(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面及び前記第１の主面と対向する第２の主面を有する波長変換素子の温度制御装置であって、
前記第１の主面に一定の接触熱抵抗で接する第１の筐体と、
前記第１の筐体と前記第１の主面とが接する面積と等しい面積で、前記第２の主面に前記一定の接触熱抵抗で接する第２の筐体と、
前記第１の筐体のみと接触し、前記第１の筐体の温度を調整する温度調整素子と、
前記第１の筐体の温度を測定する第１の温度測定素子と、
前記第２の筐体の温度を測定する第２の温度測定素子と、
前記第１の温度測定素子により測定された前記第１の筐体の測定温度と前記第２の温度測定素子により測定された前記第２の筐体の測定温度との平均値を前記波長変換素子の温度として、前記平均値が予め設定された設定値であるように前記温度調整素子を制御して前記第１の筐体の温度を調整させる制御装置と
を備えることを特徴とする温度制御装置。
【請求項２】
前記温度調整素子が熱電素子であって、前記制御装置が前記温度調整素子に供給される電流を制御することによって前記第１の筐体の温度を調節させることを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
【請求項３】
前記第１の筐体と前記第２の筐体の間隔が可変であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の温度を制御する温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長変換素子などの光学素子の温度を制御する方法として、熱電素子などを光学素子に接触させる方法が採られている。例えば、光学素子を熱伝導率の良い筐体で挟んで固定し、熱電素子によって一方の筐体の温度を制御することによって、光学素子の温度を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３０５５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記方法は一方の筐体の温度をモニタしているにすぎず、周囲の環境温度などによっては光学素子の下面の温度と上面の温度に大きなズレが生じるおそれがある。これは、一方の筐体の温度をモニタするだけでは、対流などの影響を考慮することが困難であり、光学素子の中心温度を精度よく制御することができないためである。光学素子の一方の面のみの温度をモニタした場合に生じるモニタ温度と光学素子の実際の温度とのズレは、光学素子の特性に大きな影響を及ぼす。
【０００５】
上記問題点に鑑み、本発明は、光学素子の中心部分の温度を精度よく制御できる温度制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、第１の主面及び第１の主面と対向する第２の主面を有する波長変換素子の温度制御装置であって、（イ）第１の主面に一定の接触熱抵抗で接する第１の筐体と、（ロ）第１の筐体と第１の主面とが接する面積と等しい面積で、第２の主面に一定の接触熱抵抗で接する第２の筐体と、（ハ）前記第１の筐体のみと接触し、第１の筐体の温度を調整する温度調整素子と、（ニ）第１の筐体の温度を測定する第１の温度測定素子と、（ホ）第２の筐体の温度を測定する第２の温度測定素子と、（ヘ）第１の温度測定素子により測定された第１の筐体の測定温度と第２の温度測定素子により測定された第２の筐体の測定温度との平均値を波長変換素子の温度として、平均値が予め設定された設定値であるように温度調整素子を制御して第１の筐体の温度を調整させる制御装置とを備える温度制御装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光学素子の中心部分の温度を精度よく制御できる温度制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る温度制御装置の構成を示す模式図である。
【図２】環境温度と第１の筐体の温度差と、第１の筐体と第２の筐体の温度差との関係を示すグラフである。
【図３】第１の筐体と第２の筐体の温度差を説明するためのモデルを示す模式図である。
【図４】光学素子のＳＨＧ光出力の温度特性を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態の変形例に係る温度制御装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１０】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
本発明の実施形態に係る光学素子の温度制御装置１０は、第１の主面１０１及び第１の主面１０１と対向する第２の主面１０２を有する光学素子１００の温度制御装置である。図１に示すように、温度制御装置１０は、光学素子１００の第１の主面１０１に接する第１の筐体１１と、光学素子１００の第２の主面１０２に接する第２の筐体１２と、前記第１の筐体のみと接触し、第１の筐体１１の温度を調整する温度調整素子１３と、第１の筐体１１の温度を測定する第１の温度測定素子１４と、第２の筐体１２の温度を測定する第２の温度測定素子１５と、温度調整素子１３を制御する制御装置１６とを備える。制御装置１６は、第１の温度測定素子１４により測定された第１の筐体１１の測定温度と第２の温度測定素子１５により測定された第２の筐体１２の測定温度との平均値を光学素子１００の温度として、この平均値が予め設定された設定値であるように温度調整素子１３を制御して第１の筐体１１の温度を調整させる。この設定値は、例えば光学素子１００の温度特性に応じて最も特性がよい温度などに設定される。光学素子１００は、波長変換素子である。
【００１２】
第１の筐体１１は、第１の主面１０１に一定の接触熱抵抗ｈ1で接する。また、第２の筐体１２は、第１の筐体１１と第１の主面１０１とが接する面積と等しい面積で、第２の主面１０２に一定の接触熱抵抗ｈ2で接する。そして、接触熱抵抗ｈ1と接触熱抵抗ｈ2とが等しいように、光学素子１００が第１の筐体１１と第２の筐体１２とで挟まれて支持される。
【００１３】
第１の筐体１１と第２の筐体１２は、熱伝導率の高い例えば同一の材料からなる。第１の筐体１１と第２の筐体１２には、アルミニウム（Ａｌ）合金材や黄銅などを採用可能である。
【００１４】
第１の筐体１１の内部又は表面に第１の温度測定素子１４が配置され、第１の温度測定素子１４によって第１の筐体１１の温度が測定される。第１の温度測定素子１４によって測定される第１の筐体１１の測定温度を、以下において「第１の測定温度ＴM1」という。同様に、第２の筐体１２の内部又は表面に第２の温度測定素子１５が配置され、第２の温度測定素子１５によって第２の筐体１２の温度が測定される。第２の温度測定素子１５によって測定される第２の筐体１２の測定温度を、以下において「第２の測定温度ＴM2」という。例えば、第１の筐体１１や第２の筐体１２に孔をあけてサーミスタを挿入することにより、中心部分の温度を測定できるようにする。
【００１５】
第１の筐体１１と第２の筐体１２の熱伝導率は高いため、光学素子１００の第１の主面１０１の温度は第１の測定温度ＴM1に等しく、光学素子１００の第２の主面１０２の温度は第２の測定温度ＴM2に等しいとみなすことができる。
【００１６】
温度調整素子１３には、例えばペルチェ素子などの熱電素子を採用可能である。熱電素子を温度調整素子１３に使用した場合、図１に示すように、電流コントローラ１３１によって温度調整素子１３に供給される電流ＳT大きさに応じて、第１の筐体１１の温度が調整される。制御装置１６は、第１の測定温度ＴM1と第２の測定温度ＴM2に基づいて、温度調整素子１３に供給される電流ＳTを信号Ｓｃによってコントロールし、光学素子１００の温度を制御する。
【００１７】
温度制御装置１０では、第１の筐体１１と第２の筐体１２を同一材料で形成し、第１の筐体１１と第２の筐体１２のそれぞれが光学素子１００に接触する面積を等しくする。このとき、第１の筐体１１と光学素子１００の第１の主面１０１との接触熱抵抗ｈ1と、第２の筐体１２と光学素子１００の第２の主面１０２との接触熱抵抗ｈ2とが等しくなるように温度制御装置１０を設計することにより、第１の測定温度ＴM1と第２の測定温度ＴM2の平均値が光学素子１００の膜厚方向の中心部分の温度とみなせる。接触熱抵抗ｈ1と接触熱抵抗ｈ2が等しくなるようにするには、例えば第１の筐体１１と第２の筐体１２の光学素子１００に接する面の面精度と表面粗さを等しくすればよい。
【００１８】
第１の筐体１１と第２の筐体１２のそれぞれが光学素子１００に接触する面積を等しくし、且つ、接触熱抵抗ｈ1と接触熱抵抗ｈ2とを等しくすることにより、制御装置１６は、第１の測定温度ＴM1と第２の測定温度ＴM2との平均値を光学素子１００の温度として用いて温度調整素子１３を制御し、光学素子１００の温度を所望の設定値に調整できる。例えば、第１の測定温度ＴM1と第２の測定温度ＴM2との平均値が光学素子１００の性能が最もよく発揮される温度になるように、制御装置１６は温度調整素子１３を制御する。
【００１９】
以下に、本発明の実施形態に係る温度制御装置１０による光学素子１００の温度制御の効果について説明する。
【００２０】
図２に示したグラフは、制御装置１６による光学素子１００の温度制御を行わない場合における、第１の筐体１１と第２の筐体１２の温度差ΔＴ12と、第１の筐体１１の温度と環境温度Ｔａの温度差ΔＴ1aとの関係を示す。ここで「環境温度」とは温度測定時の光学素子１００及び温度制御装置１０の周囲の温度であり、例えば室内空気の温度である。このとき、光学素子１００の大きさは長さ１５ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み１ｍｍである。第１の筐体１１と第２の筐体１２の材質はＡｌ合金からなり、第２の筐体１２の大きさは長さ２０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚み３ｍｍであり、第１の筐体１１は第２の筐体１２に対して十分に大きいとする。
【００２１】
図２に示した温度差ΔＴ12が生じる要因は、第１の筐体１１と第２の筐体１２間の熱伝導・熱伝達によるものと、周囲の対流によるものがある。この点について、図３に示すモデルを用いて以下に説明する。なお、光学素子内部には熱源が無いとする。
【００２２】
図３に示したモデルには、第１の筐体１１Ｍにのみ温度測定素子１４Ｍが配置され、第２の筐体１２Ｍには温度測定素子が配置されていない。つまり、第２の筐体１２Ｍの温度はモニタされず、第１の筐体１１Ｍの温度のみがモニタされる。図３において、熱量Ｑの流れを矢印で示した。
【００２３】
光学素子１００Ｍの周囲の流体、例えば空気の温度を環境温度Ｔａ、光学素子１００Ｍの膜厚方向の中心部分の温度を中心温度Ｔｓとすれば、環境温度Ｔａと中心温度Ｔｓが等しくない場合、光学素子１００Ｍと流体との間に熱伝達が起こる。簡単のために一次元モデルで説明する。
【００２４】
光学素子１００Ｍを貫通する熱量Ｑは、第１の主面１０１の温度をＴS1、第２の主面１０２の温度をＴS2、光学素子１００の半分の厚みでの熱抵抗をｈsとして、以下の式（１）で表される：
Ｑ＝（ＴS1−ＴS2）／２ｈs  ・・・（１）
一方、第１の筐体１１Ｍと第２の筐体１２Ｍとの温度差ΔＴ12は、第１の筐体１１Ｍの温度をＴ１、第２の筐体１２Ｍの温度をＴ２として式（２）で表される：
ΔＴ12＝Ｔ１−Ｔ２＝Ｑ×（ｈ1＋ｈ2＋２ｈs）  ・・・（２）
式（２）で、ｈ1は第１の筐体１１Ｍと光学素子１００Ｍの第１の主面１０１との接触熱抵抗、ｈ2は第２の筐体１２Ｍと光学素子１００Ｍの第２の主面１０２との接触熱抵抗である。なお、第１の筐体１１Ｍと第２の筐体１２Ｍは熱伝導率の高い材料からなるため、第１の筐体１１Ｍと第２の筐体１２Ｍの温度はそれぞれ一様である。
【００２５】
第１の筐体１１Ｍの温度Ｔ１と流体の温度である環境温度Ｔａとの温度差ΔＴ1aとの関係は、第２の筐体１２Ｍと流体間の熱抵抗をｈaとして式（３）で表される：
ΔＴ1a＝Ｔ１−Ｔａ＝Ｑ×（ｈ1＋ｈ2＋２ｈs＋ｈa）  ・・・（３）
熱抵抗ｈaは、層流領域では小さく、乱流領域では大きい。式（２）、（３）から、以下の式（４）が求まる：
Ｔ１−Ｔ２＝｛（ｈ1＋ｈ2＋２ｈs）／（ｈ1＋ｈ2＋２ｈs＋ｈa）｝×（Ｔ１−Ｔａ）  ・・・（４）
ｈ1、ｈ2、ｈsは定数なので、ｈ1＋ｈ2＋２ｈs＝Ａとして式（５）が得られる：
Ｔ１−Ｔ２＝｛１／（１＋ｈa／Ａ）｝×（Ｔ１−Ｔａ）  ・・・（５）
式（５）に示すように、流体と第１の筐体１１との温度差が小さい層流領域では、熱抵抗ｈaが小さいため、第１の筐体１１の温度Ｔ１と流体の温度である環境温度Ｔａとの温度差ΔＴ1aに対する第１の筐体１１と第２の筐体１２との温度差ΔＴ12の傾きが大きい。一方、流体と第１の筐体１１との温度差が大きい乱流領域では、熱抵抗ｈaが大きいため、温度差ΔＴ1aに対する温度差ΔＴ12の傾きが小さい（図２参照。）。なお、環境温度Ｔａと第１の筐体１１の温度Ｔ１との温度差が大きい乱流領域で温度差ΔＴ12のばらつきがあるのは、乱流による揺らぎが影響しているためである。
【００２６】
上記のように、第２の筐体１２の温度をモニタせずに第１の筐体１１の温度をモニタするだけでは、対流などの影響を考慮することが困難である。その結果、光学素子１００の中心部分の温度を正確に把握し、精度よく温度を制御することができない。この場合は、光学素子１００の特性に大きな影響が及ぶ。波長変換素子から得られる光出力は、波長変換素子の温度変化に大きく影響を受ける。一例として、素子長１５ｍｍのＭｇＬＮ波長変換素子の場合、図４に示すように、位相整合温度（波長変換素子から得られる光出力が最大となる温度）から１℃ずれただけで、光学素子の第二高調波発生光（ＳＨＧ光）の出力が半分に低下する。このように、光学素子１００の温度を正確に制御できない場合、十分な性能が得られない。
【００２７】
これに対し、図１に示した光学素子１００の温度制御装置１０では、ｈ1＝ｈ2である。このため、式（２）から：
Ｔ１−Ｔ２＝２Ｑ×（ｈ1＋ｈs）  ・・・（６）
が成立する。なお、Ｔ１＝ＴM1、Ｔ２＝ＴM2である。また、第１の筐体１１と光学素子１００の膜厚方向の中心部分での中心温度Ｔｓとの温度差Ｔ１−Ｔｓは、式（７）で表される：
Ｔ１−Ｔｓ＝Ｑ×（ｈ1＋ｈs）  ・・・（７）
よって、以下の式（８）が成立する：
Ｔｓ＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２＝（ＴM1＋ＴM2）／２  ・・・（８）
式（８）に示されるように、中心温度Ｔｓは熱抵抗ｈaに依存しない。つまり、図２に示した層流領域においても、乱流領域で揺らぎが生じている場合においても、第１の測定温度ＴM1と第２の測定温度ＴM2の平均値が光学素子１００の中心部分の温度である。
【００２８】
第２の筐体１２の温度Ｔ２は環境温度Ｔａに依存するが、例えば０℃〜５０℃程度である。第１の筐体１１の温度Ｔ１は温度調整素子１３の性能に依存するが、例えば２０℃〜２００℃程度に設定できるようにする。第１の筐体１１の温度Ｔ１を設定する温度調整素子１３の性能は、環境温度Ｔａや光学素子１００の性能を発揮させる温度によって決定される。
【００２９】
温度制御装置１０によれば光学素子１００の中心付近の温度を制御できるが、環境温度Ｔａによっては光学素子１００自体に温度分布が生じるおそれがある。例えば周囲の温度と光学素子１００に所望の温度との差が大きい場合などである。しかし、例えば図２に示すように光学素子１００の厚みが１ｍｍであるときの温度差は１℃であり、光のビーム径は一般に２００μｍ程度であるため、実際にビームが通過する範囲では０．２℃程度しか温度差は生じない。このため、光学素子１００自体に温度分布が生じた場合に、光学素子１００の特性に大きな影響はない。
【００３０】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る温度制御装置１０によれば、環境温度Ｔａや対流の影響によらず、光学素子１００の中心部分の温度を精度よく制御できる。その結果、光学素子１００の性能を十分に発揮させることができる。なお、温度制御装置１０では温度調整素子１３を１個しか使用しないため、小型化が可能である。
【００３１】
また、温度制御装置１０が光学素子１００の２つの面のみに接する構成であるため、第１の筐体１１と第２の筐体１２の間隔を可変にすることにより、任意の大きさの光学素子１００を支持し、光学素子１００の温度を制御することが可能である。例えば図５に示すように、第１の筐体１１と第２の筐体１２との間にバネ１７を配置し、ピン１８によってバネ１７を第１の筐体１１及び第２の筐体１２に固定する。
【００３２】
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３３】
上記の説明では、光学素子１００や温度制御装置１０の周囲が空気であったが、空気以外であっても、例えば窒素（Ｎ2）ガス中などのように周囲に対流が生じる環境である場合において、温度制御装置１０によれば光学素子１００の温度を精度よく制御することができる。
【００３４】
上記のように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１０…温度制御装置
１１…第１の筐体
１２…第２の筐体
１３…温度調整素子
１４…第１の温度測定素子
１５…第２の温度測定素子
１６…制御装置
１００…光学素子
１０１…第１の主面
１０２…第２の主面
１３１…電流コントローラ
【図１】
0005811702.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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