WO2006061891A1

WO2006061891A1 - 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

Info

Publication number: WO2006061891A1
Application number: PCT/JP2004/018291
Authority: WO
Inventors: Takeshi Morimoto; Toshiki Koshimae; Toshiaki Watanabe; Akihiro Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-06-15
Also published as: US20070160098A1; JP4274244B2; JPWO2006061891A1; US7701990B2; TW200620769A; TWI254502B; DE112004002892T5; DE112004002892B4

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

明細書

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

技術分野

[0001] 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。背景技術

[0002] 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個以上のキヤビティ 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にキヤビティの概略図を示す。キヤビティ 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個のキヤ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個一数 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。

[0003] 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、キヤビティ力ものレーザ出力は 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、キヤビティを複数個並べることにより、各キヤ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。

[0004] 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、レ一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。

[0005] 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!/ヽる。

[0006] 特許文献 1：特開平 10— 284789号公報

特許文献 2：特開昭 59- 103565号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 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への通電電流を増カロ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。

[0008] 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ユームを図 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、る方にカーブし、 Vヽ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ィ匕することとなる。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 2 1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。

[0009] また、高出力を得るためにキヤ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個のキヤビティにおいて LD20が消灯したとすると、該キヤ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)と同様になる力その他のキヤビティも入射するレーザビームが固体励起媒体の中心力ずれてしまうので、図 12のように LD20が消灯したキヤ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が消灯したキヤ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が消灯したキヤビティの励起効率の低下とほぼ同じレベルである。

[0010] 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、すなわちキヤ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、複数のキヤビティを連結している場合は、全てのキヤビティでポインティングずれが発生するため、 LDが正常なキヤビティも励起効率が低下する。このため、全ての LDが正常なキヤ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。

[0011] 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。し力し、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力 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力も適用は困難である。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。

[0012] 特許文献 3：特開昭 59— 113768号公報

[0013] 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励起固体レ一ザ発振器を得るものである。

課題を解決するための手段

[0014] 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ィオードと、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ォ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。

発明の効果

[0015] 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。図面の簡単な説明

[0016] [図 1]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。

[図 2]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。

[図 3]—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。

[図 4]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。

[図 5]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。

[図 6]—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。

[図 7]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。

[図 8]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。

[図 9]一般的な LD励起固体レーザ発振器の概要図である。

[図 10]—般的な LD励起固体レーザ発振器のキヤビティの概要図である。

[図 11]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。

[図 12]2つのキヤ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。

[図 13]LDの通電電流と寿命との相関を示すグラフである。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 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つのキヤビティに 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 LD 6a— 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— 1¾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 ONZ 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。

[0018] 特許文献 4:特願 2003— 363040号

[0019] 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ォードを用いた検出回路を用いてもょ、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。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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!/、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、検出信号力 SLD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ぐ制御回路 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)一 (d)はキヤ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方向力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、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)はキヤ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をすベて消灯する。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ベぐ制御回路 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 L D6g— 6jは発光しつづける。

[0024] 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。

[0025] 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〖こ処理することが望ましい。

[0026] 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力まわない。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 (&)のょぅにステップ3004、 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 [0027] 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 L Dを選択しその LDを短絡するとした力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。

[0028] 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!/、て LD6aが故障したと仮定する。

判断部 8は故障した LD6aの位置を判断する。 (S002)

[0029] 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。 (SO 11)

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をすベて選択する。 (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ぐ制御回路 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)

[0030] 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)

[0031] 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 に影響はなぐ必ずしもノィ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。

[0032] 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つのキヤ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 L Dの通電電流と LD出力相関図である。 LDは閾値電流 I力も LD光を出力し始め、通

0

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 とすると以下の式が

LD

成り立つ。

P_LD = a(I - I_a ) · · · ( ! )

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 は以下の通りとなる。

YAG

ΡΥΑΟ =Λ " ） · + · ( 2 ) ここで j8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

とすると、式（1) (2)より以下の式が導かれる。 P

[0033] 次に LDが故障した場合（図 7中の点 B)、検出回路力 SLD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（ j8 →j8 )が発生し、レーザ出力は P に減少する。ここで、式（1) (2)より P は

1 3 YAG2 YAG2 以下の通りとなる。

= β₃{(η-ΐ)·α(ΐ₁ -Ι₀)} " ' ⁽⁴⁾

LD電力制御装置はレーザ出力 Ρ を指令値 P に追従するよう電源装置に LD

YAG2 YAG1

通電電流増加を指令する（図 7中の点 C)。指令電流値 I時の LD出力を P とすると

3 LD3

、式（3) (4)より以下の式が導かれる。

A{(»-I)-^_D3}= _HG1

β₃ {{n -l)-a{l₃ - 1₀ )}

α{ΐ, - 1₀ )} …（5)

丄、

η— ϊ β 。ここで指令電流 Iの値は、右辺第 2項は定数であり、第 1項

3

n

n-l

は故障前の LD点灯数 nが数 10個一数 100個と充分に大きければ « 丄

n-l

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。

[0034] 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、ポインテイ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で励起するキヤビティを用いて説明する。

[0035] 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、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 |8 ( β > β > β )となり、レーザ出力を指令値

2 1 2 3

Ρ 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 2 {(n - 2) - P_LD1 } = P_7AGl

Α{(" - 2)· a(l₂ _/。)}= A {n . (Λ -I₀ )} ( 6

ここで LD点灯数 n》 1であるから 1

n - 2

と近似できるので、 Iの

2 値は β₂

が支配的となる。よって、 LD通電電流 Iと Iとを比較した場合、 β > β であるから、

2 3 2 3

式（5) (6)より I >1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

3 2

通電電流は小さくなる。

[0036] 上記では、 1つのキヤビティカもなる発振器において、励起効率の改善を説明した力複数のキヤ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ヤビティの励起効率は β である。 LDが故障し消灯した後は、故障した LDを含むキヤビティの励起効率は |8 で、全ての LDが正常なキ

3

ャビティもほぼとなる。故障した後、対向する LDを消灯した場合は、故障した LD を含むキヤビティの励起効率は j8 で、全ての LDが正常な他のキヤビティはほぼ |8

2 1 となる。

[0037] 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を含むキヤ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 には達せず j8 となってしまう。一方、全ての

1 2

LDが正常なキヤビティは、故障した LDを含むキヤ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 j8 に達する。

よって、複数のキヤ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。

[0038] 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 LDZキヤ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： j8 = 50%

通電電流に対する LD出力の割合： a =40W/60A

LDがすべて正常な場合は、（3)式よりキヤビティ出力は以下の通りとなる。

P = ο.5. ιοο[*] . ^^(4ομ] - ιομ])

= looc n

[0039] 次に、 LDが 1個故障し消灯した場合、キヤ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。 ) +

- l

= 42A2[A]

A = 0.47

[0040] 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、キヤ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力一方、対向する LDを消灯しな力つた場合に比べると、 41. 42A-42. 42A=-1A

と 1 A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。

' ( - ) +

η - 2 β.

100 0.

40 - 1θ)+ 10

98 β₁

= 4l.42[A]

β₂ = 0.49 よって、消灯した LDに対向する LDを消灯させな力つた場合に比べ、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。

[0041] 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。

[0042] 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力ら 42. 42Aに増加し、また、式（1)より LDの出力は (I I )に比例するので、 LD寿命は下記のとおりと

0

なる。 4 - _{= 8}腸

lOOOHr :

4(L4 - 1(L

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力ら 41. 42A に増加するので、 LD寿命は下記のとおりとなる。

41A2A - 10A

lOOOHr = 8826Hr

40A - 10A ,

よって、対称位置の LDを消灯しな力つた場合に比べ LD寿命が、

8826Hr-811 OHr = 716Hr

延長される。比率で約 9%の寿命延長効果が得られる。

[0043] 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電流力 2. 42Aなので、

99 X 1. 8 X 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 O N電圧が 1. 8V、 LD電流が 41. 42Aなので、

98 X 1. 8 X 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。

[0044] 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ノ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。

産業上の利用可能性

[0045] 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、キヤ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、る。

Claims

請求の範囲

[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に記載のレ一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、このレーザダイォ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ヤビティを複数、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〖こ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ォ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ォ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一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。