专利名称：激光装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及使用半导体激光器之类的激光装置及激光装置的控制方法，尤其涉及能根据温度控制部及驱动手段消耗的总电力控制驱动温度控制部，以最小的消耗电力工作的激光装置及激光装置控制方法。
背景技术：
以往就有使用半导体激光器的激光振荡装置，并应用于多个方面。
最近，由于激光技术的飞速进步，不仅使用市电的激光振荡装置，而且由电池驱动、在室外使用的激光振荡装置也广泛用于像测量仪器等的场合。
但是，以往的激光振荡装置因耗电多，电池驱动时存在使用时间短而受限制的倾向。
由于上述问题，强烈希望出现能高效率产生激光、消耗电力低、连续使用时间等取得突变性增加的激光振荡装置。
激光器输出在激光器增益曲线的峰值与纵向模位置一致时能最有效地发光，但即使光谐振器在组装时调整至效率最佳的状态，仍存在由于随时间变化而变化至效率不佳的状态的问题。
且，非线性光学介质具有随温度变化而折射率变化的特性，因而存在若环境温度变化则输出光通量变动的问题。
发明内容
在本发明中，形成至少由激光晶体和输出镜子组成的光谐振器，在光学谐振器中插入用于产生二次谐波的非线性光学介质，激光光源泵激光谐振器，驱动手段驱动激光光源，设定环境变换手段使光谐振器和非线性光学介质的设定环境变化，为了使激光振荡装置高效工作，运算处理手段控制驱动设定环境变换手段。
进而，本发明可以是设置在激光振荡装置的温度控制部加热、冷却非线性光学介质，温度检测手段检测非线性光学介质的温度，消耗电力检测部检测温度控制部及驱动手段的消耗电力，运算处理手段根据温度控制部及驱动手段的消耗电力总和，控制驱动温度控制部。
又，在本发明中激光检测部检测激光振荡装置输出的激光光强；温度检测手段除检测非线性光学介质的温度外，还检测环境温度；运算处理手段，根据激光检测部的检测信号，控制驱动驱动手段，使由激光振荡装置输出强度恒定的激光。
又，本发明的运算手段可在作为温度控制部加热或冷却范围的±S℃内，检索使温度控制部及驱动手段消耗电力总和为最小的非线性光学介质温度X℃，进而在X℃±T℃范围内，检索使温度控制部及驱动手段消耗电力总和最小的非线性光学介质温度Y℃，并保持非线性光学介质为Y℃。
又，本发明还可在运算处理手段的存贮器中存贮温度与温度控制部及驱动手段消耗电力的关系。
本发明的激光装置控制方法，为了使激光振荡装置高效工作，可使光谐振器及非线性光学介质的设定环境变化。
又，本发明的激光装置控制方法，对激光振荡装置，可用温度控制部加热、冷却非线性光学介质，并根据温度控制部及驱动手段消耗电力的总和控制驱动温度控制部，使激光振荡装置的消耗电力最小。
本发明的激光装置控制方法，可让激光检测部检测由激光振荡装置输出的激光光强，并根据激光检测部的检测信号，控制驱动驱动手段，使激光振荡装置输出强度恒定的激光。
本发明的激光装置控制方法，可在第1步骤中，在作为温度控制部的加热或冷却范围的±S℃内，检索使温度控制部及驱动手段的消耗电力总和为最小的非线性光学介质温度X℃；在第2步骤中，在X℃±T℃范围内，检索使温度控制部及驱动手段的消耗电力总和为最小的非线性光学介质温度Y℃；保持非线性光学介质为Y℃。
附图概述图1是本发明实施例的激光装置10000的构成说明图。
图2表示激光光源100的半导体激光器的消耗电流为恒定时温度变化与激光输出的关系，即半导体激光器中张弛振荡时峰谷分布与光强度的关系。
图3表示激光振荡装置1000的输出为恒定时，温度变化与作为激光光源100的半导体激光器的消耗电力的关系。
图4表示温度变化与利用温度控制部700的温度控制手段消耗电力的关系。
图5表示作为激光光源100的半导体激光器的消耗电力与利用温度控制部700的温度控制手段的消耗电力相加的合计消耗电力。
图6是本实施例的激光装置10000的动作说明图。
图7是本实施例的激光装置10000应用于管状激光装置20000的说明图。
本发明的最佳实施方式下文，参照
本发明的实施例。
图1表示本实施例的激光振荡装置1000，它由激光光源100、激光晶体300、非线性光学介质400、输出镜子500、激光驱动手段600、温度控制部700构成。
激光光源100用于产生激光，在本实施例中该光源使用半导体激光器。在本实施例中，激光光源100起产生基波的泵光产生装置的作用。激光光源100不限于半导体激光器，能采用可产生激光的任何光源手段。激光驱动手段600用于驱动激光光源100，在本实施例中，能脉冲驱动激光光源100。
激光晶体300是负温度介质，用作光的放大。注入Nd3+离子的YAG(钇铝柘榴石)等用作激光晶体300。YAG具有946nm、1064nm、1319nm等的谱线。
但激光晶体300不限于YAG，也可使用谱线为1064nm的NdYV04、谱线为700～900nm的Ti蓝宝石等。
在激光晶体300的激光光源100侧，形成第1电介质反射膜310。该第1电介质反射膜310对激光光源100是高透过的，对激光晶体300的振荡波长是高反射的，同时对SHG(SECOND HARMONIC GENERATION)(二次谐波组成)也是高反射的。
输出镜子500以对向激光晶体300的方式构成，输出镜子500的激光晶体300侧，加工成具有适当半径的凹面球面镜形状，并形成第2电介质反射膜510。该第2电介质反射膜510对激光晶体300的振荡波长是高反射的，对SHG是高透过的。
如上文所述，若激光晶体300的第1电介质反射膜310与输出镜子500组合，使来自激光光源100的光束，泵激激光晶体300，则光在激光晶体300的第1电介质反射膜310和输出镜子500间往复，长时间留驻，因而使光谐振，并放大。
在本实施例中，在由激光晶体300的第1电介质反射膜310与输出镜子500构成的光谐振器内插入非线性光学介质400。
输出的激光波长是激光增益曲线与由谐振器的光路长决定的纵模相一致时的波长。
这里，简单说明非线性光学效应。
若对物质施加电场，则产生电极化。在该电场小时，极化与电场成正比，在像激光那种强相干光的场合，电场与极化间的正比关系破坏，而与电场二次方、三次方成正比的非线性极化分量多起来。
因而，非线性光学介质400中，在光波产生的极化中含有与光波电场的平方成正比的分量，通过该非线性极化，使不同频率光波之间发生混合，从而产生光频二倍的高次谐波。这样生成二次谐波称为SHG(SECOND HARMONIC GENERATION)(二次谐波组成)。
在本实施例中，由于非线性光学介质400插入由激光晶体300与输出镜子500构成的光谐振器内，称为内部型SHG。其变换输出与基波光电力的平方成正比，因而该效应能直接利用光谐振器内的大的光强度。
非线性光学介质例如使用KTP(KTiOPO4，磷酸氧钛钾)、BBO(β-BaB2O4，β型硼酸钡)、LBO(LiB3O5、三硼酸锂)等，主要用于使谱线从1064nm变换至532nm。
又，也可使用KNbO3(铌酸钾)等，主要用于使谱线从946nm变换至473nm。
对于基波的角振频率，也能产生2次谐波(SHG)。
激光输出，在纵模位置与激光增益曲线的峰值一致时发光效率最大。因而，光谐振器组装时，使之调整至效率最佳的状态。
在光谐振器内插入非线性光学介质400时，不仅受激光晶体300和输出镜子500的影响，还受非线性光学介质400配置状态的影响，因而必须调整这3个部件的位置关系。
非线性光学介质400有折射率随温度变化的特性。
因此，激光振荡装置1000，如图2所示，若环境温度变化，则输出光通量也变化。
为了防止输出光通量的变化，设置温度控制部700，使非线性光学介质400保持工作效率最佳的温度。本实施例的温度控制部700利用珀耳帖元件加热、冷却非线性光学介质400。温度控制部700只要具有加热、冷却功能，并不限于珀耳帖元件，可采用任何其它构成。[原理]图2表示激光光源100的半导体激光器的消耗电流恒定时，温度变化与激光输出的关系。横轴表示非线性光学介质400的温度，其范围从0℃至35℃。纵轴表示激光振荡装置1000的输出。
非线性光学介质400的温度与激光振荡装置1000的输出，不具有线性之类的关系，而是带有形成多个峰值的变化。
图3表示激光振荡装置1000的输出恒定时，温度变化与作为激光光源100的半导体激光器所消耗电力的关系。横轴表示非线性光学介质400的温度，纵轴表示半导体激光器的消耗电力。
非线性光学介质400的温度与半导体激光器的消耗电力不具有线性之类的关系，而是带有形成多个峰值的变化。
图4表示温度变化与利用温度控制部700的温度控制手段所消耗电力的关系。横轴表示非线性光学介质400的温度，纵轴表示利用温度控制部700的温度控制手段的消耗电力。
利用温度控制部700的温度控制手段具有最低消耗电力的温度。显然，一旦成为偏离该温度的状态，消耗电力即增大。又，图4是设环境温度为α度、由激励激光二极管发热而引起的非线性光学介质400的温度上升为ΔT℃而画出的。若环境温度变化，则图4的曲线沿横轴移动。
图5表示图3的作为激光光源100的半导体激光器所消耗电力与图4利用温度控制部700的温度控制手段的消耗电力相加而得到的合计消耗电力。
图5是图3的作为激光光源100的半导体激光器所消耗电力与图4利用温度控制部700的温度控制手段的消耗电力的累加，因而观察该图时，即使是图3的半导体激光器消耗电力少的温度，若图4利用温度控制部700的温度控制手段的消耗电力多，也未必能说是最小消耗电力，最好以这些消耗电力相加值为最小的温度工作。[实施例构成]下文，参照图1说明本实施例的电气构成。
本实施例的激光装置10000由激光振荡装置1000、激光检测部2000、消耗电力检测部3000、温度检测手段4000、运算处理手段5000构成。
激光振荡装置1000由激光光源100、激光晶体300、非线性光学介质400、输出镜子500、激光驱动手段600、温度控制部700构成。
激光检测部2000通过半透镜2100取入激光振荡装置1000的部分输出激光，用于计测输出激光的光强。只要是能测定光强的光传感器，采用任何元件均可。
消耗电力检测部3000，连接激光驱动手段600和温度控制部700，用于计测激光光源100及温度控制部700的消耗电力。在本实施例中，虽然是通过计测激光驱动手段600与温度控制部700的消耗电流运算消耗电力的，但只要可算出消耗电力，采用任何方法计测消耗电力都可以。
温度检测手段4000由温度控制部计测传感器4100、外部温度计测传感器4200构成。温度控制部计测传感器4100用于计测温度控制部700的温度，外部温度计测传感器4200用于计测外部温度。只要是能计测温度的传感器，温度检测手段4000均可采用。
运算处理手段5000含有CPU、RAM、ROM等，用于进行控制运算处理，承担总体控制，同时备有各种控制功能。本实施例的运算处理手段5000包含温度控制驱动部5100、激光驱动控制部5200。
温度控制驱动部5100用于控制驱动温度控制部700，能加热、冷却非线性光学介质400至期望的温度。
激光驱动控制部5200控制激光驱动手段600，用于调整激光光源100的输出。
参照图6说明以上述方式构成的本实施例的动作。
首先，在步骤1(以下简称为S1)，接入本实施例的激光装置10000的电源，使之启动。在S1，激光驱动控制部5200控制激光驱动手段600，使激光光源100发光，泵激激光振荡装置1000。结果，自作为光谐振器的激光振荡装置1000射出激光。
然后，在S2，运算处理手段5000输入外部温度计测传感器4200所得环境温度。
在S3，运算处理手段5000，根据测定的环境温度，加上激励二极管发热引起的非线性光学介质400的上升温度ΔT℃，设定加热、冷却温度差(±S)。在本实施例中，设定±S为±7℃，环境温度为16℃时，设ΔT＝4℃，则构成以20℃±7℃(即，自13℃至27℃)加热或冷却非线性光学介质400。
在S4，对激光振荡装置1000边施加自动功率控制，边进行驱动。即，运算处理手段5000，根据激光检测部2000的检测信号进行控制，使激光驱动控制部5200经激光驱动手段600驱动激光光源100，让激光振荡装置1000，以恒定的光强射出激光。
在S5，维持以恒定光强射出激光的状态，同时，温度控制驱动部5100控制驱动温度控制部700，使非线性光学介质400的温度在±S℃范围内变化。运算处理手段5000取入来自消费电力检测部3000的数据。即，计测激光光源100和温度控制部700的消耗电力，测定非线性光学介质400的温度与激光光源100及温度控制部700消耗电力的关系。设激光光源100的消耗电力为W1、温度控制部700的消耗电力为W2。
在S6，检索本实施例的激光装置10000的最小消耗电力。即，运算处理手段5000运算W＝W1+W2，确定W为最小的非线性光学介质400的温度。这里，设W为最小的非线性光学介质400的温度为X℃。
在S7，重新由X℃设定加热、冷却的温度差(±T)。在本实施例中，±T设定为±2℃，X℃为19℃时，非线性光学介质400加热、冷却的温度范围为19℃±2℃，即从19℃至21℃。
在步骤S8，一面施加自动功率控制，一面继续驱动激光振荡装置1000；在S9，维持以恒定光强射出激光的状态，同时，温度控制驱动部5100驱动温度控制部700，使非线性光学介质400的温度，在±T℃范围内变化。运算处理手段5000自消耗电力检测部3000取入数据。
因而，计测激光光源100及温度控制部700的消耗电力，测定非线性光学介质400的温度与激光光源100及温度控制部700消耗电力的关系。这里，设激光光源100消耗电力为W1、温度控制部700的消耗电力为W2。
然后，在步骤10，检索本实施例激光装置10000的最小消耗电力。即，运算处理手段5000运算W＝W1+W2，确定W最小的非线性光学媒质400的温度。设W最小的非线性光学介质400的温度为Y℃。
若连续运算该Y℃，即使激光装置10000的最小消耗电力的温度随时间变动，也能追踪并确定消耗电力为最小的非线性光学介质400的温度。
因而在S11，若连续求Y℃，而且温度控制驱动部5100控制温度控制部700，使非线性光学介质400为Y℃，则能维持激光装置10000的消耗电力为最小值。
又，可适当确定±S℃及±T℃。本实施例缩小温度检索范围，因而能使检索时间为最小。即，检索方法设计成先在±S℃范围进行高速粗略测定，然后在±T℃范围进行低速细致检索。即使想要高速测定宽大的温度范围，由于非线性光学介质400的温度不均匀，也需注意不能进行精确测定。又，不限于±S℃及±T℃这2个阶段，也可分多个阶段处理。由于温度检索引起的温度变化使光谐振器状态变化，在需要较稳定的激光的场合，也可构成作适当次数的温度检索动作后，使温度检索终止。此外，经常监测外部温度，在环境温度变化，判断为需要作温度检索时，再启动温度检索操作，这种构成也可以。
又，也可以采用下述构成在使用温度范围(例如0℃～35℃范围内)测定非线性光学介质400的温度与各种消耗电力的关系并预先存贮在运算处理手段5000的存贮器中，而且温度控制驱动部5100根据该数据，控制温度控制部700。这时，可省略±S℃的温度检索操作。而且，比较存贮的数据与目前的测定值，可观测光谐振器随时间的变化，能向使用者提供激光性能劣化的告警。再者，可把目前的测定值作为新的数据进行更新后存贮。也可存贮示于图4等的特性。
上述实施例是设定环境为非线性光学介质400的温度、设定环境变换手段为温度控制部700的情况。但设定环境不限于温度，也可为光谐振器和非线性光学介质的配置等，设定环境变换手段可以为能使光谐振器和非线性光学介质移动的适当机械手段。
本实施例的激光装置10000可应用于图7所示的管式激光装置20000。
管式激光装置20000内部设置激光装置10000，能在水平及垂直方向射击导向光。
该管式激光装置20000中，在电池盒21000内装入电源，并在端部形成操作面板22000和移动用把手23000。
如上所述构成的本发明备有由至少包含激光晶体与输出镜子的光谐振器、插入该光谐振器，用于产生2次谐波的非线性光学介质、泵激所述光谐振器的激光光源、用于驱动该激光光源的驱动手段组成的激光振荡装置；还包括使所述光谐振器及非线性光学介质的设定环境变化的设定环境变换手段及为了使所述激光振荡装置高效工作而控制驱动所述设定环境变换手段的运算处理手段，因而具有能使激光振荡装置最有效工作的效果。
进而，本发明备有对激光振荡装置加热、冷却所述非线性光学介质的温度控制部，检测所述非线性光学介质温度的温度检测手段，检测所述温度控制部及驱动手段消耗电力的消耗电力检测部，根据所述温度控制部及驱动手段消耗电力之和控制驱动所述温度控制部的运算处理手段；因而具有能提供以最小消耗电力发光的激光装置、能不随时间变化自动调整至最佳状态的卓越效果。
产业上可利用性如上所述，本发明的使用半导体激光器之类的激光装置及激光装置的控制方法能提供根据温度控制部及驱动手段消耗电力的总和控制驱动温度控制部，从而以最小消耗电力工作的激光装置。
权利要求
1.一种激光装置包括，由至少含激光晶体及输出镜子的光谐振器、插入所述光谐振器用于产生二次谐波的非线性光学介质、泵激所述光谐振器的激光光源、驱动所述激光光源的驱动手段组成的激光振荡装置；其特征在于，所述激光装置还包括，改变所述光谐振器和所述非线性光学介质设定环境的设定环境变换手段；为了使所述激光振荡装置高效工作而控制驱动所述设定环境变换手段的运算处理手段。
2.一种激光装置包括，由至少含激光晶体及输出镜子的光谐振器、插入所述光谐振器用于产生二次谐波的非线性光学介质、泵激所述光谐振器的激光光源、驱动所述激光光源的驱动手段组成的激光振荡装置；其特征在于，所述激光装置还包括，加热、冷却所述非线性光学介质的温度控制部；检测所述非线性光学介质温度的控制检测手段；检测所述温度控制部及所述驱动手段的消耗电力的消耗电力检测部；根据所述温度控制部及所述驱动手段消耗电力的总和，控制驱动所述温度控制部的运算处理手段。
3.如权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，进一步包括检测由所述激光振荡装置输出的激光光强的激光检测部；所述温度检测手段除检测非线性光学介质的温度外，还检测环境温度；所述运算处理手段，根据激光检测部的检测信号，控制驱动驱动手段，使激光振荡装置输出强度恒定的激光。
4.如权利要求2或3所述的激光装置，其特征在于，所述运算处理手段，在作为温度控制部加热或冷却范围的±S℃内，检索使所述温度控制部和所述驱动手段的消耗电力总和最小的非线性光学介质的温度X℃，进而在X℃±T℃的温度范围内，检索使所述温度控制部及所述驱动手段的消耗电力总和最小的非线性光学介质的温度Y℃，并使非线性光学介质保持Y℃。
5.如权利要求4所述的激光装置，其特征在于，在运算处理手段的存贮器中存贮温度与温度控制部及驱动手段消耗电力总和的关系。
6.一种激光装置的控制方法，其特征在于，为了使由至少含激光晶体及输出镜子的光谐振器、插入所述光谐振器用于产生二次谐波的非线性光学介质、泵激所述光谐振器的激光光源、驱动所述激光光源的驱动手段组成的激光振荡装置高效工作，使所述光谐振器和所述非线性光学介质的设定环境变化。
7.一种激光装置的控制方法，所述激光装置包括由至少含激光晶体及输出镜子的光谐振器，插入所述光谐振器用于产生二次谐振的非线性光学介质、泵激所述光谐振器的激光光源、驱动所述激光光源的驱动手段组成的激光振荡装置，其特征在于，由温度控制部加热、冷却非线性光学介质；根据所述温度控制部及所述驱动手段消耗电力的总和，控制驱动所述温度控制部使激光振荡装置的消耗电力为最小。
8.如权利要求6或7所述的激光装置的控制方法，其特征在于，激光检测部检测由激光振荡装置输出的激光的光强；根据激光检测部的检测信号，控制驱动驱动手段，使激光振荡装置输出强度恒定的激光。
9.如权利要求7或8所述的激光装置的控制方法，其特征在于该方法包括在作为温度控制部加热或冷却范围的±S℃内，检索使所述温度控制部及所述驱动手段的消耗电力总和为最小的非线性光学介质温度X℃的第1步骤；在X℃±T℃范围内，检索使所述温度控制部及所述驱动手段的消耗电力总和为最小的非线性光学介质温度Y℃的第2步骤，持续进行第2步骤，使非线性光学介质保持Y℃。
全文摘要
本发明的目的在于将非线性光学介质插入含激光器晶体的光谐振器内,使由激光源泵激的激光谐振器高效工作。激光谐振器(1000)中的温度控制部(700)加热、冷却非线性光学介质(400),温度检测手段(4100)检测该介质的温度,消耗电力检测部(3000)检测温度控制部和驱动手段(600)的耗电后,运算处理手段(5000)根据温度控制部和驱动手段所耗电力的总和,控制并驱动温度控制部。
文档编号G02F1/37GK1180454SQ97190110
公开日1998年4月29日 申请日期1997年3月17日 优先权日1996年3月18日
发明者大石政裕, 小泉浩, 大友文夫, 籾内正幸, 后藤义明 申请人:株式会社拓普康