(57)【要約】【課題】過大なレーザ出力を防止できるレーザ駆動装置および駆動方法を提供する。【解決手段】固体レーザのレーザ光を検出するフォトダイオードによって、ＶpdとΔＶpdを検出する。ΔＶpdはフォトダイオードが励起用半導体レーザの漏れ等の光を受けることにより出力された微小電圧で、Ｖpdはフォトダイオードがレーザ光を受けることにより出力された電圧である。ΔＶpd、Ｖpdのそれぞれに閾値Ｖ１、Ｖ２を設ける。レーザ駆動の立ち上がり時には、ΔＶpdと閾値Ｖ１を比較し、電圧ΔＶpdの有無を検出し、ΔＶpdが無い場合に回路部の異常と判定する。それによって、立ち上がり時の発光の遅れによる影響を回避するためのマスキングが不要となる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザのレーザ駆動装置において、
上記固体レーザを励起する半導体レーザと、
上記固体レーザの光出力を検出する受光素子とを有し、
上記固体レーザの起動時に生じる微小な光出力を上記受光素子によって受けて微小電圧を検出し、
上記微小電圧の有無を検出することによって光検出回路の異常の有無を判定するようにしたレーザ駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、
さらに、上記固体レーザの発光時に上記受光素子によって検出される検出電圧を閾値と比較することによって、異常を検出するようにしたレーザ駆動装置。
【請求項３】
請求項１において、
上記光検出回路に異常があると判定した時に、上記固体レーザの駆動を停止するようにしたレーザ駆動装置。
【請求項４】
固体レーザのレーザ駆動方法において、
上記固体レーザの光出力を受光素子で受け、
上記固体レーザの起動時に生じる微小な光出力を上記受光素子によって受けて微小電圧を検出し、
上記微小電圧の有無を検出することによって光検出回路の異常の有無を判定するようにしたレーザ駆動方法。
【請求項５】
請求項４において、
さらに、上記固体レーザの発光時に上記受光素子によって検出される検出電圧を閾値と比較することによって、異常を検出するレーザ駆動方法。
【請求項６】
請求項４において、
上記光検出回路に異常があると判定した時に、上記固体レーザの駆動を停止するレーザ駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、過大なレーザ出力を防止できるレーザ駆動装置および駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
出力の大きいレーザ光は、眼や皮膚など人体に障害をひき起こす危険があるため、JIS 等公的機関により「レーザ製品の放射安全基準」が設定されている。レーザ光の出力を安定させるため、一般的なレーザ駆動装置には、光出力を安定化するＡＰＣ(Auto Power Control）回路が多用されている。ＡＰＣ回路は、レーザの出力を常に一定に保持する機能をもつ。通常はレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）モジュールに内蔵されたフォトダイオー ド（ＰＤ：Photo Diode）の出力電流が一定になる様、レーザダイオード駆動電流をフィードバック制御している。
【０００３】
また、レーザ駆動装置には、回路の異常時に過大なレーザ出力を防ぐため、異常を検出し、保護回路を作動し、駆動装置を停止させる機能が備えられる。回路の異常を認識する手段として、フォトダイオードの出力電流や、制御Ａｍｐの出力電圧に上限下限の閾値を設定し、その範囲を外れた状態を回路の異常とする方法が用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体レーザでは、励起用半導体レーザによりレーザ媒質が励起されレーザ光が放射されるため、励起用半導体レーザの流入電流に対し、少し遅れて発光することになる。図１は固体レーザの発光の遅れの温度依存性を示す。励起用半導体レーザの流入電流に対する発光の遅れは、低温時には数ｍsecから数十ｍsecになる。例えば、図１に示すＡ点は、温度が１７℃である点を示し、１７℃での固体レーザの発光の遅れはおよそ３．５ｍsecになる。この遅れ期間に生じるレーザ駆動装置の諸特性は、レーザ光の光検出回路の異常時と近似な値をとる。
【０００５】
従来の回路方式では、レーザ駆動装置に設けられた保護回路が起動時の発光の遅れを回路の異常と誤認するおそれがあった。そこで駆動装置を停止させないように、起動時に保護回路にマスキングをかける必要がある。マスキング時間は、レーザのバラツキやレーザ出力の温度依存性を考慮して、予想される遅れ時間より長くとる必要がある。この保護回路にマスキングをかける方法では、回路に異常がある場合でも起動時に保護回路が動作しないため、過大なレーザ出力が放出される危険がある。
【０００６】
従って、この発明の目的は、発光の遅れと光検出回路の異常を瞬時に判別することができ、過大なレーザ出力の放射を防止できるレーザ駆動装置および駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、この発明は、固体レーザのレーザ駆動装置において、
固体レーザを励起する半導体レーザと、
固体レーザの光出力を検出する受光素子とを有し、
固体レーザの起動時に生じる微小な光出力を受光素子によって受けて微小電圧を検出し、
微小電圧の有無を検出することによって光検出回路の異常の有無を判定するようにしたレーザ駆動装置である。
【０００８】
この発明は、固体レーザのレーザ駆動方法において、
固体レーザの光出力を受光素子で受け、
固体レーザの起動時に生じる微小な光出力を受光素子によって受けて微小電圧を検出し、
微小電圧の有無を検出することによって光検出回路の異常の有無を判定するようにしたレーザ駆動方法である。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、固体レーザに特有の発光遅れを、検出回路等の回路部の異常と瞬時にかつ明確に区別できる。
【００１０】
この発明によれば、レーザ装置の駆動時に保護回路にマスキングをかける必要がないため、フォトダイオードを含む光出力検出回路に異常があることを検出でき、過大なレーザ出力が放出される危険がなくなる。また、マスキングを行わないので、光検出回路の異常を、過大なレーザ出力が放出される前に検出できる。更に、保護回路にマスキングをかけるためのマスキング回路が不要となるため、レーザ駆動装置全体をコンパクトにすることができる。
【００１１】
この発明によれば、励起用駆動電流の立ち上がりに対し、保護回路のマスキングが不要となるため、固体レーザのパルス駆動に対しても保護回路の対応が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながらこの発明の一実施形態について説明する。図２は、一実施形態における固体レーザをパルス駆動する場合の各部波形を示す。図２Ａは、スイッチング（スイッチング素子）のＯＮ、ＯＦＦ状態を示し、図２Ｂは、固体レーザのレーザ光を受けて生じたフォトダイオードの出力電圧Ｖpdの波形を示す。また図２Ｃは、半導体レーザの駆動電琉Ｉ0の波形を示す。半導体レーザは、例えば周波数が４００Hz、デューティー比が５０％で駆動される。
【００１３】
タイミングＴ１において、スイッチング素子がＯＮ状態となることにより、駆動電流Ｉ0が流れる。駆動電流Ｉ0の立ち上がり対し、フォトダイオードの出力電圧Ｖpdが一定の出力レベルに達するまでの遅れｔａが生じる。また、スイッチング素子がＯＮとされる起動時にフォトダイオードからの出力には、微小な出力電圧ΔＶpdが生じる。
【００１４】
電圧ΔＶpdが生じる原因は、次の理由による。電圧ΔＶpdは、レーザ媒質が反転分布を形成し急激にレーザ光の放出が増加するまでの間（ｔａ）に、励起用半導体レーザ光の漏れや、レーザ媒質から放出される微弱な自然発光や誘導発光をフォトダイオードが受け、それによりフォトダイオードより出力された電圧である。この微小な電圧の立ち上がりは、駆動電流Ｉ0に遅れること無く追従する。また温度特性による遅れも生じない。この微小な出力電圧ΔＶpdが検出されれば、フォトダイオードが正常に動作していると判定することができる。
【００１５】
図３において、参照符号１０は、この発明を適用できるレーザ駆動装置の一例である。電圧源１がスイッチング素子（ＳＷ）３を介して固体レーザユニット５に供給される。固体レーザユニット５は、固体レーザと、固体レーザを励起する半導体レーザとからなり、例えば緑色の波長のレーザ光を出力する。固体レーザユニット５に直列に電流源６が接続される。スイッチング素子３は、トランジスタ等の半導体素子で構成され、図示しないスイッチング駆動信号によって図２Ａに示すように、ＯＮ／ＯＦＦされる。スイッチング素子３のオン時に電流源６によって図２Ｃに示すような電流Ｉ0（例えば３００ｍＡ）が流れる。
【００１６】
電圧源１とスイッチング素子３の接続点と基準電位間にフォトダイオード２と検出抵抗４の直列回路が接続される。フォトダイオード２は、レーザユニット５が発光した光を受光し、受光した光量に応じた値の電流が発生する。フォトダイオード２に励起した電流が検出抵抗４を流れることによって、検出抵抗４の一端から導出した端子７ａに出力電圧Ｖpdが得られる。出力電圧Ｖpdは、図２Ｂに示すような波形を有する。
【００１７】
電流Ｉ0を大きくするによってレーザユニット５が発生するレーザ光の光放出量が増大する。電流Ｉ0がAPC回路（図示しない）によって制御される。APC回路は、フォトダイオードの出力電圧Ｖpdが所定の電圧となるように、電流Ｉ0の大きさを制御する。出力電圧Ｖpdが過大となると、電流Ｉ0を制御する駆動回路と電源部が遮断される。
【００１８】
図４は、図３に示すレーザ駆動装置１０に対してこの発明を適用したレーザ駆動装置１１の一実施形態を示す。スイッチング素子３によって固体レーザユニット５がパルス駆動される。一実施形態では、フォトダイオード２のアノードを検出抵抗８と検出抵抗４とを介して接地する。検出抵抗４と検出抵抗８の接続点から出力電圧Ｖpdを取り出すための端子７ａが導出される。フォトダイオード２のアノードと検出抵抗８の接続点から微小な電圧ΔＶpdを取り出すための端子７ｂが導出される。
【００１９】
一例として、検出抵抗４および８の抵抗値を等しいものとすると、端子７ａに取り出されるフォトダイオード２の出力電圧の２倍のレベルの出力電圧を端子７ｂから取り出すことができる。端子７ｂの出力電圧は、端子７ａから取り出される電圧Ｖpdと同様に変化する波形である。検出抵抗４および８の抵抗値を適切に設定することによって所望の値の微小な電圧ΔＶpdを取り出すことができる。
【００２０】
端子７ａおよび７ｂからそれぞれ取り出される電圧ＶpdおよびΔＶpdが保護回路（図示しない）に供給される。フォトダイオードの出力電圧Ｖpdに基づく保護回路の動作は、従来と同様のものである。電圧ΔＶpdに基づく保護回路の動作がこの発明の特徴とする部分である。
【００２１】
次に、この発明のレーザ駆動装置の一実施形態の動作について説明する。固体レーザユニット５から過大なレーザ出力が放射されるモードは、大きく二つのものがある。第１のモードは、フォトダイオード２の出力電圧Ｖpdが検出されない場合である。
【００２２】
つまり、第１のモードは、フォトダイオード２を含む光検出回路に異常があり、出力電圧Ｖpdを検出できない状態である。例えばフォトダイオード２が破壊され、回路がオープンとなると、出力電圧Ｖpdを検出できない。この場合、従来の構成の保護回路では、固体レーザユニット５が発光していないと判断し、能力最大の過大なレーザ光を放出するように、電流Ｉ0を制御する。
【００２３】
回路部が正常であり、パルス駆動時の立ち上がりで生じる発光の遅れは、第１のモードと同様の症状を示す。このため回路異常か、発光の遅れかを判別する必要がある。この発明においては、微小出力電圧ΔＶpdにより両者を判別している。
【００２４】
第２のモードは、フォトダイオード２の出力電圧Ｖpdが検出されるが、駆動回路に異常が存在し、電流Ｉ0を制御できず、固体レーザユニット５から過大なレーザ出力が放射される場合である。第２のモードでは、出力電圧Ｖpdが異常を示すレベルまで上昇する。これに基づいて電流Ｉ0を制御する駆動回路と電源部を遮断するスイッチ（トランジスタ等）が動作し、過大なレーザ出力の放出が防止される。
【００２５】
図５は、フォトダイオードの出力電圧Ｖpdおよび立ち上がり時の出力電圧ΔＶpdに対して設定される閾値の一例を示すグラフである。２種類の閾値Ｖ１およびＶ２が設定される。（Ｖ１＜Ｖ２）の関係にある。
【００２６】
閾値Ｖ２は、出力電圧Ｖpdが異常か否かを判定するためのものである。すなわち、（Ｖpd＜Ｖ２）の場合では、正常と判定され、（Ｖpd≧Ｖ２）の場合では、異常と判定され、第２のモードと判定される。第２のモードにおいて、電流Ｉ0を制御する駆動回路と電源部を遮断するスイッチ（トランジスタ等）が動作し、過大なレーザ出力が放射されることを防ぐことができる。閾値Ｖ２に基づく保護動作は、従来の保護回路の動作と同様のものである。
【００２７】
閾値Ｖ１は、端子７ｂの出力から検出された電圧ΔＶpdを判定するためのものである。閾値Ｖ１は、立ち上がり時の微小な電圧ΔＶpdの有無を判定するために使用される。（ΔＶpd≧Ｖ１）の 場合では、電圧ΔＶpdが存在しているので、正常動作していると判定される。一方、（ΔＶpd＜Ｖ１）の場合では、電圧ΔＶpdが存在していないので、異常動作（第１のモード）と判定される。
【００２８】
閾値Ｖ１と電圧ΔＶpdを比較することによって、発光の遅れが存在しても、（ΔＶpd≧Ｖ１）となり、（ΔＶpd＜Ｖ１）の場合を回路の異常による第１のモードとして検出することができる。したがって、起動時にフォトダイオードの出力電圧を検出し、閾値と比較する動作をマスキングすることが不要となる。
【００２９】
この発明は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内でさまざまな変形や応用が可能である。例えば受光素子としては、フォトダイオード以外の素子例えばフォトトランジスタを使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】固体レーザの発光遅れの温度特性を示すグラフである。
【図２】この発明を適用できるレーザ駆動装置の各部波形図である。
【図３】この発明を適用できるレーザ駆動装置の一例を示す接続図である。
【図４】この発明の一実施形態を示す接続図である。
【図５】この発明の一実施形態における閾値を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１          電圧源
２          フォトダイオード（PD）
３          スイッチ（スイッチング素子）
４、７      検出抵抗
５          固体レーザユニット
６          電流源
【図１】
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【図２】
2005183775.tif 000004
【図３】
2005183775.tif 000005
【図４】
2005183775.tif 000006
【図５】
2005183775.tif 000007