JP2011118012A - レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換素子を用いて立ち上がり時に安定したパルス光が出力できるレーザ光源装置を得る。
【解決手段】基本波となるレーザ光を波長変換部により高調波レーザ光を出力するレーザ光源装置において、前記基本波の出力を制御するパワー制御部と前記波長変換部の温度制御を行う温度制御部と、前記高調波レーザ光の出力目標値とともに照射開始信号を出力する目標値設定部と、前記出力目標値に応じた温度目標テーブルを格納したメモリ部とを有し、前記温度制御部は、前記照射開始信号が入力されたときに前記メモリ部から前記温度目標テーブルを読み出して前記出力目標値に応じた温度目標値を決定し、その決定された温度目標値と前記波長変換部の温度とが一致したときに、前記パワー制御部の動作開始信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ光源装置に関し、特に基本波を非線形光学効果により波長変換して高調波を出力するための波長変換素子を備えたレーザ光源装置に関する。

近年、非線形光学効果を用いて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ₄レーザから発せられる光を波長変換したレーザ光源が実用化されている。非線形光学効果を得るには、複屈折率を有する非線形光学結晶を使用する必要がある。そのための非線形光学結晶としては、ＬｉＢ₃Ｏ₅（リチウムトリボレート：ＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ₄（リン酸チタニルカリウム：ＫＴＰ）、ＣｓＬｉＢ₆Ｏ１０（セシウムリチウムボレート：ＣＬＢＯ）、分極反転構造を形成したＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム：ＰＰＬＮ）やＬｉＴａＯ₃（タンタル酸リチウム：ＰＰＬＴ）等が用いられている。

非線形光学効果を用いた波長変換レーザ光源の一例を図５に示す。４０１は基本波用光源であり、一般的には、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。この基本波用光源４０１より出力された基本波レーザ光は、集光レンズ１０２によって、非線形光学結晶にて構成された波長変換素子１０４に集光される。基本波レーザ光は、非線形光学結晶にて構成された波長変換素子１０４を通過すると、その１／２波長の高調波レーザ光となる。この高調波レーザ光は分光ミラー１０７を通過して図示しない光ファイバに導かれ、レーザ光源として利用される。分光ミラー１０７は、一部の高調波レーザ光を反射するように設計されており、この反射された高調波レーザ光は、ホトディテクタ１０８にて電気信号に変換され、パワー制御器４０３に入力される。パワー制御器４０３は、入力された電気信号に対応する光ビームの光量が、予め設定された所定の光量になるように、波長変換素子１０４の変換効率に基づき、制御量を計算する。そしてその制御量に基づいて基本波用光源４０１の供給電流を駆動する（例えば、特許文献１参照）。

基本波用光源４０１から発せられた波長１０６４ｎｍのレーザ光を半分の波長である５３２ｎｍの光に変換して出力するためには、波長変換素子１０４の波長１０６４ｎｍの光に対する屈折率と、発生させた波長５３２ｎｍの光に対する屈折率とが一致している必要がある。このことを位相整合と呼ぶ。

一般的に結晶の屈折率はその結晶自体の温度で変化するため、波長変換素子１０４を構成する結晶の温度は一定としておく必要がある。そのために波長変換素子１０４を構成する非線形光学結晶は、温度制御素子４０２に隣接して配置または温度制御素子４０２と一体に配置して、その結晶の種類に応じた温度（以下、「位相整合温度」という）に保持する必要がある。図５に示される従来の装置では、波長変換素子１０４の変換効率を安定させるために、波長変換素子１０４の温度を位相整合温度付近に一定に保持するヒーターやペルチェ素子などの温度制御素子４０２と、その温度を検出する温度センサ１０３と、その温度をコントロールする温度制御器４０４とを備えている。

このため、図示のような従来の波長変換レーザ光源を使用する場合は、連続光の発光を開始させてから、基本波用光源４０１の温度と、非線形結晶にて構成された波長変換素子１０４の温度とが所定内の範囲に入るまで十分な待ち時間が必要である。そして波長変換素子１０４の温度と基本波の波長とが安定して位相整合条件を満たすようになってから、シャッターなどの遮蔽部を取り除いて、実際の使用を開始する。

特開２００７−２３３０３９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、基本波出力が波長変換素子に入力された後、波長変換光を利用するためには、十分な待ち時間が必要であった。そのため、従来の波長変換レーザ光源では制御を安定に出来る連続光に限られ、立ち上がり時に安定した制御が求められるパルス光での利用が行えないという課題を有していた。

本発明は、上記課題を解決するものであって、波長変換素子を用いて安定した立ち上がり制御が得られるパルス光を出力するレーザ光源装置を得ること目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のレーザ光源装置は、基本波となるレーザ光を波長変換部により高調波レーザ光を出力するレーザ光源装置において、前記基本波の出力を制御するパワー制御部と前記波長変換部の温度制御を行う温度制御部とを有し、前記パワー制御部が前記温度制御部より送られる動作開始信号により動作を開始することを特徴とする。

本発明のレーザ光源装置は、波長変換素子を用いて安定した立ち上がりを持つパルス光が出力できるレーザ光源装置を実現することができる

本発明の実施の形態１におけるレーザ光源装置のブロック図 本発明の実施の形態１における出力の立ち上がり特性を示す波形図 本発明の実施の形態１における出力の立ち上がり特性を示す波形図 本発明の実施の形態２におけるレーザ光源装置のブロック図 従来のレーザ光源装置のブロック図

以下に、本発明のレーザ光源装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるレーザ光源装置の構成を示すブロック図である。ファイバレーザ部１０１は、波長９１５ｎｍの半導体レーザ（不図示）を内蔵し、その半導体レーザでファイバレーザを励起共振させて、波長１０６４ｎｍの基本レーザ光を発振させる。基本波レーザ光は、ペルチェ素子等がついたアルミプレートからなる温度調整部１０５上に配置された波長変換素子１０４を通過することで、周波数が２倍された波長５３２ｎｍの高調波レーザ光に変換される。

コントローラ２０５は、パワー制御部３０１と温度制御部３０２とから構成される。パワー制御部３０１は、高調波レーザ光が目標出力になるようにファイバレーザ部１０１を電流駆動して制御する。この制御のモニター信号は出力された高調波レーザ光の一部を用いる。すなわち分光ミラー１０７によって高調波レーザ光を分光し、モニター信号としてホトディテクタ１０８にて光電変換を行う。変換された光量信号は増幅器２０３によって所定の振幅に増幅し、ＡＤ変換器２０６によってデジタル変換した信号をコントローラ２０５内部のパワー制御部３０１に入力する。出力する高調波レーザ光の目標値は、ユーザあるいは外部機器が操作部１１０に値を設定し、この目標値はパワー制御部３０１に入力される。例えば、目標値が１Ｗであれば、パワー制御部３０１は、モニターされたホトディテクタの光量信号と１Ｗに相当する目標値との差が０となるようにレーザ駆動部２０４への電流を制御する。

次に、温度制御部３０２の動作を説明する。波長変換素子１０４を固定する温度調整部１０５には、温度センサ１０３が取り付けられている。温度センサの信号は、ＡＤ変換２０１を介して同様にコントローラ２０５に入力されている。波長変換素子の位相整合温度は個別にコントローラに接続されているＥＥＰＲＯＭ２０７に記憶されており、その位相整合温度になるようにペルチェ駆動部２０２を制御して波長変換素子の加熱および冷却を行う。

本発明の特徴は、パワー制御部３０１と温度制御部３０２とを相互に連携させたことにある。この効果を説明するために、パワー制御部３０１と温度制御部３０２とが連携せず独立で制御するときに生ずる問題を示す。

図２は、波長変換素子１０４の出力を目標光出力１Ｗにするまでの光出力の立ち上がり特性を示す。波長変換素子１０４の出力を消光状態から１Ｗの発光状態にするには、コントローラ２０５内のパワー制御部３０１は、１Ｗに相当する駆動信号をレーザ駆動部２０４によって電流増幅し、ファイバレーザ部１０１の半導体レーザにステップ入力する。同時にパワー制御部３０１はホトディテクタ１０８から得られる光量信号を入力し、目標値１Ｗに対する残差を検出して、その差分を前記駆動信号にフィードバック(加算)する。このようにして、レーザ駆動部２０４が出力する電流の増減を行い、光出力１Ｗになるように制御している。この時の波長変換素子の温度制御は、温度制御部３０２が位相整合温度になるように温度センサ１０３の信号に応じてペルチェ素子を駆動して冷却・加熱している。この温度制御は、レーザ光源装置の電源がＯＮされた後から始まり、レーザの消光・発光とは無関係に行われる。

さて、以上の構成で、１Ｗの光出力を短時間で立ち上げるため、目標値が図２ａとなるようにファイバレーザ部の駆動電流をステップ入力する。すると、波長変換素子への基本波レーザ光の入力もステップ信号となるため、波長変換素子の温度は上昇する（図２ｂ）。この温度上昇分が消光中に制御されていた位相整合温度に加算されるため、温度制御部３０２は、ペルチェ素子を駆動して波長変換素子の温度を急激に冷却して位相整合温度になるように追従させようとする（図２ｃ）。しかし、温度制御部３０２の制御による波長変換素子の温度変化は、基本波レーザ光の立ち上がり速度に比べて極めて遅い。そのため、高調波レーザ光立ち上がり時の波長変換素子の温度は位相整合温度より高くなり、変換効率が低下する。従って、高調波レーザ光出力が低い。それをモニターしたパワー制御部３０１は、レーザ駆動部２０４への駆動信号を増加する方向に働く。この動きに遅れて、温度制御部３０２により波長変換素子が冷却され位相整合温度に近づくので、変換効率があがり、高調波レーザ光出力が増加する。

このように、温度制御部３０２とパワー制御部３０１との間では、制御応答時間に大きな差があるので、目標値の１Ｗで安定するまで、高調波レーザ光は過大なオーバーシュートやハンチングを繰り返し、不安定な状態が続く（図２ｄ）。さらに、高調波レーザ光の目標出力を５Ｗ以上の大出力に設定する場合や周囲の温度が大きく変化する場合には、制御系がさらに不安定になり、波長変換素子を破壊してしまう恐れが生じる。すなわち、パワー制御部３０１と温度制御部３０２とが連携せず独立で制御させると、お互いの制御応答時間に差により、高調波レーザ光の立ち上がり制御に問題が生じる。

この問題を解決するために、本発明では、次のような温度制御を行う。ユーザあるいは外部機器が操作部１１０で高調波レーザ目標値が図３ａとなるように設定し、その信号はコントローラ２０５に入力される。この目標値での波長変換素子の温度上昇量は図２ｂで示した関係を示すので、目標値が分かれば、温度上昇量を予め決定することができる。従って、この温度上昇量を打ち消すために事前冷却期間を設けることにする。また、このときの冷却温度も図２ｂの関係から求めることができる。このようにして求めた、目標値毎の事前冷却時間と事前冷却温度とをテーブルとしてＥＥＰＲＯＭ２０７に格納しておく。

温度制御部３０２は、事前冷却時間、事前冷却温度をＥＥＰＲＯＭ２０７から読み込み、目標値に応じた事前冷却を開始する。この時の波長変換素子の温度を図３ｂに示す。温度センサが、図３ｂで示す事前冷却温度（この例では５７℃）に達したとき、温度制御部３０２は照射信号３０３をパワー制御部３０１に出力する（図３ｃ）。パワー制御部３０１は、は照射信号３０３を受けてファイバレーザ部１０１を駆動するようにレーザ駆動部２０４に指示を送る。同時に波長変換素子の温度を位相整合温度に戻すため温度の目標値を位相整合温度として追従制御を行う。これにより、ファイバレーザ部からの出力によって波長変換素子の発熱が図３ｄに示すような上昇しても、位相整合温度との残差が少ないので目標温度へ早く追従し、波長変換素子の温度は図３ｂに示すように位相整合温度に近づく。そのため、高調波レーザ出力立ち上げ時の波長変換効率の大きな低下が見られない、従って、図３ｅに示すようなオーバーシュートやハンチングのない安定した高調波光出力の立ち上がり特性を実現することができる。また立ち上がりの際に発生するオーバーシュートやハンチングが低減されるので、過大な出力による波長変換素子の破壊を防止できる。

これまでは、高調波レーザを立ち上げるときの制御方法を説明したが、この方法は、高調波レーザをパルス出力させる場合にも利用することが出来る。高調波レーザを立ち上げるときは、その設定出力に応じて事前冷却時間と事前冷却温度とを変化させた。連続して高調波レーザを１０パルス、２０パルスと発光させる場合は、予め出力、パルス幅、デューティが決められているので、その情報に応じてパルスの順番毎に事前冷却期間の冷却時間と冷却温度とを設定すれば良い。一例として、波長変換素子の位相整合温度が６０℃で、１Ｗの出力を１０パルス発光させる場合を説明する。最初のパルスの事前冷却温度は５７℃、二番目のパルスの事前冷却温度は５８℃、三番目以降のパルスの事前冷却温度は５９℃に設定する。三番目以降では、放熱用アルミプレート含む周囲の環境や部品温度が、最初のパルス発光時よりも安定しているので、事前冷却温度は位相整合温度より１℃低い値に設定する。このようにパルス列の順序に従い、事前冷却温度を位相整合温度に近づくように変化させることにより、各々のパルス光の立ち上がり特性を安定に制御できる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における眼科治療装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１との違いは、治療モードに応じて事前冷却時間と事前冷却温度とを決定することである。

図４の眼科治療装置において、ファイバレーザ部１０１は、レーザ駆動部２０４が供給する電流によって励起用のレーザダイオードを駆動し、ファイバレーザを励起することで、ファイバレーザから基本波レーザ光を出力する。基本波レーザ光は、ペルチェ駆動部２０２よって温度制御された波長変換素子１０４を通過することで、周波数が２倍された高調波レーザ光に変換される。この高調波レーザ光はデリバリファイバ１１３を通してスリットランプ１１４に送られ、スリットランプ１１４によって定められた照射位置に高調波レーザ光が照射される。パワー制御部３０１は、実施の形態１と同様の動作をする。操作部１１１は目標値と発光信号をパワー制御部３０１と温度制御部３０２に入力する。発光信号の操作はフットスイッチ１１２によって行われる。目標値はレーザ駆動部２０４への駆動量の目標値となり、発光信号は発光タイミングを決める信号となる。波長変換素子１０４を固定する温度調整部１０５には、温度センサ１０３が取り付けられており、ＡＤ変換器２０１によって温度センサからの信号のＡＤ変換を行いコントローラ２０５に入力する。コントローラ２０５では波長変換に最適な温度となるようにペルチェ駆動部２０２を制御しペルチェ素子１０６によって加熱および冷却を行っている。

温度制御部３０２は実施の形態１とほぼ同じ動作をするが、眼科治療装置としては、光出力１Ｗ程度必要とする虹彩切開と光出力２００ｍＷ程度必要とする網膜凝固での波長変換素子１０４の発熱が大きく異なるので事前冷却時間、事前冷却温度は光出力５００ｍＷを基準にそれ以上を虹彩切開モード、以下を網膜凝固モードとして各治療モードに対応したテーブルとしてＥＥＰＲＯＭ２０８に記憶させている。

以上のように、実施の形態においては、網膜凝固から虹彩切開へ治療モードが変わっても、温度制御部が治療モードに応じた波長変換素子の発熱を打ち消す温度制御を行うため発光してからの温度制御の追従性をあげることができ、常に位相整合温度、すなわち最大効率近傍で制御するので、ＣＷ発光でもパルス発光でも安定な出力特性を得ることができる。

本発明にかかるレーザ制御装置は、ＳＨＧなどの波長変換素子を用いたレーザ装置において安定したパルス出力ができるので、レーザマーキング装置やレーザ加工装置などの工業用レーザ光源に応用できる。また、安定したパルス制御が出来るので眼科治療装置といった医療用途のレーザ光源とても有用である。

１０１ ファイバレーザ部
１０２ 集光レンズ
１０３ 温度センサ
１０４ 波長変換素子
１０５ 温度調整部
１０６ ペルチェ素子
１０７ 分光ミラー
１０８ ホトディテクタ
１０９ レーザ制御回路
１１０ 操作部
１１１ 操作部
１１２ フットスイッチ
１１３ デリバリファイバ
１１４ スリットランプ
２０１ ＡＤ変換器
２０２ ペルチェ駆動部
２０３ 増幅器
２０４ レーザ駆動部
２０５ コントローラ
２０６ ＡＤ変換器
２０７ ＥＥＰＲＯＭ
２０８ ＥＥＰＲＯＭ
３０１ パワー制御部
３０２ 温度制御部
３０３ 照射信号
４０１ 基本波用光源
４０２ 温度制御素子
４０３ パワー制御器
４０４ 温度制御器

Claims (8)

1. 基本波となるレーザ光を波長変換部により高調波レーザ光を出力するレーザ光源装置において、
   前記基本波の出力を制御するパワー制御部と前記波長変換部の温度制御を行う温度制御部とを有し、
   前記パワー制御部が前記温度制御部より送られる動作開始信号により動作を開始することを特徴とするレーザ光源装置。
2. 前記レーザ光源装置は、さらに前記高調波レーザ光の出力目標値とともに照射開始信号を出力する目標値設定部と、
   前記出力目標値に応じた温度目標テーブルを格納したメモリ部とを有し、
   前記温度制御部は、前記照射開始信号が入力されたときに前記メモリ部から前記温度目標テーブルを読み出して前記出力目標値に応じた温度目標値を決定し、その決定された温度目標値と前記波長変換部の温度とが一致したときに、前記動作開始信号を出力する請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 前記温度目標値は、事前冷却時間と事前冷却温度である請求項２に記載のレーザ光源装置。
4. 前記事前冷却温度は、前記波長変換部に用いられる波長変換素子の位相整合温度より低い請求項３に記載のレーザ光源装置。
5. 前記レーザ光源装置は、さらに前記高調波レーザ光の出力目標値と出力パルス数とともに照射開始信号を出力する目標値設定部と、
   前記出力パルスの順序に応じた温度目標テーブルを格納したメモリ部とを有し、
   前記温度制御部は、前記照射開始信号が入力されたときに前記メモリ部から前記温度目標テーブルを読み出して前記出力目標値に応じた温度目標値を決定し、その決定された温度目標値と前記波長変換部の温度とが一致したときに、前記動作開始信号を出力する請求項１に記載のレーザ光源装置。
6. 前記温度目標値は、事前冷却時間と事前冷却温度である請求項５に記載のレーザ光源装置。
7. 前記出力パルスの最初のパルスに対応する冷却温度は、前記波長変換部に用いられる波長変換素子の位相整合温度より低い請求項６に記載のレーザ光源装置。
8. 前記冷却温度は、最初のパルスに対応するものが最も低く、パルスの順序に従って前記波長変換部に用いられる波長変換素子の位相整合温度に近づくように設定されている請求項７に記載のレーザ光源装置。