JPH10242546A - 光学素子の温度制御装置及びレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、光学素子の温度を高温で制御でき、
かつ０．１℃程度の高い温度制御性および安定性を有す
る小型の温度制御装置を提供すること、および出力安定
性に優れたレーザ発振器を提供することを目的とする。 【解決手段】ホルダ３４の一方の伝熱部３４ａに抵抗発
熱体として抵抗発熱線３１が巻かれ、他方の伝熱部３４
ｂにペルチエ素子３２が接着され、ホルダ３４の中央部
にある支持部３４ｃに光学素子３３が保持されており、
ペルチェ素子３２の出力が制御されることでホルダ３４
の温度勾配が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非線形光学結晶等
の光学素子を温度制御する温度制御装置、およびその温
度制御装置を有するレーザ発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザの基本発振光を第２高
調波などの実用性の高い光に変換する場合に、レーザ発
振器内に、しばしば、光学素子の一種である非線形光学
結晶等が設置される。この非線形光学結晶は所定の温度
において変換効率が高いため、非線形光学結晶が使用さ
れる際にはその温度が制御されることが多い。

【０００３】一般に、レーザ発振器内の光学素子の温度
制御は、８０℃未満の温度では、光学素子を支持した支
持体に熱的に接触しているペルチエ素子の発熱量および
吸熱量が制御されることによって行われる。一方、８０
℃以上での温度制御は従来他の温度制御方法により行わ
れている。８０℃以上の温度における従来技術を図１に
示す。光学素子の支持体１１は例えば銅製であって、貫
通孔１１ａが開けられており、その貫通孔１１ａ内には
光学素子１２が挿入されている。支持体１１に近設して
巻き付けられたタングステンなどの抵抗発熱体１０の発
熱量が制御されることにより光学素子の温度が制御され
る。

【０００４】このように８０℃を境にして温度制御方法
が異なるのはペルチエ素子の構成部品の接合に８０℃程
度で融解する半田材が使用されているためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】抵抗発熱体はペルチェ
素子に較べて発熱量が小さく、光学素子を昇温する場合
には時間がかかる。また抵抗発熱体自身には冷却機能が
なく、従って抵抗発熱体が温度制御に用いられる場合に
は発熱量の制御だけで温度の制御が行われるため、温度
制御性や応答性はペルチェ素子を用いた場合に較べてか
なり悪い。このため、温度制御される対象物の熱容量が
大きい場合には、所望の温度に対して大きく上下に行き
過ぎが繰り返されることが多く、所望の温度に安定する
までには長い時間が必要である。また、外乱等の影響を
受けて温度が変化した場合には、再び元の温度に戻るま
でに長い時間が必要である。さらに、光学素子を取り替
える際には装置を冷却する必要があるが、自然冷却では
温度が下がるのに時間がかかり、短時間で冷却するため
には別の機構による強制冷却が必要である。

【０００６】抵抗発熱体により光学素子を温度制御する
場合の温度制御性は具体的には０．５℃程度が限度であ
って制御性が低く、温度安定性も同程度である。このた
め、０．１℃程度の高い温度制御性が要求される、レー
ザ装置内に組み込まれた光学素子を抵抗発熱体で温度制
御する場合には、レーザ発振の出力や発振波長が変動す
る可能性が高い。また、抵抗発熱体を用いた温度制御装
置は、温度制御性などを高めるために必要な、大きな発
熱量を得るために、多量の抵抗発熱体を必要とするため
比較的大型であり、小型のレーザ発振器内に組み込むこ
とが難しい。

【０００７】これに対してペルチェ素子は、電流を流す
方向によって加熱と冷却の切替えが可能であり発熱量も
大きいため、ペルチェ素子を用いた温度制御装置は、所
望の温度に短時間に達することができ、温度制御性およ
び温度安定性に優れ、かつ外乱等による温度の変動に対
する応答性もよい。またペルチェ素子を用いた温度制御
装置は小型化が容易であるため狭いレーザ発振器内に設
置することができる。

【０００８】しかし上記のように、半田材を用いたペル
チェ素子では８０℃以上の温度には耐えられない。本発
明は、上記事情に鑑み、光学素子の温度を高温で制御で
き、かつ温度制御性および温度安定性に優れた小型の温
度制御装置を提供すること、および出力安定性に優れた
レーザ発振器を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の温度制御
装置は、光学素子が支持された支持体と、融点が２００
℃を超えるロウ材で接合された複数の構成部品を有し前
記支持体の温度を制御することにより該支持体に支持さ
れた光学素子の温度を制御するペルチェ素子とを備えた
ことを特徴とする。

【００１０】本発明の第２の温度制御装置は、光学素子
が支持される支持部を中央部に有するとともに該支持部
の両側それぞれから延在する伝熱部を有するホルダと、
前記ホルダの一方の伝熱部に固定された抵抗発熱体と、
前記ホルダの他方の伝熱部に固定されたペルチェ素子と
を備えたことを特徴とする。

【００１１】本発明の第１のレーザ発振器は、光共振器
内の光軸上に配置された光学素子と、該光学素子の温度
を制御する温度制御装置とを備えたレーザ発振器におい
て、前記温度制御装置が、前記光学素子が支持された支
持体と、融点が２００℃を超えるロウ材で接合された複
数の構成部品を有し前記支持体の温度を制御することに
より該支持体に支持された光学素子の温度を制御するペ
ルチェ素子とを備えた装置であることを特徴とする。

【００１２】本発明の第２のレーザ発振器は、光共振器
内の光軸上に配置された光学素子と、該光学素子の温度
を制御する温度制御装置とを備えたレーザ発振器におい
て、前記温度制御装置が、光学素子が支持される支持部
を中央部に有するとともに該支持部の両側それぞれから
延在する伝熱部を有するホルダと、前記ホルダの一方の
伝熱部に固定された抵抗発熱体と、前記ホルダの他方の
伝熱部に固定されたペルチェ素子とを備えたものである
ことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図２は、本発明の第１の温度制御装置の一実
施形態を示した正面図（ａ）、および側面図（ｂ）であ
る。銅製の支持体２１には断面四角形の貫通孔２１ａが
開けられており、光学素子として非線形光学結晶の一種
であるＬＢＯ結晶２２が挿入されている。また支持体２
１にはＬＢＯ結晶２２に近接して直径１ｍｍ程度の穴２
１ｂが開けられていて、熱電対２３が挿入されている。
さらに、支持体２１には、ペルチェ素子２０の一面が固
定されている。このペルチエ素子２０はＡｕＳｎを主と
するロウ材により複数の半導体部品２０ａや伝熱板２０
ｂが接合された構造のものである。ペルチェ素子２０の
他面はレーザ装置の基板２７に固定されている。なお図
２には単段のペルチェ素子が示されているが、必要に応
じて多段のペルチェ素子を用いてもよい。支持体２１の
外側にはテフロン製のカバー２４が取り付けられてい
る。

【００１４】ペルチエ素子２０が適切な方向に通電され
ると支持体２１に接触する側の面が発熱し支持体２１が
加熱され、熱伝導によって支持体内部のＬＢＯ結晶２２
が加熱される。熱電対２３によって検出される温度のデ
ータに基づいて、ペルチェ素子２０に流れる電流の量や
通電時間が制御され、あるいは通電の方向が逆転される
ことによって、ＬＢＯ結晶２２の温度が制御される。カ
バー２４により外乱の影響が緩和されることで温度の安
定化が計られている。

【００１５】支持体２１の貫通孔２１ａに挿入されたＬ
ＢＯ結晶２２を波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ
光に対して位相整合の状態にする場合には、ＬＢＯ結晶
２２は位相整合温度である１４０℃程度に加熱、制御さ
れる。この場合の温度制御性は０．０１℃以下と高く、
波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ光２５が照射さ
れることにより、ＬＢＯ結晶２２は波長５３２ｎｍの第
２高調波２６を安定して発生する。

【００１６】本発明の第１の温度制御装置は、例えばＡ
ｕＳｎなどの２００℃を越える高温まで融解しないロウ
材が用いられている近年開発され実用化されたペルチエ
素子を利用することで２００℃までの加熱を可能とす
る。しかし、本発明の第１の温度制御装置で２００℃以
上の温度を制御することは困難である。一方で、近年レ
ーザの使用波長帯が拡大し、また光学素子内に生じた欠
陥を熱的に除去する必要性が生じたため、２００℃を越
える高い温度で光学素子を使用することが強く求められ
ている。上記の事情に応えたものが、本発明の第２の温
度制御装置である。

【００１７】図３は、本発明の第２の温度制御装置の一
実施形態を示した正面図（ａ）、側面図（ｂ）、および
その温度勾配を示すグラフ（ｃ）である。銅製のホルダ
３４０の一方の伝熱部３４１に抵抗発熱体として抵抗発
熱線３１０が巻かれており、他方の伝熱部３４２にペル
チエ素子３２０の一面が接着されている。ペルチェ素子
３２０の他面はレーザ装置の基板３６０に固定されてい
る。なお図３には単段のペルチェ素子が示されている
が、図２に示す実施形態の場合と同様、必要に応じて多
段のペルチェ素子を用いてもよい。ホルダ３４０の中央
部にある支持部３４３には断面四角形の貫通孔３４３ａ
が開けられており、光学素子３３０が挿入されている。
支持部３４３には、光学素子３３０に近接して直径１ｍ
ｍ程度の穴３４３ｂが開けられていて、熱電対３５０が
挿入されている。

【００１８】抵抗発熱線３１０には、光学素子３３０近
傍の温度が例えば２００℃を越えたあたりの温度にまで
上昇するように常に定まった量の電流が通電される。抵
抗発熱線３１０で発生した熱は伝熱部３４１を伝わって
支持部３４３に到達し、貫通孔３４３ａに挿入された光
学素子３３０に達する。さらにこの熱は伝熱部３４２を
伝わってペルチエ素子３２０に到達する。抵抗発熱線３
１０で発生する熱がペルチェ素子３２０に伝わる間に、
その熱が放射冷却等によって奪われるため、ホルダ３４
０には、縦軸にホルダ３４０上の位置をとり横軸に温度
をとれば、図３（ｃ）のグラフに示すような、抵抗発熱
線３１０の側で高くペルチェ素子３２０の側で低い温度
勾配が生じる。そのため、光学素子３３０の温度が２０
０℃を越えていても、ホルダ３４０の形状を工夫するこ
とによりペルチエ素子３２０の温度はその接合材の融点
未満となるので、ペルチェ素子自身は安全である。

【００１９】ペルチェ素子３３０の融点未満の温度まで
はペルチェ素子３３０によるホルダ３４０の加熱が可能
であり、一旦加熱がすめば、抵抗発熱線３１０の発熱量
はペルチェ素子３３０まで伝熱する間に失われる分の熱
を補うだけでよいので、抵抗発熱線３１０を比較的少量
にでき、抵抗発熱線が使われていても装置全体を小型化
できる。

【００２０】熱電対３５０により検出された温度のデー
タに基づいてペルチェ素子３２０の出力を制御すると温
度勾配が制御され、間接的に光学素子３３０の温度が制
御される。この結果ペルチエ素子の温度制御性の高さが
生かされて、０．１℃程度の高い温度制御性が得られ
る。図４は、本発明の第１のレーザ発振器の一実施形態
を示した図である。

【００２１】レーザ発振器４０はＮｄ：ＹＡＧレーザ発
振器であって、４枚の共振用ミラー４１，４２，４３，
４４と、ミラー４３および４４の間にあるＮｄ：ＹＡＧ
結晶４５とで構成されたいわゆるＺ型共振器を有する。
ミラー４１と４２の間の光軸上に、図２に示す温度制御
装置４８が設置されており、温度制御装置４８の支持体
には非線形光学結晶の一種であるＬＢＯ結晶が挿入され
ている。

【００２２】Ｎｄ：ＹＡＧ結晶４７は半導体レーザ素子
４５の発振光によってレンズ４６およびミラー４３を介
して光励起される。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶４７内で発生する
波長１０６４ｎｍの基本発振光４９は、温度制御装置の
支持体に挿入されたＬＢＯ結晶によって波長変換され、
波長５３２ｎｍの第２高調波５０が発生する。第２高調
波５０は、ミラー４２を通して共振器の外へ取り出され
る。ＬＢＯ結晶の温度は位相整合温度である１４０℃程
度の温度に調節され、ＬＢＯ結晶が高い温度制御性の下
で温度制御されることによって安定した出力で波長５３
２ｎｍのレーザ光が発生する。

【００２３】図５は、本発明の第２のレーザ発振器の一
実施形態を示した図である。レーザ発振器６０はＡｒレ
ーザ発振器であって、２枚の共振用ミラー６１，６２
と、それらの間に配置され、Ａｒガスを封じ込めて放電
により励起、発光させるレーザ管６３とからなる共振器
を有する。その共振器内の光軸上には図３に示す温度制
御装置６４が設置されており、この温度制御装置６４の
ホルダには非線形光学結晶の一種であるＢＢＯ結晶が挿
入されている。

【００２４】レーザ管６３から発生した波長４８８ｎｍ
の基本発振光６５が、２５０℃という高温の状態に温度
制御されているＢＢＯ結晶に入射されることにより、そ
のＢＢＯ結晶が波長２４４ｎｍの第２高調波６６を発生
する。第２高調波６６は、ミラー６１を通して共振器の
外へ取り出される。波長２４４ｎｍの第２高調波６６は
紫外光であるため、ＢＢＯ結晶の内部に欠陥を生じる
が、ＢＢＯ結晶が上記のような高温の状態に保持されて
いることにより、第２高調波によって生じた結晶内部の
欠陥が除去され、レーザ発振の信頼性が向上する。同時
に高い温度制御性により安定した出力で波長２４４ｎｍ
のレーザ光が発生する。

【００２５】

【発明の効果】本発明の第１の温度制御装置によれば、
８０℃以上の高温であっても光学素子の温度を小型の装
置で高い温度制御性でかつ高安定に加熱、制御すること
ができる。本発明の第２の温度制御装置によれば、２０
０℃以上の高温であっても光学素子の温度を高い温度制
御性でかつ高安定に加熱、制御することができる。

【００２６】本発明の第１および第２のレーザ発振器に
よれば、安定したレーザ出力を得ることができる。特に
本発明の第２のレーザ発振器によれば、レーザ発振の信
頼性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学素子の温度制御方法の従来技術を示す図で
ある。

【図２】本発明の第１の温度制御装置の一実施形態を示
す正面図（ａ）、側面図（ｂ）である。

【図３】本発明の第２の温度制御装置の一実施形態を示
す正面図（ａ）、側面図（ｂ）およびその温度勾配を示
すグラフ（ｃ）である。

【図４】本発明の第１のレーザ発振器の一実施形態を示
す図である。

【図５】本発明の第２のレーザ発振器の一実施形態を示
す図である。

【符号の説明】

２０，３２０ ペルチェ素子 ２０ａ 半導体部品 ２０ｂ 伝熱板 １１，２１ 支持体 １２，２２，３３０ 光学素子 ３１０ 抵抗発熱線 ３４０ ホルダ ３４１，３４２ 伝熱部 ３４３ 支持部 ４０，６０ レーザ発振器 ４１，４２，４３，４４，６１，６２ 共振用ミラー ４８，６４ 温度制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学素子が支持された支持体と、 融点が２００℃を超えるロウ材で接合された複数の構成
   部品を有し前記支持体の温度を制御することにより該支
   持体に支持された光学素子の温度を制御するペルチェ素
   子とを備えたことを特徴とする温度制御装置。
2. 【請求項２】 光学素子が支持される支持部を中央部に
   有するとともに該支持部の両側それぞれから延在する伝
   熱部を有するホルダと、 前記ホルダの一方の伝熱部に固定された抵抗発熱体と、 前記ホルダの他方の伝熱部に固定されたペルチェ素子と
   を備えたことを特徴とする温度制御装置。
3. 【請求項３】 光共振器内の光軸上に配置された光学素
   子と、該光学素子の温度を制御する温度制御装置とを備
   えたレーザ発振器において、 前記温度制御装置が、 前記光学素子が支持された支持体と、 融点が２００℃を超えるロウ材で接合された複数の構成
   部品を有し前記支持体の温度を制御することにより該支
   持体に支持された光学素子の温度を制御するペルチェ素
   子とを備えた装置であることを特徴とするレーザ発振
   器。
4. 【請求項４】 光共振器内の光軸上に配置された光学素
   子と、該光学素子の温度を制御する温度制御装置とを備
   えたレーザ発振器において、 前記温度制御装置が、 光学素子が支持される支持部を中央部に有するとともに
   該支持部の両側それぞれから延在する伝熱部を有するホ
   ルダと、 前記ホルダの一方の伝熱部に固定された抵抗発熱体と、 前記ホルダの他方の伝熱部に固定されたペルチェ素子と
   を備えたものであることを特徴とするレーザ発振器。