JP3767381B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、半導体レーザ励起固体レーザ、特にその高効率化に関するものである。
背景技術
従来の半導体レーザ励起固体レーザとしては、例えば特開平５−９０６７２号に示されたものがある。第５図及び第６図は、上記公報に示された半導体レーザ励起固体レーザの構成を示したものである。６１は半導体レーザ、６２はコリメートレンズ、６３はフォーカシングレンズ、６４は固体レーザ媒質、６５はミラー、６６はコリーメートレンズ６２とフォーカシングレンズ６３との間に設置されたビームスプリッタ、６７は反射型グレーティング、６８は２チャンネルフォトダイオードである。７１，７２は２チャンネルフォトダイオードの出力を増幅する増幅器、７３はそれぞれの出力の大きさを比較するコンパレータ、７５は温度調整回路であり、７６は半導体レーザ６１の温度を制御するペルチェ素子である。
次に動作について説明する。固体レーザ媒質６４を励起するための半導体レーザ６１から発せられた光の一部はビームスプリッタ６６により反射型グレーティング６７に導かれる。反射型グレーティング６７により分光された半導体レーザ光は、２チャンネルフォトダイオード６８により検出される。２チャンネルフォトダイオード６８は隣接して２つのダイオードが設置されており、境界面が固体レーザ媒質６４の吸収スペクトルの中心波長になるよう設置されている。
半導体レーザ６１の発振スペクトルの重心が吸収スペクトルの中心からずれていれば２チャンネルフォトダイオードのいづれかのフォトダイオード出力が他方を上回ることになる。この出力差はコンパレータ７３によって比較され、温度調整回路７５を介して半導体レーザ６１に設置されたペルチェ素子７６に供給する電流を制御する。
ところで、固体レーザ媒質６４の励起波長には、上限と下限が存在する。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧの励起に対応する吸収スペクトルは第７図に示すように、７９０ｎｍから８２０ｎｍ近傍に限られており、特に８０９ｎｍで鋭い吸収を示し８０５ｎｍ近傍に比較的低いピークをもつ複雑な構造を示す。
一方、半導体レーザ６１は、その活性層の温度によって、その発振波長がシフトするという特徴をもつ。８０８ｎｍ近傍の発振波長を持つＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の半導体レーザでは、約０．２〜０．３ｎｍ／℃の温度依存性があり、高温になるほど発振波長は長波長側にシフトする。また、発振波長幅は２〜３ｎｍである。したがって、上述のような構成を組むことにより、半導体レーザ６１の発振波長を目標波長を中心としたフィードバック制御を行うことができる。
しかし、固体レーザ媒質の吸収スペクトルは複雑であり、特定の半導体レーザの発振スペクトルが固体レーザ媒質の吸収スペクトル全域をカバーするには狭すぎるため、吸収スペクトルの中心波長あるいはピーク波長のみを基準にして半導体レーザの発振波長を制御するだけでは十分な励起光率は得られないという問題があった。
また、高出力を発生するレーザあるいは高品質の出力を要求されるレーザでは複数の半導体レーザにより励起を行うことがある。これは、半導体レーザ１個では十分な励起パワーが得られないことや、１個の固体レーザ媒質を多方向から均一に励起するためである。
複数の半導体レーザを用いる場合には、半導体レーザごとの特性のばらつきが問題になる。それぞれの半導体レーザごとに発振波長スペクトルおよび波長の温度依存性の特性は異なる。また、経時的にこれらの特性は変化する。したがって、個々の半導体レーザごとに波長の温度制御をするためには、半導体レーザごとに分光器と温度制御機器とが必要となり必然的に構成が複雑になる、という問題があった。
この発明は、上述の課題を解決し、簡素な構成により半導体レーザ励起固体レーザの励起効率を向上させる半導体レーザ励起固体レーザを提供することを目的としている。
発明の開示
この発明は、固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質を励起する半導体レーザと、この半導体レーザの発振スペクトルの前記固体レーザ媒質を励起する波長領域を検出する分光器と、この分光器により検出された検出スペクトルの面積を規格化するとともにこの規格化された検出スペクトルと前記固体レーザ媒質のレーザ励起に係わる規格化された吸収スペクトルとの重なり合う面積を演算する演算手段と、この演算手段からの出力に基づき前記半導体レーザの温度制御を行う温度制御手段とを設けた半導体レーザ励起固体レーザを提供するものである。
したがって、スペクトルの中心波長あるいはピーク波長のみに基づいた制御ではなく、固体レーザ媒質の吸収スペクトル及び半導体レーザからの検出スペクトルそれぞれの波長領域の面積に基づいた制御を行うことにより、スペクトルの中心波長あるいはピーク波長以外の吸収スペクトル領域をも有効に活用した、高い励起効率の半導体レーザ励起固体レーザを得ることができる。
また、この発明は、検出スペクトルと吸収スペクトルとの重なり合う面積が最大になるように半導体レーザの温度制御を行う半導体レーザ励起固体レーザを提供するものである。
したがって、固体レーザ媒質及び半導体レーザ双方の特性に最適な制御を行うことができ、半導体レーザ励起固体レーザの励起高効率をさらに高めることができる。
また、この発明は、半導体レーザを複数個有するとともに、検出する発振スペクトルとして、各々の半導体レーザが呈するスペクトルを合わせた全体のスペクトルを検出する半導体レーザ励起固体レーザを提供するものである。
したがって、半導体レーザを複数個設けた半導体レーザ励起固体レーザの場合にも、複数個の半導体レーザが呈するスペクトルを合わせた全体のスペクトルを規格化し、演算するので、簡素な構成によって精度の良い制御が行え、半導体レーザ励起固体レーザの励起効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の一実施形態を示す半導体レーザ励起固体レーザの側面励起の場合の構成図、
第２図は、この発明の一実施形態を示す半導体レーザ励起固体レーザの端面励起の場合の構成図、
第３図は、温度制御方法の一例を示すフローチャート、
第４図は、複数の半導体レーザの発振スペクトルの一例を示す図、
第５図は、従来の半導体レーザ励起固体レーザの構成図、
第６図は、従来の半導体レーザ励起固体レーザの波長温度制御回路図、
第７図は、固体レーザ媒質Ｎｄ：ＹＡＧの吸収スペクトルを示す図である。
発明を実施するための最良の形態
この発明に係る好適な実施の形態を添付図面を参照して説明する。
第１図と第２図は、この発明の半導体レーザ励起固体レーザの構成を示す。第１図は側面励起の場合の構成図の例、第２図は端面励起の場合の例である。１は固体レーザ媒質、２は固体レーザ媒質１を励起する半導体レーザであり、この実施の形態では２個の半導体レーザを用いる場合を示す。３は固体レーザ媒質１の励起に関与する波長領域のスペクトルを検出する分光器、４は半導体レーザ２の光の一部を分光器３に取り出すためのビームスプリッタ、５は分光器３によって検出されたスペクトルと固体レーザ媒質１の吸収スペクトルの重なり度を比較する演算手段としての比較器、６は半導体レーザ２を冷却するための冷媒の温度制御機能を持った温度制御手段としての冷媒循環器、７は冷却媒質を半導体レーザ２に供給するための冷媒供給路、８は半導体レーザ２からの光を固体レーザ媒質１へ集光するための集光器、９はレンズである。
第１図に示した装置の場合は、固体レーザ媒質１を励起する半導体レーザ２の光の一部をビームスプリッタ４によって分光器３に導く。第２図に示した装置の場合は、半導体レーザ２の光の一部を集光器８の窓から取り出し、分光器３に導く。分光器３では複数の半導体レーザ２から発せられる光全体のスペクトルを検出する。比較器５には固体レーザ媒質１の励起に関与する領域の吸収スペクトルＳａが記憶されており、分光器３で検出されたスペクトルＳｄと比較し、冷媒循環器６の冷媒温度を制御する。吸収スペクトルＳａと検出スペクトルＳｄの比較の処理と半導体レーザの温度制御の一例については後述する。
冷媒循環器６から供給された冷媒は半導体レーザ２を比較器５で指定された温度で冷却を行う。半導体レーザ２は、その発振スペクトルに温度依存性をもつため比較器５で指定された温度でのスペクトルで発振を行い、固体レーザ媒質１を励起する。
固体レーザ媒質１の励起に関する吸収スペクトルＳａと分光器３で検出された半導体レーザ２からの光のスペクトルＳｄとの比較器５での比較処理と半導体レーザ２の温度制御の一例について第３図を用いて説明する。
複数の半導体レーザ２の全体スペクトルの例を第４図に示す。第４図は４個の半導体レーザの場合の一例であるが、半導体レーザごとに波長依存性が異なるために温度によりスペクトル形状が変化する。このスペクトル形状が第７図に示す固体レーザ媒質の吸収スペクトルＳａ（第７図はＹＡＧでの吸収スペクトルを示したもの）と一致すれば最大励起効率を得ることができるが、実際にはスペクトル形状は完全に一致することはない。したがって、両者のスペクトルの重なる部分が最大になるように制御することが実質的に最大の励起効率を得ることになる。
半導体レーザ２は、冷媒循環器６から供給される冷媒の温度によって制御されている。当初設定される冷媒循環器６での冷媒温度は、半導体レーザ２の発振スペクトルのピーク波長あるいは中心波長が固体レーザ媒質１の吸収スペクトルＳａのピーク波長あるいは中心波長と一致すると予想される温度とする。
複数の半導体レーザ２から発せられる光を合わせた全体としてのスペクトルＳｄを分光器３で検出する。複数の半導体レーザ２から発せられる光のスペクトルは半導体レーザごとの特性のばらつきがあるため、分光器３で検出されるスペクトルＳｄは例えば第４図に示すような形状を呈する。検出されたスペクトルＳｄは比較器５で固体レーザ媒質１の励起に関与する波長領域、例えばＹＡＧでは７９０ｎｍから８２０ｎｍの波長領域、で面積が１になるよう規格化スペクトルＳｎに変換される。
比較器５には固体レーザ媒質１の吸収スペクトルＳａが記憶されており、励起に関する波長領域での面積が１になるよう規格化されている。比較器５において、規格化スペクトルＳｎと吸収スペクトルＳａの重なり面積Ｍを計算する。
固体レーザ媒質の励起に関与する波長領域（λmin＜λ＜λmax）において規格化された吸収スペクトルをSa（λ）、同じ波長領域において規格化された半導体レーザの発振スペクトルをSn（λ）とすると、両者の重なり面積Ｍは、以下の式から求めることができる。

ここで、関数min（x,y）は、ｘとｙの小さい方の値を与える。
次に、冷媒循環器６における冷媒制御温度をある一定値、例えば１℃上昇させるなどの変化をさせる。温度変化後の半導体レーザ２からの光のスペクトルを再度測定、規格化し、再び吸収スペクトルＳａとの重なり面積Ｍを求める。この面積Ｍが前回求めた値より大きい場合には、冷媒の温度を同様に一定値、例えば１℃上昇させる。逆に面積Ｍが減少した場合には温度変化量を逆にし、例えば１℃下降させる。面積Ｍが不変の場合には温度変化は行わない。
このようにして、半導体レーザ２の温度を制御することにより、全体での半導体レーザの発振スペクトルを固体レーザ媒質１の吸収スペクトルＳａに近づけ、励起効率を向上させる。
この実施の形態では、温度制御の変化の刻み幅を１℃としたが、どのような値をとってもよい。但し、ＹＡＧやＹＬＦといった固体レーザ媒質の励起に用いられるＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザの波長温度依存性は一般に０．２〜０．３ｎｍ／℃程度であり、吸収スペクトル幅が数ｎｍ程度であることから温度制御の変化の刻み幅として１℃は適当な値である。
また、スペクトルの重なり面積Ｍの変化量から温度制御の刻み幅を統計的に求める方法もいろいろ考えられるが、半導体レーザごとにスペクトルや温度依存性には、ばらつきが存在する。さらに、これらの特性は経時的に変化する。このための計算は複雑なものとなり処理時間が長くなる。したがって、温度刻み幅は一定で行うことが現実的である。
この実施の形態では、冷媒循環器による半導体レーザの温度制御について述べたが、ペルチェ素子の動作電流制御や半導体レーザの雰囲気温度を制御することによっても固体レーザ媒質の励起効率を向上させることができる。
半導体レーザには、１チップから構成されているものだけではなく、出力を増大させるためにアレイ状にしたものや、さらにスタック状に構成されているものがある。これらの半導体レーザはチップごとにその特性にばらつきを持ち、温度変化によるスペクトル形状の変化が生ずる。したがって、この発明における複数の半導体レーザとして扱うことができ、同様の制御によって固体レーザの励起効率を向上させることができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる半導体レーザ励起固体レーザは、例えば高い加工精度を要求される工業用レーザ加工機などにおいて用いられるのに適している。

Claims (3)

1. 固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質を励起する半導体レーザと、この半導体レーザの発振スペクトルの前記固体レーザ媒質を励起する波長領域を検出する分光器と、この分光器により検出された検出スペクトルの面積を規格化するとともにこの規格化された検出スペクトルと前記固体レーザ媒質のレーザ励起に係わる規格化された吸収スペクトルとの重なり合う面積を演算する演算手段と、この演算手段からの出力に基づき前記半導体レーザの温度制御を行う温度制御手段とを設けたことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ。
2. 検出スペクトルと吸収スペクトルとの重なり合う面積が最大になるように半導体レーザの温度制御を行うことを特徴とする請求項第１項記載の半導体レーザ励起固体レーザ。
3. 半導体レーザを複数個有するとともに、検出する発振スペクトルとして、各々の半導体レーザが呈するスペクトルを合わせた全体のスペクトルを検出することを特徴とする請求項第１項記載の半導体レーザ励起固体レーザ。

Images