JP2003198018A - 光励起型固体レーザ発振器 - Google Patents

光励起型固体レーザ発振器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度制御のための電力を用いることなく、レ
ーザ出力を安定化させることができる光励起型固体レー
ザ発振器を提供する。 【解決手段】 予め決められた波長帯域の光源と、この
帯域で光を吸収するレーザ媒体とを備え、上記のレーザ
媒体は、波長に従って、光の吸収率が増大する特性をも
ち、上記の光源は、波長に従って、光の放射エネルギー
が低下する特性をもった構成とする。また、複数の波長
帯域でレーザ媒体の光励起を行うレーザ発振器におい
て、第１の波長帯域の光源と、第２の波長帯域の光源
と、上記の２つの帯域で光を吸収するレーザ媒体とを備
え、上記のレーザ媒体は、第１の波長帯域において、波
長が増えるに従って、光の吸収率が減少する特性をも
ち、第２の波長帯域において、波長が増えるに従って、
光の吸収率が増大する特性をもつ構成とする。

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、光ポンピングを
行う固体レーザ発振器で、特に、光励起媒体あるいはレ
ーザ媒体の温度変化に対するレーザ発振出力の依存性を
小さくすることのできる光励起型固体レーザ発振器に関
している。
【０００２】
【従来の技術】人口衛星、航空機、車両などの輸送機関
内では、使用できる電力が制限されている場合が多い。
このため、輸送機関内で波長の安定なレーザ発振器を使
う場合、効率の高いレーザダイオード（ＬＤ）励起の固
体レーザ発振器が使われることが多い。
【０００３】しかし、以下に詳しく説明する様に、ＬＤ
励起の固体レーザは動作温度によってＬＤの波長が変化
し、これによりレーザ結晶が吸収する励起光の吸収率も
変化してレーザ出力が変動する。
【０００４】まず、励起用ＬＤは通常０．３ｎｍ／℃の
波長温度特性があり、ＬＤの動作温度範囲幅を５０度と
すると、その発光波長の変動幅は、１５ｎｍである。
【０００５】また、ＬＤ励起固体レーザに使われるレー
ザロッドの励起光吸収スペクトルは、レーザ活性元素で
あるＮｄ等の励起準位の分布に対応して、狭線幅のスペ
クトルの集合である。図５は、固体レーザ励起用アレイ
型ＬＤの通常の発振波長幅４ｎｍの分解能での、Ｎｄ：
ＹＡＧ結晶の励起光吸収スペクトルを示す。図５で波長
８０８ｎｍの吸収ピークを含む８０２〜８１７ｎｍの波
長では、吸収係数は３．８ｃｍ-1から１．２ｃｍ-1まで
変動する。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶内の励起光伝搬長を８ｍｍ
とすると、これに対応して吸収率は波長に対して図６の
ように９５％から６２％に変化する。
【０００６】従来のレーザ設計は、励起光波長をロッド
の吸収の最も高い８０８ｎｍとして、この条件で最適な
レーザ発振が得られるように設計していた。そのため、
ＬＤの温度が変化して波長がずれると励起光の吸収が減
少し、レーザ出力も減少していた。これを防止するた
め、ＬＤ温度を一定に保つ必要があり、温度制御機構が
必要であった。ところが、光励起媒体やレーザ媒体の温
度を制御するには、以下に示す様に比較的大きな電力が
必要であり、制限された使用電力のもとでは、困難な場
合が多い。
【０００７】例えば、図９に示す空冷方式のＬＤ励起レ
ーザでは、放熱フィンを冷却する空気の流量を制御し
て、ＬＤの温度を安定化していた。この場合は、ファン
の振動とそれから発する騒音でレーザ共振器が振動し、
レーザ出力の安定度がそこなわれていた。また、温度制
御の時定数が大きく、早い変動に追随できないという欠
点があった。
【０００８】また、図１０に示す水冷方式のＬＤ励起レ
ーザでは、一定温度に管理された冷却水を循環させてＬ
Ｄの温度を制御していた。この冷却装置はサイズが大き
く消費電力も大きかった。また、冷却器や循環器に使わ
れるポンプからの振動が大きく、上記と同様にレーザ出
力の安定度が損なわれていた。
【０００９】また、小出力のＬＤ励起レーザでは、図１
１に示す様に、励起用ＬＤをペルチェ冷却素子を用いて
冷却することも考えられるが、ペルチェ素子の消費電力
が大きく、使用電力の制限された環境では、小出力のレ
ーザしか使えない。
【００１０】また、本発明と一部類似のものとして、米
国ＮＡＳＡの火星探査機に搭載されたレーザ高度計用の
ＬＤ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器がある。これは、論
文（RobertAfzal, "Mars Observer Laser Altimeter",
Applied Optics vol.33, No.15,pp3184-3188(1994).）
に、レーザ発振出力の動作温度変化のグラフとともに記
載されている。このレーザ発振器では、励起光源は４４
個のＬＤからなるレーザバーから構成され、その発振波
長は６ｎｍの波長範囲に細かく分布している。この結
果、ひとつの波長で励起したよりも広い動作温度範囲が
得られている。しかし、このレーザ発振器では、レーザ
媒体の光吸収特性と、励起光源の温度特性とを用いたも
のではなく、この点において本発明とは異なるものであ
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、制限
された電力のもとで使用される従来の光励起型固体レー
ザ発振器にはＬＤ励起型固体レーザ発振器があるが、こ
れは空冷では、時定数が大きく、また振動により出力安
定性を確保することが困難であり、水冷では、装置が大
型になり、振動により出力が不安定であり、ペルチェ素
子を用いた冷却方式のものでは、振動がないが消費電力
が大きい、等の問題があった。
【００１２】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
温度制御のための電力を用いることなく、レーザ出力を
安定化させることができる光励起型固体レーザ発振器を
提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における第１の発明は、レーザ媒体の光励起
を行うレーザ発振器において、予め決められた波長帯域
で光を放射する光源と、上記の帯域で光を吸収するレー
ザ媒体とを備え、上記のレーザ媒体は、上記の帯域にお
いて、波長が増えるに従って、光の吸収率が増大する特
性をもち、上記の光源は、上記の帯域において、波長が
増えるに従って、光の放射エネルギーが低下する特性を
もつことを特徴としている。
【００１４】また、本発明における第２の発明は、複数
の波長帯域でレーザ媒体の光励起を行うレーザ発振器に
おいて、少なくとも予め決められた第１の波長帯域と第
２の波長帯域との２つの波長帯域について、第１の波長
帯域で光を放射する第１の光源と、第２の波長帯域で光
を放射する第２の光源と、上記の２つの帯域で光を吸収
するレーザ媒体とを備え、上記のレーザ媒体は、第１の
波長帯域において、波長が増えるに従って、光の吸収率
が減少する特性をもち、第２の波長帯域において、波長
が増えるに従って、光の吸収率が増大する特性をもつこ
とを特徴としている。
【００１５】また、本発明における第３の発明は、複数
の波長帯域でレーザ媒体の光励起を行うレーザ発振器に
おいて、少なくとも予め決められたそれぞれ中心波長の
異なる複数の波長帯域について、それぞれの波長帯域で
光を放射するそれぞれの光源と、それぞれの波長帯域で
光を吸収するレーザ媒体とを備え、励起光源のスペクト
ルとレーザ媒体の吸収率との積の波長についての積分値
の、それぞれの励起光源についての総和の温度依存性
が、単一励起光源のスペクトルとレーザ媒体の吸収率と
の積の波長についての積分値の温度依存性に比べて小さ
くなる構成を備えることを特徴としている。
【００１６】また、本発明における第４の発明は、使用
しうる温度範囲を拡大するためのものであり、第１、第
２あるいは第３の発明に加えて、レーザ媒体の光吸収率
が増加する波長区間あるいは減少する波長区間におい
て、動作環境温度の変化に従って、励起光源を切り換え
て用いる構成をもつことを特徴としている。
【００１７】また、本発明における第５の発明は、使用
しうる温度範囲を拡大するためのものであり、第１、第
２あるいは第３の発明に加えて、励起光源の発する熱を
放熱するにあたり、熱抵抗を変化せしめて、動作環境温
度の変化に対する励起光源の温度変化を調整する構成を
もつことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明は、ＬＤの温度が変動して
もレーザロッドが一定の吸収を得られるようにしたレー
ザ発振器に関しており、以下にこの発明の実施の形態を
図面に基づいて詳細に説明する。なお、同様に機能する
部品に付いては、図面において同じ符号を用いる。
【００１９】［第１の実施形態］一般に、ＬＤの光出力
は、温度とともに減少する。また、レーザ媒体である固
体レーザロッドの励起光の吸収率は、図６に示す波長依
存性をもつ。図６は、レーザ媒体の光吸収率の波長依存
性を示すグラフである。そこで、異なった２以上の波長
に対応する複数のＬＤを、以下の様に組み合わせること
により、温度変化に対して吸収率の変動を最小にする。
まず、ＬＤの光出力の温度依存性は、通常、−０．２４
％／ｄｅｇ程度ある。従って、レーザ媒体が、逆に、吸
収率が＋０．２４％／ｄｅｇの温度依存性をもてば、Ｌ
Ｄの温度変動に対して吸収エネルギーは一定になる。と
ころが、Ｎｄ：ＹＡＧロッドを用いた場合のように、レ
ーザ媒体の吸収率の温度依存性は無視できる程度である
ので、前記の吸収率の変化を、波長の変化によって実現
する。この点が、本発明の趣旨のひとつである。この主
旨に従って、前記の温度依存性を波長に換算すると、吸
収率が（０．２４％／ｄｅｇ）／（０．３ｎｍ／ｄｅ
ｇ）＝０．８％／ｎｍの波長依存性を持つ場合に、上記
のＬＤの温度変動に対して吸収エネルギーを一定に保つ
ことができることが分かる。
【００２０】このための構成例を図１に示す。図１に示
す光励起型固体レーザ発振器は、アウトプットミラー１
とエンドミラー２による光共振器の中に固体レーザロッ
ド３を配置し、励起用ＬＤ６と励起用ＬＤ７で光励起す
るものである。固体レーザロッド３を固体レーザロッド
３（Ｎｄ：ＹＡＧロッド）内の励起光伝播長を８ｍｍと
して、最も単純な構成の２組の波長のＬＤで励起する場
合、広い波長範囲でなだらかな吸収変化が得られる最適
な波長組み合わせは、中心波長が６ｎｍ離れ、各々同数
のＬＤの場合（例えば、２５℃では、８０５ｎｍのＬＤ
２個と８１１ｎｍのＬＤ２個）である。図５にこの場合
の吸収率を示す。図５では、８００ｎｍの吸収の谷が消
失し、７９３ｎｍから８１０ｎｍの範囲で平均１．５％
／ｎｍの波長依存性が得られている。従って、このＬＤ
による励起ではこの５７度の動作温度幅で緩やかなレー
ザ出力上昇はあるものの、大きな変動はない。このた
め、従来のレーザの温度安定化機構を省くことができ
る。
【００２１】さらに効果的な組み合わせは、異なる３波
長の複数のＬＤの組み合わせで得られる。上記の異なる
２波長より広い波長範囲でなだらかな吸収率変化が得ら
れるのは、中心波長が−５ｎｍと＋５ｎｍ離れ、各々同
数のＬＤ（例えば、800ｎｍ２個、８０５ｎｍ２個、８
１０ｎｍ２個＠２５°Ｃ）で励起する場合である。この
吸収率を図８に示す。７９８ｎｍから８１０ｎｍの範囲
でほぼ０．８％／ｎｍの吸収率が得られ、励起光の吸収
エネルギーは一定になり、レーザ出力も一定となる。こ
の場合の動作温度幅は４０度となり、室内の動作環境で
は十分な動作温度域が得られる。
【００２２】宇宙搭載レーザでは、太陽方向の変化な
ど、宇宙環境の予期できない変化や、衛星の熱制御機構
の経年変化等によって環境温度が大きく変化するため、
搭載機器の許容動作温度範囲は、通常、電子回路では−
２０度から５５度に広く設定される。
【００２３】上記の第１の実施形態の構成ではその動作
温度幅は、このような宇宙搭載電子機器として望まれる
動作可能温度範囲のほぼ半分であるが、以下に述べる技
術を用いることでその動作温度幅を拡大することができ
る。
【００２４】［第２の実施形態］上記した第１の実施形
態におけるＬＤセットのほかに、動作温度範囲の拡大に
より新たに必要となる波長分だけ波長がずれたＬＤセッ
トを別に組み込み、動作温度によって両者を切り換え
る。このための構成を図２に示す。図１に示す光励起型
固体レーザ発振器は、アウトプットミラー１とエンドミ
ラー２による光共振器の中に固体レーザロッド３を配置
し、高温時励起用ＬＤマウント４-1上のＬＤと低温時励
起用ＬＤマウント４-2上のＬＤで光励起するものであ
る。図２におけるＬＤの発熱は、ＬＤマウントを通して
レーザベース板に伝わり、これが空気、冷却水等で冷却
される。高温時励起用と低温時励起用と、別のＬＤを配
置し、外界温度でどちらかに切り換えるものである。こ
こで、低温用と高温用ＬＤとは、同等の発振波長のＬＤ
を用いて実現することができる。このためには、低温用
ＬＤはＬＤマウントに熱伝導率の低い材質を用いる。こ
の構成は、励起光源の波長範囲を変えるものではない
が、両アレイの切り替えにより、固体レーザの動作温度
範囲を拡大することができる。
【００２５】［第３の実施形態］図２の構成とするが、
両者のＬＤを熱伝導率の同じＬＤマウントに配置する点
において第２の実施形態と異なっている。これらのＬＤ
は、同じ温度においては僅かに異なる発光波長とし、高
温用ＬＤが高温で発光する波長と、低温用ＬＤが低温で
発光する波長とを同じ波長に設定し、動作環境温度の変
化に従って両者を切り換えることにより、固体レーザの
動作温度範囲を拡大することができる。
【００２６】［第４の実施形態］図３に示す様に、第１
の実施形態におけるＬＤマウント４と放熱用筐体レーザ
ベース板５との間に、ペルチェ断熱素子８を挿入し、高
温（低温）環境ではペルチェ断熱素子８の熱伝導率を高
く（低く）することで、低温環境でＬＤの動作温度の低
下を防止してレーザ出力一定の動作温度範囲を拡大する
ものである。ペルチェ断熱素子８は、通常電子冷却に用
いられているペルチェ素子が利用できるが、冷却あるい
は加熱をおこなって恒温にする場合に比べて少ない電力
消費で制御することができる。環境温度が高温時には、
ペルチェ素子の両側が等温になるように通電し、低温に
なるにつれて電流を下げて熱伝導率を減少させＬＤの温
度低下を防ぐ。例えば、ペルチェ素子（DuraTecDT12-
8）を用いた場合、素子に流す電流により、その両端の
温度を、図４の様に変えることができる。この特性は、
電流により熱抵抗が変化したものと見ることができる。
【００２７】
【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。
【００２８】第１の発明では、レーザの動作温度が変化
してＬＤの発光強度と発光波長がシフトしても、レーザ
媒体の光吸収率の波長依存性により、レーザ媒体の吸収
する励起光の総量は一定に保たれ、一定のレーザ出力が
実現できる。レーザ出力を一定にするために、ＬＤの温
度を一定に保つ必要がなくなり、温度安定化の機構と安
定化回路が不要になり、レーザの発振部と電源部の構成
が単純化される。
【００２９】また、第２あるいは第３の発明では、レー
ザの動作温度が変化してＬＤの発光波長がシフトし、第
１の波長のＬＤ光の吸収が減少（増加）しても、波長２
のＬＤ光の吸収は増加（減少）するようにできるので、
レーザロッドの吸収する励起光の総量は一定に保たれ、
一定のレーザ出力が実現できる。
【００３０】また、第４の発明では、第１、第２あるい
は第３発明に加えて、複数波長帯域をカバーできる複数
の励起光源を用いるので、さらに広い温度範囲にわたり
安定したレーザ出力が実現できる。
【００３１】また、第４の発明では、第１、第２あるい
は第３発明に加えて、熱抵抗を変化せしめて、動作環境
温度の変化に対する励起光源の温度変化を調整する構成
としたので、さらに安定したレーザ出力が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】第２の実施形態を示す模式図である。
【図３】第３の実施形態を示す模式図である。
【図４】ペルチェ冷却素子の電流―温度差特性を示す図
である。
【図５】レーザ媒体の光吸収係数の波長依存性を示すグ
ラフである。
【図６】レーザ媒体の光吸収率の波長依存性を示すグラ
フである。
【図７】異なる２波長のＬＤを用いた、レーザ媒体の光
吸収率の波長依存性を示すグラフである。
【図８】異なる３波長のＬＤを用いた、レーザ媒体の光
吸収率の波長依存性を示すグラフである。
【図９】空冷方式のＬＤ励起レーザを示す模式図であ
る。
【図１０】水冷方式のＬＤ励起レーザを示す模式図であ
る。
【図１１】ペルチェ冷却素子を用いたＬＤ励起レーザを
示す模式図である。
【符号の説明】
１ アウトプットミラー ２ エンドミラー ３ 固体レーザロッド ４ ＬＤマウント ４-1 高温時励起用ＬＤマウント ４-2 低温時励起用ＬＤマウント ５ レーザベース板 ６ 励起用ＬＤ（波長１） ７ 励起用ＬＤ（波長２） ８ ペルチェ断熱素子

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ媒体の光励起を行うレーザ発振器
    において、予め決められた波長帯域で光を放射する光源
    と、上記の帯域で光を吸収するレーザ媒体とを備え、 上記のレーザ媒体は、上記の帯域において、波長が増え
    るに従って、光の吸収率が増大する特性をもち、 上記の光源は、上記の帯域において、波長が増えるに従
    って、光の放射エネルギーが低下する特性をもつことを
    特徴とする光励起型固体レーザ発振器。
  2. 【請求項２】 複数の波長帯域でレーザ媒体の光励起を
    行うレーザ発振器において、少なくとも予め決められた
    第１の波長帯域と第２の波長帯域との２つの波長帯域に
    ついて、第１の波長帯域で光を放射する第１の光源と、
    第２の波長帯域で光を放射する第２の光源と、上記の２
    つの帯域で光を吸収するレーザ媒体とを備え、 上記のレーザ媒体は、第１の波長帯域において、波長が
    増えるに従って、光の吸収率が減少する特性をもち、第
    ２の波長帯域において、波長が増えるに従って、光の吸
    収率が増大する特性をもつことを特徴とする光励起型固
    体レーザ発振器。
  3. 【請求項３】 複数の波長帯域でレーザ媒体の光励起を
    行うレーザ発振器において、少なくとも予め決められた
    それぞれ中心波長の異なる複数の波長帯域について、そ
    れぞれの波長帯域で光を放射するそれぞれの光源と、そ
    れぞれの波長帯域で光を吸収するレーザ媒体とを備え、 励起光源のスペクトルとレーザ媒体の吸収率との積の波
    長についての積分値の、それぞれの励起光源についての
    総和の温度依存性が、 単一励起光源のスペクトルとレーザ媒体の吸収率との積
    の波長についての積分値の温度依存性に比べて小さくな
    る構成を備えることを特徴とする光励起型固体レーザ発
    振器。
  4. 【請求項４】 レーザ媒体の光吸収率が増加する波長区
    間あるいは減少する波長区間において、動作環境温度の
    変化に従って、励起光源を切り換えて用いる構成をもつ
    ことを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載の光励
    起型固体レーザ発振器。
  5. 【請求項５】 励起光源の発する熱を放熱するにあた
    り、熱抵抗を変化せしめて、動作環境温度の変化に対す
    る励起光源の温度変化を調整する構成をもつことを特徴
    とする請求項１、２あるいは３に記載の光励起型固体レ
    ーザ発振器。
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