レーザシステム
【課題】高調波光を安定して出射することが可能なレーザシステムを提供すること。
【解決手段】本発明は、レーザ光２４を発振するＤＦＢレーザ１２と、ＤＦＢレーザ１２の温度を調節するヒータ１４と、レーザ光２４をレーザ光２４の高調波光３４に変換する高調波生成素子１８と、を有するレーザモジュール１０と、高調波生成素子１８で変換された高調波光３４の強度を高調波生成素子１８で高調波光３４に変換されずに高調波生成素子１８を通過した非変換光３６の強度で規格化した規格化高調波光の強度が所定の強度になるようにヒータ１４に注入するヒータ電流２８を制御する制御部４０と、を具備するレーザシステム１００である。
【解決手段】本発明は、レーザ光２４を発振するＤＦＢレーザ１２と、ＤＦＢレーザ１２の温度を調節するヒータ１４と、レーザ光２４をレーザ光２４の高調波光３４に変換する高調波生成素子１８と、を有するレーザモジュール１０と、高調波生成素子１８で変換された高調波光３４の強度を高調波生成素子１８で高調波光３４に変換されずに高調波生成素子１８を通過した非変換光３６の強度で規格化した規格化高調波光の強度が所定の強度になるようにヒータ１４に注入するヒータ電流２８を制御する制御部４０と、を具備するレーザシステム１００である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザシステムに関し、特にレーザ光の高調波光を出射するレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を出力するレーザシステムは、様々な分野で用いられている。特に、安価なレーザシステムには、半導体レーザが用いられている。しかしながら、半導体レーザには、発振が困難な波長帯の光（例えば、グリーン光）がある。そこで、ＤＰＳＳ（ダイオード励起固体レーザ）方式を用いて、半導体レーザでは発振が困難な波長帯の光を出射する方法が知られている。
【０００３】
ＤＰＳＳ方式では、レーザディスプレイ用途などで要求される、例えば５００ＭＨｚ程度の高速変調が困難である。そこで、半導体レーザが出射したレーザ光を非線形光学素子で高調波光に変換して出射するレーザシステムが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１３２５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のレーザシステムにおいて、非線形光学素子における高調波への変換効率を高めようとすると、許容される波長範囲が狭くなってしまう。半導体レーザと非線形光学素子とは異なる波長温度係数を有する。また、半導体レーザと非線形光学素子とは個別素子ごとに波長特性にバラツキも有する。このため、例えば、半導体レーザと非線形光学素子とが搭載されたレーザモジュールの温度が変化した場合に、レーザ光の波長を高効率で変換可能な波長範囲内に調整することは容易ではない。
【０００６】
また、半導体レーザの温度が局所的に変化する場合や半導体レーザそのものの特性が変化する場合がある。この場合、レーザモジュールの温度に基づいてレーザ光の波長を高効率で変換可能な波長範囲内に調整することは難しく、高調波光の強度が低下してしまう場合がある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高調波光を安定して出射することが可能なレーザシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、レーザ光を発振するレーザと、前記レーザの温度を調節するヒータと、前記レーザ光を前記レーザ光の高調波光に変換する高調波生成素子と、を有するレーザモジュールと、前記高調波生成素子で変換された前記高調波光の強度を前記高調波生成素子で前記高調波光に変換されずに前記高調波生成素子を通過した非変換光の強度で規格化した規格化高調波光の強度が所定の強度になるように前記ヒータに注入するヒータ電流を制御する制御部と、を具備することを特徴とするレーザシステムである。本発明によれば、レーザ光の波長変化を補正でき、高調波生成素子から高調波光を安定して出射させることができる。
【０００９】
上記構成において、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度となる前記レーザ光の波長は、前記高調波生成素子による前記高調波光への変換効率が最大となる波長からずれた波長である構成とすることができる。この構成によれば、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせこむヒータ電流の制御が容易となる。
【００１０】
上記構成において、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度となる前記レーザ光の波長は、前記高調波生成素子で前記高調波光に変換可能な波長範囲内の波長である構成とすることができる。この構成によれば、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせこむヒータ電流の制御が容易となると共に、高調波生成素子から出射される高調波光の強度を大きくできる。
【００１１】
上記構成において、前記制御部は、前記レーザを駆動する駆動電流を固定した状態で、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度になるように前記ヒータに注入するヒータ電流を制御する構成とすることができる。この構成によれば、規格化高調波光の強度を所定の強度にする制御が容易にできる。
【００１２】
上記構成において、前記レーザモジュールの温度と前記ヒータに投入するヒータ電力とを対応付けたテーブルを記憶する記憶部を具備し、前記制御部は、周期的に、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度になるように制御した前記ヒータ電流に基づいて前記テーブルに新たなヒータ電力を書き込むと共に、前記レーザシステムの電源が投入された際に、前記テーブルを参照して前記ヒータにヒータ電流を注入する構成とすることができる。この構成によれば、レーザシステムの立ち上げ後、高調波生成素子から高調波光を素早く出射させることができる。
【００１３】
上記構成において、前記制御部は、前記テーブルに予め書き込まれていた前記ヒータ電力の初期値と前記テーブルに新たに書き込んだ前記ヒータ電力の値との差分が所定の閾値を超えた場合にエラーを出力する構成とすることができる。この構成によれば、特性劣化したレーザモジュールの判別および排除が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザ光の波長変化を補正でき、高調波生成素子から高調波光を安定して出射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は実施例１に係るレーザシステムの例を示すブロック図である。
【図２】図２はＤＦＢレーザおよびＳＯＡの例を示す断面模式図である。
【図３】図３はレーザ光の波長に対する高調波生成素子の変換効率の例を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）はＤＦＢレーザの駆動電流に対するレーザ光の波長の変化の例を示す模式図であり、図４（ｂ）はヒータ電力に対するレーザ光の波長の変化の例を示す模式図である。
【図５】図５は実施例１に係るレーザシステムの制御部の制御の例を示すフローチャート（その１）である。
【図６】図６は実施例１に係るレーザシステムの制御部の制御の例を示すフローチャート（その２）である。
【図７】図７（ａ）はレーザ光の波長に対する高調波光の強度および非変換光の強度の例を示す模式図であり、図７（ｂ）はレーザ光の波長に対する規格化高調波光の強度の例を示す模式図である。
【図８】図８はＤＦＢレーザの発振波長特性の例を示す模式図である。
【図９】図９（ａ）は初期状態のテーブルの例を示す模式図であり、図９（ｂ）は更新後のテーブルの例を示す模式図である。
【図１０】図１０はレーザシステム使用開始時とテーブル更新時とにおける、レーザ光の波長に対する高調波光の強度の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１に係るレーザシステムの例を示すブロック図である。図１のように、実施例１に係るレーザシステム１００は、レーザモジュール１０と、制御部４０と、反射ミラー４２と、ビームスプリッタ４４と、第１の光検出器４６と、第２の光検出器４８と、記憶部５０と、を有する。レーザモジュール１０は、ＤＦＢ（分布帰還型）レーザ１２と、ヒータ１４と、光半導体増幅器（ＳＯＡ）１６と、高調波生成素子１８と、温度センサ２０と、レンズ２２と、を有する。ＳＯＡ１６と高調波生成素子１８とは、レンズ２２を介して光結合しており、ＳＯＡ１６から出射されたレーザ光２４は高調波生成素子１８に入射する。
【００１８】
ＤＦＢレーザ１２は、コルゲーションを有し単一波長のレーザ光２４を発振するレーザであり、例えば１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光２４を発振する。ＤＦＢレーザ１２は、制御部４０により駆動電流２６が注入されることで動作してレーザ光２４を発振する。ヒータ１４は、制御部４０によりヒータ電流２８が注入されることでＤＦＢレーザ１２の温度を調節する。ＳＯＡ１６は、制御部４０により駆動電流３０が注入されることでレーザ光２４の強度を所定の値に設定したり、強度変調したりする。なお、ＳＯＡ１６は、レーザ光２４の強度を変化させるが、レーザ光２４の波長は変化させない。ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６とは同一チップ上に形成されており、ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６の光軸は一致している。温度センサ２０は、レーザモジュール１０の温度をモニタし、制御部４０に温度モニタ値３２を出力する。
【００１９】
高調波生成素子１８は、非線形光学素子であり、入射されたレーザ光２４を高調波光３４に変換する。高調波生成素子１８は、例えばＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）であり、レーザ光２４の第２高調波光である例えば５３２ｎｍの波長を有する高調波光３４を出射する。
【００２０】
反射ミラー４２は、例えば赤外ミラーであり、高調波生成素子１８から出射された光のうち赤外光を反射してグリーン光である高調波光３４を透過させる。つまり、高調波生成素子１８に入射したレーザ光２４のうち、高調波生成素子１８で高調波光３４に変換されずに高調波生成素子１８を通過してきた非変換光３６を反射し、高調波生成素子１８で変換された高調波光３４を透過する。反射ミラー４２で反射された非変換光３６は、第１の光検出器４６に入射する。ビームスプリッタ４４は、高調波光３４の一部を分岐させて第２の光検出器４８に入射させる。第１の光検出器４６は、非変換光３６の強度をモニタし、非変換光モニタ信号５２を制御部４０に出力する。第２の光検出器４８は、高調波光３４の強度をモニタし、高調波モニタ信号５４を制御部４０に出力する。第１の光検出器４６および第２の光検出器４８は、例えばフォトダイオードなど、一般的な光検出器を用いることができる。記憶部５０は、レーザモジュール１０の温度とヒータ１４に投入するヒータ電力とを対応付けたテーブルが記憶されている。記憶部５０は、例えば不揮発性メモリなど、一般的な記憶媒体を用いることができる。制御部４０は、ＤＦＢレーザ１２を駆動する駆動電流２６と、ヒータ１４に注入するヒータ電流２８と、ＳＯＡ１６を駆動する駆動電流３０とを制御する。
【００２１】
なお、図１に示した、反射ミラー４２、ビームスプリッタ４４、第１の光検出器４６、および第２の光検出器４８は、レーザモジュール１０に内蔵している場合でもよい。また、反射ミラー４２およびビームスプリッタ４４はそれぞれ、第１の光検出器４６および第２の光検出器４８がそれぞれレーザ光２４の基本波だけを受光でき、高調波だけを受光できるように、レーザ光の基本波をカットするフィルタ特性および高調波をカットするフィルタ特性を有する場合が好ましい。さらに、第１の光検出器４６および第２の光検出器４８が、増幅回路を内蔵しているなどにより高感度化されていて、高調波生成素子１８からの漏れ光を受光することで高調波光３４および非変換光３６の強度をモニタできる場合は、反射ミラー４２やビームスプリッタ４４を削除する構成としてもよい。さらに、第１の光検出器４６と第２の光検出器４８とが一体形成されたデュアル構成であってもよい。
【００２２】
図２は、ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６の例を示す断面模式図である。図２のように、ｎ型ＧａＡｓ基板６０上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層６２が形成されている。基板６０下には電極６４が形成されている。ｎ型クラッド層６２上に、ＧａＡｓからなるベース層６６内にＩｎＡｓからなる量子ドット６８を有する量子ドット活性層７０が形成されている。量子ドット活性層７０上にｐ型ＧａＡｓからなるｐ型層７２が形成されている。ｐ型層７２上にｐ型ＩｎＧａＰからなるｐ型クラッド層７４が形成されている。ＤＦＢレーザ１２のｐ型層７２とｐ型クラッド層７４との間には出射するレーザ光２４の波長を決めるコルゲーション８６が形成されている。基板６０からｐ型クラッド層７４までは、コルゲーション８６以外は、ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６とで共通である。
【００２３】
ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６とのｐ型クラッド層７４上に、それぞれＰ＋ＧａＡｓからなるコンタクト層７６が形成されている。ＤＦＢレーザ１２において、コンタクト層７６上には電極７８が形成されている。電極７８上に酸化シリコンからなる絶縁膜８０が形成されている。絶縁膜８０上に例えばＰｔからなるヒータ１４が形成されている。ＳＯＡ１６において、コンタクト層７６上に電極８２が形成されている。制御部４０は、ワイヤ８４を介して電極７８、電極８２およびヒータ１４に電圧を印加する。電極６４は、一定電位に接続されている。例えば接地されている。
【００２４】
制御部４０は、ＤＦＢレーザ１２の電極７８に電圧を印加することにより、電極７８と電極６４との間に駆動電流２６を流す。これにより、量子ドット活性層７０で誘導放出が生じ、活性層７０付近にレーザ光２４が伝搬する。また、制御部４０は、ヒータ１４にヒータ電流２８を流すことにより、ＤＦＢレーザ１２の温度を制御する。さらに、制御部４０は、電極８２と電極６４との間に駆動電流３０を流すことにより、活性層７０内のレーザ光２４を増幅させる。駆動電流３０を変化させることにより、ＳＯＡ１６の増幅率が変化するため、ＳＯＡ１６から出射するレーザ光２４の強度を所定の値に設定したり、強度変調したりすることができる。
【００２５】
図３は、レーザ光２４の波長に対する高調波生成素子１８の変換効率の例を示す模式図である。図３のように、高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換効率は、例えば波長λ０で最大となり、λ０からずれると低下する。つまり、レーザ光２４の波長がλ０のときに高調波光３４の強度は最大となり、レーザ光２４の波長がλ０からずれると高調波光３４の強度は低下する。このように、高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換を高変換効率で行おうとすると、許容される波長範囲は領域３８のような狭い波長範囲となる。
【００２６】
図４（ａ）は、ＤＦＢレーザ１２の駆動電流に対するレーザ光２４の波長の変化の例を示す模式図である。図４（ｂ）は、ヒータ１４に投入するヒータ電力に対するレーザ光２４の波長の変化の例を示す模式図である。図４（ａ）および図４（ｂ）のように、駆動電流の大きさおよびヒータ電力の大きさが大きくなるに従い、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長は長波長側にシフトする。つまり、駆動電流の大きさおよびヒータ電力の大きさが変化するとＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長は変化する。ＤＦＢレーザ１２と高調波生成素子１８とは異なる波長温度係数を有するが、駆動電流の大きさおよびヒータ電力の大きさを制御することで、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４を高調波生成素子１８で高調波に高変換効率で変換可能な波長範囲内にできる。なお、レーザ光２４の波長は、ＳＯＡ１６の駆動電流３０にはほとんど依存しないため、光強度をＳＯＡ１６の駆動電流３０で制御し、波長をＤＦＢレーザ１２の駆動電流２６、およびヒータ１４のヒータ電流２８で制御することが望ましい。
【００２７】
次に、図５のフローチャートを用いて、制御部４０の制御の例について説明する。図５のように、レーザシステム１００の電源が投入されると、制御部４０は、ＤＦＢレーザ１２に駆動電流２６を注入してレーザ光２４を発振させる（ステップＳ１０）。駆動電流２６の大きさは所定の一定の大きさになるようにし、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の強度および波長が駆動電流２６により変動しないようにする。
【００２８】
次いで、制御部４０は、温度センサ２０で出力された温度モニタ値３２からレーザモジュール１０の温度を把握する。そして、制御部４０は、記憶部５０に記憶されたテーブルからレーザモジュール１０の温度に応じたヒータ電力を求めてヒータ１４にヒータ電流２８を投入する（ステップＳ１２）。前述したように、レーザモジュール１０の温度が変化するとＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長が変化する。図３のように、高調波生成素子１８での高調波光３４への変換効率はレーザ光２４の波長に依存するため、レーザ光２４の波長の変化は高調波光３４の強度に影響を及ぼすことになり好ましくない。このため、レーザ光２４の波長が所定の波長になるように、レーザモジュール１０の温度に応じてヒータ１４に投入するヒータ電力を変化させる。これにより、高調波生成素子１８から所定の強度の高調波光３４を出射させることができる。したがって、テーブルには、レーザ光２４の波長が所定の波長になるような、レーザモジュール１０の温度とヒータ電力との対応関係が書き込まれている。所定の波長は、高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換効率が最大となる波長から少し長波長側にずれ、且つ高調波生成素子１８による高調波光３４への変換が高変換効率で可能な波長範囲内の波長とすることができる。
【００２９】
次いで、制御部４０は、ＳＯＡ１６に駆動電流３０を注入してレーザ光２４の強度を調整する。また、必要に応じて、変調した駆動電流３０を注入して、レーザ光２４の強度を変調させる（ステップＳ１４）。レーザ光２４の強度変調は、例えば２５６階調が表現されるようなデジタル変調で行ってもよいし、アナログ変調で行ってもよい。
【００３０】
次いで、制御部４０は、第１の光検出器４６から非変換光モニタ信号５２が入力されることで、高調波生成素子１８で高調波光３４に変換されずにそのまま通過した非変換光３６の強度を取得する（ステップＳ１６）。高調波生成素子１８での高調波光３４への変換効率が低い場合には、非変換光３６の強度は、レーザ光２４の波長によらずほとんど一定となるとみなせる。例えばレーザ光２４の強度が１００ｍＷより小さく、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が１０％程度と小さい場合には、高調波生成素子１８を通過した非変換光３６の強度は、レーザ光２４の波長に対してほとんど一定とみなせる。
【００３１】
次いで、制御部４０は、第２の光検出器４８から高調波モニタ信号５４が入力されることで、高調波生成素子１８で変換された高調波光３４の強度を取得する（ステップＳ１８）。高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換効率は、図３で説明したように、レーザ光２４の波長に依存する。このため、例えばＤＦＢレーザ１２の温度が変化してレーザ光２４の波長が変化した場合などは、高調波光３４の強度はレーザ光２４の波長の変化量に応じて変化する。
【００３２】
次いで、制御部４０は、非変換光３６の強度で高調波光３４の強度を規格化する（ステップＳ２０）。以下、非変換光３６で規格化した高調波光３４を規格化高調波光と称す。
【００３３】
図６のように、制御部４０は、規格化高調波光の強度が所定の強度であるかを判断する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２で規格化高調波光の強度が所定の強度でないと判断した場合（Ｎｏの場合）、制御部４０は、規格化高調波光の強度が所定の強度になるようヒータ１４に注入するヒータ電流２８の大きさを制御する（ステップＳ２４）。図４（ｂ）で説明したように、ヒータ１４に投入するヒータ電力の大きさが変化することで、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長が変化する。したがって、ヒータ電流２８の大きさを制御することで、レーザ光２４の波長を高調波生成素子１８による高調波光への変換効率が所望の変換効率となる波長に制御でき、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせることができる。ヒータ１４に注入するヒータ電流２８の大きさを制御するときは、ＤＦＢレーザ１２の駆動電流２６の大きさを変化させずに固定させておく。
【００３４】
ここで、図７（ａ）、図７（ｂ）および図８の模式図を用いて、図５のステップＳ１０から図６のステップＳ２４で述べた制御について説明する。図７（ａ）は、レーザ光２４の波長に対する高調波光３４の強度および非変換光３６の強度の例を示す模式図である。図７（ｂ）は、レーザ光２４の波長に対する規格化高調波光の強度の例を示す模式図である。図８は、ＤＦＢレーザ１２の発振波長特性の例を示す模式図である。
【００３５】
図７（ａ）のように、非変換光３６の強度はレーザ光２４の波長に対して一定の大きさを示す。これは、前述したように、高調波生成素子１８での高調波光３４への変換効率が低い場合には、非変換光３６の強度はレーザ光２４の波長によらずほとんど一定となるためである。非変換光３６の強度は高調波光３４の強度に比べて非常に大きい。一方、図３で説明したように、高調波生成素子１８での高調波光３４への変換効率はレーザ光２４の波長に依存することから、高調波光３４の強度はレーザ光２４の波長に依存して変化する。
【００３６】
ここで、図５のステップＳ１０とステップＳ１２を実行して、レーザ光２４の波長を例えばλ１とした場合の高調波光３４の強度が、例えば図７（ａ）の点９０であるとする。波長λ１は、高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換効率が最大となる波長λ０から少し長波長側にずれ、且つ高調波生成素子１８による高調波光３４への変換が高変換効率で可能な波長範囲内の波長である。次に、図５のステップＳ１４を実行して、レーザ光２４の強度変調をした場合、高調波光３４の強度および非変換光３６の強度が、図７（ａ）の実線から一点鎖線に変化したとする。高調波光３４の強度および非変換光３６の強度はレーザ光２４の強度の変化に応じて変化し、レーザ光２４の強度変化率と高調波光３４の強度変化率と非変換光３６の強度変化率とは同じ大きさになる。この場合、レーザ光２４の波長がλ１の場合における高調波光３４の強度は、例えば点９２に変化する。
【００３７】
図７（ｂ）のように、非変換光３６の強度で高調波光３４の強度を規格化すると、規格化高調波光の強度は、レーザ光２４の強度には無依存となり、レーザ光２４の波長にのみ依存することになる。つまり、ＳＯＡ１６によりレーザ光２４の強度が変調されたとしても、レーザ光２４の波長が例えばλ１である場合は、規格化高調波光の強度は、点９４で示す所定の大きさになる。
【００３８】
ここで、例えばＤＦＢレーザ１２の温度が局所的に変化した場合やＤＦＢレーザ１２そのものの特性が変化した場合などにより、図８のように、ピーク波長がλ１からλ２に長波長側にシフトした場合を考える。この場合、図７（ｂ）のように、波長λ２での規格化高調波光の強度は点９６で表され、点９４で表された規格化高調波光の所定の強度から減少する。しかしながら、ヒータ１４に注入するヒータ電流２８の大きさを制御して、レーザ光２４の波長がλ１になるように調整することで、規格化高調波光の強度を所定の強度（点９４での強度）にすることができる。これにより、ＤＦＢレーザ１２の局所的温度変化などによりレーザ光２４の波長が変化した場合でも、高調波生成素子１８から所望の強度の高調波光３４を安定して出射させることができる。
【００３９】
図６に戻り、制御部４０は、周期的に、記憶部５０に記憶されたテーブルを更新し、ステップＳ２４で規格化高調波光の強度が所定の強度になるように制御したヒータ電流２８の大きさに基づいて新たなヒータ電力をテーブルに書き込む（ステップＳ２６）。次いで、制御部４０は、記憶部５０に予め書き込まれていたヒータ電力の初期値とステップＳ２６で書き込んだ新たなヒータ電力との差分を求める。そして、制御部４０は、その差分が所定の閾値を超えている場合に、レーザモジュール１０は異常であるとしてエラーを出力する（ステップＳ２８）。
【００４０】
ここで、図９（ａ）および図９（ｂ）の模式図を用いて、記憶部５０に記憶されるテーブル５６について説明する。図９（ａ）は、図６のステップＳ２６の工程が実行される前の初期状態のテーブル５６の例を示しており、図９（ｂ）は、図６のステップＳ２６の工程が例えば１回実行された後のテーブル５６の例を示している。
【００４１】
図９（ａ）のように、初期状態のテーブル５６は、レーザモジュール１０の温度が、例えば０℃、２０℃、５０℃、７０℃の場合に応じたヒータ電力の初期値Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが予め書き込まれている。ステップＳ２６の工程が１回実行された後のテーブル５６は、図９（ｂ）のように、例えばレーザモジュール１０の温度が２０℃の場合のヒータ電力に新たなヒータ電力の値Ｂ１が書き込まれている。このように、図６のステップＳ２４の工程で制御したヒータ電流２８の大きさに基づいて新たなヒータ電力がテーブル５６に書き込まれる。よって、図６のステップＳ２８の工程は、Ｂ１とＢとの差分が所定の閾値を超えている場合に、レーザモジュール１０が異常であるとしてエラーを出力することになる。
【００４２】
以上説明してきたように、実施例１に係るレーザシステム１００によれば、制御部４０は、高調波生成素子１８で高調波光３４に変換されずに高調波生成素子１８を通過した非変換光３６の強度と、高調波生成素子１８で変換された高調波光３４の強度と、を取得する。そして、制御部４０は、高調波光３４の強度を非変換光３６の強度で規格化した規格化高調波光の強度を求め、規格化高調波光の強度が所定の強度になるようにヒータ１４に注入するヒータ電流２８の大きさを制御する。図７（ａ）および図７（ｂ）で説明したように、高調波光３４の強度はレーザ光２４の波長により大きさが変化するが、非変換光３６の強度はレーザ光２４の波長に対して一定の大きさである。したがって、高調波光３４の強度を非変換光３６の強度で規格化することで、規格化高調波光の強度は、レーザ光２４の波長にのみ依存することになる。したがって、規格化高調波光の強度が所定の強度からずれているかにより、レーザ光２４の波長が変化したかが判断できる。つまり、規格化高調波光の強度が所定の強度からずれている場合に、ヒータ電流２８の大きさを制御して、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせることで、レーザ光２４の波長の変化を補正でき、高調波生成素子１８から所望の強度の高調波光３４を安定して出射させることができる。
【００４３】
レーザモジュール１０の温度に基づいてヒータ電流２８の大きさを制御してレーザ光２４の波長の変化を補正する方法では、ＤＦＢレーザ１２の温度が局所的に変化した場合やＤＦＢレーザ１２そのものの特性が変化した場合など、レーザモジュール１０の温度が変化しない場合に対応できない。しかしながら、実施例１では、高調波光３４の強度と非変換光３６の強度とから求めた規格化高調波光の強度に基づいてヒータ電流２８の大きさを制御してレーザ光２４の波長の変化を補正している。このため、ＤＦＢレーザ１２の温度が局所的に変化した場合やＤＦＢレーザ１２そのものの特性が変化した場合などにも対応でき、高調波生成素子１８から安定して高調波光３４を出射させることができる。
【００４４】
図６のステップＳ２４で説明したように、規格化高調波光の強度が所定の強度になるようにヒータ電流２８の大きさを制御するときは、ＤＦＢレーザ１２の駆動電流２６の大きさを変化させずに固定したままにする。ＤＦＢレーザ１２の駆動電流２６の大きさが変化すると、レーザ光２４の波長が変化するため、規格化高調波光の強度を所定の強度にする制御が複雑になる。したがって、規格化高調波光の強度を所定の強度とする制御を容易にするため、制御部４０は、ＤＦＢレーザ１２を駆動する駆動電流２６の大きさを固定した状態で、規格化高調波光の強度が所定の強度になるようにヒータ電流２８の大きさの制御をすることが好ましい。
【００４５】
図７（ａ）および図７（ｂ）のように、ヒータ電流２８の大きさを制御して規格化高調波光の強度を合わせこむ所定の強度は、レーザ光２４の波長が、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０から長波長側にずれた波長λ１における規格化高調波光の強度である場合が好ましい。これにより、規格化高調波光の強度が低下した場合はレーザ光２４の波長が長波長側にシフトし、規格化高調波光の強度が増加した場合はレーザ光２４の波長が短波長側にシフトしたことが容易に分かり、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせこむヒータ電流２８の制御が容易となる。このような観点から、所定の強度は、レーザ光２４の波長が、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０から短波長側にずれた波長における規格化高調波光の強度である場合でもよい。即ち、所定の強度は、レーザ光２４の波長が、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０からずれた波長における規格化高調波光の強度である場合であればよい。言い換えると、規格化高調波光の強度が所定の強度となるレーザ光２４の波長は、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０からずれた波長である場合が好ましい。
【００４６】
また、規格化高調波光の強度が所定の強度となるレーザ光２４の波長は、高調波生成素子１８で高調波光３４に変換可能な波長範囲内である場合が好ましい。これにより、レーザ光２４の波長変化に対する規格化高調波光の強度変化が大きくなるため、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせこむヒータ電流２８の制御が容易になると共に、高調波生成素子１８から出射される高調波光３４の強度を大きくできる。
【００４７】
実施例１に係るレーザシステム１００は、図１のように、レーザモジュール１０の温度とヒータ１４に投入するヒータ電力とを対応付けたテーブル５６を記憶する記憶部５０を有する。そして、図６のステップＳ２６で説明したように、制御部４０は、周期的に、規格化高調波光の強度が所定の強度になるように制御したヒータ電流２８の大きさに基づいてテーブル５６に新たなヒータ電力の情報を書き込む。そして、図５のステップＳ１２で説明したように、レーザシステム１００の電源が投入された際に、制御部４０は、記憶部５０に記憶されたテーブル５６を参照して、現在のレーザモジュール１０の温度に対応したヒータ電力を求めてヒータ１４にヒータ電流２８を注入する。これにより、レーザシステム１００の電源が投入された場合に、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長を所望の波長に容易に且つ素早く合わせることができる。よって、レーザシステム１００の立ち上げ後、高調波生成素子１８から高調波光３４を素早く出射させることができる。
【００４８】
図６のステップＳ２８で説明したように、記憶部５０が記憶するテーブル５６に予め書き込まれていたヒータ電力の初期値と新たに書き込んだヒータ電力の値との差分を求め、その差分が所定の閾値を超えた場合にエラーを出力する。図４（ｂ）で説明したように、レーザ光２４の波長はヒータ電力の大きさにより変化することから、ヒータ電力の値が変わったということは、レーザ光２４の波長が変化したことになる。
【００４９】
図１０は、レーザシステム１００の使用開始時とテーブル５６の更新時とにおける、レーザ光２４の波長に対する高調波光３４の強度の例を示す模式図である。図１０のように、使用開始時は、レーザ光２４の波長が例えばλ０にて高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大になっていたが、テーブル５６の更新時は、レーザ光２４の波長が例えばλ３にて高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大になっている場合を想定する。この場合、レーザモジュール１０の特性が変化したと考えられる。したがって、ヒータ電力の初期値と新たに書き込んだヒータ電力の値との差分が所定の閾値を超えた場合は、レーザモジュール１０の特性が変化したとみなして、エラーを出力する場合が好ましい。これにより、特性劣化したレーザモジュール１０の判別および排除が可能となる。なお、所定の閾値とは、上述したように、レーザモジュール１０の特性が変化したとみなすことができる程に、ヒータ電力の初期値と更新時の値との差分が大きくなった場合の値をいう。例えば、ヒータ電力として初期値から２０％変化した場合を閾値とすることができる。
【００５０】
実施例１では、図７（ａ）および図７（ｂ）で説明したように、ヒータ電流２８の大きさを制御して規格化高調波光の強度を合わせこむ所定の強度は、レーザ光２４の波長が、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０からずれた波長における規格化高調波光の強度である場合を例に示したが、これに限らず、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０における規格化高調波光の強度である場合でもよい。
【００５１】
実施例１では、レーザ光２４の強度が低く、高調波生成素子１８での変換効率が低い場合で、非変換光３６の強度がレーザ光２４の波長に対して一定とみなすことができる場合を例に説明してきた。しかしながら、この場合に限らず、レーザ光２４の強度が例えば１００ｍＷ以上と強く、非変換光３６の強度がレーザ光２４の波長に対して変化する場合でも、高調波光３４と非変換光３６との比をとることで、規格化高調波光が得られることは変わらない。
【００５２】
実施例１では、レーザは量子ドットＤＦＢレーザである場合を例に示したがこれに限られるわけではない。例えば、量子井戸ＤＦＢレーザなどである場合でもよいし、ＤＦＢレーザ以外の例えばファブリペロ型レーザである場合でもよい。また、ＳＯＡ１６と高調波生成素子１８とはレンズ２２を介して光結合している場合を例に示したが、ＳＯＡ１６と高調波生成素子１８とは直接結合している場合でもよい。
【００５３】
また、実施例１では、高調波生成素子１８は、レーザ光２４をレーザ光２４の第２高調波に変換する場合を例に示したが、高調波生成素子１８はレーザ光２４のより高次な高調波光に変換してもよい。また、レーザ光２４が１０６４ｎｍの赤外光で、高調波光３４が５３２ｎｍのグリーン光である場合を例に示したが、高調波光３４は他の波長の光でもよく、またレーザ光２４はその他の波長を有していてもよい。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ レーザモジュール
１２ ＤＦＢレーザ
１４ ヒータ
１６ ＳＯＡ
１８ 高調波生成素子
２０ 温度センサ
２２ レンズ
２４ レーザ光
２６ 駆動電流
２８ ヒータ電流
３０ 駆動電流
３４ 高調波光
３６ 非変換光
４０ 制御部
４２ 反射ミラー
４４ ビームスプリッタ
４６ 第１の光検出器
４８ 第２の光検出器
５０ 記憶部
５６ テーブル
１００ レーザシステム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザシステムに関し、特にレーザ光の高調波光を出射するレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を出力するレーザシステムは、様々な分野で用いられている。特に、安価なレーザシステムには、半導体レーザが用いられている。しかしながら、半導体レーザには、発振が困難な波長帯の光（例えば、グリーン光）がある。そこで、ＤＰＳＳ（ダイオード励起固体レーザ）方式を用いて、半導体レーザでは発振が困難な波長帯の光を出射する方法が知られている。
【０００３】
ＤＰＳＳ方式では、レーザディスプレイ用途などで要求される、例えば５００ＭＨｚ程度の高速変調が困難である。そこで、半導体レーザが出射したレーザ光を非線形光学素子で高調波光に変換して出射するレーザシステムが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１３２５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のレーザシステムにおいて、非線形光学素子における高調波への変換効率を高めようとすると、許容される波長範囲が狭くなってしまう。半導体レーザと非線形光学素子とは異なる波長温度係数を有する。また、半導体レーザと非線形光学素子とは個別素子ごとに波長特性にバラツキも有する。このため、例えば、半導体レーザと非線形光学素子とが搭載されたレーザモジュールの温度が変化した場合に、レーザ光の波長を高効率で変換可能な波長範囲内に調整することは容易ではない。
【０００６】
また、半導体レーザの温度が局所的に変化する場合や半導体レーザそのものの特性が変化する場合がある。この場合、レーザモジュールの温度に基づいてレーザ光の波長を高効率で変換可能な波長範囲内に調整することは難しく、高調波光の強度が低下してしまう場合がある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高調波光を安定して出射することが可能なレーザシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、レーザ光を発振するレーザと、前記レーザの温度を調節するヒータと、前記レーザ光を前記レーザ光の高調波光に変換する高調波生成素子と、を有するレーザモジュールと、前記高調波生成素子で変換された前記高調波光の強度を前記高調波生成素子で前記高調波光に変換されずに前記高調波生成素子を通過した非変換光の強度で規格化した規格化高調波光の強度が所定の強度になるように前記ヒータに注入するヒータ電流を制御する制御部と、を具備することを特徴とするレーザシステムである。本発明によれば、レーザ光の波長変化を補正でき、高調波生成素子から高調波光を安定して出射させることができる。
【０００９】
上記構成において、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度となる前記レーザ光の波長は、前記高調波生成素子による前記高調波光への変換効率が最大となる波長からずれた波長である構成とすることができる。この構成によれば、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせこむヒータ電流の制御が容易となる。
【００１０】
上記構成において、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度となる前記レーザ光の波長は、前記高調波生成素子で前記高調波光に変換可能な波長範囲内の波長である構成とすることができる。この構成によれば、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせこむヒータ電流の制御が容易となると共に、高調波生成素子から出射される高調波光の強度を大きくできる。
【００１１】
上記構成において、前記制御部は、前記レーザを駆動する駆動電流を固定した状態で、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度になるように前記ヒータに注入するヒータ電流を制御する構成とすることができる。この構成によれば、規格化高調波光の強度を所定の強度にする制御が容易にできる。
【００１２】
上記構成において、前記レーザモジュールの温度と前記ヒータに投入するヒータ電力とを対応付けたテーブルを記憶する記憶部を具備し、前記制御部は、周期的に、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度になるように制御した前記ヒータ電流に基づいて前記テーブルに新たなヒータ電力を書き込むと共に、前記レーザシステムの電源が投入された際に、前記テーブルを参照して前記ヒータにヒータ電流を注入する構成とすることができる。この構成によれば、レーザシステムの立ち上げ後、高調波生成素子から高調波光を素早く出射させることができる。
【００１３】
上記構成において、前記制御部は、前記テーブルに予め書き込まれていた前記ヒータ電力の初期値と前記テーブルに新たに書き込んだ前記ヒータ電力の値との差分が所定の閾値を超えた場合にエラーを出力する構成とすることができる。この構成によれば、特性劣化したレーザモジュールの判別および排除が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザ光の波長変化を補正でき、高調波生成素子から高調波光を安定して出射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は実施例１に係るレーザシステムの例を示すブロック図である。
【図２】図２はＤＦＢレーザおよびＳＯＡの例を示す断面模式図である。
【図３】図３はレーザ光の波長に対する高調波生成素子の変換効率の例を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）はＤＦＢレーザの駆動電流に対するレーザ光の波長の変化の例を示す模式図であり、図４（ｂ）はヒータ電力に対するレーザ光の波長の変化の例を示す模式図である。
【図５】図５は実施例１に係るレーザシステムの制御部の制御の例を示すフローチャート（その１）である。
【図６】図６は実施例１に係るレーザシステムの制御部の制御の例を示すフローチャート（その２）である。
【図７】図７（ａ）はレーザ光の波長に対する高調波光の強度および非変換光の強度の例を示す模式図であり、図７（ｂ）はレーザ光の波長に対する規格化高調波光の強度の例を示す模式図である。
【図８】図８はＤＦＢレーザの発振波長特性の例を示す模式図である。
【図９】図９（ａ）は初期状態のテーブルの例を示す模式図であり、図９（ｂ）は更新後のテーブルの例を示す模式図である。
【図１０】図１０はレーザシステム使用開始時とテーブル更新時とにおける、レーザ光の波長に対する高調波光の強度の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１に係るレーザシステムの例を示すブロック図である。図１のように、実施例１に係るレーザシステム１００は、レーザモジュール１０と、制御部４０と、反射ミラー４２と、ビームスプリッタ４４と、第１の光検出器４６と、第２の光検出器４８と、記憶部５０と、を有する。レーザモジュール１０は、ＤＦＢ（分布帰還型）レーザ１２と、ヒータ１４と、光半導体増幅器（ＳＯＡ）１６と、高調波生成素子１８と、温度センサ２０と、レンズ２２と、を有する。ＳＯＡ１６と高調波生成素子１８とは、レンズ２２を介して光結合しており、ＳＯＡ１６から出射されたレーザ光２４は高調波生成素子１８に入射する。
【００１８】
ＤＦＢレーザ１２は、コルゲーションを有し単一波長のレーザ光２４を発振するレーザであり、例えば１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光２４を発振する。ＤＦＢレーザ１２は、制御部４０により駆動電流２６が注入されることで動作してレーザ光２４を発振する。ヒータ１４は、制御部４０によりヒータ電流２８が注入されることでＤＦＢレーザ１２の温度を調節する。ＳＯＡ１６は、制御部４０により駆動電流３０が注入されることでレーザ光２４の強度を所定の値に設定したり、強度変調したりする。なお、ＳＯＡ１６は、レーザ光２４の強度を変化させるが、レーザ光２４の波長は変化させない。ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６とは同一チップ上に形成されており、ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６の光軸は一致している。温度センサ２０は、レーザモジュール１０の温度をモニタし、制御部４０に温度モニタ値３２を出力する。
【００１９】
高調波生成素子１８は、非線形光学素子であり、入射されたレーザ光２４を高調波光３４に変換する。高調波生成素子１８は、例えばＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）であり、レーザ光２４の第２高調波光である例えば５３２ｎｍの波長を有する高調波光３４を出射する。
【００２０】
反射ミラー４２は、例えば赤外ミラーであり、高調波生成素子１８から出射された光のうち赤外光を反射してグリーン光である高調波光３４を透過させる。つまり、高調波生成素子１８に入射したレーザ光２４のうち、高調波生成素子１８で高調波光３４に変換されずに高調波生成素子１８を通過してきた非変換光３６を反射し、高調波生成素子１８で変換された高調波光３４を透過する。反射ミラー４２で反射された非変換光３６は、第１の光検出器４６に入射する。ビームスプリッタ４４は、高調波光３４の一部を分岐させて第２の光検出器４８に入射させる。第１の光検出器４６は、非変換光３６の強度をモニタし、非変換光モニタ信号５２を制御部４０に出力する。第２の光検出器４８は、高調波光３４の強度をモニタし、高調波モニタ信号５４を制御部４０に出力する。第１の光検出器４６および第２の光検出器４８は、例えばフォトダイオードなど、一般的な光検出器を用いることができる。記憶部５０は、レーザモジュール１０の温度とヒータ１４に投入するヒータ電力とを対応付けたテーブルが記憶されている。記憶部５０は、例えば不揮発性メモリなど、一般的な記憶媒体を用いることができる。制御部４０は、ＤＦＢレーザ１２を駆動する駆動電流２６と、ヒータ１４に注入するヒータ電流２８と、ＳＯＡ１６を駆動する駆動電流３０とを制御する。
【００２１】
なお、図１に示した、反射ミラー４２、ビームスプリッタ４４、第１の光検出器４６、および第２の光検出器４８は、レーザモジュール１０に内蔵している場合でもよい。また、反射ミラー４２およびビームスプリッタ４４はそれぞれ、第１の光検出器４６および第２の光検出器４８がそれぞれレーザ光２４の基本波だけを受光でき、高調波だけを受光できるように、レーザ光の基本波をカットするフィルタ特性および高調波をカットするフィルタ特性を有する場合が好ましい。さらに、第１の光検出器４６および第２の光検出器４８が、増幅回路を内蔵しているなどにより高感度化されていて、高調波生成素子１８からの漏れ光を受光することで高調波光３４および非変換光３６の強度をモニタできる場合は、反射ミラー４２やビームスプリッタ４４を削除する構成としてもよい。さらに、第１の光検出器４６と第２の光検出器４８とが一体形成されたデュアル構成であってもよい。
【００２２】
図２は、ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６の例を示す断面模式図である。図２のように、ｎ型ＧａＡｓ基板６０上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層６２が形成されている。基板６０下には電極６４が形成されている。ｎ型クラッド層６２上に、ＧａＡｓからなるベース層６６内にＩｎＡｓからなる量子ドット６８を有する量子ドット活性層７０が形成されている。量子ドット活性層７０上にｐ型ＧａＡｓからなるｐ型層７２が形成されている。ｐ型層７２上にｐ型ＩｎＧａＰからなるｐ型クラッド層７４が形成されている。ＤＦＢレーザ１２のｐ型層７２とｐ型クラッド層７４との間には出射するレーザ光２４の波長を決めるコルゲーション８６が形成されている。基板６０からｐ型クラッド層７４までは、コルゲーション８６以外は、ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６とで共通である。
【００２３】
ＤＦＢレーザ１２とＳＯＡ１６とのｐ型クラッド層７４上に、それぞれＰ＋ＧａＡｓからなるコンタクト層７６が形成されている。ＤＦＢレーザ１２において、コンタクト層７６上には電極７８が形成されている。電極７８上に酸化シリコンからなる絶縁膜８０が形成されている。絶縁膜８０上に例えばＰｔからなるヒータ１４が形成されている。ＳＯＡ１６において、コンタクト層７６上に電極８２が形成されている。制御部４０は、ワイヤ８４を介して電極７８、電極８２およびヒータ１４に電圧を印加する。電極６４は、一定電位に接続されている。例えば接地されている。
【００２４】
制御部４０は、ＤＦＢレーザ１２の電極７８に電圧を印加することにより、電極７８と電極６４との間に駆動電流２６を流す。これにより、量子ドット活性層７０で誘導放出が生じ、活性層７０付近にレーザ光２４が伝搬する。また、制御部４０は、ヒータ１４にヒータ電流２８を流すことにより、ＤＦＢレーザ１２の温度を制御する。さらに、制御部４０は、電極８２と電極６４との間に駆動電流３０を流すことにより、活性層７０内のレーザ光２４を増幅させる。駆動電流３０を変化させることにより、ＳＯＡ１６の増幅率が変化するため、ＳＯＡ１６から出射するレーザ光２４の強度を所定の値に設定したり、強度変調したりすることができる。
【００２５】
図３は、レーザ光２４の波長に対する高調波生成素子１８の変換効率の例を示す模式図である。図３のように、高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換効率は、例えば波長λ０で最大となり、λ０からずれると低下する。つまり、レーザ光２４の波長がλ０のときに高調波光３４の強度は最大となり、レーザ光２４の波長がλ０からずれると高調波光３４の強度は低下する。このように、高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換を高変換効率で行おうとすると、許容される波長範囲は領域３８のような狭い波長範囲となる。
【００２６】
図４（ａ）は、ＤＦＢレーザ１２の駆動電流に対するレーザ光２４の波長の変化の例を示す模式図である。図４（ｂ）は、ヒータ１４に投入するヒータ電力に対するレーザ光２４の波長の変化の例を示す模式図である。図４（ａ）および図４（ｂ）のように、駆動電流の大きさおよびヒータ電力の大きさが大きくなるに従い、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長は長波長側にシフトする。つまり、駆動電流の大きさおよびヒータ電力の大きさが変化するとＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長は変化する。ＤＦＢレーザ１２と高調波生成素子１８とは異なる波長温度係数を有するが、駆動電流の大きさおよびヒータ電力の大きさを制御することで、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４を高調波生成素子１８で高調波に高変換効率で変換可能な波長範囲内にできる。なお、レーザ光２４の波長は、ＳＯＡ１６の駆動電流３０にはほとんど依存しないため、光強度をＳＯＡ１６の駆動電流３０で制御し、波長をＤＦＢレーザ１２の駆動電流２６、およびヒータ１４のヒータ電流２８で制御することが望ましい。
【００２７】
次に、図５のフローチャートを用いて、制御部４０の制御の例について説明する。図５のように、レーザシステム１００の電源が投入されると、制御部４０は、ＤＦＢレーザ１２に駆動電流２６を注入してレーザ光２４を発振させる（ステップＳ１０）。駆動電流２６の大きさは所定の一定の大きさになるようにし、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の強度および波長が駆動電流２６により変動しないようにする。
【００２８】
次いで、制御部４０は、温度センサ２０で出力された温度モニタ値３２からレーザモジュール１０の温度を把握する。そして、制御部４０は、記憶部５０に記憶されたテーブルからレーザモジュール１０の温度に応じたヒータ電力を求めてヒータ１４にヒータ電流２８を投入する（ステップＳ１２）。前述したように、レーザモジュール１０の温度が変化するとＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長が変化する。図３のように、高調波生成素子１８での高調波光３４への変換効率はレーザ光２４の波長に依存するため、レーザ光２４の波長の変化は高調波光３４の強度に影響を及ぼすことになり好ましくない。このため、レーザ光２４の波長が所定の波長になるように、レーザモジュール１０の温度に応じてヒータ１４に投入するヒータ電力を変化させる。これにより、高調波生成素子１８から所定の強度の高調波光３４を出射させることができる。したがって、テーブルには、レーザ光２４の波長が所定の波長になるような、レーザモジュール１０の温度とヒータ電力との対応関係が書き込まれている。所定の波長は、高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換効率が最大となる波長から少し長波長側にずれ、且つ高調波生成素子１８による高調波光３４への変換が高変換効率で可能な波長範囲内の波長とすることができる。
【００２９】
次いで、制御部４０は、ＳＯＡ１６に駆動電流３０を注入してレーザ光２４の強度を調整する。また、必要に応じて、変調した駆動電流３０を注入して、レーザ光２４の強度を変調させる（ステップＳ１４）。レーザ光２４の強度変調は、例えば２５６階調が表現されるようなデジタル変調で行ってもよいし、アナログ変調で行ってもよい。
【００３０】
次いで、制御部４０は、第１の光検出器４６から非変換光モニタ信号５２が入力されることで、高調波生成素子１８で高調波光３４に変換されずにそのまま通過した非変換光３６の強度を取得する（ステップＳ１６）。高調波生成素子１８での高調波光３４への変換効率が低い場合には、非変換光３６の強度は、レーザ光２４の波長によらずほとんど一定となるとみなせる。例えばレーザ光２４の強度が１００ｍＷより小さく、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が１０％程度と小さい場合には、高調波生成素子１８を通過した非変換光３６の強度は、レーザ光２４の波長に対してほとんど一定とみなせる。
【００３１】
次いで、制御部４０は、第２の光検出器４８から高調波モニタ信号５４が入力されることで、高調波生成素子１８で変換された高調波光３４の強度を取得する（ステップＳ１８）。高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換効率は、図３で説明したように、レーザ光２４の波長に依存する。このため、例えばＤＦＢレーザ１２の温度が変化してレーザ光２４の波長が変化した場合などは、高調波光３４の強度はレーザ光２４の波長の変化量に応じて変化する。
【００３２】
次いで、制御部４０は、非変換光３６の強度で高調波光３４の強度を規格化する（ステップＳ２０）。以下、非変換光３６で規格化した高調波光３４を規格化高調波光と称す。
【００３３】
図６のように、制御部４０は、規格化高調波光の強度が所定の強度であるかを判断する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２で規格化高調波光の強度が所定の強度でないと判断した場合（Ｎｏの場合）、制御部４０は、規格化高調波光の強度が所定の強度になるようヒータ１４に注入するヒータ電流２８の大きさを制御する（ステップＳ２４）。図４（ｂ）で説明したように、ヒータ１４に投入するヒータ電力の大きさが変化することで、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長が変化する。したがって、ヒータ電流２８の大きさを制御することで、レーザ光２４の波長を高調波生成素子１８による高調波光への変換効率が所望の変換効率となる波長に制御でき、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせることができる。ヒータ１４に注入するヒータ電流２８の大きさを制御するときは、ＤＦＢレーザ１２の駆動電流２６の大きさを変化させずに固定させておく。
【００３４】
ここで、図７（ａ）、図７（ｂ）および図８の模式図を用いて、図５のステップＳ１０から図６のステップＳ２４で述べた制御について説明する。図７（ａ）は、レーザ光２４の波長に対する高調波光３４の強度および非変換光３６の強度の例を示す模式図である。図７（ｂ）は、レーザ光２４の波長に対する規格化高調波光の強度の例を示す模式図である。図８は、ＤＦＢレーザ１２の発振波長特性の例を示す模式図である。
【００３５】
図７（ａ）のように、非変換光３６の強度はレーザ光２４の波長に対して一定の大きさを示す。これは、前述したように、高調波生成素子１８での高調波光３４への変換効率が低い場合には、非変換光３６の強度はレーザ光２４の波長によらずほとんど一定となるためである。非変換光３６の強度は高調波光３４の強度に比べて非常に大きい。一方、図３で説明したように、高調波生成素子１８での高調波光３４への変換効率はレーザ光２４の波長に依存することから、高調波光３４の強度はレーザ光２４の波長に依存して変化する。
【００３６】
ここで、図５のステップＳ１０とステップＳ１２を実行して、レーザ光２４の波長を例えばλ１とした場合の高調波光３４の強度が、例えば図７（ａ）の点９０であるとする。波長λ１は、高調波生成素子１８による基本波から高調波への変換効率が最大となる波長λ０から少し長波長側にずれ、且つ高調波生成素子１８による高調波光３４への変換が高変換効率で可能な波長範囲内の波長である。次に、図５のステップＳ１４を実行して、レーザ光２４の強度変調をした場合、高調波光３４の強度および非変換光３６の強度が、図７（ａ）の実線から一点鎖線に変化したとする。高調波光３４の強度および非変換光３６の強度はレーザ光２４の強度の変化に応じて変化し、レーザ光２４の強度変化率と高調波光３４の強度変化率と非変換光３６の強度変化率とは同じ大きさになる。この場合、レーザ光２４の波長がλ１の場合における高調波光３４の強度は、例えば点９２に変化する。
【００３７】
図７（ｂ）のように、非変換光３６の強度で高調波光３４の強度を規格化すると、規格化高調波光の強度は、レーザ光２４の強度には無依存となり、レーザ光２４の波長にのみ依存することになる。つまり、ＳＯＡ１６によりレーザ光２４の強度が変調されたとしても、レーザ光２４の波長が例えばλ１である場合は、規格化高調波光の強度は、点９４で示す所定の大きさになる。
【００３８】
ここで、例えばＤＦＢレーザ１２の温度が局所的に変化した場合やＤＦＢレーザ１２そのものの特性が変化した場合などにより、図８のように、ピーク波長がλ１からλ２に長波長側にシフトした場合を考える。この場合、図７（ｂ）のように、波長λ２での規格化高調波光の強度は点９６で表され、点９４で表された規格化高調波光の所定の強度から減少する。しかしながら、ヒータ１４に注入するヒータ電流２８の大きさを制御して、レーザ光２４の波長がλ１になるように調整することで、規格化高調波光の強度を所定の強度（点９４での強度）にすることができる。これにより、ＤＦＢレーザ１２の局所的温度変化などによりレーザ光２４の波長が変化した場合でも、高調波生成素子１８から所望の強度の高調波光３４を安定して出射させることができる。
【００３９】
図６に戻り、制御部４０は、周期的に、記憶部５０に記憶されたテーブルを更新し、ステップＳ２４で規格化高調波光の強度が所定の強度になるように制御したヒータ電流２８の大きさに基づいて新たなヒータ電力をテーブルに書き込む（ステップＳ２６）。次いで、制御部４０は、記憶部５０に予め書き込まれていたヒータ電力の初期値とステップＳ２６で書き込んだ新たなヒータ電力との差分を求める。そして、制御部４０は、その差分が所定の閾値を超えている場合に、レーザモジュール１０は異常であるとしてエラーを出力する（ステップＳ２８）。
【００４０】
ここで、図９（ａ）および図９（ｂ）の模式図を用いて、記憶部５０に記憶されるテーブル５６について説明する。図９（ａ）は、図６のステップＳ２６の工程が実行される前の初期状態のテーブル５６の例を示しており、図９（ｂ）は、図６のステップＳ２６の工程が例えば１回実行された後のテーブル５６の例を示している。
【００４１】
図９（ａ）のように、初期状態のテーブル５６は、レーザモジュール１０の温度が、例えば０℃、２０℃、５０℃、７０℃の場合に応じたヒータ電力の初期値Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが予め書き込まれている。ステップＳ２６の工程が１回実行された後のテーブル５６は、図９（ｂ）のように、例えばレーザモジュール１０の温度が２０℃の場合のヒータ電力に新たなヒータ電力の値Ｂ１が書き込まれている。このように、図６のステップＳ２４の工程で制御したヒータ電流２８の大きさに基づいて新たなヒータ電力がテーブル５６に書き込まれる。よって、図６のステップＳ２８の工程は、Ｂ１とＢとの差分が所定の閾値を超えている場合に、レーザモジュール１０が異常であるとしてエラーを出力することになる。
【００４２】
以上説明してきたように、実施例１に係るレーザシステム１００によれば、制御部４０は、高調波生成素子１８で高調波光３４に変換されずに高調波生成素子１８を通過した非変換光３６の強度と、高調波生成素子１８で変換された高調波光３４の強度と、を取得する。そして、制御部４０は、高調波光３４の強度を非変換光３６の強度で規格化した規格化高調波光の強度を求め、規格化高調波光の強度が所定の強度になるようにヒータ１４に注入するヒータ電流２８の大きさを制御する。図７（ａ）および図７（ｂ）で説明したように、高調波光３４の強度はレーザ光２４の波長により大きさが変化するが、非変換光３６の強度はレーザ光２４の波長に対して一定の大きさである。したがって、高調波光３４の強度を非変換光３６の強度で規格化することで、規格化高調波光の強度は、レーザ光２４の波長にのみ依存することになる。したがって、規格化高調波光の強度が所定の強度からずれているかにより、レーザ光２４の波長が変化したかが判断できる。つまり、規格化高調波光の強度が所定の強度からずれている場合に、ヒータ電流２８の大きさを制御して、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせることで、レーザ光２４の波長の変化を補正でき、高調波生成素子１８から所望の強度の高調波光３４を安定して出射させることができる。
【００４３】
レーザモジュール１０の温度に基づいてヒータ電流２８の大きさを制御してレーザ光２４の波長の変化を補正する方法では、ＤＦＢレーザ１２の温度が局所的に変化した場合やＤＦＢレーザ１２そのものの特性が変化した場合など、レーザモジュール１０の温度が変化しない場合に対応できない。しかしながら、実施例１では、高調波光３４の強度と非変換光３６の強度とから求めた規格化高調波光の強度に基づいてヒータ電流２８の大きさを制御してレーザ光２４の波長の変化を補正している。このため、ＤＦＢレーザ１２の温度が局所的に変化した場合やＤＦＢレーザ１２そのものの特性が変化した場合などにも対応でき、高調波生成素子１８から安定して高調波光３４を出射させることができる。
【００４４】
図６のステップＳ２４で説明したように、規格化高調波光の強度が所定の強度になるようにヒータ電流２８の大きさを制御するときは、ＤＦＢレーザ１２の駆動電流２６の大きさを変化させずに固定したままにする。ＤＦＢレーザ１２の駆動電流２６の大きさが変化すると、レーザ光２４の波長が変化するため、規格化高調波光の強度を所定の強度にする制御が複雑になる。したがって、規格化高調波光の強度を所定の強度とする制御を容易にするため、制御部４０は、ＤＦＢレーザ１２を駆動する駆動電流２６の大きさを固定した状態で、規格化高調波光の強度が所定の強度になるようにヒータ電流２８の大きさの制御をすることが好ましい。
【００４５】
図７（ａ）および図７（ｂ）のように、ヒータ電流２８の大きさを制御して規格化高調波光の強度を合わせこむ所定の強度は、レーザ光２４の波長が、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０から長波長側にずれた波長λ１における規格化高調波光の強度である場合が好ましい。これにより、規格化高調波光の強度が低下した場合はレーザ光２４の波長が長波長側にシフトし、規格化高調波光の強度が増加した場合はレーザ光２４の波長が短波長側にシフトしたことが容易に分かり、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせこむヒータ電流２８の制御が容易となる。このような観点から、所定の強度は、レーザ光２４の波長が、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０から短波長側にずれた波長における規格化高調波光の強度である場合でもよい。即ち、所定の強度は、レーザ光２４の波長が、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０からずれた波長における規格化高調波光の強度である場合であればよい。言い換えると、規格化高調波光の強度が所定の強度となるレーザ光２４の波長は、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０からずれた波長である場合が好ましい。
【００４６】
また、規格化高調波光の強度が所定の強度となるレーザ光２４の波長は、高調波生成素子１８で高調波光３４に変換可能な波長範囲内である場合が好ましい。これにより、レーザ光２４の波長変化に対する規格化高調波光の強度変化が大きくなるため、規格化高調波光の強度を所定の強度に合わせこむヒータ電流２８の制御が容易になると共に、高調波生成素子１８から出射される高調波光３４の強度を大きくできる。
【００４７】
実施例１に係るレーザシステム１００は、図１のように、レーザモジュール１０の温度とヒータ１４に投入するヒータ電力とを対応付けたテーブル５６を記憶する記憶部５０を有する。そして、図６のステップＳ２６で説明したように、制御部４０は、周期的に、規格化高調波光の強度が所定の強度になるように制御したヒータ電流２８の大きさに基づいてテーブル５６に新たなヒータ電力の情報を書き込む。そして、図５のステップＳ１２で説明したように、レーザシステム１００の電源が投入された際に、制御部４０は、記憶部５０に記憶されたテーブル５６を参照して、現在のレーザモジュール１０の温度に対応したヒータ電力を求めてヒータ１４にヒータ電流２８を注入する。これにより、レーザシステム１００の電源が投入された場合に、ＤＦＢレーザ１２が発振するレーザ光２４の波長を所望の波長に容易に且つ素早く合わせることができる。よって、レーザシステム１００の立ち上げ後、高調波生成素子１８から高調波光３４を素早く出射させることができる。
【００４８】
図６のステップＳ２８で説明したように、記憶部５０が記憶するテーブル５６に予め書き込まれていたヒータ電力の初期値と新たに書き込んだヒータ電力の値との差分を求め、その差分が所定の閾値を超えた場合にエラーを出力する。図４（ｂ）で説明したように、レーザ光２４の波長はヒータ電力の大きさにより変化することから、ヒータ電力の値が変わったということは、レーザ光２４の波長が変化したことになる。
【００４９】
図１０は、レーザシステム１００の使用開始時とテーブル５６の更新時とにおける、レーザ光２４の波長に対する高調波光３４の強度の例を示す模式図である。図１０のように、使用開始時は、レーザ光２４の波長が例えばλ０にて高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大になっていたが、テーブル５６の更新時は、レーザ光２４の波長が例えばλ３にて高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大になっている場合を想定する。この場合、レーザモジュール１０の特性が変化したと考えられる。したがって、ヒータ電力の初期値と新たに書き込んだヒータ電力の値との差分が所定の閾値を超えた場合は、レーザモジュール１０の特性が変化したとみなして、エラーを出力する場合が好ましい。これにより、特性劣化したレーザモジュール１０の判別および排除が可能となる。なお、所定の閾値とは、上述したように、レーザモジュール１０の特性が変化したとみなすことができる程に、ヒータ電力の初期値と更新時の値との差分が大きくなった場合の値をいう。例えば、ヒータ電力として初期値から２０％変化した場合を閾値とすることができる。
【００５０】
実施例１では、図７（ａ）および図７（ｂ）で説明したように、ヒータ電流２８の大きさを制御して規格化高調波光の強度を合わせこむ所定の強度は、レーザ光２４の波長が、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０からずれた波長における規格化高調波光の強度である場合を例に示したが、これに限らず、高調波生成素子１８による高調波光３４への変換効率が最大となる波長λ０における規格化高調波光の強度である場合でもよい。
【００５１】
実施例１では、レーザ光２４の強度が低く、高調波生成素子１８での変換効率が低い場合で、非変換光３６の強度がレーザ光２４の波長に対して一定とみなすことができる場合を例に説明してきた。しかしながら、この場合に限らず、レーザ光２４の強度が例えば１００ｍＷ以上と強く、非変換光３６の強度がレーザ光２４の波長に対して変化する場合でも、高調波光３４と非変換光３６との比をとることで、規格化高調波光が得られることは変わらない。
【００５２】
実施例１では、レーザは量子ドットＤＦＢレーザである場合を例に示したがこれに限られるわけではない。例えば、量子井戸ＤＦＢレーザなどである場合でもよいし、ＤＦＢレーザ以外の例えばファブリペロ型レーザである場合でもよい。また、ＳＯＡ１６と高調波生成素子１８とはレンズ２２を介して光結合している場合を例に示したが、ＳＯＡ１６と高調波生成素子１８とは直接結合している場合でもよい。
【００５３】
また、実施例１では、高調波生成素子１８は、レーザ光２４をレーザ光２４の第２高調波に変換する場合を例に示したが、高調波生成素子１８はレーザ光２４のより高次な高調波光に変換してもよい。また、レーザ光２４が１０６４ｎｍの赤外光で、高調波光３４が５３２ｎｍのグリーン光である場合を例に示したが、高調波光３４は他の波長の光でもよく、またレーザ光２４はその他の波長を有していてもよい。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ レーザモジュール
１２ ＤＦＢレーザ
１４ ヒータ
１６ ＳＯＡ
１８ 高調波生成素子
２０ 温度センサ
２２ レンズ
２４ レーザ光
２６ 駆動電流
２８ ヒータ電流
３０ 駆動電流
３４ 高調波光
３６ 非変換光
４０ 制御部
４２ 反射ミラー
４４ ビームスプリッタ
４６ 第１の光検出器
４８ 第２の光検出器
５０ 記憶部
５６ テーブル
１００ レーザシステム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振するレーザと、前記レーザの温度を調節するヒータと、前記レーザ光を前記レーザ光の高調波光に変換する高調波生成素子と、を有するレーザモジュールと、
前記高調波生成素子で変換された前記高調波光の強度を前記高調波生成素子で前記高調波光に変換されずに前記高調波生成素子を通過した非変換光の強度で規格化した規格化高調波光の強度が所定の強度になるように前記ヒータに注入するヒータ電流を制御する制御部と、を具備することを特徴とするレーザシステム。
【請求項２】
前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度となる前記レーザ光の波長は、前記高調波生成素子による前記高調波光への変換効率が最大となる波長からずれた波長であることを特徴とする請求項１記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度となる前記レーザ光の波長は、前記高調波生成素子で前記高調波光に変換可能な波長範囲内の波長であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記制御部は、前記レーザを駆動する駆動電流を固定した状態で、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度になるように前記ヒータに注入するヒータ電流を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記レーザモジュールの温度と前記ヒータに投入するヒータ電力とを対応付けたテーブルを記憶する記憶部を具備し、
前記制御部は、周期的に、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度になるように制御した前記ヒータ電流に基づいて前記テーブルに新たなヒータ電力を書き込むと共に、前記レーザシステムの電源が投入された際に、前記テーブルを参照して前記ヒータにヒータ電流を注入することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のレーザシステム。
【請求項６】
前記制御部は、前記テーブルに予め書き込まれていた前記ヒータ電力の初期値と前記テーブルに新たに書き込んだ前記ヒータ電力の値との差分が所定の閾値を超えた場合にエラーを出力することを特徴とする請求項５記載のレーザシステム。
【請求項１】
レーザ光を発振するレーザと、前記レーザの温度を調節するヒータと、前記レーザ光を前記レーザ光の高調波光に変換する高調波生成素子と、を有するレーザモジュールと、
前記高調波生成素子で変換された前記高調波光の強度を前記高調波生成素子で前記高調波光に変換されずに前記高調波生成素子を通過した非変換光の強度で規格化した規格化高調波光の強度が所定の強度になるように前記ヒータに注入するヒータ電流を制御する制御部と、を具備することを特徴とするレーザシステム。
【請求項２】
前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度となる前記レーザ光の波長は、前記高調波生成素子による前記高調波光への変換効率が最大となる波長からずれた波長であることを特徴とする請求項１記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度となる前記レーザ光の波長は、前記高調波生成素子で前記高調波光に変換可能な波長範囲内の波長であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記制御部は、前記レーザを駆動する駆動電流を固定した状態で、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度になるように前記ヒータに注入するヒータ電流を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記レーザモジュールの温度と前記ヒータに投入するヒータ電力とを対応付けたテーブルを記憶する記憶部を具備し、
前記制御部は、周期的に、前記規格化高調波光の強度が前記所定の強度になるように制御した前記ヒータ電流に基づいて前記テーブルに新たなヒータ電力を書き込むと共に、前記レーザシステムの電源が投入された際に、前記テーブルを参照して前記ヒータにヒータ電流を注入することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のレーザシステム。
【請求項６】
前記制御部は、前記テーブルに予め書き込まれていた前記ヒータ電力の初期値と前記テーブルに新たに書き込んだ前記ヒータ電力の値との差分が所定の閾値を超えた場合にエラーを出力することを特徴とする請求項５記載のレーザシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４３９９４（Ｐ２０１２−４３９９４Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４０９３（Ｐ２０１０−１８４０９３）
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（５０６４２３０５１）株式会社ＱＤレーザ (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（５０６４２３０５１）株式会社ＱＤレーザ (26)
【Ｆターム（参考）】
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