(57)【要約】【課題】起動直後の過渡状態においてレーザ装置の出射パワーのオーバーシュートを抑制する。【解決手段】電流制御装置４２は、半導体レーザ１１にレーザ光を出力させるために、半導体レーザ１１に電流を供給する電流制御装置４２であって、所定の強さのレーザ光を出力するための電流値に対応する目標指令値に達するまで、電流の値に対応する指令値を時間経過とともに増加させて出力する電流指令部と、電流指令部が出力した指令値に対応する大きさの電流を半導体レーザ１１に供給する供給部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザにレーザ光を出力させるために、前記半導体レーザに電流を供給する電流制御装置であって、
所定の強さの前記レーザ光を出力するための電流値に対応する目標指令値に達するまで、前記電流の値に対応する指令値を時間経過とともに増加させて出力する電流指令部と、
前記電流指令部が出力した前記指令値に対応する大きさの電流を前記半導体レーザに供給する供給部と、
を備える電流制御装置。
【請求項２】
前記電流指令部は、前記指令値を段階的に増加させる、
請求項１に記載の電流制御装置。
【請求項３】
前記電流指令部は、前記指令値を連続的に増加させる、
請求項１に記載の電流制御装置。
【請求項４】
前記電流指令部は、時間経過とともに前記指令値の増加量を減少させる、
請求項１から３のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項５】
前記電流指令部は、時間経過とともに前記指令値の増加量を増大させる、
請求項１から３のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項６】
前記電流の値を検出する検出部を更に備え、
前記電流指令部は、検出された前記電流の値に基づいて前記指令値の増加量を変化させる、
請求項１から５のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の電流制御装置と、前記半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光を、当該レーザ光の周波数とは異なる周波数のレーザ光に変換する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶の温度を制御する温度制御装置とを備えたレーザ装置であって、
前記電流指令部は、前記温度制御装置による前記非線形光学結晶の温度制御にかかる時間よりも長い時間において、前記指令値を時間経過とともに増加させて出力する、
レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに電流を供給する電流制御装置、及びレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づいて共振器長を変化させることにより、レーザ光の発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させるレーザ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３４３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ装置では、所望の波長を得るために共振器内に設けられている各光学素子の配置を調整し、共振器の後段に接続される光学系においてレーザ光の最終的な出射パワーを調整している。
【０００５】
半導体レーザの起動直後の過渡状態においては、半導体レーザから出力されたレーザ光と共振器内を反射するレーザ光とが、共振器内に設けられている、レーザ光の波長を所定波長に変換するＫＴＰ結晶に当たることにより、レーザ光の熱が外乱となり、ＫＴＰ結晶の温度が変化する。ＫＴＰ結晶は、温度によって屈折率が変化することから、温度変化に応じて、所定波長のレーザ光への変換効率が変化する。このため、半導体レーザの起動直後の過渡状態においては、起動後、充分に時間が経過した状態に比べて、共振器から出力されるレーザ光の出射パワーが増加し、結果として、レーザ装置から出力されるレーザ光の出射パワーも増加する場合がある。
【０００６】
図７は、従来のレーザ装置における、半導体レーザの起動直後に入力される電流の指令値と、レーザ光の出射パワーとの関係を示す図である。図７に示されるように、矩形波状の指令値が与えられると、レーザ光の出射パワーにインパルス状のオーバーシュートが発生し、出射パワーが急増していることが確認できる。
【０００７】
レーザ製品は、安全基準ＩＥＣ６０８２５−１に基づいて、出射パワー等でクラス分けされ、それぞれのクラスに応じて安全対策が施されている必要がある。図７に示す特性を有するレーザ製品は、起動後のＫＴＰ結晶の温度が安定した状態では、出射パワーが約２．５ｍＷであり、クラスが３Ｒに対応するが、起動直後の過渡状態では、出射パワーが約６．６ｍＷであり、クラスが３Ｂに対応する。クラスが３Ｂである場合には、クラスが３Ｒである場合に比べて厳重な安全対策が必要になるため、製品のコストが増加してしまう。また、クラスが３Ｂである場合には、使用時に安全管理者が必要になる等、ユーザの負担も大きくなる。そこで、起動直後の過渡状態においてレーザ装置の出射パワーのオーバーシュートをクラス３Ｒの範囲内に抑制することが求められている。
【０００８】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、起動直後の過渡状態においてレーザ装置の出射パワーのオーバーシュートを抑制することができる電流制御装置を提供することを目的とする。また、起動直後の過渡状態において出射パワーのオーバーシュートを抑制することができるレーザ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】
【０００９】
本発明の第１の態様に係る電流制御装置は、半導体レーザにレーザ光を出力させるために、前記半導体レーザに電流を供給する電流制御装置であって、所定の強さの前記レーザ光を出力するための電流値に対応する目標指令値に達するまで、前記電流の値に対応する指令値を時間経過とともに増加させて出力する電流指令部と、前記電流指令部が出力した前記指令値に対応する大きさの電流を前記半導体レーザに供給する供給部と、を備える。
【００１０】
前記電流指令部は、前記指令値を段階的に増加させてもよい。
前記電流指令部は、前記指令値を連続的に増加させてもよい。
前記電流指令部は、時間経過とともに前記指令値の増加量を減少させてもよい。
前記電流指令部は、時間経過とともに前記指令値の増加量を増大させてもよい。
前記電流制御装置は、前記電流の値を検出する検出部を更に備え、前記電流指令部は、検出された前記電流の値に基づいて前記指令値の増加量を変化させてもよい。
【００１１】
本発明の第２の態様に係るレーザ装置は、前記電流制御装置と、前記半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光を、当該レーザ光の周波数とは異なる周波数のレーザ光に変換する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶の温度を制御する温度制御装置とを備えたレーザ装置であって、前記電流指令部は、前記温度制御装置による前記非線形光学結晶の温度制御にかかる時間よりも長い時間において、前記指令値を時間経過とともに増加させて出力する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、起動直後の過渡状態においてレーザ装置の出射パワーのオーバーシュートを抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】レーザ装置の構成を示す図である。
【図２】電流制御装置の構成を示す図である。
【図３】電流指令値をステップ的に増加させた場合の、電流指令値とレーザ光の出射パワーとの関係を示す図である。
【図４】電流指令値のステップ数と、オーバーシュートとの関係を示す図である。
【図５】電流指令値を連続的に増加させた場合の、電流指令値とレーザ光の出射パワーとの関係を示す図である。
【図６】他の態様における電流指令値と、経過時間との関係を示す図である。
【図７】従来のレーザ装置における、半導体レーザの起動直後に入力される電流の指令値と、レーザ光の出射パワーとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［レーザ装置１００の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ装置１００の構成を示す図である。レーザ装置１００は、５３２ｎｍよう素安定化レーザである。レーザ装置１００は、半導体レーザによって励起させられるＮｄ：ＹＶ０４結晶を利得媒質として用いた連続波発振の５３２ｎｍ領域の固体レーザであり、長さの標準として用いられる。レーザ装置１００は、よう素分子の吸収線の分光技術を用いて、よう素分子の飽和吸収線の中心に発振波長を制御することで、高い波長安定度を得ることができる。
【００１５】
レーザ装置１００は、励起用半導体レーザ部１と、レーザ共振器筺体２と、よう素安定化用光学系３と、コントローラ４とを有する。
励起用半導体レーザ部１は、半導体レーザ１１を有しており、半導体レーザ１１より出射される８０８ｎｍ帯域の励起用レーザ光をレーザ共振器筺体２に入射する。
【００１６】
レーザ共振器筺体２は、Ｎｄ：ＹＶ０４結晶２１、ＫＴＰ結晶２２、エタロン２３、反射鏡２４、及びピエゾ素子２５を有する。Ｎｄ：ＹＶ０４結晶２１には、励起用半導体レーザ部１から出射された励起用レーザ光が入射し、Ｎｄ：ＹＶ０４結晶２１は、波長１０６４ｎｍの光を出力する。Ｎｄ：ＹＶ０４結晶２１の端面は１０６４ｎｍの光を反射するようにコーティングされている。Ｎｄ：ＹＶ０４結晶２１が出力する１０６４ｎｍのレーザ光は、非線形光学結晶であるＫＴＰ結晶２２において、２次高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光に変換される。
【００１７】
ＫＴＰ結晶２２が出力するレーザ光は、波長フィルタであるエタロン２３を介して反射鏡２４に入射する。反射鏡２４は、入射したレーザ光を反射することにより、Ｎｄ：ＹＶ０４結晶２１との間でレーザ共振器を構成する。
【００１８】
ピエゾ素子２５は、コントローラ４から印加される電圧によって生じる歪によって反射鏡２４の位置を変位させる圧電素子である。ピエゾ素子２５に正弦波状の交流電圧が印加されることにより、Ｎｄ：ＹＶ０４結晶２１と反射鏡２４との間の距離が交流電圧の周期に同期して変位することで、レーザ光に周波数変調が施されて変調レーザ光が出力される。
【００１９】
よう素安定化用光学系３は、ビームスプリッタ３１及び安定化信号検出部３２を有する。ビームスプリッタ３１は、レーザ共振器筺体２から入力されるレーザ光を出射レーザ光Ｌ１と波長制御用レーザ光Ｌ２とに分離する。波長制御用レーザ光Ｌ２は、安定化信号検出部３２に入力される。
安定化信号検出部３２は、吸収セルであるよう素セルを有しており、よう素セルを透過した波長制御用レーザ光Ｌ２に基づいた光出力信号をコントローラ４に入力する。
【００２０】
コントローラ４は、電流制御装置４２、温度制御装置４３、及び電圧制御装置４４を有する。
温度制御装置４３は、制御対象である半導体レーザ１１、ＫＴＰ結晶２２、エタロン２３、及び安定化信号検出部３２に隣接して設けられた温度センサが検出した温度に基づいて、各制御対象の固定ホルダに設置されたペルチェ素子等の変温装置を駆動し、各制御対象が目標温度になるように制御する。
【００２１】
電圧制御装置４４は、ピエゾ素子２５に印加する電圧を制御することにより、Ｎｄ：ＹＶ０４結晶２１と反射鏡２４との間の距離である共振器長を制御して、レーザ波長を安定化させる。具体的には、電圧制御装置４４は、安定化信号検出部３２から出力された光出力信号から、例えばロックインアンプにより発振波長に基づく信号成分を検出し、反射鏡２４を取り付けたピエゾ素子２５の変位量を制御することで、反射鏡２４の位置を変化させて共振器長を制御する。
【００２２】
電流制御装置４２は、半導体レーザ１１にレーザ光を出力させるためのレーザ電流を、半導体レーザ１１に供給する。図２は、電流制御装置４２の構成を示す図である。電流制御装置４２は、電流指令部５、電流制御部６、及び電流駆動部７を有する。
【００２３】
電流指令部５は、マイコン５１と、ＤＡコンバータ５２とを備える。マイコン５１は、デジタル信号としての電流指令値をＤＡコンバータ５２に出力する。ＤＡコンバータ５２は、マイコン５１から入力された電流指令値を、アナログ信号である制御指令値に変換する。ＤＡコンバータ５２は、制御指令値を電圧値とした制御指令電圧を電流制御部６に印加する。以下の説明において、制御指令値を、単に指令値という。
【００２４】
電流制御部６及び電流駆動部７は、電流供給部として機能し、電流指令部５が出力した指令値に対応する大きさの電流を半導体レーザ１１に供給する。
電流制御部６は、オペアンプ６１と、電流検出回路６２とを有する。電流検出回路６２は、半導体レーザ１１に供給するレーザ電流の電流値を検出し、当該電流値に対応するレーザ電流検出電圧をオペアンプ６１に入力する。オペアンプ６１は、制御指令電圧と、レーザ電流検出電圧とが一致するようにレーザ電流を制御する。
【００２５】
電流駆動部７は、例えば、トランジスタ７１であり、オペアンプ６１から出力された制御電流をベース電流とし、当該ベース電流の電流値を所定の増幅率で増幅した電流をレーザ電流として半導体レーザ１１に供給する。
【００２６】
本実施形態において、電流制御装置４２の電流指令部５は、半導体レーザ１１が、所定の強さのレーザ光を出力するためのレーザ電流の電流値に対応する目標指令値に達するまで、レーザ電流の電流値に対応する指令値を時間とともに増加させて出力する。具体的には、電流指令部５は、指令値を段階的（ステップ的）に増加させて出力する。
【００２７】
図３は、電流指令部５が出力する指令値をステップ的に増加させた場合の、指令値とレーザ光の出射パワーとの関係を示す図である。具体的には、図３は、時刻Ｔにおいて指令値の出力を開始し、時間経過に応じて指令値を１００ｍＶずつ増加させた場合の、指令値とレーザ光の出射パワーとの関係を示す図である。
【００２８】
図３に示す例では、指令値をステップ的に増加させることにより、指令値を増加させた直後のオーバーシュートが小さく抑えられ、出射パワーの最大値が４ｍＷ程度に抑えられていることが確認できる。ここで、クラス３Ｒにおいて規定されている出射パワーの範囲は５ｍＷ以下であることから、レーザ装置１００の出射パワーの範囲が、クラス３Ｒにおいて規定されている出射パワーの範囲に抑えられていることが確認できる。
【００２９】
ここで、指令値を増加させた場合、半導体レーザ１１から出力されたレーザ光とレーザ共振器筺体２の内部を反射するレーザ光とが、ＫＴＰ結晶２２に当たることにより、レーザ光の熱が外乱となり、ＫＴＰ結晶２２の温度が変化する。ＫＴＰ結晶２２は、温度によって屈折率が変化することにより５３２ｎｍのレーザ光への変換効率が変化し、結果として、レーザ装置１００から出力されるレーザ光の出射パワーも増加し、オーバーシュートが発生する。オーバーシュートが収まる時間は、温度制御装置４３により、ＫＴＰ結晶２２の温度が、目標温度に収束するまでにかかる時間に対応している。このため、電流指令部５は、温度制御装置４３によるＫＴＰ結晶２２の温度制御にかかる時間よりも長い時間において、指令値を時間経過とともに増加させて出力する。
【００３０】
また、指令値をステップ的に増加させた場合に、各ステップにおけるオーバーシュートが収まる前に指令値を増加させると、更にオーバーシュートが発生してオーバーシュートが増大してしまう。このため、電流指令部５は、各ステップにおける指令値でのオーバーシュートが収まる時間と、ステップ数との積よりも長い時間にわたって指令値をステップ的に増加させることにより、指令値を目標指令値に到達させる。
このように、電流制御装置４２は、指令値をステップ的に増加させることにより、従来のレーザ装置のように矩形波状の指令値を一度に出力する場合に比べて出射パワーのオーバーシュートを低減することができる。
【００３１】
なお、図３に示す例では、指令値が１１００ｍＶ以上の場合に、指令値が増加しても出射パワーが減少していることが確認できる。これは、レーザ電流によりレーザ光の波長が変化し、共振器の励起効率が変化するためである。
【００３２】
続いて、ステップ数と出射パワーのオーバーシュートとの関係について説明する。図４は、指令値のステップ数と、オーバーシュートとの関係を示す図である。図４の縦軸は、各ステップにおけるオーバーシュートの最大値を示している。図４に示す例では、４つのケースにおけるステップ数とオーバーシュートとの関係を「◆」で示している。図４に示されているように、ステップ数を増加させると、オーバーシュートが低減されることが確認できる。
【００３３】
［変形例］
なお、上述の実施形態では、電流指令部５は、指令値を段階的に増加させて出力することとしたが、これに限らない。電流指令部５は、指令値を連続的に増加させて出力してもよい。例えば、目標指令値をＩ１、到達時間をＴ１とした場合に、電流指令部５は、１秒当たりの指令値の増加量が、Ｉ１／Ｔ１となるように、指令値を連続的に増加させて出力する。ここで、到達時間Ｔ１は、温度制御装置４３によるＫＴＰ結晶２２の温度制御にかかる時間よりも長い時間であるものとする。
【００３４】
図５は、指令値を連続的に増加させた場合の、指令値とレーザ光の出射パワーとの関係を示す図である。図５に示すように、指令値を連続的に増加させた場合も、レーザ光の出射パワーの急増が抑えられ、オーバーシュートが低減されていることが確認できる。
【００３５】
なお、電流指令部５は、指令値の増加量を一定として、指令値を出力したが、これに限らない。図６は、他の態様における指令値と、経過時間との関係を示す図である。例えば、電流指令部５は、図６（ａ）に示すように、時間経過とともに指令値の増加量を減少させたり、図６（ｂ）に示すように、時間経過とともに指令値の増加量を増大させたりしてもよい。
【００３６】
また、電流指令部５は、電流検出回路６２が検出したレーザ電流の電流値に基づいて指令値の増加量を変化させるようにしてもよい。例えば、指令値の増加量とオーバーシュートの量との関係を示す情報と、レーザ電流の電流値とレーザ光の出射パワーとの関係を示す情報とを、予めコントローラ４に設けられた記憶部（不図示）に記憶させておき、当該記憶部に記憶されている情報を参照しながら、レーザ光の出射パワーが、予め規定されている出射パワーを超えないように、指令値の増加量を変化させるようにしてもよい。また、電流指令部５は、オーバーシュートの状態をモニタリングし、レーザ光の出射パワーが、予め規定されている出射パワーを超えないように、フィードバック制御を行うようにしてもよい。
【００３７】
また、電流指令部５は、レーザ装置１００がレーザ光の出射パワーを選択可能である場合に、選択された出射パワーに応じて、指令値の増加量を変化させるようにしてもよい。例えば、選択された出射パワーが相対的に小さく、オーバーシュートしても規定値を超えない場合、電流指令部５は、指令値の増加量を大きくして、出射パワーを目標値に早期に到達させてもよい。また、出射パワーが相対的に大きい場合、電流指令部５は、指令値の増加量を小さくして、出射パワーがオーバーシュートすることによって規定値を超えないようにしてもよい。
【００３８】
また、電流指令部５は、レーザ装置１００の周囲の温度に基づいて、指令値の増加量を変化させるようにしてもよい。例えば、電流指令部５は、レーザ装置１００の周囲の温度が所定温度よりも低い場合には、指令値の増加量を大きくし、所定温度以上である場合には、指令値の増加量を小さくしてもよい。
【００３９】
［本実施形態における効果］
以上説明したように、本実施形態に係る電流制御装置４２は、所定の強さのレーザ光を出力するためのレーザ電流の電流値に対応する目標指令値に達するまで、レーザ電流の電流値に対応する指令値を時間経過とともに増加させ、当該指令値に対応する大きさの電流を半導体レーザ１１に供給する。このようにすることで、電流制御装置４２は、レーザ装置１００の起動直後の過渡状態における出射パワーのオーバーシュートを抑制することができるので、レーザ装置１００の出射パワーを所定のクラス内に抑制することができる。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、電流制御装置４２の構成は、上述の実施形態に記載した機能を実現するものであれば、他の構成であってもよい。例えば、電流制御装置４２の電流指令部５を、オペアンプの積分回路等により構成し、指令値を時間経過とともに増加させるようにしてもよい。また、電流指令部５をデジタル制御としてもよい。また、電流指令部５と、電流駆動部７とを、パワーオペアンプを用いて１つの素子で構成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  励起用半導体レーザ部
２  レーザ共振器筺体
３  よう素安定化用光学系
４  コントローラ
５  電流指令部
６  電流制御部
７  電流駆動部
１１  半導体レーザ
２１  Ｎｄ：ＹＶ０４結晶
２２  ＫＴＰ結晶
２３  エタロン
２４  反射鏡
２５  ピエゾ素子
３１  ビームスプリッタ
３２  安定化信号検出部
４２  電流制御装置
４３  温度制御装置
４４  電圧制御装置
１００  レーザ装置
【図１】
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【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】
2018006365.tif 000009