(57)【要約】【課題】高速で広帯域の波長走査を実現する波長走査型レーザ光源を提供すること。【解決手段】ゲイン媒質１１から出射されるレーザビームの光軸上に、回折格子１３を設ける。回折格子１３で回折した回折光の波長を選択するために、集光レンズ１５及び回転円板１７を設け、回転円板１７のスリット１９を通過する光を反射させるミラー２０を設ける。こうすればミラー２０と部分反射ミラー２２との間で外部共振器が形成され、回転円板１７を回転させることによって波長を走査することができる。【選択図】図２
2008098395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部分反射ミラーと、
発振波長にゲインを有するゲイン媒質と、
発振波長を選択する回折格子フィルタ部と、
前記回折格子フィルタ部によって選択された波長の光を反射するミラーと、を有し、前記部分反射ミラーと前記ミラーとによって共振器を形成する外部共振型の波長走査型レーザ光源であって、
前記回折格子フィルタ部は、
前記ゲイン媒質からの光ビームをその波長に応じて異なる角度に回折する回折格子と、
前記回折格子の後段に配置され、波長に応じて角度分散した反射光を前記ミラー上で異なるスポット位置に集光する集光レンズと、
周囲にスリット状の開口を有し、該スリットが前記集光レンズの焦点面の直前に位置するように配置した回転円板と、
前記回転円板をその中心軸に沿って駆動する駆動部と、を有する波長走査型レーザ光源。
【請求項２】
部分反射ミラーと、
発振波長にゲインを有するゲイン媒質と、
発振波長を選択する回折格子フィルタ部と、を有し、前記部分反射ミラーと前記回折格子フィルタ部とによって共振器を形成する外部共振型の波長走査型レーザ光源であって、
前記回折格子フィルタ部は、
前記ゲイン媒質からの光ビームをその波長に応じて異なる角度に回折する回折格子と、
前記回折格子の後段に配置され、波長に応じて角度分散した反射光を焦点面上で異なるスポット位置に集光する集光レンズと、
周囲にスリット状の複数の反射部を有し、該反射部が前記集光レンズの焦点面に位置するように配置した回転円板と、
前記回転円板をその中心軸に沿って駆動する駆動部と、を有する波長走査型レーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単色性の光を発生してその発振波長を周期的に走査する波長走査型レーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分光分析や光ファイバセンサリング、バイオフォトニクス等の分野で入力光の波長を変化させて被測定物からの光の応答を解析する用途がある。その際高速で波長を掃引することが可能となれば、例えば生体の動きや構造物の振動等の動的な応答を観察したり高速のデータ取得が可能となり、システムの汎用性、高機能化、高性能化を実現することができる。
【０００３】
しかるに分光分析用の光源として用いられる従来の波長可変レーザは、狭スペクトルで広帯域波長可変とするため、複雑な可変機構を用いた外部共振型が一般的である。外部共振型波長可変レーザでは、非特許文献１に示されるように、モータ等によって機械的にポリゴンミラー等を回転させるものが知られている。又特許文献１に示されるように、ゲイン媒質からの光を平行として回折格子に入射すると、回折格子からの回折光の波長は角度に応じたものとなる。そこでスリットを選択した特定波長の光を反射させて再び回折格子に入射し、スリットを移動させて選択波長を変化させた波長走査型の光源が提案されている。
【非特許文献１】“High-speed wavelength-swept semiconductor laser with a polygon-scanner-based wavelength filter” S.H.Yun et al. October 15, 2003/Vol. 28, No. 20/OPTICS LETTERS PP1981-1983
【特許文献１】米国特許公開公報ＵＳ２００４／０２６４５１５Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしこのような従来の方法では、高精度なモータ等により機械的に制御する必要があり、出力を安定し且つ波長を可変するために複雑な制御を必要とし、走査速度を上げることができないという欠点があった。
【０００５】
本発明は従来の波長走査型光源の問題点を解決し、高速で広帯域で波長走査を実現する波長走査型レーザ光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題を解決するために、本発明の波長走査型レーザ光源は、部分反射ミラーと、発振波長にゲインを有するゲイン媒質と、発振波長を選択する回折格子フィルタ部と、前記回折格子フィルタ部によって選択された波長の光を反射するミラーと、を有し、前記部分反射ミラーと前記ミラーとによって共振器を形成する外部共振型の波長走査型レーザ光源であって、前記回折格子フィルタ部は、前記ゲイン媒質からの光ビームをその波長に応じて異なる角度に回折する回折格子と、前記回折格子の後段に配置され、波長に応じて角度分散した反射光を前記ミラー上で異なるスポット位置に集光する集光レンズと、周囲にスリット状の開口を有し、該スリットが前記集光レンズの焦点面の直前に位置するように配置した回転円板と、前記回転円板をその中心軸に沿って駆動する駆動部と、を有するものである。
【０００７】
ここでスリットは一定間隔で回転円板上に配置することが好ましく、これによって回転円板を一定の回転速度で回転させた場合に一定の走査速度が得られる。又ミラーは回転円板のスリットを介して入射する光を入射方向と逆方向に反射するように配置されていることが好ましい。
【０００８】
この課題を解決するために、本発明の波長走査型レーザ光源は、部分反射ミラーと、発振波長にゲインを有するゲイン媒質と、発振波長を選択する回折格子フィルタ部と、を有し、前記部分反射ミラーと前記回折格子フィルタ部とによって共振器を形成する外部共振型の波長走査型レーザ光源であって、前記回折格子フィルタ部は、前記ゲイン媒質からの光ビームをその波長に応じて異なる角度に回折する回折格子と、前記回折格子の後段に配置され、波長に応じて角度分散した反射光を焦点面上で異なるスポット位置に集光する集光レンズと、周囲にスリット状の複数の反射部を有し、該反射部が前記集光レンズの焦点面に位置するように配置した回転円板と、前記回転円板をその中心軸に沿って駆動する駆動部と、を有するものである。
【０００９】
ここで回転円板の反射部は一定間隔に配置することが好ましく、回転円板を等速度で回転させた場合には一定の走査速度が得られる。
【発明の効果】
【００１０】
このような特徴を有する本発明によれば、回転円板を高速に回転させることによって発振波長を周期的に走査することができる。又回転円板はポリゴンミラー等に比べて薄い平板状であって軽く容易に高速回転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１Ａ，図１Ｂは本発明の実施の形態１による波長走査型レーザ光源の原理を示す図である。これらの図において、ゲイン媒質１１はレーザ発振の発振波長にゲインを有するものであって、例えば半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いる。そしてこのゲイン媒質１１の一方の光の出射端面に近接してコリメートレンズ１２が設けられ、平行光が回折格子１３に照射される。回折格子１３からの１次回折光は波長によってその角度がわずかに変化している。従ってそのうちのいずれかの角度に反射した光をそのまま逆方向に反射すれば、その波長の光のみがこのレーザ光源から発光されることとなる。従って図１Ａに示すように回折格子の１次回折光を受光する位置にミラー１４を配置する。この配置はリットマン配置となっている。こうすればミラーの反射面に対して直角に入射した波長成分の光のみがそのまま入射方向に反射され、回折格子１３に再び入射される。従ってこの波長成分の光が外部共振器型光源によって発光することとなる。
【００１２】
ここで図１Ｂに示すように、ミラー１４に代えて集光レンズ１５を配置し、且つ集光レンズ１５の焦点位置に微小なミラー１６を設けて図中矢印で示すように左右方向に移動させると、ミラーで反射された波長の光が発振することとなる。本実施の形態では、ここで反射波長を高速で変化させるためにスリットを有する円板を用いたものである。
【００１３】
図２は本発明の実施の形態１による波長走査型光源の全体構成を示す図、図３はその側面図である。これらの図においてゲイン媒質１１、コリメートレンズ１２、回折格子１３は前述した原理図と同様である。回折格子１３から反射された１次回折光は集光レンズ１５によって集光される。そしてこのレンズの焦点位置の直前には、回転円板１７を設ける。図３に示す駆動部１８は回転円板１７を一定速度でその中心軸に沿って駆動する。又回転円板１７の円周に沿って一定間隔でスリット１９が多数設けられる。このスリット１９を透過する位置には、透過光を反射させるためのミラー２０が設けられている。ここで回折格子１３の一次回折光の中心軸から集光レンズ１５まで、及び集光レンズ１５からミラー１８までの距離を集光レンズ１５の焦点距離ｆに等しくしておく。又回転円板１７のスリット１９の幅は集光レンズ１５による集光スポットと同等の大きさとし、スリット１９の間隔はレンズ１５の頂点面での波長分散の範囲と同じ長さとする。ここで回折格子１３、集光レンズ１５及び回転円板１７と駆動部１８とは、光ビームの波長成分を選択する回折格子フィルタ部を構成している。
【００１４】
さてゲイン媒質１１の他方の端部にはコリメートレンズ２１を介して部分反射ミラー２２が設けられる。部分反射ミラー２２は光の一部を反射し、一部を透過するものである。ここでミラー２０と部分反射ミラー２２との間で外部共振器が構成されている。この距離を長くすることによって、多モードで波長の連続掃引を行うことができる。
【００１５】
次にこの実施の形態の動作について説明する。ゲイン媒質１１を駆動することによって光がコリメートレンズ１２を介して回折格子１３に入射する。このとき回折格子１３からの１次回折光は集光レンズ１５を介して集束され、回転円板１７のスリット１９を通過する角度の波長成分の光のみがそのままミラー２０で反射され、回折格子１３に戻る。従ってミラー２０と部分反射ミラー２２との間で外部共振器が構成されてレーザ発振する。そして回転円板１７の回転に従い、回折格子１３で反射される角度が異なった波長の信号が選択されてレーザ発振波長が徐々に変化することとなる。そして波長可変域を超えると発振しなくなり、回転によって次のスリットを回折光が通過できるようになると、ミラー２０によって再び光が反射され、光路が再び形成されて発振する。従って発振波長はのこぎり波状に変化することとなる。
【００１６】
さて回折格子１３への入射角をφ、出射角をθとし、ここでは入射角φを例えば７０°とする。そして１次回折光は例えば波長λ１〜λ２まで変化するものとし、格子線数ａを900本／ｍｍ、格子ピッチΛをその逆数とすると、回折格子の式から以下の式が成り立つ。
λ＝Λ（sinφ＋sinθ）  ・・・（１）
従ってλ１として1260ｎｍをこの式に代入すると、そのときの出射角θ１は１１．２°となり、λ２として1360ｎｍをこの式に代入すると、そのときの出射角θ２は１６．５°となる。この差Δθ（＝θ２−θ１）は５．３°となる。
【００１７】
さて回転円板１７を駆動部１８によって一定の回転速度でその軸に沿って回転させる。このとき集光レンズ１５からミラー２０までの焦点距離をｆ、スリットの間隔ｓを２．７ｍｍとすると、次式が成り立つ。
ｓ＝２ｆ×tan（Δθ／２）  ・・・（２）
ここで
スリット間隔ｓ：２．７８ｍｍ、
直径ｄ：６０ｍｍ、
焦点距離ｆ：３０ｍｍとする。
又回転円板１７の回転速度Ｒを４万ｒｐｍ、即ち６６７Ｈｚとすると、レーザ光の走査速度Ｆｓは次のようになる。
Ｆｓ＝πＤ×Ｒ／ｓ＝４５ＫＨｚ  ・・・（３）
従って従来の波長走査型レーザ光源に比べて、大幅に走査速度を高速にすることができる。
【００１８】
本実施の形態１では回転円板１７の回転速度によって波長走査速度を変えることができ、高速で回転することによって高速で波長走査を行うことができる。回転円板はリニアエンコーダ等に使用されているものが使用でき、ポリゴンミラーに比べて重量が小さいので、容易に高速で回転させることが可能である。
【００１９】
次に本発明の実施の形態２について図４を用いて説明する。実施の形態１では、回転円板にスリットを形成し、このスリットを通過する光をミラーで反射させるようにしていたが、実施の形態２では回転円板３１はスリットに代えてスリットに相当する位置に反射部３２を形成する。この場合には集光レンズ１４と回転円板３１との間が焦点距離ｆとなるようにその間隔を設定しておくものとする。この場合も図示しない駆動部１８によって回転円板３１を回転させる。こうすれば部分反射ミラー２２と反射部３２によって外部共振器が形成され、ミラーを用いることなく、回転円板の回転速度に応じて高速で波長を走査することができる。
【００２０】
次に本発明の実施の形態３について図５を用いて説明する。この実施の形態３の波長走査型レーザ光源は、光ファイバ４１によってループを形成している。このループの一部に、ゲイン媒体４２として半導体光増幅器、光サーキュレータ４３、光カップラ４４及び偏波コントローラ４５を設ける。光サーキュレータ４３は、光ファイバ４１を透過する光の方向を図示のように矢印方向に規制するものである。即ち光サーキュレータ４３の入力端子４３ａ，４３ｂが光ファイバループに接続されており、入力端子４３ａから入射した光は光サーキュレータの端子４３ｃより出射される。又光サーキュレータの入力端子４３ｃより入射した光は端子４３ｂより出射される。端子４３ｂより入射した光は端子４３ａより出射される。又光カップラ４４は光ファイバループの光の一部を抽出するものであり、偏波コントローラ４５は、光ファイバループを透過する光の偏波方向を一定方向に規定するものである。
【００２１】
光サーキュレータ４３の端子４３ｃには、光ファイバ４６を介して図示のようにコリメートレンズ１２が接続される。その他の構成は前述した実施の形態１又は２と同様とする。この図５では実施の形態１と同様としている。この場合には光ファイバループによって光路長を拡大することができるため、モードホップなく広い帯域で波長を連続的に走査することができる。
【００２２】
前述した各実施の形態では、回転円板１７にはスリット１９を等間隔で設けている。これによって回転速度が一定であれば一定の周期で波長を走査することができる。周期を変化させる場合にはスリットの間隔は一定である必要はない。実施の形態２についてもスリットの位置に相当するミラーの間隔は必ずしも等間隔である必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は波長が高速に変化する走査型レーザ光源を得ることができる。従って種々の分析機器、例えば医療用途では表皮下層の高分解能医療画像診断装置に適用することが可能となり、リアルタイムでの医療画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】本発明の波長走査型レーザ光源の原理図である。
【図１Ｂ】本発明の波長走査型レーザ光源の原理図である。
【図２】本発明の実施の形態１による波長走査型レーザ光源を示す構成図である。
【図３】本実施の形態の側面図である。
【図４】本発明の実施の形態２による波長走査型レーザ光源の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３による波長走査型レーザ光源の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１  ゲイン媒質
１２，２１  コリメートレンズ
１３  回折格子
１５  集光レンズ
１７，３１  回転円板
１８  駆動部
１９  スリット
２０  ミラー
２２  部分反射ミラー
３２  反射部
４１  光ファイバ
４２  ゲイン媒体
４３  光サーキュレータ
４４  光カップラ
４５  偏波コントローラ
【図１Ａ】
2008098395.tif 000003
【図１Ｂ】
2008098395.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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