(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードバンクの各々がレーザダイオードを含み、レーザビームを出力するように構成されているダイオードバンクと、
要求されたパワーの指示を受信し、現在のパワーレベルから異なるパワーレベルへの移行を必要とする前記要求されたパワーに基づいて、複数のダイオードバンクを選択的に動作させるように構成されている制御ユニットと、
を備え、
第１の複数のダイオードバンクは第１の数のダイオードバンクを含み、前記異なるパワーレベルが前記現在のパワーレベルより小さいときに動作し、
第２の複数のダイオードバンクは前記第１の数より多い第２の数のダイオードバンクを含み、前記異なるパワーレベルが前記現在のパワーレベルより大きいときに動作し、
前記制御ユニットは、
前記第１の複数のダイオードバンクを選択的に動作させた後、要求されたパワーが前記第１の複数のダイオードバンクの最大パワーを超えたとき、前記第２の複数のダイオードバンクを動作させ、
前記第２の複数のダイオードバンクを選択的に動作させた後、要求されたパワーが前記第２の複数のダイオードバンクの最小パワーを超えないとき、前記第１の複数のダイオードバンクを動作させる
レーザシステム。
【請求項２】
前記要求されたパワーが前記ダイオードバンクの第１のダイオードバンクの最大パワーと等しいとき、第１のパワーは前記第１のダイオードバンクの前記最大パワーと等しく、第２のパワーはゼロに等しい請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記ダイオードバンクの各々は最大パワーを有し、
前記レーザシステムは、前記ダイオードバンクの各々の前記最大パワーの合計と等しいシステム最大パワーを有し、
第１の電流制御信号は、前記ダイオードバンクの第１のダイオードバンクを、前記第１のダイオードバンクの最大パワーの５０％よりも広い範囲で調整するように構成され、
他の電流制御信号は、前記ダイオードバンクの第２のダイオードバンクをそれぞれの最大パワーの５０％よりも狭い制限された範囲で調整するように構成されている
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記広い範囲は、前記第１のダイオードバンクの前記最大パワーの４０％から１００％を含む請求項３に記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記制限された範囲は、前記第２のダイオードバンクのそれぞれの最大パワーの７０％から１００％を含む請求項３に記載のレーザシステム。
【請求項６】
前記広い範囲は、前記第１のダイオードバンクの前記最大パワーの１０％から１００％を含む請求項３に記載のレーザシステム。
【請求項７】
前記ダイオードバンクのうちの１つの前記最大パワーは、前記ダイオードバンクのうちの他の１つの前記最大パワーと異なる請求項３に記載のレーザシステム。
【請求項８】
前記第１のダイオードバンクの前記最大パワーは、前記第２のダイオードバンクそれぞれの前記最大パワーより大きい請求項３に記載のレーザシステム。
【請求項９】
前記レーザシステムはダイレクトダイオードレーザを含む請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１０】
前記レーザダイオードは、シングルエミッタレーザダイオードまたはマルチエミッタレーザダイオードである請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１１】
前記ダイオードバンクの各々に対応する電流制御信号を受信し、前記電流制御信号に基づいて前記ダイオードバンクに電流を流すことができるように構成されている電流コントローラをさらに備える請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記マルチエミッタレーザダイオードは、レーザダイオードバーまたは垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）アレイを含む請求項１０に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記レーザダイオードは、少なくとも１つが空間結合されるか、偏光結合された出力を有する少なくとも２つのレーザダイオードを含むレーザダイオードジュール内に配置されている請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１４】
レーザ利得媒体に連結されたダイオード励起レーザシステムをさらに含み、
前記ダイオード励起レーザシステムの出力パワーは前記レーザ利得媒体を励起するように構成され、
前記レーザ利得媒体は、ファイバレーザ、ディスクレーザ、スラブレーザ、ロッドレーザ、ダイオード励起の固体レーザ、ラマンレーザ、ブリルアンレーザ、光パラメトリックレーザ、アルカリ蒸気レーザのうちの１つを含む
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記ダイオードバンクは、第１のダイオードバンク、第２のダイオードバンク、及び、少なくとも１つの第３のダイオードバンクを含む請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１６】
変調周波数の機能として、レーザダイオードの温度を制御する温度制御ユニットを含む請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１７】
前記ダイオードバンクの第１のダイオードバンクは、前記レーザダイオードが搭載された支持構造を含み、
前記温度制御ユニットは、前記支持構造に連結され、前記支持構造を加熱するように構成された電気抵抗素子を含む
請求項１６に記載のレーザシステム。
【請求項１８】
ダイオードバンクに配置されたレーザダイオードを含むレーザシステムのためのパワー制御方法であり、各ダイオードバンクは、前記レーザダイオードの少なくとも１つを含み、最大パワーを有し、
制御ユニットによって、要求されたパワーの指示を受信し、
前記制御ユニットによって、現在のパワーレベルから異なるパワーレベルへの移行を必要とする前記要求されたパワーに基づいて、複数のダイオードバンクを選択的に動作させ、
第１の複数のダイオードバンクは第１の数のダイオードバンクを含み、前記異なるパワーレベルが前記現在のパワーレベルより小さいときに動作し、
第２の複数のダイオードバンクは前記第１の数より多い第２の数のダイオードバンクを含み、前記異なるパワーレベルが前記現在のパワーレベルより大きいときに動作し、
前記制御ユニットによって、
前記第１の複数のダイオードバンクを選択的に動作させた後、要求されたパワーが前記第１の複数のダイオードバンクの最大パワーを超えたとき、前記第２の複数のダイオードバンクを動作させ、
前記第２の複数のダイオードバンクを選択的に動作させた後、要求されたパワーが前記第２の複数のダイオードバンクの最小パワーを超えないとき、前記第１の複数のダイオードバンクを動作させる
パワー制御方法。
【請求項１９】
前記ダイオードバンクの第１のダイオードバンクに関連する第１のパワーは、前記レーザシステムで出力される要求されたパワーと、前記ダイオードバンクの第２のダイオードバンクに関連するゼロに等しい第２のパワーとを含む請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２０】
前記ダイオードバンクの１つのダイオードバンクを出力ゼロに動作させることは、前記少なくとも１つのレーザダイオードの閾値電流よりも小さい電流を前記ダイオードバンクに流すことを含む請求項１９に記載のパワー制御方法。
【請求項２１】
前記ダイオードバンクの各々は最大パワーを有し、
前記レーザシステムは、前記ダイオードバンクの各々の前記最大パワーの合計と等しいシステム最大パワーを有し、
前記ダイオードバンクの第１のダイオードバンクは、前記第１のダイオードバンクの最大パワーの５０％よりも広い範囲で調整され、
前記ダイオードバンクの第２のダイオードバンクは、それぞれの最大パワーの５０％未満を含む範囲で調整される
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２２】
前記ダイオードバンクの第１のダイオードバンクの範囲は、前記第１のダイオードバンクの最大パワーの０％から１００％を含み、
前記ダイオードバンクの第２のダイオードバンクは、それぞれの最大パワーの７０％を超えるパワーに調整される
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２３】
前記ダイオードバンクの第１のダイオードバンクの最大パワーは、前記ダイオードバンクの第２のダイオードバンク各々の最大パワーより大きい請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２４】
前記ダイオードバンクの第１のダイオードバンクの最大パワーは、前記ダイオードバンクの第２のダイオードバンク各々の最大パワーより小さい請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２５】
さらに、前記ダイオードバンクのパルスまたは変調動作の１つの期間に、前記レーザダイオードの少なくともいくつかがオフであるとき、それらを加熱する請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２６】
さらに、前記ダイオードバンクのうちの１つのダイオードバンクのレーザダイオードを制限されたパワーの範囲のみで動作させ、前記制限されたパワーの範囲は前記レーザダイオードのうちの１つのレーザダイオードの公称パワーに対応する値を含む請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２７】
さらに、前記ダイオードバンクの第１のレーザダイオードを波長制御モードで動作させ、
前記第１のレーザダイオードの各々は、制限されたパワーの範囲で動作する
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２８】
さらに、前記レーザダイオードの第１のレーザダイオードを高輝度モードで動作させ、
前記第１のレーザダイオードの各々は、制限されたパワーの範囲のみで確実に高輝度出力を生成する
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項２９】
さらに、前記レーザダイオードの第１のレーザダイオードを短パルスモードで動作させ、
前記第１のレーザダイオードの各々は、前記レーザダイオードの制限されたパワーの範囲のみの特定のパルスパラメータの範囲内で確実にパルスを発生する
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３０】
前記ダイオードバンクの特定のダイオードバンクのレーザダイオードの各々は、制限されたパワーの範囲のみで高電気光効率で動作し、
前記方法は、さらに、
レーザダイオードの各々を前記制限されたパワーの範囲内のみで動作させる
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３１】
前記レーザシステムは、ダイレクトレーザシステムを含む請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３２】
前記レーザシステムは、レーザ利得媒体に連結されたダイオード励起レーザシステムを含み、
前記方法は、さらに、
前記ダイオード励起レーザシステムの出力で前記レーザ利得媒体を励起し、
前記レーザ利得媒体は、ファイバレーザ、ディスクレーザ、スラブレーザ、ロッドレーザ、ダイオード励起の固体レーザ、ラマンレーザ、ブリルアンレーザ、光パラメトリックレーザ、アルカリ蒸気レーザのうちの１つを含む
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３３】
前記レーザシステムは、利用可能なパワーと利用不可のパワーとを有し、
前記方法は、さらに、
もし要求されたパワーが前記利用不可のパワーの１つを含めば、選択的に、
前記レーザシステムを前記要求されたパワーと最も近い利用可能なパワーを出力するように動作させる、
前記レーザシステムを前記要求されたパワーよりも高い最も小さな利用可能なパワーである利用可能なパワーを出力するように動作させる、
前記レーザシステムを前記要求されたパワーよりも低い最も大きな利用可能なパワーである利用可能なパワーを出力するように動作させる、または
前記レーザシステムをゼロパワーを出力するように動作させる
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３４】
さらに、警告メッセージまたはエラー状態情報の少なくとも１つを出力する請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３５】
さらに、前記要求されたパワーが前記ダイオードバンクの調整パワー限界と前記ダイオードバンクの調整パワー範囲外のパワーを含む範囲を超えて変調されていれば、パワー調整の期間に、前記ダイオードバンクのオンとオフの事例を低減するために、ヒステリシスを利用する
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３６】
さらに、要求されたパワーを出力するために前記ダイオードバンクのパワーを調整し、
前記パワーの調整は、前記ダイオードバンクのオン時間のアンバランスを低減するために、前記ダイオードバンクがオン及びオフされる順番を周期的に変更する
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３７】
さらに、要求されたパワーを出力するために前記ダイオードバンクのパワーを調整し、
前記パワーの調整は、前記ダイオードバンクの均一な経年劣化を促進するために、第１のパワーと第２のパワーを等しくする
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３８】
前記レーザシステムは、ルックアップテーブルまたは閉ループフィードバックの少なくとも１つを含み、
前記方法は、さらに、
前記ダイオードバンクのパワーを調整するために前記ルックアップテーブルまたは前記閉ループフィードバックの少なくとも１つを利用する
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項３９】
前記レーザシステムは、ルックアップテーブルまたは閉ループフィードバックの少なくとも１つを含み、
前記方法は、さらに、
パワーの精度を向上させるために、前記ルックアップテーブルまたは前記閉ループフィードバックのパラメータの少なくとも１つを周期的に更新する
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【請求項４０】
前記レーザシステムは、ルックアップテーブルまたは閉ループフィードバックの少なくとも１つを含み、
前記方法は、さらに、
前記レーザシステムによる出力パワーにおける不連続の事例を低減するために、前記ルックアップテーブルまたは前記閉ループフィードバックのパラメータの少なくとも１つを周期的に更新する
請求項１８に記載のパワー制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザシステム、及び、レーザシステムを動作させる方法に関する。より詳細には、本開示は、レーザ出力パワーを調整するための方法及びシステムに関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
なし
【背景技術】
【０００３】
レーザシステムは、出力レーザ放射の直接的な供給源として、または、ファイバレーザ、ディスクレーザ、スラブレーザ、ロッドレーザ、ダイオード励起の固体レーザ、ラマンレーザ、ブリルアンレーザ、光パラメトリックレーザ、またはアルカリ蒸気レーザのようなダイオード励起レーザのためのポンプとして、２つまたはそれ以上のレーザダイオードの集合体を組み込むことがある。
【０００４】
多くのレーザの用途は、ゼロ付近のパワーから最大パワーまで調整可能なレーザ出力パワーを必要とする。材料加工の用途においては、例えば、低パワーレベルは調節または前処理もしくは後処理のステップのために必要とされることがあり、一方で、高パワーレベルは、切断、溶接、穿孔、またはスクライビングのような実際の加工ステップのために必要とされる。第２の例として、材料の種類または厚さの広い範囲のレーザ加工を意図するフレキシブルな機械において、いくつかの用途は他の用途よりもかなり低いパワーを要求することがある。今日まで、そのような用途に使用されるほとんどのレーザは、各ダイオードに等しい電流を流し、ゼロと最大パワーに必要な電流との間でレーザダイオードに流す電流を変化させることによるパワー調整を提供する。
【０００５】
しかしながら、レーザパワーを発生するレーザダイオードは、高パワーの範囲で最良に動作することがあり、従って、高パワーの範囲でレーザダイオードを動作させることが好ましいことがある。そのような状況で、低パワーから最大パワーまでの個々のパワーでレーザダイオードを動作させることは可能でないか望ましくないことがある。
【０００６】
既知のパワー調整方法では、レーザシステムは、一定のフルパワーで動作し、レーザシステムの出力を減衰させるために可変減衰器または調節器が下流で用いられる。しかしながら、そのような可変減衰器または変調器は、関係するパワーレベルまたは動作周波数で利用できないか信頼性がないことがあり、もし利用できるとしても、システムに大幅なコストを加えることがある。加えて、この方法で達成されるフルパワーを低パワーレベルに減衰または調節すると、エネルギを無駄にする。
【０００７】
従って、エネルギ効率のよい方法で、広範囲なパワー調整を提供するための低コストで信頼性のある技術の要求がある。
【発明の概要】
【０００８】
レーザシステム、及び、レーザシステムを制御するためのパワー制御方法が提供される。一実施形態においてレーザシステムは、第１のダイオードバンクと他のダイオードバンクとを含み、各ダイオードバンクがレーザダイオードを含み、レーザビームを出力するように構成されているダイオードバンク；各ダイオードバンクに対応する電流制御信号を受信し、電流制御信号に基づいてダイオードバンクに電流を流すことができるように構成されている電流コントローラ；及び、電流制御信号は、第１のダイオードバンクが第１のパワーを出力するように制御する第１の電流制御信号と、他のダイオードバンクが他のパワーを出力するように制御する他の電流制御信号とを含み、第１のパワーは他のパワーのうちの少なくとも１つと異なり、要求されたパワーの指示を受信し、指示に基づいて電流制御信号を生成するように構成されている制御ユニットを含む。
【０００９】
本実施形態の変形例では、制御ユニットは、さらに、制限されたパワーの範囲内のみで複数のダイオードバンクのうちの１つのダイオードバンクを動作させるように構成されており、制限されたパワーの範囲は、レーザダイオードの１つの公称パワーを含む。
本実施形態の１つの態様では、制御ユニットは、さらに、波長ロックモードで他のダイオードバンクのレーザダイオードを動作させるように構成されており、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲で動作され、レーザダイオードは、確実に制限されたパワーの範囲のみでロックする。
本実施形態の他の態様では、制御ユニットは、さらに、波長制御モードで他のダイオードバンクのレーザダイオードを動作させるように構成されており、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲で動作され、レーザダイオードを制限されたパワーの範囲の外側で動作させるのと比較してより狭い発光バンドを生成し、より狭い発光バンドは制限されたパワーの範囲に対応する。
本実施形態のさらなる態様では、制御ユニットは、さらに、他のダイオードバンクのレーザダイオードを高輝度モードで動作させるように構成されており、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲のみで確実に高輝度出力を生成し、高輝度モードで動作させることは制限されたパワーの範囲内のみで動作させることを含む。
本実施形態のさらに他の態様では、制御ユニットは、さらに、他のダイオードバンクのレーザダイオードを短パルスモードで動作させるように構成されており、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲内のみで特定のパルスパラメータの範囲内で確実に発振し、短パルスモードで動作することは制限されたパワーの範囲内のみで動作することを含む。
本実施形態のまたさらに他の態様では、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々はレーザイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲内のみで高電気光（変換）効率で動作し、制御ユニットは、さらに、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々を制限されたパワーの範囲内のみで動作させるように構成されている。
【００１０】
１つの実施形態において、パワー制御方法はダイオードバンクに配置されているレーザダイオードを含むレーザシステムに提供されており、各ダイオードバンクはレーザダイオードの少なくとも１つを含み、最大パワーを有し、方法は、ダイオードバンクのうちの第１のダイオードバンクが第１のパワーを出力するように動作させること、及び、他のパワーのうちの少なくとも１つは第１のパワーと異なり、同時に、他のダイオードバンクが他のパワーを出力するように動作させることを含む。
【００１１】
本実施形態の変形例では、パワー制御方法は、さらに、ダイオードバンクのレーザダイオードを制限されたパワーの範囲で動作させることを含み、制限されたパワーの範囲はレーザダイオードの１つの公称パワーを含む。
本実施形態の１つの態様では、方法は、他のダイオードバンクのレーザダイオードを波長ロックモードで動作させることを含み、他のレーザダイオードのダイオードバンクの各々は、レーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲で動作され、レーザダイオードは制限されたパワーの範囲のみで確実にロックする。
本実施形態の他の態様では、方法は、他のダイオードバンクのレーザダイオードを波長制御モードで動作させることを含み、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲で動作され、レーザダイオードを制限されたパワーの範囲の外側で動作させるのと比較してより狭い発光バンドを生成し、より狭い発光バンドは制限されたパワーの範囲に対応する。
本実施形態のさらなる態様では、方法は、他のダイオードバンクのレーザダイオードを高輝度モードで動作させることを含み、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲内のみで確実に高輝度出力を生成し、高輝度モードで動作させることは制限されたパワーの範囲内のみで動作させることを含む。
本実施形態のまたさら他の態様では、方法は、他のダイオードバンクのレーザダイオードを短パルスモードで動作させることを含み、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲内のみで特定のパルスパラメータの範囲内で確実に発振し、短パルスモードで動作することは制限されたパワーの範囲内のみで動作することを含む。
本実施形態のさらに他の態様では、他のダイオードバンクのレーザダイオードはレーザダイオードの公称パワーを含むレーザダイオードの制限されたパワーの範囲内のみで高電気光効率で動作し、方法は、さらに、他のダイオードバンクのレーザダイオードの各々を制限されたパワーの範囲内のみで動作させることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示の実施形態は、添付図面を参照しながら、単なる例として次に説明される：
【００１３】
【図１】図１は、レーザシステムを含むレーザ加工装置のブロック図である；
【００１４】
【図２】図２は、図１のレーザシステムのダイオードバンクの構成要素を示す概略図である；
【００１５】
【図３】図３は、レーザシステムの他の実施形態の構成要素を示すブロック図である；
【００１６】
【図４】図４は、レーザシステムのさらなる実施形態の構成要素を示すブロック図である；
【００１７】
【図５】図５は、パワー調整方法の他の実施形態を示すグラフである；
【００１８】
【図６】図６は、本開示に記載のパワー調整方法のさらなる実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に説明する実施形態は単なる例であり、開示された詳細な形態に限定されるものではない。代わりに、実施形態は、当業者が本発明を実施できるように説明のために選択されたものである。
【００２０】
レーザシステム及びレーザシステムを動作させる方法がここに提供される。レーザシステムは、レーザダイオードバンクを含む。各バンクは、少なくとも１つのレーザダイオードを含み、直列に接続された複数のレーザダイオードを含んでもよい。レーザシステムの一実施形態において、制御ユニットは、レーザシステムの出力パワーを調整するために、各バンクへの電流の流れを個別に制御する。
１つの変形例では、バンクの少なくとも１つは、レーザシステムの出力パワーを低減するためにゼロ出力パワーを生成するように制御される。
別の変形例では、バンクは個別に調整可能ではなく、個別のパワー調整を提供するために、グループメンバーがそれぞれ所定の出力パワーを生成する（出力パワーが各バンクで個々に予め定められている）グループで制御される。
さらなる変形例では、バンクは制限された出力パワーの範囲で個別に調整される。１つの例では、バンクのうちの１つは、広い出力パワーの範囲に渡ってパワー調整可能であり、他のバンクは、制限された出力パワーの範囲に渡ってパワー調整可能である。
別の例では、バンクの１つは、他のバンクよりも大きな出力パワーの容量を有する。さらなる例では、バンクの１つは、他のバンクよりも小さな出力パワーの容量を有する。
【００２１】
ここで使用される用語「オンする（turned on）」と「オフする（turned off）」はダイオードバンクの出力状態を指す。ダイオードバンクは、レーザ発振に必要な閾値電流以上の電流をダイオードバンクに流すことによってオンされ、オンされているときの出力パワーはゼロよりも大きい。逆に、電流がレーザ発振に必要な閾値電流未満であれば、ダイオードバンクに電流が供給されたとしても、ダイオードバンクはオフされ、オフされているときの出力パワーは実質的にゼロに等しい。
【００２２】
ここで使用される用語「調整（tuning）」はダイオードバンクまたはレーザシステムの出力パワーの調節（regulation）を指す。「調整可能な」ダイオードバンクはオフされ、オンされるときには、その調整範囲内の出力パワーで動作される。調整範囲は制限されているか狭い。“調整不可の”ダイオードバンクはオフまたはオンされ、オンされるときには、所定の、固定された出力パワーを生成するように動作される。所定の出力パワーは、公称の、最適の、最大の、または他の所定の出力パワーであってもよい。ここで提供されるレーザシステムは、調整不可のバンク、調整可能なバンク、及びそれらの組み合わせの動作によって調整可能であってもよい。
【００２３】
金属板の切断及び溶接のような工業材料加工用途では、加工の単位長さ当たり一定のエネルギを維持することが望ましい。これらの動作制御システムでは、切削／溶接ヘッドは、切削／溶接の形状に応じて加速及び減速しなければならない。直線の切断でも、ヘッドの速度は、最大切断速度まで加速して最後に減速する台形カーブに従う。単位長さ当たり一定のエネルギを維持するために、レーザの出力パワーは、ヘッドが最高速度未満で動いているときには最高パワー未満でなければならない。例えば、平均パワーはヘッド速度に比例する。パルス動作と低減された瞬時／ピークパワーとの組み合わせは、例えば、ヘッドの速度に関連してパルスのレートを制御しながら、各パルスで等しい量のエネルギを供給するために、切削／溶接ヘッドの速度に関連して出力パワーを調整するために使用することができる。従って、出力パワーの動的制御が望ましく、ダイオードバンクが一定または制限された範囲の出力パワーで動作するときでも、種々の制御パラメータが要望された出力パワーを調整するために利用できるのがよい。
【００２４】
図１は、工業材料加工用途に好適なレーザ加工システム１０のブロック図であり、ここで説明され、本発明によるレーザシステムの実施形態を組み込むことができる。レーザ加工システム１０は、工作物を機械加工するためにレーザビーム１６を搬送する加工ヘッド１４を有するレーザシステム１２を含む。加工ヘッド１４は、レーザビーム１６を、切断または彫刻のパターンのような所望のパターン上に向かわせるようにプログラムされたＸ−Ｙキャリッジ（図示せず）に取り付けられている。レーザシステム１２は、複数のダイオードバンク２０を含み、ダイオードバンク２０の各々はレーザビーム２２をビームコンバイナ２４へと供給する。
図２は、ダイオードバンク２０の一例を示す。ビームコンバイナ２４は、当該技術分野で知られている、または将来開発される任意の方法でビームを結合し、結合ビーム２６を加工ヘッド１４に出力する。各レーザビーム２２は、制御部３０によって調整される出力パワーを有する。一例において、制御部３０は、電源３２によって供給される電力を複数のダイオードバンク２０への複数の電流の流れへと調節し、各電流の流れは、ダイオードバンク２０がレーザビーム２２を介して所望の出力パワーを生成するように、制御部３０によって個別に制御される。ダイオードバンク２０の温度を所望の範囲内に維持するために、冷却液をダイオードバンク２０に循環させる冷却システム３４が設けられてもよい。
【００２５】
本発明による工業材料処理用途に適したレーザシステムの１つの具体例は、それぞれが約１０Ｗまでの出力パワーを生成する、シングルエミッタチップ上のマルチモードエッジエミッタを含む。この例では、１４個のこのような単一エミッタが各パッケージに搭載され、直列に配線され、約１４０Ｗの出力が１本の出力ファイバに結合される。各バンクは、直列に配線された３つのダイオードパッケージまたはモジュールを備える。１ダイオード当たり約１．８Ｖの典型的なダイオード降下では、各パッケージは約２５Ｖの合計降下を有し、従って、各バンクは約７５Ｖで動作する。利用可能な総レーザダイオードパワーが２．１ｋＷで合計１４０Ｗのパッケージが１５個であれば、システム内で並列に配線された５つの個別に制御可能なバンクを用いることができる。１５本の出力ファイバは、工作物につながる１つのより大きなパワー供給ファイバ、またはファイバレーザのポンプ入力ポートに結合されてもよい。
【００２６】
ここに開示された実施形態での使用に適した例示的なレーザダイオードは、エッジエミッタまたは垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）、シングルトラバースモードまたはマルチモードのような、ダイオードタイプ及びパッケージタイプの各種の組み合わせを含む。ダイオードチップは、半導体チップ当たり１つのエミッタ（単一エミッタチップ）、またはチップ当たり複数のエミッタ（例えば、ダイオードバー、VCSELアレイ）を含むことができる。チップは、１つのパッケージ内に１つまたは複数のシングルエミッタチップ、または、１つのパッケージ内に１つまたは複数のマルチエミッタチップでパッケージングすることができる。ダイオードパッケージまたはバンクからのレーザ出力は、光ファイバで、または自由空間ビームとして伝送されてもよい。
【００２７】
ダイオードバンクのレーザ出力を生成するために、チップ出力はダイオードバンク内で合成される。高出力シングルエミッタから放射される光は、典型的には非常に非対称であり、その結果、長くて薄い放射開口が生じる。そのようなレーザによって放射される光ビームは、その“遅相軸”（活性層に平行）よりも、その“進相軸”（主ｐ／ｎ接合に垂直）においてはるかに高い輝度を有する。光ファイバは、一般的に、実質的に円形または多角形の断面及び実質的に対称な受光角を有する。最高の輝度を得るために、複数の単一エミッタダイオードレーザからの光ビームは、それらの進相軸の方向に積み重ねられた単一のファイバに結合される。例えば、遅相軸に１００マイクロメートル（μｍ）の開口幅を有する３〜１０個の個々のレーザエミッタのアレイは、個々のレーザビームを進相軸の方向に積み重ねることによって、直径１０５μｍ及び０．１５ＮＡ（開口数）の１つのファイバに結合することができる。
【００２８】
レーザダイオードの放射は典型的には偏光されているので、偏光ビーム結合を使用して、単一エミッタの２つのアレイによって放射された光を単一ファイバに結合し、出力ビームのパワー及び輝度を倍増させることができる。そのようなレーザビーム結合の一例は、等偏光レーザビームの空間的積み重ねと、２つのレーザアレイからの積層ビームの偏光多重化との両方を組み込む。一例では、２列のレーザダイオードが上段に配置され、２列のコリメートレンズが中段に配置される。偏光ビームコンバイナ（ＰＢＣ）及び半波長板を使用して、偏光合成される２つの垂直に積み重ねられたビームを形成するために、光ビームはレンズによってコリメートされ、下側に配置された２列の垂直にオフセットされたプリズムミラーによって反射される。
【００２９】
他の例では、レーザダイオードの第１及び第２の列は、互いの間に横方向オフセットを有する互い違いの配置で配置される。本例は、２０１３年４月２３日に発行された米国特許第8,427,749号にさらなる詳細が記載され、その全体が参照によりここに組み込まれ、図２のダイオードバンク２０を参照してさらに説明される。
【００３０】
図２を参照すると、例示的なダイオードバンク２０は、複数のダイオードレーザサブシステム４０ａ〜４０ｆを含み、各々は、ダイオードレーザ４２、進相軸コリメータ４６、遅相軸コリメータ４８、及び回転反射器５０を含む。ダイオードレーザサブシステム４０ａ〜４０ｃは、共通平面Ａ上に垂直に整列され、かつ、１つのサブシステムからのビームが共通平面上に整列された他のサブシステムの光学部品を横切らないように垂直にずらされた平行ビームを生成する。ダイオードレーザサブシステム４０ｄ〜４０ｆも同様に配置され、共通の垂直平面Ｂ上に整列される。ダイオードバンク２０は、サブシステムからのレーザビームを出力ファイバ６８によって供給されるレーザビーム２２に結合するように構成された光学要素をさらに含む。例示的な光学要素は、偏光変換器６０、折り畳みミラー６２、偏光ビームコンバイナ６４、及び結合光学系６６を含む。
【００３１】
レーザシステムを制御するためのレーザシステム及びパワー制御方法のさらなる実施形態において、レーザシステムはレーザビームを出力するように構成されたダイオードバンクを含み、ダイオードバンクの各々はレーザダイオードを含み、ダイオードバンクは、第１のダイオードバンク及び（複数の）他のダイオードバンクを含む。レーザシステムはまた、要求されたパワーの指示を受信し、それに基づいて電流制御信号を生成するように構成された制御部を含み、電流制御信号は第１のダイオードバンクを第１のパワーで制御し、他のダイオードバンクを他のパワーで制御するように構成されており、第１のパワーは他のパワーのうちの少なくとも１つと異なっている。要求されたパワーの指示を受信することは、所望の出力パワーの値を含む、当技術分野で知られている任意の方法でデジタルまたはアナログ信号を受信することを含む。それに基づいて電流制御信号を生成することは、１またはそれ以上のダイオードバンクによって出力されるべき要求されたパワーの量を選択することを含む。
ダイオードバンクとそれらの各々によって出力されるべきパワーを選択するいくつかの方法を以下に説明する。一例では、制御ロジックは、最大パワーが要求されたパワーを超える最小数のダイオードバンクを選択するようにプログラムされる。従って、各バンクが１２０ワットの最大容量を有し、５８０ワットが要求された場合、制御ロジックは５バンクを選択する。バンクが１つのパワーレベルのみ、例えば最大パワーで動作するように構成されていれば、制御ロジックは、５つのバンク全てが６００ワットを出力するように動作させることがある。バンクの各々が例えばそれらの最大パワーの７０％から１００％に調整可能で、制限されたパワーの範囲で動作されれば、制御ロジックは、５つのバンクのそれぞれを１１６ワットで動作させ、これにより各バンクに均等に負荷をかけるという要求を満たす。大部分のバンクが１つのパワーレベルのみで動作するように構成され、少なくとも１つのバンクがその最大範囲の少なくとも５０％に渡って調整可能であれば、制御ロジックは最大パワーで４つのバンクを動作させ、調整可能なバンクを１００ワットで動作させ、これにより要求を満たす。
いくつかの実施形態では、全てのバンクより少数のバンクが動作されるとき、他のバンクよりもオン時間が少ないレーザシステムが使用されるたびに使用状況を追跡し、バンクを選択することによって、その選択が生涯使用またはオン時間のアンバランスを軽減して、レーザシステムの寿命を延ばすことができる。レーザシステムがどのように構成されているかに応じて使用され得る種々のロジックルーチンが、レーザシステムに含まれてもよい。構成ファイルは制御部に含まれてもよく、レーザシステムのモジュラユニットが選択されるとき、またはレーザシステムの用途が選択されるときに、構成ファイルが変更されてもよい。構成ファイルは、ダイオードバンクの調整範囲、最大パワー、及び以下に説明する他の構成または調整パラメータを規定することができる。
【００３２】
パワー制御方法の実施形態において、方法は、ダイオードバンクのうちの第１のダイオードバンクが第１のパワーを出力するように動作させること、ダイオードバンクのうちの他のダイオードバンクが他のパワーを出力するように同時に動作させることを含み、他のパワーのうちの少なくとも１つは第１のパワーと異なる。前述のように、第１のダイオードバンクは調整可能であり、一方、他のダイオードバンクは、それらのうちの少なくともいくつかが単一のパワー出力で動作可能である。他の例では、第１のダイオードバンクは広いパワー範囲に渡って調整可能であり、一方、他のダイオードバンクの少なくともいくつかは制限された範囲に渡って調整可能である。他の例では、ダイオードバンクは単一の出力パワーで動作可能であるが、そのうちの１つが他のものよりも小さい最大パワーを有するので、単一の出力パワーまたは制限された出力パワーの範囲で動作可能なダイオードバンクを使用するレーザシステムの調整可能性を改善する。前の段落で要約された実施形態の変形例、及びその他を、図３〜図６を参照して説明する。
【００３３】
図３及び図４は、レーザシステムの２つの実施形態を示すブロック図である。図３を参照すると、レーザシステム１５０は、電源１５２と、制御ユニット１６０と、５つの電流コントローラ１７６とを含む。要求されたパワーの指示は、信号導体１５５を介して制御ユニット１６０に送信される。ここで使用される“要求されたパワー”は、レーザシステム１５０によって出力されるべきパワーの量またはレベルを指す。本実施形態は、５つの電流コントローラと５つのダイオードバンクとの関連で記載されているが、それらの容量及びレーザシステムの所望の容量に応じて、より多くのまたはより少ない電流コントローラ及びダイオードバンクを使用してよいことを理解されたい。
電流コントローラ１７６の各々は、電力導体１５４によって電源１５２に電気的に結合され、信号導体１５８ａ〜１５８ｅのうちの１つによって制御ユニット１６０に電気的に結合されている。例示的な制御ユニット１６０は、図４を参照して詳細に説明される。各電流コントローラ１７６は、ダイオードバンク１７８が、制御ユニット１６０によって決定され、電流コントローラ１７６に対する電流制御信号として信号導体１５８を介して送信されたパワーの量を出力するように、ダイオードバンク１７８への電流の流れを可能にする。従って、各ダイオードバンク１７８は、制御ユニット１６０によって決定されるように、ダイオードバンク１７８の他のいずれかと同じまたは異なる量のパワーを出力することができる。
各ダイオードバンク１７８は、レーザダイオードによって出力された放射を導波ファイバ１８０ａ〜１８０ｅへと導き、整形し、集束させる結合光学系を含む。典型的な結合光学系が図２を参照して開示された。導波ファイバ１８０ａ〜１８０ｅは、ダイオードバンク１７８の各々をビームコンバイナ１８２に接続し、ここで、ビームは出力ファイバ１８８によって伝送されるシステムビームへと結合される。例示的な電流コントローラは、信号導体を介して送信される電流制御信号に基づいて定電流出力を維持するように構成されたフィードバック構成要素を有する電流源を備える。
本実施形態において、各信号導体１５８ａ〜１５８ｅは、電流制御信号を異なるダイオードバンクに供給する。レーザシステムの出力パワーは、ダイオードバンクの出力パワーの合計である。
【００３４】
図４を参照すると、レーザシステム１５０’はレーザシステム１５０として機能し、モジュラユニット１７０ａ〜１７０ｅに配置され、各モジュラユニットは電源１７２、電流コントローラ１７６、及びダイオードバンク１７８を含む。制御ユニット１６０は、モジュラユニット１７０ａ〜１７０ｅの各々によって出力されるべきパワーレベルを決定する。一例では、モジュラユニット１７０ａ〜１７０ｅの各々は、１４個の単一エミッタダイオードを含む。本開示は５つのモジュラユニットを言及するが、モジュラユニット及びダイオードバンク内のレーザダイオードの数は、所望のパワーレベルを達成するために変更することができる。従って、システム１５０’は容易に拡張可能である。本実施形態の１つの変形例では、レーザシステム１５０’は１０〜３０のモジュラユニットを含む。
【００３５】
ビームコンバイナ１８２は、当該技術分野で知られている種々の技術でビームを結合するように配置された光学要素を備えていてもよい。１つの技術は、空間ビーム合成を含む。自由空間光学系を用いてビームを結合する例示的な空間ビーム結合技術は、図２を参照して先に提示された。他の例の空間ビーム結合技術は、溶融ファイバコンバイナを使用してもよい。さらなる技術は、例えば短パルスダイオード及び高速光スイッチを用いた時間的結合を含む。前述の技術、及びここに記載された他の技術を組み合わせて適用してもよい。例えば、図２は偏波合成を含む空間ビーム合成を示している。
さらに別の技術は、波長分割多重化としても知られている波長合成を含み、例えば、モジュラユニット１７０ａ〜１７０ｅは異なる波長で、おそらく波長ロックまたは波長制御動作で動作することができ、異なる波長を組み合わせるために、回折格子または薄膜フィルタのアレイを使用することができる。２またはそれ以上の光源が波長多重化されている場合、結合効率は、各光源の出力が所望の波長帯域にどれだけ含まれるかによって決定される。従って、マルチプレクサの合成出力パワーは、各ソース出力パワーだけでなく結合効率の関数でもあり、従って各ソースのスペクトル特性に直接依存する。もし、各光源のスペクトル特性が、例えば自己発熱のために時間の関数として変化するとすれば、合成された出力パワーは時間的特性を示す。共通のアーティファクトは、各光源のスペクトル特性が安定するのに必要な時間のため、光出力の合成の立ち上がり時間の増加である。
【００３６】
光源が波長安定性を達成する時間は、それがその公称出力パワーにどれくらい近づいて動作するかに依存する。例えば、波長ロックされたダイオードレーザでは、レーザダイオードがその最適／公称パワーの５０％で動作するよりも、レーザダイオードがその最適／公称パワーの１００％で動作する方が、波長がより速くロックする。従って、公称出力パワーの１００％で動作するｎ個のソースを有するシステムにおいて、ソース、例えば、エミッタまたはレーザダイオードは、公称出力パワーの５０％で動作する２×ｎ個のソースを有する別のシステムにおけるソースよりも速く波長ロックする。他の全てが等しい場合、ｎ個のソースを有するシステムは、合成出力パワーの立ち上がり時間がより短くなる。レーザが変調されるシステムでは、遅い波長ロックの立ち上がり時間の影響が、レーザがいかに速く変調され得るかを制限する要因となり得る。従って、動作パワーを最適／公称出力パワーに近い範囲に制限することにより、より高い可能性のある変調率が得られる。
一実施形態において、例えばその最大パワーの０％から１００％の広範囲に渡って調整されるダイオードバンクは、８０μ秒よりも大きい（すなわち、より遅い）立ち上がり時間を達成する。最大パワーの７０％〜１００％を含む制限された範囲内でダイオードバンクを調整することによって、強い波長ロック、少なくとも５０％の改善を提供することにより、立ち上がり時間を４０μ秒またはそれ以下に低減することができる。変調周波数に依存して、４０μ秒の改善は、出力パワーの１〜５％の増加に置き換えることができる。より好ましくは、調整能力を保持しながら２５μ秒またはそれ以下の立ち上がり時間を達成するために範囲をさらに制限してもよい。勿論、特定のダイオードバンクで達成可能な実際の立ち上り時間及び調整範囲は、レーザシステムの温度を含む他の変数の影響を受ける。
【００３７】
いくつかの実施形態では、変調レーザシステムは、レーザダイオードの温度を制御する温度制御特性（feature）を含む。ダイオードバンクは、ダイオードレーザが取り付けられた液体冷却された冷却板を含んでもよい。レーザダイオードが連続波を発生するように動作しているとき、作動液体は、冷却板を通って、レーザダイオードの所望の温度、例えば３０℃を維持するのに十分な一般的に所定の一定の流速及び温度で流れる。レーザシステムの変調周波数またはデューティサイクルが低減されると、レーザダイオードによって生成される熱量が減少し、もし所定の流量および温度が維持されると、生成される熱よりも多くの熱が抽出され、温度を所望の温度以下に下げる。
さらに、レーザダイオードを１００％デューティサイクル以下に変調する場合、より高い所望の温度、例えば４０℃を維持することが望ましいことがある。例示的な温度制御特性は、ダイオードバンクの温度を所望のレベルに維持するように構成された温度制御ロジックにフィードバックを提供するフィードバックセンサを有する電気抵抗素子を含む。抵抗要素は、抵抗層、セラミック抵抗器、または任意の他の既知の電気抵抗要素を含んでよい。温度制御ロジックは、変調周波数を、変調周波数の関数として可変である所望の温度にダイオードバンクの温度を上昇させるのに必要な加熱量に相関させるテーブルを備えてもよい。相関は、経験的にまたはエネルギバランスモデルを用いて決定することができる。一旦、変調周波数が設定されると、冷却板を加熱するために電流の相関量が抵抗素子に供給される。
【００３８】
他の例示的な温度制御特性は、変調周波数の関数としてダイオードバンクの温度を所望のレベルに維持するように構成されたフロー制御及び温度制御ロジックを含む。一旦、変調周波数が設定されると、温度制御ロジックは作動液体の流量を減少させて冷却板の温度を上昇させ、逆もまた同様である。可変流量弁を使用して作動液体の一部を冷却板からそらすために、流量を減少させてもよい。あるいは、冷却板を介して作動液体をポンピングするポンプのデューティサイクルまたは速度を制御することによって、流量を減少させてもよい。さらなる変形例において、ダイオードバンクの各々に流れる作動液体を冷却するように構成されたチラーの設定温度を上昇させることによって、作動液体の温度を、システムレベルで上昇させてもよい。
【００３９】
いくつかの実施形態において、フィードバックセンサ１８４を設けてシステムパラメータを感知し、フィードバック導体１８６を介して制御ユニット１６０にシステムパラメータを送信してもよい。制御ロジック１６２は、予測されたシステムパラメータの値を感知されたシステムパラメータと比較し、フィードバックパラメータ、例えば比例、積分、及び／または派生パラメータに応じて差を補償するために電流レベルを調整する閉ループフィードバック部を含む。システムパラメータの例は、ビーム強度、温度、パワー、及び電流を含む。 電流は各電流コントローラの出力で測定することができる。
【００４０】
制御ユニット１６０は、ここで説明する制御方法を実行するように構成された制御ロジックを含む。ここで使用される用語「ロジック」は、１またはそれ以上のプログラマブルプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、デジタル信号プロセッサ、ハードワイヤードロジック、またはそれらの組み合わせで実行するソフトウェア及び／またはファームウェアを含む。従って、実施形態によれば、種々のロジックが任意の適切な方法で実行され、種々のロジックはここに開示された実施形態に従ってとどまる。
１つの変形例では、制御ユニット１６０は、デジタル値に対応するアナログ制御信号を出力するように構成されたデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を含む。制御ユニット１６０はまた、アドレスと電流レベルとの間の関係を示す埋め込み型ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）ルックアップテーブル１６４ａ〜１６４ｅを含む。各テーブルは１つのＤＡＣに対応する。各アドレスは出力パワーレベルに対応する。従って、アドレスの選択は、所与の要求されたパワーに対して各ＤＡＣの対応する電流レベルを識別する。
このようにして、個々のバンクの電流プロファイル（入力または要求されたパワーの範囲に渡る）は無限に柔軟であり、所望の制御アルゴリズムまたはロジック（ここに記載されるものを含む）に従って動作することが可能である。テーブルはユーザによって手動で設定されてもよく、またはファームウェア及び／またはプログラマブルロジックベースのプログラムを使用して自動的に設定されてもよい。
ＤＡＣのリフレッシュレートは電流レギュレータ回路の固有の立ち上り／立ち下り時間よりもはるかに高速であるため、光学的な理由がない限り、連続波（ＣＷ）動作とパルス／変調動作との間で区別したり、異なるアルゴリズムを使用したりする必要はない。動作電流は、単に、要求されたパワー信号（すなわち、それぞれのプログラムされたプロファイルに従う）をレギュレータ回路の立ち上がり／立ち下がり能力の範囲内で“追跡”する。電流変動を低減するために、要求されたパワー信号またはフィードバック信号に不感帯を設けることによって、安定性を増加させてもよい。不感帯は、柔軟性を高めるためにユーザがプログラム可能であってもよく、それによってユーザはヒステリシスの量を決定することができる。
テーブルはいつでも書き直すことができ、高度な柔軟性とカスタマイズが可能である。閉ループフィードバックのテーブル及びパラメータは、レーザシステムによる出力パワーの不連続性の事例を低減するために定期的に更新されてもよい。例えば、ダイオードバンクがオンまたはオフするとき不連続性が発生することがある。不連続性の事例を減少させるためにダイオードバンクがスイッチオン及びスイッチオフされるときに、調整するための応答時間及び他の要因を考慮して電流が調整されてもよい。
閉ループフィードバックのテーブル及びパラメータは、レーザシステムのパワー精度を向上させるために周期的に更新されてもよい。パワー精度は、レーザシステムの要求されたパワーと出力パワーとの間の誤差を減少させることによって増加させてもよい。テーブル及びパラメータは、レーザダイオードのエージング及びパワー精度を低下させる他の要因を考慮に入れて経時的に変化してもよい。
【００４１】
調整方法の一実施形態によれば、要求されたパワーレベルは、例えば、ユーザまたはレーザシステムを含む機械によって選択される。制御ロジック１８２は、信号導体１５５を介して要求されたパワーの指示を受信し、対応する電流レベルをテーブル１８４ａ〜１８４ｅから読み出す。制御ロジック１６２は電流レベルをＤＡＣに伝達し、ＤＡＣはアナログ電流信号を電流コントローラ１７６に出力し、電流コントローラ１７６は電源１５２，１７２ａ〜１７２ｅからの電力をダイオードバンク１７８の所望のレベルを有する電流に調節する。従って、ダイオードバンクのパワーは調節（regulate）されるか、または調整（tune）される。
いくつかの実施形態において、パワーは、制限されたパワーの範囲内でのみダイオードバンクを動作させるように調整される。最大動作パワーの１００％はダイオードバンクの公称パワーの１００％より大きいため、最大パワーの７０〜１００％の範囲は公称パワーを含むことを理解されたい。
ダイオードバンクの制限されたパワーの範囲の例は、最大パワーの５０〜１００％を含む範囲、公称パワーの７０％を超える範囲、公称パワーの９０〜１１０％を含む範囲、及び、所与のダイオードバンク及び動作方法と互換性がある他の任意の範囲を含む。ダイオードバンクが調整され得るパワーの範囲は、“アクセス可能なパワー”と呼ばれ、その範囲外のパワーは、“アクセス不可のパワー”と呼ばれる。レーザシステムの構造に依存して、要求されたパワーは、アクセス可能、すなわち、レーザシステムが要求されたパワーを供給するように調整され得るか、またはアクセス不可、すなわち、ダイオードバンクの組み合わせがなく、要求されたパワーを供給することができる制限されたパワーの範囲がないから、レーザシステムは要求されたパワーより大きいかまたは小さいパワーしか供給できない。
図５を参照して以下で議論するように、例えば、システム内のダイオードバンクの組み合わせは、システムの最大出力パワーの２８〜４０％の間で調整可能であり、他の組み合せは４２〜６０％の間で調整可能である。従って、それらの組み合わせに対するシステムのアクセス可能なパワーは２８〜４０％及び４２〜６０％を含み、システムのアクセス不可のパワーは４１％を含む。
【００４２】
本実施形態の１つの変形例において、レーザダイオードの少なくともいくつかはゼロ調整範囲で動作され、すなわち、オンされると所定の出力パワーを生成するように動作され、オフされるとゼロの出力パワーを生成するように動作される。Ｎ＝５のバンクで、全てが調整不可の場合、アクセス可能なパワーレベルは２０％、４０％、６０％、８０％、及び１００％となる。それにもかかわらず、この程度の粗いパワーの調整可能性は、多くの応用で十分である。
表１は、全てのダイオードバンクが同じパワー容量を有する構成で、テーブル１６４ａ〜１６４ｅを使用して、粗く、または離散的な、調整可能性の例を示す。ダイオードバンク各々のパワーレベルは、説明の目的のため容量のパーセンテージで示されている。
【００４３】
【表１】
0006652555.tif 000002
【００４４】
本実施形態の本変形例のさらなる態様では、制御ロジックは、バンクがオンする順番を周期的に変更することによって、システムレベルでのダイオードの寿命を最適化するように構成され、バンク間でのオン時間のアンバランスを均等にするか低減させ、いずれかの特定のバンクが他のバンクよりもオン時間がさらに蓄積することを防止する。“周期的に”とは、時間ベースの期間またはイベント（たとえば、パワーアップサイクルごと）を意味してよい。
１つの変形例では、テーブル１６４ａ〜１６４ｅは、異なる要求されたパワーに対してどのバンクが動作するかを循環させるように構成された追加のアドレス及び電流を含む。例えば、制御ロジック１６２は、２０％の出力パワーが要望される場合、モジュラユニット１７０ａを動作させる代わりに、モジュラユニット１７０ｂを動作させるようにプログラムされたアドレスで構成することができる。例えば、所与のパワーレベルのアドレスをモジュラユニットの数だけインクリメントすることによって、レーザシステムの各起動後にアドレスをインデックスするためのインデックスロジックを提供することができる。
【００４５】
本実施形態の他の変形例では、バンクのうちの１つが他のバンクよりも低い公称パワーまたは出力容量を有し、一例では、最低公称パワーを有するバンクは残りのバンクの半分の公称パワーを有する。従って、Ｎ＝５のバンクでは、表２に示すように、アクセス可能なパワーレベルは、最小容量のバンクの容量によって異なる。テーブル１６４ａ〜１６４ｅは、調整アルゴリズムをプログラムするために使用されてもよく、任意の形態の任意のプログラムまたはアルゴリズムまたはロジックが、本開示によるダイオードバンクの動作をプログラムするために使用され得ることも理解されるべきである。
【００４６】
【表２】
0006652555.tif 000003
【００４７】
調整方法の他の実施形態によれば、ダイオードバンク１７８の少なくともいくつかは、制限されたパワーの範囲で動作する。各ダイオードバンクは、ダイオードバンクの制限されたパワーの範囲内で個別のパワーレベルでオフにされ、または動作させてもよい。各バンクは、好ましくは、直列に配線された多数のダイオードを備え、１つの電流コントローラによって制御され、よって、バンク内の全てのダイオードが常に同じ量の電流で駆動されることを保証する。バンクは、好ましくは、互いに並列に配線され、１つまたはそれ以上の直流（ＤＣ）電源によって駆動される。
【００４８】
制限されたパワーの範囲内でダイオードバンクのダイオードを動作させることは、ダイオードの動作のいくつかの特定の条件またはいくつかの特定の設計にとって特に重要である。波長ロック動作は一例である。ここで問題となるのは、レーザダイオード利得材料のスペクトル利得ピークが典型的には強い温度依存性を有することであり、例えば、８００〜１０００ｎｍの範囲のＧａＡｓ系レーザダイオードの場合、利得ピークは約０．３ｎｍ／℃の温度係数を有する。
このようなレーザダイオードの典型的な高パワー動作では、ダイオードチップの温度は３０〜４０℃のオーダーで上昇し、従って、約９〜１２ｎｍの利得ピークの波長のシフトを引き起こす。
一方、例えば最大パワーの１０％未満の低パワー動作では、温度は約３℃未満で上昇し、利得ピークは約１ｎｍまたはそれ以下しかシフトしない。非ロックのレーザダイオードではこの利得シフトは問題とはならず、レーザダイオードは、典型的には、あらゆる状況下でほぼ利得ピークでレーザ発振するので、高パワーで９４０ｎｍと規定されたレーザダイオードで、出力波長は、例えば、低パワーで約９３０ｎｍから高パワーで約９４０ｎｍまでのパワーで単純に変化する。このような変動は、多数の用途において問題とはならない。
【００４９】
しかしながら、ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザの狭線励起及びダイレクトレーザダイオードの波長分割多重化のような他の用途では、１〜２ｎｍまたはそれよりよいオーダーの波長制御が必要とされることがあり、そのような場合、所望の固定波長でのレーザ発振を強制するため、グレーティングのような分散素子が典型的にレーザダイオードのキャビティに加えられる。
分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ及び分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザの場合のように、グレーティングをチップ上に直接書き込むことができ、ボリュームブラッググレーティング（ＶＢＧ）、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、または透過グレーティングのようなバルクグレーティングの場合のように、グレーティングはチップの外部にあってもよい。このようなグレーティングは、ＧａＡｓよりもはるかに低い温度係数を有し、従って、典型的には、１〜２ｎｍまたはそれ以下の波長制御を提供する。
しかしながら、ダイオードの利得ピークは、依然として、グレーティングによって規定される所望のレーザ発振波長に正確に一致しなければならず、これが高パワーで設計された場合、低パワーでは、利得ピークは温度変化により１０ｎｍのオーダーで発振波長からずれることになる。
ＧａＡｓレーザでは、利得ピークはそれ自体が１０〜２０ｎｍのオーダーであるので、このシフトは利得ピークの幅に対して非常に大幅である。レーザが低パワーでロックされたままであることが要求されれば、グレーティングが利得ピークからグレーティング波長までレーザ発振波長を“引く”ために、さもなければ必要であったグレーティング強度よりも高いグレーティング強度を使用する必要がある。このより高いグレーティング強度は、有用な出力パワーとしてそれを提供するというよりむしろ、ロックさせるためにより多くのレーザパワーをレーザに逆戻りさせ、結果として、低パワーでのロックを保証する必要がないため、必要とされていたよりも高いパワーでより低い出力パワー及びより低い効率となる。
従って、ロックレンジ（従って動作パワー範囲）と出力パワー／効率との間にはトレードオフがある。ダイオードの許容動作パワーが、例えば、最大パワーの７０％から１００％に制限される場合、利得ピークは、約３０％×１０ｎｍ＝３ｎｍだけ調整され、これは利得ピークの幅と比較して小さいので、信頼できるロッキングに必要なグレーティング強度にほとんど影響を与えない。制限された出力パワーの範囲内で動作するかオフされる、独立して電流制御される複数のダイオードバンクを使用することにより、温度変化による波長シフトが低減されたレーザシステムからの広範囲の総出力パワーを提供することができ、これにより、制限された出力パワーの範囲外でレーザダイオードを動作させて、同じ総出力パワーを発生させるのと比較して、より狭い発光バンドを生成することができる。
【００５０】
関連する例は、レーザダイオードの波長制御（但し、非ロック）動作である。ここで、ダイオードは、波長ロック機構がない状態で、利得ピークによって決定されるその固有波長で動作することが可能であり、その結果、パワーがゼロから最大パワーに調整されるので、出力波長は、例えば、ＧａＡｓダイオードの場合９〜１２ｎｍオーダーで変化することがある。レーザダイオードの動作パワー範囲を、例えば７０％から最大の１００％の範囲に制限すると、出力波長の変動は約３ｎｍに低減される。
この程度の波長制御は、波長ロックによって可能になるほど厳しくはないが、とはいえ、例えば、Ｙｂ：ガラスの励起のような特定の励起の用途、及びダイレクトダイオードレーザにおける粗波長分割多重のためには、有用な改良である。それぞれが制限された出力パワーの範囲内で動作するかオフされる独立して電流制御される複数のダイオードバンクを使用することにより、各ダイオードバンクが同じ（より広い）範囲の全システム出力パワーに渡って同じ出力パワーを生成するように動作する同様のレーザシステムから提供するよりも、より広い範囲の全システム出力パワーに渡ってレーザシステムからより一貫した熱レンズ現象の強さを提供することができる。
【００５１】
同様に、特定の動作電流に近い高輝度動作用に最適化されるダイオードがある。この最適化の基礎は本質的に熱的なものであり、レーザダイオードは、典型的には、熱レンズ現象を引き起こす高パワー動作における横方向の温度勾配を生成する。レーザダイオードは、特定の出力パワーレベルに対応する特定の熱レンズ現象の強さで特定の横方向モード品質を生成する横方向チップ設計で設計することができる。
しかしながら、低パワーでは、熱レンズ現象の強さはほぼゼロに低下し、異なるモード品質が観察される。ダイオードが高パワーで望ましいモード品質のために最適化されている場合、例えば、ファイバ結合レーザダイオードシステムにおける光ファイバへの結合効率が悪くなり、低パワーでより悪くまたは許容できないモード品質となる。従って、このようなレーザダイオードにおいて、動作パワー範囲を全範囲のサブセットに制限すること、例えば、パワー範囲を最大パワーの７０％〜１００％、公称パワーの７０％〜１００％、または任意の他の望ましい範囲に制限することは都合がよい。
【００５２】
短パルスレーザダイオードは、制限されたパワー範囲内で動作することから利益を得ることができるダイオードの他の例である。例えば、Ｑスイッチ、利得切り替え、モードロックは、典型的に、レーザのレート方程式と光学的非線形性の特性を使用して、レーザダイオードからナノ秒またはそれ以下のパルスを生成する技術である。これらの影響は、動作パワー及び場合によってはチップ温度に直接依存する。従って、制限されたパワーの範囲外のパワーでそのようなダイオードを動作させることが可能でないか、または信頼できないことがある。
【００５３】
制限されたパワーの範囲内でダイオードを動作させる動機付けの最後の例は、高効率のために最適化されたダイオードである。特定のレーザダイオードは、指定された動作パワーまたはその近くで最適な電気光変換効率のために設計されている。従って、システムが最適な総合効率を達成するためには、これらのダイオードは制限されたパワーの範囲外で動作しないことが好ましい。
【００５４】
従って、これらの用途（波長ロック、高輝度動作、短パルス、及び高効率）では、個々のレーザダイオードを制限されたパワーの範囲で動作させることが有利であることが示されている。他のそのような用途または状況も同様に存在することが予期される。多くのレーザダイオードを含むシステムの広範囲のパワー調整を得ることは、ダイオードの一部をオフにし、ダイオードのいくつかを制限されたパワーの範囲内で動作させることによって有利に得られる。
【００５５】
図５及び図６を参照して、制限されたパワー範囲調整方法の実施形態を説明する。一般的に、Ｎ個のダイオードバンクがあり、ダイオードを最大パワーのＸ％から１００％まで動作させることができる場合、システムによって生成され得る最小の非ゼロパワーは、１つのバンクを最小許容パワーで動作させることによって得られ、システム全体の最大パワーのＸ／Ｎ％の合計パワーとなる。そのバンクのパワーをこのパワーから最大のパワーまで上昇させ、その次に、それを超えて、第２のバンク、それから第３のバンク等と調整することによって、パワーを上方向に調整することができる。
【００５６】
本実施形態の１つの変形例では、ダイオードバンクの各々は同じ公称パワーを有し、各バンク内のダイオードは、最大パワーのＸ％として示される同じ制限された範囲で動作されてもよい。動作中のダイオードバンクの数に基づく出力パワーを示す棒グラフである図５を参照して、本変形例を説明する。
この例において、Ｘ＝７０％、Ｎ＝５である。１つのバンクがオンにされた状態でのシステム出力パワーは、図５のバー１９０として示される、７０％／５または１４％と、１００％／５または２０％との間になる。２つのバンクの場合、システムのパワー範囲はバー１９２として示されている２８〜４０％である。３つのバンクでは、システムのパワー範囲はバー１９４として示されている４２〜８０％である。４つのバンクの場合、システムのパワー範囲はバー１９６として示されている５８〜８０％である。５つのバンクでは、システムのパワー範囲はバー１９８として示されている７０〜１００％である。バー１９４と１９６、及び１９６と１９８との間の場合のように、パワーの範囲が重なるとき、３つ、４つ、及び５つのバンクを動作させて、例えば、４２％から１００％まで、出力パワーを連続的な範囲で調節することができる。
【００５７】
パワーの範囲が重複しない場合、一部のパワーレベルにはアクセスできないことがある。機械のアプリケーションまたはユーザによってアクセス不可のパワーレベルが要求された場合、制御ユニットにおいて適切な応答をプログラムすることができる。適切な応答の例は、最も近いアクセス可能なパワーレベル（要求されたパワーレベルより高いかまたは低くてもよい）を提供すること、次のより高いアクセス可能なパワーレベルを提供すること、（ｃ）次のより低いアクセス可能なパワーレベルを提供すること、（ｄ）ゼロパワーを提供すること、及び／または警告またはエラーメッセージを提供すること、を含む。
【００５８】
パワーの範囲が重複する場合、要求されたパワーレベルを提供するために複数のバンクを使用することができる。上記の例では、４つまたは５つのバンクを使用して５％の出力パワーを提供することができる。いくつのバンクを使用するかを決定するために、種々の基準が使用されてもよい。本実施形態の１つの形態では、遷移パワーレベルは、より低い数のバンクからより高い数のバンクに移行するように決定される。例えば、６０％から７５％のパワーで４つのバンクを使用することができ、７５％のパワーより上で５つのバンクを使用することができる。制御ユニット内の制御ロジックは、パワーが連続的に調整または変調されない機械用途において、このように動作するように構成されてもよい。
【００５９】
図６は、本実施形態の他の態様を示すフローチャート２００であり、バンクのオン／オフ切り替えを低減するためにヒステリシスロジックが設けられている。ヒステリシスロジックは、例えば、範囲が重複している場合にパワーが連続的に調整または変調され、バンクの頻繁なオン／オフ切り替えによるパワースパイク及びグリッチを引き起こす場合に有利である。
一般的に、遷移パワーレベルは、最初の数のバンクを選択することにより決定される。要求されたパワーが最初の数のバンクのパワー範囲外になるまで、最初の数のバンクが維持され、その時点で異なる数のバンクが動作する。
方法は２０２で開始し、＋１はＮより小さいか等しいとして、Ｍ個のバンクとＭ＋１個のバンクとの間の遷移パワーレベルを決定する。ダイオードバンクの最大パワーが知られていれば、決定はレーザシステムの構成中に実行されてもよい。決定は、特定の用途で使用するためのレーザシステムの構成中に実行されてもよく、要求されたパワーを指定された量だけ超えることは決して要求されない。遷移パワーレベルは、構成テーブルまたはファイル、または制御ユニットの指定されたメモリ位置に格納することができる。
２０４において、方法は、要求された出力パワーを決定することによって継続する。要求出力パワーは、信号導体１５５に関連して図４を参照して説明したように、所望の出力パワーの量を示す信号を受信することによって決定される。
【００６０】
２０８において、方法は、要求された出力パワーが遷移パワーレベルを上回っているかを判定することによって継続する。要求されたパワーが遷移パワーレベルを上回っていれば、方法は２１０でＭ＋１個のバンクを動作させることによって継続する。そうでなければ、方法は２２０でＭ個のバンクを動作させることによって継続する。もちろん、複数の重複パワー範囲及び遷移パワーレベルが存在してもよく、この場合、要求された出力パワーよりも低い（より小さい）最高遷移パワーレベルが選択されてもよい。
【００６１】
２１０の後、Ｍ＋１個のバンクを動作させている間、方法は、２１２で、要求されたパワーがＭ＋１個のバンクの最小パワーを超えているかを判定することによって継続する。求されたパワーがＭ＋１個のバンクの最小パワーを超えていれば、システムはＭ＋１個のバンクで動作を継続する。そうでなければ、方法は、２２０で、Ｍ個のバンクで動作するために１つのバンクの動作を停止することによって継続する。このようにして、要求されたパワーが遷移パワーレベル未満であっても、動作はＭ＋１個のバンクにとどまり、それにより、１つのバンクの遅延またはスイッチオフを防止し、ダイオードバンクのオン及びオフの事例（instance）を低減させる。
【００６２】
２２０の後、Ｍ個のバンクを動作させている間、方法は、２２２で、要求されたパワーがＭ個のバンクの最大パワーを超えているかを判定することによって継続する。要求されたパワーがＭ個のバンクの最大パワーを超えていれば、方法は２１０でＭ＋１個のバンクで動作することによって継続する。このようにして、要求されたパワーが遷移パワーレベルよりも大きいときでも、動作はＭ個のバンクにとどまり、それにより、追加のバンクでの遅延またはスイッチングを防止する。
【００６３】
図６を参照して開示された実施形態の代わりの態様では、方法は、要求されたパワーに対して可能である最大数のバンクを選択する。その後、方法は、２１２を参照して説明したように、要求されたパワーが動作中の数のバンクの最小出力パワー未満である場合にのみ、より低い数のバンクへと切り替え、２２２を参照して説明したように、要求されたパワーが動作中の数のバンクの最大出力パワーを超えている場合には、より高い数のバンクへと切り替える。図５及び図６を参照すると、例えば、７４％と７６％との間で発振するとき、方法の前述の態様に従って動作するシステムは常に５つのバンクを使用する。
代わりに、システムが特定のレーザ加工動作の間に、システムパワーの５８％でオンにされ、次に連続的に７８％まで調整され、５８％まで戻されるとすると、レーザシステムは最初に４つのバンクで開始し（この例では５８％を生成することができる最大の数、他の選択肢は３つのバンクである）、この動作の期間中、４つのバンクを動作し続ける。
代わりに、システムを５８％で開始して４４％に調整してから５８％に戻すとすると、このアルゴリズムを使用するシステムは、４つのバンクから開始し、５６％のパワーを通過するときに３つのバンクに移行し、その後４４％に低下して５８％に戻るまで３つのバンクにとどまり、よってバンクの数の変更は１回のみとなる。
【００６４】
調整方法の他の変形例では、少なくとも１つのバンクは、フルパワーの調整を提供するように設計される。例えば、フルパワー調整されているバンクは、０〜１００％でパワー調整されていてもよい。等しい最大パワーを有するバンクと、制限されたまたはゼロのパワー調整範囲を有する他のバンクとで、０〜１００％のフルシステムのパワー調整が可能である。この場合、そのうちの４つが調整不可で１つがフル調整できるＮ＝５のバンクで、調整可能のバンクのみを使用して０から２０％までのパワーを生成でき、１つの調整不可のバンクと調整可能のバンクとを使用して２０％から４０％までを生成でき、２つの調整不可のバンクと調整可のバンクとを使用して４０％から６０％まで、等々を生成できる。勿論、調整不可のバンクと組み合わせてフルパワー調整よりも少ないバンクも、十分な調整能力を提供することができる。
【００６５】
調整方法の他の変形例では、ダイオードバンクのパワーは、レーザダイオードの均一な経年劣化を促進するために、できる限り均等に調整される。従って、要求されたパワーが４８０ワットであり、５つのダイオードバンクの各々が２００ワットの最大パワーを有するが、１４０ワットから２００ワットまで調整可能であるとすれば、例えば、１つのバンクを２００ワット出力するように調整し、２つのバンクをそれぞれ１４０ワット出力するように調整する代わりに、３つのバンクをそれぞれ１６０ワット出力するように調整して、要求されたパワーが提供される。各レーザダイオードが長い時間をかけて同じ時間だけ利用されるか同じ回数だけオンされるように、バンクがオンにされる順序を、例えば、最初にバンク１，２，３をオンにし、他の例ではバンク３，４，５をオンにすることによって、循環させてもよい。
【００６６】
本発明を例示的な設計を有するものとして説明してきたが、本発明は、本開示の主旨及び範囲内でさらに変更することができる。従って、この出願は、その一般的な原則を使用して、本発明のあらゆる変形、使用、または適応を包含することが意図される。さらに、この出願は、本発明が関係する技術分野における既知のまたは慣習的な実施に含まれる本開示からのそのような展開を包含することが意図される。
【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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