JP2018133435A - 半導体レーザ装置、モニタ装置およびモニタ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ装置におけるレーザ光の射出方向に配置されるレーザ光射出窓等の透過率劣化といった異常を適切に検知できるようにする。【解決手段】半導体レーザ装置１００は、共振器を有する半導体レーザチップ１０３と、半導体レーザチップ１０３の共振器の前方端面から放射されるレーザ光が透過可能な光透過光学部材（ガラス窓）１０４ｂと、半導体レーザチップ１０３の共振器の後方端面から放射されるレーザ光を受光する第一の受光素子（第一のフォトダイオード）１０７ａと、半導体レーザチップ１０３の共振器の前方端面から放射され、光透過光学部材によって反射されたレーザ光を受光する第二の受光素子（第二のフォトダイオード）１０７ｂと、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体レーザ装置、モニタ装置およびモニタ方法に関する。

従来、赤外線領域のレーザ光を放射する半導体レーザチップをステム上に載置した半導体レーザ装置において、レーザ光の出力をモニタするためにフォトダイオードを具備した半導体レーザ装置が知られている。
例えば特許文献１には、半導体レーザチップからステム側に放射されるレーザ光をフォトダイオードにより受光し、当該フォトダイオードが出力する電流をモニタすることで、半導体レーザチップからステムとは反対側に放射されるレーザ光を制御する点が開示されている。
また、特許文献２には、光通信用の光送受信装置において、発光波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いる点が開示されている。この特許文献２には、半導体レーザから出射したレーザ光が部分反射膜を形成したプリズムで反射され、窓を透過して光ファイバにより伝送される点や、この光ファイバによって伝送された光が、窓を透過した後、上記部分反射膜を透過し、フォトダイオードで電気信号に変換される点が記載されている。

特公平０８−８３９５号公報 特開平０９−３１８８５３号公報

ところで、近年、青色から紫外線領域のレーザ光を放射するＧａＮ系材料からなる半導体レーザチップをステム上に載置した、高出力のキャンパッケージ型半導体レーザ装置が開発されている。このような発振波長のエネルギーが高い高出力の半導体レーザ装置において、半導体レーザチップの出力をモニタするフォトダイオードを設けた場合、当該フォトダイオードの出力が変わらなくても、半導体レーザ装置から射出されるレーザ光の出力が低下する、といった問題が発生した。

これは、青色から紫外線領域といった発振波長のエネルギーの高い領域では、キャンパッケージされた半導体レーザ装置のレーザ光射出窓に劣化が発生し、レーザ光の透過率が減少するためであると推測される。また、レーザ光射出窓の劣化の原因は、高いエネルギーの光が窓に照射される際に、周囲に浮遊する微小な不純物がレーザ光照射による集塵効果により集められ、窓面に焼き付けられる等によるものと推測される。
しかしながら、従来装置においては、上記のようなレーザ光射出窓の透過率劣化を検知することはできず、半導体レーザ装置の光出力を安定化することができなかった。
そこで、本発明は、半導体レーザ装置におけるレーザ光の射出方向に配置されるレーザ光射出窓等の透過率劣化といった異常を適切に検知できるようにすることを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様は、共振器を有する半導体レーザチップと、前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射されるレーザ光が透過可能な光透過光学部材と、前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面から放射されるレーザ光を受光する第一の受光素子と、前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射され、前記光透過光学部材によって反射されたレーザ光を受光する第二の受光素子と、を備える。
これにより、半導体レーザチップの後方光と、半導体レーザチップの前方光の光透過光学部材による反射光とをそれぞれモニタすることができる。光透過光学部材の透過率劣化といった異常が発生した場合、第一の受光素子による受光量は変化しない（または略変化しない）のに対し、第二の受光素子による受光量は変化する。つまり、受光量の変化の割合が異なることをもって、光透過光学部材に異常が発生していることを検知することができる。

また、上記の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザチップは、中心波長が５００ｎｍ以下のレーザ光を放射してもよい。さらに、上記の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザチップは、出力が２５ｍＷ以上のレーザ光を放射してもよい。
光透過光学部材の透過率劣化といった異常は、発振波長のエネルギーが高いほど、また、光出力が高いほど発生しやすい。そのため、中心波長が５００ｎｍ以下の短波長のレーザ光を射出する半導体レーザ装置や、出力が２５ｍＷ以上のレーザ光を射出する半導体レーザ装置において、半導体レーザチップの後方光と前方光の光透過光学部材による反射光とをそれぞれモニタ可能に構成することで、上記異常を効果的に検知することが可能となる。

また、上記の半導体レーザ装置において、前記第二の受光素子の受光面は、前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面から放射されるレーザ光の広がり角外であって、前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射され、前記光透過光学部材によって反射されたレーザ光が入射される位置に配置されていてもよい。この場合、第二の受光素子は、半導体レーザチップの後方光の影響を受けることなく、半導体レーザチップの前方光の光透過光学部材による反射光を適切に受光することができるので、精度良く上記異常を検知することができる。

さらに、上記の半導体レーザ装置において、前記第二の受光素子の受光面は、前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面から放射されるレーザ光が入射されない位置であって、前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射され、前記光透過光学部材によって反射されたレーザ光が入射される位置に配置されていてもよい。この場合、第二の受光素子は、半導体レーザチップの前方光の光透過光学部材による反射光のみを受光することができるので、より精度良く上記異常を検知することができる。

また、上記の半導体レーザ装置において、前記第一の受光素子の受光面および前記第二の受光素子の受光面は、前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面よりも後方に配置されていてもよい。さらに、上記の半導体レーザ装置において、前記第一の受光素子の受光面および前記第二の受光素子の受光面は、前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面よりも後方における同一面上に並列配置されていてもよい。この場合、第一の受光素子による受光量と、第二の受光素子による受光量との比較を精度良く行うことができるので、上記異常をより適切に検知することができる。

また、上記の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザチップ、前記第一の受光素子および前記第二の受光素子は、それぞれヒートシンク上に配置されていてもよい。この場合、半導体レーザチップや第一の受光素子、第二の受光素子がそれぞれ発する熱を適切に放熱することができ、各素子が高温になることに起因する品質低下や寿命低下を抑制することができる。
さらにまた、上記の半導体レーザ装置において、前記第一の受光素子および前記第二の受光素子は、共通の受光素子中に形成されていてもよい。このように、１チップ化された受光素子を用いることもできる。この場合、第一の受光素子の受光面と第二の受光素子の受光面との間の位置決めが容易となる。
また、上記の半導体レーザ装置において、前記第一の受光素子および前記第二の受光素子は、それぞれフォトダイオードであってもよい。この場合、フォトダイオードが出力する電流値をモニタすることで、容易に受光量の変化を検知することができる。

さらに、本発明に係るモニタ装置の一態様は、上記のいずれかの半導体レーザ装置と、前記第一の受光素子における受光量の所定時間における変化の割合である第一の割合と、前記第二の受光素子における受光量の前記所定時間における変化の割合である第二の割合とを比較する比較手段と、前記比較手段による比較の結果、前記第二の割合が前記第一の割合よりも大きい場合、前記光透過光学部材に異常が発生していることを検知する検知手段と、を備える。
このように、光透過光学部材の透過率劣化といった異常が発生した場合、第一の受光素子による受光量の変化の割合に対して、第二の受光素子による受光量の変化の割合が大きくなることを利用し、光透過光学部材に異常が発生していることを適切に検知することができる。

また、本発明に係るモニタ方法の一態様は、半導体レーザチップの共振器の後方端面から放射されるレーザ光を第一の受光素子により受光すると共に、前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射され、当該前方端面から放射されるレーザ光が透過可能な光透過光学部材によって反射されたレーザ光を第二の受光素子により受光する工程と、前記第一の受光素子における受光量の所定時間における変化の割合である第一の割合と、前記第二の受光素子における受光量の前記所定時間における変化の割合である第二の割合とを比較する工程と、前記比較の結果、前記第二の割合が前記第一の割合よりも大きい場合、前記光透過光学部材に異常が発生していることを検知する工程と、を含む。
このように、光透過光学部材の透過率劣化といった異常が発生した場合、第一の受光素子による受光量の変化の割合に対して、第二の受光素子による受光量の変化の割合が大きくなることを利用し、光透過光学部材に異常が発生していることを適切に検知することができる。

本発明によれば、半導体レーザ装置におけるレーザ光の射出方向に配置されるレーザ光射出窓等の透過率劣化といった異常を適切に検知できるようにすることができる。

本実施形態における半導体レーザ装置の構成例を示す図である。 第一のフォトダイオードおよび第二のフォトダイオードの構成例である。 窓異常検知処理の手順を示すフローチャートである。 窓異常が発生した場合のフォトダイオードの測定電流値を示す図である。 ＬＤ劣化が発生した場合のフォトダイオードの測定電流値を示す図である。 ＬＤ光出力一定制御の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における半導体レーザ装置（レーザダイオード：ＬＤ）１００の構成例を示す図であり、図１（Ａ）は上面図、図１（Ｂ）は正面図、図１（Ｃ）は断面図である。
半導体レーザ装置１００は、ステムベース１０１と、ステムブロック１０２と、半導体レーザチップ（以下、単に「レーザチップ」という。）１０３と、ステムキャップ１０４と、給電用リードピン１０５と、ワイヤ１０６と、を備えている。ステムブロック１０２は、ステムベース１０１の上面１０１ａから突き出し、ステムキャップ１０４は、ステムベース１０１の上面１０１ａに固定されてステムブロック１０２を覆っている。ステムベース１０１、ステムブロック１０２およびステムキャップ１０４は、いずれも金属製であり、これらによってキャンパッケージが形成されている。

レーザチップ１０３は、サブマウント１０３ａを介してステムブロック１０２に接合されている。なお、レーザチップ１０３は、ステムブロック１０２に直接接合されていてもよい。レーザチップ１０３の発光点は、円形の外縁形状を有するステムベース１０１の中央に位置し、発光時にレーザチップ１０３が発する熱は、ステムブロック１０２に伝達され放熱される。つまり、ステムブロック１０２は、ヒートシンクとしての機能を有する。
本実施形態において、レーザチップ１０３から放射されるレーザ光の中心波長は、２１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。なお、２１０ｎｍは、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のバンドギャップに相当する波長である。また、レーザチップ１０３から放射されるレーザ光の出力は、２５ｍＷ以上である。
なお、ステムベース１０１とステムブロック１０２とは、同一材料で構成される必要はなく、各々別々の材料で構成されていてもよいし、ステムベース１０１の一部がステムブロック１０２の材料で構成されていてもよいし、その逆でもよい。

円筒状のステムキャップ１０４には円形の開口部１０４ａが形成されており、その開口部１０４ａには、レーザ光を透過可能な光透過光学部材からなるレーザ光射出窓（ガラス窓）１０４ｂが取り付けられている。レーザチップ１０３から図１（Ｂ）および図１（Ｃ）における上方に発せられたレーザ光は、ステムキャップ１０４のガラス窓１０４ｂを透過して射出される。なお、ガラス窓１０４ｂは、本実施形態では平面ガラスにより構成される場合について説明するが、球面や非球面のレンズにより構成されていてもよい。
このように、開口部１０４ａにガラス窓１０４ｂが取り付けられたステムキャップ１０４を被せることにより、レーザチップ１０３を外部からの接触による破損や塵埃等の異物付着から保護することができる。また、ステムキャップ１０４により気密封止することで、大気中の水分や有機物の付着によるレーザチップ１０３の劣化を抑制することができる。したがって、信頼性の高い半導体レーザ装置１００を実現することができる。

給電用リードピン１０５は、ステムベース１０１を貫通して一端がステムキャップ１０４で覆われた内側に突き出しており、その一端からレーザチップ１０３にワイヤ１０６が接続されている。本実施形態では、給電用リードピン１０５として極性が異なる２本が備えられ、２本のうち１本はレーザチップ１０３の一方の面にワイヤ１０６で接続され、もう１本はサブマウント１０３ａとワイヤ１０６を介してレーザチップ１０３のもう一方の面に接続されている。
また、本実施形態のレーザチップ１０３は、例えば光出力が２５ｍＷ以上の高出力のレーザチップであり、１つの給電用リードピン１０５から複数のワイヤ１０６を介して、レーザチップ１０３に電力が供給される。

また、ステムベース１０１の上面１０１ａの一部には傾斜面１０１ｂが形成されており、傾斜面１０１ｂには、受光素子として第一のフォトダイオード（ＰＤ）１０７ａと第二のフォトダイオード（ＰＤ）１０７ｂとが設けられている。このように、第一のＰＤ１０７ａと第二のＰＤ１０７ｂとは、レーザチップ１０３の共振器の後方端面よりも後方における同一面上に並列配置されている。
ここで、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂは、それぞれＡｕＳｎ（金スズ）等の半田やロウ材によって、ステムベース１０１に形成された傾斜面１０１ｂに接合されている。より具体的には、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂにおける傾斜面１０１ｂとの接合面には、それぞれ金属膜が形成されており、当該金属膜と傾斜面１０１ｂとがＡｕＳｎ等により接合されている。上記金属膜は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｒｕ等の材料のうち少なくとも１種、または複数種からなる金属膜とすることができる。

さらに、半導体レーザ装置１００は、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂへの給電のためのＰＤ用リードピン１０８と、コモンピン１１０とを備える。ＰＤ用リードピン１０８は、それぞれワイヤ１０９によって第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂに接続され、コモンピン１１０はステムベース１０１を介して第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂに接続されている。不図示の制御部は、ＰＤ用リードピン１０８とコモンピン１１０との間に逆電圧が印加された状態で第一のＰＤ１０７ａや第二のＰＤ１０７ｂが光を受光したときに流れる電流をモニタすることができる。
なお、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂが発する熱は、それぞれステムベース１０１に伝達され放熱される。つまり、ステムベース１０１は、ヒートシンクとしての機能を有する。

以下、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂについて、図２を参照しながらより具体的に説明する。
レーザチップ１０３は、前方（図２の上方）と後方（図２の下方）の両方から所定の割合で光を放射する。レーザチップ１０３の前方から放射された光（前方光）のうちガラス窓１０４ｂを透過した光Ｌ１は、半導体レーザ装置１００の出射光となる。第一のＰＤ１０７ａは、レーザチップ１０３の後方から放射される光（後方光）Ｌ２を直接受光し、電流に変換する。また、第二のＰＤ１０７ｂは、レーザチップ１０３の前方から放射されてガラス窓１０４ｂによって反射された光（反射光）Ｌ３を受光し、電流に変換する。

第一のＰＤ１０７ａは、レーザチップ１０３の後方光の広がり角内に配置されている。第一のＰＤ１０７ａは、レーザチップ１０３の後方光の広がり角内において当該後方光の入射光強度が最も高くなる位置に配置することが好ましい。なお、ガラス窓１０４ｂによる反射光Ｌ３の一部は、第一のＰＤ１０７ａにも入射される。
一方、第二のＰＤ１０７ｂは、レーザチップ１０３の後方光の広がり角外であって、ガラス窓１０４ｂによる反射光Ｌ３が入射される位置に配置されている。第二のＰＤ１０７ｂは、レーザチップ１０３の後方光の広がり角外において、ガラス窓１０４ｂによる反射光Ｌ３の入射光強度が最も高くなる位置に配置することが好ましい。
ここで、上記広がり角とは、レーザの出射ビームの広がり角であり、半値全幅（ＦＷＨＭ）により定義することができる。なお、上記広がり角は、１／ｅ²幅により定義してもよい。

制御部は、第一のＰＤ１０７ａから出力される電流値と、第二のＰＤ１０７ｂから出力される電流値とに基づいて、ガラス窓１０４ｂの異常（以下、「窓異常」ともいう。）が発生しているか否かを判定することができる。また、制御部は、窓異常の発生を検知した場合、例えばアラーム等を発生させて窓異常が発生していることを報知するようにしてもよい。ここで、上記窓異常は、半導体レーザ装置１００の出射光の出力低下の原因となる異常であり、ガラス窓１０４ｂの透過率劣化を生じさせる窓汚れや、散乱光を発生させる異物付着を含む。

図３は、制御部が実行する窓異常検知処理手順を示すフローチャートである。ここでは、レーザチップ１０３への通電電流を一定とした場合について説明する。
まずステップＳ１において、制御部は、カウンタｉを初期値（ｉ＝０）に設定し、ステップＳ２に移行する。ステップＳ２では、制御部は、レーザチップ１０３に電力を供給し、半導体レーザ装置１００を駆動（ＯＮ）する。このとき、制御部は、ＬＤ通電電流値Ｉ_OPを予め設定された設定電流値Ｉ_OP ^setに設定する。
ステップＳ３では、制御部は、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂからそれぞれ測定電流値Ｉ_PD1およびＩ_PD2を取得する。つまり、このステップＳ３では、制御部は、ｉ＝０における測定電流値Ｉ_PD1 ⁽⁰⁾およびＩ_PD2 ⁽⁰⁾を取得する。次にステップＳ４では、制御部は、予め設定された一定時間τ待機し、ステップＳ５に移行してカウンタｉをインクリメントする。ステップＳ６では、制御部は、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂからそれぞれ測定電流値Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾およびＩ_PD2 ⁽ⁱ⁾を取得する。

ステップＳ７では、制御部は、測定電流値Ｉ_PD1およびＩ_PD2に基づいて、窓異常が発生しているか否かを判定する。具体的には、制御部は、所定時刻において取得された測定電流値Ｉ_PD1と測定電流値Ｉ_PD2との比（Ｉ_PD2 ⁽ⁱ⁾／Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾）と、上記所定時刻よりも一定時間τ前に取得された測定電流値Ｉ_PD1と測定電流値Ｉ_PD2との比（Ｉ_PD2 ^(i-1)／Ｉ_PD1 ^(i-1)）とを比較する。
そして、Ｉ_PD2 ⁽ⁱ⁾／Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾≦Ｉ_PD2 ^(i-1)／Ｉ_PD1 ^(i-1)である場合には、制御部は、窓異常は発生していないと判定してステップＳ４に戻り、Ｉ_PD2 ⁽ⁱ⁾／Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾＞Ｉ_PD2 ^(i-1)／Ｉ_PD1 ^(i-1)である場合には、制御部は、窓異常が発生していると判定してステップＳ８に移行する。ステップＳ８では、制御部は、窓異常が発生していることをアラームにより報知して処理を終了する。

ここで、窓異常が発生した場合の測定電流値Ｉ_PD1およびＩ_PD2の変化について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、第一のＰＤ１０７ａへの入射光強度Ｐ１、すなわち測定電流値Ｉ_PD1の変化を示す図、図４（ｂ）は、第二のＰＤ１０７ｂへの入射光強度Ｐ２、すなわち測定電流値Ｉ_PD2の変化を示す図である。また、図４（ｃ）は、入射光強度Ｐ１に対する入射光強度Ｐ２の変化を示す図である。なお、ここでは説明を簡単にするために、レーザチップ１０３自身の劣化（ＬＤ劣化）は無いものとして説明する。
レーザチップ１０３の通電電流を一定として半導体レーザ装置１００を駆動している場合、ＬＤ劣化が無ければレーザチップ１０３の前方および後方から放射される光の強度は一定である。そのため、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂへの入射光強度も一定であり、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂからは、それぞれ一定の測定電流値Ｉ_PD1およびＩ_PD2が得られる。

この状態から時刻ｔ１において窓異常としてガラス窓１０４ｂの汚れが発生すると、レーザチップ１０３の前方光のガラス窓１０４ｂによる反射光の強度が変化する。具体的には、ガラス窓１０４ｂによる反射光の強度が増加する。その結果、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において入射光強度Ｐ１およびＰ２が増加する。ただし、レーザチップ１０３の後方光の強度は変化しないため、レーザチップ１０３の後方光が入射光の大部分を占める第一のＰＤ１０７ａでは、入射光強度Ｐ１の変化の割合が第二のＰＤ１０７ｂの入射光強度Ｐ２の変化の割合よりも小さくなる。したがって、図４（ｃ）に示すように、窓汚れが発生した時刻ｔ１において入射光強度の比率Ｐ２／Ｐ１は増加する。

一方、ＬＤ劣化が発生した場合の測定電流値Ｉ_PD1およびＩ_PD2の変化は、図５に示すようになる。上述した図４と同様に、図５（ａ）は、第一のＰＤ１０７ａへの入射光強度Ｐ１、すなわち測定電流値Ｉ_PD1の変化を示す図、図５（ｂ）は、第二のＰＤ１０７ｂへの入射光強度Ｐ２、すなわち測定電流値Ｉ_PD2の変化を示す図である。また、図５（ｃ）は、入射光強度Ｐ１に対する入射光強度Ｐ２の変化を示す図である。
時刻ｔ２においてＬＤ劣化が発生すると、レーザチップ１０３の前方光とレーザチップ１０３の後方光とがそれぞれ減少する。このとき、レーザチップ１０３からの出射光は、前方と後方とでそれぞれ同じ割合で減少し、レーザチップ１０３の前方光のガラス窓１０４ｂによる反射光の強度も、レーザチップ１０３からの出射光と同じ割合で減少する。そのため、時刻ｔ２における入射光強度Ｐ１の変化の割合と入射光強度Ｐ２の変化の割合とは同じになる。したがって、図５（ｃ）に示すように、ＬＤ劣化が発生した時刻ｔ２において、入射光強度の比率Ｐ２／Ｐ１は変化せず一定となる。

このように、窓異常が発生した場合、第一のＰＤ１０７ａの受光量の変化の割合と第二のＰＤ１０７ｂの受光量の変化の割合とが異なる。したがって、制御部は、このことを利用し、図３のステップＳ７のように、所定時刻における測定電流値の比（Ｉ_PD2 ⁽ⁱ⁾／Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾）と、上記所定時刻よりも一定時間前における測定電流値の比（Ｉ_PD2 ^(i-1)／Ｉ_PD1 ^(i-1)）とを比較する。これにより、窓異常が発生しているか否かを適切に判定することができる。
なお、図３に示す処理では、レーザチップ１０３への通電電流を一定とする場合について説明したが、制御部は、第一のＰＤ１０７ａから得られる測定電流値Ｉ_PD1をモニタし、半導体レーザ装置１００（レーザチップ１０３）の出射光量が一定となるように制御することもできる。さらに、制御部は、測定電流値Ｉ_PD1をモニタし、ＬＤ劣化（ＬＤ異常）が発生しているか否かを判定することもできる。この場合、制御部は、図６に示す処理を実行することができる。

この図６において、図３と同一処理を行う部分には同一ステップ番号を付し、以下、処理の異なる部分を中心に説明する。
ステップＳ１１では、制御部は、レーザチップ１０３に電力を供給し、半導体レーザ装置１００を駆動（ＯＮ）する。このとき、制御部は、ＬＤ通電電流値Ｉ_OPの初期値Ｉ_OP ⁽⁰⁾を予め設定された設定電流値Ｉ_OP ^setに設定する。
また、ステップＳ７において、Ｉ_PD2 ⁽ⁱ⁾／Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾≦Ｉ_PD2 ^(i-1)／Ｉ_PD1 ^(i-1)であると判定された場合、制御部は、窓異常は発生していないと判定してステップＳ１２に移行する。そして、ステップＳ１２において、制御部は、測定電流値Ｉ_PD1に基づいて、ＬＤ劣化が発生しているか否かを判定する。具体的には、制御部は、一定時間τの間における測定電流値Ｉ_PD1の低下の割合（（Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾−Ｉ_PD1 ^(i-1)）／Ｉ_PD1 ^(i-1)）と、予め設定された判定閾値Ｄとを比較する。ここで、判定閾値Ｄは、急激なＬＤ劣化を判定するための閾値であり、設定電流値Ｉ_OP ^setや一定時間τ等に応じて適宜設定することができる。

そして、（Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾−Ｉ_PD1 ^(i-1)）／Ｉ_PD1 ^(i-1)＜Ｄである場合には、制御部は、ＬＤ劣化が発生していると判定してステップＳ１３に移行し、ＬＤ劣化が発生していることをアラームにより報知して処理を終了する。一方、制御部は、ステップＳ１２において（Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾−Ｉ_PD1 ^(i-1)）／Ｉ_PD1 ^(i-1)≧Ｄであると判定した場合には、ステップＳ１４に移行する。そして、ステップＳ１４において、制御部は、測定電流値Ｉ_PD1に基づいて、次式をもとにレーザチップ１０３の光出力が一定となるようなＬＤ通電電流値Ｉ_OP ⁽ⁱ⁾を算出し、ステップＳ４に戻る。
Ｉ_OP ⁽ⁱ⁾＝Ｉ_OP ^(i-1)×Ｉ_PD1 ^(i-1)／Ｉ_PD1 ⁽ⁱ⁾ ………（１）

図６に示す処理により、制御部は、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂによりそれぞれ検出された測定電流値Ｉ_PD1およびＩ_PD2に基づいて、半導体レーザ装置１００から射出されるレーザ光の出力低下の原因となり得るＬＤ劣化と窓異常とを区別して検知することができる。
従来、半導体レーザチップの共振器の後方端部よりも後方にフォトダイオードを１つ配置し、そのフォトダイオードにより半導体レーザチップが放射する後方光をモニタして光出力を一定にするよう半導体レーザチップへの通電電流値を制御する半導体レーザ装置が知られている。このような半導体レーザ装置においては、ＬＤ劣化が発生すると、フォトダイオードにより後方光の低下を検知し、半導体レーザチップへの通電電流を増加させることで、半導体レーザ装置の光出力が一定に保たれる。

ところで、近年、青色から紫外線領域のレーザ光を放射する高出力の半導体レーザ装置が開発されている。ところが、半導体レーザチップから放射される青色から紫外線領域といった発振波長のエネルギーが高い光が、キャンパッケージされた半導体レーザ装置のレーザ光射出窓に照射されると、周囲に浮遊する微小な不純物が光集塵効果により集められ、窓面に焼き付けられて劣化するという現象が生じる。このようにレーザ光射出窓が劣化すると、レーザ光射出窓におけるレーザ光の透過率が低下するため、半導体レーザ装置から射出されるレーザ光の出力が低下してしまう。
また、窓異常が発生してレーザ光射出窓の透過率が低下すると、半導体レーザチップから放射されレーザ光射出窓によって反射される反射光の強度が大きくなる。この反射光の一部は、半導体レーザチップの後方光を受光するフォトダイオードにも入射されるため、窓異常が発生すると当該フォトダイオードの出力は大きくなる。そのため、光出力一定制御においては、半導体レーザチップの放射光が増加したと誤判定してしまい、光出力を一定にするために半導体レーザチップへの通電電流を低下してしまう。つまり、窓異常が発生した場合、半導体レーザ装置の光出力が低下しているにもかかわらず、光出力一定制御により光出力をさらに低下させてしまう。
また、半導体レーザ装置１００のレーザ光射出窓から射出されるレーザ光をモニタし、半導体レーザ装置１００の光出力が一定となるように半導体レーザチップへの通電電流を制御する場合、窓異常が発生して半導体レーザ装置１００の出射光量が低下すると、半導体レーザチップへの通電電流を増加させる制御が行われることになる。つまり、半導体レーザチップは正常であるにもかかわらず、半導体レーザチップへの通電電流を増加させてしまうため、半導体レーザチップの不具合を誘発してしまうおそれがある。

これに対して、本実施形態における半導体レーザ装置１００は、レーザチップ１０３の共振器の後方端面から放射されるレーザ光を検知する第一の受光素子である第一のＰＤ１０７ａと、レーザチップ１０３の共振器の前方端面から放射され、光透過光学部材であるガラス窓１０４ｂによって反射されたレーザ光を検知する第二の受光素子である第二のＰＤ１０７ｂと、を備える。このように、半導体レーザ装置１００は、レーザチップ１０３の後方光の他に、レーザチップ１０３の前方光のガラス窓１０４ｂによる反射光もモニタ可能な構成を有する。
ＬＤ劣化が発生した場合、レーザチップ１０３の前方光と後方光とは同じ割合で光量が低下する。そのため、第一のＰＤ１０７ａの出力と第二のＰＤ１０７ｂの出力とは、共に同じ割合で減少する。一方、窓異常が発生した場合、レーザチップ１０３の放射光の光量は変化せず、レーザチップ１０３の前方光のガラス窓１０４ｂによる反射光が増加する。そのため、第一のＰＤ１０７ａの出力と第二のＰＤ１０７ｂの出力とは、異なる割合で増加することになる。したがって、第一のＰＤ１０７ａの出力と第二のＰＤ１０７ｂの出力とを比較することで、窓異常が発生しているか否かを適切に検知することができる。また、レーザ光射出窓の透過率劣化による半導体レーザ装置１００の光出力低下と、レーザチップ１０３自身の劣化による半導体レーザ装置１００の光出力低下とを判別してモニタできるので、半導体レーザ装置１００からの光出力を適切に安定化することができる。

窓異常は、発振波長が短波長であるほど発生しやすく、また、光出力が高出力であるほど発生しやすい。したがって、レーザチップ１０３から放射されるレーザ光の中心波長が５００ｎｍ以下で、出力が２５ｍＷ以上である半導体レーザ装置１００において、第一のＰＤ１０７ａと第二のＰＤ１０７ｂとを配置し、窓異常を検知可能に構成することが好ましい。
このとき、第二のＰＤ１０７ｂの受光面は、レーザチップ１０３の後方光の広がり角外であって、レーザチップ１０３の前方光のガラス窓１０４ｂによる反射光が入射される位置に配置されていることが好ましい。より好ましくは、第二のＰＤ１０７ｂの受光面の配置位置は、レーザチップ１０３の後方光が入射されない位置であって、ガラス窓１０４ｂによる反射光が入射される位置である。これにより、ガラス窓１０４ｂからの反射光とレーザチップ１０３からの後方光とを分離してモニタすることができ、精度良く窓異常を検知することができる。

また、第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂは、それぞれレーザチップ１０３の共振器の後方端面よりも後方に同一面上に配置されていることが好ましい。これにより、第一のＰＤ１０７ａの出力と第二のＰＤ１０７ｂの出力とを適切に比較することができ、精度良く窓異常を検知することができる。
以上のように、本実施形態では、半導体レーザ装置におけるレーザ光の射出方向に配置されるレーザ光射出窓等の透過率劣化といった異常を適切に検知し、半導体レーザ装置から射出されるレーザ光の出力低下を適切に検知することができる。

（変形例）
なお、上記実施形態においては、キャンパッケージされた半導体レーザ装置について説明したが、金属ケース内に複数の半導体レーザチップが組み込まれ、当該金属ケースの開口部をガラス窓で覆ったマルチダイパッケージの半導体レーザ装置にも適用可能である。この場合、複数の半導体レーザチップに対して、それぞれ上述した第一のＰＤ１０７ａおよび第二のＰＤ１０７ｂに対応する２つのフォトダイオードを配置すればよい。
また、上記実施形態においては、キャンパッケージされた半導体レーザ装置のレーザ光射出窓の劣化を窓異常として検知する場合について説明したが、窓異常の検知対象は、半導体レーザチップからのレーザ光の放射方向に配置され、当該レーザ光が透過可能な任意の光透過光学部材であってよい。特に、外気と触れる位置に配置された光透過光学部材でる場合、光集塵効果による劣化が発生しやすいため、窓異常の検知対象とすることが好ましい。
さらに、上記実施形態においては、受光素子がフォトダイオードである場合について説明したが、受光量に応じて出力が変化する素子であれば任意の受光素子を適用可能である。

１００…半導体レーザ装置、１０１…ステムベース、１０２…ステムブロック、１０３…半導体レーザチップ、１０４…ステムキャップ、１０４ｂ…ガラス窓（光透過光学部材）、１０７ａ…第一のフォトダイオード（第一の受光素子）、１０７ｂ…第二のフォトダイオード（第二の受光素子）

Claims (12)

1. 共振器を有する半導体レーザチップと、
   前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射されるレーザ光が透過可能な光透過光学部材と、
   前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面から放射されるレーザ光を受光する第一の受光素子と、
   前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射され、前記光透過光学部材によって反射されたレーザ光を受光する第二の受光素子と、を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記半導体レーザチップは、中心波長が５００ｎｍ以下のレーザ光を放射することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記半導体レーザチップは、出力が２５ｍＷ以上のレーザ光を放射することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記第二の受光素子の受光面は、
   前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面から放射されるレーザ光の広がり角外であって、前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射され、前記光透過光学部材によって反射されたレーザ光が入射される位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第二の受光素子の受光面は、
   前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面から放射されるレーザ光が入射されない位置であって、前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射され、前記光透過光学部材によって反射されたレーザ光が入射される位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記第一の受光素子の受光面および前記第二の受光素子の受光面は、
   前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面よりも後方に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記第一の受光素子の受光面および前記第二の受光素子の受光面は、
   前記半導体レーザチップの前記共振器の後方端面よりも後方における同一面上に並列配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記半導体レーザチップ、前記第一の受光素子および前記第二の受光素子は、それぞれヒートシンク上に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記第一の受光素子および前記第二の受光素子は、共通の受光素子中に形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記第一の受光素子および前記第二の受光素子は、それぞれフォトダイオードであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置と、
    前記第一の受光素子における受光量の所定時間における変化の割合である第一の割合と、前記第二の受光素子における受光量の前記所定時間における変化の割合である第二の割合とを比較する比較手段と、
    前記比較手段による比較の結果、前記第二の割合が前記第一の割合よりも大きい場合、前記光透過光学部材に異常が発生していることを検知する検知手段と、を備えることを特徴とするモニタ装置。
12. 半導体レーザチップの共振器の後方端面から放射されるレーザ光を第一の受光素子により受光すると共に、前記半導体レーザチップの前記共振器の前方端面から放射され、当該前方端面から放射されるレーザ光が透過可能な光透過光学部材によって反射されたレーザ光を第二の受光素子により受光する工程と、
    前記第一の受光素子における受光量の所定時間における変化の割合である第一の割合と、前記第二の受光素子における受光量の前記所定時間における変化の割合である第二の割合とを比較する工程と、
    前記比較の結果、前記第二の割合が前記第一の割合よりも大きい場合、前記光透過光学部材に異常が発生していることを検知する工程と、を含むことを特徴とするモニタ方法。

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