JP4643108B2 - 冷却および動作監視を伴うダイオードレーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
［技術分野］
本発明は、少なくとも１つのレーザダイオードと、このレーザダイオードのための電源と、レーザダイオードが配置されているヒートシンクと、冷却液がヒートシンクの中を通って流れることを可能にする冷却液サプライとを有する冷却装置とを含むダイオードレーザ装置に関する。
【０００２】
［背景技術］
このダイオードレーザ装置は従来技術から公知である。この装置に関する問題点は、光出力を測定するために熱量測定機器または装置を用いて放出レーザ放射を測定することだけによってしか、この装置が適正に動作しているかどうかを検査することできず、および、その構成に応じて、光出力の測定が疑わしいことが判明することがあるということである。
このことは、対応する測定ヘッドをレーザ放射の放射経路内に配置することを必要とし、その結果として、そのダイオードレーザ装置は、例えば、測定中に固体レーザをポンピングするという目的のような意図された目的のために使用されることが不可能である。
【０００３】
したがって、本発明の目的は、汎用タイプのダイオードレーザ装置の使用を妨害することなしに、そのダイオードレーザ装置の動作の簡単な監視が可能であるように、そのダイオードレーザ装置を改良することである。
【０００４】
［発明の概要］
この目的は、動作監視装置が備えられていることと、この動作監視装置が、レーザダイオードを通って流れる電流を表す量と、ヒートシンクから出ていく冷却液の温度を表す量とを検出して、これらの量からダイオードレーザ装置の動作を表す動作量を求めることによって、本発明による文頭で説明した種類のダイオードレーザ装置によって達成される。
【０００５】
本発明による解決策の利点は、レーザ放射の放射経路を中断することなしに、したがって、ダイオードレーザ装置が、その意図された目的のために、例えば固体レーザをポンピングするために使用されている最中でも、その動作量が求められることが可能であるということである。
【０００６】
本発明による解決策は、レーザダイオードを通って流れる電流を表す量と、ヒートシンクから出ていく冷却剤の温度を表す量とを測定することだけが必要とされるにすぎず、および、これらの量が簡単な手段によって検出されることが可能なので、動作量の測定が単純な手段によって行われることが可能であるという別の大きな利点を有する。
【０００７】
ヒートシンクから出ていく冷却液の温度を表す量を検出するための様々な直接的および間接的な方法が想定可能である。例えば、ヒートシンクから出ていく冷却液が特定の温度に冷却される場合には、この冷却に必要とされるクーリングパワー(cooling power)を検出することが想定可能である。
しかし、説明を簡潔にするために、ヒートシンクから出ていく冷却液の温度を動作監視装置がセンサによって検出することが特に有利である。
【０００８】
動作量のさらにより高精度の測定のためには、ヒートシンクに入る冷却液とヒートシンクから出ていく冷却液との間の温度差を表す量を動作監視装置が求めることが有利であることが判明している。
この温度差を表す量の測定は、例えば、ヒートシンクに入る冷却液に関する特定の温度に達するために必要とされるクーリングパワーを求めることによって間接的に行われることが可能である。
しかし、動作監視装置が、ヒートシンクに入る冷却液の温度をセンサによって測定することが特に簡単である。
【０００９】
原理的には、動作量は温度測定に基づいて十分に高い精度で求められることが可能であるが、この精度は、ヒートシンクを通過する冷却液の流量を動作監視装置が検出することによってさらに高めることができる。
これは、ヒートシンクを通過する冷却液の流量を動作監視装置が流量計によって検出することによって、特に有利に直接的に行うことができる。
高い精度で動作量が求められることを可能にする特に好適な解決策が、冷却装置によってレーザダイオードから取り除かれる形で伝導される熱出力を表す熱量を動作監視装置が測定することを実現し、および、レーザダイオードによって放射の形では放出されない熱出力が少なくとも近似的に求められることを可能にする。
【００１０】
原理的には、レーザダイオードを通って流れる電流を表す量を求める場合に、レーザダイオードを通って流れる電流に関する結論が少なくとも間接的に導き出されることが可能な電源の設定パラメータを検出することが想定可能である。
しかし、可能な限り高精度で動作量を求める目的で、特に動作量の変化を可能な限り正確に求めるために、動作監視装置が、レーザダイオードを通って流れる電流を測定するための電流測定装置を含むことが特に得策である。
【００１１】
レーザダイオードの場合には、レーザダイオードにおける電圧降下がほぼ一定不変であると想定することが可能である。しかし、可能な限り高精度で動作量を測定するためには、レーザダイオードの動作中のそのレーザダイオードにおける電圧降下を測定するための電圧測定装置を動作監視装置が含むように準備することが好ましい。
【００１２】
動作量を測定する場合には、レーザダイオードに供給される総電力を構成する、レーザダイオードに供給される電力を表す電気量を動作監視装置が測定することによって、特に高い精度が得られる。
動作監視装置が電気量と熱量とから動作量を求める場合に、特に高い精度が動作量の測定において得られる。
電気量と熱量とに加えて、他のパラメータが動作量の測定に組み入れられてもよい。
【００１３】
動作量の測定に組み入れられるパラメータは、動作量がレーザダイオードの光出力の直接的な測度を表すように選択されることが好ましく、この結果として、動作量はレーザダイオードの光出力の直接的な測度であり、したがって、レーザダイオードの動作に関する最も重要な情報を直接的に提供する。
ダイオードレーザ装置の構成に関しては、このダイオードレーザ装置が１つのレーザダイオードを含むことが単に想定されている。しかし、本発明による解決策は、ダイオードレーザ装置が数個のレーザダイオードを含む場合に、特に有利に使用されることが可能である。
この場合には、この数個のレーザダイオードは共通の電源によって給電されることが好ましい。
【００１４】
さらに、動作量は、レーザダイオード全体を通って流れる電流を表す量が測定される場合に、十分な高精度で有利に測定されることが可能である。
したがって、レーザダイオード全体を通って流れる電流を表す量と、レーザダイオード全体における電圧降下を表す量とが、電気量に組み入れられることが好ましく、この目的のためにレーザダイオードが電気的に互いに直列に接続される。
【００１５】
数個のレーザダイオードがダイオードレーザ装置内に備えられている場合には、ヒートシンクから出ていく冷却液の温度を表す量の測定は、さらに、ヒートシンク全体から出ていく冷却液の温度も対象とする。
冷却液は、レーザダイオードの各々が実質的に同一のクーリングパワーを受けるように、数個のレーザダイオードのヒートシンクを通って並行に流れる。
冷却装置の設計の詳細は、まだ示されていない。例えば、１つまたは複数のヒートシンクから冷却液が自由に出ていくように冷却液を導くことが想定可能である。しかし、冷却装置が、熱交換器を経由して熱が出ていくように導かれる冷却回路を含むことが特に有利である。
【００１６】
本発明による動作監視装置が動作する仕方の詳細は、まだ示されていない。例えば、動作監視装置を連続的に動作させ、それによって動作量を連続的に測定することが想定可能である。
しかし、動作量が緩慢に変化するにすぎず、必ずしも急激には変化しないと一般に想定できるので、特定の時間間隔の後または特定の動作サイクルの後に動作量を測定することで十分である。
【００１７】
［発明の実施の形態］
本発明による解決策の特徴と利点を図面を参照して説明する。
図１に示されているダイオードレーザユニットの実施形態は、個別レーザユニット１２のスタックによって形成されている、全体として１０で示されているレーザダイオードアレイを含む。
個別レーザユニット１２の各々は、図２に示されているように、レーザダイオードを表すレーザバー(laser bar)１４を含み、このレーザバーの前側１６からレーザ放射が出ていく。
【００１８】
レーザバー１４は、そのレーザバー１４がカバープレート２２の前部区域２４に熱接触している形で上に載るカバープレート２２を含む、全体として２０で示されているヒートシンクの上に載っている。ヒートシンク２０は、さらにベースプレート２６を含み、カバープレート２２とベースプレート２６との間には中間プレート２８、３０、３２が位置している。これらは、流入流路３６と戻り流流路３８との間を延びる冷却流路システム３４をヒートシンク２０内に形成する役割を果たし、これらの流路はカバープレート２２と中間プレート２８−３２とベースプレート２６とをこれらの長さの区域に対して実質的に垂直方向に貫通する。
【００１９】
例えば、流入流路３６から開始して、中間プレート２８は冷却流路システム３４の第１の冷却流路セクション４２を形成し、この冷却流路セクション４２は流入流路３６から前部区域２４の方向にカバープレート２２の下を延びて、カバープレート２２の前部区域２４の付近に達し、開口４４を経て冷却流路システム３４の第２の冷却流路セクション４６に入り、この第２の冷却流路セクション４６は、カバープレート２２から離れている方の冷却流路セクション４２の側面上の開口４４から戻り流流路３８に至る。
【００２０】
したがって、カバープレート２２は、流入流路３６を経由して冷却流路システム３４内に入る冷却液によって、さらに明確に述べると、レーザバー１４が上に載っておりかつ熱がレーザバー１４から中に放出されるカバープレート２２の前部区域２４の中にまで冷却流路システム３４内に入る冷却液によって、直接的に冷却されることが可能である。
【００２１】
ヒートシンク２０全体は、レーザバー１４のための第１の接続電極としての役割も果たす。第２の接続電極５０として、接触プレート５０が、ヒートシンク２０とは反対側に位置しているレーザバー１４の側面上に配置されている。この接触プレート５０はレーザバー１４を覆って延び、さらに明確に述べると、そのレーザバーの全幅Ｂにわたって延び、および、レーザバー１４から開始して、さらにカバープレート２２の区域の一部分を覆って延び、それによってカバープレート２２によって支持され、および、絶縁体５２が接触プレート５０とヒートシンク２０との間に備えられている。
したがって、レーザバー１４は、一方ではヒートシンク２０によって電気的に接触されており、および、他方では接触プレート５０によって電気的に接触されている。
【００２２】
その次のレーザユニット１２はそのヒートシンク２０と共に接触プレート５０と直接的に電気接触状態にある形で接触プレート５０上に載っており、したがって、電気的に見た場合に、レーザダイオードアレイ１０の全レーザバー１４は互いに直列に接続されており、および、例えば、第１の給電線５６が電源５４からレーザダイオードアレイ１０の最も下のレーザユニット１２のヒートシンク２０に達し、一方、第２の給電線５８は電源５４からレーザダイオードアレイ１０の最も上のレーザユニット１２の接触プレート５０に達する。
【００２３】
ヒートシンク２０各々を貫通する流入流路３６と戻り流流路３８は、全レーザユニット１２において互いに整合状態に配置されており、したがって、レーザダイオードアレイ１０のヒートシンク２０全体の流入流路３６と戻り流流路３８は、個別ヒートシンク２０の間に備えられている環状シール６２、６４によって相互連結可能である。環状シール６２、６４の各々は、１つのヒートシンクの中の流入流路３６の出口開口と戻り流流路３８の出口開口と、他方のヒートシンクの中の流入流路３６の入口開口と戻り流流路３８の入口開口とを取り囲み、それによってレーザダイオードアレイ１０の全ヒートシンク２０の流入流路３６とレーザダイオードアレイ１０の全ヒートシンク２０の戻り流流路３８との間の連結を生じさせる。
したがって、全ヒートシンク２０の冷却流路システム３４には並行して冷却液が供給され、および、したがって、レーザダイオードアレイ１０の全ヒートシンク２０は互いに同様に冷却される。
【００２４】
流入管路６６と戻り流管路６８とが、冷却液をレーザダイオードアレイ１０に供給するために設けられている。流入管路６６と戻り流管路６８はレーザダイオードアレイ１０に到達し、および、例えば、最も下のレーザユニット１２のヒートシンク２０の流入流路３６と戻り流流路３８とに連結される。
【００２５】
冷却液はポンプ７０によってリザーバ７２から流入管路６６の中に送り込まれ、一方、戻り流管路６８を経由して抜き出される加熱された冷却液は冷却器７４の中に送り込まれ、その次に、この冷却器７４は冷却された冷却液をリザーバ７２の中に放出し、このリザーバ７２からポンプ７０が再び冷却液を吸い込む。
したがって、リザーバ７２と、ポンプ７０と、流入管路６６と、レーザダイオードアレイ１０の流入流路３６の全体と、レーザダイオードアレイ１０のヒートシンク２０内の冷却流路システム３４の全体と、レーザダイオードアレイ１０の戻り流流路３８の全体と、戻り流管路６８と、リザーバ７２に至る冷却器７４は共に、冷却回路７８を伴う全体として７６で示されている冷却装置を形成する。
【００２６】
本発明によるダイオードレーザ装置は、さらに、全体として８０で示されている動作監視ユニットも備えている。動作監視ユニット８０は、流入管路６６内の温度センサ８６と、戻り流管路６８内の温度センサ８８と、時間単位ごとに冷却回路７８を通って流れる冷却液の量を検出するための流入管路６６または戻り流管路６８内の流量計９０とに接続されている評価回路８２を含む。
したがって、この評価回路８２は、温度センサ８６によって流入温度Ｔ_Zを検出し、温度センサ８８によって戻り流温度Ｔ_Rを測定し、流量計９０によって冷却回路７８を通過する時間単位当たりの冷却液の流量Ｄを測定する。
【００２７】
評価回路８２は、さらに、互いに直列に接続されているレーザバー１４の全体に印加される電圧Ｕを検出するための電圧検出ユニット９２と、電源５４からレーザダイオードアレイ１０のレーザバー１４全体を通って流れる電流Ｉを検出するための電流検出ユニット９４とにも接続されている。
【００２８】
図４に示されているように、評価回路８２は、温度差ΔＴが最初に流入温度Ｔ_Zと戻り流温度Ｔ_Rとから減算によって求められるという仕方で、例えばプロセッサによって、動作する。その次に、熱量Ｇ_Tを求めるために、この温度差ΔＴに流量Ｄと別のパラメータＫが乗算され、この熱量Ｇ_Tは冷却装置７６によって散逸させられる熱出力を表す。最も単純な場合には、パラメータＫは定数であるが、温度差ΔＴおよび／または流量Ｄに依存しているパラメータ領域であってもよい。
図４に示されているように、評価回路８２は、さらに、レーザバー１４全体における電圧Ｕとレーザバー１４全体を通過する電流Ｉとから、乗算によって、レーザダイオードアレイ１０に供給される電力を表す電気量Ｇ_Eを求める。
【００２９】
最後に、全レーザバー１４によって放出される光出力を表す動作量Ｆが、電気量Ｇ_Eと熱量Ｇ_Tとの間の差を形成することによって求められる。
動作量Ｆは、例えば固体レーザのポンピングのような意図された目的でレーザダイオードアレイ１０を使用する際のそのレーザダイオードアレイ１０のレーザバー１４全体の動作を監視することと、したがって、動作量Ｆの減少によって示される、例えばレーザバー１４の経時変化によって光出力が減少しているかどうかを確認することとを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるレーザダイオード装置の略図である。
【図２】 ２つの互いに積み重ねられているレーザユニットの拡大図である。
【図３】 図２における線３−３に沿った断面図である。
【図４】 本発明による動作監視装置の動作モードを概略的に表すブロック図である。

Claims (18)

1. 少なくとも１つのレーザダイオード（１４）と、前記レーザダイオード（１４）のための電源（５４）と、前記レーザダイオード（１４）が配置されているヒートシンク（２０）と、冷却液が前記ヒートシンク（２０）の中を通って流れることを可能にする冷却液サプライ（６６、６８、７０、７２、７４）とを有する冷却装置（７６）とを含むダイオードレーザ装置において、動作監視装置（８０）が備えられていることと、前記動作監視装置（８０）は、前記レーザダイオード（１４）を通って流れる電流を表す量（Ｉ）と、前記ヒートシンク（２０）から出ていく前記冷却液の温度を表す量（Ｔ_R）とを検出して、これらから前記レーザダイオード装置の動作を表す動作量（Ｆ）を求めることとを特徴とするダイオードレーザ装置。
2. 前記動作監視装置（８０）は、前記ヒートシンク（２０）から出ていく前記冷却液の温度（Ｔ_R）をセンサ（８８）によって検出することを特徴とする、請求項１に記載のダイオードレーザ装置。
3. 前記動作監視装置（８０）は、前記ヒートシンク（２０）に入る前記冷却液と前記ヒートシンク（２０）から出ていく前記冷却液との間の温度差（ΔＴ）を表す量（ΔＴ）を求めることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイオードレーザ装置。
4. 前記動作監視装置（８０）は、前記ヒートシンク（２０）に入る前記冷却液の温度（Ｔ_Z）をセンサ（８６）によって検出することを特徴とする、請求項３に記載のダイオードレーザ装置。
5. 前記動作監視装置（８０）は、前記ヒートシンク（２０）を通過する前記冷却液の流量を表す量（Ｄ）を求めることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。
6. 前記動作監視装置（８０）は、前記ヒートシンク（２０）を通過する前記冷却液の流量を表す前記量（Ｄ）を流量計（９０）によって求めることを特徴とする、請求項５に記載のダイオードレーザ装置。
7. 前記動作監視装置（８０）は、前記冷却装置（７６）によって前記レーザダイオード（１４）から取り除かれる熱出力を表す熱量（ＧＴ）を求めることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。
8. 前記動作監視装置（８０）は、前記レーザダイオード（２０）の中に流れ込む電流を検出するための電流測定装置（９４）を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。
9. 前記動作監視装置は、前記レーザダイオード（１４）における電圧降下を表す量（Ｕ）を求めることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。
10. 前記動作監視装置（８０）は、前記レーザダイオード（１４）において降下する電圧（Ｕ）を検出するための電圧測定装置（９２）を含むことを特徴とする、請求項９に記載のダイオードレーザ装置。
11. 前記動作監視装置（８０）は、前記レーザダイオード（１４）に供給される前記電力を表す電気量（Ｇ_E）を求めることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。
12. 前記動作監視装置（８０）は、前記電気量（Ｇ_E）と前記熱量（Ｇ_T）とから動作量（Ｆ）を求めることを特徴とする、請求項１０に記載のダイオードレーザ装置。
13. 前記動作量（Ｆ）は前記レーザダイオード（１４）の光出力を表すことを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。
14. 前記ダイオードレーザ装置は数個のレーザダイオード（１４）を含むことを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。
15. 前記数個のレーザダイオード（１４）は電気的に互いに直列に接続されていることと、前記動作監視装置（８０）は前記レーザダイオード（１４）全体を通って流れる電流を検出することとを特徴とする、請求項１４に記載のダイオードレーザ装置。
16. 前記動作監視装置（８０）は、電気的に互いに直列に接続されている前記記レーザダイオード（１４）全体において降下する電圧（Ｕ）を検出することを特徴とする、請求項１４または１５に記載のダイオードレーザ装置。
17. 前記冷却液は前記数個のレーザダイオード（１４）の前記ヒートシンク（２０）を通って並行に流れることを特徴とする、請求項１４から１６のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。
18. 前記冷却装置（７６）は前記冷却液のための冷却回路（７８）を含むことを特徴とする、請求項１から１７のいずれか一項に記載のダイオードレーザ装置。

Images