JP5842496B2 - 固体パルスレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体パルスレーザ装置に関し、さらに詳しくは、大きなエネルギーを持ったパルスレーザを出力せずに温度チューニングを行うことが出来る固体パルス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パルス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

実働中の固体パルスレーザ装置のパルスレーザは大きなエネルギーを持っているが、上記従来の固体パルスレーザ装置では、温度チューニング中に出力されるパルス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パルス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。
そこで、本発明の目的は、大きなエネルギーを持ったパルスレーザを出力せずに温度チューニングを行うことが出来る固体パルス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出射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共振器（２０）内に設置された音響光学素子（４）と、前記基本波を波長変換し波長変換光を出射する波長変換用光学素子（５）と、前記共振器（２０）から出力される出力光を検出するための光検出手段（６，７，８）と、前記波長変換用光学素子（５）の温度を目標値に制御する温度制御手段（９）と、パルス出力を得るために前記音響光学素子（４）を制御して前記共振器（２０）のロスを変化させる音響光学素子制御手段（１０）と、前記光検出手段（６，７，８）による検出結果に基づいて前記温度制御手段（９）の目標値を更新する温度チューニング手段（１２）とを具備し、前記音響光学素子制御手段（１０）は、前記温度制御手段（９）の目標値を更新中は、実働中よりも前記共振器（２０）のロスの変化分を小さくして前記パルス出力の出力エネルギーを小さくすることを特徴する固体パルスレーザ装置（１００）を提供する。
上記第１の観点による固体パルスレーザ装置（１００）では、実働中は、共振器（２０）でレーザ発振が起こらないように音響光学素子（４）により共振器（２０）のロスを大きくして固体レーザ媒質（２）を高ゲインにしておき、次いで共振器（２０）でレーザ発振が起こるように音響光学素子（４）により共振器（２０）のロスを急速に小さくし、それまでの固体レーザ媒質（２）の高ゲインに応じた大きなエネルギーのパルスレーザを出力する。一方、温度チューニング中は、共振器（２０）のロスの変化分を、実働中よりも小さくする。これにより、それまで固体レーザ媒質（２）が高ゲインであっても共振器（２０）のロスが大きいままであるか（実施例１参照）、又は、それまで固体レーザ媒質（２）が低ゲインであるか（実施例２参照）のいずれかとなり、パルスレーザは小さなエネルギーで出力されることになる。そして、その状態でエネルギーがピークになるように波長変換用光学素子（５）の温度チューニングを行えばよいので、温度チューニングには支障を生じない。また、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。

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（１）と、前記励起レーザ光によって励起され基本波を出射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共振器（２０）内に設置された音響光学素子（４）と、前記基本波を波長変換し波長変換光を出射する波長変換用光学素子（５）と、前記共振器（２０）から出力される出力光を検出するための光検出手段（６，７，８）と、前記波長変換用光学素子（５）の温度を目標値に制御する温度制御手段（９）と、パルス出力を得るために前記音響光学素子（４）を制御して前記共振器（２０）のロスを変化させる音響光学素子制御手段（１０）と、前記光検出手段（６，７，８）による検出結果に基づいて前記温度制御手段（９）の目標値を更新する温度チューニング手段（１２）とを具備し、前記音響光学素子制御手段（１０）は、前記温度制御手段（９）の目標値を更新中は、前記共振器（２０）を連続発振させるように前記共振器（２０）のロスを下げることを特徴する固体パルスレーザ装置（１００）を提供する。
上記第２の観点による固体パルスレーザ装置（１００）では、実働中は、共振器（２０）でレーザ発振が起こらないように音響光学素子（４）により共振器（２０）のロスを大きくして固体レーザ媒質（２）を高ゲインにしておき、次いで共振器（２０）でレーザ発振が起こるように音響光学素子（４）により共振器（２０）のロスを急速に小さくし、それまでの固体レーザ媒質（２）の高ゲインに応じた大きなエネルギーのパルスレーザを出力する。一方、温度チューニング中は、共振器（２０）を連続発振させるように共振器（２０）のロスを小さくする。連続発振のため、小さなエネルギーのレーザの連続出力になる（実施例３参照）が、その状態でエネルギーがピークになるように波長変換用光学素子（５）の温度チューニングを行えばよいので、温度チューニングには支障を生じない。そして、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。さらに、温度チューニング中の小さなエネルギーを検出するために光検出手段（７，８）の増幅度を上げる必要があるが、レーザが連続出力であるので周波数応答性を考慮せずに増幅度を上げることが可能となり、容易に実施できる。

本発明の固体パルス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。

実施例１に係る固体パルスレーザ装置を示す構成説明図である。 実働中における共振器のロスと固体レーザ媒質のゲインとパルスレーザの出力エネルギーの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中における共振器のロスと固体レーザ媒質のゲインとパルスレーザの出力エネルギーの変化を示すグラフである。 実施例２に係る温度チューニング中における共振器のロスと固体レーザ媒質のゲインとパルスレーザの出力エネルギーの変化を示すグラフである。 実施例３に係る温度チューニング中における共振器のロスと固体レーザ媒質のゲインとパルスレーザの出力エネルギーの変化を示すグラフである。

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に係る固体パルスレーザ装置１００を示す構成説明図である。
この固体パルスレーザ装置１００は、励起レーザ光を発生する半導体レーザ１と、共振器２０を構成するためのミラー３，３と、励起レーザ光によって励起され基本波を出射する固体レーザ媒質２と、共振器２０内に設置された音響光学素子４と、基本波を波長変換し波長変換光を出射する波長変換用光学素子５と、共振器２０から出力される出力光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８と、温度波長変換用光学素子５の温度を目標値に制御するための温調ユニット（ペルチェ素子および温度センサを含む）９ａおよび素子温度調整機構９と、音響光学素子４を制御して共振器２０のロスを変化させるためのＲＦ信号制御機構１０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１１と、読出し回路８で読み出した光検出信号に基づいて素子温度調整機構９の目標値を更新す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９と、ＲＦ信号制御機構１０と、半導体レーザ駆動機構１１と、温度チューニング機構１２とは、ＣＰＵ３０により構成される。
読出し回路８は、ＡＤ変換回路を含んでいる。

図２は、実働中における共振器２０のロスと固体レーザ媒質２のゲインとパルスレーザの出力エネルギーの変化を示すグラフである。
ＲＦ信号制御機構１０が音響光学素子４に十分なパワーのＲＦ信号を与えて共振器２０のロスを十分に大きくすると、レーザ発振が起こらないため、固体レーザ媒質２が高ゲインの状態になる。なお、この時の共振器２０のロスを１００％とする。
この状態で、ＲＦ信号制御機構１０がＲＦ信号を急速にオフすると共振器２０のロスが小さくなり、共振器２０でレーザ発振可能となり、固体レーザ媒質２の高ゲインに応じた大きな出力エネルギーのパルスレーザが出力される。

図３は、温度チューニング中における共振器２０のロスと固体レーザ媒質２のゲインとパルスレーザの出力エネルギーの変化を示すグラフである。
ＲＦ信号制御機構１０が音響光学素子４に十分なパワーのＲＦ信号を与えて共振器２０のロスを十分に大きくすると、共振器２０でレーザ発振が起こらないため、固体レーザ媒質２が高ゲインの状態になる。
この状態で、ＲＦ信号制御機構１０がＲＦ信号のパワーを急速に小さくして共振器２０のロスを例えば５０％にすると、共振器２０でレーザ発振可能となり、パルスレーザが出力される。このパルスレーザの出力エネルギーは、それまで固体レーザ媒質２が高ゲインであっても、共振器２０のロスが例えば５０％もあるため、実働中に比べて小さくなる。

温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動回路１１を介して半導体レーザ１を一定電流で駆動しておき、読出し回路８を介してパルスレーザの出力エネルギーを得ながら、素子温度調整機構９および温調ユニット９ａを介して波長変換素子５を温度スイープし、出力エネルギーが最大となる温度を目標値に設定する。

あるいは、温度チューニング機構１２は、読出し回路８を介してパルスレーザの出力エネルギーを得て、その出力エネルギーが一定になるように半導体レーザ駆動回路１１を介して半導体レーザ１の駆動電流を制御しながら、素子温度調整機構９および温調ユニット９ａを介して波長変換素子５を温度スイープし、半導体レーザ１の駆動電流が最小となる温度を目標値に設定する。

なお、電源オン時や一定時間経過時などのタイミングで自動的に温度チューニングが行われる場合もあり、操作者の指示に応じて任意時に温度チューニングが行われる場合もある。

実施例１の固体パルスレーザ装置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。

−実施例２−
固体パルスレーザ装置の構成は、実施例１に係る固体パルスレーザ装置１００と同様である。

図４は、温度チューニング中における共振器２０のロスと固体レーザ媒質２のゲインとパルスレーザの出力エネルギーの変化を示すグラフである。
ＲＦ信号制御機構１０が音響光学素子４に実働時に比べて小さなパワーのＲＦ信号を与えて共振器２０のロスを例えば３０％に小さくすると、ある程度は共振器２０でレーザ発振可能であるため、固体レーザ媒質２が、実働中に比べると低いが、ある程度は高いゲインの状態になる。
この状態で、ＲＦ信号制御機構１０がＲＦ信号を急速にオフすると共振器２０のロスが小さくなり、共振器２０からパルスレーザが出力される。このパルスレーザの出力エネルギーは、固体レーザ媒質２のゲインが実働中に比べて低かったため、実働中に比べて小さくなる。

温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動回路１１を介して半導体レーザ１を一定電流で駆動しておき、読出し回路８を介してパルスレーザの出力エネルギーを得ながら、素子温度調整機構９および温調ユニット９ａを介して波長変換素子５を温度スイープし、出力エネルギーが最大となる温度を目標値に設定する。

あるいは、温度チューニング機構１２は、読出し回路８を介してパルスレーザの出力エネルギーを得て、その出力エネルギーが一定になるように半導体レーザ駆動回路１１を介して半導体レーザ１の駆動電流を制御しながら、素子温度調整機構９および温調ユニット９ａを介して波長変換素子５を温度スイープし、半導体レーザ１の駆動電流が最小となる温度を目標値に設定する。

実施例２の固体パルスレーザ装置よれば、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。

−実施例３−
固体パルスレーザ装置の構成は、実施例１に係る固体パルスレーザ装置１００と同様である。

図５は、温度チューニング中における共振器２０のロスと固体レーザ媒質２のゲインとパルスレーザの出力エネルギーの変化を示すグラフである。
ＲＦ信号制御機構１０がＲＦ信号をオフにしたままにすると共振器２０のロスが最小になり、共振器２０は連続発振状態になり、レーザが連続出力される。このレーザの出力エネルギーは、固体レーザ媒質２のゲインが低いままであるため、実働中に比べて小さくなる。

温度チューニング機構１２は、半導体レーザ駆動回路１１を介して半導体レーザ１を一定電流で駆動しておき、読出し回路８を介してレーザの出力エネルギーを得ながら、素子温度調整機構９および温調ユニット９ａを介して波長変換素子５を温度スイープし、出力エネルギーが最大となる温度を目標値に設定する。

あるいは、温度チューニング機構１２は、読出し回路８を介してレーザの出力エネルギーを得て、その出力エネルギーが一定になるように半導体レーザ駆動回路１１を介して半導体レーザ１の駆動電流を制御しながら、素子温度調整機構９および温調ユニット９ａを介して波長変換素子５を温度スイープし、半導体レーザ１の駆動電流が最小となる温度を目標値に設定する。

実施例３の固体パルスレーザ装置よれば、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、実施例３でのレーザの出力エネルギーは、実施例１や実施例２に比べても小さくなるため、光検出器７や読出し回路８の増幅度を上げる必要があるが、レーザが連続出力であるので周波数応答性を考慮せずに増幅度を上げることが可能であり、容易に実施できる。

本発明の固体パルスレーザ装置は、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
９ａ 温調ユニット
３ ミラー
４ 音響光学素子
５ 波長変換用光学素子
６ ビームスプリッタ
７ 光検出器
８ 読出し回路
９ 素子温度調整機構
１０ ＲＦ信号制御機構
１１ 半導体レーザ駆動機構
１２ 温度チューニング機構
１００ 固体パルスレーザ装置

Claims (2)

1. 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出射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共振器（２０）内に設置された音響光学素子（４）と、前記基本波を波長変換し波長変換光を出射する波長変換用光学素子（５）と、前記共振器（２０）から出力される出力光を検出するための光検出手段（６，７，８）と、前記波長変換用光学素子（５）の温度を目標値に制御する温度制御手段（９）と、パルス出力を得るために前記音響光学素子（４）を制御して前記共振器（２０）のロスを変化させる音響光学素子制御手段（１０）と、前記光検出手段（６，７，８）による検出結果に基づいて前記温度制御手段（９）の目標値を更新する温度チューニング手段（１２）とを具備し、
   前記音響光学素子制御手段（１０）は、前記温度制御手段（９）の目標値を更新中は、前記音響光学素子（４）に与えるＲＦ信号のパワーを調整して実働中よりも前記共振器（２０）のロスの変化分を小さくして前記パルス出力の出力エネルギーを小さくすることを特徴する固体パルスレーザ装置（１００）。
2. 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出射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共振器（２０）内に設置された音響光学素子（４）と、前記基本波を波長変換し波長変換光を出射する波長変換用光学素子（５）と、前記共振器（２０）から出力される出力光を検出するための光検出手段（６，７，８）と、前記波長変換用光学素子（５）の温度を目標値に制御する温度制御手段（９）と、パルス出力を得るために前記音響光学素子（４）を制御して前記共振器（２０）のロスを変化させる音響光学素子制御手段（１０）と、前記光検出手段（６，７，８）による検出結果に基づいて前記温度制御手段（９）の目標値を更新する温度チューニング手段（１２）とを具備し、
   前記音響光学素子制御手段（１０）は、前記温度制御手段（９）の目標値を更新中は、前記音響光学素子（４）に与えるＲＦ信号のパワーを調整して前記共振器（２０）を連続発振させるように前記共振器（２０）のロスを下げることを特徴する固体パルスレーザ装置（１００）。

Images