JPH09214040A

JPH09214040A - 波長連続可変レーザ装置

Info

Publication number: JPH09214040A
Application number: JP1262896A
Authority: JP
Inventors: Fukutaka Tosaka; 福貴登坂
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1997-08-15
Anticipated expiration: 2016-01-29
Also published as: JP3636805B2

Abstract

(57)【要約】【課題】連続可変波長範囲の全域に渡って高周波数の安
定したパルス発振をさせることができる波長連続可変レ
ーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ光を発振するためのレーザ媒体１２
と、レーザ媒体１２を励起させるための励起光源１３
と、レーザ媒体１２の後方の光軸上に配置され、所定の
反射率を有するミラー１４と、レーザ媒体１２の前方の
光軸上に配置され、電圧の印加状態によりレーザ光を透
過させる状態と遮断する状態とを切り替えるE/O型のＱ
−スイッチ１１と、Ｑ−スイッチ１１から出射された複
数の波長の光を分光するプリズム１０と、プリズム１０
を透過した光を全反射する全反射ミラー３と、全反射ミ
ラー３がレーザ光の光軸となす角を変更するための角度
変更装置３２と、発振させようとするレーザ光の波長に
応じてＱ−スイッチに印加する電圧値を制御する制御装
置７とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は医療分野の治療、診
断、及び理化学分野、工業分野等に広く利用可能な波長
連続可変レーザ装置に関し、特に、波長が連続的に変化
するレーザ光を高効率で発生することができ、医療用
（例えば癌の診断、眼科の治療、口腔治療、皮膚科治療
等）に最適に利用できる波長連続可変レーザ装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】１９７９年に、J.C.WALLING, H.P.JENSS
EN等が、OPTICS LETTERS VOL.4, NO.6June 1979におい
て、１９８０年に、J.C.WALLING等が、IEEE Journal OF
Quantum Electronics VOL.QE-16 NO.12 December 1980
において、「Tunable Alexandrite Lasers」というテー
マで波長連続可変レーザ装置について最初に発表し、１
９８５年に、J.C.WALLING, D.F.HELLER等が、IEEE Jour
nal of Quantum Electronics, VOL.QE-21, NO.10, Octo
ber 1985において、「Tunable Alexandrite Lasers : D
evelopment and Perfomance」のテーマで、波長連続可
変レーザ装置について発表した。

【０００３】これらは、可視波長領域のレーザー光を波
長を連続可変させながら高効率、強出力で発振させるこ
とができ、幅広いチューナブル（Tunable）レーザ装置
である。また、パルス発振も連続発振もでき、常温条件
で蛍光寿命が２６２μsと長いため、Ｑ−スイッチを使
用することができた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来技術においては、E/O型のＱ−スイッチを用いて
高周波数のパルス発振ができるのは、７５０ｎｍの波長
に限定されていた。これは、E/O型のＱ−スイッチで
は、波長に応じて印加電圧を変化させなければＱ−スイ
ッチとしての機能を果たさないが、従来のレーザ装置
は、波長に応じて自動的に印加電圧を変化させる機能を
持たなかったためである。

【０００５】Ｑ−スイッチとしては、E/O型のＱ−スイ
ッチの他に、LiF:F-カラーセンター結晶でパッシブＱ−
スイッチを構成するものもあるが、パルス幅が１００ｎ
ｓ以上で長すぎるばかりでなく、連続可変波長範囲で波
長透過率が不均一であるため、パルス幅が非常に不安定
でパルス幅を制御する必要がある用途には使用すること
ができない。

【０００６】また、高速回転モータで共振器の全反射ミ
ラーを高速回転させ、Ｑ−スイッチとすることもできる
が、パルス幅が１００ｎｓ以上と長すぎ、安定性も悪
く、且つ、モータの回転により発生するノイズが強すぎ
るという問題点もある。

【０００７】従って、本発明は、上述した課題に鑑みて
なされたものであり、その目的とするところは、連続可
変波長範囲の全域に渡って高周波数の安定したパルス発
振をさせることができる波長連続可変レーザ装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し目
的を達成するために、本発明に係わる波長連続可変レー
ザ装置は、レーザ光を発振するためのレーザ媒体と、該
レーザ媒体を励起させるための励起光源と、前記レーザ
媒体の後方の光軸上に配置され、所定の反射率を有する
ミラーと、前記レーザ媒体の前方の光軸上に配置され、
電圧の印加状態によりレーザ光を透過させる状態と遮断
する状態とを切り替えるE/O型のＱ−スイッチと、該Ｑ
−スイッチから出射された複数の波長の光を分光するプ
リズムと、該プリズムを透過した光を全反射する全反射
ミラーと、前記全反射ミラーが前記レーザ光の光軸とな
す角を変更するための角度変更手段と、発振させようと
するレーザ光の波長に応じて前記Ｑ−スイッチに印加す
る電圧値を制御する制御手段とを具備することを特徴と
している。

【０００９】また、この発明に係わる波長連続可変レー
ザ装置において、前記制御手段は、前記角度変更手段の
角度変更情報に基づいて、前記Ｑ−スイッチに印加する
電圧値を制御することを特徴としている。

【００１０】また、この発明に係わる波長連続可変レー
ザ装置において、前記レーザ媒体は、アレキサンドライ
ト結晶ロッドであることを特徴としている。

【００１１】また、この発明に係わる波長連続可変レー
ザ装置において、前記ミラーは、７００ｎｍ〜８２０ｎ
ｍの波長の光に対して略３０％の反射率を有することを
特徴としている。

【００１２】また、この発明に係わる波長連続可変レー
ザ装置において、前記Ｑ−スイッチは、一端面が前記レ
ーザ光の光軸と垂直な面に形成され、他端面が波長７５
０ｎｍの光に対して前記レーザ光の光軸とブリュースタ
ー角度をなす斜面に形成されていることを特徴としてい
る。

【００１３】また、この発明に係わる波長連続可変レー
ザ装置において、前記Ｑ−スイッチは、平行四辺形の電
極を有するＬｉＮｂＯ₃の端結晶からなるE/O型のＱ−ス
イッチであることを特徴としている。

【００１４】また、この発明に係わる波長連続可変レー
ザ装置において、前記全反射ミラーは基台上に配置さ
れ、前記角度変更手段は、該基台を所定の中心軸回りに
回動させることを特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の波長連続可変レー
ザ装置の好適な一実施形態について、添付図面を参照し
て詳細に説明する。

【００１６】図１は、一実施形態の波長連続可変レーザ
装置５０の構成を示す全体平面図である。図１におい
て、レーザ媒体１２は、アレキサンドライト（分子式Ｃ
ｒ³⁺：ＢｅＡｌ₂Ｏ₄）ロッドであり、このアレキサンド
ライトロッド１２の脇には、励起用の光源としてキセノ
ンフラッシュランプ１３が配置されている。この励起光
源からの光を受けて、アレキサンドライトロッド１２か
らは、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光が出射され
る。

【００１７】アレキサンドライトロッド１２の図中左方
の光軸上には、このレーザ装置５０で励起されるレーザ
光を透過させる状態と反射する状態とが、直流可変電源
８から供給される電圧パルスにより切り替わるE/O型の
Ｑ−スイッチ１１が配置されている。E/O型のＱ−スイ
ッチ１１は、ＬｉＮｂＯ₃の単結晶からなり、図中左側
の第１の端面１１ａは、光軸に対して、中心波長である
７５０ｎｍの波長の光に対するブリュースター角をなす
ように斜めに形成されている。すなわち、図示したよう
に、第１の端面１１ａの垂線と、Ｑ−スイッチ１１から
出射する７５０ｎｍの波長の光とのなす角度は、６０.
１２°になる。また、Ｑ−スイッチ１１の右側の第２の
端面１１ｂは光軸に対して垂直になるように形成されて
いる。この第２の端面１１ｂには、７００ｎｍ〜８２０
ｎｍの波長の光の反射を防止する反射防止膜がコーティ
ングされている。なお、このＱ−スイッチ１１には、図
中破線で示したように平行四辺形状の電極１１ｃが配置
されており、直流可変電源８からの電圧はこの電極に印
加される。

【００１８】ここで、E/O型のＱ−スイッチ１１の作用
について説明しておくと、まず、ＬｉＮｂＯ₃の結晶に
電圧が印加されていない状態においては、光軸とブリュ
ースター角をなす第１の端面１１ａでは、紙面に平行な
直線偏光成分のみが透過し、紙面に垂直な直線偏光成分
は全反射される。ＬｉＮｂＯ₃の結晶は、電圧を印加す
ることにより屈折率が変化し、直交する２方向の偏光成
分の位相をずらす働きがあり、直交する２方向の偏光成
分の位相差が９０°（すなわち２つの偏光成分の光路差
が波長λの１／４）となる電圧（以下λ／４波長電圧と
呼ぶ）をかけることにより、紙面に平行な直線偏光成分
は紙面に垂直な偏光成分に変換される。すなわち直線偏
光成分が光軸に対して９０°回転する。従って、Ｑ−ス
イッチ１１に紙面に平行な直線偏光成分のみを有する光
を入射させた場合、この光は、Ｑ−スイッチ１１に電圧
を印加していない状態においては、第１の端面１１ａを
透過し、Ｑ−スイッチ１１に上記のλ／４波長電圧をか
けることにより、第１の端面１１ａで全反射されるよう
になる。このような作用により、Ｑ−スイッチ１１は、
直線偏光を透過させる状態と反射させる状態とに切り替
わり、光スイッチとして働くこととなる。なお、Ｑ−ス
イッチが光スイッチとして働くためには、上記の２方向
の偏光成分の光路差を正確にλ／４にする必要がある
が、λは波長であるので、波長が変われば、λ／４の絶
対値も変化し、それに応じてＱ−スイッチにかけるべき
電圧も変化する。すなわち、λ／４波長電圧は波長の値
に応じて変化させなければならない。図２及び図３に、
波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す。

【００１９】また、図４は、Ｑ−スイッチ１１の形状を
示す図である。この図において、Ｑ−スイッチの電極１
１ｃは、既に述べたように平行四辺形状に形成されてい
るが、電極を平行四辺形にするのは、レーザービームは
ある太さを有しているので、その太さの両端部が電極を
通過する距離が同じになるようにするためである。な
お、Ｑ−スイッチ１１から出力される光の出射角度は波
長により異なり、例えば、７００ｎｍの波長光の出射角
度は、第１の端面１１ａの垂線に対して６６.８７°で
あり、８２０ｎｍの波長光の出射角度は６５.１５°と
なる。

【００２０】Ｑ−スイッチ１１には、上記の直流可変電
源８が接続されており、この直流可変電源８とＱ−スイ
ッチ１１の間にはアバランシュトランジスタ９が接続さ
れている。アバランシュトランジスタ９は、電気シャッ
タとして働き、このトランジスタがＯＮしているときに
は、直流可変電源８からの電圧はグランドに落とされ、
ＯＦＦしているときには、直流可変電源８からの電圧
（λ／４波長電圧）は、E/O型のＱ−スイッチ１１に供
給される。すなわち、アバランシュトランジスタ９のＯ
Ｎ、ＯＦＦを制御することにより、Ｑ−スイッチ１１に
加えられるλ／４電圧値の有無をコントロールすること
ができ、Ｑ−スイッチ１１がレーザ光を透過させる時間
と遮断する時間とが制御される。すなわちパルス発振が
可能となる。直流可変電源８及びアバランシュトランジ
スタ９は、ともにマイクロコンピュータ７に接続されて
おり、電源の電圧値及びトランジスタのＯＮ、ＯＦＦの
タイミングが制御される。

【００２１】Ｑ−スイッチ１１の左方には、回転軸Ｏを
中心に、紙面と平行な面内で回動する回動板３０が配置
されており、この回動板３０上には、７００ｎｍから８
２０ｎｍの波長の光を全反射する全反射ミラー３が配置
されている。また、Ｑ−スイッチ１１と全反射ミラー３
の間には重フリントガラスからなる分光プリズム１０が
Ｑ−スイッチ１１と同じ基台上に固定されている。分光
プリズム１０の頂角は、５９.９６°に設定されてお
り、プリズム１０の第１面１０ａの垂線と入射する７５
０ｎｍの波長の光とのなす角が、ブリュースター角とな
るように配慮されているとともに、プリズムの第２面１
０ｂの垂線と出射する７５０ｎｍの光とのなす角もブリ
ュースター角になるように配慮されている。このように
分光プリズム１０にもブリュースター角をつけておくこ
とにより、Ｑ−スイッチ１１の第１の端面１１ａを透過
した光の分光プリズム１０に対する透過率が向上する。
回動板３０のイニシャル位置において、全反射ミラー３
の反射面は、分光プリズム１０から出射される７５０ｎ
ｍの波長の光を垂直に反射するように配置されている。
分光プリズム１０から出射される光の出射角度は波長に
より異なっており、回動板３０を回転中心Ｏの回りに回
動させることにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの光をそ
れぞれ垂直に反射する角度に全反射ミラー３を調節する
ことができる。これにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの
任意の波長の光を元の光路に反射させて、後述する出力
ミラー１４との間で共振させ、任意の波長のレーザ光と
して出力させることができる。なお、回動板３０の回転
中心Ｏと全反射ミラー３との距離は、この実施形態にお
いては、１４０ｍｍに設定されている。

【００２２】回動板３０の下端には、ピン３１が設けら
れており、このピン３１を直進移動機構３２によって押
すことにより、回動板３０が中心軸Ｏの回りに回動す
る。回動板３０の右側部には、ピン３１を直進移動機構
３２のロッド３４に常に接触させるように、回動板３０
を図中反時計回りに付勢するためのバネ２３が接続され
ている。直進移動機構３２は、上記のピン３１を押すた
めのロッド３４と、このロッド３４を図中左右方向に移
動させるための送りネジ３６と、送りネジ３６を回転さ
せるためのステッピングモータ２と、ステッピングモー
タ２の回転角度を検出するためのエンコーダ１とから構
成されている。エンコーダ１からの検出信号は、マイク
ロコンピュータ７に入力され、演算処理されて回動板３
０の回転角度に変換され、さらに発振されるレーザ光の
波長に換算される。また、モータ２には、ドライバ６が
接続され、このドライバ６は、さらにマイクロコンピュ
ータ７に接続され、結果的にステッピングモータ２の回
転がマイクロコンピュータ７によって制御される。

【００２３】一方、アレキサンドライトロッド１２の右
方には、全反射ミラー３との間でレーザ共振器を構成す
るように、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの波長の光を３０％
反射する出力ミラー１４が配置されている。出力ミラー
１４のさらに右方には、出力ミラーを透過した出力ビー
ムを一部取り出すためのビームスプリッター１５が配置
されており、このビームスプリッター１５で光軸と垂直
方向に取り出されたレーザ光は、モノクロメータ２０に
入力される。モノクロメータ２０に入力されたレーザ光
は、フォトダイオード２１に向けて出力される。フォト
ダイオード２１は、入力されたレーザ光を光電変換し、
レーザ光のパルス波形をオシロスコープ２２に表示させ
る。これによりパルス発振されたレーザ光のパルス波形
をモニターすることができる。

【００２４】また、ビームスプリッター１５のさらに右
方には、上述した光学系にＨｅ−Ｎｅレーザ１９からの
レーザ光を入射させるための光学系を構成するミラー１
６,１８とポラライザー１７が配置されている。Ｈｅ−
Ｎｅレーザ１９からのレーザ光は、上述した光学系のア
ライメントのために使用される。

【００２５】次に、上記のように構成されるレーザ装置
の動作について説明する。

【００２６】まずＨｅ−Ｎｅレーザ１９をガイドビーム
として発光させて、そのレーザ光をポラライザー１７で
紙面と平行な直線偏光とし、光学系１８,１７,１６,１
５を介してメインの光学系を構成する出力ミラー１４、
アレキサンドライトロッド１２、Ｑ−スイッチ１１、分
光プリズム１０に入射させ、全反射ミラー３で反射され
たレーザ光がＨｅ−Ｎｅレーザ１９の出射口に戻るよう
に、各光学部品を調整した。

【００２７】次に、Ｈｅ−ＮｅガイドレーザビームをＱ
−スイッチ１１の第２の端面に垂直に入射させ、ブリュ
ースター角のついた第１の端面から出射したレーザ光を
ポラライザーで入射光ビームの偏光方向と直交させた。
そして、ガイド光ビームの入射端で半透明の紙を用いて
散乱光とし、出射端のポラライザーの後ろに白い紙のス
クリーンを設置し、干渉縞を見ながらＱ−スイッチ１１
を調整して干渉縞の十字中心部をガイド光ビームと一致
するようにした。そして全反射ミラー３を正確に出力ミ
ラー１４と平行になるように再調整した。

【００２８】次に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１９を消灯して、
キセノンフラッシュランプ１３を点灯させ、１０Ｈｚで
アレキサンドライトロッド１２を励起させた。その後、
ステッピングモータ２を回転させて、回動板３０を０.
００２８ｒａｄ／ｓｅｃの速度で時計回転方向に回動さ
せ、オシロスコープ２２を見ながらレーザ光が発振され
るまで回動を続けた。このとき、前もってモノクロメー
タ２０を７５０ｎｍの波長を検出するように調整してお
けば、７５０ｎｍのレーザ光の発振のみを検出すること
ができる。

【００２９】このようにして、７５０ｎｍの波長のレー
ザ光が発振した状態において、ステッピングモータ２の
回転角をエンコーダ１で検出する。このときの検出値か
ら直進移動機構の３２の移動量Δｘを求めることができ
る。このΔｘと、波長の変換量Δλとは、回動板３０の
回転角をθ、全反射ミラー３の回動半径をＲとすると、 Δｘ＝Ｒ・Δλ・ｄθ／ｄλ の関係が成り立つ。従って、エンコーダ１の検出値か
ら、現在発振しているレーザ光の波長λを算出すること
ができる。

【００３０】このようにして求められた波長λを図２に
示す式に代入し、λ／４波長電圧を求めると、エンコー
ダ１の検出信号に対応するλ／４波長電圧を算出するこ
とができる。この処理をマイクロコンピュータ７で行
い、直流可変電源８の電圧値をλ／４波長電圧に制御す
ることにより、７００ｎｍ〜８２０ｎｍの任意の波長に
対応するλ／４波長電圧が、自動的にＱ−スイッチ１１
に印加されることとなり、連続可変波長のレーザ光に対
して、Ｑ−スイッチ１１を自動対応させることができ
る。

【００３１】なお、本発明は、その主旨を逸脱しない範
囲で、上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能
である。

【００３２】例えば、上記の実施形態では、直進移動機
構のエンコーダからの信号を基に、現在発振しているレ
ーザ光の波長を求めるようにしたが、これに限定される
ことなく、発振させようとするレーザ光の波長と、全反
射ミラー３の回動角と、λ／４波長電圧との関係を予め
テーブルとしてマイクロコンピュータ内に記憶してお
き、このテーブルに基づいて、全反射ミラー３の回動角
と、直流可変電源８の電圧値とを制御するようにしても
よい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の波長連続
可変レーザ装置によれば、連続可変波長範囲の全域に渡
って高周波数の安定したパルス発振をさせることができ
る波長連続可変レーザ装置を提供することができる。

【００３４】

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態の波長連続可変レーザ装置５０の構
成を示す全体平面図である。

【図２】波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す図であ
る。

【図３】波長λとλ／４波長電圧Ｖの関係を示す図であ
る。

【図４】Ｑ−スイッチの形状を示す図である。

【符号の説明】

１エンコーダ２ステッピングモータ３全反射ミラー６ドライバ７マイクロコンピュータ８直流可変電源９アバランシュトランジスタ１０分光プリズム１１Ｑ−スイッチ１２アレキサンドライトロッド１３キセノンフラッシュランプ１４出力ミラー１５ビームスプリッター１６,１８ミラー（４５°全反射対６３２.８ｎｍ）１７ポラライザー１９Ｈｅ−Ｎｅレーザ２０モノクロメータ２１フォトダイオード２２オシロスコープ２３バネ３０回動板３１ピン３２直進移動機構３４ロッド３６送りネジ５０レーザ装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を発振するためのレーザ媒体
と、該レーザ媒体を励起させるための励起光源と、前記レーザ媒体の後方の光軸上に配置され、所定の反射
率を有するミラーと、前記レーザ媒体の前方の光軸上に配置され、電圧の印加
状態によりレーザ光を透過させる状態と遮断する状態と
を切り替えるE/O型のＱ−スイッチと、該Ｑ−スイッチから出射された複数の波長の光を分光す
るプリズムと、該プリズムを透過した光を全反射する全反射ミラーと、前記全反射ミラーが前記レーザ光の光軸となす角を変更
するための角度変更手段と、発振させようとするレーザ光の波長に応じて前記Ｑ−ス
イッチに印加する電圧値を制御する制御手段とを具備す
ることを特徴とする波長連続可変レーザ装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記角度変更手段の角
度変更情報に基づいて、前記Ｑ−スイッチに印加する電
圧値を制御することを特徴とする請求項１に記載の波長
連続可変レーザ装置。
【請求項３】前記レーザ媒体は、アレキサンドライト
結晶ロッドであることを特徴とする請求項１に記載の波
長連続可変レーザ装置。
【請求項４】前記ミラーは、７００ｎｍ〜８２０ｎｍ
の波長の光に対して略３０％の反射率を有することを特
徴とする請求項１に記載の波長連続可変レーザ装置。
【請求項５】前記Ｑ−スイッチは、一端面が前記レー
ザ光の光軸と垂直な面に形成され、他端面が波長７５０
ｎｍの光に対して前記レーザ光の光軸とブリュースター
角度をなす斜面に形成されていることを特徴とする請求
項１に記載の波長連続可変レーザ装置。
【請求項６】前記Ｑ−スイッチは、平行四辺形の電極
を有するＬｉＮｂＯ ₃の端結晶からなるE/O型のＱ−スイ
ッチであることを特徴とする請求項５に記載の波長連続
可変レーザ装置。
【請求項７】前記全反射ミラーは基台上に配置され、
前記角度変更手段は、該基台を所定の中心軸回りに回動
させることを特徴とする請求項１に記載の波長連続可変
レーザ装置。