JP5224445B2 - レーザ光源装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ光源装置、特に出射されるレーザ光のスペックルを低減させたレーザ光源装置に関するものである。

従来、内視鏡、干渉計等に利用される照明装置として、レーザ光源装置が使用されている。このような照明装置には、均一な照射光が要求されるが、レーザ光源装置を用いた照明装置においては、レーザ光の有する可干渉性により照明のムラ（以下、スペックルという）が発生することにより、照明性能が劣化する虞がある。また、レーザ光源装置を照明装置として利用する画像取得装置においては、取得画像の画質を著しく低下させる虞もある。

特許文献１には、単一コアのマルチモード光ファイバの中間部付近を振動させることにより、スペックルを低減するレーザ光源装置が提案されている。また、特許文献２には、マルチモード光ファイバに屈曲を形成することにより、導波するレーザ光の位相を制御する光位相制御手段を設けたレーザ光源装置が提案されている。さらに、特許文献３には、レーザ光を各光ファイバ長の差がコヒーレント長以上であるマルチモード光ファイバからなる光ファイババンドルに入射させ、この光ファイババンドルの出射端からレーザ光を取り出すことにより、スペックルを低減するレーザ光源装置が提案されている。
特開２００３−１５６６９８号公報 特開２００４−２９５１３０号公報 特開平６−１６７６４０号公報

しかしながら、スペックル現象はレーザ光の可干渉性が要因であり、特許文献１乃至３に記載のレーザ光源装置において、レーザ光の可干渉性の低減が十分でない場合には、マルチモード光ファイバでの多モード間結合に変調を与えてもスペックルの低減効果は視認されない可能性がある。すなわち、特許文献１乃至３に記載のレーザ光源装置においては、マルチモード光ファイバを導波するレーザ光の残留偏波成分が大きいと、スペックル低減効果が視認されないことを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。

また、特許文献３に記載のレーザ光源装置における各ファイバ長の差がコヒーレント長以上であるファイババンドルの製作は困難であり、レーザ光源装置のコストアップになる虞がある。

本発明は、上記事情に鑑み、レーザ光の可干渉性を低減させることにより、スペックル低減を視認レベルで安価に実現できるレーザ光源装置を提供することを目的とするものである。

以上の課題を解決するために、本発明のレーザ光源装置は、光源と第１光導波路を有し、光源からの光が第１光導波路の出射端から射出されるレーザモジュール、第１光導波路に接続され、この第１光導波路の出射端から射出された射出光を入射端から入射させ、導波させる第２光導波路、この第２光導波路の近傍に配置され、第２光導波路に強度変調を加える強度変調手段とを備え、第２光導波路の入射端のコア径が、第１光導波路の出射端のコア径よりも大きいことを特徴とするものである。

また、本発明のレーザ光源装置において、第１光導波路が、この第１光導波路の出射端での光軸と第２光導波路の入射端での光軸がオフセットした位置で、第２光導波路と接続され、このオフセット位置での第１光導波路の出射端のコアが、第２光導波路の入射端のコア内に位置するようにしてもよい。

ここで、「光軸」とは、導波路の長手方向に延びるコアの中心軸を意味するものである。上記「オフセット位置」とは、互いの光軸は略平行であって、光軸と略垂直な面において光軸同士が一定の距離を有した位置にあることを意味するものである。上記「コア内に位置」とは、出射端のコアを入射端のコアに投影した場合に、投影された出射端のコアが入射端のコアの内部に含まれる位置にあることを意味するものである。

また、本発明のレーザ光源装置において、第１光導波路の出射端でのコア断面積が、出射端より光源側の位置でのコア断面積よりも小さいものとなるようにしてもよい。

ここで、「コア断面積」とは、光軸に略垂直な面でのコアの断面積を意味するものである。

また、本発明のレーザ光源装置において、第１光導波路が光ファイバであって、この光ファイバのコア径が３３μｍであり、第２光導波路がマルチモード光ファイバであって、このマルチモード光ファイバのコア径が、６０μｍ、２０５μｍ、および２３０μｍからなる群から選ばれる一つとなるようにしてもよい。さらに、第２光導波路は、この第２光導波路から出射した光の残留偏波成分が３０％程度以下となるファイバ長を有するものであってもよい。

また、本発明のレーザ光源装置において、強度変調手段が、アクチュエータによる振動であってもよい。さらに、このアクチュエータは振動モータ、若しくはピエゾ素子であってもよい。

本発明のレーザ光源装置によれば、第２光導波路から出射されるレーザ光の残留偏波成分は、第２光導波路を導波することにより低減される。したがって、レーザ光の可干渉性が十分に低減された状態で第２光導波路に強度変調を与えることにより、スペックル低減の視認が可能となる。また、光ファイババンドル等の製作の必要性もなく、レーザ光源装置のコストアップも回避できる。これにより、レーザ光の可干渉性を低減することによるスペックル低減の視認を安価に実現することができる。

以下、本発明のレーザ光源装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のレーザ光源装置１の概略構成図である。レーザ光源装置１は、図１に示すように、光ファイバ２を有し、この光ファイバ２からレーザ光Ｌを射出するレーザモジュール３、ファイバ２と光コネクタ４を介して接続されたマルチモード光ファイバ５、このマルチモード光ファイバ５の曲げ部分５ａに振動を与えるアクチュエータ６から構成されている。

レーザモジュール３は、図示しないレーザパッケージを含む光源ユニット７と、この光源ユニット７からのレーザＬを集光させて光ファイバ２に入射させる集光光学系８を備えている。本実施形態においては、一例として波長４０５ｎｍ、１００ｍＷのレーザ光Ｌが射出されるが、これに限定されるものではない。

本実施形態において、光ファイバ２は、コア径３３μｍ、ファイバ長ＬＥが１ｍのマルチモード光ファイバであり、マルチモード光ファイバ５は、コア径２０５μｍ、ファイバ長ＬＥが３ｍであるが、後述するように、これに限定されるものではない。

次に、本発明のレーザ光源装置１に使用されるマルチモード光ファイバ５について詳細に説明する。本発明者は、図２に示すような測定系１０を使用して、６０μｍ、２０５μｍ、２３０μｍの三種類のコア径を有するマルチモード光ファイバから射出したレーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰとファイバ長ＬＥとの相関を測定した。

測定系１０は、光ファイバ２の代わりに上述のマルチモード光ファイバを有するレーザモジュール３、レーザ光を平行光にする出力側レンズ１１、偏光子１２、パワーメータ１３から構成される。図２において、レーザ光源装置１と同一の部位には同一の番号を付し、その説明は省略する。

残留偏波成分ＲＰの測定は、レーザモジュール３から出射したレーザ光Ｌが、上述のマルチモード光ファイバに入射され、導波された光Ｌが出力側レンズ１１を介して偏光子１２に入射する。偏光子１２通過後のレーザ光Ｌのパワーを測定し、図２に示すように、マルチモード光ファイバに外乱を与えることにより、レーザ光Ｌのパワー変動を測定する。すなわち、残留偏波成分ＲＰとは、残留偏波成分ＲＰ（％）＝ 最小パワー／最大パワーで定義されるものである。また、偏光子１２を除き、パワーメータ１３の代わりに偏波アナライザを使用することで、レーザ光Ｌの可干渉性を偏光度（ＤＯＰ Degree of polarization）を測定することにより、精度よく測定が可能となる。

ここで、偏光度ＤＯＰとは、偏光度ＤＯＰ＝（Ｓ_１ ^２＋Ｓ_２ ^２＋Ｓ_３ ^２）^０．５／Ｓ_０ で定義されるものであり、Ｓ_０は全光パワー、Ｓ_１は直線偏波成分、Ｓ_２は傾き成分、Ｓ_３は円偏波成分を示すものである。

図３は、測定系１０による、上述した三種類のコア径を有するマルチモード光ファイバ５から射出されたレーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰとファイバ長ＬＥとの相関を示す図である。図３に示すように、コア径６０μｍ、ファイバ長ＬＥが１ｍ（図中ポイントＡ）では、マルチモード光ファイバ５から射出されたレーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰは４８％程度であり、コア径６０μｍ、ファイバ長ＬＥが６ｍ（図中ポイントＢ）およびコア径２０５μｍ、ファイバ長ＬＥが３ｍ（図中ポイントＣ）においては、マルチモード光ファイバ５から射出されたレーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰは１３％程度となる。

次に、上述の図中ポイントＡ乃至Ｃにおけるコア径およびファイバ長ＬＥを有するマルチモード光ファイバを、本発明のレーザ光源装置１のマルチモード光ファイバ５として使用し、このマルチモード光ファイバ５の曲げ部分５ａにアクチュエータ６からの振動を与えた場合の近視野像ＮＦＰ（Near Point Field）について説明する。ここで、近視野像ＮＦＰは、レーザ光源装置１のマルチモード光ファイバ５の出射端にＮＦＰ測定系を接続することにより観測した。

図３においては、図中ポイントＡ乃至Ｃでのコア径およびファイバ長ＬＥを有するマルチモード光ファイバを使用した場合の近視野像ＮＦＰをも示している。この図３が示すように、残留偏波成分ＲＰが４８％程度（図中ポイントＡ）の場合は、アクチュエータ６が振動を与えることによる、近視野像ＮＦＰでのスペックル低減は、視認レベルでの確認は困難であるが、残留偏波成分ＲＰが１３％程度（図中ポイントＢおよびＣ）の場合は、アクチュエータ６が振動を与えることによる、近視野像ＮＦＰのスペックル低減は視認レベルとなる。なお、ポイントＢおよびＣにおける近視野像ＮＦＰが、左図が振動前、右図が振動中の近視野像ＮＦＰを示している。

本発明者は、上述の方法により、６０μｍ、２０５μｍ、２３０μｍの三種類のコア径を有するマルチモード光ファイバの近視野像ＮＦＰの観測を繰り返した結果、マルチモード光ファイバ５から射出されるレーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰが３０％程度以下となるファイバ長ＬＥを有する場合には、スペックル低減は視認レベルとなることを見出した。また、マルチモード光ファイバ５の、ファイバ長ＬＥが長い程、コア径が大きい程、並びに曲げ部５ａの曲げ径が小さい程、スペックル低減の視認が容易であることも見出した。さらに、マルチモード光ファイバ５から射出したレーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰが小さい程、与える振動の振幅が小さくてもよいことも見出した。

したがって、本発明のマルチモード光ファイバ５は、このマルチモード光ファイバ５から射出されたレーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰが、３０％程度以下、望ましくは１５％程度以下となるようなコア径およびファイバ長ＬＥを有するマルチモード光ファイバである。

また、マルチモード光ファイバ５の入射端５ｂでのコア径を光ファイバ２の入射端２ａでのコア径よりも大きくすることにより、このマルチモード光ファイバ５に入射したレーザ光Ｌのマルチモード光ファイバ５での光路長差が大きくなり残留偏波成分ＲＰが小さくなる。

本実施形態において、光ファイバ２は上述のとおり、コア径３３μｍ、ファイバ長ＬＥ１ｍのマルチモード光ファイバであるが、これに限定されるものではない。レーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰを低減させるマルチモード光ファイバ５に接続されている場合にあっては、光ファイバ２は、光源ユニット７からレーザ光Ｌを導波させるものであればよく、例えば、コア径が６０μｍ以下のマルチモード光ファイバ、またはコア径が１０μｍ程度のシングルモード光ファイバであってもよい。

また、他の実施形態において、光ファイバ２は、出射端２ａでのコア断面積が、出射端２ａよりも光源ユニット７に近い部分のコア断面積よりも小さくなるように、光ファイバ２の出射端２ａの近傍をテーパ形状としてもよい。これにより、光ファイバ２を導波するレーザ光Ｌの高ＮＡ成分が励起され、マルチモード光ファイバ５に入射したレーザ光Ｌの多モード間結合による残留偏波成分ＲＰがより小さくなる。

次に、光ファイバ２とマルチモード光ファイバ５との接続について説明する。図４Ａは、光ファイバ２の出力端２ａでの断面図、図４Ｂは、マルチモード光ファイバ５の入射端５ｂでの断面図、図４Ｃは、オフセット位置での光ファイバ２の出力端２ａでの断面図を示すものである。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、光ファイバ２とマルチモード光ファイバ５は、出射端２ａでの光軸ＬＰ１と入射端５ｂでの光軸ＬＰ２が同軸となる位置で接続されている。なお、本実施形態においては、光コネクタ４を介して光ファイバ２とマルチモード光ファイバ５を接続しているが、これに限定されるものではなく、光ファイバ２とマルチモード光ファイバ５とを融着接続することも可能である。

また、他の実施形態においては、図４Ｃに示すように、光ファイバ２がコネクタ４のフェルールの軸とオフセットした位置において熱硬化性のエポキシ材料等で固定される。すなわち、光ファイバ２は、出力端２ａでの光軸ＬＰ１が、マルチモード光ファイバ５の入力端５ｂでの光軸ＬＰ２と略平行であって、光軸と垂直な面において一定の距離を有するオフセット位置で、マルチモード光ファイバ５と接続されるようにしてもよい。また、オフセットは、外径の細い光ファイバ２を使用することでも可能である。ここで、オフセット量は、光ファイバ２のコア２ｂをマルチモード光ファイバ５の入射端のコア５ｃに投影させた場合に、マルチモード光ファイバ５のコア５ｃの内部となる範囲内とする。これにより、光ファイバ２の出力端２ａからのレーザ光Ｌが、マルチモード光ファイバ５のコア５ｃの周近傍に入射し、この入射したレーザ光Ｌのマルチモード光ファイバ５での光路長差が大きくなることにより、残留偏波成分ＲＰがより小さくなる。

アクチュエータ６は、可干渉性が低減されたレーザ光Ｌのスペックルパターンを照明面内で振動させることにより、スペックルパターンを重畳させるものである。具体的に、本実施形態においては、アクチュエータ６に振動モータを使用し、振幅１ｍｍ程度の振動を変調としてマルチモードファイバ５に与えるものであるが、これに限定されるものではない。上述したとおり、マルチモード光ファイバ５から出射したレーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰが小さい程、振動させる振幅は小さいものであってもよい。したがって、レーザ光Ｌの残留偏波成分ＲＰが十分に小さい場合には、振幅が数μｍ程度のピエゾ素子によるアクチュエータであってもよい。また、本実施形態においては、アクチュエータ６を使用してマルチモード光ファイバ５に振動を与えることにより強度変調させているが、これに限定されるものではない。マルチモード光ファイバ５での多モード間結合に、物理的なねじり、引っ張り等を与えることにより行ってもよい。

本発明のレーザ光源装置１は、レーザモジュール３からのレーザ光Ｌが、マルチモード光ファイバ５に入射され、このマルチモード光ファイバ５での多モード間結合により残留偏波成分ＲＰが低減される。したがって、レーザ光Ｌの可干渉性が十分に低減された状態でアクチュエータ６により強度変調されるため、マルチモード光ファイバ５の出射端での近視野像ＮＦＰでのスペックル低減が視認レベルとなる。また、本発明のレーザ光源装置１は、各ファイバ長ＬＥの差がコヒーレント長以上であるファイババンドルも使用していないため、製作が容易であり、コストアップの問題も生じない。

したがって、本発明のレーザ光源装置１は、スペックル低減を視認レベルで安価に実現できるものである。

本発明のレーザ光源装置の概略構成図 レーザ光Ｌの残留偏波成分の測定系の概略構成図 レーザ光Ｌの残留偏波成分とマルチモード光ファイバのファイバ長との相関図 光ファイバ２の出力端２ａでの断面図 マルチモード光ファイバ５の入射端５ｂでの断面図 オフセット位置での光ファイバ２の出力端２ａでの断面図

符号の説明

Ｌ レーザ光
ＬＥ ファイバ長
ＬＰ１ 光ファイバ２の光軸
ＬＰ２ マルチモード光ファイバ５の光軸
ＲＰ 残留偏波成分
１ レーザ光源装置
２ 第１光導波路、光ファイバ
２ａ 出射端
２ｂ 光ファイバ２のコア
３ レーザモジュール
５ 第２光導波路、マルチモード光ファイバ
５ｂ 入射端
５ｃ マルチモード光ファイバ５のコア
６ 強度変調手段、アクチュエータ
７ 光源ユニット

Claims (4)

1. 光源と第１光導波路を有し、前記光源からの光が前記第１光導波路の出射端から射出されるレーザモジュールと、
   前記第１光導波路に接続され、該第１光導波路の出射端から射出された射出光を入射端から入射させ、導波させる第２光導波路と、
   該第２光導波路の近傍に配置され、該第２光導波路にアクチュエータによる振動、物理的なねじり、または引っ張りによる強度変調を加える強度変調手段とを備え、
   前記第２光導波路の入射端でのコア径が、前記第１光導波路の出射端でのコア径よりも大きいものであり、
   前記第１光導波路が、該第１光導波路の前記出射端での光軸と前記第２光導波路の前記入射端での光軸がオフセットした位置で、前記第２光導波路と接続され、
   該オフセット位置での前記第１光導波路の前記出射端のコアが、前記第２光導波路の前記入射端のコア内に位置するとともに、前記第１光導波路の前記出射端でのコア断面積が、前記出射端より光源側の位置でのコア断面積よりも小さいものであることを特徴とするレーザ光源装置。
2. 前記第１光導波路が、光ファイバであって、該光ファイバのコア径が３３μｍであり、
   前記第２光導波路が、マルチモード光ファイバであって、該マルチモード光ファイバのコア径が、６０μｍ、２０５μｍ、および２３０μｍからなる群から選ばれる一つであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 前記アクチュエータが、振動モータであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
4. 前記アクチュエータが、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。