JP4676314B2 - レーザ発振器及びレーザ発振器の劣化部品判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振器に関するものであり、詳しくは出力低下時の交換部品特定機能を備えたレーザ発振器、及びレーザ発振器出力低下時の劣化部品判定方法に関するものである。

固体レーザ発振器、特にNd:YAG結晶等をレーザ結晶として使用するレーザ発振器では、ランプやレーザダイオードのような消耗品が励起光源として使用される。また、レーザ光を制御する光学部品も使用されている。kWクラスの高出力レーザとなると微量のほこりで焼損するため、この光学部品も消耗品になる。レーザ発振器の出力が低下した場合、励起光源の劣化が原因である場合と、光学部品の劣化が原因である場合が存在する。しかし、レーザ発振器内で出力低下の原因となっている部品が、励起光源か光学部品かを特定することは難しく、出力低下が発生した場合にはこれらの部品を１個ずつ順番にレーザ発振器上で新品と交換し、問題のあるユニットを特定・復旧させていた。このため、問題のない部品も交換することになり、時間が掛かりレーザ発振器の停止時間が長くなってしまうという問題があった。出力低下の原因が励起光源にあるか、光学部品にあるかを特定できれば、レーザ発振器からこれらの部品全てを取り出して調査するといった手間を省くことが可能であるため、交換時の保守性が大幅に向上する。

従来の技術として、事前に励起光源の寿命を推定する方法が知られている（特許文献１参照）。この方法を用いると、励起光源寿命以前にレーザ発振器の出力低下が発生した場合には、光学部品の劣化が原因であると特定することが可能である。しかしながら、この手法では励起光源が、突発的な劣化（漏水、焼損など）を示した場合に、劣化部品を特定できないという問題があった。

また、レーザ光から任意の波長をフィルタにて取り出し、その波長の光出力の増減と、レーザ発振器の放電によるプラズマの色から、総合的にレーザ出力低下原因を特定する手法が知られている（特許文献２参照）。しかし、この手法は、従来のレーザ発振器に加え、フィルタやカラーセンサなどの追加機器が必要となる上、エキシマレーザに限定されるものであった。

特開２００３−２９８１８２号公報 特開２００５−１６７０１７号公報

本発明は、上記の従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、追加機器無しに、また、励起光源やレーザ発振部の光学部品をレーザ発振器から取り出すことなく、出力低下の原因となっている部品やユニットを特定する機能を有するレーザ発振器、及び出力低下原因の特定可能な劣化部品判定方法を提供することにある。

また本発明の別の目的は、出力低下原因の特定方法を提供することで、レーザ発振器出力低下時のメンテナンス時間を大幅に短縮することが可能なレーザ発振器を提供することにある。

また本発明のさらに別の目的は、励起光源、及び光学部品の劣化状況をモニタすることが可能なレーザ発振器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ発振器は、励起光源と、励起光源に電流を供給する電源と、複数の光学部品で構成され、励起光源から照射された励起光によってレーザ光を出力するレーザ発振部と、レーザ発振部により生じたレーザ光を受光し、レーザ光の強度に対応した信号を出力するパワーセンサと、プロセッサであって、レーザ発振器の連続発振時において、レーザ光の強度が予め定められた第１の強度である場合に電源から励起光源に供給される第１の電流値、及びレーザ発振器のパルス（間欠）発振時において、レーザ光の強度が予め定められた第２の強度である場合に電源から励起光源に供給される第２の電流値の何れかが所定の基準値よりも大きく、且つ第１の電流値と第２の電流値の差が所定の閾値よりも小さい場合、励起光源が劣化していると判定するプロセッサと、を有することを特徴とする。

また、プロセッサは、第１の電流値又は第２の電流値が所定の基準値よりも大きい場合で、且つ第１の電流値と第２の電流値との差が閾値よりも大きい場合、複数の光学部品の何れかが劣化していると判定することが好ましい。

連続発振時の励起光源への供給電流値と、パルス発振時の励起光源への供給電流値の差を調べることにより、励起光源が劣化したのか、レーザ発振部の光学部品が劣化したのかを判別することができる。

なお、上記において、第１及び第２の電流値は、電流値から換算可能な値に置き換えても良い。例えば、電流値の代わりに、励起光源に印加する電圧値を用いてもよい。また、電源が出力可能な最大電流値までのマージン、例えば電源が出力可能な最大電流値に対する割合（単位：パーセント）などを用いてもよい。以下の各形態においても同様である。

また、電流値の代わりにこれらの換算可能な値を用い、それら換算値に対する所定の基準値及び閾値を用いて上記の判定を行ったとしても、結局、これらは、電流値及び電流値に対する基準値及び閾値に換算可能であり、電流値及び電流値に対する基準値及び閾値として判定を行う場合と実質的に差異が無いため、本発明の範囲を外れるものではない。

さらに、第１の強度は、レーザ発振器の連続発振における定格出力であり、第２の強度は、レーザ発振器のパルス発振における定格出力であることが好ましい。パワーセンサがレーザ光を受光することにより生じる電流が大きくなるため、ノイズによる悪影響を受け難くなり、正確に劣化の判定を行うことが可能なためである。
なお、簡便のため、連続発振時の定格出力およびパルス発振時の定格出力は、略等しいことが好ましい。

また、第１又は第２の電流値が所定の基準値よりも大きい場合に警告を表示する警告手段をさらに有する。
さらに、警告手段は、第１の電流値と第２の電流値の差が閾値よりも大きい場合と小さい場合で異なる警告を表示することが好ましい。

具体的には、警告手段は、第１の電流値と第２の電流値の差が閾値よりも小さい場合、励起光源に関する警告を表示することが好ましく、一方、第１の電流値と第２の電流値の差が閾値よりも大きい場合、複数の光学部品に関する警告を表示することが好ましい。

ここで、励起光源に関する警告とは、励起光源の出力低下を示す情報の表示、励起光源の交換を促すメッセージの表示などを含む。同様に、複数の光学部品に関する警告とは、それら光学部品の交換を促すメッセージの表示などを含む。

また、励起光源は、複数のサブ光源を有し、電源は、複数のサブ光源の各々に電流を供給する複数のサブ電源を有し、且つ第１の電流値及び第２の電流値は、複数のサブ電源の何れかが供給する電流値であることが好ましい。

若しくは、励起光源は、複数のサブ光源を有し、電源は、複数のサブ光源の各々に電流を供給する複数のサブ電源を有し、且つ第１の電流値及び第２の電流値は、それぞれ複数のサブ電源から供給される電流値の平均値であることが好ましい。

また、本発明は別の形態として、励起光源と、励起光源に電流を供給する電源と、複数の光学部品で構成され、励起光源から照射された励起光によってレーザ光を出力するレーザ発振部と、レーザ結晶により生じたレーザ光を受光し、レーザ光の強度に対応した信号を出力するパワーセンサとを有するレーザ発振器の劣化部品判定方法を提供する。本発明に係るレーザ発振器の劣化部品判定方法は、レーザ発振器が連続発振により生じたレーザ光の強度を予め定められた第１の強度に調整するステップと、レーザ光の強度が第１の所定の出力に調整された場合に、電源が励起光源に供給する第１の電流値を測定するステップと、レーザ発振器がパルス発振により生じたレーザ光の強度を予め定められた第２の強度に調整するステップと、レーザ光の強度が第２の強度に調整された場合に、電源が励起光源に供給する第２の電流値を測定するステップと、第１の電流値又は第２の電流値が、所定の基準値よりも大きいか否かを判定する第１の判定ステップと、第１の判定ステップで、第１の電流値又は第２の電流値が所定の基準値よりも大きいと判定された場合に、第１の電流値と第２の電流値の差が、所定の閾値よりも大きいか否かを判定する第２の判定ステップを有し、第２の判定ステップで、上記差が所定の閾値よりも小さいと判定された場合、励起光源が劣化していると判定することを特徴とする。

また、第２の判定ステップで、上記差が所定の閾値よりも大きいと判定された場合、複数の光学部品の何れかが劣化していると判定することが好ましい。

連続発振時の励起光源への供給電流値と、パルス発振時の励起光源への供給電流値の差を調べることにより、励起光源が劣化したのか、レーザ発振部の光学部品が劣化したのかを判別することができる。

また、本発明はさらに別の形態として、励起光源と、励起光源に電流を供給する電源と、複数の光学部品から構成され、励起光源から照射された励起光によってレーザ光を出力するレーザ発振部と、レーザ発振部により生じたレーザ光を受光し、レーザ光の強度に対応した信号を出力するパワーセンサとを有するレーザ発振器の劣化部品の判定をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。本発明に係るプログラムは、コンピュータが、レーザ発振器が連続発振により生じたレーザ光の強度を予め定められた第１の強度に調整するステップと、レーザ光の強度が第１の強度に調整された場合に、電源が励起光源に供給する第１の電流値を測定するステップと、レーザ発振器がパルス発振により生じたレーザ光の強度を予め定められた第２の強度に調整するステップと、レーザ光の強度が第２の強度に調整された場合に、電源が励起光源に供給する第２の電流値を測定するステップと、第１の電流値又は第２の電流値が、所定の基準値よりも大きいか否かを判定する第１の判定ステップと、第１の判定ステップで、第１の電流値又は第２の電流値が所定の基準値よりも大きいと判定された場合に、第１の電流値と第２の電流値の差が、所定の閾値よりも大きいか否かを判定する第２の判定ステップを実行し、第２の判定ステップで、上記差が所定の閾値よりも小さいと判定した場合、励起光源が劣化していると判定することを特徴とする。

また、上記プログラムは、第２の判定ステップで、上記差が所定の閾値よりも大きいと判定された場合、複数の光学部品の何れかが劣化しているとコンピュータに判定させることが好ましい。

本発明によれば、追加機器無しに、また、励起光源やレーザ発振部の光学部品をレーザ発振器から取り出すことなく、出力低下の原因となっている部品やユニットを特定する機能を有するレーザ発振器、及び出力低下原因の特定可能な劣化部品判定方法を得ることが可能となった。

また出力低下原因の特定方法を提供することで、レーザ発振器出力低下時のメンテナンス時間を大幅に短縮することが可能なレーザ発振器を得ることが可能となった。

さらに、励起光源、及び光学部品の劣化状況をモニタすることが可能なレーザ発振器を得ることが可能となった。

以下、図面を参照しつつ本発明について詳細に説明する。
図１に、本発明の第一の実施態様に係るレーザ発振器１００の概略構成図を示す。
本実施態様に係るレーザ発振器１００は、操作部５、励起光源１０、レーザ発振部２０、電源３０、パワーセンサ４０、プロセッサ５０、メモリ６０、表示部７０、ビームシャッタ８０、及びチラー９０等によって構成される。各部の機能及び代表的な構成を以下に示す。

励起光源１０は、レーザ発振部２０のレーザ結晶に励起光を照射することにより、レーザ発振を生じさせるように構成されており、本実施形態では、波長0.8μm帯のAlGaAsレーザダイオードが使用される。しかしながら、励起光源１０には、ハロゲンランプや、AlGaInN系、AlGaInP系、InGaAsP系他のレーザダイオード等を使用してもよい。また、励起光源１０は、電源３０から供給される電流値に線形な光量の励起光を発生させる。

レーザ発振部２０は、レーザ結晶、ミラー、レンズなどで構成され、励起光に応じたレーザ光を発振する。レーザ発振部２０では、対向して配置された出射側ミラーとリア側ミラーの間にレーザ結晶を配置し、励起光源１０から照射された励起光を利用して、対向配置されたミラー間でレーザ発振を生じ、出射側ミラーを透過してレーザ光を取り出せるように構成される。また、励起光の収束のために、励起光源１０とレーザ結晶の間に、レンズが配置される。レーザ結晶として、本実施形態ではネオジウムを添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Nd:YAG)結晶を使用した。しかしながら、レーザ結晶として、ネオジウムを添加したイットリウム・バナデート(Nd:YVO₄)結晶、ネオジウムを添加したイルフ(Nd:YLF)結晶、ネオジウムを添加したランザナムスカンジウムボレート（Nd:LSB）結晶、エルビウムを添加したイルフ（Er:YLF）結晶他といったレーザ光学結晶等を使用してもよい。

なお、レーザ結晶は、0.8μm帯LD光を励起光として、Nd:YAG結晶を用いた場合、波長1.064μmのレーザ光を発生させる。さらに、レーザ結晶は、非線形光学結晶を用いて、２次高調波発生による波長0.532μmのレーザ光や３次高調波発生による波長0.355μmのレーザ光を発生させることも可能である。

電源３０は、プロセッサ５０からの指令に基づいて励起光源１０に電流を供給する。供給する電流値は、電源３０中に設けられる可変抵抗を操作することによって調整可能なように構成される。また電源３０は、励起光源１０に供給する電流値を、常時計測可能なように電流計（図示せず）を備え、プロセッサ５０に、その測定された供給電流値Ｉを送信し電流値として取得しても良い。電源３０は、プロセッサ５０から電流値を測定する旨の指令を受信した場合のみ供給電流値Ｉを測定するように構成してもよい。同様に、プロセッサ５０から、測定した供給電流値を送信する旨の指令を受けた場合にのみ測定された供給電流値Ｉをプロセッサ５０に送信するように構成してもよい。この場合、電流値の取得から、プロセッサ５０への伝達までにタイムラグがあっても測定値が失われないように、測定された供給電流値Ｉを一時的に記憶するキャッシュメモリを備えておくと良い。

パワーセンサ４０は、フォトダイオード及びレーザ光電流測定回路等から構成される。フォトダイオードは、レーザ発振部２０の出射側ミラーを透過したレーザ光を、出射側ミラー近傍に配置したビームスプリッタ（図示せず）により分岐して一部のレーザ光を受光し、レーザ光の強度に応じた電流（ここでは、電源３０が励起光源１０へ供給する電流と区別するため、レーザ光電流と呼ぶ）を生じさせる。本実施形態において、上記ビームスプリッタは、レーザ光の99.5%を透過し、残りの0.5%を上記フォトダイオードへ導くように構成した。また、ビームスプリッタとフォトダイオードの間に、分岐されたレーザ光の強度をさらに1％程度に低減するフィルタを配しても良い。このようなフィルタを用いることにより、レーザ光の出力が非常に大きい場合でも、市販のフォトダイオードが使用可能となる。さらに、リア側ミラーをレーザ光の一部が透過できるようにして、ビームスプリッタをリア側ミラーの近傍に配置してもよい。
レーザ光電流測定回路は、フォトダイオードで生じた電流の値を測定し、測定されたレーザ光電流値をプロセッサ５０へ送信する。

プロセッサ５０は、レーザ発振器のレーザ光出力を最大出力まで調整可能であり、操作部５からの操作信号（電源のON/OFF、レーザ光出力の指定等）及びパワーセンサ４０から受信したレーザ光電流測定値に基づいて、レーザ光を所定の出力に保ち、あるいはレーザ光出力を変化させるために、電源３０が励起光源１０へ供給すべき電流値を計算し、その計算値に基づいた指令を電源３０へ送信する。

また、プロセッサ５０は、電源３０が励起光源１０へ供給すべき電流値を監視し、この値が予め定められた最大許容値Ｉ_mと比較して大きい場合には、電流値や出力低下警告情報等を表示部７０へ送信する。

また、プロセッサ５０は、上記出力低下が発生した場合に、その原因が励起光源１０にあるか、若しくはレーザ発振部２０を構成するレーザ結晶、ミラー、レンズなどの光学部品（図示せず）にあるかを特定する。なお、出力低下原因の特定は、後述するように、レーザ発振器の出力測定を行う際、レーザ光出力を予め定めた最大出力近傍の値、若しくは所定の定格出力値まで上げ、その予め定められた出力値を示す場合における、連続発振させた際の励起光源１０への供給電流値Ｉ_C、及びパルス発振させた際の励起光源１０への供給電流値Ｉ_Pと、基準となる時点での連続発振させた際の励起光源１０への供給電流値Ｉ_Cinit、及びパルス発振させた際の励起光源１０への供給電流値Ｉ_Pinitとを用いて行う。

ここで、レーザ光の出力低下原因を、励起光源１０の劣化によるものか、レーザ結晶などレーザ発振部２０の光学部品の劣化によるものかを判定する原理について説明する。
まず、励起光源１０の劣化によってレーザ光の出力低下が生じる場合、レーザ発振器１００に何の劣化もない正常な状態と比較すると、励起光の出力が低下する以外には特に異なる点は存在しない。そのため、連続発振時のレーザ光の出力及びパルス発振時のレーザ光の出力は、ともに励起光の出力低下にほぼ比例して低下する。したがって、連続発振時の励起光源１０への供給電流値Ｉ_Cと、パルス発振時の励起光源１０への供給電流値Ｉ_Pの差は、レーザ発振器１００が正常な状態における、その差とほぼ同等となる。

一方、レーザ結晶又はミラーなどの光学部品に汚れなどが付着して劣化を生じている場合、レーザ発振器１００を連続発振させると、その汚れの部分でレーザ光を吸収して発熱を生じ、透過率または反射率の低下を生じて、レーザ光の増幅率が低下する。一方、パルス発振時には、そのような発熱は比較的少ないため、レーザ光の増幅率も殆ど低下しない。そのため、所定の出力（例えば、定格出力）のレーザ光を出力するために、連続発振の場合にはより大きな励起光を供給する必要があり、連続発振の場合とパルス発振の場合のそれぞれにおける励起光源１０への供給電流値Ｉ_CとＩ_Pの差ΔＩは、レーザ発振器１００が正常な状態における、励起光源１０への供給電流値Ｉ_CとＩ_Pの差と比較して大きな値となる。

したがって、レーザ発振器１００が正常な状態（すなわち、基準時点）において、予め連続発振の場合とパルス発振の場合のそれぞれにおける励起光源１０への供給電流値Ｉ_CinitとＩ_Pinitの差ΔＩ_initを求めておき、その差ΔＩ_initを基準として、ΔＩが大きいか小さいかを判定することにより、励起光源１０が劣化したのか、又はレーザ発振部２０の光学部品の何れかが劣化したのかを判別することができる。

上記基準となる時点での連続発振した際の電流値Ｉ_Cinit、パルス発振した際の電流値Ｉ_Pinit、及びＩ_Cinitと電流値Ｉ_Pinitの差ΔＩ_init（＝Ｉ_Cinit−Ｉ_Pinit）は、上記基準となる時点（基準時間と呼ぶ）において、電源３０が励起光源１０へ供給する電流値Ｉ_Cinit、Ｉ_Pinit及びΔＩ_initは、メモリ６０に記憶される。なお、基準時間は、工場出荷時、レーザ発振器１００の設置作業時若しくは励起光源１０などの交換を行った際のメンテナンス作業時とすることができる。

さらに、プロセッサ５０は、特定された出力低下原因をユーザに知らせるために、この情報を表示部７０へ送信する。

メモリ６０は、上記のように、基準時間における、連続発振時の定格出力に相当する励起光源１０への供給電流値Ｉ_Cinit及びパルス発振時の定格出力に相当する励起光源１０への供給電流値Ｉ_Pinit及びその差ΔＩ_initを記憶する。さらに、メモリ６０は、励起光源１０へ供給される電流値の許容限界値Ｉ_m、レーザ発振器の定格出力に相当するレーザ光電流値等を保存する。そして、プロセッサ５０からの呼び出し要求に応じてこれらの値をプロセッサ５０へ送信する。また、プロセッサ５０からの更新要求に応じて、プロセッサ５０から受信したこれらの値を、それまで保存していた値の代わりに保存する。

表示部７０は、プロセッサ５０より受信した、電流値や出力低下警告情報等を表示する。さらに、表示部７０は、プロセッサ５０より受信した出力低下原因を表示し、励起光源１０、若しくはレーザ発振部２０の光学部品の交換を促す警告情報等を表示する。

なお、プロセッサ５０、メモリ６０、操作部５及び表示部７０は、レーザ発振器１００に内蔵される組み込み型の演算装置、メモリ、タッチパネル付液晶表示パネル等であってもよいが、本実施形態においては、プロセッサ５０、メモリ６０、及び表示部７０は、レーザ発振器と、通信可能に構成されたコンピュータ数値制御装置及びモニタとして構成される。

ビームシャッタ８０は、レーザ光を吸収するダンパー及びレーザ光の出射方向を変更する反射部材を備える。そして、このビームシャッタ８０は、レーザ発振部２０から出射されるレーザ光の光路上に配置され、上記ダンパーや反射部材を出し入れ自在とすることにより、プロセッサ５０からの制御信号に基づいてレーザ光の出射，停止の制御や進行方向の制御を行う。

チラー９０は、本発明に係るレーザ発振器１００を一定温度に保つために配置され、励起光源１０及びレーザ発振部２０に近接して配置された流路に冷却水を循環させるように構成される。また、チラー９０は、冷却水の流量を測定する流量計及び冷却水の水温を計る水温計等を備え、レーザ発振器の駆動中、測定した冷却水の流量及び水温をプロセッサ５０に送信する。そして、プロセッサ５０から受信した指令により、冷却水の流量及び水温を制御し、レーザ発振器の温度を一定に保つ。

図２に、レーザ出力低下が発生した場合に、プロセッサ５０において、その原因が励起光源１０にあるか、又はレーザ発振部２０の光学部品にあるかを特定するフローチャートを示す。

なお、本発明に係るレーザ出力低下原因特定手順は、プロセッサ５０に予め保存されたプログラムを用いて実行される。しかし、レーザ出力原因特定手順は、プログラムを用いた実行に限られるものではなく、独立したハードウェアを用いてマニュアル操作で実行することも可能である。

出力低下原因の特定は、レーザ出力低下の警告を検知した後の、レーザ発振器１００の定格出力を測定する際に行われる。また、レーザ出力低下の警告が発生していない場合でも、各稼動時にその時点での出力低下が励起光源１０の劣化によるものか、レーザ発振部２０の光学部品の劣化によるものかを特定することも可能であり、その場合には、レーザ発振器１００の起動時に、一旦所定の定格出力までレーザ光の出力を上げる動作を行うことにより、以下に示す手順でレーザ出力低下原因を特定することが可能である。

まず、操作部５より、電源ONの信号がプロセッサ５０に入力され、レーザ出力低下原因の特定が開始される（ステップ２０１）。

次に、プロセッサ５０は、レーザ発振器が所定の定格出力のレーザ光を生ずるよう、電源３０を制御して励起光源１０への電流供給を開始する（ステップ２０３）。具体的には、プロセッサ５０は、定格出力のレーザ光を得るために必要とされる励起光を発生させるため、励起光源１０に電流を供給するよう電源３０に指令を送信する。電源３０はプロセッサ５０から受信した指令に基づいて電流を励起光源１０へ供給する。励起光源１０に電流供給が開始されると、励起光源１０は、供給された電流に線形な強度を有する励起光を生じ、レーザ発振部２０に照射する。レーザ発振部２０は、照射された励起光が所定以上の強度に到達すると、レーザ発振を生じ、レーザ光を出力する。

続いて、レーザ光の出力測定が行われる（ステップ２０５）。レーザ発振部２０の出射側若しくはリア側ミラーの近傍に配置されたビームスプリッタを介して、レーザ光の一部がパワーセンサ４０のフォトダイオードへ誘導される。フォトダイオードがレーザ光を受光すると、その受光したレーザ光の強度に線形なレーザ光電流が生じ、その電流の測定値Ｉ_oが求められてプロセッサ５０に送信される。

プロセッサ５０は、レーザ光の出力が安定したか否かを判定するために、上記レーザ光に対応した電流の測定値Ｉ_oを、メモリ６０から取得した、レーザ光の指令定格出力に相当する電流値Ｉ_Fと比較する（ステップ２０６）。

ステップ２０６での判定の結果、測定値Ｉ_oと定格出力に相当する電流値Ｉ_Fが等しくない場合、プロセッサ５０は、電源３０に対して供給電流を調整する指示を送る。（ステップ２０７）。具体的には、測定値Ｉ_oが定格出力に相当する電流値Ｉ_Fを下回る場合、電源３０に対して、供給電流を増加させるよう指示を送る。逆に、定格出力に相当する電流値Ｉ_Fを上回る場合、電源３０に対して、供給電流を減少させるよう指示を送る。なお、測定値が定格出力に相当する電流値Ｉ_Fと一致する場合、電源３０に対して、供給電流の量をそのまま維持するよう指示を送る。上記の判定は、レーザ光を連続発振させる場合又はパルス発振させる場合の何れについても行うことができる。また上記の判定は、レーザ発振中は常に行われる。また、上記定格出力は、本発明に係るレーザ発振器１００の最大出力近傍であることが好ましい。最大出力近傍では、励起光源１０自体の出力もある程度大きくなっており、レーザ発振部２０の光学部品が劣化している場合、連続発振時とパルス発振時の供給電流の差ΔＩも相対的に大きくなる。そのため、電流値の制御精度、若しくは測定精度に対して、供給電流値の差ΔＩが十分大きく、その差ΔＩを、基準時点における連続発振時とパルス発振時の供給電流の差ΔＩ_initに基づいて定められる閾値との比較を正確に行うことが可能となる。なお上記電流値Ｉ_Fは、レーザ発振器１００の初期設置手順において取得され、メモリ６０に保存される。

上記定格出力判定ループ中に、パワーセンサ４０から受信したレーザ光電流値Ｉ_oが所定時間、例えば１分、１０分といった時間の間、一定の範囲（例えば、変動範囲が定格出力に相当する電流値Ｉ_Fの0.1％未満）内に収まり続けたか否かを調べ、定格出力のレーザ光を出力する電流値が安定したかどうかを判定する（ステップ２０８）。

定格出力のレーザ光を出力するための電流値が安定していると判断した場合、プロセッサ５０は、レーザ発振器１００を連続発振方式で定格出力させ、その際に電源３０が励起光源１０に供給する電流値Ｉ_Cをパワーセンサ４０から受信する。そして、供給電流Ｉ_Cが、許容限界値Ｉ_mを超えるか否か判定する（ステップ２０９）。すなわち、励起光源１０又はレーザ発振部２０の光学部品が劣化すると、定格出力のレーザ光を出力するために、電源３０から励起光源１０へ供給する電流値を増加させなければならず、そのため、供給電流値を、ある許容限界を超えるほど増大させなければ定格出力のレーザ光を得られない場合には、励起光源１０又はレーザ発振部２０の光学部品の何れかが劣化していると考えられる。ここで、許容限界値Ｉ_mは、励起光源１０又は電源３０の仕様から決定される。また、励起光源１０の仕様として与えられる、稼動累計時間と出力低下の関係を考慮して、出力低下が稼動累計時間から推定される値に相当する供給電流値を、許容限界値Ｉ_mとして設定することができる。なお、本構成例では、連続発振時の供給電流値Ｉ_Cについて許容限界値を超えたか否かを判断しているが、パルス発振時の供給電流値Ｉ_Pについて許容限界値Ｉ_mを超えたか否かを判断するようにしてもよい。許容限界値Ｉ_mは、連続発振の場合、パルス発振の場合に応じて、それぞれ最適な値に決定される。

プロセッサ５０は、メモリ６０から、基準時間において連続発振方式で電源が励起光源１０に供給していた電流値Ｉ_Cinitと、パルス（間欠）発振方式で電源が励起光源１０に供給していた電流値Ｉ_Pinitとの差ΔＩ_initを呼び出す（ステップ２１０）。

次に、プロセッサ５０は、レーザ発振器１００をパルス発振方式で定格出力させ、その際に電源３０が励起光源１０に供給する電流値Ｉ_Pをパワーセンサ４０から受信する（ステップ２１１）。そして、Ｉ_CとＩ_Pの差ΔＩ（＝Ｉ_C−Ｉ_P）を算出する。
なお、ステップ２０９において、レーザ発振器１００をパルス発振方式で発振させた場合の供給電流値Ｉ_Pについて、許容限界値Ｉ_mを超えたか否かを判定した場合には、ステップ２１１では、レーザ発振器１００を連続発振方式で発振させた場合の供給電流値Ｉ_Cを取得してΔＩを算出する。

次に、プロセッサ５０は、算出したΔＩが、ΔＩ_initと連続発振時とパルス発振時の供給電流値の差の見込み変化量ΔＩ_thdの和である閾値（ΔＩ_init＋ΔＩ_thd）より大きいか、又は小さいかを判定する（ステップ２１３）。

なお、上記ΔＩ_thdは、予め設定された値でも良く、基準時間からの稼動累計時間に比例して増加する、可変の値としても良い。ΔＩ_thdを可変とする場合、メモリ６０に基準時間における稼動時間のデータを記憶しておく必要がある。なお、ΔＩ_thdは、励起光源１０の仕様から想定される発光量の低下量に基づいて定めることができる。また、実験的に稼動累計時間と励起光源１０の劣化度合いを調べ、その結果に基づいてΔＩ_thdを定めることもできる。

次に、プロセッサ５０は、前記ΔＩとΔＩ_init＋ΔＩ_thdの大小を比較することにより、レーザ出力低下原因が励起光源１０にあるか、又はレーザ発振部２０の光学部品の何れかにあるかを特定する（ステップ２１３）。

上記大小の比較により、
ΔＩ≦ΔＩ_init＋ΔＩ_thdの場合、出力低下原因が励起光源１０にあると特定し、
ΔＩ＞ΔＩ_init＋ΔＩ_thdの場合、出力低下原因がレーザ発振部２０の光学部品にあると特定する（ステップ２１４、ステップ２１５）。

プロセッサ５０は、上記大小の比較結果に基づいて、出力低下警告および、交換の必要な部品情報を表示部７０に表示する（ステップ２１７）。

例として、励起光源１０に最大定格電流1.5AのAlGaAsレーザダイオードを用いた場合について説明する。レーザダイオードの使用開始当初において、本発明に係るレーザ発振器１００の連続発振方式による定格出力達成時における上記レーザダイオードへの供給電流Ｉ_Cinitを1.0A、パルス発振方式による定格出力達成時における上記レーザダイオードへの供給電流Ｉ_Pinitを0.8Aとする。尚、本発明に係る実施例として、パルス発振方式のデューティーは80%で行った。このデューティーは95%以下であることが好ましい。

また、レーザ発振器１００の使用開始後、レーザダイオードが劣化し始めると、レーザ発振器１００が定格出力のレーザ光を出力するために、即ちレーザダイオードから発せられる励起光が所定の強度となるために、レーザダイオードに供給される電流値は増加することとなる。ある稼動時間において、連続発振時若しくはパルス発振時の供給電流値が許容限界値Ｉ_mを超えた場合、レーザ出力低下の警告が発生し、その時点における連続発振方式による定格出力達成時における電流値Ｉ_Cが1.2A、パルス発振方式による定格出力達成時における上記レーザダイオードへの供給電流Ｉ_Pが0.85A、ΔＩ_thdが0.5A（定数）であるとする。この時、ΔＩ＝（Ｉ_C−Ｉ_P）＝（1.2-0.85）＝0.35Aであり、一方、ΔＩ_init＋ΔＩ_thd＝（1.0-0.8）＋0.5＝0.7Aであり、
ΔＩ＜ΔＩ_init＋ΔＩ_thd
となるため、出力低下原因が励起光源１０にあると特定できる。

このように、連続発振方式とパルス発振方式との供給電流値の差が大きくなるにつれて、光学系部品の劣化が進んでいることが分かる。なお、励起光源１０に使用するレーザダイオードの種類や、ΔＩ_thdの設定値、設定方法については、上述したように別の条件を設定することも可能である。

以上述べてきたように、本発明によると、レーザ発振器から部品を取り外して調査することなく、レーザ光をパワーセンサで測定すること、及び電源が励起光源に供給する電流値をモニタすることにより、レーザ出力低下原因を特定することが可能である。

図３に、本発明の別の実施態様に係るレーザ発振器２００の構成図を示す。
図１と同様な構成には、同じ番号を付している。図３に示す構成と図１に示す構成との差異は、図３に示す構成では、図１の構成に示したプロセッサ５０が有する機能のうち、出力レーザ光を安定させるためのフィードバックループ機能部分を独立させたサブプロセッサ５５を別途設けている点である。

サブプロセッサ５５は、レーザ本体に組み込まれた演算装置であってもよく、若しくはレーザ本体、及びプロセッサ５１と通信可能に構成されたコンピュータのような外部演算装置であってもよい。また、サブプロセッサ５５は、パワーセンサ４０のレーザ光電流測定回路と一体化した回路として構成してもよい。この構成では、サブプロセッサ５５は、プロセッサ５１から、電源ONの指令を受け取ると、電源３０に対して電流供給を開始する指令を発生する。そして、パワーセンサ４０から、レーザ光の出力に対応する上記レーザ光電流値Ｉ_oを受信し、定格出力に対応する電流値Ｉ_Fとの比較を行う。その結果、測定電流値Ｉ_oが定格出力に相当する電流値Ｉ_Fを下回る場合、サブプロセッサ５５は、電源３０に対して供給電流を増加させるよう指示を送る。逆に定格出力に対応する電流値Ｉ_Fを上回る場合、サブプロセッサ５５は、電源３０に対して供給電流を減少させるよう指示を送る。また、測定値が定格出力に相当する電流値Ｉ_Fと一致する場合、サブプロセッサ５５は、電源３０に対して供給電流の量をそのまま維持するよう指示を送信する。また、プロセッサ５１から、電源OFFの指令を受け取ると、電源３０に対して供給電流を停止させるよう指示を送信する。

このような構成とすることにより、レーザ光の出力と励起光源１０に供給される電流に関するフィードバック周期を短くすることが可能となり、図１に示す構成よりもレーザの出力安定性を向上させることが可能である。サブプロセッサ５５にはデジタル信号プロセッサのような高速処理可能な機構が好ましく、処理を限定することで高速にフィードバックを掛けることが好ましい。この構成においても、プロセッサ５１が、電源３０から励起光源１０に供給する電流値を監視することにより、図１に示す構成例と同様に、連続発振方式およびパルス発振方式における定格出力発振時の電流値から、レーザ出力低下原因を特定することができる。この場合、出力されるレーザ光の強度が安定したか否かの判断はサブプロセッサ５５およびプロセッサ５１のどちらでも良い。その後、プロセッサ５１が、電源３０から励起光源１０へ供給する電流値Ｉを監視することで、定格出力のレーザ光を発振するための電流値が安定したか否かを判定する。

また、レーザ出力低下原因の特定手順は、図２に示すフローチャートと同様の手順によって実行することが可能である。ただし、ステップ２０７に示す励起光源への供給電流の調整を、専らサブプロセッサ５５が担当する点において、図１に示す構成と差異がある。

図４に、本発明のさらに別の実施態様に係るレーザ発振器３００の構成図を示す。
上記と同様に、図１又は図３に示す構成と同様な構成には、同じ番号を付している。図４に示す構成と図３に示す構成との差異は、図４に示す構成では、励起光源１０に複数のサブ光源１５を有すること、及び電源３０に複数のサブ電源３５を有する点である。

この構成例では、励起光源１０は、複数のレーザダイオード、若しくは複数のレーザダイオードアレイといった複数のサブ光源１５で構成される。例えば、サブ光源１５は、個々のレーザダイオードであり、これら複数のレーザダイオードは、例えば１列に並べられてレーザダイオードアレイを構成する。また励起光源１０は、サブ光源１５として、レーザダイオードアレイを複数備え、レーザ発振部２０のレーザ結晶の周囲に配置し、複数の方向からレーザ結晶に照射するように構成してもよい。この場合、電源３０は、各サブ光源（レーザダイオード若しくはレーザダイオードアレイ）毎に電力を供給する複数のサブ電源３５で構成される。各々のサブ電源３５が対応するサブ光源１５に供給する電流値を計測可能なように電流計を備え、各電流計で測定した電流値をプロセッサ５１に伝送する場合と、プロセッサ５１が指令供給電流値をモニタする場合とが考えられる。サブ電源３５がN個存在する場合、プロセッサ５１は、本発明に係るレーザ発振器のレーザ出力が定格出力に達した時の各サブ電源３５の供給電流測定値Ｉ₁,Ｉ₂,...,Ｉ_Nを受信し、任意の一つの値、若しくは、これらの値から換算される代表値を用いて、図１及び図３に示す構成例と同様に、連続発振方式およびパルス発振方式における定格出力発振時の電流値から、レーザ出力低下原因を特定することができる。

上記Ｉ₁,Ｉ₂,...,Ｉ_Nの代表値としては、Ｉ₁,Ｉ₂,...,Ｉ_Nの平均値や、Ｉ₁,Ｉ₂,...,Ｉ_Nの最大値又は中央値等を使用することができる。尚、ここでの電流から代表値への換算はプロセッサ５１にて自動で行われる。

本構成例の場合、メモリ６０では、各サブ電源３５について、基準時間における、連続発振方式およびパルス発振方式で定格出力達成時の供給電流値が保存され、それぞれプロセッサ５１からの呼び出しに対して、電流値がN個になる。それ以外のレーザ発振部２０、パワーセンサ４０等は、図１及び図３の構成例と同じである。

例として、励起光源１０にAlGaAsレーザダイオードを500個並べたレーザダイオードアレイを３個用いた場合の動作について説明する。本構成例におけるレーザ発振器３００の動作は、レーザ発振器１００と同様、図２の動作フローチャートで示される。ただし、判定に使用する電流値が、各サブ電源３５からサブ光源１５に供給される電流値より求められた代表値である点で異なっている。

レーザ発振器の電源が投入され（ステップ２０１）、サブ電源１５より、励起光源１０の各サブ光源１５に電流が供給される（ステップ２０３）。レーザ発振部２０のレーザ結晶より出射されたレーザ光の一部がパワーセンサ４０に誘導されて、レーザ光出力が測定される（ステップ２０５）。測定値をもとに、レーザ光出力の調整（ステップ２０６、２０７）が行われる。その後、電流値が安定したか否かの判定を行い（ステップ２０８）、安定したと判定された場合に、プロセッサ５１は、メモリ６０から、基準時間に記録した連続発振方式およびパルス発振方式で定格出力達成時の供給電流値を取得し（ステップ２０９）、それぞれ代表値に換算する。尚、本発明に係る実施例として、パルス発振方式のデューティーは80%で行った。このデューティーは95%以下であることが好ましい。

ここで、各レーザダイオードアレイの使用開始当初（基準時間）において、本発明に係るレーザ発振器３００の定格出力達成時における上記レーザダイオードアレイへの供給電流の連続発振方式における代表値Ｉ_Cinitを30.0A、パルス発振方式における代表値Ｉ_Pinitを28.0Aとする。

プロセッサ５１は、定格出力発振時の電流値が安定したことを検出後、連続発振方式におけるレーザダイオードアレイへの供給電流の代表値Ｉ_P又はパルス発振方式におけるレーザダイオードアレイへの供給電流の代表値Ｉ_Cの何れかが、許容限界値を超えた場合、レーザ発振器３００の定格出力達成時における、連続発振方式および、パルス発振方式での供給電流をそれぞれのサブ電源３５より受信する（ステップ２１１）。

ここでプロセッサ５１にて各電流から代表値（Ｉ_C,Ｉ_P）への換算が自動で行われる。今、代表値（Ｉ_C,Ｉ_P）が、それぞれ34.0Aと28.5Aであったする。

プロセッサ５１はΔＩ＝（Ｉ_C−Ｉ_P）を算出し、ΔＩ_init＋ΔＩ_thdとの大小比較をする。ここではΔＩ_thd＝3.0Aとした（ステップ２１３）。
このとき、ΔＩ＝（Ｉ_C−Ｉ_P）＝（34.0−28.5）＝5.5Aであり、一方、ΔＩ_init＝（30.0−28.0）＝2.0A、ΔＩ_thd＝3.0Aより、ΔＩ_init＋ΔＩ_thd＝5.0Aとなるので、
（Ｉ_C−Ｉ_P）＞ΔＩ_init＋ΔＩ_thd
であり、出力低下原因がレーザ発振部２０の光学部品にあると特定できる。

以上述べてきたように、本発明によると、レーザ発振器から部品を取り外して調査することなく、レーザ光をパワーセンサで測定すること、及び電源が励起光源に供給する電流値をモニタすることにより、レーザ出力低下原因を特定することが可能であり、励起光源に複数のレーザダイオードを用いたとしても部品点数が増大することなく、簡便な構成でレーザ出力低下原因を特定することが可能である。

本発明の実施態様に係る、レーザ発振器の概略構成図である。 本発明の実施態様に係る、励起光源又は光学部品の劣化判定のフローチャートを示す図である。 本発明の別の実施態様に係る、レーザ発振器の概略構成図である。 本発明の別の実施態様に係る、レーザ発振器の概略構成図である。

符号の説明

５ 操作部
１０ 励起光源
１５ サブ光源
２０ レーザ発振部
３０ 電源
３５ サブ電源
４０、４５ パワーセンサ
５０、５１ プロセッサ
５５ サブプロセッサ
６０ メモリ
７０ 表示手段
８０ ビームシャッタ
９０ チラー
１００、２００、３００ レーザ発振器

Claims (13)

1. レーザ発振器であって、
   励起光源と、
   前記励起光源に電流を供給する電源と、
   複数の光学部品で構成され、前記励起光源から照射された励起光によってレーザ光を出力するレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部により生じたレーザ光を受光し、前記レーザ光の強度に対応した信号を出力するパワーセンサと、
   プロセッサであって、前記レーザ発振器の連続発振時において、前記レーザ光の強度が予め定められた第１の強度である場合に前記電源から前記励起光源に供給される第１の電流値、及び前記レーザ発振器のパルス発振時において、前記レーザ光の強度が予め定められた第２の強度である場合に前記電源から前記励起光源に供給される第２の電流値の何れかが所定の基準値よりも大きく、且つ前記第１の電流値と前記第２の電流値の差が所定の閾値よりも小さい場合、前記励起光源が劣化していると判定するプロセッサと、
   を有することを特徴とするレーザ発振器。
2. 前記プロセッサは、前記第１の電流値又は前記第２の電流値が前記所定の基準値よりも大きい場合で、且つ前記第１の電流値と前記第２の電流値との差が前記閾値よりも大きい場合、前記複数の光学部品の何れかが劣化していると判定する、請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記第１の強度は、前記レーザ発振器の連続発振における定格出力であり、前記第２の強度は、前記レーザ発振器のパルス発振における定格出力である、請求項１又は２に記載のレーザ発振器。
4. 前記第１又は第２の電流値が前記所定の基準値よりも大きい場合に警告を表示する警告手段をさらに有する、請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ発振器。
5. 前記警告手段は、前記第１の電流値と第２の電流値の差が前記閾値よりも大きい場合と小さい場合で異なる警告を表示する、請求項４に記載のレーザ発振器。
6. 前記警告手段は、前記第１の電流値と第２の電流値の差が前記閾値よりも小さい場合、前記励起光源に関する警告を表示する、請求項４又は５に記載のレーザ発振器。
7. 前記警告手段は、前記第１の電流値と第２の電流値の差が前記閾値よりも大きい場合、前記複数の光学部品に関する警告を表示する、請求項４又は５に記載のレーザ発振器。
8. 前記励起光源は、複数のサブ光源を有し、
   前記電源は、前記複数のサブ光源の各々に電流を供給する複数のサブ電源を有し、
   且つ前記第１の電流値及び第２の電流値は、前記複数のサブ電源の何れかが供給する電流値である、請求項１〜７の何れか一項に記載のレーザ発振器。
9. 前記励起光源は、複数のサブ光源を有し、
   前記電源は、前記複数のサブ光源の各々に電流を供給する複数のサブ電源を有し、
   且つ前記第１の電流値及び第２の電流値は、それぞれ前記複数のサブ電源から供給される電流値の平均値である、請求項１〜７の何れか一項に記載のレーザ発振器。
10. 励起光源と、前記励起光源に電流を供給する電源と、複数の光学部品で構成され、前記励起光源から照射された励起光によってレーザ光を出力するレーザ発振部と、前記レーザ発振部により生じたレーザ光を受光し、前記レーザ光の強度に対応した信号を出力するパワーセンサとを有するレーザ発振器の劣化部品判定方法であって、
    前記レーザ発振器が連続発振により生じたレーザ光の強度を予め定められた第１の強度に調整するステップと、
    前記レーザ光の強度が前記第１の所定の出力に調整された場合に、前記電源が前記励起光源に供給する第１の電流値を測定するステップと、
    前記レーザ発振器がパルス発振により生じたレーザ光の強度を予め定められた第２の強度に調整するステップと、
    前記レーザ光の強度が前記第２の強度に調整された場合に、前記電源が前記励起光源に供給する第２の電流値を測定するステップと、
    前記第１の電流値又は第２の電流値が、所定の基準値よりも大きいか否かを判定する第１の判定ステップと、
    前記第１の判定ステップで、前記第１の電流値又は第２の電流値が所定の基準値よりも大きいと判定された場合に、前記第１の電流値と第２の電流値の差が、所定の閾値よりも大きいか否かを判定する第２の判定ステップを有し、
    前記第２の判定ステップで、前記差が所定の閾値よりも小さいと判定された場合、前記励起光源が劣化していると判定することを特徴とする劣化部品判定方法。
11. 前記第２の判定ステップで、前記差が所定の閾値よりも大きいと判定された場合、前記複数の光学部品の何れかが劣化していると判定する、請求項１０に記載の劣化部品判定方法。
12. 励起光源と、前記励起光源に電流を供給する電源と、複数の光学部品から構成され、前記励起光源から照射された励起光によってレーザ光を出力するレーザ発振部と、前記レーザ発振部により生じたレーザ光を受光し、前記レーザ光の強度に対応した信号を出力するパワーセンサとを有するレーザ発振器の劣化部品の判定をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、コンピュータが、
    前記レーザ発振器が連続発振により生じたレーザ光の強度を予め定められた第１の強度に調整するステップと、
    前記レーザ光の強度が前記第１の強度に調整された場合に、前記電源が前記励起光源に供給する第１の電流値を測定するステップと、
    前記レーザ発振器がパルス発振により生じたレーザ光の強度を予め定められた第２の強度に調整するステップと、
    前記レーザ光の強度が前記第２の強度に調整された場合に、前記電源が前記励起光源に供給する第２の電流値を測定するステップと、
    前記第１の電流値又は第２の電流値が、所定の基準値よりも大きいか否かを判定する第１の判定ステップと、
    第１の判定ステップで、前記第１の電流値又は第２の電流値が所定の基準値よりも大きいと判定された場合に、前記第１の電流値と第２の電流値の差が、所定の閾値よりも大きいか否かを判定する第２の判定ステップを実行し、
    前記第２の判定ステップで、前記差が所定の閾値よりも小さいと判定した場合、前記励起光源が劣化していると判定することを特徴とするプログラム。
13. 前記第２の判定ステップで、前記差が所定の閾値よりも大きいと判定された場合、前記複数の光学部品の何れかが劣化していると判定する、請求項１２に記載のプログラム。

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