JP4651471B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子を用いて、対象物にレーザ光を照射する半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ素子を利用した半導体レーザ装置は、小型で軽量であるため、様々な産業分野で利用されている。また、他の発振方式、例えばダイレーザでは、性能を維持するために、ダイ（色素）を定期的に交換する必要があるが、半導体レーザ装置ではその必要がなくメンテナンスが容易である。

一方、半導体レーザ素子は、使用時間とともに発振効率が低下し、同一の駆動電流に対して得られる光出力が低下するという性質がある。半導体レーザ素子の出力低下を検出する方法としては、半導体レーザ装置の出力を計測するという直接的な方法がある。この方法は、光出力計（以下、光パワーメータと称す）を用いて、半導体レーザ装置からの出力を計測し、光出力が初期設定時より低下したか否かを判定する。

また、半導体レーザ装置の出力低下を検出する別の方法としては、光検出器を半導体レーザ素子内に設け、半導体レーザ素子のレーザ光をモニタリングする構成の半導体レーザ装置がある（例えば特許文献１参照）。図５は、特許文献１に記載されている半導体レーザ素子のレーザ光をモニタリングする半導体レーザ装置の劣化判定回路の構成を示す回路図である。

半導体レーザモジュール１０１は、半導体レーザ素子（ＬＤ）と、半導体レーザ素子からのレーザ光をモニタ電流に変換する光検出器（ＰＤ）を、１つの筐体にパッケージしたモジュールである。半導体レーザ駆動回路１０２は、トランジスタにより構成され、半導体レーザ素子を駆動する駆動電流のスイッチングを行う。電流検出回路１０３は、オペアンプＯＰ１および抵抗Ｒ１〜Ｒ５で構成され、半導体レーザ素子の駆動電流をＲ１により電圧に変換し、オペアンプＯＰ１および抵抗Ｒ２〜Ｒ５による増幅回路により平均化し、増幅した電圧を出力する。

光検出器電流検出回路１０４は、オペアンプＯＰ２と可変抵抗器ＶＲで構成され、オペアンプＯＰ２と可変抵抗器ＶＲにより、光検出器において変換されたモニタ電流を電圧に変換するトランスインピーダンス・アンプを形成する。作動増幅回路１０５は、オペアンプＯＰ３および抵抗Ｒ６〜Ｒ９で構成され、電流検出回路１０３と光検出器電流検出回路１０４からの出力電圧の差の電圧を増幅する。つまり（ＬＤの駆動電流値）−（ＰＤの出力電流値）×定数で表わされる電圧を増幅する。コンパレータ１０６は、オペアンプＯＰ４で構成され、作動増幅回路１０５からの差電圧を基準電圧値Ｖｒｅｆと比較し、差電圧が基準電圧値Ｖｒｅｆを越えると、アラーム信号ＡＬＭを発生する。このアラーム信号ＡＬＭは、出力端子１０７から出力される。

すなわち、この半導体レーザ装置における半導体レーザ素子の劣化検出は、半導体レーザ素子の駆動電流に対応した駆動電圧と光検出器からの出力電流に対応する出力電圧をそれぞれ検出し、駆動電圧と出力電圧の定数倍との差を求め、その差が基準電圧値Ｖｒｅｆを越えたときに、アラーム信号ＡＬＭを発生する。

図６は、横軸を半導体レーザ素子の駆動電流値とし、縦軸を光検出器により検出された出力電流としたグラフである。ａは半導体レーザ素子の初期状態における出力電流、ｂは半導体レーザ素子の劣化後の出力電流を示す。ｃは半導体レーザ素子の駆動電流を示す。

半導体レーザ素子の駆動電流が閾値Ｉｔｈを越えると、半導体レーザ素子の出力は半導体レーザ素子の駆動電流に概ね比例して増加する。半導体レーザ素子の劣化が進むと、閾値Ｉｔｈが増大し、かつ比例定数が小さくなり、半導体レーザ素子の駆動電流に対する半導体レーザ素子の出力の増加率が小さくなる。

一方、光検出器の出力電流は半導体レーザ素子の出力に比例するので、「（ＬＤの駆動電流値）−（ＰＤの出力電流値）×定数」（図６のａとｃの差）は、図６に示すように、定数の値を適当に選ぶことによって、半導体レーザ素子の駆動電流が変化しても一定にすることができる。半導体レーザ素子が劣化すると、閾値電流Ｉｔｈが増加し、効率が低下するために、同一の半導体レーザ素子の駆動電流に対する光検出器の出力電流は小さくなり、「（ＬＤの駆動電流値）−（ＰＤの出力電流値）×定数」（図６のｂとｃの差）の値は増大する。従って、半導体レーザ素子の劣化を検出できる。
特開平９−８３０５１号公報

しかしながら、半導体レーザ装置の出力低下は、半導体レーザ素子に起因するものだけではない。例えば、レーザ光を導光するプローブを構成する光ファイバは、傷、汚れなどのため劣化し、透過率が低下する。そのため半導体レーザ装置の出力は低下する。これに対して上記従来の構成では、半導体レーザ素子の劣化を検出するだけであり、プローブが劣化した場合を検出することができない。また、半導体レーザ装置の光出力を直接検出する場合も、半導体レーザ素子が劣化したのかプローブが劣化したのかを判定することができない。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、半導体レーザ装置の出力低下が半導体レーザ素子の劣化によるものか、プローブの劣化によるのものであるかを判定することができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の半導体レーザ装置は、レーザ光を発生する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力の強度をモニタリングするレーザ光検出器と、前記レーザ光を照射対象物へ導光するプローブと、前記プローブから出力された光の強度を計測する光パワーメータと、前記半導体レーザ素子及び前記プローブの劣化判定前に、前記半導体レーザ素子を駆動する電流の値、前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力の強度、及び前記プローブから出力された前記レーザ光の出力の強度を予め計測した初期値データとして記憶する記憶部と、前記初期値データと、劣化判定時に計測された前記半導体レーザ素子を駆動する電流の値、前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力の強度、及び前記プローブから出力された前記レーザ光の出力の強度の計測結果とに基づき、前記半導体レーザ素子及び前記プローブの劣化を判定する制御部と、前記プローブが半導体レーザ装置本体に装着されているか否かを検出して前記制御部にその検出信号を送信するプローブ検出部と、を備え、前記制御部は、前記プローブ検出部により前記プローブが前記半導体レーザ装置本体に装着されたことを検出した検出信号を受信した場合に、前記初期値データを取得して前記記憶部へ保存することを特徴とする。この構成によりプローブの劣化の有無を判定することができ、プローブの交換時期を使用者が認識できることにより、半導体レーザ装置の出力パワーを維持することが容易にできる。

また、前記制御部は、劣化判定前の前記半導体レーザ素子を駆動する電流の値及び前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度と、劣化判定時の前記半導体レーザ素子を駆動する電流の値及び前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度とを用いて、前記半導体レーザ素子の劣化の進行を演算する構成にすることができる。

また、前記制御部は、劣化判定前の前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度と及び前記プローブから出力されたレーザ光の出力強度と、劣化判定時の前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度と及び前記プローブから出力されたレーザ光の出力強度とを用いて、前記プローブの劣化の進行を演算する構成にすることができる。
また、前記制御部は、劣化判定時の前記半導体レーザ素子の劣化の進行と前記プローブの劣化の進行に対し、予め設定された所定の水準を用いて前記半導体レーザ素子及び前記プローブの劣化を判定する構成にすることもできる。

本発明によれば、半導体レーザ装置の出力低下が半導体レーザ素子の劣化によるものか、プローブの劣化によるのものであるかを判定することができる半導体レーザ装置を提供することができる。

以下、本発明の半導体レーザ装置の好適な例について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構造について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置の一構成例を示すブロック図である。半導体レーザモジュール２は、半導体レーザ素子（ＬＤ）３および光検出器（ＰＤ）４を有する。光検出器４は、例えばフォトダイオードで構成され、半導体レーザ素子３からの漏れ光あるいはレーザ光を分配した光を光電変換し、光量を電流量に変換することにより、半導体レーザ素子３のレーザ光をモニタリングする。制御部５は、半導体レーザ装置１の全体を制御する。制御部５は、レーザ照射時には半導体レーザ素子３に対して、レーザ発振用の駆動電流を供給し、光検出器４はレーザ光強度に応じた出力電流を制御部５へ入力する。

プローブ６は、光ファイバで構成され、半導体レーザモジュール２と接続されて、出力されたレーザ光を照射対象へ導く。光パワーメータ７は、プローブ６により導光されたレーザ光の光強度を検出する。記憶部８は、制御部５が半導体レーザ素子３に供給する電流の値、光検出器４からの電流値および光パワーメータ７からの検出値を記憶する。表示ランプ９は、制御部５によりプローブ６が劣化していることが検出された際に点灯し、半導体レーザ素子３が劣化していることが検出された際は点滅して、使用者にプローブ６の交換もしくは半導体レーザ素子３の交換を促すための表示装置である。初期値データ設定スイッチ１０は、制御部５に対して、半導体レーザ素子３およびプローブ６の初期状態の設定を行うためのスイッチである。

制御部５には、あらかじめ設定された一定の電流値Ｉ１で半導体レーザ素子３を駆動したときの光検出器４からの出力電流Ｉｐ、光パワーメータ７からの出力パワーＰが入力される。初期値データ設定スイッチ１０を押しながら半導体レーザ素子３を駆動すると、光検出器４からの出力電流は初期値Ｉｐ１として、光パワーメータ７からの出力パワーは初期値Ｐ１１として制御部５に入力され、記憶部８に保存される。一度、記憶部８に初期値データが保存されると、次に光検出器４からの出力電流Ｉｐおよび光パワーメータ７からの出力パワーＰは、それぞれ比較される計測値Ｉｐ２およびＰ２２として制御部５に入力される。

制御部５は、受け取った値から後述するように、演算を行い、あらかじめ設定された水準（例えば透過率が８０％に低減）までプローブ６が劣化していると判定すると表示ランプ９を点灯させる。また、半導体レーザ素子３があらかじめ設定された水準（例えば出力が初期値の８０％に低減）まで劣化していると判定すると表示ランプ９を点滅させる。このようにして、使用者にプローブ６の劣化もしくは半導体レーザ素子３の劣化を通知する。

次に、半導体レーザ素子３およびプローブ６の劣化判定動作について説明する。一般に、半導体レーザ素子は劣化が進むと、同じ駆動電流であっても、そのレーザ光のパワーが低下することが知られている。図２は、横軸に半導体レーザ素子３を駆動させる駆動電流、縦軸に半導体レーザ素子３の出力を検出する光検出器４からの出力電流を示すグラフである。図２の実線は、半導体レーザ素子３の劣化前（初期状態）の特性を示し、破線は劣化後の特性を示す。半導体レーザ素子３の劣化前の出力パワーは、駆動電流Ｉ１において、光検出器４の出力電流Ｉｐ１として検出されるＰ１である。半導体レーザ３が劣化する（劣化判定時）と、出力パワーは駆動電流Ｉ１において、出力電流がＩｐ２（Ｉｐ１＞Ｉｐ２）として検出されるＰ２にまで減少する。ここで、定数ｋを用いると、Ｐ１∝ｋ×Ｉｐ１、Ｐ２∝ｋ×Ｉｐ２の関係が成り立つ。

図３は、プローブ６へ入出力されるレーザ光の入力パワーと出力パワーの関係を示すグラフである。横軸が入力パワー、縦軸が出力パワーであり、プローブ６の劣化前（初期状態）の透過率Ｔ１（％）の場合を実線で示す。一般にプローブ６を構成する光ファイバは傷や汚れなどの影響により透過率が低下（劣化）する。プローブ６の透過率がＴ２（％）（Ｔ１＞Ｔ２）に劣化した後（劣化判定時）の入出力パワーの関係を破線で示す。

プローブ６の劣化前において、半導体レーザ素子３の劣化前の光パワーメータ７で検出される出力Ｐ１１は、Ｐ１１＝Ｐ１×Ｔ１であり、プローブ６は劣化せず、半導体レーザ素子３は劣化した場合の出力Ｐ１２は、Ｐ１２＝Ｐ２×Ｔ１である。また、プローブ６は劣化し、半導体レーザ素子３は劣化していない場合の出力Ｐ２１は、Ｐ２１＝Ｐ１×Ｔ２であり、半導体レーザ素子３の劣化後の出力Ｐ２２は、Ｐ２２＝Ｐ２×Ｔ２である。

従って、Ｐ１１、Ｐ２２は、
Ｐ１１＝Ｐ１×Ｔ１∝（ｋ×Ｉｐ１）×Ｔ１ （式１）
Ｐ２２＝Ｐ２×Ｔ２∝（ｋ×Ｉｐ２）×Ｔ２ （式２）
と表わすことができる。Ｐ１１とＰ２２との比は、式１および式２を用いると、
Ｐ２２／Ｐ１１∝（Ｉｐ２／Ｉｐ１）×（Ｔ２／Ｔ１） （式３）
となる。ここで、Ｉｐ１およびＩｐ２は光検出器４の出力電流であり、Ｐ１１およびＰ２２は光パワーメータ７で計測されるパワーであるため、検出可能である。従って式３を
（Ｔ２／Ｔ１）＝ｋ’｛（Ｐ２２／Ｐ１１）／（Ｉｐ２／Ｉｐ１）｝ （式４）
ただし、ｋ’は光出力、出力電流の桁を合わせるための定数
に変形することによりプローブ６の透過率の変化を検出することができる。すなわち、ｋ’を適当に選ぶことにより、光検出器４の出力電流の比Ｉｐ２／Ｉｐ１がプローブ６の入出力パワーの比Ｐ２２／Ｐ１１とほぼ等しければ、Ｔ２／Ｔ１がほぼ１となり、透過率が変化していないことを検出できる。また、光検出器４の出力電流の比Ｉｐ２／Ｉｐ１がプローブ６の入出力パワーの比Ｐ２２／Ｐ１１より大きい場合はＴ２／Ｔ１＜１となり、プローブ６が劣化したことを検出できる。

また、従来の半導体レーザ装置と同様に、Ｉｐ２／Ｉｐ１が１より小さければ半導体レーザ素子３が劣化したことを検出できる。

以上のように検出された結果に基づいて、プローブ６および半導体レーザ素子３を交換することにより、出力されるレーザ光を高出力に保つことができる。

なお、表示ランプ９は、ランプである必要はなく、例えばプローブ６劣化の場合と半導体レーザ素子３劣化の場合とでは音色が異なるブザー音あるいは、半導体レーザ装置１が備える表示画面に「プローブ交換」または「半導体レーザ素子交換」などと文字情報あるいはマークとして表示することによって使用者にプローブの交換または半導体レーザ素子の交換を知らしめることができるものであればよい。また、初期値データ設定スイッチ１０は、半導体レーザ装置の内部にあってもよく、この場合は例えば工場出荷時に作業員が初期値データ設定スイッチ１０を押しながら初期値を設定し、その後装置内部に初期値データ設定スイッチ１０を格納する。一般の使用者は初期値の変更を行わず、制御部５は常に工場出荷時の状態と比較して判定を行うことになる。

以上のように本実施の形態の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子およびプローブの劣化の有無を判定することができ、対象物に照射するレーザ光を高出力で維持することができる。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を示すブロック図である。第１の実施の形態に対してプローブ検出器１２が付加された点が異なり、第１の実施の形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

プローブ検出器１２は、半導体レーザ装置１１のレーザ光照射口に配置され、プローブ６が装着されているか否かを検出する検出信号を発生する。制御部１３は、プローブ検出器１２からの検出信号が入力されると、光パワーメータ７が検出した出力パワーＰ１１を初期値データとして保存する。また、制御部１３は、その時の駆動電流Ｉ１に対する光検出器４の出力電流Ｉｐ１を記憶部８に保存する。

一度、記憶部８に初期値データが保存されると、次に光パワーメータ７で検出されるレーザ光の出力は、比較されるＰ２２として制御部１３に入力され、同様に光検出器４からＩｐ２が制御部１３に入力される。制御部１３はＩｐ２／Ｉｐ１およびＰ２２／Ｐ１１を演算し、第１の実施の形態と同様にプローブおよび半導体レーザ素子の劣化を判定する。この動作は、プローブ検出器１２からの検出信号が出力されている間継続する。

プローブ６を半導体レーザ装置１１から外すとプローブ検出器１２からの検出信号が途絶える。このとき、制御部１３は、安全のためレーザ光の照射を停止させる。次にプローブ６を装着すると、制御部１３はプローブ６が交換されたことを検出し、初期値データとして光パワーメータ７の測定結果および光検出器４からの出力電流値を記憶部８へ保存する。

なお、プローブ検出器１２からの検出信号が継続中であっても、初期値データ設定スイッチ１０からの信号が検出された際には、制御部１３はそのときの光パワーメータからの出力パワーＰおよび光検出器４からの出力電流Ｉｐを初期値データＰ１１およびＩｐ１として、記憶部８に保存する。以降はこれまでと同様に、次に光パワーメータ７で検出されたレーザ光出力および光検出器４からの出力電流と初期値データとの比較を行い、プローブおよび半導体レーザ素子の劣化を判定する。

このようにして、本実施の形態における半導体レーザ装置は、使用者に対してプローブ６および半導体レーザ素子３の交換を知らしめることができる。

さらに、プローブ６を半導体レーザ装置１１の電源を切ることなしに、安全に交換することができる。

本発明は、レーザ光の低下が半導体レーザ素子あるいはプローブのどちらの劣化によるものであるかを判定することができる半導体レーザ装置として、光学分野などにおいて利用可能である。

本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ装置の構成を示すブロック図 半導体レーザの駆動電流と出力電流の関係を示すグラフ レーザ光に対するプローブの入出力パワーの関係を示すグラフ 本発明の第２の実施の形態における半導体レーザ装置の構成を示すブロック図 従来の半導体レーザ装置の劣化判定回路の回路図 半導体レーザ素子の駆動電流と出力電流の関係を示すグラフ

符号の説明

１、１１ 半導体レーザ装置
２ 半導体レーザモジュール
３ 半導体レーザ素子
４ 光検出器
５、１３ 制御部
６ プローブ
７ 光パワーメータ
８ 記憶部
９ 表示ランプ
１０ 初期値データ設定スイッチ
１２ プローブ検出器

Claims (4)

1. レーザ光を発生する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度をモニタリングするレーザ光検出器と、
   前記レーザ光を照射対象物へ導光するプローブと、
   前記プローブから出力された光の強度を計測する光パワーメータと、
   前記半導体レーザ素子及び前記プローブの劣化判定前に、前記半導体レーザ素子を駆動する電流の値、前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度、及び前記プローブから出力された前記レーザ光の出力強度を予め計測した初期値データとして記憶する記憶部と、
   前記初期値データと、劣化判定時に計測された前記半導体レーザ素子を駆動する電流の値、前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度、及び前記プローブから出力された前記レーザ光の出力強度の計測結果とに基づき、前記半導体レーザ素子及び前記プローブの劣化を判定する制御部と、
   前記プローブが半導体レーザ装置本体に装着されているか否かを検出して前記制御部にその検出信号を送信するプローブ検出部と、を備え、
   前記制御部は、前記プローブ検出部により前記プローブが前記半導体レーザ装置本体に装着されたことを検出した検出信号を受信した場合に、前記初期値データを取得して前記記憶部へ保存することを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記制御部は、劣化判定前の前記半導体レーザ素子を駆動する電流の値及び前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度と、劣化判定時の前記半導体レーザ素子を駆動する電流の値及び前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度とを用いて、前記半導体レーザ素子の劣化の進行を演算する請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記制御部は、劣化判定前の前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度と及び前記プローブから出力されたレーザ光の出力強度と、劣化判定時の前記半導体レーザ素子から発生されたレーザ光の出力強度と及び前記プローブから出力されたレーザ光の出力強度とを用いて、前記プローブの劣化の進行を演算する請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記制御部は、劣化判定時の前記半導体レーザ素子の劣化の進行と前記プローブの劣化の進行に対し、予め設定された所定の水準を用いて前記半導体レーザ素子及び前記プローブの劣化を判定する請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ。

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