JP2008172109A - 半導体レーザ駆動装置及び固体レーザ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ駆動装置及び固体レーザ駆動装置において、モニター機構を用いずに高出力半導体レーザの光出力を一定に保持すること。
【解決手段】 固体レーザ結晶用の励起光を発生する半導体レーザＬＤと、該半導体レーザＬＤの駆動電源２と、駆動電源２に接続され半導体レーザＬＤの光出力を制御する出力制御手段３とを備え、該出力制御手段３が、半導体レーザＬＤの累積駆動時間を測定する時間計測部３ａと、予め求めておいた光出力と累積駆動時間との関係から半導体レーザＬＤの駆動電圧又は駆動電流を調整して光出力を一定に保つ制御部３ｂとを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固定レーザ結晶用励起光の光出力を自動補償可能な半導体レーザ駆動装置及び固体レーザ駆動装置に関する。

一般に、半導体レーザ励起固体レーザでは、共振器内に配されたＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ結晶に対し、励起源として半導体レーザから発せられたレーザ光を励起光として入射することで短波長の固体レーザ光が発生する。
この励起用の半導体レーザとしては、例えば励起光として波長８０５ｎｍを発生する高出力タイプが用いられるが、長時間駆動することで、徐々に光出力が低下する問題がある。励起光の光出力が低下すると、それに伴って固体レーザ光の出力も低下してしまうため、半導体レーザの光出力を一定に保持する必要がある。

このため、例えば特許文献１及び２に記載されているように、半導体レーザの光出力を一定に保つＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御技術が通常用いられている。このＡＰＣ制御は、レーザモジュールに搭載した受光素子であるセンサで直接、光出力をモニターし、出力の経時低下に対して光出力の初期値を維持するように駆動電流を調整するフィードバック制御技術である。

特許第３６０６６９６号公報 特許第２８７７２０９号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
比較的小出力の半導体レーザでは、上記従来のＡＰＣ制御が用いられているが、光出力２０Ｗ以上の高出力半導体レーザでは、通常、一般的な受光素子の許容受光能力を超えてしまうためにレーザモジュールにモニター機構が搭載されているものはなく、励起使用状態では、直接光出力を把握することができない。また、高出力半導体レーザに高出力を受光可能なモニター機構を取り付けたとしても、半導体レーザ周りの機構が複雑化すると共に大型化してしまう不都合がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、モニター機構を用いずに高出力半導体レーザの光出力を一定に保持することができる半導体レーザ駆動装置及び固体レーザ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の半導体レーザ駆動装置は、固体レーザ結晶用の励起光を発生する半導体レーザと、該半導体レーザの駆動電源と、該駆動電源に接続され前記半導体レーザの光出力を制御する出力制御手段とを備え、該出力制御手段が、前記半導体レーザの累積駆動時間を測定する時間計測部と、予め求めておいた前記光出力と前記累積駆動時間との関係から前記半導体レーザの駆動電圧又は駆動電流を調整して前記光出力を一定に保つ制御部とを備えていることを特徴とする。

この半導体レーザ駆動装置では、制御部が、予め求めておいた光出力と累積駆動時間との関係から半導体レーザの駆動電圧又は駆動電流を調整して光出力を一定に保つので、半導体レーザの経時劣化に対応した自動的な補償駆動制御が可能になり、モニター機構を用いずに、安定した一定の光出力を得ることができる。特に、モニター機構の搭載が困難な２０Ｗ以上の高出力半導体レーザの自動補償駆動に好適である。

また、本発明の半導体レーザ駆動装置は、前記出力制御手段が、前記半導体レーザの端子間抵抗を測定する抵抗測定手段を備え、前記制御部が、測定された前記端子間抵抗に応じて前記半導体レーザの劣化モードが通常劣化モードか破壊劣化モードかを判断し、前記破壊劣化モードと判断される際に前記駆動電源による駆動を停止することを特徴とする。すなわち、この半導体レーザ駆動装置では、制御部が端子間抵抗に応じて通常劣化モードか破壊劣化モードかを判断し、光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage）等の破壊劣化モードと判断される際に駆動電源による駆動を停止するので、劣化モードの自動判別によって破壊劣化モード時に無理に半導体レーザを駆動することを防止することができる。

本発明の固体レーザ駆動装置は、固体レーザ結晶と、該固体レーザ結晶の両端に配された共振器ミラーと、前記固体レーザ結晶の励起光を発生する上記本発明の半導体レーザ駆動装置とを備えていることを特徴とする。すなわち、この固体レーザ駆動装置では、固体レーザ結晶の励起源として上記本発明の半導体レーザ駆動装置を備えているので、一定した励起光出力により固体レーザ光の安定した光出力を長期にわたって得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る半導体レーザ駆動装置によれば、制御部が、予め求めておいた光出力と累積駆動時間との関係から半導体レーザの駆動電圧又は駆動電流を調整して光出力補償を行うので、安定した一定の光出力を得ることができ、特に、モニター機構の搭載が困難な２０Ｗ以上の高出力半導体レーザの自動補償駆動に好適である。したがって、この半導体レーザ駆動装置を備えた固体レーザ駆動装置では、長期にわたって安定した固体レーザ光出力を得ることができる。

以下、本発明に係る半導体レーザ駆動装置及び固体レーザ駆動装置の一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。

本実施形態の半導体レーザ駆動装置１は、図１に示すように、固体レーザ結晶用の励起光を発生する半導体レーザＬＤと、該半導体レーザＬＤの駆動電源２と、駆動電源２に接続され半導体レーザＬＤの光出力を制御する出力制御手段３とを備えている。
上記出力制御手段３は、例えばパーソナルコンピュータ等であって、半導体レーザＬＤの駆動電源２に接続され、半導体レーザＬＤの累積駆動時間を測定する時間計測部３ａと、予め求めておいた光出力と累積駆動時間との関係から駆動電源２による半導体レーザＬＤの駆動電圧又は駆動電流を調整して光出力を一定に保つ制御部３ｂとを備えている。

上記出力制御手段３は、半導体レーザＬＤに接続され半導体レーザＬＤの端子間抵抗を得るために端子間電圧を測定する電圧計（抵抗測定手段）４を備えている。すなわち、駆動電流と上記電圧計４で得られた端子間電圧とから半導体レーザＬＤの端子間抵抗を求める。なお、電圧計４は、半導体レーザＬＤの端子間電圧を測定するために入力インピーダンスの大きな回路を有している。

上記半導体レーザＬＤは、励起光として３０Ｗを超える高出力で波長：λ＝８０５ｎｍのレーザ光を発生するＧａＡｓ系高出力レーザである。この半導体レーザＬＤには、熱電対５が接続されており、その温度が測定可能になっている。また、この半導体レーザＬＤには、その外周に冷却水を流通させる冷却機構６が接続されている。この冷却機構６は、上記熱電対５で測定した温度に応じて冷却水を流通させ、半導体レーザＬＤが例えば２０℃となるように温度制御を行っている。

上記制御部３ｂは、予め半導体レーザＬＤの光出力経時変化についてのデータを有しており、一定電流で駆動した場合の光出力と端子間抵抗と累積駆動時間との相関関係が記録されている。すなわち、半導体レーザＬＤの光出力Ｐと駆動電流Ｉ及び累積駆動時間ｔとには、以下の式（１）の関係があり、この関係に基づいて、ある時間だけ半導体レーザＬＤを駆動させた場合、それに対応する電流値に設定することで、光出力を一定に保持する制御が可能である。
Ｐ（Ｉ，ｔ）＝γ（ｔ）・Ｉ＋ε（ｔ） ・・・（１）

また、上記制御部３ｂは、測定された端子間抵抗に応じて半導体レーザＬＤの劣化モードが通常劣化モードか破壊劣化モードかを判断し、光学損傷（ＣＯＤ）等の破壊劣化モードと判断される際に駆動電源２による駆動を停止するように設定されている。すなわち、上記端子間抵抗と駆動電流や光出力との相関関係に対応せず、相関関係から大きく外れた端子間抵抗が測定された場合、駆動電源２の駆動を停止する。

次に、本実施形態の固体レーザ駆動装置は、図２に示すように、固体レーザ結晶７と、該固体レーザ結晶７の両端に配された一対の共振器ミラー８と、固体レーザ結晶７の励起光を発生する上記半導体レーザ駆動装置１とを備えている。すなわち、固体レーザ結晶７と一対の共振器ミラー８とにより、ファブリ・ペロー型共振器が構成されている。

上記固体レーザ結晶７は、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、上記励起光によってポンピングされて波長１０６４ｎｍのレーザビームを出射するものである。なお、一対の共振器ミラー８の一方には、上記レーザビームをほぼ全て反射させるコーティングが施されており、他方にはレーザビームを所定の透過率で透過させるコーティングが施されて固体レーザ光の出射端とされる。
また、半導体レーザＬＤは、固体レーザ結晶７の両側面から励起光を入射するように一対配置されている。

次に、本実施形態の半導体レーザ駆動装置による光出力制御について、具体的に説明する。

例えば、図３に示すように、１０．０Ａ〜４０．０Ａまでの駆動電流における累積駆動時間と端子間電圧との関係を予め求め、これらの関係から回帰計算により、各駆動電流における端子間抵抗と駆動時間との関係を求めておく。
次に、これらの各関係を直線近似し、図４に示すように、その勾配及び切片について駆動電流値I（Ａ）に対する回帰計算を行うことで、端子間電圧の駆動電流における一般式（２）を求める。なお、勾配は、Ｉ＞３０．０Ａで一定、Ｉ＜３０．０Ａで直線と見なす。
Ｒ（Ｉ，ｔ）＝α（Ｉ）・ｔ＋β（Ｉ）［ｍΩ］ ・・・（２）
（累積駆動時間と端子間電圧との関係直線の勾配をα、切片をβした。）

さらに、図５に示すように、各累積駆動時間における半導体レーザＬＤのＩ−Ｐ特性の勾配及び切片と累積駆動時間との関係を求め、これらの関係から回帰計算により各累積駆動時間におけるＩ−Ｐ特性として式（１）のγ（ｔ）及びε（ｔ）を求める。そして、γ（ｔ）及びε（ｔ）を求めた式（１）を制御部３ｂに入力しておく。
なお、式（１）は、半導体レーザＬＤによって個体差があるため、同様のもののデータを複数取得して規格化しておくことが好ましい。
また、半導体レーザＬＤの発振波長について、そのピーク波長と累積駆動時間との関係は、例えば図６に示すようになる。なお、図６に示す半導体レーザＬＤでは、累積駆動時間８００ｈｒ程度では、発振波長の変化の傾向は見られず、８０５．４ｎｍ±０．２ｎｍである。

上記式（１）に基づいて、例えば累積駆動時間７５６ｈｒにおいて、低下した光出力を初期出力の３１．８Ｗに戻すためには、制御部３ｂによって駆動電源２を制御して電流補償を実施する。すなわち、式（１）から予想される補償後駆動電流値は、３５．８４Ａであり、以下の表１に示すように、ほぼ実際の補償後駆動電流値と一致している。
なお、上記電流補償を行う際に、電圧計４によって、上記端子間抵抗と駆動電流との相関関係に対応しない端子間抵抗が測定された場合、制御部３ｂは、光学損傷（ＣＯＤ）等の破壊劣化モードが発生したと判断して、駆動電源２による駆動を停止する。

このように本実施形態の半導体レーザ駆動装置１では、制御部３ｂが、予め求めておいた光出力と累積駆動時間との関係から駆動電源２による半導体レーザＬＤの駆動電流を調整して光出力を一定に保つので、半導体レーザＬＤの経時劣化に対応した自動的な補償駆動制御が可能になり、モニター機構を用いずに、安定した一定の光出力を得ることができる。
また、制御部３ｂが端子間抵抗に応じて通常劣化モードか破壊劣化モードかを判断し、光学損傷（ＣＯＤ）等の破壊劣化モードと判断される際に駆動電源２による駆動を停止するので、劣化モードの自動判別によって破壊劣化モード時に無理に半導体レーザＬＤを駆動することを防止することができる。

したがって、本実施形態の固体レーザ駆動装置では、固体レーザ結晶７の励起源として上記半導体レーザ駆動装置１を備えているので、一定した励起光出力により固体レーザ光の安定した光出力を長期にわたって得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記固体レーザ結晶７としては、上記Ｎｄ：ＹＡＧ以外のもの、例えばＮｄ：ＹＬＦ、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ:ＹＬＦ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｎｄ：ＹＶＯ４等を用いても構わない。なお、これらの場合、使用される固体レーザ結晶に対応した波長の励起光を発生する半導体レーザが採用される。

本発明に係る一実施形態の半導体レーザ駆動装置を示す概略的な構成図である。 本発明に係る一実施形態の固体レーザ駆動装置を示す概略的な構成図である。 本実施形態において、半導体レーザの累積駆動時間と駆動電流を変えた場合の端子間電圧との関係を示すグラフである。 本実施形態において、半導体レーザの端子間抵抗と累積駆動時間との直線式における勾配及び切片と駆動電流との関係を示すグラフである。 本実施形態において、半導体レーザの累積駆動時間とＩ−Ｐ特性の勾配及び切片との関係を示すグラフである。 本実施形態において、半導体レーザの累積駆動時間と発振ピーク波長との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…半導体レーザ駆動装置、２…駆動電源、３…出力制御手段、３ａ…時間計測部、３ｂ…制御部、４…電圧計（抵抗測定手段）、７…固体レーザ結晶、８…共振器ミラー、ＬＤ…半導体レーザ

Claims (3)

1. 固体レーザ結晶用の励起光を発生する半導体レーザと、
   該半導体レーザの駆動電源と、
   該駆動電源に接続され前記半導体レーザの光出力を制御する出力制御手段とを備え、
   該出力制御手段が、前記半導体レーザの累積駆動時間を測定する時間計測部と、
   予め求めておいた前記光出力と前記累積駆動時間との関係から前記半導体レーザの駆動電圧又は駆動電流を調整して前記光出力を一定に保つ制御部とを備えていることを特徴とする半導体レーザ駆動装置。
2. 請求項１に記載の半導体レーザ駆動装置において、
   前記出力制御手段が、前記半導体レーザの端子間抵抗を測定する抵抗測定手段を備え、
   前記制御部が、測定された前記端子間抵抗に応じて前記半導体レーザの劣化モードが通常劣化モードか破壊劣化モードかを判断し、前記破壊劣化モードと判断される際に前記駆動電源による駆動を停止することを特徴とする半導体レーザ駆動装置。
3. 固体レーザ結晶と、
   該固体レーザ結晶の両端に配された共振器ミラーと、
   前記固体レーザ結晶の励起光を発生する請求項１又は２に記載の半導体レーザ駆動装置とを備えていることを特徴とする固体レーザ駆動装置。