JP6267165B2 - 複数のレーザダイオードモジュールを有する長寿命高効率レーザ装置 - Google Patents

複数のレーザダイオードモジュールを有する長寿命高効率レーザ装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6267165B2
JP6267165B2 JP2015177969A JP2015177969A JP6267165B2 JP 6267165 B2 JP6267165 B2 JP 6267165B2 JP 2015177969 A JP2015177969 A JP 2015177969A JP 2015177969 A JP2015177969 A JP 2015177969A JP 6267165 B2 JP6267165 B2 JP 6267165B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diode module
laser diode
module groups
laser
drive current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015177969A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017054931A (ja
Inventor
宏 瀧川
宏 瀧川
久忠 町田
久忠 町田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FANUC Corp
Original Assignee
FANUC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FANUC Corp filed Critical FANUC Corp
Priority to JP2015177969A priority Critical patent/JP6267165B2/ja
Priority to DE102016116525.5A priority patent/DE102016116525B4/de
Priority to US15/258,074 priority patent/US9680289B2/en
Priority to CN201610812572.9A priority patent/CN106532429B/zh
Publication of JP2017054931A publication Critical patent/JP2017054931A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6267165B2 publication Critical patent/JP6267165B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/0014—Measuring characteristics or properties thereof
    • H01S5/0021—Degradation or life time measurements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0617—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium using memorised or pre-programmed laser characteristics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06209—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
    • H01S5/06216—Pulse modulation or generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/0675—Resonators including a grating structure, e.g. distributed Bragg reflectors [DBR] or distributed feedback [DFB] fibre lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094003—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
    • H01S3/094011—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre with bidirectional pumping, i.e. with injection of the pump light from both two ends of the fibre
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094076—Pulsed or modulated pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/06835—Stabilising during pulse modulation or generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Optical Head (AREA)

Description

本発明は、レーザ装置に関し、特に、複数のレーザダイオードモジュールを発光源あるいは励起光源とするレーザ装置に関する。
高出力レーザ装置は、高出力を実現するために、複数のレーザ光源単位を備えた装置が多く、種々の駆動方法が報告されている（例えば、特許文献１〜３）。
特許文献１には、「それぞれがレーザビームを発振する発振モジュールを複数有し、これら複数の発振モジュールの発振したレーザビームを集めて出力とするレーザ発振器を制御する装置であって、駆動する発振モジュールを選択するモジュール選択手段を設け、前記モジュール選択手段は、前記レーザ加工機のレーザ加工時の出力を前記発振モジュールの個数で除した１つの発振モジュールが出力すべき値が、１つの発振モジュールの制御可能な最小出力未満の場合に、全ての発振モジュールを駆動せずに、駆動する発振モジュールの個数を減らす選択条件判定部を有するレーザ発振器制御装置。」が開示されている。さらに、特許文献１には「前記選択条件判定部は、前記レーザ加工機のレーザ加工時の出力が、１つの発振モジュールの定格最大出力以下の場合に、全ての発振モジュールを駆動せずに、駆動する発振モジュールの個数を１つとするレーザ発振器制御装置。」が開示されている。
発振モジュールの発光源がレーザダイオードモジュールの場合は、レーザダイオードモジュールへ注入する駆動電流に対する光出力特性は図１のような特性を示し、駆動電流に対してレーザダイオードモジュールに印加される電圧は図２のような特性を示している。その結果として、図３のように、駆動電流に対する光変換効率がピークを示す電流があり、光変換効率がピークを示す電流に対して非対称な形状を示している。そのため、特許文献１に記載されている選択基準では、光変換効率が最も高い条件でレーザダイオードモジュールを駆動できるとは限らない。例えば、１つの発振モジュールの光出力特性、電流‐電圧特性、光変換効率特性が図１〜図３に示したような特性を持ち、定格最大出力２５０Ｗで、制御可能な最小出力が６０Ｗ、発振モジュールの数が４個と仮定する。この場合、光出力指令が２６０Ｗの時は、特許文献１では未だ駆動する発振モジュールの個数を減らす条件ではない。そのため、１個あたり６５Ｗの出力で４個の発振モジュールを全て駆動することになる。しかしながら、図４に示したように、１個あたり１３０Ｗの出力で２個だけ駆動した方が光変換効率は明らかに高くなる。
また、光出力指令が２４０Ｗの時は、１つの発振モジュールの定格最大出力以下であるので、後者の「前記選択条件判定部は、前記レーザ加工機のレーザ加工時の出力が、１つの発振モジュールの定格最大出力以下の場合に、全ての発振モジュールを駆動せずに、駆動する発振モジュールの個数を１つとする」との選択条件によれば、１個の発振モジュールだけを駆動することになる。しかしながら、図５に示したように、明らかに２個の発振モジュールを駆動した方が光変換効率は高くなる。また、特許文献１の図４にはレーザモジュールのモジュール選択手段の計算例が記載されている。例えば、ケース１では１基のレーザモジュールの最大出力が５００Ｗで、４基のレーザモジュールで構成されている。加工条件からの出力指令が１，０００Ｗの場合を見てみると、２基のレーザモジュールが選択されて、１基が５００Ｗずつ出力するとしている。しかしながら、図６のような光出力特性を持つレーザモジュールの場合、４基とも選択して２５０Ｗずつ出力させた方が明らかに光変換効率は高くなる。即ち、特許文献１によると、発振モジュールの発光源がレーザダイオードモジュールの場合、常に最も高い光変換効率で駆動できることが保証されない。
更に、特許文献１には、「この発明のさらに他の目的は、効果的な場合のみ発振モジュールの選択個数を減らすことで、偏った発振モジュールの使用による耐久性低下を防止することである。」との記述がある。即ち、できるだけ一部の発振モジュールだけを駆動することを避けることで一部の発振モジュールに偏った負荷が掛かって、その発振モジュールの寿命が短くなり、レーザ装置全体の寿命が短くなるのを抑制しようとしている。しかしながら、一部の発振モジュールが偏って使用されることによって寿命が短くなることに対して根本的な解決策を提示していない。その結果、加工条件によっては一部の発振モジュールが偏って使用されることが続き、一部の発振モジュールの寿命が先に来てしまうということが避けられないという問題がある。
また、特許文献２には、「励起モジュールの励起光源への電流の総和が一定の条件下で出力測定手段が測定する出力が最大となるように前記励起モジュールごとの前記励起光源への電流の配分を決定する電流配分手段とを備えた固体レーザ装置。」が開示されている。この駆動条件は、所定の出力を得るために、励起光源への電流の総和が最小になるように電流配分すると読み替えることができる。ここで、光源がレーザダイオードモジュールであり、１つの発振モジュールの光出力特性、電流‐電圧特性、光変換効率特性が図１〜図３に示したような特性を持ち、定格最大出力２５０Ｗの場合について考える。発振モジュールの数が４個の場合、光出力指令が４００Ｗの時は、図７に示したように、２個の発振モジュールを駆動した方が電流の総和は小さいが、３個の発振モジュールを駆動した方が光変換効率は高くなる。即ち、特許文献２によると、発振モジュールの発光源がレーザダイオードモジュールの場合、常に最も高い光変換効率で駆動できることが保証されない。
また、特許文献３は、請求項５において、「高出力２次元面発光レーザアレイの制御方法であって、独立制御可能な高出力２次元面発光レーザアレイ素子１つないし複数からなる光源単位において、あらかじめ記憶されている光変換効率が最大となる最大効率光出力で、必要とされる使用光出力を除して丸め、駆動させる光源単位数を算出し、前記使用光出力を、駆動する光源単位数で除して、光源単位毎の単位光出力を算出し、前記単位光出力と前記最大効率光出力との光出力差を算出し、前記高出力２次元面発光レーザアレイの閾値電流と、前記高出力２次元面発光レーザアレイの駆動電流の変化に対する光出力の変化の直線関係とから、前記光出力差に応じた補正駆動電流を算出し、前記最大効率光出力を前記補正駆動電流で補正した駆動電流で面発光レーザアレイを駆動することを特徴とする高出力面発光レーザアレイ群の制御方法。」を開示している。文中の「光変換効率が最大となる最大効率光出力で、必要とされる使用光出力を除して丸め」については、発明を実施するための形態の中に、「数値を丸める方法としては、単純に数値を四捨五入して整数化すればよい。」と記されている。この駆動条件により、光源がレーザダイオードモジュールであり、１つの発振モジュールの光出力特性、電流‐電圧特性、光変換効率特性が図１〜図３に示したような特性を持ち、定格最大出力２５０Ｗで、光変換効率が最大となる最大効率光出力が１２５Ｗ、発振モジュールの数が４個の場合について考える。この場合、光出力指令が１８５Ｗの時は、駆動させる光源単位数は、１８５Ｗ／１２５Ｗ＝１．４８≒１個になり、補正駆動電流で補正した駆動電流８．７９Ａで駆動することになる。しかしながら、図８に示したように、１８５Ｗを２個の発振モジュールを駆動した方が光変換効率は高くなる。即ち、特許文献３によると、発振モジュールの発光源がレーザダイオードモジュールの場合、常に最も高い光変換効率で駆動できることが保証されない。また、特許文献３では、駆動電流の変化に対する光出力の変化の直線関係を利用して、補正駆動電流を求めている。しかしながら、高出力のレーザダイオードモジュールにおいては、駆動電流の変化に対する光出力の変化が線形関係からずれる高光出力駆動電流領域で駆動することも多い。そのため、線形関係を利用して、補正駆動電流を求めると、指令光出力に対して、必要な精度で光出力が出射されないという問題がある。
特許第５７２９１０７号公報 特許第４３４１６００号公報 特開２０１２−１２４３０４号公報
光変換効率が高いレーザダイオードをレーザ発光源、あるいはレーザ発振の励起光源として用いた高出力レーザ装置は、多くの加工分野で広く使用されるようになっている。光出力が大きいと消費する電力も大きいので、少しでも光変換効率の高い条件で駆動することが望ましい。しかしながら、従来技術では、広い光出力指令範囲において常に最も光変換効率が高い条件で駆動できなかった。また、高出力を実現するために複数の発振モジュールで構成されるレーザ装置において、高い光変換効率で駆動するために発振モジュールによって駆動条件を変えると、一部の発振モジュールに駆動による負荷が偏在して、結果として寿命の消耗状態に偏りが生まれ、一部の発振モジュールの寿命が早く尽きて、レーザ装置全体の寿命が短くなるという問題があった。
即ち、常に最大の光変換効率を発揮するように駆動し、かつ、一部の発振モジュールに駆動負荷が偏在せず、レーザ装置の寿命が最も長くなるレーザ装置の開発が必要とされている。
本発明の一実施例に係るレーザ装置は、少なくとも１つのレーザダイオードモジュールを含む複数のレーザダイオードモジュールグループ、及び複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流を供給する複数の電源部を備え、複数のレーザダイオードモジュールグループからレーザ光を集光して、レーザ光源、あるいはレーザ発振のための励起光源とするレーザ装置において、複数の電源部から複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに注入する駆動電流を複数のレーザダイオードモジュールグループ毎に独立に注入可能な駆動電流供給回路網と、複数の電源部から複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに注入する駆動電流を複数のレーザダイオードモジュールグループ毎に独立に制御する制御部と、複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの駆動電流と光出力の関係を示す光出力特性データ、及び複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの駆動電流と駆動電圧の関係を示す電流‐電圧特性データを記録した第１記録部と、レーザ装置に対するレーザ光の出力指令に対して、指令の光出力が得られる条件下で、複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として注入電力から光出力へのエネルギー変換効率を意味する光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに割振る駆動電流を算出する第１算出部と、を備え、レーザ装置に対するレーザ光の出力指令に対して、第１記録部に記録されたデータに基づいて、第１算出部が算出した結果に従って、制御部が、指令の光出力が得られる条件下で、複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流を割振ることを特徴とする。
本発明の一実施例に係るレーザ装置によれば、広い光出力指令範囲において常に最も光変換効率が高い条件でレーザダイオードを駆動することができる。
本発明の他の実施例に係るレーザ装置によれば、一部のレーザダイオードモジュールグループに駆動による負荷が偏在して、結果として寿命の消耗状態に偏りが生まれ、一部のレーザダイオードモジュールグループの寿命が早く尽きて、レーザ装置全体の寿命が短くなるという問題が解決でき、レーザ装置の寿命を最も長くすることができる。
レーザダイオードモジュールグループの駆動電流に対する光出力の大きさを表した光出力特性の例である。 レーザダイオードモジュールグループの駆動電流に対する印加電圧の大きさを表した電流‐電圧特性の例である。 図１と図２に示した特性から算出される、レーザダイオードモジュールグループの駆動電流に対する光変換効率の変化を示した図である。 従来技術によるレーザダイオードモジュールグループの駆動電流に対する光出力及び光変換効率の大きさを表すグラフの第１の例であって、最も高い光変換効率で駆動されない場合があることを示す図である。 従来技術によるレーザダイオードモジュールグループの駆動電流に対する光出力及び光変換効率の大きさを表すグラフの第２の例であって、最も高い光変換効率で駆動されない場合があることを示す図である。 従来技術によるレーザダイオードモジュールグループの駆動電流に対する光出力及び光変換効率の大きさを表すグラフの第３の例であって、最も高い光変換効率で駆動されない場合があることを示す図である。 従来技術によるレーザダイオードモジュールグループの駆動電流に対する光出力及び光変換効率の大きさを表すグラフの第４の例であって、最も高い光変換効率で駆動されない場合があることを示す図である。 従来技術によるレーザダイオードモジュールグループの駆動電流に対する光出力及び光変換効率の大きさを表すグラフの第５の例であって、最も高い光変換効率で駆動されない場合があることを示す図である。 本発明の第１の実施例に係るレーザ装置の構造を示す摸式図であり、レーザダイオードモジュールグループ（ＬＤＭＧ）がｎ個の場合の例を示している。 レーザダイオードモジュールがファイバレーザの励起光源として使用されている場合のレーザダイオードモジュールグループのグループ分けの例を説明するための図である。 本発明の第２の実施例に係るレーザ装置について説明するための図であり、レーザ装置の光出力指令波形と各レーザダイオードモジュールグループへの駆動電流の割振りの例を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るレーザ装置について説明するための図であり、レーザ装置の光出力指令波形と各レーザダイオードモジュールグループへの駆動電流の割振りの例を示す図である。 本発明の第３の実施例に係るレーザ装置の構造を示す摸式図である。 駆動電流による寿命消費速度に対する加減速係数Ａ（Ｉ）の例を示す図である。 本発明の第４の実施例に係るレーザ装置の構造を示す摸式図である。 光出力による寿命消費速度に対する加減速係数Ｂ（Ｐ）の例を示す図である。 本発明の第５の実施例に係るレーザ装置の動作手順について説明するための図であり、駆動電流を割振るレーザダイオードモジュールグループの選択方法を示すフローチャートである。 本発明の第６の実施例に係るレーザ装置の構造を示す摸式図である。 レーザダイオードモジュールグループの光変換効率と推定残存寿命の関係の例を示す図である。 図１８に示した関係から算出される補正係数Ｃを示す図である。 本発明の第７の実施例に係るレーザ装置の構造を示す摸式図である。 本発明の第８の実施例に係るレーザ装置の構造を示す摸式図である。 レーザダイオードモジュールグループの所定の光出力を得るための駆動電流の増加から、残存寿命を見積もる方法を示した図である。
以下、図面を参照して、本発明に係るレーザ装置について説明する。
［第１の実施例］
図９は、本発明の第１の実施例に係るレーザ装置１０１の構造を示す模式図である。本実施例のレーザ装置１０１は、少なくとも１つのレーザダイオードモジュールを含む複数のレーザダイオードモジュールグループ２、及び複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに駆動電流を供給する複数の電源部１８を備え、複数のレーザダイオードモジュールグループ２からレーザ光３を集光して、レーザ光源、あるいはレーザ発振のための励起光源とするレーザ装置であり、複数の電源部１８から複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに注入する駆動電流を複数のレーザダイオードモジュールグループ毎に独立に注入可能な駆動電流供給回路網１７と、複数の電源部から複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに注入する駆動電流を複数のレーザダイオードモジュールグループ毎に独立に制御する制御部１９と、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの駆動電流と光出力の関係を示す光出力特性データ、及び複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの駆動電流と駆動電圧の関係を示す電流‐電圧特性データを記録した第１記録部２０と、レーザ装置に対するレーザ光の出力指令に対して、指令の光出力が得られる条件下で、複数のレーザダイオードモジュールグループ２が全体として注入電力から光出力へのエネルギー変換効率を意味する光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに割振る駆動電流を算出する第１算出部２１を備えている。
ここで、レーザ光の出力指令は図９に示すようにレーザ装置１０１に設けられた指令部２２から制御部１９に対して与えるようにしてもよく、レーザ装置１０１の外部から与えるようにしてもよい。
ここで、レーザダイオードモジュールグループ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ Ｍｏｄｕｌｅ Ｇｒｏｕｐ：ＬＤＭＧ）は、少なくとも１つのレーザダイオードモジュール（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ Ｍｏｄｕｌｅ：ＬＤＭ）を含んでいる。また、レーザダイオードモジュールグループは、複数の電源部１８から複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに注入する駆動電流をレーザダイオードモジュールグループ毎に独立に制御でき、複数存在するレーザダイオードモジュールグループの内のいずれか１つだけに適正な範囲の駆動電流を注入した場合にもレーザ装置から出力されるレーザ光と同質のレーザ光を出力できるレーザ光源単位を少なくとも１つ含むユニットである。同質のレーザ光とは少なくとも波長は略同じレーザ光である。
また、図９において、レーザダイオードモジュールグループは例えばｎ個設けられ、これら複数のレーザダイオードモジュールグループ（２−１，２−２，２−３，…，２−ｎ）の全体を符号「２」で代表して表している。
同様に、図９において、電源部はレーザダイオードモジュールグループの数に対応して例えばｎ個設けられ、これら複数の電源部（１８−１，１８−２，１８−３，…，１８−ｎ）の全体を符号「１８」で代表して表している。さらに、ｎ個の電源部のそれぞれと、対応するｎ個のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれとを接続する配線の全体を駆動電流供給回路網１７としている。
本実施例のレーザ装置１０１においては、レーザ装置１０１に対するレーザ光の出力指令に対して、第１記録部２０に記録されたデータに基づいて、第１算出部２１が算出した結果に従って、制御部１９が、指令の光出力が得られる条件下で、複数のレーザダイオードモジュールグループ２が全体として、即ち、レーザ装置１０１全体として、光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに駆動電流を割振る機能を有している。レーザダイオードからのレーザ光を集光して、そのままの波長でレーザ装置から出力するダイレクトダイオード方式のレーザ装置の場合は、レーザダイオードモジュールグループは単純に何らかの集光系を備えたレーザダイオードモジュールの集合体である。図１０に示したように、レーザダイオードモジュールからのレーザ光でファイバレーザを励起するレーザ装置１０１´の場合は、注入する駆動電流を独立に制御できれば、ビームコンバイナ１２に接続されたファイバレーザユニット４をレーザダイオードモジュールグループとしても良いし、後方励起レーザダイオードモジュール群１１と前方励起レーザダイオードモジュール群１０を夫々レーザダイオードモジュールグループとしても良いし、それぞれのレーザダイオードモジュール群１０，１１を更に分割したレーザダイオードモジュール（ＬＤＭ）５をレーザダイオードモジュールグループとしても良い。ここで、前方励起レーザダイオードモジュール群１０と後方励起レーザダイオードモジュール群１１は、高反射ファイバ・ブラッグ・グレーティング７、低反射ファイバ・ブラッグ・グレーティング８、及び励起光コンバイナ９を介して、活性元素添加光ファイバ６により接続することができる。但し、ファイバレーザユニット４内を複数のレーザダイオードモジュールグループに分割する場合、レーザダイオードモジュール５からの励起光からファイバレーザからのレーザ光への光‐光変換効率が一定でない場合は、次のようにして、光変換効率が最大となる駆動電流の割振りの算出を行えば良い。即ち、この場合は、各レーザダイオードモジュールグループの駆動電流と光出力の関係を示す光出力特性データ、及び各レーザダイオードモジュールグループの駆動電流と駆動電圧の関係を示す電流‐電圧特性データを記録した第１記録部２０に、光‐光変換効率のデータも記録しておき、光出力指令に対して、正しい光出力が出力できるようにレーザダイオードモジュールに対する光出力指令に補正して、光変換効率が最大となる駆動電流の割振りの算出を行えば良い。なお、第１記録部２０に記録している実際のデータは、離散的な電流に対するデータであっても、テーブルに無い電流値のデータについては、内挿によって容易に算出できる。
光変換効率が最大となる駆動電流の割振りの算出方法は、一方法だけではない。一例として、まず、レーザダイオードモジュールグループ数がｎ個であった場合、図９において、操作盤等の指令部からの光出力指令に対して、レーザダイオードモジュールグループの順に、１個だけ選んだ場合、２個選んだ場合、・・・・・、ｎ−１個を選んだ場合、ｎ個選んだ場合の夫々について、光出力指令を各レーザダイオードモジュールグループが均等に割振った時の光変換効率を算出する。次に、最も光変換効率の高いレーザダイオードモジュールグループについて、１個のレーザダイオードモジュールの定格最大光出力を越えない範囲で、駆動電流を増減させて、それに伴って光出力が増減する分は選択した他のレーザダイオードモジュールグループの光出力が均等に減増するように駆動電流を調節する。光変換効率が最大になった時点で、最も光変換効率の高いレーザダイオードモジュールグループの駆動電流は一旦固定する。続いて、次に光変換効率の高いレーザダイオードモジュールグループについて、駆動電流を増減させて、それに伴って光出力が増減する分は選択した残りのレーザダイオードモジュールグループの光出力が均等に減増するように駆動電流を調整する。光変換効率が最大になった時点で、二番目に光変換効率の高いレーザダイオードモジュールグループの駆動電流は一旦固定する。この計算を順番に繰り返して、選択したレーザダイオードモジュールグループの内、光変換効率が二番目に低いレーザダイオードモジュールグループの駆動電流まで一旦固定する。その後、もう一度、最も光変換効率の高いレーザダイオードモジュールグループについて、駆動電流を増減して、それに伴って光出力が増減する分は選択した他のレーザダイオードモジュールグループの光出力が均等に減増するように駆動電流を調節する。さらに、先と同様に、光変換効率が二番目に低いレーザダイオードモジュールグループの駆動電流を一旦固定するところまでの計算を繰り返す。この計算を数サイクル繰り返すと、光変換効率が略最も高い各レーザダイオードモジュールグループへの駆動電流の割振りが算出できる。
なお、レーザダイオードモジュールグループ間で光出力特性や電流‐電圧特性に差が少ない場合は、レーザダイオードモジュールグループを１個だけ選んだ場合、２個選んだ場合、・・・・・、ｎ−１個を選んだ場合、ｎ個選んだ場合の夫々について、光出力指令を各レーザダイオードモジュールグループが均等に割振った時の光変換効率を算出する。次に、最も光変換効率が高くなる個数を選択して、選択したレーザダイオードモジュールグループに、光出力指令を、選択したレーザダイオードモジュールグループの個数で除した光出力を出力するように駆動電流を割振っても良い。この場合の具体的な算出例としては、第１の例として、図４に記載した２６０Ｗの出力指令に対して、定格最大光出力２５０Ｗの４個のレーザダイオードモジュールグループ中の２個に夫々６．２９Ａずつ割振り、５１．５％の光変換効率で１３０Ｗ×２個で２６０Ｗを出力した例を挙げることができる。第２の例として、図５に記載した２４０Ｗの出力指令に対して、定格最大光出力２５０Ｗの４個のレーザダイオードモジュールグループ中の２個に夫々５．８６Ａずつ割振り、５１．５％の光変換効率で１２０Ｗ×２個で２４０Ｗを出力した例を挙げることができる。第３の例として、図６に記載した１，０００Ｗの出力指令に対して、定格最大光出力５００Ｗの４基のレーザダイオードモジュールグループ中の４基に夫々６．０７Ａずつ割振り、５１．５％の光変換効率で２５０Ｗ×４基で１，０００Ｗを出力した例を挙げることができる。第４の例として、図７に記載した４００Ｗの出力指令に対して、定格最大光出力２５０Ｗの４個のレーザダイオードモジュールグループ中の３個に夫々６．４４Ａずつ割振り、５１．４％の光変換効率で１３３．３３Ｗ×３個で４００Ｗを出力した例を挙げることができる。第５の例として、図８に記載した１８５Ｗの出力指令に対して、定格最大光出力２５０Ｗの４個のレーザダイオードモジュールグループ中の２個に夫々４．６７Ａずつ割振り、５１．１％の光変換効率で９２．５Ｗ×２個で１８５Ｗを出力した例を挙げることができる。
また、以上のような算出は、現在の高性能プロセッサを利用すれば短時間で行うことができる。しかしながら、μｓオーダーの出力制御が必要な場合は、出力指令が出力される前に、予め予想される範囲の出力指令の全部について算出した結果を、例えば第１記録部２０に保存しておいて、出力指令に対して、保存しておいた算出結果を参照して、各レーザダイオードモジュールグループへの駆動電流の割振りを決めても良い。制御部１９は光出力指令に対して、第１算出部２１の算出結果、あるいは予め保存しておいた算出結果に基づいて、各レーザダイオードモジュールグループ２−１，２−２，２−３，…，２−ｎに駆動電流が割り振られるように各電源部１８−１，１８−２，１８−３，…，１８−ｎを制御するため、レーザ装置は常に最大光変換効率で駆動される。
また、第１の実施例の駆動電流の割振り方法に従えば、レーザダイオードモジュールグループ間に光変換効率の差がある場合、通常、寿命が短い傾向がある光変換効率の低いレーザダイオードモジュールグループが、駆動電流の割振られるレーザダイオードモジュールグループに選択される確率が小さくなるので、レーザダイオードモジュールグループ間の寿命の個体差の影響が縮小されるメリットもある。
［第２の実施例］
図１１（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施例に係るレーザ装置について説明するための図であって、レーザ装置に対するパルス状の出力指令波形１３と、各レーザダイオードモジュールグループに割振られる駆動電流波形１４と、各レーザダイオードモジュールグループからの光出力波形１５の例を示したものである。レーザ装置に対するレーザ光の出力指令１３が、図１１（ａ），（ｂ）に示したように、高出力レベルの光出力と低出力レベルの光出力が交互に繰り返すパルス出力指令であった場合について説明する。この場合に、制御部が、高出力レベルの光出力、及び低出力レベルの光出力のいずれに対しても、指令の光出力が得られる条件下で、複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流を割振る点を特徴としており、これによって、常に最大光変換効率で駆動するレーザ装置が実現できる。
具体的には、図１〜図３に示した光出力特性と電流‐電圧特性を有し、定格最大光出力が２５０Ｗのレーザダイオードモジュールグループ４個で構成されているレーザ装置を用いるものと仮定する。この場合においては、図１１（ａ），（ｂ）に示したように、パルス状の出力指令波形において、高出力レベルが４００Ｗ、低出力レベルが８０Ｗであれば、４００Ｗは３個のレーザダイオードモジュールグループを駆動して、１３３．３３Ｗ×３台＝４００Ｗとすると最も高い光変換効率５１．４％で駆動できる。一方、８０Ｗは１個のレーザダイオードモジュールグループを駆動して、８０Ｗ×１台＝８０Ｗとすると最も高い光変換効率５０．６％で駆動できる。従って、図１１（ａ），（ｂ）に示した２組のレーザダイオードモジュールグループへの駆動電流の割振りが最大光変換効率の得られる駆動電流の割振りである。レーザダイオードモジュールグループ間で、図１〜図３に示した光出力特性と電流‐電圧特性が全く同じであれば、この２組の駆動電流の割振りで得られる光変換効率は同じになる。ただし、光出力特性と電流‐電圧特性に差があれば２組の駆動電流の割振りで得られる光変換効率に差が出てくるので、光変換効率の高い組合せを選択すれば良い。
上記のように、本発明の実施例２に係るレーザ装置によれば、レーザ装置に対するレーザ光の出力指令が高出力レベルの光出力と低出力レベルの光出力が交互に繰り返すパルス出力指令に対しても、レーザダイオードモジュールグループが全体として、言い換えればレーザ装置として、最大光変換効率で駆動できる。
［第３の実施例］
図１２は、本発明の第３の実施例に係るレーザ装置１０２について説明するためのレーザ装置内の構造を示す模式図である。
Figure 0006267165
レーザ光の出力指令に対して、制御部１９が、指令の光出力が得られる条件下で、複数のレーザダイオードモジュールグループ２が全体として光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに駆動電流を割振る際に、駆動電流を割振る複数のレーザダイオードモジュールグループとして、複数のレーザダイオードモジュールグループ間で比較して、第１累積値が相対的に小さい複数のレーザダイオードモジュールグループのうちの少なくとも１つが優先的に選択される。第２記録部２３に記録される駆動電流の寿命消費速度に対する加減速係数であるＡ（Ｉ）のデータテーブルとは、図１３に示したようなデータテーブルである。
レーザダイオードモジュールの寿命は、駆動電流に大きく影響を受けるので、駆動電流の大きさによる寿命消費速度の加減速係数を考慮した第１累積値は、累積負荷あるいは実効的累積駆動時間と考えられる。従って、第１累積値が小さいレーザダイオードモジュールグループを、駆動電流を割振るレーザダイオードモジュールグループとして優先的に選択することにより、レーザダイオードモジュールグループ間で累積負荷が均等化される。その結果、一部のレーザダイオードモジュールグループの寿命が短くなることが回避でき、レーザダイオードモジュールグループ全体の寿命、即ちレーザ装置の寿命を最も長くできる。
［第４の実施例］
図１４は、本発明の第４の実施例に係るレーザ装置１０３について説明するためのレーザ装置内の構造を示す模式図である。
Figure 0006267165
レーザ光の出力指令に対して、制御部１９が、指令の光出力が得られる条件下で、複数のレーザダイオードモジュールグループ２が全体として光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに駆動電流を割振る際に、駆動電流を割振る複数のレーザダイオードモジュールグループとして、複数のレーザダイオードモジュールグループ間で比較して、第２累積値が相対的に小さい複数のレーザダイオードモジュールグループのうちの少なくとも１つが優先的に選択される。第４記録部２６に記録される光出力の寿命消費速度に対する加減速係数であるＢ（Ｐ）のデータテーブルとは、図１５に示したようなデータテーブルである。
レーザダイオードモジュールの寿命は、駆動電流以上に光出力の影響を受ける場合がある。従って、その場合は、光出力の大きさによる寿命消費速度の加減速係数を考慮した第２累積値によって、優先的に駆動電流を割振るレーザダイオードモジュールグループを選択することにより、第３の実施例を適用した場合よりも、レーザダイオードモジュールグループ間で累積負荷がより高精度に均等化できる。
［第５の実施例］
図１６は、本発明の第５の実施例に係るレーザ装置について説明するための駆動電流を割振るレーザダイオードモジュールグループの選択方法を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１０１において、指令部２２（図１２参照）が制御部１９にレーザ光の出力指令を出力する。
Figure 0006267165
次に、ステップＳ１０３において、第１累積値が最も小さい複数のレーザダイオードモジュールグループの第１累積値が複数のレーザダイオードモジュールグループ全体の第１累積値の平均値の９５％以上となっているか否かを判断する。第１累積値が最も小さい複数のレーザダイオードモジュールグループの第１累積値が複数のレーザダイオードモジュールグループ全体の第１累積値の平均値の９５％未満の場合は、ステップＳ１０４において、第１累積値が最小のレーザダイオードモジュールグループ（ＬＤＭＧ）を、駆動電流を割振る対象に選択する。
このように、複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの間で、第１累積値の差、あるいは、第１累積値の比率の差が所定の値より拡大した場合について考える。例えば、図１６では、第１累積値が最も小さい複数のレーザダイオードモジュールグループの第１累積値と複数のレーザダイオードモジュールグループ全体の第１累積値の平均値との差が５％以上に拡大した場合について考える。即ち、第１累積値が最も小さい複数のレーザダイオードモジュールグループの第１累積値が複数のレーザダイオードモジュールグループ全体の第１累積値の平均値の９５％未満になれば、レーザ装置に対するレーザ光の出力指令に対して、第１算出部２１と制御部１９によって、指令の光出力が得られる条件に加えて、第１累積値が９５％以下の複数のレーザダイオードモジュールグループを、駆動電流を割振る複数のレーザダイオードモジュールグループに選択する条件下で、複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として光変換効率が最大となるように、複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流が割振られる（ステップＳ１０５）。次に、ステップＳ１０６において複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流が注入され、ステップＳ１０７において、光出力が行われる。
複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として最も光変換効率が高くなるように、駆動電流を注入する複数のレーザダイオードモジュールグループのうちの少なくとも１つを選択することを常に第一優先の選択基準にすると仮定する。そうすると、光変換効率の高い複数のレーザダイオードモジュールグループが、劣化が顕在化するまで常に選択されることとなる。その結果、第３の実施例だけでは、複数のレーザダイオードモジュールグループ間で累積負荷が過度に偏在して、寿命終了時期が一致しなくなるリスクがある。そのため、累積負荷が所定の程度より偏在した場合は累積負荷の偏在解消を優先することで、このリスクを回避することができる。
［第６の実施例］
図１７は、本発明の第６の実施例に係るレーザ装置１０４について説明するためのレーザ装置内の構造を示す模式図である。本発明の第６の実施例に係るレーザ装置１０４は、第１記録部２０に記録された複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの光出力特性データ及び／または電流‐電圧特性データから求められる複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの第１性能指数を光変換効率とする。本発明の第６の実施例に係るレーザ装置１０４は、複数のレーザダイオードモジュールグループ２の光変換効率と残存寿命の相関関係を示すデータテーブルを記録した第６記録部２９と、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれについて測定された光変換効率と第６記録部２９に記録された光変換効率と残存寿命の相関関係を示すデータテーブルから推定される残存寿命で、光変換効率が標準的な複数のレーザダイオードモジュールグループの残存寿命を除した値である補正係数Ｃを算出する第４算出部３０と、を備えている。
Figure 0006267165
制御部１９が、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれに駆動電流を割振る際に、駆動電流を割振る複数のレーザダイオードモジュールグループ２として、複数のレーザダイオードモジュールグループ間で比較して、第１累積値が相対的に小さい複数のレーザダイオードモジュールグループ２のうちの少なくとも１つを優先的に選択する代わりに、第３累積値が相対的に小さい複数のレーザダイオードモジュールグループ２の少なくとも１つが優先的に選択される。
第６記録部２９に記録される複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの第１性能指数が光変換効率の場合、第１性能指数と複数のレーザダイオードモジュールグループ２の残存寿命の相関関係を示すデータテーブルとは、図１８に示したようなデータテーブルである。図１８のデータテーブルについて算出された補正係数Ｃは図１９のようになる。
光変換効率が低い等、残存寿命が相対的に短いと推定されるレーザダイオードモジュールグループに対しては、レーザダイオードモジュールグループの寿命の個体差が考慮された大きな第３累積値が算出される。その第３累積値で、駆動電流を割振るレーザダイオードモジュールグループを選択する。そのため、残存寿命が相対的に短いと推定されるレーザダイオードモジュールグループが選択される機会が少なくなるため、レーザダイオードモジュールグループ全体としての寿命を延ばすことができる。
［第７の実施例］
図２０は、本発明の第７の実施例に係るレーザ装置１０５について説明するためのレーザ装置内の構造を示す模式図である。本発明の第７の実施例に係るレーザ装置１０５は、制御部１９からの指令により、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの駆動電流と光出力の関係を示す光出力特性、及び複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの駆動電流と駆動電圧の関係を示す電流‐電圧特性の少なくとも一方の特性を設定した時間スケジュールに従って繰り返し測定可能な構造を備えている。さらに、制御部１９からの指令により測定した光出力特性、及び／または電流‐電圧特性で、第１記録部２０に記録されている複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの光出力特性データ、及び／または電流‐電圧特性データを更新する構造と機能を備えている。
本実施例では、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの駆動電流と光出力の関係を示す光出力特性を、複数のレーザダイオードモジュールグループ毎に設置された光出力モニタ１６−１，１６−２，１６−３，…，１６−ｎを使用して求めている。しかしながら、光出力モニタ１６−１，１６−２，１６−３，…，１６−ｎの設置場所は、このような例には限定されず、レーザダイオードモジュールグループからのレーザ光が集光された後の光路に設置しても良い。図２０では結線を省略したが、各光出力モニタは制御部１９によって制御され、各光出力モニタからの信号は、制御部１９で処理された後に、第１記録部２０に記録されている複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの光出力特性が更新される。また、駆動電流に対する印加電圧が制御部１９にフィードバックされ、第１記録部２０に記録されている複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの電流‐電圧特性データが更新される。
本実施例に係るレーザ装置によれば、複数のレーザダイオードモジュールグループ２のそれぞれの光出力特性や電流‐電圧特性を繰り返し更新することによって、光出力指令に対して、複数のレーザダイオードモジュールグループ２の全体が、最大光変換効率で駆動されるように各レーザダイオードモジュールグループに精度良く駆動電流を割振ることができ、指令通りの光出力を精度良く出力できる。
［第８の実施例］
図２１は、本発明の第８の実施例に係るレーザ装置１０６について説明するためのレーザ装置内の構造を示す模式図である。
Figure 0006267165
Figure 0006267165
レーザダイオードモジュールグループの光出力特性、及び／または電流‐電圧特性から求められる第２性能指数Ｅ（ｔ）をレーザダイオードモジュールグループの所定の光出力を得るための駆動電流値とする。そうすると、第９記録部３３に記録した第２性能指数の駆動時間に伴う劣化の進行を示した劣化曲線のデータテーブルは図２２のようになる。時間ｔ2において測定された第２性能指数と、第２性能指数の劣化速度と、第９記録部３３に記録された第２性能指数の劣化曲線との照合から各レーザダイオードモジュールグループの残存寿命を推定する方法を具体的に記述する。図２２に記載したように、時間ｔ1における所定の光出力を得るための駆動電流値は８．５Ａである。時間ｔ2における所定の光出力を得るための駆動電流値は１０Ａである。
Figure 0006267165
時間ｔ2における所定の光出力を得るための駆動電流値１０Ａにおける勾配が劣化速度に一致する劣化曲線が分かる。そうすると、その劣化曲線上の時間ｔ2における所定の光出力を得るための駆動電流値１０Ａからレーザダイオードモジュールグループの残存寿命が推定できる。所定の光出力を得るために必要な駆動電流が１４Ａまで上昇するとレーザダイオードモジュールグループの寿命が尽きたものと判定される場合、図２２に示したように、推定残存寿命は、８４，２００時間から７９，６００時間を減算して約４，６００時間ということになる。
以上のように、レーザダイオードモジュールグループ毎の残存寿命が分かるので、各レーザダイオードモジュールグループの残存寿命で全レーザダイオードモジュールグループの平均残存寿命を除した値である補正係数Ｄを第６算出部３６で算出できる。
Figure 0006267165
制御部１９が、各レーザダイオードモジュールグループに駆動電流を割振る際に、駆動電流を割振るレーザダイオードモジュールグループとして、レーザダイオードモジュールグループ間で比較して、第１累積値が相対的に小さいレーザダイオードモジュールグループを優先的に選択する代わりに、第３累積値が相対的に小さいレーザダイオードモジュールグループを優先的に選択する。
レーザダイオードモジュールグループが寿命後期に入って、性能指数の劣化が顕在化してくると、その劣化速度から残存寿命を推定した方が、残存寿命の推定精度が高い。そのため、性能指数とその劣化速度から推定した残存寿命が短いレーザダイオードモジュールグループについては、残存寿命に見合った大きな第３累積値が算出される。その第３累積値で、駆動電流を割振るレーザダイオードモジュールグループを選択する。その結果、残存寿命が相対的に短いと推定されるレーザダイオードモジュールグループが選択される機会が少なくなるため、レーザダイオードモジュールグループ全体としての寿命を更に延ばすことができる。
なお、上記実施例の説明では、記録部として、第１記録部２０から第１０記録部３５までを備えたレーザ装置について記載している。しかしながら、互いに物理的に分離したメモリである必要は全くなく、複数の記録部を１個のメモリで兼ねても良い。また、算出部に関しても同様に複数の算出部について記載しているが、１つのプロセッサが複数の算出部の機能を兼ねても良い。レーザ装置内の上記実施例に記載した全ての記録部と算出部の機能を１つのメモリと１つのプロセッサで受け持っても良い。
また、第４の実施例以外では、光出力の寿命消費速度に対する加減速係数であるＢ（Ｐ）について言及していないが、第５の実施例以下の実施例についても、Ａ（Ｉ）をＢ（Ｐ）に、第１累積値を第２累積値に、第２記録部２３を第４記録部２６に、第３記録部２５を第５記録部２８等に置換えたレーザ装置が考えられることは自明であり、全く同じ構造で制御方法を変えるだけで実現可能である。
２ 複数のレーザダイオードモジュールグループ
２−１，２−２，…，２−ｎ レーザダイオードモジュールグループ
３ レーザ光
４ ファイバレーザユニット
５ レーザダイオードモジュール
６ 活性元素添加光ファイバ
７ 高反射ファイバ・ブラッグ・グレーティング
８ 低反射ファイバ・ブラッグ・グレーティング
９ 励起光コンバイナ
１０ 前方励起レーザダイオードモジュール群
１１ 後方励起レーザダイオードモジュール群
１２ ビームコンバイナ
１３ 光出力指令波形
１４ 各レーザダイオードモジュールグループに割振られた駆動電流波形
１５ 各レーザダイオードモジュールグループの光出力波形
１６−１，１６−２，…，１６−ｎ 光出力モニタ
１７ 駆動電流供給回路網
１８ 複数の電源部
１８−１，１８−２，…，１８−ｎ 電源部
１９ 制御部
２０ 第１記録部
２１ 第１算出部
２２ 指令部
２３ 第２記録部
２４ 第２算出部
２５ 第３記録部
２６ 第４記録部
２７ 第３算出部
２８ 第５記録部
２９ 第６記録部
３０ 第４算出部
３１ 第７記録部
３２ 第８記録部
３３ 第９記録部
３４ 第５算出部
３５ 第１０記録部
３６ 第６算出部
１０１ 第１の実施例に係るレーザ装置
１０１´ 第１の実施例の変形例に係るレーザ装置
１０２ 第３の実施例に係るレーザ装置
１０３ 第４の実施例に係るレーザ装置
１０４ 第６の実施例に係るレーザ装置
１０５ 第７の実施例に係るレーザ装置
１０６ 第８の実施例に係るレーザ装置

Claims (8)

  1. 少なくとも１つのレーザダイオードモジュールを含む複数のレーザダイオードモジュールグループ、及び前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流を供給する複数の電源部を備え、前記複数のレーザダイオードモジュールグループからレーザ光を集光してレーザ光源、あるいはレーザ発振のための励起光源とするレーザ装置において、
    前記複数の電源部から前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに注入する駆動電流を前記複数のレーザダイオードモジュールグループ毎に独立に注入可能な駆動電流供給回路網と、
    前記複数の電源部から前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに注入する駆動電流を前記複数のレーザダイオードモジュールグループ毎に独立に制御する制御部と、
    前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの駆動電流と光出力の関係を示す光出力特性データおよび前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの駆動電流と駆動電圧の関係を示す電流‐電圧特性データとを記録した第１記録部と、
    前記レーザ装置に対するレーザ光の出力指令に対して、指令の光出力が得られる条件下で、前記複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として注入電力から光出力へのエネルギー変換効率を意味する光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに割振る駆動電流を算出する第１算出部と、を備え、
    前記レーザ装置に対するレーザ光の出力指令に対して、前記第１記録部に記録されたデータに基づいて、前記第１算出部が算出した結果に従って、前記制御部が、指令の光出力が得られる条件下で、前記複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流を割振ることを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記レーザ装置に対するレーザ光の出力指令が高出力レベルの光出力と低出力レベルの光出力が交互に繰り返すパルス出力指令であった場合に、前記制御部が、前記高出力レベルの光出力に対しても、前記低出力レベルの光出力のいずれに対しても、指令の光出力が得られる条件下で、前記複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流を割振る、請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記複数のレーザダイオードモジュールグループを標準駆動電流Ｉsで駆動した場合の前記複数のレーザダイオードモジュールグループの寿命を、前記複数のレーザダイオードモジュールグループを駆動電流Ｉで駆動した場合の前記複数のレーザダイオードモジュールグループの寿命で除した、駆動電流の寿命消費速度に対する加減速係数であるＡのデータテーブルを記録した第２記録部と、
    Figure 0006267165
     レーザ光の出力指令に対して、前記制御部が、指令の光出力が得られる条件下で、前記複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流を割振る際に、駆動電流を割振る前記複数のレーザダイオードモジュールグループとして、前記複数のレーザダイオードモジュールグループ間で比較して、前記第１累積値が相対的に小さい前記複数のレーザダイオードモジュールグループのうちの少なくとも１つを優先的に選択する、請求項１または２に記載のレーザ装置。
  4. 前記複数のレーザダイオードモジュールグループを標準光出力Psで駆動した場合の前記複数のレーザダイオードモジュールグループの寿命を、前記複数のレーザダイオードモジュールグループを光出力Pで駆動した場合の前記複数のレーザダイオードモジュールグループの寿命で除した、光出力の寿命消費速度に対する加減速係数であるB(P)のデータテーブルを記録した第４記録部と、
    Figure 0006267165
     レーザ光の出力指令に対して、前記制御部が、指令の光出力が得られる条件下で、前記複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として光変換効率が最大となるように、あるいは略最大となるように、前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流を割振る際に、駆動電流を割振る前記複数のレーザダイオードモジュールグループとして、前記複数のレーザダイオードモジュールグループ間で比較して、前記第２累積値が相対的に小さい前記複数のレーザダイオードモジュールグループのうちの少なくとも１つを優先的に選択する、請求項１または２に記載のレーザ装置。
  5. 前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの間で、第１累積値が最も小さい前記レーザダイオードモジュールグループの前記第１累積値と前記第１累積値の平均値との差が５％より拡大した場合は、前記レーザ装置に対するレーザ光の出力指令に対して、前記第１算出部と前記制御部によって、指令の光出力が得られる条件に加えて、前記複数のレーザダイオードモジュールグループ間で比較して、前記第１累積値が相対的に小さい前記複数のレーザダイオードモジュールグループのうちの少なくとも１つを、駆動電流を割振る前記複数のレーザダイオードモジュールグループのうちの少なくとも１つに選択する条件下で、前記複数のレーザダイオードモジュールグループが全体として光変換効率が最大となるように、前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれに駆動電流が割振られる、請求項３に記載のレーザ装置。
  6. 前記第１記録部に記録された前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの前記光出力特性データおよび／または前記電流‐電圧特性データから求められる前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの第１性能指数と前記複数のレーザダイオードモジュールグループの残存寿命の相関関係を示すデータテーブルを記録した第６記録部と、
    前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれについて測定された前記第１性能指数と前記第６記録部に記録されたデータテーブルから推定される残存寿命で前記第１性能指数が標準的な前記複数のレーザダイオードモジュールグループの残存寿命を除した値である補正係数Cを算出する第４算出部を備え、
    Figure 0006267165
  7. 前記制御部からの指令により、前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの駆動電流と光出力の関係を示す光出力特性および各前記複数のレーザダイオードモジュールグループの駆動電流と駆動電圧の関係を示す電流‐電圧特性の少なくとも一方の特性を設定した時間スケジュールに従って繰り返し測定可能な構造を備え、
    前記制御部からの指令により測定した前記光出力特性および／または電流‐電圧特性で、前記第１記録部に記録されている前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの前記光出力特性データおよび／または前記電流‐電圧特性データを更新する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  8. 時間t2に測定した最新の前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの前記光出力特性と前記電流‐電圧特性を記録している前記第１記録部に加えて、前回のある時間t1に測定した前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの前記光出力特性と前記電流‐電圧特性を記録する第７記録部と、
    Figure 0006267165
     更に、前記複数のレーザダイオードモジュールグループの前記光出力特性および／または前記電流‐電圧特性から求められる第２性能指数E(t)についての駆動時間に伴う劣化の進行を示した劣化曲線のデータテーブルを記録した第９記録部と、
    Figure 0006267165
     前記第５算出部で算出された前記第２性能指数の前記劣化速度を記録する第１０記録部と、
    前記時間t2に測定された前記第２性能指数と前記第２性能指数の劣化速度と前記第９記録部に記録された第２性能指数の劣化曲線との照合から推定される前記複数のレーザダイオードモジュールグループのそれぞれの残存寿命で前記複数のレーザダイオードモジュールグループの全ての平均残存寿命を除した値である補正係数Dを算出する第６算出部と、をさらに備え、
    Figure 0006267165
JP2015177969A 2015-09-09 2015-09-09 複数のレーザダイオードモジュールを有する長寿命高効率レーザ装置 Active JP6267165B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015177969A JP6267165B2 (ja) 2015-09-09 2015-09-09 複数のレーザダイオードモジュールを有する長寿命高効率レーザ装置
DE102016116525.5A DE102016116525B4 (de) 2015-09-09 2016-09-05 Langlebige Hochleistungs-Laservorrichtung mit mehreren Laserdiodenmodulen
US15/258,074 US9680289B2 (en) 2015-09-09 2016-09-07 Long-life, high-efficiency laser apparatus having plurality of laser diode modules
CN201610812572.9A CN106532429B (zh) 2015-09-09 2016-09-09 激光装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015177969A JP6267165B2 (ja) 2015-09-09 2015-09-09 複数のレーザダイオードモジュールを有する長寿命高効率レーザ装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017054931A JP2017054931A (ja) 2017-03-16
JP6267165B2 true JP6267165B2 (ja) 2018-01-24

Family

ID=58055162

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015177969A Active JP6267165B2 (ja) 2015-09-09 2015-09-09 複数のレーザダイオードモジュールを有する長寿命高効率レーザ装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9680289B2 (ja)
JP (1) JP6267165B2 (ja)
CN (1) CN106532429B (ja)
DE (1) DE102016116525B4 (ja)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6568136B2 (ja) 2017-04-06 2019-08-28 ファナック株式会社 複数のレーザモジュールを備えたレーザ装置
JP6619410B2 (ja) * 2017-12-05 2019-12-11 ファナック株式会社 レーザ加工装置
DE102017130594A1 (de) * 2017-12-19 2019-06-19 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaser, betriebsverfahren für einen halbleiterlaser und methode zur bestimmung des optimalen füllfaktors eines halbleiterlasers
WO2019215798A1 (ja) * 2018-05-07 2019-11-14 三菱電機株式会社 レーザ装置、レーザ加工機およびレーザ装置の出力制御方法
CN112352358A (zh) * 2018-05-15 2021-02-09 松下知识产权经营株式会社 激光装置和使用了该激光装置的激光加工装置
JP6640920B2 (ja) * 2018-06-12 2020-02-05 株式会社フジクラ ファイバレーザシステム、及び、その制御方法
JP7370892B2 (ja) 2019-03-29 2023-10-30 古河電気工業株式会社 発光装置、ファイバレーザ装置、統合発光装置、および発光素子の制御方法
US20220200236A1 (en) * 2019-05-28 2022-06-23 Mitsubishi Electric Corporation Laser beam generation device and laser processing apparatus including the same
TWI805176B (zh) * 2022-01-07 2023-06-11 友達光電股份有限公司 顯示裝置及其驅動方法
US20240072508A1 (en) * 2022-08-29 2024-02-29 Kwik Lok Corporation Laser power control

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5173334A (ja) 1974-12-20 1976-06-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Terebijonjuzoki
JPS5729107A (en) 1980-07-30 1982-02-17 Mitsubishi Electric Corp Writing and reading system for sewing data of automatic sewing machine
JPH04341600A (ja) 1991-01-22 1992-11-27 Sumitomo Metal Ind Ltd 鋼管内面の研磨方法
JP2004304088A (ja) * 2003-04-01 2004-10-28 Nichia Chem Ind Ltd 半導体発光素子の寿命予測評価装置並びに評価方法
JP2005317841A (ja) * 2004-04-30 2005-11-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザ装置
JP4341600B2 (ja) 2005-09-26 2009-10-07 三菱電機株式会社 固体レーザ装置
WO2008041648A1 (fr) * 2006-09-29 2008-04-10 Panasonic Corporation Dispositif d'émission de lumière laser et dispositif d'affichage d'image utilisant celui-ci
JP5194973B2 (ja) * 2007-04-10 2013-05-08 セイコーエプソン株式会社 光源装置、モニタ装置、プロジェクタ、及び光源装置の駆動方法
US7680165B2 (en) * 2007-04-10 2010-03-16 Seiko Epson Corporation Light source device, monitor device, projector, and driving method for driving light source device
JP5286772B2 (ja) * 2007-12-18 2013-09-11 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置
CN101567519B (zh) * 2009-05-27 2011-06-29 北京国科世纪激光技术有限公司 大电流脉冲ld激光器驱动电源
CN201518385U (zh) * 2009-10-15 2010-06-30 重庆东电通信技术有限公司 半导体激光管输出功率控制装置
JP2012124304A (ja) 2010-12-08 2012-06-28 Furukawa Electric Co Ltd:The 高出力面発光レーザアレイの駆動方法、高出力面発光レーザアレイ群の制御方法、および光出力制御システム
JP5729107B2 (ja) 2011-04-20 2015-06-03 村田機械株式会社 レーザ発振器制御装置
DE102013202289B4 (de) * 2013-02-13 2016-03-17 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode in einem Spektrometer
CN103219647B (zh) * 2013-03-26 2016-01-06 武汉锐泽科技发展有限公司 一种半导体激光电源

Also Published As

Publication number Publication date
US9680289B2 (en) 2017-06-13
JP2017054931A (ja) 2017-03-16
US20170070031A1 (en) 2017-03-09
DE102016116525A1 (de) 2017-03-09
CN106532429B (zh) 2019-02-19
CN106532429A (zh) 2017-03-22
DE102016116525B4 (de) 2019-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6267165B2 (ja) 複数のレーザダイオードモジュールを有する長寿命高効率レーザ装置
JP6259435B2 (ja) レーザ光を合波して出力するレーザ発振器
US9923333B2 (en) Control method, control device, and light source device
US8804230B2 (en) Light amplifier and laser processing device
US10431953B2 (en) Laser apparatus including plurality of laser modules
US20090245300A1 (en) Systems and methods for laser pulse equalization
JP2015170708A (ja) 光源装置、内視鏡装置及び光源制御方法
JP2005317841A (ja) 半導体レーザ装置
CN1832278A (zh) 激光器驱动器、光盘装置和激光器驱动方法
US9316531B2 (en) Signs-of-deterioration detector for semiconductor laser
US20040165629A1 (en) Current drive device control circuit and solid laser apparatus using the same
JP2014225486A (ja) 半導体レーザー駆動装置及び画像形成装置
JP2020068312A (ja) レーザ装置
WO2011109193A2 (en) Pseudo-cw quantum cascade laser system
JP2004096003A (ja) 消光比補償レーザ駆動回路
JP2012248614A (ja) 光増幅装置およびレーザ加工装置
EP2555352B1 (en) Light source driving device and fiber laser device
JP6005033B2 (ja) 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
JP4294459B2 (ja) 光増幅器
JPH0590691A (ja) レーザ光出力制御装置
JP7370892B2 (ja) 発光装置、ファイバレーザ装置、統合発光装置、および発光素子の制御方法
US20200153196A1 (en) Laser device, and method for estimating degree of deterioration of light source of laser device
JP6096022B2 (ja) ファイバレーザ装置における出力光パワー低下の判定方法及び光増幅システム
JPH11274628A (ja) 半導体レーザ駆動装置
WO2018011986A1 (ja) 走査型内視鏡

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170731

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20171003

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20171116

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20171128

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6267165

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150