JP5266344B2

JP5266344B2 - 偏向光源

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Publication number: JP5266344B2
Application number: JP2011000595A
Authority: JP
Inventors: 和則長沼; 生剛八木; 茂雄石橋; 欽之今井; 誠治豊田; 雅浩上野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2031-01-05
Also published as: JP2012141498A

Description

本発明は、偏向光源に関する。より詳細には、電気光学素子を用いて光ビームの進行方向を制御する偏向光源に関する。

光ビームスキャナは、光の最も基本的な性質の１つである進行方向を制御する素子であり、プリンティング、ディスプレイ、イメージング、センシング、光通信などの様々な分野で利用されている。また、光ビームスキャナと光源を一体化した偏向光源は、測位観測システム、車両安全システム、医療システム、自動認識など幅広い分野に使用されている。

従来、光を偏向させる技術としては、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、音響光学効果を利用した光回折型の光偏向器などを利用したものがある。さらに、電気光学結晶（ＥＯ結晶）を用いた光機能部品が実用化されるに至っている。

上記の光機能部品は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶の屈折率が変化する性質を利用している。電気光学結晶を用いた偏向方法は、電気光学効果の速度限界まで応答可能であり、ＧＨｚを超える応答が可能となる。これまでに、電気光学結晶を用いた光偏向素子として、ＬｉＮｂＯ₃（以下、ＬＮ結晶という）、ＰＬＺＴを用いたプリズム形素子の報告がある。しかしながら、ＬＮ結晶を用いた素子では、電気光学効果が小さいため、５ｋＶ／ｍｍ程度の電圧を印加しても３ｍｒａｄ程度の偏向角しか得られないという欠点があった。ＰＬＺＴを用いた素子においても、２０ｋＶ／ｍｍの印加電界に対して４５ｍｒａｄ程度の偏向角が限界であった。

上述の電気光学結晶では、電気光学定数が小さいために、実用的な偏向角度の光偏向器を構成しようとすれば、印加電圧がｋＶオーダーになってしまう。ｋＶオーダーの電圧を高速に変調するためには、駆動回路に大きな負荷がかかり、装置の大型化が避けられないという問題が生じた。また、ｋＶオーダーの電圧を高速に変調すると高周波ノイズが発生し、周辺機器へノイズが混入する問題も生じた。

このような中で、タンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）：以下ＫＴＮ）結晶を用いた新しい動作原理に基づいて、広い偏向角を持ちかつ低電圧動作の偏向現象を利用した光ビームスキャナが新たに注目されている（特許文献１、非特許文献１）。ＫＴＮにおいては、二次の電気光学効果であるＫｅｒｒ効果の発現を利用している。また、ＫＴＮは、単純な矩形の結晶とその上下面に作成した平行平板電極とからなる構成によって動作させることができる点にも特徴がある。偏向方向は、ＫＴＮ結晶に印加する電界と同じ方向となる。非特許文献１によれば、わずか±５００Ｖ／ｍｍの印加電圧と５．０ｍｍの相互作用長で、±１２７ｍｒａｄ程度もの偏向角が得られている。ＫＴＮを使用した光ビームスキャナは、低電圧動作で広角に偏向が可能であるという優れた利点を有している。可動ミラー（ポリゴンミラーやがガルバノメータ）と比べると、素子サイズおよび動作速度を考慮すれば、偏向角を１００倍とすることができる。ＫＴＮと同様な効果を持つ材料としては、他にさらにリチウムを添加したＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）などがある。

国際公開公報ＷＯ２００６／１３７４０８Ａ１明細書

ＮＴＴ技術ジャーナル２００７年１２月号、ページ５６−５９

しかしながら、ＫＴＮ結晶等を用いた光ビームスキャナを利用した偏向光源には、依然として次に述べるような課題があった。偏向光源の応用分野によっては、偏向した光ビームで対象物をスキャンすることによって画像を得る場合がある。このような用途では、偏向光源でスキャンされる光ビームによって得られる光ビームの照射面（線）が、一定レベルの分解能を持っている必要がある。例えば、現在のプリンタやデジタルカメラなどのイメージング機器では、１つの方向の偏向範囲で１０００程度の分解能が求められる。また、測位観測システム、車両安全システムなどの比較的遠距離を伝播させる応用分野においても、同様に所定の空間解像度が求められる。

従来技術による、ＫＴＮ結晶を使わない偏向光源では、偏向を生じさせる位置においてビーム径を十分に太くできたので問題は生じなかったが、ＫＴＮ結晶等を用いた光ビームスキャナをこのような応用分野で利用する場合、偏向光源のビーム偏向範囲における解像点数が十分に確保できない問題があった。尚、解像点数の定義については、後述する。

図１は、ＫＴＮ結晶を利用した偏向光源の動作原理を説明する図である。偏向光源５００は、光源５０１で生成された光ビーム５０７を、光スイッチ５０９および電気光学偏向器５０３によって制御する。光源５０１からの光ビーム５０７は、光スイッチ５０９によってオン・オフ制御される。このオン・オフ制御は、制御信号源５０６から印加される制御信号によって行われる。光源５０１としては、例えば、半導体レーザダイオードなどを利用できる。また、光スイッチ５０９としては、例えば、電気光学〔ＥＯ〕変調器、音響光学〔ＡＯ〕変調器を利用できる。

光スイッチ５０９でオンオフ制御された光ビームは、さらに、ＫＴＮ結晶５０５で構成された電気光学偏向器５０３によって、偏向を受ける。電気光学偏向器５０３は、例えば矩形状のＫＴＮ結晶の対向する上下面に平行平板電極５０２ａ、５０２ｂが形成された構造を持つ。制御電圧源５０４が２つの電極５０２ａ、５０２ｂ間に接続されて、ＫＴＮ結晶５０５に電圧が印加され、印加電圧に応じた偏向が生じる。ＫＴＮ結晶チップ５０５内に、ｘ軸方向に光ビームを透過させる場合を考える。電極５０２ａ、５０２ｂからＫＴＮ結晶５０５へ電圧を印加すると、ＫＴＮ結晶チップの断面において電界を掛けた方向（ｙ方向）に屈折率分布が生じる。このため、光ビームはｙ方向に偏向し、出射光５０８に対してビームスキャン（偏向）動作が行なわれる。

上述のような構成のＫＴＮ結晶チップを利用した偏向光源５００では、ビーム径が細く絞られたことに起因するビーム拡がりの影響を無視できない。先にも述べたとおり、従来の電気光学結晶の場合と比べれば、ＫＴＮ結晶を利用した偏向光源では制御電圧を５００Ｖ／ｍｍ程度に抑えることができる。しかしながら、取り扱い易い実用的な制御電圧の範囲を考慮すると、ＫＴＮ結晶チップの厚さは１ｍｍ以下とならざるを得ない。従って、図１における光源５０１から出射して、電気光学偏向器５０３へ入射する光ビームは、例えば、０．５ｍｍ程度のビーム径に絞った状態としなければならない。

図２は、ＫＴＮを利用した偏向光源におけるビーム拡がりを説明する図である。図２の左側よりｘ軸方向に入射する光ビーム５０７は、ＫＴＮ結晶内を通過すると、ｙ方向に偏向を受ける。図２では、ｙ軸の下方に最大に偏向を受けた状態を示しており、最大偏向角度２θ_MAXが定義されている。入射ビーム５０７は、ＫＴＮ内に０．５ｍｍ程度のビーム径を持った状態で入射して、偏向を受ける。一般に、ビーム径が細い状態で伝播する光ビームは、回折のために電気光学偏向器５０３から出た後で伝播するにつれ、ビーム拡がりを生じる。図２に示したように、ビームの拡がり角は２Δθとして表される。偏向光源（ビームスキャナ）の空間分解能を表す指標として、分解点数（Ｎ）を式（１）で定義することができる。
Ｎ＝２θ_MAX／２Δθ 式（１）
通常、バーコードスキャナなどでは３００、プリンタなどで使用される偏向光源では１０００もの分解点数が必要とされる。しかしながら、ＫＴＮを利用した偏向光源では、２０〜７０程度の分解点数しか得られない。

ＫＴＮを利用した偏向光源は、極めて高速のスキャンが可能であり、小型で高速のイメージング機器に利用可能である。また、振動などにも強いという長所があるため、例えば、車載用の衝突防止システムや一般の野外で使用される測位システムなどにも好適であるが、上述のように空間の分解点数が十分でない問題があった。本発明は、このような問題点に鑑み、ＫＴＮを利用した偏向光源の長所をそのまま維持しながら、分解点数を大幅に改善した偏向光源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、発生する光ビームの出射方向を電圧によって制御する偏向光源において、前記電圧が印加される電気光学偏向器を含み、出力光の波長が前記電圧によって制御される波長可変光源部であって、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する第１の回折格子とを含み、前記利得媒質と前記第１の回折格子とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記第１の回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置されている、波長可変光源部と、前記波長可変光源部の出力光が入射し、該出力光の波長変化を前記光ビームの出射方向の変化に変換する角度分散部であって、前記第１の回折格子よりも小さい回折格子ピッチを有する第２の回折格子を少なくとも含む角度分散部とを備えたことを特徴とする偏向光源である。

ここで、波長可変光源部は、発明の詳細の説明における、波長可変型のレーザ発振器部に対応する。

請求項２の発明は、発生する光ビームの出射方向を電圧によって制御する偏向光源において、前記電圧が印加される電気光学偏向器を含み、出力光の波長が前記電圧によって制御される波長可変光源部であって、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する第１の回折格子と、前記第１の回折格子への前記入射光の回折光が直入射する端面鏡とを含み、前記第１の回折格子を介して前記利得媒質と前記端面鏡とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記第１の回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置された波長可変光源部と、前記波長可変光源部の出力光が入射し、該出力光の波長変化を前記光ビームの出射方向の変化に変換する角度分散部であって、前記第１の回折格子よりも小さい回折格子ピッチを有する第２の回折格子を少なくとも含む角度分散部とを備え、前記第１の回折格子への前記電気光学偏向器側からの光入射角θと、該第１の回折格子への前記端面鏡側からの光入射角φとの間に、｜θ｜＞｜φ｜の関係が存在することを特徴とする偏向光源である。

請求項３の発明は、請求項２の偏向光源であって、前記第１の回折格子は平面回折格子であり、前記電気光学偏向器と該第１の回折格子との間の光路長ｌ_２が、残余の共振器の光路長ｌ_１との間で、前記光入射角θおよび前記光入射角φを含む式

の関係を満たすことを特徴とする。モードホップを抑えて、できるだけ滑らかな波長変化を行わせることができる。

請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの偏向光源であって、前記角度分散部は、前記波長可変光源部からの前記出力光のビームを拡大して前記第２の回折格子へ入射するビーム拡大光学系をさらに含むことを特徴とする。角度分散部において、さらに光ビームを太くすることで、拡り角を抑えて分解スペクトル幅(拡り角／分散)を小さくすることができる。

以上説明したように、本発明により、第１の回折格子を含むレーザ発振器によって波長可変光源を構成して、波長軸上での分解点数を増大させ、第２の回折格子によって、波長変化を空間的な偏向に変換して、空間分解点数を飛躍的に増大させる。ＫＴＮ結晶を利用した電気光学偏向器を用いて、ＫＴＮ結晶偏向器が持つ長所をそのまま維持しながら、従来技術に比べて分解点数を大幅に拡大することができる。

ＫＴＮを利用した偏向光源の動作原理を説明する図である。ＫＴＮを利用した偏向光源におけるビーム拡がりを説明する図である。本発明の第１の実施形態の偏向光源の全体構成を示す図である。波長可変型のレーザ発振器部の構成を示す図である。波長可変型レーザ発振器部における共振器の幾何学モデルを示す図である。リトロー型のレーザ発振器と角度分散部を組合せた第２の実施形態の全体構成を示した図である。

本発明は、第１の回折格子を含む特徴的な波長可変型のレーザ発振器と、第２の回折格子を少なくとも含む角度分散部とを組み合わせた構成を持つ。本発明は、レーザ発振器において波長可変光源を構成して、先ず、波長軸上での分解点数を大幅に増大させ、次いで、第２の回折格子によって、波長変化を空間的な偏向角の変化に変換することで、結果として、空間分解点数を飛躍的に増大させることができる点に特徴がある。以下、具体的な本発明の偏向光源の構成とともに、偏向光源の動作を詳細に説明する。

図３は、本発明の偏向光源の第１の実施形態の全体構成を示す図である。偏向光源１００は、全体にレーザ発振器部１と角度分散部２とに分けることができる。レーザ発振器１は、第１の回折格子１０６を含む波長可変型の光源を構成している。レーザ発振器１の出力光ビーム１１３は、出力結合鏡１１２から出射される。出力光ビーム１１３は、角度分散部２において、第２の回折格子１１５の角度分散によって、その波長変化が空間的な偏向方向の変化に変換される。最初に、波長可変型のレーザ発振器部１の構成と動作について説明し、その後、角度分散部２と組み合わせた偏向光源全体の動作について説明する。

本発明の偏向光源における波長可変型のレーザ発振器部１は、共振器内に利得媒質と回折格子とを有する波長可変光源において、利得媒質と第１の回折格子との間に電気光学偏向器を挿入し、第１の回折格子の電気光学偏向器の挿入したのと異なる側に直入射端面鏡を配置する。

第１の回折格子への電気光学偏向器側からの光入射角θと、第１の回折格子への直入射端面鏡側からの光入射角φとには、レーザ発振器の機能を有する限り、特段の制限は無い。回折格子による波長フィルタの波長選択性を強め、狭く安定した発振波長幅を得る観点からは、このとき、第１の回折格子への電気光学偏向器側からの光入射角θと、第１の回折格子への直入射端面鏡側からの光入射角φとの間で、｜θ｜＞｜φ｜の関係を満たすことが望ましい。以下、レーザ発振器部の説明では、第１の回折格子を、単に回折格子とも呼ぶ。

以下の説明では、共振器モード番号を不変に保った、モードホップのない滑らかな波長変化動作を行うために、回折格子が平面回折格子の場合、電気光学偏向器と平面回折格子との間の光路長ｌ₂が、残余の共振器の光路長ｌ₁との間で、光入射角θと光入射角φ含む所定の関係を満たすように配置すれば良いことも明らかにする。

ＫＴＮなどを用いた電気光学偏向器では、１００ｍｒａｄ程度の偏向角範囲が得られる。この偏向角範囲は、従来技術のプリズム型の偏向器での偏向角範囲が、高々０．５ｍｒａｄ程度に留まるのと比較して、極めて大きい。電荷注入を伴う電気光学偏向器による偏向は、従来技術のプリズム型の場合と異なり、電界と共面方向に生じる。従って、太い光束を偏向するのは現実的でない。電極間隔が広くなってしまい、必要な電圧が非現実的に高くなってしまうからである。しかしながら、ＫＴＮなどの電荷注入を伴う電気光学偏向器は光束が細い箇所には挿入可能であり。ＫＴＮなどを利用した電気光学偏向器の大きな偏向角範囲は、回折格子への入射角が大きいことに伴う入射角に対する波長変化感度の低下を補って余りある。

大きい入射角をもって回折格子に偏向光が入射するということは、低い仰角をもって偏向光が回折格子面に当たることに他ならない。この場合、偏向角の変化に伴って、回折格子面上の入射点の位置が大きく移動し、偏向中心からこの入射点までの光路長も大きく変化する。ここで、回折格子への入射角が小さくなる方向に偏向が生じた場合、回折格子面上の入射点は偏向中心に近づく向きに変化し、この分だけ、共振器長は短くなる。一方、回折格子への入射角が小さくなれば、選択波長は小さくなる。これらの関係は、共振器長を波長で除した共振器モード番号が一定に保たれ得る変化の方向の組み合わせである。従って、初期の回折格子面上の入射点と偏向中心との間の距離を適切に設定することによって、共振器モード番号を不変に保ったモードホップのない波長変化を実現できる。

図４は、波長可変型のレーザ発振器部１の構成を示す図である。図４において、利得媒質１０１は、第１の集光レンズ１１１および第２の集光レンズ１０２の間に配置される。利得媒質１０１は、第２の集光レンズ１０２を経て、ＫＴＮなどに構成された電気光学偏向器１０３、第１の回折格子１０６および直入射する端面鏡１１０から構成される波長フィルタに結合されている。第１の集光レンズ１１１は、出力結合鏡１１２に相対し、このようにして出力結合鏡１１２と端面鏡１１０を両端とする光共振器が構成される。出力結合鏡１１２からは、この光共振器によるレーザ作用による出力光１１３が得られる。光共振器においては、第１の回折格子１０６を介して利得媒質１０１と端面鏡１１０とが光学的に接続された構成となっている。

上述の波長フィルタにおいて、第１の回折格子１０６への集光レンズ１０２に面する側からの入射角θは、端面鏡１１０に面する側からの入射角φと比較して、望ましくは、絶対値が大きく設定される。その結果、第１の回折格子１０６への回折格子入射光束１０７に比して、回折格子出射光束１０８が伸張され、太く広がり角の小さい光束として端面鏡１１０で反射される。したがって、波長フィルタの選択波長幅を狭窄化することができる。選択波長の変化は、電気光学偏向器１０３に結線された制御電圧源１０４を通じ、回折格子入射光束１０７を偏向することによって行われる。

すなわち、電気光学偏向器１０３による偏向によって、第１の回折格子１０６への入射角θを変化させることになる。レーザ発振器部１の構成においては、電気光学偏向器１０３に印可する電圧を変えることによって、可動部の介在なしに高速に波長を変化させることができる。本発明において、ＫＴＮ電気光学偏向器は、単に光ビームを偏向させて光ビームを出力するのではなく、レーザ発振器内で波長可変（波長選択）機能を担っている点で、従来技術の偏向光源と異なることに注目されたい。

図５は、波長可変型のレーザ発振器部１における共振器の幾何学モデルを示す図である。以下、波長可変型のレーザ発振器部の動作を幾何学モデルに基づいて、共振器モード番号を不変に保ったモードホップのない波長変化のための条件を検討する。図５において、共振器は出力結合鏡４１２、回折格子４０６および端面鏡４１０から構成される。それぞれの上の光線の入射点Ｐ、Ｏ、Ｑを結んだ折れ線が中心波長に対する共振器内光路を表す。回折格子４０６への出力結合鏡側からの入射角をθ、直入射端面鏡４１０側からの入射角をφとする。ここで、電気光学偏向器の射出中心、すなわち偏向器外部の光線にとっての偏向による回転中心Ｃが、回折格子からｌ₂だけ離れて位置し（ＯＣ＝ｌ₂）、さらに共振器の残余の光路長をｌ₁とする。

電気光学偏向器による偏向角δによって回折格子４０６への入射角θはθ−δに変じ、これに伴って選択波長λが、次の回折格子公式に従って変化する。

式（２）において、Λは回折格子のピッチを、ｍは回折次数をそれぞれ表す。
上述の電気光学偏向器による偏向角δの発生と同時に、共振器内光路はＰ、Ｃ、Ｏ´、Ｑ´を結んだ折れ線へと変化する。ここで、新たな光路と元の光路との長さの差Δｌを求めると、下式を得る。

式（３）のうち、右辺第１項はＣＯ´、第２項はＯ´Ｑ´に関る変化分である。正の偏向角δに対して第１項は常に負であるが、第２項はφの符号によって負にも正にもなり得る。

以上の波長λの変化および共振器長変化Δｌが、次式（４）で表される共振器モード番号を一定に保つように連関して生じる条件を求める。

このとき、ｌ₂を下式の値に選べば良いことが分かる。

前述したように、波長フィルタの狭窄化の観点から、入射角θは直角にできるだけ近い大きい値が望ましい。しかしながら、入射角θを直角にできるだけ近い値にすることによって式（５）の右辺分子は小さい値となり、ｌ₂が現実的でない程小さい値となり兼ねない。この困難を避けるためには、端面鏡側からの入射角φを、入射角θとは逆符号にとるのが良い。

上述のように、波長可変型のレーザ発振器部において発振波長は、式（２）に従って変化する。この波長フィルタの帯域幅は、第１の回折格子上のビーム径（ひいては偏向器におけるビーム広がり）によって決まる。ところが、波長可変型のレーザ発振器部の発振波長線幅は、非線形なレーザ作用による狭窄化を受け、上記波長フィルタの帯域幅よりも遥かに狭くなる。

従って、図４に示したＫＴＮ電気光学偏向器を含む波長可変型のレーザ発振器を構成することにより、波長軸上での解像点数（波長可変範囲を発振線幅で除した数）が、ＫＴＮ電気光学偏向器が単体で持つ空間的な固有の解像点数を大幅に越えることになる。図４に示した波長可変型のレーザ発振器部は、その発振波長が、ＫＴＮ電気光学偏向器１０３に印加する制御電圧１０４によって制御されることに注意されたい。波長可変型のレーザ発振器１からの出力光ビームのビーム径は、電気光学偏向器１０３のＫＴＮ結晶内のビーム径と同等であり、例えば、０．５ｍｍ程度である。

ここで、再び図３を参照すれば、波長可変型のレーザ発振器部１からの出力光ビーム１０３は、光スイッチ１１７に入力される。出力光ビームは、光スイッチ１１７によってオンオフ制御される。オンオフ制御は、制御信号源１１８から印加される制御信号によって行われる。光スイッチ１１７としては、例えば、電気光学〔ＥＯ〕変調器，音響光学〔ＡＯ〕変調器などを利用することができる。

光スイッチ１１７からの光ビームは、さらに、望ましくは、ビーム拡大光学系１１４において、ビーム径が拡大された後に、第２の回折格子１１５に入射する。第２の回折格子１１５に入射した光ビームは、第２の回折格子１１５のパラメータで決定される回折角度で回折し、偏向光１１６として空間へ出射する。第２の回折格子は、第１の回折格子１０６よりも細かいグレーティングピッチを持つのが望ましく、これによって、偏向角範囲が拡大される。また、第２の回折格子へは、第１の回折格子への入射光よりも太いビームを入射するのが良い。また、大きな入射角度で光ビームを入射させて、小さな出射角度で回折することによっても、ビーム径が拡大される。

第２の回折格子１１７は、可変波長の光ビームが入射されるため、入射光ビームの波長に応じて、回折光の回折角度が変化し、すなわち偏向光１１６の出射角が変化することになる。従って、偏向光源１００からの偏向光１１６は、電気光学偏向器１０３への制御電圧によって生じる発振波長の変化が、偏向光１１６の偏向角の変化に変換される形態をとって動作する。波長可変型のレーザ発振器１において波長可変光源を構成して、波長軸上での分解点数を増大させ、この分解点数を維持したままで、第２の回折格子によって、発振光の波長変化を空間的な偏向角の変化に変換しようとするものである。

波長可変型のレーザ発振器１においては、制御電圧１０４に対して、非常に大きい波長分解点数を持っており、第２の回折格子へはビーム径を拡大して入射でき、さらには、第２の回折格子での回折に際して、偏向光のビーム径はさらに拡大できる。従って、偏向光源からの出射光ビームは、ＫＴＮを用いた電気光学偏向器１０３内のビーム径に比べて著しく拡大されるため、回折に伴うビーム拡がりによる偏向光の拡がり角の影響をほとんど受けなくなる。

先にも述べたように、波長可変型のレーザ発振器１においては、波長軸上の解像点数は１０００程度が得られる。その解像点数を維持したままで、第２の回折格子によって、波長変化が空間的な偏向角の変化に変換される。同一構成のＫＴＮを利用した電気光学偏向器を使用しながら、従来技術のように直接にビーム偏向器として使用した場合と比較して、偏向光源としての解像点数は、数十倍に増大され１０００以上に到達できる。

本発明は、波長可変型のレーザ発振器を利用することで、本来ＫＴＮ電気光学偏向器が持っている固有の解像点数が、強力な波長狭窄効果を持つ発振動作を経ることによって、波長軸上の解像点数が拡大される点に着目したものである。

次に、より具体的な実施例について述べる。中心波長１．３５μｍ、波長可変幅が±５０ｎｍの可変波長型のレーザ発振器を構成した。このときの第１の回折格子は、３００ｌ／ｍｍ（線／ｍｍ）の線刻数を持ち、入射角度θが５２°、出射角度δが−２２．５°であった。このときの発振光の波長線幅はおおよそ０．１ｎｍであった。従って、波長軸上の分解点数は、波長可変幅１００ｎｍ（±５０ｎｍ）を０．１ｎｍで除算することで、１００／０．１＝１０００が得られる。

上述のレーザ発振器の波長可変範囲は、ＫＴＮ電気光学偏向器１０３に対して偏向角±２５ｍｒａｄの入射角変化を与えることによって、実現できる。ＫＴＮ電気光学偏向器は、１×４×５ｍｍの寸法を持ち、ＫＴＮ結晶内のビーム径は０．５ｍｍである。一般に回折理論によれば直径２Ｗの光ビームに伴う拡がり角２Δθは、次式で与えられる。
Δθ＝λ／（πＷ）式（６）
従って、λ＝１．３５μｍ、Ｗ＝２５０μｍとすれば、拡がり角２Δθは３．４ｍｒａｄとなる。ＫＴＮ電気光学偏向器の最大偏向角度２θ_MAXは、５０（±２５）ｍｒａｄなので、式（１）から、このＫＴＮ電気光学偏向器の単体での解像点数は５０／３．４≒１５程度に過ぎない。

レーザ発振器の出力光ビームを、ビーム拡大光学系１１４によって、２８．６ｍｍのビーム直径に拡大し、６００ｌ／ｍｍの線刻数を持つ第２の回折格子に、入射角６．１°で入射させた。第１の回折格子の線刻数（３００ｌ／ｍｍ）に対して、第２の回折格子はより大きい線刻数（６００ｌ／ｍｍ）すなわちより細かいピッチを持っているので、第２の回折格子からの回折光の偏向角は、ＫＴＮ電気光学偏向器１０３から第１の回折格子に対する最大偏向角５０ｍｒａｄよりも拡大する。この場合、偏向光源の出射ビームは、出射角度−６６．４°の周りで、±７５ｍｒａｄの範囲に偏向された。

このとき、出射ビーム直径は、１１．５ｍｍであり、出射ビームに伴うビーム拡がり角は０．１５ｍｒａｄに過ぎない。これは、上述のＫＴＮ電気光学偏向器のビーム拡がり角３．５ｍｒａｄと比べて、格段にビーム拡がりが抑えられている。従って、偏向光源の出力光ビームでは、１５０／０．１５＝１０００の解像点数が得られた。

図３に示した構成の偏向光源において、ＫＴＮ電気光学偏向器１０３および第１の回折格子１０６は、それぞれ、望ましい偏光方向を持っている。両者の望ましい偏光方向が異なっている場合もある。多くの場合、電気光学定数は電界方向と光の電界方向が一致する場合に最大となる。そのような場合、電気光学偏向器１０３にとって望ましい偏光方向は、図３において上下方向（ｙ方向）の直線偏光である。一方、刻線タイプの回折格子では、多くの場合、光の電界方向が刻線方向に平行な場合に、回折効率が最大となる。その場合、第１の回折格子１０６にとって望ましい偏光方向は、図３において図面に垂直方向（ｚ方向）の直線偏光である。このような場合に、上述の相異なる偏光方向の要請を調整するために、電気光学偏向器１０３と回折格子１０６との間に、２分の１波長板を挿入することができる。

また、第１の回折格子の回折面の形状を、凹面とすることもできる。図３のレーザ発振器の構成により、初期の中心波長の周りではモードホップのない波長変化となる。しかし、より広い波長範囲に対して共振器モード番号を計算すると、中心波長から離れるに従って、共振器長が過大になってしまうことが分かる。これは、その位置が固定された偏向中心から、平面形状である回折格子に光が入射することに伴うものである。従って、共振器長が過大になってしまうこの問題の改善のためには、第１の回折格子の形状を凹面とし、初期の入射点から離れるに従って、第１の回折格子の面が偏向中心に近づくようにすれば良い。

上述の実施例１では、回折格子への入射角を特定の条件とすることによって、モードホップのない波長変化を実現し、出射ビームの広範で安定な偏向を実現できる。しかし、従来のいわゆるリトロー型の構成のレーザ発振器に対しても本発明を適用できる。本発明の偏向光源は、電気光学偏向器の偏向作用を直接には使用しない。先ずレーザ共振器の中における波長選択のために電気光学偏向器を用いることで、レーザ作用に伴う狭スペクトル化を利用して波長軸上で分解点数を増す。その後、外部の角度分散系によってレーザ発振波長の変化を角度変化に変換することで、結果的に電気光学偏向器の元来の分解点数を遥かに超える分解点数を得ている。従って、レーザ発振の構成に関係なく本発明の原理を適用できる。

図６は、リトロー型のレーザ発振器部と角度分散部を組合せた本発明の第２の実施形態の偏向光源の全体構成を示した図である。本実施形態の偏向光源２００は、図３に示した偏向光源の構成と比較すれば、レーザ発振器部２０１の構成のみが異なっている。角度分散部２０２の構成は、図３における角度分散部２と同一である。レーザ発振器部２０１は、端面鏡を含まないリトロー構成のレーザ発振器である。レーザ発振器部２０１は、利得媒質１０１と、利得媒質の一端からの光が入射する第１の回折格子１０９とを含んでおり、利得媒質１０１と第１の回折格子１０９とが光学的に接続された共振器から構成されている。電気光学偏向器１０３は、利得媒質１０１とリトロー構成で配置された回折格子１０９との間であって、レーザ発振器の共振器を形成する光路上に配置されている。

次に、図６の構成のより具体的な実施例について述べる。線刻数８５０ｌ／ｍｍの第１の回折格子を、入射角３５．０°のリトロー配置で用い、中心波長１．３５μｍの波長可変光源を構築した。このときの発振光の波長線幅はおおよそ０．１ｎｍであった。ＫＴＮを用いた電気光学偏向器１０３によって、偏向角±２５ｍｒａｄ分の入射角変化を与えるとき、発振波長には±５０ｎｍの変化が生じた。従って、上述の第１実施例と同様に、波長可変幅１００ｎｍ（±５０ｎｍ）を０．１ｎｍで除して求めれば、波長軸上の分解点数は、１０００が得られた。

さらに、レーザ発振器の出力光ビームを、ビーム拡大光学系１１４によって、１２．０ｍｍのビーム直径に拡大し、９００ｌ／ｍｍの線刻数を持つ第２の回折格子に、入射角５１．２°で入射させた。第１の回折格子の線刻数（８５０ｌ／ｍｍ）に対して、第２の回折格子はより大きい線刻数（９００ｌ／ｍｍ）すなわちより細かいビッチを持っている。したがって、第２の回折格子からの回折光の偏向角は、ＫＴＮ電気光学偏向器１０３から第１の回折格子に対する最大偏向角５０ｍｒａｄよりも拡大する。本実施例の場合、偏向光源の出射ビームは、出射角度２５．８°の周りで、±５０ｍｒａｄの範囲に偏向された。

このとき、出射ビーム直径は、１７．２ｍｍであり、出射ビームに伴うビーム拡がり角は０．１０ｍｒａｄに過ぎない。従って、偏向光源の出力光ビームでは、１００／０．１０＝１０００の解像点数が得られた。

本発明の偏向光源では、レーザ発振器を構成することによって、ＫＴＮ電気光学偏向器を単体でビーム偏向器として使用した場合に比べて、多少の偏向（スキャン）速度の犠牲が伴なわれる。しかし、この偏向速度の低下も、実用上は何ら影響がない。ＫＴＮ結晶の本来の応答速度がｎｓｅｃオーダであるため、レーザ発振器部の共振器長を例えば１０ｃｍ以下に抑えることで、偏向速度の低下を実質的に免れることができる。

以上詳細に述べたように、本発明の偏向光源は、第１の回折格子を含む特徴的なレーザ発振器部と、第２の回折格子を少なくとも含む角度分散部とを組み合わせた構成を持つ。第１の回折格子を含むレーザ発振器によって波長可変光源を構成して、波長軸上で分解点数を飛躍的に増大させ、次いで、第２の回折格子によって、波長変化を空間的な偏向角の変化に変換して、結果的に、増大した空間分解点数を得る。ＫＴＮ電気光学偏向器を用いてＫＴＮ偏向器の長所をそのまま維持しながら、従来技術に比べて分解点数を大幅に拡大することができる。また、各実施例ではＫＴＮ結晶を用いた例を示したが、さらにリチウムを添加したＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いても良い。

本発明は、光学システムに利用できる。特に、光ビームスキャナとして、プリンティング、ディスプレイ、イメージング、センシング、光通信などの様々な分野で利用できる。

１、２０１レーザ発振器部
２、２０２角度分散部
１００、２００、５００偏向光源
１０１利得媒質
１０２、１１１レンズ
１０３、５０３電気光学偏向器
１０４、５０４制御電圧源
１０６、１０９、１１５、４０６回折格子
１１０、４１０端面鏡
１１２、４１２出力結合鏡
１１４ビーム拡大光学系
１１７、５０９光スイッチ
５０２ａ、５０２ｂ電極

Claims

発生する光ビームの出射方向を電圧によって制御する偏向光源において、
前記電圧が印加される電気光学偏向器を含み、出力光の波長が前記電圧によって制御される波長可変光源部であって、
利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する第１の回折格子とを含み、前記利得媒質と前記第１の回折格子とが光学的に接続された共振器から構成され、
前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記第１の回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置されている、波長可変光源部と、
前記波長可変光源部の出力光が入射し、該出力光の波長変化を前記光ビームの出射方向の変化に変換する角度分散部であって、前記第１の回折格子よりも小さい回折格子ピッチを有する第２の回折格子を少なくとも含む角度分散部と
を備えたことを特徴とする偏向光源。
発生する光ビームの出射方向を電圧によって制御する偏向光源において、
前記電圧が印加される電気光学偏向器を含み、出力光の波長が前記電圧によって制御される波長可変光源部であって、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する第１の回折格子と、前記第１の回折格子への前記入射光の回折光が直入射する端面鏡とを含み、前記第１の回折格子を介して前記利得媒質と前記端面鏡とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記第１の回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置された波長可変光源部と、
前記波長可変光源部の出力光が入射し、該出力光の波長変化を前記光ビームの出射方向の変化に変換する角度分散部であって、前記第１の回折格子よりも小さい回折格子ピッチを有する第２の回折格子を少なくとも含む角度分散部と
を備え、
前記第１の回折格子への前記電気光学偏向器側からの光入射角θと、該第１の回折格子への前記端面鏡側からの光入射角φとの間に、｜θ｜＞｜φ｜の関係が存在する
ことを特徴とする偏向光源。
前記第１の回折格子は平面回折格子であり、前記電気光学偏向器と該第１の回折格子との間の光路長ｌ_２が、残余の共振器の光路長ｌ_１との間で、前記光入射角θおよび前記光入射角φを含む式

の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の偏向光源。
前記角度分散部は、
前記波長可変光源部からの前記出力光のビームを拡大して前記第２の回折格子へ入射するビーム拡大光学系をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の偏向光源。