JPWO2006132285A1 - 光源 - Google Patents

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杉生 輪湖
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淳史 小山
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雄飛 張
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寛 松浦
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啓 阿部
武史 高木
武史 高木
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Abstract

半導体励起レーザと、前記半導体励起レーザから出力する励起レーザ光を導波する励起光導波路と、前記励起光導波路に接続され該励起光導波路から出力する励起レーザ光によって励起され所定の帯域を有する自然放出光を発生する増幅媒体を添加した増幅光導波路と、前記増幅光導波路から出力する自然放出光を導波する出力光導波路と、前記増幅光導波路と前記出力光導波路との間に設けられ前記自然放出光の帯域内の所定の帯域の光を選択的に透過する波長選択素子と該波長選択素子に前記自然放出光を透過させるレンズユニットとを有する空間結合部と、前記半導体励起レーザと前記増幅光導波路との間に設けた入力側光反射手段と、前記空間結合部の出力側に設けた出力側光反射手段とを備え、前記入力側光反射手段と前記出力側光反射手段とによって前記増幅光導波路と前記空間結合部とを含めたレーザ共振器を形成したことにより、光の出力が安定した光源を提供する。

Description

本発明は、主にレーザ顕微鏡装置、バイオ医療用の分析装置、精密測定装置に用いられる光源に関するものである。
従来、レーザ顕微鏡装置、バイオ医療用の蛍光分析装置や生体分析装置、精密測定装置等に用いられる光源として、半導体レーザや、非線形光学結晶などの高調波発生素子であるＳＨＧ(第二次高調波)素子またはＴＨＧ(第三次高調波)素子を半導体レーザによって励起して高調波光を発生させる構成の光源が用いられている。半導体レーザが発生する光は半導体レーザに固有の波長を有し、ＳＨＧ素子またはＴＨＧ素子が発生する高調波光は半導体レーザに固有の波長の１／２または１／３の波長を有する。
一方、所定の波長の光を発生する光源として、光ファイバを用いた光ファイバレーザが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１２００８号公報
上記のレーザ顕微鏡装置などの装置において、たとえばタンパク質などの蛍光分析を行うために５３０ｎｍ〜６００ｎｍの波長の光が必要となる場合がある。ＳＨＧ素子によってこの帯域の波長の光を生成する場合、１０６０ｎｍ〜１２００ｎｍの波長の光を発生する光源が必要となる。
しかしながら、従来の光源は光の出力が十分に安定せず、特に高調波発生素子と組み合わせた場合に高調波発生素子から発生する高調波光の出力が安定しないという問題点があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光の出力が安定した光源を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光源は、半導体励起レーザと、前記半導体励起レーザから出力する励起レーザ光を導波する励起光導波路と、前記励起光導波路に接続され、該励起光導波路から出力する前記励起レーザ光によって励起され所定の帯域を有する自然放出光を発生する増幅媒体を添加した増幅光導波路と、前記増幅光導波路から出力する前記自然放出光を導波する出力光導波路と、前記増幅光導波路と前記出力光導波路との間に設けられ、前記自然放出光の帯域内の所定の帯域の光を選択的に透過する波長選択素子と該波長選択素子に前記自然放出光を透過させるレンズユニットとを有する空間結合部と、前記半導体励起レーザと前記増幅光導波路との間に設けた入力側光反射手段と、前記空間結合部の出力側に設けた出力側光反射手段と、を備え、前記入力側光反射手段と前記出力側光反射手段とによって前記増幅光導波路と前記空間結合部とを含めたレーザ共振器を形成したことを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記出力側光反射手段は、前記出力光導波路に形成され前記波長選択素子の透過波長を含む帯域の光を選択的に反射するブラッググレーティングであることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記出力側光反射手段は、前記出力光導波路の入力側または出力側の端面のいずれか一つに形成したフィルタであることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記入力側光反射手段は、前記励起光導波路の出力側の端面または前記増幅光導波路の入力側の端面に形成したフィルタであることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記入力側光反射手段は前記波長選択素子の透過波長における光の反射率が９５％以上であり、前記出力側光反射手段は前記波長選択素子の透過波長における光の反射率が４％以上７０％以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記励起光導波路は、コア径が５０μｍ以上４００μｍ以下のマルチモード光ファイバであることを特徴とすることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記増幅光導波路は、前記増幅媒体を添加したコア層と前記コア層の外側に設けた該コア層より屈折率が低い内部クラッド層と、前記内部クラッド層の外側に設けた該内部クラッド層より屈折率が低い外部クラッド層と、を有し、前記励起レーザ光は前記コア層および前記内部クラッド層を導波して前記コア層に添加した増幅媒体を励起し、励起した前記増幅媒体が発生する前記自然放出光は前記コア層を導波することを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記増幅媒体は、イッテルビウムまたはエルビウムの少なくとも一方であることを特徴とすることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記励起光導波路の出力側端面または前記増幅光導波路の入力側端面のうち少なくとも一方は、中心部において５０μｍ以下の深さを有する凹状の表面形状を有することを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記出力光導波路は偏波保持型光ファイバであることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記波長選択素子は、透過帯域の半値幅が１０ｎｍ以下であって該透過帯域の中心波長における透過率が７０％以上である誘電体多層膜フィルタまたはエタロンフィルタの少なくとも一方であることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記波長選択素子の透過帯域の半値幅は３ｎｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記波長選択素子は、前記透過帯域の中心波長が所定の値になるように前記空間結合部の光軸に対する傾斜角度を調整して配置したことを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記レンズユニットは、球面レンズ、平凸レンズ、分布屈折率レンズ、グレーデッドインデックス型光ファイバ、または非球面レンズの少なくともいずれか一つからなることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記分布屈折率レンズは、光の入力側または出力側の端面の少なくとも一方に反射防止膜を形成したものであることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記励起光導波路、前記増幅光導波路、および前記出力光導波路は、前記入力側反射手段または出力側反射手段が設けられていない端面のうち少なくとも一つが光軸と垂直な面に対して４度以上の角度を有することを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記励起光導波路、前記増幅光導波路、および前記出力光導波路は、前記入力側反射手段または出力側反射手段が設けられていない端面うちの少なくとも一つに反射防止膜が形成されたことを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記増幅光導波路は、出力側端面に前記励起レーザ光の波長の光を４％以上２０％以下の反射率で反射する反射膜が形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記空間結合部は前記自然放出光のうち所定の偏光の光のみを透過する偏光子を有することを特徴とする。
また、本発明に係る光源は、上記の発明において、前記励起光導波路、前記増幅光導波路、前記空間結合部、前記出力光導波路のうち少なくとも前記励起光導波路と前記増幅光導波路との一方の端部はそれぞれ円筒状のフェルールに該励起光導波路または増幅光導波路の端面と該フェルールの端面とが同一面上になるように収納されており、前記フェルールの外径と同じ直径の貫通孔を有するスリーブの両端から前記フェルールを挿入して該フェルールの端面同士を接合することにより前記励起光導波路と前記増幅光導波路とが接続することを特徴とする。
本発明によれば、増幅光導波路と、増幅光導波路において発生する自然放出光の帯域内の所定の帯域の光を選択的に透過する波長選択素子を有する空間結合部とを含めたレーザ共振器を形成したことにより、波長選択素子が透過する波長において安定したレーザ発振が起こり、自然放出光の帯域内の不要な光が不安定なレーザ発振を引き起こすことが抑制される。その結果、光の出力が安定した光源を実現できるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る光源の断面概略図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係る光源の断面概略図である。 図３は、本発明の実施の形態３に係る光源の断面概略図である。 図４は、本発明の実施の形態４に係る光源の断面概略図である。 図５は、本発明の実施の形態５に係る光源の断面概略図である。 図６は、本発明の実施の形態６に係る光源の断面概略図である。 図７は、本発明の実施の形態７に係る光源の断面概略図である。 図８は、本発明の実施の形態８に係る光源のマルチモード光ファイバとダブルクラッド光ファイバとの接続部分の外観図と、該接続部分の拡大断面概略図とを示す図である。 図９は、本発明の実施の形態９に係る光源のマルチモード光ファイバとダブルクラッド光ファイバとの接続部を拡大して示した拡大断面概略図である。
符号の説明
１ 半導体励起レーザ
２、２ａ マルチモード光ファイバ
２１、２１ａ、３１、３１ａ、４１ コア層
２２、２２ａ、４２ クラッド層
２３、３４、４３ 入力側端面
２４、２４ａ、３５、３５ａ、４４ 出力側端面
２５、３６ 端部
２６、３７ フェルール
２７、３８ 端面
３、３ａ ダブルクラッド光ファイバ
３２、３２ａ 内部クラッド層
３３、３３ａ 外部クラッド層
４ シングルモード光ファイバ
４ａ、４ｂ 偏波保持型シングルモード光ファイバ
５ａ、５ｂ 球面レンズ
５ｃ、５ｄ 分布屈折率レンズ
６ａ、６ｂ エタロンフィルタ
６ｃ 偏光フィルタ
７、７ａ、８ 誘電体多層膜フィルタ
９、９ａ〜９ｄ ＡＲコート誘電体多層膜
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 空間結合部
１１ 偏光フィルタ
１２、１２ａ ファイバブラッググレーティング
１３ 割りスリーブ
１００、１００ａ、１００ｂ、２００、２００ａ、２００ｂ 光源
ｄ 深さ
ｋ１、ｋ２ 共振器
以下に、本発明にかかる光源の実施の形態を図を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光源の断面概略図である。光源１００は、半導体励起レーザ１と、半導体励起レーザから出力する波長９１５ｎｍの励起レーザ光を導波する励起光導波路であるマルチモード光ファイバ２と、マルチモード光ファイバ２に接続され、マルチモード光ファイバ２から出力する励起レーザ光によって励起され１０６０ｎｍ〜１２００ｎｍの波長帯域を有する自然放出光を発生する増幅媒体であるイッテルビウム（Ｙｂ）のイオンを添加した増幅光導波路であるダブルクラッド光ファイバ３と、ダブルクラッド光ファイバ３から出力する自然放出光を導波する出力光導波路であるシングルモード光ファイバ４と、ダブルクラッド光ファイバ３とシングルモード光ファイバ４との間に設けられ、上記の自然放出光の波長帯域内の所望の波長、本実施の形態では１１００ｎｍを中心波長とする半値幅１０ｎｍ以下の光を選択的に透過する波長選択素子であるエタロンフィルタ６ａ、６ｂとエタロンフィルタ６ａ、６ｂに自然放出光を透過させるレンズユニットである球面レンズ５ａ、５ｂとを有する空間結合部１０と、マルチモード光ファイバ２の出力側端面２４に形成された入力側光反射手段である誘電体多層膜フィルタ７と、シングルモード光ファイバ４の入力側端面４３に形成された出力側光反射手段である誘電体多層膜フィルタ８とを備え、誘電体多層膜フィルタ７、８によってダブルクラッド光ファイバ３と空間結合部１０とを含めたレーザ共振器ｋ１を形成している。
半導体励起レーザ１は波長９１５ｎｍの励起レーザ光を数百ｍＷ〜５Ｗ程度の強度で出力する。なお、Ｙｂイオンを励起するために励起レーザ光の波長は９００ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。また、マルチモード光ファイバ２はコア径５０μｍのコア層２１とコア層２１の外側に設けた外径１２５μｍのクラッド層２２とを備える。励起レーザ光は入力側端面２３から入力しコア層２１を導波して誘電体多層膜７が形成された出力側端面２４から出力するが、コア層２１のコア径は５０μｍ以上であれば強度数百ｍＷの励起レーザ光を効率よく結合し、導波できる。
ダブルクラッド光ファイバ３はＹｂイオンを添加したコア径６μｍのコア層３１と、コア層３１の外側に設けたコア層３１より屈折率が低い外径１３０μｍの内部クラッド層３２と、内部クラッド層３２の外側に設けた内部クラッド層３２より屈折率が低い外径２５０μｍの外部クラッド層３３とを有する。そして、ダブルクラッド光ファイバ３のコア層３１に添加したＹｂイオンが入力側端面３４から入力しコア層３１および内部クラッド層３２を導波する励起レーザ光により励起され、１０６０ｎｍ〜１２００ｎｍの波長帯域を有する自然放出光を発生する。発生した自然放出光はコア層３１を導波し、出力側端面３５から出力する。なお、ダブルクラッド光ファイバ３としてコア径が５μｍ以上１００μｍ以下で希土類元素を添加した石英からなるコア層と、外径がコア径より大きく１０００μｍ以下で石英からなる内部クラッド層と、外径が内部クラッド層の外径より大きく２０００μｍ以下で樹脂または石英からなる外部クラッド層とを備えるものを用いることができる。
空間結合部１０は、球面レンズ５ａによりダブルクラッド光ファイバ３の出力側端面３５から出力した自然放出光をエタロンフィルタ６ａ、６ｂに透過させ、エタロンフィルタ６ａ、６ｂにより１１００ｎｍを中心波長とする半値幅１０ｎｍ以下の帯域の光を中心波長の透過率が７０％以上で選択的に透過し、球面レンズ５ｂによってシングルモード光ファイバ４に結合させる。シングルモード光ファイバ４はコア径１０μｍのコア層４１とコア層４１の外側に設けたコア層４１より屈折率が低い外径１２５μｍのクラッド層４２とを有する。本実施の形態１に係る光源においては球面レンズ５ａ、５ｂによって異径の光ファイバであるダブルクラッド光ファイバ３とシングルモード光ファイバ４とが高い結合効率で光学的に接続する。なお、球面レンズ５ａ、５ｂの材質は石英またはＢＫ７やホウ珪酸ガラスなどのガラスである。
エタロンフィルタ６ａは多重光干渉を利用した高い透過特性を持った狭帯域フィルタであり、透過帯域の中心波長を１１００ｎｍとするように空間結合部１０の光軸Ａに対する傾斜角度を調整して配置されている。また、エタロンフィルタ６ｂは、エタロンフィルタ６ａと光軸Ａに垂直な面に対して対称となるような傾斜角度で配置されているので、エタロンフィルタ６ａ、６ｂを透過する光の光軸は透過前後で光軸Ａ上に保持される。なお、エタロンフィルタの厚さが薄い場合には、エタロンフィルタ６ａのみでも光軸が保持される。また、光源１００は、エタロンフィルタ６ａ、６ｂの傾斜角度を所望の値に調整するための傾斜角度調整機構を備えていてもよい。
本実施の形態１に係る光源１００においては、シングルモード光ファイバ４の入力側端面４３に誘電体多層膜８が形成されており、誘電体多層膜フィルタ７、８によってダブルクラッド光ファイバ３と空間結合部１０とを含めたレーザ共振器ｋ１を形成している。誘電体多層膜フィルタ７の光の反射率は波長１１００ｎｍにおいて９５％以上であり、励起レーザ光の波長である９１５ｎｍにおいて反射率は５％以下であって透過率は９５％以上である。誘電体多層膜フィルタ８の光の反射率については波長１１００ｎｍにおいて４％以上７０％以下であるが、本実施の形態１のようにエタロンフィルタの波長が１０７５ｎｍ以上の場合は４０％以上７０％以下が好ましい。なお、誘電体多層膜フィルタ７と同様に、誘電体多層膜フィルタ８は励起レーザ光の波長である９１５ｎｍにおいて反射率は５％以下であって透過率は９５％以上である。なお、誘電体多層膜７、８はＴａ2Ｏ5などの高屈折率誘電体膜とＳｉＯ2などの低屈折率誘電体膜とを交互に積層して形成したものであり、膜の厚さや積層数を適切に設計することによって上記の所望の特性を実現できる。
誘電体多層膜フィルタ７、８が上記の反射率を有するので、レーザ共振器ｋ１によってエタロンフィルタ６ａ、６ｂが透過する波長１１００ｎｍの自然放出光がレーザ発振し、シングルモード光ファイバ４は波長１１００ｎｍのレーザ光を導波し、出力側端面４４から出力する。なお、通常のエタロンフィルタは厚さによって定まる光周波数間隔で繰り返す複数の透過帯域を有するが、エタロンフィルタ６ａ、６ｂの厚さが２０μｍ〜３０μｍであれば前記光周波数間隔は広くなり、Ｙｂイオンの自然放出光の帯域内において主要なレーザ発振ピークを与える透過帯域の数を１本とすることができる。その結果、ほぼ単一波長の光をレーザ発振させることができる。
そして、光源１００は、レーザ共振器ｋ１がダブルクラッド光ファイバ３とエタロンフィルタ６ａ、６ｂを有する空間結合部１０とを含むので、たとえばレーザ共振器ｋ１による不要な縦モード発振によって縦モード間のモードホップが発生して不安定なレーザ発振を引き起こすことが抑制され、波長１１００ｎｍにおいて安定した縦モードのレーザ発振が起こる。その結果、出力が安定したレーザ光を得ることができる。なお、エタロン６ａ、６ｂの透過帯域の半値幅は１０ｎｍ以下であるが、この半値幅が３ｎｍ以下であれば、透過帯域が制限されるので、さらに出力を安定化させることができる。さらに光源１００は、ダブルクラッド光ファイバ３の出力側端面３５に反射防止用のＡＲ（Anti-Reflection）コート誘電体多層膜９が形成されている。その結果、共振器ｋ１内で端面の反射によって共振器以外での不必要な共振器が形成されるのを防止し、このような不必要な共振器の形成による共振器ｋ１よりも広いたとえば０．１ｎｍ以上の縦モード間隔を持つ不安定なレーザ発振の発生や、この不安定なレーザ発振による光の強度雑音の発生も防止している。なお、光源１００は、エタロン６ａ、６ｂの透過帯域の調整によって１０６０ｎｍ〜１２００ｎｍの間の任意の波長の光を出力することができる。
さらに、光源１００は半導体レーザを使用しているため、数万時間の寿命を有し、半永久的な使用が可能となり経済性に優れたものであるとともに、エネルギーの変換効率がよく、大型の冷却装置が不要で、設備の小型化および経済性に秀でた光源となる。また特に光源１００は、効率的に高調波光を発生することができる励起波長帯域が狭いＳＨＧ素子と組み合わせてレーザ顕微鏡装置、バイオ医療用の蛍光分析装置や生体分析装置、精密測定装置に用いられる光源等に必要とされる５３０ｎｍ〜６００ｎｍの波長の光を安定した出力で生成するための光源として使用することが可能となる。その結果、従来分析が難しい種々のたんぱく質などの蛍光分析が可能となる。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る光源について説明する。本実施の形態２に係る光源は、実施の形態１に係る光源と同様の構成を有し、同様の効果を奏するが、レンズユニットが分布屈折率レンズである点などが異なる。
図２は、本実施の形態２に係る光源１００ａの断面概略図である。光源１００ａは、空間結合部１０ａがレンズユニットとして分布屈折率レンズ５ｃ、５ｄを備える。そして、分布屈折率レンズ５ｃ、５ｄの光の入力側および出力側の端面にＡＲコート誘電体多層膜９ａ〜９ｄが形成されており不必要な共振器の形成が防止されている。
本実施の形態２に係る光源１００ａは、空間結合部１０ａがレンズユニットとして分布屈折率レンズ５ｃ、５ｄを備えることにより、空間結合部の小型化が可能となるとともに光学系の位置調整が容易となり、小型で製造性が高いものとなる。
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る光源について説明する。本実施の形態３に係る光源は、実施の形態１に係る光源と同様の構成を有し、同様の効果を奏するが、空間結合部が偏光子を有し、出力光導波路が偏波保持型光ファイバである点などが異なる。
図３は、本実施の形態３に係る光源１００ｂの断面概略図である。光源１００ｂは、空間結合部１０ｂが偏光フィルタ１１を有し、出力光導波路が偏波保持型光ファイバ４ａである。偏光フィルタ１１は空間結合部１０ｂに入力する自然放出光のうち所定の直線偏波の光のみを透過し、その結果、所定の直線偏波状態の光のみがレーザ発振する。一方、偏波保持型光ファイバ４ａは、コア径が５μｍ以上１００μｍ以下のコア層と、コア層の外側に設けた外径がコア径より大きく２００μｍ以下のクラッド層と、クラッド層内にコア層を挟むようにコア層と平行に形成した応力付与部とを有するパンダ光ファイバと呼ばれるものであり、入力側端面から入力した光をその光の偏波状態を保持した状態で導波し、出力側端面から出力する。また、ダブルクラッド光ファイバ３の出力側端面３５ａは、研磨により光軸と垂直な面に対して５度の角度を有するように加工されており、共振器以外での不必要な反射の発生を防止している。この角度は４度以上であれば不必要な反射の発生を防止する効果が得られる。
上記の構成により、光源１００ｂは偏波保持型光ファイバ４ａから消光比の高い、特には直線偏波状態のレーザ光を出力することができる。したがって、高調波発生素子から発生する高調波光の発生効率が光源の偏波状態に依存するものである場合であっても、一層高効率でかつ安定して高調波光を発生させることができる光源となる。
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４に係る光源について説明する。本実施の形態４に係る光源は、実施の形態３に係る光源と同様の構成を有し、同様の効果を奏するが、波長選択素子と偏光子が一つのフィルタにより実現される点などが異なる。
図４は、本実施の形態４に係る光源１００ｃの断面概略図である。光源１００ｃは、空間結合部１０ｃがエタロンフィルタとしても機能する偏光フィルタ６ｃを有する。具体的は、偏光フィルタ６ｃは厚さ２０μｍ〜３０μｍ程度の厚さの平行平板状であって、表面に誘電体多層膜をコーティングしてエタロンフィルタとしての機能も持たせたものである。光源１００ｃは、上記偏光フィルタ６ｃを用いる結果、エタロンフィルタ６ａ、６ｂを省略でき、空間結合部の小型化された全体として小型の光源となる。
（実施の形態５）
つぎに、本発明の実施の形態５に係る光源について説明する。本実施の形態５に係る光源は、実施の形態３に係る光源と同様の構成を有し、同様の効果を奏するが、出力側光反射手段が出力光導波路に形成されたブラッググレーティングである点などが異なる。
図５は、本実施の形態５に係る光源２００の断面概略図である。光源２００は、空間結合部１０ｂが偏光フィルタ１１を有し、出力光導波路が偏波保持型光ファイバ４ｂである。偏波保持型光ファイバ４ｂは、偏波保持型光ファイバ４ａと同様にコア層とクラッド層と応力付与部とを有し、さらにコア層にファイバブラッググレーティング１２が形成されたものである。このファイバブラッググレーティング１２は、コア層の長手方向と垂直な面を有する格子面が所定の周期で配置された構造を有し、ブラッグ反射によってエタロンフィルタ６ａ、６ｂの透過波長である１１００ｎｍを含む半値幅１０ｎｍ以下の波長帯域の光を４％以上７０％以下の反射率で反射するものである。ファイバブラッググレーティング１２は、コア層の長手方向に沿った一定範囲に位相マスク法により紫外線レーザを照射することによって形成できる。なお、実施の形態１の誘電体多層膜フィルタ８と同様に、エタロンフィルタの波長が１０７５ｎｍ以上の場合は、ファイバブラッググレーティング１２の反射率は４０％以上７０％以下が好ましい。
光源２００においては、ファイバブラッググレーティング１２と誘電体多層膜フィルタ７がレーザ共振器ｋ２を形成する。また、ファイバブラッググレーティング１２は半値幅１０ｎｍの波長帯域の光のみを反射するので、波長選択素子としても機能する。その結果、光源２００は、直線偏波状態のレーザ光を出力することができるとともに、ファイバブラッググレーティング１２とエタロンフィルタ６ａ、６ｂとの相乗効果により一層半値幅が狭いシャープなレーザ光を出力することができる。なお、ブラッググレーティングは製造条件などが原因で所定の波長帯域以外の波長においても不必要な反射ピークを生じさせる場合があるが、光源２００においてはそのような不必要な光が反射してもエタロンフィルタ６ａ、６ｂによって遮断されるため、不安的なレーザ発振を発生させるおそれがない。
（実施の形態６）
つぎに、本発明の実施の形態６に係る光源について説明する。本実施の形態６に係る光源は、実施の形態５に係る光源と同様の構成を有し、同様の効果を奏するが、実施の形態２に係る光源と同様にレンズユニットが分布屈折率レンズである点などが異なる。
図６は、本実施の形態６に係る光源２００ａの断面概略図である。図５に示すように、光源２００ａは、光源２００と同様に出力側反射手段が偏波保持型光ファイバ４ｂに形成されたファイバブラッググレーティング１２であり、かつ光源１００ａと同様に空間結合部１０ａがレンズユニットとして分布屈折率レンズ５ｃ、５ｄを備える。そして、分布屈折率レンズ５ｃ、５ｄの光の入力側および出力側の端面にＡＲコート誘電体多層膜９ａ〜９ｄが形成されており不必要な共振器の形成が防止されている。その結果、光源２００ａは、直線偏波状態のレーザ光を出力することができ、一層半値幅が狭いシャープなレーザ光を出力することができるとともに、小型で製造性が高いものとなる。
（実施の形態７）
つぎに、本発明の実施の形態７に係る光源について説明する。本実施の形態７に係る光源は、実施の形態６に係る光源と同様の構成を有し、同様の効果を奏するが、入力側反射手段も増幅光導波路に形成されたブラッググレーティングである点などが異なる。
図７は、本実施の形態７に係る光源２００ｂの断面概略図である。図７に示すように、光源２００ｂは、出力側反射手段が偏波保持型光ファイバ４ｂに形成されたファイバブラッググレーティング１２であるとともに、入力側反射手段もダブルクラッド光ファイバ３ａに形成したファイバブラッググレーティング１２ａである。ダブルクラッド光ファイバ３ａはダブルクラッド光ファイバ３と同様の特性のコア層３１ａ、内部クラッド層３２ａ、外部クラッド層３３ａを有するものであり、ファイバブラッググレーティング１２ａはファイバブラッググレーティング１２と同様の特性を有し、同様の方法で形成できる。なお、ファイバブラッググレーティング１２ａはダブルクラッド光ファイバ３ａにおいてマルチモード光ファイバ２に近い側に形成されている。
光源２００ｂにおいては、ファイバブラッググレーティング１２とファイバブラッググレーティング１２ａとがレーザ共振器を形成するとともに波長選択素子としても機能する。その結果、光源２００ｂは、直線偏波状態のレーザ光を出力することができるとともに、さらに一層半値幅が狭いシャープなレーザ光を出力することができる。
（実施の形態８）
つぎに、本発明の実施の形態８に係る光源について説明する。本実施の形態８に係る光源は、実施の形態６に係る光源と同様の構成を有し、同様の効果を奏するが、フェルールによって励起光導波路と増幅光導波路とが接続する点などが異なる。以下、この接続部について詳細に説明する。
図８は、本発明の実施の形態８に係る光源のマルチモード光ファイバ２とダブルクラッド光ファイバ３との接続部分の外観図と、該接続部分の拡大断面概略図とを示す図である。図８の外観図および拡大断面概略図に示すように、本実施の形態８に係る光源においては、マルチモード光ファイバ２の出力側の端部２５とダブルクラッド光ファイバ３の入力側の端部３６とがそれぞれジルコニアセラミックからなる円筒状のフェルール２６、３７に収納されている。このフェルール２６、３７は、フェルール２６、３７の中心軸部に形成された貫通孔にマルチモード光ファイバ２またはダブルクラッド光ファイバ３を挿通し、マルチモード光ファイバ２またはダブルクラッド光ファイバ３の端面とフェルール２６または３７の端面とが同一面上になるよう位置調整し、接着剤で固定されている。そして、フェルール２６、３７の外径と同じ直径の貫通孔を有するジルコニアセラミックからなる円筒状の割りスリーブ１３の両端からフェルール２６、３７を挿入しフェルール２６、３７の端面同士を接合することにより、マルチモード光ファイバ２とダブルクラッド光ファイバ３とが接続する。なお、本実施の形態８の場合はマルチモード光ファイバ２にフェルール２６を固定してから誘電体多層膜７を形成するので、図８の拡大断面概略図においてフェルール２６の端面２７にも誘電体多層膜７が形成されている。なお、符号２７、３８はそれぞれフェルール２６、３７の端面を示す。
本発明の実施の形態８に係る光源は、マルチモード光ファイバ２とダブルクラッド光ファイバ３とが上記のように接続することによってマルチモード光ファイバ２とダブルクラッド光ファイバ３との光軸が一致し易くかつずれにくくなるので、接続損失を低くすることができる。また、接続部の着脱を繰り返しても接続損失の再現性が高いものとなる。なお、マルチモード光ファイバ２の出力側の端部とダブルクラッド光ファイバ３の出力側の端部とにさらにＳＣコネクタやＬＣコネクタを設け、これらのコネクタによってスリーブが内蔵されたＳＣ型アダプタやＬＣ型アダプタを介してマルチモード光ファイバ２とダブルクラッド光ファイバ３とが接続してもよい。
（実施の形態９）
つぎに、本発明の実施の形態９に係る光源について説明する。本実施の形態９に係る光源は、実施の形態６に係る光源と同様の構成を有し、同様の効果を奏するが、マルチモード光ファイバの光出力側端面が凹状の表面形状を有し、そこに入力側反射手段である誘電体多層膜フィルタが形成されている点などが異なる。以下、この接続部について詳細に説明する。
図９は、本実施の形態９に係る光源のマルチモード光ファイバとダブルクラッド光ファイバとの接続部を拡大して示した拡大断面概略図である。図９に示すように、本実施の形態９に係る光源においては、コア層２１ａとクラッド層２２ａとを有するマルチモード光ファイバ２ａの出力側端面２４ａが中心部において深さｄを有する凹状の表面形状を有し、入力側反射手段である誘電体多層膜フィルタ７ａが形成されている。その結果、誘電体多層膜フィルタ７ａとダブルクラッド光ファイバ３の入力側端面３４とが接触しないようにすることができるので、端面の損傷を防止することができる。このような凹状の表面形状は研磨加工により実現できる。また、深さｄは１μｍ以上であれば端面同士の接触を防止することができ、５０μｍ以下であれば十分である。なお、マルチモード光ファイバの出力側端面またはダブルクラッド光ファイバの入力側端面の少なくともいずれか一方が上記のような凹状の表面形状を有していれば、端面の損傷防止の効果が得られるので好ましい。
なお、本発明は上記実施の形態に限られない。たとえば、上記実施の形態においては、Ｙｂイオンを増幅媒体として用いたが、他の希土類元素たとえばエルビウム（Ｅｒ）のイオンや、ＹｂイオンとＥｒイオンの両方を増幅媒体として用いてもよい。増幅媒体としてＥｒイオンを用いる場合は、９８０ｎｍ付近または１４８０ｎｍ付近のいずれかの波長の励起レーザ光を発生する半導体励起レーザを用いる。この場合、自然放出光の波長帯域は１５２０−１６１０ｎｍ程度である。また、増幅媒体としてＹｂイオンとＥｒイオンの両方を用いる場合は、９００ｎｍ〜１０００ｎｍのいずれかの波長の励起レーザ光を発生する半導体励起レーザを用いる。この場合も、自然放出光の波長帯域は１５２０−１６１０ｎｍ程度である。
また、上記実施の形態においては波長選択素子としてエタロンフィルタを用いたが、ガラス基板上にＴａ2Ｏ5などの高屈折率誘電体膜とＳｉＯ2などの低屈折率誘電体膜とを交互に積層して形成した誘電体多層膜のバンドパスフィルタを用いてもよい。また、上記実施の形態においてはダブルクラッド光ファイバの出力側端面が光軸と垂直な面に対して４度以上の角度を有していたが、励起光導波路、増幅光導波路、および出力光導波路において入力側反射手段または出力側反射手段である誘電体多層膜フィルタが設けられていない端面のうち少なくとも一つが上記角度を有していればよい。また、反射防止膜についても、励起光導波路、増幅光導波路、および出力光導波路において入力側反射手段または出力側反射手段である誘電体多層膜フィルタが設けられていない端面のうち少なくとも一つに形成されていればよい。
また、上記実施の形態においては、レンズユニットとして球面レンズまたは分布屈折率レンズを用いたが、平凸レンズ、グレーデッドインデックス型光ファイバ、または非球面レンズのいずれかまたはこれらを組み合わせたものを用いてもよい。
また、上記実施の形態において空間結合部に偏光フィルタを備えた光源の場合は出力光導波路を偏波保持型光ファイバとしたが、出力光導波路だけでなく増幅光導波路も偏波保持型光ファイバとすれば、一層安定した偏光状態の光出力が得られる。
また、上記実施の形態においては、入力側反射手段である誘電体多層膜フィルタは励起光出力導波路であるマルチモード光ファイバの出力側端面に形成したが、増幅光導波路であるダブルクラッド光ファイバの入力側端面に形成してもよい。同様に、上記実施の形態においては、出力側反射手段である誘電体多層膜フィルタは出力光導波路であるシングルモード光ファイバの入力側端面に形成したが、出力側端面に形成してもよい。また、増幅光導波路は出力側端面に励起レーザ光の波長の光を４％以上２０％以下の反射率で反射する誘電体多層膜が形成されていてもよい。この誘電体多層膜により増幅媒体の励起に用いられなかった励起レーザ光の一部を反射して再び増幅光導波路に戻すことによってレーザ発振の効率を高めることができる。
また、上記実施の形態において、励起光導波路であるマルチモード光ファイバのコア径は４００μｍ以下が好ましい。その理由は、たとえばコア径１００μｍでクラッド外径が１２５μｍのマルチモード光ファイバの一端を束ねたバンドルファイバを形成し、各マルチモード光ファイバのもう一端をそれぞれ半導体レーザに取り付け、複数の半導体レーザでダブルクラッド光ファイバを励起する場合を考える。この場合、束ねるマルチモード光ファイバの数を５または７本とするのが光の結合効率上望ましいが、この場合束ねるマルチモード光ファイバを最も密に配列した場合は３本が直線状に配列されるので、励起光導波路であるマルチモード光ファイバのコア径は４００μｍであればバンドルファイバからの光出力を十分に結合できるからである。また、上記実施の形態においては励起光導波路がマルチモード光ファイバであったが、シングルモード光ファイバを用いてもよい。
以上のように、本発明に係る光源は、高調波発生素子と組み合わせて、レーザ顕微鏡装置、バイオ医療用の蛍光分析装置や生体分析装置、精密測定装置等に好適に利用できる。

Claims (20)

  1. 半導体励起レーザと、
    前記半導体励起レーザから出力する励起レーザ光を導波する励起光導波路と、
    前記励起光導波路に接続され、該励起光導波路から出力する前記励起レーザ光によって励起され所定の帯域を有する自然放出光を発生する増幅媒体を添加した増幅光導波路と、
    前記増幅光導波路から出力する前記自然放出光を導波する出力光導波路と、
    前記増幅光導波路と前記出力光導波路との間に設けられ、前記自然放出光の帯域内の所定の帯域の光を選択的に透過する波長選択素子と該波長選択素子に前記自然放出光を透過させるレンズユニットとを有する空間結合部と、
    前記半導体励起レーザと前記増幅光導波路との間に設けた入力側光反射手段と、
    前記空間結合部の出力側に設けた出力側光反射手段と、
    を備え、前記入力側光反射手段と前記出力側光反射手段とによって前記増幅光導波路と前記空間結合部とを含めたレーザ共振器を形成したことを特徴とする光源。
  2. 前記出力側光反射手段は、前記出力光導波路に形成され前記波長選択素子の透過波長を含む帯域の光を選択的に反射するブラッググレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の光源。
  3. 前記出力側光反射手段は、前記出力光導波路の入力側または出力側の端面のいずれか一つに形成したフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の光源。
  4. 前記入力側光反射手段は、前記励起光導波路の出力側の端面または前記増幅光導波路の入力側の端面に形成したフィルタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光源。
  5. 前記入力側光反射手段は前記波長選択素子の透過波長における光の反射率が９５％以上であり、前記出力側光反射手段は前記波長選択素子の透過波長における光の反射率が４％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光源。
  6. 前記励起光導波路は、コア径が５０μｍ以上４００μｍ以下のマルチモード光ファイバであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光源。
  7. 前記増幅光導波路は、
    前記増幅媒体を添加したコア層と、
    前記コア層の外側に設けた該コア層より屈折率が低い内部クラッド層と、
    前記内部クラッド層の外側に設けた該内部クラッド層より屈折率が低い外部クラッド層と、
    を有し、前記励起レーザ光は前記コア層および前記内部クラッド層を導波して前記コア層に添加した増幅媒体を励起し、励起した前記増幅媒体が発生する前記自然放出光は前記コア層を導波することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光源。
  8. 前記増幅媒体は、イッテルビウムまたはエルビウムの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光源。
  9. 前記励起光導波路の出力側端面または前記増幅光導波路の入力側端面のうち少なくとも一方は、中心部において５０μｍ以下の深さを有する凹状の表面形状を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光源。
  10. 前記出力光導波路は偏波保持型光ファイバであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の光源。
  11. 前記波長選択素子は、透過帯域の半値幅が１０ｎｍ以下であって該透過帯域の中心波長における透過率が７０％以上である誘電体多層膜フィルタまたはエタロンフィルタの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光源。
  12. 前記波長選択素子の透過帯域の半値幅は３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の光源。
  13. 前記波長選択素子は、前記透過帯域の中心波長が所定の値になるように前記空間結合部の光軸に対する傾斜角度を調整して配置したことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光源。
  14. 前記レンズユニットは、球面レンズ、平凸レンズ、分布屈折率レンズ、グレーデッドインデックス型光ファイバ、または非球面レンズの少なくともいずれか一つからなることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光源。
  15. 前記分布屈折率レンズは、光の入力側または出力側の端面の少なくとも一方に反射防止膜を形成したものであることを特徴とする請求項１４に記載の光源。
  16. 前記励起光導波路、前記増幅光導波路、および前記出力光導波路は、前記入力側反射手段または出力側反射手段が設けられていない端面のうち少なくとも一つが光軸と垂直な面に対して４度以上の角度を有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光源。
  17. 前記励起光導波路、前記増幅光導波路、および前記出力光導波路は、前記入力側反射手段または出力側反射手段が設けられていない端面うちの少なくとも一つに反射防止膜が形成されたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光源。
  18. 前記増幅光導波路は、出力側端面に前記励起レーザ光の波長の光を４％以上２０％以下の反射率で反射する反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の光源。
  19. 前記空間結合部は前記自然放出光のうち所定の偏光の光のみを透過する偏光子を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つに記載の光源。
  20. 前記励起光導波路、前記増幅光導波路、前記空間結合部、前記出力光導波路のうち少なくとも前記励起光導波路と前記増幅光導波路との一方の端部はそれぞれ円筒状のフェルールに該励起光導波路または増幅光導波路の端面と該フェルールの端面とが同一面上になるように収納されており、前記フェルールの外径と同じ直径の貫通孔を有するスリーブの両端から前記フェルールを挿入して該フェルールの端面同士を接合することにより前記励起光導波路と前記増幅光導波路とが接続することを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一つに記載の光源。
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