JP6663913B2 - 受動ｑスイッチレーザ及びその動作最適化方法 - Google Patents

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Description

本発明は、分光学、レーザ加工装置、レーザ照明装置などに用いられる受動Ｑスイッチレーザ及びその動作最適化方法に関する。
図４は、従来の受動Ｑスイッチレーザの構成を示す図である（特許文献１，２）。図４に示す従来の受動Ｑスイッチレーザは、励起源１、レンズ２ａ，２ｂ、ミラー５ａ、レーザ媒質３、可飽和吸収体４、ミラー５ｂを備えている。ミラー５ａ、レーザ媒質３、可飽和吸収体４、ミラー５ｂは、光共振器を構成する。
励起源１は、励起（ポンプ）用のレーザダイオードを有し、レーザダイオードで励起された波長が約８０８ｎｍの励起光をレンズ２ａに出力する。レンズ２ａ，２ｂは、励起源１からの励起光を集光してレーザ媒質３に出力する。
レーザ媒質３は、ミラー５ａとミラー５ｂとの間に配置され、Ｎｄ；ＹＡＧ結晶を有し、Ｎｄ；ＹＡＧ結晶は波長が約８０８ｎｍの光で励起され、上準位から下準位への遷移の際に波長約１０６４ｎｍのレーザ光を放出する。
レーザ媒質３の一端には、ミラー５ａが取り付けられ、ミラー５ａは、波長約８０８ｎｍの光を透過するとともに、波長約１０６４ｎｍの光を高反射率で反射する。ミラー５ｂは、波長約１０６４ｎｍの光の一部を透過するとともに、残りを反射させる。
可飽和吸収体４は、ミラー５ａとミラー５ｂとの間に配置され、レーザ媒質３からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する。可飽和吸収体４は、励起準位の電子密度が飽和すると、透明化し、光共振器のＱ値が急激に高まりレーザ発振が発生してパルス光が発生する。
この場合、レーザ媒質３に発生する発熱を抑制するために、繰り返し周波数を用いたＱＣＷ(Quasi-Continuous-Wave、準連続発振)でレーザを励起している。このとき、出力レーザの繰り返し周波数は励起繰り返し周波数と同じになる。
３５５ｎｍＵＶ出力を得る場合には、受動Ｑスイッチレーザの出力である基本波は、第２高調波変換素子（ＳＨＧ）６により第２高調波に変換される。基本波及び第２高調波は、第３高調波変換素子（ＴＨＧ）７により第３高調波に変換される。また、波長を変換するために、ＳＨＧ６とＴＨＧ７との光軸に対する角度を調整して位相整合を行う。位相整合を微細に調整するためには、ＳＨＧ７とＴＨＧ８との温度を制御する。
また、所望の出力周波数を得るために、出力周波数と同じパルス繰り返し周波数（以下、繰り返し周波数という。）でレーザダイオードを励起する。レーザダイオードの励起パワー（以下、ポンプパワーと称する。）は、普段使用されているレーザダイオードの最大パワーに設定され、パルス幅は発振の閾値より少し長く設定する。
繰り返し周波数が変化した時、出力を安定させるために、レーザダイオードのポンプパワーにオフセットを印加する方法（特許文献３）。あるいは、出力の一部をポンプコントローラにフィードバックして、レーザダイオードのポンプを制御する方法が知られている（特許文献４）。
特開２００３−８６８７３号公報 特開２００６−７３９６２号公報 米国特許７８４３９７８Ｂ２号公報 米国特許５９８２７９０Ａ号公報
受動Ｑスイッチレーザの繰り返し周波数の範囲は、共振器のアライメントを行う時の周波数に依存する。アライメントは、周波数ｆｏで行った場合、繰り返し周波数の周波数範囲は、ｆｏ±ｆ´である。ここで、ｆ´は、ポンプパワー、ポンプパワーのパルス幅、Ｃｒ４＋：ＹＡＧの初期透過率、出力ミラーの透過率等によって決められる。
共振器のアライメントは、出力ミラーの調整によって行われる。出力ミラーは専門家が調整し、ユーザは出力ミラーを調整することができない。このため、工場で行った出力ミラーの調整によって、繰り返し周波数の範囲が限られてしまう。例えば、１ｋＨｚで発振するようにアライメントしたレーザダイオードは、５０Ｈｚでは発振しなくなる。
分光学、ＬＩＢＳ（Laser Induced Breakdown Spectroscopy）等の用途では、単パルスからｋＨｚの繰り返し周波数までレーザが安定して発振することが望ましい。
本発明は、繰り返し周波数範囲を拡大し、単パルスからｋＨｚの繰り返し周波数までレーザダイオードを安定して発振させることができる受動Ｑスイッチレーザ及びその動作最適化方法を提供する。
上記の課題を解決するために、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザは、繰り返し周波数で励起して励起光を出力する励起源と、光共振器を構成する一対の反射ミラー間に配置され且つ前記励起源からの励起光により励起させてレーザ光を放出するレーザ媒質と、前記一対の反射ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体と、前記繰り返し周波数に対する前記励起源の出力及びパルス幅の最適値を対応付けて格納したマトリックステーブルと、前記マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する前記励起源の出力及びパルス幅の最適値を読み出し、読み出された前記励起源の出力及びパルス幅の最適値になるように前記励起源を制御する制御部と、前記可飽和吸収体からのレーザ光である基本波を第２高調波に変換する第１波長変換素子と、前記第１波長変換素子からの第２高調波と残りの基本波を第３高調波に変換する第２波長変換素子とを有し、前記マトリックステーブルは、前記繰り返し周波数に対する前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とを対応付けて格納し、前記制御部は、前記マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とを読み出し、読み出された前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とになるように前記第１波長変換素子の温度と前記第２波長変換素子の温度とを制御する。
また、受動Ｑスイッチレーザの動作最適化方法は、繰り返し周波数で励起して励起光を出力する励起源と、光共振器を構成する一対の反射ミラー間に配置され且つ前記励起源からの励起光により励起させてレーザ光を放出するレーザ媒質と、前記一対の反射ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体とを備える受動Ｑスイッチレーザの動作最適化方法であって、前記繰り返し周波数に対する前記励起源の出力及びパルス幅の最適値を対応付けて格納したマトリックステーブルを作成するステップと、前記マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する前記励起源の出力及びパルス幅の最適値とを読み出し、読み出された前記励起源の出力及びパルス幅の最適値になるように前記励起源を制御する制御ステップとを備え、前記可飽和吸収体からのレーザ光である基本波を第２高調波に第１波長変換素子で変換するステップと、前記第１波長変換素子からの第２高調波と残りの基本波を第３高調波に第２波長変換素子で変換するステップとを有し、前記マトリックステーブルは、前記繰り返し周波数に対する前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とを対応付けて格納し、前記制御ステップは、前記マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とを読み出し、読み出された前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とになるように前記第１波長変換素子の温度と前記第２波長変換素子の温度とを制御する。
本発明によれば、制御部は、マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する励起源の出力及びパルス幅の最適値を読み出し、読み出された励起源の出力及びパルス幅の最適値になるように励起源を制御する。従って、繰り返し周波数範囲を拡大でき、単パルスからｋＨｚの繰り返し周波数までレーザを安定して発振させることができる。
図１は本発明の実施例１の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。 図２は本発明の実施例１の受動Ｑスイッチレーザのマトリックステーブル無し及びマトリックステーブル有りの繰り返し周波数とパルスエネルギーとの関係を示す実験結果の図である。 図３は本発明の実施例１の受動Ｑスイッチレーザのマトリックステーブルの詳細例を示す図である。 図４は従来の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。
以下、本発明の実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ及びその動作最適化方法を図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明の概略を説明する。
レーザの励起のための繰り返し周波数によって、受動Ｑスイッチレーザの最適動作条件は異なる。また、繰り返し周波数によって、第３高調波を得るための波長変換素子の最適動作条件は、異なる。最適動作条件は、ポンプパワー、ポンプパルス幅、第２高調波を得るための波長変換素子の温度、第３高調波を得るための波長変換素子の温度からなる。
このため、レーザ、波長変換の検査を工場で行い、最適動作条件を決定する。この最適動作条件に基づき、繰り返し周波数に対する、ポンプパワー、ポンプパルス幅、第２高調波を得るための波長変換素子の温度、第３高調波を得るための波長変換素子の温度の最適値を対応付けたマトリックステーブルを予め作成しておく。
次に、このマトリックステーブルを用いて構成された実施例１の受動Ｑスイッチレーザ及びその動作最適化方法を説明する。図１は本発明の実施例１の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。図１に示す実施例１の受動Ｑスイッチレーザは、励起源１、レンズ２ａ，２ｂ、ミラー５ａ、レーザ媒質３、可飽和吸収体４、ミラー５ｂ、ＳＨＧ７、ＴＨＧ８、第１温度調整素子９ａ、第２温度調整素子９ｂ、入力部１０、コントローラ２０を備えている。ミラー５ａ、レーザ媒質３、可飽和吸収体４、ミラー５ｂは、光共振器を構成する。
なお、図１に示す構成において、図４に示す構成部分と同一部分の説明は省略する。ここでは、第１温度調整素子９ａ、第２温度調整素子９ｂ、入力部１０、コントローラ２０について説明する。
第１温度調整素子９ａは、ペルチェ素子からなり、ＳＨＧ６に接触して又は近傍に配置され、制御部２１からの温度制御信号によりＳＨＧ６の温度を所定の温度に調整する。第２温度調整素子９ｂは、ペルチェ素子からなり、ＴＨＧ７に接触して又は近傍に配置され、制御部２１からの温度制御信号によりＴＨＧ７の温度を所定の温度に調整する。
入力部１０は、キーボード、マウス、タッチパル等からなり、励起源１に有するレーザダイオードを励起するためのパルス信号の繰り返し周波数を入力する。コントローラ２０は、マイクロコンピュータからなり、制御部２１、マトリックステーブルメモリ２２を備えている。
マトリックステーブルメモリ２２は、書き込み読み出し可能なメモリからなり、図３に示すように、繰り返し周波数に対する励起源１のポンプパワー（本発明の励起源１の出力に対応）の最適値とポンプパルス幅（本発明のパルス幅に対応）の最適値とＳＨＧ６の温度の最適値とＴＨＧ７の温度の最適値を対応付けて格納している。
制御部２１は、マトリックステーブルメモリ２２を参照して、入力部１０から入力された繰り返し周波数に対応する励起源１のポンプパワーの最適値とポンプパルス幅の最適値とを読み出し、読み出された励起源１のポンプパワーの最適値とポンプパルス幅の最適値となるように励起源１を制御する。
また、制御部２１は、マトリックステーブルメモリ２２を参照して、入力部１０から入力された繰り返し周波数に対応するＳＨＧ６の温度の最適値とＴＨＧ７の温度の最適値とを読み出し、読み出されたＳＨＧ６の温度の最適値とＴＨＧ７の温度の最適値とになるように、ＳＨＧ６の温度とＴＨＧ７の温度とを制御するための温度制御信号を第１温度調整素子９ａ及び第２温度調整素子９ｂに出力する。
次に、このように構成された実施例１の受動ＱスイッチレーザにおけるＱＣＷ励起の動作を図２を参照しながら説明する。
まず、繰り返し周波数が変化した時には、入力部１０から変化された繰り返し周波数を入力する。すると、制御部２１は、マトリックステーブルメモリ２２を参照して、入力部１０からの繰り返し周波数に対する励起源１のポンプパワーの最適値とポンプパルス幅の最適値とを読み出し、読み出された励起源１のポンプパワーの最適値とポンプパルス幅の最適値となるように励起源１を制御する。
例えば、図３に示すマトリックステーブル２２を参照すると、繰り返し周波数が４０１〜５００Ｈｚであれば、ポンプパワーは、７２Ｗであり、ポンプパルス幅は、８０μｓであるので、制御部２１は、ポンプパワーを７２Ｗとし、ポンプパルス幅を８０μｓとするように励起源１を制御する。
このように実施例１の受動Ｑスイッチレーザによれば、制御部２１は、マトリックステーブルメモリ２２を参照して、入力された繰り返し周波数に対応する励起源１のポンプパワー及びパルス幅の最適値を読み出し、読み出された励起源１のポンプパワー及びパルス幅の最適値になるように励起源１を制御する。従って、常に、最適動作条件で、励起源１を制御できるので、繰り返し周波数範囲を拡大でき、単パルスからｋＨｚの繰り返し周波数までレーザダイオードを安定して発振させることができる。
図２は実施例１の受動Ｑスイッチレーザのマトリックステーブル無し及びマトリックステーブル有りの繰り返し周波数とパルスエネルギーとの関係を示す図である。図２に示すように、マトリックステーブル２２を用いない場合には、繰り返し周波数は、１７０Ｈｚ〜３５０Ｈｚである。
これに対して、マトリックステーブル２２を用いた場合には、単パルスから１ｋＨｚまで安定したパルスエネルギーが得られており、繰り返し周波数範囲が拡大していることが図２からわかる。
また、制御部２１は、マトリックステーブルメモリ２２を参照して、入力部１０から入力された繰り返し周波数に対応するＳＨＧ６の温度の最適値とＴＨＧ７の温度の最適値とを読み出し、読み出されたＳＨＧ６の温度の最適値とＴＨＧ７の温度の最適値とになるように、ＳＨＧ６の温度とＴＨＧ７の温度とを制御するための温度制御信号を第１温度調整素子９ａ及び第２温度調整素子９ｂに出力する。従って、常に、最適動作条件で、第１温度調整素子９ａ及び第２温度調整素子９ｂを制御できるので、最適動作条件で波長を変換することができる。
本発明は、分光学装置、レーザ加工装置、医療装置、レーザ照明装置等の受動Ｑスイッチレーザに適用可能である。

Claims (5)

  1. 繰り返し周波数で励起して励起光を出力する励起源と、
    光共振器を構成する一対の反射ミラー間に配置され且つ前記励起源からの励起光により励起させてレーザ光を放出するレーザ媒質と、
    前記一対の反射ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体と、
    前記繰り返し周波数に対する前記励起源の出力及びパルス幅の最適値を対応付けて格納したマトリックステーブルと、
    前記マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する前記励起源の出力及びパルス幅の最適値とを読み出し、読み出された前記励起源の出力及びパルス幅の最適値になるように前記励起源を制御する制御部と、
    前記可飽和吸収体からのレーザ光である基本波を第２高調波に変換する第１波長変換素子と、
    前記第１波長変換素子からの第２高調波と残りの基本波を第３高調波に変換する第２波長変換素子とを有し、
    前記マトリックステーブルは、前記繰り返し周波数に対する前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とを対応付けて格納し、
    前記制御部は、前記マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とを読み出し、読み出された前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とになるように前記第１波長変換素子の温度と前記第２波長変換素子の温度とを制御する受動Ｑスイッチレーザ。
  2. 前記第１波長変換素子及び第２波長変換素子の各々には、温度を調整する温度調整素子が取り付けられ、前記制御部は、前記温度調整素子に対して温度を制御するための温度制御信号を出力する請求項１記載の受動Ｑスイッチレーザ。
  3. 前記レーザ媒質は、希土類ドープＹＡＧからなる請求項１又は請求項２記載の受動Ｑスイッチレーザ。
  4. 前記可飽和吸収体は、Ｃｒ：ＹＡＧからなる請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の受動Ｑスイッチレーザ。
  5. 繰り返し周波数で励起して励起光を出力する励起源と、光共振器を構成する一対の反射ミラー間に配置され且つ前記励起源からの励起光により励起させてレーザ光を放出するレーザ媒質と、前記一対の反射ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体とを備える受動Ｑスイッチレーザの動作最適化方法であって、
    前記繰り返し周波数に対する前記励起源の出力及びパルス幅の最適値を対応付けて格納したマトリックステーブルを作成するステップと、
    前記マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する前記励起源の出力及びパルス幅の最適値とを読み出し、読み出された前記励起源の出力及びパルス幅の最適値になるように前記励起源を制御する制御ステップと、
    前記可飽和吸収体からのレーザ光である基本波を第２高調波に第１波長変換素子で変換するステップと、
    前記第１波長変換素子からの第２高調波と残りの基本波を第３高調波に第２波長変換素子で変換するステップとを有し、
    前記マトリックステーブルは、前記繰り返し周波数に対する前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とを対応付けて格納し、
    前記制御ステップは、前記マトリックステーブルを参照して、入力された繰り返し周波数に対応する前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とを読み出し、読み出された前記第１波長変換素子の温度の最適値と前記第２波長変換素子の温度の最適値とになるように前記第１波長変換素子の温度と前記第２波長変換素子の温度とを制御する受動Ｑスイッチレーザの動作最適化方法。
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