(57)【要約】【課題】単一モードのレーザー光を高利得で発振できるレーザー発振装置を提供する。【解決手段】波長可変レーザー発振装置１は、励起用レーザー発振装置１１と、光束レンズ系１２と、反射鏡１３と、レーザー発振デバイス１４とを備えており、反射鏡１３で反射してからレーザー発振デバイス１４に入射する光と、薄膜導波路に直接入射した光とが、薄膜導波路の上で干渉縞を作ることにより、分布帰還形のレーザー（DFB）を発振する。そして、レーザー発振デバイス１４の基板上に形成した薄膜導波路は、レーザー発振機能を有する有機色素を含むクラッド層と、クラッド層の屈折率よりも実効屈折率が高いコア層とを少なくとも備えた多層構造となるように形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起用レーザー発振装置と、励起用レーザー発振装置から入射した線状のレーザー光を帯状の幅広のレーザー光にする光束レンズ系と、レーザー光の進行方向に向かって回転自在であるとともに、入射したレーザー光を反射する反射鏡と、反射鏡の端部に垂直に固定してある基板上に薄膜導波路を設けてなるレーザー発振デバイスとを備え、光束レンズ系から放出した光のうち、反射鏡で反射してから薄膜導波路に入射するレーザー光と、薄膜導波路に直接入射するレーザー光とが、薄膜導波路の上で干渉縞を形成することにより、分布帰還形のレーザー発振をする波長可変レーザー装置において、
薄膜導波路が、少なくともクラッド層とコア層とを備えていることを特徴とする波長可変レーザー発振装置。
【請求項２】
薄膜導波路が、基板上に形成したコア層とコア層の上に形成したクラッド層とを備えているとともに、コア層の実効屈折率がクラッド層及び基板の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項３】
薄膜導波路が、基板上に形成したクラッド層とクラッド層の上に形成したコア層とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項４】
コア層の上にさらにクラッド層が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項５】
コア層の実効屈折率が、クラッド層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項６】
コア層の厚さが、200 nmから800 nmであることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項７】
クラッド層の厚さが、コア層の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項８】
クラッド層が、レーザー発振可能な有機色素を含む高分子薄膜であることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項９】
有機色素が、BTAPVB，Rhodamine 6Gの何れかであることを特徴とする請求項８に記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項１０】
クラッド層が親水性又は疎水性の高分子材料の一方によって形成されており、コア層が他の一方によって構成されていることを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項１１】
クラッド層、コア層が、スピンコーティング又は溶媒キャストによって形成されることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れかに記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項１２】
線状のレーザー光が、パルス幅500μ秒以下のパルスレーザーであることを特徴とする請求項１から請求項１１に記載の波長可変レーザー発振装置。
【請求項１３】
線状のレーザー光が、1μJ/cm2から1J/cm2の強度を有するパルスレーザーであることを特徴とする請求項１から請求項１２に記載の波長可変レーザー発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は波長可変レーザー発振装置に関し、特に単一モードのレーザーを高利得で発振することができる波長可変レーザー発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学物質の分光分析機器の光源や光通信、特に波長多重（WDM）通信用の光源として使用するため、発振する光の波長を制御ながら連続的に変化できる波長可変レーザーが求められており、従来から様々な研究・開発が行われている。
【０００３】
図６は、従来からある波長可変レーザー発振装置１００の模式図である。この図に示すように、波長可変レーザー発振装置１００は、励起光源である励起用レーザー発振装置１０１と、励起用レーザー１０１からの線状のレーザー光を帯状の巾広のレーザー光に拡散する光束レンズ系１０２と、レーザー光の進行方向に向かって回転自在であるとともに、入射したレーザー光を反射する反射鏡１０３と、この反射鏡１０３の端部に垂直に固定してあるレーザー発振デバイス１０４とを備えている。なお、レーザー発振デバイス１０４は、その断面図である図７に示すように、ガラスなどからなる基板１０４ａの一表面に有機色素を含む高分子膜等からなる単層の薄膜導波路１０４ｂをコーティングしたものである（非特許文献１を参照）。
【０００４】
このような波長可変レーザー発振装置１００は、以下のようにして励起用レーザー発振装置１０１から発振したレーザー光とは波長の異なるレーザー光を発振する。まず、励起用レーザー発振装置１０１から発振した励起レーザー光は、光束レンズ系１０２によって帯状の巾広の均一レーザー光に広げられる。つぎに、この帯状の幅広の均一レーザー光の一部が薄膜導波路１０４に直接入射し、残りは反射鏡１０３で反射してから薄膜導波路１０４入射する。最後に、薄膜導波路１０４に直接入射したレーザー光と反射鏡１０３に反射してから入射したレーザー光とが、薄膜導波路１０４上で干渉縞を形成し、分布帰還型（DFB）のレーザー発振が起きる。
【０００５】
発振するレーザー光の波長は、薄膜導波路１０４ｂ上に生じた干渉縞の間隔によって決定され、この間隔は励起レーザー光がレーザー発振デバイス１０４に直接入射する際の入射角θ（レーザー光と、レーザー発振デバイス１０４の法線との間の角度）によって決めることができる。そのため、入射角θを制御させることにより、波長可変レーザー発振装置１００が発振するレーザー光の波長を変化させることができる。
【０００６】
前記のように、波長可変レーザー発振装置１００は、有機色素などからなる薄膜導波路１０４ｂ上に形成した干渉縞を利用してレーザー光の波長を変化させているが、有機色素の吸収スペクトルと発光スペクトルとの間には一般的にストークスシフトがあるため、これら吸収スペクトルと発光スペクトルとは一部重なっている。
【０００７】
したがって、波長可変レーザー発振装置１００においては、発光スペクトル内のレーザー発振同調域でレーザー光の再吸収が生じ、レーザー発振の利得が低下する。再吸収分を補償するためにレーザー発振の利得を高めようとするには、薄膜導波路１０４ｂの膜厚を増加させることが有効であるが、膜厚を増加させると波長可変レーザー発振装置１００は多モードで発振してしまう。
【０００８】
そのため、波長可変レーザー発振装置１００は、レーザー光を単一モードで、かつ高利得で発振することができず、前記用途には使用できなくなるとの問題点があった。
【非特許文献１】興雄司ら、「導波路型プラスチック色素レーザーの分布帰還動作」、九州大学工学集報、第６巻  第３号（１９９６）、ｐ２７７〜２８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、この発明は、単一モードのレーザー光を高利得で発振できる波長可変レーザー発振装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、分布帰還型（DFB）のレーザー発振により、励起レーザー光とは波長の異なるレーザー光を発振する波長可変レーザー発振装置において、波長可変レーザー発振装置を構成するレーザー発振デバイスの基板上に形成した薄膜導波路が、多層構造であることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の波長可変レーザー発振装置により、単一モードのレーザー光を高利得で発振できるようになった。そのため、波長可変レーザー発振装置をより小型化することができ、この波長可変レーザー発振装が組み込まれる分光分析装置や光通信装置をより小型化することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（レーザー発振装置の全体構成）
この発明のレーザー発振装置１は、図１に示すように、励起用レーザー発振装置１１と、この励起用レーザー発振装置１１からの線状のレーザー光を帯状の幅広のレーザー光にする光束レンズ系１２と、レーザー光の進行方向に向かって回転自在であるとともに、入射したレーザー光を反射する反射鏡１３と、反射鏡１３の端部に垂直に固定した基板上に薄膜導波路を設けたレーザー発振デバイス１４とを備えている。そこで、前記各要素について以下に詳説する。
【００１３】
（励起用レーザー発振装置）
励起用レーザー発振装置１１は、励起光源として働くレーザーであり、具体的には、Nd：YAG固体レーザー、窒素ガスレーザー、チタンサファイヤレーザーなどがあげられる。また、尖頭出力の大きな励起源の方が有利であるので、励起用レーザー発振装置１１は、連続レーザーよりもパルスレーザーが好まく、そのパルス幅は500μ秒以下であるのが好ましい。なお、パルスレーザー光の強度は、1μJ/cm2〜1J/cm2であるのが好ましい。
【００１４】
（光束レンズ系）
光束レンズ系１２は、励起用レーザー１１からの線状レーザー光を帯状の幅広のレーザー光に広げるものであり、シリンドリカルレンズなどから構成されている。なお、必要に応じて、励起用レーザー１１から発振したレーザーの波長をその２倍波、３倍波に変調する非線形光学結晶を備えていてもよい。
【００１５】
（反射鏡）
反射鏡１３は、アルミや銀などをガラス基板などに蒸着した鏡であり、光束レンズ系１２から放出した幅広のレーザー光の一部を反射して、レーザー発振デバイス１４の表面に入射させる。また、反射鏡１３の端部には回転軸（図示せず。）を介してレーザー発振デバイス１４が垂直に固定してあり、回転軸に結合したモーター（図示せず。）を操作することによって、レーザー光線のレーザー発振デバイス１４への入射角θ（レーザー光と、レーザー発振デバイス１４の法線との間の角度）を制御することができる。
【００１６】
（レーザー発振デバイス）
レーザー発振デバイス１４は、その断面図である図２（ａ）に示すように、基板１４ａの表面にコア層１４ｂ及びクラッド層１４ｃからなる多層構造の薄膜導波路を形成したものである。なお、基板１４ａは透明で変形しにくい素材、具体的には光学ガラスなどから構成してある。
【００１７】
（コア層の構成）
コア層１４ｂは、レーザー発振デバイス１４に入射してきたレーザー光を伝播するためのものであるため、レーザー発振波長域で吸収のない透明な薄膜である。また、光を外に漏らさないように、コア層の実効屈折率はクラッド層１４ｃやガラス基板１４ａの屈折率よりも高いほうがよい。
【００１８】
また、単一モード（TE0）でレーザー発振するため、コア層１４ｂの厚さは200nmから800nmであるのが好ましい。さらに、コア層１４ｂは、具体的には、ポリビニルカルバゾール（以下、PVCzと省略する。）などの疎水性高分子材料、酢酸セルロースなどの親水性高分子材料からなる高分子膜などである。
【００１９】
（クラッド層の構成）
クラッド層１４ｃは、レーザー発振デバイス１４に入射してきたレーザー光の波長を変化させて発振するため、コア層１４ｂから光が漏れるのを防止するため、及び表面保護のため、のものである。そして、このような役割を果たすので、クラッド層１４ｃはコア層１４ｂに比べて厚いほうがよい。
【００２０】
また、クラッド層１４ｃは、レーザー発振機能を有する官能基を主鎖、側鎖の少なくとも何れかに有する高分子材料からなる高分子薄膜、レーザー発振機能を有する低分子の有機色素が分散した高分子材料からなる高分子膜、などから構成されている。具体的には、、PVCzなどの疎水性高分子材料や酢酸セルロースなどの親水性高分子材料に1,4-ビス(2-[4-[N,N-ジ(p-トリル)アミノ]フェニル]ビニル)ベンゼン（以下、BTAPVBと省略する。下記の化学式１を参照。）やRhodamine 6G（下記の化学式２を参照。）等のレーザー発振可能な有機色素を分散して薄膜化したものが挙げられる。
【００２１】
【化１】
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【００２２】
【化２】
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【００２３】
（薄膜導波路の形成方法）
コア層１４ｂとクラッド層１４ｃを構成する高分子材料は、いずれも疎水性高分子材料、親水性高分子材料のどちらであってもよいが、製膜時に良好な界面を得るために、互いに異なるほうがよい。
【００２４】
また、コア層１４ｂ及びクラッド層１４ｃは、溶媒キャスト、スピンコーティングなどの公知の方法によって形成することができる。
【００２５】
このような波長可変レーザー発振装置１は、以下のようにして、励起用レーザー発振装置１１から発振したレーザー光とは波長の異なるレーザー光を発振する。まず、励起用レーザー発振装置１１から発振した励起レーザー光は、光束レンズ系１２によって帯状の幅広のレーザー光に広げられる。つぎに、この帯状の広幅の均一のレーザー光の一部がレーザー発振デバイス１４の薄膜導波路に直接入射し、残りは反射鏡１３で反射してからレーザー発振デバイス１４の薄膜導波路に入射する。最後に、直接入射したレーザー光と反射してから入射したレーザー光とが、レーザー発振デバイス１４の上で干渉縞を形成し、分布帰還型（DFB）のレーザー発振が起きる。
【００２６】
ここで、波長可変レーザー発振装置１は、レーザー発振波長域で吸収のない透明な薄いコア層１４ｂが光を伝播させるため単一モードで発振することができる。また、発振されるレーザーの波長は、励起用レーザー１の入射角θに依存しており、この入射角θを変えることにより制御することができる。
【００２７】
具体的には、波長可変レーザー発振装置１の発振波長λLは、励起用レーザーレーザー光の発振波長λp、レーザー発振デバイスへの入射角θ、ダイナミックグレーティングの周期間隔Λth、コア層の実効屈折率neff、回折次数mなどから下記数式（１）によって、計算することができる。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
なお、この発明は前記実施の形態に限定されるのではなく、特許請求の範囲に記載した技術的範囲内で様々な変更を加えることができる。
【００３０】
例えば、図２（ｂ）に示すように、クラッド層１４ｃとコア層１４ｂが逆転していてもよい。なお、この場合には図２（ｃ）に示すように、コア層１４ｂの上にさらにクラッド層１４ｄが形成されていてもよい。
【００３１】
以下に、この発明を実施例に従ってさらに詳しく説明するが、この発明の特許請求の範囲は如何なる意味においても下記の実施例により限定されるものではない。
【実施例１】
【００３２】
（レーザー発振デバイスの作製）
有機色素にはBTAPVB又はRhodamine 6Gを、コア層を構成する高分子にはPVCzを、クラッド層を構成する高分子には酢酸セルロースをそれぞれ使用して、以下の手順によりレーザー発振デバイスを作製した。
【００３３】
まず、PVCzを3.0wt％含むクロロベンゼン溶液をガラス基板上にスピンコートにより塗布し、80℃で乾燥して厚さ約300〜500 nmのコア層を作製した。
【００３４】
つぎに、コア層の上に酢酸セルロース10wt%、有機色素1.0wt%を含む4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノン（DAA）溶液を1000rpmでスピンコートにより塗布し、80℃で10〜30 分間乾燥して厚さ4μmのクラッド層を作製したのち、室温で一晩真空乾燥を行った。
【００３５】
（波長可変レーザー発振装置の発振スペクトル測定）
励起用レーザー発振装置、光束レンズ系、反射鏡及びレーザー発振デバイスを図１に示すように配置して波長可変レーザー発振装置を組み立てたのち、励起用レーザー発振装置から発振したレーザー光をシリンドリカルレンズで集光し、反射鏡及びレーザー発振デバイス（Lloyd-Mirror）に照射してのスペクトル測定を行った。その結果を図３、図４及び図５に示す。
【００３６】
なお、励起用レーザー発振装置は、ピコ秒Nd：YAGレーザー（波長1064nm、パルス幅30ps、発振周波数10Hz、p偏光、EKSPLA社製、PL-2143）を使用し、光束レンズ系として非線形光学結晶（KTP結晶及びBBO結晶）とシリンドリカルレンズ（シグマ社製、焦点距離300mm）を組み合わせて使用した。また、有機色素としてBTAPVBを使用した場合には、3倍波の波長355nmを励起用レーザーとして使用し、有機色素としてRhodamine 6Gを使用した場合には、2倍波の波長532nmを励起用レーザーとして使用した。さらに、スペクトルの測定はマルチチャンネル分光測光装置（浜松ホトニクス）で行った。なお、その測定条件は入射スリット幅が20μmであり、グレーティングNo.1（1200ｇ／500nm）を使用し、露光時間は1回当たり0.1sを100回積算してトータルで10s（BTAPVBの場合）及び10s（Rhodamine 6Gの場合）であった。
【００３７】
図３は有機色素としてBTAPVBを使用するとともに、入射角θを固定（36.34度）して測定した結果を示している。図３（ａ）は、波長可変レーザー発振装置の発振波長λL（横軸）と発振強度(Output Intensity、縦軸)との関係を、励起用レーザーの強度（Pump Intensity）を変えて測定した結果を示す図である。この図に示すように、励起用レーザーの強度が強くなるにつれて、発振スペクトル中のピーク（506.7nm）が鋭くなっていった。これは、波長可変レーザー発振装置を構成する励起用レーザーの強度がある値を超えると、単一モード発振することを示している。
【００３８】
図３（ｂ）は、励起用レーザーの強度（Pump Intensity、横軸）と、波長可変レーザー発振装置の発振強度（Output Intensity、縦軸、図では■で示す。）及びその半値幅(FWHM、縦軸、図では●で示す。) との関係を示す図である。この図からレーザー発振の閾値Vthは0.78mJ/cm2/pulseという低い値であり、これはこの波長可変レーザー発振装置が高い利得でレーザー発振することを示している。また、励起用レーザーの強度（Pump Intensity）が、レーザー発振の閾値Vthを越えると半値幅(FWHM)も急激に低下した。これも、波長可変レーザー発振装置を構成する波励起用レーザーの強度（Pump Intensity）がある値を超えると、単一モード発振することを示している。
【００３９】
図４は、有機色素としてRhodamine 6Gを使用するとともに、入射角θを固定（42.48度）して測定した結果を示している。この場合も、有機色素としてBTAPVBを使用した場合と同様に、励起用レーザーの強度が強くなるにつれて、発振スペクトル中のピーク（585.0nm）が鋭くなった。また、レーザー発振の閾値Vthは0.35mJ/cm2/pulse（Output Intensity、図では■で示す。）とさらに低い値であり、励起用レーザーの強度がレーザー発振の閾値Vthを越えると半値幅(FWHM、図では□で示す。) も急激に低下した。そして、これらの結果から、有機色素としてRhodamine 6Gを使用しても、高利得で単一モード発振することが確認できた。
【００４０】
図５は、図３の場合と同様に有機色素としてBTAPVBを使用し、入射角θを変えて測定した結果を示している。この図からも明らかなように、入射角θを変えることによって、485nmから505nmまでの間の範囲で波長を変えてレーザー発振することができた。
【００４１】
このように、この実施例の波長可変レーザー発振装置は、高利得で単一モード発振することができるとともに、レーザー発振デバイスへの入射角θを変えることによって波長の異なるレーザー光線を発振できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】波長可変レーザー発振装置の概略図である。
【図２】波長可変レーザー発振装置を構成するレーザー発振デバイスの断面概略図である。
【図３】有機色素としてBTAPVBを使用する波長可変レーザー発振装置において、発振スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図４】有機色素としてRhodamine 6Gを使用する波長可変レーザー発振装置において、発振スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図５】有機色素としてBTAPVBを使用する波長可変レーザー発振装置において、レーザー発振デバイスへのレーザー光線の入射角と発振波長との関係を示す図である。
【図６】従来からある波長可変レーザー発振装置の概略図である。
【図７】従来からある波長可変レーザー発振装置を構成するレーザー発振デバイスの断面概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  波長可変レーザー発振装置
１１  励起用レーザー発振装置
１２  光束レンズ系
１３  反射鏡
１４  レーザー発振デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006303273.tif 000008
【図４】
2006303273.tif 000009
【図５】
2006303273.tif 000010
【図６】
2006303273.tif 000011
【図７】
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