JP7496544B2 - Laser Oscillator - Google Patents

Laser Oscillator Download PDF

Info

Publication number
JP7496544B2
JP7496544B2 JP2020082632A JP2020082632A JP7496544B2 JP 7496544 B2 JP7496544 B2 JP 7496544B2 JP 2020082632 A JP2020082632 A JP 2020082632A JP 2020082632 A JP2020082632 A JP 2020082632A JP 7496544 B2 JP7496544 B2 JP 7496544B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
laser diode
acousto
optical element
wavelength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020082632A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021177529A (en
Inventor
出 中井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2020082632A priority Critical patent/JP7496544B2/en
Priority to CN202110403223.2A priority patent/CN113629487A/en
Publication of JP2021177529A publication Critical patent/JP2021177529A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7496544B2 publication Critical patent/JP7496544B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0657—Mode locking, i.e. generation of pulses at a frequency corresponding to a roundtrip in the cavity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

本開示は、レーザ発振器に関するものである。 This disclosure relates to a laser oscillator.

レーザ発振器の一例として、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）発振器がある。例えば、特許文献１には、ＤＤＬ発振器として、外部共振によって発振させている発振器が開示されている。図７に、特許文献１に記載された従来のＤＤＬ発振器を示す。 One example of a laser oscillator is a direct diode laser (DDL) oscillator. For example, Patent Document 1 discloses a DDL oscillator that oscillates by external resonance. Figure 7 shows a conventional DDL oscillator described in Patent Document 1.

図７において、キャビティ２００ａは波長の異なるレーザ入力モジュール２５２から出射される複数のレーザ光が回折格子２１４を通して同軸となるように配置された波長ビーム結合方式のダイレクトダイオードレーザ発振器である。レーザ入力モジュール２５２は、レーザエレメント２５０とＦＡＣ光学系２０６と変換光学系２０８とを有する。出力カプラ２１６は、回折格子２１４を通って入射するレーザ光の一部を反射光として各レーザ入力モジュール２５２に戻し、この光をレーザエレメント２５０のエミッタにて所定の波長のみが発振する「ウェーブロッキング」と呼ばれる状態にすることで、レーザ光を発振している。 In FIG. 7, cavity 200a is a wavelength beam combining type direct diode laser oscillator in which multiple laser beams emitted from laser input modules 252 with different wavelengths are arranged coaxially through a diffraction grating 214. The laser input module 252 has a laser element 250, an FAC optical system 206, and a conversion optical system 208. The output coupler 216 returns a portion of the laser beam incident through the diffraction grating 214 to each laser input module 252 as reflected light, and this light is put into a state called "wave locking" in which only a specified wavelength is oscillated by the emitter of the laser element 250, thereby oscillating the laser beam.

特許第５９８１８５５号公報Patent No. 5981855

しかしながら、特許文献１の発振器では、発振器内の出力カプラ２１６、回折格子２１４、及びレーザエレメント２５０などの各パーツの位置を容易に変更することができず、ウェーブロッキングのために複数のレーザ入力モジュールごとに発振する波長を変更することが難しい。 However, in the oscillator of Patent Document 1, the positions of the various parts within the oscillator, such as the output coupler 216, the diffraction grating 214, and the laser element 250, cannot be easily changed, and it is difficult to change the wavelength oscillated for each of the multiple laser input modules due to wavelocking.

また、コールドスタート時やレーザエレメントに流す電流を変化させた際には、レーザエレメントの温度が変化して、レーザエレメントにおけるレーザ発振が可能な利得を持つ波長範囲が変化する。その結果、発振波長とレーザエレメントの利得波長幅との間にミスマッチが生じて効率が悪化してしまうという課題がある。この点、従来技術に係るレーザ発振器においては、レーザエレメントの利得波長幅の変化に合わせてウェーブロッキング波長を変化させて、レーザ発振器の発振効率を向上させることは容易ではない。 In addition, during a cold start or when the current flowing through the laser element is changed, the temperature of the laser element changes, and the wavelength range in which the gain allows laser oscillation in the laser element changes. As a result, there is a problem that a mismatch occurs between the oscillation wavelength and the gain wavelength width of the laser element, resulting in a deterioration in efficiency. In this regard, in laser oscillators according to conventional technology, it is not easy to change the wavelocking wavelength in accordance with changes in the gain wavelength width of the laser element to improve the oscillation efficiency of the laser oscillator.

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、レーザエレメントの温度変化等にも対応可能な優れた発振効率を有するレーザ発振器を提供することを目的とする。 This disclosure was made in consideration of the above problems, and aims to provide a laser oscillator with excellent oscillation efficiency that can also adapt to temperature changes in the laser element.

前述した課題を解決する主たる本開示は、
レーザダイオードと、
外部共振ミラーと、
前記レーザダイオードと前記外部共振ミラーとの間に配置された音響光学素子と、
を備え、
前記レーザダイオードの出射面から出射されるレーザ光は、前記音響光学素子によって回折させられて、前記外部共振ミラーに向かい、前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードの反射面との間で外部共振する、
レーザ発振器である。 The present disclosure mainly solves the above-mentioned problems.
A laser diode;
An external cavity mirror;
an acousto-optical element disposed between the laser diode and the external cavity mirror;
Equipped with
The laser light emitted from the emission surface of the laser diode is diffracted by the acousto-optical element, travels toward the external cavity mirror, and externally resonates between the external cavity mirror and a reflecting surface of the laser diode.
It is a laser oscillator.

本開示のレーザ発振器によれば、発振効率を向上させることができる。 The laser oscillator disclosed herein can improve oscillation efficiency.

本開示の一実施形態に係るレーザ発振器の模式図Schematic diagram of a laser oscillator according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の一実施形態に係る音響光学素子の模式図Schematic diagram of an acousto-optical element according to an embodiment of the present disclosure. 図３（ａ）は、レーザダイオードにおける小電流時の利得と光出力とを示すグラフ。図３（ｂ）は、レーザダイオードにおける大電流時の利得と光出力とを示すグラフ。図３（ｃ）は、レーザダイオードにおけるウェーブロッキング波長をシフトさせた場合の利得と光出力とを示すグラフ。Fig. 3(a) is a graph showing the gain and optical output of a laser diode at a small current, Fig. 3(b) is a graph showing the gain and optical output of a laser diode at a large current, and Fig. 3(c) is a graph showing the gain and optical output of a laser diode when the wave-locking wavelength is shifted. 本開示の一実施形態に係るレーザ発振器の模式図Schematic diagram of a laser oscillator according to an embodiment of the present disclosure. 従来のレーザ発振器の模式図Schematic diagram of a conventional laser oscillator 本開示の一実施形態に係るレーザ発振器の模式図Schematic diagram of a laser oscillator according to an embodiment of the present disclosure. 従来のＤＤＬ発振器の模式図Schematic diagram of a conventional DDL oscillator

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings.

（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１におけるレーザ発振器Ｕの模式図である。レーザ発振器Ｕは、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）発振器である。レーザ発振器Ｕは、波長λ１のレーザ光２１を出射するレーザダイオード２と、レーザダイオード２から出射されるレーザ光２１を回折する音響光学素子４と、音響光学素子４で回折された回折光２５の一部を反射させてレーザダイオード２へと戻し、レーザ光２１を外部共振させる外部共振ミラー１と、を有する。 (Embodiment 1)
1 is a schematic diagram of a laser oscillator U according to the first embodiment of the present disclosure. The laser oscillator U is a direct diode laser (DDL) oscillator. The laser oscillator U includes a laser diode 2 that emits a laser beam 21 having a wavelength λ 1 , an acousto-optical element 4 that diffracts the laser beam 21 emitted from the laser diode 2, and an external resonator mirror 1 that reflects a part of the diffracted beam 25 diffracted by the acousto-optical element 4 back to the laser diode 2 and externally resonates the laser beam 21.

レーザダイオード（以下、ＬＤともいう）２は、波長λ１のレーザ光２１を生成し出射する。レーザダイオード２は、例えば、チップ形状のＬＤチップである。ＬＤチップとしては、端面発光型（ＥＥＬ：Ｅｄｇｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）のＬＤチップが好ましく用いられる。端面発光型のＬＤチップでは、例えば、長尺のバー形状の共振器が、チップ内において基板面と平行に形成されている。共振器の長手方向の一方の端面（以下、「反射面」とも称する）は光がほぼ全反射するように高反射率の膜で覆われている。一方、共振器の長手方向の他方の端面（以下、「出射面」とも称する）にも高反射率の膜で覆われているが、反射率は一方の端面に設けられた反射膜よりも小さい。よって、両端面からの反射により増幅され位相の揃ったレーザビームが出射面から出射される。 A laser diode (hereinafter also referred to as LD) 2 generates and emits a laser beam 21 having a wavelength λ 1. The laser diode 2 is, for example, a chip-shaped LD chip. An edge-emitting (EEL: Edge Emitting Laser) LD chip is preferably used as the LD chip. In the edge-emitting LD chip, for example, a long bar-shaped resonator is formed in the chip parallel to the substrate surface. One end face in the longitudinal direction of the resonator (hereinafter also referred to as the "reflection surface") is covered with a film having a high reflectance so that the light is almost totally reflected. On the other hand, the other end face in the longitudinal direction of the resonator (hereinafter also referred to as the "emission surface") is also covered with a film having a high reflectance, but the reflectance is smaller than that of the reflection film provided on the one end face. Therefore, a laser beam amplified by reflection from both end faces and having a uniform phase is emitted from the emission surface.

音響光学素子４はレーザ発振器Ｕのキャビティ内において、レーザダイオード２と外部共振ミラー１との間に配置される。音響光学素子４は、回折格子としての役割を有しており、レーザダイオード２から出射される波長λ１のレーザ光２１の一部を回折する。なお、波長λ１のレーザ光２１のうちの０次光２７は、音響光学素子４によって回折されない。 The acousto-optical element 4 is disposed between the laser diode 2 and the external cavity mirror 1 in the cavity of the laser oscillator U. The acousto-optical element 4 functions as a diffraction grating and diffracts a part of the laser light 21 of wavelength λ 1 emitted from the laser diode 2. Note that the zeroth order light 27 of the laser light 21 of wavelength λ 1 is not diffracted by the acousto-optical element 4.

外部共振ミラー１は、音響光学素子４によって回折された回折光２５の一部を反射することでレーザダイオード２に戻し、レーザ光２１を外部共振させる。外部共振により出力が高められたレーザ光の一部が、外部共振ミラー１を透過し、外部に出射される。 The external resonator mirror 1 reflects a portion of the diffracted light 25 diffracted by the acousto-optical element 4 back to the laser diode 2, causing the laser light 21 to resonate externally. A portion of the laser light whose output has been increased by external resonance passes through the external resonator mirror 1 and is emitted to the outside.

なお、レーザ発振器Ｕは、レーザダイオード２と音響光学素子４との間に配置される光学素子をさらに備えていてもよい。かかる光学素子としては、例えば、回折格子又はプリズム等が用いられる。 The laser oscillator U may further include an optical element disposed between the laser diode 2 and the acousto-optical element 4. For example, a diffraction grating or a prism may be used as such an optical element.

ここで、音響光学素子４は、自身に与えられる疎密波の周波数によって、回折角を変化させる機能を有する。これは、例えば、周辺温度等の影響によって、レーザ光２１の波長λ１にシフトが生じた場合であっても、音響光学素子４に与える疎密波の周波数をシフトすることにより、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との位置を変更することなく、シフトした波長λ１にウェーブロッキングできることを意味する。このため、レーザ発振器Ｕは優れた発振効率を有することができる。 Here, the acousto-optical element 4 has a function of changing the diffraction angle depending on the frequency of the compressional wave applied to it. This means that even if the wavelength λ1 of the laser light 21 shifts due to the influence of the surrounding temperature or the like, it is possible to wave-lock to the shifted wavelength λ1 by shifting the frequency of the compressional wave applied to the acousto-optical element 4 without changing the positions of the external resonator mirror 1, the laser diode 2, and the acousto-optical element 4. Therefore, the laser oscillator U can have excellent oscillation efficiency.

レーザ発振器Ｕは、音響光学素子４に疎密波を与える音波発生素子４１と、レーザダイオード２から出射される波長λ１のレーザ光２１がウェーブロッキングされるように音響光学素子４に与える疎密波の周波数を制御する制御素子と、を有することが好ましい。 The laser oscillator U preferably has an acoustic wave generating element 41 for applying a compressional wave to the acousto-optical element 4, and a control element for controlling the frequency of the compressional wave applied to the acousto-optical element 4 so that the laser light 21 having a wavelength λ 1 emitted from the laser diode 2 is wavelocked.

制御素子は、例えば、制御装置４３と音響光学素子用ドライバ４２とを含みうる。制御装置４３が、所望の外部共振波長（レーザダイオード２から出射される波長λ１のレーザ光２１がウェーブロッキングする波長を意味する。図４を参照して後述する）に合わせて周波数指令値４４を音響光学素子用ドライバ４２へと出力し、音響光学素子用ドライバ４２は、周波数指令値４４に基づいて音波発生素子４１に加える変調信号４５（以下、「周波数指令値４５」とも称する）を設定する。これにより、音波発生素子４１の発生する疎密波の周波数が、所望の外部共振波長に対応したものに設定され、波長λ１のレーザ光２１を容易にウェーブロッキングすることができる。 The control element may include, for example, a control device 43 and an acousto-optical element driver 42. The control device 43 outputs a frequency command value 44 to the acousto-optical element driver 42 in accordance with a desired external resonance wavelength (meaning a wavelength at which the laser light 21 having a wavelength λ 1 emitted from the laser diode 2 is wave-locked; described later with reference to FIG. 4), and the acousto-optical element driver 42 sets a modulation signal 45 (hereinafter also referred to as a "frequency command value 45") to be added to the sound wave generating element 41 based on the frequency command value 44. As a result, the frequency of the compressional wave generated by the sound wave generating element 41 is set to a value corresponding to the desired external resonance wavelength, and the laser light 21 having the wavelength λ 1 can be easily wave-locked.

レーザ発振器Ｕは、レーザダイオード２の温度を計測する温度計測素子３をさらに有することが好ましい。つまり、温度計測素子３で計測される温度測定データ３１が制御装置４３に送られて周波数指令値４４へと変換され、周波数指令値４４に基づいて音響光学素子ドライバ４２が変調信号４５によって音波発生素子４１を駆動する構成とする。これにより、温度の影響によって、レーザ光２１の波長λ１にシフトが生じた場合であっても、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との位置を変更することなく、シフトした波長λ１のレーザ光２１をウェーブロッキングできる。このため、レーザ発振器Ｕは優れた発振効率を有することができる。 The laser oscillator U preferably further includes a temperature measuring element 3 for measuring the temperature of the laser diode 2. That is, the temperature measurement data 31 measured by the temperature measuring element 3 is sent to the control device 43 and converted into a frequency command value 44, and the acousto-optical element driver 42 drives the sound wave generating element 41 by a modulation signal 45 based on the frequency command value 44. As a result, even if the wavelength λ 1 of the laser light 21 is shifted due to the influence of temperature, the laser light 21 with the shifted wavelength λ 1 can be wavelocked without changing the positions of the external resonator mirror 1, the laser diode 2, and the acousto-optical element 4. Therefore, the laser oscillator U can have excellent oscillation efficiency.

図２は、音響光学素子４の模式図であり、音響光学素子４における回折角を示す。図２に示すように、音響光学素子４に入射した波長λ１のレーザ光２１は、そのまま音響光学素子４を透過してしまう０次光２７と、回折によって曲げられる回折光２５と、に分かれる。このときの回折角２６は下記式（１）で表される。 Fig. 2 is a schematic diagram of the acousto-optical element 4, and shows the diffraction angle in the acousto-optical element 4. As shown in Fig. 2, a laser beam 21 having a wavelength λ 1 incident on the acousto-optical element 4 is split into a zero-order beam 27 that passes through the acousto-optical element 4 as is, and a diffracted beam 25 that is bent by diffraction. The diffraction angle 26 at this time is expressed by the following formula (1).

本実施形態においては、図１に示すように外部共振ミラー１、レーザダイオード２、及び音響光学素子４の配置は変化しないため、図２における回折角θ１も変化しない。このとき式（１）は、下記式（２）に置き換えることが可能となる。 In this embodiment, the arrangement of the external cavity mirror 1, the laser diode 2, and the acousto-optical element 4 does not change as shown in Fig. 1, and therefore the diffraction angle θ1 in Fig. 2 does not change either. In this case, formula (1) can be replaced with the following formula (2).

レーザ波長λ１が変化した際には、音波の中心周波数ｆｃ１をレーザ波長λ１の変化に応じて変えることによって回折角θ１を一定に保つことが可能となる。本開示のレーザ発振器Ｕでは、音波の中心周波数ｆｃ１を一定の値に固定するのではなく、レーザ波長λ１の変化に応じて中心周波数ｆｃ１を変化させることで、回折角θ１を一定に保つことで、波長λ１にシフトが生じた場合であっても、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との位置を変更することなく、シフトした波長λ１にウェーブロッキングできる。 When the laser wavelength λ 1 changes, it is possible to keep the diffraction angle θ 1 constant by changing the center frequency fc 1 of the sound wave in response to the change in the laser wavelength λ 1. In the laser oscillator U of the present disclosure, the center frequency fc 1 of the sound wave is not fixed to a constant value, but is changed in response to the change in the laser wavelength λ 1 to keep the diffraction angle θ 1 constant, and therefore, even if a shift occurs in the wavelength λ 1 , wave locking to the shifted wavelength λ 1 is possible without changing the positions of the external cavity mirror 1, the laser diode 2, and the acousto-optical device 4.

図３に、レーザダイオード２における利得シフトと光出力を示す。図３（ａ）はレーザダイオード２を流れる電流が小電流時の利得と光出力との関係を概念的に示したグラフである。レーザダイオード２は、ある特定の波長幅に利得カーブを持っており、小電流時は利得カーブ５２のようになる。そして、外部共振を行うシステムでは、レーザダイオード２の光出力が最大となるように（図３（ａ）の光出力５１を参照）、外部共振のウェーブロッキング波長５３を設定する。 Figure 3 shows the gain shift and optical output in laser diode 2. Figure 3(a) is a graph conceptually showing the relationship between gain and optical output when the current flowing through laser diode 2 is small. Laser diode 2 has a gain curve in a specific wavelength width, and when the current is small, it becomes like gain curve 52. In a system with external resonance, the wavelocking wavelength 53 of the external resonance is set so that the optical output of laser diode 2 is maximized (see optical output 51 in Figure 3(a)).

光出力を増加させるためにレーザダイオード２に流れる電流を大きくした場合は、その電流増加に応じて発熱量も増加する。その結果、レーザダイオード２の温度が上昇して、レーザダイオード２の利得カーブは、図３（ｂ）の利得カーブ５５のようになる。このとき、外部共振のウェーブロッキング波長が、図３（ａ）のウェーブロッキング波長５３のままであれば、実際に得られる大電流時の光出力は小電流時の光出力５１よりも小さくなってしまう（図３（ｂ）の光出力５４を参照）。 When the current flowing through the laser diode 2 is increased to increase the optical output, the amount of heat generated also increases in response to the increase in current. As a result, the temperature of the laser diode 2 rises, and the gain curve of the laser diode 2 becomes like the gain curve 55 in FIG. 3(b). At this time, if the wave-locking wavelength of the external resonance remains the wave-locking wavelength 53 in FIG. 3(a), the optical output actually obtained at high current will be smaller than the optical output 51 at low current (see optical output 54 in FIG. 3(b)).

そのような場合に、図３（ｃ）に示すように、外部共振のウェーブロッキング波長を、レーザダイオード２の利得カーブの変化に対応させて、波長５６に調整することができれば、レーザダイオード２の光出力を最大化することができる（図３（ｃ）の光出力５７を参照）。音響光学素子４は、かかる外部共振のウェーブロッキング波長の調整を可能とする。 In such a case, if the wavelocking wavelength of the external resonance can be adjusted to wavelength 56 in response to the change in the gain curve of the laser diode 2, as shown in FIG. 3(c), the optical output of the laser diode 2 can be maximized (see optical output 57 in FIG. 3(c)). The acousto-optical element 4 makes it possible to adjust the wavelocking wavelength of the external resonance.

図４は、本実施形態において、レーザダイオード２を流れる電流の電流値を変化させた際の動作を示す模式図である。図１～図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。 Figure 4 is a schematic diagram showing the operation of this embodiment when the current value of the current flowing through the laser diode 2 is changed. The same components as those in Figures 1 to 3 are designated by the same reference numerals, and their explanations are omitted.

図４において、小電流時のウェーブロッキング波長５３をλ１=０．９７５μｍ、音波発生素子４１に入力する小電流時の周波数指令値４５の中心周波数をｆｃ１=８０ＭＨｚ、結晶内における音波の進行速度をＶ＝５．７ｍｍ／ｓとすると、式（１）から小電流時の回折角θ１は、０．９７５μｍ・８０ＭＨｚ／（２・５．７ｍｍ／ｓ）＝６．８４２１ｍｒａｄとなる。 In FIG. 4, if the wave locking wavelength 53 at low current is λ 1 =0.975 μm, the center frequency of the frequency command value 45 at low current input to the sound wave generating element 41 is fc 1 =80 MHz, and the propagation speed of the sound wave within the crystal is V=5.7 mm/s, then from equation (1), the diffraction angle θ 1 at low current is 0.975 μm·80 MHz/(2·5.7 mm/s)=6.8421 mrad.

ここで、式（２）から、λ１・ｆｃ１＝２・Ｖ・θ１=Ｃｏｎｓｔ．＝７８となるので、大電流をレーザダイオード２に流し、レーザダイオード２の利得カーブの波長がΔλだけ変化した場合であっても、大電流時の回折角２６と小電流時の回折角２６との値が同じであれば、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との配置を変えることなく外部共振型キャビティの発振条件が整う。 Here, from equation (2), λ1 · fc1 =2·V· θ1 =Const.=78. Therefore, even if a large current is passed through the laser diode 2 and the wavelength of the gain curve of the laser diode 2 changes by Δλ, if the diffraction angle 26 at the time of large current and the diffraction angle 26 at the time of small current are the same, the oscillation conditions of the external resonance type cavity are met without changing the arrangement of the external resonance mirror 1, the laser diode 2, and the acousto-optical element 4.

例えば、大電流時のレーザダイオード２の利得カーブの最大値の波長変化Δλが０．０２μｍであれば、大電流時のウェーブロッキング波長は（λ１+Δλ）=０．９９５μｍとなる。このとき、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との配置を変更することなく、レーザダイオード２から出射されるレーザ光２１（図４では、点線が小電流時のレーザ光２１、実線が大電流時のレーザ光２１）を外部共振させるためには、大電流時の回折角２６と小電流時の回折角２６とが同一の角度６．８４２１ｍｒａｄになれば良い。その場合の大電流時の周波数指令値４５は、（ｆｃ１+Δｆｃ）=７８／０．９９５μｍ＝７８．３９２ＭＨｚとなり、Δｆｃは－１．６０８ＭＨｚとなる。即ち、大電流時の周波数指令値４５を７８．９３２ＭＨｚに変更することで、回折角を保持したまま、最も発振効率が良いウェーブロッキング波長にすることが可能である。 For example, if the wavelength change Δλ of the maximum value of the gain curve of the laser diode 2 at high current is 0.02 μm, the wave-locking wavelength at high current is (λ 1 +Δλ)=0.995 μm. In this case, in order to externally resonate the laser light 21 (in FIG. 4, the dotted line indicates the laser light 21 at low current, and the solid line indicates the laser light 21 at high current) emitted from the laser diode 2 without changing the arrangement of the external resonator mirror 1, the laser diode 2, and the acousto-optical element 4, the diffraction angle 26 at high current and the diffraction angle 26 at low current should be the same angle of 6.8421 mrad. In this case, the frequency command value 45 at high current is (fc 1 +Δfc)=78/0.995 μm=78.392 MHz, and Δfc is −1.608 MHz. That is, by changing the frequency command value 45 at high current to 78.932 MHz, it is possible to obtain the wave-locking wavelength with the highest oscillation efficiency while maintaining the diffraction angle.

以上のように、本実施形態に係るレーザ発振器Ｕは、周辺温度等の影響によって、レーザ光２１の波長λ１にシフトが生じた場合であっても、音響光学素子４に与える疎密波の周波数をシフトすることにより、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との位置を変更することなく、シフトした波長λ１にウェーブロッキングすることが可能である。これによって、レーザエレメントの温度変化等にも対応可能な優れた発振効率を有するレーザ発振器Ｕを実現することができる。 As described above, in the laser oscillator U according to this embodiment, even if the wavelength λ1 of the laser light 21 shifts due to the influence of the ambient temperature or the like, it is possible to wavelock to the shifted wavelength λ1 by shifting the frequency of the compressional wave applied to the acousto-optical device 4, without changing the positions of the external cavity mirror 1, the laser diode 2, and the acousto-optical device 4. This makes it possible to realize a laser oscillator U having excellent oscillation efficiency that can also cope with temperature changes in the laser element.

なお、上記の例では、大電流時の利得カーブの最大値の波長変化Δλを０．０２μｍとしたが、電流値と波長変化との関係はレーザダイオード２の冷却状態などにも影響されるため、レーザダイオード２の温度を温度計測素子３にて測定した温度測定データ３１と周波数指令値４４とが回折角を一定に保てるようになる関係をテーブル化したものを制御装置４３内に有していることが好ましい。 In the above example, the wavelength change Δλ of the maximum value of the gain curve at high current is set to 0.02 μm. However, since the relationship between the current value and the wavelength change is also affected by the cooling state of the laser diode 2, it is preferable that the control device 43 has a table of the relationship between the temperature measurement data 31, which measures the temperature of the laser diode 2 using the temperature measuring element 3, and the frequency command value 44 so that the diffraction angle can be kept constant.

また、上記実施形態においては、ウェーブロッキングの波長を変更したい際に、温度計測素子３と制御装置４３と音響光学素子ドライバ４２とを用いてフィードバックを行っているが、温度以外の波長や雰囲気ガス圧力などの周辺情報をフィードバックの情報として用いても良い。 In addition, in the above embodiment, when it is desired to change the wavelength of the wavelocking, feedback is performed using the temperature measuring element 3, the control device 43, and the acousto-optical element driver 42, but peripheral information other than temperature, such as wavelength and atmospheric gas pressure, may also be used as feedback information.

また、上記実施形態においては、レーザ発振器Ｕを連続発振させる態様について説明したが、本開示のレーザ発振器Ｕは、疎密波を音響光学素子に与えるタイミングのＯＮとＯＦＦと周期的に切り替えることによって、連続発振だけでなく、パルス発振も可能である。この場合、音波発生素子４１に与える変調信号４５をＯＮ／ＯＦＦすることによって音響光学素子４による回折効果をＯＮ／ＯＦＦすればよい。なお、変調信号４５をＯＦＦすると外部共振型の発振器として機能しなくなるため、そのタイミングにおいては、レーザ出力は停止することになる。 In the above embodiment, the laser oscillator U is described as being continuously oscillating, but the laser oscillator U of the present disclosure is capable of not only continuous oscillation but also pulse oscillation by periodically switching the timing at which the compressional wave is applied to the acousto-optical element between ON and OFF. In this case, the diffraction effect of the acousto-optical element 4 can be turned ON/OFF by turning ON/OFF the modulation signal 45 applied to the sound wave generating element 41. Note that when the modulation signal 45 is turned OFF, it no longer functions as an external resonance type oscillator, and the laser output will stop at that timing.

（実施形態２）
図５は従来の波長ビーム結合型のレーザ発振器Ｕの模式図である。図５に示すレーザ発振器Ｕは、互いに異なる波長のレーザ光２１，２２を出射する複数のレーザダイオード２を有する。波長λ１のレーザ光２１と波長λ２のレーザ光２２とは回折格子６に対して異なる角度２８，２９で入射する。レーザ光２１，２２が回折格子６を通過すると、異なる波長のレーザ光２１，２２が重畳された重畳レーザ光２４となって外部共振ミラー１から出射される。このとき、レーザダイオード２の電流値などが変化して温度状態が変わるとそれぞれの利得カーブが波長シフトを起こすため、レーザ発振器Ｕの発振効率が低下してしまう。 (Embodiment 2)
Fig. 5 is a schematic diagram of a conventional wavelength beam combining type laser oscillator U. The laser oscillator U shown in Fig. 5 has a plurality of laser diodes 2 that emit laser beams 21 and 22 of different wavelengths. The laser beam 21 of wavelength λ 1 and the laser beam 22 of wavelength λ 2 are incident on the diffraction grating 6 at different angles 28 and 29. When the laser beams 21 and 22 pass through the diffraction grating 6, the laser beams 21 and 22 of different wavelengths are superimposed to become a superimposed laser beam 24, which is output from the external resonator mirror 1. At this time, if the current value of the laser diode 2 changes and the temperature state changes, the gain curves of the respective diodes 2 shift in wavelength, and the oscillation efficiency of the laser oscillator U decreases.

図６は、本開示の実施形態２のレーザ発振器Ｕの模式図である。図６において、図１～図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。 Figure 6 is a schematic diagram of a laser oscillator U according to embodiment 2 of the present disclosure. In Figure 6, the same components as those in Figures 1 to 4 are designated by the same reference numerals, and their explanations are omitted.

本実施形態のレーザ発振器Ｕは、それぞれ異なる波長λ１のレーザ光２１、波長λ２のレーザ光２２、及び波長λ３のレーザ光２３を出射する複数のレーザダイオード２と、回折格子６と、音響光学素子４と、外部共振ミラー１と、を有する。 The laser oscillator U of this embodiment includes a plurality of laser diodes 2 that emit laser light 21 having a different wavelength λ1 , laser light 22 having a different wavelength λ2, and laser light 23 having a different wavelength λ3 , a diffraction grating 6, an acousto-optical element 4, and an external cavity mirror 1.

本実施形態では、回折格子６と音響光学素子４とが回折部を構成する。回折部と外部共振ミラー１との間では一本の異なる波長が重畳した重畳レーザ光２４となり、重畳レーザ光２４の一部が外部共振ミラー１で反射される。外部共振ミラー１とレーザダイオード２との間では、各々の波長に合わせた外部共振が生じている。本実施形態では、複数のレーザダイオード２の各々に温度計測素子３が設けられ、制御装置４３が、各温度測定データ３１を収集し、演算の結果導出された周波数指令値４４を音響光学素子用ドライバ４２に出力する。そして、音響光学素子用ドライバ４２は、周波数指令値４４に基づいて音響光学素子用ドライバ４２が変調信号４５を音波発生素子４１へと出力する。 In this embodiment, the diffraction grating 6 and the acousto-optical element 4 constitute the diffraction section. Between the diffraction section and the external resonator mirror 1, a superimposed laser light 24 is formed by superimposing different wavelengths, and a part of the superimposed laser light 24 is reflected by the external resonator mirror 1. Between the external resonator mirror 1 and the laser diode 2, external resonance occurs according to each wavelength. In this embodiment, a temperature measuring element 3 is provided for each of the multiple laser diodes 2, and the control device 43 collects each temperature measurement data 31 and outputs a frequency command value 44 derived as a result of the calculation to the acousto-optical element driver 42. Then, the acousto-optical element driver 42 outputs a modulation signal 45 to the sound wave generating element 41 based on the frequency command value 44.

図６のレーザ発振器Ｕにおいて、各レーザダイオード２における利得カーブのシフトは、一様ではないと考えられるため、実施形態１にて説明したように、収集した温度測定データ３１から一意に周波数指令値４４を得ることは難しく、制御装置４３において温度測定データ３１と、重畳レーザ２４の出力が最大になるような周波数指令値４４との関係を事前にテーブル化しておくことが特に好ましい。 In the laser oscillator U of FIG. 6, the shift in the gain curve in each laser diode 2 is not considered to be uniform, and therefore, as described in the first embodiment, it is difficult to uniquely obtain the frequency command value 44 from the collected temperature measurement data 31. It is particularly preferable to prepare a table in advance in the control device 43 showing the relationship between the temperature measurement data 31 and the frequency command value 44 that maximizes the output of the superimposed laser 24.

本実施形態では、テーブル化の方法として、ある電流値設定を行い、その際にレーザ光出力が最大になる様に周波数指令値４４を変化させ、各々のレーザダイオード２の温度測定データ３１も収集しておき、様々な電流値設定について同様の作業を繰返して温度測定データ３１から周波数指令値４４へ変換するためのテーブルを作成する。なお、これらのテーブル化の作業及び周波数指令値４１の導出の作業には、機械学習などの方法を適用しても良い。 In this embodiment, the method of creating the table involves setting a certain current value, varying the frequency command value 44 so that the laser light output is maximized, and collecting temperature measurement data 31 for each laser diode 2. The same process is repeated for various current value settings to create a table for converting the temperature measurement data 31 into the frequency command value 44. Machine learning or other methods may be used for creating the table and deriving the frequency command value 41.

なお、本実施形態において、複数のレーザダイオードは少なくとも２個以上であれば良い。 In this embodiment, the number of laser diodes should be at least two.

また、本実施形態においても、本実施形態１と同様、変調信号４５のＯＮ／ＯＦＦによってパルス発振が可能となる。 In this embodiment, as in the first embodiment, pulse oscillation is possible by turning the modulation signal 45 ON/OFF.

本開示のレーザ発振器は、キャビティ内に配置した音響光学素子によってウェーブロッキング波長をシフトさせることができるため、設定パラメータや使用環境などの影響がある場合でも、優れた発振効率を実現できることから、種々のレーザ加工装置に有用である。 The laser oscillator disclosed herein can shift the wavelocking wavelength using an acousto-optical element placed in the cavity, and therefore can achieve excellent oscillation efficiency even when influenced by setting parameters or the operating environment, making it useful for a variety of laser processing devices.

Ｕ レーザ発振器
１ 外部共振ミラー
２ レーザダイオード
２１ 波長λ１のレーザ光
２２ 波長λ２のレーザ光
２３ 波長λ３のレーザ光
２４ 重畳レーザ光
２５ 回折光
２６ 回折角
２７ ０次光
２８ 波長λ１のレーザ光の回折角
２９ 波長λ２のレーザ光の回折角
３ 温度計測素子
３１ 温度測定データ
４ 音響光学素子
４１ 音波発生素子
４２ 音響光学素子用ドライバ
４３ 制御装置
４４ 周波数指令値
４５ 変調信号
４６ 小電流時の変調信号
４７ 大電流時の変調信号
５１ 小電流時の最大光出力
５２ 小電流時の利得カーブ
５３ 小電流時の外部共振のウェーブロッキング波長
５４ 大電流時の光出力
５５ 大電流時の利得カーブ
５６ 大電流時の外部共振の最適ウェーブロッキング波長
５７ ウェーブロッキング波長調整後の大電流時の最大光出力
５８ 小電流時の回折角
５９ 大電流時の回折角
６ 回折格子
２００ａ キャビティ
２０６ ＦＡＣ光学系
２０８ 変換光学系
２１４ 回折格子
２１６ 出力カプラ
２５０ レーザエレメント
２５２ レーザ入力モジュール Description of the Reference Numerals U Laser oscillator 1 External resonator mirror 2 Laser diode 21 Laser light of wavelength λ 1 22 Laser light of wavelength λ 2 23 Laser light of wavelength λ 3 24 Superimposed laser light 25 Diffracted light 26 Diffraction angle 27 Zeroth order light 28 Diffraction angle of laser light of wavelength λ 1 29 Diffraction angle of laser light of wavelength λ 2 3 Temperature measurement element 31 Temperature measurement data 4 Acousto-optic element 41 Sound wave generating element 42 Driver for acousto-optic element 43 Control device 44 Frequency command value 45 Modulation signal 46 Modulation signal at small current 47 Modulation signal at large current 51 Maximum optical output at small current 52 Gain curve at small current 53 Wave-locking wavelength of external resonance at small current 54 Optical output at large current 55 Gain curve at large current 56 Optimum wave-locking wavelength of external resonance at large current 57 Maximum optical output at large current after wave-locking wavelength adjustment 58 Diffraction angle at small current 59 Diffraction angle at large current 6 Diffraction grating 200a Cavity 206 FAC optical system 208 Conversion optical system 214 Diffraction grating 216 Output coupler 250 Laser element 252 Laser input module

Claims (5)

レーザダイオードと、
外部共振ミラーと、
前記レーザダイオードと前記外部共振ミラーとの間に配置された音響光学素子と、
前記音響光学素子に疎密波を与える音波発生素子と、
前記レーザダイオードから出射されるレーザ光がウェーブロッキングされるように、前記疎密波の周波数を制御する制御素子と、
前記レーザダイオードの温度を計測する温度計測素子と、
を備え、
前記レーザダイオードの出射面から出射されるレーザ光は、前記音響光学素子によって回折させられて、前記外部共振ミラーに向かい、前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードの反射面との間で外部共振し、
前記温度計測素子で計測される温度計測データに基づいて、前記制御素子が前記周波数を制御する、
レーザ発振器。 A laser diode;
An external cavity mirror;
an acousto-optical element disposed between the laser diode and the external cavity mirror;
an acoustic wave generating element that applies a compressional wave to the acousto-optical element;
a control element for controlling a frequency of the compressional wave so that the laser light emitted from the laser diode is wavelocked;
a temperature measuring element for measuring a temperature of the laser diode;
Equipped with
the laser light emitted from the emission surface of the laser diode is diffracted by the acousto-optical element, travels toward the external cavity mirror, and externally resonates between the external cavity mirror and a reflecting surface of the laser diode;
The control element controls the frequency based on temperature measurement data measured by the temperature measurement element.
Laser oscillator. レーザダイオードと、
外部共振ミラーと、
前記レーザダイオードと前記外部共振ミラーとの間に配置された音響光学素子と、
前記レーザダイオードと前記音響光学素子との間に配置される光学素子と、
を備え、
前記光学素子は、回折格子又はプリズムであり、
前記レーザダイオードの出射面から出射されるレーザ光は、前記音響光学素子によって回折させられて、前記外部共振ミラーに向かい、前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードの反射面との間で外部共振する、
レーザ発振器。 A laser diode;
An external cavity mirror;
an acousto-optical element disposed between the laser diode and the external cavity mirror;
an optical element disposed between the laser diode and the acousto-optical element;
Equipped with
the optical element is a diffraction grating or a prism;
The laser light emitted from the emission surface of the laser diode is diffracted by the acousto-optical element, travels toward the external resonator mirror, and externally resonates between the external resonator mirror and a reflecting surface of the laser diode.
Laser oscillator. レーザダイオードと、
外部共振ミラーと、
前記レーザダイオードと前記外部共振ミラーとの間に配置された音響光学素子と、
を備え、
前記レーザダイオードの出射面から出射されるレーザ光は、前記音響光学素子によって回折させられて、前記外部共振ミラーに向かい、前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードの反射面との間で外部共振する、
レーザ発振器であって、
波長の異なるレーザ光を出射する複数の前記レーザダイオードを備え、
波長ビーム結合方式のダイレクトダイオードレーザ発振器に適用された、
レーザ発振器。 A laser diode;
An external cavity mirror;
an acousto-optical element disposed between the laser diode and the external cavity mirror;
Equipped with
The laser light emitted from the emission surface of the laser diode is diffracted by the acousto-optical element, travels toward the external resonator mirror, and externally resonates between the external resonator mirror and a reflecting surface of the laser diode.
A laser oscillator ,
a plurality of the laser diodes each emitting laser light of a different wavelength;
Applied to wavelength beam combining direct diode laser oscillators.
Laser oscillator . 前記制御素子は、前記疎密波を前記音響光学素子に与える制御のオン／オフを切り替えることで、前記レーザダイオードをパルス発振させる、
請求項１に記載のレーザ発振器。 the control element switches on/off control of applying the compressional wave to the acousto-optic element, thereby causing the laser diode to pulse oscillate.
2. The laser oscillator according to claim 1 . 前記複数のレーザダイオードの各々の温度を計測する複数の温度計測素子をさらに備える、
請求項３に記載のレーザ発振器。 Further comprising a plurality of temperature measuring elements for measuring the temperature of each of the plurality of laser diodes.
4. The laser oscillator according to claim 3 .
JP2020082632A 2020-05-08 2020-05-08 Laser Oscillator Active JP7496544B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020082632A JP7496544B2 (en) 2020-05-08 2020-05-08 Laser Oscillator
CN202110403223.2A CN113629487A (en) 2020-05-08 2021-04-14 Laser oscillator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020082632A JP7496544B2 (en) 2020-05-08 2020-05-08 Laser Oscillator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021177529A JP2021177529A (en) 2021-11-11
JP7496544B2 true JP7496544B2 (en) 2024-06-07

Family

ID=78377902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020082632A Active JP7496544B2 (en) 2020-05-08 2020-05-08 Laser Oscillator

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7496544B2 (en)
CN (1) CN113629487A (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018186154A (en) 2017-04-25 2018-11-22 浜松ホトニクス株式会社 Solid laser device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018186154A (en) 2017-04-25 2018-11-22 浜松ホトニクス株式会社 Solid laser device

Also Published As

Publication number Publication date
CN113629487A (en) 2021-11-09
JP2021177529A (en) 2021-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7564880B2 (en) Laser intra-cavity electronic wavelength tuner
JP4892467B2 (en) Laser apparatus and control method thereof
JP2003198056A (en) Variable wavelength external resonator
JP5420838B2 (en) Mode selection frequency tuning device
JPH01184971A (en) Slab guiding light emission semiconductor laser
JP2009253068A (en) Laser oscillating device and laser processing device
JP2001284718A (en) External resonance type laser
JP7496544B2 (en) Laser Oscillator
WO2004100326A2 (en) A miniaturized external cavity laser (ecl) implemented with acoustic optical tunable filter
JP2022521709A (en) External resonator laser device, corresponding system and method
JP2001284719A (en) External resonance type semiconductor laser
WO2021044730A1 (en) Laser oscillation device
JP2000305120A (en) Resonator and microscope having resonator
JP2010225931A (en) Wavelength variable light source
KR100945423B1 (en) Tunable external cavity laser
JP7462220B2 (en) Laser Oscillator
JPH10133243A (en) Light wavelength converting device
KR100864017B1 (en) Line beam generator
JP4900309B2 (en) Semiconductor laser device
JP2023001967A (en) laser device
KR100945422B1 (en) Tunable external cavity laser
US5734666A (en) Method for selecting wavelength in wavelength-tunable lasers and laser oscillators capable of selecting wavelengths in wavelength-tunable lasers
JPH04298708A (en) Laser diode module for optical transmission
JPH06289447A (en) Higher harmonic generator
JPH05167146A (en) Solid-state laser equipment

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230323

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240130

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240131

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240304

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240423

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240517

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7496544

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150