(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生する半導体レーザと、該半導体レーザに駆動電流を供給する駆動回路と、上記半導体レーザからのレーザ光によって励起される、入射面に反射面が形成された固体レーザ結晶と、該レーザ結晶の反射面との間で光共振器を形成する反射面を持つ出力側ミラーと、上記固体レーザ結晶および出力側ミラーが固定される共振器ブロックと、該光共振器内に挿入される波長選択用エタロンと、上記出力側ミラーから外部に出力されるレーザ光の分岐光が入力されるモニター用光検出器と、モニター用光検出器の出力を上記駆動回路へフィードバックすることにより所定出力のレーザ光が外部に出力されるように駆動電流を制御する自動出力調整回路と、上記共振器ブロックの温度を検出する温度センサを備えその共振器ブロックの温度が設定温度となるように制御する共振器ブロック用温度制御装置と、上記半導体レーザの温度を検出する温度センサを備えその半導体レーザの温度が設定温度となるように制御する半導体レーザ用温度制御装置と、上記エタロンの温度を検出する温度センサを備えそのエタロンの温度が設定温度となるように制御するエタロン用温度制御装置と、ネットワークに接続され、上記半導体レーザの駆動電流についての情報および上記共振器ブロック、半導体レーザおよびエタロンの各温度についての情報に基づき固体レーザ装置の異常や故障の有無を判断する機能を有するホストコンピュータに対して、上記半導体レーザの駆動電流についての情報および上記共振器ブロック、半導体レーザおよびエタロンの各温度についての情報を出力するとともに、ネットワークからの信号であって、前記ホストコンピュータからの、上記半導体レーザ、共振器ブロック、及びエタロンの各設定温度の再調整を行う指令を入力するためのネットワークインターフェイス回路と、を備えることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記指令に応じて、共振器ブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置をそれぞれ制御してブロック、半導体レーザおよびエタロンの温度を各別に変化させたときの半導体レーザ駆動電流を読み取り、最も駆動電流が少なくなる温度を各別に求めて、それらをブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各設定温度として設定する動作を行わせる制御プログラムが格納される、交換可能な読取専用メモリをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
【請求項３】
前記指令に応じて、共振器ブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置をそれぞれ制御してブロック、半導体レーザおよびエタロンの温度を各別に変化させたときの半導体レーザ駆動電流を読み取り、最も駆動電流が少なくなる温度を各別に求めて、それらをブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各設定温度として設定する動作を行わせる制御プログラムが格納される、書き換え可能なメモリをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光を入射して固体レーザ結晶を励起し、その励起光を光共振器によって共振させてレーザ発振させる固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体レーザ装置は、たとえば励起光源として半導体レーザを用い、これからのレーザ光を、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧ結晶などの固体レーザ結晶に入射してこれを励起し、その励起光を、出力側ミラーと、その結晶の入射面ミラーとの間で形成される光共振器で共振させてレーザ発振を生じさせ、そのレーザ光を出力側ミラーより取り出すという構成をとる。そして、波長選択のために光共振器内にエタロンが挿入される。
【０００３】
この光共振器の長さは、安定なレーザ光を得るためにきわめて重要であり、４０ｎｍ以下の変動幅に抑えることが望まれる。そのため、固体レーザ結晶と出力側ミラーとを金属ブロックなどに固定し、寸法精度を高めるようにしている。また、金属ブロックが熱膨張するためその影響を抑えるよう、温度が一定になるようコントロールしている。また、レーザダイオードの発振波長やエタロンの選択周波数特性も、わずかであるが、温度でコントロール可能であるため、それらの温度も制御するようにしている。すなわち、これらの温度をサーミスタなどで検知し、その検知温度が設定された所定の値になるよう、温度コントロールしている。
【０００４】
また、レーザ光の出力（振幅）が一定になるように励起用半導体レーザの駆動電流を制御する自動出力制御回路（ Auto Power Control ：ＡＰＣ回路）も備えられている。出力されるレーザ光の一部を分岐してモニター用光検出器に導き、この光検出器からのモニター出力をＡＰＣ回路に送って設定値と比較し、その偏差がなくなるよう励起用半導体レーザの駆動電流を増減させるというフィードバック制御を行っている。
【０００５】
このような固体レーザ装置は民生用としてさまざまな用途で用いられ、一つの大きな装置内で多数用いられたり、あるいは研究所や工場などの同一施設内で多数用いられたりすることが多い。そこで、レーザ出力や波長特性などのレーザパラメータを長期間の使用の間にも安定させることを、まざまな使用環境下で確保しなければならず、多数の固体レーザ装置について個々に動作の監視およびメンテナンスの作業を行う必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体レーザ装置はそれぞれ単独で動作状態などが監視されメンテナンスされているため、その作業は非常に煩雑となっており、結果的に、とくに多数の固体レーザ装置が種々の環境下で用いられているような場合に、それらのすべてについて安定した動作を確保することが難しいという問題があった。
【０００７】
この発明は、上記に鑑み、さまざまな環境下で多数の固体レーザ装置が使用されているような場合でも長期間にわたりそれらを安定に動作させることが容易にできるように改善した、固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、この発明の他の目的は、制御プログラムのバージョンアップなどの更新を容易に行えるようにした、固体レーザ装置を提供することにもある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１記載の固体レーザ装置においては、レーザ光を発生する半導体レーザと、該半導体レーザに駆動電流を供給する駆動回路と、上記半導体レーザからのレーザ光によって励起される、入射面に反射面が形成された固体レーザ結晶と、該レーザ結晶の反射面との間で光共振器を形成する反射面を持つ出力側ミラーと、上記固体レーザ結晶および出力側ミラーが固定される共振器ブロックと、該光共振器内に挿入される波長選択用エタロンと、上記出力側ミラーから外部に出力されるレーザ光の分岐光が入力されるモニター用光検出器と、モニター用光検出器の出力を上記駆動回路へフィードバックすることにより所定出力のレーザ光が外部に出力されるように駆動電流を制御する自動出力調整回路と、上記共振器ブロックの温度を検出する温度センサを備えその共振器ブロックの温度が設定温度となるように制御する共振器ブロック用温度制御装置と、上記半導体レーザの温度を検出する温度センサを備えその半導体レーザの温度が設定温度となるように制御する半導体レーザ用温度制御装置と、上記エタロンの温度を検出する温度センサを備えそのエタロンの温度が設定温度となるように制御するエタロン用温度制御装置と、ネットワークに接続され、上記半導体レーザの駆動電流についての情報および上記共振器ブロック、半導体レーザおよびエタロンの各温度についての情報に基づき固体レーザ装置の異常や故障の有無を判断する機能を有するホストコンピュータに対して、上記半導体レーザの駆動電流についての情報および上記共振器ブロック、半導体レーザおよびエタロンの各温度についての情報を出力するとともに、ネットワークからの信号であって、前記ホストコンピュータからの、上記半導体レーザ、共振器ブロック、及びエタロンの各設定温度の再調整を行う指令を入力するためのネットワークインターフェイス回路とを備えられることが特徴となっている。
【００１０】
固体レーザ装置はネットワークインターフェイス回路を有しているため、これを介してネットワークに接続することが可能である。そして、このネットワークインターフェイス回路を介して、半導体レーザの駆動電流についての情報および上記共振器ブロック、半導体レーザおよびエタロンの各温度についての情報をネットワークへ出力することが可能になるとともに、ネットワークから各温度制御装置への指令を入力することが可能となる。そのため、ネットワークに接続されたホストコンピュータなどに、多数の固体レーザ装置の駆動電流情報や温度情報などを集めて、このホストコンピュータで各固体レーザ装置の監視を一括して行うことができる。駆動電流の異常や、検出した温度の異常などを遠隔モニターすることができる。そして、ホストコンピュータにおいて、たとえば駆動電流が明らかに過大になったことから故障を検知したりまたは故障ではないまでも温度制御に問題があることを発見して温度の再調整を行うよう指令を発したり、あるいは動作時間を個々の固体レーザ装置ごとに累積して一定時間が経過する都度、各固体レーザ装置ごとに上記のような温度の再調整を行うよう指令を発したりすることなどが可能になる。このように多数の固体レーザ装置についての遠隔モニターと遠隔操作によるメンテナンスを一括して行うことができるため、作業負担が軽減され、かつ長期にわたる動作の安定が容易に確保されることになる。
【００１１】
請求項２記載の固体レーザ装置においては、さらに、交換可能な読取専用メモリが備えられており、この読取専用メモリには、ネットワークインターフェイス回路を経てネットワークから入力される指令に応じて、共振器ブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置をそれぞれ制御してブロック、半導体レーザおよびエタロンの温度を各別に変化させたときの半導体レーザ駆動電流を読み取り、最も駆動電流が少なくなる温度を各別に求めて、それらをブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各設定温度として設定する動作を行わせる制御プログラムが格納される。
【００１２】
この制御プログラムにより、ブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各々における温度チューニングの動作を行うことができるとともに、その制御プログラムのバージョンアップなどの更新は、読取専用メモリ自体を交換して行うので簡単であり、作業も容易である。
【００１３】
請求項３記載の固体レーザ装置においては、さらに、書き換え可能なメモリが備えられており、この書き換え可能なメモリには、ネットワークインターフェイス回路を経てネットワークから入力される指令に応じて、共振器ブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置をそれぞれ制御してブロック、半導体レーザおよびエタロンの温度を各別に変化させたときの半導体レーザ駆動電流を読み取り、最も駆動電流が少なくなる温度を各別に求めて、それらをブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各設定温度として設定する動作を行わせる制御プログラムが格納される。
【００１４】
そのため、この制御プログラムにより、ブロック用温度制御装置、半導体レーザ用温度制御装置およびエタロン用温度制御装置の各々における温度チューニングの動作を行うことができるとともに、その制御プログラムのバージョンアップなどの更新は、ネットワークインターフェイス回路を経てホストコンピュータなどがオンラインでこの書き換え可能なメモリを書き換えることにより行うことができ、きわめて容易なものとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１はこの発明の実施形態にかかる固体レーザ装置の信号系統を主に示すブロック図であり、図２は各部の配置関係を示す模式図である。図１に示すように固体レーザ装置は各々ネットワークインターフェイス回路４７を備え、これを介してネットワークに接続され、ホストコンピュータ４８などとの間で信号をやり取りを行うことができるように構成されている。
【００１６】
さらに図２をも参照しながら説明すると、固体レーザ結晶１１と、出力側ミラー１２とにより光共振器１０が形成される。固体レーザ結晶１１は、たとえばＮｄ：ＹＡＧ結晶などからなり、レーザ光の入射により励起されるようになっている。その入射面には反射コート１３が施されて反射面となっている。励起レーザ光源としてはたとえばレーザダイオード（ＬＤ）１５が用いられ、そのレーザ光が光学系１６を経て固体レーザ結晶１１に入射するようになっている。出力側ミラー１２は、光学ガラスなどからなり、その表面は凹面に研磨され、反射コート１４が形成されている。
【００１７】
固体レーザ結晶１１は、励起光の入射によって励起され、発生した光が出力側ミラー１２（の反射コート１４）と自身の反射コート（ミラー）１３との間で反射を繰り返して共振することによって増幅されて光強度が強まりレーザ発振する。基本波に対してのみ波長選択特性を有するエタロン１７がこの光共振器１０内に挿入されており、特定波長の基本波のみを透過させることによってマルチモード光からシングルモード光への変換を行う。
【００１８】
さらにこの例では、光共振器１０内に波長変換用結晶１８が挿入されている。光共振器１０内で増幅される基本波の光（赤外光）は、波長変換用結晶１８により波長変換されて、可視光（グリーンまたはブルーの光）となる。出力側ミラー１２の反射コート１４は基本波（赤外光）については全反射し、波長変換した可視光（グリーン、ブルー）に対しては透過するような波長特性を有しており、この反射コート１４を透過して波長変換後の光が出射することになる。
【００１９】
その出射するレーザビームの一部がビームスプリッタ２１により分岐される。分岐されたレーザビームはＰＤ（フォトダイオード）２２に入射する。このＰＤ２２は、出射レーザビームのモニター用である。
【００２０】
これらレーザ結晶１１、出力側ミラー１２、エタロン１７、波長変換用結晶１８、ビームスプリッタ２１、ＰＤ２２などは、この例では、一つの一体型ブロック３１上に形成される。このブロック３1は、熱膨張係数の小さい金属などから形成されており、温度コントロール用ペルチェ素子３２上に配置されて冷却または加熱される。また、レーザダイオード１５もペルチェ素子３３上に配置されてその温度が制御される（冷却または加熱される）。そして、これらは一つの筐体３４中に収められる。この筐体３４には、図では省略しているが、レーザビームを筐体３４外部に出射させるための出射口が設けられる。
【００２１】
ＰＤ２２からの出力はＬＤ１５にフィードバックされ、ビームスプリッタ２１を介して出力されるレーザ光の安定化がなされる。図１に示すように、ＰＤ２２の出力はＡＰＣ回路４１を経てＬＤ駆動回路４２に送られ、ＬＤ１５の駆動電流にフィードバックされる。ＡＰＣ回路４１において、ＰＤ２２出力の所定の設定値との比較がなされ、その偏差がなくなるようにＬＤ１５に与える駆動電流が増減させられる。
【００２２】
他方、固体レーザ結晶１１および出力側ミラー１２が固定されたブロック３１の温度がサーミスタ２５により検出され、その温度が設定温度となるように温度制御回路４４がペルチェ素子３２を制御している。このサーミスタ２５は波長変換用結晶１８の近傍に設けられているので、波長変換用結晶１８の温度の検出とその温度のコントロールもなされていることになる。また、ＬＤ１５についても同様にサーミスタ２４により温度が検出され、その検出出力が温度制御回路４３に送られ、ＬＤ１５の温度が設定温度となるようにペルチェ素子３３の制御が行われる。
【００２３】
さらに、エタロン１７は、ヒータ２３によって加熱され、所定の設定温度となるようにされている。このエタロン１７の温度がサーミスタ２６によって検出され、その検出出力が温度制御回路４５に送られる。これにより、温度制御回路４５が、エタロン１７の温度が設定値に保たれるようヒータ２３をコントロールする。
【００２４】
ＬＤ１５の駆動電流についての情報は駆動回路４２からＣＰＵ４６に送られてきており、またサーミスタ２５，２４，２６でとらえた共振器ブロック３１の温度、ＬＤ１５の温度およびエタロン１７の温度についてもＣＰＵ４６に集約されている。ＣＰＵ４６はこれらの情報をネットワークインターフェイス回路４７を介してネットワークに送っている。ネットワーク上のホストコンピュータ４８がそれらを受け取り、ネットワーク上の多数の固体レーザ装置の各々に関して、駆動電流のモニターおよび各温度についてのモニターを遠隔で行う。さらに、ホストコンピュータ４８は固体レーザ装置の各々について動作時間の累積計算なども行う。
【００２５】
こうしてホストコンピュータ４８はネットワーク上の多数の固体レーザ装置について常時遠隔モニターを行っており、駆動電流や温度についての情報から異常や故障などがないかどうかの判断を行う。また個々の固体レーザ装置では、長期にわたる使用の結果、駆動電流が増大したり、温度がずれてきたりすることもあり、そのことも遠隔において検知される。駆動電流が増大してきたときは、サーミスタ２４〜２６の経年変化などが原因で温度制御が不適切になったことや、共振器ブロック３１の機構的な寸法の経年変化などが疑われるため、温度の再調整のための動作指令が発せられる。また、累積動作時間が一定時間に達した都度、そのような動作指令が発せられるようにしてもよい。
【００２６】
このとき、その指令を受けた固体レーザ装置においては、ＣＰＵ４６で駆動電流を監視しながら、ＣＰＵ４６が温度制御回路４３〜４５に与える設定温度を変化させて共振器ブロック３１、ＬＤ１５およびエタロン１７の温度を個別に変化させる。駆動電流が最も少なくなる温度が最適温度であるから、このような温度スウィープにより最適温度のサーチが可能である。最適温度が探知できたら、その温度を設定温度としてセットする。これによりサーミスタ２４〜２６の経年変化や共振器ブロック３１の機構的な寸法の経年変化などがあってもそれらを補償して最適温度に保つことできるようになる。
【００２７】
すなわち、共振器ブロック３１の機構的な経年変化によってその寸法が変化し、共振器長が変化すると、各部の波長のずれによりレーザ出力が低下してくるので、これを補償するようＡＰＣ回路４１が働き、結果的にＬＤ１５の駆動電流が増大する。また、サーミスタ２４〜２６の特性の経年変化などにより温度コントロールが適切に行われない場合も同様にＡＰＣ回路４１の働きにより結果的にＬＤ１５の駆動電流が増大する。逆に、共振器長が所定のものとなっており、かつ各部の波長特性が設定値に保たれていれば、ＬＤ１５の駆動電流は最小値になる。このことは、ＬＤ１５の駆動電流が最小値になるように各部の温度を調整すれば、共振器長が所定のものとなり、かつ各部の波長特性が設定値になることを意味する。
【００２８】
そこで、ＬＤ１５に与える駆動電流に関する情報をＣＰＵ４６に取り込むようにした上で、ＣＰＵ４６の制御の下、温度制御回路４４がペルチェ素子３２を制御してブロック３１の温度を順次変化させていき、ＬＤ１５の駆動電流が最も少なくなる温度をサーミスタ２５から得る。ＬＤ１５の駆動電流が最も少なくなる温度が探索できたとき、その温度は、共振器長を所定のものとするような、ブロック３１の最適な温度ということになる。こうしてＣＰＵ４６において最適温度が求められたら、これを温度制御回路４４が定めるべき設定温度としてセットする。これにより、ブロック３１における機構的・寸法的な経年変化やサーミスタ２５の経年変化などが補償されたことになる。
【００２９】
さらに、上記のように波長変換用結晶１８の温度のコントロールがなされていることも、ブロック３１の機構的・寸法的な経年変化の補償に役立っている。波長変換用結晶１８の屈折率は温度依存性があり、そのことは温度によって屈折率を変化させ、等価的な光路長を変化させることができることを意味するからである。ブロック３１の機構的・寸法的な経年変化による共振器長の変化を、波長変換用結晶１８内の光路長変化によって補償することができるからである。
【００３０】
ＬＤ１５の温度についても同様にチューニングを行う。ＣＰＵ４６により温度制御回路４３を制御し、ペルチェ素子３３によって冷却されるＬＤ１５の温度を変化させる。このときの各温度（サーミスタ２４によって検出したもの）でのＬＤ１５の駆動電流を駆動回路４２からＣＰＵ４６に取り込むと、ＬＤ１５の温度に対する駆動電流の関係がＣＰＵ４６において求められることになる。ＬＤ１５の発振波長は温度によって変化し、所定の発振波長となるような温度となったとき、固体レーザ装置として外部に出力するレーザ出力は最大となる。すなわち、駆動電流が最も小さい温度が最適温度となる。こうしてＣＰＵ４６において最適温度が求められたら、これを温度制御回路４３が定めるべき設定温度としてセットする。これにより、サーミスタ２４の経年変化などが補償されたことになる。
【００３１】
エタロン１７についても同様で、ヒータ２３により加熱されるエタロン１７の温度を変化させ、選択波長を変化させる。そして各温度（サーミスタ２６によって検出したもの）でのＬＤ１５の駆動電流を求め、最も駆動電流が少なくなる温度を求め、その温度を設定温度として温度制御回路４５に与える。このような動作がＣＰＵ４６によってなされる。ＬＤ１５の駆動電流が最も少なくなる場合は、エタロン１７の波長選択特性が設計値に一致したときであるから、サーミスタ２６の特性の経年変化などを補償したことになる。このようなチューニングが終了したとき、温度制御回路４５はエタロン１７の温度を最適な温度へと制御することになる。
【００３２】
これらの温度チューニング動作を制御する制御プログラムはＣＰＵ４６に接続されたＲＯＭ（読取専用メモリ）４９に格納されている。このＲＯＭ４９は交換可能に取付けられており、プログラムの更新・バージョンアップなどが生じた際に、巡回してきた作業員などによって随時交換できるようにされている。
【００３３】
したがって、ネットワーク上の多数の固体レーザ装置が一つのホストコンピュータ４８により一括で、遠隔モニターされ、適切な指令を受けるようにされているため、多数の固体レーザ装置についての管理・メンテナンスの作業が自動でなされることになって、長期間にわたり、レーザパラメータの安定化など、動作の安定化が確保される。
【００３４】
なお、上の説明はこの発明の一つの実施形態に関するものであり、この発明が上で説明した構成に限定される趣旨でないことはもちろんである。たとえば、上記では光共振器１０の内部に波長変換用結晶１８を配置しているが、可視光ではなく基本波たる赤外光を出力させる場合には、この波長変換用結晶１８は不要である。また、ピンホールないしアパーチャなどの開口を有する光遮蔽板を光共振器１０内あるいは出力側ミラー１２の直後などに配置して不要な光ビームを除去するようにしてもよい。
【００３５】
さらに、上記では制御プログラムなどを交換可能なＲＯＭ４９に格納しておくよう構成したが、書き換え可能なメモリ（ＲＡＭなど）に制御プログラムを格納し、ネットワーク上のホストコンピュータ４８がそのＲＡＭなどを書き換えることによりバージョンアップ時などでのプログラムの更新を行うように構成することもできる。これによりＲＯＭ４９の交換作業などが不要となり、作業負担を一層軽減できる。
【００３６】
また、温度の再調整のための動作を個々の固体レーザ装置に備えられているＣＰＵ４６が行うとしたが、ＣＰＵ４６は単に信号の収集および信号の送受の制御のみを行い、上で説明したような温度調整の主たる動作制御はホストコンピュータ４８が直接行うよう構成することも可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の固体レーザ装置によれば、多数の固体レーザ装置が使用されるような場合でも、それらの動作状態のモニタリング・メンテナンスを一括で行うことができて、それら多数の固体レーザ装置についてレーザパラメータの安定化や動作の安定化を長期の使用にわたって確保することができる。また、制御プログラムの更新は交換可能な読取専用メモリを交換したり、書き換え可能なメモリを書き換えたりすればよいので、制御プログラムのバージョンアップなどの更新は容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を示すブロック図。
【図２】同実施形態における各部の配置関係を示す模式図。
【符号の説明】
１０                    光共振器
１１                    固体レーザ結晶
１２                    出力側ミラー
１３、１４              反射コート
１５                    レーザダイオード（ＬＤ）
１６                    光学系
１７                    エタロン
１８                    波長変換用結晶
２１                    ビームスプリッタ
２２                    モニター用ＰＤ
２３                    ヒータ
２４〜２６              サーミスタ
３１                    共振器ブロック
３２、３３              ペルチェ素子
３４                    筐体
４１                    ＡＰＣ回路
４２                    ＬＤ１５の駆動回路
４３〜４５              温度制御回路
４６                    ＣＰＵ
４７                    ネットワークインターフェイス回路
４８                    ホストコンピュータ
４９                    ＲＯＭ
【図１】
0003952751.tif 000002
【図２】
0003952751.tif 000003