JP2006324636A - Method for detecting laser oscillation wavelength, control method, and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ素子から波長変調して出力されるレーザ光の発振波長を高精度に検出し、更にはその発振波長を制御するに好適なレーザ発振波長検出方法、制御方法および装置に関する。 The present invention relates to a laser oscillation wavelength detection method, a control method, and an apparatus suitable for detecting an oscillation wavelength of laser light that is output after being wavelength-modulated from a laser element with high accuracy, and for controlling the oscillation wavelength.
光学的な状態検知技術の1つにレーザ光の自己結合効果(自己混合効果ともいう)を利用したものがある(例えば特許文献1,2を参照)。この手法は、図8に示すように所定の変調信号を用いて駆動したレーザ素子(以下、LD)1から計測対象物2にレーザ光を照射すると共に、計測対象物2により反射されて前記レーザ素子1に戻った反射光と前記照射光との自己結合効果により生じた干渉信号が重畳した照射光を受光器(以下、PD)3にて受光し、その出力を周波数分析する等して前記計測対象物2の状態を検知するものである。
One of optical state detection techniques uses a self-coupling effect (also referred to as a self-mixing effect) of laser light (see, for example,
即ち、レーザ素子1から出力光の発振波長を連続的に変化させると、検出対象物2により反射した戻り光と上記レーザ素子1の出力光とが干渉を生じ、共振条件を満たす波長においてはレーザ素子1の増幅効率が僅かに上がり、また減衰条件を満たす波長においては増幅効率が僅かに下がり、この結果、受光器3の出力が増減を繰り返す。例えば付与した電流値に応じてレーザ光の発振波長が変化するタイプの半導体レーザ素子を、時間経過に伴って電流値が変化する三角波αを用いて波長変調すれば、電流値の連続的な増加に伴ってレーザ光の波長が連続的に増加し、また電流値がピークに達した後の上記電流値の連続的な減少に伴って上記レーザ光の波長が連続的に減少する。
That is, when the oscillation wavelength of the output light from the
このようにしてレーザ光の波長が連続的に増減する中で、上記照射光とその戻り光(反射光)との間の共振条件と減衰条件が何度も満たされる。この結果、前記受光器3からは上記三角波αに微小な干渉成分が重畳したビート波形(変調光)βが得られる。この干渉成分は、レーザ素子1と検出対象物2との距離L等の情報を含んでいる。従ってこのビート波形βを解析すれば、上記共振成分の周波数から対象物2までの距離Lや速度、振動等の状態を検知することが可能となる。例えば上記ビート波形βを微分して三角波αに重畳した信号成分を抽出し、この信号成分を計数することによって測定対象物の状態を検知することが可能となる。
ところでレーザ素子1からの出力光の強度(光量)Pは、その駆動電流Iによって変化し、またその発振波長λも上記駆動電流Iによって変化する。即ち、駆動電流Iの増減によりレーザ素子1に僅かな熱膨張・収縮が生じ、これに伴ってレーザ光の発振波長λが僅かに増減する。そこで従来一般的には、例えばレーザ素子1からの出力光を受光器(フォトダイオード)にて受光してその強度(光量)Pをモニタし、その受光量Pに応じて駆動電流Iを可変して発振波長λを制御している。
Incidentally, the intensity (light quantity) P of the output light from the
しかしながらレーザ素子1からの出力光の強度(光量)Pおよび発振波長λは、レーザ素子1の温度Tによっても変化するので、その発振波長λを精度良く制御するにはレーザ素子1の温度Tもモニタすることが必要となる。しかも出力光の強度(光量)Pとレーザ素子1の温度Tとに従って駆動電流Iを制御することが必要となるので、その制御系が複雑化することが否めない。また量産されたレーザ素子1においては、個体毎にその出力光の強度Pと発振波長λとの関係にバラツキがあることが否めない。このような個体毎の上記特性のバラツキは、レーザ素子1の発振波長λを高精度に制御する上での妨げとなっている。
However, since the intensity (light quantity) P and the oscillation wavelength λ of the output light from the
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、レーザ素子から出力されるレーザ光の発振波長を簡易に、しかも高精度に検出することのできるレーザ発振波長検出方法を提供することにある。
また本発明の別の目的は、レーザ素子から波長変調して出力されるレーザ光の発振波長を高精度に検出して、その発振波長のずれを効果的に補正することのできるレーザ発振波長制御方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of such circumstances, and the object of the present invention is to provide a laser oscillation wavelength detection method capable of easily and accurately detecting the oscillation wavelength of laser light output from a laser element. It is to provide.
Another object of the present invention is to provide laser oscillation wavelength control that can detect the oscillation wavelength of laser light that is output after being wavelength-modulated from a laser element with high accuracy and can effectively correct the deviation of the oscillation wavelength. It is to provide a method.
また本発明は、レーザ素子から波長変調したレーザ光を安定に出力することのできるレーザ発振波長制御装置を提供することを目的としている。 Another object of the present invention is to provide a laser oscillation wavelength control device that can stably output a wavelength-modulated laser beam from a laser element.
上述した目的を達成するべく本発明に係るレーザ発振波長検出方法は、互いに波長応答特性の異なる2つの受光手段を用いて1つのレーザ素子から出力されるレーザ光をそれぞれ受光し、上記各受光手段による受光量を相互に比較して前記レーザ光の発振波長を検出することを特徴としている[請求項1]。
好ましくは前記受光手段の少なくとも一方は、既知の波長応答特性を有する光学フィルタと、この光学フィルタを通して前記レーザ光を受光する受光素子とを備えたものからなる。また前記レーザ素子は、前記レーザ光の波長を経時的に変化させるものである。
In order to achieve the above-described object, a laser oscillation wavelength detection method according to the present invention receives laser beams output from one laser element using two light receiving means having different wavelength response characteristics, and each of the light receiving means. The amount of received light is compared with each other to detect the oscillation wavelength of the laser beam [Claim 1].
Preferably, at least one of the light receiving means includes an optical filter having a known wavelength response characteristic and a light receiving element that receives the laser light through the optical filter. The laser element changes the wavelength of the laser light with time.
また本発明に係る別のレーザ発振波長検出方法は、レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を経時的に変化させると共に、既知の波長応答特性を有する受光手段を用いて上記レーザ光を受光し、前記受光手段による受光量と該受光手段の予め想定された受光特性とを比較して前記レーザ光の発振波長を検出することを特徴としている[請求項3]。
好ましくは前記受光手段は、既知の波長応答性を有する光学フィルタと、この光学フィルタを通して前記レーザ光を受光する受光素子とを備えたものからなる。また前記受光手段の受光特性は、例えば前記レーザ光の発振波長を所定の帯域幅に亘って変化させたときの前記受光手段による受光量の変化から推定されるものである。
In another laser oscillation wavelength detection method according to the present invention, the wavelength of the laser beam output from the laser element is changed over time, and the laser beam is received using a light receiving means having a known wavelength response characteristic. In addition, the oscillation wavelength of the laser beam is detected by comparing the amount of light received by the light receiving means with a light receiving characteristic assumed in advance of the light receiving means [Claim 3].
Preferably, the light receiving means includes an optical filter having a known wavelength response and a light receiving element that receives the laser light through the optical filter. The light receiving characteristics of the light receiving means are estimated from changes in the amount of light received by the light receiving means when, for example, the oscillation wavelength of the laser light is changed over a predetermined bandwidth.
一方、本発明に係るレーザ発振波長制御方法は、上述したレーザ波長検出方法を用いてレーザ素子から出力されるレーザ光の発振波長を検出し、検出した上記レーザ光の波長情報に基づいて前記レーザ光の発振波長をフィードバック制御することを特徴としている[請求項7]。ちなみに前記レーザ光の発振波長のフィードバック制御は、例えば前記レーザ素子を発振駆動する駆動電流をフィードバック制御して行うようにすれば良い。 On the other hand, the laser oscillation wavelength control method according to the present invention detects the oscillation wavelength of the laser beam output from the laser element using the laser wavelength detection method described above, and based on the detected wavelength information of the laser beam, the laser The present invention is characterized in that the oscillation wavelength of light is feedback-controlled [Claim 7]. Incidentally, the feedback control of the oscillation wavelength of the laser beam may be performed, for example, by feedback control of a drive current for driving the laser element to oscillate.
また本発明に係るレーザ発振波長制御装置は、半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に駆動電流を与えて該半導体レーザ素子からレーザ光を発振出力させる駆動手段と、互いに異なる波長応答特性を有して前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をそれぞれ受光する2つの受光手段と、上記各受光手段による受光量を相互に比較して前記レーザ光の発振波長を検出する波長検出手段と、この波長検出手段により検出された前記レーザ光の波長情報に基づいて前記駆動電流を調節して前記レーザ光の発振波長をフィードバック制御する波長制御手段とを具備したことを特徴としている[請求項9]。 The laser oscillation wavelength control device according to the present invention has a wavelength response characteristic different from that of a semiconductor laser element and a driving means for supplying a driving current to the semiconductor laser element to oscillate and output laser light from the semiconductor laser element. Two light receiving means for receiving the laser beams output from the semiconductor laser element, a wavelength detecting means for detecting the oscillation wavelength of the laser light by comparing the amounts of light received by the respective light receiving means with each other, and this wavelength Wavelength control means for adjusting the drive current based on wavelength information of the laser light detected by the detection means to feedback control the oscillation wavelength of the laser light is provided [claim 9].
好ましくは前記駆動手段は、前記レーザ素子の駆動電流を可変して該レーザ素子から出力されるレーザ光の発振波長を所定の帯域に亘って経時的に変化させるものであって、前記受光手段の少なくとも一方は、既知の波長応答特性を有する光学フィルタと、この光学フィルタを通して前記レーザ光を受光する受光素子とを備えたものからなる。そして前記波長制御手段においては、波長検出手段により検出された前記レーザ光の発振波長と、前記レーザ素子の駆動電流によって定まる理論的な発振波長とのずれを求め、その波長のずれを補正するようにレーザ素子の駆動電流を制御するように構成される。 Preferably, the driving unit is configured to change a driving current of the laser element and change an oscillation wavelength of laser light output from the laser element over time over a predetermined band. At least one includes an optical filter having a known wavelength response characteristic and a light receiving element that receives the laser light through the optical filter. The wavelength control means obtains a deviation between the oscillation wavelength of the laser beam detected by the wavelength detection means and a theoretical oscillation wavelength determined by the driving current of the laser element, and corrects the deviation of the wavelength. Further, it is configured to control the drive current of the laser element.
また本発明に係る別のレーザ発振波長制御装置は、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の駆動電流を変化させて前記レーザ光の波長を経時的に変化させる駆動手段と、既知の波長応答特性を有して前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を受光する受光手段と、上記受光手段による受光量と予め想定された前記受光手段の受光特性とを比較して前記レーザ光の発振波長を検出する波長検出手段と、この波長検出手段により検出された前記レーザ光の波長情報に基づいて前記駆動電流を調節して前記レーザ光の発振波長をフィードバック制御する波長制御手段とを具備したことを特徴としている[請求項11]。 Further, another laser oscillation wavelength control device according to the present invention includes a semiconductor laser element that outputs laser light, and a drive unit that changes the wavelength of the laser light with time by changing the drive current of the semiconductor laser element, A light receiving means for receiving a laser beam having a known wavelength response characteristic and outputted from the semiconductor laser element, and comparing the amount of light received by the light receiving means with a light receiving characteristic of the light receiving means assumed in advance. Wavelength detecting means for detecting the oscillation wavelength of light, and wavelength control means for feedback-controlling the oscillation wavelength of the laser light by adjusting the drive current based on the wavelength information of the laser light detected by the wavelength detecting means; (Claim 11).
好ましくは前記受光手段は、既知の波長応答性を有する光学フィルタと、この光学フィルタを通して前記レーザ光を受光する受光素子とを備えたものであって、前記波長検出手段は、前記レーザ光の発振波長を所定の帯域幅に亘って変化させたときの前記受光素子による受光量の変化から前記受光手段の受光特性を推定して波長検出に用いるように構成される。 Preferably, the light receiving means includes an optical filter having a known wavelength responsiveness and a light receiving element that receives the laser light through the optical filter, and the wavelength detecting means oscillates the laser light. The light receiving characteristic of the light receiving means is estimated from the change in the amount of light received by the light receiving element when the wavelength is changed over a predetermined bandwidth, and is used for wavelength detection.
本発明に係るレーザ発振波長制御方法によれば、或る波長応答特性を有する受光手段を用いてレーザ素子から出力されるレーザ光を受光すれば、その受光量がレーザ光の発振波長によって変化することに着目しているので、上述した簡単な手法により前記レーザ光の発振波長を高精度に検出することができる。そしてその検出結果(発振波長の情報)に基づいて前記レーザ素子に与える駆動電流を調節することで、前記レーザ素子から出力されるレーザ光の発振波長を高精度に制御することが可能となる。 According to the laser oscillation wavelength control method of the present invention, when the laser beam output from the laser element is received using the light receiving means having a certain wavelength response characteristic, the amount of received light changes depending on the oscillation wavelength of the laser beam. Therefore, the oscillation wavelength of the laser beam can be detected with high accuracy by the simple method described above. Then, by adjusting the drive current applied to the laser element based on the detection result (oscillation wavelength information), the oscillation wavelength of the laser beam output from the laser element can be controlled with high accuracy.
従ってレーザ素子から出力されるレーザ光の発振波長を所定の帯域に亘って変化させながら、例えばその出力光を計測対象物に照射し、その反射光(戻り光)を前記レーザ素子に再注入してレーザ素子における自己結合効果を生起し、これによって生じた変調レーザ光から計測対象物の状態を検出する状態検出装置やレーザ測長器等に適用すれば、上記所定の帯域に亘って可変される出力光の発振波長を安定化することができるので、その検出精度を高め得る等の実用上絶大なる効果が奏せられる。 Therefore, while changing the oscillation wavelength of the laser light output from the laser element over a predetermined band, for example, the output light is irradiated onto the measurement object, and the reflected light (return light) is reinjected into the laser element. If this is applied to a state detection device or a laser length measuring device that generates a self-coupling effect in the laser element and detects the state of the measurement object from the modulated laser light generated thereby, it can be varied over the predetermined band. Since the oscillation wavelength of the output light can be stabilized, it is possible to achieve a great practical effect such as an increase in detection accuracy.
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るレーザ発振波長検出方法、並びにその波長制御方法と波長制御装置とについて説明する。
図1は本発明の第1の実施形態に係るレーザ発振波長検出方法と波長制御方法を適用して構成されるレーザ装置の要部概略構成を示す図で、10はレーザ素子(レーザダイオードLD)、20はその駆動回路である。
Hereinafter, a laser oscillation wavelength detection method, a wavelength control method thereof, and a wavelength control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a main part of a laser device configured by applying a laser oscillation wavelength detection method and a wavelength control method according to a first embodiment of the present invention.
レーザ素子10は、図2の特性図Aに示すように数nmの帯域幅wを持つ急峻な山形の波長分布を有する単色レーザ光(以下、その中心波長λをもってこの波長分布を代表し、これをレーザ光の発振波長λと称する)を発振出力するものである。このレーザ光(出力光)の発振波長λは、レーザ素子10の駆動電流I(Imin〜Imax)に応じて、例えば図2の特性図Bに示すように変動領域R(λmin〜λmax)の範囲で変化する。このレーザ素子10から出力されるレーザ光は、例えば集光レンズ11を介して計測対象物(図示せず)に照射されて、該計測対象物までの距離計測等に用いられる。
As shown in the characteristic diagram A of FIG. 2, the
さて上述した集光レンズ11と前記レーザ素子10の出力光出射端面との間には、所定の波長選択性を有する透過形の光学フィルタ12が設けられている。この光学フィルタ12は、例えばレーザ光の発振波長λの上述した変動領域Rに対して狭い波長選択性を示すバンドパスフィルタ(帯域通過フィルタ)からなる。この種の光学フィルタ12は一般に市販されている透過型のものであり、ガラス等の透明体の吸光特性がバンドパス型の波長選択性を示す。
A transmissive
またこのレーザ装置には、前記光学フィルタ12を間にして第1の受光素子(フォトダイオードPD1)13と第2の受光素子(フォトダイオードPD2)14とが設けられている。これらの受光素子13,14は、好ましくはいずれもその受光対象である前記レーザ光の中心波長λの変動領域Rを含む十分に広い波長帯域において平坦な受光特性を有することが望ましい。即ち、受光素子13,14は、波長によらず同一強度の入射光に対して同一の出力を得る特性を有するものであることが望ましい。またこれらの受光素子13,14は、受光するレーザ光の強度(受光量)に比例した出力特性を有するものであることが望ましい。より具体的には上記各受光素子13,14としては、同一仕様の製品で特性の揃ったものを用いることが望ましい。
Further, the laser device is provided with a first light receiving element (photodiode PD1) 13 and a second light receiving element (photodiode PD2) 14 with the
尚、上記各受光素子13,14が上述した望ましい受光特性を備えていなくても、或いはその特性が揃っていなくても、適宜、補正処理を施してその受光特性を最適化して使用することが可能なことは言うまでもない。また当然のことながら光学フィルタ12や受光素子13,14については、その環境変化や経年劣化に関して前記発光素子10よりも安定しているものを用いることが望ましい。
Even if each of the
ところで前述した第1の受光素子13は、前記レーザ素子10から出力されたレーザ光(出力光)を直接または間接的に受光するように設けられており、並列に設けられた2つの受光手段の内の一方の受光手段を構成する。また第2の受光素子14は前記レーザ素子10から出力されて前記光学フィルタ12を介した出力光を受光するように設けられている。即ち、前記光学フィルタ12および第2の受光素子14は、上述した2つの受光手段の内の他方の受光手段を構成する。そしてこれらの各受光素子13,14にてそれぞれ検出された受光量Q1,Q2の情報は、前記レーザ素子1の発振波長λを制御する為の情報として前記駆動回路20に入力されるようになっている。
By the way, the first
一方、前述した駆動回路20は、基本的にはレーザ素子10に駆動電流Iを与えて該レーザ素子10を発振駆動する電流駆動源21と、この電流駆動源21に、前述した三角波や鋸歯状波等の変調信号を与えて、例えば図2に示すように前記駆動電流Iを(Imin〜Imax)の範囲で周期的に増減させる変調回路22とを備える。このようにして増減制御される駆動電流Iにより図2に特性A,Bとしてそれぞれ示すように前記レーザ素子10の発振波長λが変化すると共に、その出力強度(発光量)P、受光量Qが変化する。
On the other hand, the
またこの駆動回路20は、前述した受光素子13,14によりそれぞれ検出された受光量Q1,Q2、つまりレーザ素子10から出力されたレーザ光の強度Q1と前記光学フィルタ12を透過した上記出力光の強度Q2とから該出力光の発振波長を検出する波長検出回路23と、検出された波長に応じて前記レーザ素子10に対する駆動電流Iを補正し、これによってレーザ光の発振波長のずれを補正する補正回路24とを備える。そして駆動回路20は上記波長のずれに応じて駆動電流Iを調整することにより、前記レーザ素子10が発振出力する出力光(レーザ光)の発振波長λを制御し、そのずれ補正を行うものとなっている。
The
ここで前記レーザ素子10から出力されたレーザ光の強度(受光量)Q1と、前記光学フィルタ12を透過した上記レーザ光の強度(受光量)Q2とに基づく前記レーザ光の発振波長λの検出(本発明に係るレーザ発振波長検出方法)について説明する。
レーザ素子10が発振出力するレーザ光(出力光)の強度は、その駆動電流Iに応じて変化するので、上記出力光を直接受光する第1の受光素子13による受光量Q1は、例えば図2の特性図Bに実線で示すように変化する。またレーザ素子10の駆動電流Iに応じて該レーザ素子10が発振出力する出力光の発振波長λも変化するので、上記受光素子13による受光量Q1の変化は、発振波長λの変化をも表していると言える。
Here, the detection of the oscillation wavelength λ of the laser light based on the intensity (light reception amount) Q1 of the laser light output from the
Since the intensity of the laser light (output light) oscillated and output by the
これに対して光学フィルタ12を介して第2の受光素子14により受光されるレーザ光は上記光学フィルタ12の光学特性の影響を受ける。従って光学フィルタ12が所定の波長帯域の成分を透過するバンドパスフィルタ特性を有する場合、第2の受光素子14による受光量Q2は図2の特性図Bに破線で示すように変化する。即ち、光学フィルタ12の透過波長帯域における波長成分のレーザ光は、光学フィルタ12の存在に拘わりなくそのまま透過し、上記波長帯域以外(減衰帯域)の波長成分のレーザ光は光学フィルタ12により大きく減衰されるので、上記第2の受光素子14は主として上記所定の波長帯域のレーザ光だけを受光することになる。従って上記各受光量Q1,Q2の比である受光量比L(=Q2/Q1)は、図2の特性図Cに示すように光学フィルタ12の光学特性(透過波長の選択性)そのものを示していることになる。
On the other hand, the laser beam received by the second
従って短波長側の減衰帯域における波長λminに対応する受光量比Lmin、および長波長側の減衰帯域における波長λmaxに対応する受光量比Lmaxをそれぞれ求めれば、これらの受光量比Lmin,Lmaxと光学フィルタ12の透過率特性とからその発振波長λのずれ(量および方向)を検出することが可能となる。例えばレーザ光の波長λが全体的に短波長側にシフトした場合には受光量比Lminの値が減少し、また受光量比Lmaxの値が増加する。逆にレーザ光の波長λが全体的に長波長側にシフトした場合には受光量比Lminの値が増加し、また受光量比Lmaxの値が減少する。そして光学フィルタ12の透過率特性である受光量比Lの特性曲線は既知であるから、上記受光量比Lmin,Lmaxのずれ量から波長λmin,λmaxのずれ量Δλを検出することができる。
Therefore, if the received light amount ratio Lmin corresponding to the wavelength λmin in the short wavelength side attenuation band and the received light amount ratio Lmax corresponding to the wavelength λmax in the long wavelength side attenuation band are respectively obtained, these received light amount ratios Lmin, Lmax and the optical The deviation (amount and direction) of the oscillation wavelength λ can be detected from the transmittance characteristics of the
尚、一般的には光学フィルタ12の受光量比Lと受光器14の受光特性P2、および受光器13の受光特性P1との関係[L×(P2/P1)]が波長の関数f(λ)で表現できれば、これらの関係からレーザ光の発振波長λを計測することが可能となる。但し、上記関数f(λ)の傾きが[0]の領域では波長制御を行うことができないので、関数f(λ)の傾きが[0]でないことが波長制御条件となる。
In general, the relationship [L × (P2 / P1)] between the light reception amount ratio L of the
従って上述したようにして検出される波長のずれ量Δλに応じてレーザ素子10の駆動電流Iを調整すれば、これによってレーザ素子10の発振波長λを補正することができる。換言すれば波長のずれ量Δλに応じた駆動電流Iの調整によってレーザ素子10の発振波長を高精度に制御することが可能となる。故に、光学フィルタ12を介してレーザ素子10が発振出力したレーザ光を受光し、上記レーザ素子10を特定の駆動電流Iで発振駆動したときの受光量を調べるだけでその発振波長λのずれを簡易に求め、そのずれを効果的に補正することが可能となる。
Therefore, if the drive current I of the
尚、上述の実施形態においては説明の簡略化のために、駆動電流Iの最大値Imaxおよび最小値Iminに対応する透過率の最大値Lmaxおよび最小値Lminを検出対象として説明したが、これに限るものではない。即ち、所定の駆動電流値Iに対する受光量比Lを検出対象とすれば十分である。また上述の実施形態においては、第1の受光素子(PD1)13は前記レーザ素子10から出力されたレーザ光を直接受光するものとしているが、更に別の光学フィルタ(図示せず)を前記レーザ素子10と受光素子13との間に追加して、その光学フィルタを介して第1の受光素子13が前記レーザ素子10から出力されたレーザ光を受光するように構成することも可能である。この場合、上記追加する光学フィルタとしては、前述した光学フィルタ12とは異なる波長応答性(透過波長の選択性)を有するものを用いることは言うまでもない。
In the above-described embodiment, for the sake of simplicity of explanation, the maximum value Lmax and the minimum value Lmin of the transmittance corresponding to the maximum value Imax and the minimum value Imin of the drive current I have been described as detection targets. It is not limited. That is, it is sufficient that the received light amount ratio L with respect to the predetermined drive current value I is a detection target. In the above-described embodiment, the first light receiving element (PD1) 13 directly receives the laser beam output from the
ところで上述した実施形態においては光学フィルタ12を通す前のレーザ光と、光学フィルタ12を通した後のレーザ光の各強度(受光量)をそれぞれ求め、受光量Q1,Q2の比(受光量比L)に着目して発振波長λのずれを検出した。しかし受光素子13が環境変化や経年劣化に関して安定した性能を有するものであれば、例えば図3に示すように光学フィルタ12を通した後のレーザ光の強度(受光量)を第2の受光素子14にて検出するだけでも同様にしてその発振波長のずれを求めることができる。
By the way, in the above-described embodiment, the respective intensities (light reception amounts) of the laser light before passing through the
即ち、レーザ素子10の駆動電流Iを変化させてその発振波長λを所定の波長範囲(但し、光学フィルタ12の短波長側および長波長側における減衰帯域の少なくとも一部を含む)に亘って連続的に変化させ、そのときの前記光学フィルタ12を介して得られる受光量を求める。すると図4に示すように該光学フィルタ12の波長透過帯域においては該光学フィルタ12の光学特性の影響を受けることのないレーザ光の強度、つまりレーザ素子10から出力されたレーザ光の強度を検出することができる。従ってこの帯域における強度変化から、図4に一点鎖線で示すようにレーザ素子10の発振波長λに対するレーザ光の出力強度の変化を推定することができる。
That is, by changing the drive current I of the
またこのようにしてレーザ素子10の出力特性を推定しなくても、例えば予めレーザ素子10の出荷検査等においてその発振出力特性を調べておけば、その出力特性と光学フィルタ12を介して受光されるレーザ光の強度(受光量)とから、前述したようにレーザ素子10を電流Iで発振駆動したときの受光量に従ってその発振波長のずれを求めることができる。故に光学フィルタ12を介したレーザ光を受光するだけでも、前述した実施形態と同様にしてレーザ素子10の発振波長λを高精度に制御することができる。しかも前述した実施形態に比べて、第1の受光素子13を省略し得る分、その構成の簡素化を図ることができる等の効果が奏せられる。
Even if the output characteristics of the
以上説明したレーザ発振波長の検出方法とその制御方法についてまとめると、レーザ素子10の発振波長λは、その駆動電流Iの変化に伴って略1次直線的に伸び、光出力(レーザ光強度)Pも上記駆動電流Iに略比例する。従ってレーザ素子10の上記駆動電流I、発振波長λ、および出力強度Pとの関係は図5(a)(b)(c)にそれぞれ示すようになる。
The laser oscillation wavelength detection method and its control method described above are summarized. The oscillation wavelength λ of the
ここで上記レーザ光の発振波長λ(λ1〜λ2)に対して、図6(a)に示すように受光量比Lが平坦な第1の光学フィルタ(実質的にはフィルタなし)と、上記発振波長λ(λ1〜λ2)に対してのみ選択的な受光量比Lを示すバンドパス型の第2の光学フィルタとを用い、これらの各光学フィルタをそれぞれ介して上記レーザ光を受光した場合、前述したようにレーザ光自体の出力強度が発振波長λに応じて変化しているので、その受光強度P1,P2は図6(b)に示すようになる。そしてこれらの受光強度の比(Q2/Q1)に着目すると、上述した波長(λ1〜λ2)の範囲においては上記各受光量Q1,Q2が互いに等しいので受光量の比(Q2/Q1)は[1]となり、上記波長(λ1〜λ2)の範囲を外れると受光量Q2が減少するので、上記受光量の比(Q2/Q1)は図6(c)に示すように或る勾配をもって減少する。この減衰勾配は、前述した第2の光学フィルタの光学特性(バンドバスフィルタ特性)に依存する。 Here, with respect to the oscillation wavelength λ (λ1 to λ2) of the laser beam, as shown in FIG. 6A, a first optical filter (substantially no filter) having a flat received light amount ratio L, and When the laser beam is received through each of these optical filters using a bandpass type second optical filter exhibiting a selective light reception amount ratio L only for the oscillation wavelength λ (λ1 to λ2) As described above, since the output intensity of the laser beam itself changes according to the oscillation wavelength λ, the received light intensity P1 and P2 are as shown in FIG. When attention is paid to the ratio (Q2 / Q1) of these received light intensities, the received light amounts Q1 and Q2 are equal to each other in the above-mentioned wavelength (λ1 to λ2) range, so the received light amount ratio (Q2 / Q1) is [ 1], the amount of received light Q2 decreases when the wavelength (λ1 to λ2) is out of the range, and the ratio (Q2 / Q1) of the amount of received light decreases with a certain gradient as shown in FIG. 6 (c). . This attenuation gradient depends on the optical characteristic (band bus filter characteristic) of the second optical filter described above.
従ってレーザ素子10から発振波長λ1,λ2のレーザ光を発振出力させるべくその駆動電流I1,I2を与えたときの上記受光量の比(Q2/Q1)を調べ、その比の減少量を求めれば、既知である第2の光学フィルタの光学特性(バンドバスフィルタ特性)から上記駆動電流I1,I2を与えたときにレーザ素子10から出力されるレーザ光の発振波長λ1’,λ2’を検出することが可能となり、ひいては前記レーザ素子10から得ようとしている発振波長λ1,λ2からのずれを検出することが可能となる。
Accordingly, the ratio (Q2 / Q1) of the received light amount when the drive currents I1 and I2 are applied to oscillate and output the laser beams having the oscillation wavelengths λ1 and λ2 from the
ところで第1および第2の光学フィルタがレーザ光の発振波長λ(λ1〜λ2)に対して、例えば図7(a)に示すように互いに異なる透過率(光学特性)を有する場合、これらの各光学フィルタを介してそれぞれ受光される上記レーザ光の受光量Q1,Q2は、例えば図7(b)に示すようになる。この場合、一般的には上述した波長(λ1〜λ2)の範囲において上記受光量Q1,Q2が等しくなることはない。しかしこれらの受光量Q1,Q2の比(Q2/Q1)に着目すると、図7(c)に示すように波長の変化に対して一次元的な何らかの関係を有する。従ってこの関係を予め関数F(λ)として求めておけば、この関数F(λ)に従って上記受光量Q1,Q2の比(Q2/Q1)からレーザ光の発振波長λを求めることができる。 When the first and second optical filters have different transmittances (optical characteristics) as shown in FIG. 7A, for example, with respect to the oscillation wavelength λ (λ1 to λ2) of the laser light, The received light amounts Q1 and Q2 of the laser light respectively received through the optical filter are as shown in FIG. 7B, for example. In this case, generally, the received light amounts Q1 and Q2 do not become equal in the above-described wavelength range (λ1 to λ2). However, paying attention to the ratio (Q2 / Q1) of these received light quantities Q1 and Q2, as shown in FIG. 7C, there is some one-dimensional relationship with respect to the change in wavelength. Therefore, if this relationship is obtained in advance as a function F (λ), the oscillation wavelength λ of the laser beam can be obtained from the ratio (Q2 / Q1) of the received light amounts Q1 and Q2 according to the function F (λ).
故に前述した図5(a)に示すレーザ素子10の駆動電流Iとその発振波長λとの関係、およびレーザ素子10に駆動電流Iを与えた状態において上述した如く検出されるレーザ光の発振波長λ’とから、その発振波長のずれを検出することができる。そしてこの波長のずれに応じてレーザ素子10に与える駆動電流Iを調整することで、その発振波長λを高精度に制御することが可能となる。即ち、本発明によれば、或る光学特性を有する光学フィルタを通してレーザ光を受光し、例えば上記光学フィルタを通さないレーザ光の受光量との比を求めることで、簡易にその発振波長を検出し、検出した発振波長に従ってレーザ素子に対する駆動電流を調節することで、その発振波長を高精度に制御することが可能となる。
Therefore, the relationship between the driving current I of the
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。図1,2に示した実施形態においてはレーザ素子10から出力したレーザ光を、光学フィルタ12を通過した後にレンズ11を通過するように構成したが、光学フィルタ12を通過することなくレンズ11を直接通過するようにしても良い。即ち、光学フィルタ12を受光素子13の受光面のみを覆う面積に形成して受光素子13の直前に配置するようにしても良い。また集光レンズ11と光学フィルタ12とを別体として構成したが、レンズ11自体に波長選択性フィルタとしての機能を兼用させることもできる。
The present invention is not limited to the embodiment described above. In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the laser light output from the
また実施形態においては透過型の光学フィルタ12を用いたが、反射形の光学フィルタを用いても同様に実施し得ることは言うまでもない。反射形の光学フィルタを用いる場合、平面鏡形状のフィルタのみならず凹面鏡形状や凸面鏡形状のフィルタを用いて集光レンズ11の機能を兼用させることもできる。また光学フィルタ12の光学特性については、例えば計測に使用する波長帯域のレーザ光に対して十分に高い透過率(反射率)を有するものであれば十分である。また発振波長に対する透過率(反射率)の変化(出力の変化)ΔPに着目して発振波長のずれを検出するように構成することも可能である。
In the embodiment, the transmission type
更には光学フィルタ12の前後においてレーザ光の強度(受光量)をそれぞれ検出する場合には、これらの受光量から光学フィルタ12での減衰量を求め得るので、レーザ素子10を波長変調しない(即ち、一定の波長で用いる)レーザ装置にも適用可能である。また上述の実施形態においては平坦な波長応答特性を有する受光素子と、減衰帯域を有する光学フィルタとの組み合わせによって受光手段の波長応答特性を実現していたが、受光素子自体が減衰波長帯域を有するものであれば光学フィルタを用いることなく受光素子単体にて受光手段を構成することも可能である。
Furthermore, when detecting the intensity (amount of received light) of the laser light before and after the
更にまた、上述した実施形態ではレーザ素子10として半導体型レーザ素子を用いてその発振波長を駆動電流で制御する例を説明したが、これに限らない。例えばレーザ素子10として波長可変型レーザ素子を用いれば、その発振波長λを電圧信号で制御することもできる。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which a semiconductor laser element is used as the
10 レーザ素子
11 集光レンズ
12 光学フィルタ
13,14 受光器
20 レーザ駆動回路
21 電流駆動源
22 変調回路
23 波長検出回路
24 補正回路
DESCRIPTION OF
Claims (12)
この半導体レーザ素子に駆動電流を与えて該半導体レーザ素子からレーザ光を発振出力させる駆動手段と、
互いに異なる波長応答特性を有して前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をそれぞれ受光する2つの受光手段と、
上記各受光手段による受光量を相互に比較して前記レーザ光の発振波長を検出する波長検出手段と、
この波長検出手段により検出された前記レーザ光の波長情報に基づいて前記駆動電流を調節して前記レーザ光の発振波長をフィードバック制御する波長制御手段と
を具備したことを特徴とするレーザ発振波長制御装置。 A semiconductor laser element;
Drive means for applying a drive current to the semiconductor laser element to oscillate and output laser light from the semiconductor laser element;
Two light receiving means for receiving laser beams output from the semiconductor laser elements having different wavelength response characteristics, respectively;
A wavelength detection means for detecting the oscillation wavelength of the laser light by comparing the amounts of light received by the light receiving means with each other;
A laser oscillation wavelength control comprising: wavelength control means for adjusting the drive current based on wavelength information of the laser light detected by the wavelength detection means to feedback control the oscillation wavelength of the laser light. apparatus.
前記受光手段の少なくとも一方は、既知の波長応答特性を有する光学フィルタと、この光学フィルタを通して前記レーザ光を受光する受光素子とを備えたものである請求項9に記載のレーザ発振波長制御装置。 The driving means changes the oscillation wavelength of laser light output from the laser element by changing the drive current of the laser element over time,
The laser oscillation wavelength control device according to claim 9, wherein at least one of the light receiving means includes an optical filter having a known wavelength response characteristic and a light receiving element that receives the laser light through the optical filter.
この半導体レーザ素子の駆動電流を変化させて前記レーザ光の波長を経時的に変化させる駆動手段と、
既知の波長応答特性を有して前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を受光する受光手段と、
上記受光手段による受光量と予め想定された前記受光手段の受光特性とを比較して前記レーザ光の発振波長を検出する波長検出手段と、
この波長検出手段により検出された前記レーザ光の波長情報に基づいて前記駆動電流を調節して前記レーザ光の発振波長をフィードバック制御する波長制御手段と
を具備したことを特徴とするレーザ発振波長制御装置。 A semiconductor laser element for outputting laser light;
Drive means for changing the wavelength of the laser beam over time by changing the drive current of the semiconductor laser element;
A light receiving means for receiving a laser beam having a known wavelength response characteristic and output from the semiconductor laser element;
A wavelength detecting means for detecting the oscillation wavelength of the laser light by comparing the amount of light received by the light receiving means with a light receiving characteristic of the light receiving means assumed in advance;
A laser oscillation wavelength control comprising: wavelength control means for adjusting the drive current based on wavelength information of the laser light detected by the wavelength detection means to feedback control the oscillation wavelength of the laser light. apparatus.
前記波長検出手段は、前記レーザ光の発振波長を所定の帯域幅に亘って変化させたときの前記受光素子による受光量の変化から前記受光手段の受光特性を推定して波長検出に用いるものである請求項11に記載のレーザ発振波長制御装置。 The light receiving means includes an optical filter having a known wavelength response, and a light receiving element that receives the laser light through the optical filter,
The wavelength detecting means estimates the light receiving characteristics of the light receiving means from the change in the amount of light received by the light receiving element when the oscillation wavelength of the laser light is changed over a predetermined bandwidth, and is used for wavelength detection. The laser oscillation wavelength control device according to claim 11.
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JP2011209371A (en) * | 2010-03-29 | 2011-10-20 | Mitsubishi Electric Corp | Optical modulator |
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