JP2018006394A - レーザ駆動光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振部とプラズマ容器とを備えたレーザ駆動光源装置において、大きなパワーのレーザビームを照射することなく、点灯開始後の高温プラズマ状態を安定に維持して、発光を安定に維持させることができ、またプラズマ容器の加熱による点灯寿命の低下を抑制することができるレーザ駆動光源装置を提供する。【解決手段】レーザ発振部２は、共振器内に配置されたレーザ媒質と、該レーザ媒質に光を供給するように配置された第１及び第２のポンピング器とを備え、該各ポンピング器にそれぞれ個別に給電する第１及び第２の給電装置３１を備え、前記第１のポンピング器が連続光を発生するように上記第１の給電装置を制御するとともに、前記第２のポンピング器がパルス光を発生するように前記第２の給電装置を制御する制御部３０を備えてなり、前記レーザ発振部からは、連続レーザ光とパルスレーザ光が出射されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ駆動光源装置に関するものであり、特に、プラズマ容器内にパルスレーザ光と連続レーザ光を集光照射してプラズマを生成するレーザ駆動光源装置に係わるものである。

レーザ発振器からのレーザ光を発光ガスが封入されたプラズマ容器に照射して、ガスを励起させて発光させるようにした光源装置が、例えば、特開昭６１−１９３３５８号公報（特許文献１）などで知られている。
図６にその構造が示されていて、レーザ駆動光源装置２００は、レーザ発振部２１０と、このレーザ発振部２１０からのレーザ光を拡大する凹レンズ２２０と、この凹レンズ２２０によって拡大されたレーザ光を平行光にする凸レンズ２３０と、その平行光になったレーザ光を集光する凸レンズ２４０と、その集光されたレーザ光が入射されるプラズマ容器２５０と、プラズマ容器２５０を通過したレーザ光を集光するように反射する凹面鏡２６０と、を備えている。
前記プラズマ容器２５０の内部には、発光元素が封入されており、このプラズマ容器２５０内に集光されたレーザ光が入射されることで、発光元素が励起されてプラズマが生成されて、励起光が得られるものである。
そして、特許文献１の２頁目の右上欄１６〜１８行には上記レーザ発振器は封入ガスの放電励起に十分な強度の連続またはパルス状のレーザ光を発振すると記載されている。

特開昭６１−１９３３５８号公報

ところで、かかる光源装置においては、プラズマ容器に封入した発光ガスを励起させるレーザ光としては、当該特許文献１に記載されるように、連続あるいはパルス状のレーザ光が考えられるが、いずれのレーザ光を用いても、以下のような問題があることが判明した。
（イ）パルス状のレーザ光の場合、発光ガスの放電励起に十分な強度のパルス状のレーザ光を発振するので点灯は開始されるが、封入ガスに断続的にレーザ光が入射されるので、高温プラズマ状態はレーザ光が断ち切れるときに、共に断ち切れてしまう場合があり、常時、高温プラズマ状態を維持することが困難であった。すなわち、放電維持が不安定であるという問題があった。
（ロ）連続のレーザ光の場合、発光ガスの放電開始に十分な強度の連続のレーザ光を発振すれば、点灯は開始されるが、高温プラズマ状態を維持するときも点灯開始時と同じエネルギーを入力すると、プラズマ容器が加熱されてしまい、この熱によって管球にひずみが生じ破損するものがあった。すなわち点灯寿命が短いという問題があった。
また、放電開始に必要なレーザ光のパワーは数十から数百ｋＷとなるが、このような大出力のレーザ光を連続して出力するレーザ装置は大型でコストも高く、実用的でない。

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、レーザ発振部と、該レーザ発振部からのレーザ光が入射されてプラズマを生成して光を出射するプラズマ容器と、を備えたレーザ駆動光源装置において、大きなパワーのレーザ光を照射することなく、点灯開始後の高温プラズマ状態を安定に維持して、発光を安定に維持させることができ、またプラズマ容器の加熱による点灯寿命の低下を抑制することができるレーザ駆動光源装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係わるレーザ駆動光源装置は、前記レーザ発振部は、一対の反射鏡からなる共振器内に配置されたレーザ媒質と、該レーザ媒質に連続光を供給するように配置されたポンピング器とを備え、前記レーザ媒質と前記共振器の出射側の反射鏡との間にはＱスイッチが配置されてなり、前記ポンピング器に給電する給電装置を備えるとともに、前記給電装置と前記Ｑスイッチに接続された制御部を備え、該制御部は、前記給電装置による前記ポンピング器への給電を開始し、前記ポンピング器から前記レーザ媒質に連続光を供給した後に、前記Ｑスイッチを閉じた状態から一部閉じた状態となるように制御することを特徴とする。
また、前記プラズマ容器の外方に、該プラズマ容器内からの励起光を受光する光センサーを配置し、前記プラズマ容器内のプラズマの維持を検知して、前記Ｑスイッチを一部閉じた状態に維持することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ発振部におけるレーザ媒質と共振器の出射側の反射鏡との間にＱスイッチを配置したので、レーザ媒質に連続光を供給した後に、前記Ｑスイッチを全閉状態から一部が閉じられた状態に開放することにより、パルス状のレーザ光を出射するとともに、当該パルスレーザ光に続いて連続レーザ光を途切れることなく出射することができるので、プラズマ容器でパルスレーザ光によって生成された高温プラズマが、連続レーザ光によって維持されて、安定的な点灯が維持できるものである。
そして、このようなパルスレーザ光と連続レーザ光を、Ｑスイッチを用いることで、単一のレーザ発振部によって発生できるので、全体の装置構造が大型化せず簡略化できる。
また、パルスレーザ光と連続レーザ光が、一対の反射部材からなる共振器を備えた単一のレーザ発振器から照射されるので、パルスレーザ光と連続レーザ光の光路が重なり、プラズマ容器の内部で、パルスレーザ光と連続レーザ光の高エネルギー状態の領域を確実に重ね合わせることができる。このため、高温プラズマ状態の生成と、高温プラズマ状態の維持を確実に行うことができ、高温プラズマ状態の断ち切れを抑制し、安定に放電させることができる。
また、プラズマ容器内からの励起光を受光する光センサーを配置したので、前記プラズマ容器内のプラズマの維持を検知することにより、前記Ｑスイッチを一部閉じた状態にして、連続レーザ光の供給を維持するので、安定的なプラズマ状態が維持できる。

本発明のレーザ駆動光源装置の第１の実施例の構成を示す図。 本発明におけるレーザ発振部の構成を示す図。 レーザ発振部の動作例のタイムチャート。 本発明のレーザ駆動光源装置の第２の実施例の構成を示す図。 本発明のレーザ駆動光源装置の第３の実施例の構成を示す図。 従来技術のレーザ駆動光源装置の構成を示す図。

図１に本発明のレーザ駆動光源装置の第１の実施例の模式図が示されていて、プラズマ容器は断面を示している。
図１のレーザ駆動光源装置は、レーザ光Ｂを出射するレーザ発振部２と、該レーザ光Ｂが入射されるプラズマ容器１と、前記レーザ発振部２に給電する給電装置３１と、該給電装置３１を制御する制御部３０とを備えている。
プラズマ容器１の内部には、発光元素が封入されるが、その用途によって、様々な発光元素が用いられる。例えば、露光用の光源としては、発光元素として水銀とキセノンガスやアルゴンガスの混合したものが用いられる。また、例えば、映写機用の光源としては、発光元素としてキセノンガスが用いられる。

プラズマ容器１は、レーザ発振部２からのレーザ光Ｂが入射されると共に、発光元素からの励起光ＥＬを出射することから、レーザ発振部２からのレーザ光Ｂを透過し、且つ、発光元素の励起光ＥＬを透過する部材で構成される。具体的には、レーザ発振部２からのレーザ光の波長が１０６４ｎｍであって、発光元素が水銀でその励起光のうち波長３６５ｎｍを利用する場合においては、プラズマ容器１は、１０６４ｎｍの波長を透過し、且つ、３６５ｎｍの波長を透過する、例えば石英ガラスで構成される。

集光手段４は、レーザ発振部２とプラズマ容器１との間であって、レーザ発振部２からのレーザ光Ｂの光路上に配置される。この集光手段４は、例えば集光レンズや回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）などの集光機能を有するものであって、その焦点はプラズマ容器１の内部に位置する。なお、図１における集光手段４は、レーザ光Ｂを透過する集光レンズを図示したが、集光機能があれば良く、レーザ光Ｂを反射することで集光する集光楕円ミラーや集光放物面ミラー等であってもかまわない。
また、集光手段４がプラズマ容器１の近傍に配置される場合、プラズマ容器１からの励起光ＥＬが照射されることがあり、集光手段４が励起光を透過できない部材のとき、その励起光を吸収して発熱し、破損することが有る。このため、集光手段４は、プラズマ容器１からの励起光も透過する部材、即ちプラズマ容器１と同一の部材又は、励起光を反射する部材で構成することが好ましい。

なお、図１において、点線で示すように、プラズマ容器１の外方に該プラズマ容器１からの励起光ＥＬを受光する光センサー３２が設けられているが、これについては後述する。

次に、図２を用いて、本発明の第１の実施例に係るレーザ駆動光源装置に具備されるレーザ発振部について説明する。
図２は、レーザ発振部２の構成を示す模式図である。
レーザ発振部２は、共振器２４と、該共振器２４内に配置されたレーザ媒質２３と、該レーザ媒質２３に光を供給するポンピング器２１とを備えている。
このポンピング器２１には、給電装置３１が接続され、この給電装置３１には、制御部３０が接続される。
共振器２４は、一対の反射鏡２４ａ，２４ｂからなり、一方の出射側の第１の反射鏡２４ａが部分反射鏡で構成され、他方の第２の反射鏡２４ｂが全反射鏡で構成される。
そして、この共振器２４内での光路上には、１つのレーザ媒質２３が配置される。
このレーザ媒質２３を構成する部材としては、固体レーザに用いられるレーザ媒質であって、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ガラスなどが挙げられる。

レーザ媒質２３の外方には、当該レーザ媒質２３に光を供給するように、ポンピング器２１が配置される。
このポンピング器２１としては、レーザ媒質２３を励起させる光を供給するものが用いられ、例えばランプや、複数のレーザダイオード（ＬＤ）などが用いられる。このポンピング器２１には、給電装置３１が接続され、この給電装置３１は制御部３０によって制御される。
そして、前記レーザ媒質２３と、前記共振器２４の出射側の第１の反射鏡２４ａとの間には、Ｑスイッチ２５が配置されていて、その開閉動作は制御部３０によって制御される。

図３に、本発明のレーザ駆動光源装置に具備されるレーザ発振部２の始動後の一動作例のタイミングチャートが示されている。
図３（Ａ）に示すように、制御部３０は、給電装置３１を制御して、ポンピング器２１へ、連続的な電流の供給を行なう。これにより、図３（Ｂ）に示すように、ポンピング器２１は、レーザ媒質２３に連続的な光を供給する。
一方、制御部３０は、図３（Ｃ）に示すように、給電装置３１から所定の電流値によるポンピング器２１への連続的な電流供給が開始されて、該ポンピング器２１からレーザ媒質２３に連続的な光の供給がなされてから所定時間経過後に、Ｑスイッチ２５を作動して、全閉状態から、一部が閉じられた状態になるように制御する。
つまり、Ｑスイッチ２５は、全閉状態から開かれるが、全開とされることなく、一部が閉じられた状態にまで開かれる。

図３（Ｄ）に示すように、Ｑスイッチ２５が開かれることにより、レーザ媒質２３中に貯められた光子が誘導放出によって取り出される。このとき、取り出される光子の量は、Ｑスイッチ２５を完全に閉めた状態と一部閉じた状態との開閉度に比例する。
従って、誘導放出によって、レーザ媒質２３中の光子が取り出され、パルス状のレーザ光が発せられることにより、レーザ媒質２３の励起状態の強度は、一時的に低下するが、Ｑスイッチ２５は一部が閉じた状態（「半閉状態」）であって、ポンピング器２１からの連続光は供給され続けられていることから、レーザ媒質２３中の励起状態の強度が途切れない状態にあるので、レーザ媒質２３中の励起状態は、断ち切れることがない。

これにより、図３（Ｅ）に示すように、レーザ発振部２からは、パルス状のレーザ光に引き続いて途切れることなく連続レーザ光が発振される。
このようなパルスレーザ光とこれに続く連続レーザ光の照射により、プラズマ容器１内では、図３（Ｆ）に示すように、パルスレーザ光によりプラズマが生成され、これに続く連続レーザ光によってその点火状態が維持されて点灯する。この点灯状態の維持は、１回のパルスレーザ光と連続レーザ光の供給によってなされることもあるが、通常は、この様なパルスレーザ光と連続レーザ光の供給を複数回繰り返すことにより、プラズマが安定的に維持されて点灯状態が維持される。図３（Ｆ）は、２回の動作によって点灯維持された例が示されている。

なお、上記の実施例においては、レーザ発振部２は固体レーザを示したが、これに限られず、公知のファイバレーザであってもよい。

再び図１を参照して、前記レーザ発振部２におけるＱスイッチ２５の作動を制御するために、プラズマ容器１のプラズマ状態を検知して、これに基づいて制御する場合について説明する。
図１において、プラズマ容器１の近傍外方に光センサー３２を配置し、Ｑスイッチ２５によるパルスレーザ光と連続レーザ光の供給によりプラズマ容器１内に発生するプラズマに基づく、プラズマ容器１からの励起光ＥＬを検知して点灯状態を確認するものである。
プラズマ容器１の点灯維持が確認されたときに、Ｑスイッチ２５の開閉動作を停止して、該Ｑスイッチ２５を一部が閉じられた状態に維持し、ポンピング器２１からの連続光を供給し続けることにより、レーザ発振部２からのパルス状のレーザ光の照射を停止し、連続レーザ光を発振し続けて、プラズマ容器１内でのプラズマを維持して安定的な点灯を維持するものである。

ところで、以上の実施例においては、プラズマ容器１は、管球形状を持ったものが示されている。しかしながら、プラズマ容器１の形状はこれ以外に種々の形態を採用でき、図４以下には管球形状以外の構造を持つプラズマ容器１の実施例が示されている。
図４の第２の実施例においては、プラズマ容器１は、円柱形状の本体１１を有しており、その内面に凹面反射面１２が形成されている。この凹面反射面１２は、楕円形状、放物面形状等適宜に選択される。
本体１１には後方開口１１ａと前方開口１１ｂが形成されていて、この後方開口１１ａに対応して入射窓１３が設けられ、また、前方開口１１ｂに対応して出射窓１４が設けられている。
そして、本体１１の後方開口１１ａに対応した入射窓１３は、金属製の窓枠部材１５に装着されていて、この窓枠部材１５が、金属筒体１６によって本体１１に取り付けられている。これら本体１１と、入射窓１３と、出射窓１４とによって密閉空間が形成されていてプラズマ容器１を形成し、この密閉空間内に発光元素が封入されている。

レーザ発振部２からのレーザ光Ｂは、集光手段４によって集光されつつ、プラズマ容器１の背面側の入射窓１３から入射して、凹面反射面１２の焦点位置Ｆに集光する。これにより当該焦点位置Ｆを中心としてプラズマが生成され、発光元素が励起されて生じる励起光ＥＬは、凹面反射面１２により反射されて、前面側の出射窓１４から外部に出射されていくものである。

上記の図４の第２の実施例は、プラズマ容器１を構成する本体１１の凹面反射面１２の背面側からレーザ光が入射する構造を持ったものであるが、図５には、前面側からレーザ光が入射する構造を有するものが示されている。
図５の第３の実施例では、プラズマ容器１が、凹面反射面１２を有する本体１１と、その前面開口に設けられた前面窓１８とからなり、その内部が密閉空間とされている。このプラズマ容器１は、その前面窓１８をレーザ発振部２側に向けて配置されていて、前面窓１８は、レーザ光入射窓であるとともに励起光出射窓でもある。
そして、レーザ発振部２とプラズマ容器１の間には、更に具体的には、集光手段４とプラズマ容器１の間には、ダイクロイックミラー３３が配置されている。このダイクロイックミラー３３は、レーザ光Ｂを透過し、プラズマ容器１からの励起光ＥＬは反射するものである。

上記構成において、レーザ発振部２からのレーザ光Ｂはダイクロイックミラー３３を透過してプラズマ容器１の前面窓１８を介してプラズマ容器１内に入射し、凹面反射面１２の焦点位置に集光する。これにより、焦点位置にプラズマが生成され、それにより発生する励起光ＥＬは、凹面反射面１２で反射されて前面窓１８を介して出射される。凹面反射面１２が放物面形状であるとき、出射光は平行光となる。
この出射された励起光ＥＬは、ダイクロイックミラー３３によって反射されて光路を変更し外部に出射するものである。

勿論、図４の第２の実施例および図５の第３の実施例においても、レーザ発振部２５内にＱスイッチ２５が設けられていることは、図１，２の実施例と同様である。

以上のように、本発明のレーザ駆動光源装置では、レーザ発振部におけるレーザ媒質と共振器の出射側の反射鏡との間にＱスイッチを配置したので、レーザ媒質に連続光を供給した後に、前記Ｑスイッチを全閉状態から一部が閉じられた状態に開放することにより、パルス状のレーザ光を出射するとともに、当該パルスレーザ光に続いて連続レーザ光を途切れることなく出射することができるので、プラズマ容器でパルスレーザ光によって生成された高温プラズマが、連続レーザ光によって維持されて、安定的な点灯が維持できるものである。
そして、このようなパルスレーザ光と連続レーザ光を、Ｑスイッチを用いることで、単一のレーザ発振部によって発生できるので、全体の装置構造が大型化せず簡略化できる。

１ プラズマ容器
１１ 本体
１２ 凹面反射面
１３ 入射窓
１４ 出射窓
１８ 前面窓
２ レーザ発振部
２１ ポンピング器
２３ レーザ媒質
２４ 共振器
２４ａ 第１の反射鏡（部分反射鏡）
２４ｂ 第２の反射鏡（全反射鏡）
２５ Ｑスイッチ
３０ 制御部
３１ 給電装置
３２ 光センサー
３３ ダイクロイックミラー
４ 集光手段（集光レンズ）
Ｂ レーザ光
ＥＬ 励起光

Claims (2)

1. レーザ発振部と、該レーザ発振部からのレーザ光が入射されてプラズマを生成して光を出射するプラズマ容器と、を備えたレーザ駆動光源装置において、
   前記レーザ発振部は、一対の反射鏡からなる共振器内に配置されたレーザ媒質と、該レーザ媒質に連続光を供給するように配置されたポンピング器とを備え、前記レーザ媒質と前記共振器の出射側の反射鏡との間にはＱスイッチが配置されてなり、
   前記ポンピング器に給電する給電装置を備えるとともに、
   前記給電装置と前記Ｑスイッチに接続された制御部を備え、
   該制御部は、前記給電装置による前記ポンピング器への給電を開始し、前記ポンピング器から前記レーザ媒質に連続光を供給した後に、前記Ｑスイッチを閉じた状態から一部閉じた状態となるように制御することを特徴とするレーザ駆動光源装置。
2. 前記プラズマ容器の外方に、該プラズマ容器内からの励起光を受光する光センサーを配置し、前記プラズマ容器内のプラズマの維持を検知して、前記Ｑスイッチを一部閉じた状態に維持することを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動光源装置。
   
   
   

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