(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受動Ｑ−スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）が発生する光パルスのパルス繰返し速度とタイミングを制御する制御方法であって、
（ａ）前記ＰＱＳＬによって光パルスを発生させる工程と、
（ｂ）検出器によって、前記光パルスに対応する第１の電気信号を発生する工程と、
（ｃ）基準信号発振器によって、第２の電気信号を発生する工程と、
（ｄ）前記第１の電気信号と第２の電気信号とを位相同期ループコントローラに供給して、同第１の電気信号の位相を同第２の電気信号の位相に同期させるための位相制御信号を発生する工程と、
（ｅ）同位相制御信号を使用して、前記ＰＱＳＬに供給されるポンピング電力の量を制御することによって、同ＰＱＳＬが発生する光パルスの繰返し速度とタイミングを制御する工程と、を備え、
それによって、前記ＰＱＳＬは、位相同期ループ制御回路における電圧制御発振器として使用される、制御方法。
【請求項２】
前記位相同期ループコントローラが、位相制御信号を積分するための積分器と接続され、前記工程（ｅ）は、積分された位相制御信号を前記ＰＱＳＬに供給することを含む請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
レーザダイオードが前記ＰＱＳＬにポンピング電力を供給し、前記積分位相制御信号が、前記レーザダイオードのダイオード電流を制御するためのダイオードコントローラに供給される請求項２に記載の制御方法。
【請求項４】
受動Ｑ−スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）を制御するための制御装置であって、
前記ＰＱＳＬと光学的に接続して、同ＰＱＳＬが発生した光パルスに対応する第１の電気信号を供給する検出器と、
第２の電気信号を供給する基準信号発振器と、
前記第１の電気信号と第２の電気信号を受信して、位相制御信号を発生するための位相同期ループコントローラと、
同位相制御信号に基づいて前記ＰＱＳＬにポンピング電力を供給するレーザダイオードと、を備え、
それによって、前記ＰＱＳＬは、位相同期ループ制御回路における電圧制御発振器として使用される、制御装置。
【請求項５】
更に、前記位相制御信号を積分するために前記位相同期ループコントローラに接続された積分器を備え、積分された前記位相制御信号は前記レーザダイオードを制御するために使用される請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
位相同期ループ制御された受動Ｑ−スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）システムであって、
光パルスを発生するＰＱＳＬと；
前記ＰＱＳＬにポンピング電力を供給する手段と；
前記光パルスに対応する電気信号を供給するために、前記ＰＱＳＬと光学的接続している検出器と；
前記検出器に接続している信号入力と基準信号入力とを有する位相同期ループコントローラと；
基準電気信号を供給するために、前記位相同期ループコントローラの基準入力と接続している基準信号発振器と；
前記位相同期ループコントローラの出力と接続するとともに、前記ＰＱＳＬにポンピング電力を供給する手段を制御するコントローラと接続している積分器と、を備え、
動作の際、検出器からの電気信号を前記基準信号発振器からの基準電気信号に位相同期させるために、前記位相同期ループコントローラが電気信号を出力し、それによって、前記ＰＱＳＬからの光パルスのタイミングが、前記基準信号発振器から供給される基準電気信号に対して制御され、
それによって、前記ＰＱＳＬは、位相同期ループ制御回路における電圧制御発振器として使用される、ＰＱＳＬシステム。
【請求項７】
前記ＰＱＳＬにポンピング電力を供給するための手段がレーザダイオードを含む請求項６に記載のＰＱＳＬシステム。
【請求項８】
前記ＰＱＳＬにポンピング電力を供給する手段を制御する前記コントローラがレーザダイオード電流コントローラを含む請求項７に記載のＰＱＳＬシステム。
【請求項９】
受動Ｑ−スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）が発生する光パルスのパルス繰返し速度とタイミングを制御する制御方法であって、
位相同期ループ制御回路における電圧制御発振器としてＰＱＳＬを使用し、
前記位相同期ループ制御回路は、検出器、位相同期ループコントローラ、基準信号発振器、積分器、およびＰＱＳＬに供給するポンピング電力の量を制御するＰＱＳＬポンピング・コントローラを備え、
前記ＰＱＳＬは前記検出器と光学的に接続し、
前記検出器は前記位相同期ループコントローラの信号入力に接続し、
前記基準信号発振器は前記位相同期ループコントローラの基準信号入力に接続し、
前記位相同期ループコントローラの出力は前記積分器に接続し、
前記積分器は前記ＰＱＳＬポンピング・コントローラに接続して、
それによって、前記ＰＱＳＬによって供給される光パルスのパルス繰り返し速度とタイミングが制御される、制御方法。
【請求項１０】
レーザダイオードが前記ＰＱＳＬにポンピング電力を供給し、前記ＰＱＳＬポンピング・コントローラが、前記レーザダイオードのダイオード電流を制御するダイオードコントローラを含む請求項９に記載の制御方法。
【請求項１１】
光パルスを発生する受動Ｑ−スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）を制御するための制御装置であって、同装置は電圧制御発振器として前記ＰＱＳＬを使用する位相同期制御回路を備え、同位相同期制御回路は、
前記ＰＱＳＬが発生する光パルスに応答して電気信号を供給する、前記ＰＱＳＬと光学的に接続する検出器と、
基準信号を供給する基準信号発振器と、
前記検出器によって供給される電気信号と前記基準信号発振器によって供給される基準信号とを位相同期させる位相同期ループコントローラであって、該位相同期ループコントローラは、前記検出器に接続された信号入力、前記基準信号発振器に接続された基準入力、および前記ＰＱＳＬに供給されるポンピング電力の量を制御するための電圧制御発振器として前記ＰＱＳＬを制御するための出力、を有する、前記位相同期ループコントローラと、を含む制御装置。
【請求項１２】
前記位相同期ループ制御回路は更に、前記位相同期ループコントローラの出力と前記ＰＱＳＬとの間に接続されている積分器を含む請求項１１に記載の制御装置。
【請求項１３】
前記位相同期ループ制御回路は更に、前記ＰＱＳＬにポンピング電力を供給するためのレーザダイオードを含み、同レーザダイオードを制御するために前記積分器が接続されている請求項１２に記載の制御装置。
【請求項１４】
前記位相同期ループ制御回路は更に、前記レーザダイオードの電流を制御するためのレーザダイオード電流コントローラを含み、前記積分器が前記レーザダイオード電流コントローラに接続されている請求項１３に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ、特にはＱ−スイッチレーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザディスプレイ装置、バイオフォトニクス検出システム、および半導体のマイクロマシンシステムの光源として用いられる、低コストで簡単なレーザが開発されてきた。受動−Ｑスイッチレーザは、簡単、かつ低コストなので、これらの応用分野では魅力的である。また、強力なパルス光を発生するのですぐに役に立ち、他の波長への変換にも適している。受動Ｑ−スイッチは広範囲の繰返し周波数とパルスエネルギーでパルスを発生することができ、さらにその有用性を高める。しかし、ほとんどの用途において受動Ｑ−スイッチング技術は適合していなかった。音響光学Ｑ−スイッチ装置はパルスが強力で、システムの他の機能と同期したパルスを発生し得るので、広く普及している。音響光学Ｑ−スイッチ装置は、受動Ｑ―スイッチより複雑で高価な方法であるにもかかわらず、標準になっている。この高価で複雑なことが、多くの応用分野、特に大量で低コストの条件でのＱ−スイッチレーザの使用を阻害していた。
【０００３】
受動Ｑ−スイッチ装置は音響光学Ｑ−スイッチより簡単で低コストにもかかわらず、受動Ｑ−スイッチレーザは外部印加クロック周波数と同期させてパルスを励振させることができない。パルス繰返し周波数はＱ−スイッチレーザがポンピングされる電力に比例するが、受動Ｑ−スイッチレーザのパルス繰返し周波数を同期制御する直接的な方法はない。要求に応じてパルスを発するトリガーの等価なものはない。もしこの問題点を克服することができたならば、ＰＱＳＬは集積回路や他のマイクロマシンの電気的トリミングのような用途に利用できたであろう。周波数変換によって、ＰＱＳＬは蛍光顕微鏡、フローサイト・メトリー、その他のバイオフォトニクス用に利用されるであろう。ＰＱＳＬは特性の非安定性によって、同期が不可能なので、用途が制限される。
【０００４】
従って、上記の問題点を克服した受動Ｑ−スイッチレーザ制御システムと方法は必要な技術である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術に関する問題点は、位相同期制御回路中の電圧制御発振器としてのQ −スイッチレーザを用いる受動Q −スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）を制御する実験装置、方法により克服されている。本発明の実施例によると、ＰＱＳＬは検出器と光学的接続している。検出器は位相同期ループコントローラの入力と接続している。基準信号発振器は位相同期ループコントローラの基準信号入力と接続している。位相同期ループコントローラの出力は積分器と接続している。積分器はＰＱＳＬに供給される電力量を制御する手段として接続される。例えば、レーザダイオードはＰＱＳＬにポンピング電力を供給し、積分器は、レーザダイオードに供給されて、電流を調整するダイオードコントローラに接続する。
【０００６】
上記の構成は位相同期ループで制御された受動Ｑ−スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）システム中で受動Ｑ−スイッチレーザと結合しなければならない。このようなシステムにおいて、ＰＱＳＬからのパルスのタイミングは基準信号発振器からの信号と関連して制御されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明における実施例は、広範囲にＱ−スイッチレーザの位相を固定する技術を提供す
るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の内容は以下に示す、添付図面と併せた詳細な説明によって容易に理解できるであろう。
下記の詳細説明では、多くの具体例を用いて説明しているが、下記の詳細説明に対する多くの変更や修正は本発明の範囲内にある。その結果、以下に説明した本発明の典型的な実施例は、本請求項の発明を限定するものではなく、いかなる一般性も失わない。本発明において、受動Ｑ−スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）は電圧制御発振器（ＶＣＯ）と等価であるということがわかる。電圧制御発振器は位相同期を発生させるために利用できる。従って、レーザが発生したパルスの周波数と位相を基準信号発振器に同期することが可能である。ＰＱＳＬのパルス周波数応答は大部分の動作範囲において、印加したポンピング電力の単調な函数なので、ループがクローズされ得る。発明者は幾つかの位相同期ＰＱＳＬシステムを開発して、この位相同期は、完全２オクターブ繰返しを可能にすることを実証した。これはディスプレイシステムや他の装置に必要とされている帯域よりはるかに大きい。
【０００９】
パルス繰返し速度制御のための位相同期制御回路を利用したレーザシステム１の例は図１に示す構成である。受動Ｑ−スイッチレーザ（ＰＱＳＬ）２のための制御回路は、ＰＱＳＬ２にポンピング電力を供給するレーザダイオード４を含む。一例として、ＰＱＳＬ２はノースカロライナ州にある、シノプティクス・オブ・シャーロット（Ｓｙｎｏｐｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ）で、１０６４ｎｍで動作するモデルＭＬ−００００５レーザである。一例として、レーザダイオード４はシノプティクスＰＱＳＬパッケージされている。ＰＱＳＬ２とダイオード４はコントローラ３の制御下で動作する。ある特定の実施例において、カリフォルニア州、マウンテンヴューにある、ライトウェーブ・エレクトロニクス（Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）のモデル１１０レーザコントローラがダイオードの電流と温度を制御するために使われている。別例として、ＰＱＳＬはカリフォルニア州、アーバインにあるニューポート・コーポレーション（Ｎｅｗｐｏｒｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）が提供しているモデル６０００レーザダイオードコントローラのような市販のダイオード電流制御装置で駆動される。
【００１０】
検出器６はＰＱＳＬ２と光学的接続をし、検出器６は位相同期ループコントローラ１０の入力１１に接続されている。基準信号発振器１２は位相同期ループコントローラ１０の基準信号入力１３に接続され、積分器１４は位相同期ループコントローラ１０の出力１５に接続されている。積分器１４は一般のオペアンプ回路で動作されても良い。積分器１４は、レーザダイオードがＰＱＳＬに供給するポンピング電力の量を制御するコントローラ３に接続される。位相同期ループコントローラ１０はカリフォルニア州、サンノゼにあるアルテラ・コーポレーション（Ａｌｔｅｒａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製作のプログラマブル・ロジック素子（ＰＬＤ）で実行できる。ＰＬＬのような適当なプログラムでも位相同期ループコントローラ１０中で位相制御を実施できる。いくつかの応用において、検出器は２進フリップ・フロップを含んで、周波数ｆのパルスで特徴づけられるパルス列を受けて、周波数ｆ／２のパルスで特徴づけられる出力連続パルスを発生する。別例として、外部の２進フリップ・フロップは検出器６と位相同期ループコントローラ１０の入力１１とのとの間に接続される。
【００１１】
ある特定の実施例において、コントローラ３はレーザダイオード４への電流を制御し、そしてレーザダイオード４によって供給される総電力量を順に制御する。ダイオードコントローラ３によって、コントローラ３への印加電圧によって制御されるダイオード４に電流が供給される。ＰＱＳＬ４のパルス繰返し速度を制御するために、システム１は以下のように動作する。積分器１４はダイオードコントローラ３に印加される電圧を発生する。
積分器１４からの電圧は、レーザダイオード４に供給される電流を制御する。レーザダイオードに流れる電流は、レーザダイオード４からの電力を制御する。レーザダイオード４からの電力はＰＱＳＬ２のパルス繰返し速度を決定する。図１の実施例において、各ステップでの制御は、ほぼ直線状である。従って、コントローラ３の組み合わせ、レーザダイオード４およびＰＱＳＬ２は電圧制御発振器と等価である。従って、ＰＱＳＬ２のパルス繰返し速度はレーザダイオード４を介して流れる電流に依存する。さらに、ＰＱＳＬ２からのパルスのタイミングは基準信号発振器１２からの信号と関連して制御される。
【００１２】
図１に示す型の回路によって制御されるＰＱＳＬ内のパルス繰返し周波数は、単調に電流駆動によって動作するということが、これまで実験的に確認されてきた。基準周波数に関連する、位相同期受動Ｑ−スイッチレーザの時間変動の結果を、下記に示す表１で要約する。表中において、Ｆ０は、位相同期が行われる周波数域の中間点である。例えば、Ｆ０は約１０キロヘルツ（ｋＨｚ）であった。位相同期はＦ０の半分からＦ０の２倍で行われた。
【００１３】
【表１】
0004856850.tif 000002
結果は受動Ｑ−スイッチレーザの同期能力の目標がほぼ達成できたことを示している。
位相の制御は、前述したように、ディスプレイに加えて他の装置にも重要である。例えば、位相同期ループパルス繰返し速度制御は、メモリ修復のような研削作業用精密マシニングに使われるレーザと関連して使用される。
【００１４】
上記の説明は、本発明の好ましい実施例の詳細な説明をしたものであり、様々な代替、改善、および等価が可能である。例えば、レーザダイオードによって供給されるポンピング電力はダイオード温度を制御することによって制御される。従って、本発明の範囲は上記の説明を基準にしては決定されず、すべての等価の範囲を含んで添付の請求項を基準にして決定される。このような制限が手段という語句を使った請求項中に明確に列挙されていないかぎり、添付の請求事項は、方法および機能の制限を含んだものとは解釈されない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例によるＱ−スイッチレーザシステムを簡略化したブロック図。
【図１】
0004856850.tif 000003