WO2016060103A1 - 半導体レーザ発振器 - Google Patents

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diode
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かおり 臼田
稔 緒方
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株式会社アマダホールディングス
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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor laser oscillator that emits a laser.
  • DDL direct diode laser
  • a DDL oscillator composed of a single-emitter laser diode
  • the DDL oscillator In the DDL oscillator, high output and high brightness are achieved by combining spectral beams. In order to realize spectral beam combining of lasers having a plurality of wavelengths, it is necessary to narrow the spectrum of each wavelength. Therefore, the DDL oscillator locks the laser to a plurality of desired wavelengths by an external resonator.
  • the higher the wavelength lock efficiency the more efficiently the spectral beam can be coupled, and a highly efficient laser output can be obtained.
  • laser diodes manufactured from a plurality of types of materials are distributed to each lock wavelength so that the wavelength lock efficiency becomes high at least at high output.
  • the laser diode has a characteristic that the wavelength of the emitted laser shifts to the longer wavelength side by about 0.25 to 0.3 nm with a temperature rise of 1 ° C. Therefore, if the output of the laser diode is increased, the amount of heat generated increases and the temperature rises, so that the wavelength of the emitted laser shifts to the longer wavelength side. Therefore, a material whose wavelength is adjusted according to the time of high output may be difficult to maintain the high wavelength lock efficiency because the wavelength shifts to a low wavelength at the time of low output even though the wavelength lock efficiency is high.
  • the laser output with respect to the input current of a normal laser diode that is not wavelength locked is a straight line.
  • the higher the current is supplied to the laser diode the larger the temperature difference from the low output and the larger the wavelength shift amount.
  • the efficiency at the low output tends to decrease.
  • the relationship between the input current to the laser diode of each bank in the DDL oscillator and the laser output is not a straight line, and the characteristic is a downward convex curve at low output.
  • the laser with low wavelength lock efficiency and oscillating at a wavelength other than the lock wavelength increases the loss of the laser to be emitted off the original optical axis. Then, the loss generates heat in the semiconductor laser oscillator and local heat in the transmission fiber incident portion. Therefore, the performance of the semiconductor laser oscillator cannot be maximized.
  • An object of the embodiment is to provide a semiconductor laser oscillator that can maintain a highly efficient wavelength lock even at a low output in a semiconductor laser oscillator that is wavelength-locked and spectrally beam-coupled.
  • a plurality of laser diodes connected in series constitute one bank, and a plurality of banks are connected in parallel to each other, and each of the plurality of banks includes a diode unit.
  • a semiconductor laser oscillator further comprising a control unit that individually controls input current in accordance with wavelength lock efficiency characteristics to control the output of the entire diode unit to a required output.
  • a highly efficient wavelength lock can be maintained even when the output is low in the semiconductor laser oscillator in which the wavelength is locked and the spectrum beam is coupled.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of a laser processing machine including a semiconductor laser oscillator according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a semiconductor laser oscillator according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a specific configuration of the DDL unit in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining banks set in the DDL unit in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining that the characteristics of wavelength lock efficiency differ depending on the laser wavelength.
  • FIG. 6 is a DDL characteristic diagram showing a relationship between a general input current and laser power.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the input current to each bank, the laser output, and the DDL unit output (bank total laser output) with respect to the command output value in one embodiment.
  • the laser processing machine 100 shown in FIG. 1 is an example of a laser cutting machine that cuts a workpiece with a laser.
  • the laser processing machine may be a laser welding processing machine that welds a workpiece with a laser, a surface modification device that modifies the surface of the workpiece with a laser, or a marking device that marks a workpiece with a laser. .
  • the laser processing machine 100 includes a laser oscillator 11 that generates and emits a laser LB, a laser processing unit 15, and a process fiber 12 that transmits the laser LB to the laser processing unit 15.
  • the laser oscillator 11 is a DDL oscillator as an example. Hereinafter, it is referred to as a DDL oscillator 11. The specific configuration and operation of the DDL oscillator 11 will be described in detail later.
  • the laser oscillator 11 only needs to have a wavelength lock mechanism, and is not limited to a DDL oscillator.
  • the process fiber 12 is mounted along X-axis and Y-axis cable ducts (not shown) arranged in the laser processing unit 15.
  • the laser processing unit 15 includes a processing table 21 on which a workpiece W is placed, a portal-shaped X-axis carriage 22 that is movable in the X-axis direction on the processing table 21, and a perpendicular to the X-axis on the X-axis carriage 22. And a Y-axis carriage 23 that is movable in the Y-axis direction. Further, the laser processing unit 15 has a collimator unit 29 fixed to the Y-axis carriage 23.
  • the collimator unit 29 includes a collimator lens 28 that converts the laser beam LB emitted from the output end of the process fiber 12 into a substantially parallel light beam, and a laser beam LB that has been converted into a substantially parallel light beam in the lower direction in the Z-axis direction perpendicular to the X and Y axes. And a bend mirror 25 that reflects toward the surface. Further, the collimator unit 29 includes a condenser lens 27 that condenses the laser LB reflected by the bend mirror 25 and a processing head 26.
  • the collimating lens 28, the bend mirror 25, the condenser lens 27, and the processing head 26 are fixed in the collimator unit 29 with the optical axis adjusted in advance.
  • the collimating lens 28 may be configured to move in the X-axis direction.
  • the collimator unit 29 is fixed to a Y-axis carriage 23 movable in the Y-axis direction, and the Y-axis carriage 23 is provided on an X-axis carriage 22 movable in the X-axis direction. Therefore, the laser processing unit 15 can move the position at which the workpiece W is irradiated with the laser LB emitted from the processing head 26 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the laser processing machine 100 transmits the laser LB emitted from the DDL oscillator 11 to the laser processing unit 15 through the process fiber 12, and irradiates the workpiece W in a high energy density state.
  • the material W can be cut.
  • an assist gas for removing the melt is injected into the workpiece W.
  • FIG. 1 the illustration of the configuration for injecting the assist gas is omitted.
  • the DDL oscillator 11 includes n DDL units of the DDL units 11u1 to 11un, and a combiner 112 that spatially couples the laser beams emitted from the DDL units 11u1 to 11un.
  • the DDL units 11u1 to 11un are examples of diode units.
  • the DDL oscillator 11 includes a power supply unit 113 that supplies power to the DDL units 11u1 to 11un, and a control unit 114 that controls the DDL oscillator 11.
  • the power supply unit 113 can be configured by a power supply circuit.
  • the control unit 114 can be configured by a microprocessor or a microcomputer.
  • a DDL unit that does not specify any of the DDL units 11u1 to 11un is referred to as a DDL unit 11u.
  • the number n of the DDL units 11u is 1 or more, and may be set as appropriate according to the output required by the emitted laser LB. In addition, when there is one DDL unit 11u, a combiner is not necessary.
  • the DDL unit 11u is specifically configured as shown in FIG.
  • the DDL unit 11u has n laser diode modules of laser diode modules Um1 to Umn.
  • a laser diode module that does not specify any of the laser diode modules Um1 to Umn is referred to as a laser diode module Um.
  • the number n of the laser diode modules Um may be set as appropriate.
  • Each laser diode module Um is configured by connecting a plurality of laser diodes in series.
  • the number of laser diodes is 14, for example.
  • Each laser diode module Um has a different laser wavelength to be locked.
  • each laser diode is spatially coupled to one end of the optical fibers Uf1 to Ufn.
  • a high reflection mirror is formed on the end face of each laser diode opposite to the laser emitting side.
  • the other end of the optical fibers Uf1 to Ufn is a fiber array U11.
  • the tip portions of the optical fibers Uf1 to Ufn are optical fiber arrays arranged in a line in a direction orthogonal to the laser emission direction. A range of several millimeters to several tens of millimeters at the tip of the optical fiber array is covered with a resin, for example, in a cylindrical shape, so that a fiber array U11 is configured.
  • the lasers emitted from the laser diode modules Um1 to Umn are emitted from the fiber array U11, and are collimated by the collimating lens U12 to become a substantially parallel light beam.
  • the laser beams emitted from the collimator lens U12 are incident on the grating U13 at different angles, bent in directions, and emitted through the partial reflection mirror U14.
  • the incident angle to the grating U13 is determined by the difference in the position where the laser enters the collimating lens U12.
  • a part of the laser is reflected by the partial reflection mirror U14, returns to each laser diode of the laser diode module Um, is reflected by the high reflection mirror, and enters the partial reflection mirror U14 again.
  • the laser resonates between the high reflection mirror and the partial reflection mirror U14 inside the laser diode module Um.
  • the DDL unit 11u constitutes an external resonator.
  • the high reflection mirror and the partial reflection mirror U14 constitute an external resonator mirror.
  • the DDL unit 11u causes the wavelength of the laser to be locked by the external resonator and the grating U13.
  • the grating U13 has a function of combining spectral beams in addition to the function of wavelength locking.
  • the DDL unit 11u outputs a laser having a wavelength spectrum SP1 as shown in the figure locked to a plurality of wavelengths.
  • FIG. 4 shows a configuration example of banks set in the DDL unit 11u. In the present embodiment, it is assumed that two banks are set in the DDL unit 11u. The number of banks may be three or more.
  • a plurality of laser diode modules Um are connected in series to each bank.
  • two laser diode modules Um are connected in series, but three laser diode modules Um may be connected in series.
  • the number of laser diodes connected in series should be such that the voltage is easily controlled, for example, 50 to 75V.
  • a voltage of 50 to 75 V is supplied to each bank from the power supply unit 113, and a current of 0 to 12 A flows.
  • the DDL unit 11u outputs lasers locked to the wavelengths ⁇ 1 to ⁇ 4. Note that, for example, a laser having a wavelength of 910 nm to 950 nm is output from the entire DDL units 11u1 to 11un in FIG.
  • the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 have high wavelength lock efficiency in almost the entire output region where the input current is 0 to 12A.
  • the wavelengths ⁇ 3 and ⁇ 4 have low wavelength lock efficiency in a low output region where the input current is about 0 to 4A.
  • the laser output has the characteristics shown in FIG. 6 with respect to the input current.
  • the alternate long and short dash line indicates the laser output characteristics with respect to the input current in the bank 1 that outputs the lasers locked to the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2
  • the broken line indicates the bank that outputs the lasers locked to the wavelengths ⁇ 3 and ⁇ 4.
  • the solid line represents the output characteristics of the DDL unit 11u (the sum of bank 1 and bank 2) with respect to the input current in FIG.
  • the relationship between the input current and the laser power is ideally linear as shown by the two-dot chain line.
  • the characteristic of the DDL unit 11u as a whole becomes a downward convex curve, as indicated by the solid line.
  • the banks 1 and 2 are controlled as shown in FIG. As described above, the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 having high wavelength lock efficiency from low output to high output are assigned to the bank 1, and the wavelengths ⁇ 3 and ⁇ 4 having low wavelength lock efficiency are assigned to the bank 2 at the time of low output. It has been.
  • the control unit 114 instructs the bank 1 to output a laser power from a low output to a high output as indicated by a one-dot chain line. Specifically, after the input current is linearly increased from 0 to about 400 W, the input current is once set to 0. When the command power value is about 400 W or more, the input current is linearly increased from 0 to 12A.
  • the control unit 114 commands the bank 2 so that the laser power to be output at low output is 0 and the laser power is output at medium output or higher, as indicated by a broken line. Specifically, the input current is set to 0 when the command power value is about 0 to 400 W. When the command power value is about 400 W, the input current is increased to about 6 A, and thereafter, the input current is increased linearly to 12 A.
  • the control unit 114 controls the banks 1 and 2 as shown in FIG. 7 so that the DDL unit 11u as a whole can be output as shown by the solid line, and the characteristics approaching the ideal characteristics shown by the two-dot chain line. It can be.
  • control unit 114 individually controls the input current to the laser diode of each of the plurality of banks in accordance with the characteristics of the wavelength lock efficiency.
  • the control unit 114 includes a plurality of banks so that a laser power obtained by synthesizing lasers output from each of the plurality of banks can be a required oscillator output, and the wavelength lock efficiency can be maintained high in the entire output region of the oscillator.
  • the input current to each laser diode may be individually controlled.
  • the plurality of banks have a first wavelength lock efficiency at a low current from 0 to a predetermined value of the input current, and a wavelength lock efficiency higher than that of the first state.
  • the control unit 114 may control as follows.
  • the control unit 114 controls the output of the second bank so that the output required for the entire DDL unit 11u is 0 from 0 to a predetermined value.
  • the semiconductor laser oscillator of this embodiment it becomes possible to improve the wavelength lock efficiency when the output of the oscillator is low, and at the same time, it is used in a region where the electro-optical conversion efficiency is also high. Electric power can be reduced.
  • heat generation inside the oscillator affected by output loss due to a decrease in wavelength lock efficiency and local heat generation of the transmission fiber can be prevented, the output of the oscillator can be stabilized, and optical components can be damaged. Can be prevented.
  • the laser diode is, for example, a single emitter laser diode.
  • the laser diode may be a laser diode module in which a plurality of single-emitter laser diodes are spatially coupled.
  • the laser diode may be a diode laser bar.
  • the laser diode may be a laser diode module in which a plurality of diode laser bars are spatially coupled.
  • the diode laser bar is a chip in which emitters are arranged horizontally at intervals of, for example, 500 ⁇ m.
  • the present invention can be used for a semiconductor laser oscillator that emits a laser.

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

半導体レーザ発振器
　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。

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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