JP2008141127A

JP2008141127A - 半導体レーザ励起固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2008141127A
Application number: JP2006328431A
Authority: JP
Inventors: Kazuma Watanabe; 一馬渡辺; Ichiro Fukushi; 一郎福士; Kimitada Tojo; 公資東條
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】レーザ光をパルス状に出力する際のスパイキング現象の発生を防止する。
【解決手段】レーザ出力オフの期間は、半導体レーザがレーザ光を出力する閾値電流値Ｉｈ以上であって且つ固体レーザ媒質が発振する発振電流値Ｉｏ未満の電流値Ｉｓの駆動電流を半導体レーザに供給し、レーザ出力オンの期間は、閾値電流値Ｉｈ以上であって且つ発振電流値Ｉｏ以上の電流値Ｉｃの駆動電流を半導体レーザに供給する。
【効果】レーザ光を出力しない期間でも、半導体レーザからレーザ光が固体レーザ媒質に入射され固体レーザ媒質を励起しているから、スパイキング現象の発生を防止できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体レーザ励起固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、レーザ光のスパイキング現象の発生を防止でき、また、半導体レーザをオンした直後のレーザ出力を安定化させることが出来る半導体レーザ励起固体レーザ装置に関する。

従来、半導体レーザから出力される波長８０８ｎｍのレーザ光を波長変換素子により波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光に変換して出力するレーザ光発生装置が知られている（例えば特許文献１，特許文献２参照。）。
他方、半導体レーザから出力されたレーザ光により固体レーザ媒質を励起し、固体レーザ媒質で発振したレーザ光を非線形光学結晶で所望の波長のレーザ光に変換して出力する半導体レーザ励起固体レーザ装置が知られている（例えば特許文献３参照。）。
特開２００４−２８２０５９号公報特開２００５−３３１４６４号公報特開２０００−２０８８４９号公報

上記従来のレーザ光発生装置では、半導体レーザをオン／オフし、緑色のレーザ光を制御している。
しかし、半導体レーザ励起固体レーザ装置で半導体レーザをオン／オフすると、オンした直後に固体レーザに特有のスパイキング現象が発生する問題点がある。すなわち、オンした直後にスパイク状のパルス光が発生してしまう問題点がある（図６参照）。
また、半導体レーザをオンした直後は、半導体レーザや固体レーザ結晶、波長変換結晶の温度が不安定になってしまうため、レーザ出力自体も不安定になってしまうことがある。
そこで、本発明の目的は、レーザ光のスパイキング現象の発生を防止でき、また、半導体レーザをオンした直後のレーザ出力を安定化させることが出来る半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光により励起される固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む光共振器内に収容され前記光共振器で発振する基本波の第二高調波を出力する非線形光学結晶と、前記第二高調波の一部を検出して第二高調波出力が一定になるように前記半導体レーザの駆動電流を制御する帰還制御回路とを備えた固体レーザ装置において、前記第二高調波出力が０となる設定の場合に、前記半導体レーザを、レーザ光を出力する閾値電流値以上の電流値であって且つ前記発振電流値未満の電流値で駆動する駆動電流制御手段を具備したことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第１の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、第二高調波出力が０となる設定の場合、半導体レーザを、閾値電流値以上であって且つ発振電流値未満の電流値で制御する。発振電流値未満の電流では固体レーザ媒質が発振しないから所望の波長のレーザ光が出力されないが、閾値電流値以上の電流が半導体レーザに流され、半導体レーザからレーザ光が出力されて固体レーザ媒質を励起しているから、次に所望の波長のレーザ光を出力する時に発振電流値以上の電流が半導体レーザに流されて固体レーザ媒質が発振しても、スパイキング現象が発生しなくなる。
また、半導体レーザを常に点灯させることにより、半導体レーザや固体レーザ媒質の温度変動が抑制され、所望の波長のレーザ光を出力する期間になった直後でもレーザ出力が安定する。

本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置によれば、スパイキング現象の発生を防止することが出来る。また、半導体レーザをオンした直後のレーザ出力を安定化することが出来る。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係るレーザポインタ１００を示す構成図である。
このレーザポインタ１００は、レーザ光を出射する半導体レーザ１と、レーザ光を集光するレンズ２と、集光されたレーザ光で励起され基本波を誘導放出する固体レーザ媒質３と、基本波を第二高調波に変換する非線形光学結晶４と、光共振器６の一端を構成すると共に第二高調波を透過させるミラー５と、ミラー５を透過した第二高調波の一部を取り出すビームスプリッタ７と、ビームスプリッタ７を通過した第二高調波から赤外線をカットする赤外線カットフィルタ８と、赤外線カットフィルタ８を通過したビーム径を拡げると共に平行ビームにするビームエキスパンダ９と、ビームスプリッタ７で取り出した第二高調波を受光し電気信号に変換するフォトダイオード１０と、フォトダイオード１０での電気信号の強度が一定になるように半導体レーザ１の駆動電流を制御するＡＰＣ（Auto Power Control）回路１１と、半導体レーザ１，集光レンズ２，固体レーザ媒質３，非線形光学結晶４およびミラー５を支持するベース１２と、ベース１２を加熱／冷却するためのペルチェ素子１３と、ベース１２の温度を検出するためのサーミスタ１４と、サーミスタ１４で検出した温度が所定の温度になるようにペルチェ素子１３を駆動する温度制御回路１５と、電源としての乾電池１６と、人が携帯可能な大きさの円筒状の筐体１７と、バネ１８と、ＡＰＣ回路１１の運転モードを切り替えるモード回路２０と、操作者が操作するための操作スイッチ２１とを具備している。

半導体レーザ１は、固体レーザ媒質３の吸収ピーク波長（例えば８０８.５ｎｍ）を中心とする波長範囲（例えば８０５ｎｍ〜８１１ｎｍ）の光を出すように温度チューニングされる。

固体レーザ媒質３は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄である。Ｎｄ：ＹＶＯ₄の代わりに、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶、Ｎｄ：ＹＡＧの微細結晶を焼結したセラミックＹＡＧなどを用いてもよい。
固体レーザ媒質３の半導体レーザ側の端面には８０８.５ｎｍでは高透過率、１０６４ｎｍでは高反射率のコーティングが施されている。固体レーザ媒質３の半導体レーザ側の端面とミラー５の間で光共振器６が構成され、１０６４ｎｍのレーザ光が発振する。

非線形光学結晶４は、温度制御回路１５による制御温度範囲内で位相整合が行えるような分極反転周期で分極反転構造が形成された擬似位相整合素子である。擬似位相整合素子は、例えばＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃、ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄に分極反転処理を施すことにより得られる。分極反転周期の異なる擬似位相整合素子を予め用意しておき、半導体レーザ１の温度に応じて選択して非線形光学結晶４として用いる。
非線形光学結晶４を通過する１０６４ｎｍのレーザ光は、第二高調波である５３２ｎｍの光に変換されて光共振器６から出力される。

ベース１２は、アルミや銅、銅タングステンなどの良熱伝導体を削りだしたものである。
バネ１８は、ペルチェ素子１３を挟んでベース１２を筐体１７に押しつけるように付勢すると共にベース１２の他の部分を筐体１７から浮かすようにベース１２を支持している。
バネ１８が熱伝達しないように、バネ１８の全体またはベース１２に接触する部分は高分子材料でできている。
ベース１２とペルチェ素子１３とは接着または半田付けされている。なお、ベース１２とペルチェ素子１３の間およびペルチェ素子１３と筐体１７の間に熱伝導性グリースまたは熱伝導シートを挟み、熱伝導を良くして、バネ１８で押圧する構造でもよい。

必要に応じて、ゴーストを防ぐため５３２ｎｍに対するＡＲコートを表面に施した円柱レンズを用いて、ビームエキスパンダ９から出力された平行ビームを扇状ビームに変換する。

操作者が操作スイッチ２１を操作して乾電池１６からの給電を止めると、レーザポインタ１００は電源オフの状態となる。
操作者が操作スイッチ２１を操作して乾電池１６から給電させると、レーザポインタ１００は電源オンの状態となる。そして、電源オンの状態で、操作者は、操作スイッチ２１を操作して「パルス動作モード」と「連続動作モード」とを切り替えることが出来る。

「パルス動作モード」では、図２に示すように０％のレーザ出力と１００％のレーザ出力を交互に切り替えるように指示するパルス信号がモード回路２０からＡＰＣ回路１１に入力される。

図３に示すように、ＡＰＣ回路１１は、０％のレーザ出力が指示されると、半導体レーザ１がレーザ光を出力する閾値電流値Ｉｈ以上であって且つ固体レーザ媒質３が発振する発振電流値Ｉｏ未満の電流値Ｉｓの駆動電流を半導体レーザ１に供給する。次に、ＡＰＣ回路１１は、１００％のレーザ出力が指示されると、半導体レーザ１がレーザ光を出力する閾値電流値Ｉｈ以上であって且つ固体レーザ媒質３が発振する発振電流値Ｉｏ以上の電流値Ｉｃの駆動電流を半導体レーザ１に供給する。

図４に、「パルス動作モード」でのレーザ出力の変化を示す。パルス信号の周波数は１０ｋＨｚである。
レーザ出力０％の時は、電流値Ｉｓの期間であり、半導体レーザ１がレーザ光を出力するので固体レーザ媒質３は励起されるが発振には至らないからレーザ出力は０％となる。
レーザ出力１００％の時は、電流値Ｉｃの期間であり、固体レーザ媒質３が発振するからレーザ出力は１００％となる。なお、電流値Ｉｃは、フォトダイオード１０での電気信号の強度が一定になるように制御される。
図４から判るように、スパイキング現象は発生していない。

「連続動作モード」では、１００％のレーザ出力を維持するように指示する一定値信号がモード回路２０からＡＰＣ回路１１に入力される。
ＡＰＣ回路１１は、電流値Ｉｃの駆動電流を半導体レーザ１に供給する。この電流値Ｉｃは、フォトダイオード１０での電気信号の強度が一定になるように制御される。

実施例１に係るレーザポインタ１００によれば、次の効果が得られる。
（１）所望の波長（例えば５３２ｎｍ）のレーザ光をパルス状に出力できる。また、スパイキング現象の発生を防止することが出来る。
（２）電流値Ｉｓを発振電流値Ｉｏより僅かに小さい電流値とすると、所望の波長のレーザ光をパルス状に出力しない期間でも、固体レーザ媒質３を発振寸前まで励起しているから、スパイキング現象の発生を確実に防止できる。また、半導体レーザ１や固体レーザ媒質３の温度変動が抑制され、所望の波長のレーザ光をパルス状に出力する期間になった直後でもレーザ出力が安定する。
（３）電流値Ｉｓを閾値電流値Ｉｈより僅かに大きい電流値とすると、所望の波長のレーザ光をパルス状に出力しない期間でも、固体レーザ媒質３を励起しているから、スパイキング現象の発生を防止できる。また、電力消費を抑制できる。

図５は、実施例２に係るレーザポインタ２００を示す構成図である。
このレーザポインタ２００では、固体レーザ媒質３と非線形光学結晶４を接着剤などで貼り合せ、非線形光学結晶４の反半導体レーザ側の端面には１０６４ｎｍでは高反射率、５３２ｎｍでは低反射率のコーティングが施されている。つまり、結晶内部で光共振器６が構成されている。そして、ミラー５が省略されている。その他は、実施例１に係るレーザポインタ１００と同じである。

実施例２に係るレーザポインタ２００によれば、固体レーザ媒質３と非線形光学結晶４とを貼り合わせることで温度制御対象をコンパクトにすることが出来るため、温度制御に要する電力を小さくすることが出来る。

比較例

従来は、図６に示すように、レーザ出力オンの時に電流値Ｉｃの駆動電流を半導体レーザ１に供給し、レーザ出力オフの時には駆動電流を半導体レーザ１に供給しないで「パルス動作」させていた。
この場合、図７に示すように、オフからオンになった時に、スパイク状のパルス光が発生してしまう問題点があった。

本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザポインタやレーザ墨出し器に利用できる。

実施例１に係るレーザポインタを示す構成説明図である。実施例１に係る「パルス動作」を指示するパルス信号の例示図である。実施例１に係る「パルス動作」中の駆動電流の例示図である。実施例１に係る「パルス動作」中のレーザ出力の例示図である。実施例２に係るレーザポインタを示す構成説明図である。比較例に係る「パルス動作」中の駆動電流の例示図である。比較例に係る「パルス動作」中のレーザ出力の例示図である。

符号の説明

１半導体レーザ
３固体レーザ媒質
４非線形光学結晶
６光共振器
１２ベース
１３ペルチェ素子
１４サーミスタ
１５温度制御回路
１６乾電池
２０モード回路
２１操作スイッチ
１００，２００半導体レーザ励起固体レーザ装置

Claims

半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光により励起される固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む光共振器内に収容され前記光共振器で発振する基本波の第二高調波を出力する非線形光学結晶と、前記第二高調波の一部を検出して第二高調波出力が一定になるように前記半導体レーザの駆動電流を制御する帰還制御回路とを備えた固体レーザ装置において、前記第二高調波出力が０となる設定の場合に、前記半導体レーザを、レーザ光を出力する閾値電流値以上の電流値であって且つ発振電流値未満の電流値で駆動する駆動電流制御手段を具備したことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。