JP5141270B2 - 波長変換レーザ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、波長変換レーザ装置に関し、さらに詳しくは、光ファイバの厳密な温度制御が不要であり且つ波長選択素子による安定した波長引き込みを小型な装置で実現できる波長変換レーザ装置に関する。
半導体レーザで発振した基本波の波長を波長変換素子で波長変換して光出力する波長変換レーザ装置では、所望の光出力を得るために、波長変換素子が許容する帯域内に基本波の波長を確実に固定する必要がある。しかしながら、半導体レーザ装置は、環境温度や駆動電流値の変化によって素子温度が変化すると、共振器長の変化および利得スペクトルの変化によって発振波長がシフトし、ある周期で発振モードが隣の縦モードに飛び移るモードホッピング現象を生じる。このモードホッピング現象は、波長変換された光出力の瞬間的な変動を招くため、光出力を一定に保持する制御を行う場合などには制御系が追従できず、光出力変動もしくは光ノイズとして現れてしまう。
そこで、従来、基本波の波長を固定する方法として、波長選択素子として光ファイバ内にブラッグ回折格子を形成したファイバーグレーティング（Fiber Bragg Grating）を外部共振器に用いて半導体レーザに光帰還し、発振波長を選択する技術が知られている（特許文献１参照）。
他方、波長選択素子として反射型ボリュームホログラフィックグレーティング（Volume Holographic Grating）を外部共振器に用いて半導体レーザに光帰還し、発振波長を選択する技術が知られている（特許文献２参照）。
米国特許第５４８５４８１号公報
米国特許第５６９１９８９号公報
他方、波長選択素子として反射型ボリュームホログラフィックグレーティング（Volume Holographic Grating）を外部共振器に用いて半導体レーザに光帰還し、発振波長を選択する技術が知られている（特許文献２参照）。
上記ファイバーグレーティングを波長選択素子として用いた従来技術では、ファイバーグレーティングのブラッグ反射波長が波長変換に影響を与える程度の温度特性を持っていため、ファイバーグレーティングを温度制御して一定温度に保つ必要があるが、取り扱いが比較的不自由である光ファイバを一定温度に保つことは実際には困難な問題点がある。また、温度制御等の目的で光ファイバに機械的な負荷が加わると、出射光の偏光が乱されてしまう。一般的に波長変換素子へ入射する光の偏光方向は固定されるため、偏光の乱れはそのまま光出力の乱れとして現れてしまう。
他方、反射型ボリュームホログラフィックグレーティングを波長選択素子として用いた従来技術では、半導体レーザ前面と反射型ボリュームホログラフィックグレーティング間の光路長をコヒーレンス長より十分長くしないと、半導体レーザ自身の共振器モードと波長選択素子による外部共振器モードとが競合するため、半導体レーザの発振波長を反射型ボリュームホログラフィックグレーティングの中心波長に安定して引き込むことが出来ない。しかし、半導体レーザ前面と反射型ボリュームホログラフィックグレーティング間の光路長を空間で稼こうとすると、装置が大型化してしまう問題点がある。
そこで、本発明の目的は、光ファイバの厳密な温度制御が不要であり且つ波長選択素子による安定した波長引き込みを小型な装置で実現できる波長変換レーザ装置を提供することにある。
他方、反射型ボリュームホログラフィックグレーティングを波長選択素子として用いた従来技術では、半導体レーザ前面と反射型ボリュームホログラフィックグレーティング間の光路長をコヒーレンス長より十分長くしないと、半導体レーザ自身の共振器モードと波長選択素子による外部共振器モードとが競合するため、半導体レーザの発振波長を反射型ボリュームホログラフィックグレーティングの中心波長に安定して引き込むことが出来ない。しかし、半導体レーザ前面と反射型ボリュームホログラフィックグレーティング間の光路長を空間で稼こうとすると、装置が大型化してしまう問題点がある。
そこで、本発明の目的は、光ファイバの厳密な温度制御が不要であり且つ波長選択素子による安定した波長引き込みを小型な装置で実現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、基本波を発振する半導体レーザと前記基本波の波長を変換して光出力する波長変換素子とを備えた波長変換レーザ装置において、前記半導体レーザの出射側で光結合された光ファイバと、前記光ファイバの出射後に配置されたバルク形状の波長選択素子とを備えたことを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記構成において、バルク形状の波長選択素子とは、例えばファイバーグレーティングのような線形状ではなく、例えば反射型ボリュームホログラフィックグレーティングや反射型回折格子やバンドパスフィルタのようなバルク状の波長選択素子をいう。
上記第１の観点による波長変換レーザ装置では、光ファイバを用いるが、波長選択素子として用いるのではないため、光ファイバの厳密な温度制御は不要になる。また、光ファイバにより半導体レーザ前面とバルク形状の波長選択素子間の光路長（外部共振器長）をコヒーレンス長より十分長くとることが出来るため、半導体レーザ自身の共振器モードと外部共振器モードとが競合せず、半導体レーザの発振波長の変動を抑制できる。また、波長選択素子がバルク形状であることにより厳密な温度制御が容易となるため、環境温度の変化などによる波長選択素子の中心波長の変動を抑制できる。従って、波長選択素子による安定した波長引き込みが可能になる。さらに、光ファイバはコンパクトに収納することが可能なので、装置全体を小型化することが出来る。
上記構成において、バルク形状の波長選択素子とは、例えばファイバーグレーティングのような線形状ではなく、例えば反射型ボリュームホログラフィックグレーティングや反射型回折格子やバンドパスフィルタのようなバルク状の波長選択素子をいう。
上記第１の観点による波長変換レーザ装置では、光ファイバを用いるが、波長選択素子として用いるのではないため、光ファイバの厳密な温度制御は不要になる。また、光ファイバにより半導体レーザ前面とバルク形状の波長選択素子間の光路長（外部共振器長）をコヒーレンス長より十分長くとることが出来るため、半導体レーザ自身の共振器モードと外部共振器モードとが競合せず、半導体レーザの発振波長の変動を抑制できる。また、波長選択素子がバルク形状であることにより厳密な温度制御が容易となるため、環境温度の変化などによる波長選択素子の中心波長の変動を抑制できる。従って、波長選択素子による安定した波長引き込みが可能になる。さらに、光ファイバはコンパクトに収納することが可能なので、装置全体を小型化することが出来る。
第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による波長変換レーザ装置において、前記波長選択素子が反射型ボリュームホログラフィックグレーティングであ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２の観点による波長変換レーザ装置では、バルク形状の光学素子にグレーティングが形成された回折光学素子である反射型ボリュームホログラフィックグレーティングを用いるため、温度制御が容易になる。
上記第２の観点による波長変換レーザ装置では、バルク形状の光学素子にグレーティングが形成された回折光学素子である反射型ボリュームホログラフィックグレーティングを用いるため、温度制御が容易になる。
第３の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点による波長変換レーザ装置において、前記光ファイバからの出射光はレンズによりＮＡ＝０．０７以上の収束ビームとされ、そのビームウエスト位置が前記波長選択素子の内部に配置され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、ＮＡ＝０．０７以上の収束ビームをそのビームウエスト位置（最もビーム径が細くなる位置）が波長選択素子の内部に位置するように波長選択素子に入射させるので、平行ビームを入射させる場合に比べて、波長選択素子の姿勢調整が容易になる（調整精度が粗くて済む）。
上記第３の観点による波長変換レーザ装置では、ＮＡ＝０．０７以上の収束ビームをそのビームウエスト位置（最もビーム径が細くなる位置）が波長選択素子の内部に位置するように波長選択素子に入射させるので、平行ビームを入射させる場合に比べて、波長選択素子の姿勢調整が容易になる（調整精度が粗くて済む）。
第４の観点では、本発明は、前記第１から第３のいずれかの観点による波長変換レーザ装置において、前記半導体レーザと前記波長変換素子と前記波長選択素子とがそれぞれ温度制御されてい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４の観点による波長変換レーザ装置では、半導体レーザの温度と波長変換素子の温度と波長選択素子の温度を独立に制御し、各素子における波長を整合させることが出来る。
上記第４の観点による波長変換レーザ装置では、半導体レーザの温度と波長変換素子の温度と波長選択素子の温度を独立に制御し、各素子における波長を整合させることが出来る。
本発明の波長変換レーザ装置によれば、光ファイバの厳密な温度制御が不要になる。また、波長選択素子による安定した波長引き込みを小型な装置で実現することが出来る。
以下、図に示す実施例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を示す説明図である。
この波長変換レーザ装置１００は、基本波（例えば赤外光）を発振する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の出射面で光結合された光ファイバ２と、光ファイバ終端部３から出射される光を収束ビームＢにするレンズ４ａと、収束ビームＢのビームウエスト位置ｗが内部に位置するように設置されたバルク形状の波長選択素子５と、波長選択素子５から出射された光を集光するレンズ４ｂと、レンズ４ｂで集光された光を入射光とし波長変換光（例えば可視光）を出射する波長変換素子６と、半導体レーザ１の温度制御を行うためのサーモモジュール７ａと、波長選択素子５の温度制御を行うためのサーモモジュール７ｂと、波長変換素子６の温度制御を行うためのサーモモジュール７ｃとを具備している。
この波長変換レーザ装置１００は、基本波（例えば赤外光）を発振する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の出射面で光結合された光ファイバ２と、光ファイバ終端部３から出射される光を収束ビームＢにするレンズ４ａと、収束ビームＢのビームウエスト位置ｗが内部に位置するように設置されたバルク形状の波長選択素子５と、波長選択素子５から出射された光を集光するレンズ４ｂと、レンズ４ｂで集光された光を入射光とし波長変換光（例えば可視光）を出射する波長変換素子６と、半導体レーザ１の温度制御を行うためのサーモモジュール７ａと、波長選択素子５の温度制御を行うためのサーモモジュール７ｂと、波長変換素子６の温度制御を行うためのサーモモジュール７ｃとを具備している。
光ファイバ２は、例えば長さ１ｍの偏波保持シングルモードファイバを直径３ｃｍのコイル状に巻いたものである。
半導体レーザ１の出射面から波長選択素子５までの光路長をコヒーレンス長より十分長くするためには、光ファイバ２の長さを１ｍ以上とすることが好ましい。
半導体レーザ１の出射面から波長選択素子５までの光路長をコヒーレンス長より十分長くするためには、光ファイバ２の長さを１ｍ以上とすることが好ましい。
レンズ４ａは、光ファイバ終端部３から出射される光を例えばＮＡ＝０．０７以上の収束ビームＢとするレンズである。
波長選択素子５は、反射中心波長の光の一部を選択的に反射し、これが光ファイバ２を通って半導体レーザ１に光学的に帰還される。この帰還によって半導体レーザ１は波長選択素子５の反射中心波長の近傍で発振する。
波長選択素子５は、例えば反射型ボリュームホログラフィックグレーティングである。
波長選択素子５は、例えば反射型ボリュームホログラフィックグレーティングである。
波長変換素子６は、例えば非線形光学結晶に周期分極反転構造が形成された光導波路である。
サーモモジュール７ａは、例えばペルチェ素子であり、半導体レーザ１を例えば２５℃に温度制御する。
サーモモジュール７ｂは、例えばペルチェ素子であり、波長選択素子５を例えば２５℃に温度制御する。
サーモモジュール７ｃは、例えばペルチェ素子であり、波長選択素子５によって選択された波長の光を最も効率よく波長変換する温度に波長変換素子６を温度制御する。
サーモモジュール７ｂは、例えばペルチェ素子であり、波長選択素子５を例えば２５℃に温度制御する。
サーモモジュール７ｃは、例えばペルチェ素子であり、波長選択素子５によって選択された波長の光を最も効率よく波長変換する温度に波長変換素子６を温度制御する。
図２は、半導体レーザ１の発振スペクトル例である。
外部共振器長がコヒーレンス長より十分長いため、安定して波長選択が行われている。なお、半導体レーザ１は縦マルチモードで発振している。
外部共振器長がコヒーレンス長より十分長いため、安定して波長選択が行われている。なお、半導体レーザ１は縦マルチモードで発振している。
図３は、半導体レーザ１の温度を変化させた場合の半導体レーザ１の発振中心波長例である。縦軸は２ｎｍ／ｄｉｖである。
１４℃〜３２℃で温度変化しても、半導体レーザ１の発振中心波長は安定している。
１４℃〜３２℃で温度変化しても、半導体レーザ１の発振中心波長は安定している。
図４は、比較例であり、外部共振器長がコヒーレンス長より十分長くない状態とした場合の半導体レーザ１の発振スペクトル例である。
半導体レーザ１の共振器モードと波長選択素子５による外部共振器モードが競合している。なお、半導体レーザ１は縦マルチモードで発振している。
半導体レーザ１の共振器モードと波長選択素子５による外部共振器モードが競合している。なお、半導体レーザ１は縦マルチモードで発振している。
図５は、比較例であり、波長選択素子５が無い状態で半導体レーザ１の温度を変化させた場合の半導体レーザ１の発振中心波長例である。縦軸は２ｎｍ／ｄｉｖである。
温度変化に応じて半導体レーザ１の発振中心波長が変化してしまう。
温度変化に応じて半導体レーザ１の発振中心波長が変化してしまう。
実施例１の波長変換レーザ装置１００によれば次の効果が得られる。
（１）光ファイバ２を用いるが、波長選択素子として用いるのではないため、光ファイバ２の厳密な温度制御は不要になる。
（２）光ファイバ２はコンパクトにコイル化できるため、小さいスペースでも外部共振器長をコヒーレンス長より十分長くとることが可能となり、半導体レーザ１自身の共振器モードと外部共振器モードとが競合せず、波長選択素子５による安定した波長引き込みが小型な装置で実現できる。
（３）バルク形状の波長選択素子５を使用するため、波長選択素子５の温度制御を容易２つ確実に行うことができ、環境温度に対する基本波波長の変動を抑制できる。
（４）波長選択素子５を収束ビームＢのビームウエストｗ近傍に配置するので、光帰還のための波長選択素子５の角度調整が容易になる。
（１）光ファイバ２を用いるが、波長選択素子として用いるのではないため、光ファイバ２の厳密な温度制御は不要になる。
（２）光ファイバ２はコンパクトにコイル化できるため、小さいスペースでも外部共振器長をコヒーレンス長より十分長くとることが可能となり、半導体レーザ１自身の共振器モードと外部共振器モードとが競合せず、波長選択素子５による安定した波長引き込みが小型な装置で実現できる。
（３）バルク形状の波長選択素子５を使用するため、波長選択素子５の温度制御を容易２つ確実に行うことができ、環境温度に対する基本波波長の変動を抑制できる。
（４）波長選択素子５を収束ビームＢのビームウエストｗ近傍に配置するので、光帰還のための波長選択素子５の角度調整が容易になる。
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で利用できる。
１ 半導体レーザ
２ 光ファイバ
３ 光ファイバ終端部
４ａ，４ｂ レンズ
５ 波長選択素子
６ 波長変換素子
７ａ，７ｂ，７ｃ サーモモジュール
１００ 波長変換レーザ装置
２ 光ファイバ
３ 光ファイバ終端部
４ａ，４ｂ レンズ
５ 波長選択素子
６ 波長変換素子
７ａ，７ｂ，７ｃ サーモモジュール
１００ 波長変換レーザ装置
Claims (3)
- 基本波を発振する半導体レーザと前記基本波の波長を変換して光出力する波長変換素子とを備えた波長変換レーザ装置において、前記半導体レーザの出射側で光結合された光ファイバと、前記光ファイバの出射後に配置されたバルク形状の波長選択素子とを備えるとともに、前記光ファイバの長さが前記基本波のコヒーレンス長よりも長く、前記波長選択素子が反射型ボリュームホログラフィックグレーティングであり、前記光ファイバからの出射光はレンズにより収束ビームとされ、そのビームウエスト位置が前記波長選択素子の内部に配置されることを特徴とする波長変換レーザ装置。
- 請求項１に記載の波長変換レーザ装置において、前記光ファイバからの出射光は前記レンズによりＮＡ＝０．０７以上の収束ビームとされることを特徴とする波長変換レーザ装置。
- 請求項１または請求項２のいずれかに記載の波長変換レーザ装置において、前記半導体レーザと前記波長変換素子と前記波長選択素子とがそれぞれ温度制御されていることを特徴とする波長変換レーザ装置。
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2008
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