JPH10321933A - 半導体励起固体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス動作時に半導体レーザを保護すると共
に励起電流に対して時間遅れが小さく、立ち上がり時間
が短く、連続動作時よりも高いピーク出力が得られる半
導体励起固体レーザを得ること。 【解決手段】 半導体レーザ１にパルス電流を流し、半
導体レーザ１からの励起光により固体レーザ媒質３を励
起してパルス発振のレーザ出力を得る半導体励起固体レ
ーザ１１において、非発振時の半導体レーザ１を励起す
る電流値を、固体レーザ１１の発振閾値に対応する電流
値よりわずかに小さい値に設定し、非発振時には固体レ
ーザ１１の発振閾値に対応する電流値よりわずかに小さ
い値の電流を半導体レーザ１に通電するパルス電流制御
手段５を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体励起固体
レーザに関し、特にパルス発振の半導体励起式の固体レ
ーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体励起固体レーザは、半導
体レーザにパルス電流を流し、その半導体レーザからの
励起光により固体レーザ媒質を励起してパルス発振のレ
ーザ出力を行う。

【０００３】半導体励起固体レーザでは、半導体レーザ
から発せられる波長一定の励起光により固体レーザのレ
ーザ発振の下準位にある電子にエネルギーを与え、この
エネルギーにより電子を上準位に励起する。上準位にあ
る電子数が下準位にある電子数を上回った状態を反転分
布状態と云い、固体レーザ媒質の内部あるいは外部から
の光の刺激を受けて上準位にある電子が一斉に下準位に
移行し、エネルギーを光の形で放出する。

【０００４】これがレーザ発振であり、励起エネルギー
が所定値以上、固体レーザ媒体に蓄積されないと、反転
分布状態が形成されず、レーザ発振は起こらない。

【０００５】従って、励起エネルギーとレーザ発振出力
の関係をグラフにとると、図７に示されているようにな
り、励起エネルギーが零でないある値に達すると、レー
ザ発振が始まる。この値はレーザ発振の閾値と呼ばれ
る。

【０００６】従来、半導体レーザに流すパルス電流の発
振時電流値は固体レーザの発振閾値に対応する電流値よ
り高い値に設定され、非発振時電流値は零に設定され、
半導体レーザの励起電流はオン／オフを繰り返す。この
パルス電流によって半導体レーザからの励起光をパルス
動作させ、励起光を受けた固体レーザ媒質からレーザ出
力を得る。

【０００７】図８（ａ）、（ｂ）は、従来の半導体励起
固体レーザにおける半導体レーザ励起電流波形とレーザ
出力の発振波形を示している。なお、図８（ａ）におい
て、符号Ｓは固体レーザの発振閾値に対応する半導体レ
ーザに通電する電流値を示している。

【０００８】ガスレーザにおいては、特開昭６３−７６
８８号公報に示されているように、パルス発振休止時に
おいて、レーザ発振閾値までの励起放電電流や放電電力
を制御し、パルスレーザ出力のパルス立ち上がり特性、
立ち下がり特性を制御することが行われている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】励起エネルギーをパル
ス電流で与えると、時間とともにレーザ媒質にエネルギ
ーが蓄積され、このエネルギーがレーザ発振閾値を超え
ると、レーザ発振が始まるから、レーザ出力には必ず立
ち上がり時間があり、従来の半導体励起固体レーザで
は、完全なオン／オフによるパルス電流により励起を行
っているため、励起エネルギーがレーザ出力の発振閾値
に達するまでに一パルス毎に一定の時間を要し、固体レ
ーザの立ち上がりをなまらせることになる。

【００１０】このため、図８に示されているように、パ
ルス電流がオフからオンへ変遷した時点から、実際に安
定したレーザ出力を得るまで、励起電流が閾値対応電流
値に到達するまでの遅れ時間Ｔｄとレーザ立ち上がり時
間Ｔｒとの合計時間だけタイムラグがある。

【００１１】また、励起電流のオフ時には電流回路によ
って発生する逆電圧が半導体レーザに印加され、半導体
レーザを破壊する虞れがあった。

【００１２】また、半導体レーザには出力限界があり、
パルス動作時においても連続動作時と同じ最大ピーク出
力しか得られない。

【００１３】特開昭６３−７６８８号公報に示されてい
る方法は、レーザ媒質であるガスに与えるエネルギーを
放電電力により直接投入し、ベース電力の投入によって
パルスレーザ出力のパルス立ち上がり、立ち下がりを制
御するものであり、半導体レーザ励起固体レーザでは、
固体レーザ媒質を励起するエネルギーは半導体レーザか
ら出力される一定波長のレーザ光であり、パレスレーザ
出力の立ち上がりを制御するために半導体レーザ出力を
固体レーザの発振閾値以下で制御しなければならない。

【００１４】この発明は、上述の如き問題点に着目して
なされたものであり、励起電流に対するレーザ出力の時
間遅れが小さく、立ち上がり時間が短く、併せて逆電圧
が半導体レーザに印加されることを回避して半導体レー
ザを保護でき、しかも連続動作時よりも高いピーク出力
が得られる半導体励起固体レーザを得ることを目的とし
ている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、この発明による半導体励起固体レーザは、半導体
レーザにパルス電流を流し、前記半導体レーザからの励
起光により固体レーザ媒質を励起してパルス発振のレー
ザ出力を得る半導体励起固体レーザにおいて、非発振時
の前記半導体レーザを励起する電流値を固体レーザの発
振閾値に対応する電流値よりわずかに小さい値に設定
し、非発振時には固体レーザの発振閾値に対応する電流
値よりわずかに小さい値の電流を前記半導体レーザに通
電するパルス電流制御手段を有しているものである。

【００１６】この発明による半導体励起固体レーザで
は、パルス電流制御手段によって非発振時には固体レー
ザの発振閾値に対応する電流値よりわずかに小さい値の
電流が半導体レーザに通電されることで、レーザ出力は
行わないが、非発振時において固体レーザ媒質にエネル
ギーを予蓄する。これにより固体レーザのパルス動作に
対するレーザ出力の遅れが小さくなり、また発振時に固
体レーザ媒質が蓄積している励起エネルギーを発振時に
解放するから、レーザ出力の立ち上がり時間が短縮され
る。また、非発振時に半導体レーザに対して順方向に電
圧を持続して印加することになるから、半導体レーザに
逆電圧が印加されることがない。

【００１７】つぎの発明による半導体励起固体レーザ
は、上述の発明による半導体励起固体レーザにおいて、
前記パルス電流制御手段は、前記非発振時に前記半導体
レーザに通電する電流を、半導体レーザの発振閾値以
上、固体レーザの発振閾値に対応する電流値未満で、可
変設定する非発振時電流値可変設定部を有しているもの
である。

【００１８】この発明による半導体励起固体レーザで
は、非発振時電流値可変設定部によって非発振時の半導
体励起電流が、半導体レーザの発振閾値以上、固体レー
ザの発振閾値に対応する電流値未満で可変設定され、非
発振時に固体レーザ媒質に蓄積されるエネルギー量を制
御することができ、この蓄積されたエネルギーが発振時
に解放されてレーザ出力に重畳される。これにより、発
振時のピーク出力を制御することができる。

【００１９】つぎの発明による半導体励起固体レーザ
は、上述の発明による半導体励起固体レーザにおいて、
前記パルス電流制御手段は、前記非発振時の時間間隔を
可変設定する非発振時間可変設定部を有しているもので
ある。

【００２０】この発明による半導体励起固体レーザで
は、非発振時間可変設定部によって非発振時の時間間隔
が可変設定され、非発振時に固体レーザ媒質に蓄積され
るエネルギー量を制御することができ、この蓄積された
エネルギーが発振時に解放されてレーザ出力に重畳され
る。これにより、発振時のピーク出力を制御することが
できる。この非発振時の時間間隔の可変設定は、パルス
電流の周波数を一定とした場合、発振時間と非発振時間
との比、すなわちデューティ比を変化させることにより
行うことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照してこの発
明に係る半導体励起固体レーザの実施の形態を詳細に説
明する。

【００２２】図１はこの発明による半導体励起固体レー
ザの一つの実施の形態を示している。この半導体励起固
体レーザ（単に固体レーザと云うことがある）１１は、
半導体レーザ素子２を含む半導体レーザ１と、固体レー
ザ媒質３と、パルス電流制御手段５とを有している。

【００２３】固体レーザ１１は、基本的には、パルス電
流制御手段５によって半導体レーザ１にパルス電流を流
し、半導体レーザ１からの励起光により固体レーザ媒質
３を励起してパルス発振のレーザ出力を行う。

【００２４】パルス電流制御手段５は、図２（ａ）に示
されているように、固体レーザ１１の発振閾値に対応す
る半導体レーザ励起電流値Ｓ以上の発振時電流値Ｉａ
と、固体レーザ１１の発振閾値に対応する半導体レーザ
励起電流値Ｓよりわずかに小さい値による非発振時電流
値Ｉｂとによる所定周波数のパルス電流（矩形波電流）
を発生し、このパルス電流を半導体レーザ１に流す。

【００２５】換言すれば、パルス電流制御手段５は、非
発振時の半導体レーザ１を励起する電流値を、固体レー
ザ１１の発振閾値に対応する電流値Ｓよりわずかに小さ
い値Ｉｂに設定し、非発振時には電流値Ｉｂによる電流
を半導体レーザ１に通電する。

【００２６】パルス電流制御手段５は、非発振時電流値
Ｉｂを、半導体レーザ１の発振閾値以上、固体レーザ１
１の発振閾値に対応する半導体レーザに通電する電流値
未満で、すなわち、半導体レーザ１の発振閾値に対応す
る電流値をＵ、固体レーザ１１の発振閾値に対応する電
流値をＳとすると、Ｕ＜Ｉｂ＜Ｓの範囲で可変設定する
非発振時電流値可変設定部７と、非発振時の時間間隔を
可変設定する非発振時間可変設定部９とを有している。
パルス電流の周波数が一定である場合には、非発振時の
時間間隔は、発振時間と非発振時間との比、すなわちデ
ューティ比を変化させることにより行われる。

【００２７】この発明による半導体励起固体レーザで
は、パルス電流制御手段５は、図２（ａ）に示されてい
るように、非発振時には固体レーザ１１の発振閾値に対
応する電流値Ｓよりわずかに小さい値による非発振時電
流値Ｉｂの電流を半導体レーザ１に流している。

【００２８】このため、非発振時においても、固体レー
ザ媒質３にはエネルギーが蓄積され、発振時に励起エネ
ルギーが固体レーザ出力の閾値に達するまでの時間が短
縮され、非発振時に蓄積されたエネルギーが発振時に解
放されるために、図２（ｂ）に示されているように、励
起電流に対してレーザ出力の立ち上がりの遅れＴｄが小
さくなると共に、立ち上がり時間Ｔｒが短いレーザ出力
波形を得るようになる。

【００２９】また、非発振時には非発振時電流値Ｉｂの
電流を半導体レーザ１に流していることにより、非発振
時に半導体レーザ１に対して順方向に電圧を持続して印
加することになり、半導体レーザ１に逆電圧が印加され
ることがない。これにより半導体レーザ１の保護が図ら
れる。

【００３０】非発振時電流値可変設定部７は、非発振時
電流値をＵ＜Ｉｂ＜Ｓの範囲で、任意の値に可変設定す
る。図３（ａ）は非発振時電流値を比較的低い値Ｉｂｌ
に設定して例を、図４（ａ）は非発振時電流値を比較的
高い値Ｉｂｈに設定した例をそれぞれ示している。

【００３１】非発振時の電流値が大きいほど、非発振時
の電流積分値が増えるから、非発振時に固体レーザ媒質
３に蓄積されるエネルギー量が増え、図３（ｂ）、図４
（ｂ）に示されているように、非発振時の電流値が小さ
い場合に比してピーク出力が高くなる。なお、図３
（ｂ）のピーク出力値Ｐｌは非発振時電流値がＩｂｌの
ときの値を、図４（ｂ）のピーク出力値Ｐｈは非発振時
電流値がＩｂｈのときの値をそれぞれ示しており、Ｐｈ
＞Ｐｌである。

【００３２】非発振時間可変設定部９は、パルス電流の
周波数を一定として、発振時間と非発振時間とのデュー
ティ比を変化させることにより非発振時間を可変設定す
る。図５（ａ）は非発振時間を比較的短い値Ｔｓに設定
した例を、図６（ａ）は非発振時間を比較的長い値Ｔｌ
に設定した例をそれぞれ示している。

【００３３】非発振時間が長いほど、非発振時の電流積
分値が増えるから、非発振時に固体レーザ媒質３に蓄積
されるエネルギー量が増え、図５（ｂ）、図６（ｂ）に
示されているように、非発振時間が短い場合に比してピ
ーク出力が高くなる。なお、図５（ｂ）のピーク出力値
Ｐｌは非発振時間がＴｓ時の値を、図６（ｂ）のピーク
出力値Ｐｈは非発振時間がＴｌのときの値をそれぞれ示
しており、Ｐｈ＞Ｐｌである。

【００３４】上述のように、非発振時における固体レー
ザ媒質３への蓄積エネルギーを変化させることにより、
ピーク出力を制御することができ、しかもパルス動作で
は、発振時に非発振時の蓄積エネルギーを重畳できるた
め、連続動作に比べて高いピーク出力を得ることができ
る。

【００３５】なお、非発振時の励起電流について、電流
値の変化およびデューティ比の変化について個別に述べ
たが、この双方を組み合わせて非発振時の固体レーザ媒
質３への蓄積エネルギー量を制御してもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、この発
明による半導体励起固体レーザによれば、パルス電流制
御手段によって非発振時には固体レーザの発振閾値に対
応する電流値よりわずかに小さい値の電流が半導体レー
ザに通電されることで、レーザ出力は行わないが、非発
振時において固体レーザ媒質にエネルギーを予蓄するか
ら、半導体レーザのパルス動作に対するレーザ出力の遅
れが小さくなり、また発振時に固体レーザ媒質が蓄積し
ている励起エネルギーを発振時に解放するから、レーザ
出力の立ち上がり時間が短縮され、しかも連続動作時よ
りも高いピーク出力が得られるようになる。また、非発
振時に半導体レーザに対して順方向に電圧を持続して印
加することになるから、半導体レーザに逆電圧が印加さ
れることがなく、半導体レーザの保護が図られる。

【００３７】つぎの発明による半導体励起固体レーザに
よれば、非発振時電流値可変設定部によって非発振時の
半導体励起電流が、半導体レーザの発振閾値以上、固体
レーザの発振閾値に対応する半導体レーザに通電する電
流値未満で可変設定され、非発振時に固体レーザ媒質に
蓄積されるエネルギー量を制御するから、発振時のピー
ク出力を制御することができる。

【００３８】つぎの発明による半導体励起固体レーザに
よれば、非発振時間可変設定部によって非発振時の時間
間隔が可変設定され、非発振時に固体レーザ媒質に蓄積
されるエネルギー量を制御するから、発振時のピーク出
力を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明による半導体励起固体レーザの一つ
の実施の形態を示すブロック線図である。

【図２】 （ａ）はこの発明による半導体励起固体レー
ザの励起電流波形を示す波形図、（ｂ）は同じくそれの
レーザ出力波形を示す波形図である。

【図３】 （ａ）は非発振時電流値が比較的低い場合の
半導体励起固体レーザの励起電流波形を示す波形図、
（ｂ）は同じくそれのレーザ出力波形を示す波形図であ
る。

【図４】 （ａ）は非発振時電流値が比較的高い場合の
半導体励起固体レーザの励起電流波形を示す波形図、
（ｂ）は同じくそれのレーザ出力波形を示す波形図であ
る。

【図５】 （ａ）は非発振時間が比較的短い場合の半導
体励起固体レーザの励起電流波形を示す波形図、（ｂ）
は同じくそれのレーザ出力波形を示す波形図である。

【図６】 （ａ）は非発振時間が比較的長い場合の半導
体励起固体レーザの励起電流波形を示す波形図、（ｂ）
は同じくそれのレーザ出力波形を示す波形図である。

【図７】 励起エネルギーとレーザ出力との関係を示す
グラフである。

【図８】 （ａ）は従来における半導体励起固体レーザ
の励起電流波形を示す波形図、（ｂ）は同じくそれのレ
ーザ出力波形を示す波形図である。

【符号の説明】 １ 半導体レーザ，２ 半導体レーザ素子，３ 固体レ
ーザ媒質，５ パルス電流制御手段，７ 非発振時電流
値可変設定部，９ 非発振時間可変設定部，１１ （半
導体励起）固体レーザ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザにパルス電流を流し、前記
   半導体レーザからの励起光により固体レーザ媒質を励起
   してパルス発振のレーザ出力を得る半導体励起固体レー
   ザにおいて、 非発振時の前記半導体レーザを励起する電流値を固体レ
   ーザの発振閾値に対応する電流値よりわずかに小さい値
   に設定し、非発振時には固体レーザの発振閾値に対応す
   る電流値よりわずかに小さい値の電流を前記半導体レー
   ザに通電するパルス電流制御手段を有していることを特
   徴とする半導体励起固体レーザ。
2. 【請求項２】 前記パルス電流制御手段は、前記非発振
   時に前記半導体レーザに通電する電流を、当該半導体レ
   ーザの発振閾値以上、固体レーザの発振閾値に対応する
   電流値未満で、可変設定する非発振時電流値可変設定部
   を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体
   励起固体レーザ。
3. 【請求項３】 前記パルス電流制御手段は、前記非発振
   時の時間間隔を可変設定する非発振時間可変設定部を有
   していることを特徴とする請求項１または２に記載の半
   導体励起固体レーザ。