JP5125570B2 - 固体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、高周波の光ノイズを抑制することが出来る固体レーザ装置に関する。

従来、固体レーザ結晶の吸収スペクトルすなわち波長−吸収強度特性の最大値を与える波長帯の励起レーザ光を半導体レーザで発生するように半導体レーザの温度を制御する固体レーザ装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１７７１７１号公報（[００５６]）

上記従来の固体レーザ装置では、固体レーザ結晶を最も効率よく励起できるため、半導体レーザの駆動電流を最も小さくすることが出来た。
しかし、固体レーザ結晶の波長−吸収強度特性の最大値を与える波長帯ではスペクトル変化が急峻であるため、わずかな波長変化で吸収強度が大きく変化する。一方、マルチモードの半導体レーザは、その半導体レーザの共振器長で決まる波長間隔で複数本の発振スペクトルが存在し、高周波でのモードホップを繰り返している。このため、半導体レーザのモードホップによって固体レーザ結晶の吸収強度が高周波で大きく変化することを繰り返す結果となり、高周波の光ノイズが発生してしまう問題点があった。
そこで、本発明の目的は、高周波の光ノイズを抑制することが出来る固体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、励起レーザ光を発生する半導体レーザと、前記励起レーザ光によって励起される固体レーザ結晶と、前記固体レーザ結晶の波長−吸収強度特性の最大値を与える波長帯でなく且つ最大値を与える波長帯よりも吸収強度変化が小さい波長帯の励起レーザ光を発生するように前記半導体レーザの温度を制御する半導体レーザ温度制御手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第１の観点による固体レーザ装置では、固体レーザ結晶の波長−吸収強度特性の最大値を与える波長帯の励起レーザ光を半導体レーザで発生せず、最大値を与える波長帯で励起した場合よりも吸収強度変化が小さい波長帯の励起レーザ光を半導体レーザで発生させる。これにより、半導体レーザのモードホップによって固体レーザ結晶の吸収強度が高周波で大きく変化することが抑制され、固体レーザ結晶の波長−吸収強度特性の最大値を与える波長帯の励起レーザ光を半導体レーザで発生した場合よりも半導体レーザの駆動電流は大きくなるが、高周波の光ノイズを抑制することが出来る。従って、半導体レーザの駆動電流の大小よりも光ノイズの大小の方が重要な用途に有用である。例えば計測用として有用である。

第２の観点では、本発明は、励起レーザ光を発生する半導体レーザと、前記励起レーザ光によって励起され且つ前記励起レーザ光の入射面に反射面が形成された固体レーザ結晶と、前記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、前記固体レーザ結晶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、前記出力側ミラーから外部へ出力される第二高調波を出力の強度が一定になるように制御した駆動電流を前記半導体レーザへ供給する半導体レーザ駆動手段と、励起レーザ光の波長−駆動電流特性の最小値を与える波長帯でなく且つ最小値を与える波長帯で励起した場合よりも第二高調波を出力の高周波の光ノイズが小さい波長帯の励起レーザ光を発生するように前記半導体レーザの温度を制御する半導体レーザ温度制御手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第２の観点による固体レーザ装置では、固体レーザ装置からの出力光の強度が一定になるように駆動電流を制御した状態における半導体レーザの発振波長−駆動電流特性の最小値を与える波長帯の励起レーザ光を半導体レーザで発生せず、最小値を与える波長帯で励起した場合よりも高周波の光ノイズが小さい波長帯の励起レーザ光を半導体レーザで発生させる。これにより、半導体レーザの発振波長−駆動電流特性の最小値を与える波長帯の励起レーザ光を半導体レーザで発生した場合よりも半導体レーザの駆動電流は大きくなるが、高周波の光ノイズを抑制することが出来る。従って、半導体レーザの駆動電流の大小よりも光ノイズの大小の方が重要な用途に有用である。例えば計測用として有用である。

本発明の固体レーザ装置によれば、高周波の光ノイズを抑制することが出来る。

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に係る固体レーザ装置１００を示す説明図である。
この固体レーザ装置１００は、励起レーザ光を発生する半導体レーザ１１と、励起レーザ光を集光する集光レンズ系１２と、所定の厚みを持ち且つ励起レーザ光の入射面に反射面１３ａが形成され且つ励起レーザ光により励起されて基本波光を発生する固体レーザ結晶１３と、固体レーザ結晶１３の反射面１３ａとの間で光共振器１７を形成する反射面を持つ出力側ミラー１６と、光共振器１７内に挿入され基本波光の高調波光を発生する非線形光学素子１４と、光共振器１７内に挿入される波長選択素子１５とを具備している。

さらに、固体レーザ装置１００は、出力側ミラー１６から外部へ出力される出力レーザ光の一部を透過すると共に残りを分岐するビームスプリッタ１８と、分岐光を受光し電気信号に変換するホトダイオード１９と、ペルチェ素子と温度センサとを有し半導体レーザ１１の温調を行うための温調ユニット１と、ペルチェ素子と温度センサとを有し固体レーザ結晶１３および出力ミラー１６の温調を行うための温調ユニット２と、ペルチェ素子と温度センサとを有し波長選択素子１５の温調を行うための温調ユニット３と、温調ユニット１により半導体レーザ１１の温度を制御する半導体レーザ温度制御回路２１と、温調ユニット２により固体レーザ結晶１３および出力ミラー１６の温度を制御する共振器ブロック温度制御回路２２と、温調ユニット３により波長選択素子１５の温度を制御する波長選択素子温度制御回路２３と、半導体レーザ１１を駆動するための駆動電流Ｉopを供給する半導体レーザ駆動回路２４と、ホトダイオード１９の出力Ｐが所定出力となるように半導体レーザ駆動回路２４を制御すると共に各温度制御回路２１，２２，２３を制御する制御回路２５とを具備している。

図２は、半導体レーザ１１の温度−励起レーザ光波長特性ＴＬおよび固体レーザ結晶１３の波長−吸収強度特性ＬＡを示す例示図である。
この例の半導体レーザ１１の温度−励起レーザ光波長特性ＴＬでは、半導体レーザ１１の温度４６℃で波長８０８．４ｎｍ、温度３２℃で波長８０４．４ｎｍになっており、温度に応じて波長がリニアに変化している。
他方、この例の固体レーザ結晶１３の波長−吸収強度特性ＬＡでは、吸収強度の顕著な極大点が波長８０８．５ｎｍと波長８０４．５ｎｍにある。

この固体レーザ装置１００では、半導体レーザ１１の温度を約４３℃±１℃に温調し、８０４．４ｎｍを中心とする波長帯Ｌ２の励起レーザ光を用いる。
これに対して、従来の固体レーザ装置では、半導体レーザ１１の温度を約４７℃±１℃に温調し、８０８．４ｎｍを中心とする波長帯Ｌ１の励起レーザ光を用いている。

図３は、ホトダイオード１９の出力Ｐが一定出力となるように駆動電流Ｉopを制御した状態における半導体レーザ１１が発生する励起レーザ光の波長−駆動電流特性ＬＣおよび半導体レーザ１１が発生する励起レーザ光の波長−高周波光ノイズ強度特性ＬＣを示す例示図である。
この固体レーザ装置１００が使用する波長帯Ｌ２では、駆動電流Ｉopは約８９０ｍＡであり、光ノイズは０．２％〜０．３％である。
これに対して、従来の固体レーザ装置が使用する波長帯Ｌ１では、駆動電流Ｉopは約７００ｍＡ〜７８０ｍＡであり、光ノイズは０．４９％〜０．５５％である。
すなわち、実施例１の固体レーザ装置１００では、従来の固体レーザ装置に比べて、駆動電流Ｉopは大きくなるが、光ノイズは小さくなっている。

図４は、実施例１に係る半導体レーザ温度設定手順を示すフロー図である。
ステップＱ１では、固体レーザ結晶１３の波長−吸収強度特性を測定する。例えば図２の波長−吸収強度特性ＬＡを得る。
ステップＱ２では、波長−吸収強度特性の極大値を与える波長を見つけ、極大値が大きい順に波長に番号１，２，…，Ｎを付ける。例えば図２の波長−吸収強度特性ＬＡでは、波長８０８．４ｎｍを第１の波長とし、波長８０４．４ｎｍを第２の波長とする。

ステップＱ４では、波長番号カウンタｎ＝１とする。

ステップＱ５では、第ｎの波長を中心とする所定幅の波長帯での吸収強度の最大値と最小値の差を求める。例えば図２の波長−吸収強度特性ＬＡから、第１の波長８０８．４ｎｍを中心とする幅０．２ｎｍの波長帯Ｌ１での吸収強度の最大値と最小値の差０．１１を得る。

ステップＱ６では、差が許容値より小さいならステップＱ９へ進み、小さくないならステップＱ７へ進む。例えば許容値を０．０５とすると、第１の波長８０８．４ｎｍの波長帯Ｌ２で差が０．１１ならステップＱ７へ進む。

ステップＱ７では、波長番号カウンタｎ＝ＮになったならステップＱ１０へ進み、なってないならステップＱ８へ進む。
ステップＱ８では、波長番号カウンタｎを１だけインクリメントし、ステップＱ５に戻る。

２回目のステップＱ５では、例えば図２の波長−吸収強度特性ＬＡから、第２の波長８０８．４ｎｍを中心とする幅０．２ｎｍの波長帯Ｌ２での吸収強度の最大値と最小値の差０．０３を得る。

２回目のステップＱ６では、例えば許容値を０．０５とすると、第２の波長８０４．４ｎｍの波長帯Ｌ２で吸収強度の最大値と最小値の差が０．０３ならステップＱ９へ進む。

ステップＱ９では、励起レーザ光が第ｎの波長を中心とする波長帯になるように半導体レーザ１１の温度をチューニングする。例えば励起レーザ光が第２の波長８０４．４ｎｍを中心とする波長帯Ｌ２になるように半導体レーザ１１の温度をチューニングする。

ステップＱ１０では、吸収強度の最大値と最小値の差が許容値より小さくなる波長が見つからないと判定する。

実施例１の固体レーザ装置によれば、固体レーザ結晶１３の波長−吸収強度特性ＬＡの最大値を与える波長帯Ｌ１の励起レーザ光を半導体レーザ１１で発生せず、最大値を与える波長帯Ｌ１で励起した場合よりも吸収強度変化が小さい波長帯Ｌ２の励起レーザ光を半導体レーザ１１で発生させる。これにより、半導体レーザ１１のモードホップによって固体レーザ結晶１３の吸収強度が高周波で大きく変化することが抑制され、固体レーザ結晶１３の波長−吸収強度特性ＬＡの最大値を与える波長帯Ｌ１の励起レーザ光を半導体レーザ１１で発生した場合よりも半導体レーザ１１の駆動電流Ｉopは大きくなるが、高周波の光ノイズを抑制することが出来る。従って、半導体レーザ１１の駆動電流Ｉopの大小よりも光ノイズの大小の方が重要な用途に有用である。例えば計測用として有用である。

図５は、実施例２に係る半導体レーザ温度設定手順を示すフロー図である。
ステップＷ１では、固体レーザ結晶１３を組み込んだ固体レーザ装置１００を一定のレーザ出力になるように駆動し、励起レーザ光波長−半導体レーザ駆動電流特性を測定する。例えば図３の励起レーザ光波長−駆動電流特性ＬＣを得る。
ステップＷ２では、励起レーザ光波長−半導体レーザ駆動電流特性の極小値を与える駆動電流を見つけ、極小値が小さい順に波長に番号１，２，…，Ｎを付ける。例えば図３の励起レーザ光波長−駆動電流特性ＬＣでは、波長８０８．４ｎｍを第１の波長とし、波長８０４．４ｎｍを第２の波長とする。

ステップＷ４では、波長番号カウンタｎ＝１とする。

ステップＷ５では、励起レーザ光が第ｎの波長になるように半導体レーザ１１の温度をチューニングし、一定のレーザ出力になるように半導体レーザ１１を駆動し、光ノイズを測定する。例えば励起レーザ光が第１の波長８０８．４ｎｍになるように半導体レーザ１１の温度を４６℃にチューニングし、一定のレーザ出力になるように半導体レーザ１１を駆動し、光ノイズを測定し、光ノイズ０．５％を得る。

ステップＷ６では、光ノイズが許容値より小さいならステップＷ９へ進み、小さくないならステップＷ７へ進む。例えば許容値を０．４％とすると、第１の波長８０８．４ｎｍで光ノイズが０．５％ならステップＷ７へ進む。

ステップＷ７では、波長番号カウンタｎ＝ＮになったならステップＷ１０へ進み、なってないならステップＷ８へ進む。
ステップＷ８では、波長番号カウンタｎを１だけインクリメントし、ステップＷ５に戻る。

２回目のステップＷ５では、例えば励起レーザ光が第２の波長８０４．４ｎｍになるように半導体レーザ１１の温度を３３℃にチューニングし、一定のレーザ出力になるように半導体レーザ１１を駆動し、光ノイズを測定し、光ノイズ０．２５％を得る。

２回目のステップＷ６では、例えば許容値を０．４％とすると、第２の波長８０４．４ｎｍで光ノイズが０．２５％ならステップＷ９へ進む。

ステップＷ９では、励起レーザ光が第ｎの波長を中心とする所定幅の波長帯になるように半導体レーザ１１の温度をチューニングする。例えば励起レーザ光が第２の波長８０４．４ｎｍを中心とする幅０．２ｎｍの波長帯Ｌ２になるように半導体レーザ１１の温度をチューニングする。

ステップＷ１０では、光ノイズが許容値より小さくなる波長が見つからないと判定する。

実施例２の固体レーザ装置によれば、固体レーザ装置１００からの出力光の強度が一定になるように駆動電流Ｉopを制御した状態における半導体レーザ１１の発振波長−駆動電流特性ＬＣの最小値を与える波長帯Ｌ１の励起レーザ光を半導体レーザ１１で発生せず、最小値を与える波長帯Ｌ１で励起した場合よりも高周波の光ノイズが小さい波長帯Ｌ２の励起レーザ光を半導体レーザ１１で発生させる。これにより、半導体レーザ１１の発振波長−駆動電流特性ＬＣの最小値を与える波長帯Ｌ１の励起レーザ光を半導体レーザ１１で発生した場合よりも半導体レーザ１１の駆動電流Ｉopは大きくなるが、高周波の光ノイズを抑制することが出来る。従って、半導体レーザ１１の駆動電流Ｉopの大小よりも光ノイズの大小の方が重要な用途に有用である。例えば計測用として有用である。

本発明の固体レーザ装置は、バイオエンジニアリング分野や計測分野で利用できる。

実施例１に係る固体レーザ装置を示す構成説明図である。 半導体レーザの温度−励起レーザ光波長特性ＴＬおよび固体レーザ結晶の波長−吸収強度特性ＬＡを示す例示図である。 一定出力となるように駆動電流を制御した状態における半導体レーザが発生する励起レーザ光の波長−駆動電流特性ＬＣおよび半導体レーザが発生する励起レーザ光の波長−高周波光ノイズ強度特性を示す例示図である。 実施例２に係る半導体レーザ温度設定手順を示すフロー図である。 実施例３に係る半導体レーザ温度設定手順を示すフロー図である。

符号の説明

１ 温調ユニット
１１ 半導体レーザ
１３ 固体レーザ結晶
１６ 出力側ミラー
２１ 半導体レーザ温度制御回路
２５ 制御回路
１００ 固体レーザ装置

Claims (2)

1. 励起レーザ光を発生するマルチモードの半導体レーザと、前記励起レーザ光によって励起される固体レーザ結晶と、前記固体レーザ結晶の波長−吸収強度特性の最大値を与える波長帯でなく且つ最大値を与える波長帯よりも吸収強度の波長による変化率が小さい波長帯の励起レーザ光を発生するように前記半導体レーザの温度を制御することにより、前記半導体レーザのモードホップに起因する高周波の光ノイズを抑制する半導体レーザ温度制御手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置。
2. 励起レーザ光を発生するマルチモードの半導体レーザと、前記励起レーザ光によって励起され且つ前記励起レーザ光の入射面に反射面が形成された固体レーザ結晶と、前記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、前記固体レーザ結晶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、前記出力側ミラーから外部へ出力される第二高調波を出力の強度が一定になるように制御した駆動電流を前記半導体レーザへ供給する半導体レーザ駆動手段と、励起レーザ光の波長−駆動電流特性の最小値を与える波長帯でなく且つ最小値を与える波長帯で励起した場合よりも第二高調波を出力の高周波の光ノイズが小さい波長帯の励起レーザ光を発生するように前記半導体レーザの温度を制御することにより、前記半導体レーザのモードホップに起因する高周波の光ノイズを抑制する半導体レーザ温度制御手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置。

Images