-
Diese
Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlaser
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
-
In
WO93/10582 A1 ist ein Temperatur-stabilisierter Festkörperlasergebilde
beschrieben. Dieses enthält
eine Wärmesenke,
einen thermoelektrischen Kühler,
montiert an der Wärmesenke,
eine Basis, montiert an dem Kühler,
und optische Elemente, montiert an der Basis. Ein aktives Medium
und Linsen sind an einer Oberflächen-V-Nut,
gebildet in der Basis, montiert. Eine Laserdiode ist an der Basis
so montiert, dass ihre Laseremission mit der Nut ausgerichtet ist.
Ein Hohlraumspiegel ist eine Beschichtung an einem Ende des aktiven
Mediums, transparent für das
Diodenpumplicht und reflektierend für das Laserlicht, wie in dem
aktiven Medium generiert ist. Ein zweiter Hohlraumspiegel ist ein
Spiegel (29), der an der Basis montiert ist. Das optische System
ist im Hinblick auf die Temperatur ausgerichtet, bei der die Diodenemission
auf Absorptionsband des aktiven Mediums abgestimmt ist. Ein Thermistor
an der Basis misst die Temperatur, und ein Prozessor bewirkt ein Angleichen
des zu dem thermoelektrischen Kühler zugeführten Stroms
zum Beibehalten der Basistemperatur selbst bei extremen Umweltbedingungen.
-
In
US-A-4,901,330 ist ein optisch gepumpter Laser beschrieben, der
ein Laserdiodenfeld zum Erzeugen einer optisch gepumpten Strahlung
mit einheitlicher Dichte, verteilt über eine große Bandbreite, enthält, sowie
ein laseraktives Material mit einem Absorptionsband zum Empfangen
von Strahlung innerhalb einer derartigen Bandbreite.
-
In
WO93/2281 A1 ist ein kompakter, diodengepumpter, abstimmbarer Laser
mit hoher Energie beschrieben. Insbesondere pumpt ein Halbleiter-Diodenlaser
oder ein Feld derartiger Laser optisch einen kompakten, abstimmbaren
Festkörperlaser
mit einem Pumpstrahl, der gut auf die Absorptionsbandbreite und
ein Modusvolumen des Festkörperlasers abgestimmt
ist. Geneigte, doppelbrechende Platten, die in dem Festkörperresonanzhohlraum
positioniert sind, werden zum Steuern der spektralen Bandbreite und
der Wellenlängenausgabe
des Wellenleiterpumpstrahls verwendet. Eine durch einen derartigen Festkörperlaser
erzeugte Infrarotausgabe wird mit einem nicht linearen Wellenleiter
gekoppelt und in eine sichtbare Ausgangsgröße über den Prozess einer Erzeugung
einer zweiten Harmonischen umgesetzt.
-
Ein
weiterer Halbleiterlaser-angeregter Festkörperlaser ist beispielsweise
in JP-A-5-90672 beschrieben. Die 5 und 6 zeigen die Konfiguration dieses
Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlasers. Ein
Bezugszeichen 61 bezeichnet einen Halbleiterlaser, ein
Bezugszeichen 62 bezeichnet eine Kollimationslinse, ein
Bezugszeichen 63 bezeichnet eine Fokussierlinse, ein Bezugszeichen 64 bezeichnet
ein Halbleiterlasermedium, ein Bezugszeichen 65 bezeichnet
einen Spiegel, ein Bezugszeichen 66 bezeichnet einen Strahlteiler,
der zwischen der Kollimierungslinse 62 und der Fokussierlinse 63 platziert ist,
ein Bezugszeichen 67 bezeichnet ein Gitter vom Reflexionstyp,
und ein Bezugszeichen 68 bezeichnet eine Zweikanalfotodiode.
-
Die
Bezugszeichen 71 und 72 in 6 bezeichnen Verstärker zum Verstärken eines
Ausgangs der Zweikanalfotodiode, ein Bezugszeichen 73 bezeichnet
einen Komparator zum Durchführen
eines Vergleichs zwischen Ausgangsgrößen der Verstärker, ein
Bezugszeichen 75 bezeichnet eine Temperatureinstellschaltung,
und ein Bezugszeichen 76 bezeichnet ein Peltier-Element
zum Steuern der Temperatur des Halbleiterlasers 61.
-
Als
nächstes
wird der Betrieb wie folgt durchgeführt: Ein Teil eines Lichts,
das von dem Halbleiterlaser 61 zum Anregen des Festkörperlasermediums 64 emittiert
wird, wird in das Gitter 67 vom Reflexionstyp über den
Strahlteiler 66 geführt.
Das Halbleiterlaserlicht, das von dem Gitter 67 vom Reflexionstyp
aufgespaltet wird, wird von der Zweikanalfotodiode 68 erfasst.
Die Zweikanalfotodiode 68 umfasst zwei benachbarte Dioden,
die so platziert sind, dass die Zwischengrenze dazwischen die Zentralwellenlänge eines
Absorptionsspektrums des Halbleiterlasermediums 64 wird.
-
Wenn
sich der Schwerpunkt des Strahlungsspektrums des Halbleiterlasers 61 von
dem Zentrum des Absorptionsspektrums verschiebt, übersteigt
einer der beiden Fotodiodenausgänge
der Zweikanalfotodiode den anderen. Die Ausgangsdifferenz wird durch
den Komparator 73 verglichen, und der Strom, der über die
Temperatureinstellschaltung 75 zu dem Peltier-Element 76,
das in dem Halbleiterlaser 61 installiert ist, zugeführt wird,
wird gesteuert.
-
Übrigens
weist die Anregungswellenlänge des
Festkörperlasermediums 64 obere
und untere Grenzen auf. Beispielsweise ist das Absorptionsspektrum,
das einer Anregung des Nd:YAG entspricht, in die Nähe des Bereichs
790 nm bis 820 nm beschränkt,
wie in 7 gezeigt, und
zeigt insbesondere eine komplizierte Struktur, die eine scharfe
Absorption bei 808 nm aufzeigt und eine vergleichsweise niedrige
Spitze in der Nähe
von 805 nm aufweist.
-
Auf
der anderen Seite weist der Halbleiterlaser 61 ein Merkmal
auf, welches seine Strahlungswellenlänge in Abhängigkeit der Temperatur der
aktiven Schicht des Halbleiterlasers 61 verschiebt. Ein Halbleiterlaser
der AlGaAs/GaAs-Familie mit einer Strahlungswellenlänge in der
Nähe von
808 nm hat eine Temperaturabhängigkeit
von ungefähr
0,2 bis 0,3 nm/°C;
je höher
die Temperatur, desto mehr verschiebt sich die Strahlungswellenlänge zur
Seite mit längeren
Wellenlängen.
Die spektrale Breite der Strahlung beträgt 2 bis 3 nm. Deswegen ist
die Konfiguration so, wie oben beschrieben, aufgebaut, wodurch für die Strahlungswellenlänge des
Halbleiterlasers 61 eine Regelung mit der Zielwellenlänge als dem
Zentrum durchgeführt
werden kann.
-
Jedoch
ist das Absorptionsspektrum des Festkörperlasermediums kompliziert,
und das Strahlungsspektrum eines Halbleiterlasers ist zu eng, um das
gesamte Absorptionsspektrum des Festkörperlasermediums abzudecken,
somit kann ein ausreichender Anregungswirkungsgrad durch ein einfaches
Regeln der Strahlungswellenlänge
des Halbleiterlasers nur auf der Grundlage der Zentralwellenlänge oder
Spitzenwellenlänge
des Absorptionsspektrums nicht erzielt werden; dies ist ein Problem.
-
Mit
einem Laser zum Erzeugen einer hohen Energie oder einem Laser, der
einen hochqualitativen Strahl erfordert, werden eine Vielzahl von
Halbleiterlasern für
eine Anregung verwendet. Dies deswegen, weil ein Halbleiterlaser
eine ausreichende Anregungsenergie nicht bereitstellen kann und
ein Festkörperlasermedium
gleichförmig
von mehrfachen Richtungen angeregt werden muss.
-
Wird
eine Vielzahl von Halbleiterlasern verwendet, so führen Variationen
in den Eigenschaften eines Halbleiterlasers zu einem anderen Problem. Die
Eigenschaften einer Temperaturabhängigkeit eines Strahlungswellenlängenspektrums
und einer Wellenlänge
variieren von einem Halbleiterlaser zu einem anderen. Die Eigenschaften ändern sich
mit der Zeit. Deswegen werden, um eine Temperatursteuerung einer
Wellenlänge
für jeden
Halbleiterlaser durchzuführen,
ein Spektroskop und ein Temperatur-Controller für jeden Halbleiterlaser notwendig, und
die Konfiguration wird unvermeidbar kompliziert; dies ist ein Problem.
-
Es
ist ein technisches Problem der Erfindung, einen Halbleiterlaser-angeregten
Festkörperlaser
zum Lösen
der oben beschriebenen Probleme und zum Erhöhen des Anregungswirkungsgrades des
Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlasers
gemäß einer
einfachen Konfiguration bereitzustellen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dieses technische Problem mit einem Festkörperlaser mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Gemäß der Erfindung
enthält
demnach ein Halbleiterlaserangeregter Festkörperlaser ein Festkörperlasermedium,
einen Halbleiterlaser zum Anregen des Festkörperlasermediums, ein Spektrometer zum
Erfassen eines Wellenlängenbereichs
des Strahlungsspektrums des Halbleiterlasers zum Anregen des Festkörperlasermediums,
eine Berechnungseinrichtung zum Normalisieren eines Gebietes des
erfassten Spektrums, das von dem Spektrometer erfasst wird, und
zum Berechnen eines Überlassungsgebietes
zwischen dem normalisierten, erfassten Spektrum und einem normalisierten
Absorptionsspektrum, das mit einer Laseranregung des Festkörperlasermediums
verbunden ist, und eine Temperatursteuereinrichtung zum Steuern
der Temperatur des Halbleiterlasers auf der Grundlage des Ausgangs
von der Berechnungseinrichtung.
-
Deswegen
wird eine Regelung auf der Grundlage der Gebiete der Wellenlängenbereiche des
Absorptionsspektrums des Festkörperlasermediums
und des erfassten Spektrums von dem Halbleiterlaser anstelle einer
Regelung auf der Grundlage von nur der Zentralwellenlänge oder
der Spitzenwellenlänge
eines Spektrums durchgeführt,
wodurch ein Halbleiterlaserangeregter Festkörperlaser eines hohen Anregungswirkungsgrades,
der das meiste aus jedwedem anderen Absorptionsspektrumbereich als der
Zentralwellenlänge
oder der Spitzenwellenlänge des
Spektrums macht, bereitgestellt werden kann.
-
Gemäß der Erfindung
ist der Halbleiterlaser-angeregte Festkörperlaser bereitgestellt, wobei die
Temperatur des Halbleiterlasers so geregelt wird, dass das Überlappungsgebiet
zwischen dem erfassten Spektrum und dem Absorptionsspektrum das Maximum
erreicht.
-
Deswegen
kann eine optimale Regelung für die
Eigenschaften von sowohl dem Festkörperlasermedium als auch dem
Halbleiterlaser durchgeführt werden,
und der Anregungswirkungsgrad des Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlasers
kann überdies
erhöht
werden.
-
Gemäß der Erfindung
ist der Halbleiterlaser-angeregte Festkörperlaser mit einer Vielzahl
von Halbleiterlasern bereitgestellt, wobei das gesamte Spektrum
durch ein Kombinieren der Spektren, die von dem Halbleiterlasern
gezeigt werden, als das zu erfassende Strahlungsspektrum erfasst
wird.
-
Deswegen
wird, auch mit dem Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlaser,
der eine Vielzahl von Halbleiterlasern umfasst, das gesamte Spektrum,
das durch ein Kombinieren der Spektren, die von Halbleiterlasern
aufgezeigt werden, umfasst, normalisiert und berechnet, so dass
eine Regelung mit einer guten Genauigkeit durchgeführt werden kann
und der Anregungswirkungsgrad des Halbleiterlasers erhöht werden
kann.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung
diskutiert. In der Zeichnung zeigt:
-
1 ein
Blockdiagramm für
ein seitliches Pumpen eines Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlasers,
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
-
2 ein
Blockdiagramm für
ein Endpumpen eines Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlasers,
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
-
3 ein
Flussdiagramm, um ein Beispiel eines Temperatursteuerverfahrens
zu zeigen;
-
4 einen
Graphen, um ein Beispiel des Strahlungsspektrums einer Vielzahl
von Halbleiterlasern zu zeigen;
-
5 ein
Diagramm der Konfiguration eines Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlasers
gemäß dem Stand
der Technik;
-
6 ein
Wellenlängen-Temperaturregel-Schaltungsdiagramm
des Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlasern nach dem Stand der
Technik; und
-
7 einen
Graphen, um das Absorptionsspektrum des Festkörperlasermediums Nd:YAG zu zeigen.
-
Die 1 und 2 zeigen
jeweils die Konfiguration eines Halbleiterlaser-angeregten Festkörperlasers
gemäß der Erfindung.
Die 1 zeigt ein Beispiel eines Blockdiagramms zum
seitlichen Pumpen, und die 2 zeigt
ein Beispiel zum Endpumpen.
-
Das
Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Festkörperlasermedium, und das Bezugszeichen 2 bezeichnet
einen Halbleiterlaser zum Anregen des Festkörperlasermediums 1;
in der Ausführungsform werden
zwei Halbleiterlaser verwendet. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet
ein Spektrometer zum Erfassen des Spektrums eines Wellenlängenbereichs,
der mit einer Anregung des Festkörperlasermediums 1 verbunden
ist. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Strahlteiler
zum Herausnehmen eines Teils eines Lichtes des entsprechenden Halbleiterlasers 2 in
das Spektrometer 3. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet
einen Komparator als eine Berechnungseinrichtung zum Vergleichen
des Überlappens
zwischen dem von dem Spektrometer 3 erfassten Spektrum
und dem Absorptionsspektrum des Festkörperlasermediums 1.
Das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Kühlmittelzirkulator als eine
Temperatursteuereinrichtung mit einer Temperatursteuerfunktion eines
Kühlmittels zum
Kühlen
des Halbleiterlasers 2. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet
eine Kühlmittel-Zufuhrroute
zum Zuführen
des Kühlmittels
zu den Halbleiterlasern 2. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet
einen Reflektor zum Sammeln von Licht von den Halbleiterlasern 2 in das
Festkörperlasermedium 1.
Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Kondensorlinse.
-
Mit
der in 1 gezeigten Vorrichtung wird ein Teil eines Lichtes
jedes Halbleiterlasers 2 zum Anregen des Festkörperlasermediums 1 über den Strahlteiler 4 in
das Spektrometer 3 geführt.
Mit der in 2 gezeigten Vorrichtung wird
ein Teil eines Lichtes jedes Halbleiterlasers 2 von einem
Fenster des Reflektors 8 herausgenommen und in das Spektrometer 3 geführt. Das
Spektrometer 3 erfasst das Spektrum des gesamten Lichtes,
das von einer Vielzahl von Halbleiterlasern 2 emittiert
wird. Ein Absorptionsspektrum Sa in dem Gebiet, das mit einer Anregung
des Halbleiterlasermediums 1 verbunden ist, wird in dem
Komparator 5 gespeichert und mit einem Spektrum Sd verglichen,
das von dem Spektrometer 3 erfasst wird, um die Kühlmitteltemperatur
des Kühlmittelzirkulators 6 zu
regeln. Ein Beispiel einer Vergleichsverarbeitung zwischen dem Absorptionsspektrum
Sa und dem erfassten Spektrum Sd und einer Temperatursteuerung der
Halbleiterlaser wird später beschrieben.
-
Das
Kühlmittel,
das von dem Kühlmittelzirkulator 6 zugeführt wird,
kühlt die
Halbleiterlaser 2 bei der durch den Komparator 5 spezifizierten
Temperatur. Da jeder Halbleiterlaser 2 eine Temperaturabhängigkeit
in dem Strahlungsspektrum aufweist, wird eine Strahlung in dem Spektrum
bei der durch den Komparator 5 spezifizierten Temperatur
zum Anregen des Festkörperlasermediums 1 durchgeführt.
-
Ein
Beispiel einer Vergleichsverarbeitung des Komparators 5 zwischen
dem Absorptionsspektrum Sa, das auf eine Anregung des Festkörperlasermediums 1 bezogen
ist, und dem Spektrum Sd einer Strahlung von dem Halbleiterlaser 2,
die durch das Spektrometer 3 erfasst wird, und einer Temperaturregelung
der Halbleiterlaser 2 wird unter Bezug auf die 3 diskutiert.
-
4 zeigt
ein Beispiel des gesamten Spektrums einer Vielzahl von Halbleiterlasern 2. 4 zeigt
ein Beispiel mit vier Halbleiterlasern. Da eine Wellenlängenabhängigkeit
von einem Halbleiterlaser zu einem anderen variiert, ändert sich
die Form des Spektrums mit der Temperatur. Wenn die Form des Spektrums
zu dem in 7 (7 zeigt
das Absorptionsspektrum in YAG) gezeigten Absorptionsspektrum Sa
des Festkörperlasermediums
passt, kann der maximale Anregungswirkungsgrad bereitgestellt werden;
tatsächlich
passen die Formen des Spektrums jedoch nicht vollständig. Deswegen
wird der maximale Anregungswirkungsgrad im wesentlichen bereitgestellt,
indem so geregelt wird, dass die Überlappung zwischen beiden
Spektren das Maximum erreicht.
-
Der
Halbleiterlaser 2 wird gemäß der Temperatur des Kühlmittels
geregelt, das von dem Kühlmittelzirkulator 6 zugeführt wird.
Die anfängliche
Kühlmitteltemperatur,
die in dem Kühlmittelzirkulator 6 eingestellt
ist, ist die geschätzte
Temperatur, bei welcher die Spitzenwellenlänge oder die Zentralwellenlänge des
Strahlungsspektrums des Halbleiterlasers 2 zu der des Absorptionsspektrums
Sa des Festkörperlasermediums 1 passt.
-
Das
Spektrum Sd als Ganzes, das durch ein Kombinieren der Lichtstrahlen
bereitgestellt wird, die von einer Vielzahl von Halbleiterlasern 2 emittiert werden,
wird von dem Spektrometer 3 erfasst. Da die Eigenschaften
der Spektren der Lichtstrahlen, die von einer Vielzahl von Halbleiterlasern 2 emittiert werden,
von einem Halbleiterlaser zu einem anderen variieren, zeigt das
Spektrum Sd, das von einem Spektrometer 3 erfasst wird,
eine beispielsweise in 4 gezeigte Form. Das erfasste
Spektrum Sd wird in ein normalisiertes Spektrum Sn von dem Komparator 5 konvertiert,
so dass das Gebiet in dem Wellenlängenbereich, der mit einer
Anregung des Halbleiterlasermediums 1 verbunden ist, beispielsweise
der Wellenlängenbereich
von 790 nm bis 820 nm in YAG, eins wird.
-
Das
Absorptionsspektrum Sa des Festkörperlasermediums 1 wird
in dem Komparator 5 gespeichert, und es wird so normalisiert,
dass das Gebiet in dem Wellenlängenbereich,
der mit einer Anregung verbunden ist, eins wird. In dem Komparator 5 wird
ein Überlappungsgebiet
M zwischen dem normalisierten Spektrum Sn und dem Absorptionsspektrum
Sa berechnet.
-
Sei
das Absorptionsspektrum, das in dem Wellenlängenbereich, der mit einer
Anregung des Festkörperlasermediums
verbunden ist (λ min < λ < λ max) Sa(λ), und sei
das Strahlungsspektrum des Halbleiterlasers, das in dem gleichen
Wellenlängenbereich
normalisiert ist, Sn(λ),
so kann das Überlappungsgebiet
M von dem folgenden Ausdruck gefunden werden:
wobei die Funktion min(x,
y) den Wert von x oder y wiedergibt, welcher immer kleiner ist.
-
Als
nächstes
wird die Kühlmittel-Steuertemperatur
in dem Kühlmittelzirkulator 6 geändert, so dass
sie um einen konstanten Wert, beispielsweise 1°C, erhöht wird. Nachdem die Temperatur
geändert ist,
wird das Spektrum des Lichts von dem Halbleiterlaser 2 wieder
gemessen und normalisiert, und wieder wird das Überlappungsgebiet M mit dem
Absorptionsspektrum Sa gefunden. Wenn das Überlappungsgebiet größer als
der zuvor gefundene Wert ist, wird die Kühlmitteltemperatur um den konstanten Wert,
beispielsweise 1°C,
erhöht.
Im Gegensatz dazu wird, wenn das Gebiet M verringert wird, der Temperaturänderungsbetrag
invertiert, und die Temperatur wird beispielsweise um 1°C herabgesenkt.
Wenn das Gebiet M unverändert
ist, wird die Temperatur nicht geändert.
-
Die
Temperatur des Halbleiterlasers 2 wird somit geregelt,
wodurch das gesamte Strahlungsspektrum der Halbleiterlaser nahe
an das Absorptionsspektrum Sa des Festkörperlasermediums 1 zum Erhöhen des
Anregungswirkungsgrades gebracht wird.
-
In
der Ausführungsform
beträgt
der Änderungsschritt
einer Temperaturregelung 1°C,
aber jedweder andere Wert kann angenommen werden. Jedoch beträgt die Wellenlängentemperaturabhängigkeit
eines Halbleiterlasers der AlGaAs-Familie, der für eine Anregung des Festkörperlasermediums,
wie etwa YAG oder ALF, verwendet wird, im allgemeinen ungefähr 0,2 bis
0,3 nm/°C,
und die spektrale Absorptionsbreite beträgt ungefähr einige nm, somit ist der Änderungsschritt
einer Temperatursteuerung 1°C ein
geeigneter Wert.
-
Verschiedene
Verfahren eines statistischen Auffindens des Temperaturregelschritts
von dem Änderungsbetrag
des Spektrumüberlappungsgebietes M
sind möglich,
aber es existieren Variationen in einer Spektrum- und Temperaturabhängigkeit
von einem Halbleiterlaser zu einem anderen. Weiterhin ändern sich
die Eigenschaften mit der Zeit. Somit wird eine Berechnung kompliziert,
und die Verarbeitungszeit wird verlängert. Deswegen ist es realistisch,
konstante Temperaturänderungsschritte
anzunehmen.
-
In
der Ausführungsform
ist die Halbleiterlaser-Temperaturregelung
mit dem Kühlmittelzirkulator beschrieben,
aber der Anregungswirkungsgrad des Festkörperlasermediums kann auch
durch ein Regeln des Betriebsstroms eines Peltier-Elements oder der
atmosphärischen
Temperatur eines Halbleiterlasers erhöht werden.
-
Es
sind nicht nur Ein-Chip-Halbleiterlaser, sondern auch ein Array
von Halbleiterlasern und ein Stapel von Halbleiterlasern zum Erhöhen eines
Ausgangs verfügbar.
Die Halbleiterlaser weisen Variationen in einer Eigenschaft von
einem Chip zu einem anderen auf, und eine Temperaturänderung
führt dazu,
dass sich die Spektrumsform ändert.
Deswegen können
die Halbleiterlaser als eine Vielzahl von Halbleitern in der Erfindung
gehandhabt werden, und der Festkörperlaser-Anregungswirkungsgrad
kann durch ein Durchführen
einer ähnlichen
Regelung erhöht werden.
-
Wie
oben beschrieben, ist der Halbleiterlaser-angeregte Festkörperlaser
gemäß der Erfindung für eine Verwendung
mit einer industriellen Laserbearbeitungsmaschine etc. geeignet,
die beispielsweise eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erfordert.
