JP6005033B2 - Optical fiber laser device control method and optical fiber laser device - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバレーザ装置の制御方法および光ファイバレーザ装置に関するものである。 The present invention relates to an optical fiber laser device control method and an optical fiber laser device.
従来、レーザ装置に供給する電力を制御する方法として、レーザ装置の故障を回避することを目的とする方法が開示されている(たとえば特許文献1〜3参照)。これらの制御方法では、パルス駆動時の設定値やモニタ値から、レーザ装置が出力可能な上限出力パワーを超える駆動条件になっていないか判断し、繰り返し周波数や励起光源へ供給する電流量を制御している。
Conventionally, as a method for controlling the power supplied to the laser device, a method aimed at avoiding a failure of the laser device has been disclosed (see, for example,
ところで、光ファイバレーザ装置において、半導体レーザ素子を励起光源として用いる場合に、パルス駆動時に変調周波数特性を向上させ、高ピークパワーでレーザ光を出力できるように動作させるためには、励起光源に印加する駆動電圧を、連続波駆動時よりも大きくすることが好ましい。 By the way, when using a semiconductor laser element as an excitation light source in an optical fiber laser device, it is applied to the excitation light source in order to improve the modulation frequency characteristics during pulse driving and to operate so that laser light can be output with high peak power. It is preferable to make the driving voltage to be larger than that during continuous wave driving.
しかしながら、単に、パルス駆動時に最大ピーク光パワーが得られるように励起光源に印加する駆動電圧を大きくする設定にしてしまうと、今度は連続波駆動時において、励起光源の駆動部、特に励起光源に供給する電流を調整する電流調整部への負荷が大きくなり、電流調整部での発熱量が大きくなる。その結果、発熱により電流調整部が故障するおそれがある。ところが、連続波駆動時に発熱を抑えるために励起光源に供給する駆動電流を小さくすると、今度はパルス駆動時に適するように駆動電圧を大きくする前よりも、最大出力光パワーが小さくなってしまう。さらに、連続波駆動時に余分に電圧を大きくすると、その分余分なエネルギーを消費することにもなる。 However, if the drive voltage applied to the excitation light source is set to be large so that the maximum peak light power can be obtained during pulse drive, this time, the drive unit of the excitation light source, particularly the excitation light source, is used during continuous wave drive. The load on the current adjustment unit that adjusts the supplied current increases, and the amount of heat generated in the current adjustment unit increases. As a result, there is a possibility that the current adjusting unit may be broken due to heat generation. However, if the drive current supplied to the excitation light source is reduced in order to suppress heat generation during continuous wave drive, the maximum output light power will be smaller than before the drive voltage is increased to be suitable for pulse drive. Furthermore, if the voltage is increased excessively during continuous wave driving, excessive energy is consumed accordingly.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、連続波駆動時においても装置に過度の負荷を与えずに、パルス駆動時においてより高いピークパワーでレーザ光を出力できる光ファイバレーザ装置の制御方法および光ファイバレーザ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an optical fiber laser device capable of outputting laser light with higher peak power during pulse driving without applying excessive load to the device even during continuous wave driving. It is an object to provide a control method and an optical fiber laser device.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバレーザ装置の制御方法は、半導体レーザ素子を励起光源として使用する光ファイバレーザ装置の制御方法であって、前記半導体レーザ素子に駆動電圧および駆動電流を与える電力付与工程を含み、前記電力付与工程において、前記光ファイバレーザ装置を連続波駆動する場合に前記半導体レーザ素子に与える駆動電圧を第1駆動電圧とし、前記光ファイバレーザ装置をパルス駆動する場合に前記半導体レーザ素子に与える駆動電圧を第2駆動電圧とすると、パルス駆動時において前記第1駆動電圧よりも大きい値の前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a control method for an optical fiber laser device according to the present invention is a control method for an optical fiber laser device that uses a semiconductor laser element as a pumping light source. A power application step for applying a drive voltage and a drive current to the device, wherein the drive voltage applied to the semiconductor laser device when the optical fiber laser device is driven in a continuous wave in the power application step is a first drive voltage; When the driving voltage applied to the semiconductor laser element when the fiber laser device is pulse-driven is a second driving voltage, the second driving voltage having a value larger than the first driving voltage at the time of pulse driving is applied to the semiconductor laser element. It is characterized by giving.
本発明に係る光ファイバレーザ装置の制御方法は、上記発明において、前記光ファイバレーザ装置の駆動条件を確認する確認工程を含み、前記確認工程において確認した前記駆動条件が連続波駆動条件である場合には、前記電力付与工程において前記第1駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与え、前記確認工程において前記駆動条件がパルス駆動条件である場合には、前記電力付与工程において前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする。 The control method of the optical fiber laser device according to the present invention includes a confirmation step of confirming the driving condition of the optical fiber laser device in the above invention, and the driving condition confirmed in the confirmation step is a continuous wave driving condition In the power application step, the first drive voltage is applied to the semiconductor laser element, and in the confirmation step, when the drive condition is a pulse drive condition, the second drive voltage is applied in the power application step. The semiconductor laser device is characterized by being provided.
本発明に係る光ファイバレーザ装置の制御方法は、上記発明において、前記光ファイバレーザ装置から出力されるレーザ光のピークパワー、繰返し周波数、およびデューティー比またはパルス幅の設定値を駆動条件として設定する設定工程を含み、前記電力付与工程において、前記設定値に応じた前記駆動電流および前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする。 In the control method of the optical fiber laser device according to the present invention, in the above invention, the peak power, repetition frequency, and duty ratio or pulse width of the laser light output from the optical fiber laser device are set as drive conditions. Including a setting step, wherein in the power application step, the driving current and the second driving voltage corresponding to the set value are applied to the semiconductor laser element.
本発明に係る光ファイバレーザ装置の制御方法は、上記発明において、前記光ファイバレーザ装置から出力されるレーザ光のパワーの設定値および出力開始指令または出力停止指令を生成する又は入力される工程と、前記設定値、前記出力開始からの経過時間、前記出力停止からの経過時間を確認する確認工程とをさらに含み、前記電力付与工程において、前記確認工程の確認結果に応じた前記駆動電流および前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする。 The method for controlling an optical fiber laser device according to the present invention includes the step of generating or inputting a set value of the power of the laser beam output from the optical fiber laser device and an output start command or an output stop command in the above invention. And a confirmation step of confirming the set value, the elapsed time from the output start, and the elapsed time from the output stop, and in the power application step, the driving current according to the confirmation result of the confirmation step and the A second drive voltage is applied to the semiconductor laser element.
本発明に係る光ファイバレーザの制御方法は、上記発明において、前記半導体レーザ素子に与える前記駆動電流を調整する電流調整部の温度を測定する温度測定工程を含み、前記温度測定工程において測定した温度に応じた前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする。 The method for controlling an optical fiber laser according to the present invention includes a temperature measuring step of measuring a temperature of a current adjusting unit that adjusts the driving current applied to the semiconductor laser element in the above invention, and the temperature measured in the temperature measuring step. The second drive voltage according to the above is applied to the semiconductor laser element.
本発明に係る光ファイバレーザ装置は、半導体レーザ素子を励起光源として備える光ファイバレーザと、前記半導体レーザ素子に駆動電圧および駆動電流を与える電力付与部と、前記電力付与部を制御する制御部と、を備える光ファイバレーザ装置であって、前記制御部は、前記光ファイバレーザ装置を連続波駆動する場合に前記半導体レーザ素子に与える駆動電圧を第1駆動電圧とし、前記光ファイバレーザ装置をパルス駆動する場合に前記半導体レーザ素子に与える駆動電圧を第2駆動電圧とすると、パルス駆動時において前記第1駆動電圧よりも大きい値の前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする。 An optical fiber laser device according to the present invention includes an optical fiber laser including a semiconductor laser element as an excitation light source, a power applying unit that applies a driving voltage and a driving current to the semiconductor laser element, and a control unit that controls the power applying unit. , Wherein the control unit sets a driving voltage applied to the semiconductor laser element when the optical fiber laser device is driven in a continuous wave as a first driving voltage, and pulses the optical fiber laser device. When the driving voltage applied to the semiconductor laser element in driving is the second driving voltage, the power is applied so that the second driving voltage having a value larger than the first driving voltage is applied to the semiconductor laser element during pulse driving. The application unit is controlled.
本発明に係る光ファイバレーザ装置は、上記発明において、前記制御部は、前記光ファイバレーザ装置の駆動条件を確認し、前記確認した前記駆動条件が連続波駆動条件である場合には、前記第1駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御し、前記確認した前記駆動条件がパルス駆動条件である場合には、前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする。 In the optical fiber laser device according to the present invention, in the above invention, the control unit confirms a driving condition of the optical fiber laser device, and when the confirmed driving condition is a continuous wave driving condition, The power applying unit is controlled to apply one driving voltage to the semiconductor laser element, and when the confirmed driving condition is a pulse driving condition, the second driving voltage is applied to the semiconductor laser element. The power supply unit is controlled.
本発明に係る光ファイバレーザ装置は、上記発明において、前記制御部は、前記光ファイバレーザ装置から出力されるレーザ光のピークパワー、繰返し周波数、およびデューティー比またはパルス幅の設定値を駆動条件として設定し、前記設定値に応じた前記駆動電流および前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする。 In the optical fiber laser device according to the present invention, in the above invention, the control unit uses the peak power, repetition frequency, and duty ratio or pulse width set values of the laser light output from the optical fiber laser device as driving conditions. The power supply unit is controlled so as to set the drive current and the second drive voltage according to the set value to the semiconductor laser element.
本発明に係る光ファイバレーザ装置は、上記発明において、前記制御部は、前記光ファイバレーザ装置から出力されるレーザ光のパワーの設定値および出力開始指令または出力停止指令を生成し又は入力され、前記設定値、前記出力開始からの経過時間、前記出力停止からの経過時間を確認し、前記確認結果に応じた前記駆動電流および前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする。 In the optical fiber laser apparatus according to the present invention, in the above invention, the control unit generates or inputs a power set value and an output start instruction or an output stop instruction of the laser light output from the optical fiber laser apparatus, The set value, the elapsed time from the output start, and the elapsed time from the output stop are confirmed, and the power application is performed so that the drive current and the second drive voltage according to the confirmation result are applied to the semiconductor laser element. It is characterized by controlling the part.
本発明に係る光ファイバレーザ装置は、上記発明において、前記電力付与部は、前記半導体レーザ素子に与える前記駆動電流を調整する電流調整部と、前記電流調整部の温度を測定する温度測定器とを備え、前記制御部は、前記温度測定器が測定した温度に応じた前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする。 In the optical fiber laser device according to the present invention, in the above invention, the power applying unit includes a current adjusting unit that adjusts the driving current applied to the semiconductor laser element, and a temperature measuring device that measures the temperature of the current adjusting unit; The control unit controls the power application unit so as to apply the second drive voltage corresponding to the temperature measured by the temperature measuring device to the semiconductor laser element.
本発明によれば、連続波駆動時においても装置に過度の負荷を与えずに、パルス駆動時においてより高いピークパワーでレーザ光を出力できるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to output laser light with higher peak power during pulse driving without applying an excessive load to the apparatus even during continuous wave driving.
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバレーザ装置の制御方法および光ファイバレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。 Embodiments of an optical fiber laser device control method and an optical fiber laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding element.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。図1に示すように、光ファイバレーザ装置100は、複数の励起光源111を含む励起光源部110と、励起光源111に接続した光合波器102と、光合波器102に接続したファイバブラッググレーティング(FBG:Fiber Bragg Grating)103と、FBG103に接続した増幅用光ファイバ104と、増幅用光ファイバ104に接続したFBG105と、FBG105に接続した出力側光ファイバ106と、励起光源111に接続した制御部120と、を備えている。励起光源111、光合波器102、FBG103、105、増幅用光ファイバ104、および出力側光ファイバ106は光ファイバレーザFLを構成している。光ファイバレーザFLは、いわゆるQCW(Quasi Continuous Wave)型の光ファイバレーザである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical fiber laser device according to
光合波器102は、たとえばTFB(Tapered Fiber Bundle)で構成されている。光合波器102は、複数の励起光源111から出力された励起光を合波し、増幅用光ファイバ104へ出力する。励起光は波長がたとえば915nmであるが、増幅用光ファイバ104を光励起できる波長であれば特に限定はされない。
The
増幅用光ファイバ104は、石英系ガラスからなるコア部に、希土類元素の一種であるイッテルビウム(Yb)イオンが添加され、コア部の外周には石英系ガラスからなる内側クラッド層と樹脂等からなる外側クラッド層とが順次形成されたダブルクラッド型のイッテルビウム添加光ファイバ(Ytterbium-doped optical fiber:YDF)である。
Amplifying
FBG103は、中心波長がたとえば1084nmであり、中心波長およびその周辺の約2nmの幅の波長帯域における反射率が約100%であり、励起光の波長である波長915nmの光はほとんど透過する。また、FBG105は、中心波長がFBG105と略同じであるたとえば1084nmであり、中心波長における反射率が10%〜30%程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約1nmであり、波長915nmの光はほとんど透過する。
The FBG 103 has a center wavelength of, for example, 1084 nm, has a reflectivity of about 100% in the wavelength band of about 2 nm in the center wavelength and its surroundings, and almost transmits light having a wavelength of 915 nm, which is the wavelength of the excitation light. The
したがって、FBG103、104は、波長1084nmの光に対して、増幅用光ファイバ104を挟んで光ファイバ共振器を構成する。なお、FBG103、105の中心波長は、1084nmには限定されず、増幅用光ファイバ104の発光波長の範囲内であればよい。
Therefore, the
出力側光ファイバ106は、たとえば石英系ガラスからなるシングルモード光ファイバで構成されている。
The output side
つぎに、制御部120は、演算部121と、記憶部122と、記憶部123と、外部入力部124とを備えている。
Next, the
演算部121は、励起光源111の制御のための各種演算処理を行うものであり、たとえばCPU(Central Processing Unit)で構成される。記憶部122は、演算部121が演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータ等が格納されており、たとえばROM(Read Only Memory)で構成される。記憶部123は、演算部121が演算処理を行う際の作業スペースや、演算部121の演算処理の結果等を記憶する等のために使用されるものであり、たとえばRAM(Random Access Memory)で構成される。外部入力部124は、光ファイバレーザ装置100の外部からの外部制御信号Sを受け付けることができる。外部制御信号Sはアナログ電圧信号などのアナログ信号または8ビット信号などのデジタル信号でもよい。アナログ信号が入力される場合には外部入力部124がノイズカット機能などを備えており、ノイズの入力による誤動作を防止するようにすることが好ましい。
The arithmetic unit 121 performs various arithmetic processes for controlling the
つぎに、励起光源111について説明する。図2は、励起光源111の構成を示す図である。図2に示すように、励起光源111は、半導体レーザダイオード(LD)である半導体レーザ素子111aと、半導体レーザ素子111aのアノード端子側に接続された抵抗器111bと、抵抗器111bに接続された電圧調整部111cと、半導体レーザ素子111aのカソード端子側に接続された電流調整部111dと、電流調整部111dに設けられた温度測定器111eとを備えている。電流調整部111dは、半導体レーザ素子111aのアノード端子側にドレイン端子が接続し、ソース端子が接地された電界効果トランジスタ(FET)111daと、FET111daのゲート端子に接続されたゲート電圧調整部111dbとで構成される。温度測定器111eはたとえばサーミスタである。抵抗器111b、電圧調整部111c、電流調整部111dおよび温度測定器111eは電力付与部111fを構成している。なお、電圧調整部111c、電流調整部111dおよび温度測定器111eは制御部120に接続している。
Next, the
電圧調整部111cは、たとえば、アナログ電圧値で電圧を出力し、且つ、この出力電圧が変更可能である安定化電源で構成されており、制御部120からのDAC指示値で制御される。また、電圧調整部111cは、抵抗値によって出力電圧を可変にできるレギュレーターと、デジタルポテンショメーターを用いた抵抗部とで構成されているものでもよい。この場合は、制御部120からのデジタル制御信号により、デジタルポテンショメーターを制御することによって、レギュレーターの出力電圧を変更することができる。
The
ゲート電圧調整部111dbは、たとえば、オペアンプで構成されており、制御部120からのDAC指示値によって、FET111daのゲート端子への印加電圧を制御する。
The gate voltage adjustment unit 111db is composed of, for example, an operational amplifier, and controls the voltage applied to the gate terminal of the FET 111da based on the DAC instruction value from the
なお、本実施の形態では、励起光源部110において、複数の励起光源111が共通の電圧調整部111cおよびゲート電圧調整部111dbに接続されている。たとえば、各励起光源111の半導体レーザ素子111aは、直列接続されて複数の直列接続群を構成し、かつ複数の直列接続群が互いに並列接続の状態で、1つの共通の電圧調整部111cに接続されている。さらに、直列接続群毎に、1つの共通のゲート電圧調整部111dbが接続されている。しかしながら、励起光源部110の構成はこれに限られず、直列接続群毎に、1つの共通の電圧調整部111cが接続されていてもよいし、各励起光源111が電圧調整部111cおよびゲート電圧調整部111dbを備える構成でもよい。
In the present embodiment, in the excitation
つぎに、光ファイバレーザ装置100の基本的な動作の一例について説明する。まず、制御部120の外部入力部124が、指令信号としての外部制御信号Sを受け付ける。制御部120は、外部制御信号Sにしたがって、光ファイバレーザ装置100の駆動条件の設定を行う。たとえば、演算部121が記憶部122に記憶された所定のプログラムおよびデータ(たとえばテーブルデータ)を用いて、光ファイバレーザ装置100を所定の駆動条件(たとえばパルス駆動時の出力ピークパワー、繰り返し周波数、およびデューティー(Duty)比またはパルス幅)で駆動するように設定を行う。ここで、Duty比は、パルスの1周期の時間に対する、1周期中でレーザ光が出力されている時間の比である。繰り返し周波数およびDuty比またはパルス幅は、増幅用光ファイバ104の時定数等を考慮して、パルス幅が数μs〜数百nsになるように設定される。
Next, an example of a basic operation of the optical
駆動条件が設定されると、制御部120は、その駆動条件の設定に基づいて、半導体レーザ素子111aに所定の駆動電圧および駆動電流与えるように電力付与部111fを制御する。このとき、駆動電流はたとえば所定のピーク電流値、繰り返し周波数、Duty比またはパルス幅を有するパルス電流である。なお、電力付与部111fの電流調整部111dにおいて、ゲート電圧調整部111dbがFET111daのゲート端子に供給するゲート電圧を調整することによって、半導体レーザ素子111aに供給する駆動電流を調整することができる。
When the driving condition is set, the
半導体レーザ素子111aは駆動電圧および駆動電流が与えられることによって所定の光パワーの励起光を出力する。光合波器102は、各励起光源111の半導体レーザ素子111aから出力された励起光を合波し、増幅用光ファイバ104へ出力する。
The semiconductor laser element 111a outputs pumping light having a predetermined optical power when given a driving voltage and a driving current. The
増幅用光ファイバ104では、励起光によってコア部のYbイオンが光励起され、波長1084nmを含む帯域の光を発光する。波長1084nmの発光は、増幅用光ファイバ104の光増幅作用とFBG103、105によって構成される光共振器の作用とによってレーザ発振する。発振したレーザ光Lは出力側光ファイバ106から出力される。このとき、出力されるレーザ光Lは、設定されたピークパワー、繰り返し周波数、およびDuty比またはパルス幅を有するものである。
In the amplification
なお、光ファイバレーザ装置100は、連続波駆動するように設定すれば連続波駆動することができるように構成されている。連続波駆動時の駆動条件は、たとえば平均出力光パワーである。ただし、光ファイバレーザ装置100は、実際には連続波駆動させなくてもよい。
Note that the optical
つぎに、制御部120が電力付与部111fを制御する場合の制御例について説明する。
Next, a control example when the
(制御例1)
図3は、制御例1を示すフロー図である。図4は、制御例1における設定条件を示す図である。図4において、横軸は、半導体レーザ素子111aに与える駆動電流を示し、縦軸は駆動電圧VLDを示している。
(Control example 1)
FIG. 3 is a flowchart showing a control example 1. FIG. 4 is a diagram illustrating setting conditions in the control example 1. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the drive current applied to the semiconductor laser element 111a, and the vertical axis indicates the drive voltage VLD.
制御例1では、図3に示すように、はじめに、光ファイバレーザ装置100の駆動条件を確認する(ステップS1)。駆動条件がパルス駆動であれば(ステップS2、Yes)、駆動電圧(VLD)を条件Bの駆動電圧に設定し(ステップS3)ステップS1に戻る。駆動条件が連続波駆動であれば(ステップS2、No)、駆動電圧(VLD)を条件Aの駆動電圧に設定し(ステップS4)、ステップS1に戻る。なお、条件A、条件BのVLDはそれぞれ記憶部122に記憶されている。
In the control example 1, as shown in FIG. 3, first, the driving condition of the optical
条件A、条件Bについて図4を用いて説明する。図4において、線L1は、光ファイバレーザ装置100を連続波駆動する場合に、電流調整部111dに掛かる負荷を考慮して許容される駆動電流・駆動電圧の設定可能領域の上限を示す線である。同様に、線L2は、光ファイバレーザ装置100をパルス駆動する場合に、電流調整部111dに掛かる負荷を考慮して許容される駆動電流・駆動電圧の設定可能領域の上限を示す線である。すなわち、連続波駆動時には線L1より左下の領域、パルス駆動時には線L2より左下の領域の駆動電流・駆動電圧の設定であれば、電流調整部111dに掛かる負荷を許容範囲内に抑制することができる。なお、電流調整部111dに掛かる負荷が、半導体レーザ素子111aに電力を供給することによって発生する熱に起因する場合は、線L1、L2はほぼ駆動電流に反比例する曲線となる。また、線L3は、半導体レーザ素子111aがレーザ発振することができる駆動電流・駆動電圧の条件を示す線であり、線L3よりも左上側の領域の駆動電流・駆動電圧であれば半導体レーザ素子111aがレーザ発振することができる。
Condition A and condition B will be described with reference to FIG. In FIG. 4, a line L <b> 1 is a line indicating an upper limit of a settable range of drive current / drive voltage allowed in consideration of a load applied to the
ここで、線L1、L2が示すように、許容される駆動電流・駆動電圧の設定可能領域の上限は、パルス駆動時の方が、連続波駆動時よりも大きい。その理由は、パルス駆動時では、半導体レーザ素子111aには所定の繰り返し周波数およびDuty比(またはパルス幅)で間欠的に電力を与えるので、より負荷が高い駆動電流・駆動電圧に駆動条件を設定したとしても、電流調整部111dに掛かる負荷を時間平均すると、連続波駆動時の負荷と同程度にすることができるからである。
Here, as indicated by the lines L1 and L2, the upper limit of the allowable setting range of the driving current and driving voltage is larger in the pulse driving than in the continuous wave driving. The reason is that during pulse driving, the semiconductor laser element 111a is intermittently supplied with power at a predetermined repetition rate and duty ratio (or pulse width), so the drive conditions are set to drive current / drive voltage with higher load. Even if it does, it is because it can be made comparable as the load at the time of a continuous wave drive if the load concerning the
線L2は、Duty比が100%の場合は線L1と一致し、Duty比が低くなるにつれて線L1からより離間する。したがって、Duty比が低いほうが、より高い駆動電流・駆動電圧に設定することができる。 The line L2 coincides with the line L1 when the duty ratio is 100%, and is further away from the line L1 as the duty ratio becomes lower. Accordingly, a lower drive ratio / drive voltage can be set when the duty ratio is lower.
そこで、本制御例1では、光ファイバレーザ装置100を連続波駆動する場合に半導体レーザ素子111aに与える駆動電圧を第1駆動電圧(条件AのVLD)とし、光ファイバレーザFLをパルス駆動する場合に半導体レーザ素子111aに与える駆動電圧を第2駆動電圧(条件BのVLD)とすると、第1駆動電圧よりも大きい値の第2駆動電圧を半導体レーザ素子111aに与えている。その結果、光ファイバレーザ装置100は、パルス駆動時において、連続波駆動時よりも、高い駆動電圧(半導体レーザ素子111aの駆動電圧)で駆動されるので、より高いピークパワーでレーザ光を出力できる。その一方で、連続波駆動時には第1駆動電圧を与えるので、装置(特に電流調整部111dの部分)に過度の負荷が掛からないようにすることができる。
Therefore, in this control example 1, when the optical
また、パルス駆動時に出力するレーザ光のピークパワーや、連続波駆動時に出力するレーザ光の平均パワーをできるだけ高くするには、駆動電流をできるだけ高くすることが好ましい。したがって、本制御例1において、図4に示すように、連続波駆動時には線L1より左下の領域かつ線L3より左上の領域であって、できるだけ駆動電流が高くなる駆動電流・駆動電圧の条件である条件Aで駆動することが好ましい。また、パルス駆動時には線L2より左下の領域かつ線L3より左上の領域であって、できるだけ駆動電流が高くなる駆動電流・駆動電圧の条件である条件Bで駆動することが好ましい。すなわち、連続波駆動時において条件Aとすれば、電流調整部111dに掛かる負荷を許容範囲内としつつ、出力するレーザ光の平均パワーをできるだけ高くすることができる。また、パルス駆動時において条件Bとすれば、電流調整部111dに掛かる負荷を許容範囲内としつつ、出力するレーザ光のピークパワーをできるだけ高くすることができる。
In order to increase the peak power of the laser beam output during pulse driving and the average power of the laser beam output during continuous wave driving as much as possible, it is preferable to increase the drive current as much as possible. Therefore, in the present control example 1, as shown in FIG. 4, in the continuous wave driving, the region is in the lower left region from the line L1 and the upper left region from the line L3, under the conditions of the driving current and the driving voltage where the driving current is as high as possible. It is preferable to drive under a certain condition A. In pulse driving, it is preferable that the driving is performed under the condition B which is a condition of a driving current and a driving voltage where the driving current becomes as high as possible in the lower left area from the line L2 and the upper left area from the line L3. That is, if the condition A is set during continuous wave driving, the average power of the laser beam to be output can be made as high as possible while keeping the load applied to the
ただし、半導体レーザ素子111aに与える第2駆動電圧・駆動電流については、条件Bの駆動電圧・駆動電流に限らない。条件Bの駆動電圧・駆動電流より小さい値であっても、線L1よりも右上の領域に存在する値であれば、連続波駆動時に許容される駆動電流・駆動電圧に設定した場合よりも、高いピークパワーでレーザ光を出力できる。 However, the second drive voltage / drive current applied to the semiconductor laser element 111a is not limited to the drive voltage / drive current of Condition B. Even if it is a value smaller than the driving voltage / driving current in the condition B, if it is a value existing in the upper right region from the line L1, than the case where the driving current / driving voltage allowed during continuous wave driving is set, Laser light can be output with high peak power.
なお、電流調整部111dに掛かる負荷が、主に半導体レーザ素子111aに電力を供給することによって発生する熱に起因する場合は、理想的には、光ファイバレーザ装置100がパルス駆動時において出力するレーザ光のピークパワーを、連続波駆動時において出力するレーザ光の平均パワーの1/(Duty比)倍程度にすることができる。
When the load applied to the
条件A、BのVLDについて例示する。たとえば、励起光源部110において半導体レーザ素子111aを9個直列に接続して直列接続群を構成する。このとき、直列接続群に条件AとしてのVLDおよび所定の電流値を与える。つぎに、条件BのVLDとして、直列接続群に条件AとしてのVLDよりも4V(1素子あたり約0.44V)だけ高い電圧および所定の電流値を設定し、Duty比を0.625(=1/1.6)程度に設定すると、光ファイバレーザ装置100が出力するレーザ光のピークパワーを、条件Aの場合の平均パワーよりも1.6倍程度にすることができる。条件BのVLDとしては、条件AのVLDよりも1V以下程度だけ高い値、たとえば0.3V〜0.4Vだけ高い値とできる。ただし、条件A、Bの駆動電圧値、電流値については、これらの値に限られず、使用する半導体レーザ素子111aのforward Voltageの値や抵抗器111bの抵抗値などに依存して設定することができる。
An example of VLD under conditions A and B will be described. For example, in the excitation
本制御例1は、光ファイバレーザ装置100がパルス駆動する場合の駆動条件(出力ピークパワー、繰り返し周波数、およびDuty比またはパルス幅)があらかじめ決まっている場合に適する制御である。
This control example 1 is a control suitable for a case where the driving conditions (output peak power, repetition frequency, and duty ratio or pulse width) when the optical
(制御例2)
つぎに、制御例2について説明する。本制御例2は、光ファイバレーザ装置100がパルス駆動する場合の駆動条件(出力ピークパワー、繰り返し周波数、およびDuty比またはパルス幅)を任意に設定可能な場合に適する制御である。
(Control example 2)
Next, a control example 2 will be described. This control example 2 is a control suitable for a case where the driving conditions (output peak power, repetition frequency, and duty ratio or pulse width) when the optical
図5は、制御例2を示すフロー図である。図6は、半導体レーザ素子111aの駆動電流と光ファイバレーザ装置100の出力光パワーとの関係を示す図である。図7は、制御例2における設定条件を示す図である。
FIG. 5 is a flowchart showing a control example 2. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the drive current of the semiconductor laser element 111a and the output light power of the optical
まず、図6に示すように、光ファイバレーザ装置100の出力光パワーをP、半導体レーザ素子111aの駆動電流をIとすると、PはIに比例する。なお、ここではすべての半導体レーザ素子111aの駆動電流が等しくIであるとしているが、各半導体レーザ素子111aの駆動電流が異なる場合には、駆動電流Iはたとえば各半導体レーザ素子111aの駆動電流の平均値である。
First, as shown in FIG. 6, when the output light power of the optical
光ファイバレーザ装置100のパルス駆動時の電流調整部111dにおける平均発熱量Wavgは以下の式(1)で表される。
Wavg=VLD×I×(Duty比)=VLD×I×(パルス幅)/(繰り返し周波数) ・・・ (1)
ここで、電流Iは出力光パワーPによって決まる。
The average heat generation amount Wavg in the
Wavg = VLD × I × (Duty ratio) = VLD × I × (pulse width) / (repetition frequency) (1)
Here, the current I is determined by the output light power P.
さらに、平均駆動電流Iavgを、
Iavg=I×(Duty比)=I×(パルス幅)/(繰り返し周波数)
と定義すると、式(1)から、パルス駆動時の駆動電圧VLD(第2駆動電圧)の上限値V_limは、以下の式(2)で表される値となる。ここで、上限平均発熱量Wavg_maxとは、電流調整部111dに許容される平均発熱量Wavgの上限値である。
V_lim=Wavg_max/Iavg ・・・ (2)
Furthermore, the average drive current Iavg is
Iavg = I × (Duty ratio) = I × (pulse width) / (repetition frequency)
In other words, the upper limit value V_lim of the driving voltage VLD (second driving voltage) at the time of pulse driving is a value represented by the following expression (2) from Expression (1). Here, the upper limit average heat generation amount Wavg_max is an upper limit value of the average heat generation amount Wavg allowed by the
V_lim = Wavg_max / Iavg (2)
V_limについて図7を用いて説明する。図7は、横軸を平均エネルギー(Eavg=Wavg×(パルス幅))、縦軸を駆動電圧VLDとした図であり、線L4は、光ファイバレーザ装置100をパルス駆動する場合に、電流調整部111dに掛かる負荷を考慮して許容される駆動電圧・平均エネルギーの設定可能領域の上限を示す線である。また、線L5は、光ファイバレーザ装置100をパルス駆動する場合に、電流調整部111dに掛かる負荷を考慮して許容される平均エネルギーの設定可能領域の上限を示す線である。なお、平均エネルギーであるから、線L5は、光ファイバレーザ装置100を連続波駆動する場合に、電流調整部111dに掛かる負荷を考慮して許容される平均エネルギーの設定可能領域の上限を示す線でもある。
V_lim will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram in which the horizontal axis represents average energy (Eavg = Wav × (pulse width)) and the vertical axis represents the drive voltage VLD, and a line L4 indicates current adjustment when the optical
また、線L6は、電流調整部111dに掛かる負荷を考慮して許容される駆動電圧の設定可能領域の上限を示す線である。一方、線L7は、線L4で示す駆動電圧・平均エネルギーの設定可能領域の上限の線と、線L5で示す平均エネルギーの設定可能領域の上限の線との交点における駆動電圧のレベルを示す線である。
The line L6 is a line indicating the upper limit of the drive voltage settable region allowed in consideration of the load applied to the
図7に矢線L8で範囲を示すように、V_limが、線L4より左下の領域であれば、電流調整部111dに掛かる負荷を許容範囲内に抑制することができる。また、V_limが、線L6で示す駆動電圧のレベル(V_min)より高い値であれば、連続波駆動時の駆動電圧(第1駆動電圧)よりも高くできるので、より高いピークパワーでレーザ光を出力できる。さらに、V_limが、線L7で示す駆動電圧のレベル(V_max)より低い値であれば、連続波駆動時よりも時間当たり高いエネルギーで光ファイバレーザ装置100をパルス駆動できるので、図4でいえば線L1よりも右上の駆動電流・駆動電圧の設定で駆動することとなり、より高いピークパワーでレーザ光を出力できる。なお、矢線L8は、制御例1と同様に、できるだけ駆動電流が高くなる駆動電流・駆動電圧の条件で駆動する条件を示しているが、線L4、線L5、線L6で囲まれる領域の内側の駆動電圧・平均エネルギーの条件であればよい。
As indicated by the arrow L8 in FIG. 7, if V_lim is a lower left region than the line L4, the load applied to the
さらに、本制御例2では、V_maxとV_minとの間の駆動電圧VLDであって、設定された駆動条件でパルス駆動するときに最適なVLDの値として、線L9で示すV_refを設定している。 Further, in the present control example 2, V_ref indicated by a line L9 is set as a drive voltage VLD between V_max and V_min, which is an optimal VLD value when pulse driving is performed under the set drive conditions. .
V_refについては、たとえば、できるだけ高いピークパワーを実現したい場合にはV_maxに近い値に設定される。また、V_refをV_minに近づける程、V_maxに対するマージンが増加するので、Duty比や繰り返し周波数を変更した場合でも、より確実に所望のピークパワーを得ることができる。 V_ref is set to a value close to V_max, for example, when it is desired to achieve as high a peak power as possible. Further, as V_ref is brought closer to V_min, the margin with respect to V_max increases. Therefore, even when the duty ratio or the repetition frequency is changed, a desired peak power can be obtained more reliably.
以上の説明を前提として、図5を用いて本制御例2のフロー(フローF1)を説明する。 Based on the above description, the flow (flow F1) of the present control example 2 will be described using FIG.
はじめに、光ファイバレーザ装置100の駆動条件を確認する(ステップS1)。駆動条件が連続波駆動であれば(ステップS2、No)、制御例1の場合と同様に駆動電圧(VLD)を条件Aの駆動電圧に設定し(ステップS4)、ステップS1に戻る。駆動条件がパルス駆動であれば(ステップS2、Yes)、駆動条件における出力パワー(出力ピークパワーに相当)、繰り返し周波数、およびDuty比(またはパルス幅)を確認する(ステップS5)。つぎに、確認した駆動条件に基づいて、上述した式(2)を用いてV_limを算出する。つぎに、記憶部122に記憶されているV_refを読みだしてV_limとV_refとを比較し、V_limがV_refより大きければ(ステップS7、Yes)、第2駆動電圧としての駆動電圧(VLD)をV_refに設定し(ステップS8)、ステップS1に戻る。また、V_limがV_ref以下であれば(ステップS7、No)、VLDをV_limに設定し(ステップS9)、ステップS1に戻る。
First, the driving conditions of the optical
上述したように、本制御例2は、光ファイバレーザ装置100がパルス駆動する場合の駆動条件(出力ピークパワー、繰り返し周波数、およびDuty比またはパルス幅)を任意に設定可能な場合に適する制御である。
As described above, this control example 2 is a control suitable for a case where the driving conditions (output peak power, repetition frequency, and duty ratio or pulse width) when the optical
なお、ステップS7において、V_limがV_ref以下であると判断した場合は、光ファイバレーザ装置100は、所望の条件でパルス駆動した場合よりも負荷が大きい状態である。したがって、安全を考慮し、上述したステップS9の代わりに、駆動電流をシャットダウンするなどして、光ファイバレーザ装置100からレーザ光を出力させないように制御を行ってもよい。
If it is determined in step S7 that V_lim is equal to or less than V_ref, the optical
(制御例2の変形例)
ところで、上記制御例2では、上限平均発熱量Wavg_maxをもとにV_limを算出しているが、たとえば、平均発熱量Wavgが同じであっても、たとえばDuty比が小さい場合は、1パルスあたりのピーク光パワーが大きい。このように1パルスあたりのピーク光パワーが大きい場合は、平均発熱量で考える場合よりも電流調整部111dに掛かる負荷が大きい場合がある。このような場合には、下記の式(4)のように、1パルスあたりのピーク光パワーをもとにV_limを算出してもよい。
(Modification of Control Example 2)
By the way, in the above control example 2, V_lim is calculated based on the upper limit average heat generation amount Wavg_max. For example, even when the average heat generation amount Wavg is the same, for example, when the duty ratio is small, per pulse High peak light power. As described above, when the peak light power per pulse is large, the load applied to the
まず、光ファイバレーザ装置100のパルス駆動時の1パルスあたりの発熱量Wは以下 の式(3)で表される。
W=VLD×I×(Duty比)/(繰り返し周波数)=VLD×I×(パルス幅) ・・・ (3)
ここで、電流Iは出力光パワーPによって決まる。
発熱量Wが上限発熱量W_maxとなる時の上限値V_limは、
式(3)から、
V_lim=上限発熱量W_max/I/(Duty比)×(繰り返し周波数)
=上限発熱量W_max/I/(パルス幅) ・・・ (4)
となる。
First, the heat generation amount W per pulse at the time of pulse driving of the optical
W = VLD × I × (Duty ratio) / (repetition frequency) = VLD × I × (pulse width) (3)
Here, the current I is determined by the output light power P.
The upper limit value V_lim when the heat generation amount W becomes the upper limit heat generation amount W_max is
From equation (3)
V_lim = upper limit heating value W_max / I / (Duty ratio) × (repetition frequency)
= Upper limit heating value W_max / I / (pulse width) (4)
It becomes.
たとえば、図5に示すフローF1のステップS5において、確認した駆動条件に基づいて、式(2)および式(4)のいずれのV_limを使用するかを判定してもよい。 For example, in step S5 of the flow F1 shown in FIG. 5, it may be determined which V_lim of the expression (2) and the expression (4) is used based on the confirmed driving condition.
ところで、上記制御例2およびその変形例は、指令信号としての外部制御信号Sを受け付け、外部制御信号Sにしたがって、演算部121が記憶部122に記憶された所定のプログラムおよびデータ(たとえばテーブルデータ)を用いて、光ファイバレーザ装置100を所定の駆動条件(たとえばパルス駆動時の出力ピークパワー、繰り返し周波数、およびDuty比またはパルス幅)で駆動するように設定を行う場合に適用できる。また、上記制御例2およびその変形例は、外部制御信号Sが、光ファイバレーザ装置100の駆動条件(たとえばパルス駆動時の出力ピークパワー、繰り返し周波数、およびDuty比またはパルス幅)の情報を含む信号である場合にも適用できる。この場合、光ファイバレーザ装置100は、外部から入力された駆動条件の情報にしたがって駆動する。
By the way, the control example 2 and the modification thereof receive an external control signal S as a command signal, and according to the external control signal S, the arithmetic unit 121 stores a predetermined program and data (for example, table data) stored in the storage unit 122. ), The optical
一方、光ファイバレーザ装置100の動作態様としては、外部制御信号Sが、光ファイバレーザ装置100から出力されるレーザ光のパワーの設定値および出力開始指令または出力停止指令である場合がある。たとえば、光ファイバレーザ装置100が出力停止状態(OFF状態)にある場合に、外部制御信号Sとして、たとえば光ファイバレーザ装置100から出力すべきレーザ光のパワーを500Wに設定し、かつ出力を開始する(ON状態にする)指令を含む信号が入力される場合がある。または、光ファイバレーザ装置100がON状態にある場合に、外部制御信号Sとして、光ファイバレーザ装置100をOFF状態にする指令を含む信号が入力される場合がある。
On the other hand, as an operation mode of the optical
光ファイバレーザ装置100がパルス駆動させる場合に、出力ピークパワー、繰り返し周波数、およびDuty比またはパルス幅がすべて解っている場合には、発熱量等が予測可能であるが、外部制御信号Sが光ファイバレーザ装置100をON状態やOFF状態にするトリガ信号としての指令信号である場合には、次の指令が来るタイミングや指令の内容などが予測できないので、上記制御例2およびその変形例を適用することが困難である。そこで、以下では制御例3として、外部制御信号Sが光ファイバレーザ装置100をON状態やOFF状態にする指令である場合に適用できる制御例を説明する。
When the optical
(制御例3)
図8は、制御例3を示すフロー図である。図9、10は、制御例3における設定条件を示す図である。
(Control example 3)
FIG. 8 is a flowchart showing a control example 3. 9 and 10 are diagrams showing setting conditions in the control example 3. FIG.
まず、発熱量Wは以下の式(5)で表される。
W=VLD×I×((出力ON時間)+(ON時間初期値)) ・・・ (5)
出力ON時間とは、光ファイバレーザ装置100が直近でON状態となってからの経過時間である。また、ON時間初期値は、後述する式(9)から求まる。
ここで、電流Iは出力光パワーPによって決まる。
First, the heat generation amount W is expressed by the following equation (5).
W = VLD × I × ((output ON time) + (ON time initial value)) (5)
The output ON time is an elapsed time since the optical
Here, the current I is determined by the output light power P.
Wが上限発熱量W_maxとなる出力ON時に計算される駆動電圧VLDの上限値Von_limは、
式(5)から、下記の式(6)で表される。上限発熱量W_maxとは、許容される発熱量Wの上限値である。
Von_lim=W_max/I/((出力ON時間)+(ON時間初期値)) ・・・ (6)
The upper limit value Von_lim of the drive voltage VLD calculated when the output is ON, where W is the upper limit heating value W_max,
From the equation (5), it is expressed by the following equation (6). The upper limit heat generation amount W_max is an upper limit value of the allowable heat generation amount W.
Von_lim = W_max / I / ((output ON time) + (ON time initial value)) (6)
また、平均発熱量Wavgを式(7)で表す。
Wavg=VLD×I×(出力ON時間)/((出力ON時間)+(出力OFF時間)) ・・・ (7)
出力OFF時間とは、光ファイバレーザ装置100が直近でOFF状態となってからの経過時間である。
Further, the average calorific value Wavg is expressed by the formula (7).
Wavg = VLD × I × (output ON time) / ((output ON time) + (output OFF time)) (7)
The output OFF time is an elapsed time since the optical
さらに、平均駆動電流Iavgを、
Iavg=I×(出力ON時間)/((出力ON時間)+(出力OFF時間))
と定義すると、式(7)から、出力OFF時に計算される駆動電圧VLDの上限値Voff_limは、以下の式(8)で表される。上限平均消費電力量Wavg_maxとは、連続波(CW:Continuous Wave)駆動時の平均発熱量+平均放熱量で表される量である。平均放熱量は、半導体レーザ素子や電流調整部の配置やヒートシンクの大きさや熱伝導性、空冷か水冷かなどによって変わる量である。
Voff_lim=Wavg_max/Iavg ・・・ (8)
Furthermore, the average drive current Iavg is
Iavg = I × (output ON time) / ((output ON time) + (output OFF time))
In other words, the upper limit value Voff_lim of the drive voltage VLD calculated when the output is OFF is expressed by the following expression (8) from the expression (7). The upper limit average power consumption Wavg_max is an amount represented by an average heat generation amount + average heat release amount during continuous wave (CW) driving. The average heat radiation amount is an amount that varies depending on the arrangement of the semiconductor laser element and the current adjusting unit, the size and heat conductivity of the heat sink, air cooling, and water cooling.
Voff_lim = Wavg_max / Iavg (8)
また、ON時間初期値は、式(9)から求まる。
(ON時間初期値)=W_max/Voff_lim/I ・・・ (9)
Further, the initial value of the ON time is obtained from the equation (9).
(ON time initial value) = W_max / Voff_lim / I (9)
Von_limについて図9を用いて説明する。図9は、横軸を、出力ON時間に与えられる駆動電力に相当するエネルギー(E)、縦軸を駆動電圧VLDとした図であり、線L4Aは、光ファイバレーザ装置100をパルス駆動する場合に、電流調整部111dに掛かる負荷を考慮して許容される駆動電圧・エネルギーの設定可能領域の上限を示す線である。
Von_lim will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram in which the horizontal axis represents energy (E) corresponding to the driving power given to the output ON time, and the vertical axis represents the driving voltage VLD, and the line L4A represents a case where the optical
また、線L6、線L7は、図7と同様のV_min、V_maxを示す線である。 Lines L6 and L7 are lines indicating V_min and V_max similar to those in FIG.
図9に矢線L10で示すように、Von_limは、初期値としてはV_maxを超えない値を取るが、出力ON時間が大きくなるにしたがってその値が低下していく。その理由は、出力ON時間が大きくなるにしたがって電流調整部111dに熱が蓄積していくので、それだけ、新たに掛けることができる負荷が減少するからである。この条件のもとで、Von_limを線L4Aより左下の領域に設定すれば、電流調整部111dに掛かる負荷を許容範囲内に抑制することができる。また、Von_limが、線L6で示す駆動電圧のレベル(V_min)より高い値であれば、連続波駆動時の駆動電圧(第1駆動電圧)よりも高くできるので、より高いピークパワーでレーザ光を出力できる。さらに、Von_limが、線L7で示す駆動電圧のレベル(V_max)以下であれば、連続波駆動時よりも時間当たり高いエネルギーで光ファイバレーザ装置100をパルス駆動できるので、図4でいえば線L1よりも右上の駆動電流・駆動電圧の設定で駆動することとなり、より高いピークパワーでレーザ光を出力できる。なお、矢線L10は、制御例1と同様に、できるだけ駆動電流が高くなる駆動電流・駆動電圧の条件で駆動する条件を示しているが、V_maxより低くV_minより高い条件であればよい。
As indicated by an arrow L10 in FIG. 9, Von_lim takes a value that does not exceed V_max as an initial value, but the value decreases as the output ON time increases. The reason for this is that heat accumulates in the
さらに、本制御例3では、V_maxとV_minとの間の駆動電圧VLDであって、設定された駆動条件でパルス駆動するときに最適なVLDの値として、線L11で示すV_refを設定している。 Further, in the present control example 3, V_ref indicated by a line L11 is set as a drive voltage VLD between V_max and V_min, which is an optimum VLD value when pulse driving is performed under the set drive conditions. .
V_refについては、たとえば、できるだけ高いピークパワーを実現したい場合にはV_maxに近い値に設定さる。また、V_refをV_minに近づける程、V_maxに対するマージンが増加するので、出力ON時間や出力OFF時間が変化した場合でも、より確実に所望のピークパワーを得ることができる。 V_ref is set to a value close to V_max, for example, when it is desired to realize as high a peak power as possible. Further, since the margin for V_max increases as V_ref approaches V_min, the desired peak power can be more reliably obtained even when the output ON time or the output OFF time changes.
つぎに、Voff_limについて図10を用いて説明する。図10は、横軸を平均エネルギー(Eavg)、縦軸を駆動電圧VLDとした図であり、線L4は、図7の場合と同様に、光ファイバレーザ装置100をパルス駆動する場合に、電流調整部111dに掛かる負荷を考慮して許容される駆動電圧・平均エネルギーの設定可能領域の上限を示す線である。
Next, Voff_lim will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram in which the horizontal axis represents the average energy (Eavg) and the vertical axis represents the drive voltage VLD, and the line L4 represents the current when the optical
また、線L5、線L6、線L7は、図7と同様の線である。 Lines L5, L6, and L7 are the same as those in FIG.
図10に矢線L12で示すように、Voff_limは、初期値としてはV_minより大きい値を取るが、V_min以下の値を取ってもよい。その後、Voff_limは、出力OFF時間が大きくなるにしたがってその値が増加していく。その理由は、出力OFF時間が大きくなるにしたがって電流調整部111dに蓄積された熱が発散していくので、それだけ、新たに掛けることができる負荷が増加するからである。この条件のもとで、Voff_limを線L4より左下の領域に設定すれば、電流調整部111dに掛かる負荷を許容範囲内に抑制することができる。また、Voff_limが、線L6で示す駆動電圧のレベル(V_min)より高い値であれば、連続波駆動時の駆動電圧(第1駆動電圧)よりも高くできるので、より高いピークパワーでレーザ光を出力できる。さらに、Von_limが、線L7で示す駆動電圧のレベル(V_max)以下であれば、連続波駆動時よりも時間当たり高いエネルギーで光ファイバレーザ装置100をパルス駆動できるので、図4でいえば線L1よりも右上の駆動電流・駆動電圧の設定で駆動することとなり、より高いピークパワーでレーザ光を出力できる。なお、矢線L10は、制御例1と同様に、できるだけ駆動電流が高くなる駆動電流・駆動電圧の条件で駆動する条件を示しているが、線L4、線L5、線L6で囲まれる領域の内側の駆動電圧・平均エネルギーの条件であればよい。
As indicated by an arrow L12 in FIG. 10, Voff_lim takes a value larger than V_min as an initial value, but may take a value smaller than V_min. Thereafter, the value of Voff_lim increases as the output OFF time increases. The reason is that as the output OFF time increases, the heat accumulated in the
なお、たとえば式(5)に示されるように、発熱量Wを算出する際には、出力ON時間に、式(9)で示されるON時間初期値が加算されている。このON時間初期値とは、計算の際に考慮している直近の出力ON時間の開始時間より以前のON/OFF状態の履歴を考慮したものである。たとえば、式(9)および図10からわかるように、OFF時間が大きくなるとVoff_limは増加するので、ON時間初期値は小さくなる。ON時間初期値の初期値はゼロである。 For example, as shown in Equation (5), when calculating the heat generation amount W, the initial value of the ON time shown in Equation (9) is added to the output ON time. The initial value of the ON time takes into account the history of the ON / OFF state before the start time of the most recent output ON time considered in the calculation. For example, as can be seen from equation (9) and FIG. 10, Voff_lim increases as the OFF time increases, so the initial ON time value decreases. The initial value of the ON time initial value is zero.
以上の説明を前提として、図8を用いて本制御例3のフローを説明する。 Based on the above description, the flow of the present control example 3 will be described with reference to FIG.
はじめに、光ファイバレーザ装置100の制御において、トリガ信号としての外部制御信号Sを使用するかどうかを判定する。外部制御信号Sを使用しない場合は(ステップS10、No)、図5に示す制御例2のフローF1を実行する。このとき、制御例2の変形例のフローを実行してもよい。また、外部制御信号Sを使用する場合は(ステップS10、Yes)、外部制御信号Sによって出力開始指令が入力されて光ファイバレーザ装置100が出力ON動作の状態にあるか判定する。
First, it is determined whether or not the external control signal S as a trigger signal is used in the control of the optical
出力ON動作の状態である場合には(ステップS11、Yes)、式(9)を用いて、Voff_limからON時間初期値を計算する(ステップS12)。なお、直近の出力ON時間より以前のON/OFF状態の履歴を考慮しなくてよい場合は、ON時間初期値はゼロとする。 When the output is ON (step S11, Yes), the ON time initial value is calculated from Voff_lim using the equation (9) (step S12). If it is not necessary to consider the history of the ON / OFF state before the latest output ON time, the initial value of the ON time is set to zero.
つぎに、出力パワーと出力ON時間とを確認し(ステップS13)、式(6)からVon_limを計算する(ステップS14)。つぎに、記憶部122に記憶されているV_refを読みだしてVon_limとV_refとを比較し、Von_limがV_refより大きければ(ステップS15、Yes)、第2駆動電圧としての駆動電圧(VLD)をV_refに設定し(ステップS16)、ステップS11に戻る。また、Von_limがV_ref以下であれば(ステップS15、No)、VLDをVon_limに設定し(ステップS17)、ステップS11に戻る。 Next, the output power and the output ON time are confirmed (step S13), and Von_lim is calculated from equation (6) (step S14). Next, V_ref stored in the storage unit 122 is read and compared with Von_lim and V_ref. If Von_lim is larger than V_ref (step S15, Yes), the drive voltage (VLD) as the second drive voltage is set to V_ref. (Step S16), and the process returns to step S11. If Von_lim is equal to or less than V_ref (step S15, No), VLD is set to Von_lim (step S17), and the process returns to step S11.
なお、ステップS17において、Von_limがV_ref以下であると判断した場合は、光ファイバレーザ装置100は、所望の条件でパルス駆動した場合よりも負荷が大きい状態である。したがって、安全を考慮し、上述したステップS17の代わりに、駆動電流をシャットダウンするなどして、光ファイバレーザ装置100からレーザ光を出力させないように制御を行ってもよい。
When it is determined in step S17 that Von_lim is equal to or less than V_ref, the optical
一方、外部制御信号Sによって出力停止指令が入力されて出力OFF状態になっている場合には(ステップS11、No)、出力OFF時間を確認し(ステップS18)、式(8)からVoff_limを計算する(ステップS19)。つぎに、記憶部122に記憶されているV_refと、直近で計算し、記憶させたVon_limとを読みだして、条件1(V_ref>Von_lim>Voff_lim)が成立するかどうか判定する。条件1が成立する場合(ステップS20、Yes)、第2駆動電圧としてのVLDをVon_limに設定し(ステップS21)、ステップS11に戻る。また、条件1が成立しない場合(ステップS20、No)、さらに条件2(V_ref>Voff_lim>Von_lim)が成立するかどうか判定する。条件2が成立する場合(ステップS22、Yes)、第2駆動電圧としてのVLDをVoff_limに設定し(ステップS23)、ステップS11に戻る。また、条件2が成立しない場合(ステップS22、No)、VLDをV_refに設定し(ステップS24)、ステップS11に戻る。
On the other hand, when the output stop command is input by the external control signal S and the output is OFF (step S11, No), the output OFF time is confirmed (step S18), and Voff_lim is calculated from the equation (8). (Step S19). Next, V_ref stored in the storage unit 122 and Von_lim that has been calculated and stored most recently are read out to determine whether or not the condition 1 (V_ref> Von_lim> Voff_lim) is satisfied. If
図11は、制御例3における駆動電圧VLDの設定値のタイムチャートの例を示す図である。図11では、光ファイバレーザ装置100は、外部制御信号のON/OFFの指令にしたがって、区間T1〜T6においてON状態とOFF状態を繰り返している。なお、区間T1〜T6は、たとえば数μs〜数百msである。これに対して、図8に示す制御フローは区間に対して十分に短い時間(たとえば数ns)で繰り返される。
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a time chart of the set value of the drive voltage VLD in the control example 3. In FIG. 11, the optical
まず、区間T1では、出力ON時間が大きくなるにしたがってVon_limの値が減少していくが、V_refの方が小さいためにVLDはV_refに設定される(図8のステップS16)。また、区間T2では、出力OFF時間が大きくなるにしたがってVoff_limの値が増加していくが、条件1も条件2も成立しないために、VLDはV_refに設定される(図8のステップS24)。
First, in the section T1, the value of Von_lim decreases as the output ON time increases. However, since V_ref is smaller, VLD is set to V_ref (step S16 in FIG. 8). In section T2, the value of Voff_lim increases as the output OFF time increases. However, since neither
しかし、区間T3では、区間T3の途中からVon_limがV_ref以下となるため、VLDはVon_limに設定されている(図8のステップS17)。 However, in section T3, Von_lim becomes V_ref or less from the middle of section T3, so VLD is set to Von_lim (step S17 in FIG. 8).
なお、図11に示すVoff_limとVon_limの時間波形は、光ファイバレーザ装置100の出力パワーに依存して変化する。
Note that the time waveforms of Voff_lim and Von_lim shown in FIG. 11 vary depending on the output power of the optical
上述したように、制御例3は、特に外部制御信号Sが光ファイバレーザ装置100をON状態やOFF状態にするトリガ信号としての指令信号であり、駆動条件がリアルタイムに設定される場合に適する制御例であるが、はじめにトリガ信号としての外部制御信号Sを使用するかどうかを判定しているので、制御例2が適する場合にも適用できるものである。
As described above, the control example 3 is a control signal particularly suitable for a case where the external control signal S is a command signal as a trigger signal for turning the optical
また、制御例3の適用範囲は、光ファイバレーザ装置100をON状態やOFF状態にするトリガ信号としての外部制御信号Sを用いる場合に限られない。たとえば、外部制御信号Sの指令によって、光ファイバレーザ装置100をON状態やOFF状態にするトリガ信号を制御装置120の内部で生成し、このトリガ信号によって光ファイバレーザ装置100をON状態やOFF状態に制御する場合にも、制御例3は適用できる。
The application range of the control example 3 is not limited to the case where the external control signal S is used as a trigger signal for turning the optical
(制御例4)
つぎに、制御例4について説明する。本制御例4は、上記制御例1〜3およびその変形例と組み合わせて使用してもよい。本制御例4では、電流調整部111dに設けられた温度測定器111eを使用する。
(Control example 4)
Next, a control example 4 will be described. This control example 4 may be used in combination with the above control examples 1 to 3 and modifications thereof. In the present control example 4, a
図12は、制御例4を示すフロー図である。本制御例4では、電流調整部111dの温度に対して温度閾値を設定している。温度閾値の条件を条件C、Dとすると、以下の式が成り立つ。
(条件Cの温度閾値)≧(条件Dの温度閾値)
FIG. 12 is a flowchart showing a control example 4. In the present control example 4, a temperature threshold is set for the temperature of the
(Temperature threshold of condition C) ≧ (temperature threshold of condition D)
また、本制御例4では、第2駆動電圧としての駆動電圧VLDについての条件を条件E、Fとすると、以下の式が成り立つ。
(条件Eの電圧値)≦(条件Fの電圧値)
Further, in the present control example 4, when the conditions for the drive voltage VLD as the second drive voltage are the conditions E and F, the following equations are established.
(Voltage value of Condition E) ≦ (Voltage value of Condition F)
本制御例4では、まず、VLDを条件Fの電圧値に設定する(ステップS25)。この時、条件Fの電圧値としては、上記制御例1〜3によって決まる電圧値としてもよい。つぎに、温度測定器111eによって電流調整部111dの温度を測定し、確認する(ステップS26)。温度測定値は制御部120に入力される。つぎに、確認した温度が条件Cの温度閾値よりも高いかどうか判定する。確認した温度が条件Cの温度閾値よりも高い場合には(ステップS27、Yes)、駆動電圧VLDを条件Eの電圧値に設定し(ステップS28)、S26に戻る。一方、確認した温度が条件Cの温度閾値以下の場合には(ステップS27、No)、確認した温度が条件Dの温度閾値よりも高いかどうか判定する。確認した温度が条件Dの温度閾値よりも低い場合には(ステップS29、Yes)、駆動電圧VLDを条件Fの電圧値に設定し(ステップS30)、S26に戻る。一方、確認した温度が条件Dの温度閾値以上の場合には(ステップS29、No)、そのままステップS26に戻る。確認した温度が条件Cの温度閾値よりも高い場合には(ステップS27、Yes)、ステップS28の代わりに、光ファイバレーザ装置100をOFF状態にしてもよいし、連続波駆動時の駆動電圧に設定してもよい。
In this control example 4, first, VLD is set to the voltage value of condition F (step S25). At this time, the voltage value of the condition F may be a voltage value determined by the control examples 1 to 3. Next, the
本制御例4では、電流調整部111dの温度を確認し、条件Cの温度閾値よりも高い場合には駆動電圧VLDを条件Eの低い値に設定するが、条件Dの温度閾値よりも低くなったら駆動電圧VLDを条件Fの高い値に設定する。これによって、より確実に電流調整部111dに掛かる負荷を許容範囲内に抑制しつつ、負荷が許容範囲の場合にはより高い駆動電圧VLDに設定してより高いピーク出力光パワーを得ることができる。
In this control example 4, the temperature of the
なお、上記制御例1〜4は、実施の形態1に係る光ファイバレーザ装置100に限られず、半導体レーザ素子を励起光源として使用する他の構成の光ファイバレーザ装置にも適用できる。
The above control examples 1 to 4 are not limited to the optical
図13は、実施の形態2に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。図13に示す光ファイバレーザ装置200は、いわゆるMOPA(Master Oscillator Power Amplifier)型の光ファイバレーザ装置であって、たとえばレーザ発振波長が波長1084nmである半導体レーザ素子を備える種光源107と、種光源107に順次接続された、光アイソレータ108と、光合波器109と、増幅用光ファイバ104と、光アイソレータ108と、バンドパス光フィルタ130とを備えている。光ファイバレーザ装置200は、さらに光合波器109に接続された励起光源111を備えている。
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of an optical fiber laser device according to the second embodiment. An optical
光ファイバレーザ装置200は、さらに、バンドパス光フィルタ130に順次接続された、光合波器102と、増幅用光ファイバ104と、出力側光ファイバ106とを備えている。光ファイバレーザ装置200は、さらに光合波器102に接続された、複数の励起光源111を含む励起光源部110と、励起光源111に接続した制御部120と、を備えている。
The optical
この光ファイバレーザ装置200では、前段側の増幅用光ファイバ104は光合波器109に接続された励起光源111からの励起光によって光励起される。そして、種光源107から出力されたレーザ光は、前段側の増幅用光ファイバ104によって光増幅される。増幅されたレーザ光は、さらに光合波器102に接続された複数の励起光源111を含む励起光源部110からの励起光によって光励起された後段側の増幅用光ファイバ104によって光増幅され、レーザ光Lとして出力される。なお、バンドパス光フィルタ130は、前段側の増幅用光ファイバ104で発生したASE(Amplified Spontaneous Emission)光等をカットし、種光源107から出力されて前段側の増幅用光ファイバ104によって光増幅されたレーザ光を選択的に通過させるためのものである。
In this optical
この光ファイバレーザ装置200では、制御部120が光ファイバレーザ装置100における制御部120と同様に上記制御例の制御をおこなうことによって、パルス駆動時においてより高いピークパワーでレーザ光Lを出力できる。
In this optical
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
100 光ファイバレーザ装置
102 光合波器
104 増幅用光ファイバ
106 出力側光ファイバ
107 種光源
108 光アイソレータ
109 光合波器
110 励起光源部
111 励起光源
111a 半導体レーザ素子
111b 抵抗器
111c 電圧調整部
111d 電流調整部
111da FET
111db ゲート電圧調整部
111e 温度測定器
111f 電力付与部
120 制御部
121 演算部
122 記憶部
123 記憶部
124 外部入力部
130 バンドパス光フィルタ
200 光ファイバレーザ装置
F1 フロー
FL 光ファイバレーザ
L レーザ光
L1〜L7、L9、L11 線
L8、L10、L12 矢線
S 外部制御信号
T1〜T6 区間
DESCRIPTION OF
111 db Gate
Claims (10)
前記半導体レーザ素子に駆動電圧および駆動電流を与える電力付与工程を含み、
前記電力付与工程において、前記光ファイバレーザ装置を連続波駆動する場合に前記半導体レーザ素子に与える駆動電圧を第1駆動電圧とし、前記光ファイバレーザ装置をパルス駆動する場合に前記半導体レーザ素子に与える駆動電圧を第2駆動電圧とすると、パルス駆動時において前記第1駆動電圧よりも大きい値の前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする光ファイバレーザ装置の制御方法。 A method of controlling an optical fiber laser device using a semiconductor laser element as an excitation light source,
Including a power application step of providing a driving voltage and a driving current to the semiconductor laser element,
In the power application step, a driving voltage applied to the semiconductor laser element when the optical fiber laser device is driven in a continuous wave is a first driving voltage, and is applied to the semiconductor laser element when the optical fiber laser device is pulse-driven. A control method for an optical fiber laser device, wherein a driving voltage is a second driving voltage, and the second driving voltage having a value larger than the first driving voltage is applied to the semiconductor laser element during pulse driving.
前記確認工程において確認した前記駆動条件が連続波駆動条件である場合には、前記電力付与工程において前記第1駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与え、
前記確認工程において前記駆動条件がパルス駆動条件である場合には、前記電力付与工程において前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバレーザ装置の制御方法。 Including a confirmation step of confirming a driving condition of the optical fiber laser device;
When the driving condition confirmed in the confirmation step is a continuous wave driving condition, the first driving voltage is applied to the semiconductor laser element in the power application step,
2. The optical fiber laser device according to claim 1, wherein when the driving condition is a pulse driving condition in the confirmation step, the second driving voltage is applied to the semiconductor laser element in the power application step. Control method.
前記電力付与工程において、前記設定値に応じた前記駆動電流および前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバレーザ装置の制御方法。 Including a setting step of setting a peak power of a laser beam output from the optical fiber laser device, a repetition frequency, and a setting value of a duty ratio or a pulse width as a driving condition,
3. The method of controlling an optical fiber laser device according to claim 1, wherein, in the power application step, the drive current and the second drive voltage corresponding to the set value are applied to the semiconductor laser element. 4.
前記設定値、前記出力開始からの経過時間、前記出力停止からの経過時間を確認する確認工程とをさらに含み、
前記電力付与工程において、前記確認工程の確認結果に応じた前記駆動電流および前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバレーザ装置の制御方法。 A step of generating or inputting a set value and output start command or output stop command of the power of the laser beam output from the optical fiber laser device;
A confirmation step of confirming the set value, the elapsed time from the output start, and the elapsed time from the output stop,
3. The control of the optical fiber laser device according to claim 1, wherein, in the power application step, the drive current and the second drive voltage corresponding to a confirmation result of the confirmation step are applied to the semiconductor laser element. Method.
前記温度測定工程において測定した温度に応じた前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の光ファイバレーザの制御方法。 A temperature measuring step of measuring a temperature of a current adjusting unit that adjusts the driving current applied to the semiconductor laser element;
5. The optical fiber laser control method according to claim 1, wherein the second drive voltage corresponding to the temperature measured in the temperature measurement step is applied to the semiconductor laser element. 6.
前記半導体レーザ素子に駆動電圧および駆動電流を与える電力付与部と、
前記電力付与部を制御する制御部と、
を備える光ファイバレーザ装置であって、
前記制御部は、前記光ファイバレーザ装置を連続波駆動する場合に前記半導体レーザ素子に与える駆動電圧を第1駆動電圧とし、前記光ファイバレーザ装置をパルス駆動する場合に前記半導体レーザ素子に与える駆動電圧を第2駆動電圧とすると、パルス駆動時において前記第1駆動電圧よりも大きい値の前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする光ファイバレーザ装置。 An optical fiber laser comprising a semiconductor laser element as an excitation light source;
A power applying unit for applying a driving voltage and a driving current to the semiconductor laser element;
A control unit for controlling the power application unit;
An optical fiber laser device comprising:
The control unit uses the drive voltage applied to the semiconductor laser element when the optical fiber laser device is driven in a continuous wave as a first drive voltage, and the drive applied to the semiconductor laser element when the optical fiber laser device is pulse-driven. If the voltage is the second drive voltage, the power applying unit is controlled so as to give the semiconductor laser element the second drive voltage having a value larger than the first drive voltage during pulse driving. Fiber laser device.
前記確認した前記駆動条件が連続波駆動条件である場合には、前記第1駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御し、
前記確認した前記駆動条件がパルス駆動条件である場合には、前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする請求項6に記載の光ファイバレーザ装置。 The control unit confirms the driving condition of the optical fiber laser device,
When the confirmed driving condition is a continuous wave driving condition, the power applying unit is controlled to apply the first driving voltage to the semiconductor laser element,
7. The optical fiber according to claim 6, wherein when the confirmed driving condition is a pulse driving condition, the power applying unit is controlled to apply the second driving voltage to the semiconductor laser element. 8. Laser device.
前記設定値に応じた前記駆動電流および前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする請求項6または7に記載の光ファイバレーザ装置。 The control unit sets the peak power of the laser light output from the optical fiber laser device, the repetition frequency, and the set value of the duty ratio or pulse width as a driving condition,
8. The optical fiber laser device according to claim 6, wherein the power applying unit is controlled so that the driving current and the second driving voltage corresponding to the set value are supplied to the semiconductor laser element. 9.
前記設定値、前記出力開始からの経過時間、前記出力停止からの経過時間を確認し、
前記確認結果に応じた前記駆動電流および前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする請求項6または7に記載の光ファイバレーザ装置。 The control unit generates or inputs a power set value and an output start command or output stop command of the laser beam output from the optical fiber laser device,
Check the set value, the elapsed time from the output start, the elapsed time from the output stop,
8. The optical fiber laser device according to claim 6, wherein the power applying unit is controlled so as to apply the driving current and the second driving voltage according to the confirmation result to the semiconductor laser element. 9.
前記制御部は、前記温度測定器が測定した温度に応じた前記第2駆動電圧を前記半導体レーザ素子に与えるように前記電力付与部を制御することを特徴とする請求項6〜9のいずれか一つに記載の光ファイバレーザ装置。 The power applying unit includes a current adjusting unit that adjusts the driving current applied to the semiconductor laser element, and a temperature measuring instrument that measures the temperature of the current adjusting unit,
The said control part controls the said electric power provision part so that the said 2nd drive voltage according to the temperature which the said temperature measuring device measured may be given to the said semiconductor laser element, The any one of Claims 6-9 The optical fiber laser device according to one.
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