JPH1022559A

JPH1022559A - 高調波発生装置の制御方法及び高調波発生装置

Info

Publication number: JPH1022559A
Application number: JP16996496A
Authority: JP
Inventors: Toshimasa Kakiuchi; 利昌垣内
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】高調波発生装置の調整を容易にし、停止時には
自動的に再発生を可能にする。【解決手段】半導体レーザ２１の電流（ＩＣ）、共振器
２４の温度（ＴＣＶ）、半導体レーザ２１の温度（ＴＬ
Ｄ）、ベース３０の温度（ＴＢＳ）、高調波出力（Ｐ
２）を測定しながら、半導体レーザ電流、共振器温度、
半導体レーザ温度、ベース温度をコンピュータ４２で制
御して所定の高調波出力を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源からの光の波
長を短くする高調波発生装置の制御方法及び高調波発生
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光源からの光の波長を１／２や１／３に
する高調波発生装置は、短波長の半導体レーザが難しい
ことからその実用化が期待されている。この高調波発生
装置は、たとえば以下のような基本的構成をしている。

【０００３】半導体レーザから出射した波長８６０ｎｍ
の基本波の光が、コリメート用レンズ及びフォーカス用
レンズを経て共振器に入射する。共振器は一対の共振器
ミラー及び非線形光学材料であるＫＮｂＯ₃ 等の単結晶
からなり、基本波は共振器ミラー間で共振され、共振光
の一部がＫＮｂＯ₃ 等の単結晶によって波長４３０ｎｍ
の第二高調波に変換される。

【０００４】第二高調波を発生するには、位相整合条件
を満たすよう半導体レーザ及びＫＮｂＯ₃ 等の単結晶の
温度を制御する必要がある。半導体レーザ、ＫＮｂＯ₃
等の単結晶を含む共振器及び共振器を支持しているベー
スの各温度制御は、夫々に配置された温度検出素子であ
るサーミスタ及び温度制御素子であるペルチェ素子を用
いて行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】第二高調波の出力安定
化技術としては、光フィードバック制御を用いない方法
と積極的に用いる方法とがある。

【０００６】前者の方法では、半導体レーザと共振器間
に光アイソレータを設置することが挙げられる。これに
より、半導体レーザの光周波数と共振器の光共振周波数
は相互作用を及ぼさない。そのため、半導体レーザの光
周波数は半導体レーザ電流及び半導体レーザ温度を、共
振器の光共振周波数は共振器温度を、各々設定及び制御
する必要がある。しかし、半導体レーザの光周波数及び
共振器の光共振周波数の帯域は狭く、両者の合わせ込み
のための光周波数の精密制御、すなわち各温度及び半導
体レーザ電流の精密制御が必要となる。

【０００７】後者の方法では、共振器からの共振光を半
導体レーザに戻すことによって、半導体レーザの光周波
数を、共振器の光共振周波数に引き込んでいる（光周波
数ロッキング）ため、半導体レーザ及び共振器からなる
複合共振器は、ロッキングレンジと呼ばれる広がった光
共振周波数幅を持つ。そのため、前者ほどの精密温度制
御及び精密電流制御は必要なく、この広がった光共振周
波数幅内に両光周波数を存在させることにより、第二高
調波は発生し続けることができる（特開平４−１７９９
３４）。

【０００８】しかし、光フィードバックを用いて第二高
調波を発生するためには、前者ほどの精密な温度制御及
び電流制御でなくとも、ある許容幅内に半導体レーザ電
流、半導体レーザ温度、共振器温度及びベース温度の各
パラメータを設定及び制御する必要がある。そのうえ、
半導体レーザ及び共振器の光軸上の温度を直接検出及び
制御することは困難であるため、モジュールの周囲温度
等が変化すると光周波数のロッキング条件にズレが生
じ、第二高調波の出力が不安定になる問題があった。

【０００９】さらに、半導体レーザ温度を制御するペル
チェ素子と共振器温度を制御するペルチェ素子の放熱側
にベースがあることから、ベース内に温度分布が生じ、
その影響によるベースの収縮又は膨張によって光学長が
変わるためロッキング条件が変化してしまい、第二高調
波出力が不安定になる問題もあった。

【００１０】以上の問題点によって生じる第二高調波の
発生、出力安定化制御及び再発生における問題点を以下
に列挙する。

【００１１】まず第二高調波の発生においては、前記問
題点のため周囲温度の違いやモジュール内の熱分布等に
よって、第二高調波が発生する各温度及び半導体レーザ
電流の設定値が変わってくる。そこで今までは、オペレ
ーターが経験的に各温度及び半導体レーザ電流を調整
し、第二高調波を発生させていた。そのため、第二高調
波を発生するまで時間がかかるという問題点や、発生毎
にロッキング条件が異なるという問題点があった。

【００１２】次に第二高調波の出力安定化においても、
前記問題点のため出力の不安定又は停止が認められる。
モジュールの周囲温度が、発生時の周囲温度から約±１
〜２℃程度変化すると、第二高調波出力が停止すること
が実験的にわかっている。

【００１３】そのため、周囲温度が変動しても第二高調
波出力を維持するための電気回路を用いた従来からのフ
ィードバック制御が知られている（特開平６−３１４８
３５号）。その制御方法は以下の通りである。

【００１４】第二高調波発生装置の周囲温度が変動する
と、共振周波数が変化し、複合共振器系では、ロッキン
グレンジの形状が変化する。その形状を維持するには、
光共振器周波数の変動分に応じて、半導体レーザ及び共
振器間の距離を調整する必要がある。前記光学長は半導
体レーザ及び共振器間を固定しているベースの長さを制
御することによって調整できる。ベースの長さは、ペル
チェ素子からの熱のやりとりによる熱収縮及び熱膨張を
利用して制御する。

【００１５】具体的には、第二高調波出力はビームスプ
リッタで分離され、一部は受光素子であるフォトダイオ
ードに入力する。フォトダイオードは第二高調波出力を
電気信号に変換し、ＰＩコントローラに出力する。ＰＩ
コントローラはその信号を増幅及び積分する。増幅及び
積分レベルは非制御系である第二高調波発生装置の利得
及び応答性によって決まる。ＰＩコントローラの出力
は、ベースの温度の制御信号として電源に出力される。
電源はベースの温度制御により、ベースの熱膨張及び熱
収縮を利用し、前記距離を調整している。

【００１６】しかし、前述の制御系では、ロッキングレ
ンジの形状に応じてＰＩコントローラのＰ及びＩの設定
を行わなければならず、その最適化にかなりの労力を要
するという欠点が認められる。

【００１７】さらに、周囲温度の変動や、第二高調波発
生装置に加わる振動及び衝撃により、光共振周波数がロ
ッキングレンジから外れてしまう場合には、ＰＩコント
ローラの出力は発散してしまうため、制御不能の状態に
陥ることが実験からわかっている。そのため、前述の制
御系では、第二高調波を再発生させることができないと
いう欠点が認められる。本発明は、これらの問題点を解
決することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、基本波光源で
ある半導体レーザと、基本波光を共振させる複数の共振
用ミラーによって構成される共振器と、共振器内の基本
波光の光軸上に設けられた非線形光学材料と、前記半導
体レーザと前記共振器を支持するベースと、その高調波
出力を受光する受光素子とを有する高調波発生装置の制
御方法において、半導体レーザ電流を検出する手段、共
振器温度と半導体レーザ温度とを検出する温度検出器、
半導体レーザの電流を変化させる手段、共振器と半導体
レーザとを夫々別個に温度制御可能にした温度制御素子
を有し、以下のように制御を行うことを特徴とする高調
波発生装置の制御方法を提供する。

【００１９】（１）半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器
温度（ＴＣＶ）及び半導体レーザ温度（ＴＬＤ）の設定
値を得るための半導体レーザの電流を変化させる手段及
び各温度制御素子に初期値を設定する。（２）半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器温度（ＴＣ
Ｖ）及び半導体レーザ温度（ＴＬＤ）を測定し、それら
が夫々設定値（ＩＣ０）、（ＴＣＶ０）、（ＴＬＤ０）
の偏差範囲に入っているかを確認し、全て入っていれば
（４）へ、１項目でも入っていなければ（３）へ分岐す
る。（３）偏差範囲に入っていない半導体レーザ電流（Ｉ
Ｃ）、共振器温度（ＴＣＶ）又は半導体レーザ温度（Ｔ
ＬＤ）を変更して、（２）に戻る。（４）受光素子により高調波出力（Ｐ２）を測定して、
下限値（Ｐ２ＷＬＳ）以上か確認し、以上であれば
（６）へ、未満であれば（５）へ分岐する。（５）共振器温度（ＴＣＶ）を変更して、（４）へ戻
る。（６）半導体レーザ電流（ＩＣ）を掃引して高調波出力
（Ｐ２）を測定する。（７）高調波出力（Ｐ２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の
範囲となる半導体レーザ電流（ＩＣ）を算出する。（８）半導体レーザ電流（ＩＣ）を、高調波出力（Ｐ
２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の範囲の中央の値に設定
する。（９）高調波出力（Ｐ２）が設定値（Ｐ２ＷＲ）以上か
を確認し、以上であれば制御終了へ、未満であれば（１
０）へ分岐する。（１０）共振器温度（ＴＣＶ）を変更して、（９）へ戻
る。

【００２０】また、基本波光源である半導体レーザと、
基本波光を共振させる複数の共振用ミラーによって構成
される共振器と、共振器内の基本波光の光軸上に設けら
れた非線形光学材料と、前記半導体レーザと前記共振器
を支持するベースと、その高調波出力を受光する受光素
子とを有する高調波発生装置の制御方法において、半導
体レーザ電流を検出する手段、共振器温度と半導体レー
ザ温度とベース温度とを検出する温度検出器、半導体レ
ーザの電流を変化させる手段、少なくとも共振器と半導
体レーザとベースとを夫々別個に温度制御可能にした温
度制御素子を有し、以下のように制御を行うことを特徴
とする高調波発生装置の制御方法を提供する。

【００２１】（１）半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器
温度（ＴＣＶ）、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）及びベー
ス温度（ＴＢＳ）の設定値を得るための半導体レーザの
電流を変化させる手段及び各温度制御素子に初期値を設
定する。（２）半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器温度（ＴＣ
Ｖ）、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）及びベース温度（Ｔ
ＢＳ）が夫々設定値（ＩＣ０）、（ＴＣＶ０）、（ＴＬ
Ｄ０）、（ＴＢＳ０）の偏差範囲に入っているかを確認
し、全て入っていれば（４）へ、１項目でも入っていな
ければ（３）へ分岐する。（３）偏差範囲に入っていない半導体レーザ電流（Ｉ
Ｃ）、共振器温度（ＴＣＶ）、半導体レーザ温度（ＴＬ
Ｄ）又はベース温度（ＴＢＳ）を変更して、（１）に戻
る。（４）受光素子により高調波出力（Ｐ２）を測定して、
下限値（Ｐ２ＷＬＳ）以上か確認し、以上であれば
（６）へ、未満であれば（５）へ分岐する。（５）共振器温度（ＴＣＶ）又はベース温度（ＴＢＳ）
を変更して、（４）へ戻る。（６）半導体レーザ電流（ＩＣ）を掃引して高調波出力
（Ｐ２）を測定する。（７）高調波出力（Ｐ２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の
範囲となる半導体レーザ電流（ＩＣ）を算出する。（８）半導体レーザ電流（ＩＣ）を、高調波出力（Ｐ
２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の範囲の中央の値に設定
する。（９）高調波出力（Ｐ２）が設定値（Ｐ２ＷＲ）以上か
を確認し、以上であれば制御終了へ、未満であれば（１
０）へ分岐する。（１０）共振器温度（ＴＣＶ）を変更して、（９）へ戻
る。

【００２２】また、その（５）において、半導体レーザ
と共振器との間隔が、基本波波長の半波長以上変化する
ようにベース温度を変化させることを特徴とする高調波
発生装置の制御方法を提供する。

【００２３】また、それらの制御方法により、高調波出
力（Ｐ２）が設定値（Ｐ２ＷＲ）以上に達した後、以下
のような制御を行うことを特徴とする高調波発生装置の
制御方法を提供する。

【００２４】（１１）高調波出力（Ｐ２）が偏差（Ｐ２
ＷＣＷ）以内かを確認し、以内であれば（１１）へ、は
ずれていれば（１２）へ分岐する。（１２）高調波出力（Ｐ２）が下限値（Ｐ２ＷＬＦ）未
満かを確認し、未満であれば（１４）へ、以上であれば
（１３）へ分岐する。（１３）共振器温度（ＴＣＶ）又はベース温度（ＴＢ
Ｓ）を変更して、（１１）へ戻る。（１４）半導体レーザ電流（ＩＣ）を変更して（１１）
へ戻る。

【００２５】さらに、それらの制御方法で制御される高
調波発生装置であって、下記の入力装置とそれに接続さ
れたコンピュータとそれに接続された下記の出力装置と
を有することを特徴とする高調波発生装置を提供する。

【００２６】入力装置：半導体レーザ電流（ＩＣ）の測
定手段、共振器温度（ＴＣＶ）、半導体レーザ温度（Ｔ
ＬＤ）及びベース温度（ＴＢＳ）の測定手段、高調波出
力（Ｐ２）の測定手段の各測定手段からの信号を入力す
る入力装置。出力装置：半導体レーザ電流（ＩＣ）を変化させる手
段、共振器温度（ＴＣＶ）の温度を制御する温度制御素
子、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）の温度を制御する温度
制御素子、及びベース温度（ＴＢＳ）の温度を制御する
温度制御素子、を制御する出力装置。

【００２７】また、半導体レーザ電流（ＩＣ）を変化さ
せる手段、共振器温度（ＴＣＶ）の温度を制御する温度
制御素子、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）の温度を制御す
る温度制御素子、及びベース温度（ＴＢＳ）の温度を制
御する温度制御素子、のうちの少なくとも１つを手動で
制御可能にする手動入力装置を有することを特徴とする
上記高調波発生装置を提供する。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の高調波発生装置の代表的
な構成を図１に示す。図１において、２１は半導体レー
ザ、２２はコリメート用レンズ、２３はフォーカス用レ
ンズ、２４は共振器、２５はビームスプリッタ、２６は
高調波出力を測定するための受光素子である。２７、２
８、２９は温度制御素子であり、夫々半導体レーザの温
度、共振器の温度、ベースの温度を制御する。３０は半
導体レーザ、共振器等を載置しているベースである。３
１、３２、３３は温度検知素子であり、夫々半導体レー
ザの温度、共振器の温度、ベースの温度を検知する。

【００２９】図２は、本発明の制御の信号を処理する制
御装置の回路ブロック図である。図２において、４１は
入力装置、４２はコンピュータ、４３は出力装置、４４
はダイアルのようなアナログ手動入力装置やキーボード
等の手動入力装置である。

【００３０】この入力装置には、半導体レーザの温度、
共振器の温度、ベースの温度を検知する温度検知素子３
１、３２、３３からの温度、半導体レーザ２１からの電
流値、受光素子２６からの高調波出力が入力される。そ
の結果をコンピュータ４２で処理して出力装置から出力
される。

【００３１】この出力装置４２から、半導体レーザの温
度、共振器の温度、ベースの温度を制御する温度制御素
子２７、２８、２９を制御するとともに、半導体レーザ
２１の電流値を制御する。

【００３２】具体的には、半導体レーザ２１から出射し
たたとえば波長８６０ｎｍの基本波光は、コリメート用
レンズ２２及びフォーカス用レンズ２３を経て、共振器
２４に入射する。なお、ここではコリメート用レンズ２
２及びフォーカス用レンズ２３を別置して置いている
が、１個のレンズで兼用したり、他の光学素子である光
ファイバや鏡等を組合せて使用してもよい。

【００３３】共振器２４は、通常は一対の共振器ミラー
及びＫＮｂＯ₃ 単結晶等の非線形光学材料からなる。こ
れに入射した基本波の光は共振器ミラー間で共振され、
共振光の一部が非線形光学材料によって波長４３０ｎｍ
の第二高調波に変換される。

【００３４】この共振器は２枚の共振器ミラー及び非線
形光学材料の組合せであってもよく、場合によっては非
線形光学材料の面に直接ミラーを形成したようなもので
あってもよい。また、上記の例では波長が１／２になっ
た例を示したが、１／２に限定されず、１／３というよ
うにより短波長のものであっても使用できる。

【００３５】第二高調波を発生するには、位相整合条件
を満たすよう半導体レーザ及び非線形光学材料の温度を
制御する必要がある。温度検知は、たとえばサーミスタ
のような温度検知素子により行えばよく、温度制御は、
たとえばペルチェ素子により行えばよい。これらの、温
度検知素子及び温度制御素子は公知の種々のものが、使
用できる。

【００３６】コンピュータの手動入力装置４４には、手
動・自動操作切り換えスイッチ及び半導体レーザ電流、
半導体レーザ温度、共振器温度、ベース温度等を手動設
定できるダイアル入力装置等を設けることが好ましい。
これらの設定値は予め別途ＲＯＭに書き込んだものを使
用してもよいが、後で自由に設定できるように手動入力
装置を設けておくことが好ましい。

【００３７】これは、たとえば、自動側にレバーを倒す
と自動モードとなり、手動側にレバーを倒すと手動モー
ドとなる。自動モードの場合は、予め記憶させたプログ
ラムに従って、手動操作時に記憶させた各パラメータ値
近傍で高調波の発生、安定化制御を行う。さらに、出力
が停止した場合は、出力停止直前のレベルまで高調波を
再発生させる。

【００３８】手動モードは、半導体レーザ電流、半導体
レーザ温度、共振器温度及びベース温度を変化・調整
し、高調波を発生させる各パラメータの設定値（ＩＣ
０）、（ＴＬＤ０）、（ＴＣＶ０）、（ＴＢＳ０）と、
そのときの高調波出力（Ｐ２ＷＲ）を記憶させる際に少
なくとも使用する。

【００３９】次いで、本発明の制御方法を説明する。こ
の流れを図３にフローチャートとして示す。

【００４０】本発明の高調波発生装置では、半導体レー
ザ電流（ＩＣ）、共振器温度（ＴＣＶ）、半導体レーザ
温度（ＴＬＤ）、高調波出力（Ｐ２）、さらに必要に応
じてベース温度（ＴＢＳ）を測定する。その測定結果を
基にして、半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器温度（Ｔ
ＣＶ）、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）、さらに必要に応
じてベース温度（ＴＢＳ）を変化させるために、半導体
レーザの電流を変化させる手段及び各温度制御素子を特
定の制御方法で制御する。

【００４１】このため、まず第１段階（１）として、半
導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器温度（ＴＣＶ）、半導
体レーザ温度（ＴＬＤ）、さらに必要に応じてベース温
度（ＴＢＳ）がある値になるように予め定めた初期値を
半導体レーザの電流を変化させる手段及び各温度制御素
子に与える。具体的には、たとえば所定の電圧を与えた
り、電流制御回路で電流を制御する。

【００４２】第２段階（２）で、半導体レーザ電流（Ｉ
Ｃ）、共振器温度（ＴＣＶ）、半導体レーザ温度（ＴＬ
Ｄ）、さらに必要に応じてベース温度（ＴＢＳ）を測定
し、それらが予め定めた夫々の設定値（ＩＣ０）、（Ｔ
ＣＶ０）、（ＴＬＤ０）の偏差範囲に入っているかを確
認する。

【００４３】もし、ここで全ての測定値が設定値の偏差
範囲に入っていれば第４段階（４）に制御を引き継ぐ。
もし、測定値の１項目でも設定値の偏差範囲からずれて
いる場合には、第３段階（３）に分岐する。

【００４４】この第３段階では、半導体レーザ電流（Ｉ
Ｃ）が偏差範囲に入っていないのであれば、半導体レー
ザの電流を変化させる手段に信号を出して半導体レーザ
電流を変化させる。また、共振器温度（ＴＣＶ）、半導
体レーザ温度（ＴＬＤ）、ベース温度（ＴＢＳ）が偏差
範囲に入っていないのであれば、各温度制御素子に信号
を出して温度を変化させる。その後、第２段階に戻る。

【００４５】ここまでの段階は、初期設定に相当し、こ
の後の第４段階からが具体的な高調波の発生の制御に関
する段階となる。

【００４６】本発明では、半導体レーザ電流、共振器温
度、半導体レーザ温度、ベース温度を変化させながら、
受光素子で受光した高調波の光量を検出する。これよっ
て、ロッキングレンジを検知し、かつ前記ロッキングレ
ンジ内に各パラメータを設定して、高調波を発生するよ
うに動作させる。

【００４７】高調波の発生は、高調波を発生するロッキ
ングレンジの探知、同ロッキングレンジへのロッキン
グ、高調波の出力レベル調整の手順で行う。高調波を発
生するロッキングレンジの探知は共振器温度又はベース
温度を変化させて行い、次に半導体レーザ電流を変化さ
せてロッキングレンジ幅を測定し、半導体レーザ電流を
ロッキングレンジの中央へロッキングさせる。その後の
高調波の出力レベル調整は、共振器温度を調整すること
により行う。具体的には、以下のように制御する。

【００４８】第４段階では、受光素子により高調波出力
（Ｐ２）を測定する。この高調波出力が、所定の下限値
（Ｐ２ＷＬＳ）以上であるかを確認する。高調波出力が
下限値以上であれば、第６段階（６）に制御を引き継
ぐ。もし、高調波出力が下限値未満であれば、第５段階
（５）に分岐する。

【００４９】第５段階では、共振器温度（ＴＣＶ）又は
ベース温度（ＴＢＳ）を変化するように、共振器温度又
はベース温度の温度制御素子に信号出して温度を変化さ
せる。ここでは、両方が制御可能にしてありかついずれ
かのみ制御する場合には、ベース温度（ＴＢＳ）を変化
させる方が好ましい。その後、第４段階に戻る。これが
ロッキングレンジの探知になる。

【００５０】この第５段階では、半導体レーザ（出射
面）と共振器（入射側のミラーの反射面）との間隔が、
基本波波長の半波長以上変化するようにベース温度を変
化させることが好ましい。これは、半導体レーザと共振
器との間隔が基本波の半波長の整数倍となるロッキング
レンジが現れる。このため、半導体レーザと共振器との
間隔を基本波の半波長以上変化させれば必ずロックする
点が現れることになる。

【００５１】第６段階と第７段階（７）は、ロッキング
レンジ幅を測定する段階であり、半導体レーザ電流（Ｉ
Ｃ）を変化させて高調波出力（Ｐ２）を測定する。この
高調波出力が所定の閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の範囲とな
る半導体レーザ電流を算出する。

【００５２】第８段階（８）では、ロッキングレンジの
中央へロッキングさせる段階であり、半導体レーザ電流
（ＩＣ）を、高調波出力（Ｐ２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）
以上の範囲の中央の値に設定する。

【００５３】第９段階（９）では、ロッキングレンジの
中央へロッキングさせた状態で、高調波出力（Ｐ２）が
所定の設定値（Ｐ２ＷＲ）以上かを確認する。ここで、
高調波出力が設定値以上であれば、制御終了となる。も
し、高調波出力が設定値未満であれば、第１０段階（１
０）に分岐する。第１０段階では、共振器温度（ＴＣ
Ｖ）を変化させる。その後、第９段階に戻る。

【００５４】このようにして、まず高調波出力（Ｐ２）
が設定値（Ｐ２ＷＲ）以上となるように設定される。こ
れが初期設定の段階となる。

【００５５】高調波を発生するロッキングレンジの位置
は、ベース温度の場合、環境温度が１℃変化すると約
０．１℃の変化が認められる。そのため、通常の環境下
での使用では、ベース温度を変化させる幅は±１〜５℃
程度とすれば充分と考えられる。即ち、ベース温度±１
℃で環境温度約±１０℃程度の変化に対応できる。この
ベース温度の変化幅はこれを考慮して使用環境での温度
変化に応じて決定すればよい。

【００５６】また、このベース温度でのロッキング幅は
通常約０．１〜０．３℃程度であるため、最小ステップ
幅はその数分の１程度よりは細かくすることが好ましい
ので、０．０３℃以下にするのが好ましい。

【００５７】半導体レーザ電流の変化の幅は、使用する
半導体レーザのおおよそのロッキングレンジをカバーす
る程度の変化が可能であればよい。たとえば、半導体レ
ーザ電流のロッキングレンジ幅が約２〜６ｍＡ程度であ
る場合には、半導体レーザ電流の変化幅をそのための電
流中心値の±２〜１０ｍＡ程度の可変幅があればよい。
その最小ステップ幅もロッキングレンジ幅の数分の１程
度よりは細かくすることが好ましいので、０．１〜１ｍ
Ａとするのが好ましい。

【００５８】高調波の出力レベル調整は、通常０．２〜
５％の出力変動量毎に共振器温度の調整ができるように
最小ステップ幅を決めればよい。たとえば、１％の出力
変動量に対して約０．００３〜０．０１℃程度の共振器
温度の調整量となる場合、最小ステップ幅はおおよそ
０．００１〜０．０５℃とするのが適当である。より細
かい温度制御をしてもよい。

【００５９】上記のように初期設定が終った後は、連続
使用に入るが、この場合には出力の変動が偏差内に入る
ように調整をする。即ち、高調波の発生後は、常に高調
波出力を一定にするために、高調波の一部を受光した受
光素子の出力を検知し、ベース温度又は共振器温度を制
御するように動作させる。前との繋がりもあるので、こ
こから後の調整は第１１段階（１１）からとして説明す
る。

【００６０】第１１段階では、高調波出力（Ｐ２）が所
定の偏差（Ｐ２ＷＣＷ）以内かを確認する。ここで、高
調波出力が所定の偏差以内であれば、第１１段階へ戻
る。もし、高調波出力が所定の偏差からずれていれば第
１２段階（１２）へ分岐する。

【００６１】第１２段階では、高調波出力（Ｐ２）が所
定の下限値（Ｐ２ＷＬＦ）以上かを確認する。なお、こ
の下限値（Ｐ２ＷＬＦ）は、第４段階での下限値（Ｐ２
ＷＬＳ）と同じであってもよく、異なっていてもよい。
もし、高調波出力が所定の下限値（Ｐ２ＷＬＦ）未満で
あれば第１４段階（１４）へ行き、下限値（Ｐ２ＷＬ
Ｆ）以上であれば第１３段階（１３）に分岐する。

【００６２】第１３段階では、共振器温度（ＴＣＶ）又
はベース温度（ＴＢＳ）を変化するように、共振器温度
又はベース温度の温度制御素子に信号出して温度を変化
させる。ここでは、両方が制御可能にしてありかついず
れかのみ制御する場合には、ベース温度（ＴＢＳ）を変
化させる方が好ましい。その後、第１１段階に戻る。

【００６３】第１４段階（１４）では、半導体レーザ電
流（ＩＣ）を変化させ、第１１段階に戻る。なお、この
第１４段階では、早く復帰できるのが重要な場合には、
簡単な操作、たとえば半導体レーザ電流を変化させて高
調波出力が設定値（Ｐ２ＷＲ）に達したらそのまま使用
するようにしてもよい。もっとも、図３で示した第６段
階から第１０段階に相当する操作を行うことが好まし
い。これにより、高調波の再発生にはやや時間がかかる
が、より安定な発生が得られる。

【００６４】本発明では、高調波出力の偏差（Ｐ２ＷＣ
Ｗ）は、所定の設定値（Ｐ２ＷＲ）の±５％以下に設定
する。本発明のこの出力安定のための制御方法では、か
なりきめ細かい制御が可能になるので、偏差が±５％以
下の設定で充分に追従でき、安定な出力が得られる。

【００６５】高調波出力の下限値（Ｐ２ＷＬＦ）は、偏
差（Ｐ２ＷＣＷ）の下限値よりも低い値に設定する。た
とえば偏差（Ｐ２ＷＣＷ）を±５％とした場合には、下
限値（Ｐ２ＷＬＦ）は所定の設定値（Ｐ２ＷＲ）の９５
％以下の値に設定すればよい。この復帰のための制御は
出力の大幅な低下を生じた際に、出力をたとえば９５％
程度まで復帰させるのに用いられる。

【００６６】共振器温度のロッキングレンジについては
前に触れたが、ベース温度のロッキングレンジの場合、
ロッキングレンジ幅が０．１〜０．３℃程度と狭いのに
加え、ロッキングレンジの勾配がロッキング位置によっ
て異なる。このため、出力の高安定度を維持するには、
できる限り精密な温度調整が好ましい。そこで、現行の
制御技術で設定可能な値として、最小ステップ幅を０．
０３℃以下にすればよい。

【００６７】高調波が停止した場合には、受光素子の出
力の検出から停止状態を判別し、半導体レーザ電流を変
化させながら、受光素子の出力を検出する。これによっ
て、ロッキングレンジを検知し、かつ前記ロッキングレ
ンジ内に再設定して高調波を発生するように動作させ
る。

【００６８】高調波の再発生は、発生プログラムと同様
に、半導体レーザ電流の変化幅を±２〜１０ｍＡとし、
最小ステップ幅を０．１〜１ｍＡとするのが好ましい。

【００６９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。図１の
ような構成を有し、図２に示すような制御装置を有す
る。

【００７０】半導体レーザ２１には波長８６０ｎｍ帯の
定格１００ｍＷシングルモードレーザを使用した。共振
器２４を構成する非線形光学材料には長さ３ｍｍで入射
面には基本波反射率１％以下の反射防止膜が、出射面に
は共振器ミラーとして基本波反射率９９％及び第二高調
波反射率５％以下の反射膜がついたＫＮｂＯ₃ 単結晶を
使用した。

【００７１】また、共振器２４の半導体レーザ２１側の
ミラーには曲率半径３ｍｍの平凹基板の凹面側に基本波
反射率９７％の反射膜のついたものを使用した。受光素
子２６としてはＳｉフォトダイオードを使用した。半導
体レーザ２１と共振器２４とを支持するベース３０には
熱伝導率の良い銅を使用した。

【００７２】この半導体レーザ２１（出射面）と共振器
２４（入射側のミラーの反射面）との間隔は約５ｍｍと
した。この場合、ベース温度約１℃の変化で、半導体レ
ーザ２１と共振器２４との距離が基本波波長の半波長程
度変化した。

【００７３】なお、コリメート用レンズ２２とフォーカ
ス用レンズ２３には、通常用いられている凸レンズを用
いた。温度検出素子３１、３２、３３にはサーミスタ
を、温度制御素子２７、２８、２９にはペルチェ素子を
使用した。

【００７４】温度検出素子３１、３２、３３からの温
度、半導体レーザ２１からの電流、受光素子２６からの
出力は、夫々電気信号に変換されて入力装置４１に入力
されるように接続された。また、この出力装置４３から
温度制御素子２７、２８、２９の温度及び半導体レーザ
の電流を制御するように接続された。

【００７５】この入力装置４１と出力装置４３との間に
はコンピュータ４２が配置されている。このコンピュー
タ４２にはＣＰＵが搭載されており、プログラムに従っ
て、半導体レーザ電流、半導体レーザ温度、共振器温
度、ベース温度を設定及び変化させる。なお、このコン
ピュータ４２には、ＣＰＵの他、作業用のＲＡＭ、設定
値を記憶するＲＡＭ又はＲＯＭ等が配置されている。

【００７６】ここでは、半導体レーザ電流の設定値（Ｉ
Ｃ０）、共振器温度の設定値（ＴＣＶ０）、半導体レー
ザ温度の設定値（ＴＬＤ０）、ベース温度の設定値（Ｔ
ＢＳ０）、高調波出力（Ｐ２ＷＲ）、高調波出力の下限
値（Ｐ２ＷＬＳ）、高調波出力の閾値（Ｐ２ＷＩＬ）、
及び、一旦所定の出力に到達後の高調波出力の偏差（Ｐ
２ＷＣＷ）、高調波出力の下限値（Ｐ２ＷＬＦ）を記憶
している。

【００７７】また、このコンピュータ４２には、手動・
自動操作切り換えスイッチを設置し、手動側にレバーを
倒すと、ダイアルの手動操作による各パラメーター設定
が可能となっている手動入力装置４４を設けた。

【００７８】これは、自動側にレバーを倒すと自動モー
ドとなる。自動モードの場合は、予め記憶させたプログ
ラムに従って、手動操作時に記憶させた各パラメーター
値近傍でロッキングレンジを探知し、高調波の発生、安
定化制御を行い、出力停止の場合は、出力停止直前のレ
ベルまで高調波を再発生させた。

【００７９】予め手動モードで半導体レーザ電流、半導
体レーザ温度、共振器温度及びベース温度を変化・調整
し、高調波を発生させる各パラメーターの設定値（ＩＣ
０）、（ＴＬＤ０）、（ＴＣＶ０）、（ＴＢＳ０）と、
その時の高調波出力（Ｐ２ＷＲ）をＥＰＲＯＭに記憶さ
せておいた。

【００８０】半導体レーザ電流、半導体レーザ温度、共
振器温度、ベース温度及び第二高調波出力の設定値は、
それぞれ、ＩＣ０＝１０２．４ｍＡ、ＴＬＤ０＝２５．
０１℃、ＴＣＶ０＝３０．３９℃、ＴＢＳ０＝２４．３
１℃及びＰ２ＷＲ＝３．２ｍＷであった。この時点での
周囲温度は２５℃であった。

【００８１】周囲温度変動による高調波発生の影響をみ
るため、電源スイッチをオフの状態にし、周囲温度が３
０℃になった時点で、手動・自動操作切り換えスイッチ
を自動モードに切り換え、電源を再投入した。

【００８２】コンピュータ４２に記憶されたプログラム
は図３と図４のフローチャートに従い動作した。なお、
第５段階と第１３段階ではベース温度を変化させるよう
にした。

【００８３】電源投入後、第２段階と第３段階では、各
温度及び半導体レーザ電流が各設定値で安定になるまで
待機状態となり、安定した時点で第４段階に進んだ。

【００８４】第４段階、第５段階では、高調波出力が、
予め設定した下限値（Ｐ２ＷＬＳ）以上に発生している
か判定した。その結果、高調波出力が下限値以上に発生
していれば第６段階へ進み、そうでなければ、ベース温
度を変化させた後、第４段階に戻った。

【００８５】第６段階では、ベース温度を一定値に保持
し、半導体レーザ電流を設定値の−１０ｍＡから＋１０
ｍＡまで変化させながら、高調波出力を測定した。第７
段階と第８段階の操作で、高調波出力が閾値（Ｐ２ＷＩ
Ｌ）以上となる半導体レーザ電流幅の中央値に、つまり
ロッキングレンジの中央に半導体レーザ電流値を設定し
た。

【００８６】第９段階では、高調波出力が設定値（Ｐ２
ＷＲ）以上になっているか判定した。その結果、高調波
出力が設定値（Ｐ２ＷＲ）以上になっていれば、初期設
定は終了に進んだ。そうでなければ、第１０段階に進
み、共振器温度（ＴＣＶ）を０．０１℃の精度で変化さ
せた後、第９段階に戻った。

【００８７】この第１段階から第１０段階までのフロー
により、高調波出力が設定値（Ｐ２ＷＲ）となる高調波
が発生する。それ以降の第１１段階から第１４段階まで
のルーチンで、一旦発生させた高調波の出力安定化及び
再発生を行った。

【００８８】第１１段階では、高調波出力（Ｐ２）を随
時測定する。高調波出力が出力許容幅である偏差（Ｐ２
ＷＣＷ）内であれば、そのまま第１１段階に戻った。も
し、この偏差を外れた場合には、第１２段階に進み、第
二高調波の出力安定化制御を行うようにした。

【００８９】第１２段階では、高調波出力（Ｐ２）が下
限値（Ｐ２ＷＬＦ）以上の場合は、第１３段階に示すよ
うに高調波出力が、出力許容幅（Ｐ２ＷＣＷ）内に入る
ように、ベース温度を０．００１℃の設定分解能で変化
させて制御した。

【００９０】一方、高調波出力（Ｐ２）が、下限値（Ｐ
２ＷＬＦ）未満の場合には、第１４段階に示すように、
半導体レーザ電流を設定値の−１０ｍＡから＋１０ｍＡ
まで変化させて、高調波出力を設定値（Ｐ２ＷＲ）まで
再発生させた。なお、この際には、図３で示した第６段
階から第１０段階に相当する操作を行った。

【００９１】実験の結果、第二高調波の発生における半
導体レーザ電流、半導体レーザ温度、共振器温度及びベ
ース温度の各設定値は、ＩＣ０＝１０２．８ｍＡ、ＴＬ
Ｄ０＝２５．０１℃、ＴＣＶ０＝３０．４２℃及びＴＢ
Ｓ０＝２５．０６℃であった。

【００９２】第二高調波発生後の出力安定性について
は、周囲温度を１℃／分の速度で１５℃から３５℃まで
変化させた結果、第二高調波の出力は３．２〜３．１ｍ
Ｗの間を推移し、変動幅５％以内と安定であった。

【００９３】さらに周囲温度を１℃／分の速度で５℃か
ら４５℃まで変化させた結果、第二高調波の出力が停止
した。その数秒後、図４の第二高調波の再発生ルーチン
によって、高調波出力は再発生した。そのときの半導体
レーザ電流値は１０３．０ｍＡであった。

【００９４】

【発明の効果】本発明の高調波発生装置は、次のような
効果を有する。

【００９５】（１）自動的に高調波の発生を行うことに
より、これまでの手動による初期調整の煩雑さを回避で
きる。（２）自動的に高調波の発生を行うことにより、手動設
定の際に生ずる起動及び出力安定化制御条件のばらつき
を抑制できる。（３）高調波出力の安定化において、アナログ回路を用
いた制御系を省略できるため、制御系を小型化できる。（４）高調波が停止した場合には、自動的に高調波を再
発生させ、高調波出力の停止直前の値まで復帰できるた
め、ほぼ連続的に高調波を発生しうる。（５）光フィードバックを用いない光学系においても、
ベース温度制御を共振器温度制御に置き換えることによ
って、高調波の発生、出力安定化制御及び再発生を行い
うる。

【００９６】本発明は、本発明の効果を損しない範囲内
で、種々の応用ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高調波発生装置の代表的な構成を示す
正面図。

【図２】本発明の制御の信号を処理する制御装置の回路
ブロック図。

【図３】本発明の制御方法のフローチャート。

【図４】本発明の制御方法のフローチャート。

【符号の説明】

２１：半導体レーザ２２：コリメート用レンズ２３：フォーカス用レンズ２４：共振器２５：ビームスプリッタ２６：受光素子２７：温度制御素子２８：温度制御素子２９：温度制御素子３０：ベース３１：温度検知素子３２：温度検知素子３３：温度検知素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波光源である半導体レーザと、基本波
光を共振させる複数の共振用ミラーによって構成される
共振器と、共振器内の基本波光の光軸上に設けられた非
線形光学材料と、前記半導体レーザと前記共振器を支持
するベースと、その高調波出力を受光する受光素子とを
有する高調波発生装置の制御方法において、半導体レー
ザ電流を検出する手段、共振器温度と半導体レーザ温度
とを検出する温度検出器、半導体レーザの電流を変化さ
せる手段、共振器と半導体レーザとを夫々別個に温度制
御可能にした温度制御素子を有し、以下のように制御を
行うことを特徴とする高調波発生装置の制御方法。（１）半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器温度（ＴＣ
Ｖ）及び半導体レーザ温度（ＴＬＤ）の設定値を得るた
めの半導体レーザの電流を変化させる手段及び各温度制
御素子に初期値を設定する。（２）半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器温度（ＴＣ
Ｖ）及び半導体レーザ温度（ＴＬＤ）を測定し、それら
が夫々設定値（ＩＣ０）、（ＴＣＶ０）、（ＴＬＤ０）
の偏差範囲に入っているかを確認し、全て入っていれば
（４）へ、１項目でも入っていなければ（３）へ分岐す
る。（３）偏差範囲に入っていない半導体レーザ電流（Ｉ
Ｃ）、共振器温度（ＴＣＶ）又は半導体レーザ温度（Ｔ
ＬＤ）を変更して、（２）に戻る。（４）受光素子により高調波出力（Ｐ２）を測定して、
下限値（Ｐ２ＷＬＳ）以上か確認し、以上であれば
（６）へ、未満であれば（５）へ分岐する。（５）共振器温度（ＴＣＶ）を変更して、（４）へ戻
る。（６）半導体レーザ電流（ＩＣ）を掃引して高調波出力
（Ｐ２）を測定する。（７）高調波出力（Ｐ２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の
範囲となる半導体レーザ電流（ＩＣ）を算出する。（８）半導体レーザ電流（ＩＣ）を、高調波出力（Ｐ
２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の範囲の中央の値に設定
する。（９）高調波出力（Ｐ２）が設定値（Ｐ２ＷＲ）以上か
を確認し、以上であれば制御終了へ、未満であれば（１
０）へ分岐する。（１０）共振器温度（ＴＣＶ）を変更して、（９）へ戻
る。
【請求項２】基本波光源である半導体レーザと、基本波
光を共振させる複数の共振用ミラーによって構成される
共振器と、共振器内の基本波光の光軸上に設けられた非
線形光学材料と、前記半導体レーザと前記共振器を支持
するベースと、その高調波出力を受光する受光素子とを
有する高調波発生装置の制御方法において、半導体レー
ザ電流を検出する手段、共振器温度と半導体レーザ温度
とベース温度とを検出する温度検出器、半導体レーザの
電流を変化させる手段、少なくとも共振器と半導体レー
ザとベースとを夫々別個に温度制御可能にした温度制御
素子を有し、以下のように制御を行うことを特徴とする
高調波発生装置の制御方法。（１）半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器温度（ＴＣ
Ｖ）、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）及びベース温度（Ｔ
ＢＳ）の設定値を得るための半導体レーザの電流を変化
させる手段及び各温度制御素子に初期値を設定する。（２）半導体レーザ電流（ＩＣ）、共振器温度（ＴＣ
Ｖ）、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）及びベース温度（Ｔ
ＢＳ）が夫々設定値（ＩＣ０）、（ＴＣＶ０）、（ＴＬ
Ｄ０）、（ＴＢＳ０）の偏差範囲に入っているかを確認
し、全て入っていれば（４）へ、１項目でも入っていな
ければ（３）へ分岐する。（３）偏差範囲に入っていない半導体レーザ電流（Ｉ
Ｃ）、共振器温度（ＴＣＶ）、半導体レーザ温度（ＴＬ
Ｄ）又はベース温度（ＴＢＳ）を変更して、（１）に戻
る。（４）受光素子により高調波出力（Ｐ２）を測定して、
下限値（Ｐ２ＷＬＳ）以上か確認し、以上であれば
（６）へ、未満であれば（５）へ分岐する。（５）共振器温度（ＴＣＶ）又はベース温度（ＴＢＳ）
を変更して、（４）へ戻る。（６）半導体レーザ電流（ＩＣ）を掃引して高調波出力
（Ｐ２）を測定する。（７）高調波出力（Ｐ２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の
範囲となる半導体レーザ電流（ＩＣ）を算出する。（８）半導体レーザ電流（ＩＣ）を、高調波出力（Ｐ
２）が閾値（Ｐ２ＷＩＬ）以上の範囲の中央の値に設定
する。（９）高調波出力（Ｐ２）が設定値（Ｐ２ＷＲ）以上か
を確認し、以上であれば制御終了へ、未満であれば（１
０）へ分岐する。（１０）共振器温度（ＴＣＶ）を変更して、（９）へ戻
る。
【請求項３】請求項２の（５）において、半導体レーザ
と共振器との間隔が、基本波波長の半波長以上変化する
ようにベース温度を変化させることを特徴とする高調波
発生装置の制御方法。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかの制御方法によ
り、高調波出力（Ｐ２）が設定値（Ｐ２ＷＲ）以上に達
した後、以下のような制御を行うことを特徴とする高調
波発生装置の制御方法。（１１）高調波出力（Ｐ２）が偏差（Ｐ２ＷＣＷ）以内
かを確認し、以内であれば（１１）へ、はずれていれば
（１２）へ分岐する。（１２）高調波出力（Ｐ２）が下限値（Ｐ２ＷＬＦ）未
満かを確認し、未満であれば（１４）へ、以上であれば
（１３）へ分岐する。（１３）共振器温度（ＴＣＶ）又はベース温度（ＴＢ
Ｓ）を変更して、（１１）へ戻る。（１４）半導体レーザ電流（ＩＣ）を変更して（１１）
へ戻る。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかの制御方法で制御
される高調波発生装置であって、下記の入力装置とそれ
に接続されたコンピュータとそれに接続された下記の出
力装置とを有することを特徴とする高調波発生装置。入力装置：半導体レーザ電流（ＩＣ）の測定手段、共振
器温度（ＴＣＶ）、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）及びベ
ース温度（ＴＢＳ）の測定手段、高調波出力（Ｐ２）の
測定手段の各測定手段からの信号を入力する入力装置。出力装置：半導体レーザ電流（ＩＣ）を変化させる手
段、共振器温度（ＴＣＶ）の温度を制御する温度制御素
子、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）の温度を制御する温度
制御素子、及びベース温度（ＴＢＳ）の温度を制御する
温度制御素子、を制御する出力装置。
【請求項６】半導体レーザ電流（ＩＣ）を変化させる手
段、共振器温度（ＴＣＶ）の温度を制御する温度制御素
子、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）の温度を制御する温度
制御素子、及びベース温度（ＴＢＳ）の温度を制御する
温度制御素子、のうちの少なくとも１つを手動で制御可
能にする手動入力装置を有することを特徴とする請求項
５記載の高調波発生装置。