(57)【要約】【課題】高出力の波長変換レーザ光源において高調波のビーム径を一定に保つレーザ光源を提供する。【解決手段】基本波を生成するレーザ発振器と、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を一定値に保つ素子温度保持部と、前記高調波のビーム径を検出するビーム径検出部と、前記素子温度保持部の温度を前記ビーム径検出部による検出値に応じて制御する温度制御部と、前記高調波のビーム径を設定するビーム径設定部をさらに備え、前記ビーム径検出部での検出値と前記ビーム径設定部で設定されたビーム径との差分値が最小になるように前記素子温度保持部の温度を制御する温度制御部とからなるレーザ光源。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波を生成するレーザ発振器と、
前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子の温度を一定値に保つ素子温度保持部と、
前記高調波のビーム径を検出するビーム径検出部と、
前記素子温度保持部の温度を前記ビーム径検出部による検出値に応じて制御する温度制御部と、を備えたレーザ光源。
【請求項２】
前記高調波のビーム径を設定するビーム径設定部をさらに備え、
前記ビーム径検出部での検出値と前記ビーム径設定部で設定されたビーム径との差分値が最小になるように前記素子温度保持部の温度を制御する温度制御部とからなる請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記温度制御部は、前記ビーム径検出部での検出値と前記設定されたビーム径との差分値を計算するビーム径制御部と、
前記差分値が最小になるように前記素子温度保持部の温度を制御する素子温度制御部とからなる請求項２に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記素子温度制御部は、前記差分値が所定の値以下であれば前記素子温度保持部を予め定めた目標温度になるように制御する請求項３に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記高調波の光強度が１Ｗを超える請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記高調波の波長が、５２０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲にある請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記ビーム径検出部は、受光領域が互いに等しい面積の等しい複数の領域に分割されている請求項２に記載のレーザ光源。
【請求項８】
前記波長変換素子が、ＭｇドープＬｉＴａ（１−ｘ）ＮｂｘＯ3（０≦ｘ≦１）の強誘電体基板である請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項９】
前記波長変換素子の結晶が、ストイキオメトリック組成である請求項８に記載のレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波レーザ光源のレーザ光を波長変換素子で波長変換するレーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力の緑色レーザ光や紫外レーザ光を得る手段として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ4レーザあるいは希土類ドープのファイバーレーザを基本波レーザ光源に用いた非線形光学効果による波長変換がある。この方式を用いた可視波長域のレーザ光源はレーザ加工や医療、レーザディスプレイなどの分野に用いられ、目的に応じて所望のビーム径、パワー密度、強度分布に整形して使用されている。
【０００３】
波長変換方式のレーザ光源は、基本波レーザ光を集光レンズで集光し、この集光した基本波レーザ光が波長変換素子に入射し、基本波レーザ光が波長変換素子によって波長変換され高調波レーザ光として出力される。例えば、発振波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光は波長変換素子によって波長変換され、発振波長５３２ｎｍの高調波レーザ光として出射される。特に、大きな非線形光学定数を持つ強誘電体材料において非線形分極を周期的に反転することで高効率に基本波レーザ光から高調波レーザ光へ波長変換することができる。
【０００４】
波長変換方式のレーザ光源を用いたレーザ加工装置では、部分反射ミラーで分光された高調波レーザ光の一部が光検出器で検出され、マイクロコンピュータ等によって高調波レーザ光の出力パワーが一定になるように制御される。このようにして得られた短波長レーザ光を用いることで、配線基板のビアホール等を加工することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
レーザを機械加工に用いる場合には、そのビーム径を一定に保たなければならない。そこで、集光レンズや出力ミラーの熱レンズ効果によるビーム径変動をビーム検出器で検出し、検出結果に基づいて集光レンズやコリメートレンズなどの光学部品の位置を調整してビーム径を一定に保つ方法がある（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。別の方法として、レーザビーム検出装置でレーザビーム径を検出し、検出値を基に光路長、方向を調整してビーム径を一定に保つ方法や（例えば、特許文献４参照）、ビーム検出装置でビーム検出し、曲率可変反射鏡の曲率を変えて広がり角を安定化する方法が知られている（例えば、特許文献５、特許文献６参照）。
【０００６】
このような波長変換方式のレーザ光源の構成を図７に示す。基本波レーザ光源１（Ｙｂドープファイバーレーザを使用）から出射された波長１０６４ｎｍの赤外光１１が周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子３（ＭｇドープＬｉＮｂＯ3を使用）で第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ、以下ＳＨＧとする）である波長５３２ｎｍの緑色光１３に変換される。この緑色光１３を第１受光器８で検出し、出力される緑色光１３を一定に保つように制御回路２８で励起ＬＤ２３の駆動電流を制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、以下ＡＰＣとする）している。また、制御回路２８は、波長変換素子３での変換効率が最大になる温度（最適保持温度）になるように、素子温度保持部１４の温度も制御している。この温度は、波長変換素子３に固有のもので、常に一定の値をとるとされている。発生した緑色光１３は発散光のためコリメートレンズ７によりコリメートされる。
【０００７】
このように構成された従来のレーザ光源から出力されるＳＨＧのビーム径を、定められた距離（例えば、レーザ出力部から距離５００ｍｍの位置）で測定すると、従来はレーザ照射時間（積算照射量）にかかわらず、ビーム径は一定の値を取る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３０７９４０号公報
【特許文献２】特開平７−０５１８７５号公報
【特許文献３】特開平４−０２６８１７号公報
【特許文献４】特開２００２−１２６８８８号公報
【特許文献５】特開昭６２−１６５９８５号公報
【特許文献６】特開平１０−０８５９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の構成では、レーザ光源から出力されるＳＨＧの光出力を増加すると、ビーム径が変化する現象が見られた。これを図８に示す。図８は、図７の構成で発生させた緑色光の積算照射量とビーム径との関係を示した図である。横軸は緑色光の積算照射量、縦軸は緑色光のビーム径である（測定位置は、レーザ出力部から距離５００ｍｍの位置）。ここで、積算照射量とは、出力パワーと照射時間との積である。▲は光出力が１．５Ｗの時のビーム径の変化、□は光出力が１．２Ｗの時のビーム径の変化、●は光出力が０．９Ｗの時のビーム径の変化を示す。図から明らかなように、光出力０．９Ｗと１．５Ｗとでは、ビーム径の変化量が大きく異なる。このビーム径の変化は、１．０Ｗ出力を超えると生じはじめ、光出力が増加するにつれ顕著になる。すなわち、従来のＳＨＧを用いたレーザ光源では、ＳＨＧの光出力が１Ｗを超えると、出力されるビーム径の経時変化が大きいという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高出力の波長変換レーザ光源において高調波のビーム径を一定に保つレーザ光源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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明のレーザ光源は、基本波を生成するレーザ発振器と、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を一定値に保つ素子温度保持部と、前記高調波のビーム径を検出するビーム径検出部と、前記素子温度保持部の温度を前記ビーム径検出部による検出値に応じて制御する温度制御部と、を備えたことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザ光源によれば、波長変換で得られた高出力の高調波のビーム径を一定に保つレーザ光源を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】積算照射量と波長変換素子の最適保持温度との関係を示す図
【図２】ＳＨＧビーム径と波長変換素子保持温度との関係を示す図
【図３】本発明の実施の形態１におけるレーザ光源の構成を示す図
【図４】本発明のレーザ光源の効果を示す図
【図５】領域分割ＰＤと高調波ビームの位置関係を示す図
【図６】本発明の実施の形態２におけるレーザ光源の構成を示す図
【図７】従来のレーザ光源の構成を示す図
【図８】レーザ出力を変化したときの積算照射量とビーム径との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明のレーザ光源の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１５】
（実施の形態1）
これまでの技術常識では、この最適保持温度は波長変換素子３に固有のものであり、常に一定の値をとるもの、とされていた。しかし、波長変換する緑色光の出力を増加させると、この最適保持温度が変化することが分かった。図１に、従来のレーザ光源（図７）で、ＳＨＧで波長変換された緑色光を１．５Ｗに保ったときの、波長変換素子の最適保持温度の経時変化を示す。図から明らかなように、積算照射量が増えるに従い、ＳＨＧ素子の最適保持温度が上昇する。
【００１６】
図２に、緑色光１．５Ｗ出力時の、積算照射量０Ｗｈ（初期状態）と１００００Ｗｈとにおけるビーム径と素子保持温度との関係を示す。積算照射量０Ｗｈでの最適保持温度は５０．０℃であるが、積算照射量１００００Ｗｈでの最適保持温度は５１．０℃になる。すなわち、初期状態で、最適保持温度５０．０℃に設定しても、１００００Ｗｈ経過すると、ビーム径が０．６付近まで低下することを示す。従って、初期状態で設定した最適保持温度のままで、ビーム照射を続けるとビーム径が初期状態に比べて低下する。この現象は、波長変換素子の緑色光により誘起される赤外吸収（Ｇｒｅｅｎ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ、以下ＧＲＩＩＲＡとする）により引起される。つまり、素子保持温度が最適保持温度から外れると、変換効率が低下するので、ＡＰＣ回路は波長変換素子３に入力する赤外光出力を増加させ、緑色光出力１．５Ｗに保つように働く。この増加した赤外光が波長変換素子に吸収されると、その内部に局所的な熱レンズ効果が生まれる。この熱レンズ効果により、波長変換素子の自己集光特性が強くなった結果、ビーム径の減少が生じる。
【００１７】
さて、このビーム径と素子保持温度との関係は、積算照射量によらず、同じカーブを描くことが分かった。この現象と、先に説明したＧＲＩＩＲＡの現象を利用すると、ＡＰＣ駆動状態でも、波長変換素子の保持温度を変えれば、緑色光のビーム径の経時変化を無くすことができる。そのためには、波長変換された緑色光のビーム径を検出し、初期状態のビーム径と比較し、その差分値が０になるように素子保持温度を制御すれば良い。
【００１８】
本発明のレーザ光源の具体的な回路構成を図３に示す。図３に示すように、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子３、ダイクロイックミラー４、第１ミラー５、第２ミラー６、コリメートレンズ７、第１受光器８、第２受光器９、を備えている。基本波レーザ光源１にはＹｂドープファイバー１０を用いたファイバーレーザを用いており、波長１０６４ｎｍの赤外光１１はファイバーグレーティング１２によって波長線幅が狭窄化されており、またシングルモードファイバーによって高ビーム品質化（Ｍ2〜１）されているため、高効率に波長変換することが出来る。
【００１９】
波長変換素子３にはＭｇドープＬｉＮｂＯ3基板を用いており、基板内部に周期分極反転が形成されており、素子長は２５ｍｍである。分極反転の周期は７μｍであり、波長１０６４ｎｍの赤外光を波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換するように設計されている。これにより、赤外光１１は高効率に緑色光１３に波長変換される。波長変換素子３の温度を一定に保持するための素子温度保持部１４にはペルチェ素子が用いられ、波長変換素子３は目標設定温度に対して±０．１℃以内に温度制御される。
【００２０】
波長変換素子３で緑色光１３に変換されなかった赤外光１１はダイクロイックミラー４で反射し、光吸収部１５で吸収される。光吸収部１５は未変換赤外光の散乱・反射による人体および物体への障害を防止するために設置されており、表面を黒色アルマイト処理された金属で作製されている。光吸収部１５の内部は円錐形状であり、入射した光を内部で拡散、吸収することができる。
【００２１】
波長変換素子３で波長変換された緑色光１３はダイクロイックミラー４を通過し、第１ミラー５で一部反射した後、コリメートレンズ７によりコリメートされる。コリメートされた緑色光は各用途に合わせて集光光学系を用いて集光される。
【００２２】
ここで、第１ミラー５における緑色光１３の反射率は３％程度で良い。第１ミラー５で反射した緑色光は第２ミラー６（反射率５０％）で分離され、第１受光器８、第２受光器９で検出される。第１受光器８にはフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ、以下ＰＤとする）が用いられ、緑色光の光出力が検出される。第２受光器９には電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ、以下ＣＣＤとする）が用いられ、緑色光のビーム径が検出される。
【００２３】
第１受光器８で検出した緑色光の光出力は高調波出力制御回路１６へ送られる。高調波出力制御回路１６では、第１受光器８からの検出値と高調波出力設定部１９で設定された値とを大小比較し、その差分値を基本波出力制御回路１７に信号を送る。基本波出力制御回路１７では、この差分値が最小になるように励起ＬＤ２３の駆動電流を制御する（ＡＰＣ駆動）。
【００２４】
また、第２受光器９で検出した緑色光のビーム径に対応する信号はビーム径制御回路２０に送られる。ビーム径制御回路２０では、第２受光器９から送られた信号と、ビーム径設定部２１で設定された初期ビーム径の値とを大小比較し、その差分値（ビーム径差分値）を素子温度制御回路１８に送る。素子温度制御回路１８では、ビーム径差分値が最小になるように素子温度保持部１４の温度を制御する。
【００２５】
本発明のレーザ光源では、最初に電源を投入したときの素子温度保持部１４の温度（初期温度）は、素子温度設定部２２によって素子温度制御回路１８に与えられる。素子温度制御回路１８は、ひとたび初期温度で制御完了した後は、ビーム径差分値が所定値を超えると、ビーム径差分値のみを入力として素子温度設定部２２の温度制御を行う。この所定値は、本実施の形態ではビーム差分値が１％を所定値としたが、光源の仕様に応じて適宜決めれば良い。また、ビーム径差分値に応じた制御量は、図２の関係を利用して実験的に決めることができる。
【００２６】
あるいは、予め求めた積算照射量でのビーム径と最適保持温度とのデータテーブルを予め作成してビーム径制御回路２０に記憶しておく。光源装置内部に積算照射量を記憶する手段を持ち、この積算照射量を定期的にビーム径制御回路２０に送る。ビーム径制御回路２０では、記憶されたテーブルから、現在の積算照射量に応じた最適の温度を素子温度保持部１４に送っても良い。
【００２７】
なお、素子温度設定部２２の内部に、不揮発性メモリ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ、以下ＥＥＰＲＯＭとする）などの記憶素子を設けて、最終の温度設定値を記憶し、次の電源投入時の温度制御をしても良い。
【００２８】
高調波出力設定部１９や素子温度設定部２２は、必要に応じて初期値を記憶できるので、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）などの記憶素子で構成されるのが好ましい。
【００２９】
図４は緑色光の積算照射量とビーム径の関係を示した図である。横軸は緑色光の積算照射量、縦軸は特定位置における緑色光のビーム径である。▲は従来のレーザ光源のビーム径の特性、●は本発明のレーザ光源のビーム径の特性を示す。従来のレーザ光源は波長変換素子の変換効率が最大となる最適温度に合わせることで１．５ＷのＡＰＣをおこなっている。図４に示すように従来のレーザ光源では、積算照射量とともに緑色光のビーム径が減少し、積算照射量２００００Ｗｈで初期値の６０％程度となり、大きく変化する。本実施の形態では、図３に示すように積算照射量０〜２００００Ｗｈにおいて、ビーム径変動量を２％以内に抑制し、積算照射量が増加してもビーム径を初期値から変動なく一定に保持することができる。これによって、本発明のレーザ光源はＡＰＣとビーム径一定制御の両方を満足することができる。
【００３０】
本実施の形態では、第２の受光器にＣＣＤを用いたが、ビーム径検出手段は別のものを用いても構わない。図５に示すような、領域分割したＰＤを利用することでビーム径の変化（減少）を観測することができる。図５（ａ）は連続点灯開始初期（積算照射量が少ない状態）の高調波ビーム２４と領域分割ＰＤ２５の位置関係を示した図であり、図５（ｂ）は積算照射量が増加し、ビーム径が減少した場合の領域分割ＰＤ２５と高調波ビーム２６の位置関係を示した図である。ビーム径が減少した場合に領域Ａに入射されるビーム光量が減少するため、ビーム径の変化を領域分割ＰＤで検出することができる。図５では９つ領域にＰＤが分割されているが、領域分割数はこれに限らずビーム径変化が検出可能であればいくつでもよい。
【００３１】
なお、本実施の形態では波長変換素子の初期の保持温度を変換効率最大となる最適温度から低温側に設定し、ビーム径一定となる制御を行ったが、初期の保持温度を最適温度から高温側に設定してビーム径一定制御を行っても構わない。
【００３２】
なお、本実施の形態では、設定出力、波長変換素子の保持温度、初期の高調波ビーム径をＥＥＰＲＯＭなどの記憶素子に記憶したが、波長変換素子に入力する基本波レーザ光源の駆動電流についてもＥＥＰＲＯＭなどの記憶素子に記憶しておくと次回点灯時に瞬時に設定出力と設定ビーム径に制御することが可能となるためより効果的である。
【００３３】
本実施の形態では、ＧＲＩＩＲＡの吸収特性を有するＺ板ＭｇドープＬｉＮｂＯ3基板を用いたが、その他の光出力にともない光吸収特性が変化する基板を波長変換素子として用いてもよい。その際は光源として使用する基本波、または高調波の波長域、もしくは基本波、高調波の和周波、差周波の波長域に吸収を持ち、光出力増加とともに吸収が線形的、もしくは非線形的に増大するものが有効である。
【００３４】
本発明のレーザ光源は、本実施の形態で用いたＺ板ＭｇドープＬｉＮｂＯ3基板のように、高調波の累積光出力（積算照射量）とともに屈折率が変化する材料を波長変換素子に用いる場合に有効である。
【００３５】
なお、以上の本実施の形態の説明では、波長変換素子として周期分極反転が形成されたＺ板ＭｇドープＬｉＮｂＯ3基板を用いた。その他に、ＭｇドープＬｉＴａＯ3基板、ストイキオ組成の同様の基板などであってもよい。
【００３６】
本発明の構成における波長変換としては、波長１１２０ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。本発明で説明した高調波ビーム径が低下する現象は発生した高調波で誘起される波長変換素子の屈折率変化に起因するものであり、短波長の可視波長域に対して顕著に現れる。つまり、高調波波長が５６０ｎｍ以下の緑色領域が発生する波長１１２０ｎｍ以下の基本波レーザ光源に対して本発明のレーザ光源は特に有効である。
【００３７】
なお、本実施の形態では基本波の波長１０６４ｎｍ、高調波の波長５３２ｎｍの場合を示したが、基本波、高調波の波長はこれに限定されない。波長５３２ｎｍは銅、シリコン、金などに高い吸収特性を示しているためにそれらの材料のレーザ加工に適しており有効である。また、医療分野では波長５３２ｎｍの緑色光は水晶体を透過し、眼底において高い吸収特性を有しているために眼底疾患の治療などに有効である。
【００３８】
本発明のレーザ光源は、波長変換素子の保持温度を変えることで光吸収による波長変換素子の熱分布を任意に制御してビーム径を所望の値にすることができるため、上述した先行文献（特許文献２〜６）にあるような発振器から出射したビームに対して光学部品および光学系の調整を必要としない。そのため、光学特性の可変機能を有する高価な光学部品や光路長などを調整する光学系駆動機構を不要とし、簡素な光学構成で高調波ビーム径を一定に保持することができるためにより効果的である。
【００３９】
高調波ビーム径の減少は１Ｗ以上の高光出力の高調波を長期的に照射した際に発生している。そのため、高光出力の高調波レーザ光源に本発明のレーザ光源が特に有効である。
【００４０】
なお、本発明の構成は、波長変換素子の屈折率変化による高調波ビーム径の変化を防止するものであるが、基本波レーザ光源の基本波ビーム径の変化が起因する高調波ビーム径の変化にも本発明の構成は適用可能である。基本波のビーム径が変化すると高調波のビーム径もそれに合わせて変化するが、本発明では波長変換素子の保持温度と基本波レーザ光源の入力パワーを調整することで波長変換素子の光吸収による熱分布を任意に制御することができ、これにより基本波のビーム径が変化しても高調波ビーム径を一定に保持することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図６を用いて本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態１との違いは、第１と第２の受光器とを一つの受光器で実現した点にある。
【００４２】
図６は本発明のレーザ光源の構成図である。基本構成は、実施の形態１と同様のため説明は省略する。実施の形態１との違いは、受光器２７のみでビーム出力値とビーム径信号との二つの情報を検出する点にある。この受光器２７は、先に図５で説明した９分割された領域分割ＰＤを用いる。
【００４３】
この受光器の９分割された出力の総和をビーム出力値とし、ビーム径信号は、領域Ａの出力値を用いればよい。このようにして、受光器２７から得られるビーム出力値とビーム径信号とを利用することで、実施の形態１と同様の効果が得られる。本実施の形態では、受光器をひとつにすることができ、光源ヘッドの小型化が可能となるためにより効果的である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明にかかるレーザ光源は、基本波を高調波に波長変換する波長変換方式のレーザ光源を提供することが求められる分野で有用である。
【００４５】
本発明にかかるレーザ光源は、波長変換された高いパワーの高調波のビーム径を一定に保持することを実現し、ビーム径が安定で高い信頼性を有するレーザ光源を実現することができる、という効果を有し、レーザ加工、レーザ医療等に使用されるコヒーレント光源として有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１    基本波レーザ光源
２    集光レンズ
３    波長変換素子
４    ダイクロイックミラー
５    第１ミラー
６    第２ミラー
７    コリメートレンズ
８    第１受光器
９    第２受光器
１０  Ｙｂドープファイバー
１１  赤外光
１２  ファイバーグレーティング
１３  緑色光
１４  素子温度保持部
１５  光吸収部
１６  高調波出力制御回路
１７  基本波出力制御回路
１８  素子温度制御回路
１９  高調波出力設定部
２０  ビーム径制御回路
２１  ビーム径設定部
２２  素子温度設定部
２３  励起ＬＤ
２４  高調波ビーム
２５  領域分割ＰＤ
２６  高調波ビーム
２７  受光器
２８  制御回路
【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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【図７】
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【図８】
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