JP2013145818A

JP2013145818A - パルスレーザ装置

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Publication number: JP2013145818A
Application number: JP2012005870A
Authority: JP
Inventors: Shingo Uno; 進吾宇野; Kimitada Tojo; 公資東條; Jiro Saikawa; 次郎齊川; Naoya Ishigaki; 直也石垣
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: JP5895543B2

Abstract

【課題】レーザダイオードに流す電流を変更することなく、またＲＦ信号のパワーを一定にしたままでパルスレーザのパルスエネルギーを調整できるパルスレーザ装置。
【解決手段】励起光を発生するレーザダイオードを含む半導体レーザと、半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生するレーザ媒質と、パルスエネルギーを所望値に調整するためのデューティ比情報を出力する制御装置と、制御装置からのデューティ比情報に応じてデューティ比が調整されたＲＦ信号を生成するＲＦ信号生成回路と、ＲＦ信号生成回路からのＲＦ信号にしたがって、レーザ媒質で発生された誘導放出光の基本波を変調することによりパルスエネルギーを制御する音響光学素子と、音響光学素子で変調された基本波の波長を変換して出力する非線形光学素子と、半導体レーザおよび非線形光学素子の温度を調整する温度調整機構とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響光学素子に与えるＲＦ（Radio Frequency）信号のデューティ比を変更することによりパルスエネルギーを制御するパルスレーザ装置に関する。

図５は、共振器内に音響光学素子を配置し、Ｑスイッチによりパルスレーザを発生させる場合の音響光学素子の動作を説明するための図である。音響光学素子に十分なパワーのＲＦ信号を与えると、共振器内でのロスがゲインより大きくなってレーザ発振が行われず、レーザ媒質のゲインが上がっていく。

その状態からＲＦ信号を急速にオフすると、突然にレーザ発振可能な状態になり、ゲインの上がったレーザ媒質からパルス状のレーザが出力される。レーザ媒質から出力されるパルスレーザのパルスエネルギーはゲインの大きさに依存するため、パルスエネルギーの変更は、励起光を発生するレーザダイオードに流す電流を増減させてゲインを調整することにより行われている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）もしくは、ＲＦ信号のパワーを制御し、共振器のロスを調整することでゲインを制御することにより行われている。

特開２００２−２０８７５０号公報

SIEGMAN著「LASERS」26章P1004

上述したように、パルスレーザのパルスエネルギーの変更は、レーザダイオードに流す電流を制御することにより行われていた。また、ＲＦ信号のパワーを調整することによっても行われている。この場合、レーザダイオードに流す電流を変更すると、最適なレーザダイオードの温度が変化してしまうという問題や、ＲＦ信号生成回路が複雑になるという問題があった。

本発明の課題は、レーザダイオードに流す電流を変更することなく、またＲＦ信号のパワーを一定にしたままでパルスレーザのパルスエネルギーを調整できるパルスレーザ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るパルスレーザ装置は、励起光を発生する半導体レーザと、半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生するレーザ媒質と、パルスエネルギーを所望値に調整するためのデューティ比情報を出力する制御装置と、制御装置からのデューティ比情報に応じてデューティ比が調整されたＲＦ信号を生成するＲＦ信号生成回路と、ＲＦ信号生成回路からのＲＦ信号にしたがって、レーザ媒質で発生された誘導放出光の基本波を変調することによりパルスエネルギーを制御する音響光学素子と、音響光学素子で変調された基本波の波長を変換して出力する非線形光学素子と、半導体レーザおよび非線形光学素子の温度を調整する温度調整機構とを備えることを特徴とする。

本発明に係るパルスレーザ装置によれば、半導体レーザに流れる電流および音響光学素子を駆動するＲＦ信号のパワーを一定にした状態でパルスレーザのパルスエネルギーを変更することができる。その結果、半導体レーザに流れる電流の変更に伴う半導体レーザの温度の最適化や音響光学素子を駆動するための回路を簡素化できる。

本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置におけるデューティ比とパルスエネルギーの関係を示す図である。本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施例２に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。従来のパルスレーザ装置における音響光学素子の役割を説明するための図である。

以下、本発明のパルスレーザ装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。このパルスレーザ装置は、半導体レーザ１、レーザ媒質２、音響光学素子３、非線形光学素子４、ミラー４ａ、温度調整機構５、ＲＦ信号制御回路６および制御装置７を備えている。

なお、レーザ媒質２、音響光学素子３および非線形光学素子４、ミラー４ａから構成される部分を共振器と呼ぶ。

半導体レーザ１は、例えばレーザダイオードと、そのレーザダイオードで発生されたレーザ光を集束するレンズ（何れも図示は省略する）によって構成されており、励起光を発生する。この半導体レーザ１で発生された励起光は、レーザ媒質２に照射される。

レーザ媒質２は、レーザ発振の元となる物質であり、例えば、ＹＡＧレーザと呼ばれる固体レーザにおいては、イットリウム、アルミニウムおよびガーネット（Yttrium Aluminum Garnet）などといった物質が用いられる。このレーザ媒質２は、半導体レーザ１から励起光が照射されることにより誘導放出光を発生する。このレーザ媒質２で発生された誘導放出光は、音響光学素子３に送られる。

音響光学素子３は、Ｑスイッチを構成し、ＲＦ信号制御回路６から送られてくるＲＦ信号にしたがって、レーザ媒質２で発生された誘導放出光の基本波を変調することによりパルスエネルギーを制御し、パルス幅の狭いピークの大きなパルスレーザを出力する。この音響光学素子３から出力されたパルスレーザは、非線形光学素子４に送られる。

非線形光学素子４は、音響光学素子３から出力されたパルスレーザの基本波の波長を変換して出力する。

温度調整機構５は、半導体レーザ１および非線形光学素子４の温度を調整する。詳しくは、温度調整機構５は、温度による特性の変化が著しい半導体レーザ１を一定電流で駆動すると、温度変化によって光出力が変化して不安定になるとともに、波長シフトが発生するという事態を回避するために、半導体レーザ１の温度を精密に制御する。また、温度調整機構５は、非線形光学素子４の屈折率を調整するために、非線形光学素子４の温度を精密に制御する。

ＲＦ信号制御回路６は、制御装置７から送られてくるデューティ比情報に応じてデューティ比が調整されたＲＦ信号を生成し、音響光学素子３に送る。

制御装置７は、パルスエネルギーを所望値に調整するためのデューティ比情報を生成し、ＲＦ信号制御回路６に送る。

図２は、パルスの繰り返し周期を一定としたときの、デューティ比とパルスエネルギーの関係を示す図である。ここで、デューティ比とは、音響光学素子３を駆動するためのＲＦ信号のＯＮ期間とＯＦＦ期間の比をいう。このデューティ比が大きくなる（ＯＦＦ期間が長くなる）とパルスエネルギーが小さくなる。これは、ＲＦ信号のＯＦＦ期間では、ＣＷ（Continuous Wave）発振が行われており、このＯＦＦ期間が長くなるとレーザ媒質２、音響光学素子および、非線形光学素子４の温度が最適値からずれ、効率が悪化することに起因する。実施例１に係るパルスレーザ装置では、この現象を利用することにより、つまり、ＲＦ信号のデューティ比を変えることによりパルスエネルギーを制御している。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置の動作を、図３に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

まず、パルスレーザ装置が起動されると、半導体レーザ１は、励起光を発生してレーザ媒質２を照射する。これにより、レーザ媒質２は、誘導放出光を発生し、音響光学素子３に送る。これと並行して、制御装置７は、所定のパルスエネルギーを得るために必要なデューティ比を指示するデューティ比情報をＲＦ信号制御回路６に送る。これにより、ＲＦ信号制御回路６は、図３（ａ）に示すような、デューティ比情報によって示されるデューティ比を有するＲＦ信号を生成して音響光学素子３に与える。

ＲＦ信号制御回路６から出力されるＲＦ信号のＯＮ期間では、共振器内でのロスがゲインより大きくなってレーザ発振が行われず、レーザ媒質２のゲインが上がっていく。この状態からＲＦ信号がＯＦＦ期間になると、その立ち下がりからレーザ発振可能な状態になり、図３（ｂ）に示すように、ゲインが最大になったレーザ媒質２から音響光学素子３および非線形号学素子４を経由してパルス状のレーザが出力される。

なお、共振器におけるゲインを最大にするために必要な期間は、図３（ａ）に示すように、ＲＦ信号のＯＮ期間の一部の期間αで十分である。したがって、パルスの繰り返し周期は、期間αを確保できる範囲で任意に定めることができる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置によれば、半導体レーザ（レーザダイオード）１に流れる電流および音響光学素子３を駆動するＲＦ信号のパワーを一定にした状態で、ＲＦ信号のデューティ比を変更することによりパルスエネルギーを変更することができる。その結果、レーザダイオードに流れる電流の変更に伴うレーザダイオードの温度の最適化や音響光学素子３を駆動するための回路を簡素化することができる。

図４は、本発明の実施例２に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。このパルスレーザ装置は、図１に示した実施例１に係るパルスレーザ装置に、検出器８および記憶装置９が追加されて構成されている。

検出器８は、非線形光学素子４から出力されるパルスレーザのパルスエネルギーの大きさを検出する。この検出器８で検出されたパルスエネルギーの大きさを表す信号は、制御装置７に送られる。

記憶装置９は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）等によって構成されており、ＲＦ信号生成回路６で生成されたＲＦ信号のデューティ比と検出器８で検出されたパルスエネルギーの大きさとの関係を表す情報を記憶する。この情報は、所定のタイミング、例えば、電源投入時、定期的、トリガ信号の入カ時などにおいてデューティ比をスイープさせることにより取得される。

次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係るパルスレーザ装置の動作を説明する。

まず、パルスレーザ装置が起動されると、半導体レーザ１は、励起光を発生してレーザ媒質２を照射する。これにより、レーザ媒質２は、誘導放出光を発生し、音響光学素子３に送る。これと並行して、制御装置７は、記憶装置９から読み出したパルスエネルギーとデューティ比の関係を表す情報に基づき所定のパルスエネルギーを得るために必要なデューティ比を決定し、デューティ比情報としてＲＦ信号生成回路６に送る。これにより、ＲＦ信号制御回路６は、デューティ比情報によって示されるデューティ比を有するＲＦ信号を生成して音響光学素子３に与える。

以上説明したように、本発明の実施例２に係るパルスレーザ装置によれば、記憶されているパルスエネルギーとデューティ比の関係を表す情報の中から好ましいデューティ比を選択してパルスエネルギーを調整できるので、パルスエネルギーとデューティ比の環境温度の変化や経時変化などに対応することができる。

本発明は、レーザダイオードの温度変化やＲＦ信号のパワーに依存しないでパルスエネルギーの調整が要求されるパルスレーザ装置に利用できる。

１半導体レーザ
２レーザ媒質
３音響光学素子
４非線形光学素子
５温度調整機構
６ＲＦ信号制御回路
７制御装置
８検出器
９記憶装置

Claims

励起光を発生するレーザダイオードを含む半導体レーザと、
前記半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生するレーザ媒質と、
パルスエネルギーを所望値に調整するためのデューティ比情報を出力する制御装置と、
前記制御装置からのデューティ比情報に応じてデューティ比が調整されたＲＦ信号を生成するＲＦ信号生成回路と、
前記ＲＦ信号生成回路からのＲＦ信号にしたがって、前記レーザ媒質で発生された誘導放出光の基本波を変調することによりパルスエネルギーを制御する音響光学素子と、
前記音響光学素子で変調された基本波の波長を変換してパルスレーザとして出力する非線形光学素子と、
前記半導体レーザおよび非線形光学素子の温度を調整する温度調整機構と、
を備えることを特徴とするパルスレーザ装置。
前記非線形光学素子から出力されるパルスレーザのパルスエネルギーの大きさを検出する検出器と、
情報を記憶する記憶装置とを備え、
前記制御装置は、
前記ＲＦ信号生成回路で生成されたＲＦ信号のデューティ比と前記検出器で検出されたパルスエネルギーの大きさとの関係を表す情報を所定のタイミングで前記記憶装置に記憶し、該記憶装置に記憶されている情報に基づきデューティ比を決定し、デューティ比情報として前記ＲＦ出力生成回路に送ることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ装置。