JPWO2006061891A1 - レーザダイオード励起固体レーザ発振器および該発振器におけるレーザダイオード制御方法 - Google Patents

Abstract

ＬＤ６は複数直列に接続され、固体励起媒体７を励起する。各ＬＤ６と並列にパイパス回路１５が接続され、各バイパス回路１５は制御回路１４によりその駆動が制御されている。また、各ＬＤ６には検出回路１３が設けられており、ＬＤ両端電圧などによりＬＤの短絡もしくは開放故障を検知する。検出回路１３および制御回路１４はＬＤ短絡制御回路１１に接続され制御される。検出回路１３によりＬＤの故障を検出した場合、ＬＤ短絡制御装置１１は故障したＬＤに流れていた電流をバイパスするために、故障したＬＤの位置を判断し所定の制御回路１４に信号を送り、所定のバイパス回路１５を動作させる。ＬＤ短絡制御装置１１は、故障したＬＤの位置に基き、固体励起媒体７内のポインティングずれを改善するために消灯すべきＬＤの位置を判断し、このＬＤを消灯すべく制御回路１４に信号を送り、所定のバイパス回路１５を動作させ、所定のＬＤを消灯する。

Description

本発明はレーザダイオード（以下ＬＤと呼ぶ）故障によるレーザ発振器停止回避、出力低下補正機能をもった固体レーザ発振器の構成と制御に関するものである。

図９は、ＬＤ励起固体レーザ発振器の構成を示した図である。図９に示すように、固体レーザ発振器は、部分反射ミラー１と全反射ミラー４との２枚のミラーに挟まれた１個または２個以上のキャビティ３から構成され、所望のレーザビーム５を取り出す装置である。図１０にキャビティの概略図を示す。キャビティ３とは、固体励起媒体７を励起光源であるＬＤ６から照射される光により励起するように構成されたものであり、図９では２個のキャビティを備えたレーザ発振器を示した。ＬＤ６は、レーザ発振器の出力やＬＤ１個当りの出力等により、数１０個〜数１００個を直列に接続され、固体励起媒体７を均一に励起するように配置されている。

１つの固体励起媒体から取り出すことの出来るレーザパワーは、共振状態のレーザ光が通過しうる固体励起媒体７の体積（図１０の網掛け部分であり、以下モードボリュームと呼ぶ）２１で変化し、モードボリューム２１の体積が増せばレーザパワーは増加する。このモードボリューム２１はＬＤ６の出力の増減に伴って増減する。また、固体励起媒体７の励起分布が一様である場合には、図１０に示したように、固体励起媒体７の中心軸１０に対してモードボリュームはほぼ一様に存在する。一般的に、キャビティからのレーザ出力はＬＤ出力にほぼ比例し、ＬＤ出力はＬＤ通電電流にほぼ比例している。よって、所望のレーザ出力を得るためには、ＬＤ電流を制御する手法が一般的である。また、高出力を所望する固体レーザ発振器では、部分反射ミラーおよび全反射ミラー間に、キャビティを複数個並べることにより、各キャビティ出力の和のレーザ出力を得るような構成を採用している。

次に、ＬＤの故障について説明する。
ＬＤ６の故障モードは短絡と開放がある。短絡故障した場合、ＬＤ６は発光せず、固体励起媒体７に非励起の箇所が発生する。このためモードボリューム２１が減少し、レーザ発振器から出力されるレーザビーム出力が低下する。レーザビーム出力が低下するのを補う方法としてＬＤ通電電流を増加させ、固体励起媒体７を全体的により強く励起することでレーザビーム出力を補正する方法が採られている。

一方、ＬＤ６が開放故障した場合、ＬＤ６に通電する電流経路が断たれ、故障していないＬＤ６も含め全てのＬＤ６が消灯する。固体励起媒体は励起されず、レーザ発振器は停止し、レーザビームの出力は不可能となる。発振器停止対策としてＬＤ６を並列接続する構成が挙げられる。この構成はＬＤ直列接続構成時のｎ倍（ｎ：ＬＤ個数）の電流を供給できる電源および周辺設備が必要となり、構造的にもコスト的にも現実的ではない。そのため特許文献１、特許文献２などにあるようにＬＤ６を直列接続構成とし、各ＬＤ６と並列にバイパス回路を設け、ＬＤ６が開放故障時電流経路を形成する方法が一般的に用いられた。バイパスされたＬＤ６は消灯しているためレーザ出力は低下する。レーザ出力が低下するのを補う方法として、短絡した場合と同様にＬＤ通電電流を増加させ、固体励起媒体７を全体的により強く励起することでレーザ出力を補正する方法が採られている。

特開平１０−２８４７８９号公報 特開昭５９−１０３５６５号公報

従来のＬＤ励起固体レーザ発振器では、ＬＤが故障した場合、故障したＬＤが消灯することによるレーザ出力の低下を、他の正常なＬＤへの通電電流を増加させることで補正していた。しかし、故障したＬＤでの電力消費分を、単純に正常なＬＤでの電力増加分に割り振ることで、すなわちトータル電力量を故障前と同じにすることでは元のレーザ出力を回復することはできない。以下にその理由を詳説する。

ＬＤの故障等により、ＬＤ出力に偏りがあり固体励起媒体を均一に励起していないとき、固体励起媒体内でレーザビームがカーブし、いわゆるポインティングずれが発生する。ポインティングずれが発生したときに、励起効率が悪化する理由を説明する。例えば、ＬＤが１個消灯し、固体励起媒体を均一に励起していない場合のモードボリュームを図１１（ａ）に示す。図１１（ａ）のように、１個のＬＤ２０が消灯すると、不均一な励起のため固体励起媒体７内のレーザビーム５が強く励起されている方にカーブし、いわゆるポインティングずれが発生する。この場合、モードボリューム２１は、固体励起媒体の中心軸１０に対して一様には分布できない。通常、モードボリューム２１は固体励起媒体７外には存在できないので、ＬＤ６の出力を増加した場合、図１１（ｂ）のようなモードボリューム２１の形状とはならず、結局は固体励起媒体７内に収まるように図１１（ａ）のような形状となる。よって、図１１（ｂ）において固体励起媒体７外にはみ出したモードボリューム２１にほぼ相当する分だけ、レーザ出力が減少し励起効率が悪化することとなる。よって、元のレーザ出力を得るため、すなわち元のモードボリューム２１を得るためには、故障する前のトータル電力量を供給しただけでは足らず、それ以上の電力を供給する必要がある。

また、高出力を得るためにキャビティを複数個ミラー間に直列に並べた固体レーザ発振器の場合を図１２にて説明する。１個のキャビティにおいてＬＤ２０が消灯したとすると、該キャビティのモードボリューム２１は図１２に示す通り上記図１１（ａ）と同様になるが、その他のキャビティも入射するレーザビームが固体励起媒体の中心からずれてしまうので、図１２のようにＬＤ２０が消灯したキャビティと同様にポインティングずれが発生する。この場合も、ＬＤ２０が消灯したキャビティにおけるモードボリューム２１と同様に、モードボリューム２１が固体励起媒体７からはみ出さないような形状になることで体積が減少し、励起効率が低下してしまう。低下の程度は、ＬＤが消灯したキャビティの励起効率の低下とほぼ同じレベルである。

よって、上述したようにＬＤ故障時は、ＬＤが消灯し励起分布が不均一となり、消灯したＬＤの出力分を正常なＬＤの出力に割り振っても、すなわちトータル電力量を故障前と同じにしても元のレーザ出力は得られず、すなわちキャビティの励起効率が低下した状態となり、消灯したＬＤの出力以上の出力分を正常なＬＤが負担しなければならない。また、複数のキャビティを連結している場合は、全てのキャビティでポインティングずれが発生するため、ＬＤが正常なキャビティも励起効率が低下する。このため、全てのＬＤが正常なキャビティも元のレーザ出力を得るためにＬＤの出力を増加させなければならない。

ところで、ＬＤは図１３のように通電電流が増加すると寿命が短くなることが知られている。このためＬＤへの通電電流はできるだけ小さくしなければならない。しかし、上記のようにＬＤの消灯による励起効率の低下は、レーザ出力の回復のために消灯分以上の出力を必要とするので、ＬＤ通電電流が非常に大きくなり、ＬＤの寿命が短くなるという問題が発生する。通電電流の増加を伴わないバイパス回路の構成例として、特許文献３のように予備のＬＤを持ったバイパス回路をＬＤと並列に設ける手法があるが、ＬＤは非常に高価であり予備のＬＤを設けることはコスト的に問題があり、また特に高出力のレーザ発振器の場合、必要とするＬＤの個数が多く更に予備のＬＤを設けることは構造上の制約から適用は困難である。従ってＬＤ故障発生時にレーザ出力の低下を補うためにＬＤへの通電電流を増加させざるを得ず、この増加をできるだけ小さくすることが必要である。

特開昭５９−１１３７６８号公報

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、ＬＤに不具合が生じポインティングずれによる励起効率の低下が発生した場合であっても、レーザ出力の回復に必要なＬＤへの通電電流の増加分を抑制することができるＬＤ励起固体レーザ発振器を得るものである。

本発明に係るＬＤ励起固体レーザ発振器においては、固体励起媒体と、前記固体励起媒体の周囲に配置され前記固体励起媒体に励起光を照射する複数のレーザダイオードと、前記レーザダイオードの不具合を検出する検出手段と、前記検出手段により不具合を検出したレーザダイオードの位置を判断し、該不具合発生レーザダイオードの位置に応じて、他の正常なレーザダイオードへの供給電流を制御する制御手段とを備えたものである。

本発明は、不具合の発生したＬＤの位置に基づき、他の正常なＬＤの出力を調整することにより、固体励起媒体内での励起分布の偏りを是正することで、所定のレーザ出力を得るためのＬＤの通電電流の増加を抑制することができる。

この発明の実施の形態１を示すＬＤ励起固体レーザ発振器の構成図である。 この発明の実施の形態１であるＬＤ励起固体レーザ発振器のＬＤ短絡制御のフローチャートである。 一般的なＬＤ励起固体レーザ発振器における方向数を説明する図である。 この発明の実施の形態１であるＬＤ励起固体レーザ発振器のＬＤ短絡制御の別のフローチャートである。 この発明の実施の形態１であるＬＤ励起固体レーザ発振器のＬＤ短絡制御の他のフローチャートである。 一般的なＬＤ励起固体レーザ発振器におけるＬＤの通電電流とＬＤの励起光出力との関係を説明する図である。 この発明の実施の形態１であるＬＤ励起固体レーザ発振器のＬＤの点灯数と発振器のレーザ出力との関係を説明する図である。 この発明の実施の形態１において固体励起媒体内のポインティングずれの改善を説明する図である。 一般的なＬＤ励起固体レーザ発振器の概要図である。 一般的なＬＤ励起固体レーザ発振器のキャビティの概要図である。 固体励起媒体内のポインティングずれを説明する図である。 ２つのキャビティを連結した場合の固体励起媒体内のポインティングずれを説明する図である。 ＬＤの通電電流と寿命との相関を示すグラフである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例としてＬＤの短絡制御装置を設けたＬＤ励起固体レーザ発振器の構成図である。ここでは、１つのキャビティに２方向から各方向５個、計１０個のＬＤにより固体励起媒体が励起されるレーザ発振器を示した。図１において、ＬＤ６ａ〜６ｊは直列に接続され、電源装置１２が出力する直流電流により発光し、励起光２２により固体励起媒体７を励起する。各ＬＤ６ａ〜６ｊと並列にパイパス回路１５ａ〜１５ｊが接続され、各バイパス回路１５ａ〜１５ｊは制御回路１４ａ〜１４ｊによりその駆動が制御されている。また、各ＬＤ６ａ〜６ｊには並列に検出回路１３ａ〜１３ｊが設けられており、ＬＤの両端電圧によりＬＤの短絡もしくは開放故障を検知する。この検出回路は、例えば特許文献４に記載の方法を用いても良い。これら検出回路１３ａ〜１３ｊおよび制御回路１４ａ〜１４ｊは、ＬＤ短絡制御装置１１に接続され検出信号や制御信号のやり取りを行う。発振器のＯＮ／ＯＦＦやレーザ出力の制御等は、ＬＤ電力制御装置１８により行われる。

特願２００３−３６３０４０号

上記では、検出手段としてＬＤの両端電圧によりＬＤの短絡もしくは開放故障を検知する検出回路を用いた構成を説明したが、例えば特許文献１に記載のフォトダイオードを用いた検出回路を用いてもよいし、特許文献２に記載の光サイリスタを用いてもかまわない。ＬＤの短絡もしくは開放故障を検知する手段であれば、特にこれらの構成に限定されるものではない。

ＬＤ短絡制御装置１１には、判断部８と制御部９が設けられている。判断部８は、検出回路１３によりＬＤが故障したことを検出した信号を受けとり、いずれのＬＤが故障したかを判断し、固体励起媒体内の励起分布の偏りを是正するために次にどのＬＤを短絡するべきかを判断し、それぞれのＬＤの位置情報を制御部９に送る。制御部９は、判断部８からの位置情報に基き、故障したＬＤのバイパス回路１５および次に短絡すべきＬＤのバイパス回路１５を駆動するため、駆動するべきバイパス回路１５の制御回路１４に制御信号を送る。

また、レーザビームの出力は以下のように制御する。部分反射鏡１を出射したレーザビーム５の光路上にハーフミラー１６を配置し、ハーフミラー１６で反射されたレーザビーム５の一部をパワーセンサ１７で受光し出力を測定する。パワーセンサ１７での検出値は、ＬＤ電力制御装置１８に送られる。ＬＤ電力制御装置１８では、この検出値から算出したレーザビーム５の実出力値と所望のレーザビーム出力値と比較し、実出力値が所望の出力値になるように、ＬＤへの供給電力を調整するように電源装置１２を制御する。

次に、動作について、図２のフローチャートを用いて、図１の記号を参照しながら説明する。
発振器稼動中は、常に検出回路１３にてＬＤ６の両端電圧をモニタリングし、ＬＤ故障の有無を監視する。（Ｓ００１）
ここで、図１においてＬＤ６ａが故障したと仮定する。
検出回路１３ａがＬＤ６ａの開放もしくは短絡故障を検出すると、検出信号がＬＤ短絡制御装置１１の判断部８に送られる。
判断部８は故障したＬＤ６ａの位置を判断し、制御部９に故障したＬＤ６ａの位置情報を渡す。（Ｓ００２）
制御部９は、受け取った故障したＬＤ６ａの位置情報に基き、ＬＤ６ａの電流をバイパスすべく、制御回路１４ａに短絡信号を送る。
制御回路１４ａは、短絡信号を受け取るとバイパス回路１５ａを動作させ、ＬＤ６ａを短絡する。これにより、バイパス回路１５ａに電流が流れ、他のＬＤ６ｂ〜６ｊは消灯することなく発光を続ける。（Ｓ００３）

次に、判断部８は、方向数が偶数か奇数か判断する。（Ｓ００４）
ここで、方向数とは、ＬＤ６が固体励起媒体７に対し幾つの方向から励起光を照射しているかを表す数値である。図３（ａ）〜（ｄ）はキャビティをレーザビーム光軸方向から見た図であるが、図３（ａ）は２方向から励起光を照射しているものであり、方向数は２である。同様に図３（ｂ）は方向数３の場合を示し、（ｃ）は方向数４、（ｄ）は方向数６を示している。励起分布の対称性を重視するために、図３に示すように、固体励起媒体７を中心に等角度間隔でＬＤ６は配置されている。
図１の場合は、方向数は２なので判断部８は偶数と判断する。
判断部８は故障したＬＤ６ａの位置情報に基き、次に短絡すべきＬＤを選択する。
図３（ｅ）はキャビティを横方向から見た図であるが、ポインティングずれを改善するためには、故障したＬＤ２０の位置に対し固体励起媒体の中心軸１０に垂直な同一平面Ｓ上にあるＬＤ２３を消灯すればよい。
方向数が偶数の場合は、故障したＬＤ２０と固体励起媒体の中心軸１０に垂直な同一平面上にある対向する位置のＬＤ２３を消灯する。例えば方向数２，４，６の場合は、それぞれ図３（ａ）（ｂ）（ｄ）に斜線で示した列の、図３（ｅ）で示した故障したＬＤ２０と固体励起媒体の中心軸１０に垂直な同一平面上にあるＬＤ２３を消灯するように制御する。（Ｓ００５）
奇数の場合、故障したＬＤ２０と固体励起媒体の中心軸１０に垂直な同一平面上にあるＬＤ２３をすべて消灯する。例えば方向数３の場合は、図３（ｂ）に斜線で示した列の、図３（ｅ）で示したＬＤ２０と固体励起媒体の中心軸１０に垂直な同一平面上にあるＬＤ２３を消灯するように制御する。（Ｓ００６）
図１の場合は、ＬＤ６ｆが短絡すべきＬＤとなるので、判断部８は制御部９にＬＤ６ｆの位置情報を渡す。
制御部９は、受け取った短絡すべきＬＤ６ｆの位置情報に基き、ＬＤ６ｆの電流をバイパスすべく、制御回路１４ｆに短絡信号を送る。
制御回路１４ｆは、短絡信号を受け取るとバイパス回路１５ｆを動作させ、ＬＤ６ｆを短絡する。これにより、ＬＤ６ｆは閾値電流に達しないために消灯し、ＬＤ６ｂ〜６ｅおよびＬＤ６ｇ〜６ｊは発光しつづける。

また、ＬＤ電力制御装置１８は、ＬＤの消灯により低下したレーザ出力を所望のレーザ出力に回復するように、パワーセンサ１７の測定値をフィードバックしながら電源装置１２を制御しＬＤ通電電流を調整する。（Ｓ００７）
そして、発振器が停止されるまで、上記ステップＳ００１からＳ００７までを繰り返す。

上記ステップＳ００５にて、方向数が偶数の場合、消灯したＬＤに対向するＬＤを消灯するとしたが、方向数が奇数の場合と同様に、対向するＬＤを含み固体励起媒体の中心軸に垂直な同一平面上にあるＬＤ全てを消灯してもポインティングのずれは改善できる。しかし、この場合、例えば図３（ｃ）に示した方向数４では、故障したＬＤを含み４個のＬＤを消灯することとなり、レーザ出力を復帰させるにあたり他の正常なＬＤへの負荷が大きくなる。また、方向数が偶数の場合は、故障したＬＤに対向するＬＤのみ消灯することで、ポインティングの改善は可能なので、ステップＳ００５のように処理することが望ましい。

ところで、上記動作の説明では、判断部８で方向数の判断を行っているが、通常、方向数は各レーザ発振器の設計値として決まっているので、判断部８も方向数が偶数もしくは奇数いずれかの固定された処理を行うように、備えられる発振器に合わせて設計してもかまわない。例えば、レーザ発振器の設計が、方向数が偶数であれば、図４（ａ）のようにステップＳ００４、Ｓ００６を省略しても良いし、レーザ発振器の設計が、方向数が奇数であれば、図４（ｂ）のようにステップＳ００４、Ｓ００５を省略しても良い

また、上記動作の説明では、故障により消灯したＬＤを短絡した後、次に消灯するＬＤを選択しそのＬＤを短絡するとしたが、以下のように故障したＬＤと次に消灯するＬＤの位置を先に判断しておき、その後、故障したＬＤと次に消灯するＬＤを短絡するように、各制御装回路に信号を送っても良い。この場合の動作フローを、図５を用いて説明する。図５において、上記図２の動作と同じ内容のステップについては同じステップ番号を記載する。

発振器稼動中は、常に検出回路１３にてＬＤ６の両端電圧をモニタリングし、ＬＤ故障の有無を監視する。（Ｓ００１）
ここで、図１においてＬＤ６ａが故障したと仮定する。
検出回路１３ａがＬＤ６ａの開放もしくは短絡故障を検出すると、検出信号がＬＤ短絡制御装置１１の判断部８に送られる。
判断部８は故障したＬＤ６ａの位置を判断する。（Ｓ００２）

次に、判断部８は、方向数が偶数か奇数か判断する。（Ｓ００４）
図１の場合は、方向数は２なので偶数と判断する。
判断部８は故障したＬＤ６ａの位置情報に基き、次に短絡すべきＬＤを選択する。
方向数が偶数の場合は、故障したＬＤ２２と対向する位置のＬＤ２３を選択する。（Ｓ０１１）
奇数の場合、故障したＬＤ２２と固体励起媒体の中心軸１０に垂直な同一平面上にあるＬＤ２３をすべて選択する。（Ｓ０１２）
図１の場合は、ＬＤ６ｆが短絡すべきＬＤとなる。
判断部８は、短絡すべきＬＤ６ａとＬＤ６ｆの位置情報を制御部９に渡す。
制御部９は、受け取った故障したＬＤ６ａの位置情報および消灯すべきＬＤ６ｆの位置情報に基き、ＬＤ６ａおよびＬＤ６ｆの電流をバイパスすべく、制御回路１４ａおよび制御回路１４ｆに短絡信号を送る。
制御回路１４ａは、短絡信号を受け取るとバイパス回路１５ａを動作させ、ＬＤ６ａを短絡する。また、制御回路１４ｆは、短絡信号を受け取るとバイパス回路１５ｆを動作させ、ＬＤ６ｆを短絡する。これにより、バイパス回路１５ａおよび１５ｆに電流が流れ、ＬＤ６ｆは閾値電流に達しないために消灯し、ＬＤ６ｂ〜６ｅおよびＬＤ６ｇ〜６ｊは消灯することなく発光しつづける。（Ｓ０１３）

また、ＬＤ電力制御装置１８は、ＬＤの消灯により低下したレーザ出力を所望のレーザ出力に回復するように、パワーセンサ１７の測定値をフィードバックしながら電源装置１２を制御しＬＤ通電電流を調整する。（Ｓ００７）
そして、発振器が停止されるまで、上記ステップＳ００１からＳ００７までを繰り返す。

上記動作の説明では、ＬＤが短絡故障した場合もバイパス回路を動作させるとした。通常は、ＬＤが短絡故障をした場合には電流は流れつづけるので、他の正常なＬＤに影響はなく、必ずしもバイパス回路を動作させる必要はない。しかし、短絡故障したＬＤのはんだ部が異常過熱し、はんだが飛散する恐れがあるため、バイパス回路を動作させ故障ＬＤに流れる電流量を低減することが望ましい。

次に、上記動作によりＬＤの通電電流の増加が抑えられることを１つのキャビティからなる発振器を例に詳説する。
まず、図６を用いてＬＤの通電電流とレーザビーム出力の関係を説明する。図６はＬＤの通電電流とＬＤ出力相関図である。ＬＤは閾値電流Ｉ_０からＬＤ光を出力し始め、通電電流に比例してＬＤ出力を増す。電流Ｉに対するＬＤ出力をＰ_ＬＤとすると以下の式が成り立つ。

ここでαは通電電流に対するＬＤ出力の割合である。
図７はＬＤ点灯数とレーザ出力相関図である。現在点灯しているＬＤ数をｎ個とすると、レーザ出力Ｐ_YＡGは以下の通りとなる。

ここでβは励起効率を示す係数である。
まずＬＤの故障がない場合（図７中の点Ａ）、ＬＤ通電電流Ｉ＝Ｉ_１、レーザ出力をＰ_YＡG１とすると、式（１）（２）より以下の式が導かれる。

次にＬＤが故障した場合（図７中の点Ｂ）、検出回路がＬＤ故障を検出し、ＬＤバイパス回路を駆動する。励起光源数が減少し、ポインティングずれにより励起効率低下（β_１→β_３）が発生し、レーザ出力はＰ_YＡG２に減少する。ここで、式（１）（２）よりＰ_YＡG２は以下の通りとなる。

ＬＤ電力制御装置はレーザ出力Ｐ_YＡG２を指令値Ｐ_YＡG１に追従するよう電源装置にＬＤ通電電流増加を指令する（図７中の点Ｃ）。指令電流値Ｉ_３時のＬＤ出力をＰ_ＬＤ３とすると、式（３）（４）より以下の式が導かれる。

ここで指令電流Ｉ_３の値は、右辺第２項は定数であり、第１項

は故障前のＬＤ点灯数ｎが数１０個〜数１００個と充分に大きければ

と近似できるため、励起効率に逆比例する

が支配的となる。本発明ではこの点に注目し、励起バランスが均一となるように正常なＬＤに並列に設けられたバイパス回路を駆動してＬＤを消灯する。これにより、元のレーザ出力を得るためのＬＤ通電電流増加を抑制し、ＬＤ寿命低下を抑制する。

前述のようにＬＤが１個消灯すると固体励起媒体の励起分布に偏りが生じ、ポインティングずれが発生することで、励起効率が低下する。これを解消する一例として、固体励起媒体を対称な２方向からＬＤで励起するキャビティを用いて説明する。

ＬＤが故障、消灯すると励起分布に偏りが生じる。先に述べたように、ビームは強く励起されている方にカーブするため、消灯したＬＤと反対側にポインティングずれを起す。そこで、図８に示すように、故障したＬＤ２０と固体励起媒体の中心軸１０を挟んで対面に配置されているＬＤ２３をバイパス回路により短絡する。これにより、図８のように故障したＬＤ２０と固体励起媒体中心を結ぶ線上の励起分布の偏りはなくなり、ポインティングずれは軽減される。故障ＬＤ２０の対面に位置するＬＤ２３をバイパスするためＬＤ点灯数はｎ−２、励起効率はβ_２（β_１＞β_２＞β_３）となり、レーザ出力を指令値Ｐ_YＡG１に追従するようにした場合（図７中の点Ｄ）、式（３）（４）より以下の式が導かれる。

ここでＬＤ点灯数ｎ≫１であるから

と近似できるので、Ｉ_２の値は

が支配的となる。よって、ＬＤ通電電流Ｉ_２とＩ_３とを比較した場合、β_２＞β_３であるから、式（５）（６）よりＩ_３＞Ｉ_２となり、明らかに故障したＬＤと対向したＬＤを消灯したほうが、ＬＤ通電電流は小さくなる。

上記では、１つのキャビティからなる発振器において、励起効率の改善を説明したが、複数のキャビティを連結した発振器において、励起効率の改善は以下の通りとなる。ＬＤが故障する前は全てのキャビティの励起効率はβ_１である。ＬＤが故障し消灯した後は、故障したＬＤを含むキャビティの励起効率はβ_３で、全てのＬＤが正常なキャビティもほぼβ_３となる。故障した後、対向するＬＤを消灯した場合は、故障したＬＤを含むキャビティの励起効率はβ_２で、全てのＬＤが正常な他のキャビティはほぼβ_１となる。

これは、故障したＬＤに対向するＬＤを消灯した場合、故障したＬＤを含むキャビティは固体励起媒体の中心軸１０に対する励起分布の偏りはほとんど無くなりポインティングずれは改善されるが、固体励起媒体の長さ方向（中心軸１０方向）にはやや励起分布のずれが残るため、励起効率がβ_１には達せずβ_２となってしまう。一方、全てのＬＤが正常なキャビティは、故障したＬＤを含むキャビティのポインティングずれが改善されれば、それ自身のポインティングずれも改善されるので、励起効率はほぼβ_１に達する。
よって、複数のキャビティを備えた発振器のほうが、より励起効率の改善が顕著となる。

次に、具体的な発振器の構成例を用いて、上記効果を具体的な数値で説明する。例えば下記のようなＬＤ／キャビティモデルで上記計算式を用いて検討する。
ＬＤ数：ｎ＝１００本
方向数：偶数
閾値電流：Ｉ_０＝１０Ａ
通電電流：Ｉ＝４０Ａ
励起効率：β_１＝５０％
通電電流に対するＬＤ出力の割合：α＝４０Ｗ／６０Ａ
ＬＤがすべて正常な場合は、（３）式よりキャビティ出力は以下の通りとなる。

次に、ＬＤが１個故障し消灯した場合、キャビティ出力を維持するために必要なＬＤの通電電流は４２．４２Ａとなった。すなわちＬＤ通電電流は通常の場合に比べ
４２．４２Ａ−４０Ａ＝２．４２Ａ
増加することになる。このときのポインティングずれによる励起効率は（５）式より以下の通りとなる。

次に、消灯したＬＤに対向する位置にあるＬＤのバイパス回路を動作させ消灯した場合、キャビティ出力を維持するために必要なＬＤの通電電流は４１．４２Ａとなった。すなわちＬＤ通電電流は、通常の場合に比べ
４１．４２Ａ−４０Ａ＝１．４２Ａ
増加することになるが、一方、対向するＬＤを消灯しなかった場合に比べると、
４１．４２Ａ−４２．４２Ａ＝−１Ａ
と１Ａ通電電流が減少している。このときのポインティングずれによる励起効率は（６）式より以下の通りとなる。

よって、消灯したＬＤに対向するＬＤを消灯させなかった場合に比べ、ポインティングずれによる励起効率についても２％改善（０．４７→０．４９）されたことが判る。

また、ＬＤの出力（Ｐ）とＬＤの寿命（Ｔ）の関係は（７）式により定義されることが知られている。

ここで、ＬＤの寿命を仮にＬＤの通電電流が４０Ａ時に１万時間であったとすると、故障ＬＤの対称位置のＬＤを消灯しなかった場合、ＬＤの電流は４０Ａから４２．４２Ａに増加し、また、式（１）よりＬＤの出力は（Ｉ−Ｉ_０）に比例するので、ＬＤ寿命は下記のとおりとなる。

一方、故障ＬＤの対称位置のＬＤを消灯した場合、ＬＤの電流は４０Ａから４１．４２Ａに増加するので、ＬＤ寿命は下記のとおりとなる。

よって、対称位置のＬＤを消灯しなかった場合に比べＬＤ寿命が、
８８２６Ｈｒ−８１１０Ｈｒ＝７１６Ｈｒ
延長される。比率で約９％の寿命延長効果が得られる。

さらに、消費電力も比較すると以下の通りとなる。故障ＬＤの対称位置のＬＤを消灯しなかった場合、ＬＤの数が９９個、ＬＤのＯＮ電圧が１．８Ｖ、ＬＤ電流が４２．４２Ａなので、
９９×１．８×４２．４２＝７５２７Ｗ
となる。一方、故障ＬＤの対称位置のＬＤを消灯した場合、ＬＤの数が９８個、ＬＤのＯＮ電圧が１．８Ｖ、ＬＤ電流が４１．４２Ａなので、
９８×１．８×４１．４２＝７２５７Ｗ
とおおよそ２７０Ｗも省エネとなる。比率で約４％の電力低減効果が得られる。

以上より、ＬＤ励起固体レーザ発振器において、ＬＤの故障を検出する検出回路と、ＬＤに流れる電流をバイパスするバイパス回路と、検出回路からの信号によりバイパス回路を制御し所定のＬＤを短絡するＬＤ短絡制御装置を備えることにより、ＬＤが故障し、固体励起媒体内でポインティングずれのため励起効率の低下が発生した場合でも、故障したＬＤの位置に基き所定のＬＤのバイパス回路を動作させ消灯することで、ポインティングずれを改善し励起効率を改善することができる。これにより、元のレーザ出力を得るためのＬＤへの電力供給の増加を抑制することができ、ＬＤの寿命の延長やＬＤの消費電力の削減ができる。

この発明に係るＬＤ励起固体レーザ発振器は、高出力のレーザを得るために、励起光源用のＬＤを多数備える必要のあるレーザ発振器や、キャビティを複数連結する必要のあるレーザ発振器に特に適している。

Claims (12)

1. 固体励起媒体と、
   前記固体励起媒体の周囲に配置され前記固体励起媒体に励起光を照射する複数のレーザダイオードと、
   前記レーザダイオードの不具合を検出する検出手段と、
   前記検出手段により不具合を検出したレーザダイオードの位置を判断し、この不具合発生レーザダイオードの位置に応じて、他の正常なレーザダイオードへの供給電流を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするレーザダイオード励起固体レーザ発振器。
2. 前記制御手段は、不具合が発生したレーザダイオードの位置と前記固体励起媒体の中心軸に垂直な同一平面上に位置する正常なレーザダイオードの一部もしくは全てへの供給電流を停止し消灯させるものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード励起固体レーザ発振器。
3. 前記制御手段は、前記レーザダイオードの方向数が偶数の場合、不具合の発生したレーザダイオードの位置に対向した位置の正常なレーザダイオードへの供給電流を停止し消灯させるものであることを特徴とする請求項２に記載のレーザダイオード励起固体レーザ発振器。
4. 前記制御手段は、前記レーザダイオードの方向数が奇数の場合、不具合の発生したレーザダイオードの位置と前記固体励起媒体の中心軸に垂直な同一平面上に位置する全ての正常なレーザダイオードへの供給電流を停止し消灯させるものであることを特徴とする請求項２に記載のレーザダイオード励起固体レーザ発振器。
5. 前記検出手段は、前記レーザダイオードの電極間に設けられ、このレーザダイオードの電極間の電圧にてそのレーザダイオードの故障を検出するものであることを特徴とする請求の範囲１から４のいずれかに記載のレーザダイオード励起固体レーザ発振器。
6. 前記制御手段は、前記レーザダイオードの電極間に設けられたバイパス手段を制御することで該電極間を短絡し、このレーザダイオードに流れる電流をバイパスするものであることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のレーザダイオード励起固体レーザ発振器。
7. 出力されたレーザビームのパワーを検出し、所望のレーザビームパワーとなるように前記レーザダイオードへの供給電力量を調整する調整手段を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザダイオード励起固体レーザ発振器。
8. 前記固体励起媒体と前記レーザダイオードの組み合わせであるキャビティを複数、同一のレーザビーム光軸上に並べてレーザ出力を得ることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のレーザダイオード励起固体レーザ発振器。
9. レーザダイオードからの励起光により固体励起媒体を励起しレーザ出力を得るレーザダイオード励起固体レーザ発振器のレーザダイオード制御方法において、
   レーザダイオードの不具合を検出する工程と、
   前記不具合の発生したレーザダイオードの位置を判断する工程と、
   この判断した位置に基き消灯すべきレーザダイオードを選択する工程と、
   前記選択したレーザダイオードを消灯する工程と、
   前記レーザダイオードの消灯により変化したレーザ出力を、所望のレーザ出力に調整する工程とを備えたことを特徴とするレーザダイオード制御方法。
10. 前記レーザダイオードを選択する工程は、
    前記不具合の発生したレーザダイオードの位置と前記固体励起媒体の中心軸に垂直な同一平面上に位置する正常なレーザダイオードの一部もしくは全てを選択するものであることを特徴とする請求項８に記載のレーザダイオード制御方法。
11. 前記レーザダイオードを選択する工程は、
    前記レーザダイオードの方向数が偶数の場合、前記不具合の発生したレーザダイオードの位置に対向した位置の正常なレーザダイオードを選択するものであることを特徴とする請求項９に記載のレーザダイオード制御方法。
12. 前記レーザダイオードを選択する工程は、
    前記レーザダイオードの方向数が奇数の場合、前記不具合の発生したレーザダイオードの位置と前記固体励起媒体の中心軸に垂直な同一平面上に位置する正常なレーザダイオード全てを選択するものであることを特徴とする請求項９に記載のレーザダイオード制御方法。

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