JP4805550B2

JP4805550B2 - 波長変換レーザ装置

Info

Publication number: JP4805550B2
Application number: JP2004105347A
Authority: JP
Inventors: 一郎福士; 公資東條
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005294424A

Description

本発明は、波長変換レーザ装置に関し、さらに詳しくは、赤外レーザダイオードをマルチモード動作させた場合の波長変換後の可視レーザ光の出力低下を抑制できる波長変換レーザ装置に関する。

レーザダイオードを単一モード動作させた場合、戻り光や温度変化などの外乱の影響を受けて発振波長が変動するモードホッピングが起きやすい。そして、このモードホッピングが起きた時は、光ノイズが大きくなる。
これに対して、レーザダイオードをマルチモード動作させた場合（マルチモード化という）、単一モード動作させた場合に比べて外乱の影響を受けにくくなるため、モードホッピングが起きにくく、光ノイズを低減できる。
このため、例えば光ピックアップ用のレーザダイオードでは、数１０ｍＡ〜数１００ｍＡの直流の駆動電流Ｉopに対して、数１００ＭＨｚ，数１０ｍＡ程度の振幅の正弦波電流を重畳して、マルチモード動作させ、出力を安定化させている。

なお、閾値電流Ｉthより僅かに大きい程度の直流の駆動電流Ｉopをレーザダイオードに加え、その駆動電流Ｉopをフィードバック制御すると共に、その駆動電流Ｉopに振幅の大きな３５０ＭＨｚ以上の矩形波電流を交流的に重畳し（コンデンサを介して加え）、パルス状のレーザ光を出力する「半導体レーザ駆動回路」が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、閾値電流Ｉthより十分大きい直流の駆動電流Ｉopをレーザダイオードに加え、その駆動電流Ｉopに２０ＭＨｚ以上の高周波電流を交流的に重畳する（コンデンサを介して加える）「半導体レーザ励起固体レーザ」が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特許平６−２０４６１７号公報（図１、図３）特開２０００−２２２４８号公報（図１、図８、図９、図１４）

レーザダイオードをマルチモード化すると縦モードが複数発振するため、同じ注入電流では各モードのピーク値は単一モードの時のそれに比べて小さくなる。ここで、波長変換素子によって波長変換された光出力はレーザダイオードの光出力の二乗に比例する。さらに波長変換素子の変換効率は各縦モードで一定ではない。したがって波長変換後の各縦モードにおける出力の和は単一モードにおける波長変換後の光出力よりも小さくなる。このとき、正弦波等の交流電流を重畳していると、この電流による光出力の平均は零となるためマルチモード化によって波長変換後の光出力は低下してしまうことになる。
また、従来の「半導体レーザ励起固体レーザ」は、高周波電流を交流的に重畳するため、平均出力はＡＰＣ（Auto Power Control）回路またはＡＣＣ（Auto Current Control）回路から供給される直流の駆動電流Ｉopで決まってしまい、レーザダイオードをマルチモード動作させた場合の波長変換後の出力は低下する。

そこで、本発明の目的は、赤外レーザダイオードをマルチモード動作させた場合の波長変換後の可視レーザ光の出力低下を抑制できるレーザダイオードの駆動方法および波長変換レーザ装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、駆動電流２００ｍＡ以上の縦単一モード赤外レーザダイオードと、前記赤外レーザダイオードから出力した赤外レーザ光により励起され可視レーザ光を出力する波長変換素子と、前記可視レーザ光出力を一定に制御するように前記赤外レーザダイオードに駆動電流Ｉopを供給するＡＰＣ回路または前記赤外レーザダイオードに一定の駆動電流Ｉopを供給するＡＣＣ回路と、前記駆動電流Ｉopに電流を増加させる方向に方形波パルス電流Ｉ_ＨＦを重畳する方形波パルス電流重畳手段とを具備したことを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第１の観点による波長変換レーザ装置では、駆動電流Ｉop（例えば３００ｍＡ〜５００ｍＡ）に、電流を増加させる方向に、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦを重畳するため、パルス電流による光出力の平均が加えられ、マルチモード化による出力の低減を補うことが出来る。また、重畳電流のピーク値を一定の値以上必要とする場合は、交流電流を重畳してＡＰＣ駆動において直流の駆動電流Ｉopを増加して光出力を補う方法に比べて、レーザダイオードに流れる電流のピーク値を低くすることが出来る。なお、方形波パルスの発生回路は、必要とする素子数が少なくて済み回路的にも構成が簡単であるという利点もある。

第２の観点では、本発明は、上記構成の波長変換レーザ装置において、前記方形波パルス電流Ｉ_ＨＦの周波数が、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚであることを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第２の観点による波長変換レーザ装置では、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦの周波数が低いため、回路の取り扱いが容易となる。なお、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦに含まれる高調波成分が効果的に作用するため、前記のような比較的低い周波数でも安定したマルチモード発振が得られる。

第３の観点では、本発明は、上記構成の波長変換レーザ装置において、前記方形波パルス電流Ｉ_ＨＦをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を具備したことを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第３の観点による波長変換レーザ装置では、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより、出力を可変にすることが出来る。

本発明の波長変換レーザ装置によれば、赤外レーザダイオードをマルチモード動作させた場合の波長変換後の可視レーザ光の出力低下を抑制できる。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る波長変換レーザ装置１００を示す斜視図である。
この波長変換レーザ装置１００は、赤外レーザダイオード１と、赤外レーザダイオード１から出力した赤外レーザ光Ｌｉにより励起され可視レーザ光Ｌｖを出力する波長変換素子２と、赤外レーザダイオード１へチョークコイル３を介して直流の駆動電流Ｉopを供給するＡＰＣ回路４と、駆動電流Ｉopに方形波パルス電流Ｉ_ＨＦを赤外レーザダイオード１に流れる電流Ｉ_ＬＤを増加させる方向に重畳する方形波パルス発生回路５およびアンプ６と、可視レーザ光Ｌｖの一部を分岐させるビームスプリッタ８と、分岐した可視レーザ光Ｌｖを受光するフォトダイオード９と、フォトダイオード９で受光した光の強度をＡＰＣ回路４に帰還するフィードバック回路１０とを具備している。

赤外レーザダイオード１は、動作電流３００ｍＡ〜５００ｍＡ，連続出力２００ｍＷ級の縦単一モード赤外レーザダイオードである。
波長変換素子２は、光導波路型の周期分極反転構造を持つ疑似位相整合素子である。

ＡＰＣ回路４により、光出力を一定値に制御可能である。
方形波パルス発生回路５の周波数調整抵抗器Ｒｆを操作することにより、周波数を、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲で調整可能である。また、デューティ比調整抵抗器Ｒｄを操作することにより、デューティ比を、１０％〜９０％の範囲で調整可能である。
また、アンプ６のゲインを調整することにより、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦを、０ｍＡ〜２００ｍＡの範囲で調整可能である。

図２は、赤外レーザダイオード１の駆動方法の説明図である。
赤外レーザダイオード１の閾値電流Ｉth（例えば７０ｍＡ〜１００ｍＡ）より大きい直流の駆動電流Ｉop（例えば３００ｍＡ〜５００ｍＡ）をＡＰＣ回路４により赤外レーザダイオード１に供給すると共に、その駆動電流Ｉopに方形波パルス電流Ｉ_ＨＦ（例えば２ＭＨｚ〜５ＭＨｚ，５０ｍＡ〜１００ｍＡ）を赤外レーザダイオード１に流れる電流Ｉ_ＬＤを増加させる方向に重畳する。
これにより、赤外レーザダイオード１は、マルチモード動作する。また、光出力Ｐは、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦが０の時の出力値Ｐopと方形波パルス電流Ｉ_ＨＦが最大値の時の出力値Ｐmaxの間で変化し、平均的には方形波パルス電流Ｉ_ＨＦが０の時の出力値Ｐopより大きいＰop’となる。この出力値Ｐop’は、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦの電流値やデューティ比を調整することにより可変となる。ＡＰＣ回路４で出力を一定に制御すれば、駆動電流Ｉopが下がることになる。

本願発明者らの実験では、駆動電流Ｉop＝３００ｍＡで単一モード動作中にモードホッピングを起こした場合、波長変換後の光ノイズ（rms １０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）は１０％を越えていた。ここで、周波数３ＭＨｚ，電流値４０ｍＡ，デューティ比６０％の方形波パルス電流Ｉ_ＨＦを重畳したところ、マルチモード動作し、光ノイズは０.２４％になった。この時の出力は、単一モード動作時の出力値の８６.５％であった。次に、電流値１００ｍＡ，デューティ比６０％の方形波パルス電流Ｉ_ＨＦを重畳したところ、マルチモード動作し、光ノイズは０.３０％になった。この時の出力は、単一モード動作時の出力値の９７.５％であった。

実施例１に係る波長変換レーザ装置１００によれば、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦに含まれる高調波成分の作用により安定したマルチモード発振を得ることができ、さらにマルチモード化に伴う波長変換後の光出力の低下を補うことが出来る。また、ＡＰＣ回路４で出力を一定に制御するので、マルチモード化による駆動電流Ｉopの上昇（出力一定のため）を低減することが出来る。また、方形波パルス発生回路５は少ない回路素子で容易に構成することが出来る。

図３は、実施例２に係る波長変換レーザ装置２００を示す斜視図である。
この波長変換レーザ装置２００は、赤外レーザダイオード１と、赤外レーザダイオード１から出力した赤外レーザ光Ｌｉにより励起され可視レーザ光Ｌｖを出力する波長変換素子２と、赤外レーザダイオード１へチョークコイル３を介して直流の一定駆動電流Ｉopを供給するＡＣＣ回路７と、駆動電流Ｉopに方形波パルス電流Ｉ_ＨＦを赤外レーザダイオード１に流れる電流Ｉ_ＬＤを増加させる方向に重畳する方形波パルス発生回路５およびアンプ６とを具備している。

ＡＣＣ回路７を調整することにより、駆動電流Ｉopを、３００ｍＡ〜５００ｍＡの範囲の一定値に調整可能である。

実施例２に係る波長変換レーザ装置２００によれば、方形波パルス電流Ｉ_ＨＦに含まれる高調波成分の作用により安定したマルチモード発振を得ることができ、さらにマルチモード化に伴う波長変換後の光出力の低下を補うことが出来る。また、方形波パルス発生回路５は少ない回路素子で容易に構成することが出来る。

本発明のレーザダイオードの駆動方法および波長変換レーザ装置は、例えばＳＨＧ（第２高調波発生）固体レーザ装置として利用できる。

実施例１に係る波長変換レーザ装置を示すブロック図である。実施例１に係るレーザダイオードの駆動方法の説明図である。実施例２に係る波長変換レーザ装置を示すブロック図である。

符号の説明

１赤外レーザダイオード
２波長変換素子
３チョークコイル
４ＡＰＣ回路
５方形波パルス発生回路
６アンプ
７ＡＣＣ回路
８ビームスプリッタ
９フォトダイオード
１０フィードバック回路
１００，２００波長変換レーザ装置

Claims

駆動電流２００ｍＡ以上の縦単一モード赤外レーザダイオードと、前記赤外レーザダイオードから出力した赤外レーザ光により励起され可視レーザ光を出力する波長変換素子と、前記可視レーザ光出力を一定に制御するように前記赤外レーザダイオードに駆動電流Ｉopを供給するＡＰＣ回路または前記赤外レーザダイオードに一定の駆動電流Ｉopを供給するＡＣＣ回路と、前記駆動電流Ｉopに電流を増加させる方向に方形波パルス電流Ｉ_ＨＦを重畳する方形波パルス電流重畳手段とを具備したことを特徴とする波長変換レーザ装置。
請求項１に記載の波長変換レーザ装置において、前記方形波パルス電流Ｉ_ＨＦの周波数が、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚであることを特徴とする波長変換レーザ装置。
請求項１または請求項２に記載の波長変換レーザ装置において、前記方形波パルス電流Ｉ_ＨＦをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を具備したことを特徴とする波長変換レーザ装置。