JP2006303428A - レーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ素子への戻り光の影響を考慮した制御限界値を定めて、戻り光によるレーザ素子の劣化や故障を防止することができるレーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法を提供する。
【解決手段】レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する第１レーザ特性情報と、レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する第２レーザ特性情報と、レーザ素子の出力端面への戻り光率に関する第３レーザ特性情報とに基づいて、レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出する（ステップＳＴ１）。これにより、戻り光の影響を考慮した制御限界値が定まる。その後、算出された制御限界値と入力された制御値とを比較し（ステップＳＴ２）、制御限界値よりも制御値の方が小さい場合に、制御値に応じたレーザ素子の駆動を行う（ステップＳＴ３）。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法に関し、特に、レーザ素子の出力あるいはレーザ素子へ供給する電流を制御するレーザ駆動装置およびレーザ駆動方法、並びに当該レーザ駆動装置を備えたレーザ発光装置に関する。
近年、溶接、溶着、焼入れなどのレーザ加工分野において、ガスレーザやＹＡＧなどの固体レーザから、高出力半導体レーザへの置き換えが進んでいる。また、半導体レーザは、医療への応用が期待されている。
図１０は、半導体レーザへ供給する電流と光出力との関係を示す図である。
半導体レーザに電流を注入し、発振開始電流（発振しきい電流値）を超えると、レーザ発振が始まる。注入電流をさらに増加させると光出力が増加していくが、注入電流がある値になると光出力が減少する。この現象は、半導体レーザの出力端面（チップ端面）の光出力が過大になることにより、出力端面が光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage）を受けることに起因する。
このＣＯＤの発生を防止するため、通常、ＣＯＤが起こる光出力値Ｐcodの半分程度に、出力定格値Ｐoが設定される。この出力定格値Ｐoの範囲内で、ユーザーにより半導体レーザが使用される。
ところで、上記したレーザ加工分野などでは、出力定格値Ｐoの範囲内で半導体レーザを使用した場合であっても、被処理対象からの反射光が戻り光として半導体レーザへ再入射し、この戻り光によって半導体レーザが劣化あるいは故障するという問題があった（非特許文献１，２参照）。
滝口由朗 他、「ブロードエリア型半導体レーザにおける戻り光特性」、２００４年春季、応用物理学関係連合講演会予稿集 滝口由朗 他、「ブロードエリア型半導体レーザにおける戻り光特性ＩＩ（赤色６４０ｎｍ帯ＬＤ）」、２００４年秋季、応用物理学会学術講演会予稿集
この原因としては、このようなレーザ加工分野では、高出力（Ｗクラス）の半導体レーザが使用されるため、戻り光による影響が無視できなくなるからである。また、レーザ加工分野では、ユーザーの使用状況により、被処理対象からの戻り光量が非常に大きくなる場合があるからである。
以上のように、従来の出力定格値は戻り光による影響が考慮されていなかったため、ユーザーの使用状況によっては、必ずしもレーザ素子の劣化や故障を保障する値とはなっていなかった。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ素子への戻り光の影響を考慮した制御限界値を定めて、戻り光によるレーザ素子の劣化や故障を防止することができるレーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明のレーザ駆動装置は、レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する第１レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する第２レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力端面への戻り光率に関する第３レーザ特性情報とに基づいて、前記レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出する制御限界値算出手段と、算出された前記制御限界値と、入力された制御値とを比較する比較手段と、前記制御限界値よりも前記制御値の方が小さい場合に、前記制御値に応じたレーザ素子の駆動を行う電源部とを有する。
上記の本発明のレーザ駆動装置では、第１レーザ特性情報と、第２レーザ特性情報と、第３レーザ特性情報とに基づいて、制御限界値算出手段により、レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値が算出される。これにより、戻り光の影響を考慮した制御限界値が定まる。
そして、比較手段により、算出された制御限界値と入力された制御値とが比較され、制御限界値よりも制御値の方が小さい場合に、電源部により制御値に応じたレーザ素子の駆動が行われる。このため、常に制御限界値の範囲内でレーザ素子の駆動が行われる。
上記の目的を達成するため、本発明のレーザ発光装置は、レーザ素子と、前記レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する第１レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する第２レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力端面への戻り光率に関する第３レーザ特性情報とに基づいて、前記レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出する制御限界値算出手段と、算出された前記制御限界値と、入力された制御値とを比較する比較手段と、前記制御限界値よりも前記制御値の方が小さい場合に、前記制御値に応じたレーザ素子の駆動を行う電源部とを有する。
上記の本発明のレーザ発光装置では、第１レーザ特性情報と、第２レーザ特性情報と、第３レーザ特性情報とに基づいて、制御限界値算出手段により、レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値が算出される。これにより、戻り光の影響を考慮した制御限界値が定まる。
そして、比較手段により、算出された制御限界値と入力された制御値とが比較され、制御限界値よりも制御値の方が小さい場合に、電源部により制御値に応じたレーザ素子の駆動が行われる。このため、常に制御限界値の範囲内でレーザ素子の駆動が行われる。
上記の目的を達成するため、本発明のレーザ駆動方法は、レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する第１レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する第２レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力端面への戻り光率に関する第３レーザ特性情報とに基づいて、前記レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出するステップと、算出された前記制御限界値と、入力された制御値とを比較するステップと、前記制御限界値よりも前記制御値の方が小さい場合に、前記制御値に応じたレーザ素子の駆動を行うステップとを有する。
上記の本発明のレーザ駆動方法では、第１レーザ特性情報と、第２レーザ特性情報と、第３レーザ特性情報とに基づいて、レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出する。これにより、戻り光の影響を考慮した制御限界値が定まる。
その後、算出された制御限界値と入力された制御値とを比較し、制御限界値よりも制御値の方が小さい場合に、制御値に応じたレーザ素子の駆動を行う。このため、常に制御限界値の範囲内でレーザ素子の駆動が行われる。
本発明によれば、レーザ素子への戻り光の影響を考慮した制御限界値を定めることにより、戻り光によるレーザ素子の劣化や故障を防止することができる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るレーザ発光装置の構成の一例を示す図である。
本実施形態に係るレーザ発光装置は、レーザ駆動装置１と、レーザ素子２と、光学系３とを有する。
レーザ素子２は、レーザ駆動装置１から駆動電流が供給されることにより、レーザ光を発する。レーザ素子２は、例えば半導体レーザである。ただし、レーザ素子２は、出力端面での光吸収による発熱が劣化あるいは故障原因となるようなレーザ（ファイバーレーザなど）であれば、特に半導体レーザに限定されない。
レーザ素子２からのレーザ光を被処理対象４へ導くために光学系３が設けられている。光学系３は、例えば、レンズ３１と、光ファイバ３２と、レンズ３３とを有する。ただし、光学系３の構成に特に限定はなく、レーザ発光装置の用途に応じて種々の変更が可能である。
レーザ素子２から放出されたレーザ光は、レンズ３１により光ファイバ３２に結合される。光ファイバ３２内を導波したレーザ光は、レンズ３３により被処理対象４へ集光される。これにより、被処理対象４に対して加工等が施される。
上記の使用状態において、レンズ３１、光ファイバ３２への結合面、レンズ３３および被処理対象４からの反射光が、戻り光としてレーザ素子２の出力端面に入射する。本実施形態に係るレーザ駆動装置１は、この戻り光の影響を考慮して、定格値を補正し、制御限界値を求める。定格値としては、出力値あるいは電流値がある。出力定格値を用いた場合には制御限界値として出力限界値が求められ、電流定格値を用いた場合には制御限界値として電流限界値が求められる。
レーザ素子２を駆動するレーザ駆動装置１は、入力部１０と、制御部１１と、電源部１２とを有する。
入力部１０は、例えばマウス、キーボードあるいは操作スイッチなどにより構成される。入力部１０により、第１〜第３レーザ特性情報が入力される。第１レーザ特性情報は、レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する。第２レーザ特性情報は、戻り光がない場合における、レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する。第３レーザ特性情報は、レーザ素子の出力端面への戻り光率（出力に対する戻り光の率）に関する。本実施形態では、戻り効率は、想定し得る最大の戻り効率である。
制御部１１は、入力部１０から入力されるレーザ特性情報に基づいて、制御限界値を設定する。制御部１１は、制御限界値算出手段１０１と、比較手段１０２とを有する。
制御限界値算出手段１０１は、レーザ特性情報に基づいて、出力あるいは電流の定格値を補正して、戻り光の影響を考慮した制御限界値を算出する。以下に、レーザ特性情報に基づいて、制御限界値として出力限界値を算出する例について説明する。
レーザ素子２の出力定格値をＰo（図６参照）、レーザ素子２の出力端面での透過率（強度）をＴ、出力に対する戻り光の率（強度）をＲext（戻り光量／出力）とする。出力端面の透過率ではなく反射率Ｒ２が与えられている場合には、下記式（１）を用いて出力端面透過率Ｔを算出する。
Figure 2006303428
そして、下記式（２）に示す演算により戻り光による影響を考慮した出力限界値Ｐo_ofbを定める。
Figure 2006303428
レーザ素子２の出力定格値ではなく、電流定格値と発振しきい電流値が与えられている場合には、電流定格値をＩｏ、発振しきい電流値をＩｔｈとして、下記式（３）に示す演算により戻り光による影響を考慮した電流限界値Ｉo_ofbを定める。
Figure 2006303428
比較手段１０２は、制御限界値算出手段１０１で算出された制御限界値と、入力部１０から入力された制御値とを比較する。この制御値は、ユーザが希望する出力値あるいは電流値である。
ユーザにより入力された制御値が、算出された制御限界値よりも小さい場合には、制御部１１から電源部１２に制御信号が出力され、電源部１２はユーザの希望する制御値に応じたレーザ素子２の駆動を行う。例えば、制御値として出力値が入力された場合には、電源部１２は、例えば、レーザ素子２の出力値が常にユーザの希望出力値となるように一定に保つＡＰＣ（Automatic Power Control）駆動を行う。あるいは、制御値として電流値が入力された場合には、電源部１２は、レーザ素子２への駆動電流が常にユーザの希望電流値となるように一定に保つＡＣＣ（Automatic Current Control）駆動を行う。
ユーザにより入力された制御値が、算出された制御限界値よりも大きい場合にはエラーとなる。この場合には、例えば、図示しない表示部にエラー表示をし、ユーザに入力値を変更させる。あるいは、電源部１２は、制御限界値で強制的にレーザ素子２を駆動する。
次に、上記のレーザ発光装置におけるレーザ素子２の駆動方法について、図２のフローを参照して説明する。
まず、レーザ素子２を駆動する前に、ユーザは第１〜第３レーザ特性情報と、希望する制御値を入力する。第１レーザ特性情報は、レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する。第２レーザ特性情報は、戻り光がない場合における、レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する。第３レーザ特性情報は、レーザ素子の出力端面への戻り光率に関する。本実施形態では、戻り効率は、想定し得る最大の戻り効率である。制御値としては、出力値あるいは電流値がある。
上記のレーザ特性情報に基づいて、制御部１１の制御限界値算出手段１０１は、戻り光の影響を考慮した限界制御値を算出する（ステップＳＴ１）。この限界制御値の算出方法については、上記した通りである。
制御部１１の比較手段１０２は、ユーザが希望する制御値と、算出された制御限界値とを比較する（ステップＳＴ２）。
ユーザが希望する制御値が制御限界値以内であれば、電源部１２は、ユーザが希望する制御値となるようにレーザ素子２に駆動電流を供給する（ステップＳＴ３）。ユーザが希望する制御値として出力値が入力された場合には、電源部１２はＡＰＣ駆動を行う。あるいは、ユーザが希望する制御値として電流値が入力された場合には、電源部１２はＡＣＣ駆動を行う。
ユーザの希望する制御値が、算出された制御限界値よりも大きい場合にはエラーとなる（ステップＳＴ４）。この場合には、例えば、図示しない表示部にエラー表示をし、ユーザに制御値を変更させて、ステップＳＴ２の処理を再度行う。あるいは、電源部１２は、制御限界値で強制的にレーザ素子２を駆動してもよい。
次に、上記の本実施形態の効果について説明する。
上記式（２）の出力定格値Ｐoとして、戻り光が無い場合においてレーザ素子２に光学損傷（ＣＯＤ）が生じる出力値Ｐcodを代入すると、戻り光がある場合に光学損傷が生じる出力値Ｐcod_ofbは、レーザのコヒーレンス１として下記式（４）のように示される。
Figure 2006303428
上記式（４）が妥当であるか否かについて、実際に実験で確かめた結果を図３に示す。図３において、実線は式（４）による理論曲線、三角のマークが実験においてレーザ素子２に劣化が発生したパラメータ位置である。両者の比較により、式（４）が妥当であるといえる。
上記の式（４）による理論曲線よりも出力値が小さければ、すなわち理論曲線よりも図中矢印方向における範囲内の出力値の使用であればレーザ素子２の劣化あるいは故障が防げる。本実施形態に係るレーザ駆動装置１では、Pcodの半分程度の出力定格値Ｐoを用いて、制御限界値Ｐo_ofbを算出しており、安全性のマージンを確保している。このことは、電流定格値Ｉoと制御限界値Ｉo_ofbにおいても同様である。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法によれば、レーザ素子への戻り光の影響を考慮した制御限界値を定め、常に制御限界値の範囲内でレーザ素子２を駆動することにより、戻り光によるレーザ素子の劣化や故障を防止することができる。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るレーザ発光装置の構成の一例を示す図である。なお、第１実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
第１実施形態では、第３レーザ特性情報である戻り光率をユーザ側で入力する例について説明した。本実施形態では、レーザ素子２の動作状況をモニタすることにより、戻り光率については、自動的に算出するものである。
本実施形態に係るレーザ発光装置は、レーザ駆動装置１と、レーザ素子２と、光学系３と、光検出手段５と、光検出手段６とを有する。また、本実施形態では、レーザ駆動装置１の制御部１１は、制御限界値算出手段１０１と、比較手段１０２と、戻り光率算出手段１０３とを有する。
光学系３は、例えば、レンズ３４と、ビームスプリッタ３５と、レンズ３６と、光ファイバ３７と、レンズ３８とを有する。ただし、光学系３の構成に特に限定はなく、レーザ発光装置の用途に応じて種々の変更が可能である。ビームスプリッタ３５は、本発明の光分離手段に相当する。
レーザ素子２から放出されたレーザ光は、レンズ３４によりビームスプリッタ３５に入射する。ビームスプリッタ３５に入射したレーザ光は、ビームスプリッタ３５を通過するレーザ光と、ビームスプリッタ３５により反射されるレーザ光の２つに分離される。ビームスプリッタ３５により反射されたレーザ光は光検出手段６へ入射する。ビームスプリッタ３５を通過したレーザ光は、レンズ３６により光ファイバ３７に結合され、光ファイバ３７内を導波したレーザ光は、レンズ３８により被処理対象４へ集光される。これにより、被処理対象４に対して加工等が施される。
上記の使用状態において、レンズ３６、光ファイバ３７への結合面、レンズ３８および被処理対象４において反射された光は、ビームスプリッタ３５に入射し、レーザ素子２の出力端面に入射する光と、光検出手段５へ入射する光とに分離される。
光検出手段５は、ビームスプリッタ３５により反射された戻り光の光量を検出する。光検出手段５は、例えばフォトダイオードにより構成される。光検出手段５は、検出した光量に関する信号を制御部１１に出力する。
光検出手段６は、レーザ素子２から放出されたレーザ光のうちビームスプリッタ３５により反射されたレーザ光の光量を検出する。光検出手段６は、例えばフォトダイオードにより構成される。光検出手段６は、検出した光量に関する信号を制御部１１に出力する。なお、光検出手段６がレーザ素子２内に備わっている場合には、それを用いることも可能である。
制御部１１の戻り光率算出手段１０３は、光検出手段５により検出された戻り光量と、光検出手段６により検出されたレーザの出力値に基づいて、戻り光率を算出する。ここで、光検出手段６により検出されたレーザ光の出力値に対し、ビームスプリッタ３５による反射光と透過光の割合を用いて実際にレーザ素子２から放出されているレーザ光の出力値を求める。また、光検出手段５により検出された戻り光量に対し、ビームスプリッタ３５による反射光と透過光の割合を用いて実際にレーザ素子へ再入射する戻り光量を求める。
制御限界値算出手段１０１は、入力部１０において入力される第１レーザ特性情報および第２レーザ特性情報と、算出された戻り光率に基づいて、出力あるいは電流の定格値を補正して、戻り光の影響を考慮した制御限界値を算出する。
比較手段１０２および電源部１２の構成、およびレーザ素子２の構成については、第１実施形態と同様であり、その説明は省略する。
次に、上記のレーザ発光装置におけるレーザ素子２の駆動方法について、図５のフローを参照して説明する。
まず、レーザ素子２を駆動する前に、ユーザは第１および第２レーザ特性情報と、希望する制御値を入力する。第１レーザ特性情報は、レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する。第２レーザ特性情報は、戻り光がない場合における、レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する。このとき、ユーザ側では戻り光率を入力する必要はない。制御値としては、出力値あるいは電流値がある。
そして、レーザ駆動装置１は、レーザ素子２を駆動する。レーザ出力を開始した後、光検出手段５で検出される戻り光量と、光検出手段６で検出される出力値とに基づいて、制御部１１の戻り光率算出手段１０３は、戻り光率を算出する（ステップＳＴ１０）。この戻り光率の算出方法については、上記した通りである。
戻り光率算出手段１０３で算出された戻り光率と、ユーザ側で入力された第１および第２レーザ特性情報に基づいて、制御部１１の制御限界値算出手段１０１は、戻り光の影響を考慮した限界制御値を算出する（ステップＳＴ１１）。この限界制御値の算出方法については、上記した通りである。
制御部１１の比較手段１０２は、ユーザが希望する制御値と、算出された制御限界値とを比較する（ステップＳＴ１２）。
ユーザが希望する制御値が制御限界値以内であれば、電源部１２は、ユーザが希望する制御値となるようにレーザ素子２に駆動電流を供給する（ステップＳＴ１３）。ユーザが希望する制御値として出力値が入力された場合には、電源部１２はＡＰＣ駆動を行う。あるいは、ユーザが希望する制御値として電流値が入力された場合には、電源部１２はＡＣＣ駆動を行う。
ユーザの希望する制御値が、算出された制御限界値よりも大きい場合にはエラーとなる（ステップＳＴ１４）。この場合には、例えば、図示しない表示部にエラー表示をし、ユーザに制御値を変更させて、ステップＳＴ１２の処理を再度行う。あるいは、電源部１２は、制御限界値で強制的にレーザ素子２を駆動してもよい。
本実施形態では、上記のステップＳＴ１０〜ステップＳＴ１４の処理が、レーザ素子２からのレーザ発光が行われている間、繰り返し行われる。このため、常に、レーザの使用状況に応じて戻り光率が更新される。
上記した本実施形態に係るレーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法によれば、第１実施形態と同様に、レーザ素子への戻り光の影響を考慮した制御限界値を定め、常に制御限界値の範囲内でレーザ素子２を駆動することにより、戻り光によるレーザ素子の劣化や故障を防止することができる。
また、想定しうる最大の戻り光率をユーザ側で入力する必要がある第１実施形態と異なり、レーザ素子２の動作状況をモニタすることにより、実際の戻り光率を算出している。このため、制御限界値が不要に小さくなることはなく、できる限り大きな出力でレーザ素子２を駆動することができる。
また、ユーザ側で入力する必要のあるレーザ特性情報のうち、戻り光率については最も専門的な知識を要する。このため、想定しうる最大の戻り光率を入力するというユーザの負担を無くすことにより、専門知識に乏しいユーザでも、レーザ素子２の劣化や故障を起こすことなく安心して使用することができる。
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係るレーザ発光装置によるレーザ駆動方法を示すフローチャートである。本実施形態では、第１〜第３レーザ特性情報に、戻り光のスポットサイズ情報に関する第４レーザ特性情報を追加して制御限界値算出手段１０１により制御限界値を算出する点に特徴がある。従って、レーザ駆動装置およびレーザ発光装置の基本構成およびレーザ駆動方法の手順については、第１実施形態と同様なため省略する。
第１実施形態で使用した上記式（２）は、均一な戻り光となっている場合に有効である。本実施形態では、前述したように、空間光変調器の使用による波面制御や、被処理対象４でのスポットずれ等による不均一な戻り光の場合に有効な例について説明する。
例えば、被処理対象４でのスポットずれがある場合、レーザ素子２の出力端面において、戻り光が広がって（活性層からはみ出して）再入射する場合や、逆に、集光して微小スポットを形成する。スポットができると、その部分は光密度が高くなるので劣化し易くなる。よって、このスポットサイズを見積もり、このスポット部分の等価的な戻り光量が、上記式（２）を満たす必要がある。
レーザ素子２の活性層の屈折率をｎ、レーザ光の波長をλ、活性層の寸法（ここでは活性層の幅）をＷｓ、活性層の幅方向に対するビーム品質をＭ２（Ｍスクウェア値）、初段レンズの開口数をＮＡとすると、レーザ素子２の出力端面上に形成される最小のスポットサイズ（半値幅）ωは次式（５）で表される。初段レンズとは、レーザ素子２の直近のレンズのことである。
Figure 2006303428
上記では、活性層の厚み方向では単一モードになっている場合を想定している。活性層の厚み方向において単一モードでなくなる場合には、活性層の厚みおよび活性層の厚み方向に対するビーム品質Ｍ２を追加することが好ましい。
このスポットに戻り光は集中するため、この領域に対する実効的な戻り光の率ＲeffはＷｓ／ω倍となり次式（６）のように示される。Ｒextは、戻り光量／出力である。
Figure 2006303428
上記式（６）から、ＮＡの大きいレンズを用いる場合、また、ビーム品質が高い（Ｍが小さい）ほど、実効的な戻り光量が大きくなることが分かる。よって、戻り光によるレーザの劣化を抑制するためには、レーザ照射側の光学系の許す限り、低ＮＡのレンズを使用することや、ビーム品質を落とすことが重要であることがわかる。レーザ素子２からのレーザ光の放射角の全角をθとし、初段レンズの開口数をＮＡとしたときに、sinθ＝（θ／２）≧ＮＡであることが好ましい。
なお、低ＮＡレンズを使用する代わりに、低ＮＡレンズと等価になるような絞りを挿入してもよい。図７は、光学系３の一例を示す図である。活性層２ａを有するレーザ素子２の初段レンズ（第１実施形態の場合にはレンズ３１に相当、第２実施形態の場合にはレンズ３４に相当）と、被処理対象４の間に２つの絞り３９を設けた例を示している。この場合には、上記式（５）、（６）におけるＮＡは、絞りを考慮した実効的な値とする。
本実施形態では、制御限界値算出手段１０１は、第１実施形態で説明した式（２）のＲextに変えてＲeffを用いて、制御限界値を算出する。すなわち、出力限界値は、下記式（７）により算出される。なお、電流限界値Ｉo_ofbを算出する場合には、上記式（３）のＲextに変えてＲeffを用いて、電流限界値を算出すればよい。
Figure 2006303428
上記式（２）の出力定格値Ｐoとして、戻り光が無い場合においてレーザ素子２に光学損傷（ＣＯＤ）が生じる出力値Ｐcod（図１０参照）を代入すると、戻り光がある場合に光学損傷が生じる出力値Ｐcod_ofbは、レーザのコヒーレンス１として下記式（８）のように示される。
Figure 2006303428
図８は、代表的なブロードエリア型半導体レーザのパラメータを用いて、上記式（８）をグラフに表したものである。グラフＡ（Ｍ２＝１０、ＮＡ＝０．１６）は、均一戻り光の状態であり、上記式（４）を用いた場合と等価な結果となっている。これに対し、ビーム品質が高いグラフＣの場合（Ｍ２＝５、ＮＡ＝０．１６）や、レーザの直後に高ＮＡレンズを用いたグラフＢの場合（Ｍ２＝１０，ＮＡ＝０．４）は、Ｐcod_ofbが減少しており、劣化しやすいことが分かる。
上記のグラフよりも出力値が小さければ、レーザ素子２の劣化あるいは故障が防げる。本実施形態に係るレーザ駆動装置１では、Pcodの半分程度の出力定格値Ｐoを用いて、制御限界値Ｐo_ofbを算出しており、安全性のマージンを確保している。このことは、電流定格値Ｉoと制御限界値Ｉo_ofbにおいても同様である。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法によれば、レーザ素子の特定の部位に局所的に戻り光が集中するといった不均一な戻り光が生じる場合においても、当該戻り光によるレーザ素子の劣化や故障を防止することができる。
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態に係るレーザ発光装置によるレーザ駆動方法を示すフローチャートである。第４実施形態では、第２実施形態に係るレーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法において、第１〜第３レーザ特性情報に加えて戻り光のスポットサイズ情報に関する第４レーザ特性情報を用いる。
レーザ駆動装置およびレーザ発光装置の基本構成およびレーザ駆動方法の手順については、第２実施形態と同様である。
上記した本実施形態に係るレーザ駆動装置、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法によれば、第３実施形態と同様に、レーザ素子の特定の部位に局所的に戻り光が集中するといった不均一な戻り光が生じる場合においても、当該戻り光によるレーザ素子の劣化や故障を防止することができる。
また、想定しうる最大の戻り光率をユーザ側で入力する必要がある第３実施形態と異なり、レーザ素子２の動作状況をモニタすることにより、実際の戻り光率を算出している。このため、制御限界値が不要に小さくなることはなく、できる限り大きな出力でレーザ素子２を駆動することができる。
また、ユーザ側で入力する必要のあるレーザ特性情報のうち、戻り光率については最も専門的な知識を要する。このため、想定しうる最大の戻り光率を入力するというユーザの負担を無くすことにより、専門知識に乏しいユーザでも、レーザ素子２の劣化や故障を起こすことなく安心して使用することができる。
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、光学系３の構成に特に限定はなく、レーザ素子２の応用分野に応じて、種々の変更が可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
第１実施形態に係るレーザ発光装置の構成の一例を示す図である。 第１実施形態に係るレーザ駆動方法のフローを示す図である。 レーザ素子が光学損傷を受ける際の出力値Ｐcod_ofbと戻り光率の関係についての理論式と、実験値との関係を示す図である。 第２実施形態に係るレーザ発光装置の構成の一例を示す図である。 第２実施形態に係るレーザ駆動方法のフローを示す図である。 第３実施形態に係るレーザ駆動方法のフローを示す図である。 レンズの開口数ＮＡを説明するための図である。 レーザ素子が光学損傷を受ける際の出力値Ｐcod_ofbと戻り光率の関係を示す図である。 第４実施形態に係るレーザ駆動方法のフローを示す図である。 半導体レーザへ供給する電流と光出力との関係を示す図である。
符号の説明
１…レーザ駆動装置、２…レーザ素子、２ａ…活性層、３…光学系、４…被処理対象、５…光検出手段、６…光検出手段、１０…入力部、１１…制御部、１２…電源部、３１…レンズ、３２…光ファイバ、３３…レンズ、３４…レンズ、３５…ビームスプリッタ、３６…レンズ、３７…光ファイバ、３８…レンズ、３９…絞り、１０１…制御限界値算出手段、１０２…比較手段、１０３…戻り光率算出手段

Claims (9)

  1. レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する第１レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する第２レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力端面への戻り光率に関する第３レーザ特性情報とに基づいて、前記レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出する制御限界値算出手段と、
    算出された前記制御限界値と、入力された制御値とを比較する比較手段と、
    前記制御限界値よりも前記制御値の方が小さい場合に、前記制御値に応じたレーザ素子の駆動を行う電源部と
    を有するレーザ駆動装置。
  2. 前記レーザ素子の出力値と、戻り光量を入力して、前記レーザ素子の戻り光率を算出し、算出した前記戻り光率を前記制御限界値算出手段へ出力する戻り光率算出手段をさらに有する
    請求項１記載のレーザ駆動装置。
  3. 前記制御限界値算出手段は、前記第１、第２、第３レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力端面への戻り光のスポットサイズに関する第４レーザ特性情報に基づいて、前記レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出する
    請求項１記載のレーザ駆動装置。
  4. 前記スポットサイズは、少なくとも前記レーザ素子の活性層の屈折率、レーザ光の波長、前記レーザ素子の直近のレンズの開口数、レーザ光のＭスクウェア値のいずれかを用いて算出される
    請求項３記載のレーザ駆動装置。
  5. レーザ素子と、
    前記レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する第１レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する第２レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力端面への戻り光率に関する第３レーザ特性情報とに基づいて、前記レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出する制御限界値算出手段と、
    算出された前記制御限界値と、入力された制御値とを比較する比較手段と、
    前記制御限界値よりも前記制御値の方が小さい場合に、前記制御値に応じたレーザ素子の駆動を行う電源部と
    を有するレーザ発光装置。
  6. 前記レーザ素子への戻り光の一部を分離する光分離手段と、
    前記光分離手段により分離された戻り光の光量を検出する光検出手段と、
    検出された前記戻り光量と、前記レーザ素子の出力値に基づいて、前記戻り光率を算出し、算出した前記戻り光率を前記制御限界値算出手段へ出力する戻り光率算出手段と
    をさらに有する請求項５記載のレーザ発光装置。
  7. 前記制御限界値算出手段は、前記第１、第２、第３レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力端面への戻り光のスポットサイズに関する第４レーザ特性情報に基づいて、前記レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出する
    請求項５記載のレーザ発光装置。
  8. 前記スポットサイズは、少なくとも前記レーザ素子の活性層の屈折率、レーザ光の波長、前記レーザ素子の直近のレンズの開口数、レーザ光のＭスクウェア値のいずれかを用いて算出される
    請求項７記載のレーザ発光装置。
  9. レーザ素子の出力端面の透過率あるいは反射率に関する第１レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力定格値あるいは、電流定格値および発振しきい電流値に関する第２レーザ特性情報と、前記レーザ素子の出力端面への戻り光率に関する第３レーザ特性情報とに基づいて、前記レーザ素子の出力あるいは電流の制御限界値を算出するステップと、
    算出された前記制御限界値と、入力された制御値とを比較するステップと、
    前記制御限界値よりも前記制御値の方が小さい場合に、前記制御値に応じたレーザ素子の駆動を行うステップと
    を有するレーザ駆動方法。
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