JP5266344B2 - Deflection light source - Google Patents

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Description

本発明は、偏向光源に関する。より詳細には、電気光学素子を用いて光ビームの進行方向を制御する偏向光源に関する。   The present invention relates to a deflection light source. More specifically, the present invention relates to a deflection light source that controls the traveling direction of a light beam using an electro-optic element.

光ビームスキャナは、光の最も基本的な性質の1つである進行方向を制御する素子であり、プリンティング、ディスプレイ、イメージング、センシング、光通信などの様々な分野で利用されている。また、光ビームスキャナと光源を一体化した偏向光源は、測位観測システム、車両安全システム、医療システム、自動認識など幅広い分野に使用されている。   The light beam scanner is an element that controls a traveling direction, which is one of the most basic properties of light, and is used in various fields such as printing, display, imaging, sensing, and optical communication. In addition, a deflected light source in which a light beam scanner and a light source are integrated is used in a wide range of fields such as a positioning observation system, a vehicle safety system, a medical system, and automatic recognition.

従来、光を偏向させる技術としては、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、音響光学効果を利用した光回折型の光偏向器などを利用したものがある。さらに、電気光学結晶(EO結晶)を用いた光機能部品が実用化されるに至っている。   Conventionally, as a technique for deflecting light, there are techniques using a polygon mirror, a galvanometer mirror, a light diffraction type optical deflector utilizing an acoustooptic effect, and the like. Furthermore, optical functional parts using electro-optic crystals (EO crystals) have come into practical use.

上記の光機能部品は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶の屈折率が変化する性質を利用している。電気光学結晶を用いた偏向方法は、電気光学効果の速度限界まで応答可能であり、GHzを超える応答が可能となる。これまでに、電気光学結晶を用いた光偏向素子として、LiNbO3(以下、LN結晶という)、PLZTを用いたプリズム形素子の報告がある。しかしながら、LN結晶を用いた素子では、電気光学効果が小さいため、5kV/mm程度の電圧を印加しても3mrad程度の偏向角しか得られないという欠点があった。PLZTを用いた素子においても、20kV/mmの印加電界に対して45mrad程度の偏向角が限界であった。 The above optical functional component utilizes the property that when a voltage is applied to the electro-optic crystal, the refractive index of the crystal changes due to the electro-optic effect. The deflection method using the electro-optic crystal can respond to the speed limit of the electro-optic effect, and can respond exceeding GHz. Up to now, there have been reports of prism-shaped elements using LiNbO 3 (hereinafter referred to as LN crystal) and PLZT as optical deflecting elements using electro-optic crystals. However, since an element using an LN crystal has a small electro-optic effect, there is a drawback that only a deflection angle of about 3 mrad can be obtained even when a voltage of about 5 kV / mm is applied. Even in an element using PLZT, a deflection angle of about 45 mrad with respect to an applied electric field of 20 kV / mm was the limit.

上述の電気光学結晶では、電気光学定数が小さいために、実用的な偏向角度の光偏向器を構成しようとすれば、印加電圧がkVオーダーになってしまう。kVオーダーの電圧を高速に変調するためには、駆動回路に大きな負荷がかかり、装置の大型化が避けられないという問題が生じた。また、kVオーダーの電圧を高速に変調すると高周波ノイズが発生し、周辺機器へノイズが混入する問題も生じた。   In the above-described electro-optic crystal, since the electro-optic constant is small, if an optical deflector having a practical deflection angle is to be constructed, the applied voltage becomes on the order of kV. In order to modulate a kV order voltage at high speed, a large load is applied to the drive circuit, resulting in a problem that an increase in the size of the apparatus cannot be avoided. Further, when a voltage in the order of kV is modulated at high speed, high frequency noise is generated, and there is a problem that noise is mixed into peripheral devices.

このような中で、タンタル酸ニオブ酸リチウム(KTa1-xNbx3(0<x<1):以下KTN)結晶を用いた新しい動作原理に基づいて、広い偏向角を持ちかつ低電圧動作の偏向現象を利用した光ビームスキャナが新たに注目されている(特許文献1、非特許文献1)。KTNにおいては、二次の電気光学効果であるKerr効果の発現を利用している。また、KTNは、単純な矩形の結晶とその上下面に作成した平行平板電極とからなる構成によって動作させることができる点にも特徴がある。偏向方向は、KTN結晶に印加する電界と同じ方向となる。非特許文献1によれば、わずか±500V/mmの印加電圧と5.0mmの相互作用長で、±127mrad程度もの偏向角が得られている。KTNを使用した光ビームスキャナは、低電圧動作で広角に偏向が可能であるという優れた利点を有している。可動ミラー(ポリゴンミラーやがガルバノメータ)と比べると、素子サイズおよび動作速度を考慮すれば、偏向角を100倍とすることができる。KTNと同様な効果を持つ材料としては、他にさらにリチウムを添加したK1-yLiyTa1-xNbx3(0<x<1、0<y<1)などがある。 Under such circumstances, based on a new operating principle using a lithium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1): hereinafter referred to as KTN) crystal, it has a wide deflection angle and a low voltage. An optical beam scanner using the deflection phenomenon of operation is newly attracting attention (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). KTN uses the expression of the Kerr effect, which is a secondary electro-optic effect. KTN is also characterized in that it can be operated by a configuration comprising a simple rectangular crystal and parallel plate electrodes formed on the upper and lower surfaces thereof. The deflection direction is the same direction as the electric field applied to the KTN crystal. According to Non-Patent Document 1, a deflection angle of about ± 127 mrad is obtained with an applied voltage of only ± 500 V / mm and an interaction length of 5.0 mm. The light beam scanner using KTN has an excellent advantage that it can be deflected at a wide angle with low voltage operation. Compared with a movable mirror (polygon mirror or galvanometer), the deflection angle can be made 100 times in consideration of the element size and the operation speed. Other materials having the same effect as KTN include K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) to which lithium is further added.

国際公開公報 WO 2006/137408 A1 明細書International Publication WO 2006/137408 A1 Specification

NTT技術ジャーナル2007年12月号、ページ56−59NTT Technical Journal December 2007, Pages 56-59

しかしながら、KTN結晶等を用いた光ビームスキャナを利用した偏向光源には、依然として次に述べるような課題があった。偏向光源の応用分野によっては、偏向した光ビームで対象物をスキャンすることによって画像を得る場合がある。このような用途では、偏向光源でスキャンされる光ビームによって得られる光ビームの照射面(線)が、一定レベルの分解能を持っている必要がある。例えば、現在のプリンタやデジタルカメラなどのイメージング機器では、1つの方向の偏向範囲で1000程度の分解能が求められる。また、測位観測システム、車両安全システムなどの比較的遠距離を伝播させる応用分野においても、同様に所定の空間解像度が求められる。   However, the deflection light source using a light beam scanner using a KTN crystal still has the following problems. Depending on the application field of the deflecting light source, an image may be obtained by scanning an object with a deflected light beam. In such an application, it is necessary that the irradiation surface (line) of the light beam obtained by the light beam scanned by the deflecting light source has a certain level of resolution. For example, current imaging devices such as printers and digital cameras require a resolution of about 1000 within a deflection range in one direction. In addition, a predetermined spatial resolution is also required in the field of application that propagates a relatively long distance, such as a positioning observation system and a vehicle safety system.

従来技術による、KTN結晶を使わない偏向光源では、偏向を生じさせる位置においてビーム径を十分に太くできたので問題は生じなかったが、KTN結晶等を用いた光ビームスキャナをこのような応用分野で利用する場合、偏向光源のビーム偏向範囲における解像点数が十分に確保できない問題があった。尚、解像点数の定義については、後述する。   In the conventional deflecting light source that does not use the KTN crystal, the beam diameter can be made sufficiently thick at the position where the deflection is generated, so there is no problem. However, the optical beam scanner using the KTN crystal or the like is used in such an application field. However, there is a problem that the number of resolution points in the beam deflection range of the deflection light source cannot be sufficiently secured. The definition of the number of resolution points will be described later.

図1は、KTN結晶を利用した偏向光源の動作原理を説明する図である。偏向光源500は、光源501で生成された光ビーム507を、光スイッチ509および電気光学偏向器503によって制御する。光源501からの光ビーム507は、光スイッチ509によってオン・オフ制御される。このオン・オフ制御は、制御信号源506から印加される制御信号によって行われる。光源501としては、例えば、半導体レーザダイオードなどを利用できる。また、光スイッチ509としては、例えば、電気光学〔EO〕変調器、音響光学〔AO〕変調器を利用できる。   FIG. 1 is a diagram for explaining the operating principle of a deflection light source using a KTN crystal. The deflection light source 500 controls the light beam 507 generated by the light source 501 by the optical switch 509 and the electro-optic deflector 503. The light beam 507 from the light source 501 is on / off controlled by an optical switch 509. This on / off control is performed by a control signal applied from the control signal source 506. For example, a semiconductor laser diode can be used as the light source 501. As the optical switch 509, for example, an electro-optic [EO] modulator or an acousto-optic [AO] modulator can be used.

光スイッチ509でオンオフ制御された光ビームは、さらに、KTN結晶505で構成された電気光学偏向器503によって、偏向を受ける。電気光学偏向器503は、例えば矩形状のKTN結晶の対向する上下面に平行平板電極502a、502bが形成された構造を持つ。制御電圧源504が2つの電極502a、502b間に接続されて、KTN結晶505に電圧が印加され、印加電圧に応じた偏向が生じる。KTN結晶チップ505内に、x軸方向に光ビームを透過させる場合を考える。電極502a、502bからKTN結晶505へ電圧を印加すると、KTN結晶チップの断面において電界を掛けた方向(y方向)に屈折率分布が生じる。このため、光ビームはy方向に偏向し、出射光508に対してビームスキャン(偏向)動作が行なわれる。   The light beam that is on / off controlled by the optical switch 509 is further deflected by an electro-optic deflector 503 including a KTN crystal 505. The electro-optic deflector 503 has a structure in which, for example, parallel plate electrodes 502a and 502b are formed on opposite upper and lower surfaces of a rectangular KTN crystal. A control voltage source 504 is connected between the two electrodes 502a and 502b, and a voltage is applied to the KTN crystal 505, and a deflection corresponding to the applied voltage occurs. Consider a case where a light beam is transmitted through the KTN crystal chip 505 in the x-axis direction. When a voltage is applied from the electrodes 502a and 502b to the KTN crystal 505, a refractive index distribution is generated in the direction (y direction) where an electric field is applied in the cross section of the KTN crystal chip. Therefore, the light beam is deflected in the y direction, and a beam scan (deflection) operation is performed on the emitted light 508.

上述のような構成のKTN結晶チップを利用した偏向光源500では、ビーム径が細く絞られたことに起因するビーム拡がりの影響を無視できない。先にも述べたとおり、従来の電気光学結晶の場合と比べれば、KTN結晶を利用した偏向光源では制御電圧を500V/mm程度に抑えることができる。しかしながら、取り扱い易い実用的な制御電圧の範囲を考慮すると、KTN結晶チップの厚さは1mm以下とならざるを得ない。従って、図1における光源501から出射して、電気光学偏向器503へ入射する光ビームは、例えば、0.5mm程度のビーム径に絞った状態としなければならない。   In the deflection light source 500 using the KTN crystal chip having the above-described configuration, the influence of the beam expansion due to the narrowing of the beam diameter cannot be ignored. As described above, the control voltage can be suppressed to about 500 V / mm in the deflection light source using the KTN crystal as compared with the conventional electro-optic crystal. However, considering the range of practical control voltages that are easy to handle, the thickness of the KTN crystal chip must be 1 mm or less. Therefore, the light beam emitted from the light source 501 in FIG. 1 and entering the electro-optic deflector 503 must be in a state of being narrowed to a beam diameter of about 0.5 mm, for example.

図2は、KTNを利用した偏向光源におけるビーム拡がりを説明する図である。図2の左側よりx軸方向に入射する光ビーム507は、KTN結晶内を通過すると、y方向に偏向を受ける。図2では、y軸の下方に最大に偏向を受けた状態を示しており、最大偏向角度2θMAXが定義されている。入射ビーム507は、KTN内に0.5mm程度のビーム径を持った状態で入射して、偏向を受ける。一般に、ビーム径が細い状態で伝播する光ビームは、回折のために電気光学偏向器503から出た後で伝播するにつれ、ビーム拡がりを生じる。図2に示したように、ビームの拡がり角は2Δθとして表される。偏向光源(ビームスキャナ)の空間分解能を表す指標として、分解点数(N)を式(1)で定義することができる。
N= 2θMAX/2Δθ 式(1)
通常、バーコードスキャナなどでは300、プリンタなどで使用される偏向光源では1000もの分解点数が必要とされる。しかしながら、KTNを利用した偏向光源では、20〜70程度の分解点数しか得られない。
FIG. 2 is a diagram for explaining beam expansion in a deflecting light source using KTN. The light beam 507 incident in the x-axis direction from the left side of FIG. 2 is deflected in the y direction when passing through the KTN crystal. FIG. 2 shows a state where the deflection is maximized below the y-axis, and a maximum deflection angle 2θ MAX is defined. The incident beam 507 enters the KTN with a beam diameter of about 0.5 mm and is deflected. In general, a light beam propagating with a narrow beam diameter causes beam divergence as it propagates after exiting the electro-optic deflector 503 for diffraction. As shown in FIG. 2, the beam divergence angle is expressed as 2Δθ. As an index representing the spatial resolution of the deflecting light source (beam scanner), the number of decomposition points (N) can be defined by equation (1).
N = 2θ MAX / 2Δθ Formula (1)
Normally, 300 barcodes are required for a barcode scanner or the like, and 1000 disassembly points are required for a deflection light source used in a printer or the like. However, with a deflecting light source using KTN, only about 20 to 70 decomposition points can be obtained.

KTNを利用した偏向光源は、極めて高速のスキャンが可能であり、小型で高速のイメージング機器に利用可能である。また、振動などにも強いという長所があるため、例えば、車載用の衝突防止システムや一般の野外で使用される測位システムなどにも好適であるが、上述のように空間の分解点数が十分でない問題があった。本発明は、このような問題点に鑑み、KTNを利用した偏向光源の長所をそのまま維持しながら、分解点数を大幅に改善した偏向光源を提供することを目的とする。   A deflecting light source using KTN is capable of extremely high-speed scanning, and can be used for a small and high-speed imaging apparatus. In addition, because it is strong against vibration, it is suitable for, for example, a vehicle-mounted collision prevention system or a general positioning system used outdoors, but the number of space decomposition points is not sufficient as described above. There was a problem. The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a deflecting light source that greatly improves the number of decomposition points while maintaining the advantages of the deflecting light source using KTN.

上記目的を達成するために、請求項1の発明は、発生する光ビームの出射方向を電圧によって制御する偏向光源において、前記電圧が印加される電気光学偏向器を含み、出力光の波長が前記電圧によって制御される波長可変光源部であって、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する第1の回折格子とを含み、前記利得媒質と前記第1の回折格子とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記第1の回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置されている、波長可変光源部と、前記波長可変光源部の出力光が入射し、該出力光の波長変化を前記光ビームの出射方向の変化に変換する角度分散部であって、前記第1の回折格子よりも小さい回折格子ピッチを有する第2の回折格子を少なくとも含む角度分散部とを備えたことを特徴とする偏向光源である。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is a deflection light source that controls the emission direction of a generated light beam by a voltage, including an electro-optic deflector to which the voltage is applied, and the wavelength of output light is A wavelength tunable light source unit controlled by a voltage , including a gain medium and a first diffraction grating on which light from one end of the gain medium is incident, wherein the gain medium and the first diffraction grating are optical The electro-optic deflector is disposed between the gain medium and the first diffraction grating and is disposed on an optical path formed by the resonator. A wavelength tunable light source unit and an angle dispersion unit that receives the output light of the wavelength tunable light source unit and converts the wavelength change of the output light into a change in the emission direction of the light beam, from the first diffraction grating Also has a small grating pitch A deflection light source characterized by comprising at least comprises angular dispersion unit 2 of the diffraction grating.

ここで、波長可変光源部は、発明の詳細の説明における、波長可変型のレーザ発振器部に対応する。   Here, the tunable light source unit corresponds to the tunable laser oscillator unit in the detailed description of the invention.

請求項2の発明は、発生する光ビームの出射方向を電圧によって制御する偏向光源において、前記電圧が印加される電気光学偏向器を含み、出力光の波長が前記電圧によって制御される波長可変光源部であって、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する第1の回折格子と、前記第1の回折格子への前記入射光の回折光が直入射する端面鏡とを含み、前記第1の回折格子を介して前記利得媒質と前記端面鏡とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記第1の回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置された波長可変光源部と、前記波長可変光源部の出力光が入射し、該出力光の波長変化を前記光ビームの出射方向の変化に変換する角度分散部であって、前記第1の回折格子よりも小さい回折格子ピッチを有する第2の回折格子を少なくとも含む角度分散部とを備え、前記第1の回折格子への前記電気光学偏向器側からの光入射角θと、該第1の回折格子への前記端面鏡側からの光入射角φとの間に、|θ|>|φ|の関係が存在することを特徴とする偏向光源であるAccording to a second aspect of the present invention, there is provided a deflecting light source that controls an emission direction of a generated light beam by a voltage, an electro-optic deflector to which the voltage is applied, and a wavelength tunable light source in which the wavelength of output light is controlled by the voltage A gain medium; a first diffraction grating on which light from one end of the gain medium is incident; and an end face mirror on which the diffracted light of the incident light directly enters the first diffraction grating. And a resonator in which the gain medium and the end mirror are optically connected via the first diffraction grating, and the electro-optic deflector includes the gain medium and the first diffraction grating. The wavelength tunable light source unit disposed on the optical path formed by the resonator and the output light of the wavelength tunable light source unit are incident, and the wavelength change of the output light is changed in the emission direction of the light beam. An angle dispersion unit for converting into a change, An angle dispersion unit including at least a second diffraction grating having a diffraction grating pitch smaller than one diffraction grating, and a light incident angle θ from the electro-optic deflector side to the first diffraction grating, A deflection light source characterized in that there is a relationship of | θ |> | φ | with respect to a light incident angle φ from the end mirror to the first diffraction grating .

請求項の発明は、請求項の偏向光源であって、前記第1の回折格子は平面回折格子であり、前記電気光学偏向器と該第1の回折格子との間の光路長lが、残余の共振器の光路長lとの間で、前記光入射角θおよび前記光入射角φを含む式 A third aspect of the present invention is the deflecting light source according to the second aspect , wherein the first diffraction grating is a planar diffraction grating, and an optical path length l 2 between the electro-optic deflector and the first diffraction grating. Includes the light incident angle θ and the light incident angle φ with respect to the optical path length l 1 of the remaining resonator.

Figure 0005266344
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の関係を満たすことを特徴とする。モードホップを抑えて、できるだけ滑らかな波長変化を行わせることができる。 It is characterized by satisfying the relationship. It is possible to suppress the mode hop and make the wavelength change as smooth as possible.

請求項の発明は、請求項1乃至3いずれかの偏向光源であって、前記角度分散部は、前記波長可変光源部からの前記出力光のビームを拡大して前記第2の回折格子へ入射するビーム拡大光学系をさらに含むことを特徴とする。角度分散部において、さらに光ビームを太くすることで、拡り角を抑えて分解スペクトル幅(拡り角/分散)を小さくすることができる。 A fourth aspect of the present invention is the deflecting light source according to any one of the first to third aspects , wherein the angle dispersion unit expands the beam of the output light from the wavelength variable light source unit to the second diffraction grating. It further includes an incident beam expanding optical system. By further thickening the light beam in the angle dispersion portion, the spread angle can be suppressed and the resolution spectrum width (the spread angle / dispersion) can be reduced.

以上説明したように、本発明により、第1の回折格子を含むレーザ発振器によって波長可変光源を構成して、波長軸上での分解点数を増大させ、第2の回折格子によって、波長変化を空間的な偏向に変換して、空間分解点数を飛躍的に増大させる。KTN結晶を利用した電気光学偏向器を用いて、KTN結晶偏向器が持つ長所をそのまま維持しながら、従来技術に比べて分解点数を大幅に拡大することができる。   As described above, according to the present invention, the wavelength tunable light source is configured by the laser oscillator including the first diffraction grating, the number of decomposition points on the wavelength axis is increased, and the wavelength change is spatialized by the second diffraction grating. The spatial resolution is drastically increased. Using an electro-optic deflector that uses a KTN crystal, the number of decomposition points can be greatly increased as compared with the prior art while maintaining the advantages of the KTN crystal deflector.

KTNを利用した偏向光源の動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of operation of the deflection light source using KTN. KTNを利用した偏向光源におけるビーム拡がりを説明する図である。It is a figure explaining the beam expansion in the deflection | deviation light source using KTN. 本発明の第1の実施形態の偏向光源の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the deflection | deviation light source of the 1st Embodiment of this invention. 波長可変型のレーザ発振器部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a laser oscillator part of a wavelength variable type. 波長可変型レーザ発振器部における共振器の幾何学モデルを示す図である。It is a figure which shows the geometric model of the resonator in a wavelength tunable laser oscillator part. リトロー型のレーザ発振器と角度分散部を組合せた第2の実施形態の全体構成を示した図である。It is the figure which showed the whole structure of 2nd Embodiment which combined the Littrow type | mold laser oscillator and the angle dispersion | distribution part.

本発明は、第1の回折格子を含む特徴的な波長可変型のレーザ発振器と、第2の回折格子を少なくとも含む角度分散部とを組み合わせた構成を持つ。本発明は、レーザ発振器において波長可変光源を構成して、先ず、波長軸上での分解点数を大幅に増大させ、次いで、第2の回折格子によって、波長変化を空間的な偏向角の変化に変換することで、結果として、空間分解点数を飛躍的に増大させることができる点に特徴がある。以下、具体的な本発明の偏向光源の構成とともに、偏向光源の動作を詳細に説明する。   The present invention has a configuration in which a characteristic wavelength tunable laser oscillator including a first diffraction grating and an angular dispersion section including at least a second diffraction grating are combined. According to the present invention, a wavelength tunable light source is configured in a laser oscillator, and first, the number of decomposition points on the wavelength axis is greatly increased, and then the wavelength change is changed to a change in spatial deflection angle by the second diffraction grating. As a result, there is a feature in that the number of spatial decomposition points can be dramatically increased. Hereinafter, the operation of the deflection light source will be described in detail along with the specific configuration of the deflection light source of the present invention.

図3は、本発明の偏向光源の第1の実施形態の全体構成を示す図である。偏向光源100は、全体にレーザ発振器部1と角度分散部2とに分けることができる。レーザ発振器1は、第1の回折格子106を含む波長可変型の光源を構成している。レーザ発振器1の出力光ビーム113は、出力結合鏡112から出射される。出力光ビーム113は、角度分散部2において、第2の回折格子115の角度分散によって、その波長変化が空間的な偏向方向の変化に変換される。最初に、波長可変型のレーザ発振器部1の構成と動作について説明し、その後、角度分散部2と組み合わせた偏向光源全体の動作について説明する。   FIG. 3 is a diagram showing the overall configuration of the first embodiment of the deflection light source of the present invention. The deflection light source 100 can be divided into a laser oscillator unit 1 and an angle dispersion unit 2 as a whole. The laser oscillator 1 constitutes a wavelength tunable light source including the first diffraction grating 106. The output light beam 113 of the laser oscillator 1 is emitted from the output coupling mirror 112. The wavelength change of the output light beam 113 is converted into a change in the spatial deflection direction by the angular dispersion of the second diffraction grating 115 in the angular dispersion unit 2. First, the configuration and operation of the wavelength tunable laser oscillator unit 1 will be described, and then the operation of the entire deflection light source combined with the angle dispersion unit 2 will be described.

本発明の偏向光源における波長可変型のレーザ発振器部1は、共振器内に利得媒質と回折格子とを有する波長可変光源において、利得媒質と第1の回折格子との間に電気光学偏向器を挿入し、第1の回折格子の電気光学偏向器の挿入したのと異なる側に直入射端面鏡を配置する。   The wavelength tunable laser oscillator unit 1 in the deflection light source of the present invention includes an electro-optic deflector between the gain medium and the first diffraction grating in the wavelength tunable light source having a gain medium and a diffraction grating in the resonator. The direct-incidence end face mirror is placed on the side of the first diffraction grating that is different from the side where the electro-optic deflector is inserted.

第1の回折格子への電気光学偏向器側からの光入射角θと、第1の回折格子への直入射端面鏡側からの光入射角φとには、レーザ発振器の機能を有する限り、特段の制限は無い。回折格子による波長フィルタの波長選択性を強め、狭く安定した発振波長幅を得る観点からは、このとき、第1の回折格子への電気光学偏向器側からの光入射角θと、第1の回折格子への直入射端面鏡側からの光入射角φとの間で、|θ|>|φ|の関係を満たすことが望ましい。 以下、レーザ発振器部の説明では、第1の回折格子を、単に回折格子とも呼ぶ。   As long as the light incident angle θ from the electro-optic deflector side to the first diffraction grating and the light incident angle φ from the direct incidence end face mirror side to the first diffraction grating have the function of a laser oscillator, There are no particular restrictions. From the viewpoint of enhancing the wavelength selectivity of the wavelength filter by the diffraction grating and obtaining a narrow and stable oscillation wavelength width, at this time, the light incident angle θ from the electro-optic deflector side to the first diffraction grating, and the first It is desirable to satisfy the relationship | θ |> | φ | with respect to the light incident angle φ from the side of the direct incidence end facet mirror to the diffraction grating. Hereinafter, in the description of the laser oscillator unit, the first diffraction grating is also simply referred to as a diffraction grating.

以下の説明では、共振器モード番号を不変に保った、モードホップのない滑らかな波長変化動作を行うために、回折格子が平面回折格子の場合、電気光学偏向器と平面回折格子との間の光路長l2が、残余の共振器の光路長l1との間で、光入射角θと光入射角φ含む所定の関係を満たすように配置すれば良いことも明らかにする。 In the following description, in order to perform a smooth wavelength changing operation without a mode hop while keeping the resonator mode number unchanged, when the diffraction grating is a planar diffraction grating, the gap between the electro-optic deflector and the planar diffraction grating is It is also clarified that the optical path length l 2 may be arranged so as to satisfy a predetermined relationship including the light incident angle θ and the light incident angle φ between the optical path length l 1 of the remaining resonators.

KTNなどを用いた電気光学偏向器では、100mrad程度の偏向角範囲が得られる。この偏向角範囲は、従来技術のプリズム型の偏向器での偏向角範囲が、高々0.5mrad程度に留まるのと比較して、極めて大きい。電荷注入を伴う電気光学偏向器による偏向は、従来技術のプリズム型の場合と異なり、電界と共面方向に生じる。従って、太い光束を偏向するのは現実的でない。電極間隔が広くなってしまい、必要な電圧が非現実的に高くなってしまうからである。しかしながら、KTNなどの電荷注入を伴う電気光学偏向器は光束が細い箇所には挿入可能であり。KTNなどを利用した電気光学偏向器の大きな偏向角範囲は、回折格子への入射角が大きいことに伴う入射角に対する波長変化感度の低下を補って余りある。   In an electro-optic deflector using KTN or the like, a deflection angle range of about 100 mrad can be obtained. This deflection angle range is extremely large as compared to the deflection angle range of the prism type deflector of the prior art staying at most about 0.5 mrad. Unlike the prism type of the prior art, the deflection by the electro-optic deflector with charge injection occurs in the coplanar direction with the electric field. Therefore, it is not realistic to deflect a thick light beam. This is because the electrode spacing becomes wide and the necessary voltage becomes unrealistically high. However, an electro-optic deflector with charge injection, such as KTN, can be inserted in a place where the light beam is thin. The large deflection angle range of the electro-optic deflector using KTN or the like more than compensates for a decrease in wavelength change sensitivity with respect to the incident angle due to a large incident angle to the diffraction grating.

大きい入射角をもって回折格子に偏向光が入射するということは、低い仰角をもって偏向光が回折格子面に当たることに他ならない。この場合、偏向角の変化に伴って、回折格子面上の入射点の位置が大きく移動し、偏向中心からこの入射点までの光路長も大きく変化する。ここで、回折格子への入射角が小さくなる方向に偏向が生じた場合、回折格子面上の入射点は偏向中心に近づく向きに変化し、この分だけ、共振器長は短くなる。一方、回折格子への入射角が小さくなれば、選択波長は小さくなる。これらの関係は、共振器長を波長で除した共振器モード番号が一定に保たれ得る変化の方向の組み合わせである。従って、初期の回折格子面上の入射点と偏向中心との間の距離を適切に設定することによって、共振器モード番号を不変に保ったモードホップのない波長変化を実現できる。   The fact that the deflected light is incident on the diffraction grating with a large incident angle is nothing but that the deflected light strikes the diffraction grating surface with a low elevation angle. In this case, with the change of the deflection angle, the position of the incident point on the diffraction grating surface moves greatly, and the optical path length from the deflection center to this incident point also changes greatly. Here, when the deflection occurs in a direction in which the incident angle to the diffraction grating decreases, the incident point on the diffraction grating surface changes in a direction approaching the deflection center, and the resonator length is shortened accordingly. On the other hand, when the incident angle to the diffraction grating is reduced, the selected wavelength is reduced. These relationships are a combination of the direction of change in which the resonator mode number obtained by dividing the resonator length by the wavelength can be kept constant. Therefore, by appropriately setting the distance between the incident point on the initial diffraction grating surface and the deflection center, it is possible to realize a wavelength change without a mode hop while keeping the resonator mode number unchanged.

図4は、波長可変型のレーザ発振器部1の構成を示す図である。 図4において、利得媒質101は、第1の集光レンズ111および第2の集光レンズ102の間に配置される。利得媒質101は、第2の集光レンズ102を経て、KTNなどに構成された電気光学偏向器103、第1の回折格子106および直入射する端面鏡110から構成される波長フィルタに結合されている。第1の集光レンズ111は、出力結合鏡112に相対し、このようにして出力結合鏡112と端面鏡110を両端とする光共振器が構成される。出力結合鏡112からは、この光共振器によるレーザ作用による出力光113が得られる。光共振器においては、第1の回折格子106を介して利得媒質101と端面鏡110とが光学的に接続された構成となっている。   FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the wavelength tunable laser oscillator unit 1. In FIG. 4, the gain medium 101 is disposed between the first condenser lens 111 and the second condenser lens 102. The gain medium 101 is coupled to a wavelength filter including an electro-optic deflector 103 configured in a KTN or the like, a first diffraction grating 106, and a directly incident end mirror 110 via a second condenser lens 102. Yes. The first condenser lens 111 is opposed to the output coupling mirror 112, and thus an optical resonator having both the output coupling mirror 112 and the end mirror 110 as both ends is configured. From the output coupling mirror 112, output light 113 is obtained by the laser action of this optical resonator. In the optical resonator, the gain medium 101 and the end mirror 110 are optically connected via the first diffraction grating 106.

上述の波長フィルタにおいて、第1の回折格子106への集光レンズ102に面する側からの入射角θは、端面鏡110に面する側からの入射角φと比較して、望ましくは、絶対値が大きく設定される。その結果、第1の回折格子106への回折格子入射光束107に比して、回折格子出射光束108が伸張され、太く広がり角の小さい光束として端面鏡110で反射される。したがって、波長フィルタの選択波長幅を狭窄化することができる。選択波長の変化は、電気光学偏向器103に結線された制御電圧源104を通じ、回折格子入射光束107を偏向することによって行われる。   In the above-described wavelength filter, the incident angle θ from the side facing the condenser lens 102 to the first diffraction grating 106 is preferably absolute compared to the incident angle φ from the side facing the end mirror 110. A large value is set. As a result, the diffraction grating outgoing light beam 108 is expanded as compared with the diffraction grating incident light beam 107 to the first diffraction grating 106, and is reflected by the end mirror 110 as a thick light beam having a small divergence angle. Therefore, the selected wavelength width of the wavelength filter can be narrowed. The change of the selected wavelength is performed by deflecting the diffraction grating incident light beam 107 through the control voltage source 104 connected to the electro-optic deflector 103.

すなわち、電気光学偏向器103による偏向によって、第1の回折格子106への入射角θを変化させることになる。レーザ発振器部1の構成においては、電気光学偏向器103に印可する電圧を変えることによって、可動部の介在なしに高速に波長を変化させることができる。本発明において、KTN電気光学偏向器は、単に光ビームを偏向させて光ビームを出力するのではなく、レーザ発振器内で波長可変(波長選択)機能を担っている点で、従来技術の偏向光源と異なることに注目されたい。   That is, the incident angle θ to the first diffraction grating 106 is changed by the deflection by the electro-optic deflector 103. In the configuration of the laser oscillator unit 1, by changing the voltage applied to the electro-optic deflector 103, the wavelength can be changed at high speed without the intervention of the movable unit. In the present invention, the KTN electro-optic deflector does not simply deflect the light beam and output the light beam, but has a variable wavelength (wavelength selection) function in the laser oscillator. Note that it is different.

図5は、波長可変型のレーザ発振器部1における共振器の幾何学モデルを示す図である。以下、波長可変型のレーザ発振器部の動作を幾何学モデルに基づいて、共振器モード番号を不変に保ったモードホップのない波長変化のための条件を検討する。図5において、共振器は出力結合鏡412、回折格子406および端面鏡410から構成される。それぞれの上の光線の入射点P、O、Qを結んだ折れ線が中心波長に対する共振器内光路を表す。回折格子406への出力結合鏡側からの入射角をθ、直入射端面鏡410側からの入射角をφとする。ここで、電気光学偏向器の射出中心、すなわち偏向器外部の光線にとっての偏向による回転中心Cが、回折格子からl2だけ離れて位置し(OC=l2)、さらに共振器の残余の光路長をl1とする。 FIG. 5 is a diagram showing a geometric model of the resonator in the wavelength tunable laser oscillator unit 1. Hereinafter, based on the geometric model of the operation of the wavelength tunable laser oscillator unit, conditions for wavelength change without mode hops with the resonator mode number kept unchanged will be examined. In FIG. 5, the resonator includes an output coupling mirror 412, a diffraction grating 406, and an end mirror 410. A polygonal line connecting the incident points P, O, and Q of the light beams above each represents an optical path in the resonator with respect to the center wavelength. The incident angle from the output coupling mirror side to the diffraction grating 406 is θ, and the incident angle from the direct incidence end facet mirror 410 side is φ. Here, the emission center of the electro-optic deflector, that is, the rotation center C due to the deflection of the light beam outside the deflector is located away from the diffraction grating by l 2 (OC = l 2 ), and the remaining optical path of the resonator. Let the length be l 1 .

電気光学偏向器による偏向角δによって回折格子406への入射角θはθ−δに変じ、これに伴って選択波長λが、次の回折格子公式に従って変化する。   The incident angle θ on the diffraction grating 406 is changed to θ−δ by the deflection angle δ by the electro-optic deflector, and the selected wavelength λ is changed according to the following diffraction grating formula.

Figure 0005266344
Figure 0005266344

式(2)において、Λは回折格子のピッチを、mは回折次数をそれぞれ表す。
上述の電気光学偏向器による偏向角δの発生と同時に、共振器内光路はP、C、O´、Q´を結んだ折れ線へと変化する。ここで、新たな光路と元の光路との長さの差Δlを求めると、下式を得る。
In Equation (2), Λ represents the pitch of the diffraction grating, and m represents the diffraction order.
Simultaneously with the generation of the deflection angle δ by the electro-optic deflector, the optical path in the resonator changes to a broken line connecting P, C, O ′, and Q ′. Here, when the difference Δl in length between the new optical path and the original optical path is obtained, the following expression is obtained.

Figure 0005266344
Figure 0005266344

式(3)のうち、右辺第1項はCO´、 第2項はO´Q´に関る変化分である。正の偏向角δに対して第1項は常に負であるが、第2項はφの符号によって負にも正にもなり得る。 In Equation (3), the first term on the right side is CO ′, and the second term is the change related to O′Q ′. The first term is always negative for a positive deflection angle δ, but the second term can be either negative or positive depending on the sign of φ.

以上の波長λの変化および共振器長変化Δlが、次式(4)で表される共振器モード番号を一定に保つように連関して生じる条件を求める。   A condition is obtained in which the above-described change in wavelength λ and resonator length change Δl are associated with each other so as to keep the resonator mode number expressed by the following equation (4) constant.

Figure 0005266344
Figure 0005266344

このとき、l2を下式の値に選べば良いことが分かる。 At this time, it can be seen that l 2 should be selected as the value of the following equation.

Figure 0005266344
Figure 0005266344

前述したように、波長フィルタの狭窄化の観点から、入射角θは直角にできるだけ近い大きい値が望ましい。しかしながら、入射角θを直角にできるだけ近い値にすることによって式(5)の右辺分子は小さい値となり、l2が現実的でない程小さい値となり兼ねない。この困難を避けるためには、端面鏡側からの入射角φを、入射角θとは逆符号にとるのが良い。 As described above, from the viewpoint of narrowing the wavelength filter, the incident angle θ is desirably a large value as close to a right angle as possible. However, by making the incident angle θ as close as possible to the right angle, the right-hand side numerator of the formula (5) becomes a small value, and l 2 may become a value that is not practical. In order to avoid this difficulty, it is preferable that the incident angle φ from the end mirror is opposite to the incident angle θ.

上述のように、波長可変型のレーザ発振器部において発振波長は、式(2)に従って変化する。この波長フィルタの帯域幅は、第1の回折格子上のビーム径(ひいては偏向器におけるビーム広がり)によって決まる。ところが、波長可変型のレーザ発振器部の発振波長線幅は、非線形なレーザ作用による狭窄化を受け、上記波長フィルタの帯域幅よりも遥かに狭くなる。   As described above, the oscillation wavelength in the wavelength tunable laser oscillator unit changes according to the equation (2). The bandwidth of this wavelength filter is determined by the beam diameter on the first diffraction grating (and hence the beam spread at the deflector). However, the oscillation wavelength line width of the wavelength tunable laser oscillator section is narrowed by nonlinear laser action, and becomes much narrower than the bandwidth of the wavelength filter.

従って、図4に示したKTN電気光学偏向器を含む波長可変型のレーザ発振器を構成することにより、波長軸上での解像点数(波長可変範囲を発振線幅で除した数)が、KTN電気光学偏向器が単体で持つ空間的な固有の解像点数を大幅に越えることになる。図4に示した波長可変型のレーザ発振器部は、その発振波長が、KTN電気光学偏向器103に印加する制御電圧104によって制御されることに注意されたい。波長可変型のレーザ発振器1からの出力光ビームのビーム径は、電気光学偏向器103のKTN結晶内のビーム径と同等であり、例えば、0.5mm程度である。   Therefore, by configuring the wavelength variable laser oscillator including the KTN electro-optic deflector shown in FIG. 4, the number of resolution points on the wavelength axis (number obtained by dividing the wavelength variable range by the oscillation line width) is KTN. The number of spatially unique resolution points of the single electro-optic deflector is greatly exceeded. It should be noted that the wavelength tunable laser oscillator unit shown in FIG. 4 is controlled by the control voltage 104 applied to the KTN electro-optic deflector 103. The beam diameter of the output light beam from the wavelength tunable laser oscillator 1 is equivalent to the beam diameter in the KTN crystal of the electro-optic deflector 103, and is about 0.5 mm, for example.

ここで、再び図3を参照すれば、波長可変型のレーザ発振器部1からの出力光ビーム103は、光スイッチ117に入力される。出力光ビームは、光スイッチ117によってオンオフ制御される。オンオフ制御は、制御信号源118から印加される制御信号によって行われる。光スイッチ117としては、例えば、電気光学〔EO〕変調器,音響光学〔AO〕変調器などを利用することができる。   Here, referring to FIG. 3 again, the output light beam 103 from the wavelength tunable laser oscillator unit 1 is input to the optical switch 117. The output light beam is on / off controlled by an optical switch 117. The on / off control is performed by a control signal applied from the control signal source 118. As the optical switch 117, for example, an electro-optic [EO] modulator, an acousto-optic [AO] modulator, or the like can be used.

光スイッチ117からの光ビームは、さらに、望ましくは、ビーム拡大光学系114において、ビーム径が拡大された後に、第2の回折格子115に入射する。第2の回折格子115に入射した光ビームは、第2の回折格子115のパラメータで決定される回折角度で回折し、偏向光116として空間へ出射する。第2の回折格子は、第1の回折格子106よりも細かいグレーティングピッチを持つのが望ましく、これによって、偏向角範囲が拡大される。また、第2の回折格子へは、第1の回折格子への入射光よりも太いビームを入射するのが良い。また、大きな入射角度で光ビームを入射させて、小さな出射角度で回折することによっても、ビーム径が拡大される。   More preferably, the light beam from the optical switch 117 is incident on the second diffraction grating 115 after the beam diameter is expanded in the beam expanding optical system 114. The light beam incident on the second diffraction grating 115 is diffracted at a diffraction angle determined by the parameters of the second diffraction grating 115 and is emitted to the space as deflected light 116. The second diffraction grating desirably has a finer grating pitch than that of the first diffraction grating 106, thereby expanding the deflection angle range. In addition, it is preferable that a beam that is thicker than the light incident on the first diffraction grating is incident on the second diffraction grating. The beam diameter can also be expanded by making the light beam incident at a large incident angle and diffracting at a small emission angle.

第2の回折格子117は、可変波長の光ビームが入射されるため、入射光ビームの波長に応じて、回折光の回折角度が変化し、すなわち偏向光116の出射角が変化することになる。従って、偏向光源100からの偏向光116は、電気光学偏向器103への制御電圧によって生じる発振波長の変化が、偏向光116の偏向角の変化に変換される形態をとって動作する。波長可変型のレーザ発振器1において波長可変光源を構成して、波長軸上での分解点数を増大させ、この分解点数を維持したままで、第2の回折格子によって、発振光の波長変化を空間的な偏向角の変化に変換しようとするものである。   Since the second diffraction grating 117 receives a light beam having a variable wavelength, the diffraction angle of the diffracted light changes according to the wavelength of the incident light beam, that is, the emission angle of the deflected light 116 changes. . Accordingly, the deflected light 116 from the deflecting light source 100 operates in a form in which the change in the oscillation wavelength caused by the control voltage to the electro-optic deflector 103 is converted into the change in the deflection angle of the deflected light 116. A wavelength tunable light source is configured in the wavelength tunable laser oscillator 1 to increase the number of decomposition points on the wavelength axis, and while maintaining this number of decomposition points, the second diffraction grating can be used to spatially change the wavelength of the oscillation light. It is intended to convert to a change in a typical deflection angle.

波長可変型のレーザ発振器1においては、制御電圧104に対して、非常に大きい波長分解点数を持っており、第2の回折格子へはビーム径を拡大して入射でき、さらには、第2の回折格子での回折に際して、偏向光のビーム径はさらに拡大できる。従って、偏向光源からの出射光ビームは、KTNを用いた電気光学偏向器103内のビーム径に比べて著しく拡大されるため、回折に伴うビーム拡がりによる偏向光の拡がり角の影響をほとんど受けなくなる。   The wavelength tunable laser oscillator 1 has a very large number of wavelength resolving points with respect to the control voltage 104, and can enter the second diffraction grating with an enlarged beam diameter. Upon diffraction by the diffraction grating, the beam diameter of the deflected light can be further expanded. Therefore, the outgoing light beam from the deflecting light source is significantly enlarged compared to the beam diameter in the electro-optic deflector 103 using KTN, so that it is hardly affected by the divergence angle of the deflected light due to the beam divergence accompanying diffraction. .

先にも述べたように、波長可変型のレーザ発振器1においては、波長軸上の解像点数は1000程度が得られる。その解像点数を維持したままで、第2の回折格子によって、波長変化が空間的な偏向角の変化に変換される。同一構成のKTNを利用した電気光学偏向器を使用しながら、従来技術のように直接にビーム偏向器として使用した場合と比較して、偏向光源としての解像点数は、数十倍に増大され1000以上に到達できる。   As described above, in the wavelength tunable laser oscillator 1, about 1000 resolution points on the wavelength axis can be obtained. The wavelength change is converted into a change in spatial deflection angle by the second diffraction grating while maintaining the number of resolution points. While using an electro-optic deflector using KTN of the same configuration, the number of resolution points as a deflection light source is increased by several tens of times compared to the case where it is directly used as a beam deflector as in the prior art. Can reach 1000 or more.

本発明は、波長可変型のレーザ発振器を利用することで、本来KTN電気光学偏向器が持っている固有の解像点数が、強力な波長狭窄効果を持つ発振動作を経ることによって、波長軸上の解像点数が拡大される点に着目したものである。   In the present invention, by using a wavelength tunable laser oscillator, the intrinsic resolution point inherent in the KTN electro-optic deflector undergoes an oscillation operation having a strong wavelength confinement effect. This is focused on the fact that the number of resolution points is expanded.

次に、より具体的な実施例について述べる。中心波長1.35μm、波長可変幅が±50nmの可変波長型のレーザ発振器を構成した。このときの第1の回折格子は、300l/mm(線/mm)の線刻数を持ち、入射角度θが52°、出射角度δが−22.5°であった。このときの発振光の波長線幅はおおよそ0.1nmであった。従って、波長軸上の分解点数は、波長可変幅100nm(±50nm)を0.1nmで除算することで、100/0.1=1000が得られる。   Next, a more specific embodiment will be described. A variable wavelength laser oscillator having a center wavelength of 1.35 μm and a wavelength variable width of ± 50 nm was constructed. At this time, the first diffraction grating had a line number of 300 l / mm (line / mm), an incident angle θ of 52 °, and an emission angle δ of −22.5 °. The wavelength line width of the oscillation light at this time was approximately 0.1 nm. Accordingly, the number of resolution points on the wavelength axis is 100 / 0.1 = 1000 by dividing the wavelength variable width of 100 nm (± 50 nm) by 0.1 nm.

上述のレーザ発振器の波長可変範囲は、KTN電気光学偏向器103に対して偏向角±25mradの入射角変化を与えることによって、実現できる。KTN電気光学偏向器は、1×4×5mmの寸法を持ち、KTN結晶内のビーム径は0.5mmである。一般に回折理論によれば直径2Wの光ビームに伴う拡がり角2Δθは、次式で与えられる。
Δθ=λ/(πW) 式(6)
従って、λ=1.35μm、W=250μmとすれば、拡がり角2Δθは3.4mradとなる。KTN電気光学偏向器の最大偏向角度2θMAXは、50(±25)mradなので、式(1)から、このKTN電気光学偏向器の単体での解像点数は50/3.4≒15程度に過ぎない。
The wavelength variable range of the laser oscillator described above can be realized by applying an incident angle change of ± 25 mrad to the KTN electro-optic deflector 103. The KTN electro-optic deflector has a size of 1 × 4 × 5 mm, and the beam diameter in the KTN crystal is 0.5 mm. In general, according to diffraction theory, the divergence angle 2Δθ associated with a light beam having a diameter of 2 W is given by the following equation.
Δθ = λ / (πW) Equation (6)
Therefore, if λ = 1.35 μm and W = 250 μm, the divergence angle 2Δθ is 3.4 mrad. Since the maximum deflection angle 2θ MAX of the KTN electro-optic deflector is 50 (± 25) mrad, from Equation (1), the resolution point of this KTN electro-optic deflector alone is about 50 / 3.4≈15. Not too much.

レーザ発振器の出力光ビームを、ビーム拡大光学系114によって、28.6mmのビーム直径に拡大し、600l/mmの線刻数を持つ第2の回折格子に、入射角6.1°で入射させた。第1の回折格子の線刻数(300l/mm)に対して、第2の回折格子はより大きい線刻数(600l/mm)すなわちより細かいピッチを持っているので、第2の回折格子からの回折光の偏向角は、KTN電気光学偏向器103から第1の回折格子に対する最大偏向角50mradよりも拡大する。この場合、偏向光源の出射ビームは、出射角度−66.4°の周りで、±75mradの範囲に偏向された。   The output light beam of the laser oscillator is expanded to a beam diameter of 28.6 mm by the beam expanding optical system 114 and is incident on a second diffraction grating having a line number of 600 l / mm at an incident angle of 6.1 °. It was. Since the second diffraction grating has a larger line number (600 l / mm), that is, a finer pitch than the line number (300 l / mm) of the first diffraction grating, the second diffraction grating The deflection angle of the diffracted light becomes larger than the maximum deflection angle of 50 mrad from the KTN electro-optic deflector 103 to the first diffraction grating. In this case, the outgoing beam of the deflecting light source was deflected in the range of ± 75 mrad around the outgoing angle -66.4 °.

このとき、出射ビーム直径は、11.5mmであり、出射ビームに伴うビーム拡がり角は0.15mradに過ぎない。これは、上述のKTN電気光学偏向器のビーム拡がり角3.5mradと比べて、格段にビーム拡がりが抑えられている。従って、偏向光源の出力光ビームでは、150/0.15=1000の解像点数が得られた。   At this time, the exit beam diameter is 11.5 mm, and the beam divergence angle associated with the exit beam is only 0.15 mrad. Compared with the beam divergence angle of 3.5 mrad of the above-mentioned KTN electro-optic deflector, the beam divergence is remarkably suppressed. Therefore, with the output light beam of the deflecting light source, 150 / 0.15 = 1000 resolution points were obtained.

図3に示した構成の偏向光源において、KTN電気光学偏向器103および第1の回折格子106は、それぞれ、望ましい偏光方向を持っている。両者の望ましい偏光方向が異なっている場合もある。多くの場合、電気光学定数は電界方向と光の電界方向が一致する場合に最大となる。そのような場合、電気光学偏向器103にとって望ましい偏光方向は、図3において上下方向(y方向)の直線偏光である。一方、刻線タイプの回折格子では、多くの場合、光の電界方向が刻線方向に平行な場合に、回折効率が最大となる。その場合、第1の回折格子106にとって望ましい偏光方向は、図3において図面に垂直方向(z方向)の直線偏光である。このような場合に、上述の相異なる偏光方向の要請を調整するために、電気光学偏向器103と回折格子106との間に、2分の1波長板を挿入することができる。   In the deflecting light source having the configuration shown in FIG. 3, the KTN electro-optic deflector 103 and the first diffraction grating 106 each have a desired polarization direction. In some cases, the desired polarization directions may be different. In many cases, the electro-optic constant is maximized when the electric field direction matches the light electric field direction. In such a case, a desirable polarization direction for the electro-optic deflector 103 is linearly polarized light in the vertical direction (y direction) in FIG. On the other hand, in a scribe line type diffraction grating, in many cases, the diffraction efficiency becomes maximum when the electric field direction of light is parallel to the scribe line direction. In that case, a desirable polarization direction for the first diffraction grating 106 is linearly polarized light in a direction perpendicular to the drawing (z direction) in FIG. In such a case, a half-wave plate can be inserted between the electro-optic deflector 103 and the diffraction grating 106 in order to adjust the requirements for the different polarization directions described above.

また、第1の回折格子の回折面の形状を、凹面とすることもできる。図3のレーザ発振器の構成により、初期の中心波長の周りではモードホップのない波長変化となる。しかし、より広い波長範囲に対して共振器モード番号を計算すると、中心波長から離れるに従って、共振器長が過大になってしまうことが分かる。これは、その位置が固定された偏向中心から、平面形状である回折格子に光が入射することに伴うものである。従って、共振器長が過大になってしまうこの問題の改善のためには、第1の回折格子の形状を凹面とし、初期の入射点から離れるに従って、第1の回折格子の面が偏向中心に近づくようにすれば良い。   Further, the shape of the diffraction surface of the first diffraction grating can be a concave surface. With the configuration of the laser oscillator of FIG. 3, the wavelength changes without mode hops around the initial center wavelength. However, if the resonator mode number is calculated for a wider wavelength range, it can be seen that the resonator length becomes excessive as the distance from the center wavelength increases. This is because light enters the diffraction grating having a planar shape from the deflection center whose position is fixed. Therefore, in order to improve this problem that the resonator length becomes excessive, the first diffraction grating has a concave shape, and the surface of the first diffraction grating becomes the center of deflection as the distance from the initial incident point increases. You should make it approach.

上述の実施例1では、回折格子への入射角を特定の条件とすることによって、モードホップのない波長変化を実現し、出射ビームの広範で安定な偏向を実現できる。しかし、従来のいわゆるリトロー型の構成のレーザ発振器に対しても本発明を適用できる。本発明の偏向光源は、電気光学偏向器の偏向作用を直接には使用しない。先ずレーザ共振器の中における波長選択のために電気光学偏向器を用いることで、レーザ作用に伴う狭スペクトル化を利用して波長軸上で分解点数を増す。その後、外部の角度分散系によってレーザ発振波長の変化を角度変化に変換することで、結果的に電気光学偏向器の元来の分解点数を遥かに超える分解点数を得ている。従って、レーザ発振の構成に関係なく本発明の原理を適用できる。   In the first embodiment described above, by setting the incident angle to the diffraction grating as a specific condition, it is possible to realize a wavelength change without a mode hop and to realize a wide and stable deflection of the outgoing beam. However, the present invention can also be applied to a conventional so-called Littrow type laser oscillator. The deflection light source of the present invention does not directly use the deflection action of the electro-optic deflector. First, by using an electro-optic deflector for selecting a wavelength in the laser resonator, the number of resolution points is increased on the wavelength axis by utilizing the narrow spectrum accompanying the laser action. Thereafter, the change in the laser oscillation wavelength is converted into the change in angle by an external angle dispersion system, and as a result, a decomposition point far exceeding the original decomposition point of the electro-optic deflector is obtained. Therefore, the principle of the present invention can be applied regardless of the laser oscillation configuration.

図6は、リトロー型のレーザ発振器部と角度分散部を組合せた本発明の第2の実施形態の偏向光源の全体構成を示した図である。本実施形態の偏向光源200は、図3に示した偏向光源の構成と比較すれば、レーザ発振器部201の構成のみが異なっている。角度分散部202の構成は、図3における角度分散部2と同一である。レーザ発振器部201は、端面鏡を含まないリトロー構成のレーザ発振器である。レーザ発振器部201は、利得媒質101と、利得媒質の一端からの光が入射する第1の回折格子109とを含んでおり、利得媒質101と第1の回折格子109とが光学的に接続された共振器から構成されている。電気光学偏向器103は、利得媒質101とリトロー構成で配置された回折格子109との間であって、レーザ発振器の共振器を形成する光路上に配置されている。   FIG. 6 is a diagram showing an entire configuration of a deflection light source according to the second embodiment of the present invention in which a Littrow laser oscillator unit and an angle dispersion unit are combined. The deflection light source 200 of this embodiment is different only in the configuration of the laser oscillator unit 201 as compared with the configuration of the deflection light source shown in FIG. The configuration of the angle dispersion unit 202 is the same as that of the angle dispersion unit 2 in FIG. The laser oscillator unit 201 is a Littrow laser oscillator that does not include an end mirror. The laser oscillator unit 201 includes a gain medium 101 and a first diffraction grating 109 on which light from one end of the gain medium is incident. The gain medium 101 and the first diffraction grating 109 are optically connected. It is composed of a resonator. The electro-optic deflector 103 is disposed between the gain medium 101 and the diffraction grating 109 disposed in a Littrow configuration on an optical path that forms a resonator of the laser oscillator.

次に、図6の構成のより具体的な実施例について述べる。線刻数850l/mmの第1の回折格子を、入射角35.0°のリトロー配置で用い、中心波長1.35μmの波長可変光源を構築した。このときの発振光の波長線幅はおおよそ0.1nmであった。KTNを用いた電気光学偏向器103によって、偏向角±25mrad分の入射角変化を与えるとき、発振波長には±50nmの変化が生じた。従って、上述の第1実施例と同様に、波長可変幅100nm(±50nm)を0.1nmで除して求めれば、波長軸上の分解点数は、1000が得られた。   Next, a more specific embodiment of the configuration of FIG. 6 will be described. A tunable light source having a central wavelength of 1.35 μm was constructed using the first diffraction grating with a line number of 850 l / mm in a Littrow arrangement with an incident angle of 35.0 °. The wavelength line width of the oscillation light at this time was approximately 0.1 nm. When the electro-optic deflector 103 using KTN gave an incident angle change corresponding to a deflection angle of ± 25 mrad, the oscillation wavelength changed by ± 50 nm. Therefore, similarly to the first embodiment described above, when the wavelength variable width of 100 nm (± 50 nm) was divided by 0.1 nm, the number of decomposition points on the wavelength axis was 1000.

さらに、レーザ発振器の出力光ビームを、ビーム拡大光学系114によって、12.0mmのビーム直径に拡大し、900l/mmの線刻数を持つ第2の回折格子に、入射角51.2°で入射させた。第1の回折格子の線刻数(850l/mm)に対して、第2の回折格子はより大きい線刻数(900l/mm)すなわちより細かいビッチを持っている。したがって、第2の回折格子からの回折光の偏向角は、KTN電気光学偏向器103から第1の回折格子に対する最大偏向角50mradよりも拡大する。本実施例の場合、偏向光源の出射ビームは、出射角度25.8°の周りで、±50mradの範囲に偏向された。   Further, the output light beam of the laser oscillator is expanded to a beam diameter of 12.0 mm by the beam expanding optical system 114, and is incident on a second diffraction grating having a line number of 900 l / mm at an incident angle of 51.2 °. Incident. The second diffraction grating has a larger line number (900 l / mm), that is, a finer bitch, than the line number of the first diffraction line (850 l / mm). Accordingly, the deflection angle of the diffracted light from the second diffraction grating is larger than the maximum deflection angle of 50 mrad from the KTN electro-optic deflector 103 to the first diffraction grating. In the case of this example, the outgoing beam of the deflecting light source was deflected in the range of ± 50 mrad around the outgoing angle of 25.8 °.

このとき、出射ビーム直径は、17.2mmであり、出射ビームに伴うビーム拡がり角は0.10mradに過ぎない。従って、偏向光源の出力光ビームでは、100/0.10=1000の解像点数が得られた。   At this time, the exit beam diameter is 17.2 mm, and the beam divergence angle associated with the exit beam is only 0.10 mrad. Therefore, with the output light beam of the deflecting light source, a resolution point of 100 / 0.10 = 1000 was obtained.

本発明の偏向光源では、レーザ発振器を構成することによって、KTN電気光学偏向器を単体でビーム偏向器として使用した場合に比べて、多少の偏向(スキャン)速度の犠牲が伴なわれる。しかし、この偏向速度の低下も、実用上は何ら影響がない。KTN結晶の本来の応答速度がnsecオーダであるため、レーザ発振器部の共振器長を例えば10cm以下に抑えることで、偏向速度の低下を実質的に免れることができる。   In the deflection light source of the present invention, the laser oscillator constitutes a sacrifice of a certain deflection (scanning) speed as compared with the case where the KTN electro-optic deflector is used alone as a beam deflector. However, this decrease in the deflection speed has no effect on practical use. Since the original response speed of the KTN crystal is on the order of nsec, a decrease in the deflection speed can be substantially avoided by suppressing the resonator length of the laser oscillator unit to 10 cm or less, for example.

以上詳細に述べたように、本発明の偏向光源は、第1の回折格子を含む特徴的なレーザ発振器部と、第2の回折格子を少なくとも含む角度分散部とを組み合わせた構成を持つ。第1の回折格子を含むレーザ発振器によって波長可変光源を構成して、波長軸上で分解点数を飛躍的に増大させ、次いで、第2の回折格子によって、波長変化を空間的な偏向角の変化に変換して、結果的に、増大した空間分解点数を得る。KTN電気光学偏向器を用いてKTN偏向器の長所をそのまま維持しながら、従来技術に比べて分解点数を大幅に拡大することができる。また、各実施例ではKTN結晶を用いた例を示したが、さらにリチウムを添加したK1-yLiyTa1-xNbx3(0<x<1、0<y<1)結晶を用いても良い。 As described above in detail, the deflecting light source of the present invention has a configuration in which a characteristic laser oscillator unit including the first diffraction grating and an angle dispersion unit including at least the second diffraction grating are combined. A wavelength tunable light source is configured by a laser oscillator including a first diffraction grating, the number of decomposition points is dramatically increased on the wavelength axis, and then a wavelength change is changed by a second diffraction grating by a change in a spatial deflection angle. Resulting in an increased spatial resolution score. While maintaining the advantages of the KTN deflector using the KTN electro-optic deflector, the number of disassembly points can be greatly increased as compared with the prior art. In each example, an example using a KTN crystal was shown. However, K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1) crystal to which lithium was further added was shown. May be used.

本発明は、光学システムに利用できる。特に、光ビームスキャナとして、プリンティング、ディスプレイ、イメージング、センシング、光通信などの様々な分野で利用できる。   The present invention can be used in an optical system. In particular, it can be used as a light beam scanner in various fields such as printing, display, imaging, sensing, and optical communication.

1、201 レーザ発振器部
2、202 角度分散部
100、200、500 偏向光源
101 利得媒質
102、111 レンズ
103、503 電気光学偏向器
104、504 制御電圧源
106、109、115、406 回折格子
110、410 端面鏡
112、412 出力結合鏡
114 ビーム拡大光学系
117、509 光スイッチ
502a、502b 電極
1, 201 Laser oscillator unit 2, 202 Angular dispersion unit 100, 200, 500 Deflection light source 101 Gain medium 102, 111 Lens 103, 503 Electro-optic deflector 104, 504 Control voltage source 106, 109, 115, 406 Diffraction grating 110, 410 End mirror 112, 412 Output coupling mirror 114 Beam expansion optical system 117, 509 Optical switch 502a, 502b Electrode

Claims (4)

発生する光ビームの出射方向を電圧によって制御する偏向光源において、
前記電圧が印加される電気光学偏向器を含み、出力光の波長が前記電圧によって制御される波長可変光源部であって、
利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する第1の回折格子とを含み、前記利得媒質と前記第1の回折格子とが光学的に接続された共振器から構成され、
前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記第1の回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置されている、波長可変光源部と、
前記波長可変光源部の出力光が入射し、該出力光の波長変化を前記光ビームの出射方向の変化に変換する角度分散部であって、前記第1の回折格子よりも小さい回折格子ピッチを有する第2の回折格子を少なくとも含む角度分散部
を備えたことを特徴とする偏向光源。
In the deflection light source that controls the emission direction of the generated light beam by voltage,
A wavelength tunable light source unit including an electro-optic deflector to which the voltage is applied, wherein the wavelength of output light is controlled by the voltage ;
Including a gain medium and a first diffraction grating on which light from one end of the gain medium is incident, the gain medium and the first diffraction grating being optically connected to each other;
The electro-optic deflector is disposed between an optical path formed between the gain medium and the first diffraction grating and formed by the resonator.
An angle dispersion unit that receives the output light of the wavelength tunable light source unit and converts the wavelength change of the output light into a change in the emission direction of the light beam, and has a diffraction grating pitch smaller than that of the first diffraction grating. An angle dispersion unit including at least a second diffraction grating having the deflection light source.
発生する光ビームの出射方向を電圧によって制御する偏向光源において、
前記電圧が印加される電気光学偏向器を含み、出力光の波長が前記電圧によって制御される波長可変光源部であって、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する第1の回折格子と、前記第1の回折格子への前記入射光の回折光が直入射する端面鏡とを含み、前記第1の回折格子を介して前記利得媒質と前記端面鏡とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記第1の回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置された波長可変光源部と、
前記波長可変光源部の出力光が入射し、該出力光の波長変化を前記光ビームの出射方向の変化に変換する角度分散部であって、前記第1の回折格子よりも小さい回折格子ピッチを有する第2の回折格子を少なくとも含む角度分散部と
を備え、
前記第1の回折格子への前記電気光学偏向器側からの光入射角θと、該第1の回折格子への前記端面鏡側からの光入射角φとの間に、|θ|>|φ|の関係が存在する
ことを特徴とする偏向光源。
In the deflection light source that controls the emission direction of the generated light beam by voltage,
A wavelength tunable light source unit including an electro-optic deflector to which the voltage is applied, the wavelength of output light being controlled by the voltage, and a gain medium and a first light on which light from one end of the gain medium is incident A diffraction grating and an end face mirror through which the diffracted light of the incident light directly enters the first diffraction grating, and the gain medium and the end face mirror are optically connected via the first diffraction grating. The electro-optic deflector includes a wavelength tunable light source unit disposed between the gain medium and the first diffraction grating and on an optical path formed by the resonator. ,
An angle dispersion unit that receives the output light of the wavelength tunable light source unit and converts the wavelength change of the output light into a change in the emission direction of the light beam, and has a diffraction grating pitch smaller than that of the first diffraction grating. An angular dispersion unit including at least a second diffraction grating having
With
| Θ |> | between the light incident angle θ from the electro-optic deflector side to the first diffraction grating and the light incident angle φ from the end mirror side to the first diffraction grating. A deflection light source characterized by the fact that there is a relationship of φ |.
前記第1の回折格子は平面回折格子であり、前記電気光学偏向器と該第1の回折格子との間の光路長lが、残余の共振器の光路長lとの間で、前記光入射角θおよび前記光入射角φを含む式
Figure 0005266344
の関係を満たすことを特徴とする請求項に記載の偏向光源。
Wherein the first diffraction grating is a plane diffraction grating, the optical path length l 2 between the diffraction grating of the electro-optical deflector and the first is between the optical path length l 1 of the remaining resonator, wherein Formula including light incident angle θ and light incident angle φ
Figure 0005266344
The deflection light source according to claim 2 , wherein the relationship is satisfied.
前記角度分散部は、
前記波長可変光源部からの前記出力光のビームを拡大して前記第2の回折格子へ入射するビーム拡大光学系をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の偏向光源。
The angular dispersion unit is
Deflection light source according to any one of claims 1 to 3, further comprising a beam expander optical system to be incident to the second diffraction grating to expand the beam of the output light from said tunable-wavelength light source section.
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