JP4341600B2

JP4341600B2 - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP4341600B2
Application number: JP2005277467A
Authority: JP
Inventors: 啓介古田; 正記瀬口; 満樹黒澤; 順一西前; 潤二加野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2025-09-26
Also published as: JP2007088338A

Description

この発明は、固体レーザ媒質を光励起してレーザ光を発生させる固体レーザ装置に関するものである。

固体レーザ装置から大きなレーザ出力を取り出すためには、一般的に、複数の光励起した固体レーザ媒質を間隔をあけて設置し、光学的に連結する方法が採用される。励起光源には、ランプやレーザダイオード（ＬＤと略す）が採用される。このような固体レーザ装置においては、励起された固体レーザ媒質から効率よくレーザ光を抽出するには、複数の固体レーザ媒質に発生する熱レンズ効果を均等化する必要が有る。
ここで、熱レンズ効果とは、固体レーザ媒質の屈折率が温度により変化することによって発生する固体レーザ媒質が凸レンズと同様な振る舞いをする効果である。レーザ発振時の固体レーザ媒質は、中心部の温度が周辺部よりも高くなる。固体レーザ媒質では温度が高いほど屈折率が高いので、中心部の屈折率が周辺部よりも高い凸レンズと同様な振る舞いをする。熱レンズ効果の大きさは、固体レーザ媒質の中心部と周辺部の温度差に依存する。

各固体レーザ媒質の熱レンズ効果の強さを把握するために、励起モジュール内にフォトダイオード（ＰＤと略す）を設置し、レーザが発振しない状態での固体レーザ媒質からの蛍光量を測定している。測定した蛍光量から各固体レーザ媒質での熱レンズ効果を計算し、熱レンズ効果が各固体レーザ媒質で均等になるように、励起光量を制御する技術がある（例えば特許文献１）。

特開２００２−１６４５９６号公報

励起モジュール内のＰＤにより蛍光量を測定し熱レンズ効果を計測する構成の固体レーザ装置は、可視光吸収フィルタやシャッタなどが必要であり、構成が複雑かつ高コストなシステムとなる。可視光吸収フィルタはＰＤの前面に設けられ、ＰＤができるだけ蛍光以外を受光しないようにする。シャッタは、レーザが発振しない状態での固体レーザ媒質からの蛍光を測定するために共振器内に設けられる。強い蛍光や励起モジュール内に入射する散乱光に晒されるＰＤやシャッタの高信頼化は容易ではなく、信頼度が高いものは高コストになる。さらに、ＰＤにより固体レーザ媒質からの蛍光量を測定するには、固体レーザ媒質の長手方向に所定の間隔でＰＤを配置する必要があり、固体レーザ媒質が長い場合には多数のＰＤが必要であり、コストがさらに高くなる。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、構成を複雑にすることなく各励起モジュールでの熱レンズ効果を均等化して効率的な運転が可能となる固体レーザ装置を得ることを目的としている。

この発明に係る固体レーザ装置は、固体レーザ媒質と励起光源を内蔵する光学的に連結された複数の励起モジュールと、所定個の前記励起モジュールを挟んでレーザ発振器を構成する反射鏡と、固体レーザ装置の出力を測定する出力測定手段と、前記励起光源に電流を供給する電源と、該電源が前記励起光源に供給する電流を制御する制御手段と、前記励起モジュールの前記励起光源への電流の総和が一定の条件下で前記出力測定手段が測定する出力が最大となるように前記励起モジュールごとの前記励起光源への電流の配分を決定する電流配分手段とを備えたものである。

この発明に係る固体レーザ装置は、固体レーザ媒質と励起光源を内蔵する光学的に連結された複数の励起モジュールと、所定個の前記励起モジュールを挟んでレーザ発振器を構成する反射鏡と、固体レーザ装置の出力を測定する出力測定手段と、前記励起光源に電流を供給する電源と、該電源が前記励起光源に供給する電流を制御する制御手段と、前記励起モジュールの前記励起光源への電流の総和が一定の条件下で前記出力測定手段が測定する出力が最大となるように前記励起モジュールごとの前記励起光源への電流の配分を決定する電流配分手段とを備えたものなので、構成を複雑にすることなく各励起モジュールでの熱レンズ効果を均等化して効率的な運転が可能となるという効果が有る。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１での固体レーザ装置の構成を説明する模式図である。３台の励起モジュール１ａ〜１ｃが反射鏡であるレーザ出力取り出しミラー２および全反射ミラー３の間に直線的に配置され光学的に連結されており、全体でレーザ発振器４を構成している。励起モジュール１ａは、長手方向に光軸がある固体レーザ媒質である１本のレーザロッド１１ａとその励起光源であるＬＤ１２ａを構成要素として内蔵している。励起モジュール１ｂと励起モジュール１ｃも同様な構成である。
レーザ出力取り出しミラー２から出力されたレーザ出力５は、４５°全反射ミラー６で９０度方向が変えられる。４５°全反射ミラー６を透過した微弱な全反射ミラー漏れ光７は、出力測定手段である出力モニタ８に入射する。全反射ミラー漏れ光７の大きさはレーザ出力５に比例し、全反射ミラー漏れ光７を計測することにより間接的にレーザ出力５を測定できる。
ＬＤ１２ａ〜１２ｃは、ＬＤ電源９によって駆動される。プログラマブル制御装置１０は、ＬＤ電源９にＬＤ１２ａ〜１２ｃへの電流指令値を与える。出力モニタ８の計測値は、最適な電流指令値を求めるためにプログラマブル制御装置１０に入力する。なお、図１において、電気または情報の流れを点線で表現する。

このような構成の固体レーザ装置では、例えばＬＤ電源９から各励起モジュール１ａ〜１ｃへの電流値が等しく、ＬＤ１２ａ〜１２ｃの特性が異なる場合には、各レーザロッド１１ａ〜１１ｃに形成される熱レンズ効果の強さが異なる状況が発生する。各励起モジュール１ａ〜１ｃでの熱レンズ効果に不均衡があるとレーザ発振効率が低下するので、各励起モジュール１ａ〜１ｃでの熱レンズ効果の強さを均衡させることが望ましい。

熱レンズ効果に不均衡があった場合の発振効率低下のメカニズムを例により説明する図を、図２に示す。図２では、直線的に配置された３本のレーザロッド１１ａ〜１１ｃのうち、２番目のレーザロッド１１ｂのみが他の２本よりも１０％だけ熱レンズ効果が低い場合の、レーザロッド形状とレーザ光の発振モード形状の関係を示す。３個のレーザロッドでの熱レンズ効果が均等である場合は、各レーザロッドでの発振モード形状が同じになり、図２において点線で示す発振モード形状Ｐになる。レーザロッド１１ｂで他の２本よりも１０％だけ熱レンズ効果が低い場合の発振モード形状Ｑは、レーザロッド１１ｂでの発振モードの曲率がレーザロッド１１ａおよびレーザロッド１１ｃよりも小さくなり、レーザロッド１１ｂでの発振モードが占める体積が発振モード形状Ｐよりも小さくなる。なお、レーザロッド１１ａおよびレーザロッド１１ｃでの発振モード形状の最大径がレーザロッド径により制限されるので、他よりも熱レンズ効果が低いレーザロッド１１ｂでの発振モード形状Ｑの径はレーザロッド径よりも小さくなる。

レーザロッド中には励起光源により注入されたエネルギがほぼ均等に分布しており、レーザロッド中での発振モードの占める体積が大きいほど、レーザロッドに蓄積されたパワーを効率的にレーザ出力として抽出できることになる。熱レンズ効果に不均衡があると、熱レンズ効果が弱いレーザロッド中での発振モードの占める体積が小さくなり、レーザ効率が減少することになる。
熱レンズ効果は固体レーザ媒質であるレーザロッドの中心部と周辺部の温度差に依存し、この温度差はレーザロッドに注入される励起光量に依存するので、熱レンズ効果は励起光量に依存することになる。そのため、各レーザロッド１１ａ〜１１ｃの各ＬＤ１２ａ〜１２ｃに供給される電流値を制御して励起光量を調整することにより、各レーザロッド１１ａ〜１１ｃの熱レンズ効果を調整して均等化することができる。各レーザロッド１１ａ〜１１ｃの熱レンズ効果を均等化すると、均等でない場合よりもレーザ出力を大きくできる。

各ＬＤ１２ａ〜１２ｃに供給される電流値を制御することによりレーザ出力が変化することを例により説明する図を、図３に示す。図３は、図１に示す構成のレーザ装置でＬＤ１２ａ〜１２ｃの電流値の合計を一定値として、電流バランスを変化させて測定した出力モニタ８の測定値の変化を示す。ＬＤ１２ａ〜１２ｃの電流値の合計を一定にするのは、出力モニタ８の変化が電流バランスの変化によるものだけとするためである。ＬＤ１２ａ〜１２ｃの電流値の合計を一定にしなければ、レーザロッド１１ａ〜１１ｃに注入される励起総エネルギが変化するので、励起総エネルギの変化によってもレーザ出力が変動することになる。

図３では、横軸に励起モジュール１ａのＬＤ１２ａへの規格化した電流値（変数Ｘａで表現する）を取り、縦軸に励起モジュール１ｂのＬＤ１２ｂへの規格化した電流値（変数Ｘｂで表現する）を取り、最大値を１で規格化したレーザ出力を等高線により表現する。ここで、電流値が１とは、ＬＤ定格電流値の８０％の値を意味する。ＬＤ１２ａ〜１２ｃの電流値の合計は所定の値Ｃ（ここでは３．００）で変化させないように、ＬＤ１２ｃの電流値（変数Ｘｃで表現する）は、Ｘｃ＝Ｃ−Ｘａ−Ｘｂとなるように決める。
図３の等高線は、以下のようにして求めたものである。ＸａとＸｂを０．０１刻みで変化させた黒四角で表現する実測点でレーザ出力を０．０１単位で求める。各実測点のレーザ出力から実測点間にある０．０１単位のレーザ出力になると推測される点（推測点と呼ぶ）を、実測点間に均等に配置する。同じレーザ出力になる実測点及び推測点を直線で結ぶ。

図３より、出力最大値を含む出力の高い部分（例えば、レーザ出力が０．９９以上の部分）は、Ｘａ＝０．９７〜１．００、Ｘｂ＝１．０１〜１．０２の範囲であり、１箇所に集中する結果となることが分かる。Ｘａ及びＸｂを０．０１単位で変化させる上でのレーザ出力が最高になる動作条件が求められていることが分かる。なお、ＸａとＸｂを連続的に変化させる場合には、レーザ出力が０．９９以上の範囲の中心（Ｘａ＝０．９８５、Ｘｂ＝１．０１６）付近でレーザ出力が最高になると推測される。等高線の間隔から判断してレーザ出力が最大になる辺りではなだらかに変化していると考えられるので、Ｘａ及びＸｂを０．０１単位で変化させる場合のレーザ出力の最高値とＸａとＸｂを連続的に変化させる場合のレーザ出力の最高値はほぼ同じと考えられる。

出力最大値を含む出力の高い部分が１箇所に集中することは、他の励起モジュールを使用した場合にもあてはまることを発明者は確認している。また、図３の出力最高点に相当する電流バランスにおいて、各励起モジュール１ａ〜１ｃの熱レンズ効果を励起モジュール単体で測定したところ、励起モジュール１ａ〜１ｃのどれもがほぼ同じになることを確認している。このことより、励起モジュール１ａ〜１ｃのＬＤ電流の合計を所定値にする条件下で、各励起モジュール１ａ〜１ｃのＬＤ電流バランスを変化させて出力最大とした条件の電流バランスが、その時点での各励起モジュールのＬＤの特性を反映した最適な電流バランスに一致するといえる。このように、ＬＤ電流の合計値を設定された所定値（探索時電流合計設定値と呼ぶ）にする条件下でＬＤ電流バランスを変化させて、出力最大になる電流バランスを求める最適電流バランス探索シーケンスが、ソフトウェアとしてプログラマブル制御装置１０に実装されている。最適電流バランス探索シーケンス及びこれを実行するプログラマブル制御装置１０が、電流配分手段である。

次に、動作を説明する。固体レーザ装置の運転開始前に、プログラマブル制御装置１０の最適電流バランス探索シーケンスが自動で実行される。探索時電流合計設定値には、適切な値を設定するものとする。プログラマブル制御装置１０は、最適電流バランス探索シーケンスに従い、ＬＤ電源９に異なる組み合わせの電流バランスを順次指示する。各電流バランスでのレーザ出力は、出力モニタ８で信号化され、プログラマブル制御装置１０に入力される。なお、最適電流バランス探索シーケンスは、固体レーザ装置の使用者の指示があればいつでも起動できる。連続運転する場合には、所定の時間間隔ごとに最適電流バランス探索シーケンスを自動で実施するようにしてもよい。

最適電流バランス探索シーケンスは、離散的な状態の中で最適な状態を探索する一般の山登り法に基づく単純なシーケンスである。具体的には、以下のような探索を行う。まず、独立変数Ｘａ、Ｘｂが０．０１の刻み幅で変化するものとする。独立変数Ｘａ、Ｘｂに対して初期値を与え、レーザ出力を求める。ＸａまたはＸｂを刻み幅だけ増加または減少させた４個の隣接状態でのレーザ出力を求める。隣接状態の中で現在状態よりもレーザ出力が大きいか同じものがあれば、その中でレーザ出力が最大となる状態に移動する。ただし、隣接状態の中でレーザ出力が最大となる状態でのレーザ出力が現在状態と同じあり、かつその状態が探索済の場合は現在状態を移動させない。このような処理をすべての隣接状態でのレーザ出力が現在状態よりも大きくない状況になり、現在状態を移動できなくなるまで繰り返す。こうして得られた最終的な現在状態が、最適電流バランスになる。

図３の場合にＸａ＝１．００、Ｘｂ＝１．００を初期値として最適電流バランスを求める探索の過程を説明する図を、図４に示す。図４に示すように現在状態を移動させて探索し、レーザ出力が０．９８→０．９９→０．９９→１．００→１．００と変化して、Ｘａ＝０．９８、Ｘｂ＝１．０２、Ｘｃ＝１．００という最適電流バランスが得られる。

前にも説明したように、電流バランスに対するレーザ出力は頂点が１個の山のような形状になることが実験的に確認されているので、山登り法で最適解を得ることができる。頂点が１個であることが保証されない場合には、焼きなまし法（ＳｉｍｕｌａｔｅｄＡｎｎｉｌｉｎｇ）や遺伝的アルゴリズム（ＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）などの極大値への収束を避けるアルゴリズムを取り入れてもよい。変数が刻み幅を持って離散的に変化するとしたが、連続的に変化するようにしてもよい。最適解に近づくと刻み幅を小さくするようにしてもよい。
探索方法は、想定する条件の中で許容できる時間内に最適解が得られる方法であれば、どのような方法でもよい。最適解を得るまでの探索量が小さい方法の方が望ましい。なお、固体レーザ装置の運転開始前に最適電流バランスを求めるので、最適電流バランスは数秒から長くても１分程度以内に求める必要がある。

最適電流バランス探索シーケンスにより最適電流バランスが求まると、各ＬＤ１２ａ〜１２ｃへの電流指令値の比率を求まった最適電流バランスに保ったまま、各ＬＤ１２ａ〜１２ｃへの電流指令値の大きさを変化させ、所定の出力が得られるような各ＬＤ１２ａ〜１２ｃへの電流指令値を求める。プログラマブル制御装置１０が、各ＬＤ１２ａ〜１２ｃへの電流がこの電流指令値になるように、ＬＤ電源９を制御する。こうして、ＬＤ１２ａ〜１２ｃの特性が変化しても効率的に固体レーザ装置を運転できる。

ＬＤに流す電流とＬＤが発生する励起光量との間には、ほぼ比例の関係があるが非線形の要素もある。励起光量とレーザロッドにおける熱レンズ効果との間にも、ほぼ比例の関係があるが非線形の要素もある。したがって、ＬＤに流す電流と熱レンズ効果との間にも、ほぼ比例の関係があるが非線形の要素もあることになる。レーザ装置の機種によりその特性が異なり、機種によってはＬＤに流す電流と熱レンズ効果との間の非線形要素の割合が大きい場合もある。
ＬＤに流す電流と熱レンズ効果との間の非線形の要素が大きく、かつ所定の出力を得るための各ＬＤ１２ａ〜１２ｃへの電流指令値の合計（所要電流量と呼ぶ）が探索時電流合計設定値から大きく変化する場合には、探索時電流合計設定値で求めた最適電流バランスが所要電流量では最適でない可能性がある。その場合には、所要電流量を探索時電流合計設定値として最適電流バランスを求め、求まった最適電流バランスを保って所定の出力を得る所要電流量を求める処理を、最適電流バランスの変化が所定値以下となるまで、最適電流バランス探索シーケンスの内部で自動的に繰り返す。なお、１回行うだけでもより適切な最適電流バランスが得られる。

前回運転した際の電流指令値を保存しておき、最適電流バランスを求める上で利用することにより、最適電流バランスを速く探索できる。その理由は、１回の運転でのＬＤの特性の変化はあまり大きくなく、今回の最適電流バランスと所要時電流量は前回運転時とほぼ同じと考えられるからである。最適電流バランスを求める探索の初期値として前回運転した際の最適電流バランスを使用すると、初期値が最適解に近いので、速く探索できる。また、前回運転時の電流指令値の合計を探索時電流合計設定値とすると、所要電流量が探索時電流合計設定値から大きく変化する可能性を小さくできる。

ここでは、励起モジュールを３台としたが、励起モジュールの台数は何台でもよい。励起モジュールとしては、レーザ共振器の構成要素として使用されるものでも、増幅器として使用されるものでもよい。レーザ共振器を構成する励起モジュールは１個以上であり、増幅器として使用される励起モジュールは０個以上であり、総励起モジュール数が２個以上であればよい。
固体レーザ媒質には円柱形状のレーザロッドを用いたが、スラブ形状または他の形状でもよい。固体レーザ媒質は特定しなかったが、どのような物質の場合でも、本発明を適用できる。励起光源はＬＤではなくランプなどでもよい。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。

実施の形態２．
実施の形態２は、複数台の励起モジュールの一部をレーザ増幅器として使用するように実施の形態１を変更した場合である。図５が、本発明の実施の形態２での固体レーザ装置の構成を説明する模式図である。実施の形態１と同様に３台の励起モジュール１ａ〜１ｃが存在するが、その中で２台の励起モジュール１ａ、１ｂが、レーザ出力取り出しミラー２、および全反射ミラー３の間に直線的に配置され光学的に連結されており、全体でレーザ発振器４を構成している。励起モジュール１ｃは、レーザ発振器４の外部に増幅器として直線的に配置され、光学的に連結されている。その他の構成は実施の形態１の場合と同様である。

この実施の形態２でも、実施の形態１と同様に動作させる。これは、増幅器として励起モジュールを連結した場合も、レーザロッド１１ａ〜１１ｃに熱レンズ効果に不均衡があった場合には、発振効率が低下するからである。
実施の形態１と同様に、固体レーザ装置運転開始前にプログラマブル制御装置１０の最適電流バランス探索シーケンスを実行させることにより、本実施の形態２に示す増幅器を含むシステムにおいても、効率的な運転が可能となる。

この発明の実施の形態１での固体レーザ装置の構成を説明する模式図である。この発明の実施の形態１での熱レンズ効果に不均衡があった場合の発振効率低下のメカニズムを例により説明する図である。この発明の実施の形態１での各レーザダイオードに供給される電流値を制御することによりレーザ出力が変化することを例により説明する図である。この発明の実施の形態１での最適電流バランスを求める探索の過程を説明する図である。この発明の実施の形態２での固体レーザ装置の構成を説明する模式図である。

符号の説明

１ａ：励起モジュール
１ｂ：励起モジュール
１ｃ：励起モジュール
２：レーザ出力取り出しミラー（反射鏡）
３：全反射ミラー（反射鏡）
４：レーザ発振器
５：レーザ出力
６：４５°全反射ミラー
７：全反射ミラー漏れ光
８：出力モニタ（出力測定手段）
９：ＬＤ電源（電源）
１０：プログラマブル制御装置（制御手段、電流配分手段）
１１ａ：レーザロッド（固体レーザ媒質）
１１ｂ：レーザロッド（固体レーザ媒質）
１１ｃ：レーザロッド（固体レーザ媒質）
１２ａ：ＬＤ（励起光源）
１２ｂ：ＬＤ（励起光源）
１２ｃ：ＬＤ（励起光源）
Ｐ：発振モード形状
Ｑ：発振モード形状

Claims

固体レーザ媒質と励起光源を内蔵する光学的に連結された複数の励起モジュールと、所定個の前記励起モジュールを挟んでレーザ発振器を構成する反射鏡と、固体レーザ装置の出力を測定する出力測定手段と、前記励起光源に電流を供給する電源と、該電源が前記励起光源に供給する電流を制御する制御手段と、前記励起モジュールの前記励起光源への電流の総和が一定の条件下で前記出力測定手段が測定する出力が最大となるように前記励起モジュールごとの前記励起光源への電流の配分を決定する電流配分手段とを備えた固体レーザ装置。
すべての前記励起モジュールが前記レーザ発振器を構成することを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。
増幅器として使用する前記励起モジュールを有することを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。