JP5754456B2 - Laser light source device - Google Patents
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Description
本発明は、非線形光学結晶を用いた波長変換型のレーザ光源装置に関する。更に詳細には、非線形光学結晶を用いた波長変換型のレーザ光源において、該非線形光学結晶の変換効率が最大となるように温度制御する手段を持つレーザ光源装置に関するものである。 The present invention relates to a wavelength conversion type laser light source device using a nonlinear optical crystal. More specifically, the present invention relates to a laser light source device having a means for controlling temperature so that the conversion efficiency of the nonlinear optical crystal is maximized in a wavelength conversion type laser light source using the nonlinear optical crystal.
映画やホームシアター用等に利用される投射型プロジェクタの光源としてレーザ光を用いた装置の開発が進められている。これらの光源となるレーザ光源には、半導体レーザ素子から直接放射される光を用いる場合と、該半導体レーザ素子から放射された光を非線形光学結晶により他の波長に変換して用いる場合とが知られている。
最近では、青色や緑色のレーザ光源として該非線形光学結晶に、周期的分極反転型ニオブ酸リチウム(PPLN:Periodically Poled Lithium Niobate)や周期分極反転型タンタル酸リチウム(PPLT:Periodically Poled Lithium Tantalate)等を用いたレーザ光源が開発されている。
Development of an apparatus using a laser beam as a light source of a projection type projector used for movies, home theaters, and the like is underway. These laser light sources are known to use light emitted directly from a semiconductor laser element and to convert light emitted from the semiconductor laser element into another wavelength using a nonlinear optical crystal. It has been.
Recently, as a blue or green laser light source, a periodically poled lithium niobate (PPLN) or a periodically poled lithium tantalate (PPLT) or the like is applied to the nonlinear optical crystal. The laser light source used has been developed.
このような技術としては、例えば特許文献1に記載のものが知られている。該公報によれば、半導体レーザからなる光源と、該光源から放射されたレーザ光を入射し第2高調波に変換する波長変換素子(非線形光学結晶として、例えばPPLNを用いた場合)と、該波長変換素子から放出された所定の波長の光を選択して前記光源に向かって反射させる外部共振器(例えば体積ブラッググレーティング:VBG:VolumeBragg Grating)とを具備したレーザ光源装置が記載されている。
また、該波長変換素子を取り付けるサブベースとの間には温度調節ユニットが設けられていることが記載されている。更に、該温度調節ユニットを用いて該波長変換素子の温度を調節することにより、波長変換素子の分極反転周期のピッチを調整することができるため、光の変換効率を向上させることが可能となることが記載されている。
As such a technique, for example, one described in
Further, it is described that a temperature adjustment unit is provided between the sub-base to which the wavelength conversion element is attached. Furthermore, by adjusting the temperature of the wavelength conversion element using the temperature adjustment unit, the pitch of the polarization inversion period of the wavelength conversion element can be adjusted, so that the light conversion efficiency can be improved. It is described.
図11はレーザ光源装置の概略構成を示すブロック図である。
レーザ光源ユニットLH上に実装された波長変換素子(例えばPPLN)5は、レーザ光源素子(例えば半導体レーザ、以下半導体レーザとして説明する)2から放出される光の波長を入射光よりも短波長化する波長変換を行う機能を有しており、例えば、赤外線を緑色の光に変換することができる。
点灯回路20は、給電回路U1と、パルス状の電力を供給するパルス回路U2から構成され、半導体レーザ2を点灯させるための電圧・電流を供給する。
この波長変換素子5は、所定の温度まで上昇させることで擬似位相整合され光変換の効率を上昇させる特徴を持ち、非常に精度の良い温度制御が必要となる。そのため、波長変換素子5を加熱するための加熱手段7(以下、ヒータ7として説明する)を備え、ヒータ7の温度を検出する温度検出手段Th1、例えばサーミスタを配置している。
FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of the laser light source device.
The wavelength conversion element (for example, PPLN) 5 mounted on the laser light source unit LH shortens the wavelength of light emitted from the laser light source element (for example, a semiconductor laser, which will be described below as a semiconductor laser) 2 as compared with the incident light. For example, infrared light can be converted into green light.
The
This
また、制御部21は、制御手段21aと温度制御手段21bとドライブ回路U3から構成され、ヒータ7を駆動するドライブ回路U3は、上記温度制御手段21bにより駆動される。
上記給電回路U1は、制御部21の制御手段21aによって半導体レーザ2に印加する電圧や流す電流が、予め設定された値、あるいは外部から設定された値になるように制御される。また、その給電の開始、停止などの制御がなされる。上記制御部21の制御手段21aと温度制御手段21bは、例えば演算処理装置(CPUあるいはマイクロプロセッサ)で構成される。
また、パルス回路U2は制御部21によって制御される。制御部21は、パルス回路U2のスイッチング素子をオン・オフし、半導体レーザ2を駆動するパルス出力を発生する。
制御部21に設けられた温度制御手段21bは温度検出手段Th1により検出された温度と、目標温度である設定温度との差に基づき上記ヒータ7への給電量を制御し、波長変換素子の温度が上記設定温度になるようにフィードバック制御する。
なお、波長変換素子5(例えばPPLN)は、該波長変換素子の温度によってレーザ光の変換効率が変化し、光変換効率を最大とすることができる最適な温度が存在する。
このため上記温度制御手段21bは、温度検出手段Th1により検出された波長変換素子5の温度が、上記光変換効率が最大となる温度となるように、ヒータ7を制御してその温度を制御するのが一般的である。
The
The power feeding circuit U1 is controlled by the control means 21a of the
The pulse circuit U2 is controlled by the
The
The wavelength conversion element 5 (for example, PPLN) has an optimum temperature at which the conversion efficiency of the laser light changes depending on the temperature of the wavelength conversion element, and the light conversion efficiency can be maximized.
For this reason, the temperature control means 21b controls the heater 7 by controlling the heater 7 so that the temperature of the
上述したように、波長変換素子5(例えばPPLN)を用いたレーザ光源装置では、該PPLNの温度によってレーザ光の変換効率が変化することから、波長変換素子5の温度をモニタしながらヒータ回路等により最適な温度を設定しなければならない。
図12は、波長変換素子の設定温度と、波長変換素子に加わる熱量との関係を示す図である。同図の横軸は、波長変換素子の温度をフィードバック制御している際の設定温度を示し、線Aはレーザ光源からの輻射熱による波長変換素子の加熱量(IR輻射熱量ともいう)、線Bはヒータ7による加熱量(ヒータ7への給電量)、線Cはこれらの合計である総熱量を示す。
なお、同図(a)は後述する高温ハングアップ状態になっていない場合を示し、(b)は高温ハングアップ状態になった場合を示す。
As described above, in the laser light source device using the wavelength conversion element 5 (for example, PPLN), the conversion efficiency of the laser light changes depending on the temperature of the PPLN. The optimal temperature must be set.
FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between the set temperature of the wavelength conversion element and the amount of heat applied to the wavelength conversion element. The horizontal axis of the figure shows the set temperature when the temperature of the wavelength conversion element is feedback controlled, and the line A is the heating amount of the wavelength conversion element (also referred to as IR radiant heat amount) by the radiant heat from the laser light source, and the line B Indicates the amount of heating by the heater 7 (the amount of power supplied to the heater 7), and the line C indicates the total amount of heat that is the sum of these.
FIG. 4A shows a case where a high-temperature hang-up state is not described, and FIG. 5B shows a case where a high-temperature hang-up state is entered.
図12(a)に示すように、波長変換素子の設定温度を上昇していくと、ヒータの給電量がある温度Tcで最大となる現象が生ずる。
一般的に波長変換素子5の温度を上昇させる場合は、単純にヒータへの給電量が増加すれば、波長変換素子の温度は上昇していくはずである。しかし、実際には図12(a)に示すように、ヒータ7への給電量は、ある設定温度で極大となる。
この給電量が極大となる波長変換素子の設定温度は、レーザ光源の光出力が最大となる(すなわち波長変換素子の変換効率が最も高い)設定温度と一致する。
As shown in FIG. 12A, when the set temperature of the wavelength conversion element is increased, a phenomenon occurs in which the heater power supply amount becomes maximum at a certain temperature Tc.
In general, when the temperature of the
The set temperature of the wavelength conversion element that maximizes the amount of power supply coincides with the set temperature at which the light output of the laser light source is maximized (that is, the conversion efficiency of the wavelength conversion element is the highest).
この現象は、以下のように説明することができる。
ヒータ7への給電量が最大となる温度(Tc)周辺では、半導体レーザ2から出力される赤外線の大半が可視光に変換されているが、赤外線が可視光に変換される割合が低い温度領域では、そのほとんどが赤外線のまま閉じ込められ、波長変換素子5を加熱する、いわゆる、輻射熱による加熱(前記IR輻射による加熱)に使われる。
前述したように、図11に示したレーザ光源装置では、設定した目標温度に制御するために波長変換素子5の温度をフィードバック制御しているため、この赤外線の外乱の増減に依存してヒータ7への給電量も増減制御される。したがって波長変換素子5が輻射熱を多く受ける領域ではヒータ7への給電量は少なくても充分設定した温度となる。逆に可視光への変換効率が高いポイント(温度Tc付近)では、上記輻射熱が低減しているので、ヒータ7への給電量を増加するように温度制御手段21bが制御する。このため、給電量の最も高い点が波長変換素子の変換効率が最も高い温度領域となるものと考えられる。
This phenomenon can be explained as follows.
In the vicinity of the temperature (Tc) at which the amount of power supplied to the heater 7 is maximized, most of the infrared light output from the
As described above, in the laser light source device shown in FIG. 11, the temperature of the
ところで、一般的にプロジェクタ光源では、使用環境や点灯条件によって光量の調整が必要となる。例えば、晴れた日の野外で映像を投射する場合と、映画館等の屋内を暗くして投射する場合では、必要となる光量は異なる。また、プロジェクタを省電力モードで点灯する場合と、通常電力で点灯する場合とでは、光源に投入される電力が大きく異なる。このように、光源となるレーザ光源装置に対して、レーザ点灯電流の増減制御が必要となる。
しかし、レーザ光量増加指令に従いレーザ点灯電流を増加させると、以下に説明するように、波長変換素子5温度が波長変換最適温度より高温で保持されてしまう高温ハングアップ状態となり、所望の変換光出力が得られず光量が大幅に減少する場合があることが分かった。
By the way, in general, in a projector light source, the amount of light needs to be adjusted depending on the use environment and lighting conditions. For example, the amount of light required differs between when projecting images outdoors on a sunny day and when projecting indoors such as in a movie theater dark. Further, the power supplied to the light source differs greatly between when the projector is lit in the power saving mode and when the projector is lit with normal power. As described above, increase / decrease control of the laser lighting current is required for the laser light source device as the light source.
However, when the laser lighting current is increased in accordance with the laser light quantity increase command, the
以下、上記高温ハングアップについて説明する。
前記したレーザ光源装置において、レーザ光量増加指令に従いレーザ点灯電流を増加させると、レーザ光による波長変換素子5の加熱量も増加する。このため波長変換素子5の温度が一時的に上昇する。
レーザ光による波長変換素子5の加熱量が増加すると、図12に示すIR輻射熱量A、総熱量Cが増加する。このため、温度制御手段21bは、ヒータ7への給電量を減少させるように制御するが、ヒータ回路への出力を遮断しても波長変換素子5の温度が下がらなくなると、図12(b)に示すように、波長変換素子5の温度を制御できなくなる。この結果、波長変換素子5の温度が上昇し、波長変換素子5の温度は、図12(b)に示す高温ハングアップ状態の領域に入り、高温ハングアップ2の状態になる。
すなわち、図12(b)において、波長変換素子の温度を上昇させていくと、高温ハングアップ1の温度で基本波光による波長変換素子5の加熱量が温度維持に必用なエネルギーよりも大きくなる。その場合ヒータ7への給電を停止しても波長変換素子5の温度は上がり続け、高温ハングアップ2の温度まで上昇して停止する。この高温ハングアップに陥ると、ヒータ7への給電を停止しても波長変換素子の温度を下げることができない。
Hereinafter, the high-temperature hang-up will be described.
In the laser light source device described above, when the laser lighting current is increased according to the laser light quantity increase command, the heating amount of the
When the heating amount of the
That is, in FIG. 12B, when the temperature of the wavelength conversion element is raised, the heating amount of the
図13のタイムチャートにより、レーザ光量を増加させる指令(調光指令)があったときの動作を説明する。図13において、(a)は調光トリガ(レーザ電流の増加指令)のタイミング、(b)はレーザ電流の変化、(c)はヒータへの給電量、(d)は波長変換素子の温度を示す。
図13(a)に示すように、レーザ光量を増加させる指令(調光指令)があると、同図(b)に示すように図11に示す給電回路U1は直ちにレーザ電流を増加させ、レーザ電流のレベルはIL1からIL2(増加量A)になる。これにより、同図(d)に示すようにすなわち波長変換素子5の温度は上昇する。
The operation when there is a command to increase the laser light quantity (light control command) will be described with reference to the time chart of FIG. In FIG. 13, (a) is the timing of the dimming trigger (laser current increase command), (b) is the change in laser current, (c) is the amount of power supplied to the heater, and (d) is the temperature of the wavelength conversion element. Show.
As shown in FIG. 13 (a), when there is a command to increase the amount of laser light (dimming command), the feed circuit U1 shown in FIG. 11 immediately increases the laser current as shown in FIG. The current level changes from IL1 to IL2 (increase A). As a result, the temperature of the
ここで、上記レーザ光量を増加させる指令によるレーザ電流の増加量が小さい等の理由により波長変換素子5の温度があまり増加せず、波長変換素子の温度が同図(d)の破線に示すように上昇する場合は、高温ハングアップ状態にはならない。すなわち、ドライブ回路U3からのヒータ7への給電量は、同図(c)に示すように、一旦低下するが、その後、波長変換素子5の温度が最大変換効率となる温度(前記図13における給電量が最大となる温度(Tc))になることにより、同図の破線で示すように、ヒータ給電量は0レベルより大きな値で推移する。これは、前記図12(a)の制御可能状態である。
Here, the temperature of the
一方、上記レーザ光量を増加させる指令によるレーザ電流の増加量が大きく、波長変換素子5の温度が大きく増加し、波長変換素子の温度が同図(d)の実線に示すように増加すると、波長変換素子の温度を維持するために必用な熱量よりも基本波光による加熱量が大きくなってしまう。このため、ヒータ等の加熱手段への給電量の増減では波長変換素子の温度を制御できなくなる。
すなわち、高温ハングアップ1の温度で基本波光による波長変換素子5の加熱量が温度維持に必用なエネルギーよりも大きくなり、ヒータ7への給電を停止しても波長変換素子5の温度は上がり続け、高温ハングアップ2の温度まで上昇して停止する。
波長変換素子の温度は温度制御手段21bにより制御されているので、上記高温ハングアップ状態になると、ヒータ7への給電量は同図(c)に示すように0レベルとなる。すなわち、この状態になると、ヒータへの給電を停止しても波長変換素子5の温度を下げることができなくなる。
On the other hand, when the increase amount of the laser current due to the command to increase the amount of laser light is large, the temperature of the
That is, the heating amount of the
Since the temperature of the wavelength conversion element is controlled by the temperature control means 21b, when the high temperature hang-up state is established, the amount of power supplied to the heater 7 becomes 0 level as shown in FIG. That is, in this state, the temperature of the
以上のように、レーザ光量増加指令に従いレーザ点灯電流を増加させると、レーザ光による波長変換素子5の加熱量も増加し、波長変換素子5の温度が最適な温度に下がらなくなり制御ができなくなる(高温ハングアップ状態になる)場合がある。
この高温ハングアップ状態では、波長変換素子5の温度が波長変換効率が最大となる温度より高温で保持されてしまい、所望の変換光出力が得られず光量が大幅に減少し、レーザ光量増加指令前より却って光量が減少した状態が維持されてしまう。
As described above, when the laser lighting current is increased in accordance with the laser light quantity increase command, the amount of heating of the
In this high-temperature hang-up state, the temperature of the
本発明は上記問題点を解決するものであって、本発明の課題は、高温ハングアップ状態となり、波長変換素子の温度制御が制御不能に陥った場合であっても、早急に制御可能状態に回復させ、高い光出力を回復させることができるレーザ光源装置を提供することである。 The present invention solves the above-mentioned problems, and the problem of the present invention is that a high-temperature hang-up state occurs, and even when the temperature control of the wavelength conversion element becomes uncontrollable, the controllable state is quickly brought about. It is to provide a laser light source device capable of recovering and recovering a high light output.
前記したように、温度によって変換効率が変化し、光変換効率を最大とする最適な温度が存在する波長変換素子を用いて波長変換を行うレーザ光源装置において、波長変換素子の温度制御を、ペルチェ素子のような冷却も行える手段を用いずにヒータ等の加熱手段で行い、かつ基本波光をパッケージ外に漏らさない構造であって波長変換されない基本波光の一部が波長変換素子の加熱に寄与するレーザ光源装置においては、高温ハングアップ状態となることがある。
この高温ハングアップ状態とは、上記レーザ光源装置において、波長変換素子の変換効率が最大となる温度より高温領域において、その温度を維持するために必用な熱量よりも基本波光による加熱量(IR輻射熱量)が大きくなってしまうことにより、ヒータ等の加熱手段への給電量の増減で波長変換素子の温度を制御できなくなり、ヒータ等の加熱手段への給電を停止しても温度を下げることができなくなる状態である。
本発明は、上記高温ハングアップ状態になるのを抑止するため、レーザ光源装置に高温ハングアップ抑止手段を設ける。
上記高温ハングアップ抑止手段は、ヒータ回路への給電を一旦停止(あるいは給電量を低下)し、レーザ光量増加指令から一定期間後にレーザ光量を増加する。これにより、波長変換素子の過昇温の抑制が可能となり、結果として、高温ハングアップを防止し、安定した波長変換素子の温度制御が可能なレーザ光源装置を提供することができる。すなわち、本発明においては、以下のようにして前記課題を解決する。
As described above, in a laser light source device that performs wavelength conversion using a wavelength conversion element in which the conversion efficiency varies with temperature and an optimum temperature that maximizes the light conversion efficiency exists, the temperature control of the wavelength conversion element is performed in the Peltier mode. A part of the fundamental wave light that is not wavelength-converted and has a structure that does not leak the fundamental wave light out of the package without using a device that can also cool the element, such as a heater, contributes to the heating of the wavelength conversion element. In a laser light source device, a high temperature hang-up state may occur.
This high-temperature hang-up state means that the amount of heating by the fundamental wave light (IR radiation heat) is higher than the amount of heat necessary to maintain the temperature in the laser light source device at a temperature higher than the temperature at which the conversion efficiency of the wavelength conversion element is maximum. The temperature of the wavelength conversion element cannot be controlled by increasing or decreasing the amount of power supplied to the heating means such as a heater, and the temperature can be lowered even if power supply to the heating means such as a heater is stopped. It is in a state where it cannot be done.
In the present invention, in order to suppress the high temperature hang-up state, the laser light source device is provided with high-temperature hang-up suppression means.
The high temperature hang-up suppression means temporarily stops power supply to the heater circuit (or decreases the power supply amount), and increases the laser light amount after a certain period from the laser light amount increase command. As a result, it is possible to suppress an excessive increase in temperature of the wavelength conversion element, and as a result, it is possible to provide a laser light source device that prevents high-temperature hang-up and can stably control the temperature of the wavelength conversion element. That is, in the present invention, the above-described problem is solved as follows.
(1)半導体レーザと、該レーザから放射されたレーザ光を波長変換する波長変換素子と、該波長変換素子を加熱するためのヒータと、該半導体レーザに給電するための給電回路と、該ヒータに給電するためのヒータ給電回路と、上記波長変換素子の温度を検出し上記ヒータへの給電量を制御して該波長変換素子の温度を所望の温度に制御する温度制御手段を備え、上記半導体レーザに給電するための給電回路と上記ヒータ給電回路とを制御する制御手段とを有するレーザ光源装置において、上記制御手段に、上記波長変換素子の変換効率が最大となる温度より高温領域において上記ヒータへの給電量を低減させても波長変換素子の温度を制御できなくなる高温ハングアップ状態が生じるのを抑止するための高温ハングアップ抑止手段を設ける。
上記高温ハングアップ抑止手段は、上記半導体レーザへの給電量の増加指令に対して、該増加指令から第1の期間T2が経過するまで、上記ヒータへの給電を停止もしくは給電量を所定の値まで低減させ、該増加指令から第2の期間T1(T1<T2)が経過し、レーザへの給電量を増加させても上記高温ハングアップ状態にならない温度までヒータの温度を低下させた後に、上記半導体レーザへの給電量を増加させる。
(2)上記(1)において、高温ハングアップ抑止手段は、上記増加指令における半導体レーザへの給電量の増加量に応じて、上記第1の期間T2の長さを変化させる。
(3)上記(1)(2)において、上記高温ハングアップ抑止手段は、上記増加指令における半導体レーザへの給電量の増加量に応じて、上記第2の期間T1の長さを変化させる。
(4)上記(1)(2)(3)において、波長変換素子として周期的分極反転型ニオブ酸リチウムを用いる。
(1) A semiconductor laser, a wavelength conversion element that converts the wavelength of laser light emitted from the laser, a heater for heating the wavelength conversion element, a power supply circuit for supplying power to the semiconductor laser, and the heater And a temperature control means for detecting the temperature of the wavelength conversion element and controlling the amount of power supplied to the heater to control the temperature of the wavelength conversion element to a desired temperature. In a laser light source device having a power supply circuit for supplying power to a laser and a control means for controlling the heater power supply circuit, the control means is provided with the heater in a temperature region higher than a temperature at which the conversion efficiency of the wavelength conversion element is maximized. provided hot hang suppression means for suppressing the hot hung state can not be controlled results in a temperature of the wavelength conversion element also reduces the power supply amount to .
The high temperature hang-up suppression means stops the power supply to the heater or sets the power supply amount to a predetermined value until the first period T2 elapses from the increase command in response to the power supply amount increase command to the semiconductor laser. After the second period T1 (T1 <T2) has elapsed from the increase command, and the temperature of the heater is lowered to a temperature at which the high-temperature hang-up state does not occur even when the power supply amount to the laser is increased , The amount of power supplied to the semiconductor laser is increased.
(2) In the above (1), the high temperature hang-up suppressing means changes the length of the first period T2 in accordance with the amount of increase in the amount of power supplied to the semiconductor laser in the increase command.
(3) In the above (1) and (2), the high-temperature hang-up suppressing means changes the length of the second period T1 in accordance with the amount of increase in the amount of power supplied to the semiconductor laser in the increase command.
(4) In the above (1), (2) and (3), a periodically poled lithium niobate is used as the wavelength conversion element.
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
(1)レーザ光量増加(点灯電流増加)によって、波長変換素子に入射される基本波光が増加するが、半導体レーザへの給電量の増加指令に対して、該増加指令から第1の期間T2が経過するまで、上記ヒータへの給電を停止もしくは給電量を所定の値まで低減させ、該増加指令から第2の期間T1が経過した後に、上記半導体レーザへの給電量を増加させるようにしたので、レーザ光量増加による基本波光の増加により波長変換素子が所望の温度より高温になってしまうことを抑制することができる。このため、波長変換素子の変換効率が最大となる温度より高温域で加熱を止めても温度が下がらない制御不能状態(高温ハングアップ状態)を防止することができる。
(2)レーザ光量増加指令による半導体レーザへの給電量の増加量に応じて、上記第1の期間T2の長さを変化させたり、上記第2の期間T1の長さを変化させるようにすれば、
レーザ光量増加量が小さいときには、ヒータ温度が制御されない時間を短くしたり、レーザ光量増加指令からレーザ光量が増加するまでの遅れ時間を短くすることができる。
In the present invention, the following effects can be obtained.
(1) Although the fundamental light incident on the wavelength conversion element increases due to the increase in the laser light amount (increase in the lighting current), the first period T2 from the increase command to the increase command for the power supply amount to the semiconductor laser increases. The power supply to the heater is stopped or the power supply amount is reduced to a predetermined value until a lapse of time, and the power supply amount to the semiconductor laser is increased after the second period T1 has elapsed from the increase command. It is possible to suppress the wavelength conversion element from becoming higher than the desired temperature due to an increase in the fundamental wave light due to an increase in the amount of laser light. For this reason, it is possible to prevent an uncontrollable state (high temperature hang-up state) in which the temperature does not decrease even when heating is stopped in a temperature range higher than the temperature at which the conversion efficiency of the wavelength conversion element is maximized.
(2) The length of the first period T2 is changed or the length of the second period T1 is changed in accordance with the amount of increase in the amount of power supplied to the semiconductor laser by the laser light quantity increase command. If
When the laser light amount increase amount is small, the time during which the heater temperature is not controlled can be shortened, or the delay time from the laser light amount increase command to the increase of the laser light amount can be shortened.
図1は本発明の実施例のレーザ光源装置の構成を示す図である。
図1に示すようにレーザ光源装置は、レーザ光源ユニットLHと、半導体レーザを点灯させるための点灯回路20と制御部21とを有する。
レーザ光源ユニットLHにおいて、熱伝導性の高い材質、例えば銅(Cu)で形成されるベースプレート(ヒートシンク)となる基板1には、レーザ光の漏れを防ぎ、また内部に収納された部材を外気や埃から遮断するとともに断熱する遮断容器(例えばアルミニウム製)3が取り付けられている。
遮断容器3内の上記基板1上には、基本波光として赤外光を放射する半導体レーザ2が設けられている。半導体レーザ2は例えば、1064nmを放射する外部共振器型面発光レーザアレイである。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser light source apparatus according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the laser light source device includes a laser light source unit LH, a
In the laser light source unit LH, the
A
該半導体レーザ2に対向する位置には、上記基本波光の特定の狭帯波長域の光を高い反射率(例えば99.5%)で反射する基本波光反射素子4(例えば、前記VBG)が配置され、上記半導体レーザ2に対し外部共振器を構成する。なお、基本波光反射素子4は、変換光は透過させる。
また、半導体レーザ2と基本波光反射素子4との間には、基本波光の波長の内の一部の光(位相整合した波長の光、位相整合温度は例えば80C°〜100C°)を変換して波長変換光(第二次高調波:SHG)とする波長変換素子(例えば前記PPLN)5が配置される。該波長変換素子5は、上記半導体レーザ2が出力する基本波光である赤外光を可視光または紫外光に変換する。
波長変換素子5には、伝熱板6が熱的に接触して配置され、伝熱板6上には、波長変換素子5を加熱する手段である加熱手段(例えばヒータ)7と、波長変換素子5の温度を検出する温度検出手段Th1(例えばサーミスタ)とが設けられる。
上記半導体レーザ2、波長変換素子5、基本波反射素子4により、外部共振器型垂直面発光レーザを構成しており、ここでは、上記半導体レーザ2、波長変換素子5、基本波反射素子4から構成される部分を光源部12と呼ぶ。
A fundamental wave light reflecting element 4 (for example, the VBG) that reflects light in a specific narrow band wavelength region of the fundamental wave light with a high reflectance (for example, 99.5%) is disposed at a position facing the
Further, between the
A
The
上記遮断容器3の基板1に対向する面には、ダイクロイック出力ミラー10が設けられ、前記基本波光反射素子4を透過して出力される波長変換光は、該ダイクロイック出力ミラー10から出射する。
ダイクロイック出力ミラー10は、前記基本波光反射素子4で反射されずに透過した基本波光を透過させずに反射する。ダイクロイック出力ミラー10で反射した基本波光は、ビームダンプ11(例えば黒アルマイト処理アルミプレート)に入射し吸収される。ビームダンプ11は上記遮断容器3と熱的に接触している。
また、半導体レーザ2と上記波長変換素子5との間には、基本波光を透過し、波長変換光を反射させて、横方向に取り出すダイクロイックミラー8が設けられ、該ダイクロイックミラー8により反射された波長変換光は、反射ミラー9で、前記基本波光反射素子4を透過した波長変換光と同じ方向に反射され、上記ダイクロイック出力ミラー10を透過して出射する。
すなわち、本発明が対象とするレーザ光源装置の光源部12は、半導体レーザ2から放射された基本波光を波長変換する波長変換素子5と、該波長変換素子5の出射側に配置され、該波長変換素子5から出射した光の内、基本波光の特定の狭帯波長域の光を高い反射率で反射する上記半導体レーザ2に対し外部共振器を構成する基本波光反射素子4(例えば、VBG)を備えている。
なお、その他、各部材を保持する保持部材等が設けられているが、同図には図示していない。
A dichroic output mirror 10 is provided on the surface of the shut-off container 3 facing the
The dichroic output mirror 10 reflects the fundamental wave light that is transmitted without being reflected by the fundamental wave
Further, a
That is, the light source unit 12 of the laser light source device targeted by the present invention is disposed on the
In addition, although a holding member for holding each member is provided, it is not shown in the drawing.
図1において、半導体レーザ2から出射した基本波光は、同図の矢印に示すように、ダイクロイックミラー8を介して波長変換素子5に入射する。
波長変換素子5に入射した光の内の一部の光は波長変換され、この波長変換された光は基本波光反射素子4を透過し、ダイクロイック出力ミラー10を介して出射する。また、波長変換素子5で波長変換されなかった基本波光は、基本波光反射素子4で反射されて波長変換素子5に入射して、波長変換素子5で波長変換される。この波長変換された光はダイクロイックミラー8で反射して、反射ミラー9、ダイクロイック出力ミラー10を介して出射する。
また、波長変換素子5で波長変換されずにダイクロイックミラー8に入射する基本波光は、ダイクロイックミラー8を透過し半導体レーザ2に入射する。
一方、基本波光反射素子4で反射せずに該素子を透過した基本波光、及び、上記ダイクロイックミラー8を透過せずに反射し、反射ミラー9で反射した基本波光は、同図の矢印に示すようにダイクロイック出力ミラー10で反射して、ビームダンプ11に入射して吸収される。
In FIG. 1, the fundamental wave light emitted from the
A part of the light incident on the
Further, the fundamental wave light incident on the
On the other hand, the fundamental wave light that has not been reflected by the fundamental wave
上記波長変換素子5としては、周期的分極反転構造を持つニオブ酸リチウム(LiNbO3)、マグネシウムがドープされたニオブ酸リチウム(MgO:LiNbO3)、タンタルニオブ酸リチウム(LiTaNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、あるいはチタン酸リン酸カリウム(KTiOPO4)等を用いることができ、一般的には、周期的分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)、周期分極反転Mgドープニオブ酸リチウム(PPMgLN)、周期的分極反転タンタル酸リチウム(PPLT)、周期的分極反転チタン酸リン酸カリウム(PPKTP)と呼ばれる擬似位相整合型波長変換素子を用いることができる。
As the
本実施例の光源装置には図1に示すように、制御部21、点灯回路20が設けられる。
上記点灯回路20は上記半導体レーザ2にパルス状の電力を供給し、半導体レーザ2を点灯させる。上記制御部21は、上記点灯回路20を制御するなど、レーザ光源装置の動作を制御するとともに、波長変換素子5の温度を制御して、波長変換素子5が最適な波長変換効率となる温度になるように制御する。
すなわち、制御部21には温度検出手段Th1により検出された波長変換素子5の温度が入力され、制御部21は、波長変換素子の変換効率が最大となるときの波長変換素子の温度を、波長変換素子の最適設定温度とし、加熱手段7による加熱量を制御して波長変換素子5の温度が上記最適設定温度になるように、波長変換素子5の温度をフィードバック制御する。
As shown in FIG. 1, the light source device of the present embodiment is provided with a
The
That is, the temperature of the
図2は、本発明の実施例のレーザ光源装置における制御部および点灯回路の構成を示すブロック図である。
点灯回路20は、同図に示すよう、例えば降圧チョッパや昇圧チョッパに代表されるあるいはその他の方式のスイッチング回路などから構成される給電回路U1と、パルス状の電力を供給するパルス回路U2から構成され、半導体レーザ2の状態あるいは点灯シーケンスに応じて、適合する電圧・電流を半導体レーザ2に出力する。
レーザ種によっては、略数百kHzの矩形波状のパルス電圧をレーザに印加する方式がよく知られている。本実施例では、パルス回路U2が給電回路U1の出力段に配置され、所望の周波数にてパルスを生成して、前記半導体レーザ2に出力する。
なお、前記と異なるレーザ種によっては、その限りでなく、パルス回路U2を省き、前記給電回路U1からの出力電圧を直接的に上記半導体レーザ2に相当するレーザ光源に印加してもかまわない。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a control unit and a lighting circuit in the laser light source device according to the embodiment of the present invention.
As shown in the figure, the
Depending on the laser type, a method of applying a rectangular wave pulse voltage of approximately several hundred kHz to the laser is well known. In this embodiment, the pulse circuit U2 is arranged at the output stage of the power feeding circuit U1, generates a pulse at a desired frequency, and outputs the pulse to the
Depending on the laser type different from the above, the pulse circuit U2 may be omitted and the output voltage from the power supply circuit U1 may be directly applied to the laser light source corresponding to the
本実施例で示される半導体レーザ2は赤外線を発光するものであり、可視光に変換するために波長を変換する素子である波長変換素子5(例えばPPLN)を有している。
この波長変換素子5は、所定の温度まで上昇させることで、擬似位相整合され光変換の効率を上昇させる特徴を持ち、非常に精度の良い温度制御が必要となる。そのため、レーザ光源ユニットLHにおいても、波長変換素子5とそれを昇温するための加熱手段7(以下、ヒータ7として説明する)を備え、ヒータ7の温度(すなわち波長変換素子5の温度)を検出する素子温度検出手段Th1、例えばサーミスタを配置している。
The
This
また、制御部21は制御手段21aと温度制御手段21bとドライブ回路U3から構成され、温度制御手段21bの出力により、ヒータ7を駆動するドライブ回路U3が駆動される。
上記給電回路U1は、制御部21によって、半導体レーザ2に印加する電圧や流す電流が、予め設定された値、あるいは外部から設定された値になるように制御される。また、その給電の開始、停止などの制御がなされる。上記制御部21の制御手段21aと温度制御手段21bは、例えば、演算処理装置(CPUあるいはマイクロプロセッサ)で構成される。
また、パルス回路U2は制御部21の温度制御手段21bによって制御される。温度制御手段21bは、高い光出力効率を得るための最適なパルス周波数とデューティサイクル比を決定し、その値に従って、パルス回路U2のスイッチング素子をオン・オフし、半導体レーザ2を駆動するパルス出力を発生する。
The
The power supply circuit U1 is controlled by the
The pulse circuit U2 is controlled by the temperature control means 21b of the
制御部21の制御手段21aは、高温ハングアップ抑止手段21cを備え、高温ハングアップ抑止手段21cは、後述するように、レーザ光量を増加させる指令があると、上記波長変換素子5を加熱するヒータ7への給電を一旦停止し、一定期間後に、上記給電回路U1によりレーザ2への給電量を増加させ、レーザ光量を増加させる。これにより、波長変換素子の過昇温の抑制が可能となり、高温ハングアップを抑止することができる。
温度制御手段21bは素子温度検出手段Th1により検出された温度と、波長変換素子の変換効率が最大となる温度である設定温度との差に基づき上記ヒータ7への給電量を制御し、波長変換素子5の温度が上記設定温度になるように制御する。
すなわち、温度制御手段21bは、ドライブ回路U3を駆動してヒータ7への給電量を制御し、素子温度検出手段Th1により検出された波長変換素子5の温度が上記設定温度になるようにフィードバック制御する。
具体的には、温度制御手段21bは、ヒータ7への給電量を制御するための給電量を示す信号をドライブ回路U3へ送出し、ドライブ回路U3がヒータ7を駆動して、波長変換素子5の温度が上記設定温度になるようにフィードバック制御する。
ドライブ回路U3の出力形態は、電圧レベルを出力するものでもよく、PWM方式を用いて給電量を制御するものでも良い。
The control means 21a of the
The temperature control means 21b controls the amount of power supplied to the heater 7 based on the difference between the temperature detected by the element temperature detection means Th1 and the set temperature at which the conversion efficiency of the wavelength conversion element is maximized. Control is performed so that the temperature of the
That is, the
Specifically, the
The output form of the drive circuit U3 may be one that outputs a voltage level, or one that controls the amount of power supply using the PWM method.
図3は、本発明のレーザ光源装置における点灯回路20で使用することのできる前記給電回路U1の具体化された一構成例を示す図である。
降圧チョッパ回路を基本とした前記給電回路U1は、DC電源M1より電圧の供給を受けて動作し、前記半導体レーザ2への給電量調整を行う。
給電回路U1においては、前記制御部21により、FET等のスイッチング素子Q1を駆動して、前記DC電源M1からの電流をオン・オフし、チョークコイルL1を介して平滑コンデンサC1を充電し、前記半導体レーザ2に電流を供給するように構成されている。なお、前記スイッチング素子Q1がオン状態の期間は、前記スイッチング素子Q1を通じた電流により、直接的に前記平滑コンデンサC1への充電と負荷である前記半導体レーザ2への電流供給が行われるとともに、チョークコイルL1に磁束の形でエネルギーを蓄え、前記スイッチング素子Q1がオフ状態の期間には、前記チョークコイルL1に磁束の形で蓄えられたエネルギーによってフライホイールダイオードD1を介して前記平滑コンデンサC1への充電と前記半導体レーザ2への電流供給が行われる。
なお、先に図2に関連して説明した、前記給電回路U1の停止状態とは、前記スイッチング素子Q1がオフ状態で停止している状態を指す。
FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration example of the feeding circuit U1 that can be used in the
The power supply circuit U1 based on a step-down chopper circuit operates by receiving a voltage supplied from a DC power source M1, and adjusts the amount of power supplied to the
In the power feeding circuit U1, the
The stop state of the power feeding circuit U1 described above with reference to FIG. 2 refers to a state where the switching element Q1 is stopped in the off state.
前記降圧チョッパ型の前記給電回路U1においては、前記スイッチング素子Q1の動作周期に対する、前記スイッチング素子Q1がオン状態の期間、すなわちデューティサイクル比により、前記半導体レーザ2への給電量を調整することができる。ここでは、あるデューティサイクルを有するゲート駆動信号が前記制御部21によって生成され、ゲート駆動回路G1を介して、前記スイッチング素子Q1のゲート端子を制御することにより、前記DC電源からの電流のオン・オフが制御される。
前記半導体レーザ2への電流と電圧とは、給電電流検出手段I1と給電電圧検出手段V1とによって、検出できるように構成されている。なお、前記給電電流検出手段I1については、シャント抵抗を用いて、また、前記給電電圧検出手段V1については、分圧抵抗を用いて簡単に実現することができる。
In the step-down chopper type power supply circuit U1, the amount of power supplied to the
The current and voltage to the
前記給電電流検出手段I1からの給電電流検出信号、および、前記給電電圧検出手段V1からの給電電圧検出信号は、前記制御部21に入力され、制御部21は、前記ゲート駆動信号を出力して、スイッチング素子Q1をオン・オフ制御し、目標電流が出力されるようにフィードバック制御する。これにより適切な電力あるいは電流をレーザへ供給することが可能となる。
The feed current detection signal from the feed current detection means I1 and the feed voltage detection signal from the feed voltage detection means V1 are input to the
図4は、本発明のレーザ光源装置における点灯回路20で使用することのできるパルス回路U2の簡略化された一構成例を示す図である。
パルス回路U2は、FET等のスイッチング素子Q2を用いた回路により構成されている。
スイッチング素子Q2は、ゲート駆動回路G2を介して制御部21より生成される信号に従って駆動される。スイッチング素子Q2は、オン・オフの動作を高速に繰り返し、オンとなる度に、前記給電回路U1の出力により充電されるコンデンサ群C2から該スイッチング素子Q2を介して、半導体レーザ2に給電が行われる。
FIG. 4 is a diagram showing a simplified configuration example of the pulse circuit U2 that can be used in the
The pulse circuit U2 is configured by a circuit using a switching element Q2 such as an FET.
The switching element Q2 is driven according to a signal generated by the
例えば、略数百kHzの矩形波状のパルス電圧をレーザに印加する方式においては、パルス駆動方式のほうが、単純なDC駆動よりも、半導体素子、例えばレーザダイオード内の接合部温度(ジャンクション温度)を低減することができ、その結果、光出力の効率を上昇させる効果がある。一般的に言って、レーザダイオードをDC駆動すると順方向電圧がパルス駆動に比して低下するため、同程度の電力をレーザダイオードに給電することになると、供給電流を増加させる必要があり、結果として電流増大による損失が増加し、ジャンクションの温度が増加するからである。
いずれにしても、制御部21は、より高い光出力効率を得るための最適なパルス周波数とデューティサイクル比を決定し、その値に従って、半導体レーザ2を駆動することができる。ただし、コスト上の兼ね合いから、多少の光出力効率の悪化を前提としてパルス回路U2を削除して、半導体レーザ2等を直接的にDCで駆動する形態としても構わない。
For example, in a system in which a pulse voltage of a rectangular wave of about several hundred kHz is applied to a laser, a pulse driving system is more suitable for a junction temperature (junction temperature) in a semiconductor element, such as a laser diode, than a simple DC driving. As a result, the light output efficiency can be increased. Generally speaking, when the laser diode is DC driven, the forward voltage is reduced as compared with the pulse drive. Therefore, when the same amount of power is supplied to the laser diode, it is necessary to increase the supply current. This is because the loss due to the increase in current increases and the temperature of the junction increases.
In any case, the
図5は、本発明のレーザ光源装置におけるドライブ回路U3と、前記制御部21の温度制御手段21bと、波長変換素子5等の接続関係を示す簡略化された一構成例を示す図である。
前記レーザ光源ユニットLHは、波長変換素子5を搭載し、光出力を最大とする、即ち光波長変換の効率が最大となる条件が存在する。その条件とは、前記波長変換素子5の温度であり、適切な温度条件を与えることにより高い変換効率を得ることができる。したがって、波長変換素子5の温度を外部から昇温することにより、波長変換素子5を最適な温度に調整する機構が必要となる。そのために、該波長変換素子5近傍にヒータ7を設け、波長変換素子5の温度が最適な温度となるようにヒータ7を制御することが肝要となる。
FIG. 5 is a diagram showing a simplified configuration example showing a connection relationship between the drive circuit U3, the temperature control means 21b of the
The laser light source unit LH is equipped with the
ここでの波長変換素子5の適切な温度条件について補足すると、製造上の要因あるいは波長変換素子5の構成や製造上の理由により、個体ごとにその最適値は異なり、例えば、略80°C〜100°C程度の温度であって、同範囲程度の「ばらつき」が存在する。
制御部21を構成する演算処理装置(CPUあるいはマイクロプロセッサ)は、前述したように波長変換素子5の最適な温度条件になるように、制御を行う必要がある。
波長変換素子5の温度を所望の温度に一定に保つために、間接的にはヒータ7の温度を制御することで、これを実現する。したがって、温度検出手段Th1をヒータ7の近傍の伝熱板6(図1参照)に配置している。
When supplementing about the appropriate temperature conditions of the
The arithmetic processing unit (CPU or microprocessor) constituting the
This is realized by controlling the temperature of the heater 7 indirectly in order to keep the temperature of the
制御部21は前記したように温度制御手段21bを有し、温度制御手段21bは、温度検出手段Th1により波長変換素子5の温度情報を取得する。そして、設定温度と上記温度検出手段Th1により検出された温度とを比較して、ヒータ7への給電量をフィードバック制御する。
ここでのヒータ7への給電方法の形態としては、制御部21の温度制御手段21bからのPWM信号のパルス信号を、ドライブ回路U3のゲート駆動回路G3を介して前記スイッチング素子Q3のゲート端子に送出し、該スイッチング素子Q3をオン・オフ制御する。
その結果、前記ヒータ7には、例えばDC24VのDC電源から所定の周期で、所定のパルス電圧が給電される。このように、制御部21は、ヒータ7の給電量を制御し、その結果、前記波長変換素子5が最適な温度になるよう安定的に制御する。
As described above, the
As a form of power supply to the heater 7 here, a pulse signal of the PWM signal from the temperature control means 21b of the
As a result, a predetermined pulse voltage is supplied to the heater 7 with a predetermined cycle from a DC power source of, for example,
図6は、本発明の実施例のレーザ光源装置の点灯回路における、ドライブ回路U3より前記ヒータ7に給電される電流波形を簡略化したタイミングチャートである。
ヒータ7への給電量をフィードバック制御するために、制御部21の温度制御手段21bは、同図に示すPWM1周期とPWMオン幅を決定して、PWM信号を生成する。
なお、上記PWM信号の代わりに、周波数変調信号等のPWM信号と同様のアナログ量を表す信号を生成するようにしてもよい。
このオン幅の増減によりヒータ7への給電量が調整され、波長変換素子5の温度が制御される。
上記フィードバック制御方式としては、一般的に「オン・オフ−PID制御」として知られている制御方式を用いることができる。PID制御は、比例要素と積分要素と微分要素を組み合わせて、目標の温度となるように制御する方式である。なお、本実施例で使用したPWM出力の周波数は例えば、略数kHz程度の値が適用される。
FIG. 6 is a timing chart in which the current waveform supplied to the heater 7 from the drive circuit U3 in the lighting circuit of the laser light source device according to the embodiment of the present invention is simplified.
In order to feedback control the amount of power supplied to the heater 7, the temperature control means 21b of the
Instead of the PWM signal, a signal representing an analog amount similar to the PWM signal such as a frequency modulation signal may be generated.
The amount of power supplied to the heater 7 is adjusted by increasing or decreasing the ON width, and the temperature of the
As the feedback control method, a control method generally known as “on / off-PID control” can be used. PID control is a method of controlling a target temperature by combining a proportional element, an integral element, and a derivative element. For example, a value of about several kHz is applied to the PWM output frequency used in this embodiment.
図7は、上記制御部21の温度制御手段21bにおける制御処理の一例を示すフローチャートである。図7のフローチャートは、前述し制御部21内に実装されたマイクロコンピュータにおけるソフトウエア処理により実現することができ、制御部21の温度制御手段21bは、例えば以下のフローチャートに示される処理を実行し、波長変換素子5の温度を設定温度に制御する。
制御部21の温度制御手段21bは、波長変換素子5の温度を目標温度に制御するために、波長変換素子5の温度(図1においてはヒータ7により加熱される伝熱板6の温度)を温度検出手段Th1で検出し、検出した温度と目標温度となる上記設定温度とを比較することで、ヒータ7への出力操作量を周期的に実行し制御する。
これについて、その代表的手法である比例要素と積分要素とを組み合わせたPI制御を例として説明する。
FIG. 7 is a flowchart showing an example of control processing in the temperature control means 21b of the
The temperature control means 21b of the
This will be described by taking as an example PI control that combines a proportional element and an integral element, which is a typical technique.
図7において、ステップ(B01)でヒータ制御を開始し、まず、ステップ(B02)において波長変換素子5の温度と相関があるヒータ7により加熱される伝熱板6の現在の温度、即ち波長変換素子5の温度実測値(PPLN温度実測値)を温度検出手段Th1により測定し、温度実測値(Tm_PPLN)を得る。
次に、ステップ(B03)にて波長変換素子5の目標温度、即ち、波長変換素子5の温度設定値(PPLN温度設定値)を読み込み、最適温度設定値(Ts_PPLN)を得る。
そして、ステップ(B04)にて上記最適温度設定値(Ts_PPLN)と、温度検出手段Th1より測定された温度実測値(Tm_PPLN)とを比較して、その差分(en)を求める。この差分(en)を用いて、ステップ(B05)において、PI演算を行う。このPI演算において、ヒータ7への給電量、即ち、ヒータ7への操作量を数式(1)より求める。
MVn=MVn−1+Kp×en+Ki×en‐1・・・(1)
ここで、MVnは今回の操作量、MVn−1は前周期の操作量、enは今回算出した温度の差分値、en−1は前周期での温度差分値、Kp、Kiは定数である。
In FIG. 7, heater control is started in step (B01). First, in step (B02), the current temperature of the
Next, in step (B03), the target temperature of the
Then, in step (B04), the optimum temperature set value (Ts_PPLN) is compared with the actually measured temperature value (Tm_PPLN) measured by the temperature detecting means Th1, and the difference (en) is obtained. Using this difference (en), PI calculation is performed in step (B05). In this PI calculation, the amount of power supplied to the heater 7, that is, the operation amount to the heater 7 is obtained from Equation (1).
MVn = MVn−1 + Kp × en + Ki × en−1 (1)
Here, MVn is the operation amount of this time, MVn-1 is the operation amount of the previous period, en is the difference value of the temperature calculated this time, en-1 is the temperature difference value of the previous period, and Kp and Ki are constants.
PI演算により算出された操作量(MVn)は制御部21より送出するPWM信号のオン幅として更新することになるが、ステップ(B06)、ステップ(B07)にて、操作量(MVn)が最大値(MVn上限値)を上回っている場合にはその最大値を、最小値(MVn下限値)を下回っている場合には最小値を操作量(MVn)として上下限制限を行う(ステップ(B08)、ステップ(B09))。
そしてステップ(B06〜B9)にて、最終的に決定した操作量を、制御部21より送出するPWM信号のオン幅(Duty(n))として更新し、その周期のヒータ制御を終了する(ステップ(B10,B11))。
このステップ(B01)からステップ(B11)までの一連の動作を所定の周期で繰り返す。本フローチャートを周期的に実行しフィードバック制御を行うことで、前記波長変換素子5が最適な温度になるよう安定的に制御される。
ここで説明している制御アルゴリズムは、比例制御と積分要素からなるPI制御方式を用いているが、例えばPID制御のようにDifferential(微分)要素を加えた制御を含め他のフィードバック制御方式を用いても構わない。
The manipulated variable (MVn) calculated by the PI calculation is updated as the ON width of the PWM signal sent from the
In step (B06 to B9), the finally determined operation amount is updated as the ON width (Duty (n)) of the PWM signal sent from the
A series of operations from step (B01) to step (B11) is repeated at a predetermined cycle. By periodically executing this flowchart and performing feedback control, the
The control algorithm described here uses a PI control method composed of proportional control and an integral element, but uses other feedback control methods including control with a differential element such as PID control. It doesn't matter.
次に、本発明に係る高温ハングアップ抑止手段21cについて説明する。
高温ハングアップ抑止手段21cは、前記したように、レーザ光量を増加させる指令があったとき、レーザ光量を直ちに増加させず、波長変換素子5を加熱するヒータ7への給電を、上記増加指令から第1の期間T2が経過するまで、停止もしくは給電量を所定の値まで低減させる。そして、該増加指令から第2の期間T1が経過した後に、上記半導体レーザへの給電量を増加させる。
Next, the high temperature hang-up suppressing means 21c according to the present invention will be described.
As described above, the high-temperature hang-up suppressing unit 21c does not immediately increase the laser light amount when there is a command to increase the laser light amount, and supplies power to the heater 7 that heats the
図8のタイムチャートにより、高温ハングアップ抑止手段21cの動作について説明する。図8は、上記高温ハングアップ抑止手段を設けた場合の、レーザ光量を増加させる指令(調光指令)があったときの動作タイムチャートであり、図8(a)は調光トリガ(レーザ電流の増加指令)のタイミング、(b)はレーザ電流の変化、(c)はヒータへの給電量、(d)は波長変換素子の温度(ヒータの温度)を示す。
同図(a)に示すレーザ光量を増加させる指令(調光指令)があると、ハングアップ抑止手段21cは、同図(c)に示すように、ドライブ回路U3に対してT2の期間、ヒータ7への給電をオフとする指令を出し、ヒータへの給電量を0レベルにする。またこれと同時に、同図(b)に示すように給電回路U1に対し、レーザ電流増加指令をT1の期間、遅延させ、レーザ電流をIL1の値に保持させる。
これにより、同図(d)に示すように、ヒータ7の温度は低下する。ヒータ7をオフにしてから期間T1が経過し、ヒータ7の温度がレーザ電流を増加させても高温ハングアップ状態にならない温度まで低下すると、レーザ電流を同図(b)に示すようにIL2まで増加させる。
The operation of the high-temperature hang-up inhibiting means 21c will be described with reference to the time chart of FIG. FIG. 8 is an operation time chart when there is a command (a dimming command) for increasing the amount of laser light when the high temperature hang-up suppression means is provided, and FIG. 8 (a) is a dimming trigger (laser current). (B) indicates the change in laser current, (c) indicates the amount of power supplied to the heater, and (d) indicates the temperature of the wavelength conversion element (heater temperature).
When there is a command (dimming command) for increasing the amount of laser light shown in FIG. 11A, the hang-up suppression means 21c, as shown in FIG. A command to turn off the power supply to 7 is issued, and the power supply amount to the heater is set to 0 level. At the same time, the laser current increase command is delayed for the period T1, and the laser current is held at the value of IL1, as shown in FIG.
As a result, the temperature of the heater 7 decreases as shown in FIG. When the period T1 elapses after the heater 7 is turned off and the temperature of the heater 7 decreases to a temperature at which the high-temperature hang-up state does not occur even if the laser current is increased, the laser current is reduced to IL2 as shown in FIG. increase.
レーザ電流の増加により、ヒータ7(波長変換素子5)の温度は同図(d)のように増加する。そして、ヒータ7をオフにしてから期間T2経過後、ヒータ7を再びオンにする。ヒータ7(波長変換素子5)の温度はヒータ7をオフにしている間に低下しているので、ここでヒータ7をオンにしても、高温ハングアップ状態になることなく、ヒータ7(波長変換素子5)の温度は温度制御手段21bにより制御され、前記した設定温度に維持される。 As the laser current increases, the temperature of the heater 7 (wavelength conversion element 5) increases as shown in FIG. Then, after the heater T is turned off, the heater 7 is turned on again after the period T2 has elapsed. Since the temperature of the heater 7 (wavelength conversion element 5) decreases while the heater 7 is turned off, the heater 7 (wavelength conversion) does not enter a high-temperature hang-up state even when the heater 7 is turned on. The temperature of the element 5) is controlled by the temperature control means 21b and maintained at the set temperature described above.
上記期間T1,T2の時間は、例えば実験等により高温ハングアップを抑止できる時間を求めておき、予めその時間に設定しておいてもよいが、レーザ電流の電流変化量(増加量)に応じて変化させてもよい。
表1にレーザ電流変化量に対するT1,T2の値の一例を示す。同表に示すように、レーザ電流変化量が小さい場合には、それに応じてT1,T2の値を小さく設定し、レーザ電流変化量が大きくなったときは、それに応じてT1,T2の値を大きくする。すなわち、レーザ電流の変化量が大きいときは、波長変換素子の加熱量も大きくなるので、その分、ヒータをオフにする時間を増加させるとともに、レーザ電流を増加させる時間を遅らせる。このように構成することにより、調光指令があったとき、レーザ電流の増加量が少ない場合には、短い遅れ時間でレーザ光量を増加させることができる。
The time periods T1 and T2 may be determined in advance by, for example, obtaining a time during which high-temperature hang-up can be suppressed by experiments or the like, but depending on the current change amount (increase amount) of the laser current. May be changed.
Table 1 shows an example of values of T1 and T2 with respect to the laser current change amount. As shown in the table, when the laser current change amount is small, the values of T1 and T2 are set to be small, and when the laser current change amount is large, the values of T1 and T2 are set accordingly. Enlarge. That is, when the amount of change in the laser current is large, the amount of heating of the wavelength conversion element also increases, and accordingly, the time for turning off the heater is increased and the time for increasing the laser current is delayed accordingly. With this configuration, when there is a dimming command, the amount of laser light can be increased with a short delay time when the increase amount of the laser current is small .
図9は、制御部21の上記ハングアップ抑止手段における制御処理の一例を示すフローチャートである。図9のフローチャートは、制御部21内に実装されたマイクロコンピュータにおけるソフトウエア処理により実現することができる。
図9において、レーザ電流をIL1からIL2に増加させる調光指令(レーザ電流増加量A)が与えられると、ステップS1において、Tn=0、レーザ電流ILn=IL1、ヒータをOFFに設定する。そして、ステップS2で、TnをΔTだけ増加させながら(Tn=Tn−1+ΔT)、ステップS3で、Tn≧T1になるまで待つ。Tn≧T1になると、ステップS4でレーザ電流ILnをIL2に設定し、ステップS5で、TnをΔTだけ増加させながら(Tn=Tn−1+ΔT)、ステップS6で、Tn≧T2になるまで待つ。Tn≧T2になると、ステップS7でヒータをONにして処理を終了する。
FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of a control process in the hang-up suppression unit of the
In FIG. 9, when a dimming command (laser current increase amount A) for increasing the laser current from IL1 to IL2 is given, in step S1, T n = 0, the laser current ILn = IL1, and the heater are set to OFF. Then, in step S2, while increasing the T n by ΔT (T n = T n- 1 + ΔT), at step S3, to wait until the T n ≧ T1. When T n ≧ T1, the laser current ILn is set to IL2 in step S4, while T n is increased by ΔT in step S5 (T n = T n−1 + ΔT), and in step S6, T n ≧ T2 Wait until When T n ≧ T2, the heater is turned on in step S7 and the process is terminated.
図8に示した例では、調光指令(レーザ電流の増加指令)があったとき、ヒータ7をオフにする場合について説明したが、図10に示すように、ヒータ7をオフにせずに、ヒータ7への給電量を低減させてもよい。
図10は、前記図8と同様、レーザ光量を増加させる指令(調光指令)があったときの動作タイムチャートであり、図10(a)は調光トリガ(レーザ電流の増加指令)のタイミング、(b)はレーザ電流の変化、(c)はヒータへの給電量、(d)は波長変換素子の温度(ヒータの温度)を示す。
図10のタイムチャートは図8と同様であるが、(c)に示すヒータへの給電量を0にせずに低減させている。
この場合、波長変換素子の温度(ヒータ温度)は、図8の場合に比べ上昇するものと考えられるが、波長変換素子(ヒータ)の温度の上昇が小さく、同図の点線に示す高温ハングアップ1の温度にまで上昇しなければ、図8の場合と同様に、高温ハングアップ状態になるのを抑止することができる。
In the example shown in FIG. 8, the case where the heater 7 is turned off when there is a dimming command (laser current increase command) has been described. However, as shown in FIG. 10, without turning off the heater 7, The amount of power supplied to the heater 7 may be reduced.
FIG. 10 is an operation time chart when there is a command to increase the laser light quantity (dimming command), as in FIG. 8, and FIG. 10 (a) shows the timing of the dimming trigger (laser current increase command). (B) shows the change in laser current, (c) shows the amount of power supplied to the heater, and (d) shows the temperature of the wavelength conversion element (heater temperature).
The time chart of FIG. 10 is the same as that of FIG. 8, but the amount of power supplied to the heater shown in (c) is reduced without being zero.
In this case, it is considered that the temperature of the wavelength conversion element (heater temperature) rises compared to the case of FIG. 8, but the temperature rise of the wavelength conversion element (heater) is small and the high-temperature hang-up shown by the dotted line in FIG. If the temperature does not rise to 1, the high-temperature hang-up state can be suppressed as in the case of FIG.
1 基板
2 半導体レーザ
3 遮断容器
4 基本波光反射素子(VBG)
5 波長変換素子(PPLN)
6 伝熱板
7 加熱手段(ヒータ)
8 ダイクロイックミラー
9 反射ミラー
10 ダイクロイック出力ミラー
11 ビームダンプ
20 点灯回路
21 制御部
21a 制御手段
21b 温度制御手段
21c 高温ハングアップ抑止手段
Th1 温度検出手段
LH レーザ光源ユニット
U1 給電回路
U2 パルス回路
U3 ドライブ回路
M1 DC電源
Q1,Q2,Q3 スイッチング素子
L1 チョークコイル
C1 平滑コンデンサ
C2 コンデンサ群
D1 フライホイールダイオード
G1,G2,G3 ゲート駆動回路
I1 給電電流検出手段
V1 給電電圧検出手段
DESCRIPTION OF
5 Wavelength conversion element (PPLN)
6 Heat transfer plate 7 Heating means (heater)
8 Dichroic mirror 9 Reflecting mirror 10 Dichroic output mirror 11 Beam dump 20
Claims (4)
該波長変換素子を加熱するためのヒータと、該半導体レーザに給電するための給電回路と、該ヒータに給電するためのヒータ給電回路と、
上記波長変換素子の温度を検出し上記ヒータへの給電量を制御して該波長変換素子の温度を所望の温度に制御する温度制御手段を備え、上記半導体レーザに給電するための給電回路と上記ヒータ給電回路とを制御する制御部とを有するレーザ光源装置であって、
上記制御部は、上記波長変換素子の変換効率が最大となる温度より高温領域において上記ヒータへの給電量を低減させても波長変換素子の温度を制御できなくなる高温ハングアップ状態が生じるのを抑止するための高温ハングアップ抑止手段を備え、
上記高温ハングアップ抑止手段は、
上記半導体レーザへの給電量の増加指令に対して、該増加指令から第1の期間T2が経過するまで、上記ヒータへの給電を停止もしくは給電量を所定の値まで低減させ、該増加指令から第2の期間T1(T1<T2)が経過し、レーザへの給電量を増加させても上記高温ハングアップ状態にならない温度までヒータの温度を低下させた後に、上記半導体レーザへの給電量を増加させることを特徴とするレーザ光源装置。 A semiconductor laser, and a wavelength conversion element that converts the wavelength of laser light emitted from the laser;
A heater for heating the wavelength conversion element, a power supply circuit for supplying power to the semiconductor laser, a heater power supply circuit for supplying power to the heater,
A temperature control means for detecting the temperature of the wavelength conversion element and controlling the amount of power supplied to the heater to control the temperature of the wavelength conversion element to a desired temperature; a power supply circuit for supplying power to the semiconductor laser; and A laser light source device having a controller for controlling the heater power supply circuit,
The controller may, from hot hung state can not be controlled the temperature of the conversion efficiency wavelength conversion element also reduces the amount of power supplied to the heater in the high temperature region above the temperature of maximum of the wavelength conversion device arising comprising a high temperature hang inhibiting means for deter,
The high temperature hang-up suppression means is
In response to the command to increase the power supply amount to the semiconductor laser, the power supply to the heater is stopped or the power supply amount is reduced to a predetermined value until the first period T2 has elapsed from the increase command. After the second period T1 (T1 <T2) has elapsed and the power supply amount to the laser is increased, the temperature of the heater is lowered to a temperature at which the high temperature hang-up state does not occur. A laser light source device characterized by being increased.
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源装置。 2. The laser light source according to claim 1, wherein the high-temperature hang-up suppressing unit changes the length of the first period T <b> 2 in accordance with an increase in the amount of power supplied to the semiconductor laser in the increase command. apparatus.
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