(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作温度に応じて波長がステップ的に変化する単一縦モードの励起光を、設定温度においてモードホップを生じることなく設定出力値で出射する半導体レーザと、
前記設定温度において出力効率が最大であり、光ノイズが一定値以下の、且つ前記励起光の出力値が前記設定出力値である場合に所定の出力値である出力光を、前記励起光から生成する固体レーザモジュールと、
前記半導体レーザの温度と前記固体レーザモジュールの温度を調整する単一の温度調整装置と
を備え、
前記半導体レーザが、前記固体レーザモジュールの出力効率が最大となるピーク波長帯よりも短波長側に設定された励起波長帯の前記励起光を前記設定温度において出射することを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項２】
前記励起波長帯が、前記ピーク波長帯よりも短波長側に１ステップ又は２ステップだけシフトした波長帯であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項３】
前記固体レーザモジュールが、
前記励起光によって励起されて発振光を出力するレーザ結晶と、
前記発振光の高調波光を発生し、該高調波光を前記出力光として出力する波長変換結晶と
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項４】
前記レーザ結晶と前記波長変換結晶とが一体構造であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項５】
前記波長変換結晶が、周期的分極反転構造を有する擬似位相整合結晶であることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項６】
前記レーザ結晶が、ネオジウムイオンがドープされた、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、イットリウム・バナデート、ガドリニウム・バナデート及びリチウム・イットリウム・フロライドのいずれかであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項７】
動作温度に応じて波長がステップ的に変化する単一縦モードの励起光を出射し、且つ、設定温度においてモードホップを生じることなく設定出力値で前記励起光を出射する半導体レーザを選別するステップと、
前記設定温度において出力効率が最大であり、光ノイズが一定値以下の、且つ前記励起光の出力値が前記設定出力値である場合に所定の出力値である出力光を前記励起光から生成する固体レーザモジュールを選別するステップと、
選別された前記半導体レーザと選別された前記固体レーザモジュール、及び前記半導体レーザと前記固体レーザモジュールの温度を調整する単一の温度調整装置を用いて、前記半導体レーザの前記励起光によって前記固体レーザモジュールが励起される半導体レーザ励起固体レーザ装置を構成するステップと、
前記半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記出力光が前記所定の出力値であるように前記半導体レーザを制御し、且つ、前記半導体レーザ及び前記固体レーザモジュールの温度が前記設定温度であるように前記温度調整装置を制御するステップと
を含み、
前記半導体レーザを選別するステップにおいて、前記固体レーザモジュールの出力効率が最大となるピーク波長帯よりも短波長側に設定された励起波長帯の前記励起光を前記設定温度において出射する半導体レーザを選別することを特徴とするレーザ光の出力方法。
【請求項８】
前記励起波長帯を、前記ピーク波長帯よりも短波長側に１ステップ又は２ステップだけシフトした波長帯に設定することを特徴とする請求項７に記載のレーザ光の出力方法。
【請求項９】
前記設定温度と選別時の前記半導体レーザの温度との差分を考慮して、前記半導体レーザが選別されることを特徴とする請求項７又は８に記載のレーザ光の出力方法。
【請求項１０】
前記設定温度と選別時の前記固体レーザモジュールの温度との差分を考慮して、前記固体レーザモジュールが選別されることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のレーザ光の出力方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザと固体レーザモジュールの温度調整機能を有する半導体レーザ励起固体レーザ装置及びレーザ光の出力方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
励起光源である半導体レーザ、及び半導体レーザによって励起されて出力光を生成する固体レーザモジュールを有する半導体レーザ励起固体レーザ装置について、種々の開発が進められている。例えば、半導体レーザと固体レーザモジュールの温度調整を単一の温度調整装置によって行う単一温調構成によって、消費電力が抑制される。更に、光ノイズの小さい出力光を得るために、モードホップノイズの発生を抑制する温度に半導体レーザと固体レーザモジュールを単一温調構成によって制御する半導体レーザ励起固体レーザ装置が提案されている（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２０１２−２３４９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体レーザ励起固体レーザ装置を、例えば屋外のような環境温度の変化が大きい場所で使用したり、或いは起動後すぐにレーザモジュール内の温度調整が安定する前に使用したりする場合には、広く安定した動作温度範囲を有することが必要である。このとき、所定の出力が得られ、且つ、光ノイズが低い動作温度範囲が求められる。
【０００５】
しかしながら、それぞれが広く安定した動作温度範囲を有する半導体レーザと固体レーザモジュールを用いた場合にも、固体レーザモジュールの出力効率が最大である設定温度よりも高温の場合に出力効率が急激に低下するという現象が見出された。このため、半導体レーザ励起固体レーザ装置において、光ノイズが小さく且つ所定出力の出力光を安定して得られる動作温度範囲が狭いという問題が生じた。
【０００６】
上記問題点に鑑み、本発明は、単一温調構成によって消費電力を抑制しつつ、光ノイズが小さく且つ安定した所定出力の出力光を広い動作温度範囲で得られる半導体レーザ励起固体レーザ装置及びレーザ光の出力方法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】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（ア）動作温度に応じて波長がステップ的に変化する単一縦モードの励起光を、設定温度においてモードホップを生じることなく設定出力値で出射する半導体レーザと、（イ）設定温度において出力効率が最大であり、光ノイズが一定値以下の、且つ励起光の出力値が設定出力値である場合に所定の出力値である出力光を、励起光から生成する固体レーザモジュールと、（ウ）半導体レーザの温度と固体レーザモジュールの温度を調整する単一の温度調整装置とを備え、半導体レーザが、固体レーザモジュールの出力効率が最大となるピーク波長帯よりも短波長側に設定された励起波長帯の励起光を設定温度において出射する半導体レーザ励起固体レーザ装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、（ア）動作温度に応じて波長がステップ的に変化する単一縦モードの励起光を出射し、且つ、設定温度においてモードホップを生じることなく設定出力値で励起光を出射する半導体レーザを選別するステップと、（イ）設定温度において出力効率が最大であり、光ノイズが一定値以下の、且つ励起光の出力値が設定出力値である場合に所定の出力値である出力光を励起光から生成する固体レーザモジュールを選別するステップと、（ウ）選別された半導体レーザと選別された固体レーザモジュール、及び半導体レーザと固体レーザモジュールの温度を調整する単一の温度調整装置を用いて、半導体レーザの励起光によって固体レーザモジュールが励起される半導体レーザ励起固体レーザ装置を構成するステップと、（エ）半導体レーザ励起固体レーザ装置において、出力光が所定の出力値であるように半導体レーザを制御し、且つ、半導体レーザ及び固体レーザモジュールの温度が設定温度であるように温度調整装置を制御するステップとを含み、半導体レーザを選別するステップにおいて、固体レーザモジュールの出力効率が最大となるピーク波長帯よりも短波長側に設定された励起波長帯の励起光を設定温度において出射する半導体レーザを選別するレーザ光の出力方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、単一温調構成によって消費電力を抑制しつつ、光ノイズが小さく且つ安定した所定出力の出力光を広い動作温度範囲で得られる半導体レーザ励起固体レーザ装置及びレーザ光の出力方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置に使用される半導体レーザの動作温度と励起波長との関係を示すグラフである。
【図３】駆動電流の調整方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置に使用される固体レーザモジュールの温度特性の例を示すグラフである。
【図５】比較例の半導体レーザを用いた場合の駆動電流及び光ノイズ強度とレーザモジュール温度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置に使用される半導体レーザの駆動電流及び光ノイズ強度とレーザモジュール温度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に係る固体レーザモジュールの構成例を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）は半導体レーザに関する温度及び出力値の誤差を示す模式図であり、図８（ｂ）は固体レーザモジュールに関する温度及び出力値の誤差を示す模式図である。
【図９】半導体レーザの波長と動作温度との関係を示すグラフである。
【図１０】半導体レーザの波長と出力値との関係を示すグラフである。
【図１１】固体レーザモジュールの出力光強度及び光ノイズ強度と温度との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施形態の変形例に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を示す模式図である。
【図１３】本発明のその他の実施形態の係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の固体レーザモジュールの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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ることに留意すべきである。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。
【００１２】
本発明の実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１は、図１に示すように、励起光Ｌ１を出射する半導体レーザ１０と、励起光Ｌ１に励起されて出力光Ｌ２を生成する固体レーザモジュール３０と、半導体レーザ１０の温度と固体レーザモジュール３０の温度を同時に調整する単一の温度調整装置４０とを備える。
【００１３】
半導体レーザ１０は、駆動装置２０によって駆動されて、単一縦モードの励起光Ｌ１を特定の設定出力値で出射する。以下において、半導体レーザ１０が出射する励起光Ｌ１の波長を「励起波長」という。励起波長は、半導体レーザ１０の駆動電流や動作温度に応じてステップ的に変化する。図２に、半導体レーザ１０の動作温度Ｔｓと励起波長λとの関係を例示する。図２に示すように、励起波長λは略一定である複数の温度範囲が階段状に連続する温度特性を有し、全体としては動作温度Ｔｓの上昇に伴って励起波長λが長くなる。
【００１４】
半導体レーザ１０から出射された励起光Ｌ１は集光レンズ１５によって集光され、集光された励起光Ｌ１が固体レーザモジュール３０に入射される。励起光Ｌ１によって励起されて、固体レーザモジュール３０は、設定温度において、第２高調波発生光（ＳＨＧ光）の出力効率（以下において、単に「出力効率」という。）が最大である。また、固体レーザモジュール３０は、設定温度において光ノイズが一定値以下の出力光Ｌ２を出射する。励起光Ｌ１の出力値が設定出力値である場合に、固体レーザモジュール３０は所定の出力値の出力光Ｌ２を出力する。
【００１５】
本発明の実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１では、半導体レーザ１０から出射される励起光Ｌ１の励起波長が、設定温度において、固体レーザモジュール３０の出力効率が最大となるピーク波長帯よりも短い波長帯に設定されている。即ち、設定温度における励起波長は、ピーク波長帯よりも短波長側にシフトして設定された波長帯（以下において、「励起波長帯」という。）に含まれる。励起波長帯は、例えば、ピーク波長帯よりも１ステップ又は２ステップ分だけ短波長側にシフトして設定される。図２に、ピーク波長帯を符号Ｐで示した。また、ピーク波長帯よりも短波長側に１ステップ分シフトした励起波長帯を符号Ｓ１で示し、２ステップ分シフトした励起波長帯を符号Ｓ２で示した。ピーク波長帯は、例えば、固体レーザモジュール３０に対して励起光Ｌ１の波長を掃引することによって求められる。
【００１６】
半導体レーザ励起固体レーザ装置１においては、出力光Ｌ２が所定の出力値であるように、制御装置５０が駆動装置２０を制御する。即ち、半導体レーザ１０が励起光Ｌ１を設定出力値で出射するように、駆動装置２０が制御装置５０に制御される。これにより、固体レーザモジュール３０が、所定の出力値である出力光Ｌ２を励起光Ｌ１から生成する。制御装置５０は、例えば以下のようにして、駆動装置２０を制御する。
【００１７】
固体レーザモジュール３０から出力された出力光Ｌ２は、ビームスプリッタ６０によって分光される。分光された出力光Ｌ２の一部は、受光素子６５に入射され、電気信号に変換される。受光素子６５は、出力光Ｌ２の出力値に応じた電気的な出力信号Ｓpを制御装置５０に送信する。受光素子６５には、例えばフォトダイオードなどを採用可能である。
【００１８】
出力信号Ｓpを受信することにより、制御装置５０は、出力光Ｌ２の出力値をリアルタイムでモニタできる。制御装置５０は、出力光Ｌ２の出力値が所定の範囲内であるように半導体レーザ１０の励起光Ｌ１の出力を調整するために、駆動装置２０を制御する。
【００１９】
なお、図１に示すように、半導体レーザ１０、固体レーザモジュール３０及び温度調整装置４０は、支持台８０に搭載されている。温度調整装置４０によって支持台８０の温度を調整することにより、半導体レーザ１０の温度と共に固体レーザモジュール３０の温度が調整される。温度調整装置４０は、例えばペルチェ素子などを使用した構成を採用可能である。支持台８０には、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウム材やインバー材などを採用可能である。
【００２０】
支持台８０に取り付けられた温度検出装置７０によって、半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０の温度が検出される。温度検出装置７０は、検出した温度を電気的な温度信号ＳTとして制御装置５０に送信する。温度検出装置７０には、例えばサーミスタなどを採用可能である。
【００２１】
温度信号ＳTを受信することにより、制御装置５０は、半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０の温度をリアルタイムでモニタできる。制御装置５０は、半導体レーザ１０及び固体レーザモジュール３０の温度が所定の設定温度であるように、温度調整装置４０を制御する。
【００２２】
半導体レーザ励起固体レーザ装置１では、モードホップが発生しない温度に半導体レーザ１０の温度が設定され、出力効率が高く、且つ光ノイズの小さい温度に固体レーザモジュール３０の温度が設定される。これにより、光ノイズが小さく安定した出力光Ｌ２を出力することができる。
【００２３】
更に、単一温調構成を採用することにより、消費電力の増大を抑制しつつ、半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０の設定条件を同時に最適化することができる。つまり、半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０のそれぞれに温度調整装置を用意する場合よりも、半導体レーザ励起固体レーザ装置１の消費電力を抑制することができる。
【００２４】
ところで、本発明者らの調査により、半導体レーザ励起固体レーザ装置１において、光ノイズが小さく安定した出力光Ｌ２を出力できる動作温度範囲が狭くなる現象が見出された。具体的には、高出力効率で光ノイズが小さく、且つ所望の出力値の出力光を得られるように設定された設定温度を基準として半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０をそれぞれ選択しても、これらを組み合わせた半導体レーザ励起固体レーザ装置１の動作温度範囲が狭くなる。特に、設定温度よりも高温側で出力効率が低下する。
【００２５】
この現象は、動作温度以外の要因として、半導体レーザ１０を駆動する駆動電流Ｉｏｐの変動が励起光Ｌ１の波長（励起波長）に影響を及ぼすためである。この影響について以下に説明する。
【００２６】
最初に、駆動電流Ｉｏｐの調整について説明する。半導体レーザ励起固体レーザ装置１などの自動出力制御（ＡＰＣ）回路を備えたレーザ装置では、例えば図３に示すように駆動電流Ｉｏｐを調整することによって、半導体レーザ１０の出力値を設定する。
【００２７】
即ち、図３のステップＳ１１において、受光素子６５の出力信号Ｓpの大きさと所定値を比較する。そして、ステップＳ１２において出力信号Ｓpが所定値よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１３において駆動電流Ｉｏｐを小さくする。その後、処理はステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ１４において出力信号Ｓpが所定値よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ１５において駆動電流Ｉｏｐを大きくする。その後、処理はステップＳ１１に戻る。出力信号Ｓpが所定値の範囲に含まれる場合には、処理を終了する。
【００２８】
上記のように、出力光Ｌ２の出力値に応じた電気的な出力信号Ｓpをモニタすることによって、出力効率に応じて駆動電流Ｉｏｐの大きさが調整される。これにより、半導体レーザ１０の出射する励起光Ｌ１の出力値が、所定の設定出力値に調整される。
【００２９】
次に、駆動電流Ｉｏｐが調整されることによって半導体レーザ励起固体レーザ装置１の動作温度範囲が受ける影響について、設定温度を基準として説明する。
【００３０】
先ず、設定温度よりも低温側（以下において、単に「低温側」という。）に関して説明する。低温側で半導体レーザ１０の動作温度が上昇すると、動作温度が設定温度に近づくために励起波長がピーク波長帯に近づく。このため、出力効率が高くなって駆動電流Ｉｏｐが低下する。一方、低温側で半導体レーザ１０の動作温度が低下すると、動作温度が設定温度から離れるために励起波長がピーク波長帯から離れる。このため、出力効率が低下して駆動電流Ｉｏｐが増大する。
【００３１】
上記のように、低温側では、半導体レーザ１０の動作温度の変化と駆動電流Ｉｏｐの変化とが、それぞれが励起波長に与える影響を互いに打ち消すように働く。このため、励起波長の変化は小さく、動作温度範囲は狭くならない。
【００３２】
次に、温度設定よりも高温側（以下において、単に「高温側」という。）に関して説明する。高温側で半導体レーザ１０の動作温度が上昇すると、動作温度が設定温度から離れるために励起波長がピーク波長帯から離れる。このため、出力効率が低下して駆動電流Ｉｏｐが増大する。一方、高温側で半導体レーザ１０の動作温度が低下すると、動作温度が設定温度に近づくため、励起波長がピーク波長帯に近づく。このため、出力効率が高くなって駆動電流Ｉｏｐが減少する。
【００３３】
上記のように、高温側において半導体レーザ１０の動作温度が変化すると、駆動電流Ｉｏｐの変化と動作温度の変化という２つの因子が重なって、励起波長は大きく変化する。このため、半導体レーザ励起固体レーザ装置１の動作温度範囲は狭くなる。特に、励起波長がピーク波長帯から２ステップ程度以上シフトした後は、駆動電流Ｉｏｐは変化せず、半導体レーザ１０の動作温度の調整のみによってピーク波長帯まで励起波長が調整される。このため、出力光Ｌ２が所定の出力値である動作温度範囲が非常に狭くなる。
【００３４】
以上に説明したように、温度設定の高温側で固体レーザモジュール３０の出力効率が低下して、動作温度範囲が狭くなる問題が生じる。つまり、設定温度において所定の特性を有する半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０をそれぞれ良品と判定しても、これらを組み合わせた半導体レーザ励起固体レーザ装置の動作温度範囲が狭い場合がある。これにより、半導体レーザ励起固体レーザ装置の歩留まりが低下し、製造コストが増大するなどの問題が生じる。
【００３５】
これに対し、実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１では、設定温度においてはピーク波長帯よりも短い励起波長帯の励起光Ｌ１を出射する半導体レーザ１０が使用されている。このため、以下に説明するように、動作温度範囲が狭まることを抑制できる。以下では、図２に示した温度特性を有する半導体レーザ１０と図４に示す温度特性を有する固体レーザモジュール３０とを使用して半導体レーザ励起固体レーザ装置１を構成する場合を例示的に説明する。
【００３６】
図４は、固体レーザモジュール３０の出力光強度Ｅ及び光ノイズ強度Ｎと、固体レーザモジュール３０の温度（以下において、「レーザモジュール温度」という）との関係を示す。出力光強度Ｅ及び光ノイズ強度Ｎの測定では、半導体レーザ１０の動作温度と駆動電流Ｉｏｐを固定して、レーザモジュール温度のみを変化させた。
【００３７】
図４に示すように、この固体レーザモジュール３０ではレーザモジュール温度が５５℃において出力効率が最大であり、出力光強度Ｅが最大値を示す。つまり、固体レーザモジュール３０に関し、設定温度が５５℃である。更に、この設定温度は光ノイズ強度Ｎも低い良好な条件である。
【００３８】
比較例として、設定温度における励起波長が固体レーザモジュール３０のピーク波長帯である半導体レーザ１０を用いた場合の、駆動電流Ｉｏｐ及び光ノイズ強度Ｎとレーザモジュール温度との関係を図５に示す。また、図６に、本発明の実施形態に係る、励起波長帯の励起光Ｌ１を設定温度において出射する半導体レーザ１０を用いた場合の、駆動電流Ｉｏｐ及び光ノイズ強度Ｎとレーザモジュール温度との関係を示す。
【００３９】
図５及び図６は、レーザモジュール温度を高温側から低温側に変化させた場合の特性を示す。なお、駆動電流Ｉｏｐ及び光ノイズ強度Ｎの測定では、固体レーザモジュール３０から所定の出力値（例えば１０ｍＷ）の出力光Ｌ２が出力されるように、制御装置５０によって駆動装置２０を制御されている。したがって、駆動電流Ｉｏｐが小さいほど、出力効率が高いと判断できる。これに対し、駆動電流Ｉｏｐが略一定で大きいレーザモジュール温度の範囲では、出力効率が低く、出力光Ｌ２の出力値は所定の出力値以下である。つまり、図５と図６に温度範囲Ｔｏｐで示した範囲が、所定の出力値の出力光Ｌ２を得られる動作温度範囲である。
【００４０】
図５と図６とを比較すると、励起波長がピーク波長帯よりも短い半導体レーザ１０を使用した本発明の実施形態の方が、比較例に比べて動作温度範囲が広いことがわかる。これは、以下に説明するように、図３を参照して説明した駆動電流Ｉｏｐの制御に起因する。
【００４１】
先ず、半導体レーザ１０の設定温度における励起波長が固体レーザモジュール３０のピーク波長帯である比較例の動作例について説明する。レーザモジュール温度の上昇と同時に半導体レーザ１０の動作温度が上昇するため、励起波長λは上昇する。一方、半導体レーザ１０の動作温度が上昇して設定温度に近づくにつれ、励起波長λがピーク波長帯に近づくため、出力効率が高くなって駆動電流Ｉｏｐが低下し始める。駆動電流Ｉｏｐが低下し始める温度を、以下において「電流低下温度」という。動作温度の上昇による影響と駆動電流Ｉｏｐの低下による影響とが相殺されて、電流低下温度から高温側の一定の温度範囲で励起波長λが略一定になる。したがって、電流低下温度から一定の温度範囲では、固体レーザモジュール３０は所定の出力値の出力光Ｌ２を出力する。
【００４２】
そして、レーザモジュール温度が電流低下温度から一定の温度範囲以上に上昇すると、出力効率が低下し始める。このため、電流低下温度から減少してきた駆動電流Ｉｏｐが、増大し始める。これにより、励起波長λは一定の波長からはずれてステップ状に変化する温度特性に戻るが、このとき、励起波長λが一定であった間のレーザモジュール温度の変化に応じて励起波長λが一度に複数ステップ分変化する。その後はレーザモジュール温度の上昇につれて励起波長λがピーク波長帯から長波長側にはずれていく。その結果、駆動電流Ｉｏｐが急激に増大することからわかるように、出力効率が急激に低下する。
【００４３】
一方、本発明の実施形態に係る半導体レーザ１０では、設定温度における励起波長帯がピーク波長帯よりも短波長側に２ステップ分だけシフトしている。このため、レーザモジュール温度が設定温度を超えた場合に励起波長λがステップ状に変化する温度特性に戻っても、励起波長λはピーク波長帯よりも短い。このため、レーザモジュール温度が設定温度を超えた後も励起波長λがピーク波長帯に近づき、駆動電流Ｉｏｐは増大せず、出力効率は高いままである。そして、レーザモジュール温度が設定温度から２ステップ分だけ上昇した後に励起波長λがピーク波長帯に達する。そして、その後のレーザモジュール温度の上昇につれて励起波長λがピーク波長帯から長波長側にはずれていき、駆動電流Ｉｏｐが増大し始める。
【００４４】
上記のように、設定温度における励起波長帯がピーク波長帯よりも短波長側にシフトした半導体レーザ１０を使用することによって、動作温度範囲を拡大することができる。
【００４５】
なお、本発明者らの調査によれば、特にレーザモジュール温度を高温から低温に（例えば、６０℃から４０℃に）変化させた際に出力光強度の劣化が顕著に現れる。つまり、動作温度範囲が狭くなり、所定の出力光が得られない。例えば、図５に示したように、比較例ではレーザモジュール温度が設定温度である５５℃付近で駆動電流Ｉｏｐが減少せず、出力効率が低い。
【００４６】
つまり、高温側から設定温度にレーザモジュール温度を低下させた場合においては、半導体レーザ１０の動作温度を設定温度まで下げるだけでは所定の出力値の出力光Ｌ２を出力できない。そして、設定温度よりも半導体レーザ１０の動作温度を一定程度下げることにより、所定の出力値が得られて駆動電流Ｉｏｐが減少する。
【００４７】
レーザモジュール温度が設定温度よりもどの程度下がった場合に所定の出力値が得られるかは、半導体レーザ１０の性能などに依存する。例えば図５に示した例では、良好な出力効率を得るためには、励起波長の２ステップ分の温度変化が必要である。つまり、設定温度よりも２ステップ分だけ温度が下降した後、所定の出力値が得られて駆動電流Ｉｏｐが減少し始める。
【００４８】
これに対し、ピーク波長帯よりも短波長側に２ステップ分だけシフトした励起波長帯の励起光Ｌ１を出射する半導体レーザ１０を用いた場合には、図６に示したように、高温側からレーザモジュール温度を下げた場合にも、図５に比べて２ステップ分だけ高温で駆動電流Ｉｏｐが減少し始める。即ち、比較例に比べて、動作温度範囲が広い。
【００４９】
励起波長帯をピーク波長帯からどの程度シフトするかは、任意に設定可能である。シフト量を大きくすれば、動作温度範囲をより広げることができる。しかし、シフト量が大きいほど、励起波長帯での出力効率とピーク波長帯での出力効率との差が大きくなり、出力値は低くなる。本発明者らの検討によれば、励起波長帯は、ピーク波長帯よりも短波長側に１ステップ又は２ステップだけシフトした波長帯であることが好ましい。
【００５０】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１では、ピーク波長帯よりも短波長側に設定された励起波長帯の励起光Ｌ１を設定温度において出射する半導体レーザ１０が使用される。これにより、特に設定温度よりも高温側において出力効率の低下を抑制することが可能であり、動作温度範囲を広くできる。したがって、半導体レーザ励起固体レーザ装置１によれば、単一温調構成によって消費電力を抑制しつつ、光ノイズが小さく且つ安定した所定出力の出力光Ｌ２を広い動作温度範囲で得ることができる。
【００５１】
以下に、固体レーザモジュール３０の構成について説明する。固体レーザモジュール３０は、励起光Ｌ１によって励起されて発振光を出力するレーザ結晶３１と、レーザ結晶３１の出力する発振光の高調波光を発生し、その高調波光を出力光Ｌ２として出力する波長変換結晶３２とを備える。ピーク波長帯は、レーザ結晶３１への吸収効率が最大を示す励起光Ｌ１の波長帯である。
【００５２】
レーザ結晶３１は、例えばネオジウム（Ｎｄ）イオンがドープされたイットリウム・バナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）である。また、Ｎｄイオンがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）やガドリニウム・バナデート（Ｎｄ：ＧｄＶ０４）、リチウム・イットリウム・フロライド（Ｎｄ：ＹＬＦ）なども、レーザ結晶３１に採用可能である。
【００５３】
波長変換結晶３２は、例えば強誘電体結晶に周期的分極反転構造が形成された擬似位相整合結晶などを使用可能である。波長変換結晶３２には、タンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶やニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶、或いは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）がドープされたＬＴ結晶やＬＮ結晶が使用される。
【００５４】
固体レーザモジュール３０には、レーザ結晶３１と波長変換結晶３２を接着剤やオプティカルコンタクト法で一体化し、端面にミラーコートが形成された構造を固体レーザモジュール３０に採用できる。図１に示した固体レーザモジュール３０は、レーザ結晶３１と擬似位相整合結晶である波長変換結晶３２とを一体構成した例である。また、固体レーザモジュール３０を、特開２００７−２２５７８６号公報に記載された製造方法によって製造される、ダミー材で挟んだ波長変換結晶とレーザ結晶とを接着剤やオプティカルコンタクト法で一体化した構造にしてもよい。
【００５５】
或いは、レーザ結晶３１と波長変換結晶３２とを共振器に配した構造を採用できる。図７に、レーザ結晶３１と波長変換結晶３２とを分離して配置し、ハッチングで示したそれぞれの外側の端面をミラーコーティングして共振器を構成する例を示す。
【００５６】
また、ＹＶＯ４レーザ結晶の発振ゲイン幅に対して十分に広く、例えば０．８ｎｍ以上の自由スペクトル空間（ＦＳＲ）となる厚みに加工されたＹＶＯ４レーザ結晶又は波長変換結晶を用いることにより、単一縦モード発振が可能な固体レーザモジュール３０を実現できる。
【００５７】
半導体レーザ励起固体レーザ装置１に使用される半導体レーザ１０及び固体レーザモジュール３０を選別するために、以下のように波長と出力値に関する特性が調査される。
（Ａ）動作温度に応じて波長がステップ的に変化する単一縦モードの励起光を出射する半導体レーザについて、モードホップを生じることなく、所定の励起波長帯、例えばピーク波長帯よりも短波長側に１ステップ或いは２ステップ分シフトした波長帯で発振する温度ＴLDの範囲が調査される。
（Ｂ）上記の半導体レーザについて、モードホップを生じることなく、所定の励起波長帯で発振する出力値ＰLDの範囲が調査される。
（Ｃ）固体レーザモジュールについて、出力効率が高く、且つ、出力光の光ノイズが小さい温度ＴSHGの範囲が調査される。
（Ｄ）固体レーザモジュールについて、所望の出力光の出力値が得られる励起用半導体レーザの出力値ＰSHGの範囲が調査される。
【００５８】
項目（Ａ）で半導体レーザ１０を選別するための基準となる波長は、所望の波長の出力光Ｌ２が固体レーザモジュール３０から出射されるように設定される。このとき、レーザ結晶３１や波長変換結晶３２の特性が考慮される。
【００５９】
出力光の光ノイズについては、例えばｒｍｓ１％以下である場合に光ノイズが小さいと判断される。なお、基準となるｒｍｓ値は、半導体レーザ励起固体レーザ装置１に要求される出力特性などに応じて任意に規定される。
【００６０】
半導体レーザ励起固体レーザ装置１に使用される半導体レーザ１０及び固体レーザモジュール３０は、温度ＴLDと温度ＴSHGとで一致する範囲があり、且つ一致する温度範囲の下で出力値ＰLDと出力値ＰSHGとで一致する範囲がある組み合わせで選別される。
【００６１】
なお、項目（Ａ）〜（Ｄ）について、測定装置に依存しない「真の値」、或いは測定装置を用いた測定値により、波長及び出力値が調査される。
【００６２】
ただし、半導体レーザ励起固体レーザ装置１において設定される設定値と、項目（Ａ）〜（Ｄ）について得られた真の値又は測定値との間には、特定装置に依存する固有の差分が存在する。このため、これらの差分を考慮して、半導体レーザ１０及び固体レーザモジュール３０を選別する必要がある。
【００６３】
半導体レーザ１０について、真の温度ＴLD1及び測定温度ＴLD2と設定温度ＴGLMとの関係、真の出力値ＰLD1及び測定出力値ＰLD2と設定出力値ＰGLMとの関係を図８（ａ）に示す。図８（ａ）において、真の温度ＴLD1と設定温度ＴGLMとの差分をΔＴLD1、測定温度ＴLD2と設定温度ＴGLMとの差分をΔＴLD2として表している。また、真の出力値ＰLD1と設定出力値ＰGLMとの差分をΔＰLD1、測定出力値ＰLD2と設定出力値ＰGLMとの差分をＰLD2として表している。
【００６４】
一方、固体レーザモジュール３０について、真の温度ＴSHG1及び測定温度ＴSHG2と設定温度ＴGLMとの関係、真の出力値ＰSHG1及び測定出力値ＰSHG2と設定出力値ＰGLMとの関係を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）において、真の温度ＴSHG1と設定温度ＴGLMとの差分をΔＴSHG1、測定温度ＴSHG2と設定温度ＴGLMとの差分をΔＴSHG2として表している。また、励起用半導体レーザについての真の出力値ＰSHG1と設定出力値ＰGLMとの差分をΔＰSHG1、測定出力値ＰSHG2と設定出力値ＰGLMとの差分をΔＰSHG2として表している。
【００６５】
図８（ａ）、図８（ｂ）に示した固有の差分を考慮した設定温度ＴGLMと設定出力値ＰGLMは、以下の式（１）〜（８）により表される。
【００６６】
半導体レーザ１０に関して、真の値が分かっている場合：
ＴGLM＝ＴLD1−ΔＴLD1  ・・・（１）
ＰGLM＝ＰLD1−ΔＰLD1  ・・・（２）
半導体レーザ１０に関して、測定装置Ａにより測定値が得られた場合：
ＴGLM＝ＴLD2−ΔＴLD2  ・・・（３）
ＰGLM＝ＰLD2−ΔＰLD2  ・・・（４）
固体レーザモジュール３０に関して、真の値が分かっている場合：
ＴGLM＝ＴSHG1−ΔＴSHG1  ・・・（５）
ＰGLM＝ＰSHG1−ΔＰSHG1  ・・・（６）
固体レーザモジュール３０に関して、測定装置Ｂにより測定値が得られた場合：
ＴGLM＝ＴSHG2−ΔＴSHG2  ・・・（７）
ＰGLM＝ＰSHG2−ΔＰSHG2  ・・・（８）
例えば、半導体レーザ１０の出射する励起光Ｌ１の励起波長が励起波長帯に含まれ、且つモードホップが生じない温度の範囲がＴ１LD1〜Ｔ２LD1、出力値の範囲がＰ１LD1〜Ｐ２LD1であることが測定装置Ａによる測定によって判明したとする。このとき、式（１）〜式（４）から、設定温度ＴGLMの範囲「Ｔ１GLM〜Ｔ２GLM」と、設定出力値ＰGLMの範囲「Ｐ１GLM〜Ｐ２GLM」が定まる。この特性を有する半導体レーザ１０と組み合わせることが可能な固体レーザモジュール３０は、真の値が分かっている場合には、式（５）〜式（６）から、以下の式（９）〜式（１０）の関係を満たす必要がある：
Ｔ１GLM＋ΔＴSHG1＜ＴSHG1＜Ｔ２GLM＋ΔＴSHG1  ・・・（９）
Ｐ１GLM＋ΔＰSHG1＜ＰSHG1＜Ｐ２GLM＋ΔＰSHG1  ・・・（１０）
或いは、測定装置Ｂによる測定値を用いて式（７）〜式（８）から、式（１１）〜式（１２）の関係を満たす固体レーザモジュール３０が選別される：
Ｔ１GLM＋ΔＴSHG2＜ＴSHG2＜Ｔ２GLM＋ΔＴSHG2  ・・・（１１）
Ｐ１GLM＋ΔＰSHG2＜ＰSHG2＜Ｐ２GLM＋ΔＰSHG2  ・・・（１２）
上記のように、半導体レーザ１０に関する条件から固体レーザモジュール３０を選別することができる。或いは、固体レーザモジュール３０に関する条件から、その固体レーザモジュール３０と組み合わせることが可能な半導体レーザ１０を選別してもよい。
【００６７】
以下に、測定値を用いて半導体レーザ１０及び固体レーザモジュール３０を選別する方法を、より具体的に説明する。
【００６８】
例えば緑色の出力光Ｌ２を得るために、半導体レーザ１０の出射する励起光Ｌ１の励起波長が、固体レーザモジュール３０における出力効率が最大の波長よりも短波長側にシフトされた励起波長帯に設定される。そして、設定された励起波長を中心とする発振波長について測定を行い、設定温度ＴGLMと設定出力値ＰGLMの範囲が決定される。
【００６９】
具体的には、出力値を一定にして半導体レーザの動作温度を変化させて、調査対象の半導体レーザの発振波長を光スペクトルアナライザなどによって測定する。例えば出力値を１２０ｍＷに設定し、動作温度の１℃毎に測定を行う。測定時の出力値の設定値は、半導体レーザ励起固体レーザ装置１で使用頻度の多い出力値などにする。動作温度の測定値と設定値との差分ΔＴLD2は例えば−２℃である。なお、半導体レーザ１０の選別を容易にするために、半導体レーザ励起固体レーザ装置１で使用頻度の多い出力値から±１０ｍＶ程度の範囲で測定をしておくことが好ましい。
【００７０】
例えば、所望の励起波長の励起光Ｌ１がモードホップなして出力される温度が４２℃〜４４℃の範囲において出力されたとする。測定に用いた測定装置Ａによる誤差ΔＴLD2が２℃である場合、半導体レーザ１０の測定に基づく半導体レーザ励起固体レーザ装置１の設定温度ＴGLMの範囲は、４０℃〜４２℃である。
【００７１】
なお、半導体レーザ１０の波長特性を表す図９に矢印で示したように、出力値を上げると波長特性が高温方向にシフトし、出力値を下げると波長特性が低温方向にシフトする場合がある。この場合、温度設定だけでは所望の発振波長特性を得ることができない。
【００７２】
このため、動作温度を一定にして出力値を変化させて、調査対象の半導体レーザの発振波長を光スペクトルアナライザなどによって測定する。例えば、動作温度を４０℃付近に設定し、出力値の１０ｍＷ毎に測定を行う。動作温度の測定値と設定値との差分ΔＴLD2は例えば−２℃である。
【００７３】
図１０に、半導体レーザ１０の出力値と波長との関係を測定した結果を示す。図１０に示した例では、半導体レーザ１０の温度が４２℃の場合に、出力値１１０ｍＷ〜１４０ｍＷの範囲において励起光がモードホップなしで出力される。測定に用いた測定装置Ａによる誤差ΔＰLD2が０ｍＷである場合、半導体レーザ１０の設定出力値ＰGLMの範囲は、１１０ｍＷ〜１４０ｍＷである。
【００７４】
なお、図１０中に示した矢印は、温度を上げると波長特性が高出力方向にシフトし、温度を下げると波長特性が低出力方向にシフトすることを示している。つまり、波長特性に関連するパラメータで動作温度と出力値の両方を測定することにより、所望の発振波長でモードホップの発生のない設定か否かを確認することができる。
【００７５】
固体レーザモジュール３０に関しては、以下の測定が行われる。即ち、励起用半導体レーザの動作温度と出力値を一定にして調査対象の固体レーザモジュールの温度を変化させ、出力光の出力値と光ノイズを測定する。例えば、調査対象の固体レーザモジュールの温度の１℃毎に測定を行い、温度の測定値と設定値との差分ΔＴSHG2は−１℃とする。なお、励起用半導体レーザと調査対象の固体レーザモジュールにそれぞれ別個に温度調節装置が用意された測定装置によって、調査対象の固体レーザモジュールの特性は測定される。励起用半導体レーザの動作温度と出力値は、出力光について所望の出力値が得られる値に設定される。
【００７６】
図１１に、固体レーザモジュール３０の温度に対する出力光強度Ｅと光ノイズ強度Ｎについて測定した結果を示す。図１１に示した例では、固体レーザモジュール３０の温度が４２℃の場合に、出力光強度Ｅの効率が最大であり、且つ光ノイズ強度Ｎが小さく、特性が良好であると判断できる。測定に用いた測定装置Ｂによる誤差ΔＴSHG2が１℃である場合、固体レーザモジュール３０の測定に基づく半導体レーザ励起固体レーザ装置１の設定温度ＴGLMは、４１℃である。
【００７７】
以上に説明したように、例えば測定結果を用いて、固体レーザモジュール３０の出力効率が良く、且つ光ノイズが小さい設定温度ＴGLMの範囲と、所望の出力値が得られる半導体レーザ１０の設定出力値ＰGLMについて、設定温度ＴGLMの範囲の条件と設定出力値ＰGLMの範囲の条件を満たす半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０との組み合わせが選別される。そして、半導体レーザ１０に関する選別条件と固体レーザモジュール３０に関する選別条件とが重なる部分の条件（マッチング条件）を満たす半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０を用いて、所望の特性を有する半導体レーザ励起固体レーザ装置１を構成できる。
【００７８】
即ち、マッチング条件を満たす半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０、及び半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０の温度を調整する単一の温度調整装置４０を含む半導体レーザ励起固体レーザ装置１を構成する。そして、半導体レーザ励起固体レーザ装置１において、出力光Ｌ２が所定の出力値であるように半導体レーザ１０を制御し、且つ、半導体レーザ１０及び固体レーザモジュール３０の温度が設定温度であるように温度調整装置４０を制御する。
【００７９】
なお、マッチング条件を満たす半導体レーザ１０の動作温度や出力値の前後（例えば±１０ｍＷ程度）や、固体レーザモジュール３０の出力効率や光ノイズ特性の条件を満たす温度の前後（例えば±２℃程度）においても、マッチング条件を満たす半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０の組み合わせを選別することが好ましい。これにより、使用環境温度などの外乱が大きく生じた場合においても、その影響が半導体レーザ励起固体レーザ装置１の出力光Ｌ２に現れにくく、安定した特性を保持することが可能である。
【００８０】
縦モードが単一モードの半導体レーザ１０は、発振閾値が低く電気−光変換効率が高いため、駆動電流を小さくできる。また、電気−光変換効率が高いために半導体レーザ１０の発熱が小さく、温度制御に要する電力を抑制できる。このため、半導体レーザ励起固体レーザ装置１を、例えば乾電池駆動によるポータブル使用することが可能である。
【００８１】
しかし、単一縦モードの半導体レーザでは、駆動条件によっては隣接する縦モード間のモードホップが１ｎｍ程度生じる。使用する励起用半導体レーザがモードホップを起こした場合、固体レーザモジュールの出力が不安定になることが知られている。このモードホップについては、励起用半導体レーザの温度だけでなく出力設定条件によっても生じる。このため、モードホップが起こらないようにするためには、励起用半導体レーザの温度と出力値の両方を制御する必要がある。
【００８２】
また、単一縦モード発振の固体レーザモジュールを用いた場合においても、温度によっては縦モード間のモードホップが生じる。この現象はＡＰＣ回路を備えたレーザ装置であっても発生し、出力光が安定せず、光ノイズが発生する。
【００８３】
しかしながら、本発明の実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１においては、半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０が満たすべき特性について予め調査され、それぞれの特性を満足する半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０の組み合わせが選別される。
【００８４】
一般的に、半導体レーザ１０や固体レーザモジュール３０は、作製ロット毎、或いは作製ロット内で、波長特性やレーザ特性のばらつきがある。このため、予め調査した個々の特性に基づいて採用可能な半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０を選別することにより、半導体レーザ励起固体レーザ装置１の組み立てが容易になる。
【００８５】
そして、選別された半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０を使用し、且つ、設定温度ＴGLM及び設定出力値ＰGLMを維持するように半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０を制御することによって、単一温調構成を採用する半導体レーザ励起固体レーザ装置１においても、光ノイズなどの出力特性が良好に安定し、且つ消費電力が抑制される。つまり、単一温調構成を採用することにより小型化及び低消費電力を実現し、且つ出力特性が良好な動作温度範囲の広い半導体レーザ励起固体レーザ装置１を実現することができる。
【００８６】
＜変形例＞
図１２に、光アイソレータ９０を更に備える半導体レーザ励起固体レーザ装置１の変形例を示す。光アイソレータ９０によって、半導体レーザ１０への戻り光に起因する光ノイズの発生を抑制することができる。光アイソレータ９０は、半導体レーザ１０と固体レーザモジュール３０との間に配置される。図１２では半導体レーザ１０と集光レンズ１５との間に光アイソレータ９０を配置した例を示したが、集光レンズ１５と固体レーザモジュール３０との間に光アイソレータ９０を配置してもよい。
【００８７】
（その他の実施形態）
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。
【００８８】
例えば、固体レーザモジュール３０にヒートシンク材を設置することにより、レーザ結晶３１から発生する熱が容易に放熱される。これにより、レーザ結晶３１から効率よく出力レーザ光を得ることができる。図１３に、固体レーザモジュール３０の周囲をヒートシンク材１００で覆った例を示す。図１３は、出力光Ｌ２の光軸方向から見た図である。ヒートシンク材１００には、例えば熱伝導率がガラス以上のシリコン（Ｓｉ）材や銅（Ｃｕ）材が使用される。
【００８９】
このように、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】
【００９０】
１…半導体レーザ励起固体レーザ装置
１０…半導体レーザ
１５…集光レンズ
２０…駆動装置
３０…固体レーザモジュール
３１…レーザ結晶
３２…波長変換結晶
４０…温度調整装置
５０…制御装置
６０…ビームスプリッタ
６５…受光素子
７０…温度検出装置
８０…支持台
９０…光アイソレータ
１００…ヒートシンク材
【図１】
0006299534.tif 000002
【図２】
0006299534.tif 000003
【図３】
0006299534.tif 000004
【図４】
0006299534.tif 000005
【図５】
0006299534.tif 000006
【図６】
0006299534.tif 000007
【図７】
0006299534.tif 000008
【図８】
0006299534.tif 000009
【図９】
0006299534.tif 000010
【図１０】
0006299534.tif 000011
【図１１】
0006299534.tif 000012
【図１２】
0006299534.tif 000013
【図１３】
0006299534.tif 000014