JP2003158318A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な構成で、高コスト化を招くこと
なしに、レーザ光出力における高周波ノイズを低減す
る。 【解決手段】 出力されるレーザ光を分岐した光をＰＤ
２２に入射させてこのＰＤ２２よりモニター出力を得、
このモニター出力をハイパスフィルタ４８に通すことに
よって高周波ノイズ成分を取り出し、これをＣＰＵ４６
に取り込んで監視するようにしたうえで、ＣＰＵ４６が
温度制御回路４３〜４５を制御して共振器ブロック３
１、ＬＤ１５、エタロン１７のそれぞれの温度を別個に
変化させ、高周波ノイズ成分が最も少なくなる最適温度
をそれぞれ求め、これらの最適温度を、温度制御回路４
３〜４５における設定温度としてセットするという温度
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】さらに、従来では、レーザ出力を安定化す
るためのＡＰＣ（ Auto Power Control ）回路が備えら
れる。これは、出力されるレーザ光の一部を分岐して半
導体レーザの駆動電流にフィードバックさせるフィード
バック制御回路であり、所定の値（設定値）との間の偏
差がなくなるよう駆動電流を増減させる。 【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レーザ出力に高周波ノイズが生じる
ことについては無力であるという問題があった。すなわ
ち、ノイズ成分はＤＣから数ＭＨｚ程度までの周波数域
に生じ、そのうちの１ＫＨｚ程度までの低周波分につい
ては上記のＡＰＣ回路によって低減することがなるほど
可能ではあるが、それ以上高い周波数域のノイズについ
てはＡＰＣ回路では対処できない。つまり、ここで言う
ノイズというのは、レーザ出力（振幅）の時間的変動を
指し、その変動速度が遅い場合はＡＰＣ回路で対処でき
るが、速い場合はＡＰＣ回路では対処できないこととな
る。 【０００５】そして、この固体レーザ装置の多くのアプ
リケーションにおいて、ランプ代用の照明などの用途を
除いて、レーザ出力に高周波ノイズが多いことは使用上
の不都合をもたらす。たとえば、高周波ノイズが多い場
合には、計測用の光源としては使用できない。そこで、
この固体レーザ装置の長期間の使用により高周波ノイズ
が増大してきたときは、製造元に送って高周波ノイズが
少なくなるような再調整を受ける必要があった。 【０００６】この発明は、上記に鑑み、比較的簡単な構
成で、高コスト化を招くことなしに、高周波ノイズを低
減できるように改善した、固体レーザ装置を提供するこ
とを目的とする。 【０００７】 【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共振器ブロ
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
制御する自動出力調整回路と、上記共振器ブロックの温
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共振器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、上記モニター用光検出器出力から高周波ノイズ成
分を取り出すフィルタと、該ノイズ成分を監視しながら
上記の各温度制御装置を制御して共振器ブロック、半導
体レーザおよびエタロンの温度を各別に変化させ、上記
のノイズ成分が最も少なくなる最適温度をそれぞれにつ
いて求め、その各最適温度を各温度制御装置における設
定温度としてセット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。 【０００８】モニター用光検出器には、固体レーザ装置
から外部に出力されるレーザ光の一部を分岐した光が入
力されている。このモニター用光検出器の出力は、自動
出力調整回路に入力され、固体レーザ結晶を励起するた
めの半導体レーザに駆動電流を与える駆動回路へとフィ
ードバックされる。自動出力調整回路では、モニター出
力を所定の設定値と比較しており、その偏差がなくなる
よう、駆動電流を増減し、こうして固体レーザ装置から
外部に出力されるレーザ光の出力が上記の設定値となる
ように制御している。他方、このモニター出力の高周波
成分は、高域通過フィルタなどにより取り出される。こ
の高周波成分というのは、固体レーザ装置から外部に出
力されるレーザ出力の高い周波数での変動成分であり、
ノイズである。このノイズ成分の監視下、共振器ブロッ
ク、半導体レーザおよびエタロンの温度が各別に変化さ
せられる。このように温度を変えてみると、温度によっ
てノイズ成分の大きさが変化することがわかる。そこ
で、このような温度スウィープにより、ノイズ成分が最
も少なくなる温度を求めることが可能となる。こうし
て、共振器ブロック、半導体レーザおよびエタロンのそ
れぞれにつき、ノイズ成分が最も少なくなる最適温度が
求められることになる。この最適温度は、共振器ブロッ
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において、それぞれ設定温度と
して設定される。これらの温度制御装置は、共振器ブロ
ック、半導体レーザおよびエタロンのそれぞれの温度が
その設定温度となるように制御する。そのため、この温
度チューニングが終了すれば、高周波ノイズが最も少な
い状態でレーザ光の出力がなされるようになる。なお、
この温度チューニングは適宜行うことができるが、電源
投入の都度行うようプログラムしたり、あるいは一定使
用時間ごとにこの温度チューニングプログラムが自動的
に走るよう構成したりすることもできる。この温度チュ
ーニングのために必要な構成としては、出力されるレー
ザ光から高周波ノイズ成分を取り出し、それをモニター
しながら温度を変化させるという構成だけでよいので、
従来のＡＰＣのための構成の大部分を流用でき、高コス
ト化を招かない。 【０００９】 【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。 【００１０】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。 【００１１】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。 【００１２】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。 【００１３】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。 【００１４】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の出力はローパスフィルタ４７およびＡＰＣ回路４
１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。ローパスフィルタ４７
としては、たとえば１ＫＨｚ程度より低周波側を通すよ
うな周波数特性のものが使用される。ＡＰＣ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。 【００１５】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。 【００１６】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。 【００１７】この場合、各温度の設定値は工場出荷時に
おける調整によって適宜定められている。しかしなが
ら、長期間の使用による経年変化や環境変化などによっ
てこれらの設定温度が適切な温度からずれてくることが
ある。そのような場合にＣＰＵ４６の制御の下で以下の
ような温度チューニングを行う。 【００１８】温度チューニング時、ＣＰＵ４６は温度制
御回路４３〜４５の各設定温度を変化させて、これらが
制御する共振器ブロック３１、ＬＤ１５およびエタロン
１７の温度を変化させていく。このとき、ＣＰＵ４６
は、ＰＤ２２からのモニター出力をハイパスフィルタ４
８を介して取り込んでいる。このハイパスフィルタ４８
はたとえば１ＫＨｚ程度より高周波側を通すような周波
数特性のものを使用する。こうして、ＣＰＵ４６は、Ｐ
Ｄ２２の出力の高周波ノイズ成分の監視を行いつつ、上
記のように各温度をそれぞれ別個に変化させる。これに
より、ＣＰＵ４６は、高周波ノイズ成分が最も少なくな
る最適温度を、共振器ブロック３１、ＬＤ１５およびエ
タロン１７のそれぞれにつきサーチすることができる。 【００１９】こうして最適温度がそれぞれ求められた
ら、それらの温度を設定温度として、温度制御回路４３
〜４５の各々にセットする。このような温度チューニン
グが終了すれば、共振器ブロック３１、ＬＤ１５および
エタロン１７は、高周波ノイズが最も少なくなる温度に
保たれるようになるため、固体レーザ装置から出力され
るレーザ光における高周波ノイズを低減することができ
る。 【００２０】こ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、ＣＰＵ４
６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、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な余地を残してお
くことも望ましい。 【００２１】この温度チューニングを実行するための構
成としては、ほとんどハイパスフィルタ４８を追加する
程度で済むため、コストがかさむことはない。すなわ
ち、レーザ光出力をモニターするためのＰＤ２２はＡＰ
Ｃのために従来より用いられているし、ＣＰＵ４６は一
般的な制御のためにも必要であるため、追加する構成は
ハイパスフィルタ４８だけにすぎない。 【００２２】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。 【００２３】 【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、少しの追加部品などで温度チューニ
ングを行って高周波ノイズが最も少なくなる温度をサー
チしてその温度となるように温度制御を行うようにして
いるため、比較的簡単な構成で、高コスト化を招くこと
なしに、レーザ光出力における高周波ノイズを低減でき
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。 【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ＰＤ ２３ ヒータ ２４〜２６ サーミスタ ３１ 共振器ブロック ３２、３３ ペルチェ素子 ３４ 筐体 ４１ ＡＰＣ回路 ４２ ＬＤ１５の駆動回路 ４３〜４５ 温度制御回路 ４６ ＣＰＵ ４７ ローパスフィルタ ４８ ハイパスフィルタ

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 HH06 JJ02 JJ03 JJ06 JJ08 KK05 KK06 KK08 PP07 QQ01 TT05 TT13 TT14 TT15 TT28 TT29 TT30

Claims (1)

1. 【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
   固定される共振器ブロックと、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自動出力調整回路と、上
   記共振器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共振
   器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、上記モニター用光検出器出
   力から高周波ノイズ成分を取り出すフィルタと、該ノイ
   ズ成分を監視しながら上記の各温度制御装置を制御して
   共振器ブロック、半導体レーザおよびエタロンの温度を
   各別に変化させ、上記のノイズ成分が最も少なくなる最
   適温度をそれぞれについて求め、その各最適温度を各温
   度制御装置における設定温度としてセットする温度チュ
   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。