JP6985018B2 - 外部共振器型半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体レーザ装置に関し、特に詳しくは、単体では発振しない半導体発光素子と、この半導体発光素子から発せられた光を発振させる外部共振器とを備えてなる外部共振器型の半導体レーザ装置に関するものである。

従来、例えば各種画像記録装置の記録用光源や、各種計測装置の計測用光源として、半導体レーザ装置が広く用いられている。このような半導体レーザ装置の一つのタイプとして、例えば特許文献１に示されているように、半導体レーザと、この半導体レーザから発せられたレーザ光の波長を選択して半導体レーザに帰還させる外部共振器とを備えてなる半導体レーザ装置が公知となっている。このタイプの半導体レーザ装置においては、単体で発振する半導体レーザの共振器構造と外部共振器とにより、いわゆる複合共振器が構成される。

上記タイプの半導体レーザ装置においては、外部共振器の光路内に狭帯域のバンドパスフィルター等からなる波長制御素子を配して、レーザ光の波長を所望の波長域に選択することも行われている。また、このタイプの半導体レーザ装置においては、例えば高周波重畳した駆動電流を半導体レーザに供給することにより、半導体レーザを高速変調駆動することも行われている。特許文献１には、波長制御素子（特許文献１では「波長選択素子」と表記）により波長選択すること、および半導体レーザを高速変調駆動することに関しても記載がある。

一方、外部共振器を備えた半導体レーザ装置の別のタイプとして、例えば特許文献２に示されているように、単体では発振しない半導体発光素子と、この半導体発光素子から発せられた光を発振させる外部共振器とを備えてなる半導体レーザ装置も公知となっている。なお特許文献２では、上記半導体発光素子を「レーザダイオード」と表記している。

このタイプの半導体レーザ装置においても、外部共振器の光路内に狭帯域のバンドパスフィルター等からなる波長制御素子を配して、発振するレーザ光の波長を所望の波長域に選択することが行われている。特許文献２には、この波長選択に関しても記載がある。

特許文献１には、上記のように複合共振器を構成する外部共振器内に波長制御素子を配置し、半導体レーザを高速変調駆動した場合、半導体レーザ装置から発せられるレーザ光の縦モードがマルチモードになることが示されている。それに対して、特許文献２に示されているように、唯一の共振器となる外部共振器内に波長制御素子を配置した場合、半導体レーザ装置から発せられるレーザ光の縦モードは、通常、シングルモードになると考えられる。実際、特許文献２においても、レーザ光の波長に関しては、バンドパスフィルターを回転させることによって可変である旨の記載はあるが、特に同時に複数波長が存在する旨の記載や示唆はなされていない。

特開２００１−２４２５００号公報 特開平１１−１７２８６号公報

ところで、半導体レーザ装置を各種計測装置や検査装置に適用する場合には、半導体レーザ装置の発振状態が特に安定していることが求められる。すなわち、半導体レーザ装置の発振状態が安定していないと、レンズ端面等の光学部品の端面からの僅かな戻り光により発振波長が変動し、その際に半導体レーザ装置の出力も急激に変化してしまうからである。このようにレーザ光の波長が変動する半導体レーザ装置は、波長依存性が有る対象物に関する計測や検査等に利用するには不向きなものとなる。また、レーザ光の出力が変動する半導体レーザ装置は、計測や検査等の精度を高く確保する上で不利なものとなる。

しかし従来の外部共振器型半導体レーザ装置は、発振状態が特に安定しているとは言い難いものであった。以下、その点に関して詳しく説明する。

まず、特許文献１に示されたタイプの外部共振器型半導体レーザ装置においては、半導体レーザ単体で発振するモードと、外部共振器によって発振するモードとが存在することから、半導体レーザの駆動電流が増減すると発振波長が不安定になってしまう。これは、駆動電流の増減に伴って半導体レーザのファブリペローモードがホップすることに起因すると考えられる。

また、特許文献２に示されたタイプの外部共振器型半導体レーザ装置においては、外部共振器による発振モードが制御されない構造となっているため、下記のような問題を招くことがある。すなわち、この種の半導体レーザ装置において、駆動電流や温度を一定に（例えば温度調節誤差０．０１°Ｃ以内）制御して、数十ｍｍ有る外部共振器の共振器長を一定に保ったとしても、半導体レーザの発振可能な波長幅が非常に広いため、長時間動作中に発振波長を確実に制御できずに発振波長が変化したり、縦モードがシングルモードからマルチモードに変化したりして、安定な発振を維持することが困難になる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、駆動電流が変動しても安定して縦モードで発振し、そして発振波長も安定している外部共振器型半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明による一つの外部共振器型半導体レーザ装置は、
間に発光部を挟む１対の端面を有する半導体発光素子および、
この半導体発光素子の外に配置された共振器ミラーと、上記１対の端面のうち共振器ミラーから遠い側の一端面とから構成されて、半導体発光素子から発せられた光を発振させる外部共振器を有する半導体レーザ装置において、
半導体発光素子として、単体では、つまり自身のみでは上記光を発振させない構造を有する半導体発光素子が用いられた上で、
外部共振器内の光路に配されて、上記光の波長域を選択する波長制御素子と、
半導体発光素子を高速変調駆動する駆動回路と、
が設けられたことを特徴とするものである。

また、本発明による別の外部共振器型半導体レーザ装置は、
間に発光部を挟む１対の端面を有する半導体発光素子および、
この半導体発光素子の外に配置された共振器ミラーと、上記１対の端面のうち共振器ミラーから遠い側の一端面とから構成されて、半導体発光素子から発せられた光を発振させる外部共振器を有する半導体レーザ装置において、
外部共振器の光路に配置されて、上記１対の端面のうち共振器ミラーに近い側の他端面上、および共振器ミラーの反射面上においてそれぞれ前記光の焦点を結ばせる共焦点光学系と、
外部共振器内の光路に配されて、上記光の波長域を選択する波長制御素子と、
半導体発光素子を高速変調駆動する駆動回路と、
が設けられたことを特徴とするものである。
なお、この別の外部共振器型半導体レーザ装置においては、半導体発光素子として、該素子単体で光を発振させる構造を有するものが用いられてもよい。また、それに限らず、自身のみでは光を発振させない構造を有する半導体発光素子が用いられてもよい。

なお上記の「高速変調」とは、変調周波数が２０ＭＨｚ以上５００ＭＨｚ以下である変調を指すものとする。この高速変調の周波数は、より好ましくは１００ＭＨｚ以上５００ＭＨｚ以下、さらに好ましくは２００ＭＨｚ以上５００ＭＨｚ以下とされる。

また上記の駆動回路としては、例えば直流電流に高周波を重畳してなる駆動電流を前記半導体発光素子に印加する回路が好適に用いられる。

あるいは、上記の駆動回路として、オン期間およびオフ期間が交互に繰り返すパルス状の駆動電流を半導体発光素子に印加する回路も好適に用いることができる。

他方、本発明の外部共振器型半導体レーザ装置においては、半導体発光素子の発光量を、外部変調信号に基づいて制御する外部変調回路がさらに設けられ、そして、上記外部変調信号の周波数に対して高速変調の周波数が２倍以上に設定されることが望ましい。

また、上述した波長制御素子としては、例えば透過型の狭帯域バンドパスフィルターが好適に用いられる。またそれに限らず、透過型の波長制御素子として、プリズムからなるものを好適に用いることもできる。プリズムからなる波長制御素子として、より具体的には、特にアナモルフィックプリズムペアが好適に用いられる。

ただしそれに限らず、回折格子等からなる反射型の波長制御素子が用いられてもよい。そのように反射型の波長制御素子が用いられる場合は、波長制御素子を共振器ミラーとして機能させることが多い。そのように波長制御素子が共振器ミラーを兼ねている場合も、上述のように波長制御素子が「外部共振器内の光路に配され」ているとみなすこととする。

また、半導体発光素子としては、波長３７０ｎｍ〜５３０ｎｍの光を発する窒化物半導体発光素子が好適に用いられる。

上に説明した通り本発明による一つの外部共振器型半導体レーザ装置は、特許文献１に示されたタイプの外部共振器型半導体レーザ装置において、単体で発振する半導体レーザに代えて、単体では発振しない半導体発光素子を適用した形のものとなっている。従来、このような構成の外部共振器型半導体レーザ装置は、全く提案されていなかった。それは、前述した通り、特許文献１に示されたタイプの外部共振器型半導体レーザ装置においても、また、特許文献２に示されたタイプの外部共振器型半導体レーザ装置においても、発振モードが不安定になるという共通の問題が認められる故と考えられる。つまり従来は、発振モードを高度に安定化させようとする場合は、共に発振モードが不安定になりがちなこれら両タイプの組み合わせは避けるというのが、当業者のいわば常識となっていた。

ところが、本発明者が実際に上記両タイプの組み合わせを行ってみたところ、予想に反して、また従来の常識を覆して、駆動電流が増減しても発振モードが高度に安定した外部共振器型半導体レーザ装置が得られることが判明した。この発振モードが安定することに関しては、後に実施形態に沿って具体的に説明する。

他方、本発明による別の外部共振器型半導体レーザ装置も、駆動電流の増減に拘わらず発振モードが高度に安定したものとなり得ることが分かった。この本発明による別の外部共振器型半導体レーザ装置においては、共振器ミラーの反射面上において光の焦点を結ばせる共焦点光学系が設けられており、その焦点位置は光の波長に応じて変化するので、ある特定波長の光が強く共振するようになる。つまり共焦点光学系も、波長制御素子と同様に、共振する光の波長域を選択する作用を果たす。

本発明の第１の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図 図１の装置に用いられた狭帯域バンドパスフィルターの透過特性を示すグラフ 図１の装置における各点の電流の波形図（Ａ〜Ｃ）と出力光の波形図（Ｄ） 図１の装置を駆動電流を変えて駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図１の装置を駆動電流を変えて駆動した際の、出力光の光出力と中心波長と波長幅との関係を示すグラフ 本発明外の外部共振器型半導体レーザ装置を駆動電流を変えて駆動した際の、出力光の光出力と中心波長と波長幅との関係を示すグラフ 図１の装置における駆動電流と光出力との関係を示すグラフ 本発明外の外部共振器型半導体レーザ装置における駆動電流と光出力との関係を示すグラフ 図１の装置における光出力とノイズ量との関係を示すグラフ 本発明外の外部共振器型半導体レーザ装置における光出力とノイズ量との関係を示すグラフ 本発明の第２の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図 図１１の装置における各点の電流の波形図（Ａ〜Ｃ）と出力光の波形図（Ｄ） 本発明の第３の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図 図１３の装置における各点の電流の波形図（Ａ〜Ｃ）と出力光の波形図（Ｄ） 本発明の第４の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図 図１５の装置における各点の電流の波形図（Ａ〜Ｃ）と出力光の波形図（Ｄ） 本発明の第５の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図 図１７の装置における各点の電流の波形図（Ａ〜Ｃ）と出力光の波形図（Ｄ） 本発明の外部共振器型半導体レーザ装置についてコヒーレント長および発振波長幅を測定した結果の一例を示すグラフ 本発明の外部共振器型半導体レーザ装置についてコヒーレント長および発振波長幅を測定した結果の別の例を示すグラフ 本発明の第６の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図 図２１の装置を光出力１０ｍＷで駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図２１の装置を光出力２０ｍＷで駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図２１の装置を光出力３０ｍＷで駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図２１の装置を光出力４０ｍＷで駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図２１の装置を光出力５０ｍＷで駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図２１の装置を光出力６０ｍＷで駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図２１の装置を光出力７０ｍＷで駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図２１の装置を光出力８０ｍＷで駆動した際の、出力光のスペクトラムを示す図 図２１の装置を駆動電流を変えて駆動した際の、出力光の光出力と中心波長と波長幅との関係を示すグラフ 図２１の装置における光出力とノイズ量との関係を示すグラフ 図２１の装置を光出力２０ｍＷで駆動した際の干渉強度およびコヒーレント長を示す図 図２１の装置を光出力３０ｍＷで駆動した際の干渉強度を示す図 図２１の装置を光出力４０ｍＷで駆動した際の干渉強度を示す図 図２１の装置を光出力５０ｍＷで駆動した際の干渉強度を示す図 図２１の装置を光出力６０ｍＷで駆動した際の干渉強度を示す図 図２１の装置を光出力７０ｍＷで駆動した際の干渉強度を示す図 図２１の装置を光出力８０ｍＷで駆動した際の干渉強度を示す図 本発明の第７の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図 プリズムペアの特性を説明するための概略図 図３９の装置を駆動電流を変えて駆動した際の、出力光の光出力と中心波長と波長幅との関係を示すグラフ 本発明の第８の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図 図４２の装置に対する比較例としての外部共振器型半導体レーザ装置におけるコヒーレント長と、出力光のスペクトラムを示す図 図４２の装置におけるコヒーレント長と、出力光のスペクトラムを示す図 図４２の装置を駆動電流を変えて駆動した際の、出力光の光出力と中心波長と波長幅との関係を示すグラフ

以下、本発明による外部共振器型半導体レーザ装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

≪第１の実施形態≫
図１は、本発明の第１の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置１を示す概略構成図である。ここに示される通り本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置１は基本的に、光１０を発する半導体発光素子１１、共振器ミラー１２、半導体発光素子１１と共振器ミラー１２との間に配されたコリメーターレンズ１３、コリメーターレンズ１３と共振器ミラー１２との間に配された波長制御素子としての狭帯域バンドパスフィルター１４、および半導体発光素子１１を駆動する駆動回路１５を有している。

また、共振器ミラー１２から出射する出力光１６の光路には、この出力光１６を一部反射して分岐させるビームスプリッタ１７が配されている。分岐された一部の出力光１６は、例えばフォトダイオード等からなる光検出器１８によって光量が検出される。光検出器１８は、検出した光量を示す光量検出信号Ｓ１を出力し、この光量検出信号Ｓ１はマイクロコンピュータ１９に入力される。

上記半導体発光素子１１は一例として、レーザダイオードからなるものである。このレーザダイオードは後述の構成とされて、単体では、つまりそれ自身のみでは発振しないものであるが、発光素子としての半導体層構成は通常のレーザダイオードと基本的に同等であるので、このように「レーザダイオード」と称することとする。本実施形態では一例として窒化物半導体、つまりＧａＮ系化合物半導体からなる、波長が４８８ｎｍ近辺の光１０を発するレーザダイオードが適用されている。

この半導体発光素子１１は、発光部となるチャンネル状の光導波路１１ａと、この光導波路１１ａの一方の端面を含む前端面１１ｂと、光導波路１１ａの他方の端面を含む後端面１１ｃとを有している。そして上記前端面１１ｂには、半導体発光素子１１が発する光１０の波長に対して反射率が略０％である無反射コート１１ｄが施されている。一方後端面１１ｃには、上記波長に対して反射率が９９．９％以上である高反射コート１１ｅが施されている。

以上のように半導体発光素子１１においては、発光部である光導波路１１ａを挟む１対の端面１１ｂおよび１１ｃのうち、前端面１１ｂに無反射コート１１ｄが施されていることにより、光１０がこれらの端面１１ｂおよび１１ｃの間で共振することはない。こうして半導体発光素子１１は、単体では発振しないものとされている。

他方、共振器ミラー１２は前端面（半導体発光素子１１と反対側の端面）１２ｂと後端面１２ｃとを有している。そして前端面１２ｂには、上記波長に対して反射率が略０％である無反射コート１２ｄが施されている。一方後端面１２ｃには、上記波長に対して反射率が６５％程度である部分反射コート１２ｅが施されている。

半導体発光素子１１および共振器ミラー１２が以上のように形成されていることにより、半導体発光素子１１の後端面１１ｃ（共振器ミラー１２から遠い側の端面）と共振器ミラー１２の後端面１２ｃとにより、半導体発光素子１１から発せられた光１０を共振させる外部共振器が構成されている。

狭帯域バンドパスフィルター１４は、半導体発光素子１１から発せられた光１０のうち、所定の狭い波長域の光だけを選択して透過させるものである。この狭帯域バンドパスフィルター１４の透過特性の一例を図２に示す。ここに示す特性では、透過中心波長λｃｆ＝４８８ｎｍ、半値全幅（ＦＷＨＭ：full width at half maximum）で示す透過幅Δλｆ＝２．０ｎｍであるが、透過中心波長λｃｆは後述のようにして変更可能である。

駆動回路１５は、コイル２０を介して半導体発光素子１１に直流電流を供給する直流電流源２１、コイル２０と半導体発光素子１１との間にコンデンサ２２を介して接続された発振器２３、および制御回路２４を有している。この制御回路２４は、前述のマイクロコンピュータ１９が出力する制御信号Ｓ２に基づいて直流電流源２１および発振器２３の動作を制御する。

以下、上記構成を有する外部共振器型半導体レーザ装置１の動作について説明する。直流電流源２１からは、所定の値の直流電流が発せられる。図１のＡ点を流れるこの直流電流の概略波形を図３のＡに示す。また発振器２３からは、一例として周波数が１００ＭＨｚ〜３５０ＭＨｚ程度の範囲内にあるサイン波形の高周波電流が発せられる。図１のＢ点を流れるこの高周波電流の概略波形を図３のＢに示す。この高周波電流はコンデンサ２２を通過した後、コイル２０を経た上記直流電流に重畳される。したがって半導体発光素子１１には、高周波電流が重畳された駆動電流が印加される。図１のＣ点を流れるこの駆動電流の概略波形を図３のＣに示す。

半導体発光素子１１は上記駆動電流を受けて、発散光状態の光１０を発する。この光１０はコリメーターレンズ１３によって平行光とされ、狭帯域バンドパスフィルター１４を透過して共振器ミラー１２に入射する。この光１０は、前述したように半導体発光素子１１の後端面１１ｃと、共振器ミラー１２の後端面１２ｃとで構成される外部共振器において共振する。こうして共振器内のエネルギーが高められることにより、半導体発光素子１１において誘導放出がなされ、発振したレーザ光が得られる。このレーザ光は一部が共振器ミラー１２を透過して、出力光１６として共振器外に取り出される。

レーザ光である出力光１６の概略波形を図３のＤに示す。ここに示される通り出力光１６の光出力は、前述したように高周波が重畳された半導体発光素子１１の駆動電流に対応して、周期的に増減するものとなっている。こうして半導体発光素子１１は、高速変調駆動される。なお、図３のＤに示す出力光１６の光出力波形は、基本的には、図３のＣに示す駆動電流波形と同じものとなる。より正確に言えば、出力光１６の光出力波形は半導体発光素子１１の光出力特性も反映したものとなるから、厳密には駆動電流波形と一致しないが、図３では一致した状態に示している。

出力光１６は、ビームスプリッタ１７において一部が反射して分岐され、残余はビームスプリッタ１７を透過して利用光とされる。なお、ビームスプリッタ１７の反射率は例えば１０％程度とされるが、それに限られるものではない。分岐された出力光１６は光検出器１８に入射し、その光量が光検出器１８によって検出される。光検出器１８が出力する光量検出信号Ｓ１は、マイクロコンピュータ１９に入力される。マイクロコンピュータ１９はこの光量検出信号Ｓ１に基づいて制御回路２４の動作を制御する。すなわち、光量検出信号Ｓ１が設定値よりも大であれば（つまり検出光量が目標値よりも大であれば）、直流電流源２１が発する直流電流の値を低下させ、反対に光量検出信号Ｓ１が設定値よりも小であれば（つまり検出光量が目標値よりも小であれば）、直流電流源２１が発する直流電流の値を増大させるように、制御回路２４の動作が制御される。それにより、出力光１６の光出力（平均値）が、所望の一定値に維持されるようになる。

ここで、レーザ光である出力光１６の波長は、狭帯域バンドパスフィルター１４によって選択される。つまり本実施形態では、図２に示したような透過特性を有する狭帯域バンドパスフィルター１４によって光１０の波長が選択され、その波長選択された光１０が外部共振器から半導体発光素子１１に帰還される。それにより、発振する光１０の、つまりは出力光１６の波長が比較的狭い範囲に限定される。

狭帯域バンドパスフィルター１４の透過特性は、外部共振器内の光軸に対して斜めに配置されているこの狭帯域バンドパスフィルター１４を、光軸に対して入射角が変化する方向に回転させることにより変えることができる。こうして狭帯域バンドパスフィルター１４の透過特性を変えて、この狭帯域バンドパスフィルター１４による選択波長を変えることにより、出力光１６の波長を所望値に設定可能となる。なお、狭帯域バンドパスフィルター１４を上述のように回転させた後、回転不可能となるように狭帯域バンドパスフィルター１４を固定すれば、出力光１６の波長を安定させることができる。

次に、本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置１が奏する効果について説明する。この効果を確認するために、本実施形態の中で、下記の仕様とした外部共振器型半導体レーザ装置を作成した。これを以下、実施例１と称する。
（実施例１）
（１）半導体発光素子１１の仕様
・利得が存在する帯域：４７０ｎｍ〜４９５ｎｍ
・前端面１１ｂの反射率：略０％
・後端面１１ｃの反射率：９９．９％以上
（２）共振器ミラー１２の仕様
・前端面１２ｂの反射率：略０％
・後端面１２ｃの反射率：６５．０％
（３）狭帯域バンドパスフィルター１４の仕様
・透過特性：基本的に図２の通り。ただし、回転により透過中心波長λｃｆを変更可能。
（４）ビームスプリッタ１７の仕様
・反射率：１０．０％
（５）半導体発光素子１１の駆動電流
・直流電流に高周波重畳。高周波の周波数＝１００ＭＨｚ。

また、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１と比較するために、比較例１〜４の外部共振器型半導体レーザ装置を作成した。それらの比較例１〜４の主要な構成を、外部共振器型半導体レーザ装置１の構成と比較して表１に示す。

なお、表１に特記してある点以外の比較例１〜４の構成は、基本的に実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１と同じである。上記表１において、「駆動」の欄の「ＤＣ」は、高周波重畳されていない直流電流で半導体発光素子１１を駆動していることを示している。また「波長制御素子」の欄の「なし」は、波長選択する波長制御素子が設けられていないことを、「ＢＰＦ」は波長選択する波長制御素子として狭帯域バンドパスフィルターが適用されていることを、「プリズム」は波長選択する波長制御素子としてアナモルフィックプリズム対が適用されていることを示している。なお、このアナモルフィックプリズム対を用いるレーザ光の波長選択については、例えば特開２０１５−５６４６９号公報に記載がなされている。また、「外部共振器」の欄の「なし」は、外部共振器を設けずに、半導体発光素子として単体で発振可能なレーザダイオードを用いていることを示している。

まず、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１における縦モードについて説明する。この外部共振器型半導体レーザ装置１の半導体発光素子１１を、駆動電流の値（平均値）を７通りに変えて駆動した際の出力光１６のスペクトラムを図４に示す。この図４は、光スペクトラムアナライザーの表示画面を写真に撮影したものである。なおこのスペクトラムの測定に当たっては、狭帯域バンドパスフィルター１４の透過特性を、前述したように該フィルター１４を回転させることにより、透過中心波長λｃｆが４８２ｎｍ近辺となるように設定した。

図４に示す画面１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６および１０７はそれぞれ、半導体発光素子１１の光出力が３ｍＷ、９．８ｍＷ、１５．４ｍＷ、２６ｍＷ、３９ｍＷ、４９ｍＷおよび６１．６ｍＷとなるように該半導体発光素子１１の駆動電流を変えた各場合のスペクトラムを示している。各画面では、横軸が波長を、縦軸が光出力を示している。この図４より、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１では、縦モードがマルチモードになっていることが分かる。また実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１では、例えばＣＣＤ撮像素子を備えたモードフィールド測定器により、横モードもシングルモードになっていることが確認された。

図５は、上記７通りの各場合における、出力光１６の中心波長λｃおよび、中心波長λｃを取るスペクトラムの波長幅Δλを示すグラフである。ここに示す中心波長λｃは、いわゆるＰｋ-ＸｄＢ法で、Ｘ＝１０として規定したものである。すなわち、スペクトラムの最大ピーク値から１０ｄＢ減衰したベースラインで切られるスペクトラムの点ａおよびｂの間を波長幅Δλとし、点ａおよびｂの中間点の波長を中心波長λｃとする。なお上記波長幅Δλは、一般にＦＷＴＭ（full width at tenth maximum）と言われる波長全幅である。

この図５に示される通り、実施例１においては、半導体発光素子１１の駆動電流が上記範囲で増減しても、出力光１６の中心波長λｃは４８２．３ｎｍ近辺で安定していることが分かる。具体的にこの中心波長λｃの変動は、±０．１ｎｍの範囲に収まっている。また、波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）は０．３５ｎｍ〜０．６ｎｍの範囲に収まっている。

それに対して、比較例１の外部共振器型半導体レーザ装置（高周波が重畳されない直流電流で半導体発光素子が駆動され、波長制御素子および外部共振器を持たない点以外は、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１と同様の構成とされた装置）においては、駆動電流を実施例１の場合と同じように増減させた場合、レーザ光の中心波長λｃは最大で１．５ｎｍ変動した。またこの場合、波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）は０．９８ｎｍ〜１．６ｎｍの値を取った。

また、比較例２の外部共振器型半導体レーザ装置（波長制御素子および外部共振器を持たない点以外は、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１と同様の構成とされた装置）においては、駆動電流を実施例１の場合と同じように増減させた場合、レーザ光の中心波長λｃは最大で１．２ｎｍ変動した。またこの場合、波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）は２．４ｎｍ〜３．１３ｎｍの値を取った。

また、比較例３の外部共振器型半導体レーザ装置（波長制御素子としてアナモルフィックプリズム対が適用されている点以外は、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１と同様の構成とされた装置）を、半導体発光素子の駆動電流を変えることにより、光出力が５．８ｍＷ〜８９ｍＷの間で１７通りに変化するように駆動し、それらの各場合についてレーザ光の中心波長λｃおよび、波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）を測定した。なおこの波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）も、中心波長λｃを取るスペクトラムにおける１／１０幅である。この測定の結果を図６に示す。

図６に示される通り、比較例３の外部共振器型半導体レーザ装置においては、駆動電流の増減に応じて、レーザ光の中心波長λｃは１．０ｎｍ以上変動した。またこの場合、波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）は０．０１ｎｍ〜０．７ｎｍの値となった。なお、０．０１ｎｍの値は、波長測定器の測定限界である。

以上より、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１は比較例１〜３の各外部共振器型半導体レーザ装置と比べて、駆動電流が増減したときのレーザ光の中心波長λｃの変動が小さく、また波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）も小さい上にそれらの変動も小さいことが分かる。

次に、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１の光出力特性について説明する。この光出力特性を測定した結果を図７に示す。この図７において横軸の合計電流Ｉは、直流電流と高周波電流（平均電流で換算）とを合計した電流値を示す。この図７より、合計電流Ｉが増減した際に、それに応じて光出力が滑らかに変化することが分かる。

それに対して、比較例４の外部共振器型半導体レーザ装置、つまり高周波重畳を行わないで直流電流で駆動される以外は、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１と同様とされた外部共振器型半導体レーザ装置の光出力特性を測定した結果を図８に示す。この図８において横軸の電流Ｉ_ＤＣは、半導体発光素子１１に印加される直流電流の値である。この図８より、比較例４においては、直流電流Ｉ_ＤＣが増減した際に光出力は滑らかに変化しないことが分かる。

比較例１〜３の装置のように、駆動電流の増減によってレーザ光の中心波長λｃが大きく変動する外部共振器型半導体レーザ装置を、波長依存性が有る対象物に関する計測や検査等を行う装置に光源として適用すると、中心波長λｃの変動のために計測結果や検査結果が変わってしまう。したがって、そのような外部共振器型半導体レーザ装置は、波長依存性が有る対象物に関する計測や検査等を行う装置に適用するには、計測や検査等の精度を高く確保する上で不向きなものとなる。それに対して実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１は、駆動電流が増減してもレーザ光の中心波長λｃの変動が小さく抑えられるものであるので、波長依存性が有る対象物に関する計測や検査等を行う装置にも好適に用いられ得る。

次に、本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置１におけるノイズ量に関して説明する。図９は、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１が発する出力光１６のノイズ特性を示すものである。同図においては、横軸が出力光１６の光出力を、縦軸が光出力に対するノイズの比率（％ｒｍｓ：二乗平均平方根の百分率）を示している。なおこの特性の測定に当たっては、カットオフ周波数が２０ＭＨｚであるローパスフィルタ特性を有する光検出器により出力光１６を検出した。この図９より、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１では、光出力の増減に従って連続的にノイズが増減することが分かる。これは、実施例１の外部共振器型半導体レーザ装置１では、周波数１００ＭＨｚで高周波重畳を行っていることにより、光出力が増減しても光スペクトルが安定して発振しているためと考えられる。

それに対して、比較例１の外部共振器型半導体レーザ装置に対して同様の測定を行った結果を図１０に示す。この図１０より、比較例１の外部共振器型半導体レーザ装置では、光出力が概ね４０ｍＷ以下の領域において、光出力の増減に伴ってノイズ量が大きく変動することが分かる。これは、高周波重畳を行わない場合は、スペクトルが不安定で縦モードの数が大きく変動し、その結果、ノイズが大きく変動するものと考えられる。

以上説明した第１の実施形態では、ＧａＮ系化合物半導体からなる、波長（ゲインピーク波長）が４８８ｎｍ近辺の光１０を発するレーザダイオードが適用されている。このレーザダイオードは、例えばＧａＡｓ系の赤色レーザダイオード等とは異なり、直流電流駆動した場合の発振スペクトルの幅が広く、マルチ縦モード発振する。さらに、戻り光のノイズ低減のために高周波重畳駆動した場合は、上記のことがより顕著となる。そのため、ＧａＮ系化合物半導体からなるレーザダイオードを用いる場合は、発振波長が安定していて、かつ発振波長幅が狭い光源を構成するのは非常に困難となっていた。この傾向は、ＧａＮ系化合物半導体からなる、４８８ｎｍ以外の波長の光を発するレーザダイオードにおいても認められている。

そこで、４８８ｎｍ以外の波長として、例えば３７０ｎｍ、４０５ｎｍ、４４５ｎｍ、４７３ｎｍ、５３０ｎｍの光を発するＧａＮ系化合物半導体からなるレーザダイオードを用い、その他の構成は第１の実施形態と同様とした５種の外部共振器型半導体レーザ装置を作製して、発振波長の安定性を調べたところ、基本的に第１の実施形態におけるのと同様の効果が得られることが分かった。以上より、ＧａＮ系化合物半導体からなるレーザダイオードを用いる場合に本発明を適用することは、波長に拘わらず、発振波長を安定させる上で特に効果的であると言える。

また本実施形態では、半導体発光素子１１として、単体では発振しないレーザダイオードを適用しているが、単体で発振する半導体発光素子を適用した場合も、基本的に第１の実施形態におけるのと同様の効果が得られることを確認した。具体的には、図１に示した半導体発光素子１１の前端面１１ｂに、この半導体発光素子１１が発する光の波長に対して反射率が１０％、２０％、３０％であるコートを施して該素子１１単体でも発振可能とし、その他の構成は第１の実施形態と同様とした３種の外部共振器型半導体レーザ装置を作製して、発振波長の安定性を調べたところ、基本的に第１の実施形態におけるのと同様の効果が得られることが分かった。なお上記の場合は、半導体発光素子であるレーザダイオードの両端面からなる共振器と外部共振器とにより、複合共振器が構成される。

以上説明した本実施形態では、直流電流源２１が発する直流電流の値を、高周波電流の振幅の１／２に設定している。それにより、高周波重畳された半導体発光素子１１の駆動電流は、最低値（ボトム値）を０（ゼロ）値として周期的に増減するものとなっている。しかしそれに限らず、直流電流源２１が発する直流電流の値を、高周波電流の振幅の１／２よりも大きい値に設定して、高周波重畳後の駆動電流の最低値が＋（プラス）の値になるようにしても構わない。

なお、直流電流源２１が発する直流電流の値を、高周波電流の振幅の１／２よりも小さい値に設定すると、高周波重畳後の駆動電流が＋（プラス）の値と−（マイナス）の値を交互に取るようになる。本実施形態のように半導体発光素子１１としてレーザダイオードを適用する場合、レーザダイオードには常に＋か、あるいは常に−の電流が流れるようにすることが必要であるので、高周波重畳後の駆動電流が上述のように＋の値と−の値を交互に取ることは避けなければならない。この点は、高周波重畳前の直流電流の値を、後述する第４あるいは第５の実施形態におけるように連続的に変化させる場合は、特に注意する必要がある。

なお、半導体発光素子１１として用いられるレーザダイオードとは逆方向にツェナーダイオードを接続しておくと、万一サージ電流が入った場合等には、より安全となる。なお、上記の「逆方向に接続」とは、レーザダイオードのｐ−ｎジャンクションに対して、ツェナーダイオードのジャンクション方位をｎ−ｐとして両者を並列に接続することを意味する。

≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１１は、本発明の第２の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置２を示す概略構成図である。なおこの図１１において、図１に示したものと同等の要素には同じ参照番号を付してあり、それらについては特に必要の無い限り説明を省略する（以下、同様）。

本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置２は、図１に示した第１の実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置１と比べると基本的に、制御回路２４とは異なる制御回路２２４が用いられている点で相違している。すなわち、この制御回路２２４は、信号レベルが所定のレベルに立ち上がるオン（ＯＮ）期間と、信号レベルが０（ゼロ）レベルであるオフ（ＯＦＦ）期間とが繰り返すデジタル信号からなる外部コントロール信号Ｓ３を発するものとされている。図１１のＡｏ点を流れるこの外部コントロール信号Ｓ３の概略波形を図１２のＡに示す。

上記外部コントロール信号Ｓ３は、直流電流源２１と発振器２３に入力される。直流電流源２１は外部コントロール信号Ｓ３が入力されると、この外部コントロール信号Ｓ３と同じ波形の電流を発する。つまり、図１１のＡ点を流れる電流の波形は、基本的に図１２のＡに示す波形となる。

一方、発振器２３は外部コントロール信号Ｓ３が入力されると、サイン波形の高周波電流を発する。この高周波電流のレベルは、外部コントロール信号Ｓ３の出力レベルに対応したものとなっている。つまり、図１１のＢ点を流れる信号の波形は、図１２のＢに示す波形となる。

コイル２０を経た電流、つまり図１１のＡ点を流れる電流は、コンデンサ２２を通過した上記高周波電流にバイアス電流として足される。そこで図１１のＣ点を流れる電流は、マイナス電流分が無くなりプラス電流の波形となる。図１１のＣ点を流れるこの駆動電流の概略波形を図１２のＣに示す。したがって半導体発光素子１１には、周期的にＯＮ−ＯＦＦする駆動電流が印加される。

半導体発光素子１１は上記駆動電流を受けて、光１０を発する。そして図１の外部共振器型半導体レーザ装置１におけるのと同様にして、発振したレーザ光が得られる。このレーザ光は一部が共振器ミラー１２を透過して、出力光１６として共振器外に取り出される。出力光１６の概略波形を図１２のＤに示す。ここに示される通り出力光１６は、半導体発光素子１１の駆動電流のＯＮ−ＯＦＦ波形に対応して、断続的にパルス状に発せられる。そして出力光１６の各発光期間においてその光出力は、上記高周波電流の波形に対応して、周期的に増減するものとなっている。

以上のようにして本実施形態では、出力光１６の光出力を、外部コントロール信号Ｓ３に基づいてデジタル変調することが可能になっている。このようなデジタル変調は、例えば画像記録や画像表示等のためのパルス幅変調やパルス数変調に適用することができる。そして本実施形態においても、パルス光となる出力光１６が高周波重畳駆動により高速変調されるので、この高速変調による効果が第１の実施形態におけるのと同様に得られることになる。

ここで、半導体発光素子１１の駆動電流に重畳される高周波電流の周波数と、外部コントロール信号Ｓ３の周波数との関係について説明する。なお、ここでは、外部コントロール信号Ｓ３はＯＮ期間とＯＦＦ期間が同じで、周波数一定でＯＮ−ＯＦＦする信号であるとして説明する。上記高周波電流の周波数は、外部コントロール信号Ｓ３の周波数の２倍以上であることが望ましい。つまり、そうでなければ、外部コントロール信号Ｓ３の１つのＯＮ期間の中に、１周期の高周波信号が存在し得なくなり、ひいては、出力光１６の１つの発光期間内でその光出力が最低１周期増減することが不可能になるからである。

特に、断続的に発せられるパルス状の出力光１６が画像記録に利用されて、複数のパルス状の出力光１６で画素１ドットが記録されるような場合は、高周波電流の周波数が外部コントロール信号Ｓ３の周波数の２倍よりさらに高いことが望ましい。

≪第３の実施形態≫
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１３は、本発明の第３の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置３を示す概略構成図である。本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置３は、図１１に示した第２の実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置２と比べると基本的に、発振器２３とは異なる発振器３２３が用いられている点、直流電流源２１の代わりに変調信号源３２１が用いられている点、そしてコンデンサ２２と半導体発光素子１１との間にミキサー３００が配置されている点で相違している。なお、この構成において、図１１に示したコイル２０は不要となっている。

上記変調信号源３２１は、外部コントロール信号Ｓ３を受けると電圧信号である変調信号を出力し、この変調信号はミキサー３００に入力される。この変調信号の波形を、図１４のＡに示す。なお本実施形態では、図１１に示した第２の実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置２におけるものと同様の制御回路２２４が用いられている。この制御回路２２４から出力されて図１３のＡｏ点を流れる外部コントロール信号Ｓ３の概略波形を、図１４のＡに示す。つまり、図１３のＡ点を流れる変調信号の波形は、基本的に上記外部コントロール信号Ｓ３の波形と同じものとなる。

一方発振器３２３は、信号レベルが所定のレベルに立ち上がるオン（ＯＮ）期間と、信号レベルが０（ゼロ）レベルであるオフ（ＯＦＦ）期間とが繰り返すパルス電流を発するものとされている。図１３のＢ点を流れるこのパルス電流の概略波形を図１４のＢに示す。

上記パルス電流はコンデンサ２２を通過した後、ミキサー３００において、変調信号源３２１から出力された上記変調信号に基づいて変調される。それにより半導体発光素子１１には、外部コントロール信号Ｓ３が立ち上がっている期間のみ、上記パルス電流からなる駆動電流が印加される。図１３のＣ点を流れるこの駆動電流の概略波形を図１４のＣに示す。

半導体発光素子１１は上記駆動電流を受けて、光１０を発する。そして図１の外部共振器型半導体レーザ装置１におけるのと同様にして、発振したレーザ光が得られる。このレーザ光は一部が共振器ミラー１２を透過して、出力光１６として共振器外に取り出される。出力光１６の概略波形を図１４のＤに示す。ここに示される通り出力光１６は、半導体発光素子１１の駆動電流のパルス波形に対応して、パルス状に発せられる。

以上のようにして本実施形態では、出力光１６の光出力を、外部コントロール信号Ｓ３に基づいてデジタル変調することが可能になっている。このようなデジタル変調は、例えば画像記録や画像表示等のためのパルス幅変調やパルス数変調に適用することができる。そして本実施形態においても、出力光１６がパルス状に高速変調されるので、この高速変調による効果が第２の実施形態におけるのと同様に得られることになる。

≪第４の実施形態≫
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１５は、本発明の第４の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置４を示す概略構成図である。本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置４は、図１に示した第１の実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置１と比べると基本的に、制御回路２４とは異なる制御回路４２４が用いられている点で相違している。すなわち、この制御回路４２４は、サイン波形のアナログ信号からなる外部コントロール信号Ｓ４を発するものとされている。図１５のＡｏ点を流れるこの外部コントロール信号Ｓ４の概略波形を図１６のＡに示す。

上記外部コントロール信号Ｓ４は、直流電流源２１と発振器２３に入力される。直流電流源２１は外部コントロール信号Ｓ４が入力されると、この外部コントロール信号Ｓ４と基本的に同じ波形の直流電流を発する。つまり、図１５のＡ点を流れる直流電流の波形は、図１６のＡに示す波形となる。

一方、発振器２３は外部コントロール信号Ｓ４が入力されると、サイン波形の高周波電流を発する。この高周波電流のレベルは、外部コントロール信号Ｓ４の出力レベルに対応したものとなっている。つまり、図１５のＢ点を流れる信号の波形は、図１６のＢに示す波形となる。

コイル２０を経た電流信号、つまり図１５のＡ点を流れる電流は、コンデンサ２２を通過した上記高周波電流にバイアス電流として足される。そこで図１５のＣ点を流れる電流は、マイナス電流分が無くなりプラス電流の波形となる。図１５のＣ点を流れるこの駆動電流の概略波形を図１６のＣに示す。したがって半導体発光素子１１には、外部コントロール信号Ｓ４に倣って振幅変調された、高周波電流からなる駆動電流が印加される。図１５のＣ点を流れるこの駆動電流の概略波形を図１６のＣに示す。

半導体発光素子１１は上記駆動電流を受けて、光１０を発する。そして図１の外部共振器型半導体レーザ装置１におけるのと同様にして、発振したレーザ光が得られる。このレーザ光は一部が共振器ミラー１２を透過して、出力光１６として共振器外に取り出される。出力光１６の概略波形を図１６のＤに示す。ここに示される通り出力光１６は、上記高周波電流の波形に対応して周期的に発光し、そして各発光において、半導体発光素子１１の駆動電流の振幅変調波形に対応して光出力が変わるものとなっている。

以上のようにして本実施形態では、出力光１６の光出力を、外部コントロール信号Ｓ４に基づいてアナログ変調することが可能になっている。このようなアナログ変調は、例えば画像記録や画像表示等のための光強度変調に適用することができる。そして本実施形態においても、強度変調される出力光１６が高周波電流に基づいて高速変調されるので、この高速変調による効果が第１の実施形態におけるのと同様に得られることになる。

なお本実施形態において、外部コントロール信号Ｓ４はサイン波形のものとされているが、それ以外の波形とされても構わない。

≪第５の実施形態≫
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１７は、本発明の第５の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置５を示す概略構成図である。本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置５は、図１３に示した第３の実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置３と比べると基本的に、変調信号源３２１とは異なる変調信号源５２１が用いられ、また、制御回路２２４とは異なる制御回路４２４が用いられている点で異なるものである。なお、上記制御回路４２４は図１５に示したものと基本的に同じものである。

上記変調信号源５２１は、外部コントロール信号Ｓ４を受けると電圧信号である変調信号を出力し、この変調信号はミキサー３００に入力される。この変調信号の波形を、図１８のＡに示す。

一方、発振器３２３は図１３に示したものと同様のもので、信号レベルが所定のレベルに立ち上がるオン（ＯＮ）期間と、信号レベルが０（ゼロ）レベルであるオフ（ＯＦＦ）期間とが繰り返すパルス電流を発するものとされている。図１７のＢ点を流れるこのパルス電流の概略波形を図１８のＢに示す。制御回路４２４から出力されて図１７のＡｏ点を流れる外部コントロール信号Ｓ４の概略波形を、図１８のＡに示す。つまり、図１７のＡ点を流れる電流の波形は、基本的に外部コントロール信号Ｓ４の波形と同じものとなっている。

上記パルス電流はコンデンサ２２を通過した後、ミキサー３００において、変調信号源５２１から出力された上記変調信号に基づいて変調される。すなわち、このパルス電流は、上記変調信号の波形を包絡線とするように振幅変調される。それにより半導体発光素子１１には、外部コントロール信号Ｓ４に倣って振幅変調された、パルス電流からなる駆動電流が印加される。図１７のＣ点を流れるこの駆動電流の概略波形を図１８のＣに示す。

半導体発光素子１１は上記駆動電流を受けて、光１０を発する。そして図１の外部共振器型半導体レーザ装置１におけるのと同様にして、発振したレーザ光が得られる。このレーザ光は一部が共振器ミラー１２を透過して、出力光１６として共振器外に取り出される。出力光１６の概略波形を図１８のＤに示す。ここに示される通り出力光１６は、上記パルス電流の波形に対応して周期的に発光し、そして各発光において、半導体発光素子１１の駆動電流の振幅変調波形（上記包絡線）に対応して光強度が変わるものとなっている。

以上のようにして本実施形態では、出力光１６の光強度を、外部コントロール信号Ｓ４に基づいて変調することが可能になっている。そして、このように強度変調される出力光１６がパルス電流に基づいて高速変調されるので、この高速変調による効果が第１の実施形態におけるのと同様に得られることになる。

次に、本発明の外部共振器型半導体レーザ装置におけるコヒーレント長等について説明する。図１９および図２０は、本発明による外部共振器型半導体レーザ装置、特に詳しくは先に述べた実施例１としての外部共振器型半導体レーザ装置について、コヒーレント長Ｌｃおよび発振波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）を測定した結果を示すものである。

なお図１９は、狭帯域バンドパスフィルター１４として、図２に示す透過特性を有するもの（透過幅Δλｆ＝２．０ｎｍ）を用いた場合の測定結果を示している。一方図２０は、狭帯域バンドパスフィルター１４として、図２に示す透過特性とは透過幅Δλｆだけが異なるもの（透過幅Δλｆ＝５．０ｎｍ）を用いた場合の測定結果を示している。そして各図においては、高速変調の周波数を１００ＭＨｚ、２００ＭＨｚ、２９０ＭＨｚとした場合の測定結果を示すと共に、比較のために、通常の半導体レーザに関する測定結果を最も右側に併せて示している。ここで、上記通常の半導体レーザとは、外部共振器は持たずにそれ自身で発振可能で、直流駆動され、発振波長（中心波長）が４８８ｎｍ、縦モードがマルチモードの半導体レーザである。

通常の半導体レーザは、本発明の外部共振器型半導体レーザ装置と比べると、発振波長幅Δλが広く、つまり中心波長が変動しやすく、さらにコヒーレント長Ｌｃも長くて干渉性が高いものとなっている。これらの点から、通常の半導体レーザは扱い難い面を有していると言える。具体的には、干渉、スペックルにより、レーザ光を検出器で受光したときの検出データの値が変動したり、レーザ光のビーム強度分布パターンが凸凹に乱れたりする。

それに対して本発明の外部共振器型半導体レーザ装置は、発振波長幅Δλが狭く、また外部共振器と波長制御素子（狭帯域バンドパスフィルター１４）とにより発振波長をロックしているので、中心波長が変動し難く安定している。さらに本発明の外部共振器型半導体レーザ装置は、コヒーレント長Ｌｃが数ｍｍ程度と短くて干渉性が低い。これらの点から、本発明の外部共振器型半導体レーザ装置は扱い易いものであると言える。具体的には、レーザ光を検出器で受光したときの検出データの値が安定する。また、レーザ光のビーム強度分布パターンが円滑なものとなるので、例えばビーム径の計測がより正確になされるようになる。

上述した通り本発明の外部共振器型半導体レーザ装置は、コヒーレント長Ｌｃが数ｍｍ程度と短いため、干渉による不具合が低減された発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）のような性質を有する。また本発明の外部共振器型半導体レーザ装置は、発振波長幅Δλが狭くて単色性が良いことから、通常の半導体レーザと同様に、出力したレーザ光が回折限界まで絞れるという特徴を有する。

さらに、発光ダイオードでは出力が１０ｍＷ程度に留まるのに対して、本発明の外部共振器型半導体レーザ装置は通常の半導体レーザと同様に、１００ｍＷ以上の出力を得ることも可能である。

以上説明した通り、第１〜第５の実施形態では半導体発光素子１１として窒化物半導体からなるレーザダイオードが適用されているが、本発明の外部共振器型半導体レーザ装置に用いられる半導体発光素子はこれに限られるものではない。また、半導体発光素子１１として窒化物半導体からなるレーザダイオードが適用される場合も、上記の波長を発するものに限らず、波長が３７０ｎｍ〜５３０ｎｍ程度の光１０を発する窒化物半導体からなるレーザダイオードを適宜用いることができる。

また、上述のようなレーザダイオードとして、横モードがマルチモードである比較的高出力タイプのレーザダイオードを用いることも可能である。さらにその他、波長が４４５ｎｍ程度のレーザ光を発する窒化物半導体からなるレーザダイオードを励起源として用い、このレーザ光により、Ｐｒ^３＋がドープされた例えばＬｉＹＦ結晶等の固体レーザ媒質を励起するようにしたレーザダイオード励起固体レーザ等において、励起源としてのレーザダイオードに本発明を適用することも可能である。

一方、本発明の外部共振器型半導体レーザ装置に用いられる波長制御素子も、前述した狭帯域バンドパスフィルターに限られるものではなく、例えばＶＢＧ（Volume Bragg Grating）やプリズムペア、さらには狭帯域バンドパスフィルターとプリズムペアとを共振器内光路に直列に配置してなるもの等、その他の公知の素子も適宜利用可能である。

また、以上説明した第１〜第５の実施形態では、共振器ミラー１２の後端面１２ｃに部分反射コート１２ｅが施されて、この後端面１２ｃと半導体発光素子１１の後端面１１ｃとで外部共振器が構成されているが、共振器ミラー１２の前端面１２ｂに部分反射コートが施されて、この前端面１２ｂと半導体発光素子１１の後端面１１ｃとで外部共振器が構成されるようにしてもよい。その点は、以下に説明する第６の実施形態以降の実施形態においても同様である。

≪第６の実施形態≫
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図２１は、本発明の第６の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置６を示す概略構成図である。本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置６は、図１に示した外部共振器型半導体レーザ装置１と比べると基本的に、外部共振器の光路に共焦点光学系が配置されている点で相違する。なおこの基本的な相違点は、後に説明する第７および第８の実施形態でも同様である。

すなわち本第６の実施形態においては、半導体発光素子１１の後端面１１ｃ（共振器ミラー１２から遠い側の端面）と共振器ミラー１２の後端面１２ｃとにより、半導体発光素子１１から発せられた光１０を共振させる外部共振器が構成されている。そしてこの外部共振器の光路内に、前述したものと同様のコリメーターレンズ１３、および集光レンズ６１からなる共焦点光学系が配されている。コリメーターレンズ１３は半導体発光素子１１から発せられた光１０を平行光化すると共に、共振器ミラー１２から半導体発光素子１１に戻る光１０を集光して、半導体発光素子１１の前端面（本発明における他端面）１１ｂ上において焦点を結ばせる。また集光レンズ６１は、光１０を集光して共振器ミラー１２の後端面１２ｃにおいて焦点を結ばせると共に、この後端面１２ｃで反射した光１０を平行光化する。共振器ミラー１２の後端面１２ｃを透過して発散光状態となった光１０は、コリメーターレンズ６２によって平行光化される。

上記コリメーターレンズ１３と集光レンズ６１との間の光１０の光路には、図１に示した狭帯域バンドパスフィルター１４と基本的に同様の狭帯域バンドパスフィルター６３が配置されている。この狭帯域バンドパスフィルター６３による作用および効果は、狭帯域バンドパスフィルター１４による作用および効果と基本的に同様である。

なお、前述した通り、共振器ミラー１２の前端面１２ｂに部分反射コートが施されて、この前端面１２ｂと半導体発光素子１１の後端面１１ｃとで外部共振器が構成されてもよい。その構成では、光１０が共振器ミラー１２の前端面１２ｂで反射して共振することになる。その場合の共焦点光学系は、集光レンズ６１が光１０を集光して上記前端面１２ｃにおいて焦点を結ばせるように構成される。共焦点光学系をそのように構成してもよいことは、後に説明する第７および第８の実施形態でも同様である。

また本第６の実施形態においては、図１に示したものと同様の構成により、半導体発光素子１１が高周波重畳駆動される。しかし、半導体発光素子１１を高速変調駆動するためには、図１に示した構成に限らず、その他の構成、例えば図１１、１３、１５あるいは１７に示される構成が適用されてもよい。この点は、後に説明する第７および第８の実施形態でも同様である。

本第６の実施形態において半導体発光素子１１としては、一例として、発した光１０を自身では共振させない構造のものが用いられている。しかし、上述のような共焦点光学系が配置される場合は、発した光１０を自身で共振させる構造を有する半導体発光素子が用いられてもよい。

次に、この外部共振器型半導体レーザ装置６の縦モードに関して、該装置６の一例について説明する。なおこの例における半導体発光素子１１、共振器ミラー１２および狭帯域バンドパスフィルター６３の仕様は、前述した第１の実施形態の実施例１における仕様と基本的に同じである（狭帯域バンドパスフィルター６３については、狭帯域バンドパスフィルター１４と対比）。また半導体発光素子１１の駆動電流も上記実施例１と同様、直流電流に高周波重畳した電流であるが、ここでは高周波の周波数＝２００ＭＨｚである。

この外部共振器型半導体レーザ装置６の半導体発光素子１１を、駆動電流の値（平均値）を８通りに変えて駆動した際の出力光１６のスペクトラムを図２２〜図２９に示す。これらの図は、先に述べた図４と同様、光スペクトラムアナライザーの表示画面を写真に撮影したものである。また、それらの図に示す画面２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７および２０８はそれぞれ、半導体発光素子１１の光出力が１０ｍＷ、２０ｍＷ、３０ｍＷ、４０ｍＷ、５０ｍＷ、６０ｍＷ、７０ｍＷおよび８０ｍＷとなるように該半導体発光素子１１の駆動電流を８通りに変えた各場合のスペクトラムを示している。各画面では、横軸が波長を、縦軸が光出力（相対値）を示している。これらの図２２〜図２９より、この外部共振器型半導体レーザ装置６においては、光出力を１０ｍＷ〜８０ｍＷの間で変化させても、出力光１６のスペクトラムの変化が小さいことが分かる。

図３０は、上記８通りの各場合における、出力光１６の中心波長λｃおよび、中心波長λｃを取るスペクトラムの波長幅Δλを示すグラフである。この図３０における表示の仕方は、先に説明した図５における表示の仕方と基本的に同様である。この図３０に示される通り、この例においては、光出力が１０ｍＷと８０ｍＷとの間で増減しても、中心波長λｃは０．１ｎｍ程度しか変動しない。また、波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）の変化も、最大で０．１５ｎｍ程度であり、狭い波長範囲での発振が維持される。

次に、上記８通りの各場合におけるノイズ量に関して説明する。図３１は、上記８通りの各場合における出力光１６のノイズ特性を示すものである。この図３１における表示の仕方は、前述した図９における表示の仕方と基本的に同じである。また、ノイズ特性の測定方法も、図９に示すノイズ特性を測定した場合の測定方法と基本的に同じである。この図３１に示される通り、本例の外部共振器型半導体レーザ装置６においては、光出力が１０ｍＷと８０ｍＷとの間で増減してもノイズの変動は小さく、そして光出力に対するノイズの比率は０．４％ｒｍｓと低い値に収束する。

次に図３２〜図３８を参照して、上記８通りの中から、光出力が１０ｍＷである場合を除いた、７通りの各場合においてコヒーレント長Ｌｃを測定した結果について説明する。この測定は、外部共振器型半導体レーザ装置６からの出力光１６を２系統に分岐させ、分岐された２つの出力光１６間の干渉強度を求め、その干渉強度に基づいてコヒーレント長Ｌｃを求めるものである。

図３２〜図３８は、上記干渉強度を求めた干渉計の表示画面を写真に撮影したものである。それらの図に示す画面３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６および３０７はそれぞれ、半導体発光素子１１の光出力が２０ｍＷ、３０ｍＷ、４０ｍＷ、５０ｍＷ、６０ｍＷ、７０ｍＷおよび８０ｍＷとなるように該半導体発光素子１１の駆動電流を変えた各場合の干渉強度測定結果を示している。各画面では、縦軸が干渉強度（相対値）を示している。また横軸は、上記２系統の出力光１６を検出する２つのポート間の距離（これは、２系統の出力光１６の光路長差に対応する）を示している。このポート間の距離は、各図において横軸最左端がゼロであり、横軸最右端で４１ｍｍである。図３２に表示しているように、干渉強度を示す信号の包絡線を求め、この包絡線において干渉強度が最大値の２０％を取るポート間距離をコヒーレント長Ｌｃと規定する。
図３２〜図３８に示されている通り、本例の外部共振器型半導体レーザ装置６においては、光出力が２０ｍＷ〜８０ｍＷの範囲において、コヒーレント長Ｌｃは約２０ｍｍ〜１２ｍｍと小さい値に維持される。

上記の共焦点光学系は先に述べた通り、波長制御素子と同様に、共振する光の波長域を選択する効果を奏する。共焦点光学系を構成する集光レンズ６１（図２１参照）として、焦点距離がそれぞれ２．４ｍｍ、４．０ｍｍ、６．２ｍｍの凸レンズを用い、上記効果を確認する実験を行った。その結果、いずれのレンズでも、波長域選択効果が確認された。一般には、レンズの焦点距離が短い方が、波長域選択効果がより大きくなる。そして、この効果が大きいほど、半導体発光素子の駆動電流の増減に対する中心波長λｃおよび波長幅Δλの変化がより小さくなる。

≪第７の実施形態≫
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。図３９は、本発明の第７の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置７を示す概略構成図である。本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置７は、図２１に示した外部共振器型半導体レーザ装置６と比べると基本的に、波長制御素子として、狭帯域バンドパスフィルター６３に代えて２つのプリズム７１および７２が配置されている点で相違する。これら２つのプリズム７１および７２は、いわゆるアナモルフィックプリズムペアを構成している。プリズム７１および７２による波長制御素子としての効果は、狭帯域バンドパスフィルター６３による効果と基本的に同様である。

なお、波長制御素子としての効果を得るためには、図４０に示すように、１つのプリズム７１だけを用いてもよい。しかし、アナモルフィックプリズムペアを用いれば、入射する光１０のビーム断面形状が楕円状である場合、断面形状が真円状の光１０として出射させることが可能となる。そこで、出力光１６のビーム断面形状が真円状であることが望まれる場合は、アナモルフィックプリズムペアを適用することが好ましい。また、図４０と図３９とを比べれば明らかなように、１つだけプリズム７１を用いる場合は、光１０の進行方向が偏位してしまうが、アナモルフィックプリズムペアを用いる場合はその前後の光１０の進行方向を並行に揃えることができる。

図４１は、半導体発光素子１１の光出力が２０ｍＷ、３０ｍＷ、４０ｍＷ、５０ｍＷ、６０ｍＷ、および７０ｍＷとなるように該半導体発光素子１１の駆動電流を６通りに変えた各場合の、出力光１６の中心波長λｃおよび、中心波長λｃを取るスペクトラムの波長幅Δλ（ＦＷＨＭ）を示すグラフである。この図４１における表示の仕方は、先に説明した図５における表示の仕方と基本的に同様である。この図４１に示される通り、この例においては、光出力が２０ｍＷと７０ｍＷとの間で増減しても、中心波長λｃは０．２ｎｍ程度しか変動しない。また、波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）の変化も、最大で０．１１ｎｍ程度であり、狭い波長範囲での発振が維持される。

ここで、波長制御素子としてのプリズムについて、具体的な例を説明する。まず、アナモルフィックプリズムペアについて説明する。硝材がＳＦ１０、頂角が２７．５°である同一のプリズムを２つ用いて、アナモルフィックプリズムペアを形成した。１つ目と２つ目のプリズムへの光の入射角が異なる光路を設定することで、角度分散量が４５μｒａｄ／ｎｍ（波長１ｎｍ当たりの屈折角度量）を実現することができた。この角度分散量のプリズムペアを共振器内に配置して、図３９に示すような構成の外部共振器型半導体レーザ装置７を得、前述の図４１に結果を示す実験等を行った。

プリズムを透過する光の波長に応じてプリズムからの出射角が異なることから、所定の出射角の光のみが共振するように構成して、外部共振器における共振波長を決めることができる。また、プリズムペアを用いる場合は、１つ目のプリズムと２つ目のプリズムの相対角度を変えることで、プリズムペアに、上記と異なる角度分散量を与えることもできる。さらには、例えば１つ目のプリズムの硝材をＳＦ１０、２つ目のプリズムの硝材をＢＫ７等と、互いに変えることにより、所望の角度分散量を得ることも可能である。

次に、図４０に示すようにプリズムを一つだけ用いる場合の例を説明する。硝材がＢＫ７、頂角が３０°のプリズムを用いて、角度分散量６６μｒａｄ／ｎｍを実現することができた。このプリズムを用いて、図３９に示すような外部共振器を構成した場合でも、本発明が奏する効果を得ることができた。

≪第８の実施形態≫
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。図４２は、本発明の第８の実施形態による外部共振器型半導体レーザ装置８を示す概略構成図である。本実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置８は、図２１に示した外部共振器型半導体レーザ装置６と比べると基本的に、波長制御素子として、狭帯域バンドパスフィルター６３に加えて、さらに２つのプリズム７１および７２が配置されている点で相違する。これら２つのプリズム７１および７２は、図３９に示したものと基本的に同じものである。この図４２の構成においては、プリズム７１および７２からなるアナモルフィックプリズムペアと、狭帯域バンドパスフィルター６３とが共に、波長制御素子として機能する。

ここで図４３および図４４を用いて、本第８の実施形態の外部共振器型半導体レーザ装置８における干渉性並びに縦モード特性について説明する。これらの図４３および図４４は、先に述べた図３２〜図３８と同様に干渉計の表示画面を撮影した写真を上段に示し、また先に述べた図４と同様に光スペクトラムアナライザーの表示画面を撮影した写真を下段に示すものである。図４３の画面を４０１とし、図４４の画面を４０２とする。

図４４は、図４２に示す外部共振器型半導体レーザ装置８の一例における測定結果を示している。この例において半導体発光素子１１は、周波数＝２００ＭＨｚの高周波が重畳された電流で駆動される。この例における光出力は６０ｍＷである。一方図４３は、上記外部共振器型半導体レーザ装置８に対する比較例としての外部共振器型半導体レーザ装置における測定結果を示している。この比較例において、半導体発光素子１１は直流電流で駆動される。この比較例における光出力は５５ｍＷである。なお、各例とも、狭帯域バンドパスフィルター６３としては、透過幅Δλｆ（図２参照）＝１．０ｎｍのものが用いられている。

２つの例のいずれでも、縦モードはシングルモードで発振している。図４４においては、画面４０２にＬｃとしてコヒーレント長を示しているが、Ｌｃ＝１２ｍｍである。なお、このコヒーレント長Ｌｃは、先に図３２を参照して説明した規定の仕方と同様にして規定した値である。それに対して、図４３に測定結果を示す比較例において、コヒーレント長Ｌｃは４１ｍｍ（前述した、出力光を検出する２つのポート間の距離）を超えており、数百ｍｍ以上と推定される。

なお、コヒーレント長Ｌｃは、レーザ装置を精密位置検出装置の測定用光源に適用する場合等は、干渉性を低く抑える上で好ましい値、例えば４０ｍｍ未満に設定することが望ましい。コヒーレント長Ｌｃを４０ｍｍ未満に設定するためには、一般的に、変調度を例えば８０％を上回る値に設定することが望ましい。変調度が８０％以下の場合は、駆動電流において直流成分が相対的に増えることにより、一般的にコヒーレント長Ｌｃが４０ｍｍ以上と長くなる。その場合は、外部共振器型半導体レーザ装置の干渉性が増して、装置の性能悪化を招く。ここで、変調度＝駆動電流の変調成分／（駆動電流の直流成分＋駆動電流の変調成分）である。

以上説明の通り、本発明による外部共振器型半導体レーザ装置８では、比較例と同じ共振用光学系を採用していながら、縦シングルモード発振と、短いコヒーレント長という性能が両立される。一般的なレーザは、縦シングルモード発振時はコヒーレント長が比較的長くなり、縦マルチモード発振とした時にコヒーレント長がより短くなる特性を有する。それに対して本発明による外部共振器型半導体レーザ装置８では、コヒーレント長が短い非干渉性と、縦シングルモード発振という２つの特性を共に得ることができる。この点から本発明による外部共振器型半導体レーザ装置８は、計測機器等において広い応用への適用が可能となる。

上述した例の外部共振器型半導体レーザ装置８の半導体発光素子１１を、駆動電流の値（平均値）を１０ｍＷ、２０ｍＷ、３０ｍＷ、４０ｍＷ、５０ｍＷおよび６０ｍＷと６通りに変えて駆動した。図４５は、その際の出力光１６の中心波長λｃおよび、中心波長λｃを取るスペクトラムの波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）を示すグラフである。この図４５における表示の仕方は、先に説明した図５における表示の仕方と基本的に同様である。この図４５に示される通り、この例においては、光出力が１０ｍＷと６０ｍＷとの間で増減しても、中心波長λｃは０．１ｎｍ程度しか変動しない。また、波長幅Δλ（ＦＷＴＭ）の変化も、最大で０．１ｎｍ程度であり、狭い波長範囲での発振が維持される。以上説明の通り、この外部共振器型半導体レーザ装置８においては、プリズム７１および７２からなるアナモルフィックプリズムペアと、狭帯域バンドパスフィルター６３とが共に波長制御素子として機能することから、中心波長λｃおよび波長幅Δλのそれぞれの変化がより小さく抑えられる。

１、２、３、４、５、６、７、８ 外部共振器型半導体レーザ装置
１１ 半導体発光素子
１１ａ 半導体発光素子の光導光路
１１ｂ 半導体発光素子の前端面
１１ｃ 半導体発光素子の後端面
１１ｄ 無反射コート
１１ｅ 高反射コート
１２ 共振器ミラー
１２ｂ 共振器ミラーの前端面
１２ｃ 共振器ミラーの後端面
１２ｄ 無反射コート
１２ｅ 部分反射コート
１３、６２ コリメーターレンズ
１４、６３ 狭帯域バンドパスフィルター（波長制御素子）
１５ 駆動回路
１６ 出力光
１９ マイクロコンピュータ
２０ コイル
２１ 直流電流源
２２ コンデンサ
２３、３２３ 発振器
２４、２２４、４２４ 制御回路
６１ 集光レンズ
７１、７２ プリズム
３００ ミキサー
３２1、５２１ 変調信号源

Claims (14)

1. 間に発光部を挟む１対の端面を有する半導体発光素子および、
   この半導体発光素子の外に配置された共振器ミラーと、前記１対の端面のうち前記共振器ミラーから遠い側の一端面とから構成されて、前記半導体発光素子から発せられた光を発振させる、共振器長が固定された外部共振器を有する半導体レーザ装置において、
   前記半導体発光素子として、単体では前記光を発振させない構造を有する半導体発光素子が用いられた上で、
   前記外部共振器内の光路に配されて、前記光の波長域を選択する波長制御素子と、
   前記半導体発光素子を高速変調駆動する駆動回路と、
   が設けられ、
   レーザ光の発振波長幅Δλ（ＦＷＴＭ：full width at tenth maximum）およびコヒーレント長Ｌｃが以下の範囲にある
   Δλ≦０．６ｎｍ、Ｌｃ≦４０ｍｍ
   ことを特徴とする外部共振器型半導体レーザ装置。
2. 間に発光部を挟む１対の端面を有する半導体発光素子および、
   この半導体発光素子の外に配置された共振器ミラーと、前記１対の端面のうち前記共振器ミラーから遠い側の一端面とから構成されて、前記半導体発光素子から発せられた光を発振させる、共振器長が固定された外部共振器を有する半導体レーザ装置において、
   前記外部共振器の光路に配置されて、前記１対の端面のうち前記共振器ミラーに近い側の他端面上、および前記共振器ミラーの反射面上においてそれぞれ前記光の焦点を結ばせる共焦点光学系と、
   前記外部共振器内の光路に配されて、前記光の波長域を選択する波長制御素子と、
   前記半導体発光素子を高速変調駆動する駆動回路と、
   が設けられ、
   レーザ光の発振波長幅Δλ（ＦＷＴＭ：full width at tenth maximum）およびコヒーレント長Ｌｃが以下の範囲にある
   Δλ≦０．６ｎｍ、Ｌｃ≦４０ｍｍ
   ことを特徴とする外部共振器型半導体レーザ装置。
3. 前記半導体発光素子として、該素子単体で前記光を発振させる構造を有する半導体発光素子が用いられている請求項２記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
4. 前記高速変調の周波数が２０ＭＨｚ以上５００ＭＨｚ以下である請求項１から３いずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
5. 前記高速変調の周波数が１００ＭＨｚ以上５００ＭＨｚ以下である請求項１から３いずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
6. 前記高速変調の周波数が２００ＭＨｚ以上５００ＭＨｚ以下である請求項１から３いずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
7. 前記駆動回路が、直流電流に高周波を重畳してなる駆動電流を前記半導体発光素子に印加する回路である請求項１から６いずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
8. 前記駆動回路が、オン期間およびオフ期間が交互に繰り返すパルス状の駆動電流を前記半導体発光素子に印加する回路である請求項１から６いずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
9. 前記半導体発光素子の発光量を、外部変調信号に基づいて制御する外部変調回路がさらに設けられ、
   前記外部変調信号の周波数に対して前記高速変調の周波数が２倍以上である請求項１から８いずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
10. 前記波長制御素子として透過型の素子が用いられている請求項１から９いずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
11. 前記波長制御素子として狭帯域バンドパスフィルターが用いられている請求項１０記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
12. 前記波長制御素子としてプリズムが用いられている請求項１０記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
13. 前記プリズムとして、アナモルフィックプリズムペアが用いられている請求項１２記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
14. 前記半導体発光素子が、波長３７０ｎｍ〜５３０ｎｍの光を発する窒化物半導体発光素子である請求項１から１３いずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。

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