JP6696629B1 - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

レーザ装置の使用者が発振波長を変更することができるレーザ装置を得る。レーザ装置において、反射膜が成膜された後端面を有し、出力鏡との間でレーザ共振器を構成することで、レーザ光を出射するレーザ素子を設けた光源部と、光源部から出射されたレーザ光の光路上に配設され、入射したレーザ光の角度に応じて、レーザ素子から出射される発振波長を決定する光学素子と、光学素子から出射された出射光の一部を光学素子に向けて反射する出力鏡と、光源部から出射された光が光学素子に入射する角度を変更する入射角度変更手段とを備えた。

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

指向性の強い光源であるレーザ装置は距離の測定などの用途に用いられるが、高効率という利点もあることから、プロジェクタの光源としても用いられる。例えば、特許文献１では、レーザ光源を用いたプロジェクタが開示されている。このプロジェクタは、レーザ光の光路上に配置された光学素子により、入射光を複数の光路に分岐すると共に、各分岐光の光路上に設けた光学素子で各分岐光の位相を個別に変化させ、スクリーン上に現れるスペックル模様の発生を抑制する手法が開示されている。

特開２０１３−４４８００号公報 特許第６１６５３６６号公報

上記のような従来のレーザ装置では、媒質や構成によって一意に発振波長が決められている。例えば半導体レーザ装置では媒質の材料やレーザチップ端面に施される成膜の特性によって、一意に発振波長が決まる。
しかし、レーザ光源をプロジェクタ等の製品に適用する際、発振波長を変化させたい場合がある。例えば、赤色帯域において、人間の目が明るさを感じる指標となる視感度が大きい波長、すなわち、赤色帯域の中で短波長よりの赤色光を発するレーザ光源が必要とされる場合がある。あるいは、プロジェクタから発する三原色の光の色バランスを調整するため、青色、緑色、赤色を発するレーザ光源に対し、各色の帯域の中でそれぞれ波長を少し変えられるようにしたい場合がある。
従来のレーザ装置は、使用者が発振波長を変えることができないため、所望の発振波長に近い波長の光を発するレーザ光源を限定的な既製品から選択する、あるいは、所望の発振波長の光を発するレーザ装置を設計して作成する必要があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、レーザ装置の使用者が発振波長を変更することができるレーザ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るレーザ装置においては、反射膜が成膜された後端面を有し、出力鏡との間でレーザ共振器を構成することで、レーザ光を出射するレーザ素子を設けた光源部と、光源部から出射されたレーザ光の光路上に配設され、入射したレーザ光の角度に応じて、レーザ素子から出射される発振波長を決定する光学素子と、光学素子から出射された出射光の一部を光学素子に向けて反射する出力鏡と、光源部から出射された光が光学素子に入射する角度を変更する入射角度変更手段と、を備えたレーザ装置であって、出力鏡は、光学素子から出射された出射光の一部を光学素子に向けて反射した以外の光を透過することでレーザ装置の外部に出力し、光源部は、レーザ素子から出射された光を屈折させて平行光を出射する第一のレンズを備え、入射角度変更手段は、第一のレンズが出射する光の出射面積より大きな面積の入射面を有し、第一のレンズが出射した光を入射面から入射して集光し光学素子に出射する第二のレンズと、第二のレンズを移動して入射面における第一のレンズから出射された光の入射位置を変更することにより、光学素子に入射する光の角度を変更するレンズ移動手段とを備え、第二のレンズと光学素子と出力鏡を一体として構成した一体構成部をさらに備え、レンズ移動手段は、出力鏡がレーザ装置の外部に光を出力する方向と直交する方向に一体構成部を移動することにより、第二のレンズを出力鏡がレーザ装置の外部に光を出力する方向と直交する方向に移動し、入射位置を変更することを特徴とする。

本発明のレーザ装置は、反射膜が成膜された後端面を有し、出力鏡との間でレーザ共振器を構成することで、レーザ光を出射するレーザ素子を設けた光源部と、前記光源部から出射されたレーザ光の光路上に配設され、入射したレーザ光の角度に応じて、レーザ素子から出射される発振波長を決定する光学素子と、前記光学素子から出射された出射光の一部を前記光学素子に向けて反射する出力鏡と、前記光源部から出射された光が前記光学素子に入射する角度を変更する入射角度変更手段を設けたので、入射角度変更手段により光学素子に入射する光の入射角度を変更することで、光学素子から所定の角度方向に出射される光の波長を変更することができ、レーザ素子と出力鏡との間で共振し、出力鏡から出力される光の波長をレーザ装置の使用者が変更することができる。

実施の形態１におけるレーザ装置の構成を示す構成図 実施の形態１に係るレーザ装置の動作時における要部の状態を示す説明図 実施の形態１におけるレーザ素子の波長に対する利得帯域、およびレーザ装置の動作時の出力光のスペクトルを示す特性図 実施の形態２におけるレーザ装置の構成を示す構成図 実施の形態２に係るレーザ装置の動作時における要部の状態を示す説明図 実施の形態２におけるレーザ素子の波長に対する利得帯域、およびレーザ装置の動作時の出力光の強度のスペクトルを示す特性図 実施の形態３におけるレーザ装置の構成を示す構成図 実施の形態３に係るレーザ装置の動作時における要部の状態を示す説明図

実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ装置１の構成を示す構成図であり、図１（a）が上方からレーザ装置１を見たときの構成図、図１（b）が側方からレーザ装置１を見たときの構成図である。

実施の形態１におけるレーザ装置１は、レーザ装置１の使用者が、光源部２から出射され回折格子３に入射する光の角度を入射角度変更手段４により変更することができるようにしたものであり、これにより、出力鏡５から出力されるレーザ光の波長を変更するようにしたものである。

レーザ装置１は、図１に示すように、平行光を出射する光源部２、光源部２から出射される平行光の光路上に配設され、水平面内における一方向、すなわち図１のｘ方向に対してレンズ効果を有するシリンドリカルレンズ６、シリンドリカルレンズ６で集光された光を波長に応じた方向に出射される出射光に変換する光学素子としての回折格子３、回折格子３から出射された回折光の一部を回折格子３の方向に反射し、反射した以外の光を透過し、レーザ装置１の外部に出力する出力鏡５を備える。
なお、本実施の形態の説明における座標系は以下のとおりである。出力鏡５から光が出射する方向をｚ軸の正の向きとし、ｚｘ平面が水平面に一致するようにｘ軸をとる。水平面に直交する方向をｙ軸とし、ｘ軸とｙ軸の正の向きは、ｘｙｚ座標系が右手系になるように決定する。また、座標原点はレーザ素子の重心とする。

シリンドリカルレンズ６、回折格子３、出力鏡５は同じフレーム（図示せず）に取り付けられて一体となった一体構成部７を構成している。
一体構成部７にはレンズ移動手段８が接続されている。このレンズ移動手段８は、一体構成部７をｘ方向に移動することで、シリンドリカルレンズ６をｘ方向に移動させる。本実施の形態では、シリンドリカルレンズ６とレンズ移動手段８により入射角度変更手段４が構成される。

レーザ装置１はこのように構成されており、以下に各部を詳細に説明する。
光源部２は、電流が流されると自発放射により光を発生するとともに誘導放射により光を増幅して出射するレーザ素子９、レーザ素子９から出射された光を入射し平行光を出射する第一のレンズとしてのレンズ１０を備える。レンズ１０は、ｙｚ平面に平行な切断面においては直線となり、ｚｘ平面に平行な切断面においては曲線となる凹面形状を有し、入射する光線に対してｘ方向にレンズ効果を有する入射面と、レンズ１０の光軸に対して軸対称な凸面形状の出射面とを有する。これにより、レーザ素子９から出射され、レンズ１０に入射した光は、ｘ方向とｙ方向のそれぞれに対して屈折しコリメートされ、レンズ１０の出射面からは平行光が出射される。
なお、入射光を平行化するレンズ１０の形状については特許文献２に開示されており、本実施の形態におけるレンズ１０の形状は特許文献２に開示された形状と同様である。また、レーザ素子９とレンズ１０の配設位置についても特許文献２に開示されており、本実施の形態におけるレーザ素子９は特許文献２に開示された配置関係と同様、レンズ１０の入射面側焦点位置に配設されている。

シリンドリカルレンズ６は、レンズ１０から出射された光の出射面積より大きな面積の入射面１１と、ｙｚ平面に平行な切断面では直線だがｚｘ平面に平行な切断面では曲線となる曲面形状の出射面１２とを有する。レンズ１０から出射された平行光は、シリンドリカルレンズ６を透過することで、ｘ方向に対してレンズ効果を受け、集光される。その一方、レンズ１０から出射された平行光はｙ方向に対してはレンズ効果を受けない。
また、シリンドリカルレンズ６の入射面１１はレンズ１０から出射された光の出射面積より大きい構成のため、図２に示すように、レンズ１０からｚ方向に平行に出射された平行光がシリンドリカルレンズ６に入射する際の入射面における位置が変化することにより、シリンドリカルレンズ６の出射面１２から出射される光はｙ軸周りの角度が変化する（ｚ軸方向からｘ方向に対して角度を有する）こととなる。
上述のように、一体構成部７にはレンズ移動手段８が接続されており、レンズ移動手段８が一体構成部７をｘ方向に移動することで、前記入射面１１における光の入射位置が変更され、シリンドリカルレンズ６の出射面１２から出射される光の出射角度が変化し、その結果、その出射光が回折格子３に入射する角度が変わる。
このような構成のシリンドリカルレンズ６、およびレンズ移動手段８によって、光源部２から出射された光が回折格子３に入射する角度を変更する入射角度変更手段４が構成されている。なお、この実施の形態では、レンズ１０が請求項における第一のレンズ、シリンドリカルレンズ６が請求項における第二のレンズに対応する。

レーザ素子９は、半導体で形成されたレーザチップであり、前端面１４と後端面１５にそれぞれ成膜が施されている。前端面１４にはレーザ光の発振波長の光を通過する性質の反射防止膜が成膜され、後端面１５にはレーザ光の発振波長の光を全反射する性質の反射膜が成膜されている。本実施の形態のレーザ装置１は、このようなレーザ素子９の後端面１５と出力鏡５との間で共振器を構成した外部共振型のレーザ装置である。なお、レーザ素子の周辺は、その台座となる（図示しない）サブマウント、そのサブマウントが接合されているブロックと、ステムにより構成されることが一般的である。

また、レーザ素子９はｘ方向とｙ方向に有限の発光幅を有し、ｘ方向の発光幅は通常数マイクロメートルから数百マイクロメートルであり、ｙ方向の発光幅は通常１マイクロメートルから数マイクロメートルである。また、このレーザ素子９から出射される光は、ｘ方向とｙ方向で異なる広がり角を有する。この光は、ｘ方向に最小の広がり半角を有し、典型的には２〜１５°でありまた、ｙ方向に最大の広がり半角を有し、典型的には１５〜４５°である。

レンズ移動手段８は、一体構成部７をｘ方向に移動させるものであり、本実施の形態では、マイクロメータである。このマイクロメータをレーザ装置の使用者が調整することにより、一体構成部７のｘ方向の位置調整が可能となる。レンズ移動手段８は、シリンドリカルレンズ６をｘ方向に移動させ、レンズ１０から出射された光の入射面１１における入射位置を変更するものであればよく、上記の構成に限らない。

回折格子３は、ｙ軸に平行な方向に延伸する複数のスリットを備え、スリットの延伸方向と配列方向がなす平面に垂直な直線はｚ軸と角度β_０をなす。この回折格子３は入射した光がスリットを透過して回折する透過型の回折格子である。
回折格子３に入射した光のうち同一波長の成分は、回折格子３で回折するとお互いに、所定の出射角度において強め合う干渉をおこす。この出射角度は、入射する光の入射角および波長との関係で決まる。したがって、レーザ素子の利得帯域内にある所望の波長において、入射されるレーザ光の回折格子への角度によって決まる、発振波長においてレーザ発振を得ることが出来る。また、本実施の形態における回折格子３は特定の回折次数ｍ０において、最大の回折効率が得られるものである。
また、回折格子３は、シリンドリカルレンズ６の出射面側焦点距離に配設されている。これにより、光の損失が少ないレーザ共振器を実現することが出来る。

出力鏡５は入射面に所定の反射率を有する成膜が施されたもので、回折光の光路上にｘｙ平面に平行に配設されており、入射した光の一部を回折格子３の方向に反射するとともに、反射した光以外の光を透過し出力する。出力鏡５で反射した光は、入射してきた光路と同じ光路を逆に伝播し、レーザ素子９に入射して後端面１５の反射膜で再び反射される。このように出力鏡５とレーザ素子９の後端面１５の反射膜との間で光が反射を繰り返すように構成され、これらが共振器を構成している。

本実施の形態におけるレーザ装置１は、以上のように構成されている。

次に、本実施の形態におけるレーザ装置１の動作について説明する。本実施の形態におけるレーザ装置１においては、上記のようにレーザ素子９と出力鏡５との間で光が反射を繰り返すように共振器が構成されており、この共振器で増幅された光の一部が出力鏡５から出力され、これがレーザ光として出力される。図２は、本実施の形態に係るレーザ装置１の動作時における要部の状態を示す説明図である。レーザ装置１の動作時において、レーザ装置１の使用者がレンズ移動手段８を駆動して一体構成部７をｘ方向に動かすと、図２（ａ）に示す状態から図２（ｂ）に示す状態となり、回折格子３に入射する光の角度が変わる。この場合でも、レーザ素子９と出力鏡５との間で光が反射を繰り返す経路を構成する共振器により増幅された光が出力鏡５から出力される。ただし、図２（ｂ）に示す状態において回折格子３に入射する光の角度が、図２（ａ）に示す状態の場合から変化しており、このため回折格子３から出力鏡５に垂直な方向に出射する光は、図２（ａ）に示す状態の場合の波長とは異なる波長の光になる。この波長の光が出力鏡５で反射して共振器で増幅され、出力鏡５から出力されることになる。このように、レンズ移動手段８を駆動することにより、取り出す光の波長を変えることができる。

以下、取り出す光の波長を変化させる際の動作をより詳細に説明する。初めに、一体構成部７が図２（ａ）の位置に配設されているときの動作について説明し、その後、レーザ装置１の使用者がレンズ移動手段８を駆動して一体構成部７をｘ方向に動かし、図２（ｂ）の位置に移動させた後の動作について説明する。図２（ａ）は初期状態における一体構成部７の配設位置と光路を表す概念図であり、一体構成部７のｘ座標はｘ_０である。一体構成部７のｘ座標はどこを基準にしても良いが、ここでは一体構成部７とレンズ移動手段８が接続される位置を一体構成部７のｘ座標とした。図２（ｂ）は一体構成部７をｘ方向にΔｘだけ移動させた後の一体構成部７の配設位置と光路を表す概念図であり、一体構成部７のｘ座標はｘ_０＋Δｘである。

まず、図１に示すレーザ装置１においてレーザ発振を生じさせるために、図示しない電源を用いて、レーザ素子９に電流を流す。一定以上の電流が注入されることにより、レーザ素子９は光を出射する。

レーザ素子９から出射された光は、レンズ１０を透過することにより、ｘ方向とｙ方向の両方向についてコリメートされ、ｚ軸に平行な平行光として出射される。

レンズ１０から出射された平行光は、シリンドリカルレンズ６により集光され、集光された光は、角度α_０で回折格子３に入射する。そして、回折格子３は、入射した光の各波長成分をそれぞれ異なる方向で強め合うように回折する。回折格子３により回折された光の波長成分のうち、図２（ａ）に点線で描かれているような出力鏡５に垂直に入る光だけが回折格子３に正反射して入射経路を戻るので、この波長の光が共振器で増幅され、レーザ素子９による利得が最も大きい波長成分となる。

回折格子３から出射されるレーザ光の出射角度βは、回折格子３に入射する光の入射角度α、回折格子のスリット間隔ｄ、入射光の波長λに依存し、これらの関係は、回折次数をｍとすると以下のグレーティング方程式により表される。

本実施の形態における構成では、出力鏡５に垂直に入射し反射された光が、入射時の光路と同じ光路を逆に伝播し、レーザ素子９へと戻る。そして、レーザ素子９の後端面１５と出力鏡５との間で反射を繰り返し共振が生じる。また、出力鏡５に斜めに入射する光は、反射されても入射してきた光路と同じ光路を逆に伝播することはなく、共振されない。そのため、出力鏡５に垂直に入射する角度で強め合うように、回折格子３で回折された波長の光が共振器で増幅されることになる。

ここで、出力鏡５で垂直に入射する角度で強め合うように回折格子３で回折される光の波長を求めるには、回折格子３が出力鏡５と角度β_０をなすため、式（１）においてβがβ_０の場合を考えればよい。また、図２（ａ）の一体構成部７の配置における光の入射角度はα_０であるので、数式１のαはα_０である。また、回折格子３は特定の回折次数ｍ_０において、最大の回折効率が得られるものであるので、数式１のｍはｍ_０とする。したがって、数式１のαにα_０をβにβ_０をｍにｍ_０をそれぞれ代入したときのλが、出力鏡５に垂直に入射する方向において、干渉により強められる光の波長であり、このときのλをλ_０とする。

上記により得られた波長λ_０の光は、回折格子３から出射された後、出力鏡５により一部が反射される。反射された光は入射してきた光路と同じ光路を逆に伝播し、レーザ素子９の後端面１５と出力鏡５との間で共振を行う。共振する光はレーザ素子９において誘導放射により増幅され、これにより増幅された波長λ_０の光が、出力鏡５からレーザ装置１の外部へと出力される。

次に、一体構成部７を、レンズ移動手段８を用いてｘ方向にΔｘだけ移動させた後の動作について、図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ｂ）は一体構成部７をｘ方向にΔｘだけ移動させた後の一体構成部の配置及び光路を表す概念図である。レーザ素子９及びレンズ１０における動作は、一体構成部７を移動させる前と同じであるため省略する。

一体構成部７を移動させたため、一体構成部７に含まれるシリンドリカルレンズ６もそれに伴いｘ方向にΔｘだけ移動し、入射面１１においてレンズ１０から出射された平行光を入射する位置が変化する。シリンドリカルレンズ６へ光の入射位置が変わることにより、シリンドリカルレンズ６を透過し、出射面１２から出射される光の出射位置も変わり、光の出射位置に応じて出射角度が変化する。

そして、出射面１２が出射する光の角度が変化するため、回折格子３に入射する光の角度もα_０からα_０＋Δαへと変化する。このとき、数式１において、出射角度βはβ_０のまま変わらず、αのみがα_０からα_０＋Δαへと変化する。そのため、同じ回折次数ｍ_０に対して強められる光の波長はλ_０からλ_０＋Δλへと変化する。

回折格子３から出射された波長λ_０＋Δλの光は、一体構成部７の移動前と同様、レーザ素子９の後端面１５と出力鏡５との間で共振され、出力鏡５からは増幅された波長λ_０＋Δλの光が出力される。

以上のようなレーザ装置１の動作により、レーザ装置１の使用者が出力鏡５から出力される光の波長を変更することができる。

図３は、レーザ素子９の波長に対する利得帯域、およびレーザ装置１の動作時の出力光の強度のスペクトルを示す特性図である。図３において、点線で描かれた幅の広い山がレーザ素子９の利得帯域１６であり、二つ描かれた幅の狭い山のうち左の山がレーザ装置１を図２（ａ）の状態にしたときにレーザ装置１内で共振して増幅され、出力される光のスペクトル１７、右の山がレーザ装置１を図２（ｂ）の状態にしたときにレーザ装置１内で共振して増幅され、出力される光のスペクトル１８である。

レーザ素子９は、図３に点線で示すように一定の利得帯域１６を有しており、利得帯域１６内の波長の光のうち、回折格子３への光の入射角度αに応じて、数式（１）により定まる波長λの光が共振器で共振して、いわゆるレーザ発振を生じる。ここで、レンズ移動手段８を用いて一体構成部７をｘ方向に移動し、一体構成部７のｘ座標をｘ_０からｘ_０＋Δｘに変更すると、出力される光の波長はΔλだけ変化する。このようにレンズ移動手段８で一体構成部７を変位させることで、発振波長を変えることができる。このとき、一体構成部７の移動方向に応じてΔｘはｘ方向における正負どちらの値もとり得るものであり、Δｘの値に応じて、Δλも正負いずれかの値を取る。そのため、レーザ素子９の利得帯域の波長内において、元の波長から長波長化と短波長化のいずれも実現することができる。

本実施の形態におけるレーザ素子９は、ｘ方向とｙ方向に異なる発光幅と広がり角を有するものであったが、レーザ素子９の役割は誘導放射により光を増幅し出射することであり、これにより光を出射できれば上記の構成に限らず、例えば、ｘ方向とy方向に同じ発光幅と広がり角を有する構成であっても良い。また、レーザ素子９は半導体レーザに限るものではなく、例えば、（本発明への適用が好適との点から）利得帯域の広い固体レーザと、この固体レーザ励起用の半導体レーザを備えた構成としても良い。

本実施の形態におけるレンズ１０の役割は、レーザ素子９から出射された光を入射し、平行光を出射することであり、平行光を出射できれば上記の形状に限らない。例えば、出射面の形状はそのままに、入射面の形状を軸対称な凹面形状として構成しても良いし、通常の凸レンズ等を用いてもよい。また、レンズ１０は、ｘ方向とｙ方向の両方向に対して、安定した共振器を構成するために、光をコリメートするためのものであるので、必ずしも１枚のレンズで両方向に対してコリメートする必要はない。例えば、ｘ方向とy方向のそれぞれに対して別々にコリメートする２枚のレンズを備える構成としても良い。

本実施の形態ではレンズ１０の後に設置されたレンズとしてシリンドリカルレンズを用いる構成としたが、光が入射する位置に応じて出射光の出射する角度が変わるものであれば、上記の構成に限らず、例えば、特にシリンドリカル形状にこだわらず通常の凸レンズを用いても良い。

本実施の形態では、入射した光を波長に応じた方向に出射される出射光に変換する光学素子として、透過型の回折格子を用いる構成としたが、入射した光を波長に応じた方向に出射される出射光に変換するものであれば、上記の構成に限らず、例えば、反射型の回折格子や分散プリズムを用いた構成としても良い。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２におけるレーザ装置について説明する。
実施の形態１では、光源部２に備えられたレーザ素子９が単一の発光点を有する場合について説明したが、本実施の形態では、光源部２に備えられたレーザ素子２０が複数の発光点を持つ場合について説明する。

本実施の形態におけるレーザ装置の構成について説明する。
図４は、本発明を実施するための実施の形態２におけるレーザ装置１の構成を示す構成図であり、図４（a）が上方からレーザ装置１を見たときの構成図、図４（b）が側方からレーザ装置１を見たときの構成図である。
本実施の形態において、光源部２に備えられたレーザ素子２０は、回折格子３が有するスリットの配列方向にアレイ状に配設されたエミッタ２１、エミッタ２２、エミッタ２３を有する。その他の構成は、実施の形態１における構成と同じである。また、レーザ素子２０から出射された光をコリメートするレンズ１０は、実施の形態１と同様に１枚のレンズでコリメートする構成としたが、各エミッタに対して、それぞれの出射光をコリメートするレンズを備える構成であっても良い。

次に、本実施の形態におけるレーザ装置１の動作について説明する。
まず、実施の形態１と同様、レーザ装置１においてレーザ発振を生じさせるために、図示しない電源を用いて、レーザ素子２０に電流を流す。レーザ素子２０に一定以上の電流が流されると、レーザ素子２０のエミッタ２１、エミッタ２２、エミッタ２３からそれぞれ光が出射され、レーザ素子２０からは各エミッタから出力された３本の光線が出射される。

レーザ素子２０から出射された光はレンズ１０でコリメートされ、平行光がシリンドリカルレンズ６に入射される。各エミッタから出射された光は、シリンドリカルレンズ６の入射面１１への入射位置がそれぞれ異なるため、出射面１２から出射される光の角度もそれぞれ異なる。

図５は、実施の形態２に係るレーザ装置１の動作時における要部の状態を示す説明図である。
図５に示すように、シリンドリカルレンズ６から、それぞれ異なる出射角度で出射された３本の光は、それぞれ異なる入射角度で回折格子３に入射する。ここで、エミッタ２１、エミッタ２２、エミッタ２３から出射された光の回折格子３への入射角度をそれぞれα_１、α_２、α_３とする。実施の形態１と同様、回折格子３は、式（１）に従い、入射した光の各波長成分をそれぞれ異なる方向で強め合うように回折する。実施の形態１と同様、回折格子３と出力鏡のなす角度をβ_０とし、回折格子３は特定の回折次数ｍ_０で最大の回折効率が得られるものとすると、式（１）のβにβ_０をｍにｍ_０を、そしてαにα_１、α_２、α_３をそれぞれ代入したときのそれぞれのλが、出力鏡５に垂直に入射する方向において、干渉により強められる光の波長である。αにα_１、α_２、α_３を代入したときのλをそれぞれ、λ_１、λ_２、λ_３とする。

上記のように回折格子３により得られた波長λ_１、λ_２、λ_３の光は、回折格子３から出射された後、実施の形態１と同様、出力鏡５により一部が反射される。反射された光は入射してきた光路と同じ光路を逆に伝播し、レーザ素子９の後端面１５と出力鏡５との間で共振を行う。共振する光はレーザ素子９において誘導放射により増幅され、これにより増幅された波長λ_１、λ_２、λ_３の光、すなわち多波長のレーザ光が、出力鏡５からレーザ装置１の外部へと出力される。

次に、一体構成部７を、レンズ移動手段８を用いてｘ方向にΔｘだけ移動させた後の動作について説明する。実施の形態１と同様、一体構成部７を移動させることで、一体構成部７に含まれるシリンドリカルレンズ６もｘ方向にΔｘだけ移動し、入射面１１においてレンズ１０から出射された平行光を入射する位置が変化する。シリンドリカルレンズ６へ光の入射位置が変わることにより、シリンドリカルレンズ６を透過し、出射面１２から出射される光の出射位置も変わり、光の出射位置に応じて出射角度が変化する。

そして、出射面１２が出射する光の角度が変化するため、回折格子３に入射する光の角度もα_１、α_２、α_３からα_１＋Δα_１、α_２＋Δα_２、α_３＋Δα_３へと変化する。このとき、式（１）において、出射角度βはβ_０のまま変わらず、αのみがα_１、α_２、α_３からα_１＋Δα_１、α_２＋Δα_２、α_３＋Δα_３へと変化する。そのため、同じ回折次数ｍ_０に対して強められる光の波長はλ_１、λ_２、λ_３からλ_１＋Δλ_１、λ_２＋Δλ_２、λ_３＋Δλ_３へと変化する。

回折格子３から出射された波長λ_１＋Δλ_１、λ_２＋Δλ_２、λ_３＋Δλ_３の光は、一体構成部７の移動前と同様、レーザ素子９の後端面１５と出力鏡５との間で共振され、出力鏡５からは増幅された波長λ_１＋Δλ_１、λ_２＋Δλ_２、λ_３＋Δλ_３の光が出力される。

以上のようなレーザ装置１の動作により、レーザ装置１の使用者が出力鏡５から出力される光の波長を変更することができる。

図６は、レーザ素子２０の波長に対する利得帯域、およびレーザ装置１の動作時の出力光の強度のスペクトルを示す特性図である。図６（ａ）が一体構成部を移動する前の状態における概念図、図６（ｂ）が一体構成部を移動させた後の状態における概念図である。図６（ａ）において、点線で描かれた幅の広い山がレーザ素子２０の利得帯域２４であり、実線で描かれた三つの幅の狭い山はそれぞれ、左から順にエミッタ２１、エミッタ２２、エミッタ２３が出射した光が共振して増幅され、出力される光のスペクトル２５、スペクトル２６、スペクトル２７である。また、図６（ｂ）において、点線で描かれた幅の広い山がレーザ素子２０の利得帯域２４、実線で描かれた三つの幅の狭い山はそれぞれ、左から順にエミッタ２１、エミッタ２２、エミッタ２３が出射した光が共振して増幅され、出力される光のスペクトル２８、スペクトル２９、スペクトル３０である。実施の形態１と同様、レーザ素子２０の利得帯域の波長内であれば、元の波長から、長波長化と短波長化のいずれも実現することが出来る。

本実施の形態におけるレーザ装置を、プロジェクタ等の製品に適用した場合、単一波長では顕著であったレーザ光の持つコヒーレンシーが、多波長化されたことによって低下し、スペックルノイズが抑制されたプロジェクタを実現することができる。従来のプロジェクタでは、スペックルを抑制するには、レーザ光源以降の光学システムにおいて、特別な対処が必要であったが、本実施の形態におけるレーザ装置を用いれば、そのような特別な対処は不要となる。

本実施の形態におけるレーザ素子２０は３つのエミッタを持つ構成としたが、複数のエミッタを有していれば、上記の構成に限らず、例えば、より複数のエミッタをアレイ状に配設したレーザ素子であっても良い。コヒーレンシーの低下の観点からは、より発光点数を増やし、多波長化することで、スペックル低減化に大きく寄与する。

本実施の形態における光源部２は、複数の発光点を持つレーザ素子を一つ備える構成としたが、複数本の光線を得られれば、上記の構成に限らず、例えば、単一の発光点を持つレーザ素子を複数備える構成、あるいは複数の発光点を持つレーザ素子を複数備える構成としても良い。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３におけるレーザ装置について説明する。
本実施の形態におけるレーザ装置は、レンズ移動手段が一体構成部を微小振動させることを特徴とする。

本実施の形態におけるレーザ装置１の構成について説明する。
図７は、本発明を実施するための実施の形態３におけるレーザ装置１の構成を示す構成図であり、図７（ａ）がレーザ装置１を上方から見たときの構成図、図７（ｂ）がレーザ装置１を側方から見たときの構成図である。
本実施の形態におけるレーザ装置１に備えられた入射角度変更手段４は、レンズ移動手段３１を有する。レンズ移動手段３１は一体構成部７をｘ方向に微小振動させるものであり、例えばモーター等であるが、レンズ移動手段３１は一体構成部７をｘ方向に微小振動させることができればよく、モーターに限るものではない。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

次に、本実施の形態におけるレーザ装置１の動作について説明する。
図８は、実施の形態３に係るレーザ装置１の動作時における要部の状態を示す説明図であり、一体構成部７を微小振動させたときの一体構成部７の位置を示すもので、実線は一体構成部７がｘ軸の正の方向に最も移動したとき、点線は一体構成部７がｘ軸の負の方向に最も移動したときの状態をそれぞれ示している。

レンズ移動手段３１は、一体構成部７をｘ方向にｘ_１１とｘ_１２との間の振動幅で、微小振動させる。一体構成部７がｘ_１１、ｘ_１２に位置した状態での回折格子３への光の入射角度をそれぞれα_１１、α_１２とする。また、上記の他の実施の形態と同様、回折格子３と出力鏡５が角度β_０をなし、回折格子３は特定の回折次数ｍ_０で最大の回折効率が得られるものとする。式（１）のβにβ_０をｍにｍ_０を、そしてαにα_１１、α_１２をそれぞれ代入したときのλをそれぞれ、λ_１１、λ_１２とする。
回折格子３から出射された光は、他の実施の形態と同様、レーザ素子９の後端面１５と出力鏡５との間で共振し増幅された後、出力鏡５からレーザ装置１の外部へと出力される。このとき出力される光の波長は、一体構成部７の位置の応じた波長であり、λ_１１からλ_１２までの間の波長である。

レンズ移動手段３１によって、一体構成部７を微小振動させるので、出力される光の波長がλ_１１からλ_１２までの間で素早く変化しながら光が外部に出力される。

人間の目や脳は、一般的に画像がちらつく際の周期が約２０ｍｓｅｃ〜５０ｍｓｅｃより小さいと、画像のちらつきを認識できないと言われている。その時間内の画像は、脳により積分化処理され、平均化されて認識される。よって、本実施の形態のレーザ装置１をプロジェクタ等に適用すれば、光の波長を短時間で変動させることにより、認識される画像の輝度や色が平均化され、スペックルノイズを人間が気にならない程度に平均化することができる。

なお、上記全ての実施形態において、光源部から出射された光が光学素子に入射する角度を変更する入射角度変更手段として、レンズ移動手段を用いる構成とした。しかし、入射角度変更手段は、光学素子に入射する光の角度を変更できれば、上記の構成に限らず、例えば、レンズは動かさず、光学素子を回転する構成としてもよい。例えば、回折格子を回転させる回折格子回転手段、あるいは分散プリズムを回転させる分散プリズム回転手段を入射角度変更手段としてレーザ装置に備えることにより、それらに入射する光の入射角度が変更され、入射角度の変更に伴い、出射光の波長が変更され、上記の実施形態と同様の効果が得られる。このとき、回折格子回転手段は回折格子が有するスリットの延伸方向を回転軸として回折格子を回転させる。また、分散プリズム回転手段は、例えば、分散プリズムが三角形を底面とする三角柱であるとき、底面に垂直な直線を回転軸として、分散プリズムを回転させる。

また、入射角度変更手段は、レンズを回転させるレンズ回転手段であってもよい。光学素子の位置や角度は変更せずに、シリンドリカルレンズ６を回転させることにより、回折格子３に入射する光の入射角度を変更し、レーザ装置１から出射される光の波長を変更することができる。

また、実施の形態２のように、光源部が複数のレーザ素子を有する場合には、入射角度変更手段は、複数のレーザ素子のうち、光を出射するレーザ素子を選択する出射位置選択部であってもよい。この場合、複数のレーザ素子のうち、発光させるレーザ素子を選択することによって、入射角度変更手段ないしは回転手段を用いずに、レーザ装置から出射されるレーザ光の波長変更が可能である。複数備えられたレーザ素子から出射された光は、それぞれ異なる入射位置でシリンドリカルレンズ６の入射面１１に入射する。それぞれ異なる入射位置に入射した光は、出射面１３からそれぞれ異なる出射位置及び出射角度で出射され、それに伴い、それぞれ異なる入射角度で回折格子３入射する。複数備えられたレーザ素子のうち、光を出射するレーザ素子を選択することにより、回折格子３に入射する光の入射角度を選択することができ、レーザ装置１からは選択されたレーザ素子及び入射角度に応じた波長の光が出力される。そのため、光を出射するレーザ素子の選択を変更することにより、回折格子３に入射する光の入射角度を変更し、レーザ装置１から出力される光の波長を変更することができる。

本発明に係るレーザ装置は、プロジェクタや照明装置等に適用可能である。

１ レーザ装置、２ 光源部、３ 回折格子、４ 入射角度変更手段、５ 出力鏡、６ シリンドリカルレンズ、７ 一体構成部、８ レンズ移動手段、９ レーザ素子、１０ レンズ、１１ 入射面、１２ 出射面、１４ 前端面、１５ 後端面、１６ 利得帯域、１７ スペクトル、１８ スペクトル、２０ レーザ素子、２１ エミッタ、２２ エミッタ、２３ エミッタ、２４ 利得帯域、２５ スペクトル、２６ スペクトル、２７ スペクトル、２８ スペクトル、２９ スペクトル、３０ スペクトル、３１ レンズ移動手段

Claims (9)

1. 反射膜が成膜された後端面を有し、出力鏡との間でレーザ共振器を構成することで、レーザ光を出射するレーザ素子を設けた光源部と、
   前記光源部から出射されたレーザ光の光路上に配設され、入射したレーザ光の角度に応じて、前記レーザ素子から出射される発振波長を決定する光学素子と、
   前記光学素子から出射された出射光の一部を前記光学素子に向けて反射する出力鏡と、
   前記光源部から出射された光が前記光学素子に入射する角度を変更する入射角度変更手段と、
   を備えたレーザ装置であって、
   前記出力鏡は、前記光学素子から出射された出射光の一部を前記光学素子に向けて反射した以外の光を透過することで前記レーザ装置の外部に出力し、
   前記光源部は、前記レーザ素子から出射された光を屈折させて平行光を出射する第一のレンズを備え、
   前記入射角度変更手段は、前記第一のレンズが出射する光の出射面積より大きな面積の入射面を有し、前記第一のレンズが出射した光を前記入射面から入射して集光し前記光学素子に出射する第二のレンズと、前記第二のレンズを移動して前記入射面における前記第一のレンズから出射された光の入射位置を変更することにより、前記光学素子に入射する光の角度を変更するレンズ移動手段とを備え、
   前記レーザ装置は、前記第二のレンズと前記光学素子と前記出力鏡を一体として構成した一体構成部をさらに備え、
   前記レンズ移動手段は、前記出力鏡が前記レーザ装置の外部に光を出力する方向と直交する方向に前記一体構成部を移動することにより、前記第二のレンズを前記出力鏡が前記レーザ装置の外部に光を出力する方向と直交する方向に移動し、前記入射位置を変更する
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記レンズ移動手段は、前記第二のレンズを振動させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記光学素子は、複数のスリットを有し、前記入射したレーザ光の各波長成分をそれぞれ異なる方向で強め合うように回折する回折格子である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記光源部は、前記スリットの配列方向に配設された複数のレーザ素子を備えた
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記光源部に設けられたレーザ素子は、前記スリットの配列方向に配設された複数の発光点を備えた
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ装置。
6. 前記光学素子は、前記入射したレーザ光の各波長成分をそれぞれ異なる方向に分散し出射する分散プリズムである
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
7. 前記第一のレンズは、シリンドリカルな凹面形状の入射面と、軸対称な凸面形状の出射面とを有する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
8. 前記第一のレンズは、それぞれ異なる方向に対して光をコリメートする２枚のレンズにより構成される
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
9. 前記第二のレンズは、シリンドリカルレンズである
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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