JP5075382B2

JP5075382B2 - レーザ発振装置

Info

Publication number: JP5075382B2
Application number: JP2006260524A
Authority: JP
Inventors: 達也本田; 一成吉村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP2008084931A

Description

本発明は、レーザ墨出し器やレーザポインタ等に適用して好適な、人間が視認可能な緑色レーザ光や青紫色レーザ光等のレーザ光を照射するレーザ発振装置に関する。

従来より、レーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザから出射されたレーザ光を励起光としてレーザ光を発振する固体レーザと、固体レーザが発振したレーザ光の波長を所定波長に変換する波長変換素子とを備えるレーザ発振装置が知られている。このようなレーザ発振装置では、半導体レーザから出射されるレーザ光の中心波長が温度依存性を有するために、温度が変化した際、半導体レーザから出射されるレーザ光の中心波長が変化し、固体レーザに入射するレーザ光の波長がずれることによって、固体レーザ及び波長変換素子の出力が低下する。具体的には、半導体レーザから出射されるレーザ光の中心波長が温度変化によって１．５［ｎｍ］ずれた場合、固体レーザ及び波長変換素子の出力は最大出力の半分以下に低下する。このような背景から、波長変換素子の出力側に設けられた回折格子によって固体レーザが出力したレーザ光を半導体レーザ側に戻したり、固体レーザの入射端面から半導体レーザから出射された光を戻したりすることにより、固体レーザに入射するレーザ光の波長を固体レーザの励起波長に固定する波長ロック構造が提案されている（特許文献１，２参照）。
特開平７−１５２０５５号公報特開平６−６９５８２号公報

しかしながら、従来の波長ロック構造は、上述の通り、波長変換素子の出力側に設けられた回折格子によって固体レーザが出力したレーザ光を半導体レーザ側に戻したり、固体レーザの入射端面から半導体レーザから出射された光を戻したりすることにより、固体レーザに入射するレーザ光の波長を固定する構成であるために、回折格子，波長変換素子，固体レーザ等の構成部品を全て組み合わせた後でしか固体レーザに入射するレーザ光の波長を確認することができない。また、回折格子による波長ロック構造によれば、固体レーザに入射するレーザ光の波長の大きさに応じて構成部品をｎｍ単位で組み付け，調整する必要が生じるためにレーザ発振装置の量産化が困難であった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、構成部品を全て組み合わせる前に固体レーザに入射するレーザ光の波長を容易に確認，調整可能なレーザ発振装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ発振装置では、レーザ発振部が、レーザ光を照射する半導体レーザと、半導体レーザの出射端面を一方の焦点位置とする共焦点光学系を構成する２つのコリメートレンズと、２つのコリメートレンズ間に配置され、所定の基本波長を有するレーザ光のみを透過する第１フィルターと、レーザ光に対する反射率が半導体レーザの出射端面における反射率よりも大きいコート面を有し、コート面が共焦点光学系の他方の焦点位置に配置された第２フィルターとを有し、固体レーザ発振器の入射端面が第２のフィルターのコート面に接触配置されている。

本発明に係るレーザ発振装置によれば、半導体レーザから出射されたレーザ光の一部をコート面において反射することによってレーザ光を半導体レーザに戻すことにより固体レーザに入射するレーザ光の波長を固定するので、波長変換素子や固体レーザ等の構成部品を全て組み合わせる前に固体レーザに入射するレーザ光の波長を確認，調整することができる。また、本発明に係るレーザ発振装置によれば、レーザ発振部は共焦点光学系を形成し、レーザ光のビーム径はコート面において最小径になるので、量産性に優れたレーザ発振装置を提供することができると共に、波長変換素子に効率よく基本波長のレーザ光を入射することができる。

本発明に係るレーザ発振装置は、例えば緑色レーザ光（波長５３２［ｎｍ］）を照射するレーザ発振装置に適用することができる。以下、図面を参照して、本発明の実施形態となるレーザ発振装置の構成について詳しく説明する。

本発明の実施形態となるレーザ発振装置は、図１に示すように、レーザ発振部１と、固体レーザ発振器２と、波長変換素子３とを主な構成要素として備える。レーザ発振部１は、基本波長（８０８［ｎｍ］）のレーザ光を出射する半導体レーザ４と、半導体レーザ４の出射端面を一方の焦点位置とする共焦点光学系を構成するコリメートレンズ５，７と、コリメートレンズ５，７間に配置され、半導体レーザ４が出射したレーザ光を９０［％］以上透過するフィルター特性（図２参照）を有するフィルター６（第１フィルター）と、レーザ光に対する反射率が半導体レーザ４の出射端面側における反射率よりも大きいコート面１０を有し、コート面１０がコリメートレンズ５，７により形成される共焦点光学系の他方の焦点位置に配置されたフィルター８（第２フィルター）と、半導体レーザ４に電力を供給し、半導体レーザ４を駆動する駆動信号を半導体レーザ４に出力する電源・駆動回路９を備える。レーザ発振部１は、基本波長に固定されたレーザ光を出射する。固体レーザ発振器２はＮｄ：ＹＶＯ４により構成され、入射面がフィルター８のコート面１０に接触配置されている。固体レーザ発振器２は、レーザ発振部１から出射されたレーザ光を励起光として所定波長（１０６４［ｎｍ］）のレーザ光を発振する。波長変換素子３は、第２次高周波発生素子（ＳＨＧ）により構成され、固体レーザ発振器２が発振したレーザ光の波長を１／２波長（５３２［ｎｍ］）に変換，出射する。

このように本発明の実施形態となるレーザ発振装置は、半導体レーザ４から出射されたレーザ光の一部をコート面１０において反射させレーザ光を半導体レーザ４に戻すことにより固体レーザ発振器２に入射するレーザ光の波長を固定する構成になっているので、波長変換素子３や固体レーザ発振器２を組み合わせる前に固体レーザ発振器２に入射するレーザ光の波長を確認，調整することができる。また、本発明の実施形態となるレーザ発振装置では、レーザ発振部１は共焦点光学系を形成し、レーザ光のビーム径はコート面１０において最小径になるので、量産性に優れたレーザ発振装置を提供することができると共に、固体レーザ発振器２及び波長変換素子３に効率よく基本波長のレーザ光を入射させることができる。

なお、電源・駆動回路９から半導体レーザ４に出力される駆動信号は周期が６０［Ｈｚ］以上２００［Ｈｚ］以下の範囲内にあり、デューティ比が５０［％］以下のパルス信号であることが望ましい。具体的には、駆動信号は、図３に示すような、パルス幅が６．７［ｍＳ］，周期が１６．７［ｍＳ］（６０［Ｈｚ］）のパルス信号であるとよい。一般に、レーザ光を安定的に照射するためには、半導体レーザ４が基本波長のレーザ光を安定的に出射する必要がある。半導体レーザ４に基本波長のレーザ光を安定的に出射させる方法として半導体レーザ４をＣＷ駆動する方法が考えられるが、半導体レーザ４をＣＷ駆動した場合、消費電力が増加する。

そこで上述のように半導体レーザ４の駆動信号をパルス信号にすることにより、消費電力を増加させることなく半導体レーザ４に基本波長のレーザ光を安定的に出射させることができる。また、パルス信号の周期を６０［Ｈｚ］以上にすることにより、パルス駆動であっても人の眼の残像効果によって照射光は連続光として認識される。また、パルス信号の周期を２００［Ｈｚ］以下にすることにより、消費電力を低減しつつ照射光を連続光として認識させることができる。また、デューティ比を５０％以下にすることにより、消費電力を抑えつつ、半導体レーザ４の熱に伴う端面破壊を軽減することができる。なお、デューティ比が５０％以上の場合、連続発光とみなされ、５０％以下ではデューティ比に応じて熱の原因となる無効電力は低減する。また、残像効果とは、６０［Ｈｚ］以上の周期（１００［Ｈｚ］程度）で発光する光は人の眼には連続発光している光として認識される現象を意味する。

またこの場合、レーザ発振装置は、図４に示すように、波形の立ち上がり及び立ち下がりがそれぞれ急峻及びなだらかであり、且つ、出力レベルに所定のオフセットを有する光を照射することが望ましい。一般に、人の眼は光の変化に強く反応することから、波長変換した光出力の立ち上がりを急峻にすることにより、光の変化が明確に認識され、視認性をより向上させることができる。また逆に光出力の立ち下がりをなだらかにすることにより、上述の人の眼の残像効果を高めることができる。また、出力レベルに所定のオフセットを設けることにより、常に一定の光を人の眼に認識させることができ、パルス駆動をしていてもより連続光として認識させることができる。

また図５に示すように、固体レーザ発振器２及び波長変換素子３の端面における波長変換光に対する反射率を波長変換光の一部がレーザ発振部１側に戻ることが可能な値に調整し、レーザ発振部１側に戻った波長変換光を検出する検出素子１１を備えることが望ましい。このような構成によれば、単純な構成により波長変換光を検出することができる。またこの場合、電源・駆動回路９は、検出素子１１により検出された波長変換光の光量に応じて半導体レーザ４が出射するレーザ光の光量を調整するとよい。具体的には、電源・駆動回路９は、図６のフローチャートに示すように、半導体レーザ４に駆動パルス信号を出力して半導体レーザ４にレーザ光を出射させた後（ステップＳ１）、検出素子１１により検出された波長変換光の光量が所定の閾値以上であるか否かを判別し（ステップＳ２）、波長変換光の光量が所定の閾値以上である場合、例えば図７に示すように駆動パルス信号の周期を５．０［ｍＳ］から１０．０［ｍＳ］に延ばす等、駆動パルス信号の周期を長くする（ステップＳ３）。このような処理によれば、構造を複雑化，大型化することなく波長変換光の光量を最適化することができる。

また、上記レーザ発振部１は、フィルター６へのレーザ光の入射角度を変化させる機構を備えることが望ましい。具体的には、レーザ発振部１全体を図８に示すような開口部１２ａを有するブロック１２により構成し、フィルター６を開口部１２ａと同形状の保持具１３にセットし、開口部１２ａからフィルター６を挿入し、保持具１３を回転操作することにより、フィルター６へのレーザ光の入射角度を変化させる。一般に、フィルターの中心波長にはばらつきがあり、このばらつきは固体レーザ発振器及び波長変換素子の出力低下の原因となる。従って、フィルター６へのレーザ光の入射角度を調整可能にし、フィルター６へのレーザ光の入射角度を調整することによって基本波長の成分のみをフィルター６が透過するように調整することにより、固体レーザ発振器及び波長変換素子の出力低下を抑制できる。

また、このレーザ発振装置では、レーザ光はフィルター８のコート面１０で集光するが、コート面１０においてレーザ光のビーム径が十分に絞られていないと、図９に示すように強度が低い領域のレーザ光が利用されることになるために光出力が低下する。このため、フィルター８の厚みを調整することにより、ビーム径が最小（数μｍ）となる位置にコート面１０（固体レーザ発振器２の入射面）が配置されるようにすることが望ましい。このような構成によれば、図１０に示すように強度が最も高い領域のレーザ光を利用することができるので、固体レーザ発振器２により効率的にレーザ光を入射し、出力低下を抑制できる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となるレーザ発振装置の構成を示すブロック図である。図１に示すフィルター（第１フィルター）のフィルター特性を示す図である。半導体レーザの駆動信号の一例を示す波形図である。レーザ発振装置の光出力の一例を示す波形図である。図１に示すレーザ発振装置の応用例の構成を示すブロック図である。図５に示すレーザ発振装置における光出力の最適化処理を示すフローチャート図である。波長変換光の光量が所定の閾値以上である場合の駆動パルス信号の制御方法を説明するための波形図である。フィルター（第１フィルター）へのレーザ光の入射角度を変化させる機構の一例を示す模式図である。レーザ光のビーム径が十分に絞られていない場合の光出力を説明するための図である。レーザ光のビーム径が十分に絞られている場合の光出力を説明するための図である。

符号の説明

１：レーザ発振部
２：固体レーザ発振器
３：波長変換素子
４：半導体レーザ
５，７：コリメートレンズ
６，８：フィルター
９：電源・駆動回路
１０：コート面
１１：検出素子

Claims

所定波長に固定されたレーザ光を出射するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から出射された光を励起光としてレーザ光を発振する固体レーザ発振器と、
前記固体レーザ発振器が発振したレーザ光の波長を所定波長に波長変換し、波長変換されたレーザ光を波長変換光として出射する波長変換器とを備え、
前記レーザー発振部は、
レーザ光を照射する半導体レーザと、
半導体レーザの出射端面を一方の焦点位置とする共焦点光学系を構成する２つのコリメートレンズと、
前記２つのコリメートレンズ間に配置され、所定の基本波長を有するレーザ光のみを透過する第１フィルターと、
レーザ光に対する反射率が半導体レーザの出射端面における反射率よりも大きいコート面を有し、当該コート面が前記共焦点光学系の他方の焦点位置に配置された第２フィルターとを有し、
前記固体レーザ発振器の入射端面が前記第２フィルターのコート面に接触配置されていること
を特徴とするレーザ発振装置。
請求項１に記載のレーザ発振装置において、前記半導体レーザを駆動する駆動回路から半導体レーザに出力される駆動信号が、周期が６０［Ｈｚ］以上２００［Ｈｚ］以下の範囲内にあり、デューティ比が５０［％］以下のパルス信号であることを特徴とするレーザ発振装置。
請求項２に記載のレーザ発振装置において、出力波形の立ち上がり及び立ち下がりがそれぞれ急峻及びなだらかであり、且つ、出力レベルに所定のオフセットを有する光を照射することを特徴とするレーザ発振装置。
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載のレーザ発振装置において、前記固体レーザ発振器及び前記波長変換素子の端面における波長変換光に対する反射率が波長変換光の一部が前記レーザ発振部側に戻ることが可能な値に調整されていると共に、レーザ発振部側に戻った波長変換光を検出する検出素子を備えることを特徴とするレーザ発振装置。
請求項４に記載のレーザ発振装置において、前記検出素子により検出された波長変換光の光量に応じて半導体レーザが出射するレーザ光の光量を調整する駆動回路を備えることを特徴とするレーザ発振装置。
請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載のレーザ発振装置において、前記第１フィルターへのレーザ光の入射角度を変化させる機構を備えることを特徴とするレーザ発振装置。
請求項１乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載のレーザ発振装置において、前記第２フィルターの厚みが調整可能であることを特徴とするレーザ発振装置。