JP7496544B2 - レーザ発振器 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ発振器に関するものである。

レーザ発振器の一例として、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）発振器がある。例えば、特許文献１には、ＤＤＬ発振器として、外部共振によって発振させている発振器が開示されている。図７に、特許文献１に記載された従来のＤＤＬ発振器を示す。

図７において、キャビティ２００ａは波長の異なるレーザ入力モジュール２５２から出射される複数のレーザ光が回折格子２１４を通して同軸となるように配置された波長ビーム結合方式のダイレクトダイオードレーザ発振器である。レーザ入力モジュール２５２は、レーザエレメント２５０とＦＡＣ光学系２０６と変換光学系２０８とを有する。出力カプラ２１６は、回折格子２１４を通って入射するレーザ光の一部を反射光として各レーザ入力モジュール２５２に戻し、この光をレーザエレメント２５０のエミッタにて所定の波長のみが発振する「ウェーブロッキング」と呼ばれる状態にすることで、レーザ光を発振している。

特許第５９８１８５５号公報

しかしながら、特許文献１の発振器では、発振器内の出力カプラ２１６、回折格子２１４、及びレーザエレメント２５０などの各パーツの位置を容易に変更することができず、ウェーブロッキングのために複数のレーザ入力モジュールごとに発振する波長を変更することが難しい。

また、コールドスタート時やレーザエレメントに流す電流を変化させた際には、レーザエレメントの温度が変化して、レーザエレメントにおけるレーザ発振が可能な利得を持つ波長範囲が変化する。その結果、発振波長とレーザエレメントの利得波長幅との間にミスマッチが生じて効率が悪化してしまうという課題がある。この点、従来技術に係るレーザ発振器においては、レーザエレメントの利得波長幅の変化に合わせてウェーブロッキング波長を変化させて、レーザ発振器の発振効率を向上させることは容易ではない。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、レーザエレメントの温度変化等にも対応可能な優れた発振効率を有するレーザ発振器を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
レーザダイオードと、
外部共振ミラーと、
前記レーザダイオードと前記外部共振ミラーとの間に配置された音響光学素子と、
を備え、
前記レーザダイオードの出射面から出射されるレーザ光は、前記音響光学素子によって回折させられて、前記外部共振ミラーに向かい、前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードの反射面との間で外部共振する、
レーザ発振器である。

本開示のレーザ発振器によれば、発振効率を向上させることができる。

本開示の一実施形態に係るレーザ発振器の模式図 本開示の一実施形態に係る音響光学素子の模式図 図３（ａ）は、レーザダイオードにおける小電流時の利得と光出力とを示すグラフ。図３（ｂ）は、レーザダイオードにおける大電流時の利得と光出力とを示すグラフ。図３（ｃ）は、レーザダイオードにおけるウェーブロッキング波長をシフトさせた場合の利得と光出力とを示すグラフ。 本開示の一実施形態に係るレーザ発振器の模式図 従来のレーザ発振器の模式図 本開示の一実施形態に係るレーザ発振器の模式図 従来のＤＤＬ発振器の模式図

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１におけるレーザ発振器Ｕの模式図である。レーザ発振器Ｕは、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）発振器である。レーザ発振器Ｕは、波長λ_１のレーザ光２１を出射するレーザダイオード２と、レーザダイオード２から出射されるレーザ光２１を回折する音響光学素子４と、音響光学素子４で回折された回折光２５の一部を反射させてレーザダイオード２へと戻し、レーザ光２１を外部共振させる外部共振ミラー１と、を有する。

レーザダイオード（以下、ＬＤともいう）２は、波長λ_１のレーザ光２１を生成し出射する。レーザダイオード２は、例えば、チップ形状のＬＤチップである。ＬＤチップとしては、端面発光型（ＥＥＬ：Ｅｄｇｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）のＬＤチップが好ましく用いられる。端面発光型のＬＤチップでは、例えば、長尺のバー形状の共振器が、チップ内において基板面と平行に形成されている。共振器の長手方向の一方の端面（以下、「反射面」とも称する）は光がほぼ全反射するように高反射率の膜で覆われている。一方、共振器の長手方向の他方の端面（以下、「出射面」とも称する）にも高反射率の膜で覆われているが、反射率は一方の端面に設けられた反射膜よりも小さい。よって、両端面からの反射により増幅され位相の揃ったレーザビームが出射面から出射される。

音響光学素子４はレーザ発振器Ｕのキャビティ内において、レーザダイオード２と外部共振ミラー１との間に配置される。音響光学素子４は、回折格子としての役割を有しており、レーザダイオード２から出射される波長λ_１のレーザ光２１の一部を回折する。なお、波長λ_１のレーザ光２１のうちの０次光２７は、音響光学素子４によって回折されない。

外部共振ミラー１は、音響光学素子４によって回折された回折光２５の一部を反射することでレーザダイオード２に戻し、レーザ光２１を外部共振させる。外部共振により出力が高められたレーザ光の一部が、外部共振ミラー１を透過し、外部に出射される。

なお、レーザ発振器Ｕは、レーザダイオード２と音響光学素子４との間に配置される光学素子をさらに備えていてもよい。かかる光学素子としては、例えば、回折格子又はプリズム等が用いられる。

ここで、音響光学素子４は、自身に与えられる疎密波の周波数によって、回折角を変化させる機能を有する。これは、例えば、周辺温度等の影響によって、レーザ光２１の波長λ_１にシフトが生じた場合であっても、音響光学素子４に与える疎密波の周波数をシフトすることにより、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との位置を変更することなく、シフトした波長λ_１にウェーブロッキングできることを意味する。このため、レーザ発振器Ｕは優れた発振効率を有することができる。

レーザ発振器Ｕは、音響光学素子４に疎密波を与える音波発生素子４１と、レーザダイオード２から出射される波長λ_１のレーザ光２１がウェーブロッキングされるように音響光学素子４に与える疎密波の周波数を制御する制御素子と、を有することが好ましい。

制御素子は、例えば、制御装置４３と音響光学素子用ドライバ４２とを含みうる。制御装置４３が、所望の外部共振波長（レーザダイオード２から出射される波長λ_１のレーザ光２１がウェーブロッキングする波長を意味する。図４を参照して後述する）に合わせて周波数指令値４４を音響光学素子用ドライバ４２へと出力し、音響光学素子用ドライバ４２は、周波数指令値４４に基づいて音波発生素子４１に加える変調信号４５（以下、「周波数指令値４５」とも称する）を設定する。これにより、音波発生素子４１の発生する疎密波の周波数が、所望の外部共振波長に対応したものに設定され、波長λ_１のレーザ光２１を容易にウェーブロッキングすることができる。

レーザ発振器Ｕは、レーザダイオード２の温度を計測する温度計測素子３をさらに有することが好ましい。つまり、温度計測素子３で計測される温度測定データ３１が制御装置４３に送られて周波数指令値４４へと変換され、周波数指令値４４に基づいて音響光学素子ドライバ４２が変調信号４５によって音波発生素子４１を駆動する構成とする。これにより、温度の影響によって、レーザ光２１の波長λ_１にシフトが生じた場合であっても、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との位置を変更することなく、シフトした波長λ_１のレーザ光２１をウェーブロッキングできる。このため、レーザ発振器Ｕは優れた発振効率を有することができる。

図２は、音響光学素子４の模式図であり、音響光学素子４における回折角を示す。図２に示すように、音響光学素子４に入射した波長λ_１のレーザ光２１は、そのまま音響光学素子４を透過してしまう０次光２７と、回折によって曲げられる回折光２５と、に分かれる。このときの回折角２６は下記式（１）で表される。

本実施形態においては、図１に示すように外部共振ミラー１、レーザダイオード２、及び音響光学素子４の配置は変化しないため、図２における回折角θ_１も変化しない。このとき式（１）は、下記式（２）に置き換えることが可能となる。

レーザ波長λ_１が変化した際には、音波の中心周波数ｆｃ_１をレーザ波長λ_１の変化に応じて変えることによって回折角θ_１を一定に保つことが可能となる。本開示のレーザ発振器Ｕでは、音波の中心周波数ｆｃ_１を一定の値に固定するのではなく、レーザ波長λ_１の変化に応じて中心周波数ｆｃ_１を変化させることで、回折角θ_１を一定に保つことで、波長λ_１にシフトが生じた場合であっても、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との位置を変更することなく、シフトした波長λ_１にウェーブロッキングできる。

図３に、レーザダイオード２における利得シフトと光出力を示す。図３（ａ）はレーザダイオード２を流れる電流が小電流時の利得と光出力との関係を概念的に示したグラフである。レーザダイオード２は、ある特定の波長幅に利得カーブを持っており、小電流時は利得カーブ５２のようになる。そして、外部共振を行うシステムでは、レーザダイオード２の光出力が最大となるように（図３（ａ）の光出力５１を参照）、外部共振のウェーブロッキング波長５３を設定する。

光出力を増加させるためにレーザダイオード２に流れる電流を大きくした場合は、その電流増加に応じて発熱量も増加する。その結果、レーザダイオード２の温度が上昇して、レーザダイオード２の利得カーブは、図３（ｂ）の利得カーブ５５のようになる。このとき、外部共振のウェーブロッキング波長が、図３（ａ）のウェーブロッキング波長５３のままであれば、実際に得られる大電流時の光出力は小電流時の光出力５１よりも小さくなってしまう（図３（ｂ）の光出力５４を参照）。

そのような場合に、図３（ｃ）に示すように、外部共振のウェーブロッキング波長を、レーザダイオード２の利得カーブの変化に対応させて、波長５６に調整することができれば、レーザダイオード２の光出力を最大化することができる（図３（ｃ）の光出力５７を参照）。音響光学素子４は、かかる外部共振のウェーブロッキング波長の調整を可能とする。

図４は、本実施形態において、レーザダイオード２を流れる電流の電流値を変化させた際の動作を示す模式図である。図１～図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図４において、小電流時のウェーブロッキング波長５３をλ_１=０．９７５μｍ、音波発生素子４１に入力する小電流時の周波数指令値４５の中心周波数をｆｃ_１=８０ＭＨｚ、結晶内における音波の進行速度をＶ＝５．７ｍｍ／ｓとすると、式（１）から小電流時の回折角θ_１は、０．９７５μｍ・８０ＭＨｚ／（２・５．７ｍｍ／ｓ）＝６．８４２１ｍｒａｄとなる。

ここで、式（２）から、λ_１・ｆｃ_１＝２・Ｖ・θ_１=Ｃｏｎｓｔ．＝７８となるので、大電流をレーザダイオード２に流し、レーザダイオード２の利得カーブの波長がΔλだけ変化した場合であっても、大電流時の回折角２６と小電流時の回折角２６との値が同じであれば、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との配置を変えることなく外部共振型キャビティの発振条件が整う。

例えば、大電流時のレーザダイオード２の利得カーブの最大値の波長変化Δλが０．０２μｍであれば、大電流時のウェーブロッキング波長は（λ_１+Δλ）=０．９９５μｍとなる。このとき、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との配置を変更することなく、レーザダイオード２から出射されるレーザ光２１（図４では、点線が小電流時のレーザ光２１、実線が大電流時のレーザ光２１）を外部共振させるためには、大電流時の回折角２６と小電流時の回折角２６とが同一の角度６．８４２１ｍｒａｄになれば良い。その場合の大電流時の周波数指令値４５は、（ｆｃ_１+Δｆｃ）=７８／０．９９５μｍ＝７８．３９２ＭＨｚとなり、Δｆｃは－１．６０８ＭＨｚとなる。即ち、大電流時の周波数指令値４５を７８．９３２ＭＨｚに変更することで、回折角を保持したまま、最も発振効率が良いウェーブロッキング波長にすることが可能である。

以上のように、本実施形態に係るレーザ発振器Ｕは、周辺温度等の影響によって、レーザ光２１の波長λ_１にシフトが生じた場合であっても、音響光学素子４に与える疎密波の周波数をシフトすることにより、外部共振ミラー１とレーザダイオード２と音響光学素子４との位置を変更することなく、シフトした波長λ_１にウェーブロッキングすることが可能である。これによって、レーザエレメントの温度変化等にも対応可能な優れた発振効率を有するレーザ発振器Ｕを実現することができる。

なお、上記の例では、大電流時の利得カーブの最大値の波長変化Δλを０．０２μｍとしたが、電流値と波長変化との関係はレーザダイオード２の冷却状態などにも影響されるため、レーザダイオード２の温度を温度計測素子３にて測定した温度測定データ３１と周波数指令値４４とが回折角を一定に保てるようになる関係をテーブル化したものを制御装置４３内に有していることが好ましい。

また、上記実施形態においては、ウェーブロッキングの波長を変更したい際に、温度計測素子３と制御装置４３と音響光学素子ドライバ４２とを用いてフィードバックを行っているが、温度以外の波長や雰囲気ガス圧力などの周辺情報をフィードバックの情報として用いても良い。

また、上記実施形態においては、レーザ発振器Ｕを連続発振させる態様について説明したが、本開示のレーザ発振器Ｕは、疎密波を音響光学素子に与えるタイミングのＯＮとＯＦＦと周期的に切り替えることによって、連続発振だけでなく、パルス発振も可能である。この場合、音波発生素子４１に与える変調信号４５をＯＮ／ＯＦＦすることによって音響光学素子４による回折効果をＯＮ／ＯＦＦすればよい。なお、変調信号４５をＯＦＦすると外部共振型の発振器として機能しなくなるため、そのタイミングにおいては、レーザ出力は停止することになる。

（実施形態２）
図５は従来の波長ビーム結合型のレーザ発振器Ｕの模式図である。図５に示すレーザ発振器Ｕは、互いに異なる波長のレーザ光２１，２２を出射する複数のレーザダイオード２を有する。波長λ_１のレーザ光２１と波長λ_２のレーザ光２２とは回折格子６に対して異なる角度２８，２９で入射する。レーザ光２１，２２が回折格子６を通過すると、異なる波長のレーザ光２１，２２が重畳された重畳レーザ光２４となって外部共振ミラー１から出射される。このとき、レーザダイオード２の電流値などが変化して温度状態が変わるとそれぞれの利得カーブが波長シフトを起こすため、レーザ発振器Ｕの発振効率が低下してしまう。

図６は、本開示の実施形態２のレーザ発振器Ｕの模式図である。図６において、図１～図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

本実施形態のレーザ発振器Ｕは、それぞれ異なる波長λ_１のレーザ光２１、波長λ_２のレーザ光２２、及び波長λ_３のレーザ光２３を出射する複数のレーザダイオード２と、回折格子６と、音響光学素子４と、外部共振ミラー１と、を有する。

本実施形態では、回折格子６と音響光学素子４とが回折部を構成する。回折部と外部共振ミラー１との間では一本の異なる波長が重畳した重畳レーザ光２４となり、重畳レーザ光２４の一部が外部共振ミラー１で反射される。外部共振ミラー１とレーザダイオード２との間では、各々の波長に合わせた外部共振が生じている。本実施形態では、複数のレーザダイオード２の各々に温度計測素子３が設けられ、制御装置４３が、各温度測定データ３１を収集し、演算の結果導出された周波数指令値４４を音響光学素子用ドライバ４２に出力する。そして、音響光学素子用ドライバ４２は、周波数指令値４４に基づいて音響光学素子用ドライバ４２が変調信号４５を音波発生素子４１へと出力する。

図６のレーザ発振器Ｕにおいて、各レーザダイオード２における利得カーブのシフトは、一様ではないと考えられるため、実施形態１にて説明したように、収集した温度測定データ３１から一意に周波数指令値４４を得ることは難しく、制御装置４３において温度測定データ３１と、重畳レーザ２４の出力が最大になるような周波数指令値４４との関係を事前にテーブル化しておくことが特に好ましい。

本実施形態では、テーブル化の方法として、ある電流値設定を行い、その際にレーザ光出力が最大になる様に周波数指令値４４を変化させ、各々のレーザダイオード２の温度測定データ３１も収集しておき、様々な電流値設定について同様の作業を繰返して温度測定データ３１から周波数指令値４４へ変換するためのテーブルを作成する。なお、これらのテーブル化の作業及び周波数指令値４１の導出の作業には、機械学習などの方法を適用しても良い。

なお、本実施形態において、複数のレーザダイオードは少なくとも２個以上であれば良い。

また、本実施形態においても、本実施形態１と同様、変調信号４５のＯＮ／ＯＦＦによってパルス発振が可能となる。

本開示のレーザ発振器は、キャビティ内に配置した音響光学素子によってウェーブロッキング波長をシフトさせることができるため、設定パラメータや使用環境などの影響がある場合でも、優れた発振効率を実現できることから、種々のレーザ加工装置に有用である。

Ｕ レーザ発振器
１ 外部共振ミラー
２ レーザダイオード
２１ 波長λ_１のレーザ光
２２ 波長λ_２のレーザ光
２３ 波長λ_３のレーザ光
２４ 重畳レーザ光
２５ 回折光
２６ 回折角
２７ ０次光
２８ 波長λ_１のレーザ光の回折角
２９ 波長λ_２のレーザ光の回折角
３ 温度計測素子
３１ 温度測定データ
４ 音響光学素子
４１ 音波発生素子
４２ 音響光学素子用ドライバ
４３ 制御装置
４４ 周波数指令値
４５ 変調信号
４６ 小電流時の変調信号
４７ 大電流時の変調信号
５１ 小電流時の最大光出力
５２ 小電流時の利得カーブ
５３ 小電流時の外部共振のウェーブロッキング波長
５４ 大電流時の光出力
５５ 大電流時の利得カーブ
５６ 大電流時の外部共振の最適ウェーブロッキング波長
５７ ウェーブロッキング波長調整後の大電流時の最大光出力
５８ 小電流時の回折角
５９ 大電流時の回折角
６ 回折格子
２００ａ キャビティ
２０６ ＦＡＣ光学系
２０８ 変換光学系
２１４ 回折格子
２１６ 出力カプラ
２５０ レーザエレメント
２５２ レーザ入力モジュール

Claims (5)

1. レーザダイオードと、
   外部共振ミラーと、
   前記レーザダイオードと前記外部共振ミラーとの間に配置された音響光学素子と、
   前記音響光学素子に疎密波を与える音波発生素子と、
   前記レーザダイオードから出射されるレーザ光がウェーブロッキングされるように、前記疎密波の周波数を制御する制御素子と、
   前記レーザダイオードの温度を計測する温度計測素子と、
   を備え、
   前記レーザダイオードの出射面から出射されるレーザ光は、前記音響光学素子によって回折させられて、前記外部共振ミラーに向かい、前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードの反射面との間で外部共振し、
   前記温度計測素子で計測される温度計測データに基づいて、前記制御素子が前記周波数を制御する、
   レーザ発振器。
2. レーザダイオードと、
   外部共振ミラーと、
   前記レーザダイオードと前記外部共振ミラーとの間に配置された音響光学素子と、
   前記レーザダイオードと前記音響光学素子との間に配置される光学素子と、
   を備え、
   前記光学素子は、回折格子又はプリズムであり、
   前記レーザダイオードの出射面から出射されるレーザ光は、前記音響光学素子によって回折させられて、前記外部共振ミラーに向かい、前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードの反射面との間で外部共振する、
   レーザ発振器。
3. レーザダイオードと、
   外部共振ミラーと、
   前記レーザダイオードと前記外部共振ミラーとの間に配置された音響光学素子と、
   を備え、
   前記レーザダイオードの出射面から出射されるレーザ光は、前記音響光学素子によって回折させられて、前記外部共振ミラーに向かい、前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードの反射面との間で外部共振する、
   レーザ発振器であって、
   波長の異なるレーザ光を出射する複数の前記レーザダイオードを備え、
   波長ビーム結合方式のダイレクトダイオードレーザ発振器に適用された、
   レーザ発振器。
4. 前記制御素子は、前記疎密波を前記音響光学素子に与える制御のオン／オフを切り替えることで、前記レーザダイオードをパルス発振させる、
   請求項１に記載のレーザ発振器。
5. 前記複数のレーザダイオードの各々の温度を計測する複数の温度計測素子をさらに備える、
   請求項３に記載のレーザ発振器。