JP2004259954A

JP2004259954A - 固体レーザ装置

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Publication number: JP2004259954A
Application number: JP2003049331A
Authority: JP
Inventors: Toshibumi Tone; 俊文利根; Yasuyuki Nakanishi; 康之中西; Hiroshi Nunokawa; 洋布川; Sonhi Hashimoto; 松姫橋本
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】固体レーザ媒質の側面に配置されたレーザダイオードからの励起レーザ光により励起される固体レーザ媒質のレーザ出力を一定の値に保つ。
【解決手段】固体レーザ媒質３の側面から、レーザダイオード５で、固体レーザ媒質３を励起する。初期の出力レーザ光の強さをレーザパワーモニタ１０で測定して、レーザパワー記憶回路２２に出力基準値として記憶しておく。出力レーザ光の強さを出力基準値と比較し、レーザダイオード５の励起基準値を変更する。固体レーザ媒質３を通過した励起レーザ光を、励起モニタ手段のフォトダイオード７で検出する。励起モニタ出力の励起検出値と励起基準値を比較回路９で比較する。比較が一致するように、レーザダイオード５の電流を、電流制御手段２４で制御することで、一定強度の出力レーザ光が得られる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ装置に関し、特に、固体レーザ媒質を光励起してレーザ光を発生させる固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に固体レーザ装置は、固体レーザ媒質のレーザロッドを具えている。このレーザロッドを、ランプやレーザダイオード（ＬＤ）等の励起手段によって光励起することで、レーザ光を発生している。したがって、レーザロッドを共振器内に配置すれば、このレーザロッドから発生したレーザ光が、光共振器によって増幅されて出力される。
【０００３】
このような固体レーザ装置において、大きなレーザ出力を取り出すためには、固体レーザ媒質を複数のレーザダイオードで励起する方法と、光共振器内に複数のレーザロッドを直列に並べるマルチロッド方式とがある。例えば、特許文献１に開示されている方法では、図５（ａ）に示すように、固体レーザ媒質を複数のレーザダイオードで励起することで、固体レーザ媒質の励起分布を均一にでき、品質の良いレーザ光を発振することができる。また、特許文献２には、図５（ｂ）に示すように、光共振器内に複数のレーザロッドを直列に配置し、高出力で高品質なレーザビームを取り出す方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献３には、大出力レーザビームを取り出すために、図５（ｃ）に示すように、複数のレーザロッドを直列に配置したマルチロッド方式の共振器が開示されている。ここでは、レーザロッドの一部を凹面とすることにより、安定した出力を取り出すように工夫されている。
【０００５】
また、特許文献４には、図５（ｄ）に示すように、固体レーザ媒質の周囲に離間して配した複数のレーザダイオードで光励起させる固体レーザ装置において、固体レーザ媒質の周囲に、固体レーザ媒質から発生した蛍光を検出するモニタを設け、このモニタからの出力をレーザダイオードに帰還し、その電流を調整することで、マルチロッド構成の出力バランスを取るようにした技術が示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３３５６６２号公報
【特許文献２】
特開平８−２５０７９７号公報
【特許文献３】
登録実用新案第２５２４１９９号公報
【特許文献４】
特開２００２−１６４５９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の固体レーザ装置では、固体レーザ媒質から常に安定した状態でレーザ光を出力することが困難であるという問題がある。その理由は以下の通りである。
【０００８】
固体レーザ装置では、レーザダイオードの発熱と励起エネルギーによって、熱レンズ効果という現象が起こる。レーザ光発生用のレーザロッドが、レーザダイオードの発熱と励起エネルギーによって加熱されて、不均等に温度が高くなる。そのために、位置により熱膨張の差が発生し、内部応力も不均等になり、屈折率が位置により変化するので、固体レーザ媒質が光学的に凸レンズの性質を持つようになるという熱レンズ効果が起こる。
【０００９】
固体レーザ媒質を複数のレーザダイオードで励起する方法では、レーザダイオードを選別して特性の近い組み合わせを用いて、初期状態においては品質の良いレーザ光を発振させている。しかし、通常のレーザダイオードは、１万時間から２万時間程度で励起量が減少する劣化が発生する。各レーザダイオードの経時的劣化の違いにより、レーザダイオードの励起光量が許容値を外れてしまうと、全てのレーザダイオードを交換しなければならない。
【００１０】
また、光共振器内に複数のレーザロッドを直列に配設したマルチロッド方式では、それぞれのレーザロッド間をレーザ光が通過する際に、屈折して光軸方向から逸れるようになり、光共振器としての所定の機能を果さなくなる。最初の状態では、熱レンズ効果の影響を一定値以下に維持できる固体レーザ媒質でも、時間が経過すると熱レンズ効果の影響が無視できなくなる。
【００１１】
そのため、マルチロッドから高出力のレーザビームを取り出すためには、各レーザロッドと励起手段で形成した励起モジュールの熱レンズ効果のバランスを調節し、各励起モジュールの熱レンズ効果を常に一定に保つ必要がある。しかしながら、励起モジュールの励起手段にレーザダイオードを用いた場合は、レーザダイオード個々の経時的な劣化により、励起エネルギーに差が生じ、励起モジュールの熱レンズ効果のバランスが崩れて、安定で良好な光共振器としての機能が得られなくなる。
【００１２】
特許文献２や特許文献３に開示された技術は何れも、励起手段自体が正常にバランスしていることを前提としているので、励起手段の経時変化で発生する熱レンズ効果のバランスの崩れに対しての配慮はなされていない。したがって、これらの励起手段の経時変化に対しては、十分に対応することができない。特許文献４に開示された技術では、固体レーザ媒質から離間した位置で、固体レーザ媒質からの蛍光をモニタしているため、隣り合う固体レーザ媒質から漏れた蛍光をもモニタ手段が検出してしまう可能性がある。そのため、マルチロッドよりなる固体レーザ媒質の励起状態をバランスさせることが困難であるし、長時間にわたる安定したレーザ出力を得ることも困難である。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解決して、固体レーザ装置の固体レーザ媒質からレーザ光を常に安定した状態で出力できるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、共振器内に配された固体レーザ媒質を側面からレーザダイオードで光励起させる固体レーザ装置に、固体レーザ媒質を透過したレーザダイオードからの励起レーザ光の強さをモニタする励起モニタ手段と、励起モニタ手段からの励起検出値に基づいてレーザダイオードに供給する電流を制御して固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段とを具備する構成とした。このように構成したことにより、常に安定した励起レーザ光を固体レーザ媒質に照射して励起できる。
【００１５】
また、固体レーザ媒質を励起する複数個のレーザダイオードを備えた。このように構成したことにより、固体レーザ装置からのレーザ出力を大きくすることができる。
【００１６】
また、励起モニタ手段を、レーザダイオードによる固体レーザ媒質の光励起面と反対側に配した。このように構成したことにより、レーザダイオードからの励起レーザ光の強さを確実にモニタできる。
【００１７】
また、レーザダイオードを、固体レーザ媒質の周囲に等間隔で配置した。このように構成したことにより、固体レーザ媒質を複数のレーザダイオードにより均等に励起できる。
【００１８】
また、共振器外側の光軸上で共振器からの出力レーザ光をモニタするレーザパワーモニタ手段と、レーザパワーモニタ手段からの出力検出値と出力基準値とを比較する比較手段と、比較手段の出力に基づいてレーザダイオードに供給する電流を制御して固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段とを備えた。このように構成したことにより、固体レーザ装置からの出力レーザ光の強さを常に一定に維持できる。
【００１９】
また、比較手段を、レーザ装置使用初期における出力レーザ光の強さを出力基準値として記憶する記憶手段の出力とレーザパワーモニタ手段の出力検出値とを比較する手段とした。このように構成したことにより、固体レーザ装置の出力レーザ光の強さを、初期状態と同じ状態に維持できる。
【００２０】
また、固体レーザ媒質を覆うと共にレーザダイオードを支持するヒートシンクブロックを備え、レーザダイオードと反対側に位置するヒートシンクブロックに、固体レーザ媒質を透過したレーザダイオードからの励起レーザ光の強さを励起モニタ手段に導く開口を設けた。このように構成したことにより、固体レーザ媒質を冷却しながら、励起レーザ光の強さを制御することができる。
【００２１】
また、開口に、レーザダイオードからの励起レーザ光を励起モニタ手段に導く光ガイドを設けた。このように構成したことにより、励起レーザ光を正確にモニタすることができる。
【００２２】
また、ヒートシンクブロックに、レーザダイオードの温度を検出する温度センサーと、冷却手段と、温度センサーからの出力に基づいて冷却手段を制御してレーザダイオードを所定の温度に保つ手段とを設けた。このように構成したことにより、レーザダイオードを確実に冷却でき、オーバーヒートを防止できる。
【００２３】
また、共振器内に直列に配された複数個の固体レーザ媒質を、個別に設けられたレーザダイオードでそれぞれ側面から光励起させる固体レーザ装置に、各固体レーザ媒質の光励起面と反対側に位置して各固体レーザ媒質を透過した各レーザダイオードからの励起レーザ光の強さを個別にモニタする複数の励起モニタ手段と、各励起モニタ手段からの励起検出値に基づいて各レーザダイオードに供給する電流を個別に制御して各固体レーザ媒質への励起レーザ光をそれぞれ独立して制御する手段とを具備する構成とした。このように構成したことにより、各レーザダイオードからの励起レーザ光を均等にして、固体レーザ媒質を均一にバランスを保った状態で励起することができ、高品質のレーザ出力が得られる。
【００２４】
また、固体レーザ媒質の光軸に垂直な断面はＤ字形状であり、断面のＤ字形状の円弧部がレーザダイオードと対向し、断面のＤ字形状の平面部が励起モニタ手段と対向する構成とした。このように構成したことにより、レーザダイオードで効率よく固体レーザ媒質を励起することができるとともに、励起レーザ光の強さを確実にモニタできる。
【００２５】
また、励起モニタ手段は、光ガイドとフォトダイオードとを備えている。このように構成したことにより、簡単な構成で励起レーザ光の強さをモニタできる。
【００２６】
また、共振器内に配された固体レーザ媒質を、レーザダイオードで側面から光励起させる固体レーザ装置に、固体レーザ媒質の光励起面と反対側に位置して固体レーザ媒質を透過したレーザダイオードからの励起レーザ光の強さをモニタする励起モニタ手段と、励起モニタ手段からの励起検出値に基づいてレーザダイオードに供給する電流を制御して固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段と、レーザ装置使用初期におけるレーザダイオードからの励起レーザ光の強さを記憶する記憶回路とを具備する構成とした。このように構成したことにより、各励起モジュールの熱レンズ効果をバランスさせて、常に固体レーザ装置から安定した高品質の出力レーザ光を得ることができる。
【００２７】
また、記憶回路の出力と励起モニタ手段からの出力を比較する比較手段と、比較手段の出力に応じて各レーザダイオードに供給する電流を制御して固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段とを備えた。このように構成したことにより、レーザダイオードからの励起レーザ光の強さを、常に一定の状態に維持することができる。
【００２８】
また、固体レーザ媒質を、Ｎｄ：ＹＡＧとＮｄ：ＹＶＯ_４とＮｄ：ＧｄＹＶＯ_４とＮｄ：ＹＬＦのうちからひとつ選ばれたロッドとした。このように構成したことにより、目的に応じた波長の安定した高出力レーザ光を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。
【００３０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、共振器内に複数個の固体レーザ媒質を直列に配し、レーザダイオードで側面から光励起させ、出力レーザ光の強さと出力基準値との差に応じて励起基準値を変更し、固体レーザ媒質を透過したレーザダイオードからの励起レーザ光の強さと励起基準値との差に基づいて、各レーザダイオードに供給する電流を個別に制御し、各固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さをそれぞれ独立して制御する固体レーザ装置である。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実態の形態における固体レーザ装置の概念図である。図１（ａ）は、レーザダイオード励起による複数の励起モジュールを直列に接続し、レーザダイオードからの励起レーザ光の強さをモニタする励起モニタ手段と、出力レーザ光の強さを検出するレーザパワーモニタ手段とを設けた固体レーザ装置の構成を示す模式側面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の励起モニタ部分の拡大図である。図１において、出力ミラー１は、共振用のハーフミラーである。全反射ミラー２は、共振用の全反射ミラーである。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃは、レーザ媒体のＮｄ：ＹＶＯ_４であるレーザロッドである。励起モジュール４ａ，４ｂ，４ｃは、レーザ光を発生するユニットである。レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃは、波長８０８ｎｍのレーザ光を発生するレーザダイオードである。光ガイド６ａ，６ｂ，６ｃは、光ファイバーあるいはロッドレンズからなる光ガイドである。
【００３２】
フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃは、レーザダイオードからの励起レーザ光の強さをモニタする励起モニタ手段である。信号処理回路８ａ，８ｂ，８ｃは、検出信号の増幅整形などの信号処理をする回路である。レーザ電源１３は、レーザダイオードに電流を供給する手段である。比較回路９ａ，９ｂ，９ｃは、レーザ装置の出力レーザ光の強さを出力基準値と比較するとともに、レーザダイオードからの励起レーザ光の強さ（励起検出値）を励起基準値と比較する回路である。レーザパワーモニタ１０は、レーザ装置からの出力レーザ光の強さをモニタする手段である。回路基板２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、比較回路を支持する基板である。レーザパワー記憶回路２２は、レーザ装置の出力基準値を記憶する回路である。電流制御手段２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、レーザダイオードの電流を制御する手段である。レーザダイオード励起光記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、レーザダイオードからの初期励起レーザ光の基準値（励起基準値）を記憶する回路である。
【００３３】
図２は、本発明の第１の実態の形態における固体レーザ装置の断面図である。図１（ａ）のＡ−Ａ面で切った断面図である。図２において、ヒートシンクブロック１４ａ，１５ａ，１６ａは、固体レーザ媒質を冷却する手段である。温度センサー１１は、レーザダイオード５ａとヒートシンクブロック１４ａの接点の温度を検出する手段である。温度コントローラＵは、検出温度に応じて冷却を制御する手段である。冷却水温調整器Ｗは、温度コントローラの指示に従って冷却水の温度を調整する手段である。
【００３４】
図３は、本発明の第１の実態の形態における固体レーザ装置の固体レーザ媒質周りの詳細図である。図３において、円筒面部Ｄ１は、断面が円弧状の面である。平面部Ｄ２は、レーザダイオードからの励起レーザ光が入射する面の反対側の面である。反射層Ｓは、固体レーザ媒質の表面に形成されている、銅などからなる反射層である。
【００３５】
上記のように構成された本発明の第１の実態の形態における固体レーザ装置の動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、固体レーザ装置の基本的な機能を説明する。出力ミラー１と全反射ミラー２とで、固体レーザ装置の光共振器Ｒを構成している。出力ミラー１と全反射ミラー２の間の光軸Ｌ上に、励起モジュール４ａ，４ｂ，４ｃが直列に配置されている。励起モジュール４ａ，４ｂ，４ｃはそれぞれ、固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃを備えている。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃは、Ｎｄ：ＹＶＯ_４からなるレーザ媒体のレーザロッドである。励起モジュール４ａ，４ｂ，４ｃは、各固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃを光励起する波長８０８ｎｍのレーザ光を発生するレーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃを備えている。
【００３６】
レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃによる光励起面と反対の面に、励起モニタが配置されている。励起モニタは、レーザダイオードからの励起レーザ光の強さを検出するフォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃである。フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃは、レーザダイオードからの励起レーザ光の一部であって、各固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃに吸収あるいは反射されずに出射された励起レーザ光の強さを検出する。フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃの受光面には、光ファイバーあるいはロッドレンズよりなる光ガイド６ａ，６ｂ，６ｃが配置されている。光ガイド６ａ，６ｂ，６ｃにより、透過した励起レーザ光がフォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃに導かれる。図示していないが、フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃの前面には、波長８１０ｎｍを中心に±５０ｎｍの幅を持つ誘電体薄膜によるバンドパスフィルターが配されている。レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃからの励起レーザ光のみが、フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃに入射するようにしてある。
【００３７】
全反射ミラー２の近傍で、光共振器外側に位置する光軸Ｌ上に、出力レーザ光の強さをモニタする手段として、レーザパワーモニタ１０のフォトダイオードが配置されていて、光共振器によって増幅された出力レーザ光の強さをモニタする。各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃは、電流制御手段を有するレーザ電源１３に接続され、電流制御手段の制御のもとで電流駆動される。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃは、レーザ電源１３に接続された各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃにより、固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃの側面から励起される。励起により発生した光は、光共振器によって増幅されて発振状態になり、出力ミラー１から出力レーザ光として出力される。
【００３８】
次に、出力レーザ光の強さを負帰還制御する方法を説明する。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃから常に高品質のレーザ光を得るためには、各励起モジュール４ａ，４ｂ，４ｃの熱レンズ効果の影響を一定に保ち、各励起モジュール４ａ，４ｂ，４ｃの機能をバランスよく保つ必要がある。そのため、励起モニタであるフォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃが、固体レーザ媒質（レーザロッド）の励起面とは反対側の近傍に設置されている。固体レーザ媒質（レーザロッド）３ａ，３ｂ，３ｃに吸収されずに透過してくる励起レーザ光を直接、外乱光の影響がないようにして検出している。透過した励起レーザ光を検出することにより、固体レーザ媒質（レーザロッド）３ａ，３ｂ，３ｃの励起量をモニタしている。
【００３９】
フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃから得た信号は、図１（ｂ）に示されるように、回路基板２０ａ，２０ｂ，２０ｃ上に形成された信号処理回路８ａ，８ｂ，８ｃにより信号処理され、比較回路９ａ，９ｂ，９ｃに供給される。工場出荷時あるいはレーザ使用初期における各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃからの励起レーザ光の強さを、励起基準値として記憶するためのレーザダイオード励起光記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃが、フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃと比較回路９ａ，９ｂ，９ｃの間に設けられている。工場出荷時あるいはレーザ使用初期における各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃからの励起レーザ光の強さが、レーザダイオード励起光記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃに、励起基準値として記憶される。使用状態においては、レーザダイオード励起光記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃからの励起基準値と、信号処理回路８ａ，８ｂ，８ｃからの励起検出値が、比較回路９ａ，９ｂ，９ｃで比較され、比較結果が電流制御手段２４ａ，２４ｂ，２４ｃに供給される。比較結果が一致するように、各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃの電流が制御され、レーザ電源１３から各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃに必要な電流が供給される。
【００４０】
固体レーザ装置の初期状態（例えば、工場出荷時点）における出力レーザ光の強さを、レーザパワーモニタ１０によって検出し、その検出値を出力基準値としてレーザパワー記憶回路２２に記憶しておく。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃから常に一定のレーザパワーを取り出すため、レーザパワー記憶回路２２からの出力基準値と、レーザパワーモニタ１０からの出力検出値とを、比較回路９ａ，９ｂ，９ｃで比較する。比較結果に基づいて、励起基準値を変更する。レーザパワーモニタ１０からの出力検出値が出力基準値より小さければ、励起基準値を少し大きくする。レーザパワーモニタ１０からの出力検出値が出力基準値より大きければ、励起基準値を少し小さくする。フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃと信号処理回路から得られた励起検出値と励起基準値を、比較回路９ａ，９ｂ，９ｃで比較し、比較結果を電流制御手段２４ａ，２４ｂ，２４ｃに供給する。比較結果が一致するように、各レーザダイオードの電流が制御され、レーザ電源１３から各レーザダイオードに必要な電流が供給される。
【００４１】
次に、図２と図３を参照しながら、励起モジュールを構成する固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃの詳細を説明する。図２と図３には、励起モジュール４ａが代表として示されている。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃは、断面がＤ字型の形状をしている。レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃが対向する面は、断面が円弧状の円筒面部Ｄ１である。断面が円弧状の部分が、レーザダイオードの励起レーザ光の入射面となる。入射面である円筒面部Ｄ１の反対側は、平面部Ｄ２である。固体レーザ媒質３ａの表面には、励起光源であるレーザダイオードと対向する部分を除き、銅などからなる反射層Ｓが形成されている。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃは結晶体であり、具体的にはａ軸カットのＮｄ：ＹＶＯ_４である。結晶体のｃ軸方向は、平面部Ｄ２と平行である。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃは、レーザダイオードからの励起レーザ光、即ち波長８０８ｎｍの光を吸収し、所定波長の光を発生又は増幅する。固体レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ_４を用いたが、他の固体レーザ媒質、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＧｄＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦを用いることもできる。
【００４２】
固体レーザ媒質３ａを覆うように、例えば３個のブロックよりなるヒートシンクブロック１４ａ，１５ａ，１６ａが配されている。さらに、ヒートシンクブロック１４ａと固体レーザ媒質３ａの間には、レーザダイオード５ａからの励起レーザ光が、固体レーザ媒質３ａに入力されるように、開口部が設けられている。また、ヒートシンクブロック１５ａには、固体レーザ媒質３ａの平面部Ｄ２と位置合わせさせるための平面形状部１２が形成されている。ヒートシンクブロック１４ａ，１５ａ，１６ａの内部には、冷却水が循環している。そのため、固体レーザ媒質３ａとレーザダイオードを、間接冷却することができる。冷却効果を高めるために、固体レーザ媒質３ａとの接触部を凹凸がないように十分に研磨して、固体レーザ媒質とヒートシンクブロック１４ａの密着性を高めている。
【００４３】
レーザダイオードからの励起レーザ光の波長は８０８ｎｍである。出力は４０Ｗである。拡がり角は、全角で４０°である。レーザダイオードからの励起レーザ光の出射口から０．５ｍｍ離れた固体レーザ媒質３ａの円筒面部に、レーザダイオードからの励起レーザ光が入射すると、励起レーザ光の拡がり全角が５°以下に減少する。図３に示すように、励起レーザ光は、ほぼ平行光線となって固体レーザ媒質３ａに吸収されながら進む。一度のパス（１．０ｍｍ）で吸収されなかった約３０％の励起レーザ光は、入射光とほぼ平行になるように反射されるので、固体レーザ媒質３ａはさらに強く励起される。
【００４４】
図２に示すように、ヒートシンクブロック１４ａとレーザダイオード５ａとの間には、温度センサー１１が配置してある。レーザダイオード５ａとヒートシンクブロック１４ａの接点の温度を検出する。温度センサー１１の出力は、温度コントローラＵに供給される。温度コントローラＵの出力で、冷却水温調整器Ｗを制御する。ヒートシンクブロック１４ａに供給される冷却水で、レーザダイオードと固体レーザ媒質の温度を一定に保つ。固体レーザ媒質の断面形状をＤ字型としたが、円筒状またはスラブ状にしてもよい。これらのレーザに対しても、同様に本発明を適用することができる。
【００４５】
レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃからの励起レーザ光は、固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃに照射される。固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃが励起され、レーザ光を出力する。これら各固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃによって誘導放出されたレーザ光は、出力ミラー１と全反射ミラー２で反射され、共振器内で増幅される。レーザ光は、出力ミラー１を透過して出力される。レーザ装置使用初期において、全反射ミラー２から共振器外に漏れた一部のレーザ光をレーザパワーモニタ１０のフォトダイオードにより検出して、出力基準値としてレーザパワー記憶回路２２に記憶しておく。
【００４６】
固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃに吸収あるいは反射されずに透過した励起レーザ光が、光ガイド６ａ，６ｂ，６ｃを介して、励起モニタ手段としてのフォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃにより検出される。フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃの出力は、信号処理回路８ａ，８ｂ，８ｃにより増幅され信号処理され、比較回路９ａ，９ｂ，９ｃに励起検出値として供給される。
【００４７】
比較回路９ａ，９ｂ，９ｃには、出力レーザ光の強さを示す出力検出値と、レーザパワー記憶回路２２からの出力基準値と、信号処理回路８ａ，８ｂ，８ｃからの励起検出値と、励起基準値とが供給される。出力レーザ光の強さ（出力検出値）と出力基準値が比較され、比較結果に基づいて、励起基準値が変更される。レーザダイオード励起光記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃからの励起基準値と、信号処理回路８ａ，８ｂ，８ｃからの励起検出値が、比較回路９ａ，９ｂ，９ｃに供給される。励起レーザ光のモニタ出力信号（励起検出値）と励起基準値が比較され、比較結果に基づいて、レーザダイオードの電流制御手段２４ａ，２４ｂ，２４ｃが動作する。比較結果に応じて制御された電流が、各電流制御手段２４ａ，２４ｂ，２４ｃにより各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃに供給される。各固体レーザ媒質には、常にバランスのとれた励起レーザ光が供給され、出力レーザ光のパワーを常に一定に保つことができる。
【００４８】
上記のように、本発明の第１の実施の形態では、固体レーザ装置を、共振器内に複数個の固体レーザ媒質を直列に配し、レーザダイオードで側面から光励起させ、出力レーザ光の強さと出力基準値との差に応じて励起基準値を変更し、固体レーザ媒質を透過したレーザダイオードからの励起レーザ光の強さと励起基準値との差に基づいて、各レーザダイオードに供給する電流を個別に制御し、各固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さをそれぞれ独立して制御する構成としたので、常に安定した状態でレーザ光を出力できる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、ロッド形状の固体レーザ媒質の円周方向の３方からレーザダイオードで励起し、励起レーザ光の強さが励起基準値に一致するようにレーザダイオードの電流を制御する固体レーザ装置である。
【００５０】
図４は、本発明の第２の実施の形態における固体レーザ装置の断面図である。図４において、固体レーザ媒質３０は、レーザ媒体のＮｄ：ＹＶＯ_４であるレーザロッドである。固体レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＧｄＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦを用いることもできる。冷却水３１は、冷却用の液体である。フローチューブ３２は、冷却水を通すための管である。レーザダイオード支持ブロック３３は、レーザダイオードを支持するためのセラミックスなどからなる部材である。レーザダイオード３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、波長８０８ｎｍのレーザ光を発生するレーザダイオードである。フォトダイオード３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、レーザダイオードからの励起レーザ光の強さをモニタする手段である。開口３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、レーザダイオードからの励起レーザ光を固体レーザ媒質に入射させる開口部である。開口３７ａ，３７ｂ，３７ｃは、固体レーザ媒質を透過した励起レーザ光を出射させる開口部である。光ガイド３８ａ，３８ｂ，３８ｃは、固体レーザ媒質を透過した励起レーザ光をフォトダイオードに導く部材である。その他の基本的な構成は、第１の実施の形態と同じである。
【００５１】
上記のように構成された本発明の第２実態の形態における固体レーザ装置の動作を説明する。固体レーザ媒質３０は、ロッド形状（円柱形状）をしている。その周囲は、冷却水３１とフローチューブ３２で覆われている。フローチューブ３２の外周には、断面が三角形状のセラミックスなどから成るレーザダイオード支持ブロック３３が設けられている。レーザダイオード支持ブロック３３の３辺それぞれに、固体レーザ媒質３０を励起するためのレーザダイオード３４ａ，３４ｂ，３４ｃが取り付けられている。三角形の各頂部には、レーザダイオード３４ａ，３４ｂ，３４ｃから出射された励起レーザ光のうち、固体レーザ媒質３０を透過した励起レーザ光をモニタするフォトダイオード３５ａ，３５ｂ，３５ｃが取り付けられている。
【００５２】
各レーザダイオード３４ａ，３４ｂ，３４ｃからの励起レーザ光を、固体レーザ媒質３０に導くために、レーザダイオード支持ブロック３３には、開口３６ａ，３６ｂ，３６ｃが設けてある。レーザダイオード３４ａがフォトダイオード３５ａと対向するように、レーザダイオード支持ブロック３３に開口３７ａが設けてある。レーザダイオード３４ｂがフォトダイオード３５ｂと対向するように、レーザダイオード支持ブロック３３に開口３７ｂが設けてある。レーザダイオード３４ｃがフォトダイオード３５ｃと対向するように、レーザダイオード支持ブロック３３に開口３７ｃが設けてある。開口３７ａ，３７ｂ，３７ｃには、レーザダイオードからの励起レーザ光の透過光を各フォトダイオードに導くための光ガイド３８ａ，３８ｂ，３８ｃが挿入されている。
【００５３】
図４には、図１に示した信号処理回路８ａ，８ｂ，８ｃと、レーザ電源１３と、比較回路９ａ，９ｂ，９ｃと、電流制御手段２４ａ，２４ｂ，２４ｃと、電流制御手段の出力をレーザダイオードに供給する帰還ループなどを示してない。しかし、第１の実施の形態と同様に、各レーザダイオードからの励起レーザ光の強さは、各フォトダイオードによりモニタされる。モニタ出力（励起検出値）が励起基準値と比較されて、各レーザダイオードに流れる電流が制御されることは、第１の実施の形態と同様である。したがって、本実施の形態においても、各レーザダイオードからの励起レーザ光は、常にバランスをもって固体レーザ媒質に供給される。
【００５４】
上記のように、本発明の第２の実施の形態では、固体レーザ装置を、ロッド形状の固体レーザ媒質の円周方向の３方からレーザダイオードで励起し、励起レーザ光の強さが励起基準値に一致するようにレーザダイオードの電流を制御する構成としたので、安定で強力なレーザ光を得ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、共振器内に配置された固体レーザ媒質を側面からレーザダイオードで光励起させる固体レーザ装置に、固体レーザ媒質を透過したレーザダイオードからの励起レーザ光の強さをモニタする励起モニタ手段と、励起モニタ手段からの励起検出値に基づいてレーザダイオードに供給する電流を制御して固体レーザ媒質への励起レーザ光を制御する手段とを具備する構成としたので、固体レーザ媒質への励起レーザ光の入力強さを一定に維持することができ、ひいては熱レンズ効果の影響を初期状態と同じ状態に保つことができて、安定した良質のレーザ出力が得られる。
【００５６】
また、共振器外側の光軸上で共振器からの出力レーザ光の強さをモニタするレーザパワーモニタ手段と、レーザパワーモニタ手段からの出力検出値と出力基準値とを比較する比較手段と、比較手段の出力に基づいてレーザダイオードに供給する電流を制御して固体レーザ媒質への励起レーザ光を制御する手段とを備えたので、固体レーザ媒質からの出力レーザ光のパワーを常に一定の状態に維持することができ、長時間に亘り高出力のレーザ光を得ることができる。
【００５７】
また、共振器内に直列に配された複数個の固体レーザ媒質を、個別に設けられたレーザダイオードでそれぞれ側面から光励起させる固体レーザ装置に、各固体レーザ媒質の光励起面と反対側に位置して各固体レーザ媒質を透過した各レーザダイオードからの励起レーザ光の強さを個別にモニタする複数の励起モニタ手段と、各励起モニタ手段からの励起検出値に基づいて各レーザダイオードに供給する電流を個別に制御して各固体レーザ媒質への励起レーザ光をそれぞれ独立して制御する手段とを具備する構成としたので、各レーザダイオードからの励起レーザ光は均等になり、固体レーザ媒質が均一に励起され、各個体レーザ媒質の励起が常にバランスを保った状態に維持されて、高品質のレーザ出力が得られる。
【００５８】
また、共振器内に配された固体レーザ媒質を、レーザダイオードで側面から光励起させる固体レーザ装置に、固体レーザ媒質の光励起面と反対側に位置して各固体レーザ媒質を透過したレーザダイオードからの励起レーザ光の強さを個別にモニタする励起モニタ手段と、励起モニタ手段からの励起検出値に基づいてレーザダイオードに供給する電流を個別に制御して固体レーザ媒質への励起レーザ光を独立して制御する手段と、レーザ装置使用初期におけるレーザダイオードからの励起レーザ光の強さを記憶する記憶回路とを具備する構成としたので、励起モジュールの熱レンズ効果を常に一定の状態に制御でき、長期に亘り初期のレーザ変換効率を保つことができる。
【００５９】
また、固体レーザ媒質を覆うとともにレーザダイオードを支持するヒートシンクブロックを備え、レーザダイオードと反対側に位置するヒートシンクブロックに、固体レーザ媒質を透過したレーザダイオードからの励起レーザ光を励起モニタ手段に導く開口を設けたので、励起レーザ光そのものを外部からの光の影響を受けることなく正確にモニタできる。
【００６０】
また、ヒートシンクブロックに、レーザダイオードの温度を検出する温度センサーと、冷却手段と、温度センサーからの出力に基づいて冷却手段を制御してレーザダイオードを所定の温度に保つ手段とを設けたので、レーザダイオードの電流値を制御すると同時に温度制御を行うことができ、常に安定したレーザ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体レーザ装置の概念図、
【図２】本発明の第１の実施の形態における固体レーザ装置の部分断面図、
【図３】本発明の第１の実施の形態における固体レーザ装置の部分断面図、
【図４】本発明の第２の実施の形態における固体レーザ装置の断面図、
【図５】従来の固体レーザ装置の概念図である。
【符号の説明】
１出力ミラー
２全反射ミラー
３ａ，３ｂ，３ｃ固体レーザ媒質（レーザロッド）
４ａ，４ｂ，４ｃ励起モジュール
５ａ，５ｂ，５ｃレーザダイオード
６ａ，６ｂ，６ｃ光ガイド
７ａ，７ｂ，７ｃフォトダイオード
８ａ，８ｂ，８ｃ信号処理回路
９ａ，９ｂ，９ｃ比較回路
１０レーザパワーモニタ
１１温度センサー
１２平面形状部
１３レーザ電源
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ第１ヒートシンクブロック
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ第２ヒートシンクブロック
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ第３ヒートシンクブロック
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ回路基板
２２レーザパワー記憶回路
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ電流制御手段
３０固体レーザ媒質
３１冷却水
３２フローチューブ
３３レーザダイオード支持ブロック
３４ａ，３４ｂ，３４ｃレーザダイオード
３５ａ，３５ｂ，３５ｃフォトダイオード
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ開口
３７ａ，３７ｂ，３７ｃ開口
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ光ガイド
４０ａ，４０ｂ，４０ｃレーザダイオード励起光記憶回路
Ｒ共振器
Ｕ温度コントローラ
Ｗ冷却水温調整器

Claims

共振器内に配された固体レーザ媒質を側面からレーザダイオードで光励起させる固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質を透過した前記レーザダイオードからの励起レーザ光の強さをモニタする励起モニタ手段と、前記励起モニタ手段からの励起検出値に基づいて前記レーザダイオードに供給する電流を制御して前記固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置。
前記固体レーザ媒質を励起する複数個のレーザダイオードを備えたことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
前記励起モニタ手段は、前記レーザダイオードによる前記固体レーザ媒質の光励起面と反対側に配されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体レーザ装置。
前記レーザダイオードは、前記固体レーザ媒質の周囲に円周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項２または３記載の固体レーザ装置。
前記共振器外側の光軸上で前記共振器からの出力レーザ光の強さをモニタするレーザパワーモニタ手段と、前記レーザパワーモニタ手段からの出力検出値と出力基準値とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力に基づいて前記レーザダイオードに供給する電流を制御して前記固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段とを備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の固体レーザ装置。
前記比較手段は、レーザ装置使用初期における出力レーザ光の強さを出力基準値として記憶する記憶手段の出力と前記レーザパワーモニタ手段からの出力検出値とを比較する手段であることを特徴とする請求項５に記載の固体レーザ装置。
前記固体レーザ媒質を覆うとともに前記レーザダイオードを支持するヒートシンクブロックを備え、前記レーザダイオードと反対側に位置するヒートシンクブロックに、前記固体レーザ媒質を透過した前記レーザダイオードからの励起レーザ光を前記励起モニタ手段に導く開口を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の固体レーザ装置。
前記開口に、前記レーザダイオードからの励起レーザ光を前記励起モニタ手段に導く光ガイドを設けたことを特徴とする請求項７記載の固体レーザ装置。
前記ヒートシンクブロックに、前記レーザダイオードの温度を検出する温度センサーと、冷却手段と、前記温度センサーからの出力に基づいて前記冷却手段を制御して前記レーザダイオードを所定の温度に保つ手段とを設けたことを特徴とする請求項７または８記載の固体レーザ装置。
共振器内に直列に配された複数個の固体レーザ媒質を、個別に設けられたレーザダイオードでそれぞれ側面から光励起させる固体レーザ装置において、前記各固体レーザ媒質の光励起面と反対側に位置して前記各固体レーザ媒質を透過した前記各レーザダイオードからの励起レーザ光の強さを個別にモニタする複数の励起モニタ手段と、前記各励起モニタ手段からの励起検出値に基づいて前記各レーザダイオードに供給する電流を個別に制御して前記各固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さをそれぞれ独立して制御する手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置。
前記共振器外側の光軸上で前記共振器からの出力レーザ光の強さをモニタするレーザパワーモニタ手段と、前記レーザパワーモニタ手段からの出力検出値と出力基準値とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力に基づいて前記レーザダイオードに供給する電流を制御して前記固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段とを備えたことを特徴とする請求項１０に記載の固体レーザ装置。
前記比較手段は、レーザ装置使用初期における出力レーザ光の強さを出力基準値として記憶する記憶手段の出力と前記レーザパワーモニタ手段からの出力検出値とを比較する手段であることを特徴とする請求項１１に記載の固体レーザ装置。
前記固体レーザ媒質を覆うと共に前記レーザダイオードを支持するヒートシンクブロックを備え、前記レーザダイオードと反対側に位置するヒートシンクブロックに、前記固体レーザ媒質を透過した前記レーザダイオードからの励起レーザ光を前記励起モニタ手段に導く開口を設けたことを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の固体レーザ装置。
前記開口に、前記レーザダイオードからの励起レーザ光を前記励起モニタ手段に導く光ガイドを設けたことを特徴とする請求項１３記載の固体レーザ装置。
前記ヒートシンクブロックに、前記レーザダイオードの温度を検出する温度センサーと、冷却手段と、前記温度センサーからの出力に基づいて前記冷却手段を制御して前記レーザダイオードを所定の温度に保つ手段とを設けたことを特徴とする請求項１３または１４記載の固体レーザ装置。
前記固体レーザ媒質の光軸に垂直な断面はＤ字形状であり、前記断面のＤ字形状の円弧部が前記レーザダイオードと対向し、前記断面のＤ字形状の平面部が前記励起モニタ手段と対向することを特徴とする請求項１０に記載の固体レーザ装置。
前記励起モニタ手段は、光ガイドとフォトダイオードとを備えていることを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の固体レーザ装置。
共振器内に配された固体レーザ媒質を、レーザダイオードで側面から光励起させる固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質の光励起面と反対側に位置して前記固体レーザ媒質を透過した前記レーザダイオードからの励起レーザ光の強さをモニタする励起モニタ手段と、前記励起モニタ手段からの励起検出値に基づいて前記レーザダイオードに供給する電流を制御して前記固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段と、レーザ装置使用初期におけるレーザダイオードからの励起レーザ光の強さを記憶する記憶回路とを具備することを特徴とする固体レーザ装置。
前記記憶回路の出力と前記励起モニタ手段からの励起検出値を比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記レーザダイオードに供給する電流を制御して前記固体レーザ媒質への励起レーザ光の強さを制御する手段とを備えたことを特徴とする請求項１８に記載の固体レーザ装置。
前記固体レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧとＮｄ：ＹＶＯ_４とＮｄ：ＧｄＹＶＯ_４とＮｄ：ＹＬＦのうちからひとつ選ばれたロッドであることを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の固体レーザ装置。