JP5457952B2 - Tunable laser light source - Google Patents
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Description
本発明は、波長可変レーザ光源に関し、より詳細には、波長分散を有する可変焦点レンズを共振器内に配置した波長可変レーザ光源に関する。 The present invention relates to a wavelength tunable laser light source, and more particularly to a wavelength tunable laser light source in which a variable focus lens having wavelength dispersion is disposed in a resonator.
波長可変レーザ光源は、DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)光伝送などの光通信の分野、測定対象にレーザ光を照射して、透過、反射を分析する分析装置等に用いられている。 The wavelength tunable laser light source is used in the field of optical communication such as DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) optical transmission, an analyzer that irradiates a measurement target with laser light, and analyzes transmission and reflection.
波長可変レーザ光源を分析装置の光源として用いる場合には、高速で波長を変化させること、及び発振スペクトルの幅を狭くすることが必要である。例えば、光コヒーレントトモグラフィ(OCT:Optical Coherence Tomography)において、高速の波長走査が利用可能になると、高速の画像処理、血流観測、酸素飽和濃度の変化等の動的な解析が可能となるので、このようなレーザ光源が要求されている。 When a tunable laser light source is used as a light source for an analyzer, it is necessary to change the wavelength at high speed and to narrow the width of the oscillation spectrum. For example, if high-speed wavelength scanning becomes available in optical coherence tomography (OCT: Optical Coherence Tomography), dynamic analysis such as high-speed image processing, blood flow observation, and oxygen saturation concentration changes becomes possible. Such a laser light source is required.
図1に、従来のリトロー型波長可変レーザ光源を示す。外部共振器型波長可変レーザ光源の一例である(例えば、非特許文献1参照)。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質11と、その出力側の光軸に配置されたコリメートレンズ12と、回折格子13とを備えている。レーザ媒質11からの出力光をコリメートレンズ12でコリメート化し、入射光14として回折格子13に入射させ、1次回折光15と0次回折光(レーザ出力光)16とを生じさせる。1次回折光15は、レーザ媒質11に帰還され、レーザ媒質11のレーザ媒質端面に施された高反射ミラー11aと回折格子13との間で共振器を形成する。
FIG. 1 shows a conventional Littrow tunable laser light source. It is an example of an external resonator type wavelength tunable laser light source (for example, refer nonpatent literature 1). The wavelength tunable laser light source includes a
このとき、1次回折光15と0次回折光(レーザ出力光)16とが出射される方向(回折角)は、波長依存性を有している。従って、回折格子13から入射光14の反対方向へ向かう波長成分の1次回折光15が、共振器においてレーザ発振する。回折格子13を回転させることによって、入射光14へ向かう1次回折光15の波長を変え、レーザ出力光の波長を変化させている。
At this time, the direction (diffraction angle) in which the 1st-order diffracted
しかしながら、従来のリトロー型波長可変レーザ光源は、波長掃引するために機械的に回折格子を回転させるため、出力波長を変化するのに要する速度に限界があり、広い波長域を高速に掃引することができないという問題があった。また、レーザ発振には精密な共振器長の制御が必要であるが、機械的な可動部分を含むため、安定なレーザ発振を継続的に実現するのにも問題があった。 However, since the conventional Littrow tunable laser light source mechanically rotates the diffraction grating to sweep the wavelength, there is a limit to the speed required to change the output wavelength, and the wide wavelength range can be swept at high speed. There was a problem that could not. In addition, although precise oscillation length control is necessary for laser oscillation, there is a problem in continuously realizing stable laser oscillation because it includes a mechanically movable part.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、高速な波長掃引ができ、かつ安定なレーザ発振を得ることができる波長可変レーザ光源を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a tunable laser light source capable of performing high-speed wavelength sweeping and obtaining stable laser oscillation.
本発明は、このような目的を達成するために、波長可変レーザ光源の一実施態様は、レーザ発振する波長に対し利得を有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質の出力側の光軸上に設けられた可変焦点レンズ手段と、前記可変焦点レンズ手段の出力側の光軸上に設けられた第1のミラーと、前記第1のミラーと対向した位置に設けられ、前記レーザ媒質を含む共振器を構成する第2のミラーとを備え、前記可変焦点レンズ手段は、反転対称性を有する電気光学材料と、該電気光学材料の内部に電界を印加するための2つ以上の電極とを含み、前記電極への印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点距離を可変することができ、前記焦点距離が波長依存性を有することにより、前記レーザ媒質を含む共振器においてレーザ発振する光の波長を選択できることを特徴とする。 In an embodiment of the present invention, in order to achieve such an object, an embodiment of a wavelength tunable laser light source is provided on a laser medium having a gain with respect to a laser oscillation wavelength and an optical axis on an output side of the laser medium. A variable focus lens means, a first mirror provided on the optical axis on the output side of the variable focus lens means, and a resonator provided at a position facing the first mirror and including the laser medium. And the variable focus lens means includes an electro-optic material having inversion symmetry, and two or more electrodes for applying an electric field inside the electro-optic material, By changing the voltage applied to the electrodes, the focal length of the light transmitted through the electro-optic material can be varied, and the focal length has a wavelength dependence, so that a laser in a resonator including the laser medium can be used. Wherein the can select the wavelength of oscillation light.
前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料の光の入射面と光の出射面とに、前記電極が形成され、前記光を前記入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、前記出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸を設定し、前記入射面の電極から前記出射面の電極に向かう電気力線の一部が、前記空隙で屈曲し、前記光軸を中心に前記光が透過する部分の電界を変化させ、前記入射面の電極と前記出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点を可変することを特徴とする。 The varifocal lens means has the electrode formed on a light incident surface and a light exit surface of the electro-optic material, and enters the light from a gap where the electrode on the incident surface is not formed, and emits the light. An optical axis is set so as to emit from a gap where no surface electrode is formed, and a part of electric lines of force from the electrode on the incident surface to the electrode on the emission surface is bent in the gap, and the optical axis The focal point of the light transmitted through the electro-optic material is varied by changing the electric field of the portion through which the light is transmitted centering on and changing the applied voltage between the electrode on the entrance surface and the electrode on the exit surface It is characterized by that.
前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料の第1の面上に形成された第1の陽極と、前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極と、前記第1の面上に形成され、前記第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陰極と、前記第2の面上に形成され、前記第2の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陽極とを備え、前記第1の面と直交する第3の面から光を入射させたとき、前記第1の陽極および前記第1の陰極からなる第1の電極対の間を透過してから、前記第2の陽極および前記第2の陰極からなる第2の電極対の間を透過して、前記第3の面に対向する第4の面から光が出射するように光軸が設定され、前記第1および第2の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第4の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする。 The variable focus lens means is formed on a first surface formed on the first surface of the electro-optic material, and on a second surface opposite to the first surface, and the first anode Formed on the second surface, a first cathode formed on the first surface, a second cathode formed on the first surface, and spaced from the first anode And a second anode formed at a position facing the second cathode and spaced from the first cathode, and light from a third surface orthogonal to the first surface. Is transmitted between the first electrode pair composed of the first anode and the first cathode, and then the second electrode pair composed of the second anode and the second cathode. And an optical axis is set so that light is emitted from a fourth surface opposite to the third surface. By varying the voltage applied between the second electrode pair, characterized by varying the focus of light emitted from the fourth surface of the electro-optical material.
以上説明したように、本発明によれば、電気光学効果を利用することにより、従来の可変焦点レンズと比較して、はるかに高速な応答速度を得ることができる。また、レーザ共振器内に、回転する回折格子のような可動部品がないため、安定したレーザ発振を得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a much faster response speed than the conventional variable focus lens by using the electro-optic effect. Further, since there are no movable parts such as a rotating diffraction grating in the laser resonator, stable laser oscillation can be obtained.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2に、本発明の第1の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質21と、その出力側の光軸に配置された第1の可変焦点レンズ22と、半波長板23と、第2の可変焦点レンズ24と、出力ミラー25(第1のミラー)とを備えている。第1の可変焦点レンズ22は、x軸方向の偏光に対してx軸方向に焦点を可変することができ、第2の可変焦点レンズ24は、y軸方向の偏光に対してy軸方向に焦点を可変することができる。レーザ媒質21と第1の可変焦点レンズ22との間、第2の可変焦点レンズ24と出力ミラー25との間の片方もしくは両方に、光ビームを整形するためのレンズを配置しても構わない。
FIG. 2 shows a configuration of a wavelength tunable laser light source according to the first embodiment of the present invention. The tunable laser light source includes a
レーザ媒質21からの出力光26は、2つの可変焦点レンズを経て出力ミラー25に入力され、一部の光がレーザ媒質21の方向への反射光27となり、残りの光がレーザ出力光28となる。反射光27は、レーザ媒質21の端面に施された高反射ミラー21a(第2のミラー)と出力ミラー25との間で形成される共振器内を往復する。なお、高反射ミラー21aの代わりに、レーザ媒質21の端面から離れた位置に、第2のミラーを配置してもよい。第1のミラーと、対向した位置に設けられた第2のミラーとのに間にレーザ媒質21を含む共振器を構成することができればよい。
The
最初に、可変焦点レンズによるレーザ出力波長の選択について説明する。上述した共振器内でレーザ発振するためには、出力光26が平行光となって出力ミラー25に達し、反射光27が平行光となって可変焦点レンズへ折り返されればよい。従って、出力ミラー25は平面ミラーである。出力光26を平行光とする可変焦点レンズの焦点が波長依存性を有する場合には、特定の波長のみが平行光となり、共振器内でレーザ発振する。その他の波長の光29は、平行光とならず、可変焦点レンズへ折り返されないので、レーザ発振しない。可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、平行光となる波長が変化するので、共振器内でレーザ発振する光の波長を選択することができる。
First, selection of the laser output wavelength by the variable focus lens will be described. In order to perform laser oscillation in the above-described resonator, the
第1の可変焦点レンズ22は、x軸方向の偏光に対してx軸方向のみに集光作用を有し、第2の可変焦点レンズ24は、y軸方向の偏光に対してy軸方向のみに集光作用を有する。半波長板23は、x軸方向の偏光をy軸方向の偏光に変換するので、第1の可変焦点レンズ22、半波長板23、第2の可変焦点レンズ24の組み合わせによって偏光に依存しない球面レンズとして機能する。可変焦点レンズには、電気光学効果に波長依存性を有する電気光学結晶を用いる。屈折率と電気光学効果に波長依存性を有する電気光学結晶を用いると、可変焦点レンズの焦点距離が波長依存性を有することを説明する。
The first
図3に、本発明の第1の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板31の上面(光の入射面)および下面(光の出射面)に、それぞれ1対の入射面電極32a,32bおよび出射面電極33a,34bが形成されている。入射面電極32a,32bの各々は等しい電位とし、出射面電極33a,33bの各々も等しい電位とする。入射光34は、同電位の電極対の間の空隙を通過し、出射光35として透過するように、z軸方向に光軸を設定する。
FIG. 3 shows the configuration of the variable focus lens according to the first embodiment of the present invention. A pair of
入射面電極32a,32bのそれぞれは、光が透過する空隙を挟んで対向する辺がy軸に平行となるように形成されている。出射面電極33a,33bも、光が透過する空隙を挟んで対向する辺がy軸に平行となるように形成されている。出射面電極33a,33bの対向する辺の位置は、x軸方向において入射面電極32a,32bの対向する辺と一致、すなわち基板31を挟んで一致している。電圧を入射面電極32から出射面電極対33へ、またはその逆に印加することができる。
Each of the
本実施形態の可変焦点レンズにおいては、電気光学効果の中でも、電界の自乗に比例した屈折率変調が起こる、2次の電気光学効果(カー効果)を有する材料が好適である。カー効果の場合は、x軸方向の屈折率分布Δnxは、電界成分Exの符号に依存しないので、レンズとして好適な左右対称形になるからである。一方、ポッケルス効果の場合は、屈折率変調は電界の1乗に比例し、電界成分Exによる屈折率変化は左右対称とならないため、レンズとしてうまく機能しない。 In the variable focus lens of the present embodiment, among the electro-optic effects, a material having a secondary electro-optic effect (Kerr effect) in which refractive index modulation proportional to the square of the electric field occurs is preferable. For Kerr effect, a refractive index distribution [Delta] n x in the x-axis direction does not depend on the sign of the electric field component E x, because becomes suitable symmetrical shape as a lens. On the other hand, in the case of the Pockels effect, refractive index modulation is proportional to the first power of the electric field, the refractive index change due to the electric field component E x is not symmetrical, it does not work well as a lens.
多くの電気光学材料は、反転対称性を有しておらず、ポッケルス効果を発現する。これに対して、一部の電気光学材料は、反転対称性を有しており、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。従って、本実施形態の電気光学材料としては、反転対称性を有する材料を用いることが重要である。 Many electro-optic materials do not have inversion symmetry and develop a Pockels effect. On the other hand, some electro-optic materials have inversion symmetry, do not exhibit the Pockels effect, and the Kerr effect is dominant. Therefore, it is important to use a material having inversion symmetry as the electro-optic material of this embodiment.
反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料が好適である。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において立方晶相となり、この立方晶相でのカー効果が大きいためである。例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1-xNbxO3、以下KTNという)を主成分とする単結晶材料は、より好適な特徴を有する。KTNは、主としてタンタルとニオブの組成比により、相転移温度を選択することができる。これにより、室温付近に相転移温度を設定することができる。KTNでカー効果を利用するためには、相転移温度よりも高い温度に使用温度を設定して、立方晶相の状態で使用する必要がある。同じ立方晶相にあっても、より相転移温度に近い方が、電気光学効果が圧倒的に大きくなる。このため、室温付近に相転移温度を設定することは、大きなカー効果を簡便に実現する上で、非常に重要である。 As the electro-optical material having inversion symmetry, a single crystal material having a perovskite crystal structure is suitable. This is because the perovskite type single crystal material has a cubic phase in use when the use temperature is appropriately selected, and the Kerr effect in this cubic phase is large. For example, a single crystal material mainly composed of potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 , hereinafter referred to as KTN) has more preferable characteristics. For KTN, the phase transition temperature can be selected mainly by the composition ratio of tantalum and niobium. Thereby, the phase transition temperature can be set near room temperature. In order to use the Kerr effect in KTN, it is necessary to set the operating temperature to a temperature higher than the phase transition temperature and use it in a cubic phase state. Even in the same cubic phase, the electro-optic effect becomes overwhelmingly closer to the phase transition temperature. For this reason, setting the phase transition temperature around room temperature is very important for easily realizing a large Kerr effect.
さらに、KTNに関連する単結晶材料として、結晶の主成分が、周期律表Ia族とVa族から構成されており、Ia族はカリウムであり、Va族はニオブ、タンタルの少なくとも1つを含む材料を用いることができる。また、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ia族、例えばリチウム、またはIIa族の1または複数種を含むこともできる。例えば、立方晶相のKLTN(K1-yLiyTa1-xNbxO3、0<x<1、0<y<1)結晶を用いることもできる。 Further, as a single crystal material related to KTN, the main component of the crystal is composed of periodic group Ia group and Va group, group Ia is potassium, and group Va includes at least one of niobium and tantalum. Materials can be used. Moreover, 1 or multiple types of periodic table group Ia except potassium as an additional impurity, for example, lithium, or IIa group can also be included. For example, a cubic phase KLTN (K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1, 0 <y <1) crystal may be used.
図3の構成において、偏光は、光電界の向きがx軸方向とする。レンズの特性は、基板31を透過することによって光が受ける光路長変調によって表される。光路長変調Δsとは、電気光学材料を透過する間の経路にわたって、屈折率変調を積分したものである。屈折率変調をΔnxとする。本実施形態にかかる可変焦点レンズは、z軸方向に光が伝搬するので、光路長変調Δsは、
In the configuration of FIG. 3, the direction of the optical electric field is the x-axis direction for polarized light. The characteristic of the lens is expressed by optical path length modulation that the light receives by passing through the
となり、zには依存せずxのみの関数となる。すなわち、光を集散させるx軸方向でのみ変化し、y軸方向には変化しない。光電界の向きがx軸方向のとき、光が感じる屈折率変調Δnxは、 Thus, it is a function of only x without depending on z. That is, it changes only in the x-axis direction where light is concentrated, and does not change in the y-axis direction. When the direction of the optical electric field in the x-axis direction, a refractive index modulation [Delta] n x which light feel,
である。ここで、n0は電圧を印加しないときの屈折率である。s11とs12は2次の電気光学係数であり、Ex,Ezは印加電圧による電界のx成分、z成分である。 It is. Here, n 0 is a refractive index when no voltage is applied. s 11 and s 12 are second-order electro-optic coefficients, and E x and E z are the x component and z component of the electric field generated by the applied voltage.
図3に示した可変焦点レンズにおいて、電極に電圧を印加すると、電極の間を結ぶ電気力線の一部が、前記電気光学材料の内部で屈曲することにより光が透過する部分の電界が変化させられる。印加電圧による電界は電極付近で強く、電極から離れるにつれて弱くなる。つまり、電極付近で大きく屈折率が変化し、結晶中央付近での屈折率変化は相対的に小さくなる。電気光学材料としてKTNを用いた場合には、屈折率が小さくなるように変化するので、光電界がx軸方向に向いている場合の光路長は、結晶中央付近に較べて電極付近で短くなる。すなわち、凸レンズとして機能する。 In the varifocal lens shown in FIG. 3, when a voltage is applied to the electrodes, part of the electric lines of force connecting the electrodes are bent inside the electro-optic material, so that the electric field of the portion through which light is transmitted changes. Be made. The electric field due to the applied voltage is strong in the vicinity of the electrode and becomes weaker as the distance from the electrode increases. That is, the refractive index changes greatly near the electrode, and the refractive index change near the center of the crystal becomes relatively small. When KTN is used as the electro-optic material, the refractive index changes so as to decrease, so that the optical path length when the optical electric field is directed in the x-axis direction is shorter near the electrode than near the crystal center. . That is, it functions as a convex lens.
さて、非特許文献2には、g11とg12の波長依存性について記載されている。ここで、sijとgijの間には、立方晶相における誘電率をεとしたとき、
sij=gijε2
という関係がある。また、非特許文献3には、n0の波長依存性について記載されている。従って、式(2)において、n0、s11、s12は波長依存性を有するので、光路長変調Δsが波長依存性を有する。
Non-Patent Document 2 describes the wavelength dependence of g 11 and g 12 . Here, between s ij and g ij , when the dielectric constant in the cubic phase is ε,
s ij = g ij ε 2
There is a relationship. Non-Patent Document 3 describes the wavelength dependence of n 0 . Therefore, in equation (2), n 0 , s 11 , and s 12 have wavelength dependence, so that the optical path length modulation Δs has wavelength dependence.
図4に、KTN結晶の屈折率の波長依存性を示す。非特許文献3に記載されているKTN結晶の屈折率の波長依存性を、波長1.2〜1.4μmの範囲で示している。KTN結晶は、長波長になるにつれて屈折率が小さくなることを示している。また、非特許文献2には、s11、s12も同様に長波長になるにつれて小さくなると記載されている。従って、光路長変調Δsは、長波長になるにつれて大きくなる。本実施形態の可変焦点レンズの焦点距離fは、光路長変調分布を2次曲線でフィッティングすることにより、一般的なレンズの光路長変調分布と対応させて求めることができる。光路長変調Δsの絶対値が大きく光路長変調分布の変化が急峻であれば、レンズの焦点距離fは短くなる。本実施形態では、光路長変調Δsが負のため、長波長になるにつれてΔsの絶対値が小さくなり、レンズの焦点距離fは長くなる。 FIG. 4 shows the wavelength dependence of the refractive index of the KTN crystal. The wavelength dependence of the refractive index of the KTN crystal described in Non-Patent Document 3 is shown in the wavelength range of 1.2 to 1.4 μm. The KTN crystal shows that the refractive index decreases as the wavelength increases. Also, Non-Patent Document 2 describes that s 11 and s 12 are similarly reduced as the wavelength increases. Therefore, the optical path length modulation Δs increases as the wavelength increases. The focal length f of the variable focus lens according to the present embodiment can be obtained in correspondence with the optical path length modulation distribution of a general lens by fitting the optical path length modulation distribution with a quadratic curve. If the absolute value of the optical path length modulation Δs is large and the change in the optical path length modulation distribution is steep, the focal length f of the lens becomes short. In this embodiment, since the optical path length modulation Δs is negative, the absolute value of Δs decreases as the wavelength increases, and the focal length f of the lens increases.
図5に、第1の実施形態にかかる可変焦点レンズの焦点距離の波長依存性を示す。波長1.2〜1.4μmの範囲で、焦点距離は、規格化して示してある。焦点距離が1となる波長の光を、図2に示した波長可変レーザ光源の出力光26とすると、可変焦点レンズを経て平行光となり、共振器内で共振できるものとする。可変焦点レンズの電極対に印加する電圧がV1のとき、可変焦点レンズは特定の波長1.2μmの光のみを平行光とし、この波長のみが共振器内において共振する。印加電圧V1のとき、その他の波長の光についてはより長い焦点距離であるので、平行光とならず、共振することができない。
FIG. 5 shows the wavelength dependence of the focal length of the variable focus lens according to the first embodiment. In the wavelength range of 1.2 to 1.4 μm, the focal length is shown normalized. If the light having a wavelength with a focal length of 1 is the
電極へ印加する電圧を変化させることにより、焦点距離が1となる波長が変化するので、平行光に変換されて共振器内で共振する光の波長を変化させることができる。長波長になるにつれて可変焦点レンズの焦点距離は長くなるので、より高い電圧を印加することにより、より長波長の光を平行光に変換して、共振させることができる。印加電圧を変更し、焦点距離を変化させて波長の選択を行うのに、応答時間は1μs以下であり、従来の可動部品を用いる構成に比べて非常に高速である。また、可動部分を含む場合に問題となる共振器長の変動を回避することができる。 By changing the voltage applied to the electrodes, the wavelength at which the focal length becomes 1 changes, so that the wavelength of light that is converted into parallel light and resonates in the resonator can be changed. Since the focal length of the varifocal lens becomes longer as the wavelength becomes longer, by applying a higher voltage, light having a longer wavelength can be converted into parallel light and resonated. When selecting the wavelength by changing the applied voltage and changing the focal length, the response time is 1 μs or less, which is much faster than the conventional configuration using moving parts. Further, it is possible to avoid a variation in the resonator length, which is a problem when including a movable part.
電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。従って、電気光学材料をレンズとして機能させるための所望の屈折率分布を得るため、または、電気光学材料を透過する光が偏向しないようにするためには、基板1に電圧を印加した際に、基板1の内部に空間電荷が形成されない方がよい。 When a high voltage is applied to the electro-optic material, charges are injected from the electrodes, and space charges can be generated in the crystal. This space charge causes a gradient in the magnitude of the electric field in the direction in which the voltage is applied, so that a gradient also occurs in the modulation of the refractive index. Therefore, in order to obtain a desired refractive index distribution for causing the electro-optic material to function as a lens, or to prevent light transmitted through the electro-optic material from being deflected, when a voltage is applied to the substrate 1, It is better that no space charge is formed inside the substrate 1.
空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量であるため、電極から注入されるキャリアの注入効率は小さい方がよい。電気光学材料において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、電極と基板との間はショットキー接合に近づき、キャリアの注入効率は減少する。従って、電極は、電気光学材料とショットキー接合が形成される材料であることが好ましい。具体的には、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、5.0eV以上であることが好ましい。例えば、仕事関数が5.0eV以上の電極材料として、Co(5.0)、Ge(5.0)、Au(5.1)、Pd(5.12)、Ni(5.15)、Ir(5.27)、Pt(5.65)、Se(5.9)を用いることができる。()内は仕事関数を示し、単位はeVである。 Since the amount of space charge depends on the carrier injection efficiency, the carrier injection efficiency injected from the electrode should be small. When the carriers contributing to electric conduction in the electro-optic material are electrons, as the work function of the electrode material increases, the electrode and the substrate approach a Schottky junction, and the carrier injection efficiency decreases. Therefore, the electrode is preferably a material that forms a Schottky junction with the electro-optic material. Specifically, when the carrier contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal is an electron, the work function of the electrode material is preferably 5.0 eV or more. For example, as an electrode material having a work function of 5.0 eV or more, Co (5.0), Ge (5.0), Au (5.1), Pd (5.12), Ni (5.15), Ir (5.27), Pt (5.65), Se (5.9) can be used. The parentheses indicate work functions, and the unit is eV.
一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔の注入を抑えるために、電極材料の仕事関数は、5.0eV未満であることが好ましい。例えば、仕事関数が5.0eV未満の電極材料として、Ti(3.84)等を用いることができる。なお、Tiの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ti/Pt/Auを順に積層した電極を用いて、Tiの層と電気光学材料とを接合させる。さらに、ITO(Indium Tin Oxide)、ZnOなどの透明電極を用いることもできる。 On the other hand, when the carriers contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal are holes, the work function of the electrode material is preferably less than 5.0 eV in order to suppress the injection of holes. For example, Ti (3.84) or the like can be used as an electrode material having a work function of less than 5.0 eV. Since the Ti single-layer electrode is oxidized and becomes high resistance, generally, the Ti layer and the electro-optic material are bonded using an electrode in which Ti / Pt / Au are sequentially laminated. Furthermore, transparent electrodes such as ITO (Indium Tin Oxide) and ZnO can also be used.
図6に、本発明の第2の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板41の上面(第1の面)および下面(第2の面)に、帯状の電極4つが形成されている。光の入射側の上部電極として陽極42(第1の陽極)、基板41を挟んで下部電極として陰極43(第1の陰極)が配置されている。さらに、これら電極対とは間隔を置き、光の出射側にもう一対の電極が配置されおり、上部電極が陰極44(第2の陰極)であり、下部電極が陽極45(第2の陽極)である。帯状の4つ電極は、長手方向の辺がすべて平行となる形状を有している。
FIG. 6 shows the configuration of a variable focus lens according to the second embodiment of the present invention. Four strip-shaped electrodes are formed on the upper surface (first surface) and the lower surface (second surface) of the
光は、電極を配置した面と直交する面(第3の面)から入射され、基板41の内部をx軸方向に進行し、陽極42と陰極43の間を、これらの帯状電極の長手方向とは垂直な方向に透過する。次いで、陰極44と陽極45との間を透過してから、入射した面と対向する面(第4の面)から空気中へと出射するように設定する。
Light is incident from a surface (third surface) orthogonal to the surface on which the electrodes are arranged, travels in the x-axis direction inside the
このような構成において、陽極と陰極との間に電圧を印加する。光の入射側の電極対と光の出射側の電極対とは、電圧をかける向き(z軸方向)が互いに逆になっている。陽極42と陽極45との電位は異なっていてもよく、陰極43と陰極44の電位も同様である。なお、陽極42,45の低いほうの電位は、陰極43,44の高いほうの電位よりも高くなるように設定する。
In such a configuration, a voltage is applied between the anode and the cathode. The direction of applying a voltage (z-axis direction) is opposite between the light incident side electrode pair and the light emission side electrode pair. The potentials of the
このとき、これら電極の間には電界の分布が発生し、基板41の有する電気光学効果によって屈折率が変調される。屈折率の変調された部分を光が透過する時、この屈折率分布によって光は屈曲させられ、その結果、光は集光あるいは発散させられる。集光される場合、図6の構造によれば、シリンドリカル凸レンズとして機能し、発散される場合は、シリンドリカル凹レンズとして機能する。また、印加する電圧によって光の屈曲の度合いが変化するので、焦点距離を電圧によって制御することができる。
At this time, an electric field distribution is generated between these electrodes, and the refractive index is modulated by the electro-optic effect of the
このような可変焦点レンズを、図2に示した波長可変レーザ光源の第1の可変焦点レンズ22および第2の可変焦点レンズ24として用いることができる。
Such a variable focus lens can be used as the first
図7に、本発明の第2の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。図7(a)の波長可変レーザ光源は、レーザ媒質51と、その出力側の光軸に配置された第1の可変焦点レンズ52と、半波長板53と、第2の可変焦点レンズ54と、出力ミラー55とを備えている。第1の可変焦点レンズ52は、x軸方向の偏光に対してx軸方向に焦点を可変することができ、第2の可変焦点レンズ54は、y軸方向の偏光に対してy軸方向に焦点を可変することができる。レーザー媒質51からの出力光56は、第1の可変焦点レンズ52から出力された後、x軸方向に対して平行光とならず拡がっていく。同様に第2の可変焦点レンズ54から出力ミラー55に向かう光は、y軸方向に対して平行光とならず拡がっていく。また、半波長板53は、第1の実施形態と同様、x軸(y軸)方向の偏光をy軸(x軸)方向の偏光に変換する。図3または図6に記載した可変焦点レンズを用いることができる。
FIG. 7 shows a configuration of a wavelength tunable laser light source according to the second embodiment of the present invention. The wavelength tunable laser light source of FIG. 7A includes a
出力ミラー55(第1のミラー)は、凹面ミラーであり、反射光に対して凹レンズの機能を有する。レーザ媒質51からの出力光56は、2つの可変焦点レンズを経て出力ミラー55に入力され、一部の光がレーザ媒質51の方向への反射光57となり、残りの光がレーザ出力光58となる。上述したように、第1のミラーと、対向した位置に設けられた第2のミラーとのに間にレーザ媒質51を含む共振器を構成する。本実施形態では、レーザ媒質51の端面に高反射ミラーを形成した。反射光57が、出力光56と同じ経路を経てレーザ媒質51に戻るように、可変焦点レンズの焦点距離を調整すれば、共振器内でレーザ発振する光の波長を変化させることができる。
The output mirror 55 (first mirror) is a concave mirror, and has a function of a concave lens with respect to reflected light. The
図7(b)の波長可変レーザ光源は、レーザ媒質61と、その出力側の光軸に配置された第1の可変焦点レンズ62と、半波長板63と、第2の可変焦点レンズ64と、出力ミラー65とを備えている。レーザ媒質61からの出力光は、第1の可変焦点レンズ62から出力された後、x軸方向に対して平行光とならず収束していく。同様に第2の可変焦点レンズ64から出力ミラー65に向かう光は、y軸方向に対して平行光とならず収束していく。出力ミラー65は、凸面ミラーであり、反射光に対して凸レンズの機能を有する。図7(a)の波長可変レーザ光源と同じく、可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、レーザ発振する光の波長を変化させることができる。
The wavelength tunable laser light source of FIG. 7B includes a
図8に、本発明の第3の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。図8(a)はyz平面から見た構成であり、図8(b)はxz平面から見た構成を示す。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質71と、その出力側の光軸に配置された第1の可変焦点レンズ72と、出力ミラー75とを備えている。第1の可変焦点レンズ72は、y軸方向の偏光に対してy軸方向に焦点を可変することができる。図3または図6に記載した可変焦点レンズを用いることができる。出力ミラー75は、シリンドリカルミラーであり、x軸方向に対して焦点を有している。図7の波長可変レーザ光源と同じく、出力ミラー75で反射された光が、出力ミラー75に入射される光と同じ経路を経てレーザ媒質71に戻るように可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、レーザ発振する光の波長を変化させることができる。
FIG. 8 shows the configuration of a wavelength tunable laser light source according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8A shows a configuration viewed from the yz plane, and FIG. 8B shows a configuration viewed from the xz plane. The wavelength tunable laser light source includes a
21,51,61,71 レーザ媒質
22,52,62,72 第1の可変焦点レンズ
23,53,63 半波長板
24,54,64 第2の可変焦点レンズ
25,55,65,75 出力ミラー
21, 51, 61, 71
Claims (12)
前記レーザ媒質の出力側の光軸上に設けられた可変焦点レンズ手段と、
前記可変焦点レンズ手段の出力側の光軸上に設けられた第1のミラーと、
前記第1のミラーと対向した位置に設けられ、前記レーザ媒質を含む共振器を構成する第2のミラーとを備え、
前記可変焦点レンズ手段は、反転対称性を有する電気光学材料と、該電気光学材料の内部に電界を印加するための2つ以上の電極とを含み、前記電極への印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点距離を可変することができ、
前記焦点距離が波長依存性を有することにより、前記レーザ媒質を含む共振器においてレーザ発振する光の波長を選択できることを特徴とする波長可変レーザ光源。 A laser medium having a gain with respect to a lasing wavelength;
Varifocal lens means provided on the optical axis on the output side of the laser medium;
A first mirror provided on the output optical axis of the varifocal lens means;
A second mirror provided at a position facing the first mirror and constituting a resonator including the laser medium;
The varifocal lens means includes an electro-optic material having reversal symmetry and two or more electrodes for applying an electric field inside the electro-optic material, and by changing a voltage applied to the electrodes, The focal length of light transmitted through the electro-optic material can be varied,
A wavelength tunable laser light source characterized in that, since the focal length has wavelength dependence, the wavelength of light that oscillates in a resonator including the laser medium can be selected.
前記光を前記入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、前記出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸を設定し、
前記入射面の電極から前記出射面の電極に向かう電気力線の一部が、前記空隙で屈曲し、前記光軸を中心に前記光が透過する部分の電界を変化させ、
前記入射面の電極と前記出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点を可変することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。 The variable focus lens means has the electrodes formed on a light incident surface and a light output surface of the electro-optic material,
The optical axis is set so that the light is incident from a gap where the electrode on the incident surface is not formed, and is emitted from the gap where the electrode on the emission surface is not formed,
A portion of the lines of electric force directed from the electrode on the incident surface to the electrode on the output surface is bent in the gap, and the electric field of the portion through which the light is transmitted around the optical axis is changed,
5. The focus of light transmitted through the electro-optic material is varied by changing an applied voltage between the electrode on the incident surface and the electrode on the exit surface. 6. Tunable laser light source.
前記電気光学材料の第1の面上に形成された第1の陽極と、
前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極と、
前記第1の面上に形成され、前記第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陰極と、
前記第2の面上に形成され、前記第2の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陽極とを備え、
前記第1の面と直交する第3の面から光を入射させたとき、前記第1の陽極および前記第1の陰極からなる第1の電極対の間を透過してから、前記第2の陽極および前記第2の陰極からなる第2の電極対の間を透過して、前記第3の面に対向する第4の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記第1および第2の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第4の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。 The variable focus lens means includes:
A first anode formed on a first surface of the electro-optic material;
A first cathode formed on a second surface opposite to the first surface and formed at a position facing the first anode;
A second cathode formed on the first surface and spaced from the first anode;
A second anode formed on the second surface, facing the second cathode, and spaced apart from the first cathode;
When light is incident from a third surface orthogonal to the first surface, the light passes through the first electrode pair composed of the first anode and the first cathode, and then the second The optical axis is set so that light passes through a second electrode pair consisting of an anode and the second cathode, and light is emitted from the fourth surface facing the third surface,
5. The focus of light emitted from the fourth surface of the electro-optic material is varied by changing an applied voltage between the first and second electrode pairs. The tunable laser light source according to any one of the above.
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