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JP7142512B2 - 外部共振器型半導体レーザ装置 - Google Patents

外部共振器型半導体レーザ装置 Download PDF

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JP7142512B2 JP2018149327A JP2018149327A JP7142512B2 JP 7142512 B2 JP7142512 B2 JP 7142512B2 JP 2018149327 A JP2018149327 A JP 2018149327A JP 2018149327 A JP2018149327 A JP 2018149327A JP 7142512 B2 JP7142512 B2 JP 7142512B2
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Description

本開示は、外部共振器型半導体レーザ装置に関する。
一般に、半導体レーザ装置は、高効率、小型、軽量、長寿命といった優れた特徴を有している。このことから、半導体レーザ装置は、材料加工、固体レーザ励起、環境計測、分光分析、医療といった非常に幅の広い分野で応用されている。一方で、半導体レーザ装置から出力されるレーザ光は、大きな放射角及び広いスペクトル帯域を有している。このため、例えば固体レーザ励起などの分野では、レーザ光の発振スペクトルを安定して狭帯域化する技術が必要となっている。
レーザ光の発振スペクトルを安定して狭帯域化する技術としては、例えば外部共振器型半導体レーザ装置が挙げられる。例えば特許文献１では、レーザ光の高出力化及び安定化を目的として、複数のＬＤ光源とＶＢＧとを用いて外部共振器を構成したレーザ装置が開示されている。また、例えば特許文献２では、レンズにより集光した光をＶＢＧ（Volume Bragg Grating）に入射させることで、レーザ光源の出力特性を調整する発光装置が開示されている。
米国特許出願第７２１２５５４号明細書 特表２００７－５２７６１６号公報
半導体レーザ装置の更なる応用のためには、レーザ光の安定した狭帯域化に加え、レーザ光の出力調整を行うことも重要な要素となる。しかしながら、上述した特許文献１，２のようなレーザ装置では、レーザ光の出力調整を行うためには、外部共振器を構成しているＶＢＧを反射率の異なるＶＢＧに交換する必要があり、出力調整の作業性が得られにくいという問題がある。
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、レーザ光の安定した狭帯域化が可能であり、かつ出力調整を容易に実施できる外部共振器型半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係る外部共振器型半導体レーザ装置は、一又は複数のレーザダイオード光源とＶＢＧとによって構成された外部共振器と、レーザダイオード光源からの出力光をＶＢＧに向けて出力すると共に、ＶＢＧからの戻り光が入力する光ファイバと、ＶＢＧの配置位置を光ファイバにおける出力光及び戻り光の入出力端面に対して変位させる変位部と、を備える。
この外部共振器型半導体レーザ装置では、ＶＢＧを用いて外部共振器を構成することにより、外部共振器で共振する光の波長を選択できるため、レーザ光の安定した狭帯域化が可能となる。また、この外部共振器型半導体レーザ装置では、変位部によってＶＢＧの配置位置を光ファイバの入出力端面に対して変位させることができる。これにより、ＶＢＧからの戻り光の戻り具合を光ファイバの入出力端面において変化させることができ、入出力端面に光学的に結合する戻り光の光量を調節することが可能となる。したがって、レーザ光の出力調整を容易に実施できる。
変位部は、ＶＢＧを光の光軸に沿う方向に変位させてもよい。この場合、ＶＢＧの変位によって、ＶＢＧから戻り光の拡がり具合を光ファイバの入出力端面において変化させることができる。したがって、入出力端面に光学的に結合する戻り光の光量を容易に調節できる。
光ファイバの入出力端面とＶＢＧとの間に集光レンズが配置されていてもよい。この場合、ＶＢＧの変位量に対するＶＢＧからの戻り光の拡がり具合の変化量を抑えることができる。したがって、入出力端面に光学的に結合する戻り光の光量をより細かく調節できる。
光ファイバの入出力端面とＶＢＧとの間にコリメートレンズが配置され、変位部は、ＶＢＧを出力光の光軸と交差する方向に変位させてもよい。この場合、ＶＢＧの変位によって、ＶＢＧで反射する光の光量を変化させることができる。したがって、入出力端面に光学的に結合する戻り光の光量を容易に調節できる。
本開示によれば、レーザ光の安定した狭帯域化が可能であり、かつ出力調整を容易に実施できる。
第１実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。 図１に示した外部共振器型半導体レーザ装置における出力調整の様子を示す概略図である。 本開示の効果確認試験の結果を示す図である。 第２実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。 第３実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る外部共振器型半導体レーザ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。同図に示すように、第１実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置１Ａは、一又は複数のレーザダイオード光源２を集光系３によって光学的に結合してなる光源部４と、レーザダイオード光源２との間で外部共振器５を構成するＶＢＧ（Volume Bragg Grating）６と、光源部４とＶＢＧ６との間で光を導光する光ファイバ７と、ＶＢＧ６の配置位置を変位させる変位部８とを備えて構成されている。
本実施形態では、複数のレーザダイオード光源２によって光源部４が構成されている。また、集光系３は、例えば光ファイバカプラ等によって構成されている。光ファイバ７は、例えばコア１００μｍのマルチモードファイバによって構成されている。光ファイバ７における光源部４側の端部は、集光系に対して光学的に結合されている。また、光ファイバ７におけるＶＢＧ６側の端部は、光源部４からの光（以下「出力光Ｌａ」と称す）を出力し、かつＶＢＧ６からの光（以下「戻り光Ｌｂ」と称す）が入力する入出力端面９となっている。入出力端面９には、必要に応じてコネクタ或いはフェルールを設けてもよい。コネクタを用いる場合には、例えばＳＭＡコネクタといった同軸コネクタを用いることが好適である。
ＶＢＧ６は、入力された光をブラッグ反射することにより狭波長選択性及び狭角度選択性を呈する光学素子であり、ここでは出力光Ｌａに対して９０％以上の反射率を有する反射型のＶＢＧが用いられている。ＶＢＧ６は、例えば一辺が１ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状をなしている。ＶＢＧ６は、光ファイバ７の入出力端面９から出力する出力光Ｌａの光軸上に位置するように、マウント１０上に配置されている。本実施形態では、出力光Ｌａの光軸は、光ファイバ７の入出力端面９に対して直交した状態となっている。また、本実施形態では、光ファイバ７の入出力端面９とＶＢＧ６との間に集光レンズ１１が配置されている。光ファイバ７の入出力端面９から出力する出力光Ｌａは、集光レンズ１１によって集光され、ＶＢＧ６に入射する。ＶＢＧ６では、入射した出力光Ｌａのうちの特定の波長成分がブラッグ反射し、戻り光Ｌｂとなる。戻り光Ｌｂは、入出力端面９に光学的に結合して光ファイバ７に導光され、集光系３を経て各レーザダイオード光源２の活性層に回帰する。
変位部８は、ＶＢＧ６の配置位置を光ファイバ７の入出力端面９に対して変位させる部分である。本実施形態では、変位部８は、例えばマウント１０に取り付けられたマイクロねじ１２によって構成されている。マイクロねじ１２は、入出力端面９側から見てＶＢＧ６の裏側に設けられている。このマイクロねじ１２を操作することにより、ＶＢＧ６が出力光Ｌａの光軸に沿う方向に変位するようになっている。なお、変位部８は、マイクロねじ１２に限られず、例えば圧電素子、パンタグラフ、バネなどの他の手段によって構成することもできる。また、変位部８は、電磁力等の非接触の手段によりステージ上のＶＢＧ６を変位させる構成であってもよい。なお、変位部８によるＶＢＧ６の移動量は、集光レンズ１１の選択にもよるが、数ｍｍ程度である。一例として、集光レンズ１１の径がφ１０ｍｍで焦点距離が７．５ｍｍの場合、変位部８によるＶＢＧ６の移動量は、±２ｍｍ程度となる。
変位部８によってＶＢＧ６を出力光Ｌａの集光位置側に遠ざけると、図１に示すように、入出力端面９におけるＶＢＧ６からの戻り光Ｌｂの拡がり具合を小さくすることができる。これに対し、変位部８によってＶＢＧ６を入出力端面９側に近づけると、図２に示すように、入出力端面９におけるＶＢＧ６からの戻り光Ｌｂの拡がり具合を大きくすることができる。これにより、光ファイバ７の入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量を調節することが可能となり、外部共振器型半導体レーザ装置１Ａから出力されるレーザ光（不図示）の出力調整を行うことができる。
図３は、本開示の効果確認試験の結果を示す図である。この効果確認試験では、各レーザダイオード光源に付加する駆動電流の値を１．８Ａとし、外部共振器を構成しない場合（グラフＡ）、変位部によりＶＢＧを集光レンズの集光位置に位置させた場合（グラフＢ）、変位部によりＶＢＧを光ファイバの入出力端面の近傍に位置させた場合（グラフＣ）について、半導体レーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトルプロフィールを計測した。図３の横軸は波長、縦軸は強度（任意単位）となっている。
図３に示す結果から、ＶＢＧを用いて外部共振器を構成した場合、外部共振器を構成しない場合に比べて、波長範囲が狭い急峻なピークが得られていることが分かる。また、ＶＢＧを集光レンズの集光位置に位置させた場合と、光ファイバの入出力端面の近傍に位置させた場合とでは、ピーク波形を維持したまま強度のみが変化していることが分かる。したがって、変位部によってＶＢＧの配置位置を変位させる構成が、レーザ光の安定した狭帯域化及び出力調整の双方の実現に寄与することが結論付けられる。
以上説明したように、外部共振器型半導体レーザ装置１Ａでは、ＶＢＧ６を用いて外部共振器５を構成することにより、外部共振器５で共振する光の波長を選択できるため、レーザ光の安定した狭帯域化が可能となる。また、この外部共振器型半導体レーザ装置１Ａでは、変位部８によってＶＢＧ６の配置位置を光ファイバ７の入出力端面９に対して変位させることができる。これにより、ＶＢＧ６からの戻り光Ｌｂの戻り具合を光ファイバ７の入出力端面９において変化させることができ、入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量を調節することが可能となる。したがって、レーザ光の出力調整を容易に実施できる。
また、本実施形態では、変位部８は、ＶＢＧ６を光の光軸に沿う方向に変位させる。この場合、ＶＢＧ６の変位によって、ＶＢＧ６からの戻り光Ｌｂの拡がり具合を光ファイバ７の入出力端面９において変化させることができる。したがって、入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量を容易に調節でき、レーザ光の出力調整を容易に実施できる。
また、本実施形態では、光ファイバ７の入出力端面９とＶＢＧ６との間に集光レンズ１１が配置されている。この場合、ＶＢＧ６の変位量に対するＶＢＧ６からの戻り光Ｌｂの拡がり具合の変化量を抑えることができる。したがって、入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量をより細かく調節できる。
なお、ＶＢＧ６を用いて外部共振器５を構成することの利点として、部分反射ミラー等の素子を用いる場合と比べて、戻り光Ｌｂの角度選択性を確保できる点が挙げられる。ＶＢＧ６を用いる場合、出力光Ｌａは、ＶＢＧ６でブラッグ反射する。通常のミラーでの反射では、入射角度θと反射角度αとが等しくなるが、ＶＢＧ６での反射では、入射角度θに対して反射角度がα±２Δθとなり、２Δθ分の角度幅を持つこととなる（Δθ＝ｎλｃｏｓθｎ／Ｄｓｉｎ２θ：ただし、式中、ｎはＶＢＧの屈折率、λは入射する光の波長、ＤはＶＢＧの厚さである）。したがって、ＶＢＧ６に２Δθ分の角度ずれが生じたとしても、特定の波長成分の戻り光Ｌｂを光ファイバ７の入出力端面９に光学的に結合させることができる。
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。同図に示すように、第２実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置１Ｂは、光ファイバ７の入出力端面９とＶＢＧ６との間の集光レンズ１１の配置が省略されている点で第１実施形態と異なっている。ＶＢＧ６は、第１実施形態と同様、例えば一辺が１ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状をなしている。
このような第２実施形態においても、ＶＢＧ６を用いて外部共振器５を構成することにより、外部共振器５で共振する光の波長を選択できるため、レーザ光の安定した狭帯域化が可能となる。また、この第２実施形態においても、変位部８によってＶＢＧ６の配置位置を光ファイバ７の入出力端面９に対して変位させることができる。これにより、ＶＢＧ６からの戻り光Ｌｂの戻り具合を光ファイバ７の入出力端面９において変化させることができ、入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量を調節することが可能となる。したがって、レーザ光の出力調整を容易に実施できる。
第２実施形態では、光ファイバ７の入出力端面９とＶＢＧ６との間に集光レンズ１１が配置されていないため、第１実施形態と比べて、ＶＢＧ６の変位量に対するＶＢＧ６からの戻り光Ｌｂの拡がり具合の変化量を大きくすることができる。したがって、ＶＢＧ６の配置位置を僅かに変位させるだけで、入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量を大きく調節できる。
［第３実施形態］
図５は、第３実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。同図に示すように、第３実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ装置１Ｃは、変位部８によるＶＢＧ６の変位方向が第１実施形態と異なっている。
より具体的には、本実施形態では、集光レンズ１１に代えて、光ファイバ７の入出力端面９とＶＢＧ６との間にコリメートレンズ１３が配置されている。コリメートレンズ１３は、入出力端面９から出力する出力光Ｌａを平行光化する素子である。また、本実施形態では、ＶＢＧ６は、例えば一辺が１ｃｍ、厚さ２ｍｍの板状をなしている。ＶＢＧ６は、コリメートレンズ１３によって平行光化された出力光Ｌａのビームエッジを跨ぐようにマウント１０上に配置されている。ＶＢＧ６では、平行光化された出力光Ｌａの一部のうちの特定の波長成分がブラッグ反射し、戻り光Ｌｂとなる。出力光Ｌａの残部は、ＶＢＧ６には入射せず、例えば不図示の吸収部材或いは遮蔽部材等によって入出力端面９に戻らないように遮断される。
また、本実施形態では、変位部８を構成するマイクロねじ１２がＶＢＧ６の側面側に設けられている。そして、このマイクロねじ１２を操作することにより、ＶＢＧ６が出力光Ｌａの光軸に交差（ここでは直交）する方向に変位するようになっている。変位部８によってＶＢＧ６を出力光Ｌａ側に進出する方向に変位させると、ＶＢＧ６で反射する出力光Ｌａの範囲が広くなり、入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量を大きくすることができる。一方、変位部８によってＶＢＧ６を出力光Ｌａ側から退避する方向に変位させると、ＶＢＧ６で反射する出力光Ｌａの範囲が狭くなり、入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量を小さくすることができる。
このような第３実施形態においても、ＶＢＧ６を用いて外部共振器５を構成することにより、外部共振器５で共振する光の波長を選択できるため、レーザ光の安定した狭帯域化が可能となる。また、この第３実施形態においても、変位部８によってＶＢＧ６の配置位置を光ファイバ７の入出力端面９に対して変位させることができる。これにより、ＶＢＧ６からの戻り光Ｌｂの戻り具合を光ファイバ７の入出力端面９において変化させることができ、入出力端面９に光学的に結合する戻り光Ｌｂの光量を調節することが可能となる。したがって、レーザ光の出力調整を容易に実施できる。
１Ａ～１Ｃ…外部共振器型半導体レーザ装置、２…レーザダイオード光源、６…ＶＢＧ、７…光ファイバ、８…変位部、９…入出力端面、１１…集光レンズ、１３…コリメートレンズ、Ｌａ…出力光、Ｌｂ…戻り光。

Claims (4)

  1. 一又は複数のレーザダイオード光源とＶＢＧとによって構成された外部共振器と、
    前記レーザダイオード光源からの出力光を前記ＶＢＧに向けて出力すると共に、前記ＶＢＧからの戻り光が入力する光ファイバと、
    前記ＶＢＧの配置位置を前記光ファイバにおける前記出力光及び前記戻り光の入出力端面に対して変位させる変位部と、を備え、
    前記変位部は、前記ＶＢＧから前記光ファイバへの前記戻り光の光量が変化するように前記ＶＢＧの配置位置を変位させる外部共振器型半導体レーザ装置。
  2. 前記変位部は、前記ＶＢＧを前記出力光の光軸に沿う方向に変位させる請求項１記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
  3. 前記光ファイバの前記入出力端面と前記ＶＢＧとの間に集光レンズが配置されている請求項２記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
  4. 前記光ファイバの前記入出力端面と前記ＶＢＧとの間にコリメートレンズが配置され、
    前記変位部は、前記ＶＢＧを前記出力光の光軸と交差する方向に変位させる請求項１記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
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