(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振するレーザダイオードと、可動回折格子を含む外部共振器とを備えたレーザ装置によって波長可変レーザ光を発生する方法において、前記レーザダイオードとして出射端面に無反射コートを施していないものを使用し、前記外部共振器長さに対する前記可動回折格子の並進移動量及び前記可動回折格子の回転角を、前記外部共振器長、前記レーザダイオードを駆動する駆動電流変化量、レーザ発振波長、前記可動回折格子の溝間隔との間で数式１を満足するように設定することにより波長可変レーザ光を発生できることを特徴とする波長可変レーザ光発生方法。
【数１】
ΔＬ2 ＝Ｌ2 ・β・ΔＩ／λ0 
Δθ＝sin-1〔（λ0 ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin-1（λ0 ／２ｄ）
但し、λ0 はレーザー発振  長、Ｌ2 は外部共振器長、ΔＬ2 は外部共振器長Ｌ2 に対する並進移動量、Δθは回折格子の回転角、ΔＩはレーザダイオードの駆動電流の変化量、βはレーザダイオードの駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定数、ｄは回折格子の溝間隔である。
【請求項２】
レーザ光を発振するレーザダイオードと、可動回折格子を含む外部共振器とを備えたレーザ装置において、前記レーザダイオードは出射端面に無反射コートを施していないものであり、前記回折格子の回転角を設定できる第１のアクチュエータと、前記回折格子の並進移動量を設定できる第２のアクチュエータと、前記レーザダイオードの駆動電流値を設定制御できる制御電源と、前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ及び前記制御電源をそれぞれ駆動制御できる制御手段とを備え、前記制御手段は、レーザー発振波長をλ0 、外部共振器長Ｌ2 に対する並進移動量をΔＬ2 、回折格子の回転角をΔθ、レーザダイオードの駆動電流の変化量をΔＩ、レーザダイオードの駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定数をβ、回折格子の溝間隔をｄとしたとき、数式２の関係が成立するように前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ及び制御電源をそれぞれ駆動制御させる処理手段を備えたことを特徴とする波長可変レーザ装置。
【数２】
ΔＬ2 ＝Ｌ2 ・β・ΔＩ／λ0 
Δθ＝sin-1〔（λ0 ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin-1（λ0 ／２ｄ）
【請求項３】
前記外部共振器は、前記レーザダイオードの光を平行ビームにして出射するコリメートレンズ、及び前記コリメートレンズからの平行ビームを受光して出力光とする可動回折格子のみから構成したことを特徴とする請求項２記載の波長可変レーザ装置。
【請求項４】
前記レーザダイオードに温度センサーを設け、この温度センサーからの検出信号を前記レーザダイオードの温度調節器にフィードバックし、前記第１のアクチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源の制御手段によって前記レーザダイオードの温度制御を行うことを特徴とする請求項２記載の波長可変レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同位体分離、大気環境計測、及び分光計測等に使用して好適な波長可変レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体レーザは、小型で、しかも発振効率が極めて高く、光通信や光情報処理のための光源としてよく使用されており、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ；ＬＤ）とも呼ばれている。
【０００３】
このレーザダイオードは、当該ダイオード単体のみで、シングルモード発振が可能であるとともに、連続波長掃引が可能である。このような特徴をもつレーザダイオードを応用した精密な波長可変レーザ装置は、光通信の分野において広く使用されている。このような光通信の分野で使用されているレーザダイオードは、長波長域（１．３μｍ〜１．５μｍ）のレーザ光を発振するものである。そして、このようなレーザダイオードとしては、共振器方向に対して周期構造をもつ分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ  ；ＤＦＢ）レーザと、同様な周期構造をもつ分布ブラッグ反射器型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ；ＤＢＲ  ）レーザとがある。そして、前述した構造を有するレーザダイオードは波長制御に直接使用できる。また、レーザダイオードは容易に入手可能である。
【０００４】
ところで、同位体分離、大気環境計測及び分光計測等のレーザ光応用技術分野においても、上述同様に精密な波長可変レーザ装置が必要となる。そして、かかる波長可変レーザ装置に対しても、小型、低コスト化の観点より上記レーザダイオードの応用が望ましい。
【０００５】
しかしながら、上記レーザ光応用技術分野で使用できるレーザダイオードは、短波長域（〜０．６μｍ）のレーザ光を発振するものである。このようなレーザ光を発振できるレーザダイオードとしては、通常のファブリペロー構造をもつ素子に限られているのが現状である。このような共振器構造をもつレーザダイオード単体の発振スペクトルは、周期構造をもつＤＦＢ型レーザあるいはＤＢＲ型レーザと比較すると、一般に線幅が大きくマルチモード発振をしている。
【０００６】
これに対して、レーザダイオードに外部共振器構造を付加して構成したレーザ装置が提供されている。このレーザ装置では、外部共振器構造を用いてスペクトル狭窄化とシングルモード発振を行わせている。レーザ装置において、外部共振器構造を用いてスペクトル狭窄化とシングルモード発振させることは、最も一般的なレーザダイオードの波長制御方法として以前から知られている。このような波長制御方法のうち、回折格子（以下、「グレーティング」という）の回折光を利用した波長制御方法を採用したレーザ装置について図６及び図７を参照して説明する。
【０００７】
図６に、リトロ型外部共振器を備えた従来の波長可変レーザ装置を示す。波長可変レーザ装置１１０は、レーザダイオード１３０と、リトロ型外部共振器１５０とから構成されている。リトロ型外部共振器１５０は、レーザダイオード１３０から出射されたレーザ光を平行ビームにするコリメートレンズ１５１と、このコリメートレンズ１５１からの平行ビームの通路に挿入されるエタロン１５２と、このエタロン１５２を通過した平行ビームを受光して出力レーザ光にする可動グレーティング１５３とから構成されてる。ここで、可動グレーティング１５３には、一定周期で溝１５４が形成されている。また、リトロ型外部共振器１５０を用いた従来の波長可変レーザ装置１１０では、レーザダイオード１３０の単体をレーザ媒質としてのみ扱う設計思想から連続波長の掃引のために、レーザダイオード１３０のレーザ光出射端面１３１に無反射コート（アンチリフレクションコート：以下ＡＲコートと呼ぶ）１３２を施してある。
【０００８】
このようなリトロ型外部共振器１５０を備えた波長可変レーザ装置１１０の動作特性を、図７を参照して説明する。この図において、横軸には周波数、縦軸にはゲイン等が取られている。レーザダイオード１３０は、所定の波長域（〜２０ｎｍ）において、連続的に広いゲインカーブ１７０を呈している。また、波長可変レーザ装置１１０は、所定の周波数間隔でリトロ型外部共振器１５０の縦モード１７１が発生している。また、符号１７２は可動グレーティング１５３の分解能を示しており、リトロ型外部共振器１５０の縦モードを７つを含んでしまっている。そこで、シングルモードの発振を得るために、波長選択素子としてエタロン１５２を挿入している。このエタロン１５２の分解能は、外部共振器縦モードを１つを含むのみとなり、シングルモード発振となる。
【０００９】
このように上記リトロ型外部共振器１５０を備えた従来の波長可変レーザ装置１１０によれば、可動グレーティング１５３と、エタロン１５２を挿入することにより、レーザ光のスペクトル狭窄化とシングルモード発振を行わせている。
【００１０】
一方、上記リトロ型外部共振器の形を基本的に備えた波長可変レーザ装置であって、レーザダイオード１３０のレーザ光出射端面にＡＲコートを施さず、かつエタロン１５２の挿入を必要としない波長可変レーザ装置も提案されている。このレーザ装置では、次の不都合な点を下記のように解消して提案されたものである。
【００１１】
すなわち、一般に、この種のリトロ型外部共振器１５０を備えたレーザ装置において、レーザダイオード１３０のレーザ光出射端面にＡＲコートを施さないで外部共振器１５０の長さや可動グレーティング１５３の角度を変化させると、通常は、レーザ光出力が不安定になってモードホップが発生してしまう不都合がある。このレーザ装置では、レーザ光出力をモニターしてレーザ光出力値が最大になるようにレーザダイオードの駆動電流を制御することにより連続波長掃引をできるように構成したものであり、具体的には、レーザ光出力を検出するセンサ、局部発振器、ロックインアンプ、アナログ制御回路等の複雑な装置により、レーザダイオードの駆動電流を制御して連続波長掃引をしている。
【００１２】
図８に、リットマン型外部共振器を備えた従来の波長可変レーザ装置を示す。波長可変レーザ装置２１０は、レーザダイオード２３０と、リットマン型外部共振器２５０とから構成されている。リットマン型外部共振器２５０は、レーザダイオード２３０から出射されたレーザー光を平行ビームにするコリメートレンズ２５１と、このコリメートレンズ２５１からの平行ビームを受光して反射したり出力レーザー光にする固定グレーティング２５３と、固定グレーティング２５３から反射されたレーザー光を反射して再び固定グレーティング２５３に与える可動ミラー２５２とから構成されてる。ここで、固定グレーティング２５３には、一定周期で溝２５４が形成されている。また、リットマン型外部共振器２５０を用いた従来の波長可変レーザ装置２１０では、レーザダイオード２３０の単体をレーザ媒質としてのみ扱う設計思想から連続波長掃引のために、レーザダイオード２３０のレーザー光出射端面２３１にＡＲコート２３２を施してある。
【００１３】
この波長可変レーザ装置２１０によれば、図７におけるカーブ１７３は固定グレーティング２５３によって得られることになり、レーザー光のスペクトル狭窄化とシングルモード発振を行わせている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
（１）しかしながら、これら外部共振器１５０、２５０を用いた従来の波長可変レーザ装置１１０、２１０においては、上述した理由により、レーザダイオード１３０、２３０のレーザー光出射端面にＡＲコート１３２、２３２を施す必要がある。
（１−ａ）したがって、ＡＲコートをレーザダイオード１３０、２３０のレーザー光出射端面に施すために、特別な設備が必要となる欠点がある。
（１−ｂ）また、ＡＲコートの材料が必要となるほか、ＡＲコートを施す工程も必要となることから、レーザダイオードの価格がコストアップするという欠点がある。
（１−ｃ）さらに、上記ＡＲコートを施す工程において、レーザダイオードが大気中に曝されることになり、光学的損傷をうける危険性が伴うという欠点もある。
【００１５】
（２）また、図６に示すリトロ型外部共振器１５０の場合、レーザダイオード１３０は、図７に示すように、所定の波長域（〜２０ｎｍ）において連続的に広いゲインカーブ１７０を有することと、可動グレーティング１５３の分解能１７２が広いことから、高い分解能１７３を有する波長選択素子としてのエタロン１５２を挿入することによりシングルモード発振を得ていた。したがって、上記リトロ型外部共振器１５０を備えた従来の波長可変レーザ装置１１０によれば、光学系の部品点数が増加し、調整を複雑にするという欠点があった。
【００１６】
（３）さらに、波長制御する際に、従来までは外部共振器長と可動グレーティング１５３の回折角を適当に連動させる必要から、可動グレーティング１５３（あるいはリットマン型外部共振器２５０では可動ミラー２５２）の回転角と並進移動量が機械的に連動する特殊な機構を工夫しなければならず、また、精密な光軸調整を行う機構についても配慮しなければならなかった。
【００１７】
（４）一方、レーザダイオード１３０のレーザー光出射端面にＡＲコートを施さず、かつまた、エタロン１５２の挿入を必要としない波長可変レーザ装置の場合、レーザダイオード駆動電流を制御するために、局部発振器、ロックインアンプ、アナログ制御回路等、複雑な装置が必要であり、実用化のためにはより低コストを達成できるようにする必要がある。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、同位体分離、大気環境計測及び分光計測等において、小型で低コストな波長可変レーザ光発生方法及びその装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明に係る波長可変レーザ光発生方法では、レーザ光を発振するレーザダイオードと、可動回折格子を含む外部共振器とを備えたレーザ装置によって波長可変レーザ光を発生する方法において、レーザダイオードとして出射端面に無反射コートを施していないものを使用し、外部共振器長さに対する可動回折格子の並進移動量及び可動回折格子の回転角を、外部共振器長、レーザダイオードを駆動する駆動電流変化量、レーザ発振波長、可動回折格子の溝間隔との間で数式３を満足するように設定することにより波長可変レーザ光を発生できるようにしている。
【００２０】
【数３】
ΔＬ２  ＝Ｌ２  ・β・ΔＩ／λ０  
Δθ＝ｓｉｎ−１〔（λ０  ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−ｓｉｎ−１（λ０  ／２ｄ）
但し、λ０  はレーザー発振波長、Ｌ２  は外部共振器長、ΔＬ２  は外部共振器長Ｌ２  に対する並進移動量、Δθは回折格子の回転角、ΔＩはレーザダイオードの駆動電流の変化量、βはレーザダイオードの駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定数、ｄは回折格子の溝間隔である。
【００２１】
したがって、請求項１記載の発明によれば、ＡＲコートをレーザダイオードの出射端面に施さないリトロ型外部共振器の構造は、エタロンの挿入も必要なく、コリメートレンズと可動グレーティングのみで光学系が構成されることから、最も簡単かつ小型で、しかも低コストな波長可変レーザ光が得られる。
【００２２】
また、請求項２記載の発明に係る波長可変レーザ装置によれば、レーザ光を発振するレーザダイオードと、可動回折格子を含む外部共振器とを備えたレーザ装置において、レーザダイオードは出射端面に無反射コートを施していないものであり、回折格子の回転角を設定できる第１のアクチュエータと、回折格子の並進移動量を設定できる第２のアクチュエータと、レーザダイオードの駆動電流値を設定制御できる制御電源と、第１のアクチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源をそれぞれ駆動制御できる制御手段とを備えるようにしている。
また、請求項２記載の発明では、制御手段は、レーザー発振波長をλ0 、外部共振器長Ｌ2 に対する並進移動量をΔＬ2 、回折格子の回転角をΔθ、レーザダイオードの駆動電流の変化量をΔＩ、レーザダイオードの駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定数をβ、回折格子の溝間隔をｄとしたとき、数式４の関係が成立するように第１のアクチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源をそれぞれ駆動制御させる処理手段を備えるようにしている。
【数４】
ΔＬ2 ＝Ｌ2 ・β・ΔＩ／λ0 
Δθ＝sin-1〔（λ0 ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin-1（λ0 ／２ｄ）
【００２３】
したがって、請求項２記載の発明では、ＡＲコートをレーザダイオードの出射端面に施さないリトロ型外部共振器の構造は、エタロンの挿入も必要なく、コリメートレンズと可動グレーティングのみで光学系が構成されることから、最も簡単かつ小型で、しかも低コストで波長可変レーザ装置を得ることができる。
【００２４】
また、請求項３記載の発明では、外部共振器は、レーザダイオードの光を平行ビームにして出射するコリメートレンズ及びコリメートレンズからの平行ビームを受光して出力光とする可動回折格子のみから構成している。
【００２６】
更に、請求項４記載の発明では、レーザダイオードに温度センサーを設け、この温度センサーからの検出信号をレーザダイオードの温度調節器にフィードバックし、第１のアクチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源の制御手段によってレーザダイオードの温度制御を行うようにしている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る波長可変レーザ装置の実施の形態を説明する。
【００２８】
〔第１の実施の形態〕
図１に、本発明に係る波長可変レーザ装置の第１の実施の形態を示す。この図において、波長可変レーザ装置１は、レーザ光を発振するレーザダイオード３と、レーザダイオード３に付加される外部共振器５と、レーザダイオード３の駆動電流及び外部共振器５の共振状態を制御する被制御手段７と、被制御手段７を駆動制御する制御手段９とから構成されている。レーザダイオード３は温度センサー９５からの出力によってペルチェ素子２１を駆動する温度調節器２により一定温度に保たれている。また、レーザダイオード３の出射端面には無反射コートは施されていない。尚、符号２２は放熱板である。
【００２９】
ここで、外部共振器５は、レーザダイオード３から出射されるレーザ光を平行ビームにするコリメートレンズ５１と、コリメートレンズ５１からの平行ビームを受光して出力光とする可動回折格子（可動グレーティング）５３とからなる。また、可動グレーティング５３には、一定の間隔ｄで溝５４が設けられている。
【００３０】
被制御手段７は、第１のアクチュエータ７１と、第２のアクチュエータ７２と、制御電源７３とから構成されている。
【００３１】
第１のアクチュエータ７１は、可動グレーティング５３の回転角Δθを設定できる。この第１のアクチュエータ７１は、図示しないが、例えば圧電素子と機械系とで構成されており、この圧電素子は印加電圧によって定められた位置だけ正確に変位して止まることにより、機械系の作用と相まって可動グレーティング５３を正確な回転角Δθに設定できる。
【００３２】
また、第２のアクチュエータ７２は、可動グレーティング５３の並進移動量ΔＬ２  を設定できる。この第２のアクチュエータ７２は、図示しないが、例えば圧電素子と機械系とで構成されている。この機械系の上に第１のアクチュエータ７１が固定されている。したがって、第２のアクチュエータ７２の圧電素子が印加電圧によって定められた位置だけ正確に変位して止まることにより、機械系の作用と相まって第１のアクチュエータ７１を含む可動グレーティング５３を正確な並進移動量ΔＬ２  に設定できる。
【００３３】
また、レーザダイオード３は、制御電源７３に接続されている。この制御電源７３は、制御信号に応じてレーザダイオード３に流す駆動電流ＩＮ  を設定できる。上記制御手段９は、第１のアクチュエータ７１、第２のアクチュエータ７２、及び制御電源７３に電気的に接続されており、各制御信号を第１のアクチュエータ７１、第２のアクチュエータ７２、及び制御電源７３に出力できる。
【００３４】
この制御手段９は、処理装置本体９１と、定数や処理方式等を指定する入力手段としてのキーボード９２と、処理結果を表示するディスプレイ９３とを備えている。処理装置本体９１は、図示しないが、例えば、各種演算処理を実行する演算処理部と、この装置で処理する一連の処理プログラムを記憶する読出専用メモリと、処理を実行する上で各種のデータ等を記憶する読書き可能なメモリと、外部へ制御信号等を出力し、あるいは外部からのデータを取り込むためのインターフェースとを備えている。また、読出専用メモリには、処理装置本体９１の第１のアクチュエータ７１、第２のアクチュエータ７２に出力した制御信号に対する可動グレーティング５３の実際の回転角度、移動距離の関係が記憶されている。また、同様に、読出専用メモリには、処理装置本体９１が制御電源７３に出力した制御信号に対して制御電源７３がレーザダイオード３に供給した駆動電流の関係が記憶されている。処理装置本体９１は、その出力した制御信号を基に、実際のグレーティングの回転角度、移動量、あるいは駆動電流のデータを読出専用メモリから読み出して、制御に使用できるようになっている。
【００３５】
図２に、上記構成の波長可変レーザ装置１の動作原理図を示す。この図において、符号３１、３２はレーザダイオード３の端面である。符号Ｌ１  はレーザダイオード３の端面３１、３２間の長さであって、端面３１、３２の間で構成される共振器長である。なお、Ｌ１  はレーザダイオード３の端面間の機械的な寸法ではなく媒質の屈折率を考慮した光学的な長さを表している。また、端面３１，３２の間に存在する縦モードの数はＮ１  とする。次に、符号Ｌ２  は、レーザダイオード３の出射端面３１から可動グレーティング５３までの距離であって、レーザダイオード３の出射端面３１と可動グレーティング５３の間で構成される共振器長である。そして、出射端面３１と可動グレーテッイング５３の間の縦モードの数をＮ２  、レーザダイオード３のレーザ発振波長をλ０  とする。また、符号ｄは可動グレーティング５３の溝５４の間隔であり、符号θは可動グレーティング５３へのレーザ光の入射角度である。
【００３６】
ここで、モードホップを起こさないでレーザ発振波長λ０  をΔλだけシフトさせるためには、波長がシフトする間、２つの共振器の縦モード数Ｎ１  、Ｎ２  が常に一定であればよい。そこで、可動グレーティング５３の一次回折光がレーザダイオード３に戻る条件を含めて、以下に設立する式をまとめてみる。
【００３７】
（ｉ）  λ０  のとき
レーザダイオード３の端面３１、３２の間では、数式５が成立している。
【００３８】
【数５】
Ｌ１  ＝Ｎ１  ・λ０  ／２
また、レーザダイオード３の出射端面３１と可動グレーティング５３との間では、数式６が成立している。
【００３９】
【数６】
Ｌ２  ＝Ｎ２  ・λ０  ／２
さらに、可動グレーティング５３へのレーザ光の入射角度θと、可動グレーティング５３の溝間隔ｄと、レーザ発振波長λ０  との間では、数式７が成立している。
【００４０】
【数７】
２ｄｓｉｎθ＝λ０  
（ｉｉ）そして、λ０  ＋Δλとなったとき
レーザダイオード３の端面３１、３２の間では、共振器長Ｌ１  の変化分をΔＬ１  とすると、数式８が成立する。
【００４１】
【数８】
Ｌ１  ＋ΔＬ１  ＝Ｎ１  ・（λ０  ＋Δλ）／２
また、レーザダイオード３の出射端面３１と可動グレーティング５３との間では、共振器長Ｌ２  の変化分をΔＬ２  とすると、数式９が成立する。
【００４２】
【数９】
Ｌ２  ＋ΔＬ２＝Ｎ２  ・（λ０  ＋Δλ）／２
さらに、可動グレーティング５３の角度（θ＋Δθ）と、可動グレーティング５３の溝間隔ｄと、波長（λ０  ＋Δλ）との間には、数式１０が成立している。
【００４３】
【数１０】
２ｄｓｉｎ（θ＋Δθ）＝（λ０  ＋Δλ）
以上のことから、２つの共振器長Ｌ１  、Ｌ２  の変化分ΔＬ１  、ΔＬ２  の関係を求めると、数式１１のようになる。
【００４４】
【数１１】
ΔＬ２  ＝ΔＬ１  ×Ｌ２  ／Ｌ１  
一方、レーザ発振波長の変化分Δλとレーザダイオード３の駆動電流の変化分ΔＩとの関係は、数式１２のようになる。
【００４５】
【数１２】
Δλ＝β・ΔＩ
符号βは、レーザダイオード駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダイオード３の固有の比例定数である。レーザダイオード３の駆動電流の変化分ΔＩは、数式１２、数式８を介してΔＬ１  と連動し、さらに、数式１１を介してΔＬ２  と連動している。また、ΔＩは、数式１２、数式１０を介してΔλ、Δθとも連動している。
【００４６】
そこで、レーザ発振波長λ０  をΔλシフトさせるために必要な可動グレーティング５３の回転角Δθと、可動グレーティング５３の並進移動量ΔＬ２  をΔＩを用いて表現すると、数式１３及び数式１４のようになる。
【００４７】
【数１３】
ΔＬ２  ＝Ｌ２  ・β・ΔＩ／λ０
【００４８】
【数１４】
Δθ＝ｓｉｎ−１｛（λ０  ＋β・ΔＩ）／２ｄ｝−ｓｉｎ−１（λ０  ／２ｄ）
したがって、キーボード９２から上記定数β、上記可動グレーティング５３の溝間隔ｄ、レーザダイオード３のもともとの発振波長λ０、外部共振器長Ｌ２  を制御手段９の処理装置本体９１に与えておき、ついで処理装置本体９１において、上記数式１３及び数式１４を満足させるように、第１のアクチュエータ７１、第２のアクチュエータ７２及び制御電源７３を制御する。
【００４９】
上記波長可変レーザ装置１では、電気的に制御を行うものであるから、従来のレーザ装置のように機械的に連動する構造上の制約から解放された設計、製作が可能になる。
【００５０】
〔第２の実施の形態〕
図３に、同波長可変レーザ装置の第２の実施の形態を示す。この図において  、第２の実施の形態では、波長可変レーザ装置１’内のレーザダイオード３の温度を検出して電気信号に変換する温度センサー９５を設け、かつ処理装置本体９１からの出力を温度調節器２に入力し、レーザダイオード３の動作温度をも考慮して、上記数式１３及び数式１４を満足させるように第１のアクチュエータ７１、第２のアクチュエータ７２及び制御電源７３を制御するようにしたものである。したがって、他の構成は、図１の波長可変レーザ装置１と全く同一であるため、同一の符号を付して構成作用の説明を省略する。
【００５１】
第２の実施の形態によれば、レーザダイオード３の動作温度を制御パラメータに取り込んで制御するために、より広い波長域をカバーできる。
【００５２】
〔第３の実施の形態〕
図４に、同波長可変レーザ装置の第３の実施の形態を示す。この図における波長可変レーザ装置１”の制御系はセルフチューニング制御方式を採用したものであり、図１及び図３の波長可変レーザ装置のようなオープンループ制御方式とは異なる構成となっている。すなわち、この第３の実施の形態における波長可変レーザ装置１”では、制御電源７３からレーザダイオード３に供給される電流を検出して電気信号に変換する電流検出センサ８１を制御電源７３とレーザダイオード３との間に設けた点、可動グレーティング５３の回転角を検出して電気信号に変換する回転角検出センサ８２を可動グレーティング５３の回転軸に設けた点、及び可動グレーティング５３の並進移動量を検出する並進移動量検出センサ８３を可動グレーティング５３に設けた点にまず特徴がある。これらセンサ８１、８２、８３からの検出信号は制御手段９の処理装置本体９１に入力されるようにしてある。また、処理装置本体９１では、取り込んだ検出信号を基に、上記数式１３、数式１４を満足するように、第１のアクチュエータ７１、第２のアクチュエータ７２及び制御電源７３を制御している。これによっても、波長可変レーザ光を発生できる。
【００５３】
第３の実施の形態によれば、制御信号に対する回転角度、移動量あるいは駆動電流の関係から内部変数である圧電素子の変位特性及びレーザダイオードの比例定数βを推定できる。そして、推定誤差を最小にするように最小２乗法に基づく逐次式を用いてこれら内部変数が調整でき、ハードウェアの持つ微細な個体差をも吸収できる。
【００５４】
〔第４の実施の形態〕
次に、簡易な例として第４の実施の形態を検討してみる。第４の実施の形態では、Δθ〜０の場合には、数式１５が成立する。
【００５５】
【数１５】
ΔＬ２  ／Δθ＝Ｌ２  ／ｔａｎθ＝一定
したがって、適当な支点を定めることにより、可動グレーティングの回転角と並進移動量を一つのアクチュエータで制御することができることになる。この時の△Ｉは、数式１３、数式１５より△Ｉ＝（λ０  ／βｔａｎθ  ）△θと書ける。
【００５６】
この数式１５を用いた実験を行った結果、発振波長λ０  ＝６２８〔ｎｍ〕を中心として２０〔ＧＨｚ〕以上の連続波長掃引を確認できた。このとき、設定したパラメータは、Ｌ２  ＝２６〔ｍｍ〕、β＝５×１０−３〔ｎｍ／ｍＡ〕、ΔＩ＝７．５〔ｍＡ〕、ｄ＝１／１８００〔ｍｍ〕である。また、当該レーザ装置の動作温度は２５．００〔℃〕である。実験に際しては、ＦＳＲ＝２［ＧＨｚ］、フィネス＝３００の光スペクトラムアナライザを測定器として使用した。
【００５７】
上記第４の実施の形態では、上記数式１５を用いた場合は以下に示す通り構造上の制約を受けているため、連続掃引幅には上限がある。これについては図５を用いて説明する。
【００５８】
初期状態としてレーザダイオードが波長λ０  でシングルモードで発振しており、Ｌ２  ／ｔａｎ  θ＝ｒ（一定）が成立していると仮定する。すなわち、Ｌ２  は線分ＡＣ、θは∠ＡＢＣ、ｒは線分ＢＣであることから、これは三角形ＡＢＣで作られる幾何学構造を表している。
【００５９】
次に、θ→θ＋Δθ、Ｌ２  →Ｌ２  ＋ΔＬ２  、λ０  →λ０  ＋Δλになった場合を考える。
【００６０】
このとき、ΔＬ２  ／Δθ＝ｒ（一定）であり、ΔＬ２  は線分ＯＮであり、Δθは∠ＯＡ’Ｎであり、ｒは線分Ａ’Ｏであることから、可動グレーティングのＡ点はＡ’点に移動したと考えることができる。
【００６１】
一方、（Ｌ２  ＋ΔＬ２  ’）／ｔａｎ（θ＋Δθ）＝ｒ（一定）が成立し、これよりΔＬ２  ’／Δθ＝ｒ／  ｃｏｓ２θが成立する。ここで、（θ＋Δθ）は∠Ａ”Ｂ’Ｃ”であり、ｒは線分Ｂ’Ｃ”に相当するので、定式が成立するためにはＡ点がＡ”点に移動したと考える必要がある。
【００６２】
以上により、Δθ〜０の場合の近似式では、Ａ点の移動点の解釈については、数式１６のδ（ΔＬ２  ）だけ曖昧さが生じることになる。
【００６３】
【数１６】
δ（ΔＬ２  ）＝ΔＬ２’−ΔＬ２＝ｒ・Δθ／ｃｏｓ２θ−ｒ・Δθ
なお、δ（ΔＬ２  ）は、線分ＮＭで表すことができる。
【００６４】
しかしながら、実際には、可動グレーティングの離散的構造を考えると、数式１７で表わされる曖昧さは可動グレーティングの溝間隔以下の場合には意味を持たなくなる。すなわち、可動グレーティングが溝間隔ｄの周期的構造を持つならば、連続波長掃引幅の条件として、
【００６５】
【数１７】
｜δ（ΔＬ２  ）｜＜ｄ・ｓｉｎ  θ
が条件となる。連続波長掃引幅の上限値をΔνＭＡＸ  、そのときの可動グレーティング角度変化量をΔθＭＡＸ  とすると、以下の数式１８のように計算できる。
【００６６】
【数１８】
0003602664.tif 000002
この値は、実験結果をよく説明でき、１つのアクチュエータを用いた簡易な第４の実施の形態では、波長制御に限界があることがわかる。しかしながら、アクチュエータが一つで済むことから、特定の用途には当該波長可変レーザ装置を使用することが望ましい。
【００６７】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や変更をすることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明に係る波長可変レーザ光発生方法によれば、レーザダイオードとして出射端面に無反射コートを施していないものを使用し、外部共振器長さに対する可動回折格子の並進移動量及び可動回折格子の回転角を、外部共振器長、レーザダイオードを駆動する駆動電流変化量、レーザ発振波長、可動回折格子の溝間隔との間で数式１９を満足するように設定できるので、ＡＲコートをレーザダイオードの出射端面に施さないリトロ型外部共振器の構造とすることができ、しかもエタロンを挿入する必要もなく、コリメートレンズと可動グレーティングのみで光学系が構成されることから、最も簡単かつ小型で、しかも低コストで波長可変レーザ光を得ることができる。
【００６９】
【数１９】
ΔＬ２  ＝Ｌ２  ・β・ΔＩ／λ０  
Δθ＝ｓｉｎ−１〔（λ０  ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−ｓｉｎ−１（λ０  ／２ｄ）
但し、λ０  はレーザー発振波長、Ｌ２  は外部共振器長、ΔＬ２  は外部共振器長Ｌ２  に対する並進移動量、Δθは回折格子の回転角、ΔＩはレーザダイオードの駆動電流の変化量、βはレーザダイオードの駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定数、ｄは回折格子の溝間隔である。
【００７０】
また、請求項２記載の発明に係る波長可変レーザ装置によれば、レーザダイオードは出射端面に無反射コートを施していないものであり、回折格子の回転角を設定できる第１のアクチュエータと、回折格子の並進移動量を設定できる第２のアクチュエータと、レーザダイオードの駆動電流値を設定制御できる制御電源と、第１のアクチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源をそれぞれ駆動制御できる制御手段とを備え、制御手段は、レーザー発振波長をλ0 、外部共振器長Ｌ2 に対する並進移動量をΔＬ2 、回折格子の回転角をΔθ、レーザダイオードの駆動電流の変化量をΔＩ、レーザダイオードの駆動電流に対する波長の変化分を決めるレーザダイオード素子固有の比例定数をβ、回折格子の溝間隔をｄとしたとき、数式２０の関係が成立するように前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ及び制御電源をそれぞれ駆動制御させる処理手段を備えたので、ＡＲコートをレーザダイオードの出射端面に施さないリトロ型外部共振器の構造とすることができ、しかもエタロンを挿入する必要もなく、コリメートレンズと可動グレーティングのみで光学系を構成することができることから、最も簡単かつ小型で、しかも低コストの波長可変レーザ装置を得ることができる。また、波長制御の自動化等、より実用的な設計を行う上でも改良項目をソフトウエアにて吸収できる余地があるため、応用面にも柔軟に対応できる。
【数２０】
ΔＬ2 ＝Ｌ2 ・β・ΔＩ／λ0 
Δθ＝sin-1〔（λ0 ＋β・ΔＩ）／２ｄ〕−sin-1（λ0 ／２ｄ）
【００７１】
請求項３記載の発明では、外部共振器がコリメートレンズと可動回折格子のみから構成されているので、外部共振器の構造が簡単になり、低コスト化が図れる。
【００７３】
請求項４載の発明では、レーザダイオードに温度センサを設け、この温度センサからの検出信号をレーザダイオードの温度調節器にフィードバックし、第１のアクチュエータ、第２のアクチュエータ及び制御電源の制御手段によってレーザダイオードの温度制御を行うようにしたので、波長制御をする上でより精密な制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波長可変レーザ装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】同第１の実施の形態の動作原理を説明するための図である。
【図３】同第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】同第３の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】同第４の実施の形態を説明するための図である。
【図６】従来のレーザ装置を示すブロック図である。
【図７】同レーザ装置の動作を説明するための図である。
【図８】従来の他のレーザ装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１’，１”  波長可変レーザ装置
２  温度調整器
３  レーザダイオード
３１  出射端面
３２  端面
５  外部共振器
５１  コリメートレンズ
５３  可動グレーティング
５４  溝
７  被制御手段
７１  第１のアクチュエータ
７２  第２のアクチュエータ
７３  制御電源
８１  電流検出センサ
８２  回転角検出センサ
８３  並進移動量検出センサ
９  制御手段
９１  処理装置本体
９２  キーボード
９３  ディスプレイ
９５  温度センサー
【図１】
0003602664.tif 000003
【図２】
0003602664.tif 000004
【図３】
0003602664.tif 000005
【図４】
0003602664.tif 000006
【図５】
0003602664.tif 000007
【図６】
0003602664.tif 000008
【図７】
0003602664.tif 000009
【図８】
0003602664.tif 000010