波長可変レーザ光源
【課題】高速な波長掃引ができ、かつ安定なレーザ発振を得ることができる波長可変レーザ光源を提供する。
【解決手段】波長可変レーザ光源の一実施態様は、レーザ発振する波長に対し利得を有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質の出力側の光軸上に設けられた可変焦点レンズ手段と、前記可変焦点レンズ手段の出力側の光軸上に設けられた第１のミラーと、前記第１のミラーと対向した位置に設けられ、前記レーザ媒質を含む共振器を構成する第２のミラーとを備えた。前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料を透過した光の焦点距離を可変することができ、前記焦点距離が波長依存性を有することにより、前記レーザ媒質を含む共振器においてレーザ発振する光の波長を選択する。
【解決手段】波長可変レーザ光源の一実施態様は、レーザ発振する波長に対し利得を有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質の出力側の光軸上に設けられた可変焦点レンズ手段と、前記可変焦点レンズ手段の出力側の光軸上に設けられた第１のミラーと、前記第１のミラーと対向した位置に設けられ、前記レーザ媒質を含む共振器を構成する第２のミラーとを備えた。前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料を透過した光の焦点距離を可変することができ、前記焦点距離が波長依存性を有することにより、前記レーザ媒質を含む共振器においてレーザ発振する光の波長を選択する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変レーザ光源に関し、より詳細には、波長分散を有する可変焦点レンズを共振器内に配置した波長可変レーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変レーザ光源は、ＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）光伝送などの光通信の分野、測定対象にレーザ光を照射して、透過、反射を分析する分析装置等に用いられている。
【０００３】
波長可変レーザ光源を分析装置の光源として用いる場合には、高速で波長を変化させること、及び発振スペクトルの幅を狭くすることが必要である。例えば、光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）において、高速の波長走査が利用可能になると、高速の画像処理、血流観測、酸素飽和濃度の変化等の動的な解析が可能となるので、このようなレーザ光源が要求されている。
【０００４】
図１に、従来のリトロー型波長可変レーザ光源を示す。外部共振器型波長可変レーザ光源の一例である（例えば、非特許文献１参照）。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質１１と、その出力側の光軸に配置されたコリメートレンズ１２と、回折格子１３とを備えている。レーザ媒質１１からの出力光をコリメートレンズ１２でコリメート化し、入射光１４として回折格子１３に入射させ、１次回折光１５と０次回折光（レーザ出力光）１６とを生じさせる。１次回折光１５は、レーザ媒質１１に帰還され、レーザ媒質１１のレーザ媒質端面に施された高反射ミラー１１ａと回折格子１３との間で共振器を形成する。
【０００５】
このとき、１次回折光１５と０次回折光（レーザ出力光）１６とが出射される方向（回折角）は、波長依存性を有している。従って、回折格子１３から入射光１４の反対方向へ向かう波長成分の１次回折光１５が、共振器においてレーザ発振する。回折格子１３を回転させることによって、入射光１４へ向かう１次回折光１５の波長を変え、レーザ出力光の波長を変化させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】L. Ricci, et.al., ‘‘A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics,’’ Optics Communications, Vol.117, Issues 5-6, 15 June 1995, p. 541-549
【非特許文献２】J. E. Geusic, et.al., ‘‘ELECTRO-OPTIC PROPERTIES OF SOME ABO3 PEROVSKITES IN THE PARAELECTRIC PHASE,’’ Appl. Phys. Lett. Vol.4, No.8, p.141-143 (1964)
【非特許文献３】F. S. Chen, et.al., ‘‘Light Modulation and Beam Deflection with Potassium Tantalate-Niobate Crystals,’’ J. Appl. Phys. Vol.37, No.1, p.388-398 (1966)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のリトロー型波長可変レーザ光源は、波長掃引するために機械的に回折格子を回転させるため、出力波長を変化するのに要する速度に限界があり、広い波長域を高速に掃引することができないという問題があった。また、レーザ発振には精密な共振器長の制御が必要であるが、機械的な可動部分を含むため、安定なレーザ発振を継続的に実現するのにも問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、高速な波長掃引ができ、かつ安定なレーザ発振を得ることができる波長可変レーザ光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、このような目的を達成するために、波長可変レーザ光源の一実施態様は、レーザ発振する波長に対し利得を有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質の出力側の光軸上に設けられた可変焦点レンズ手段と、前記可変焦点レンズ手段の出力側の光軸上に設けられた第１のミラーと、前記第１のミラーと対向した位置に設けられ、前記レーザ媒質を含む共振器を構成する第２のミラーとを備え、前記可変焦点レンズ手段は、反転対称性を有する電気光学材料と、該電気光学材料の内部に電界を印加するための２つ以上の電極とを含み、前記電極への印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点距離を可変することができ、前記焦点距離が波長依存性を有することにより、前記レーザ媒質を含む共振器においてレーザ発振する光の波長を選択できることを特徴とする。
【００１０】
前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料の光の入射面と光の出射面とに、前記電極が形成され、前記光を前記入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、前記出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸を設定し、前記入射面の電極から前記出射面の電極に向かう電気力線の一部が、前記空隙で屈曲し、前記光軸を中心に前記光が透過する部分の電界を変化させ、前記入射面の電極と前記出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点を可変することを特徴とする。
【００１１】
前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを備え、前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、前記第１および第２の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、電気光学効果を利用することにより、従来の可変焦点レンズと比較して、はるかに高速な応答速度を得ることができる。また、レーザ共振器内に、回転する回折格子のような可動部品がないため、安定したレーザ発振を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来のリトロー型波長可変レーザ光源を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図４】ＫＴＮ結晶の屈折率の波長依存性を示す図である。
【図５】第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの焦点距離の波長依存性を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図２に、本発明の第１の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質２１と、その出力側の光軸に配置された第１の可変焦点レンズ２２と、半波長板２３と、第２の可変焦点レンズ２４と、出力ミラー２５（第１のミラー）とを備えている。第１の可変焦点レンズ２２は、ｘ軸方向の偏光に対してｘ軸方向に焦点を可変することができ、第２の可変焦点レンズ２４は、ｙ軸方向の偏光に対してｙ軸方向に焦点を可変することができる。レーザ媒質２１と第１の可変焦点レンズ２２との間、第２の可変焦点レンズ２４と出力ミラー２５との間の片方もしくは両方に、光ビームを整形するためのレンズを配置しても構わない。
【００１６】
レーザ媒質２１からの出力光２６は、２つの可変焦点レンズを経て出力ミラー２５に入力され、一部の光がレーザ媒質２１の方向への反射光２７となり、残りの光がレーザ出力光２８となる。反射光２７は、レーザ媒質２１の端面に施された高反射ミラー２１ａ（第２のミラー）と出力ミラー２５との間で形成される共振器内を往復する。なお、高反射ミラー２１ａの代わりに、レーザ媒質２１の端面から離れた位置に、第２のミラーを配置してもよい。第１のミラーと、対向した位置に設けられた第２のミラーとのに間にレーザ媒質２１を含む共振器を構成することができればよい。
【００１７】
最初に、可変焦点レンズによるレーザ出力波長の選択について説明する。上述した共振器内でレーザ発振するためには、出力光２６が平行光となって出力ミラー２５に達し、反射光２７が平行光となって可変焦点レンズへ折り返されればよい。従って、出力ミラー２５は平面ミラーである。出力光２６を平行光とする可変焦点レンズの焦点が波長依存性を有する場合には、特定の波長のみが平行光となり、共振器内でレーザ発振する。その他の波長の光２９は、平行光とならず、可変焦点レンズへ折り返されないので、レーザ発振しない。可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、平行光となる波長が変化するので、共振器内でレーザ発振する光の波長を選択することができる。
【００１８】
第１の可変焦点レンズ２２は、ｘ軸方向の偏光に対してｘ軸方向のみに集光作用を有し、第２の可変焦点レンズ２４は、ｙ軸方向の偏光に対してｙ軸方向のみに集光作用を有する。半波長板２３は、ｘ軸方向の偏光をｙ軸方向の偏光に変換するので、第１の可変焦点レンズ２２、半波長板２３、第２の可変焦点レンズ２４の組み合わせによって偏光に依存しない球面レンズとして機能する。可変焦点レンズには、電気光学効果に波長依存性を有する電気光学結晶を用いる。屈折率と電気光学効果に波長依存性を有する電気光学結晶を用いると、可変焦点レンズの焦点距離が波長依存性を有することを説明する。
【００１９】
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板３１の上面（光の入射面）および下面（光の出射面）に、それぞれ１対の入射面電極３２ａ，３２ｂおよび出射面電極３３ａ，３４ｂが形成されている。入射面電極３２ａ，３２ｂの各々は等しい電位とし、出射面電極３３ａ，３３ｂの各々も等しい電位とする。入射光３４は、同電位の電極対の間の空隙を通過し、出射光３５として透過するように、ｚ軸方向に光軸を設定する。
【００２０】
入射面電極３２ａ，３２ｂのそれぞれは、光が透過する空隙を挟んで対向する辺がｙ軸に平行となるように形成されている。出射面電極３３ａ，３３ｂも、光が透過する空隙を挟んで対向する辺がｙ軸に平行となるように形成されている。出射面電極３３ａ，３３ｂの対向する辺の位置は、ｘ軸方向において入射面電極３２ａ，３２ｂの対向する辺と一致、すなわち基板３１を挟んで一致している。電圧を入射面電極３２から出射面電極対３３へ、またはその逆に印加することができる。
【００２１】
本実施形態の可変焦点レンズにおいては、電気光学効果の中でも、電界の自乗に比例した屈折率変調が起こる、２次の電気光学効果（カー効果）を有する材料が好適である。カー効果の場合は、ｘ軸方向の屈折率分布Δｎxは、電界成分Ｅxの符号に依存しないので、レンズとして好適な左右対称形になるからである。一方、ポッケルス効果の場合は、屈折率変調は電界の１乗に比例し、電界成分Ｅxによる屈折率変化は左右対称とならないため、レンズとしてうまく機能しない。
【００２２】
多くの電気光学材料は、反転対称性を有しておらず、ポッケルス効果を発現する。これに対して、一部の電気光学材料は、反転対称性を有しており、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。従って、本実施形態の電気光学材料としては、反転対称性を有する材料を用いることが重要である。
【００２３】
反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料が好適である。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において立方晶相となり、この立方晶相でのカー効果が大きいためである。例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、以下ＫＴＮという）を主成分とする単結晶材料は、より好適な特徴を有する。ＫＴＮは、主としてタンタルとニオブの組成比により、相転移温度を選択することができる。これにより、室温付近に相転移温度を設定することができる。ＫＴＮでカー効果を利用するためには、相転移温度よりも高い温度に使用温度を設定して、立方晶相の状態で使用する必要がある。同じ立方晶相にあっても、より相転移温度に近い方が、電気光学効果が圧倒的に大きくなる。このため、室温付近に相転移温度を設定することは、大きなカー効果を簡便に実現する上で、非常に重要である。
【００２４】
さらに、ＫＴＮに関連する単結晶材料として、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含む材料を用いることができる。また、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。例えば、立方晶相のＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。
【００２５】
図３の構成において、偏光は、光電界の向きがｘ軸方向とする。レンズの特性は、基板３１を透過することによって光が受ける光路長変調によって表される。光路長変調Δｓとは、電気光学材料を透過する間の経路にわたって、屈折率変調を積分したものである。屈折率変調をΔｎxとする。本実施形態にかかる可変焦点レンズは、ｚ軸方向に光が伝搬するので、光路長変調Δｓは、
【００２６】
【数１】
【００２７】
となり、ｚには依存せずｘのみの関数となる。すなわち、光を集散させるｘ軸方向でのみ変化し、ｙ軸方向には変化しない。光電界の向きがｘ軸方向のとき、光が感じる屈折率変調Δｎxは、
【００２８】
【数２】
【００２９】
である。ここで、ｎ0は電圧を印加しないときの屈折率である。ｓ11とｓ12は２次の電気光学係数であり、Ｅx，Ｅzは印加電圧による電界のｘ成分、ｚ成分である。
【００３０】
図３に示した可変焦点レンズにおいて、電極に電圧を印加すると、電極の間を結ぶ電気力線の一部が、前記電気光学材料の内部で屈曲することにより光が透過する部分の電界が変化させられる。印加電圧による電界は電極付近で強く、電極から離れるにつれて弱くなる。つまり、電極付近で大きく屈折率が変化し、結晶中央付近での屈折率変化は相対的に小さくなる。電気光学材料としてＫＴＮを用いた場合には、屈折率が小さくなるように変化するので、光電界がｘ軸方向に向いている場合の光路長は、結晶中央付近に較べて電極付近で短くなる。すなわち、凸レンズとして機能する。
【００３１】
さて、非特許文献２には、ｇ11とｇ12の波長依存性について記載されている。ここで、ｓijとｇijの間には、立方晶相における誘電率をεとしたとき、
ｓij＝ｇijε2
という関係がある。また、非特許文献３には、ｎ0の波長依存性について記載されている。従って、式（２）において、ｎ0、ｓ11、ｓ12は波長依存性を有するので、光路長変調Δｓが波長依存性を有する。
【００３２】
図４に、ＫＴＮ結晶の屈折率の波長依存性を示す。非特許文献３に記載されているＫＴＮ結晶の屈折率の波長依存性を、波長１．２〜１．４μｍの範囲で示している。ＫＴＮ結晶は、長波長になるにつれて屈折率が小さくなることを示している。また、非特許文献２には、ｓ11、ｓ12も同様に長波長になるにつれて小さくなると記載されている。従って、光路長変調Δｓは、長波長になるにつれて大きくなる。本実施形態の可変焦点レンズの焦点距離ｆは、光路長変調分布を２次曲線でフィッティングすることにより、一般的なレンズの光路長変調分布と対応させて求めることができる。光路長変調Δｓの絶対値が大きく光路長変調分布の変化が急峻であれば、レンズの焦点距離ｆは短くなる。本実施形態では、光路長変調Δｓが負のため、長波長になるにつれてΔｓの絶対値が小さくなり、レンズの焦点距離ｆは長くなる。
【００３３】
図５に、第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの焦点距離の波長依存性を示す。波長１．２〜１．４μｍの範囲で、焦点距離は、規格化して示してある。焦点距離が１となる波長の光を、図２に示した波長可変レーザ光源の出力光２６とすると、可変焦点レンズを経て平行光となり、共振器内で共振できるものとする。可変焦点レンズの電極対に印加する電圧がＶ１のとき、可変焦点レンズは特定の波長１．２μｍの光のみを平行光とし、この波長のみが共振器内において共振する。印加電圧Ｖ１のとき、その他の波長の光についてはより長い焦点距離であるので、平行光とならず、共振することができない。
【００３４】
電極へ印加する電圧を変化させることにより、焦点距離が１となる波長が変化するので、平行光に変換されて共振器内で共振する光の波長を変化させることができる。長波長になるにつれて可変焦点レンズの焦点距離は長くなるので、より高い電圧を印加することにより、より長波長の光を平行光に変換して、共振させることができる。印加電圧を変更し、焦点距離を変化させて波長の選択を行うのに、応答時間は１μｓ以下であり、従来の可動部品を用いる構成に比べて非常に高速である。また、可動部分を含む場合に問題となる共振器長の変動を回避することができる。
【００３５】
電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。従って、電気光学材料をレンズとして機能させるための所望の屈折率分布を得るため、または、電気光学材料を透過する光が偏向しないようにするためには、基板１に電圧を印加した際に、基板１の内部に空間電荷が形成されない方がよい。
【００３６】
空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量であるため、電極から注入されるキャリアの注入効率は小さい方がよい。電気光学材料において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、電極と基板との間はショットキー接合に近づき、キャリアの注入効率は減少する。従って、電極は、電気光学材料とショットキー接合が形成される材料であることが好ましい。具体的には、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。（）内は仕事関数を示し、単位はｅＶである。
【００３７】
一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔の注入を抑えるために、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｔｉ（３．８４）等を用いることができる。なお、Ｔｉの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順に積層した電極を用いて、Ｔｉの層と電気光学材料とを接合させる。さらに、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。
【００３８】
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板４１の上面（第１の面）および下面（第２の面）に、帯状の電極４つが形成されている。光の入射側の上部電極として陽極４２（第１の陽極）、基板４１を挟んで下部電極として陰極４３（第１の陰極）が配置されている。さらに、これら電極対とは間隔を置き、光の出射側にもう一対の電極が配置されおり、上部電極が陰極４４（第２の陰極）であり、下部電極が陽極４５（第２の陽極）である。帯状の４つ電極は、長手方向の辺がすべて平行となる形状を有している。
【００３９】
光は、電極を配置した面と直交する面（第３の面）から入射され、基板４１の内部をｘ軸方向に進行し、陽極４２と陰極４３の間を、これらの帯状電極の長手方向とは垂直な方向に透過する。次いで、陰極４４と陽極４５との間を透過してから、入射した面と対向する面（第４の面）から空気中へと出射するように設定する。
【００４０】
このような構成において、陽極と陰極との間に電圧を印加する。光の入射側の電極対と光の出射側の電極対とは、電圧をかける向き（ｚ軸方向）が互いに逆になっている。陽極４２と陽極４５との電位は異なっていてもよく、陰極４３と陰極４４の電位も同様である。なお、陽極４２，４５の低いほうの電位は、陰極４３，４４の高いほうの電位よりも高くなるように設定する。
【００４１】
このとき、これら電極の間には電界の分布が発生し、基板４１の有する電気光学効果によって屈折率が変調される。屈折率の変調された部分を光が透過する時、この屈折率分布によって光は屈曲させられ、その結果、光は集光あるいは発散させられる。集光される場合、図６の構造によれば、シリンドリカル凸レンズとして機能し、発散される場合は、シリンドリカル凹レンズとして機能する。また、印加する電圧によって光の屈曲の度合いが変化するので、焦点距離を電圧によって制御することができる。
【００４２】
このような可変焦点レンズを、図２に示した波長可変レーザ光源の第１の可変焦点レンズ２２および第２の可変焦点レンズ２４として用いることができる。
【００４３】
図７に、本発明の第２の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。図７（ａ）の波長可変レーザ光源は、レーザ媒質５１と、その出力側の光軸に配置された第１の可変焦点レンズ５２と、半波長板５３と、第２の可変焦点レンズ５４と、出力ミラー５５とを備えている。第１の可変焦点レンズ５２は、ｘ軸方向の偏光に対してｘ軸方向に焦点を可変することができ、第２の可変焦点レンズ５４は、ｙ軸方向の偏光に対してｙ軸方向に焦点を可変することができる。レーザー媒質５１からの出力光５６は、第１の可変焦点レンズ５２から出力された後、ｘ軸方向に対して平行光とならず拡がっていく。同様に第２の可変焦点レンズ５４から出力ミラー５５に向かう光は、ｙ軸方向に対して平行光とならず拡がっていく。また、半波長板５３は、第１の実施形態と同様、ｘ軸（ｙ軸）方向の偏光をｙ軸（ｘ軸）方向の偏光に変換する。図３または図６に記載した可変焦点レンズを用いることができる。
【００４４】
出力ミラー５５（第１のミラー）は、凹面ミラーであり、反射光に対して凹レンズの機能を有する。レーザ媒質５１からの出力光５６は、２つの可変焦点レンズを経て出力ミラー５５に入力され、一部の光がレーザ媒質５１の方向への反射光５７となり、残りの光がレーザ出力光５８となる。上述したように、第１のミラーと、対向した位置に設けられた第２のミラーとのに間にレーザ媒質５１を含む共振器を構成する。本実施形態では、レーザ媒質５１の端面に高反射ミラーを形成した。反射光５７が、出力光５６と同じ経路を経てレーザ媒質５１に戻るように、可変焦点レンズの焦点距離を調整すれば、共振器内でレーザ発振する光の波長を変化させることができる。
【００４５】
図７（ｂ）の波長可変レーザ光源は、レーザ媒質６１と、その出力側の光軸に配置された第１の可変焦点レンズ６２と、半波長板６３と、第２の可変焦点レンズ６４と、出力ミラー６５とを備えている。レーザ媒質６１からの出力光は、第１の可変焦点レンズ６２から出力された後、ｘ軸方向に対して平行光とならず収束していく。同様に第２の可変焦点レンズ６４から出力ミラー６５に向かう光は、ｙ軸方向に対して平行光とならず収束していく。出力ミラー６５は、凸面ミラーであり、反射光に対して凸レンズの機能を有する。図７（ａ）の波長可変レーザ光源と同じく、可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、レーザ発振する光の波長を変化させることができる。
【００４６】
図８に、本発明の第３の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。図８（ａ）はｙｚ平面から見た構成であり、図８（ｂ）はｘｚ平面から見た構成を示す。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質７１と、その出力側の光軸に配置された第１の可変焦点レンズ７２と、出力ミラー７５とを備えている。第１の可変焦点レンズ７２は、ｙ軸方向の偏光に対してｙ軸方向に焦点を可変することができる。図３または図６に記載した可変焦点レンズを用いることができる。出力ミラー７５は、シリンドリカルミラーであり、ｘ軸方向に対して焦点を有している。図７の波長可変レーザ光源と同じく、出力ミラー７５で反射された光が、出力ミラー７５に入射される光と同じ経路を経てレーザ媒質７１に戻るように可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、レーザ発振する光の波長を変化させることができる。
【符号の説明】
【００４７】
２１，５１，６１，７１ レーザ媒質
２２，５２，６２，７２ 第１の可変焦点レンズ
２３，５３，６３ 半波長板
２４，５４，６４ 第２の可変焦点レンズ
２５，５５，６５，７５ 出力ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変レーザ光源に関し、より詳細には、波長分散を有する可変焦点レンズを共振器内に配置した波長可変レーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変レーザ光源は、ＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）光伝送などの光通信の分野、測定対象にレーザ光を照射して、透過、反射を分析する分析装置等に用いられている。
【０００３】
波長可変レーザ光源を分析装置の光源として用いる場合には、高速で波長を変化させること、及び発振スペクトルの幅を狭くすることが必要である。例えば、光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）において、高速の波長走査が利用可能になると、高速の画像処理、血流観測、酸素飽和濃度の変化等の動的な解析が可能となるので、このようなレーザ光源が要求されている。
【０００４】
図１に、従来のリトロー型波長可変レーザ光源を示す。外部共振器型波長可変レーザ光源の一例である（例えば、非特許文献１参照）。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質１１と、その出力側の光軸に配置されたコリメートレンズ１２と、回折格子１３とを備えている。レーザ媒質１１からの出力光をコリメートレンズ１２でコリメート化し、入射光１４として回折格子１３に入射させ、１次回折光１５と０次回折光（レーザ出力光）１６とを生じさせる。１次回折光１５は、レーザ媒質１１に帰還され、レーザ媒質１１のレーザ媒質端面に施された高反射ミラー１１ａと回折格子１３との間で共振器を形成する。
【０００５】
このとき、１次回折光１５と０次回折光（レーザ出力光）１６とが出射される方向（回折角）は、波長依存性を有している。従って、回折格子１３から入射光１４の反対方向へ向かう波長成分の１次回折光１５が、共振器においてレーザ発振する。回折格子１３を回転させることによって、入射光１４へ向かう１次回折光１５の波長を変え、レーザ出力光の波長を変化させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】L. Ricci, et.al., ‘‘A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics,’’ Optics Communications, Vol.117, Issues 5-6, 15 June 1995, p. 541-549
【非特許文献２】J. E. Geusic, et.al., ‘‘ELECTRO-OPTIC PROPERTIES OF SOME ABO3 PEROVSKITES IN THE PARAELECTRIC PHASE,’’ Appl. Phys. Lett. Vol.4, No.8, p.141-143 (1964)
【非特許文献３】F. S. Chen, et.al., ‘‘Light Modulation and Beam Deflection with Potassium Tantalate-Niobate Crystals,’’ J. Appl. Phys. Vol.37, No.1, p.388-398 (1966)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のリトロー型波長可変レーザ光源は、波長掃引するために機械的に回折格子を回転させるため、出力波長を変化するのに要する速度に限界があり、広い波長域を高速に掃引することができないという問題があった。また、レーザ発振には精密な共振器長の制御が必要であるが、機械的な可動部分を含むため、安定なレーザ発振を継続的に実現するのにも問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、高速な波長掃引ができ、かつ安定なレーザ発振を得ることができる波長可変レーザ光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、このような目的を達成するために、波長可変レーザ光源の一実施態様は、レーザ発振する波長に対し利得を有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質の出力側の光軸上に設けられた可変焦点レンズ手段と、前記可変焦点レンズ手段の出力側の光軸上に設けられた第１のミラーと、前記第１のミラーと対向した位置に設けられ、前記レーザ媒質を含む共振器を構成する第２のミラーとを備え、前記可変焦点レンズ手段は、反転対称性を有する電気光学材料と、該電気光学材料の内部に電界を印加するための２つ以上の電極とを含み、前記電極への印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点距離を可変することができ、前記焦点距離が波長依存性を有することにより、前記レーザ媒質を含む共振器においてレーザ発振する光の波長を選択できることを特徴とする。
【００１０】
前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料の光の入射面と光の出射面とに、前記電極が形成され、前記光を前記入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、前記出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸を設定し、前記入射面の電極から前記出射面の電極に向かう電気力線の一部が、前記空隙で屈曲し、前記光軸を中心に前記光が透過する部分の電界を変化させ、前記入射面の電極と前記出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点を可変することを特徴とする。
【００１１】
前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを備え、前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、前記第１および第２の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、電気光学効果を利用することにより、従来の可変焦点レンズと比較して、はるかに高速な応答速度を得ることができる。また、レーザ共振器内に、回転する回折格子のような可動部品がないため、安定したレーザ発振を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来のリトロー型波長可変レーザ光源を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図４】ＫＴＮ結晶の屈折率の波長依存性を示す図である。
【図５】第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの焦点距離の波長依存性を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図２に、本発明の第１の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質２１と、その出力側の光軸に配置された第１の可変焦点レンズ２２と、半波長板２３と、第２の可変焦点レンズ２４と、出力ミラー２５（第１のミラー）とを備えている。第１の可変焦点レンズ２２は、ｘ軸方向の偏光に対してｘ軸方向に焦点を可変することができ、第２の可変焦点レンズ２４は、ｙ軸方向の偏光に対してｙ軸方向に焦点を可変することができる。レーザ媒質２１と第１の可変焦点レンズ２２との間、第２の可変焦点レンズ２４と出力ミラー２５との間の片方もしくは両方に、光ビームを整形するためのレンズを配置しても構わない。
【００１６】
レーザ媒質２１からの出力光２６は、２つの可変焦点レンズを経て出力ミラー２５に入力され、一部の光がレーザ媒質２１の方向への反射光２７となり、残りの光がレーザ出力光２８となる。反射光２７は、レーザ媒質２１の端面に施された高反射ミラー２１ａ（第２のミラー）と出力ミラー２５との間で形成される共振器内を往復する。なお、高反射ミラー２１ａの代わりに、レーザ媒質２１の端面から離れた位置に、第２のミラーを配置してもよい。第１のミラーと、対向した位置に設けられた第２のミラーとのに間にレーザ媒質２１を含む共振器を構成することができればよい。
【００１７】
最初に、可変焦点レンズによるレーザ出力波長の選択について説明する。上述した共振器内でレーザ発振するためには、出力光２６が平行光となって出力ミラー２５に達し、反射光２７が平行光となって可変焦点レンズへ折り返されればよい。従って、出力ミラー２５は平面ミラーである。出力光２６を平行光とする可変焦点レンズの焦点が波長依存性を有する場合には、特定の波長のみが平行光となり、共振器内でレーザ発振する。その他の波長の光２９は、平行光とならず、可変焦点レンズへ折り返されないので、レーザ発振しない。可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、平行光となる波長が変化するので、共振器内でレーザ発振する光の波長を選択することができる。
【００１８】
第１の可変焦点レンズ２２は、ｘ軸方向の偏光に対してｘ軸方向のみに集光作用を有し、第２の可変焦点レンズ２４は、ｙ軸方向の偏光に対してｙ軸方向のみに集光作用を有する。半波長板２３は、ｘ軸方向の偏光をｙ軸方向の偏光に変換するので、第１の可変焦点レンズ２２、半波長板２３、第２の可変焦点レンズ２４の組み合わせによって偏光に依存しない球面レンズとして機能する。可変焦点レンズには、電気光学効果に波長依存性を有する電気光学結晶を用いる。屈折率と電気光学効果に波長依存性を有する電気光学結晶を用いると、可変焦点レンズの焦点距離が波長依存性を有することを説明する。
【００１９】
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板３１の上面（光の入射面）および下面（光の出射面）に、それぞれ１対の入射面電極３２ａ，３２ｂおよび出射面電極３３ａ，３４ｂが形成されている。入射面電極３２ａ，３２ｂの各々は等しい電位とし、出射面電極３３ａ，３３ｂの各々も等しい電位とする。入射光３４は、同電位の電極対の間の空隙を通過し、出射光３５として透過するように、ｚ軸方向に光軸を設定する。
【００２０】
入射面電極３２ａ，３２ｂのそれぞれは、光が透過する空隙を挟んで対向する辺がｙ軸に平行となるように形成されている。出射面電極３３ａ，３３ｂも、光が透過する空隙を挟んで対向する辺がｙ軸に平行となるように形成されている。出射面電極３３ａ，３３ｂの対向する辺の位置は、ｘ軸方向において入射面電極３２ａ，３２ｂの対向する辺と一致、すなわち基板３１を挟んで一致している。電圧を入射面電極３２から出射面電極対３３へ、またはその逆に印加することができる。
【００２１】
本実施形態の可変焦点レンズにおいては、電気光学効果の中でも、電界の自乗に比例した屈折率変調が起こる、２次の電気光学効果（カー効果）を有する材料が好適である。カー効果の場合は、ｘ軸方向の屈折率分布Δｎxは、電界成分Ｅxの符号に依存しないので、レンズとして好適な左右対称形になるからである。一方、ポッケルス効果の場合は、屈折率変調は電界の１乗に比例し、電界成分Ｅxによる屈折率変化は左右対称とならないため、レンズとしてうまく機能しない。
【００２２】
多くの電気光学材料は、反転対称性を有しておらず、ポッケルス効果を発現する。これに対して、一部の電気光学材料は、反転対称性を有しており、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。従って、本実施形態の電気光学材料としては、反転対称性を有する材料を用いることが重要である。
【００２３】
反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料が好適である。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において立方晶相となり、この立方晶相でのカー効果が大きいためである。例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、以下ＫＴＮという）を主成分とする単結晶材料は、より好適な特徴を有する。ＫＴＮは、主としてタンタルとニオブの組成比により、相転移温度を選択することができる。これにより、室温付近に相転移温度を設定することができる。ＫＴＮでカー効果を利用するためには、相転移温度よりも高い温度に使用温度を設定して、立方晶相の状態で使用する必要がある。同じ立方晶相にあっても、より相転移温度に近い方が、電気光学効果が圧倒的に大きくなる。このため、室温付近に相転移温度を設定することは、大きなカー効果を簡便に実現する上で、非常に重要である。
【００２４】
さらに、ＫＴＮに関連する単結晶材料として、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含む材料を用いることができる。また、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。例えば、立方晶相のＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。
【００２５】
図３の構成において、偏光は、光電界の向きがｘ軸方向とする。レンズの特性は、基板３１を透過することによって光が受ける光路長変調によって表される。光路長変調Δｓとは、電気光学材料を透過する間の経路にわたって、屈折率変調を積分したものである。屈折率変調をΔｎxとする。本実施形態にかかる可変焦点レンズは、ｚ軸方向に光が伝搬するので、光路長変調Δｓは、
【００２６】
【数１】
【００２７】
となり、ｚには依存せずｘのみの関数となる。すなわち、光を集散させるｘ軸方向でのみ変化し、ｙ軸方向には変化しない。光電界の向きがｘ軸方向のとき、光が感じる屈折率変調Δｎxは、
【００２８】
【数２】
【００２９】
である。ここで、ｎ0は電圧を印加しないときの屈折率である。ｓ11とｓ12は２次の電気光学係数であり、Ｅx，Ｅzは印加電圧による電界のｘ成分、ｚ成分である。
【００３０】
図３に示した可変焦点レンズにおいて、電極に電圧を印加すると、電極の間を結ぶ電気力線の一部が、前記電気光学材料の内部で屈曲することにより光が透過する部分の電界が変化させられる。印加電圧による電界は電極付近で強く、電極から離れるにつれて弱くなる。つまり、電極付近で大きく屈折率が変化し、結晶中央付近での屈折率変化は相対的に小さくなる。電気光学材料としてＫＴＮを用いた場合には、屈折率が小さくなるように変化するので、光電界がｘ軸方向に向いている場合の光路長は、結晶中央付近に較べて電極付近で短くなる。すなわち、凸レンズとして機能する。
【００３１】
さて、非特許文献２には、ｇ11とｇ12の波長依存性について記載されている。ここで、ｓijとｇijの間には、立方晶相における誘電率をεとしたとき、
ｓij＝ｇijε2
という関係がある。また、非特許文献３には、ｎ0の波長依存性について記載されている。従って、式（２）において、ｎ0、ｓ11、ｓ12は波長依存性を有するので、光路長変調Δｓが波長依存性を有する。
【００３２】
図４に、ＫＴＮ結晶の屈折率の波長依存性を示す。非特許文献３に記載されているＫＴＮ結晶の屈折率の波長依存性を、波長１．２〜１．４μｍの範囲で示している。ＫＴＮ結晶は、長波長になるにつれて屈折率が小さくなることを示している。また、非特許文献２には、ｓ11、ｓ12も同様に長波長になるにつれて小さくなると記載されている。従って、光路長変調Δｓは、長波長になるにつれて大きくなる。本実施形態の可変焦点レンズの焦点距離ｆは、光路長変調分布を２次曲線でフィッティングすることにより、一般的なレンズの光路長変調分布と対応させて求めることができる。光路長変調Δｓの絶対値が大きく光路長変調分布の変化が急峻であれば、レンズの焦点距離ｆは短くなる。本実施形態では、光路長変調Δｓが負のため、長波長になるにつれてΔｓの絶対値が小さくなり、レンズの焦点距離ｆは長くなる。
【００３３】
図５に、第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの焦点距離の波長依存性を示す。波長１．２〜１．４μｍの範囲で、焦点距離は、規格化して示してある。焦点距離が１となる波長の光を、図２に示した波長可変レーザ光源の出力光２６とすると、可変焦点レンズを経て平行光となり、共振器内で共振できるものとする。可変焦点レンズの電極対に印加する電圧がＶ１のとき、可変焦点レンズは特定の波長１．２μｍの光のみを平行光とし、この波長のみが共振器内において共振する。印加電圧Ｖ１のとき、その他の波長の光についてはより長い焦点距離であるので、平行光とならず、共振することができない。
【００３４】
電極へ印加する電圧を変化させることにより、焦点距離が１となる波長が変化するので、平行光に変換されて共振器内で共振する光の波長を変化させることができる。長波長になるにつれて可変焦点レンズの焦点距離は長くなるので、より高い電圧を印加することにより、より長波長の光を平行光に変換して、共振させることができる。印加電圧を変更し、焦点距離を変化させて波長の選択を行うのに、応答時間は１μｓ以下であり、従来の可動部品を用いる構成に比べて非常に高速である。また、可動部分を含む場合に問題となる共振器長の変動を回避することができる。
【００３５】
電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。従って、電気光学材料をレンズとして機能させるための所望の屈折率分布を得るため、または、電気光学材料を透過する光が偏向しないようにするためには、基板１に電圧を印加した際に、基板１の内部に空間電荷が形成されない方がよい。
【００３６】
空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量であるため、電極から注入されるキャリアの注入効率は小さい方がよい。電気光学材料において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、電極と基板との間はショットキー接合に近づき、キャリアの注入効率は減少する。従って、電極は、電気光学材料とショットキー接合が形成される材料であることが好ましい。具体的には、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。（）内は仕事関数を示し、単位はｅＶである。
【００３７】
一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔の注入を抑えるために、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｔｉ（３．８４）等を用いることができる。なお、Ｔｉの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順に積層した電極を用いて、Ｔｉの層と電気光学材料とを接合させる。さらに、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。
【００３８】
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板４１の上面（第１の面）および下面（第２の面）に、帯状の電極４つが形成されている。光の入射側の上部電極として陽極４２（第１の陽極）、基板４１を挟んで下部電極として陰極４３（第１の陰極）が配置されている。さらに、これら電極対とは間隔を置き、光の出射側にもう一対の電極が配置されおり、上部電極が陰極４４（第２の陰極）であり、下部電極が陽極４５（第２の陽極）である。帯状の４つ電極は、長手方向の辺がすべて平行となる形状を有している。
【００３９】
光は、電極を配置した面と直交する面（第３の面）から入射され、基板４１の内部をｘ軸方向に進行し、陽極４２と陰極４３の間を、これらの帯状電極の長手方向とは垂直な方向に透過する。次いで、陰極４４と陽極４５との間を透過してから、入射した面と対向する面（第４の面）から空気中へと出射するように設定する。
【００４０】
このような構成において、陽極と陰極との間に電圧を印加する。光の入射側の電極対と光の出射側の電極対とは、電圧をかける向き（ｚ軸方向）が互いに逆になっている。陽極４２と陽極４５との電位は異なっていてもよく、陰極４３と陰極４４の電位も同様である。なお、陽極４２，４５の低いほうの電位は、陰極４３，４４の高いほうの電位よりも高くなるように設定する。
【００４１】
このとき、これら電極の間には電界の分布が発生し、基板４１の有する電気光学効果によって屈折率が変調される。屈折率の変調された部分を光が透過する時、この屈折率分布によって光は屈曲させられ、その結果、光は集光あるいは発散させられる。集光される場合、図６の構造によれば、シリンドリカル凸レンズとして機能し、発散される場合は、シリンドリカル凹レンズとして機能する。また、印加する電圧によって光の屈曲の度合いが変化するので、焦点距離を電圧によって制御することができる。
【００４２】
このような可変焦点レンズを、図２に示した波長可変レーザ光源の第１の可変焦点レンズ２２および第２の可変焦点レンズ２４として用いることができる。
【００４３】
図７に、本発明の第２の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。図７（ａ）の波長可変レーザ光源は、レーザ媒質５１と、その出力側の光軸に配置された第１の可変焦点レンズ５２と、半波長板５３と、第２の可変焦点レンズ５４と、出力ミラー５５とを備えている。第１の可変焦点レンズ５２は、ｘ軸方向の偏光に対してｘ軸方向に焦点を可変することができ、第２の可変焦点レンズ５４は、ｙ軸方向の偏光に対してｙ軸方向に焦点を可変することができる。レーザー媒質５１からの出力光５６は、第１の可変焦点レンズ５２から出力された後、ｘ軸方向に対して平行光とならず拡がっていく。同様に第２の可変焦点レンズ５４から出力ミラー５５に向かう光は、ｙ軸方向に対して平行光とならず拡がっていく。また、半波長板５３は、第１の実施形態と同様、ｘ軸（ｙ軸）方向の偏光をｙ軸（ｘ軸）方向の偏光に変換する。図３または図６に記載した可変焦点レンズを用いることができる。
【００４４】
出力ミラー５５（第１のミラー）は、凹面ミラーであり、反射光に対して凹レンズの機能を有する。レーザ媒質５１からの出力光５６は、２つの可変焦点レンズを経て出力ミラー５５に入力され、一部の光がレーザ媒質５１の方向への反射光５７となり、残りの光がレーザ出力光５８となる。上述したように、第１のミラーと、対向した位置に設けられた第２のミラーとのに間にレーザ媒質５１を含む共振器を構成する。本実施形態では、レーザ媒質５１の端面に高反射ミラーを形成した。反射光５７が、出力光５６と同じ経路を経てレーザ媒質５１に戻るように、可変焦点レンズの焦点距離を調整すれば、共振器内でレーザ発振する光の波長を変化させることができる。
【００４５】
図７（ｂ）の波長可変レーザ光源は、レーザ媒質６１と、その出力側の光軸に配置された第１の可変焦点レンズ６２と、半波長板６３と、第２の可変焦点レンズ６４と、出力ミラー６５とを備えている。レーザ媒質６１からの出力光は、第１の可変焦点レンズ６２から出力された後、ｘ軸方向に対して平行光とならず収束していく。同様に第２の可変焦点レンズ６４から出力ミラー６５に向かう光は、ｙ軸方向に対して平行光とならず収束していく。出力ミラー６５は、凸面ミラーであり、反射光に対して凸レンズの機能を有する。図７（ａ）の波長可変レーザ光源と同じく、可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、レーザ発振する光の波長を変化させることができる。
【００４６】
図８に、本発明の第３の実施形態にかかる波長可変レーザ光源の構成を示す。図８（ａ）はｙｚ平面から見た構成であり、図８（ｂ）はｘｚ平面から見た構成を示す。波長可変レーザ光源は、レーザ媒質７１と、その出力側の光軸に配置された第１の可変焦点レンズ７２と、出力ミラー７５とを備えている。第１の可変焦点レンズ７２は、ｙ軸方向の偏光に対してｙ軸方向に焦点を可変することができる。図３または図６に記載した可変焦点レンズを用いることができる。出力ミラー７５は、シリンドリカルミラーであり、ｘ軸方向に対して焦点を有している。図７の波長可変レーザ光源と同じく、出力ミラー７５で反射された光が、出力ミラー７５に入射される光と同じ経路を経てレーザ媒質７１に戻るように可変焦点レンズの焦点距離を変化させることにより、レーザ発振する光の波長を変化させることができる。
【符号の説明】
【００４７】
２１，５１，６１，７１ レーザ媒質
２２，５２，６２，７２ 第１の可変焦点レンズ
２３，５３，６３ 半波長板
２４，５４，６４ 第２の可変焦点レンズ
２５，５５，６５，７５ 出力ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振する波長に対し利得を有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の出力側の光軸上に設けられた可変焦点レンズ手段と、
前記可変焦点レンズ手段の出力側の光軸上に設けられた第１のミラーと、
前記第１のミラーと対向した位置に設けられ、前記レーザ媒質を含む共振器を構成する第２のミラーとを備え、
前記可変焦点レンズ手段は、反転対称性を有する電気光学材料と、該電気光学材料の内部に電界を印加するための２つ以上の電極とを含み、前記電極への印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点距離を可変することができ、
前記焦点距離が波長依存性を有することにより、前記レーザ媒質を含む共振器においてレーザ発振する光の波長を選択できることを特徴とする波長可変レーザ光源。
【請求項２】
前記可変焦点レンズ手段は、一軸方向の偏光に対して焦点を可変することができる第１の可変焦点レンズを含み、前記第１のミラーは、シリンドリカルミラーであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項３】
前記可変焦点レンズ手段は、第１の軸方向の偏光に対して焦点を可変することができる第１の可変焦点レンズと、前記第１の軸と直交する第２の軸方向の偏光に対して焦点を可変することができる第２の可変焦点レンズと、前記第１の可変焦点レンズと前記第２の可変焦点レンズとの間に挿入された半波長板とを含み、前記第１のミラーは、凹面ミラーまたは凸面ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項４】
前記可変焦点レンズ手段は、前記第１の軸方向および前記第２の軸方向のいずれか一方を平行光に変換し、前記第１のミラーは、凹面ミラーまたは凸面ミラーに代えてシリンドリカルミラーであることを特徴とする請求項３に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項５】
前記可変焦点レンズ手段は、前記第１の軸方向および前記第２の軸方向に平行光に変換し、前記第１のミラーは、凹面ミラーまたは凸面ミラーに代えて平面ミラーであることを特徴とする請求項３に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項６】
前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料の光の入射面と光の出射面とに、前記電極が形成され、
前記光を前記入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、前記出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸を設定し、
前記入射面の電極から前記出射面の電極に向かう電気力線の一部が、前記空隙で屈曲し、前記光軸を中心に前記光が透過する部分の電界を変化させ、
前記入射面の電極と前記出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点を可変することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。
【請求項７】
前記可変焦点レンズ手段は、
前記電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、
前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、
前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、
前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを備え、
前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記第１および第２の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。
【請求項８】
前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。
【請求項９】
前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）であることを特徴とする請求項８に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項１０】
前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項８に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項１１】
前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項１０に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項１２】
前記電極は、前記電気光学材料とショットキー接合が形成される材料であることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。
【請求項１】
レーザ発振する波長に対し利得を有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の出力側の光軸上に設けられた可変焦点レンズ手段と、
前記可変焦点レンズ手段の出力側の光軸上に設けられた第１のミラーと、
前記第１のミラーと対向した位置に設けられ、前記レーザ媒質を含む共振器を構成する第２のミラーとを備え、
前記可変焦点レンズ手段は、反転対称性を有する電気光学材料と、該電気光学材料の内部に電界を印加するための２つ以上の電極とを含み、前記電極への印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点距離を可変することができ、
前記焦点距離が波長依存性を有することにより、前記レーザ媒質を含む共振器においてレーザ発振する光の波長を選択できることを特徴とする波長可変レーザ光源。
【請求項２】
前記可変焦点レンズ手段は、一軸方向の偏光に対して焦点を可変することができる第１の可変焦点レンズを含み、前記第１のミラーは、シリンドリカルミラーであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項３】
前記可変焦点レンズ手段は、第１の軸方向の偏光に対して焦点を可変することができる第１の可変焦点レンズと、前記第１の軸と直交する第２の軸方向の偏光に対して焦点を可変することができる第２の可変焦点レンズと、前記第１の可変焦点レンズと前記第２の可変焦点レンズとの間に挿入された半波長板とを含み、前記第１のミラーは、凹面ミラーまたは凸面ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項４】
前記可変焦点レンズ手段は、前記第１の軸方向および前記第２の軸方向のいずれか一方を平行光に変換し、前記第１のミラーは、凹面ミラーまたは凸面ミラーに代えてシリンドリカルミラーであることを特徴とする請求項３に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項５】
前記可変焦点レンズ手段は、前記第１の軸方向および前記第２の軸方向に平行光に変換し、前記第１のミラーは、凹面ミラーまたは凸面ミラーに代えて平面ミラーであることを特徴とする請求項３に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項６】
前記可変焦点レンズ手段は、前記電気光学材料の光の入射面と光の出射面とに、前記電極が形成され、
前記光を前記入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、前記出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸を設定し、
前記入射面の電極から前記出射面の電極に向かう電気力線の一部が、前記空隙で屈曲し、前記光軸を中心に前記光が透過する部分の電界を変化させ、
前記入射面の電極と前記出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点を可変することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。
【請求項７】
前記可変焦点レンズ手段は、
前記電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、
前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、
前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、
前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを備え、
前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記第１および第２の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。
【請求項８】
前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。
【請求項９】
前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）であることを特徴とする請求項８に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項１０】
前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項８に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項１１】
前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項１０に記載の波長可変レーザ光源。
【請求項１２】
前記電極は、前記電気光学材料とショットキー接合が形成される材料であることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の波長可変レーザ光源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−４５１４（Ｐ２０１２−４５１４Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４１０６６（Ｐ２０１０−１４１０６６）
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]