(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の中に生じさせた屈折率分布によって光ビームを偏向させる光偏向器において、
３組の平行な対向面を持ち、電気光学効果を有する材料からなる偏向素子であって、
前記材料を挟み、第１の対向面の上にそれぞれ形成された２つの電極であって、当該２つの電極の間に形成された電界によって前記材料の中を伝搬する光に、前記第１の対向面の法線の第１の方向に偏向を生じさせる２つの電極と、
前記材料を挟み、前記２つの電極に直交する第２の対向面の上の一部にそれぞれ形成された第１の鏡および第２の鏡と、
前記第２の対向面の鏡が無い部分にそれぞれ形成された第１の窓および第２の窓と
を有し、
光ビームが前記第１の窓から入射し、前記第２の対向面の法線の第２の方向に沿って進みながら、前記第２の鏡および前記第１の鏡において交互に（ｍ−１）回の反射を繰り返し、前記第２の窓から前記材料の外へ光ビームが出射するまでに、前記第１の方向および前記第２の方向の両方に垂直であって、前記第２の対向面に平行な第３の方向に反射点を順次移動させながらジグザグ状に一連のｍ個の光路を形成し、該ｍ個の光路上を進みながら前記電界によって偏向を受けるよう構成された偏向素子を備え、
前記ｍ個の光路の内の１つの光路が前記第３の方向に進む移動距離をｃとするとき、前記第３の方向における前記第１の窓の中心位置および前記第２の窓の中心位置の間の距離は、ｍｃであり、
前記第３の方向における前記第１の窓の幅および前記第２の窓の幅は、それぞれ２ｃ以上であり、前記第３の方向における前記第１の窓にあたった前記光ビームの径は、２ｃ以下であって、
前記第１の窓へ入射する前記光ビームの半径をｂ、前記第２の対向面における前記光ビームの半径をａ、前記第３の方向における前記第１の窓の前記光ビームの位置をｙ0、前記第１の窓への前記光ビームの入射角をθ´、前記材料内における前記光ビームの入射角をθ、前記第１の窓の前記第３の方向の幅をｗ、前記材料の前記第２の方向における長さをｄ、前記材料の前記第３の方向における長さをｌ、前記材料の屈折率をｎ、前記材料の外部の屈折率をｎ´とするとき、
【数１】
0006294796.tif 000031
を満たし、前記光ビームの半径は、
【数２】
0006294796.tif 000032
を満たし、前記光ビームの位置ｙ0は、
【数３】
0006294796.tif 000033
を満たし、前記材料内における前記光ビームの入射角θは、
【数４】
0006294796.tif 000034
および
【数５】
0006294796.tif 000035
を同時に満たすことを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
前記偏向素子の前記第１の窓に入射した前記光ビームの、前記第３の方向におけるビーム径を変更する光学手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
【請求項３】
前記偏向素子の前記第２の窓から出射した光を透過し、前記偏向素子が持つレンズ効果を補償するよう構成されたレンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向器。
【請求項４】
前記偏向素子の前記第１の窓に入射する前の前記光ビームを透過し、前記偏向素子および前記レンズで組み合わされたレンズ効果を補償する第２のレンズをさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の光偏向器。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかの光偏向器をレーザ共振器の経路の中に含む波長掃引光源。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、光デバイスに関する。より詳細には、電気光学材料を使って、材料中の屈折率を変化させて光の進行方向を変える光偏向器に関する。
【０００２】
光学機器を使ったイメージング技術は、カメラやプリンタ、ファクシミリなどの民生用の電子機器だけでなく、医療分野にも広がっている。生体内部の断層を非侵襲的にイメージングするために、既に、Ｘ線を使用したＸ線撮影や超音波を使用した診断が広く利用されている。Ｘ線を使用した方法は、被爆の問題のため使用頻度や使用部位に大幅な制限があり、また、その分解能はフィルムの等倍撮影の分解能に制限される。超音波を使用した方法は、被爆の問題がないためＸ線のような使用の制限は無いが、分解能は通常１ｃｍ程度に過ぎない。したがって、細胞レベルサイズでのイメージングは不可能である。
【０００３】
医療現場では、生体表皮下の断層イメージをミクロンオーダーの分解能で生成することのできる新たな技術が望まれていた。これを実現する技術として、１９９０年代から開発が進められてきた光コヒーレントトモグラフィー（Optical Coherence Tomography：ＯＣＴ）が知られている。より高性能で低コストのＯＣＴを実現する要素技術の１つとして、小型で低コストの光偏向器の実現が必要とされている。光偏向器の従来技術を記載したものとしては、例えば、特許文献１および非特許文献１がある。
【０００４】
特許文献１には、電気光学効果を有する薄膜に、導波光と交叉する面内に櫛型電極による電圧印加機構を設け、電圧印加により導波路内に回折格子状の屈折率分布を形成し、この屈折率分布と導波光との相互作用によりブラッグ回折を起こさせることによって、光を偏向する偏向機構について記載されている。
【０００５】
また、特許文献１には、電気光学効果を有する薄膜にプリズム状の分極ドメイン反転部分を形成し、その分極ドメイン反転部分の上下に電極を設け、この電極に電圧を印加することによりその分極反転部分の屈折率を変化させることによって、プリズム状の分極ドメイン反転部分を通過する光の出射角度を変える光の偏向機構も記載されている。
【０００６】
さらに、薄膜表面に櫛形電極（トランスデューサ）を形成し、そのトランスデューサに高周波信号を印加して表面弾性波（ＳＡＷ）を励起し、導波路内に弾性波による回折格子状の屈折率分布を形成し、その屈折率分布と導波光との相互作用によりブラッグ回折を起こさせることによって、光を偏向する偏向機構も記載されている。
【０００７】
図１３は、非特許文献１の従来技術において屈折率が変化する材料を用いた偏向機構の動作概要を示す図である。図１３では、光ビーム１３０の進む方向（ｘ軸方向）に対して垂直方向（ｚ軸方向）に、屈折率が線形に変化する材料１０１を使った偏向機構が示されている。入射光１３０は、材料１０１の一端の窓１０３ａから入射し、材料１０１中でｚ方向に偏向を受けて、他端の窓１０３ｂから偏向光１３１として出射する。材料１０１は、材料に加えられる電界や応力等の物理量によって、ｚ軸方向に屈折率分布を変化させることができる材料である。材料に加えられる物理量によってその屈折率分布を制御することにより、窓１０３ｂから出射する光ビームの出射角度を制御する。
【０００８】
図１３において屈折率分布の変化が無い場合は、点線で示した光軸１３２に示すように窓１０３ａに入射した角度と同じ角度で、窓１０３ｂから偏向角０°で出射する。ｚ軸方向に屈折率分布の変化があれば、実線で示した光軸１３１のように、材料１０１の内部で徐々に光路の向きが変化し、窓１０３ｂからある偏向角で材料の外へ出射する。
【０００９】
材料１０１が電気光学効果を持っている場合は、２つの電極１０２ａ、１０２ｂ間に電圧を印加することによって材料１０１に電界を形成し、その電界によって材料１０１中に屈折率分布を形成する。電極１０２ａ、１０２ｂの間に印加する電圧を制御することによって、材料１０１中の電界の強度を制御し、屈折率分布を制御して、窓１０３ｂから出射する光ビームの偏向角が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−２３９７１７号公報  明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ivan P. Kaminow, “An Introduction to Electrooptic Devices,”１９７４年, Academic Press, pp.301-302
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、医療用のＯＣＴをはじめ光学機器には一般に小型化が望まれており、とりわけ電気光学効果を利用した偏向器にはより小型で低コストのものが求められていた。電気光学効果を有する材料は、印加電界に対する屈折率変化が小さいため、光偏向角を大きくするためには、材料中を通る光路長を長くする必要がある。したがって、光偏向器を構成する材料に大きなものが必要となっていた。さらに、材料のサイズが大きくなると、材料に電圧を印加するための電極面積が大きくなる。電極面積が大きいと電極間の静電容量が増え、電圧印加時の変位電流量が増える。結果として、光偏向器を駆動するための高周波電源により大きい容量のものが必要となり、光偏向器を含む装置が大型化して高価なものとなっていた。医療用のＯＣＴには可搬性と低コスト化が求められており、電気光学を用いた光偏向器には上述の大きさおよびコストの課題があった。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型で低コストの光偏向器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、材料の中に生じさせた屈折率分布によって光ビームを偏向させる光偏向器において、３組の平行な対向面を持ち、電気光学効果を有する材料からなる偏向素子であって、前記材料を挟み、第１の対向面の上にそれぞれ形成された２つの電極であって、当該２つの電極の間に形成された電界によって前記材料の中を伝搬する光に、前記第１の対向面の法線の第１の方向に偏向を生じさせる２つの電極と、前記材料を挟み、前記２つの電極に直交する第２の対向面の上の一部にそれぞれ形成された第１の鏡および第２の鏡と、前記第２の対向面の鏡が無い部分にそれぞれ形成された第１の窓および第２の窓とを有し、光ビームが前記第１の窓から入射し、前記第２の対向面の法線の第２の方向に沿って進みながら、前記第２の鏡および前記第１の鏡において交互に（ｍ−１）回の反射を繰り返し、前記第２の窓から前記材料の外へ光ビームが出射するまでに、前記第１の方向および前記第２の方向の両方に垂直であって、前記第２の対向面に平行な第３の方向に反射点を順次移動させながらジグザグ状に一連のｍ個の光路を形成し、該ｍ個の光路上を進みながら前記電界によって偏向を受けるよう構成された偏向素子を備え、前記ｍ個の光路の内の１つの光路が前記第３の方向に進む移動距離をｃとするとき、前記第３の方向における前記第１の窓の中心位置および前記第２の窓の中心位置の間の距離は、ｍｃであり、前記第３の方向における前記第１の窓の幅および前記第２の窓の幅は、それぞれ２ｃ以上であり、前記第３の方向における前記第１の窓にあたった前記光ビームの径は、２ｃ以下であって、前記第１の窓へ入射する前記光ビームの半径をｂ、前記第２の対向面における前記光ビームの半径をａ、前記第３の方向における前記第１の窓の前記光ビームの位置をｙ0、前記第１の窓への前記光ビームの入射角をθ´、前記材料内における前記光ビームの入射角をθ、前記第１の窓の前記第３の方向の幅をｗ、前記材料の前記第２の方向における長さをｄ、前記材料の前記第３の方向における長さをｌ、前記材料の屈折率をｎ、前記材料の外部の屈折率をｎ´とするとき、
0006294796.tif 000002
を満たし、前記光ビームの半径は、
0006294796.tif 000003
を満たし、前記光ビームの位置ｙ0は、
0006294796.tif 000004
を満たし、前記材料内における前記光ビームの入射角θは、
0006294796.tif 000005
および
0006294796.tif 000006
を同時に満たすことを特徴とする光偏向器である。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１の光偏向器であって、前記偏向素子の前記第１の窓に入射した前記光ビームの、前記第３の方向におけるビーム径を変更する光学手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光偏向器であって、前記偏向素子の前記第２の窓から出射した光を透過し、前記偏向素子が持つレンズ効果を補償するよう構成されたレンズをさらに備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項３の光偏向器であって、前記偏向素子の前記第１の窓に入射する前の前記光ビームを透過し、前記偏向素子および前記レンズで組み合わされたレンズ効果を補償する第２のレンズをさらに備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの光偏向器をレーザ共振器の経路の中に含む波長掃引光源である。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明をしたように、本発明の光偏向器では、電気光学効果を有する材料中を折り返し何度も光が通過するため、偏向角の大きさを維持したままで電気光学材料の大きさを小さくできる。これによって、光偏向器のサイズを小さくすることが可能となり、さらに電気光学材料を小さくできるため、材料に電圧を印加するための電極の面積を小さくできる。結果として、駆動用電源の電流容量を小さく抑えられるため、装置価格を抑えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施例１の光偏向器の構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１の光偏向器における偏向素子の構成を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１の光偏向器における偏向素子の偏向方向を含む面を見た光路を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施例１の光偏向器における偏向素子の偏向方向に垂直な面を見た光路を示す図である。
【図５】図５は、本発明の光偏向器における偏向素子の窓に入射する光ビームの様子を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の光偏向器において、限界条件における電気光学材料のサイズおよびビーム半径の関係の計算例をグラフで示した図である。
【図７】図７は、本発明の光偏向器における電気光学材料の形状の別の例を示した図である。
【図８】図８は、本発明の光偏向器を利用した実施例２の波長掃引光源の構成を示す図である。
【図９】図９は、本発明の光偏向器を利用した実施例３の波長掃引光源の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の光偏向器を利用した実施例４の波長掃引光源の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の光偏向器を利用した実施例５の波長掃引光源の構成を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の光偏向器を利用した実施例６の波長掃引光源の構成を示す図である。
【図１３】図１３は、従来技術において屈折率が変化する材料を用いた偏向機構の動作概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の光偏向器では、電気光学材料内の光進行方向および偏向方向の両方に垂直な方向において、偏向素子の電気光学材料の入射窓における光ビームの直径を、窓の幅ｗとほぼ同一となるように設定する。上述の光進行方向、偏向方向、および、窓の幅と光ビーム径を定義する方向は、直方体の形状の材料の場合の３辺に対応する。入射窓とビーム径のサイズを、電気光学材料のサイズの最小条件を実現できる。設定した入射光ビームの径サイズに適合させて、電気光学材料のサイズを最小化できることになる。さらに、本発明の光偏向器を使って、従来技術とくらべて小型化および低価格化を実現した波長掃引光源を構成することもできる。以下、本発明の光偏向器の動作原理および様々な実施例について図面を使って説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の実施例１の光偏向器の構成を示す図である。偏向器５００１は、ビーム径変更器５０３および偏向素子５０５から構成される。ビーム径変更器５０３は、図１に示した偏向方向および光ビーム５１０の進行方向の両方に垂直な方向のビーム径を変更するよう動作する。図１に示した例では、ビーム径変更器５０３から偏向素子５０５側のビーム５１１のビーム径は、その反対側のビーム５１０のビーム径と比べて、図面上で上下方向に相対的に小さくなっている。すなわち、偏向素子５０５に入射する光の、偏向方向および光の進行方向の両方に垂直な方向について、ビーム径を狭くしている。本発明の光偏向器における偏向素子５０５の動作について、以下さらに詳細に説明する。
【００２４】
図２は、本発明の実施例１の光偏向器における偏向素子の構成を示す図である。偏向素子５０５は、概ね直方体の電気光学材料１０１から構成されている。入射光１２は、電気光学材料１０１の図面上の奥下方の入出窓１０３ａから入射し、電気光学材料１０１の内部で複数回の反射を繰り返して、手前上方の入出窓１０３ｂから出射光１３として材料の外部へ出射する。電気光学材料１０１に対する座標軸を図２のように定義する。座標軸のｘｙ面に平行な電気光学材料１０１の対向する２面上には、電極１０２ａ、１０２ｂが形成されている。後述するようにこの２つの電極間に電圧を印加することによってｚ軸方向に偏向が生じる。
【００２５】
電気光学材料１０１の上述の電極構成面（ｘｙ面）に垂直であって、電気光学材料１０１のｙｚ面に平行な対向する２面上には、それぞれ、入出窓１０３ａおよび鏡１０４ａ、入出窓１０３ｂおよび鏡１０４ｂが形成される。それぞれの窓は、電気光学材料の面上の一部に鏡１０４ａ、１０４ｂを形成し、その鏡が無い部分によって形成される。図２に示したように、光ビーム１２は入出窓１０３ａに入射し、電気光学材料１０１の内部において２つの鏡１０４ａ、１０４ｂにおいて次々に反射する。電気光学材料１０１の中をｘ軸に沿って、ジグザグ状に破線の光路を往復しながら進み、入出窓１０３ｂから出射する。光は、電気光学材料１０１を進むうちにｙ軸方向にも進み、当然であるが、入出窓１０３ａ上の入射点と入出窓１０３ｂ上の出射点とは、ｙ軸上で異なる位置にある。したがって、一連のジグザグ光路を形成する、２つの鏡１０４ａ、１０４ｂ上の反射点の位置は、ｙ軸上を後に定義する一定の間隔ｃで順次移動して行く。
【００２６】
図２においては、図面が複雑になるのを避け説明を簡単にするために、ビームの径（太さ）は描かれておらず、光路はビームの中心を示している。また図２では、ｚ軸方向についての偏向角が０°の場合の光路を示している。したがって、２つの電極１０２ａ、１０２ｂ間に電圧が印加されれば、入射光は、ｘ軸に沿って前後にジグザグに進みながらｙ軸上の位置を変えてゆくと同時に、印加電圧値に応じてｚ軸方向のいずれかの方向（角度）に光路を曲げながら電気光学材料内を進むことになる。
【００２７】
以下の説明においては、電気光学材料の一方の入出窓または鏡から、もう一方の鏡または入出窓までの光路を１パスと数えることにする。したがって、１つの往復光路は２パス構成の光路となり、図２の一点鎖線で示した光路の場合は５パスの光路の構成となる。また、図１３に示した従来技術の偏向機構の構成例では１パスの光路の構成となる。光ビームの偏向は、図２に示すように、電極形成面（ｘｙ面）の法線方向となり、ｚ方向となる。
【００２８】
図３は、本発明の実施例１の光偏向器における偏向素子の偏向方向を含む面を見た光路を示す図である。図２に示した上方の視点から方向１０にｙ軸方向に沿って見た場合の、偏向素子５０５中のｘｚ面内における光ビームの光路を示したものである。実線の光路２１は、電極１０２ａ、１０２ｂ間に電圧が印加されており偏向角が０°ではない場合を示している。ｘ軸に沿って進む光ビームが鏡１０４ａ、１０４ｂにおいて次々に反射され、電気光学材料１０１の中を往復しながら徐々にｚ軸方向に偏向している様子が示されている。一点鎖線の光路２２は、偏向角０°の場合を示しており、図３に示した視点からでは、往復している光軸がすべて１つに重なって見えている。
【００２９】
図４は、本発明の実施例１の光偏向器における偏向素子の偏向方向に垂直な面を見た光路を示す図である。図２に示した手前の視点から方向１１をｚ軸方向に沿って見た場合の、偏向素子５０５中のｘｙ面内における光ビームの光路を示したものである。すなわち電極形成面（ｘｙ面）の法線方向に沿って見た図であって、鏡１０４ａ、１０４ｂで光ビームが反射され、材料１０１の中でｘ軸方向に沿って光が往復している様子が示されている。光はｘ軸方向に沿った往復するのと同時に、ｙ軸方向について徐々に光路を移動させることで、入出窓１０３ａから入出窓１０３ｂに向かうジグザグの光路が形成される。以下、図４に定義された各パラメータおよび光路に基づいて、電気光学材料のサイズおよび入出窓のサイズの関係について検討し、必要な偏向機能を実現する場合に電気光学材料のサイズを最小とすることができる条件を明らかにする。
【００３０】
図４を再び参照すると、電気光学材料１０１の幅をｌ（ｙ軸方向）、電気光学材料の進行方向に沿った長さである奥行をｄ（ｘ軸方向）、電気光学材料の入出窓１０３ａ、１０３ｂの幅をｗ（ｙ軸方向）、電気光学材料の端面部における入射窓および出射窓のマージンをそれぞれｅ（ｙ軸方向）、パス数をｍとする。図４に示したように概ね直方体の電気光学材料の各辺が座標軸に対応し、電気光学材料の奥行ｄの方向をｘ軸、幅ｌの方向をｙ軸、偏向方向をｚ軸としている。図４に示した電気光学材料の結晶内の光路の例においては、入射光は、材料１０１中で反射を繰り返してｘ軸に沿って２．５往復を進み、すなわち５パスの光路を経た後で材料から出射する。電気光学材料内で１つのパスを経る毎に、光はｙ軸上で図の上方に向かって一定距離ｃだけ進む。入射窓１０３ａにおける入射点と、出射窓１０３ｂにおける出射点との間のｙ軸上の距離、すなわちｙ軸上における２つの窓の距離ｗdは、ｍｃとなる。図４の場合は、パス数ｍ＝５なのでｗd＝５ｃとなる。したがって、窓のマージンｅ、電気光学材料の幅ｌ、パス数ｍ、１パスのｙ軸方向の光路移動距離ｃ等の間には、次の関係が成り立つ。
【００３１】
【数１】
0006294796.tif 000007
【００３２】
【数２】
0006294796.tif 000008
【００３３】
電気光学材料１０１内部の入射角（すなわち、鏡１０４ａ、鏡１０４ｂへの出入射角）θ、入出窓の幅ｗ、電気光学材料の幅ｌ、電気光学材料の奥行ｄ、窓のマージンｅの間には、以下の関係も成り立つ。
【００３４】
【数３】
0006294796.tif 000009
【００３５】
【数４】
0006294796.tif 000010
【００３６】
また、式（１）で定義した１パスの光路に対応するｙ軸上の光路移動距離ｃを用いると、式（３）、式（４）は次のようにも表される。
【００３７】
【数５】
0006294796.tif 000011
【００３８】
【数６】
0006294796.tif 000012
【００３９】
外部から電気光学材料への入射角θ’と、電気光学材料内における入射角θとの間は、スネルの法則によって以下のような関係がある。ここで、電光学材料の屈折率をｎ、電気光学材料外の屈折率をｎ’とする。
【００４０】
【数７】
0006294796.tif 000013
【００４１】
以上の各関係を踏まえて、電気光学材料のサイズ、すなわち、幅ｌ（ｙ軸方向）、奥行きｄ（ｘ軸方向）および厚さ（ｚ軸方向）の各大きさについて、ビーム径および入出窓の大きさとの関係からさらに検討する。
【００４２】
図５は、本発明の光偏向器における偏向素子の窓に入射する光ビームの様子を説明する図である。図４における入射側の窓１０３ａの近傍を拡大して示した図であって、座標軸の定義は図４と同一である。ここで、電気光学材料１０１の入出窓１０３ａ上における光ビーム半径（ｙ軸上）をａ、電気光学材料１０１の外における光ビーム半径をｂとすると、ａおよびｂの間には次式の関係がある。
【００４３】
【数８】
0006294796.tif 000014
【００４４】
光偏向器で通常使用される横モードが単一モードとなるレーザ光の場合、ビーム形状は楕円型のガウシアンビームに近いものとなる。ビーム径とは、楕円形のガウシアンビームを扱う場合は、パワー強度がピーク値に対して１／ｅ２ となる短径、長径を表す。
【００４５】
入射側の窓１０３ａの幅ｗの範囲内にまたは範囲いっぱいで光ビームを窓に入射する場合は、ｙ軸上のビーム半径ａ、マージンｅ、入射窓の幅ｗとの間に次式の関係が成り立つ。
【００４６】
【数９】
0006294796.tif 000015
【００４７】
式（９）で等号が成立する場合が、入射窓の幅ｗまたはビーム半径ａが限界値にある状態となる。
この限界値にある時、電気光学材料中の１パスの光路長Ｌは次式のようになる。
【００４８】
【数１０】
0006294796.tif 000016
【００４９】
式（３）、式（４）、式（７）〜（９）を使って、θ、θ’、窓の幅ｗを消去すると、以下の関係が導き出される。
【００５０】
【数１１】
0006294796.tif 000017
【００５１】
ここで、式（４）を使って式（１０）から、窓の幅ｗを消去すると、電気光学材料の奥行き長さｄは、以下のようになる。
【００５２】
【数１２】
0006294796.tif 000018
【００５３】
式（１１）に式（１２）で求めた奥行きｄを代入すると、さらに次式の関係が得られる。
【００５４】
【数１３】
0006294796.tif 000019
【００５５】
パスの数ｍ、マージンｅ、材料および外部の屈折率ｎ、ｎ’、１パスの光路長Ｌをそれぞれ定数として、式（１３）を使ってビーム半径ｂと電気光学材料の幅ｌとの間の関係を調べる。
【００５６】
式（１３）で詳細に検討する前に、まず簡易的に式（４）、式（８）、式（９）から、ビーム半径ｂおよび材料幅ｌの間の関係を概算してみると、以下の関係がある。
【００５７】
【数１４−１】
0006294796.tif 000020
【００５８】
式（１４−１）において、ｓｉｎθ’≒θ’となる領域ではｃｏｓθ’≒１となり、左辺のｂ／ｃｏｓθ’≒ｂとなる。したがって、式（１４−１）において等号が成り立つ場合、左辺のビーム半径ｂと右辺の電気光学材料の幅ｌとの間には、次式のように一次関数の関係がある。
【００５９】
【数１５−２】
0006294796.tif 000021
【００６０】
式（１４−２）が成り立つのは、窓１０３ａの幅ｗの範囲いっぱいに光ビームを入射する場合に相当する。式（１４−２）を参照すれば、電気光学材料の幅ｌは、光ビーム半径ｂを小さくするにしたがって、ほぼ一次関数的に小さくできる傾向にあることが予測できる。そこで次は、光偏向器で使用されている実用的な材料や構成を想定しながら、より詳細な式（１３）を使って電気光学材料の所要サイズについてさらに詳細に調べる。
【００６１】
一例として、電気光学材料としてタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）結晶を使う場合について検討する。ＫＴＮの屈折率はｎ＝２．２となり、電気光学材料の外側は空気として屈折率はｎ´＝１となる。鏡で反射を繰り返しながら電光学材料中をｘ軸に沿って往復して得られる光路のパス数ｍを５とする。また、計算を簡単化するために材料の幅方向（ｙ軸方向）の端面におけるマージンｅを０とする。電気光学材料中の光路長Ｌを２０ｍｍとした。光路長Ｌは光に偏向作用を与える距離を示しており、Ｌが一定であれば電気光学材料内の光に与える作用の量も一定となることを意味する。
【００６２】
図６は、本発明の光偏向器において、限界条件における電気光学材料のサイズおよびビーム半径の関係の計算例をグラフで示した図である。すなわち、入射側の窓１０３ａの幅ｗの範囲いっぱいで光ビームを窓に入射する場合が限界条件に対応し、式（１３）において両辺が等しいとして、各値を計算した結果をグラフに表したものである。式（１３）を等式において、ビーム半径ｂから電気光学材料の幅ｌ（ｙ軸方向）は解析的に計算できないので、ここでは、最適化法（２分法）を使ってビーム半径ｂおよび幅ｌを算出した。また、電気光学材料の奥行き長さｄ（ｘ軸方向）は式（１０）から算出した。図６のグラフの右側縦軸に示している面積ｓはｌｍｉｎｄ（ｍｍ２）であり、図２に示した電極１０３ａ、１０３ｂの面積に対応している。なお、この電気光学材料の幅の最小値ｌｍｉｎは、式（１３）を等式とおいた場合に求められる電気光学材料の幅ｌである。
【００６３】
図６のグラフの横軸には光ビーム半径ｂ（ｍｍ）を示しており、左側の縦軸はビーム半径ｂの値に応じて電気光学材料の実現できる幅の最小値下限ｌｍｉｎ（ｍｍ）および電気光学材料の奥行き長さｄ（ｍｍ）の長さを示している。前述のように右側の縦軸にはビーム半径ｂの値に応じた電極面積ｓ＝ｌｍｉｎｄを示している。
【００６４】
図６のグラフが示すように、ビーム半径ｂが小さくなるに従って電気光学材料の幅の最小値ｌｍｉｎが小さくなる一方で、材料の奥行きの長さｄは大きくなる。しかしながら、図６のグラフの曲線傾きからも明らかなように、電気光学材料の幅の最小値ｌｍｉｎが小さくなる比率に比べて、奥行き長さｄの大きくなる比率は遥かに小さい。このため、ビーム半径ｂを小さくすることによる電気光学材料の幅の最小値ｌｍｉｎの減少の寄与が大きく、ビーム半径ｂが小さくなるに従って、電気光学材料のｘｙ面に平行な面の大きさ、すなわち電極１０２ａ、１０２ｂの必要な面積sは小さくなる。
【００６５】
電気光学材料の厚さ（ｚ軸方向）は、偏向動作を行う際に電極１０２ａ、１０２ｂに光ビームが端部にぶつかって、ビームの「けられ」が生じるかどうかによって決まる。偏向角は、光に偏向を起こす作用長である光路長Ｌで決まるため、Ｌが一定値であることを想定する場合は、電気光学材料必要な厚さも一定となる。つまり、図６に示した、材料内の光路長Ｌが一定値である前提で計算を行っている場合は、電極面積sと電気光学材料の体積とは比例関係にある。図６に示したように、光ビーム半径ｂが小さいほど電気光学材料の電極の面積sを小さくできるため、電気光学材料の体積も同様に小さくできる。
【００６６】
図６に示したビーム半径ｂと、電気光学材料の幅ｌおよび奥行き長さｄとの関係から、ビーム径を窓の幅ｗの大きさいっぱいとなるように設定することで、偏向角の大きさを維持したまま、その電気光学材料の大きさを最小化することができる。光偏向器のサイズも小さくすることができる。また、偏向角の大きさを維持したままで、電気光学材料の面上に形成する電極面積（ｌminｄ）を小さくできる。これによって電極間の静電容量を小さくすることができるため、電気光学材料に電圧を印加する際の変位電流を小さく抑えられる。結果として、光偏向器を含む装置の電源の電流容量を小さく抑えられることになり、装置価格を抑えることができる。
【００６７】
図６に示した、式（１３）に基づいて計算を行う検討では入射角θに関する近似をしていないが、実際に使用する条件によっては、ｓｉｎθ’≒θ’となることがある。その場合には、式（１１）や式（１３）の近似式を求めて、その近似式からビーム半径ｂをパラメータとしてｌｍｉｎの近似解を求めることもできる。ここでは計算をより簡単にするため、マージンｅがほとんどない使用条件を想定して、ｅ＝０として計算する。
【００６８】
まず、窓の幅ｗを消去した後の式（１１）に関して、以下のように変形する。
【００６９】
【数１５】
0006294796.tif 000022
【００７０】
入射角θに関して、ｓｉｎθ’≒θ’、ｔａｎθ’≒θ’、ｃｏｓθ’≒１−θ’２／２、１／（１−θ’２/２)≒１＋θ’２／２が成り立つ領域であるとして、式（１５）を整理すると以下のようになる。
【００７１】
【数１６】
0006294796.tif 000023
【００７２】
式（１２）に示したように、電気光学材料の奥行き長さｄは、電気光学材料の幅ｌの関数となるため、式（１６）は幅ｌについての単純な２次式ではない。しかし、奥行き長さｄが幅ｌと同程度の長さであってパス数ｍが大きい場合は、｛ｌ−（ｗ＋ｅ）｝２＜＜（ｍｄ）２とみなせるので、式（１０）からＬ≒ｍｄとなり、奥行き長さｄをほぼ一定値とみなせる。奥行き長さｄを一定値みなして、式（１６）を幅ｌの２次方程式として扱うことにより、２次方程式の解の公式を用いて、電気光学材料の幅ｌをビーム半径ｂの関数として近似計算することが可能である。
【００７３】
具体的には式（１６）から、電気光学材料の幅ｌの最小値ｌｍｉｎは以下に示すようなビーム半径ｂの関数となる。ｌｍｉｎは式（１６）において等式が成り立つときの幅ｌの値であって、電気光学材料内の光進行方向（ｘ軸方向）および偏向方向（ｚ軸方向）の両方に垂直な方向（ｙ軸方向）の電気光学材料の幅ｌの最小値である。
【００７４】
【数１７】
0006294796.tif 000024
【００７５】
電気光学材料の奥行き長さｄを一定値とみなせない場合は、式（１５）の奥行き長さｄに、式（１２）で得られたｄを代入して整理すると、以下の式が得られる。
【００７６】
【数１８】
0006294796.tif 000025
【００７７】
式（１８）は電気光学材料の幅ｌについての３次方程式であるので、カルダノの公式を適用することにより、ビーム半径ｂの関数として電気光学材料の幅ｌを近似計算することができる。
【００７８】
図１および図２を再び参照すれば、本発明の光偏向器５００１では、電気光学材料内の光進行方向（ｘ軸方向）および偏向方向（ｚ軸方向）の両方に垂直な方向（ｙ軸方向）において、偏向素子５０５の電気光学材料の入射窓１０３ａにおける光ビームの直径（２ａに相当）を、窓の幅ｗとほぼ同一となるように設定することで、電気光学材料のサイズの最小条件を実現できる。言い換えると、設定した入射光ビームの半径サイズに適合させて、電気光学材料のサイズを最小化できることになる。他の実施例として後述するが、光偏向器内の同一の光路を往復して光ビームが通過するレーザ発振器等の構成にも利用するため、光偏向器の一方の窓におけるビーム半径の条件は、もう一方の窓におけるビーム半径の条件となる。したがって、電気光学材料の最小化条件を満たすときの電気光学材料および窓の構成は、図２において電気光学材料の中央付近を貫くｚ軸に平行な軸を中心にして回転対象な構成となる。
【００７９】
従って本発明の光偏向器は、電気光学効果を持つ材料１０１の中に形成された電界によって前記材料中に屈折率分布を生じさせ、前記屈折率分布によって前記材料中を透過する光ビームを偏向させる光偏向器において、電気光学効果を持ち、３組の対向面を有する材料からなる偏向素子５０５であって、前記材料１０１を挟み、平行な第１の対向面上にそれぞれ形成された２つの電極１０２ａ、１０２ｂであって、該電極間に形成された電界によって前記材料中を伝搬する光に、前記第１の対向面の第１の法線方向（ｚ軸：第１の方向）に偏向を生じさせる２つの電極１０２ａ、１０２ｂと、前記材料１０１を挟み、前記２つの電極に直交する、平行な第２の対向面上の一部にそれぞれ形成された第１の鏡１０４ａおよび第２の鏡１０４ｂと、前記第２の対向面の前記鏡が無い部分にそれぞれ形成され、前記第１の鏡と同一面上にある第１の窓１０３ａおよび前記第２の鏡と同一面上にある第２の窓１０３ｂとを含む偏向素子を備え、前記第１の窓１０３ａから光ビーム１２が入射して、前記第２の対向面の第２の法線方向（ｘ軸：第２の方向）に沿って進みながら、前記第２の鏡１０４ｂおよび前記第１の鏡１０４ａにおいて交互に（ｍ−１）回の反射を繰り返し、前記第２の窓１０３ｂから前記材料の外へ光ビーム１３が出射するまでに、前記第１の法線方向（ｚ軸）および前記第２の法線方向（ｘ軸）の両方に垂直であって、前記第２の対向面に平行な第３の方向（ｙ方向）に前記反射点を順次移動させながらジグザグ状にｍ個の一連の光路（ｍ個のパスに相当）を形成し、該ｍ個の光路上を進む光ビームが前記２つの電極１０２ａ、１０２ｂによって形成された前記電界によって偏向を受けるよう構成されている。
【００８０】
上述の図５において式（８）〜式（１８）では、ｙ軸上におけるビーム半径ａと電気光学材料の窓１０３ａの幅ｗに関して、ビーム径（２ａ）が窓の幅ｗと一致する限界状態のときに、そのビーム径（２ａ）を持つ光ビームを透過できる電気光学材料のサイズを最小化できるものとして、電気光学材料の幅ｌ、奥行き長さｄなどを求めた。これとは別に、式（１）で定義した１パスのｙ軸方向の光路移動距離ｃを用いても、電気光学材料のサイズとｙ軸上におけるビーム半径ａとの関係を記述することができる。
【００８１】
図４を再び参照すれば、電気光学材料内の光の進行方向すなわち窓１０３ａの法線方向（ｘ軸）および偏向方向（ｚ軸）の両方に垂直な方向（ｙ軸）についての、１パスの光路の間の移動距離をｃとする。パス数がｍのとき、ｙ軸上における２つの窓１０３ａ、１０３ｂの中心間の距離ｗｄ（窓の幅からマージンｅを除く）は、ｍｃとなる。この時同時に、ｙ軸上のビーム半径ａが光路の移動距離ｃに等しければ、窓の幅ｗ（マージンｅが０でなければｗ−ｅ）と入射ビームの直径（２ａ）とが一致し、そのビーム径に対応した最小の電気光学材料のサイズが決定される。この最小サイズの状態の時、電気光学材料の中で１パスの光路を経るごとに、鏡１０４ａ、１０４ｂ上の反射点の位置は、ｙ軸上でｃだけ移動して行く。ここで、材料内のビームの入射角度θ、電気光学材料の奥行き長さｄ、１パスの光路のｙ軸上の移動距離ｃが式（５）の関係を満たしていれば、電気光学材料の中で最も稠密に光路が形成され、窓の幅ｗに応じて設定されたビーム半径ａに対応した最小の電気光学材料のサイズの状態となっている。光偏向器としては、ｙ軸上のビーム半径を光路の移動距離ｃより小さくしても何ら問題ない。したがって、窓１０３ａの上におけるビームの直径は２ｃ以下であれば良い。
【００８２】
したがって、本発明の光偏向器は、前述の第１の法線方向（ｚ軸）および第２の法線方向（ｘ軸）の両方に垂直であって、第２の対向面に平行な第３の方向（ｙ方向）における、第１の窓１０３ａの中心位置および第２の窓１０３ｂの中心位置の間の距離（Ｗｄ）が、ｍ個の一連の光路の内の１つが前記第３の方向に進む移動距離をｃとするとき、ｍｃとなる。
【００８３】
好ましくは、前記第３の方向における前記第１の窓の幅および前記第２の窓の幅は、それぞれ２ｃ以上であって、前記第３の方向における前記第１の窓にあたった前記光ビームの径が、２ｃ以下であれば、ビーム径のサイズに対応した最小の電気光学材料で光偏向器を実現できることになる。
【００８４】
本発明の光偏向器の構成では、ビーム径変更器５０３を用いて光ビームを扁平な形状として短径のビーム径を短くしている。本発明の構成では、光ビームが通過する窓および鏡がそれぞれ同一のサイズの偏向素子５０５でも、偏向素子の傾き（入射角θ´）および第１の窓への入射位置を変えるだけで、１パス、３パス、５パス・・のように異なるパス数のジグザグ光路を実現ができるようになる。入射角θを、式（１）および式（５）を満たすように設定して、最大のｍパスを持つ、ジグザグ状のｍ個の一連の光路を形成することが可能であって、偏向角を最大にできる点に留意されたい。以下、同一のサイズの偏向素子５０５において最大のｍパスの光路を実現するための、ビーム半径ａ、第１の窓１０３ａへの入射位置（ｙ軸上）、および、第１の窓１０３ａへの（電気光学材料１０１内における）入射角θの条件について説明する。
【００８５】
第１の窓１０３ａへのｙ軸上の入射位置をｙ０とすると（図４の座標軸を参照）、第１の窓１０３ａでビームに「けられ」が生じないｙ０の範囲は次式によって表される。
【００８６】
【数１９】
0006294796.tif 000026
【００８７】
第１の窓１０３ａに入射した後、第１の鏡１０４ａ、第２の鏡１０４ｂを交互に合計ｍ回反射して第２の窓１０３ｂに到達したとき、第２の窓１０３ｂ上のビーム中心のｙ軸上の位置ｙｍは、ｙ０＋ｍｄ・ｔａｎθである。このとき、第２の鏡１０４ｂにおいて「けられ」が生じないためには、ｙｍ−ａ≧ｌ−ｗであることが必要である。また、このとき、第２の窓１０３ｂの鏡とは反対側の端部で「けられ」が生じないためには、ｙｍ＋ａ≦ｌであることが必要である。これらの条件から、第２の窓１０３ｂから出射するビームに第２の窓１０３ｂにおいて「けられ」が生じないようにするための、窓１０３ａにおける電光学材料１０１内のビーム入射角θ（または、第１の鏡１０４ａ、第２の鏡１０４ｂへのビーム入出射角θ）の範囲は、ｙｍを消去しｙ０を使って次式のように表される。
【００８８】
【数２０】
0006294796.tif 000027
【００８９】
一方、第１の窓１０３ａに入射した後、第２の鏡１０４ｂで１度反射したビームが第１の鏡１０４ａに最初に到達したビームの中心のｙ軸上の位置ｙ２は、ｙ０＋２ｄ・ｔａｎθである。このとき、第１の鏡１０４ａから外れて第１の窓１０３ａからビームが一部でも抜けて電気光学材料の外に出てしまわないためには、ｙ２−ａ≧ｗであることが必要である。
【００９０】
同様に、第１の窓１０３ａに入射した後、第１の鏡１０４ａ、第２の鏡１０４ｂを合計（ｍ−２）回反射して第２の鏡１０４ｂに到達したとき、第２の鏡１０４ｂ上のビーム中心のｙ軸上の位置ｙｍ−２は、ｙ０＋（ｍ−２）ｄ・ｔａｎθである。このとき、第２の窓１０３ｂからビームが一部でも抜けて電気光学材料の外に出てしまわないためには、ｙｍ−２＋ａ≦ｌ−ｗであることが必要である。これらの条件から、第１の鏡１０４ａ、第２の鏡１０４ｂへ達したビームが、それぞれ第１の窓１０３ａ、第２の窓１０３ｂから一部でも抜けていかないための、第１の窓１０３ａにおける電光学材料１０１内のビーム入射角θ（または、第１の鏡１０４ａ、第２の鏡１０４ｂへのビーム入出射角θ）の範囲は、ｙｍを消去しｙ０を使って次式のように表される。
【００９１】
【数２１】
0006294796.tif 000028
【００９２】
以上詳細に説明したように、ビーム半径ａ、第１の窓１０３ａへの入射位置ｙ０、第１の窓１０３ａへの（電気光学材料１０１内における）入射角θが式（１９）〜式（２１）を満たせば、同じサイズの偏向素子５０５において最大のｍパスを持つ一連のジグザグ光路を実現することができる。
【００９３】
電気光学材料１０１の傾き角度は第１の入射窓１０３ａへの外部からの入射角θ´によるが、電光学材料の屈折率をｎ、電気光学材料外の屈折率をｎ´とすると、θ´は式（７）でも示したスネルの法則に従って、以下のように算出できる。
【００９４】
【数２２】
0006294796.tif 000029
【００９５】
ここで、ｓｉｎ-1（・）はｓｉｎ（・）の逆関数である。上述のように、本発明の光偏向器では、偏向素子の傾き（入射角θ´）および第１の窓への入射位置を変えるだけで、１パス、３パス、５パス・・のように異なるパス数を持つ一連のジグザグ光路を実現ができるようになる。電気光学材料内における入射角θ´を、式（２２）を満たすように設定して、最大数のｍパスを持つ、ジグザグ状のｍ個の一連の光路を形成し、偏向角を最大にできる。
【００９６】
ここで、ビーム半径ａの大きさについては、以下のような効果にも留意されたい。式（１９）によれば、ビーム半径ａが短ければ入射位置ｙ０の範囲を広くできることから、ビーム半径ａを短く設定することで、入出窓１０３ａ、１０３ｂの位置マージンを大きくできる。これによって、電気光学材料１０１の位置決め精度を緩くすることが可能となり、その位置決め機構を安価に作製することが可能である。また、入出窓１０３ａ、１０３ｂの作成精度を緩くすることも可能となり、それにより、安価に電気光学材料１０１を作成することが可能となる。光偏向器の作製・組み立て時においても緩い精度で済む。
【００９７】
また、式（２０）、式（２１）によれば、ビーム半径ａを短くすることによって、ビームの入射窓への入射角θやθ’の範囲を広くできるので、光偏向器の角度マージンを大きくすることもできる。これによって、電気光学材料１０１の角度決め精度を緩くすることが可能となって、その角度決め機構を安価に作製することが可能となる。光偏向器の作製・組み立て時においても緩い精度で済む。
【００９８】
ビーム半径ａを短くすることは、光偏向器内に備えられたビーム径変更器５０３によって簡単に実現することできる。図１に示したようにビーム径を扁平にするビーム径変更器５１０を備えることによって、上述の光偏向器の各部および組み立てに必要な精度を緩和できる効果が生じる。
【００９９】
なお、光偏向素子５０５へ入射するビーム半径は式（８）から、次式のように計算される
【０１００】
【数２３】
0006294796.tif 000030
【０１０１】
電気光学材料としては、上記ＫＴＮの他、ＫＬＴＮ（Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））、ＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮという）、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＩＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｂａ１−ｘＳｒｘＴｉＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｂａ１−ｘＳｒｘＮｂ２Ｏ６（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ０．７５Ｂａ０．２５Ｎｂ２Ｏ６、Ｐｂ１−ｙＬａｙＴｉ１−ｘＺｒｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３-ＰｂＴｉＯ３、ＫＨ２ＰＯ４、ＫＤ２ＰＯ４（Ｄは重水素）、（ＮＨ４）Ｈ２ＰＯ４、ＢａＢ２Ｏ４、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯの電気光学材料が挙げられる。
【０１０２】
図２では、電気光学材料１０１を直方体形状のものとして表しているが、２つの電極１０２ａ、１０２ｂが平行で、２つの入出窓１０３ａ、１０３ｂが平行で、２つの鏡１０４ａ、１０４ｂが平行であれば、電気光学材料１０１の形状は直方体に限らない。
【０１０３】
図７は、本発明の光偏向器における電気光学材料の別の形状例を示した図である。図７に示したように、出入窓側の一辺の為す角度をπ／２−θとし、その辺に平行な隣り合う辺の為す角度をπ／２＋θとして、図２に示した手前の視点から方向１１をｚ軸方向に沿って見た場合の形が、平行四辺形となっても良い。すなわち、電気光学材料は底辺が平行四辺形の直角柱となっても良い。このような形状とした場合は、電気光学材料内を通過するビームを何ら遮ることなく、電極１０２ａ、１０２ｂの面積を小さくできる。この構成によって得られる効果は、上述の図２〜図５に示した直方体形状の電気光学材料の場合と全く同様である。
【０１０４】
したがって、本発明における電気光学材料は、電気光学効果を持ち、３組の対向面を有する材料１０１からなる光偏向素子であって、前記材料を挟み、平行な第１の対向面上にそれぞれ形成された２つの電極１０２ａ、１０２ｂであって、これらの電極間に形成された電界によって材料中を伝搬する光に、前記第１の対向面の第１の法線方向（ｚ軸）に偏向を生じさせる２つの電極と、前記材料を挟み、前記２つの電極に直交する、平行な第２の対向面上の一部にそれぞれ形成された第１の鏡１０４ａおよび第２の鏡１０４ｂと、前記第２の対向面の前記鏡が無い部分にそれぞれ形成され、前記第１の鏡と同一面上にある第１の窓１０３ａおよび前記第２の鏡と同一面上にある第２の窓１０３ｂとを含む光偏向素子を構成する。
【０１０５】
そして、偏向素子における光ビームの偏向は、前記第１の窓から光ビームが入射して、前記第２の対向面の第２の法線方向（ｘ方向）に沿って進みながら、前記第２の鏡および前記第１の鏡において交互に（ｍ−１）回の反射を繰り返し、前記第２の窓から前記材料の外へ光ビームが出射するまでに、前記第１の法線方向および前記第２の法線方向の両方に垂直であって、前記第２の対向面に平行な第３の方向（ｙ軸）に前記反射点を順次移動させながらジグザグ状にｍ個の一連の光路（ｍ個のパスに対応）を形成し、このｍ個の一連の光路上を進む光ビームが前記２つの電極によって形成された前記電界によって偏向を受けるよう動作する。
【０１０６】
以下では、実施例１の構成を持つ光偏向素子５０５を使用した様々な形態の光偏向器または光偏向器を含む光源、光発振器などの実施例を示す。いずれの実施例においても、電気光学材料のサイズを最小化し、電極面積を最小化した光偏向素子を利用することで、装置の小型化および低価格化を実現するものである。
【実施例２】
【０１０７】
図８は、本発明の光偏向器を利用した実施例２の波長掃引光源の構成を示す図である。実施例１において説明をした偏向器５００１を使って、波長掃引光源を構築している。光増幅器５０１から出射した光はコリメータ５０２によってコリメートされ、偏向器５００１に入射する。偏向器５００１は、ビーム径変更器５０３により偏向方向および光の進行方向の両方に垂直な方向に縮小したビームを出射し、偏向素子５０５に入射する。偏向素子５０５では図に示した方向に光を偏向し、偏向を受けた光が回折格子５０７に入射する。回折格子５０７は図中の回折格子上に記載した矢印８３の方向のＫベクトルを持ち、その方向８３は回折格子上の光の偏向方向と平行となっている。
【０１０８】
回折格子５０７から回折した光は鏡５０８に至り、鏡５０８に垂直に入射した波長の光のみが、上述の光増幅器５０１から鏡５８までと同じ経路を逆方向に通って、光増幅器５０１に戻る。光増幅器５０１に入射した光は、その入射した端面８１とは反対側の端面８２にコーティングされた鏡で反射され、再びコリメータ５０２を通って偏向器５００１へ出射される。従って、端面８２の鏡と鏡５０８との間に、光が行き来する往復光路が形成される。光増幅器５０１の端面に形成された鏡と鏡５０８の間がレーザ共振器となって、上述の光の行き来が繰り返されてレーザ発振に至る。
【０１０９】
光増幅器５０１として半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を使うことを想定すると、光増幅器５０１の端面８２に形成される鏡として劈開端面を用いることができる。この時の鏡の反射率は３０％程度とすることができる。また劈開端面８２に高反射膜（ＨＲコート）を設けることによって、任意の反射率（例えば９５％以上）を得ることもできる。半導体光増幅器５０１のもう一つの端面８１には、通常、反射を起こさないように無反射膜（ＡＲコート）を設ける。ビーム径変更器５０３によって縮小したビーム半径は、実施例１の光偏向器において図５で示したビーム半径ｂであり、実施例１における式（８）、式（９）の条件を満たす。尚、ビーム径変更器５０３は、光増幅器５０１から偏向素子５０５に向かっては、ビーム径を縮小し、偏向素子５０５から光増幅器５０１に向かっては、ビーム径を拡大するよう動作する点に留意されたい。従って、ビーム径変更器５０３は、ビーム径縮小器またはビーム径拡大器として動作する。
【０１１０】
光偏向器５００１によって光ビームを偏向させ、光偏向器５００１から回折格子５０７へ入射する光ビームの入射角を変化させることによって、図８のレーザ共振器でレーザ発振する波長を変化させることができる。したがって、光偏向器５００１から出射する光ビームの偏向角を、連続的かつ周期的に変化させることにより、レーザ共振器の発振波長を連続的かつ周期的に変化させることができる。このように連続的にレーザ発振波長を変化させることで、ＯＣＴの動作に利用される波長掃引が実現される。周期的に変化している波長の範囲の幅は掃引波長幅と呼ばれている。
【０１１１】
図８のレーザ共振器からの光の出力は、光増幅器５０１の端面８２に形成された鏡から、または、共振器の往復光路のもう１つの端にある鏡５０８をハーフミラーとしてそのハーフミラーから透過した光を取り出すことができる。光増幅器５０１の端面８２に形成された鏡から取り出す場合、反射率３０％の劈開端面を用いれば７０％の、反射率９５％のＨＲコートを用いれば５％の光を取り出すことができる。別法として、回折格子５０７から反射した０次光を利用することもできる。さらに、レーザ共振器の中の光路の途中にハーフミラーやビームスプリッタを挿入して光を取り出すこともできる。
【０１１２】
レーザ共振器のコヒーレンス長は回折格子５０７のＫベクトルの方向のビーム径の大きさに影響を受け、そのビーム径が大きいほどコヒーレンス長が長くなる傾向にある。本発明の光偏向器５００１の構成を用いれば、ビーム形状の縮小が回折格子のＫベクトルと垂直方向のみに限定され、Ｋベクトルの方向には縮小されない。このため、回折格子５０７による波長選択特性を犠牲にすることはない。また、偏向素子５０５を小型とすることができるため、レーザ共振器の装置全体をより小さくできる。
【実施例３】
【０１１３】
図９は、本発明の光偏向器を利用した実施例３の波長掃引光源の構成を示す図である。本実施例の波長掃引光源は、実施例２と類似の構成を持っているが、補償レンズ５０４、５０６をさらに備えている点で相違している。これは、偏向素子５０５に使用している電気光学材料１０１が、偏向のために印加した電界によって、凸レンズ効果を持っているためである。このような材料の例としては、上述したＫＴＮがある。ＫＴＮはｋｅｒｒ効果を持ち、結晶に印加した電界の２乗に比例して屈折率が変化する。このため、ＫＴＮ中の偏向方向（図８に示した偏向素子５０５の厚み方向）に、その強度が１次関数的に変化する電界をかけると、ＫＴＮはレンズ効果を持つようになる。
【０１１４】
ＫＴＮ結晶に電極１０２ａ、１０２ｂを通してＤＣまたは低周波の高電界を印加することによってＫＴＮ中に電子をほぼ一様にチャージすることができる。その電子によって上述の１次関数的に変化する内部電界を形成することができる。この内部電界が、ＫＴＮ中に凸レンズの効果を形成する。ＫＴＮに偏向動作をさせる場合は、電極１０２ａ、１０２ｂを通して高周波の電界（外部電界）を印加することにより、内部電界と外部電界の和の電界が形成される。外部電界はＫＴＮ中ではほぼ一様電界となるため、内部電界を偏向方向に平行移動させる動作をする。したがって、ＫＴＮ中に形成された凸レンズも、偏向方向に平行移動する。つまり、ＫＴＮ結晶中においては、電極１０２ａ、１０２ｂを通して印加した高周波電界により凸レンズを偏向方向に振動させて光を偏向することになる。
【０１１５】
本実施例の構成における補償レンズ５０４、５０６（凹レンズ）は、偏向素子５０５が持つ凸レンズ効果を補償して、回折格子５０７に入射する光を平行光にする機能を持っている。補償レンズを配置することによって、共振器が持つ波長選択性能を最大化し、その結果、レーザ共振器から出力される光のコヒーレンス長を最良化（最長化）することが可能となる。
【０１１６】
特に、補償レンズ５０４、５０６を、偏向素子５０５の前後に配置すると、補償レンズ５０４に入射したビーム径（回折格子のＫベクトル方向９１の径）を一旦拡げてから偏向素子５０５に入射することになる。光偏向器５００２へ入射したビーム径（回折格子のＫベクトル方向の径）と同じビーム径のビームを補償レンズ５０６から出射することが可能となる。共振器の波長選択性能を犠牲にすることがなく、レーザ共振器から出力される光のコヒーレンス長は、光偏向器５００２に入射したビーム径で実現できるものと同等のものが得られる。
【０１１７】
さらに、補償レンズ５０６は凹レンズであるため、偏向素子５０５で偏向される偏向角よりも大きな偏向角が補償レンズ５０６から得られる。これにより、回折格子５０７の刻線数や、偏向器に対する回折格子５０７の角度を適正に変えることにより、レーザ共振器から出力される光のコヒーレンス長を伸長したり、波長掃引幅を大きしたりできるなどの利点を得ることができる。
【実施例４】
【０１１８】
図１０は、本発明の光偏向器を利用した実施例４の波長掃引光源の構成を示す図である。本実施例の波長掃引光源は、実施例３と類似の構成を持っているが、ビーム径変更器５０３を持たない点で相違している。すなわち、実施例３において、コリメータ５０２から出射される光ビームがもともと扁平な形状を持っており、光偏向器５００３においてビーム径変更器５０３を必要としない構成例である。
【０１１９】
本実施例の波長掃引光源において、コリメータ５０２から出射される光ビームの径は、ビーム径変更器がない場合でも、偏向器５００３の偏向方向と光の進行方向の両方に垂直な方向に縮小している。その縮小したビーム半径は、実施例１の光偏向器において図５で示したビーム半径ｂであり、実施例１における式（８）、式（９）の条件を満たしている。
【０１２０】
光増幅器５０１からの出射ビームの形状をこのような扁平な形状の仕様にすることでビーム径変更器５０３を省略できるため、実施例３の波長掃引光源よりもさらに小型、低価格を実現できる。
【実施例５】
【０１２１】
図１１は、本発明の光偏向器を利用した実施例５の波長掃引光源の構成を示す図である。本実施例の波長掃引光源は、実施例３と類似の構成を持っているが、光偏向器５００４において一方の補償レンズ５０４を省き、１枚の補償レンズ５０６だけで偏向素子５０５のレンズ効果を補償している構成例である。回折格子５０７への入射光は実施例３の場合と同様に平行光となるため、凸レンズ効果を持つ偏向素子５０５と１枚の補償レンズ５０６という構成で、波長選択特性を最大化でき、その結果、コヒーレンス長の最良化が可能となる。
【０１２２】
本実施例では補償レンズが１枚となるので、補償レンズが２枚の実施例３の構成と比べて、共振器全体の組立調整がやりやすくなり、価格も抑えられる利点がある。回折格子５０７表面に入射する光ビームの、Ｋベクトル方向９３の径は、実施例３と比較して小さくなる。しかし、偏向素子５０５の凸レンズ効果のレンズパワーが実施例３の場合と同程度であれば、本実施例の補償レンズ５０６のレンズパワーは、実施例３の補償レンズ５０６よりも強くなる。したがって、補償レンズ５０６透過後の偏向角はレンズパワーにほぼ比例するので、実施例３と比べて偏向角が大きくなる。このことから、補償レンズ５０６から回折格子５０７への入射角が実施例３と同程度であれば、レーザ共振器の掃引波長幅がより大きくなる利点がある。
【０１２３】
また、回折格子５０７への入射角を大きくすると掃引波長幅が小さくなるので、掃引波長幅を実施例３と同程度にすれば、レーザ共振器から出力される光のコヒーレンス長が改善する。尚、掃引波長幅を同じにした場合であっても、実施例３と同じ程度のコヒーレンス長となるかどうかについては、偏向素子５０５と補償レンズ５０６の実際の特性に依存して決まることに留意されたい。
【実施例６】
【０１２４】
図１２は、本発明の光偏向器を利用した実施例６の波長掃引光源の構成を示す図である。実施例５の構成において、コリメータ５０２から出射される光ビームがもともと扁平な形状であって、補償レンズが１枚で済みさらにビーム径変更器５０３も必要としない場合の構成例である。コリメータ５０２から出射された光ビームの径は、ビーム径変更器がない場合でも、光偏向器５００５における偏向方向と光の進行方向の両方に垂直な方向にもともと縮小したものとなっている。縮小したビーム半径は、実施例１の光偏向器において図５で示したビーム半径ｂであり、実施例１における式（８）、式（９）の条件を満たしている。
【０１２５】
本実施例のように光増幅器５０１からの出射ビームの形状を扁平な形状の仕様にすることでビーム径変更器５０３を省略できるため、実施例５よりもさらに装置の小型化および低価格化が可能となる。
【０１２６】
以上、各実施例を通じて詳細に説明してきたように、本発明の光偏向器によって、電気光学効果を有する材料中を折り返し何度も光が通過するため、偏向角の大きさを維持したままで電気光学材料の大きさを小さくできる。光偏向器のサイズを小さくすることが可能となり、さらに電気光学材料を小さくできるため、材料に電圧を印加するための電極の面積を小さくできる。結果として、駆動用電源の電流容量を小さく抑えられるため、装置価格を抑えることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明は、一般的に光システムに利用することができる。特に、光学装置や医療用のＯＣＴなどにも利用できる。
【符号の説明】
【０１２８】
１０１  電気光学効果を有する材料
１０２ａ、１０２ｂ  電極
１０３ａ、１０３ｂ  入出窓
１０４ａ、１０４ｂ、５０８  鏡
５０１  光増幅器
５０２  コリメータ
５０３  ビーム径変更器
５０４、５０６  補償レンズ
５０５  偏向素子
５０７  回折格子
５００１〜５００５  光偏向器  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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