JP7394083B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ装置に関し、特に詳細には、レーザ構成要素を筐体内に収容し、この筐体を温度調整するように構成されたレーザ装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されているように、レーザダイオード等の発光素子を自身では発振しないように構成し、この発光素子から出射した光を外部共振器によって発振させるようにした外部共振器型レーザが公知となっている。また、例えば特許文献２に示されているように、レーザダイオードから発せられたレーザ光によって固体レーザ結晶を励起するレーザダイオード励起固体レーザも公知となっている。

上述の外部共振器型レーザやレーザダイオード励起固体レーザにおいては、共振器長が周囲温度によって変化し、その結果光出力が変動することを防止する提案が従来種々なされている。例えば特許文献２には、レーザ構成要素を筐体内に収容し、この筐体をペルチェ素子等の温度調節素子によって所定温度に温度調節する構成が示されている。

特開２０１９－２９４２８号公報 特開２００１－３３２７８７号公報

しかし、レーザ構成要素を収容した筐体を所定温度に温度調節するようにした従来のレーザ装置は、そのような対策を施していても光出力が変動することがあり、この点に改良の余地が残されている。本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光出力の変動を確実に抑制することができるレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明によるレーザ装置は、
共振器を含むレーザの構成要素を筐体内に収容し、
上記筐体を、接着剤層を介して温度調節素子に接合し、
上記筐体の検出温度に基づいて上記温度調節素子を駆動して筐体を所定温度に調節するレーザ装置において、
上記接着剤層として、上記筐体と上記温度調節素子との間の距離を規定する、複数の略均一形状のスペーサが分散されている接着剤層が用いられたことを特徴とするものである。

なお、上記のスペーサとして具体的には、球状のビーズを好適に用いることができる。その場合、ビーズの外径は１０μｍ～１００μｍの範囲にあることが望ましい。

あるいは上記のスペーサとして、円柱状のファイバーを用いることもできる。

また、そのようなスペーサとしては、ガラスあるいはセラミックスからなるものを好適に用いることができる。

また、本発明によるレーザ装置において、筐体内に収容するレーザとしては、外部共振器型レーザや、あるいはレーザダイオード励起固体レーザが適用可能である。さらに、そのように筐体内に収容されたレーザは、発振波長を狭帯域化する波長制御素子を含むものであることが望ましい。

本発明者は、レーザ構成要素を収容した筐体を所定温度に温度調節するようにした従来のレーザ装置において、光出力が変動してしまう理由を解明した。以下、その理由を説明する。図８は、従来のレーザ装置を概略的に示すものであり、図中の１０はレーザ構成要素（図示せず）を内部に収容した筐体、３０はペルチェ素子等の温度調節素子を示している。そして筐体１０の図中下面と、温度調節素子３０の図中上面（接着面）とは図示外の薄い接着剤層を介して接合されている。この図８で上から下に向けて示す（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）はそれぞれ、周囲温度が比較的低い場合、周囲温度が筐体１０の内部温度と同程度である場合、および周囲温度が比較的高い場合を示している。

（ａ）の場合は温度調節素子３０の図中上面が加温されることから筐体１０が拡がるように変形し、（ｃ）の場合は温度調節素子３０の図中上面が冷却されることから筐体１０が縮むように変形する。筐体１０と温度調節素子３０とを接合する接着剤層は従来、温度調節の応答性を良くするために比較的薄く形成されているので、温度調節素子３０が駆動したときの変形が、直接的に筐体１０に伝わって該筐体１０の変形を招く。そして、この変形により、筐体内部に収容されている共振器の長さが変化し、その結果、レーザ装置の光出力が変動することを本発明者は見出した。こうした不具合を招かないように接着剤層を比較的厚く形成することも考えられるが、そうする場合は接着剤層の厚さを均一に制御するのが困難になり、その結果、レーザ装置の特性に大きな個体差が発生してしまう。

それに対して本発明のレーザ装置においては、接着剤層として、筐体と温度調節素子との間の距離を規定する、複数の略均一形状のスペーサが分散されている接着剤層が用いられているので、接着剤層の厚さを均一に制御可能とした上で、この厚さを比較的大きく取ることができる。そこで、温度調節素子の変形を筐体に伝わり難くして筐体の変形、ひいては共振器長の変化を防止し、レーザ装置の光出力変動を防止可能となる。

本発明の第１実施形態によるレーザ装置を示す一部破断側面図 従来のレーザ装置を示す一部破断側面図 図１のレーザ装置において、スペーサであるビーズの外径を１０μｍとしたときの光出力特性を示すグラフ 図１のレーザ装置において、スペーサであるビーズの外径を３０μｍとしたときの光出力特性を示すグラフ 図１のレーザ装置において、スペーサであるビーズの外径を５０μｍとしたときの光出力特性を示すグラフ 図１のレーザ装置において、スペーサであるビーズの外径を１００μｍとしたときの光出力特性を示すグラフ 従来のレーザ装置における光出力特性の一例を示すグラフ 従来のレーザ装置における問題を説明する概略図 上記ビーズの外径とレーザ装置の光出力変動量との関係を示すグラフ 本発明の第２実施形態によるレーザ装置を示す一部破断側面図 図１０のレーザ装置の一部を示す平面図 本発明の第３実施形態によるレーザ装置を示す一部破断側面図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態によるレーザ装置１を一部破断して示す側面図である。また図２は、このレーザ装置１と比較するための例として、従来のレーザ装置１００を一部破断して示す側面図である。図１に示す通り本実施形態のレーザ装置１は、例えば金属板からなるベース板２０と、このベース板２０の上に熱伝導性接着剤層２２を介して接合されたペルチェ素子３０と、このペルチェ素子３０の上に熱伝導性接着剤層２１を介して接合された函状の筐体４０とを有している。なおこれらの図１および図２においては筐体４０を破断して、その内部に収容されたレーザ構成要素を明示している。

図１に示される通り筐体４０の前方側面（図中の右側面）には、光取出し用の窓が形成され、この窓には透明部材からなる光透過部材４０ａが嵌合固定されている。また筐体４０の内部にはマウント４１が固定され、このマウント４１の上に、レーザ構成要素が保持されている。すなわち、図中で左から右に向かって順にレーザダイオード（以下、ＬＤという）１１、コリメートレンズ１２、バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦという）１３、収束レンズ１４および共振器ミラー１５が配置、固定されている。また筐体４０の外において、上記光透過部材４０ａと向き合う位置には、コリメートレンズ１６が保持されている。

上記ＬＤ１１の前端面１１ａから出射した光Ｌはコリメートレンズ１２によって平行光化された後、ＢＰＦ１３を通過してから収束レンズ１４により集光されて、共振器ミラー１５の後端面１５ａ上で収束する。ＬＤ１１は例えばＧａＮ基板からなる、自身で発振しないものであるが、その後端面１１ｂには高反射コート（例えば反射率９９％）が施されており、また共振器ミラー１５の後端面１５ａにも、比較的高い反射率（例えば６５％）で上記光Ｌを反射させるコートが施されている。それにより光Ｌが発振して高出力のレーザ光が得られる。つまり本実施形態では、ＬＤ１１の後端面１１ｂと共振器ミラー１５の後端面１５ａとによって外部共振器が構成されている。

発振したレーザ光Ｌは、ＢＰＦ１３により波長選択されて、発振波長が４８８ｎｍに設定される。ＢＰＦ１３の透過波長幅は一例として０．５ｎｍや、１．０ｎｍ程度であり、それによりレーザ光Ｌは、極めて狭帯域のものとなる。こうして、例えば発振モードが縦シングルモードであって、さらに駆動電流の増減を行っても発振波長の変動幅が０．０１ｎｍ以下である高品質の狭帯域レーザを得ることができる。

通常、外部共振器の構成が無い場合、縦モードはマルチモードであり、駆動電流の増減による発振波長の変動幅も数ｎｍと大きいので、外部共振器が構成されたことにより用途範囲が著しく拡大する。このレーザ光Ｌは、共振器ミラー１５（例えば透過率３５％）および光透過部材４０ａを透過した後、コリメートレンズ１６によって平行光化され、所定の用途に用いられる。

筐体４０には、その温度を検出するサーミスタ４２が組み込まれている。このサーミスタ４２が出力する温度検出信号Ｓ１は、コントローラ（温度調節制御回路）４３に入力される。コントローラ４３は入力された温度検出信号Ｓ１が示す温度に基づいて、温度調節素子であるペルチェ素子３０の駆動を制御する駆動制御信号Ｓ２を出力する。駆動制御信号Ｓ２は基本的に、筐体４０に接合しているペルチェ素子３０の接合面（図１中で上面）を、温度検出信号Ｓ１が示す検出温度が所定温度（例えば３６℃）より低い場合は加温させ、反対に検出温度が所定温度より高い場合は冷却させる信号である。ペルチェ素子３０がこのように駆動制御されることにより、筐体４０の温度は上記所定温度に設定される。そこで、筐体４０内の共振器の長さが所定長さに維持されるので、共振器長が変化してレーザ光Ｌの光出力が変動することが防止される。

ここで、以上述べた本発明によるレーザ装置１と、比較例として図２に示した従来のレーザ装置１００とを対比する。これらレーザ装置の基本的な相違点は、ペルチェ素子３０と筐体４０とが、従来のレーザ装置１００では厚さが５μｍ～１０μｍ程度と比較的薄い接着剤層２１を介して接合されているのに対して、本発明によるレーザ装置１では、複数の略均一形状のスペーサ５０が分散されている接着剤層２１が用いられている点にある。本発明によるレーザ装置１では、上記のスペーサ５０が分散されていることにより、筐体４０とペルチェ素子３０との間の距離が均一でかつ比較的大きく（一例として１０μｍ～１００μｍ程度）規定されている。

本実施形態において、スペーサ５０はより具体的には、二酸化ケイ素からなるセラミック製の球状ビーズである。ただしこの球状のビーズ５０はそれ以外のセラミック製でもよく、さらにはジルコニア、アルミナ、あるいはガラス製のビーズも適用可能である。一般には、硬度が高く、不純物が少なくて安定性が高い無機材料製のビーズがより好適に用いられ得る。

先に述べたように筐体４０とペルチェ素子３０との間の距離を均一に規定する上で、複数のビーズ５０の外径はバラツキが無い、あるいは僅少であることが望ましい。上述のような材料からなるビーズ５０は、外径の誤差が±１０％内に収まるように作製可能であるので、上記距離を均一に規定する上で好ましい。ただし、ビーズ５０の外径の誤差が±５０％程度有っても、レーザ光Ｌの光出力変動を防止し、また筐体４０の温度調節の応答性を高く保つ上で、実用上問題は無い。

上記ビーズ５０が分散される接着剤層２１としては、熱応答が良いという点から本実施形態ではシリコーン系の熱伝導接着剤からなるものが適用されている。しかしそれに限らずに、熱応答は劣るものの、エポキシ系やシアノアクリル系の有機接着剤からなるものを適用することもできる。

本実施形態では、接着剤にビーズ５０を分散させた後、その接着剤をペルチェ素子３０の接着面に塗布して接着剤層２１としているが、ビーズ５０が分散された接着剤層２１は、その他の方法によって形成することも可能である。例えば、ペルチェ素子３０の接着面に予め複数のビーズ５０を撒き、その上に接着剤をディスペンサーで塗布することにより、ビーズ５０が分散された接着剤層２１を形成することもできる。

接着剤量に対するビーズ５０の分散量は、重量比で１％程度確保されていれば、後述する本発明の効果を得る上で十分である。ただし、ビーズ５０の分散量が余りに少ないと、筐体４０やペルチェ素子３０の接着面を構成する金属の凹凸に埋もれてしまって、本発明の効果を十分に得ることができないことも起こり得るので、ビーズ５０の総数は数十個程度以上であることが望ましい。以下、上記のことを詳しく説明する。

ペルチェ素子３０と筐体４０の各接合面の面精度がガラスの様に凹凸が無い非常に良いものであるならば、１面当りのビーズ個数は最低３個あれば、ペルチェ素子３０と筐体４０との間の距離は一定値（ビーズ５０の外径と同じ値）になる。１個あるいは２個ではペルチェ素子３０と筐体４０とが互いに傾いてしまうが、３個有れば傾くことがなく、３個を超えたビーズ５０は無駄になる。以上は、上記各接合面が理想的な面であると仮定した上での幾何学的な見地からの判断であるが、上記各接合面の実際の面精度も考慮すると事情は異なってくる。

つまり、上記各接合面は通常金属面であって、その金属面には一般に数μｍ～数１０μｍ程度の切削痕が存在する。そのため、３個の内の１つのビーズ５０がたまたま切削痕に埋もれてしまうと、ペルチェ素子３０と筐体４０との間の距離については２個の場合と同等の状態になる。そのように切削痕に埋もれるビーズ５０がいくつか有っても、それに拘わらず上記距離について所望の状態を実現させるためには、３個を上回るビーズ個数が必要になる。本発明者が以上の見地から、接着剤量に対するビーズ５０の好ましい分散量を求めた結果、重量比で１％程度有れば上記所望の状態を実現できることが判った。上記重量比が３０％以上となる程に多数のビーズ５０が分散されていると、接着剤層２１の本来の接着機能が低下するので、それを回避するために上記重量比を１％程度とするのが望ましい。

また温度調節素子としては、ペルチェ素子３０以外の素子が用いられてもよい。例えば、冷却機能を備えない電気駆動ヒータ等も適用可能である。

以上説明した構成を有する本実施形態のレーザ装置１が奏する効果について説明する。このレーザ装置１においては、接着剤層２１として、筐体４０とペルチェ素子３０との間の距離を規定する、複数の略均一形状のビーズ５０が分散されている接着剤層２１が用いられているので、接着剤層２１の厚さを均一に制御可能とした上で、この厚さを比較的大きく取ることができる。そこで、ペルチェ素子３０の自身の温度変化による変形を筐体４０に伝わり難くすることができる。そこで筐体４０の変形、ひいては共振器長の変化を防止して、レーザ装置１の光出力変動を防止可能となる。

次に、本実施形態のレーザ装置１における光出力変動を実際に測定した結果について説明する。ここでは、ビーズ５０の外径をそれぞれ２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍとした（つまり、筐体４０とペルチェ素子３０との間の距離がそれらの各値となっている）４通りのレーザ装置１をサンプルとして作成し、各サンプルの周囲温度を１０℃～４０℃の範囲で変化させたときのレーザ光Ｌの光出力変動を測定した。

この光出力変動を測定した結果を、図３～図６のグラフに示す。図３、図４、図５、図６の順に、ビーズ５０の外径が２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍである場合の測定結果を示している。これらの図において、横軸の時間（ｈ）はレーザ装置１を駆動開始してからの経過時間（単位は時間）を示し、右縦軸はレーザ装置１の周囲温度（単位は℃）を、左縦軸はレーザ光Ｌの光出力（相対値）を示している。各サンプルについて、複数の経過時間（ｈ）毎に温度（℃）および光出力（相対値）を測定し、各グラフでは温度（℃）の測定値を四角形のプロットで、光出力（相対値）の測定値を円形のプロットで示している。それらのプロットを判別し易くするために、前者のプロットの集合には「Ｔ」の表示を付し、後者のプロットの集合には「Ｐ」の表示を付してある。

なお、この測定に際してＬＤ１１は、駆動電流を一定値（一例として１５０ｍＡ）にして駆動した。このように駆動電流は一定値であるから、光出力変動の要因は、周囲温度の変化に応じたペルチェ素子３０の変形を受けた筐体４０の変形による共振器長変化であるということが判る。

また、これらの測定結果と比較するために、図２に示した従来のレーザ装置についても同様の測定を行い、その結果を図７に示す。この比較例としての従来のレーザ装置は、図２に示す接着剤層２１がビーズを含まないで、その厚さが５μｍとされたものである。図７における測定結果の表示の仕方は、図３～図６におけるのと同様である。

図３～図６のグラフに示された、光出力の概ね測定開始時の値に対する変動量（比率で示す）に着目すると、この変動量は、ビーズ５０の外径が２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍである場合にそれぞれ１９％、１２％、６％、６％となっている。この変動量は、図７に示す従来のレーザ装置における２８％と比べて顕著に抑えられており、前述した本発明による効果が裏付けられている。

また図９は、本実施形態のレーザ装置１においてビーズ５０の外径を２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍとした場合の上記光出力変動量と、図７に示す比較例としての従来のレーザ装置における光出力変動量とを併せて示している。同図に示される通り、ビーズ５０の外径が５０μｍ～１００μｍの範囲では光出力変動量が飽和している。したがって、光出力の変動を抑えるという観点からは、ビーズ５０の外径を５０μｍよりも大とすることは特に効果的ではないと言える。

他方、接着剤層２１の熱伝導率は金属のそれと比べて一般に低いので、接着剤層２１の厚さが大であるほど、筐体４０の温度調節において熱応答の時間が遅くなる。したがって、この熱応答の時間をより短くして、かつ、光出力の変動を抑える上では、ビーズ５０の外径を５０μｍ程度とすることが一般的には望ましいと言える。しかし、熱応答時間を決める要因は接着剤層２１の厚さの他に、サーミスタ４２の取り付け位置、筐体４０の熱容量、筐体４０とペルチェ素子３０との接着面積等、多くのものがある。図９の測定結果を得た条件、つまり設定温度３６℃で、ビーズ５０の外径が２０μｍから１００μｍの範囲内では、いずれの測定の場合も、室温２２℃から設定温度３６℃までの到達時間は約２分以下であり、この到達時間の違いはバラツキの範囲内であった。したがって、熱応答時間を考慮に入れても、ビーズ５０の外径は５０μｍ～１００μｍの範囲内のいずれでも良いことが判った。

次に図１０および図１１を参照して、本発明の第２実施形態によるレーザ装置２について説明する。なお、これらの図１０および図１１において、先に説明した図１中のものと同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する（以下、同様）。

このレーザ装置２は、図１に示した第１実施形態のレーザ装置１と対比すると、球状のビーズ５０に代えて、複数の円柱状のファイバー６０がスペーサとして接着剤層２１に分散されている点で相違するものである。複数のファイバー６０は、長さが例えば１ｍｍで、外径が例えば１２０μｍと均一なものである。なお、複数のファイバー６０の接着剤層２１に沿った配置状態を図１１に示している。このような複数のファイバー６０が接着剤層２１に分散されていることにより、筐体４０とペルチェ素子３０との間の距離が均一の１２０μｍに規定されている。

以上の構成を有するレーザ装置２について、光出力の変動量を調べたところ、変動量は６％に抑えられていることが分かった。そこでこのレーザ装置２においても、第１実施形態のレーザ装置１による効果と同様の効果が得られていることが裏付けられた。

なおファイバー６０としては、長さが１ｍｍ以外のものも適用可能である。またファイバー６０の外径も１２０μｍ以外であってもよく、規定したい筐体４０とペルチェ素子３０との間の距離に応じて適切な外径を選択すればよい。

次に図１２を参照して、本発明の第３実施形態によるレーザ装置３について説明する。このレーザ装置３は、図１に示した第１実施形態のレーザ装置１と対比すると、筐体４０内に収容されたレーザが外部共振器型レーザではなく、レーザダイオード励起固体レーザである点で相違するものである。このレーザダイオード励起固体レーザは、励起光としてのレーザ光Ｌ１を出射するＬＤ１１と、発散するこのレーザ光Ｌ１を収束させる収束レンズ７０と、レーザ光Ｌの収束位置に配されたＮｄ：ＹＡＧ結晶７１と、その前方に配された共振器ミラー７２とを備えて構成されている。

ＬＤ１１としては、波長８０８ｎｍのレーザ光Ｌ１を出射するものが用いられている。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶７１は、ネオジウム（Ｎｄ）がドーピングされた固体レーザ媒質であり、上記レーザ光Ｌ１により励起されて、波長９４６ｎｍの光Ｌを発する。この光Ｌは、適宜のコーティングが施されたＮｄ：ＹＡＧ結晶７１の後端面７１ａと共振器ミラー７２のミラー面７２ａとの間で共振し、レーザ発振が引き起こされる。こうして得られた波長９４６ｎｍの固体レーザ光Ｌは、光透過部材４０ａを透過して筐体４０の外に取り出され、所定の用途に用いられる。

以上の構成を有するレーザ装置３においても、複数の球状ビーズ５０が分散された接着剤層２１が用いられたことにより、第１実施形態のレーザ装置１が奏する効果と基本的に同様の効果が得られる。

なお図１２に示したレーザダイオード励起固体レーザにおいて、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶７１と共振器ミラー７２との間に非線形光学結晶、例えばＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５：三ホウ酸リチウム）を配置すると、第二高調波である波長４７３ｎｍのブルー光を得ることができる。その他にも、このような波長変換（短波長化）を行うレーザダイオード励起固体レーザ等のレーザ装置は種々公知となっており、本発明はその種のレーザ装置に対しても同様に適用可能である。

１、２、３ レーザ装置
１０、４０ 筐体
１１ レーザダイオード
１２、１６ コリメートレンズ
１３ バンドパスフィルタ
１４、７０ 収束レンズ
１５、７２ 共振器ミラー
２１、２２ 接着剤層
３０ ペルチェ素子
４２ サーミスタ
４３ コントローラ
５０ ビーズ
６０ ファイバー
７１ Ｎｄ：ＹＡＧ結晶

Claims (8)

1. 共振器および該共振器に向かって進行する光を発するレーザダイオードを含むレーザの構成要素を複数、レーザ光の進行方向に沿って配列して筐体内に収容し、
   前記筐体を、前記配列の方向と略平行に延びる接着剤層を介して温度調節素子に接合し、
   前記筐体の検出温度に基づいて前記温度調節素子を駆動して前記筐体を所定温度に調節
   するレーザ装置において、
   前記接着剤層として、前記筐体と前記温度調節素子との間の距離を規定する、複数の略均一形状のスペーサが分散されている接着剤層が用いられたことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記スペーサが、球状のビーズである請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記ビーズの外径が１０μｍ～１００μｍの範囲にある請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記スペーサが、円柱状のファイバーである請求項１に記載のレーザ装置。
5. 前記スペーサが、ガラスあるいはセラミックスからなるものである請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
6. 前記筐体内に収容されたレーザが、外部共振器型レーザである請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
7. 前記筐体内に収容されたレーザが、レーザダイオード励起固体レーザである請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
8. 前記筐体内に収容されたレーザが、発振波長を狭帯域化する波長制御素子を含むものである請求項１～７のいずれか１項に記載のレーザ装置。