JP2011216773A

JP2011216773A - 固体レーザ診断装置、及び固体レーザ診断方法

Info

Publication number: JP2011216773A
Application number: JP2010085211A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Furuta; 啓介古田; Shuichi Fujikawa; 周一藤川; Hiroyuki Suzuki; 寛之鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-04-01
Also published as: JP5550420B2

Abstract

【課題】ＬＤを光軸方向に複数並べた側面励起方式固体レーザ励起モジュールにおいて、長いレーザ媒質全体の相対的な励起量を精度良く計測する。複数の励起モジュールを光学的に連結した固体レーザ発振器の調整状態を変化させずに、各励起モジュール単体の診断を実施する。また、診断機能を固体レーザ励起モジュールに組み込んで初期コストを上げることを避ける。
【解決手段】複数の固体レーザ励起モジュールを光学的に連結して構成された固体レーザの発振光軸上に、固体レーザ媒質端部から放射される蛍光を取り込む開口と蛍光量をモニタするパワーセンサヘッドを搭載した固体レーザ診断装置を、固体レーザ発振器構成を変化させることなく、固体レーザ励起モジュール側面に取り付けられるようにした。
【選択図】図６

Description

この発明は、半導体レーザ励起方式の固体レーザにおいて、光軸方向に固体レーザ媒質を複数並べることで高出力化したレーザ発振器を対象に、該レーザ発振器の状態を診断する装置及び診断方法に関するものである。

従来の固体レーザ診断装置では、隣接する複数の固体レーザ媒質の各側面に、レーザ媒質からの蛍光量を測定する手段を備え、該測定値を半導体レーザ動作電流にフィードバックすることで固体レーザ出力を一定に維持するようにしている（例えば特許文献１、２）。

その他の従来の固体レーザ診断装置では、レーザ共振器内のレーザ光軸の近傍かつ光軸を遮らない位置に設けた反射ミラー、光導波媒質、及び蛍光検出器により、固体レーザ発振動作中のレーザ媒質から発せられる蛍光を常時モニタすることで、半導体レーザ劣化状況を診断できるようにしている（例えば特許文献３）。

特開２００４−２８９０６６号公報特開２００２−１６４５９６号公報特許第３８５９４５５号公報

このような固体レーザ診断装置にあっては、蛍光検出装置をあらかじめ固体レーザ発振器内に装備する必要があり、複数の固体レーザ媒質で構成される高出力発振器であれば、該固体レーザ媒質の数だけ蛍光検出手段を備える必要がある。その結果、レーザ発振器の初期コストが増えることに加え、構成が複雑になり、装置の信頼性を確保するのも困難となる。更に、複数の固体レーザ媒質について異なる検出器で測定することとなり、検出器の特性変化に応じて、各隣接する固体レーザ媒質同士の相対的な励起状態の評価精度が低下するという問題点があった。

また、このような固体レーザ診断装置にあっては、蛍光検出手段を各レーザ媒質の側面や、あるいは光軸を外した方向に設置するため、レーザ媒質長手方向全体の励起状態が１つの検出器で把握できないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、固体レーザ発振器の初期コストを増加させることなく、隣接する複数のレーザ媒質全体の励起状態を相対的に精度良く把握することを目的としている。

この発明に係る固体レーザ診断装置は、ロッド形状の固体レーザ媒質と、当該固体レーザ媒質を側面から励起する半導体レーザとを具備した固体レーザ励起モジュールに、当該固体レーザ励起モジュールの前記固体レーザ媒質の中心軸方向の端部に、当該端部から出射する蛍光を取り込む開口と、前記固体レーザ媒質の中心軸と同軸上に取り付けた前記蛍光の蛍光量を計測できるパワーセンサヘッドとを設けたものである。

また、この発明に係る固体レーザ診断方法は、ロッド形状の固体レーザ媒質と、当該固体レーザ媒質を側面から励起する半導体レーザとを具備した複数の固体レーザ励起モジュールを光学的に連結して構成された固体レーザ発振器において、前記複数の固体レーザ励起モジュールのうち、少なくとも１つの固体レーザ励起モジュールの固体レーザ媒質の端部に、固体レーザ励起モジュールおよび光学部品の位置を移動することなく、固体レーザ診断装置を装着し、該固体レーザ診断装置が装着された固体レーザ励起モジュール内の半導体レーザを点灯させて、該固体レーザ励起モジュールの固体レーザ媒質の端部から発せられる蛍光の蛍光量を、前記固体レーザ診断装置を用いて測定することにより、前記固体レーザ励起モジュールの特性を診断するものである。

この発明によれば、蛍光検出手段を光軸上に配置できることにより、固体レーザ媒質が光軸方向に長い媒質の際にレーザ媒質全体の励起状態が精度良く把握でき、また、固体レーザ発振器にあらかじめ蛍光検出手段を装備する必要が無く、装置の複雑化や初期コストを抑制した設計が可能となるといった従来にない顕著な効果を奏する。

また、この発明によれば、隣接する複数のレーザ媒質の励起状態を同じ診断装置で計測できるため、複数のレーザ媒質間の相対的な励起状態を精度良く把握することができる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１による、固体レーザ励起モジュールに取り付けた固体レーザ診断装置を示す模式図である。本発明の実施の形態１による、固体レーザ励起モジュールに取り付けた別の固体レーザ診断装置を示す模式図である。複数の励起モジュールを光軸方向に多段連結する固体レーザ発振器構成例を模式的に示したものである。理想的な熱レンズバランスにおける固体レーザ発振ビームモード形状を示す模式図である。熱レンズバランスが崩れた際の固体レーザ発振ビームモード形状を示す模式図である。本発明の実施の形態１による固体レーザ診断装置１台を取り付けた固体レーザ発振器の模式図である。本発明の実施の形態３による固体レーザ診断装置２台を両端に装着した固体レーザ励起モジュールの模式図である。本発明の実施の形態４による固体レーザ診断装置を示す模式図である。本発明の実施の形態５による固体レーザ診断装置を示す模式図である。固体レーザ励起モジュールのＬＤ電流と、固体レーザ診断装置で測定した蛍光量との関係をプロットしたデータの一例である。同一仕様、同一形状の固体レーザ励起モジュールにおける熱レンズの強さと、固体レーザ診断装置によって測定した蛍光量との関係をプロットしたデータの一例である。本発明の実施の形態２による、複数の固体レーザ診断装置を同時に固体レーザ発振器に装着した際の模式図である。

実施の形態１．
図１、図２は、本発明の実施の形態１による構成を模式的に示した図であり、本願発明である固体レーザ診断装置１９を、固体レーザ励起モジュール１８に装着した状態を表したものである。図１、図２において、固体レーザ励起モジュール１８の内部には、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧロッド１に対して側面に複数の半導体レーザ（以下ＬＤと略す）３ａ〜３ｎを配し、各ＬＤから放射される励起光２は直接、またはレンズや導光板など光学部品を介してＮｄ：ＹＡＧロッド１に入射する。Ｎｄ：ＹＡＧロッド及びＬＤ３ａ〜３ｎは励起モジュール筐体９に組み込まれており、該励起モジュール筐体９の発振レーザ光軸（ロッドの中心軸にほぼ同じ）方向両端には、発振レーザ光を通す開口が設けてある。上記の励起モジュール内部には、レーザ媒質やＬＤの冷却機構及び、ＬＤへの配線等が含まれるが、模式図では割愛する。該励起モジュール筐体９の片側の開口部には、固体レーザ診断装置１９が固定されている。固体レーザ診断装置は、Ｎｄ：ＹＡＧロッドから放射される光４を取り込む開口５と、蛍光の光量をモニタするパワーセンサヘッド７と、それら構成部材を内蔵する診断装置筐体８から構成される。なお、図１では、取り込んだ光からＮｄ：ＹＡＧの蛍光を分離透過するフィルタ６は装着されていないが、図２ではフィルタ６が、上記開口５とパワーセンサヘッド７の間に装着され、ＬＤからの出射光の波長を遮断している。なお、上記入射光を空間的に制限する開口と、ワーセンサヘッド、およびフィルタ（存在する場合）は、固体レーザ発振光軸上に診断時のみ固定できるようモジュール化されている。

また、図３には、固体レーザ発振器の構成例を示す。ここでは、３台の固体レーザ励起モジュール１８ａ〜１８ｃを光学的に連結した構成を示しており、そのうち２台の１８ａ、１８ｂは共振器ミラー１１、１２の間に配置され、レーザ共振器を構成している。また、励起モジュール１８ｃは共振器から出力されるレーザパワーの増幅に用いられている。このように基本となる励起モジュールから取り出せるレーザ出力を光学的に連結することで、基本励起モジュールの出力を、ほぼ連結数倍に増加することができる。本発明は一例として２段発振器＋１段増幅器の構成を示したが、発振器のみの多段化した構成、及び増幅器のみを多段化した構成にも同様に適用可能である。

次にレーザ発振器の動作について概説する。図３において各固体レーザ励起モジュール１８a〜１８ｃにおける各Ｎｄ：ＹＡＧロッドへの励起光吸収パワーは、初期的にはほぼ等しくなるよう調整される。図４に、この際の発振ビームのモード形状を模式的に表したものを示す。各励起モジュール内のＮｄ：ＹＡＧロッド１a〜１ｃはほぼ同等の励起パワーを吸収し、同等の熱レンズ効果１４a〜１４ｃを生じる。その結果、モード形状は理想的には各励起モジュールで均等な紡錘型を形成することになり、各Ｎｄ：ＹＡＧロッド内の励起部１３a〜１３ｃとのオーバーラップ率を高め、レーザ発振効率を最大限に高めることが可能となる。

一方、例えば図５のように１４ｂ、１４ｃの熱レンズが１４aに比べて弱いようなアンバランスが生じた場合、励起部１３ｂ、１３ｃ内にデッドボリューム２０ｂ、２０ｃが生じ、励起エネルギーが効率的に取り出せず、レーザ発振効率が低下するという問題が生じる。

励起光源であるＬＤは、使用時間とともに波長及び出力が僅かずつ変化する。これによって次第に励起キャビティ毎の熱レンズ強度の差異が増大し、レーザ発振効率が１０％以上低下する可能性がある。

これを避けるために、理想的には熱レンズ強度と１対１の関数となる励起中のレーザ媒質からの蛍光量を、レーザ媒質の側面または光軸を外した端面から測定し、該蛍光量をＬＤの動作にフィードバックするという従来の技術があった（特開２００４−２８９０６６、特開２００２−１６４５９６、特許第３８５９４５５号）。しかし、従来の方法では、レーザ媒質の発振光軸方向（長手方向）全体に渡る励起量を計測する精度が確保できず、また固体レーザ製作時に蛍光検知機構を組み込むコスト高と構成の複雑化の欠点があった。

本発明は従来例と同じくレーザ媒質からの蛍光量を測定するが、従来と異なり、図１に示すように、レーザ発振光軸を完全に塞ぐように固体レーザ診断装置１９を励起モジュール１８に装着するものであり、固体レーザは非発振の状態でＬＤを点灯させ、蛍光量を測定するものである。診断装置１９には光を取り込む開口５があり、その径で取り込む光量が制限される。

また、固体レーザ媒質１の端面から放射される光４の中には、レーザ媒質で吸収されなかった励起光の成分も一部含まれているが、必要な場合には、この成分をフィルタ６で遮断し、蛍光成分のみをパワーセンサヘッド７で受光する。また、この固体レーザ診断装置１９は、固体レーザの診断を実施する時だけ固体レーザモジュールに装着し、蛍光の計測を実施するというものである。ここで用いるパワーセンサヘッド７は、蛍光出力強度に応じて精度が確保できるサーモパイルヘッド、フォトダイオードヘッド等の中から適切なものを選択すればよい。

実際の固体レーザ発振器構成に、固体レーザ診断装置を取り付けた際の構成を、図６に模式的に示す。この例では３台の固体レーザ励起モジュール１８ａ〜１８ｃ（これらは、固体レーザの発振光の光軸上に設置されている）のうち、２番目の励起モジュール１８ｂの診断を実施している構成を示している。励起モジュール右側の開口部に、固体レーザ診断装置１９を取り付けている。診断実施の際は診断装置で固体レーザの発振光の光軸を塞ぐことになるため、固体レーザ光は発振しない。

しかし、診断実施時のＬＤ点灯により、励起モジュール１８ｂの診断装置を取り付けていない左側の開口からも、蛍光及びＬＤ漏れ光４ｂが出射される。産業用の高出力レーザの場合、該開口からの出射パワー４ｂが数Ｗレベルに達する場合があるため、隣接する励起モジュール１８ａや他部品への熱影響を回避するための遮光板１０を設けてもよい。

図６の例では励起モジュール１８ｂを診断する例を示したが、同じ診断装置１９を用いて、他の励起モジュール１８ａ、１８ｃも同様に蛍光量を順次測定することができる。具体的には、各励起モジュールに装着したＬＤ電流と蛍光量の関係を、それぞれの励起モジュールに関してデータを取得する。

図１０に３種類の励起モジュールにおける、ＬＤ電流と診断装置による蛍光量測定値との関係を示す。測定される蛍光パワーは、ＬＤパワーとＬＤ光のレーザ媒質への吸収効率の積に依存する。吸収効率はＬＤの波長に依存し、その波長はＬＤ電流によって変化するため、電流値によって蛍光パワーの変化率は一定でない。各励起モジュールに装着されているＬＤのパワー及び波長は一般に異なっており、蛍光パワー特性は各励起モジュールで異なることになる。蛍光パワーが一致する各励起モジュールの電流値を設定することで各レーザ媒質における熱レンズの強さを揃えることになり、効率的な発振動作が実現できる。

図１０に示す励起モジュールＡ、Ｂ、Ｃの３台を光学的に連結して発振器を構成することを想定すると、例えば蛍光パワー３８０ｍＷでの各電流値に相当する各電流値（励起モジュールＡ：４７Ａ、励起モジュールＢ：４６Ａ、励起モジュールＣ：４５Ａ）に設定することにより、効率的な固体レーザ発振動作が確保できる。もし、ＬＤの定格動作電流値内で３８０ｍＷに達することができない場合は、励起モジュールの交換、または励起モジュール装着ＬＤの交換が必要であることが判断できる。

一方、図１１には、図１０で示した同仕様、同形状の励起モジュールＡ、Ｂ、Ｃの３台における熱レンズ強さと測定蛍光パワーとの関係を示す。熱レンズの強さは各励起モジュールのＮｄ：ＹＡＧロッド光軸垂直断面内の屈折率分布から求めたものであり、本データ測定用に各励起モジュール１台を用いて構成した共振器でのレーザ発振を行うことにより、レーザ発振時の屈折率分布を発振ビームモード計測データから算出したものである。Ｎｄ：ＹＡＧロッド光軸方向垂直断面内の屈折率分布を２乗分布と想定した場合、断面内屈折率分布ｎ（ｒ）は式（１）で表すことができる。式（１）におけるパラメータｎ_２値を、熱レンズ強さとして図１０の縦軸とした。

ここで、ｎ_０はロッド光軸垂直断面中央の屈折率、ｒはロッド半径を表す。

図１１に示すように、装着ＬＤの異なる励起モジュールであっても、蛍光測定値が一致すれば同レベルの熱レンズが形成されていることがわかる。このような特性が得られるのは、ロッド端面の発振光軸方向から蛍光を測定することができることを特徴とする本願発明による固体レーザ診断装置特有の効果である。図１０で示したデータを元に、固体レーザ発振モードを最適状態に調整するためには、本特有の効果が必須となる。

また、図６に示したように、固体レーザ診断装置１９は、固体レーザ発振器構成を全く崩すことなく各励起モジュール単体の診断が可能となるよう小型に構成されている。これにより、診断実施前後で固体レーザ発振器を構成するミラー等光学部品の調整は不要となる。

実施の形態２．
図１２は本発明の実施の形態２の構成を模式的に示したものである。固体レーザ発振器を構成する３台の固体レーザ励起モジュール１８ａ〜１８ｃに対し、同時に各１台ずつの固体レーザ診断装置１９ａ〜１９ｃを装着している。診断装置１９ａ〜１９ｃはあらかじめ校正されており、複数台の診断装置を同時に用いても各励起モジュール間の相対的な励起状態の高精度な比較が可能となる。

このような診断方法とすることで、同時に複数台の励起モジュールが診断可能となり、診断に要する時間を短縮できるという効果がある。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３の構成を模式的に示したものである。固体レーザ励起モジュール１８に対し、両側の開口に固体レーザ診断装置１９を同時に取り付けたものである。光軸方向に多数のＬＤを並べて励起するＮｄ：ＹＡＧロッドにおいては、励起モジュールの左右の開口から放出される蛍光量に若干の差が表れる。例えば長さ１５０ｍｍのＮｄ：ＹＡＧロッドを搭載する励起モジュールにおいては、同一励起モジュールの左右で±３％以下の測定値差が存在する。左右の測定値を平均化することにより、上記ばらつきを半減することができ、その結果図１０のデータを元に実施する電流調整の精度が約２倍に向上する。図７では同時に同一励起モジュール両側の診断を実施する例を示したが、１つの診断装置で左右２回に分けて実施してもよい。

このような診断方法とすることで、本発明の診断装置を用いることにより、更に精度の高い固体レーザ駆動条件が導かれる。

実施の形態４．
図８に、本発明の実施の形態４の固体レーザ診断装置の模式図を示す。固体レーザ診断装置１９に対し、固体レーザ励起モジュール側からの光４が開口１６に入射する。本実施の形態で示す開口１６は光沢金メッキが施してあり、入射光４に対して高い反射率を確保する。この結果、入射した蛍光の大部分はパワーセンサヘッド７に達する。

このような構成とすることにより、蛍光が１００ｍＷ以下といった弱い場合も、診断に十分な感度を確保できる。

実施の形態５．
図９に、本発明の実施の形態５の固体レーザ診断装置の模式図を示す。固体レーザ診断装置１９に対し、固体レーザ励起モジュール側からの光４が開口１７に入射する。本実施の形態で示す開口１７は黒色ニッケルメッキ（フォスブラック等）が施してあり、入射光に対して高い吸収率を持ち、変質しにくい内面を有する。

このような構成とすることにより、経時的な内面反射率の変化の少ない固体レーザ診断装置が実現でき、該診断装置の校正タイミングの間隔を長くすることができる。

なお、以上の実施の形態において、固体レーザ診断装置は、固体レーザ発振器の光軸上に、その形状中心がほぼ一致するよう取り付けられている。従って、当該固体レーザ媒質端部から出射する蛍光を取り込む開口、蛍光量を計測できるパワーセンサヘッドなども、固体レーザ発振器の光軸上にそれらの形状中心がほぼ一致するよう取り付けられていることになる。

１固体レーザ媒質、２ＬＤからの出射光、３ＬＤ、４固体レーザ媒質端からの出射光、５開口、６ＬＤ光遮断フィルタ、７パワーセンサヘッド、８固体レーザ診断装置筐体、９固体レーザ励起モジュール筐体、１０遮光板、１１共振器ミラー（全反射）、１２共振器ミラー（部分透過）、１３レーザ媒質中の励起部分、１４仮想熱レンズ、１５固体レーザ発振ビームモード、１６反射型開口、１７吸収型開口、１８固体レーザ励起モジュール、１９、１９ａ、１９ｂ固体レーザ診断装置、２０デッドボリューム、２１固体レーザ出射光。

Claims

ロッド形状の固体レーザ媒質と、当該固体レーザ媒質を側面から励起する半導体レーザとを具備した固体レーザ励起モジュールに、当該固体レーザ励起モジュールの前記固体レーザ媒質の中心軸方向の端部に、当該端部から出射する蛍光を取り込む開口と、前記固体レーザ媒質の中心軸と同軸上に取り付けた前記蛍光の蛍光量を計測できるパワーセンサヘッドとを設けたことを特徴とする固体レーザ診断装置。
前記開口と前記パワーセンサヘッドとの間に、半導体レーザからの出射光の波長を遮断するフィルタを設置したことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ診断装置。
開口の内面に、所定の金属からなる光沢メッキを施し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診断装置。
開口の内面に、黒色メッキを施し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診断装置。
ロッド形状の固体レーザ媒質と、当該固体レーザ媒質を側面から励起する半導体レーザとを具備した複数の固体レーザ励起モジュールを光学的に連結して構成された固体レーザ発振器において、
前記複数の固体レーザ励起モジュールのうち、少なくとも１つの固体レーザ励起モジュールの固体レーザ媒質の端部に、固体レーザ励起モジュールおよび光学部品の位置を移動することなく、固体レーザ診断装置を装着し、
該固体レーザ診断装置が装着された固体レーザ励起モジュール内の半導体レーザを点灯させて、該固体レーザ励起モジュールの固体レーザ媒質の端部から発せられる蛍光の蛍光量を、前記固体レーザ診断装置を用いて測定することにより、前記固体レーザ励起モジュールの特性を診断することを特徴とする固体レーザ診断方法。
固体レーザ励起モジュールの、固体レーザ診断装置を取り付けた側とは逆側に遮光板を設置して、前記固体レーザ媒質の端部から発せられる蛍光の蛍光量を測定することを特徴とする請求項５に記載の固体レーザ診断方法。
固体レーザ励起モジュールの両側に前記固体レーザ診断装置を設置して、前記固体レーザ媒質の端部から発せられる蛍光の蛍光量を測定することを特徴とする請求項５に記載の固体レーザ診断方法。