JP6836848B2 - レーザ光調整方法、及びレーザ光源装置 - Google Patents

レーザ光調整方法、及びレーザ光源装置 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ光を出射するレーザ光源装置におけるレーザ光調整方法、及びレーザ光源装置に関する。
従来、励起光を出射する励起用の光源と、励起用の光源からの励起光を受けてレーザ光を生成する共振器とを備えたレーザ光源装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
このようなレーザ光源装置は、共振器の筐体内にＮｄ：ＹＶＯ４結晶等の固体レーザ媒体と、非線形光学結晶のＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子（例えばＫＴＰ結晶等）と、エタロンと、共振器ミラーとを備える。そして、半導体レーザからの励起光を固体レーザ媒体に入射させて基本波光を出射させ、当該基本波光を高調波光に変換し、エタロンを透過した所定周波数の高調波光が共振器から出力させる。
ここで、特許文献１に記載のレーザ光源装置は、共振器の温度調整機構と、エタロンの温度調整機構とを備える。このレーザ光源装置は、共振器の温度制御を行うことで、共振器内のＳＨＧ素子にて安定した波長変換動作を行わせ、エタロンの温度制御を行うことで、高調波光の波長と、エタロンのピーク透過波長とを合わせ込む。
また、特許文献２に記載のレーザ光源装置は、ＳＨＧ素子（非線形光学結晶）の温度調整機構と、共振器の温度調整機構とを備える。このレーザ光源装置は、エタロンを共振器から取り外した状態でＳＨＧ素子の温度調整を行った後、エタロンを共振器内に配置し、共振器の温度制御を行うことで、エタロンの温度制御を行う。
特許第３５０９５９８号公報 特開２０１１−２４９４００号公報
ところで、上記特許文献１では、共振器全体の温度制御とエタロンの温度制御とを行っているが、共振器の温度とエタロンの温度とが異なる場合に、互いに影響を及ぼし合うことになる。また、特許文献２では、ＳＨＧ素子の温度制御を行った後、エタロンを組み入れて共振器全体の温度制御を行っているが、共振器の温度とＳＨＧ素子の温度とが異なる温度とする場合に、共振器全体の温度制御を行う際にＳＨＧ素子もその影響を受けてしまう。このように、従来の構成では、共振器内の各素子の温度を最適な温度に設定することが困難であり、所望波長のレーザ光を高出力で出力することが困難であるとの課題があった。
本発明は、所望波長のレーザ光を高出力で出力可能なレーザ光調整方法、及びレーザ光源装置を提供することを目的とする。
本発明のレーザ光調整方法は、励起光を出射する励起用光源と、前記励起光を受けて基本波光を生成するレーザ媒体と、前記基本波光を目的波長の高調波光に変換する非線形光学結晶と、所定の波長の光を透過させるエタロンと、前記レーザ媒体、前記非線形光学結晶、及び前記エタロンを内部に収納する共振器筐体と、前記レーザ媒体及び前記非線形光学結晶の温度を制御する第一温度調整機構と、前記エタロンの温度を制御する第二温度調整機構と、を備えたレーザ光源装置におけるレーザ光調整方法であって、前記高調波光を検出する光検出部を用いて、前記高調波光の光強度及び波長を検出し、検出された前記高調波光の波長が目的波長に近づき、かつ前記高調波光の光強度が所定値以上となるように、前記第一温度調整機構を調整して前記レーザ媒体及び前記非線形光学結晶の温度を調整する第一調整ステップと、前記第一調整ステップの後、前記光検出部を用いて前記高調波光の光強度及び波長を検出し、検出された前記高調波光の波長が目的波長に近づき、かつ前記高調波光の光強度が所定値以上となるように、前記第二温度調整機構により前記エタロンの温度を調整する第二調整ステップと、を実施する。
本発明では、レーザ光源装置において、第一温度調整機構によりレーザ媒体及び非線形光学結晶（ＳＨＧ素子）の温度が制御可能となり、第二温度調整機構によりエタロンの温度が制御可能となっている。そして、本発明では、検出器により検出される高調波光の検出結果（波長や光強度）に基づいて、先ず、第一調整ステップで、第一温度調整機構を制御し、レーザ媒体及び非線形光学結晶の温度を最適化する。つまり、レーザ媒体及び非線形光学結晶を目的波長のレーザ光が高出力で得られる温度に設定し、これを第一温度調整機構によって維持させる。この後、第二調整ステップを実施して、エタロンの温度調整を行って、エタロンを透過するピーク透過波長を目的波長に合わせる。なお、第二調整ステップでは、エタロンの温度のみではなく、共振器筐体の光軸に対するエタロンの角度も適宜調整してもよい。
第二調整ステップでは、第一調整ステップにおいて設定した温度条件が第一温度調整機構により維持されているため、エタロンの温度制御を行った際のレーザ媒体や非線形光学結晶の温度変化を抑制することが可能となる。つまり、レーザ媒体や非線形光学結晶は、第二調整ステップによる温度制御の影響を受けることがなく、最適化されたレーザ光（高調波光）をそのまま出力し続けることが可能となる。したがって、本発明では、レーザ光源装置から所望波長のレーザ光を高出力で出力することができる。
本発明のレーザ光調整方法において、前記レーザ光源装置は、前記共振器筐体の温度を制御する第三温度調整機構を備え、前記第三温度調整機構により前記共振器筐体の温度を予め設定された基準温度に維持する第三調整ステップを実施することが好ましい。
本発明では、第三調整ステップが実施されることで、第三温度調整機構により共振器筐体の温度が基準温度に維持される。これにより、レーザ光の波長安定化を行う際の温度条件が統一された状態で、第一調整ステップ及び第二調整ステップが行われることになる。よって、使用環境等によって、レーザ光源装置の周囲の環境温度が変化する場合でも、当該温度変化の影響を受けずに、レーザ媒体、非線形光学結晶、及びエタロンの温度を最適温度に設定することができる。
本発明のレーザ光調整方法において、前記共振器筐体は、前記レーザ媒体、前記非線形光学結晶、及び前記エタロンのそれぞれを支持する支持部を備え、前記共振器筐体及び前記支持部は、熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍＫ）以上の素材により構成されていることが好ましい。
従来のレーザ光源装置では、熱伝導率が小さく線膨張係数も小さい低膨張素材により共振器筐体が構成されていた。これは、上述した特許文献１のように、共振器筐体の温度を制御することでレーザ媒体や非線形光学結晶の温度を制御したり、特許文献２のように、共振器筐体の温度を制御することでエタロンの温度を制御したりする場合、共振器筐体の温度を変化させることによる共振器長の変化を抑制するためである。また、上記のような従来のレーザ光源装置では、共振器筐体の温度と、各素子の温度とを、それぞれ異なる温度とする場合に、互いの設定温度が影響を及ぼし合い、温度制御が困難となる。よって、熱伝導率が小さい素材により共振器筐体や支持部を構成して、互いの設定温度が影響を及ぼし合う不都合を抑制していた。しかしながら、このような熱伝導率が低い素材により共振器筐体を構成する場合、共振器筐体の温度を均一化するのに長い時間を要する。特に、環境温度が経時的に変化するような場合では、温度の均一化により一層の時間を要する。
これに対して、本発明では、共振器筐体が、熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍＫ）以上の素材により構成されている。このため、共振器筐体の温度を迅速に均一化することができ、温度条件を統一した状態で、レーザ光の安定化処理を実施することができる。また、本発明では、上述のように、レーザ媒体及び非線形光学結晶と、エタロンと、共振器筐体と、の間の温度影響を抑制することが可能であるので、熱伝導率が大きい共振器筐体を用いた場合でも、その影響を抑制できる。なお、共振器筐体を基準温度に維持した状態でレーザ光の安定化処理を実施するので、低膨張素材により構成された共振器筐体を用いる必要もない。
本発明のレーザ光調整方法において、前記共振器筐体及び前記支持部は、ベリリウム銅により構成されていることが好ましい。
本発明では、共振器筐体及び支持部がベリリウム銅により構成されている。ベリリウム銅は、熱伝導率が１７０〜２６０（Ｗ／ｍＫ）であり、上述したように、共振器筐体の温度を迅速に均一化することができる。
本発明のレーザ調整方法において、前記光検出部は、前記共振器筐体から出射された前記高調波光が照射され、所定波長の光を吸収する吸収セルと、前記吸収セルを介した前記高調波光を受光して出力信号を出力する検出器と、を含み、前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップは、前記検出器からの前記出力信号に基づく前記吸収セルの飽和吸収線の波長と、前記高調波光の波長とが一致するように、前記第一温度調整機構及び前記第二温度調整機構を制御することが好ましい。
これにより、本発明では、第二出力信号に含まれる飽和吸収線を検出し、高調波光の波長がこの飽和吸収線の波長となるように、第一調整ステップや第二調整ステップを実施することで、高精度に目的波長に設定することができる。
本発明のレーザ光源装置は、励起光を出射する励起用光源と、前記励起光を受けて基本波光を生成するレーザ媒体と、前記基本波光を目的波長の高調波光に変換する非線形光学結晶と、所定の波長の光を透過させるエタロンと、前記レーザ媒体、前記非線形光学結晶、及び前記エタロンを内部に収納する共振器筐体と、前記レーザ媒体及び前記非線形光学結晶の温度を制御する第一温度調整機構と、前記エタロンの温度を制御する第二温度調整機構と、を備えることを特徴とする。
本発明のレーザ光源装置は、レーザ媒体及び非線形光学結晶の温度を制御する第一温度調整機構と、エタロンの温度を制御する第二温度調整機構とがそれぞれ独立して設けられている。このため、上述したようなレーザ光調整方法によるレーザ光の調整が可能となり、目的波長のレーザ光（高調波光）を高出力で出力することができる。
本発明のレーザ光源装置において、前記高調波光の出力を安定化させる制御部を備え、前記制御部は、前記共振器筐体から出射された前記高調波光の波長及び光強度を検出する光検出部からの検出結果に基づき、検出された前記高調波光の波長が目的波長に近づくように、かつ検出された前記高調波光の光強度が所定値以上となるように、前記第一温度調整機構及び前記第二温度調整機構を制御して、前記レーザ媒体及び前記非線形光学結晶の温度、前記エタロンの温度の順で温度調整を実施することが好ましい。
本発明のレーザ光源装置は、制御部が第一温度調整機構および第二温度調整機構を順に制御することで、上述したようなレーザ光調整方法を自動で行うことができ、ユーザの利便性を向上できる。
本発明のレーザ光源装置において、前記共振器筐体の温度を制御する第三温度調整機構をさらに備え、前記制御部は、前記第三温度調整機構を制御して、前記共振器筐体の温度を予め設定された基準温度に維持することが好ましい。
本発明では、共振器筐体の温度を制御する第三温度調整機構が設けられているので、共振器筐体の温度を基準温度に維持することができ、環境温度の変化によらず、安定したレーザ光を出力することができる。
本発明のレーザ光源装置において、前記共振器筐体は、前記レーザ媒体、前記非線形光学結晶、及び前記エタロンのそれぞれを支持する支持部を備え、前記共振器筐体及び各前記支持部は、熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍＫ）以上の素材により構成されていることが好ましい。
また、前記共振器筐体及び各前記支持部は、ベリリウム銅により構成されていることが好ましい。
本発明では、共振器筐体や支持部は、熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍＫ）以上となるベリリウム銅により構成されている。このため、共振器筐体における温度を迅速に均一化でき、基準温度に維持することができる。したがって、共振器の温度が統一された温度条件下で迅速なレーザ光の安定化処理を実施することができる。
本発明は、レーザ光源装置から所望波長のレーザ光を高出力で出力することができる。
本発明に係る一実施形態におけるレーザ光源装置１を示すブロック図。 本実施形態における制御ユニットの機能構成を示すブロック図。 本実施形態におけるレーザ光調整処理を示すフローチャート。
以下、本発明に係る一実施形態について説明する。
［レーザ光源装置の構成］
図１は、本実施形態におけるレーザ光源装置１を示すブロック図である。
レーザ光源装置１は、図１に示すように、光を出射する光源２と、共振器３と、共振器３から出射される光をレーザ光源装置１の外部に導光する導光手段４と、共振器３から出射される光を変調することでヨウ素の飽和吸収線を検出するための飽和吸収線検出手段５と、レーザ光源装置１を制御する制御ユニット６とを備える。
光源２は、励起用光源であり、例えば８０８ｎｍ付近の波長の光（励起光）を出射する半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１から出射される励起光を平行化するコリメータレンズ２２と、半導体レーザ２１の熱を逃がすための放熱板２３と、光源２の温度を制御するための光源温度調整機構２４とを備える。光源温度調整機構２４は、例えばサーミスタ等により構成される温度センサ２４１と、温度を調整するペルチェ素子等により構成される温度調整器２４２とを備える。光源温度調整機構２４により、半導体レーザ２１の温度が調整されることで、基本波光を生成可能な波長の励起光を安定して出力することができる。
［共振器の構成］
共振器３は、筐体３１（共振器筐体）を備え、筐体３１の内部には、コリメータレンズ２２にて平行化された励起光を集光するフォーカスレンズ３１１と、フォーカスレンズ３１１にて集光される励起光で励起され、１０６４ｎｍ付近の波長の光（基本波光）を出射するＮｄ：ＹＶＯ４結晶３２（レーザ媒体）と、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２から出射される基本波光を５３２ｎｍ付近の波長の光（第２高調波光）に変換するためのＫＴＰ結晶３３（非線形光学結晶）と、ＫＴＰ結晶３３の光路後段に配設されるエタロン３４、及び共振器ミラー３５と、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度を制御する第一温度調整機構３６と、エタロン３４の温度を制御する第二温度調整機構３７と、エタロンの角度を調整する角度調整機構３８と、を備えている。また、筐体３１には、筐体３１自体の温度を調整する第三温度調整機構３９が設けられている。
より具体的には、筐体３１は、その内部に、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３を支持するレーザ素子支持部３１２と、エタロン３４を支持するエタロン支持部３１３とを備えている。なお、共振器ミラー３５は、ピエゾ素子３５１を介して筐体３１に取り付けられている。共振器ミラー３５は、ピエゾ素子３５１への印加電圧を制御することで、共振器３の光軸方向に沿って移動可能となる（共振器長を変更することができる）。
そして、レーザ素子支持部３１２やエタロン支持部３１３は、筐体３１に一体構成とされていてもよく、筐体３１に対して別途取り付けられていてもよい。これらの筐体３１、レーザ素子支持部３１２、及びエタロン支持部３１３は、少なくとも熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍＫ）以上の素材により構成されており、本実施形態では、ベリリウム銅（熱伝導率１７０〜２６０（Ｗ／ｍＫ））により構成される。
このようなベリリウム銅は、従来のレーザ光源装置において用いられていたセラミック（熱伝導率１０〜１５（Ｗ／ｍＫ））等に比べて、極めて熱伝導率が高い。このような筐体３１では、第三温度調整機構３９による温度制御が行われた際に、迅速に設定された温度に均一化することができる。
つまり、従来のような熱伝導率が低い素材により構成された筐体では、温度が伝達しにくいので、共振器全体を均一温度にするために長時間を要し、レーザ光の安定化処理を実施するための時間が長くなる。これに対して、熱伝導率が高い本実施形態の筐体３１では、第三温度調整機構３９により、筐体３１の温度制御を行った際に、迅速に設定温度に均一化することができる。また、熱伝導率が小さい場合、周囲環境が変化して、例えば、筐体３１の第三温度調整機構３９から遠い位置で温度変化が発生した場合でも、当該位置から第三温度調整機構３９まで熱が伝達されにくい。したがって、筐体３１の温度分布が不均一になりやすい。これに対して、本実施形態では、筐体３１の一部に温度変化が発生した場合でも、その温度が迅速に第三温度調整機構３９まで伝達されることになり、即座の温度調整が可能となる。
Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３は、上述のように、レーザ素子支持部３１２に取り付けられている。
ここで、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２の半導体レーザ２１側の面には、励起光を透過し、基本波光を反射するためのコーティングが施され、共振器ミラー３５におけるＮｄ：ＹＶＯ４結晶３２側の面には、基本波光を反射し、第２高調波光を透過するためのコーティングが施されている。したがって、基本波光は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２、及び共振器ミラー３５の間を往復してマルチモードで発振し、第２高調波光は、共振器ミラー３５を透過して共振器３から出射される。
なお、本実施形態では、レーザ媒体として、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２を例示するが、これに限定されず、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶等が用いられてもよい。また、非線形光学結晶として、ＫＴＰ結晶３３を例示するが、これに限定されず、例えばＢＢＯ結晶やＬＢＯ結晶等が用いられてもよい。
また、レーザ素子支持部３１２には、図１に示すように、第一温度調整機構３６が設けられている。この第一温度調整機構３６は、例えば、温度を検出するためのサーミスタ等により構成された温度センサ３６１や、温度を調整するためのペルチェ素子等で構成される温度調整器３６２により構成されている。この第一温度調整機構３６は、制御ユニット６に接続されており、温度センサ３６１により検出した温度が制御ユニット６に出力される。また、温度調整器３６２は、制御ユニット６から入力された制御信号に基づいて、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度を所定値に変更及び維持する。
エタロン３４は、上述のように、共振器３の内部の光軸上に配設され、所定の波長の光を透過させるものであり、マルチモードで発振する基本波光をシングルモードにすることができる。なお、基本波光をシングルモードにすることによって、ＫＴＰ結晶３３にて変換された第２高調波光もシングルモードにすることができる。
このエタロン３４は、エタロン支持部３１３に支持され、かつ、角度調整機構３８により共振器３の光軸に対する角度を変更可能となる。この角度調整機構３８は、例えばアクチュエータ等により構成されており、制御ユニット６の制御により駆動することができる。
また、エタロン支持部３１３には、第二温度調整機構３７が設けられている。この第二温度調整機構３７は、第一温度調整機構３６と同様の構成を有し、例えば温度センサ３７１と温度調整器３７２とにより構成することができ、制御ユニット６によりエタロン３４の温度を所定値に設定することができる。
なお、共振器３に、ＫＴＰ結晶３３の、共振器３の光軸に対する角度を変化させるＫＴＰ角度調整部等が設けられていてもよい。
［導光手段の構成］
導光手段４は、共振器３の光路後段に配設されるフィルタ４１，４２と、フィルタ４１，４２を透過した光の偏光方向を調整する１／２波長板４３と、１／２波長板４３にて偏光方向が調整された光を分離するための偏光ビームスプリッタ４４とを備える。
フィルタ４１は、共振器３からの漏れ光である励起光を減衰させる機能を有している。また、フィルタ４２は、レーザ光源装置１の光軸に対して傾斜した状態で配設され、共振器３からの漏れ光である基本波光を反射させる機能を有しているので、フィルタ４２を反射した光は、レーザ光源装置１の光軸から離間する方向に導かれる。すなわち、１／２波長板４３には、フィルタ４１，４２を透過する第２高調波光が入射する。
偏光ビームスプリッタ４４は、偏光分離膜４４Ａを有している。そして、１／２波長板４３から出射され、偏光ビームスプリッタ４４に入射した光のうち、偏光分離膜４４Ａに対してＰ偏光の光は、偏光分離膜４４Ａを透過し、Ｓ偏光の光は、偏光分離膜４４Ａを反射する。
また、導光手段４は、偏光ビームスプリッタ４４にて反射されたＳ偏光の光を分離するための２つのビームスプリッタ４５，４６と、各ビームスプリッタ４５，４６にて分離された光の光強度を検出するための強度検出部４７と、各ビームスプリッタ４５，４６にて分離された光の波長及びスペクトルを検出するための波長検出部４８とを備える。
各ビームスプリッタ４５，４６は、入射する光の一部を界面４５Ａ，４６Ａにて反射させるとともに、他の一部を透過させるものであり、それぞれ同一の機能を有している。そして、ビームスプリッタ４６を透過した光は、レーザ光源装置１の外部に出射され、測長等に使用するレーザ光として用いられる。
次に、導光手段４における光路について説明する。
偏光ビームスプリッタ４４にて反射されたＳ偏光の光は、ビームスプリッタ４５に入射する。ビームスプリッタ４５に入射した光のうち、ビームスプリッタ４５を透過した光は、強度検出部４７に入射する。そして、強度検出部４７は、入射した光の光強度を検出し、検出した光強度に基づく信号を制御ユニット６に出力する。
また、ビームスプリッタ４５にて反射された光は、ビームスプリッタ４６に入射する。ビームスプリッタ４６に入射した光のうち、ビームスプリッタ４６にて反射された光は、波長検出部４８に入射する。そして、波長検出部４８は、入射した光の波長を検出し、検出した光の波長に基づく信号を制御ユニット６に出力する。また、ビームスプリッタ４６を透過した光は、レーザ光源装置１の外部に出射される。
この波長検出部４８としては、例えば回析格子を用いた検出部や、マイケルソン干渉計を用いた検出部を例示できる。回析格子を用いた検出部を用いる場合、回析格子は、入射光の波長に応じて反射する方向が異なるため、回析格子により反射された光が検出された位置及び光量を検出することで、波長を計測することができる。また、マイケルソン干渉計では、被測定レーザ光の波長と、基準となるレーザ光の波長とを比較し、被測定レーザ光の波長を計測する。
［飽和吸収線検出手段の構成］
飽和吸収線検出手段５は、本発明の光検出部であり、偏光ビームスプリッタ４４を透過したＰ偏光の光を入射させる偏光ビームスプリッタ５１と、偏光ビームスプリッタ５１を透過した光が入射される１／４波長板５２と、１／４波長板５２の光路後段に配設されるヨウ素セル５３（吸収セル）と、ヨウ素セル５３を透過した光を反射させる反射ミラー５４と、偏光ビームスプリッタ５１にて反射された光強度を検出するための強度検出部５５（光検出器）とを備える。
なお、ヨウ素セル５３には、サーミスタや温度調整器により構成されたセル温度調整機構５３１が取り付けられている。ヨウ素セル５３の温度が所定の基準値に調整されることで、ヨウ素の吸収線（波長）を所望の値に設定する。
偏光ビームスプリッタ５１は、偏光分離膜５１Ａを有し、偏光ビームスプリッタ４４と同様の機能を有している。また、１／４波長板５２は、入射する光の位相を９０°遅らせる機能を有している。
次に、飽和吸収線検出手段５における光路について説明する。
偏光ビームスプリッタ４４を透過したＰ偏光の光は、偏光ビームスプリッタ５１を透過し、１／４波長板５２を介してヨウ素セル５３に入射する。ヨウ素セル５３を透過した光は、反射ミラー５４にて反射され、ヨウ素セル５３、及び１／４波長板５２を透過して偏光ビームスプリッタ５１に再び入射する。このとき、偏光ビームスプリッタ５１に再び入射した光は、１／４波長板５２を２度通過しているので、偏光方向が９０度回転し、偏光分離膜５１Ａに対してＳ偏光の光となる。したがって、偏光ビームスプリッタ５１に再び入射した光は、偏光分離膜５１Ａにて反射される。偏光ビームスプリッタ５１にて反射された光は、強度検出部５５に入射する。そして、強度検出部５５は、入射した光の光強度を検出し、検出した光強度に基づく光出力信号を制御ユニット６に出力する。
［制御ユニットの構成］
図２は、本実施形態における制御ユニット６を示すブロック図である。
制御ユニット６は、メモリ等により構成される記憶部６１や、ＣＰＵ(Central Processing Unit)等により構成される制御部６２を備える。そして、制御部６２は、記憶部６１に記憶されたプログラムを読み込み実行することで、図２に示すように、半導体レーザ制御手段６２１、第一温度制御手段６２２、第二温度制御手段６２３、第三温度制御手段６２４、エタロン角度制御手段６２５、及びピエゾ素子制御手段６２６等として機能する。
半導体レーザ制御手段６２１は、強度検出部４７や強度検出部５５から出力される信号に基づいて、共振器３から出射された第２高調波光の光強度が一定となるように、半導体レーザ２１を駆動する電流の制御、及び、光源温度調整機構２４の制御を行う。
第一温度制御手段６２２は、第一温度調整機構３６の温度センサ３６１から出力された出力信号に基づいてＮｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度を検出する。また、第一温度制御手段６２２は、強度検出部４７、波長検出部４８、及び強度検出部５５からの出力信号に基づいて、第一温度調整機構３６の温度調整器３６２に対して制御信号を出力し、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度を変更したり、維持したりする。
第二温度制御手段６２３は、第二温度調整機構３７の温度センサ３７１から出力された出力信号に基づいて、エタロン３４の温度を検出する。また、第二温度制御手段６２３は、強度検出部４７、波長検出部４８、及び強度検出部５５からの出力信号に基づいて、第二温度調整機構３７の温度調整器３７２に対して制御信号を出力し、エタロン３４の温度を変更したり、維持したりする。
第三温度制御手段６２４は、第三温度調整機構３９の温度センサ３９１から出力された出力信号に基づいて、共振器３の筐体３１の温度を検出する。また、第三温度調整機構３９の温度調整器３９２に対して制御信号を出力し、筐体３１の温度を基準温度に維持する。
エタロン角度制御手段６２５は、強度検出部４７、波長検出部４８、及び強度検出部５５からの出力信号に基づいて、角度調整機構３８を制御し、エタロン３４の共振器３の光軸に対する角度を変更する。
ピエゾ素子制御手段６２６は、強度検出部４７、波長検出部４８、及び強度検出部５５からの出力信号に基づいて、ピエゾ素子３５１に対する電圧を制御し、共振器ミラー３５の位置を変更する。
［レーザ光源装置のレーザ光調整方法］
次に、レーザ光源装置１のレーザ光調整処理について説明する。図３は、レーザ光調整処理を示すフローチャートである。
レーザ光源装置１を用いる場合、目的波長のレーザ光を高い光強度で出力するために、レーザ光調整処理を実施する。なお、目的波長としては、ヨウ素の飽和吸収線が安定して検出可能な波長が設定される。
具体的には、制御ユニット６は、まず、第三温度調整機構３９を制御して、共振器３の筐体３１の温度を所定の基準温度（例えば２０℃等）に設定し、当該温度を維持する（ステップＳ１）。ステップＳ１により、筐体３１の温度条件が統一されることになる。
次に、制御ユニット６の半導体レーザ制御手段６２１は、半導体レーザ２１に流す電流や温度を制御して、励起光を出射させる（ステップＳ２）。
半導体レーザ２１から励起光がＮｄ：ＹＶＯ４結晶３２に入射されると、基本波光が励起されて出射され、当該基本波光がＫＴＰ結晶３３により波長変換されて第２高調波光となる。ステップＳ１では、強度検出部４７から出力される出力信号が最大となるように、つまり、第２高調波光の光強度が最大となるように、半導体レーザ２１に流す電流や温度を制御する。これにより、半導体レーザ２１から最適な波長の励起光が出射される。
次に、第一温度制御手段６２２は、第一温度調整機構３６を制御して、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度を調整する（ステップＳ３；第一調整ステップ）。具体的には、第一温度制御手段６２２は、強度検出部５５からの出力信号に基づくヨウ素の飽和吸収線と、波長検出部４８により検出される波長（スペクトルにおけるピーク波長）とを一致させるように、かつ、強度検出部４７により検出される光強度が最大となるように、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度を調整する。このステップＳ３では、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３から出射されるレーザ光（第２高調波光）の波長を安定化させる。
また、ステップＳ１により、共振器３の筐体３１の温度が基準温度に設定され、その温度がステップＳ３においても維持される。したがって、ステップＳ３によりＮｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度が変更されても、筐体３１の温度が変更されることがない。
次に、エタロン３４の角度及び温度を調整する（ステップＳ４；第二調整ステップ）。このステップＳ４では、エタロン角度制御手段６２５により、角度調整機構３８を制御して、エタロン３４の角度を調整し、第二温度制御手段６２３により、第二温度調整機構３７を制御して、エタロン３４の温度を調整する。
具体的には、エタロン角度制御手段６２５及び第二温度制御手段６２３は、強度検出部５５からの出力信号に基づくヨウ素の飽和吸収線の波長と、波長検出部４８により検出される波長（エタロン３４のピーク透過波長）との差分値が、所定の誤差範囲内となるように、かつ、強度検出部４７により検出される光強度が、強度検出部５５により検出されるヨウ素の飽和吸収線の波長における光強度以上となるように、エタロン３４の角度及び温度を制御する。この際、ピエゾ素子制御手段６２６によりピエゾ素子３５１に印加する電圧を制御して共振器長を走査（波長走査）し、目的波長が波長走査範囲の中央となるように、エタロン３４の角度を設定する。
このステップＳ４において、エタロン３４の角度が変更されることで、エタロン内を通過する光の光路長が変更され、エタロン３４の温度が変更されることで、エタロンの熱膨張（ミラー間の距離が変動）により光路長が変更される。これにより、エタロン３４を透過する光のピーク透過波長が変更されることになる。
なお、上述したように、ステップＳ１により、筐体３１の温度が基準温度で維持されるので、ステップＳ４によりエタロン３４の温度を変更しても、筐体３１の温度は、基準温度に維持されたままとなる。また、ステップＳ３により、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３が設定されると、第一温度制御手段６２２は、温度センサ３６１によりその温度を検出して記憶部６１に記憶し、当該温度を維持するように第一温度調整機構３６を制御する。したがって、ステップＳ４において、エタロン３４の温度が変更されても、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度変化は発生しない。
以上の後、レーザ光調整処理を終了させる。
［本実施形態の作用効果］
本実施形態のレーザ光源装置１は、励起光を出射する半導体レーザ２１を有する光源２と、共振器３とを備える。共振器３には、励起光を受けて基本波光を生成するＮｄ：ＹＶＯ４結晶３２と、基本波光を目的波長の第２高調波光に変換するＫＴＰ結晶３３と、所定波長の光を透過させるエタロン３４と、これらのＮｄ：ＹＶＯ４結晶３２、ＫＴＰ結晶３３、及び前記エタロン３４を内部に収納する筐体３１と、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度を制御する第一温度調整機構３６と、エタロン３４の温度を制御する第二温度調整機構３７と、が収納されている。
そして、このようなレーザ光源装置１におけるレーザ調整方法として、第一調整ステップを実施して、強度検出部４７，５５及び波長検出部４８により検出された検出結果に基づいて、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度を最適化した後、第二調整ステップを実施してエタロン３４の温度を最適化する。
つまり、先ず、制御ユニット６の第一温度制御手段６２２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３を、目的波長のレーザ光を好適に出力される状態にして、この状態を維持する。その後、第二温度制御手段６２３は、エタロン３４を目的波長の光がピーク透過波長として透過するように調整する。このようなレーザ光調整方法により、エタロン３４の温度を調整する際に、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３の温度が影響を受けることがなく、これによるレーザ光の波長や強度が不安定になる不都合も抑制でき、所望波長のレーザ光を高出力で出力することができる。
本実施形態では、上述したような第一調整ステップや第二調整ステップの前に、ステップＳ１を実施して、第三温度制御手段６２４は、第三温度調整機構３９を制御して、共振器３の筐体３１の温度を予め設定された基準温度に設定し、当該温度を維持する。
このため、レーザ光の波長安定化処理を行う際の温度条件が統一された状態で、第一調整ステップ及び第二調整ステップが行われることになる。よって、使用環境等によって、レーザ光源装置１の周囲の環境温度が変化する場合でも、当該温度変化の影響を低減でき、波長や強度が安定したレーザ光を出力することができる。
本実施形態では、筐体３１、レーザ素子支持部３１２、及びエタロン支持部３１３は、熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍＫ）以上の素材、より具体的にはベリリウム銅により構成されている。
このような筐体３１を用いることで、共振器３の温度を迅速に均一化することができ、所望の目的波長で安定化されたレーザ光を迅速に出力することができる。また、第三温度調整機構３９による温度制御が迅速に筐体３１や支持部（レーザ素子支持部３１２及びエタロン支持部３１３）の全体に行き渡るため、周囲の環境温度が変化する場合でも、迅速に対応することができ、精度よく共振器３の温度を均一にできる。
ここで、本実施形態のベリリウム銅により構成された筐体３１を含む共振器３と、低膨張材料により構成された筐体を有する従来の共振器とにおいて、線膨張係数、共振器の許容温度、共振器長の許容寸法誤差を比較する表を下記表１に示す。
Figure 0006836848
本実施形態では、従来用いられていた低膨張材料により構成される筐体に替えて、ベリリウム銅により構成された筐体３１を用いる。ベリリウム銅は、表１に示すように、従来の低膨張材料に比べて線膨張係数が大きく、温度変化による共振器長の変化が大きくなる。このため、従来では、共振器長を許容寸法誤差内とするために、共振器の許容温度差を表１に示すように、１．４８℃としていたものに対し、本実施形態では、許容温度差を０．２６℃としている。共振器３の温度を基準温度から許容温度差内の範囲内であれば、共振器長が許容寸法誤差内となり、レーザ光の波長や出力に対する影響は許容できる範囲となる。
本実施形態では、許容温度差を従来よりも抑えているが、ベリリウム銅の熱伝導率が高い（従来の低膨張材料では、１０〜１５（Ｗ／ｍＫ）ため、上述したように、第三温度調整機構３９による温度制御を迅速かつ高精度に行うことができる。
本実施形態では、ヨウ素セル５３を利用して、ヨウ素の飽和吸収線への波長安定化を行うことで、レーザ光の波長を高度に安定化させる。このようなヨウ素セル５３を用いた波長安定化法では、飽和吸収線は特定の波長域で得られる。したがって、目的の飽和吸収線が得られる波長域で、シングルモード化されたレーザ光を十分に高い光強度で発振させる必要がある。これに対して、本実施形態では、上記のようなレーザ光調整処理において、目的波長として、ヨウ素の飽和吸収線が安定して検出可能な波長が設定されている。これにより、強度検出部５５により検出される光出力信号から目標とする飽和吸収線を安定して検出することができるようになり、このような飽和吸収線に基づいて、レーザ光の波長を高度に安定化させることができる。
［変形例］
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、第二調整ステップにおいて、エタロン３４の温度及び角度を調整するが、先ず、エタロン３４の角度を調整した後に、エタロン３４の温度調整を行ってもよい。エタロン３４の角度変化による波長シフト量がエタロン３４の温度変化による波長シフト量よりも多いため、上記調整方法では、粗調整の後に微調整を行うことになり、迅速に、かつ精度よくエタロン３４の角度及び温度の調整を行うことができる。
上記実施形態では、第三温度調整機構３９により、共振器３の全体の温度を維持する構成を例示したが、これに限定さない。
例えば、環境温度が一定に保たれた使用環境等においてレーザ光源装置１を用いる場合では、第三温度調整機構３９が設けられていなくてもよい。また、このような場合では、筐体３１として、熱伝導率が低い素材により構成されていてもよく、エタロン３４の温度調整時の、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶３２及びＫＴＰ結晶３３への温度影響を低減できる。
上記実施形態では、ヨウ素セル５３（吸収セル）を用いて飽和吸収線を検出し、第２高調波光の波長を飽和吸収線の波長に合わせ込むことでレーザ光の安定化処理を行う例を示したが、これに限定されない。例えば、吸収セルが設けられず、波長検出部４８により検出される波長のみに基づいてレーザ光の波長を目的波長に調整する構成などとしてもよい。
上記実施形態では、筐体３１、レーザ素子支持部３１２、及びエタロン支持部３１３の各々がベリリウム銅により構成される例を示すが、筐体３１の外装部のみがベリリウム銅により構成され、レーザ素子支持部３１２、及びエタロン支持部３１３がその他の素材（例えばセラミック等の熱導電率が小さい素材）により構成されていてもよい。
また、上記実施形態では、波長検出部４８により出射されたレーザ光の波長を検出する構成例を示したが、これに限定されず、例えば飽和吸収線検出手段５により検出されるヨウ素の飽和吸収線の検波のみでレーザ光の波長を検出してもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。
本発明は、励起光を出射する励起用の光源と、励起光により生成されたレーザ光を生成する共振器とを備えたレーザ光源装置に利用できる。
１…レーザ光源装置、２…光源、３…共振器、４…導光手段、５…飽和吸収線検出手段、６…制御ユニット、２１…半導体レーザ、３１…筐体、３２…Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（レーザ結晶）、３３…ＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）、３４…エタロン、３５…共振器ミラー、３６…第一温度調整機構、３７…第二温度調整機構、３８…角度調整機構、３９…第三温度調整機構、４７…強度検出部、４８…波長検出部、５３…ヨウ素セル、５５…強度検出部、６１…記憶部、６２…制御部、３１２…レーザ素子支持部、３１３…エタロン支持部、６２２…第一温度制御手段、６２３…第二温度制御手段、６２４…第三温度制御手段、６２５…エタロン角度制御手段。

Claims (7)

  1. 励起光を出射する励起用光源と、前記励起光を受けて基本波光を生成するレーザ媒体と、前記基本波光を目的波長の高調波光に変換する非線形光学結晶と、所定の波長の光を透過させるエタロンと、前記レーザ媒体、前記非線形光学結晶、及び前記エタロンを内部に収納する共振器筐体と、前記レーザ媒体及び前記非線形光学結晶の温度を制御する第一温度調整機構と、前記エタロンの温度を制御する第二温度調整機構と、を備えたレーザ光源装置におけるレーザ光調整方法であって、
    前記レーザ光源装置は、前記共振器筐体の温度を制御する第三温度調整機構を備え、
    前記第三温度調整機構により前記共振器筐体の温度が予め設定された基準温度に維持するステップと、
    前記高調波光を検出する光検出部を用いて、前記高調波光の光強度及び波長を検出し、検出された前記高調波光の波長が目的波長に近づき、かつ前記高調波光の光強度が所定値以上となるように、前記第一温度調整機構を調整して前記レーザ媒体及び前記非線形光学結晶の温度を調整する第一調整ステップと、
    前記第一調整ステップの後、前記光検出部を用いて前記高調波光の光強度及び波長を検出し、検出された前記高調波光の波長が目的波長に近づき、かつ前記高調波光の光強度が所定値以上となるように、前記第二温度調整機構により前記エタロンの温度を調整する第二調整ステップと、
    を実施することを特徴とするレーザ光調整方法。
  2. 請求項１に記載のレーザ光調整方法において、
    前記共振器筐体は、前記レーザ媒体、前記非線形光学結晶、及び前記エタロンのそれぞれを支持する支持部を備え、
    前記共振器筐体及び前記支持部は、熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍＫ）以上の素材により構成されている
    ことを特徴とするレーザ光調整方法。
  3. 請求項２に記載のレーザ光調整方法において、
    前記共振器筐体及び前記支持部は、ベリリウム銅により構成されている
    ことを特徴とするレーザ光調整方法。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ調整方法において、
    前記光検出部は、
    前記共振器筐体から出射された前記高調波光が照射され、所定波長の光を吸収する吸収セルと、
    前記吸収セルを介した前記高調波光を受光して出力信号を出力する検出器と、を含み、
    前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップは、前記検出器からの前記出力信号に基づく前記吸収セルの飽和吸収線の波長と、前記高調波光の波長とが一致するように、前記第一温度調整機構及び前記第二温度調整機構を制御する
    ことを特徴とするレーザ光調整方法。
  5. 励起光を出射する励起用光源と、
    前記励起光を受けて基本波光を生成するレーザ媒体と、
    前記基本波光を目的波長の高調波光に変換する非線形光学結晶と、
    所定の波長の光を透過させるエタロンと、
    前記レーザ媒体、前記非線形光学結晶、及び前記エタロンを内部に収納する共振器筐体
    と、
    前記レーザ媒体及び前記非線形光学結晶の温度を制御する第一温度調整機構と、
    前記エタロンの温度を制御する第二温度調整機構と、
    前記共振器筐体の温度を制御する第三温度調整機構と、
    前記高調波光の出力を安定化させる制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記第三温度調整機構を制御して、前記共振器筐体の温度を予め設定された基準温度に維持した状態で、前記共振器筐体から出射された前記高調波光の波長及び光強度を検出する光検出部からの検出結果に基づき、検出された前記高調波光の波長が目的波長に近づくように、かつ検出された前記高調波光の光強度が所定値以上となるように、前記第一温度調整機構及び前記第二温度調整機構を制御して、前記レーザ媒体及び前記非線形光学結晶の温度、前記エタロンの温度の順で温度調整を実施する
    ことを特徴とするレーザ光源装置。
  6. 請求項５に記載のレーザ光源装置において、
    前記共振器筐体は、前記レーザ媒体、前記非線形光学結晶、及び前記エタロンのそれぞれを支持する支持部を備え、
    前記共振器筐体及び各前記支持部は、熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍＫ）以上の素材により構成されている
    ことを特徴とするレーザ光源装置。
  7. 請求項６に記載のレーザ光源装置において、
    前記共振器筐体及び各前記支持部は、ベリリウム銅により構成されている
    ことを特徴とするレーザ光源装置。
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