレーティング３の他端に設けられ、レーザダイオード１からのレーザ光の光軸に垂直で、かつ、グレーティングの格子溝の延長方向と平行に延びる。

グレーティング３とミラー８とが実線で示す位置にある場合と、矢印で示すように、これらが回転されて破線で示す位置にある場合とで、０次光Ｌ０の出射方向が変化する。このように、０次光の出射方向が変化することは、レーザ光源として使用する上で好ましいことではない。

次に、上述した非特許文献２に記載されているグレーティング３とミラー８を回転させた時に、出射されるレーザ光の方向が変化しないことについて図５を参照して説明する。ここで、グレーティング３の一端とミラー８の一端は、グレーティング３とミラー８の反射面を延長した線の交点の位置で、グレーティングの格子溝の延長方向に水平な回転軸１１で連結される。回転軸１１は、円１２の中心でもある。また、グレーティング３の反射面とミラー８の反射面がなす角はＶである。

ここで、点ｃから点ｄまで所定の入射光１３が与えられると、その入射光１３が点ｄでグレーティング３に入射し、０次光１４は入射角と同じ角度で反射し、点ｅに進む。そこで、ミラー８が０次光１４を受光し、点ｆに向けて反射光１５を出射する。入射光１３を延長した線と反射光１５を延長した線は点ｊで交差し、これらの延長線と０次光１３の線は、それぞれ円１２の接線となっている。

さらにここで、グレーティング３とミラー８を、回転軸１１を中心に角度Ｖを維持したまま回転させると、これらはそれぞれ、点線で示す位置に移動する。このとき、所定の入射光１３は、点ｃから点ｇまで延び、点ｇにおいてグレーティング３に入射し、０次光１６が出射される。０次光１６は、点ｇから点ｈまで延び、そこでミラー８に反射し、反射光１５が点ｈから点ｆまで延びる。

グレーティング３とミラー８を回転させた後も、入射光１３を延長した線、反射光１５を延長した線および０次光１６の線は、それぞれ円１２の接線となっている。このことから、グレーティング３とミラー８を、それぞれの反射面の延長線の交点を支点として回転させれば、所定の入射光１３と反射光１５のなす角はＷという一定の値に維持されるということが分かる。

この原理を応用すれば、波長を変えるためにグレーティング３の傾きを変更しても、出力レーザ光を一定の位置に出射させることができ、チューナブルレーザを構成することができる。

半導体レーザ１を使用した場合にモードホップにより発振波長が不安定となる領域が生じる。この点について以下に説明する。図６に示すグラフの横軸はレーザパワーを示し、単位はｍＷである。一方、グラフの縦軸は波長を表しており、単位はｎｍである。図６から分かるように、レーザ光のレーザパワーの増加に伴って、レーザ光の波長は、概ね、のこぎり波状の変化を示す。

また、例えば、レーザパワーが３０ｍＷ付近では単一の波長のレーザ光が射出されて完全なシングルモードとなっているが、レーザパワーが３２ｍＷ付近では、３つのモード（３モード）の光が発生している。さらに、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップの領域にあたる、レーザパワーが３５ｍＷの付近においては、波長４０９．７５ｎｍ付近で３モードの光が発生し、さらに波長４０９．７１５ｎｍ付近で３モードの光が発生し、全体として６モードの光が射出されている。

図７は、いくつかのレーザ光のスペクトラムを表している。上述したように、レーザ光の波長が徐々に大きくなる外部共振器モードホップの領域では、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに示すようなスペクトラムとなる。一方、例えば、レーザパワーが３５ｍＷ付近の半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップの領域では、図７Ｄに示すようなスペクトラムとなる。

これらのレーザ光をホログラフィックデータストレージに用いる場合、レーザパワーが３２ｍＷ付近で生じるような（すなわち、図７Ａに示すような）３モードの光や、２モードの光（すなわち、図７Ｂに示すような光）は、完全なシングルモードの光（図７Ｃに示すスペクトラムの光）と同等の記録再生特性を示すので、シングルモードの光と同様に使用することができる。ここでは、例えば、レーザパワーが３０ｍＷ付近で発生するような完全なシングルモードと、例えば、レーザパワーが３２ｍＷ付近で生じるような３モードや２モードを総称して使用可能モードと呼ぶことにする。

一方、例えば、図７Ｄに示すような、レーザパワーが３５ｍＷ付近で生じるような６モード状態は、２つの３モードの組が、互いに約４０ｐｍ程度離れているために、良好なホログラム記録を実現することができない。ここでは、このようなモードを使用不可モードと呼ぶことにする。

使用可能モードのレーザ光が得られる領域は、上述の、外部共振器モードホップの領域にほぼ対応し、使用不可モードのレーザ光が得られる領域は、上述の、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップの領域にほぼ対応する。図６のグラフから分かるように、一般的には、使用可能モードのレーザ光が得られる領域の方が、使用不可モードのレーザ光が得られる領域よりはるかに広いので、使用不可モードのレーザ光を効果的に排除できれば、ホログラフィックデータストレージに外部共振器型半導体レーザを用いることは十分可能である。

図８は、図６のグラフをのこぎり波で表した図である。上述したように、外部共振器型半導体レーザは、Ｂ領域とＤ領域のレーザパワーでは、レーザ光の発振スペクトラムが乱れる。このような発振スペクトラムの乱れるレーザ光を使用して、ホログラムの記録再生を行うとホログラムの記録再生特性が悪化する。

また、周囲の温度が変化すると図６および図８に示すグラフが示す特性も乱れ、発振スペクトラムの乱れる領域となるレーザパワーの位置が変化する。したがって、外部共振器型半導体レーザ内の温度を、ほぼ一定に保ち、発振スペクトラムの乱れる領域が変動しないようにして、その領域を回避するようにレーザパワーをコントロールする必要がある。さらに、グレーティングの角度を変えることによって中心波長例えば４０７ｎｍ付近に対して波長を±３ｎｍ程度変える構成とした場合には、所望の波長に制御するために、波長を変えた際に実際の波長の値を把握することが重要であり、少なくとも数十ｐｍの精度で波長を検出する必要がある。

したがって、半導体レーザを含む外部共振器型半導体レーザを用いてホログラムの記録再生を行う際に、レーザ光の発振波長を判定し、この波長判定結果に対応して、レーザ光の波長を所望のものに制御することが望ましい。本願出願人は、先に、波長に応じてビームの位置が動くことを２分割ディテクタまたはポジションセンサーのような検出素子で検出し、検出結果からレーザパワーを制御するレーザ装置を提案している。

図９は、かかるレーザ装置を示すものである。図９に示したレーザ・システムは、外部共振型半導体レーザ２１、ビームスプリッタ２２、オプティカルウェッジ２３、２分割ディテクタ２４、レーザ制御部２５、およびディテクタ２６を備える。外部共振型半導体レーザ２１からのレーザ光がビームスプリッタ２２を透過して例えばホログラフィックデータストレージの光源として使用される。

ビームスプリッタ２２で反射されたレーザ光がオプティカルウェッジ２３に対して入射される。オプティカルウェッジ２３は、光の干渉によって明の帯と暗の帯とが交互に位置する縞模様を発生する。干渉縞の位相が波長によって変化し、オプティカルウェッジ２３の反射光２９を受光する２分割ディテクタ２４の二つのフォトディテクタの出力信号ＡおよびＢの差信号（Ａ−Ｂ）のレベルが変化する。

オプティカルウェッジ２３を透過したレーザ光３０がディテクタ２６に入射され、総光量が検出される。ディテクタ２６で検出された結果を、差信号を除算する和信号として用いたり、ＡＰＣ(Automatic Power Control)を行う際の信号として用いることができる。
２分割ディテクタ２４およびディテクタ２６の出力信号がレーザ制御部２５に供給される。

レーザ制御部２５は、２分割ディテクタ２４からの差信号をディテクタ２６からの和信号で除算することによって差信号を正規化する。正規化された差信号に基づいて、現在のレーザ光の波長が検出される。検出された波長がモードホップによる波長の急激な変化領域に含まれないように、外部共振型半導体レーザ２１の半導体レーザに対するパワーを制御する制御信号が生成される。この制御信号が外部共振型半導体レーザ２１にフィードバックされる。

次に、図１０を参照して、先に提案されている外部共振器型半導体レーザの他の構成例について説明する。図１０の構成では、チューナブルレーザ装置の内部で波長検出を行うものである。

図１０に示すように、レーザ４０は、レーザダイオード４１、コリメートレンズ４２、グレーティング４３、半透過ミラー４４および２分割ディテクタ４５を備えている。グレーティング４３および半透過ミラー４４は、所定の角度を維持したまま軸４６を支点として回転する。レーザダイオード４１は、マルチモードのレーザ光を発光する。コリメートレンズ４２は、レーザ光を平行光とする。なお、本明細書において、半透過ミラーの「半」の用語は、透過率５０％を意味するものではなく、透過率が１０％以下例えば５％のような少量の透過光を生じさせるミラーを意味する。

グレーティング４３は、波長毎に異なる方向へ１次光を発生し、その内の特定の波長例えば４１０ｎｍに対応した１次光がレーザダイオード４１に戻るように、グレーティング４３の角度が設定されている。その結果、レーザダイオード４１内でその波長成分だけが大きくなり、シングルモードとなる。レーザダイオード４１により発光されるレーザ光の大半は、１次光ではなく、０次光である。したがって、リットロー型と呼ばれる外部共振器型半導体レーザでは、グレーティング４３の角度を変えることで発振波長を可変することができる。

半透過ミラー４４の透過光が２分割ディテクタ４５に入射される。２分割ディテクタ４５は、グレーティング４３および半透過ミラー４４と一体に回転される。２分割ディテクタ４５は、図３に示すように、波長を例えば±２ｎｍにわたって変化させる場合の波長をモニタするものである。このようなチューナブルレーザとしての波長変化をモニタするユニットを波長モニタまたは波長モニタ用２分割ディテクタと称する。

半透過ミラー４４で反射した０次光がオプティカルウェッジ４７に入射され、オプティカルウェッジ４７の反射光が２分割ディテクタ４８によって受光される。オプティカルウェッジ４７を透過した光が出力光として出射され、例えばホログラフィックデータストレージの光源として使用される。オプティカルウェッジ４７および２分割ディテクタ４８は、図８に示すような例えば０．０４ｎｍの波長変化をモニタするものである。このようなモードホップによる波長変化をモニタするユニットを波長変化モニタまたは波長変化モニタ用２分割ディテクタと称する。図９におけるオプティカルウェッジ２３および２分割ディテクタ２４は、波長変化モニタを構成する。

図９に示す先に提案されているレーザは、ビームスプリッタ２２を必要とするために部品点数が増加する。また、ビームスプリッタ２２からの戻り光によってレーザが不安定になるおそれがあり、ビームスプリッタ２２の配置に細心の注意が必要とされる問題がある。

図１０に示す構成の場合は、オプティカルウェッジ４７を出力光の光路中に挿入するので、出力光が影響を受けるおそれがあり、そのような影響を避けるためには、高度に管理したオプティカルウェッジを使用する必要がある。

したがって、この発明の目的は、ビームスプリッタを使用せず、また、オプティカルウェッジが出力光の光路中に挿入されないようにしたレーザ装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、半導体レーザからのレーザ光を受光し、所定の波長の１次回折光を半導体レーザに向けて出射し、０次光を反射する回折格子と、
回折格子によって反射された０次光を反射すると共に、一部を透過させる半透過ミラーと、
半透過ミラーの裏面において、半透過ミラーと一体に回転するように固定され、干渉縞を発生する光学素子と、
光学素子からの反射光を受光し、受光面上の干渉縞の位置から波長変化を検出する第１の検出手段と、
光学素子からの透過光を受光し、受光面上の透過光の位置から波長変化を検出する第２の検出手段と
を備えたレーザ装置である。

この発明によれば、ビームスプリッタを使用しないので、部品点数の増大がなく、また、ビームスプリッタの配置に注意を払う必要がない。また、出力光の光路にオプティカルウェッジが挿入されないので、オプティカルウェッジの光学特性によって出力光が影響を受けることを防止できる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。この発明の一実施形態では、外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長を検出するために、オプティカルウェッジが使用される。

ここで、最初に、干渉縞を生じさせる光学素子の一例であるオプティカルウェッジについて説明する。オプティカルウェッジとは、両面のなす角が数十分程度の断面くさび形のガラス板である。これに単一波長のレーザ光を約４５度傾けて入射すると、ガラス板の表面と裏面で反射した光が干渉縞を形成する。すなわち、二つの反射光の位相が一致すれば、明となり、二つの反射光の位相が反対であれば、暗となる。位相差は、オプティカルウェッジの厚みによって変化するので、厚みの変化する方向に明暗の縞模様の像が得られる。また、波長が変化すると、明暗の位置が変化する。

図１１は、オプティカルウェッジ１０１にレーザ光１０３が入射された様子を示す。レーザ光１０３は、オプティカルウェッジ１０１で反射し、曇りガラス１０２に入射する。オプティカルウェッジ１０１は、図１１に示す座標のｚ軸方向に進むにつれて、厚さｄが小さくなるように形成されている。ｚ軸方向は、図１１の記載面または表示面の手前から裏側に向かう方向である。また、ｘ軸方向は、オプティカルウェッジ１０１の表面よび裏面方向である。

レーザ光１０３は、オプティカルウェッジ１０１の表面１０１ａで反射して曇りガラス１０２に入射するとともに、オプティカルウェッジ１０１の裏面１０１ｂで反射して曇りガラス１０２に入射するため、光路差が生じ、その結果、図１２のような干渉縞１１０が発生する。なお、オプティカルウェッジ１０１の厚さｄが小さくなる方向は、ｘ軸方向でも良い。この場合、図１２に示す干渉縞１１０が横向きとなる。

後で説明するように、この発明では、図１２に示された干渉縞１１０を人間が肉眼で見る必要はないので、曇りガラス１０２はこの発明に必須の構成要素ではない。この発明では、干渉縞１１０の検出に、少なくとも２つのディテクタを有する２分割ディテクタを用いる。

ここで、オプティカルウェッジについてさらに詳細に説明する。図１３に示すように、１本のレーザ中の光線Ａ、Ｂがオプティカルウェッジ１０１に入射する場合を考える。ここで、オプティカルウェッジ１０１は、図１１に示すものと同様であり、図に示すｚ軸方向に進むにつれて、オプティカルウェッジ１０１の厚さｄが小さくなるように形成されている。

光線Ａは、オプティカルウェッジ１０１の表面１０１ａで反射して光線Ｃとなり、光線Ｂは、オプティカルウェッジ１０１の裏面１０１ｂで反射して、やはり光線Ｃとなるとする。このとき、光線Ａと光線Ｂの光路差を求め、それを使って光線Ｃでの位相差を計算する。まず、Ｓｎｅｌｌの法則より、以下の式１の関係が成り立つ。
ｓｉｎθ／ｓｉｎθ’＝ｎ ・・・（１）
一方、Ｌｇの長さは、以下の式２で表される。
Ｌｇ＝２ｄ＊ｔａｎθ’＊ｓｉｎθ ・・・（２）
また、光線Ｂが、オプティカルウェッジ１０１内を通過する距離Ｌｐは、以下の式３で表される。
Ｌｐ＝２（Ｌｐ／２）＝２（ｄ／ｃｏｓθ’）＝２ｄ／ｃｏｓθ’ ・・・（３）

ここで、Ｌｐ’を、Ｌｐの光学距離とすると、Ｌｐ’は以下の式４で表される。
Ｌｐ’＝２ｎｄ／ｃｏｓθ’ ・・・（４）
Ｌｐ’とＬｇの光路差△Ｌは、以下の式５となる。
△Ｌ＝Ｌｐ’−Ｌｇ＝２ｎｄ／ｃｏｓθ’−２ｄ＊ｔａｎθ’＊ｓｉｎθ＝２ｄ（ｎ／ｃｏｓθ’−ｓｉｎθ＊ｔａｎθ’） ・・・（５）
△Ｌによる位相差△δは、以下の式６で表される。
△δ＝△Ｌ／λ＋π ・・・（６）
ただし、πは反射時の位相変化のために付加されている。
ここで、光強度Ｉは、以下の式７となる。
Ｉ＝（ｃｏｓ△δ）² ・・・（７）

図１４に示すように、オプティカルウェッジ１０１は、ｘ軸に沿って見ると、先端部１５が角度（ウェッジ角と適宜称する）αで構成されるくさび型をしている。しかしながら、オプティカルウェッジ１０１は、先端部１１５までを有している必要はなく、通常は、先細の先端部分を含まない、およそ台形の形状で構成される。また、図１４に示すように、オプティカルウェッジ１０１の厚さｄは、ｚ軸座標における変位ｚの関数となり、以下の式８のように表される。ここで、ｚは、ｚ軸上における、先端部１１５からの距離である。
ｄ＝ｚ＊ｔａｎα ・・・（８）

次に、オプティカルウェッジ１０１で反射される光がどのような干渉縞を発生するのかを、２つの波長の光の強度に着目して実験する。ここでは、外部共振器型半導体レーザにおけるのこぎり波状の波長変化で見られる典型的な下限波長（λ１）および上限波長（λ２）の光を用いるものとする。すなわち、λ１を４１０．００ｎｍ、λ２を４１０．０４ｎｍとする。また、屈折率ｎ＝１．５、入射角θ＝４５度、オプティカルウェッジ１０１のウェッジ角α＝０．０２度とする。

図１５は、波長λ１の光と波長λ２の光が入射されるオプティカルウェッジ１０１の位置に応じて、オプティカルウェッジ１０１の反射光の強度がどのように変化するかを示すグラフであり、縦軸は相対的な光強度を表し、横軸はオプティカルウェッジ１０１の先端部１５からの距離、すなわち、図１４に示すオプティカルウェッジ１０１の先端部１１５からｚ軸方向への距離を表している。図１５は、波長λ１の光と波長λ２の光を、オプティカルウェッジ１０１の先端部１１５から３ｍｍ程度までの間に照射した場合の、反射光の強度の変化を表している。

上述したように、反射光により像を生じさせると、強度が大きい位置が明るい帯となり、強度が小さい位置が暗い帯となり、明るい帯と暗い帯が交互に位置する干渉縞が現れる。この場合、２つの波長λ１とλ２が非常に近接しており、さらに、それらの光がオプティカルウェッジ１０１の先端部１１５に近い部分に照射されているため、光路差もきわめて小さい。したがって、波長λ１の光の反射光の強度を表す曲線１２１と波長λ２の光の反射光の強度を表す曲線１２２は、ほぼ同一の曲線となり、干渉縞は重なって見える。

図１６は、図１５と同様に、オプティカルウェッジ１０１に入射した光の反射光の強度がどのように変化するかを示すものである。図１６は、光の入射する位置が、オプティカルウェッジ１０１の先端部１１５から１０００ｍｍ（１ｍ）付近である場合について示したものである。オプティカルウェッジ１０１の先端部１１５からの距離が約１ｍといっても、１ｍの長さのオプティカルウェッジが必要なわけではない。上述したように、先端部１１５から１ｍ付近の部分を台形に切り出して形成されるので、オプティカルウェッジ自体の大きさは小さくすることが可能である。

この場合、オプティカルウェッジ１０１の先端部１１５から約１ｍの位置では、オプティカルウェッジ１０１の厚さｄがかなり大きく、これによって、λ１とλ２の波長差０．０４ｎｍが蓄積され、曲線１２１と曲線１２２のわずかな位相差が生じてくる。位相差が小さいため、それぞれの場合に観察される縞模様はほとんど変わらない。

これは、波長λ１の光と、波長λ２の光を個別に所定の位置に照射して実験した結果である。図２に示すような、のこぎり波状の波長変化を繰り返す光が、このオプティカルウェッジ１０１に照射されたと仮定する。ここで、波長変化における波長の下限はλ１であるとし、上限はλ２であるとする。そうすると、最初は、波長λ１の光の反射光による曲線１２１が現れる。その後、半導体レーザのレーザパワーを増加していくと、波長はλ１からλ２に徐々に変化して曲線１２２に近づく。その後、さらにレーザパワーを増加していくと、曲線１２１と曲線１２２の両方が存在する状態となり、その後、波長λ１の光の反射光による曲線１２１のみとなる。これ以降、レーザパワーの増大に伴って、このような干渉縞の変化が周期的に観察されることになる。

図１７は、図１５と同様に、オプティカルウェッジ１０１に入射した光の反射光の光強度がどのように変化するかを示すものである。図１７では、光の入射する位置が、オプティカルウェッジ１０１の先端部１１５から約６０００ｍｍ（６ｍ）の場合について示したものである。この場合は、波長λ１の光の反射光の強度を表す曲線１２１と、波長λ２の光の反射光の強度を表す曲線１２２がほぼ逆相となっており、両方の光が同時にオプティカルウェッジ１０１に入射した場合は、干渉縞が観察しづらい状態になる。

また、図１６に示す状態で、ウェッジ角αを０．０２度から０．０４度に変えると、曲線１２１と曲線１２２の周期がどちらも小さくなり、同じ距離における縞の数が、図１６に示すものより多くなる。このように、オプティカルウェッジの光が照射される位置や、ウェッジ角α等を調整することによって、干渉縞の態様を自在に調整することが可能となる。

次に、オプティカルウェッジ１０１からの反射光から得られるプッシュプル値について、図１８を参照して説明する。図１８では、前述の下限波長（λ１）による曲線１２１と上限波長（λ２）による曲線１２２に加えて、波長λ３（４１０．０１ｎｍ）、波長λ４（４１０．０２ｎｍ）、波長λ５（４１０．０３ｎｍ）の光による曲線を、それぞれ曲線１２３、曲線１２４、および曲線１２５として表している。また、ここでは、オプティカルウェッジ１０１の形状や、ウェッジ角α等の条件については、図１７に示すものと同様とする。

ここで、オプティカルウェッジ１０１の先端部１１５からの距離（ｚ）が６００１．６ｍｍの位置の前後に、それぞれ０．３ｍｍ幅の、第１のディテクタ１３１と第２のディテクタ１３２を並べた２分割ディテクタによって差信号（プッシュプル）を生成する。ここで、差信号は、ディテクタ１３１とディテクタ１３２によってそれぞれ検出された光強度の差を示すものである。ディテクタ１３１によって検出される光の位置は、矢印Ｄによって示されており、ディテクタ１３２によって検出される光の位置は、矢印Ｅによって示されている。また、ディテクタ１３１および１３２に近接した位置にディテクタ１３５および１３６を設けられる。これらのディテクタ１３５および１３６によって検出される光の位置が矢印ＦおよびＧでそれぞれ示されている。以下の説明では、ディテクタ１３１および１３２による検出に注目する。

ディテクタ１３１とディテクタ１３２による検出の結果、各波長ごとに、図１９に示すようなプッシュプル値が得られる。ただし、これは、各波長の光が、単独でオプティカルウェッジ１０１の位置ｚに照射された場合の信号である。

また、こうして求められたプッシュプル値は、光量の増減によっても変化してしまうので、和信号を用いてノーマライズすることが望ましい。このようにノーマライズされたプッシュプル値と波長の関係が図２０に表されている。

次に、外部共振器型半導体レーザの光の波長変化とプッシュプル値の関係について説明する。今、図２１に示すように、レーザパワーに応じてのこぎり波状の波長変化をする外部共振器型半導体レーザがあるとする。なお、これは、波長変化を模式的に表したものである。すなわち、レーザパワーの増加に伴って波長が４１０．００ｎｍから４１０．０４ｎｍまで変化するが、レーザパワーが例えば、２３ｍＷや３５ｍＷ付近になると、急激に波長が変化して、４１０．００ｎｍに戻り、この変化を繰り返す。また、この急激な変化が生じる際には、４１０．００ｎｍ付近の波長の光と４１０．０４ｎｍ付近の波長の光とが混在して、ホログラム記録等には適さない光（使用不可モードの光）となる。

そこで、この急激な変化が生じる場合、すなわち、４１０．００ｎｍの波長（λ１）の光と４１０．０４ｎｍの波長（λ２）の光とが混在する場合に、図１８で説明したような位置関係のディテクタ１３１およびディテクタ１３２によってプッシュプル値を取得してみる。図２２では、波長λ１の光に関して得られる光量は曲線１２１で表され、波長λ２の光に関して得られる光量は曲線１２２で表されている。曲線１２１と曲線１２２はほとんど逆相となっているため、これらの光によって全体的に得られる光強度は、オプティカルウェッジ１０１への照射位置が変化しても、あまり変化しない。ディテクタ１３１およびディテクタ１３２による検出の結果、ディテクタ１３１で検出される光量と他のディテクタ１３２で検出される光量はほぼ等しく、プッシュプル値は０に近い値となる。

一方、外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長が、レーザパワーの増加に応じて単調に上昇する場合（使用可能モード）では、シングルモード、あるいは非常に近い波長の２モード、または３モードの光となる。そのため、この場合は、代表的なピークを構成する波長のシングルモードの光が射出されると仮定する。その波長が、４１０．０１ｎｍ（λ３）である場合は、図２３に示すように、ディテクタ１３１およびディテクタ１３２によって検出される光量の差が小さく、プッシュプル値が小さな値となる。

図２４には、波長４１０．０２ｎｍ（λ４）について、ディテクタ１３１およびディテクタ１３２が光量を検出する様子が示されている。この場合は、それぞれのディテクタで検出される光量に差があり、比較的大きなプッシュプル値が得られる。また、図２５には、波長４１０．０３ｎｍ（λ５）について、ディテクタ１３１およびディテクタ１３２が光量を検出する様子が示されているが、この場合は、それぞれのディテクタで検出される光量に大きな差があり、頗る大きなプッシュプル値が得られる。

ディテクタ１３１およびディテクタ１３２に代えてディテクタ１３５および１３６からなる２分割ディテクタを使用した場合には、プッシュプル値の変化が異なったものとなる。このように、実際の、外部共振器型半導体レーザの波長変化を前提として得られたプッシュプル値は、波長４１０．０２ｎｍ付近で０に近づけることができる。一方、図１９および図２０に示した、波長ごとに得られたプッシュプル値を見ると、波長４１０．００ｎｍや波長４１０．０４ｎｍは、その波長単独では大きなプッシュプル値を示すことがわかる。また、外部共振器モードホップの領域で発生する波長の光については、少なくとも、それぞれ異なるプッシュプル値が得られる。

したがって、この発明では、外部共振器モードホップの領域において得られたプッシュプル値から、レーザ光の波長が４１０．００ｎｍ（または４１０．０４ｎｍ）に近づいたことを検出し、その場合に、半導体レーザのレーザパワーを所定の値だけ変化させて、これらの波長の光が混在するモード、すなわち使用不可モードを回避するように、レーザパワーを制御する。

この制御によって、外部共振器型半導体レーザから射出されているレーザ光の波長を把握することができ、半導体レーザ等の温度管理を厳密に行わなくても、レーザ光の波長を適切なものに維持するように制御することが可能となる。

次に、図２６を参照して、２分割ディテクタの２つのディテクタ１３１、１３２と干渉縞との位置関係について説明する。図２６において、参照符号１４０は、オプティカルウェッジの表面と裏面で反射した光の明暗に対応する曲線を示す。横軸は、ｚ軸に対応し、縦軸は、光量（光強度）を示す。この曲線１４０は、ある波長を例に取ったものであるが、外部共振器型半導体レーザ内の半導体レーザに提供するレーザパワーを変化させれば波長が変化し、それに応じて、曲線１４０の位相も変化する。図２６の下部には、２分割ディテクタ内のディテクタ１３１とディテクタ１３２とが示されており、その位置で曲線１４０で示される光量をそれぞれ検出する。

曲線１４０のうち、光量の小さい部分は、領域１４１として示されており、この部分は、干渉縞の暗く見える部分に対応する。図２６に示す状態の場合、ディテクタ１３１は、曲線１４０の、光量の大きな部分に配置されており、結果的に大きな光量を検出する。一方、ディテクタ１３２は、曲線１４０の、光量の小さい部分に配置され、小さな光量を検出する。ここで、各ディテクタの検出信号の差を求めることにより、プッシュプル値が求められ、それに対応する波長が把握できる。

図２７は、この発明の一実施形態のレーザの構成を示す。前述した図１０の構成と対応する部分には同一の参照符号を付す。図２７に示すように、レーザ５０は、レーザダイオード４１、コリメートレンズ４２、グレーティング４３、半透過ミラー４４、波長モニタ用２分割ディテクタ４５、オプティカルウェッジ５１および波長変化モニタ用２分割ディテクタ５２を備えている。グレーティング４３および半透過ミラー４４は、所定の角度を維持したまま軸４６を支点として回転する。図示しないが、グレーティング４３および半透過ミラー４４の裏面を支持する支持部材が設けられ、この支持部材が例えばピエゾ圧電
効果による圧電素子の伸びまたは縮みにより生じた直線運動によって支持部材を回転させるリニアモードによって回転される。前述したように、グレーティング４３および半透過ミラー４４の回転によって反射後のレーザ光の方向も位置も変動しない。反射後のレーザ光が例えばホログラフィックデータストレージの光源として使用される。

レーザダイオード４１を出射したマルチモード光は、コリメートレンズ４２で平行光とされた後、グレーティング４３に照射される。各波長の光が１次回折光をそれぞれ生じ、グレーティング４３の角度を調整すると、特定波長の１次回折光のみがレーザダイオード４１に戻る。これによって、この波長が他の波長より優勢となり、シングルモードとなる。グレーティング４３の角度を変えることで発振波長が変化し、チューナブルレーザが構成される。

半透過ミラー４４は、グレーティング４３で反射された０次光を所定の方向に反射するが、完全に光を反射せずに、一部の０次光を透過させる。半透過ミラー４４として例えば数％の透過性があるものが使用され、半透過ミラー４４の透過光が波長モニタおよび波長変化モニタのために使用される。オプティカルウェッジ５１は、半透過ミラー４４の裏側で、且つ透過光の光路となる位置に、固定用部材によって半透過ミラー４４に対して固定される。波長モニタ用２分割ディテクタ４５が半透過ミラー４４およびオプティカルウェッジ５１を透過した光が当たる位置に配置されている。波長変化モニタ用の２分割ディテクタ５２は、オプティカルウェッジ５１の反射光が入射する位置に配されている。

グレーティング４３の角度によってグレーティング４３で反射されて半透過ミラー４４に対して入射されるレーザ光の方向も変化する。その結果、グレーティング４３の角度を変えると、２分割ディテクタ４５に対する光の入射位置が矢印Ａで示すように変化する。この変化を検出することによって、レーザ光の波長の変化を検出することができる。

すなわち、２分割ディテクタ４５の二つのディテクタからの光電流ＡおよびＢを以下の式にしたがって演算することによって位置、すなわち、数ｎｍの波長変化を検出することができる。

位置（波長）＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）

光量＝Ａ＋Ｂ

波長モニタ用２分割ディテクタ４５は、オプティカルウェッジ５１の透過光の位置に設けられる。オプティカルウェッジは、本来、反射光にのみ干渉縞が生じ、透過光には、干渉縞が生じないはずである。しかしながら、実際には、透過光によっても光の強弱が発生する。その原因は、オプティカルウェッジ内の多重反射と考えられる。２分割ディテクタ４５が検知すべき光の中に干渉縞が生じると誤差が生じ、波長を正確に測定できないおそれがある。

この問題を避けるためには、オプティカルウェッジ５１の反射率を０．５〜５％程度にすれば良いことが実験的に判った。オプティカルウェッジ５１を４５°傾けて配置した場合の反射率が８％程度であるので、表面にコーティングを施すことによって所望の反射率を得、透過光における干渉縞の発生を防止している。

この発明の一実施形態では、オプティカルウェッジ５１の反射光を波長変化モニタ用２分割ディテクタ５２によって受光し、例えば０．０４ｎｍのようなモードホップによる波長変化がモニタされる。複数組の２分割ディテクタを使用しても良い。この発明の一実施形態では、オプティカルウェッジ５１が半透過ミラー４４と一体に回転する。この一実施形態と異なり、オプティカルウェッジをレーザ５０の矩形の線で示す台座に対して固定したと仮定する。この場合には、グレーティング４３を回転させると、オプティカルウェッジが固定されているので、透過光のオプティカルウェッジに対する入射位置が変化する。このため、オプティカルウェッジが必ず透過光を反射するためには、変動する範囲全体をカバーできる長いオプティカルウェッジが必要となり、また、オプティカルウェッジに対する入射角度も変化するために反射角度も変化してしまう。

上述したように、オプティカルウェッジ５１は、半透過ミラー４４と一体に回転するので、オプティカルウェッジ５１の反射光が常に同じ方向に生じる。この理由は、グレーティング４３と半透過ミラー４４を一体に回転させて、半透過ミラー４４の反射光の方向および位置が変化しないことと同じである。但し、グレーティング４３の面の延長線とオプティカルウェッジ５１の面の延長線が交叉する位置に回転の支点が設けられてはいないので、オプティカルウェッジ５１の反射光の方向が若干変動する。実験的には、４０７±３ｎｍの範囲で波長を変えても干渉縞が２分割ディテクタ５２の受光面上に存在することが確認できた。

２分割ディテクタ５２の検出信号は、上述した２分割ディテクタ４５の場合と同様の式で表されるものである。モードホップのために生じる不安定な領域を避けるために、２分割ディテクタ５２の検出信号によってレーザダイオード４１に対するパワーをフィードバック制御するようになされる。

なお、検出素子としては、２分割ディテクタ４５，５２に限らず、１次元ＰＳＤ(Position Sensitive Detector)を使用することができる。ＰＳＤは、高抵抗半導体基板の片面
または両面に均一な抵抗層が形成され、抵抗層の両端に信号取り出し用の一対の電極が設けられた構成を有している。受光面が抵抗層と同時にＰＮ接合も形成し、光起電力効果によって光電流が生成される。受光面上の光スポットの位置に応じて両端の電極から光電流Ａ、Ｂが発生する。受光面の中央位置に光スポットが位置する場合には、光電流ＡおよびＢが等しい値となる。

図２８を参照して、グレーティング４３および半透過ミラー４４を回転させた場合の光路の変化について説明する。図２８では、波長モニタ用２分割ディテクタ４５の図示が省略されている。例えば実線で示す位置から破線で示す位置にグレーティング４３および半透過ミラー４４が回転される。その結果、レーザダイオード４１から２分割ディテクタ５２に至る光路が実線で示すものから破線で示すものに変化する。前述したように、半透過ミラー４４で反射した出力光の方向は、グレーティング４３の回転によって変化しない。

図２９は、図２８に示すように、グレーティング４３および半透過ミラー４４を回転させた場合に、２分割ディテクタ５２の受光面の位置におけるビームスポットの位置の変化を示している。すなわち、図２９Ａが実線で示す位置の場合のビームスポットを示し、図２９Ｂが破線で示す位置の場合のビームスポットを示す。レーザダイオード４１の出射光の断面が円ではなく、長軸と短軸の比が（３：１）程度の楕円であるため、ビームスポットを楕円形状とされている。

図２９において、破線で示すビームスポットＬａは、オプティカルウェッジ５１の表面で反射した光により生じたものであり、実線で示すビームスポットＬｂは、オプティカルウェッジ５１の裏面で反射した光により生じたものである。２分割ディテクタ５２は、これらの反射光そのものを検知しているのではなく、その二つの反射光によって生じた干渉縞（図２９では、斜線を付した長方形とその間の白い部分）を検知している。

グレーティング４３および半透過ミラー４４を回転させると、図２９Ｂに示すように、オプティカルウェッジ５１の表面と裏面からの反射光によるビームスポットＬａおよびＬｂの位置が多少ずれたものとなる。しかしながら、干渉縞と２分割ディテクタ５２の受光面との位置関係は、変化せず、２分割ディテクタ５２によって波長の変化を検知することができる。これは、実際に実験により確認した。

上述したように、グレーティング４３および半透過ミラー４４を回転させた場合に、２分割ディテクタ５２に対するオプティカルウェッジ５１の反射光の照射位置が多少変化しても、干渉縞と２分割ディテクタ５２との関係に変化がなく、波長の変化を検知することかできる。

この発明は、上述したこの発明の実施形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えばこの発明は、複数の波長のレーザ光を発生するチューナブルレーザに限らず、所定の波長のレーザ光を発生する構成に対しても適用できる。その場合は、グレーティング４３および半透過ミラー４４を回転させる必要がなく、また、波長モニタ用２分割ディテクタ４５を設ける必要がない。また、この発明は、ホログラム装置以外のレーザ光源として使用することができる。

また、この発明は、オプティカルウェッジと同等の効果が得られる他の光学部品を使用しても良い。例えば、オプティカルウェッジの替わりに、両面がフラットなガラスを用いた場合、レーザ光がわずかでも拡散光あるいは収束光であれば、オプティカルウェッジと同様に、波長の変化に伴って縞模様が変化する。入射レーザ光とフラットなガラスの角度によって、縞模様の各縞は、ほぼ直線の形状となったり、湾曲した形状となる。

拡散光あるいは収束光のレーザ光が入射された場合、波面が平面でないため、フラットなガラスが所定の角度で入射光を受光すると、同心円の縞模様が現れる。このときに、波長が変化すると同心円の縞模様は外に広がったり、内側に集まったりする。そこで、フラットなガラスの角度を変えると、同心円の中心から離れた縞模様が現れ、この場合に、各縞が湾曲した縞模様となる。一方、フラットなガラスの角度をさらに調整すると、同心円の中心から、さらに離れた縞模様が現れ、この場合に、各縞がほぼ直線の縞模様となる。

リットロー型レーザの構成を示す略線図ある。 外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光のスペクトラムを示す図である。 チューナブルレーザの波長変化の一例を示すグラフである。 合わせ鏡の構成のリットロー型レーザの構成を示す略線図ある。 合わせ鏡の構成のリットロー型レーザの構成に関してレーザ出射光の方向が変化しないことを説明するための略線図である。 外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長とレーザパワーの変化との関係を示すグラフである。 外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光のモードのパターンを示す略線図である。 レーザ光の波長とレーザパワーの変化との関係をのこぎり波状に示すグラフである。 先に提案されているレーザの一例の構成を示す略線図である。 先に提案されているレーザの他の例の構成を示す略線図である。 オプティカルウェッジの作用を説明するための略線図である。 オプティカルウェッジで反射することによって発生する干渉縞を示す略線図である。 オプティカルウェッジの光路差を計算するための略線図である。 オプティカルウェッジをｘ軸方向に沿って見た略線図である。 波長λ１と波長λ２の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示すグラフである。 波長λ１と波長λ２の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示す別のグラフである。 波長λ１と波長λ２の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示すグラフである。 波長λ１乃至波長λ５の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示すグラフである。 ２つのディテクタからの検出値をもとに計算されたプッシュプル値の遷移を示すグラフである。 図１９に示すプッシュプル値をノーマライズした値を示すグラフである。 外部共振器型半導体レーザにおいて、レーザパワーの変化によって変化するレーザ光の波長を模式的に示した略線図である。 外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の上限波長と下限波長が同時にオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示すグラフである。 波長λ３の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度と、ディテクタによる検出の態様を示すグラフである。 波長λ４の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度と、ディテクタによる検出の態様を示すグラフである。 波長λ５の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度と、ディテクタによる検出の態様を示すグラフである。 ２つのディテクタと干渉縞との位置関係について説明する略線図である。 この発明の第１の実施形態における波長制御の動作を示すフローチャートである。 この発明の一実施形態の構成を示す略線図である。 この発明の一実施形態においてグレーティングおよび半透過ミラーを回転させた場合の光路の変化を示す略線図である。 図２８に示す光路変化によって干渉縞と２分割ディテクタの位置関係が変化しないことを説明するための略線図である。

符号の説明

４１・・・レーザダイオード
４２・・・コリメーターレンズ
４３・・・グレーティング
４４・・・半透過ミラー
４５・・・波長モニタ用２分割ディテクタ
４６・・・回転の軸
５１・・・オプティカルウェッジ
５２・・・波長変化モニタ用２分割ディテクタ

Claims (4)

1. 半導体レーザからのレーザ光を受光し、所定の波長の１次回折光を上記半導体レーザに向けて出射し、０次光を反射する回折格子と、
   上記回折格子によって反射された０次光を反射すると共に、一部を透過させる半透過ミラーと、
   上記半透過ミラーの裏面において、上記半透過ミラーに固定され、干渉縞を発生する光学素子と、
   上記光学素子からの反射光を受光し、受光面上の上記干渉縞の位置から波長変化を検出する第１の検出手段と、
   上記光学素子からの透過光を受光し、受光面上の上記透過光の位置から波長変化を検出する第２の検出手段と
   を備えたレーザ装置。
2. 上記回折格子と上記半透過ミラーの開き角を一定に維持した状態で、上記回折格子および上記半透過ミラーを支持すると共に、
   上記回折格子の表面の延長線と上記半透過ミラーの表面の延長線との交点を支点として、回転自在に構成した請求項１に記載のレーザ装置。
3. 上記光学素子の反射率が上記透過光によって干渉縞を生じない程度に低くされた請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 上記第１の検出手段は、上記光学素子で発生した反射光が入射される少なくとも１個の２分割ディテクタである請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ装置。

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