JP5445425B2 - 波長変換レーザ装置および波長変換レーザ装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換レーザ装置および波長変換レーザ装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、環境温度の変化に対する出力光のパワーの変化を小さくすることが出来る波長変換レーザ装置および波長変換レーザ装置の製造方法に関する。

従来、半導体レーザと、半導体レーザが出射する光を一端から入射して他端から波長変換素子へと出射する光ファイバと、光ファイバの少なくとも一部を光軸回りに調整可能に回転させる回転操作部とを備え、波長変換素子からハイパワーな出力光が得られるように、回転操作部により光ファイバの角度を調整して、光ファイバから出射する光の偏光角度および偏光消光比を調整するレーザ発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−３５２０５３号公報（請求項２、［００１９］、［００２５］）

上記従来のレーザ発光装置では、波長変換素子からハイパワーな出力光が得られるように光ファイバの角度位置を調整していた。
しかし、或る光ファイバ温度で波長変換素子からハイパワーな出力光が得られるように光ファイバの角度位置を調整した場合、環境温度の変化によって光ファイバ温度が変化すると、出力光のパワー変動率が大きくなってしまうことが分かっている。このとき、パワーが最小となる温度条件では規定の値以下になることもあり、過渡的には、光ノイズや波長不安定性が生じるといった問題点があった。
そこで、本発明の目的は、環境温度の変化に対する出力光のパワーの変化を小さくすることが出来る波長変換レーザ装置および波長変換レーザ装置の製造方法を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射端で光結合された光ファイバと、前記光ファイバの出射端の後部に配置され前記基本波光を波長変換する波長変換素子とを具備し、動作温度範囲内での温度変動に対する出力変動が最小となるように前記光ファイバの出射端の光軸回りの角度位置を調整したことを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第１の観点による波長変換レーザ装置では、動作温度範囲内における温度変動に対する出力変動が最小となるように波長変換素子の偏光方向に対する光ファイバの出射端の光軸回りの角度位置（光軸を回転軸とした回転角度位置）を調整したため、環境温度の変化によって光ファイバ温度が変化しても、出力光のパワー変動を小さく抑えることが出来る。また、光ノイズを抑制できると共に波長安定性を向上できる。さらに、光ファイバの温度制御機構を省略可能となる。

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、前記光ファイバの出射端と前記波長変換素子の間に、波長選択性を有する光学素子を配置したことを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第２の観点による波長変換レーザ装置では、光ファイバの出射端と波長変換素子の間に波長選択性を有する光学素子を配置したため、波長安定性を向上できる。

第３の観点では、本発明は、基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射端で光結合された光ファイバと、前記光ファイバの出射端の後部に配置され前記基本波光を波長変換する波長変換素子とを具備した波長変換レーザ装置の製造方法であって、前記光ファイバの出射端の後部にポラライザおよび光センサを配置し、前記ポラライザの光軸回りの回転角度をパラメータとして前記光ファイバの温度を変化させながら前記光センサにて出力変動を測定することを繰り返し、前記出力変動が最小となるような波長変換素子の偏光方向に対する回転角度を求め、前記ポラライザの回転方向と反対方向に前記出力変動が最小となる回転角度だけ前記光ファイバの出射端を回転させて固定することを特徴とする波長変換レーザ装置の製造方法を提供する。
上記第３の観点による波長変換レーザ装置の製造方法では、出力変動が最小となるように光ファイバの出射端の光軸回りの回転角度（光軸を回転軸とした回転角度位置）を調整するため、環境温度の変化によって光ファイバ温度が変化しても、出力光のパワー変動を小さく抑えることが出来る。また、光ノイズを抑制できると共に波長安定性を向上できる。さらに、光ファイバの温度制御機構を省略可能となる。

第４の観点では、本発明は、基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射端で光結合された光ファイバと、前記光ファイバの出射端の後部に配置され前記基本波光を波長変換する波長変換素子とを具備した波長変換レーザ装置の製造方法であって、前記光ファイバの出射端の後部に波長変換素子および光センサを配置し、前記光ファイバの出射端の光軸回りの回転角度をパラメータとして前記光ファイバの温度を変化させながら前記光センサにて出力変動を測定することを繰り返し、前記出力変動が最小となるような波長変換素子の偏光方向に対する回転角度を求め、当該回転角度だけ前記光ファイバの出射端を回転させて固定することを特徴とする波長変換レーザ装置の製造方法を提供する。
上記第４の観点による波長変換レーザ装置の製造方法では、出力変動が最小となるように光ファイバの出射端の光軸回りの回転角度（光軸を回転軸とした回転角度位置）を調整するため、環境温度の変化によって光ファイバ温度が変化しても、出力光のパワー変動を小さく抑えることが出来る。また、光ノイズを抑制できると共に波長安定性を向上できる。さらに、光ファイバの温度制御機構を省略可能となる。

第５の観点では、本発明は、前記第３または第４の観点による波長変換レーザ装置の製造方法において、前記光ファイバの出射端と前記波長変換素子の間に、波長選択性を有する光学素子が配置されることを特徴とする波長変換レーザ装置の製造方法を提供する。
上記第５の観点による波長変換レーザ装置の製造方法では、光ファイバの出射端と波長変換素子の間に波長選択性を有する光学素子を配置するため、波長安定性を向上した波長変換レーザ装置を製造できる。

本発明の波長変換レーザ装置および波長変換レーザ装置の製造方法によれば、環境温度の変化によって光ファイバ温度が変化しても、出力光のパワー変動を小さく抑えることが出来る。また、光ノイズを抑制できると共に波長安定性を向上できる。さらに、光ファイバの温度制御機構を省略可能となる。

実施例１に係る波長変換レーザ装置を示す構成説明図である。 実施例１に係る波長変換レーザ装置の環境温度変化に対する出力変動を示すグラフである。 実施例１に係る波長変換レーザ装置の製造における調整工程での構成を示す構成説明図である。 実施例１に係る波長変換レーザ装置の製造における調整工程での処理手順を示すフロー図である。 調整工程での光ファイバ温度の変化に対する光センサの出力変動を示すグラフである。

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。

−実施例１−
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。なお、調整角φは、紙面に直交する面内での回転であるが、そのままでは図１に図示できないので、図示できるように傾けて表記している。
この波長変換レーザ装置１００において、半導体レーザ１を出射した光は、偏波面保存ファイバ２の一端に入射する。

偏波面保存ファイバ２の光ファイバ終端部２ａを出射した光は、レンズ３ａによって所望のビームに変換され、波長選択素子４に導かれる。

半導体レーザ１と偏波面保存ファイバ２とレンズ３ａとは、基本波モジュール３を構成している。

波長選択素子４は、例えばバルク形状のボリューム・ホログラフィック・グレーティングであり、所定波長の光の一部を選択的に反射し、これが再び偏波面保存ファイバ２を通って半導体レーザ１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４の反射中心波長の近傍で発振を開始する。
基本波モジュール３は、所定のスペクトル特性およびビーム特性を持った基本波光１３を出射する。

波長選択素子４を出射した光は、レンズ５で波長変換素子６のモードフィールドに整合するビームに変換され、波長変換素子６の入射端に入射する。

波長変換素子６は、波長変換光１４および基本波光を出射する。
フィルタ９は、基本波光を除去し、波長変換光１４のみを透過させる。

ビームスプリッタ１０は、フィルタ９を透過した波長変換光１４を２つの波長変換光に分割する。一方の波長変換光は、出力光１５として出力される。他方の波長変換光は、光センサ８で受光される。

ＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）部１２は、光センサ８から得た強度信号Ｐが一定になるように、半導体レーザ１の駆動電流Ｉをフィードバック制御する。

半導体レーザ１の温度は、温度制御器１１にて駆動されるサーモモジュール７ａにより所定の半導体レーザ温度Ｔａに制御される。
波長変換素子６の温度は、温度制御器１１にて駆動されるサーモモジュール７ｃにより所定の半導体レーザ温度Ｔａに制御される。

光ファイバ終端部２ａの光軸回りの角度位置（光軸を回転軸とした回転角度位置）は、動作温度範囲内における環境温度変動に対する出力変動が最も小さくなるような調整角φに調整されている。この調整角φの調整工程については、後で詳述する。

図２は、環境温度Ｔｓの変化に対する基本波モジュール偏光出力の変動を示す特性図である。
動作温度範囲内における環境温度Ｔｓの変動に対する出力変動幅Ｓが最小になるように調整角φが設定されている。

なお、波長変換レーザ装置１００は、例えばＡＰＣ部１２による駆動電流制御や温度制御器１１による温度制御や光学素子の選択により、出力変動の最小出力が最大出力の７０％以上になるように、また、光の直流成分に対する交流成分の実効値の割合が１％以下となるように、また、波長変換光１４の波長変動幅が１ｎｍ以下となるように、調整されている。このように、出力変動の最小出力と、光の直流成分に対する交流成分の実効値の割と、波長変換光１４の波長変動幅とが、所望の特性になることを確保した上で、動作温度範囲内における環境温度Ｔｓの変動に対する出力変動幅Ｓが最小になるように調整角φが設定されている。

図３は、波長変換レーザ装置１００の製造における調整工程での構成を示す構成説明図である。なお、測定角θは、紙面に直交する面内での回転であるが、そのままでは図３に図示できないので、図示できるように傾けて表記している。
偏波面保存ファイバ２にサーモモジュール７ｂを付設し、そのサーモモジュール７ｂを温度制御器１１にて駆動する。また、光ファイバ終端部２ａとレンズ３ａの間に、光軸の回りに回転操作可能（光軸を回転軸とした回転角度位置を操作により変更可能）にポラライザ２３を設ける。また、レンズ３ａの後に光センサ２４を設ける。
光ファイバ終端部２ａに図示する矢印は、角度位置調整前の角度位置である（図１にも図示してある）。

図４は、波長変換レーザ装置１００の製造における調整工程での処理手順を示すフロー図である。
ステップＳ１では、インデックス番号ｉを「１」に初期化する。
ステップＳ２では、波長変換素子６の偏光方向（図３の黒頭矢印）にポラライザ２３の偏光方向（図３の黒頭矢印）が一致するようにポラライザ２３の角度位置を初期設定し、この角度位置を測定角θｉ＝０°とする。

ステップＳ３では、動作温度範囲の最低温度から最高温度まで光ファイバ温度Ｔｂを変化させ、光センサ２４の最小出力と最大出力の差を出力変動幅Ｓｉとして記憶する。
図５に、光ファイバ温度Ｔｂの変化に対する光センサ２４の出力変動を例示する。

ステップＳ４では、インデックス番号ｉをインクリメントする。
ステップＳ５では、測定角θｉをステップ幅Δθ（例えば１°）だけ増加させる。つまり、ポラライザ２３の角度位置を前回の角度位置からΔθだけ光軸の回りに回転させた角度位置とする。
ステップＳ６では、測定角θｉが９０°を越えていなかったらステップＳ３に戻り、越えていたらステップＳ７へ進む。
ステップＳ７では、記憶した出力変動幅Ｓｉが最も小さくなったときの測定角θｉを検出角Θとする。

ステップＳ８では、検出角Θと反対方向にΘだけ光ファイバ終端部２ａを光軸の回りに回転させ、その角度位置で固定する。すなわち、調整角φ＝−Θとする。
この後、サーモモジュール７ｂ、ポラライザ２３、光センサ２４を除去し、図１の構成にする。

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）環境温度Ｔｓの変化によって光ファイバ２の温度が変化しても、出力光のパワー変動を小さく抑えることが出来る。また、光ノイズを抑制できると共に波長安定性を向上できる。
（２）光ファイバ２の温度制御機構を省略可能となる。

−実施例２−
波長選択素子４およびレンズ５を省略した構成としてもよい。

−実施例３−
ポラライザ２３を用いず、光ファイバ終端部２ａを光軸の回りに回転させて調整角φを求めてもよい。その際、光センサ８を利用して出力変動を測定すれば、光センサ２４も不要になる。

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 偏波面保存ファイバ
４ 波長選択素子
６ 波長変換素子
７ａ，７ｂ，７ｃ サーモモジュール
８ 光センサ
９ フィルタ
１０ ビームスプリッタ
１１ 温度制御器
１２ ＡＰＣ部
２３ ポラライザ
２４ 光センサ
１００ 波長変換レーザ装置

Claims (3)

1. 基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射端で光結合された偏波面保存ファイバと、前記偏波面保存ファイバの出射端の後部に配置され前記基本波光を波長変換する波長変換素子とを具備した波長変換レーザ装置の製造方法であって、前記偏波面保存ファイバの出射端の後部にポラライザおよび光センサを配置し、前記ポラライザの光軸回りの回転角度をパラメータとして前記偏波面保存ファイバの温度を波長変換レーザ装置の動作温度範囲内で変化させながら前記光センサにて出力を測定し、前記光センサの出力の最小値と最大値との差を出力変動幅として求めることを繰り返し、前記出力変動幅が最小となるような波長変換素子の偏光方向に対する回転角度を求め、前記ポラライザの回転方向と反対方向に前記出力変動幅が最小となる回転角度だけ前記偏波面保存ファイバの出射端を回転させて固定することを特徴とする波長変換レーザ装置の製造方法。
   
2. 基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射端で光結合された偏波面保存ファイバと、前記偏波面保存ファイバの出射端の後部に配置され前記基本波光を波長変換する波長変換素子とを具備した波長変換レーザ装置の製造方法であって、前記偏波面保存ファイバの出射端の後部に波長変換素子および光センサを配置し、前記偏波面保存ファイバの出射端の光軸回りの回転角度をパラメータとして前記偏波面保存ファイバの温度を波長変換レーザ装置の動作温度範囲内で変化させながら前記光センサにて出力を測定し、前記光センサの出力の最小値と最大値との差を出力変動幅として求めることを繰り返し、前記出力変動幅が最小となるような波長変換素子の偏光方向に対する回転角度を求め、当該回転角度だけ前記偏波面保存ファイバの出射端を回転させて固定することを特徴とする波長変換レーザ装置の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の波長変換レーザ装置の製造方法において、前記偏波面保存ファイバの出射端と前記波長変換素子の間に、波長選択性を有する光学素子が配置されることを特徴とする波長変換レーザ装置の製造方法。

Images