JP2010263247A

JP2010263247A - 固体レーザ装置

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Publication number: JP2010263247A
Application number: JP2010182719A
Authority: JP
Inventors: Norihide Noda; 憲秀野田; Kazutomo Kadokura; 一智門倉
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2010-11-18

Abstract

【課題】比較的広い駆動電流の変化範囲でも確実にノイズが最も少なくなるような温度制御を行う。
【解決手段】駆動電流を変えながら光強度とノイズの大きさとを測定し、使用時における長時間の連続運転の間に生じうると予測される駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲の駆動電流の制御範囲においてノイズが許容値より大きくならないような温度を求めて記憶しておき、光強度の目標値が与えられると、その目標値に対応付けて記憶している温度に基づいて温度指令を決定し、温度制御する。
【効果】使用時の比較的広い駆動電流の変化範囲でも、確実にノイズが最も少なくなるような温度制御を行うことが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体レーザ装置および適正温度測定方法に関し、さらに詳しくは、比較的広い駆動電流の変化範囲でも確実にノイズが最も少なくなるような温度制御を行うことが出来る固体レーザ装置およびその温度制御のための適正温度測定方法に関する。

従来、温度チューニング時には、レーザダイオードやレーザ結晶や波長変換素子の温度を変えながら出力レーザ光のノイズ（高周波成分）を測定し、ノイズが最も少なくなるときの温度を最適温度として記憶し、使用時には、記憶した最適温度に維持するように温調を行う固体レーザ装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１５８３１８号公報（［０００８］）

上記従来の固体レーザ装置では、温度チューニング時には、出力レーザ光の低周波成分を一定に保つようにレーザダイオードの駆動電流を制御しつつ、ある温度に温調し、出力レーザ光のノイズを測定し、ある温度におけるノイズの大きさを求めている。続けて同様の測定を他の種々の温度でも行う必要があるため、ある温度でのノイズを測定するのに当てられる時間は一般的に短く制限される。従って、その短い時間内における駆動電流の変化範囲は比較的狭く、ほとんど一定になることもある。
しかし、使用時には、一般的に長時間の連続運転になるため、駆動電流の変化範囲が比較的広くなることもある。従って、従来技術における最適温度に温調していても、比較的広い駆動電流の変化範囲では、必ずしもノイズが最も少なくなるとは言い切れない問題点がある。
そこで、本発明の目的は、比較的広い駆動電流の変化範囲でも確実にノイズが最も少なくなるような温度制御を行うことが出来る固体レーザ装置およびその温度制御のための適正温度測定方法を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、レーザダイオードと、前記レーザダイオードから出力されたレーザ光により励起されるレーザ結晶と、前記レーザ結晶により発振したレーザ光を波長変換する波長変換素子と、前記レーザ結晶および前記波長変換素子を含む光共振器から出力されるレーザ光の光強度が一定になるように前記レーザダイオードへ供給する駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、実測または理論的推定により得た連続運転時の駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲である駆動電流の制御範囲内で前記光共振器から出力されるレーザ光に付随するノイズが予め固体レーザ装置に設定された許容値より大きくならないような前記レーザダイオード，前記レーザ結晶および前記波長変換素子の温度を記憶する記憶手段と、前記記憶していた温度になるように前記レーザダイオード，前記レーザ結晶および前記波長変換素子の温度を調整する温調手段とを具備したことを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第１の観点による固体レーザ装置では、使用時における長時間の連続運転の間に生じうると予測される駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲の駆動電流の制御範囲においてノイズが許容値より大きくならないような温度を記憶しておき、その温度に温調する。このため、使用時の比較的広い駆動電流の変化範囲でも、確実にノイズが最も少なくなるような温度制御を行うことが出来る。

第２の観点では、本発明は、レーザダイオードと、前記レーザダイオードから出力されたレーザ光により励起されるレーザ結晶と、前記レーザ結晶により発振したレーザ光を波長変換する波長変換素子と、前記レーザ結晶および前記波長変換素子を含む光共振器から出力されるレーザ光の光強度が一定になるように前記レーザダイオードへ供給する駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、前記レーザダイオード，前記レーザ結晶および前記波長変換素子の少なくとも一つの温度を調整する温調手段とを具備した固体レーザ装置に対し、駆動電流を変えながら光強度とノイズの大きさとを測定することを、温度を変えて繰り返し、使用時における連続運転の間に生じうると予測される駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲である駆動電流の制御範囲内でノイズが許容値より大きくならないような温度を求めることを特徴とする適正温度測定方法を提供する。
上記第２の観点による適正温度測定方法では、駆動電流を変えながら光強度とノイズの大きさとを測定するため、使用時における長時間の連続運転の間に生じうると予測される駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲の駆動電流の制御範囲においてノイズが許容値より大きくならないような温度を求めることが出来る。

本発明の固体レーザ装置によれば、使用時の比較的広い駆動電流の変化範囲でも、確実にノイズが最も少なくなるような温度制御を行うことが出来る。また、本発明の適正温度測定方法によれば、使用時における長時間の連続運転の間に生じうると予測される駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲の駆動電流の制御範囲においてノイズが許容値より大きくならないような温度を求めることが出来る。

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に係る固体レーザ装置１００を示す構成説明図である。
この固体レーザ装置１００は、励起レーザ光を出射するレーザダイオード１０と、励起レーザ光を集光する集光レンズ系１１と、集光された励起レーザ光で励起され基本波レーザ光を誘導放出するＮｄ：ＹＡＧレーザ結晶１２と、基本波レーザ光を第２高調波光に変換する波長変換素子１３と、光共振器１５の一端を構成すると共に第２高調波光を透過させる反射鏡１４と、反射鏡１４を透過した第２高調波光の一部を取り出すビームスプリッタ１６と、ビームスプリッタ１６で取り出した第２高調波光を受光し電気信号に変換する受光素子１７と、レーザダイオード１０の温調器１８と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ結晶１２および波長変換素子１３の温調器１９とを具備している。

また、固体レーザ装置１００は、レーザダイオード１０に駆動電流Ｉopを供給するレーザダイオード駆動回路１と、受光素子１７で受光される光強度Ｌが目標値になるようにレーザダイオード駆動回路１を介して駆動電流Ｉopを制御する制御回路２と、制御回路２の制御下で温調器１８を駆動する第１温調器駆動回路３と、制御回路２の制御下で温調器１９を駆動する第２温調器駆動回路４とを具備している。

制御回路２は、使用時における連続運転の間に生じうると予測される駆動電流Ｉopの変化範囲か又はそれよりも広い範囲である駆動電流Ｉopの制御範囲内でノイズが許容値より大きくならないようなレーザダイオード１０の温度Ｔ１とＮｄ：ＹＡＧレーザ結晶１２および波長変換素子１３の温度Ｔ２とを記憶している。

図２は、制御回路２による温度設定処理を示すフロー図である。
ステップＰ１では、目標値が与えられると、その目標値に対応付けて記憶している温度Ｔ１と温度Ｔ２に基づいて温度指令を決定し、第１温調器駆動回路３および第２温調器駆動回路４へ出力する。
例えば、目標値に対応して記憶している温度Ｔ１のうちの最低の温度と、目標値に対応して記憶している温度Ｔ２のうちの最低の温度とを温度指令として決定し、それぞれ第１温調器駆動回路３および第２温調器駆動回路４へと出力する。最低の温度とするのは、電力消費を抑えるためである。
また、目標値に対応して記憶している温度Ｔ１のうちの最低の温度と最高の温度の平均値および目標値に対応して記憶している温度Ｔ２のうちの最低の温度と最高の温度の平均値をそれぞれ温度指令として決定してもよい。平均値を温度指令とすれば、温度制御のマージンが大きくなる。

図３に示すように、制御回路２に校正指示を与えることにより、制御回路２は、適正温度測定処理を実行する。

図４および図５は、適正温度測定処理を示すフロー図である。
図４のステップＳ１では、第１温調器駆動回路３を介して温調器１８を制御し、レーザダイオード１０の温度Ｔ１を開始温度Ｔ１ｓ（例えば３０℃）とする。

ステップＳ２では、第２温調器駆動回路４を介して温調器１９を制御し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ結晶１２および波長変換素子１３の温度Ｔ２を開始温度Ｔ２ｓ（例えば３０℃）とする。

ステップＳ３では、レーザダイオード駆動回路１を介してレーザダイオード１０に駆動電流Ｉopを開始電流値Ｉｓ（例えば０.４Ａ）とする。

ステップＳ４では、τ秒間（例えば５秒間）、Δτ秒（例えば０.５秒）毎に光強度Ｌ(t)を測定し、データＬ(t1)，Ｌ(t1)，…，Ｌ(tm)を得る（例えばｍ＝１１）。
ステップＳ５では、データＬ(t1)，Ｌ(t1)，…，Ｌ(tm)の平均値Ａとノイズ値Ｎとを求め、現在のＴ１，Ｔ２，Ｉopに対応付けて記憶する。ノイズ値Ｎは、例えばデータＬ(t1)，Ｌ(t1)，…，Ｌ(tm)中の最大値と最小値の差を平均値で割った値とする。なお、これ以外の指標をノイズ値Ｎとして採用してもよい。
ステップＳ６では、駆動電流ＩopをΔＩ（例えば０.０５Ａ）だけ増加させる。
ステップＳ７では、駆動電流Ｉopが終了電流値Ｉｅ以下ならばステップＳ４に戻り、そうでないならばステップＳ８へ進む。

ステップＳ８では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ結晶１２および波長変換素子１３の温度Ｔ２をΔＴ２（例えば１℃）だけ増加させる。
ステップＳ９では、温度Ｔ２が終了温度Ｔ２ｅ（例えば６０℃）以下ならばステップＳ３に戻り、そうでないならばステップＳ１０へ進む。

ステップＳ１０では、レーザダイオード１０の温度Ｔ１をΔＴ１（例えば１℃）だけ増加させる。
ステップＳ１１では、温度Ｔ１が終了温度Ｔ１ｅ（例えば６０℃）以下ならばステップＳ２に戻り、そうでないならば図５のステップＳ２１へ進む。

図４のステップＳ１〜Ｓ１１が終わると、例えば、図６に示すような、ある温度Ｔ１ａ，Ｔ２ａにおける駆動電流Ｉopに対する光強度Ｌの平均値Ａの特性およびノイズ値Ｎの特性が得られる。また、図７に示すような、ある温度Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂにおける駆動電流Ｉopに対する光強度Ｌの平均値Ａの特性およびノイズ値Ｎの特性が得られる。ここで、Ｔ１ａ＜Ｔ１ｂ，Ｔ２ａ＜Ｔ２ｂとする。

図５のステップＳ２１では、光強度カウンタＸに開始光強度Ａｓをセットする。

ステップＳ２２では、第１温調器カウンタＹに開始温度Ｔ１ｓをセットする。

ステップＳ２３では、第２温調器カウンタＺに開始温度Ｔ２ｓをセットする。

ステップＳ２４では、Ｔ１，Ｔ２，Ｉopに対応付けて記憶していた平均値Ａのデータを検索し、第１温調器カウンタＹの値がＴ１に一致し且つ第２温調器カウンタＺの値がＴ２に一致し且つ光強度カウンタＸの値がＡに一致するか略一致するデータのＩopを読み出し、そのＩopを中央値とする範囲Ｉop±ΔＩopを求める。この範囲は、使用時における連続運転の間に生じうると予測される駆動電流Ｉopの変化範囲か又はそれよりも広い範囲である。例えばΔＩop＝０.５Ａである。
なお、使用時における連続運転の間に生じうると予測される駆動電流Ｉopの変化範囲は、例えばある固体レーザ装置を、当該固体レーザ装置が製品として公称している連続運転可能時間だけ稼働させたときの駆動電流の変化範囲を実測することによって得ることが出来る。また、理論的推定もしくはレーザダイオード１０の仕様に基づく推定により得ることも可能である。範囲Ｉop±ΔＩopとして、実測または推定した駆動電流の変化範囲を採用してもよいが、固体レーザ装置の個体により駆動電流の変化範囲にばらつきがあることを考慮して、実測または推定した駆動電流の変化範囲よりも広い範囲に設定してもよい。

ステップＳ２５では、範囲Ｉop±ΔＩopが得られたらステップＳ２６へ進み、得られなかったらステップＳ２９へ進む。

ステップＳ２６では、Ｔ１，Ｔ２，Ｉopに対応付けて記憶していたノイズ値Ｎのデータを検索し、範囲Ｉop±ΔＩopに対応するノイズ値Ｎ中の最大値Ｎmaxを求める。
ステップＳ２７では、最大値Ｎmaxが許容値Ｎth（予め設定しておく）以下ならステップＳ２８へ進み、そうでないならステップＳ２９へ進む。

ステップＳ２８では、光強度カウンタＸの値に対応付けて第１温調器カウンタＹの値および第２温調器カウンタＺの値を記憶する。これが、目標値（＝光強度カウンタＸの値）に対応付けて記憶している温度Ｔ１（＝第１温調器カウンタＹの値），Ｔ２（＝第２温調器カウンタＺの値）のデータとなる。

ステップＳ２９では、第２温調器カウンタＺの値をΔＴ２だけ増加させる。
ステップＳ３０では、第２温調器カウンタＺの値が終了温度Ｔ２ｅ以下ならばステップＳ２４に戻り、そうでないならばステップＳ３１へ進む。

ステップＳ３１では、第１温調器カウンタＹの値をΔＴ１だけ増加させる。
ステップＳ３２では、第１温調器カウンタＹの値が終了温度Ｔ１ｅ以下ならばステップＳ２３に戻り、そうでないならばステップＳ３３へ進む。

ステップＳ３３では、光強度カウンタＸの値をΔＡだけ増加させる。
ステップＳ３４では、光強度カウンタＸの値が終了光強度Ａｅ以下ならばステップＳ２２に戻り、そうでないならば処理を終了する。

図５のステップＳ２１〜Ｓ３４が終わると、使用時における長時間の連続運転の間に生じうると予測される駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲の駆動電流Ｉopの制御範囲においてノイズ値Ｎが許容値Ｎthより大きくならないような温度Ｔ１，Ｔ２が光強度Ｌに対応して記憶されたことになる。

図８〜図１１を参照してステップＳ２１〜Ｓ３３の処理結果を説明する。
図８は、Ｘ＝Ａ１，Ｙ＝Ｔ１ａ，Ｚ＝Ｔ２ａの例であり、駆動電流の範囲内でノイズ値Ｎが許容値Ｎthより大きくなっている。従って、光強度Ｌ＝Ａ１に対しては温度Ｔ１＝Ｔ１ａ，Ｔ２＝Ｔ２ａは記憶されない。
図９は、Ｘ＝Ａ１，Ｙ＝Ｔ１ｂ，Ｚ＝Ｔ２ｂの例であり、駆動電流の範囲内でノイズ値Ｎが許容値Ｎthより大きくならない。従って、光強度Ｌ＝Ａ１に対しては温度Ｔ１＝Ｔ１ｂ，Ｔ２＝Ｔ２ｂは記憶される。
図１０は、Ｘ＝Ａ２，Ｙ＝Ｔ１ａ，Ｚ＝Ｔ２ａの例であり、駆動電流の範囲内でノイズ値Ｎが許容値Ｎthより大きくならない。従って、光強度Ｌ＝Ａ２に対しては温度Ｔ１＝Ｔ１ａ，Ｔ２＝Ｔ２ａは記憶される。
図１１は、Ｘ＝Ａ２，Ｙ＝Ｔ１ｂ，Ｚ＝Ｔ２ｂの例であり、駆動電流の範囲が得られない。従って、光強度Ｌ＝Ａ２に対しては温度Ｔ１＝Ｔ１ｂ，Ｔ２＝Ｔ２ｂは記憶されない。

実施例１の固体レーザ装置１００によれば、使用時における長時間の連続運転の間に生じうると予測される駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲の駆動電流の制御範囲においてノイズが許容値より大きくならないような温度に温調するため、使用時の比較的広い駆動電流の変化範囲でも、確実にノイズが最も少なくなるような温度制御を行うことが出来る。また、そのような温度を好適に求めることが出来る。

本発明の固体レーザ装置および適正温度測定方法は、バイオエンジニアリング分野や計測分野で利用できる。

実施例１に係る固体レーザ装置を示す構成説明図である。実施例１に係る固体レーザ装置の温度設定処理を示すフロー図である。実施例１に係る固体レーザ装置で適正温度測定処理を行うときの構成説明図である。適正温度測定処理を示すフロー図である。図４の続きのフロー図である。ある温度Ｔ１ａ，Ｔ２ａにおける駆動電流Ｉopに対する光強度の平均値Ａを示す特性図である。ある温度Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂにおける駆動電流Ｉopに対する光強度の平均値Ａを示す特性図である。ある温度Ｔ１ａ，Ｔ２ａにおける光強度の平均値Ａ１に対応する駆動電流の範囲を示す特性図である。ある温度Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂにおける光強度の平均値Ａ１に対応する駆動電流の範囲を示す特性図である。ある温度Ｔ１ａ，Ｔ２ａにおける光強度の平均値Ａ２に対応する駆動電流の範囲を示す特性図である。ある温度Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂにおいては光強度の平均値Ａ２に対応する駆動電流の範囲が得られないことを示す特性図である。

２制御回路
１０レーザダイオード
１１集光レンズ系
１２Ｎｄ：ＹＡＧレーザ結晶
１３波長変換素子
１４反射鏡
１５光共振器
１８，１９温調器
１００固体レーザ装置

Claims

レーザダイオードと、前記レーザダイオードから出力されたレーザ光により励起されるレーザ結晶と、前記レーザ結晶により発振したレーザ光を波長変換する波長変換素子と、前記レーザ結晶および前記波長変換素子を含む光共振器から出力されるレーザ光の光強度が一定になるように前記レーザダイオードへ供給する駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、実測または理論的推定により得た連続運転時の駆動電流の変化範囲か又はそれよりも広い範囲である駆動電流の制御範囲内で前記光共振器から出力されるレーザ光に付随するノイズが予め固体レーザ装置に設定された許容値より大きくならないような前記レーザダイオード，前記レーザ結晶および前記波長変換素子の温度を記憶する記憶手段と、前記記憶していた温度になるように前記レーザダイオード，前記レーザ結晶および前記波長変換素子の温度を調整する温調手段とを具備したことを特徴とする固体レーザ装置。