JP3590187B2 - 光学装置の光路長制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザーや干渉計等の光学装置において、その光路長を制御する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開昭６２−１８９７８３号公報に示されるように、ネオジウム等の希土類が添加された固体レーザー結晶を、レーザーダイオードから発せられた光によって励起するレーザーダイオード励起固体レーザーが公知となっている。
【０００３】
この種のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、励起源としてのレーザーダイオードの発振波長を安定化させるために、さらに固体レーザービームを波長変換する場合には所定の位相整合を実現するために、光学系部分を所定の一定温度となるように温度調節することが多い。
【０００４】
一方、この種のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、ファブリ・ペロー型共振器やリング共振器等の共振器が採用されるが、使用環境の温度や気圧が変化すると共振器長が変化し、そのために発振波長が変動してしまうという問題が認められる。
【０００５】
特開平６−１４０７０６号公報には、共振器を容器内に収納し、圧力調節手段によってこの容器内の圧力を調節することにより、発振波長を安定化する固体レーザー装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記公報に開示された固体レーザー装置においては、圧力調節手段として、容器内の気体を外部に引き抜いたり、あるいは外部から容器内に気体を送り込む手段を用いているため、装置構成が複雑化して信頼性が低下し、また大幅なコストアップを招くという問題が認められる。さらにこの固体レーザー装置においては、長期に亘って使用するうちに、気体給排用配管の接続部等において気密状態が損なわれる可能性があるため、長期安定性に欠けるという問題が認められる。
【０００７】
またこの固体レーザー装置においては、外部から容器内に送り込まれた気体の汚れにより光学部品が汚損したり、気体の流通によって光学部品が位置ずれを起こして、そのために装置性能が損なわれることもある。
【０００８】
以上、固体レーザー装置における問題について説明したが、所望の装置仕様あるいは性能を維持するために光路長を所定値に制御したいという要求は、その他例えば干渉計等においても広く存在するものである。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光学系部分を所定の一定温度に温度調節する必要のある光学装置において、その光路長を、簡単かつ安価な構成によって制御可能とすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学装置の光路長制御装置は、固体レーザー結晶と、この固体レーザー結晶を励起する励起光を発するレーザーダイオードと、共振器と、固体レーザービームを波長変換する非線形光学結晶とを備えてなるレーザーダイオード励起固体レーザーからなる光学装置において、上記共振器の部分を内部に収納し、この内部を外部に対して気密状態に保つ容器と、この容器内の気体の温度を調節する第１の温度調節手段と、上記共振器の温度を、上記第１の温度調節手段による調節温度から独立して所定温度に保つ第２の温度調節手段とが設けられたことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の効果】
ここで、第１の温度調節手段による調節温度Ｔ_１ 、第２の温度調節手段による調節温度Ｔ_２ と、光路長Ｌを決定する気体圧力Ｐとの関係について詳しく説明する。そのために、図３に示すようなモデルを考える。図中の１は内部を外部に対して気密状態に保つ容器、２はその内部に収納された光学系部分である。
【００１２】
この容器１の内部は基本的に第１の温度調節手段により温度Ｔ_１ に調節されるが、光学系部分２が第２の温度調節手段により所定の温度Ｔ_２ に保たれるので、その周囲の気体（破線の内側部分）もこの影響を受けて部分的に温度Ｔ_２ になる。つまり容器１の内部においては、温度Ｔ_１ の部分と、温度Ｔ_２ の部分とが生じることになる。なお実際には、Ｔ_１ とＴ_２ との間で温度勾配の付く領域が生じるが、説明の簡略化のためにこのようなモデルを考える。
【００１３】
温度Ｔ_１ となる気体部分の体積をＶ_１ 、その部分の気体のモル数をｍ_１ とし、温度Ｔ_２ となる気体部分の体積をＶ_２ 、その部分の気体のモル数をｍ_２ とする。これら両気体部分の圧力は等しいから、これをＰとする。
【００１４】
容器１内の気体の量（モル数ｍ）は一定であるから、
ｍ＝ｍ_１ ＋ｍ_２ ＝ｃｏｎｓｔ
となる。また気体の状態方程式より、気体定数をＲとして、
ＰＶ_１ ＝ｍ_１ ＲＴ_１ ∴ＰＶ_１ ／Ｔ_１ ＝ｍ_１ Ｒ
ＰＶ_２ ＝ｍ_２ ＲＴ_２ ∴ＰＶ_２ ／Ｔ_２ ＝ｍ_２ Ｒ
である。
【００１５】

これより気体圧力Ｐは、
Ｐ＝ｍＲ／｛（Ｖ_１ ／Ｔ_１ ）＋（Ｖ_２ ／Ｔ_２ ）｝
となり、温度_２ が基本的にある一定値に保たれても、温度Ｔ_１ を変化させれば気体圧力Ｐが変化することが分かる。
【００１６】
一方、光学系における気体部分の光路長Ｌは、気体の屈折率をｎ、光路中の気体部分の長さをｌとすると、Ｌ＝ｎｌとなる。つまり、気体の屈折率ｎを変化させることにより、光路長Ｌを制御することができる。また、気体の屈折率ｎはその圧力Ｐに応じて変化し、圧力Ｐの変化量ΔＰと屈折率ｎの変化量Δｎとの間には、Δｎ／（ｎ−１）＝ΔＰ／Ｐなる関係が存在する。
【００１７】
本発明による光路長制御装置では、上述した通り温度Ｔ_１ を変化させることにより気体圧力Ｐを変えることができるから、それにより屈折率ｎを変化させて、結局、光路長Ｌを自由に制御可能となる。
【００１８】
また、本発明の光路長制御装置においては、第１の温度調節手段による調節温度から独立して所定温度に保つ第２の温度調節手段が設けられているから、光路長制御の点から制限を受けることなく、光学系部分を所定温度に保つことができる。
【００１９】
以上説明した通り、本発明による光路長制御装置は、容器内部の温度を調節することによって光路長を制御できる簡単な構成のものであるから、信頼性が高く、また比較的低コストで作製可能となる。
【００２０】
さらに、本発明による光路長制御装置は、容器に対して気体を給排する必要はないものであるから、この容器内を完全に密閉状態とすることができ、よって長期安定性にも優れたものとなる。またこのように、容器内と外部との間で気体が流通することがないから、気体の汚れにより光学部品が汚損したり、気体の流通によって光学部品が位置ずれを起こすことがなく、装置性能を良好に保つことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１および図２はそれぞれ、本発明の１つの実施形態による光路長制御装置を備えたレーザーダイオード励起固体レーザーの平面形状、側面形状を示すものである。
【００２２】
このレーザーダイオード励起固体レーザーは、励起光としてのレーザービーム１０を発するレーザーダイオード１１と、発散光である上記レーザービーム１０を集光する例えば屈折率分布型ロッドレンズ等からなる集光レンズ１２と、ネオジウム （Ｎｄ）がドーピングされた固体レーザー媒質であるＹＡＧ結晶（以下、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶と称する）１３と、このＮｄ：ＹＡＧ結晶１３の前方側（図中右方側）に配された共振器ミラー１４と、この共振器ミラー１４とＮｄ：ＹＡＧ結晶１３との間に配された周期ドメイン反転構造を有するＬｉＮｂＯ_３ 結晶（以下、ＬＮ結晶と称する）１５と、このＬＮ結晶１５と共振器ミラー１４との間に配されたカルサイトエタロン１６とを有している。
【００２３】
なお上記レーザーダイオード１１と集光レンズ１２は、ＬＤパッケージ１７内に封入されている。また、以上述べた各要素は共通の基準板１８に固定され、この基準板１８は後述する温度調節を行なうペルチェ素子５０に固定されている。
【００２４】
そして上記の各要素は基準板１８およびペルチェ素子５０とともに、パッケージカバー３０とパッケージ台３１とで構成された容器内に収められている。なおこの容器は、パッケージ台３１にペルチェ素子５０を固定した後、該パッケージ台３１にパッケージカバー３０を溶接することによって構成される。この溶接は連続溶接とされ、容器内は外部に対して気密状態に保たれる。なおこの溶接は、時間の上では間欠的に行なって、熱歪が生じないようにするのが望ましい。
【００２５】
上記パッケージカバー３０には窓孔３０ａが形成され、この窓孔３０ａには透明な窓板３２が被着されている。この窓板３２はパッケージカバー３０に対して、容器内の気密状態を保つようにろう付けされている。またパッケージカバー３０には、レーザーダイオード１１、ペルチェ素子５０および上記温度調節のために共振器内温度を検出するサーミスタ５１を外部の回路に接続する複数のコネクタピン３３が取り付けられている。
【００２６】
また本例では特に、パッケージ台３１とパッケージカバー３０との溶接が、不活性ガスの一つである乾燥Ｎ_２ ガス雰囲気中で行なわれる。それにより上記容器内には、この乾燥Ｎ_２ ガスが封入されることになる。
【００２７】
パッケージ台３１とパッケージカバー３０とで構成された容器の外側には、加熱冷却手段４０と、パッケージカバー３０の近傍の温度を検出するサーミスタ４１とが配設されている。この加熱冷却手段４０およびサーミスタ４１は、それらとともに第１の温度調節手段を構成する第１温調回路４２に接続されている。また前述したペルチェ素子５０およびサーミスタ５１は、それらとともに第２の温度調節手段を構成する第２温調回路５２に接続されている。
【００２８】
レーザーダイオード１１としては、波長８９０ｎｍのレーザービーム１０を発するものが用いられている。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１３は入射したレーザービーム１０によってネオジウムイオンが励起されることにより、光を放出する。この光はＮｄ：ＹＡＧ結晶１３の端面１３ａと共振器ミラー１４のミラー面１４ａとの間で共振し、波長９４６ｎｍの固体レーザービーム２０が得られる。この際、エタロン１６の作用によりレーザー発振モードが単一縦モード化され、モード競合ノイズの無い安定な出力が得られる。以上の説明から明らかな通り本例では、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１３と共振器ミラー１４とによってファブリ・ペロー型共振器が構成されている。
【００２９】
上記固体レーザービーム２０はＬＮ結晶１５により、波長が１／２すなわち４７３ｎｍの第２高調波２１に波長変換される。この第２高調波２１は共振器ミラー１４から前方に出射し、窓孔３０ａおよび窓板３２を通過して容器外に出射する。
【００３０】
なおＮｄ：ＹＡＧ結晶端面１３ａには、波長８９０ｎｍのレーザービーム１０は良好に透過させる一方、波長９４６ｎｍの固体レーザービーム２０および波長４７３ｎｍの第２高調波２１は良好に反射させる特性のコートが施されている。また共振器ミラー面１４ａには、波長９４６ｎｍの固体レーザービーム２０は良好に反射させる一方、波長４７３ｎｍの第２高調波２１は良好に透過させる特性のコートが施されている。
【００３１】
ここで本装置においては、固体レーザーの共振器中の気体部分の光路長を変化させて、固体レーザー発振波長を（つまりは第２高調波波長を）微調整するために、パッケージ台３１とパッケージカバー３０とで構成された容器内の気体温度が制御される。すなわち第１温調回路４２は、サーミスタ４１の検出温度が予め設定された温度と一致するように加熱冷却手段４０を駆動する。
【００３２】
一方固体レーザーの共振器の温度は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１３のレーザービーム１０の吸収効率が高くなり、かつ周期ドメイン反転構造を有するＬＮ結晶１５の位相整合（いわゆる疑似位相整合）温度と一致する所定温度となるように、上記容器内の気体温度に対して独立して制御される。すなわち、第２温調回路５２は、サーミスタ５１の検出温度が予め設定された温度と一致するようにペルチェ素子５０を駆動する。
【００３３】
一例として、固体レーザーの共振器温度（Ｔ_２ ）は２５℃に固定制御する一方、上記容器内の気体温度（Ｔ_１ ）を１０℃〜４０℃の間で変化させたところ、基本波長が４７３ｎｍである第２高調波２１の波長は０．００４ｎｍ変化した。これにより、容器内の気体温度Ｔ_１ を変化させれば、光路長（共振器長）が変化することが明らかである
なお以上説明した実施形態においては、パッケージ台３１とパッケージカバー３０とで構成された容器内に不活性ガスであるＮ_２ ガスが封入されているので、コート膜、金属、接着剤等のレーザー構成要素の劣化が防止される。
【００３４】
また本例では、レーザーダイオード１１がＬＤパッケージ１７内に封入された上で、さらに上記容器内に収納されているので、このレーザーダイオード１１の耐久性が向上する。
【００３５】
以上説明した光路長制御装置はレーザーダイオード励起固体レーザーに適用されたものであるが、本発明はレーザー装置に限らず、光学系部分を所定温度に保つ必要がある干渉計等のその他の光学装置にも適用可能であり、そして同様の効果を奏するものである。
【００３６】
また、固体レーザー結晶や非線形光学結晶は、上記の実施形態で用いられたＮｄ：ＹＡＧ結晶、周期ドメイン反転構造を有するＬＮ結晶１５に限られるものではないことは勿論である。また共振器も、上に挙げたように固体レーザー結晶と共振器ミラーとで構成されるものに限らず、１対の共振器ミラーからなるファブリ・ペロー型共振器や、リング共振器等も採用可能である。
【００３８】
しかし、波長変換を行なうレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、発振波長が変化すると位相整合が取れなくなるという問題も生じ得るものであり、波長変換を行なうレーザーダイオード励起固体レーザーに本発明を適用すると、このような問題の発生も防止できるので、特に好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である光路長制御装置が適用されたレーザーダイオード励起固体レーザーの一部破断平面図
【図２】上記レーザーダイオード励起固体レーザーの一部破断側面図
【図３】本発明の光路長制御装置における容器内の気体状態を説明する説明図
【符号の説明】
１０ レーザービーム（励起光）
１１ レーザーダイオード
１２ 集光レンズ
１３ Ｎｄ：ＹＡＧ結晶
１４ 共振器ミラー
１５ 周期ドメイン反転構造を有するＬＮ結晶
１６ カルサイトエタロン
１７ ＬＤパッケージ
１８ 基準板
２０ 固体レーザービーム
２１ 第２高調波
３０ パッケージカバー
３０ａ パッケージカバーの窓孔
３１ パッケージ台
３２ 窓板
４０ 加熱冷却手段
４１ サーミスタ
４２ 第１温調回路
５０ ペルチェ素子
５１ サーミスタ
５２ 第２温調回路

Claims (1)

1. 固体レーザー結晶と、この固体レーザー結晶を励起する励起光を発するレーザーダイオードと、共振器と、固体レーザービームを波長変換する非線形光学結晶とを備えてなるレーザーダイオード励起固体レーザーからなる光学装置において、
   前記共振器の部分を内部に収納し、この内部を外部に対して気密状態に保つ容器と、
   この容器内の気体の温度を調節する第１の温度調節手段と、
   前記共振器の温度を、前記第１の温度調節手段による調節温度から独立して所定温度に保つ第２の温度調節手段とが設けられたことを特徴とする光学装置の光路長制御装置。

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