JPH11233868A

JPH11233868A - 波長選択式レーザ発振装置、およびレーザ発振装置における波長選択方法

Info

Publication number: JPH11233868A
Application number: JP3156798A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyo Igarashi; 光世五十嵐
Original assignee: PEACE ENGINEERING KK
Current assignee: PEACE ENGINEERING KK
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波ドリフトおよび回折効率の不安定さの
悪影響を回避する。【解決手段】全反射鏡１０と所定の透過率を有する出
力鏡２０とから構成される共振器の内部において励起光
源の付帯したレーザ媒質３０および音響光学波長可変フ
ィルター５０が共振光路上に適切な位置関係をもって配
置され、かつｒｆドライバー７０が音響光学波長可変フ
ィルター５０に印加する駆動電圧の周波数を選択的に可
変する制御コンピューター６０を備え、この制御コンピ
ューター６０で周波数を選択することでレーザ媒質３０
から供給される複数の発振線を有した入力光を音響光学
波長可変フィルターで当該周波数に応じた発振線たる回
折光λ２，λ３と所定の発振線たる非回折光λ１とに分
離し、この非回折光λ１のみを共振させて既定の波長の
レーザ光を出力する。共振器の内部における共振光路上
に第２高調波発生用の非線形光学結晶４０が挿入され
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、波長選択素子と
して音響光学波長可変フィルターを用いた波長選択式レ
ーザ発振装置およびレーザ発振における波長選択方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】音響光学波長可変フィルターを利用した
波長選択式レーザ発振装置にあっては、例えばプリズム
を回転させるなど機械要素を駆動する波長選択方式に比
べ、波長選択の高速化および高精度化が図れるととも
に、振動や温度変化など外乱の悪影響や経時変化が少な
い。このため比較的安定した発振波長およびレーザ出力
が得られる。

【０００３】このような波長選択式レーザ発振装置の原
理図を図１に示す。全反射鏡１０および出力鏡２０から
構成される共振器の内部において、励起光源の付帯した
レーザ媒質３０、第２高調波発生用の非線形光学結晶４
０、および音響光学波長可変フィルター（図中、音響光
学素子）５０が配設されており、互いに適切な配置関係
となっている。音響光学波長可変フィルター５０には、
制御コンピューター６０の指令信号に応じた所定の高周
波電圧がｒｆドライバー７０から選択的に印加される。
このようなレーザ発振装置にあっては、発振のしきい値
を越える励起エネルギーが励起光源からレーザ媒質３０
に供給されると、レーザ発振が始まり出射鏡２０を透過
した第２高調波のレーザ光が得られる。

【０００４】このとき、所望の波長のレーザ光を得るに
あたり、まずレーザ媒質３０から供給される入力光に含
まれている複数の発振線のうち該当の波長成分を有した
発振線を音響光学波長可変フィルターによって回折光λ
１として取り出す。取り出す回折光の出射方向に対して
全反射鏡を正確に位置決めするとともに反射角度を精密
に調整しておく。このことで回折光を共振させ、その第
２高調波をレーザ光として取り出すのである。これが音
響光学波長可変フィルターによる波長の選択原理であ
る。

【０００５】この音響光学波長可変フィルターの動作に
ついて簡単に説明する。よく知られているように、音響
光学波長可変フィルターの内部ではｒｆドライバーから
印加される高周波電圧に応じた波長の超音波が発生す
る。この超音波の波長に応じて励起光は回折光λ１と非
回折光（０次光）λ２，λ３とに分離されて音響光学波
長可変フィルターから出射される。得られた１次回折光
が共振の対象となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述したような音響光
学波長可変フィルターの波長選択原理にあっては、所望
の波長成分を回折光として取り出そうとする。このため
いくつかの問題が生じていた。まず、高周波ドリフトの
問題が挙げられる。音響光学波長可変フィルターに印加
される高周波電圧、すなわち超音波の周波数分だけ回折
光が通過する度にドップラーシフトされてしまう。この
ため、得られるレーザ光の周波数帯域が広がり狭帯域化
が図れないのである。また、回折効率が１００％には至
らないため回折による損失が生じており、レーザ発振の
しきい値が高くなってしまう。

【０００７】次に回折効率の不安定さの問題が挙げられ
る。音響光学波長可変フィルターに高周波電圧を印加す
れば発熱してその温度が通電時間とともに上昇する。こ
の温度の上昇によって回折効率が劣化する。反対に温度
が下がれば回折効率は回復する。すなわち、温度ドリフ
トにより回折効率が変動する。また、この温度ドリフト
の悪影響により音響光学波長可変フィルター内の屈折率
が不均一となり、回折効率の変動の他にレーザ光の変形
および位置ずれまで引き起こす。以上のような問題によ
って発振波長やレーザ出力が不安定となる結果を招く。

【０００８】この発明は、このような事情を鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、高周波ドリフトおよび回
折効率の不安定さの悪影響を回避できる波長選択式レー
ザ発振装置および発振波長選択方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、この発明のレーザ発振装置では、全反射鏡と所定の
透過率を有する出力鏡とから構成される共振器の内部に
おいて励起光源の付帯したレーザ媒質および音響光学素
子が共振光路上に適切な位置関係をもって配置されると
ともに、前記音響光学素子に印加する駆動電圧の周波数
を選択的に可変する駆動電圧制御手段を備え、この駆動
電圧制御手段によって前記周波数を選択することにより
前記レーザ媒質から供給される複数の発振線を有した入
力光を前記音響光学素子で当該周波数に応じた前記発振
線たる回折光と所定の前記発振線たる非回折光とに分離
し、この分離された光を共振させて既定の波長のレーザ
光を選択的に出力するレーザ発振装置であって、前記全
反射鏡は前記非回折光のみを共振対象として前記出力鏡
に向けて反射すべく配置されている。ここで、音響光学
波長可変フィルターとは、ＡＯＴＦ（ａｃｏｕｓｔｏｏ
ｐｔｉｃａｌｔｕｎｅｄｆｉｌｔｅｒ）のことであ
り、「音響光学波長同調フィルター」または「音響光学
素子」とも呼ばれる。

【００１０】好ましくは、前記音響光学素子は音響光学
波長可変フィルターとする。さらに好ましくは、前記レ
ーザ発振装置において、前記共振器の内部における共振
光路上に第２高調波発生用の非線形光学結晶を挿入して
おく。

【００１１】また、前記レーザ発振装置において、前記
駆動電圧制御手段が前記駆動電圧の前記周波数を高速に
可変することにより、前記レーザ光の前記既定波長を高
速に切り換えることが望ましい。さらに、ネオジウム
（Ｎｄ）イオンを発光中心とした結晶をレーザ媒質とす
れば、ここから９００ｎｍ帯、１０００ｎｍ帯、および
１３００ｎｍ帯を含む前記入力光を得ることができる。

【００１２】さらにまた、前記レーザ媒質をＧＹＡＧ
（Ｇｄ_xＹ_3-XＡｌ₅Ｏ₁₂）をホストとした結晶で構成
すれば、９００ｎｍ帯、１０００ｎｍ帯、および１３０
０ｎｍ帯といった３原色の基となる発振線すべてにおい
て出力に必要な一定以上の利得を得ることができ、３原
色発振のレーザ装置として実用化できる。特に９００ｎ
ｍ帯にあっては、１０００ｎｍ帯および１３００ｎｍ帯
により近い利得を得ることが可能となる。つまり、従来
の単なるＹＡＧレーザーのように、９００ｎｍ帯の発振
強度が小さ過ぎるあまり、３原色発振のレーザ装置とし
て実用化できなかった課題を解決できる。

【００１３】加えて、前記音響光学波長可変フィルター
をＱスイッチ用の音響光学素子で構成すれば、Ｑスイッ
チ発振のレーザ装置においてＱスイッチ用音響光学素子
が波長可変フィルターの機能を兼ね備える。このため波
長選択用の部品を新たに加えることなく従前同様の部品
点数で波長選択式レーザ発振装置を実現できる。

【００１４】また前記目的を達成するため、この発明に
よる波長選択方法にあっては、前記レーザ発振装置にお
ける前記音響光学素子に印加する前記駆動電圧における
既定の複数の前記周波数のうちで任意の周波数を選択す
ることにより、前記レーザ媒質から供給される複数の発
振線を有した入力光を前記音響光学素子によって前記回
折光と前記非回折光とに分離するに際し、前記選択周波
数に応じた前記発振線を前記回折光として除去すること
により所望の発振線を非回折光として取り出し、この非
回折光を共振させて既定の波長のレーザ光を選択的に出
力する。

【００１５】

【発明の実施の形態】＝＝＝＝＝概略＝＝＝＝＝前述した従来技術に対するこの発明の根本的な相違点
は、音響光学素子による波長の選択原理にある。つま
り、音響光学素子から得られる回折光あるいは非回折光
（０次の透過光）の中でいずれを共振の対象とするかが
相違する。従来においては、回折された光を共振の対象
としていた。これに対し、本発明では共振対象を非回折
光とした。つまり図２に示すように、励起光のうちの不
要な周波数成分を回折光λ２，λ３として除去し、残存
した非回折光λ１に対して全反射鏡を設置した。この点
以外については従来の技術と基本的に共通する。よっ
て、共振の対象を非回折光とした相違点を中心に説明す
る。

【００１６】＝＝＝＝＝レーザ装置の構成例＝＝＝＝＝この発明に係る波長選択式固体レーザ発振装置の構成を
図２に示す。これは、「半導体レーザ励起第２高調波Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ」と呼ばれるタイプである。前述した
ように、音響光学素子としての音響光学波長可変フィル
ターから得られる非回折光を反射するように全反射鏡を
設置している。この構成例では、共振して出射するレー
ザ光の光軸となる直線上に全反射鏡および出射鏡を位置
決めし、互いの鏡面同士を完全に対向させて軸合わせを
している。もちろん、２枚以上の全反射鏡を組み合わせ
た、いわゆるＺ形の共振器も構成可能である。

【００１７】＝＝＝＝＝具体的なレーザ発振の一例＝＝
＝＝＝＜＜＜波長の選択肢＞＞＞音響光学波長可変フィルター
によって選択する具体的な発振波長（発振線）として
は、例えば９００ｎｍ帯，１０００ｎｍ帯，および１３
００ｎｍ帯の３波長帯のうちから一つまたは二つを選択
する。各帯域における具体的な波長としては９４７ｎ
ｍ，１０６４ｎｍ，および１３１８ｎｍとする。これら
３波長に対応した各第２高調波は可視領域における青、
緑、および赤の各発光色に対応している。この中から例
えば任意の２波長を同時選択すれば、可視領域における
すべての発光色を自在に取り出すことが可能となる。こ
の場合、コンピュータ制御でもって音響光学波長可変フ
ィルターに印加する駆動電圧の周波数を高速に切り換え
ることにより、発振波長を高速に可変できる。このこと
で、材料加工や計測などの産業応用および学術研究に限
らず、表示デバイスであるディスプレイの走査用光源と
しても実用化が図れる。

【００１８】＜＜＜各構成部品の設定＞＞＞音響光学波
長可変フィルターとしては従来同様の周知および慣用の
ものを利用できる。また、前述した三つの波長選択肢に
合わせて全反射鏡および出力鏡は、９４７ｎｍ，１０６
４ｎｍ，および１３１８ｎｍの各波長に対して９９％の
反射率とする。出力鏡の鏡面には、それぞれ第２高調波
として４７３ｎｍ，５３２ｎｍ，および６５９ｎｍの各
波長に対する反射防止膜が施してある。非線形光学結晶
は９４７ｎｍ，１０６４ｎｍ，および１３１８ｎｍの各
波長の第２高調波を発生させるためにそれぞれ一つずつ
光軸上に順次配置している。レーザ媒質としては商用電
源で発振可能な慣用のＮｄ：ＹＡＧレーザ結晶が用いら
れる。このレーザ媒質には連続モードで発振する適宜な
半導体レーザが励起光源として付帯している。９４７ｎ
ｍ，１０６４ｎｍ，および１３１８ｎｍの各波長を回折
させて除去するにあたり、音響光学波長可変フィルター
に印加する駆動電圧の最適な周波数はそれぞれ１１４Ｍ
Ｈｚ，９２ＭＨｚ，および８３ＭＨｚである。

【００１９】＜＜＜１波長選択＞＞＞音響光学波長可変
フィルターに対して８３ＭＨｚおよび１１４ＭＨｚの二
つの周波数の駆動電圧を同時に印加した。すると、音響
光学波長可変フィルターにおいて１３１８ｎｍおよび９
４７ｎｍの波長がともに回折される一方、１０６４ｎｍ
の波長のみが透過した。この結果、５３２ｎｍの緑色レ
ーザ光が発振した。同様に、駆動電圧の周波数を８３Ｍ
Ｈｚおよび９２ＭＨｚとすれば４７３ｎｍの青色レーザ
光、または９２ＭＨｚおよび１１４ＭＨｚとすれば６５
９ｎｍの赤色レーザ光を得ることができる。このよう
に、任意の二つの周波数の駆動電圧を同時に印加するこ
とで残りの一つの周波数に対応する各第２高調波の単色
レーザ光を選択することができる。

【００２０】＜＜＜２波長同時選択＞＞＞音響光学波長
可変フィルターに印加する駆動電圧の周波数を１１４Ｍ
Ｈｚのみとした。すると、音響光学波長可変フィルター
において９４７ｎｍの波長のみが回折される一方、１０
６４ｎｍおよび１３１８ｎｍの波長が透過された。この
結果、５３２ｎｍの緑色レーザ光および６５９ｎｍの赤
色レーザ光が同時に発振した。同様に、駆動電圧の周波
数を８３ＭＨｚとすれば４７３ｎｍの青色レーザ光およ
び５３２ｎｍの緑色レーザ光の組み合わせ、または９２
ＭＨｚとすれば４７３ｎｍの青色レーザ光および６５９
ｎｍの赤色レーザ光の組み合わせを得ることができる。
このように、任意の一つの周波数の駆動電圧を印加する
ことで残りの二つの周波数に対応する各第２高調波のレ
ーザ光を同時に得ることができる。

【００２１】＝＝＝＝＝その他＝＝＝＝＝（イ）この発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の設計
変更が考えられる。例えば、よく知られているように第
２高調波発生用結晶を共振器の外部に設置してもよい。
また、第２高調波発生用の非線形光学結晶を設けずに、
共振した基本波をレーザ光として取り出すタイプもこの
発明に含まれる。（ロ）全反射鏡を設置するにあたり、共振して出射する
レーザ光の直線的な光軸上に位置決めすればよく、従来
のように回折光の微妙な回折角度に合わせて精密に調整
するといった作業負担が軽減される。また従来では、一
定の角度に調整されたままの全反射鏡でもって異なる波
長の回折光をすべて反射させていた。各波長毎に微妙に
異なる回折角度を持った回折光を反射させるとなれば、
極めて正確な反射は望めないし、許容できる波長領域は
限られてくる。これに対して本発明では、音響光学波長
可変フィルターを常に直進して透過してくる非回折光を
共振対象とするため、反射鏡による極めて正確な反射を
実現できるとともに許容できる波長領域が広がる。

【００２２】

【発明の効果】音響光学波長可変フィルターから得られ
る非回折光を共振の対象とした。よって、共振の対象を
回折光としたことによる従来の種々の問題を回避でき
た。まず、高周波ドリフトの悪影響を配慮しなくても済
むようになった。つまり、非回折光では音響光学波長可
変フィルターによるドップラーシフトは当然ながら発生
しない。したがって、得られるレーザ光の周波数帯域が
広がることがなく狭帯域化が図れる。非回折光に対する
損失は、音響光学素子に用いられる結晶の表面反射だけ
で済む。なおかつ、この表面反射もアンチリフレクショ
ンコートが施された結晶を通常用いるため実質的にはゼ
ロ化できる。したがって、レーザ発振のしきい値を低く
できる。このため消費電力を低減できる。

【００２３】次に回折効率の不安定さの悪影響を配慮し
なくて済むようになった。つまり、温度ドリフトによっ
て回折効率が変動しても非回折光を共振の対象としてい
る本発明では大きな悪影響を被らない。また、回折効率
を上げるために高価な音響光学波長可変フィルターを用
意しなくて済む。むしろ回折光を共振対象とした場合に
損失となっていた非回折光を本発明では活用するため回
折効率が低くても構わない。この点において、複数（例
えば３原色発振の基となる３種類）の発振波長に対して
回折効果のある通常のＡＯ−Ｑスイッチを波長選択機能
の兼ね備えたものとして利用できる。

【００２４】また、従来では十分な強度の回折光を得る
ために音響光学波長可変フィルターにおける超音波を強
く励振しなくてはならず比較的大きな投入電力が必要だ
った。ところが、本発明における回折光は除去すべき不
要な波長だけを含むためその強度は小さくても構わない
ため投入電力を小さくできる。このように高周波ドリフ
トや回折効率の不安定さの悪影響を回避できたことで発
振波長やレーザ出力の安定化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の波長選択式レーザ発振装置の波長選択原
理を示す概略構成図である。

【図２】この発明の波長選択式レーザ発振装置の波長選
択原理を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１０全反射鏡２０出力鏡３０レーザ媒質４０非線形光学結晶５０音響光学波長可変フィルター６０制御コンピューター（駆動電圧制御手段）７０ｒｆドライバー（駆動電圧制御手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全反射鏡と所定の透過率を有する出力鏡
とから構成される共振器の内部において励起光源の付帯
したレーザ媒質および音響光学素子が共振光路上に適切
な位置関係をもって配置されるとともに、前記音響光学
素子に印加する駆動電圧の周波数を選択的に可変する駆
動電圧制御手段を備え、この駆動電圧制御手段によって
前記周波数を選択することにより前記レーザ媒質から供
給される複数の発振線を有した入力光を前記音響光学素
子で当該周波数に応じた前記発振線たる回折光と所定の
前記発振線たる非回折光とに分離し、この分離された光
を共振させて既定の波長のレーザ光を選択的に出力する
レーザ発振装置であって、前記全反射鏡は前記非回折光
のみを共振対象として前記出力鏡に向けて反射すべく配
置されていることを特徴とする。
【請求項２】前記音響光学素子は音響光学波長可変フ
ィルターであることを特徴とする請求項１記載の波長選
択式レーザ発振装置。
【請求項３】前記共振器の内部における前記共振光路
上に第２高調波発生用の非線形光学結晶が挿入されてい
ることを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択
式レーザ発振装置。
【請求項４】前記駆動電圧制御手段が前記駆動電圧の
前記周波数を高速に可変することにより、前記レーザ光
の前記既定波長を高速に切り換えることを特徴する請求
項１〜３の何れかに記載の波長選択式レーザ発振装置。
【請求項５】前記レーザ媒質はネオジウムイオンを発
光中心とした結晶で構成されることを特徴とする請求項
１〜４の何れかに記載の波長選択式レーザ発振装置。
【請求項６】前記レーザ媒質はＧＹＡＧをホストとし
た結晶で構成されることを特徴とする請求項５に記載の
波長選択式レーザ発振装置。
【請求項７】前記音響光学波長可変フィルターはＱス
イッチ用の音響光学素子で構成されることを特徴とする
請求項２〜６のいずれかに記載の波長選択式レーザ発振
装置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ
発振装置で用いられる波長選択方法であって、前記音響
光学素子に印加する前記駆動電圧における既定の複数の
前記周波数のうちで任意の周波数を選択することによ
り、前記レーザ媒質から供給される複数の発振線を有し
た入力光を前記音響光学素子によって前記回折光と前記
非回折光とに分離するに際し、前記選択周波数に応じた
前記発振線を前記回折光として除去することにより所望
の前記発振線を非回折光として取り出し、この非回折光
を共振させて既定の波長のレーザ光を選択的に出力する
ことを特徴とする。