JPH0541557A

JPH0541557A - レーザ用結晶温度安定化装置

Info

Publication number: JPH0541557A
Application number: JP3195221A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久; Makoto Yano; 眞矢野; Koji Kuwabara; 皓二桑原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1993-02-19

Abstract

(57)【要約】【目的】非線形光学結晶や薄板状の固体レーザ媒質など
のレーザ用結晶を、加熱や冷却により温度安定化させる
際に、複数のペルチェ素子を用いなくても、波長変換さ
れるレーザ光や発振するレーザ光が、上下や左右で不均
一なレーザ光強度分布とならずに済み、また特に薄板状
の固体レーザ媒質の場合には、これを十分に冷却できる
装置を提供することにある。【構成】レーザ用結晶温度安定化装置１００は、非線形
光学結晶１０２がホルダ１０３中に埋め込まれている。
ホルダ１０３は円板状であり、表面に穴付きペルチェ素
子１０４が接触している。さらに穴付きペルチェ素子１
０４の他の表面には、穴付きヒートシンク１０５が貼り
着けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ装置に係り、特
に、非線形光学結晶や薄板状の固体レーザ媒質を含んだ
レーザ装置において、それらの温度を安定化させる装置
に関する。

【従来の技術】レーザ装置中で利用される非線形光学結
晶は、波長変換を行う場合、非線形光学結晶の温度を一
定値に保つ必要がある。特に、その温度が、５０度Ｃか
ら150度Ｃ程度と、室温よりも高くなる場合もあり、そ
の場合には、一般にオーブンが用いられている。構造的
には、非線形光学結晶を、それを保持するホルダごとオ
ーブンの中に納め、ヒータにより加熱されたオーブン中
の空気を非線形光学結晶に接触させて、これを加熱して
いた。また、非線形光学結晶の温度を安定化させるため
には、温度をモニタして、ヒータへの入力電力を制御し
ていた。また、固体レーザ媒質は、レーザ動作をさせる
ために、これに照射される励起光の一部を吸収するた
め、温度上昇する。そのため、動作中に冷却する必要が
ある。その場合、一般にフラッシュランプ励起のＹＡＧ
レーザなどに見られるように、固体レーザ媒質は、長さ
数センチメートル（以下cm），直径数ミリメートル（以
下mm）のロッド状の形状をしているため、その周囲の曲
面に直接冷却水を接触するように流して、冷却してい
た。

【発明が解決しようとする課題】オーブンを用いて非線
形光学結晶を加熱する場合、非線形光学結晶の加熱にオ
ーブン中の空気が媒体となるため、熱の移動には空気の
対流が必要となることから、熱の伝達に時間が掛る。そ
の結果、非線形光学結晶の温度が室温よりも比較的高い
場合の加熱や、温度を一定値に保つための制御性に問題
点があった。そこで非線形光学結晶の加熱に、ペルチェ
素子を利用することが考えられる。ペルチェ素子では、
これに電流を流すと、片面から吸熱し、他方の面から発
熱することができる。ところが、非線形光学結晶は一般
に数mm角程度と小さいため、これらに直接ペルチェ素子
を取り付けて加熱することは構造上難しく、これらを保
持するホルダを加熱することで、間接的に加熱すること
ができる。その場合、通常のペルチェ素子を用いるなら
ば、以下に説明するような問題点が生じる。ここで、通
常のペルチェ素子を用いて結晶を加熱し、温度を安定化
させる装置の一例として、その構成を図面を用いて説明
する。図４は、非線形光学結晶を利用してレーザ光の波
長変換を行うために用いられる温度安定化装置３００の
構成図である。レーザ光３０１を波長変換するための非
線形光学結晶３０２には、ここでは、幅，高さ及び長さ
がそれぞれ３mm，３mm，５mmと非常に小さい結晶が用い
られており、円板状のホルダ３０３中に埋め込まれてい
る。そこでこのホルダ３０３を加熱することで、間接的
に非線形光学結晶３０２を加熱することになる。ところ
がこのホルダ３０３は円板状であるため、これの加熱
に、一般に平面状であるペルチェ素子を接触させて取り
付けることは難しい。そこで図に示したように、ホルダ
３０３の周囲で接している固定台３０４の広く延びた底
面にペルチェ素子３０５を取り付けることで、固定台３
０４を底面から加熱し、それによって間接的に非線形光
学結晶３０２を加熱することになる。ところが、非線形
光学結晶３０２が、それを保持するホルダ３０３と接触
する固定台３０４から間接的に加熱されると、その固定
台の一つの方向から熱が伝わるため、非線形光学結晶３
０２内部の温度分布は、ペルチェ素子に近い側（図４の
構成図では下側）の温度が高く、ペルチェ素子から遠ざ
かるにつれて温度が低くなるように、上下で不均一な温
度分布となってしまった。その結果、非線形光学結晶３
０２中のレーザ光が通過する部分内で、温度が不均一に
なると、効率良く波長変換する部分と、波長変換しない
部分とに分かれ、波長変換されたレーザ光のビーム強度
が、ビーム断面内で上下で不均一になることがあった。
そこで、ペルチェ素子を用いた同様な方式の装置では、
非線形光学結晶を均一に加熱するために、多数のペルチ
ェ素子を、非線形光学結晶のホルダの周囲に均等に並べ
るように取り付ける方法も考えられるが、その場合、装
置全体が複雑になり、またコストの上昇にもなり、得策
ではない。次に、固体レーザ媒質の冷却に関しては、固
体レーザ媒質がロッド状の形状をしている場合は、固体
レーザ媒質の周囲から均一に冷却されるため、固体レー
ザ媒質内部の温度分布は、レーザ光が通る光軸を中心と
して線対称になる。これに対して、固体レーザ媒質が薄
板状をしている場合、冷却水をこれに直接接触させて冷
却させることは、構造上極めて困難である。そこでペル
チェ素子を用いて、図４に示した温度安定化装置３００
と同様な装置を利用するならば、この問題点と同じよう
に、固体レーザ媒質内のレーザ光が通る部分内で、温度
が上下で不均一になることがある。その場合、固体レー
ザ媒質中で、レーザ遷移するエネルギ準位間の下準位の
分布数が空間的に不均一になることがあり、その場合、
レーザの利得が上下で不均一になるため、発振するレー
ザ光の強度分布が上下で不均一になることがあった。さ
らにまた、三価のネオジウムイオンが混入されたＹ₃Ａl
₅Ｏ₁₂結晶(以下Ｎｄ：ＹＡＧ結晶と呼ぶ。）に代表され
る固体レーザでは、レーザの発振線が、波長０.９ミク
ロン(以下μ）帯、波長１.０μ帯、波長１.３μ帯にあ
る。これらの中でも波長０.９μ 帯でレーザ発振させる
場合、この波長帯は前記３つの発振帯域の内、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧ結晶の吸収帯（波長０.８μ 付近を中心としたもの
であり、広帯域である。）に最も近いため、発振するレ
ーザ光が結晶自身に吸収され易い。そのため結晶の長さ
は５mm以下（好ましくは、１mm程度）の薄板状のものを
用いて、吸収される割合を低くする必要があるため、図
４に示した装置のように、ホルダの周囲から冷却するな
らば、熱を伝える総面積が小さくなり、Ｎｄ：YAG結晶
から発生する熱を効率良く放熱させることが難しかっ
た。その結果Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の温度が高くなり、レー
ザ遷移の下準位における分布数が増大し、レーザ出力が
低下することがあった。特に、波長０.９μ 帯で発振さ
せる場合、波長１.０μ 帯や波長１.３μ 帯の発振線と
は異なり、レーザ遷移の下準位が基底準位中に含まれる
ため、結晶の温度上昇により、下準位の分布数が極めて
増加し易く、十分に冷却する必要があった。尚、Ｎｄ：
ＹＡＧ結晶を用いた波長０.９μ 帯でのレーザ発振に関
しては、例えば、オプティカルソサエティオブア
メリカ、第１２巻、第１２号、第９９３頁から第９９５
頁、１９８７年(Optical Society of America, Vol.１
２,No.１２,pp.９９３−９９５, １９８７）において説
明されている。本発明の目的は、非線形光学結晶や薄板
状の固体レーザ媒質などのレーザ用結晶を加熱や冷却な
どにより温度安定化させる場合、複数のペルチェ素子を
用いなくても、波長変換されるレーザ光や発振するレー
ザ光が、上下や左右で不均一なレーザ光強度分布と成ら
ずに済み、また特に薄板状の固体レーザ媒質の場合で
は、これを十分に冷却できる装置を提供することにあ
る。

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、非線形光学結晶や薄板状の固体レーザ媒質などのレ
ーザ用結晶、あるいはこれを保持するホルダに穴を有す
るペルチェ素子を接触させ、かつ前記穴をレーザ光が通
過するようにしたものである。

【作用】穴を有するペルチェ素子を、レーザ用結晶、あ
るいはこれを保持するホルダに対し、レーザ光の光軸と
ほぼ直交する表面に取り付けても、レーザ光をその穴に
通すことにより、レーザ光を妨げることはない。また、
穴がペルチェ素子のほぼ中央に有するものを用いれば、
レーザ用結晶中のレーザ光の通過部分を中心として、ほ
ぼ対称な温度分布を形成するため、上下や左右で不均一
なレーザ光強度となることはない。また、ペルチェ素子
を、レーザ用結晶、あるいはこれを保持するホルダの周
囲ではなく表面に直接接触させることができるため、接
触させる面積を大きくとれるようになり、レーザ用結晶
の光軸方向の長さがいかに短くなっても、発生する熱を
効率良く伝導させて、加熱や冷却が十分できる。

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。本発明の第一実施例を図１及び図２を用いて説明す
る。図１は、本実施例に係るレーザ用結晶温度安定化装
置１００の構成を説明するための断面図であり、図２は
その正面図である。レーザ用結晶温度安定化装置１００
は、非線形光学結晶１０２として角柱状のＬｉＢ₃Ｏ₅結
晶がガラス製のホルダ１０３中に埋め込まれている。ホ
ルダ１０３は円板状であり、表面に穴付きペルチェ素子
１０４が接している。さらに穴付きペルチェ素子１０４
の他の表面には、穴付きヒートシンク１０５が接してい
る。レーザ光１０１は、穴付きヒートシンク１０５及び
穴付きペルチェ素子１０４のそれぞれの穴を通って、非
線形光学結晶１０２に入射する。ホルダ１０３の表面の
ほぼ全体に穴付きペルチェ素子１０４が接触しているた
め、ホルダ１０３の加熱効果は極めて高く、それにより
ホルダ１０３と接触している非線形光学結晶１０２の加
熱効果も高い。ＬｉＢ₃Ｏ₅結晶は、波長１.０６μ のレ
ーザ光を波長変換する場合、結晶の温度を約１４８度Ｃ
に保つと、効率良く波長変換できる。その場合、結晶の
加熱に従来のようにオーブンを用いると、室温よりも比
較的に高いため、オーブンへの入力電力が多く必要にな
るだけでなく、温度を高い精度で一定値に保つのも困難
である。図で示されているように、非線形光学結晶１０
２は穴付きペルチェ素子１０４の穴の中心軸上に配置し
ているため、非線形光学結晶１０２内のレーザ光１０１
が通過する部分における温度分布は、レーザ光１０１の
光軸に対して中心対称になっている。そのためレーザ光
１０１は、ほぼ均一に波長変換され、波長変換されたレ
ーザ光は上下や左右で不均一なレーザ光強度とはならな
い。また、ペルチェ素子１０４、穴付きヒートシンク１
０５と同様なものを、ホルダ１０３の反対側（つまりレ
ーザ光１０１の出射側）にも取付けて、加熱の効果を高
めることもできる。図３は第二実施例として、本発明の
レーザ用結晶温度安定化装置を利用し、Ｎｄ：ＹＡＧ結
晶の波長０.９μ 帯の発振線に相当する波長０.９４６
μ のレーザ光を効率良く発振し、その第二高調波であ
る波長０.４７３μ のレーザ光を発生できる固体レーザ
装置２００の構成を示した断面図である。固体レーザ装
置２００は、励起光源として波長約０.８μ のレーザ光
を発振する半導体レーザ２０１，２０１′、レーザ媒質
である薄板状のＮｄ：ＹＡＧ結晶２０２、及び波長変換
させるための非線形光学結晶２０３を含む。レーザの共
振器は、ミラー２０４，２０５とで組まれており、プリ
ズム型のビームスプリッタ２０６により、折り返された
Ｌ字型の共振器となっている。また、励起光源と励起光
の照射光学系以外は全てボディ２０９の中に納められて
いる。以下装置の構成を詳細に説明する。半導体レーザ
２０１からの励起光２１０は、集光レンズ２０７を通
り、ミラー２０４に入射する。ミラー２０４は、励起光
２１０を９０％以上透過させ、波長０.９４６μ の光を
９９％以上反射させる特性のコーティングが施されてい
る。これにより、励起光２１０はＮｄ：ＹＡＧ結晶２０
２中に吸収される。また、半導体レーザ２０１′からの
励起光２１０′は、集光レンズ２０７′を通り、ビーム
スプリッタ２０６に入射する。ビームスプリッタ２０６
において、図で右の面には、励起光２１０′に対し無反
射コーティングが施されており、左下の面は、波長０.
９μ 以下の光は、９０％以上を透過させ、波長０.９４
６μ の光は、９９％以上を反射させる特性が施されて
いる。それにより、励起光２１０′はビームスプリッタ
206を透過し、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶２０２中に吸収され
る。励起光により、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶２０２中で熱が発
生する。この熱は表面で接触している第一の穴付きペル
チェ素子２０８に吸収され、さらに第二の穴付きペルチ
ェ素子２０８′に吸収されて、ミラー２０４まで伝わっ
て放熱する。このＮｄ：ＹＡＧ結晶２０２の光軸方向の
厚さは約１mmと極めて薄いものを用いており、既に述べ
たように、波長０.９μ 帯でレーザ発振し易くなってお
り、それにより波長０.９４６μ のレーザ光２１１が発
振する。レーザ光２１１は、ビームスプリッタ２０６で
折り返されると、非線形光学結晶２０３中に進み、波長
変換され、波長０.９４６μ の半波長である波長０.４
７３μ のレーザ光が発生する。波長０.４７３μ のレ
ーザ光２１２はビームスプリッタ２０６から共振器外部
に取り出される。非線形光学結晶２０３は、これを保持
するホルダ２１３の表面で接触している穴付きペルチェ
素子２１４により、温度が安定化される。また、穴付き
ペルチェ素子２１４の反対側には、同心円状に巻かれた
ニクロム線２１５が接しており、ペルチェ素子２１４を
加熱して、ペルチェ素子２１４全体の温度を室温より高
くすることができる。それにより、ペルチェ素子２１４
を動作させて熱を発生させると、ホルダ２１３と接して
いるペルチェ素子２１４の上面の温度を、ニクロム線２
１５の温度と等しくなったペルチェ素子２１４の下面の
温度よりも高い温度で精度良く保つことができる。ま
た、この巻かれたニクロム線２１５の中心部は開いてお
り、レーザ光が通過できるようになっている。また、２
１６はミラー２０５を保護するための断熱材である。こ
の様に、ニクロム線２１５とペルチェ素子２１４を併用
して加熱することは、ニクロム線２１５だけによる加熱
よりも、熱伝達が速く、温度の制御性に優れる。また、
第１実施例と同様、非線形光学結晶２０３中のレーザ光
の通過部分では、中心対称な温度分布となり、発生する
４７３ｎｍのレーザ光２１２の強度分布が、上下や左右
で不均一になることはない。本実施例では、約１mmと極
めて薄い板状のＮｄ：ＹＡＧ結晶２０２が用いられてい
るが、図４に示した従来例のように、これを保持するた
めのホルダ３０３の周囲の面から放熱させるような構造
とするならば、熱が伝わる部分の面積は、例えばホルダ
３０３の直径が３０mmならば、約３０mm²である。これ
に対して本実施例では、熱がつたわる部分の面積は、接
しているペルチェ素子２０８の直径が３０mmで穴の直径
が５mmならば、約６８７mm²にもなるため、熱の伝達量
が桁違いに大きくなり、冷却効果が高まった。さらに本
実施例のように、穴付きペルチェ素子２０８，２０８′
を二段で用いているため、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶２０２の冷
却効果が大きくなり、その結果マイナス数度Ｃ以下と、
一般の水冷による温度よりも十分低くすることができ
る。また同様な穴付きペルチェ素子をより多く用いて、
それぞれの穴が重なる様に取り付けることができ、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ結晶２０２をより低い温度に保つこともでき
る。また、この実施例では、ボディ２０９の中に乾燥空
気が封入されており、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶２０２に霜など
が付くことはない。つまり穴付きペルチェ素子208,２０
８′を用いることで、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶２０２とミラー
２０４との間に外部と隔たった空間が設けられ、その結
果、水分を多少含むこともある外部の空気が直接Ｎｄ：
ＹＡＧ結晶２０２に接触しないため、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶
２０２を０度Ｃ以下の低い温度に保っても、霜が付かな
い。以上よりＮｄ：ＹＡＧ結晶２０２をレーザの光軸に
中心対称に、しかも、十分低い温度に冷却することがで
き、波長０.９４６μ で効率良くレーザ発振できるよう
になった。

【発明の効果】本発明により、非線形光学結晶や固体レ
ーザ媒質などのレーザ用微小結晶を、複数のペルチェ素
子を用いなくとも、レーザ光の光軸に対して中心対称な
温度分布となるため、波長変換されるレーザ光や、固体
レーザからのレーザ発振光が上下や左右に不均一なレー
ザ光強度分布にならなくなった。さらに、波長０.９４
６μ のレーザ光を、効率良く得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例のレーザ用結晶温度安定化
装置の断面図。

【図２】第一実施例のレーザ用結晶温度安定化装置の正
面図。

【図３】第二実施例の固体レーザ装置の断面図。

【図４】従来例の温度安定化装置の説明図。

【符号の説明】

１０１…レーザ光、１０２…非線形光学結晶、１０３…
ホルダ、１０４…穴付きペルチェ素子、１０５…穴付き
ヒートシンク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｓ 3/16 8934−4Ｍ 3/17 8934−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ用結晶、あるいはこれを保持するホ
ルダに穴を設けたペルチェ素子を接触させ、前記穴をレ
ーザ光が通過することを特徴とするレーザ用結晶温度安
定化装置。
【請求項２】請求項１において、前記レーザ用結晶が非
線形光学結晶であるレーザ用結晶温度安定化装置。
【請求項３】請求項１において、前記レーザ用結晶が薄
板状の固体レーザ媒質であるレーザ用結晶温度安定化装
置。