WO2016092701A1 - 受動ｑスイッチレーザ - Google Patents

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/131—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation

Definitions

  • the present invention relates to a passive Q switch laser used in a laser processing apparatus, a laser illumination apparatus, and the like.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional passive Q-switched laser (Patent Documents 1 and 2).
  • the conventional passive Q-switched laser shown in FIG. 5 includes an excitation source 1, lenses 2a and 2b, a mirror 5a, a laser medium 3, a saturable absorber 4, and a mirror 5b.
  • the mirror 5a, the laser medium 3, the saturable absorber 4, and the mirror 5b constitute an optical resonator.
  • the excitation source 1 has a laser diode for excitation, and outputs excitation light having a wavelength of about 808 nm excited by the laser diode to the lens 2a.
  • the lenses 2 a and 2 b collect the excitation light from the excitation source 1 and output it to the laser medium 3.
  • the laser medium 3 is disposed between the mirror 5a and the mirror 5b, and has an Nd: YAG crystal.
  • the Nd: YAG crystal is excited by light having a wavelength of about 808 nm, and transitions from the upper level to the lower level. At this time, a laser beam having a wavelength of about 1064 nm is emitted.
  • a mirror 5a is attached to one end of the laser medium 3.
  • the mirror 5a transmits light having a wavelength of about 808 nm and reflects light having a wavelength of about 1064 nm with a high reflectance.
  • the mirror 5b transmits part of the light having a wavelength of about 1064 nm and reflects the rest.
  • the saturable absorber 4 is disposed between the mirror 5a and the mirror 5b, and the transmittance increases with the absorption of the laser light from the laser medium 3.
  • the saturable absorber 4 becomes transparent, the Q value of the optical resonator rapidly increases, and laser oscillation occurs to generate pulsed light.
  • the laser is excited by QCW (Quasi-Continuous-Wave) in order to suppress the heat generated in the laser medium 3.
  • QCW Quadsi-Continuous-Wave
  • the excitation power varies from 0 to the maximum of the excitation diode and also to a predetermined power V.
  • the repetition frequency of the output laser is the same as the excitation repetition frequency.
  • a thermal lens is generated by heat generated in the laser medium 3 of the passive Q switch laser.
  • the thermal lens depends on the repetition frequency of QCW excitation. When the repetition frequency is low, the thermal lens is small. When the repetition frequency is high, the thermal lens is proportionally increased.
  • the tilt (tilt angle) of the mirror 5b (output mirror) must be readjusted according to the size of the thermal lens in order to stably oscillate the laser.
  • the tilt of the mirror 5b is adjusted when the repetition frequency is low, the laser oscillation stops or becomes unstable when the repetition frequency is high. Conversely, if the tilt of the mirror 5b is adjusted when the repetition frequency is high, laser oscillation stops or becomes unstable when the repetition frequency is low. For this reason, in order to obtain stable laser oscillation again, it is necessary to readjust the inclination of the mirror 5b.
  • the mirror 5b is adjusted by a specialist at the factory. Therefore, unless the mirror 5b is adjusted at the factory, the repetition frequency range of the QCW-pumped passive Q-switched laser becomes narrow.
  • the present invention provides a passive Q-switched laser capable of widening the repetition frequency range and improving the laser performance without readjusting the tilt of the mirror.
  • a passive Q-switched laser is arranged between a pump source that outputs pump light and a pair of reflecting mirrors that form an optical resonator, and pump light from the pump source.
  • a laser medium that emits laser light by being excited by the laser beam
  • a saturable absorber that is disposed between the pair of reflecting mirrors and has a transmittance that increases with absorption of the laser light from the laser medium, and the laser medium.
  • a quasi-continuous oscillation unit that outputs a repetition frequency signal for oscillation to the excitation source, wherein the quasi-continuous oscillation unit varies a bias voltage in accordance with a repetition frequency of the repetition frequency signal,
  • a bias voltage variable unit for adding to the repetition frequency signal is provided.
  • the bias voltage variable unit varies the bias voltage in accordance with the repetition frequency of the repetition frequency signal and adds the variable bias voltage to the repetition frequency signal.
  • the size will not change. For this reason, even if the repetition frequency is changed, the repetition frequency range can be widened and the laser performance can be improved without readjusting the tilt of the mirror in order to maintain laser oscillation.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a passive Q-switched laser according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a waveform diagram of a repetition frequency signal of QCW excitation in the passive Q-switched laser of Example 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a passive Q-switched laser according to Example 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a waveform diagram of a repetition frequency signal of QCW excitation in the passive Q-switched laser according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional passive Q-switched laser.
  • FIG. 6 is a waveform diagram of a repetition frequency signal of QCW excitation in a conventional passive Q-switched laser.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a passive Q-switched laser according to Example 1 of the present invention.
  • the passive Q switch laser of Example 1 shown in FIG. 1 includes an excitation source 1, lenses 2a and 2b, a mirror 5a, a laser medium 3, a saturable absorber 4, a mirror 5b, and a QCW unit 6.
  • the mirror 5a, the laser medium 3, the saturable absorber 4, and the mirror 5b constitute an optical resonator.
  • the passive Q-switched laser of Example 1 shown in FIG. 1 is characterized in that a QCW unit 6 having a bias voltage variable unit 61 is provided with respect to the conventional passive Q-switched laser shown in FIG.
  • the QCW unit 6 constitutes a quasi-continuous oscillation unit that outputs a repetition frequency signal for oscillating the laser medium 3 to the excitation source 1.
  • the bias voltage variable unit 61 varies the bias voltage (DC voltage) according to the repetition frequency of the repetition frequency signal, and adds the varied bias voltage to the repetition frequency signal.
  • the bias voltage variable unit 61 increases the bias voltage above the predetermined voltage when the repetition frequency is lower than the predetermined repetition frequency, and sets the bias voltage when the repetition frequency is higher than the predetermined repetition frequency.
  • the voltage is made smaller than a predetermined voltage.
  • the value of the bias voltage is set smaller than the laser oscillation threshold, and is set so as not to cause laser oscillation.
  • the laser oscillation threshold is determined by the transmittance of the laser medium 3, the saturable absorber 4, and the transmittance of the reflection mirror 5b.
  • the bias voltage variable unit 61 sets the bias voltage to V0 and adds it to the signal having the predetermined repetition frequency f0. At this time, the thermal lens has a predetermined size.
  • the bias voltage variable unit 61 sets the bias voltage to V1 larger than the predetermined voltage V0 and sets the repetition frequency. Add to the signal of f1. That is, even if the thermal lens is small, by increasing the bias voltage, the thermal lens becomes a predetermined size and does not fluctuate.
  • the bias voltage variable unit 61 sets the bias voltage to V2 smaller than the predetermined voltage V0 and sets the repetition frequency. Add to the signal of f2. That is, even if the thermal lens is large, by reducing the bias voltage, the thermal lens becomes a predetermined size and does not fluctuate.
  • the bias voltage variable unit 61 varies the bias voltage according to the repetition frequency so that the size of the thermal lens does not vary, and adds the varied bias voltage to the repetition frequency signal.
  • the size of the thermal lens is not changed by the variable bias voltage.
  • the tilt of the mirror 5b is not readjusted in order to obtain laser oscillation.
  • the repetition frequency range can be widened, and the laser performance can be improved. Further, since laser oscillation can be performed stably, the laser output becomes constant.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a passive Q-switched laser according to Example 2 of the present invention.
  • the passive Q-switched laser according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3 differs from the passive Q-switched laser according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
  • the bias voltage variable unit 62 stops the bias voltage for a predetermined period of one period in each period of the repetitive frequency signal.
  • FIG. 4 is a waveform diagram of a repetition frequency signal of QCW excitation in the passive Q-switched laser of Example 2 of the present invention.
  • the bias voltage variable unit 62 stops the bias voltage for a predetermined period T0s in one cycle T0, and the remaining period excluding the predetermined period T0s in one cycle T0.
  • the bias voltage is set to V0 and added to a signal having a predetermined repetition frequency f0.
  • the bias voltage variable unit 62 stops the bias voltage for a predetermined period T1s within one cycle T1, and within one cycle T1. For the remaining period excluding the predetermined period T1s, the bias voltage is set to V1 larger than the predetermined voltage V0 and added to the signal of the repetition frequency f1.
  • the bias voltage variable unit 62 stops the bias voltage for a predetermined period T2s within one period T2, and within one period T2. For the remaining period excluding the predetermined period T2s, the bias voltage is set to V2 smaller than the predetermined voltage V0 and is added to the signal of the repetition frequency f2.
  • Example 2 the same effect as that of Example 1 can be obtained, and power can be reduced.
  • the present invention is applicable to passive Q-switched lasers such as spectroscopic devices, laser processing devices, medical devices, and laser illumination devices.

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Abstract

　受動Ｑスイッチレーザは、励起光を出力する励起源１と、光共振器を構成する一対の反射ミラー５ａ，５ｂ間に配置され且つ前記励起源からの励起光により励起させてレーザ光を放出するレーザ媒質３と、前記一対の反射ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体４と、前記レーザ媒質を発振させるための繰り返し周波数信号を前記励起源に出力する準連続発振部６を備え、前記準連続発振部は、前記繰り返し周波数信号の繰り返し周波数に応じてバイアス電圧を可変させ、可変されたバイアス電圧を前記繰り返し周波数信号に加算させるバイアス電圧可変部６１を備える。

Description

受動Ｑスイッチレーザ
　本発明は、レーザ加工装置、レーザ照明装置などに用いられる受動Ｑスイッチレーザに関する。
　図５は、従来の受動Ｑスイッチレーザの構成を示す図である（特許文献１，２）。図５に示す従来の受動Ｑスイッチレーザは、励起源１、レンズ２ａ，２ｂ、ミラー５ａ、レーザ媒質３、可飽和吸収体４、ミラー５ｂを備えている。ミラー５ａ、レーザ媒質３、可飽和吸収体４、ミラー５ｂは、光共振器を構成する。
　励起源１は、励起用のレーザダイオードを有し、レーザダイオードで励起された波長が約８０８ｎｍの励起光をレンズ２ａに出力する。レンズ２ａ，２ｂは、励起源１からの励起光を集光してレーザ媒質３に出力する。
　レーザ媒質３は、ミラー５ａとミラー５ｂとの間に配置され、Ｎｄ；ＹＡＧ結晶を有し、Ｎｄ；ＹＡＧ結晶は波長が約８０８ｎｍの光で励起され、上準位から下準位への遷移の際に波長約１０６４ｎｍのレーザ光を放出する。
　レーザ媒質３の一端には、ミラー５ａが取り付けられ、ミラー５ａは、波長約８０８ｎｍの光を透過するとともに、波長約１０６４ｎｍの光を高反射率で反射する。ミラー５ｂは、波長約１０６４ｎｍの光の一部を透過するとともに、残りを反射させる。
　可飽和吸収体４は、ミラー５ａとミラー５ｂとの間に配置され、レーザ媒質３からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する。可飽和吸収体４は、励起準位の電子密度が飽和すると、透明化し、光共振器のＱ値が急激に高まりレーザ発振が発生してパルス光が発生する。
　この場合、レーザ媒質３に発生する発熱を抑制するために、レーザをＱＣＷ(Quasi-Continuous-Wave、準連続発振)で励起している。励起パワーは、図６に示すように、０～励起用ダイオードの最大、また決められた、パワーＶまで変化する。このとき、出力レーザの繰り返し周波数は励起繰り返し周波数と同じになる。
　また、受動Ｑスイッチレーザのレーザ媒質３に発生する発熱により熱レンズが発生する。
特開２００３－８６８７３号公報 特開２００６－７３９６２号公報
　しかしながら、熱レンズは、ＱＣＷ励起の繰り返し周波数に依存する。繰り返し周波数が低い場合には、熱レンズが小さく、繰り返し周波数が高くなると、これに比例して熱レンズも大きくなる。
　即ち、繰り返し周波数により熱レンズが大きく変わるので、安定にレーザ発振させるためには、熱レンズの大きさに応じて、ミラー５ｂ（出力ミラー）の傾き（傾き角度）を再調整しなければならない。
　しかし、繰り返し周波数が低いときに、ミラー５ｂの傾きを調整した場合には、繰り返し周波数が高いときにはレーザ発振が停止するまたは不安定になる。逆に、繰り返し周波数が高いときに、ミラー５ｂの傾きを調整した場合には、繰り返し周波数が低いときにはレーザ発振が停止するまたは不安定になる。このため、再度、安定したレーザ発振を得るためには、ミラー５ｂの傾きの再調整が必要となる。
　また、ミラー５ｂは、工場において専門者によって調整される。従って、工場においてミラー５ｂの調整を行わない限り、ＱＣＷ励起の受動Ｑスイッチレーザの繰り返し周波数範囲は狭くなる。
　本発明は、ミラーの傾きを再調整することなく、繰り返し周波数範囲を広くでき、レーザの性能を向上することができる受動Ｑスイッチレーザを提供する。
　上記の課題を解決するために、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザは、励起光を出力する励起源と、光共振器を構成する一対の反射ミラー間に配置され且つ前記励起源からの励起光により励起させてレーザ光を放出するレーザ媒質と、前記一対の反射ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体と、前記レーザ媒質を発振させるための繰り返し周波数信号を前記励起源に出力する準連続発振部を備え、前記準連続発振部は、前記繰り返し周波数信号の繰り返し周波数に応じてバイアス電圧を可変させ、可変されたバイアス電圧を前記繰り返し周波数信号に加算させるバイアス電圧可変部を備える。
　本発明によれば、バイアス電圧可変部は、繰り返し周波数信号の繰り返し周波数に応じてバイアス電圧を可変させ、可変されたバイアス電圧を繰り返し周波数信号に加算させるので、可変されたバイアス電圧により熱レンズの大きさが変動しなくなる。このため、繰り返し周波数を変えても、レーザ発振を持続するためにミラーの傾きを再調整することなく、繰り返し周波数範囲を広くでき、レーザの性能を向上することができる。
図１は本発明の実施例１の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。 図２は本発明の実施例１の受動ＱスイッチレーザにおけるＱＣＷ励起の繰り返し周波数信号の波形図である。 図３は本発明の実施例２の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。 図４は本発明の実施例２の受動ＱスイッチレーザにおけるＱＣＷ励起の繰り返し周波数信号の波形図である。 図５は従来の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。 図６は従来の受動ＱスイッチレーザにおけるＱＣＷ励起の繰り返し周波数信号の波形図である。
　以下、本発明の実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザを図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施例１の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。図１に示す実施例１の受動Ｑスイッチレーザは、励起源１、レンズ２ａ，２ｂ、ミラー５ａ、レーザ媒質３、可飽和吸収体４、ミラー５ｂ、ＱＣＷ部６を備えている。ミラー５ａ、レーザ媒質３、可飽和吸収体４、ミラー５ｂは、光共振器を構成する。
　即ち、図１に示す実施例１の受動Ｑスイッチレーザは、図５に示す従来の受動Ｑスイッチレーザに対して、バイアス電圧可変部６１を有するＱＣＷ部６を設けたことを特徴とする。
　ＱＣＷ部６は、レーザ媒質３を発振させるための繰り返し周波数信号を励起源１に出力する準連続発振部を構成する。バイアス電圧可変部６１は、繰り返し周波数信号の繰り返し周波数に応じてバイアス電圧（直流電圧）を可変させ、可変されたバイアス電圧を繰り返し周波数信号に加算させる。
　より具体的には、バイアス電圧可変部６１は、繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数よりも小さいときはバイアス電圧を所定電圧よりも大きくし、繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数よりも大きいときはバイアス電圧を所定電圧よりも小さくする。
　なお、バイアス電圧の値は、レーザの発振閾値よりも小さく設定され、レーザ発振させないように設定される。レーザの発振閾値は、レーザ媒質３、可飽和吸収体４の透過率、反射ミラー５ｂの透過率によって決定される。
　次に、このように構成された実施例１の受動ＱスイッチレーザにおけるＱＣＷ励起の動作を図２を参照しながら説明する。
　まず、バイアス電圧可変部６１は、繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数ｆ０のときには、バイアス電圧をＶ０に設定して所定の繰り返し周波数ｆ０の信号に加算する。このとき、熱レンズは所定の大きさとなる。
　次に、バイアス電圧可変部６１は、繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数ｆ０よりも小さいｆ１であるときは、熱レンズは小さくなるので、バイアス電圧を所定電圧Ｖ０よりも大きいＶ１に設定して繰り返し周波数ｆ１の信号に加算する。即ち、熱レンズが小さくても、バイアス電圧を大きくすることで、熱レンズが所定の大きさとなり、変動しなくなる。
　次に、バイアス電圧可変部６１は、繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数ｆ０よりも大きいｆ２であるときは、熱レンズは大きくなるので、バイアス電圧を所定電圧Ｖ０よりも小さいＶ２に設定して繰り返し周波数ｆ２の信号に加算する。即ち、熱レンズが大きくても、バイアス電圧を小さくすることで、熱レンズが所定の大きさとなり、変動しなくなる。
　このように、バイアス電圧可変部６１は、熱レンズの大きさが変動しないように、繰り返し周波数の大きさに応じて、バイアス電圧を可変させ、可変されたバイアス電圧を繰り返し周波数信号に加算させるので、可変されたバイアス電圧により熱レンズの大きさが変動しなくなる。
　従って、繰り返し周波数を変えても、レーザ発振を得るために、ミラー５ｂの傾きを再調整することがなくなる。また、繰り返し周波数範囲を広くでき、レーザの性能を向上することができる。また、レーザ発振を安定して行えるので、レーザ出力が一定になる。
　図３は本発明の実施例２の受動Ｑスイッチレーザの構成図である。図３に示す本発明の実施例２の受動Ｑスイッチレーザは、図１に示す本発明の実施例１の受動Ｑスイッチレーザに対して、バイアス電圧可変部６２が異なる。
　バイアス電圧可変部６２は、繰り返し周波数信号の各周期において１周期の内の所定の期間、バイアス電圧を停止させる。
　図４は本発明の実施例２の受動ＱスイッチレーザにおけるＱＣＷ励起の繰り返し周波数信号の波形図である。
　バイアス電圧可変部６２は、繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数ｆ０のときには、１周期Ｔ０の内の所定の期間Ｔ０ｓ、バイアス電圧を停止させ、１周期Ｔ０の内の所定の期間Ｔ０ｓを除く残りの期間、バイアス電圧をＶ０に設定して所定の繰り返し周波数ｆ０の信号に加算する。
　次に、バイアス電圧可変部６２は、繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数ｆ０よりも小さいｆ１であるときは、１周期Ｔ１の内の所定の期間Ｔ１ｓ、バイアス電圧を停止させ、１周期Ｔ１の内の所定の期間Ｔ１ｓを除く残りの期間、バイアス電圧を所定電圧Ｖ０よりも大きいＶ１に設定して繰り返し周波数ｆ１の信号に加算する。
　次に、バイアス電圧可変部６２は、繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数ｆ０よりも大きいｆ２であるときは、１周期Ｔ２の内の所定の期間Ｔ２ｓ、バイアス電圧を停止させ、１周期Ｔ２の内の所定の期間Ｔ２ｓを除く残りの期間、バイアス電圧を所定電圧Ｖ０よりも小さいＶ２に設定して繰り返し周波数ｆ２の信号に加算する。
　このように、実施例２においても実施例１の効果と同様な効果が得られるとともに、電力が少なくて済む。
　本発明は、分光学装置、レーザ加工装置、医療装置、レーザ照明装置等の受動Ｑスイッチレーザに適用可能である。

Claims (5)

  1. 　励起光を出力する励起源と、
    　光共振器を構成する一対の反射ミラー間に配置され且つ前記励起源からの励起光により励起させてレーザ光を放出するレーザ媒質と、
    　前記一対の反射ミラー間に配置され且つ前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体と、
    　前記レーザ媒質を発振させるための繰り返し周波数信号を前記励起源に出力する準連続発振部を備え、
    　前記準連続発振部は、前記繰り返し周波数信号の繰り返し周波数に応じてバイアス電圧を可変させ、可変されたバイアス電圧を前記繰り返し周波数信号に加算させるバイアス電圧可変部を備える受動Ｑスイッチレーザ。
  2. 　前記バイアス電圧可変部は、前記繰り返し周波数が所定の繰り返し周波数よりも小さいときは前記バイアス電圧を所定電圧よりも大きくし、前記繰り返し周波数が前記所定の繰り返し周波数よりも大きいときは前記バイアス電圧を前記所定電圧よりも小さくする請求項１記載の受動Ｑスイッチレーザ。
  3. 　前記バイアス電圧可変部は、前記繰り返し周波数信号の各周期において１周期の内の所定の期間、前記バイアス電圧を停止させる請求項１又は請求項２記載の受動Ｑスイッチレーザ。
  4. 　前記レーザ媒質は、希土類ドープＹＡＧからなる請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の受動Ｑスイッチレーザ。
  5. 　前記可飽和吸収体は、Ｃｒ：ＹＡＧからなる請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の受動Ｑスイッチレーザ。
     
     
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