JP4714967B2 - Semiconductor laser pumped solid-state laser device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ励起固体レーザ装置に関するもので、特に、半導体レーザの劣化または故障の検出に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置を、図4を用いて説明する。図4は例えば特開平10−294513号公報に記載されている従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を示す概略図である。
図において、1は固体レーザ媒質(YAG)、2及び3は共振器を構成するための共振器ミラー、4(4a乃至4h)は固体レーザ媒質1を励起するための半導体レーザ、5は半導体レーザ4を駆動するための電源である。また、6(6a乃至6h)はヒートシンク、7は冷却水路、8は冷却器である。
【0003】
固体レーザ媒質1の励起用の半導体レーザ4は、発光部をアレイ状やスタック状に構成することにより大出力を得ている。現状では、アレイ状の半導体レーザ4の出力は20W乃至50Wのものが一般に用いられている。
【0004】
一方、固体レーザ媒質1の出力は数Wから数kW級までのものがあり、これらの出力のレーザ装置を構成するためには、1つの半導体レーザ4で励起することは不可能であり、複数の半導体レーザ4によって励起する方式が取られる。
【0005】
まず、複数の半導体レーザを同時に励起するための電源接続方法について述べる。
一般に、複数の負荷を電源に対して並列で接続する場合には駆動すべき電源は低電圧,大電流となり、一方、直列で接続する場合には高電圧,低電流となる。
20W乃至50W級の半導体レーザの場合は、その動作電圧が2V程度、動作電流が40A乃至60Aと、比較的低電圧,大電流で動作する。
図4に示す半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合、1つの固体レーザ媒質1を8個の半導体レーザ4で励起している。1つの半導体レーザ4の動作電圧及び動作電流を2V―50Aとすると、8個の半導体レーザを並列で動作させる場合に必要な電源は2V―400Aである。一方、直列で動作させる場合には16V−50Aとなる。このように、半導体レーザ4の場合には複数を直列に接続しても比較的中電圧,中電流の電源で対応ができる。
【0006】
低電圧,大電流の電源は入手が困難なばかりでなく、回路上の損失といった面からも極めて不利である。電流を供給するための電線は、僅かながらも電気抵抗Reをもち、電線で損失する電力は電流値Iに対してI2・Reとなり、電流の自乗に比例して大きくなる。これを克服するためには、電線の断面積を大きくして電気抵抗を下げるという方法があるが、太い電線を励起ヘッド内に配線することは非常に不利である。
【0007】
このように、電力供給には一般に、損失の少ない高電圧,低電流の方式が採用される。以上のことから、複数の半導体レーザ4を同時に励起する方式としては、半導体レーザ4を直列に接続して動作させる方式が一般的である。
【0008】
次に、固体レーザ媒質1と半導体レーザ4とを有する励起ヘッドの構成について述べる。
一般に、固体レーザ媒質1の励起効率を上げるために、半導体レーザ4から出力される光は全て固体レーザ媒質1に向けて照射され、集光器内に閉じ込める方式が取られる。
【0009】
仮に、励起ヘッドが、半導体レーザ4の光が外部に漏れることによりモニタできる構成であれば、各半導体レーザ4の漏れ光を検出することにより、劣化または故障した半導体レーザ4を特定できる。
また、複数の半導体レーザ4が電源5に対して並列に接続されていれば、各半導体レーザ4に電力を供給する回路を独立に遮断することができる。したがって、半導体レーザ4への回路を遮断しても固体レーザ媒質1の出力に変化がなければ、その半導体レーザ4が劣化,故障(以下適宜、劣化と記す)していると判断ができる。
【0010】
しかし、励起ヘッドが上述のように半導体レーザ4からの光が外部に漏れないように構成され、かつ、複数の半導体レーザ4を直列に接続して1つの電源5で動作させる方式をもつ半導体レーザ励起固体レーザ装置では、半導体レーザ4の劣化等による固体レーザ媒質の出力低下が生じた場合、劣化した半導体レーザを特定することは困難であった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、以上に説明したような構成となっているため、複数の半導体レーザのうち、いずれの半導体レーザが、劣化したかを知るためには、励起ヘッドを解体し、全ての半導体レーザを取り出し、1つ1つの半導体レーザの出力特性を個別に測定しなければならない、という問題点があった。
【0012】
この発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で、複数の半導体レーザの中から劣化した半導体レーザを特定することができる、半導体レーザ励起固体レーザ装置を得るものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、固体レーザ媒質と、電源と接続され前記固体レーザ媒質を励起する複数の半導体レーザと、これら複数の半導体レーザのうち所定の半導体レーザの温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の出力に基き前記半導体レーザの劣化状態を検出する劣化検出手段とを備えたものである。
【0014】
また、複数の半導体レーザは、電気的に直列接続されているものである。
【0015】
また、温度検出手段は、全ての半導体レーザの温度を検出するものである。
【0016】
また、劣化検出手段からの出力に基き半導体レーザの劣化状態を報知する劣化報知手段を設けたものである。
【0017】
また、温度検出手段を、半導体レーザを冷却するためのヒートシンクに設けたものである。
【0018】
また、温度検出手段は、熱電対であるものである。
【0019】
また、温度検出手段は、感熱紙であるものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
この発明の第一の実施の形態による半導体レーザ励起固体レーザ装置について説明する。
はじめに、この発明における半導体レーザの劣化検出の原理について、簡単に説明する。
半導体レーザでは、P−N接合部において電源から供給される電子と空孔との再結合により、P−N接合部に存在するエネルギーギャップに対応するエネルギーが光に変換される。半導体レーザを構成する半導体結晶構造が何らかの原因で破損すると、P−N接合部でのエネルギーギャップが変化を起こし電子と空孔との再結合によるエネルギーが光に変換できなくなる。この光に変換できなくなったエネルギーは、P−N接合部から熱として発生する。
このように、半導体レーザの劣化はエネルギーの放出形態が光から熱に変化するのみであり、電気特性、すなわち電流・電圧特性の変化は小さい。
【0021】
以上のように、半導体レーザはその出力特性が低下しても電流・電圧特性が変化しない性質をもつ。出力低下分はそのまま発熱となり半導体レーザに蓄積されることとなる。したがって、ある一定条件で半導体レーザを動作させた場合には出力劣化は半導体レーザ自体の温度上昇として現れることになる。この温度上昇を温度検出手段により検出することにより、出力低下した半導体レーザを特定することが可能となる。
【0022】
ある一定条件、例えば直流で一定の電流値、で駆動した場合、P(W)の光出力が得られる半導体レーザの場合、発光部から温度検出手段を取り付けた位置までの熱抵抗、これは発光部から温度検出手段の位置までの材質及び機械的構造のみで決まるものであるが、これをR(℃/W)とする。半導体レーザの劣化により光出力が熱に変換されたときには、温度検出手段の温度上昇は、P×R(℃)として現れることになる。
【0023】
現在商品化されている20W乃至50W級の半導体レーザ製品では、発光部から放熱を行うために取り付けられているヒートシンクまでの熱抵抗は、0.7乃至1.0℃/W程度のものが一般的である。20W出力,熱抵抗0.7℃/Wの半導体レーザが劣化した場合にはヒートシンク上で、20W×0.7℃/W=14℃の温度上昇が発生することになる。60Wの出力で熱抵抗1.0℃/Wの半導体レーザの場合では、60℃の温度上昇となる。
【0024】
したがって、半導体レーザの劣化検出は10℃以上といった比較的大きな温度変化を検出すればよく、熱電対,感熱紙等の安価で構造の簡単な温度検出手段で十分対応が可能である。
【0025】
次にこの発明の第一の実施の形態による半導体レーザ励起固体レーザ装置の具体的構成を、図1を用いて説明する。図1はこの発明の第一の実施の形態による半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す構成図である。
図中、符号1乃至5に示すものは、従来例のものと同一または相当のものであるので、詳細な説明は省略する。10(10a乃至10h)は各半導体レーザ4の発振部近傍に取り付けられた温度検出手段としての熱電対である。11(11a乃至11h)は各熱電対10に対応して設けられた比較器で、そのもう一方の入力は基準温度設定器12に接続されている。
13は比較器11の出力に基き、操作者へ半導体レーザ4の劣化,故障を報知する劣化報知手段であり、例えば、専用表示パネル,警告灯,警告音発生用スピーカー等である。比較器11と基準温度設定器12と比較器11からの出力信号を処理して劣化報知手段13へ出力する処理回路(図示せず)とによって、劣化検出手段を構成する。また、図示しない処理回路は、劣化報知手段13と一体となった構成のものでもよい。
【0026】
半導体レーザ4は電源5により駆動され、固体レーザ媒質1の吸収帯に対応した波長の光を発生する。固体レーザ媒質1がNd:YAGである場合には半導体レーザ4の発振波長が808nm近傍となるものが用いられる。固体レーザ媒質1は半導体レーザ4により励起され、共振器ミラー2,3によって構成された共振器によりレーザ発振を行う。
【0027】
熱電対10は各々の半導体レーザ4にそれぞれ取り付けられ、常にその温度をモニタしている。40W程度の出力を持つ半導体レーザ4の場合、一般に2V―50Aで動作する。半導体レーザ4に供給される電力100Wに対して半導体レーザ光として取り出されるパワーは40Wであり、残りの60Wは熱として半導体レーザ4に蓄積される。この蓄積された熱量は何らかの冷却方式を用いて外部に運び出される。
【0028】
いずれかの半導体レーザ4が劣化した場合、その電流・電圧特性の変化はごく僅かで、光出力のみが低下する。すなわち、本来、光出力として取り出されていたパワーが熱量として当該半導体レーザ4に蓄積されることになる。劣化により当該半導体レーザ4に蓄積される熱量が増大することになり、当該半導体レーザ4の温度上昇として現れる。この温度上昇は当該半導体レーザ4に設けられた熱電対10により検出することができる。
【0029】
比較器11は、熱電対10からの出力すなわち半導体レーザ4の温度を基準温度設定器12に予め設定された基準温度と比較し、半導体レーザ4の温度が上昇して、設定された基準温度以上となった場合、処理回路(図示せず)へ出力する。処理回路によって処理された出力信号は更に劣化報知手段13へ出力され、劣化報知手段13の作動によって使用者へ半導体レーザ4の劣化が報知される。
【0030】
上述のように、この実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置によれば、半導体レーザ4を直列に接続し一つの電源5で駆動していても、各々の半導体レーザ4の温度をモニタし温度上昇を検出することにより、どの半導体レーザ4が劣化したのかを判定することができる。
【0031】
図2に、個々の半導体レーザ4の構成を示す。半導体レーザ4は、ヒートシンク6と半導体レーザ素子14とが一体化されており、半導体レーザ素子14はヒートシンク6により常に冷却される。
図3には、温度検出手段として、感熱紙15をヒートシンク6の表面に貼り付けた場合を示す。
【0032】
また、図示はしていないが、水冷式のヒートシンクを用いた場合には、ヒートシンクへの冷却水の供給側と排出側との冷却水の温度差の変化に基き、各半導体レーザの温度上昇を検出することも可能である。
【0033】
さらに、図示はしていないが、赤外線カメラのような非接触の温度検出手段により、各半導体レーザの温度上昇を検出することも可能である。
【0034】
なお、上述の実施の形態のものでは、半導体レーザ4の温度が上昇して、設定された基準温度以上となった場合、処理回路から劣化報知手段13へ出力され、使用者へ半導体レーザ4の劣化が報知される場合を示したが、半導体レーザ4の劣化を検出した場合の対応として、使用者へ報知するのみではなく、例えば電源5を落とす等により、装置を停止させる等の処理を行なってもよい。
【0035】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、個々の半導体レーザの温度を検出することにより、簡単な構成で、複数の半導体レーザの中から劣化または故障した半導体レーザを特定することができる、といった効果を奏する。
【0036】
また、半導体レーザの劣化,故障を検出するために、比較的大きな温度変化を検出すればよく、温度検出手段として、熱電対,感熱紙等の、比較的簡単な構造で且つ安価な温度検出手段を用いることができる、といった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態による半導体レーザ励起固体レーザ装置の概略構成図。
【図2】 この発明の実施の形態によるヒートシンク付き半導体レーザの構造を示す説明図。
【図3】 この発明の実施の形態によるヒートシンク付き半導体レーザに感熱紙を設けた構造を示す説明図。
【図4】 従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置の概略構成図。
【符号の説明】
1 固体レーザ媒質
2,3 共振器ミラー
4 半導体レーザ
5 電源
6 ヒートシンク
10 熱電対
11 比較器
12 基準温度設定器
13 劣化報知手段
14 半導体レーザ素子
15 感熱紙[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser pumped solid-state laser device, and more particularly to detection of deterioration or failure of a semiconductor laser.
[0002]
[Prior art]
A conventional semiconductor laser pumped solid state laser device will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional semiconductor laser-pumped solid-state laser device described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-294513.
In the figure, 1 is a solid-state laser medium (YAG), 2 and 3 are resonator mirrors for constituting a resonator, 4 (4a to 4h) are semiconductor lasers for exciting the solid-
[0003]
The
[0004]
On the other hand, the output of the solid-
[0005]
First, a power connection method for simultaneously exciting a plurality of semiconductor lasers will be described.
Generally, when a plurality of loads are connected to a power supply in parallel, the power supply to be driven has a low voltage and a large current, whereas when connected in series, a high voltage and a low current are obtained.
In the case of a 20 W to 50 W class semiconductor laser, the operating voltage is about 2 V, the operating current is 40 A to 60 A, and the semiconductor laser operates at a relatively low voltage and large current.
In the semiconductor laser excitation solid-state laser device shown in FIG. 4, one solid-
[0006]
Low-voltage, high-current power supplies are not only difficult to obtain, but also extremely disadvantageous in terms of circuit losses. The electric wire for supplying the electric current has a slight electric resistance Re, and the electric power lost in the electric wire becomes I 2 · Re with respect to the current value I, and increases in proportion to the square of the electric current. In order to overcome this, there is a method of increasing the cross-sectional area of the electric wire to lower the electric resistance, but it is very disadvantageous to wire a thick electric wire in the excitation head.
[0007]
As described above, a high voltage and low current system with little loss is generally adopted for power supply. From the above, as a method of exciting a plurality of
[0008]
Next, the configuration of the excitation head having the
In general, in order to increase the pumping efficiency of the solid-
[0009]
If the pump head is configured to be monitored by light leaking from the
If a plurality of
[0010]
However, as described above, the pump head is configured so that light from the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional semiconductor laser pumped solid-state laser device has the configuration described above, in order to know which of the plurality of semiconductor lasers has deteriorated, the pump head is disassembled. There was a problem that all the semiconductor lasers were taken out and the output characteristics of each semiconductor laser had to be individually measured.
[0012]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and obtains a semiconductor laser excitation solid-state laser device that can identify a deteriorated semiconductor laser from a plurality of semiconductor lasers with a simple configuration. It is.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor laser pumped solid-state laser device according to the present invention detects a temperature of a solid-state laser medium, a plurality of semiconductor lasers connected to a power source and pumping the solid-state laser medium, and a predetermined semiconductor laser among the plurality of semiconductor lasers A temperature detection means and a deterioration detection means for detecting the deterioration state of the semiconductor laser based on the output of the temperature detection means are provided.
[0014]
The plurality of semiconductor lasers are electrically connected in series.
[0015]
The temperature detecting means detects the temperatures of all the semiconductor lasers.
[0016]
In addition, deterioration notifying means for notifying the deterioration state of the semiconductor laser based on the output from the deterioration detecting means is provided.
[0017]
The temperature detecting means is provided on a heat sink for cooling the semiconductor laser.
[0018]
The temperature detecting means is a thermocouple.
[0019]
The temperature detecting means is a thermal paper.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A semiconductor laser pumped solid-state laser device according to a first embodiment of the present invention will be described.
First, the principle of semiconductor laser deterioration detection in the present invention will be briefly described.
In a semiconductor laser, energy corresponding to an energy gap existing in the PN junction is converted into light by recombination of electrons and vacancies supplied from a power source in the PN junction. If the semiconductor crystal structure constituting the semiconductor laser is broken for some reason, the energy gap at the PN junction changes, and the energy due to recombination of electrons and vacancies cannot be converted to light. The energy that can no longer be converted into light is generated as heat from the PN junction.
Thus, the deterioration of the semiconductor laser only changes the energy emission form from light to heat, and the change in electrical characteristics, that is, current / voltage characteristics is small.
[0021]
As described above, the semiconductor laser has the property that the current / voltage characteristics do not change even if the output characteristics thereof are lowered. The reduced output becomes heat as it is and is accumulated in the semiconductor laser. Therefore, when the semiconductor laser is operated under a certain condition, the output deterioration appears as a temperature rise of the semiconductor laser itself. By detecting this temperature increase by the temperature detecting means, it becomes possible to identify the semiconductor laser whose output has decreased.
[0022]
In the case of a semiconductor laser capable of obtaining a light output of P (W) when driven under a certain condition, for example, a constant current value with direct current, the thermal resistance from the light emitting part to the position where the temperature detecting means is attached, this is the light emission This is determined only by the material and mechanical structure from the position to the position of the temperature detecting means, and this is R (° C./W). When the light output is converted into heat due to the deterioration of the semiconductor laser, the temperature rise of the temperature detecting means appears as P × R (° C.).
[0023]
In 20W to 50W class semiconductor laser products that are currently commercialized, the thermal resistance from the light emitting part to the heat sink attached to dissipate heat is generally about 0.7 to 1.0 ° C / W. Is. When a semiconductor laser having a 20 W output and a thermal resistance of 0.7 ° C./W deteriorates, a temperature increase of 20 W × 0.7 ° C./W=14° C. occurs on the heat sink. In the case of a semiconductor laser having an output of 60 W and a thermal resistance of 1.0 ° C./W, the temperature rises by 60 ° C.
[0024]
Therefore, the deterioration detection of the semiconductor laser may be performed by detecting a relatively large temperature change such as 10 ° C. or more, and can be sufficiently handled by an inexpensive and simple temperature detecting means such as a thermocouple or thermal paper.
[0025]
Next, a specific configuration of the semiconductor laser pumped solid-state laser device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a semiconductor laser pumped solid-state laser device according to a first embodiment of the present invention.
In the figure,
Denoted by 13 is a deterioration notification means for notifying the operator of the deterioration or failure of the
[0026]
The
[0027]
The thermocouple 10 is attached to each
[0028]
When any one of the
[0029]
The comparator 11 compares the output from the thermocouple 10, that is, the temperature of the
[0030]
As described above, according to the semiconductor laser excitation solid-state laser device of this embodiment, even if the
[0031]
FIG. 2 shows the configuration of each
FIG. 3 shows a case where the
[0032]
Although not shown, when a water-cooled heat sink is used, the temperature of each semiconductor laser is increased based on the change in the temperature difference between the cooling water supply side and the discharge side of the cooling water to the heat sink. It is also possible to detect.
[0033]
Furthermore, although not shown, it is also possible to detect the temperature rise of each semiconductor laser by non-contact temperature detecting means such as an infrared camera.
[0034]
In the above-described embodiment, when the temperature of the
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by detecting the temperature of each semiconductor laser, it is possible to identify a deteriorated or failed semiconductor laser from a plurality of semiconductor lasers with a simple configuration. Play.
[0036]
In addition, in order to detect the deterioration or failure of the semiconductor laser, it is only necessary to detect a relatively large temperature change. As the temperature detecting means, a temperature detecting means having a relatively simple structure such as a thermocouple or a thermal paper. There is an effect that can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor laser pumped solid-state laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing the structure of a semiconductor laser with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a structure in which a thermal paper is provided on a semiconductor laser with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a conventional semiconductor laser excitation solid-state laser device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
電源と接続され前記固体レーザ媒質を励起する電気的に直列接続されている複数の半導体レーザと、
これら複数の半導体レーザのそれぞれに設けられ、各半導体レーザの温度を検出する複数の温度検出手段と、
これらの温度検出手段の出力と予め設定された基準温度とを比較する比較器と、
この比較器により前記複数の温度検出手段のいずれかの出力が基準温度を超えた場合に、当該温度検出器が設けられている前記半導体レーザが劣化していることを検出する劣化検出手段とを備えたことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。A solid state laser medium;
A plurality of semiconductor lasers connected in series and electrically connected in series to excite the solid state laser medium;
A plurality of temperature detecting means provided in each of the plurality of semiconductor lasers for detecting the temperature of each semiconductor laser;
A comparator for comparing the output of these temperature detecting means with a preset reference temperature,
A deterioration detecting means for detecting that the semiconductor laser provided with the temperature detector is deteriorated when the output of any of the plurality of temperature detecting means exceeds a reference temperature by the comparator ; A semiconductor laser-excited solid-state laser device comprising:
電源と接続され前記固体レーザ媒質を励起する電気的に直列接続されている複数の半導体レーザと、
これら複数の半導体レーザの表面にそれぞれに貼り付けられ、各半導体レーザの温度を検出する複数の感熱紙とを備え、
前記感熱紙により前記複数の半導体レーザのいずれが劣化しているかを検出することができる半導体レーザ励起固体レーザ装置。 A solid state laser medium;
A plurality of semiconductor lasers connected in series and electrically connected in series to excite the solid state laser medium;
A plurality of thermal papers are attached to the surface of each of the plurality of semiconductor lasers to detect the temperature of each semiconductor laser, and
A semiconductor laser excitation solid-state laser device capable of detecting which of the plurality of semiconductor lasers is deteriorated by the thermal paper .
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