JP6273716B2

JP6273716B2 - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP6273716B2
Application number: JP2013164966A
Authority: JP
Inventors: 直也石垣; 東條　公資; 公資東條; 次郎齊川; 進吾宇野; 廣木　知之; 知之廣木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: JP2015035469A

Description

本発明は、固体レーザ装置に関し、特に、第３高調波を出力する固体レーザ装置に関する。

従来より、第３高調波のパルス出力のピーク強度を安定化できる固体レーザ装置が知られている（特許文献１）。この特許文献１に記載され且つ第３高調波を出力する固体レーザ装置は、基本波を第２高調波に変換するための第２高調波発生用結晶（以下、ＳＨＧ素子と称する）と、基本波と第２高調波の和周波により第３高調波を出力する第３高調波発生用結晶（以下、ＴＨＧ素子と称する）とを備えている。

各波長変換素子としてのＳＨＧ素子及びＴＨＧ素子の温度をスイープさせ、一定のエネルギーを保つ状態で、半導体レーザの駆動電流が最小となるように各波長変換素子の温度を設定している。波長変換素子の温度は、第３高調波の出力が最大、即ち光学素子の変換効率が最大になるように予め設定されている。

また、特許文献２には、レーザ共振器外において、出力ミラーから漏れてくる基本波の縦モードをモニターしながらその信号をフィードバックして、出力ミラーの位置を圧電素子等により制御することで、共振器長の調整を行い、エタロンの透過ピークとレーザ発振波長を同調していた。

特開２０１０−２５１４４８号公報特開２００３−１６３４００号公報

しかしながら、特許文献１では、環境温度や経時変化などにより第３高調波の出力が最大となる波長変換素子の最適温度が変化する可能性がある。このため、波長変換素子の温度をスイープさせて、波長変換素子に対する最適温度を割り出すための温度チューニングを行う。しかし、ＳＨＧ素子やＴＨＧ素子の変換効率が低下している場合には、共振器内で波長が基本波から高調波に変換されず、残存する基本波のパワーが増加する。このため、共振器を構成している光学素子のコーティング損傷が生じてしまう。

また、特許文献２の技術を用いても、共振器を構成している光学素子のコーティング損傷が生じるという課題を解決することができなかった。

本発明の課題は、共振器内の光学素子の損傷を防止することができる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、本発明に係る固体レーザ装置は、レーザ光を発生する半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されるレーザ光により励起される固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む共振器内に配置され、前記共振器内で発生する基本波の第３高調波を出力するための第２高調波発生用結晶および第３高調波発生用結晶と、前記第２高調波発生用結晶および前記第３高調波発生用結晶の各々の温度を制御する温度調整機構と、共振器外に配置され、前記共振器外に出力される基本波を検出する光検出器とを備え、前記温度調整機構は、前記光検出器で検出された基本波の出力値が所定値以下となるように前記第２高調波発生用結晶の温度を調整することにより、第２高調波発生用結晶の共振器内でのパワーを上昇させて、パワーを所定の温度範囲で平坦特性にし、前記基本波の出力値が前記所定値以下となるように第３高調波発生用結晶の温度を調整することにより、第３高調波発生用結晶の共振器内でのパワーを上昇させて、パワーを所定の温度で単峰特性にすることを特徴とする。

また、前記光検出器で検出された基本波の出力値が一定値を超えないように、前記半導体レーザを駆動する駆動電流の電流値を制御することを特徴とする。

本発明に係る固体レーザ装置によれば、温度調整機構は、光検出器で検出された基本波の出力値が所定値以下となるように第２高調波発生用結晶の温度を調整することにより、第２高調波発生用結晶の共振器内でのパワーを上昇させて、パワーを所定の温度範囲で平坦特性にし、基本波の出力値が所定値以下となるように第３高調波発生用結晶の温度を調整することにより、第３高調波発生用結晶の共振器内でのパワーを上昇させて、パワーを所定の温度で単峰特性にするので、共振器内で波長が基本波から高調波に変換され、残存する基本波のパワーが減少して、共振器内の光学素子の損傷を防止することができる。

本発明の実施例１に係る固体レーザ装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る固体レーザ装置内のＳＨＧ素子の共振器内での温度パワー特性及び温度チューニングを示す図である。本発明の実施例１に係る固体レーザ装置内のＴＨＧ素子の共振器内での温度パワー特性及び温度チューニングを示す図である。本発明の実施例２に係る固体レーザ装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の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に係る固体レーザ装置の構成を示すブロック図である。この固体レーザ装置は、半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、入射ミラー３、ＳＨＧ素子４、ペルチェ素子４ａ、ＴＨＧ素子５、ペルチェ素子５ａ、ビームスプリッタ６、光検出器７、読出回路８、温度調整機構１０を有するＣＰＵ（中央処理装置）９、出射ミラー１１を備えている。

なお、固体レーザ媒質２、２つのミラー３，１１、ＳＨＧ素子４、ＴＨＧ素子５から構成される部分を共振器２０と呼ぶ。

半導体レーザ１は、例えばレーザダイオードによって構成されており、レーザ光を発生する。半導体レーザ１で発生されたレーザ光は、入射ミラー３を透過して固体レーザ媒質２に照射される。

固体レーザ媒質２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。この固体レーザ媒質２は、半導体レーザ１からレーザ光が照射されることにより励起されて誘導放出光を発生する。この固体レーザ媒質２で発生された誘導放出光は、ＳＨＧ素子４に送られる。

ＳＨＧ素子４は、第２高調波発生用結晶からなるＬＢＯ（type1）であり、固体レーザ媒質２からの基本波から第２高調波を発生する。ＴＨＧ素子５は、第３高調波発生用結晶からなるＬＢＯ（type2）であり、基本波およびＳＨＧ素子４で発生した第２高調波から第３高調波を発生し、出射ミラー１１を通してビームスプリッタ６に導く。

出射ミラー１１には、基本波と第２高調波とを反射し且つ第３高調波を透過するコーティングが施されている。このコーティングの基本波反射率は、９９．９％であり、約０．１％の基本波は共振器外に透過するように設計されている。

ビームスプリッタ６は、共振器外に配置され、出射ミラー１１からの第３高調波を透過してパルスレーザとして出力し、出射ミラー１１からの基本波を反射して光検出器７に導く。

光検出器７は、フォトダイオードなどからなり、ビームスプリッタ６からの基本波のパワーを検出する。読出回路８は、光検出器７で検出された基本波のパワーを読み出して、基本波のパワーを温度調整機構１０に出力する。

温度調整機構１０は、ペルチェ素子４ａ，５ａによりＳＨＧ素子４及びＴＨＧ素子５の各々の温度を制御する。また、温度調整機構１０は、読出回路８からの基本波のパワーに基づき基本波のパワーが所定値以下となるようにＳＨＧ素子４の温度チューニング（温度調整）を行う。

また、温度調整機構１０は、ＳＨＧ素子４の温度チューニングを行った後に、光検出器７で検出された基本波の出力値が所定値以下となるようにＴＨＧ素子５の温度チューニングを行う。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る固体レーザ装置の動作を説明する。

まず、波長変換素子の温度は、第３高調波の出力が最大になるように予め設定されているが、環境温度や経時変化などにより波長変換素子の最適温度が変化する。このとき、ＳＨＧ素子４やＴＨＧ素子５の変換効率が低下し、共振器内で波長が基本波から高調波に変換されず、残存する基本波のパワーが増加する。

共振器外に配置した光検出器７は、増加された基本波のパワーを検出し、読出回路８は、光検出器７で検出された基本波のパワーを読み出して、基本波のパワーを温度調整機構１０に出力する。

温度調整機構１０は、読出回路８からの基本波のパワーに基づき基本波のパワーが所定値以下となるようにＳＨＧ素子４の温度チューニングを行う。ＳＨＧ素子４の共振器内での温度パワー特性は、図２に示すように、例えば３５℃から４５℃までの温度範囲が平坦特性であるが、この温度範囲外の温度では急激にパワーが低下している。

経時変化によりＳＨＧ素子４の温度パワー特性が変化した場合、例えば、温度パワー特性が矢印の方向（右方向）にシフトした場合には、同じ温度例えば３５℃では、パワーが低下する。このため、高調波に変換されなかった残存する基本波が共振器外に出ることから、読出回路８からの基本波のパワーを所定値以下となるようにＳＨＧ素子４の温度を上昇させる温度チューニングを行う。

この温度チューニングにより、例えば、４０℃でのＳＨＧ素子４の共振器内でのパワーが上昇し、例えば、４０℃〜５０℃の温度範囲を平坦特性にすることができる。従って、共振器内で波長が基本波から高調波に変換され、残存する基本波のパワーが減少して、共振器内の光学素子の損傷を防止することができる。

また、読出回路８からの基本波のパワーがさらに増加した場合には、温度調整機構１０は、読出回路８からの基本波のパワーに基づき基本波のパワーが所定値以下となるようにＴＨＧ素子５の温度チューニングを行う。

ＴＨＧ素子５の温度パワー特性は、図３に示すように、例えば、４０℃を中心とする単峰特性であり、４０℃から離れると急激にパワーが低下している。

経時変化によりＴＨＧ素子５の温度パワー特性が変化した場合、例えば、温度パワー特性が矢印の方向（左方向）にシフトした場合には、同じ温度例えば４０℃では、パワーが低下する。このため、高調波に変換されなかった残存する基本波が共振器外に出ることから、読出回路８からの基本波のパワーを所定値以下となるようにＴＨＧ素子５の温度を上昇させる温度チューニングを行う。

この温度チューニングにより、例えば、３５℃でのＴＨＧ素子５の共振器内でのパワーが上昇し、例えば、３５℃で単峰特性とすることができる。従って、共振器内で波長が基本波から高調波に変換され、残存する基本波のパワーが減少して、共振器内の光学素子の損傷を防止することができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の実施例２に係る固体レーザ装置の構成を示すブロック図である。図４に示す実施例２に係る固体レーザ装置は、図１に示す実施例１に係る固体レーザ装置に対して、さらに、光検出器７で検出された基本波の出力値に基づき半導体レーザ１の駆動電流を制御するＬＤ駆動回路１２を設けたことを特徴とする。

このように構成された実施例２の固体レーザ装置によれば、ＳＨＧ素子４による温度チューニングを行っても、光検出器７で検出された基本波の出力値がさらに増加した場合には、ＬＤ駆動回路１２は、読出回路８からの基本波のパワーが一定値を超えないように半導体レーザ１の駆動電流を減少させる。

そして、ＳＨＧ素子４による温度チューニングとＴＨＧ素子５による温度チューニングとを行う。ＳＨＧ素子４の温度とＴＨＧ素子５の温度とが最適温度になった後に、半導体レーザ１の駆動電流を元の電流値に戻し、温度チューニングを完了する。

即ち、読出回路８からの基本波のパワーが一定値を超えないように駆動電流の値を制御しながら、ＳＨＧ素子４とＴＨＧ素子５との温度チューニングを行うので、共振器内の光学素子の損傷を防止することができる。

なお、本発明は前述した実施例１及び実施例２の固体レーザ装置に限定されるものではない。

本発明は、固体パルスレーザ装置に利用できる。

１半導体レーザ
２固体レーザ媒質
３入射ミラー
４ＳＨＧ素子
４ａ，５ａペルチェ素子
５ＴＨＧ素子
６ビームスプリッタ
７光検出器
８読出回路
９ＣＰＵ
１０温度調整機構
１１出射ミラー
１２ＬＤ駆動回路
２０共振器
１００固体レーザ装置

Claims

レーザ光を発生する半導体レーザと、
前記半導体レーザから出力されるレーザ光により励起される固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質を含む共振器内に配置され、前記共振器内で発生する基本波の第３高調波を出力するための第２高調波発生用結晶および第３高調波発生用結晶と、
前記第２高調波発生用結晶および前記第３高調波発生用結晶の各々の温度を制御する温度調整機構と、
共振器外に配置され、前記共振器外に出力される基本波を検出する光検出器とを備え、
前記温度調整機構は、前記光検出器で検出された基本波の出力値が所定値以下となるように前記第２高調波発生用結晶の温度を調整することにより、第２高調波発生用結晶の共振器内での第２高調波の出力値を上昇させて、第２高調波の出力値を所定の温度範囲で平坦特性にし、
前記基本波の出力値が前記所定値以下となるように第３高調波発生用結晶の温度を調整することにより、第３高調波発生用結晶の共振器内での第３高調波の出力値を上昇させて、第３高調波の出力値を所定の温度で単峰特性にすることを特徴とする固体レーザ装置。
前記光検出器で検出された基本波の出力値が一定値を超えないように、前記半導体レーザを駆動する駆動電流の電流値を制御することを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。