JP2013504214A - 半導体レーザを駆動し冷却する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

半導体レーザシステムは、ダイオードレーザタイルを備える。ダイオードレーザタイルは、第１の側面及び第１の側面の反対側に位置する第２の側面を有する取付台と、取付台の第１の側面に接合された半導体レーザポンプアレイとを備える。半導体レーザシステムは、ダイオードバーに熱的に接合された電気パルス発振器、並びにダイオードバー及び電気パルス発振器に熱的に接合された冷却部材も備える。
【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照

[0001]本出願は、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ」と題され、２００９年９月３日に出願された米国特許仮出願第６１／２３９，５６９号、及び「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ」と題され、２０１０年６月１１日に出願された米国特許出願第１２／８１３，６６２号の米国特許法第１１９条（ｅ）項の下での利益を主張し、全ての目的のためにそれらの内容全体が参照として本明細書に組み込まれる。

［連邦政府により支援された研究又は開発の下で行われた発明の権利に関する記載］
[0002]アメリカ合衆国政府は、アメリカ合衆国エネルギー省とローレンス リバモア ナショナル セキュリティＬＣＣとの間の契約第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に準拠した本発明の権利を有する。

[0003]高平均出力ダイオードポンプレーザは、現在、多くのレーザシステムに使用又は組み込まれている。これらの高平均出力ダイオードポンプレーザの光出力パワーが増加すると、ダイオードレーザポンプから要求される入力光パワーも、通常、同様に増加する。ダイオードレーザの効率は、過去数年間は実質的に一定なので、光パワーは、電気入力パワーの増加に伴って増加する。いくつかの応用例においては、ダイオードレーザポンプを駆動するために数百アンペアの電流が必要である。その結果、電力調整電子機器を使用する精密な電流調整が困難となる。

[0004]したがって、当技術分野では、高平均出力ダイオードポンプレーザ用途に適したダイオードレーザポンプ用の改善された方法及びシステムが必要とされている。

[0005]本発明によれば、光学システムに関する技法が提供される。より詳細には、本発明の一実施形態は、一体型のパルス発振器を有する半導体レーザポンプモジュールを提供する。単なる例として、本発明は、共通の冷却構造をパルス発振器用の駆動電子機器と共有する半導体レーザバーアレイに適用されている。本明細書に記載されている方法及びシステムは、レーザ、増幅器等を含む多くの光学システムにも適用可能である。

[0006]本発明の一実施形態によれば、半導体レーザシステムが提供される。この半導体レーザシステムは、ダイオードレーザタイル（ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ｔｉｌｅ）を備える。ダイオードレーザタイルは、第１の側面及び第１の側面の反対側に位置する第２の側面を有する取付台、並びに取付台の第１の側面に接合された半導体レーザポンプアレイを備える。半導体レーザシステムは、ダイオードレーザタイルに熱的に接合された電気パルス発振器、並びにダイオードレーザタイル及び電気パルス発振器に熱的に接合された冷却構造も備える。

[0007]本発明の別の実施形態によれば、半導体レーザポンプ装置が提供される。この半導体レーザポンプ装置は、半導体レーザ光源及び半導体レーザ光源に熱的に接合されたヒートシンクを備える。半導体レーザポンプ装置は、ヒートシンクに熱的に接合されたパルス発振器も備える。パルス発振器は、接地された電源及び電界効果トランジスタに接続された検知抵抗器を備える。

[0008]本発明のさらに別の実施形態によれば、半導体レーザポンプ装置を作動させる方法が提供される。この方法は、電荷蓄積コンデンサ及び電力バスにＤＣ電力を印加するステップと、電流制御ＦＥＴに接続された駆動増幅器に電流パルスを印加するステップとを含む。この方法は、また、駆動増幅器への電流パルスの印加に応答して、電流制御ＦＥＴを介して電流を流すステップと、電力バスに接続された検知抵抗器を介して電流を流すステップとを含む。この方法は、検知抵抗器の第１の端子及び検知抵抗器の第２の端子に接合された検知増幅器を使用して電流を検知するステップと、半導体レーザアレイを介して電流を流すことによりポンプ光を発生させるステップとをさらに含む。

[0009]本発明により、従来の技法に勝る多くの利点が得られる。例えば、本システムは、半導体レーザポンプ及び半導体レーザポンプを駆動するのに使用する電気パルス発振器の構成要素の両方をまとめて冷却することを可能にする。半導体レーザポンプを冷却するために使用する冷却構造と熱連通した状態で、電気パルス発振器の構成要素を取り付けることによって、システムのサイズ及びコストが削減される。本発明の実施形態は、パルスパワー電子機器をダイオードレーザポンプタイルのサブマウントに直接組み込むことにより、システムのコストを削減するとともに、信頼性を高めるダイオードレーザポンプタイルを提供する。単なる例として、パルスパワーのコストを１／４０以下に削減でき、パルサ電子機器の外被を１／２０以下に低減できる。さらに、いくつかの実施形態では、フラトリサイド（ｆｒａｔｒｉｃｉｄｅ）とも呼ばれる壊滅的な連続的損傷を防止するためにダイオードの性能を検知しモニタするためのインシチュ統合情報が組み入れられる。実施形態に応じて、これらの利点の１つ又は複数を得ることができる。これら及び他の利点は、本明細書全体にわたってより詳細に記述し、より具体的に以下に説明する。

[0010]本発明のこれら及び他の目的及び特徴、並びにそれらを得る方法は、当業者に明らかとなり、本発明自体は、添付画面と併せて読まれる以下の詳細な説明を参照することにより、最もよく理解されるであろう。

本発明の一実施形態による半導体レーザポンプ装置の簡略化した概略図である。 本発明の一実施形態による電力調整回路の簡略化した概略図である。 本発明の一実施形態による電力調整回路の簡略化した概略図である。 図２に示す電力調整回路のマルチシム（Ｍｕｌｔｉｓｉｍ）モデルの回路概略図である。 （Ａ）は図４に示すマルチシムモデルから出力されたモデルベンチマークを示す図である。（Ｂ）は図４に示すマルチシムモデルの負荷特性を示す図である。（Ｃ）は図４に示すマルチシムモデルの電源電圧及び電流特性を示す図である。（Ｄ）は図４に示すマルチシムモデルの効率を示す図である。 本発明の一実施形態による半導体レーザポンプ装置を作動させる方法を示す簡略化した流れ図である。

[0020]通常、高出力ダイオードレーザ（すなわち、半導体レーザ）ポンプに使用される電力調整電子機器は、強制冷却されるか、又はそれらの機器の使用率が制限される。一例を挙げると、ローレンスリバモア国立研究所（ＬＬＮＬ）において、マーキュリレーザ（Ｍｅｒｃｕｒｙ ｌａｓｅｒ）に使用されたダイオードレーザポンプを駆動するために使用した電力調整電子機器は、強制冷却された。他のレーザシステムにおいては、熱的問題により必要とされる電力調整電子機器の使用率の制御が、レーザの動作特性を制限することがある。

[0021]本発明の実施形態は、電力調整システム及びダイオードパッケージを有するダイオードモニタリングシステムの１つ又は複数の構成要素を一体化し、それによって、従来のシステムを使用して得られない利点を提供する。これらの利点には、（１）電力調整電子機器用の別の冷却システムの必要性を排除すること、（２）電力調整電子機器に伴う熱的制約に起因する使用率制限を排除すること、（３）電力調整電子機器の物理的なサイズを小さくすること、（４）全体のシステム効率を高めること、（５）電力調整コストを少なくとも１桁削減すること、及び（６）慣性核融合エネルギー（ＩＦＥ）を競争力のあるエネルギー源にすることが含まれ得る。

[0022]ＩＦＥ発電所において使用されるであろう、レーザ増幅器を励起するために使用する高平均出力ダイオードレーザアレイは、精密な電流、パルスレート、及び使用率でダイオードレーザアレイをパルス駆動するために、電力調整システムを利用する。本発明の一実施形態によれば、電力調整電子機器及びモニタリングシステムの１つ又は複数の構成要素は、遠隔電子機器の筐体からダイオードレーザパッケージに移動する。ダイオードパッケージは既に強制冷却されているので、電力調整は、ダイオードパッケージと同じ冷却を利用する。そのため、高出力構成要素と、駆動回路と、モニタリング回路と、コンデンサの開発に応じて中間エネルギー蓄積コンデンサとは、ダイオードレーザパッケージに提供される冷却能力を利用するために、ダイオードパッケージと熱連通した状態で設けられ、それによって、電力調整システムの全体のサイズを小さくするとともに、コストを１桁潜在的に削減する。

[0023]本発明の実施形態は、様々な高平均出力ダイオードポンプレーザにおいて有用である。これらのレーザには、マーキュリレーザ、テーラードアパーチャセラミックレーザ（ＴＡＣＬ）などのダイレクトエネルギーレーザシステム、レーザ設計のプロトタイプ、繰返しフェムト秒レーザ、ペタワットレーザ、高平均出力ダイオードポンプレーザ、慣性核融合エネルギー発電所、エネルギー指向型兵器システム、繰返しレーザ誘起ＨＥＤ物理用途、レーザ加工用途、及び高出力ダイオードレーザ励起を含む他のレーザ用途が含まれ得る。

[0024]図１は、本発明の一実施形態による半導体レーザポンプ装置の簡略化した概略図である。半導体レーザポンプ装置は、半導体レーザバーアレイを含むダイオードレーザタイル１１０を備える。アレイを構成する半導体レーザバーは、例えば、１つのバーにつき出力パワーが１００Ｗであるという特徴を有する。これらの高出力ダイオードレーザポンプは、当業者には明らかとなるように、レーザゲイン媒体を励起するのに適している。電気コネクタは、ダイオードレーザタイル内の半導体レーザバーに駆動電流を提供する。ダイオードレーザタイル用の通常の駆動電流は、数百アンペアである。

[0025]半導体レーザポンプ装置は、電気パルス発振器の１つ又は複数の構成要素を含むパワーエレクトロニクス１２０も備える。本明細書の全体を通してより完全に説明するように、パワーエレクトロニクス１２０（パルス制御電子機器とも呼ばれる）は、電気パルス発振器の構成要素である検知抵抗器及び電力制御電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備える。半導体レーザポンプ装置及びパワーエレクトロニクスによって生じる熱を取り除くために、冷却アセンブリ１３０が備えられている。ダイオードレーザバーは、１００％未満の電気−光効率で動作するので、ダイオードレーザバーの高出力には、大きな発熱が伴う。冷却アセンブリ１３０は、ダイオードレーザバーの強制冷却を可能にする。さらに、冷却アセンブリ１３０は、パワーエレクトロニクス１２０から熱を取り除くために使用される。すなわち、ダイオードレーザバー及び冷却電子装置は、共通のヒートシンク又は冷却構造を共有する。

[0026]冷却アセンブリによって提供される共通のヒートシンクを利用することにより、電気パルス発振器の１つ又は複数の構成要素は、電子機器によって送られる大きなダイオード電流（例えば、１００アンペア）によって生じる熱を取り除くために冷却される。図１に示すように、本発明の実施形態は、十分な冷却能力が既にあるダイオードレーザタイルに隣接するようにパワーエレクトロニクスを配置する。一例を挙げると、図２に示すパルス駆動回路及び性能モニタ回路は、高密度表面実装技術を使用してダイオードレーザタイルの表面に取り付けられる。本発明の実施形態によれば、パルス幅が１，０００μｓで繰返し率が約１０Ｈｚの１２ＫＷの光パワー（例えば、１バーにつき２００Ｗで６０バー）を出力するダイオードパッケージが提供される。一例を挙げると、ダイオードレーザは、６０％の電気−光効率で作動することができる。

[0027]本発明の実施形態によれば、ダイオードレーザタイルの様々な要素のサイズは、電力構成要素がダイオードタイルの面積に適合できるようになっている。図１及び図２を参照すると、実施形態の一例において、電流制御ＦＥＴ２３４は、１０ｍｍ×１５ｍｍの公称面積（リードを含む）を有する。一例を挙げると、電流制御ＦＥＴ２３４は、パルス電流が７９０Ａ、連続電流が２００Ａの状態で、最大４０Ｖで作動することができ、それによって、最大２３０Ｗで作動し、６１．５Ｗ消費する。一例を挙げると、形状因子は、ＴＯ−２６３の外形とすることができる。この実施形態の一例において、０．００１Ωの抵抗器である検知抵抗器２３２は、７ｍｍ×１３ｍｍの公称面積（リードを含む）を有する。一例を挙げると、検知抵抗器は、最大３Ｗで作動し２．２５Ｗ消費する、許容差０．５％の１ｍΩ抵抗器である。１９．４ｍｍ×１２．４ｍのダイオードタイル面積の場合、電流制御ＦＥＴ２３４及び検知抵抗器２３２はどちらも、これらの構成要素の冷却を可能にするために、互いに隣接してダイオードタイルの冷却台に取り付けることができる。一実施形態において、より大きなダイオードレーザアレイを形成するために、５６個のダイオードレーザタイルが利用される。他の制御電子機器は、ダイオードタイルと同じ又は同様の面積を有するメザニンボード上に取り付けることができる。

[0028]図１を参照すると、本発明の実施形態は、冷却アセンブリ及びパワーエレクトロニクスをダイオードレーザタイルの実装スペース下の位置に組み込むダイオードレーザタイルモジュールを提供するので、このモジュールは、隣接するタイルの間にスペースをほとんど又は全く必要とせずアレイに組み込むことができる。その結果、電子機器はアレイの後部に配置されているので、複雑化を低減又は解消する形でダイオードヒートシンクが設けられる。本発明の実施形態は、強制冷却を必要とする構成要素（例えば、電流制御ＦＥＴ及び電流検知抵抗器）が、ダイオードレーザタイルの冷却台、例えば冷却アセンブリ１３０に取り付けられ、その結果、ダイオードレーザの冷却に使用する同じ冷却システムがこれらの構成要素を冷却するために使用されるダイオードレーザシステムを提供する。

[0029]図２は、本発明の一実施形態による、電力調整回路とも呼ばれる電気パルス発振器の簡略化した概略図である。図２に示す電力調整回路は、電荷蓄積コンデンサに接続されたＤＣ電源を備える。図示の実施形態において、電荷蓄積コンデンサは、定格３３０００μＦである。付属ＩＣは、電流検知増幅器、駆動増幅器、並びに関連する抵抗器及びコンデンサを備える。１つ又は複数の構成要素は、冷却アセンブリ１３０と熱連通した状態で取り付けられている。これらの構成要素は、ダイオードレーザタイルとも熱連通しており、ダイオードレーザタイルに取り付けられた固定具に装着することができるので、オンタイル構成要素と呼ばれる。オンタイル構成要素は、電流検知抵抗器及び電流制御ＦＥＴを含む。図２に示す電流検知抵抗器は、定格０．００１オームである。ダイオードレーザタイルは、ＤＣ電源に接続された電流検知抵抗器と、１つの端子が接地している電流制御ＦＥＴとの間に接続されている。ダイオードレーザタイルは、半導体レーザバーアレイを備える。通常、各バーは、アレイ構成のいくつかの半導体レーザを含む。

[0030]電流制御ＦＥＴを含む、電力制御電子機器及び電力モニタリング電子機器からの熱を効率的に取り除くために、電気パルス発振器の１つ又は複数の構成要素は、ダイオードレーザタイルの表面上に取り付けることができる。一実施形態において、高出力電流制御ＦＥＴは、ダイオードレーザタイルとも熱連通している冷却アセンブリと熱連通した状態で、裸のダイの形式（ｒａｗ ｄｉｅ ｆｏｒｍａｔ）で取り付けられる。電流制御ＦＥＴを裸のダイの形式で取り付けることにより、スペースを節約し、ダイオードレーザタイルを冷却するために利用される冷却能力を利用する。電流制御ＦＥＴに加えて、電流検知抵抗器は、冷却アセンブリと熱連通した状態で取り付けることができるもう１つの高出力構成要素である。したがって、電流検知用途向けに設計された電流検知抵抗器は、冷却構造を使用して伝導又は対流によって冷却される。

[0031]図２を参照すると、一実施形態において、中間エネルギー貯蔵システムとも呼ばれる電荷蓄積コンデンサは、冷却構造と熱連通した状態で取り付けられる。例えば、電荷蓄積コンデンサは、電気パルス発振器の１つ又は複数の構成要素に加えて、ダイオードレーザタイルの表面に取り付けることができる。電力調整構成要素をダイオードレーザタイルに組み込むことにより、電力調整機能が遠隔筐体の中に配置されていた従来の方法と比べて、大きなサイズ及びコストの削減が可能になる。

[0032]本発明の実施形態によれば、図１に示す半導体レーザポンプ装置は、システム設計者がポンプ装置の効率を最適化すること、及び従来のシステムに比べてコストを抑えることを可能にする。本発明者らは、本発明の実施形態により、３年以上の平均故障間隔が提供されることを確認した。

[0033]本発明の一実施形態によれば、ダイオードレーザタイルには、２４ボルトＤＣの動作電圧で１１０ワットが供給される。他の実施形態においては、動作電圧はより高く、例えば、最大１００ＶＤＣである。電荷蓄積コンデンサのエネルギー貯蔵は、６．１ジュール程度であり、１０ジュールまで可能である。図１で示すように、電気パルス発振器及びダイオードレーザタイルは、修復不能な構成要素を有する一体化した組立体とすることができる。電気パルス発振器は、ダイオードが取り付けられる際に、ダイオードレーザタイル基板上に構成することができる。特定の実施形態においては、電流制御ＦＥＴ（ダイ形式）は、他の取り付け技法と比べてスペースを節約してダイオード基板に直接取り付けられる。ダイオードレーザポンプ装置を製造するときに電気パルス発振器入力用トリム抵抗器を使用することによって、ダイオードレーザ光出力の制御が可能になる。

[0034]図２を参照すると、電気パルス発振器の設計は、従来のシステムと比べていくつかの利点を提供する。例えば、この設計は、駆動増幅器２２４がグランドを基準にしているので、ＤＣ電力が１００Ｖよりも大きくなるより大きなアレイについても十分に想定している。さらに、駆動増幅器２２４のバイアス電圧は、ダイオードの電力に基づいてツェナーレギュレータから得られる。

[0035]図２に示す実施形態の代替として、別の実施形態では、ダイオードレーザタイル１１０と電流制御ＦＥＴ２３４の配置が入れ替えられ、電流制御ＦＥＴが電流検知抵抗器に接続され、ダイオードレーザタイルが接地される。この代替実施形態において、駆動増幅器２２４のバイアス電圧は、ダイオードの電力を利用してツェナーレギュレータから得られる。この代替実施形態において、ダイオードレーザはグランドを基準にしており、ダイオードレーザのパッケージングに関する利点を提供することができる。

[0036]図１及び図２を再び参照すると、第１の側面及び第１の側面の反対側に位置する第２の側面を有する取付台を備えるダイオードレーザタイル１１０を具備する半導体レーザシステムが提供されている。半導体レーザポンプアレイは、図示した実施形態の上面である取付台の第１の側面に接合される。通常、半導体レーザポンプアレイの各半導体レーザポンプは、半導体レーザアレイを含む。図１に示すように、複数のレンズレットアレイ（ｌｅｎｓｌｅｔ ａｒｒａｙ）は、ダイオードレーザとも呼ばれる半導体レーザによって放出された光をコリメートするために、半導体レーザポンプアレイに接合される。
さらに、図１のパワーエレクトロニクス１２０によって表された電気パルス発振器は、ダイオードレーザタイル１００に熱的に接合される。図１に示すように、電気パルス発振器の１つ又は複数の構成要素（例えば、ダイ形式のＦＥＴ及び検知抵抗器）は、取付台の第２の側面に取り付けられる。冷却アセンブリ１３０によって表された冷却構造は、ダイオードレーザタイル及び電気パルス発振器に熱的に接合される。

[0037]いくつかの実施形態において、電気パルス発振器の１つ又は複数の構成要素は、第１の側面と第２の側面の間に配置された取付台の第３の側面に取り付けられる。図１を参照すると、第３の側面は、ダイオードレーザタイル１１０の垂直面である。

[0038]本発明の別の実施形態によれば、半導体レーザ光源（例えば、それぞれが半導体レーザアレイを含む半導体レーザバーアレイ）及び半導体レーザ光源に熱的に接合されたヒートシンクを備える半導体レーザポンプ装置が提供される。半導体レーザポンプ装置は、ヒートシンクに熱的に接合されたパルス発振器も備える。パルス発振器は、電源（例えば、ＤＣ電源）に接続された検知抵抗器及び接地された電界効果トランジスタを備える。いくつかの実施形態において、電界効果トランジスタは、ダイ形式で取り付けられる。ヒートシンクは、通常、冷却水などの冷却用流体に熱連通している。一実施形態において、検知抵抗器の第１の端部は、電流検知増幅器の第１の端子に接続され、検知抵抗器の第２の端部は、電流検知増幅器の第２の端子に接続される。

[0039]図３は、本発明の一実施形態による電気パルス発振器の簡略化した概略図である。図３に示す電気パルス発振器は、図２に示すものと共通の構成要素を共有する。図３に示す実施形態において、複数のダイオードレーザ３１２ａ、３１２ｂ等を備えるダイオードレーザアレイ３１０は、ＤＣ電源２１０に接続される。電荷蓄積コンデンサ２１２もまた、ＤＣ電源２１０及びダイオードレーザアレイ３１０に接合される。１つの端子が接地している電流制御ＦＥＴ３２０は、ダイオードレーザアレイ３１０及び電流検知抵抗器３３０に接続されている。図３に示すように、電力構成要素は、ダイオードレーザアレイ３１０内でダイオードレーザ３１２ａ、３１２ｂ等を冷却するために使用される冷却アセンブリを使用して強制冷却される。図３に示す実施形態を利用することによって、ダイオードレーザアレイは、パルスパワー電子機器をダイオードレーザタイルのサブマウント内に直接組み込むことよりコストを削減し信頼性を高めるタイルの形に作製できる。例として、パルスパワーのコストは、１／４０以下に削減でき、パルサ電子機器の外被は、約１／２０に低減できる。

[0040]図３を参照すると、電気パルス発振器の設計は、従来のシステムと比べていくつかの利点を提供する。例えば、駆動増幅器のバイアス電圧は、ダイオードの電力を利用してツェナーレギュレータから得られる。さらに、ダイオードは、グランドを基準にしており、これにより、パッケージングが容易になる。パルス駆動は、共通の構成要素を図２に示す付属ＩＣ２２０と共有する。電圧、駆動、及び電流を入力として受け、ダイオードレーザアレイ３１０並びに他のシステム構成要素の性能をモニタするために使用できるパフォーマンスモニタ３４０が提供される。パフォーマンスモニタ３４０は、壊滅的な連続的損傷を防止するために、ダイオードレーザの性能を検知しモニタすることができる。

[0041]本発明の実施形態は、信頼性を高めるとともにパルサに近接させるためのタイルの並列接続を可能にするバックプレーンの設計を可能にする。一例を挙げると、直列に接続された１０個のレーザバーを有するバックプレーンは、約２０Ｖの動作電圧を提供する。この構成は、「高電圧」レベルに満たない動作電圧である約２０Ｖで作動するときの接触不良又はバーの故障によって壊滅的なタイル故障の可能性を低減する。この構成において、タイルが故障すると、影響を受けたいくつかのバーの数が減り、アレイパルサ用のハードウェアを取り付けるためのスペースが増えることになる。

[0042]図４は、図２に示した電力調整回路のマルチシムモデルの回路概略図である。同様のモデルを、図３に示す電気パルス発振器向けに構成することができる。このマルチシムモデルは、電源電圧で電源電流を提供する電流制限電源を備える。電流検知抵抗器２３２、ダイオードレーザタイル１１０、及び電流制御ＦＥＴ２３４は、ダイオードレーザを強制冷却するために使用する冷却アセンブリにそれらを取り付けられることを意味するオンタイル構成要素としてモデルに含まれている。電流検知増幅器２２２及び駆動増幅器２２４もまた、図４に示すモデル内に図示されている。

[0043]図５の（Ａ）は、図４に示したマルチシムモデルから出力されたモデルベンチマークを示す。図５の（Ａ）に示すように、測定されたＳＩＭＭタイルの電流は、ダイオードモデルＬ及びダイオードモデルＭの２つのモデルを使用して予測された電流と共にプロットされている。ダイオードモデルＬは、ダイオード負荷の第１のマルチシムモデルを表し、ダイオードモデルＭは、第２のマルチシムダイオード負荷モデルを表す。１６．８Ｖのしきい値電圧及び０．０２１５Ｖ／Ａの逆勾配は、測定された結果並びにモデル化した結果の両方の特徴を示している。

[0044]図５の（Ｂ）は、図４に示したマルチシムモデルの負荷特性を示す。負荷に加えられる電圧は、回路に電力が印加される１ｍｓ間は約２０Ｖで実質的に一定である。電力を印加する１ｍｓに続く１ｍｓの間、負荷に加えられる電圧は、実質的に線形速度で約１０Ｖの値に低下する。負荷に加えられる電流は、回路に電力が印加される間の１ｍｓ間、１５０Ａに実質的に等しい。

[0045]図５の（Ｃ）は、図４に示したマルチシムモデルの電源電圧及び電流特性を示す。電源電流は、回路に電力が印加される１ｍｓ間と、それに続く８ｍｓ間は、約６．５Ａで実質的に一定であり、各１０ｍｓ周期の間の１ｍｓ期間にゼロに低下する。電源電圧は、回路に電力が印加される１ｍｓ間に約２４Ｖから約２１Ｖに低下し、その後、次の９ｍｓ間に２４Ｖまで戻る。

[0046]図５の（Ｄ）は、図４に示したマルチシムモデルの効率を示す。図５の（Ｄ）は、電源によって送られるエネルギーと関連させて、ダイオード負荷によって消費されるエネルギーを時間の関数としてプロットする。回路に電力が印加される１ｍｓの間、ダイオード負荷によって消費されるエネルギーは、ゼロから約１．２５Ｊに増加する。続く９ｍｓの間、ダイオード負荷によって消費されるエネルギーは、次のパルスまで一定の状態を保つ。電源によって送られるエネルギーは、最初の９ｍｓは直線的に増加して、ゼロから約１．３７Ｊまで増え、その後次の１ｍｓは、一定の状態を保つ。第２のパルスの場合も、同様の挙動が見られる。第２のパルスに関連する期間の終了時、電源によって送られるエネルギーは２．７４Ｊであり、ダイオード負荷によって消費されるエネルギーは２４．１Ｊであり、８８％の効率を生み出す。

[0047]図６は、本発明の一実施形態による半導体レーザポンプ装置の作動方法を示す簡略化した流れ図である。方法６００は、ＤＣ電力を電荷蓄積コンデンサ及び電力バスに印加するステップ（６１０）を含む。ＤＣ電力は、図２に示すようにＤＣ電源２１０を使用して電荷蓄積コンデンサに印加できる。この方法は、電流制御ＦＥＴに接続された駆動増幅器に電流パルスを印加するステップ（６１２）も含む。電流パルスは、他のパラメータの中でもとりわけ、所定の電流、パルス幅、及び繰返し率をもたらすために、外部パルス源によって制御することができる。この方法は、駆動増幅器に電流パルスを印加するステップに応答して、電流制御ＦＥＴを介して電流を流すステップ（６１４）をさらに含む。いくつかの実施形態において、電流制御ＦＥＴの１つの端子は、接地している。この方法は、電力バスに接続された検知抵抗器を介して電流を流すステップ（６１６）と、検知抵抗器の第１の端子及び検知抵抗器の第２の端子に接合された検知増幅器使用して電流を検知するステップ（６１８）も含む。図２に示すように、電流制御ＦＥＴ及び電流検知抵抗器は、半導体レーザアレイを含むダイオードレーザタイルを強制冷却するために使用されるヒートシンクに熱的に接合される。したがって、半導体レーザアレイ並びに電流制御ＦＥＴ及び電流検知抵抗器を冷却するために、同じ冷却源が使用される。この方法は、ポンプ光を生成するために半導体レーザアレイを介して電流を流すステップ（６２０）をさらに含む。

[0048]本発明の一実施形態による、図６に示す具体的なステップは、半導体レーザポンプ装置の特定の作動方法を提供することが理解されよう。他の一連のステップも、代替実施形態に従って行われることがある。例えば、本発明の代替実施形態は、上記で概説したステップを異なる順序で行うことができる。さらに、図６に示す個々のステップには、個々のステップに対して適切に様々な順序で行うことができる複数のサブステップが含まれ得る。さらに、特定の用途に応じて、追加のステップの追加又は省略ができる。当業者には、多くの変形形態、修正形態、及び代替形態が認識されよう。

[0049]表１は、本発明の一実施形態によるダイオードドライバの仕様を示す。表１に示す値は、本発明の範囲を限定するものではなく、単に例示的な仕様を示しているにすぎない。

[0050]本明細書で説明した例及び実施形態は例示の目的だけであって、それに照らした様々な修正又は変更が当業者に示唆され、本願の趣旨及び範囲並びに添付の特許請求の範囲に含まれることも理解される。

Claims (20)

1. 第１の側面及び前記第１の側面の反対側に位置する第２の側面を有する取付台と、前記取付台の前記第１の側面に接合された半導体レーザポンプアレイとを備えるダイオードレーザタイルと、
   前記ダイオードレーザタイルに熱的に接合された電気パルス発振器と、
   前記ダイオードレーザタイル及び前記電気パルス発振器に熱的に接合された冷却構造と
   を具備する、半導体レーザシステム。
2. 前記取付台が、前記第１の側面と前記第２の側面との間に配置された第３の側面を備える、請求項１に記載の半導体レーザシステム。
3. 前記電気パルス発振器の少なくとも１つの構成要素が、前記第３の側面に取り付けられる、請求項１に記載の半導体レーザシステム。
4. 前記半導体レーザポンプアレイの各半導体レーザポンプが、半導体レーザアレイを備える、請求項１に記載の半導体レーザシステム。
5. 前記半導体レーザポンプアレイに接合された複数のレンズレットアレイをさらに備える、請求項１に記載の半導体レーザシステム。
6. 前記電気パルス発振器の少なくとも１つの構成要素が、前記取付台の前記第２の側面に取り付けられる、請求項１に記載の半導体レーザシステム。
7. 前記少なくとも１つの構成要素が、ダイ形式のＦＥＴ及び検知抵抗器を備える、請求項６に記載の半導体レーザシステム。
8. 半導体レーザ光源と、
   前記半導体レーザ光源に熱的に接合されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに熱的に接合されたパルス発振器であって、電源に接続された検知抵抗器、及び接地している電界効果トランジスタを備えるパルス発振器と
   を具備する、半導体レーザポンプ装置。
9. 前記半導体レーザ光源が、半導体レーザバーアレイを備える、請求項８に記載の半導体レーザポンプ装置。
10. 前記半導体レーザバーが、半導体レーザアレイを備える、請求項９に記載の半導体レーザポンプ装置。
11. 前記ヒートシンクが、冷却用流体と熱連通している、請求項８に記載の半導体レーザポンプ装置。
12. 前記検知抵抗器の第１の端部が、電流検知増幅器の第１の端子に接続されている、請求項８に記載の半導体レーザポンプ装置。
13. 前記検知抵抗器の第２の端部が、前記電流検知増幅器の第２の端子に接続されている、請求項１２に記載の半導体レーザポンプ装置。
14. 前記電界効果トランジスタが、ダイ形式で取り付けられている、請求項８に記載の半導体レーザポンプ装置。
15. 前記電源が、ＤＣ電源を含む、請求項８に記載の半導体レーザポンプ装置。
16. 前記ＤＣ電源に接合されたコンデンサをさらに備える、請求項１５に記載の半導体レーザポンプ装置。
17. 半導体レーザポンプ装置を作動させる方法であって、
    電荷蓄積コンデンサ及び電力バスにＤＣ電力を印加するステップと、
    電流制御ＦＥＴに接続された駆動増幅器に電流パルスを印加するステップと、
    前記駆動増幅器への前記電流パルスの印加に応答して、前記電流制御ＦＥＴを介して電流を流すステップと、
    前記電力バスに接続された検知抵抗器を介して前記電流を流すステップと、
    前記検知抵抗器の第１の端子及び前記検知抵抗器の第２の端子に接合された検知増幅器を使用して前記電流を検知するステップと、
    半導体レーザアレイを介して前記電流を流すことによりポンプ光を発生させるステップとを含む、方法。
18. 前記電流制御ＦＥＴ及び前記検知抵抗器が、ヒートシンクに熱的に接合される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記半導体レーザアレイが、前記ヒートシンクに熱的に接合される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記電流制御ＦＥＴの１つの端子が接地されている、請求項１７に記載の方法。

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