JP2008166494A - 波長安定化レーザおよび干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて狭帯域化されたレーザビームを出力可能で、しかも発振波長や出力の変動を抑制できる波長安定化レーザを得る。
【解決手段】高周波重畳駆動される半導体レーザ10と、この半導体レーザ10から発せられたレーザビーム11の一部を半導体レーザに戻すハーフミラー等の帰還手段14と、この帰還手段14と半導体レーザ10との間に配されて特定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルター等の波長選択手段21とを備えてなる波長安定化レーザにおいて、半導体レーザ10に戻されるもの以外のレーザビーム11の光路に、波長選択手段21によって波長選択されたレーザビーム11の波長をさらに狭帯域化するバンドパスフィルター等からなる狭帯域化手段21、22を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザから出射するレーザビームの発振波長を安定化するようにした波長安定化レーザに関するものである。

また本発明は、上述のような波長安定化レーザを光源に用いた干渉計に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されているように、半導体レーザと、この半導体レーザから発せられたレーザビームの一部を半導体レーザに戻すハーフミラー等の帰還手段と、この帰還手段と半導体レーザとの間に配されて特定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルター等の波長選択手段とを備えてなる波長安定化レーザが公知となっている。このような構成の波長安定化レーザにおいては、波長選択手段によって波長選択されたレーザビームが半導体レーザに戻されることにより、半導体レーザの発振波長が安定化される。

またこの種の波長安定化レーザにおいては、上記特許文献１にも示されているように、半導体レーザを高周波重畳駆動することにより縦モード競合を抑制して、発振波長をさらに安定化させることも提案されている。
特開２００１−２２３４３１号公報

上記特許文献１に示される波長安定化レーザは、所期の目的を達成できるものであるが、それを例えば干渉計の光源として用いるような場合はコヒーレント長が十分ではなく、それが分解能の低下につながるという問題も認められる。このコヒーレント長は光の波長幅に反比例するので、上述のような波長安定化レーザにおいては、出力レーザビームをさらに狭帯域化することが望まれる。

特許文献１に示される波長安定化レーザにおいてさらなる狭帯域化の要望に応えるためには、バンドパスフィルター等の波長選択手段として、通過帯域がより狭いものを適用することが考えられる。実際、そのようにすれば、波長がより狭帯域化されたレーザビームが得られることを確認できる。

しかしながら、そのように通過帯域がより狭いバンドパスフィルター等を用いた場合には、発振波長や出力が変動しやすくなるという新たな問題が認められた。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、極めて狭帯域化されたレーザビームを出力可能で、しかも発振波長や出力の変動を抑制できる波長安定化レーザを提供することを目的とする。

さらに本発明は、コヒーレント長が十分に大きいレーザビームを用いることにより、高い分解能が得られる干渉計を提供することを目的とする。

本発明による波長安定化レーザは、前述したように、
高周波重畳駆動される半導体レーザと、
この半導体レーザから発せられたレーザビームの一部を半導体レーザに戻す帰還手段と、
この帰還手段と前記半導体レーザとの間に配されて特定波長の光のみを通過させる波長選択手段とを備えてなる波長安定化レーザにおいて、
前記半導体レーザに戻されるもの以外のレーザビームの光路に、前記波長選択手段によって波長選択されたレーザビームの波長をさらに狭帯域化する狭帯域化手段が設けられていることを特徴とするものである。

なお上述の波長選択手段および狭帯域化手段としては、バンドパスフィルターからなるものを好適に用いることができる。そしてその場合は、狭帯域化手段として、前記波長選択手段としてのバンドパスフィルターと同特性のバンドパスフィルターが２個用いられ、それら２個のバンドパスフィルターが、前記波長選択手段としてのバンドパスフィルターの通過帯域よりも各々短波長側、長波長側に通過帯域が有るように傾きが設定されることが望ましい。

一方、本発明による干渉計は、以上説明した本発明による波長安定化レーザが光源として用いられていることを特徴とするものである。

本発明者の研究によると、特許文献１に記載の構成において波長選択手段として通過帯域が極めて狭いものを適用した場合に、発振波長や出力が変動しやすくなる問題は、以下の点に起因していることが判明した。すなわち、高性能の干渉計に求められるほどの狭い波長帯域を実現できる波長選択手段が適用されると、縦モードが単一化してモード競合等も発生しない状態となるが、環境温度等の駆動条件が変動した場合は、単一化している縦モード自体が変化（本来発振可能となっている隣のモードに跳ぶものと考えられる）して上述の問題を招くのである。つまり、通過帯域が非常に狭いバンドパスフィルター等の波長選択手段を適用すると、出力安定化のために行っている高周波重畳の効果が損なわれるものと考えられる。

本発明の波長安定化レーザは、この新しい知見に基づいて得られたものであり、半導体レーザに戻されるもの以外のレーザビームの光路に、波長選択手段によって波長選択されたレーザビームの波長をさらに狭帯域化する狭帯域化手段が設けられたことにより、この狭帯域化手段を通過した極めて狭帯域のレーザビームを得ることができる。

一方、使用光となるレーザビームをこうして狭帯域化するのであれば、前記帰還手段と半導体レーザとの間に配される波長選択手段としては、数本の縦モードを含めることができる程度の比較的広い通過帯域を有するものを適用可能となる。そこで、半導体レーザには例えば数本の縦モードからなるレーザビームを帰還させることができるので、高周波重畳の効果を残して、つまり単一の縦モードが駆動条件次第で跳ぶことを防止して、発振波長や出力の変動を抑制可能となる。

なお本発明の波長安定化レーザにおいて、上記狭帯域化手段として所望の波長を通過させるバンドパスフィルターを用いることもできるが、特に上記狭帯域化手段として、波長選択手段としてのバンドパスフィルターと同特性のバンドパスフィルターが２個用いられ、それら２個のバンドパスフィルターが、波長選択手段としてのバンドパスフィルターの通過帯域よりも各々短波長側、長波長側に通過帯域が有るように傾きが設定されている場合は、それら計３個のバンドパスフィルターを同じ基板を用いて同一工程から形成可能となるので、装置の低コスト化が達成される。

すなわち、この種のバンドパスフィルターは、所望の特性が得られるように多層膜コートの膜厚等の条件をその都度制御して作製されるのが常であるが、使用する３個のバンドパスフィルターの特性が同じであれば、比較的大きな基板に多層膜コート等を施したものを小さく切り分けることにより、それら３個のバンドパスフィルターを同時に作製でき、コストダウンが可能となる。また、より多くの、例えば３０個つまり波長安定化レーザ１０台分のバンドパスフィルターを同時に作製するようなことも可能であって、その場合のコストダウン効果はより大きいものとなる。そのようにしてバンドパスフィルターのコストダウンが達成されれば、当然、それらのバンドパスフィルターを用いる波長安定化レーザの低コスト化が実現される。

また、波長選択手段および狭帯域化手段として共にバンドパスフィルターを用いる場合、狭帯域化手段であるバンドパスフィルターとして、波長選択手段であるバンドパスフィルターよりも通過帯域が狭いものを用いるようにしてもよい。

一方、本発明による干渉計は、以上説明した本発明による波長安定化レーザが光源として用いられたものであるので、波長が狭帯域化された、つまりはコヒーレント長が十分に大きいレーザビームを用いて、高い分解能が得られるものとなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による波長安定化レーザを示すものであり、また図２はその半導体レーザ駆動回路を示すものである。図１に示されるようにこの波長安定化レーザ１は、半導体レーザ10と、この半導体レーザ10から発散光状態で出射したレーザビーム11を平行光化するコリメーターレンズ12と、平行光化されたレーザビーム11を収束させる集光レンズ13と、この集光レンズ13によるレーザビーム11の収束位置に配されたハーフミラー14と、レンズ12および13の間に配された狭帯域の第１のバンドパスフィルター（以下、ＢＰＦという）21と、ハーフミラー14を透過してから発散するレーザビーム11を平行光化するコリメーターレンズ15と、平行光化されたレーザビーム11の光路に配された狭帯域の第２のＢＰＦ22と、同じくこの光路に配された狭帯域の第３のＢＰＦ23とを有している。

上記第１のＢＰＦ21は本発明における波長選択手段を構成するものであり、一方第２および第３のＢＰＦ22、23は本発明における狭帯域化手段を構成するものであるが、互いに同特性のものが用いられている。そのような同特性のＢＰＦ21、22および23は、各自の大きさよりも十分に大きい基板に例えば所望の通過帯域に応じた所定の誘電体多層膜を形成し、その後該基板を小さくカットすることによって作製される。こうして３個のＢＰＦ21、22および23を最後のカット工程以外は共通の工程によって作製するのであれば、それらを比較的低コストで得ることが可能である。

誘電体多層膜フィルターであるこれらのＢＰＦ21、22および23は、通過（この場合は透過）する光の光路に対する所定の傾き範囲内において、その傾きが大であるほど通過帯域が低くなる特性を有しており、本実施形態においてそれらの傾きは、ＢＰＦ22が最大、ＢＰＦ23が最小、そしてＢＰＦ21がそれらの中間の値となるように設定されている。それによりこれらのＢＰＦ21、22および23の通過帯域は、概略図２にそれぞれ31、32、33で示すようなものとなっている。

一方半導体レーザ10としては、中心波長405ｎｍのレーザビーム11を発するものが用いられている。ここで、ＢＰＦ21の通過帯域内に半導体レーザ10の両劈開面間のファブリペロー・モードが複数存在すると、縦モード競合が起こり得る。この縦モード競合を抑制するために半導体レーザ10は、図２に詳細構成を示す半導体レーザ駆動回路40によって駆動される。

すなわちこの駆動回路40では、直流電源41から発せられてコイル42を経た直流電流成分に、交流電源43から発せられてコンデンサー44を経た高周波が重畳される。そして、この高周波重畳された電流が半導体レーザ10に印加される。このように、半導体レーザ10の駆動電流に高周波を重畳して変調駆動することにより、駆動電流が、縦モード競合を起こす領域に留まることがなくなり、縦モード競合が抑制される。なお本例において上記高周波の周波数は350ＭＨｚ、その振幅は半導体レーザ10の駆動電流のピーク値の50％程度である。

また、第１のＢＰＦ21の通過帯域（半値幅）は1.0ｎｍであり、中心波長405ｎｍのレーザビーム11はこのＢＰＦ21によって波長選択される。このように波長選択されたレーザビーム11がミラー14で反射して半導体レーザ10に戻り、いわゆる光フィードバックがなされることにより、半導体レーザ10の発振波長が安定化される。こうして波長が安定化されたレーザビーム11は、一部がハーフミラー14を透過し、さらにＢＰＦ22および23を通過して所定の用途に使用される。

この波長安定化レーザにおいて、半導体レーザ10のコヒーレント長は約100ｍｍである。そして半導体レーザ10の光出射端面とミラー20との間の光学長は、上記コヒーレント長よりも大きい150ｍｍとされている。

また、前述したように、３つのＢＰＦ21、22および23の通過帯域が図２にそれぞれ31、32、33で示すようなものになっていると、ＢＰＦ22および23を通過して使用光となるレーザビーム11は、同図に斜線を付して示す波長帯域のものだけとなる。つまり、ＢＰＦ21の通過帯域の両裾部分がＢＰＦ22および23によって切られる形となるので、ＢＰＦ21の通過帯域により規定された発振縦モードが数本存在していても、ＢＰＦ22および23を通過するレーザビーム11は縦モードが単一化されたもの、あるいは縦モードが上記数本よりは少ないものとなる。このようにして本実施形態においては、使用光として、極めて狭帯域のレーザビーム11を得ることができる。

その一方で、第１のＢＰＦ21としては、ＢＰＦ22および23双方による通過帯域よりも広い通過帯域のものが適用されていることにより、半導体レーザ10には前述のように例えば数本の縦モードからなるレーザビーム11が帰還されるので、高周波重畳の効果をそのまま残して、発振波長や出力の変動を抑制可能となる。

また特に本実施形態においては、前述したように３個のＢＰＦ21、22および23が同特性であって、同じ基板を用いて同一工程から作製され得るので、それらを低コストで得ることができ、ひいては波長安定化レーザ１の低コスト化が達成される。

ただし、本発明における波長選択手段および狭帯域化手段をこのように同特性のＢＰＦから構成することは必ずしも必要ではなく、例えば狭帯域化手段を、波長選択手段よりも通過帯域が狭い所望の波長帯域のみを透過する誘電体多層膜からなるＢＰＦとしても構わない。所望の波長帯域のみ透過するＢＰＦを用いる場合はＢＰＦを傾斜させずに用いることができる。

また、以上したような３個のＢＰＦ21、22および23を用いる場合は、それら３個のＢＰＦ21、22および23の傾きを変え得るようにフィルター保持手段を構成しておくことにより、波長可変光源を形成することができる。またＢＰＦ21の傾きは固定とする一方、ＢＰＦ22および23の傾きを変え得るようにフィルター保持手段を構成しておくことにより、中心波長は一定であるスペクトル可変光源を形成することもできる。

次に図４を参照して、本発明による干渉計の実施形態を説明する。本実施形態の干渉計は一例としてマイケルソン干渉計であり、光源として上記本発明による波長安定化レーザ１が用いられたものである。

このマイケルソン干渉計において、光源（波長安定化レーザ）１から射出されたレーザビーム11はコリメーターレンズ50により平行光とされ，ハーフミラー51により２つの光路に分割（振幅分割）される。２つに分かれたレーザビーム11はそれぞれミラー52、53で反射し、元の光路を逆戻りしてハーフミラー51により重ね合わせられ、集光レンズ54で集光された後、結像レンズ55を通してＴＶカメラ56に送られる。

ＴＶカメラ56においては、２つに分かれた後に重ね合わされたレーザビーム11による干渉縞の画像が撮像される。そこで、一方のミラー52を高精度に研磨された平面（参照面）とし、他方のミラー53を被検面とすれば、上記の干渉縞に基づいて被検面の形状を測定することが可能となる。

以上のように本発明による波長安定化レーザ１を光源として用いたこの干渉計は、波長が十分に狭帯域化された、つまりはコヒーレント長が十分に大きいレーザビーム11を用いることにより、高い分解能が得られるものとなる。このような効果は、マイケルソン干渉計に限らず、それ以外のタイプの干渉計に本発明による波長安定化レーザ１を適用した場合も、広く一般に得られるものである。

なお、本発明による波長安定化レーザは、以上説明したマイケルソン干渉計等の干渉計に限らず、狭帯域化されたレーザビームを必要とするその他の装置に対しても適用可能であることは勿論である。

本発明の一実施形態による波長安定化レーザを示す概略側面図 上記波長安定化レーザの駆動回路を示す回路図 上記波長安定化レーザにおける波長選択手段および狭帯域化手段の特性を示す概略図 本発明の一実施形態による干渉計を示す概略平面図

符号の説明

１ 波長安定化レーザ
10 半導体レーザ
11 レーザビーム
12、50 コリメーターレンズ
13、54 集光レンズ
14、51 ハーフミラー
15 コリメーターレンズ
21 第１のバンドパスフィルター（波長選択手段）
22 第２のバンドパスフィルター（狭帯域化手段）
23 第３のバンドパスフィルター（狭帯域化手段）
40 半導体レーザの駆動回路
52、53 ミラー
55 結像レンズ
56 ＴＶカメラ

Claims (5)

1. 高周波重畳駆動される半導体レーザと、
   この半導体レーザから発せられたレーザビームの一部を半導体レーザに戻す帰還手段と、
   この帰還手段と前記半導体レーザとの間に配されて特定波長の光のみを通過させる波長選択手段とを備えてなる波長安定化レーザにおいて、
   前記半導体レーザに戻されるもの以外のレーザビームの光路に、前記波長選択手段によって波長選択されたレーザビームの波長をさらに狭帯域化する狭帯域化手段が設けられていることを特徴とする波長安定化レーザ。
2. 前記波長選択手段および前記狭帯域化手段がバンドパスフィルターからなることを特徴とする請求項１記載の波長安定化レーザ。
3. 前記狭帯域化手段としてのバンドパスフィルターが、前記波長選択手段としてのバンドパスフィルターと同特性のバンドパスフィルター２個からなり、
   それら２個のバンドパスフィルターが、前記波長選択手段としてのバンドパスフィルターの通過帯域よりも各々短波長側、長波長側に通過帯域が有るように傾きが設定されていることを特徴とする請求項２記載の波長安定化レーザ。
4. 前記狭帯域化手段としてのバンドパスフィルターが、前記波長選択手段としてのバンドパスフィルターよりも通過帯域が狭いものであることを特徴とする請求項２記載の波長安定化レーザ。
5. 請求項１から４いずれか１項記載の波長安定化レーザが光源として用いられていることを特徴とする干渉計。

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