(57)【要約】      （修正有）【課題】ファイバレーザを用いたパルス駆動方式のＳＨＧレーザにおいて、ドライバ回路のオフセットに起因したサージ光の発生を防止する。【解決手段】レーザ駆動装置１００は、パルス駆動される励起用の半導体レーザ１１１と、励起光の波長と異なる波長の光を発光するファイバレーザ１１３と、波長を変換する非線形光学結晶１１５と、非線形光学結晶１１５からのレーザ出力に対する指令パルス信号を入力処理する指令パルス入力部１３０と、バイアス信号を発生するバイアス発生回路１４０と、バイアス信号を指令パルス信号に加算する加算器１５０と、バイアス信号が加算された指令パルス信号に応じて、半導体レーザ１１１を駆動するパルス電流を発生するドライバ回路１２０とを有する。バイアス発生回路１４０は、半導体レーザ１１１の駆動時におけるドライバ回路１２０の出力と反対極性のバイアス信号を発生する。【選択図】図１
2010016257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス駆動される励起用の半導体レーザと、
前記半導体レーザから出射された励起光を入射して前記励起光の波長と異なる波長の光を発光するファイバレーザと、
前記ファイバレーザから出射されたレーザ光の波長を変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子からのレーザ出力に対する指令パルス信号を入力処理する指令パルス入力部と、
バイアス信号を発生するバイアス発生回路と、
前記バイアス発生回路によって発生されたバイアス信号を前記指令パルス入力部によって入力処理された指令パルス信号に加算する加算器と、
前記加算器によってバイアス信号が加算された指令パルス信号に応じて、前記半導体レーザを駆動するパルス電流を発生するドライバ回路と、を有し、
前記バイアス発生回路は、
前記半導体レーザの駆動時における前記ドライバ回路の出力と反対極性のバイアス信号を発生する、
レーザ駆動装置。
【請求項２】
前記バイアス信号は、前記ドライバ回路のオフセット電圧と極性が同じ場合、絶対値が前記ドライバ回路のオフセット電圧の絶対値よりも大きい値に設定されている、
請求項１記載のレーザ駆動装置。
【請求項３】
前記指令パルス信号は、パルスの立上り部分において、前記半導体レーザの発振しきい値に対応する値を挟む一部分が、他の部分よりも緩い傾斜を有する、
請求項２記載のレーザ駆動装置。
【請求項４】
前記バイアス信号は、前記加算器の出力において前記傾斜が保持されるような値に設定されている、
請求項３記載のレーザ駆動装置。
【請求項５】
前記波長変換素子から出射されたレーザ光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力の大きさと前記指令パルス入力部によって入力された指令パルス信号の大きさとが一致するように前記ドライバ回路に対する制御信号を補正する補正回路と、
をさらに有する請求項１記載のレーザ駆動装置。
【請求項６】
前記半導体レーザの非駆動時において前記半導体レーザから出射された励起光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に応じて、前記バイアス発生回路によって発生されるバイアス信号の値を設定するバイアス設定回路と、
をさらに有する請求項１記載のレーザ駆動装置。
【請求項７】
前記半導体レーザの非駆動時において前記半導体レーザから出射された励起光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力を積分する積分器と、
前記積分器の出力に応じて、前記バイアス発生回路によって発生されるバイアス信号の値を設定するバイアス設定回路と、
をさらに有する請求項１記載のレーザ駆動装置。
【請求項８】
前記半導体レーザの非駆動時において前記半導体レーザから出射された励起光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力を積分する積分器と、
前記積分器の出力が所定の判定基準値以上の場合、前記ドライバ回路を遮断する回路遮断器と、
を有する請求項１記載のレーザ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ駆動装置に関し、特に、ファイバレーザを用いたパルス駆動方式のＳＨＧ（Second Harmonic Generation：２次高調波発生）レーザに好適なレーザ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体励起固体レーザでは、励起用の半導体レーザにパルス状の電流を流し、その半導体レーザからの励起光により固体レーザ媒質を励起してパルス状のレーザ出力を得る。半導体励起固体レーザでは、半導体レーザから出射される波長一定の励起光により固体レーザのレーザ発振の下準位にある電子にエネルギーを与え、このエネルギーにより電子を上準位に励起する。上準位にある電子数が下準位にある電子数を上回った状態は、反転分布状態と呼ばれる。半導体励起固体レーザでは、固体レーザ媒質の内部または外部からの光の刺激を受けて上準位にある電子が一斉に下準位に移行し、エネルギーを光の形で放出する（レーザ発振）。よって、半導体励起固体レーザでは、励起エネルギーが所定値以上固体レーザ媒質に蓄積されないと、反転分布状態が形成されず、レーザ発振は起こらない。したがって、励起エネルギーとレーザ出力との関係をグラフにとると、図１５に示すようになり、励起エネルギーが非ゼロのある値に達すると、レーザ発振が始まる。この値はレーザ発振のしきい値と呼ばれる。
【０００３】
従来の一般的な駆動方法では、半導体レーザに流すパルス電流の発振時電流値を固体レーザの発振しきい値に対応する電流値よりも高い値に設定し、かつ、非発振時電流値をゼロに設定して、半導体レーザの駆動電流を繰り返しオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）する。半導体励起固体レーザでは、このパルス電流によって半導体レーザからの励起光をパルス動作させ、励起光を受けた固体レーザ媒質からレーザ出力を得る。
【０００４】
一方、特許文献１には、別の駆動方法を用いた従来の半導体励起固体レーザ（以下単に「固体レーザ」という）が開示されている。図１６に示すように、この固体レーザ１は、固体レーザ媒質３、半導体レーザ素子５ａを含む励起用の半導体レーザ５、およびパルス電流制御手段７を有する。パルス電流制御手段７は、非発振時電流値可変設定部７ａおよび非発振時間可変設定部７ｂを含み、半導体レーザ５の駆動オフ時（非発振時）には、図１７に示すように、しきい値対応電流値よりもわずかに小さい値のバイアス電流を通電するようにしている。これにより、駆動電流がしきい値対応電流値に至るまでの時間が短縮されるため、レーザ出力の立上り時間が短縮され、さらには、駆動オフ時（非発振時）に流した電流により固体レーザ媒質３への蓄積エネルギー量が増えるため、駆動オン時（発振時）のオーバードライブ効果（高いピーク出力）が期待できるとされている。
【特許文献１】特開平１０−３２１９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ファイバレーザを用いたＳＨＧレーザ、つまり、半導体レーザを励起光源としてファイバレーザにより発光されたレーザ光を波長変換素子により波長変換して所望の波長のレーザ光を出力するレーザに対して、上記した特許文献１記載の技術を単に適用した場合、次のような問題がある。
【０００６】
ＳＨＧレーザは、例えば、励起用の半導体レーザ（Laser Diode：ＬＤ）、ファイバレーザ、および波長変換素子（例えば、非線形光学結晶）からなる。このようなＳＨＧレーザでは、半導体レーザにパルス電流を流し、その半導体レーザからのパルス状の励起光をファイバレーザに入射し、入射した励起光の波長と異なる波長の光をファイバレーザにより発光した後、波長変換素子により目的波長のパルス状のレーザ出力を得る。このとき、ファイバレーザも、特許文献１記載の固体レーザ１と同様に、レーザ発振を起こすまでには励起エネルギーの蓄積が必要であり、蓄積された励起エネルギーが非ゼロのある値（しきい値）に達すると、レーザ発振が始まる。
【０００７】
特許文献１記載の技術では、上記のように、レーザ出力の立ち上がりを早くするために、半導体レーザ５の駆動オフ時（非発振時）にしきい値対応電流値よりもわずかに小さい値のバイアス電流を流して立上り時間の改善を図っている。しかし、ファイバレーザを用いたＳＨＧレーザでは、駆動オフ時（非発振時）に励起用半導体レーザにバイアス電流を流すと、このバイアス電流による発光によりファイバレーザに励起エネルギーが蓄積され、図１８に示すように、駆動オフ時に突然パルス状の光（パルス光）１１を発生することが確認された。なお、このように突然発生するパルス光は、瞬間的に定常状態を超えて発生するサージパルスの一種であり、このうち、特に、エネルギーの高いパルス状のレーザ光（パルス光）は、ジャイアントパルスとも呼ばれる。以下、本明細書では、突然発生するパルス光を「サージ光」と呼ぶことにする。
【０００８】
また、積極的に励起用半導体レーザにバイアス電流を流さなくても、ドライバ回路内のオフセットにより、励起用半導体レーザに微小な電流（以下「オフセット電流」という）が流れることがある。したがって、この場合にも、オフセット電流による発光によりファイバレーザに励起エネルギーが蓄積され、ファイバレーザがサージ光を発生するおそれがある。
【０００９】
例えば、図１９に示すように、励起用半導体レーザに所定の指令パルス信号２１を加えると（図１９（Ａ））、指令パルス信号２１のオン期間において、励起用半導体レーザに所定の駆動電流２３が流れ（図１９（Ｂ））、ファイバレーザから所定の光出力２５が得られる（図１９（Ｃ））。しかし、このとき、ドライバ回路内のオフセットにより、指令パルス信号２１のオフ期間において、励起用半導体レーザにオフセット電流２７が流れ（図１９（Ｂ））、図１９（Ｃ）に示すように、ファイバレーザがサージ光２９を発生するおそれがある。
【００１０】
このサージ光は、ディスプレイ用光源として好ましくないばかりか、非常に大きな振幅を持つことがあるため（ジャイアントパルス）、ファイバレーザの後段に位置する波長変換素子（非線形光学結晶）を破壊してしまうことがある。そのため、ファイバレーザを用いたＳＨＧレーザでは、サージ光の発生を防止する必要がある。
【００１１】
なお、サージ光は、上記のようにオフセット電流に起因して発生しうるほか、ファイバレーザ出力の立ち上がりにおいても発生しうる。例えば、励起用半導体レーザに図２０（Ａ）に示すような方形の指令パルス信号３１を加えると、励起用半導体レーザに図２０（Ｂ）に示すようなパルス状の駆動電流３３が流れ、励起用半導体レーザの光出力（励起光）３５も図２０（Ｃ）に示すようにパルス状に立ち上がる。そして、このパルス状の励起光３５をファイバレーザに入射すると、図２０（Ｄ）に示すように、ファイバレーザの光出力３７の立ち上がりにおいてサージ光３９が発生する。
【００１２】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ファイバレーザを用いたパルス駆動方式のＳＨＧレーザにおいて、ドライバ回路のオフセットに起因したサージ光の発生を防止することができるレーザ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のレーザ駆動装置は、パルス駆動される励起用の半導体レーザと、前記半導体レーザから出射された励起光を入射して前記励起光の波長と異なる波長の光を発光するファイバレーザと、前記ファイバレーザから出射されたレーザ光の波長を変換する波長変換素子と、前記波長変換素子からのレーザ出力に対する指令パルス信号を入力処理する指令パルス入力部と、バイアス信号を発生するバイアス発生回路と、前記バイアス発生回路によって発生されたバイアス信号を前記指令パルス入力部によって入力処理された指令パルス信号に加算する加算器と、前記加算器によってバイアス信号が加算された指令パルス信号に応じて、前記半導体レーザを駆動するパルス電流を発生するドライバ回路と、を有し、前記バイアス発生回路は、前記半導体レーザの駆動時における前記ドライバ回路の出力と反対極性のバイアス信号を発生する、構成を採る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ファイバレーザを用いたパルス駆動方式のＳＨＧレーザにおいて、ドライバ回路のオフセットに起因したサージ光の発生を防止することができる。
【００１５】
具体的には、ドライバ回路のオフセットにより励起用の半導体レーザにオフセット電流が流れ、このオフセット電流による発光によりファイバレーザに励起エネルギーが蓄積され、蓄積された励起エネルギーがしきい値を超えたときにファイバレーザが突然パルス光（サージ光）を発生することを防止することができる。また、これにより、サージ光による波長変換素子（例えば、非線形光学結晶）の破壊を防止することができる。
【００１６】
すなわち、ドライバ回路のオフセットに起因してファイバレーザが励起状態に至るしきい値近辺で発生する不安定状態において、非常に大きなサージ（ジャイアントパルス）が発生して波長変換素子（非線形光学結晶）が破壊されることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すレーザ駆動装置１００は、ファイバレーザを用いたパルス駆動方式のＳＨＧ（２次高調波発生）レーザに好適なレーザ駆動装置であって、大別して、ファイバレーザを用いたＳＨＧレーザ１１０と、ドライバ回路１２０と、指令パルス入力部１３０と、バイアス発生回路１４０と、加算器１５０とを有する。
【００２０】
ＳＨＧレーザ１１０は、パルス駆動される励起用の半導体レーザ（ＬＤ）１１１と、この半導体レーザ１１１から出射された励起光を入射してこの励起光の波長と異なる波長の光を発光するファイバレーザ１１３と、このファイバレーザ１１３から出射されたレーザ光の波長を変換する非線形光学結晶（波長変換素子）１１５とを有する。この構成により、ＳＨＧレーザ１１０は、半導体レーザ１１１を励起光源としてファイバレーザ１１３により増幅されたレーザ光を非線形光学結晶１１５により波長変換して所望の波長のレーザ光を出力する。
【００２１】
すなわち、このＳＨＧレーザ１１０では、半導体レーザ１１１にパルス電流を流し、半導体レーザ１１１からのパルス状の励起光をファイバレーザ１１３に入射し、入射した励起光の波長と異なる波長の光をファイバレーザ１１３により発光した後、非線形光学結晶１１５により目的波長のパルス状のレーザ出力を得る。例えば、半導体レーザ１１１として波長が９１５ｎｍの赤外半導体レーザを使用した場合、この９１５ｎｍの光を励起光としてファイバレーザ１１３に入射することで、１０６４ｎｍの光を発光させることができる。そして、この１０６４ｎｍの光を非線形光学結晶１１５に入射することで、波長が半分の５３２ｎｍの青紫色のレーザ光を得ることができる。
【００２２】
ドライバ回路１２０は、入力された指令パルス信号に応じて、ＳＨＧレーザ１１０の駆動電流、つまり、ＳＨＧレーザ１１０内の半導体レーザ１１１を駆動するパルス電流を発生する。
【００２３】
図２は、ドライバ回路１２０の一般的な構成例を示すブロック図である。
【００２４】
上記のように、ドライバ回路１２０は、入力された指令パルス信号に応じて励起用の半導体レーザ１１１を電流駆動するための回路である。一般的な構成として、ドライバ回路１２０は、図２に示すように、駆動回路１２１、電流検出器１２３、および比較回路１２５を有する。駆動回路１２１は、電圧源１２１ａおよび出力電圧制御回路１２１ｂを有する。
【００２５】
すなわち、ドライバ回路１２０には、駆動電流を流すための電圧源１２１ａがあり、ドライバ回路１２０は、この電圧源１２１ａにより半導体レーザ１１１に電圧を印加する。そして、ドライバ回路１２０は、この電圧を印加して半導体レーザ１１１に流れた電流を電流検出器１２３で検出し、検出した電流と入力された指令パルス信号とを比較回路１２５で比較して差分を求める。そして、ドライバ回路１２０は、出力電圧制御回路１２１ｂで、その差分により電圧源１２１ａの出力電圧を制御する。このフィードバック制御により、ドライバ回路１２０は、入力された指令パルス信号に応じて半導体レーザ１１１を電流駆動する。
【００２６】
しかし、実際の電子回路において、ドライバ回路１２０には、素子のバラツキ（特性の不確定性）や、ドリフト（状態の変動）などに起因して、オフセットが存在する。このオフセットは、ドライバ回路１２０内の各素子に存在し、それぞれオフセット電圧として顕在化する。オフセット電圧とは、理想的には入力が０Ｖのときには出力も０Ｖになればよいが、入力が０Ｖのときに出力されてしまう電圧のことである。すなわち、オフセット電圧とは、入力を０Ｖにしても出力電圧が０Ｖにならないときのその出力電圧のことである。ここでは、以下、簡単化のため、電流検出器１２３にオフセット電圧が発生した場合を考える。
【００２７】
図３は、オフセットを考慮したドライバ回路の構成例を示すブロック図である。なお、図３において、図２と同じ構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
図３に示すドライバ回路１２０ａは、このドライバ回路１２０ａ内の電流検出器１２３にオフセット電圧が発生した場合を考えて、図２に示す理想的なドライバ回路１２０の構成に加えて、オフセット電圧源１２７および加算器１２９を仮想的に有する。すなわち、このドライバ回路１２０ａは、電流検出器１２３に発生したオフセット電圧を電流検出器１２３の出力に加算する構成を有する。
【００２９】
ここで、例えば、電流検出器１２３に負のオフセット電圧が発生した場合を考える。図４は、電流検出器１２３に負のオフセット電圧が発生した場合のドライバ回路１２０ａの動作を説明するための図である。
【００３０】
ドライバ回路１２０ａにおいて、例えば、図４に示すように、入力された指令パルス信号の値がゼロであった場合、電流検出器１２３から比較回路１２５に入る信号が負の値であったとすると、比較回路１２５の出力は正の値となり、駆動回路１２１は電圧源１２１ａの電圧を上げて半導体レーザ１１１に電流を流すように動作するため、電流の極性も正となる。このとき、電流検出器１２３の出力が電流検出器１２３の負のオフセット電圧により打ち消されてゼロになると、比較回路１２５の出力が一旦ゼロとなり、駆動回路１２１の電流出力がゼロになるが、負のオフセット電圧によって電流検出器１２３の出力が再び負の値となり、結果として半導体レーザ１１１に流れる電流は再び正の値となる。すなわち、これが繰り返されることで、指令パルス信号の値がゼロであっても励起用の半導体レーザ１１１には微小電流が流れることになる（図１９（Ｂ）参照）。上記のように、本明細書では、この電流を「オフセット電流」と呼ぶことにする。
【００３１】
なお、上記の説明では、電流検出器１２３にオフセット電圧が発生した場合を想定したが、実際には、その他素子（駆動回路１２１や比較回路１２５など）にもオフセット電圧は発生しうる。したがって、オフセット電圧源１２７は、ドライバ回路１２０ａ内の各素子に発生するオフセット電圧をまとめて等価的に表現したものとみることもできる。
【００３２】
図５は、図１の要部詳細図であって、オフセットを考慮したドライバ回路１２０ａを含む構成例を示している。以下の説明では、ドライバ回路１２０ａ内のオフセット電圧源１２７は、ドライバ回路１２０ａ内の各素子に発生するオフセット電圧をまとめて等価的に表現したものとする。
【００３３】
指令パルス入力部１３０は、ＳＨＧレーザ１１０のレーザ出力に対する指令パルス信号を入力処理する。指令パルス信号は、任意のデューティ比を持つ。また、本実施の形態では、下記の理由により、パルスの立上り部分の一部に傾斜を設けた指令パルス信号を用いる（図６（Ａ）参照）。そのため、指令パルス入力部１３０は、入力した指令パルス信号の波形を所定の形状に整形する、具体的には、入力した指令パルス信号に対して、パルスの立上り部分の一部に傾斜を設ける処理をも行う。なお、図６は、本実施の形態における指令パルス信号の波形形状とこれによる各部の出力波形とを示す図である。
【００３４】
仮に、励起用の半導体レーザ１１１に理想的なパルス列である方形波の指令パルス信号（ストレートに立ち上がり、立ち下がる）を加えると（図２０（Ａ）参照）、上記のように、半導体レーザ１１１にパルス状の駆動電流が流れ（図２０（Ｂ）参照）、半導体レーザ１１１の光出力（励起光）もパルス状に立ち上がる（図２０（Ｃ）参照）。そして、このパルス状の励起光をファイバレーザ１１３に入射すると、ファイバレーザ１１３の光出力の立ち上がりにサージ光が発生する（図２０（Ｄ）参照）。このサージ光は、ディスプレイ用光源として好ましくないばかりか、非常に大きな振幅を持つことがあるため（ジャイアントパルス）、ファイバレーザ１１３の後段に位置する非線形光学結晶１１５を破壊させることがある。すなわち、方形波の指令パルス信号のままで半導体レーザ１１１を駆動すると、ファイバレーザ１１３の光出力の立ち上がりにおいてサージ光が発生し、非線形光学結晶１１５を破壊することがある。
【００３５】
そこで、本実施の形態では、サージ光の発生を防止するために、例えば、図６（Ａ）に示すように、指令パルス信号１６１の立上り部分１６１ａの一部に傾斜１６３を設けている。この傾斜１６３は、半導体レーザ１１１の発振しきい値に対応する値を横切るように設けられている。すなわち、指令パルス信号１６１は、パルスの立上り部分において、半導体レーザ１１１の発振しきい値に対応する値を挟む一部分が、他の部分よりも緩い傾斜１６３を有する。
【００３６】
このように指令パルス信号１６１に傾斜１６３を設けることにより、半導体レーザ１１１の駆動電流１６５も図６（Ｂ）に示すように緩やかに立ち上がる。そして、これに伴い、半導体レーザ１１１の光出力（励起光）１６７も図６（Ｃ）のように緩やかに立ち上がる。そして、この励起光１６７をファイバレーザ１１３に入射すると、励起光１６７の立上り部分が、ファイバレーザ１１３が不安定な状態である、ファイバレーザ１１３の発振しきい値に対応する値の前後を緩やかに通過することになる。これにより、図６（Ｄ）に示すように、ファイバレーザ１１３の光出力１６９の立ち上がりにサージ光が発生するのを防止することができる。
【００３７】
バイアス発生回路１４０は、入力された指令パルス信号（より具体的には、指令パルス入力部１３０による入力処理後の指令パルス信号）に付加するバイアス信号を発生する。このバイアス信号は、半導体レーザ１１１の駆動時におけるドライバ回路１２０ａの出力と反対極性の固定電圧である。このバイアス電圧を指令パルス信号に加算することにより、ドライバ回路１２０ａで発生するオフセット電圧をキャンセルすることが可能になる。また、好ましくは、バイアス信号は、ドライバ回路１２０ａのオフセット電圧と極性が同じ場合、絶対値がドライバ回路１２０ａのオフセット電圧の絶対値よりも大きい値に設定されている。これにより、ドライバ回路１２０ａのオフセット電圧のキャンセルを有効に行うことができる。なお、以下、バイアス発生回路１４０が発生するバイアス信号を「逆バイアス信号」と呼ぶことにする。
【００３８】
加算器１５０は、バイアス発生回路１４０で発生した逆バイアス信号を指令パルス入力部１３０による入力処理後の指令パルス信号に加算する。この加算器１５０の出力が、ドライバ回路１２０ａへの指令信号（制御信号）となる。このため、好ましくは、バイアス発生回路１４０が発生する逆バイアス信号は、加算器１５０の出力において、入力処理後の指令パルス信号の立上り部分に設けられた傾斜が保持されるような値に設定されている。
【００３９】
図７は、ドライバ回路１２０ａに負のオフセット電圧が発生した場合において、バイアス発生回路１４０を機能させない場合のドライバ回路１２０ａの動作を説明するための図である。なお、図７は、図４に対応している。
【００４０】
この場合、図７に示すように、入力された指令パルス信号の値がゼロであると、加算器１５０の出力もゼロになる。このため、ドライバ回路１２０ａにおいて、比較回路１２５の出力は正の値となり、駆動回路１２１は電圧源１２１ａの電圧を上げて半導体レーザ１１１に電流を流すように動作するため、電流の極性も正となる。このとき、電流検出器１２３の出力が電流検出器１２３の負のオフセット電圧により打ち消されてゼロになると、比較回路１２５の出力が一旦ゼロとなり、駆動回路１２１の電流出力がゼロになるが、負のオフセット電圧によって電流検出器１２３の出力が再び負の値となり、結果として半導体レーザ１１１に流れる電流は再び正の値となる。すなわち、指令パルス信号の値がゼロであっても励起用の半導体レーザ１１１にはオフセット電流が流れることになる。
【００４１】
図８は、ドライバ回路１２０ａに負のオフセット電圧が発生した場合において、バイアス発生回路１４０を機能させた場合のドライバ回路１２０ａの動作を説明するための図である。
【００４２】
バイアス発生回路１４０を機能させると、上記のように、バイアス発生回路１４０は、入力処理後の指令パルス信号に対して、半導体レーザ１１１の駆動時におけるドライバ回路１２０ａの出力と反対極性の固定電圧を逆バイアス信号として発生し、加算器１５０は、その逆バイアス信号を入力処理後の指令パルス信号に加算する。ここでは、図７に示すように、半導体レーザ１１１の駆動時におけるドライバ回路１２０ａの出力（電流）の極性は正であるため、バイアス発生回路１４０は、それの反対極性である負の逆バイアス信号を発生する。
【００４３】
この場合、図８に示すように、入力された指令パルス信号の値がゼロであると、これにバイアス発生回路１４０からの負の逆バイアス信号を加算すると、加算器１５０の出力は、負の値となる。このとき、比較回路１２５の出力がゼロであったとすると、つまり、比較回路１２５の２つの入力端子の電圧レベルが一致したとすると、駆動回路１２１は、電圧源１２１ａの電圧を下げて、半導体レーザ１１１に流す電流をゼロにするように動作する。そして、電流検出器１２３の出力が電流検出器１２３の負のオフセット電圧により負の値になったところで、比較回路１２５の出力はゼロとなり安定状態となる。すなわち、指令パルス信号の値がゼロであっても、バイアス発生回路１４０から負の逆バイアス信号を加算することにより、励起用の半導体レーザ１１１に流れる電流をゼロにすることができる。
【００４４】
このように、電流検出器１２３が負のオフセットを持った場合でも、実際にドライバ回路１２０ａに入力される指令パルス信号の値を負にすることで、励起用の半導体レーザ１１１に流れる電流をゼロにすることができる。
【００４５】
なお、上記の例において、電流検出器１２３の負のオフセット電圧の絶対値よりもバイアス発生回路１４０の逆バイアス信号の絶対値の方が大きかった場合には、比較回路１２５の出力が負になり、電圧源１２１ａの電圧を下げ続けることになる。しかし、電圧源１２１ａは正の電圧しか発生しないように構成しておけば、励起用の半導体レーザ１１１に負の電圧が加わることはない。
【００４６】
次に、上記構成を有するレーザ駆動装置１００の全体動作について、図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態における指令パルス信号の波形とこれによる各部の出力波形とを示す図である。
【００４７】
指令パルス入力部１３０では、指令パルス信号の立ち上がりにおけるサージ光の発生を防止するために、指令パルス信号１６１の立上り部分の一部に傾斜１６３を設ける（図９（Ａ）参照）。
【００４８】
一方、バイアス発生回路１４０では、ドライバ回路１２０ａで発生するオフセットをキャンセルさせるために、半導体レーザ１１１の駆動時におけるドライバ回路１２０ａの出力と反対極性の固定電圧である逆バイアス信号を発生する（図９（Ｂ）参照）。このとき、バイアス発生回路１４０が発生する逆バイアス信号の値は、ドライバ回路１２０ａのオフセット電圧と極性が同じ場合、絶対値がドライバ回路１２０ａのオフセット電圧の絶対値よりも大きい値に設定されている。また、バイアス発生回路１４０が発生する逆バイアス信号の値は、加算器１５０の出力１６１ａにおいて、入力処理後の指令パルス信号１６１ａの立上り部分に設けられた傾斜１６３が保持されるような値に設定されている。
【００４９】
そして、加算器１５０では、指令パルス入力部１３０による入力処理後の指令パルス信号１６１に、バイアス発生回路１４０で発生した逆バイアス信号を加算する（図９（Ｃ）参照）。このとき、バイアス発生回路１４０が発生する逆バイアス信号の値には上記の制限が設けられているため、加算器１５０の出力１６１ａにおいても、入力処理後の指令パルス信号１６１の立上り部分に設けられた傾斜１６３が保持される。このように、立上り部分の一部に傾斜１６３を設けて、駆動時と反対極性の逆バイアス信号を加えた指令パルス信号１６１ａを、ドライバ回路１２０ａに加える。
【００５０】
そして、ドライバ回路１２０ａは、加算器１５０から入力した、立上り部分の一部に傾斜１６３が設けられた指令パルス信号１６１ａに応じた駆動電流１６５を、励起用の半導体レーザ１１１に流す（図９（Ｄ）参照）。これにより、半導体レーザ１１１は、図９（Ｅ）に示すような光出力（励起光）１６７を得る。
【００５１】
そして、この励起光１６７をファイバレーザ１１３に入射すると、この励起光１６７の緩やかな立ち上がりにより、ファイバレーザ１１３の発振前の不安定領域を緩やかに通過するため、ファイバレーザ１１３は、サージの発生なく発振に至り、図９（Ｆ）に示すような光出力１６９を得る。
【００５２】
そして、ファイバレーザ１１３の光出力１６９を非線形光学結晶１１５に入射して所望の波長のレーザ光を得る。
【００５３】
このように、本実施の形態によれば、バイアス発生回路１４０および加算器１５０を設けて、指令パルス信号に逆バイアス信号を加えるため、ドライバ回路１２０ａ内で発生するオフセットをキャンセルして、駆動オフ時にファイバレーザ１１３が不安定状態に至ってサージ光が発生することを防止することができる。
【００５４】
また、指令パルス信号の立上り部の一部に傾斜を設けて、半導体レーザ１１１の光出力が緩やかに立ち上がるようにしたため、ファイバレーザ１１３の光出力の立ち上がりにサージ光が発生することを防止することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、バイアス発生回路１４０による固定の逆バイアス信号が常に加算器１５０に加えられているが、これに限定されるわけではない。例えば、駆動オフ時にのみ逆バイアス信号を加えるようにしてもよいし、指令パルスがゼロのときに逆バイアスを加えるようにしてもよい。
【００５６】
(実施の形態２)
実施の形態２は、逆バイアス信号による光出力の低下を防止して一定の光出力を確保する場合である。
【００５７】
図１０は、本発明の実施の形態２に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図である。なお、このレーザ駆動装置２００は、図１に示す実施の形態１に対応するレーザ駆動装置１００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５８】
図１０に示すレーザ駆動装置２００は、光検出器２１０および自動出力制御（Automatic Power Control：ＡＰＣ）部２２０を有する。光検出器２１０は、非線形光学結晶１１５から出射されたレーザ光を検出する。自動出力制御部２２０は、光検出器２１０の出力（非線形光学結晶１１５の実際の光出力）と指令パルス入力部１３０の出力（入力処理後の指令パルス信号）とが一致するように、ドライバ回路１２０ａに対する制御信号（指令パルス信号）を補正（増幅）する。
【００５９】
実施の形態１では、入力処理後の指令パルス信号に逆バイアス信号を加えるため、ドライバ回路１２０ａに入力される指令パルス信号の大きさが入力処理後の指令パルス信号の大きさよりも小さくなり（図９（Ａ）、図９（Ｃ）参照）、ドライバ回路１２０ａから出力される駆動電流のレベルを低下させてしまう可能性がある。そこで、本実施の形態では、自動出力制御部２２０を設けて、光検出器２１０により検出された光出力の大きさ（例えば、波高値）と入力処理後の指令パルス信号の大きさ（例えば、波高値）とが一致するように、ドライバ回路１２０ａに対する制御信号（指令パルス信号）を補正（増幅）するようにしている。なお、波高値とは、波の最大高値を意味する。
【００６０】
図１１は、自動出力制御部２２０の構成の一例を示すブロック図である。
【００６１】
自動出力制御部２２０は、入力処理された指令パルス信号の大きさ（波高値）の平均値を算出する第１平均値回路２２１と、光検出器２１０の出力の大きさ（波高値）の平均値を算出する第２平均値回路２２３と、第１平均値回路２２１の出力と第２平均値回路２２３の出力を比較して差分を算出する比較回路２２５と、比較回路２２５の出力（差分）に応じて、入力処理された指令パルス信号の振幅を増幅する振幅増幅器２２７とを有する。第１平均値回路２２１および第２平均値回路２２３は、それぞれ、信号を入力する度に常に最新の平均値を算出する。また、振幅増幅器２２７は、例えば、比較回路２２５の出力（差分）に応じたゲインを、入力処理された指令パルス信号に乗算することにより、入力処理された指令パルス信号の波高値を加減する。
【００６２】
すなわち、自動出力制御部２２０は、入力処理後の指令パルス信号を第１平均値回路２２１に通して、ここで当該指令パルス信号の波高値の平均値を算出し、また、光検出器２１０の出力を第２平均値回路２２３に通して、ここでこの光検出器２１０の出力の波高値の平均値を算出する。そして、自動出力制御部２２０は、比較回路２２５で、第１平均値回路２２１と第２平均値回路２２３の出力を比較する。そして、自動出力制御部２２０は、振幅増幅器２２７で、比較回路２２５の比較結果（差分）に応じたゲインを入力処理後の指令パルス信号に乗算して、入力処理後の指令パルス信号の波高値を加減する。
【００６３】
図１２は、自動出力制御部２２０の制御動作を説明するための図である。なお、ここでは、簡単化のため、入力処理後の指令パルス信号は方形波の形状をしている。
【００６４】
まず、自動出力制御部２２０は、一方で、入力処理後の指令パルス信号を第１平均値回路２２１に通して、図１２（Ａ）に破線で示す平均値２３１を得る。他方で、自動出力制御部２２０は、光検出器２１０の出力を第２平均値回路２２３に通して、図１２（Ｂ）に破線で示す平均値２３３を得る。そして、自動出力制御部２２０は、比較回路２２５で、第１平均値回路２２１の出力（平均値２３１）と第２平均値回路２２３の出力（平均値２３３）を比較し、振幅増幅器２２７で、比較回路２２５の比較結果（差分）に応じたゲインを入力処理後の指令パルス信号に乗算して、図１２（Ｃ）に双方向矢印で示すように、入力処理後の指令パルス信号の波高値を加減する。
【００６５】
なお、振幅増幅器２２７の出力は、加算器１５０で逆バイアス信号が加算された後、制御信号としてドライバ回路１２０ａに与えられる。そして、ドライバ回路１２０ａは、与えられた制御信号（指令パルス信号）により、励起用の半導体レーザ１１１を駆動する。この結果、図１２（Ｃ）に示すように、自動出力制御部２２０の出力の波高値が加減されて、光検出器２１０の出力の波高値と指令パルス信号の波高値とが一致する。
【００６６】
このように、本実施の形態によれば、非線形光学結晶１１５の光出力を検出し、検出した光出力の波高値と指令パルス信号の波高値とが一致するように、ドライバ回路１２０ａに対する制御信号を補正するため、逆バイアスによる光出力の低下を防止して一定の光出力を確保することができる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、自動出力制御部２２０を指令パルス入力部１３０と加算器１５０の間に配置しているが、これに限定されるわけではない。自動出力制御部２２０は、加算器１５０とドライバ回路１２０ａの間に配置してもよい。この場合、振幅増幅器は、入力処理された指令パルス信号ではなく、逆バイアスが加えられた指令パルス信号に対して、波高値の増減を行う。
【００６８】
（実施の形態３）
実施の形態３は、ファイバレーザへの励起エネルギーの蓄積状態を推定し、推定結果に基づいて逆バイアス信号の値を可変したりドライバ回路を遮断したりする場合である。
【００６９】
図１３は、本発明の実施の形態３に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図である。なお、このレーザ駆動装置３００は、図１に示す実施の形態１に対応するレーザ駆動装置１００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７０】
図１３に示すレーザ駆動装置３００は、光検出器３１０、積分器３２０、判定器３３０、およびバイアス発生回路１４０ａを有する。
【００７１】
光検出器３１０は、半導体レーザ１１１の非駆動時において半導体レーザ１１１から出射された励起光を検出する。上記のように、ドライバ回路１２０ａにオフセットがあると、半導体レーザ１１１の非駆動時においても、ドライバ回路１２０ａから半導体レーザ１１１にオフセット電流が流れ、半導体レーザ１１１がわずかに発光してレーザ光（励起光）を出射することがある。そして、この励起光がファイバレーザ１１３に入射して励起エネルギーが蓄積されると、半導体レーザ１１１の非駆動時においてサージ光が発生することがある。そこで、半導体レーザ１１１の非駆動時において半導体レーザ１１１から出射されてファイバレーザ１１３に入射される励起光を光検出器３１０により検出する。
【００７２】
積分器３２０は、光検出器３１０の出力を積分する。具体的には、積分器３２０は、光検出器３１０により検出された半導体レーザ１１１の光出力を積分する。これは、ファイバレーザ１１３における励起エネルギーの蓄積と同等の処理を行うものである。この場合、積分器３２０の積分値がある値に達すると、ファイバレーザ１１３にサージ発生に至る励起エネルギーが蓄積されたと判断することができる。
【００７３】
判定器３３０は、積分器３２０の積分値があらかじめ設定された判定基準値を超えたか否かを判定する。そして、判定器３３０は、積分器３２０の積分値が判定基準値を超えた場合には、ドライバ回路１２０ａの動作を停止するための遮断信号をドライバ回路１２０ａへ出力する。また、判定器３３０は、積分器３２０の積分値が判定基準値を超えていない場合には、その積分値に適当な係数をかけてバイアス発生回路１４０ａへ出力する。ここで、係数の設定方法としては、例えば、次の基準が考えられる。積分器３２０の積分値とバイアス発生回路１４０ａが発生するバイアス値（逆バイアス信号の値）との関係は、実際に使用するファイバレーザ１１３の特性によると考えられる。そこで、積分値が正の値になれば、係数を少しずつ大きくしていき、（１）積分値の増加が止まれば、係数を固定し、（２）積分値が増加していく場合は、係数を少しずつ大きくしていく。
【００７４】
バイアス発生回路１４０ａは、図１のバイアス発生回路１４０と同様に、入力処理後の指令パルス信号に付加する逆バイアス信号を発生する。この逆バイアス信号は、図１のバイアス発生回路１４０と同様に、半導体レーザ１１１の駆動時におけるドライバ回路１２０ａの出力と反対極性の電圧である。しかし、本実施の形態では、この逆バイアス信号の電圧値は、可変であって、判定器３３０の出力電圧によって決定される。具体的には、半導体レーザ１１１の非駆動時の光出力（励起光）がゼロになるように逆バイアス信号の値（バイアス値）を可変する。このように、積分値の増加具合に合わせて係数を可変してバイアス値を可変することにより、最適なバイアス値に調整することができる。
【００７５】
なお、回路遮断器は、判定器３３０によって構成されている。また、バイアス設定回路は、判定器３３０およびバイアス発生回路１４０ａによって構成されている。
【００７６】
上記の構成により、指令パルス信号の駆動オフ時におけるドライバ回路１２０ａのオフセットによる半導体レーザ１１１の発光により、ファイバレーザ１１３に励起エネルギーが蓄積される状態を、光検出器３１０と積分器３２０により推定し、推定された励起エネルギーの蓄積状態に応じて、バイアス発生回路１４０ａで、逆バイアス信号を発生させ、指令パルス信号に加算することで、ドライバ回路１２０ａのオフセットによる駆動電流を減少させて、ファイバレーザ１１３への励起エネルギーの蓄積を減少させる。また、積分器５の出力がある値（判定基準値）を超えると、非線形光学結晶１１５を破壊する危険があると判断して、ドライバ回路１２０ａを遮断して半導体レーザ１１１の駆動を停止する。
【００７７】
以上の動作により、ファイバレーザ１１３が励起状態に至るしきい値近辺で発生する不安定状態において、非常に大きなサージ（ジャイアントパルス）が発生して非線形光学結晶１１５が破壊されることを防止することができる。
【００７８】
このように、本実施の形態によれば、光検出器３１０、積分器３２０、および判定器３３０を設けて、ファイバレーザ１１３への励起エネルギーの蓄積状態を推定し、この推定結果に基づいて、半導体レーザ１１１の非駆動時の光出力（励起光）がゼロになるように逆バイアス信号の値（バイアス値）を可変するため、推定された励起エネルギーの蓄積状態に応じて最適なバイアス値を設定することができ、ファイバレーザ１１３への励起エネルギーの蓄積を減少させることができる。これにより、駆動オフ時にファイバレーザ１１３が不安定状態に至ってサージ光が発生することを防止することができる。
【００７９】
また、積分器３２０の出力がある値（判定基準値）を超えると、非線形光学結晶１１５を破壊する危険があると判断して、ドライバ回路１２０ａを遮断して半導体レーザ１１１の駆動を停止するため、少なくとも、ファイバレーザ１１３からのサージ光の発生により非線形光学結晶１１５が破壊されることを確実に防止することができる。
【００８０】
（実施の形態４）
実施の形態４は、積分器を用いることなく逆バイアス信号の値を可変する場合である。
【００８１】
図１４は、本発明の実施の形態４に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図である。なお、このレーザ駆動装置４００は、図１３に示す実施の形態３に対応するレーザ駆動装置３００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８２】
図１４に示すレーザ駆動装置４００は、判定器４１０を有し、積分器３２０を有しない点で、図１３に示す実施の形態３に対応するレーザ駆動装置３００と異なる。
【００８３】
判定器４１０は、光検出器３１０の出力に適当な係数をかけ、得られた値をバイアス発生回路１４０ｂへ出力する。ここで、係数の設定方法としては、例えば、積分器３２０がある実施の形態３の場合と同様の基準を用いることができる。具体的には、光検出器３１０の出力（光出力）があれば、係数を少しずつ大きくしていき、（１）光出力が止まれば、係数を固定し、（２）光出力が減少しない場合は、係数を少しずつ大きくしていく。
【００８４】
バイアス発生回路１４０ｂは、図１のバイアス発生回路１４０および図１３のバイアス発生回路１４０ａと同様に、入力処理後の指令パルス信号に付加する逆バイアス信号を発生する。この逆バイアス信号は、図１のバイアス発生回路１４０および図１３のバイアス発生回路１４０ａと同様に、半導体レーザ１１１の駆動時におけるドライバ回路１２０ａの出力と反対極性の電圧である。しかし、本実施の形態では、この逆バイアス信号の電圧値は、図１３のバイアス発生回路１４０ａと同様に、可変であって、判定器４１０の出力電圧によって決定される。具体的には、半導体レーザ１１１の非駆動時の光出力（励起光）がゼロになるように逆バイアス信号の値（バイアス値）を可変する。このように、光検出器３１０の出力の状況に合わせて係数を可変してバイアス値を可変することにより、最適なバイアス値に調整することができる。
【００８５】
このように、本実施の形態によれば、光検出器３１０および判定器４１０を設けて、光検出器３１０の出力があれば、半導体レーザ１１１の非駆動時の光出力（励起光）がゼロになるように逆バイアス信号の値（バイアス値）を可変するため、光検出器３１０の出力に応じて最適なバイアス値を設定することができ、ファイバレーザ１１３への励起エネルギーの蓄積を減少させることができる。これにより、駆動オフ時にファイバレーザ１１３が不安定状態に至ってサージ光が発生することを防止することができる。
【００８６】
なお、積分器３２０を用いる実施の形態３は、オフセット電流により半導体レーザ１１１から多少励起光（赤外光）が出ても、ファイバレーザ１１３からサージ光を発生させないところで半導体レーザ１１１を停止させるという考え方に基づくものであり、逆バイアス信号の値を必要最小にすることができるという利点がある。これに対し、積分器を用いない本実施の形態は、オフセット電流による半導体レーザ１１１からの励起光（赤外光）を止めるという考え方に基づくものであり、半導体レーザ１１１からの励起光（赤外光）を発生させないという利点がある。しかし、この場合は、逆バイアス信号の値が必要最小でなくなるため、自動出力制御（ＡＰＣ）を利用しないときは、ＳＨＧレーザ１１０の光出力が低下するおそれがある。したがって、この場合は、実施の形態２の構成を併用することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係るレーザ駆動装置は、ファイバレーザを用いたパルス駆動方式のＳＨＧレーザにおいて、ドライバ回路のオフセットに起因したサージ光の発生を防止することができるレーザ駆動装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図
【図２】図１のドライバ回路の一般的な構成例を示すブロック図
【図３】図２のドライバ回路に対して、オフセットを考慮したドライバ回路の構成例を示すブロック図
【図４】電流検出器に負のオフセット電圧が発生した場合のドライバ回路の動作を説明するための図
【図５】図３のドライバ回路を含む、図１の要部詳細図
【図６】本実施の形態における指令パルス信号の波形形状とこれによる各部の出力波形とを示す図
【図７】図３のドライバ回路に負のオフセット電圧が発生した場合において、バイアス発生回路を機能させない場合のドライバ回路の動作を説明するための図
【図８】図３のドライバ回路に負のオフセット電圧が発生した場合において、バイアス発生回路を機能させた場合のドライバ回路の動作を説明するための図
【図９】本実施の形態における指令パルス信号の波形とこれによる各部の出力波形とを示す図
【図１０】本発明の実施の形態２に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図
【図１１】図１０の自動出力制御（ＡＰＣ）部の構成の一例を示すブロック図
【図１２】図１０の自動出力制御（ＡＰＣ）部の制御動作を説明するための図
【図１３】本発明の実施の形態３に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図
【図１４】本発明の実施の形態４に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図
【図１５】励起エネルギーとレーザ出力との関係を示すグラフ
【図１６】従来の半導体励起固体レーザの構成の一例を示すブロック図
【図１７】駆動オフ時の励起電流を説明するための図
【図１８】駆動オフ時のサージ光の一例を示す図
【図１９】駆動オフ時のサージ光の発生を説明するための図
【図２０】ファイバレーザ出力の立ち上がりにおけるサージ光の発生を説明するための図
【符号の説明】
【００８９】
１００、２００、３００、４００  レーザ駆動装置
１１０  ＳＨＧレーザ
１１１  励起用半導体レーザ（ＬＤ）
１１３  ファイバレーザ
１１５  非線形光学結晶
１２０、１２０ａ  ドライバ回路
１２１  駆動回路
１２１ａ  電圧源
１２１ｂ  出力電圧制御回路
１２３  電流検出器
１２５、２２５  比較回路
１２７  オフセット電圧源
１２９、１５０  加算器
１３０  指令パルス入力部
１４０、１４０ａ  バイアス発生回路
２１０、３１０  光検出器
２２０  自動出力制御（ＡＰＣ）部
２２１  第１平均値回路
２２３  第２平均値回路
２２７  振幅増幅器
３２０  積分器
３３０、４１０  判定器
【図１】
2010016257.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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