特許 6115609 レーザ光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6115609

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】レーザ光源装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/024 20060101AFI20170410BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/024

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-199686(P2015-199686)

(22)【出願日】2015年10月7日

(65)【公開番号】特開2017-73471(P2017-73471A)

(43)【公開日】2017年4月13日

【審査請求日】2016年12月1日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】清水 昭宏

【審査官】 佐藤 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１９５０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−１３１１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１２６９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２２５５５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光源装置であって、
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に連結された、熱伝導性を有する伝熱部と、
前記半導体レーザ素子とは異なる側において前記伝熱部に連結された冷却部と、
前記伝熱部または前記冷却部の温度である制御対象温度を測定する制御対象温度測定部と、
前記レーザ光源装置の環境温度を測定する環境温度測定部と、
前記冷却部を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記制御対象温度を前記環境温度に応じて設定された所定の目標温度に近づけるように、前記冷却部を制御する構成であり、
前記環境温度が特定の温度よりも低い場合に設定された前記目標温度は、前記環境温度が前記特定の温度よりも高い場合に設定された前記目標温度よりも低いことを特徴とするレーザ光源装置。

【請求項2】

前記環境温度が前記特定の温度よりも低い場合であって、前記冷却部が動作しない場合における前記制御対象温度を予め測定し、
前記目標温度は、前記環境温度が前記特定の温度よりも低い場合、予め測定された前記制御対象温度以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。

【請求項3】

前記冷却部は、前記伝熱部から熱を吸収する吸熱部を有するペルチェ素子であり、
前記制御対象温度測定部は、前記ペルチェ素子の前記吸熱部における温度を測定することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光源装置。

【請求項4】

前記環境温度が前記特定の温度よりも低い場合、前記目標温度は、前記環境温度が前記特定の温度に近付くほど高い温度に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置。

【請求項5】

前記環境温度が前記特定の温度以上である場合、前記目標温度は、一定の温度に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光源装置。

【請求項6】

前記制御部は、
前記環境温度ごとに対応する前記目標温度を記憶する記憶部と、
前記環境温度測定部により測定された前記環境温度に対応する前記目標温度を、前記記憶部に記憶される前記目標温度の中から決定する目標温度決定部と、
決定された前記目標温度と、前記制御対象温度測定部により測定された前記制御対象温度との差に基づいて、前記冷却部に供給する電流値を決定する電流値決定部と、を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はレーザ光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザ素子は動作時に発熱するため、素子の温度が上昇する。ここで、半導体レーザ素子は、温度が高くなるほど寿命が短くなることが知られている。従って、半導体レーザ素子の長寿命化を実現するため、素子の温度は一定の要求温度以下となることが求められている。このような観点から、一般的に、半導体レーザ素子を含むレーザ光源装置には、半導体レーザ素子を冷却する冷却部が備えられている。なお、以下では「半導体レーザ素子の温度」とは、半導体レーザ素子の動作時における温度を示す。

【0003】

特許文献１には、上記の冷却部の一例としてのペルチェ素子を備えたレーザ光源装置が開示されている。当該レーザ光源装置は、半導体レーザ素子の温度を測定する測定部を備える。そして、測定部によって測定された半導体レーザ素子の温度が、ある一定の要求温度以下の範囲内で安定するよう、ペルチェ素子に供給する電流値が制御される。具体的には、特許文献１のレーザ光源装置では、測定された半導体レーザ素子の温度が高いほどペルチェ素子に供給する電流値を増大させる制御が行われる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１−１６８４４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、本発明者の鋭意研究により、特許文献１に記載された技術では、半導体レーザ素子の温度が要求温度を上回る事象が生じることを突き止めた。この理由につき、本発明者は以下のように考えている。

【0006】

半導体レーザ素子と冷却部とは、例えばヒートシンク等の媒体を介して連結されることが多い。そのため、熱源となる半導体レーザ素子から吸熱先となる冷却部までの伝熱経路上に媒体が介在することとなる結果、半導体レーザ素子から発生する熱が冷却部へと伝導するまでに時間を要する。このような状態の下で、あるタイミングにおいて半導体レーザ素子の温度を測定し、当該温度が上記の要求温度以下となるように冷却部を動作させる場合について検討する。

【0007】

例えば、あるタイミングにおいて半導体レーザ素子の温度が高温であったとする。このとき、冷却部の吸熱作用を高めるべく例えばペルチェ素子の駆動力を高める制御が行われる。しかしながら、ペルチェ素子の駆動力を上昇させる制御が行われたとしても、あくまで冷却部の吸熱作用が高められるに過ぎないため、半導体レーザ素子において発せられた熱が冷却部によって実際に吸収されるまでには一定の時間がかかる。すなわち、冷却部が冷却能力を上昇させてから、半導体レーザ素子の温度が十分に低下するまでには、タイムラグが発生する。この結果、このタイムラグの間に、半導体レーザ素子の温度が要求温度を上回ってしまう。

【0008】

上記に鑑み、本発明者は、従来の手法とは異なる手法によって半導体レーザ素子の温度を一定の要求温度以下に安定させる技術につき、鋭意研究を行った。その結果、本発明者は、以下に記載するような更なる問題が生じることを見出した。

【0009】

レーザ光源装置が設置される環境における温度（以下、環境温度と呼ぶ）は、気候や空調等によって変化する。例えば、レーザ光源装置が屋外に設置される場合、環境温度は、一日における気温の変化や季節の変化の影響を受ける。具体的には、環境温度は、日中の時間帯においては高温になりやすく、夜中の時間帯においては低温になりやすい。同様に、環境温度は、夏場においては高温になりやすく、冬場においては低温になりやすい。また、レーザ光源装置が室内に設置される場合、環境温度は、例えば空調設備の影響を受ける。このように、レーザ光源装置の環境温度は一定の温度で安定するとは限らず、時間の経過とともに変化する。

【0010】

本発明者は、鋭意研究の結果、半導体レーザ素子の温度は、レーザ光源装置の環境温度の影響により、上記の要求温度を上回る場合と、上記の要求温度を下回る場合とが存在することを見出した。具体的には、レーザ光源装置が比較的高い環境温度の下で動作する場合には、冷却部が冷却動作を実行する結果、半導体レーザ素子の温度が上記の要求温度以下で安定することが確認された。一方、レーザ光源装置が比較的低い環境温度の下で動作する場合には、冷却部が冷却動作を実行せず、半導体レーザ素子の温度が上記の要求温度を上回ってしまうことが確認された。

【0011】

上記のように、レーザ光源装置の環境温度は、常に一定の温度で安定するとは限らない。そのため、レーザ光源装置の環境温度が変化した場合であっても、半導体レーザ素子の温度が上記の要求温度以下となることが求められる。

【0012】

本発明は、環境温度が変化しても半導体レーザ素子の温度を一定の要求温度以下に保つことにより、半導体レーザ素子の短寿命化を抑制可能な技術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】

本発明のレーザ光源装置は、
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に連結された、熱伝導性を有する伝熱部と、
前記半導体レーザ素子とは異なる側において前記伝熱部に連結された冷却部と、
前記伝熱部または前記冷却部の温度である制御対象温度を測定する制御対象温度測定部と、
前記レーザ光源装置の環境温度を測定する環境温度測定部と、
前記冷却部を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記制御対象温度を前記環境温度に応じて設定された所定の目標温度に近づけるように、前記冷却部を制御する構成であり、
前記環境温度が特定の温度よりも低い場合に設定された前記目標温度は、前記環境温度が前記特定の温度よりも高い場合に設定された前記目標温度よりも低いことを特徴とする。

【0014】

上記構成によれば、伝熱部または冷却部の温度が測定され、当該温度が制御対象とされる。即ち、半導体レーザ素子に比べ、冷却部に近い場所における温度が制御対象とされる。これにより、半導体レーザ素子と冷却部との間に介在する媒体による影響を抑制することができる。また、上記構成によれば、環境温度が特定の温度よりも低い場合、目標温度は比較的低い温度に設定されている。そのため、制御対象温度が目標温度を既に下回り、冷却部が動作しなくなるといった事態が生じることを抑制できる。即ち、環境温度が比較的低い場合であっても冷却部を動作させることが可能となる。従って、上記構成によれば、環境温度が変化しても半導体レーザ素子の温度を一定の要求温度以下に保つことが可能となるため、半導体レーザ素子の短寿命化を抑制することができる。

【0015】

また、上記構成において、
前記環境温度が前記特定の温度よりも低い場合であって、前記冷却部が動作しない場合における前記制御対象温度を予め測定し、
前記目標温度は、前記環境温度が前記特定の温度よりも低い場合、予め測定された前記制御対象温度以下に設定されているものとしても構わない。

【0016】

上記構成によれば、環境温度が特定の温度よりも低い場合であっても、制御対象温度が目標温度以上となる。これにより、制御対象温度が目標温度を下回ることを抑制できる。即ち、環境温度が特定の温度より低い場合であっても冷却部を動作させることが可能となり、半導体レーザ素子の温度を一定の要求温度以下に保つことができ、半導体レーザ素子の短寿命化を抑制できる。

【0017】

また、上記構成において、
前記冷却部は、前記伝熱部から熱を吸収する吸熱部を有するペルチェ素子であり、
前記制御対象温度測定部は、前記ペルチェ素子の前記吸熱部における温度を測定するものとしても構わない。

【0018】

上記構成によれば、冷却部がペルチェ素子によって構成される場合に、ペルチェ素子の吸熱部における温度が測定され、当該温度が制御対象とされる。これにより、半導体レーザ素子と冷却部との間に介在する媒体による影響をより抑制することができる。

【0019】

また、上記構成において、
前記環境温度が前記特定の温度よりも低い場合、前記目標温度は、前記環境温度が前記特定の温度に近付くほど高い温度に設定されているものとしても構わない。

【0020】

環境温度が高いほど制御対象温度も高くなる可能性がある。そのため、環境温度に依らずに一定の目標温度が設定されている場合や環境温度が高くなるほど目標温度が低く設定されている場合、環境温度の上昇に伴い制御対象温度と目標温度との温度差が上昇する。そのため、環境温度の上昇に伴い、冷却部の消費電力が増大する。これに対し、上記構成によれば、環境温度が特定の温度よりも低い温度から特定の温度に近付くほど、目標温度も高い温度に設定されている。そのため、環境温度が上昇しても、制御対象温度と目標温度との間の差が大きくなることを抑制することができる。これにより、冷却部の消費電力の上昇を抑制できる。

【0021】

また、上記構成において、
前記環境温度が前記特定の温度以上である場合、前記目標温度は、一定の温度に設定されているものとしても構わない。

【0022】

上記構成によれば、環境温度が特定の温度以上である場合に、目標温度が一定の温度に保たれる。これにより、環境温度が特定の温度以上の範囲内で変化しても、半導体レーザ素子の温度を一定の温度に保つことができる。

【0023】

また、上記構成において、
前記制御部は、
前記環境温度ごとに対応する前記目標温度を記憶する記憶部と、
前記環境温度測定部により測定された前記環境温度に対応する前記目標温度を、前記記憶部に記憶される前記目標温度の中から決定する目標温度決定部と、
決定された前記目標温度と、前記制御対象温度測定部により測定された前記制御対象温度との差に基づいて、前記冷却部に供給する電流値を決定する電流値決定部と、を有するものとしても構わない。

【発明の効果】

【0024】

本発明のレーザ光源装置によれば、環境温度が変化しても半導体レーザ素子の温度を一定の要求温度以下に保つことにより、半導体レーザ素子の短寿命化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】実施形態のレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。

【図2】実施形態のレーザ光源装置における制御部の処理を示すフローチャートである。

【図3】実施形態のレーザ光源装置における実験結果を示すグラフである。

【図4】参考例のレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。

【図5】参考例のレーザ光源装置における制御部の処理を示すフローチャートである。

【図6】参考例のレーザ光源装置における実験結果を示すグラフである。

【図7】別実施形態における目標温度を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

本実施形態のレーザ光源装置につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

【0027】

（実施形態）
［構成］
以下、実施形態におけるレーザ光源装置１の構成について図１を参照して説明する。図１（ａ）に示すように、レーザ光源装置１は、光源部３、ペルチェ素子５、制御対象温度測定部６、環境温度測定部８、制御部７、ヒートシンク１１、及びファン１３を有する。

【0028】

光源部３は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子３１と伝熱部３３とを含む。伝熱部３３は、熱伝導性を有し、半導体レーザ素子３１に連結される。伝熱部３３は、半導体レーザ素子３１から発生する熱をペルチェ素子５に伝導する。なお、伝熱部３３は、ペルチェ素子５へ効率的に熱を伝導できるよう、周知の放熱シートまたは放熱グリス（図示略）を介してペルチェ素子５に連結される。伝熱部３３は、例えばアルミニウム等の金属によって構成される。

【0029】

ペルチェ素子５は、伝熱部３３に連結される。ペルチェ素子５は、半導体レーザ素子３１から伝熱部３３へと伝導した熱を吸収する吸熱部５１と、吸熱部５１が吸収した熱をヒートシンク１１に放出する放熱部５３と、を含む。吸熱部５１は、伝熱部３３に連結される吸熱面５４を含む。放熱部５３は、ヒートシンク１１へ効率的に熱を放出できるよう、周知の放熱シートまたは放熱グリス（図示略）を介してヒートシンク１１に連結される。

【0030】

ペルチェ素子５に電流が流れると、吸熱部５１は伝熱部３３から熱を吸収し、放熱部５３は吸熱部５１が吸収した熱をヒートシンク１１に放出する。即ち、吸熱部５１から放熱部５３へと熱が移動する。このように、ペルチェ素子５は、電流が供給されることで光源部３を冷却可能な素子である。なお、ペルチェ素子５に印加する電圧を大きくすると、ペルチェ素子５に供給される電流が大きくなり、吸熱部５１が吸収する熱量も増加する。その結果、吸熱部５１から放熱部５３へと移動する熱量も増加する。なお、ペルチェ素子５が「冷却部」に対応する。

【0031】

制御対象温度測定部６は、ペルチェ素子５の吸熱部５１における吸熱面５４の温度を測定する。吸熱面５４の温度は、半導体レーザ素子３１の温度に連動して変化する。例えば半導体レーザ素子３１の温度が上昇すれば、吸熱面５４の温度も上昇する。また、半導体レーザ素子３１の温度が低下すれば、吸熱面５４の温度も低下する。なお、制御対象温度測定部６は、吸熱部５１のうち吸熱面５４と異なる場所の温度を測定しても構わない。即ち、制御対象温度測定部６は、吸熱部５１を測定するように構成されても構わない。制御対象温度測定部６は、サーミスタ、または、熱電対等の周知の温度センサによって構成される。なお、吸熱面５４の温度が「制御対象温度」に対応する。

【0032】

環境温度測定部８は、レーザ光源装置１の環境温度を測定する。一例として、レーザ光源装置１が筐体内に設置されている場合、環境温度測定部８は、筐体内の空間における温度を測定する。なお、環境温度測定部８は、サーミスタ、または、熱電対等の周知の温度センサによって構成される。

【0033】

制御部７は、記憶部７１、目標温度決定部７３、及び電流値決定部７５を有する。

【0034】

記憶部７１は、環境温度ごとに吸熱面５４の目標温度を記憶する。吸熱面５４の目標温度は、適切な値に予め設定されている。記憶部７１は、図１（ｂ）に示すようなデータテーブル７２を記憶する。なお、本実施形態では、一例として、レーザ光源装置１を１０〜４０℃の範囲における環境温度の下で動作させたとき、半導体レーザ素子３１の温度が２５℃以下となることが要求されている場合について説明する。データテーブル７２では、１０〜４０℃の範囲の各環境温度に、目標温度が対応付けられている。データテーブル７２では、環境温度が１０℃から１３℃へ向かって高くなるほど、目標温度も高く設定されている。また、環境温度が１３℃以上では、目標温度は２４℃に設定されている。目標温度の詳細については後述する。なお、データテーブル７２の例では、１３℃が「特定の温度」に対応する。

【0035】

なお、データテーブル７２では、環境温度が１℃ずつ上昇する間隔で目標温度が設定されるがこれに限らない。例えば環境温度が１０〜１３℃である場合、目標温度を更に細かく設定しても構わない。例えば、環境温度が０．５℃ずつ上昇する間隔で目標温度が設定されるように構成しても構わない。

【0036】

目標温度決定部７３は、環境温度測定部８から環境温度を取得し、当該環境温度に対応する目標温度を記憶部７１から取得する。一例として、目標温度決定部７３は、データテーブル７２の環境温度のうち、環境温度測定部８から取得した環境温度に最も近い環境温度を特定し、特定した環境温度に対応する目標温度を取得しても構わない。

【0037】

電流値決定部７５は、目標温度決定部７３から目標温度を取得し、制御対象温度測定部６から吸熱面５４の温度を取得する。電流値決定部７５は、取得した目標温度及び吸熱面５４の温度に基づき、ペルチェ素子５に供給する電流値を決定する。

【0038】

制御部７の処理についての詳細は後述する。

【0039】

ヒートシンク１１は、図示しないフィンを含み、放熱部５３から放出された熱を当該フィンに伝導する。当該フィンに伝導した熱により当該フィン周辺の暖まった空気は、ファン１３の生成した空気の流れによって大気中に排出される。

【0040】

［制御部の処理］
制御部７の処理について図２を参照して説明する。図２に制御部７が実行する温度制御処理のフローチャートを示す。

【0041】

制御部７は、レーザ光源装置１の動作指示がなされると、図２の温度制御処理を開始する。制御部７は、レーザ光源装置１の停止指示がなされるまで、温度制御処理を繰り返す。

【0042】

温度制御処理が開始すると、制御部７の目標温度決定部７３は、環境温度測定部８から環境温度を取得する（Ｓ１００）。続いて、制御部７の目標温度決定部７３は、Ｓ１００で取得した環境温度に対応する目標温度を記憶部７１から取得する（Ｓ１０３）。続いて、制御部７の電流値決定部７５は、制御対象温度測定部６から、吸熱面５４の温度を取得する（Ｓ１０５）。続いて、制御部７の電流値決定部７５は、Ｓ１０５で取得した吸熱面５４の温度が、Ｓ１０３で取得した目標温度以上であるかを判断する（Ｓ１０７）。吸熱面５４の温度が、目標温度以上である場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、制御部７の電流値決定部７５は、吸熱面５４の温度が目標温度まで低下するよう、ペルチェ素子５に供給する電流値を決定する（Ｓ１０９）。具体的には、吸熱面５４の温度とＳ１０３で取得した目標温度との差が大きいほど、ペルチェ素子５に供給する電流値を大きくする。そして、制御部７の電流値決定部７５は、Ｓ１０９で決定された電流値の電流をペルチェ素子５に供給し（Ｓ１１１）、Ｓ１００の処理に戻る。一方、吸熱面５４の温度が、目標温度未満である場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、Ｓ１００の処理に戻る。即ち、制御部７の電流値決定部７５は、ペルチェ素子５に電流を供給しない。

【0043】

このように、制御部７は、吸熱面５４の温度が目標温度以上である場合、ペルチェ素子５に冷却動作を実行させるが（Ｓ１０７でＹＥＳ）、吸熱面５４の温度が目標温度未満である場合、ペルチェ素子５に冷却動作を実行させない（Ｓ１０７でＮＯ）。

【0044】

［実験結果及び分析］
本発明者は、本実施形態のレーザ光源装置１を異なる環境温度の下で動作させ、半導体レーザ素子３１及び吸熱面５４の温度を測定する実験を行った。図３に実験結果を示す。なお、上記のように、本実施形態では一例として、環境温度が１０〜４０℃であるとき、半導体レーザ素子３１の温度が２５℃以下となることが要求された場合を想定している。そのため、本発明者は、環境温度が１０〜４０℃である場合について上記の実験を行った。

【0045】

図３では、半導体レーザ素子３１の温度を実線で示し、吸熱面５４の温度を一点鎖線で示している。図３に示されるように、環境温度が１０℃である場合、吸熱面５４の温度は２１．１℃であった。また、環境温度が１１℃である場合、吸熱面５４の温度は２２．２℃であり、環境温度が１２℃である場合、吸熱面５４の温度は２３．１℃であった。環境温度が１３℃以上である場合、吸熱面５４の温度は２４．０℃付近で安定した。即ち、１０〜４０℃のいずれの環境温度においても、吸熱面５４の温度は、図１（ｂ）に示すデータテーブル７２に設定された目標温度付近で安定した。また、半導体レーザ素子３１の温度は、いずれの環境温度においても、２５℃以下で安定した。

【0046】

上記のように、本実施形態のレーザ光源装置１によれば、環境温度が１０〜４０℃である場合に、半導体レーザ素子３１の温度を２５℃以下に保つことができた。これは、１０〜４０℃の各環境温度の下でレーザ光源装置１を動作させた場合、ペルチェ素子５が冷却動作を実行したためである。一例として、環境温度が１２℃である場合について説明する。

【0047】

環境温度が１２℃である場合、吸熱面５４の目標温度は、図１（ｂ）のデータテーブル７２に示されるように２３．１℃に設定されている。レーザ光源装置１を１２℃の環境温度の下で動作させた場合、吸熱面５４の温度は２３．１℃まで達する。即ち、吸熱面５４の温度が目標温度まで達するため、制御部７が、ペルチェ素子５を動作させる。より具体的には、図２のＳ１０７でＹＥＳと判断され、Ｓ１１１でペルチェ素子５に電流が供給されることで、ペルチェ素子５が冷却動作を実行する。他の環境温度についても同様に、吸熱面５４の温度が各環境温度に対し設定された目標温度まで達する結果、ペルチェ素子５が冷却動作を実行する。

【0048】

仮に、吸熱面５４の目標温度を環境温度に依らずに常に一定の温度（例えば、２４℃）に設定したとする。以下、このように構成したレーザ光源装置を参考例のレーザ光源装置と呼ぶ。本発明者は、参考例のレーザ光源装置では、環境温度によって、半導体レーザ素子の温度が要求温度を上回る場合があることを確認した。以下、参考例のレーザ光源装置について説明する。

【0049】

（参考例）
［構成］
図４に参考例のレーザ光源装置１００を示す。参考例のレーザ光源装置１００は、実施形態のレーザ光源装置１と、環境温度測定部８を備えない点、及び、制御部７に代わり制御部９を備える点で異なり、他の構成は同様である。そのため、以下、制御部９について説明する。

【0050】

なお、参考例のレーザ光源装置１００では、実施形態のレーザ光源装置１と同様に、一例として、１０〜４０℃の環境温度の下でレーザ光源装置１００を動作させたとき、半導体レーザ素子３１の温度が２５℃以下で安定することが要求された場合を想定している。また、参考例のレーザ光源装置１００では、一例として、吸熱面５４の目標温度が、環境温度に依らず常に２４℃に設定されている。

【0051】

なお、吸熱面５４の目標温度（即ち、２４℃）は、半導体レーザ素子３１の温度が２５℃で安定するような目標温度を見つけ出すことにより決定される。即ち、レーザ光源装置１００を動作させた場合に、目標温度を適宜変更していく。そして、半導体レーザ素子３１の温度が２５℃となった目標温度を見つけ出す。レーザ光源装置１００の場合、目標温度を２４℃に設定したとき、半導体レーザ素子３１の温度が２５℃に保たれたため、目標温度を２４℃に設定した。

【0052】

制御部９は、電流値決定部９１を含む。電流値決定部９１は、制御対象温度測定部６から吸熱面５４の温度を取得する。電流値決定部９１は、一定の目標温度（即ち、２４℃）と、取得した吸熱面５４の温度に基づき、ペルチェ素子５に供給する電流値を決定する。

【0053】

［制御部の処理］
制御部９の処理について図５を参照して説明する。図５に制御部９の電流値決定部９１が実行する温度制御処理のフローチャートを示す。

【0054】

電流値決定部９１は、レーザ光源装置１００の動作指示がなされると、図５の温度制御処理を開始する。電流値決定部９１は、レーザ光源装置１００の停止指示がなされるまで、温度制御処理を繰り返す。

【0055】

電流値決定部９１は、温度制御処理を開始すると、制御対象温度測定部６から、測定された吸熱面５４の温度を取得する（Ｓ２００）。続いて、電流値決定部９１は、Ｓ２００で取得した吸熱面５４の温度が、一定の目標温度（即ち、２４℃）以上であるか判断する（Ｓ２０３）。吸熱面５４の温度が、一定の目標温度以上である場合（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、電流値決定部９１は、ペルチェ素子５に供給する電流値を決定する（Ｓ２０５）。具体的には、吸熱面５４の温度と一定の目標温度との差が大きいほど、ペルチェ素子５に供給する電流値を大きくする。続いて、電流値決定部９１は、Ｓ２０５で決定された電流値の電流をペルチェ素子５に供給し（Ｓ２０７）、Ｓ２００の処理に戻る。吸熱面５４の温度が、一定の目標温度未満である場合（Ｓ２０３：ＮＯ）、Ｓ２００の処理に戻る。即ち、電流値決定部９１は、ペルチェ素子５に電流を供給しない。

【0056】

［実験結果及び分析］
上記のように、本発明者は、参考例のレーザ光源装置１００では、環境温度によって半導体レーザ素子３１の温度が２５℃を上回る場合があることを確認した。図６に、参考例のレーザ光源装置１００を１０〜４０℃の異なる環境温度の下で動作させた場合における、半導体レーザ素子３１及び吸熱面５４の温度の測定結果を示す。

【0057】

図６では、半導体レーザ素子３１の温度を実線で示し、吸熱面５４の温度を一点鎖線で示している。図６に示されるように、１０〜４０℃のいずれの環境温度においても、吸熱面５４の温度は、一定の目標温度（即ち、２４℃）以下の範囲で安定した。しかし、半導体レーザ素子３１の温度を実際に測定してみると、環境温度が１０℃及び１３〜４０℃である場合には、半導体レーザ素子３１の温度が要求温度の２５℃以下に保たれるものの、環境温度が１１℃や１２℃である場合には、半導体レーザ素子３１の温度が要求温度の２５℃を上回ってしまうことが分かった。このように半導体レーザ素子３１の温度が要求温度を上回った理由について、環境温度が１１℃である場合を例に説明する。

【0058】

環境温度が１１℃である場合、吸熱面５４の温度は２２．２℃まで達する。しかし、参考例のレーザ光源装置１００では、吸熱面５４の目標温度は、常に一定の温度、即ち２４℃に設定されている。そのため、図５の温度制御処理において、制御部９の電流値決定部９１は、吸熱面５４の温度が目標温度以上でないと判断し（Ｓ２０３でＮＯ）、ペルチェ素子５に電流を供給しない。即ち、環境温度が１１℃である場合、吸熱面５４の温度は既に目標温度を下回っており、その結果、ペルチェ素子５は冷却動作を実行しない。そのため、環境温度が１１℃である場合、図６に示されるように、吸熱面５４の温度は目標温度以下に保たれるものの、半導体レーザ素子３１の温度は要求温度の２５℃を上回る。

【0059】

これに対し、環境温度が１３℃以上である場合、吸熱面５４の温度が２４℃まで達する。そのため、吸熱面５４の温度は目標温度以上となり、ペルチェ素子５が冷却動作を実行する。その結果、半導体レーザ素子３１の温度が要求温度の２５℃付近で安定する。なお、上記のように、１３℃が「特定の温度」に対応する。「特定の温度」とは、図６に示すように、吸熱面５４の温度が一定の目標温度（即ち、２４℃）に達する環境温度のうち、最小の環境温度である。

【0060】

（実施形態における目標温度の設定）
続いて、本実施形態のレーザ光源装置１において、環境温度に応じて設定される目標温度について具体的に説明する。以下では、一例として、半導体レーザ素子３１の要求温度が２５℃であり、環境温度が１０〜４０℃の範囲で変化する場合について説明する。

【0061】

参考例のレーザ光源装置１００によれば、図６に示すように、環境温度が１３℃以上と比較的高温である場合、半導体レーザ素子３１の温度が２５℃付近に保たれる。即ち、環境温度が１３℃以上であれば、目標温度を一定の温度（即ち、２４℃）に設定しても、半導体レーザ素子３１の温度が要求温度以下（即ち、２５℃以下）となる。従って、本実施形態のレーザ光源装置１において、環境温度が１３℃以上の場合には、参考例のレーザ光源装置１００と同じ目標温度（即ち、２４℃）を設定する（図１（ｂ）のデータテーブル７２参照）。

【0062】

一方、参考例のレーザ光源装置１００によれば、図６に示すように、環境温度が１１℃や１２℃と比較的低温である場合、目標温度を一定の温度（即ち、２４℃）に設定すると、吸熱面５４の温度が当該目標温度を下回る。そのため、ペルチェ素子５が冷却動作を実行しなくなり、半導体レーザ素子３１の温度が要求温度の２５℃を上回る。

【0063】

従って、本実施形態のレーザ光源装置１では、環境温度が１１℃や１２℃と比較的低温である場合、ペルチェ素子５が冷却動作を実行できるよう、目標温度を２４℃よりも低く設定する必要がある。より具体的には、目標温度を吸熱面５４の温度以下に設定する必要がある。目標温度が吸熱面５４の温度以下であれば、吸熱面５４の温度は目標温度以上となり、ペルチェ素子５が冷却動作を実行可能となるためである（図２のＳ１０７でＹＥＳ）。

【0064】

図６に示すように、環境温度が１１℃である場合、吸熱面５４の温度は２２．２℃であり、環境温度が１２℃である場合、吸熱面５４の温度は２３．１℃である。従って、環境温度が１１℃である場合、目標温度を２２．２℃以下に設定し、環境温度が１２℃である場合、目標温度を２３．１℃以下に設定すれば、吸熱面５４の温度が目標温度以上となる結果、ペルチェ素子５が冷却動作を実行することができる。

【0065】

本実施形態のレーザ光源装置１では、環境温度が１１℃及び１２℃である場合、目標温度を、吸熱面５４の温度に設定した。即ち、環境温度が１１℃である場合、目標温度を２２．２℃に設定し、環境温度が１２℃である場合、目標温度を２３．１℃に設定した（図１（ｂ）のデータテーブル７２参照）。なお、上記のように、環境温度が１１℃及び１２℃である場合、目標温度を吸熱面５４の温度以下となるように設定しても構わない。

【0066】

（実施形態による作用効果）
以上説明したように、本実施形態のレーザ光源装置１によれば、目標温度が吸熱面５４の温度以下となるように予め調整されている。そのため、環境温度が比較的低い場合でも、ペルチェ素子５が冷却動作を実行可能となる結果、半導体レーザ素子３１の温度が２５℃を上回ることを抑制可能となり、半導体レーザ素子３１の短寿命化を抑制できる。

【0067】

ここで、環境温度が変化した場合でも常にペルチェ素子５に冷却動作を実行させるため、目標温度を、限りなく低い温度（例えば、２２℃）で維持することが可能とも思われる。しかし、このように目標温度を限りなく低い温度に保つと、半導体レーザ素子３１の温度は要求温度よりも低い温度で安定することとなる。その結果、ペルチェ素子５の駆動力を高める必要が生じ、ペルチェ素子５の消費電力が増大してしまう。これに対し、本実施形態のレーザ光源装置１によれば、環境温度が例えば１１℃や１２℃である場合、目標温度は、ペルチェ素子５が冷却動作を実行可能となる最大の温度に設定される。そのため、ペルチェ素子５の消費電力が増大することを抑制できる。

【0068】

また、一般的に、ペルチェ素子は、供給する電流の極性を変更することで、冷却動作及び加熱動作を切り替えることができる。そのため、参考例のレーザ光源装置１００において、吸熱面５４の温度が一定の目標温度（即ち、２４℃）を下回った場合、ペルチェ素子５に加熱動作を実行させることで、吸熱面５４の温度を目標温度まで上昇させることが可能とも思われる。しかし、参考例のレーザ光源装置１００及び本実施形態のレーザ光源装置１において、ペルチェ素子５は冷却動作を実行できるものの、加熱動作を実行することができない。ペルチェ素子５の駆動回路を、電流の極性が変更可能となるよう設計した場合、当該駆動回路は複雑な構成となる。そのため、参考例のレーザ光源装置１００及び本実施形態のレーザ光源装置１では、ペルチェ素子５に流れる電流が一方向となるよう設計しているためである。以上のように、本実施形態のレーザ光源装置１によれば、ペルチェ素子５の駆動回路を複雑にすることなく、半導体レーザ素子３１の温度が要求温度を上回ることを抑制できる。

【0069】

さらに、本実施形態のレーザ光源装置１によれば、ペルチェ素子５の吸熱面５４の温度が測定され、当該吸熱面５４の温度が制御対象とされる。発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、半導体レーザ素子３１からペルチェ素子５までの伝熱経路には伝熱部３３が存在する。そして、当該伝熱部３３の影響により、半導体レーザ素子３１の温度が一定の要求温度を上回るという事象が生じていた。これに対し、制御部７は、半導体レーザ素子３１の温度ではなく吸熱面５４の温度を制御対象とする。即ち、制御部７は、半導体レーザ素子３１に比べ、ペルチェ素子５により近い場所における温度を制御対象とする。これにより、伝熱部３３による影響を抑制することができる。即ち、半導体レーザ素子３１の温度とペルチェ素子５の温度との差による影響を抑制することができる。これにより、制御部７は、半導体レーザ素子３１の温度を計測する場合に比べ、精度の高い温度制御が可能となる結果、半導体レーザ素子３１の温度が要求温度を上回ることを抑制することができる。

【0070】

特に、制御部７は、ペルチェ素子５の吸熱部５１における温度を制御対象とする。上記のように、ペルチェ素子５に流れる電流の電流値が大きくなるほど、吸熱部５１が吸収する熱量も増加する。そのため、制御部７は、吸熱部５１の温度に応じて、ペルチェ素子５に供給する電流値を制御することができる。

【0071】

（別実施形態）
なお、レーザ光源装置は、上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の別実施形態に係る構成を任意に選択して、上記の実施形態に係る構成に採用してもよいことは勿論である。

【0072】

〈１〉本実施形態では、図１（ｂ）のデータテーブル７２に示すように、環境温度が１０〜１３℃である場合、環境温度が高くなるほど高い目標温度が設定されるが、これに限らない。例えば、図７に示すデータテーブル９６のように、環境温度が１３℃未満である場合、目標温度を、環境温度が１０℃の場合における目標温度（即ち、２１．１℃）に設定しても構わない。なお、上記のように、本実施形態は当該別実施形態に比べ、ペルチェ素子５の消費電力を小さくすることができるという利点がある。

【0073】

〈２〉本実施形態では、図１（ｂ）のデータテーブル７２に示すように、環境温度が１３℃以上である場合、環境温度が一定の目標温度が設定されるが、これに限らない。例えば環境温度ごとに異なる目標温度を設定するように構成しても構わない。この場合、環境温度が高くなるほど目標温度が２４℃に近付くように設定しても構わない。なお、本実施形態のレーザ光源装置１によれば、例えば環境温度が１３〜４０℃である場合に半導体レーザ素子３１の温度を一定の温度、即ち２５℃に保つことができる。そのため、半導体レーザ素子３１から出射されるレーザ光の光出力等の特性を一定にすることができるという利点がある。

【0074】

〈３〉本実施形態では、図１（ａ）に示すように、制御対象温度測定部６は、ペルチェ素子５の吸熱部５１における吸熱面５４の温度を測定したが、伝熱部３３の温度を測定しても構わないし、光源部３とペルチェ素子５の間に金属板を設け、当該金属板の温度を測定しても構わない。この場合、金属板が「伝熱部」に対応する。より一般的には、制御対象温度測定部６は、半導体レーザ素子３１に比べ、吸熱部５１に近い場所における温度であって、半導体レーザ素子３１の温度と連動して変化する温度を測定するように構成しても構わない。

【符号の説明】

【0075】

１ ： レーザ光源装置
３ ： 光源部
３１ ： 半導体レーザ素子
３３ ： 伝熱部
５ ： ペルチェ素子
５１ ： 吸熱部
５３ ： 放熱部
５４ ： 吸熱面
６ ： 制御対象温度測定部
７ ： 制御部
７１ ： 記憶部
７２ ： データテーブル
７３ ： 目標温度決定部
７５ ： 電流値決定部
８ ： 環境温度測定部
９ ： 参考例の制御部
９１ ： 参考例の電流値決定部
９６ ： 別実施形態のデータテーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】