JP3119810U

JP3119810U - 半導体レーザ励起固体レーザ装置

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Publication number: JP3119810U
Application number: JP2005010999U
Authority: JP
Inventors: 東條　公資; 徳田　勝彦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2015-12-27

Abstract

【課題】温度制御に要する電力を最小化する。
【解決手段】半導体レーザ（１）および非線形光学結晶（４）の両方の温度を制御する温度制御手段（１２〜１５）を備えると共に、温度制御手段（１２〜１５）は半導体レーザ（１）のレーザ光の波長が８０４ｎｍから８１１ｎｍの間のいずれかの波長になるような制御温度範囲で温度制御し、非線形光学結晶（４）はその出力ピークを与える出力ピーク温度が制御温度範囲内に入るような出力温度特性を有する。
【効果】温度制御が１系統になるため、駆動電力が小さくて済む。半導体レーザ（１）の適正温度と非線形光学結晶（４）の適正温度が適合しないと出力効率が下がってしまうが、非線形光学結晶（４）の出力ピークを与える出力ピーク温度が半導体レーザ（１）の制御温度範囲内に入るような出力温度特性を有する非線形光学結晶（４）を用いるため、温度制御が１系統でも第二高調波の出力効率を高く維持できる。
【選択図】図１

Description

本考案は、半導体レーザ励起固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、温度制御に要する電力を最小化できる半導体レーザ励起固体レーザ装置に関する。

従来、半導体レーザの温度制御と、非線形光学結晶の温度制御とを、それぞれ別個に行う半導体レーザ励起固体レーザ装置が知られている（特許文献１参照。）。
他方、半導体レーザから出力される可視光の線状ビームをロッドレンズで扇面状ビームとし、ライン状投影パターンを得るレーザ墨出し装置が知られている（特許文献２、非特許文献１参照。）。
特開２０００−２２８５５２号公報特開２００５−２３３６７６号公報吉村一成他「建築工事用携帯型レーザ墨出し器」松下電工技報（Ａｕｇ．２００２）第２２頁〜第２７頁

従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、半導体レーザの温度制御と非線形光学結晶の温度制御とを別個に行っているが、これは半導体レーザの適正温度と非線形光学結晶の適正温度が異なっていたからである。すなわち、半導体レーザの適正温度は、固体レーザ媒質の吸収バンドに半導体レーザのレーザ光の波長が合うような温度である。一方、非線形光学結晶の適正温度は、第二高調波の出力ピークを与えるような温度である。そして、これらの適正温度が必ずしも合致しないため、半導体レーザの温度制御と非線形光学結晶の温度制御とを別個に行っていたのである。
しかし、温度制御が２系統になると、それぞれにペルチェ素子やヒータなどが必要になるため、大きな駆動電力が必要になる問題点があった。

他方、従来のレーザ墨出し装置では、半導体レーザから出力される可視光のレーザ光が６３５ｎｍ程度の赤色であるため、扇面状ビームも赤色になっていた。ところが、赤色は視感度が悪く、特に昼間の明るい環境下ではライン状投影パターンが見えにくくなる問題点があった。
これに対して、光共振器で１０６４ｎｍ程度の基本波を発振し、それを非線形光学結晶により５３２ｎｍ程度の第二高調波に波長変換し、緑色の線状ビームを出す半導体レーザ励起固体レーザ装置を用いることが考えられる。この緑色の線状ビームをロッドレンズで扇面状ビームとすれば、視認性に優れた緑色のライン状投影パターンを得ることが出来る。
しかし、上述のように半導体レーザ励起固体レーザ装置の温度制御が２系統で大きな駆動電力が必要であると、電池駆動が難しくなるため、ポータブル使用可能なレーザ墨出し装置を実現できない問題点があった。

そこで、本考案の目的は、温度制御に要する電力を最小化できる半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することにある。

第１の観点では、本考案は、半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光により励起される固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む光共振器内に収容され前記光共振器で発振する基本波の第二高調波を出力する非線形光学結晶と、前記半導体レーザおよび前記非線形光学結晶の両方の温度を制御する温度制御手段とを備えると共に、前記温度制御手段は前記レーザ光の波長が８０４ｎｍから８１１ｎｍの間のいずれかの波長になるような制御温度範囲で温度制御し、前記非線形光学結晶はその出力ピークを与える出力ピーク温度が前記制御温度範囲内に入るような出力温度特性を有することを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第１の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、温度制御手段が半導体レーザおよび非線形光学結晶の両方の温度を制御する。すなわち、温度制御が１系統になる。このため、駆動電力が小さくて済む。また、電池駆動も可能になり、ポータブル使用可能なレーザ墨出し装置を実現できるようになる。ここで、半導体レーザの適正温度と非線形光学結晶の適正温度が適合しないと第二高調波の出力効率が下がってしまうが、非線形光学結晶の位相整合温度すなわち出力ピークを与える出力ピーク温度が半導体レーザの制御温度範囲内に入るような出力温度特性を有する非線形光学結晶を用いるため、温度制御が１系統でも第二高調波の出力効率を高く維持できる。

第２の観点では、本考案は、前記第１の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記非線形光学結晶が、前記制御温度範囲内で位相整合が行えるような分極反転周期で分極反転構造が形成された擬似位相整合素子であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第２の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、分極反転構造が形成された擬似位相整合素子（ＱＰＭ素子）を非線形光学結晶として用いるが、この擬似位相整合素子では、その分極反転周期を変えることにより出力温度特性が変わるため、適切な分極反転周期を選ぶことにより、半導体レーザの制御温度範囲内で位相整合が行えるようになる。すなわち、非線形光学結晶の出力ピークを与える出力ピーク温度が半導体レーザの制御温度範囲内に入るようにすることが出来る。
ここで、擬似位相整合素子は、例えばＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃、ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄に分極反転処理を施したものを挙げることが出来る。

第３の観点では、本考案は、前記第１または前記第２の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質が、セラミックＹＡＧであることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記セラミックＹＡＧは、Ｎｄ：ＹＡＧの微細結晶を焼結したセラミックである。
固体レーザ媒質としては、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＬＦなどを使用できる。しかし、性能のばらつきが大きいため、性能が低いものにも対応するために半導体レーザの出力に余裕をもたせる必要があり、出力の大きな半導体レーザを使用する必要があった。このため、実際に必要な以上の大きな電力を消費する場合があった。
これに対して、上記第３の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、セラミックＹＡＧを使用するが、セラミックＹＡＧは性能のばらつきが小さいため、半導体レーザの出力に余裕をもたせる必要がなくなり、出力が大きな半導体レーザを使用する必要がなくなり、消費電力を小さくすることが出来る。

第４の観点では、本考案は、前記第１から前記第３のいずれかの観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質の反非線形光学結晶側の端面および前記非線形光学結晶の反固体レーザ媒質側の端面に、基本波に対するミラーコートが施され、前記両端面で光共振器を構成していることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第４の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、固体レーザ媒質の端面と非線形光学結晶の端面に基本波に対するミラーコートを施し、それぞれの端面で光共振器を形成することで、構造を単純化でき、温度制御対象をコンパクトにすることが出来る。よって、温度制御に要する電力を小さくすることが出来る。

第５の観点では、本考案は、前記第４の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質のミラーコートが施されてない端面と前記非線形光学結晶のミラーコートが施されてない端面とが貼り合わされていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第５の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、固体レーザ媒質と非線形光学結晶とを貼り合わせた構造なので、温度制御対象をさらにコンパクトにすることが出来る。よって、温度制御に要する電力をさらに小さくすることが出来る。

第６の観点では、本考案は、前記第１から前記第５のいずれかの観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、該半導体レーザ励起固体レーザ装置が乾電池駆動であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第６の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、乾電池駆動であるため、ポータブル使用可能となり、ポータブル使用可能なレーザ墨出し装置を実現できる。

本考案の半導体レーザ励起固体レーザ装置によれば、温度制御が１系統になるため、駆動電力が小さくて済む。また、温度制御が１系統でも第二高調波の出力効率を高く維持できる。

以下、図に示す実施例により本考案をさらに詳細に説明する。なお、これにより本考案が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１００を示す構成図である。
この半導体レーザ励起固体レーザ装置１００は、レーザ光を出射する半導体レーザ１と、レーザ光を集光する集光レンズ２と、集光されたレーザ光で励起され基本波を誘導放出する固体レーザ媒質３と、基本波を第二高調波に変換する非線形光学結晶４と、光共振器６の一端を構成すると共に第二高調波を透過させるミラー５と、ミラー５を透過した第二高調波の一部を取り出すビームスプリッタ７と、ビームスプリッタ７を通過した第二高調波の線状ビームのビーム径を拡げるビームエキスパンダ８と、ビームエキスパンダ８を通過した線状ビームを扇面状ビームとするロッドレンズ９と、ビームスプリッタ７で取り出した第二高調波を受光し電気信号に変換するフォトダイオード１０と、フォトダイオード１０での電気信号の強度が一定になるように半導体レーザ１の駆動電流を制御するＡＰＣ（Auto Power Control）回路１１と、半導体レーザ１，集光レンズ２，固体レーザ媒質３，非線形光学結晶４およびミラー５を支持するベース１２と、ベース１２を加熱／冷却するためのペルチェ素子１３と、ベース１２の温度を検出するためのサーミスタ１４と、温度制御回路１５と、電源としての乾電池１６とを具備している。

温度制御回路１５は、固体レーザ媒質３の吸収ピークである波長８０４ｎｍ〜８１１ｎｍ（例えば８０８．５ｎｍ）の光を出すような制御温度範囲内に半導体レーザ１の温度を制御している。

固体レーザ媒質３は、セラミックＹＡＧである。
固体レーザ媒質３の半導体レーザ側の端面には８０８.５ｎｍでは高透過率、１０６４ｎｍでは高反射率のコーティングが施されている。固体レーザ媒質３の半導体レーザ側の端面とミラー５の間で光共振器６が構成され、１０６４ｎｍのレーザ光が発振する。

非線形光学結晶４は、温度制御回路１５による制御温度範囲内で位相整合が行えるような分極反転周期で分極反転構造が形成された擬似位相整合素子である。擬似位相整合素子は、例えばＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃、ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄に分極反転処理を施すことにより得られる。

ロッドレンズ９の表面には、ゴーストを防ぐために、波長５３２ｎｍに対するＡＲコートが施されている。

図２は、半導体レーザ励起固体レーザ装置１００の製造手順の一例を示すフロー図である。
ステップＪ１では、半導体レーザ１の波長温度特性を調べる。
図３に、波長温度特性１ａを例示する。なお、これは説明のための波長温度特性であり、実際の特性を表しているものではない。
この波長温度特性１ａなら温度ｔ１から温度ｔ２の範囲が適正温度範囲であり、それが温度制御回路１５による制御温度範囲になる。

ステップＪ２では、非線形光学結晶４のパワー温度特性を調べる。このとき、実際に非線形光学結晶４に１０６４ｎｍの基本波を入射させて、出力される第２高調波のパワーがピークを示す温度を測定してもよいし、分極反転周期から計算で第２高調波のパワーがピークになる温度を求めてもよい。
図４に、分極反転周期の異なる擬似位相整合素子のパワー温度特性４ａ，４ｂ，４ｃを例示する。なお、これは説明のためのパワー温度特性であり、実際の特性を表しているものではない。
パワー温度特性４ａなら出力ピーク温度はＴａ（ｔ２＜Ｔａ）であり、パワー温度特性４ｂなら出力ピーク温度はＴｂ（ｔ２＜Ｔｂ）であり、パワー温度特性４ｃなら出力ピーク温度はＴｃ（ｔ１＜Ｔｃ＜ｔ２）である。

ステップＪ３では、半導体レーザ１の適正温度範囲に適合する適正温度範囲を持つ非線形光学結晶４を選択する。
図３の波長温度特性１ａの半導体レーザ１に適合するのは、図４のパワー温度特性４ｃを持つ擬似位相整合素子であり、それを非線形光学結晶４として選択する。

なお、図５の波長温度特性１ｂの半導体レーザ１に適合するのは、図４のパワー温度特性４ａを持つ擬似位相整合素子であり、それを非線形光学結晶４として選択する。
また、図６の波長温度特性１ｃの半導体レーザ１に適合するのは、図４のパワー温度特性４ｂを持つ擬似位相整合素子であり、それを非線形光学結晶４として選択する。

実施例１に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１００によれば次の効果が得られる。
（１）温度制御が１系統であるため駆動電力が小さくて済む。
（２）半導体レーザ１の適正温度と非線形光学結晶４の適正温度が適合するため、温度制御が１系統でも第二高調波の出力効率を高く維持できる。
（３）非線形光学結晶４として用いる擬似位相整合素子の分極反転周期を選ぶことにより、半導体レーザ１の制御温度範囲内で位相整合が行える。
（４）固体レーザ媒質３として用いるセラミックＹＡＧは性能のばらつきが小さいため、半導体レーザの出力に余裕をもたせる必要がなくなり、出力が大きな半導体レーザを使用する必要がなくなり、消費電力を小さくすることが出来る。
（５）乾電池駆動が可能になり、ポータブル使用可能な、視認性のよい緑色ビームのレーザ墨出し装置を実現できる。

図７は、実施例２に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置２００を示す構成図である。
この半導体レーザ励起固体レーザ装置２００では、固体レーザ媒質３と非線形光学結晶４を接着剤などで貼り合せ、非線形光学結晶４の反半導体レーザ側の端面には１０６４ｎｍでは高反射率、５３２ｎｍでは低反射率のコーティングが施されている。つまり、結晶内部で光共振器６が構成されている。そして、ミラー５が省略されている。その他は、実施例１に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１００と同じである。

実施例２に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置２００によれば、固体レーザ媒質３と非線形光学結晶４とを貼り合わせることで温度制御対象をコンパクトにすることが出来るため、温度制御に要する電力をさらに小さくすることが出来る。

固体レーザ媒質３として、セラミックＹＡＧの代わりに、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＬＦなどを用いてもよい。

本考案の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザ墨出し器に利用できる。

実施例１に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す構成説明図である。半導体レーザ励起固体レーザ装置の製造手順の一例を示すフロー図である。半導体レーザの波長温度特性の第一例を示す特性図である。３種類の非線形光学結晶のパワー温度特性を示す特性図である。半導体レーザの波長温度特性の第二例を示す特性図である。半導体レーザの波長温度特性の第三例を示す特性図である。実施例２に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す構成説明図である。

符号の説明

１半導体レーザ
３固体レーザ媒質
４非線形光学結晶
６光共振器
１２ベース
１３ペルチェ素子
１４サーミスタ
１５温度制御回路
１６乾電池
１００，２００半導体レーザ励起固体レーザ装置

Claims

半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光により励起される固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む光共振器内に収容され前記光共振器で発振する基本波の第二高調波を出力する非線形光学結晶と、前記半導体レーザおよび前記非線形光学結晶の両方の温度を制御する温度制御手段とを備えると共に、前記温度制御手段は前記レーザ光の波長が８０４ｎｍから８１１ｎｍの間のいずれかの波長になるような制御温度範囲で温度制御し、前記非線形光学結晶はその出力ピークを与える出力ピーク温度が前記制御温度範囲内に入るような出力温度特性を有することを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記非線形光学結晶が、前記制御温度範囲内で位相整合が行えるような分極反転周期で分極反転構造が形成された擬似位相整合素子であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質が、セラミックＹＡＧであることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質の反非線形光学結晶側の端面および前記非線形光学結晶の反固体レーザ媒質側の端面に、基本波に対するミラーコートが施され、前記両端面で光共振器を構成していることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
請求項４に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質のミラーコートが施されてない端面と前記非線形光学結晶のミラーコートが施されてない端面とが貼り合わされていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、該半導体レーザ励起固体レーザ装置が乾電池駆動であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。