WO2015093210A1

WO2015093210A1 - 光源装置及び波長変換方法

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Publication number: WO2015093210A1
Application number: PCT/JP2014/080364
Authority: WO
Inventors: 田中　健二; 藤田　五郎
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2015-06-25
Also published as: CN105829961A; JP6508058B2; EP3086172A4; CN105829961B; US20160294154A1; US10554011B2; EP3086172A1; JPWO2015093210A1

Abstract

【課題】半導体レーザを用いて、安定的な波長変換を行うこと。【解決手段】本開示に係る光源装置は、所定波長の励起光を射出する半導体レーザ部と、前記励起光を共振させることで増幅するとともに、所定の非線形結晶を用いて当該励起光とは波長の異なる出力光を生成するものであり、前記励起光を増幅させるための第１の光路と、前記出力光を生成するための第２の光路と、から構成される波長変換部と、前記第１の光路の光路長を制御する第１光路長制御機構と、前記第２の光路の光路長を制御する第２光路長制御機構と、を備える。

Description

光源装置及び波長変換方法

　本開示は、光源装置及び波長変換方法に関する。

　レーザの形態において、連続発振するＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）レーザとは別に、間欠的な発光を可能にするパルスレーザは、そのピークパワーを非常に高めることができ、光加工や非線形光学等といった様々な分野に用いられている。

　近年、半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザをマスターレーザとし、その光出力を半導体光増幅器で増幅させた、いわゆるＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で、数百Ｗの高いピークパワーが報告された（例えば、以下の非特許文献１～２を参照。）。

Ｒ．Ｋｏｄａ　ｅｔ　ａｌ．，"１００　Ｗ　ｐｅａｋ－ｐｏｗｅｒ　１　ＧＨｚ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｂｌｕｅ－ｖｉｏｌｅｔ　ＧａＩｎＮ　ｄｉｏｄｅ　ｌａｓｅｒ　ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ"，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，９７，０２１１０１（２０１０）．Ｒ．Ｋｏｄａ　ｅｔ　ａｌ．，"３００Ｗ　Ｐｅａｋ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｐｕｌｓｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｂｌｕｅ－Ｖｉｏｌｅｔ　ＧａＩｎＮ　Ｍｏｄｅ－Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ　ａｎｄ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ"，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，５，０２２７０２（２０１２）．Ｒ．Ｗ．Ｐ．Ｄｒｅｖｅｒ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｌａｓｅｒ　Ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｕｓｉｎｇ　ａｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ"，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ，３１，９７－１０５（１９８３）

　上記の非特許文献１～２に開示されている半導体パルスレーザの波長は、半導体素子に起因する例えば４０５ｎｍ等といった固定波長である。そのため、従来存在する非線形光学に基づき波長変換を行うことが可能であれば、固体レーザと比べて光源の小型化・低価格化を図ることが可能となる。

　しかしながら、上記の非特許文献１～２に開示されているような半導体パルスレーザの数百Ｗのピークパワーでは、十分な非線形現象を得ることができず、また、レーザ出力も不安定であった。

　そこで、本開示では、半導体レーザを用いて、安定的な波長変換を行うことが可能な光源装置と波長変換方法を提案する。

　本開示によれば、所定波長の励起光を射出する半導体レーザ部と、前記励起光を共振させることで増幅するとともに、所定の非線形結晶を用いて当該励起光とは波長の異なる出力光を生成するものであり、前記励起光を増幅させるための第１の光路と、前記出力光を生成するための第２の光路と、から構成される波長変換部と、前記第１の光路の光路長を制御する第１光路長制御機構と、前記第２の光路の光路長を制御する第２光路長制御機構と、を備える、光源装置が提供される。

　また、本開示によれば、半導体レーザ部から射出された所定波長の励起光を、当該励起光を共振させることで増幅するとともに、所定の非線形結晶を用いて前記励起光とは波長の異なる出力光を生成するものであり、前記励起光を増幅させるための第１の光路と、前記出力光を生成するための第２の光路と、から構成される波長変換部へと導光することと、前記第１の光路の光路長を制御する第１光路長制御機構を制御して、前記第１の光路の光路長を最適化することと、前記第２の光路の光路長を制御する第２光路長制御機構を制御して、前記第２の光路の光路長を最適化することと、を含む、波長変換方法が提供される。

　本開示によれば、第１光路長制御機構及び第２光路長制御機構を制御して、励起光を増幅させる第１の光路と、出力光を生成する第２の光路とを別個に最適化することで、波長変換部において、半導体レーザ部からの励起光を増幅しつつ非線形光学効果により波長変換がおこなわれる。

　以上説明したように本開示によれば、半導体レーザを用いて、安定的な波長変換を行うことが可能となる。
　なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

本開示の第１の実施形態に係る光源装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る光源装置に用いられる半導体レーザの一例を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る光源装置が備える制御部の構成の一例を示したブロック図である。同実施形態に係る制御部で実施されるサーボ制御の一例を説明するための説明図である。同実施形態に係る光源装置で実施される光路の最適化処理を説明するための説明図である。同実施形態に係る光源装置が備える制御部の構成の一例を示したブロック図である。同実施形態に係る制御部で実施されるサーボ制御の一例を説明するための説明図である。同実施形態に係る波長変換方法の流れの一例を示した流れ図である。

　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
　１．第１の実施形態
　　１．１．光源装置の全体的な構成について
　　１．２．制御部の構成について
　　１．３．波長変換方法について

（１．第１の実施形態）
＜光源装置の全体的な構成について＞
　まず、図１を参照して、本開示の第１の実施形態に係る光源装置の全体的な構成について、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る光源装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。

　本実施形態に係る光源装置１は、図１に示したように、半導体レーザ部の一例である半導体レーザ１０と、波長変換部の一例である波長変換共振器２０と、反射光検出部３０と、補正光学系４０と、制御部５０と、非線形結晶制御機構６０と、を備える。

［半導体レーザ１０について］
　半導体レーザ１０は、後述する制御部５０による制御のもとで、励起光として用いられる所定波長の光を射出する装置である。かかる半導体レーザ１０は特に限定されるものではなく、公知のものを利用することが可能であるが、半導体パルスレーザを用いることが好ましい。また、十分なピークパワーが実現できるのであれば、半導体を用いたＣＷレーザを用いることも可能である。

　図２は、本実施形態に係る半導体レーザ１０として好適に利用可能な半導体パルスレーザであるＭＯＰＡシステムの構成を示した模式図である。以下、図２を参照して、ＭＯＰＡシステムの一構成例について説明する。なお、本実施形態に係る光源装置１に適用されるＭＯＰＡシステムは、図２に示す構成に限定されない。光源装置１には、あらゆる公知のＭＯＰＡシステムが適用されてよい。

　かかる半導体レーザ１０は、図２に示したように、モードロック発振器（Ｍｏｄｅ－Ｌｏｃｋｅｄ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１１０、レンズ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、アイソレータ１３０、プリズムペア１４０、λ／２板１５０、半導体増幅装置（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）１６０を有する。

　なお、図２では、本実施形態に係る半導体パルスレーザの一例として、青色のパルス光（波長が約３５０ｎｍから約５００ｎｍまでの間のパルス光）を射出する半導体パルスレーザの構成について図示している。ただし、本実施形態に係る半導体パルスレーザは、青色のパルス光を射出するものに限定されず、他の波長帯域のパルス光を射出してもよい。また、半導体パルスレーザが他の波長域のパルス光を射出する場合には、半導体パルスレーザが有する各構成部材の光学特性は、射出するパルス光の波長帯域に応じて適宜調整されてよい。なお、以下の説明においては、特に記載がない限り、青色の光とは、波長が約３５０ｎｍから約５００ｎｍまでの間の光のことを示すものとする。

　モードロック発振器１１０は、所定の波長の光を射出する半導体レーザの出力を共振器構造によって共振させることにより、パルス状のレーザ光を射出する。モードロック発振器１１０は、レーザダイオード１１１、コリメータレンズ１１３、バンドパスフィルタ（Ｂａｎｄ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ：ＢＰＦ）１１５及び出力ミラー１１７を有する。

　レーザダイオード１１１は、本実施形態においては、ＧａＩｎＮを主原料とする分割式レーザダイオード（ＢＳ－ＬＤ：Ｂｉｓｅｃｔｉｏｎａｌ－Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）である。また、レーザダイオード１１１は、モードロックレーザダイオード（ＭＬＬＤ）として機能し、約３５０ｎｍから約５００ｎｍまでの間の波長帯域のパルス光を射出することができる。

　レーザダイオード１１１から射出されたパルス光は、コリメータレンズ１１３、バンドパスフィルタ１１５及び出力ミラー１１７を通過して、モードロック発振器１１０から射出される。なお、モードロック発振器１１０から射出されるパルス光は、バンドパスフィルタ１１５によって、例えば波長が約４０５ｎｍに調整されている。

　レーザダイオード１１１から射出されたパルス光は、後段に設けられるレンズ１２０ａ、アイソレータ１３０、プリズムペア１４０、λ／２板１５０及びレンズ１２０ｂを順に通過して、ＳＯＡ１６０に入射する。λ／２板１５０によってパルス光の偏光方向が調整される。また、プリズムペア１４０を通過することにより、ＳＯＡ１６０に入射するパルス光のカップリング効率（ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が向上する。ＳＯＡ１６０によって増幅されたパルス光は、レンズ１２０ｃを介して、外部に射出される。

　以上、図２を参照して、本実施形態に係る半導体レーザ１０として好適に利用可能な半導体パルスレーザであるＭＯＰＡシステムの一構成例について説明した。以上説明したようなＭＯＰＡシステムを有する半導体パルスレーザでは、出力約数百Ｗ、パルス時間幅約３ｐｓのパルス光を生成することが可能となる。

　なお、本実施形態に係る半導体レーザ１０として、上記のような半導体パルスレーザを用いる場合に、上記半導体パルスレーザは、ＳＯＡ１６０を有していなくともよい。

［波長変換共振器２０について］
　再び図１に戻って、波長変換部の一例である波長変換共振器２０について説明する。
　波長変換共振器２０は、後述する制御部５０による制御のもとで、半導体レーザ１０から射出された励起光を共振させることで増幅するとともに、所定の非線形結晶を用いて、励起光とは波長の異なる出力光を生成する。この波長変換共振器２０は、いわゆるパンプレゾナント（ｐｕｍｐ　ｒｅｓｏｎａｎｔ）方式の波長変換共振器であり、励起光を増幅させるための第１の光路と、出力光を生成するための第２の光路と、から構成されている。以下、この波長変換共振器２０の構成について、詳細に説明する。

　この波長変換共振器２０は、非線形結晶２０１と、曲面ミラー２０３，２０５と、励起光入力カプラ２０７と、励起光ミラー２０９と、シグナル光出力カプラ２１１と、第１光路長制御機構の一例である第１サーボ機構２１３と、第２光路長制御機構の一例である第２サーボ機構２１５と、を有する。また、波長変換共振器２０には、上記第１の光路と第２の光路とを分岐するためのダイクロイックミラーＤＭと、波長変換共振器２０内におけるシグナル光の強度を検出する光検出器ＰＤと、が設けられている。

　非線形結晶２０１は、励起光の波長変換に用いられる結晶であり、結晶の有する複屈折性により、入射した励起光の波長を、励起光の波長とは異なる他の波長へと変換する。かかる非線形結晶２０１は、励起光の波長に応じて、利用可能なものが決まっている。例えば、半導体レーザ１０として、上記のような青色光を利用する場合、非線形結晶２０１として、ＢＢＯ（β－ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、ＢｉＢＯ（ＢｉＢ_３Ｏ_６）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３）、ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）等といった公知の青色光用の非線形結晶を利用することができる。また、半導体レーザ１０として、青色光以外の光を用いる場合には、かかる波長に対応した公知の非線形結晶を用いればよい。

　この非線形結晶２０１に励起光を透過させることで、励起光とは波長の異なる出力光を得ることができる。なお、非線形結晶２０１により生成される出力光の波長は、非線形結晶の温度又は設置角度を制御することで切り替えることが可能である。非線形結晶の温度や設置角度は、後述する非線形結晶制御機構６０により制御される。

　曲面ミラー２０３，２０５、励起光入力カプラ２０７、励起光ミラー２０９、シグナル光出力カプラ２１１については、特に限定されるものではなく、公知のものを利用すればよい。ダイクロイックミラーＤＭは、励起光及び出力光の双方に対して低ロスのものであれば、特に限定されるものではなく、公知のものを利用することが可能である。

　半導体レーザ１０から射出された励起光は、ミラーＭやフォーカシングレンズＬ等を介して、励起光入力カプラ２０７から波長変換共振器２０の内部へと導光される。その後、励起光は、曲面ミラー２０３、非線形結晶２０１、曲面ミラー２０５、励起光ミラー２０９、曲面ミラー２０５、非線形結晶２０１、曲面ミラー２０３、励起光入力カプラ２０７・・・という光路をたどる。かかる光路が、上記第１の光路に対応しており、励起光を増幅する共振器として機能する。

　また、励起光が非線形結晶２０１を透過することで、シグナル光及びアイドラー（Ｉｄｌｅｒ）光という、励起光とは波長の異なる光が発生する。本実施形態に係る光源装置１では、シグナル光を外部に取り出して光源として利用することも可能であるし、アイドラー光を外部に取り出して光源として利用することも可能であるが、以下の説明では、シグナル光を外部に取り出す場合を例に挙げて説明を行うものとする。

　非線形結晶２０１から発生したシグナル光は、曲面ミラー２０５、励起光ミラー２０９、シグナル光出力カプラ２１１、曲面ミラー２０３、非線形結晶２０１、曲面ミラー２０３・・・という光路をたどる。かかる光路が、上記第２の光路に対応しており、出力光（本説明では、シグナル光）を生成するとともに、出力光の強度を増幅する共振器として機能する。

　このように、本実施形態に係る波長変換共振器２０は、上記のような２つの光路を内部に有する、２軸光学系となっている。また、第１の光路に対応する第１の共振器と、第２の光路に対応する第２の共振器は、各共振器を構成する光学素子の一方の端部が、励起光ミラー２０９で共通であり、他方の端部が、第１の共振器の場合には励起光入力カプラ２０７であり、第２の共振器の場合にはシグナル光出力カプラ２１１である。

　本実施形態に係る波長変換共振器２０は、このようなパンプレゾナント系を導入することによって、波長変換共振器２０の内部で、励起光と、ＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）光（より詳細には、２つの発振光のうち少なくとも１つ）とを共振させることが求められる。ここで、「共振」のためには、励起光源である半導体レーザ（例えば、半導体パルスレーザ）の発振周期と完全に一致したタイミングで、それぞれの光が共振器内を周回するように、共振器長（すなわち、上記２種類の光路の光路長）を調整することが求められる（発振条件Ａ）。

　しかしながら、波長変換共振器２０は、上記のような非線形結晶２０１を備えるため、結晶の色分散によって、光の波長に応じて光学的距離が変化することとなってしまう。その結果、波長の異なる励起光及びＯＰＯ光がそれぞれ発振条件Ａを満たすように、光路を別にした上記のような２軸光学系を導入することが有効となる。

　この２つの共振器の光路長を調整するために、第１の光路の一方の端部に位置する励起光ミラー２０９に対して第１サーボ機構２１３を設けるとともに、第２の光路のもう一方の端部に位置するシグナル光出力カプラ２１１に対して第２サーボ機構２１５を設ける。これにより、第１の光路の光路長と、第２の光路の光路長とを、互いに独立して制御することが可能となる。

　第１サーボ機構２１３による第１の光路の光路長の制御は、波長変換共振器２０からの励起光の反射光を検出し、得られた反射光の強度に応じて実施される。この反射光を検出するための光学系が、図１に示した、反射光検出部３０である。この反射光検出部３０については、以下で改めて説明する。また、第１サーボ機構２１３の制御方法についても、以下で改めて説明する。

　また、第２サーボ機構２１５による第２の光路の光路長の制御は、波長変換共振器２０の内部におけるシグナル光の強度を光検出器ＰＤで検出し、得られたシグナル光の強度に応じて実施される。かかる制御を実施するために、光検出器ＰＤで検出されたシグナル光の強度に関する情報は、後述する制御部５０へと出力される。この第２サーボ機構２１５の制御方法については、以下で改めて説明する。

　以上のような第１サーボ機構２１３及び第２サーボ機構２１５は、特に限定されるものではなく、ボイスコイルモータやピエゾ素子等といった公知の駆動機構を利用することができる。

［反射光検出部３０について］
　次に、本実施形態に係る光源装置１が備える反射光検出部３０について説明する。
　この反射光検出部３０は、半導体レーザ１０から射出された励起光を波長変換共振器２０へと導光するとともに、波長変換共振器２０からの反射光を、反射光の強度を検出するための検出光学系へと分岐させる機能を有している。

　半導体レーザ１０からの励起光は、図１に示したように、反射光が半導体レーザ１０へと戻らないように分離するためのアイソレータ（Ｉｓｏｌａｔｏｒ）と、λ／２板（Ｈａｌｆ－Ｗａｖｅ　Ｐｌａｔｅ：ＨＷＰ）と、を透過して、波長変換共振器２０へと導光される。一方、波長変換共振器２０からの反射光は、λ／２板及びアイソレータを透過した後に、ミラーＭ、減光（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタＮＤ、レンズＬを介して、光検出器ＰＤへと導光される。このミラーＭ、減光フィルタＮＤ、レンズＬ及び光検出器ＰＤから構成される光学系が、反射光の強度を検出するための検出光学系となる。

　光検出器ＰＤによって検出された反射光の強度に関する情報は、後述する制御部５０へと出力されて、第１サーボ機構２１３を制御するために利用される。

［補正光学系４０について］
　次に、補正光学系４０について説明する。
　補正光学系４０は、半導体レーザ１０から射出された励起光を補正するために、必要に応じて設けられる光学系である。この補正光学系４０は、半導体レーザ１０から射出された励起光のビーム形状や収差等を補正して、波長変換共振器２０への結合効率を向上させるために設けられる。この補正光学系４０の詳細な構成については特に限定されるものではなく、公知の光学系を利用することができる。例えば、かかる補正光学系４０として、レンズとアナモルフィックレンズとを組み合わせた光学系を利用しても良いし、シリンドリカルレンズを含む光学系を利用しても良い。なお、半導体レーザ１０から射出された励起光が、補正が不要である程の高品質な光である場合には、かかる補正光学系４０を設けなくても良いことは言うまでもない。

［制御部５０について］
　次に、本実施形態に係る光源装置１が備える制御部５０について説明する。
　制御部５０は、本実施形態に係る光源装置１の動作を統括して制御するとともに、半導体レーザ１０、第１サーボ機構２１３、第２サーボ機構２１５及び非線形結晶制御機構６０の動作を制御する処理部である。この制御部５０は、光源装置１に実装された、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等からなる半導体チップや回路基板等のようなものであってもよいし、光源装置１と相互に通信の可能な、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する各種のコンピュータやサーバ等であってもよい。この制御部５０の詳細な構成については、以下で詳述する。

［非線形結晶制御機構６０について］
　続いて、本実施形態に係る光源装置１が備える非線形結晶制御機構６０について説明する。
　非線形結晶制御機構６０は、波長変換共振器２０内に設けられた非線形結晶２０１の温度を所望の温度に保持する。また、非線形結晶制御機構６０は、制御部５０による制御のもとで、波長変換共振器２０からの出力光の波長を切り替えるために、非線形結晶２０１の温度を変化させたり、非線形結晶２０１の設置角度を変化させたりする。

　この非線形結晶制御機構６０としては、公知の加熱機構や冷却機構を利用することが可能であり、非線形結晶２０１の設置角度を変化させる場合には、各種モータやピエゾ素子等のような公知の駆動機構を利用することが可能である。

　以上、図１～図２を参照しながら、本実施形態に係る光源装置１の全体的な構成について詳細に説明した。

＜制御部の構成について＞
　続いて、図３～図７を参照しながら、本実施形態に係る光源装置１が備える制御部５０の構成について、詳細に説明する。図３及び図６は、本実施形態に係る光源装置が備える制御部の構成の一例を示したブロック図である。図４及び図７は、本実施形態に係る制御部で実施されるサーボ制御の一例を説明するための説明図である。図５は、本実施形態に係る光源装置で実施される光路の最適化処理を説明するための説明図である。

　本実施形態に係る制御部５０は、図３に示したように、統括制御部５０１と、非線形結晶制御部５０３と、第１光路長制御部５０５と、第２光路長制御部５０７と、記憶部５０９と、を備える。

　統括制御部５０１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。統括制御部５０１は、本実施形態に係る光源装置１を構成する各種の機器や各種の機構との間で各種の制御信号を送受信することにより、光源装置１の各種の動作を全般的に統括する。また、非線形結晶制御部５０３、第１光路長制御部５０５、第２光路長制御部５０７は、この統括制御部５０１を介して、互いに連携しながら各種の制御を行うことも可能である。

　非線形結晶制御部５０３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。非線形結晶制御部５０３は、非線形結晶制御機構６０の動作を制御することで、波長変換共振器２０内に設けられた非線形結晶２０１の状態を制御する。すなわち、非線形結晶制御部５０３は、非線形結晶制御機構６０に対して各種の制御信号を出力することで、非線形結晶２０１の温度を所定の温度に切り替えたり、非線形結晶２０１の温度を保持したり、非線形結晶２０１の設置角度を変更したりする。

　非線形結晶制御部５０３による非線形結晶２０１の温度の保持制御は、本実施形態に係る光源装置１が駆動している際には適宜実施される。また、非線形結晶制御部５０３による非線形結晶２０１の温度の切替制御や設置角度の切替制御は、ユーザによって出力光の波長を切り替える操作が行われた際に、適宜実施される。

　なお、非線形結晶制御部５０３は、上記のような非線形結晶２０１の制御を行う際に、記憶部５０９に格納されている各種の制御パラメータを参照してもよい。かかる制御パラメータは、各種のデータベース等として予め記憶部５０９に格納されたものであってもよい。また、制御を実施した際の制御パラメータを記憶部５０９に保持しておいて、次回の制御に利用するようにしてもよい。

　第１光路長制御部５０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。第１光路長制御部５０５は、反射光検出部３０に設けられた光検出器ＰＤからの反射光強度に関する情報に基づいて、半導体レーザ１０の駆動を制御するとともに、第１サーボ機構２１３に対して制御信号を出力して、上記第１の光路の光路長を制御する。

　半導体レーザ１０の駆動や第１の光路の光路長を制御する方法としては、例えば、上記非特許文献３に開示されているようなＰＤＨ法等といった、公知の制御方法を適用することが可能である。

　以下では、図４を参照しながら、ＰＤＨ法を用いて半導体レーザ１０の駆動や第１の光路の光路長を制御する場合を例に挙げて、説明を行うものとする。図４は、ＰＤＨ法を利用した半導体レーザ１０の駆動制御及び第１サーボ機構のサーボ制御の方法を説明するための説明図である。

　ＰＤＨ法は、励起光源（基準光源）に、所定の周波数（例えば、１～数十ＭＨｚ程度）で変調を与え、共振器との相関により得られるサーボ信号を用いて、フィードバック制御を行うものである。ここで、従来の励起光源では、周波数変調を効果的に行うために、上記非特許文献３に開示されているように、光変調素子等といった光学素子が別途必要であり、余分なスペースと費用が必要であった。しかしながら、本実施形態に係る光源装置１では、励起光源として半導体レーザ１０を利用しているため、半導体素子の変調特性を生かして、変調情報を半導体レーザ（例えば、図２に示したような半導体パルスレーザのＭＬＬＤ）に直接与えることで周波数変調が可能となる。その結果、本実施形態に係る光源装置１では、装置の小型化及び低価格化を図りながらＰＤＨ法を利用することができる。

　図４に示したように、第１光路長制御部５０５は、上記のような所定の変調周波数の変調信号により、半導体レーザ１０から射出される励起光に周波数変調を施すとともに、反射光検出部３０に設けられた光検出器ＰＤからの検出結果に応じて、半導体レーザ１０のＤＣゲイン部に印加される電流をフィードバック制御する。また、第１光路長制御部５０５は、光検出器ＰＤからの検出結果に応じて、第１サーボ機構２１３を駆動させるための制御信号を生成して、第１サーボ機構２１３へと出力する。第１サーボ機構２１３では、第１光路長制御部５０５からの制御信号に基づいて、波長変換共振器２０内の励起光ミラー２０９を光軸に沿って所定量移動させて、第１の光路の光路長を変化させる。

　第２光路長制御部５０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。第２光路長制御部５０７は、波長変換共振器２０に設けられたシグナル光強度検出用の光検出器ＰＤからの強度に関する情報に基づいて、上記第２の光路の光路長を制御する。より詳細には、第２光路長制御部５０７は、光検出器ＰＤからの検出結果に応じて、第２サーボ機構２１５を駆動させるための制御信号を生成して、第２サーボ機構２１５へと出力する。第２サーボ機構２１５では、第２光路長制御部５０７からの制御信号に基づいて、波長変換共振器２０内のシグナル光出力カプラ２１１を光軸に沿って所定量移動させて、第２の光路の光路長を変化させる。

　なお、第２光路長制御部５０７によるサーボ制御方法としては、特に限定するものではなく、出力をモニタすることによる「山登り法」等、公知の方法を適宜利用することが可能である。

　また、第１光路長制御部５０５及び第２光路長制御部５０７は、上記のようなサーボ制御を行う際に、記憶部５０９に格納されている各種の制御パラメータを参照してもよい。かかる制御パラメータは、各種のデータベース等として予め記憶部５０９に格納されたものであってもよい。また、制御を実施した際の制御パラメータを記憶部５０９に保持しておいて、次回の制御に利用するようにしてもよい。

　以上説明してきたように、本実施形態に係る光源装置１は、パンプレゾナント方式及び２軸光学系を元にしており、波長変換特性を最大にするために、サーボ制御手順も考慮することが求められる。以下、図５を参照しながら、本実施形態に係る光源装置１におけるサーボ制御手順について説明する。

　波長変換共振器２０における出力光の波長設定は、先だって説明したように、非線形結晶２０１の結晶温度又は設置角度によって行われる。従って、光源装置１の立ち上げ時や、波長切替時には、非線形結晶制御部５０３による制御の元で、非線形結晶制御機構６０により、指定波長に応じた温度や角度が設定されることとなる。

　いま、非線形結晶制御部５０３によって、非線形結晶２０１の温度が初期状態（温度Ｔ）からΔＴだけ変更となったものとする。その結果、図５（Ａ）に示したように、励起光に対しての非線形結晶２０１の屈折率及び光路長がそれぞれｎ１＋Δｎ１、Ｌ１＋ΔＬ１となり、シグナル光に対しての非線形結晶２０１の屈折率及び光路長がそれぞれｎ２＋Δｎ２、Ｌ２＋ΔＬ２となったものとする。

　ここで、統括制御部５０１は、まず、第１光路長制御部５０５に対して、第１の光路の光路長を最適化するように指示し、第１光路長制御部５０５は、上記のような方法により、第１の光路長を最適化する。この制御は、図５（Ｂ）に示したように、第１サーボ機構２１３を介して励起光ミラー２０９の位置を変化させることで行われる。

　第１光路長制御部５０５による第１の光路の最適化が完了し、励起光の状態が最適化されると、続いて、統括制御部５０１は、第２光路長制御部５０７に対して、第２の光路の光路長を最適化するように指示する。第２光路長制御部５０７は、上記のような方法により、第２の光路長を最適化する。この制御は、図５（Ｃ）に示したように、励起光ミラー２０９の位置を固定したままで、第２サーボ機構２１５を介してシグナル光出力カプラ２１１の位置を変化させることで行われる。

　このような手順でサーボ制御を行うことで、効率良く波長変換特性を最大にすることが可能となる。

　再び図３に戻って、制御部５０が備える記憶部５０９について説明する。
　記憶部５０９は、例えば、ＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部５０９には、統括制御部５０１、非線形結晶制御部５０３、第１光路長制御部５０５及び第２光路長制御部５０７が、各種の制御を実施する際に利用される各種のデータベースや、統括制御部５０１、非線形結晶制御部５０３、第１光路長制御部５０５及び第２光路長制御部５０７が実行する各種の演算処理に用いられるアプリケーションを含む各種のプログラムや、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、又は、各種のデータベース等が、適宜記録されてもよい。

　この記憶部５０９は、統括制御部５０１、非線形結晶制御部５０３、第１光路長制御部５０５及び第２光路長制御部５０７等の各処理部が、自由にアクセスし、データを書き込んだり読み出したりすることができる。

　以上、本実施形態に係る制御部５０の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。

［制御部の変形例］
　以上説明した制御部５０による制御では、第１サーボ機構２１３を利用して第１の光路の光路長を制御するものであったが、以下で説明するような方法を利用して、第１の光路の光路長を制御することも可能である。以下では、図６及び図７を参照しながら、本実施形態に係る制御部５０の第１変形例について、簡単に説明する。

　本変形例に係る制御部５０は、図６に示したように、図６に示したように、統括制御部５０１と、非線形結晶制御部５０３と、第１光路長制御部５５１と、第２光路長制御部５０７と、記憶部５０９と、を備える。ここで、統括制御部５０１、非線形結晶制御部５０３、第２光路長制御部５０７及び記憶部５０９については、図３で説明した各処理部と同様の機能を有するものであるため、以下では詳細な説明は省略する。

　本変形例に係る第１光路長制御部５５１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。第１光路長制御部５５１は、反射光検出部３０に設けられた光検出器ＰＤからの反射光強度に関する情報に基づいて、半導体レーザ１０の駆動を制御することで、上記第１の光路の光路長を制御する。

　図７に示したように、第１光路長制御部５５１は、所定の変調周波数の変調信号により、半導体レーザ１０から射出される励起光に周波数変調を施す。また、第１光路長制御部５５１は、光検出器ＰＤからの検出結果に応じて、半導体レーザ１０の半導体素子内の屈折率を変化させるための制御信号を生成して、半導体レーザ１０のレーザドライバ１７０に出力する。レーザドライバ１７０は、入力された第１光路長制御部５５１からの制御信号に基づいてフィードバックゲインを生成して、半導体レーザ１０のＤＣゲイン部に印加される電流をフィードバック制御する。

　このように、制御信号を直接半導体レーザ１０へと出力することで、半導体素子内の屈折率変化が起こり、半導体レーザ１０の発振周波数（すなわち、光路長）が変化するためである。

　このような制御を行うことで、第１サーボ機構２１３を用いることなく第１の光路の光路長を直接制御することが可能となる。しかしながら、用いる半導体レーザ１０によっては、励起光を安定的に射出することが可能な安定発振領域が狭いものがある。以上説明したような制御は、半導体レーザ１０の出力を直接制御するものであるため、安定発振領域の狭い半導体レーザ１０を使用した場合には、制御の結果、半導体レーザ１０の状態が安定発振領域から外れてしまうことも生じうる。従って、安定発振領域の狭い半導体レーザ１０を使用する場合には、図４に示した第１サーボ機構２１３による制御を行う方が、より安全に光源装置１の駆動を制御することができる。

　以上、図６及び図７を参照しながら、本実施形態に係る制御部５０の第１変形例について、簡単に説明した。

＜波長変換方法について＞
　続いて、図８を参照しながら、本実施形態に係る光源装置１で実施される波長変換方法の流れについて、簡単に説明する。図８は、本実施形態に係る波長変換方法の流れの一例を示した流れ図である。

　本実施形態に係る光源装置１では、まず、非線形結晶制御部５０３の制御のもとで非線形結晶制御機構６０が非線形結晶２０１を所望の条件に設定した上で、半導体レーザ１０から所定波長の励起光が発振される（ステップＳ１０１）。

　その後、第１光路長制御部５０５は、先だって説明したような方法で、シグナル光出力カプラ２１１を動かさずに、第１の光路の光路長（すなわち、励起光の光路長）を最適化する（ステップＳ１０３）。

　続いて、第２光路長制御部５０７は、先だって説明したような方法で、第２サーボ機構２１５を介してシグナル光出力カプラ２１１を制御して、第２の光路の光路長（すなわち、シグナル光の光路長）を最適化する（ステップＳ１０５）。

　このように、まず、励起光の光路長を最適化した後にシグナル光の光路長を最適化することで、所望の波長のシグナル光が、安定的に発振することとなる（ステップＳ１０７）。

　ここで、統括制御部５０１は、ユーザによって、シグナル光の波長切替操作がなされたか否かを判断する（ステップＳ１０９）。ユーザによってシグナル光の波長切替操作が実施された場合には、制御部５０は、ステップＳ１０１に戻って波長の切替制御を実施する。

　一方、ユーザによってシグナル光の波長切替操作が実施されていない場合には、統括制御部５０１は、光源装置１の駆動停止操作がユーザによってなされたか否かを判断する（ステップＳ１１１）。ユーザによって、光源装置１の駆動停止操作が実施された場合には、装置の駆動を停止する。一方、ユーザによって、光源装置１の駆動停止操作が実施されていない場合には、統括制御部５０１は、ステップＳ１０９に戻って、シグナル光の波長切替処理を待ち受ける。

　以上説明したような流れで処理が実施されることで、本実施形態に係る光源装置１は、出力される光の波長を変換することが可能となる。

（まとめ）
　以上説明したように、本開示の実施形態に係る光源装置１及び波長変換方法によれば、ピークパワーが十分ではない半導体レーザを励起光源として用いた場合であっても、波長変換後の出力光の出力を最適にした、安定した波長変換を実現することが可能となる。

　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
　所定波長の励起光を射出する半導体レーザ部と、
　前記励起光を共振させることで増幅するとともに、所定の非線形結晶を用いて当該励起光とは波長の異なる出力光を生成するものであり、前記励起光を増幅させるための第１の光路と、前記出力光を生成するための第２の光路と、から構成される波長変換部と、
　前記第１の光路の光路長を制御する第１光路長制御機構と、
　前記第２の光路の光路長を制御する第２光路長制御機構と、
を備える、光源装置。
（２）
　前記波長変換部からの前記励起光の反射光を検出する反射光検出部と、
　前記第１光路長制御機構及び前記第２光路長制御機構を、互いに独立に制御する制御部と、
を更に備え、
　前記半導体レーザ部では、前記励起光が所定の周波数で変調されており、
　前記制御部は、前記反射光検出部で検出される反射光に応じて、前記励起光の変調周波数を制御するとともに、前記第１の光路の光路長を制御するための第１の制御信号を生成する、（１）に記載の光源装置。
（３）
　前記第１光路長制御機構は、前記第１の光路を構成する光学素子に装着された第１サーボ機構であり、
　前記第２光路長制御機構は、前記第２の光路を構成する光学素子に装着された第２サーボ機構である、（１）又は（２）に記載の光源装置。
（４）
　前記制御部は、前記波長変換部の内部における前記出力光の強度に基づいて前記第２の光路の光路長を変化させるための第２の制御信号を生成し、当該第２の制御信号を前記第２サーボ機構へと出力する、（３）に記載の光源装置。
（５）
　前記制御部は、前記第１の光路の光路長を最適化した後に、前記第２の光路の光路長を最適化する、（１）～（４）の何れか１項に記載の光源装置。
（６）
　前記制御部は、前記第１の制御信号を前記第１サーボ機構へと出力し、前記第１の光路の光路長を制御する、（３）～（５）の何れか１項に記載の光源装置。
（７）
　前記第２光路長制御機構は、前記第２の光路を構成する光学素子に装着された第２サーボ機構であり、
　前記制御部は、前記第１の制御信号を前記半導体レーザ部の動作を制御するレーザ制御部へと出力し、前記励起光の駆動電流を制御することで前記第１の光路の光路長を制御する、（２）、（４）、（５）の何れか１項に記載の光源装置。
（８）
　前記第１の光路の光路長及び前記第２の光路の光路長を制御するために設定された制御パラメータを格納する記憶部を更に備え、
　前記制御部は、前記記憶部に格納された前記制御パラメータを利用して、制御信号を生成する、（２）～（７）の何れか１項に記載の光源装置。
（９）
　前記半導体レーザ部は、半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザを利用した半導体パルスレーザを有する、（１）～（８）の何れか１項に記載の光源装置。
（１０）
　前記半導体レーザ部は、前記モードロックレーザの出力を増幅させる半導体光増幅器を更に有する、（９）に記載の光源装置。
（１１）
　前記非線形結晶の温度又は角度を制御する非線形結晶制御機構を更に備え、
　前記制御部は、前記非線形結晶の温度又は角度を制御することで、前記出力光の波長を設定する、（２）～（１０）の何れか１項に記載の光源装置。
（１２）
　半導体レーザ部から射出された所定波長の励起光を、当該励起光を共振させることで増幅するとともに、所定の非線形結晶を用いて前記励起光とは波長の異なる出力光を生成するものであり、前記励起光を増幅させるための第１の光路と、前記出力光を生成するための第２の光路と、から構成される波長変換部へと導光することと、
　前記第１の光路の光路長を制御する第１光路長制御機構を制御して、前記第１の光路の光路長を最適化することと、
　前記第２の光路の光路長を制御する第２光路長制御機構を制御して、前記第２の光路の光路長を最適化することと、
を含む、波長変換方法。

　　　１　　光源装置
　　１０　　半導体レーザ
　　２０　　波長変換共振器
　　３０　　反射光検出部
　　４０　　補正光学系
　　５０　　制御部
　　６０　　非線形結晶制御機構

Claims

　所定波長の励起光を射出する半導体レーザ部と、
　前記励起光を共振させることで増幅するとともに、所定の非線形結晶を用いて当該励起光とは波長の異なる出力光を生成するものであり、前記励起光を増幅させるための第１の光路と、前記出力光を生成するための第２の光路と、から構成される波長変換部と、
　前記第１の光路の光路長を制御する第１光路長制御機構と、
　前記第２の光路の光路長を制御する第２光路長制御機構と、
を備える、光源装置。
　前記波長変換部からの前記励起光の反射光を検出する反射光検出部と、
　前記第１光路長制御機構及び前記第２光路長制御機構を、互いに独立に制御する制御部と、
を更に備え、
　前記半導体レーザ部では、前記励起光が所定の周波数で変調されており、
　前記制御部は、前記反射光検出部で検出される反射光に応じて、前記励起光の変調周波数を制御するとともに、前記第１の光路の光路長を制御するための第１の制御信号を生成する、請求項１に記載の光源装置。
　前記第１光路長制御機構は、前記第１の光路を構成する光学素子に装着された第１サーボ機構であり、
　前記第２光路長制御機構は、前記第２の光路を構成する光学素子に装着された第２サーボ機構である、請求項２に記載の光源装置。
　前記制御部は、前記波長変換部の内部における前記出力光の強度に基づいて前記第２の光路の光路長を変化させるための第２の制御信号を生成し、当該第２の制御信号を前記第２サーボ機構へと出力する、請求項３に記載の光源装置。
　前記制御部は、前記第１の光路の光路長を最適化した後に、前記第２の光路の光路長を最適化する、請求項２に記載の光源装置。
　前記制御部は、前記第１の制御信号を前記第１サーボ機構へと出力し、前記第１の光路の光路長を制御する、請求項３に記載の光源装置。
　前記第２光路長制御機構は、前記第２の光路を構成する光学素子に装着された第２サーボ機構であり、
　前記制御部は、前記第１の制御信号を前記半導体レーザ部の動作を制御するレーザ制御部へと出力し、前記励起光の駆動電流を制御することで前記第１の光路の光路長を制御する、請求項２に記載の光源装置。
　前記第１の光路の光路長及び前記第２の光路の光路長を制御するために設定された制御パラメータを格納する記憶部を更に備え、
　前記制御部は、前記記憶部に格納された前記制御パラメータを利用して、制御信号を生成する、請求項２に記載の光源装置。
　前記半導体レーザ部は、半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザを利用した半導体パルスレーザを有する、請求項１に記載の光源装置。
　前記半導体レーザ部は、前記モードロックレーザの出力を増幅させる半導体光増幅器を更に有する、請求項９に記載の光源装置。
　前記非線形結晶の温度又は角度を制御する非線形結晶制御機構を更に備え、
　前記制御部は、前記非線形結晶の温度又は角度を制御することで、前記出力光の波長を設定する、請求項２に記載の光源装置。
　半導体レーザ部から射出された所定波長の励起光を、当該励起光を共振させることで増幅するとともに、所定の非線形結晶を用いて前記励起光とは波長の異なる出力光を生成するものであり、前記励起光を増幅させるための第１の光路と、前記出力光を生成するための第２の光路と、から構成される波長変換部へと導光することと、
　前記第１の光路の光路長を制御する第１光路長制御機構を制御して、前記第１の光路の光路長を最適化することと、
　前記第２の光路の光路長を制御する第２光路長制御機構を制御して、前記第２の光路の光路長を最適化することと、
を含む、波長変換方法。