JP2021150539A

JP2021150539A - 光源装置及びレーザ装置

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Publication number: JP2021150539A
Application number: JP2020050028A
Authority: JP
Inventors: 達也山本; Tatsuya Yamamoto; 誠一徳久; Seiichi Tokuhisa
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: JP7474088B2

Abstract

【課題】複数の駆動装置を用いてレーザダイオードをスイッチング駆動する場合におけるレーザ光の出力変動を抑えることができる光源装置及びレーザ装置を提供する。【解決手段】光源装置１０は、レーザダイオード１４ａ〜１４ｈをスイッチング駆動する複数のＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈと、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈからレーザダイオード１４ａ〜１４ｈに供給される電流Ｉａ〜Ｉｈの大きさを制御する電流制御部１１ａ〜１１ｄと、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈからレーザダイオード１４ａ〜１４ｈに供給される電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を制御する位相制御部１２ａ〜１２ｈと、を備え、位相制御部１２ａ〜１２ｈは、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈのうちの何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相と、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈのうちの他の何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相とが一致しないようにする。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置及びレーザ装置に関する。

現在、レーザ装置は、加工分野、自動車分野、医療分野等の様々な分野で用いられている。近年、加工分野においては、従来のレーザ装置（例えば、炭酸ガスレーザ装置）に比べて、ビーム品質及び集光性が優れているファイバレーザ装置が注目されている。このようなレーザ装置に設けられるレーザダイオードは、主に電流変動によるノイズが少ないという理由から、定電流駆動方式により駆動されるのが一般的であった。

以下の特許文献１には、レーザダイオードをスイッチング駆動方式により駆動する技術が開示されている。このスイッチング駆動方式は、レーザダイオードに直列接続されたトランジスタをスイッチング駆動することにより、レーザダイオードに一定範囲の電流が流れるようにした駆動方式である。スイッチング駆動方式は、上述した定電流駆動方式に比べて、電流変動によるノイズが多いものの、電力効率が高いという利点を有する。

特開２０１６−１８１５４４号公報

ところで、上述したファイバレーザ装置のように、高出力が求められるレーザ装置では、多くのレーザダイオードが設けられている。このような多くのレーザダイオードを、複数の駆動装置を用いてスイッチング駆動方式により駆動する場合には、各々の駆動装置から出力される電流の位相が一致して、レーザ光の出力が大きく変動する現象が生ずることが考えられる。例えば、各々の駆動装置から出力される電流（リップル電流）の山が重なり合った場合には、レーザ光の出力が瞬間的に大きくなることが考えられる。このような現象が生ずると、例えば、鉄板等の被加工物の加工を行う場合において、加工品質が一定ではなくなる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の駆動装置を用いてレーザダイオードをスイッチング駆動する場合におけるレーザ光の出力変動を抑えることができる光源装置及びレーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様による光源装置（１０）は、レーザダイオード（１４ａ〜１４ｈ）をスイッチング駆動する複数の駆動部（１３ａ〜１３ｈ）と、前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流（Ｉａ〜Ｉｈ）の大きさを制御する電流制御部（１１ａ〜１１ｄ）と、前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する位相制御部（１２ａ〜１２ｈ）と、を備え、前記位相制御部は、前記駆動部のうちの何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相と、前記駆動部のうちの他の何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相とが一致しないようにする。

本発明の一態様による光源装置では、電流制御部が、駆動部からレーザダイオードに供給される電流の大きさを制御し、位相制御部が、駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する。ここで、位相制御部は、駆動部のうちの何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相と、駆動部のうちの他の何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相とが一致しないようにする。これにより、励起光の出力変動を抑えること（小さくすること）ができる。

また、本発明の一態様による光源装置は、前記位相制御部が、前記駆動部の各々からレーザダイオードに供給される全ての電流の位相が互いに一致しないようにする。

また、本発明の一態様による光源装置は、前記位相制御部が、前記駆動部に対応して複数設けられており、対応する前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する。

また、本発明の一態様による光源装置は、前記位相制御部の何れか１つが、前記駆動部の各々からレーザダイオードに供給される全ての電流の位相を規定するとともに、対応する前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する主位相制御部（１２ａ）であり、前記位相制御部の残りが、前記主位相制御部で規定された位相に基づいて、対応する前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する副位相制御部（１２ｂ〜１２ｈ）である。

また、本発明の一態様による光源装置は、前記主位相制御部が、前記駆動部の数をｎ（ｎは２以上の整数）とした場合に、前記駆動部の各々からレーザダイオードに供給される全ての電流の位相として、以下の式を満たす位相差Δθを有するｎ個の位相を規定する。
（３６０°／ｎ）≧Δθ≧（３６０°／（ｎ／２））

本発明の一態様によるレーザ装置（２）は、上記の何れかに記載の光源装置（１０）と、前記光源装置から出力されるレーザ光を光学的に結合させる光コンバイナ（７０）と、前記光コンバイナで結合されたレーザ光を外部に出力する出力端（５０）と、を備える。

本発明の他の態様によるレーザ装置（１）は、上記の何れかに記載の光源装置（１０）と、コアに希土類が添加された増幅用ファイバ（３１）と、前記光源装置から出力されるレーザ光を励起光として前記増幅用ファイバに結合させる光コンバイナ（２０ａ、２０ｂ）と、前記増幅用ファイバで増幅された光を外部に出力する出力端（５０）と、を備える。

本発明によれば、複数の駆動装置を用いてレーザダイオードをスイッチング駆動する場合におけるレーザ光の出力変動を抑えることができるという効果がある。

本発明の一実施形態によるレーザ装置の要部構成を示す図である。本発明の一実施形態による光源装置の要部構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態による光源装置に設けられるＬＤ駆動部の内部構成を示す回路図である。本発明の一実施形態におけるＬＤ駆動部の各部の信号波形を示す図である。本発明の一実施形態における変調信号の一例を示す図である。本発明の一実施形態においてＬＤ駆動部の各々からレーザダイオードに供給される電流の一例を示す図である。レーザ装置の他の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による光源装置及びレーザ装置について詳細に説明する。尚、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、本発明は以下の実施形態に限定されない。

〈レーザ装置〉
図１は、本発明の一実施形態によるレーザ装置の要部構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態のレーザ装置１は、光源装置１０、第１コンバイナ２０ａ（光コンバイナ）、第２コンバイナ２０ｂ（光コンバイナ）、共振器３０、デリバリファイバ４０、及び出力端５０を備える。このようなレーザ装置１は、光源装置１０から出力されるレーザ光（励起光）を共振器３０の両側から入力する双方向励起型のファイバレーザ装置である。

尚、以下では、レーザ装置１のデリバリファイバ４０の長手方向を、単に「長手方向」という。また、デリバリファイバ４０から見て、長手方向における出力端５０側を「＋Ｘ側」といい、共振器３０側を「−Ｘ側」という。また、共振器３０の増幅用ファイバ３１から見て、−Ｘ側を「前方」といい、＋Ｘ側を「後方」という場合がある。

また、図１では、各種ファイバの融着点を×印で示している。この融着点は、実際には、補強構造体の内部に配置されて保護される。補強構造体は、例えば、内部に光ファイバを収容可能な溝が形成されたファイバ収容体と、融着点がファイバ収容体の溝に収容された状態で各種ファイバをファイバ収容体に固定する樹脂とを備えるものである。

図１に示す通り、光源装置１０は、４つのレーザユニット１０ａ〜１０ｄを備える。レーザユニット１０ａ，１０ｂは共振器３０の前方に配置されており、レーザユニット１０ｃ，１０ｄは共振器３０の後方に配置されている。レーザユニット１０ａ，１０ｂは励起光（前方励起光）を共振器３０に向けて出力し、レーザユニット１０ｃ，１０ｄは励起光（後方励起光）を共振器３０に向けて出力する。

第１コンバイナ２０ａ及び第２コンバイナ２０ｂは、共振器３０を挟んだ両側に配置されている。第１コンバイナ２０ａは、レーザユニット１０ａ，１０ｂが出力した励起光を、共振器３０の前方の端部（共振器用ファイバ３２の前方の端部）に結合させる。第２コンバイナ２０ｂは、レーザユニット１０ｃ，１０ｄが出力した励起光を、共振器３０の後方の端部（共振器用ファイバ３３の後方の端部）に結合させる。

共振器３０は、増幅用ファイバ３１と、共振器用ファイバ３２，３３とから構成される。共振器３０は、光源装置１０から出力された励起光によってレーザ光である信号光を生成する。

増幅用ファイバ３１は、１種類又は２種類以上の活性元素が添加されたコアと、コアを覆う第１クラッドと、第１クラッドを覆う第２クラッドと、第２クラッドを覆う保護被覆とを有する。つまり、増幅用ファイバ３１は、ダブルクラッドファイバである。コアに添加される活性元素としては、例えばエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、或いはネオジム（Ｎｄ）等の希土類元素が使用される。これらの活性元素は、励起状態で光を放出する。コア及び第１クラッドとしてはシリカガラス等を用いることができる。第２クラッドとしては、ポリマー等の樹脂を用いることができる。保護被覆としては、アクリル樹脂やシリコーン樹脂等の樹脂材料を用いることができる。

共振器用ファイバ３２は、増幅用ファイバ３１の前方の端部に融着接続されている。共振器用ファイバ３２のコア内には、ＨＲ−ＦＢＧ（High Reflectivity-Fiber Bragg Grating）３２ａが形成されている。ＨＲ−ＦＢＧ３２ａは、励起状態にされた増幅用ファイバ３１の活性元素が放出する光のうち、信号光の波長の光をほぼ１００％の反射率で反射するように調整されている。ＨＲ−ＦＢＧ３２ａは、その長手方向に沿って一定の周期で高屈折率の部分が繰り返される構造となっている。

共振器用ファイバ３３は、増幅用ファイバ３１の後方の端部に融着接続されている。共振器用ファイバ３３のコア内には、ＯＣ−ＦＢＧ（Output Coupler-Fiber Bragg Grating）３３ａが形成されている。ＯＣ−ＦＢＧ３３ａは、ＨＲ−ＦＢＧ３２ａとほぼ同様の構造を有しているが、ＨＲ−ＦＢＧ３２ａよりも低い反射率で、光を反射するように調整されている。例えば、ＯＣ−ＦＢＧ３３ａは、信号光の波長の光に対する反射率が１０〜２０％程度となるように調整されている。

増幅用ファイバ３１内では、ＨＲ−ＦＢＧ３２ａ及びＯＣ−ＦＢＧ３３ａで反射した信号光が、増幅用ファイバ３１の長手方向で往復する。信号光は、この往復に伴って増幅されてレーザ光（信号光）となる。このように、共振器３０内では、光が増幅されて信号光が生成される。

デリバリファイバ４０は、共振器３０内で生成された信号光を伝送する。デリバリファイバ４０は、コアと、コアを囲うクラッドと、クラッドを覆う被覆と備える。デリバリファイバ４０としては、例えば、シングルモードファイバを用いることができる。デリバリファイバ４０は、例えば、マルチモードファイバであっても、フューモードファイバであっても良い。フューモードファイバが伝播するモードの数は、例えば、２以上２５以下である。

出力端５０は、デリバリファイバ４０の先端に接続されており、デリバリファイバ４０によって伝送されてきた信号光を外部に出力する。出力端５０は、デリバリファイバ４０によって伝送されてきた信号光を透過する柱状体（光透過柱状部材）を備える。この部材は、いわゆるエンドキャップと呼ばれる。

〈光源装置〉
図２は、本発明の一実施形態による光源装置の要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、光源装置１０は、４つのレーザユニット１０ａ〜１０ｄを備えており、レーザ装置１の全体的な動作を制御する主制御部ＣＮＴによって制御される。レーザユニット１０ａ〜１０ｄは、ほぼ同様の構成であり、１つの電流制御部、２つの位相制御部、２つのＬＤ駆動部、及びＬＤ駆動部に接続されたレーザダイオードをそれぞれ備える。

具体的に、レーザユニット１０ａは、電流制御部１１ａ、位相制御部１２ａ，１２ｂ、ＬＤ駆動部１３ａ，１３ｂ（駆動部）、及びレーザダイオード１４ａ，１４ｂを備える。レーザユニット１０ｂは、電流制御部１１ｂ、位相制御部１２ｃ，１２ｄ、ＬＤ駆動部１３ｃ，１３ｄ（駆動部）、及びレーザダイオード１４ｃ，１４ｄを備える。

また、レーザユニット１０ｃは、電流制御部１１ｃ、位相制御部１２ｅ，１２ｆ、ＬＤ駆動部１３ｅ，１３ｆ（駆動部）、及びレーザダイオード１４ｅ，１４ｆを備える。レーザユニット１０ｄは、電流制御部１１ｄ、位相制御部１２ｇ，１２ｈ、ＬＤ駆動部１３ｇ，１３ｈ（駆動部）、及びレーザダイオード１４ｇ，１４ｈを備える。

電流制御部１１ａ〜１１ｄは、主制御部ＣＮＴの制御の下で制御信号Ｃ１を出力して、ＬＤ駆動部からレーザダイオードに供給される電流の大きさを制御する。このような制御を行うことで、電流制御部１１ａ〜１１ｄは、レーザユニット１０ａ〜１０ｄからそれぞれ出力されるレーザ光（励起光）のパワーを調整する。尚、制御信号Ｃ１は、アナログ信号であり、その電圧の大きさに応じて、ＬＤ駆動部からレーザダイオードに供給される電流の大きさが変わる。制御信号Ｃ１の電圧は、例えば、０〜数［Ｖ］の範囲で変更可能である。

具体的に、電流制御部１１ａは、ＬＤ駆動部１３ａ，１３ｂからレーザダイオード１４ａ，１４ｂにそれぞれ供給される電流Ｉａ，Ｉｂの大きさを個別に制御する。電流制御部１１ｂは、ＬＤ駆動部１３ｃ，１３ｄからレーザダイオード１４ｃ，１４ｄにそれぞれ供給される電流Ｉｃ，Ｉｄの大きさを個別に制御する。電流制御部１１ｃは、ＬＤ駆動部１３ｅ，１３ｆからレーザダイオード１４ｅ，１４ｆにそれぞれ供給される電流Ｉｅ，Ｉｆの大きさを個別に制御する。電流制御部１１ｄは、ＬＤ駆動部１３ｇ，１３ｈからレーザダイオード１４ｇ，１４ｈにそれぞれ供給される電流Ｉｇ，Ｉｈの大きさを個別に制御する。

位相制御部１２ａ〜１２ｈは、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈに対応してそれぞれ設けられており、対応するＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈからレーザダイオードに供給される電流Ｉａ〜Ｉｈの位相をそれぞれ制御する。このような制御を行うのは、レーザユニット１０ａ〜１０ｄから出力される励起光の出力変動を抑えるためである。

ここで、位相制御部１２ａ（主位相制御：マスター）は、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈからレーザダイオード１４ａ〜１４ｈに供給される全ての電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を規定する。位相制御部１２ａは、電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を制御するための変調信号Ｍ１１〜Ｍ１８（図３，図５参照）を生成する。尚、変調信号Ｍ１１〜Ｍ１８は、最大電圧が数十［Ｖ］程度の正弦波状のアナログ信号である。

位相制御部１２ａは、入力される制御信号Ｃ１に変調信号Ｍ１１を重畳させ、制御信号Ｃ２として対応するＬＤ駆動部１３ａに出力する。また、位相制御部１２ａは、生成した変調信号Ｍ１２〜Ｍ１８を位相制御部１２ｂ〜１２ｈにそれぞれ出力する。位相制御部１２ｂ〜１２ｈ（副位相制御：スレーブ）は、入力される制御信号Ｃ１に位相制御部１２ａから出力される変調信号Ｍ１２〜Ｍ１８をそれぞれ重畳させ、制御信号Ｃ２として対応するＬＤ駆動部１３ｂ〜１３ｈにそれぞれ出力する。

位相制御部１２ａは、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈからレーザダイオード１４ａ〜１４ｈに供給される電流Ｉａ〜Ｉｈの位相が不一致となるように、電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を規定する。位相制御部１２ａは、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈのうちの何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相と、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈのうちの他の何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相とが一致しないように電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を規定しても良い。或いは、位相制御部１２ａは、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈの各々からレーザダイオード１４ａ〜１４ｈに供給される全ての電流Ｉａ〜Ｉｈの位相が互いに一致しないように電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を規定しても良い。

位相制御部１２ａは、ＬＤ駆動部の数をｎ（ｎは２以上の整数）とした場合に、ＬＤ駆動部からレーザダイオードに供給される全ての電流の位相として、例えば、以下の（１）式を満たす位相差Δθを有するｎ個の位相を規定する。
（３６０°／ｎ）≧Δθ≧（３６０°／（ｎ／２）） …（１）
位相制御部１２ａで規定されるｎ個の位相が、以下の（１）式を満たす位相差Δθを有する場合には、電流Ｉａ〜Ｉｈ（リップル電流）の山と山（或いは、谷と谷）とが重なり合うことはない。

本実施形態では、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈの数は「８」である。このため、位相制御部１２ａは、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈからレーザダイオード１４ａ〜１４ｈに供給される全ての電流Ｉａ〜Ｉｈの位相として、４５≧Δθ≧２２．５なる式を満たす位相差Δθを有する８個の位相を規定する。Δθ＝４５°である場合に、位相制御部１２ａによって規定される電流Ｉａ〜Ｉｈの位相は、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°である。Δθ＝２２．５°である場合に、位相制御部１２ａによって規定される電流Ｉａ〜Ｉｈの位相は、０°、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°、１１２．５°、１３５°、１５７．５°である。

ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈは、入力される制御信号Ｃ２に基づいて、レーザダイオード１４ａ〜１４ｈをそれぞれスイッチング駆動する。尚、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈの内部構成については後述する。レーザダイオード１４ａ〜１４ｈは、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈに対応して設けられており、対応する駆動部１３ａ〜１３ｈによってスイッチング駆動される。尚、レーザダイオード１４ａ〜１４ｈはそれぞれ、１つのレーザダイオード（素子）のみを備えるものであっても良く、例えば、直列接続された複数のレーザダイオード（素子）を備えるものであっても良い。

図３は、本発明の一実施形態による光源装置に設けられるＬＤ駆動部の内部構成を示す回路図である。尚、光源装置１０に設けられるＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈは、同様の構成であるため、図３ではＬＤ駆動部１３ａのみを図示している。また、図３においては、理解を容易にするため、位相制御部１２ａの内部構成も図示している。

図３に示す通り、位相制御部１２ａは、変調信号Ｍ１１〜Ｍ１８を生成するマイコンＭＣとミキサＭＸとを備える。ミキサＭＸは、電流制御部１１ａから出力される制御信号Ｃ１にマイコンＭＣで生成された変調信号Ｍ１１を重畳させるものである。尚、位相制御部１２ｂ〜１２ｈは、位相制御部１２ａのマイコンＭＣが省略された構成である。位相制御部１２ｂ〜１２ｈが備えるミキサＭＸには、位相制御部１２ａから出力される変調信号Ｍ１２〜Ｍ１８がそれぞれ入力される。

図３に示す通り、ＬＤ駆動部１３ａは、電源６１、スイッチング素子６２、リアクタ６３、コンデンサ６４、転流ダイオード６５、電流センサ６６、バッファ６７、及びコンパレータ６８を備える。電源６１は、直流電源であり、正電極と負電極との間に、レーザダイオード１４ａ、リアクタ６３、及びスイッチング素子６２の直列回路が接続されている。尚、電源６１は、電流制御部１１ａに設けられていても良い。

スイッチング素子６２は、例えば、電解効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、ゲート電極（Ｇ）に入力される信号に応じて、ソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間を開状態又は閉状態にする。ソース電極（Ｓ）は電源６１の負電極に接続されており、ドレイン電極（Ｄ）は、リアクタ６３の一端に接続されている。尚、スイッチング素子６２としては、電解効果トランジスタ以外に、バイポーラトランジスタを用いることもできる。

リアクタ６３の他端は、レーザダイオード１４ａのカソード電極に接続されている。レーザダイオード１４ａのアノード電極は、電源６１の正電極に接続されている。コンデンサ６４は、レーザダイオード１４ａのアノード電極（電源６１の正電極）とグランドとの間に接続されている。転流ダイオード６５は、アノード電極がスイッチング素子６２とリアクタ６３との接続点に接続されており、カソード電極がレーザダイオード１４ａのアノード電極（電源６１の正電極）に接続されている。

電流センサ６６は、電源６１の正電極とレーザダイオード１４ａとの間の電流経路に取り付けられており、ＬＤ駆動部１３ａからレーザダイオード１４ａに供給される電流Ｉａを検出する。尚、電流センサ６６に代えてシャント抵抗を設けて電流Ｉａを検出するようにしても良い。バッファ６７は、制御信号が入力される回路である。コンパレータ６８は、バッファ６７を介した制御信号Ｃ２と、電流センサ６６の検出結果とを比較し、その比較結果を示す信号をゲート駆動信号Ｄ１としてスイッチング素子６２のゲート電極（Ｇ）に出力する。

図４は、本発明の一実施形態におけるＬＤ駆動部の各部の信号波形を示す図である。電流制御部１１ａから出力される制御信号Ｃ１は、アナログ信号であり、前述した通り、電圧の大きさに応じて電流Ｉａの大きさ変わる。このため、制御信号Ｃ１は、一定の大きさの電流Ｉａを出力させる場合には、図４に示す通り、一定の電圧となる。変調信号Ｍ１１は、正弦波状のアナログ信号である。このため、制御信号Ｃ１に対して変調信号Ｍ１１が重畳された制御信号Ｃ２は、図示の波形の信号となる。

図４に示す制御信号Ｃ２がＬＤ駆動部１３ａに入力されると、コンパレータ６８において、電流センサ６６の検出結果と比較される。電流センサ６６の検出結果が制御信号Ｃ２よりも小さい場合には、コンパレータ６８からスイッチング素子６２のゲート電極（Ｇ）に対し、「Ｈ（ハイ）」レベルのゲート駆動信号Ｄ１が出力される。すると、スイッチング素子６２のソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間が開状態になる。これにより、電源６１の正電極からレーザダイオード１４ａ、リアクタ６３、及びスイッチング素子６２を順に介して電源６１の負電極に至る経路で電流が流れ、図４に示す通り、ＬＤ駆動部１３ａからレーザダイオード１４ａに供給される電流Ｉａは徐々に増大する。

電流Ｉａが増大していき、電流センサ６６の検出結果が制御信号Ｃ２と等しくなると、コンパレータ６８からスイッチング素子６２のゲート電極（Ｇ）に対し、「Ｌ（ロー）」レベルのゲート駆動信号Ｄ１が出力される。すると、スイッチング素子６２のソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間が閉状態になる。これにより、リアクタ６３、転流ダイオード６５、及びレーザダイオード１４ａを順に介してリアクタ６３に至る経路で電流が流れるが、図４に示す通り、ＬＤ駆動部１３ａからレーザダイオード１４ａに供給される電流Ｉａは徐々に減少する。

電流センサ６６の検出結果が制御信号Ｃ２よりも小さくなると、再びコンパレータ６８からスイッチング素子６２のゲート電極（Ｇ）に対し、「Ｈ」レベルのゲート駆動信号Ｄ１が出力される。すると、スイッチング素子６２のソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間が開状態になり、図４に示す通り、ＬＤ駆動部１３ａからレーザダイオード１４ａに供給される電流Ｉａは徐々に増大する。

そして、電流Ｉａが増大していき、電流センサ６６の検出結果が制御信号Ｃ２と等しくなると、コンパレータ６８からスイッチング素子６２のゲート電極（Ｇ）に対し、「Ｌ」レベルのゲート駆動信号Ｄ１が出力される。すると、スイッチング素子６２のソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間が閉状態になり、図４に示す通り、ＬＤ駆動部１３ａからレーザダイオード１４ａに供給される電流Ｉａは徐々に減少する。以降、同様の動作が繰り返し行われる。

このようにして、レーザダイオード１４ａはＬＤ駆動部１３ａによりスイッチング駆動され、レーザダイオード１４ａには、図４に示す電流Ｉａ（リップル電流）が流れる。ここで、図４に示す電流Ｉａと変調信号Ｍ１１とを比較すると、変調信号Ｍ１１が山のときに電流Ｉａが最大になり、変調信号Ｍ１１が谷のときに電流Ｉａが最小になり、電流Ｉａと変調信号Ｍ１１とは同位相になっていることが分かる。このように、変調信号Ｍ１１の位相を制御することで、電流Ｉａの位相を制御することができる。

図５は、本発明の一実施形態における変調信号の一例を示す図である。図５に示す変調信号Ｍ１１〜Ｍ１８は、位相が４５°ずつずれている。具体的に、変調信号Ｍ１１の位相を０°とすると、変調信号Ｍ１２の位相は４５°であり、変調信号Ｍ１３の位相は９０°であり、変調信号Ｍ１４の位相は１３５°であり、変調信号Ｍ１５の位相は１８０°であり、変調信号Ｍ１６の位相は２２５°であり、変調信号Ｍ１７の位相は２７０°であり、変調信号Ｍ１８の位相は３１５°である。

例えば、図５に示す変調信号Ｍ１１，Ｍ１２は、レーザユニット１０ａの位相制御部１２ａ，１２ｂでそれぞれ用いられるものであり、図５に示す変調信号Ｍ１３，Ｍ１４は、レーザユニット１０ｂの位相制御部１２ｃ，１２ｄでそれぞれ用いられるものである。また、例えば、図５に示す変調信号Ｍ１５，Ｍ１６は、レーザユニット１０ｃの位相制御部１２ｅ，１２ｆでそれぞれ用いられるものであり、図５に示す変調信号Ｍ１７，Ｍ１８は、レーザユニット１０ｄの位相制御部１２ｇ，１２ｈでそれぞれ用いられるものである。

図６は、本発明の一実施形態においてＬＤ駆動部の各々からレーザダイオードに供給される電流の一例を示す図である。図６に示す電流Ｉａ〜Ｉｈは、図５に示す変調信号Ｍ１１〜Ｍ１８が、上記の例の通りに用いられる場合のものである。尚、図５に示す変調信号Ｍ１１〜Ｍ１８の出力例は、上記の例に制限されることはない。

図６に示す例において、レーザユニット１０ａのＬＤ駆動部１３ａから出力される電流Ｉａの位相を０°とすると、レーザユニット１０ａのＬＤ駆動部１３ｂから出力される電流Ｉｂの位相は４５°である。また、レーザユニット１０ｂのＬＤ駆動部１３ｃから出力される電流Ｉｃの位相は、９０°であり、レーザユニット１０ｂのＬＤ駆動部１３ｄから出力される電流Ｉｄの位相は、１３５°である。

また、レーザユニット１０ｃのＬＤ駆動部１３ｅから出力される電流Ｉｅの位相は、１８０°であり、レーザユニット１０ｃのＬＤ駆動部１３ｆから出力される電流Ｉｆの位相は、２２５°である。また、レーザユニット１０ｄのＬＤ駆動部１３ｇから出力される電流Ｉｇの位相は、２７０°であり、レーザユニット１０ｄのＬＤ駆動部１３ｈから出力される電流Ｉｈの位相は、３１５°である。

このように、図６に示す例は、レーザユニット１０ａ〜１０ｄの各々に設けられた２つのＬＤ駆動部から出力される電流の位相は４５°ずれるように設定されている。また、レーザユニット１０ａ〜１０ｄに設けられたＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｇから出力される全ての電流Ｉａ〜Ｉｇは、位相が互いに一致しないようにされている。これにより、例えば、電流Ｉａ〜Ｉｇの山と山が重なり合ったりすることがないため、励起光の出力変動が抑えられる。

以上の通り、本実施形態では、光源装置１０の電流制御部１１ａ〜１１ｄが、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈからレーザダイオード１４ａ〜１４ｈに供給される電流Ｉａ〜Ｉｈの大きさを制御している。また、光源装置１０の位相制御部１２ａ〜１２ｈが、電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を制御している。ここで、位相制御部１２ａ〜１２ｈは、電流Ｉａ〜Ｉｈの位相が不一致となるように制御しているため、励起光の出力変動を抑えること（小さくすること）ができる。

また、本実施形態では、励起光の出力変動を抑えることができるため、信号光の出力変動も抑えることができる。これにより、信号光の出力が瞬間的に上昇することによる誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）光の発生を抑制することができる。尚、誘導ラマン散乱光は信号光を励起源として増幅されることから、誘導ラマン散乱光が発生してしまうと、信号光の出力が瞬間的に低下する。つまり、信号光の出力が瞬間的に上昇すると、誘導ラマン散乱光が発生し、これにより信号光の出力が瞬間的な低下するという現象が生じ得る。本実施形態では、このような現象が発生するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、励起光の出力変動を抑えることができるため、ＴＭＩ（Transverse Mode Instability：Thermal modal Instability ともいう）現象の発生を抑制することができる。ＴＭＩ現象とは、増幅用ファイバに投入する励起光のパワーを増大させていくと、量子欠損に起因した周期的な熱グレーティングが発生する現象である。この現象が生じると、基本モードから高次モードへモード間の結合が生じるため、信号光の出力が抑制されたり、信号光のビーム品質が悪化したりしてしまう。

ここで、ＴＭＩ現象の発生閾値と励起光の出力変動との間には、相関があることが知られている。例えば、以下の文献には、励起光の出力変動（ＲＩＮ：Relative Intensity Noise）が、０．５％以上になると、ＴＭＩ閾値が大きく低下することが示されている。本実施形態では、励起光の出力変動を抑えることができるため、ＴＭＩ閾値の大幅な低下を招くことはないから、ＴＭＩ現象の発生を抑制することができる。
文献：Christoph Stihler et al. “Pump-power-noise influence on mode instabilities in high-power fiber laser systems”，2019 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、光源装置１０に設けられた位相制御部１２ａ〜１２ｈのうちの位相制御部１２ａが、電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を規定する機能を有する例について説明したが、この機能は、位相制御部１２ａ〜１２ｈの何れか１つに設けられていれば良い。或いは、電流Ｉａ〜Ｉｈの位相を規定する機能は、位相制御部１２ａ〜１２ｈとは別の部位に設けられていても良い。

また、上記実施形態では、位相制御部１２ａが変調信号Ｍ１１〜Ｍ１８を生成し、生成した変調信号Ｍ１２〜Ｍ１８をそれぞれ位相制御部１２ｂ〜１２ｈに出力するようにしていた。しかしながら、位相制御部１２ａが基準となる位相を示す信号（基準信号）を生成し、位相制御部１２ａ〜１２ｈが、基準信号に基づいて変調信号Ｍ１１〜Ｍ１８をそれぞれ生成するようにしても良い。このようにする場合には、位相制御部１２ａから位相制御部１２ｂ〜１２ｈに対し、基準信号が出力されることになる。

また、上記実施形態では、位相制御部１２ａ〜１２ｈとＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈとを別の構成として説明した。しかしながら、位相制御部１２ａ〜１２ｈは、ＬＤ駆動部１３ａ〜１３ｈの内部に設けられていて、同じ基板に形成されていても良い。また、上記実施形態では、レーザユニット１０ａ〜１０ｄが、２つの位相制御部、２つのＬＤ駆動部、及びＬＤ駆動部に接続されたレーザダイオードをそれぞれ備える例について説明した。しかしながら、レーザユニット１０ａ〜１０ｄは、１つの位相制御部、１つのＬＤ駆動部、及びＬＤ駆動部に接続されたレーザダイオードをそれぞれ備える構成であっても良い。

また、上記実施形態で説明したレーザ装置１は、光源装置１０から出力されるレーザ光を、増幅用ファイバ３１を励起するための励起光として用いるファイバレーザ装置であったが、レーザ装置は、このようなファイバレーザ装置に制限される訳ではない。例えば、図７に示すレーザ装置とすることもできる。

図７は、レーザ装置の他の構成例を示す図である。尚、図７においては，図１に示した構成と同じ構成については、同一の符号を付してある。図７に示すレーザ装置２は、光源装置１０、コンバイナ７０（光コンバイナ）、デリバリファイバ４０、及び出力端５０を備える。コンバイナ７０は、光源装置１０のレーザユニット１０ａ〜１０ｄが出力したレーザ光を、デリバリファイバ４０の前方の端部に結合させるものである。このようなレーザ装置２は、光源装置１０から出力されるレーザ光（信号光）をコンバイナ７０で結合して出力端５０から出力するものである。

また、図１に示すレーザ装置１及び図７に示すレーザ装置２は、１つの出力端５０を有するものであったが、出力端５０の先にさらに光ファイバ等を接続してもよい。また、出力端５０の先にビームコンバイナを接続し、複数のレーザ装置からのレーザ光を束ねるように構成されていてもよい。

また、レーザ装置は、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）方式のファイバレーザ装置であっても良い。更に、レーザ装置は、半導体レーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）やディスクレーザのように、共振器が光ファイバ以外で構成され、共振器から射出されるレーザ光を光ファイバに集光するレーザ装置であっても良い。

１，２…レーザ装置、１０…光源装置、１１ａ〜１１ｄ…電流制御部、１２ａ〜１２ｈ…位相制御部、１３ａ〜１３ｈ…ＬＤ駆動部、１４ａ〜１４ｈ…レーザダイオード、２０ａ…第１コンバイナ、２０ｂ…第２コンバイナ、３１…増幅用ファイバ、５０…出力端、７０…コンバイナ、Ｃ１…制御信号、Ｉａ〜Ｉｈ…電流、Ｍ１１〜Ｍ１８…変調信号

Claims

レーザダイオードをスイッチング駆動する複数の駆動部と、
前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の大きさを制御する電流制御部と、
前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する位相制御部と、
を備え、
前記位相制御部は、前記駆動部のうちの何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相と、前記駆動部のうちの他の何れか１つからレーザダイオードに供給される電流の位相とが一致しないようにする、
光源装置。
前記位相制御部は、前記駆動部の各々からレーザダイオードに供給される全ての電流の位相が互いに一致しないようにする、請求項１記載の光源装置。
前記位相制御部は、前記駆動部に対応して複数設けられており、対応する前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する、請求項１又は請求項２記載の光源装置。
前記位相制御部の何れか１つは、前記駆動部の各々からレーザダイオードに供給される全ての電流の位相を規定するとともに、対応する前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する主位相制御部であり、
前記位相制御部の残りは、前記主位相制御部で規定された位相に基づいて、対応する前記駆動部からレーザダイオードに供給される電流の位相を制御する副位相制御部である、
請求項３記載の光源装置。
前記主位相制御部は、前記駆動部の数をｎ（ｎは２以上の整数）とした場合に、前記駆動部の各々からレーザダイオードに供給される全ての電流の位相として、以下の式を満たす位相差Δθを有するｎ個の位相を規定する、請求項４記載の光源装置。
（３６０°／ｎ）≧Δθ≧（３６０°／（ｎ／２））
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置から出力されるレーザ光を光学的に結合させる光コンバイナと、
前記光コンバイナで結合されたレーザ光を外部に出力する出力端と、
を備えるレーザ装置。
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光源装置と、
コアに希土類が添加された増幅用ファイバと、
前記光源装置から出力されるレーザ光を励起光として前記増幅用ファイバに結合させる光コンバイナと、
前記増幅用ファイバで増幅された光を外部に出力する出力端と、
を備えるレーザ装置。