JP6245364B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

レーザ加工装置は、レーザ光により、溶接や切断等の大口加工や、マーキング等の微細加工まで様々な加工を行う。レーザ光の加工利用に伴って、レーザ光源の高出力化や低消費電力化が望まれている。レーザ光源としては、ガスレーザ、固体レーザ、半導体レーザなどがある。高効率であることやメンテナンスの容易さの面で半導体レーザに優位性がある。

半導体レーザを用いたレーザ加工装置は、例えば、特許文献１に記載されるように複数の半導体レーザからの光出力を重ね合わせることで高出力を実現する。複数の半導体レーザを使用する場合、容易に高出力化できる。しかし、半導体レーザの故障や劣化が発生した場合に、故障、劣化した半導体レーザを特定することが困難であるという課題を有している。

この課題に対して、複数の半導体レーザを使用する場合、特許文献２、特許文献３に記載されるように、半導体レーザの故障を検知する装置を付加することで、装置としてのメンテナンス性や信頼性を高めることができる。

特許文献２においては、各々の半導体レーザに対して出力検知用のフォトダイオードを設け、各々のフォトダイオードの出力をモニタすることで各々の半導体レーザの故障を検知している。また、特許文献３においては、各々の半導体レーザに対する電流供給タイミングを制御し、レーザ出力を時系列でモニタすることで故障を検知している。

特開２０１３−４８１５９号公報 特開２００４−２１４２２５号公報 特開平６−１６０２３７号公報

しかしながら、特許文献２にあっては、各々の半導体レーザに対してフォトダイオードを付加するため、装置が大型化及び高コスト化する。また、特許文献３にあっては、制御系回路及びアルゴリズムが複雑化してしまう。

本発明は、複数の半導体レーザの一部の故障や劣化を検知でき、しかも小型化及び低コスト化を図ることができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ装置は、直列に接続された複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザに直列に接続され、前記複数の半導体レーザに電流を供給する駆動回路と、前記複数の半導体レーザのレーザ光を合成する光合成器と、前記光合成器で合成された前記複数の半導体レーザのレーザ光を検知する光検知素子を備え、各半導体レーザの発光タイミングが半導体レーザ毎に異なるように、前記駆動回路から各半導体レーザまでの線路長を調整し、前記光合成器は、前記複数の半導体レーザの各々の半導体レーザから前記光合成器内の合波端までの光到達時間が前記各々の半導体レーザ毎に異なるように、前記各々の半導体レーザから前記光合成器までの光路長を設定し、前記光検知素子は、前記各々の半導体レーザの光到達時間と光出力とに基づき前記複数の半導体レーザの故障を検知する。

本発明によれば、各半導体レーザの発光タイミングが半導体レーザ毎に異なるように、前記駆動回路から各半導体レーザまでの線路長を調整し、光合成器は、各々の半導体レーザから合波端までの光到達時間が各々の半導体レーザ毎に異なるように、各々の半導体レーザから光合成器までの光路長を設定するので、各々の半導体レーザの光到達時間と光出力とに基づき、複数の半導体レーザの一部の故障や劣化を検知でき、しかも小型化及び低コスト化を図ることができる。

図１は本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図２は本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の各半導体レーザが正常である場合の各出力を示す図である。 図３は本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の各半導体レーザの内の一部の半導体レーザが劣化した場合の各出力を示す図である。 図４は本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図５は本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図６は本発明の実施例４に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置が図面を参照しながら詳細に説明される。

まず、本発明の原理を説明する。複数の半導体レーザにパルス電流を与えると、電流が早く到達する半導体レーザから光出力を生じる。また、光出力は光学的距離が短いものからフォトダイオードに到達する。従って、半導体レーザの接続方法、配置方法又は半導体レーザから合波端までに光学的距離を変化させる光学素子を配置することで、合波端における複数の半導体レーザからの光出力の到達時間をずらすことができる。即ち、光出力の時間的変化をフォトダイオードでモニタすることで半導体レーザの故障、劣化を検出することができる。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置は、図１に示すように、複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４、ＬＤ駆動回路１０、光合成器１１、フォトダイオードＰＤ、抵抗Ｒ、中央処理装置（ＣＰＵ）１３、メモリ１４、表示部１５を備える。

複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４は、ＬＤ駆動回路１０から複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４の各々までの距離ＬLD1，ＬLD2，ＬLD3，ＬLD4がＬLD1＜ＬLD2＜ＬLD3＜ＬLD4となるように直列に接続されている。ＬＤ駆動回路１０は、直列に接続された複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４に電流を供給する。複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４は、電流が流れることによりレーザ光を出力する。

また、複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４と光合成器１１は、複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４から光合成器１１内の合波端までの距離ＳLD1，ＳLD2，ＳLD3，ＳLD4がＳLD1＜ＳLD2＜ＳLD3＜ＳLD4となるように配置されている。

光合成器１１は、反射、屈折の作用を持つ光学素子（ミラーやレンズ，プリズムなど）からなり、複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４から出力された光を合波端において直径５００μｍ以下のスポットに集める機能を持つ。

即ち、光合成器１１は、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４のレーザ光を合成するとともに、各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４から光合成器１１内の合波端までの光到達時間が各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４毎に異なるように、各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４から光合成器１１までの光路長を設定する。

ハーフミラー１２は、光合成器１１からの合波されたレーザ光をモニタ光と出力光とに分光する。

フォトダイオードＰＤは、本発明の光検知素子に対応し、ハーフミラー１２で分光されたレーザ光を検知する。ＣＰＵ１３は、フォトダイオードＰＤで検知されたレーザ光の出力値をメモリ１４に記憶したり、出力値を表示部１５に表示させる。

次にこのように構成された実施例１の半導体レーザ装置の動作を図１を参照しながら説明する。

まず、ＬＤ駆動回路１０が、複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４に電流が供給すると、各半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４は、ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４の順番にレーザ光を出力する。

第１番目に出力された半導体レーザＬＤ１からのレーザ光は、光合成器１１、ハーフミラー１２を介して第１番目にフォトダイオードＰＤにより検知される。第２番目に出力された半導体レーザＬＤ２からのレーザ光は、光合成器１１、ハーフミラー１２を介して第２番目にフォトダイオードＰＤにより検知される。

第３番目に出力された半導体レーザＬＤ３からのレーザ光は、光合成器１１、ハーフミラー１２を介して第３番目にフォトダイオードＰＤにより検知される。第４番目に出力された半導体レーザＬＤ４からのレーザ光は、光合成器１１、ハーフミラー１２を介して第４番目にフォトダイオードＰＤにより検知される。

このため、図２に示すように、フォトダイオードＰＤの出力は、半導体レーザＬＤ１、半導体レーザＬＤ２、半導体レーザＬＤ３、半導体レーザＬＤ４の順で時間的に得られる。図２に示す例では、各半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４が正常であるので、フォトダイオードＰＤの各出力は一定値である。

しかし、図３に示す例では、第３番目の出力が他の出力に比較して低いので、半導体レーザＬＤ３が劣化していることを判定できる。また、半導体レーザが故障した場合にも、同様にフォトダイオードＰＤの時間的な出力変化により故障した半導体レーザを検出できる。

このように実施例１の半導体レーザ装置によれば、各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４の発光タイミングが半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４毎に異なるように、ＬＤ駆動回路１０から半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４までの線路長を調整し、且つ各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４から合波端までの光到達時間が半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４毎に異なるように、各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４から光合成器１１までの光路長を調整するので、各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４の光到達時間と光出力とに基づき、複数の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４の一部の故障や劣化を検知できる。また、複雑なタイミング制御回路を用いることなく、単一のフォトダイオードＰＤにより半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４の一部の故障や劣化を検知できるので、小型化及び低コスト化を図ることができる。

（実施例２）
図４は本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。実施例２に係る半導体レーザ装置は、ＬＤ駆動回路１０、バイポーラ型のＮＰＮのトランジスタＱ１，Ｑ２、半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２、光合成器１１ａ、フォトダイオードＰＤ、ＣＰＵ１３、メモリ１４、表示部１５を備える。

ＬＤ駆動回路１０とトランジスタＱ１との距離Ｓ１と、ＬＤ駆動回路１０とトランジスタＱ２との距離Ｓ２とは、同じである。ＬＤ駆動回路１０は、トランジスタＱ１，Ｑ２の各々のベースに電圧を印加することによりトランジスタＱ１，Ｑ２に電流を流す。

トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタには電源Ｖｃｃが接続され、トランジスタＱ１のエミッタには半導体レーザＬＤ１のアノードが接続され、トランジスタＱ２のエミッタには半導体レーザＬＤ２のアノードが接続されている。

光合成器１１ａは、半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２から光合成器１１内の合波端までの距離ＳLD11，ＳLD12がＳLD11＞ＳLD12となるように配置されている。

図４に示す光合成器１１ａ、フォトダイオードＰＤ、ＣＰＵ１３、メモリ１４、表示部１５は、図１に示すそれらと同じであるので、それらの説明は省略する。

このように実施例２の半導体レーザ装置によれば、ＬＤ駆動回路１０からの電圧によりトランジスタＱ１，Ｑ２がオンすると、半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２に同時に電流が流れる。すると、半導体レーザＬＤ２からのレーザ光は第１番目に光合成器１１ａに到達する。一方、半導体レーザＬＤ１からのレーザ光は第２番目に光合成器１１ａに到達する。

従って、最初にフォトダイオードＰＤで検出される出力は、半導体レーザＬＤ２からのレーザ光の出力であり、次に、フォトダイオードＰＤで検出される出力は、半導体レーザＬＤ１からのレーザ光の出力である。この時間的な出力の変化により半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２の劣化、故障を判定することができる。また実施例１では、ＬＤ駆動回路１０から各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４までの距離を設定し、且つ各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４から光合成器１１内の合波端までの距離を設定したが、実施例２では、各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４から光合成器１１ａ内の合波端までの距離（光路長）を設定するのみで、半導体レーザの劣化、故障を判定することができる。

（実施例３）
図５は本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。実施例３に係る半導体レーザ装置は、図１に示す実施例１に係る半導体レーザ装置に対して、さらに、半導体レーザＬＤ４と光合成器１１との間の光路にプリズム１６ａ，１６ｂを配置したことを特徴とする。プリズム１６ａ，１６ｂは、本発明の光伝搬調整用の光学素子に対応する。

このように実施例３に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザＬＤ４と光合成器１１との間の光路にプリズム１６ａ，１６ｂを配置したので、半導体レーザＬＤ４と光合成器１１との間の光到達時間を調整することができる。このため、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４の劣化、故障を容易に判定することができる。

（実施例４）
図６は本発明の実施例４に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。実施例４に係る半導体レーザ装置は、図１に示す実施例１に係る半導体レーザ装置に対して、各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４を誘電率が異なる導電パターンＰＴ１〜ＰＴ４により接続したことを特徴とする。

実施例４に係る半導体レーザ装置によれば、誘電率が異なる導電パターンＰＴ１〜ＰＴ４により各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４を接続したので、電流伝達時間が互いに異なる。このため、駆動回路１０から各々の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４までの電流到達時間を調整することができるので、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ４の劣化、故障を容易に判定することができる。

本発明は、レーザ加工機、レーザ照明機器に適用可能である。

Claims (3)

1. 直列に接続された複数の半導体レーザと、
   前記複数の半導体レーザに直列に接続され、前記複数の半導体レーザに電流を供給する駆動回路と、
   前記複数の半導体レーザのレーザ光を合成する光合成器と、
   前記光合成器で合成された前記複数の半導体レーザのレーザ光を検知する光検知素子を備え、
   各半導体レーザの発光タイミングが半導体レーザ毎に異なるように、前記駆動回路から各半導体レーザまでの線路長を調整し、前記光合成器は、前記複数の半導体レーザの各々の半導体レーザから前記光合成器内の合波端までの光到達時間が前記各々の半導体レーザ毎に異なるように、前記各々の半導体レーザから前記光合成器までの光路長を設定し、
   前記光検知素子は、前記各々の半導体レーザの光到達時間と光出力とに基づき前記複数の半導体レーザの故障を検知する半導体レーザ装置。
2. 前記光到達時間を調整するために、光路に光伝搬調整用の光学素子を配置した請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記駆動回路から前記各々の半導体レーザまでの電流到達時間を調整するために、誘電率が異なる導電パターンにより前記各々の半導体レーザを接続した請求項１又は請求項２記載の半導体レーザ装置。

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