JP5621739B2

JP5621739B2 - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP5621739B2
Application number: JP2011204257A
Authority: JP
Inventors: 直也石垣; 東條　公資; 公資東條; 進吾宇野; 次郎齋川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: JP2013065753A

Description

本発明は、固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、大きなエネルギーを持ったレーザを出力せずに且つ高精度に温度チューニングを行うことが出来る固体レーザ装置に関する。

従来、自動的に又は指示されたタイミングで波長変換用光学素子の温度チューニングを行う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２０１０−２５１４４８号公報

実働中の固体レーザ装置のレーザは大きなエネルギーを持っているが、上記従来の固体レーザ装置では、温度チューニング中に出力されるレーザも実働中と同じように大きなエネルギーを持つものであった。
しかし、温度チューニング中に大きなエネルギーのレーザがレーザ照射対象物あるいはレーザ照射対象物以外の物に不要に照射されてしまうと、それらを破損しかねない問題点があった。
これに対して、半導体レーザの駆動電流を小さくしてしまえば、大きなエネルギーのレーザが出力されることは防げるが、温度チューニング中の出力の変化や駆動電流の変化の範囲が小さくなってしまうため、精度の高い温度チューニングを行うことが困難になる問題点を生じる。
そこで、本発明の目的は、大きなエネルギーを持ったレーザを出力せずに且つ高精度に温度チューニングを行う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（１）と、前記励起レーザ光によって励起され基本波を発生する固体レーザ媒質（２）と、前記固体レーザ媒質（２）を含んで形成される光共振器（２０）内に設置され前記光共振器（２０）で発振する基本波の第三高調波を発生するための第二高調波発生素子（４）および第三高調波発生素子（５）と、前記第二高調波発生素子（４）の温度を制御するための第１温度制御手段（９ｓ，１１ｓ）と、前記第三高調波発生素子（５）の温度を制御するための第２温度制御手段（９ｔ，１１ｔ）と、第三高調波出力を検出する第三高調波出力検出手段（７，８）と、前記第二高調波発生素子（４）の温度を最適温度近傍から外した温度にした状態で前記第三高調波発生素子（５）の温度をスイープして最適温度Ｔｔｐを求めると共に前記第三高調波発生素子（５）の温度を最適温度近傍から外した温度にした状態で前記第二高調波発生素子（４）の温度をスイープして最適温度Ｔｓｐを求める温度チューニング機構（１２）とを具備したことを特徴する固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第１の観点による固体レーザ装置（１００）では、第二高調波発生素子（４）の温度を最適温度近傍から外した温度にした状態で第三高調波発生素子（５）の温度をスイープして最適温度Ｔｔｐを求めるので、半導体レーザ（１）の駆動電流が大きくても大きなエネルギーを持ったレーザが出力されることはない。また、第三高調波発生素子（５）の温度を最適温度近傍から外した温度にした状態で第二高調波発生素子（４）の温度をスイープして最適温度Ｔｓｐを求めるので、半導体レーザ（１）の駆動電流が大きくても大きなエネルギーを持ったレーザが出力されることはない。さらに、半導体レーザ（１）の駆動電流を大きくすることが出来るため、温度チューニング中の出力の変化や駆動電流の変化の範囲も大きくなり、精度の高い温度チューニングを行うことが出来る。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による固体レーザ装置（１００）において、前記温度チューニング機構（１２）は、一定の駆動電流で前記半導体レーザ（１）を駆動した状態で温度をスイープすることを特徴する固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第２の観点による固体レーザ装置（１００）では、半導体レーザ（１）の駆動電流を大きくすることが出来るため、温度チューニング中の出力の変化範囲が大きくなり、精度の高い温度チューニングを行うことが出来る。

第３の観点では、本発明は、前記第２の観点による固体レーザ装置（１００）において、前記第二高調波発生素子（４）の温度を最適温度近傍から外した温度が、前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの出力が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの出力の５０％以下になるような温度であり、前記第三高調波発生素子（５）の温度を最適温度近傍から外した温度が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであるときの出力が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの出力の５０％以下になるような温度であることを特徴する固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第３の観点による固体レーザ装置（１００）では、温度チューニング中の最大出力が、第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの出力の半分以下になる。

第４の観点では、本発明は、前記第１の観点による固体レーザ装置（１００）において、前記温度チューニング機構（１２）は、一定出力になるように前記半導体レーザ（１）を駆動した状態で温度をスイープすることを特徴する固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第４の観点による固体レーザ装置（１００）では、半導体レーザ（１）の駆動電流を大きくすることが出来るため、温度チューニング中の駆動電流の変化範囲が大きくなり、精度の高い温度チューニングを行うことが出来る。

第５の観点では、本発明は、前記第４の観点による固体レーザ装置（１００）において、前記第二高調波発生素子（４）の温度を最適温度近傍から外した温度が、前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの駆動電流が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの駆動電流の１５０％以上になるような温度であり、前記第三高調波発生素子（５）の温度を最適温度近傍から外した温度が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであるときの駆動電流が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの駆動電流の１５０％以上になるような温度であることを特徴する固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第５の観点による固体レーザ装置（１００）では、温度チューニング中の駆動電流の変化範囲が、第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの駆動電流の１．５倍以上になる。

本発明の固体レーザ装置によれば、温度チューニング中に大きなエネルギーのレーザパルスがレーザ照射対象物などに不要に照射されてしまうことがなくなるため、それらを破損してしまうような問題を回避できる。また、温度チューニング中の出力の変化や駆動電流の変化の範囲を大きくすることが出来るため、精度の高い温度チューニングを行うことが出来る。

実施例１及び実施例２に係る固体レーザ装置を示す構成説明図である。第二高調波発生素子の温度変化に対する出力変化を示すグラフである。第三高調波発生素子の温度変化に対する出力変化を示すグラフである。実施例１に係る温度チューニング処理を示すフロー図である。実施例２に係る温度チューニング処理を示すフロー図である。

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。

−実施例１−
図１は、実施例１に係る固体レーザ装置１００を示す構成説明図である。
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１と、励起レーザ光によって励起され基本波を発生する固体レーザ媒質２と、固体レーザ媒質２を含んで光共振器２０を構成するためのミラー３，３と、光共振器２０内に設置され光共振器２０で発振する基本波の第三高調波を発生するための第二高調波発生素子４および第三高調波発生素子５と、第二高調波発生素子４の温度を制御するための素子温度制御機構９ｓおよび温調ユニット（ペルチェ素子および温度センサを含む）１１ｓと、第三高調波発生素子５の温度を制御するための素子温度制御機構９ｔおよび温調ユニット１１ｔと、第三高調波出力の一部を分岐するビームスプリッタ６と、ビームスプリッタ６で分岐された光を受光する光検出器７と、光検出器７での光検出信号を読み出す読出し回路（ＡＤ変換回路を含む）８と、半導体レーザ１を駆動するための半導体レーザ駆動機構１０と、第二高調波発生素子４の温度を最適温度近傍から外した温度にした状態で第三高調波発生素子５の温度をスイープして最適温度Ｔｔｐを求めると共に第三高調波発生素子５の温度を最適温度近傍から外した温度にした状態で第二高調波発生素子４の温度をスイープして最適温度Ｔｓｐを求める温度チューニング機構１２とを具備している。

素子温度調整機構９ｓ，９ｔと、半導体レーザ駆動機構１０と、温度チューニング機構１２とは、ＣＰＵ３０により構成される。

図２は、第二高調波発生素子４の温度Ｔｓの変化に対する第三高調波出力の変化を示すグラフである。なお、駆動電流Ｉは、５Ａである。
第三高調波発生素子５の温度Ｔｔが異なっても、出力が最大付近になる第二高調波発生素子４の温度すなわち最適温度Ｔｓｐは約４２℃である。

図３は、第三高調波発生素子５の温度Ｔｔの変化に対する第三高調波出力の変化を示すグラフである。なお、駆動電流Ｉは、５Ａである。
第二高調波発生素子４の温度Ｔｓが異なっても、出力が最大付近になる第三高調波発生素子５の温度すなわち最適温度Ｔｔｐは約４１℃である。

図２および図３から次のことが判る。
（１）第二高調波発生素子４を最適温度Ｔｓｐ＝約４２℃とし且つ第三高調波発生素子５を最適温度Ｔｔｐ＝約４１℃とすると、出力は最大値になる（約１２５μＪ）。
（２）第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを例えば３０℃にすれば、第三高調波発生素子５を最適温度Ｔｔｐ＝約４１℃としても、出力は最大値の半分以下になる（約６２μＪ）。そして、第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを例えば３９℃〜４３℃で変化させたときの出力の変化範囲は約４０μＪ（＝６２μＪ−２０μＪ）で十分大きく、最適温度Ｔｔｐを精度高く検出することが容易である。
（３）第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを例えば２７℃にすれば、第三高調波発生素子５を最適温度Ｔｔｐ＝約４１℃としても、出力は最大値の半分以下になる（約６２μＪ）。しかし、第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを例えば３９℃〜４３℃で変化させたときの出力の変化範囲は約２０μＪ（＝３０μＪ−１０μＪ）であり、第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを例えば３０℃にしたときよりも最適温度Ｔｔｐを精度高く検出することが難しくなる。
（４）第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを例えば３８．５℃にすれば、第二高調波発生素子４を最適温度Ｔｓｐ＝約４２℃としても、出力は最大値の半分以下になる（約６０μＪ）。そして、第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを例えば３０℃〜５０℃で変化させたときの出力の変化範囲は約３５μＪ（＝６０μＪ−２５μＪ）で十分大きく、最適温度Ｔｓｐを精度高く検出することが容易である。
（５）第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを例えば３８℃にすれば、第二高調波発生素子４を最適温度Ｔｓｐ＝約４２℃としても、出力は最大値の半分以下になる（約３０μＪ）。しかし、第二高調波発生素子５の温度Ｔｓを例えば３０℃〜５０℃で変化させたときの出力の変化範囲は約２０μＪ（＝３５μＪ−１５μＪ）であり、第三高調波発生素子５の温度Ｔｓを例えば３８．５℃にしたときよりも最適温度Ｔｓｐを精度高く検出することが難しくなる。

図４は、実施例１に係る温度チューニング処理を示すフロー図である。
ステップＲ１では、温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉをオフし、半導体レーザ１からの励起レーザ光の発生を停止する。

ステップＲ２では、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｔおよび温調ユニット１１ｔにより、第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを最適温度近傍から外した温度たとえば３８．５℃にする。Ｔｔ＝３８．５℃にする理由は前記（４）（５）による。

ステップＲ３では、温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉを一定値にする。この駆動電流Ｉの値は、通常稼働時と同程度でもよいし、それよりも小さくしてもよい。但し、小さくし過ぎると、第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを変化させたときの出力の変化範囲や第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを変化させたときの出力の変化範囲が小さくなって、最適温度ＴｓｐやＴｔｐを精度高く検出することが難しくなるので、あまり小さくしない方がよい。

ステップＲ４では、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｓおよび温調ユニット１１ｓにより、第二高調波発生素子５の温度Ｔｓを例えば３０℃〜５０℃で変化させて、出力がピークになる最適温度Ｔｓｐを検出して記憶する。

ステップＲ５では、温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉをオフし、半導体レーザ１からの励起レーザ光の発生を停止する。

ステップＲ６では、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｓおよび温調ユニット１１ｓにより、第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを最適温度近傍から外した温度たとえば３０℃にする。Ｔｓ＝３０℃にする理由は前記（２）（３）による。

ステップＲ７では、温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉを一定値にする。

ステップＲ８では、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｔおよび温調ユニット１１ｔにより、第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを例えば３９℃〜４３℃で変化させて、出力がピークになる最適温度Ｔｔｐを検出し記憶する。

ステップＲ９では、温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉをオフし、半導体レーザ１からの励起レーザ光の発生を停止し、処理を終了する。

次回の稼働時には、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｓおよび温調ユニット１１ｓにより、第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを最適温度Ｔｓｐに設定する。また、素子温度制御機構９ｔおよび温調ユニット１１ｔにより、第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを最適温度Ｔｔｐに設定する。

実施例１の固体レーザ装置１００によれば、温度チューニング中に大きなエネルギーのレーザがレーザ照射対象物などに不要に照射されてしまうことがなくなるため、それらを破損してしまうような問題を回避できる。また、温度チューニング中の出力の変化範囲を大きくすることが出来るため、精度の高い温度チューニングを行うことが出来る。

−実施例２−
図５は、実施例２に係る温度チューニング処理を示すフロー図である。
ステップＳ１では、温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉをオフし、半導体レーザ１からの励起レーザ光の発生を停止する。

ステップＳ２では、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｔおよび温調ユニット１１ｔにより、第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを最適温度近傍から外した温度たとえば３８．５℃にする。Ｔｔ＝３８．５℃にする理由は前記（４）（５）による。

ステップＳ３では、温度チューニング機構１２は、出力が一定になるように半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉを制御する。この時の出力値は、通常稼働時と同程度でもよいし、それよりも小さくしてもよい。但し、小さくし過ぎると、第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを変化させたときの駆動電流Ｉの変化範囲や第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを変化させたときの駆動電流Ｉの変化範囲が小さくなって、最適温度ＴｓｐやＴｔｐを精度高く検出することが難しくなるので、あまり小さくしない方がよい。

ステップＳ４では、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｓおよび温調ユニット１１ｓにより、第二高調波発生素子５の温度Ｔｓを例えば３０℃〜５０℃で変化させて、駆動電流Ｉがボトムになる最適温度Ｔｓｐを検出して記憶する。

ステップＳ５では、温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉをオフし、半導体レーザ１からの励起レーザ光の発生を停止する。

ステップＳ６では、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｓおよび温調ユニット１１ｓにより、第二高調波発生素子４の温度Ｔｓを最適温度近傍から外した温度たとえば３０℃にする。Ｔｓ＝３０℃にする理由は前記（２）（３）による。

ステップＳ７では、温度チューニング機構１２は、出力が一定になるように半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉを制御する。

ステップＳ８では、温度チューニング機構１２は、素子温度制御機構９ｔおよび温調ユニット１１ｔにより、第三高調波発生素子５の温度Ｔｔを例えば３９℃〜４３℃で変化させて、駆動電流Ｉがボトムになる最適温度Ｔｔｐを検出し記憶する。

ステップＳ９では、温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動機構１０から供給する駆動電流Ｉをオフし、半導体レーザ１からの励起レーザ光の発生を停止し、処理を終了する。

実施例２の固体レーザ装置１００によれば、温度チューニング中に大きなエネルギーのレーザがレーザ照射対象物などに不要に照射されてしまうことがなくなるため、それらを破損してしまうような問題を回避できる。また、温度チューニング中の駆動電流Ｉの変化範囲を大きくすることが出来るため、高精度の温度チューニングを行うことが出来る。

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。

１半導体レーザ
２固体レーザ媒質
３ミラー
４第二高調波発生素子
５第三高調波発生素子
６ビームスプリッタ
７光検出器
８読出し回路
９ｓ，９ｔ素子温度調整機構
１０半導体レーザ駆動機構
１１ｓ，１１ｔ温調ユニット
１２温度チューニング機構
２０光共振器
３０ＣＰＵ
１００固体レーザ装置

Claims

励起レーザ光を発生する半導体レーザ（１）と、前記励起レーザ光によって励起され基本波を発生する固体レーザ媒質（２）と、前記固体レーザ媒質（２）を含んで形成される光共振器（２０）内に設置され前記光共振器（２０）で発振する基本波の第三高調波を発生するための第二高調波発生素子（４）および第三高調波発生素子（５）と、前記第二高調波発生素子（４）の温度を制御するための第１温度制御手段（９ｓ，１１ｓ）と、前記第三高調波発生素子（５）の温度を制御するための第２温度制御手段（９ｔ，１１ｔ）と、第三高調波出力を検出する第三高調波出力検出手段（７，８）と、前記第二高調波発生素子（４）の温度を最適温度近傍から外した温度にした状態で前記第三高調波発生素子（５）の温度をスイープして最適温度Ｔｔｐを求めると共に前記第三高調波発生素子（５）の温度を最適温度近傍から外した温度にした状態で前記第二高調波発生素子（４）の温度をスイープして最適温度Ｔｓｐを求める温度チューニング機構（１２）とを具備したことを特徴する固体レーザ装置（１００）。
請求項１に記載の固体レーザ装置（１００）において、前記温度チューニング機構（１２）は、一定の駆動電流で前記半導体レーザ（１）を駆動した状態で温度をスイープすることを特徴する固体レーザ装置（１００）。
請求項２に記載の固体レーザ装置（１００）において、前記第二高調波発生素子（４）の温度を最適温度近傍から外した温度が、前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの出力が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの出力の５０％以下になるような温度であり、前記第三高調波発生素子（５）の温度を最適温度近傍から外した温度が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであるときの出力が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの出力の５０％以下になるような温度であることを特徴する固体レーザ装置（１００）。
請求項１に記載の固体レーザ装置（１００）において、前記温度チューニング機構（１２）は、前記第三高調波出力が一定出力になるように前記半導体レーザ（１）を駆動した状態で温度をスイープすることを特徴する固体レーザ装置（１００）。
請求項４に記載の固体レーザ装置（１００）において、前記第二高調波発生素子（４）の温度を最適温度近傍から外した温度が、前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの駆動電流が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの駆動電流の１５０％以上になるような温度であり、前記第三高調波発生素子（５）の温度を最適温度近傍から外した温度が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであるときの駆動電流が、前記第二高調波発生素子（４）が最適温度Ｔｓｐであり且つ前記第三高調波発生素子（５）が最適温度Ｔｔｐであるときの駆動電流の１５０％以上になるような温度であることを特徴する固体レーザ装置（１００）。