JPWO2016060103A1 - 半導体レーザ発振器 - Google Patents

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Abstract

半導体レーザ発振器（１１）は、直列に接続された複数のレーザダイオードが１つのバンクを構成し、複数のバンクから構成されたダイオードユニット（１１ｕ）を備える。ダイオードユニット（１１ｕ）は、複数の波長にロックさせる波長ロック機構を有する。半導体レーザ発振器（１１）は、複数のバンクそれぞれのレーザダイオードへの入力電流を、波長ロック効率の特性に対応させて個別に制御してダイオードユニット（１１ｕ）全体の出力を要求される出力に制御する制御部（１１４）を備える。

Description

本開示は、レーザを射出する半導体レーザ発振器に関する。
従来、半導体レーザ発振器は固体レーザやファイバレーザの励起用途に多く利用されてきており、高輝度化の達成により直接加工に用いるダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）の加工機が普及している。ＤＤＬ発振器として、高出力のシングルエミッタのレーザダイオードを複数使用した発振器がある。このＤＤＬ発振器は、複数の波長のそれぞれにロックさせスペクトルビーム結合したレーザを射出する。
シングルエミッタのレーザダイオードから構成されるＤＤＬ発振器では、複数のレーザダイオードを複数のバンクに分割し、バングごとに同じ電流値が流れるように制御するのが一般的である。１つのバンクには、例えば３０〜４０個のレーザダイオードが直列に接続される。
特開２０１２−１７４７２０号公報
ＤＤＬ発振器においては、スペクトルビームを結合させることにより、高出力・高輝度を達成している。複数の波長のレーザのスペクトルビーム結合を実現させるためには、各波長のスペクトルを狭帯域とする必要がある。そこで、ＤＤＬ発振器は、外部共振器によって、レーザを複数の所望の波長にロックさせる。
このとき、波長ロック効率が高いほど効率的にスペクトルビーム結合させることができ、高効率なレーザ出力が得られる。波長ロック効率を高くするためには、各ロック波長に近い発振をする最適なレーザダイオードの材料を選定する必要がある。しかしながら、全てのロック波長ごとに材料を異ならせてレーザダイオードを製作することは現実的には不可能である。
そこで、複数種類の材料によって製作されたレーザダイオードを、少なくとも高出力時に波長ロック効率が高くなるように、各ロック波長に対して振り分けるのが一般的である。
レーザダイオードは射出するレーザの波長が１℃の温度上昇で０．２５〜０．３ｎｍ程度長波長側へシフトする特性がある。よって、レーザダイオードの出力を上げると発熱量が増えて温度上昇するため、射出するレーザの波長は長波長側へシフトする。従って、高出力時に合わせて波長調整された材料は、高出力で波長ロック効率が高いものでも低出力時には波長が低波長シフトするため高い波長ロック効率を維持することが困難な場合がある。
波長ロックしていない通常のレーザダイオードの入力電流に対するレーザ出力は直線となる。しかし、レーザダイオードに高電流を流して高出力化すればするほど、低出力時との温度差が大きくなり波長シフト量も大きくなって波長ロックすると低出力時の効率が低くなりがちである。こういった理由によりＤＤＬ発振器における各バンクのレーザダイオードへの入力電流に対するレーザ出力との関係は直線とはならず、低出力時は下に凸の曲線状の特性となってしまう。
波長ロック効率が低く、ロック波長以外の波長で発振したレーザは、本来の光軸から外れて射出すべきレーザのロスを増大させる。すると、そのロスが、半導体レーザ発振器の内部の発熱や伝送ファイバ入射部の局部的発熱を発生させる。よって、半導体レーザ発振器の性能を最大限に発揮することができない。
実施形態は、波長ロックしてスペクトルビーム結合した半導体レーザ発振器において、低出力時においても高効率な波長ロックを維持できる半導体レーザ発振器を提供することを目的とする。
実施形態の一態様によれば、直列に接続された複数のレーザダイオードが１つのバンクを構成し、複数のバンクが並列に接続されたダイオードユニットを備え、前記複数のバンクそれぞれのレーザダイオードへの入力電流を、波長ロック効率の特性に対応させて個別に制御してダイオードユニット全体の出力を要求される出力に制御する制御部をさらに備えることを特徴とする半導体レーザ発振器が提供される。
実施形態の半導体レーザ発振器によれば、波長ロックしてスペクトルビーム結合した半導体レーザ発振器において、低出力時においても高効率な波長ロックを維持できる。
図１は、一実施形態の半導体レーザ発振器を備えるレーザ加工機の全体的な構成を示す斜視図である。 図２は、一実施形態の半導体レーザ発振器を示すブロック図である。 図３は、図２中のＤＤＬユニットの具体的な構成を示す概念図である。 図４は、図２中のＤＤＬユニットに設定されているバンクを説明するための図である。 図５は、レーザの波長の違いによって波長ロック効率の特性が異なることを説明するための図である。 図６は、一般的な入力電流とレーザパワーとの関係を示すＤＤＬの特性図である。 図７は、一実施形態における指令出力値に対する各バンクへの入力電流とレーザ出力及びＤＤＬユニット出力（バンク合計レーザ出力）の関係を示す特性図である。
以下、一実施形態の半導体レーザ発振器について、添付図面を参照して説明する。まず、一実施形態の半導体レーザ発振器を備えるレーザ加工機の全体的な構成及び動作を説明する。
図１に示すレーザ加工機１００は、レーザによって被加工材を切断加工するレーザ切断加工機である場合を例とする。レーザ加工機は、レーザによって被加工材を溶接加工するレーザ溶接加工機、レーザによって被加工材の表面を改質する表面改質装置、レーザによって被加工材にマーキングするマーキング装置であってもよい。
レーザ加工機１００は、レーザＬＢを生成して射出するレーザ発振器１１と、レーザ加工ユニット１５と、レーザＬＢをレーザ加工ユニット１５へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。
レーザ発振器１１は、一例としてＤＤＬ発振器である。以下、ＤＤＬ発振器１１と称する。ＤＤＬ発振器１１の具体的構成及び動作については後に詳述する。レーザ発振器１１は波長ロック機構を有していればよく、ＤＤＬ発振器に限定されない。
プロセスファイバ１２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。
レーザ加工ユニット１５は、被加工材Ｗを載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット２９を有する。
コリメータユニット２９は、プロセスファイバ１２の出力端から射出されたレーザＬＢを略平行光束とするコリメートレンズ２８と、略平行光束に変換されたレーザＬＢをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５とを有する。また、コリメータユニット２９は、ベンドミラー２５で反射したレーザＬＢを集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。
コリメートレンズ２８、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット２９内に固定されている。焦点位置を補正するために、コリメートレンズ２８がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。
コリメータユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６から射出されるレーザＬＢを被加工材Ｗに照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。
以上の構成によって、レーザ加工機１００は、ＤＤＬ発振器１１より射出されたレーザＬＢをプロセスファイバ１２によってレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、高エネルギ密度の状態で被加工材Ｗに照射して被加工材Ｗを切断加工することができる。
なお、被加工材Ｗを切断加工するとき、被加工材Ｗには溶融物を除去するためのアシストガスが噴射される。図１では、アシストガスを噴射する構成については図示を省略している。
次に、図２〜図４を用いて、ＤＤＬ発振器１１の具体的な構成及び動作を説明する。図２に示すように、ＤＤＬ発振器１１は、ＤＤＬユニット11u1〜11unのｎ個のＤＤＬユニットと、ＤＤＬユニット11u1〜11unそれぞれより射出されたレーザを空間ビーム結合させるコンバイナ１１２とを有する。ＤＤＬユニット11u1〜11unは、ダイオードユニットの一例である。
また、ＤＤＬ発振器１１は、ＤＤＬユニット11u1〜11unに電力を供給する電力供給部１１３と、ＤＤＬ発振器１１を制御する制御部１１４とを有する。電力供給部１１３は電力供給回路によって構成することができる。制御部１１４はマイクロプロセッサまたはマイクロコンピュータによって構成することができる。
ＤＤＬユニット11u1〜11unのうちのいずれかを特定しないＤＤＬユニットをＤＤＬユニット１１ｕと称することとする。ＤＤＬユニット１１ｕの個数ｎは１以上であり、射出するレーザＬＢの必要とする出力に応じて適宜設定すればよい。なお、ＤＤＬユニット１１ｕが１個の場合は、コンバイナを必要としない。
ＤＤＬユニット１１ｕは、具体的に、図３に示すように構成される。ＤＤＬユニット１１ｕは、レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎのｎ個のレーザダイオードモジュールを有する。
レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎのうちのいずれかを特定しないレーザダイオードモジュールをレーザダイオードモジュールＵｍと称することとする。レーザダイオードモジュールＵｍの個数ｎも適宜設定すればよい。
それぞれのレーザダイオードモジュールＵｍは、複数のレーザダイオードが直列に接続されて構成されている。レーザダイオードの個数は例えば１４個である。レーザダイオードモジュールＵｍのそれぞれでロックさせるレーザの波長が異なる。
レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎは、各レーザダイオードが光ファイバＵｆ１〜Ｕｆｎの一方の端部に空間結合されている。各レーザダイオードのレーザを射出する側とは反対側の端面には、高反射ミラーが形成されている。光ファイバＵｆ１〜Ｕｆｎの他方の端部は、ファイバアレイＵ１１となっている。
光ファイバＵｆ１〜Ｕｆｎの先端部は、レーザの射出方向と直交する方向に一列に並べられた光ファイバ列となっている。光ファイバ列の先端部の数ミリから十数ミリの範囲が樹脂で例えば円筒状に被覆されて、ファイバアレイＵ１１が構成されている。
レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎより射出されたレーザは、ファイバアレイＵ１１より射出して、コリメートレンズＵ１２によって平行光化されて略平行光束となる。コリメートレンズＵ１２より射出されたそれぞれのレーザは、グレーティングＵ１３に互いに異なる角度で入射して方向が曲げられて、部分反射ミラーＵ１４を介して射出する。
このとき、レーザがコリメートレンズＵ１２に入射する位置の違いによって、グレーティングＵ１３への入射角度が決まる。
レーザの一部は、部分反射ミラーＵ１４で反射してレーザダイオードモジュールＵｍの各レーザダイオードへと戻り、高反射ミラーで反射して再び部分反射ミラーＵ１４に入射する。
このように、レーザは、レーザダイオードモジュールＵｍ内部の高反射ミラーと部分反射ミラーＵ１４との間で共振する。ＤＤＬユニット１１ｕは外部共振器を構成する。高反射ミラー及び部分反射ミラーＵ１４は、外部共振器ミラーを構成する。
ＤＤＬユニット１１ｕは、レーザを、外部共振器とグレーティングＵ１３とによって波長ロックさせる。グレーティングＵ１３は、波長ロックの機能に加えて、スペクトルビーム結合させる機能を有する。
以上の構成及び動作によって、ＤＤＬユニット１１ｕからは、複数の波長にロックされた図示のような波長スペクトルＳＰ１を有するレーザが出力される。
ＤＤＬユニット１１ｕには、並列接続された複数のバンクが設定されている。図４は、ＤＤＬユニット１１ｕに設定されているバンクの構成例を示している。本実施形態においては、ＤＤＬユニット１１ｕには、２つのバンクが設定されているとする。バンクの数は３以上であってもよい。
図４に示すように、それぞれのバンクには、複数のレーザダイオードモジュールＵｍが直列に接続されている。図４では、２つのレーザダイオードモジュールＵｍを直列接続しているが、３つのレーザダイオードモジュールＵｍを直列接続してもよい。
直列接続するレーザダイオードの数は、電圧制御が容易な例えば５０〜７５Ｖの電圧となるような数とするのがよい。それぞれのバンクには、電力供給部１１３より５０〜７５Ｖの電圧が供給され、０〜１２Ａの電流が流れる。
図４に示すバンク１，２で、ＤＤＬユニット１１ｕは、波長λ１〜λ４それぞれの波長にロックされたレーザを出力する。なお、図２におけるＤＤＬユニット11u1〜11unの全体で、例えば波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザを出力する。
さて、ここで、図５を用いて、レーザの波長の違いによって波長ロック効率の特性が異なることを説明する。図５に示すように、波長λ１，λ２は、入力電流が０〜１２Ａのほぼ全出力領域で波長ロック効率が高い。一方、波長λ３，λ４は、入力電流が０〜４Ａ程度の低出力領域で波長ロック効率が低い。
図５に示す波長ロック効率の特性を有するレーザダイオードモジュールＵｍから構成されたＤＤＬユニット１１ｕに０〜１２Ａの電流を供給したとき、入力電流に対してレーザ出力は図６に示すような特性となる。図６において、一点鎖線は、波長λ１，λ２の波長にロックされたレーザを出力するバンク１における入力電流に対するレーザ出力特性、破線は、波長λ３，λ４の波長にロックされたレーザを出力するバンク２における入力電流に対するレーザ出力特性、実線はＤＤＬユニット１１ｕ（バンク１とバンク２の合計）の出力特性を示している。
入力電流とレーザパワーとの関係は、二点鎖線で示すように、理想的にはリニアである。しかしながら、一点鎖線で示す特性と破線で示す特性とを合わせることによって、実線で示すように、ＤＤＬユニット１１ｕ全体としての特性は、下に凸の曲線状となってしまう。
そこで、本実施形態においては、バンク１，２を図７に示すように制御する。上記のように、バンク１には、低出力から高出力まで波長ロック効率が高い波長λ１，λ２が割り当てられており、バンク２には、低出力時に波長ロック効率が低い波長λ３，λ４が割り当てられている。
図７に示すように、制御部１１４は、バンク１に対しては、一点鎖線で示すように、低出力から高出力までレーザパワーを出力させるように、パワーを指令する。詳細には、指令パワー値が０から４００Ｗ程度まで入力電流をリニアに増加させた後、一旦、入力電流を０とする。指令パワー値が４００Ｗ程度以降では、入力電流を０から１２Ａまでリニアに増加させる。
制御部１１４は、バンク２に対しては、破線で示すように、低出力時には出力させるレーザパワーを０とし、中出力以上でレーザパワーを出力させるように、パワーを指令する。詳細には、指令パワー値が０から４００Ｗ程度まで入力電流を０とする。指令パワー値が４００Ｗ程度で入力電流を６Ａ程度に上昇させて、それ以降、入力電流を１２Ａまでリニアに増加させる。
制御部１１４がバンク１，２を図７に示すように制御することによって、ＤＤＬユニット１１ｕ全体では、実線で示すように出力させることができ、二点鎖線で示す理想的な特性に近付けた特性とすることができる。
以上のように、バンク毎に入力電流制御を行うため、低出力時に波長ロック効率が低くなってしまうものは同じバンクに割り当て、中電流（中出力）以上で制御する。制御部１１４は、複数のバンクそれぞれのレーザダイオードへの入力電流を、波長ロック効率の特性に対応させて個別に制御する。
制御部１１４は、複数のバンクそれぞれが出力するレーザを合成したレーザパワーが要求される発振器出力となるように、また発振器の全出力領域にて波長ロック効率を高く維持できるように、複数のバンクそれぞれのレーザダイオードへの入力電流を個別に制御すればよい。
具体的には、複数のバンクが、入力電流が０から所定の値までの低電流時の波長ロック効率が第１の状態である第１のバンクと、第１の状態よりも波長ロック効率が低い第２の状態である第２のバンクとを少なくとも含むとき、制御部１１４は次のように制御すればよい。
制御部１１４は、第２のバンクの出力を、ＤＤＬユニット１１ｕ全体に要求される出力が０から所定の値まで０とするよう制御する。
本実施形態の半導体レーザ発振器によれば、発振器出力の低出時の波長ロック効率改善が可能となり、併せて電気−光変換効率も高い領域で使用することになるため、低出力時の無駄な電力を削減することができる。
また、本実施形態の半導体レーザ発振器によれば、波長ロック効率低下による出力損失が影響する発振器内部の発熱や、伝送ファイバの局部的発熱を防ぎ、発振器出力を安定させてかつ光学部品の破損を防ぐことができる。
本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
レーザダイオードは、一例として、シングルエミッタのレーザダイオードである。レーザダイオードは、シングルエミッタのレーザダイオードを複数空間結合したレーザダイオードモジュールであってもよい。
レーザダイオードは、ダイオードレーザバーであってもよい。レーザダイオードは、ダイオードレーザバーを複数空間結合したレーザダイオードモジュールであってもよい。なお、ダイオードレーザバーとは、エミッタが例えば５００μｍ間隔で横に並んだチップである。
本発明は、レーザを射出する半導体レーザ発振器に利用できる。
本実施形態の半導体レーザ発振器によれば、発振器出力の低出力時の波長ロック効率改善が可能となり、併せて電気−光変換効率も高い領域で使用することになるため、低出力時の無駄な電力を削減することができる。

Claims (6)

  1. 直列に接続された複数のレーザダイオードが１つのバンクを構成し、複数のバンクから構成されたダイオードユニットを備え、
    前記ダイオードユニットは、複数の波長にロックさせる波長ロック機構を有し、
    前記複数のバンクそれぞれのレーザダイオードへの入力電流を波長ロック効率の特性に対応させて個別に制御して、前記ダイオードユニット全体の出力を要求される出力に制御する制御部をさらに備える
    ことを特徴とする半導体レーザ発振器。
  2. レーザダイオードがシングルエミッタのレーザダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ発振器。
  3. レーザダイオードがシングルエミッタのレーザダイオードを複数空間結合したレーザダイオードモジュールであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ発振器。
  4. レーザダイオードがダイオードレーザバーであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ発振器。
  5. レーザダイオードがダイオードレーザバーを複数空間結合したレーザダイオードモジュールであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ発振器。
  6. 前記複数のバンクは、入力電流が０から所定の値までの低電流時の波長ロック効率が第１の状態である第１のバンクと、前記低電流時の波長ロック効率が前記第１の状態よりも低い第２の状態である第２のバンクとを少なくとも含み、
    前記制御部は、前記第２のバンクの出力を、前記ダイオードユニット全体に要求される出力が０から所定の値まで０とするよう制御する
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ発振器。
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