JP2020043280A

JP2020043280A - 受動ｑスイッチレーザ装置

Info

Publication number: JP2020043280A
Application number: JP2018171252A
Authority: JP
Inventors: ラケシュバンダリ; Bhandari Rakesh
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2020-03-19

Abstract

【課題】レーザ出射ディレー時間を自動的に制御することができる受動Ｑスイッチレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザトリガ信号により繰り返し周波数信号からなる準連続波の励起光を出力する半導体レーザ２と、入力ミラー５及び出力ミラー６間に配置され且つ半導体レーザ２からの励起光により励起されてレーザ光を放出するレーザ媒質３と、入力ミラー及び出力ミラー間に配置され且つレーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する受動Ｑスイッチ４と、レーザトリガ信号の半導体レーザへの入力時刻と出力ミラーから出射されるレーザ光の出射時刻との差であるレーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値になるように半導体レーザ２の励起光出力を制御する制御部２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ光源と入力ミラーとレーザ媒質と受動Ｑスイッチと出力ミラーとを備え、レーザトリガ信号のポンプ光源への入力時から出力ミラーからのレーザ出射時までのレーザ出射ディレー時間を制御することができる受動Ｑスイッチレーザ装置に関する。

図２に従来の受動Ｑスイッチレーザの構成図を示す。図２に示す受動Ｑスイッチレーザ１０は、電源１１、半導体レーザ１２、レーザ媒質１３、可飽和吸収体からなる受動Ｑスイッチ１４、入力ミラー１５、出力ミラー１６を備えている。レーザ媒質１３、受動Ｑスイッチ１４、入力ミラー１５、出力ミラー１６は、共振器を構成する。

図３に示すように、時刻ｔ０において、レーザトリガ信号がポンプ光源からなる半導体レーザ１２に入力されると、半導体レーザ１２は、励起光をレーザ媒質１３に出力し、レーザ媒質１３の励起が開始される。

図４にレーザトリガ信号を入力した後のレーザ媒質の反転分布と共振器損失、出力パルスを示す。図４（ａ）に示すように、レーザ媒質１３の反転分布が発振の始まるレベルまで上昇すると、可飽和吸収体（受動Ｑスイッチ１４）がほとんど透明になり、図４（ｂ）に示すように、共振器損失が急激に低下する。この時点で、共振器内部に溜まったエネルギーの一部が、図４（ｃ）に示すように、出力ミラー１６から出力パルスとして出射される。

図３に示すように、レーザトリガ信号の半導体レーザ１２への入力時から出力ミラー１６からのレーザ出射時までの時間をレーザ出射ディレー時間という。レーザ出射ディレー時間のバラツキをジッタという。レーザのジッタを小さくする方法として例えば、非特許文献１に記載された方法が知られている。

Brian Cole et.al. ,"Reduction of timing jitter in a Q-Switched Nd; YAG laser by direct bleaching of a Cr4+:YAG saturable absorber," Opt. Express, Vol. 17 No.3,pp1766-1771(2009).

しかしながら、レーザ装置において、レーザトリガ信号をレファレンス信号又は同期信号として用いた場合には、レーザのジッタを抑制するとともに、レーザ出射ディレー時間も制御しなければならなかった。

本発明の課題は、レーザ出射ディレー時間を自動的に制御することができる受動Ｑスイッチレーザ装置を提供する。

請求項１の受動Ｑスイッチレーザ装置は、レーザトリガ信号により繰り返し周波数信号からなる準連続波の励起光を出力する励起光源と、光共振器を構成する入力ミラー及び出力ミラー間に配置され且つ前記励起光源からの励起光により励起されてレーザ光を放出するレーザ媒質と、前記入力ミラー及び出力ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する受動Ｑスイッチと、前記レーザトリガ信号の前記励起光源への入力時刻と前記出力ミラーから出射されるレーザ光の出射時刻との差であるレーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値になるように前記励起光源の励起光出力を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明では、前記制御部は、前記レーザ出射ディレー時間が前記出射ディレー基準値以上である場合、前記励起光源の出力を大きくし、前記レーザ出射ディレー時間が前記出射ディレー基準値未満である場合、前記励起光源の出力を小さくすることにより、前記レーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値になるように制御することを特徴とする。

請求項３の発明では、前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧからなり、前記受動Ｑスイッチは、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧからなる可飽和吸収体であることを特徴とする。

請求項４の発明では、前記励起光源は、半導体レーザからなることを特徴とする。

請求項５の発明では、前記励起光源は、フラッシュランプからなることを特徴とする。

請求項６の発明では、前記入力ミラーと前記出力ミラーと前記レーザ媒質と前記受動Ｑスイッチとは、マイクロチップで形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、制御部は、レーザトリガ信号の励起光源への入力時刻と出力ミラーから出射されるレーザ光の出射時刻との差であるレーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値になるように励起光源の励起光出力を制御するので、レーザ出射ディレー時間を出射ディレー基準値に制御することができる。

本発明の実施例１の受動Ｑスイッチレーザ装置の構成図である。従来の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。図２に示す従来の受動Ｑスイッチレーザのレーザ出射ディレー時間を示す図である。レーザ媒質の励起とレーザ出射との関係を示す図である。

以下、本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、レーザ出射ディレー時間は、レーザ媒質の反転分布が図４（ａ）に示すように、レーザ発振の始まるレベルまで届く時間に依存する。レーザ媒質の反転分布がレーザ発振の始まるレベルまで届く時間は、ポンプ光源である半導体レーザの強度、周囲温度、レーザに戻ってくる反射等によって変化する。

従って、レーザの取り付け条件、周囲温度の変化、半導体レーザの劣化等により、レーザ出射ディレー時間が変化する。

そこで、本発明は、レーザ出射ディレー時間を自動的に制御するようにしたものである。以下、レーザ出射ディレー時間を自動的に制御する受動Ｑスイッチレーザ装置を説明する。

（実施例１）
以下、本発明の実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ装置を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の受動Ｑスイッチレーザ装置の構成図である。図１に示す実施例１の受動Ｑスイッチレーザ装置は、受動Ｑスイッチレーザ１、ディレー時間算出部２１、制御部２２を備えている。

受動Ｑスイッチレーザ１は、半導体レーザ２、入力ミラー５、レーザ媒質３、受動Ｑスイッチ４、出力ミラー６を備えている。入力ミラー５、レーザ媒質３、受動Ｑスイッチ４、出力ミラー６は、光共振器を構成する。

半導体レーザ２は、本発明の励起光源に対応し、励起（ポンプ）用のレーザダイオードからなり、レーザトリガ信号により、パルス繰り返し信号からなる準連続波（Quasi-continuous-wave）の励起光を入力ミラー５を介してレーザ媒質３に出力する。

レーザ媒質３は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、又はＮｄ：ＧｄＶＯ_４からなり、入力ミラー５と出力ミラー６との間に配置され、半導体レーザ２からの励起光により励起されて、レーザ光を放出する。レーザ媒質３の一端側には、入力ミラー５が配置され、入力ミラー５は、励起光を透過しレーザ光を高反射率で反射する。出力ミラー６は、レーザ光の一部を透過するとともに、残りを反射させる。

受動Ｑスイッチ４は、可飽和吸収体からなり、入力ミラー５と出力ミラー６との間に配置され、レーザ媒質３からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する。受動Ｑスイッチ４は、励起準位の電子密度が飽和すると、透明化し、光共振器のＱ値が急激に高まりレーザ発振が発生してパルス光が発生する。受動Ｑスイッチ４は、例えば、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧからなる。

ディレー時間算出部２１は、レーザトリガ信号と出力ミラー６から出射されるレーザ光の一部とを入力し、半導体レーザ２への入力時刻と出力ミラー６から出射されるレーザ光の出射時刻との差であるレーザ出射ディレー時間を算出する。制御部２２は、出射ディレー基準値が記憶されたメモリ２３を有する。

制御部２２は、メモリ２３から出射ディレー基準値を読み出し、ディレー時間算出部２１で算出された出射ディレー時間が出射ディレー基準値になるように半導体レーザ２の励起光出力を制御する。

次にこのように構成された実施例１の受動Ｑスイッチレーザ装置の動作を説明する。

まず、図４（ａ）の実線で示す反転分布が、あるレベルまで上昇すると、受動Ｑスイッチ４の可飽和吸収体がほとんど透明になり、図４（ｂ）に示すように、共振器損失が急に下がる。この時、共振器内部に溜まったエネルギーの一部が出力パルスとして出射される。

次に、制御部２２は、レーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値以上である場合、半導体レーザ２の出力（強度）を大きくするためのレベル大の半導体レーザ電流調整信号を電源１１に出力する。電源１１は、制御部２２からの半導体レーザ電流調整信号のレベル大に比例したより大きい電流を半導体レーザ２に流す。

これにより、半導体レーザ２の出力（強度）が大きくなる。この場合、図４（ａ）の点線で示すように、反転分布が実線で示すものよりも早く立ち上がる。このため、受動Ｑスイッチ４の可飽和吸収体も、もっと早めに、殆ど透明になる。従って、出力パルスも実線で示すものよりも早く出射され、レーザ出射ディレー時間が小さくなる。点線に示すレーザ出射ディレー時間Ｔ２は、実線で示すレーザ出射ディレー時間Ｔ１よりも短い。

一方、制御部２２は、レーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値未満である場合、半導体レーザ２の出力を小さくするためにレベル小の半導体レーザ電流調整信号を電源１１に出力する。電源１１は、制御部２２からの半導体レーザ電流調整信号のレベル小に比例した小さい電流を半導体レーザ２に流す。

これにより、半導体レーザ２の出力（強度）が小さくなり、レーザ出射ディレー時間が大きくなる。

このように、レーザの取り付け条件、周囲温度の変化、半導体レーザの劣化等により、レーザ出射ディレー時間が変化する場合、半導体レーザ２の電流の制御により、レーザ出射ディレー時間を制御することができる。

このように実施例１の受動Ｑスイッチレーザ装置によれば、制御部２２は、レーザトリガ信号の半導体レーザ２への入力時刻と出力ミラー６から出射されるレーザ光の出射時刻との差であるレーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値になるように半導体レーザ２の励起光出力を制御するので、レーザ出射ディレー時間を出射ディレー基準値に制御することができる。

これにより、レーザ出射ディレー時間が安定になり、レーザトリガ信号をレファレンス信号又は同期信号に使用することができる。

なお、本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置は、前述した受動Ｑスイッチレーザ装置に限定されるものではない。実施例１では、励起光源として、半導体レーザ２を例示したが、この代わりに、励起光源としてフラッシュランプを用いても良く、フラッシュランプも半導体レーザ２の動作及び効果と同様な動作及び効果を得ることができる。

また、実施例１の受動Ｑスイッチレーザ１をマイクロチップ化しても良い。受動Ｑスイッチマイクロチップレーザは、レーザ媒質３と受動Ｑスイッチ４とが一体化され、レーザ媒質３の入射面に入力ミラー５を塗布し、受動Ｑスイッチ４の出射側に出力ミラー６を塗布する。

以上の構成により、受動Ｑスイッチレーザのマイクロチップ化を図ることができる。

また、実施例１の受動Ｑスイッチレーザ装置の変形例として、例えば、受動Ｑスイッチ４と出力ミラー６との間に波長変換素子を設けても良い。波長変換素子は、例えば、ＬｉＢ_３Ｏ_５の非線形結晶からなり、受動Ｑスイッチ４からの基本波（波長１０６４ｎｍ）を波長変換して２倍波（波長５３２ｎｍ）のレーザ光を得て出力する。

本発明は、分光学、マトリックス支援レーザ離脱イオン化学法(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization、MALDI)、レーザ誘起ブレイクダウン分光法(LIBS, Laser Induced Breakdown Spectroscopy)に適用可能である。

１，１０受動Ｑスイッチレーザ
２，１２半導体レーザ
３，１３レーザ媒質
４，１４受動Ｑスイッチ
５，１５入力ミラー
６，１６出力ミラー
１１電源
２１ディレー時間算出部
２２制御部
２３メモリ

Claims

レーザトリガ信号により繰り返し周波数信号からなる準連続波の励起光を出力する励起光源と、
光共振器を構成する入力ミラー及び出力ミラー間に配置され且つ前記励起光源からの励起光により励起されてレーザ光を放出するレーザ媒質と、
前記入力ミラー及び出力ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する受動Ｑスイッチと、
前記レーザトリガ信号の前記励起光源への入力時刻と前記出力ミラーから出射されるレーザ光の出射時刻との差であるレーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値になるように前記励起光源の励起光出力を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする受動Ｑスイッチレーザ装置。
前記制御部は、前記レーザ出射ディレー時間が前記出射ディレー基準値以上である場合、前記励起光源の出力を大きくし、前記レーザ出射ディレー時間が前記出射ディレー基準値未満である場合、前記励起光源の出力を小さくすることにより、前記レーザ出射ディレー時間が出射ディレー基準値になるように制御することを特徴とする請求項１記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧからなり、
前記受動Ｑスイッチは、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧからなる可飽和吸収体であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
前記励起光源は、半導体レーザからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
前記励起光源は、フラッシュランプからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
前記入力ミラーと前記出力ミラーと前記レーザ媒質と前記受動Ｑスイッチとは、マイクロチップで形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。