CN107546570A - 电流控制装置和激光器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电流控制装置和激光器装置。该电流控制装置向半导体激光器供给电流以使该半导体激光器输出激光，并且包括电流指令器和供给器。所述电流指令器通过随着时间的经过增加与电流值相对应的指令值、直到达到与用以输出具有预定强度的激光的电流值相对应的目标指令值为止，来输出指令值。所述供给器将具有与电流指令器所输出的指令值相对应的大小的电流供给至半导体激光器。

Description

电流控制装置和激光器装置
技术领域
本发明涉及一种向半导体激光器供给电流的电流控制装置和激光器装置。
背景技术
传统地，已知如下的激光器装置：基于通过在吸收池处照射激光而获得的光输出信号中所包括的饱和吸收线来改变谐振腔长度，并且使激光的振荡频率稳定至特定的饱和吸收线(参见例如日本特开2012-134371)。
在传统的激光器装置中，调整谐振腔内部所设置的各光学元件的布置以获得期望波长，并且通过连接至谐振腔的后级的光学系统来调整激光的最终发射功率。
在紧挨在启动半导体激光器之后的过渡状态中，从半导体激光器发射的激光以及在谐振腔内部反射的激光照射设置在该谐振腔内部并将激光波长转换为预定波长的KTP晶体。因此，激光的热量受到外部干扰，并且KTP晶体的温度发生改变。由于KTP晶体的折射率基于温度而改变，因此预定波长中的激光的转换效率根据温度的改变而改变。因此，在紧挨在启动半导体激光器之后的过渡状态中，与在启动半导体激光器之后经过了充足时间的状态相比，从谐振腔发射的激光的发射功率增加。结果，从激光器装置发射的激光的发射功率也可能增加。
图7示出传统的激光器装置中的紧挨在启动半导体激光器之后输入的电流指令值和激光的发射功率之间的关系。如图7所示，在赋予矩形波形状的指令值的情况下，激光的发射功率出现脉冲状的过冲(overshooting)，并且发射功率快速增加。
基于安全标准IEC 60825-1，按发射功率等对激光器产品进行分类，并且按照需要根据相应的类别采取安全措施。在具有图7所示的特性的激光器产品中，当KTP晶体的温度在启动之后稳定时，发射功率约为2.5mW并且与类别3R相对应。然而，在紧挨在启动之后的过渡状态中，发射功率约为6.6mW并且与类别3B相对应。与类别3R相比，类别3B需要更严格的安全措施，因此产品的成本可能增加。另外，类别3B还增加了用户的负担，这是因为在使用期间需要存在安全管理者。鉴于此，在紧挨在启动之后的过渡状态中，需要将激光器装置的发射功率的过冲抑制在类别3R的范围内。
发明内容
考虑到这些情况，本发明提供了一种能够在紧挨在启动之后的过渡状态中抑制激光器装置的发射功率的过冲的电流控制装置。此外，本发明提供了一种能够在紧挨在启动之后的过渡状态中抑制发射功率的过冲的激光器装置。
根据本发明的一个方面，一种电流控制装置向半导体激光器供给电流以使该半导体激光器输出激光。该电流控制装置包括电流指令器和供给器。所述电流指令器通过随着时间的经过增加与电流值相对应的指令值、直到达到与用以输出具有预定强度的激光的电流值相对应的目标指令值为止，来输出所述指令值。所述供给器将具有与所述电流指令器所输出的指令值相对应的大小的电流供给至所述半导体激光器。
所述电流指令器可以逐级增加所述指令值。所述电流指令器可以连续增加所述指令值。所述电流指令器可以随着时间的经过减小所述指令值的增量。所述电流指令器可以随着时间的经过增加所述指令值的增量。所述电流控制装置还包括用于检测所述电流值的检测器，并且所述所述电流指令器可以基于所检测到的电流值来改变所述指令值的增量。
根据本发明的另一方面，一种激光器装置包括：电流控制装置；半导体激光器；非线性光学晶体，用于将从所述半导体激光器所输出的激光转换为具有与该激光的频率不同的频率的激光；以及温度控制装置，用于控制所述非线性光学晶体的温度。所述电流指令器在比所述温度控制装置控制所述非线性光学晶体的温度所需的时间更长的持续时间内随着时间的经过输出增加的指令值。
根据本发明的另一方面，一种电流控制装置，用于向半导体激光器供给电流以使所述半导体激光器输出激光，所述电流控制装置包括：处理器，用于通过随着时间的经过增加与电流值相对应的指令值、直到达到与用以输出具有预定强度的激光的电流值相对应的目标指令值为止，来输出所述指令值；以及电路，用于将具有与所述处理器所输出的指令值相对应的大小的电流供给至所述半导体激光器。
根据本发明的又一方面，一种激光器装置，包括：半导体激光器；控制器，用于向所述半导体激光器供给电流以使所述半导体激光器输出激光，所述控制器包括：处理器，用于通过随着时间的经过增加与电流值相对应的指令值、直到达到与用以输出具有预定强度的激光的电流值相对应的目标指令值为止，来输出所述指令值；以及电路，用于将具有与所述处理器所输出的指令值相对应的大小的电流供给至所述半导体激光器；非线性光学晶体，用于将从所述半导体激光器所输出的激光转换为具有与该激光的频率不同的频率的激光；以及温度控制器，用于控制所述非线性光学晶体的温度，其中，所述处理器还在比所述温度控制器控制所述非线性光学晶体的温度所需的时间更长的持续时间内随着时间的经过输出增加的指令值。
根据本发明，可以在紧挨在启动之后的过渡状态中抑制激光器装置的发射功率的过冲。
附图说明
在以下的详细描述中，利用本发明的典型实施例的非限制性示例的方式参考所述多个附图来进一步地描述本发明，其中，在附图的若干视图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1示出激光器装置的配置；
图2示出电流控制装置的配置；
图3示出逐级增加电流指令值的情况下的电流指令值和激光的发射功率之间的关系。
图4示出电流指令值的级数和过冲之间的关系；
图5示出连续增加电流指令值的情况下的电流指令值和激光的发射功率之间的关系；
图6示出根据另一方面的电流指令值和所经过的时间之间的关系；以及
图7示出传统的激光器装置中的紧挨在启动半导体激光器之后输入的电流指令值和激光的发射功率之间的关系。
具体实施方式
这里所示的详情利用示例的方式并且仅用于说明性地讨论本发明的实施例，并且是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用且最容易理解的描述的描述而呈现的。在这方面，没有尝试比对本发明的基本理解所必需的更详细地示出本发明的结构详情，使得使用附图所进行的关于可以如何在实践中体现本发明的形式的描述对于本领域技术人员而言是显而易见的。
激光器装置100的配置
图1示出根据本发明的激光器装置100的配置。激光器装置100是532nm的碘稳定激光器。激光器装置100是处于使用半导体激光器所激励的Nd:YV04晶体(作为增益介质)的连续波振荡中的532nm区域中的固体激光器，并且用作长度的标准。激光器装置100使用碘分子吸收线的分光技术，并且通过控制以碘分子的饱和吸收线为中心的振荡频率，可以获得高度的频率稳定性。
激光器装置100包括激励半导体激光器1、激光谐振腔壳体2、碘稳定光学系统3以及控制器4。激励半导体激光器1具有半导体激光器11，并且使从半导体激光器11输出的808nm区域中的激励激光入射至激光谐振腔壳体2。
激光谐振腔壳体2包括Nd:YV04晶体21、KTP晶体22、标准具23、反射镜24以及压电元件25。从激励半导体激光器1发出的激励激光入射至Nd:YV04晶体21，并且该Nd:YV04晶体21输出1064nm波长的激光。在Nd:YV04晶体21的端面上施加涂层以反射1064nm的光。将Nd:YV04晶体21所输出的1064nm的激光转换为作为KTP晶体22(非线性光学晶体)中的二次谐波的532nm波长的激光。
KTP晶体22所输出的激光经由作为波长滤波器的标准具23入射至反射镜24。反射镜24反射激光，并且通过反射所入射的激光来与Nd:YV04晶体21之间构成激光谐振腔。
压电元件25是用于通过由于从控制器4施加电压而发生的变形来使反射镜24的位置位移的压电元件。通过向压电元件25施加正弦波形状的AC(交流)电压，Nd:YV04晶体21和反射镜24之间的距离以与AC电压同步的周期位移，因此，通过对激光进行频率调制来输出调制后的激光。
碘稳定光学系统3包括分束器31和稳定信号检测器32。分束器31将从激光谐振腔壳体2输入的激光分为发射激光L1和波长控制用激光L2。波长控制用激光L2进入稳定信号检测器32中。稳定信号检测器32包括作为吸收池的碘池，并且将基于已经通过碘池的波长控制用激光L2的光输出信号输入至控制器4中。
控制器4包括电流控制装置(控制器或电流控制器)42、温度控制装置(温度控制器)43以及电压控制装置44。温度控制装置43基于与要控制的半导体激光器11、KTP晶体22、标准具23以及稳定信号检测器32邻接设置的温度传感器所检测到的温度，来启动被设置到各控制对象的固定保持器的温度改变装置(珀尔帖元件等)并控制各控制对象以达到目标温度。
电压控制装置44通过控制被施加到压电元件25的电压以及谐振腔长度(Nd:YV04晶体21和反射镜24之间的距离)来使激光波长稳定。具体地，电压控制装置44从稳定信号检测器32所输出的光输出信号中利用例如锁定放大器来检测基于振荡频率的信号分量，并且通过经由改变反射镜24的位置而控制谐振腔长度来控制安装至反射镜24的压电元件25的位移量。
电流控制装置42向半导体激光器11供给激光电流，以使该半导体激光器11输出激光。图2示出电流控制装置42的配置。电流控制装置42包括电流指令器(处理器或电流处理器)5、电流控制器6以及电流驱动器7。
电流指令器5包括微计算机51和DA转换器。微计算机51向DA转换器52输出作为数字信号的电流指令值。DA转换器52将微计算机51所输入的电流指令值转换成作为模拟信号的控制指令值。DA转换器52向电流控制器6施加控制指令电压(从控制指令值转换得到的电压值)。在以下描述中，控制指令值被简单地称为指令值。
电流控制器6和电流驱动器7用作电流供给器(电路或供给电路)并且向半导体激光器11供给具有与电流指令器5所输出的指令值相对应的大小的电流。电流控制器6包括运算放大器61和电流检测电路62。电流检测电路62检测供给至半导体激光器11的激光电流的电流值，并向运算放大器61输入与电流值相对应的激光电流检测电压。运算放大器61控制激光电流，使得控制指令电压和激光电流检测电压一致。
电流驱动器7例如是晶体管71，并向半导体激光器11供给从运算放大器61输出的控制电流作为基极电流，然后该基极电流的电流值以预定的放大率放大作为激光电流。
在本实施例中，电流控制装置42的电流指令器5通过随着时间经过增加指令值、直到半导体激光器11达到与用以输出具有预定强度的激光的激光电流的电流值相对应的目标指令值为止，来输出与激光电流的电流值相对应的指令值。具体地，电流指令器5逐渐(逐级)增加地输出指令值。
图3示出逐级增加从电流指令器5输出的指令值的情况下的指令值和激光的发射功率之间的关系。具体地，图3示出在时间点“T”处开始指令值的输出并且指令值随着时间的经过以递增100mV的方式增加的情况下的指令值和激光的发射功率之间的关系。
在图3所示的示例中，通过逐级增加指令值，可以确认出：紧挨在指令值增加之后的过冲可被抑制到小的程度，并且发射功率的最大值被抑制到约4mW。在该示例中，由于类别3R中规定的发射功率的范围为5mW或以下，因此激光器装置100的发射功率的范围被抑制在类别3R所规定的发射功率的范围内。
在指令值增加的情况下，从半导体激光器11输出的激光以及在谐振腔壳体2内部反射的激光照射KTP晶体22。因此，激光的热量受到外部干扰，并且KTP晶体22的温度发生改变。由于折射率基于温度而改变，因此KTP晶体22改变向着532nm激光的转换效率。结果，从激光器装置100输出的激光的发射功率也增加，并且发生过冲。用以使过冲平缓的时间与直到KTP晶体22的温度通过温度控制装置43而收敛于目标温度为止所需的时间相对应。因此，电流指令器5在比温度控制装置43对KTP晶体22进行温度控制所需的时间更长的持续时间内随着时间的经过而输出增加的指令值。
另外，在逐级增加指令值的情况下，特别是在各级的过冲平缓之前增加指令值的情况下，由于重复发生过冲，因此过冲极大地增大。为此，电流指令器5在比使各级的指令值的情况下的过冲平缓所需的时间与级数的乘积更长的持续时间内逐级增加指令值，然后使指令值达到目标指令值。以这种方式，与通过传统激光器装置输出矩形波形状的指令值相比，电流控制装置42可以通过逐级增加指令值来减小发射功率的过冲。
在图3所示的示例中，当指令值至少为1100mV时，即使指令值再增加，发射功率也减小。这是因为，激光波长被激光电流转换，并且谐振腔的激励效率改变。
接着，描述了级数和发射功率的过冲之间的关系。图4示出级数和过冲之间的关系。图4的纵轴示出各级的过冲的最大值。在图4所示的示例中，用“◆”图示四种情况下的级数和过冲之间的关系。如图4所示，在级数增加的情况下，过冲减小。
变型例
在上述实施例中，电流指令器5输出逐级增加的指令值。然而，本发明不限于此。电流指令器5可以输出连续增加的指令值。例如，在目标指令值被设定为I1并且到达时间被设定为T1的情况下，电流指令器5输出连续增加的指令值，使得指令值每秒的增加量保持在I1/T1。在该示例中，到达时间T1比温度控制装置43对KTP晶体22进行温度控制所需的时间更长。
图5示出连续增加指令值的情况下的指令值和激光的发射功率之间的关系。如图5所示，即使在连续增加指令值的情况下，激光的发射功率的快速增加也受到抑制，并且过冲也减小。
此外，电流指令器5以指令值的增量保持在一定量的方式来输出指令值。然而，本发明不限于此。图6示出根据另一方面的指令值和所经过的时间之间的关系。例如，电流指令器5可以如图6的(A)所示随着时间的经过而减小指令值的增量，或者可以如图6的(B)所示随着时间的经过而增大指令值的增量。
另外，电流指令器5可以基于电流检测电路62所检测到的激光电流的电流值来改变指令值的增量。例如，示出指令值的增量和过冲量之间的关系的信息以及示出激光电流的电流值和激光的发射功率之间的关系的信息可以预先存储在被设置到控制器4的存储器(图中未示出)中。参考存储在存储器中的信息，可以改变指令值增加的增量，使得激光的发射功率不会超过预先指定的发射功率。另外，电流指令器5监视过冲的状态，并且可以进行反馈控制使得激光的发射功率不会超过预先指定的发射功率。
另外，在激光器装置100可以选择激光的发射功率的情况下，电流指令器5可以根据所选择的发射功率来改变指令值的增量。例如，在所选择的发射功率相对较小并且即使发生过冲也不会超过指定值的情况下，电流指令器5可以增加指令值的增量并且使发射功率快速达到目标值。另外，在发射功率相对较大的情况下，电流指令器5可以减小指令值的增量并且可以防止在发生过冲时发射功率超过指定值。
此外，电流指令器5可以基于激光器装置100的周围温度来改变指令值的增量。例如，电流指令器5可以在激光器装置100的周围温度低于预定温度的情况下增加指令值的增量，并且在周围温度高于预定温度的情况下减小指令值的增量。
本实施例的有益效果
如上所述，根据本实施例的电流控制装置42随着时间的经过增加与激光电流的电流值相对应的指令值、直到达到与用以输出具有预定强度的激光的激光电流的电流值相对应的目标指令值为止，并且向半导体激光器11供给具有与指令值相对应的大小的电流。以这种方式，电流控制装置42可以抑制紧挨在启动激光器装置100之后的过渡状态中的发射功率的过冲，因此激光器装置100的发射功率可被抑制在预定类别中。
本发明是利用实施例的方式进行描述的，但是本发明的技术范围不限于以上实施例中所描述地那样。对于本领域技术人员显而易见的是，可以向以上实施例添加许多变型和改进。权利要求书的范围明确地表示，在本发明的技术范围中还包括这些变型和改进的添加。例如，电流控制装置42的配置可以具有不同的结构，只要能够实现以上实施例中所描述的功能即可。例如，电流控制装置42的电流指令器5可以配置有运算放大器的集成电路等，并且指令值可以随着时间的经过而增加。此外，可以对电流指令器5进行数字化控制。此外，电流指令器5和电流驱动器7可以使用功率运算放大器由单一元件构成。
应当注意，前述示例仅仅是为了说明的目的而提供的，并且不以任何方式被解释为限制本发明。虽然已经参考典型实施例描述了本发明，但应当理解，这里所使用的词语是描述和说明的词语，而不是限制的词语。在没有偏离本发明在其各方面的范围和精神的情况下，可以如目前所述地并且如所修改地在所附权利要求书的权限内作出改变。尽管这里已经参考特定结构、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并不意图局限于这里所公开的详情；相反，本发明延伸到诸如在所附权利要求书的范围内等的所有功能等同结构、方法和用途。
本发明不限于上述实施例，并且在没有偏离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化和变型。
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2016年6月27日的日本特开2016-126370的优先权，上述文献的公开内容明确地通过引用而全文并入于此。

Claims (12)

1.一种电流控制装置，用于向半导体激光器供给电流以使所述半导体激光器输出激光，所述电流控制装置包括：
处理器，用于通过随着时间的经过增加与电流值相对应的指令值、直到达到与用以输出具有预定强度的激光的电流值相对应的目标指令值为止，来输出所述指令值；以及
电路，用于将具有与所述处理器所输出的指令值相对应的大小的电流供给至所述半导体激光器。
2.根据权利要求1所述的电流控制装置，其中，所述处理器还逐级增加所述指令值。
3.根据权利要求1所述的电流控制装置，其中，所述处理器还连续增加所述指令值。
4.根据权利要求1所述的电流控制装置，其中，所述处理器还随着时间的经过减小所述指令值的增量。
5.根据权利要求1所述的电流控制装置，其中，所述处理器还随着时间的经过增加所述指令值的增量。
6.根据权利要求1所述的电流控制装置，其中，还包括用于检测所述电流值的检测器，
其中，所述处理器还基于所检测到的电流值来改变所述指令值的增量。
7.一种激光器装置，包括：
半导体激光器；
控制器，用于向所述半导体激光器供给电流以使所述半导体激光器输出激光，所述控制器包括：
处理器，用于通过随着时间的经过增加与电流值相对应的指令值、直到达到与用以输出具有预定强度的激光的电流值相对应的目标指令值为止，来输出所述指令值；以及
电路，用于将具有与所述处理器所输出的指令值相对应的大小的电流供给至所述半导体激光器；
非线性光学晶体，用于将从所述半导体激光器所输出的激光转换为具有与该激光的频率不同的频率的激光；以及
温度控制器，用于控制所述非线性光学晶体的温度，
其中，所述处理器还在比所述温度控制器控制所述非线性光学晶体的温度所需的时间更长的持续时间内随着时间的经过输出增加的指令值。
8.根据权利要求7所述的激光器装置，其中，所述处理器还逐级增加所述指令值。
9.根据权利要求7所述的激光器装置，其中，所述处理器还连续增加所述指令值。
10.根据权利要求7所述的激光器装置，其中，所述处理器还随着时间的经过减小所述指令值的增量。
11.根据权利要求7所述的激光器装置，其中，所述处理器还随着时间的经过增加所述指令值的增量。
12.根据权利要求7所述的激光器装置，其中，
所述控制器还包括用于检测所述电流值的检测器，以及
所述处理器还基于所检测到的电流值来改变所述指令值的增量。
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