(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
当該半導体レーザからの出力光により励起され、基本波を誘導放出する固体レーザ媒質と、
前記基本波の第２高調波を発生させる非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶を収容し、前記固体レーザ媒質と、前記第２高調波を外部へ出力する出力ミラーとを含む光共振器と、
前記外部に出力された第２高調波が一定になるように、前記半導体レーザの駆動電流を制御するAPC機構と、
前記光共振器及び非線形光学結晶を保持する金属板と、
前記金属板に配置された、ペルチェ素子及び測温素子と、
環境温度を測定する環境温度測定手段とを有し、
前記金属板に配置された測温素子による検出温度が、前記環境温度測定手段による検出温度に比例した温度になるように、前記金属板に配置されたペルチェ素子を制御することにより、前記非線形光学結晶の実温度を一定に保つ温度制御手段を更に有することを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体レーザを保持するステムと、
前記ステムに配置された、ペルチェ素子及び測温素子とを有し、
前記ステムに配置された測温素子による検出温度が、前記環境温度測定手段による検出温度に比例した温度になるように、前記ステムに配置されたペルチェ素子を制御することにより、前記半導体レーザの実温度を一定に保つ温度制御手段を更に有す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】
本発明は、各種計測器、レーザプリンタ、医療機器あるいは光造形などの各種分野に用いられ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、光共振器内に置かれた固体レーザ媒質（例えばＹＡＧ結晶等）に、半導体レーザ等の励起源から出力されたレーザ光を集光して照射し、その固体レーザ媒質を励起することによって光共振器（以下、共振器と称す）内でレーザ発振を引き起こさせ、その共振器内に非線形光学結晶のＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を配置し、第２高調波を発生させる方式の固体レーザである。
【０００３】
従来の固体レーザ装置は図１０に示すように、励起光を出力するための半導体レーザ（ＬＤ）１と、励起光を集光するための励起光結合系を形成するレンズ２、３と、固体レーザ媒質４、ＳＨＧ素子５及び出力ミラー６からなる基本波及び第２高調波レーザ光を発生させる共振器１８と、この共振器１８を温度制御用入出力ライン１５を介して、温度検出器２４の検出温度と設定値が一致するよう温度制御素子２３を温度制御する共振器温度調節器１７と、ビームスプリッター７、フォトダイオード８、ブルーレーザ光モニタライン１２及びＬＤドライバ１６からなりＳＨＧ波を一定に保持する後述のＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）機構１９から構成されている。
【０００４】
このような半導体レーザ励起方式の固体レーザ装置においては、ＳＨＧ素子５の光軸上にサーミスタなどの温度検出器２４を配置することは困難であり、通常図１０に示されるように相対的に離れて設置されている。そして、共振器１８の温度制御は温度検出器２４の設置点での制御温度を基準に一定に保つという方式が一般的に採られている。また、この方式は励起用半導体レーザ１に対しても用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体レーザ装置は上記のように構成されているが、温度許容幅が大きな固体レーザ媒質に比べＳＨＧ素子は温度許容幅が狭く、共振器の温度検出器の設置点での制御温度を一定にするという方法では、環境温度により共振器内に温度勾配が発生し、ＳＨＧ素子のような結晶は環境温度の影響を受けるという問題がある。図１０に示したＳＨＧ素子（結晶）５と温度制御素子２３や温度検出器２４との配置関係はその一例を示したものであるが、一般的には図４に示されるように、結晶は結晶Ａ又は結晶Ｂで示される位置に設置される。図４において、温度検出器２４の中心位置は、結晶Ｂ２１及び温度制御素子２３の中心位置から距離ｍ、また、結晶Ａ２０と結晶Ｂ２１の中心位置は距離ｎだけ離れて設置されている。
【０００６】
図４において、温度調節は温度検出器２４による測定温度を基準に動作するので、温度検出器２４付近の温度は環境温度の変化に対して影響されずに一定である。温度検出器２４付近の温度を２５℃で温度制御した場合、環境温度が例えば５℃であるとすると、図中の金属板２２には図５（ａ）に示されるように温度制御素子２３の中心から遠くなるに従い温度が低くなる温度勾配が発生する。したがって、温度検出器２４付近を設定温度と同じ温度２５℃になるよう制御するためには、温度制御素子２３を設定温度以上に加熱する必要がある。この結果、図５（ａ）に示すように結晶Ｂは設定温度よりも高い温度Ｔｈに達し、結晶Ａでは低い温度Ｔｌになる。また、環境温度が例えば４５℃になると逆の温度勾配が発生し、図５（ｂ）に示すように結晶Ａは設定温度より高い温度Ｔｈに達し、結晶Ｂでは低い温度Ｔｌになる。このような温度Ｔｈ、Ｔｌは制御温度、環境温度及び設置位置によって決まる。
【０００７】
図６は制御温度、すなわち温度検出器２４（図４）付近の温度が２５℃一定で、環境温度が時間的に変化した場合の結晶Ａ、結晶Ｂの温度変化を示したものである。図に示されるように、環境温度と制御温度（２５℃）の差が大きくなるに従い、結晶Ａ、Ｂの実温度と制御温度（２５℃）の差が大きくなる。
このような固体レーザ装置における結晶の温度変化は結晶の実温度と位相整合温度に差を生じさせ、発振状態が不安定となり性能を悪化させるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、環境温度の変化に対して安定した出力が得られる固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【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、本発明は、半導体レーザと、当該半導体レーザからの出力光により励起され、基本波を誘導放出する固体レーザ媒質と、前記基本波の第２高調波を発生させる非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶を収容し、前記固体レーザ媒質と、前記第２高調波を外部へ出力する出力ミラーとを含む光共振器と、前記外部に出力された第２高調波が一定になるように、前記半導体レーザの駆動電流を制御するAPC機構と、前記光共振器及び非線形光学結晶を保持する金属板と、前記金属板に配置された、ペルチェ素子及び測温素子と、環境温度を測定する環境温度測定手段とを有し、前記金属板に配置された測温素子による検出温度が、前記環境温度測定手段による検出温度に比例した温度になるように、前記金属板に配置されたペルチェ素子を制御することにより、前記非線形光学結晶の実温度を一定に保つ温度制御手段を更に有することを特徴とする。また、前記半導体レーザを保持するステムと、前記ステムに配置された、ペルチェ素子及び測温素子とを有し、前記ステムに配置された測温素子による検出温度が、前記環境温度測定手段による検出温度に比例した温度になるように、前記ステムに配置されたペルチェ素子を制御することにより、前記半導体レーザの実温度を一定に保つ温度制御手段を更に有することを特徴とする。更に、前記環境温度測定手段が、前記ペルチェ素子の駆動電流を検出することにより環境温度を測定することを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体レーザ装置は上記のように構成されており、環境温度に対応して制御温度を図７又は図８における点線で示すように変化させることにより、結晶Ａ又はＢの温度が一定になり、結晶の配置位置に関して環境温度の影響を受けない固体レーザ装置を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザ励起方式の固体レーザ装置の一実施例を図１により説明する。本装置は、励起光を出力するための半導体レーザ（ＬＤ）１と、励起光を集光するための励起光結合系を形成するレンズ２、３と、固体レーザ媒質４、ＳＨＧ素子５及び出力ミラー６からなる基本波及び第２高調波レーザ光を発生させる共振器１８と、この共振器１８を温度制御用入出力ライン１５を介し、サーミスタ１０の検出温度と環境温度を測定するサーミスタ１７ｅに比例した設定温度が一致するようペルチェ素子９を温度調節する共振器温度調節器１７と、ビームスプリッター７、フォトダイオード８、ブルーレーザ光モニタライン１２及びＬＤドライバ１６からなりＳＨＧ波を一定に保持するためのＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）機構１９から構成されている。
【００１２】
前記共振器１８内の固体レーザ媒質４にはＮｄ：ＹＡＧ結晶、ＳＨＧ素子５にはＫＮｂＯ３の非線形結晶を用い、固体レーザ媒質４の励起光入射端面４ａ及び出力ミラー６の凹面には９４６ｎｍの基本波並びにそのＳＨＧ波に対して高い反射率をもつ誘電体多層膜がコーティングされている。
【００１３】
この固体レーザ装置では、半導体レーザ１から発生した励起光がレンズ２によって平行光線とされた後、レンズ３によって収束され、固体レーザ媒質４を励起する。この固体レーザ媒質４は、その励起光入射端面４ａと出力ミラー６からなる共振器１８に配置されており、レーザ発振を起こす。このとき、同様に共振器内に配置されたＳＨＧ素子５中において第２高調波が発生し、Ｎｄ：ＹＡＧ９４６ｎｍレーザ光の第２高調波である４７３ｎｍのブルーレーザ光を発生させる。これにより波長変換が行われ、短波長化したレーザ光が出力ミラー６を通過して外部へ出力される。
なお、固体レーザ媒質４からは１．０６μｍや１．３μｍなどのその他の誘導放出光も放出されるが、出力ミラー６や励起光入射端面での反射率が低いためそれらを通過して共振器１８外に放出され、９４６ｎｍの基本波と第２高調波のみが共振器１８内に閉じ込められレーザ発振が行われて大きなパワー光に増幅される。
【００１４】
そして、前記ＡＰＣ機構１９により、このブルーレーザ光の一部がビームスプリッター７によって実際のブルーレーザ光とモニタ用レーザ光に分離され、モニタ用レーザ光がフォトダイオード８に導かれてその強度が検出される。この検出された強度信号は、半導体レーザ１の励起光強度を調節するための駆動電流を出力するＬＤドライバ１６にフィードバックされ、ブルーレーザ光強度が一定値になるようにＬＤドライバからの駆動電流が制御される。
【００１５】
前記ＳＨＧ素子５に用いられている非線形結晶ＫＮｂＯ３は効率よく波長変換を行うが、その温度許容幅が狭く、安定した波長変換動作を行うためには動作時の温度制御を正確に行う必要がある。
【００１６】
本発明においては、サーミスタ１０付近の制御温度を環境温度に対応して変化させることを特徴としている。図２は環境温度に対応して温度設定値を変えるようにした共振器温度調節器の実施例の構成を示したものである。この温度調節器１７は、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、共振器１８の外部にあってその周辺の環境温度を測定するサーミスタ１７ｅ及び制御温度検出用サーミスタ１０を４辺とするブリッジ回路１７ａと、このブリッジ回路１７ａの偏差電圧を入力とし、ペルチェ素子９に制御信号を出力する調節部１７ｂから構成されている。
【００１７】
前記サーミスタ１７ｅには可変抵抗（Ｖｒ）１７ｃが並列に接続されており、この合成抵抗と制御温度検出用サーミスタ１０の抵抗値が等しくなるよう調節部１７ｂが働きブリッジ回路１７ａがバランスする。例えば、Ｒ１＝Ｒ２で可変抵抗１７ｃの抵抗値がサーミスタ１７ｅの１／９であるとすると、サーミスタ１０の抵抗値はサーミスタ１７ｅの抵抗値の１／１０となる。すなわちサーミスタ１７ｅとサーミスタ１０の抵抗比率は１０：１となるが、この比率は可変抵抗１７ｃの抵抗値を調節することにより変えることができる。このサーミスタ１７ｅの抵抗値は環境温度により、またサーミスタ１０の抵抗値は制御温度により変わるものであるから、可変抵抗１７ｃの抵抗値を調節することにより、環境温度の変化に対する制御温度を図７に示すように変えることができる。
【００１８】
先に図６で示したように、制御温度を２５℃で制御した場合、結晶Ｂの温度は、環境温度が２５℃以下の場合は２５℃以上となり、環境温度が２５℃以上の場合は２５℃以下となり、その温度差は環境温度と制御温度（サーミスタ１０の温度）の差に比例する。
図７に示されるように制御温度は環境温度が２５℃以下の場合は２５℃以下となり、環境温度が２５℃以上の場合は２５℃以上となるため、図６で示された結晶温度の２５℃からのずれを補償することになり、結晶Ｂの実温度はほぼ２５℃に保たれる。
【００１９】
また図２のブリッジ回路１７ａにおいて、抵抗Ｒ１とサーミスタ１０を入れ換えることによって、環境温度の変化に対する制御温度を図８のように変化させることができ、その結果、図６に示された結晶Ａの２５℃からのずれは図８の制御温度によって補償することができ、結晶Ａの実温度をほぼ２５℃に保つことができる。
【００２０】
図３は環境温度に対応して温度設定値を変えるようにした共振器温度調節器の他の実施例の構成を示したものである。この温度調節器１７は、半導体レーザ１の温度制御に用いられるペルチェ素子の駆動電流が図９に示すように環境温度に比例することを利用するもので、そのペルチェ素子の駆動電流に比例した設定電圧を得るための可変抵抗１７ｃと、定電流源１７ｄからの電流を流すことにより制御温度に比例したフィードバック電圧を発生するためのサーミスタ１０と、前記設定電圧とフィードバック電圧を差動的に結合し得られた偏差電圧を入力とし、温度制御素子９に制御信号を出力する調節部１７ｂから構成されている。
【００２１】
前記可変抵抗１７ｃを変えることにより、その両端の電圧、すなわち制御温度設定電圧が変わるため、環境温度に対応して変化するペルチェ素子駆動電流に対し、一定の比率で制御温度を変えることができる。この方法によれば、図２に示したような環境温度測定用のサーミスタ１７ｅを使用する必要がなく、また、サーミスタ取り付け場所がない場合に有効で、簡単な構成で温度調節系を構成することができる。
以上のように、サーミスタと結晶の位置関係に応じて、環境温度変化に対して一定の比率で制御温度を変化させることにより、結晶の実温度を一定に保つことが可能となり、広い動作温度範囲において安定したレーザ出力を得ることができる。
【００２２】
一方、半導体レーザ１についてもＬＤドライバ１６と温度制御用入出力ライン１４により温度制御されているが、制御温度検出用サーミスタを半導体レーザのチップに取り付けるのが困難であるため、ステム等に配置して間接的に温度制御を行う方法が採られている。そのため、制御温度と環境温度とに差があると、サーミスタ取り付け位置と半導体中心位置間に温度差が生じる。このような場合においても、サーミスタ付近の制御温度を環境温度に対応して変化させることは有効な対策である。例えば、共振器温度制御は環境温度測定用サーミスタ１７ｅを用いる図２の方法で用い、半導体レーザ１の温度制御はペルチェ素子９の駆動電流に比例した電流を図３のペルチェ素子駆動電流に比例した電流に用いることにより、共振器１８及び半導体レーザ１への環境温度の影響を無くすことができる。
【００２３】
なお、温度制御素子や温度検出器は上記実施側に限定されるものではなく、例えば、温度制御素子としてセラミックヒータ、温度検出器として感温抵抗体などが使用できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の固体レーザ装置は上記のように構成されており、共振器及び半導体レーザの制御温度を環境温度に対応して変化させることにより、環境温度によって共振器及び半導体レーザ内の結晶の温度が変動することが防止でき、広い温度範囲で安定したレーザ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ励起方式固体レーザ装置の構成図である。
【図２】環境温度に対応して温度設定値を変えるようにした共振器温度調節機構の実施例を示す概略構成図である。
【図３】環境温度に対応して温度設定値を変えるようにした共振器温度調節機構の他の実施例を示す概略構成図である。
【図４】共振器の温度調節用構成部品と結晶の配置位置の関係を示す部品配置図である。
【図５】温度制御の設定値に対し環境温度が低い場合と高い場合の結晶の配置と温度の関係を示す温度変化図である。
【図６】温度制御の設定値を一定とし、環境温度を時間的に変化させた時の結晶温度変化図である。
【図７】環境温度に対して制御温度を変化させた場合の結晶Ｂの温度変化図である。
【図８】環境温度に対して制御温度を変化させた場合の結晶Ａの温度変化図である。
【図９】環境温度ｖｓペルチェ素子駆動電流特性図である。
【図１０】従来の半導体レーザ励起方式固体レーザ装置の構成図である。
【符号の説明】
１・・・半導体レーザ（ＬＤ）
２、３・・・レンズ
４・・・固体レーザ媒質
４ａ・・・励起光入射端面
５・・・ＳＨＧ素子
６・・・出力ミラー
７・・・ビームスプリッター
８・・・フォトダイオード
９・・・ペルチェ素子
１０、１７ｅ・・・サーミスタ
１１、２２・・・金属板
１２・・・ブルーレーザ光モニタライン
１３・・・ＬＤ駆動電流ライン
１４、１５・・・温度制御用入出力ライン
１６・・・ＬＤドライバ
１７・・・共振器温度調節器
１７ａ・・・ブリッジ回路
１７ｂ・・・調節部
１７ｃ・・・可変抵抗
１７ｄ・・・定電流源
１８・・・共振器
１９・・・ＡＰＣ機構
２０・・・結晶Ａ
２１・・・結晶Ｂ
２３・・・温度制御素子
２４・・・温度検出器
【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】
0004114260.tif 000007
【図７】
0004114260.tif 000008
【図８】
0004114260.tif 000009
【図９】
0004114260.tif 000010
【図１０】
0004114260.tif 000011