JP2003174222A - Laser device - Google Patents

Laser device

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JP2003174222A
JP2003174222A JP2001372557A JP2001372557A JP2003174222A JP 2003174222 A JP2003174222 A JP 2003174222A JP 2001372557 A JP2001372557 A JP 2001372557A JP 2001372557 A JP2001372557 A JP 2001372557A JP 2003174222 A JP2003174222 A JP 2003174222A
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JP
Japan
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laser
wavelength
conversion element
wavelength conversion
resonator
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Application number
JP2001372557A
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Inventor
Shinji Inoue
信治 井上
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度依存性が小さい疑似位相整合波長変換素
子を、温度制御システムによって容易に波長整合するこ
とができるレーザ装置を提供する。 【解決手段】 半導体レーザ1からの励起光により、固
体レーザ結晶3が励起され基本波を発生し出力ミラー6
の面6aと固体レーザ結晶3の面3aで構成される共振
器内でレーザ発振する。ホルダ8に取付けられペルチェ
素子10によって温度制御されるらせんコイル回転部1
6により、共振器内に設けられた疑似位相整合波長変換
素子4aが回転され、レーザ光入射角が変化し、疑似位
相整合波長変換素子の変換中心波長と共振器波長との波
長整合がおこなわれ、第2高調波を発振する。そしてそ
の出力がフィードバックされ安定した変換が行なわれ
る。
(57) Abstract: Provided is a laser device capable of easily wavelength-matching a quasi-phase-matched wavelength conversion element having small temperature dependence by a temperature control system. A solid-state laser crystal is excited by excitation light from a semiconductor laser to generate a fundamental wave, and an output mirror is generated.
Oscillates in a resonator constituted by the surface 6a of the solid-state laser crystal 3 and the surface 3a of the solid-state laser crystal 3. Spiral coil rotating unit 1 attached to holder 8 and temperature-controlled by Peltier element 10
6, the quasi phase matching wavelength conversion element 4a provided in the resonator is rotated, the laser beam incident angle is changed, and wavelength conversion between the conversion center wavelength of the quasi phase matching wavelength conversion element and the resonator wavelength is performed. , And oscillates the second harmonic. The output is fed back to perform stable conversion.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ装置に係わ
り、特に、半導体レーザ励起によるレーザ媒質を用い、
共振器内に設けられた非線形光学結晶によって第2高調
波をレーザ発振するレーザ装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser device, and more particularly to a laser medium excited by a semiconductor laser,
The present invention relates to a laser device which oscillates a second harmonic by a non-linear optical crystal provided in a resonator.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体レーザの高効率化を実現する手法と
して励起光源に半導体レーザ(LD)を用いる方法が普
及している。LDを用いることによって、固体レーザ結
晶の吸収ピークを効率的に励起することが可能であり、
さらにLD自体の電流―光出力効率が高いため、余分な
エネルギーを必要としないなどの利点がある。半導体レ
ーザ(LD)励起固体レーザ装置はその特徴である低電
力、小型、長寿命、取扱いのし易さなどにより、研究用
はもちろん工業的にも多く用いられている。
2. Description of the Related Art A method of using a semiconductor laser (LD) as an excitation light source has become widespread as a method of realizing high efficiency of a solid-state laser. By using the LD, it is possible to efficiently excite the absorption peak of the solid-state laser crystal,
Further, since the current-light output efficiency of the LD itself is high, there is an advantage that extra energy is not required. A semiconductor laser (LD) pumped solid-state laser device is widely used not only for research but also industrially because of its features such as low power, small size, long life, and easy handling.

【0003】図5に従来のLD励起固体レーザ装置を示
す。ここでは青色レーザを実現するために、半導体レー
ザ1(LD)と、固体レーザ結晶3としてNd:YAG
結晶、波長変換用の非線形光学結晶4としてKNbO
(KN)結晶を用いたLD励起固体レーザ装置について説
明する。この装置では、半導体レーザ1から出力された
励起光(809nm)が、レンズ2を通過し、固体レー
ザ結晶3(Nd:YAG結晶)に集光される。固体レー
ザ結晶3(Nd:YAG結晶)により出力された基本波
(946nm)は、固体レーザ結晶3(Nd:YAG結
晶)の面3aと出力ミラー6の面6aの凹面に、基本波
(946nm)に対して高反射コーティングが施されて
構成された共振器内に閉じこめられレーザ発振に至る。
FIG. 5 shows a conventional LD pumped solid state laser device. Here, in order to realize a blue laser, a semiconductor laser 1 (LD) and Nd: YAG as a solid-state laser crystal 3 are used.
KNbO 3 as a crystal, a nonlinear optical crystal 4 for wavelength conversion
An LD pumped solid state laser device using a (KN) crystal will be described. In this device, the excitation light (809 nm) output from the semiconductor laser 1 passes through the lens 2 and is focused on the solid-state laser crystal 3 (Nd: YAG crystal). The fundamental wave (946 nm) output by the solid-state laser crystal 3 (Nd: YAG crystal) is the fundamental wave (946 nm) on the concave surface of the surface 3a of the solid-state laser crystal 3 (Nd: YAG crystal) and the surface 6a of the output mirror 6. The laser is oscillated by being confined in a resonator formed by applying a high-reflection coating.

【0004】この共振器内に波長変換用の非線形光学結
晶4(KNbO(KN)結晶)を挿入することにより、
基本波(946nm)が、波長変換用のKNbO(K
N)結晶から第2高調波(473nm)を誘発する。出
力ミラー6は、基本波(946nm)を反射し、第2高
調波(473nm)を透過するように面6aにコーティ
ングが施されており、波長変換用のKNbO(KN)結
晶(非線形光学結晶4)からの第2高調波(473n
m)は、出力ミラー6を透過し外部に出力される。そし
て、エタロン5が、共振器内の第2高調波発生の際に縦
モード競合によって引き起こされる出力不能やモードホ
ップ等のノイズ等の発生を抑えるために、挿入されて発
振縦モードを単一波長化している。
By inserting a nonlinear optical crystal 4 (KNbO 3 (KN) crystal) for wavelength conversion into this resonator,
The fundamental wave (946 nm) is KNbO 3 (K
N) Induce the second harmonic (473 nm) from the crystal. The output mirror 6 is coated on the surface 6a so as to reflect the fundamental wave (946 nm) and transmit the second harmonic (473 nm), and the KNbO 3 (KN) crystal (nonlinear optical crystal) for wavelength conversion is used. 4) 2nd harmonic (473n
m) is transmitted through the output mirror 6 and output to the outside. Then, the etalon 5 is inserted to suppress the generation of noise such as output failure or mode hop caused by longitudinal mode competition when the second harmonic is generated in the resonator, and the oscillation longitudinal mode is a single wavelength. It has become.

【0005】上記のように、非線形光学結晶4(KNb
(KN)結晶)を用いた第2高調波による可視光レー
ザの研究・開発は盛んに行われており、その中で、ロー
ノイズ出力のレーザ光の要望が非常に多くなっている。
通常、内部共振器型の第2高調波の発生においては縦モ
ード競合やモードホップ等によるノイズ等が発生する。
その発生を抑えるための最も簡易な方法として、共振器
内にエタロン5を挿入し発振縦モード単一化(単一波長
化)する方法が古くから試みられている。
As described above, the nonlinear optical crystal 4 (KNb
Research and development of visible light lasers with second harmonics using O 3 (KN) crystal are actively conducted, and among them, there is a great demand for laser light with low noise output.
Normally, in the generation of the internal resonator type second harmonic, longitudinal mode competition, noise due to mode hopping, etc. occur.
As a simplest method for suppressing the occurrence, a method of inserting the etalon 5 into the resonator and unifying the oscillation longitudinal mode (single wavelength) has been tried for a long time.

【0006】共振器内にエタロン5を挿入して使う場
合、その厚さの設計では、固体レーザ結晶3(Nd:Y
AG結晶)のゲイン幅や共振器により決定される縦モー
ド間隔を考慮する必要がある。最適化されたエタロン5
は、その透過ピーク位置が移動しない様に、エタロン5
の温度が一定に保たれる。しかし、エタロン5のみを温
度調整してもレーザ共振器が置かれている環境温度変化
や、レーザ共振器に用いられた光学素子等が、励起光あ
るいはレーザ発振を起しているレーザ光(基本波)など
により、何らかの形で温度変化を起し、実効的な共振器
長が変化する。この実効的共振器長の変化はレーザ発振
波長のシフトを意味し、レーザ発振波長が変化すれば、
エタロン5の透過ピーク位置に対して移動することとな
り、温度を一定に保ったエタロン5の透過ピークとレー
ザ発振波長にズレを生じ、安定な低ノイズでのレーザ発
振を行う事が出来なくなり、最悪の場合モードホップや
ノイズが発生する。
When the etalon 5 is used by inserting it in the resonator, the solid laser crystal 3 (Nd: Y) is used in the thickness design.
It is necessary to consider the gain width of the AG crystal) and the longitudinal mode interval determined by the resonator. Optimized etalon 5
Is the etalon 5 so that its transmission peak position does not move.
Temperature is kept constant. However, even if the temperature of only the etalon 5 is adjusted, the environmental temperature change in which the laser resonator is placed, the optical element used in the laser resonator, or the like causes excitation light or laser light that causes laser oscillation (basic (Wave) causes a temperature change in some way, and the effective resonator length changes. This change in the effective resonator length means a shift in the laser oscillation wavelength, and if the laser oscillation wavelength changes,
Since it moves to the transmission peak position of the etalon 5, the transmission peak of the etalon 5 that keeps the temperature constant and the laser oscillation wavelength deviate from each other, and stable laser oscillation with low noise cannot be performed. In case of mode hop or noise occurs.

【0007】そのため、図5に示すように、一体型の共
振器になるように、基準板(図示せず)にホルダ7とホ
ルダ8を固定し、ホルダ7に半導体レーザ1、レンズ2
を固定し、ホルダ8に固体レーザ結晶3(Nd:YAG
結晶)、非線形光学結晶4(KNbO(KN)結晶)、
エタロン5、出力ミラー6を接着し、励起部及び共振部
で発熱した熱を、ホルダ7及びホルダ8を介して、電子
冷却素子のペルチェ素子9及びペルチェ素子10で冷却
し、ヒートシンクで放散する方法が用いられている。
Therefore, as shown in FIG. 5, the holder 7 and the holder 8 are fixed to a reference plate (not shown) so as to form an integrated resonator, and the semiconductor laser 1 and the lens 2 are attached to the holder 7.
And the solid-state laser crystal 3 (Nd: YAG
Crystal), nonlinear optical crystal 4 (KNbO 3 (KN) crystal),
A method in which the etalon 5 and the output mirror 6 are adhered to each other, and the heat generated in the excitation section and the resonance section is cooled by the Peltier element 9 and the Peltier element 10 of the electronic cooling element through the holder 7 and the holder 8 and then dissipated by the heat sink. Is used.

【0008】また、レーザ出力を安定させるために、フ
ィードバック回路機構がレーザ共振器外に設けられてい
る。出力ミラー6側より出力されるレーザ光がスプリッ
タ11でその一部が反射し検出器12で捉えられ、その
信号が比較器13に入力されて設定値と比較され、その
増減による制御信号が半導体レーザ1の駆動制御器14
及び温度制御器15にフィードバックされる。そして半
導体レーザ1の出力が制御され、また、温度制御器15
によって光学素子が温度制御され、共振器実効長が調整
され共振波長のシフトが抑制されて、レーザ出力が安定
する。
Further, in order to stabilize the laser output, a feedback circuit mechanism is provided outside the laser resonator. A part of the laser light output from the output mirror 6 side is reflected by the splitter 11 and captured by the detector 12, the signal thereof is input to the comparator 13 and compared with the set value, and the control signal according to the increase / decrease is generated by the semiconductor. Laser 1 drive controller 14
And is fed back to the temperature controller 15. The output of the semiconductor laser 1 is controlled, and the temperature controller 15
The temperature of the optical element is controlled by the optical element, the effective length of the resonator is adjusted, the shift of the resonance wavelength is suppressed, and the laser output is stabilized.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ装置は以
上のように構成されており、使用されているKNbO
(KN)結晶やKTPなどの非線形光学結晶4であれば、
1/2の波長を発生する変換効率のピークの波長が温度
によって依存する量が大きいため、ペルチェ素子10の
温度制御によって、共振器の発振波長に対して最大の変
換効率を出す温度に制御することで、共振器波長と波長
変換素子の変換波長を整合することができた。しかし、
一般に、QPM(Quasi‐Phase‐Match
ing:疑似位相整合)波長変換素子の材料であるタン
タル酸リチウム(LiTaO)やニオブ酸リチウム
(LiNbO)などの結晶は、従来、用いられている
KNbO(KN)結晶やKTPなどの波長変換素子と比
較して、中心波長の温度依存性が小さく、従来のペルチ
ェ素子10を用いた温度制御の手法では、波長整合がと
れないという問題があった。
The conventional laser device is constructed as described above, and the KNbO 3 used is used.
If it is a nonlinear optical crystal 4 such as (KN) crystal or KTP,
Since the wavelength of the peak of the conversion efficiency that generates a half wavelength greatly depends on the temperature, the temperature control of the Peltier element 10 controls the temperature at which the maximum conversion efficiency is obtained with respect to the oscillation wavelength of the resonator. As a result, the resonator wavelength and the conversion wavelength of the wavelength conversion element could be matched. But,
In general, QPM (Quasi-Phase-Match)
ing: Quasi-phase matching) Crystals such as lithium tantalate (LiTaO 3 ) and lithium niobate (LiNbO 3 ) which are materials for the wavelength conversion element have wavelengths conventionally used such as KNbO 3 (KN) crystal and KTP. The temperature dependence of the central wavelength is smaller than that of the conversion element, and the conventional temperature control method using the Peltier element 10 has a problem that wavelength matching cannot be achieved.

【0010】一方、QPMの波長(λ)に対する変換効
率g(λ)は、図6に示すような特性を有し、変換中心
波長の半値幅は0.8nm程度しかなく、この変換中心
波長に共振器の共振波長を整合する必要がある。QPM
の変換中心波長はQPM反転周期に依存し、QPMのド
メイン反転周期により設計がなされるものの、周期につ
いては厳密な精度が求められる。この反転周期を厳密に
共振器波長に整合させるようにQPM波長変換素子を製
作するには、その周期のナノメートルオーダの制御が必
要となり、製造上きわめて難しいという問題がある。
On the other hand, the conversion efficiency g (λ) with respect to the wavelength (λ) of the QPM has the characteristics shown in FIG. 6, and the half width of the conversion center wavelength is only about 0.8 nm. It is necessary to match the resonance wavelength of the resonator. QPM
The conversion center wavelength of 1 depends on the QPM inversion period, and although the design is made based on the QPM domain inversion period, strict accuracy is required for the period. In order to manufacture the QPM wavelength conversion element so that the inversion period is exactly matched with the resonator wavelength, it is necessary to control the period on the order of nanometers, which is extremely difficult to manufacture.

【0011】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、変換中心波長の温度依存性が小さく、
位相整合のために製作精度が要求されるQPM波長変換
素子を、ペルチェ素子などによる温度制御システムによ
って容易に波長整合をとることができるレーザ装置を提
供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and the temperature dependence of the conversion center wavelength is small,
An object of the present invention is to provide a laser device that can easily perform wavelength matching of a QPM wavelength conversion element that requires manufacturing precision for phase matching by a temperature control system such as a Peltier element.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のレーザ装置は、励起光によりレーザ媒質が
励起され発振した基本波のレーザ光により、共振器内に
設けられた疑似位相整合波長変換素子の非線形光学効果
によって第2高調波をレーザ発振するレーザ装置におい
て、レーザ光入射角と前記疑似位相整合波長変換素子の
周期方向との角度を温度制御による熱膨張―収縮によっ
て変化させる回転手段を設け、前記共振器の発振波長と
前記疑似位相整合波長変換素子における変換中心波長と
の整合をとるように構成したものである。
In order to achieve the above object, the laser device of the present invention has a quasi phase provided in a resonator by a laser beam of a fundamental wave oscillated by exciting a laser medium by the pumping light. In a laser device that oscillates a second harmonic by a non-linear optical effect of a matching wavelength conversion element, an angle between a laser light incident angle and a period direction of the quasi phase matching wavelength conversion element is changed by thermal expansion / contraction by temperature control. Rotation means is provided so as to match the oscillation wavelength of the resonator with the conversion center wavelength of the quasi phase matching wavelength conversion element.

【0013】そして、本発明のレーザ装置は、前記回転
手段がらせんコイルを有していることを特徴とする。そ
して、本発明のレーザ装置は、前記回転手段が熱膨張係
数の大きい2本の角度調整ロッドを有していることを特
徴とする。
The laser device of the present invention is characterized in that the rotating means has a spiral coil. The laser device of the present invention is characterized in that the rotating means has two angle adjusting rods having a large coefficient of thermal expansion.

【0014】本発明のレーザ装置は、上記のように構成
されており、半導体レーザを励起光源とし、その励起光
によりレンズを介してレーザ媒質の固体レーザ結晶が励
起され、発振した基本波のレーザ光により、共振器内に
設けられた疑似位相整合波長変換素子の非線形光学結晶
によって第2高調波をレーザ発振する。そして、温度制
御による熱膨張―収縮によって回転する回転手段、例え
ば、らせんコイルが温度により熱膨張―収縮し回転する
機構を設け、それによって疑似位相整合波長変換素子の
非線形光学結晶が回転するように構成し、入射するレー
ザ光に対して疑似位相整合波長変換素子の周期方向との
角度が変化し、共振器の発振波長と疑似位相整合波長変
換素子における変換中心波長との整合が取れるように構
成されている。
The laser device of the present invention is configured as described above, and uses the semiconductor laser as the excitation light source, and the excitation light excites the solid laser crystal of the laser medium through the lens to oscillate the fundamental wave laser. The light causes laser oscillation of the second harmonic by the nonlinear optical crystal of the quasi phase matching wavelength conversion element provided in the resonator. Then, a rotation means that rotates by thermal expansion-contraction by temperature control, for example, a mechanism in which a spiral coil thermally expands-contracts and rotates depending on temperature, is provided to rotate the nonlinear optical crystal of the quasi-phase matching wavelength conversion element. The lasing wavelength of the quasi-phase matching wavelength conversion element changes with respect to the incident laser light, and the oscillation wavelength of the resonator matches the conversion center wavelength of the quasi-phase matching wavelength conversion element. Has been done.

【0015】これにより、変換中心波長の温度依存性が
小さく、且つ、位相整合のために波長変換素子の製作精
度が要求されたQPM波長変換素子を用いて、ペルチェ
素子などによる温度制御システムによって、QPM波長
変換素子の変換中心波長を制御し波長整合をとることが
でき、安定したレーザ出力を得ることができる。
As a result, a temperature control system using a Peltier element or the like can be used by using a QPM wavelength conversion element that has a small temperature dependence of the conversion center wavelength and requires the manufacturing accuracy of the wavelength conversion element for phase matching. The central wavelength of conversion of the QPM wavelength conversion element can be controlled to achieve wavelength matching, and stable laser output can be obtained.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明のレーザ装置の一実施例
を、図1、図2、図3を参照しながら説明する。図1は
本発明のレーザ装置の半導体レーザ1の励起によるレー
ザ装置の断面を示す図である。図2は本発明のレーザ装
置のレーザ光が疑似位相整合波長変換素子4a(以下、
QPM波長変換素子4aと呼ぶ)に入射する角度を変化
させることによって反転層周期Δが変化する様子を示
す。図3は本発明のレーザ装置のQPM波長変換素子4
aを回転する機構を示す図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a laser device of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3. FIG. 1 is a view showing a cross section of a laser device obtained by exciting a semiconductor laser 1 of the laser device of the present invention. FIG. 2 shows that the laser light of the laser device of the present invention is a quasi phase matching wavelength conversion element 4a (hereinafter,
It is shown that the inversion layer period Δ changes by changing the angle of incidence on the QPM wavelength conversion element 4a). FIG. 3 shows the QPM wavelength conversion element 4 of the laser device of the present invention.
It is a figure which shows the mechanism which rotates a.

【0017】本レーザ装置は、励起光(809nm)を
出力する半導体レーザ1と、励起光を共振器内に設けら
れた固体レーザ結晶3の端面に集光するレンズ2と、励
起光によって励起され共振器の一端を形成する面3aを
有しレーザ発振する固体レーザ結晶3(例えば、ブルー
用基本波:946nm発振に対してNd:YAG結晶、
グリーン用基本波:1064nm発振に対してNd:Y
VO結晶等)と、共振器の一端を形成する面6aを有
する出力ミラー6と、共振器内に設けられ発振縦モード
を単一波長化するエタロン5と、らせんコイル回転部1
6に取付けられ、非線形光学効果によって第2高調波を
発生する波長変換用のQPM波長変換素子4a(例え
ば、タンタル酸リチウム(LiTaO)結晶やニオブ
酸リチウム(LiNbO)結晶等)と、レーザ光入射
角とQPM波長変換素子4aの周期方向との角度を温度
制御による熱膨張―収縮によって変化させるらせんコイ
ル回転部16と、固体レーザ結晶3、らせんコイル回転
部16、エタロン5、出力ミラー6などの光学素子を取
付け、冷却用のベルチェ素子10を備えたホルダ8と、
半導体レーザ1、レンズ2を取付け、冷却用のペルチェ
素子9を備えたホルダ7と、レーザ出力光の一部をスプ
リッタ11で捉え検出する検出器12と、検出器12か
らの信号を設定値と比較し増減してフィードバックする
信号を出力する比較器13と、比較器13からの信号に
より半導体レーザ1の駆動を制御する駆動制御器14
と、比較器13からの信号によりペルチェ素子9、10
を制御する温度制御器15とから構成されている。
This laser device is a semiconductor laser 1 which outputs excitation light (809 nm), a lens 2 which collects the excitation light on an end face of a solid-state laser crystal 3 provided in a resonator, and is excited by the excitation light. A solid-state laser crystal 3 having a surface 3a forming one end of a resonator and oscillating a laser (for example, a fundamental wave for blue: Nd: YAG crystal for 946 nm oscillation,
Fundamental wave for green: Nd: Y for 1064nm oscillation
VO 4 crystal or the like), an output mirror 6 having a surface 6a forming one end of the resonator, an etalon 5 provided in the resonator for converting an oscillation longitudinal mode into a single wavelength, and a spiral coil rotating unit 1.
QPM wavelength conversion element 4a (for example, lithium tantalate (LiTaO 3 ) crystal or lithium niobate (LiNbO 3 ) crystal) for wavelength conversion, which is attached to No. 6 and generates a second harmonic by a nonlinear optical effect, and a laser. A spiral coil rotating part 16 for changing the angle between the light incident angle and the periodic direction of the QPM wavelength conversion element 4a by thermal expansion / contraction by temperature control, a solid-state laser crystal 3, a spiral coil rotating part 16, an etalon 5, and an output mirror 6. A holder 8 equipped with an optical element such as, and equipped with a cooling Peltier element 10,
A holder 7 equipped with a semiconductor laser 1 and a lens 2 and equipped with a Peltier element 9 for cooling, a detector 12 for capturing and detecting a part of laser output light with a splitter 11, and a signal from the detector 12 as set values. A comparator 13 that outputs a signal to be compared and increased / decreased and fed back, and a drive controller 14 that controls the driving of the semiconductor laser 1 by the signal from the comparator 13.
And the signal from the comparator 13 causes the Peltier elements 9, 10
And a temperature controller 15 for controlling.

【0018】本レーザ装置の従来の装置と異なるところ
は、図5における第2高調波を発生させる非線形光学結
晶4の波長変換素子に、変換中心波長の温度依存性が小
さく、且つ、位相整合のために波長変換素子の製作精度
が要求されたQPM波長変換素子4aが用いられ、この
QPM波長変換素子4aがらせんコイル回転部16に取
付けられ、らせんコイル回転部16がペルチェ素子10
で温度制御され熱膨張―収縮によって回転することによ
り、レーザ光入射方向とQPM波長変換素子4aの周期
方向との回転角θが変化し、反転層周期が変化して、共
振器の発振波長とQPM波長変換素子4aにおける変換
中心波長との整合が取れるようにしたことにある。
The laser device of the present invention is different from the conventional device in that the wavelength conversion element of the nonlinear optical crystal 4 for generating the second harmonic in FIG. Therefore, the QPM wavelength conversion element 4a, which requires the manufacturing accuracy of the wavelength conversion element, is used. The QPM wavelength conversion element 4a is attached to the spiral coil rotating portion 16, and the spiral coil rotating portion 16 is connected to the Peltier element 10.
When the laser beam is rotated by thermal expansion and contraction under the temperature control by, the rotation angle θ between the laser light incident direction and the period direction of the QPM wavelength conversion element 4a is changed, the inversion layer period is changed, and the oscillation wavelength of the resonator is changed. This is because the QPM wavelength conversion element 4a can be matched with the conversion center wavelength.

【0019】図2(a)は、レーザ光がQPM波長変換
素子4aの反転層周期方向と同じ方向に入射した状態を
示す。このときの反転層周期をΔとし、(b)に示すよ
うに、QPM波長変換素子4aがレーザ光に対して回転
角θだけ回転すると、その反転層周期はΔcosθとな
る。このようにレーザ光に対してQPM波長変換素子4
aを回転させると反転層周期はcosθで変化すること
になる。この回転をらせんコイル回転部16によって行
なうものである。
FIG. 2A shows a state in which the laser light is incident in the same direction as the inversion layer periodic direction of the QPM wavelength conversion element 4a. The inversion layer period at this time is Δ, and as shown in (b), when the QPM wavelength conversion element 4a rotates by the rotation angle θ with respect to the laser light, the inversion layer period becomes Δcos θ. In this way, the QPM wavelength conversion element 4
When a is rotated, the inversion layer period changes with cos θ. This rotation is performed by the spiral coil rotating unit 16.

【0020】QPM波長変換素子4aの回転機構(らせ
んコイル回転部16)は、図3に示すように、ペルチェ
素子10によって冷却されるホルダ8に取付けられた固
定台16bと、その固定台16bの軸受け部分に嵌め込
まれ、QPM波長変換素子4aを上部に取付けて水平に
自由に回転する回転台16aと、回転台16aの下部の
回転台軸16eに一端が固定され他端がホルダ8の固定
ピン16dに固定された熱膨張係数の大きい金属材料か
らなるらせんコイル16cとから構成されている。らせ
んコイル16cは、らせん状になっているため、用いる
金属の膨張係数やペルチェ素子10の温度制御範囲など
によって、適度な長さに設計できる。そして、ホルダ8
がペルチェ素子10で冷却され、クーラ機構によって、
らせんコイル16cが伸縮し、発生する回転力が回転台
軸16eに伝達され、回転台16aが回転し、取付けら
れたQPM波長変換素子4aが冷却温度に応じて水平方
向に回転角θだけ回転する。
As shown in FIG. 3, the rotating mechanism (helical coil rotating portion 16) of the QPM wavelength converting element 4a includes a fixed base 16b attached to the holder 8 cooled by the Peltier device 10 and a fixed base 16b thereof. A rotary base 16a which is fitted in the bearing part and has the QPM wavelength conversion element 4a mounted on the upper part and which is freely rotatable horizontally. One end is fixed to the rotary base shaft 16e below the rotary base 16a and the other end is a fixing pin of the holder 8. The spiral coil 16c is fixed to 16d and is made of a metal material having a large thermal expansion coefficient. Since the spiral coil 16c has a spiral shape, it can be designed to have an appropriate length depending on the expansion coefficient of the metal used and the temperature control range of the Peltier element 10. And holder 8
Is cooled by the Peltier element 10, and by the cooler mechanism,
The spiral coil 16c expands and contracts, the generated rotational force is transmitted to the rotary base shaft 16e, the rotary base 16a rotates, and the attached QPM wavelength conversion element 4a rotates in the horizontal direction by a rotation angle θ according to the cooling temperature. .

【0021】通常、レーザ装置の共振器の基台になるホ
ルダ8及びホルダ7は、膨張係数の小さい材料により構
成され、環境温度変化に対して大きく変化しないよう
に、ペルチェ素子10及びペルチェ素子9などにより温
度が一定に保たれている。同様に、固体レーザ結晶3、
らせんコイル回転部16(QPM波長変換素子4a)、
エタロン5、出力ミラー6等の光学素子や、半導体レー
ザ1、レンズ2が、ホルダ8及びホルダ7に固定され、
その環境温度はもちろん、レーザ発振させるための励起
光や一旦発振した基本波による温度変化により、膨張・
屈折率変化の影響で、実効的共振器長が変化し、発振波
長がシフトすることから、取付け位置と材料を工夫し、
温度変化による波長シフトを抑制、あるいは阻止するよ
うに光学素子が取付けられる。そして、ホルダ8を介し
て、共振器全体がペルチェ素子10等を用いたヒータ及
びクーラからなる熱制御によって温度が一定になる様に
制御される。特に、エタロン5はその透過ピーク位置の
変動を抑えるため、他の光学素子とは別に温度調整が行
なわれることもある。また、QPM波長変換素子4aを
取付けたらせんコイル回転部16の冷却を個別の温度調
節によって行ってもよい。
Usually, the holder 8 and the holder 7, which are the base of the resonator of the laser device, are made of a material having a small expansion coefficient, and are made of a Peltier element 10 and a Peltier element 9 so as not to largely change with respect to changes in environmental temperature. For example, the temperature is kept constant. Similarly, the solid-state laser crystal 3,
Spiral coil rotating unit 16 (QPM wavelength conversion element 4a),
Optical elements such as the etalon 5 and the output mirror 6, the semiconductor laser 1 and the lens 2 are fixed to the holder 8 and the holder 7,
Not only the ambient temperature, but also expansion due to temperature changes due to the excitation light for laser oscillation and the fundamental wave once oscillated.
The effective resonator length changes due to the influence of the refractive index change, and the oscillation wavelength shifts.
Optical elements are attached so as to suppress or prevent wavelength shift due to temperature change. Then, through the holder 8, the entire resonator is controlled by the heat control including the heater and the cooler using the Peltier element 10 or the like so that the temperature becomes constant. In particular, the etalon 5 may be temperature-adjusted separately from other optical elements in order to suppress the fluctuation of the transmission peak position. Further, the spiral coil rotating unit 16 to which the QPM wavelength conversion element 4a is attached may be cooled by individual temperature adjustment.

【0022】次に、図1に示す本レーザ装置の動作につ
いて説明する。半導体レーザ1から出力された励起光
(809nm)が、レンズ2を通過し、固体レーザ結晶
3(Nd:YAG結晶)に集光される。固体レーザ結晶
3(Nd:YAG結晶)により出力された基本波(94
6nm)は、固体レーザ結晶3(Nd:YAG結晶)の
面3aと出力ミラー6の面6aの凹面に、基本波(94
6nm)に対して高反射コーティングが施されて構成さ
れた共振器内に閉じこめられレーザ発振に至る。この共
振器内に波長変換用のQPM波長変換素子4a(LiT
aO結晶、LiNbO結晶等)が、らせんコイル回
転部16上に接着剤等によって固定されレーザ光中に挿
入され、らせんコイル回転部16が温度制御器15によ
ってホルダ8を介しペルチェ素子10で温度制御され
る。
Next, the operation of the laser device shown in FIG. 1 will be described. Excitation light (809 nm) output from the semiconductor laser 1 passes through the lens 2 and is focused on the solid-state laser crystal 3 (Nd: YAG crystal). The fundamental wave (94) output by the solid-state laser crystal 3 (Nd: YAG crystal)
6 nm) on the concave surface of the surface 3a of the solid-state laser crystal 3 (Nd: YAG crystal) and the surface 6a of the output mirror 6 (94 nm).
6 nm) is confined in a resonator constituted by applying a highly reflective coating, and laser oscillation occurs. A QPM wavelength conversion element 4a (LiT
aO 3 crystal, LiNbO 3 crystal, etc.) are fixed on the spiral coil rotating part 16 by an adhesive or the like and inserted into the laser beam, and the spiral coil rotating part 16 is connected to the Peltier element 10 via the holder 8 by the temperature controller 15. Temperature controlled.

【0023】そして、温度制御によって、らせんコイル
回転部16のらせんコイル16cが伸縮し、回転台16
aが回転し、QPM波長変換素子4aが水平方向に回転
し、そのため反転層周期が変化し、変換中心波長が制御
され、共振器の発振波長とQPM波長変換素子4aにお
ける変換中心波長との整合がとられ、QPM波長変換素
子4aから第2高調波(473nm)が効率よく誘発さ
れる。出力ミラー6は、基本波(946nm)を反射
し、第2高調波(473nm)を透過するように面6a
にコーティングが施されており、QPM波長変換素子4
aからの第2高調波(473nm)は、出力ミラー6を
透過し外部に出力される。そして、エタロン5が、共振
器内の第2高調波発生の際に縦モード競合によって引き
起こされる出力不能やモードホップ等のノイズ等の発生
を抑えるために、挿入されて発振縦モードを単一波長化
している。
Then, by controlling the temperature, the spiral coil 16c of the spiral coil rotating portion 16 expands and contracts, and the rotary table 16
a rotates, the QPM wavelength conversion element 4a rotates in the horizontal direction, the inversion layer period changes, the conversion center wavelength is controlled, and the oscillation wavelength of the resonator matches the conversion center wavelength in the QPM wavelength conversion element 4a. Therefore, the second harmonic (473 nm) is efficiently induced from the QPM wavelength conversion element 4a. The output mirror 6 reflects the fundamental wave (946 nm) and transmits the second harmonic wave (473 nm) on the surface 6a.
Coating on the QPM wavelength conversion element 4
The second harmonic wave (473 nm) from a is transmitted through the output mirror 6 and output to the outside. Then, the etalon 5 is inserted to suppress the generation of noise such as output failure or mode hop caused by longitudinal mode competition when the second harmonic is generated in the resonator, and the oscillation longitudinal mode is a single wavelength. It has become.

【0024】フィードバック回路機構がレーザ共振器外
に設けられ、出力ミラー6側より出力されるレーザ光
が、スプリッタ11でその一部が反射し検出器12で捉
えられ、その信号が比較器13に入力されて設定値と比
較され、その増減による制御信号が半導体レーザ1の駆
動制御器14及び温度制御器15にフィードバックされ
る。そして半導体レーザ1の出力が制御され、また、温
度制御器15によって光学素子およびらせんコイル回転
部16が温度制御され、共振器の発振波長とQPM波長
変換素子4aにおける変換中心波長との整合が取られ、
また、共振器実効長が調整されて、常に高い変換効率で
QPM波長変換素子4aが使用され、共振器の共振波長
が経時的にずれることがあっても、安定したレーザ出力
を得ることができる。
A feedback circuit mechanism is provided outside the laser resonator, a part of the laser light output from the output mirror 6 side is reflected by the splitter 11 and captured by the detector 12, and the signal thereof is sent to the comparator 13. The input signal is compared with the set value, and the control signal according to the increase / decrease is fed back to the drive controller 14 and the temperature controller 15 of the semiconductor laser 1. Then, the output of the semiconductor laser 1 is controlled, and the temperature controller 15 controls the temperature of the optical element and the spiral coil rotating unit 16 to match the oscillation wavelength of the resonator with the conversion center wavelength of the QPM wavelength conversion element 4a. The
Further, the effective length of the resonator is adjusted, the QPM wavelength conversion element 4a is always used with high conversion efficiency, and a stable laser output can be obtained even if the resonance wavelength of the resonator deviates with time. .

【0025】次に、本レーザ装置の他の実施例を、図4
を参照しながら説明する。図4はQPM波長変換素子4
aを上部から見た図を示す。図1で示すらせんコイル回
転部16に代わって、熱膨張係数が大きい2本の金属棒
の角度調整ロッド17の両端を、直接、QPM波長変換
素子4aの対角2隅と他端をホルダ8に、回転関節機構
(角度調整ロッド17をどの方向に向けても力の伝達が
できるようにした機構)で連結し、温度制御によって角
度調整ロッド17が熱膨張することにより、QPM波長
変換素子4aを回転中心16fで水平方向に回転するよ
うにしたものである。
Next, another embodiment of this laser device will be described with reference to FIG.
Will be described with reference to. FIG. 4 shows a QPM wavelength conversion element 4
The figure which looked at a from the upper part is shown. Instead of the spiral coil rotating part 16 shown in FIG. 1, two ends of an angle adjusting rod 17 of two metal rods having a large thermal expansion coefficient are directly attached to the holder 8 at two diagonal corners and the other end of the QPM wavelength conversion element 4a. To the QPM wavelength conversion element 4a by thermally rotating the angle adjusting rod 17 by controlling the temperature by connecting a rotary joint mechanism (a mechanism in which the force can be transmitted in any direction to the angle adjusting rod 17). Is rotated horizontally about the rotation center 16f.

【0026】従来、QPM波長変換素子4aの変換波長
と共振器波長を厳密に整合することは困難であったが、
本発明のレーザ装置は、従来よく用いられているペルチ
ェ素子10、9などの熱制御の方法をそのまま用いて、
QPM波長変換素子4aの角度を制御することでQPM
波長変換素子4aの変換波長と共振器波長の整合を容易
にとることができる。
Conventionally, it was difficult to strictly match the conversion wavelength of the QPM wavelength conversion element 4a and the resonator wavelength,
The laser device of the present invention uses the heat control method of the Peltier elements 10 and 9 which has been conventionally used as it is,
QPM by controlling the angle of the QPM wavelength conversion element 4a
The conversion wavelength of the wavelength conversion element 4a and the resonator wavelength can be easily matched.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明のレーザ装置は上記のように構成
されており、半導体レーザ励起固体レーザ装置の共振器
内に、疑似位相整合波長変換素子の非線形光学結晶が設
けられ温度制御による熱膨張―収縮によって回転する回
転機構が、疑似位相整合波長変換素子を回転し、入射す
るレーザ光に対して疑似位相整合波長変換素子の周期方
向との角度を変化させ、共振器の発振波長と疑似位相整
合波長変換素子の変換中心波長との整合をとるようにし
て、第2高調波のレーザが発振する。そのため、製作精
度が要求され変換中心波長の温度依存性が小さい疑似位
相整合波長変換素子を、ペルチェ素子などによる従来か
らの温度制御システムで制御して、波長整合をとること
ができ、安定したレーザ出力を得ることができる。
The laser device of the present invention is configured as described above, and the nonlinear optical crystal of the quasi phase matching wavelength conversion element is provided in the resonator of the semiconductor laser pumped solid-state laser device, and the thermal expansion by temperature control is performed. -The rotation mechanism that rotates due to contraction rotates the quasi-phase matching wavelength conversion element, changes the angle with the period direction of the quasi-phase matching wavelength conversion element with respect to the incident laser light, and the oscillation wavelength of the resonator and the quasi-phase The second harmonic laser oscillates so as to match the conversion center wavelength of the matching wavelength conversion element. Therefore, a quasi-phase-matching wavelength conversion element, which requires high manufacturing accuracy and has a small temperature dependence of the conversion center wavelength, can be wavelength-matched by controlling with a conventional temperature control system such as a Peltier element, and a stable laser can be obtained. You can get the output.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明のレーザ装置の一実施例を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a laser device of the present invention.

【図2】 図1の実施例による疑似位相整合波長変換素
子の反転層周期の変化を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a change in inversion layer period of the quasi phase matching wavelength conversion element according to the embodiment of FIG.

【図3】 本発明のレーザ装置のらせんコイル回転部を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a spiral coil rotating portion of the laser device of the present invention.

【図4】 本発明のレーザ装置の他の実施例を示す図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing another embodiment of the laser device of the present invention.

【図5】 従来のレーザ装置を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a conventional laser device.

【図6】 疑似位相整合波長変換素子の波長に対する変
換効率特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing conversion efficiency characteristics with respect to wavelength of a quasi phase matching wavelength conversion element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体レーザ 2…レンズ 3…固体レーザ結晶 3a、6a…面 4…非線形光学結晶 4a…疑似位相整合波長変換素子(QPM波長変換素
子) 5…エタロン 6…出力ミラー 7、8…ホルダ 9、10…ペルチェ素子 11…スプリッタ 12…検出器 13…比較器 14…駆動制御器 15…温度制御器 16…らせんコイル回転部 16a…回転台 16b…固定台 16c…らせんコイル 16d…固定ピン 16e…回転台軸 16f…回転中心 17…角度調整ロッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser 2 ... Lens 3 ... Solid-state laser crystal 3a, 6a ... Surface 4 ... Nonlinear optical crystal 4a ... Quasi phase matching wavelength conversion element (QPM wavelength conversion element) 5 ... Etalon 6 ... Output mirror 7, 8 ... Holder 9, 10 ... Peltier element 11 ... Splitter 12 ... Detector 13 ... Comparator 14 ... Drive controller 15 ... Temperature controller 16 ... Helical coil rotating part 16a ... Rotating base 16b ... Fixed base 16c ... Helical coil 16d ... Fixed pin 16e ... Rotation Base shaft 16f ... Rotation center 17 ... Angle adjustment rod

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】励起光によりレーザ媒質が励起され発振し
た基本波のレーザ光により、共振器内に設けられた疑似
位相整合波長変換素子の非線形光学効果によって第2高
調波をレーザ発振するレーザ装置において、レーザ光入
射角と前記疑似位相整合波長変換素子の周期方向との角
度を温度制御による熱膨張―収縮によって変化させる回
転手段を設け、前記共振器の発振波長と前記疑似位相整
合波長変換素子における変換中心波長との整合を取るよ
うにしたことを特徴とするレーザ装置。
1. A laser device which oscillates a second harmonic by a nonlinear optical effect of a quasi phase matching wavelength conversion element provided in a resonator, by a laser light of a fundamental wave oscillated by exciting a laser medium by the excitation light. In, a rotation means for changing the angle between the laser light incident angle and the period direction of the quasi phase matching wavelength conversion element by thermal expansion-contraction by temperature control is provided, and the oscillation wavelength of the resonator and the quasi phase matching wavelength conversion element. A laser device characterized by being matched with the conversion center wavelength in.
【請求項2】前記回転手段がらせんコイルを有している
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ装置。
2. The laser device according to claim 1, wherein the rotating means has a spiral coil.
【請求項3】前記回転手段が熱膨張係数の大きい2本の
角度調整ロッドを有していることを特徴とする請求項1
記載のレーザ装置。
3. The rotating means has two angle adjusting rods having a large coefficient of thermal expansion.
The laser device described.
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