JP5194179B1 - 半導体レーザ装置および非線形光学効果利用機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本開示の半導体レーザ装置6は、緩和発振機構を利用した利得スイッチング動作によって、第1パルスと第1パルスの後続成分とを発生する半導体レーザ部3と、半導体レーザ部3からの出力について、チャーピングにより広がった波長帯域のうち少なくとも後続成分に起因して生じる波長帯域の信号を除去するフィルタ4とをそなえ、フィルタ4が、この短波長成分を透過させるショートパスフィルタとして構成される。また、この半導体レーザ装置を利用した非線形光学効果利用機器も提供される。
【選択図】図6
Description
半導体レーザにおいて短パルスを発生させる一方法として、図1に示すような、緩和発振機構を利用した利得スイッチング動作が知られている(下記非特許文献3参照)。
かかる技術の適用例として、チャーピングにより広がったバンド幅で光パルスを発生するレーザダイオード(Laser Diode:以下、LDという)によって発生した光パルスの光スペクトルから、チャーピングによる広がり幅より狭い帯域の信号をバンドパスフィルタで抽出して光パルスの時間幅を短くする技術がある(下記特許文献1参照)。
また、単一縦モード半導体レーザからの光パルスを、パルス圧縮器にてダウンチャープを補償してパルスを圧縮したのち、増幅器にて増幅し、波形整形器にて圧縮されたパルスに含まれる自然放出光雑音及びペデスタル成分除去を行ない、さらに別の増幅器にて増幅することで短パルス光を得る技術がある(下記特許文献2参照)。
また、この技術では、100ピコ秒程度以下の時間幅の電気パルスを発生させるために、パルス発生器にシビアな性能が要求される。さらに、このような性能を発揮させるためパルス発生器に対して細かな調整を行なう必要がある。
また、特許文献2に記載の技術においては、単一縦モード半導体レーザからの光パルスのチャープを補償して当該パルスを圧縮するためにパルス圧縮器が必要である。このため、部品点数が増大し、結果として装置全体の価格が上がってしまう。
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の1つとして位置付けることができる。
本半導体レーザ装置は、該ショートパスフィルタが短波長成分を透過させることにより、上記の後続成分と第1パルスの一部とを含む部分に起因する上記のチャーピングにより広がった波長帯域のうち長波長域の成分と短波長域に成分における長波長側のすそ部分とを含む部分を除去するようにしてもよい。
上記半導体レーザ装置において、該ショートパスフィルタが該エッジフィルタとしての誘電体多層膜フィルタで構成されてもよい。
上記半導体レーザ装置において、該誘電体多層膜フィルタがその遮断特性の急峻性に使用波長依存性を有するようにしてもよい。
さらに、上記半導体レーザ装置において、該フィルタの入力側および出力側のいずれか一方または両方に、光増幅器が設けられてもよい。
また、本非線形光学効果利用機器は、上記半導体レーザ装置を該光源とするレーザ顕微鏡であってもよい。
あるいは、上記非線形光学効果利用機器は、上記半導体レーザ装置を該光源とする非線形波長変換装置であってもよい。
さらに、本発明によれば、半導体レーザと該半導体レーザを駆動するためにサブナノ秒からナノ秒オーダーの励起パルスを発生する励起パルス発生器とを備えたことにより、安価かつメンテナンスが容易な汎用の励起パルス発生器を用いてピコ秒オーダーの極短光パルスを容易かつ確実に得ることができる。
さらに、本半導体レーザ装置を光源として使用した各種非線形光学効果利用機器も提供されるので、各種非線形光学効果利用機器の製造コスト低減に大いに寄与する。
〔A.原理ならびに構成〕
まず、本発明の原理ならびに本発明の一実施形態の構成について説明する。
パルス励起による緩和発振機構を利用した利得スイッチング動作を行なう半導体レーザにおいて、その仕様(スペック)によっては、例えば、図4に示すように、時間波形において、第1パルス30とこの第1パルス30の後続部分31とが発生するものがある。
このタイプの半導体レーザにおいては、例えば、図5に示すように、チャーピングにより広がったバンド幅の発振スペクトルが生ずるが、この場合、利得スイッチング発振時に、時間に依存した発振スペクトルピークの周波数シフトが生じ、発生する光信号が、波長の短い成分(短波長帯域の成分;周波数の高い成分)20と波長の長い成分(長波長帯域の成分;周波数の低い成分)21とからなる。
この半導体レーザ装置6は、半導体レーザ1と励起パルス発生器2とをそなえる半導体レーザ部3と、ショートパスフィルタ4とをそなえる。
この半導体レーザ装置6は、利得スイッチング動作により、半導体レーザ1の仕様と励起パルス発生器2の仕様とを適切に組み合わせることにより、半導体レーザ部3において、時間領域において相互に分離した、前述の第1パルス30と第1パルス30の後続部分31とを発生させるものである(図4参照)。
励起パルス発生器2は、電気パルスまたは光パルスを発生させ、半導体レーザ1に電気パルスまたは光パルスを印加する電気パルス発生器または光パルス発生器が用いられる。励起パルス発生器2は、例えば、−5Vで、600ピコ秒(ps)の電気パルスを発生させる発生器である。この励起パルス発生器2は、サブナノ秒からナノ秒オーダーの電気パルスを発生させるものであり、比較的安価でありメンテナンスも容易である。例えば、励起パルス発生器2は従来用いられていた100ピコ秒オーダーの電気パルス発生器よりも1桁程度安価な電気パルス発生器である。また、励起パルス発生器2は上記で例示した電気パルス発生器と同程度の光パルスを発生させる光パルス発生器でもよい。
半導体レーザ1は、上記のように適切な仕様の励起パルス発生器2と組み合わせた場合、発振時に、発振スペクトルが時間依存性の周波数シフトを生じる。このとき、半導体レーザ部3からの発生パルスは、例えば図4に示すように、時間領域において、急峻かつ短い第1パルス30と、この第1パルス30に後続する、広くなだらかな後続成分31とを含み、これらは、時間的に分離している。この発生パルスは、例えば図5に示すように、短い波長帯域の成分(短波長帯域成分;高周波成分)20と、図4の少なくとも後続成分31に起因して長波長寄りに広がった成分(長波長帯域成分;低周波成分)21とを含む。
なお、ショートパスフィルタ4の前段及び/又は後段に、例えば、エルビウム添加ファイバ増幅器(erbium-doped fiber amplifier:EDFA)などの光増幅器(図示せず)を設けてもよい。なお、例えば、100MHzのパルス繰り返し周波数でパルスを印加する場合等には上記のような光増幅器を設けなくてもよい。
次に、この半導体レーザ装置6の動作について説明する。
図7は、本発明の一実施形態に係る、励起パルス発生器2から半導体レーザ1に印加する電圧パルス波形の例を示す図である。この波形は、例えば、測定時に20dB減衰器(ATT)を使用し、固定ATT3dB後に測定したものである。
この電気パルスによる光励起により、半導体レーザ部3から出力される光パルスの縦軸対数表示スペクトルの例を図8に示す。図8に示すように、この光パルスは、短波長帯域成分20と長波長帯域成分21とを含む。
このように、レーザパルスの光スペクトルが本例では1nm程度以上にも広がっている。この現象はチャーピングと呼ばれる。
図10は、本発明の一実施形態に係る、ショートパスフィルタ4通過後の光パルスの縦軸対数表示スペクトル(オシロスコープ観測)の例を示す図である。前述のようにショートパスフィルタ4は、長波長帯域成分21を除去するショートパスフィルタである。詳細には、前述のようにショートパスフィルタ4は、例えば、短波長成分を透過させるショートパスフィルタとして構成される。
図10においては、図8に示したショートパスフィルタ4通過前の光パルスのスペクトルと比べ、短波長帯域成分20はほとんど変化していないのに対し、長波長帯域成分21は大幅に低減している。
図11においては、図9に示したショートパスフィルタ4通過前の光パルスの時間波形と比較すると、第1パルス30の後続成分31が完全に除去されており、第1パルス30のみが抽出されている。なお、図11において、主パルス30後のリンギングは電気的応答の問題であり、光信号には対応していない。
図12に、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置6において得られた光パルスの強度相関測定の結果の一例を示す。この例では、光パルスの時間幅が6psであると同定されている。
このように、本発明の一実施形態によれば、安価かつメンテナンスが容易な励起パルス発生器2を用いて、簡潔な構成で所望する超短パルス光を容易かつ確実に発生させることができる半導体レーザ装置6を提供することができる。さらに、パルスを圧縮するためのパルス圧縮器等の追加部品が不要であるため、簡潔な構成とすることができ、部品点数を削減し、装置のコストダウンを図ることができる。
上記の半導体レーザ装置6は、レーザ顕微鏡、レーザ加工機、非線形波長変換装置、高調波光発生装置、和周波光発生装置、差周波光発生装置などの各種非線形効果利用機器の光源として使用することができる。
図13に、本発明の一実施形態に係る、上記の半導体レーザ装置6を光源としてそなえる非線形効果利用機器8の例を模式的に示す。
この非線形効果利用機器8は、図13に示すように、例えば、光源6と、光源6からの光を入射する機器部7とをそなえる。
この非線形効果利用機器8は、上記したように、例えば、レーザ顕微鏡、レーザ加工機、非線形波長変換装置、高調波光発生装置、和周波光発生装置、差周波光発生装置などであるが、この場合、機器部7としては、例えば、レーザ顕微鏡機器部、レーザ加工機機器部、非線形波長変換器、高調波光発生器部、和周波光発生器部、差周波光発生器部が挙げられる。ここで、レーザ顕微鏡機器部とはレーザ顕微鏡から光源を取り除いた部分、レーザ加工機機器部とはレーザ加工機機器部から光源を取り除いた部分、非線形波長変換器とは非線形波長変換装置から光源を取り除いた部分を意味する。また、高調波光発生器部とは高調波光発生装置から光源を取り除いた部分、和周波光発生器部とは和周波光発生装置から光源を取り除いた部分、差周波光発生器部とは差周波光発生装置から光源を取り除いた部分を意味する。
図14に示すように、非線形波長変換装置8の非線形波長変換器7は、例えば、非線形波長変換デバイス10と、光フィルタ11とをそなえる。
非線形波長変換デバイス10は、光源6から入射される光の周波数を変換するデバイスである。非線形波長変換デバイス10により波長変換した光を光フィルタ11によって適宜濾波し、所望の非線形効果を付与する。
例えば、本発明の半導体レーザ装置6は、非線形光学効果により、スーパーコンチニュウム光パルス(超広帯域光パルス:optical supercontinuum pulse)の発生が可能となるようなピークパワーの光を発生させるための光源として利用できる。スーパーコンチニュウム光は、光通信、光電子計測、バイオフォトニクス等の様々な応用で用いられている。低平均光のスーパーコンチニュウム光は、生体組織への損傷が問題にならず、バイオメディカルの応用に極めて有用である。
また、本発明に係る半導体レーザ装置6は、半導体レーザ1と励起パルス発生器2との仕様を適切に組み合わせることにより、サブナノ秒から数ナノ秒オーダーの電気パルスまたは光パルスを発生させる励起パルス発生器2を使用して、所望するピコ秒オーダーの超短パルス光を容易かつ確実に発生させることができる。この励起パルス発生器2としては、安価でメンテナンスが容易な汎用の電気パルス発生器又は光パルス発生器が使用可能である。したがって、比較的安価かつメンテナンスが容易な励起パルス発生器2を使用できるため、半導体レーザ装置6のコストを低減することができる。さらに、パルスを圧縮するためのパルス圧縮器等の追加部品が不要であるため、簡潔かつメンテナンスが容易な構成とすることができ、部品点数を削減し、半導体レーザ装置6のコストダウンを更に図ることができる。
さらに、仕様(パラメータ)を調整することにより、適用できる動作の条件範囲が広いという利点も有する。
なお、上述した実施形態に関わらず、本実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態においては、半導体レーザ1から出力される光パルスの長波長帯域成分を除去して短波長帯域成分を抽出しているが、それに限定されるものではなく、光信号の短波長帯域成分に注目してこの短波長帯域成分を抽出するようにしてもよい。
また、上記実施形態において、ショートパスフィルタ4が、少なくとも後続成分31(後続成分31と第1パルス30の一部とを含む部分)に起因する少なくとも長波長域の成分21(長波長域の成分21と短波長帯域の成分20における長波長側のすそ部分とを含む部分)を除去しているが、ショートパスフィルタ4が、後続成分31に起因する長波長域の成分21のみを除去してもよい。これにより、第1パルス30の強度を極力維持しつつ超短パルス化を実現できる。
2 励起パルス発生器
3 半導体レーザ部
4 ショートパスフィルタ(フィルタ)
6 半導体レーザ装置(光源)
7 レーザ顕微鏡機器部、レーザ加工機機器部、非線形波長変換器(機器部)
8 非線形効果利用機器(レーザ顕微鏡、レーザ加工機、非線形波長変換装置)
21 長波長帯域成分(後続成分に起因して生じる波長帯域の信号)
30 第1パルス
31 第1パルスの後続部分
Claims (10)
- 緩和発振機構を利用した利得スイッチング動作によって、第1パルスと該第1パルスの後続成分とから成る光パルス信号を発生する分布帰還型半導体レーザからなる半導体レーザ部と、
該半導体レーザ部からの出力について、チャーピングにより広がった波長帯域のうち少なくとも該後続成分に起因して生じる波長帯域の信号を除去して該第1パルスに起因する成分を抽出し超短パルスを得るためのフィルタとをそなえ、
該フィルタが、エッジフィルタから成り短波長成分を透過させるショートパスフィルタとして構成されたことを特徴とする、半導体レーザ装置。 - 該ショートパスフィルタが短波長成分を透過させることにより、上記の後続成分と第1パルスの一部とを含む部分に起因する上記のチャーピングにより広がった波長帯域のうち長波長域の成分と短波長域に成分における長波長側のすそ部分とを含む部分を除去する
ことを特徴とする、請求項1記載の半導体レーザ装置。 - 該半導体レーザ部が半導体レーザと該半導体レーザを駆動するためにサブナノ秒からナノ秒オーダーの励起パルスを発生する励起パルス発生器とをそなえ、該半導体レーザ部が、緩和発振機構を利用した利得スイッチング動作によって、該第1パルスと該第1パルスの後続成分とから成る光パルス信号を発生するように構成され、
該ショートパスフィルタにより、上記の少なくとも後続成分に起因して生じる波長帯域の信号を除去して該第1パルスに起因する成分を抽出しピコ秒オーダーの超短パルスを得る
ことを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の半導体レーザ装置。 - 該ショートパスフィルタが該エッジフィルタとしての誘電体多層膜フィルタで構成されたことを特徴とする、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 該誘電体多層膜フィルタがその遮断特性の急峻性に使用波長依存性を有していることを特徴とする、請求項4記載の半導体レーザ装置。
- 該フィルタの入力側および出力側のいずれか一方または両方に、光増幅器が設けられたことを特徴とする、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体レーザ装置を光源として有し、該光源からの光信号による非線形光学効果を利用する機器部とをそなえて構成されたことを特徴とする、非線形光学効果利用機器。
- 該非線形光学効果利用機器が、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体レーザ装置を光源とするレーザ顕微鏡である請求項7記載の非線形光学効果利用機器。
- 該非線形光学効果利用機器が、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体レーザ装置を光源とするレーザ加工機である請求項7記載の非線形光学効果利用機器。
- 該非線形光学効果利用機器が、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体レーザ装置を光源とする非線形波長変換装置である請求項7記載の非線形光学効果利用機器。
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