JPH10107377A - 波長可変レーザ光発生方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 同位体分離、大気環境計測及び分光計測等で
使われる波長可変レーザ装置を小型で低コストにする。 【解決手段】 波長可変レーザ装置は、レーザ光を発振
するレーザダイオード３と、可動回折格子５３を含む外
部共振器５とを備えるとともに、回折格子５３の回転角
Δθを設定できる第１のアクチュエータ７１と、回折格
子５３の並進移動量ΔＬ₂ を設定できる第２のアクチュ
エータ７２と、レーザダイオード３の駆動電流値を設定
制御できる制御電源７３と、第１のアクチュエータ７
１、第２のアクチュエータ７２、及び制御電源７３をそ
れぞれ駆動制御できる制御手段９を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同位体分離、大気
環境計測、及び分光計測等に使用して好適な波長可変レ
ーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体レーザは、小型で、しか
も発振効率が極めて高く、光通信や光情報処理のための
光源としてよく使用されており、レーザダイオード（Ｌ
aserＤiode；ＬＤ）とも呼ばれている。

【０００３】このレーザダイオードは、当該ダイオード
単体のみで、シングルモード発振が可能であるととも
に、連続波長掃引が可能である。このような特徴をもつ
レーザダイオードを応用した精密な波長可変レーザ装置
は、光通信の分野において広く使用されている。このよ
うな光通信の分野で使用されているレーザダイオード
は、長波長域（１．３μｍ〜１．５μｍ）のレーザ光を
発振するものである。そして、このようなレーザダイオ
ードとしては、共振器方向に対して周期構造をもつ分布
帰還型（Distributed Feed-Back ；ＤＦＢ）レーザと、
同様な周期構造をもつ分布ブラッグ反射器型（Distribu
ted Bragg Reflector ；ＤＢＲ )レーザとがある。そし
て、前述した構造を有するレーザダイオードは波長制御
に直接使用できる。また、レーザダイオードは容易に入
手可能である。

【０００４】ところで、同位体分離、大気環境計測及び
分光計測等のレーザ光応用技術分野においても、上述同
様に精密な波長可変レーザ装置が必要となる。そして、
かかる波長可変レーザ装置に対しても、小型、低コスト
化の観点より上記レーザダイオードの応用が望ましい。

【０００５】しかしながら、上記レーザ光応用技術分野
で使用できるレーザダイオードは、短波長域（〜０．６
μｍ）のレーザ光を発振するものである。このようなレ
ーザ光を発振できるレーザダイオードとしては、通常の
ファブリペロー構造をもつ素子に限られているのが現状
である。このような共振器構造をもつレーザダイオード
単体の発振スペクトルは、周期構造をもつＤＦＢ型レー
ザあるいはＤＢＲ型レーザと比較すると、一般に線幅が
大きくマルチモード発振をしている。

【０００６】これに対して、レーザダイオードに外部共
振器構造を付加して構成したレーザ装置が提供されてい
る。このレーザ装置では、外部共振器構造を用いてスペ
クトル狭窄化とシングルモード発振を行わせている。レ
ーザ装置において、外部共振器構造を用いてスペクトル
狭窄化とシングルモード発振させることは、最も一般的
なレーザダイオードの波長制御方法として以前から知ら
れている。このような波長制御方法のうち、回折格子
（以下、「グレーティング」という）の回折光を利用し
た波長制御方法を採用したレーザ装置について図６及び
図７を参照して説明する。

【０００７】図６に、リトロ型外部共振器を備えた従来
の波長可変レーザ装置を示す。波長可変レーザ装置１１
０は、レーザダイオード１３０と、リトロ型外部共振器
１５０とから構成されている。リトロ型外部共振器１５
０は、レーザダイオード１３０から出射されたレーザ光
を平行ビームにするコリメートレンズ１５１と、このコ
リメートレンズ１５１からの平行ビームの通路に挿入さ
れるエタロン１５２と、このエタロン１５２を通過した
平行ビームを受光して出力レーザ光にする可動グレーテ
ィング１５３とから構成されてる。ここで、可動グレー
ティング１５３には、一定周期で溝１５４が形成されて
いる。また、リトロ型外部共振器１５０を用いた従来の
波長可変レーザ装置１１０では、レーザダイオード１３
０の単体をレーザ媒質としてのみ扱う設計思想から連続
波長の掃引のために、レーザダイオード１３０のレーザ
光出射端面１３１に無反射コート（アンチリフレクショ
ンコート：以下ＡＲコートと呼ぶ）１３２を施してあ
る。

【０００８】このようなリトロ型外部共振器１５０を備
えた波長可変レーザ装置１１０の動作特性を、図７を参
照して説明する。この図において、横軸には周波数、縦
軸にはゲイン等が取られている。レーザダイオード１３
０は、所定の波長域（〜２０ｎｍ）において、連続的に
広いゲインカーブ１７０を呈している。また、波長可変
レーザ装置１１０は、所定の周波数間隔でリトロ型外部
共振器１５０の縦モード１７１が発生している。また、
符号１７２は可動グレーティング１５３の分解能を示し
ており、リトロ型外部共振器１５０の縦モードを７つを
含んでしまっている。そこで、シングルモードの発振を
得るために、波長選択素子としてエタロン１５２を挿入
している。このエタロン１５２の分解能は、外部共振器
縦モードを１つを含むのみとなり、シングルモード発振
となる。

【０００９】このように上記リトロ型外部共振器１５０
を備えた従来の波長可変レーザ装置１１０によれば、可
動グレーティング１５３と、エタロン１５２を挿入する
ことにより、レーザ光のスペクトル狭窄化とシングルモ
ード発振を行わせている。

【００１０】一方、上記リトロ型外部共振器の形を基本
的に備えた波長可変レーザ装置であって、レーザダイオ
ード１３０のレーザ光出射端面にＡＲコートを施さず、
かつエタロン１５２の挿入を必要としない波長可変レー
ザ装置も提案されている。このレーザ装置では、次の不
都合な点を下記のように解消して提案されたものであ
る。

【００１１】すなわち、一般に、この種のリトロ型外部
共振器１５０を備えたレーザ装置において、レーザダイ
オード１３０のレーザ光出射端面にＡＲコートを施さな
いで外部共振器１５０の長さや可動グレーティング１５
３の角度を変化させると、通常は、レーザ光出力が不安
定になってモードホップが発生してしまう不都合があ
る。このレーザ装置では、レーザ光出力をモニターして
レーザ光出力値が最大になるようにレーザダイオードの
駆動電流を制御することにより連続波長掃引をできるよ
うに構成したものであり、具体的には、レーザ光出力を
検出するセンサ、局部発振器、ロックインアンプ、アナ
ログ制御回路等の複雑な装置により、レーザダイオード
の駆動電流を制御して連続波長掃引をしている。

【００１２】図８に、リットマン型外部共振器を備えた
従来の波長可変レーザ装置を示す。波長可変レーザ装置
２１０は、レーザダイオード２３０と、リットマン型外
部共振器２５０とから構成されている。リットマン型外
部共振器２５０は、レーザダイオード２３０から出射さ
れたレーザー光を平行ビームにするコリメートレンズ２
５１と、このコリメートレンズ２５１からの平行ビーム
を受光して反射したり出力レーザー光にする固定グレー
ティング２５３と、固定グレーティング２５３から反射
されたレーザー光を反射して再び固定グレーティング２
５３に与える可動ミラー２５２とから構成されてる。こ
こで、固定グレーティング２５３には、一定周期で溝２
５４が形成されている。また、リットマン型外部共振器
２５０を用いた従来の波長可変レーザ装置２１０では、
レーザダイオード２３０の単体をレーザ媒質としてのみ
扱う設計思想から連続波長掃引のために、レーザダイオ
ード２３０のレーザー光出射端面２３１にＡＲコート２
３２を施してある。

【００１３】この波長可変レーザ装置２１０によれば、
図７におけるカーブ１７３は固定グレーティング２５３
によって得られることになり、レーザー光のスペクトル
狭窄化とシングルモード発振を行わせている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】

（１）しかしながら、これら外部共振器１５０、２５０
を用いた従来の波長可変レーザ装置１１０、２１０にお
いては、上述した理由により、レーザダイオード１３
０、２３０のレーザー光出射端面にＡＲコート１３２、
２３２を施す必要がある。 （１−ａ）したがって、ＡＲコートをレーザダイオード
１３０、２３０のレーザー光出射端面に施すために、特
別な設備が必要となる欠点がある。 （１−ｂ）また、ＡＲコートの材料が必要となるほか、
ＡＲコートを施す工程も必要となることから、レーザダ
イオードの価格がコストアップするという欠点がある。 （１−ｃ）さらに、上記ＡＲコートを施す工程におい
て、レーザダイオードが大気中に曝されることになり、
光学的損傷をうける危険性が伴うという欠点もある。

【００１５】（２）また、図６に示すリトロ型外部共振
器１５０の場合、レーザダイオード１３０は、図７に示
すように、所定の波長域（〜２０ｎｍ）において連続的
に広いゲインカーブ１７０を有することと、可動グレー
ティング１５３の分解能１７２が広いことから、高い分
解能１７３を有する波長選択素子としてのエタロン１５
２を挿入することによりシングルモード発振を得てい
た。したがって、上記リトロ型外部共振器１５０を備え
た従来の波長可変レーザ装置１１０によれば、光学系の
部品点数が増加し、調整を複雑にするという欠点があっ
た。

【００１６】（３）さらに、波長制御する際に、従来ま
では外部共振器長と可動グレーティング１５３の回折角
を適当に連動させる必要から、可動グレーティング１５
３（あるいはリットマン型外部共振器２５０では可動ミ
ラー２５２）の回転角と並進移動量が機械的に連動する
特殊な機構を工夫しなければならず、また、精密な光軸
調整を行う機構についても配慮しなければならなかっ
た。

【００１７】（４）一方、レーザダイオード１３０のレ
ーザー光出射端面にＡＲコートを施さず、かつまた、エ
タロン１５２の挿入を必要としない波長可変レーザ装置
の場合、レーザダイオード駆動電流を制御するために、
局部発振器、ロックインアンプ、アナログ制御回路等、
複雑な装置が必要であり、実用化のためにはより低コス
トを達成できるようにする必要がある。

【００１８】そこで、本発明の目的は、同位体分離、大
気環境計測及び分光計測等において、小型で低コストな
波長可変レーザ光発生方法及びその装置を提供すること
にある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明に係る波長可変レーザ光発生
方法では、レーザ光を発振するレーザダイオードと、可
動回折格子を含む外部共振器とを備えたレーザ装置によ
って波長可変レーザ光を発生する方法において、外部共
振器長さに対する可動回折格子の並進移動量及び可動回
折格子の回転角を、外部共振器長、レーザダイオードを
駆動する駆動電流変化量、レーザ発振波長、可動回折格
子の溝間隔との間で数式３を満足するように設定するこ
とにより波長可変レーザ光を発生できるようにしてい
る。

【００２０】

【数３】ΔＬ₂ ＝Ｌ₂ ・β・ΔＩ／λ₀ Δθ＝sin^-1〔（λ₀ ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin^-1（λ
₀ ／２ｄ） 但し、λ₀ はレーザー発振波長、Ｌ₂ は外部共振器長、
ΔＬ₂ は外部共振器長Ｌ₂ に対する並進移動量、Δθは
回折格子の回転角、ΔＩはレーザダイオードの駆動電流
の変化量、βはレーザダイオードの駆動電流に対する波
長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定
数、ｄは回折格子の溝間隔である。

【００２１】したがって、請求項１記載の発明によれ
ば、ＡＲコートをレーザダイオードの出射端面に施さな
いリトロ型外部共振器の構造は、エタロンの挿入も必要
なく、コリメートレンズと可動グレーティングのみで光
学系が構成されることから、最も簡単かつ小型で、しか
も低コストな波長可変レーザ光が得られる。

【００２２】また、請求項２記載の発明に係る波長可変
レーザ装置によれば、レーザ光を発振するレーザダイオ
ードと、可動回折格子を含む外部共振器とを備えたレー
ザ装置において、回折格子の回転角を設定できる第１の
アクチュエータと、回折格子の並進移動量を設定できる
第２のアクチュエータと、レーザダイオードの駆動電流
値を設定制御できる制御電源と、第１のアクチュエー
タ、第２のアクチュエータ及び制御電源をそれぞれ駆動
制御できる制御手段とを備えるようにしている。

【００２３】したがって、請求項２記載の発明では、Ａ
Ｒコートをレーザダイオードの出射端面に施さないリト
ロ型外部共振器の構造は、エタロンの挿入も必要なく、
コリメートレンズと可動グレーティングのみで光学系が
構成されることから、最も簡単かつ小型で、しかも低コ
ストで波長可変レーザ装置を得ることができる。

【００２４】また、請求項３記載の発明では、外部共振
器は、レーザダイオードの光を平行ビームにして出射す
るコリメートレンズ及びコリメートレンズからの平行ビ
ームを受光して出力光とする可動回折格子のみから構成
している。

【００２５】また、請求項４記載の発明では、制御手段
は、レーザー発振波長をλ₀ 、外部共振器長Ｌ₂ に対す
る並進移動量をΔＬ₂ 、回折格子の回転角をΔθ、レー
ザダイオードの駆動電流の変化量をΔＩ、レーザダイオ
ードの駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダ
イオード素子固有の比例定数をβ、回折格子の溝間隔を
ｄとしたとき、数式４の関係が成立するように第１のア
クチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源をそ
れぞれ駆動制御させる処理手段を備えるようにしてい
る。

【００２６】

【数４】ΔＬ₂ ＝Ｌ₂ ・β・ΔＩ／λ₀ Δθ＝sin^-1〔（λ₀ ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin^-1（λ
₀ ／２ｄ） 更に、請求項５記載の発明では、レーザダイオードに温
度センサーを設け、この温度センサーからの検出信号を
レーザダイオードの温度調節器にフィードバックし、第
１のアクチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電
源の制御手段によってレーザダイオードの温度制御を行
うようにしている。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る波長可変レー
ザ装置の実施の形態を説明する。

【００２８】〔第１の実施の形態〕図１に、本発明に係
る波長可変レーザ装置の第１の実施の形態を示す。この
図において、波長可変レーザ装置１は、レーザ光を発振
するレーザダイオード３と、レーザダイオード３に付加
される外部共振器５と、レーザダイオード３の駆動電流
及び外部共振器５の共振状態を制御する被制御手段７
と、被制御手段７を駆動制御する制御手段９とから構成
されている。レーザダイオード３は温度センサー９５か
らの出力によってペルチェ素子２１を駆動する温度調節
器２により一定温度に保たれている。尚、符号２２は放
熱板である。

【００２９】ここで、外部共振器５は、レーザダイオー
ド３から出射されるレーザ光を平行ビームにするコリメ
ートレンズ５１と、コリメートレンズ５１からの平行ビ
ームを受光して出力光とする可動回折格子（可動グレー
ティング）５３とからなる。また、可動グレーティング
５３には、一定の間隔ｄで溝５４が設けられている。

【００３０】被制御手段７は、第１のアクチュエータ７
１と、第２のアクチュエータ７２と、制御電源７３とか
ら構成されている。

【００３１】第１のアクチュエータ７１は、可動グレー
ティング５３の回転角Δθを設定できる。この第１のア
クチュエータ７１は、図示しないが、例えば圧電素子と
機械系とで構成されており、この圧電素子は印加電圧に
よって定められた位置だけ正確に変位して止まることに
より、機械系の作用と相まって可動グレーティング５３
を正確な回転角Δθに設定できる。

【００３２】また、第２のアクチュエータ７２は、可動
グレーティング５３の並進移動量ΔＬ₂ を設定できる。
この第２のアクチュエータ７２は、図示しないが、例え
ば圧電素子と機械系とで構成されている。この機械系の
上に第１のアクチュエータ７１が固定されている。した
がって、第２のアクチュエータ７２の圧電素子が印加電
圧によって定められた位置だけ正確に変位して止まるこ
とにより、機械系の作用と相まって第１のアクチュエー
タ７１を含む可動グレーティング５３を正確な並進移動
量ΔＬ₂ に設定できる。

【００３３】また、レーザダイオード３は、制御電源７
３に接続されている。この制御電源７３は、制御信号に
応じてレーザダイオード３に流す駆動電流Ｉ_N を設定で
きる。上記制御手段９は、第１のアクチュエータ７１、
第２のアクチュエータ７２、及び制御電源７３に電気的
に接続されており、各制御信号を第１のアクチュエータ
７１、第２のアクチュエータ７２、及び制御電源７３に
出力できる。

【００３４】この制御手段９は、処理装置本体９１と、
定数や処理方式等を指定する入力手段としてのキーボー
ド９２と、処理結果を表示するディスプレイ９３とを備
えている。処理装置本体９１は、図示しないが、例え
ば、各種演算処理を実行する演算処理部と、この装置で
処理する一連の処理プログラムを記憶する読出専用メモ
リと、処理を実行する上で各種のデータ等を記憶する読
書き可能なメモリと、外部へ制御信号等を出力し、ある
いは外部からのデータを取り込むためのインターフェー
スとを備えている。また、読出専用メモリには、処理装
置本体９１の第１のアクチュエータ７１、第２のアクチ
ュエータ７２に出力した制御信号に対する可動グレーテ
ィング５３の実際の回転角度、移動距離の関係が記憶さ
れている。また、同様に、読出専用メモリには、処理装
置本体９１が制御電源７３に出力した制御信号に対して
制御電源７３がレーザダイオード３に供給した駆動電流
の関係が記憶されている。処理装置本体９１は、その出
力した制御信号を基に、実際のグレーティングの回転角
度、移動量、あるいは駆動電流のデータを読出専用メモ
リから読み出して、制御に使用できるようになってい
る。

【００３５】図２に、上記構成の波長可変レーザ装置１
の動作原理図を示す。この図において、符号３１、３２
はレーザダイオード３の端面である。符号Ｌ₁ はレーザ
ダイオード３の端面３１、３２間の長さであって、端面
３１、３２の間で構成される共振器長である。なお、Ｌ
₁ はレーザダイオード３の端面間の機械的な寸法ではな
く媒質の屈折率を考慮した光学的な長さを表している。
また、端面３１，３２の間に存在する縦モードの数はＮ
₁ とする。次に、符号Ｌ₂ は、レーザダイオード３の出
射端面３１から可動グレーティング５３までの距離であ
って、レーザダイオード３の出射端面３１と可動グレー
ティング５３の間で構成される共振器長である。そし
て、出射端面３１と可動グレーテッイング５３の間の縦
モードの数をＮ₂ 、レーザダイオード３のレーザ発振波
長をλ₀ とする。また、符号ｄは可動グレーティング５
３の溝５４の間隔であり、符号θは可動グレーティング
５３へのレーザ光の入射角度である。

【００３６】ここで、モードホップを起こさないでレー
ザ発振波長λ₀ をΔλだけシフトさせるためには、波長
がシフトする間、２つの共振器の縦モード数Ｎ₁ 、Ｎ₂
が常に一定であればよい。そこで、可動グレーティング
５３の一次回折光がレーザダイオード３に戻る条件を含
めて、以下に設立する式をまとめてみる。

【００３７】(i) λ₀ のとき レーザダイオード３の端面３１、３２の間では、数式５
が成立している。

【００３８】

【数５】Ｌ₁ ＝Ｎ₁ ・λ₀ ／２ また、レーザダイオード３の出射端面３１と可動グレー
ティング５３との間では、数式６が成立している。

【００３９】

【数６】Ｌ₂ ＝Ｎ₂ ・λ₀ ／２ さらに、可動グレーティング５３へのレーザ光の入射角
度θと、可動グレーティング５３の溝間隔ｄと、レーザ
発振波長λ₀ との間では、数式７が成立している。

【００４０】

【数７】２ｄsinθ＝λ₀ (ii)そして、λ₀ ＋Δλとなったとき レーザダイオード３の端面３１、３２の間では、共振器
長Ｌ₁ の変化分をΔＬ ₁ とすると、数式８が成立する。

【００４１】

【数８】Ｌ₁ ＋ΔＬ₁ ＝Ｎ₁ ・（λ₀ ＋Δλ）／２ また、レーザダイオード３の出射端面３１と可動グレー
ティング５３との間では、共振器長Ｌ₂ の変化分をΔＬ
₂ とすると、数式９が成立する。

【００４２】

【数９】Ｌ₂ ＋ΔＬ₂＝Ｎ₂ ・（λ₀ ＋Δλ）／２ さらに、可動グレーティング５３の角度（θ＋Δθ）
と、可動グレーティング５３の溝間隔ｄと、波長（λ₀
＋Δλ）との間には、数式１０が成立している。

【００４３】

【数１０】２ｄsin（θ＋Δθ）＝（λ₀ ＋Δλ） 以上のことから、２つの共振器長Ｌ₁ 、Ｌ₂ の変化分Δ
Ｌ₁ 、ΔＬ₂ の関係を求めると、数式１１のようにな
る。

【００４４】

【数１１】ΔＬ₂ ＝ΔＬ₁ ×Ｌ₂ ／Ｌ₁ 一方、レーザ発振波長の変化分Δλとレーザダイオード
３の駆動電流の変化分ΔＩとの関係は、数式１２のよう
になる。

【００４５】

【数１２】Δλ＝β・ΔＩ 符号βは、レーザダイオード駆動電流に対する波長の変
化分を決めるレーザダイオード３の固有の比例定数であ
る。レーザダイオード３の駆動電流の変化分ΔＩは、数
式１２、数式８を介してΔＬ₁ と連動し、さらに、数式
１１を介してΔＬ ₂ と連動している。また、ΔＩは、数
式１２、数式１０を介してΔλ、Δθとも連動してい
る。

【００４６】そこで、レーザ発振波長λ₀ をΔλシフト
させるために必要な可動グレーティング５３の回転角Δ
θと、可動グレーティング５３の並進移動量ΔＬ₂ をΔ
Ｉを用いて表現すると、数式１３及び数式１４のように
なる。

【００４７】

【数１３】ΔＬ₂ ＝Ｌ₂ ・β・ΔＩ／λ₀

【００４８】

【数１４】Δθ＝sin^-1｛（λ₀ ＋β・ΔＩ）／２ｄ｝
−sin^-1（λ₀ ／２ｄ） したがって、キーボード９２から上記定数β、上記可動
グレーティング５３の溝間隔ｄ、レーザダイオード３の
もともとの発振波長λ₀、外部共振器長Ｌ₂ を制御手段
９の処理装置本体９１に与えておき、ついで処理装置本
体９１において、上記数式１３及び数式１４を満足させ
るように、第１のアクチュエータ７１、第２のアクチュ
エータ７２及び制御電源７３を制御する。

【００４９】上記波長可変レーザ装置１では、電気的に
制御を行うものであるから、従来のレーザ装置のように
機械的に連動する構造上の制約から解放された設計、製
作が可能になる。

【００５０】〔第２の実施の形態〕図３に、同波長可変
レーザ装置の第２の実施の形態を示す。この図におい
て、第２の実施の形態では、波長可変レーザ装置１’内
のレーザダイオード３の温度を検出して電気信号に変換
する温度センサー９５を設け、かつ処理装置本体９１か
らの出力を温度調節器２に入力し、レーザダイオード３
の動作温度をも考慮して、上記数式１３及び数式１４を
満足させるように第１のアクチュエータ７１、第２のア
クチュエータ７２及び制御電源７３を制御するようにし
たものである。したがって、他の構成は、図１の波長可
変レーザ装置１と全く同一であるため、同一の符号を付
して構成作用の説明を省略する。

【００５１】第２の実施の形態によれば、レーザダイオ
ード３の動作温度を制御パラメータに取り込んで制御す
るために、より広い波長域をカバーできる。

【００５２】〔第３の実施の形態〕図４に、同波長可変
レーザ装置の第３の実施の形態を示す。この図における
波長可変レーザ装置１”の制御系はセルフチューニング
制御方式を採用したものであり、図１及び図３の波長可
変レーザ装置のようなオープンループ制御方式とは異な
る構成となっている。すなわち、この第３の実施の形態
における波長可変レーザ装置１”では、制御電源７３か
らレーザダイオード３に供給される電流を検出して電気
信号に変換する電流検出センサ８１を制御電源７３とレ
ーザダイオード３との間に設けた点、可動グレーティン
グ５３の回転角を検出して電気信号に変換する回転角検
出センサ８２を可動グレーティング５３の回転軸に設け
た点、及び可動グレーティング５３の並進移動量を検出
する並進移動量検出センサ８３を可動グレーティング５
３に設けた点にまず特徴がある。これらセンサ８１、８
２、８３からの検出信号は制御手段９の処理装置本体９
１に入力されるようにしてある。また、処理装置本体９
１では、取り込んだ検出信号を基に、上記数式１３、数
式１４を満足するように、第１のアクチュエータ７１、
第２のアクチュエータ７２及び制御電源７３を制御して
いる。これによっても、波長可変レーザ光を発生でき
る。

【００５３】第３の実施の形態によれば、制御信号に対
する回転角度、移動量あるいは駆動電流の関係から内部
変数である圧電素子の変位特性及びレーザダイオードの
比例定数βを推定できる。そして、推定誤差を最小にす
るように最小２乗法に基づく逐次式を用いてこれら内部
変数が調整でき、ハードウェアの持つ微細な個体差をも
吸収できる。

【００５４】〔第４の実施の形態〕次に、簡易な例とし
て第４の実施の形態を検討してみる。第４の実施の形態
では、Δθ〜０の場合には、数式１５が成立する。

【００５５】

【数１５】ΔＬ₂ ／Δθ＝Ｌ₂ ／tanθ＝一定 したがって、適当な支点を定めることにより、可動グレ
ーティングの回転角と並進移動量を一つのアクチュエー
タで制御することができることになる。この時の△Ｉ
は、数式１３、数式１５より△Ｉ＝（λ₀ ／βtanθ ）
△θと書ける。

【００５６】この数式１５を用いた実験を行った結果、
発振波長λ₀ ＝６２８〔ｎｍ〕を中心として２０〔ＧＨ
ｚ〕以上の連続波長掃引を確認できた。このとき、設定
したパラメータは、Ｌ₂ ＝２６〔ｍｍ〕、β＝５×１０
^-3〔ｎｍ／ｍＡ〕、ΔＩ＝７．５〔ｍＡ〕、ｄ＝１／１
８００〔ｍｍ〕である。また、当該レーザ装置の動作温
度は２５．００〔℃〕である。実験に際しては、ＦＳＲ
＝２［ＧＨｚ］、フィネス＝３００の光スペクトラムア
ナライザを測定器として使用した。

【００５７】上記第４の実施の形態では、上記数式１５
を用いた場合は以下に示す通り構造上の制約を受けてい
るため、連続掃引幅には上限がある。これについては図
５を用いて説明する。

【００５８】初期状態としてレーザダイオードが波長λ
₀ でシングルモードで発振しており、Ｌ₂ ／tan θ＝ｒ
（一定）が成立していると仮定する。すなわち、Ｌ₂ は
線分ＡＣ、θは∠ＡＢＣ、ｒは線分ＢＣであることか
ら、これは三角形ＡＢＣで作られる幾何学構造を表して
いる。

【００５９】次に、θ→θ＋Δθ、Ｌ₂ →Ｌ₂ ＋Δ
Ｌ₂ 、λ₀ →λ₀ ＋Δλになった場合を考える。

【００６０】このとき、ΔＬ₂ ／Δθ＝ｒ（一定）であ
り、ΔＬ₂ は線分ＯＮであり、Δθは∠ＯＡ’Ｎであ
り、ｒは線分Ａ’Ｏであることから、可動グレーティン
グのＡ点はＡ’点に移動したと考えることができる。

【００６１】一方、（Ｌ₂ ＋ΔＬ₂ ’）／tan（θ＋Δ
θ）＝ｒ（一定）が成立し、これよりΔＬ₂ ’／Δθ＝
ｒ／ cos²θが成立する。ここで、（θ＋Δθ）は∠
Ａ”Ｂ’Ｃ”であり、ｒは線分Ｂ’Ｃ”に相当するの
で、定式が成立するためにはＡ点がＡ”点に移動したと
考える必要がある。

【００６２】以上により、Δθ〜０の場合の近似式で
は、Ａ点の移動点の解釈については、数式１６のδ（Δ
Ｌ₂ ）だけ曖昧さが生じることになる。

【００６３】

【数１６】δ（ΔＬ₂ ）＝ΔＬ₂’−ΔＬ₂＝ｒ・Δθ／
cos²θ−ｒ・Δθ なお、δ（ΔＬ₂ ）は、線分ＮＭで表すことができる。

【００６４】しかしながら、実際には、可動グレーティ
ングの離散的構造を考えると、数式１７で表わされる曖
昧さは可動グレーティングの溝間隔以下の場合には意味
を持たなくなる。すなわち、可動グレーティングが溝間
隔ｄの周期的構造を持つならば、連続波長掃引幅の条件
として、

【００６５】

【数１７】｜δ（ΔＬ₂ ）｜＜ｄ・sin θ が条件となる。連続波長掃引幅の上限値をΔν_MAX 、そ
のときの可動グレーティング角度変化量をΔθ_MAX とす
ると、以下の数式１８のように計算できる。

【００６６】

【数１８】 Δν_MAX ＝（ｃ・ｒ／λ₀ ・Ｌ₂ ）・Δθ_MAX ＝（ｃ・ｒ／λ₀ ・Ｌ₂ ）（２ｄ・cos²θ／ｒ・sin θ） ＝ｃ／（Ｌ₂ ・tan²θ） ≒２４〔ＧＨｚ〕 この値は、実験結果をよく説明でき、１つのアクチュエ
ータを用いた簡易な第４の実施の形態では、波長制御に
限界があることがわかる。しかしながら、アクチュエー
タが一つで済むことから、特定の用途には当該波長可変
レーザ装置を使用することが望ましい。

【００６７】なお、本発明は、上記各実施の形態に限ら
ず、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない
範囲内において種々の変形や変更をすることができる。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明に係る波長可変レーザ光発生方法によれば、外部共振
器長さに対する可動回折格子の並進移動量及び可動回折
格子の回転角を、外部共振器長、レーザダイオードを駆
動する駆動電流変化量、レーザ発振波長、可動回折格子
の溝間隔との間で数式１９を満足するように設定できる
ので、ＡＲコートをレーザダイオードの出射端面に施さ
ないリトロ型外部共振器の構造とすることができ、しか
もエタロンを挿入する必要もなく、コリメートレンズと
可動グレーティングのみで光学系が構成されることか
ら、最も簡単かつ小型で、しかも低コストで波長可変レ
ーザ光を得ることができる。

【００６９】

【数１９】ΔＬ₂ ＝Ｌ₂ ・β・ΔＩ／λ₀ Δθ＝sin^-1〔（λ₀ ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin^-1（λ
₀ ／２ｄ） 但し、λ₀ はレーザー発振波長、Ｌ₂ は外部共振器長、
ΔＬ₂ は外部共振器長Ｌ₂ に対する並進移動量、Δθは
回折格子の回転角、ΔＩはレーザダイオードの駆動電流
の変化量、βはレーザダイオードの駆動電流に対する波
長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定
数、ｄは回折格子の溝間隔である。

【００７０】また、請求項２記載の発明に係る波長可変
レーザ装置によれば、回折格子の回転角を設定できる第
１のアクチュエータと、回折格子の並進移動量を設定で
きる第２のアクチュエータと、レーザダイオードの駆動
電流値を設定制御できる制御電源と、第１のアクチュエ
ータ、第２のアクチュエータ及び制御電源をそれぞれ駆
動制御できる制御手段とを備えたので、ＡＲコートをレ
ーザダイオードの出射端面に施さないリトロ型外部共振
器の構造とすることができ、しかもエタロンを挿入する
必要もなく、コリメートレンズと可動グレーティングの
みで光学系を構成することができることから、最も簡単
かつ小型で、しかも低コストの波長可変レーザ装置を得
ることができる。

【００７１】請求項３記載の発明では、外部共振器がコ
リメートレンズと可動回折格子のみから構成されている
ので、外部共振器の構造が簡単になり、低コスト化が図
れる。

【００７２】請求項４記載の発明では、制御手段は、レ
ーザー発振波長をλ₀ 、外部共振器長Ｌ₂ に対する並進
移動量をΔＬ₂ 、回折格子の回転角をΔθ、レーザダイ
オードの駆動電流の変化量をΔＩ、レーザダイオードの
駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダイオー
ド素子固有の比例定数をβ、回折格子の溝間隔をｄとし
たとき、数式２０の関係が成立するように前記第１のア
クチュエータ、前記第２のアクチュエータ及び制御電源
をそれぞれ駆動制御させる処理手段を備えているので、
波長制御の自動化等、より実用的な設計を行う上でも改
良項目をソフトウエアにて吸収できる余地があるため、
応用面にも柔軟に対応できる。

【００７３】

【数２０】ΔＬ₂ ＝Ｌ₂ ・β・ΔＩ／λ₀ Δθ＝sin^-1〔（λ₀ ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin^-1（λ
₀ ／２ｄ） 請求項５記載の発明では、レーザダイオードに温度セン
サを設け、この温度センサからの検出信号をレーザダイ
オードの温度調節器にフィードバックし、第１のアクチ
ュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源の制御手
段によってレーザダイオードの温度制御を行うようにし
たので、波長制御をする上でより精密な制御が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る波長可変レーザ装置の第１の実施
の形態を示すブロック図である。

【図２】同第１の実施の形態の動作原理を説明するため
の図である。

【図３】同第２の実施の形態を示すブロック図である。

【図４】同第３の実施の形態を示すブロック図である。

【図５】同第４の実施の形態を説明するための図であ
る。

【図６】従来のレーザ装置を示すブロック図である。

【図７】同レーザ装置の動作を説明するための図であ
る。

【図８】従来の他のレーザ装置を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１，１’，１” 波長可変レーザ装置 ２ 温度調整器 ３ レーザダイオード ３１ 出射端面 ３２ 端面 ５ 外部共振器 ５１ コリメートレンズ ５３ 可動グレーティング ５４ 溝 ７ 被制御手段 ７１ 第１のアクチュエータ ７２ 第２のアクチュエータ ７３ 制御電源 ８１ 電流検出センサ ８２ 回転角検出センサ ８３ 並進移動量検出センサ ９ 制御手段 ９１ 処理装置本体 ９２ キーボード ９３ ディスプレイ ９５ 温度センサー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を発振するレーザダイオード
   と、可動回折格子を含む外部共振器とを備えたレーザ装
   置によって波長可変レーザ光を発生する方法において、
   前記外部共振器長さに対する前記可動回折格子の並進移
   動量及び前記可動回折格子の回転角を、前記外部共振器
   長、前記レーザダイオードを駆動する駆動電流変化量、
   レーザ発振波長、前記可動回折格子の溝間隔との間で数
   式１を満足するように設定することにより波長可変レー
   ザ光を発生できることを特徴とする波長可変レーザ光発
   生方法。 【数１】ΔＬ₂ ＝Ｌ₂ ・β・ΔＩ／λ₀ Δθ＝sin^-1〔（λ₀ ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin^-1（λ
   ₀ ／２ｄ） 但し、λ₀ はレーザー発振波長、Ｌ₂ は外部共振器長、
   ΔＬ₂ は外部共振器長Ｌ₂ に対する並進移動量、Δθは
   回折格子の回転角、ΔＩはレーザダイオードの駆動電流
   の変化量、βはレーザダイオードの駆動電流に対する波
   長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定
   数、ｄは回折格子の溝間隔である。
2. 【請求項２】 レーザ光を発振するレーザダイオード
   と、可動回折格子を含む外部共振器とを備えたレーザ装
   置において、前記回折格子の回転角を設定できる第１の
   アクチュエータと、前記回折格子の並進移動量を設定で
   きる第２のアクチュエータと、前記レーザダイオードの
   駆動電流値を設定制御できる制御電源と、前記第１のア
   クチュエータ、前記第２のアクチュエータ及び前記制御
   電源をそれぞれ駆動制御できる制御手段とを備えたこと
   を特徴とする波長可変レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記外部共振器は、前記レーザダイオー
   ドの光を平行ビームにして出射するコリメートレンズ、
   及び前記コリメートレンズからの平行ビームを受光して
   出力光とする可動回折格子のみから構成したことを特徴
   とする請求項２記載の波長可変レーザ装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は、レーザー発振波長をλ
   ₀ 、外部共振器長Ｌ ₂ に対する並進移動量をΔＬ₂ 、回
   折格子の回転角をΔθ、レーザダイオードの駆動電流の
   変化量をΔＩ、レーザダイオードの駆動電流に対する波
   長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定
   数をβ、回折格子の溝間隔をｄとしたとき、数式２の関
   係が成立するように前記第１のアクチュエータ、前記第
   ２のアクチュエータ及び制御電源をそれぞれ駆動制御さ
   せる処理手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の
   波長可変レーザ装置。 【数２】ΔＬ₂ ＝Ｌ₂ ・β・ΔＩ／λ₀ Δθ＝sin^-1〔（λ₀ ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin^-1（λ
   ₀ ／２ｄ）
5. 【請求項５】 前記レーザダイオードに温度センサーを
   設け、この温度センサーからの検出信号を前記レーザダ
   イオードの温度調節器にフィードバックし、前記第１の
   アクチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源の
   制御手段によって前記レーザダイオードの温度制御を行
   うことを特徴とする請求項２記載の波長可変レーザ装
   置。