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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Resonator und betrifft insbesondere ein optimiertes Temperatursteuersystem eines innerhalb des optischen Resonators eingebauten optischen Elements.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Im Allgemeinen wird in einem Lasergerät der Art, das einen Laserkristall mit einem Halbleiterlaser erregt, ein optischer Resonator eingesetzt, der durch Positionieren optischer Elemente, wie dem Laserkristall und einem Etalon, zwischen einem Paar reflektierender Oberflächen gebildet wird. Wie in den
japanischen Patent-Auslegeschriften Nr. 2003-158316 und
Nr. 2000-208849 beschrieben, ist ein Temperatursteuersystem in einem optischen Resonator zum wirksamen Stabilisieren der Laserleistung erforderlich.
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Ein Lasergerät gemäß der
japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. 2003-158316 enthält eine automatische Leistungssteuerungsvorrichtung, die eine vorbestimmte Emission von nach außen abzustrahlendem Laserlicht steuert, indem die Ausgabe eines Lichtdetektors für einen Monitor zurück an eine Ansteuerschaltung eines Halbleiterlasers geführt wird. Außerdem ist eine Temperatureinstell-Steuervorrichtung vorgesehen, die einen Halbleiterlaser-Ansteuerstrom zu einem Zeitpunkt liest, zu dem die Temperaturen eines Blocks (Gehäuse), Halbleiterlasers und Etalons einzeln durch entsprechende Temperatursteuervorrichtungen geändert wurden, für jedes Bauteil die Temperatur berechnet, bei der der Ansteuerstrom am niedrigsten ist, und jede Temperatur jeweils als eine definierte Temperatur für eine Blocktemperatur-Steuervorrichtung, Halbleiterlaser-Temperatursteuervorrichtung und Etalon-Temperatursteuervorrichtung definiert. Die Temperatureinstell-Steuervorrichtung arbeitet in einem Zustand, in dem die automatische Leistungssteuerungsvorrichtung in Betrieb ist. Im Ergebnis beschreibt die
japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. 2003-158316 das Kompensieren von zeitbezogenen Änderungen an jedem der Temperatursensoren, die die entsprechenden Temperaturen, sowie mechanische oder maßliche zeitbezogene Änderungen beispielsweise am Block detektieren, und stabil eine effiziente Laserleistung ausführen.
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Insbesondere wird bei der Temperatureinstellung gemäß der
japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. 2003-158316 zunächst die Temperatur des Blocks basierend auf der Temperatur eines Wellenlängenumwandlungselements (SHG) geändert. Dann wird die Temperatur gefunden, bei der der Ansteuerstrom am niedrigsten ist, und die definierte Temperatur des Blocks wird auf diese Temperatur aktualisiert. Dadurch werden zeitbezogene Änderungen an dem Temperatursensor oder dergleichen kompensiert. Außerdem beschreibt das Dokument die Nutzung der Temperaturabhängigkeit eines Brechungsindexes des am Block befestigten SHG, um eine optische Pfadlänge innerhalb des SHG zu ändern, um maßliche Änderung am Block zu kompensieren.
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Außerdem wird durch die Temperatursteuerung des Etalons die Wellenlänge für maximale Transparenz des Etalons geändert, die Etalon-Temperatur gefunden, bei der der Ansteuerstrom am niedrigsten ist, und diese Temperatur wird als die definierte Temperatur des Etalons eingestellt. In diesem Beispiel beschreibt das Dokument, dass ein Fall, bei dem der Ansteuerstrom am niedrigsten ist, als eine Zeit behandelt wird, bei der die Wellenlängenauswahlmerkmale des Etalons mit einem Auslegungswert übereinstimmen, wodurch zeitbezogene Änderungen am Temperatursensor oder dergleichen kompensiert werden.
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Im Lasergerät gemäß der
japanischen Patent-Auslegeschrift 2000-208849 werden eine Temperatursteuervorrichtung für einen gesamten optischen Resonator und eine Temperatursteuervorrichtung für einen Etalon unabhängig voneinander bereitgestellt, der gesamte optische Resonator wird durch die erste Temperatursteuervorrichtung auf einer konstanten Temperatur gehalten, und die Temperatur des Etalons wird durch die zweite Temperatursteuervorrichtung derart gesteuert, dass eine Wellenlänge für maximale Transparenz des Etalons mit einer maximalen Emissionswellenlänge einer Laseremission übereinstimmt. Insbesondere wird ein Temperaturdefinitionswert des Etalons geändert und eine Position für die Wellenlänge für maximale Transparenz wird derart verschoben, dass eine Emissions-Laserlichtintensität maximiert wird. Die Temperatur des Etalons, die unabhängig gesteuert wird, und die Wellenlänge für maximaler Transparenz des Etalons, die mit der maximalen Emissionswellenlänge der Laseremission übereinstimmt, sind Aspekte, die mit der
japanischen Patent-Auslegeschriften Nr. 2003-158316 geteilt werden.
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Das Lasergerät gemäß der
japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. 2003-158316 kompensiert jedoch Schwankungen in der optischen Pfadlänge des Resonators, zeitbezogene Änderungen an den Temperatursensoren und dergleichen, indem die Temperatur von optischen Elementen eingestellt werden, und jedes Mal, wenn das Lasergerät eingeschaltet wird, wird eine Temperaturfeineinstellung ausgeführt und die definierten Temperaturen für den Block und das Peltier-Element entsprechend aktualisiert. Somit erhöht sich beispielsweise mit fortschreitenden Schwankungen in der optischen Pfadlänge und mit zeitbezogenen Änderungen allmählich die Differenz zwischen den definierten Temperaturen der verschiedenen Elemente und der Raumtemperatur, und der Energieverbrauch der Temperatursteuervorrichtung (Peltier-Element oder dergleichen), die zum Ausgleichen dieser Differenz benötigt wird, erhöht sich ebenfalls allmählich, was eine effektive und effiziente Laserleistung schwierig macht. Außerdem kann das Ändern der Temperatur des Etalons, um mittels Temperatureinstellung die Wellenlänge für maximale Transparenz zu ändern, eine Unbeständigkeit in einer emittierten Wellenlänge verursachen.
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In dem Lasergerät gemäß der
japanischen Patent-Auslegeschriften Nr. 2000-208849 steuert in ähnlicher Weise die Temperatursteuervorrichtung für den Etalon die Temperatur des Etalons derart, dass die Wellenlänge für maximale Transparenz des Etalons mit der maximalen Emissionswellenlänge der Laseremission übereinstimmt. Daher ist die Unbeständigkeit der Emissionswellenlänge ein Problem.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf die verwandte Technik konzipiert und optimiert eine Temperatursteuersystem für verschiedene optische Elemente innerhalb eines optischen Resonators, um die Laserleistung und die emittierte Wellenlänge effizient zu stabilisieren.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Resonator bereit, der ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse bereitgestelltes Paar von reflektierenden Oberflächen, einen zwischen den reflektierenden Oberflächen positionierten Laserkristall und ein Wellenlängenauswahlelement enthält. Der optische Resonator bewirkt, dass Licht von dem erregten Laserkristall zwischen den reflektierenden Oberflächen schwingt und mittels des Wellenlängenauswahlelements longitudinales Einmoden-Laserlicht emittiert. Der Laserkristall enthält einen ersten Temperaturerhalter, der den Laserkristall auf einer konstanten Temperatur hält. Das Wellenlängenauswahlelement enthält einen Winkeleinsteller, der einen Einfallswinkel von Laserlicht auf das Wellenlängenauswahlelement einstellt, und einen zweiten Temperaturerhalter, der unabhängig vom ersten Temperaturerhalter das Wellenlängenauswahlelement auf einer konstanten Temperatur hält. Das Gehäuse ist aus einem Metall mit geringer Wärmeausdehnung ausgebildet, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 3,0 × 10–6(K–1) und eine Wärmeleitfähigkeit innerhalb eines Bereichs von 10 bis 15(W·m–1·K–1) aufweist. Mindestens eine Oberfläche des Paars von reflektierenden Oberflächen ist ein beweglicher Spiegel, der sich entlang eines optischen Pfads des Laserlichts vor und zurück bewegt. Das Gehäuse enthält einen Versteller, der den beweglichen Spiegel so positioniert, dass Laserlicht einer gewünschten Wellenlänge erhalten wird.
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In einem anderen Aspekt des optischen Resonators enthält der Winkeleinsteller ein bewegliches Halteteil, das um eine im Gehäuse bereitgestellte Achse rotieren kann, wobei das bewegliche Halteteil das Wellenlängenauswahlelement hält, und der zweite Temperaturerhalter wird für das bewegliche Halteteil bereitgestellt.
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In einem weiteren Aspekt des optischen Resonators wird der erste Temperaturerhalter im Gehäuse an einer Position näher am Laserkristall als das Wellenlängenauswahlelement bereitgestellt, und der zweite Temperaturerhalter wird im Gehäuse an einer Position näher an dem Wellenlängenauswahlelement als der Laserkristall bereitgestellt.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird eine definierte Temperatur für jedes optische Element nicht in Erwiderung auf verschiedene Bedingungen aktualisiert, sondern das Temperatursteuersystem hält jedes optische Element auf einer konstanten Temperatur. Um dies zu erreichen, wird zunächst das verwendete Gehäuse aus einem Metall mit geringer Wärmeausdehnung hergestellt. Folglich können durch Wärmedehnung des Gehäuses bedingte Schwankungen in der Länge des optischen Pfads unterbunden werden, und eine Reduzierung der Laserleistung oder dergleichen kann verhindert werden. Als Nächstes wird ein Winkeleinsteller für das Wellenlängenauswahlelement bereitgestellt, wodurch der Einfallswinkel eingestellt werden kann, um dadurch dem Element zu ermöglichen, die gewünschte Wellenlänge in einer konstanten Temperatur auszuwählen. Durch diese Winkeleinstellung können durch Bearbeitungsgenauigkeit oder dergleichen bedingte Abweichungen in den Wellenlängenauswahlmerkmalen zwischen den Produkten negiert werden.
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Außerdem halten die zwei Temperaturerhalter jedes optische Element auf der definierten Temperatur, und durch Wärmedehnung der verschiedenen optischen Elemente bedingte optische Schwankungen in der der optischen Pfadlänge können verhindert werden. Änderungen in der Wellenlänge für maximale Transparenz, die mit Temperaturänderungen einhergehen, können ebenfalls für das Wellenlängenauswahlelement verhindert werden.
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Durch Bereitstellung des Gehäuses mit geringer Wärmedehnung, des Winkeleinstellers für das Wellenlängenauswahlelement und der zwei Temperaturerhalter, stimmt die Wellenlänge für maximale Transparenz des Wellenlängenauswahlelements mit einer Emissionswellenlänge basierend auf der optischen Pfadlänge des optischen Resonators überein, und somit kann eine Reduktion der Laserleistung und eine Schwankung der emittierten Wellenlänge vermieden werden, ohne die definierten Temperaturen für jedes optische Element zu ändern.
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Durch Ändern der Position des beweglichen Spiegels mittels des beweglichen Spiegels und des Verstellers werden zusätzlich zu dem oben beschriebenen System durch Schwankungen eines Brechungsindexeses von Luft oder dergleichen verursachte äußerst geringe optische Änderungen in der optischen Pfadlänge negiert, und somit können Schwankungen in der Laserleistung und emittierten Wellenlänge auf einem höheren Niveau stabilisiert werden.
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Durch Einsatz des Temperatursteuersystems mit der oben beschriebenen Ausgestaltung können durch Verwendung des Metalls mit geringer Wärmedehnung bedingte schädliche Wirkungen vermieden werden. Die optischen Elemente sind jeweils direkt oder indirekt an dem Gehäuse abgestützt, und es ist somit wahrscheinlich, dass die Wärmeenergie eines jeden optischen Elements auf das Gehäuse übergeht. In gleicher Weise ist es wahrscheinlich, dass die Wärmeenergie des Gehäuses auf jedes der optischen Elemente übergeht. Das für das Gehäuse verwendete Metall mit geringer Wärmeausdehnung weist im Allgemeinen im Vergleich zu anderen Metallen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, und somit wird Wärme wahrscheinlich in verschiedenen Abschnitten des Gehäuses zurückgehalten. Selbst dann, wenn versucht wird, die Temperatur für ein gesamtes Gehäuse (Block) so zu steuern, dass sie gleichmäßig ist, wird somit an Abschnitten nahe der verschiedenen optischen Elemente die Übertragung von Wärmeenergie mit diesen Elementen überwiegen, und es ist unwahrscheinlich, dass sich die Wärme durch das gesamte Gehäuse verbreitet. Somit ergeben sich Ungleichmäßigkeiten in der Temperatur des Gehäuses. Infolgedessen ist es in einem System, das die Temperatur für das gesamte Gehäuse steuert, um sie gleichmäßig zu halten, wahrscheinlich, dass die Temperatur aufgrund von Temperaturunregelmäßigkeiten im Gehäuse instabil wird, und die Stabilisierung des emittierten Lasers beeinträchtigt werden kann. Im Gegensatz dazu steuern in der vorliegenden Erfindung zwei Temperaturerhalter jeweils die Temperatur von spezifischen optischen Elementen direkt. Es ist somit unwahrscheinlich, dass die vorliegende Erfindung unter Auswirkungen aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Temperatur des Gehäuses leidet, und die Temperatursteuerung der verschiedenen optischen Elemente ist stabilisiert.
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Aufgrund der Ausgestaltung, die das Gehäuse aus Metall mit geringer Wärmeausdehnung, den Winkeleinsteller für das Wellenlängenauswahlelement, die zwei Temperaturerhalter, den beweglichen Spiegel und den Versteller, wie oben angegeben, bereitstellt, kann bei Verwendung des optischen Resonators durch einfache Ausführung einer Bewegung zum Positionieren des beweglichen Spiegels, um Laserlicht mit der gewünschten Wellenlänge zu erhalten, eine stabile Laserleistung sowie die gewünschte emittierte Wellenlänge effizient und mit einem hohen Genauigkeitsgrad erhalten werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird außerdem in einem Fall, in dem das Wellenlängenauswahlelement an dem beweglichen Abstützteil angebracht ist und der Einfallswinkel durch Einstellen einer Neigung des beweglichen Abstützteils eingestellt wird, der zweite Temperaturerhalter für das bewegliche Abstützteil bereitgestellt, und die Temperatur des Wellenlängenauswahlelements wird über das bewegliche Abstützteil gesteuert. Auf diese Weise wird die Temperatur des Wellenlängenauswahlelements durch Temperatursteuerung in dem Abschnitt nahe an dem Wellenlängenauswahlelement selbst dann stabilisiert, wenn der zweite Temperaturerhalter dem Wellenlängenauswahlelement nicht direkt bereitgestellt wird.
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In einem Fall, in dem der Temperaturerhalter dem Gehäuse bereitgestellt wird, wird außerdem der Temperaturerhalter an einem Abschnitt des Gehäuse bereitgestellt, der möglichst nahe am zu steuernden optischen Element ist. Durch Ausführen der Temperatursteuerung an dem Abschnitt in der Nähe eines jeden optischen Elements werden die Temperaturen des optischen Elements selbst dann stabilisiert, wenn eine Ungleichmäßigkeit in der Temperatur des Gehäuses auftritt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird weiter in der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die angegebenen mehreren Zeichnungen durch nicht einschränkende Beispiele von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei in den verschieden Ansichten der Zeichnungen gleiche Bezugsziffern durchgehend gleiche Teile darstellen und wobei:
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1 eine Vorderansicht ist, die in einem Teilschnitt eine Gesamtausgestaltung eines optischen Resonators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 eine Vorderansicht ist, die in einem Teilschnitt eine Gesamtausgestaltung eines optischen Resonators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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3 eine Draufsicht ist, die eine Gesamtausgestaltung einer Laservorrichtung darstellt, die den optischen Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die hier gezeigten Besonderheiten sind beispielhaft und dienen lediglich dem Zwecke einer erläuternden Besprechung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und sie werden dargelegt, um die als am hilfreichsten und am leichtesten verständlich angesehene Beschreibung der Grundsätze und konzeptionellen Aspekte der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Diesbezüglich ist nicht beabsichtigt, bauliche Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ausführlicher zu zeigen, als dies für das grundsätzliche Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist, wobei die Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen dem Fachmann aufzeigt, wie die Formen der vorliegenden Erfindung in der Praxis ausgeführt werden können.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 stellt eine Gesamtausgestaltung eines optischen Resonators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In 1 empfängt ein optischer Resonator 10 Anregungslicht von einem Halbleiterlaser 50, der an einer Außenseite des optischen Resonators 10 bereitgestellt ist, erzeugt Laserlicht an einer Innenseite des optischen Resonators 10, und nach Durchlaufen verschiedener Prozesse, wie z. B. einer Verstärkung, Oberwellenwandlung und Wellenlängenauswahl, emittiert er Laserlicht mit einer gewünschten Wellenlänge (zum Beispiel 532 nm) aus einer Austrittsöffnung.
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Insbesondere umfasst der optische Resonator 10 ein Gehäuse 12, einen Laserkristall 16, der durch Erregungslicht angeregt wird, um Licht zu emittieren, ein Erzeugungselement für die zweite Harmonische (SHG) 17, einen Etalon 18 als ein Wellenlängenauswahlelement (Wellenlängenwähler), einen beweglichen Spiegel 28 als Laserlicht-Austrittsöffnung und ein piezoelektrisches Element 30 als einen Versteller des beweglichen Spiegels 28. Der optische Resonator 10 umfasst ferner einen Winkeleinstellmechanismus für den Etalon 18 und zwei Temperatursteuersysteme 20 und 24.
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Der Laserkristall (zum Beispiel Nd:YVO4) ist im Gehäuse 12 als Abfeueröffnung für das Erregungslicht angeordnet, und ein Paar reflektierender Oberflächen 14a und 14b gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch eine äußere Oberfläche des Laserkristalls 16, durch die das Erregungslicht gefeuert wird, und eine reflektierende Oberfläche des bewegliche Spiegels 28, der ein Halbspiegel ist, gebildet. Der optische Resonator 10 bewirkt, dass das vom erregten Laserkristall 16 ausgegebene Licht zwischen den reflektierenden Oberflächen schwingt und Laserlicht mit einer Wellenlänge (1064 nm), die einer Länge eines optischen Pfads zwischen den reflektierenden Oberflächen (mit anderen Worten, einer Resonatorlänge) entspricht, emittiert.
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Außerdem wandelt das innerhalb des Gehäuses positionierte SHG 17 das Laserlicht in eine zweite Harmonische um (532 nm), und somit werden zwei Arten von Laserlicht mit Wellenlängen von 1064 nm beziehungsweise 532 nm durch den beweglichen Spiegel 28 emittiert. Ein nichtlinearer optischer Kristall aus KTiOPO4 (KTP) oder dergleichen kann als SHG verwendet werden. Durch Anordnen des SHG zwischen den reflektierenden Oberflächen kann sichtbares Laserlicht (wie z. B. grünes Laserlicht) emittiert werden. Selbstverständlich ist es nicht notwendig, ein SHG einem optischen Resonator bereitzustellen, der Infrarot-Laserlicht (1064 nm) liefert.
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Der Etalon 18 kann als Wellenlängenfilter dienen, durch den eine spezifische Wellenlänge beim Durchgang verstärkt wird. In einem Fall, in dem der Etalon 18 nicht verwendet wird, wird longitudinales Vielmoden-Laserlicht emittiert. Licht vom Laserkristall 16 weist eine spektrale Verteilung mit einer natürlichen Breite auf, und durch Verstärken einer Wellenlänge darin, die mit der Resonanzfrequenz des optischen Resonators 10 übereinstimmt, wird Laserlicht mit mehreren Spitzenfrequenzen erzeugt. Durch Anordnen des Etalons in dem optischen Pfad wird nur das gewünschte Laserlicht mit der Resonanzfrequenz übermittelt, und es wird longitudinales Einmoden-Laserlicht emittiert.
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Ein Temperatursteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung wir nachfolgend ausführlich beschrieben. Das Temperatursteuersystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird durch die folgenden fünf Komponenten gebildet:
- (1) Ein Gehäuse aus Metall mit geringer Wärmedehnung;
- (2) ein erstes Temperatursteuersystem, das einen Laserkristall und ein SHG auf einer konstanten Temperatur hält;
- (3) einen Winkeleinstellmechanismus zum Einstellen des Einfallswinkels von Laserlicht auf einen Etalon;
- (4) ein zweites Temperatursteuersystem, das den Etalon unabhängig vom ersten Temperatursteuersystem auf einer konstanten Temperatur hält; und
- (5) ein Wellenlängensteuersystem, das einen beweglichen Spiegel verwendet.
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(1) Gehäusematerial
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Material für das Gehäuse 12 ist ein Metall mit geringer Wärmeausdehnung, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 3,0 × 10–6(K–1) und eine Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 15 (W·m–1·K–1) oder weniger aufweist. Insbesondere ist die Nickellegierung Invar (Fe64-Ni36) jederzeit verfügbar und einfach handzuhaben. Im Allgemeinen sind die Wärmeeigenschaften von Invar die folgenden:
Durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizient (Raumtemperatur bis 100°C): 0,5 bis 2,0 × 10–6 (K–1)
Wärmeleitfähigkeit (23°C): 13 bis 14 (W·m–1·K–1)
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(2) Konstanttemperatursteuerung für den Laserkristall und das SHG
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Das erste Temperatursteuersystem 20 entspricht einem ersten Temperaturerhalter gemäß der vorliegenden Erfindung und enthält einen Temperatursensor 34A, ein Peltier-Element 36A (Wärmeübertragungselement) und eine Temperatursteuerschaltung 37A. Wie in 1 gezeigt, sind der Laserkristall 16 und das SHG 17 an einem einstückig mit dem Gehäuse 12 ausgebildeten Anbringungsabschnitt 42 befestigt, und der Temperatursensor 34A und das Peltier-Element 36A sind am selben Anbringungsabschnitt 42 montiert. Durch Erkennen einer Temperatur des Anbringungsabschnitts 42 erhält der Temperatursensor 34A die Temperatur des Laserkristalls 16 und des SHG 17. Eine Temperatursteuerschaltung 37A führt eine Antriebssteuerung des Peltier-Elements 36A gemäß einer Differenz zwischen einer definierten Temperatur und einer erkannten Temperatur durch. Das Peltier-Element 36A nimmt Wärme von dem Anbringungsabschnitt 42 auf und gibt sie ab und hält die Temperatur der verschiedenen optischen Elemente auf der definierten Temperatur. Durch eine solche konstante Temperatursteuerung können optische Schwankungen in der optischen Pfaddifferenz vom Laserkristall 16 und dem SHG 17 unterbunden werden.
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(3) Einfallswinkeleinstellung für den Etalon
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Der Etalon 18 ist so abgestützt, dass er die Orientierung mittels eines Winkeleinstellmechanismus (nicht in den Zeichnungen gezeigt) ändern kann und einen Einfallswinkel des Laserlichts einstellen kann. Der Etalon 18 weist Abweichungen in der Wellenlänge für maximale Transparenz unter den unterschiedlichen Produkten auf, was durch einen Bearbeitungsfehler verursacht wird. Durch Einstellen des Einfallswinkels mittels des Winkeleinstellmechanismus können jedoch die gewünschten Wellenlängenmerkmale für maximale Transparenz unabhängig davon, welches Produkt verwendet wird, erhalten werden, wodurch eine Leistungsrate des Etalons verbessert wird. Wenn die Temperatur des Etalons 18 konstant gehalten wird, werden außerdem Schwankungen in der Wellenlänge für maximale Transparenz unterbunden, und die Wellenlängenmerkmale für maximale Transparenz, die in der Anfangsstufe eingestellt wurden, können fortlaufend erreicht werden. Daher kann eine Winkeleinstellung des Etalons 18 typischerweise während der Ersteinstellung bei der Herstellung ausgeführt werden und es besteht keine Notwendigkeit, bei jedem Gebrauch eine Neueinstellung durchzuführen. Der Winkeleinstellmechanismus ist an einem Anbringungsabschnitt 43 befestigt, der einstückig mit dem Gehäuse 12 ausgebildet ist.
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(4) Konstanttemperatursteuerung des Etalons
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Das zweite Temperatursteuersystem 24 hat eine ähnliche Ausgestaltung wie das erste Temperatursteuersystem. Jedoch sind ein Temperatursensor 34B und ein Peltier-Element 36B am Anbringungsabschnitt 43 des Etalons montiert. Durch Erkennen der Temperatur des Anbringungsabschnitts 43 erhält der Temperatursensor 34B die Temperatur des Etalons 18. Eine Temperatursteuerschaltung 37B führt eine Antriebssteuerung des Peltier-Elements 36B gemäß einer Differenz zwischen einer definierten Temperatur und einer erkannten Temperatur aus. Das Peltier-Element 36B nimmt Wärme von dem Anbringungsabschnitt 43 auf und gibt sie frei und hält die Temperatur des Etalons 18 auf einer definierten Temperatur. Die definierte Temperatur des Etalons 18 wird auf dieselbe Temperatur wie die Temperatur des Laserkristalls 16 und des SHG 17 eingestellt. Durch eine solche Konstanttemperatursteuerung können nicht nur optische Schwankungen in der optischen Pfadlänge des Etalons 18 unterbunden werden, sondern es kommt zudem nicht zu Schwankungen der Wellenlänge für maximale Transparenz des Etalons 18.
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(5) Wellenlängensteuerung unter Verwendung eines beweglichen Spiegels
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Bei einer optischen Pfadlänge zwischen dem Paar von reflektierenden Oberflächen 14a und 14b kann davon ausgegangen werden, dass sie aufgrund dessen, dass das Gehäuse 12 aus einem Metall mit geringer Wärmeausdehnung ausgebildet ist, größtenteils nicht schwankt. Jedoch ist es wahrscheinlich, dass im Laufe der Zeit Änderungen auftreten, auch wenn sie nur gering sind. Wenn außerdem die Temperaturen der verschiedenen optischen Elemente (Laserkristall 16, SHG 17, Etalon 18 und dergleichen) innerhalb des Gehäuses 12 so gesteuert werden, dass sie konstant sind, kann auch davon ausgegangen werden, dass Abmessungsänderungen aufgrund von Wärmeausdehnung der verschiedenen optischen Elemente äußerst selten sind. Jedoch können sich im Laufe der Zeit beispielsweise die Merkmale der verschiedenen optischen Elemente ändern. Selbst wenn solche zeitbezogenen Änderungen nicht auftreten, ändert sich bei Auftreten einer Schwankung des Luftdrucks innerhalb des Gehäuses (Atmosphärendruck) ein Brechungsindex der Luft, wodurch sich die optische Pfadlänge des optischen Resonators 10 ändert, und Laserlicht einer gewünschten Wellenlänge kann nicht mehr erhalten werden.
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Um Auswirkungen von Schwankungen des Brechungsindex der Luft oder von Änderungen im Laufe der Zeit zu vermeiden, ist in der vorliegenden Ausführungsform der bewegliche Spiegel 28 in der Lage, sich unter Verwendung des piezoelektrischen Elements 30 (z. B. ein PZT) entlang des optischen Pfads vor und zurück zu bewegen, und der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen kann eingestellt werden. Wie in 1 gezeigt, ist das piezoelektrische Element am Gehäuse 12 bereitgestellt und bildet zusammen mit einer Steuerschaltung des piezoelektrischen Antriebs (nicht in den Zeichnungen dargestellt) einen Versteller gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Verfahren zum Einstellen einer Position des beweglichen Spiegels 28 kann einen an der Außenseite des optischen Resonators 10 bereitgestellten Detektor (nicht gezeigt) für emittierte Laserwellenlängen vorsehen und den beweglichen Spiegel 28 so verschieben, dass eine erkannter Wellenlängenwert mit der gewünschten Wellenlänge übereinstimmt. Außerdem kann der bewegliche Spiegel 28 auch an eine Position gesetzt werden, an der die Intensität des emittierten Lasers am größten ist. Wenn ein nachfolgend beschriebener, eine Iodzelle oder dergleichen verwendender Absorptionsliniendetektor als Wellenlängendetektor eingesetzt wird, kann der optische Resonator 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bei einer frequenzstabilisierenden Laservorrichtung angewendet werden, bei welcher die Schwankung der emittierten Wellenlänge auf einem Niveau von 1 × 10–8 oder weniger gehalten wird. Wenn insbesondere Absorptionslinien von Iodmolekülen aufgrund des Hinzufügens einer Modulationsmöglichkeit zu dem das piezoelektrische Element nutzenden beweglichen Spiegel 28 und durch Modulieren der Wellenlänge des emittierten Lasers mit einem größeren Genauigkeitsgrad erkannt werden, kann der optische Resonator 10 bei einer hochfrequenzstabilisierenden Laservorrichtung angewendet werden, bei der die Wellenlängenschwankung auf einem Niveau von 1 × 10–10 oder weniger gehalten wird.
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Wirkung der Erfindung
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In der vorliegenden Ausführungsform wird das oben beschriebene Temperatursteuersystem bereitgestellt und daher können aufgrund der Verwendung des Metallgehäuses 12 mit geringer Wärmeausdehnung schädliche Auswirkungen vermieden werden. Im Allgemeinen weist Metall mit niedriger Wärmeausdehnung im Vergleich zu anderen Metallen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, und es ist somit wahrscheinlich, dass Wärme in verschiedenen Abschnitten des Gehäuses 12 gehalten wird. Wenn versucht wird, die Temperatur für ein gesamtes Gehäuse auf herkömmliche Weise so zu steuern, dass sie beispielsweise an Abschnitten nahe der optischen Elemente, wie dem Laserkristall 16 und dem Etalon 18, gleichmäßig ist, wird somit die Übertragung von Wärmeenergie mit diesen Elementen vorrangig, es wird unwahrscheinlich, dass sich die Wärme durch das gesamte Gehäuse verbreitet, und es ergeben sich Ungleichmäßigkeiten in der Temperatur des Gehäuses 12. Insbesondere in einem Fall, in dem sich eine Differenz zwischen der definierten Temperatur des Gehäuses 12 und der definierten Temperatur der einzelnen optischen Elemente, wie dem Etalon 18, gebildet hat, werden Ungleichmäßigkeiten in der Temperatur des Gehäuses 12 auffallend. Selbst wenn versucht wird, die Temperatur für das gesamte Gehäuse so zu steuern, dass sie gleichmäßig ist, ist es infolgedessen wahrscheinlich, dass die Temperatur der einzelnen optischen Elemente aufgrund der Unregelmäßigkeiten der Temperatur in dem Gehäuse 12 instabil wird, und die Stabilisierung des emittierten Lasers kann beeinträchtigt werden. Im Gegensatz dazu führt in der vorliegenden Ausführungsform das erste Temperatursteuersystem 20 eine direkte Temperatursteuerung des Laserkristalls 16 und des SHG 17 aus, und das zweite Temperatursteuersystem 24 führt eine direkte Temperatursteuerung des Etalons 18 aus. Folglich werden durch die vorliegende Ausführungsform durch Ungleichmäßigkeiten in der Temperatur des Gehäuses 12 bedingte Auswirkungen unwahrscheinlich gemacht. Im Ergebnis ist die Temperatursteuerung der verschiedenen optischen Elemente stabil, und bei Verwendung des optischen Resonators 10 kann somit einfach durch anfängliches Ausführen einer Bewegung zum Positionieren des Spiegels 28, um die gewünschte Wellenlänge zu erreichen, eine stabile Laserleistung sowie die gewünschte emittierte Wellenlänge effizient und mit einem hohen Genauigkeitsgrad erhalten werden.
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Zweite Ausführungsform
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2 stellt eine Gesamtausgestaltung eines optischen Resonators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Ein optischer Resonator 10a weist das rechteckige, rohrförmige Metallgehäuse 12 mit geringer Wärmedehnung auf und weist verschiedene in einem Innenraum des Gehäuses 12 angeordnete optische Elemente auf. Das Gehäuse 12 ist in zwei Teile 12a und 12b geteilt. Das erste Halbteil 12a ist an einer Basis 46 positioniert, wobei ein Peltier-Element 34c zwischen dem Teil 12a und der Basis 46 eingefügt ist. Das zweite Halbteil 12b ist auf der Basis 46 angeordnet, wobei ein Abstandshalter 35 zwischen dem Teil 12b und der Basis 46 eingefügt ist. Zwischen den zwei Teilen 12a und 12b ist ein Spalt vorgesehen, und ein Wärmepuffermaterial 44 dichtet den Spalt ab. Der optische Resonator auf der Basis 46 wird durch eine Abdeckung 48 abgedeckt.
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Der Laserkristall 16 ist am Gehäuseteil 12a über einen Halter 42a befestigt. Das SHG ist ebenfalls an dem Gehäuseteil 12a über einen separaten Halter 42b befestigt. Ein IC-Temperatursensor 36c ist an dem SHG-Halter 42b befestigt und bildet zusammen mit dem direkt unterhalb des Laserkristalls 16 und dem SHG 17 positionierten Peltier-Element 34c ein erstes Temperatursteuersystem 20a gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die definierte Temperatur des ersten Temperatursteuersystems 20a beträgt 25°C (Raumtemperatur), und der Laserkristall 16 und das SHG 17 unterliegen einer Konstanttemperatursteuerung derart, dass die erkannten Temperaturen in einem Bereich von 25°C ± 0,1°C liegen. Der IC-Temperatursensor 36c kann ebenfalls am Laserkristallhalter 42a anstatt am SHG-Halter 42b befestigt sein.
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Der Etalon 18 wird durch eine Schwenkplatte 22 als ein bewegliches Halteteil (beweglicher Halter) gehalten. Ein Basisende der Schwenkplatte 22 ist so bereitgestellt, dass es um eine unterhalb des zweiten Halbteils 12b bereitgestellte Achse 38 drehen kann. Eine Öffnung 12c ist am Teil 12b an einer der Achse 38 zugewandten Position vorgesehen, ein vorderes Ende der Schwenkplatte 22 erstreckt sich bis zur Öffnung 12c und die Wärmeübertragung findet zwischen dem Etalon 18 und der Gehäuseaußenseite statt. Mit anderen Worten, ein Peltier-Element 34d ist nahe am vorderen Ende der Schwenkplatte 22 befestigt und absorbiert Wärme und gibt die Wärme über eine Wärmeabgabeplatte 39 oder dergleichen ab. Ein IC-Temperatursensor 36d ist ebenfalls am vorderen Ende der Schwenkplatte 22 befestigt und bildet zusammen mit dem Peltier-Element 34d ein zweites Temperatursteuersystem 24a gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die definierte Temperatur des zweiten Temperatursteuersystems 24a beträgt 25°C (Raumtemperatur), und der Etalon 18 unterliegt einer Konstanttemperatursteuerung derart, dass die erkannte Temperatur in einem Bereich von 25°C ± 0,1°C liegt.
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In einem Fall, in dem der Etalon 18 an der Schwenkplatte 22 befestigt ist und der Einfallswinkel durch Ändern einer Neigung der Schwenkplatte 22, wie in der vorliegenden Ausführungsform, eingestellt wird, sind der IC-Temperatursensor 36d und das Peltier-Element 34d an der Schwenkplatte 22 bereitgestellt, und die Temperatur des Etalons 18 wird über die Schwenkplatte 22 gesteuert. Auf diese Weise kann die Stabilisierung der Temperatur des Etalons 18 durch die Temperatursteuerung an einem Abschnitt in der Nähe des Etalons 18 selbst in einem Fall erleichtert werden, in dem kein Sensor oder Peltier-Element direkt am Etalon 18 befestigt ist.
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Abänderungen
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Die vorliegende Ausführungsform verwendet die Gehäuse 12a und 12b, die in zwei Teile aufgeteilt wurden; das Gehäuse 12 ist jedoch nicht notwendigerweise in zwei Teile aufgeteilt und es kann stattdessen ein gemeinsames Gehäuse 12 verwendet werden. Außerdem ist das Peltier-Element 34d des zweiten Temperatursteuersystems 24a nicht darauf beschränkt, an der Schwenkplatte 22 für den Etalon 18 bereitgestellt zu werden. Zum Beispiel kann anstatt des Abstandshalters 35 ein Peltier-Element an der Position des Abstandshalters 35 auf der Basis 46, wie in 2 gezeigt, vorgesehen werden, und der Etalon 18 kann einer Konstanttemperatursteuerung über das Gehäuse 12 unterworfen werden. Bei dieser Abänderung ist in dem gemeinsamen Gehäuse 12 das erste Temperatursteuersystem 20a an einer dem Laserkristall 16 und dem SHG 17 vergleichsweise nahen Position bereitgestellt, und das zweite Temperatursteuersystem 24a ist an einer dem Etalon 18 vergleichsweise nahen Position bereitgestellt. Auf diese Weise wird in einem Fall, in dem ein Peltier-Element am gemeinsamen Gehäuse 12 für jedes Temperatursteuersystem bereitgestellt ist, ein Peltier-Element an einem Abschnitt des Gehäuses 12 bereitgestellt, der so nahe wie möglich an dem zu steuernden optischen Element liegt. Selbst wenn eine Ungleichmäßigkeit in der Temperatur des Gehäuses 12 auftritt, können die Temperaturen des optischen Elements durch Ausführen einer Temperatursteuerung an einem Abschnitt in der Nähe eines jeden optischen Elements einfacher stabilisiert werden.
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Der optische Resonator nach einer der Ausführungsformen wird bei einer primären Vorrichtung eines Lasergeräts 100 angewendet, wie in 3 gezeigt. Das Lasergerät 100 enthält einen Halbleiterlaser 50, den optischen Resonator 10, einen Wellenleiterabschnitt 60 und einen Absorptionsliniendetektor 70. Mit dem Absorptionsliniendetektor 70, der eine Iodzelle verwendet, wird die Wellenlänge des emittierten Lasers mit einem hohen Genauigkeitsgrad erkannt, und der bewegliche Spiegel 28 des optischen Resonators 10 ist derart positioniert, dass die erkannte Wellenlänge mit der gewünschten Wellenlänge übereinstimmt. Obwohl der Absorptionsliniendetektor 70 als ein von dem optischen Resonator 10 unabhängiges Modul beschrieben wird, ist der Absorptionsliniendetektor 70 beispielhaft für den Wellenlängendetektor gemäß dem optischen Resonator der vorliegenden Erfindung.
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Es wird angemerkt, dass die vorangehenden Beispiele lediglich zum Zwecke der Erläuterung angegeben wurden und in keiner Weise als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen sind. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, versteht es sich, dass der hierin verwendete Wortlaut ein Wortlaut der Beschreibung und Erläuterung anstatt ein Wortlaut der Einschränkung ist. Änderungen können im Rahmen der anhängenden Ansprüche, wie vorliegend angegeben und in der gültigen Fassung, gemacht werden, ohne vom Schutzumfang und Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung in deren Aspekten abzuweichen. Obwohl die vorliegende Erfindung hierin mit Bezug auf besondere Strukturen, Materialien und Ausführungsformen beschrieben wurde, ist mit der vorliegenden Erfindung nicht beabsichtigt, auf diese hierin offenbarten Besonderheiten beschränkt zu sein; die vorliegende Erfindung erstreckt sich vielmehr auf alle funktional gleichwertigen Strukturen, Verfahren und Anwendungen, wie sie in den Schutzumfang der anhängenden Ansprüche fallen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es sind verschiedene Variationen und Abänderungen möglich, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2003-158316 [0002, 0003, 0003, 0004, 0006, 0007]
- JP 2000-208849 [0002, 0006, 0008]
