(57)【要約】【課題】光学素子の位置を微調整するための位置微調器具を用いずに外部共振器を作製することを可能にする。【解決手段】外部共振器半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子１４と、コリメートレンズ１６と、集光レンズ１８と、部分反射ミラー２０とを備え、半導体レーザ素子１４から出射されるレーザ光を半導体レーザ素子１４と部分反射ミラー２０との間で共振させると共に、共振するレーザ光の一部を部分反射ミラー２０を通して出力する。さらに、半導体レーザ素子１４、コリメートレンズ１６、集光レンズ１８、部分反射ミラー２０をそれぞれ固定的に保持する保持具２６，２８，３０，３２が設けられており、これら保持具が基板１２上に固定されている。【選択図】図１
2013219124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、コリメートレンズと、集光レンズと、部分反射ミラーとを備え、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を半導体レーザ素子と部分反射ミラーとの間で共振させると共に、共振するレーザ光の一部を部分反射ミラーを通して出力する外部共振器半導体レーザ装置であって、
前記半導体レーザ素子、前記コリメートレンズ、前記集光レンズ、前記部分反射ミラーをそれぞれ固定的に保持する保持具を備え、全ての前記保持具が基板上に固定されており、半導体レーザ素子から出射されコリメートレンズでコリメートされたレーザ光を集光レンズで再集光し、再集光されたレーザ光を前記部分反射ミラーで反射して前記半導体レーザ素子に戻すようになっていることを特徴とする外部共振器半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子への供給電流を制御する電流制御装置をさらに備え、前記供給電流の制御により出力光の周波数を変化させることができる、請求項１に記載の外部共振器半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記外部共振器半導体レーザ装置の温度を調節するための温度調節器をさらに備える、請求項１又は請求項２に記載の外部共振器半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記保持具の少なくとも一つが前記基板と一体的に形成されている、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の外部共振器半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記基板と一体的に形成されている保持具は、一つの材料からの切削により作製される、請求項４に記載の外部共振器半導体レーザ装置。
【請求項６】
波長を選択するためのバンドパスフィルタと、前記基板上に固定されており且つバンドバスフィルターを保持するバンドパスフィルタ保持具とをさらに備える、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の外部共振器半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記バンドパスフィルタは、光軸に対する角度が調整可能であるように前記バンドパスフィルタ保持具に保持されている、請求項６に記載の外部共振器半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部共振器を有する外部共振器半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ冷却に代表される、光を用いた原子の運動制御や原子分光のためには、光の周波数を原子の共鳴周波数に安定化させる必要がある。このような目的には、波長可変レーザの一種である外部共振器半導体レーザ（ECDL: External Cavity Diode Laser）がよく用いられる。
【０００３】
上記の目的で外部共振器半導体レーザ装置の中でも最も一般的に用いられているのが、特許文献１や非特許文献１に記載されているリトロー（Littrow）型配置の外部共振器半導体レーザ装置である。リトロー型配置の外部共振器半導体レーザ装置は、図３に示されているように、半導体レーザ素子ＬＤと、コリメートレンズＣＬと、回折格子とを備え、半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザ光を回折格子に入射させ回折格子の一次回折光を直接的に半導体レーザ素子ＬＤ内部に戻すことによって半導体レーザ素子ＬＤと回折格子との間に外部発振器を構成し、回折格子を回転させることによって共振器長を変え、周波数を変化させるようになっている。出力光としては、回折格子の０次の反射光が取り出される。類似の構成で、リットマン（Littman）型配置の外部共振器半導体レーザ装置もある。リットマン型配置の外部共振器半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を回折格子に入射させ回折格子の一次回折光をミラーによって半導体レーザ素子内部に戻す点がリトロー型配置と異なっている。
【０００４】
また、非特許文献２に記載されているように、いわゆる「キャッツアイ（cat's eye）配置」を採用した外部共振器半導体レーザ装置もある。キャッツアイ配置の外部共振器半導体型レーザ装置は、図４に示されているように、半導体レーザ素子ＬＤと、コリメートレンズＣＬと、バンドパスフィルタＢＰＦと、集光レンズＦＬと、部分反射ミラーＰＭとを備え、バンドパスフィルタＢＰＦを用いて波長選択をしつつ、半導体レーザ素子ＬＤからのレーザ光をコリメートレンズＣＬ及び集光レンズＦＬを用いてコリメート及び集光して部分反射ミラーＰＭに照射し、反射光を再び半導体レーザ素子ＬＤ内部に戻すことによって半導体レーザ素子ＬＤと部分反射ミラーＰＭとの間に外部共振器を構成する。そして、部分反射ミラーを透過するレーザ光の一部が出力光として取り出される。
【０００５】
光を用いた原子の運動制御や原子分光の目的で上述したような従来の外部共振器半導体レーザを用いる場合、通常、微調ネジを用いて共振器長を調整して光の周波数を原子の共鳴周波数付近まで近づけ、さらにピエゾ素子を用いて共振器長をより精密に微調整し、原子の共鳴周波数に合わせる。温度変化や経年変化によって共振器長が変化するため、光の周波数は次第に原子の共鳴周波数からずれていくが、ピエゾ素子に原子の共鳴周波数からのずれを示す信号（エラー信号）をフィードバックすることにより、光の周波数を原子の共鳴周波数に安定化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７９５５００号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】L.Ricci et al., "A compact grating-stabilized diode laser system for atomicphysics", Optics Communications 117, 541-549 (1195)
【非特許文献２】X.Baillard et al., "Interference-filter-stabilized external-cavity diodelasers", Optics Communications 266, 609-613 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
外部共振器半導体レーザ装置では、共振器長の変化に伴い、出力されるレーザ光の周波数が敏感に変化する。さらに、振動などの影響で光学系のアライメントが狂ってレーザ光が半導体レーザ素子に戻らなくなると、外部共振が得られなくなり、モードホップ（周波数が離散的に変化すること）が起こる。
【０００９】
調整ネジやピエゾ素子などの位置微調器具は光の周波数のチューニングに便利であるが、これらを装置に備えることにより、外部共振器の構成が機械的に不安定になるという欠点が生じる。こうした不安定性があると、外部から機械的振動を受けることにより、外部共振器に含まれる光学素子のアライメントに狂いが生じ、レーザ光が半導体レーザ素子に戻らなくなると外部共振が得られなくなって、縦モードのホップが起き、出力光の周波数が原子の共鳴周波数から外れてしまう。
【００１０】
通常の外部共振器半導体レーザでは、モードホップの発生頻度はせいぜい数時間に１回程度であり、専門の研究者がいれば復旧も容易であるため、研究室での実験ではモードホップによる被害はそれほど大きくはない。しかしながら、原子泉方式の一次周波数標準器を運用する場合、昼夜を含めた一ヶ月程度の期間運転し続けるため、モードホップを極力減らす必要がある。また、次世代の一次周波数標準器として期待されている光格子時計を運用する場合でも、モードホップは運転を停止させてしまう要因の一つとなる。さらに、光による原子の運動制御や原子分光を応用した製品が販売されたとき、モードホップの頻度が高いと商品としての魅力を損ねてしまうと考えられる。
【００１１】
モードホップの頻度を減らすためには、位置微調器具を用いない外部共振器半導体レーザを使用することが有効であると考えられる。しかしながら、外部共振器を構成するためには、使用する光学素子について精密なアライメントをとってミクロンサイズの半導体レーザ素子に光を戻す必要があるため、実際には位置微調整器具を使用せずに外部共振器半導体レーザを作製することは難しい。また、外部共振器半導体レーザの構成部品又はそのジグの設置場所を位置微調器具を用いて調整してから接着剤で基板に固定し、その後、位置微調器具を取り外せば、位置微調器具のない外部共振器を作ることは可能であろうが、部品やジグが基板と接触しない状態で接着剤のみで固着することになるため、やはり機械的な不安定性を生むことになる。
【００１２】
よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解決して、光学素子の位置を微調整するための位置微調器具を用いずに外部共振器を作製することを可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的に鑑み、本発明は、半導体レーザ素子と、コリメートレンズと、集光レンズと、部分反射ミラーとを備え、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を半導体レーザ素子と部分反射ミラーとの間で共振させると共に、共振するレーザ光の一部を部分反射ミラーを通して出力する外部共振器半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザ素子、前記コリメートレンズ、前記集光レンズ、前記部分反射ミラーをそれぞれ固定的に保持する保持具を備え、全ての前記保持具が共通の基板上に固定されており、半導体レーザ素子から出射されコリメートレンズでコリメートされたレーザ光を集光レンズで再集光し、再集光されたレーザ光を前記部分反射ミラーで反射して前記半導体レーザ素子に戻すようになっている外部共振器半導体レーザ装置を提供する。
【００１４】
上記外部共振器半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子、コリメートレンズ、集光レンズ、部分反射ミラーといった光学素子が、半導体レーザ素子から出射されコリメートレンズでコリメートされたレーザ光を集光レンズで再集光し、再集光されたレーザ光を前記部分反射ミラーで反射して前記半導体レーザ素子に戻すように配置される、いわゆる「キャッツアイ配置」を採用しているので、一般的に使用される回折格子を用いたリトロー配置やリットマン配置の外部共振器半導体レーザ装置に比べて、光学素子のアライメント（特に光軸方向に垂直な方向のアライメント）の精度に鈍感になり、光学素子のアライメントを精密に調整しなくても、半導体レーザ素子から出射され部分反射ミラーで反射されたレーザ光を半導体レーザ素子の内部に戻すことができ、位置微調器具を設ける必要性を低減させることが可能となる。さらに、半導体レーザ素子、コリメートレンズ、集光レンズ、部分反射ミラーが、共通の基板上に固定されている保持具に固定的に保持されるので、位置微調器具を用いなくても、半導体レーザ素子から出射されコリメートレンズでコリメートされたレーザ光を集光レンズで再集光し、再集光されたレーザ光を前記部分反射ミラーで反射して前記半導体レーザ素子に戻すように、半導体レーザ素子、コリメートレンズ、集光レンズ、部分反射ミラーを位置決めして固定することができる。
【００１５】
上記外部共振器半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子への供給電流を制御する電流制御装置をさらに備え、前記供給電流の制御により出力光の周波数を変化させることができるようになっていることが好ましい。また、前記外部共振器半導体レーザ装置の温度を調節するための温度調節器をさらに備えることが好ましい。半導体レーザ装置への供給電流を変化させることにより出射されるレーザ光の周波数を連続的に変化させたり、外部共振器半導体レーザ装置の温度変化による基板の熱変形で半導体レーザ素子と部分反射ミラーとの距離を変化させることができるので、位置調整装置を用いて機械的に共振器長を変えなくても、周波数のチューニングを行うことが可能になる。
【００１６】
また、上記外部共振器半導体レーザ装置では、前記保持具の少なくとも一つが前記基板と一体的に形成されていることが好ましく、前記基板と一体的に形成されている保持具は、一つの材料から切削により作製されることがさらに好ましい。このように、保持具が基板と一体的に形成されていれば、保持具を接着剤等を用いて基板に固定するよりも、機械的な安定性が高まる。
【００１７】
外部共振器半導体レーザ装置は、波長を選択するためのバンドパスフィルタと、前記基板上に固定されており且つバンドバスフィルターを保持するバンドパスフィルタ保持具とをさらに備えていてもよい。この場合、前記バンドパスフィルタは、光軸に対する角度が調整可能であるように前記バンドパスフィルタ保持具に保持されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の外部共振器半導体レーザ装置によれば、キャッツアイ配置を採用しているので、光軸に対して垂直方向の光学素子の位置及び部分反射ミラーの角度の許容範囲を通常の機械加工の精度で十分に満たすことができ、位置調整すべきなのはコリメートレンズ及び集光レンズの光軸方向の位置（バンドパスフィルタを用いる場合、加えて、光軸に対するバンドパスフィルタの角度）のみで、高精度な微調ネジなどによらない粗い調整で十分となる。したがって、光学素子のアライメントを精密に調整しなくても、半導体レーザ素子から出射され部分反射ミラーで反射されたレーザ光を半導体レーザ素子の内部に戻すことができ、位置微調器具を設ける必要性を低減させることが可能となる。さらに、共通の基板上に固定されている保持具を用いているので、位置微調器具を設けなくても、半導体レーザ素子、コリメートレンズ、集光レンズ、部分反射ミラーを保持具に固定的に保持すれば、レーザ光を半導体レーザ素子内に戻すことができる程度の精度で所定の位置に固定することができる。したがって、位置微調器具を設ける必要がないので、機械的な振動に強い外部共振器半導体レーザ装置を実現でき、モードホップの発生頻度を低くして、出力光の周波数を安定化させることができる。また、位置微調器具が必要ないので、装置全体をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による外部共振器半導体レーザ装置の一実施形態の模式図である。
【図２】「キャッツアイ（cat's eye）配置」における光軸の軌跡の一例を示した説明図である。
【図３】従来のリトロー（Littrow）配置の外部共振器半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。
【図４】従来のキャッツアイ（cat's eye）配置の外部共振器半導体レーザ装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明による外部共振器半導体レーザ装置を説明する。
最初に、図１を参照して、本発明による外部共振器半導体レーザ装置１０の全体構成を説明する。図１は、本発明による外部共振器半導体レーザ装置の一実施形態の模式図であり、（ａ）は外部共振器半導体レーザ装置で用いられる基板と一体的に設けられた保持具を側方から見た図、（ｂ）は各保持具に半導体レーザ素子、コリメートレンズ、集光レンズ及び部分反射ミラーを取り付けた状態の外部共振器半導体レーザ装置を側方から見た図、（ｃ）はさらにバンドパスフィルタを取り付けたバンドパスフィルタ保持具を導入した状態の外部共振器半導体レーザ装置を側方から見た図である。
【００２１】
外部共振器半導体レーザ装置１０は、基板１２と、半導体レーザ素子１４と、コリメートレンズ１６と、集光レンズ１８と、部分反射ミラー２０と、バンドパスフィルタ２２とを備える。
【００２２】
部分反射ミラー２０は、入射する光の一部を透過させて外部に出力させることができる一方、残りの光を反射する。バンドパスフィルタ２２は、所定の範囲の周波数を選択的に透過させることができ、光軸に対する角度を変化させることによって透過させる光の波長を調整するとともに出力光の縦モード（周波数）を単一にする機能を果たすが、必須の構成要素ではなく、省略することも可能である。
【００２３】
コリメートレンズ１６は焦点位置から出射された光を平行光に調整する機能を果たす一方、集光レンズ１８は焦点位置に光を集光する機能を果たす。半導体レーザ素子１４はコリメートレンズ１６の焦点位置に配置されると共に、部分反射ミラー２０は集光レンズ１８の焦点位置に配置され、半導体レーザ素子１４から出射されたレーザ光がコリメートレンズ１６を通ることによって平行光にされた後、集光レンズ１８を通ることによって部分反射ミラー２０上に集光され、部分反射ミラー２０で反射される。反射ミラー２０の反射光は、集光レンズ１８を通ることによって平行光にされた後、コリメートレンズ１６を通ることによって集光され、コリメートレンズ１６の焦点位置に配置された半導体レーザ素子１４の内部に戻される。こうして、半導体レーザ素子１４と部分反射ミラー２０との間で共振器が構成される。
【００２４】
半導体レーザ素子１４、コリメートレンズ１６、バンドパスフィルタ２２、集光レンズ１８、部分反射ミラー２０は、この順序で光軸上に配置されており、半導体レーザ素子１４から出射されたレーザ光がコリメートレンズ１６でコリメートされた後に集光レンズ１８で再集光されて部分反射ミラー２０で反射され半導体レーザ素子１４の内部に戻されるように、それぞれ、基板１２上の所定の位置に固定されている。すなわち、半導体レーザ素子１４、コリメータレンズ１６、集光レンズ１８、部分反射ミラー２０は、いわゆる「キャッツアイ（cat's eye）配置」になっている。
【００２５】
図２はキャッツアイ配置における光軸の軌跡の一例を示した説明図である。図２中に示されている黒丸３６，３８はレンズの中心を示している。また、半導体レーザ素子１４から延びる実線で示した直線４０は半導体レーザ素子１４からの出力ビームの中心軸線を示し、一方の点線４２は半導体レーザ素子１４の出力端とコリメートレンズ１６の中心とを結ぶ直線であり、他方の点線４４はこれと平行かつ集光レンズ１８の中心を通る直線である。コリメートレンズ１６と集光レンズ１８との間の光軸はこれら点線４２，４４と平行であり、集光レンズ１８の焦点は点線４４上に位置する。
【００２６】
図２に示されているように、キャッツアイ配置では、レーザ光がコリメートレンズ１６、集光レンズ１８、部分反射ミラー２０の有効径内に入る範囲であれば、光軸に対して垂直な方向に関するコリメートレンズ１６や集光レンズ１８の位置や、部分反射ミラー２０の角度がずれていても、半導体レーザ素子１４に戻ってくる。すなわち、キャッツアイ配置は、リトロー配置やリットマン配置と比べて、半導体レーザ素子１４、コリメートレンズ１６、集光レンズ１８、部分反射ミラー２０といった光学素子のアライメント（特に光軸に対して垂直な方向の位置）の精度に鈍感で、これらの光学素子はほぼ光軸上に配置されていればよい。一方で、キャッツアイ配置では、コリメートレンズ１６の焦点位置に半導体レーザ素子１４の出力端が配置され且つ集光レンズ１８の焦点位置に部分反射ミラー２０の反射面が配置されることが重要となる。
【００２７】
外部共振器半導体レーザ装置１０は、温度調節器２３と、電流制御装置２４とをさらに備えることが好ましい。温度調節器２３は、例えば基板１２の下に設置され、外部共振器半導体レーザ１０の温度を調節する。また、電流制御装置２４は、半導体レーザ素子１４に供給する電流を制御する。温度調節器２３を備えていれば、外部共振器半導体レーザ装置１０、特にその基板１２の温度を設定温度に保ち、基板１２の熱変形による共振器長の変化を抑制することができる。さらに、後述するように、設定温度を変化させることにより、共振器長、すなわち半導体レーザ素子１４と部分反射ミラー２０との間の距離を微調整することも可能になる。また、電流制御装置２４を備えていれば、半導体レーザ素子１４に供給する電流を制御することによって、半導体レーザ素子１４が生成するレーザ光の周波数を連続的に変化させることができる。
【００２８】
さらに、外部共振器半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子保持具２６と、コリメートレンズ保持具２８と、集光レンズ保持具３０と、部分反射ミラー保持具３２と、バンドパスフィルタ保持具３４とを備え、これらは何れも基板１２上に固定されて、基板１２と一体化されている。半導体レーザ素子保持具２６と部分反射ミラー保持具３２とは、それぞれ、光軸上に半導体レーザ素子１４と部分反射ミラー２０を固定的に保持し、半導体レーザ素子１４と部分反射ミラー２０とを所定の位置に配置させる。半導体レーザ素子１４と部分反射ミラー２０との間の距離が所望の周波数のレーザ光を得るための共振器長となるようにするための微調整は、例えば、温度調節器２３を用いて、半導体レーザ素子１４を保持する半導体レーザ素子保持具２６と部分反射ミラー２０を保持する部分反射ミラー保持具３２とが固定されている基板１２の温度を変化させ、基板１２を熱変形させることによって行えばよい。また、コリメートレンズ保持具２８はコリメートレンズ１６を固定的に保持し、半導体レーザ素子１４がコリメートレンズ１６の焦点位置に配置されるように半導体レーザ素子１４に対するコリメートレンズ１６の相対位置を固定する。さらに、集光レンズ保持具３０は半導体レーザ素子１４の光軸上に集光レンズ１８を固定的に保持し、部分反射ミラー２０が集光レンズ１８の焦点位置に配置されるように部分反射ミラー２０に対する集光レンズ１８の相対位置を固定する。
【００２９】
一方、バンドパスフィルタ保持具３４は半導体レーザ素子１４の光軸上でコリメートレンズ１６と集光レンズ１８との間にバンドパスフィルタ２２を保持するが、バンドパスフィルタ２２は、バンドパスフィルタ保持具３４に対して固定的に保持されていてもよく、光軸に対する角度が調整可能であるように保持されていてもよい。所望の波長を選択できるように光軸に対するバンドパスフィルタ２２の角度を調整した後に接着剤等でバンドパスフィルタ２２をバンドパスフィルタ保持具３４に固定すれば、全ての光学素子が極めて安定的に固定された外部共振器半導体レーザ装置１０を作成することができる。また、光軸に対するバンドパスフィルタ２２の角度調整が可能である状態のままバンドパスフィルタ２２をバンドパスフィルタ保持具３４に保持しておけば、バンドパスフィルタ２２の角度調整によって出力光の波長を広範囲にスキャンできるようにすることができる。
【００３０】
基板１２と一体化された半導体レーザ素子保持具２６、コリメートレンズ保持具２８、集光レンズ保持具３０、部分反射ミラー保持具３２、バンドパスフィルタ保持具３４は、例えば、少なくともその一つが基板と同じ材料から切削加工や研削加工によって作製されてもよく、成型加工などによって基板１２と一体的に成形してもよい。また、基板１２上で、半導体レーザ素子保持具２６、コリメートレンズ保持具２８、集光レンズ保持具３０、部分反射ミラー保持具３２、バンドパスフィルタ保持具３４を上述した所定位置に配置した後に、接着剤などによって基板１２上に固定するようにしてもよい。
【００３１】
このように、本発明の外部共振器半導体レーザ装置１０では、半導体レーザ素子１４、コリメートレンズ１６、集光レンズ１８、部分反射ミラー２０といった光学素子がキャッツアイ配置をとっているので、アライメントの精度に鈍感で、位置微調器具の必要性が低くなっており、光軸に対して垂直な方向における光学素子の位置及び部分反射ミラーの角度は半導体レーザ保持具２６、コリメートレンズ保持具２８、集光レンズ保持具３０、部分反射ミラー保持具３２の機械加工精度程度（±０.１ｍｍ程度）で十分となる。したがって、基板１２上の所定の位置に固定されている半導体レーザ素子保持具２６、コリメートレンズ保持具２８、集光レンズ保持具３０及び部分反射ミラー保持具３２にそれぞれ半導体レーザ素子１４、コリメートレンズ１６、集光レンズ１８及び部分反射ミラー２０を固定的に保持すれば、半導体レーザ素子１４から出射されたレーザ光を部分反射ミラー２０で反射して再び半導体レーザ素子１４に戻すことが可能となる。
【００３２】
さらに、一般的に、外部共振器半導体レーザ装置では、光学素子の位置変動などによる共振器長の変化に伴って出力されるレーザの周波数が敏感に変化する。また、振動などの影響で光学系のアライメントが狂って半導体レーザ素子に戻らなくなると外部共振が得られなくなり、モードホップが起こる。これに対し、本発明の外部共振器半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子１４、コリメートレンズ１６、集光レンズ１８、部分反射ミラー２０が、それぞれ、半導体レーザ素子保持具２６、コリメートレンズ保持具２８、集光レンズ保持具３０、部分反射ミラー保持具３２に固定的に保持されており、光軸上の位置を微調整するための位置微調器具が設けられていないので、光学素子の位置変動を起こしにくく且つ機械的な振動に強く、安定性が極めて高くなる。したがって、モードホップの発生頻度の減少が期待され、出力レーザの周波数の安定に非常に有利である。
【００３３】
その一方で、外部共振器半導体レーザ装置１０は、コリメートレンズ１６、集光レンズ１８、部分反射ミラー２０などのための位置微調器具を備えないので、共振器長を機械的に変えることによる周波数チューニングができなくなるが、温度調節器２３や電流制御装置２４を備えていれば、温度調節器２３の設定温度を変化させることによる基板１２の熱変形を利用して共振器長を調整したり、電流制御装置２４を用いて半導体レーザ素子１４への供給電流を変化させることにより生成するレーザ光の周波数を連続的に変化させることができることを利用して、出力レーザ光の周波数をチューニングすることができる。また、温度調節器２３の設定温度を一定に保ちつつ、設定周波数からずれを示すエラー信号を電流制御装置２４にフィードバックすれば、外部共振器半導体レーザ装置１０の出力レーザ光の周波数を原子の共鳴周波数にロックすることができる。
【実施例】
【００３４】
図１に示されている構成に従って、セシウム原子のＤ２線（共鳴波長：約８５２ｎｍ）に共鳴する外部共振器半導体レーザ装置１０を作製した。半導体レーザ素子１４としてはＳＤＬ−５４２２（中心波長８５３ｎｍ）を使用し、部分反射ミラー２０は反射率３０％で有効径９.００ｍｍのものを使用した。また、コリメートレンズ１６は、焦点距離４．５ｍｍ、有効径４．９５ｍｍで、ピッチ０.５ｍｍのＭ９の雄ネジを有するマウントに取り付けられているものを使用し、集光レンズは、焦点距離１８.４ｍｍ、有効径５.５０ｍｍで、ピッチ０.５ｍｍのＭ９の雄ネジを有するマウントに取り付けられているものを使用した。さらに、バンドパスフィルタ２２としては、サイズが５ｍｍ×５ｍｍの正方形であり、セシウム原子の共鳴波長における透過率が入射角約６°で最大となるバンド幅０．３ｎｍのものを使用した。
【００３５】
まず、図１（ａ）に示されているような、半導体レーザ素子保持具２６、コリメートレンズ保持具２８、集光レンズ保持具３０及び部分反射ミラー保持具３２と一体化された基板１２を作製し、図１（ｂ）に示されているように、半導体レーザ素子保持具２６に半導体レーザ素子１４を固定すると共に、部分反射ミラー保持具２６に部分反射ミラー２０を固定する。ここで、共振器長は４０ｍｍとした。共振器長の半導体レーザ素子保持具２６には、筒状の半導体レーザ素子嵌合穴が形成されており、半導体レーザ１４を半導体レーザ嵌合穴に嵌合させることにより半導体レーザ１４を基板１２上の半導体レーザ素子保持具２６に固定的に保持した。最適な共振器長を得るための半導体レーザ素子１４及び半導体レーザ素子保持具２６と部分反射ミラー２０及び部分反射ミラー保持具２６の位置の微調整は、温度調節器２３を用いた基板１２の温度調整による基板１２の熱変形を利用して行った。また、コリメートレンズ保持具２８及び集光レンズ保持具３０には、ピッチ０.５ｍｍのＭ９のネジ穴が形成されており、コリメートレンズ１６及び集光レンズ１８のマウントをそれぞれコリメートレンズ保持具２８及び集光レンズ保持具３０のネジ穴に螺合させることにより基板１２上に設置した。したがって、コリメートレンズ１６及び集光レンズ１８の位置は光軸に対して垂直な方向に関しては調整できないが、光軸方向にはネジによって調節可能となっており、最適な外部共振が得られるようにコリメートレンズ１６及び集光レンズ１８の光軸方向の位置を調整した後、コリメートレンズ１６及び集光レンズ１８をそれぞれ基板１２上のコリメートレンズ保持具２８及び集光レンズ保持具３０に接着剤で固定した。接着剤で固定するのは、ネジの回転による位置ズレを防ぐためである。なお、本実施例では、図１（ａ）に示されているように、半導体レーザ素子保持具２６とコリメートレンズ保持具２８とが一体的に形成されていると共に、集光レンズ保持具３０と部分反射ミラー保持具３２とが一体的に形成されている。
【００３６】
次に、バンドパスフィルタ２２をバンドパスフィルタ保持具３４に取り付けて、図１（ｃ）に示されているように、コリメートレンズ１６と集光レンズ１８との間に挿入し、バンドパスフィルタを保持するバンドパスフィルタ保持具３４を回転させてレーザ光の入射角を調節することによって、外部共振器半導体レーザ装置１０の出力光の波長をセシウム原子の共鳴波長から０.１ｎｍの範囲内に近づけた。この作業はそれほど精度が必要ではなく、指でバンドパスフィルタ保持具３４に触れて調節するだけで十分であった。バンドパスフィルタ２２の角度を適切な角度に調節した後、バンドパスフィルタ保持具３４を接着剤で基板１２上に固定した。ここで、バンドパスフィルタの高さ方向の位置調整は必要ないため、基板１２とバンドパスフィルタ保持具３４とは直接的に接触した状態で固定されることに留意されたい。
【００３７】
なお、本実施例では、バンドパスフィルタ保持具３４を基板１２に対して回転させることによりレーザ光の入射角（すなわち光軸に対するバンドパスフィルタ２２の角度）を調整しているが、バンドパスフィルタ保持具３４にバンドパスフィルタ２２を回転可能に保持させてもよい。
【００３８】
外部共振器半導体レーザ装置１０の温度が変化すると共振器長が微妙に変化するため、出力光の周波数（及び波長）が変化する。そこで、本実施例では、基板１２に埋め込んだ温度検出器（図示せず）の測定値が安定するように、基板１２の下に設置された温度調節器２３を用いて外部共振器半導体レーザ装置１０の温度を制御した。温度検出器としては例えばサーミスタを使用することができ、温度調節器としては例えばペルチェ素子を使用することができる。また、温度調節器２３の設定温度を変化させて基板１２を熱変形させることによって半導体レーザ素子１４と部分反射ミラー２０との間の共振器長を調整して共鳴波長に近づけた後、電流制御装置２４によって半導体レーザ素子１４への供給電流を調整することによって共鳴周波数に同調させることができた。
【００３９】
電流制御装置２４からの供給電流の変化による周波数の連続掃引範囲の中に共鳴周波数があれば、供給電流へのフィードバック制御によって外部共振器半導体レーザ装置１０の周波数を一定に保つことができる。本実施例では、供給電流の制御によって外部共振器半導体レーザ装置１０の出力光の周波数を９００ＭＨｚの範囲で連続的に掃引することができた。そこで、最初に、連続掃引範囲の中央に外部共振器半導体レーザ装置１０の出力光の周波数がくるように供給電流と温度を調整し、供給電流及び温度を固定したまま連続運転を行った。その結果、外部共振器半導体レーザ装置１０の出力光の周波数はドリフトしたが、少なくとも３日間は連続掃引範囲内に収まっていることが確認された。ここで、外部共振器半導体レーザ装置１０の出力光の周波数は、セシウム原子の共鳴周波数のレーザ光を出力するように保たれた別のレーザ装置とのビートを取ることによって測定した。
【００４０】
本実施例の外部共振器半導体レーザ装置１０は上述したようにキャッツアイ配置を取っており、光軸に対して垂直な方向のコリメートレンズ１６や集光レンズ１８の位置や部分反射ミラー２０の角度がずれていても、レーザ光がコリメートレンズ１６、集光レンズ１８及び部分反射ミラー２０の有効径範囲内に入っていれば、半導体レーザ素子１４にレーザ光が戻ってくる。本実施例のように、コリメートレンズ１６、集光レンズ１８及び部分反射ミラー２０の有効径がそれぞれ４.９５ｍｍ、５.５０ｍｍ及び９.００ｍｍであり、バンドパスフィルタのサイズが５ｍｍ×５ｍｍの正方形である場合、半導体レーザ素子保持具２６、コリメートレンズ保持具２８、集光レンズ保持具３０及び部分反射ミラー保持具３２と一体化された基板１２を通常の金属加工の精度（０.１ｍｍ程度）で作製すればアライメント上の問題は生じない。
【００４１】
その一方で、キャッツアイ配置では、集光レンズ１８の焦点の位置に部分反射ミラー２０の反射面が位置することが重要となる。本実施例では、集光前のレーザ光のビーム直径は約３ｍｍであったので、焦点深度（ビーム直径が焦点でのビーム直径の√２倍になるような光軸方向の距離）は約０.０４ｍｍと計算される。したがって、焦点の位置を決める集光レンズ１８の位置に関しては、光軸方向の方が光軸に対して垂直な方向よりも高い精度が要求されるが、使用した集光レンズ保持具３０のネジ穴のネジピッチは０.５ｍｍであるので、ネジの調整によって容易に焦点の位置を部分反射ミラー２０の反射面に合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
外部共振器半導体レーザ装置は、時間周波数標準の分野において近年非常に重要なレーザ光源となっている。また、原子のレーザ冷却に代表される原子操作の研究が近年盛んに行われているが、こうした分野においても外部共振器半導体レーザ装置の需要は高い。実際、研究開発用途ではあるが、外部共振器半導体レーザ装置はすでに市販されている。また、最近では原子分光を高感度な磁気センサに利用する動きが始まっており、産業への応用も期待される。
外部共振器半導体レーザ装置を特に産業へ応用する上での最も重要な課題はモードホップの頻度を減らすことだと考えられる。本発明はそうした課題から発生する機械的な安定性の高い外部共振器半導体レーザ装置への需要を満たすために非常に重要である。
【符号の説明】
【００４３】
１０    外部共振器半導体レーザ装置
１２    基板
１４    半導体レーザ素子
１６    コリメートレンズ
１８    集光レンズ
２０    部分反射ミラー
２２    バンドパスフィルタ
２３    温度調節器
２４    電流制御装置
２６    半導体レーザ素子保持具
２８    コリメートレンズ保持具
３０    集光レンズ保持具
３２    部分反射ミラー保持具
３４    バンドパスフィルタ保持具
【図１】
2013219124.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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