JP2000261064A - レーザ装置の組立方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振器温度を一定に制御して安定化を図るレ
ーザ装置において、光学素子と保持部材の接着による保
持部材の変形を抑制し、レーザ特性変化の小さい固体レ
ーザを組み立てる。 【解決手段】 複数の光学素子13、14、15、17を金属製
の光学素子保持部品からなる共振器ユニット21の所定の
位置に接着固定した後、半導体レーザ11の出力が最大と
なるように凹面ミラー16の光軸調整を行う。光軸調整の
後、ペルチェ素子31でレーザの最適な制御温度に調整し
た後、共振器ミラー16とこれを保持する部材の間に接着
剤を流し込み、接着剤を硬化させて共振器ミラー16を固
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共振器ユニットと
これを温度制御するペルチェ素子を備えてなるレーザ装
置を組み立てる方法、詳しくは固体レーザ装置の組立て
において凹面ミラーなどを保持部材に接着する方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】励起用半導体レーザを用いた高出力の固
体レーザ装置では、光学部材の発熱が発光効率を低下さ
せるため、放熱特性を上げる必要がある。このため、光
学素子の保持には熱伝導率の高い銅などの金属部材が用
いられ、特に接着剤の接着により銅部材への貼り付け固
定が行われている。

【０００３】しかし、光学素子と金属では熱膨張率の差
が大きいため、高温または低温環境にさらされた場合に
は、接着部分に応力が発生して金属の保持部材自体に変
形が生じる場合がある。また、レーザを制御するために
高温環境下において固体レーザの使用を重ねているとレ
ーザの特性が劣化してくる場合がある。これは、高分子
材料等からなる接着剤は理想的に完全硬化する訳ではな
いため、経年変化や高温保存等で硬化収縮が進行した
り、また、高温または低温環境下で光学素子と保持部材
の線膨張率差による応力のために接着層厚が変化するこ
とに起因するものと考えられる。

【０００４】これを防止するために、レーザーを常に所
定温度に温度調節して使用することも考えられるが、た
とえば使用休止、運搬等のためにレーザー電源を切って
温度調節を解除した際には、接着剤の硬化率変化、応力
による接着層厚変化がそのまま残ることがある。また接
合面が多いと、このような接着剤の硬化率変化、応力に
よる接着層厚変化の総量が大きくなり、それが共振器長
の経時変化となって現れてくる。さらに、レーザの組立
てにおいては、各種部品を接着後に部材間の熱膨張率に
よる変形が生じて、組立て途中でレーザの特性が変化し
て出力低下などの問題が起きる場合がある。

【０００５】本出願人はすでに、特開平１０−９０５７
６号において、接着における応力低減を図り光学素子の
変形を抑制するために、光学部材の接着面積の低減を行
うことを提案している。これにより光学部材に作用する
応力は、単に光学部材を光通過孔の部分以外の全面に接
着した場合に比較してより低く抑えることが可能とな
り、また光学部材の反りや破壊は防止されたものの、光
学部材の変形を完全に抑えることは依然として難しいと
いうのが現状であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】共振器ミラーの各光通
過端面をホルダーに接着固定し、これらのホルダーを光
軸方向に連結、接着する場合は、それだけで共振器長さ
方向に２つの接着面が存在し、さらに、共振器内にエタ
ロン等の他の光学素子が同様の接着固定方法を採用して
配設されると、共振器長さ方向の接着面数は一般に４〜
９箇所程度まで増えることになる。そうであると、１つ
の接着面当たりに許容される発振波長の変化長は0.01μ
ｍのオーダーとなり、共振器部分を温度調節しても、こ
のような許容値以下に変化長を抑えることは困難とな
る。多くのレーザーダイオード励起固体レーザーの発振
波長が１μｍ近辺にあることを考えれば、理想的には共
振器長変化を0.1 μｍ以下に抑える必要があるが、これ
では、共振器長変化を全体として0.1μｍ以下に抑える
ことはできない。

【０００７】他方、特開昭63-27079号公報に示された部
品固定構造は、上記のように接着面数が多いことによる
問題は招かないものの、共振器ミラーやその他のレーザ
ー構成部品を光軸垂直部材を介してホルダーに接着固定
していないため、振動を受けたり、長期間使用している
うちに部品が動いてその位置が狂ってしまう恐れがあ
る。

【０００８】本発明は上記の事情に鑑みなされたもので
あり、共振器ミラーとして凹面ミラーを用いた固体レー
ザにおいて、光学素子とその保持部材を接着剤で固定す
る際の接着による保持部材の変形を抑制することがで
き、レーザ特性変化の小さい固体レーザーを提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ装置の組
立方法は、凹面ミラーと複数の光学素子と金属製の光学
素子保持部品からなる共振器ユニットと、該共振器ユニ
ットを温度制御するペルチェ素子を備えてなるレーザ装
置を組み立てる方法において、前記ペルチェ素子をレー
ザの制御温度に保持した状態で、前記凹面ミラーを所定
の保持部材の所定位置に接着剤で固定することを特徴と
するものである。

【００１０】また本発明のレーザ装置の組立方法は、前
記レーザ装置が、前記ペルチェ素子の上に前記共振器ユ
ニット以外に接着固定される部品を備えており、前記ペ
ルチェ素子をレーザの制御温度に保持した状態で該部品
を前記ペルチェ素子の所定位置に接着剤で固定すること
を特徴とするものである。

【００１１】「共振器ユニット以外の接着固定された部
品」とはペルチェ素子に接着される部品であって、たと
えば集光レンズ、半導体レーザが取り付けられている保
持部材や光出力モニターなどがある。

【００１２】「ペルチェ素子をレーザの制御温度に保持
した状態で、前記凹面ミラーを所定の保持部材の所定位
置に接着剤で固定する」とは、共振器をペルチェ素子上
に保持して共振器部の温度を一定に制御してレーザ出力
の安定化を図るようなレーザ装置を使用する場合には、
ペルチェ素子で共振器部の温度が最適な温度になるよう
に調整を行うが、この最適な温度に保持した状態で、凹
面ミラーの位置調整で光軸調整を行って保持部材におけ
る接着位置を決めた後に、接着剤で固定することを意味
する。

【００１３】本発明のレーザ装置の組立方法は、前記凹
面ミラーが接着される保持部材の接着面の一部が削られ
ており、前記ペルチェ素子をレーザの制御温度に保持し
た状態で、前記凹面ミラーが所定の保持部材の所定位置
に接着剤で固定されていることを特徴とするものであ
る。

【００１４】また、前記ペルチェ素子の上に前記共振器
ユニット以外に接着固定された部品がある場合には、こ
の共振器ユニット以外に接着固定された部品の接着面の
一部も削られていることが好ましい。

【００１５】「接着面の一部が削られており」とは、凹
面ミラーと保持部材の接着面積が減少するように保持部
材が削られていることを意味し、削り取られる部分は凹
面ミラーが保持部材に接着固定できれば、特に凹面ミラ
ーが接着する保持部材のどの部分が削られていてもよい
が、たとえば凹面ミラーが４ヶ所で固定されるように凹
面ミラーが接着される保持部材部分を十字溝に削ること
ができる。共振器ユニット以外に接着固定される部品と
これらが接着される保持部材の接着面も、凹面ミラーと
保持部材と同様に、接着面積が減少するように保持部材
が削られていればよく、たとえば、接着固定される部品
の３点でが接着するように保持部材部分を残してそれ以
外の部分を削ることができる。

【００１６】さらに 本発明のレーザ装置の組立方法
は、凹面ミラーと複数の光学素子と金属製の光学素子保
持部品からなる共振器ユニットと、該共振器ユニットを
温度制御するペルチェ素子を備えてなるレーザ装置の組
立方法において、前記ペルチェ素子の前記共振器ユニッ
トが接着される面の裏面に、前記ペルチェ素子とほぼ同
じ大きさの金属板を接着させて、該金属板と前記共振器
ユニットを接着させることを特徴とするものである。

【００１７】「金属板」は、放熱性のある金属であれば
特に限定されるものではないが、たとえば銅板や鉄板な
どを用いることができる。

【００１８】

【発明の効果】凹面ミラーと複数の光学素子と金属製の
光学素子保持部品からなる共振器ユニットと、該共振器
ユニットを温度制御するペルチェ素子を備えてなるレー
ザ装置を組み立てる方法において、本発明は前記ペルチ
ェ素子をレーザの制御温度に保持した状態で、前記凹面
ミラーを所定の保持部材の所定位置に接着剤で固定する
こととしたので、共振器ユニットの変形を防止すること
ができる。すなわち、ペルチェ素子をレーザの制御温度
に保持した状態で、凹面ミラーの保持部材に対する接着
位置を決めて接着固定するので、光軸調整時の最適な状
態を保持したままレーザを組み立てることができ、レー
ザの組立工程に起因するレーザ特性変化、出力低下を抑
えることができる。また、レーザ使用に際して起こる光
学素子と金属製の保持部材との間の変形を抑えて、レー
ザの特性変化を最小限に抑えることができる。

【００１９】また、ペルチェ素子をレーザの制御温度に
保持した状態で、凹面ミラーが接着される保持部材の接
着面の一部を削って所定の保持部材の所定位置に接着剤
で固定することとしたので、接着面積を低下することが
可能となり、これによって凹面ミラーが接着される保持
部材の変形そのものも小さくすることができ、レーザの
出力変化を小さくすることができる。

【００２０】なお、共振器ユニット以外にペルチェ素子
に接着固定される部品を、ペルチェ素子をレーザの制御
温度に保持した状態で接着剤で固定することにより、共
振器ユニットの変形を防止でき、また共振器ユニット以
外にペルチェ素子に接着固定される部品の接着面の一部
を削って所定の保持部材の所定位置に接着剤で固定する
こととしたので、接着面積を低下することが可能とな
り、これによって共振器ユニットの変形を抑制できレー
ザの特性変化を小さくすることができる。

【００２１】凹面ミラーと複数の光学素子と金属製の光
学素子保持部品からなる共振器ユニットと、該共振器ユ
ニットを温度制御するペルチェ素子を備えてなるレーザ
装置の組立方法において、本発明は、ペルチェ素子と共
振器ユニットが接着される面の裏面に、ペルチェ素子と
ほぼ同じ大きさの金属板を接着させ、金属板と共振器ユ
ニットを接着させることとしたので、ペルチェ素子の動
作時のペルチェ素子の上面と下面の温度差によって起こ
るペルチェ素子自体の反りの変形を抑制することが可能
となる。すなわち、金属板の放熱特性によりペルチェ素
子の上面と下面に起こる温度差を緩和するとともに、全
体の剛性を高めて反りの変形を小さくすることができ
る。また、ペルチェ素子の変形を抑制することにより、
共振器ユニットの変形が小さくなり、組立工程中のレー
ザ特性変化を小さくすることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一の実施
の形態である半導体レーザー励起固体レーザーの側面形
状を示すものである。

【００２３】この半導体レーザー励起固体レーザーは、
励起光としてのレーザービーム10を発する半導体レーザ
ー11と、発散光であるレーザービーム10を集光する集光
レンズ12と、ネオジウム（Ｎｄ）がドーピングされた固
体レーザー媒質であるＹＶＯ４結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ４結
晶）13と、このＮｄ：ＹＶＯ４結晶13の前方側つまり半
導体レーザー11と反対側に配された凹面ミラー16とを有
している。

【００２４】またＮｄ：ＹＶＯ４結晶13と凹面ミラー16
との間には、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶13側から順に、周期ド
メイン反転構造を有する非線形光学材料であるＭｇＯ：
ＬｉＮｂＯ₃ 結晶（以下、反転ドメインＬＮ結晶と称す
る）14、ブリュースター板15、光軸に対して60′傾けた
石英エタロン板17が配設されている。

【００２５】集光レンズ12は、球面加工が施された片面
側をＮｄ：ＹＶＯ４結晶13に向けて保持部材20に固定さ
れている。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶13は厚さ１ｍｍに形成さ
れたものであり、集光レンズ12は結晶13の入射端面から
厚さ方向0.5 ｍｍの位置に、拡大率0.5 〜1.0 倍でレー
ザービーム10を収束させるように位置調整されている。
この集光レンズ12と半導体レーザー11は、所定位置に集
光点が位置するように相対位置が調整された後、保持部
材20に固定される。なお、半導体レーザー11および集光
レンズ12が取り付けられた保持部材20の部分を以下、励
起部20と称する。

【００２６】Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶13は、入射したレーザ
ービーム10によってネオジウムイオンが励起されること
により、波長 1064ｎｍの光を発する。Ｎｄ：ＹＶＯ４
結晶13の入射端面13ａには、波長 1064ｎｍの光は良好
に反射させる（反射率99.9％以上）一方、波長809 ｎｍ
の励起用レーザービーム10は良好に透過させる（透過率
93％以上）コートが施されている。一方凹面ミラー16の
ミラー面16ａには、波長1064ｎｍの光は良好に反射させ
（反射率99.9％以上）、波長532 ｎｍの光は透過させる
（透過率90％以上）コートが施されている。

【００２７】したがって、上記波長 1064ｎｍの光はそ
れに対する高反射面となっているＮｄ：ＹＶＯ４結晶端
面13ａとミラー面16ａとの間に閉じ込められてレーザー
発振を引き起こし、波長 1064ｎｍのレーザービーム18
が発生する。基本波としてのこのレーザービーム18は反
転ドメインＬＮ結晶14により、波長が１/２すなわち532
ｎｍの第２高調波19に変換され、凹面ミラー16からは主
にこの第２高調波19が出射する。

【００２８】以上説明したＮｄ：ＹＶＯ４結晶13、反転
ドメインＬＮ結晶14および石英エタロン板17、凹面ミラ
ー16は、保持部材21に取り付けられている。なお以下、
この保持部材21の部分を共振器ユニット21と称する。

【００２９】この共振器ユニット21から出射した第２高
調波19は、光出力モニター22に入射する。光出力モニタ
ー部22には、励起用レーザービーム10および固体レーザ
ービーム18を吸収する一方、第２高調波19は通過させる
ビームスプリッタ24が取り付けられている。

【００３０】以上説明した共振器ユニット21および光出
力モニター22はペルチェ素子31に接着され、ペルチェ素
子31のもう一方の面には、ペルチェ素子31自体の反りを
防止するために放熱性を有するFe-Ni-Co板32が接着さ
れ、このペルチェ素子31及びFe-Ni-Co板32を介してパッ
ケージベース33に接着固定されている。

【００３１】そして、共振器ユニット21に取り付けられ
たサーミスタ（図示せず）により共振器内の温度が検出
され、温度制御回路によりこの検出温度が所定の温度と
なるようにペルチェ素子31の電流が調節されて、共振器
内の温度が所定温度に維持される。

【００３２】ここで、ペルチェ素子31上の各要素の温度
は均一であるのが望ましく、また共振器ユニット21およ
び光出力モニター22の保持部材はアルミニウム、銅、ま
たはこれらの合金のように熱伝導率の高い材料から形成
されるのが望ましく、たとえばＴｅＣｕを用いることが
できる。また、各部の接着固定は熱伝導率性接着剤が好
ましいが、熱硬化性のエポキシ樹脂接着剤等の一般的な
接着剤でも、接着層を10μｍ以下程度に薄くすれば、熱
抵抗が小さくなるので使用可能である。

【００３３】また、凹面ミラー16と共振器ユニット21の
接着面21aは、図２に示すように、共振器ユニット21を
十文字に溝を掘って接着部分を低減させてある。同様
に、光出力モニター22とベースプレート30の接着面30a
も、図３に示すように接着面を低減させるために３箇所
で接着してある。

【００３４】レーザの光軸調整は、凹面ミラー16以外の
光学素子13、14、15、17を全て接着した後、レーザ出力
が最大になるように凹面ミラーの位置を光軸調整により
調整し、ペルチェ素子31でレーザの制御温度を最適温度
にした後、凹面ミラー16と共振器ユニット21の間に接着
剤を流し込み、接着剤を硬化させて凹面ミラー16を固定
する。

【００３５】（実施例）凹面ミラー16以外のＮｄ：ＹＶ
Ｏ４結晶13、反転ドメインＬＮ結晶14、ブリュースター
板15および石英エタロン板17の光学素子を全て接着した
後、ペルチェ素子31によって、25℃（室温）、50℃（最
適温度）、80℃（高温）の３つの温度制御下において、
レーザ出力が最大になるように光軸調整を行って凹面ミ
ラー16の接着位置を決め、凹面ミラー16と共振器ユニッ
ト21の間に接着剤を流し込み接着剤を硬化させた。凹面
ミラー16を上記それぞれの温度制御下で接着固定した
後、レーザの最適制御温度50℃において各共振器ユニッ
ト21の干渉縞を測定した。図４に示すように、80℃で硬
化した場合には、凹面ミラー16の接触面がλ変化し、25
℃で硬化した場合には、図５に示すように80℃で硬化し
た場合とは逆方向にλ変化し、いずれの場合もレーザ出
力が10％以上低下した。一方50℃で硬化させた場合の変
化量はλ／４以下に抑えられ、図６に示すように干渉縞
に変化はなく共振器ユニット21の変形が低減された。ま
た、レーザの出力変化は５％以下に抑えられた。

【００３６】なお、上記の実施の形態では、励起部20が
ペルチェ素子31上にない場合について説明したが、励起
部20がペルチェ素子31上にある場合には、励起部20とペ
ルチェ素子31の接着も上記したようにすれば、レーザの
特性変化を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一の実施の形態である半導体レーザー
励起固体レーザーの側面図

【図２】本発明の一の実施の形態による凹面ミラーの接
着面形状を示す図

【図３】本発明の一の実施の形態による光出力モニター
底面の接着面形状を示す図

【図４】凹面ミラーの接着面を８０℃で硬化した場合の
干渉縞を示す図

【図５】凹面ミラーの接着面を２５℃で硬化した場合の
干渉縞を示す図

【図６】凹面ミラーの接着面を５０℃で硬化した場合の
干渉縞を示す図

【符号の説明】

16 凹面ミラー 21 共振器ユニット 31 ペルチェ素子 32 Fe-Ni-Co板（金属板）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹面ミラーと複数の光学素子と金属製の
   光学素子保持部品からなる共振器ユニットと、該共振器
   ユニットを温度制御するペルチェ素子とを備えてなるレ
   ーザ装置を組み立てる方法において、 前記ペルチェ素子をレーザの制御温度に保持した状態
   で、前記凹面ミラーを所定の保持部材の所定位置に接着
   剤で固定することを特徴とするレーザ装置の組立方法。
2. 【請求項２】 前記レーザ装置が、前記ペルチェ素子の
   上に前記共振器ユニット以外に接着固定される部品を備
   えており、前記ペルチェ素子をレーザの制御温度に保持
   した状態で該部品を前記ペルチェ素子の所定位置に接着
   剤で固定することを特徴とする請求項１記載のレーザ装
   置の組立方法。
3. 【請求項３】 前記共振器ユニット以外の接着固定され
   た部品が光出力モニターであることを特徴とする請求項
   ２記載のレーザ装置の組立方法。
4. 【請求項４】 前記保持部材の前記凹面ミラーが接着さ
   れる接着面の一部が削られており、前記ペルチェ素子を
   レーザの制御温度に保持した状態で、前記凹面ミラーを
   所定の保持部材の所定位置に接着剤で固定することを特
   徴とする請求項１記載のレーザ装置の組立方法。
5. 【請求項５】 前記レーザ装置が、前記ペルチェ素子の
   上に前記共振器ユニット以外に接着固定される部品を備
   えており、該部品の接着面の一部が削られていることを
   特徴とする請求項４記載のレーザ装置の組立方法。
6. 【請求項６】 前記共振器ユニット以外に接着固定され
   た部品が光出力モニターであることを特徴とする請求項
   ５記載のレーザ装置の組立方法。
7. 【請求項７】 凹面ミラーと複数の光学素子と金属製の
   光学素子保持部品からなる共振器ユニットと、該共振器
   ユニットを温度制御するペルチェ素子を備えてなるレー
   ザ装置の組立方法において、 前記ペルチェ素子の前記共振器ユニットが接着される面
   の裏面に、前記ペルチェ素子とほぼ同じ大きさの金属板
   を接着させて、該金属板と前記共振器ユニットを接着さ
   せることを特徴とするレーザ装置の組立方法。