JPH0453015Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本考案は、半導体レーザの波長を原子や分子の
吸収線に制御して安定化する半導体レーザ波長安
定化装置の特性の改善に関する。

《従来の技術》 第９図は従来の半導体レーザ波長安定化装置を
示す構成ブロツク図である。半導体レーザLDの
電流に周波数mの変調信号を重畳してレーザ出
力の発振波長を変調し、ビームスプリツタBSで
分離した光の一方を特定の波長で吸収を起こす標
準物質を封入した吸収セルCLに入射する。ビー
ムスプリツタBSで分離した他方の光はミラーＭ
で反射されて出力光となる。吸収セルCLからの
出射光は光検出器PDで電気信号に変換され、ロ
ツクインアンプLAで同期整流される。制御手段
CTでロツクインアンプLAの出力が一定値となる
ように半導体レーザLDの電流を制御することに
より、半導体レーザLDの波長を吸収セルCL内の
原子の吸収線にロツクさせることができる。

《考案が解決しようとする問題点》 しかしながら、上記のような構成の半導体レー
ザ波長安定化装置では、半導体レーザの出力光の
平均周波数は標準物質の吸収線にロツクされて安
定となるが、変調周波数mで常に周波数が変動
しているので、発振周波数の瞬時値は安定ではな
い。また使用できる半導体レーザは吸収線の波長
が出力できるものでなければならない。通常市販
されている半導体レーザは温度や電流を変えるこ
とで波長を多少は変化できるが、モードホツピン
グの現象があり、吸収波長でこれが生ずるような
レーザは使用できない。市販されているレーザを
例えば吸収波長±２mm程度に選別しても、その中
でモードホツピングが無く使えるレーザは20〜30
％程度であり、レーザが高価になつてしまう。

本考案はこのような問題点を解決するためにな
されたもので、モードホツピングのない半導体レ
ーザを用いて低価格化しかつ特性を改善するとと
もに発振周波数が瞬時的にも高安定な半導体レー
ザ波長安定化装置を実現することを目的とする。

《問題点を解決するための手段》 本考案は標準物質の吸収スペクトル線に半導体
レーザの波長を制御して波長を安定化する半導体
レーザ波長安定化装置に係るもので、その特徴と
するところは半導体レーザの出力光の一部を入射
して周波数変調する変調手段と、この変調手段の
出力光を入射して特定の波長で吸収を起こす標準
物質を封入した吸収セルと、この吸収セルの透過
光を電気信号に変換する光検出器と、この光検出
器の出力電気信号に関連する電気信号で前記半導
体レーザの電流または温度を制御する制御手段と
を備えるとともに、前記半導体レーザが台上に半
導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子からの
出射光を反射するミラーとを切り欠き部を介して
配設し、前記切り欠き部の間隔を変えることによ
り半導体レーザ素子の波長が変化するように構成
した点にある。

《実施例》 以下本考案を図面を用いて詳しく説明する。

第１図は本考案の一実施例を示す構成ブロツク
図である。LD１は半導体レーザ、PE１はこの半
導体レーザLD１を冷却または加熱するペルチエ
素子、CT１はこのペルチエ素子PEを駆動して前
記半導体レーザLD１の温度を一定に制御する温
度制御手段、TB１はこれらを格納して温度変動
を減少させる恒温槽、BS１は前記半導体レーザ
LD１の出力光を２方向に分離するビームスプリ
ツタ、UM１はこのビームスプリツタBS１の一
方の出射光を入射し変調手段を構成する音響光学
変調器、CL１はこの音響光学変調器UM１の回
折光出力を入射し特定の波長の光を吸収する標準
物質（ここではC_s）を封入した吸収セル、PD１
はこの吸収セルCL１の透過光を入射する光検出
器、Ａ１はこの光検出器PD１の出力電気信号を
入力する増幅器、LA１はこの増幅器Ａ１の電気
出力を入力するロツクインアンプ、CT２はこの
ロツクインアンプLA１の出力を入力し前記半導
体レーザLD１の電流を制御する制御手段を構成
するPIDコントローラ、SW１は前記音響光学変
調器UM１にその一端が接続するスイツチ、SG
１はその出力で前記スイツチSW１が周波数m
（例えば2kHz）でオンオフする信号発生器、SG２
は前記スイツチSW１の他端に接続する周波数_D
（例えば80MHz）の第２の信号発生器である。

第２図は第１図装置の半導体レーザLD１の詳
細な構成を示す要部構成説明図である。１は半導
体レーザ素子、２はこの半導体レーザ素子１の出
射光を入射するミラー、３はこのミラー２および
半導体レーザ素子１をその上に設置する台（マウ
ントとも呼ぶ）、４はこの台３上の前記半導体レ
ーザ素子１とミラー２の間に設けられた切り欠き
部、４１はこの切り欠き部４の拡張部、５はこの
切り欠き部４の間隔を変える手段として切り欠き
部４の間に挿入されたPZT等の圧電素子、６は
前記台３と一体化したこの本装置を支持するため
のステム部、７は本装置のパツケージ部、８はこ
のパツケージ部７の一部に設けられたレーザ出力
用のガラス窓、９は前記半導体レーザ素子１や圧
電素子４に接続するリード線である。

上記のような構成の半導体レーザ波長安定化装
置の動作を以下に詳しく説明する。半導体レーザ
LD１は恒温槽TB１内で温度検出信号を入力す
る制御手段CT１によりペルチエ素子PE１を介し
て一定温度に制御されている。半導体レーザLD
１の出力光はビームスプリツタBS１で２方向に
分離され、反射光は外部への出力光となり透過光
は音響光学変調器UM１に入射する。スイツチ
SW１がオンの時音響光学変調器UM１は信号発
生器SG２の周波数_Dの出力で駆動されるので、
周波数ν_Oの入射光の大部分は回折して周波数（ド
ツプラ）シフトを受け、１次回折光として周波数
ν_O＋_Dの光が吸収セルCL１に入射する。スイツ
チSW１がオフのときは入射光は全て０次回折光
として周波数ν_Oで吸収セルCL１に入射する。ス
イツチSW１は信号発生器SG１の周波数mのク
ロツクで駆動されるので、吸収セルCL１に入射
する光は変調周波数m、変調深さ_Dの周波数変
調を受けることになる。第３図はC_s原子のエネル
ギー凖位を示す説明図で、第４図のスペクトル吸
収線図に示すように852.112nm付近の波長で9.2G
Hz離れた位置に２本の吸収スペクトルを有する。
吸収セルCL１に音響光学変調器UM１で変調さ
れた光が入射すると、第５図の動作説明図に示す
ように吸収信号の箇所でのみ透過光量が変調を受
けて出力に信号が現れる。この信号を光検出器
PD１で電気信号に変換し増幅器Ａ１を介してロ
ツクインアンプLA１において周波数mで同期整
流すれば、第６図の周波数特性曲線図に示すよう
な１次微分波形が得られる。PIDコントローラ
CT２により半導体レーザLD１の電流を制御し
て、ロツクインアンプLA１の出力を前記１次微
分波形の中心にロツク（制御）すれば半導体レー
ザの出力光はν_s−_D／２の安定な周波数となる。

第２図の半導体レーザLD１において、半導体
レーザ素子１の外側近傍にミラー２を置いて複合
共振器を構成しているので、わずかに異なる２つ
の共振器モードができ、半導体レーザ素子１の共
振器長をL₁、半導体レーザ素子１とミラー２の
間で構成する共振器長をL₂とすると、実効的な
共振器間隔は｜L₁−L₂｜となり、モード間隔が
広がる。第７図および第８図はこの様子を示した
もので、３１はレーザの利得曲線、３３は発振閾
値、３２は発振モードである。圧電素子５に電圧
を印加して弾性変形により切り欠き部４の間隔を
変化させると、L₂すなわち｜L₁−L₂｜が変つて
モードが移動するので、第８図ａのように広い範
囲に渡つてモードホツピング無く波長を可変にで
きる。また温度や電流を変えた場合にも第８図ｂ
のように広い範囲にわたつてモードホツピングが
なくなる。したがつて、あらかじめ半導体レーザ
LD１の圧電素子５に加えるバイアス電圧E_Bを調
整して半導体レーザLD１の発振波長を吸収波長
の近傍に固定する。このときの半導体レーザLD
１の温度は室温付近、レーザ電流は最大光出力付
近で最もスペクトル幅の細い点にしておく。その
上で前述のようにフイードバツク制御により吸収
線に波長をロツクする。

このような構成の波長可変半導体レーザ装置に
よれば、半導体レーザLD１の出力にモードホツ
ピングが現れずに波長可変ができるので、任意の
半導体レーザ素子が使えることになり、歩留りが
良くなり、価格が下がる。

また半導体レーザの温度を室温付近にできるの
で、ペルチエ素子PE１のパワーが小さくて済み、
小型にできる。

またレーザ電流を最高出力付近で使えるので、
出力のスペクトル幅が小さくなる。

またレーザの発振周波数が変調されていないの
で、瞬時的にも非常な光源となる。

また音響光学変調器UM１の回折効率が変化し
ても、変調に寄与しない光の成分（０次回折光）
が増えて信号強度が下がるのみで、中心波長には
影響しない。

なお上記の実施例では制御手段の出力で半導体
レーザの電流を制御しているが、これに限らず半
導体レーザの制御してもよい。

また切り欠き部においててこを構成し、てこを
利用して切り欠き部の間隔変化を縮小し安定度や
波長可変分解能を上げることもできる。

また圧電素子５の代りにネジを用いて切り欠き
部の間隔を変化させることもできる。

またミラー２側の台部を薄くして、ミラー２側
を動かして切り欠き部の間隔を変えるようにする
こともできる。

またミラー２の反射面が傾かないようにミラー
側の台部をロバーバル構造としてもよい。

またミラー２をハーフミラーとして半導体レー
ザ素子１からの光パワーをフオトダイオードでモ
ニタしてもよい。

また上記の実施例ではロツクインアンプLA１
の参照周波数として変調周波数mを用いたがそ
の整数倍の周波数としてもよい。

また吸収セルCL１の標準物資としては、C_sの
ほかに例えばR_b，NH₃，H₂Ｏなどを用いてもよ
い。

また上記の実施例では変調手段として音響光学
変調器を用いているが、これに限らず、例えば電
気光学素子を用いた位相変調器を用いてもよい。
これには例えば縦型変調器、横型変調器、進行波
形変調器などがある（Amnon Yarif：光エレク
トロニクスの基礎（丸善）、p247〜p253）。

また上記の実施例において音響光学変調器UM
１の出射光の一部をポンプ光として吸収セルに入
射し、他の一部を反対の方向から細い光束でプロ
ーブ光として吸収セルに入射して飽和吸収信号を
得る飽和吸収法（堀、角田、北野、藪崎、小
川：：飽和吸収分光を用いた半導体レーザの周波
数安定化、信学技報OQE82−116）を用いれば、
より安定な半導体レーザ波長安定化装置を実現す
ることができる。

《考案の効果》 以上述べたように本考案によれば、モードホツ
ピングのない半導体レーザを用いて低価格化し、
かつ特性を改善するとともに発振周波数が瞬時的
にも高安定な半導体レーザ波長安定化装置を簡単
な構成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る半導体レーザ波長安定化
装置の一実施例を示す構成ブロツク図、第２図は
第１図装置の半導体レーザ部分を示す構成断面
図、第３図は第１図装置の動作を説明するための
説明図、第４図は第１図装置の動作を説明するた
めの特性曲線図、第５図は第１図装置の動作を説
明するための動作説明図、第６図は第１図装置の
動作を説明するための第２の特性曲線図、第７図
および第８図は第２図装置の動作を説明する動作
説明図、第９図は従来の半導体レーザ波長安定化
装置を示す構成ブロツク図である。 １……半導体レーザ素子、２……ミラー、３…
…台、４……切り欠き部、LD１……半導体レー
ザ、UM１……変調手段、CL１……吸収セル、
PD１……光検出器、m……変調周波数、LA１
……ロツクインアンプ、CT２……制御手段。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 標準物質の吸収スペクトル線に半導体レーザ
   の波長を制御して波長を安定化する半導体レー
   ザ波長安定化装置において、半導体レーザの出
   力光の一部を入射して周波数変調する変調手段
   と、この変調手段の出力光を入射して特定の波
   長で吸収を起こす標準物質を封入した吸収セル
   と、この吸収セルの透過光を電気信号に変換す
   る光検出器と、この光検出器の出力電気信号に
   関連する電気信号で前記半導体レーザの電流ま
   たは温度を制御する制御手段とを備えるととも
   に、前記半導体レーザが台上に半導体レーザ素
   子と、この半導体レーザ素子からの出射光を反
   射するミラーとを切り欠き部を介して配設し、
   前記切り欠き部の間隔を変えることにより半導
   体レーザ素子の波長が変化するように構成した
   ことを特徴とする半導体レーザ波長安定化装
   置。 (2) 切り欠き部の間隔を変える手段として切り欠
   き部の間に圧電素子を挿入した実用新案登録請
   求の範囲第１項記載の半導体レーザ波長安定化
   装置。 (3) 切り欠き部の間隔を変える手段としてネジを
   用いた実用新案登録請求の範囲第１項記載の半
   導体レーザ波長安定化装置。 (4) 変調手段として音響光学変調器を用いた実用
   新案登録請求の範囲第１項記載の半導体レーザ
   波長安定化装置。 (5) 変調手段として電気光学素子からなる位相変
   調器を用いた実用新案登録請求の範囲第１項記
   載の半導体レーザ波長安定化装置。 (6) 標準物質としてR_bまたはC_sを用いた実用新
   案登録請求の範囲第１項記載の半導体レーザ波
   長安定化装置。