JP2014215419A - 音響光学素子駆動装置及び固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動装置と音響光学素子のトランスジューサー部分とのインピーダンスを整合でき小型で且つ低消費電力を図ることができる音響光学素子駆動装置及び固体レーザ装置。【解決手段】レーザ光を発生する半導体レーザ１ａと、高周波信号を発生する高周波発生源５と、高周波発生源５からの高周波信号に基づき半導体レーザ１ａからのレーザ光を回折させる音響光学素子２と、音響光学素子２から出力される回折光を検出するフォトダイオード３ａと、フォトダイオード３ａで検出された回折光の出力値の変化に応じて高周波発生源５の高周波信号の周波数を変化させる周波数制御回路４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、高周波発生装置やレーザ駆動装置に適用される音響光学素子駆動装置及び固体レーザ装置に関する。

レーザ装置では、共振器内にＱスイッチを配置するが、このＱスイッチの一つとして、音響光学素子（ＡＯＭともいう。）が用いられている（特許文献１）。音響光学素子を用いたレーザ装置では、音響光学素子に高周波信号を印加して共振器のロスを高くすることにより共振器のゲインを高くし、音響光学素子をオフして共振器のロスを急激に低くして、レーザ媒質に蓄えられたエネルギーを短時間でレーザ出力として取り出している。

この場合、音響光学素子の結晶に高周波信号を印加すると、音響光学素子の入力側に設けられたトランスジューサーが結晶内に粗密波の回折波を生成・伝搬させる。高周波信号の高周波電力Ｐと音響光学素子の結晶の回折光パワーＩとの関係は、式（１）のように表され、両者は比例関係にある。

Ｉ∝π^２ＭＬＰ／（λＨ）‥（１）
なお、Ｍは材質の性能指数、Ｌはトランスジューサー長さ、Ｈはトランスジューサー高さ、λは入射光波長である。

高周波信号を伝送する場合に、信号源と負荷とでインピーダンスを整合させる必要がある。信号源の出力インピーダンスをＺ０、負荷のインピーダンスをＺ１とし、電圧Ｖの信号を印加した場合には、回路での消費電力は式（２）により表される。

Ｐ＝ＶＺ１／（Ｚ０＋Ｚ１）‥（２）
この式（２）からＺ０＝Ｚ１となる時に負荷抵抗での消費電力が最大となり、高周波信号が効率良く伝送される。式（１）、式（２）の関係から、音響光学素子を駆動させる高周波発生源と、負荷である音響光学素子トランスジューサー部とが、インピーダンス整合している時に、最も回折効率が高くなる。

インピーダンスは、式（３）で示されるように回路の抵抗Ｒ、コイルＬ、コンデンサＣ成分と信号の周波数により決定される。市販の音響光学素子のトランスジューサー部分は、仕様中心周波数に対して一定のインピーダンス値に整合するように調整されている。

Ｚ＝｛Ｒ^２＋（ωＬ−１／（ωＣ））^２ ｝^１／２ ‥（３）
また、音響光学素子のトランスジューサー部分は、駆動回路系とインピーダンスが整合するように調整されている。

なお、従来のこの種の技術として、レーザ光を入射して回折光を出力する音響光学素子が知られている（特許文献２）。

特表２００８−５０２０１０号公報 実開昭６２−９２２９号のマイクロフィルム

しかしながら、実際には、インピーダンスには僅かな個体差があるため、駆動装置から音響光学素子に供給される電力はインピーダンス不整合により、本来の電力値よりも低下してしまう。このため、より大きい電力を供給できる駆動装置を設計しなければならなかった。その結果、駆動装置が大型化したり、消費電力が大きくなる。

本発明の課題は、駆動装置と音響光学素子のトランスジューサー部分とのインピーダンスを整合させることができ、小型で且つ低消費電力を図ることができる音響光学素子駆動装置及び固体レーザ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る音響光学素子駆動装置は、レーザ光を発生する半導体レーザと、高周波信号を発生する高周波発生源と、前記高周波発生源からの高周波信号に基づき前記半導体レーザからのレーザ光を回折させる音響光学素子と、前記音響光学素子から出力される回折光を検出する検出部と、前記検出部で検出された回折光の出力値の変化に応じて前記高周波発生源の高周波信号の周波数を変化させる制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明に係る音響光学素子駆動装置によれば、検出部が音響光学素子から出力される回折光を検出すると、制御回路は、検出部で検出された回折光の出力値の変化に応じて高周波発生源の高周波信号の周波数を変化させるので、駆動装置と音響光学素子のトランスジューサー部分とのインピーダンスを整合させることができ、小型で且つ低消費電力を図ることができる音響光学素子駆動装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る音響光学素子駆動装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る音響光学素子駆動装置の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の実施例２に係る音響光学素子駆動装置を含む固定レーザ装置の構成を示す図である。

以下、本発明の音響光学素子駆動装置及び固体レーザ装置の実施の形態について、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に係る音響光学素子駆動装置の構成を示す図である。この音響光学素子駆動装置は、図１に示すように、半導体レーザ１ａを有する光源１、音響光学素子２、フォトダイオード３ａを有する出力検出回路３、周波数制御回路４、高周波発生源５とを備えている。

光源１は、レーザダイオードである半導体レーザ１ａと、そのレーザダイオードで発生されたレーザ光を集束するレンズ（図示は省略）によって構成され、レーザを出力する。

高周波発生源５は、高周波信号を発生する。高周波発生源５としては、ダイレクトディジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）回路やフェーズロックループ（ＰＬＬ）シンセサイザ回路などの周波数変調が可能な高周波回路が用いられる。

音響光学素子２は、高周波発生源５から送られてくる高周波信号に基づき半導体レーザ１ａからのレーザ光を回折又は伝搬させる。出力検出回路３内の受光素子としてのフォトダイオード３ａ（本発明の検出部に対応）は、音響光学素子２から出力される１次以上の回折光（例えば１次回折光、２次回折光）の方向に配置され、音響光学素子２から出力される１次以上の回折光の出力の変化を検出する。

周波数制御回路（本発明の制御回路に対応）４は、フォトダイオード３ａで検出された回折光の出力値の変化に応じて高周波発生源５の高周波信号の周波数を変化させる。具体的には、周波数制御回路４は、フォトダイオード３ａで検出された回折光の出力値が最大となるように高周波発生源５の高周波信号の周波数を変化させる。

次にこのように構成された実施例１の音響光学素子駆動装置の動作を図２のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。

まず、半導体レーザ１ａで発生されたレーザ光は、音響光学素子２に出力される（ステップＳ１１）。高周波発生源５から高周波信号が音響光学素子２に印加され（ステップＳ１２）、半導体レーザ１ａからのレーザ光は、高周波発生源５から送られてくる高周波信号に基づき音響光学素子２により回折される。次に、音響光学素子２から出力される１次以上の回折光がフォトダイオード３ａにより検出される（ステップＳ１３）。

ここで、駆動回路と音響光学素子２のトランスジューサー部分とのインピーダンスが不整合である場合には、インピーダンスが整合している場合に比較して供給される高周波信号の高周波電力が小さくなる。また、式（１）により高周波電力と１次以上の回折光出力とは比例する関係にあるため、高周波電力の低下は、フォトダイオード３ａで検出される回折光の出力値の低下として現れる。

次に、周波数制御回路４は、フォトダイオード３ａで検出された回折光の出力値の変化に応じて高周波発生源５の高周波信号の周波数を可変させる（ステップＳ１４）。

即ち、高周波信号の周波数ｆを可変させることで、式（３）に示されるω＝２πｆの部分を変化させ、音響光学素子２のトランスジューサー部分のインピーダンスＺを変化させる。

また、高周波信号の周波数を可変させると、式（４）に従って、音響光学素子２からの回折光の回折方向θが変化する。ｆは高周波周波数、νは音響波速度、λは入射光波長である。

θ＝λｆ／ν ‥（４）
従って、使用される光源１のビーム径／波長、周波数可変帯域を考慮して、回折光を受けるために十分な面積を有するフォトダイオードアレイ（ＰＤアレイ）を受光素子として用いる。フォトダイオードアレイ（ＰＤアレイ）は、複数のフォトダイオードアレイが２次元状に配列されて構成される。

次に、周波数制御回路４は、高周波信号の周波数を可変させることにより、フォトダイオード３ａで検出された回折光の出力値が最大となったかどうかを判定する（ステップＳ１５のＹＥＳ）。回折光の出力値が最大となっていない場合には（ステップＳ１５のＮＯ）、周波数制御回路４は、回折光の出力値が最大となるまで、高周波発生源５の高周波信号の周波数を可変させる。

即ち、高周波信号の周波数を可変させることにより、音響光学素子２のトランスジューサー部分のインピーダンスＺが変化し、このインピーダンスＺが駆動装置のインピーダンスと等しくなると、インピーダンスが整合して回折光の出力値が最大となる。

そして、高周波発生源５は、回折光の出力値が最大となったときの周波数を持つ高周波信号を音響光学素子２に出力する（ステップＳ１６）。これにより、駆動回路と音響光学素子２のトランシスジューサー部分とのインピーダンスは整合し、所望の電力を音響光学素子２に供給することができる。

このように実施例１の音響光学素子駆動装置によれば、フォトダイオード３ａが音響光学素子２から出力される回折光を検出すると、周波数制御回路４は、フォトダイオード３ａで検出された回折光の出力値が最大となるように高周波発生源５の高周波信号の周波数を制御するので、駆動装置と音響光学素子２のトランスジューサー部分とのインピーダンスを整合させることができ、小型で且つ低消費電力を図ることができる音響光学素子駆動装置を提供することができる。

図３は、本発明の実施例２に係る音響光学素子駆動装置を含む固定レーザ装置の構成を示す図である。図３に示す固定レーザ装置は、図１に示す音響光学素子駆動装置に対して、さらに、レーザ媒質６、ミラー７が追加されて構成されている。

レーザ媒質６は、レーザ発振の元となる物質であり、例えば、ＹＡＧレーザと呼ばれる固体レーザにおいては、イットリウム、アルミニウムおよびガーネット（Yttrium Aluminum Garnet）などといった物質が用いられる。このレーザ媒質６は、半導体レーザ１ａから励起光が照射されることにより誘導放出光を発生する。このレーザ媒質６で発生された誘導放出光は、音響光学素子２に送られる。ミラー７は、音響光学素子２からの回折光を反射又は透過させる。なお、レーザ媒質６、音響光学素子２、ミラー７は、共振器を構成する。

このように構成された固体レーザ装置においても、実施例１の音響光学素子駆動装置の効果と同様な効果が得られる。

本発明は、Ｑスイッチレーザ装置、波長可変レーザ装置に利用できる。

１ 光源
１ａ 半導体レーザ
２ 音響光学素子
３ 出力検出回路
３ａ フォトダイオード
４ 周波数制御回路
５ 高周波発生源
６ レーザ媒質
７ ミラー

Claims (3)

1. レーザ光を発生する半導体レーザと、
   高周波信号を発生する高周波発生源と、
   前記高周波発生源からの高周波信号に基づき前記半導体レーザからのレーザ光を回折させる音響光学素子と、
   前記音響光学素子から出力される回折光を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された回折光の出力値の変化に応じて前記高周波発生源の高周波信号の周波数を変化させる制御回路と、
   を備えることを特徴とする音響光学素子駆動装置。
2. 前記制御回路は、前記検出部で検出された回折光の出力値が最大となるように前記高周波発生源の高周波信号の周波数を変化させることを特徴とする請求項１記載の音響光学素子駆動装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の音響光学素子駆動装置と、
   前記半導体レーザからのレーザ光により励起されるレーザ媒質と、
   前記音響光学素子からの回折光を反射又は透過させるミラーと、
   を備えることを特徴とする固定レーザ装置。
   

Images