JP5087919B2 - 半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ - Google Patents

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本発明は、半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタに関し、さらに詳しくは、半導体レーザの駆動電流および半導体レーザ冷却のための電力を最小化できて乾電池駆動によるポータブル使用が可能であり且つレーザ出力が安定な半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタに関する。
従来、半導体レーザのレーザ光により固体レーザ媒質を励起し、固体レーザ媒質を含む光共振器で基本波を発振し、それを非線形光学結晶により第二高調波に波長変換し、緑色の線状ビームを出すレーザポインタが知られている(例えば特許文献1,特許文献2参照。)。
特許第2500753号公報 特開2004−281932号公報
上記従来のレーザポインタでは、縦モードおよび横モード共にマルチモードであるいわゆる利得導波型の半導体レーザが用いられているが、利得導波型の半導体レーザは発振閾値が高く電気−光変換効率が低いため、駆動電流が大きくなる原因になっている。また、利得導波型の半導体レーザはその発光パターンが数μm×数十〜数百μmの線状パターンであるため、これから発するビームをレンズで集光した時の集光性能に乏しく、このビームで励起されるべき円形の断面を持つ基本ガウシアンモードである共振器モードと空間的に十分オーバーラップさせること(モードマッチング)は困難である。その結果、励起効率を低下させる原因となっている。また、電気−光変換効率が低いために半導体レーザの発熱が大きく、冷却に要する電力が大きくなる原因になっている。
そこで、本発明の目的は、半導体レーザの駆動電流および冷却のための電力を最小化できて乾電池駆動によるポータブル使用が可能であり且つレーザ出力が安定な半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供することにある。
第1の観点では、本発明は、縦モードおよび横モード共にシングルモードで発振する半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光により励起される固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む光共振器内に収容され前記光共振器で発振する基本波の第二高調波を出力する非線形光学結晶と、前記半導体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、前記半導体レーザの温度を制御する温度制御手段とを具備し、前記固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を含み且つ前記第二高調波の強度変動が10%の範囲内に収まるような波長範囲内に前記半導体レーザの縦モードが3本以上存在することを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第1の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザを用いることとした。縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザは、発振閾値が低く電気−光変換効率が高いため、駆動電流を最小化できる。また、横モードがシングルモードであるため共振器モードとのモードマッチング特性が良好であり、高い励起効率が得られる。また、電気−光変換効率が高いために半導体レーザの発熱が小さく、冷却のための電力を最小化できる。従って、乾電池駆動によるポータブル使用が可能になる。
ところが、一般にシングルモードの半導体レーザでは、中心波長の縦モードと、中心波長より短波長側に隣接する縦モードと、中心波長より長波長側に隣接する縦モードの3本の縦モード間をモードホップするため、そのモードホップによる波長の飛びに対する固体レーザ媒質の吸収率の変動が大きいと、駆動電流制御回路による制御では出力が不安定になってしまう。
そこで、上記第1の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を含み且つ前記第二高調波の強度変動が仕様値の範囲内に収まるような波長範囲内に半導体レーザの縦モードが3本以上存在するようにした。波長範囲内の3本の縦モード間でモードホップしても、波長の飛びに対する固体レーザ媒質の吸収率の変動が小さいため、駆動電流制御回路による制御で出力を安定にすることが出来る。
第2の観点では、本発明は、前記第1の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記波長範囲が、前記固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を中心とする±0.5nmの波長範囲であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第2の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を中心とする±0.5nmの波長範囲とすることで、波長範囲内での固体レーザ媒質の吸収率の変動を小さくすることが出来る。
第3の観点では、本発明は、前記第1または前記第2の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記固体レーザ媒質の反非線形光学結晶側の端面および前記非線形光学結晶の反固体レーザ媒質側の端面に、基本波に対するミラーコートが施され、前記両端面で光共振器を構成していることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、固体レーザ媒質の端面と非線形光学結晶の端面に基本波に対するミラーコートを施し、それぞれの端面で光共振器を形成することで、構造を単純化でき、温度制御対象をコンパクトにすることが出来る。よって、温度制御に要する電力を小さくすることが出来る。
第4の観点では、本発明は、前記第3の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記固体レーザ媒質のミラーコートが施されてない端面と前記非線形光学結晶のミラーコートが施されてない端面とが貼り合わされていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第4の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、固体レーザ媒質と非線形光学結晶とを貼り合わせた構造なので、温度制御対象をさらにコンパクトにすることが出来る。よって、温度制御に要する電力をさらに小さくすることが出来る。
第5の観点では、本発明は、前記第1から前記第4のいずれかの観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、該半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタが乾電池駆動であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第5の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、乾電池駆動であるため、ポータブル使用可能となり、ポータブル使用可能なレーザ墨出し装置を実現できる。
本発明の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタによれば、発振閾値が低く電気−光変換効率が高いシングルモードの半導体レーザを用いるため、駆動電流および温度制御に要する電力を最小化でき、乾電池駆動によるポータブル使用が可能になる。また、吸収率の変動が小さい波長範囲内に縦モードが3本以上存在するため、その間でモードホップしても波長の飛びに対する固体レーザ媒質の吸収率の変動は小さく、駆動電流制御回路による制御で出力を安定にすることが出来る。
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に係るレーザポインタ100を示す構成図である。
このレーザポインタ100は、レーザ光を出射する半導体レーザ1と、レーザ光を集光するレンズ2と、集光されたレーザ光で励起され基本波を誘導放出する固体レーザ媒質3と、基本波を第二高調波に変換する非線形光学結晶4と、光共振器6の一端を構成すると共に第二高調波を透過させるミラー5と、ミラー5を透過した第二高調波の一部を取り出すビームスプリッタ7と、ビームスプリッタ7を通過した第二高調波から赤外線をカットする赤外線カットフィルタ8と、赤外線カットフィルタ8を通過したビーム径を拡げると共に平行ビームにするビームエキスパンダ9と、ビームスプリッタ7で取り出した第二高調波を受光し電気信号に変換するフォトダイオード10と、フォトダイオード10での電気信号の強度が一定になるように半導体レーザ1の駆動電流を制御するAPC(Auto Power Control)回路11と、半導体レーザ1,集光レンズ2,固体レーザ媒質3,非線形光学結晶4およびミラー5を支持するベース12と、ベース12を加熱/冷却するためのペルチェ素子13と、ベース12の温度を検出するためのサーミスタ14と、サーミスタ14で検出した温度が所定の温度になるようにペルチェ素子13を駆動する温度制御回路15と、電源としての乾電池16と、人が携帯可能な大きさの円筒状の筐体17と、バネ18とを具備している。
半導体レーザ1は、縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザであり、固体レーザ媒質3の吸収ピーク波長(例えば808.5nm)を中心とする波長範囲(例えば808nm〜809nm)の光を出すように温度チューニングされる。
図2に、半導体レーザ1の出力特性を示す。
実線で示すように発振閾値は60mA以下である。
比較のためにマルチモードの半導体レーザの特性を破線で示す。
固体レーザ媒質3は、Nd:YVO4である。
固体レーザ媒質3の半導体レーザ側の端面には808.5nmでは高透過率、1064nmでは高反射率のコーティングが施されている。固体レーザ媒質3の半導体レーザ側の端面とミラー5の間で光共振器6が構成され、1064nmのレーザ光が発振する。
図3に、固体レーザ媒質3の吸収率特性を示す。
吸収ピーク波長は808.5nmである。
一般に、レーザポインタ100から出力されるビームの強度変動が目視で気にならないのは10%程度までである。第二高調波の強度変動を10%程度に抑えるためには、基本波の強度変動を5%以内に抑えればよい。すると、吸収ピーク波長808.5nmで吸収率が0.9であるから、吸収率が5%下がって0.855になる波長807.9nmから波長809.1nmまでの波長範囲で波長が変動してもよい。そこで、この波長範囲807.9nm〜809.1nm、好ましくは波長範囲808nm〜809nm内に、半導体レーザ1の縦モードが3本以上存在すればよい。換言すれば、その波長範囲内に縦モードが3本以上存在するような共振器長を持つ半導体レーザ1を採用すれば、第二高調波の強度変動が10%程度の範囲内に収まる。
非線形光学結晶4は、温度制御回路15による制御温度範囲内で位相整合が行えるような分極反転周期で分極反転構造が形成された擬似位相整合素子である。擬似位相整合素子は、例えばLiNbO3、LiTaO3、MgO:LiNbO3、MgO:LiTaO3、KNbO3、KTiOPO4に分極反転処理を施すことにより得られる。分極反転周期の異なる擬似位相整合素子を予め用意しておき、半導体レーザ1の温度に応じて選択して非線形光学結晶4として用いる。
非線形光学結晶4を通過する1064nmのレーザ光は、第二高調波である532nmの光に変換されて光共振器6から出力される。
ベース12は、アルミや銅、銅タングステンなどの良熱伝導体を整形したものである。
バネ18は、ペルチェ素子13を挟んでベース12を筐体17に押しつけるように付勢すると共にベース12の他の部分を筐体17から浮かすようにベース12を支持している。
バネ18が熱伝達しないように、バネ18の全体またはベース12に接触する部分は高分子材料でできている。
ベース12とペルチェ素子13の間およびペルチェ素子13と筐体17の間には熱伝導性グリースまたは熱伝導シートを挟み、熱伝導を良くしている。なお、ベース12とペルチェ素子13とを接着または半田付けしてもよい。
必要に応じて、ゴーストを防ぐため532nmに対するARコートを表面に施した円柱レンズを用いて、ビームエキスパンダ9から出力された平行ビームを扇状ビームに変換する。
図4にグリーンレーザ出力特性を示す。
実線は本発明の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ100であり、破線はマルチモードの半導体レーザを用いたレーザポインタである。
比較すれば判るように、本発明の方が駆動電流を70mA程度小さく出来る。
実施例1に係るレーザポインタ100によれば、次の効果が得られる。
(1)縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザは、発振閾値が低く電気−光変換効率が高いため、駆動電流を最小化できる。また、電気−光変換効率が高いために半導体レーザの発熱が小さく、温度制御に要する電力を最小化できる。
(2)吸収率の変動が小さい波長範囲内に半導体レーザ1の縦モードが3本以上存在するため、その間でモードホップしても波長の飛びに対する固体レーザ媒質3の吸収率の変動は小さく、APC回路11による制御で出力を安定にすることが出来る。
(3)乾電池駆動が可能になり、ポータブル使用可能な、視認性のよい緑色ビームのレーザ墨出し装置を実現できる。
(4)ペルチェ素子13でベース12の温度制御をしているから、携帯する人の体温や周囲の温度の影響を受けず、半導体レーザ1や固体レーザ媒質3や非線形光学結晶4を一定の温度に保つことが出来る。従って、過剰な余裕を持たせて半導体レーザ1を駆動する必要がなくなり、半導体レーザ1の駆動電流を最小化でき、乾電池駆動が可能になる。また、ペルチェ素子13を駆動するための電力が小さくて済み、温度制御に要する電力を最小化でき、乾電池駆動が可能になる。さらに、非線形光学素子4で発生する第二高調波の出射方向の温度変化がないため、レーザ出力の方向も変動しなくなる。
図5は、実施例2に係るレーザポインタ200を示す構成図である。
このレーザポインタ200では、固体レーザ媒質3と非線形光学結晶4を接着剤などで貼り合せ、非線形光学結晶4の反半導体レーザ側の端面には1064nmでは高反射率、532nmでは低反射率のコーティングが施されている。つまり、結晶内部で光共振器6が構成されている。そして、ミラー5が省略されている。その他は、実施例1に係るレーザポインタ100と同じである。
実施例2に係るレーザポインタ200によれば、固体レーザ媒質3と非線形光学結晶4とを貼り合わせることで温度制御対象をコンパクトにすることが出来るため、温度制御に要する電力をさらに小さくすることが出来る。
固体レーザ媒質3として、Nd:YVO4の代わりに、Nd:GdVO4、Nd:YLF、Nd:YAG単結晶、Nd:YAGの微細結晶を焼結したセラミックYAGなどを用いてもよい。
本発明の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタは、レーザ墨出し器に利用できる。
実施例1に係るレーザポインタを示す構成説明図である。 半導体レーザの出力特性図である。 固体レーザ媒質の吸収率特性図である。 実施例1に係るレーザポインタのグリーンレーザ出力特性図である。 実施例2に係るレーザポインタを示す構成説明図である。
符号の説明
1 半導体レーザ
3 固体レーザ媒質
4 非線形光学結晶
6 光共振器
12 ベース
13 ペルチェ素子
14 サーミスタ
15 温度制御回路
16 乾電池
100,200 半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ

Claims (5)

  1. 縦モードおよび横モード共にシングルモードで発振する半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光により励起される固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む光共振器内に収容され前記光共振器で発振する基本波の第二高調波を出力する非線形光学結晶と、前記半導体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、前記半導体レーザの温度を制御する温度制御手段とを具備し、前記固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を含み且つ前記第二高調波の強度変動が10%の範囲内に収まるような波長範囲内に前記半導体レーザの縦モードが3本以上存在することを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
  2. 請求項1に記載の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記波長範囲が、前記固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を中心とする±0.5nmの波長範囲であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
  3. 請求項1または請求項2に記載の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記固体レーザ媒質の反非線形光学結晶側の端面および前記非線形光学結晶の反固体レーザ媒質側の端面に、基本波に対するミラーコートが施され、前記両端面で光共振器を構成していることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
  4. 請求項3に記載の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記固体レーザ媒質のミラーコートが施されてない端面と前記非線形光学結晶のミラーコートが施されてない端面とが貼り合わされていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
  5. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、該半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタが乾電池駆動であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
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