JP2005175010A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一波長に光パワーの集中した高出力レーザ光を得る。
【解決手段】レーザ共振器を有し誘導放出によりレーザ共振の１次および高次モード波長を含むレーザ光を出射するレーザ発光部と、入射するレーザ光の１次モード波長に対応する光を選択して共振光を出射する外部光共振器と、レーザ共振器からのレーザ光を外部光共振器へ入射させ、外部光共振器からの共振光をレーザ共振器へ再入射させる光学系とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、単一波長の高出力レーザ光が得られる光源装置に関する。
この発明の光源装置は、単一波長に光パワーの集中した高出力レーザ光が得られるので、粒子測定装置、とりわけ微小な粒子の測定を目的とする粒子測定装置、ドップラー計、粒度分布計などの光源に好適である。

コヒーレントな光が得られるレーザ光源装置は、その特性を利用してＣＤやＤＶＤの読取り／書込み、光通信、レーザ・ビーム・プリンタ、バーコード・リーダなどの分野に利用されており、とりわけ半導体レーザは小型で安価、駆動が比較的容易であることから広く利用されている。
レーザは、発光のために共振器を用いるので、その波長特性は、共振器の１次モード共振波長を光強度のピークとし、その整数倍であって共振器内に定在波が存在し得る波長をも含んだスペクトル特性を持つ。図１０は、レーザ共振器内に存在する定在波のうち、１次および２次定在波を示す説明図である。図１０（ａ）は１次定在波、図１０（ｂ）は２次定在波である。また、図１１は、半導体レーザのスペクトル特性の一例を示すグラフである。
レーザ光源装置として、その内部に設けられたレーザ共振器によりレーザを共振させてレーザ光を出力するレーザ発振器が開示されている（例えば、特許文献１参照）
特公平６−２１８６０号公報

しかし、用途によっては１次モードの共振波長（あるいは、レーザ発振中心波長という）のみを利用し、高次モードの存在はむしろ好ましくないことがある。あるいは、レーザ光のパワーが複数の波長に分散するのではなく、単一波長に集中させて高出力を得たい場合がある。特に、光の干渉を利用して高精度な測定を行う用途では前記のように単一波長に光パワーを集中させた高出力レーザ光源が望まれている。高次モード光の中には、１次モード光と干渉して光パワーを打ち消すように働くものがあるからである。この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、単一波長に光パワーの集中した高出力レーザ光を出射する光源装置に関する。

この発明は、レーザ共振器を有し誘導放出によりレーザ共振の１次および高次モード波長を含むレーザ光を出射するレーザ発光部と、入射するレーザ光の一次モード波長に対応する光を選択して共振光を出射する外部光共振器と、レーザ共振器からのレーザ光を外部光共振器へ入射させ、外部光共振器からの共振光をレーザ共振器へ再入射させる光学系とを備える光源装置を提供するものである。

この発明の光源装置は、レーザ共振器へ入射する共振光の波長のみが選択的に増幅されるように誘導放出がなされるので、単一波長に光パワーの集中した高出力レーザ光を得ることができる。

この発明の光源装置は、レーザ共振器を有し誘導放出によりレーザ共振の１次および高次モード波長を含むレーザ光を出射するレーザ発光部と、入射するレーザ光の１次モード波長に対応する光を選択して共振光を出射する外部光共振器と、レーザ共振器からのレーザ光を外部光共振器へ入射させ、外部光共振器からの共振光をレーザ共振器へ再入射させる光学系とを備え、レーザ発光部は、誘導放出が１次モード波長に対応する共振光の波長が選択的に増幅されることによって行われ、前記共振光の波長にパワーの集中したレーザ光を出射する。

ここで、誘導放出が１次モード波長に対応する共振光の波長が選択的に増幅されることによって行われるとは、外部共振器から出射される共振光をレーザ発光部へ戻すことにより、レーザの発振エネルギーが、戻した波長に集中して単一波長の光出力が増幅されることをいう。その結果、単体では図１１に示すようなスペクトル特性の半導体レーザを用いて、図２に示すようなスペクトル特性のレーザ光を得ることができる。

レーザ発光部には半導体レーザを用いるのが好適である。一般に市販されている半導体レーザ素子が適用可能である。ＧａＡｓ、ＩｎＰなど特に材料を問わない。また、発光構造、発光波長も特に限定されることはない。半導体レーザの一例を図３に示す。半導体レーザ１は、レーザ素子２２、透過膜２３および反射膜２４から構成される。レーザ素子２２は、内部に図示しない活性層を有し、駆動電流の供給によって発光する。また、レーザ素子２２の長手方向の一端面には反射率５％以下の透過膜２３と、レーザ素子２２の他端面には反射膜２４が形成される。この透過膜２３と反射膜２４とによって光共振器が形成されることになる。レーザ素子２２内部で発生した光は、この光共振器内を往復伝播し、誘導放出によって増幅され、透過膜２３からレーザ光として出射される。
レーザ発光部には、外部からの光をレーザ共振器内に入射できるものであれば、半導体レーザ以外の気体レーザ、固体レーザなども適用することができる。適用できる気体レーザの一例は、Ａｒ⁺、Ｈｅ−Ｎｅである。適用できる固体レーザの一例は、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、ＹＡＧレーザＳＨＧ、ＹＡＧレーザ（ＳＨＧ＋ＳＦＧ）、ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フッ化物）レーザ、ＹＬＦレーザ＋ＳＨＧ、ＹＬＦレーザ（ＳＨＧ＋ＳＦＧ）である。

レーザ発光部の出力を安定に保つために、発光レーザ光のパワーを検出して一定に保つＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御回路が設けられていてもよい。

外部光共振器は、２枚の凹面鏡を同軸に対向させてなるファブリ−ペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器で構成することができる。一方の凹面鏡は、レーザ光をほぼ完全に反射し、他方は、部分透過性を有する高反射性の凹面鏡で構成すれば、部分透過性を有する凹面鏡の側から光を入射および出射させることができ、入射するレーザ光が内部で干渉して定在波として外部光共振器内に存在し得る波長のみの光パワーが内部に蓄積される。その一部が部分透過性を有する凹面鏡を透過して外部へ出射される。この発明では、外部光共振器から出射される光をレーザ発光部へ戻すように光源装置を構成する。

レーザ発光部および外部光共振器への外部からの振動を抑制する防振機構や、温度変化を抑制するための温度制御が設けられていてもよい。こうすれば、外部振動や温度変化などの外乱が抑制されて、安定した光強度および波長を得ることができる。

また、外部光共振器が、焦点距離の等しい２つの凹面反射鏡からなり、前記凹面反射鏡は、互いの焦点が一致するよう同軸上に配置され、焦点を通り軸と平行でない角度で一方の凹面反射鏡の背面からレーザ光を入射して透過させることにより凹面反射鏡間を往復する光路が焦点以外で交差あるいは一致しないように構成されていてもよい。
外部光共振器をこのように構成すれば、外部光共振器を構成する凹面反射鏡間を往復する光路が焦点以外で交差あるいは一致しないように構成されるので、軸方向に対して直角の歪に対して平行四辺形状の光路の平行が保たれて共振波長が安定するとともに、進行型定在波のモード間競合が発生せずに位相ゆらぎを小さくすることができ、振動や歪に対して安定した光源装置を得ることができる。

この発明の光源装置は、外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する共振光検出器と、共振光検出器からの出力に基づいて共振光の波長とレーザ光の１次モード波長との偏差に関する信号を帰還する波長偏差帰還部と、所望の波長が得られるようにレーザ発光部を駆動するレーザ駆動部とをさらに備え、
レーザ駆動部は、波長偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ光の１次モード波長と共振光の波長とが一致するようにレーザ発光部を駆動するように構成されていてもよい。
共振光検出器と波長偏差帰還部とレーザ駆動部とをさらに備えることによって、振動や温度変化の外乱に対してより安定化したレーザ光を得ることができ、あるいは防振機構や温度制御を比較的簡易に構成することができて装置を安価に実現することが可能になる。

さらに、光源装置が、レーザ発光部の波長を所定周波数で微小変動させる波長変動信号を重畳する波長変動重畳部をさらに備え、共振光検出器は、波長変動に応答する共振光の強度を検出して出力し、波長偏差帰還部は、波長変動信号と共振光検出器の出力とに基づく処理によって共振光の波長とレーザ光の１次モード波長との偏差に関する信号を生成して帰還し、レーザ駆動部は、波長偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ光の１次モード波長と共振光の波長とが一致するようにレーザ発光部を駆動するようにしてもよい。
このようにすることによって、レーザ光の１次モード波長に対して外部共振器の共振波長が長短のどちらにずれているかを検出して補正することが容易にできる。

あるいは、この発明の光源装置は、前記光学系のレーザ共振器と外部光共振器との間の光路長を変えて外部光共振器からレーザ共振器へ入射する共振光の位相を変える光路長調節部と、外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する共振光検出器と、共振光検出器の出力に基づいてレーザ共振器へ入射する位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相との偏差に関する信号を帰還する位相偏差帰還部とをさらに備え、光路調節部は、位相偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相とが一致するように光学系の光路長を調節するように構成してもよい。
光路長調節部と共振光検出器と位相偏差帰還部とをさらに備えることによって、振動や温度変化の外乱に対して光強度および発光波長の安定した光源装置を得ることができる。

さらに、光源装置が、前記光学系の光路長を所定周波数で微小変動させる光路長変動信号を重畳する位相変動重畳部をさらに備え、共振光検出器は、光路長変動に応答する共振光の強度を検出して出力し、位相偏差帰還部は、光路長変動信号と共振光検出器の出力とに基づく処理によってレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相との偏差に関する信号を生成して帰還し、光路長調整部は、位相偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相とを一致させるように光路長を調節するようにしてもよい。
このようにすることによって、レーザ共振器に入射する共振光の位相がレーザ共振器内の１次定在波の位相に対してどちらにずれているかを検出して補正することが容易にできる。

（実施の形態１）
以下、図面に示す実施形態に基づいてこの発明の実施形態を説明する。
図１は、この発明の光源装置の一実施形態を示すブロック図ある。この実施形態は、外部光共振器３からの共振光を半導体レーザ１へ戻すことにより単一波長の高出力レーザ光を得るように構成した光源装置である。図において、１はレーザ発光部である半導体レーザである。半導体レーザ１から出射された光のうち、大部分はウェッジ板２を透過する。しかし、一部の光はウェッジ板２で反射され外部光共振器３へ導かれる。外部光共振器３は、２枚の凹面鏡３ａおよび３ｂを同軸に対向させてなり、一方の凹面鏡３ｂは、レーザ光をほぼ完全に反射し、他方の凹面鏡３ａは、部分透過性を有する高反射性の凹面鏡からなる。一実施形態では、凹面鏡３ａの部分透過率は１／１００であり、従って、外部光共振器３に蓄積される光パワーは平衡状態において入射光の約１００倍になる。即ち、半導体レーザ１から出射された１００ｍＷのレーザ光の１／１０がウェッジ板２で反射され、１０ｍＷが外部光共振器２へ入射する場合、外部光共振器３内には入射光の１００倍である１Ｗの光パワーが蓄積される。そして、蓄積された光パワーの１／１００が外部光共振器３から出射される。ただし、ここで反射および透過時の損失は無視できるものとしている。

外部光共振器３へ入射したレーザ光は、凹面鏡３ａ、３ｂの焦点を通過した後、凹面鏡３ｂに反射して前記の軸と平行に進み、入射側の凹面鏡３ａに反射する。凹面鏡３ａは部分透過性を有するので、一部のレーザ光は凹面鏡３ａを透過するが、他の光は反射して前記焦点を通り対向する凹面鏡３ｂで反射する。そして、軸と平行に進んで入射側の凹面鏡３ａに反射する。一部の光は凹面鏡３ａを透過して外部光共振器３から出射される。出射される光路は、入射するレーザ光の光路と一致するように構成される。従って、外部光共振器３から出射された戻り光はウェッジ板２で反射して半導体レーザ１へ入射する。
外部光共振器３内の光路を前記のように構成することにより、軸方向に対して直角の歪に対して共振波長が安定する。

図４は、この発明の光源装置に用いる外部光共振器において、歪に対して光路が変形する様子を示す説明図である。図４（ｂ）に示すように、軸に対して直角方向にひずんだ場合でも、平行四辺形状の光路の対向する辺同士の平行が保たれ、共振器内の光路長がほとんど変化しないので、定在波の波長も変化せず、従って歪に対して共振波長が安定する。また、共振器内を往復する光路の経路が往復で異なるので進行型定在波のモード間競合が発生しない。従って、位相ゆらぎを小さくすることができる。

外部からレーザ共振器に戻されたレーザ光は、誘導放出に影響を与える。一般に、レーザ共振器への戻り光はレーザ発振に対して外乱となるため、光を戻さないように構成される。しかし、この発明においては、戻り光の影響を積極的に利用して、単一波長に光強度が集中した高出力レーザ光を得るようにしている。即ち、レーザ発振中心波長と実質的に一致する波長のレーザ光をレーザ共振器に戻すと、その波長に誘導放出が集中するので、その特性を利用して単一波長に光強度が集中した高出力レーザ光を得るようにしている。

半導体レーザ１、ウェッジ板２、外部光検出器３、光検出器７は環境温度を一定に保つために１つの恒温槽６の中に設けられる。そして、恒温槽内の温度を一定に保つために温度制御回路５を有するペルチェ素子４が設けられる。あるいは、これによって、半導体レーザ自身の発熱、周囲温度の変化に対して内部の温度が一定に保たれ、半導体レーザ１の温度依存性に起因する発振波長のゆらぎ、外部光共振器３の熱膨張／収縮による共振波長のゆらぎ、半導体レーザ１から外部光共振器３までの光路長の変化による位相ゆらぎが抑制される。さらに、恒温槽は防振構造を有し、外部からの振動を抑制して系を安定に保つように構成される。
実施の形態１では、半導体レーザ１のレーザ光を外部共振器２に入射させ、外部共振器２からの共振光を半導体レーザ１に再入射させる光学系（光学部材）としてウェッジ板２を用いたが、別の実施形態としてフレネルロム板を用いてもよい。

（実施の形態２）
図５は、この発明の光源装置の異なる実施形態を示すブロック図ある。この実施形態は、実施の形態１に示す光源装置の外部光共振器３の共振光をさらに検出して帰還することにより半導体レーザ１の発振中心波長を共振波長に追従させるように構成した光源装置である。

半導体レーザ１の駆動電流を変化させると、発振波長が変化することが知られている。そこで、半導体レーザ１の駆動電流に発振器９からの微小な高周波ＡＣ成分を重畳する。図５の実施形態では、バイアス−Ｔ１２を用いて半導体レーザ電源７からの駆動電流に発振器９からの高周波電流成分を重畳している。

重畳する高周波電流成分の振幅は、それに対応して変化する半導体レーザの発振波長変動幅が絞り込みたいレーザ光のスペクトル幅に対して十分小さくなるように設定し、帰還制御系が目標とする制御精度に比べて無視し得る程度の小さい幅に選択される。一実施形態では、レーザ発光中心波長は６５０ｎｍ（光周波数で約２１６．７ＴＨｚ）であり、レーザ発光の発振波長変動幅は光周波数で１００Ｈｚ程度である。また、前記重畳する高周波電流成分の変動周波数は、温度変化や外部振動に対して波長を安定化させることを目標としているので、これらのゆらぎあるいは変動に比べて十分高い周波数に選択される。一実施形態では、重畳する高周波電流成分の変動周波数は１００ｋＨｚ程度に選択され、温度変化や振動に対して十分速い応答が得られる。

外部光共振器３の共振光を検出するために、光検出器８が設けられている。外部光共振器３へ入射し、凹面鏡３ｂに反射して軸と平行に進む光の一部は、凹面鏡３ａを透過する。光検出器８は、この凹面鏡３ａを透過した共振光を検出する。検出された共振光の強度に関する信号は、被測定信号としてロックインアンプ１０へ入力される。一方、発振器９からの信号が参照信号としてロックインアンプ１０へ入力される。ロックインアンプ１０の基本動作は、スイッチを用いて被測定信号と参照信号の方形波との積を演算し、その結果をローパスフィルタで平均化して出力する。つまり、発振器９からの信号によって重畳されたレーザ発光波長のＡＣ変動１周期のうちプラス（あるいは短波長）側半周期との共振光の応答とマイナス（あるいは長波長）側半周期の共振光の応答との差分（平均）を出力する。従って、ロックインアンプ１０から出力される信号は、半導体レーザ１の発光中心波長に対して外部光共振器３の共振波長が長短どちらにずれているかに応じて正負の極性をもち、絶対値が波長のずれ量と相関を持つ電圧である。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、この発明の実施の形態で用いる、ロックインアンプの動作原理を説明する波形のグラフである。図において、矩形波Ｒは、発振器９が出力する波形を示す。その周期はｔ１で、１／２周期で極性が反転する。Ｑは半導体レーザ１の発光波長λに対する外部光共振器３の出力光強度特性である。

図６（ａ）は、半導体レーザ１のレーザ発光中心波長が外部光共振器３の共振波長の中心と完全に一致している場合に、ロックインアンプ１０に入力される光検出器８からの信号Ｓと、ロックインアンプ１０の出力信号を示す図である。半導体レーザ１のレーザ発光中心波長が外部光共振器３の共振波長の中心と一致しているので、外部光共振器３へ入射するレーザ光の波長はＱのピークを中心に振れ、長波長側の半周期の光検出器８からの出力光強度はＡ、短波長側の半周期の光検出器８からの出力光強度はＢである。Ｑの波形がピークを中心に左右対称とすると、Ａ＝Ｂである。したがって、ロックインアンプ１０への被測定信号波形Ｓは、Ａ＝Ｂで一定となり、これと矩形波との積を一周期間に渡って平均した値、即ちロックインアンプ１０の出力はゼロになる。

図６（ｂ）は、半導体レーザ１のレーザ発光中心波長が外部光共振器３の共振波長の中心よりも短波長側にずれている場合の例である。この場合、矩形波のマイナス（長波長）側半周期の被測定信号ＳのレベルはＤ、プラス（短波長）側半周期の被測定信号ＳのレベルはＣ（ただしＣ＞Ｄ）であり、これと矩形波との積を一周期間に渡って平均した値、即ちロックインアンプ１０の出力はＤ−Ｃ＜０となって負の値をとる。

図６（ｃ）は、半導体レーザ１のレーザ発光中心波長が外部光共振器３の共振波長の中心よりも長波長側にずれている場合の例である。この場合、矩形波のマイナス（長波長）側半周期の被測定信号ＳのレベルはＥ、プラス（短波長）側半周期の被測定信号ＳのレベルはＦ（ただしＥ＜Ｆ）であり、これと矩形波との積を一周期の間に渡って平均した値、即ちロックインアンプ１０の出力はＦ−Ｅ＞０となって正の値をとる。

前記のように、ロックインアンプ１０の出力は、外部光共振器３の共振波長の中心に対する半導体レーザ１のレーザ発光中心波長のずれ方向に応じて正負の値をとり、両波長が一致している場合にはゼロになる。図７は、ロックインアンプ１０の入出力特性を示すグラフである。図７において入力に対応する横軸Δλは、外部光共振器３の共振波長の中心に対する半導体レーザ１のレーザ発光中心波長のずれであり、出力に対応する縦軸Ｖは、出力信号のレベルである。この実施形態の説明では、単純化するために発振器の波形は矩形波としたが、適用可能な波形はこれに限定されず、たとえば、矩形波よりも高調波成分の少ない正弦波や擬似正弦波などでもよい。これらの波形でも、前記と同様の帰還制御を実現することができる。ロックインアンプ１０は、市販の装置、（例えば、エヌエフ回路設計ブロック社製ロックインアンプ、型名ＬＩ５６４０）を用いることができる。

ロックインアンプ１０の出力信号は、平均化のためにローパスフィルタがかけられており、出力信号の応答速度は、発振器９のＡＣ信号の周波数に比べると十分遅い。帰還制御系が帰還により安定化させようとしている変動要素は、前記のように振動や温度変化の外乱である。これらの外乱に対して、ロックインアンプ１０からの出力信号は十分速い速度で応答するように選択されている。この実施形態では、帰還系は、１ｋＨｚの変動に対して応答することができる。

ロックインアンプ１０の出力は、ＰＩＤ制御増幅器１１へ入力される。ＰＩＤ制御増幅器１１は、負帰還制御に適用される一般的なものであり、偏差の比例分に加えて、定常偏差や応答の遅いゆらぎ成分の誤差を抑制するための積分要素と、系の応答速度を改善するための微分要素を帰還して、系の制御性能を向上させるために使用している。系の性能向上のためには、ＰＩＤ制御を用いることが好ましいが、積分（ＩあるいはＩｎｔｅｇｒａｌ）要素および微分（ＤあるいはＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）要素は必ずしも帰還する必要はない。

ＰＩＤ制御増幅器１１の出力信号は、半導体レーザ電源７へ入力される。半導体レーザ電源７は、ＰＩＤ制御増幅器１１から入力された信号レベルに応じて半導体レーザ１の駆動電流を変化させることにより、半導体レーザの発光中心波長を変化させる。半導体レーザには、一定の範囲において駆動電流の変化により発振波長が変化する性質がある。この実施形態において、光源装置は恒温槽や防振機構を有し、帰還制御系がなくても外乱に対してかなり安定に保たれている。帰還制御系で変化させるべき半導体レーザの波長範囲は狭く、駆動電流を変化させて発振波長が制御できる範囲は、必要とする制御範囲よりも十分広い。

（実施の形態３）
図８は、この発明の光源装置のさらに異なる実施形態を示すブロック図ある。この実施形態では、ウェッジ板２の取り付け部分にＰＺＴ素子１４を配置し、そのピエゾ効果によって半導体レーザ１から外部光共振器３までの光路長を変化させることができるように構成されている。実施の形態３と同様に外部光共振器３の共振光を検出する。そして、検出信号を帰還することにより外部光共振器３から半導体レーザ１へ入射する１次共振光の位相を半導体レーザ１中のレーザ共振器に存在する１次定在波の位相に追従させる。
図８に示すように、ＰＺＴ素子１４を駆動するＰＺＴドライバ１３の駆動電圧に発振器９からの微小な高周波ＡＣ成分をバイアス−Ｔ１２を用いて重畳する。

重畳するＡＣ成分の振幅は、それに対応して変化する光路長、即ちレーザ共振器へ戻る１次共振光の位相ずれが、合わせこみたいレーザ共振器の１次定在波に対して適当な量になるよう選択される。一実施形態では、ＡＣ成分の振幅は±１５ｍＶであり、これに対応する光路長の変化は６ｎｍである。また、ＡＣ成分の周波数は、温度変化や外部振動に対して波長を安定化させることを目標としているので、これらのゆらぎあるいは変動に比べて十分高く、ＰＺＴが応答できるように選択される。一実施形態では、ＡＣ成分の周波数は３０ｋＨｚであり、温度変化や振動に対して十分速い応答が得られる。

光検出器８によって検出された共振光の強度に関する信号は、被測定信号としてロックインアンプ１０へ入力される。一方、発振器９からの信号が参照信号としてロックインアンプ１０へ入力される。これによって、ロックインアンプ１０から出力される信号は、半導体レーザ１中のレーザ共振器に存在する１次定在波の位相に対して、外部光共振器３から戻される１次共振光の位相がどちらの方向にずれているかに応じて正負の極性をつ。ロックインアンプ１０の出力は、ＰＺＴドライバ１３へ入力される。

帰還制御系が帰還により安定化させようとしている振動や温度変化の外乱に対して帰還制御系は十分速い速度で応答するように選択されている。こ実施の形態では、ＰＺＴの機械系が制御に含まれるために、帰還制御系の応答は、実施の形態２に比べると遅いが、それでも１００Ｈｚの変動に対して応答することができ、外乱を十分に抑制することができる。

実施形態３の帰還制御系は、レーザ光の位相を整合させるので実施形態２に比べて位相雑音を少なくすることができ、波長幅がより狭いレーザ光が得られる。逆に、実施形態２の帰還制御系は、位相のみの調整を行う実施形態３に比べると調整できる幅が大きく、また機械系を含まないために応答速度が速い。いずれの帰還制御系を採用するかは、光源装置に求められるスペクトル特性などの要求性能、価格などの条件に応じて選択すればよい。

前記実施形態２の波長偏差帰還部および実施形態３の位相偏差帰還部は、ハードウェアで構成されてもよい。あるいはその一部もしくは全部を、例えばＤＳＰなどを用いてソフトウェアで処理することも当業者にとって容易に考え得ることであり、本発明の範囲に含まれる。いずれの構成を採用するかは制御に要求される応答速度、制御精度、コストなどの要因に応じて適宜選択すればよい。

（実施の形態４）
図９は、この発明の光源装置の異なる実施形態を示すブロック図ある。この実施形態は、実施の形態１に示す光源装置に光アイソレータ２５を付加した光源装置である。光アイソレータ２５は、ウェッジ板２の側から入射する光を透過し、ウェッジ板２と反対の方向から入射する光については伝達させない。

このような構成にすることにより、外乱光が半導体レーザに戻らないため、安定して高純度な単一波長のレーザ光を出射できる。

この発明の光源装置の一実施形態を示すブロック図ある。 この発明の光源装置で得られるレーザ光のスペクトル特性の一例を示すグラフである。 この発明の光源装置で用いられる半導体レーザの一例を示す斜視図である。 この発明の光源装置に用いる外部光共振器において、歪に対して光路が変形する様子を示す説明図である。 この発明の光源装置の異なる実施形態を示すブロック図ある。 この発明の実施の形態２で用いる、ロックインアンプの動作原理を説明する波形のグラフである。 この発明の実施の形態２で用いる、ロックインアンプの入出力特性を示すグラフである。 この発明の光源装置のさらに異なる実施形態を示すブロック図ある。 この発明の光源装置のさらに異なる実施形態を示すブロック図ある。 レーザ共振器内に存在する定在波のうち、１次および２次定在波を示す説明図である。 市販されている半導体レーザのスペクトル特性の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ ウェッジ板
３ 外部光共振器
３ａ、３ｂ 凹面鏡
４ ペルチェ素子
５ 温度制御回路
６ 恒温槽
７ 半導体レーザ駆動回路
８ 共振光検出器
９ 発振器
１０ ロックインアンプ
１１ ＰＩＤ制御増幅器
１２ バイアス−Ｔ
１３ ＰＺＴドライバ
１４ ＰＺＴ素子
１５ レーザ共振器
２２ レーザ素子
２３ 透過膜
２４ 反射膜
２５ 光アイソレータ

Claims (7)

1. レーザ共振器を有し誘導放出によりレーザ共振の１次および高次モード波長を含むレーザ光を出射するレーザ発光部と、
   入射するレーザ光の１次モード波長に対応する光を選択して共振光を出射する外部光共振器と、
   レーザ共振器からのレーザ光を外部光共振器へ入射させ、外部光共振器からの共振光をレーザ共振器へ再入射させる光学系とを備える光源装置。
2. 外部光共振器が、焦点距離の等しい２つの凹面反射鏡からなり、前記凹面反射鏡は、互いの焦点が一致するよう同軸上に配置され、焦点を通り軸と平行でない角度で一方の凹面反射鏡の背面からレーザ光を入射して透過させることにより凹面反射鏡間を往復する光路が焦点以外で交差あるいは一致しないように構成される請求項１記載の光源装置。
3. 外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する共振光検出器と、
   共振光検出器からの出力に基づいて共振光の波長とレーザ光の１次モード波長との偏差に関する信号を帰還する波長偏差帰還部と、
   所望の波長が得られるようにレーザ発光部を駆動するレーザ駆動部とをさらに備え、
   レーザ駆動部は、波長偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ光の１次モード波長と共振光の波長とが一致するようにレーザ発光部を駆動する請求項１または２記載の光源装置。
4. レーザ発光部の波長を所定周波数で微小変動させる波長変動信号を重畳する波長変動重畳部をさらに備え、
   共振光検出器は、波長変動に応答する共振光の強度を検出して出力し、
   波長偏差帰還部は、波長変動信号と共振光検出器の出力とに基づく処理によって共振光の波長とレーザ光の１次モード波長との偏差に関する信号を生成して帰還し、
   レーザ駆動部は、波長偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ光の１次モード波長と共振光の波長とが一致するようにレーザ発光部を駆動する請求項３記載の光源装置。
5. 前記光学系のレーザ共振器と外部光共振器との間の光路長を変えて外部光共振器からレーザ共振器へ入射する共振光の位相を変える光路長調節部と、
   外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する共振光検出器と、
   共振光検出器の出力に基づいてレーザ共振器へ入射する位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相との偏差に関する信号を帰還する位相偏差帰還部とをさらに備え、
   光路調節部は、位相偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相とが一致するように光学系の光路長を調節する請求項１〜４いずれかに記載の光源装置。
6. 前記光学系の光路長を所定周波数で微小変動させる光路長変動信号を重畳する位相変動重畳部をさらに備え、
   共振光検出器は、光路長変動に応答する共振光の強度を検出して出力し、
   位相偏差帰還部は、光路長変動信号と共振光検出器の出力とに基づく処理によってレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相との偏差に関する信号を生成して帰還し、
   光路長調整部は、位相偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相とを一致させるように光路長を調節する請求項５記載の光源装置。
7. 前記光学系から出射した光を透過し、その逆方向の光を阻止する光アイソレータを備える請求項１〜６いずれかに記載の光源装置。

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