DE69614766T2

DE69614766T2 - Laser und Verwendungen

Info

Publication number: DE69614766T2
Application number: DE69614766T
Authority: DE
Inventors: Yasunori Furukawa; Satoshi Makio; Tsuyoshi Miyai; Masayoshi Sato
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Melles Griot Inc
Priority date: 1995-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: EP0748008B1; EP0748008A2; EP0748008A3; DE69614766D1; US5825793A

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Optoelektronik und insbesondere einen Laser zur Verwendung in einem Laserdrucker, einer optischen Bearbeitungseinheit, einem optischen Aufzeichnungsgerät, einem Teilchenzähler und dergleichen.
Der Fortschritt im Zeitalter der hochentwickelten Informationskommunikation hat einen steigenden Bedarf zum Anpassen an kurze Wellenlängen mit sich gebracht, um die Anforderungen einer verbesserten Aufzeichnungsdichte und eines schnellen Druckens bei Computer-Peripherieeinheiten, bei denen Laser verwendet werden, wie optischen Plattenlaufwerken und Laserdruckern, zu erfüllen. Für Lichtquellen, die einen blauen Farbbereich bereitstellen können, gibt es einen großen kommerziellen Bedarf, es sind jedoch nur Gaslaser, wie He-Cd-(Helium-Cadmium)- und Ar-(Argon) - Laser, verfügbar. Sie werden jedoch noch nicht praktisch verwendet, weil bei ihnen solche Probleme, wie eine hohe Größe, ein hoher Leistungsverbrauch und eine kurze Nutzungsdauer infolge der Verschlechterung des Gases in einem Plasmarohr, auftreten. Eine Einheit, bei der ein Laser verwendet wird, wobei ein sperriger Laser als Lichtquelle aufgenommen ist, muß zumindest größer sein als der Laser und wird unvermeidlich sperrig. Sie kann daher nicht für eine Verwendung in einer Büroumgebung und einer Gebäudeumgebung, wobei Geräte meistens eine derartige Größe haben, daß sie auf einem Tisch angeordnet werden können, angepaßt werden. Weil ein Laser weiterhin einen geringen Wirkungsgrad der Umwandlung von eingegebener Leistung in Laserlicht aufweist und der größte Teil der verbrauchten Leistung in Wärme übergeht, ist eine Kühleinrichtung erforderlich, weshalb die Einheit, bei der ein Laser verwendet wird, sperriger wird. Ein weiteres Problem besteht darin, daß durch die durch Schwingungen dieser Kühleinrichtung hervorgerufene Verschiebung eines optischen Systems die Zuverlässigkeit einer Einheit, bei der ein Laser verwendet wird, verschlechtert wird.
Zum Lösen der oben angegebenen Probleme wurde ein im Resonator angeordnetes SHG (Erzeugung zweiter Harmonischer)-System vorgeschlagen, welches ein Wellenlängen- Umwandlungssystem ist, bei dem ein durch einen Ti : Al&sub2;O&sub3; (Titan-dotierter Saphir, Ti-Sap.)-Kristall, der ein Laserkristall ist, der in einem Wellenlängenbereich von bei 800 bis 900 nm oszillieren kann, oder einen Cr : LiSrAIF6- Kristall (nachfolgend als "LiSAF-Kristall" bezeichnet, wobei ein Laser, bei dem dieser LiSAF-Kristall verwendet wird, als "LiSAF-Laser" bezeichnet wird), der ein Laserkristall ist, welcher ein Fluorid enthält, erzeugter erster Laserstrahl verwendet wird (früher: L.S. Wu, H. Looser und P. Gunter, "High-efficiency intracavity frequency doubling of Ti : Al&sub2;O&sub3; lasers with KNbO&sub3; crystals", Appl. Phys. Lett., Band 56, Nr. 22, S. 2163 (1990) und später: F. Balembois, P. Georges, F. Salm, G. Roger und A. Brun, "Tunable blue lightsource by intracavity frequency doubling of a CR-doped LiSrAlF&sub6; laser", Appl. Phys. Lett., Band 61, Nr. 20, S. 2381 (1992)). Als eine Anregungslichtquelle verwendet das erstgenannte System einen Q-Schalter-YAG-SHG-Laser (mit einer Wellenlänge von 532 nm) und das letztgenannte System einen Kr-Laser (mit Wellenlängen von 647 und 676 nm), die beide sperrig sind, eine hohe Leistung verbrauchen und eine kurze Nutzungsdauer haben. Daher werden die bei den oben angegebenen Gaslasern auftretenden Probleme durch diese nicht verringert. Weil beide Systeme Pulse und keine kontinuierlichen Wellen ausgeben, tritt bei der praktischen Anwendung ein Problem auf.
Es wurde bereits dargelegt, daß im Gegensatz hierzu ein LiSAF-Kristall durch einen roten Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 670 nm angeregt werden kann (R. Scheps, J.F. Myers, H.B. Serreze, A. Rosenberg, R.C. Morris und M. Long, "Diode-pumped Cr : LiSrAlF&sub6; laser", Opt. Lett., Band 16, Nr. 11, S. 820 (1991)).
In US-A-5 265 115 ist ein durch eine Halbleiter-Lasereinheit angeregter Festkörperlaser offenbart. Der Laser weist eine Rückkopplungsschaltung zum Konstanthalten der Laserausgangsleistung auf.
Aus bzw. von den LiSAF-Lasern und Ti-Sap.-Lasern, die oben erwähnt wurden, kann ein Laser, bei dem ein LiSAF-Kristall, der ein fluoridhaltiger bzw. fluorhaltiger Laserkristall ist, verwendet wird, durch einen Halbleiterlaser angeregt werden, und es wird erwartet, daß ein SHG-Laser, der eines der Wellenlängen-Umwandlungssysteme eines durch einen Halbleiterlaser angeregten LiSAF-Lasers ist, die Möglichkeit aufweist, die Probleme hinsichtlich der Größe, des Leistungsverbrauchs und der Nutzungsdauer herkömmlicher Gaslaser erheblich zu verbessern.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Vorrichtung zur Erzeugung zweiter Harmonischer entwickelt, durch die der SHG-Umwandlungswirkungsgrad durch Verwenden eines LiSAF-Kristalls als ein durch einen Halbleiterlaser angeregter in der Wellenlänge veränderbarer Festkörper- Laserkristall und durch Steuern der Wellenlänge eines vom LiSAF-Kristall erzeugten Laserstrahls unter Verwendung eines doppelbrechenden Kristalls als ein Wellenlängen- Steuerelement verbessert ist.
Bei der Vorrichtung tritt jedoch das Problem auf, daß die Ausgangsleistung eines durch einen Halbleiterlaser angeregten LiSAF-Lasers oder Wellenlängen-Umwandlungslasers in der Art eines einen LiSAF-Kristall verwendenden SHG instabil ist.
Allgemein ausgedrückt sind kurzfristige Faktoren, die Schwankungen der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers hervorrufen, relative Vibrationen der einen Laserresonator bildenden optischen Teile, Schwankungen der Temperaturverteilung in einem Laserkristall, Schwankungen des Anregungslichts, also der Ausgangsleistung des Festkörperlasers, konkurrierende Oszillationen und Relaxationsoszillationen zwischen longitudinalen Moden der Laserausgabe, durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Änderungen der effektiven optischen Weglänge der optischen Teile und dergleichen. Langfristige Faktoren sind eine durch die Verschlechterung einer Anregungslichtquelle hervorgerufene Verringerung der Ausgangsleistung des Anregungslichts, die Verschlechterung eines Spiegels, die Verschlechterung von Antireflexionsbeschichtungen optischer Teile und dergleichen. Bei einem Wellenlängen-Umwandlungslaser in der Art eines SHG besteht ein möglicher Faktor in durch Temperaturschwankungen in einem nichtlinearen optischen Kristall, der ein SHG-Kristall ist, hervorgerufenen Änderungen der Phasenanpassungs-Wellenlänge.
Von diesen Faktoren sind konkurrierende Oszillationen und Relaxationsoszillationen zwischen longitudinalen Moden der Laserausgabe einer der Hauptfaktoren für das Hervorrufen von Schwankungen der Ausgangsleistung eines Wellenlängen- Umwandlungslasers in der Art eines LiSAF-Lasers und eines einen LiSAF-Laser verwendenden SHG. Das heißt, daß ein LiSAF-Laser in mehreren longitudinalen Moden mit einem breiten Band von 10 nm oszilliert, wenn er keine Steuereinheit aufweist, weil er eine große Verstärkungsbandbreite von 220 nm (von 780 bis 1000 nm) aufweist (Shinichiro Aoshima, Haruyasu Itoh, Yasushi Obayashi, Isuke Hirano, "Cr : LiSAF laser", Optical and quantum device research association material, OQD-92-13 (1992)). Daher tritt eine Konkurrenz zwischen longitudinalen Moden auf, und es wird Ausgangsrauschen erzeugt. Als ein Mittel zum Verringern des Modenkonkurrenzrauschens wird ein optisches Teil mit einer Wellenlängen-Steuerfunktion zum Verringern der Anzahl der longitudinalen Moden auf eine verwendet.
Fig. 7 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Einrichtung zum Messen der Beziehung zwischen der Bandbreite einer longitudinalen Mode in einem LiSAF-Laser und der Leistung des Oszillationsstrahls des LiSAF-Lasers. Ein aus Quarz bestehendes doppelbrechendes Filter 23 wird als Wellenlängen-Steuerelement verwendet. Allgemein ausgedrückt ändert sich die Wellenlängenabhängigkeit des Transmissionsgrads des doppelbrechenden Filters 23 entsprechend der Dicke des Filters, wobei die Spitze des Transmissionsgrads umso steiler wird, je größer die Dicke wird. Wenn mehrere doppelbrechende Filter 23 übereinandergestapelt werden, ist der Transmissionsgrad das Produkt aus den Transmissionsgraden der Filter. Die Dicken der doppelbrechenden Filter betragen 0,5, 1,0 und 1,5 mm. Ein Resonator 20 ist zwischen einem Eingangsspiegel 24 an der Endfläche eines LiSAF- Kristalls 21 und einem Ausgangsspiegel 25, der ein konkaver Spiegel ist, ausgebildet, und Anregungslicht von einem Halbleiterlaser 11 zum Anregen durchläuft eine Konvergieroptik 12 und konvergiert im LiSAF-Kristall 21 auf derselben optischen Achse wie der Resonator 20. Die Krümmung des Ausgangsspiegels 25, der ein konkaver Spiegel ist, beträgt 15 cm, und die Länge des Resonators ist etwas kürzer als der Krümmungsradius, und sie steht in einer halbkugelförmigen Beziehung mit dem Krümmungsradius. Der Ausgangsspiegel 25 und der Resonator 20 sind halbkugelförmig positioniert. Licht wird mit Anregungslicht vom Halbleiterlaser 11 vom LiSAF-Kristall 21 abgestrahlt, ein im Resonator 20 erzeugter erster Laserstrahl 32 wird durch einen Halbspiegel 26 abgetrennt, und die Ausgangsleistung und die Wellenlänge werden gleichzeitig gemessen. Messungen wurden durch Ändern einer Kombination der doppelbrechenden Filter 23 ausgeführt.
Tabelle 1 zeigt die Meßergebnisse der Beziehung zwischen der Bandbreite einer longitudinalen Mode und der Leistung des ersten Laserstrahls im LiSAF-Laser, wenn die Kombination der doppelbrechenden Filter geändert wurde. Tabelle 1
Es ist anhand von Tabelle 1 verständlich, daß die Bandbreite durch Kombinieren dreier doppelbrechender Filter auf 0,2 nm verringert werden konnte, was mit der Bandbreite von etwa 4 nm zu vergleichen ist, wenn kein doppelbrechendes Filter verwendet wird. Die Leistung des ersten Laserstrahls wurde jedoch um einen Faktor 1/10 verringert. Zum Verwirklichen einer einzigen longitudinalen Mode ist es erforderlich, eine große Anzahl von Wellenlängen-Steuerelementen zu kombinieren, und es wird eine weitere Verringerung der Leistung des ersten Laserstrahls erwartet. Das heißt, daß es als recht schwierig erscheint, eine einzige longitudinale Mode zu erreichen, wenn ein Halbleiterlaser mit einer begrenzten Ausgangsleistung - verwendet wird. Weil der Umwandlungswirkungsgrad eines verwendeten nichtlinearen optischen Kristalls in einem Wellenlängen-Umwandlungslaser in der Art eines SHG unter Verwendung eines LiSAF-Lasers von der Wellenlänge abhängt, ist die Wirkung des Modenkonkurrenzrauschens des ersten Laserstrahls weiter verstärkt.
Unter den anderen oben beschriebenen Faktoren umfassen positiv bzw. sicher steuerbare Faktoren die Eingangsleistung von Anregungslicht und die Temperatur des Laserkristalls. Weil bei einem Wellenlängen- Umwandlungslaser in der Art eines SHG die Phasenanpassungs- Wellenlänge eines nichtlinearen optischen Kristalls von der Temperatur abhängt, kommt die Temperatur des nichtlinearen optischen Kristalls als ein weiterer steuerbarer Faktor hinzu. Zum Beseitigen dieses steuerbaren Faktors wurde eine Rückkopplungs-Steuereinheit erwogen, bei der ein beispielsweise durch einen Halbspiegel oder dergleichen von der Laserausgabe abgetrennter Probestrahl, wie in Fig. 7 dargestellt, verwendet wird, um Wirkungen der Ausgangsleistung zu dämpfen. Das Erhalten des Probestrahls führt jedoch zu einem Verlust in der Ausgangsleistung des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls (nachfolgend als "SH-Ausgangsleistung" bezeichnet), was nicht erwünscht ist.
Die vorliegende Erfindung löst die oben angegebenen Probleme. Es sind vorzugsweise eine Einrichtung zum Stabilisieren der Laserausgangsleistung ohne Erzeugen eines neuen Verlusts in einem LiSAF-Laser und einem Wellenlängen- Umwandlungslaser in der Art eines einen LiSAF-Laser verwendenden SHG vorgesehen.
Vorzugsweise wird die Zuverlässigkeit eines Lasers, der eine stabile Laserausgangsleistung erzielen kann, verbessert.
Vorzugsweise wird die Anzahl der zum Abtrennen eines Strahls erforderlichen Teile verringert.
Die Erfinder haben hinsichtlich der oben angegebenen Probleme umfangreiche Untersuchungen angestellt. Wenn ein in der Wellenlänge veränderbarer Laserkristall in der Art eines LiSAF-Kristalls verwendet wird, ist es erforderlich, die Wellenlänge der Strahlung vom Kristall im Resonator zu steuern. Durch die Wellenlängensteuerung soll Licht mit einem gewünschten Wellenlängenbereich erhalten werden, indem Licht mit dem gewünschten Wellenlängenbereich durchgelassen wird und Licht mit den anderen Wellenlängenbereichen reflektiert wird. Die Erfinder haben ihre Aufmerksamkeit darauf gerichtet, daß Laserlicht, dessen Wellenlängenbereich vom Übertragungswellenlängenbereich dieses Wellenlängen-Steuerelements abweicht, als reflektiertes Licht verlorengeht, und sie haben diese Erfindung gemacht.
Die vorliegende Erfindung ist mit anderen Worten ein Laser mit einem Resonatoraufbau mit einem in der Wellenlänge veränderlichen Laserkristall, der ein Fluorid enthält, und einem optischen Teil zum Steuern der Wellenlänge der Strahlung von dem Laserkristall, Mitteln zum Anregen des Laserkristalls, Mitteln zum Erfassen reflektierten Lichts vom optischen Teil als ein Probestrahl und Mitteln zum Stabilisieren der Ausgangsleistung eines Laserstrahls aus dem Resonatoraufbau anhand des Probestrahls.
Die Fig. 8, 9 und 10 sind Diagramme zur Erläuterung, wie ein bei der Rückkopplungssteuerung zu verwendender Probestrahl erhalten werden kann. Ein doppelbrechendes Filter oder ein Prisma wird als ein optisches Teil zum Steuern der Wellenlänge der Strahlung von einem LiSAF-Laser verwendet.
Fig. 8 zeigt den Fall, in dem ein doppelbrechendes Filter 23 als der optische Teil zum Steuern der Wellenlänge verwendet wird. Die Strahlung vom durch den Halbleiterlaser 11 angeregten LiSAF-Kristall 21 wird durch den Resonator 20 verstärkt, um einen ersten Laserstrahl 32 zu erzeugen. Der LiSAF-Kristall 21 ist so angeordnet, daß eine Achse "c" innerhalb der Papierebene liegt, und die Polarisationsebene gleicht der Papierebene. In dieser Hinsicht ist das doppelbrechende Filter 23 so angeordnet, daß seine Eingangs- und Ausgangsfläche einen Brewster-Winkel bezüglich der optischen Achse des Laserstrahls 32 bilden, um den Verlust im Resonator zu minimieren. Wenngleich die Reflexionen des eintretenden und des austretenden Lichts beim Brewster-Winkel stark verringert sind, sind sie in geringem Maße vorhanden. Weil die interne Leistung des ersten Laserstrahls 32 gewöhnlich mehr als einige Watt beträgt, wird der erste Laserstrahl 32 mit mehreren Mikrowatt bis mehreren Milliwatt an der Eingangsfläche und · der Ausgangsfläche des doppelbrechenden Filters 23 reflektiert, so daß der Probestrahl 34 erhalten und durch einen nicht dargestellten Detektor erfaßt werden kann.
Fig. 9 zeigt einen Wellenlängen-Umwandlungslaser, der ein LiSAF-Laser unter Verwendung eines nichtlinearen optischen Kristalls ist. Die Polarisationsebene des ersten Laserstrahls entspricht auch der Papierebene. In dieser Hinsicht wird ein Teil des ersten Laserstrahls durch den nichtlinearen optischen Kristall 22 in einen zweiten Laserstrahl 33 umgewandelt. Weil der zweite Laserstrahl 33 eine zum ersten Laserstrahl senkrechte Polarisationsebene aufweist, werden mehrere Prozent bis mehrere zehn Prozent des zweiten Laserstrahls 33 durch das doppelbrechende Filter 23 reflektiert. Ebenso wie der in Fig. 8 dargestellte erste Laserstrahl wird ein Teil des zweiten Laserstrahls reflektiert und abgetrennt und kann als ein Probestrahl 34 erhalten und durch einen nicht dargestellten Detektor erfaßt werden.
Fig. 10 zeigt den Fall, in dem ein Prisma 27 als ein optisches Teil zum Steuern der Wellenlänge verwendet wird. Die Polarisationsebene entspricht auch der Papierebene. In dieser Hinsicht ist das Prisma 27 so angeordnet, daß die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche des Prismas ebenso wie das doppelbrechende Filter 23 einen Brewster-Winkel bezüglich der optischen Achse des Resonanzstrahls bilden. Wenn der erste Laserstrahl 32 daher einen Reflexions- Brewster-Winkel an der Eingangs- und der Ausgangsfläche des Prismas 27 bildet, wird ein Teil des Laserstrahls 32 reflektiert und abgetrennt und kann als ein Probestrahl 34 erhalten und durch einen nicht dargestellten Detektor im Prisma 27, der unter einem Brewster-Winkel bezüglich der optischen Achse im Resonator angeordnet ist, erfaßt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben wurde, bei einem LiSAF-Laser oder einem Wellenlängen- Umwandlungslaser in der Art eines einen LiSAF-Laser verwendenden SHG eine stabile Laserausgangsleistung ohne einen neuen Verlust erhalten werden, indem für die Rückkopplungssteuerung reflektiertes Licht, das infolge der Wellenlängensteuerung unvermeidbar ist, nutzbringend verwendet wird.
Weiterhin wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Einrichtung zum Steuern der Leistung von Anregungslicht unter den oben erwähnten steuerbaren Faktoren als eines der Mittel zum Stabilisieren der Laserausgangsleistung vorgeschlagen. Das heißt, daß bei einem Halbleiterlaser zum Erzeugen von Anregungslicht das Phänomen ausgenutzt wird, daß die Leistung des Halbleiterlasers beim Erhöhen des Treiberstroms ansteigt, woraus sich eine Erhöhung der Leistung des ersten oder des zweiten Laserstrahls ergibt. Wie in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellt ist, erreicht der von der Wellenlängen- Steuereinrichtung teilreflektierte und abgetrennte erste oder zweite Laserstrahl den Detektor als ein Probestrahl. Die Ausgabe vom Detektor für einen bestimmten Probestrahl wird als eine Bezugsspannung festgelegt, und der Treiberstrom des Halbleiterlasers wird so geregelt, daß die Ausgangsspannung des Detektors gleich dieser Bezugsspannung wird. Durch diese Einrichtung kann eine stabile Laserausgangsleistung erhalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur eines Laserkristalls unter den oben erwähnten steuerbaren Faktoren als ein anderes Mittel zum Stabilisieren der Laserausgangsleistung vorgeschlagen. Das heißt, daß bei einem LiSAF- Laser die Tatsache verwendet wird, daß die Leistung des ersten oder zweiten Laserstrahls von der Temperatur eines Laserkristalls abhängt. Die Temperatur des Laserkristalls 21 wird so geregelt, daß eine Bezugsspannung für die Intensität eines bestimmten Probestrahls gleich der Ausgangsspannung vom Detektor wird.
Weiterhin steuert eine weitere Einrichtung zum Stabilisieren der Laserausgangsleistung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Temperatur eines nichtlinearen optischen Kristalls unter den oben erwähnten steuerbaren Faktoren in einem Wellenlängen-Umwandlungslaser, der ein LiSAF-Laser ist. Die Laserausgangsleistung wird durch Steuern der Temperatur des nichtlinearen optischen Kristalls unter Verwendung der Tatsache stabilisiert, daß die SHG-Ausgangsleistung von der Temperatur des nichtlinearen optischen Kristalls abhängt. Die Temperatur des nichtlinearen optischen Kristalls wird so geregelt, daß eine Bezugsspannung gleich der Ausgangsspannung des Detektors wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein stabiles Rückkopplungs-Steuersystem bereitgestellt, ohne daß ein neuer Verlust hervorgerufen wird, indem nur ein Teil der Ausgangsleistung unter Verwendung eines Halbspiegels oder dergleichen verwendet wird.
Eine stabile Laserausgangsleistung kann erhalten werden, indem dieser Laser in Einheiten, in denen Laser verwendet werden, wie Laserdruckern, optischen Bearbeitungseinheiten, optischen Aufnahmegeräten und Teilchenzählern, verwendet wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur als Beispiel mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben, wobei:
Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung einer Einrichtung zum Messen der Beziehung zwischen der Bandbreite der longitudinalen Mode eines LiSAF-Lasers und der Leistung des Resonanzstrahls des LiSAF-Lasers ist,
Fig. 8 ein Diagramm ist, in dem erläutert wird, wie ein zur Rückkopplungssteuerung verwendeter Probestrahl erhalten wird,
Fig. 9 ein Diagramm ist, in dem erläutert wird, wie ein zur Rückkopplungssteuerung verwendeter Probestrahl erhalten wird, und
Fig. 10 ein Diagramm ist, in dem erläutert wird, wie ein zur Rückkopplungssteuerung verwendeter Probestrahl erhalten wird.
Fig. 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein von einem Halbleiterlaser 11 aus- bzw. abgestrahlter Anregungsstrahl 31 wird durch eine Konvergieroptik 12 konvergiert, um einen Laserkristall 21 anzuregen. Ein von Spectra Diode Laboratory Co. hergestellter AIGaInP-Halbleiterlaser, der eine Ausgangsleistung von 500 mW und eine Resonanzwellenlänge von 670 nm aufweist, wird als Halbleiterlaser 11 verwendet. Die Konvergieroptik 2 besteht aus einem Halbleiterlaser-Kollimator (f = 8 mm), einem anamorphotischen Prismenpaar (6fache Vergrößerung) und einer Einzellinse (f = 30 mm). Die Brennweite und dergleichen der Konvergieroptik sind annehmbar groß, solange sie den Wirkungsgrad nicht sehr verringern. Eine optische Faser oder eine Zylinderlinse kann als Strahlformungseinrichtung verwendet werden.
Der angeregte Laserkristall 21 erzeugt einen ersten Laserstrahl 32 in einem Resonator 20, der einen an der Endfläche des Laserkristalls ausgebildeten Eingangsspiegel 24 und einen Ausgangsspiegel 25 aufweist. Der Laserkristall 21 und ein doppelbrechendes Filter 23 als ein Wellenlängen- Steuerelement sind im Resonator 20 angeordnet. Die Wellenlänge des in dem Resonator erzeugten ersten Laserstrahls 32 wird durch das doppelbrechende Filter 23 als ein Wellenlängen-Steuerelement gesteuert. Der Resonatoraufbau 20 ist ein plankonkaver Resonator, der Krümmungsradius des Ausgangsspiegels 25 beträgt 150 mm, und die effektive optische Weglänge ist etwas kürzer als der Krümmungsradius. Jeder beliebige Resonatoraufbau 20, jeder beliebige Krümmungsradius und jede beliebige effektive optische Weglänge sind annehmbar, solange sie den Wirkungsgrad nicht sehr verringern.
Ein 1,5 Molprozent Cr enthaltender LiSAF-Kristall (ø 3 · 5 mm) wird als Laserkristall 21 verwendet. Auf die vordere Endfläche des Kristalls sind eine Antireflexionsbeschichtung (nachfolgend als AR-Beschichtung abgekürzt) mit einem Reflexionsgrad von 2% oder weniger für die Wellenlänge des Anregungslichts und eine hochreflektierende Beschichtung (nachfolgend als HR-Beschichtung abgekürzt) mit einem Reflexionsgrad von 99% oder mehr für die Wellenlänge des ersten Laserstrahls zur Bildung des Eingangsspiegels 24 aufgebracht. Der Reflexionsgrad der HR- Beschichtung kann 95% oder mehr betragen und braucht nicht 99% oder mehr betragen. Auf die hintere Endfläche des Kristalls ist eine AR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 2% oder weniger für die Wellenlänge des ersten Laserstrahls aufgebracht. Auf den Ausgangsspiegel 25 ist eine HR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 99% oder mehr für den ersten Laserstrahl aufgebracht. Das aus einer Quarzplatte bestehende doppelbrechende Filter 23 wird als ein Wellenlängen-Steuerelement verwendet und ist unter dem Brewster-Winkel gegenüber dem ersten Laserstrahl 32 geneigt. Dadurch kann das doppelbrechende Filter 23 die optische Achse zum Steuern der Wellenlänge des ersten Laserstrahls 32 drehen. Der Wellenlängen-Steuerbereich ist auf etwa 860 ± 50 nm gelegt, und die Wellenlängen-Auswahlbreite ist auf etwa 0,5 nm gelegt. In dieser Hinsicht kann die Wellenlängen-Steuerbreite durch Laminieren von Quarzplatten, deren Dicken um Ganzzahlige Vielfache voneinander abweichen, geändert werden. Es ist jede Wellenlängen- Steuerbreite annehmbar, solange die Ausgangsleistung des ersten Laserstrahls nicht erheblich abnimmt. Ein Prisma oder Etalon kann an Stelle des Wellenlängen-Steuerelements 23 verwendet werden.
Der erste Laserstrahl, der vom doppelbrechenden Filter 23 als ein Wellenlängen-Steuerelement teilreflektiert und abgetrennt wurde, erreicht einen Detektor 41 als ein Probestrahl 34. Ein Bezugswert für die Intensität eines bestimmten Probestrahls ist als eine Bezugsspannung festgelegt, und der Treiberstrom des Halbleiterlasers 11 wird durch einen LD-Treiber so geregelt, daß die Ausgangsspannung des Detektors 41 gleich dieser Bezugsspannung wird.
Durch diese Einrichtung kann eine stabile Laserausgangsleistung erhalten werden.
Der zulässige Absorptionswellenlängenbereich des LiSAF- Kristalls 21 ist etwa 100 nm breit. Wenngleich die Wellenlänge des Halbleiterlasers zur Anregung nicht unter Verwendung eines Temperatursteuerelements gesteuert wurde, kann sie so gesteuert werden, daß sie mit der Wellenlänge maximaler Absorption übereinstimmt.
Fig. 2 ist ein Diagramm zum Erklären einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Halbleiterlaser 11, die Konvergieroptik 12, der Resonatoraufbau und das Wellenlängen-Steuerelement 23 gleichen denen aus der ersten Ausführungsform.
Ebenso wie bei der ersten Ausführungsform wird eine Rückkopplungssteuerung ermöglicht, indem der erste Laserstrahl, der durch das doppelbrechende Filter 23 als ein Wellenlängen-Steuerelement vom Resonator 20 getrennt wurde, als ein Probestrahl 34 verwendet wird. Der erste Laserstrahl, der auf diese Weise von der Wellenlängen-Steuereinrichtung teilreflektiert und abgetrennt wurde, erreicht einen Detektor 41 als ein Probestrahl 34. Ein Bezugswert für die Intensität eines bestimmten Probestrahls ist als eine Bezugsspannung festgelegt, und die Temperatur des LiSAF-Kristalls 21 wird so geregelt bzw. eingestellt, daß die Ausgangsspannung des Detektors 41 gleich dieser Bezugsspannung wird.
Durch diesen Aufbau kann eine stabile Laserausgangsleistung erhalten werden.
Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Anregungsoptik unter Einschluß des Halbleiterlasers 11 gleicht derjenigen bei der ersten Ausführungsform.
Der angeregte Laserkristall 21 erzeugt den ersten Laserstrahl 32, der eine Festkörperlaser-Resonanzwelle im Resonator 20 ist, welcher den an der Endfläche des Laserkristalls gebildeten Eingangsspiegel 24 und den Ausgangsspiegel 25 aufweist. Im Resonator 20 sind der Laserkristall 21, ein nichtlinearer optischer Kristall 22 und das doppelbrechende Filter 23 als Wellenlängen-Steuerelement angeordnet. Ein LiB&sub3;O&sub5;-Kristall (Lithiumborat, nachfolgend als "LBO-Kristall" bezeichnet) wird als nichtlinearer optischer Kristall 22 verwendet, der 3 · 3 · 5 mm mißt und auf den eine AR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 2% oder weniger für die Wellenlänge des ersten Laserstrahls und die Wellenlänge einer SH-Welle aufgebracht ist. Der LBO-Kristall, der der nichtlineare optische Kristall 22 ist, wird unter Verwendung eines elektronischen Kühlelements bei 25 ± 0, 1ºC gehalten. Auf den Ausgangsspiegel 25 sind eine HR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 99% oder mehr für den ersten Laserstrahl und eine AR-Beschichtung für die SH-Welle 33 aufgebracht, und es ist darin ebenso wie bei der ersten Ausführungsform eine Öffnung mit einem Durchmesser von 10 mm ausgebildet. Andere optische Teile gleichen denen bei der ersten Ausführungsform. Die Wellenlänge des im Resonator 20 erzeugten ersten Laserstrahls wird durch das doppelbrechende Filter 23 als ein Wellenlängen-Steuerelement so gesteuert, daß sie eine Wellenlänge annimmt, bei der der Umwandlungswirkungsgrad des nichtlinearen optischen Kristalls 22 maximal wird. Ein Teil des ersten Laserstrahls 32 wird durch den nichtlinearen optischen Kristall 22 in eine zweite harmonische Welle (SH-Welle) umgewandelt, und etwa 20% der SH-Welle werden durch das doppelbrechende Filter 23 als ein Wellenlängen-Steuerelement von der optischen Achse abgetrennt und vom Ausgangsspiegel 25 abgestrahlt. Etwa 20% der SH-Welle, die vom doppelbrechenden Filter 23 als ein Wellenlängen-Steuerelement abgetrennt wurde, wird als ein Probestrahl 34 zur Rückkopplungssteuerung verwendet.
Ein Bezugswert für die Intensität eines bestimmten Probestrahls ist als eine Bezugsspannung festgelegt, und die Temperatur des nichtlinearen optischen Kristalls 22 wird so geregelt, daß die Ausgangsspannung des Detektors 41 gleich dieser Bezugsspannung wird. Der oben beschriebene Treiberstrom des Halbleiterlasers 11 oder die Temperatur des LiSAF-Kristalls 21 kann an Stelle der Temperatur des nicht- linearen optischen Kristalls 22 geregelt werden.
Der Wellenlängen-Steuer- bzw. -Regelbereich des doppelbrechenden Filters 23 als ein Wellenlängen- Steuerelement ist auf etwa 860 ± 70 nm eingestellt, und die Wellenlängen-Auswahlbreite ist auf 0,5 nm eingestellt. In dieser Hinsicht kann der Wellenlängen-Steuerbereich nahezu auf eine Wellenlänge eingestellt geregelt werden, bei der der Umwandlungswirkungsgrad des LBO-Kristalls, der der nichtlineare optische Kristall 22 ist, maximal wird, und es ist jede Wellenlängen-Auswahlbreite annehmbar, sofern die SH-Ausgabe 33 nicht erheblich abnimmt. Durch diese Wellenlängensteuerung kann eine blaue SH-Welle mit einer Wellenlänge von 430 nm vom LBO-Kristall, der der nichtlineare optische Kristall 22 ist, stabil erhalten werden.
Ein KNbO&sub3; (Kaliumniobat)-, ein K-L-N (Kaliumlithiumniobat) -, ein β-BaB&sub2;O&sub4; (Bariumborat) - oder ein LiIO&sub3; (Lithiumiodat)-Kristall kann an Stelle des LBO-Kristalls als nichtlinearer optischer Kristall 22 verwendet werden. Wenn einer von ihnen verwendet wird, ist es erforderlich, die Wellenlänge so zu steuern, daß sie eine Wellenlängen- Auswahlbreite annimmt, die für die Wellenlängenabhängigkeit des SHG-Umwandlungswirkungsgrads des verwendeten nicht- linearen optischen Kristalls 22 geeignet ist.
Fig. 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Laserdruckers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die von einer in Fig. 3 dargestellten blauen Laserlichtquelle 100 abgestrahlte blaue Laserausgabe 33 durchläuft einen akustooptischen Modulator 51 (nachfolgend als AO-Modulator bezeichnet), einen Strahlaufweiter 52, einen drehbaren Polygonspiegel 53 und eine fθ-Linse 54 und wird auf eine photoempfindliche Trommel 55 konvergiert. Der AO-Modulator 51 moduliert die SHG-Ausgabe 43 entsprechend Bildinformationen, und der drehbare Polygonspiegel 53 lenkt in einer horizontalen Richtung (des Papiers der Zeichnung) ab. Mit dieser Kombination werden zweidimensionale Informationen als Teil-Potentialdifferenzen auf der photoempfindlichen Trommel 55 aufgezeichnet. Die photoempfindliche Trommel 55 dreht sich, an ihr haftet entsprechend den Potentialdifferenzen Toner, und sie gibt Informationen auf Aufzeichnungspapier wieder.
Ein auf die photoempfindliche Trommel 55 aufgebrachtes photoempfindliches Material ist Selen (Se), und die blaue Laserlichtquelle 100 hat eine Ausgangswellenlänge von 420 nm, bei der das photoempfindliche Material verhältnismäßig hochempfindlich ist, und eine Ausgangsleistung von 15 mW.
Fig. 5 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer optischen Bearbeitungseinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 3 dargestellte blaue Laserlichtquelle 100 wird als eine Lichtquelle verwendet. Ein bei Einwirken von blauem Licht härtendes Harz 61 wird in einen Behälter eingebracht, und die Oberfläche einer Flüssigkeit wird durch einen Laserstrahl 33 zweidimensional abgetastet. Hierbei härtet nur ein Oberflächenabschnitt 61-a des bei Einwirken von blauem Licht härtenden Harzes 61, der Licht absorbiert. Nach Abschluß der Bildung einer Schicht fällt ein Heber 62 zur fortlaufenden Bildung der nächsten Schicht. Durch diesen Vorgang kann ein festes Modell 63 mit einer gewünschten Form gebildet werden. Hierbei hat die blaue Laserlichtquelle eine Wellenlänge von 430 nm und eine Ausgangsleistung von 30 mW.
Fig. 6 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines optischen Plattenlaufwerks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 3 dargestellte blaue Laserlichtquelle 100 wird als eine Lichtquelle verwendet. Das optische Plattenlaufwerk verwendet ein magnetooptisches Aufzeichnungssystem. Die von der blauen Laserlichtquelle 100 abgestrahlte blaue Laserausgabe 33 wird durch den Strahlaufweiter 52 aufgeweitet und wird dann zu parallelen Strahlen. Die den Strahlteiler 72 durchlaufenden Strahlen werden durch eine Konvergieroptik 74 auf einem Medium 75 konvergiert. Reflektiertes Licht wird durch den Strahlteiler 72 teilreflektiert und durch diesen in zwei Strahlen geteilt, die dann von zwei Detektoren 76 empfangen werden. Die zwei Detektoren hinter dem Strahlteiler 72 führen eine Autofokussierung und eine Signalerfassung durch.
Ein unveränderliches Magnetfeld wird an das Medium 75 angelegt, und die Fokussierungstemperatur wird durch die blaue Laserausgabe auf die Curie-Temperatur des Mediums 75 erhöht, um die Aufzeichnungsmagnetisierung umzukehren. Wenn der Laserstrahl eingeschaltet ist, wird die Magnetisierung des Mediums umgekehrt, und wenn der Laserstrahl ausgeschaltet ist, wird die Magnetisierung nicht umgekehrt, wodurch eine Signalaufzeichnung ermöglicht wird. Die Aufzeichnungsfrequenz ist auf 10 MHz gelegt. Bei der Signalwiedergabe wird dieselbe blaue Laserlichtquelle 100, die zum Aufzeichnen verwendet wurde, zum Erhalten eines gut reproduzierten Signals verwendet.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schlagen Mittel zum Stabilisieren der Laserausgangsleistung ohne Erzeugen eines neuen Verlusts in einem LiSAF-Laser und einem Wellenlängen-Umwandlungslaser in der Art eines SHG- Lasers unter Verwendung eines LiSAF-Lasers vor. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen das Erhalten einer stabilen Laserausgangsleistung und das Verbessern der Zuverlässigkeit eines Lasers. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen auch das Verringern der Anzahl der Teile zum Abtrennen eines Strahls.
Bei einem Laser, bei dem ein in der Wellenlänge veränderbarer Laserkristall verwendet wird, können Mittel zum Stabilisieren der Laserausgangsleistung ohne Erzeugen eines neuen Verlusts erhalten werden.
Wenngleich verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist zu verstehen, daß die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist sondern innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche auf verschiedene Weise abgeändert werden kann.

Claims

1. Laser mit

einem Resonatoraufbau (20) mit einem in der Wellenlänge veränderbaren Laserkristall (21), das ein Fluorid enthält, und einem optischen Teil (23) zur Steuerung der Wellenlänge der Strahlung aus dem Laserkristall (21),

Mitteln (11) zur Anregung des Laserkristalls,

Mitteln (41) zum Erfassen reflektierten Lichtes aus dem optischen Teil (23) als Probestrahl und mit

Mitteln zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Laserstrahls aus dem Resonatoraufbau (20) anhand des Probestrahls.

2. Laser mit

Mitteln (11) zum Anregen eines Laserkristalls (21), einem Resonatoraufbau (20) mit einem in der Wellenlänge veränderbaren Laserkristall (21), der ein Fluorid enthält,

einem nichtlinearen optischen Element (22), das in den Resonatoraufbau (20) eingefügt ist, und das einen durch Resonanzstrahlung aus dem Laserkristall (21) im Laserresonator (20) erhaltenen ersten Laserstrahl bezüglich seiner Wellenlänge in einen zweiten Laserstrahl mit unterschiedlicher Wellenlänge wandelt,

einem optischen Teil (23), der in den Resonator (20) eingefügt ist und die Wellenlänge des ersten Laserstrahls steuert,

Mitteln (41) zur Erfassung reflektieren Lichtes aus dem optischen Teil (23) als Probestrahl und mit Mitteln zur Stabilisierung der Ausgangsleistung des zweiten Laserstrahls anhand des Probestrahls.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Laserkristall Cr : LiSrAlF&sub6; (Chrom-dotieres Lithium-Strontium- Aluminium-Fluorid) ist.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der optische Teil (23) eine doppelbrechende Wirkung besitzt.

5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Mittel zur Anregung des Laserkristalls ein Halbleiterlaser (11) ist.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mittel zur Stabilisierung der Ausgangsleistung des Laserstrahls und/oder der Ausgangsleistung des zweiten Laserstrahls Mittel sind zur Änderung der dem Laserkristall zugeführten Anregungsleistung entsprechend den Änderungen in der Ausgangsleistung des Probestrahls.

7. Laser nach Anspruch 2, bei dem das Mittel zur Anregung des Laserkristalls (21) ein Halbleiterlaser (11) ist, der Laserkristall (21) aus Cr : LiSrAlF&sub6; hergestellt ist, das nichtlineare optische Element (22) die Wellenlänge des ersten Laserstrahls mit einer Wellenlänge (λ&sub1;) von 780 nm ≤ λ&sub1; 1000 nm, der durch Resonanzstrahlung aus dem Laserkristall (21) im Laserresonatoraufbau (20) erhalten wird, in einen zweiten Laserstrahl mit einer Wellenlänge (λ&sub2;) von 390 nm ≤ λ&sub2; ≤ 500 nm verwandelt, der optische Teil (23) ein doppelbrechender Filter (23) ist, und bei dem die Mittel zur Stabilisierung der Ausgangsleistung des zweiten Laserstrahls die dem Laserkristall zugeführte Anregungsleistung entsprechend den Änderungen in der Ausgangsleistung des Probestrahls ändern.

8. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mittel zur Stabilisierung der Ausgangsleistung des Laserstrahls und/oder der Ausgangsleistung des zweiten Laserstrahls Mittel sind zur Änderung der Temperatur des Laserkristalls (21) bzw. des nichtlinearen optischen Kristalls (22) entsprechend den Änderungen in der Ausgangsleistung des Probestrahls.

9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bandbreite Δλ&sub1; der Resonanzwellenlänge des Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls mittels des optischen Teils (23) auf 0,01 nm ≤ Δλ&sub1; ≤ 1 nm eingestellt wird.

10. Lasereinrichtung mit Verwendung eines Lasers nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Lasereinrichtung nach Anspruch 10, die ein Laserdrucker ist.

12. Lasereinrichtung nach Anspruch 10, die eine optische Bearbeitungseinheit ist.

13. Lasereinrichtung nach Anspruch 10, die ein optisches Aufnahmegerät ist.

14. Lasereinrichtung nach Anspruch 10, die ein Teilchenzähler ist.