特許 6164163 半導体レーザ装置

(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】6164163

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】半導体レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20060101AFI20170710BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/022

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-122144(P2014-122144)

(22)【出願日】2014年6月13日

(65)【公開番号】特開2016-4800(P2016-4800A)

(43)【公開日】2016年1月12日

【審査請求日】2016年10月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(72)【発明者】

【氏名】西 亮祐

【審査官】 吉野 三寛

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００３／１００４４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１０２０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−３４２３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０３０５９４６（ＵＳ，Ａ１）

(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】

レーザ光を出力する複数のレーザダイオードと、
前記複数のレーザダイオードの各々のレーザダイオードのレーザ光を透過及び反射させるものであって、前記複数のレーザダイオードを分割した複数の第１グループに対応して設けられた複数の第１透過反射部、各々の第１グループの中から互いに異なる１つのレーザダイオードを抽出してグループ化した複数の第２グループに対応して設けられた複数の第２透過反射部と、
前記複数の第１透過反射部及び前記複数の第２透過反射部の各々の透過反射部で反射されたレーザ光を検出するものであって、第２グループ毎に各々の第１透過反射部で反射された全てのレーザダイオードのレーザ光を検出する複数の第１レーザ検出部、第１グループ毎に各々の第２透過反射部で反射された全てのレーザダイオードのレーザ光を検出する複数の第２レーザ検出部と、
前記複数の第１透過反射部及び前記複数の第２透過反射部の各々の透過反射部で透過されたレーザ光を合成する光結合部と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。

【請求項2】

前記複数の第１レーザ検出部及び前記複数の第２レーザ検出部は、検出出力に基づき前記レーザダイオードの故障の判定又は絞込みを行うことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。

【請求項3】

前記複数のレーザダイオードは、行列状に配置され、前記複数の第１透過反射部及び前記複数の第１レーザ検出部は、行状に配置され、前記複数の第２透過反射部及び前記複数の第２レーザ検出部は、列状に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザ装置。

【請求項4】

前記複数のレーザダイオードは、１つ以上の円周上に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザ装置。

【請求項5】

前記複数の第１透過反射部及び前記複数の第２透過反射部の各々の透過反射部は、互いに異なる反射率を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。

【請求項6】

前記複数の第１透過反射部及び前記複数の第２透過反射部の各々の透過反射部は、ビームスプリッタ、ミラー、レンズ、光ファイバ、回折格子、偏光子のいずれか１つからなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、レーザ加工の分野を始めとして、レーザの高出力化が望まれている。扱いが容易で高効率な半導体レーザを用いた高出力レーザ光源としては、複数のレーザダイオード（ＬＤ）の光を多重化する方法が知られている（特許文献１、特許文献２）。この方法では、レーザダイオードを増やすことで、容易に高出力化が可能となる。

【0003】

一方、レーザ装置は、多数のレーザダイオードを備えるため、一部のレーザダイオードが故障した場合、そのレーザダイオードを特定することが困難であった。レーザダイオードの突発的な故障は回避が困難であり、レーザダイオードの故障は、レーザ光の出力低下原因となる。出力が低下した場合には、意図した性能が発揮されないため、レーザダイオードを交換する必要がある。この場合、故障したレーザダイオードを特定する必要がある。

【0004】

この問題を解決する方法として、各レーザダイオードに対してフォトダイオードＰＤを１つずつ設置して、各々の出力を検出する方法が知られている。

【0005】

しかしながら、この方法では、複数のレーザダイオードに対してフォトダイオードを配置しなければならないため、レーザ装置が高コスト化してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１１−２３８７８号公報

【特許文献2】特開２０１３−０４８１５９号公報

【特許文献3】特開２００１−３５２１２２号公報

【特許文献4】特開２００４−２１４２２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

レーザ装置の出力低下原因の一つに、突発的なレーザダイオードの故障がある。この場合には、レーザダイオードの故障を特定するためにレーザ装置の大がかりな分解と検査が必要になる。

【0008】

また、装置内部のレーザダイオードを修理・交換するためには、事前に故障したレーザダイオードの位置や数を特定する必要がある。多数のレーザダイオードを２次元に配置する場合には特に難しい作業になる。

【0009】

また、特許文献４では、レーザダイオードを同時に検査するために、レーザダイオードと同数のフォトダイオードを用いているため、レーザ装置が大型化及び高コスト化してしまう。

【0010】

本発明の課題は、少数のフォトダイオードで効率良くレーザダイオードの故障を検知することができる半導体レーザ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る半導体レーザ装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を出力する複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザダイオードの各々のレーザダイオードのレーザ光を透過及び反射させるものであって、前記複数のレーザダイオードを分割した複数の第１グループに対応して設けられた複数の第１透過反射部、各々の第１グループの中から互いに異なる１つのレーザダイオードを抽出してグループ化した複数の第２グループに対応して設けられた複数の第２透過反射部と、前記複数の第１透過反射部及び前記複数の第２透過反射部の各々の透過反射部で反射されたレーザ光を検出するものであって、第２グループ毎に各々の第１透過反射部で反射された全てのレーザダイオードのレーザ光を検出する複数の第１レーザ検出部、第１グループ毎に各々の第２透過反射部で反射された全てのレーザダイオードのレーザ光を検出する複数の第２レーザ検出部と、前記複数の第１透過反射部及び前記複数の第２透過反射部の各々の透過反射部で透過されたレーザ光を合成する光結合部とを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、少数のフォトダイオードで効率良くレーザダイオードの故障を検知することができる半導体レーザ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施例１の半導体レーザ装置の構成図である。

【図2】本発明の実施例１の半導体レーザ装置に設けられた各々のフォトダイオードＰＤにおける検出値を示す図である。

【図3】図２に示す検出値が得られた場合に具体的に予想されるレーザダイオードＬＤの故障個所を示す図である。

【図4】本発明の実施例２の半導体レーザ装置の構成図である。

【図5】本発明の実施例３の半導体レーザ装置をより具体的に説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の半導体レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、レーザ光の出力をフォトダイオードにより検出し、検出したフォトダイオードの出力に基づきレーザダイオードの故障や不具合を検知する。また、本発明は、各レーザダイオードに対して、フォトダイオードを一つずつ配置する方法ではなく、各レーザ光（各レーザダイオード）を光学系によりグループ化し、フォトダイオードで検出する方法を採用する。レーザ光（各レーザダイオード）をいくつかのグループに重複してグループ化し、出力を検出することにより、故障したレーザダイオードの特定又は絞込みを行う。以下、具体的な実施例を説明する。

【実施例1】

【0015】

図１は、本発明の実施例１の半導体レーザ装置の構成図である。図１（ａ）は半導体レーザ装置の正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ´断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示すＢ−Ｂ´断面図である。

【0016】

半導体レーザ装置は、複数のレーザダイオードＬＤと、光結合素子１０とを備えている。複数のレーザダイオードＬＤは、Ｍ行Ｎ列に配置されたＭ×Ｎ個のレーザダイオードからなり、各々のレーザダイオードがレーザ光を出力する。図１に示す複数のレーザダイオードＬＤは、例えば、３行４列に配置されている。光結合素子１０は、本発明の光合成部に対応し、複数のレーザダイオードＬＤから放出されたレーザ光を合成して高出力レーザ光を得る。

【0017】

半導体レーザ装置は、レーザダイオード故障検知機構を有し、３行４列に配置された３×４個のレーザダイオードＬＤの出力をそれぞれ検出する。レーザダイオード故障検知機構は、４個のビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4と、３個のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3と、３個のフォトダイオードＰＤH1〜ＰＤH3、４個のフォトダイオードＰＤV1〜ＰＤV4を備えている。ビームスプリッタは、本来の目的である高出力化に影響を及ぼさない反射率・光量ロスのものを使用する。

【0018】

４個のビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4は、３行４列に配置されたレーザダイオードＬＤを４列のグループ（本発明の複数の第１グループに対応）に分割して４列のグループに対応して設けられた４個の第１透過反射部に対応する。

【0019】

４個のビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4は、図１（ｂ）に示すように、複数のレーザタイオードＬＤと光結合素子１０との間で且つ複数のレーザタイオードＬＤからのレーザ光に対して略４５度に配置されるとともに略３行分のレーザタイオードＬＤの長さを有する。

【0020】

各々のビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4は、複数のレーザタイオードＬＤからのレーザ光を透過反射し、透過されたレーザ光を光結合素子１０に出力し、反射されたレーザ光をフォトダイオードＰＤH1〜ＰＤH3に出力する。

【0021】

フォトダイオードＰＤH1〜ＰＤH3は、各々の行毎に各々のビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4で反射された全てのレーザダイオードのレーザ光を検出する３個の第１レーザ検出部に対応する。

【0022】

フォトダイオードＰＤH1は、１行目のレーザタイオードＬＤのレーザ光が４個のビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4で反射されたレーザ光を検出する。フォトダイオードＰＤH2は、２行目のレーザタイオードＬＤのレーザ光が４個のビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4で反射されたレーザ光を検出する。フォトダイオードＰＤH3は、３行目のレーザタイオードＬＤのレーザ光が４個のビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4で反射されたレーザ光を検出する。

【0023】

即ち、１行分の４個のレーザ光をビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4で反射させて、一つの光軸上に集め、その光を一つのフォトダイオードでまとめて観察する。即ち、３行分のレーザ光を３個のフォトダイオードＰＤH1〜ＰＤH3で観測することにより、出力の低いレーザ光の“行”を検知する。

【0024】

また、３個のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3は、４列のグループの中から互いに異なる１つのレーザダイオードを抽出してグループ化した３行のグループ（本発明の複数の第２グループに対応）に対応して設けられた３個の第２透過反射部に対応する。

【0025】

３個のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3は、図１（ｃ）に示すように、複数のレーザタイオードＬＤと光結合素子１０との間で且つ複数のレーザタイオードＬＤからのレーザ光に対して略４５度に配置されるとともに４列分のレーザタイオードＬＤの長さを有する。

【0026】

各々のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3は、複数のレーザタイオードＬＤからのレーザ光を透過反射し、透過されたレーザ光を光結合素子１０に出力し、反射されたレーザ光をフォトダイオードＰＤV1〜ＰＤV4に出力する。

【0027】

フォトダイオードＰＤV1〜ＰＤV4は、各々の列毎に各々のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3で反射された全てのレーザダイオードのレーザ光を検出する４個の第２レーザ検出部に対応する。

【0028】

フォトダイオードＰＤV1は、１列目のレーザタイオードＬＤのレーザ光が３個のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3で反射されたレーザ光を検出する。フォトダイオードＰＤV2は、２列目のレーザタイオードＬＤのレーザ光が３個のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3で反射されたレーザ光を検出する。フォトダイオードＰＤV3は、３列目のレーザタイオードＬＤのレーザ光が３個のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3で反射されたレーザ光を検出する。フォトダイオードＰＤV4は、４列目のレーザタイオードＬＤのレーザ光が３個のビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3で反射されたレーザ光を検出する。

【0029】

即ち、１列分の３個のレーザ光をビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3で反射させて、一つの光軸上に集め、その光を一つのフォトダイオードでまとめて観察する。即ち、４列分のレーザ光を４個のフォトダイオードＰＤV1〜ＰＤV4で観測することにより、出力の低いレーザ光の“列”を検知する。

【0030】

ここで、便宜的に、行方向のフォトダイオードをそれぞれ正面から見て左上から、ＰＤH1、ＰＤH2、…，ＰＤHm,…ＰＤHMと名付け（ｍ＝１，２，…Ｍ）、列方向のフォトダイオードをそれぞれ正面から見て左上から、ＰＤV1、ＰＤV
2、…，ＰＤVn,…ＰＤVNと名付け（ｎ＝１，２，…Ｎ）、正面から見てｍ行ｎ列のレーザダイオードをＬＤｍｎと名付ける。

【0031】

このとき、一箇所のレーザダイオードが故障していた場合には、各フォトダイオードにおいてそれぞれフォトダイオードＰＤHiとフォトダイオードＰＤVjの出力が小さく検出される。このため、レーザダイオードＬＤijが故障していると判断する。

【0032】

但し、複数のレーザダイオードＬＤが故障していた場合には、上記の方法で故障個所を特定できる場合と、故障個所を特定はできないが、故障個所が絞り込める場合とに分けることができる。

【0033】

複数のレーザダイオードＬＤが故障しており、特定はできないが、故障個所が絞り込める場合について説明する。一例として、図１に示すフォトダイオード群において、図２に示すような出力が得られた場合を考える。なお、図２に示す例では、フォトダイオードＰＤに入力されるレーザダイオードＬＤ一つ当たりの出力をｐ（ｍＷ）としている。

【0034】

図３において、レーザダイオードＬＤに一つも不具合がない場合には、ＰＤHmは４ｐ（ｍＷ）、ＰＤVnは３ｐ（ｍＷ）の出力が得られる。この値を基準値とすると、図２では、ＰＤH1とＰＤH2において基準値よりも１ｐ（ｍＷ）低い出力が得られているため、１行目と２行目とのレーザダイオードＬＤにそれぞれ一つずつレーザダイオードＬＤに故障が発生していると考えられる。

【0035】

また、同様に、ＰＤV1とＰＤV3において基準値よりも１ｐ（ｍＷ）低い出力が得られているため、１列目と３列目とのレーザダイオードＬＤにそれぞれ一つずつレーザダイオードＬＤに故障が発生していると考えられる。これにより、レーザダイオードＬＤの故障は、２箇所と判明し、レーザダイオードＬＤの故障個所は図３（ａ）（ｂ）に示すような２通りの組み合わせが考えられる。従って、故障したレーザダイオードＬＤの数と、その故障個所が絞り込めるため、複数のレーザダイオードＬＤの分解検査、修理作業が容易になる。

【0036】

このように実施例１に係る半導体レーザ装置によれば、行と列とに分けた出力の検出によって、レーザ装置を分解することなくレーザダイオードＬＤの故障又は劣化したレーザダイオードの特定又は絞込みを行うことができるため、複数のレーザダイオードＬＤの分解検査、修理作業が容易になる。

【0037】

また、故障検知に必要なフォトダイオードセンサーの数がレーザ装置に組み込まれるレーザダイオードＬＤの数よりも少なくて済むため、低コスト化が期待できる。従来では、フォトダイオードＰＤを用いて故障検知を行うためにレーザダイオードＬＤの数だけフォトダイオードＰＤが必要であったが、実施例１では、レーザ光をグループ化し纏めて検出するため、必要なフォトダイオードＰＤ数はグループの個数となる。このため、故障検知用のフォトダイオードＰＤの大幅な削減が可能となる。

【実施例2】

【0038】

図４は、本発明の実施例２の半導体レーザ装置の構成図である。図４に示す実施例２の半導体レーザ装置は、複数のレーザダイオードＬＤが円周上に配置されていることを特徴とする。

【0039】

この例では、６個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が円周上に配置されている。６個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６を３個ずつのレーザダイオードＬＤ１,ＬＤ５，ＬＤ６と、レーザダイオードＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４の２つのグループに分ける（本発明の第１のグループに対応）。

【0040】

フォトダイオードＰＤA1は、レーザダイオードＬＤ１,ＬＤ５，ＬＤ６のレーザ光を検出する。フォトダイオードＰＤA2は、レーザダイオードＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４のレーザ光を検出する。

【0041】

また、２つのグループの中から互いに異なる１つのレーザダイオードＬＤを抽出してグループ化して６個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６を２個ずつレーザダイオードＬＤ２，ＬＤ５と、レーザダイオードＬＤ６，ＬＤ３と、レーザダイオードＬＤ１，ＬＤ４との３つのグループ（本発明の第２のグループに対応）に分ける。

【0042】

フォトダイオードＰＤB1は、レーザダイオードＬＤ５とレーザダイオードＬＤ２とを結ぶ直線上に配置され、レーザダイオードＬＤ５のレーザ光とレーザダイオードＬＤ２のレーザ光とを検知する。フォトダイオードＰＤB2は、レーザダイオードＬＤ６とレーザダイオードＬＤ３とを結ぶ直線上に配置され、レーザダイオードＬＤ６のレーザ光とレーザダイオードＬＤ３のレーザ光とを検出する。フォトダイオードＰＤB3は、レーザダイオードＬＤ１とレーザダイオードＬＤ４とを結ぶ直線上に配置され、レーザダイオードＬＤ１のレーザ光とレーザダイオードＬＤ４のレーザ光とを検出する。

【0043】

以上の構成によれば、フォトダイオードＰＤA1，ＰＤA2，フォトダイオードＰＤB1〜ＰＤB3の検出出力に基づき、故障したレーザダイオードＬＤが１個の場合には、そのレーザダイオードＬＤを特定できる。また、故障したレーザダイオードＬＤが２個以上の場合には、そのレーザダイオードＬＤを特定又は絞込みできる。

【実施例3】

【0044】

実施例３の半導体レーザ装置は、実施例１の半導体レーザ装置に対して、各ビームスプリッタの反射率を変化させることで、各レーザ光に重み付けを行い、故障個所を判別し易くしたことを特徴とする。

【0045】

実施例３の半導体レーザ装置の構成は、図1に示す実施例１の半導体レーザ装置と略同じであり、図１に示すビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4，ＢＳV1〜ＢＳV3の反射率を変化させている。

【0046】

例えば、図３の場合において、ビームスプリッタＢＳH1のフォトダイオードＰＤへの反射出力がｐ（ｍＷ）のとき、ビームスプリッタＢＳH2〜ＢＳH4の反射出力をそれぞれ２ｐ，３ｐ，４ｐ（ｍＷ）となるように反射率を設定する。

【0047】

同様に、ビームスプリッタＢＳV1のフォトダイオードＰＤへの反射出力がｐ（ｍＷ）のとき、ビームスプリッタＢＳV2,ＢＳV3の反射出力をそれぞれ２ｐ，３ｐ（ｍＷ）となるように反射率を設定する。このとき、図３（ａ）において、レーザダイオードＬＤ11，ＬＤ23が故障していた場合の各フォトダイオードＰＤの想定出力を図５（ａ）（ｂ）に示す。

【0048】

図５（ａ）は、ビームスプリッタＢＳH1〜ＢＳH4に重み付けを行った際のフォトダイオードＰＤHの検出値を示す。図５（ｂ）は、ビームスプリッタＢＳV1〜ＢＳV3に重み付けを行った際のフォトダイオードＰＤVの検出値を示す。

【0049】

反射率の重み付けを行ったため、レーザダイオードＬＤに一つも不具合がない場合には、フォトダイオードＰＤHmでは１０ｐ（ｍＷ）、フォトダイオードＰＤVnでは６ｐ（ｍＷ）の出力が得られる。この値を基準値とすると、図５（ａ）では、フォトダイオードＰＤH1において基準値よりも１p（ｍＷ）低い出力が得られる。このため、１行目の１列目のレーザダイオードＬＤ11に故障が発生していると考えられる。一つのフォトダイオードＰＤで故障個所を特定できる。

【0050】

また、同様に、図５（ａ）では、フォトダイオードＰＤH2において、基準値よりも３ｐ（ｍＷ）低い出力が得られている。このため、２行目の１列目・２列目の２箇所又は２行目の３列目の１箇所にレーザダイオードＬＤの故障が発生していると考えられる。

【0051】

これだけでは、２行目のレーザダイオードＬＤ故障個所は特定できないため、図５（ｂ）に示すフォトダイオードＰＤVn群の検出値を確認すると、フォトダイオードＰＤV3において基準値より２ｐ（ｍＷ）低い出力が得られている。このため、２行目３列目のレーザダイオードＬＤ23に故障が発生していると特定できる。以上のことから、レーザダイオードＬＤの故障は２箇所であり、故障したレーザダイオードＬＤは、レーザダイオードＬＤ11とレーザダイオードＬＤ23であると特定できる。

【0052】

このように実施例３の半導体レーザ装置によれば、ビームスプリッタの重み付けを行うことで、故障個所をより精度よく判別し易くなる。

【産業上の利用可能性】

【0053】

本発明に係る半導体レーザ装置は、レーザ加工機、レーザ照明機器、レーザ分析計測機器などに利用可能である。

【符号の説明】

【0054】

１０ 光結合素子
ＬＤ，ＬＤ１〜ＬＤ６ レーザダイオード
ＢＳH1〜ＢＳH4，ＢＳV1〜ＢＳV3 ビームスプリッタ
ＰＤH1〜ＰＤH3，ＰＤV1〜ＰＤV4 フォトダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】