JP6609097B2 - 光共振器 - Google Patents
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Description
低熱膨張金属で形成される筐体と、前記筐体に設けられる一対の反射面と、前記反射面間に配置されたレーザ結晶および波長選択素子と、を備え、励起される前記レーザ結晶からの光を前記反射面間で共振させ、かつ、前記波長選択素子により単一縦モードのレーザ光を出力する光共振器であって、
前記レーザ結晶には、前回の電源投入時に使用した設定温度から当該設定温度を更新することなく、その設定温度となるように当該レーザ結晶の温度を一定に維持する第一温度維持手段が設けられ、
前記波長選択素子には、当該波長選択素子へのレーザ光の入射角を調整するための角度調整手段、および、前記第一温度維持手段とは独立して、前回の電源投入時に使用した設定温度から当該設定温度を更新することなく、その設定温度となるように当該波長選択素子の温度を一定に維持する第二温度維持手段が設けられ、
角度調整手段は、前記レーザ結晶および前記波長選択素子の一定温度下で調整された入射角を維持可能に設けられ、
前記一対の反射面の少なくとも一方は、前記レーザ光の光路に沿って進退する可動鏡であり、前記筐体には、目標波長のレーザ光が得られるように前記可動鏡を位置決めする移動手段が設けられることを特徴とする。
前記角度調整手段は、前記筐体に定められた軸回りに回転可能な可動保持部材を有し、当該可動保持部材が前記波長選択素子を保持し、
前記第二温度維持手段は、前記可動保持部材に設けられることが好ましい。
前記第一温度維持手段は、前記筐体において前記波長選択素子よりも前記レーザ結晶に近い位置に設けられ、
前記第二温度維持手段は、前記筐体において前記レーザ結晶よりも前記波長選択素子に近い位置に設けられることが好ましい。
図1に、第一実施形態に係る光共振器の全体構成を示す。同図の光共振器10は、外部に設けられた半導体レーザ50から励起光を受け、内部でレーザ光を発生し、増幅、高調波変換、波長選択の各プロセスを経て、出力窓から所望波長(例えば532nm)のレーザ光を出力するためのものであり、以下の構成要素を含む。
(1)低熱膨張金属で形成された筐体。
(2)レーザ結晶およびSHGを一定温度に維持する第一温調システム。
(3)エタロンへのレーザ光の入射角を調整する角度調整機構。
(4)第一温調システムとは独立してエタロンを一定温度に維持する第二温調システム。
(5)可動鏡による波長制御システム。
筐体12の材質は、0.1〜3.0×10-6(K-1)の範囲内の熱膨張係数および10〜15(W・m-1・K-1)以下の熱伝導率を示す低熱膨張金属とする。特に、ニッケル合金であるインバー(Fe64-Ni36)は入手が容易で扱いやすい。インバーの一般的な熱特性を示す。
平均熱膨張係数(室温〜100℃):0.5〜2.0×10-6(K-1)、
熱伝導率(23℃):13〜14(W・m-1・K-1)
第一温調システム20は、本発明の第一温度維持手段に相当し、温度センサ34A、熱移動素子であるペルチェ素子36A、および、温度制御回路37Aを有する。図1のように、レーザ結晶16およびSHG17は、筐体12と一体形成された載置部42に固定されており、温度センサ34Aとペルチェ素子36Aは、この共通の載置部42に取付けられている。温度センサ34Aは、載置部42の温度を検出することによって、レーザ結晶16およびSHG17の温度を取得する。温度制御回路37Aは、設定温度と検出温度との差分に応じて、ペルチェ素子36Aを駆動制御する。ペルチェ素子36Aは、載置部42に対して吸熱及び放熱を行って、各光学素子の温度を設定温度に維持する。この定温制御により、レーザ結晶16やSHG17の光学的な光路差の変動が抑えられる。
エタロン18は、図示しない角度調整機構によって姿勢を変え、レーザ光の入射角が調整できるように支持されている。エタロン18は、その加工誤差に起因する製品間のピーク透過波長のバラツキを有する。しかし、角度調整機構によって入射角を調整することにより、どの加工品を使っても所望のピーク透過波長の特性が得られ、エタロンの歩留まりが良くなる。さらに、エタロン18の温度を一定に維持すれば、ピーク透過波長の変動も抑えられ、初期に調整したピーク透過波長特性を継続して発揮させることができる。従って、通常は、エタロン18の角度調整は製造時の初期調整の際に行えばよく、使用の都度、再調整する必要はない。この角度調整機構は、筐体12と一体形成された載置部43に固定されている。
第二温調システム24は、第一温調システムと同様に構成される。但し、温度センサ34Bとペルチェ素子36Bは、エタロン用の載置部43に取付けられている。温度センサ34Bは、載置部43の温度を検出することによって、エタロン18の温度を取得する。温度制御回路37Bは、設定温度と検出温度との差分に応じて、ペルチェ素子36Bを駆動制御する。ペルチェ素子36Bは、載置部43に対して吸熱及び放熱を行って、エタロン18の温度を設定温度に維持する。エタロン18の設定温度は、レーザ結晶16およびSHG17の設定温度と同じにする。この定温制御により、エタロン18の光学的な光路差の変動が抑えられるだけでなく、エタロン18のピーク透過波長も変動しない。
一対の反射面14a,14b間の光路長は、筐体12が低熱膨張金属で形成されているため、ほとんど変動しないと言える。しかし、微量とは言え、経年的な寸法変化が起こり得る。
また、筐体内の各光学素子(レーザ結晶16、SHG17、エタロン18など)の温度が一定に制御されれば、各光学素子の熱膨張による寸法変化もほとんど生じないと言える。しかし、各光学素子の特性などの経年変化が起こり得る。
これらの経年変化が生じないとしても、筐体内の空気の圧力(大気圧)に変動が生じると、空気の屈折率が変化して、光共振器10の光路長が変わり、目標波長のレーザ光が得られなくなる。
なお、可動鏡28の位置調整の方法は、光共振器10の外部に出力レーザの波長検出手段(不図示)を設けて、その波長検出値が目標波長に一致するように可動鏡28を移動させるとよい。その他、出力レーザの強度が最大になる位置に可動鏡28を位置決めしてもよい。波長検出手段として、後述するヨウ素セルなどを用いた吸収線検波部を採用すれば、出力波長の変動を1×10-8以下のレベルに抑えた周波数安定化レーザ装置に本実施形態の光共振器10を適用させることができる。特に、圧電素子による変調機能を可動鏡28に追加して、出力レーザの波長を変調させることにより、ヨウ素分子の吸収線をより高い精度で検波すれば、波長変動を1×10-10以下に抑えた高レベルの周波数安定化レーザ装置に光共振器10を適用させることができる。
本実施形態では、以上の温度制御システムを備えているので、低熱膨張金属の筐体12を用いることによる悪影響を回避できる。一般的に低熱膨張金属は他の金属と比べて熱伝導率が小さく、筐体12の各部分に熱が籠りやすい。このため、従来のように筐体全体を一様に温度制御しようとすると、例えばレーザ結晶16やエタロン18などの光学素子に近い部分では、それらの光学素子との熱エネルギーの授受が支配的となり、筐体全体に熱が拡散しにくく、筐体12の温度にムラが生じてしまう。特に、筐体12の設定温度と、エタロン18などの個別の光学素子の設定温度とに差を設ける場合は、筐体12の温度のムラが顕著になる。
その結果、筐体全体を一様に温度制御しようとしても、筐体12の温度ムラによって個々の光学素子の温度が不安定になり易く、出力レーザの安定化に影響を及ぼしてしまう。これに対して本実施形態では、第一温調システム20がレーザ結晶16およびSHG17を直接温度制御し、かつ、第二温調システム24がエタロン18を直接温度制御することによって、筐体12の温度ムラによる影響を受けにくくした。これにより、各光学素子の温度制御が安定するので、光共振器12を使用する際には、最初に目標波長となるように可動鏡28を位置決めする動作を実行するだけで、安定したレーザ出力および所望の出力波長が高い精度で効率よく得られる。
図2に、第二実施形態に係る光共振器の全体構成を示す。この光共振器10aは、低熱膨張金属の筐体12が角筒状に形成され、内部に各光学素子が配置されている。筐体12は2つの部材12a,12bに分かれており、前段の部材12aはペルチェ素子34cを介してベース46上に載置され、後段の部材12bはスペーサ35を介してベース46上に載置されている。2つの部材12a,12b間には隙間が設けられ、そこに熱緩衝材44が封入されている。ベース46上の光共振器はカバー48で覆われる。
なお、本実施形態では2部材に分かれた筐体12a,12bを用いるが、必ずしも2部材に分ける必要は無く、共通の筐体12を用いてもよい。また、第二温調システム24aのペルチェ素子34dについても、エタロン用のスイング板22に設けるものに限られない。例えば、図2のベース46上のスペーサ35の位置に、このスペーサ35に代えて、ペルチェ素子を配置して、筐体12を介してエタロン18を定温制御してもよい。この変形例では、共通の筐体12において、第一温調システム20aを比較的レーザ結晶16やSHG17に近い位置に配置し、第二温調システム24aを比較的エタロン18に近い位置に配置したものになる。このように、共通の筐体12に各温調システムのペルチェ素子を設ける場合には、出来る限り制御対象の光学素子に近い筐体12の部分にペルチェ素子を設けるようにする。筐体12に温度のムラが生じていても、各光学素子に近い部分で温度コントロールすることにより、各光学素子の温度を安定させ易くすることができる。
12 筐体
14a,14b 一対の反射面
16 レーザ結晶
17 SHG(第2高周波素子)
18 エタロン(波長選択素子)
20 第一温調システム(第一温度維持手段)
22 角度調整機構
24 第二温調システム(第二温度維持手段)
28 可動鏡
30 圧電素子(移動手段)
50 半導体レーザ(励起光発生源)
60 導波光学部
70 吸収線検波部
100 レーザ装置
Claims (3)
- 低熱膨張金属で形成される筐体と、前記筐体に設けられる一対の反射面と、前記反射面間に配置されたレーザ結晶および波長選択素子と、を備え、励起される前記レーザ結晶からの光を前記反射面間で共振させ、かつ、前記波長選択素子により単一縦モードのレーザ光を出力する光共振器であって、
前記レーザ結晶には、前回の電源投入時に使用した設定温度から当該設定温度を更新することなく、その設定温度となるように当該レーザ結晶の温度を一定に維持する第一温度維持手段が設けられ、
前記波長選択素子には、当該波長選択素子へのレーザ光の入射角を調整するための角度調整手段、および、前記第一温度維持手段とは独立して、前回の電源投入時に使用した設定温度から当該設定温度を更新することなく、その設定温度となるように当該波長選択素子の温度を一定に維持する第二温度維持手段が設けられ、
角度調整手段は、前記レーザ結晶および前記波長選択素子の一定温度下で調整された入射角を維持可能に設けられ、
前記一対の反射面の少なくとも一方は、前記レーザ光の光路に沿って進退する可動鏡であり、前記筐体には、目標波長のレーザ光が得られるように前記可動鏡を位置決めする移動手段が設けられることを特徴とする光共振器。 - 請求項1記載の光共振器において、
前記角度調整手段は、前記筐体に定められた軸回りに回転可能な可動保持部材を有し、当該可動保持部材が前記波長選択素子を保持し、
前記第二温度維持手段は、前記可動保持部材に設けられることを特徴とする光共振器。 - 請求項1記載の光共振器において、
前記第一温度維持手段は、前記筐体において前記波長選択素子よりも前記レーザ結晶に近い位置に設けられ、
前記第二温度維持手段は、前記筐体において前記レーザ結晶よりも前記波長選択素子に近い位置に設けられることを特徴とする光共振器。
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