JP5747355B2 - 外部共振器レーザ - Google Patents

Description

本発明は、外部共振器レーザに関する。

波長可変レーザは、物質構造や化学物質の解析の分野において非常に有用であり、波長可変レーザの一つとして外部共振器レーザがある。一般に外部共振器レーザは、光学利得媒体（光源）と、この光学利得媒体から放出された光を共振させる外部共振器を有し、外部共振器の共振周波数をチューニングすることで発振波長を調整することができる。特に、半導体レーザダイオードを利得媒体に用いる外部共振器レーザは、広い波長領域に対応でき、かつ、小型、簡便で比較的安価に製造することができるといった利点がある。

外部共振レーザには様々な型が存在するが、例えば、波長をモードホップなしに連続的に変えることができるレーザとしては、Ｌｉｔｔｒｏｗ型やＬｉｔｔｍａｎ型の共振器配置が知られている。Ｌｉｔｔｍａｎ型もＬｉｔｔｒｏｗ型と同じように、回折格子を用いて外部共振器に構成するが、Ｌｉｔｔｒｏｗ型ではレーザビームに対して回折格子を回転させるのに対し、Ｌｉｔｔｍａｎ型ではビームに対して回折格子が固定されている。このため、回折格子に照射するレーザ光の面積を広くとることができ、小型で分解能の高い共振器配置を実現できる、また、波長を変える際に出力光の出射方向が変化しないといったこと等の利点があるため、波長可変レーザとして広く用いられている。

Ｌｉｔｔｒｏｗ型の外部共振器レーザに関する技術が記載された文献としては下記の非特許文献１がある。また、Ｌｉｔｔｍａｎ型の外部共振器型レーザに関する技術が記載された文献としては、非特許文献２、及び、特許文献１乃至３に記載がある。

この中でも、Ｌｉｔｔｍａｎ型の外部共振器型レーザは広帯域に連続波長同調可能であり、出力ビームが波長同調によりぶれないため、波長可変レーザで用いられている代表的な外部共振器配置となっている。しかしながら、回折格子の０次回折光を出力ビームとして取り出すため、レーザダイオードの自然発光が出力ビームに重畳してしまい、ラマン散乱分光などの微弱発光の検知や吸収や反射の高精度な測定には大きな問題となる。この問題の解決に向けて考案された先行技術が特許文献４乃至８に記載されている。

Ｍ． ｄｅ Ｌａｂａｃｈｅｌｅｒｉｅ ａｎｄ Ｇ． Ｐａｓｓｅｄａｔ，"Ｍｏｄｅ-ｈｏｐ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｔｔｒｏｗ ｇｒａｔｉｎｇ−ｔｕｎｅｄ ｌａｓｅｒｓ"， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ．３２， ｎｏ．３，２６９（１９９３），Ｖｏｌ．３３，ｎｏ．１８，３８１７（１９９４） Ｌｉｕ ａｎｄ Ｌｉｔｔｍａｎ，"Ｎｏｖｅｌ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒｓ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．６，ｎｏ．３，１１７（１９８１）

米国特許第５，３１９，６６８号明細書 米国特許第６，６２５，１８３号明細書 米国特許第６，６１４，８２９号明細書 米国特許第５，６５７，１２０号明細書 米国特許第６，６０６，３４０号明細書 米国特許第６，６０８，８４７号明細書 米国特許第６，６９０，７０９号明細書 米国特許第６，７８８，７２６号明細書

上記特許文献１乃至３、上記非特許文献２で示されるように、Ｌｉｔｔｍａｎ型外部共振器配置は、ピボット軸を適切に選びミラーを回転することによって、回折格子での回折条件を満たす波長と外部共振器の共振器長の比を一定に保ったまま、連続的に発振波長を変えることができるため、外部共振器配置として最も一般的に用いられている。

しかしながら、この外部共振器レーザでは、回折格子の０次光を出力として外へ取り出すため、レーザチップの自然発光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が出力のビームに重畳してしまう。このＡＳＥは、特に、利得帯域の両サイドで発振している場合には非常に強く、場合によっては発振線よりも強くなってしまうこともある。この出力ビームへのＡＳＥの重畳はラマン散乱測定や単分子発光計測などの高感度測定や、光学密度の高い物質の透過測定、低反射率な反射の高精度測定に等において大きな問題となる。ＡＳＥ−Ｆｒｅｅで、スペクトル純度の高いレーザ光源が様々な分野で強く求められている。

この課題に対し、上記特許文献４乃至８に示すように、様々な先行技術が開発されている。例えば上記特許文献４に開示される技術は、レーザダイオードからの光を回折格子の１次回折光として取り出しているため、自然発光（ＡＳＥ）を含まず、高スペクトル純度の光源を実現することができる。しかしながら、この技術では、共鳴器長が固定されてしまっているため、Ｌｉｔｔｍａｎ配置やＬｉｔｔｒｏｗ配置のようにモードホップフリーな連続波長同調を行うことが極めて困難であるといった課題がある。

また、上記特許文献５に開示される技術では、レーザダイオードの自然発光を出力から除去することができ、さらに、ミラーやレンズ、ファイバーを一体としてピボット軸の周りに回転することにより、波長を連続的に変えながら出力をファイバーから取り出すことができる。しかしながら、この技術では、出力が大幅に低下するだけでなく、光学系が大変複雑になり、光軸調整が著しく困難であるといった課題もある。

また、上記特許文献６に開示される技術では、レーザダイオードと回折格子の間にビームスプリッターを挿入し、ミラーによる反射及び回折格子による回折によってレーザダイオードに戻るビームをこのビームスプリッターで一部反射させて出力光としている。確かにこの方式では同調によるビームブレなしに自然発光を含まない出力ビームを取り出せるといった利点がある。しかしながら、ビームスプリッターでは逆に進むビームも反射してしまうため、共振器ロスが多く、出力効率が悪いばかりか、波長同調帯域の減少を招いてしまうといった課題がある。

また、上記特許文献７に開示される技術では、利得媒体と回折格子の間に偏光ビームスプリッターキューブとファラデー回転子を挿入し、偏光ビームスプリッターキューブから自然発光を含まない出力ビームを取り出せるようにしている。しかしながら、この技術では、光学部品の数が多く必要であり共振器ロスが増えるだけでなく、ファラデーローテーターによる偏光面の回転により回折格子でのロスも増大し、出力効率が悪く、同調領域も減少してしまうといった課題がある。更に、モードホップのない波長可変レーザでは共振器長を波長オーダーで制御する必要があるが、この技術では新たな光学部品を共振器内に挿入するため、どうしても共振器長が長くなってしまい、振動や温度に対する不安定性が増すといった課題がある。

また、上記特許文献８に開示される技術では、利得媒体と回折格子の間に偏光ビームスプリッターとファラデーローテーター、偏光回転子を挿入し、上記特許文献７に開示された技術において生じるファラデーローテーターによる偏光回転を、偏光回転子によって補正することで、無用な共振器ロスを低減し、自然発光を含まない出力を高効率に取り出そうとしている。しかしながら、この技術でも、多くの光学素子を使うため、共振器ロスが更に増え、また、共振器長が長くなってしまうため安定性に問題が生じてしまうといった課題がある。

そこで、本発明は上記先行技術における問題点を鑑み、同調域の減少と出力の低下を抑え、小型、簡便で、連続波長可変な自然発光を含まない（ＡＳＥ−Ｆｒｅｅの）外部共振器レーザを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一観点にかかる外部共振器レーザは、入射される光を一部反射し、一部を透過するハーフミラーが固定された固定支持体と、固定支持体に軸を介して回転可能に支持され、かつ、光を放出するレーザチップ、その光をコリメートするコリメートレンズ、及び、レーザチップから放出された光を回折させる回折格子が固定されてなる回転支持体とから構成されている。なおこの外部共振器レーザは、共振器配置がＬｉｔｔｍａｎ型であり、回転支持体を回転させることにより波長同調を行うことができる。

以上、本発明により、同調域の減少と出力の低下を抑えた、小型、簡便なＡＳＥ−Ｆｒｅｅの外部共振器レーザを提供することができる。

実施形態に係る外部共振器レーザの光学系の概略を示す図である。 実施形態に係る外部共振器レーザの構成の概略を示す図である。 レーザチップの概略を示す図である。 レーザチップの他の例の断面の概略を示す図である。 レーザチップの他の例の断面の概略を示す図である。 光乱散乱体の例について斜視の概略を示す図である。 光乱散乱体の例について断面の概略を示す図である。 λ／２板を設けた場合の外部共振器レーザの光学系の概略を示す図である。 冷却部材を備えた外部共振器レーザの構成の概略を示す図である。 実施例において作成した外部共振器レーザの写真図である。 実施例と従来型の外部共振器の波長に対する出力の結果を示す図である。 発振線幅とＳＭＳＲの波長依存性を示す。 出力ビームのエタロン透過特性を示す図である。 半導体レーザの放射ビームのプロファイルを示す図である。 回折格子によるビームプロファイルの変換を示す図である。 実施例１及び実施例２の出力ビームのビームプロファイルを示す図である。 実施例２に係る外部共振器レーザの出力のエタロン透過信号を示す図である。 実施例２に係る外部共振器レーザの出力の波長依存性を示す図である。 実施例３に係るスリットの斜視概略を示す図である。 実施例３に係る外部共振器レーザの出力のエタロン透過信号を示す図である。 実施例３に係る外部共振器レーザの出力の波長依存性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る外部共振器レーザ１の光学系の概略を示す図である。本実施形態にかかる外部共振器レーザ１は、光を放出するレーザチップ２と、レーザチップ２から放出された光を回折させる回折格子３と、回折格子３からの光を一部反射し、一部を透過するハーフミラー４と、を有する。なお本実施形態において、レーザチップ２と回折格子３との間には、レーザチップ２から放出された光を平行光にするコリメートレンズ９が配置されている。また本実施形態に係る外部共振器レーザ１は、レーザチップ２、回折格子３及びハーフミラー４から構成される外部共振器がＬｉｔｔｍａｎ型の共振器配置となっている。

図２は、本実施形態に係る外部共振器レーザ１の構成についての概略図である。上述の記載及び本図で示すように本実施形態に係る外部共振器レーザ１において、ハーフミラー４は固定支持体５に固定されており、レーザチップ２、コリメートレンズ９及び回折格子３は、回転支持体７に固定されている。なお、回転支持体７は、固定支持体５に設置される駆動機構８により軸６を中心に回転する。即ち回転支持体７は、固定支持体５に軸６を介して回転可能に支持されている。

本実施形態に係るレーザチップ２は、光を放出することのできるものであって、この限りにおいて限定されるわけではないが、図３の一例で示すように、マウント２２１と、このマウント２２１にハンダ等の接着層を介して固定されるサブマウント２２２と、このサブマウントに接着層を介して固定されるレーザダイオード２２３とを有する。またレーザダイオード２２３は、活性層２２３１と、この活性層２２３１を挟むｐ型の導波路層２２３２、ｎ型の導波路層２２３３と、更にこれらを挟むｐ型のクラッド層２２３４及びｎ型のクラッド層２２３５と、マウント２２１との間で活性層２２３１を挟むように配置される電極層２２３６と、を有して構成されている。本図で示すレーザチップ２は、電極層２２３６とマウント２２１との間に電流を流し発光層で発光させ、この発光を一方向に導波させて積層方向に垂直な方向から光を放出させる。また本実施形態に係るレーザチップ２においてレーザダイオード２２３の後端面（回折格子３に向いていない側の端面）には、入射される光を反射する反射層が形成されている。なお本実施形態に係るレーザダイオードの放出する光の波長範囲としては、発振させるレーザ光の波長に応じ適宜調整可能であり限定されるわけではないが、例えば７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは９００ｎｍ以上１０００ｎｍである。

なお、レーザチップ２の各層は、図３で示すようにサブマウント２２２の面と平行に積層したものとしてもよいが、サブマウント２２２に対し傾かせ、前端面（光放出面）の垂直方向から傾いた導波路を有するレーザチップとしてもよい。なお、傾いた導波路を有するものの例としては、例えば図４で示すように、前端面に向かうに従い傾きが増加していく曲がり導波路の他、例えば図５で示すように傾いた直線状の斜め導波路であっても良い。前端面を傾斜させることで、寄生発振やモードホップの原因となる前端面での残留反射を極限まで低減することができるといった効果がある。なお前端面における傾きの角度は、上記効果を有する限りにおいて限定されるわけではないが、前端面の垂直方向から３度以上大きいことが好ましく、より好ましくは４度以上１０度以下の範囲である。

図６、７は、本実施形態に係る光乱散乱体の例についての概略図である。図６は、斜視概略図であり、図７は断面の概略図である。本実施形態に係るレーザチップ２の前端面側には、光乱散乱体薄膜２１を用いた光散乱体ビームフィルタが配置されている。本実施形態に係る光乱散乱体薄膜２１は、光を散乱させることのできるものであって、この限りにおいて限定されるわけではないが、例えばセラミックスを好適に用いることができる。本実施形態に係る光乱散乱体薄膜２１は、限定されるわけではないが、マウント２２１及びサブマウント２２２を覆うように配置されていることが好ましい。寄生発振は主としてマウント２２１、サブマウント２２２及びこれらの間に必然的に存在するハンダ等の接着層によって発生する。そのため、少なくともサブマウント２２２及びマウント２２１の前端面を覆って配置されていることが好ましい。このようにすることで、外部共振器内の様々な光路による光学フィードバックに起因する寄生発振を効率的に抑えることができるようになる。また本実施形態に係る光乱散乱体薄膜２１の厚さは、材料等の条件によって適宜調整可能であるが、セラミックスを用いた場合は０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．７ｍｍ以下である。

また、本実施形態に係る光乱散乱体薄膜２１の形状は、上記の通り、サブマウント２２２及びマウント２２１の前端面を覆うことができる限りにおいて限定されるわけではなく、サブマウント及びマウントの形状と同一の形状であっても、これら全体を覆う矩形状であってもよいが、例えばピンホール（微小な孔）２１１が形成された円形状であることは好ましい一例である。この場合ピンホール２１１の大きさとしては、レーザダイオード２２３から放出される光及び回折格子３側から戻ってくる光が透過できる程度の大きさである限りにおいて限定されるわけではないが、例えば上記０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下の厚さの光乱散乱体を用いた場合、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下の円形状であることが好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の円形状である。このようにすることで、マウント２２１及びサブマウント２２２を効果的に覆い、レーザダイオードから放出される光を十分に透過させ、レーザダイオードから放出される光が広角に広がっている場合でも、この光を乱散乱させる虞が少なくなるといった効果がある。なお、本実施形態において光散乱体ビームフィルタは、レーザチップ２２３の前面から所定の距離をとって他の支持部材により固定されていてもよいが、レーザチップにおけるマウント２２１又はサブマウント２２２、好ましくはマウント２２１の前端面に接着部材を介して貼り付けておくことが不必要な光を乱散乱させて必要な光を乱散乱させない観点から好ましい。なお、この光散乱体ビームフィルタは、寄生発振に悩まされることなく利得領域全体にわたる波長同調が可能となり、高出力動作においても特性劣化を極めて少なくすることができる点において有用であるが、省略することも可能ではある。

また本実施形態において、コリメートレンズ９は、レーザチップ２から放出され光を平行にするためのレンズであり、コリメートレンズ９により平行にされた光は回折格子３及びハーフミラー４により回折及び反射され、再びコリメートレンズ９に入射され、再び光を集光してレーザチップ２に入射させる。

本実施形態に係る回折格子３は、レーザチップ２からの光のうち特定の波長の光を回折させてハーフミラー４に垂直に放出させる一方、ハーフミラー４からの反射光を再び回折させて再びレーザチップ２側に放出するものである。回折格子３は、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えば表面に鋸状の歯を複数形成してなる回折格子（ブレーズド回折格子）であることは好ましい一例である。

本実施形態に係るハーフミラー４は、回折格子３から入射される光の一部を反射して再び回折格子３に戻す一方、光の一部を透過し、共振器外部に放出することのできるものであり、この機能を有する限りにおいて限定されず、周知のハーフミラーを使用することができる。

本実施形態において、回折格子３とハーフミラー４は、レーザチップ２からの光が回折及び反射を経て再びレーザチップ２側に戻ることができるよう、所定の角度をもって向き合って配置されるだけでなく、この向き合う角度を調節することによって光路長を変化させ、発振する波長を変化させることができるよう配置される。例えば上記図１で示すように、本実施形態に係る回折格子３及びハーフミラー４のそれぞれ表面３１、４１は、常時回転中心（Ｐｉｖｏｔ Ｐｏｉｎｔ）を通る直線上で交わるよう配置される。

また本実施形態において、固定支持体５は、外部共振レーザを配置する台に支持固定するための部材であって、ハーフミラー４が固定されている。材質、構造としては、ハーフミラー等の構成部材を固定することができる限りにおいて限定されないが、加工性が高く、熱的・機械的に安定な材料が好ましく、例えば金属で形成されていることは好ましい一例である。

また本実施形態において、回転支持体７は、固定支持体５に軸６を介して回転可能となっていると共に、レーザチップ２、コリメートレンズ９及び回折格子３を固定する部材であり、回転支持体７を回転させることで回折格子３とハーフミラー４の向き合う角度、光路長を変化させることができる。なお、本実施形態において、軸６は回転中心であって、概ね、レーザチップ２の後端面の延長線上にあるよう設計されること（Ｌｉｔｔｍａｎ型配置となっていること）が好ましい。

また本実施形態において、上記構成に加え、コリメートレンズ９と回折格子３との間に、λ／２板１０を配置することも好ましい。この場合の概略図を図８に示しておく。一般に、レーザチップ２から放射される光は直線偏光となっているが、この偏光方向が回折格子に対し高効率な回折が得られない偏光方向になっている場合、λ／２板１０を適当な角度で配置し、高効率な回折が得られる偏光方向に制御することで、良好な同調性及び高出力性を実現できる。なおこの場合、λ／２板１０は、レーザチップ２及び回折格子３との位置関係を固定しておく必要から、回転支持体７に固定されていることが好ましい。

またレーザチップ２は、発光する際に発熱する。この発熱は共振器の安定性に影響を与えるため、共振器を安定化させるべく冷却部材２３を備えていることが好ましい。この冷却部材２３も、回転支持体７に直接又は間接的に固定されている。冷却部材２３としてはレーザチップ２の発熱による温度上昇を除去できる限りにおいて限定されるわけではないが、回転支持体に装着するため小型・軽量にすることが望ましく、例えばペルチェ素子２３１に軽量のヒートパイプ付放熱フィン２３２を付属させたものを好適に用いることができる。この冷却部材２３を備えた場合の図（側面図）を図９に示しておく。

本実施形態に係る外部共振器レーザ１は、ハーフミラー４を固定支持体５に固定し、回折光の一部をハーフミラー４によって取り出すだけで、先行技術のように共振器内にビームスプリッター等の光学素子を改めて配置する必要がなくなり、装置の簡略化、小型化が可能であり、更に同調域の減少と出力の低下を抑えたＡＳＥ−Ｆｒｅｅの外部共振器レーザを提供することができる。特に、ハーフミラーを固定としているため、回折格子とハーフミラーとの角度を変えて発振波長を変化させた場合であっても、ハーフミラーを動かすことがないため、常に同じ方向にレーザ光を出射させることができる。

以上、本実施形態により、同調域の減少と出力の低下を抑えた、小型、簡便なＡＳＥ−Ｆｒｅｅの外部共振器レーザを提供することができる。

ここで、上記実施形態に係る外部共振器レーザを実際に作製し、その効果を確認した。この結果を以下に示す。

（実施例１）
図１０は、本実施例において作製した外部共振器レーザの写真図である。本実施例においては、レーザチップ２として、銅のマウントにハンダ層を介してサブマウントを固定し、その上に更にハンダを介して固定されたレーザダイオードを用いた。なおレーザダイオードとしては通常時の利得ピーク波長１０６０ｎｍの曲がり導波路構造（５°の傾き）のダイオード（オプトエナジー社：ＳＬＤ−Ａ４０１０６１３０９２）を用いた。またこのスーパールミネッセントダイオードは上記実施形態において示した曲がり導波路構造をなしており、端面に対し傾斜させることで、寄生発振やモードホップの原因となる端面での残留反射を極限まで低減することができる。なお、このダイオードは、限定されるわけではないが“Ｔ． Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，Ｙ． Ｙａｍａｄａ，Ｙ． Ｙａｍａｄａ， Ａ． Ｏｋｕｂｏ，Ｙ． Ｏｅｄａ ａｎｄ Ｋ． Ｍｕｒｏ，“Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，ＳＰＩＥ ３６２５，ｐ．３８〜４５（１９９９）”に記載の方法を用いて作製が可能である。また、本実施例のコリメートレンズ９としては、Ｇｅｌｔｅｃｈ（登録商標）成型ガラス非球面レンズで焦点距離８ｍｍ、開口数０．５０、６５０〜１０５０ｎｍで無反射コートされたものを用いた。回折格子３としては１２００Ｌ／ｍｍのもの（ＮｅｗＰｏｒｔ社製、型番１０ＲＧ １２００−１０００−２）を用い、ハーフミラー４としては反射率５０％のもの（ＣＶＩ社製、型番ＰＲ１−１０２０−５０−１０２５）を用いた。また、レーザチップ２、コリメートレンズ９、及び回折格子３は回転支持体７に固定し、ハーフミラー４は微調整を可能にする形態で、固定支持体５に固定した。また回転支持体７は軸を介して固定支持体５に固定した。なお本実施例において、軸はＬｉｔｔｍａｎ型の外部共振器配置におけるＰｉｖｏｔＰｏｉｎｔ（回転中心）となるように設計した。また本実施例ではマウントの前端面に、０．６ｍｍのピンホールが形成されたセラミックス（直径１ｃｍの略円形状、厚さ０．５ｍｍ）からなる光乱散乱体を配置し、接着部材により貼り付けた。尚、本実施例において、レーザダイオードからのコリメートビームの回折格子への入射角は７５度とし、レーザダイオードの配置は回折格子において高い波長分解能が得られる様に、偏平なビームの長手方向が回折方向に一致するようにした。また、この場合レーザ発振の偏光方向が回折効率の低い偏光となったので、１／２波長板１０をコリメートレンズ９と回折格子の間に挿入し、回折格子における回折効率が最大になるように配置した。

この外部共振器レーザを２５℃、４００ｍＡの条件の下駆動し、レーザ光を発振させた。この外部共振器レーザと、従来型のＬｉｔｔｍａｎ型外部共振器レーザの分解能０．０１ｎｍでの出力のスペクトルを図１１に示す。

この結果、従来型のＬｉｔｔｍａｎ型波長可変レーザでは出力ビームに強い自然発光（ＡＳＥ）が重畳しているのに対し、本実施例の外部共振器レーザでは全同調範囲にわたって高スペクトル純度の出力が得られていることが確認できた。また、比較の外部共振器レーザでは、１００ｎｍの同調領域の両サイドではＳＭＳＲは２０ｄＢ程度まで減少してしまうのに対し、本実施例の外部共振器レーザでは６０ｄＢ以上のＳＭＳＲ高純度スペクトルを維持できることを確認した。

ところで、本実施例に係る外部共振器レーザにおける、４００ｍＡで測定したレーザの発振線幅とＳＭＳＲの波長依存性及び出力ビームのエタロン透過特性を測定した。この結果を図１２と図１３にそれぞれ示す。この結果、中央の９０ｎｍの領域において安定な狭線振幅発振を実現できていることが確認できた。なお反射率５０％のハーフミラーを用いた場合の出力は１００ｍＷ程度であるが、反射率を下げることにより更に高出力を得ることができた。

（実施例２）
本実施例では、ほぼ上記実施例１と同じであるが、レーザダイオードの配置が実施例１と異なる。以下詳細に説明する。

ＭＢＥやＭＯＣＶＤなどの半導体エピタキシーにより製造する半導体レーザは、上記図３に示すような構造を有しており、積層方向とそれに垂直な方向の光閉じ込め構造が異なるため、図１４（ａ）で示すように、出射ビームのプロファイルは楕円形となっている。特に、高出力なレーザチップではストライプ幅を広く取るため、一般的にビームの偏平度が増している。図１４（ｂ）は、本実施例に用いた半導体レーザの出射ビームを焦点距離８ｍｍの非球面レンズでコリメートしたビームのプロファイルを示す図である。本図で示すコリメートビームはエピタキシー成長方向に約６ｍｍ、それと垂直な方向に１．６ｍｍと強い異方性を持っている。また、半導体レーザの利得は構造の異方性を反映して強い偏光依存性を呈しており、発振は直線偏光で起こる。実施例に用いたレーザチップでは、発振の偏光はエピタキシー成長面に平行となっている。

また通常、レーザビームは、円形スポットに集光して、又は、シングルモードファイバーに結合して用いるが、半導体レーザのようにビームプロファイルが強い異方性を持つ場合、アナモルフィックプリズムペアーレンズを用いてビームを円形ビームに補正する必要がある。しかしながら、アナモルフィックプリズムペアーは一般に大型で高価な光学部品であるだけでなく、少しでも角度や配置がずれると、出射ビームがぶれてしまい、所望の位置への集光やシングルモードファイバーへの結合において問題となってしまう。特に、出力を回折格子の０次回折光で取り出すＬｉｔｔｍａｎ型の共振器配置の場合、半導体レーザからのコリメートビームはそのままのプロファイルで出力として取り出されることとなってしまうため、通常は、アナモルフィックプリズムペアーレンズなどを用いてビームプロファイル補正をする必要がある。

しかしながら、回折格子での１次回折光を出力をとして取り出す外部共振器レーザでは例えば図１５に示すように、レーザダイオードからのコリメートビームのビームプロファイルの変換が可能である。すなわち、回折格子へのコリメートビームの入射角をα、回折格子での回折角をβとした場合、回折ビームのビームプロファイルはＣｏｓ（α）／Ｃｏｓ（β）倍だけ出射ビームは回折方向に拡大される。例えばα＝７５度、β＝１０〜２０度の配置とすると、レーザビームはおおむね回折（縦）方向に４倍程度拡大されることになる。

そこで、本実施例では、レーザチップを光射出方向を軸中心として９０度回転させ、コリメートビームの短軸（コリメートビームの狭い幅方向に沿った軸をいう。一方、この短軸に垂直でコリメートビームの長い方向に沿った軸を「長軸」という。）を回折格子の回折方向に一致させたところ、出力ビームを図１６（ａ）に示すように、ほぼ円形のビームとすることができた。そして実際に焦点距離２５ｍｍの非球面レンズを通して、偏波面保存ファイバーに結合したところ、６０％の結合効率を得ることができた。更に、この配置ではレーザチップの発振の偏光方向は回折格子で高い回折効率の得られる偏光方向と一致するため、共振器内に１／２波長板を挿入する必要がなかった。なお図１６（ｂ）は、実施例１における出力ビームのプロファイルである。

図１７は、本実施例に係る外部共振器レーザの出力ビームのエタロン（ＦＳＲ：１０ＧＨｚ）の透過信号を示す図である。この結果、出力に自然発光は重畳せず、実施例１と同じように高スペクトル純度の出力を得ることができることを確認した。なお図１８は、本実施例に係る外部共振器レーザの各注入電流における出力の波長依存性を示す図である。

（実施例３）
本実施例は、ほぼ実施例２と同様であるが、ハーフミラー４に近接してスリット１１を設けた点が実施例２と異なる。図１９に、配置したスリット１１の概略図を示しておく。なお図１９（ａ）は外部共振器レーザの側面概略図を、図１９（ｂ）は、ハーフミラー４を正面から見た場合の概略図である。

図２０は、本実施例における外部共振器レーザの出力ビームのエタロン（ＦＳＲ：１０ＧＨｚ）の透過信号を示す図である。上記実施例２では、注入電流（出力）の増加とともに周期的な透過信号の振動が乱れ、複数の縦モード（周波数）で発振が起こってしまっている。しかしながら、本実施形態では、ハーフミラーに近接して、回折方向に幅１０ｍｍのスリットを共振器内に配置しているため、４００ｍＡまでの全注入電流において、１００ｎｍを超す同調領域全域にわたって良好な単一周波数発振を保証する良好なエタロン透過信号を得ることができることを確認した。つまり、実施例にかかる外部共振器レーザにおいて、ハーフミラー４に近接して回折格子の回折方向にビームを制限するスリット１１を配置することが、単一発振モード動作の安定化に有効であることが分かった。

また、図２１は、本実施形態に係る外部共振器レーザの出力の波長依存性を示す図である。本図で示すように、スリットを設置した場合であっても、出力の減少は極めて軽微であり、スリットの有用性が確認できた。

以上、本実施例により、本外部共振器レーザのスペクトル純度の向上、ビームプロファイルの改善における有用性を確認することができた。

本発明は、外部共振器レーザとして産業上の利用可能性がある。

１…外部共振器レーザ、２…レーザチップ、３…回折格子、４…ハーフミラー、５…固定支持体、６…軸、７…回転支持体、８…駆動機構、９…コリメートレンズ、１０…λ／２板、１１…スリット

Claims (7)

1. 入射される光を一部反射し、一部を透過するハーフミラーが固定された固定支持体と、
   前記固定支持体に軸を介して回転可能に支持され、かつ、光を放出するレーザチップ、前記レーザチップから放出される光をコリメートするコリメートレンズ、及び、前記レンズでコリメートされた光を回折させる回折格子が固定されてなる回転支持体と、を有し、
   前記レーザチップ、前記回折格子及び前記ハーフミラーはＬｉｔｔｍａｎ型の共振器配置となっている外部共振器レーザ。
2. 入射される光を一部反射し、一部を透過するハーフミラーが固定された固定支持体と、
   前記固定支持体に軸を介して回転可能に支持され、かつ、光を放出するレーザチップ、前記レーザチップから放出される光をコリメートするコリメートレンズ、及び、前記レンズでコリメートされた光を回折させる回折格子が固定されてなる回転支持体と、を有し、
   前記コリメートレンズによってコリメートされた楕円形のレーザビームを、回折格子での回折を介して、円形ビームに近い形になるように変換して、ハーフミラーから出力ビームとして取り出す外部共振器レーザ。
3. 回転支持体に固定されるペルチェ素子と、該ペルチェ素子に接続されるヒートパイプ付冷却フィンと、を備えた冷却部材と、を有する請求項１又は２記載の外部共振器レーザ。
4. 前記レーザチップは、曲がり導波路構造又は斜め導波路構造を用いる請求項１又は２記載外部共振器レーザ。
5. 前記レーザチップの前面に光散乱体ビームフィルタを配置してなる請求項１又は２記載の外部共振器レーザ。
6. 前記コリメートレンズと前記回折格子の間に１／２波長板を配置してなる請求項１又は２記載の外部共振器レーザ。
7. 前記ハーフミラーに近接してスリットを配置してなる請求項１又は２記載の外部共振器レーザ。