JP2013069931A - Laser device and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、レーザ装置及びその制御方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a laser device and a control method thereof.
レーザ光は、単色性・干渉性に優れているため、センサ用の検査光として用いられる。また、レーザ光は、指向性・収束性に優れ狭い領域に光エネルギーを集中させることができ、材料の加工や物質を化学反応あるいは分解させる光源として用いられる。
例えば、中赤外領域のレーザ光は、例えばサブバンド遷移を用いた量子カスケードレーザ(QCL)により出射することができる。しかし、QCLは、発振出力が小さいため、検査光や化学反応用の光源として用いた場合、光強度が十分でない場合がある。
Since laser light is excellent in monochromaticity and interference, it is used as inspection light for sensors. Laser light is excellent in directivity and convergence, can concentrate light energy in a narrow area, and is used as a light source for processing materials or chemically reacting or decomposing substances.
For example, laser light in the mid-infrared region can be emitted by, for example, a quantum cascade laser (QCL) using subband transition. However, since QCL has a small oscillation output, when used as a light source for inspection light or chemical reaction, the light intensity may not be sufficient.
本発明の実施形態は、光強度を向上したレーザ装置及びその制御方法を提供する。 Embodiments of the present invention provide a laser device with improved light intensity and a control method thereof.
実施形態によれば、第1のレーザと、第2のレーザと、外部共振器と、制御部と、を備えたレーザ装置が提供される。前記第1のレーザは、第1のレーザ光を出射する。前記第2のレーザは、第2のレーザ光を出射する。前記外部共振器は、前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光とが入射される。前記制御部は、前記外部共振器の共振周波数を制御して前記第1のレーザ光に共振させ、前記第2のレーザを制御して前記第2のレーザ光を前記外部共振器に共振させる。 According to the embodiment, a laser device including a first laser, a second laser, an external resonator, and a control unit is provided. The first laser emits a first laser beam. The second laser emits a second laser beam. The first laser beam and the second laser beam are incident on the external resonator. The control unit controls the resonance frequency of the external resonator to resonate with the first laser beam, and controls the second laser to resonate the second laser beam with the external resonator.
以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の形状や縦横の寸法の関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. The drawings are schematic or conceptual, and the shape of each part, the relationship between vertical and horizontal dimensions, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings. Further, in the present specification and each drawing, the same reference numerals are given to the same elements as those described above with reference to the previous drawings, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.
まず、第1の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態に係るレーザ装置を例示する模式図である。
レーザ装置1は、第1のレーザ光IL1を出射する第1のレーザ2と、第2のレーザ光IL2を出射する第2のレーザ3と、第1及び第2のレーザ光IL1、IL2が入射される外部共振器4と、第2レーザ3と外部共振器4とを制御する制御部5と、を備える。また、レーザ装置1は、第1のレーザ光IL1と第2のレーザ光IL2とを外部共振器4に入射させるミラー6、偏光プリズム7を備える。図1に例示したレーザ装置1は、外部共振器型のレーザ装置である。
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic view illustrating a laser device according to the first embodiment.
The
第1のレーザ2は、例えばQCLであり、例えば波長10μmの中赤外領域の第1のレーザ光を出射する。第1のレーザ光は、直線偏光であり、ミラーM1を介して偏光ビームスプリッター7に対してP偏光となるように照射される。第1のレーザ光IL1は、偏光ビームスプリッターPBS1を透過し、外部共振器4に入射する。
The
第2のレーザ3は、例えばQCLであり、例えば波長10μmの中赤外領域の第2のレーザ光を出射する。第2のレーザ光は、直線偏光であり、偏光ビームスプリッター7に対してS偏光となるように照射される。第2のレーザ光は、偏光ビームスプリッター7で反射され、外部共振器4に入射する。このように、第1のレーザ光と第2のレーザ光とは、互いに直交する方向に直線偏光している。また、第1のレーザ光の波長と第2のレーザ光の波長とは、ほぼ同一である。
The
外部共振器4は、一対のミラー8、9と、ミラー9に設けられた圧電素子10と、を有する。一対のミラー8、9は、例えば、それぞれ反射率99%以上の凹面鏡で構成される。また、出力側のミラー9は、圧電素子10に供給する電圧V10を制御することにより、入力側のミラー8に対して移動させることができる。このように、外部共振器4は、圧電素子10に供給する電圧V10を制御することにより、共振波長を変化させることができる。
The
制御部5は、偏光ビームスプリッター11と、第1の光検出器12と、第2の光変出器13と、第1の制御器14と、第2の制御器15と、を有している。
偏光ビームスプリッター11は、外部共振器4を透過した第1のレーザ光IL1と第2のレーザ光IL2とを入射する。偏光ビームスプリッター11に対してP偏光で照射された第1のレーザ光IL1は、偏光ビームスプリッター11を透過し、第1の光検出器12に透過光OL1として入射される。また、偏光ビームスプリッター11に対してS偏光で照射された第2のレーザ光IL2は、偏光ビームスプリッター11で反射され、第2の光検出器13に反射光OL2として入射される。
The
The
第1の光検出器12及び第2の光検出器13は、例えば、入射される光OL1、OL2に応じて電気抵抗が変化する光伝導体を用いた光検出器であり、あるいは、例えばフォトダイオードである。第1の光検出器12は、偏光ビームスプリッター11を透過した透過光OL1を電気信号V1に変換する。第2の光検出器13は、偏光ビームスプリッター11で反射した反射光OL2を電気信号V2に変換する。
The
第1の制御器14は、例えばPID(Proportional Integral Derivative)制御器であり、外部共振器4の共振波長を制御する。第1の制御器14は、第1の光検出器12から出力される電気信号V1を入力し、外部共振器4の圧電素子10に供給する電圧V10を制御して、外部共振器4を第1のレーザ光IL1に共振させる。外部共振器4を透過した透過光OL1の強度は、外部共振器4が、第1のレーザ光に共振したとき最大になる。したがって、第1の光検出器12から出力される電気信号が最大となるように外部共振器4を制御することにより、外部共振器4を第1のレーザ光に共振させることができる。
The
第2の制御器15は、例えばPID制御器であり、第2のレーザ3の発振波長を制御する。第2の制御器15は、第2の光検出器13から出力される電気信号V2を入力し、第2のレーザ3に供給する電流及び第2のレーザ3の温度の少なくともいずれかを制御して、第2のレーザ光IL2の波長を外部共振器4に共振させる。第2の制御器15は、上記の第1の制御器14と同様に、第2の光検出器13から出力される電気信号V2が最大となるように第2のレーザIL2を制御する。その結果、第1のレーザ光IL1の波長と第2のレーザ光IL2の波長とは、ほぼ等しくなる。
The
なお、第1のレーザ光IL1及び第2のレーザ光IL2の波長と比較して、外部共振器4におけるミラー8、9の機械的間隔は非常に長い。したがって、外部共振器4のミラー8、9間の光学的距離は、透過光OL1のn倍に、反射光OL2のm倍になっている。ここで、n、mは、十分に大きい整数であり、必ずしもm=nとならない。その結果、第1のレーザ光IL1の波長と第2のレーザ光IL2の波長とは、わずかに異なる可能性がある。しかし、波長差は、第1及び第2のレーザ光IL1、IL2の波長に対してわずかであり、第1のレーザ光IL1と第2のレーザ光IL2とは、ほぼ同一の波長となる。
In addition, compared with the wavelength of 1st laser beam IL1 and 2nd laser beam IL2, the mechanical space | interval of the
また、第1の制御器14と第2の制御器15とは、独立に動作することができ、例えば、同時に動作することができる。また、例えば、第1の制御器14を先に動作させ、第2の制御器15を後に動作させることもできる。さらにまた、例えば、第1の制御器14のゲインを第2の制御器15のゲインよりも大きく設定して、同時に動作させてもよい。
Moreover, the
本実施形態においては、外部共振器4に波長のほぼ等しい第1のレーザ光と第2のレーザ光とが入射されるため、第1のレーザ光または第2のレーザ光が入射される場合と比較して、外部共振器4内の実効的な光強度を増加させることができる。
In the present embodiment, since the first laser beam and the second laser beam having substantially the same wavelength are incident on the
例えば、外部共振器4の内部に導入される被照射体16が、レーザ光の照射により反応または分解するガスの場合、被照射体16に、より強い光を照射することができ、被照射体16の反応や分解を従来よりも促進することができる。
また、被照射体16が、検査の対象となる物質の場合、照射するレーザ光の光強度を高くすることにより、従来よりも、より高感度の検査をすることができる。具体的には、例えば、被照射体16が中赤外領域の光に対して吸収ピークを有するガスである場合、従来よりも高い検出感度で被照射体16の検査を行うことができる。
被照射体16は、外部共振器4の内部に流入させ通過させてもよく、または外部共振器4のなかに閉じこめてもよい。
For example, when the
Further, when the
The
図2は、第2の実施形態に係るレーザ装置を例示する模式図である。
図2に表したように、レーザ装置1aは、第1の実施形態に係るレーザ装置1と比較して、計測器17が追加されている点が異なっている。これ以外の構成は、図1に表した構成と同様である。
FIG. 2 is a schematic view illustrating a laser device according to the second embodiment.
As shown in FIG. 2, the
計測器17は、例えばオシロスコープであり、例えば電圧計である。計測器17は、第1の光検出器12から出力される電気信号V1及び第2の光検出器13から出力される電気信号V2の少なくともいずれかを計測する。
The measuring
例えば、外部共振器4の内部に、検査対象物としての被照射体16が導入された場合、計測器17は、被照射体16の第1及び第2のレーザ光IL1、IL2の波長における光吸収を測定することができる。その結果、被照射体16の組成や分子構造など高い感度で特定することができる。なお、この場合における被照射体16は、例えば、中赤外領域に吸収スペクトルのピークを有するガスである。
For example, when the
また、本実施形態においても、外部共振器4に波長のほぼ等しい第1のレーザ光と第2のレーザ光とが入射されるため、第1のレーザ光または第2のレーザ光が入射される場合と比較して、外部共振器4内の実効的な光強度を増加させることができる。
Also in the present embodiment, since the first laser light and the second laser light having substantially the same wavelength are incident on the
図3は、第3の実施形態に係るレーザ装置を例示する模式図である。
図3に表したように、レーザ装置1bは、第2の実施形態に係るレーザ装置1aと比較して、制御部5の構成が異なっている。すなわち、本実施形態においては、第2の実施形態における制御部5の替わりに、制御部5aが設けられている。本実施形態に係るレーザ装置の制御部以外の構成は、図2に表した構成と同様である。
FIG. 3 is a schematic view illustrating a laser device according to the third embodiment.
As shown in FIG. 3, the
制御部5aは、第1及び第2の実施形態における制御部5と比較して、波長制御部18が追加されている点が異なる。
波長制御部18は、第1のレーザ2に供給する電流及び第1のレーザ2の温度の少なくともいずれかを制御することにより第1のレーザ2の発振波長を制御して、一定の範囲で第1のレーザ光IL1の波長を連続的または断続的に変化させる。
The
The
波長制御部18は、例えば、三角波を生成して、第1のレーザ2に供給する電流を連続的に増加させることができる。また、波長制御部18は、例えばコンピュータであり、格納されたプログラムにしたがって、第1のレーザ2の発振波長を所定値に制御してもよい。また、波長制御部18は、第1の制御器14、第2の制御器15、及び計測器17を制御することもできる。この場合、波長制御部18は、第1の制御器14及び第2の制御器15を制御し、さらに第1のレーザ2の発振波長を連続的に変化させて、被照射体16の吸収スペクトルを計測することができる。
For example, the
また、本実施形態においても、外部共振器4に波長のほぼ等しい第1のレーザ光と第2のレーザ光とが入射されるため、第1のレーザ光または第2のレーザ光が入射される場合と比較して、外部共振器4内の実効的な光強度を増加させることができる。
Also in the present embodiment, since the first laser light and the second laser light having substantially the same wavelength are incident on the
次に第4の実施形態について説明する。
図4は、第4の実施形態に係るレーザ装置の制御方法を例示するフローチャートである。
図4においては、第1のレーザ2が目標とする波長の第1のレーザ光IL1を出射している場合に、外部共振器4と第2のレーザ3とを制御して、外部共振器4を第1及び第2のレーザ光IL1、IL2に共振させる制御方法を表している。
Next, a fourth embodiment will be described.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a laser device control method according to the fourth embodiment.
In FIG. 4, when the
図4に表したように、外部共振器4を第1のレーザ光IL1に共振させる(ステップS11)。
例えば、第1のレーザ光IL1を外部共振器4に入射させ、外部共振器4の透過光OL1の強度が最大になるように、外部共振器4の共振波長を制御する。例えば、圧電素子10に供給する電圧V10を制御して、外部共振器4のミラー8、9間の機械的距離を調整することにより、外部共振器4の共振波長が制御される。
As shown in FIG. 4, the
For example, the first laser beam IL1 is incident on the
また、第2のレーザ光IL2を外部共振器4に共振させる(ステップS12)。
例えば、第2のレーザ光IL2を外部共振器4に入射させ、外部共振器4の反射光OL2の強度が最大になるように、第2のレーザ3に供給する電流及び第2のレーザ3の温度の少なくともいずれかを制御する。
Further, the second laser beam IL2 is caused to resonate with the external resonator 4 (step S12).
For example, the second laser light IL2 is incident on the
なお、外部共振器4を第1のレーザ光IL1に共振させる工程(ステップS1)と、第2のレーザ光IL2を外部共振器4に共振させる工程(ステップS2)とは、独立であり、同時に実行してもよい。また、先に外部共振器4を第1のレーザ光IL1に共振させ、次に第2のレーザ光IL2を外部共振器4に共振させてもよい。
Note that the step of resonating the
本実施形態においては、外部共振器4に入射される第1のレーザ光と第2のレーザ光とがほぼ等しい波長に制御されるため、第1のレーザ光または第2のレーザ光が入射される場合と比較して、外部共振器4内の実効的な光強度を増加させることができる。
In the present embodiment, since the first laser beam and the second laser beam incident on the
図5は、第5の実施形態に係るレーザ装置の制御方法を例示するフローチャートである。
図5においては、外部共振器4を第1及び第2のレーザ光IL1、IL2に共振させながら第1のレーザ光IL1及び第2のレーザ光IL2の波長を一定範囲で連続的に変化させるレーザ装置の制御方法を表している。
FIG. 5 is a flowchart illustrating a laser device control method according to the fifth embodiment.
In FIG. 5, a laser that continuously changes the wavelengths of the first laser beam IL1 and the second laser beam IL2 within a certain range while causing the
図5に表したように、まず、第1のレーザ光IL1の波長を初期値に設定する(ステップS10)。
例えば、第1のレーザ2に供給する電流及び第1のレーザ2の温度を初期値に制御する。
次に、外部共振器4を第1のレーザ光IL1に共振させる(ステップS11)。また、第2のレーザ光IL2を外部共振器4に共振させる(ステップS12)。
ステップS11、S12は、それぞれ図4に表したステップS11、S12と同じであり、詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 5, first, the wavelength of the first laser beam IL1 is set to an initial value (step S10).
For example, the current supplied to the
Next, the
Steps S11 and S12 are the same as steps S11 and S12 shown in FIG. 4, respectively, and detailed description thereof is omitted.
次に、制御された第1及び第2のレーザ光IL1、IL2の波長において、計測値を記録する(ステップS13)。例えば、計測器17を介して、第1及び第2の光検出器12、13から出力される電気信号V1、V2の少なくともいずれかを測定された計測値を、波長制御部18に記憶する。
Next, measurement values are recorded at the controlled wavelengths of the first and second laser beams IL1 and IL2 (step S13). For example, a measured value obtained by measuring at least one of the electric signals V1 and V2 output from the first and
次に、計測が終了したか判定する(ステップS14)。例えば、第1のレーザ光IL1の波長が、最終値に達したかを判定する。
計測が終了したと判定された場合(ステップS14:YES)、終了する。
計測が終了していない判定された場合(ステップS14:NO)、第1のレーザ光IL1の波長を増分値だけ長くし(ステップS15)、ステップS11に戻る。
Next, it is determined whether the measurement is completed (step S14). For example, it is determined whether the wavelength of the first laser beam IL1 has reached the final value.
When it is determined that the measurement is finished (step S14: YES), the process is finished.
When it is determined that the measurement has not ended (step S14: NO), the wavelength of the first laser beam IL1 is increased by an increment value (step S15), and the process returns to step S11.
本実施形態においても、外部共振器4に入射される第1のレーザ光と第2のレーザ光とがほぼ等しい波長に制御されるため、第1のレーザ光または第2のレーザ光が入射される場合と比較して、外部共振器4内の実効的な光強度を増加させることができる。
Also in this embodiment, since the first laser beam and the second laser beam incident on the
また、本実施形態においては、第1のレーザ2の発振波長を連続的に変化させるため、被照射体16の吸収スペクトルを計測することができる。
Moreover, in this embodiment, since the oscillation wavelength of the
なお、第4及び第5の実施形態に係る制御方法は、制御部としてハード化することができ、また、コンピュータプログラムとしてソフト化することもできる。また、制御方法をコンピュータプログラムとして、コンピュータ読み取り可能な媒体に記録することもできる。 Note that the control methods according to the fourth and fifth embodiments can be implemented as hardware as a control unit, and can also be implemented as software as a computer program. The control method can also be recorded on a computer-readable medium as a computer program.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1、1a、1b…レーザ装置、 2…第1のレーザ、 3…第2のレーザ、 4…外部共振器、 5、5a…制御部、 6…ミラー、 7、11…偏光ビームスプリッター、 8、9…ミラー、 10…圧電素子、 12…第1の光検出器、 13…第2の光検出器、 14…第1の制御器、 15…第2の制御器、 16…被照射体、 17…計測器、 18…波長制御部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
第2のレーザ光を出射する第2のレーザと、
前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光とが入射される外部共振器と、
前記外部共振器の共振波長を制御して前記第1のレーザ光に共振させ、前記第2のレーザを制御して前記第2のレーザ光を前記外部共振器に共振させる制御部と、
を備えたレーザ装置。 A first laser that emits a first laser beam;
A second laser that emits a second laser beam;
An external resonator on which the first laser beam and the second laser beam are incident;
A control unit that controls a resonance wavelength of the external resonator to resonate with the first laser beam, and controls the second laser to resonate the second laser beam with the external resonator;
A laser apparatus comprising:
一対のミラーと、
前記一対のミラーの少なくともいずれかに設けられた圧電素子と、
を有し、
前記制御部は、前記圧電素子を制御する請求項1記載のレーザ装置。 The external resonator is
A pair of mirrors;
A piezoelectric element provided on at least one of the pair of mirrors;
Have
The laser apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls the piezoelectric element.
前記外部共振器を制御して、前記第1のレーザから出射されるレーザ光に前記外部共振器を共振させ、
前記第2のレーザを制御して、前記外部共振器に第2のレーザから出射される第2のレーザ光を共振させるレーザ装置の制御方法。 A method of controlling a laser device having a first laser, a second laser, and an external resonator,
Controlling the external resonator to resonate the external resonator with laser light emitted from the first laser;
A method of controlling a laser device, wherein the second laser is controlled to cause the external resonator to resonate the second laser light emitted from the second laser.
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