JP2008251864A

JP2008251864A - レーザ装置

Info

Publication number: JP2008251864A
Application number: JP2007091779A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Shibatani; 一弘柴谷
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Also published as: US20100166028A1; US20080240181A1; US7936797B2

Abstract

【課題】レーザ光の出力を一定に保ちながらエネルギー効率を高く維持できるレーザ装置を提供する。
【解決手段】出力部材８から出力されるレーザ光の強度を出力検出手段１１で検出し、出力検出手段１１の検出信号である検出出力が所定の閾値以下であるときは、出力制御手段２８によりレーザ光源の出力を所定の標準出力に設定し、駆動制御手段２７によって検出出力が大きくなるように光学調芯部材７を駆動し、検出出力が閾値未満であるときは、駆動制御手段２７を停止して光学調芯部材７を固定し、検出出力が所定の目標出力になるように、出力制御手段２８によってレーザ光の出力を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明はレーザ装置に関する。

例えば、特許文献１に、レーザ発振器などの投光部から発せられたレーザ光をレンズなどの光学部材によって、光ファイバのような受光部材に芯合わせして導くレーザ装置が記載されている。このようなレーザ装置の出力は、レーザ光の芯ずれに対してガウシアン分布となることが知られている。

特許文献１では、光学部材を一定周期、一定振幅で微小振動させ、光ファイバにおけるレーザ光の強度の変化を測定して、レーザ光の受光強度を最大にするための光学部材の移動方向と移動量とを算出するウォブリング（wobbling）と呼ばれる手法により、レーザ光を光ファイバに対して位置決めしている。

また、このようなレーザ装置において、光学部材を所定量移動させ、レーザ出力が増加するか否かを確認し、レーザ出力が増加する方向に、受光強度が減少に転ずるまで連続して所定量ずつ移動させる、山登り制御と呼ばれる制御方法も知られている。

このようなレーザ装置の調芯制御において、レーザ出力がゼロでない有意な値となる範囲は、例えば直径１μｍ程度の範囲であり、光学部材の位置決めの分解能（最小移動量）は、例えば、圧電素子を用いた摩擦駆動方式のアクチュエータで１００ｎｍ程度である。

このため、従来のレーザ装置では、例えば、図７に示すように、受光強度が最高になる位置に光学部材を正確に位置決めすることができず、実際のレーザ光の出力が最大値よりも小さくなる調芯誤差が発生するという問題があった。

光通信などに利用されるレーザ装置には、レーザ出力を一定に保つことが求められている。このため、レーザ出力をフィードバックしてレーザ発振器の出力を調整することが考えられるが、同じレーザ出力を基に制御する調芯機能との併用ができない。このため、レーザ装置においてレーザ光の出力を制御する場合、製造誤差や経年変化、或いは、使用中の温度上昇に起因して発生する芯ずれによって、エネルギー効率が低くなるという問題があった。
特開２００３−３３８７９５号公報特開平６−２６５７５９号公報

前記問題点に鑑みて、レーザ光の出力を一定に保ちながらエネルギー効率を高く維持できるレーザ装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によるレーザ装置は、レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源が発生したレーザ光を外部に出力する出力部材と、駆動制御手段によって制御される駆動手段により駆動され、前記レーザ光源が発生したレーザ光を前記出力部材に対して位置決めする光学調芯部材と、前記出力部材から出力されるレーザ光の強度を示す検出出力を出力する出力検出手段と、前記レーザ光源が発生するレーザ光の出力を変化させる出力制御手段とを有し、前記検出出力が所定の閾値以下であるときは、前記出力制御手段により前記レーザ光源の出力を所定の標準出力に設定し、前記駆動制御手段によって前記検出出力が大きくなるように前記光学調芯部材を駆動し、前記検出出力が前記閾値未満であるときは、前記駆動制御手段を停止して前記光学調芯部材を固定し、前記検出出力が所定の目標出力になるように、前記出力制御手段によって前記レーザ光の出力を制御するものとする。

この構成によれば、光学調芯部材によりレーザ光を調芯して、芯ずれによるレーザ光のロスを低減し、光学調芯部材の位置決め精度の限界に近い範囲で残る僅かな出力の誤差だけを出力制御によって調整して一定の出力を得るので、エネルギー効率が高い。また、装置内部のレーザ光の芯ずれにも、レーザ光源の特性変化にも適応できるので、信頼性が高い。

また、本発明のレーザ装置において、前記レーザ光源への入力電力を監視し、前記入力電力が所定の上限値以上になったときは、前記出力制御手段により前記レーザ光源の出力を前記標準出力に設定し、再度、前記駆動制御手段によって前記検出出力が大きくなるように前記光学調芯部材を駆動してもよい。

この構成によれば、使用中の温度上昇などで生じた芯ずれを、レーザ光源の入力電力の上昇によって検知し、再度光学調芯部材を駆動して調芯するので、常に高いエネルギー効率を保証できる。

また、本発明のレーザ装置において、前記駆動手段は、前記レーザ光の光軸に直交する軸方向に前記光学調芯部材を位置決めする一般的なリニアアクチュエータで構成することができる。

本発明によれば、光学調芯部材によりレーザ光を調芯して、芯ずれによるレーザ光のロスを低減してから、出力制御によってレーザ光の出力を調整するので、出力が一定でありながら、エネルギー効率が高い。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態のレーザ装置１を示す。レーザ装置１は、電源回路２から入力された電力を変換して、レーザ光を発生するレーザダイオード（レーザ光源）３と、固定された投光レンズ４と、駆動回路５から駆動電圧が印加される駆動装置（駆動手段）６によってレーザ光に直交するＸ−Ｙの２方向に移動可能な調芯レンズ（光学調芯部材）７と、レーザ光が投光レンズ４および調芯レンズ７を介して入射する第二高調波発生素子（出力部材）８と、第二高調波発生素子８の出力光を射出する射出レンズ９とを有する。さらに、レーザ装置１は、第二高調波発生素子８の出力光を分光するハーフミラー１０と、分光した第二高調波発生素子８の出力光の強度を電圧信号（検出出力）に変換するパワーモニタ（出力検出手段）９と、パワーモニタ１１の検出出力に応じて、電源回路２および駆動回路５の動作を制御する制御装置１２とを有している。

第二高調波発生素子８は、受光部の口径が１〜３μｍ程度である。調芯レンズ７は、レーザ光を第二高調波発生素子８の受光部と同程度の径になるように集光するとともに、第二高調波発生素子８の受光部の中心にレーザ光の光軸を芯合わせする。

調芯レンズ７によってレーザ光の光軸が第二高調波発生素子８の中心に一致している場合、レーザ光のエネルギーが全て第二高調波発生素子８に入力されるので、第二高調波発生素子８の出力が最大になり、パワーモニタ１１の検出出力も最大になる。

図２に、調芯レンズ７を移動させる駆動装置６の構成を示す。駆動装置６は、筐体１３に固定されたＸ軸アクチュエータ１４と、Ｘ軸アクチュエータ１４によってＸ軸方向に移動させられ、Ｙ軸方向に調芯レンズ７を移動させるＹ軸アクチュエータ１５とからなっている。

Ｘ軸アクチュエータ１４は、筐体１３に一端が固定され、電圧が印加されるとＸ軸方向に伸縮するＸ軸圧電素子１６と、Ｘ軸圧電素子１６の伸縮によってＸ軸方向に往復移動するＸ軸駆動軸１７と、Ｘ軸駆動軸１７に摩擦係合するＸ軸摩擦係合部材１８と、Ｘ軸駆動軸１７の先端に設けられたＸ軸ストッパ１９とからなる。Ｙ軸アクチュエータ１５は、Ｘ軸摩擦係合部材１８に一端が固定され、電圧が印加されるとＹ軸方向に伸縮するＹ軸圧電素子２０と、Ｙ軸圧電素子２０の伸縮によってＹ軸方向に往復移動するＹ軸駆動軸２１と、Ｙ軸駆動軸２１に摩擦係合するＹ軸摩擦係合部材２２と、Ｙ軸駆動軸２１の先端に設けられたＹ軸ストッパ２３とからなり、Ｙ軸摩擦係合部材２２が調芯レンズ７を保持している。Ｘ軸摩擦係合部材１８は、Ｘ軸圧電素子１６とＸ軸ストッパ１９との間を可動範囲として移動可能であり、Ｙ軸摩擦係合部材２２は、Ｙ軸圧電素子２０とＹ軸ストッパ２３との間を可動範囲として移動可能である。

図３に、制御装置１２の構成を示す。制御装置１２は、パワーモニタ１１の検出出力が入力される閾値判別部２４と、それぞれ、閾値判別部２４に制御されるスイッチ２５，２６を介してパワーモニタ１１の検出出力が入力される調芯制御部（駆動制御手段）２７および出力制御部（出力制御手段）２８とを有している。スイッチ２５とスイッチ２６とは、互いに逆動作される結果、調芯制御部２７および出力制御部２８のいずれか一方がパワーモニタ１１の検出出力に応じた出力をするようになっている。

駆動回路５は、例えば、駆動装置６のＸ軸圧電素子１６およびＹ軸圧電素子２０にそれぞれ所定の電圧を印加するトランジスタからなるブリッジ回路であり、調芯制御部２７は、パワーモニタ１１の検出出力に応じて、駆動回路５のトランジスタをオン／オフする信号を出力するものである。

電源回路２は、例えば、レーザダイオード３に設定された電流値の電流を印加する定電圧回路であって、通常は所定の標準電流を出力するが、出力制御部２８から電圧信号が印加されると、その電圧信号に比例して、出力電流を標準電流からオフセットするようになっている。

図４に、本発明の制御装置１２における制御の流れを示す。先ず、レーザ装置１が出力を開始すると、ステップＳ１において、閾値判別部２４は、スイッチ２５を閉じ、スイッチ２６を開く、これにより、出力制御部２８の出力がなくなるので、電源回路２は、所定の標準電流を出力し、レーザダイオード３に所定の出力のレーザ光を発生させる。

レーザダイオード３が発したレーザ光は、調芯レンズ７を介して第二高調波発生素子８に入力され、第二高調波発生素子８は、入力されたレーザ光の強度に比例する出力光を射出する。第二高調波発生素子８の出力光の強度をパワーモニタ１１が検出し、電圧信号である検出出力として閾値判別部２４および調芯制御部２７に入力する。

調芯制御部２７は、調芯レンズ７を所定の微少量だけ前後に移動させるように駆動回路５をスイッチングして検出出力の変化を検出し、検出出力の変化に所定の係数を乗じた量だけ調芯レンズ７を駆動させるように駆動回路５をスイッチングすることより、調芯レンズ７が案内するレーザ光の光軸を第二高調波発生素子８の中心に近づけるウォブリングと呼ばれる調芯制御を行う（ステップＳ２）。

例えば、図５に示すように、レーザ光を第二高調波発生素子８の中心に近づけることで、検出出力は徐々に上昇する（Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４）。

閾値判別部２４は、図４において、ステップ２で調芯制御部２７がウォブリングを行うたびに、ステップＳ３でパワーモニタ１１の検出出力を確認する。閾値判別部２４は、検出出力が所定の調整閾値以下であれば、スイッチ２５を閉じ、スイッチ２６を開いた状態に維持することで、ステップＳ２の調芯制御部２７による調芯制御を繰り返し行わせる。

ステップ３で、検出出力が所定の調整閾値を超えた場合、閾値判別部２４は、スイッチ２５を開き、調芯制御部２７の動作を停止して調芯レンズ７を固定し、スイッチ２６を閉じて、出力制御部２８により、検出出力が所定の目標出力に一致するように電源回路２の出力を増減させる（図５のＰ４→Ｐ５）出力制御を行う（ステップＳ４）。

ステップＳ５で、閾値判別部２４は、出力制御部２８の出力、つまり、レーザダイオード３に入力される電源回路２の出力電流（電力）の設定値を監視する。出力制御部２８の出力がレーザダイオード３に所定の上限値以上の入力電流を印加するものでなければ、そのままスイッチ２５を開いてスイッチ２６を閉じたまま、出力制御部２８による出力制御を続けさせる。

しかしながら、出力制御部２８の出力がレーザダイオード３に所定の上限値以上の入力電流を印加するものとなったとき、閾値判別部２４は、再び、スイッチ２５を閉じてスイッチ２６を開く。これによって、ステップＳ１に戻り、電源回路２の出力を標準電流に戻して、調芯制御部２７によって駆動回路５を制御し、駆動装置６による調芯レンズ７の移動によってレーザ光の調芯を行う。

このような出力制御部２８の出力上昇は、使用による温度上昇にともなう各部材の伸びにより、部材間の相対位置の変化や光学特性の変化が発生して、レーザ光が第二高調波発生素子８から芯ずれすることなどにより起こり得る。つまり、閾値判別部２４は、レーザダイオード３の入力電力を監視することで、レーザ光の位置ずれを監視しているのである。

本発明では、図６に示す第２実施形態のように、投光レンズ４を第１の移動部材としてＹ軸方向に駆動可能とし、調芯レンズ７を第２の移動部材としてＸ軸方向にのみ移動可能としてもよい。

また、以上の実施形態に限らず、本発明は、１軸にのみ移動可能なレーザ装置や、３軸以上に位置決めできるレーザ装置にも適用可能である。

また、本発明では、ウォブリングに代えて、例えば、山登り制御のような、検出出力を最大にするように光学調芯部材を駆動する公知の制御を適用してもよい。

本発明の第１実施形態のレーザ装置の概略図。図１のレーザ装置の駆動装置の概略図。図１の制御装置の構成を示すブロック図。図３の制御装置の制御の流れ図。図１のレーザ装置の位置決めにおける検出出力の変化を示す図。本発明の第２実施形態のレーザ装置の概略図。従来レーザ装置の検出出力の変化を示す図。

符号の説明

１レーザ装置
２電源回路
３レーザダイオード
５駆動回路
６駆動装置（駆動手段）
７調芯レンズ（光学調芯部材）
８第二高調波発生素子（出力部材）
１１パワーモニタ（出力検出手段）
１２制御装置
１４Ｘ軸アクチュエータ
１５Ｙ軸アクチュエータ
２４閾値判別部
２７調芯制御部（駆動制御手段）
２８出力制御部（出力制御手段）

Claims

レーザ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源が発生したレーザ光を外部に出力する出力部材と、
駆動制御手段によって制御される駆動手段により駆動され、前記レーザ光源が発生したレーザ光を前記出力部材に対して位置決めする光学調芯部材と、
前記出力部材から出力されるレーザ光の強度を示す検出出力を出力する出力検出手段と、
前記レーザ光源が発生するレーザ光の出力を変化させる出力制御手段とを有し、
前記検出出力が所定の閾値以下であるときは、前記出力制御手段により前記レーザ光源の出力を所定の標準出力に設定し、前記駆動制御手段によって前記検出出力が大きくなるように前記光学調芯部材を駆動し、
前記検出出力が前記閾値未満であるときは、前記駆動制御手段を停止して前記光学調芯部材を固定し、前記検出出力が所定の目標出力になるように、前記出力制御手段によって前記レーザ光の出力を制御することを特徴とするレーザ装置。
前記レーザ光源への入力電力を監視し、前記入力電力が所定の上限値以上になったときは、前記出力制御手段により前記レーザ光源の出力を前記標準出力に設定し、再度、前記駆動制御手段によって前記検出出力が大きくなるように前記光学調芯部材を駆動することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記駆動手段は、前記レーザ光の光軸に直交する軸方向に前記光学調芯部材を位置決めする少なくとも１つのアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。