JP4670472B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、外部共振器型半導体レーザの構成のレーザ装置に関する。

近年、レーザ装置は、小型でかつ低消費電力である等の理由から、情報機器に多く使われるようになってきた。例えば、ホログラフィックデータストレージ（ＨＤＳ：Holographic Data Storage）については、シングルモードレーザが用いられる。ＨＤＳは、１本のレーザ光をビームスプリッタで２本に分けた後に記録メディア上で再び合わせ、その干渉によってデータを記録する。

このような、ホログラム記録再生用の光源としては、シングルモードの光源であるガスレーザやＳＨＧレーザが用いられることが多い。しかしながら、マルチモード発振である、レーザダイオード（ＬＤ）のような半導体レーザでも、これを外部共振器と組み合わせることによってシングルモード化することができ、ホログラム記録再生用の光源として使用することが可能である。

ここで、従来の代表的な外部共振型半導体レーザを含むリットロー型のレーザ装置の構成を、図１を参照して説明する。図１は、レーザ装置２００の平面図である。このレーザ装置２００の構成は、下記の非特許文献１に記載されたレーザ装置の構成と同様のものである。

L. Ricci, et al. :"A compact grating-stabilized diode laser system for atomicphysics", Optics Communications, 117 1995, pp541-549

レーザ装置２００では、レーザダイオード２０１から出射された縦多モードのレーザ光がコリメートレンズ２０２によって平行に集められ、反射型回折格子（以下、グレーティングと称する）２０３に入射される。グレーティング２０３は、入射した光の１次回折光を出力する。グレーティング２０３の配置角度に応じた特定の波長の１次回折光がレンズ２０２を介してレーザダイオード２０１に逆注入される。この結果、レーザダイオード２０１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り、その光の波長は、グレーティング２０３から戻ってきた光の波長と同じになる。

グレーティング２０３は、支持部２０４に保持されている。支持部２０４には、溝２０６が設けられており、支持部２０４に設けられたネジ２０５を回転させることにより、溝２０６の間隔が部分的に広がり、あるいは狭まり、それによってグレーティング２０３の水平方向の配置角度が僅かに変化する。グレーティング２０３によって反射した１次光の反射角は、波長によって異なり、所望の波長に対応する１次光がレーザダイオード２０１に戻るように、グレーティング２０３の角度を設定することによって、所望の波長のレーザ光を発生することができる。

同様の機構が、グレーティング２０３の垂直方向の角度を調整するために設けられている。グレーティング２０３を保持する支持部２０４は、支持部２０７に保持されている。支持部２０７には、溝（図示しない）が設けられており、支持部２０７に設けられたネジ２０８を回転させることにより、溝の間隔が部分的に広がり、あるいは狭まり、それによってグレーティング２０３の垂直方向の配置角度が僅かに変化する。

ここで、レーザダイオード２０１として例えば青色レーザダイオードが使用される。また、上述したように構成された外部共振型は、単一モードのシングル性のレーザ光が要求されるホログラフィメモリ用ライタ等の用途にも利用可能である。

次に、図２のグラフを参照して、図１で説明したような外部共振器型のレーザ装置から出力されるレーザ光のレーザパワーと波長の関係を説明する。図２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。図２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、のこぎり波状の変化を示す。

外部共振器型のレーザ装置では、レーザパワーの増加に伴って射出されたレーザ光の波長が徐々に大きくなる外部共振器モードホップの領域と、レーザパワーが増加した場合に、射出されたレーザ光の波長が急激に小さくなる、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が存在する。レーザ光の波長は、レーザパワーの増加に伴い、ある程度離散的に推移する。

また、例えば、レーザパワーが３０ｍＷ付近では単一の波長のレーザ光が射出されて完全なシングルモードとなっているが、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。さらに、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、全体として６モードの光が射出されている。

図３は、いくつかのレーザ光のスペクトラムを表している。上述したように、レーザ光の波長が徐々に大きくなる外部共振器モードホップの領域では、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのようなスペクトラムとなる。一方、例えば、レーザパワーが３５ｍＷ付近の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では、図３Ｄに示すようなスペクトラムとなる。

これらのレーザ光をＨＤＳに用いる場合、レーザパワーが３２ｍＷ付近で生じるような（すなわち、図３Ａに示すような）３モードの光や、２モードの光（すなわち、図３Ｂに示すような光）は、完全なシングルモードの光（図３Ｃに示すスペクトラムの光）と同等の記録再生特性を示すので、シングルモードの光と同様に使用することができる。ここでは、例えば、レーザパワーが３０ｍＷ付近で発生するような完全なシングルモードと、例えば、レーザパワーが３２ｍＷ付近で生じるような３モードや２モードを総称して使用可能モードと呼ぶことにする。

一方、例えば、図３Ｄに示すような、レーザパワーが３５ｍＷ付近で生じるような６モード状態は、２つの３モードの組が、互いに約４０ｐｍ程度離れているために、良好なホログラム記録を実現することができない。ここでは、このようなモードを使用不可モードと呼ぶことにする。

使用可能モードのレーザ光が得られる領域は、外部共振器モードホップの領域にほぼ対応し、使用不可モードのレーザ光が得られる領域は、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ほぼ対応する。図２のグラフから分かるように、一般的には、使用可能モードのレーザ光が得られる領域の方が、使用不可モードのレーザ光が得られる領域よりはるかに広いので、使用不可モードのレーザ光を効果的に排除できれば、ＨＤＳに外部共振器型半導体レーザを用いることは十分可能である。

また、図２に示すような、レーザパワーとレーザ光の波長の特性は、外部共振器型半導体レーザ内の温度によって変動する。例えば半導体レーザの温度が一定でないと、使用不可モードとなるレーザパワーの位置が変化する。したがって、従来より、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（例えば、１０ｍＫ内の変動に抑え）、使用不可モードのレーザ光が得られる領域が変動しないようにしたうえで、その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。

しかしながら、上述した従来の手法により、使用不可モードのレーザ光が射出されないよう外部共振器型半導体レーザを制御するためには、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、レーザ装置の構造や制御が複雑なものとなる。

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、従来の波長検出装置は非常に大きく、高価なものであり、ＨＤＳ等の用途には適合しない。

かかる問題点を解決するために、本願発明者は、先に、簡単な構造を用いて外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長を判定することが可能な装置および方法を提案している。具体的には、オプティカルウェッジを用いて外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長を検出することを提案している。

図１に示す構成の外部共振型半導体レーザの構成のレーザ装置を市販する場合には、ケース内にレーザ装置が収納される。ケース内にほこりが入ることを防止するために、レーザ光の出射口に対して窓ガラスが取り付けられる。出射されるレーザ光の品質を良好とするために、窓ガラスとして収差が小さく、無反射コーティングを施したものを使用する必要がある。オプティカルウェッジ自体も高品質とする必要があるのに加えて、窓ガラスを必要とすることは、レーザ装置のコストを上昇させる問題があった。

したがって、この発明の目的は、波長検出のためのオプティカルウェッジに窓ガラスの機能を兼用させることによって、コストを低減することが可能なレーザ装置を提供することにある。

この発明は、上述した問題点を解決するために、半導体レーザと、
半導体レーザからのレーザ光が入射され、０次光を所定の反射角で出射すると共に、１次光を所定の波長に対応した角度で回折して半導体レーザに戻す反射型回折格子と、
０次光を受光し、外部に０次光を出射すると共に、縞状光強度分布を有する反射光を発生する光学素子と、
光学素子からの反射光の光を受光し、受光面上の光スポットの位置を検出する検出素子と、
半導体レーザ、反射型回折格子、光学素子、検出装置とが収納され、０次光の出射用の開口が形成されたケースとを備え、
ケースの開口を光学素子が塞ぐように設けられたレーザ装置である。

この発明では、オプティカルウェッジ等の波長検出用の光学素子がレーザ出射用の開口を塞ぐ機能も有しているので、窓ガラスを不要とでき、必要な部品を減らし、コストを低減することができる。

この発明は、オプティカルウェッジを用いて外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長を検出するものである。

ここで、最初に、干渉縞を生じさせる光学素子の一例であるオプティカルウェッジについて説明する。オプティカルウェッジとは、両面のなす角が数十分程度の断面くさび形のガラス板である。これに単一波長のレーザ光を約４５度傾けて入射すると、ガラス板の表面と裏面で反射した光が干渉縞を形成する。すなわち、二つの反射光の位相が一致すれば、明となり、二つの反射光の位相が反対であれば、暗となる。位相差は、オプティカルウェッジの厚みによって変化するので、厚みの変化する方向に明暗の縞模様の像が得られる。また、波長が変化すると、明暗の位置が変化する。

図４は、オプティカルウェッジ１にレーザ光３が入射された様子を示す。レーザ光３は、オプティカルウェッジ１で反射し、曇りガラス２に入射する。オプティカルウェッジ１は、図４に示す座標のｚ軸方向に進むにつれて、厚さｄが小さくなるように形成されている。ｚ軸方向は、図４の記載面または表示面の手前から裏側に向かう方向である。また、ｘ軸方向は、オプティカルウェッジ１の表面１ａおよび裏面１ｂに平行でかつｙ軸と垂直な方向であり、ｙ軸方向は、ｘ軸とｚ軸に直交する方向である。

レーザ光３は、オプティカルウェッジ１の表面１ａで反射して曇りガラス２に入射するとともに、オプティカルウェッジ１の裏面１ｂで反射して曇りガラス２に入射するため、光路差が生じ、その結果、図５のような干渉縞１０が発生する。なお、オプティカルウェッジ１の厚さｄが小さくなる方向は、ｘ軸方向でも良い。この場合、図５に示す干渉縞１０が横向きとなる。

後で説明するように、この発明では、図５に示された干渉縞１０を人間が肉眼で見る必要はないので、曇りガラス２はこの発明に必須の構成要素ではない。この発明では、干渉縞１０の検出に、少なくとも２つのディテクタを有する２分割ディテクタを用いる。

ここで、オプティカルウェッジについてさらに詳細に説明する。図６に示すように、１本のレーザ中の光線Ａ、Ｂがオプティカルウェッジ１に入射する場合を考える。ここで、オプティカルウェッジ１は、図４に示すものと同様であり、図に示すｚ軸方向に進むにつれて、オプティカルウェッジ１の厚さｄが小さくなるように形成されている。

光線Ａは、オプティカルウェッジ１の表面１ａで反射して光線Ｃとなり、光線Ｂは、オプティカルウェッジ１の裏面１ｂで反射して、やはり光線Ｃとなるとする。このとき、光線Ａと光線Ｂの光路差を求め、それを使って光線Ｃでの位相差を計算する。まず、Ｓｎｅｌｌの法則より、以下の式１の関係が成り立つ。
ｓｉｎθ／ｓｉｎθ’＝ｎ ・・・（１）
一方、Ｌｇの長さは、以下の式２で表される。
Ｌｇ＝２ｄ＊ｔａｎθ’＊ｓｉｎθ ・・・（２）
また、光線Ｂが、オプティカルウェッジ１内を通過する距離Ｌｐは、以下の式３で表される。
Ｌｐ＝２（Ｌｐ／２）＝２（ｄ／ｃｏｓθ’）＝２ｄ／ｃｏｓθ’ ・・・（３）

ここで、Ｌｐ’を、Ｌｐの光学距離とすると、Ｌｐ’は以下の式４で表される。
Ｌｐ’＝２ｎｄ／ｃｏｓθ’ ・・・（４）
Ｌｐ’とＬｇの光路差△Ｌは、以下の式５となる。
△Ｌ＝Ｌｐ’−Ｌｇ＝２ｎｄ／ｃｏｓθ’−２ｄ＊ｔａｎθ’＊ｓｉｎθ＝２ｄ（ｎ／ｃｏｓθ’−ｓｉｎθ＊ｔａｎθ’） ・・・（５）
△Ｌによる位相差△δは、以下の式６で表される。
△δ＝△Ｌ／λ＋π ・・・（６）
ただし、πは反射時の位相変化のために付加されている。
ここで、光強度Ｉは、以下の式７となる。
Ｉ＝（ｃｏｓ△δ）² ・・・（７）

図７に示すように、オプティカルウェッジ１は、ｘ軸に沿って見ると、先端部１５が角度（ウェッジ角と適宜称する）αで構成されるくさび型をしている。しかしながら、オプティカルウェッジ１は、先端部１５までを有している必要はなく、通常は、先細の先端部分を含まない、およそ台形の形状で構成される。また、図７に示すように、オプティカルウェッジ１の厚さｄは、ｚ軸座標における変位ｚの関数となり、以下の式８のように表される。ここで、ｚは、ｚ軸上における、先端部１５からの距離である。
ｄ＝ｚ＊ｔａｎα ・・・（８）

次に、オプティカルウェッジ１で反射される光がどのような干渉縞を発生するのかを、２つの波長の光の強度に着目して実験する。ここでは、外部共振器型半導体レーザにおけるのこぎり波状の波長変化で見られる典型的な下限波長（λ１）および上限波長（λ２）の光を用いるものとする。すなわち、λ１を４１０．００ｎｍ、λ２を４１０．０４ｎｍとする。また、屈折率ｎ＝１．５、入射角θ＝４５度、オプティカルウェッジ１のウェッジ角α＝０．０２度とする。

図８は、波長λ１の光と波長λ２の光が入射されるオプティカルウェッジ１の位置に応じて、オプティカルウェッジ１の反射光の強度がどのように変化するかを示すグラフであり、縦軸は相対的な光強度を表し、横軸はオプティカルウェッジ１の先端部１５からの距離、すなわち、図７に示すオプティカルウェッジ１の先端部１５からｚ軸方向への距離を表している。図８は、波長λ１の光と波長λ２の光を、オプティカルウェッジ１の先端部１５から３ｍｍ程度までの間に照射した場合の、反射光の強度の変化を表している。

上述したように、反射光による像を生じさせると、強度が大きい位置が明るい帯となり、強度が小さい位置が暗い帯となり、明るい帯と暗い帯が交互に位置する干渉縞が現れる。この場合、２つの波長λ１とλ２が非常に近接しており、さらに、それらの光がオプティカルウェッジ１の先端部１５に近い部分に照射されているため、光路差もきわめて小さい。したがって、波長λ１の光の反射光の強度を表す曲線２１と波長λ２の光の反射光の強度を表す曲線２２は、ほぼ同一の曲線となり、干渉縞は重なって見える。

図９は、図８と同様に、オプティカルウェッジ１に入射した光の反射光の強度がどのように変化するかを示すものである。図９は、光の入射する位置が、オプティカルウェッジ１の先端部１５から１０００ｍｍ（１ｍ）付近である場合について示したものである。オプティカルウェッジ１の先端部１５からの距離が約１ｍといっても、１ｍの長さのオプティカルウェッジが必要なわけではない。上述したように、先端部１５から１ｍ付近の部分を台形に切り出して形成されるので、オプティカルウェッジ自体の大きさは小さくすることが可能である。

この場合、オプティカルウェッジ１の先端部１５から約１ｍの位置では、オプティカルウェッジ１の厚さｄがかなり大きく、これによって、λ１とλ２の波長差０．０４ｎｍが蓄積され、曲線２１と曲線２２のわずかな位相差が生じてくる。位相差が小さいため、それぞれの場合に観察される縞模様はほとんど変わらない。

これは、波長λ１の光と、波長λ２の光を個別に所定の位置に照射して実験した結果である。図２に示すような、のこぎり波状の波長変化を繰り返す光が、このオプティカルウェッジ１に照射されたと仮定する。ここで、波長変化における波長の下限はλ１であるとし、上限はλ２であるとする。そうすると、最初は、波長λ１の光の反射光による曲線２１が現れる。その後、半導体レーザのレーザパワーを増加していくと、波長はλ１からλ２に徐々に変化して曲線２２に近づく。その後、さらにレーザパワーを増加していくと、曲線２１と曲線２２の両方が存在する状態となり、その後、波長λ１の光の反射光による曲線２１のみとなる。これ以降、レーザパワーの増大に伴って、このような干渉縞の変化が周期的に観察されることになる。

図１０は、図８と同様に、オプティカルウェッジ１に入射した光の反射光の光強度がどのように変化するかを示すものである。図１０では、光の入射する位置が、オプティカルウェッジ１の先端部１５から約６０００ｍｍ（６ｍ）の場合について示したものである。この場合は、波長λ１の光の反射光の強度を表す曲線２１と、波長λ２の光の反射光の強度を表す曲線２２がほぼ逆相となっており、両方の光が同時にオプティカルウェッジ１に入射した場合は、干渉縞が観察しづらい状態になる。

また、図９に示す状態で、ウェッジ角αを０．０２度から０．０４度に変えると、曲線２１と曲線２２の周期がどちらも小さくなり、同じ距離における縞の数が、図９に示すものより多くなる。このように、オプティカルウェッジの光が照射される位置や、ウェッジ角α等を調整することによって、干渉縞の態様を自在に調整することが可能となる。

次に、オプティカルウェッジ１からの反射光から得られるプッシュプル値について、図１１を参照して説明する。図１１では、前述の下限波長（λ１）による曲線２１と上限波長（λ２）による曲線２２に加えて、波長λ３（４１０．０１ｎｍ）、波長λ４（４１０．０２ｎｍ）、波長λ５（４１０．０３ｎｍ）の光による曲線を、それぞれ曲線２３、曲線２４、および曲線２５として表している。また、ここでは、オプティカルウェッジ１の形状や、ウェッジ角α等の条件については、図１０に示すものと同様とする。

ここで、オプティカルウェッジ１の先端部１５からの距離（ｚ）が６００１．６ｍｍの位置の前後に、それぞれ０．３ｍｍ幅の、第１のディテクタ３１と第２のディテクタ３２を並べた２分割ディテクタによって差信号（プッシュプル）を生成する。ここで、差信号は、ディテクタ３１とディテクタ３２によってそれぞれ検出された光強度の差を示すものである。ディテクタ３１によって検出される光の位置は、矢印Ｄによって示されており、ディテクタ３２によって検出される光の位置は、矢印Ｅによって示されている。また、ディテクタ３１および３２に近接した位置にディテクタ３５および３６を設けられる。これらのディテクタ３５および３６によって検出される光の位置が矢印ＦおよびＧでそれぞれ示されている。以下の説明では、ディテクタ３１および３２による検出に注目する。

ディテクタ３１とディテクタ３２による検出の結果、各波長ごとに、図１２に示すようなプッシュプル値が得られる。ただし、これは、各波長の光が、単独でオプティカルウェッジ１の位置ｚに照射された場合の信号である。

また、こうして求められたプッシュプル値は、光量の増減によっても変化してしまうので、和信号を用いてノーマライズすることが望ましい。このようにノーマライズされたプッシュプル値と波長の関係が図１３に表されている。

次に、外部共振器型半導体レーザの光の波長変化とプッシュプル値の関係について説明する。今、図１４に示すように、レーザパワーに応じてのこぎり波状の波長変化をする外部共振器型半導体レーザがあるとする。なお、これは、図２に示したグラフと同様の波長変化を模式的に表したものである。すなわち、レーザパワーの増加に伴って波長が４１０．００ｎｍから４１０．０４ｎｍまで変化するが、レーザパワーが例えば、２３ｍＷや３５ｍＷ付近になると、急激に波長が変化して、４１０．００ｎｍに戻り、この変化を繰り返す。また、この急激な変化が生じる際には、４１０．００ｎｍ付近の波長の光と４１０．０４ｎｍ付近の波長の光とが混在して、ホログラム記録等には適さない光（使用不可モードの光）となる。

そこで、この急激な変化が生じる場合、すなわち、４１０．００ｎｍの波長（λ１）の光と４１０．０４ｎｍの波長（λ２）の光とが混在する場合に、図１１で説明したような位置関係のディテクタ３１およびディテクタ３２によってプッシュプル値を取得してみる。図１５では、波長λ１の光に関して得られる光量は曲線２１で表され、波長λ２の光に関して得られる光量は曲線２２で表されている。曲線２１と曲線２２はほとんど逆相となっているため、これらの光によって全体的に得られる光強度は、オプティカルウェッジ１への照射位置が変化しても、あまり変化しない。ディテクタ３１およびディテクタ３２による検出の結果、ディテクタ３１で検出される光量と他のディテクタ３２で検出される光量はほぼ等しく、プッシュプル値は０に近い値となる。

一方、外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長が、レーザパワーの増加に応じて単調に上昇する場合（使用可能モード）では、シングルモード、あるいは非常に近い波長の２モード、または３モードの光となる。そのため、この場合は、代表的なピークを構成する波長のシングルモードの光が射出されると仮定する。その波長が、４１０．０１ｎｍ（λ３）である場合は、図１６に示すように、ディテクタ３１およびディテクタ３２によって検出される光量の差が小さく、プッシュプル値が小さな値となる。

図１７には、波長４１０．０２ｎｍ（λ４）について、ディテクタ３１およびディテクタ３２が光量を検出する様子が示されている。この場合は、それぞれのディテクタで検出される光量に差があり、比較的大きなプッシュプル値が得られる。また、図１８には、波長４１０．０３ｎｍ（λ５）について、ディテクタ３１およびディテクタ３２が光量を検出する様子が示されているが、この場合は、それぞれのディテクタで検出される光量に大きな差があり、頗る大きなプッシュプル値が得られる。

ディテクタ３１およびディテクタ３２に代えてディテクタ３５および３６からなる２分割ディテクタを使用した場合には、プッシュプル値の変化が異なったものとなる。このように、実際の、外部共振器型半導体レーザの波長変化を前提として得られたプッシュプル値は、波長４１０．０２ｎｍ付近で０に近づけることができる。一方、図１２および図１３に示した、波長ごとに得られたプッシュプル値を見ると、波長４１０．００ｎｍや波長４１０．０４ｎｍは、その波長単独では大きなプッシュプル値を示すことがわかる。また、外部共振器モードホップの領域で発生する波長の光については、少なくとも、それぞれ異なるプッシュプル値が得られる。

したがって、この発明では、外部共振器モードホップの領域において得られたプッシュプル値から、レーザ光の波長が４１０．００ｎｍ（または４１０．０４ｎｍ）に近づいたことを検出し、その場合に、半導体レーザのレーザパワーを所定の値だけ変化させて、これらの波長の光が混在するモード、すなわち使用不可モードを回避するように、レーザパワーを制御する。用途によっては、図３Ａおよび図３Ｂに相当する場合にもレーザパワーを変化させて常にシングルモードになるように制御することも可能である。

この制御によって、外部共振器型半導体レーザから射出されているレーザ光の波長を把握することができ、半導体レーザ等の温度管理を厳密に行わなくても、レーザ光の波長を適切なものに維持するように制御することが可能となる。上述したように、従来の外部共振器型半導体レーザでは、例えば、ネジとピエゾ素子とを組み合わせて、グレーティングの角度を調整し、波長を変化させることができるが、ここでは、原則として、グレーティングの角度は一定に維持されるものとする。また、この波長制御は、例えば、外部共振器型半導体レーザから射出されているレーザ光の波長変化のように、狭い範囲で変動する波長を特定するのに有効である。

次に、図１９を参照して、２分割ディテクタの２つのディテクタ３１、３２と干渉縞との位置関係について説明する。図１９において、参照符号４０は、オプティカルウェッジの表面と裏面で反射した光の明暗に対応する曲線を示す。横軸は、ｚ軸に対応し、縦軸は、光量（光強度）を示す。この曲線４０は、ある波長を例に取ったものであるが、外部共振器型半導体レーザ内の半導体レーザに提供するレーザパワーを変化させれば波長が変化し、それに応じて、曲線４０も位相も変化する。図１９の下部には、２分割ディテクタ内のディテクタ３１とディテクタ３２とが示されており、その位置で曲線４０の光量をそれぞれ検出する。

曲線４０のうち、光量の小さい部分は、領域４１として示されており、この部分は、干渉縞の暗く見える部分に対応する。図１９に示す状態の場合、ディテクタ３１は、曲線４０の、光量の大きな部分に配置されており、結果的に大きな光量を検出する。一方、ディテクタ３２は、曲線４０の、光量の小さい部分に配置され（一部が領域８１と重複している）、小さな光量を検出する。ここで、各ディテクタの検出信号の差を求めることにより、プッシュプル値が求められ、それに対応する波長が把握できる。

図２０Ａおよび図２０Ｂは、上述した波長検出機能を有するレーザ装置の一構成を示す。図２０Ａは、レーザ装置のグレーティング５４の反射面側から見た図であり、図２０Ｂは、レーザ装置の平面図である。図２０において、参照符号５１がレーザダイオードを示す。レーザダイオード５１がホルダー５２内に気密に収納されている。ホルダー５２に取り付けられたコリメートレンズ５３を介してレーザダイオード５１からのレーザ光が出射され、グレーティング５４に入射される。コリメートレンズ５３がレーザダイオード５１をホルダー５２内に気密に収納するための窓ガラスの機能を兼ねている。

グレーティング５４がグレーティング取付部５５に取り付けられている。グレーティング取付部５５は、板バネ５６を介して支柱５７に保持されている。グレーティング取付部４の板バネ４が取り付けられた位置から離れた位置がネジ５８の回転に応じて上下に変位されることによって、グレーティング５４の角度が可変される。ネジ５８は、ネジ支え５９に挿入されている。

グレーティング５４によって回折されたレーザ光がオプティカルウェッジ１に入射される。オプティカルウェッジ１の傾きは、４５°ではなく、例えば３０°とされている。後述するように、この発明では、オプティカルウェッジ１がボックスカバーのレーザ出射口を塞ぐための窓ガラスを兼ねるので、４５°に設定すると、２分割ディテクタがレーザ装置の端に寄り、そのためにレーザ装置のサイズが大きくなる。このために、約３０°の角度でオプティカルウェッジ１が設置される。

オプティカルウェッジ１は、例えば反射率が５％以下とされる。５％の場合では、表面の反射と裏面の反射とでほぼ１０％を波長検出に使用され、外部に出射されるレーザ光が９０％に減少する。このロスを少なくするためには、オプティカルウェッジ１の反射率が３％以下であることが好ましい。具体的には、低反射コーティングを施すことで、低反射率とできる。但し、反射率が低すぎると、波長検出に支障をきたすので、０．５％以上の反射率を確保する必要がある。

オプティカルウェッジ１は、断面が矩形の窓が形成されている保持台６０に対して取り付けられている。オプティカルウェッジ１の反射光が２分割ディテクタ６１に対して入射され、オプティカルウェッジ１を透過したレーザ光が外部に出射される。２分割ディテクタ６１は、ディテクタ支え６２によって支持されている。上述したように、２分割ディテクタ６１の二つのディテクタの検出信号の差信号の値からレーザ光の波長が検出される。レーザダイオード５１等のレーザ装置の構成部品は、台座６４上に取り付けられている。なお、図２０Ａでは、簡単のために、板バネ５５、支柱５６、２分割ディテクタ６１およびディテクタ支え６２についての図示が省略されている。

上述したレーザ装置の全体がボックスカバー内に収納される。図２１において、参照符号７０がボックスカバーを示す。図２１Ａがボックスカバー７０の側面図であり、図２１Ｂがボックスカバー７０の平面図である。ボックスカバー７０は、台座６４上に構成されたレーザ装置の構成部品を上から覆うように、台座６４上に取り付けられる。

ボックスカバー７０のレーザ光の出射位置に円形の開口７１が形成されている。オプティカルウェッジ１の保持台６０が嵌合することができるように、開口７１の直径よりやや大きい幅と高さを有する角筒状の導光部７２が開口７１から内側に延長して設けられている。導光部７２の延長端は、斜めに切り落とされている。この延長端の角度は、オプティカルウェッジ１の傾きと一致したものとされている。なお、角筒状ではなく、円筒状の導光部を設けても良い。

図２２Ａおよび図２２Ｂは、ボックスカバー７０を取り付けた状態を示す側面図および平面図である。但し、簡単のために、図２０に示されている一部の構成部品の図示が省略されている。図２２Ｂに示すように、ボックスカバー７０に設けられた導光部７２の端部にオプティカルウェッジ１の保持台６０が嵌合して取り付けられている。保持台６０に対してオプティカルウェッジ１が取り付けられている。したがって、ボックスカバー７０の開口７１がオプティカルウェッジ１によって塞がれ、オプティカルウェッジ１が窓ガラスの機能を果たし、窓ガラスを省略できる。

この発明は、上述したこの発明の実施形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば検出素子としては、２分割ディテクタ２１に限らず、１次元ＰＳＤ(Position Sensitive Detector)を使用しても良
い。ＰＳＤは、高抵抗半導体基板の片面または両面に均一な抵抗層が形成され、抵抗層の両端に信号取り出し用の一対の電極が設けられた構成を有している。受光面が抵抗層と同時にＰＮ接合も形成し、光起電力効果によって光電流が生成される。受光面上の光スポットＬＢの位置に応じて両端の電極から光電流Ａ、Ｂが発生する。受光面の中央位置に光スポットが位置する場合には、光電流ＡおよびＢが等しい値となる。さらに、検出素子としてＣＣＤ（Charge Coupled Device ）を使用しても良い。

さらに、この発明の外部共振器型半導体レーザにリットロー型を用いるものとして説明してきたが、例えば、リットマン型のような、他の外部共振器型半導体レーザを用いることもできる。

また、この発明は、オプティカルウェッジと同等の効果が得られる他の光学部品を使用しても良い。例えば、オプティカルウェッジの替わりに、両面がフラットなガラスを用いた場合、レーザ光がわずかでも拡散光あるいは収束光であれば、オプティカルウェッジと同様に、波長の変化に伴って縞模様が変化する。入射レーザ光とフラットなガラスの角度によって、縞模様の各縞は、ほぼ直線の形状となったり、湾曲した形状となる。

拡散光あるいは収束光のレーザ光が入射された場合、波面が平面でないため、フラットなガラスが所定の角度で入射光を受光すると、同心円の縞模様が現れる。このときに、波長が変化すると同心円の縞模様は外に広がったり、内側に集まったりする。そこで、フラットなガラスの角度を変えると、同心円の中心から離れた縞模様が現れ、この場合に、各縞が湾曲した縞模様となる。一方、フラットなガラスの角度をさらに調整すると、同心円の中心から、さらに離れた縞模様が現れ、この場合に、各縞がほぼ直線の縞模様となる。

リットロー型の外部共振器型半導体レーザの構成を示す略線図である。 外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長をレーザパワーの変化に応じて示すグラフである。 外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光のモードのパターンを示した略線図である。 オプティカルウェッジの作用を説明するための略線図である。 オプティカルウェッジで反射することによって発生する干渉縞を示す略線図である。 オプティカルウェッジの光路差を計算するための略線図である。 オプティカルウェッジをｘ軸方向に沿って見た略線図である。 波長λ１と波長λ２の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示すグラフである。 波長λ１と波長λ２の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示す別のグラフである。 波長λ１と波長λ２の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示すグラフである。 波長λ１乃至波長λ５の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示すグラフである。 ２つのディテクタからの検出値をもとに計算されたプッシュプル値の遷移を示すグラフである。 図１２に示すプッシュプル値をノーマライズした値を示すグラフである。 外部共振器型半導体レーザにおいて、レーザパワーの変化によって変化するレーザ光の波長を模式的に示した略線図である。 外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の上限波長と下限波長が同時にオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度を示すグラフである。 波長λ３の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度と、ディテクタによる検出の態様を示すグラフである。 波長λ４の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度と、ディテクタによる検出の態様を示すグラフである。 波長λ５の光がオプティカルウェッジに反射した場合の反射光の強度と、ディテクタによる検出の態様を示すグラフである。 ２つのディテクタと干渉縞との位置関係について説明する略線図である。 この発明を適用できるレーザ装置の構成の一例を示す側面図および平面図である。 この発明の一実施形態におけるボックスカバーの側面図および平面図である。 ボックスカバーを取り付けた状態の側面図および平面図である。

符号の説明

１・・・オプティカルウェッジ、５１・・・半導体レーザ、５４・・・グレーティング、６０・・・オプティカルウェッジの保持台、６１・・・２分割ディテクタ、７０・・・ボックスカバー、７１・・・開口、７２・・・導光部

Claims (6)

1. 半導体レーザと、
   上記半導体レーザからのレーザ光が入射され、０次光を所定の反射角で出射すると共に、１次光を所定の波長に対応した角度で回折して上記半導体レーザに戻す反射型回折格子と、
   上記０次光を受光し、外部に上記０次光を出射すると共に、縞状光強度分布を有する反射光を発生する光学素子と、
   上記光学素子からの上記反射光の光を受光し、受光面上の光スポットの位置を検出する検出素子と、
   上記半導体レーザ、上記反射型回折格子、上記光学素子、上記検出装置とが収納され、上記０次光の出射用の開口が形成されたケースとを備え、
   上記ケースの上記開口を上記光学素子が塞ぐように設けられたレーザ装置。
2. 請求項１において、
   上記光学素子の反射率が５％以下に設定されたレーザ装置。
3. 請求項１において、
   上記ケースの上記開口から内側に筒状の導光部が延長され、
   上記導光部の延長端部を覆うように上記光学素子が取り付けられたレーザ装置。
4. 請求項１において、
   上記検出素子の出力信号から、上記光スポットの位置の変化に応じて変化する差信号が形成され、上記差信号から上記０次光の波長を検出するようにしたレーザ装置。
5. 請求項４において、
   上記検出された波長に基づいて、外部に出射される０次光のレーザパワーが発振スペクトラムの乱れるパワーとならないように、上記半導体レーザのパワーを制御するレーザ装置。
6. 請求項１において、
   上記光学素子がオプティカルウェッジであることを特徴とするレーザ装置。
   

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