JP2003158316A

JP2003158316A - 固体レーザ装置

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Publication number: JP2003158316A
Application number: JP2001358543A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kobayashi; 裕小林; Minoru Kashihara; 稔樫原; Kimitada Tojo; 公資東條; Tomoshi Iriguchi; 知史入口; Norihide Noda; 憲秀野田; Kazuma Watanabe; 一馬渡辺; Yutaka Ido; 豊井戸
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2003-05-30
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: JP4178188B2

Abstract

(57)【要約】【課題】温度制御のための温度センサの経年変化や機
構的・寸法的な経年変化などに影響されず、長期にわた
り、効率の良いレーザ発振を安定に行う。【解決手段】出力レーザを分岐した光を検出するＰＤ
２２より得たモニター出力を制御回路４１を介してＬＤ
駆動回路４２にフィードバックし、筐体３４から出力さ
れるレーザが所定の出力値となるようＬＤ１５の駆動電
流を制御する。ＣＰＵ４６は、温度制御回路４３〜４５
を制御してブロック３１、ＬＤ１５、エタロン１７の温
度が変化するようにし、その各温度での駆動電流を読み
取り、駆動電流が最小となる温度をブロック３１、ＬＤ
１５、エタロン１７の各々につき求め、それらの温度を
温度制御装置４４、４３、４５の設定温度として設定す
るという温度チューニング動作を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光を入射して固
体レーザ結晶を励起し、その発生光を光共振器によって
共振させてレーザ発振させ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、たとえば励起光源と
して半導体レーザを用い、これからのレーザ光を、レー
ザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧ結晶などの固体レーザ結晶に
入射してこれを励起し、その発生光を、出力側ミラー
と、その結晶の入射面ミラーとの間で形成される光共振
器で共振させてレーザ発振を生じさせ、そのレーザ光を
出力側ミラーより取り出すという構成をとる。そして、
波長選択のために光共振器内にエタロンが挿入される。

【０００３】この光共振器の長さは、安定なレーザ光を
得るためにきわめて重要であり、４０ｎｍ以下の変動幅
に抑えることが望まれる。そのため、固体レーザ結晶と
出力側ミラーとを金属ブロックなどに固定し、寸法精度
を高めるようにしている。また、金属ブロックが熱膨張
するためその影響を抑えるよう、温度が一定になるよう
コントロールしている。また、レーザダイオードの発振
波長やエタロンの選択波長特性も、わずかであるが、温
度でコントロール可能であるため、それらの温度も制御
するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
固体レーザ装置では、種々の温度コントロールにもかか
わらず、長期間での安定性という点では問題があった。
まず、実際の温度を検知するために用いられるサーミス
タなどの温度センサ自体も特性が経年変化することを免
れない。その結果、保持すべき温度の絶対値が、長い間
には、ずれてくることになる。さらに、かりに熱電対な
どの特性変化の少ない温度センサを用いてそのような温
度の絶対値の変動を防いだとしても、機構的な位置精度
が経年変化するため、光共振器長を一定に保てない。長
期間では、金属ブロックの歪の緩和が進みその影響が無
視できないほどになったり、あるいは固体レーザ結晶や
出力側ミラーを固定するための接着剤の経年変化が避け
られないからである。これらにより、固体レーザ装置と
しての特性の長期安定性が保たれない。

【０００５】この発明は、上記に鑑み、機構的な寸法や
温度センサなどの経年変化にもかかわらず、特性を長期
的に安定化することができるよう改善した、固体レーザ
装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による固体レーザ装置においては、レーザ
光を発生する半導体レーザと、該半導体レーザに駆動電
流を供給する駆動回路と、上記半導体レーザからのレー
ザ光によって励起される、入射面に反射面が形成された
固体レーザ結晶と、該レーザ結晶の反射面との間で光共
振器を形成する反射面を持つ出力側ミラーと、上記固体
レーザ結晶および出力側ミラーが固定されるブロック
と、該光共振器内に挿入される波長選択用エタロンと、
上記出力側ミラーから外部に出力されるレーザ光の分岐
光が入力されるモニター用光検出器と、モニター用光検
出器の出力を上記駆動回路へフィードバックすることに
より所定出力のレーザ光が外部に出力されるように制御
する制御回路と、上記ブロックの温度を検出する温度セ
ンサを備えそのブロックの温度が設定温度となるように
制御するブロック用温度制御装置と、上記半導体レーザ
の温度を検出する温度センサを備えその半導体レーザの
温度が設定温度となるように制御する半導体レーザ用温
度制御装置と、上記エタロンの温度を検出する温度セン
サを備えそのエタロンの温度が設定温度となるように制
御するエタロン用温度制御装置と、上記の各温度制御装
置を制御してブロック、半導体レーザおよびエタロンの
温度を各別に変化させたときの上記半導体レーザ駆動電
流を読み取り、最も駆動電流が少なくなる温度を各別に
求めて、それらをブロック用温度制御装置、半導体レー
ザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各設
定温度として設定する温度チューニング用制御装置とが
備えられることが特徴となっている。

【０００７】温度チューニング用制御装置によって、ブ
ロック用、半導体レーザ用およびエタロン用の、各温度
制御装置が制御され、それらの温度が変化させられ、そ
のときの半導体レーザ駆動電流が読み取られる。固体レ
ーザ装置から出力されるレーザのモニター出力によって
半導体レーザの駆動電流がフィードバック制御されてお
り、その駆動電流は固体レーザ装置としての出力が所定
値となるように変化させられている。そしてブロック、
半導体レーザおよびエタロンの各温度について、最小の
駆動電流を示すそれぞれの温度が、各々の温度制御装置
に設定温度として設定される。上記のフィードバック制
御のため、ブロック、半導体レーザおよびエタロンの各
温度について、最小の駆動電流を示すそれぞれの温度
は、ブロック上に形成された光共振器長が所定値となる
最適温度、半導体レーザの発振波長が所定のものとなる
最適温度、エタロンの選択波長特性が所定のものとなる
最適温度である。そのため、上記のように各設定温度を
設定することは、ブロック、半導体レーザおよびエタロ
ンの各温度を検出する温度センサの経年変化を補償し、
その影響を除去することになる。その結果、温度センサ
の経年変化にもかかわらず、効率の良いレーザ発振を安
定に行うことができる。

【０００８】温度チューニング用制御装置が電源投入時
に自動起動するよう構成されているなら、ブロック用、
半導体レーザ用およびエタロン用の、各温度制御装置の
設定温度が電源投入時に再設定されるので、温度センサ
が経年変化を起こしたとしても、つねに安定したレーザ
発振を効率良く行うことができる。

【０００９】また、温度チューニング用制御装置が所定
の期間ごとに自動起動するよう構成されているなら、温
度センサが経年変化を起こすであろう予想期間ごとに、
ブロック用、半導体レーザ用およびエタロン用の、各温
度制御装置の設定温度が再設定されるので、つねに安定
したレーザ発振を効率良く行うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の実施の形態に
ついて図面を参照しながら詳細に説明する。図１はこの
発明の実施形態にかかる固体レーザ装置を模式的に示す
ものである。この図１において、固体レーザ結晶１１
と、出力側ミラー１２とにより光共振器１０が形成され
る。固体レーザ結晶１１は、たとえばＮｄ：ＹＡＧ結晶
などからなり、レーザ光の入射により励起されるように
なっている。その入射面には反射コート１３が施されて
反射面となっている。励起レーザ光源としてはたとえば
レーザダイオード（ＬＤ）１５が用いられ、そのレーザ
光が光学系１６を経て固体レーザ結晶１１に入射するよ
うになっている。出力側ミラー１２は、光学ガラスなど
からなり、その表面は凹面に研磨され、反射コート１４
が形成されている。

【００１１】固体レーザ結晶１１は、励起光の入射によ
って励起され、発生した光が出力側ミラー１２（の反射
コート１４）と自身の反射コート（ミラー）１３との間
で反射を繰り返して共振することによって増幅されて光
強度が強まりレーザ発振する。基本波に対してのみ波長
選択特性を有するエタロン１７がこの光共振器１０内に
挿入されており、特定波長の基本波のみを透過させるこ
とによってマルチモード光からシングルモード光への変
換を行う。

【００１２】さらにこの例では、光共振器１０内に波長
変換用結晶１８が挿入されている。光共振器１０内で増
幅される基本波の光（赤外光）は、波長変換用結晶１８
により波長変換されて、可視光（グリーンまたはブルー
の光）となる。出力側ミラー１２の反射コート１４は基
本波（赤外光）については全反射し、波長変換した可視
光（グリーン、ブルー）に対しては透過するような波長
特性を有しており、この反射コート１４を透過して波長
変換後の光が出射することになる。

【００１３】その出射するレーザビームの一部がビーム
スプリッタ２１により分岐される。分岐されたレーザビ
ームはＰＤ（フォトダイオード）２２に入射する。この
ＰＤ２２は、出射レーザビームのモニター用である。

【００１４】これらレーザ結晶１１、出力側ミラー１
２、エタロン１７、波長変換用結晶１８、ビームスプリ
ッタ２１、ＰＤ２２などは、この例では、一つの一体型
ブロック３１上に形成される。このブロック３1は、熱
膨張係数の小さい金属などから形成されており、温度コ
ントロール用ペルチェ素子３２上に配置されて冷却また
は加熱される。また、レーザダイオード１５もペルチェ
素子３３上に配置されてその温度が制御される（冷却ま
たは加熱される）。そして、これらは一つの筐体３４中
に収められる。この筐体３４には、図では省略している
が、レーザビームを筐体３４外部に出射させるための出
射口が設けられる。

【００１５】ＰＤ２２からの出力はＬＤ１５にフィード
バックされ、ビームスプリッタ２１を介して出力される
レーザ光の安定化がなされる。図２に示すように、ＰＤ
２２の出力はフィードバック制御回路４１を経てＬＤ駆
動回路４２に送られ、ＬＤ１５の駆動電流としてフィー
ドバックされる。フィードバック制御回路４１におい
て、ＰＤ２２出力の所定の設定値との比較がなされ、そ
の偏差がなくなるような駆動電流がＬＤ１５に与えられ
る。

【００１６】他方、固体レーザ結晶１１および出力側ミ
ラー１２が固定されたブロック３１の温度がサーミスタ
２５により検出され、その温度が設定温度となるように
温度制御回路４４がペルチェ素子３２を制御している。
このサーミスタ２５は波長変換用結晶１８の近傍に設け
られているので、波長変換用結晶１８の温度の検出とそ
の温度のコントロールもなされていることになる。ま
た、ＬＤ１５についても同様にサーミスタ２４により温
度が検出され、その検出出力が温度制御回路４３に送ら
れ、ＬＤ１５の温度が設定温度となるようにペルチェ素
子３３の制御が行われる。

【００１７】さらに、エタロン１７は、ヒータ２３によ
って加熱され、所定の設定温度となるようにされてい
る。このエタロン１７の温度がサーミスタ２６によって
検出され、その検出出力が温度制御回路４５に送られ
る。これにより、温度制御回路４５が、エタロン１７の
温度が設定値に保たれるようヒータ２３をコントロール
する。

【００１８】このようにして、ブロック３１の温度が設
定値に保たれ、その結果固体レーザ結晶１１と出力側ミ
ラー１２との間の光共振器１０の長さが所定の精度で一
定に保たれて安定したレーザ出力が得られるようになっ
ているのであるが、長い使用の間、サーミスタ２５の特
性が経年変化することは避けられないので、ブロック３
１の実際の温度が設定値からずれてくることは不可避で
ある。これに加えて、ブロック３１自体の機構的寸法も
経年変化してきたり、レーザ結晶１１や出力側ミラー１
２を固定する接着剤も変化し、かりに温度を設定値に保
ったとしても、共振器長の経年変化は避けられない。こ
れらによりレーザ出力は不安定なものとなってしまう。

【００１９】ところで、外部に出力されるレーザ光の一
部はＰＤ２２に導かれてモニターされており、このモニ
ター出力に応じたＬＤ１５のフィードバック制御が行わ
れていることは先に述べた。上記のようにサーミスタ２
５の特性の経年変化やブロック３１の寸法的な経年変化
により共振器長が所望値からずれてくると、結果的に、
外部に出力されるレーザ出力が減少する。この出力減少
を補償するため、上記のフィードバック制御によりＬＤ
１５の出力が大きくなるようにＬＤ１５の駆動電流が増
大させられる。このような共振器長のずれを補償する動
作がなされる。

【００２０】ＬＤ１５の駆動電流を、ブロック３１の温
度との関連で調べてみると図３のようになる。共振器長
が設計通りの長さに正確に一致しているなら、このとき
が固体レーザ装置としての出力効率が最も高くなる。す
なわち、このときがＬＤ１５の駆動電流が最も少なくて
よいときとなる。逆にいうと、ＬＤ１５の駆動電流が最
も少ない場合が、共振器長が設計通りの長さとなる最適
な温度ということになる。したがって、ブロック３１の
温度として測定される温度は、精度の高い温度計を用い
て正確に求めなくてもよく、不正確なサーミスタ２５の
出力に基づく相対的なものでもよい。

【００２１】この原理に基づき、温度チューニングを行
う。ＬＤ１５に与える駆動電流に関する情報をＣＰＵ４
６（図２）に取り込むようにした上で、ＣＰＵ４６の制
御の下、温度制御回路４４がペルチェ素子３２を制御し
てブロック３１の温度を順次変化させていく。これによ
り、図３に示すような温度（サーミスタ２５で検出され
たもの）とＬＤ１５の駆動電流との関係を示すグラフが
得られる。そこで、最も電流の少ない温度が最適な温度
であるから、その温度を設定温度として更新する。この
ように設定温度の更新を行うなら、サーミスタ２５の出
力がどのような温度を指示しているかに関係ないのであ
るから、サーミスタ２５の経年変化を補償したことにな
り、同時にブロック３１の機構的・寸法的な経年変化を
も補償したことになる。さらに、波長変換用結晶１８の
温度のコントロールがなされていることも、ブロック３
１の機構的・寸法的な経年変化の補償に役立っている。
波長変換用結晶１８の屈折率は温度依存性があり、その
ことは温度によって屈折率を変化させ、等価的な光路長
を変化させることができることを意味するからである。
ブロック３１の機構的・寸法的な経年変化による共振器
長の変化を、波長変換用結晶１８内の光路長変化によっ
て補償することができるからである。

【００２２】ＬＤ１５の温度についても同様にチューニ
ングを行う。ＣＰＵ４６により温度制御回路４３を制御
し、ペルチェ素子３３によって冷却されるＬＤ１５の温
度を変化させる。このときの各温度（サーミスタ２４に
よって検出したもの）でのＬＤ１５の駆動電流を駆動回
路４２からＣＰＵ４６に取り込むと、ＬＤ１５の温度に
対する駆動電流の関係がＣＰＵ４６において求められる
ことになる。ＬＤ１５の発振波長は温度によって変化
し、所定の発振波長となるような温度となったとき、固
体レーザ装置として外部に出力するレーザ出力は最大と
なる。すなわち、このＬＤ１５の温度と駆動電流との関
係も、図３のようなものとなり、駆動電流が最も小さい
温度が最適温度となる。こうしてＣＰＵ４６において最
適温度が求められたら、これを温度制御回路４３が定め
るべき設定温度としてセットする。これにより、サーミ
スタ２４の経年変化が補償されたことになる。

【００２３】さらに、エタロン１７の温度についても同
様のチューニングを行う。このときも、ヒータ２３によ
り加熱されるエタロン１７の温度を変化させ、選択波長
を変化させる。そして各温度（サーミスタ２６によって
検出したもの）でのＬＤ１５の駆動電流を求め、最も駆
動電流が少なくなる温度を求め、その温度を設定温度と
して温度制御回路４５に与える。このような動作がＣＰ
Ｕ４６によってなされる。ＬＤ１５の駆動電流が最も少
なくなる場合は、エタロン１７の波長選択特性が設計値
に一致したときであるから、サーミスタ２６の特性の経
年変化などを補償したことになる。このようなチューニ
ングが終了したとき、温度制御回路４５はエタロン１７
の温度を最適な温度へと制御することになる。

【００２４】上記のブロック３１、ＬＤ１５およびエタ
ロン１７についての温度チューニングは、定期的に行う
のが望ましい。すなわち、たとえば、毎日始業時の電源
立ち上げ時に、ＣＰＵ４６が温度チューニングについて
のプログラムを自動的に実行して上記の最適温度の探索
とそれへの設定とを行うようにする。あるいは、ＣＰＵ
４６に内蔵の時計によって一定使用時間ごとに温度チュ
ーニングについてのプログラムを自動実行するように構
成してもよい。また、このような自動的な定期チューニ
ングに併用して、問題が生じた場合などに随時マニュア
ルでチューニング動作を行えるようにしておく。

【００２５】なお、上の説明はこの発明の一つの実施形
態に関するものであり、この発明が上で説明した構成に
限定される趣旨でないことはもちろんである。たとえ
ば、上記では光共振器１０の内部に波長変換用結晶１８
を配置しているが、可視光ではなく基本波たる赤外光を
出力させる場合には、この波長変換用結晶１８は不要で
ある。また、ピンホールないしアパーチャなどの開口を
有する光遮蔽板を光共振器１０内あるいは出力側ミラー
１２の直後などに配置して不要な光ビームを除去するよ
うにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の固体レ
ーザ装置によれば、励起光を発生する半導体レーザへ
の、出力レーザのフィードバック制御系を利用し、該半
導体レーザの駆動電流が最も少なくなる温度を、共振器
長を定めるブロック、上記半導体レーザおよび波長選択
用エタロンについてそれぞれ求め、その各温度を設定温
度としてそれぞれの温度制御回路に設定する温度チュー
ニングを行うようにしたので、各温度を検出するそれぞ
れの温度センサの経年変化やブロックの機構的・寸法的
経年変化などを補償し、効率の良いレーザ発振を安定に
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態を示す模式図。

【図２】同実施形態の信号系を示す信号系統図。

【図３】ブロック３１の温度とＬＤ１５の駆動電流との
関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１０光共振器１１固体レーザ結晶１２出力側ミラー１３、１４反射コート１５レーザダイオード（ＬＤ）１６光学系１７エタロン１８波長変換用結晶２１ビームスプリッタ２２モニター用ＰＤ２３ヒータ２４〜２６サーミスタ３１ブロック３２、３３ペルチェ素子３４筐体４１フィードバック制御回路４２ＬＤ１５の駆動回路４３〜４５温度制御回路４６ＣＰＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者東條公資京都府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府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)発明者野田憲秀京都府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)発明者渡辺一馬京都府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)発明者井戸豊京都府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） 5F072 AB01 HH02 JJ02 JJ03 JJ06 KK06 KK08 PP07 QQ01 TT05 TT13 TT14 TT15 TT29 TT30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を発生する半導体レーザと、該
半導体レーザに駆動電流を供給する駆動回路と、上記半
導体レーザからのレーザ光によって励起される、入射面
に反射面が形成された固体レーザ結晶と、該レーザ結晶
の反射面との間で光共振器を形成する反射面を持つ出力
側ミラーと、上記固体レーザ結晶および出力側ミラーが
固定されるブロックと、該光共振器内に挿入される波長
選択用エタロンと、上記出力側ミラーから外部に出力さ
れるレーザ光の分岐光が入力されるモニター用光検出器
と、モニター用光検出器の出力を上記駆動回路へフィー
ドバックすることにより所定出力のレーザ光が外部に出
力されるように制御する制御回路と、上記ブロックの温
度を検出する温度センサを備えそのブロックの温度が設
定温度となるように制御するブロック用温度制御装置
と、上記半導体レーザの温度を検出する温度センサを備
えその半導体レーザの温度が設定温度となるように制御
する半導体レーザ用温度制御装置と、上記エタロンの温
度を検出する温度センサを備えそのエタロンの温度が設
定温度となるように制御するエタロン用温度制御装置
と、上記の各温度制御装置を制御してブロック、半導体
レーザおよびエタロンの温度を各別に変化させたときの
上記半導体レーザ駆動電流を読み取り、最も駆動電流が
少なくなる温度を各別に求めて、それらをブロック用温
度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロ
ン用温度制御装置の各設定温度として設定する温度チュ
ーニング用制御装置とを備えることを特徴とする固体レ
ーザ装置。
【請求項２】温度チューニング用制御装置は電源投入
時に自動起動するよう構成されていることを特徴とする
請求項１記載の固体レーザ装置。
【請求項３】温度チューニング用制御装置は所定の期
間ごとに自動起動するよう構成されていることを特徴と
する請求項１記載の固体レーザ装置。