JPH05121815A - インジエクシヨン方式によるレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱などの外部影響に拘らず、インジェクショ
ンロックのかかったスムーズなレーザ波形を常時安定し
て得ることが可能な、信頼性の高い、インジェクション
方式によるレーザ発振器を提供する。 【構成】 駆動側レーザ発振器１と従動側レーザ発振器
２を有する。従動側レーザ発振器２からのレーザ光２２
を検出手段１０によってモニターし、モニターされたレ
ーザ光の波形に基づいて、制御手段１３により、ピエゾ
素子などの微小駆動手段７のフィードバック制御を行
い、スレーブレーザ２の共振器長を調節する。制御手段
１３は、例えば、検出手段１０によってモニターされた
レーザ光の波形の立上がり部を発振開始時刻とし、一定
の基準時刻からこの発振開始時刻までを発振遅延時間と
して、この発振遅延時間に基づき、微小駆動手段を制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、駆動側のレーザ発振器
から従動側のレーザ発振器に弱いレーザ光を入射し、駆
動側のレーザ光と同質の強いレーザ光を発振する、イン
ジェクション方式によるレーザ発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高品質のレーザ光を得る方法
として、インジェクションロック方法が知られている。
この方法は、駆動側のレーザ発振器と従動側のレーザ発
振器を組み合わせ、駆動側のレーザ発振器から弱い種と
なるレーザ光を従動側のレーザ発振器に導入し、従動側
の強力なレーザ励起領域のゲインを用いて、駆動側のレ
ーザ光と同質の強力なレーザ光を得る方法である。この
方法においては、駆動側のレーザ発振器の発振周波数に
従動側のレーザ発振器の縦モード周波数を同調させるこ
とにより、従動側のレーザ発振器からピークの高いスム
ーズなレーザ波形が得られる。同調は、従動側のレーザ
発振器の共振器長を微小駆動装置により変化させること
によって得られる。なお、一般的に、駆動側のレーザ発
振器をマスターレーザ、従動側レーザ発振器をスレーブ
レーザと称しているため、以下には、これらの一般名称
を主として使用するものとする。

【０００３】図３は、従来のインジェクション方式によ
るレーザ発振器の一例を示す構成図である。以下にはま
ず、このレーザ発振器の構成を説明する。図３におい
て、１はマスターレーザ、２はスレーブレーザである。
マスターレーザ１の発振縦モードはシングルであり、縦
モードを安定化するためにスタビライザ３が設けられて
いる。

【０００４】スレーブレーザ２は、マスターレーザ１か
ら出射されるレーザ光２１を反射してスレーブレーザ２
の共振器光軸上に導入するインジェクションミラー４
と、共振器を構成する出力ミラー５と波長選択用のグレ
ーティング６を有している。この場合、出力ミラー５と
グレーティング６は、スレーブレーザ２の内部にある強
力なレーザ励起領域を挟んで対向配置されている。

【０００５】また、スレーブレーザ２の出力ミラー５に
は、微小駆動装置としてピエゾ素子７とピエゾ素子７を
駆動するピエゾドライバ８が設けられている。マスター
レーザ１の発振周波数にスレーブレーザ２の縦モード周
波数を同調させるために、ピエゾドライバ８の駆動電圧
を変化させて、ピエゾ素子７を駆動することによって、
スレーブレーザ２の共振器長を変化させるように構成さ
れている。

【０００６】さらに、スレーブレーザ２の共振器光軸上
には、スレーブレーザ２からのレーザ光２２を二分割す
るビームスプリッタ９が設けられている。ビームスプリ
ッタ９によって分割して出射されるレーザ光のうち、反
射側のレーザ光２３の軸上には、レーザ光の波形を検出
する検出器１０が配置されている。この検出器１０に
は、トランジェントレコーダ１１が接続されており、検
出器１０によって検出されたレーザ光の波形をモニター
するようになっている。なお、図中１２は、スレーブレ
ーザ２に放電電圧を印加するための放電電源である。

【０００７】次に、以上のような構成を有するレーザ発
振器の作用について説明する。すなわち、マスターレー
ザ１から出射したレーザ光２１は、インジェクションミ
ラー４を介してスレーブレーザ２の共振器光軸上に導入
される。インジェクションミラー４から導入されたレー
ザ光は、スレーブレーザ２の内部の強力なレーザ励起領
域を通過し、スレーブレーザ２の共振器中において、そ
の励起領域のゲインによって成長し、強力なレーザ光２
２となって外部に出射される。

【０００８】また、図３のレーザ発振器において、マス
ターレーザ１からの微弱なレーザ光２１をスレーブレー
ザ２に導入し、スレーブレーザ２を発振させ、マスター
レーザ１の発振周波数とスレーブレーザ２１の縦モード
周波数を同調させる場合には、ピエゾドライバ８の駆動
電圧を変化させ、ピエゾ素子７を駆動することによっ
て、スレーブレーザ２の共振器長を変化させる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な構成のレーザ発振器において、マスターレーザ１から
の微弱なレーザ光２１をスレーブレーザ２に導入し、ス
レーブレーザ２を発振させた場合、マスターレーザ１の
発振周波数とスレーブレーザ２の縦モード周波数は通常
合わず、わずかにずれているため、スレーブレーザ２か
ら出射されるレーザ光２２は、ビーティング波形とな
る。この波形は、ビームスプリッタ９から反射されるレ
ーザ光２３を、検出器１０で検出することによって得ら
れ、トランジェントレコーダ１１によってモニターされ
る。

【００１０】このようなビーティング波形のレーザ光
を、インジェクションロックのかかったスムーズな波形
にするには、スレーブレーザ２のピエゾ素子７に、ピエ
ゾドライバ８から電圧を印加し、これによってピエゾ素
子７を駆動して、マスターレーザ１の発振周波数とスレ
ーブレーザ２の縦モードが合うように、スレーブレーザ
２の共振器長を変化させる。

【００１１】しかしながら、前記のような操作を行った
後、そのままピエゾドライバ８の電圧を固定しておく
と、室温の変化などの外部の影響によって、スレーブレ
ーザ２の共振器長が変化する。この結果、マスターレー
ザ１の発振周波数とスレーブレーザ２の縦モードがずれ
るため、スレーブレーザ２から出射されるレーザ光２２
が、再びビーティング波形となってしまう。この場合に
は、再びピエゾ素子７に電圧を印加して、共振器長を変
化させることになる。しかしながら、この操作が終わる
までの間、スレーブレーザ２から出射されるレーザ光の
波形は、ビーティング波形であり、インジェクションロ
ックのかかったスムーズな波形を得ることはできない。

【００１２】本発明は、上記のような従来技術の課題を
解決するために提案されたものであり、その目的は、熱
などの外部影響に拘らず、インジェクションロックのか
かったスムーズなレーザ波形を常時安定して得ることが
可能な、信頼性の高い、インジェクション方式によるレ
ーザ発振器を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のインジェクショ
ン方式によるレーザ発振器は、駆動側レーザ発振器と従
動側レーザ発振器を有し、前記駆動側レーザ発振器から
弱い種となるレーザ光を出射して、この駆動側のレーザ
光を前記従動側レーザ発振器に導入し、前記従動側レー
ザ発振器の強力なレーザ励起領域のゲインを用いて、前
記駆動側のレーザ光と同質の強力なレーザ光を得るよう
に構成された、インジェクション方式によるレーザ発振
器において、前記従動側レーザ発振器の共振器長を調節
する微小駆動手段と、前記従動側レーザ発振器からのレ
ーザ光の波形をモニターする検出手段と、前記検出手段
によってモニターされたレーザ光の波形に基づいて、前
記微小駆動手段を制御する制御手段を備えたことを特徴
としている。

【００１４】すなわち、本発明のインジェクション方式
によるレーザ発振器は、スレーブレーザ（従動側レーザ
発振器）からのレーザ光を検出手段によってモニター
し、モニターされたレーザ光の波形に基づいて、制御手
段によりフィードバック制御を行い、スレーブレーザの
共振器長を調節するように構成したものである。

【００１５】より具体的には、制御手段は、例えば、前
記検出手段によってモニターされたレーザ光の波形の立
上がり部を発振開始時刻とし、一定の基準時刻からこの
発振開始時刻までを発振遅延時間として、この発振遅延
時間に基づき、前記微小駆動手段を制御するように構成
される。

【００１６】また、微小駆動手段としては、一般的に、
ピエゾ素子が使用される。ピエゾ素子を使用した場合に
は、ピエゾ素子のヒステリシス特性に応じた適切な駆動
電圧の制御が必要である。すなわち、制御の開始時には
常に駆動電圧を０Ｖに戻してから所定の駆動電圧を印加
し、前記微小駆動手段の向きを反転させる制御を行う場
合には、その制御の最初のステップの駆動電圧として、
通常の制御のステップの駆動電圧の２倍から数十倍の電
圧値の電圧を印加するように構成することが望ましい。

【００１７】

【作用】以上のような構成を有する本発明のレーザ発振
器においては、検出手段によってモニターされたレーザ
波形に基づいて、制御手段により、マスターレーザとス
レーブレーザを同調させるように、微小駆動手段を適切
に制御することができる。すなわち、スレーブレーザ
（従動側レーザ発振器）のレーザ波形を常時モニター
し、このレーザ波形に応じた適切な制御によって、共振
器長を常時適切に変化させることにより、インジェクシ
ョンロックのかかったスムーズなレーザ波形を常時安定
して得ることができる。

【００１８】例えば、制御手段によって、レーザ波形か
ら、レーザ光の発振遅延時間を求め、この発振遅延時間
が常に極小値になるように、微小駆動手段を制御する。
この場合、発振遅延時間が常に極小値になるように制御
するのは、次の理由による。すなわち、マスターレーザ
（駆動側レーザ発振器）の発振周波数とスレーブレーザ
（従動側レーザ発振器）の縦モード周波数が一致した場
合には、発振遅延時間が極小値になり、インジェクショ
ンロックのかかったスムーズな波形が得られる。また、
マスターレーザの発振周波数とスレーブレーザの縦モー
ド周波数が外れてくると発振遅延時間が長くなり、ビー
トの立ったビーティング波形となり、インジェクション
ロックの外れた波形となる。従って、制御手段によっ
て、微小駆動手段を、発振遅延時間が常に極小値になる
ように制御することにより、インジェクションロックの
かかったスムーズな波形が得られる。

【００１９】一方、微小駆動手段としてピエゾ素子を使
用した場合には、制御の開始時にピエゾ素子の駆動電圧
を常に０Ｖに戻してから所定の駆動電圧を印加すること
により、ピエゾ素子のヒステリシス特性の電圧上昇時の
曲線を用いて、ピエゾ素子の位置を大きく移動させるこ
とができる。また、ピエゾ素子を微小ステップで制御し
ている時に、ピエゾ素子の向きを反転させるためには、
その制御の最初のステップの駆動電圧として、通常の制
御のステップ電圧の２倍から数十倍の範囲で駆動電圧を
印加することが必要である。この駆動電圧の範囲は、反
転時のピエゾ素子の移動長さが、極小値付近で微小ステ
ップで移動していた長さとほぼ同じ量になるように設定
する。

【００２０】

【実施例】以下には、本発明の実施例について、図１及
び図２を参照して説明する。ここで、図１は本発明のイ
ンジェクション方式によるレーザ発振器の一実施例を示
す構成図、図２はピエゾ素子のヒステリシス曲線を示す
特性図である。

【００２１】まず、図１のレーザ発振器の構成を説明す
る。本実施例においては、マスターレーザ（駆動側レー
ザ発振器）１として、連続発振のＣＯ₂ レーザが用いら
れ、スレーブレーザ（従動側レーザ発振器）２として、
パルス発振のＴＥＡ ＣＯ₂ レーザが用いられている。
また、マスターレーザ１は、内部にグレーティングを持
ち、波長選択が行われる。さらに、マスターレーザ１の
発振縦モードはシングルであり、縦モードの安定化機構
としてスタビライザ３が設けられている。

【００２２】一方、図１と図３を比較すれば明らかなよ
うに、本実施例の基本的な構成は、図３に示した従来技
術と同様である。すなわち、スレーブレーザ２は、マス
ターレーザ１からのレーザ光２１を導入するインジェク
ションミラー４と、共振器を構成する出力ミラー５と波
長選択用のグレーティング６を有している。また、出力
ミラー５には、微小駆動装置（微小駆動手段）として、
共振器長を制御するピエゾ素子７と、このピエゾ素子７
を駆動するピエゾドライバ８が設けられている。さら
に、スレーブレーザ２から出射されるレーザ光２２を分
割するビームスプリッタ９と、反射側のレーザ光２３の
波形を検出する検出器（検出手段）１０、トランジェン
トレコーダ１１、及び放電電源１２が設けられている。

【００２３】そして、本実施例においては、以上のよう
な基本的構成に加えて、さらに、次のような構成を有し
ている。すなわち、トランジェントレコーダ１１には、
発振遅延時間を測定する計算機（制御手段）１３が接続
され、計算機１３は、Ｄ／Ａコンバータ１４を介して、
ピエゾドライバ８に接続されている。この場合、計算機
１３は、測定した発振遅延時間に基づいて、ピエゾドラ
イバ８の駆動電圧を変化させて、ピエゾ素子７を駆動
し、スレーブレーザ２の共振器長を変化させるように構
成されている。

【００２４】以上のような構成を有する本発明のレーザ
発振器において、マスターレーザ１からの微弱なレーザ
光２１をスレーブレーザ２に導入し、スレーブレーザ２
を発振させ、マスターレーザ１の発振周波数とスレーブ
レーザ２１の縦モード周波数を同調させる場合には、以
下の操作を行う。すなわち、まず、スレーブレーザ２か
ら出射したレーザ光２２の一部をビームスプリッタ９で
反射し、反射されたレーザ光２３を検出器１０で受光
し、トランジェントレコーダ１１を介して計算機１３に
レーザ波形のデータを送る。これと同時に、スレーブレ
ーザ２の放電電源１２の波形をトランジェントレコーダ
１１に送り、レーザ波形のデータを計算機１３に送ると
きのトリガー波形とする。また、放電電源１２の波形を
基準時刻とし、レーザ波形のピーク値の５０％の値の時
刻をレーザ波形の立上がるまでの発振開始時刻とし、基
準時刻から発振開始時刻までを発振遅延時間とする。

【００２５】そして、レーザ光の発振遅延時間を測定す
るために、スレーブレーザ２をパルス発振させる。この
場合、発振遅延時間の極小値を求めるために、ピエゾ素
子７を、０Ｖを起点に、図２に示すようなヒステリシス
曲線のほぼ直線になっている位置へ移動させ、レーザ波
長の１／２に相当する位置まで微小ステップで移動さ
せ、共振器長を変化させる。ここで、発振遅延時間の極
小値が得られた場合には、ピエゾ素子７を一度０Ｖに戻
してから極小値となるように移動させる。発振遅延時間
が極小値から大幅に長くならない間は、ピエゾ素子７
を、微小ステップにより極小値付近で移動させる。発振
遅延時間が極小値から大幅に長くなった場合には、ピエ
ゾ素子７を反転させて、共振器長の変化する向きを逆に
する。続けて、ピエゾ素子７を、発振遅延時間の極小値
付近で微小ステップにより移動させる。また、ピエゾ素
子７を反転する場合、最初のステップにおいては、ピエ
ゾ素子７のヒステリシス特性のため、極小値付近を移動
させる駆動電圧の１５倍の電圧値を印加する。

【００２６】以上のような操作を繰返し行うことによっ
て、スレーブレーザ２のレーザ光２２の波形として、イ
ンジェクションロックのかかったスムーズなレーザ波形
が得られる。スレーブレーザ２の共振器長が熱などの外
部影響によって変化しても、上記の操作を繰り返し行う
ことにより、常に、インジェクションロックのかかった
スムーズなレーザ波形を得ることができる。

【００２７】なお、前記実施例においては、スレーブレ
ーザの出力ミラーの外部にビームスプリッタを配置して
モニター光を得ているが、インジェクションミラーの付
近でモニター光を得て、スレーブレーザのレーザ光の波
形を計測する構成も可能である。また、前記実施例にお
いては、発振遅延時間の測定に際して、レーザ光の立上
がりの時間の設定として、レーザ波形のピーク値の５０
％の値の時刻をレーザ波形の発振開始時刻としたが、発
振開始時刻は自由に設定可能である。例えば、レーザ波
形のピーク値を発振開始時刻とするレーザ波形の任意の
二点（例えば、波形のピーク値の２０％と８０％の値の
二点）を結んで０レベルと交わった点を発振開始時刻と
する構成などが可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
スレーブレーザの共振器長を調節する微小駆動手段と、
スレーブレーザからのレーザ光の波形をモニターする検
出手段と、モニターされたレーザ光の波形に基づいて、
微小駆動手段を制御する制御手段とを使用することによ
り、熱などの外部影響に拘らず、インジェクションロッ
クのかかったスムーズなレーザ波形を常時安定して得る
ことが可能な、信頼性の高い、インジェクション方式に
よるレーザ発振器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインジェクション方式によるレーザ発
振器の一実施例を示す構成図。

【図２】ピエゾ素子のヒステリシス曲線を示す特性図。

【図３】従来から用いられてきたインジェクション方式
によるレーザ発振器の一例を示す構成図。

【符号の説明】

１…マスターレーザ（駆動側レーザ発振器） ２…スレーブレーザ（従動側レーザ発振器） ３…スタビライザ ４…インジェクションミラー（分割手段） ５…出力ミラー ６…グレーティング ７…ピエゾ素子（微小駆動手段） ８…ピエゾドライバ ９…ビームスプリッタ １０…検出器（検出手段） １１…トランジェントレコーダ １２…放電電源 １３…計算機（制御手段） １４…Ｄ／Ａコンバータ ２１〜２３…レーザ光

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動側レーザ発振器と従動側レーザ発振
   器を有し、前記駆動側レーザ発振器から弱い種となるレ
   ーザ光を出射して、この駆動側のレーザ光を前記従動側
   レーザ発振器に導入し、前記従動側レーザ発振器の強力
   なレーザ励起領域のゲインを用いて、前記駆動側のレー
   ザ光と同質の強力なレーザ光を得るように構成された、
   インジェクション方式によるレーザ発振器において、 前記従動側レーザ発振器の共振器長を調節する微小駆動
   手段と、 前記従動側レーザ発振器からのレーザ光の波形をモニタ
   ーする検出手段と、 前記検出手段によってモニターされたレーザ光の波形に
   基づいて、前記微小駆動手段を制御する制御手段を備え
   たことを特徴とするインジェクション方式によるレーザ
   発振器。
2. 【請求項２】 前記制御手段が、前記検出手段によって
   モニターされたレーザ光の波形の立上がり部を発振開始
   時刻とし、一定の基準時刻からこの発振開始時刻までを
   発振遅延時間として、この発振遅延時間に基づき、前記
   微小駆動手段を制御するように構成されたことを特徴と
   する請求項１に記載のインジェクション方式によるレー
   ザ発振器。
3. 【請求項３】 前記微小駆動手段が、駆動電圧によって
   駆動され、且つ、外部からの信号に対して、直線状に変
   化せず、ヒステリシス特性を有する手段であり、前記制
   御手段が、前記微小駆動手段の駆動電圧を制御する手段
   であり、さらに、前記制御手段が、制御の開始時には常
   に駆動電圧を０Ｖに戻してから制御を行い、前記微小駆
   動手段の向きを反転させる制御を行う場合には、その制
   御の最初のステップの駆動電圧として、通常の制御のス
   テップの駆動電圧の２倍から数十倍の電圧値の電圧を印
   加するように構成されたことを特徴とする請求項１に記
   載のインジェクション方式によるレーザ発振器。