(57)【要約】【課題】共振器長を変化させることを可能として、レーザ光の特性の変化を補正することを可能にすると共に、長時間の安定性が得られるレーザ光安定化方法及びレーザ光発生装置を提供する。【解決手段】励起光により励起される固体レーザ発振器と、可飽和吸収体を用いてレーザ発振をパルス化するＱスイッチとを有し、レーザ共振器の光路長を変化させることが可能な構成のレーザ光発生装置２０を構成し、このレーザ光発生装置２０に対して、発生するレーザ光Ｌ２のパルスを検出し、検出したパルスの特性に基づいてレーザ共振器の光路長の変化を制御してレーザ光を安定化する。また、上記レーザ光発生装置２０において、レーザ共振器の光路長を変化させる共振器長調整手段と、出力されるパルスレーザ光を検出する検出手段２６とを備え、検出手段２６により検出されたパルスの特性に基づいて、共振器長調整手段によりレーザ共振器の光路長の調整が行われる構成とする。【選択図】  図２
2004342770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光により励起される固体レーザ発振器と、可飽和吸収体を用いてレーザ発振をパルス化するＱスイッチとを有するレーザ光発生装置に対して、前記レーザ光発生装置から発生するレーザ光を安定化する方法であって、
前記レーザ光発生装置を、レーザ共振器の光路長を変化させることが可能な構成として、
発生するレーザ光のパルスを検出し、
検出した前記パルスの特性に基づいて、前記レーザ共振器の前記光路長の変化を制御する
ことを特徴とするレーザ光安定化方法。
【請求項２】
前記特性として、検出した前記レーザ光のパルスから、前記パルスの繰り返し周波数又は前記パルスの繰り返し周期を検出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項３】
前記光路長を変化させて、前記パルスの前記繰り返し周波数の変化に基づいてエラー信号を作成し、前記エラー信号が目標値に達するように、前記光路長の変化を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項４】
前記パルスの幅がほぼ一定とみなせる範囲において、ディサー信号を与えて周期的に前記光路長を変化させ、得られた前記エラー信号に基づいて前記光路長の変化を制御して、前記繰り返し周波数を極大値付近に保持することを特徴とする請求項３に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項５】
検出した前記繰り返し周波数又は前記繰り返し周期を、目標値と比較した差分から前記エラー信号を算出することを特徴とする請求項４に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項６】
前記繰り返し周波数を極大値付近に制御しながら、算出した前記エラー信号に基づいて、励起光の光量を制御することを特徴とする請求項５に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項７】
前記励起光として半導体レーザから発生するレーザ光を用い、前記半導体レーザに供給する電流量又は前記半導体レーザの温度を制御することにより、前記励起光の光量を制御することを特徴とする請求項６に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項８】
前記パルスの幅がほぼ一定とみなせる範囲において、ディサー信号を与えて周期的に前記光路長を変化させ、得られた前記エラー信号に基づいて前記光路長の変化を制御して、前記繰り返し周波数を極大値以外の値に設定された目標値付近に保持することを特徴とする請求項３に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項９】
前記エラー信号により負帰還を行って、前記光路長を自動的に変化させて、前記繰り返し周波数を制御することを特徴とする請求項３に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項１０】
前記光路長の変化を制御して、前記パルスをピークパワーの平均出力に対する比が目標値付近となるように制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項１１】
前記発生するレーザ光を波長変換し、波長変換した後の出力を目標値に制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光安定化方法。
【請求項１２】
励起光により励起される固体レーザ発振器と、
可飽和吸収体を用いてレーザ発振をパルス化する可飽和吸収体Ｑスイッチとを有するレーザ光発生装置であって、
レーザ共振器の光路長を変化させる共振器長調整手段と、
出力されるパルスレーザ光を検出する検出手段とを備え、
前記検出手段により検出されたパルスの特性に基づいて、前記共振器長調整手段により前記レーザ共振器の前記光路長の調整が行われる
ことを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項１３】
前記特性として、検出した前記レーザ光のパルスから、前記パルスの繰り返し周波数又は前記パルスの繰り返し周期を検出することを特徴とする請求項１２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項１４】
検出した前記パルスの繰り返し周波数に基づいてエラー信号を作成する信号処理部を備え、前記信号処理部で作成した前記エラー信号を用いて、前記共振器長調整手段による前記レーザ共振器の前記光路長の調整が行われることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項１５】
前記共振器長調整手段により前記光路長を変化させて、前記信号処理部により作成される前記エラー信号を変化させ、前記エラー信号が目標値に達するように、前記共振器長調整手段による前記光路長の変化の制御が行われることを特徴とする請求項１４に記載のレーザ光発生装置。
【請求項１６】
前記パルスの幅がほぼ一定とみなせる範囲において、前記共振器長調整手段にディサー信号が与えられることにより、周期的に前記光路長が変化し、前記信号処理部において同期検波により前記エラー信号が得られ、前記光路長の変化の制御により、前記パルス繰り返し周波数が極大値付近に保持されることを特徴とする請求項１５に記載のレーザ光発生装置。
【請求項１７】
前記信号処理部において、検出した前記繰り返し周波数又は前記繰り返し周期を、目標値と比較した差分から前記エラー信号が算出されることを特徴とする請求項１４に記載のレーザ光発生装置。
【請求項１８】
前記エラー信号により負帰還が行われ、前記共振器長調整手段により前記光路長が自動的に変化することを特徴とする請求項１４に記載のレーザ光発生装置。
【請求項１９】
前記光路長の変化の調整により、前記パルスのピークパワーの平均出力に対する比が目標値付近となるように制御されることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項２０】
前記励起光が半導体レーザから成る励起光源から発生したレーザ光であることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項２１】
励起光を発生する半導体レーザと前記半導体レーザの駆動回路とを具備し、前記信号処理部により作成されたエラー信号に基いて、前記駆動回路に供給する電流量が制御されることを特徴とする請求項１４に記載のレーザ光発生装置。
【請求項２２】
前記光路長の変化の調整により、レーザ媒質、前記可飽和吸収体、反射鏡のそれぞれの分光特性によって決まるレーザの利得が最大値となるように、前記固体レーザ発振器の発振波長が制御されることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項２３】
前記パルスのピークパワーの平均出力に対する比が１００〜２０００の範囲内であることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項２４】
前記Ｑスイッチからの出力光を増幅する光増幅器と、前記光増幅器により増幅された光の波長を変換する波長変換手段とを備えたことを特徴とする請求項１２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項２５】
光路長の変化の調整により、前記波長変換手段における波長変換効率がほぼ最大値となるように制御されることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ光発生装置。
【請求項２６】
前記波長変換手段における波長変換効率がほぼ最大値となるように、固体レーザ発振器の発振波長が制御されることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ光発生装置。
【請求項２７】
励起光を発生する半導体レーザと前記半導体レーザの駆動回路とを具備し、前記駆動回路に供給される電流量の調整により前記発振波長が制御されることを特徴とする請求項２６に記載のレーザ光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光安定化方法、並びにレーザ光発生装置に係わり、特にＱスイッチレーザに係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
可飽和吸収体を用いたＱスイッチレーザは、連続発振の励起光源を用いることにより、ＲＦ発振器やＡＯＭ（音響光学変調器）等の変調器を用いないでＱスイッチレーザを実現する技術として、小型のＱスイッチレーザ、または高繰り返しＱスイッチレーザを簡便に実現する手段として有望である。
【０００３】
この可飽和吸収体を用いたＱスイッチレーザの典型的な構成を図１２に示す（非特許文献１参照）。
この例では、受動Ｑスイッチレーザが、半導体レーザ励起である構成となっている。
図１２に示すＱスイッチレーザ１００は、Ｎｄ：ＹＶＯ４を用いたレーザ媒質１０１、ＱスイッチとしてＧａＡｓをベースとした量子井戸と反射ミラーとからなるＳＢＲ（Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ；可飽和吸収体付きミラー）１０２、排熱のための銅ヒートシンク１０３、レーザ媒質１０１に貼り合わされた出力ミラー（ｏｕｔｐｕｔ  ｃｏｕｐｌｅｒ）１０４の各部品から構成されている。ＳＢＲ１０２には、上述の可飽和吸収体が用いられている。
【０００４】
このＱスイッチレーザ１００において、共振器長ＲＬは、レーザ媒質１０１とＳＢＲ１０２との界面及びレーザ媒質１０１と出力ミラー１０４との界面との距離に等しくなる。例えば２００μｍの共振器長ＲＬとすることができる。
そして、励起光源、この場合は半導体レーザからの波長８０８ｎｍの励起レーザ光Ｌ１を入力することにより、Ｑスイッチレーザ１００から波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光Ｌ２が出力される。図中１０５は、ダイクロイックビームスプリッタを示しており、励起レーザ光Ｌ１を透過し、出力のパルスレーザ光Ｌ２を反射するように構成されている。
【０００５】
なお、レーザ媒質１０１とは別個に設けた出力ミラー１０４の替わりに、レーザ媒質１０１に直接ミラー（反射材）をコーティングする構成も考えられる。
【０００６】
しかしながら、可飽和吸収体を用いたＱスイッチレーザは、可飽和吸収体に特有の特性の変化（例えば可飽和吸収量の変化）や、レーザ共振器の特性変化（例えば利得、損失の変化）等により、繰り返し周波数が所望しない値に変化してしまうという欠点を有していた。また、こうした変化は、出力ピーク値の変化を伴い、また同時に発振出力平均値の変化をもたらすこともあった。
こうした、パルス繰り返し周波数の変化、出力ピーク値の変化、出力平均値の変化は、このＱスイッチレーザの応用にとって障害となっていた。
【０００７】
また、可飽和吸収体を用いたＱスイッチレーザを、マスターレーザ（光源）として用いて、マスターレーザから出射したレーザ光を増幅したり、増幅させた後に波長変換したりするレーザ光発生装置では、出力平均値や出力ピーク値の変化により後続過程での増幅特性、波長変換効率の変化を伴うので、さらに最終出力変動を増大してしまう欠点を有していた。
【０００８】
動作原理を確認する目的では図１２に示した構成でも問題ないが、この構成では実用上は大きく２つの問題がある。１つはレーザ安定共振器の形成、もう１つは動作点の選択という問題である。
【０００９】
図１２に示したＱスイッチレーザ１００のようなＱスイッチレーザでは、安定共振器は励起光による温度上昇による熱レンズの形成と、共振器内光路と両端のミラー（図１２ではＳＢＲ１０２及び出力ミラー１０４）との垂直度が共振器の安定条件に関与する。
このうち、熱レンズの形成は、励起光スポットの形成により制御可能であり、通常の場合、問題なく設計可能である。
一方、共振器内光路が両端のミラーに斜めに入射すると、共振器損失が増えてしまい、出力低下、パルス動作不良、横モードの発生等の問題が発生し、安定した共振器を形成することができなくなる。
従って、安定共振器を形成するために、共振器を構成する各光学部品に、極めて高い平行度が要求される。これにより、製造や組立に要するコストが大きくなってしまう。
【００１０】
また、動作点の選択の問題は、共振器を構成する各光学部品を固定してしまうと動作点の選択が出来なくなる一方で、固定しないと動作点が一定しないということである。
可飽和吸収体を有するＱスイッチレーザは、縦シングルモード（縦単一モード）で発振させないと、パルス周期やタイミングの異なる複数のパルスが重なって発振してしまい、一定タイミングでのパルス列を期待される通常の動作上好ましくない。
そして、縦シングルモードで発振させるには、通常、共振器長を短くして、ＦＳＲ（自由分光範囲）をゲイン幅に対して大きくする手法がこのようなレーザには多用されている。縦シングルモード発振の際には、ゲイン中心と発振縦モードの波長（周波数）差に応じて実効ゲインが変わる。
しかし、受動Ｑスイッチを用いたこのようなレーザでは、温度変化による屈折率、利得を微小に変化させることによって、動作点をわずかにずらす程度であれば可能であるが、本来望まれるように利得ピークに発振周波数を合わせることが可能であるわけではない。パルスの繰り返し周波数は、実質的に固定された時の共振器長により決まり、その後の調整範囲は限られてしまう。
特に、利得ピークが２つの隣接する縦モードのほぼ中央に来てしまう場合、２つの縦モードが競合してパルスが不安定になるが、このような動作点から望ましい動作点に移行するためには、およそ波長の１／４以上の共振器長調整手段が必要である。
【００１１】
結論として、図１２に示したような従来の構成では、部品または組立精度の問題と、接着後の不変性はある程度期待できるが、共振器長を変更することができないため、初期動作点を良好な位置に設定することが難しいという問題を有する。
【００１２】
【非特許文献１】
Ｓｐｕｈｌｅｒ  ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ．１６，Ｎ０．３（１９９９），ｐｐ．３７６−３８８
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、共振器長が共振器温度により可変になるように、図１３に示す受動Ｑスイッチレーザの構成とすることが考えられる。
このＱスイッチレーザ１１０では、例えばＮｄ：ＹＶＯ４等のレーザ媒質１１３及びＳＢＲ１１４とが、それぞれ石英やサファイア等の支持材１１２に取り付けられて、互いに対向するように配置されている。２本の支持材１１２は、基板１１１上に、例えば接着により垂直に固定されている。
【００１４】
このＱスイッチレーザ１１０の構成の場合、基板１１１をアルミニウム等の比較的熱伝導性がよく熱膨張率の大きい材料にすることにより、基板１１１の温度を変えて、共振器長を波長程度の幅で伸縮させることが容易にできる。
【００１５】
このＱスイッチレーザ１１０は、基板１１１の膨張特性（熱膨張係数）と２つの支持材１１２間の距離とによるが、例えば図１４に示すような共振器温度依存性を有するレーザとなる。図１４において、縦軸は平均出力Ｐａｖと繰り返し周波数Ｒｅｐ−ｒａｔｅ、横軸は基板１１１の温度Ｔを示している。平均出力Ｐａｖと繰り返し周波数Ｒｅｐ−ｒａｔｅとはほぼ比例する。
そして、基板１１１の温度Ｔを変化させることにより、共振器長を変化させて、マルチモード発振領域からシングルモード発振領域の好適な動作点に変化させることが可能になる。
【００１６】
しかしながら、このＱスイッチレーザ１１０の構成を採用した場合、ゲイン媒質の利得の温度特性や、半導体Ｑスイッチの温度特性により、繰り返し周波数の極大値は必ずしも一定値にならず、図１４からもわかるように、一般に高温側で低くなる。
【００１７】
また、このＱスイッチレーザ１１０の構成を採用した場合、経時変化が生じて、長時間安定性が失われる。例えば、基板１１１と支持材１１２の接点を支点として、接着剤の伸縮等のわずかな変形が生じることにより、共振器長が波長の数分の１程度も変化してしまう。
その結果、共振器温度は同じでも、設計した動作点よりも悪い方向に動作点が変化してしまう虞がある。
これは、図１４の特性図に示す曲線が、図１５Ａに示すように右に（実線の位置から破線の位置に）移動したり、或いは図１５Ｂに示すように左に移動したりすることを意味している。このような変化により、平均出力や繰り返し周波数の極大値を与える温度と極大値（ピーク高さ）が変化して、温度を戻すだけでは同じ特性に戻らなくなってしまう。
【００１８】
もし、この変化を補正するために、基板１１１の温度を再設定したとしても、補正に必要な熱膨張を与えるには、１０℃程度かそれ以上の大きな温度変化を必要とする。
【００１９】
次に、図１２の構成のＱスイッチレーザ１００において初期組立時に共振器長が目標値と違ってしまった場合や、図１３の構成のＱスイッチレーザ１１０において経時変化した場合に、どのような影響が出るかを考える。
【００２０】
まず、こうしたレーザを単体で使用する場合、平均出力と繰り返し周波数の初期値または経時値が所望の値からずれてしまう。
繰り返し周波数を利用したシステムの場合、この繰り返し周波数の変動が問題になる。
また、パルスピークパワーを利用する用途の場合、ピークパワーの変動となり、マイクロプロセス等に悪影響を与える。
また、出力を非線形光学素子に入力して波長変換を行う場合も、変換効率はピークパワーに依存するので、ピークパワーの変動により、波長変換された出力に大きな変動を及ぼす。
【００２１】
さらに、こうしたレーザをファイバーレーザ、半導体レーザ、固体レーザ等の増幅器のマスターレーザとして用いて、いわゆるＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ）を構成する場合には、繰り返し周波数の変動により各パルスのエネルギー増幅値が変動すると共に、ピークパワーの変動から、増幅器や後続の光学系に損傷を与えたり、誘導ラマン散乱や自己位相変調等の非線形光学効果により、期待しない波長へのエネルギーシフトやパルス形状の変形という形で効率低下をもたらしたりすることがある。
【００２２】
また、ＭＯＰＡにより増幅されたパルスをさらに波長変換するシステムの場合、損傷やラマン散乱を生じない限界のピークパワーにおいて波長変換することによって、波長変換効率が最大になることがある。
従って、このとき、繰り返し周波数又はパルスデューティー比（パルスピークパワーに対する平均出力の比）の変動によって、損傷やラマン散乱を生じてしまうと、波長変換効率を低下させてしまう。
【００２３】
ここで、可飽和吸収体を用いたＱスイッチレーザをファイバーレーザのマスターレーザとして用いて上述のＭＯＰＡを構成し、このＭＯＰＡにより増幅されたパルスをさらに波長変換するシステムにおいて、波長変換を行うＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：２次高調波発生）素子の出力と、Ｑスイッチレーザの出力のパルスの状態との関係を図１６に示す。
図１６の横軸は、出力ピーク値（パルスピークパワー）の平均出力に対する比を示し、縦軸はＳＨＧ素子のＳＨＧ出力を示している。
比が小さい範囲では比が大きくなるほどＳＨＧ出力が増大していくが、比が大きくなると、ラマン散乱が発生することにより、比が大きくなるほどＳＨＧ出力が低下していく。即ち、出力ピーク値の平均出力に対する比がある値のときに、ＳＨＧ出力が最大のピークとなっている。
従って、ＳＨＧ出力がピーク付近になるように、出力ピーク値の平均出力に対する比を設定する。こうして設定した値が、前述した各種要因により変動してしまうと、ＳＨＧ出力がピークからずれて、出力が低下してしまう。
【００２４】
なお、図１６は平均出力がある値である場合を代表して示しており、ピーク値及びピークとなる比の値は、平均出力の大きさにより変わるものであり、平均出力が大きいほど、ピーク値も大きくなる傾向がある。
【００２５】
上述した問題の解決のために、本発明においては、共振器長を変化させることを可能として、レーザ光の特性の変化を補正することを可能にすると共に、長時間の安定性が得られるレーザ光安定化方法及びレーザ光発生装置を提供するものである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ光安定化方法は、励起光により励起される固体レーザ発振器と、可飽和吸収体を用いてレーザ発振をパルス化するＱスイッチとを有するレーザ光発生装置に対して、レーザ光発生装置から発生するレーザ光を安定化する方法であって、レーザ光発生装置をレーザ共振器の光路長を変化させることが可能な構成として、発生するレーザ光のパルスを検出し、検出したパルスの特性に基づいてレーザ共振器の光路長の変化を制御するものである。
【００２７】
本発明のレーザ光発生装置は、励起光により励起される固体レーザ発振器と、可飽和吸収体を用いてレーザ発振をパルス化する可飽和吸収体Ｑスイッチとを有するレーザ光発生装置であって、レーザ共振器の光路長を変化させる共振器長調整手段と、出力されるパルスレーザ光を検出する検出手段とを備え、検出手段により検出されたパルスの特性に基づいて、共振器長調整手段によりレーザ共振器の光路長の調整が行われるものである。
【００２８】
上述の本発明のレーザ光安定化方法によれば、発生するレーザ光のパルスを検出し、検出したパルスの特性に基づいてレーザ共振器の光路長の変化を制御することにより、外乱によるレーザ共振器の光路長の変化に対して、検出したパルスの特性に基づいて光路長の変化を制御して光路長を所望の光路長に補正することが可能になる。
【００２９】
上述の本発明のレーザ光発生装置の構成によれば、レーザ共振器の光路長を変化させる共振器長調整手段と、出力されるパルスレーザ光を検出する検出手段とを備え、検出手段により検出されたパルスの特性に基づいて、共振器長調整手段によりレーザ共振器の光路長の調整が行われるため、外乱によりレーザ共振器の光路長が変化した場合においても、検出したパルスの特性に基づいて共振器長調整手段による光路長の調整を行って、光路長を所望の光路長に補正することが可能になる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態として、レーザ光発生装置の一実施の形態及びそのレーザ光発生装置におけるレーザ光安定化方法について説明する。
まず、本実施の形態のレーザ光発生装置を構成するレーザ発振器の概略構成図を図１に示す。
このレーザ発振器１０は、レーザ媒質１１と、ＳＢＲ１２とが対向して配置され、これらレーザ媒質１１及びＳＢＲ（Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ；可飽和吸収体付きミラー）１２がそれぞれ石英やサファイア等の支持材１３及び１４に取り付けられている。
【００３１】
レーザ媒質１１としては、例えばＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ（ＹＬｉＦ４）等を用いることができる。Ｎｄ：ＹＶＯ４の発振波長は１０６４ｎｍと１３４０ｎｍであり、Ｎｄ：ＹＬＦの発振波長は９１４ｎｍである。
この他にも、例えばＮｄ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｓｍ，Ｐｒ等の希土類元素をドープした、光学結晶又はガラスを用いることができる。
【００３２】
ＳＢＲ１２は、前述したように、レーザ媒質１２のＱスイッチとなるものであり、前述したように例えば図示しないがＧａＡｓをベースとした半導体量子井戸と反射ミラーととを有し、可飽和吸収体を含んで構成されるものである。ＳＢＲ１２は、例えば分布帰還型反射ミラー（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ）を具備する構成としてもよい。
可飽和吸収体としては、例えば上記の半導体量子井戸を利用した半導体可飽和吸収体や、Ｃｒ：ＹＡＧ等のＣｒイオンをドープした誘電体固体等を用いることができる。
【００３３】
そして、本実施の形態では、特に、ＳＢＲ１２が取り付けられた支持材１４と、外側の筐体１６との間に、共振器長調整手段１５が設けられて、レーザ発振器１０が構成されている。
【００３４】
この共振器長調整手段１５としては、例えばＰＺＴ（チタン酸・ジルコン酸鉛）等の圧電体を用いた圧電素子を使用することができる。
共振器長調整手段１５は、その他の構成、例えばＶＣＭ（ボイス・コイル・モータ）、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）アクチュエータ（例えばＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ  ）素子に用いられるような静電容量により変位する構成）、温度変化により共振器長を変化させる構成、板バネ等、様々な構成を使用することが可能である。温度変化により共振器長を変化させる構成としては、例えばヒータやペルチェ素子を設けることが考えられる。
【００３５】
共振器長調整手段１５を設けたことにより、共振器長調整手段１５を動作させて、レーザ媒質１１とＳＢＲ１２との間隔を変化させて、共振器長を変化させることができる。
このように共振器長を変化させることにより、詳しくは後述するように、レーザ発振器１０の動作点を、所望の動作点にすることができる。
【００３６】
なお、図１に示したレーザ発振器１０では、共振器長調整手段１５が伸びたときに共振器長が短くなる構成となっているが、逆に共振器長調整手段が伸びたときに共振器長が長くなる構成としてもよい。
【００３７】
共振器長調整手段１５を、ＰＺＴ等を用いた圧電素子により構成した場合には、電圧を印加することにより、共振器長調整手段１５を伸び縮みさせて、共振器長を変更することができる。
そして、電圧の印加に対して、ほぼリニアに共振器長が変化する。
なお、ＰＺＴ等圧電素子の特性から、共振器長の変化に若干のヒステリシスを有することもあるが、仮にヒステリシスを有していても、後述するように、サーボにより目標値に至るまでドライバ信号を補正し続けることによって、動作点付近での挙動を問題ないものとすることができる。
【００３８】
ここで、ＰＺＴから成る共振器長調整手段１５に印加する電圧（Ｖ）と、レーザ発振器１０から出射するレーザ光の平均出力Ｐａｖ及び繰り返し周波数Ｒｅｐ−ｒａｔｅとの関係を、図３に示す。図３は、印加電圧を横軸に、レーザ光の平均出力Ｐａｖ及び繰り返し周波数Ｒｅｐ−ｒａｔｅを縦軸にとっている。なお、レーザ出力の変化量を縦軸にとったときにも同様の曲線となる。
【００３９】
図３のピーク付近では、縦モードがゲイン中心付近にきており、動作させるには安定で好適な領域である。ピークとピークの間には、２本の隣接する縦モードがゲイン中心からほぼ等距離になり縦マルチモードになる部分があり、この部分では複数の位相のパルスや複数の周波数のパルスが混在する可能性が高い。
従って、特に特別な理由がない場合は、初期設定として繰り返し周波数の極大値に合わせることが多く、このようにすることにより、共振器の微小な膨張等の外乱に対するマージンも広くなる。
例外として、安定動作範囲が狭い等の理由で、やむを得ず極大値（ピーク）以外のスロープの部分を動作点として使用して、この値を目標値としたサーボをかけることもあるが、通常はピークを常に動作点となるように保持する。
【００４０】
そして、図３と図１４とを比較してわかるように、図３では平均出力Ｐａｖ及び繰り返し周波数の極大値が一定である。即ち、共振器長調整手段１５に電圧を印加して共振器長を変化させても、平均出力Ｐａｖ及び繰り返し周波数Ｒｅｐ−ｒａｔｅの極大値が変化しないことがわかる。
【００４１】
そして、検出器例えばフォトダイオードにおいて、レーザ発振器１０から出射したレーザ光を検出して、具体的にはレーザ光のパルス繰り返し周波数やパルスデューティー比（パルスピークパワーに対する平均出力の比）を検出して、検出結果を共振器長調整手段１５にフィードバックさせることにより、レーザ発振器１０の動作点を極大ピークに保持することができる。
【００４２】
そのために、本実施の形態のレーザ光発生装置では、図２に示すように、サーボシステムを設けてレーザ光発生装置２０を構成する。
このレーザ光発生装置２０は、図１に示した構成のレーザ発振器１０、半導体レーザＬＤから成る励起光源２１、レンズ２２、出力取り出しミラー２３、レンズ２４から成りレーザ媒質１１を励起する励起光学系、並びにレーザ発振器１０から出射したレーザ光を検出する光検出器２６を備えている。光検出器２６は、受光素子例えばフォトダイオードによって構成される。
また、レーザ光発生装置２０の内部は、全体が恒温（一定温度）状態に保持されている。
【００４３】
このレーザ光発生装置２０は、次のように動作する。
半導体レーザＬＤから成る励起光源２１からのレーザ光Ｌ１を、レンズ２２、出力取り出しミラー２３、レンズ２４を通して、レーザ発振器１０に入射させる。
また、レーザ発振器１０からの出射光は、レンズ２４を通って、出力取り出しミラー２３で反射されて図中下方に取り出され、さらに、次のミラー２５でその一部が反射されて検出光Ｌ３として取り出されて、光検出器２６において検出される。残りの出射光は、ミラー２５を透過して出力光Ｌ２としてレーザ光発生装置２０の外部に出力される。
【００４４】
このようにレーザ光発生装置２０を構成したことにより、光検出器２６において検出された検出光Ｌ３から、レーザ発振器１０から出射したレーザ光のパルス繰り返し数やパルスデューティー比を検出することができる。そして、この検出結果をレーザ発振器１０の共振器長調整手段１５にフィードバックさせることにより、レーザ発振器１０の動作点を極大ピークに保持することができる。
【００４５】
ここで、ＰＺＴから成る共振器長調整手段１５の動作電圧の範囲、並びに励起光源２１の動作点の変化の範囲内では、出力光Ｌ２のパルス幅の変動はほぼ無視できる程度になっているものとする。
前述した非特許文献１に記載されているように、出力光Ｌ２のパルス幅Δｔは、通常の場合、共振器の周回時間をＴＧとして、また可飽和吸収量をｑ０として、下記の式（１）で与えられる。
【００４６】
【数１】
2004342770.tif 000003
【００４７】
共振器の周回光路長をＬ、真空中の光速をｃとすると、ＴＧ  ＝ｃ／Ｌであり、Ｌの典型的な値が数１００μｍであることを考えれば、共振器長の必要変化量は波長オーダー（数１００ｎｍ）、即ちＬの１０００分の１程度でよいので、Ｌはほぼ一定とみなすことができ、ＴＧを一定とみなすことができるため、結果として、パルス幅Δｔを一定とみなすことができる。
【００４８】
従って、このようにパルス幅Δｔがほぼ一定である範囲内では、繰り返し周波数を一定にする、即ち繰り返し周期を一定にすることにより、パルスデューティー比（出力ピーク値と平均出力との比：パルス繰り返し周期とパルス幅Δｔの比にほぼ一致する。）をも同時に一定にすることができる。
【００４９】
ここで、具体的に、例えばレーザ発振器１０のレーザ媒質１１にＮｄ：ＹＶＯ４を用いて、本実施の形態のレーザ光発生装置２０を構成した場合について考える。
このＮｄ：ＹＶＯ４から発振するレーザ光の波長は、約１３４２ｎｍ，約１０６４ｎｍ，約９１４ｎｍの３つが代表的である。
【００５０】
Ｎｄ：ＹＶＯ４は、いくつもの発振波長や吸収波長帯を有するが、Ｎｄ３＋イオンの８０８ｎｍ付近の吸収帯が有名であり、この波長帯に合致した半導体レーザも入手が容易であるので、この波長の出力を有する半導体レーザＬＤを励起光源２１として使用するとよい。
レーザ媒質１１用のＮｄ：ＹＶＯ４としては、Ｎｄイオン濃度が０．５％〜３％程度であるものが使用される。Ｎｄ：ＹＶＯ４には通常ｂカット基板が使われ、励起偏光には吸収係数が大きいことから、ＹＶＯ４のｃ軸に平行な偏光が通常使用される。
また、レーザ媒質１１は、１０６４ｎｍでのゲインの大きいｃ偏光で発振するものと考えられる。
Ｎｄ：ＹＶＯ４基板の厚さは、厚い方が励起光の吸収量が増えて出力や繰り返し周波数をより高くすることができるが、逆に共振器長が長くなることで縦マルチモード発振しやすくなる、というトレードオフがある。
【００５１】
そこで、出力や繰り返し周波数の向上と、マルチモード発振の防止との両立を図るため、Ｎｄ：ＹＶＯ４基板の厚さを５０μｍ〜５００μｍ程度に設定する。例えば１５０μｍに設定すればよい。
【００５２】
励起光源２１からの励起光のうち、およそ１０％〜８０％がレーザ媒質１１のＮｄ：ＹＶＯ４基板中で吸収されるが、そのうち発振に使われないフォノン遷移及び発振に寄与しない空間部分等は熱に変換されるため、励起部分の中央付近を中心として熱レンズが形成される。
このように形成される熱レンズと、共振器部品の調整とにより安定共振器が形成され、１０６４ｎｍの波長ではおよそ半径１５〜３０μｍの共振器モードで発振する。
【００５３】
共振器のミラーは、レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＶＯ４）１１の表面に形成された出力ミラー（透過率０．５〜７０％）と、ＳＢＲ１２に形成された半導体分布帰還型ミラー（ＤＢＲ）により形成されるので、これらの調整により横モードを調整する。通常の場合、横シングルモードになるようにミラーを調整することが望ましい。
また、パルス繰り返しの安定性の観点から、縦モードはシングルモードであることが望ましい。前述した非特許文献１にも記載されているように、レーザ媒質１１を薄くして共振器長を短くし、縦モードをシングルモード化することが広く行われている。
【００５４】
ところで、初期に設定した動作点は、負帰還回路がない場合、前述した経時変化により変動することが考えられる。例えば、湿度・温度変化や経時変化（化学反応、ガスの放出）による接着剤の膨張や収縮とそれによる機械的な位置変動、半導体レーザや光学素子の経時劣化による出力変動やそれに伴うレーザ媒質等の温度変化、その他の理由により、共振器光路長がわずかに変化したときには、この変化分を補正しない限り、レーザ媒質のゲイン中心とレーザ縦モードの位置とがずれてしまい、正味のゲイン変化により出力及び繰り返し周波数が変化してしまう。
【００５５】
例えば接着剤の厚さの変化を例にとって考えると、およそ１０μｍの接着剤層が収縮で１％変形したとすると、共振器長は１００ｎｍ変化する。
図３の隣接するピークの間隔は、共振器長λ／２（往復で１波長）の違いに相当するため、１０６４ｎｍの発振波長の場合、λ／２は５３２ｎｍに相当する。このとき、例えば動作点がピークから２６６ｎｍずれると、ピークにあった動作点がマルチモードの不安定領域にまでずれてしまう。
従って、共振器長の１００ｎｍの変化は、動作点をピークと不安定領域とのほぼ中間付近に移動させるものであり、結果として大きな出力変動及び繰り返し周波数変動を引き起こすことが予想され、実際実験的にも確認されている。
このような微小な共振器長変化は、短期間でも起こる可能性はあるが、レーザ完成後長時間の間全く起こらないと考えることはできない。従って、何らかの補正を自動的に行うことが必要になってくる。
【００５６】
これに対して、変動した繰り返し周波数を補正するためには、例えば以下に述べるような方法を採ることができる。
まず、第一段階では、繰り返し周波数を、共振器長変化に対して極大の位置に保持する。
そのために、共振器長調整手段１５に印加する電圧に、ディサー（ｄｉｔｈｅｒ）信号を加えて、１次微分信号をつくり、これを０にするよう負帰還をかけることにより、繰り返し周波数の極大の位置に動作点をロックする等の方法が必要である。
外乱が小さい範囲ではパルス幅はほぼ一定とみなせるので、極大値が変化しない限り、繰り返し周波数は以後一定値に保たれる。ディサー信号の周波数と振幅は、出力光に影響のない値を選ぶ。その値は共振器長調整手段１５を構成するＰＺＴ等のアクチュエータの動作に応じて変わるが、例えば、半波長（上述の場合は５３２ｎｍ）の光路変化に要する電圧が１００ＶであるＰＺＴを用いたときに、周波数１００Ｈｚで振幅１Ｖ以下、等の値を用いるのが望ましい。
ディサー信号によって変化させた電圧で繰り返し周波数の変化量を割れば、１次の微分係数に相当する量が導出され、電圧変化に対するエラー信号となる。
このエラー信号の変化が０になるような方向に常に微小量移動させることにより、繰り返し周波数の極大値にロックすることができる。極大値は一定条件の下では常に一定と考えてよく、このサーボにより、実用上問題ない程度まで繰り返し周波数、ひいてはパルスデューティー比を一定範囲に保つことができる。
そして、共振器長が波長の何倍ものオーダーで変化したとしても、この繰り返し周波数の極大値はほぼ変わらないとみなせるから、ＰＺＴ等のアクチュエータの可動範囲である限り、このサーボによって繰り返し周波数を一定に保持することができる。
【００５７】
なお、共振器長調整手段１５として、ＶＣＭ（ボイス・コイル・モータ）を用いる場合には、電圧を印加する代わりに電流を印加するので、ＶＣＭに印加する電流をディサー信号により変化させ、電流の変化量で繰り返し周波数の変化量を割って１次の微分係数に相当する量を導出し、電流変化に対するエラー信号とすればよい。
【００５８】
ここで、図２に示した本実施の形態のレーザ光発生装置２０に対して、上述のように繰り返し周波数を極大ピークに保持するように構成した各機能ブロックの一形態を図４に示す。
図４では、検出器２６で検出した出力光Ｌ２から、繰り返し周波数を検出する繰り返し周波数検出部３１を設けている。
そして、レーザ発振器１０の可動部即ちＰＺＴから成る共振器長調整手段１５に対して電圧を印加する電圧ドライバ３２に与えられる信号に、ディサー信号ｕも加算されるように構成している。
繰り返し周波数ｆの変化量Δｆを、ディサー信号ｕによって変化させた電圧Δｕで割ることにより、１次微分信号Δｆ／Δｕを得て、これを目標値０とするように負帰還させるようにしている。具体的には、１次微分信号を反転させて、反転増幅・帰還信号Ｓ１１を得て、これをディザ−信号ｕと加算するようにしている。
そして、１次微分信号Δｆ／Δｕが０となるように、共振器長調整手段１５により共振器長を調整することにより、レーザ発振器１０に加わった外乱Ｘによって変動した繰り返し周波数を、極大値に補正することができる。
なお、図４のように繰り返し周波数検出部３１を設ける代わりに、パルス間隔検出部を設けて、パルス間隔を検出する構成としてもよい。
【００５９】
以下、この図４に示す機能ブロックを構成した場合の、繰り返し周波数の補正方法をより詳細に説明する。
レーザ発振器１０に対して、外乱Ｘが共振器長の変化の形で加わるとすると、同じ電圧に対する動作状態が変化して、図３に示した曲線が右または左に移動する。この点は図１５Ａ及び図１５Ｂに示した場合と同様である。外乱Ｘを与える原因としては、例えば、接着剤の温度、湿度、脱ガス、経時変化によるもの、環境温度変化によるもの等が考えられる。
しかし、グラフの形状そのものは、共振器長変化が微小な変化であれば変わらない。
従って、何らかの形でこのずれ（曲線の移動）の向きを検出して、元の共振器長と同じになるようにＰＺＴ等の共振器調整手段１５の動作点を変えてやれば復元するはずである。
【００６０】
そこで、図３において、上述のように共振器に加わった外乱Ｘにより、繰り返し周波数が変化した場合の補正方法を説明する。
光検出器２６で捉えた出力光Ｌ２の一部から、繰り返し周波数検出部３１において繰り返し周波数を読み出す。パルス間隔検出部を設けた場合は、パルス間隔を読み出す。
【００６１】
このとき、実際には、ＰＺＴから成る共振器長調整手段１５の動作電圧に常に小さなディサー信号ｕを加えるようにしておき、レーザ発振器１０の共振器長を特定周波数で微小変動させておき、電圧変化の向きと繰り返し周波数ｆの変化量Δｆとを常にモニターする。
仮に、動作点が極大点付近にあれば、ディサー信号ｕの変動量Δｕの極性によらず、Δｆ／Δｕは非常に小さい値（０とみなせる）になる。
極大点が動作点よりも高電圧側にあるようにずれた時は、動作点は極大点の左にあり、Δｕがマイナスの時Δｆがマイナス、Δｕがプラスの時ΔｆがプラスになるからΔｆ／Δｕはプラスの値になる。
逆に、極大点が動作点より低電圧側にあるようにずれた時は、動作点は極大点の右にあり、Δｕがマイナスの時Δｆがプラス、Δｕがプラスの時ΔｆがマイナスになるからΔｆ／Δｕはマイナスの値になる。
【００６２】
このΔｆ／Δｕの変化を図示したのが図５である。図５の横軸は、動作点と極大点との差分を共振器長調整手段１５に印加される電圧の差分（Ｖ）として示したもので、縦軸はΔｆ／Δｕを示している。
図５に示すように、Ｓ字カーブになっていて、動作点と極大点とが一致するときΔｆ／Δｕ＝０となるため、いわゆるエラー信号が得られることがわかる。
従って、このエラー信号が０になるようにうまく負帰還をかけてやれば、いわゆるサーボにより、変動した繰り返し周波数を補正して一定値に保持することができる。
【００６３】
しかるに、繰り返し周波数の電圧依存性の極大値は、吸収される励起光量及び共振器温度等の関数として変化する。従って、これらが変化しないように一定に保つ必要がある。
逆に、これらの値が変化する場合、例えば、半導体レーザの電流値、温度が経時変化等により変化してＮｄ：ＹＶＯ４による吸収量が変化した場合、共振器温度が変化して、Ｎｄ：ＹＶＯ４やＳＢＲの動作温度が変わった場合、ＳＢＲの位置が変化して半導体レーザのＳＢＲへの入射量が変化した場合等では、極大値が変化する可能性が高い。
【００６４】
このような場合、極大値に保持するサーボだけではパルスデューティー比を一定に保つことができない。
パルス繰り返し周波数（又はパルスデューティー比）が極大値に保持されているとして、その極大値の変化を補正するためには、別のパラメータを変化させなくてはならない。
そこで、第二段階として、極大値が元の値になるように補正する必要があり、補正手段としては最も応答が線形なものが好適である。
【００６５】
このような補正手段としては、例えば励起光源２１の半導体レーザＬＤの電流値の変更が挙げられる。
他の手段でも差し支えないが、例えば共振器長の温度変化で補正しようとすると、温度変化に対する共振器長の変化量が小さいために、温度を大きく変える必要があったり、例えばＳＢＲの位置を変えて補正しようとすると、極大値の変化がＳＢＲの位置に対して線形でない応答をすることがあったりするため、使うことは可能であってもあまり適切とはいえない。
半導体レーザＬＤの電流値は、最も扱いやすく、線形性、回路構成、応答性等の観点で最も優れていると考えられる。励起光源２１の電流値の変化は、励起光源２１の波長変化を伴うので、必ずしも簡単な応答ではないが、マクロ的にはほぼ線形である領域を設定することができる。
この場合のサーボは、極大値保持ではないので、目標とする繰り返し周波数を設定した後に、この目標値と現在値との差分をエラー信号として扱うことで通常のサーボシステムを構成できる。
【００６６】
また、半導体レーザＬＤの駆動回路に供給される電流量、即ち半導体レーザＬＤに供給される電流量を制御することにより、レーザ発振器１０の発振波長を制御することが可能になるので、レーザ媒質１１とＳＢＲ１２の可飽和吸収体及び反射鏡のそれぞれの分光特性によって決まるレーザゲインの最大値を与える発振波長に制御することが可能になる。
【００６７】
繰り返し周波数を極大にした上で、さらに極大値が所望の繰り返し周波数になるように、図４に示した機能ブロックに対して、さらに、上述のように励起光源２１の電流値を変更させて、動作点を変化させる負帰還回路を付加した構成を図６に示す。
【００６８】
図６では、２つの外乱として、共振器に加わる第１の外乱Ｘ１と、励起光源（半導体レーザＬＤ）２１に加わる第２の外乱Ｘ２とによる、パルス繰り返し周波数（又はパルスデューティー比）の変動を補正するように構成されている。
第１の外乱Ｘ１に関わる部分は、図４に示した構成と同様であるため、説明を省略する。
なお、第２の外乱Ｘ２は、説明を簡単にするために、励起光源（半導体レーザＬＤ）２１に起因するとしているが、共振器特性の変化により極大値が変化した場合も含めて考える。
繰り返し周波数検出部３１において、繰り返し周波数ｆを検出し、これを目標周波数と比較する。この比較により差分を検出して、１次微分信号Δｆ／Δｕから得られる第１の反転増幅帰還信号Ｓ１１とは別の、第２の反転増幅・帰還信号Ｓ１２を得る。この第２の反転増幅・帰還信号Ｓ１２を、励起光源２１に電流を流す電流ドライバ３３に供給する。
これにより、励起光源２１の電流値を変更させて、動作点を変化させることができ、繰り返し周波数ｆが目標値に一致するように補正される。
【００６９】
従って、図４と同じ部分で、繰り返し周波数を極大値にロックした後に、図４に対して追加された部分で、極大値を変化させて極大値を一定に保つ働きを行うことができる。
【００７０】
なお、極大値にロックせずに、励起光源の半導体レーザＬＤの電流値を変えたりするだけで同様の補正を行うことは不可能ではないが、図３のマルチモード発振領域に動作点が来ている場合もありうるため、極大値に動作点を移動せずに半導体レーザＬＤの電流値だけを変えると、このような点で動作させることにもなり、動作が不安定になる可能性が高く危険である。
このような理由から、上述した２重のサーボシステムが好適となる。
【００７１】
図４や図６に示したサーボシステムは、アナログ回路で構成することも不可能ではないが、高速の応答が要求されない、条件分岐が多いこと等の状況から、プログラミングで条件分岐やパラメータ設定が自由に出来るデジタルサーボが適していると考えられる。
【００７２】
この他、図７及び図８にそれぞれ機能ブロックの形態を示すように、ループフィルタとウォブル信号とを使用してサーボシステムを構成してもよい。
【００７３】
図７に示す構成では、レーザ光発生装置２０からの出力光Ｌ２から、検出器等でパルス検出４１を行い、検出したパルスに対してＦＭ変調４２を行って、得られた信号にサイン波形のウォブル信号４６を掛け合わせて同期検波を行い、その結果をループフィルタ（積分回路）４５に通している。このループフィルタ（積分回路）４５からの信号にウォブル信号４６を加算して、ＰＺＴから成る共振器長調整手段１５を駆動する駆動回路４３に供給するようにしている。
これにより、出力光Ｌ２の平均出力が、図３に示した極大値となるように、共振器長調整手段１５を制御することができ、図４に示したと同様のサーボシステムを構成することができる。
そして、ループフィルタ（積分回路）４５においては、初期値が設定されていて、安定な状態から制御を行うことができる。
【００７４】
図８に示す構成では、図７に示す構成において、さらに、検出したパルスに対してＦＭ変調４２を行う際に繰り返し周波数の検出も行っており、検出した周波数を目標値との差分を求めて、第２のループフィルタ（積分回路）４７に入力し、第２のループフィルタ（積分回路）４７からの信号を、半導体レーザＬＤから成る励起光源２１を駆動する（半導体レーザＬＤに電流を流す）駆動回路４４に供給するようにしている。
これにより、励起光源２１の電流値を制御して、出力光Ｌ２の繰り返し周波数が目標値となるように制御することができ、図６に示したと同様の２重のサーボシステムを構成することができる。
そして、第２のループフィルタ（積分回路）４７においても、初期値が設定されていて、安定な状態から制御を行うことができる。
【００７５】
なお、ウォブル信号には、通常、図７及び図８に示したようにサイン波形が用いられるが、ウォブル信号に方形波を用いれば、図４及び図６の微分回路の演算と同等な演算が実現できる。
【００７６】
また、図９に示すように、マイクロプロセッサとメモリとを用いても、Ｑスイッチレーザから成るレーザ光発生装置２０の制御を行う回路を構成することが可能である。
図９では、検出器（ＰＤ）２６で検出した出力光から、パルス検出回路４１でパルスを検出し、さらに検出したパルスから、パルス周期測定カウンタ５１により周期を計測し、パルス周波数測定カウンタ５２により周波数を計測し、計測した周期や周波数をマイクロプロセッサ５３において演算処理するようにしている。メモリ５４はマイクロプロセッサ５３における演算処理の結果やその他設定値を保存する。
そして、マイクロプロセッサ５３における演算処理により得られた結果が、第１のＤＡ変換回路５５と、電圧増幅回路５７を経て、ＰＺＴから成る共振器長調整手段１５に供給され、共振器長の調整がなされる。
また、マイクロプロセッサ５３における演算処理により得られた結果が、第２のＤＡ変換回路５６と、電圧電流変換回路５８を経て、半導体レーザＬＤから成る励起光源２１に供給され、励起光源２１の出力の調整がなされ、これにより、レーザ光発生装置２０の出力光の繰り返し周波数を制御することができる。
従って、図９に示す構成によっても、図６に示した構成や、図８に示した構成と同様の２重のサーボシステムを構成することが可能である。
【００７７】
なお、図７、図８、図９において、それぞれ機能ブロックに示されている機能をソフトウェアにより実現することも可能である。
【００７８】
図７及び図８に示したように、或いは図９に示したように、制御回路を構成することにより、例えば次のような利点を有する。
（１）各機能ブロックは、加減算、乗算、積分演算で実現されており、アナログ演算回路でも実現することができる。
（２）ディジタル信号処理で実現する場合も、簡易なハードウェアやソフトウェアで実現することが可能である。
（３）図７及び図８では、積分回路をループフィルタ４５，４７に用いて、一次のフィードバック制御回路を実現していることにより、安定で定常誤差の少ない制御を容易に実現することが可能である。
（４）図７及び図８では、ループフィルタ４５，４７が初期値設定機能を有することにより、制御系が安定な状態から制御を開始することが可能で、より安定に制御を行うことができる。ＰＺＴ１５に与える電圧や励起ＬＤ２１に流す電流値によっては、パルス周期が不安定になる、或いはパルス光量が不足して、正確な制御ができなくなることがありうるが、安定したパルス周期や充分な光量が得られる電圧または電流を初期設定することにより、良好な制御信号が得られる。
【００７９】
上述の本実施の形態のレーザ光発生装置２０の構成によれば、レーザ発振器１０に共振器長調整手段１５が設けられていることにより、この共振器長調整手段１５を電圧や電流の印加により駆動して共振器長を変化させることにより、共振器長の微小な変化やＬＤの劣化等の外乱による、パルスの繰り返し周波数及びパルスデューティー比の変化を補正して、一定に保つことが可能になる。
【００８０】
また、パルスデューティー比を一定にすることができるため、例えば後段で波長変換する構成としたときに、波長変換した後の出力を最適点（図１６のＳＨＧ出力のピークに相当する）に保持することが可能になる。
【００８１】
そして、補正を行うことにより、長期間にわたって、パルス繰り返し周波数、出力等の基本的仕様を保持することができ、レーザ光発生装置２０から出射されるレーザ光の安定化を図り、レーザ光発生装置２０の信頼性を向上することができる。
【００８２】
さらに、図４、図６、図７、図８、図９に示したように、レーザ光発生装置２０の出力や繰り返し周波数を検出して制御するサーボシステムを構成することにより、レーザ光発生装置２０の出力光Ｌ２の繰り返し周波数や平均出力、パルスデューティー比を自動的に一定に保つことが可能になり、長期間にわたり非常に安定した動作を可能にするので、より信頼性の高いレーザ光発生装置２０とすることができる。
【００８３】
また、繰り返し周波数及びパルスデューティー比を補正して一定としたときに、パルスデューティー比がある範囲内にあるようにすれば、例えば後段で波長変換する構成としたときに、波長変換効率を高く例えば最大値にすることができ、また波長変換した後の出力を充分に得ることができる。
具体的には、出力パルスのピークパワーの平均出力に対する比の値が、１００〜２０００の範囲内であるときに最適値に達することが通常である。通常、比の値がこの範囲内において、マスターレーザとしてＭＯＰＡを構成し、さらに波長変換した後の出力が充分に得られる。
【００８４】
特に、励起光源２１の半導体レーザＬＤの電流量も制御するサーボシステムを構成したときには、レーザ発振器１０の発振波長をも制御することができるため、レーザ出力ゲインの最大値に発振波長を制御することができる。このように発振波長を制御すれば、例えば後段で非線形光学結晶を用いて波長変換する構成としたときに、非線形光学結晶による波長変換効率がほぼ最大値となる波長に発振波長を制御することが可能になる。
【００８５】
上述の実施の形態では、Ｑスイッチレーザであるレーザ発振器１０に対する励起光源２１を半導体レーザＬＤにより構成しているが、本発明においては、励起光源は半導体レーザに限定されるものではなく、固体レーザやその他のレーザを励起光源とする場合にも同様に本発明を適用することができる。
【００８６】
さらに、上述の実施の形態のレーザ光発生装置２０を、マスターレーザや光源等として用いて、さまざまな応用製品を構成することができる。
この応用製品を以下に一部示す。
【００８７】
図１０は、応用製品として、上述の実施の形態のレーザ光発生装置２０を、マスターレーザとして用いて、レーザ光発生装置２０からの出力光から、第２高調波（ＳＨＧ）を得るように構成したレーザ光発生装置６０を示している。
このレーザ光発生装置６０は、マスター発振器６１と、ファイバーや半導体による増幅器６２、励起半導体レーザ６３、非線形光学結晶６４を備えて構成されている。マスター発振器６１は、上述の実施の形態のレーザ光発生装置２０を用いて構成され、波長１０６４ｎｍのレーザ光と、波長９１４ｎｍのレーザ光を出射する。マスター発振器６１からの出射光は、増幅器６２において増幅される。この増幅器６２は、励起半導体レーザ６３により励起される。増幅器６２で増幅されたレーザ光は、非線形光学結晶６４に入射する。非線形光学結晶６４は、ＳＨＧ（第２高調波発生）素子となる光学結晶であり、この非線形光学結晶６４を通過することにより、波長１０６４ｎｍのレーザ光と、波長９１４ｎｍのレーザ光が波長変換されて、それぞれ緑Ｇの光（波長５３２ｎｍ）と青Ｂの光（波長４５７ｎｍ）が得られる。
さらに、赤Ｒの光は通常の半導体レーザによって得ることができるため、図１０のレーザ光発生装置６０と半導体レーザとを組み合わせて、表示装置用の赤Ｒ，緑Ｇ，青Ｂの３色の光源とすることができる。
【００８８】
このレーザ光発生装置６０は、上述の実施の形態のレーザ光発生装置２０をマスターレーザとして用いていることにより、マスター発振器６１から発振されるレーザ光のパルスの繰り返し周波数及びパルスデューティー比の変化を補正して、これら繰り返し周波数やパルスデューティー比を一定に保つことが可能になるため、パルスのピークパワーや発振波長を一定に保つことが可能になる。
これにより、増幅器６２における増幅特性を安定化させることができ、また非線形光学結晶６４における波長変換の波長変換効率が高い条件（ピークパワーや発振波長の条件）に維持して、高い変換効率を保つことが可能になる。
従って、非線形光学結晶６４から出射される光（緑Ｇの光や青Ｂの光）の出力を安定化させることができる。
【００８９】
また、図１１は、応用製品として、上述の実施の形態のレーザ光発生装置２０を、表示装置（ディスプレイ）の光源として用いた場合を示している。
図１１に示す表示装置の構成は、いわゆるＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ  ）ディスプレイと称される表示装置に適用したものである。
【００９０】
この表示装置７０は、図１０に示したと同様のレーザ光発生装置６０から成るレーザ光源と、照明レンズ６５、光変調器６６、投射レンズ６７、走査ミラー６８を備え、表示装置７０の外部にあるスクリーン７１に画像を表示するものである。
レーザ光源は、赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂのうち１色を表示するものであり、図示しないが同様のレーザ光源があと２つ設けられる。
光変調器６６は、ＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ  ）により構成される。
投射レンズ６７は、回折光だけを通すフィルターを内蔵している。
走査ミラー６８は、矢印に示すように回動することにより、スクリーン７１の全体に対して走査を行うものである。そして、例えば毎秒６０回のプログレッシブスキャンで走査を行う。
スクリーン７１には、例えば１９２０×１０８０画素の表示がなされる。
【００９１】
この表示装置７０は、上述の実施の形態のレーザ光発生装置２０をマスターレーザとして用いたレーザ光発生装置６０から成るレーザ光源を用いていることにより、レーザ光発生装置６０から出射される光（緑Ｇの光や青Ｂの光）の出力を安定化させることができる。
従って、色調や画質を安定化させて、良好な画像表示を行うことができる表示装置７０を実現することができる。
【００９２】
なお、先に示した実施の形態のレーザ光発生装置２０を、特に、この表示装置７０のような表示装置の光源として用いる場合には、目標値として、繰り返し周波数を１ＭＨｚ以上に、より好ましくは１．５ＭＨｚ以上に設定し、パルスの幅を０．１ｎｓｅｃ〜２ｎｓｅｃの範囲に設定することが望ましい。ただし、表示装置の光源以外の用途に用いる場合においては、この限りではない。
繰り返し周波数が少ないと、モアレ等の発生により、画質が劣化するおそれがある。
また、パルスの幅が上述の範囲よりも短いと、ピークパワーが高くなるため、レーザ光に対する安全対策を特別に施す必要が生じる。
一方、パルスの幅が上述の範囲よりも長いと、画像がギラギラした感じになる。
【００９３】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００９４】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、共振器長の微小な変化や励起光源の半導体レーザ等の外乱による、パルス繰り返し周波数及びパルスデューティー比等の特性の変化を補正して、特性を一定に保つことが可能になる。
パルスデューティー比を一定に保つことが可能となることにより、例えばＱスイッチからの出力光を増幅して波長変換するような場合に、波長変換後の出力を最適な出力に保持することが可能になる。
【００９５】
特性の変化を補正することができるため、長期間にわたって特性を良好な状態に保つことができ、信頼性を向上することができる。
従って、長時間にわたり安定して動作し、信頼性の高いレーザ光発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のレーザ光発生装置を構成するレーザ発振器の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態のレーザ光発生装置の概略構成図である。
【図３】図２のレーザ光発生装置における共振器長調整手段への印加電圧と、平均出力及び繰り返し周波数との関係を示す図である。
【図４】図２のレーザ光発生装置の繰り返し周波数を極大ピークに保持する機能ブロックの一形態を示す図である。
【図５】図４のΔｆ／Δｕの変化を示した図である。
【図６】図４の機能ブロックに、さらに繰り返し周波数の極大ピークを補正する機能ブロックを加えた形態を示す図である。
【図７】図２のレーザ光発生装置の繰り返し周波数を極大ピークに保持する機能ブロックの他の形態を示す図である。
【図８】図７の機能ブロックに、さらに繰り返し周波数の極大ピークを補正する機能ブロックを加えた形態を示す図である。
【図９】マイクロプロセッサとメモリを用いて図２のレーザ光発生装置の制御を行う回路を構成した場合を示す図である。
【図１０】図２のレーザ光発生装置をマスターレーザとして用いたレーザ光発生装置を示す図である。
【図１１】図２のレーザ光発生装置を用いて構成した表示装置の概略構成図である。
【図１２】可飽和吸収体を用いたＱスイッチレーザの概略構成図である。
【図１３】共振器長を可変としたＱスイッチレーザの概略構成図である。
【図１４】図１３のＱスイッチレーザにおける平均出力及び繰り返し周波数の温度依存性を示す図である。
【図１５】Ａ、Ｂ  図１４の曲線が右又は左に移動した状態を示す図である。
【図１６】出力ピーク値の平均出力に対する比と、ＳＨＧ出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０  レーザ共振器、１１  固定部（レーザ媒質）、１５  共振器長調整手段（ＰＺＴ）、２１  励起光源、２６  検出器、３１  繰返し周波数検出部、３２  電圧ドライバ、３３  電流ドライバ、Ｓ１１  反転増幅・帰還信号、ｕ  ディサー信号、Ｘ，Ｘ１，Ｘ２  外乱
【図１】
2004342770.tif 000004
【図２】
2004342770.tif 000005
【図３】
2004342770.tif 000006
【図４】
2004342770.tif 000007
【図５】
2004342770.tif 000008
【図６】
2004342770.tif 000009
【図７】
2004342770.tif 000010
【図８】
2004342770.tif 000011
【図９】
2004342770.tif 000012
【図１０】
2004342770.tif 000013
【図１１】
2004342770.tif 000014
【図１２】
2004342770.tif 000015
【図１３】
2004342770.tif 000016
【図１４】
2004342770.tif 000017
【図１５】
2004342770.tif 000018
【図１６】
2004342770.tif 000019