(57)【要約】【課題】出力を安定させる。【解決手段】ニアフィールドパターンの広い方向について励起レーザ光Ｌの像を反転させた像反転励起レーザ光ｉＬをプリズム３で作成し、励起レーザ光Ｌと像反転励起レーザ光ｉＬとを合成した合成励起レーザ光ｓＬにより固体レーザ結晶４を励起する。【効果】半導体レーザ１の駆動電流Ｉの変化に対するニアフィールドパターンの不連続性の程度は、合成励起レーザ光ｓＬの方が元の励起レーザ光Ｌに比べて小さくなるため、半導体レーザ１の駆動電流Ｉを変化させたときにニアフィールドパターンが急変しなくなり、出力光Ｌｏを安定化することが出来る。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起レーザ光を出射する半導体レーザと、前記励起レーザ光とそのニアフィールドパターンの広い方向について像を反転させた像反転励起レーザ光とを合成した合成励起レーザ光を形成する光学系と、前記合成励起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で発生した光を基に出力される光出力に基づいて前記半導体レーザの駆動電流を制御する制御部とを具備したことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体レーザ装置において、前記光学系は、前記半導体レーザから出射された光ビームをコリメートする第１レンズと、前記第１レンズでコリメートされた光を前記固体レーザ媒質に集光する第２レンズと、前記第１レンズと前記第２レンズの間の光路内に配置され且つ前記第１レンズ及び前記第２レンズより径が小さく且つ前記第１レンズでコリメートされた光を集光する第３レンズと、前記第３レンズと前記第２レンズの間の光路内に配置され且つ前記第１レンズ及び前記第２レンズより径が小さく且つ前記第３レンズで集光された光をコリメートする第４レンズとからなることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の固体レーザ装置において、前記光学系は、前記半導体レーザから出射された光をコリメートするコリメートレンズ系と、前記コリメートレンズ系でコリメートされたコリメート光を集光する集光レンズ系と、前記コリメート光の光路中に配置され前記コリメート光の一部分だけを前記ニアフィールドパターンの広い方向について像を反転させるプリズムとを有してなることを特徴とする固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、出力光の安定性を向上し、ノイズを十分に低減できるようにした固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、励起レーザ光を出射する半導体レーザと、励起レーザ光を集光する光学系と、集光された励起レーザ光により励起される固体レーザ結晶とを具備した固定レーザ装置において、半導体レーザの駆動電流を高速で振幅変調する手段を設けることにより、半導体レーザのモードホップノイズを低減する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、励起レーザ光を出射する半導体レーザと、励起レーザ光を集光する光学系と、集光された励起レーザ光により励起される固体レーザ結晶と、固体レーザ結晶で発生した光の波長を変換する波長変換素子と、光出力に基づいて半導体レーザの駆動電流を制御する制御部とを具備した固体レーザ装置において、屈折率導波型の半導体レーザを用いることにより、駆動電流変化に伴う急激な半導体レーザの出力変動を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開平４−７６９７４号公報
【特許文献２】特開平７−１５４０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の固体レーザ装置では、半導体レーザの駆動電流を高速で振幅変調することや屈折率導波型の半導体レーザを用いることにより、半導体レーザのモードホップノイズや駆動電流変化に伴う半導体レーザの出力変動を抑制して、出力の安定化を図っている。
しかし、これらだけでは出力光の安定性が十分でなく、ノイズを十分に低減できない問題点があった。
そこで、本発明の目的は、出力光の安定性を向上し、ノイズを十分に低減できるようにした固体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の観点では、本発明は、励起レーザ光を出射する半導体レーザと、前記励起レーザ光とそのニアフィールドパターンの広い方向について像を反転させた像反転励起レーザ光とを合成した合成励起レーザ光を形成する光学系と、前記合成励起レーザ光により励起される固体レーザ結晶と、前記固体レーザ結晶で発生した光を基に出力される光出力に基づいて前記半導体レーザの駆動電流を制御する制御部とを具備したことを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
【０００６】
本発明者らが鋭意研究したところ、光出力に基づいて半導体レーザの駆動電流を制御しても出力が不安定になる原因が、半導体レーザ励起固体レーザの励起光源として一般に用いられるブロードストライプレーザにおいて、ニアフィールドパターンが半導体レーザの駆動電流によって不連続に変化するためであることが判った。すなわち、半導体レーザの駆動電流を変化させたときにニアフィールドパターンが急変すると、出力が不安定になることが判った。この理由を次に述べる。
【０００７】
固体レーザ出力の一部を検出してこれが一定になるように励起用半導体レーザの駆動電流を制御するいわゆるＡＰＣ（Auto Power Controll）制御を行う場合、半導体レーザの駆動電流の増加に対して固体レーザ出力が単調増加を示すことが必要である。しかし、実際には駆動電流を変化させると半導体レーザのニアフィールドパターンが変化し、これにより固体レーザ結晶内の励起されている領域の分布が変動するため、固体レーザの出力が変動し、半導体レーザの駆動電流の増加に対して固体レーザの出力は単調増加を示さなくなり、半導体レーザの駆動電流と固体レーザの出力を示すカーブの途中には、いわゆるキンクが発生する。もし通常使用状態で半導体レーザ駆動電流の動作点がキンク発生電流値のすぐ下にあるとき、環境温度の変化などで固体レーザの発振効率が低下して、ＡＰＣ回路が半導体レーザの駆動電流を増加させて固体レーザの出力を一定に保とうとしても、キンク部位では半導体レーザの駆動電流を上げても必ずしも固体レーザの出力が上昇しないため、固体レーザの出力は期待通りには安定しない。動作点がキンク部位のすぐ上にある場合やキンク部位と一致している場合も、同様に固体レーザの出力は安定しない。
【０００８】
そこで、上記第１の観点による固体レーザ装置では、ニアフィールドパターンの広い方向について励起レーザ光の像を反転させた像反転励起レーザ光を作成し、これと元の励起レーザ光を合成した合成励起レーザ光により固体レーザ結晶を励起するようにした。半導体レーザの駆動電流の変化に対する不連続性の程度をニアフィールドパターンの広い方向についてみると、発光位置によって局所的に見られた光強度の変動は、反転させた励起光を合成することによって左右平均化される。このため、合成励起レーザ光のニアフィールドパターンの不連続性の程度は低減され、半導体レーザの駆動電流を変化させたときにニアフィールドパターンが急変しなくなり、駆動電流の変化に対して固体レーザの出力は単調増加を示し、出力が安定になる。
【０００９】
なお、上記理由ではニアフィールドパターンの狭い方向についても像を反転させて元の励起レーザ光と合成した方がよいが、実際には影響は小さいため、ニアフィールドパターンの狭い方向については像を反転させて元の励起レーザ光と合成しなくてもよい。
【００１０】
第２の観点では、本発明は、上記構成の固体レーザ装置において、前記光学系は、前記半導体レーザから出射された光ビームをコリメートする第１レンズと、前記第１レンズでコリメートされた光を前記固体レーザ結晶に集光する第２レンズと、前記第１レンズと前記第２レンズの間の光路内に配置され且つ前記第１レンズ及び前記第２レンズより径が小さく且つ前記第１レンズでコリメートされた光を集光する第３レンズと、前記第３レンズと前記第２レンズの間の光路内に配置され且つ前記第１レンズ及び前記第２レンズより径が小さく且つ前記第３レンズで集光された光をコリメートする第４レンズとからなることを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第２の観点による固体レーザ装置では、第１レンズを経た励起レーザ光の一部を、第３レンズ及び第４レンズでニアフィールドパターンの広い方向について反転させて、像反転励起レーザ光を作成する。そして、第３レンズ及び第４レンズを経ていない元の励起レーザ光の一部と、像反転励起レーザ光とを、第２レンズで固体レーザ結晶に集光する。これにより、合成励起レーザ光により固体レーザ結晶を励起することが出来る。
【００１１】
第３の観点では、本発明は、上記構成の固体レーザ装置において、前記光学系は、前記半導体レーザから出射された光をコリメートするコリメートレンズ系と、前記コリメートレンズ系でコリメートされたコリメート光を集光する集光レンズ系と、前記コリメート光の光路中に配置され前記コリメート光の一部分だけを前記ニアフィールドパターンの広い方向について像を反転させるプリズムとを有してなることを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第３の観点による固体レーザ装置では、コリメートレンズ系を経たコリメート光の一部分をプリズムでニアフィールドパターンの広い方向について反転させて、像反転励起レーザ光を作成する。そして、プリズムを経ていない元の励起レーザ光の一部分と、像反転励起レーザ光とを、集光レンズ系で固体レーザ結晶に集光する。これにより、合成励起レーザ光により固体レーザ結晶を励起することが出来る。また、構成を簡単化できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の固体レーザ装置によれば、半導体レーザの駆動電流を変化させたときにニアフィールドパターンが急変することを抑制できるため、出力を安定化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１に係る固体レーザ装置１００の要部を示す構成説明図である。
この固体レーザ装置１００は、励起用レーザ光Ｌを出射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１から出射された励起用レーザ光Ｌの光ビームをコリメートする第１レンズ２１と、励起用レーザ光Ｌの光路内に並べられ且つ第１レンズ２１でコリメートされた光を集光する第３レンズ２３と、第３レンズ２３と同径で且つ第３レンズ２３で集光された光をそれぞれコリメートして像反転励起レーザ光ｉＬを作成する第４レンズ２４と、第１レンズ２１でコリメートされ第３レンズ２３及び第４レンズ２４を経ていない非反転励起レーザ光Ｌ’および像反転励起レーザ光ｉＬを固体レーザ結晶４に集光する第２レンズ２２と、集光された非反転励起レーザ光Ｌ’および像反転励起レーザ光ｉＬによる合成励起レーザ光ｓＬで励起されレーザ光を出力する固体レーザ結晶４と、固体レーザ結晶４から出力されたレーザ光の波長を変換する波長変換素子５と、固体レーザ結晶４の半導体レーザ１側の端面と共に共振器６を構成するミラー６と、ミラー６から出力されたレーザ光の一部を取り出すビームスプリッタ８と、ビームスプリッタ８で取り出したレーザ光の強度を検知するフォトダイオード９と、半導体レーザ１に駆動電流Ｉを供給すると共にフォトダイオード９で検知したレーザ光の強度を一定に保つべく駆動電流Ｉを制御するＡＰＣ回路１０とを具備している。
【００１５】
図２に示すように、第１レンズ２１は、直径約６ｍｍの凸レンズである。第３レンズ２３は、辺の長さが１ｍｍの正方形の開口を持つ小レンズを並べたフライアイレンズである。第１レンズ２１の約半分と第３レンズ２３がオーバーラップしている。
図３に示すように、第２レンズ２２は、直径約６ｍｍの凸レンズである。第４レンズ２４は、辺の長さが１ｍｍの正方形の開口を持つ小レンズを並べたフライアイレンズである。第２レンズ２２の約半分と第４レンズ２４がオーバーラップしている。
図４は、第３レンズ２３と第４レンズ２４の位置関係を示している。
【００１６】
図５の（ａ）は、励起レーザ光Ｌ’のニアフィールドパターン像Ｎ’を示す概念図である。図５の（ａ）中の左右方向の三角形はニアフィールドパターンの広い方向の向きを示しており、上下方向の三角形はニアフィールドパターンの狭い方向の向きを示している。
図５の（ｂ）は、像反転励起レーザ光ｉＬのニアフィールドパターン像ｉＮを示す概念図である。図５の（ｂ）中の左右方向の三角形で示すニアフィールドパターンの広い方向の向きは、図５の（ａ）の方向と逆になっている。また、図５の（ｂ）中の上下方向の三角形で示すニアフィールドパターンの狭い方向の向きは、図５の（ａ）の方向と逆になっている。
図５の（ｃ）は、合成励起レーザ光ｓＬのニアフィールドパターン像ｓＮを示す概念図である。図５の（ｂ）中の左右方向の四角形はニアフィールドパターンの広い方向について元の向きと反転した向きとを合成したことを示しており、上下方向の四角形はニアフィールドパターンの狭い方向について元の向きと反転した向きとを合成したことを示している。
【００１７】
図６に、実測した合成励起レーザ光ｓＬのニアフィールドパターンを例示する。発光位置は、ニアフィールドパターンの広い方向の位置である。駆動電流Ｉは、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４＜Ｉ５である。
図７に、実測した合成励起レーザ光ｓＬの隣合う半導体レーザ駆動電流におけるニアフィールドパターン間の相互相関係数の変化を示す。
【００１８】
図８に、実測した励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンを例示する。発光位置は、ニアフィールドパターンの広い方向の位置である。駆動電流Ｉは、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４＜Ｉ５である。
図９に、実測した励起レーザ光Ｌの隣合う半導体レーザ駆動電流におけるニアフィールドパターン間の相互相関係数の変化を示す。
【００１９】
図７と図９とを比較すれば、駆動電流Ｉの変化に対するニアフィールドパターンの不連続性の程度は、合成励起レーザ光ｓＬの方が、励起レーザ光Ｌよりも小さいことが判る。
【００２０】
実施例１の固体レーザ装置１００によれば、励起レーザ光の方向を反転させた像反転励起レーザ光ｉＬを作成し、これと元の方向の励起レーザ光Ｌ’とを合成した合成励起レーザ光ｓＬにより固体レーザ結晶４を励起するが、ほとんどの場合、合成励起レーザ光ｓＬのニアフィールドパターンの不連続性の程度は、全体として、元の励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンに比べて小さくなるため、半導体レーザ１の駆動電流Ｉを変化させたときにニアフィールドパターンが急変しなくなり、出力光Ｌｏを安定化することが出来る。
【実施例２】
【００２１】
図１０は、実施例２に係る固体レーザ装置２００の要部を示す構成説明図である。
この固体レーザ装置２００は、励起用レーザ光Ｌを出射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１から出射された励起用レーザ光Ｌの光ビームをコリメートする第１レンズ２１と、コリメートされた励起レーザ光Ｌの光路内に配置され且つコリメートされた励起レーザ光Ｌの略半分の像を反転して像反転励起レーザ光ｉＬを作成するプリズム３と、第１レンズ２１でコリメートされプリズム３を経ていない非反転励起レーザ光Ｌ’および像反転励起レーザ光ｉＬを固体レーザ結晶４に集光する第２レンズ２２と、集光された非反転励起レーザ光Ｌ’および像反転励起レーザ光ｉＬによる合成励起レーザ光ｓＬで励起されレーザ光を出力する固体レーザ結晶４と、固体レーザ結晶４から出力されたレーザ光の波長を変換する波長変換素子５と、固体レーザ結晶４の半導体レーザ１側の端面と共に共振器６を構成するミラー６と、ミラー６から出力されたレーザ光の一部を取り出すビームスプリッタ８と、ビームスプリッタ８で取り出したレーザ光の強度を検知するフォトダイオード９と、半導体レーザ１に駆動電流Ｉを供給すると共にフォトダイオード９で検知したレーザ光の強度を一定に保つべく駆動電流Ｉを制御するＡＰＣ回路１０とを具備している。
【００２２】
第１レンズ２１，第１レンズ２２は、凸レンズである。
図１１に示すように、プリズム３は、ダブプリズムである。第１傾斜面３１よりプリズム３内に入射した励起レーザ光Ｌは、底面３３で反射した後、第２傾斜面３２より像反転励起レーザ光ｉＬとして出射される。図１１中の矢印は、ニアフィールドパターン像を示す概念図形である。長い矢印はニアフィールドパターンの広い方向を示し、短い矢印はニアフィールドパターンの狭い方向を示している。像反転励起レーザ光ｉＬのニアフィールドパターンの広い方向を示す長い矢印が励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンの広い方向を示す長い矢印と逆方向になっているのは、ニアフィールドパターンの広い方向の像が反転していることを表している。
【００２３】
図１２に、実測した合成励起レーザ光ｓＬのニアフィールドパターンを例示する。発光位置は、ニアフィールドパターンの広い方向の位置である。駆動電流Ｉを５００ｍＡから１０００ｍＡまで段階的に変化させたときのニアフィールドパターンを示している。
図１３に、合成励起レーザ光ｓＬのニアフィールドパターンの、隣り合う駆動電流Ｉにおける相互相関係数の駆動電流Ｉによる変化を示す。
図１４に、合成励起レーザ光ｓＬで励起したときの駆動電流Ｉと固定レーザ出力Ｌｏとの関係を示す。
【００２４】
−比較例−
図１５に、プリズム３が無い場合に実測した励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンを例示する。発光位置は、ニアフィールドパターンの広い方向の位置である。駆動電流Ｉを５００ｍＡから１０００ｍＡまで段階的に変化させたときのニアフィールドパターンを示している。
図１６に、プリズム３が無い場合の励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンの、隣り合う駆動電流Ｉにおける相互相関係数の駆動電流Ｉによる変化の様子を示す。
図１７に、プリズム３が無い場合の励起レーザ光Ｌで励起したときの駆動電流Ｉと固定レーザ出力Ｌｏとの関係を示す。
【００２５】
図１２と図１５とを比較すれば、駆動電流Ｉの変化に対するニアフィールドパターンの不連続性の程度は、合成励起レーザ光ｓＬの方が、プリズム３が無い場合の励起レーザ光Ｌよりも小さいことが判る。
このことは、図１３と図１６とを比較するとより明確になる。すなわち、図１３に示すように、合成励起レーザ光ｓＬのニアフィールドパターンの、隣り合う駆動電流Ｉにおける相互相関係数は全ての駆動電流値でほぼ１の値を示すのに対して、図１６のプリズム３が無い場合の励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンの、隣り合う駆動電流Ｉにおける相互相関係数は、大きく低下する場合があることが判る。
また、図１４から判るように合成励起レーザ光ｓＬで励起したときに駆動電流Ｉの増加に対して固定レーザ出力Ｌｏは単調増加を示すのに対し、プリズム３が無い場合の図１７では、励起レーザ光Ｌで励起したときに駆動電流Ｉの増加に対して固定レーザ出力Ｌｏは単調増加を示さず、途中にキンクが発生している。
【００２６】
実施例２の固体レーザ装置２００によれば、励起レーザ光の方向を反転させた像反転励起レーザ光ｉＬを作成し、これと元の方向の励起レーザ光Ｌ’とを合成した合成励起レーザ光ｓＬにより固体レーザ結晶４を励起するが、合成励起レーザ光ｓＬのニアフィールドパターンの不連続性の程度は、元の励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンに比べて小さくなるため、半導体レーザ１の駆動電流Ｉを変化させたときにニアフィールドパターンが急変しなくなり、出力光Ｌｏを安定化することが出来る。
【実施例３】
【００２７】
励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンを広い方向について反転するレンズとして、ニアフィールドパターンの広い方向についてのみ湾曲したかまぼこ形レンズを用いてもよい。
【実施例４】
【００２８】
励起レーザ光Ｌのニアフィールドパターンを反転するレンズとして、セルフォックレンズを用いてもよい。セルフォックレンズを用いると、第３レンズ２３と第４レンズ２４とを一体のレンズとして取り扱うことが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の固体レーザ装置は、バイオエンジニアリング分野や計測分野で利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１に係る固体レーザ装置の要部を示す構成説明図である。
【図２】第１レンズと第３レンズの説明図である。
【図３】第２レンズと第４レンズの説明図である。
【図４】第３レンズと第４レンズの位置関係を示す説明図である。
【図５】励起レーザ光と像反転励起レーザ光と合成励起レーザ光のニアフィールドパターン像を示す概念図である。
【図６】実測した合成励起レーザ光のニアフィールドパターンを示す例示図である。
【図７】実測した合成励起レーザ光の各駆動電流に対するニアフィールドパターン間の相互相関係数の変化を示す特性図である。
【図８】実測した励起レーザ光のニアフィールドパターンを示す例示図である。
【図９】実測した励起レーザ光の各駆動電流に対するニアフィールドパターン間の相互相関係数の変化を示す特性図である。
【図１０】実施例２に係る固体レーザ装置の要部を示す構成説明図である。
【図１１】プリズムと励起レーザ光と像反転励起レーザ光の説明図である。
【図１２】実施例２に係る合成励起レーザ光のニアフィールドパターンを示す例示図である。
【図１３】実施例２に係る合成励起レーザ光のニアフィールドパターンの隣り合う駆動電流における相互相関係数の駆動電流による変化の様子を示す特性図である。
【図１４】実施例２に係る合成励起レーザ光で励起したときの駆動電流と固体レーザ出力の関係を示す特性図である。
【図１５】比較例に係る合成励起レーザ光のニアフィールドパターンを示す例示図である。
【図１６】比較例に係る合成励起レーザ光のニアフィールドパターンの隣り合う駆動電流における相互相関係数の駆動電流による変化の様子を示す特性図である。
【図１７】比較例に係る合成励起レーザ光で励起したときの駆動電流と固体レーザ出力の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３１】
１                  半導体レーザ
３                  プリズム
４                  固体レーザ結晶
５                  波長変換素子
６                  ミラー
７                  共振器
８                  ビームスプリッタ
９                  フォトダイオード
１０                ＡＰＣ回路
２１                第１レンズ
２２                第２レンズ
２３                第３レンズ
２４                第４レンズ
１００，２００      固体レーザ装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2006032882.tif 000013
【図１２】
2006032882.tif 000014
【図１３】
2006032882.tif 000015
【図１４】
2006032882.tif 000016
【図１５】
2006032882.tif 000017
【図１６】
2006032882.tif 000018
【図１７】
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