CN1154209C - 半导体激光器激励的固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明的半导体激光器激励的固体激光器设有固体激光器介质、激励固体激光器介质的半导体激光器、检测半导体激光器的振荡光谱中用于激励固体激光器介质的波长区域的光谱仪、运算手段、根据运算手段的输出而控制半导体激光器的温度的温度控制手段，其中所述运算手段是将由光谱仪检测到的检测光谱的面积进行标准化，同时计算标准化后的检测光谱与标准化的相关于固体激光器介质激光激励的吸收光谱的重叠面积的比较器等。

Description

半导体激光器激励的固体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器激励的固体激光器，特别地涉及提高其工作效率的方面。

背景技术

作为以往的半导体激光器激励的固体激光器，例如特开平5-90672所揭示。图5以及图6表示上述公报中所公开的半导体激光器激励的固体激光器的构造。61是半导体激光器，62是准直透镜，63聚焦透镜，64是固体激光器介质、65是反光镜，66是设置在准直透镜62与聚焦透镜63之间的分光器，67是反射型光栅、68是2个通道型光电二极管。71、72是用于放大二通道光电二极管的输出幅度的放大器，73是将两者的输出进行比较的比较器，75是温度调整电路，76是控制半导体激光器61的温度的珀耳帖效应元件。

下面，对于它们的动作进行说明。从用于激励固体激光介质64的半导体激光器61发射出的光其一部分通过分光器66而射向反射型光栅67。2个通道型光电二极管68检测出经过反射型光栅67分光后的半导体激光。2个通道型光电二极管是在相邻位置设置的2个二极管并且使得边界面为固体激光器励介质64的吸收光谱的中心波长。

当半导体激光器61的振荡光谱的重心偏离吸收光谱的中心时，则2个通道型光电二极管中的一个光电二极管的输出会超出到其他方向。由比较器73来比较该输出的差，并且通过温度调整电路75控制供给设置于半导体激光器61的珀耳帖效应元件76的电流。

但是，固体激光器介质64的激励波长存在上限及下限。例如，Nd：YAG所激励的吸收光谱如图7所示，限于790nm到820nm的附近，特别地，在808nm处表示较高的吸收并且表示了在805nm附近具有较低波峰的复杂构造。

另外，半导体激光器61具有随其活性层温度而改变它的振荡波长的特性。对于具有808nm附近的振荡波长的AlGaAs/GaAs系半导体激光器，存在约0.2～0.3nm/℃的温度依赖性，温度越高振荡波长越长。又，振荡波长的长度为2～3nm。因此，通过组成所述这样的构造，能够对于半导体激光器61的振荡波长进行将目标波长作为中心的反馈控制。

但是，存在这样的问题，即固体激光器介质的吸收光谱很复杂，而由于特定半导体激光器的振荡光谱不能覆盖固体激光器介质的吸收光谱的全部区域，而仅将吸收光谱的中心波长或波峰波长作为基准来控制半导体激光器的振荡波长，则不能够获得很高的激励效率。

又，对于产生高输出的激光器或要求高质量输出的激光器，有时是由多个半导体激光器进行激励的。这是由于一个半导体激光器不能获得足够的激励能量以及为了从多个方向均匀地激励一个固体激光器介质。

当采用多个半导体激光器时，会产生各半导体激光器特性偏差的问题。各个半导体激光器振荡波长光谱以及波长对温度依赖性的特性都会不同。又，随着时间经过，这些特性也将产生变化。因此，为了控制每个半导体激光器各自波长的温度，半导体激光器都必需光谱仪及温度控制器，这样必然存在构造复杂的问题。

本发明为了解决上述问题，目的是提供一种半导体激光器激励的固体激光器，它通过简单构造而提高了半导体激光器激励固体激光器的激励效率。

发明内容

本发明提供一种半导体激光器激励的固体激光器，它设有固体激光器介质、激励固体激光器介质的半导体激光器、检测半导体激光器的振荡光谱中用于激励固体激光器介质的波长区域的光谱仪、运算手段、根据运算手段的输出而控制半导体激光器的温度的温度控制手段，所述运算手段将对光谱仪检测到的检测光谱的面积进行标准化，同时计算标准化后的检测光谱与标准化的相关于固体激光器介质激光激励的吸收光谱的重叠面积。

因此，不仅是根据光谱的中心波长或波峰波长的控制，而是根据固体激光器介质的吸收光谱以及半导体激光器的检测光谱各自波长区域的面积来进行控制，由此，能够获得也有效运用了光谱的中心波长或波峰波长以外的吸收波长区域的且激励效率高的半导体激光器激励的固体激光器。

本发明提供一种半导体激光器激励的固体激光器，它控制半导体激光器的温度使得检测光谱与吸收光谱的重叠面积最大。

因此，能够根据固体激光器介质以及半导体激光器双方的特性进行最佳的控制并且能够进一步提高半导体激光器激励的固体激光器的激励效率。

本发明提供一种半导体激光器激励的固体激光器，设有多个半导体激光器，同时作为检测出的振荡光谱，是检测出总和各半导体激光器产生的光谱的全体的光谱。

因此，即使对于设有多个半导体激光器的半导体激光器激励的固体激光器，由于将总和多个半导体激光器发出的光谱的全部光谱进行标准化并且进行运算，故通过简单的构造而能够进行良好的控制，还能够提高半导体激光器激励的团体激光器的激励效率。

附图说明

图1是表示本发明一实施形态的半导体激光器激励的固体激光器其侧面激励场合的构造图。

图2是表示本发明一实施形态的半导体激光器激励的固体激光器其端面激励场合的构造图。

图3表示温度控制方法一例的流程图。

图4表示多个半导体激光器的振荡光谱的一示例。

图5表示以往半导体激光器激励的固体激光器的构造图。

图6表示以往半导体激光器激励的固体激光器其波长温度控制线路图。

图7表示固体激光器介质Nd:YAG的吸收光谱。

具体实施方式

参照附图对于本发明最适的实施形态进行说明。

图1及图2表示本发明的半导体激光器激励的固体激光器的构造。图1是侧面激励场合的构造图的示例，图2是端面激励场合的构造图的示例。1是固体激光器介质，2是激励固体激光器介质的半导体激光器，在本实施形态中表示采用2个半导体激光器的情况。3是检测固体激光器介质1被激励起的波长区域的光谱的光谱仪，4是用于将半导体激光器2所发出的一部分激光反射给光谱仪3的分光器，5是比较由光谱仪3检测出的光谱与固体激光器介质1的吸收光谱的重叠程度并作为运算手段的比较器，6是冷冻媒体循环器，它具备作为冷却半导体激光器2其冷冻媒体的温度控制功能的温度控制手段，7是将冷冻媒体供给半导体激光器2的冷冻媒体供给线路，8是将半导体激光器2发出的激光聚集到固体激光器介质1的聚光镜，9是透镜。

图1所表示装置的情况是利用分光器4将激励固体激光器介质1的半导体激光器2所发出的一部分光导向光谱仪3。图2所表示的装置情况是从聚光镜8的开口处取出半导体激光器2发出的一部分光并且导向光谱仪3。光谱仪3检测出多个半导体激光器2所发出的全部的光的光谱。在比较器5中预先存储与固体激光器介质1的激励相关区域的吸收光谱Sa，并且与光谱仪3所检测的光谱Sd进行比较而控制冷冻媒体循环器6的冷冻媒体温度。在下文描述吸收光谱Sa与检测光谱Sd的比较处理以及半导体激光器的温度控制的示例。

由冷冻媒体循环器6供给的冷冻媒体通过比较器5使得半导体激光器2冷却在所指定的温度。半导体激光器2自身的振荡光谱存在温度依赖性，因此，由比较器5所指定温度下的光谱发生振荡、激励固体激光器介质1。

参照图3，对于在比较器5激励固体激光器介质1所产生的吸收光谱Sa与由光谱仪3所检测的半导体激光器2所发出的光的光谱Sd的比较处理以及半导体激光器2的温度控制的示例进行说明。

多个半导体激光器2的全部光谱的示例如图4所示。图4是4个半导体激光器场合的示例，由于半导体激光器各自的波长依赖性有所不同，随着温度变动，光谱形状发生变化。如该光谱形状与图7所示的固体激光器介质的吸收光谱Sa(图7表示YAG激光介质的吸收光谱)一致时，则能够获得最高的激励效率，而实际上光谱形状不会完全相同。因此，进行控制使得两者光谱的重叠部分最大，才能获得实际的最大激励效率。

按照冷冻媒体循环器6供给的冷冻媒体的温度来控制半导体激光器2。最初设定的冷冻媒体循环器6的冷冻媒体温度是使得半导体激光器2的振荡光谱的波峰波长或中心波长与固体激光器介质1的吸收光谱Sa的波峰波长或中心波长一致而预订的温度。

由光谱仪3检测出多个半导体激光器2发射出的全部光的光谱Sd。多个半导体激光器2所发射出的光的光谱由于各半导体激光器的特性而存在偏差，由光谱仪3所检测出的光谱Sd例如，呈现出图4的所示的形状。利用比较器将检测出的光谱Sd在固体激光器介质1的激励波长区域，例如YAG为790nm到820nm的波长区域转换为面积为1的标准化光谱Sn。

比较器5中预先存储了固体激光器介质1的吸收光谱Sa，并且进行标准化使得激励波长区域的面积为1。在比较器5中，计算标准化光谱Sn与吸收光谱Sa的重叠面积M。

在固体激光器介质的激励波长区域(λmin＜λ＜λmax)，将标准化后的吸收光谱作为Sa(λ)、在同一波长区域中将标准化后的半导体激光器的振荡光谱作为Sn(λ)，能够由下式求得两者的重叠面积M。

$M=\underset{\mathrm{\λ}=\mathrm{\λ}\min }{\overset{\mathrm{\λ}\max }{\mathrm{\Σ}}}\min (S_a\left(\mathrm{\λ}\right),S_n\left(\mathrm{\λ}\right))$

这里，函数min(x，y)的值给出比x与y中小的一方的值。

其次，使得冷冻媒体循环器6的冷冻媒体控制温度上升某一恒定温度，进行例如上升1℃等的变化。再次测定温度变化后的半导体激光器2发生出的光的光谱，进行标准化，并且再次求得与吸收光谱Sa的重叠面积M。当此时的面积M比上次求得的值大时，使得冷冻媒体的温度上升为同一恒定值，例如上升1℃。相反，当面积M减小时，温度变化量相反，例如下降1℃。面积M不变时，也不进行温度变化。

如此控制半导体激光器2的温度，则使得总体的半导体激光器的振荡光谱接近固体激光器介质1的吸收光谱Sa而提高了激励效率。

在本实施形态中，温度控制的变化幅度为1℃，当然也可以是任何值。但是，用于激励YAG及YLF这些固体激光器介质的AlGaAs系半导体激光器的波长温度依赖性一般为0.2～0.3nm/℃左右，由于吸收光谱的宽度为数nm左右，因此，温度控制的变化幅度1℃是适当的值。

又，根据光谱的重叠面积M的变化量而统计性地求得温度控制幅度的方法有很多，而半导体激光器各自的光谱以及温度依赖性有所不同。而且，这些特性会随时间改变。由此的计算会变得复杂，处理的时间也会变长。因此，温度幅为一定是能够实现的。

在本实施形态中，对于由冷冻媒体循环器控制半导体激光器的温度进行了描述。通过控制珀耳帖效应元件的工作电流以及半导体激光器的周围环境温度，也能够提高固体激光器介质的激励效率。

对于半导体激光器，不仅可以是由一个来构成，为了增大输出也可以由阵列状的、甚至堆积状的半导体激光器来构成。这些半导体激光器都各自具有不同的特性，随温度变化光谱形状也会发生变化。因此，能够处理本发明的多个半导体激光器，并且通过同样的控制能够提高固体激光器的激励效率。

工业应用性

如上所述，本发明的半导体激光器激励的固体激光器是可以适用于例如要求进行高精度加工的工业用激光加工设备中。

Claims (3)

1.一种半导体激光器激励的固体激光器，其特征在于，设有

固体激光器介质，

激励所述固体激光器的半导体激光器，

检测所述半导体激光器的振荡光谱中用于激励所述固体激光器介质的波长区域的光谱仪，

运算手段，所述运算手段将对所述光谱仪检测到的检测光谱的面积进行标准化，同时计算标准化后的检测光谱与标准化的相关于所述固体激光器介质激光激励的吸收光谱的重叠面积，

根据所述运算手段的输出而控制所述半导体激光器的温度的温度控制手段。

2.如权利要求1所述的半导体激光器激励的固体激光器，其特征在于，

控制半导体激光器的温度使得所述检测光谱与所述吸收光谱的重叠面积最大。

3.如权利要求1所述的半导体激光器激励的固体激光器，其特征在于，

设有多个半导体激光器，同时作为检测的振荡光谱，是检测总和各半导体激光器产生的光谱的全体的光谱。

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