JP2000228552A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】環境温度と、共振器内の結晶、共振器の温度検
出器及び温度制御素子の配置の関係から生じる共振器内
の温度勾配に基づく結晶温度の変化を無くし、温度に対
する特性劣化を防止した固体レーザ装置を提供する。 【解決手段】結晶の温度を制御するための金属板１１
と、ペルチェ素子９と、制御温度検出用サーミスタ１０
と、共振器温度調節器１７及び温度制御用入出力ライン
１５で共振器温度調節機構を構成し、制御温度検出用サ
ーミスタ１０付近の制御温度を環境温度に対応して変化
させると、結晶と前記サーミスタ１０間の温度勾配を無
くすことができ、結晶は一定温度に保たれ広い動作範囲
で安定したレーザ出力を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種計測器、レー
ザプリンタ、医療機器あるいは光造形などの各種分野に
用いられる固体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体レーザ装置は、光共振器内に置かれ
た固体レーザ媒質（例えばＹＡＧ結晶等）に、半導体レ
ーザ等の励起源から出力されたレーザ光を集光して照射
し、その固体レーザ媒質を励起することによって光共振
器（以下、共振器と称す）内でレーザ発振を引き起こさ
せ、その共振器内に非線形光学結晶のＳＨＧ（Ｓｅｃｏ
ｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子
を配置し、第２高調波を発生させる方式の固体レーザで
ある。

【０００３】従来の固体レーザ装置は図１０に示すよう
に、励起光を出力するための半導体レーザ（ＬＤ）１
と、励起光を集光するための励起光結合系を形成するレ
ンズ２、３と、固体レーザ媒質４、ＳＨＧ素子５及び出
力ミラー６からなる基本波及び第２高調波レーザ光を発
生させる共振器１８と、この共振器１８を温度制御用入
出力ライン１５を介して、温度検出器２４の検出温度と
設定値が一致するよう温度制御素子２３を温度制御する
共振器温度調節器１７と、ビームスプリッター７、フォ
トダイオード８、ブルーレーザ光モニタライン１２及び
ＬＤドライバ１６からなりＳＨＧ波を一定に保持する後
述のＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）
機構１９から構成されている。

【０００４】このような半導体レーザ励起方式の固体レ
ーザ装置においては、ＳＨＧ素子５の光軸上にサーミス
タなどの温度検出器２４を配置することは困難であり、
通常図１０に示されるように相対的に離れて設置されて
いる。そして、共振器１８の温度制御は温度検出器２４
の設置点での制御温度を基準に一定に保つという方式が
一般的に採られている。また、この方式は励起用半導体
レーザ１に対しても用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の固体レーザ装置
は上記のように構成されているが、温度許容幅が大きな
固体レーザ媒質に比べＳＨＧ素子は温度許容幅が狭く、
共振器の温度検出器の設置点での制御温度を一定にする
という方法では、環境温度により共振器内に温度勾配が
発生し、ＳＨＧ素子のような結晶は環境温度の影響を受
けるという問題がある。図１０に示したＳＨＧ素子（結
晶）５と温度制御素子２３や温度検出器２４との配置関
係はその一例を示したものであるが、一般的には図４に
示されるように、結晶は結晶Ａ又は結晶Ｂで示される位
置に設置される。図４において、温度検出器２４の中心
位置は、結晶Ｂ２１及び温度制御素子２３の中心位置か
ら距離ｍ、また、結晶Ａ２０と結晶Ｂ２１の中心位置は
距離ｎだけ離れて設置されている。

【０００６】図４において、温度調節は温度検出器２４
による測定温度を基準に動作するので、温度検出器２４
付近の温度は環境温度の変化に対して影響されずに一定
である。温度検出器２４付近の温度を２５℃で温度制御
した場合、環境温度が例えば５℃であるとすると、図中
の金属板２２には図５（ａ）に示されるように温度制御
素子２３の中心から遠くなるに従い温度が低くなる温度
勾配が発生する。したがって、温度検出器２４付近を設
定温度と同じ温度２５℃になるよう制御するためには、
温度制御素子２３を設定温度以上に加熱する必要があ
る。この結果、図５（ａ）に示すように結晶Ｂは設定温
度よりも高い温度Ｔｈに達し、結晶Ａでは低い温度Ｔｌ
になる。また、環境温度が例えば４５℃になると逆の温
度勾配が発生し、図５（ｂ）に示すように結晶Ａは設定
温度より高い温度Ｔｈに達し、結晶Ｂでは低い温度Ｔｌ
になる。このような温度Ｔｈ、Ｔｌは制御温度、環境温
度及び設置位置によって決まる。

【０００７】図６は制御温度、すなわち温度検出器２４
（図４）付近の温度が２５℃一定で、環境温度が時間的
に変化した場合の結晶Ａ、結晶Ｂの温度変化を示したも
のである。図に示されるように、環境温度と制御温度
（２５℃）の差が大きくなるに従い、結晶Ａ、Ｂの実温
度と制御温度（２５℃）の差が大きくなる。このような
固体レーザ装置における結晶の温度変化は結晶の実温度
と位相整合温度に差を生じさせ、発振状態が不安定とな
り性能を悪化させるという問題がある。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、環境温度の変化に対して安定した出力
が得られる固体レーザ装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、半導体レーザからの出力光により固体レ
ーザ媒質を含む光共振器内に非線形光学結晶を収容し
て、上記固体レーザ媒質から誘導放出される基本波を光
共振器内で発振させ、その第２高調波を出力ミラーを介
して外部に出力するように構成されたレーザ装置におい
て、環境温度変化に対応して、励起用半導体レーザ又は
共振器部の制御温度を変化させる機構を備えたことを特
徴とする。

【００１０】本発明の固体レーザ装置は上記のように構
成されており、環境温度に対応して制御温度を図７又は
図８における点線で示すように変化させることにより、
結晶Ａ又はＢの温度が一定になり、結晶の配置位置に関
して環境温度の影響を受けない固体レーザ装置を得るこ
とができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の半導体レーザ励起方式の
固体レーザ装置の一実施例を図１により説明する。本装
置は、励起光を出力するための半導体レーザ（ＬＤ）１
と、励起光を集光するための励起光結合系を形成するレ
ンズ２、３と、固体レーザ媒質４、ＳＨＧ素子５及び出
力ミラー６からなる基本波及び第２高調波レーザ光を発
生させる共振器１８と、この共振器１８を温度制御用入
出力ライン１５を介し、サーミスタ１０の検出温度と環
境温度を測定するサーミスタ１７ｅに比例した設定温度
が一致するようペルチェ素子９を温度調節する共振器温
度調節器１７と、ビームスプリッター７、フォトダイオ
ード８、ブルーレーザ光モニタライン１２及びＬＤドラ
イバ１６からなりＳＨＧ波を一定に保持するためのＡＰ
Ｃ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）機構１９
から構成されている。

【００１２】前記共振器１８内の固体レーザ媒質４には
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、ＳＨＧ素子５にはＫＮｂＯ３の非線
形結晶を用い、固体レーザ媒質４の励起光入射端面４ａ
及び出力ミラー６の凹面には９４６ｎｍの基本波並びに
そのＳＨＧ波に対して高い反射率をもつ誘電体多層膜が
コーティングされている。

【００１３】この固体レーザ装置では、半導体レーザ１
から発生した励起光がレンズ２によって平行光線とされ
た後、レンズ３によって収束され、固体レーザ媒質４を
励起する。この固体レーザ媒質４は、その励起光入射端
面４ａと出力ミラー６からなる共振器１８に配置されて
おり、レーザ発振を起こす。このとき、同様に共振器内
に配置されたＳＨＧ素子５中において第２高調波が発生
し、Ｎｄ：ＹＡＧ９４６ｎｍレーザ光の第２高調波であ
る４７３ｎｍのブルーレーザ光を発生させる。これによ
り波長変換が行われ、短波長化したレーザ光が出力ミラ
ー６を通過して外部へ出力される。なお、固体レーザ媒
質４からは１．０６μｍや１．３μｍなどのその他の誘
導放出光も放出されるが、出力ミラー６や励起光入射端
面での反射率が低いためそれらを通過して共振器１８外
に放出され、９４６ｎｍの基本波と第２高調波のみが共
振器１８内に閉じ込められレーザ発振が行われて大きな
パワー光に増幅される。

【００１４】そして、前記ＡＰＣ機構１９により、この
ブルーレーザ光の一部がビームスプリッター７によって
実際のブルーレーザ光とモニタ用レーザ光に分離され、
モニタ用レーザ光がフォトダイオード８に導かれてその
強度が検出される。この検出された強度信号は、半導体
レーザ１の励起光強度を調節するための駆動電流を出力
するＬＤドライバ１６にフィードバックされ、ブルーレ
ーザ光強度が一定値になるようにＬＤドライバからの駆
動電流が制御される。

【００１５】前記ＳＨＧ素子５に用いられている非線形
結晶ＫＮｂＯ３は効率よく波長変換を行うが、その温度
許容幅が狭く、安定した波長変換動作を行うためには動
作時の温度制御を正確に行う必要がある。

【００１６】本発明においては、サーミスタ１０付近の
制御温度を環境温度に対応して変化させることを特徴と
している。図２は環境温度に対応して温度設定値を変え
るようにした共振器温度調節器の実施例の構成を示した
ものである。この温度調節器１７は、抵抗Ｒ１、Ｒ２
と、共振器１８の外部にあってその周辺の環境温度を測
定するサーミスタ１７ｅ及び制御温度検出用サーミスタ
１０を４辺とするブリッジ回路１７ａと、このブリッジ
回路１７ａの偏差電圧を入力とし、ペルチェ素子９に制
御信号を出力する調節部１７ｂから構成されている。

【００１７】前記サーミスタ１７ｅには可変抵抗（Ｖ
ｒ）１７ｃが並列に接続されており、この合成抵抗と制
御温度検出用サーミスタ１０の抵抗値が等しくなるよう
調節部１７ｂが働きブリッジ回路１７ａがバランスす
る。例えば、Ｒ１＝Ｒ２で可変抵抗１７ｃの抵抗値がサ
ーミスタ１７ｅの１／９であるとすると、サーミスタ１
０の抵抗値はサーミスタ１７ｅの抵抗値の１／１０とな
る。すなわちサーミスタ１７ｅとサーミスタ１０の抵抗
比率は１０：１となるが、この比率は可変抵抗１７ｃの
抵抗値を調節することにより変えることができる。この
サーミスタ１７ｅの抵抗値は環境温度により、またサー
ミスタ１０の抵抗値は制御温度により変わるものである
から、可変抵抗１７ｃの抵抗値を調節することにより、
環境温度の変化に対する制御温度を図７に示すように変
えることができる。

【００１８】先に図６で示したように、制御温度を２５
℃で制御した場合、結晶Ｂの温度は、環境温度が２５℃
以下の場合は２５℃以上となり、環境温度が２５℃以上
の場合は２５℃以下となり、その温度差は環境温度と制
御温度（サーミスタ１０の温度）の差に比例する。図７
に示されるように制御温度は環境温度が２５℃以下の場
合は２５℃以下となり、環境温度が２５℃以上の場合は
２５℃以上となるため、図６で示された結晶温度の２５
℃からのずれを補償することになり、結晶Ｂの実温度は
ほぼ２５℃に保たれる。

【００１９】また図２のブリッジ回路１７ａにおいて、
抵抗Ｒ１とサーミスタ１０を入れ換えることによって、
環境温度の変化に対する制御温度を図８のように変化さ
せることができ、その結果、図６に示された結晶Ａの２
５℃からのずれは図８の制御温度によって補償すること
ができ、結晶Ａの実温度をほぼ２５℃に保つことができ
る。

【００２０】図３は環境温度に対応して温度設定値を変
えるようにした共振器温度調節器の他の実施例の構成を
示したものである。この温度調節器１７は、半導体レー
ザ１の温度制御に用いられるペルチェ素子の駆動電流が
図９に示すように環境温度に比例することを利用するも
ので、そのペルチェ素子の駆動電流に比例した設定電圧
を得るための可変抵抗１７ｃと、定電流源１７ｄからの
電流を流すことにより制御温度に比例したフィードバッ
ク電圧を発生するためのサーミスタ１０と、前記設定電
圧とフィードバック電圧を差動的に結合し得られた偏差
電圧を入力とし、温度制御素子９に制御信号を出力する
調節部１７ｂから構成されている。

【００２１】前記可変抵抗１７ｃを変えることにより、
その両端の電圧、すなわち制御温度設定電圧が変わるた
め、環境温度に対応して変化するペルチェ素子駆動電流
に対し、一定の比率で制御温度を変えることができる。
この方法によれば、図２に示したような環境温度測定用
のサーミスタ１７ｅを使用する必要がなく、また、サー
ミスタ取り付け場所がない場合に有効で、簡単な構成で
温度調節系を構成することができる。以上のように、サ
ーミスタと結晶の位置関係に応じて、環境温度変化に対
して一定の比率で制御温度を変化させることにより、結
晶の実温度を一定に保つことが可能となり、広い動作温
度範囲において安定したレーザ出力を得ることができ
る。

【００２２】一方、半導体レーザ１についてもＬＤドラ
イバ１６と温度制御用入出力ライン１４により温度制御
されているが、制御温度検出用サーミスタを半導体レー
ザのチップに取り付けるのが困難であるため、ステム等
に配置して間接的に温度制御を行う方法が採られてい
る。そのため、制御温度と環境温度とに差があると、サ
ーミスタ取り付け位置と半導体中心位置間に温度差が生
じる。このような場合においても、サーミスタ付近の制
御温度を環境温度に対応して変化させることは有効な対
策である。例えば、共振器温度制御は環境温度測定用サ
ーミスタ１７ｅを用いる図２の方法で用い、半導体レー
ザ１の温度制御はペルチェ素子９の駆動電流に比例した
電流を図３のペルチェ素子駆動電流に比例した電流に用
いることにより、共振器１８及び半導体レーザ１への環
境温度の影響を無くすことができる。

【００２３】なお、温度制御素子や温度検出器は上記実
施側に限定されるものではなく、例えば、温度制御素子
としてセラミックヒータ、温度検出器として感温抵抗体
などが使用できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の固体レーザ装置は上記のように
構成されており、共振器及び半導体レーザの制御温度を
環境温度に対応して変化させることにより、環境温度に
よって共振器及び半導体レーザ内の結晶の温度が変動す
ることが防止でき、広い温度範囲で安定したレーザ出力
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザ励起方式固体レーザ装置
の構成図である。

【図２】環境温度に対応して温度設定値を変えるように
した共振器温度調節機構の実施例を示す概略構成図であ
る。

【図３】環境温度に対応して温度設定値を変えるように
した共振器温度調節機構の他の実施例を示す概略構成図
である。

【図４】共振器の温度調節用構成部品と結晶の配置位置
の関係を示す部品配置図である。

【図５】温度制御の設定値に対し環境温度が低い場合と
高い場合の結晶の配置と温度の関係を示す温度変化図で
ある。

【図６】温度制御の設定値を一定とし、環境温度を時間
的に変化させた時の結晶温度変化図である。

【図７】環境温度に対して制御温度を変化させた場合の
結晶Ｂの温度変化図である。

【図８】環境温度に対して制御温度を変化させた場合の
結晶Ａの温度変化図である。

【図９】環境温度ｖｓペルチェ素子駆動電流特性図であ
る。

【図１０】従来の半導体レーザ励起方式固体レーザ装置
の構成図である。

【符号の説明】

１・・・半導体レーザ（ＬＤ） ２、３・・・レンズ ４・・・固体レーザ媒質 ４ａ・・・励起光入射端面 ５・・・ＳＨＧ素子 ６・・・出力ミラー ７・・・ビームスプリッター ８・・・フォトダイオード ９・・・ペルチェ素子 １０、１７ｅ・・・サーミスタ １１、２２・・・金属板 １２・・・ブルーレーザ光モニタライン １３・・・ＬＤ駆動電流ライン １４、１５・・・温度制御用入出力ライン １６・・・ＬＤドライバ １７・・・共振器温度調節器 １７ａ・・・ブリッジ回路 １７ｂ・・・調節部 １７ｃ・・・可変抵抗 １７ｄ・・・定電流源 １８・・・共振器 １９・・・ＡＰＣ機構 ２０・・・結晶Ａ ２１・・・結晶Ｂ ２３・・・温度制御素子 ２４・・・温度検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東條 公資 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 入口 知史 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 小林 裕 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 稲垣 勝人 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 Ｆターム(参考） 2K002 AA04 AA06 AB12 BA01 CA02 DA01 GA06 HA20 5F072 AB02 AB13 FF08 HH01 JJ05 KK06 KK12 KK15 KK30 PP07 QQ02 TT05 TT16 TT29

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザからの出力光により励起され
   る固体レーザ媒質を含む光共振器内に非線形光学結晶を
   収容して、前記固体レーザ媒質から誘導放出される基本
   波を光共振器内で発振させその第２高調波を出力ミラー
   を介して外部に出力するように構成されたレーザ装置に
   おいて、環境温度変化に対応して励起用半導体レーザ又
   は共振器部の制御温度を変化させる機構を備えたことを
   特徴とする固体レーザ装置。