(57)【要約】【課題】レーザ光源の光軸補正に使用する光偏向器を、可動部、高電圧や高周波電力を必要としない手段で実現する。【解決手段】電子冷却素子３を動作させて第１金属片４と第２金属片５との間に温度差をつけることによって、合成石英ガラスを材料とする透明媒質２の内部に温度分布が生じる。この温度分布に応じて屈折率分布が透明媒質２の内部に生じる。第１金属片４の側の温度が高い場合に、入射するレーザ光１０１は上方向に偏向し、逆の場合に、入射するレーザ光１０１は下方向に偏向する。第１温度センサ６および第２温度センサ７を使用して、第１金属片４および第２金属片５の温度をモニターしながら、測定される温度差が一定になるように電子冷却素子３に供給する電力を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザの伝搬方向を偏向させる光偏向器であって、
互いに離間するように配置された第１金属片および第２金属片と、
前記第１金属片と前記第２金属片との間に並列に配置され、それぞれ前記第１金属片および前記第２金属片に接する透明媒質および電子冷却素子と
を有し、
前記電子冷却素子が前記第１金属片および前記第２金属片に温度差を与えることによって前記透明媒質の屈折率を変化させることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
前記透明媒質の表面のうち前記第１金属片および前記第２金属片と接する２つの面を除いた面のうちの少なくとも１つの面には、入射するレーザ光に対して低反射率となる誘電体多層膜コーティングが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光偏向器。
【請求項３】
前記透明媒質の表面のうち前記第１金属片および前記第２金属片と接する２つの面を除いた面のうちの１つの面には、入射したレーザ光に対して高反射率となる誘電体多層膜コーティングが形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光偏向器。
【請求項４】
前記透明媒質の表面のうち前記第１金属片および前記第２金属片と接する２つの面を除いた面のうちの１つの面には、前記透明媒質の中を伝搬するレーザ光を反射させる反射面とされており、当該反射面で反射したレーザ光が射出する面には、レーザ光に対して低反射率となる誘電体多層膜コーティングが形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光偏向器。
【請求項５】
前記第１金属片に埋め込まれた第１温度センサと、
前記第２金属片に埋め込まれた第２温度センサと、
前記１金属片と前記第２金属片の温度差を設定し、前記第１温度センサおよび前記第２温度センサによって測定される値の差が、設定した温度差に近づくように前記電子冷却素子に供給する電力を制御する電力制御手段と
をさらに有することを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光偏向器。
【請求項６】
請求項５に記載の光偏向器を有するレーザ光源であって、
レーザ光の光路上に前記光偏向器が配置されたことを特徴とするレーザ光源。
【請求項７】
光路上を伝搬するレーザ光の基準位置からのずれを検出するビーム位置検出器と、
前記ビーム位置検出器から出力される信号をもとに、前記基準位置からのずれが小さくなるように前記光偏向器を制御する制御手段と
をさらに有することを特徴とする、請求項６に記載のレーザ光源。
【請求項８】
連続波を出力する単一縦モードレーザと、
前記単一縦モードレーザの出力光を基本波として外部共振器型の第２高調波発生を行うための外部共振器と
をさらに有し、
前記単一縦モードレーザと前記外部共振器の間の光路に、前記光偏向器が配置されたことを特徴とする、請求項７に記載のレーザ光源。
【請求項９】
前記ビーム位置検出器は、前記外部共振器から波長変換されずに漏れ出る前記基本波の位置をモニターする光検出器を含み、
前記制御手段は、前記光検出器から得られる基準位置からのずれ量に対応した信号をもとに、前記基準位置からのずれ量が小さくなるように前記光偏向器を制御することを特徴とする、請求項８に記載のレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的な可動部を持たず、また駆動に高電圧を必要としない光偏向器、およびこれを光軸ずれの補正に利用したレーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ共振器を構成するミラーやレーザ光を折り返して伝搬させるためのミラーを有するレーザ光源では、筐体に歪が生じた場合に、この歪がミラーに微小な角度変化を与え、これによってレーザ光源内部を伝搬するレーザ光に光軸ずれが生じ、レーザ出力が低下したりビーム品質が劣化したりしてしまうことが多い。
【０００３】
この光軸ずれは、レーザ光源自体の発熱によって筐体温度が変化したり、環境温度が変化したり、あるいは長い時間の経過によって所定のレーザパワーを維持するための励起源に供給するエネルギが増加してレーザ光源自体の発熱量が変化するなど、レーザ光源自体の問題によって生じることがある。
【０００４】
また、レーザ光源をある場所に設置する場合やレーザ応用装置に組み込む場合にレーザ光源と接する面が歪んでいたり、さらにはレーザ光源を取り付けた面が環境温度の変化で歪んだり、レーザ光源が組み込まれたレーザ応用装置がその発熱によって温度上昇し、レーザ光源を取り付けた面が歪んだりするなどして、外部からレーザ光源に応力が加わることよっても光軸ずれが生じる。
【０００５】
この光軸ずれの補正に、ウェッジ状のガラス板を２枚組からなるリスレープリズム対を使用する方法がある。特許文献１では、多段増幅式レーザシステムにおいて、リスレープリズム対をモーターで回転させ、光軸補正をおこなっている。特許文献２や特許文献３では、ピエゾ素子によってレーザ共振器の端面ミラーと出力ミラーとの角度を調整できるようにしている。また、特許文献２では、ピエゾ素子の替わりに電動シリンダを使用することも示唆している。特許文献４では、ステッピングモータを使用している。非特許文献１では、電気光学効果を利用した光偏向についての記述があり、この効果を利用すれば、光軸ずれの補正に利用できることは容易に想像できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２１６５５２号公報
【特許文献２】特開２０１１−５３３７０号公報
【特許文献３】特開平９−１５３６５４号公報
【特許文献４】特公平６−６６４９１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａｍｎｏｎ  Ｙａｒｉｖ  著、「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」第３版、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｉｎｃ．、１９８９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般的にレーザ光源が筐体の歪によって生じる光軸ずれは、レーザ光源を設置するときを除けば、変化は非常に遅い速度で生じる。レーザ光源を設置し直したときに生じる光軸ずれを補正する場合、初回だけは光軸補正に数分の時間を要することが許容される場合が多い。前記の各種装置に使われている光偏向器はレーザ光源の光軸ずれの補正には十分な性能を持っていると推測できる。しかしながら、使用目的をレーザ光源の光軸の補正に限れば、上記各種装置で使用されている光偏向器は、時間応答性や偏向角の大きさは過剰であるとも言える。
【０００９】
すなわち、上記した従来装置には、光偏向器をレーザの光軸に使用する場合に、高電圧や高周波が必要でコストへの影響が大きい、モーターを使用するものでは可動部を持つためにレーザ動作中のレーザ特性が良くない、あるいはアウトガスが問題となり易いレーザ光源に組み込むには適していない、その他サイズが大きくコストが高いなどの問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで本発明は、可動部を持たない光偏向器を実現するために、電子冷却素子によって透明媒質に温度勾配を設け、これによって生じる屈折率勾配によって透明媒質を通過する光を偏向させることを最も主要な特徴とする。さらに、これをレーザ光源の内部を伝搬するレーザ光の光軸補正に利用することにより、出力が安定なレーザ光源を実現する。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の一側面によれば、レーザの伝搬方向を偏向させる光偏向器（１）であって、互いに離間するように配置された第１金属片（４）および第２金属片（５）と、前記第１金属片と前記第２金属片との間に並列に配置され、それぞれ前記第１金属片および前記第２金属片に接する透明媒質（２、２２、２３）および電子冷却素子（３）とを有し、前記電子冷却素子が前記第１金属片および前記第２金属片に温度差を与えることによって前記透明媒質の屈折率を変化させる構成とする。
【００１２】
また、本発明の一側面によれば、上記光偏向器（１）において、前記透明媒質（２、２２、２３）の表面のうち前記第１金属片および前記第２金属片と接する２つの面を除いた面のうちの少なくとも１つの面には、入射するレーザ光に対して低反射率となる誘電体多層膜コーティング（２ａ、２２ａ、２３ａ）が形成されている構成とすることができる。
【００１３】
また、本発明の一側面によれば、上記光偏向器（１）において、前記透明媒質（２２）の表面のうち前記第１金属片および前記第２金属片と接する２つの面を除いた面のうちの１つの面には、入射したレーザ光に対して高反射率となる誘電体多層膜コーティング（２２ｂ）が形成されている構成とすることができる。
【００１４】
また、本発明の一側面によれば、上記光偏向器（１）において、前記透明媒質（２３）の表面のうち前記第１金属片および前記第２金属片と接する２つの面を除いた面のうちの１つの面には、前記透明媒質の中を伝搬するレーザ光を反射させる反射面（２３ｃ）とされており、当該反射面で反射したレーザ光が射出する面には、レーザ光に対して低反射率となる誘電体多層膜コーティング（２３ｂ）が形成されている構成とすることができる。
【００１５】
また、上記課題を解決するために、本発明の一側面によれば、上記光偏向器（１）において、前記第１金属片に埋め込まれた第１温度センサ（６）と、前記第２金属片に埋め込まれた第２温度センサ（７）と、前記１金属片と前記第２金属片の温度差（ΔＴ）を設定し、前記第１温度センサおよび前記第２温度センサによって測定される値の差が、設定した温度差に近づくように前記電子冷却素子に供給する電力を制御する電力制御手段（４０）とをさらに有する構成とすることができる。
【００１６】
また、上記課題を解決するために、本発明の一側面によれば、上記光偏向器（１）を有するレーザ光源（１００）であって、レーザ光の光路上に前記光偏向器（１）が配置された構成とする。
【００１７】
また、本発明の一側面によれば、上記レーザ光源（１００）において、上記光路上を伝搬するレーザ光の基準位置からのずれを検出するビーム位置検出器（２０）と、前記ビーム位置検出器から出力される信号（Ｉ１、Ｉ２）をもとに、前記基準位置からのずれが小さくなるように前記光偏向器（１）を制御する制御手段（５０）とをさらに有する構成とすることができる。
【００１８】
また、本発明の一側面によれば、上記レーザ光源（１００）において、連続波を出力する単一縦モードレーザ（１０）と、前記単一縦モードレーザの出力光を基本波（１０４）として外部共振器型の第２高調波（１０３）発生を行うための外部共振器（２１）とをさらに有し、前記単一縦モードレーザと前記外部共振器の間の光路に、前記光偏向器（１）が配置された構成とすることができる。
【００１９】
また、本発明の一側面によれば、上記レーザ光源（１００）において、前記ビーム位置検出器（２０）は、前記外部共振器から波長変換されずに漏れ出る前記基本波の位置をモニターする光検出器（２０ａ、２０ｂ）を含み、前記制御手段（５０）は、前記光検出器から得られる基準位置からのずれ量に対応した信号（ΔＶ）をもとに、前記基準位置からのずれ量が小さくなるように前記光偏向器（１）を制御する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の光偏向器は、微小な偏向角を制御できるという基本的な性能をもつのは当然のことながら、可動部を持たないため簡易な構造であるために特にレーザ光源の内部に組み込むのに適しており、さらに、この簡易構造に加えて高電圧を使用せずに駆動できることから低コストで実現できるという利点がある。
【００２１】
また、本発明のレーザ光源は、この光偏向器を組み込むことにより、レーザ光源を設置したときや、環境温度の変化でレーザ光源の筐体に反りが生じて光軸ずれが生じてしまった場合にでも、レーザ光源の内部にアクセスすることなく外部から適切な電気信号を与えることにより、人の判断に基づいて、あるいは自動制御によって光軸を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る光偏向器の斜視図である。
【図２】図１に示した光偏向器の断面図である。
【図３】図１に示した光偏向器の透明媒質を示した説明図である。
【図４】図１に示した光偏向器を駆動する回路のブロック図である。
【図５】図１に示した光偏向器を含むレーザ光源の概略構成図である。
【図６】図５に示したレーザ光源を駆動する回路のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明では、レーザ光線を偏向するという目的を、高電圧を使用せず、また機械的な可動部を持たせずに実現した。また、このような特徴をもつ光偏向器１を使用してレーザの光軸を補正するという目的を実現した。以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る光偏向器１の斜視図であり、図２は本発明に係る光偏向器１の断面図である。透明媒質２と電子冷却素子３（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）とが並列に並んだ状態で、黄銅を材料として互いに離間するように配置された第１金属片４と第２金属片５との間に挟まれた構造となっている。温度をモニターするために、第１金属片４には第１温度センサ６が、第２金属片５には第２温度センサ７がそれぞれ埋め込まれている。第１温度センサ６および第２温度センサ７には、温度変化に対して電気抵抗値が変化するサーミスタが使用されている。電子冷却素子３の電極３ｄおよび各温度センサ６、７の電極６ａ、７ａを除いたこの光偏向器１の寸法は３０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍである。
【００２５】
透明媒質２は、合成石英ガラスを材料としており、寸法が２ｍｍ×４ｍｍ×１０ｍｍの直方体である。図３は本発明の光偏向器１の透明媒質２の形状を説明する図であり、上（第１金属片４側）から見た形状を示している。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、透明媒質２のレーザ光１０１が入射する面、およびレーザ光１０２が射出する面に低反射率の誘電体多層膜コーティング２ａ、２ｂが形成されている。そして図３（ａ）のように一方からレーザ光１０１が入射して、透明媒質２を通過しながら偏向作用を受け、透明媒質２を通過したレーザ光１０２は図面垂直方向について上側または下側に偏向する。
【００２６】
図２に示すように、電子冷却素子３は、絶縁体である一対のセラミック板３ａ、３ｂの間にｐ型半導体およびｎ型半導体の対の半導体素子３ｃを多数挟んだ構造で、通常、１対の電極３ｄに直流電流を流すことで、ペルチェ効果によってセラミック板３ｂとセラミック板３ａとの間に温度差ΔＴを付けることができる。電子冷却素子３のセラミック板３ｂの側をヒートシンクに取り付けておけば、直流電流の流す向きを替えることによって、電子冷却素子３のセラミック板３ａ側を冷却したり、加熱したりすることができる。
【００２７】
この光偏向器１を使用するときは、図１のように、光偏向させたいレーザ光１０１が透明媒質２および電子冷却素子３の配列方向と異なる方向（図示例では直角）から入射して透明媒質２を通過するように光偏向器１をレーザ筐体内に配置し、熱伝導性のよい金属などを材質とした筐体の取り付け面に第２金属片５の部分をネジを使って固定する。
【００２８】
この状態で、第１金属片４の温度が第２金属片５の温度に比べて高くなるように電子冷却素子３に電流を流した場合、透明媒質２の第１金属片４側の温度は第２金属片５側の温度より高くなる。透明媒質２の内部では温度が高い部分が屈折率が大きくなり、十分な時間が経過して定常状態に達した状態では、第２金属片５側から第１金属片４に向かっていくときに屈折率が直線的に増加した状態となる。このため、透明媒質２を通過した後のレーザ光１０２は第１金属片４の側、すなわち上方向に偏向した状態となる。反対に、電子冷却素子３にこれとは逆方向の電流を流した場合、第１金属片４は第２金属片５よりも温度が低くなり、透明媒質２を通過したレーザ光１０２は第２金属片５の側に偏向した状態となる。
【００２９】
一般に屈折率の温度係数がｄｎ／ｄＴで厚みがＤの透明媒質２の上下面間に屈折率差Δｎができ、その位置に対する変化が直線的である場合に、光がこの透明媒質２を横切って距離Ｌだけ伝搬したときの偏向角θは数式（１）で表せることがわかっている。このことは非特許文献１の電気光学効果による光偏向についてのセクションに記載されている。この式に基づけば、上下面の温度差ΔＴによって透明媒質２に屈折率差Δｎが生じた場合、偏向角θは、下記の数式（２）によって求まることが容易にわかる。
【数１】
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【数２】
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【００３０】
温度差ΔＴを得るのに、熱伝導率がＫで、断面積がＳである透明媒質２を通過する熱量をＱとすると、定常状態になったときに温度差ΔＴは下記の数式（３）で表すことができる。数式（３）の関係を使って偏向角θを表したのが数式（４）である。数式（４）をみると、偏向角θを決める透明媒質２の材料によって決まるのは、数式（４）の右辺のカッコ内の因数である。偏向角θを大きくするためには屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが大きく、熱伝導率Ｋが小さい材料が望ましいと言える。本発明では、透明媒質２の材料として適度な大きさの屈折率温度係数をもち、熱伝導率Ｋが小さい上に、レーザ耐性、加工性、入手性などの点でもすぐれた合成石英ガラスを採用した。
【数３】
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【数４】
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【００３１】
合成石英ガラスの屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴは約１０×１０−６Ｋ−１で、本実施形態では伝搬した距離Ｌが１０ｍｍなので、温度差ΔＴを１０Ｋとした場合に、計算上、偏向角θは０．５ミリラジアン（≒０．０２９°）となる。
【００３２】
実際に、本実施形態の光偏向器１で第１金属片４を加熱し、第２金属片５との温度差ΔＴが約１０度となるように電子冷却素子３に電力を供給したとき、レーザ光１０２はレーザ光１０１に対して上方向に約０．４５ミリラジアンだけ偏向した。逆に、第１金属片４を冷却し、第２金属片５との温度差ΔＴが約１０度となるように電子冷却素子３に電力を供給したときに、レーザ光１０２は下方向に約０．４５ミリラジアンだけ偏向した。
【００３３】
図１に示す光偏向器１の制御に使用する制御器４０の回路構成について、図４のブロック図を参照しながら説明する。図４の中では、図１で示した光偏向器１の全体を破線の長方形として略して描き、光偏向器１の構成要素の電気的な制御に係わる第１温度センサ６、第２温度センサ７、および電子冷却素子３を長方形の中に描いている。
【００３４】
第１温度センサ６によって測定する第１金属片４の温度は第１温度検出回路２４によって電圧Ｔ１として出力される。同様に、第２温度センサ７によって測定する第２金属片５の温度は第２温度検出回路２５によって電圧Ｔ２として出力される。第１減算回路２６はこれらの電圧Ｔ１、Ｔ２を入力し、前者から後者を引いた電圧値ΔＴＭＯＮ（＝Ｔ１−Ｔ２）を出力する。
【００３５】
一方、温度差設定回路２７は、第１金属片４と第２金属片５との温度差ΔＴの設定値に対応する電圧値を出力電圧ΔＴＳＥＴとして出力する。温度差設定回路２７は定電圧回路の出力電圧を可変抵抗によって分圧した電圧を出力する回路であり、可変抵抗を手動で調整することによって所望の温度差ΔＴに対応した出力電圧ΔＴＳＥＴ設定する。
【００３６】
第２減算回路２８は、出力電圧ΔＴＳＥＴと電圧値ΔＴＭＯＮとを入力として、前者から後者を引いた電圧値を出力電圧ΔＴＤＩＦ（＝ΔＴＳＥＴ−ΔＴＭＯＮ）として出力する。電子冷却素子駆動回路２９は、第２減算回路２８の出力電圧ΔＴＤＩＦに応じて電子冷却素子３に電流を供給する。出力電圧ΔＴＳＥＴが電圧値ΔＴＭＯＮより大きい場合は、電子冷却素子駆動回路２９は第１金属片４を加熱するよう動作をし、その逆の場合には第１金属片４を冷却するよう動作をする。
【００３７】
電子冷却素子駆動回路２９は前段の出力電圧ΔＴＤＩＦの信号をもとに比例制御（Ｐ制御）および積分制御（Ｉ制御）を併せたＰＩ制御を行う。透明媒質２の熱に対する応答は、電気的な応答に比べて桁違いに遅い。温度差ΔＴに対応した出力電圧ΔＴＳＥＴを設定し直してから定常状態に達するまでの間に温度差ΔＴがオーバーシュートしないようにＰ制御のゲインを小さくしておき、Ｉ制御を主とした制御にしている。
【００３８】
通常、第２金属片５の温度は取り付け箇所の温度とほぼ同じになので、最も低い場合の温度は室温と同程度になる。この状態で第１金属片４の側を冷却しすぎると結露が生じる。通常の室温付近でかつ相対湿度が特に高くは無い場合、結露が起こらないようにするには第１金属片４の側を冷却するときに温度差ΔＴを−１０Ｋ程度までとする必要がある。このことと、上方向と下方向とで偏向角θの絶対値の最大値がほぼ同じとなるようにするために、制御器４０は温度差ΔＴを−１０Ｋ〜＋１０Ｋの範囲で制御できるようにした。また、制御器４０の温度差ΔＴの制御精度は少なくとも０．０２Ｋはあり、偏向角θの制御精度は約１マイクロラジアンである。
【００３９】
この制御器４０を加えた本実施形態の光偏向器１では、温度差設定回路２７の中の可変抵抗器を手動で調整することで、設定すべき温度差ΔＴに対応した出力電圧ΔＴＳＥＴを設定する。これによって、レーザ光１０２は、出力電圧ΔＴＳＥＴの値が正のとき上方向に偏向し、逆に負のときに下方向に偏向する。また、その偏向角θは出力電圧ΔＴＳＥＴの値に比例する。現実的には、光偏向器１を使うことで改善したい特性、例えばレーザパワーやビームプロファイルをモニターしながら、温度差設定回路２７の中の可変抵抗器を手動で調整することになる。
【００４０】
本実施形態では、直方体の透明媒質２を使用し、レーザ光１０１、１０２が入射および射出する２面に低反射率の誘電体多層膜コーティング２ａ、２ｂを形成して透過型の光偏向器１としたが、透明媒質２に形成する誘電体多層膜コーティング２ａ、２ｂや、透明媒質２の形状に若干の変更を加えるだけで光偏向器１を反射型に変えることもできる。
【００４１】
図２（ｂ）に示す透明媒質２２は、透明媒質２と材料、形状、寸法は同じであるが、レーザ光１０１が入射する面に低反射率の誘電体多層膜コーティング２２ａを、そしてこれと対向する面に高反射率の誘電体多層膜コーティング２２ｂを形成することで、光偏向器１が反射型となっている。この場合、ΔＴが同じならば、透明媒質２を使用した場合の２倍の偏向角θが得られる。
【００４２】
図２（ｃ）に示す透明媒質２３は、材料、幅および厚みが透明媒質２と同じであるが、図示するようにレーザ光１０１が入射する面と相対する端部が４５度の角度でカットされた形状を呈し、カットされた面が研磨してあることで全反射面２３ｃとなっている。レーザ光１０１が入射する面およびレーザ光１０２が射出する面には低反射率の誘電体多層膜コーティング２３ａ、２３ｂが形成されている。こうすることにより光偏向器１が反射型となる。
【００４３】
透過型、反射型に問わず、透明媒質２のレーザ光１０１が入射する面およびレーザ光１０２が射出する面の一方または両方を、レーザ光１０１、１０２がブリュースター角で入射または射出することができる形状にカットしたものでも、光偏向器１として利用できる。この場合、低反射コーティングを設ける必要がないという利点もあるが、レーザ光１０１、１０２の偏光を透明媒質２の入射面に対してｐ偏光となるようにする必要があるという制約がある。また、収束性、あるいは発散性のあるレーザ光１０１に利用する場合に、ブリュースター入射によって生じる非点収差の影響が少ない範囲で使用しなければならないという制約もある。
【００４４】
図５は、本発明の光偏向器１を含むレーザ光源１００の概略構成図である。レーザ光源１００は、単一縦モードレーザ１０のレーザ出力を外部共振器型の第２高調波発生により波長変換して単一縦モードレーザ１０のレーザ波長の２分の１のレーザ波長をもつレーザ光を出力する。
【００４５】
単一縦モードレーザ１０は、連続波動作で波長が１０６４ｎｍの単一縦モードのレーザ光を出力する。単一縦モードレーザ１０から出力されるレーザ光１０１を、図５の紙面に垂直な方向に偏向するように光偏向器１を配置する。光偏向器１を通過したレーザ光１０２は、４５度ミラー１６および４５度ミラー１７を使って導かれ、集光レンズ１８によって適切なモード変換をされたあと、外部共振器２１に入射する。
【００４６】
外部共振器２１は、レーザミラー１１、レーザミラー１２、レーザミラー１３、レーザミラー１４の４つのミラーからなる８の字型のリング共振器であり、英語圏では蝶ネクタイ型（Ｂｏｗ−Ｔｉｅ型）リング共振器と呼ばれることの多いタイプである。これらのレーザミラー１１〜１４の共振器を構成する側の面には、誘電体多層膜コーティングが形成されており、レーザミラー１３およびレーザミラー１４は波長１０６４ｎｍにおいて反射率がほぼ１００%の特性をもち、レーザミラー１１は波長１０６４ｎｍにおいて反射率が９９％となる特性をもち、レーザミラー１２は波長１０６４ｎｍでは反射率がほぼ１００％でかつ波長５３２ｎｍでは反射率が１０％以下となる特性をもっている。
【００４７】
この外部共振器２１にレーザミラー１１を通して外部から波長１０６４ｎｍのレーザ光を入射させると、波長１０６４ｎｍのレーザ光は外部共振器２１の中で共振し、外部共振器２１の内部のレーザパワーはおよそ１００倍に増強される。実際にこの共振状態を得るためには、外部から入射してくるレーザの波長とリング共振器の共振波長とが一致している必要があるので、共振器の状態をモニターしながらリング共振器の共振器長を精密にコントロールする手段が必要であるが、本発明の動作原理とは直接関係ないので、図５ではこの手段に係わる部品を省略している。
【００４８】
外部共振器２１の内部の光路上には２次の非線形光学効果を有する光学結晶である三ホウ酸リチウム結晶（ＬｉＢ３０５結晶、以下では単にＬＢＯ結晶１５とする）が、レーザ光がブリュースター角で入射するように配置してある。ＬＢＯ結晶１５は、波長１０６４ｎｍのレーザ光がブリュースター入射となるときの屈折角となる方向に波長１０６４ｎｍのレーザ光が伝搬するときに、第２高調波発生のための角度位相整合条件をみたすカットとなっている。
【００４９】
先に説明したリング共振器内のレーザパワーが増強された状態では、このＬＢＯ結晶１５からは第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光が発生する。この波長５３２ｎｍのレーザ光は、レーザミラー１２からリング共振器の外部に取り出される。また、共振している波長１０６４ｎｍのレーザ光の一部もレーザミラー１２から外部共振器２１の外部へ漏れていく。
【００５０】
ダイクロイックミラー１９には、波長１０６４ｎｍのレーザ光に対しては低反射率となり、かつ、波長５３２ｎｍのレーザ光に対しては高反射率となる誘電体多層膜コーティングが施されている。外部共振器２１から出力された波長５３２ｎｍのレーザ光１０３はダイクロイックミラー１９によって反射され、波長１０６４ｎｍのレーザ光１０４から分離される。外部共振器２１を漏れて出てきた波長１０６４ｎｍのレーザ光１０４は、ビーム位置検出器２０に入射する。
【００５１】
ここではビーム位置検出器２０には、２つのシリコン・ホトダイオード２０ａ、２０ｂ（図６参照）が隣接して配置された２分割光検出器を使用しており、一方のシリコン・ホトダイオード２０ａが上側、他方のシリコン・ホトダイオード２０ｂが下側となるように配置してある。これによって、ビーム位置検出器２０はビーム位置の上下方向の１次元的な変化を検出する。ビーム位置検出器２０は、図５に示すレーザ光源１００全体の光学的な調整状態が最適なときに、２つのシリコン・ホトダイオード２０ａ、２０ｂからの出力電流が同じになるように位置が調整されている。ビーム位置検出器２０としては非分割型の位置検出素子（ＰＳＤ、ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｄｅｖｉｃｅ）を使うこともできる。
【００５２】
外部共振器２１に入射するレーザ光が理想的な光路を通って外部共振器２１に入射して共振した場合、外部共振器２１を漏れ出る波長１０６４ｎｍのレーザ光１０４の空間パターンは円形となる。しかしながら、理想的な光路よりも上方向または下方向に向かってレーザ光が外部共振器２１に入射すると、外部共振器２１を漏れ出る波長５３２ｎｍレーザ光の空間パターンは楕円形に近づきその空間パターンの強度の重心は上側または下側にずれる。
【００５３】
この空間パターンの上下方向へのずれをビーム位置検出器２０で検出し、２つのシリコン・ホトダイオード２０ａ、２０ｂから得られる電気信号の差の信号を誤差信号として適切に増幅したあと、光偏向器１の制御器４０（図４）の温度差ΔＴを設定する信号に加算して入力することで、自動的に光軸が補正される。
【００５４】
この動作を実現する制御器５０の回路構成について、図６のブロック図を用いて説明する。第１温度検出回路２４、第２温度検出回路２５、第１減算回路２６、第２減算回路２８、そして電子冷却素子駆動回路２９は、図４のブロック図と同じ回路であり、第１温度センサ６、第２温度センサ７、および電子冷却素子３との接続に関しても同じである。
【００５５】
図６の温度差設定回路２７も図４のブロック図の中で示したものと同じであるが、その出力信号は加算回路３０に入力され、別の信号が加算されたあとに第２減算回路２８に入力される点が異なる。
【００５６】
ビーム位置検出器２０の２つのシリコン・ホトダイオード２０ａ、２０ｂのうち、レーザ光源１００に組み込んだときに上側になる第１シリコン・ホトダイオード２０ａで発生する光電流Ｉ１、および下側になる第２シリコン・ホトダイオード２０ｂで発生する光電流Ｉ２は、それぞれ第１電流電圧変換回路３１および第２電流電圧変換回路３２によって出力電圧Ｖ１および出力電圧Ｖ２に変換される。これらの出力電圧Ｖ１、Ｖ２は、第３減算回路３３によって、後者から前者を引いた値が出力電圧ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）に変換される。
【００５７】
積分回路３４は出力電圧ΔＶを入力とし、これを時間積分した値を出力電圧ＶＩＮＴＥＧとして出力する。加算回路３０にはこの出力電圧ＶＩＮＴＥＧが前述の別の信号として入力する。そしてΔＴＳＥＴ＋ＶＩＮＴＥＧとなる信号を第２減算回路２８に入力する。第２減算回路２８が出力する信号は（ΔＴＳＥＴ−ΔＴＭＯＮ）＋ＶＩＮＴＥＧとなり、この信号をもとに電子冷却素子駆動回路２９は動作する。
【００５８】
この制御器５０と組み合わせたレーザ光源１００の具体的な使用方法を記載する。レーザ光源１００の製造段階では、まずこの制御器５０は動作させずレーザ光源１００の光軸調整を行う。次に制御器５０を動作させるが、電子冷却素子駆動回路２９だけが動作していない状態とする。この間に、積分回路３４の出力電圧ＶＩＮＴＥＧが０となるように、ビーム位置検出器２０の位置を調整する。また、温度差設定回路２７を手動で調整して出力電圧ΔＴＳＥＴが０となるようにする。この調整を行ったあとで電子冷却素子駆動回路２９も動作するようすることで調整が終了する。これらの調整を終えたあとは、制御器５０が最適な光軸調整状態を維持するよう自動的に動作する。
【００５９】
レーザ光源１００が何らかの原因によりレーザ光の源筐体に歪が生じて、波長１０６４ｎｍのレーザ光１０４が仮に下方向に反った場合について動作を説明する。この場合、第１シリコン・ホトダイオード２０ａへ入射する光量に比べ、第２シリコン・ホトダイオード２０ｂへ入射する光量の方が多くなる。このため、第１シリコン・ホトダイオード２０ａで発生する光電流Ｉ１よりも第２シリコン・ホトダイオード２０ｂで発生する光電流Ｉ２の方が大きくなり、第１電流電圧変換回路３１の出力電圧Ｖ１よりも第２電流電圧変換回路３２の出力電圧Ｖ２の方が大きくなる。これにより、第３減算回路３３の出力電圧ΔＶは正の値となる。
【００６０】
この信号は積分回路３４で積分され正の値をもつ出力電圧ＶＩＮＴＥＧとして出力される。出力電圧ＶＩＮＴＥＧは、加算回路３０および第２減算回路２８を経由して電子冷却素子駆動回路２９へ伝えられる。レーザ筐体に歪がないときに第１金属片４を加熱する動作をしていた場合は、電子冷却素子駆動回路２９は加熱を強めるように働く。レーザ筐体に歪がないときに第１金属片４を冷却する動作をしていた場合は、電子冷却素子駆動回路２９冷却を弱めるように働くか、さらに加熱に転じるように動作する。
【００６１】
いずれの場合においても、出力電圧ＶＩＮＴＥＧが正の値のときは、透明媒質２を通過したレーザ光１０２を上方向に偏向させるように動作する。この動作を続け、第１シリコン・ホトダイオード２０ａおよび第２シリコン・ホトダイオード２０ｂが受光する光量が等しくなるまで、偏向角θを大きくする動作を続け、光量が等しくなってからはそれを維持するよう働く。
【００６２】
しかし、レーザ光源１００の設置場所を変更するなどしたときに、レーザ光源１００の筐体に極端な歪が与えられた場合、波長５３２ｎｍのレーザ光１０３が出力されないばかりか、ビーム位置検出器２０へ入射する波長１０６４ｎｍのレーザ光１０４のレーザパワーが制御に使えないほど極端に弱くなってしまうことがありえる。この状態では、ビーム位置のずれがビーム位置検出器２０では正しく検出できないため、光偏向器１による光軸制御ができない。
【００６３】
このような場合、出力電圧ＶＩＮＴＥＧを強制的にゼロにしておいて、波長５３２ｎｍのレーザ光１０３の出力を確認しながら、温度差設定回路２７の可変抵抗器を手動で調整することで、最適な電圧値ΔＶＳＥＴの値を探し出すことがでる。最適な電圧値ΔＶＳＥＴに設定したところで正常な出力電圧ＶＩＮＴＥＧが出力される状態に戻すことによって、それ以後は、徐々に生じる光軸ずれなどに対して、制御器５０が最適な光軸調整状態を維持するよう自動的に動作するので、レーザ光源１００は安定した出力を維持できる。
【００６４】
本実施形態では、レーザ光源１００の取り付け面に対して垂直方向のみの光軸補正をおこなった。これは、図４に示す部分を組み込む筐体が大きく、この筐体を装置や光学実験台に取り付けたときや、環境温度の変化やレーザ光源１００自体の経時変化によって生じる光軸ずれが、１次元的であり筐体の取り付け面に対して主に垂直方向に生じるからである。
【００６５】
この光軸ずれが１次元的ではあるものの、垂直方向からずれている場合であって、あらかじめその光軸ずれの方向の傾向がわかっている場合には、本発明の光偏向器１による偏向の方向を、光軸ずれの起こる向きに合わせて光偏向器１を取り付け、さらにビーム位置検出器２０もこれに合わせた向きに置けばよい。極端な例であるが、水平方向の光軸ずれの方が支配的な場合は、本発明の光偏向器１を光軸に対して９０度回転させた角度で設置し、ビーム位置検出器２０もこれに合わせた向きに置けばよい。
【００６６】
また垂直方向および水平方向の両方の光軸ずれが無視できない場合は、本実施形態の光偏向器１を２個組み合わせて使用し、さらにビーム位置検出器２０として四分割光検出器を使用することで４つの光検出器の信号の和や差をとった信号をもとに２組の光偏向器１を制御すればよい。
【００６７】
本実施形態では、レーザ光源１００の中のレーザの光路のうち、レーザ光が共振していない箇所に本発明の光偏向器１を配置したが、例えばモードロック発振するチタンサファイアレーザのような共振器長が長く、レーザ特性が筐体の歪に敏感なレーザの共振器内に本発明の光偏向器１を配置し、さらに光軸ずれを適切にモニターした信号をもとに光偏向器１を制御することで、光軸調整状態を維持するよう自動的に動作させることができる。
【００６８】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、本発明に係る光偏向器１をレーザ光源１００に適用しているが、他の装置に適用することも可能である。また、光偏向器１やレーザ光源１００を構成する各部材の具体的形状や配置などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した光偏向器１やレーザ光源１００の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
既に広い範囲で利用されているレーザ光源のうち、その特性が光軸調整状態の変化に特に敏感なレーザ光源に用いることで、従来は設置後にレーザ光源のカバーを開けて行う必要があった光軸調整を、外部から電気的に制御するだけでできるようになり、また、環境温度の変化やレーザ光源自体の経時変化によってレーザラインメントが必要になったときでもこれを自動的に行うことができるようになり、レーザ光源の利便性が著しく向上する。
【符号の説明】
【００７０】
１    光偏向器
２    透明媒質
２ａ、２ｂ  低反射率の誘電体多層膜コーティング
３    電子冷却素子
４    第１金属片
５    第２金属片
６    第１温度センサ
７    第２温度センサ
１０    単一縦モードレーザ
２０    ビーム位置検出器
２０ａ    第１シリコン・ホトダイオード
２０ｂ    第２シリコン・ホトダイオード
２１    外部共振器
２２    透明媒質
２２ａ  低反射率の誘電体多層膜コーティング
２２ｂ  高反射率の誘電体多層膜コーティング
２３    透明媒質
２３ａ、２３ｂ  低反射率の誘電体多層膜コーティング
２３ｃ  全反射面
４０    制御器（電力制御手段）
５０    制御器（制御手段）
１００  レーザ光源
１０３    波長５３２ｎｍのレーザ光
１０４    波長１０６４ｎｍのレーザ光
ΔＴ    温度差
Ｉ１、Ｉ２    光電流
ΔＶ    出力電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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