(57)【要約】【課題】半導体レーザの駆動電流および冷却電力を最小化する。レーザ出力を安定にする。【解決手段】縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザ（１）を用いる。固体レーザ媒質（３）の吸収率が最大となる波長を含み且つ吸収率の変動が小さい波長範囲内に半導体レーザ（１）の縦モードが３本以上存在するようにする。【効果】縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザは、発振閾値が低く電気−光変換効率が高いので、駆動電流および冷却電力を最小化でき、乾電池駆動によるポータブル使用が可能になる。波長範囲内に存在する３本の縦モード間でモードホップしても、固体レーザ媒質の吸収率の変動が小さいため、駆動電流制御回路により出力を安定化できる。【選択図】図１
2008145896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦モードおよび横モード共に０次の基本モードで発振する半導体レーザと、前記半導体レーザから出力された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を含む光共振器内に収容され前記光共振器で発振する基本波の第二高調波を出力する非線形光学結晶と、前記半導体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、前記半導体レーザの温度を制御する温度制御手段とを具備し、前記固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を含み且つ前記第二高調波の強度変動が仕様値の範囲内に収まるような波長範囲内に前記半導体レーザの縦モードが３本以上存在することを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記波長範囲が、前記固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を中心とする±０.５ｎｍの波長範囲であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記固体レーザ媒質の反非線形光学結晶側の端面および前記非線形光学結晶の反固体レーザ媒質側の端面に、基本波に対するミラーコートが施され、前記両端面で光共振器を構成していることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記固体レーザ媒質のミラーコートが施されてない端面と前記非線形光学結晶のミラーコートが施されてない端面とが貼り合わされていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、該半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタが乾電池駆動であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタに関し、さらに詳しくは、半導体レーザの駆動電流および半導体レーザ冷却のための電力を最小化できて乾電池駆動によるポータブル使用が可能であり且つレーザ出力が安定な半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザのレーザ光により固体レーザ媒質を励起し、固体レーザ媒質を含む光共振器で基本波を発振し、それを非線形光学結晶により第二高調波に波長変換し、緑色の線状ビームを出すレーザポインタが知られている（例えば特許文献１，特許文献２参照。）。
【特許文献１】特許第２５００７５３号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来のレーザポインタでは、縦モードおよび横モード共にマルチモードであるいわゆる利得導波型の半導体レーザが用いられているが、利得導波型の半導体レーザは発振閾値が高く電気−光変換効率が低いため、駆動電流が大きくなる原因になっている。また、利得導波型の半導体レーザはその発光パターンが数μm×数十〜数百μmの線状パターンであるため、これから発するビームをレンズで集光した時の集光性能に乏しく、このビームで励起されるべき円形の断面を持つ基本ガウシアンモードである共振器モードと空間的に十分オーバーラップさせること（モードマッチング）は困難である。その結果、励起効率を低下させる原因となっている。また、電気−光変換効率が低いために半導体レーザの発熱が大きく、冷却に要する電力が大きくなる原因になっている。
そこで、本発明の目的は、半導体レーザの駆動電流および冷却のための電力を最小化できて乾電池駆動によるポータブル使用が可能であり且つレーザ出力が安定な半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の観点では、本発明は、縦モードおよび横モード共に０次の基本モードで発振する半導体レーザと、前記半導体レーザから出力された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を含む光共振器内に収容され前記光共振器で発振する基本波の第二高調波を出力する非線形光学結晶と、前記半導体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、前記半導体レーザの温度を制御する温度制御手段とを具備し、前記固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を含み且つ前記第二高調波の強度変動が仕様値の範囲内に収まるような波長範囲内に前記半導体レーザの縦モードが３本以上存在することを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第１の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザを用いることとした。縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザは、発振閾値が低く電気−光変換効率が高いため、駆動電流を最小化できる。また、横モードがシングルモードであるため共振器モードとのモードマッチング特性が良好であり、高い励起効率が得られる。また、電気−光変換効率が高いために半導体レーザの発熱が小さく、冷却のための電力を最小化できる。従って、乾電池駆動によるポータブル使用が可能になる。
【０００５】
ところが、一般にシングルモードの半導体レーザでは、中心波長の縦モードと、中心波長より短波長側に隣接する縦モードと、中心波長より長波長側に隣接する縦モードの３本の縦モード間をモードホップするため、そのモードホップによる波長の飛びに対する固体レーザ媒質の吸収率の変動が大きいと、駆動電流制御回路による制御では出力が不安定になってしまう。
そこで、上記第１の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を含み且つ前記第二高調波の強度変動が仕様値の範囲内に収まるような波長範囲内に半導体レーザの縦モードが３本以上存在するようにした。波長範囲内の３本の縦モード間でモードホップしても、波長の飛びに対する固体レーザ媒質の吸収率の変動が小さいため、駆動電流制御回路による制御で出力を安定にすることが出来る。
【０００６】
第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記波長範囲が、前記固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を中心とする±０.５ｎｍの波長範囲であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第２の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、固体レーザ媒質の吸収率が最大となる波長を中心とする±０.５ｎｍの波長範囲とすることで、波長範囲内での固体レーザ媒質の吸収率の変動を小さくすることが出来る。
【０００７】
第３の観点では、本発明は、前記第１または前記第２の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記固体レーザ媒質の反非線形光学結晶側の端面および前記非線形光学結晶の反固体レーザ媒質側の端面に、基本波に対するミラーコートが施され、前記両端面で光共振器を構成していることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第５の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、固体レーザ媒質の端面と非線形光学結晶の端面に基本波に対するミラーコートを施し、それぞれの端面で光共振器を形成することで、構造を単純化でき、温度制御対象をコンパクトにすることが出来る。よって、温度制御に要する電力を小さくすることが出来る。
【０００８】
第４の観点では、本発明は、前記第３の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、前記固体レーザ媒質のミラーコートが施されてない端面と前記非線形光学結晶のミラーコートが施されてない端面とが貼り合わされていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第４の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、固体レーザ媒質と非線形光学結晶とを貼り合わせた構造なので、温度制御対象をさらにコンパクトにすることが出来る。よって、温度制御に要する電力をさらに小さくすることが出来る。
【０００９】
第５の観点では、本発明は、前記第１から前記第４のいずれかの観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタにおいて、該半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタが乾電池駆動であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタを提供する。
上記第５の観点による半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタでは、乾電池駆動であるため、ポータブル使用可能となり、ポータブル使用可能なレーザ墨出し装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタによれば、発振閾値が低く電気−光変換効率が高いシングルモードの半導体レーザを用いるため、駆動電流および温度制御に要する電力を最小化でき、乾電池駆動によるポータブル使用が可能になる。また、吸収率の変動が小さい波長範囲内に縦モードが３本以上存在するため、その間でモードホップしても波長の飛びに対する固体レーザ媒質の吸収率の変動は小さく、駆動電流制御回路による制御で出力を安定にすることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図に示す実施例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】
【００１２】
図１は、実施例１に係るレーザポインタ１００を示す構成図である。
このレーザポインタ１００は、レーザ光を出射する半導体レーザ１と、レーザ光を集光するレンズ２と、集光されたレーザ光で励起され基本波を誘導放出する固体レーザ媒質３と、基本波を第二高調波に変換する非線形光学結晶４と、光共振器６の一端を構成すると共に第二高調波を透過させるミラー５と、ミラー５を透過した第二高調波の一部を取り出すビームスプリッタ７と、ビームスプリッタ７を通過した第二高調波から赤外線をカットする赤外線カットフィルタ８と、赤外線カットフィルタ８を通過したビーム径を拡げると共に平行ビームにするビームエキスパンダ９と、ビームスプリッタ７で取り出した第二高調波を受光し電気信号に変換するフォトダイオード１０と、フォトダイオード１０での電気信号の強度が一定になるように半導体レーザ１の駆動電流を制御するＡＰＣ（Auto Power Control）回路１１と、半導体レーザ１，集光レンズ２，固体レーザ媒質３，非線形光学結晶４およびミラー５を支持するベース１２と、ベース１２を加熱／冷却するためのペルチェ素子１３と、ベース１２の温度を検出するためのサーミスタ１４と、サーミスタ１４で検出した温度が所定の温度になるようにペルチェ素子１３を駆動する温度制御回路１５と、電源としての乾電池１６と、人が携帯可能な大きさの円筒状の筐体１７と、バネ１８とを具備している。
【００１３】
半導体レーザ１は、縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザであり、固体レーザ媒質３の吸収ピーク波長（例えば８０８.５ｎｍ）を中心とする波長範囲（例えば８０８ｎｍ〜８０９ｎｍ）の光を出すように温度チューニングされる。
図２に、半導体レーザ１の出力特性を示す。
実線で示すように発振閾値は６０ｍＡ以下である。
比較のためにマルチモードの半導体レーザの特性を破線で示す。
【００１４】
固体レーザ媒質３は、Ｎｄ：ＹＶＯ4である。
固体レーザ媒質３の半導体レーザ側の端面には８０８.５ｎｍでは高透過率、１０６４ｎｍでは高反射率のコーティングが施されている。固体レーザ媒質３の半導体レーザ側の端面とミラー５の間で光共振器６が構成され、１０６４ｎｍのレーザ光が発振する。
図３に、固体レーザ媒質３の吸収率特性を示す。
吸収ピーク波長は８０８.５ｎｍである。
一般に、レーザポインタ１００から出力されるビームの強度変動が目視で気にならないのは１０％程度までである。第二高調波の強度変動を１０％程度に抑えるためには、基本波の強度変動を５％以内に抑えればよい。すると、吸収ピーク波長８０８.５ｎｍで吸収率が０.９であるから、吸収率が５％下がって０.８５５になる波長８０７.９ｎｍから波長８０９.１ｎｍまでの波長範囲で波長が変動してもよい。そこで、この波長範囲８０７.９ｎｍ〜８０９.１ｎｍ、好ましくは波長範囲８０８ｎｍ〜８０９ｎｍ内に、半導体レーザ１の縦モードが３本以上存在すればよい。換言すれば、その波長範囲内に縦モードが３本以上存在するような共振器長を持つ半導体レーザ１を採用すれば、第二高調波の強度変動が仕様値（例えば１０％）の範囲内に収まる。
【００１５】
非線形光学結晶４は、温度制御回路１５による制御温度範囲内で位相整合が行えるような分極反転周期で分極反転構造が形成された擬似位相整合素子である。擬似位相整合素子は、例えばＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3、ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4に分極反転処理を施すことにより得られる。分極反転周期の異なる擬似位相整合素子を予め用意しておき、半導体レーザ１の温度に応じて選択して非線形光学結晶４として用いる。
非線形光学結晶４を通過する１０６４ｎｍのレーザ光は、第二高調波である５３２ｎｍの光に変換されて光共振器６から出力される。
【００１６】
ベース１２は、アルミや銅、銅タングステンなどの良熱伝導体を整形したものである。
バネ１８は、ペルチェ素子１３を挟んでベース１２を筐体１７に押しつけるように付勢すると共にベース１２の他の部分を筐体１７から浮かすようにベース１２を支持している。
バネ１８が熱伝達しないように、バネ１８の全体またはベース１２に接触する部分は高分子材料でできている。
ベース１２とペルチェ素子１３の間およびペルチェ素子１３と筐体１７の間には熱伝導性グリースまたは熱伝導シートを挟み、熱伝導を良くしている。なお、ベース１２とペルチェ素子１３とを接着または半田付けしてもよい。
【００１７】
必要に応じて、ゴーストを防ぐため５３２ｎｍに対するＡＲコートを表面に施した円柱レンズを用いて、ビームエキスパンダ９から出力された平行ビームを扇状ビームに変換する。
【００１８】
図４にグリーンレーザ出力特性を示す。
実線は本発明の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ１００であり、破線はマルチモードの半導体レーザを用いたレーザポインタである。
比較すれば判るように、本発明の方が駆動電流を７０ｍＡ程度小さく出来る。
【００１９】
実施例１に係るレーザポインタ１００によれば、次の効果が得られる。
（１）縦モードおよび横モード共にシングルモードの半導体レーザは、発振閾値が低く電気−光変換効率が高いため、駆動電流を最小化できる。また、電気−光変換効率が高いために半導体レーザの発熱が小さく、温度制御に要する電力を最小化できる。
（２）吸収率の変動が小さい波長範囲内に半導体レーザ１の縦モードが３本以上存在するため、その間でモードホップしても波長の飛びに対する固体レーザ媒質３の吸収率の変動は小さく、ＡＰＣ回路１１による制御で出力を安定にすることが出来る。
（３）乾電池駆動が可能になり、ポータブル使用可能な、視認性のよい緑色ビームのレーザ墨出し装置を実現できる。
（４）ペルチェ素子１３でベース１２の温度制御をしているから、携帯する人の体温や周囲の温度の影響を受けず、半導体レーザ１や固体レーザ媒質３や非線形光学結晶４を一定の温度に保つことが出来る。従って、過剰な余裕を持たせて半導体レーザ１を駆動する必要がなくなり、半導体レーザ１の駆動電流を最小化でき、乾電池駆動が可能になる。また、ペルチェ素子１３を駆動するための電力が小さくて済み、温度制御に要する電力を最小化でき、乾電池駆動が可能になる。さらに、非線形光学素子４で発生する第二高調波の出射方向の温度変化がないため、レーザ出力の方向も変動しなくなる。
【実施例２】
【００２０】
図５は、実施例２に係るレーザポインタ２００を示す構成図である。
このレーザポインタ２００では、固体レーザ媒質３と非線形光学結晶４を接着剤などで貼り合せ、非線形光学結晶４の反半導体レーザ側の端面には１０６４ｎｍでは高反射率、５３２ｎｍでは低反射率のコーティングが施されている。つまり、結晶内部で光共振器６が構成されている。そして、ミラー５が省略されている。その他は、実施例１に係るレーザポインタ１００と同じである。
【００２１】
実施例２に係るレーザポインタ２００によれば、固体レーザ媒質３と非線形光学結晶４とを貼り合わせることで温度制御対象をコンパクトにすることが出来るため、温度制御に要する電力をさらに小さくすることが出来る。
【実施例３】
【００２２】
固体レーザ媒質３として、Ｎｄ：ＹＶＯ4の代わりに、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶、Ｎｄ：ＹＡＧの微細結晶を焼結したセラミックＹＡＧなどを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタは、レーザ墨出し器に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１に係るレーザポインタを示す構成説明図である。
【図２】半導体レーザの出力特性図である。
【図３】固体レーザ媒質の吸収率特性図である。
【図４】実施例１に係るレーザポインタのグリーンレーザ出力特性図である。
【図５】実施例２に係るレーザポインタを示す構成説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１                      半導体レーザ
３                      固体レーザ媒質
４                      非線形光学結晶
６                      光共振器
１２                    ベース
１３                    ペルチェ素子
１４                    サーミスタ
１５                    温度制御回路
１６                    乾電池
１００，２００          半導体レーザ励起固体レーザを用いたレーザポインタ
【図１】
2008145896.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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