(57)【要約】【課題】簡単な構造をもつ発振モード検出装置、発振モード制御装置、あるいは、レーザシステムを提供する。【解決手段】本発明に係るレーザシステムは、レーザ駆動装置２により駆動される半導体レーザ１と、半導体レーザ１から出射され、コリメートレンズ３、反射型回折格子４、ミラー５を経由したレーザ光の一部を反射し、反射したレーザ光から干渉縞を形成するウェッジプリズム８と、干渉縞の一部を受光する光検出器９と、光検出器９の検出信号の時間変化に基づいて、レーザ光の発振モードを判断する判断部１０とを備える。【選択図】図１
2009218478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザの発振モードを検出するための発振モード検出装置であって、
電流を前記レーザに与えるレーザ駆動装置と、
前記レーザから放射されるレーザ光の一部を反射し、反射されたレーザ光から干渉縞を生成する光学素子と、
前記干渉縞の一部を受光する光検出器と、
前記発振モードを判断するための判断手段とを備え、
前記判断手段は、
前記レーザ駆動装置に、前記電流を走査させる走査制御手段と、
前記走査中の各電流値における前記光検出器の出力信号を取得する信号取得手段と、
前記出力信号の前記電流値に対する変化率に基づくモード検出信号を、各前記電流値について算出する算出手段とを含み、
前記モード検出信号が所定の値より大きくなる前記電流値において前記発振モードが前記マルチモードであると判断する、発振モード検出装置。
【請求項２】
前記光学素子は、１次元パターンの干渉縞を生成し、
前記光検出器は、前記干渉縞の強度分布が変化する方向の長さが前記干渉縞のピッチの略１／２である光検出部を含む、請求項１に記載の発振モード検出装置。
【請求項３】
前記光学素子はウェッジプリズムである、請求項１または２に記載の発振モード検出装置。
【請求項４】
与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザを前記単一モードで発振させるための発振モード制御装置であって、
電流を前記レーザに出力するレーザ駆動装置と、
前記レーザから放射されるレーザ光の一部を反射し、反射されたレーザ光から干渉縞を生成する光学素子と、
前記干渉縞の一部を受光する光検出器と、
前記レーザ駆動装置を制御するための制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記レーザ駆動装置に、前記電流を走査させる走査制御手段と、
前記走査中の各電流値における前記光検出器の出力信号を取得する信号取得手段と、
前記出力信号の前記電流値に対する変化率に基づいて、モード検出信号を算出する算出手段と、
前記モード検出信号が所定の値以下となる前記電流値を、前記レーザ駆動装置の出力する電流値の設定値とする設定手段とを含む、発振モード制御装置。
【請求項５】
前記走査制御手段は、前記レーザ駆動装置に、所定の走査時間にわたって一定の速度で前記電流を走査させ、
前記算出手段は、前記走査中の各時刻における前記出力信号を所定の時間区間で時間微分した時間微分量を算出し、前記時間微分量に基づいて前記モード検出信号を算出する、請求項４に記載の発振モード制御装置。
【請求項６】
前記時間区間および前記走査速度は、前記時間区間が、前記走査速度により定まる前記出力信号の周期的変化に比べて無視できる大きさになるように定められる、請求項５に記載の発振モード制御装置。
【請求項７】
前記制御手段は、
前記モード検出信号が前記所定の値を超える時刻における前記電流値を記憶する記憶手段と、
隣り合う２つの前記記憶手段に記憶された電流値からなる組のうち、含まれる電流値の差が最大となる組を探索する探索手段とをさらに備え、
前記設定手段は、前記探索された組に含まれる電流値の中間値を、前記設定値とする、請求項４から６のいずれか１項に記載の発振モード制御装置。
【請求項８】
前記反射素子を透過した前記レーザ光の光路中に配置され、入射するレーザ光の強度を所定の範囲内の割合で変化させる可変アッテネータと、
前記可変アッテネータを通過したレーザ光の一部を反射する反射素子と、
前記反射素子で反射されたレーザ光を受光し、受光した前記レーザ光の強度を測定する強度測定器と、
前記強度測定器で測定された前記レーザ光の強度に基づいて、前記可変アッテネータを通過したレーザ光の強度が目標値に近づくように前記可変アッテネータを制御する強度制御手段とをさらに備える、請求項４から７のいずれか１項に記載の発振モード制御装置。
【請求項９】
前記光学素子は、１次元パターンの干渉縞を生成し、
前記光検出器は、前記干渉縞の強度分布が変化する方向の長さが前記干渉縞のピッチの略１／２である光検出部を含む、請求項４から８のいずれか１項に記載の発振モード制御装置。
【請求項１０】
前記光学素子はウェッジプリズムである、請求項４から９のいずれか１項に記載の発振モード制御装置。
【請求項１１】
レーザシステムであって、
与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザと、
請求項４から１０のいずれか１項に記載の発振モード制御装置とを備える、レーザシステム。
【請求項１２】
前記レーザは、
与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振する半導体レーザと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光を平行光にするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通過した前記レーザ光のうち所定の波長の回折光を前記半導体レーザに帰還させ、前記半導体レーザとの間で外部共振器を構成するように配置された反射型回折格子とを含む、請求項１１に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザの発振モードを検出するための発振モード検出方法であって、
前記レーザに電流を与えるレーザ駆動装置に、前記電流を走査させるステップと、
前記走査中の各電流値において、前記レーザから放射されるレーザ光の一部から生成された干渉縞の一部を受光する光検出器の出力信号を取得するステップと、
前記出力信号の前記電流値に対する変化率に基づくモード検出信号を、各前記電流値について算出するステップと、
前記モード検出信号が所定の値より大きくなる前記電流値において前記発振モードが前記マルチモードであると判断するステップとを含む、発振モード検出方法。
【請求項１４】
与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザを前記単一モードで発振させるための発振モード制御方法であって、
前記レーザ駆動装置に、前記電流値を走査させるステップと、
前記走査中の各電流値において、前記レーザから放射されるレーザ光の一部から生成された干渉縞の一部を受光する光検出器の出力信号を取得するステップと、
前記出力信号の前記電流値に対する変化率に基づくモード検出信号を、各前記電流値について算出するステップと、
電流を前記レーザに出力するレーザ駆動装置に、前記電流を走査させるステップと、
前記走査中の各電流値において、前記レーザから放射されるレーザ光の一部から生成された干渉縞の一部を受光する光検出器の出力信号を取得するステップと、
前記出力信号の前記電流値に対する変化率に基づくモード検出信号を、各前記電流値について算出するステップと、
前記モード検出信号が所定の値以下となる前記電流値を、前記レーザ駆動装置の出力する電流値の設定値とするステップとを含む、発振モード制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザの発振モードを安定化させる技術に関し、より特定的には、レーザを単一モードで発振させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な用途にレーザが用いられており、その用途によっては、レーザが出力するレーザ光に高いコヒーレンシー、あるいは、波長の再現性、安定性が必要とされる。
【０００３】
このような再現性、安定性の高いレーザ光を必要とする用途に、近年、研究開発が進められているホログラム記録技術がある。この技術は、ホログラフィーを使ってデータを記録するものである。具体的には、ホログラム記録に用いられるホログラム記録装置は、変調された信号光および変調されない参照光の２つをレーザ光から生成し、これらをホログラム記録媒体の同一場所に照射する。これにより、ホログラム記録媒体上で信号光と参照光とが干渉して照射点に回折格子（ホログラム）が形成される。その結果、ホログラム記録媒体にデータが記録される。信号光が変調されると、信号光にデータが重畳される。記録済みのホログラム記録媒体に参照光を照射することで、記録時に形成された回折格子から回折光（再生光）が発生する。この再生光は、記録時の信号光に重畳されたデータを含んでいるので、これを受光素子で受光することで記録された信号を再生できる。
【０００４】
レーザ光をホログラム記録に用いる時に重要なのは、波長の再現性、安定性である。特に、波長を変えて情報を記録する波長多重を行なう際には、出力光の波長を意図した長さに制御しなくてはならない。したがって、ホログラム記録再生用の光源には、たとえばガスレーザやＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；二次高調波発生）レーザのように、極めてコヒーレンシーの高いシングルモードのレーザ光源を用いることが好ましい。
【０００５】
通常のレーザダイオードは縦マルチモードで発振するため、ホログラム記録再生用光源としてはコヒーレンシーの点で不十分である。しかしながら、レーザダイオード（半導体レーザ）を外部共振器と組み合わせた外部共振型レーザは、コヒーレンシーが良好であり、ホログラム記録再生用の光源として利用することができる。小型・省電力であるブルーレーザダイオードも、外部共振型とすることでホログラム光源として利用できるようになる。また、外部共振器レーザには波長可変型のものもあり、波長可変型の外部共振器レーザは、波長多重に好適である。
【０００６】
ここで、外部共振器レーザの一例として、リトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）型の外部共振器を用いた外部共振器レーザについて、図１０を参照しつつ、説明する。図１０は、従来の外部共振器レーザ３００を示した図である。なお、このようなレーザシステムは、例えば、非特許文献１に開示されている。
【０００７】
外部共振器レーザ３００では、レーザダイオード３０１のような半導体レーザ素子から出射された縦多モードのレーザ光（発振光）が、コリメートレンズ３０２によって平行光となり、反射型のグレーティング（回折格子）３０３に入射する。グレーティング３０３で反射されたレーザ光は、０次光と１次光とに分離される。グレーティング３０３の配置角度に応じて、特定の波長の１次回折光が、レンズ３０２を介してレーザダイオード３０１に逆注入される。この結果、レーザダイオード３０１が、注入された１次回折光に共振してシングルモードの光（矢印Ｆによって表された０次光）を出射するようになる。その光の波長は、グレーティング３０３からレーザダイオード３０１に戻ってきた光の波長と同じになる。
【０００８】
なお、レーザダイオード３０１は、グレーティング３０３の格子形状、およびグレーティング３０３とレーザダイオード３０１との距離で決まる波長で発振する。グレーティング３０３が接着されている部品３０４の形状を、ネジ３０５やピエゾ素子３０６を組み合わせて変更することで、グレーティング３０３の角度を調整することができ、したがって、発振波長を調整することができる。また、上記の光学系全体は、第１の台座３０７上に設置されており、第２の台座３１０に対する、その垂直方向の相対位置をネジ３０８により調整できる。
【０００９】
図１０で説明したような外部共振器レーザから出力されるレーザ光のレーザパワーと波長には、図１１で示すような関係がある。図１１は、外部共振器レーザから出力されるレーザ光のレーザパワーと波長との関係を示す図である。図６に示すグラフの横軸はレーザパワーを示し、単位はｍＷである。一方、グラフの縦軸は波長を表しており、単位はｎｍである。
【００１０】
図１１から分かるように、レーザ光のレーザパワーの増加に伴って、レーザ光の波長は、概ね、のこぎり状の変化を示す。また、外部共振器型のレーザシステムでは、レーザパワーの増加に伴って出射されたレーザ光の波長が徐々に大きくなる領域と、出射されたレーザ光の波長が急激に小さくなる領域（図１１では、２５ｍＷおよび３５ｍＷの付近）が存在することが分かる。レーザ光の波長が徐々に大きくなる領域でみられる波長の不連続性は、外部共振器のモードホップによる。また、レーザ光の波長が急激に変化するのは、レーザチップによるモードホップによる。
【００１１】
さらに、レーザ光の波長が不連続に変化する領域では、複数のモードの光が発生していることも分かる。たとえば、レーザパワーが３０ｍＷ付近では単一の波長のレーザ光が出射されて完全なシングルモードとなっているのに対し、レーザパワーが３２ｍＷ付近では、３つのモード（３モード）の光が発生している。また、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップの領域にあたる、レーザパワーが３５ｍＷの付近においては、波長４０９．７５ｎｍ付近で３モードの光が発生し、さらに、波長４０９．７１５ｎｍ付近で３モードの光が発生している。すなわち、全体として６モードの光が出射されている。
【００１２】
レーザチップによるモードホップが生じるパワー付近で生じる６モード状態は、２つの３モードの組が、互いに約４０ｐｍ程度離れている。このような６モード状態のレーザ光を用いて良好なホログラム記録を実現することはできない。
【００１３】
また、レーザパワーとレーザ光の波長との関係は、外部共振器型半導体レーザ内の温度によっても変動する。すなわち、外部共振器型半導体レーザの半導体レーザの温度が一定でないと、レーザパワーの位置が変化する。したがって、従来、この外部共振器型半導体レーザ内の温度を、ほぼ一定に保ち、変動しないようにした上で、モードホップの生じる領域に属するレーザパワーの使用を回避するという手法がとられている。
【非特許文献１】Ｌ．Ｒｉｃｃｉ  ，ｅｔ  ａｌ．:“Ａ  ｃｏｍｐａｃｔ  ｇｒａｔｉｎｇ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ａｔｏｍｉｃ  ｐｈｙｓｉｃｓ”、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、１１７（１９９５）、ｐｐ５４１−５４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、ホログラム記録に使用できないレーザ光が出射されないようにするために、上述した外部共振器型半導体レーザ内の温度を制御する手法を用いるとすると、外部共振器型半導体レーザ内の温度をほぼ一定に保ったうえで、レーザパワーを制御する必要があり、レーザシステムの構造や制御が複雑なものとなる。
【００１５】
また、波長の検出結果を利用して、外部共振器型半導体レーザのレーザパワーを制御する方法も考えられるが、光スペクトラムアナライザ等の波長検出装置は非常に大きく、高価なものであり、ホログラムメモリ等の用途には適合しない。
【００１６】
さらに、外部共振器型半導体レーザでは、グレーティングの設置角度を変えることによって、出射されるレーザ光の波長を、たとえば数ｎｍ変化させることができる。そして、各設置角度に対して、レーザパワーの変動による波長の微細な変化（たとえば、０．０４ｎｍの変化）が現れる。そのため、使用できないモードのレーザ光と使用できるモードのレーザ光とを峻別するためには、数ｎｍの範囲の波長にわたって、サブナノメートルの波長変化を検出することができるレーザシステムが必要となる。
【００１７】
本願発明は、これらの問題を解決するためになされたものであって、簡単な構造をもつ発振モード検出装置、発振モード制御装置、あるいは、レーザシステム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】
【００１８】
１つの局面に係る本願発明は、与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザの発振モードを検出するための発振モード検出装置であって、電流をレーザに与えるレーザ駆動装置と、レーザから放射されるレーザ光の一部を反射し、反射されたレーザ光から干渉縞を生成する光学素子と、干渉縞の一部を受光する光検出器と、発振モードを判断するための判断手段とを備え、判断手段は、レーザ駆動装置に、電流を走査させる走査制御手段と、走査中の各電流値における光検出器の出力信号を取得する信号取得手段と、出力信号の電流値に対する変化率に基づくモード検出信号を、各電流値について算出する算出手段とを含み、モード検出信号が所定の値より大きくなる電流値において発振モードがマルチモードであると判断する。
【００１９】
好ましくは、光学素子は、１次元パターンの干渉縞を生成し、光検出器は、干渉縞の強度分布が変化する方向の長さが干渉縞のピッチの略１／２である光検出部を含む。
【００２０】
好ましくは、光学素子はウェッジプリズムである。
他の局面に係る本願発明は、与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザを単一モードで発振させるための発振モード制御装置であって、電流をレーザに出力するレーザ駆動装置と、レーザから放射されるレーザ光の一部を反射し、反射されたレーザ光から干渉縞を生成する光学素子と、干渉縞の一部を受光する光検出器と、レーザ駆動装置を制御するための制御手段とを備え、制御手段は、レーザ駆動装置に、電流を走査させる走査制御手段と、走査中の各電流値における光検出器の出力信号を取得する信号取得手段と、出力信号の電流値に対する変化率に基づいて、モード検出信号を算出する算出手段と、モード検出信号が所定の値以下となる電流値を、レーザ駆動装置の出力する電流値の設定値とする設定手段とを含む。
【００２１】
好ましくは、走査制御手段は、レーザ駆動装置に、所定の走査時間にわたって一定の速度で電流を走査させ、算出手段は、走査中の各時刻における出力信号を所定の時間区間で時間微分した時間微分量を算出し、時間微分量に基づいてモード検出信号を算出する。
【００２２】
好ましくは、時間区間および走査速度は、時間区間が、走査速度により定まる出力信号の周期的変化に比べて無視できる大きさになるように定められる。
【００２３】
好ましくは、制御手段は、モード検出信号が所定の値を超える時刻における電流値を記憶する記憶手段と、隣り合う２つの記憶手段に記憶された電流値からなる組のうち、含まれる電流値の差が最大となる組を探索する探索手段とをさらに備え、設定手段は、探索された組に含まれる電流値の中間値を、設定値とする。
【００２４】
好ましくは、反射素子を透過したレーザ光の光路中に配置され、入射するレーザ光の強度を所定の範囲内の割合で変化させる可変アッテネータと、可変アッテネータを通過したレーザ光の一部を反射する反射素子と、反射素子で反射されたレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度を測定する強度測定器と、強度測定器で測定されたレーザ光の強度に基づいて、可変アッテネータを通過したレーザ光の強度が目標値に近づくように可変アッテネータを制御する強度制御手段とをさらに備える。
【００２５】
好ましくは、光学素子は、１次元パターンの干渉縞を生成し、光検出器は、干渉縞の強度分布が変化する方向の長さが干渉縞のピッチの略１／２である光検出部を含む。
【００２６】
好ましくは、光学素子はウェッジプリズムである。
さらに他の局面に係る本願発明はレーザシステムであって、与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザと、上述の発振モード制御装置とを備える。
【００２７】
好ましくは、レーザは、与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振する半導体レーザと、半導体レーザから放射されたレーザ光を平行光にするコリメートレンズと、コリメートレンズを通過したレーザ光のうち所定の波長の回折光を半導体レーザに帰還させ、半導体レーザとの間で外部共振器を構成するように配置された反射型回折格子とを含む。
【００２８】
さらに他の局面に係る本願発明は、与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザの発振モードを検出するための発振モード検出方法であって、レーザに電流を与えるレーザ駆動装置に、電流を走査させるステップと、走査中の各電流値において、レーザから放射されるレーザ光の一部から生成された干渉縞の一部を受光する光検出器の出力信号を取得するステップと、出力信号の電流値に対する変化率に基づくモード検出信号を、各電流値について算出するステップと、モード検出信号が所定の値より大きくなる電流値において発振モードがマルチモードであると判断するステップとを含む。
【００２９】
さらに他の局面に係る本願発明は、与えられる電流値に応じて単一モードまたはマルチモードで発振するレーザを単一モードで発振させるための発振モード制御方法であって、レーザ駆動装置に、電流値を走査させるステップと、走査中の各電流値において、レーザから放射されるレーザ光の一部から生成された干渉縞の一部を受光する光検出器の出力信号を取得するステップと、出力信号の電流値に対する変化率に基づくモード検出信号を、各電流値について算出するステップと、電流をレーザに出力するレーザ駆動装置に、電流を走査させるステップと、走査中の各電流値において、レーザから放射されるレーザ光の一部から生成された干渉縞の一部を受光する光検出器の出力信号を取得するステップと、出力信号の電流値に対する変化率に基づくモード検出信号を、各電流値について算出するステップと、モード検出信号が所定の値以下となる電流値を、レーザ駆動装置の出力する電流値の設定値とするステップとを含む。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、レーザから出射したレーザ光の一部から光学素子を用いて生成した干渉縞の強度変化から、レーザ光に急激な波長変化があったかを知ることができ、したがって、レーザの発振モードを知ることができる。よって、本発明によれば、簡単な構造をもつ発振モード検出装置、発振モード制御装置、あるいは、レーザシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３２】
［第１の実施の形態］
この発明の第１の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成の概略図である。
【００３３】
第１の実施の形態に係るレーザシステムは、半導体レーザ１と、レーザ駆動装置２と、コリメートレンズ３とを備える。レーザ駆動装置２は、半導体レーザ１に駆動電流を与えて、半導体レーザ１を駆動する。レーザ駆動装置２は、外部からの指示を受付けて、駆動電流の大きさを制御する。
【００３４】
ファブリペロー型共振器を備える半導体レーザ１は、一般的に縦マルチモードで発振しており、ホログラム記録などに必要とされる縦シングルモードでの発振を実現するためには、外部に回折格子、プリズム、多層膜ミラー、ファブリペローエタロン等の波長選択フィルタを設置し、外部共振器を構成することが必要となる。本実施例では、背景技術で説明したように、リトロー型の外部共振器を用いることにする。
【００３５】
すなわち、本実施例では、以下のように、反射型回折格子４により波長が選択される。半導体レーザ１から放射された光は、コリメートレンズ３で平行光にされ、反射型回折格子４に入射する。反射型回折格子４では、半導体レーザ１と反射型回折格子４とのなす角で決定される波長の光が選択され、１次回折光として半導体レーザ１に帰還する。本実施の形態に係る半導体レーザ１のピーク波長は４０５ｎｍ、反射型回折格子４の格子パターンは、３６００本／ｍｍの反射型回折格子４である。よって、半導体レーザ１と反射型回折格子４とのなす角を４６．８度程度とすることで、反射型回折格子４と半導体レーザ１の後方反射面で外部共振器が形成され、半導体レーザ１の発振波長のうち、波長４０５ｎｍ付近の狭い領域で波長が選択される。
【００３６】
レーザシステムは、さらに、反射型回折格子４とミラー５とを、それらのなす角を一定に保持したまま、回転軸６を中心として回転させる回転機構７を備える。ミラー５は、反射型回折格子４から反射された光をさらに反射させる。ここでは、ミラー５は、反射型回折格子４と、略９０度の角度で配置されるものとする。回転軸６を軸として、反射型回折格子４とミラー５を一体に回転させ、半導体レーザ１に帰還させる光の波長を変えることで、異なる波長を選択できる。
【００３７】
つまり、以上の構成は、波長可変型の外部共振器レーザとして機能する。この外部共振器レーザが出射する光、すなわち、ミラー５で反射された光の発振モードとしては、背景技術でも述べたように、大別すると半導体レーザ１のモードホップに起因する６モードの領域と、構成した外部共振器の発振モードに起因する３モードもしくは、単一モードの３種類が存在する。外部共振器型半導体レーザのアプリケーションの一つであるホログラフィックメモリにおいては、発振モードが６モードである場合は、記録する干渉縞が不鮮明となり記録媒体の性能を十分生かしきれず、記録密度を向上できないことが知られている。したがって、発振モードの制御が重要である。
【００３８】
ところで、これらのモードのいずれで発振するかは、すでに説明したように、出力されるレーザ光のパワーで決まるので、発振モードを制御するには、レーザ駆動装置２が半導体レーザ１に与える電流値を制御すればよい。
【００３９】
このような制御のためには、まず、発振モードを判断することが必要である。本実施の形態に係るレーザシステムは、上述の構成に加え、さらに、ウェッジプリズム８と、光検出器９と、判断部１０とを備えている。判断部１０により、発振モードを判断することができる。以下で、発振モードを判断する方法について説明するが、その前に、ウェッジプリズム８、光検出器９の構成について説明しておく。
【００４０】
ウェッジプリズム８は、ミラー５で反射された光の一部を反射して、反射した光から１次元パターンの干渉縞を形成する。本実施の形態では、このウェッジプリズム８の表面と裏面のなす角度は０．０５度、ウェッジ厚みは１．０３ｍｍであるとする。したがって、生成される干渉縞のピッチは略１２４μｍとなる。ただし、ウェッジプリズム８の設計はこれに限られるものではなく、したがって、干渉縞のピッチもこの値に限定されるものではない。なお、本実施例で、ウェッジプリズム８を用いることとしたのは、ウェッジプリズム８は、振動の影響を受けることなく、安定に干渉縞を発生することができるからである。ただし、干渉縞を形成することのできる他の光学素子をウェッジプリズム８のかわりに用いることもできる。
【００４１】
光検出器９は、干渉縞の一部を受光する。その構成について、図２を参照しつつ説明する。図２は光検出器９の構成を示す概略図である。光検出器９は、形成された干渉縞の一部を受光するように配置された光検出部２１を有する。光検出部２１の干渉縞の強度分布が変化する方向のサイズは、干渉縞の強度分布の変化を感度よく検出できるように、生成された干渉縞のピッチの略１／２に設定されている。なお、図２には、光検出部２１のサイズを分かりやすくするため、干渉縞の暗部分２０を示した。干渉縞の強度分布が変化しない方向のサイズは、Ｓ／Ｎが十分に確保できるサイズに設定されている。光検出部２１は、入射した光を光電変換する。さらに、光検出器９内部の電流−電圧変換回路は、光電変換で得られた電流値を電圧値ＶＰＤに変換する。
【００４２】
さて、判断部１０は、電圧値ＶＰＤに基づいて、以下の手順で、発振モードを判断する。
【００４３】
まず、判断部１０は、レーザ駆動装置２に、半導体レーザ１の駆動電流を所定の範囲で走査させる。ここで、その走査速度は、一定、すなわち、駆動電流は、走査時間に比例するものとする。
【００４４】
次に、その際出力されるＶＰＤを時間微分値ｄＶＰＤ／ｄｔ＝［ＶＰＤ（ｔ＋ｄｔ）−ｄＶＰＤ（ｔ）］／ｄｔを計算し、さらに、モード検出用信号ＳＭ；
ＳＭ＝（ｄＶＰＤ／ｄｔ）×（１／ηＴ）
を生成する。
【００４５】
上式において、ηＴは、（半導体レーザ１のスロープ効率）×（光検出器と回路との両方を含めた検出感度）で与えられる規格化定数である。ここで、スロープ効率および検出感度は、いずれも、既知の値である。
【００４６】
そして、このモード検出用信号が所定の閾値よりも大きいときに、レーザの発振モードが、半導体レーザ１のモードホップに起因するマルチモードであると判断する。
【００４７】
このように判断できるのは、半導体レーザ１のモードホップに起因するマルチモード領域に入ると、干渉縞のコントラストが小さくなり、電圧値ＶＰＤが大きく変動するからである。このことを、図３を参照して、詳しく説明する。図３は、半導体レーザ１の駆動電流２１０を走査したときの、光検出器９の出力信号２２０およびモード検出用信号２３０を示す図である。図３の横軸は、時間である。半導体レーザ１の駆動電流を図３のように走査していくと、従来技術にある通り、半導体レーザ１の発振波長がのこぎり状に変化するため、ウェッジプリズム８で生成される干渉縞の位置が徐々にずれていく。したがって、駆動電流２１０の増加に伴い、光検出器９の出力信号２２０は、入射光量の増加による出力増加に加えて正弦波状に変化していく。その中で、一部の電流領域では、半導体レーザ１のモードホップに起因する縦マルチモードでの発振が起きるため、光検出器９の出力信号２２０が急激に変化する。このような急激な出力変化は、例えば、図３−Ａ部に見られる。したがって、半導体レーザ１のモードホップによるマルチモード状態となるときには、モード検出用信号２３０が、その他のときに比べて、大きくなる。よって、モード検出用信号２３０が所定の閾値よりも大きいときに、レーザの発振モードが、半導体レーザ１のモードホップに起因するマルチモードであると判断することができる。
【００４８】
図４は、半導体レーザ１の駆動電流に対する、レーザ光の波長およびモード検出信号の関係を示す図である。この図からも、半導体レーザ１のモードホップによる波長変化がおきる時に、大きなモード検出信号が得られることが分かる。
【００４９】
図３に示したモード検出用信号２３０は、電圧値の時間微分値を求める際の時間間隔ｄｔを１００ｍｓとした場合のものである。一般に、駆動電流に対して光検出器の出力が正弦波状に変化することから、ｄｔは正弦波の周期、ここでは、３０秒に対して十分小さい値であることが望ましい。本実施例では、時間間隔ｄｔが、周期の１／１００程度となっており、周期に対して十分小さいとみなせる。さらに望ましくは、半導体レーザ１の駆動電流の変化による干渉縞の位置ずれ速度を、発振モードの変化の速度に比べて十分小さくなるようにした上で、ｄｔの範囲を適切に設定するのがよい。このように時間間隔を適切な値に設定することにより、駆動電流により光検出器出力が正弦波状に変化していることの影響を受けないモード検出信号を生成することが可能となる。すなわち、モード変化の感度のよいモード検出信号を生成できる。
【００５０】
また、本実施の形態では、図３に示すとおり、半導体レーザ１の駆動電流を、１２０秒かけて、６０ｍＡから１２０ｍＡまで走査している。すなわち、０．５ｍＡ／秒の割合で電流を変化させている。しかしながら、走査速度は、この値に限られるものではない。走査速度を上げて、検出時間を短縮することも可能である。その際は、半導体レーザ１の駆動電流の走査速度に反比例してｄｔを小さくする必要がある。なぜなら、走査速度を上げることにより、光検出器上での干渉縞の位置ずれ速度が上がり、発振モードの変化とは関係の無い光検出器の出力変化を検出してしまうからである。
【００５１】
また、図３では、検出原理を分かりやすく説明するために、半導体レーザ１の駆動電流を６０ｍＡにわたって走査した際の信号の様子を示した。ただし、実際には、レーザ光の出力がほぼ最高となる電流値付近の数〜１０ｍＡ程度の走査範囲で、モード検出信号を調べて、縦マルチモードを回避して使用することになる。
【００５２】
本実施の形態に係るレーザシステムの動作の流れについて、図５を参照して、説明する。図５は、第１の実施の形態に係るレーザシステムの動作の流れを示すフローチャートである。
【００５３】
判断部１０は、ステップＳ５０１において、レーザ駆動部９を制御し、半導体レーザ１の駆動電流をＸＸ  ｍＡ／秒で走査させる。
【００５４】
判断部１０は、ステップＳ５０３において、光検出器９の出力信号ＶＰＤにの時間微分値ｄＶＰＤ／ｄｔを、サンプリング間隔ｄｔで、モード検出信号ＳＭ＝（ｄＶＰＤ／ｄｔ）×（１／ηＴ）を計算する。また、ステップＳ５０３における計算結果に基づいて、ステップＳ５０５において、モード検出信号を生成する。
【００５５】
判断部１０は、ステップＳ５０７において、モード検出信号が設定された閾値よりも大きいかどうかを判断する。
【００５６】
モード検出信号が設定された閾値よりも大きい場合（ステップＳ５０７においてＹｅｓ）、レーザ光は、６モード、もしくは、それ以上のモードをもつマルチモードであるので、ステップＳ５０９において、その時の電流値Ｉｎを記録する。一方、モード検出信号が設定された閾値以下の場合（ステップＳ５０７においてＮｏ）、前述したようなマルチモードで発振していないとみなして、その時のＩｎは記録しない。
【００５７】
判断部１０は、ステップＳ５１１において、指定された範囲の電流走査が終了したか判断する。
【００５８】
走査が終了していないと判断した場合（ステップＳ５１１においてＮｏ）、ステップＳ５０３からの処理を繰り返す。つまり、指定された全範囲にわたり走査が終了するまで、ＳＭの演算、閾値との比較、必要なら電流値の記録を繰り返す。
【００５９】
走査が終了したと判断した場合（ステップＳ５１１においてＹｅｓ）、ステップＳ５１３において、判断部１０は、記録した駆動電流の値をモニタ１１に表示させる。利用者は、モニタ１１の表示を見て、駆動電流をどのような値に設定すべきかを判断する。
【００６０】
なお、以上では、電流を一定速度で走査し、モード検出信号を、各電流値における出力信号の時間微分値から求める方法を説明したが、モード検出信号は、電流に対する出力信号の変化率を反映するものであればよく、モード検出信号の求め方は上記のものに限られない。例えば、複数の電流値でレーザを駆動し、各電流値に対する出力信号の電流に対する変化率をモード検出信号としてもよい。この方法と、上に説明した方法とは、電流の走査速度分の違いを除いて、等価である。
【００６１】
このように、本実施の形態に係るレーザシステムによれば、干渉縞を形成する光学素子と干渉縞の一部を検出する光検出器という簡便な構成により、発振モードを検出することができる。
【００６２】
また、本発明は、モードの変化に応じた信号を検出することによりモードを判断するものであるため、広い波長域にわたりモードの判断を行なえる。
【００６３】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、発振モードを判断する判断部を備えるレーザシステムについて説明した。第２の実施の形態では、レーザの発振モードを制御する発振モード制御装置を備えたレーザシステムについて説明する。
【００６４】
第２の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成を、図６に示す。図６は、第２の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成の概略図である。
【００６５】
第２の実施の形態に係るレーザシステムは、判断部１０ではなく、モード制御部１２を備える点が、第１の実施の形態に係るレーザシステムと異なる。
【００６６】
モード制御部１２は、光検出器９の出力信号に基づいて、レーザ駆動装置２の設定電流を制御することで、レーザ光のモードを制御する。すなわち、第１の実施の形態に係る判断部１０と同様の手順で、光検出器９の出力信号からモード検出信号を生成し、モード検出信号に基づいて、駆動電流を、半導体レーザ１のモードホップに起因するマルチモードとならない値に設定する。
【００６７】
より具体的に、モード制御部１２の動作について、図７を参照して、説明する。図７は、第２の実施の形態に係るレーザシステムの動作の流れを示すフローチャートである。
【００６８】
モード制御部１２は、ステップＳ７０１において、レーザ駆動部９を制御し、半導体レーザ１の駆動電流をＸＸ  ｍＡ／秒で走査させる。
【００６９】
モード制御部１２は、ステップＳ７０３において、光検出器９の出力信号ＶＰＤにの時間微分値ｄＶＰＤ／ｄｔを、サンプリング間隔ｄｔで、モード検出信号ＳＭ＝（ｄＶＰＤ／ｄｔ）×（１／ηＴ）を計算する。また、ステップＳ７０３における計算結果に基づいて、ステップＳ７０５において、モード検出信号を生成する。
【００７０】
モード制御部１２は、ステップＳ７０７において、モード検出信号が設定された閾値よりも大きいかどうかを判断する。
【００７１】
モード検出信号が設定された閾値よりも大きい場合（ステップＳ７０７においてＹｅｓ）、レーザ光は、６モード、もしくは、それ以上のモードをもつマルチモードであるので、ステップＳ７０９において、その時の電流値Ｉｎを記録する。一方、モード検出信号が設定された閾値以下の場合（ステップＳ７０７においてＮｏ）、前述したようなマルチモードで発振していないとみなして、その時のＩｎは記録しない。
【００７２】
モード制御部１２は、ステップＳ７１１において、指定された範囲の電流走査が終了したか判断する。
【００７３】
走査が終了していないと判断した場合（ステップＳ７１１においてＮｏ）、ステップＳ７０３からの処理を繰り返す。つまり、指定された全範囲にわたり走査が終了するまで、ＳＭの演算、閾値との比較、必要なら電流値の記録を繰り返す。
【００７４】
走査が終了したと判断した場合（ステップＳ７１１においてＹｅｓ）、モード制御部１２は、ステップＳ７１３において、記録された電流値群の中から、隣接する２つの電流値からなる組であって、組に含まれる電流値の差が最大となる電流値の組Ｉｘ、Ｉｘ＋１を探索する。すなわち、Ｉ１−Ｉ２、Ｉ２−Ｉ３、・・・、ＩＮ−１−ＩＮを演算し、Ｉｘ、Ｉｘ＋１の間隔が最大となる組み合わせＩｘ、Ｉｘ＋１を見つける。ここで、Ｉ１，Ｉ２，…ＩＮは、電流値群を、その大きさの順に並べたものである。本実施例では、一方向に電流走査を行なっているので、電流値の記録された時刻順に、Ｉ１，Ｉ２，…ＩＮが定まる。
【００７５】
モード制御部１２は、ステップＳ７１５において、半導体レーザ１の駆動電流を（Ｉｘ＋Ｉｘ＋１）／２に設定する。マルチモードが発生する電流の間隔が最大となる領域において、もっとも安定な発振モードを得られる可能性が高いため、このように駆動電流を設定することにより、本レーザシステムは、発振モードの安定したレーザ光を出力することができる。
【００７６】
また、モード検出信号が閾値を超えた半導体レーザ１の駆動電流が一つしかない場合は、走査する駆動電流範囲を拡大して、再度、発振モード検出を行えば、より発振モードの安定した領域に駆動電流を設定することができる。
【００７７】
なお、駆動電流の設定方法は、上述のものに限られるわけではなく、マルチモードが発生する領域を設定できるものであればよい。例えば、モード検出信号の最も小さい電流値を駆動電流に設定するという構成であってもよい。
【００７８】
［第３の実施の形態］
第２の実施の形態では、光検出器の出力信号に基づいて生成したモード検出信号に基づいてレーザの駆動電流を調整して、発振モードを制御する方法について説明した。この方法では、レーザの発振モードは制御できるが、最終的に出力されるレーザパワーが、発振モードの制御の前後で変化してしまう。
【００７９】
多くの実際の用途においては、出射されるレーザ光のパワーが安定していることが望ましい。そこで、第３の実施の形態では、発振モード制御装置に加え、レーザパワーを制御する装置を備えたレーザシステムについて説明する。
【００８０】
第３の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成を、図８に示す。図８は、第３の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成の概略図である。
【００８１】
第３の実施の形態に係るレーザシステムは、第２の実施の形態に係るレーザシステムに、偏光板１３と、回転機構１４と、回転機構制御部１５と、ビームスプリッタ１６と、パワーメータ１７とを追加したものである。
【００８２】
偏光板１３は、ウェッジプリズム８から透過した光の光軸上に設置される。また、回転機構１４は、偏光板１３を光軸周りに回転させる。強度制御部１５は、後述するように偏光板１３を透過した光の強度を制御するため回転機構１４の回転角度を制御する。偏光板１３の角度を変更することで、偏光板１３を通過したレーザ光の強度を変化させることができる。つまり、偏光板１３および回転機構１４は、可変アッテネータとして機能する。
【００８３】
ビームスプリッタ１６は、偏光板１３を透過した光の一部を反射する。パワーメータ１７は、ビームスプリッタ１６で反射された光のパワーを測定する。
【００８４】
強度制御部１５は、出力が一定になるように回転機構１２を制御する。具体的には、強度制御部１５は、次のように動作する。
【００８５】
強度制御部１５は、モード制御部１２から、モード制御部１２が駆動電流を設定した旨の信号を受け取ると、パワーメータ１７の測定強度値と、目標値との差分を計算する。ここで、目標値は、レーザシステムが出力するレーザパワーの目標値（つまり、最終的な目標値）と、ビームスプリッタ１６およびパワーメータ１７を含めた検出感度とから設定される。差分の絶対値が閾値以上であれば、目標値との差異があるとし、偏光板１３の回転によってレーザパワーの増減を行う。
【００８６】
ここでは、偏光板１３に入射するレーザ光の偏光方向と、偏光板１３の透過光軸とのなす角をθとし、レーザ光が全て透過する角度を０°とする。すなわち、θ＝０°の時はレーザ光は偏光板１３を全て透過し、θ＝９０°の時はレーザ光は偏光板１３を透過しない。また、偏光板１３の初期の角度をθ＝４５°とする。測定強度値が目標値より大きい場合は、θを増加させることで、偏光板１３を透過したレーザ光のパワーを小さくする。また、測定強度値が目標値より小さい場合は、θを減少させることで、偏光板１３を透過したレーザ光のパワーを大きくする。このようにして、目標値に近づける。
【００８７】
本実施の形態に係るレーザシステムにおいては、このように適切なモードかつ安定したパワーのレーザ光を簡易の構成で実現できる。
【００８８】
第３の実施の形態に係るレーザシステムの動作の流れについて、図９を参照して説明する。図９は、第３の実施の形態に係るレーザシステムの動作の流れを示すフローチャートである。
【００８９】
図９に示したステップＳ９０１からステップＳ９１５のそれぞれにおいては、モード制御部１２により、図７のステップＳ７０１からステップＳ７１５で行なわれる処理と同様の処理が行なわれる。
【００９０】
強度制御部１５は、モード制御部１２が駆動電流を設定した旨の信号を受け取ると、ステップＳ９１７において、測定強度値と目標値との差の絶対値が、所定の閾値未満であるか調べる。
【００９１】
差の絶対値が閾値未満である場合（ステップＳ９１７においてＹｅｓ）、目標値との差異がないとみなして、パワー制御の処理を終了する。
【００９２】
差の絶対値が閾値以上である場合（ステップＳ９１７においてＮｏ）、測定強度値と目標値の大小関係に基づいて、差の絶対値が小さくなる方向に、偏光板１３を所定の回転角度だけ回転させる。
【００９３】
なお、上記の閾値および回転角度は、パワーに求められる精度に応じて、適宜定めるものとする。
【００９４】
強度制御部１５は、ステップＳ９２１において、偏光板１３を回転させた後の測定強度値と目標値との差の絶対値が、所定の閾値未満であるか調べる。
【００９５】
差の絶対値が、所定の閾値未満になった場合（ステップＳ９２１においてＹｅｓ）、強度制御部１５は、処理を終了する。
【００９６】
差の絶対値が、所定の閾値以上である場合（ステップＳ９２１においてＮｏ）、強度制御部１５は、再びステップＳ９１９の処理を行ない、偏光板をさらに回転させる。
【００９７】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】第１の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成の概略図である。
【図２】光検出器９の構成を示す概略図である。
【図３】半導体レーザ１の駆動電流２１０を走査したときの、光検出器９の出力信号２２０およびモード検出用信号２３０を示す図である。
【図４】半導体レーザ１の駆動電流に対する、レーザ光の波長およびモード検出信号の関係を示す図である。
【図５】第１の実施の形態に係るレーザシステムの動作の流れを示すフローチャートである。
【図６】第２の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成の概略図である。
【図７】第２の実施の形態に係るレーザシステムの動作の流れを示すフローチャートである。
【図８】第３の実施の形態に係る発振モード検出器を含むレーザシステムの構成の概略図である。
【図９】第３の実施の形態に係るレーザシステムの動作の流れを示すフローチャートである。
【図１０】従来の外部共振器型のレーザシステム３００を示した図である。
【図１１】外部共振器レーザから出力されるレーザ光のレーザパワーと波長との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１  半導体レーザ、２  レーザ駆動装置、３  コリメートレンズ、４  反射型回折格子、５  ミラー、６  回転軸、７  回転機構、８  ウェッジプリズム、９  光検出器、１０  判断部、１１  モニタ、１２  モード制御部、１３  偏光板、１４  回転機構、１５  強度制御部、１６  ビームスプリッタ、１７  パワーメータ。
【図１】
2009218478.tif 000003
【図２】
2009218478.tif 000004
【図３】
2009218478.tif 000005
【図４】
2009218478.tif 000006
【図５】
2009218478.tif 000007
【図６】
2009218478.tif 000008
【図７】
2009218478.tif 000009
【図８】
2009218478.tif 000010
【図９】
2009218478.tif 000011
【図１０】
2009218478.tif 000012
【図１１】
2009218478.tif 000013