(57)【要約】【課題】波長変換素子を高出力で使用する場合にも、波長変換素子に損傷を生じさせない波長変換素子の温度制御装置。【解決手段】入力値及び出力値が正の相関を持つ領域と負の相関を持つ領域とを有し且つ出力値が閾値を超えることにより不可逆的に変化し且つ温度を制御することにより入力値に対する出力値の効率が変化し基本波の高調波を出力する波長変換素子２２と、波長変換素子の入力値に対する出力値の効率が最大となる最適温度を含む温度範囲を温度が上昇する方向に走査させながら、最適温度と最適温度における入力値とを記憶し、温度範囲を走査後に入力値を記憶された入力値以下に低下させた後、温度を最適温度に設定し、その後再び入力値を出力値が一定になるように制御する制御部４とを備える。【選択図】図１
2015138216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力値及び出力値が正の相関を持つ領域と負の相関を持つ領域とを有し且つ出力値が閾値を超えることにより不可逆的に変化し且つ温度を制御することにより入力値に対する出力値の効率が変化し基本波の高調波を出力する波長変換素子を、入力値を調整することにより出力値が一定になるように制御する波長変換素子の温度制御方法であって、
入力値に対する出力値の効率が最大となる最適温度を含む温度範囲を温度が上昇する方向に走査させながら、前記最適温度と、前記最適温度における前記入力値とを記憶し、前記温度範囲を前記走査後に前記入力値を前記記憶された入力値以下に低下させ、温度を前記最適温度に設定した後、再び前記入力値を前記出力値が一定になるように制御することを特徴とする波長変換素子の温度制御方法。
【請求項２】
入力値及び出力値が正の相関を持つ領域と負の相関を持つ領域とを有し且つ出力値が閾値を超えることにより不可逆的に変化し且つ温度を制御することにより入力値に対する出力値の効率が変化し基本波の高調波を出力する波長変換素子と、
前記波長変換素子の入力値に対する出力値の効率が最大となる最適温度を含む温度範囲を温度が上昇する方向に走査させながら、前記最適温度と、前記最適温度における前記入力値とを記憶し、前記温度範囲を前記走査後に前記入力値を前記記憶された入力値以下に低下させた後、温度を前記最適温度に設定し、その後再び前記入力値を前記出力値が一定になるように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする波長変換素子の温度制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の波長変換素子の温度制御装置と、
基本波を出力する基本波光源と、
前記基本波光源に駆動電流を前記入力値として入力するレーザ駆動部と、
前記波長変換素子から出力される高調波出力を前記出力値として検出する検出部とを備え、
前記制御部は、前記検出部で検出された前記高調波出力に基づき前記波長変換素子の温度と前記レーザ駆動部を制御することを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波を波長変換して高調波を出力する波長変換素子の温度制御方法及びその装置並びにレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の波長変換素子としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザから発せられる光から、緑色光の出力を得るために、強誘電体結晶基板内部で分極方向が周期的に反転する周期分極反転構造を形成したものが用いられている。この波長変換素子は、入射する基本波のレーザ光と擬似位相整合することによって二次高調波である波長のレーザ光を出力することができる。
【０００３】
この波長変換素子を使用する場合には、位相整合条件を満たすように波長変換素子の温度を位相整合温度（一定温度）に保持する必要がある。特許文献１に記載されているように、波長変換素子の温度を測定する温度センサは、波長変換素子内部ではなく、波長変換素子を保持する台に設置されている。このため、波長変換素子自体が基本波や高調波を吸収し、内部発熱がある場合、温度センサで測定した温度よりも波長変換素子内部の温度の方が高くなる。
【０００４】
また、波長変換素子をレーザに組み込む場合などに、高調波の出力を目標出力になるように一定に保持する場合には、高調波出力が一定になるように基本波出力を調整するＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）を行っている。このＡＰＣ駆動での温度チューニングは、例えば、特許文献２の実施の形態２に記載されるように制御されることがある。
【０００５】
図４は、ＡＰＣ駆動で低出力での温度コントローラの設定温度に対する基本波レーザの駆動電流と高調波出力との関係を示す図である。図５は、ＡＰＣ駆動で高出力での温度コントローラの設定温度に対する基本波レーザの駆動電流と高調波出力との関係を示す図である。図４（ａ）に示すように、温度特性カーブが緩やかな場合には、波長変換素子の温度を最小値Ｔｍｉｎから最大値Ｔｍａｘの範囲で変化させると、駆動電流は最大値Ｉｍａｘから凹状に変化して温度Ｔｏで最小値Ｉｍｉｎとなる。高調波出力は、図４（ｂ）に示すように、一定の温度範囲において一定出力値Ｐｃとなる。このように比較的低出力で波長変換素子を使用する場合には、波長変換素子を使用可能である。
【０００６】
図６（ａ）は温度が最小値Ｔｍｉｎでの駆動電流に対する高調波出力を示し、図６（ｇ）は温度が最大値Ｔｍａｘでの駆動電流に対する高調波出力を示し、図６（ｂ）〜６（ｆ）は温度が最小値Ｔｍｉｎから最大値Ｔｍａｘまでの範囲間内での駆動電流に対する高調波出力を示す。
【０００７】
図６に示すように、温度が一定でレーザ駆動部の電流値を上げていくと、高調波出力のピークが発生し、その後、下がる。これは電流値を上げるほど波長変換素子内部の温度が上昇してしまい、位相整合温度から外れ、変換効率が下がるからである。このように、波長変換素子の駆動電流値と高調波出力との関係に正の相関を持つ領域と負の相関を持つ領域とがあり、一対一の関係にならないため、ヒステリシスが発生する。
【０００８】
波長変換素子が基本波や高調波を吸収するために、素子の温度は温度調整器の温度よりも高くなる。温度と駆動電流とは以下の経路を辿る。低温側（Ｔ１）からの高温側（Ｔ５）への移動では、（ａ）Ｔ１（Ｉｍａｘ）→（ｂ）Ｔ２（Ｉｍａｘ）→（ｃ）Ｔ３−（ア）→（ｄ）Ｔ３（ア）→（ｅ）Ｔ０（ア）→（ｆ）Ｔ４（ア）→（ｆ）Ｔ４（Ｉｍａｘ）→（ｇ）Ｔ５（Ｉｍａｘ）の経路を辿る。
【０００９】
高温側（Ｔ５）からの低温側（Ｔ１）への移動では、（ｇ）Ｔ５（Ｉｍａｘ）→（ｆ）Ｔ４（Ｉｍａｘ）→（ｅ）Ｔ０（Ｉｍａｘ）→（ｄ）Ｔ３（イ）→（ｃ）Ｔ３−（イ）→（ｃ）Ｔ３−（ア）→（ｂ）Ｔ２（Ｉｍａｘ）→（ａ）Ｔ１（Ｉｍａｘ）の経路を辿る。高温側から低温側への温度推移では、Ｔ３〜Ｔ０〜Ｔ４の範囲でヒステリシスが発生する。また、温度がＴ３−に達した瞬間に、図６（ｃ）の（イ）〜（ア）の矢印の経路を辿るので、出力Ｐｃよりも大きい過度の高調波が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２３３０３９号公報
【特許文献２】特開２０１２−４２６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
また、高出力で波長変換素子を使用する場合には、波長変換素子内部の発熱が大きいため、図５（ａ）に示すように、急峻な形になる。このため、光量を検出できなくなる。
【００１２】
また、昇温時の温度特性カーブと降温時の温度特性カーブが不一致となるヒステリシスが発生していた。ヒステリシスが発生している状態から目標出力に復帰する際に、図５（ｂ）に示すように、規定値を超える過度の高調波が発生していた。この過度の高調波の発生により波長変換素子が破壊されることがあった。
【００１３】
本発明の課題は、波長変換素子を高出力で使用する場合にも、波長変換素子に損傷を生じさせない波長変換素子の温度制御方法及びその装置並びに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】
【００１４】
本発明に係る波長変換素子の温度制御方法は、上記課題を解決するために、入力値及び出力値が正の相関を持つ領域と負の相関を持つ領域とを有し且つ出力値が閾値を超えることにより不可逆的に変化し且つ温度を制御することにより入力値に対する出力値の効率が変化し基本波の高調波を出力する波長変換素子を、入力値を調整することにより出力値が一定になるように制御する波長変換素子の温度制御方法であって、入力値に対する出力値の効率が最大となる最適温度を含む温度範囲を温度が上昇する方向に走査させながら、前記最適温度と、前記最適温度における前記入力値とを記憶し、前記温度範囲を前記走査後に前記入力値を前記記憶された入力値以下に低下させ、温度を前記最適温度に設定した後、再び前記入力値を前記出力値が一定になるように制御することを特徴とする。
【００１５】
また、波長変換素子の温度制御装置は、入力値及び出力値が正の相関を持つ領域と負の相関を持つ領域とを有し且つ出力値が閾値を超えることにより不可逆的に変化し且つ温度を制御することにより入力値に対する出力値の効率が変化し基本波の高調波を出力する波長変換素子と、前記波長変換素子の入力値に対する出力値の効率が最大となる最適温度を含む温度範囲を温度が上昇する方向に走査させながら、前記最適温度と、前記最適温度における前記入力値とを記憶し、前記温度範囲を前記走査後に前記入力値を前記記憶された入力値以下に低下させた後、温度を前記最適温度に設定し、その後再び前記入力値を前記出力値が一定になるように制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、レーザ装置は、前記波長変換素子の温度制御装置と、基本波を出力する基本波光源と、前記基本波光源に駆動電流を前記入力値として入力するレーザ駆動部と、前記波長変換素子から出力される高調波出力を前記出力値として検出する検出部とを備え、前記制御部は、前記検出部で検出された前記高調波出力に基づき前記波長変換素子の温度と前記レーザ駆動部を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、入力値に対する出力値の効率が最大となる最適温度を含む温度範囲を温度が上昇する方向に走査させながら、最適温度と、最適温度における入力値とを記憶し、温度範囲を走査後に入力値を前記記憶された入力値に低下させ、温度を最適温度に設定した後、再び入力値を出力値が一定になるように制御するので、波長変換素子を高出力で使用する場合にも、ヒステリシスを発生することなく最適温度を検出でき、過度の高調波が発生しないので、波長変換素子に損傷を生じさせないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１の波長変換素子の温度制御装置を含むレーザ装置を示す図である。
【図２】実施例１のＡＰＣ駆動で高出力で昇温時の基本波レーザの駆動電流と高調波出力との関係を示す図である。
【図３】実施例１のＡＰＣ駆動で高出力で降温時の基本波レーザの駆動電流と高調波出力との関係を示す図である。
【図４】従来のＡＰＣ駆動で低出力での温度コントローラの設定温度に対する基本波レーザの駆動電流と高調波出力との関係を示す図である。
【図５】従来のＡＰＣ駆動で高出力での温度コントローラの設定温度に対する基本波レーザの駆動電流と高調波出力との関係を示す図である。
【図６】温度を一定にしたときの駆動電流と高調波出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の波長変換素子の温度制御方法及びその装置並びにレーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は、実施例１の波長変換素子の温度制御装置を含むレーザ装置を示す図である。レーザ装置は、基本波光源１、波長変換部２、検出部３、制御部４、レーザ駆動部５を備えている。
【００２１】
基本波光源１は、レーザの基本波を出力する。基本波光源１としては、実施例１では、波長が１０６４ｎｍのファイバレーザを用いている。レーザ駆動部５は、基本波光源１に駆動電流を入力する。
【００２２】
波長変換部２は、基本波光源１からの基本波を集光する集光レンズ２１、集光レンズ２１で集光された基本波を高調波に変換する波長変換素子２２、波長変換素子２２からの波長変換された光をコリメートするコリメートレンズ２３、波長変換素子２２の温度を制御する温度コントローラ２４を備える。
【００２３】
検出部３は、波長変換素子２２から出力される高調波出力を検出するものであり、コリメートレンズ２３からの光を基本波と高調波とに分離する高調波セパレータ３１、高調波セパレータ３１からの高調波の一部を取り出すビームスプリッタ３２、ビームスプリッタ３２で分離した高調波を検出するフォトダイオード３３などの受光素子を備えている。
【００２４】
制御部４は、検出部３で検出された高調波出力に基づき波長変換素子２２の温度とレーザ駆動部５を制御する。
【００２５】
波長変換素子２２と制御部４と温度コントローラ２４とは波長変換素子の温度制御装置を構成する。波長変換素子２２は、駆動電流（入力値）及び高調波出力（出力値）が正の相関を持つ領域と負の相関を持つ領域とを有し且つ高調波出力が閾値を超えることにより不可逆的に変化し且つ温度を制御することにより駆動電流に対する高調波出力の効率が変化し基本波の高調波を出力する。
【００２６】
制御部４は、波長変換素子２２の駆動電流に対する高調波出力の効率が最大となる最適温度を含む温度範囲を温度が上昇する方向に走査させながら、最適温度と、最適温度における駆動電流とを記憶し、温度範囲を走査後に駆動電流を前記記憶された駆動電流値以下に低下させた後、温度を最適温度に設定し、その後再び駆動電流を高調波出力が一定になるように制御する。
【００２７】
次に、このように構成された実施例１の波長変換素子の温度制御装置の動作を図面を参照しながら説明する。
【００２８】
まず、基本波光源１からの基本波は、集光レンズ２１で集光された後、温度制御された波長変換素子２２に入射され、波長変換素子２２により高調波が発生される。
【００２９】
発生された高調波は、コリメートレンズ２３によりコリメートされた後、高調波セパレータ３１により基本波と分離される。分離された高調波の一部は、ビームスプリッタ３２により分離されてフォトダイオード３３に送られ、フォトダイオード３３で高調波が検出され、制御部４に出力される。
【００３０】
また、制御部４は、レーザ駆動部５の電流値を調整することにより、基本波出力を制御し、高調波出力が一定となるように制御する（ＡＰＣ駆動）。このＡＰＣ駆動とは、高調波出力が目標出力Ｐｃ以下である場合には、基本波光源１の出力を上昇させ、高調波出力が目標出力Ｐｃを超える場合には、基本波光源の出力を低下させ、高調波出力が目標出力Ｐｃに近づくように制御する。
【００３１】
また、波長変換素子２２を長期的使用した場合には、位相整合温度が経時変化することがある。さらに、波長変換素子２２は、温度許容幅が狭く、位相整合温度からずれると大きく高調波出力が低下するため、例えば電源投入時に温度制御操作を行う必要がある。
【００３２】
波長変換素子２２の温度制御操作は、昇温時には、図２に示すように行われる。
【００３３】
（１）まず、制御部４は、レーザ駆動部５により基本波光源１の出力を電流制御して、目標出力Ｐｃの高調波を出力する。
【００３４】
（２）次に、制御部４は、温度コントローラ２４を制御することにより、波長変換素子２２の温度を、基本波出力に対する高調波出力の効率が最大となる温度を含む温度範囲、例えば過去の温度制御操作において最適となった温度±２℃（最小温度Ｔｍｉｎ〜最大温度Ｔｍａｘ）の範囲で上昇させていき、温度Ｔ１〜Ｔ５をプロットし、電流Ｉと温度Ｔとの関係を求め、電流Ｉが最小Ｉｍｉｎとなった時の最適温度Ｔ０を図示しないメモリに記憶する。
【００３５】
（３）次に、一旦、（１）の制御を停止させた後、図３に示す降温時の波長変換素子２２の温度制御操作を行う。温度が最大温度Ｔｍａｘ時に電流を最小値Ｉｍｉｎ以下の電流Ｉａに低下させる。
【００３６】
（４）次に、電流Ｉａを変えずに、最大温度Ｔｍａｘから最適温度Ｔ０に変更する。
【００３７】
（５）次に、再び（１）の制御を開始する。即ち、最適温度Ｔ０のままで、再び駆動電流を高調波出力が目標出力Ｐｃになるように制御する。
【００３８】
このように実施例１の波長変換素子の温度制御装置によれば、制御部４は、駆動電流に対する高調波出力の効率が最大となる最適温度を含む温度範囲を温度が上昇する方向に走査させながら、最適温度と、最適温度における駆動電流とを記憶し、温度範囲を走査後に駆動電流を前記記憶された駆動電流に低下させ、温度を最適温度に設定した後、再び駆動電流を高調波出力が一定になるように制御するので、波長変換素子２２を高出力で使用する場合にも、ヒステリシスを発生することなく最適温度を検出でき、過度の高調波が発生しないので、波長変換素子に損傷を生じさせないようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る波長変換素子の温度制御装置は、レーザ、レーザを用いた計測装置、加工機に利用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  基本波光源
２  波長変換部
３  検出部
４  制御部
５  レーザ駆動部
２１  集光レンズ
２２  波長変換素子
２３  コリメートレンズ
２４  温度コントローラ
３１  高調波セパレータ
３２  ビームスプリッタ
３３         フォトダイオード
【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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