JP4114260B2 - Solid state laser equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種計測器、レーザプリンタ、医療機器あるいは光造形などの各種分野に用いられる固体レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体レーザ装置は、光共振器内に置かれた固体レーザ媒質(例えばYAG結晶等)に、半導体レーザ等の励起源から出力されたレーザ光を集光して照射し、その固体レーザ媒質を励起することによって光共振器(以下、共振器と称す)内でレーザ発振を引き起こさせ、その共振器内に非線形光学結晶のSHG(Second Harmonic Generation)素子を配置し、第2高調波を発生させる方式の固体レーザである。
【0003】
従来の固体レーザ装置は図10に示すように、励起光を出力するための半導体レーザ(LD)1と、励起光を集光するための励起光結合系を形成するレンズ2、3と、固体レーザ媒質4、SHG素子5及び出力ミラー6からなる基本波及び第2高調波レーザ光を発生させる共振器18と、この共振器18を温度制御用入出力ライン15を介して、温度検出器24の検出温度と設定値が一致するよう温度制御素子23を温度制御する共振器温度調節器17と、ビームスプリッター7、フォトダイオード8、ブルーレーザ光モニタライン12及びLDドライバ16からなりSHG波を一定に保持する後述のAPC(Auto Power Control)機構19から構成されている。
【0004】
このような半導体レーザ励起方式の固体レーザ装置においては、SHG素子5の光軸上にサーミスタなどの温度検出器24を配置することは困難であり、通常図10に示されるように相対的に離れて設置されている。そして、共振器18の温度制御は温度検出器24の設置点での制御温度を基準に一定に保つという方式が一般的に採られている。また、この方式は励起用半導体レーザ1に対しても用いられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体レーザ装置は上記のように構成されているが、温度許容幅が大きな固体レーザ媒質に比べSHG素子は温度許容幅が狭く、共振器の温度検出器の設置点での制御温度を一定にするという方法では、環境温度により共振器内に温度勾配が発生し、SHG素子のような結晶は環境温度の影響を受けるという問題がある。図10に示したSHG素子(結晶)5と温度制御素子23や温度検出器24との配置関係はその一例を示したものであるが、一般的には図4に示されるように、結晶は結晶A又は結晶Bで示される位置に設置される。図4において、温度検出器24の中心位置は、結晶B21及び温度制御素子23の中心位置から距離m、また、結晶A20と結晶B21の中心位置は距離nだけ離れて設置されている。
【0006】
図4において、温度調節は温度検出器24による測定温度を基準に動作するので、温度検出器24付近の温度は環境温度の変化に対して影響されずに一定である。温度検出器24付近の温度を25℃で温度制御した場合、環境温度が例えば5℃であるとすると、図中の金属板22には図5(a)に示されるように温度制御素子23の中心から遠くなるに従い温度が低くなる温度勾配が発生する。したがって、温度検出器24付近を設定温度と同じ温度25℃になるよう制御するためには、温度制御素子23を設定温度以上に加熱する必要がある。この結果、図5(a)に示すように結晶Bは設定温度よりも高い温度Thに達し、結晶Aでは低い温度Tlになる。また、環境温度が例えば45℃になると逆の温度勾配が発生し、図5(b)に示すように結晶Aは設定温度より高い温度Thに達し、結晶Bでは低い温度Tlになる。このような温度Th、Tlは制御温度、環境温度及び設置位置によって決まる。
【0007】
図6は制御温度、すなわち温度検出器24(図4)付近の温度が25℃一定で、環境温度が時間的に変化した場合の結晶A、結晶Bの温度変化を示したものである。図に示されるように、環境温度と制御温度(25℃)の差が大きくなるに従い、結晶A、Bの実温度と制御温度(25℃)の差が大きくなる。
このような固体レーザ装置における結晶の温度変化は結晶の実温度と位相整合温度に差を生じさせ、発振状態が不安定となり性能を悪化させるという問題がある。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、環境温度の変化に対して安定した出力が得られる固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、半導体レーザと、当該半導体レーザからの出力光により励起され、基本波を誘導放出する固体レーザ媒質と、前記基本波の第2高調波を発生させる非線形光学結晶前記非線形光学結晶を収容し、前記固体レーザ媒質と、前記第2高調波を外部へ出力する出力ミラーとを含む光共振器と、前記外部に出力された第2高調波が一定になるように、前記半導体レーザの駆動電流を制御する APC 機構と、前記光共振器及び非線形光学結晶を保持する金属板と、前記金属板に配置された、ペルチェ素子及び測温素子と、環境温度を測定する環境温度測定手段とを有し、前記金属板に配置された測温素子による検出温度が、前記環境温度測定手段による検出温度に比例した温度になるように、前記金属板に配置されたペルチェ素子を制御することにより、前記非線形光学結晶の実温度を一定に保つ温度制御手段を更に有することを特徴とする。また、前記半導体レーザを保持するステムと、前記ステムに配置された、ペルチェ素子及び測温素子とを有し、前記ステムに配置された測温素子による検出温度が、前記環境温度測定手段による検出温度に比例した温度になるように、前記ステムに配置されたペルチェ素子を制御することにより、前記半導体レーザの実温度を一定に保つ温度制御手段を更に有することを特徴とする。更に、前記環境温度測定手段が、前記ペルチェ素子の駆動電流を検出することにより環境温度を測定することを特徴とする。
【0010】
本発明の固体レーザ装置は上記のように構成されており、環境温度に対応して制御温度を図7又は図8における点線で示すように変化させることにより、結晶A又はBの温度が一定になり、結晶の配置位置に関して環境温度の影響を受けない固体レーザ装置を得ることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザ励起方式の固体レーザ装置の一実施例を図1により説明する。本装置は、励起光を出力するための半導体レーザ(LD)1と、励起光を集光するための励起光結合系を形成するレンズ2、3と、固体レーザ媒質4、SHG素子5及び出力ミラー6からなる基本波及び第2高調波レーザ光を発生させる共振器18と、この共振器18を温度制御用入出力ライン15を介し、サーミスタ10の検出温度と環境温度を測定するサーミスタ17eに比例した設定温度が一致するようペルチェ素子9を温度調節する共振器温度調節器17と、ビームスプリッター7、フォトダイオード8、ブルーレーザ光モニタライン12及びLDドライバ16からなりSHG波を一定に保持するためのAPC(Auto Power Control)機構19から構成されている。
【0012】
前記共振器18内の固体レーザ媒質4にはNd:YAG結晶、SHG素子5にはKNbO3の非線形結晶を用い、固体レーザ媒質4の励起光入射端面4a及び出力ミラー6の凹面には946nmの基本波並びにそのSHG波に対して高い反射率をもつ誘電体多層膜がコーティングされている。
【0013】
この固体レーザ装置では、半導体レーザ1から発生した励起光がレンズ2によって平行光線とされた後、レンズ3によって収束され、固体レーザ媒質4を励起する。この固体レーザ媒質4は、その励起光入射端面4aと出力ミラー6からなる共振器18に配置されており、レーザ発振を起こす。このとき、同様に共振器内に配置されたSHG素子5中において第2高調波が発生し、Nd:YAG946nmレーザ光の第2高調波である473nmのブルーレーザ光を発生させる。これにより波長変換が行われ、短波長化したレーザ光が出力ミラー6を通過して外部へ出力される。
なお、固体レーザ媒質4からは1.06μmや1.3μmなどのその他の誘導放出光も放出されるが、出力ミラー6や励起光入射端面での反射率が低いためそれらを通過して共振器18外に放出され、946nmの基本波と第2高調波のみが共振器18内に閉じ込められレーザ発振が行われて大きなパワー光に増幅される。
【0014】
そして、前記APC機構19により、このブルーレーザ光の一部がビームスプリッター7によって実際のブルーレーザ光とモニタ用レーザ光に分離され、モニタ用レーザ光がフォトダイオード8に導かれてその強度が検出される。この検出された強度信号は、半導体レーザ1の励起光強度を調節するための駆動電流を出力するLDドライバ16にフィードバックされ、ブルーレーザ光強度が一定値になるようにLDドライバからの駆動電流が制御される。
【0015】
前記SHG素子5に用いられている非線形結晶KNbO3は効率よく波長変換を行うが、その温度許容幅が狭く、安定した波長変換動作を行うためには動作時の温度制御を正確に行う必要がある。
【0016】
本発明においては、サーミスタ10付近の制御温度を環境温度に対応して変化させることを特徴としている。図2は環境温度に対応して温度設定値を変えるようにした共振器温度調節器の実施例の構成を示したものである。この温度調節器17は、抵抗R1、R2と、共振器18の外部にあってその周辺の環境温度を測定するサーミスタ17e及び制御温度検出用サーミスタ10を4辺とするブリッジ回路17aと、このブリッジ回路17aの偏差電圧を入力とし、ペルチェ素子9に制御信号を出力する調節部17bから構成されている。
【0017】
前記サーミスタ17eには可変抵抗(Vr)17cが並列に接続されており、この合成抵抗と制御温度検出用サーミスタ10の抵抗値が等しくなるよう調節部17bが働きブリッジ回路17aがバランスする。例えば、R1=R2で可変抵抗17cの抵抗値がサーミスタ17eの1/9であるとすると、サーミスタ10の抵抗値はサーミスタ17eの抵抗値の1/10となる。すなわちサーミスタ17eとサーミスタ10の抵抗比率は10:1となるが、この比率は可変抵抗17cの抵抗値を調節することにより変えることができる。このサーミスタ17eの抵抗値は環境温度により、またサーミスタ10の抵抗値は制御温度により変わるものであるから、可変抵抗17cの抵抗値を調節することにより、環境温度の変化に対する制御温度を図7に示すように変えることができる。
【0018】
先に図6で示したように、制御温度を25℃で制御した場合、結晶Bの温度は、環境温度が25℃以下の場合は25℃以上となり、環境温度が25℃以上の場合は25℃以下となり、その温度差は環境温度と制御温度(サーミスタ10の温度)の差に比例する。
図7に示されるように制御温度は環境温度が25℃以下の場合は25℃以下となり、環境温度が25℃以上の場合は25℃以上となるため、図6で示された結晶温度の25℃からのずれを補償することになり、結晶Bの実温度はほぼ25℃に保たれる。
【0019】
また図2のブリッジ回路17aにおいて、抵抗R1とサーミスタ10を入れ換えることによって、環境温度の変化に対する制御温度を図8のように変化させることができ、その結果、図6に示された結晶Aの25℃からのずれは図8の制御温度によって補償することができ、結晶Aの実温度をほぼ25℃に保つことができる。
【0020】
図3は環境温度に対応して温度設定値を変えるようにした共振器温度調節器の他の実施例の構成を示したものである。この温度調節器17は、半導体レーザ1の温度制御に用いられるペルチェ素子の駆動電流が図9に示すように環境温度に比例することを利用するもので、そのペルチェ素子の駆動電流に比例した設定電圧を得るための可変抵抗17cと、定電流源17dからの電流を流すことにより制御温度に比例したフィードバック電圧を発生するためのサーミスタ10と、前記設定電圧とフィードバック電圧を差動的に結合し得られた偏差電圧を入力とし、温度制御素子9に制御信号を出力する調節部17bから構成されている。
【0021】
前記可変抵抗17cを変えることにより、その両端の電圧、すなわち制御温度設定電圧が変わるため、環境温度に対応して変化するペルチェ素子駆動電流に対し、一定の比率で制御温度を変えることができる。この方法によれば、図2に示したような環境温度測定用のサーミスタ17eを使用する必要がなく、また、サーミスタ取り付け場所がない場合に有効で、簡単な構成で温度調節系を構成することができる。
以上のように、サーミスタと結晶の位置関係に応じて、環境温度変化に対して一定の比率で制御温度を変化させることにより、結晶の実温度を一定に保つことが可能となり、広い動作温度範囲において安定したレーザ出力を得ることができる。
【0022】
一方、半導体レーザ1についてもLDドライバ16と温度制御用入出力ライン14により温度制御されているが、制御温度検出用サーミスタを半導体レーザのチップに取り付けるのが困難であるため、ステム等に配置して間接的に温度制御を行う方法が採られている。そのため、制御温度と環境温度とに差があると、サーミスタ取り付け位置と半導体中心位置間に温度差が生じる。このような場合においても、サーミスタ付近の制御温度を環境温度に対応して変化させることは有効な対策である。例えば、共振器温度制御は環境温度測定用サーミスタ17eを用いる図2の方法で用い、半導体レーザ1の温度制御はペルチェ素子9の駆動電流に比例した電流を図3のペルチェ素子駆動電流に比例した電流に用いることにより、共振器18及び半導体レーザ1への環境温度の影響を無くすことができる。
【0023】
なお、温度制御素子や温度検出器は上記実施側に限定されるものではなく、例えば、温度制御素子としてセラミックヒータ、温度検出器として感温抵抗体などが使用できる。
【0024】
【発明の効果】
本発明の固体レーザ装置は上記のように構成されており、共振器及び半導体レーザの制御温度を環境温度に対応して変化させることにより、環境温度によって共振器及び半導体レーザ内の結晶の温度が変動することが防止でき、広い温度範囲で安定したレーザ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体レーザ励起方式固体レーザ装置の構成図である。
【図2】環境温度に対応して温度設定値を変えるようにした共振器温度調節機構の実施例を示す概略構成図である。
【図3】環境温度に対応して温度設定値を変えるようにした共振器温度調節機構の他の実施例を示す概略構成図である。
【図4】共振器の温度調節用構成部品と結晶の配置位置の関係を示す部品配置図である。
【図5】温度制御の設定値に対し環境温度が低い場合と高い場合の結晶の配置と温度の関係を示す温度変化図である。
【図6】温度制御の設定値を一定とし、環境温度を時間的に変化させた時の結晶温度変化図である。
【図7】環境温度に対して制御温度を変化させた場合の結晶Bの温度変化図である。
【図8】環境温度に対して制御温度を変化させた場合の結晶Aの温度変化図である。
【図9】環境温度vsペルチェ素子駆動電流特性図である。
【図10】従来の半導体レーザ励起方式固体レーザ装置の構成図である。
【符号の説明】
1・・・半導体レーザ(LD)
2、3・・・レンズ
4・・・固体レーザ媒質
4a・・・励起光入射端面
5・・・SHG素子
6・・・出力ミラー
7・・・ビームスプリッター
8・・・フォトダイオード
9・・・ペルチェ素子
10、17e・・・サーミスタ
11、22・・・金属板
12・・・ブルーレーザ光モニタライン
13・・・LD駆動電流ライン
14、15・・・温度制御用入出力ライン
16・・・LDドライバ
17・・・共振器温度調節器
17a・・・ブリッジ回路
17b・・・調節部
17c・・・可変抵抗
17d・・・定電流源
18・・・共振器
19・・・APC機構
20・・・結晶A
21・・・結晶B
23・・・温度制御素子
24・・・温度検出器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state laser device used in various fields such as various measuring instruments, laser printers, medical equipment, and optical modeling.
[0002]
[Prior art]
A solid-state laser device condenses and irradiates a solid-state laser medium (for example, a YAG crystal) placed in an optical resonator with a laser beam output from an excitation source such as a semiconductor laser, thereby exciting the solid-state laser medium. By doing so, a laser oscillation is caused in an optical resonator (hereinafter referred to as a resonator), and a SHG (Second Harmonic Generation) element of a nonlinear optical crystal is arranged in the resonator to generate a second harmonic. Solid state laser.
[0003]
As shown in FIG. 10, the conventional solid-state laser device includes a semiconductor laser (LD) 1 for outputting excitation light, lenses 2 and 3 forming an excitation light coupling system for condensing the excitation light, and a solid state. A resonator 18 that generates a fundamental wave and a second harmonic laser beam composed of the laser medium 4, the SHG element 5, and the output mirror 6, and a temperature detector 24 through the resonator 18 via the temperature control input / output line 15. The SHG wave is made up of a resonator temperature adjuster 17 for controlling the temperature of the temperature control element 23 so that the detected temperature coincides with a set value, a beam splitter 7, a photodiode 8, a blue laser light monitor line 12, and an LD driver 16. The APC (Auto Power Control) mechanism 19 to be described later is held.
[0004]
In such a semiconductor laser excitation type solid-state laser device, it is difficult to dispose a temperature detector 24 such as a thermistor on the optical axis of the SHG element 5, and it is usually relatively distant as shown in FIG. Installed. The temperature control of the resonator 18 generally employs a method of keeping the control temperature constant at the installation point of the temperature detector 24 as a reference. This method is also used for the pumping semiconductor laser 1.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional solid-state laser device is configured as described above, but the SHG element has a narrower temperature tolerance than a solid-state laser medium having a large temperature tolerance, and the control temperature at the installation point of the resonator temperature detector is constant. However, there is a problem that a temperature gradient is generated in the resonator due to the environmental temperature, and a crystal such as an SHG element is affected by the environmental temperature. The arrangement relationship between the SHG element (crystal) 5 and the temperature control element 23 and the temperature detector 24 shown in FIG. 10 shows an example, but generally, as shown in FIG. It is installed at a position indicated by crystal A or crystal B. In FIG. 4, the center position of the temperature detector 24 is set at a distance m from the center positions of the crystal B21 and the temperature control element 23, and the center positions of the crystals A20 and B21 are set apart by a distance n.
[0006]
In FIG. 4, since the temperature adjustment is performed based on the temperature measured by the temperature detector 24, the temperature in the vicinity of the temperature detector 24 is constant without being affected by changes in the environmental temperature. When the temperature in the vicinity of the temperature detector 24 is controlled at 25 ° C. and the environmental temperature is 5 ° C., for example, the metal plate 22 in the figure has a temperature control element 23 as shown in FIG. A temperature gradient is generated in which the temperature decreases as the distance from the center increases. Therefore, in order to control the vicinity of the temperature detector 24 so that the temperature is 25 ° C., which is the same as the set temperature, it is necessary to heat the temperature control element 23 to a set temperature or higher. As a result, as shown in FIG. 5A, the crystal B reaches a temperature Th higher than the set temperature, and the crystal A has a low temperature Tl. Further, when the environmental temperature becomes 45 ° C., for example, a reverse temperature gradient occurs, and the crystal A reaches a temperature Th higher than the set temperature as shown in FIG. Such temperatures Th and Tl are determined by the control temperature, the environmental temperature, and the installation position.
[0007]
FIG. 6 shows the temperature change of crystal A and crystal B when the control temperature, that is, the temperature in the vicinity of the temperature detector 24 (FIG. 4) is constant at 25 ° C. and the environmental temperature changes with time. As shown in the figure, as the difference between the environmental temperature and the control temperature (25 ° C.) increases, the difference between the actual temperature of the crystals A and B and the control temperature (25 ° C.) increases.
The temperature change of the crystal in such a solid-state laser device causes a difference between the actual temperature of the crystal and the phase matching temperature, and there is a problem that the oscillation state becomes unstable and the performance is deteriorated.
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state laser device capable of obtaining a stable output with respect to a change in environmental temperature.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention includes a semiconductor laser, is excited by the output light from the semiconductor laser, a solid-state laser medium you stimulated emission the fundamental, to generate a second harmonic wave of the fundamental wave and a non-linear optical crystal, the houses a nonlinear optical crystal, and the solid-state laser medium, the second harmonic optical resonator and an output mirror for outputting to the outside, the second harmonic output to the external APC mechanism for controlling the drive current of the semiconductor laser to be constant, a metal plate holding the optical resonator and the nonlinear optical crystal, a Peltier element and a temperature measuring element disposed on the metal plate, Environmental temperature measuring means for measuring the environmental temperature, and the metal plate has a temperature detected by the temperature measuring element arranged on the metal plate so that the temperature is proportional to the temperature detected by the environmental temperature measuring means. Arranged By controlling the Peltier element, characterized by further comprising a temperature control means to maintain the actual temperature of the nonlinear optical crystal constant. In addition, a stem for holding the semiconductor laser, and a Peltier element and a temperature measuring element disposed on the stem, the temperature detected by the temperature measuring element disposed on the stem is detected by the environmental temperature measuring means. It further has a temperature control means for controlling the Peltier element arranged in the stem so as to be a temperature proportional to the temperature so as to keep the actual temperature of the semiconductor laser constant. Further, the environmental temperature measuring means measures the environmental temperature by detecting a driving current of the Peltier element.
[0010]
The solid-state laser device of the present invention is configured as described above, and the temperature of the crystal A or B is made constant by changing the control temperature as shown by the dotted line in FIG. Thus, a solid-state laser device which is not affected by the environmental temperature with respect to the crystal arrangement position can be obtained.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of a solid-state laser device of the semiconductor laser excitation system of the present invention will be described with reference to FIG. This apparatus includes a semiconductor laser (LD) 1 for outputting pumping light, lenses 2 and 3 forming a pumping light coupling system for collecting pumping light, a solid-state laser medium 4, an SHG element 5, and an output. A resonator 18 that generates a fundamental wave and a second harmonic laser beam composed of a mirror 6, and this resonator 18 is connected to a thermistor 17 e that measures a detection temperature and an environmental temperature of the thermistor 10 via a temperature control input / output line 15. A resonator temperature controller 17 that adjusts the temperature of the Peltier element 9 so that the proportional set temperatures coincide with each other, a beam splitter 7, a photodiode 8, a blue laser light monitor line 12, and an LD driver 16, and keeps the SHG wave constant. The APC (Auto Power Control) mechanism 19 is provided.
[0012]
An Nd: YAG crystal is used for the solid-state laser medium 4 in the resonator 18, a nonlinear crystal of KNbO 3 is used for the SHG element 5, and a basic surface of 946 nm is formed on the excitation light incident end face 4 a of the solid-state laser medium 4 and the concave surface of the output mirror 6. A dielectric multilayer film having high reflectivity with respect to the wave and the SHG wave is coated.
[0013]
In this solid-state laser device, the excitation light generated from the semiconductor laser 1 is collimated by the lens 2 and then converged by the lens 3 to excite the solid-state laser medium 4. The solid-state laser medium 4 is disposed in a resonator 18 including the excitation light incident end face 4a and the output mirror 6 and causes laser oscillation. At this time, a second harmonic is similarly generated in the SHG element 5 disposed in the resonator, and a 473 nm blue laser beam, which is a second harmonic of the Nd: YAG946 nm laser beam, is generated. As a result, wavelength conversion is performed, and the laser beam having a shorter wavelength passes through the output mirror 6 and is output to the outside.
Note that other stimulated emission light such as 1.06 μm and 1.3 μm is also emitted from the solid-state laser medium 4, but the reflectivity at the output mirror 6 and the excitation light incident end face is low, so that the resonator passes through these. Only the fundamental wave of 946 nm and the second harmonic are confined in the resonator 18 and laser oscillation is performed and amplified to a large power light.
[0014]
The APC mechanism 19 separates a part of the blue laser light into the actual blue laser light and the monitor laser light by the beam splitter 7, and the monitor laser light is guided to the photodiode 8 to detect its intensity. Is done. The detected intensity signal is fed back to the LD driver 16 that outputs a drive current for adjusting the excitation light intensity of the semiconductor laser 1, and the drive current from the LD driver is adjusted so that the blue laser light intensity becomes a constant value. Be controlled.
[0015]
The nonlinear crystal KNbO3 used in the SHG element 5 performs wavelength conversion efficiently, but its temperature tolerance is narrow, and in order to perform stable wavelength conversion operation, it is necessary to accurately control the temperature during operation. .
[0016]
The present invention is characterized in that the control temperature in the vicinity of the thermistor 10 is changed in accordance with the environmental temperature. FIG. 2 shows the configuration of an embodiment of the resonator temperature controller in which the temperature set value is changed in accordance with the environmental temperature. The temperature regulator 17 includes resistors R1 and R2, a bridge circuit 17a having four sides of a thermistor 17e that measures the ambient temperature outside the resonator 18 and the surrounding temperature of the control temperature detection thermistor 10, and the bridge. The controller 17 includes an adjusting unit 17 b that receives the deviation voltage of the circuit 17 a and outputs a control signal to the Peltier element 9.
[0017]
A variable resistor (Vr) 17c is connected in parallel to the thermistor 17e, and the adjusting portion 17b works so that the combined resistance and the resistance value of the control temperature detecting thermistor 10 are equal to balance the bridge circuit 17a. For example, assuming that R1 = R2 and the resistance value of the variable resistor 17c is 1/9 that of the thermistor 17e, the resistance value of the thermistor 10 is 1/10 of the resistance value of the thermistor 17e. That is, the resistance ratio of the thermistor 17e and the thermistor 10 is 10: 1, but this ratio can be changed by adjusting the resistance value of the variable resistor 17c. Since the resistance value of the thermistor 17e changes depending on the environmental temperature and the resistance value of the thermistor 10 changes depending on the control temperature, the control temperature corresponding to the change of the environmental temperature is adjusted as shown in FIG. 7 by adjusting the resistance value of the variable resistor 17c. Can be changed as shown.
[0018]
As previously shown in FIG. 6, when the control temperature is controlled at 25 ° C., the temperature of the crystal B is 25 ° C. or higher when the environmental temperature is 25 ° C. or lower, and 25 when the environmental temperature is 25 ° C. or higher. The temperature difference is proportional to the difference between the environmental temperature and the control temperature (the temperature of the thermistor 10).
As shown in FIG. 7, the control temperature is 25 ° C. or lower when the environmental temperature is 25 ° C. or lower, and 25 ° C. or higher when the environmental temperature is 25 ° C. or higher. The deviation from 0 ° C. is compensated, and the actual temperature of the crystal B is kept at about 25 ° C.
[0019]
Further, in the bridge circuit 17a of FIG. 2, the control temperature with respect to the change of the environmental temperature can be changed as shown in FIG. 8 by switching the resistor R1 and the thermistor 10, and as a result, the crystal A shown in FIG. The deviation from 25 ° C. can be compensated by the control temperature of FIG. 8, and the actual temperature of the crystal A can be maintained at about 25 ° C.
[0020]
FIG. 3 shows a configuration of another embodiment of the resonator temperature controller in which the temperature set value is changed in accordance with the environmental temperature. This temperature controller 17 utilizes the fact that the drive current of the Peltier element used for temperature control of the semiconductor laser 1 is proportional to the environmental temperature as shown in FIG. 9, and is set in proportion to the drive current of the Peltier element. A variable resistor 17c for obtaining a voltage, a thermistor 10 for generating a feedback voltage proportional to the control temperature by flowing a current from a constant current source 17d, and the set voltage and the feedback voltage are differentially coupled. The adjustment unit 17b is configured to input the obtained deviation voltage and output a control signal to the temperature control element 9.
[0021]
By changing the variable resistor 17c, the voltage at both ends thereof, that is, the control temperature setting voltage changes, so that the control temperature can be changed at a constant ratio with respect to the Peltier element driving current that changes in accordance with the environmental temperature. According to this method, it is not necessary to use the thermistor 17e for environmental temperature measurement as shown in FIG. 2, and it is effective when there is no place for the thermistor, and the temperature control system is configured with a simple configuration. Can do.
As described above, the actual temperature of the crystal can be kept constant by changing the control temperature at a constant ratio with respect to the environmental temperature change according to the positional relationship between the thermistor and the crystal, and a wide operating temperature range. A stable laser output can be obtained.
[0022]
On the other hand, the temperature of the semiconductor laser 1 is also controlled by the LD driver 16 and the temperature control input / output line 14, but it is difficult to attach the control temperature detection thermistor to the chip of the semiconductor laser. Indirect temperature control is used. Therefore, if there is a difference between the control temperature and the environmental temperature, a temperature difference occurs between the thermistor mounting position and the semiconductor center position. Even in such a case, changing the control temperature in the vicinity of the thermistor according to the environmental temperature is an effective measure. For example, the resonator temperature control is used in the method of FIG. 2 using the ambient temperature measurement thermistor 17e, and the temperature control of the semiconductor laser 1 is proportional to the drive current of the Peltier element 9 in proportion to the Peltier element drive current of FIG. By using the current, the influence of the environmental temperature on the resonator 18 and the semiconductor laser 1 can be eliminated.
[0023]
In addition, a temperature control element and a temperature detector are not limited to the said implementation side, For example, a ceramic heater can be used as a temperature control element, a temperature sensitive resistor etc. can be used as a temperature detector.
[0024]
【The invention's effect】
The solid-state laser device of the present invention is configured as described above, and by changing the control temperature of the resonator and the semiconductor laser in accordance with the environmental temperature, the temperature of the crystal in the resonator and the semiconductor laser is changed according to the environmental temperature. The fluctuation can be prevented, and a stable laser output can be obtained in a wide temperature range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor laser excitation type solid-state laser device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a resonator temperature adjustment mechanism in which a temperature set value is changed according to an environmental temperature.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing another embodiment of the resonator temperature adjusting mechanism in which the temperature set value is changed in accordance with the environmental temperature.
FIG. 4 is a component arrangement diagram showing the relationship between the temperature adjusting component of the resonator and the crystal arrangement position.
FIG. 5 is a temperature change diagram showing the relationship between the crystal arrangement and the temperature when the environmental temperature is low and high with respect to the set value of the temperature control.
FIG. 6 is a crystal temperature change diagram when the set temperature control value is constant and the environmental temperature is changed with time.
FIG. 7 is a temperature change diagram of crystal B when the control temperature is changed with respect to the environmental temperature.
FIG. 8 is a temperature change diagram of crystal A when the control temperature is changed with respect to the environmental temperature.
FIG. 9 is an environment temperature vs. Peltier device drive current characteristic diagram.
FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional semiconductor laser excitation type solid-state laser device.
[Explanation of symbols]
1. Semiconductor laser (LD)
2, 3 ... Lens 4 ... Solid laser medium 4a ... Excitation light incident end face 5 ... SHG element 6 ... Output mirror 7 ... Beam splitter 8 ... Photo diode 9 ... Peltier elements 10, 17e ... thermistors 11, 22 ... metal plate 12 ... blue laser light monitor line 13 ... LD drive current lines 14, 15 ... temperature control input / output line 16 ... LD driver 17... Resonator temperature controller 17a... Bridge circuit 17b... Adjustment unit 17c... Variable resistor 17d... Constant current source 18. ..Crystal A
21 ... Crystal B
23 ... Temperature control element 24 ... Temperature detector

Claims (2)

半導体レーザと、
当該半導体レーザからの出力光により励起され、基本波を誘導放出する固体レーザ媒質と、
前記基本波の第2高調波を発生させる非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶を収容し、前記固体レーザ媒質と、前記第2高調波を外部へ出力する出力ミラーとを含む光共振器と、
前記外部に出力された第2高調波が一定になるように、前記半導体レーザの駆動電流を制御するAPC機構と、
前記光共振器及び非線形光学結晶を保持する金属板と、
前記金属板に配置された、ペルチェ素子及び測温素子と、
環境温度を測定する環境温度測定手段とを有し、
前記金属板に配置された測温素子による検出温度が、前記環境温度測定手段による検出温度に比例した温度になるように、前記金属板に配置されたペルチェ素子を制御することにより、前記非線形光学結晶の実温度を一定に保つ温度制御手段を更に有することを特徴とする固体レーザ装置。
A semiconductor laser;
A solid-state laser medium that is excited by output light from the semiconductor laser and stimulates and emits a fundamental wave;
A nonlinear optical crystal that generates a second harmonic of the fundamental wave;
An optical resonator containing the nonlinear optical crystal and including the solid-state laser medium and an output mirror that outputs the second harmonic to the outside;
An APC mechanism for controlling the drive current of the semiconductor laser so that the second harmonic output to the outside is constant;
A metal plate holding the optical resonator and the nonlinear optical crystal;
A Peltier element and a temperature measuring element disposed on the metal plate;
Environmental temperature measuring means for measuring the environmental temperature,
By controlling the Peltier element arranged on the metal plate so that the temperature detected by the temperature measuring element arranged on the metal plate becomes a temperature proportional to the temperature detected by the environmental temperature measuring means, the nonlinear optical A solid-state laser device further comprising temperature control means for keeping the actual temperature of the crystal constant.
前記半導体レーザを保持するステムと、
前記ステムに配置された、ペルチェ素子及び測温素子とを有し、
前記ステムに配置された測温素子による検出温度が、前記環境温度測定手段による検出温度に比例した温度になるように、前記ステムに配置されたペルチェ素子を制御することにより、前記半導体レーザの実温度を一定に保つ温度制御手段を更に有することを特徴とする請求項1記載の固体レーザ装置。
A stem for holding the semiconductor laser;
Having a Peltier element and a temperature measuring element disposed on the stem;
By controlling the Peltier element arranged in the stem so that the temperature detected by the temperature measuring element arranged in the stem becomes a temperature proportional to the temperature detected by the environmental temperature measuring means, 2. The solid state laser device according to claim 1, further comprising temperature control means for keeping the temperature constant.
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