JP3636805B2 - 波長連続可変レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は医療分野の治療、診断、及び理化学分野、工業分野等に広く利用可能な波長連続可変レーザ装置に関し、特に、波長が連続的に変化するレーザ光を高効率で発生することができ、医療用（例えば癌の診断、眼科の治療、口腔治療、皮膚科治療等）に最適に利用できる波長連続可変レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９７９年に、J.C.WALLING, H.P.JENSSEN等が、OPTICS LETTERS VOL.4, NO.6 June 1979において、１９８０年に、J.C.WALLING等が、IEEE Journal OF Quantum Electronics VOL.QE-16 NO.12 December 1980において、「Tunable Alexandrite Lasers」というテーマで波長連続可変レーザ装置について最初に発表し、１９８５年に、J.C.WALLING, D.F.HELLER等が、IEEE Journal of Quantum Electronics, VOL.QE-21, NO.10, October 1985において、「Tunable Alexandrite Lasers : Development and Perfomance」のテーマで、波長連続可変レーザ装置について発表した。
【０００３】
これらは、可視波長領域のレーザー光を波長を連続可変させながら高効率、強出力で発振させることができ、幅広いチューナブル（Tunable）レーザ装置である。また、パルス発振も連続発振もでき、常温条件で蛍光寿命が２６２μsと長いため、Ｑ−スイッチを使用することができた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術においては、E/O型のＱ−スイッチを用いて高周波数のパルス発振ができるのは、７５０ｎｍの波長に限定されていた。これは、E/O型のＱ−スイッチでは、波長に応じて印加電圧を変化させなければＱ−スイッチとしての機能を果たさないが、従来のレーザ装置は、波長に応じて自動的に印加電圧を変化させる機能を持たなかったためである。
【０００５】
Ｑ−スイッチとしては、E/O型のＱ−スイッチの他に、LiF:F-カラーセンター結晶でパッシブＱ−スイッチを構成するものもあるが、パルス幅が１００ｎｓ以上で長すぎるばかりでなく、連続可変波長範囲で波長透過率が不均一であるため、パルス幅が非常に不安定でパルス幅を制御する必要がある用途には使用することができない。
【０００６】
また、高速回転モータで共振器の全反射ミラーを高速回転させ、Ｑ−スイッチとすることもできるが、パルス幅が１００ｎｓ以上と長すぎ、安定性も悪く、且つ、モータの回転により発生するノイズが強すぎるという問題点もある。
【０００７】
従って、本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、連続可変波長範囲の全域に渡って高周波数の安定したパルス発振をさせることができる波長連続可変レーザ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる波長連続可変レーザ装置は、レーザ光を発振するためのレーザ媒体と、該レーザ媒体を励起させるための励起光源と、前記レーザ媒体の後方の光軸上に配置され、所定の反射率を有するミラーと、前記レーザ媒体の前方の光軸上に配置され、電圧の印加状態によりレーザ光を透過させる状態と遮断する状態とを切り替えるE/O型のＱ−スイッチと、該Ｑ−スイッチから出射された複数の波長の光を分光するプリズムと、該プリズムを透過した光を全反射する全反射ミラーと、前記全反射ミラーが前記レーザ光の光軸となす角を変更するための角度変更手段と、発振させようとするレーザ光の波長に応じて前記Ｑ−スイッチに印加する電圧値を制御する制御手段とを具備し、前記Ｑ−スイッチは、一端面が前記レーザ光の光軸と垂直な面に形成され、他端面が波長７５０ｎｍの光に対して前記レーザ光の光軸とブリュースター角度をなす斜面に形成されており、且つ平行四辺形の電極を有するＬｉＮｂＯ3の単結晶からなるE/O型のＱ−スイッチであり、前記制御手段は、前記角度変更手段の角度変更情報に基づいて、前記Ｑ−スイッチに印加する電圧値を制御することを特徴としている。
【００１０】
また、この発明に係わる波長連続可変レーザ装置において、前記レーザ媒体は、アレキサンドライト結晶ロッドであることを特徴としている。
【００１１】
また、この発明に係わる波長連続可変レーザ装置において、前記ミラーは、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光に対して略３０％の反射率を有することを特徴としている。
【００１４】
また、この発明に係わる波長連続可変レーザ装置において、前記全反射ミラーは基台上に配置され、前記角度変更手段は、該基台を所定の中心軸回りに回動させることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の波長連続可変レーザ装置の好適な一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、一実施形態の波長連続可変レーザ装置５０の構成を示す全体平面図である。図１において、レーザ媒体１２は、アレキサンドライト（分子式Ｃｒ3+：ＢｅＡｌ2Ｏ4）ロッドであり、このアレキサンドライトロッド１２の脇には、励起用の光源としてキセノンフラッシュランプ１３が配置されている。この励起光源からの光を受けて、アレキサンドライトロッド１２からは、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光が出射される。
【００１７】
アレキサンドライトロッド１２の図中左方の光軸上には、このレーザ装置５０で励起されるレーザ光を透過させる状態と反射する状態とが、直流可変電源８から供給される電圧パルスにより切り替わるE/O型のＱ−スイッチ１１が配置されている。E/O型のＱ−スイッチ１１は、ＬｉＮｂＯ3の単結晶からなり、図中左側の第１の端面１１ａは、光軸に対して、中心波長である７５０ｎｍの波長の光に対するブリュースター角をなすように斜めに形成されている。すなわち、図示したように、第１の端面１１ａの垂線と、Ｑ−スイッチ１１から出射する７５０ｎｍの波長の光とのなす角度は、６０.１２°になる。また、Ｑ−スイッチ１１の右側の第２の端面１１ｂは光軸に対して垂直になるように形成されている。この第２の端面１１ｂには、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光の反射を防止する反射防止膜がコーティングされている。なお、このＱ−スイッチ１１には、図中破線で示したように平行四辺形状の電極１１ｃが配置されており、直流可変電源８からの電圧はこの電極に印加される。
【００１８】
ここで、E/O型のＱ−スイッチ１１の作用について説明しておくと、まず、ＬｉＮｂＯ3の結晶に電圧が印加されていない状態においては、光軸とブリュースター角をなす第１の端面１１ａでは、紙面に平行な直線偏光成分のみが透過し、紙面に垂直な直線偏光成分は全反射される。ＬｉＮｂＯ3の結晶は、電圧を印加することにより屈折率が変化し、直交する２方向の偏光成分の位相をずらす働きがあり、直交する２方向の偏光成分の位相差が９０°（すなわち２つの偏光成分の光路差が波長λの１／４）となる電圧（以下λ／４波長電圧と呼ぶ）をかけることにより、紙面に平行な直線偏光成分は紙面に垂直な偏光成分に変換される。すなわち直線偏光成分が光軸に対して９０°回転する。従って、Ｑ−スイッチ１１に紙面に平行な直線偏光成分のみを有する光を入射させた場合、この光は、Ｑ−スイッチ１１に電圧を印加していない状態においては、第１の端面１１ａを透過し、Ｑ−スイッチ１１に上記のλ／４波長電圧をかけることにより、第１の端面１１ａで全反射されるようになる。このような作用により、Ｑ−スイッチ１１は、直線偏光を透過させる状態と反射させる状態とに切り替わり、光スイッチとして働くこととなる。なお、Ｑ−スイッチが光スイッチとして働くためには、上記の２方向の偏光成分の光路差を正確にλ／４にする必要があるが、λは波長であるので、波長が変われば、λ／４の絶対値も変化し、それに応じてＱ−スイッチにかけるべき電圧も変化する。すなわち、λ／４波長電圧は波長の値に応じて変化させなければならない。図２及び図３に、波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す。
【００１９】
また、図４は、Ｑ−スイッチ１１の形状を示す図である。この図において、Ｑ−スイッチの電極１１ｃは、既に述べたように平行四辺形状に形成されているが、電極を平行四辺形にするのは、レーザービームはある太さを有しているので、その太さの両端部が電極を通過する距離が同じになるようにするためである。なお、Ｑ−スイッチ１１から出力される光の出射角度は波長により異なり、例えば、７００ｎｍの波長光の出射角度は、第１の端面１１ａの垂線に対して６６.８７°であり、８２０ｎｍの波長光の出射角度は６５.１５°となる。
【００２０】
Ｑ−スイッチ１１には、上記の直流可変電源８が接続されており、この直流可変電源８とＱ−スイッチ１１の間にはアバランシュトランジスタ９が接続されている。アバランシュトランジスタ９は、電気シャッタとして働き、このトランジスタがＯＮしているときには、直流可変電源８からの電圧はグランドに落とされ、ＯＦＦしているときには、直流可変電源８からの電圧（λ／４波長電圧）は、E/O型のＱ−スイッチ１１に供給される。すなわち、アバランシュトランジスタ９のＯＮ、ＯＦＦを制御することにより、Ｑ−スイッチ１１に加えられるλ／４電圧値の有無をコントロールすることができ、Ｑ−スイッチ１１がレーザ光を透過させる時間と遮断する時間とが制御される。すなわちパルス発振が可能となる。直流可変電源８及びアバランシュトランジスタ９は、ともにマイクロコンピュータ７に接続されており、電源の電圧値及びトランジスタのＯＮ、ＯＦＦのタイミングが制御される。
【００２１】
Ｑ−スイッチ１１の左方には、回転軸Ｏを中心に、紙面と平行な面内で回動する回動板３０が配置されており、この回動板３０上には、７００ｎｍから８２０ｎｍの波長の光を全反射する全反射ミラー３が配置されている。また、Ｑ−スイッチ１１と全反射ミラー３の間には重フリントガラスからなる分光プリズム１０がＱ−スイッチ１１と同じ基台上に固定されている。分光プリズム１０の頂角は、５９.９６°に設定されており、プリズム１０の第１面１０ａの垂線と入射する７５０ｎｍの波長の光とのなす角が、ブリュースター角となるように配慮されているとともに、プリズムの第２面１０ｂの垂線と出射する７５０ｎｍの光とのなす角もブリュースター角になるように配慮されている。このように分光プリズム１０にもブリュースター角をつけておくことにより、Ｑ−スイッチ１１の第１の端面１１ａを透過した光の分光プリズム１０に対する透過率が向上する。回動板３０のイニシャル位置において、全反射ミラー３の反射面は、分光プリズム１０から出射される７５０ｎｍの波長の光を垂直に反射するように配置されている。分光プリズム１０から出射される光の出射角度は波長により異なっており、回動板３０を回転中心Ｏの回りに回動させることにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの光をそれぞれ垂直に反射する角度に全反射ミラー３を調節することができる。これにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの任意の波長の光を元の光路に反射させて、後述する出力ミラー１４との間で共振させ、任意の波長のレーザ光として出力させることができる。なお、回動板３０の回転中心Ｏと全反射ミラー３との距離は、この実施形態においては、１４０ｍｍに設定されている。
【００２２】
回動板３０の下端には、ピン３１が設けられており、このピン３１を直進移動機構３２によって押すことにより、回動板３０が中心軸Ｏの回りに回動する。回動板３０の右側部には、ピン３１を直進移動機構３２のロッド３４に常に接触させるように、回動板３０を図中反時計回りに付勢するためのバネ２３が接続されている。直進移動機構３２は、上記のピン３１を押すためのロッド３４と、このロッド３４を図中左右方向に移動させるための送りネジ３６と、送りネジ３６を回転させるためのステッピングモータ２と、ステッピングモータ２の回転角度を検出するためのエンコーダ１とから構成されている。エンコーダ１からの検出信号は、マイクロコンピュータ７に入力され、演算処理されて回動板３０の回転角度に変換され、さらに発振されるレーザ光の波長に換算される。また、モータ２には、ドライバ６が接続され、このドライバ６は、さらにマイクロコンピュータ７に接続され、結果的にステッピングモータ２の回転がマイクロコンピュータ７によって制御される。
【００２３】
一方、アレキサンドライトロッド１２の右方には、全反射ミラー３との間でレーザ共振器を構成するように、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光を３０％反射する出力ミラー１４が配置されている。出力ミラー１４のさらに右方には、出力ミラーを透過した出力ビームを一部取り出すためのビームスプリッター１５が配置されており、このビームスプリッター１５で光軸と垂直方向に取り出されたレーザ光は、モノクロメータ２０に入力される。モノクロメータ２０に入力されたレーザ光は、フォトダイオード２１に向けて出力される。フォトダイオード２１は、入力されたレーザ光を光電変換し、レーザ光のパルス波形をオシロスコープ２２に表示させる。これによりパルス発振されたレーザ光のパルス波形をモニターすることができる。
【００２４】
また、ビームスプリッター１５のさらに右方には、上述した光学系にＨｅ−Ｎｅレーザ１９からのレーザ光を入射させるための光学系を構成するミラー１６,１８とポラライザー１７が配置されている。Ｈｅ−Ｎｅレーザ１９からのレーザ光は、上述した光学系のアライメントのために使用される。
【００２５】
次に、上記のように構成されるレーザ装置の動作について説明する。
【００２６】
まずＨｅ−Ｎｅレーザ１９をガイドビームとして発光させて、そのレーザ光をポラライザー１７で紙面と平行な直線偏光とし、光学系１８,１７,１６,１５を介してメインの光学系を構成する出力ミラー１４、アレキサンドライトロッド１２、Ｑ−スイッチ１１、分光プリズム１０に入射させ、全反射ミラー３で反射されたレーザ光がＨｅ−Ｎｅレーザ１９の出射口に戻るように、各光学部品を調整した。
【００２７】
次に、Ｈｅ−ＮｅガイドレーザビームをＱ−スイッチ１１の第２の端面に垂直に入射させ、ブリュースター角のついた第１の端面から出射したレーザ光をポラライザーで入射光ビームの偏光方向と直交させた。そして、ガイド光ビームの入射端で半透明の紙を用いて散乱光とし、出射端のポラライザーの後ろに白い紙のスクリーンを設置し、干渉縞を見ながらＱ−スイッチ１１を調整して干渉縞の十字中心部をガイド光ビームと一致するようにした。そして全反射ミラー３を正確に出力ミラー１４と平行になるように再調整した。
【００２８】
次に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１９を消灯して、キセノンフラッシュランプ１３を点灯させ、１０Ｈｚでアレキサンドライトロッド１２を励起させた。その後、ステッピングモータ２を回転させて、回動板３０を０.００２８ｒａｄ／ｓｅｃの速度で時計回転方向に回動させ、オシロスコープ２２を見ながらレーザ光が発振されるまで回動を続けた。このとき、前もってモノクロメータ２０を７５０ｎｍの波長を検出するように調整しておけば、７５０ｎｍのレーザ光の発振のみを検出することができる。
【００２９】
このようにして、７５０ｎｍの波長のレーザ光が発振した状態において、ステッピングモータ２の回転角をエンコーダ１で検出する。このときの検出値から直進移動機構の３２の移動量Δｘを求めることができる。このΔｘと、波長の変換量Δλとは、回動板３０の回転角をθ、全反射ミラー３の回動半径をＲとすると、
Δｘ＝Ｒ・Δλ・ｄθ／ｄλ
の関係が成り立つ。従って、エンコーダ１の検出値から、現在発振しているレーザ光の波長λを算出することができる。
【００３０】
このようにして求められた波長λを図２に示す式に代入し、λ／４波長電圧を求めると、エンコーダ１の検出信号に対応するλ／４波長電圧を算出することができる。この処理をマイクロコンピュータ７で行い、直流可変電源８の電圧値をλ／４波長電圧に制御することにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの任意の波長に対応するλ／４波長電圧が、自動的にＱ−スイッチ１１に印加されることとなり、連続可変波長のレーザ光に対して、Ｑ−スイッチ１１を自動対応させることができる。
【００３１】
なお、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【００３２】
例えば、上記の実施形態では、直進移動機構のエンコーダからの信号を基に、現在発振しているレーザ光の波長を求めるようにしたが、これに限定されることなく、発振させようとするレーザ光の波長と、全反射ミラー３の回動角と、λ／４波長電圧との関係を予めテーブルとしてマイクロコンピュータ内に記憶しておき、このテーブルに基づいて、全反射ミラー３の回動角と、直流可変電源８の電圧値とを制御するようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の波長連続可変レーザ装置によれば、連続可変波長範囲の全域に渡って高周波数の安定したパルス発振をさせることができる波長連続可変レーザ装置を提供することができる。
【００３４】
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の波長連続可変レーザ装置５０の構成を示す全体平面図である。
【図２】波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す図である。
【図３】波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す図である。
【図４】Ｑ−スイッチの形状を示す図である。
【符号の説明】
１ エンコーダ
２ ステッピングモータ
３ 全反射ミラー
６ ドライバ
７ マイクロコンピュータ
８ 直流可変電源
９ アバランシュトランジスタ
１０ 分光プリズム
１１ Ｑ−スイッチ
１２ アレキサンドライトロッド
１３ キセノンフラッシュランプ
１４ 出力ミラー
１５ ビームスプリッター
１６,１８ ミラー（４５°全反射対６３２.８ｎｍ）
１７ ポラライザー
１９ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２０ モノクロメータ
２１ フォトダイオード
２２ オシロスコープ
２３ バネ
３０ 回動板
３１ ピン
３２ 直進移動機構
３４ ロッド
３６ 送りネジ
５０ レーザ装置
【発明の属する技術分野】
本発明は医療分野の治療、診断、及び理化学分野、工業分野等に広く利用可能な波長連続可変レーザ装置に関し、特に、波長が連続的に変化するレーザ光を高効率で発生することができ、医療用（例えば癌の診断、眼科の治療、口腔治療、皮膚科治療等）に最適に利用できる波長連続可変レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９７９年に、J.C.WALLING, H.P.JENSSEN等が、OPTICS LETTERS VOL.4, NO.6 June 1979において、１９８０年に、J.C.WALLING等が、IEEE Journal OF Quantum Electronics VOL.QE-16 NO.12 December 1980において、「Tunable Alexandrite Lasers」というテーマで波長連続可変レーザ装置について最初に発表し、１９８５年に、J.C.WALLING, D.F.HELLER等が、IEEE Journal of Quantum Electronics, VOL.QE-21, NO.10, October 1985において、「Tunable Alexandrite Lasers : Development and Perfomance」のテーマで、波長連続可変レーザ装置について発表した。
【０００３】
これらは、可視波長領域のレーザー光を波長を連続可変させながら高効率、強出力で発振させることができ、幅広いチューナブル（Tunable）レーザ装置である。また、パルス発振も連続発振もでき、常温条件で蛍光寿命が２６２μsと長いため、Ｑ−スイッチを使用することができた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術においては、E/O型のＱ−スイッチを用いて高周波数のパルス発振ができるのは、７５０ｎｍの波長に限定されていた。これは、E/O型のＱ−スイッチでは、波長に応じて印加電圧を変化させなければＱ−スイッチとしての機能を果たさないが、従来のレーザ装置は、波長に応じて自動的に印加電圧を変化させる機能を持たなかったためである。
【０００５】
Ｑ−スイッチとしては、E/O型のＱ−スイッチの他に、LiF:F-カラーセンター結晶でパッシブＱ−スイッチを構成するものもあるが、パルス幅が１００ｎｓ以上で長すぎるばかりでなく、連続可変波長範囲で波長透過率が不均一であるため、パルス幅が非常に不安定でパルス幅を制御する必要がある用途には使用することができない。
【０００６】
また、高速回転モータで共振器の全反射ミラーを高速回転させ、Ｑ−スイッチとすることもできるが、パルス幅が１００ｎｓ以上と長すぎ、安定性も悪く、且つ、モータの回転により発生するノイズが強すぎるという問題点もある。
【０００７】
従って、本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、連続可変波長範囲の全域に渡って高周波数の安定したパルス発振をさせることができる波長連続可変レーザ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる波長連続可変レーザ装置は、レーザ光を発振するためのレーザ媒体と、該レーザ媒体を励起させるための励起光源と、前記レーザ媒体の後方の光軸上に配置され、所定の反射率を有するミラーと、前記レーザ媒体の前方の光軸上に配置され、電圧の印加状態によりレーザ光を透過させる状態と遮断する状態とを切り替えるE/O型のＱ−スイッチと、該Ｑ−スイッチから出射された複数の波長の光を分光するプリズムと、該プリズムを透過した光を全反射する全反射ミラーと、前記全反射ミラーが前記レーザ光の光軸となす角を変更するための角度変更手段と、発振させようとするレーザ光の波長に応じて前記Ｑ−スイッチに印加する電圧値を制御する制御手段とを具備し、前記Ｑ−スイッチは、一端面が前記レーザ光の光軸と垂直な面に形成され、他端面が波長７５０ｎｍの光に対して前記レーザ光の光軸とブリュースター角度をなす斜面に形成されており、且つ平行四辺形の電極を有するＬｉＮｂＯ3の単結晶からなるE/O型のＱ−スイッチであり、前記制御手段は、前記角度変更手段の角度変更情報に基づいて、前記Ｑ−スイッチに印加する電圧値を制御することを特徴としている。
【００１０】
また、この発明に係わる波長連続可変レーザ装置において、前記レーザ媒体は、アレキサンドライト結晶ロッドであることを特徴としている。
【００１１】
また、この発明に係わる波長連続可変レーザ装置において、前記ミラーは、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光に対して略３０％の反射率を有することを特徴としている。
【００１４】
また、この発明に係わる波長連続可変レーザ装置において、前記全反射ミラーは基台上に配置され、前記角度変更手段は、該基台を所定の中心軸回りに回動させることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の波長連続可変レーザ装置の好適な一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、一実施形態の波長連続可変レーザ装置５０の構成を示す全体平面図である。図１において、レーザ媒体１２は、アレキサンドライト（分子式Ｃｒ3+：ＢｅＡｌ2Ｏ4）ロッドであり、このアレキサンドライトロッド１２の脇には、励起用の光源としてキセノンフラッシュランプ１３が配置されている。この励起光源からの光を受けて、アレキサンドライトロッド１２からは、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光が出射される。
【００１７】
アレキサンドライトロッド１２の図中左方の光軸上には、このレーザ装置５０で励起されるレーザ光を透過させる状態と反射する状態とが、直流可変電源８から供給される電圧パルスにより切り替わるE/O型のＱ−スイッチ１１が配置されている。E/O型のＱ−スイッチ１１は、ＬｉＮｂＯ3の単結晶からなり、図中左側の第１の端面１１ａは、光軸に対して、中心波長である７５０ｎｍの波長の光に対するブリュースター角をなすように斜めに形成されている。すなわち、図示したように、第１の端面１１ａの垂線と、Ｑ−スイッチ１１から出射する７５０ｎｍの波長の光とのなす角度は、６０.１２°になる。また、Ｑ−スイッチ１１の右側の第２の端面１１ｂは光軸に対して垂直になるように形成されている。この第２の端面１１ｂには、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光の反射を防止する反射防止膜がコーティングされている。なお、このＱ−スイッチ１１には、図中破線で示したように平行四辺形状の電極１１ｃが配置されており、直流可変電源８からの電圧はこの電極に印加される。
【００１８】
ここで、E/O型のＱ−スイッチ１１の作用について説明しておくと、まず、ＬｉＮｂＯ3の結晶に電圧が印加されていない状態においては、光軸とブリュースター角をなす第１の端面１１ａでは、紙面に平行な直線偏光成分のみが透過し、紙面に垂直な直線偏光成分は全反射される。ＬｉＮｂＯ3の結晶は、電圧を印加することにより屈折率が変化し、直交する２方向の偏光成分の位相をずらす働きがあり、直交する２方向の偏光成分の位相差が９０°（すなわち２つの偏光成分の光路差が波長λの１／４）となる電圧（以下λ／４波長電圧と呼ぶ）をかけることにより、紙面に平行な直線偏光成分は紙面に垂直な偏光成分に変換される。すなわち直線偏光成分が光軸に対して９０°回転する。従って、Ｑ−スイッチ１１に紙面に平行な直線偏光成分のみを有する光を入射させた場合、この光は、Ｑ−スイッチ１１に電圧を印加していない状態においては、第１の端面１１ａを透過し、Ｑ−スイッチ１１に上記のλ／４波長電圧をかけることにより、第１の端面１１ａで全反射されるようになる。このような作用により、Ｑ−スイッチ１１は、直線偏光を透過させる状態と反射させる状態とに切り替わり、光スイッチとして働くこととなる。なお、Ｑ−スイッチが光スイッチとして働くためには、上記の２方向の偏光成分の光路差を正確にλ／４にする必要があるが、λは波長であるので、波長が変われば、λ／４の絶対値も変化し、それに応じてＱ−スイッチにかけるべき電圧も変化する。すなわち、λ／４波長電圧は波長の値に応じて変化させなければならない。図２及び図３に、波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す。
【００１９】
また、図４は、Ｑ−スイッチ１１の形状を示す図である。この図において、Ｑ−スイッチの電極１１ｃは、既に述べたように平行四辺形状に形成されているが、電極を平行四辺形にするのは、レーザービームはある太さを有しているので、その太さの両端部が電極を通過する距離が同じになるようにするためである。なお、Ｑ−スイッチ１１から出力される光の出射角度は波長により異なり、例えば、７００ｎｍの波長光の出射角度は、第１の端面１１ａの垂線に対して６６.８７°であり、８２０ｎｍの波長光の出射角度は６５.１５°となる。
【００２０】
Ｑ−スイッチ１１には、上記の直流可変電源８が接続されており、この直流可変電源８とＱ−スイッチ１１の間にはアバランシュトランジスタ９が接続されている。アバランシュトランジスタ９は、電気シャッタとして働き、このトランジスタがＯＮしているときには、直流可変電源８からの電圧はグランドに落とされ、ＯＦＦしているときには、直流可変電源８からの電圧（λ／４波長電圧）は、E/O型のＱ−スイッチ１１に供給される。すなわち、アバランシュトランジスタ９のＯＮ、ＯＦＦを制御することにより、Ｑ−スイッチ１１に加えられるλ／４電圧値の有無をコントロールすることができ、Ｑ−スイッチ１１がレーザ光を透過させる時間と遮断する時間とが制御される。すなわちパルス発振が可能となる。直流可変電源８及びアバランシュトランジスタ９は、ともにマイクロコンピュータ７に接続されており、電源の電圧値及びトランジスタのＯＮ、ＯＦＦのタイミングが制御される。
【００２１】
Ｑ−スイッチ１１の左方には、回転軸Ｏを中心に、紙面と平行な面内で回動する回動板３０が配置されており、この回動板３０上には、７００ｎｍから８２０ｎｍの波長の光を全反射する全反射ミラー３が配置されている。また、Ｑ−スイッチ１１と全反射ミラー３の間には重フリントガラスからなる分光プリズム１０がＱ−スイッチ１１と同じ基台上に固定されている。分光プリズム１０の頂角は、５９.９６°に設定されており、プリズム１０の第１面１０ａの垂線と入射する７５０ｎｍの波長の光とのなす角が、ブリュースター角となるように配慮されているとともに、プリズムの第２面１０ｂの垂線と出射する７５０ｎｍの光とのなす角もブリュースター角になるように配慮されている。このように分光プリズム１０にもブリュースター角をつけておくことにより、Ｑ−スイッチ１１の第１の端面１１ａを透過した光の分光プリズム１０に対する透過率が向上する。回動板３０のイニシャル位置において、全反射ミラー３の反射面は、分光プリズム１０から出射される７５０ｎｍの波長の光を垂直に反射するように配置されている。分光プリズム１０から出射される光の出射角度は波長により異なっており、回動板３０を回転中心Ｏの回りに回動させることにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの光をそれぞれ垂直に反射する角度に全反射ミラー３を調節することができる。これにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの任意の波長の光を元の光路に反射させて、後述する出力ミラー１４との間で共振させ、任意の波長のレーザ光として出力させることができる。なお、回動板３０の回転中心Ｏと全反射ミラー３との距離は、この実施形態においては、１４０ｍｍに設定されている。
【００２２】
回動板３０の下端には、ピン３１が設けられており、このピン３１を直進移動機構３２によって押すことにより、回動板３０が中心軸Ｏの回りに回動する。回動板３０の右側部には、ピン３１を直進移動機構３２のロッド３４に常に接触させるように、回動板３０を図中反時計回りに付勢するためのバネ２３が接続されている。直進移動機構３２は、上記のピン３１を押すためのロッド３４と、このロッド３４を図中左右方向に移動させるための送りネジ３６と、送りネジ３６を回転させるためのステッピングモータ２と、ステッピングモータ２の回転角度を検出するためのエンコーダ１とから構成されている。エンコーダ１からの検出信号は、マイクロコンピュータ７に入力され、演算処理されて回動板３０の回転角度に変換され、さらに発振されるレーザ光の波長に換算される。また、モータ２には、ドライバ６が接続され、このドライバ６は、さらにマイクロコンピュータ７に接続され、結果的にステッピングモータ２の回転がマイクロコンピュータ７によって制御される。
【００２３】
一方、アレキサンドライトロッド１２の右方には、全反射ミラー３との間でレーザ共振器を構成するように、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光を３０％反射する出力ミラー１４が配置されている。出力ミラー１４のさらに右方には、出力ミラーを透過した出力ビームを一部取り出すためのビームスプリッター１５が配置されており、このビームスプリッター１５で光軸と垂直方向に取り出されたレーザ光は、モノクロメータ２０に入力される。モノクロメータ２０に入力されたレーザ光は、フォトダイオード２１に向けて出力される。フォトダイオード２１は、入力されたレーザ光を光電変換し、レーザ光のパルス波形をオシロスコープ２２に表示させる。これによりパルス発振されたレーザ光のパルス波形をモニターすることができる。
【００２４】
また、ビームスプリッター１５のさらに右方には、上述した光学系にＨｅ−Ｎｅレーザ１９からのレーザ光を入射させるための光学系を構成するミラー１６,１８とポラライザー１７が配置されている。Ｈｅ−Ｎｅレーザ１９からのレーザ光は、上述した光学系のアライメントのために使用される。
【００２５】
次に、上記のように構成されるレーザ装置の動作について説明する。
【００２６】
まずＨｅ−Ｎｅレーザ１９をガイドビームとして発光させて、そのレーザ光をポラライザー１７で紙面と平行な直線偏光とし、光学系１８,１７,１６,１５を介してメインの光学系を構成する出力ミラー１４、アレキサンドライトロッド１２、Ｑ−スイッチ１１、分光プリズム１０に入射させ、全反射ミラー３で反射されたレーザ光がＨｅ−Ｎｅレーザ１９の出射口に戻るように、各光学部品を調整した。
【００２７】
次に、Ｈｅ−ＮｅガイドレーザビームをＱ−スイッチ１１の第２の端面に垂直に入射させ、ブリュースター角のついた第１の端面から出射したレーザ光をポラライザーで入射光ビームの偏光方向と直交させた。そして、ガイド光ビームの入射端で半透明の紙を用いて散乱光とし、出射端のポラライザーの後ろに白い紙のスクリーンを設置し、干渉縞を見ながらＱ−スイッチ１１を調整して干渉縞の十字中心部をガイド光ビームと一致するようにした。そして全反射ミラー３を正確に出力ミラー１４と平行になるように再調整した。
【００２８】
次に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１９を消灯して、キセノンフラッシュランプ１３を点灯させ、１０Ｈｚでアレキサンドライトロッド１２を励起させた。その後、ステッピングモータ２を回転させて、回動板３０を０.００２８ｒａｄ／ｓｅｃの速度で時計回転方向に回動させ、オシロスコープ２２を見ながらレーザ光が発振されるまで回動を続けた。このとき、前もってモノクロメータ２０を７５０ｎｍの波長を検出するように調整しておけば、７５０ｎｍのレーザ光の発振のみを検出することができる。
【００２９】
このようにして、７５０ｎｍの波長のレーザ光が発振した状態において、ステッピングモータ２の回転角をエンコーダ１で検出する。このときの検出値から直進移動機構の３２の移動量Δｘを求めることができる。このΔｘと、波長の変換量Δλとは、回動板３０の回転角をθ、全反射ミラー３の回動半径をＲとすると、
Δｘ＝Ｒ・Δλ・ｄθ／ｄλ
の関係が成り立つ。従って、エンコーダ１の検出値から、現在発振しているレーザ光の波長λを算出することができる。
【００３０】
このようにして求められた波長λを図２に示す式に代入し、λ／４波長電圧を求めると、エンコーダ１の検出信号に対応するλ／４波長電圧を算出することができる。この処理をマイクロコンピュータ７で行い、直流可変電源８の電圧値をλ／４波長電圧に制御することにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの任意の波長に対応するλ／４波長電圧が、自動的にＱ−スイッチ１１に印加されることとなり、連続可変波長のレーザ光に対して、Ｑ−スイッチ１１を自動対応させることができる。
【００３１】
なお、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【００３２】
例えば、上記の実施形態では、直進移動機構のエンコーダからの信号を基に、現在発振しているレーザ光の波長を求めるようにしたが、これに限定されることなく、発振させようとするレーザ光の波長と、全反射ミラー３の回動角と、λ／４波長電圧との関係を予めテーブルとしてマイクロコンピュータ内に記憶しておき、このテーブルに基づいて、全反射ミラー３の回動角と、直流可変電源８の電圧値とを制御するようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の波長連続可変レーザ装置によれば、連続可変波長範囲の全域に渡って高周波数の安定したパルス発振をさせることができる波長連続可変レーザ装置を提供することができる。
【００３４】
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の波長連続可変レーザ装置５０の構成を示す全体平面図である。
【図２】波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す図である。
【図３】波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す図である。
【図４】Ｑ−スイッチの形状を示す図である。
【符号の説明】
１ エンコーダ
２ ステッピングモータ
３ 全反射ミラー
６ ドライバ
７ マイクロコンピュータ
８ 直流可変電源
９ アバランシュトランジスタ
１０ 分光プリズム
１１ Ｑ−スイッチ
１２ アレキサンドライトロッド
１３ キセノンフラッシュランプ
１４ 出力ミラー
１５ ビームスプリッター
１６,１８ ミラー（４５°全反射対６３２.８ｎｍ）
１７ ポラライザー
１９ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２０ モノクロメータ
２１ フォトダイオード
２２ オシロスコープ
２３ バネ
３０ 回動板
３１ ピン
３２ 直進移動機構
３４ ロッド
３６ 送りネジ
５０ レーザ装置
Claims (4)
- レーザ光を発振するためのレーザ媒体と、
該レーザ媒体を励起させるための励起光源と、
前記レーザ媒体の後方の光軸上に配置され、所定の反射率を有するミラーと、
前記レーザ媒体の前方の光軸上に配置され、電圧の印加状態によりレーザ光を透過させる状態と遮断する状態とを切り替えるE/O型のＱ−スイッチと、
該Ｑ−スイッチから出射された複数の波長の光を分光するプリズムと、
該プリズムを透過した光を全反射する全反射ミラーと、
前記全反射ミラーが前記レーザ光の光軸となす角を変更するための角度変更手段と、
発振させようとするレーザ光の波長に応じて前記Ｑ−スイッチに印加する電圧値を制御する制御手段とを具備し、
前記Ｑ−スイッチは、一端面が前記レーザ光の光軸と垂直な面に形成され、他端面が波長７５０ｎｍの光に対して前記レーザ光の光軸とブリュースター角度をなす斜面に形成されており、且つ平行四辺形の電極を有するＬｉＮｂＯ3の単結晶からなるE/O型のＱ−スイッチであり、
前記制御手段は、前記角度変更手段の角度変更情報に基づいて、前記Ｑ−スイッチに印加する電圧値を制御することを特徴とする波長連続可変レーザ装置。 - 前記レーザ媒体は、アレキサンドライト結晶ロッドであることを特徴とする請求項１に記載の波長連続可変レーザ装置。
- 前記ミラーは、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光に対して略３０％の反射率を有することを特徴とする請求項１に記載の波長連続可変レーザ装置。
- 前記全反射ミラーは基台上に配置され、前記角度変更手段は、該基台を所定の中心軸回りに回動させることを特徴とする請求項１に記載の波長連続可変レーザ装置。
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