JP4178188B2 - 固体レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光を入射して固体レーザ結晶を励起し、その発生光を光共振器によって共振させてレーザ発振させ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、たとえば励起光源として半導体レーザを用い、これからのレーザ光を、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧ結晶などの固体レーザ結晶に入射してこれを励起し、その発生光を、出力側ミラーと、その結晶の入射面ミラーとの間で形成される光共振器で共振させてレーザ発振を生じさせ、そのレーザ光を出力側ミラーより取り出すという構成をとる。そして、波長選択のために光共振器内にエタロンが挿入される。
【０００３】
この光共振器の長さは、安定なレーザ光を得るためにきわめて重要であり、４０ｎｍ以下の変動幅に抑えることが望まれる。そのため、固体レーザ結晶と出力側ミラーとを金属ブロックなどに固定し、寸法精度を高めるようにしている。また、金属ブロックが熱膨張するためその影響を抑えるよう、温度が一定になるようコントロールしている。また、レーザダイオードの発振波長やエタロンの選択波長特性も、わずかであるが、温度でコントロール可能であるため、それらの温度も制御するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体レーザ装置では、種々の温度コントロールにもかかわらず、長期間での安定性という点では問題があった。まず、実際の温度を検知するために用いられるサーミスタなどの温度センサ自体も特性が経年変化することを免れない。その結果、保持すべき温度の絶対値が、長い間には、ずれてくることになる。さらに、かりに熱電対などの特性変化の少ない温度センサを用いてそのような温度の絶対値の変動を防いだとしても、機構的な位置精度が経年変化するため、光共振器長を一定に保てない。長期間では、金属ブロックの歪の緩和が進みその影響が無視できないほどになったり、あるいは固体レーザ結晶や出力側ミラーを固定するための接着剤の経年変化が避けられないからである。これらにより、固体レーザ装置としての特性の長期安定性が保たれない。
【０００５】
この発明は、上記に鑑み、機構的な寸法や温度センサなどの経年変化にもかかわらず、特性を長期的に安定化することができるよう改善した、固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明による固体レーザ装置においては、レーザ光を発生する半導体レーザと、該半導体レーザに駆動電流を供給する駆動回路と、上記半導体レーザからのレーザ光によって励起される、入射面に反射面が形成された固体レーザ結晶と、該レーザ結晶の反射面との間で光共振器を形成する反射面を持つ出力側ミラーと、上記固体レーザ結晶および出力側ミラーが固定されるブロックと、該光共振器内に挿入される波長選択用エタロンと、上記出力側ミラーから外部に出力されるレーザ光の分岐光が入力されるモニター用光検出器と、モニター用光検出器の出力を上記駆動回路へフィードバックすることにより所定出力のレーザ光が外部に出力されるように制御するフィードバック制御回路と、上記ブロックの温度を検出する温度センサを備えそのブロックの温度が設定温度となるように制御するブロック用温度制御装置と、上記半導体レーザの温度を検出する温度センサを備えその半導体レーザの温度が設定温度となるように制御する半導体レーザ用温度制御装置と、上記エタロンの温度を検出する温度センサを備えそのエタロンの温度が設定温度となるように制御するエタロン用温度制御装置と、上記の各温度制御装置を制御してブロック、半導体レーザおよびエタロンの温度を各別に変化させたときの上記半導体レーザ駆動電流を読み取り、最も駆動電流が少なくなる温度を各別に求めて、それらをブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各設定温度として設定する温度チューニング用制御装置とを備え、前記温度チューニング用制御装置は、前記フィードバック制御回路が作動している状態で動作することが特徴となっている。
【０００７】
温度チューニング用制御装置によって、ブロック用、半導体レーザ用およびエタロン用の、各温度制御装置が制御され、それらの温度が変化させられ、そのときの半導体レーザ駆動電流が読み取られる。固体レーザ装置から出力されるレーザのモニター出力によって半導体レーザの駆動電流がフィードバック制御されており、その駆動電流は固体レーザ装置としての出力が所定値となるように変化させられている。そしてブロック、半導体レーザおよびエタロンの各温度について、最小の駆動電流を示すそれぞれの温度が、各々の温度制御装置に設定温度として設定される。上記のフィードバック制御のため、ブロック、半導体レーザおよびエタロンの各温度について、最小の駆動電流を示すそれぞれの温度は、ブロック上に形成された光共振器長が所定値となる最適温度、半導体レーザの発振波長が所定のものとなる最適温度、エタロンの選択波長特性が所定のものとなる最適温度である。そのため、上記のように各設定温度を設定することは、ブロック、半導体レーザおよびエタロンの各温度を検出する温度センサの経年変化を補償し、その影響を除去することになる。その結果、温度センサの経年変化にもかかわらず、効率の良いレーザ発振を安定に行うことができる。
【０００８】
温度チューニング用制御装置が電源投入時に自動起動するよう構成されているなら、ブロック用、半導体レーザ用およびエタロン用の、各温度制御装置の設定温度が電源投入時に再設定されるので、温度センサが経年変化を起こしたとしても、つねに安定したレーザ発振を効率良く行うことができる。
【０００９】
また、温度チューニング用制御装置が所定の期間ごとに自動起動するよう構成されているなら、温度センサが経年変化を起こすであろう予想期間ごとに、ブロック用、半導体レーザ用およびエタロン用の、各温度制御装置の設定温度が再設定されるので、つねに安定したレーザ発振を効率良く行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１はこの発明の実施形態にかかる固体レーザ装置を模式的に示すものである。この図１において、固体レーザ結晶１１と、出力側ミラー１２とにより光共振器１０が形成される。固体レーザ結晶１１は、たとえばＮｄ：ＹＡＧ結晶などからなり、レーザ光の入射により励起されるようになっている。その入射面には反射コート１３が施されて反射面となっている。励起レーザ光源としてはたとえばレーザダイオード（ＬＤ）１５が用いられ、そのレーザ光が光学系１６を経て固体レーザ結晶１１に入射するようになっている。出力側ミラー１２は、光学ガラスなどからなり、その表面は凹面に研磨され、反射コート１４が形成されている。
【００１１】
固体レーザ結晶１１は、励起光の入射によって励起され、発生した光が出力側ミラー１２（の反射コート１４）と自身の反射コート（ミラー）１３との間で反射を繰り返して共振することによって増幅されて光強度が強まりレーザ発振する。基本波に対してのみ波長選択特性を有するエタロン１７がこの光共振器１０内に挿入されており、特定波長の基本波のみを透過させることによってマルチモード光からシングルモード光への変換を行う。
【００１２】
さらにこの例では、光共振器１０内に波長変換用結晶１８が挿入されている。光共振器１０内で増幅される基本波の光（赤外光）は、波長変換用結晶１８により波長変換されて、可視光（グリーンまたはブルーの光）となる。出力側ミラー１２の反射コート１４は基本波（赤外光）については全反射し、波長変換した可視光（グリーン、ブルー）に対しては透過するような波長特性を有しており、この反射コート１４を透過して波長変換後の光が出射することになる。
【００１３】
その出射するレーザビームの一部がビームスプリッタ２１により分岐される。分岐されたレーザビームはＰＤ（フォトダイオード）２２に入射する。このＰＤ２２は、出射レーザビームのモニター用である。
【００１４】
これらレーザ結晶１１、出力側ミラー１２、エタロン１７、波長変換用結晶１８、ビームスプリッタ２１、ＰＤ２２などは、この例では、一つの一体型ブロック３１上に形成される。このブロック３1は、熱膨張係数の小さい金属などから形成されており、温度コントロール用ペルチェ素子３２上に配置されて冷却または加熱される。また、レーザダイオード１５もペルチェ素子３３上に配置されてその温度が制御される（冷却または加熱される）。そして、これらは一つの筐体３４中に収められる。この筐体３４には、図では省略しているが、レーザビームを筐体３４外部に出射させるための出射口が設けられる。
【００１５】
ＰＤ２２からの出力はＬＤ１５にフィードバックされ、ビームスプリッタ２１を介して出力されるレーザ光の安定化がなされる。図２に示すように、ＰＤ２２の出力はフィードバック制御回路４１を経てＬＤ駆動回路４２に送られ、ＬＤ１５の駆動電流としてフィードバックされる。フィードバック制御回路４１において、ＰＤ２２出力の所定の設定値との比較がなされ、その偏差がなくなるような駆動電流がＬＤ１５に与えられる。
【００１６】
他方、固体レーザ結晶１１および出力側ミラー１２が固定されたブロック３１の温度がサーミスタ２５により検出され、その温度が設定温度となるように温度制御回路４４がペルチェ素子３２を制御している。このサーミスタ２５は波長変換用結晶１８の近傍に設けられているので、波長変換用結晶１８の温度の検出とその温度のコントロールもなされていることになる。また、ＬＤ１５についても同様にサーミスタ２４により温度が検出され、その検出出力が温度制御回路４３に送られ、ＬＤ１５の温度が設定温度となるようにペルチェ素子３３の制御が行われる。
【００１７】
さらに、エタロン１７は、ヒータ２３によって加熱され、所定の設定温度となるようにされている。このエタロン１７の温度がサーミスタ２６によって検出され、その検出出力が温度制御回路４５に送られる。これにより、温度制御回路４５が、エタロン１７の温度が設定値に保たれるようヒータ２３をコントロールする。
【００１８】
このようにして、ブロック３１の温度が設定値に保たれ、その結果固体レーザ結晶１１と出力側ミラー１２との間の光共振器１０の長さが所定の精度で一定に保たれて安定したレーザ出力が得られるようになっているのであるが、長い使用の間、サーミスタ２５の特性が経年変化することは避けられないので、ブロック３１の実際の温度が設定値からずれてくることは不可避である。これに加えて、ブロック３１自体の機構的寸法も経年変化してきたり、レーザ結晶１１や出力側ミラー１２を固定する接着剤も変化し、かりに温度を設定値に保ったとしても、共振器長の経年変化は避けられない。これらによりレーザ出力は不安定なものとなってしまう。
【００１９】
ところで、外部に出力されるレーザ光の一部はＰＤ２２に導かれてモニターされており、このモニター出力に応じたＬＤ１５のフィードバック制御が行われていることは先に述べた。上記のようにサーミスタ２５の特性の経年変化やブロック３１の寸法的な経年変化により共振器長が所望値からずれてくると、結果的に、外部に出力されるレーザ出力が減少する。この出力減少を補償するため、上記のフィードバック制御によりＬＤ１５の出力が大きくなるようにＬＤ１５の駆動電流が増大させられる。このような共振器長のずれを補償する動作がなされる。
【００２０】
ＬＤ１５の駆動電流を、ブロック３１の温度との関連で調べてみると図３のようになる。共振器長が設計通りの長さに正確に一致しているなら、このときが固体レーザ装置としての出力効率が最も高くなる。すなわち、このときがＬＤ１５の駆動電流が最も少なくてよいときとなる。逆にいうと、ＬＤ１５の駆動電流が最も少ない場合が、共振器長が設計通りの長さとなる最適な温度ということになる。したがって、ブロック３１の温度として測定される温度は、精度の高い温度計を用いて正確に求めなくてもよく、不正確なサーミスタ２５の出力に基づく相対的なものでもよい。
【００２１】
この原理に基づき、温度チューニングを行う。ＬＤ１５に与える駆動電流に関する情報をＣＰＵ４６（図２）に取り込むようにした上で、ＣＰＵ４６の制御の下、温度制御回路４４がペルチェ素子３２を制御してブロック３１の温度を順次変化させていく。これにより、図３に示すような温度（サーミスタ２５で検出されたもの）とＬＤ１５の駆動電流との関係を示すグラフが得られる。そこで、最も電流の少ない温度が最適な温度であるから、その温度を設定温度として更新する。このように設定温度の更新を行うなら、サーミスタ２５の出力がどのような温度を指示しているかに関係ないのであるから、サーミスタ２５の経年変化を補償したことになり、同時にブロック３１の機構的・寸法的な経年変化をも補償したことになる。さらに、波長変換用結晶１８の温度のコントロールがなされていることも、ブロック３１の機構的・寸法的な経年変化の補償に役立っている。波長変換用結晶１８の屈折率は温度依存性があり、そのことは温度によって屈折率を変化させ、等価的な光路長を変化させることができることを意味するからである。ブロック３１の機構的・寸法的な経年変化による共振器長の変化を、波長変換用結晶１８内の光路長変化によって補償することができるからである。
【００２２】
ＬＤ１５の温度についても同様にチューニングを行う。ＣＰＵ４６により温度制御回路４３を制御し、ペルチェ素子３３によって冷却されるＬＤ１５の温度を変化させる。このときの各温度（サーミスタ２４によって検出したもの）でのＬＤ１５の駆動電流を駆動回路４２からＣＰＵ４６に取り込むと、ＬＤ１５の温度に対する駆動電流の関係がＣＰＵ４６において求められることになる。ＬＤ１５の発振波長は温度によって変化し、所定の発振波長となるような温度となったとき、固体レーザ装置として外部に出力するレーザ出力は最大となる。すなわち、このＬＤ１５の温度と駆動電流との関係も、図３のようなものとなり、駆動電流が最も小さい温度が最適温度となる。こうしてＣＰＵ４６において最適温度が求められたら、これを温度制御回路４３が定めるべき設定温度としてセットする。これにより、サーミスタ２４の経年変化が補償されたことになる。
【００２３】
さらに、エタロン１７の温度についても同様のチューニングを行う。このときも、ヒータ２３により加熱されるエタロン１７の温度を変化させ、選択波長を変化させる。そして各温度（サーミスタ２６によって検出したもの）でのＬＤ１５の駆動電流を求め、最も駆動電流が少なくなる温度を求め、その温度を設定温度として温度制御回路４５に与える。このような動作がＣＰＵ４６によってなされる。ＬＤ１５の駆動電流が最も少なくなる場合は、エタロン１７の波長選択特性が設計値に一致したときであるから、サーミスタ２６の特性の経年変化などを補償したことになる。このようなチューニングが終了したとき、温度制御回路４５はエタロン１７の温度を最適な温度へと制御することになる。
【００２４】
上記のブロック３１、ＬＤ１５およびエタロン１７についての温度チューニングは、定期的に行うのが望ましい。すなわち、たとえば、毎日始業時の電源立ち上げ時に、ＣＰＵ４６が温度チューニングについてのプログラムを自動的に実行して上記の最適温度の探索とそれへの設定とを行うようにする。あるいは、ＣＰＵ４６に内蔵の時計によって一定使用時間ごとに温度チューニングについてのプログラムを自動実行するように構成してもよい。また、このような自動的な定期チューニングに併用して、問題が生じた場合などに随時マニュアルでチューニング動作を行えるようにしておく。
【００２５】
なお、上の説明はこの発明の一つの実施形態に関するものであり、この発明が上で説明した構成に限定される趣旨でないことはもちろんである。たとえば、上記では光共振器１０の内部に波長変換用結晶１８を配置しているが、可視光ではなく基本波たる赤外光を出力させる場合には、この波長変換用結晶１８は不要である。また、ピンホールないしアパーチャなどの開口を有する光遮蔽板を光共振器１０内あるいは出力側ミラー１２の直後などに配置して不要な光ビームを除去するようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の固体レーザ装置によれば、励起光を発生する半導体レーザへの、出力レーザのフィードバック制御系を利用し、該半導体レーザの駆動電流が最も少なくなる温度を、共振器長を定めるブロック、上記半導体レーザおよび波長選択用エタロンについてそれぞれ求め、その各温度を設定温度としてそれぞれの温度制御回路に設定する温度チューニングを行うようにしたので、各温度を検出するそれぞれの温度センサの経年変化やブロックの機構的・寸法的経年変化などを補償し、効率の良いレーザ発振を安定に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を示す模式図。
【図２】同実施形態の信号系を示す信号系統図。
【図３】ブロック３１の温度とＬＤ１５の駆動電流との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０ 光共振器
１１ 固体レーザ結晶
１２ 出力側ミラー
１３、１４ 反射コート
１５ レーザダイオード（ＬＤ）
１６ 光学系
１７ エタロン
１８ 波長変換用結晶
２１ ビームスプリッタ
２２ モニター用ＰＤ
２３ ヒータ
２４〜２６ サーミスタ
３１ ブロック
３２、３３ ペルチェ素子
３４ 筐体
４１ フィードバック制御回路
４２ ＬＤ１５の駆動回路
４３〜４５ 温度制御回路
４６ ＣＰＵ

Claims (3)

1. レーザ光を発生する半導体レーザと、該半導体レーザに駆動電流を供給する駆動回路と、上記半導体レーザからのレーザ光によって励起される、入射面に反射面が形成された固体レーザ結晶と、該レーザ結晶の反射面との間で光共振器を形成する反射面を持つ出力側ミラーと、上記固体レーザ結晶および出力側ミラーが固定されるブロックと、該光共振器内に挿入される波長選択用エタロンと、上記出力側ミラーから外部に出力されるレーザ光の分岐光が入力されるモニター用光検出器と、モニター用光検出器の出力を上記駆動回路へフィードバックすることにより所定出力のレーザ光が外部に出力されるように制御するフィードバック制御回路と、上記ブロックの温度を検出する温度センサを備えそのブロックの温度が設定温度となるように制御するブロック用温度制御装置と、上記半導体レーザの温度を検出する温度センサを備えその半導体レーザの温度が設定温度となるように制御する半導体レーザ用温度制御装置と、上記エタロンの温度を検出する温度センサを備えそのエタロンの温度が設定温度となるように制御するエタロン用温度制御装置と、上記の各温度制御装置を制御してブロック、半導体レーザおよびエタロンの温度を各別に変化させたときの上記半導体レーザ駆動電流を読み取り、最も駆動電流が少なくなる温度を各別に求めて、それらをブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各設定温度として設定する温度チューニング用制御装置とを備え、前記温度チューニング用制御装置は、前記フィードバック制御回路が作動している状態で動作することを特徴とする固体レーザ装置
2. 温度チューニング用制御装置は電源投入時に自動起動するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
3. 温度チューニング用制御装置は所定の期間ごとに自動起動するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。

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