JP2004289066A - 固体レーザ装置 - Google Patents

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。固体レーザ媒質使用初期の蛍光の強さを測定して、その値を蛍光基準値として記憶しておく。レーザ装置使用時の蛍光の強さを測定し、その測定された蛍光値と基準値を比較回路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。このような固体レーザ装置において、レーザ出力を長期に亘り一定に維持するためには、長期に亘って変化しない励起光を固体レーザ媒質に供給する必要がある。
【０００３】
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６（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６（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６（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６（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】
レーザダイオードの励起による固体レーザのレーザ出力は、励起光、即ちレーザダイオードに流れる電流に応じて変化することが知られている。そのため、固体レーザ媒質を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と言われている。レーザダイオードの経時的劣化により、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、所定のレーザ出力を得ることが出来ないことになる。一方、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】
さらに、固体レーザ媒質を複数のレーザダイオードで励起する方法では、特性の近いレーザダイオードの組み合わせを用いて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、上述のように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と言われているので、各レーザダイオードの経時的劣化の違いにより、一つでも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、個々の固体レーザ媒質につき一つ、或いは複数のレーザダイオードで励起する方式に係わらず、熱レンズ効果により、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し、またレーザダイオードの特性劣化、或いはレーザダイオードに流れる電流量の低下、換言すれば励起光の減少により初期に設定されたレーザ効率、出力が期待できなくなる。いずれにしても、長期にわたるレーザ装置の使用により、レーザダイオードに流れる電流が変化し、その変化に応じてレーザ発振状態が変わるため、初期に期待した出力が得られなくなるものである。
【００１１】
そのため、例えば発振器から出力されたレーザパワーをフォトダイオードでモニタし、そのモニタ出力をレーザダイオードの駆動回路に帰還をかけ、レーザパワーが低下した場合にはレーザダイオードに流れる電流を増大させ、固体レーザ媒質への励起光を増すことにより、所定のレーザ出力を得ることが考えられる。一方、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】
レーザパワーのみをモニタする方法においては、固体レーザ媒質以外の共振器内に配された光学部品、たとえばＱスイッチや非線形光学結晶などが受ける温度条件などにより、それらの部品に起因したレーザパワーの変動も考えられるので、固体レーザ媒質の励起を直接的にモニタする手法に比べ、制御効率が必ずしも高いとは言えない。また、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悪影響、例えばレーザダイオードの特性劣化によるレーザ出力の低減や、熱レンズ効果のアンバランスについての考慮がなされていない。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、固体レーザ媒質に供給されるレーザダイオードからの励起光の強さと固体レーザ媒質から出力される蛍光の強さが比例関係にあることを基にして、上記従来の問題を解決し、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は反対側の面に近接して配置され、固体レーザ媒質が発する蛍光を検出する蛍光検出手段と、蛍光検出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光を制御する制御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のレーザダイオードと、各レーザダイオードに対応する複数の蛍光検出手段とを備えた。このように構成したことにより、固体レーザ装置からのレーザ出力を大きくすることができる。
【００１６】
また、直列に配列された複数の固体レーザ媒質と、各固体レーザ媒質を側面から光励起させる複数のレーザダイオードと、各固体レーザ媒質の光励起面とは反対側の面に近接して配置され、各固体レーザ媒質が発する蛍光を個別に検出する複数の蛍光検出手段と、各蛍光検出手段の出力に基づい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光を夫々独立して制御する制御手段とを備えた。このように構成したことにより、固体レーザ装置からのレーザ出力を大きくすることができる。
【００１７】
また、レーザ装置使用初期における固体レーザ媒質の蛍光の強さを記憶する記憶手段と、記憶手段の出力を基準値として、固体レーザ媒質の蛍光の強さを基準値と比較する蛍光比較手段とを備えた。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。
【００１８】
また、制御手段に、比較手段の出力に応じてレーザダイオードへの電流を制御する手段を設けた。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。
【００１９】
また、共振器の外側に、共振器からのレーザ光のパワーをモニタするレーザパワーモニタ手段を設け、レーザパワーモニタ手段の検出出力と出力基準値とを比較するパワー比較手段を設け、制御手段に、パワー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する手段を設けた。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、固体レーザ媒質を実質的に覆うヒートシンクブロックを備え、ヒートシンクブロックに、レーザダイオードからの励起光を固体レーザ媒質に導くスリットを設け、固体レーザ媒質に対してスリットの反対側に蛍光検出手段を配置した。このように構成したことにより、他のレーザダイオードによる励起光に起因する蛍光の干渉を受けることなく、励起のためのレーザダイオードと対応した固体レーザ媒質からのみの蛍光の強さを蛍光検出手段により確実に検出することができる。
【００２１】
また、固体レーザ媒質は、断面がＤ字型のロッドであり、ロッドの曲面に対向する位置にヒートシンクのスリットが形成され、ロッドの平面に対向する位置に蛍光検出手段を配置した。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、固体レーザ媒質からの蛍光の強さを確実に検出できる。
【００２２】
また、蛍光検出手段は、固体レーザ媒質からの蛍光を選択するバントパスフィルターと、光ガイドと、フォトダイオードとから構成されている。このように構成したことにより、簡単な構成で蛍光の強さをモニタできる。
【００２３】
また、固体レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ_４またはＮｄ：ＧｄＹＶＯ_４またはＮｄ：ＹＬＦのロッドである。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。
【００２４】
【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５を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
（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及び固体レーザ媒質からの蛍光の強さと蛍光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。
【００２６】
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、固体レーザ媒質から出力された蛍光を検出する蛍光検出手段と、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）の固体レーザ媒質から出力された蛍光を検出する蛍光検出手段の拡大図である。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。また、波長１０６４ｎｍを中心に±５ｎｍの幅を持つ誘電体薄膜によるバンドパスフィルタ５０ａ（図３参照）が各光ガイド６ａ，６ｂ，６ｃの前面に配されている。
【００２７】
フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃは、固体レーザ媒質から出力された蛍光を検出する蛍光検出手段である。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、レーザダイオードによる固体レーザ媒質から出力された蛍光の強さ（蛍光検出値）を蛍光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、即ちレーザ装置使用初期のレーザパワー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。光記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、レーザ装置使用初期における固体レーザ媒質から出力された蛍光の強さ（蛍光基準値）を記憶する回路である。
【００２８】
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。
【００２９】
図３は、レーザダイオードの励起光により励起された固体レーザ媒質からの蛍光を検出する手段を模式的に表した略図である。レーザダイオード５ａからの励起光は、Ｄ字形状の固体レーザ媒質３ａの曲面Ｄ１に入射する。この曲面Ｄ１から入射した励起光は、固体レーザ媒質３ａの中を実質的に平行状態で進み、固体レーザ媒質を励起する。このように励起された固体レーザ媒質３ａの周囲からは、蛍光ＦＬが発せられる。この蛍光ＦＬは、固体レーザ媒質３ａの平面状の後面Ｄ２から出射し、光学的なバンドパスフィルタ５０ａにより、所定の波長の光のみが選択され、光ファイバーあるいはロッドレンズからなる光ガイド６ａを介して、フォトダイオード７ａに導かれる。図４は、固体レーザ媒質から発せられた蛍光の強さと、レーザダイオードに供給する電流との関係を示したグラフである。
【００３０】
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からなるレーザ媒質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。レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃにより、固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃが励起されると、固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃの光軸に沿って、例えば１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光が、共振器より出力される。また、固体レーザ媒質３ａ，３ｂ，３ｃの周囲には、レーザダイオードの励起光に応じた強さの蛍光（波長１０６４ｎｍ）が現れる。
【００３１】
レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃによる光励起面と反対の面に、固体レーザ媒質から発せられた蛍光ＦＬの強さを検出する蛍光検出手段が配置されている。蛍光検出手段は、レーザダイオードにより励起され、固体レーザ媒質から出力された蛍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１０６４ｎｍを中心に±５ｎｍの幅を持つ誘電体薄膜によるバンドパスフィルタ５０ａ（図３参照）が配されている。そのため固体レーザ媒質から出力された蛍光のみが、フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃに入射するようにしてある。
【００３２】
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。
【００３３】
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、固体レーザ媒質（レーザロッド）３ａ，３ｂ，３ｃに結合された各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃに流れる電流量を所定の値に保ち、常に固体レーザ媒質（レーザロッド）３ａ，３ｂ，３ｃの励起を一定にしておく必要がある。そのため、固体レーザ媒質から出力された蛍光の強さを検出する蛍光検出手段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から発せられた蛍光を直接、外乱光の影響がないようにして検出している。このようにすることにより、固体レーザ媒質（レーザロッド）３ａ，３ｂ，３ｃの励起量が検出される。
【００３４】
固体レーザ媒質から出力される蛍光の様子を、図３に示してある。レーザダイオード５ａからの励起光は、Ｄ字形状の固体レーザ媒質３ａの曲面Ｄ１に入射する。この曲面Ｄ１から入射した励起光は、固体レーザ媒質３ａの中を実質的に平行状態で進み、固体レーザ媒質を励起する。このように励起された固体レーザ媒質３ａの周囲からは、蛍光ＦＬが発せられる。この蛍光ＦＬは、固体レーザ媒質３ａの平面状の後面Ｄ２から出る。光学的なバンドパスフィルタ５０ａにより所定の波長の光のみが選択されて、光ファイバーあるいはロッドレンズからなる光ガイド６ａを介して、フォトダイオード７ａに導かれる。レーザダイオードの励起光の強さ即ち励起電流の大きさにより、固体レーザ媒質から発せられる蛍光の強さがどれほど変わるかを検証したグラフを、図４に示す。
【００３５】
図４（ａ）は、レーザダイオード５ａに１５Ａ（アンペア）の電流を流し、固体レーザ媒質３ａを励起した場合の蛍光出力のグラフである。この状態では、固体レーザ媒質３ａから発せられた１０６４ｎｍを中心とした蛍光の強さは、３７６．１ｐＷ（ピコワット）であった。図４（ｂ）は、レーザダイオード５ａに１７．５Ａ（アンペア）の電流を流し、固体レーザ媒質３ａを励起した場合である。この状態では、固体レーザ媒質３ａから発せられた１０６４ｎｍを中心とした蛍光の強さは６７５．２ｐＷ（ピコワット）であった。図４（ｃ）は、レーザダイオード５ａに２０Ａ（アンペア）の電流を流し、固体レーザ媒質３ａを励起した場合である。この状態では、固体レーザ媒質３ａから発せられた１０６４ｎｍを中心とした蛍光の強さは９５４．０ｐＷ（ピコワット）であった。このように、レーザダイオードに流れる電流の強さにより、固体レーザ媒質から発せられる蛍光の強さが変化する。
【００３６】
固体レーザ媒質から出力される蛍光に比例する信号が、フォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃから得られ、図１（ｂ）に示すように、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いて、各固体レーザ媒質（レーザロッド）３ａ，３ｂ，３ｃから発せられた蛍光の強さを、励起基準値として記憶するための記憶回路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いて、各固体レーザ媒質（レーザロッド）３ａ，３ｂ，３ｃから発せられた蛍光の強さが、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、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、即ち常にレーザ装置使用初期の電流と同じ値の電流が供給される。
【００３７】
レーザ装置のレーザパワーをモニタし、その結果をレーザダイオードに帰還し、パワーコントロールすることも有用である。そのため、本実施の形態の一例では、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、レーザ電源１３から各レーザダイオードに流れる電流量を変更する。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、電流量を少し大きくする。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、電流量を少し小さくする。更にフォトダイオード７ａ，７ｂ，７ｃと信号処理回路から得られた蛍光検出値と蛍光基準値を、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。
【００３８】
次に、図２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。
【００３９】
固体レーザ媒質３ａを実質的に覆うように、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，すなわちスリットが設けられている。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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
図１に示すように、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。
【００４３】
各固体レーザ媒質（レーザロッド）３ａ，３ｂ，３ｃから出力された蛍光が、光ガイド６ａ，６ｂ，６ｃを介して、蛍光検出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に蛍光検出値として供給される。
【００４４】
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からの蛍光検出値と、記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃからの蛍光基準値とが供給される。記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃからレーザ装置使用初期の蛍光基準値と、信号処理回路８ａ，８ｂ，８ｃからレーザ装置使用時の蛍光検出値が、比較回路９ａ，９ｂ，９ｃに供給される。レーザ装置使用時の固体レーザ媒質から出力された蛍光の強さに応じた出力信号（蛍光検出値）とレーザ装置使用初期の蛍光基準値が比較され、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。
【００４５】
蛍光検出値が蛍光基準値に比較して小さくなった状態では、その比較結果に応じて各電流制御手段２４ａ，２４ｂ，２４ｃがより多くの電流を各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃに供給するように動作する。そのため、各各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃからの励起光が増大し、各固体レーザ媒質の励起が活発化され、各固体レーザ媒質は常にバランスのとれた励起状態となり、結果として出力レーザ光のパワーを常に一定に保つことができる。また、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が供給されるため、レーザ装置使用時の出力レーザ光の強さ（出力検出値）とレーザ装置使用初期の出力基準値が比較され、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。
【００４６】
出力検出値が出力基準値に比較して小さくなった状態では、その比較結果に応じて各電流制御手段２４ａ，２４ｂ，２４ｃがより多くの電流を各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃに供給するように動作する。そのため、各各レーザダイオード５ａ，５ｂ，５ｃからの励起光が増大し、各固体レーザ媒質の励起が活発化され、各固体レーザ媒質は常にバランスのとれた励起状態となり、結果として出力レーザ光のパワーを常に一定に保つことができる。
【００４７】
上記のように、本発明の第１の実施の形態では、蛍光検出値とレーザパワー検出値を、電流制御手段を介してレーザダイオードに帰還することで、二重に帰還をかけているため、より精度の高い安定したレーザ出力を取り出すことが可能となる。また、固体レーザ媒質からの蛍光をレーザダイオードからの励起に対応して検出し、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。
【００４８】
（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。
【００４９】
図５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５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、固体レーザ媒質からの蛍光の強さを検出する手段である。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、固体レーザ媒質から発生した蛍光を出射させる開口部である。光ガイド３８ａ，３８ｂ，３８ｃは、固体レーザ媒質から発生した蛍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。
【００５０】
上記のように構成された本発明の第２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。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に対応し、固体レーザ媒質３０から発生した蛍光を検出するフォトダイオード３５ａ，３５ｂ，３５ｃが取り付けられている。
【００５１】
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、固体レーザ媒質からの蛍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。
【００５２】
図５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、記憶回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃ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、各固体レーザ媒質からの蛍光の強さは、各フォトダイオードにより検出される。検出出力（蛍光検出値）が蛍光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。
【００５３】
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夫々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。
【００５４】
【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は反対側の面に近接して配置され、固体レーザ媒質が発する蛍光を検出する蛍光検出手段と、蛍光検出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光を制御する制御手段とを具備する構成としたので、固体レーザ媒質から発せられた蛍光のみを確実に検出でき、その検出結果に基づいて検出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。
【００５５】
また、レーザ装置使用初期における固体レーザ媒質の蛍光の強さを記憶する記憶手段と、記憶手段の出力を基準値として、固体レーザ媒質の蛍光の強さを基準値と比較する蛍光比較手段とを備えたので、共振器からの出力レーザ光のパワーを常に使用初期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。
【００５６】
また、共振器の外側に、共振器からのレーザ光のパワーをモニタするレーザパワーモニタ手段を設け、レーザパワーモニタ手段の検出出力と出力基準値とを比較するパワー比較手段を設け、制御手段に、パワー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する手段を設けたので、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、直列に配列された複数の固体レーザ媒質と、各固体レーザ媒質を側面から光励起させる複数のレーザダイオードと、各固体レーザ媒質の光励起面とは反対側の面に近接して配置され、各固体レーザ媒質が発する蛍光を個別に検出する複数の蛍光検出手段と、各蛍光検出手段の出力に基づい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光を夫々独立して制御する制御手段とを備えたので、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、高品質でしかも高出力のレーザ出力が得られる。
【００５８】
また、固体レーザ媒質を実質的に覆うヒートシンクブロックを備え、ヒートシンクブロックに、レーザダイオードからの励起光を固体レーザ媒質に導くスリットを設け、固体レーザ媒質に対してスリットの反対側に蛍光検出手段を配置したので、蛍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検出できる。
【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媒質から発せられる蛍光を検出する方法を示す概略図、
【図４】固体レーザ媒質から発せられた蛍光の強さと、レーザダイオードに供給する電流との関係を示すグラフ、
【図５】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６】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
５０ａ バンドパスフィルタ

Claims (10)

1. 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は反対側の面に近接して配置され、前記固体レーザ媒質が発する蛍光を検出する蛍光検出手段と、前記蛍光検出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光を制御する制御手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置。
2. 前記固体レーザ媒質を励起する複数のレーザダイオードと、前記各レーザダイオードに対応する複数の蛍光検出手段と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。
3. 直列に配列された複数の固体レーザ媒質と、前記各固体レーザ媒質を側面から光励起させる複数のレーザダイオードと、前記各固体レーザ媒質の光励起面とは反対側の面に近接して配置され、前記各固体レーザ媒質が発する蛍光を個別に検出する複数の蛍光検出手段と、前記各蛍光検出手段の出力に基づいて前記各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光を夫々独立して制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ装置。
4. レーザ装置使用初期における前記固体レーザ媒質の蛍光の強さを記憶する記憶手段と、前記記憶手段の出力を基準値として、前記固体レーザ媒質の蛍光の強さを前記基準値と比較する蛍光比較手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体レーザ装置。
5. 前記制御手段に、前記比較手段の出力に応じて前記レーザダイオードへの電流を制御する手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の固体レーザ装置。
6. 前記共振器の外側に、前記共振器からのレーザ光のパワーをモニタするレーザパワーモニタ手段を設け、前記レーザパワーモニタ手段の検出出力と出力基準値とを比較するパワー比較手段を設け、前記制御手段に、前記パワー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する手段を設けたことを特徴とする請求項１または３に記載の固体レーザ装置。
7. 前記固体レーザ媒質を実質的に覆うヒートシンクブロックを備え、前記ヒートシンクブロックに、前記レーザダイオードからの励起光を前記固体レーザ媒質に導くスリットを設け、前記固体レーザ媒質に対して前記スリットの反対側に前記蛍光検出手段を配置したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体レーザ装置。
8. 前記固体レーザ媒質は、断面がＤ字型のロッドであり、前記ロッドの曲面に対向する位置に前記ヒートシンクのスリットが形成され、前記ロッドの平面に対向する位置に前記蛍光検出手段を配置したことを特徴とする請求項７に記載の固体レーザ装置。
9. 前記蛍光検出手段は、前記固体レーザ媒質からの蛍光を選択するバンドパスフィルターと、光ガイドと、フォトダイオードとから構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の固体レーザ装置。
10. 前記固体レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ_４またはＮｄ：ＧｄＹＶＯ_４またはＮｄ：ＹＬＦのロッドであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の固体レーザ装置。

Images