JP4191291B2

JP4191291B2 - レーザ波長調整機構

Info

Publication number: JP4191291B2
Application number: JP26126598A
Authority: JP
Inventors: 尚弥胡; 守正上田; 久嘉境
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1998-09-16
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: JP2000091679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ波長調整機構、特にレーザ発振管の端部に設けられたミラー位置を微調整する機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のガスレーザの波長を安定化させる場合、レーザ発振管に外部ミラーを用いる場合と内部ミラーを用いる場合がある。前者の場合、ミラー位置をＰＺＴなどの発電素子で制御するが、外部鏡のため光軸調整が難しく発振が不安定になりやすい問題がある。一方、後者の場合には、共振器長をヒータやファン、駆動電流等で制御するが、変調をかけようとしても速い応答速度が得られない問題がある。レーザ波長安定化方法としては、一般に２モード法ゼーマン法、ラムディップ法、分子飽和吸収法等があるが、ラムディップ法や分子飽和吸収法を用いる場合には変調をかけて１次微分、３次微分成分を得る必要がある。したがって、応答性の観点からは外部ミラーを用いるのが望ましいが、波長帯によっては、発振効率が悪く外部ミラーが使用できずに内部ミラーを使用せざるを得ない場合もあり、応答速度を向上させることが課題となる。
【０００３】
たとえば、実開昭５９−３９９５９号公報には、光共振器の一方の端部に内部鏡としての調整ミラーが配置され、調整ミラーの背面にはそれぞれ薄板であって直径の異なる円環状をなす外側圧電素子と内側圧電素子が同心円上に設けられる構成が開示されている。外側及び内側の圧電素子には、それぞれ逆位相の電圧が印加される。そして、外側圧電素子が伸長し、内側圧電素子が収縮した場合には、調整ミラーの肉薄部分がこの伸長及び収縮により弾性変形し、調整ミラーの反射面位置が変化することで光共振器の光路長（共振管の他方に設けられたミラーと調整ミラー間の距離）を調整することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、所望の共振光路波長で安定な共振状態を得るためには、共振光路上のミラーの光軸調整とミラー間の間隔（共振光路長）の調整がともに必要であり、上記従来技術では調整ミラーの肉薄部分の弾性変形により反射面位置を変化させているため共振光路長の調整の際に調整ミラーの反射面が光路に対しわずかに傾き、発振が停止することもあり得る。すなわち、上記従来技術では、ミラーの光軸調整と共振光路長調整が独立に行われないため、一方の調整が他方に影響を与え、両者を最適化することが困難で調整に時間を要する問題があった。
【０００５】
また、調整ミラーに円環状圧電素子を取り付けると調整ミラーにレーザ発振管の管軸方向（スラスト方向）以外の力が印加され、レーザ発振管と調整ミラーの溶着結合に歪みが生じ、破損しやすく外気が流入して使用不可能となりやすく、さらに調整ミラーに圧電素子を取り付けることで調整ミラーに鉛直下方の荷重がかかり共振光路のずれや発振の不安定、発振の停止が生じやすい問題もあった。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、ミラー光軸の調整と光路長の調整と独立に行うことができ、高速かつ高精度の波長安定化を実現できるレーザ波長調整機構を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ波長調整機構であって、レーザ発振管の端部にスリーブとして設けられるミラー支持体と、前記ミラー支持体の端部に前記ミラー支持体を封止するように固定される反射ミラーと、前記ミラー支持体に設けられる第１、第２及び第３フランジと、前記第１フランジと前記第２フランジ間に設けられる弾性変形自在な第１溝と、前記第２フランジと前記第３フランジ間に設けられる弾性変形自在な第２溝と、前記第２フランジに設けられ、前記第１溝を弾性変形させることで前記反射ミラーの光軸を調整する光軸調整手段と、前記第３フランジに設けられ、前記第２溝を弾性変形させることで前記反射ミラーの管軸方向位置を調整する光路長調整手段とを有し、前記ミラー支持体、第１、第２及び第３フランジは一体として前記レーザ発振管の端部に設けられることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記光路長調整手段は、前記レーザ発振管の管軸に沿って伸縮する圧電素子であることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記光軸調整手段は、前記レーザ発振管の管軸に沿って設けられたネジであることを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第２の発明において、さらに、前記圧電素子に管軸に沿って負荷を印加する印加手段を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
＜第１実施形態＞
図１には、本実施形態の構成図が示されている。図１（Ａ）は縦断面図、図１（Ｂ）は背面図である。ガスレーザ発振管１の端部にはスリーブとしての円筒状ミラー支持体４が設けられ、このミラー支持体４の端部に反射内部ミラー３がミラー支持体４を封止するように固定される。ミラー支持体４は、例えばコバールで構成することができる。ガスレーザ発振管１の図示しない他方の端部（図中左方）に固定ミラーが設けられ、ガスレーザ発振管１内で発振されたレーザ光は固定ミラーと反射内部ミラー３との間で反射を繰り返しつつ発振し、その一部が固定ミラーを通過して外部に放射される。固定ミラーと反射内部ミラー３との間の距離が共振光路２の光路長であり、反射内部ミラー３を管軸方向（図中矢印方向）に沿って移動させることで、この共振光路長を調整することができる。
【００１３】
また、ミラー支持体４にはガスレーザ発振管１と反射内部ミラー３との間に第１フランジ５、第２フランジ６及び第３フランジ７が順次設けられている。第１フランジ５及び第２フランジ６は管軸方向に対してほぼ垂直、かつほぼ同量に突き出している。一方、第３フランジ７は第１フランジ５あるいは第２フランジ６よりもその突出量が少なく、図１（Ｂ）の背面図に示されるように、第３フランジ７は第１フランジ５及び第２フランジ６と異なりナット構造を有している。ミラー支持体４の第３フランジ７が形成されている部位にはネジ部が形成されており、ナット構造の第３フランジ７を回転させることで第３フランジ７はレーザ発振管１の方向に移動する。
【００１４】
また、第１フランジ５と第２フランジ６の間のミラー支持体４には光軸調整用の溝（第１溝あるいは肉薄部）８が形成され、第２フランジ６にはガスレーザ発振管１の管軸に沿って光軸調整用ネジ１０が設けられている。この光軸調整用ネジ１０の先端は第１フランジ５に突接し、図１（Ｂ）の背面図に示されるように、第２フランジ６の３回対称位置（それぞれ１２０度をなす位置）に３箇所設けられている。
【００１５】
また、第２フランジ６とナット構造の第３フランジ７の間にはＰＺＴなどの円筒状圧電素子１１がガスレーザ発振管１の管軸に沿って設けられている（すなわち、ミラー支持体４の外周を被覆するように設けられる）。圧電素子１１の両端はそれぞれ第２フランジ６及び第３フランジ７に接着しており、ナット構造の第３フランジ７を締めつけることにより管軸方向に沿った力が印加され、圧電素子１１の全周がほぼ同一の力で管軸方向に沿ってプリロードされる。
【００１６】
さらに、第２フランジ６と第３フランジ７の間のミラー支持体４には共振光路長制御用の溝（第２溝あるいは肉薄部）９が設けられる。なお、光軸調整用溝８及び共振光路長制御用溝９の深さは任意である。
【００１７】
このような構成において、反射内部ミラー３の調整を行う際には、まず、上述したようにナット構造の第３フランジ７を締め付けて圧電素子１１をプリロードする。このプリロードは、圧電素子１１に電圧を印加した場合に、圧電素子１１の伸縮が第２フランジ６及び第３フランジ７を介してミラー支持体４に与える力（この力は具体的には共振光路長制御用溝９の弾性変形を引き起こす）を均一化するためである。プリロードを行った結果、反射内部ミラー３の反射面が光軸からずれる可能性があるため、次に第２フランジ６に設けられた３つの光軸調整用ネジ１０のいずれか、あるいは全てを回転操作し、第１フランジ５と第２フランジ６との間に設けられた光軸調整用溝８に弾性変形を引き起こす。ミラー支持体４に生じたこの弾性変形は反射内部ミラー３に伝わり、反射内部ミラー３の反射面と光軸とのなす角度が変化して光軸調整が行われる。この光軸調整の結果、反射内部ミラー３が光軸に垂直に向くと、レーザ発振が行われる。
【００１８】
光軸調整が終了した後、共振光路長を調整する場合には、第２フランジ６と第３フランジ７との間に設けられた圧電素子１１に電圧を印加してガスレーザ発振管１の管軸方向に沿って圧電素子１１を伸縮させる。すると、圧電素子１１の伸縮により共振光路長制御用溝９が弾性変形し、この変形が反射内部ミラー３の変位を引き起こす。圧電素子１１は管軸方向に沿って伸縮するため、反射内部ミラー３は管軸方向に沿ってのみ変位し、共振光路長が所望の値に調整される。
【００１９】
このように、本実施形態においては光軸調整と共振光路長調整を独立に行うことができ、圧電素子１１による共振光路長調整の際にスラスト方向（管軸方向）以外に力を生じさせないので、光軸調整及び共振光路長調整が高速化される。
【００２０】
＜第２実施形態＞
図２には、本施形態の構成が示されている。図２（Ａ）は縦断面図であり、図２（Ｂ）は背面図である。図１に示されたレーザ波長調整機構においては、第３フランジ７をナット構造とし、これを締めつけることで圧電素子１１に管軸方向に沿ったプリロードを印加させたが、圧電素子１１の機械的寸法が確保されていない場合には全周にわたって一様なプリロードを印加することができなくなるため、本実施形態においてはナット構造の第３フランジ７にさらにプリロード用のネジ１３が設けられている。
【００２１】
このプリロード用ネジ１３は、図２（Ｂ）に示されるように、第２フランジ６に設けられた３回対称の光軸調整用ネジ１０と同様に第３フランジ７の３回対称位置に３つ設けられており、これら３つのプリロード用ネジのいずれか、あるいは全てを締め付けることで圧電素子１１の全周にわたって一様なプリロードを印加することができる。
【００２２】
本実施形態における調整の手順も第１実施形態と同様であり、まず第３フランジ７をある程度締め付けた後、プリロード用ネジ１３を締め付けて圧電素子１１に管軸方向に沿った一様なプリロードを印加する。その後、光軸調整用ネジ１０を操作して反射内部ミラー３の光軸を調整し、最後に圧電素子１１に電圧を印加して共振光路長を調整すればよい。
【００２３】
＜第３実施形態＞
図３には、本実施形態の構成図が示されている。図３（Ａ）は縦断面図、図３（Ｂ）は背面図である。図１に示されたレーザ波長調整機構と異なる点は、ＰＺＴなどの圧電素子１１を支持する円筒状のＰＺＴ支持カバー１２が第２フランジ６にＰＺＴ支持カバー止めネジ１２で設けられ、圧電素子１１はこのＰＺＴ支持カバー１２の内部に支持されている点、及び第３フランジ７がナット構造ではなく、第１フランジ５及び第２フランジ６と同様の突出部（突出量は第３フランジ７が少ない）である点である。ＰＺＴ支持カバー１２は図３（Ｂ）に示されるように６つのＰＺＴ支持カバー止めネジ１２０で第２フランジ６に取り付けられ、第３フランジ７、圧電素子１１及び反射内部ミラー３を内包する。ＰＺＴ支持カバー１２の端面には、プリロード用ネジ１３が３回対称位置に設けられており、圧電素子１１の両端は、第３フランジ７とＰＺＴ支持カバー１２に接着される。
【００２４】
本実施形態においても、まずＰＺＴ支持カバー１２に設けられたプリロード用ネジ１３を締め付けることで圧電素子１１を管軸方向に沿って一様にプリロードし、次に光軸調整用ネジ１０を操作して反射内部ミラー３の光軸調整を行い、さらに圧電素子１１に電圧を印加して共振光路長を調整することができる。
【００２５】
また、本実施形態においては、圧電素子１１は第２フランジ６と第３フランジ７との間に設けられのではなく、第３フランジ７とＰＺＴ支持カバー１２との間に設けられるため、第２フランジ６と第３フランジ７との間隔を短くでき、したがってミラー支持体４の全長を短く設定してガスレーザ発振管１の共振器長を短くすることが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば光軸調整と共振光路長調整を独立に行うことができ、また共振光路長調整の際にスラスト方向の力が印加されないため、レーザ波長安定化を高速かつ高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態の構成図である。
【符号の説明】
１ガスレーザ発振管、２共振光路、３反射内部ミラー、４ミラー支持体（スリーブ）、５第１フランジ、６第２フランジ、７第３フランジ、８光軸調整用溝、９共振光路長制御用溝、１０光軸調整用ネジ、１１圧電素子、１３プリロード用ネジ。

Claims

レーザ波長調整機構であって、
レーザ発振管の端部にスリーブとして設けられるミラー支持体と、
前記ミラー支持体の端部に前記ミラー支持体を封止するように固定される反射ミラーと、
前記ミラー支持体に設けられる第１、第２及び第３フランジと、
前記第１フランジと前記第２フランジ間に設けられる弾性変形自在な第１溝と、
前記第２フランジと前記第３フランジ間に設けられる弾性変形自在な第２溝と、
前記第２フランジに設けられ、前記第１溝を弾性変形させることで前記反射ミラーの光軸を調整する光軸調整手段と、
前記第３フランジに設けられ、前記第２溝を弾性変形させることで前記反射ミラーの管軸方向位置を調整する光路長調整手段と、
を有し、前記ミラー支持体、第１、第２及び第３フランジは一体として前記レーザ発振管の端部に設けられることを特徴とするレーザ波長調整機構。
請求項１記載のレーザ波長調整機構において、
前記光路長調整手段は、前記レーザ発振管の管軸に沿って伸縮する圧電素子であることを特徴とするレーザ波長調整機構。
請求項１記載のレーザ波長調整機構において、
前記光軸調整手段は、前記レーザ発振管の管軸に沿って設けられたネジであることを特徴とするレーザ波長調整機構。
請求項２記載のレーザ波長調整機構において、さらに、
前記圧電素子に管軸に沿って負荷を印加する印加手段
を有することを特徴とするレーザ波長調整機構。