JP2007027458A

JP2007027458A - レーザ装置及びその調整方法

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Publication number: JP2007027458A
Application number: JP2005208215A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ishii; 恭石井; Hirakazu Ozeki; 衡和大関; Hiroki Masuda; 裕樹増田; Hideyuki Nakagawa; 英幸中川
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】簡便な構成でかつ損失の小さい単一縦モードレーザ光を出力するレーザ装置及びその調整方法を提供する。
【解決手段】
共振器１３内に配置される第１エタロン２０及び第２エタロン２２が、エタロンホルダ２１及び２３により実質的な厚さを変更可能に保持される。また、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８とにより周波数フィルタが形成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ装置及びその調整方法に関し、より詳しくは単一縦モードのレーザ光を出力することのできるレーザ装置及びその調整方法に関する。

半導体レーザにより励起するＮｄ：ＹＡＧ結晶やＮｄ：ＹＶＯ４結晶などを利得媒体として用いた連続波発振の５３２ｎｍ領域の固体レーザの波長は、長さの標準として用いられる。実際に、レーザ光の波長を用いて測長を行うためには、レーザ光が単一周波数、すなわち単一縦モードで発振する必要がある。さらに、原子あるいは分子吸収線の分光技術を用いてレーザ光の周波数を安定化させるためには、発振周波数が任意に選択可能でなければならない。

レーザ光の発振モードを選択し、単一縦モード発振を得る方法としては、共振器内にエタロンを配置する方法、共振器内に回折格子を配置する方法などが広く知られている。また、任意の発振周波数を選択するには、エタロンなどの光学素子による周波数フィルタにより、透過するレーザ光の周波数を選択し、さらに共振器長を制御することで、レーザ光の発振周波数を制御することができる。また、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶や二次高調波生成用の非線形光学結晶の入射面及び出射面でエタロンを構成し、これにより単一縦モード発振を得るものも知られている（例えば、特許文献１参照）。

通常の回折格子は、ブリーズ角を調整しても一次回折光に対する反射率はおよそ９０％程度であり、出力の小さいレーザ装置の場合共振器の損失が大きくなり過ぎる。

エタロンを用いる方法の場合、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶など、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶より更に広い利得周波数幅を有する利得媒質を用いたレーザ装置においては、単一縦モードを得られない場合がある。そのような場合、エタロンに反射コーティングを施し、エタロンのフィネスを大きくするなどの対策が考えられるが、特別な反射率を得るためのコーティングには費用がかかる。

反射コーティングを施したエタロンの傾斜角を大きくすれば、エタロンの透過特性のピークの周波数を選択することができ、利得媒質が広い利得周波数幅を有していても、任意の周波数で単一縦モードを得られる。しかしこの場合には、レーザ光が完全な平面波ではなく、ガウス型の強度分布を持つために、共振器内の損失が大きくなる。特許文献１の方法でも、単一縦モードを得るには特別な反射率を得るためのコーティングが必要であり、コーティングの費用が大きくなる。
特開平４−３１８９８８号公報

本発明は、簡便な構成でかつ損失の小さい単一縦モードレーザ光を出力するレーザ装置及びその調整方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明の一態様に係るレーザ装置は、一対の共振器ミラーにより励起光を共振させてレーザ光を生成するレーザ共振器と、前記レーザ共振器内に配置される第１エタロン及び第２エタロンと、前記第１エタロン及び前記第２エタロンをその角度を調整可能に保持して前記第１エタロン及び第２エタロンの実質的な厚さを変化させるエタロンホルダと、前記共振器ミラーの位置を調整して前記レーザ共振器の共振器長を変化させるアクチュエータとを備えたことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るレーザ装置の調整方法は、レーザ共振器を構成する一対の共振器ミラーの間に、このレーザ発振器の縦モード間隔よりも小さい周期で透過率が変動する第１透過特性を有する第１エタロンと、前記レーザ共振器のレーザ発振が可能な周波数範囲内で１つのピークのみを有する第２透過特性を有する第２エタロンを配置するステップと、この第１エタロン及び第２エタロンの角度を調整して前記第１エタロン及び第２エタロンの実質的な厚さを変化させ、前記第１透過特性の１つのピークと、前記第２透過特性のピークの１つを略一致させることで前記レーザ共振器を単一縦モード発振させるステップとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、簡便な構成でかつ損失の小さい単一縦モードレーザ光を出力するレーザ装置及びその調整方法を提供することが可能となる。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１を参照して、本発明に係る一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るＮｄ：ＹＶＯ４レーザの構成概略図である。

図１に示すように、このＮｄ：ＹＶＯ４レーザは、励起用半導体レーザ１１、集光系１２、共振器１３、及び温度制御部１４を備えている。

励起用半導体レーザ１１は、所定電圧が印加されることにより波長８０９ｎｍのレーザ光Ｌ１を放出するものである。集光系１２は、レンズ、プリズム等の複数の光学部材から構成され、レーザ光Ｌ１を適当なビーム形状に整形して共振器１３に入射させる。

共振器１３は、ネオジウム（Ｎｄ）がドープされたＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６、このＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６を保持するＮｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ１７、ＫＴＰ結晶１８、及びこのＫＴＰ結晶１８を保持するＫＴＰ結晶ホルダ１９を備えている。

Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１６は、レーザ光Ｌ１により励起されたＮｄ原子の誘導輻射により、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌ２を生じさせるためのものである。ＫＴＰ結晶１８は、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌ２の一部から２次高調波である５３２ｎｍの光を発光する。従って、ＫＴＰ結晶１８から射出されるレーザ光Ｌ３は、波長５３２ｎｍと波長１０６４ｎｍが混合されたレーザ光となる。なお、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１６の集光系１２側の面には、波長１０６４ｎｍの光を反射するためのコーティングがなされており、これによりＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６は共振器１３の共振器ミラーの１つとして機能する。

なお、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ１７、及びＫＴＰ結晶ホルダ１９は、それぞれ比較的熱膨張係数の大きな黄銅で形成されている。温度制御部１４による温度制御により、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ１７、及びＫＴＰ結晶ホルダ１９は膨張・収縮し、これによりＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８の位置を変化させる。

共振器１３は更に、第１エタロン２０、この第１エタロンを保持する第１エタロンホルダ２１、第２エタロン２２、及びこの第２エタロン２２を保持する第２エタロンホルダ２３を備えている。これらのエタロン２０、２２は、例えば合成石英製の平行平面板からなり、レーザ光Ｌ３に対し僅かに傾けて配置されることにより、レーザ光Ｌ３の特定周波数のみを透過する特性を有する。第１エタロンホルダ２１、第２エタロンホルダ２３は、それぞれ第１エタロン２０及び第２エタロン２２を回転可能に保持している。第１エタロン２０及び第２エタロン２２の回転角を調整することにより、エタロンの実質的な厚さを変化させ、透過する光の周波数を制御することができる。なお、第１エタロンホルダ２１、第２エタロンホルダ２３は、図示しない止めネジを備えており、回転角の調整後この止めネジを調整することにより、第１エタロン２０及び第２エタロン２２の角度を固定することが可能なようにされている。

また、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１６のＫＴＰ結晶１８側の面と、ＫＴＰ結晶１８の両面は、たとえその面に反射防止コーティングが施されていたとしても、第１エタロン２０、第２エタロン２２と同様に周波数フィルタとして機能する。

また共振器１３は、反射鏡２４と、これを保持するピエゾ素子２５とを備えている。反射鏡２４は、波長１０６４ｎｍの光を反射し、波長５３２ｎｍの光を透過するようにコーティングがなされている。したがって、波長１０６４ｎｍの光に対してのみ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１６と反射鏡２４によって共振器が構成される。ピエゾ素子２５は、図示しない制御部からの制御電圧により駆動されて反射鏡２４の位置を変化させ、これにより共振器１３の共振器長を調整して共振周波数を変化させるものである。

温度制御部１４は、温度計２６と、制御回路２７と、ペルチェ素子２８と、放熱器２９とから構成される。温度計２６は、共振器１３の温度を測定する。制御回路２７は、温度計２６から得た温度に基づいてペルチェ素子２８に印加する電圧を決定する。

ペルチェ素子２８は、この印加電圧により、共振器１３を冷却する。また、ペルチェ素子２８の外側は加熱されるが、放熱器２９によりその昇温が抑制されている。このようにして共振器１３の温度が制御されることにより、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ１７及びＫＴＰ結晶ホルダ１９の大きさが変化し、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８の位置が変化する。これにより、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８により構成される周波数フィルタの透過周波数を制御することができる。

周知のように、２つの反射平面が平行に置かれているとき、その２つの反射平面はファブリペロー干渉計すなわちエタロンを構成し、いくつかの特定の周波数の光のみを透過させる。従って、第１エタロン２０、及び第２エタロン２２も合成石英の平行平面板からなるためファブリペロー干渉計を構成し、等間隔の周波数間隔を有する特定の周波数の光を透過させる。エタロンの透過スペクトルは、２つの反射平面の反射率、厚さ及び入射光の入射角等が与えられれば、光の電場の重ね合わせの原理に基づいて決定される。例えば、透過スペクトルにおける複数のピークの周波数間隔は、エタロンの厚みが薄い程広くなる。また、各ピークの幅は、エタロンの反射率が大きい程狭くなる。

従って、図１のレーザ装置において、第１エタロン２０、第２エタロン２２の反射率、厚さ及び角度を適切に設定することにより、第１エタロン２０、及び第２エタロン２２の透過スペクトルを決定することができる。また、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８から構成される周波数フィルタの透過スペクトルは、両者間の距離がホルダ１７及び１９により変更されることにより変更することができる。共振器１３全体の透過スペクトルは、このようにして決定された２つのエタロン２０，２２、並びにＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８から構成される１つの周波数フィルタの透過スペクトルの積として決定される。

図２は、第１エタロン２０の透過スペクトル３０、第２エタロン２２の透過スペクトル３４、及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８から構成される周波数フィルタの透過スペクトル３２の例を示す。第１エタロン２０の透過スペクトル３０は、共振器１３の縦モード間隔よりも小さい周期で透過率が変動する特性を有するように、第１エタロン２０の実質的な厚さを調整する。また、第２エタロン２２の透過スペクトル３４は、共振器１３でレーザ利得が得られる周波数範囲内にピークが１つだけ存在する特性を有するように、第２エタロン２２の実質的な厚さを調整する。従って、第２エタロン２２は、第１エタロン２０よりも厚さが小さく設定されている。

なお、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８から構成される周波数フィルタの透過スペクトル３２は、２つの反射面間の距離が大きいため、図２のように透過率の変動周期は、第１エタロンの透過スペクトル３０の透過率の変動周期よりも小さくなる。

共振器１３の全体としての透過スペクトル３６は、図３に示すように、透過スペクトル３０、３２及び３４の積となる。共振器１３でレーザ利得が得られる周波数範囲内の透過スペクトル３４のピークが、透過スペクトル３０のピークの１つと一致するように、第１エタロン２０及び第２エタロン２２の角度を調整して実質的厚さを変更する。これにより、図３の透過スペクトル３６のように、１箇所のピークのみが発振しきい値３８を超え、単一縦モード発振が得られるようになる。

透過スペクトル３０及び３４は、それぞれ第１エタロン２０、第２エタロン２４の実質的厚さが変更されることにより、グラフ上で横軸方向（周波数軸方向）に平行移動させることができる。透過スペクトル３２もまた、温度制御部１４によるホルダ１７及び１９の制御により、グラフ上で横軸方向（周波数軸方向）に平行移動させることができる。従って、合成の透過スペクトル３６も、グラフ上で横軸方向に平行移動させることができる。透過スペクトル３６を平行移動させ、そのピーク３６Ｐを共振器の複数の縦モード発振周波数４０の１つと一致させることにより、単一縦モード発振を得ることができる。なお、ピエゾ素子２５の制御により、共振器１３の縦モード４０の位置を横軸方向に移動させることで、ピーク３６Ｐとの一致を図ることも可能である。

次に、本実施の形態のレーザ装置において、単一縦モード発振を得るための調整手順について説明する。まず、出力光としてのレーザ光Ｌ４をスペクトラムアナライザ等に入射させ、レーザ光Ｌ４の波長及び強度をモニタリング可能な状態とする。

次に、第２エタロン２２の回転角度を調整して、所望の周波数付近でレーザ光Ｌ４の強度が最大になるようにする。続いて、第１エタロン２０の回転角度を調整して、その透過スペクトルのピークの１つを、共振器１３の複数の縦モード発振周波数４０の１つと一致させる。この一致されたピークにより、共振器１３の単一縦モード発振が得られる。

更に、温度制御部１４により共振器１３の温度を調整してＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８の位置を調整し、レーザ光Ｌ４の周波数が所望の周波数になるように調整する。以下、必要に応じて第２エタロン２２及び第１エタロン２０の調整を繰り返すと共に、ピエゾ素子２５の制御も行って所望の周波数に近づける制御を行う。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記の実施の形態では、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６を用い、非線形光学結晶としてＫＴＰ結晶１８を用いているが、例えばレーザ媒質をＮｄ：ＹＡＧ結晶など周知の他の結晶に、非線形光学結晶をＫＮｂＯ３など他の非線形光学結晶にそれぞれ置き換えても本発明は適用可能である。

本発明の一実施形態に係るレーザ装置の構成を示す。図１の第１エタロン２０、第２エタロン２２、及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８から構成される周波数フィルタそれぞれの透過スペクトルの例を示す。図１の第１エタロン２０、第２エタロン２２、及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶１６及びＫＴＰ結晶１８から構成される周波数フィルタそれぞれの透過スペクトルの積としての合成透過スペクトルの一例を示す。

符号の説明

１１・・・励起用半導体レーザ、１２・・・集光系、１３・・・共振器、１４・・・温度制御部、１６・・・Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶、１７・・・Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ、１８・・・ＫＴＰ結晶、１９・・・ＫＴＰ結晶ホルダ、２０・・・第１エタロン、２１・・・第１エタロンホルダ、２２・・・第２エタロン、２３・・・第２エタロンホルダ、２４・・・反射鏡、２５・・・ピエゾ素子、２６・・・温度計、２７・・・制御回路、２８・・・ペルチェ素子、２９・・・放熱器。

Claims

一対の共振器ミラーにより励起光を共振させてレーザ光を生成するレーザ共振器と、
前記レーザ共振器内に配置される第１エタロン及び第２エタロンと、
前記第１エタロン及び前記第２エタロンをその角度を調整可能に保持して前記第１エタロン及び第２エタロンの実質的な厚さを変化させるエタロンホルダと、
前記共振器ミラーの位置を調整して前記レーザ共振器の共振器長を変化させるアクチュエータと
を備えたことを特徴とするレーザ装置。
透過率のピーク間の幅が、前記レーザ共振器の縦モード間隔より小さいような透過特性を有するように前記第１エタロンの実質的な厚さが設定され、
前記レーザ共振器でレーザ利得が得られる周波数範囲内にピークが１つだけ存在する透過特性を有するように前記第２エタロンの実質的な厚さが設定された
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
前記共振器ミラーの間に、固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質により励起されたレーザ光の二次高調波を生成する非線形光学結晶とを備え、
前記固体レーザ媒質と前記非線形光学結晶により形成される周波数フィルタの透過特性を、前記固体レーザ媒質及び前記非線形光学結晶の位置を調整することにより変化させることが可能に構成された請求項１記載のレーザ装置。
レーザ共振器を構成する一対の共振器ミラーの間に、このレーザ発振器の縦モード間隔よりも小さい周期で透過率が変動する第１透過特性を有する第１エタロンと、前記レーザ共振器のレーザ発振が可能な周波数範囲内で１つのピークのみを有する第２透過特性を有する第２エタロンを配置するステップと、
この第１エタロン及び第２エタロンの角度を調整して前記第１エタロン及び第２エタロンの実質的な厚さを変化させ、前記第１透過特性の１つのピークと、前記第２透過特性のピークの１つを略一致させることで前記レーザ共振器を単一縦モード発振させるステップと、
を備えたことを特徴とするレーザ装置の調整方法。