【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学分散を用いて屈折率を変化させて同調できるレーザー装置、とくに屈折率を変化させることにより数十ｐｍ〜数ｎｍにまで同調できるレーザー装置と、この電気光学分散を用いた同調方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ（以下、チタンサファイア）レーザーは６５０ｎｍ〜１１００ｎｍという広い同調範囲をもつ近赤外固体レーザーとして注目され、分光分野やリモートセンシング分野等で様々に使用され、また新たな用途の開発も進められている。しかし、チタンサファイアレーザーを用いた波長可変レーザー装置が、現在または将来のこれらの用途で期待に十分応えるためには、狭いスペクトル幅で高速に同調できることが必要である。
【０００３】
現在例えば、リモートセンシング分野において、中赤外領域でＤＩＡＬ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｌｉｄａｒ）技術、すなわち差分吸収ライダー技術を利用して、地球温暖化ガスのＣＯ２やＣＨ４等の濃度を高感度にモニタリングするセンシング装置の研究が進められている。この差分吸収ライダー技術は、このＣＯ２やＣＨ４等の分子（測定対象の分子）が吸収し易い波長（ＯＮ波長）と、吸収し難い波長（ＯＦＦ波長）の２波長を照射して散乱光を測定し、分子の吸収特性を利用して２波長間の吸収の違いを測定し、対象分子の密度分布を求めるものである。しかし、大気中には空気の揺らぎ等があり、この影響をできるだけ避けるためには、センシング装置はＯＮ波長とＯＦＦ波長を狭いスペクトル幅で高精度且つ高速に切り替えなければ実効性が上がらない。
【０００４】
同様に、他の用途でも波長可変レーザー装置には高精度の測定能力が求められており、これを実現するためには広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調できる波長可変レーザー装置でなければならない。そこで先ず、従来の波長可変レーザー装置とその同調方法について説明する。図８は従来のチューニングミラーを用いた波長可変レーザー装置の説明図、図９（ａ）は従来の音響光学素子を用いた第１の波長可変レーザー装置の説明図、図９（ｂ）は従来の音響光学素子を用いた第２の波長可変レーザー装置の要部図である。
【０００５】
図８において、１０１はＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザーとパルスレーザーのいずれでも使用が可能な励起用レーザー、１０２は励起用レーザー１０１から出射されたレーザーを透過するとともに透過したレーザーの反射を繰返すことができる入射側エンドミラー、１０３はチタンサファイア結晶やアレキサンドライト等の同調可能なレーザー素子、１０４は回折格子、１０５はチューニングミラー、１０６は出射側フィードバックミラーである。なお、入射側エンドミラー１０２の反射率は１００％に構成される。また、励起光源は励起用レーザー１０１に限らず、ランプ光源等であっても安定した高出力の光源であれば十分である。
【０００６】
この従来の波長可変レーザー装置は、目的とする波長で同調可能なものであり、励起用レーザー１０１を入射すると、レーザー素子１０３によりレーザー発振が得られる。出射されたレーザー光は回折格子１０４に入射されて回折作用を受け、回折光は各波長でそれぞれ分光されてチューニングミラー１０５に向う。チューニングミラー１０５はステッピングモータ（図示しない）によって回転可能となっており、回折格子１０４で回折した回折光を反射する。チューニングミラー１０５の回転角を調整することにより目的の波長の光のみを回折格子１０４に戻し、入射側エンドミラー１０２と出射側フィードバックミラー１０６間で反射を繰返して同調、増幅されて出射側フィードバックミラー１０６から出力されるものである。
【０００７】
このように従来の波長可変レーザー装置は、ステッピングモータ等をサーボ制御することにより、機械的にチューニングミラー１０５の角度調整を行う。従って、多くの制御機器を使う必要があり、システム構成も複雑となる。とくに発振を連続的に続けていると、初期設定から同調波長がずれていく傾向があり、再現性の点で問題を残すものであった。これは従来のチューニングミラー１０５を用いた波長可変レーザー装置が出力の安定性に課題があることを意味している。
【０００８】
次に、従来の音響光学デバイスを用いた波長可変レーザー装置について図９（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。図９（ｂ）に示した波長可変レーザー装置は例えば（特許文献１）等において提案されたものである。
【０００９】
図９（ａ）に示す音響光学素子を用いた第１の波長可変レーザー装置において、１１１はＮｄ：ＹＡＧレーザー等の励起用レーザー、１１２は励起用レーザー１１１から入射されたレーザーを透過するとともに透過したレーザーの反射を繰返すことができる入射側エンドミラー、１１３はチタンサファイア結晶やアレキサンドライト等の同調可能なレーザー素子、１１４はＴｅＯ２ＡＯＦ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｆｉｌｔｅｒ）等の光音響光学結晶からなる音響光学デバイス、１１６は出射側フィードバックミラーである。なお、音響光学デバイス１１４は、デュアルキャビティ型の説明で記載する圧電素子、ＲＦ電源を備えているが、図示はしない。
【００１０】
同様に図９（ｂ）に示す音響光学素子を用いた第２の波長可変レーザー装置において、１２１はＮｄ：ＹＡＧレーザー等の励起用レーザー、１２３はチタンサファイア結晶やアレキサンドライト等の同調可能なレーザー素子、１２４はＴｅＯ２ＡＯＦ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｆｉｌｔｅｒ）等の光音響光学結晶から構成された音響光学デバイス、１２４ａは音響光学デバイス１２４に音響波を入力するための圧電素子、１２５は回折光を反射する全反射ミラー、１２６は出射側ミラー、１２７は圧電素子１２４ａを動作させるための４０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚで可変可能なＲＦ電源である。
【００１１】
この従来の波長可変レーザー装置は、いずれもが励起用レーザー１１１，１２１を入射すると、レーザー素子１１３，１２３は６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲で発振する。出射されたレーザー光は音響光学デバイス１１４，１２４に入射されて回折作用を受ける。音響光学デバイス１１４，１２４では、ＲＦ電源から圧電素子に高周波の電圧を印加して光音響光学結晶を振動させ、音響波とレーザー光の光音響光学結晶内の相互作用により回折させる。入射するレーザー光は分光され、目的の波長の回折光だけが出射側フィードバックミラー１１６もしくは全反射ミラー１２５で反射され、反射を繰返して同調し増幅されて出射側フィードバックミラー１１６または出射側ミラー１２６から出力されるものである。
【００１２】
この従来の第１、第２の波長可変レーザー装置は、広い同調範囲をもち、音響光学デバイス１１４，１２４を用いているため高速に同調することができ、従来のチューニングミラーを用いた場合の欠点である高速同調と装置の簡単化を実現できる。しかし、出力されるレーザー光のスペクトル幅が広く、差分吸収ライダー技術等に用いるだけの高精度の測定は期待できないものであった。しかもこれを高精度にしようとすると、高価になってしまうものであった。
【００１３】
さらに以上説明した従来の波長可変レーザー装置のほかにも、複屈折フィルター（Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ Ｆｉｌｔｅｒ）を用い、電気的に同調させる色素レーザーも提案されている。しかし、この従来の波長可変レーザー装置は同調範囲が狭く、発振器内の損失が大きく、出力が大きくなると結晶そのものに亀裂等のダメージを与えてしまうものであった。
【００１４】
【特許文献１】
特開平９−１７２２１５号公報（第２頁，第３頁、図１，図２）
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、波長可変レーザー装置には高精度の測定能力が求められており、これを実現するためには広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調できる波長可変レーザー装置でなければならない。
【００１５】
しかし、従来のチューニングミラーを用いた波長可変レーザー装置は、ステッピングモータ等をサーボ制御し、機械的にチューニングミラーの角度調整を行うため、制御機器が多く、システム構成も大きく複雑となり、機械的な調整のために応答性には限界があるものであった。連続発振していると、初期設定から同調波長がずれていく傾向があり、波長可変レーザー装置が出力の安定性に課題があるものであった。
【００１６】
また、従来の音響光学素子を用いた波長可変レーザー装置は、広い同調範囲をもち、音響光学デバイスを用いているため高速に同調することができ、装置構造の簡単化を実現できる。しかし、出力されるレーザー光のスペクトル幅が広く、差分吸収ライダー技術等に用いる高精度の測定を期待するのは難しいものであった。しかもこれを高精度にしようとすると、高価になってしまうものであった。同様に色素レーザーを用いた波長可変レーザー装置は、同調範囲が狭く、発振器内の損失が大きく、出力が大きくなると結晶そのものに亀裂等のダメージを与えてしまうものであった。
【００１７】
従って、従来開発された波長可変レーザー装置はいずれも一長一短があって、広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調するという３つの性能を満たす波長可変レーザー装置に対して大きな期待が寄せられているにも関わらず、これを実現する目途が経っていないというのが現状である。
【００１８】
そこで本発明は、広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができ、安価で、波長選択のデバイスに負荷がかからない波長可変のレーザー装置を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、広い同調範囲でも狭いスペクトル幅で高速に同調させることができ、波長選択のデバイスに負荷がかからない電気光学分散を用いた同調方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のレーザー装置は、共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なレーザー素子と、レーザー素子から出射されたレーザー光を回折させる回折手段と、屈折率を調整でき回折手段からの回折光を分散することができる電気光学分散手段と、電気光学分散手段に印加する電圧を制御する制御部と、分散されたレーザー光から所定の波長のレーザー光だけを回折手段に反射する全反射ミラーとが設けられ、この所定の波長のレーザー光が共振器内で同調、増幅されることを特徴とする。
【００２１】
これにより、広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができ、安価で、波長選択のデバイスに負荷がかからないレーザー装置が可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために本発明の第１の発明は、対向して配置されそれぞれが所定の反射率をもつ第１ミラーと第２ミラーを有し、励起光が第１ミラーから入射されると内部でレーザー光を発振し、所定の波長のレーザー光を選択して第１ミラーと第２ミラーの間で同調できる共振器を備えて、該共振器からレーザー出力を行う波長可変のレーザー装置であって、共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なレーザー素子と、レーザー素子から出射されたレーザー光を回折させる回折手段と、屈折率を調整でき回折手段からの回折光を分散することができる電気光学分散手段と、電気光学分散手段に印加する電圧を制御する制御部と、分散されたレーザー光から所定の波長のレーザー光だけを回折手段に反射する全反射ミラーとが設けられ、この所定の波長のレーザー光が共振器内で同調、増幅されることを特徴とするレーザー装置であり、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。回折手段でレーザー光を回折し、その後電気光学分散手段で分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学分散手段に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、後電気光学分散手段がレーザー光で損傷を受けることがない。長期間の安定した動作が可能になる。
【００２３】
第２の発明は、対向して配置されそれぞれが所定の反射率をもつ第１ミラーと第２ミラーを有し、励起光が第１ミラーから入射されると内部でレーザー光を発振し、所定の波長のレーザー光を選択して第１ミラーと第２ミラーの間で同調できる共振器を備えて、該共振器からレーザー出力を行う波長可変のレーザー装置であって、共振器には、励起光が入射されると発振する同調可能なレーザー素子と、屈折率を調整できレーザー素子から出射されたレーザー光を分散させて所定の波長のレーザー光を所定の方向に出射させることができる電気光学分散手段と、電気光学分散手段で分散されたレーザー光を回折させる回折手段と、電気光学分散手段に印加する電圧を制御する制御部と、回折光の中から所定の波長のレーザー光を回折手段に反射する全反射ミラーとが設けられ、この所定の波長のレーザー光が共振器内で同調、増幅されて回折手段から出力されることを特徴とするレーザー装置であり、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。
【００２４】
第３の発明は、請求項２記載のレーザー装置であって、全反射ミラーで反射された所定の波長のレーザー光が共振器内で増幅されて回折手段から出力されるのに代えて、全反射ミラーで反射された所定の波長のレーザー光が共振器内で増幅されて前記第１ミラーから出射され、さらに第３ミラーで外部に出力されることを特徴とするレーザー装置であり、励起光が入射される側からレーザー出力することができる。
【００２５】
第４の発明は、電気光学分散手段が電気光学結晶プリズムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー装置であり、もっとも基本的な光分散手段であるプリズムで所定波長のレーザー光を選択できる。
【００２６】
第５の発明は、電気光学分散手段が、ニオブ酸リチウムの結晶から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザー装置であり、大きな電気光学係数の電気光学分散手段にすることができる。
【００２７】
第６の発明は、電気光学分散手段が複数の電気光学結晶プリズムから構成されたことを特徴とする請求項４または５記載のレーザー装置であり、電気光学結晶プリズムの数だけ分散角度の変化量を増加させることができ、電気光学分散手段の同調範囲を広げることができる。簡単に分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００２８】
第７の発明は、複数の電気光学結晶プリズムが、電界をかけたとき屈折率が増加するプリズムと減少するプリズムとを交互に組合わせたプリズムであることを特徴とする請求項８記載のレーザー装置であり、電気光学結晶プリズムを反転して組み合わせると、電気光学結晶デバイスが占めるスペースが最小限で済むと同時に、分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００２９】
第８の発明は、複数の電気光学結晶プリズムが周期分極反転構造のプリズムであることを特徴とする請求項６記載のレーザー装置であり、一方の極性となるプリズム域はマスクし、他方の極性となるプリズム域に電極を設けて高電圧を印加し、周期的分極反転した構造のプリズムであるため、製造が容易である。
【００３０】
第９の発明は、複数の電気光学結晶プリズムが同一方向の光学軸のプリズムであって、それぞれ印加される電圧の極性が反転されることにより光学軸が反転することを特徴とする請求項６記載のレーザー装置であり、光学軸が反転する複数のプリズムを電気的に簡単に実現できる。
【００３１】
第１０の発明は、電気光学分散手段に入射されるレーザー光がσ偏光であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザー装置であり、π偏光の場合より２〜３倍大きな電気光学係数となり、分散角度の変化量を増加させることができ、電気光学分散手段の同調範囲を広げることができる。
【００３２】
第１１の発明は、レーザー素子がチタンサファイア結晶であることを請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザー装置であり、６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの広い範囲の同調可能な波長のレーザー光を発振できる。
【００３３】
第１２の発明は、同調可能なレーザー素子を励起光で発振させ、発振したレーザー光を回折させて、電気光学分散手段の屈折率を所定の屈折率に調整することにより回折光を分散し、所定の波長の回折光を所定の方向に出射し、全反射ミラーによって該回折光を反射し、これを共振器内で共振させて出力波長を同調することを特徴とする電気光学分散を用いた同調方法であり、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。レーザー光を回折し、その後電気光学分散手段で分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学分散手段に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、後電気光学分散手段がレーザー光で損傷を受けることがない。長期間の安定した動作が可能になる。
【００３４】
第１３の発明は、共振器内に設けられた同調可能なレーザー素子を励起光で発振させ、電気光学分散手段の屈折率を所定の屈折率に調整することによりレーザー光を分散して所定の方向に出射し、回折手段によって分散光を回折し、全反射ミラーによって該回折光を反射し、これを共振器内で共振させて出力波長を同調することを特徴とする電気光学分散を用いた同調方法であり、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるレーザー装置と電気光学分散を用いた同調方法について説明する。図１は本発明の実施の形態１におけるデュアルキャビティ型のレーザー装置の構成図である。
【００３５】
図１において、１はパルス動作する励起用レーザーであり、例えばパルス幅６ｎｓ、１０Ｈｚ、波長５３２ｎｍで６０ｍＪのレーザー光を出射できるＮｄ：ＹＡＧレーザーである。励起用レーザー１としては、このほかアルゴンイオンレーザー等の他のレーザーであってよい。２は励起用レーザー１から入射されたレーザーを透過するとともに透過したレーザーの反射を繰返すことができる全反射エンドミラーである。σ偏光、π偏光のいずれもが入射可能である。反対側の反射率は実用上１００％である。
【００３６】
３はチタンサファイア結晶（本発明のレーザー素子）である。実施の形態１においては、形状は１５ｍｍφで、長さ１５ｍｍ、ブリュースター角度処理が行われたものを使用している。また図示はしないが、焦点距離ｆが６００ｍｍのレンズを設けており、このレンズから４８０ｍｍの位置にチタンサファイア結晶３が設置される。チタンサファイア結晶３は最大で６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲の波長で発振して出射する。４は回折格子（本発明の回折手段）であり、１２００本／ｍｍの溝が形成されている。チタンサファイア結晶３で発振したレーザー光は、回折格子４に入射角約８７°で入射され、回折される。５は全反射ミラーで、後述する電気光学結晶プリズム７によって分散された１次回折光の中で同調光だけを回折格子４に向けて反射する。６はフィードバックミラーであって、全反射エンドミラー２と対向して設けられ、出射光を出力するため反射率６０％である。なお、全反射エンドミラー２と全反射ミラー５の長さ、全反射エンドミラー２とフィードバックミラー６の長さは、いずれも約３００ｍｍに設定されている。
【００３７】
７は、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）結晶で構成され、実施の形態１の場合、回折格子４からの分光を受ける幅が７ｍｍ、その頂角が４８°、厚さ５０ｍｍの形状を有する電気光学結晶プリズムである。なお、電気光学結晶プリズム７はＬｉＮｂＯ３結晶に限られるものではなく、ＫＴｉＯＰＯ４、ＬｉＴａＯ３等、外部電界を加えたとき屈折率が比例して変化するポッケルス効果を利用できる電気光学結晶であればよい。このような電気光学結晶は電気的応答性は従来のような機械的制御に比べてきわめて迅速なものとなる。実施の形態１の電気光学結晶プリズム７は、図１に示すように回折光は電気光学結晶プリズム７に約６６°の入射角で入射する。この角度はニオブ酸リチウム結晶のブリュースター角度である。８は電気光学結晶プリズム７に電界を加える電源部、９は電源部８の電圧を変化させることができる制御部である。制御部９は、電源部８の電圧を０〜１０ｋＶの間で調整して電気光学結晶プリズム７に印加することができる。
【００３８】
ブリュースター角度の約６６°で入射した回折光は、電気光学結晶プリズム７で入射後波長ごとに屈折し分散されて出射する。なお、反射防止膜を施した電気光学結晶プリズム７を利用してもよい。この出射方向に全反射ミラー５を設置してあると、分散光はそこで反射され、再び各方向に放射される。このとき、従来の技術のように全反射ミラー５の角度を調節すれば、反射光の中には往路と同一光路（復路）を辿って回折格子４に戻るものが存在する。そこでこの関係を利用し、逆に全反射ミラー５の角度を固定して電気光学結晶プリズム７に加える電圧を変えれば、屈折率が変化し、目的の波長だけを、同一光路を辿って元の回折格子４に反射光を戻すことができる。
【００３９】
このようにして回折格子４と電気光学結晶プリズム７、全反射ミラー５で所定の波長に絞られた１次回折光は、回折格子４で再び全反射エンドミラー２の方向に回折され、全反射ミラー５と全反射エンドミラー２、チタンサファイア結晶３から構成される副共振器の中で繰返し反射される。このとき、フィードバックミラー６と全反射エンドミラー２、チタンサファイア結晶３から構成される主共振器の中で同調が起こり、増幅されてフィードバックミラー６から出射される。
【００４０】
ところで、通常、電気光学結晶プリズム７にレーザー光を照射すると、結晶は損傷を受ける可能性がある。しかし、本実施の形態１においては、一旦回折格子４でレーザー光を回折し、その後電気光学結晶プリズム７でも分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学結晶プリズム７に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、レーザー光による損傷を受けることがない。すなわち、回折格子４を介すことにより、波長選択のデバイスである電気光学結晶プリズム７はレーザー光からの大きな負荷がかからずダメージを受けない。長期間の安定した動作が可能になる。
【００４１】
以上説明した実施の形態１のレーザー装置は、７４０ｎｍ〜８４０ｎｍの同調範囲内で同調させることができ、実測によると、同調波長が７８０ｎｍのときレーザー発振閾値は３０ｍＪであり、またＮｄ：ＹＡＧレーザーによって入射エネルギー５５ｍＪで動作させたときに４ｍＪの出力が得られるものである。
【００４２】
続いて、電気光学分散を行うと、すなわち電気光学結晶プリズム７に電界をかけると、同調波長にどのような変化が現われるのか、また分散角度にどのような変化が現われるのか、以下説明する。
【００４３】
強誘電体結晶は一般にその結晶構造によって決まる光学的異方性を示すが、強誘電体結晶である電気光学結晶は電界を印加すると、屈折率が変化する。これはポッケルス効果として知られているが、この屈折率変化Δｎは印加電界Ｅに比例する。これは、Δｎ＝−１／２ｎ０ ３γ１３Ｅと表される。ここでγ１３は電気光学係数、ｎ０は屈折率である。入射するレーザー光がπ偏光であるため電気光学係数としてγ１３を選んでいるが、σ偏光の場合には電気光学係数としてγ３３を選ぶ。そして、波長の変化量ΔλはΔｎを使って（数１）で近似的に求めることができる。ここで、ｙは（数２）で表される関数であり、αはプリズムの頂点角、θは入射角、ｍは回折格子の回折次数、ｄは回折格子の面内のピッチ、βは回折角である。
【００４４】
【数１】
【００４５】
【数２】
図２は本発明の実施の形態２における電気光学分散を行った場合のレーザーの同調特性図である。図２に示す理論値の同調特性は、ＬｉＮｂＯ３結晶のプリズムの同調特性であり、電気光学係数はπ偏光を入力するため電気光学係数としてγ１３（＝８．６ｐｍ／Ｖ）を選び、屈折率ｎ０（＝２．２５）として計算したものである。図２によれば、電界Ｅが１０ｋＶ／ｃｍのとき、波長の変化Δλは７５ｐｍであり、（数１）からも分かるように理論値は比例関係にある。これに対して、７６０ｎｍ、７８５ｎｍ、８２０ｎｍの波長で実測したものが、図２中にプロットした各実験点である。これによれば、理論値とよくあっており、とくに波長７８５ｎｍの場合が理論値に近い傾向を有している。なお、ＬｉＮｂＯ３結晶のプリズムで起こる分散角の変化量は波長の変化Δλと関係付けられ、電界Ｅが１０ｋＶ／ｃｍのとき、０．００５６°変化する。なお、π偏光でなくσ偏光を利用すれば、電気光学係数γ３３を利用することができる。すなわち、このγ３３は３０．８ｐｍ／Ｖであり、γ１３の３倍以上の屈折率を有しており、同調範囲を広げることができる。
【００４６】
図３は７８５ｎｍのレーザーの回折写真によるスペクトル幅の変化説明図である。ファブリ−ペロー型干渉計を用い、干渉縞によるスペクトル幅の測定、波長の安定性の観察を行ったのが、図３である。これによれば、スペクトル幅は０．１０ｃｍ−１であり、これは６ｐｍに相当し、電界Ｅを変化させてもほとんど変化しないことが分かる。チタンサファイア結晶３を使った可変レーザー装置は広い同調範囲をもつことができ、これに電気光学結晶プリズム７を用いて制御することにより、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができることが分かる。
【００４７】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２におけるレーザー装置と電気光学分散を用いた同調方法について説明する。図４（ａ）は本発明の実施の形態２におけるレーザー装置の電気光学結晶デバイスの説明図、図４（ｂ）は比較のための電気光学結晶デバイスの説明図、図５（ａ）は本発明の実施の形態２におけるレーザー装置の分極反転した電気光学結晶デバイスの説明図、図５（ｂ）は（ａ）の電気光学結晶デバイスを複数結合した説明図、図６は本発明の実施の形態２における電気光学分散を行った場合のレーザーの同調特性図である。実施の形態２におけるレーザー装置は、実施の形態１のレーザー装置と電気光学結晶デバイスの構成を除き、基本的に同一であり、同一符号の構成は両者で同様であるから説明は省略する。
【００４８】
実施の形態２の電気光学結晶デバイス（本発明の電気光学分散手段）は複数の電気光学結晶プリズムを組み合わせて分散角度の変化を増加させ、同調範囲を拡大するものである。図４（ａ）はレーザー分散方向が順方向に回転していく組合わせであり、図５（ａ）（ｂ）はレーザー分散方向が交互に正負に回転を繰返す組合わせである。
【００４９】
まずレーザー分散方向が順方向（一方向）に回転していく組み合わせを示す図４（ａ）において、７１，７２はそれぞれ電気光学結晶プリズムである。図４（ｂ）の電気光学結晶プリズム７は単に比較のためのもので、単数のプリズムで入射レーザー光が分散されるものを示している。この単数の電気光学結晶プリズム７では分散角度の変化量は結晶材質に依存した所定量に留まるが、図４（ａ）の電気光学結晶プリズム７１，７２のように直列に配置したプリズムに次々と入射していけば、分散角度の変化量は図４（ｂ）のプリズムの配置個数に比例して大きくなる。電気光学結晶プリズム７１，７２の占めるスペースは比較的大きくなるが、γ１３かγ３３の大きな１種類の結晶を使うことで簡単に分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００５０】
次に、図５（ａ）（ｂ）はレーザー分散方向が交互に正負に反転を繰返す電気光学結晶デバイスを示しているが、図５（ａ）（ｂ）において、７（＋），７（−）、７（＋）１，７（−）１，７（＋）２，７（−）２，７（＋）３，７（−）３，７（＋）４，７（−）４はそれぞれ電気光学結晶プリズムである。添え字の（＋）は、光学軸が正の電気光学結晶プリズム（電界Ｅをかけたとき屈折率ｎが減少するもの）、添え字の（−）は、光学軸が負の電気光学結晶プリズム（電界Ｅをかけたとき屈折率ｎが増加するもの）を示している。このように分散方向が交互に反転を繰返す電気光学結晶デバイスの代表的な作製方法としては、（１）光学軸が正負のプリズムを単純に接合する方法と、（２）１つの電気光学結晶を用意し、一方の極性となるプリズム域はマスクして他方の極性となるプリズム域に電極を設けて高電圧を印加し、これによって形成される周期分極反転構造のプリズム（以下、周期的分極反転プリズム）を用いる方法、さらに（３）Δｎ＝−１／２ｎ０ ３γ３３Ｅという関係を利用し、一方の極性となるプリズム域の電極には第１の極性の電圧を印加して、他方の極性となるプリズム域の電極には第２の極性の電圧を印加し、これによって生じる分極反転をレーザー装置使用時に制御的に形成する方法がある。周期分極反転プリズムを用いる方法が作製が容易であり、接合面が形成されないため損失も少なく、またレーザー装置の制御も簡素化されるため、分極反転を利用したプリズムが電気光学結晶デバイスとして好適である。
【００５１】
図５（ａ）に示すように、電気光学結晶プリズム７（−）に入射したレーザー光は屈折し、この出射光が隣接配置された分極反転の電気光学結晶プリズム７（＋）に入射する。このときそれぞれの屈折率と入射角で定まる方向へ屈折され、電気光学結晶プリズム７（＋）から外部に出射される。
【００５２】
図５（ｂ）に示す電気光学結晶デバイスは、上述したように図５（ａ）の組み合わせプリズムをさらに分極反転させたものである。電気光学結晶プリズム７（−）１に入射したレーザー光は屈折し、この出射光が隣の電気光学結晶プリズム７（＋）１に入射する。それぞれの屈折率と入射角で定まる方向へ屈折され、電気光学結晶プリズム７（＋）から電気光学結晶プリズム７（−）２に入射される。さらに屈折されて隣の電気光学結晶プリズム７（＋）２に入り、電気光学結晶プリズム７（−）３、電気光学結晶プリズム７（＋）３、電気光学結晶プリズム７（−）４、電気光学結晶プリズム７（＋）４と屈折を繰返して出射される。この分極反転した電気光学結晶デバイスをレーザー光が透過する間に、分散角度の変化量はプリズムの配置個数に比例して大きくなる。電気光学結晶プリズムを分極反転して組み合わせると、電気光学結晶デバイスが占めるスペースが最小限で済むと同時に、分散角度の変化量を大きくすることができる。ただ、周期分極反転プリズムを用いない場合は、光学軸が正負の電気光学結晶プリズムを２種類用意する必要がある。
【００５３】
以上説明した実施の形態２の電気光学結晶デバイスの同調特性について説明すると、図６に示すようにπ偏光の場合とσ偏光の場合の双方で、分極反転もしくは接合した電気光学結晶デバイス（電気光学結晶プリズムが一組）が電気光学結晶プリズム（一個）の２倍程度に分散角度の変化量が増大していることが分かる。また、分極反転もしくは接合した電気光学結晶デバイスも電気光学結晶プリズムも、σ偏光の場合がπ偏光の場合の２倍以上の変化量を有していることが分かる。従って、分散角度の変化を増加させ、同調範囲を拡大するためには、電気光学結晶プリズムを複数使用することや、σ偏光を利用するのが適当である。
【００５４】
なお、上述の（３）で説明した電気光学結晶デバイスを制御的に形成する方法は、制御的に電気光学結晶デバイスを構成するために、回路は大きくなるが構成がきわめて簡素となり、安価なレーザー装置とすることができる。
【００５５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３におけるレーザー装置と電気光学分散を用いた同調方法について説明する。図７（ａ）は本発明の実施の形態１におけるシングルキャビティ型の第１のレーザー装置の構成図、図７（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるシングルキャビティ型の第２のレーザー装置の構成図である。なお、シングルキャビティ型のレーザー装置は、イントラキャビティ型とも称せられるものである。実施の形態３におけるレーザー装置は、実施の形態１のレーザー装置と電気光学分散手段の配置を除いて基本的に同一であり、同一符号の構成は両者で同様であるから説明は省略する。図７（ａ）（ｂ）において、電源部８、制御部９についての記載は省略する。
【００５６】
図７（ａ）において、７ａは実施の形態３の第１のレーザー装置の電気光学分散手段である電気光学結晶プリズムである。電気光学結晶プリズム７ａは、ポッケルス効果を利用できるニオブ酸リチウム結晶等で構成される。実施の形態３のシングルキャビティ型の第１のレーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー等の励起用レーザー１、全反射エンドミラー２、チタンサファイア結晶３、電気光学結晶プリズム７ａ、回折格子４、全反射ミラー５が、この順序で配置されたものである。
【００５７】
実施の形態３の第１のレーザー装置では、電気光学結晶プリズム７ａから出射されたレーザー光はブリュースター角度で入射し、電気光学結晶プリズム７ａで入射後波長ごとに屈折し分散されて出射する。この出射方向に回折格子４が設置してあると、分散されたレーザー光はそこで回折され、所定角度で回折光がそれぞれ分散される。このとき目的の波長の回折光が向う方向に全反射ミラー５を配置しておけば、同調波長の回折光が選択されて回折格子４に返すことができる。この同調波長の回折光は、全反射エンドミラー２，チタンサファイア結晶３，電気光学結晶プリズム７ａ，回折格子４，全反射ミラー５からなる共振器で同調、増幅され、出射される。
【００５８】
続いて、図７（ｂ）に基づいて実施の形態３のシングルキャビティ型の第２のレーザー装置について説明する。２ａはエンドミラー、６ａは出射側エンドミラー、７ｂは実施の形態３の第２のレーザー装置の電気光学結晶プリズムである。第２のレーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー等の励起用レーザー１、出射ミラー６ａ、エンドミラー２ａ、チタンサファイア結晶３、電気光学結晶プリズム７ｂ、回折格子４、全反射ミラー５が、この順序で配置されたものである。
【００５９】
第２のレーザー装置では、励起用レーザー１のレーザー光は出射ミラー６ａとエンドミラー２ａを透過し、チタンサファイア結晶３で発振する。このレーザー光は電気光学結晶プリズム７ａで波長ごとに分散されて出射する。この出射方向に回折格子４が設置してあり、分散光はここで回折される。このとき目的の波長の回折光が向う方向に全反射ミラー５を配置しておけば、同調波長の回折光のみが選択されて元の光路辿って回折格子４に返される。この同調波長の回折光は、エンドミラー２ａ，チタンサファイア結晶３，電気光学結晶プリズム７ａ，回折格子４，全反射ミラー５からなる共振器で同調、増幅され、出射ミラー６ａから出射される。
【００６０】
以上説明した実施の形態３の第１のレーザー装置及び第２のレーザー装置は、電気光学分散を用いて屈折率を変化させることにより数十ｐｍ〜数ｎｍにまで同調できる。デュアルキャビティ型のレーザー装置は、回折した後の副共振器内の回折光に対して電気光学分散を施すため、レーザー装置の出力は比較的小さいが、シングルキャビティ型のレーザー装置は、いずれもチタンサファイア結晶で発振したレーザー光を直接電気光学分散するので、出力を大きくすることができる。また、シングルキャビティ型のレーザー装置は回折前に分散させることができ、スペクトル幅をより狭帯域化することができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明のレーザー装置によれば、デュアルキャビティ型でもシングルキャビティ型でも電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して同調させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため、安価で広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。
【００６２】
デュアルキャビティ型のレーザー装置では、回折手段でレーザー光を回折し、その後電気光学分散手段で分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学分散手段に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、後電気光学分散手段がレーザー光で損傷を受けることがない。長期間の安定した動作が可能になる。
【００６３】
励起光が入射される側からレーザー出力することも可能である。もっとも基本的な光分散手段であるプリズムで所定波長のレーザー光を選択できる。ニオブ酸リチウムの結晶として、大きな電気光学係数の電気光学分散手段にすることができる。
【００６４】
複数の電気光学結晶プリズムで電気光学分散手段を構成するから、電気光学結晶プリズムの数だけ分散角度の変化量を増加させることができ、電気光学分散手段の同調範囲を広げることができる。簡単に分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００６５】
電界をかけたとき屈折率が増加するプリズムと減少するプリズムとを交互に組合わせたプリズムであるから、電気光学結晶プリズムを反転して組み合わせると、電気光学結晶デバイスが占めるスペースが最小限で済むと同時に、分散角度の変化量を大きくすることができる。
【００６６】
複数の電気光学結晶プリズムが周期分極反転構造のプリズムであるから、一方の極性となるプリズム域はマスクし、他方の極性となるプリズム域に電極を設けて高電圧を印加し、周期的分極反転した構造のプリズムであるため、製造が容易である。
【００６７】
印加される電圧の極性が反転されることにより光学軸が反転するため、光学軸が反転する複数のプリズムを電気的に簡単に実現できる。
【００６８】
電気光学分散手段に入射されるレーザー光がσ偏光であるため、π偏光の場合より２〜３倍大きな電気光学係数となり、分散角度の変化量を増加させることができ、電気光学分散手段の同調範囲を広げることができる。レーザー素子がチタンサファイア結晶であるため、６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの広い範囲の同調可能な波長のレーザー光を発振できる。
【００６９】
また本発明の電気光学分散を用いた同調方法によれば、電気光学分散手段に加えた電界によって屈折率を調整し、レーザー光を内部で分散させ、所定の波長のレーザー光を所定の方向へ出射できる。この方向に全反射ミラーが配置されており、選択された所定の波長のレーザー光を共振器に返して共振させ、制御デバイスが電気光学分散手段であるため広い同調範囲をもち、狭いスペクトル幅で高速に同調させることができる。レーザー光を回折し、その後電気光学分散手段で分散光を扱うことになるため、直接エネルギ密度の大きいレーザー光が電気光学分散手段に入射することがなく、エネルギ密度が大きく低下し、後電気光学分散手段がレーザー光で損傷を受けることがない。長期間の安定した動作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるデュアルキャビティ型のレーザー装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２における電気光学分散を行った場合のレーザーの同調特性図
【図３】７８５ｎｍのレーザーの回折写真によるスペクトル幅の変化説明図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態２におけるレーザー装置の電気光学結晶デバイスの説明図
（ｂ）比較のための電気光学結晶デバイスの説明図、
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２におけるレーザー装置の分極反転した電気光学結晶デバイスの説明図
（ｂ）（ａ）の電気光学結晶デバイスを複数結合した説明図、
【図６】本発明の実施の形態２における電気光学分散を行った場合のレーザーの同調特性図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態１におけるシングルキャビティ型の第１のレーザー装置の構成図
（ｂ）本発明の実施の形態１におけるシングルキャビティ型の第２のレーザー装置の構成図
【図８】従来のチューニングミラーを用いた波長可変レーザー装置の説明図
【図９】（ａ）従来の音響光学素子を用いた第１の波長可変レーザー装置の説明図
（ｂ）従来の音響光学素子を用いた第２の波長可変レーザー装置の要部図
【符号の説明】
１，１０１，１１１，１２１ 励起用レーザー
２ 全反射エンドミラー
３ チタンサファイア結晶
４，１０４ 回折格子
５，１２５ 全反射ミラー
６ フィードバックミラー
７、７１，７２、７（＋），７（−）、７（＋）１，７（−）１，７（＋）２，７（−）２，７（＋）３，７（−）３，７（＋）４，７（−）４、７ａ、７ｂ電気光学結晶プリズム
８ 電源部
９ 制御部
２ａ エンドミラー
６ａ 出射側エンドミラー
１０２ 入射側エンドミラー
１０３，１１３，１２３ レーザー素子
１０５ チューニングミラー
１０６，１１６ 出射側フィードバックミラー
１１２ 入射側エンドミラー
１１４，１２４ 音響光学デバイス
１２４ａ 圧電素子
１２６ 出射側ミラー
１２７ ＲＦ電源[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention uses a laser device that can be tuned by changing the refractive index using electro-optical dispersion, and in particular, a laser device that can be tuned from tens of pm to several nm by changing the refractive index, and uses this electro-optical dispersion. Regarding the tuning method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a Ti: sapphire (hereinafter, titanium sapphire) laser has been attracting attention as a near-infrared solid-state laser having a wide tuning range of 650 nm to 1100 nm, and has been used variously in the field of spectroscopy, remote sensing, and the like, and has been developed for new applications. Is also underway. However, a tunable laser device using a titanium sapphire laser needs to be able to tune quickly with a narrow spectral width in order to sufficiently meet expectations in these and future applications.
[0003]
At present, for example, in the field of remote sensing, in the mid-infrared region, using a DIAL (Differential Absorption Lidar) technology, that is, a differential absorption lidar technology, the CO2 of global warming gas is used.2And CH4Research on a sensing device for monitoring the concentration of such a substance with high sensitivity has been advanced. This differential absorption lidar technology is2And CH4The scattered light is measured by irradiating two wavelengths, ie, a wavelength (ON wavelength) that is easily absorbed by the molecules (molecules to be measured) (ON wavelength) and a wavelength (OFF wavelength) that is difficult to be absorbed, and utilizes the absorption characteristics of the molecules. The difference in absorption between wavelengths is measured to determine the density distribution of the target molecule. However, air has fluctuations in the atmosphere and the like, and in order to avoid this effect as much as possible, the effectiveness of the sensing device cannot be improved unless the ON wavelength and the OFF wavelength are switched with high accuracy and high speed with a narrow spectral width.
[0004]
Similarly, in other applications, a tunable laser device is required to have high-precision measurement capability, and in order to achieve this, a tunable laser device having a wide tuning range and capable of high-speed tuning with a narrow spectrum width is used. There must be. Therefore, first, a conventional tunable laser device and its tuning method will be described. FIG. 8 is an explanatory diagram of a wavelength tunable laser device using a conventional tuning mirror, FIG. 9A is an explanatory diagram of a first wavelength tunable laser device using a conventional acousto-optic element, and FIG. FIG. 5 is a main part diagram of a second wavelength tunable laser device using the acousto-optic element of FIG.
[0005]
In FIG. 8, reference numeral 101 denotes an excitation laser that can be used with either a CW (Continuous Wave) laser or a pulse laser, and 102 transmits the laser emitted from the excitation laser 101 and repeatedly reflects the transmitted laser. An incident-side end mirror, 103 is a tunable laser element such as titanium sapphire crystal or alexandrite, 104 is a diffraction grating, 105 is a tuning mirror, and 106 is an emission-side feedback mirror. The reflectance of the incident-side end mirror 102 is set to 100%. Further, the excitation light source is not limited to the excitation laser 101, and a lamp light source or the like is sufficient as long as it is a stable high-output light source.
[0006]
This conventional wavelength tunable laser device is tunable at a target wavelength. When an excitation laser 101 is incident, laser oscillation is obtained by a laser element 103. The emitted laser light is incident on the diffraction grating 104 and undergoes a diffractive action. The diffracted light is split at each wavelength and directed to the tuning mirror 105. The tuning mirror 105 is rotatable by a stepping motor (not shown), and reflects the diffracted light diffracted by the diffraction grating 104. By adjusting the rotation angle of the tuning mirror 105, only the light of the target wavelength is returned to the diffraction grating 104, and the reflection is repeated between the incident end mirror 102 and the output feedback mirror 106 to be tuned and amplified, and the output feedback mirror is amplified. It is output from 106.
[0007]
As described above, the conventional wavelength variable laser device mechanically adjusts the angle of the tuning mirror 105 by servo-controlling the stepping motor and the like. Therefore, it is necessary to use many control devices, and the system configuration becomes complicated. In particular, when the oscillation is continued continuously, the tuning wavelength tends to shift from the initial setting, which leaves a problem in reproducibility. This means that the wavelength tunable laser device using the conventional tuning mirror 105 has a problem in output stability.
[0008]
Next, a wavelength tunable laser device using a conventional acousto-optic device will be described with reference to FIGS. The wavelength tunable laser device shown in FIG. 9B has been proposed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-163,028.
[0009]
In the first wavelength tunable laser device using the acousto-optic device shown in FIG. 9A, reference numeral 111 denotes an excitation laser such as an Nd: YAG laser, and 112 transmits and transmits a laser incident from the excitation laser 111. Incident-side end mirror capable of repeating the reflection of the laser beam, 113 is a tunable laser element such as titanium sapphire crystal or alexandrite, 114 is TeO2An acousto-optical device made of a photoacoustic optical crystal such as an AOF (Acousto-Optic Filter), and 116 is an output side feedback mirror. The acousto-optic device 114 includes the piezoelectric element and the RF power supply described in the description of the dual cavity type, but is not shown.
[0010]
Similarly, in the second tunable laser device using the acousto-optic device shown in FIG. 9B, reference numeral 121 denotes an excitation laser such as an Nd: YAG laser, and reference numeral 123 denotes a tunable laser device such as a titanium sapphire crystal or an alexandrite. , 124 is TeO2An acousto-optic device constituted by a photoacoustic optical crystal such as an AOF (Acousto-Optic Filter), 124a is a piezoelectric element for inputting an acoustic wave to the acousto-optic device 124, 125 is a total reflection mirror that reflects diffracted light, 126 Is an emission side mirror, and 127 is an RF power supply for operating the piezoelectric element 124a, which can be varied from 40 MHz to 150 MHz.
[0011]
In this conventional wavelength tunable laser device, when both the excitation lasers 111 and 121 are incident, the laser elements 113 and 123 oscillate in the range of 650 nm to 1100 nm. The emitted laser light enters the acousto-optic devices 114 and 124 and undergoes a diffraction action. In the acousto-optic devices 114 and 124, a high-frequency voltage is applied to the piezoelectric element from an RF power supply to vibrate the acousto-optic crystal, and diffracted by the interaction between the acoustic wave and the laser light in the acousto-optic crystal. The incident laser light is split, and only the diffracted light of the desired wavelength is reflected by the output side feedback mirror 116 or the total reflection mirror 125, and is tuned and amplified by repeating the reflection, and is output from the output side feedback mirror 116 or the output side mirror 126. What is output.
[0012]
The conventional first and second wavelength tunable laser devices have a wide tuning range, can tune at high speed because of using the acousto-optic devices 114 and 124, and have disadvantages when a conventional tuning mirror is used. High-speed tuning and simplification of the device can be realized. However, the spectrum width of the output laser beam is wide, and high-precision measurement only for use in the differential absorption lidar technology or the like cannot be expected. Moreover, if this is to be performed with high precision, it would be expensive.
[0013]
In addition to the above-described conventional wavelength variable laser device, a dye laser that uses a birefringent filter and is electrically tuned has also been proposed. However, this conventional tunable laser device has a narrow tuning range, a large loss in the oscillator, and a large output damages the crystal itself such as cracks.
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-9-172215 (page 2, page 3, FIG. 1 and FIG. 2)
[Problems to be solved by the invention]
As described above, tunable laser devices are required to have high-precision measurement capability. To achieve this, a tunable laser device that has a wide tuning range and can tune at high speed with a narrow spectrum width must be used. Must.
[0015]
However, a conventional wavelength tunable laser device using a tuning mirror servo-controls a stepping motor or the like and mechanically adjusts the angle of the tuning mirror. Responsiveness was limited due to adjustment. If continuous oscillation occurs, the tuning wavelength tends to deviate from the initial setting, and the wavelength tunable laser device has a problem in output stability.
[0016]
Further, a wavelength tunable laser device using a conventional acousto-optic device has a wide tuning range, and can tune at high speed because of using an acousto-optic device, thereby realizing simplification of the device structure. However, the spectrum width of the output laser light is wide, and it has been difficult to expect high-precision measurement used for differential absorption lidar technology and the like. Moreover, if this is to be performed with high precision, it would be expensive. Similarly, a wavelength tunable laser device using a dye laser has a narrow tuning range, a large loss in an oscillator, and a large output damages the crystal itself such as cracks.
[0017]
Therefore, there is great expectation for tunable laser devices that have conventionally been developed, each of which has advantages and disadvantages, has a wide tuning range, and satisfies the three performances of high-speed tuning with a narrow spectral width. Despite this, the current situation is that there is no prospect of achieving this.
[0018]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a tunable laser device which has a wide tuning range, can be tuned at high speed with a narrow spectral width, is inexpensive, and does not load a wavelength selecting device.
[0019]
It is another object of the present invention to provide a tuning method using electro-optical dispersion that can perform high-speed tuning with a narrow spectral width even in a wide tuning range and does not load a wavelength selecting device.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the laser device of the present invention is a resonator, a tunable laser element that oscillates when excitation light is incident, and a diffraction unit that diffracts laser light emitted from the laser element, An electro-optical dispersing means capable of adjusting the refractive index and dispersing the diffracted light from the diffracting means, a control unit for controlling a voltage applied to the electro-optical dispersing means, and a laser light having a predetermined wavelength from the dispersed laser light And a total reflection mirror that reflects only the laser beam to the diffraction means, and the laser light having the predetermined wavelength is tuned and amplified in the resonator.
[0021]
As a result, a laser device having a wide tuning range, capable of performing high-speed tuning with a narrow spectral width, and being inexpensive, and having no load on a wavelength selecting device can be realized.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In order to solve the above-described problems, a first invention of the present invention has a first mirror and a second mirror which are arranged to face each other and have a predetermined reflectance, and excitation light is incident from the first mirror. And a tunable laser device that oscillates a laser beam therein, selects a laser beam of a predetermined wavelength, and tunes between the first mirror and the second mirror, and performs laser output from the resonator. The resonator includes a tunable laser element that oscillates when excitation light is incident, a diffractive means for diffracting laser light emitted from the laser element, and a diffractive means for adjusting the refractive index. Electro-optical dispersion means capable of dispersing light, a control unit for controlling a voltage applied to the electro-optical dispersion means, and a total reflection mirror for reflecting only laser light of a predetermined wavelength from the dispersed laser light to the diffraction means When The laser device is characterized in that the laser light of this predetermined wavelength is tuned and amplified in the resonator, the refractive index is adjusted by the electric field applied to the electro-optical dispersion means, and the laser light is internally generated. By dispersing, laser light of a predetermined wavelength can be emitted in a predetermined direction. A total reflection mirror is arranged in this direction, the selected predetermined wavelength laser light is returned to the resonator and tuned, and the control device is an electro-optic dispersion means, so it is inexpensive, has a wide tuning range, and has a narrow tuning range. Fast tuning with spectral width. Since the laser light is diffracted by the diffracting means, and then the dispersed light is handled by the electro-optical dispersing means, the laser light having a large energy density does not directly enter the electro-optical dispersing means, and the energy density is greatly reduced. The electro-optical dispersion means is not damaged by the laser light. Long-term stable operation becomes possible.
[0023]
A second invention has a first mirror and a second mirror, which are arranged to face each other and have a predetermined reflectance, and oscillates a laser beam inside when excitation light is incident from the first mirror, and A wavelength tunable laser device comprising a resonator capable of selecting a laser beam having a wavelength of 1 to tune between a first mirror and a second mirror, and outputting a laser beam from the resonator. A tunable laser element that oscillates when light enters, and electro-optics that can adjust the refractive index and disperse the laser light emitted from the laser element to emit laser light of a predetermined wavelength in a predetermined direction Dispersing means, diffracting means for diffracting the laser light dispersed by the electro-optical dispersing means, a control unit for controlling a voltage applied to the electro-optical dispersing means, and diffracting means for diffracting laser light of a predetermined wavelength from the diffracted light. Anti A laser device having a total reflection mirror that tunes and amplifies the laser light of the predetermined wavelength in the resonator and outputs the tuned laser light from the diffraction means. Thus, the refractive index is adjusted, the laser light is dispersed inside, and laser light of a predetermined wavelength can be emitted in a predetermined direction. A total reflection mirror is arranged in this direction, the selected predetermined wavelength laser light is returned to the resonator and tuned, and the control device is an electro-optic dispersion means, so it is inexpensive, has a wide tuning range, and has a narrow tuning range. Fast tuning with spectral width.
[0024]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the laser device according to the second aspect, wherein the laser light of a predetermined wavelength reflected by the total reflection mirror is amplified in the resonator and output from the diffraction means. A laser device wherein a laser beam of a predetermined wavelength reflected by a reflection mirror is amplified in a resonator, emitted from the first mirror, and further output to the outside by a third mirror, wherein the excitation light is Can output laser light from the side where light is incident.
[0025]
A fourth aspect of the present invention is the laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein the electro-optical dispersion means is an electro-optical crystal prism. Laser light of a wavelength can be selected.
[0026]
A fifth aspect of the present invention is the laser device according to any one of claims 1 to 4, wherein the electro-optical dispersion means is formed of a crystal of lithium niobate. It can be a dispersing means.
[0027]
A sixth aspect of the present invention is the laser device according to claim 4 or 5, wherein the electro-optical dispersing means comprises a plurality of electro-optical crystal prisms, and the amount of change in the dispersion angle by the number of the electro-optical crystal prisms. Can be increased, and the tuning range of the electro-optical dispersion means can be widened. The amount of change in the dispersion angle can be easily increased.
[0028]
7. The laser according to claim 8, wherein the plurality of electro-optic crystal prisms are prisms in which prisms whose refractive index increases and decrease when an electric field is applied are alternately combined. When the electro-optical crystal prism is an inverted device and combined, the space occupied by the electro-optical crystal device can be minimized, and the amount of change in the dispersion angle can be increased.
[0029]
An eighth invention is the laser device according to claim 6, wherein the plurality of electro-optic crystal prisms are prisms having a periodically poled structure, wherein a prism area having one polarity is masked and the other polarity is masked. Since a prism having a structure in which an electrode is provided in a prism region to apply a high voltage to periodically invert the polarization and the polarization is periodically inverted, manufacture is easy.
[0030]
In a ninth aspect of the present invention, the plurality of electro-optic crystal prisms are prisms having optical axes in the same direction, and the optical axes are inverted by reversing the polarity of the applied voltage. It is a laser device as described above, and a plurality of prisms whose optical axes are inverted can be easily realized electrically.
[0031]
A tenth invention is the laser device according to any one of claims 1 to 9, wherein the laser light incident on the electro-optical dispersion means is σ-polarized light, The electro-optic coefficient becomes twice as large, the amount of change in the dispersion angle can be increased, and the tuning range of the electro-optic dispersion means can be widened.
[0032]
An eleventh invention is the laser device according to any one of claims 1 to 10, wherein the laser element is a titanium sapphire crystal, and can oscillate laser light having a tunable wavelength in a wide range of 650 nm to 1100 nm.
[0033]
The twelfth invention oscillates a tunable laser element with excitation light, diffracts the oscillated laser light, and disperses the diffracted light by adjusting the refractive index of the electro-optical dispersion means to a predetermined refractive index. An electro-optical dispersion is used in which diffracted light of a predetermined wavelength is emitted in a predetermined direction, the diffracted light is reflected by a total reflection mirror, and the output light is tuned by resonating the diffracted light in a resonator. This is a tuning method, in which the refractive index is adjusted by an electric field applied to the electro-optical dispersion means, laser light is dispersed inside, and laser light of a predetermined wavelength can be emitted in a predetermined direction. A total reflection mirror is arranged in this direction, the selected predetermined wavelength laser light is returned to the resonator and tuned, and the control device is an electro-optic dispersion means, so it is inexpensive, has a wide tuning range, and has a narrow tuning range. Fast tuning with spectral width. Since the laser light is diffracted and then the dispersed light is handled by the electro-optical dispersion means, the laser light having a large energy density does not directly enter the electro-optical dispersion means, and the energy density is greatly reduced. The dispersing means is not damaged by the laser light. Long-term stable operation becomes possible.
[0034]
According to a thirteenth aspect, a tunable laser element provided in a resonator is oscillated with excitation light, and the refractive index of the electro-optical dispersion means is adjusted to a predetermined refractive index to disperse the laser light to a predetermined level. Direction, the diffracted light is diffracted by a diffractive means, the diffracted light is reflected by a total reflection mirror, and this is resonated in a resonator to tune the output wavelength. This is a tuning method, in which the refractive index is adjusted by an electric field applied to the electro-optical dispersion means, laser light is dispersed inside, and laser light of a predetermined wavelength can be emitted in a predetermined direction. A total reflection mirror is arranged in this direction, the selected predetermined wavelength laser light is returned to the resonator and tuned, and the control device is an electro-optic dispersion means, so it is inexpensive, has a wide tuning range, and has a narrow tuning range. Fast tuning with spectral width.
(Embodiment 1)
Hereinafter, a tuning method using the laser device and the electro-optical dispersion according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of a dual cavity laser device according to Embodiment 1 of the present invention.
[0035]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a pulsed excitation laser, for example, an Nd: YAG laser capable of emitting 60 mJ of laser light with a pulse width of 6 ns, 10 Hz, and a wavelength of 532 nm. The excitation laser 1 may be another laser such as an argon ion laser. Reference numeral 2 denotes a total reflection end mirror that transmits the laser incident from the excitation laser 1 and can repeatedly reflect the transmitted laser. Both σ-polarized light and π-polarized light can be incident. The reflectance on the opposite side is practically 100%.
[0036]
3 is a titanium sapphire crystal (laser element of the present invention). In the first embodiment, the shape is 15 mmφ, the length is 15 mm, and the Brewster angle processing is performed. Although not shown, a lens having a focal length f of 600 mm is provided, and a titanium sapphire crystal 3 is provided at a position 480 mm from this lens. The titanium sapphire crystal 3 oscillates and emits at a wavelength in the range of 650 nm to 1100 nm at the maximum. Reference numeral 4 denotes a diffraction grating (diffraction means of the present invention) having 1200 grooves / mm grooves. The laser light oscillated by the titanium sapphire crystal 3 is incident on the diffraction grating 4 at an incident angle of about 87 ° and is diffracted. Reference numeral 5 denotes a total reflection mirror which reflects only tuning light among the first-order diffracted lights dispersed by an electro-optic crystal prism 7 described later toward the diffraction grating 4. Reference numeral 6 denotes a feedback mirror, which is provided to face the total reflection end mirror 2 and has a reflectivity of 60% for outputting emitted light. The lengths of the total reflection end mirror 2 and the total reflection mirror 5 and the lengths of the total reflection end mirror 2 and the feedback mirror 6 are all set to about 300 mm.
[0037]
7 is LiNbO3In the case of the first embodiment, the electro-optic crystal prism is made of (lithium niobate) crystal, and has a width of 7 mm, a vertical angle of 48 °, and a thickness of 50 mm for receiving the light from the diffraction grating 4. The electro-optic crystal prism 7 is made of LiNbO.3Not limited to crystals, but KTiOPO4, LiTaO3For example, any electro-optic crystal that can use the Pockels effect in which the refractive index changes in proportion to the application of an external electric field can be used. Such an electro-optic crystal has an extremely quick electrical response compared to conventional mechanical control. In the electro-optic crystal prism 7 of the first embodiment, as shown in FIG. 1, diffracted light enters the electro-optic crystal prism 7 at an incident angle of about 66 °. This angle is the Brewster angle of the lithium niobate crystal. Reference numeral 8 denotes a power supply unit that applies an electric field to the electro-optic crystal prism 7, and 9 denotes a control unit that can change the voltage of the power supply unit 8. The control unit 9 can adjust the voltage of the power supply unit 8 between 0 and 10 kV and apply the voltage to the electro-optic crystal prism 7.
[0038]
The diffracted light incident at a Brewster angle of about 66 ° is refracted and dispersed for each wavelength after being incident on the electro-optic crystal prism 7, and then emitted. Note that an electro-optic crystal prism 7 provided with an anti-reflection film may be used. If the total reflection mirror 5 is installed in this emission direction, the dispersed light is reflected there and emitted again in each direction. At this time, if the angle of the total reflection mirror 5 is adjusted as in the conventional technique, some reflected light returns to the diffraction grating 4 along the same optical path (return path) as the outward path. Therefore, utilizing this relationship, if the voltage applied to the electro-optic crystal prism 7 is changed while the angle of the total reflection mirror 5 is fixed, the refractive index changes, and only the target wavelength is traced along the same optical path to the original. The reflected light can be returned to the diffraction grating 4.
[0039]
The first-order diffracted light narrowed to a predetermined wavelength by the diffraction grating 4, the electro-optic crystal prism 7, and the total reflection mirror 5 is diffracted again by the diffraction grating 4 in the direction of the total reflection end mirror 2, and the total reflection mirror 5, a total reflection end mirror 2 and a titanium-sapphire crystal 3 are repeatedly reflected in a sub-resonator. At this time, tuning occurs in the main resonator composed of the feedback mirror 6, the total reflection end mirror 2, and the titanium sapphire crystal 3, and is amplified and emitted from the feedback mirror 6.
[0040]
By the way, usually, when the electro-optic crystal prism 7 is irradiated with laser light, the crystal may be damaged. However, in the first embodiment, the laser light is once diffracted by the diffraction grating 4 and then the dispersed light is also handled by the electro-optic crystal prism 7. , The energy density is greatly reduced, and the laser beam is not damaged. That is, through the diffraction grating 4, the electro-optic crystal prism 7, which is a wavelength selection device, is not subjected to a large load from laser light and is not damaged. Long-term stable operation becomes possible.
[0041]
The laser device according to the first embodiment described above can be tuned within the tuning range of 740 nm to 840 nm. According to actual measurements, the laser oscillation threshold is 30 mJ when the tuning wavelength is 780 nm, and the Nd: YAG laser When operated with an incident energy of 55 mJ, an output of 4 mJ is obtained.
[0042]
Next, when electro-optical dispersion is performed, that is, when an electric field is applied to the electro-optical crystal prism 7, what kind of change appears in the tuning wavelength and what kind of change appears in the dispersion angle will be described below.
[0043]
A ferroelectric crystal generally shows optical anisotropy determined by its crystal structure, but an electro-optic crystal, which is a ferroelectric crystal, changes its refractive index when an electric field is applied. This is known as the Pockels effect, and the refractive index change Δn is proportional to the applied electric field E. This means that Δn = − ／ n0 3γThirteenExpressed as E. Where γThirteenIs the electro-optic coefficient, n0Is the refractive index. Since the incident laser light is π-polarized light, the electro-optic coefficientThirteenHowever, in the case of σ-polarized light, the electro-optic coefficient is γ33Choose Then, the change amount Δλ of the wavelength can be approximately obtained by (Equation 1) using Δn. Here, y is a function represented by (Equation 2), α is the vertex angle of the prism, θ is the incident angle, m is the diffraction order of the diffraction grating, d is the pitch in the plane of the diffraction grating, and β is the number of times. It is a cornerstone.
[0044]
(Equation 1)
[0045]
(Equation 2)
FIG. 2 is a tuning characteristic diagram of a laser when electro-optical dispersion is performed according to the second embodiment of the present invention. The tuning characteristic of the theoretical value shown in FIG.3This is the tuning characteristic of the crystal prism, and the electro-optic coefficient is γThirteen(= 8.6 pm / V) and the refractive index n0(= 2.25). According to FIG. 2, when the electric field E is 10 kV / cm, the change Δλ of the wavelength is 75 pm, and the theoretical value is in a proportional relationship as can be seen from (Equation 1). On the other hand, what was actually measured at the wavelengths of 760 nm, 785 nm, and 820 nm are the experimental points plotted in FIG. According to this, there is a good agreement with the theoretical value, and the wavelength at 785 nm tends to be close to the theoretical value. In addition, LiNbO3The amount of change in the dispersion angle that occurs in the crystal prism is related to the change in wavelength Δλ, and changes by 0.0056 ° when the electric field E is 10 kV / cm. If σ-polarized light is used instead of π-polarized light, the electro-optic coefficient γ33Can be used. That is, this γ33Is 30.8 pm / V and γThirteenHas a refractive index of three times or more of the above, and the tuning range can be widened.
[0046]
FIG. 3 is an explanatory diagram of a change in spectrum width based on a 785 nm laser diffraction photograph. FIG. 3 shows the measurement of the spectral width by interference fringes and the observation of wavelength stability using a Fabry-Perot interferometer. According to this, the spectral width is 0.10 cm-1This is equivalent to 6 pm, and it can be seen that there is almost no change even when the electric field E is changed. It can be seen that the tunable laser device using the titanium sapphire crystal 3 can have a wide tuning range, and that it can be tuned at high speed with a narrow spectral width by controlling it using the electro-optic crystal prism 7.
[0047]
(Embodiment 2)
Hereinafter, a tuning method using the laser device and the electro-optical dispersion according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4A is an explanatory diagram of an electro-optical crystal device of a laser device according to Embodiment 2 of the present invention, FIG. 4B is an explanatory diagram of an electro-optical crystal device for comparison, and FIG. FIG. 5B is an explanatory view of a polarization-inverted electro-optical crystal device of a laser apparatus according to a second embodiment of the present invention, FIG. 5B is an explanatory view showing a combination of a plurality of the electro-optical crystal devices of FIG. 5A, and FIG. FIG. 13 is a tuning characteristic diagram of a laser when electro-optical dispersion is performed in the second embodiment. The laser device according to the second embodiment is basically the same as the laser device according to the first embodiment except for the configuration of the electro-optic crystal device.
[0048]
The electro-optic crystal device according to the second embodiment (electro-optic dispersion means of the present invention) combines a plurality of electro-optic crystal prisms to increase the change in the dispersion angle and expand the tuning range. FIG. 4A shows a combination in which the laser dispersion direction rotates in the forward direction, and FIGS. 5A and 5B show a combination in which the laser dispersion direction alternately repeats positive and negative rotations.
[0049]
First, in FIG. 4A showing a combination in which the laser dispersion direction rotates in the forward direction (one direction), 71, 72Are electro-optic crystal prisms. The electro-optic crystal prism 7 in FIG. 4B is merely for comparison, and shows a single prism in which incident laser light is dispersed. In this single electro-optic crystal prism 7, the amount of change in the dispersion angle is limited to a predetermined amount depending on the crystal material.1, 72As shown in FIG. 4, if the light sequentially enters the prisms arranged in series, the amount of change in the dispersion angle increases in proportion to the number of prisms arranged in FIG. Electro-optic crystal prism 71, 72Occupies a relatively large space, but γThirteenOr γ33By using one kind of crystal having a large value, the amount of change in the dispersion angle can be easily increased.
[0050]
Next, FIGS. 5A and 5B show an electro-optic crystal device in which the laser dispersion direction alternates between positive and negative alternately.(+), 7(-), 7(+) 1, 7(-) 1, 7(+) 2, 7(-) 2, 7(+) 3, 7(-) 3, 7(+) 4, 7(-) 4Are electro-optic crystal prisms. The subscript (+) indicates an electro-optic crystal prism having a positive optical axis (the refractive index n decreases when an electric field E is applied), and the subscript (-) indicates an electro-optic crystal prism having a negative optical axis. (When the electric field E is applied, the refractive index n increases). As a typical method of manufacturing an electro-optic crystal device in which the dispersion direction is alternately reversed in this way, (1) a method of simply joining prisms having positive and negative optical axes and (2) a method of combining one electro-optic crystal A prism area having one polarity is masked, an electrode is provided in the prism area having the other polarity, and a high voltage is applied to the prism area. Prism), and (3) Δn = − ／ n0 3γ33Utilizing the relationship E, a voltage of the first polarity is applied to the electrode of the prism area having one polarity, and a voltage of the second polarity is applied to the electrode of the prism area having the other polarity, There is a method in which the polarization reversal caused by this is controlled and formed when using a laser device. The method using the periodically poled prism is easy to manufacture, the loss is small because the bonding surface is not formed, and the control of the laser device is also simplified. Therefore, the prism using the poled polarization is suitable as an electro-optic crystal device. is there.
[0051]
As shown in FIG. 5A, the electro-optic crystal prism 7(-)Is refracted, and the emitted light is polarized and the polarization-inverted electro-optic crystal prism 7 is disposed adjacently.(+)Incident on. At this time, the light is refracted in the direction determined by the refractive index and the incident angle,(+)Is emitted to the outside.
[0052]
The electro-optic crystal device shown in FIG. 5B is obtained by further reversing the polarization of the combination prism shown in FIG. 5A as described above. Electro-optic crystal prism 7(-) 1The laser light incident on the prism is refracted, and the emitted light is refracted by the adjacent electro-optic crystal prism 7.(+) 1Incident on. The electro-optic crystal prism 7 is refracted in a direction determined by the respective refractive indexes and the incident angles.(+)From electro-optic crystal prism 7(-) 2Is incident on. The electro-optic crystal prism 7 which is further refracted and is next(+) 2Into the electro-optic crystal prism 7(-) 3, Electro-optic crystal prism 7(+) 3, Electro-optic crystal prism 7(-) 4, Electro-optic crystal prism 7(+) 4Are emitted repeatedly. During the transmission of the laser light through the polarization-inverted electro-optic crystal device, the amount of change in the dispersion angle increases in proportion to the number of prisms arranged. When the electro-optic crystal prisms are polarization-inverted and combined, the space occupied by the electro-optic crystal device can be minimized, and the amount of change in the dispersion angle can be increased. However, when the periodically poled prism is not used, it is necessary to prepare two types of electro-optic crystal prisms having positive and negative optical axes.
[0053]
The tuning characteristic of the electro-optic crystal device according to the second embodiment described above will be described. As shown in FIG. 6, in both the case of π-polarization and the case of σ-polarization, an electro-optic crystal device (electro-optic It can be seen that the amount of change in the dispersion angle of the crystal prism (one set) is about twice as large as that of the electro-optic crystal prism (one). In addition, it can be seen that both the electro-optic crystal device and the electro-optic crystal prism in which the polarization is inverted or bonded have a change amount of twice or more in the case of the s-polarized light as compared with the case of the π-polarized light. Therefore, in order to increase the change in the dispersion angle and extend the tuning range, it is appropriate to use a plurality of electro-optic crystal prisms or to use σ-polarized light.
[0054]
In the method of controlling the electro-optical crystal device described in the above (3), the circuit becomes large, but the configuration becomes extremely simple and the inexpensive laser is used. It can be a device.
[0055]
(Embodiment 3)
A tuning method using the laser device and the electro-optical dispersion according to the third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7A is a configuration diagram of a single-cavity type first laser device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 7B is a single-cavity type second laser device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. Note that a single-cavity type laser device is also called an intra-cavity type. The laser device according to the third embodiment is basically the same as the laser device according to the first embodiment except for the arrangement of the electro-optical dispersing means. 7A and 7B, the description of the power supply unit 8 and the control unit 9 is omitted.
[0056]
In FIG. 7A, reference numeral 7a denotes an electro-optic crystal prism which is an electro-optic dispersion means of the first laser device according to the third embodiment. The electro-optic crystal prism 7a is made of a lithium niobate crystal or the like that can use the Pockels effect. The first laser device of the single cavity type according to the third embodiment includes an excitation laser 1 such as an Nd: YAG laser, a total reflection end mirror 2, a titanium sapphire crystal 3, an electro-optic crystal prism 7a, a diffraction grating 4, and a total reflection. The mirrors 5 are arranged in this order.
[0057]
In the first laser device according to the third embodiment, the laser light emitted from the electro-optic crystal prism 7a enters at a Brewster angle, and after being incident on the electro-optic crystal prism 7a, is refracted, dispersed, and emitted for each wavelength. If the diffraction grating 4 is provided in this emission direction, the dispersed laser light is diffracted there, and the diffracted light is dispersed at a predetermined angle. At this time, if the total reflection mirror 5 is arranged in the direction in which the diffracted light of the target wavelength is directed, the diffracted light of the tuning wavelength can be selected and returned to the diffraction grating 4. The diffracted light having the tuning wavelength is tuned, amplified, and emitted by a resonator including a total reflection end mirror 2, a titanium sapphire crystal 3, an electro-optic crystal prism 7a, a diffraction grating 4, and a total reflection mirror 5.
[0058]
Next, a single-cavity type second laser device according to the third embodiment will be described with reference to FIG. 2a is an end mirror, 6a is an emission end mirror, and 7b is an electro-optic crystal prism of the second laser device of the third embodiment. The second laser device includes an excitation laser 1 such as an Nd: YAG laser, an emission mirror 6a, an end mirror 2a, a titanium sapphire crystal 3, an electro-optic crystal prism 7b, a diffraction grating 4, and a total reflection mirror 5 in this order. It has been arranged.
[0059]
In the second laser device, the laser light of the excitation laser 1 passes through the emission mirror 6a and the end mirror 2a, and oscillates in the titanium sapphire crystal 3. This laser light is dispersed and emitted for each wavelength by the electro-optic crystal prism 7a. A diffraction grating 4 is provided in this emission direction, and the dispersed light is diffracted here. At this time, if the total reflection mirror 5 is arranged in the direction in which the diffracted light of the target wavelength is directed, only the diffracted light of the tuning wavelength is selected and returned to the diffraction grating 4 along the original optical path. The diffracted light having the tuning wavelength is tuned and amplified by a resonator including the end mirror 2a, the titanium sapphire crystal 3, the electro-optic crystal prism 7a, the diffraction grating 4, and the total reflection mirror 5, and is emitted from the emission mirror 6a.
[0060]
The first laser device and the second laser device according to the third embodiment described above can be tuned to several tens of pm to several nm by changing the refractive index using electro-optic dispersion. The dual-cavity laser device performs electro-optical dispersion on the diffracted light in the sub-cavity after diffraction, so the output of the laser device is relatively small. Since the laser light oscillated by the sapphire crystal is directly electro-optically dispersed, the output can be increased. In addition, a single-cavity laser device can be dispersed before diffraction, and the spectrum width can be narrowed.
[0061]
【The invention's effect】
According to the laser apparatus of the present invention, the refractive index is adjusted by the electric field applied to the electro-optical dispersion means in both the dual cavity type and the single cavity type, the laser light is dispersed inside, and the laser light of a predetermined wavelength is directed in a predetermined direction. Can be emitted to A total reflection mirror is arranged in this direction, the selected predetermined wavelength laser light is returned to the resonator and tuned, and the control device is an electro-optic dispersion means, so it is inexpensive, has a wide tuning range, and has a narrow tuning range. Fast tuning with spectral width.
[0062]
In a dual-cavity laser device, the laser light is diffracted by the diffraction means, and then the dispersion light is handled by the electro-optic dispersion means, so that the laser light having a large energy density does not directly enter the electro-optic dispersion means. The energy density is greatly reduced, and the post-electro-optical dispersion means is not damaged by the laser light. Long-term stable operation becomes possible.
[0063]
It is also possible to output laser light from the side where the excitation light is incident. A laser beam having a predetermined wavelength can be selected by a prism which is the most basic light dispersion means. As a crystal of lithium niobate, it can be used as an electro-optical dispersion means having a large electro-optical coefficient.
[0064]
Since the electro-optical dispersing means is constituted by a plurality of electro-optical crystal prisms, the amount of change in the dispersion angle can be increased by the number of electro-optical crystal prisms, and the tuning range of the electro-optical dispersing means can be expanded. The amount of change in the dispersion angle can be easily increased.
[0065]
Since the prism is configured by alternately combining a prism whose refractive index increases and a prism whose refractive index decreases when an electric field is applied, when the electro-optic crystal prism is inverted and combined, the space occupied by the electro-optic crystal device can be minimized. At the same time, the amount of change in the dispersion angle can be increased.
[0066]
Since the plurality of electro-optic crystal prisms are prisms having a periodically poled structure, the prism region having one polarity is masked, and an electrode is provided in the prism region having the other polarity to apply a high voltage to periodically pole the crystal. Since the prism has the above structure, manufacture is easy.
[0067]
Since the optical axis is inverted by inverting the polarity of the applied voltage, a plurality of prisms whose optical axes are inverted can be easily realized electrically.
[0068]
Since the laser light incident on the electro-optical dispersion means is σ-polarized light, the electro-optical coefficient becomes 2-3 times larger than that of π-polarized light, and the amount of change in the dispersion angle can be increased. The range can be expanded. Since the laser element is a titanium sapphire crystal, a laser beam having a tunable wavelength in a wide range of 650 nm to 1100 nm can be oscillated.
[0069]
According to the tuning method using the electro-optical dispersion of the present invention, the refractive index is adjusted by the electric field applied to the electro-optical dispersion means, the laser light is dispersed inside, and the laser light of a predetermined wavelength is directed in a predetermined direction. Can be emitted. A total reflection mirror is arranged in this direction, returns a selected predetermined wavelength of laser light to the resonator to resonate, and has a wide tuning range because the control device is an electro-optical dispersion means, and has a narrow spectral width. Can be tuned at high speed. Since the laser light is diffracted and then the dispersed light is handled by the electro-optical dispersion means, the laser light having a large energy density does not directly enter the electro-optical dispersion means, and the energy density is greatly reduced. The dispersing means is not damaged by the laser light. Long-term stable operation becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a dual cavity laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a tuning characteristic diagram of a laser when electro-optical dispersion is performed according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a change in spectrum width based on a 785 nm laser diffraction photograph.
FIG. 4A is an explanatory view of an electro-optic crystal device of a laser device according to a second embodiment of the present invention.
(B) An explanatory diagram of an electro-optic crystal device for comparison,
FIG. 5 (a) is an explanatory view of a domain-inverted electro-optic crystal device of a laser device according to a second embodiment of the present invention.
(B) An explanatory view in which a plurality of the electro-optical crystal devices of (a) are combined,
FIG. 6 is a tuning characteristic diagram of a laser when electro-optical dispersion is performed according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7A is a configuration diagram of a single-cavity type first laser device according to the first embodiment of the present invention;
(B) Configuration diagram of single-cavity type second laser device according to Embodiment 1 of the present invention
FIG. 8 is an explanatory diagram of a wavelength tunable laser device using a conventional tuning mirror.
FIG. 9A is an explanatory view of a first wavelength tunable laser device using a conventional acousto-optic element.
(B) Principal part view of a second wavelength tunable laser device using a conventional acousto-optic element
[Explanation of symbols]
1,101,111,121 Excitation laser
2 Total reflection end mirror
3 Titanium sapphire crystal
4,104 diffraction grating
5,125 total reflection mirror
6 Feedback mirror
7, 71, 72, 7(+), 7(-), 7(+) 1, 7(-) 1, 7(+) 2, 7(-) 2, 7(+) 3, 7(-) 3, 7(+) 4, 7(-) 4, 7a, 7b electro-optic crystal prism
8 Power supply section
9 Control unit
2a End mirror
6a Outgoing end mirror
102 Incident end mirror
103,113,123 Laser element
105 Tuning mirror
106, 116 Output side feedback mirror
112 Incident end mirror
114,124 Acousto-optical device
124a piezoelectric element
126 Exit mirror
127 RF power supply
