CN102484351A - 光纤激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的光纤激光装置PA部(3)具备：放大用光纤(4)；用于激发放大用光纤(4)的LD(5)；用于吸收从LD(5)产生的热的LD用散热器(6a)；用于控制LD用散热器(6a)的热阻R_th的LD用鼓风机(7a)；热敏电阻(8)；CPU(9)。LD(5)的温度是通过改变LD用散热器(6a)的热阻R_th来控制的，以此使LD(5)的温度接近其激发波长成为放大用光纤(4)的吸收率达到极大的波长时的温度T_peak。

Description

光纤激光装置

技术领域

本发明涉及一种光纤激光装置，尤其涉及一种改善了输出的温度依赖性的光纤激光装置。

背景技术

一直以来，光纤激光装置常被使用在对金属板的文字刻印或金属的微细加工等用途中。光纤激光装置具备芯中添加有稀土类物质的放大用光纤以及发射激发光的激发光源，通过用激发光激发放大用光纤来发射激光。就这种光纤激光装置来说，其与气体激光装置或固体激光装置相比，具有小型、轻量、高效等优点而备受关注，而且，与所述各种激光装置一样，使用多个高输出的半导体激光(LD)作为激发光源。

对于通常的LD来说，随着温度的变化，激发波长或输出光纤度等输出特性也会发生变化。而且，射入放大用光纤中的激发光的吸收系数也会随着温度而变化。因此，具备LD以及放大用光纤的光纤激光装置的输出具有温度依赖性。对此，为了降低LD或光纤激光装置的输出的温度依赖性，提出了如下所述的技术方案(例如，参照专利文献1～3。)

专利文献1中揭示了一种由半导体激光部、光输出稳定化电路以及激发波长控制部所构成的半导体激光装置，在该半导体激光装置中，由半导体激光部检测半导体激光的输出变动和激发波长的变动，之后在光输出稳定化电路中改变半导体激光的偏流，并通过在激发波长控制部中进行温度控制来进行该半导体激光装置的输出的调整和激发波长的调整。而且，在该半导体激光装置中，通过对各个半导体激光设置半导体激光部和光输出稳定化电路和激发波长控制部，可大致稳定半导体激光装置的输出。

专利文献2中揭示了一种光纤放大器，其具备用于输出激发光的激发光源、放大用光纤、用于夹持放大用光纤的2个基板形状的珀耳帖元件以及用于温度控制该珀耳帖元件的温度控制元件。在该光纤放大器中，由于通过珀耳帖元件能对放大用光纤进行温度控制，因而能稳定放大用光纤的增益的波长特性。

专利文献3中揭示了一种在前部具备功率监视器，并反馈控制光纤激光的部分输出的光纤激光装置。在该光纤激光装置中，能减少光纤激光装置的输出特性的偏差。

[现有技术文献]

专利文献1：日本专利公报特开平07-015078号公报(公开日：1995年1月17日)

专利文献2：日本专利公报特开2001-257402号公报(公开日：2001年9月21日)

专利文献3：日本专利公报特开2007-190566号公报(公开日：2007年8月2日)

发明内容

然而，将专利文献1所涉及的结构应用到高输出的半导体激光装置以及用LD激发的光纤激光装置中时，需要搭载多个半导体激光，因而用于稳定各个半导体激光的输出的结构变得复杂。而且，在专利文献1中，为了进行温度控制而使用了珀耳帖元件，但由此会增加能量消耗，会降低装置的输出效率。同样，在专利文献2所揭示的光纤放大器中，作为温度控制单元也使用了珀耳帖元件，因而会降低输出效率。

另外，根据在专利文献3所涉及的结构，可能会出现光纤激光装置的输出效率会因使用环境的不同而极度下降的现象。放大用光纤具有激发光的吸收率因所入射的激发光的波长的不同而改变的性质。而且，作为激发光源的LD的激发波长也具有对温度以及驱动电流的依赖性。因此，LD的激发波长未必能变成放大用光纤的吸收率高的波长，要时常维持高输出效率较为困难。

有鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种不论环境温度如何均能实现稳定的输出且良好的效率的光纤激光装置。

为了达成所述目的，本发明的光纤激光装置具备放大用光纤、用于激发所述放大用光纤的激发光源、用于吸收所述激发光源所产生的热并将其发散到外部的散热器、用于控制所述散热器的热阻R_th的热阻控制单元，将所述激发光源的激发波长变成使所述放大用光纤的吸收率达到极大的波长时的所述激发光源的温度表示为T_peak时，所述热阻控制单元为了使所述激发光源的温度接近T_peak而控制所述散热器的热阻R_th。

另外，为了达成所述目的，本发明的光纤激光装置具备放大用光纤、用于激发所述放大用光纤的多个激发光源、用于吸收所述激发光源所产生的热并将其发散到外部的散热器、用于控制所述散热器的热阻R_th的热阻控制单元，将所述激发光源的激发波长的平均变成使所述放大用光纤的吸收率达到极大的波长时的所述激发光源的温度表示为T_peak时，所述热阻控制单元为了使所述激发光源的温度接近T_peak而控制所述散热器的热阻R_th。

放大用光纤吸收来自激发光源的光，而其吸收率会根据入射光的波长而改变。在激发光源的温度是T_peak时，假设激发光源的激发波长(或其平均)变成放大用光纤的极大的吸收波长，此时若激发光源的温度偏离T_peak，则放大用光纤的入射光的吸收率会减少。对此，如果采用以上所述的构成，则热阻控制单元会进行使激发光源的温度接近T_peak的控制，因此，能够防止激发光的波长偏离放大用光纤的极大的吸收波长而导致的吸收率的降低。

而且，通过用热阻控制单元控制散热器的热阻R_th来调整激发光源中被散热器吸收的热量，以此使激发光源的温度接近T_peak。由于作为激发光源的温度控制单元使用的是散热器，因此能简化装置的结构，而且与作为温度控制单元使用珀耳帖元件的以往的结构相比，能抑制能量损耗。从而能获得输出稳定且效率良好的光纤激光装置。

[发明的效果]

如以上所述，本发明的光纤激光装置具备放大用光纤、用于激发所述放大用光纤的激发光源、用于吸收所述激发光源所产生的热并将其发散到外部的散热器、用于控制所述散热器的热阻R_th的热阻控制单元，将所述激发光源的激发波长变为使所述放大用光纤的吸收率达到极大的波长时的所述激发光源的温度表示为T_peak时，所述热阻控制单元控制所述散热器的热阻R_th使得所述激发光源的温度接近T_peak，由此能获得输出稳定且输出效率良好的光纤激光装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的光纤激光装置的简略结构的模块图。

图2是表示所述光纤激光装置的PA部的结构图。

图3是表示入射至放大用光纤中的光的波长和放大用光纤的吸收率之间的关系的图表。

图4是表示散热器的温度和光纤激光装置的输出之间的关系的图表。

图5是表示本发明的实施例所涉及的光纤结构装置的针对工作环境温度的输出特性的图表。

[附图标记说明]

1…光纤激光装置    4…放大用光纤

5…LD(激发光源)    6a…LD用散热器(散热器)

7a…LD用鼓风机(热阻控制单元、鼓风机)

8…热敏电阻(热阻控制单元、温度检测单元)

9…CPU(热阻控制单元、风量控制单元)

具体实施方式

下面参照图1～图4来说明本发明的一实施方式。

(光纤激光装置的结构)

图1是表示本实施方式所涉及的光纤激光装置1的简略结构的模块图。光纤激光装置1是通过主振荡器和光放大器的组合来进行脉冲振荡的MOPA式光纤激光装置，其具备作为振荡部的MO部2和作为放大部的PA部3。

图2是表示图1中的PA部3的结构图。PA部3具备放大用光纤4、LD(激发光源)5、LD用散热器6a、光纤用散热器6b、LD用鼓风机7a、光纤用鼓风机7b、热敏电阻(thermistor)8、CPU(中央处理器)9。

放大用光纤4的一端形成为来自LD5的激发光和来自MO部2的信号光可入射的结构，放大用光纤4的芯中添加有镱(Yb)或铒(Er)等的稀土类元素。由此，放大用光纤4放大来自MO部2的信号光并将其从另一端发射至被加工物上。本实施方式中，设置了6个LD5，但LD5的个数并不局限于此。

LD用散热器6a是吸收产生自LD5的热并将此热发散至外部的器件，其由金属板和散热翅片所构成。散热翅片形成在金属板的一侧面上，金属板的另一侧面则被固定在LD5上。LD用鼓风机7a是促进LD用散热器6a的散热作用的风冷鼓风机。如后文所述，根据热敏电阻8以及CPU9来控制LD用鼓风机7a所产生的风的供给量，使得LD5的温度恒定为规定的目标值。

光纤用散热器6b是吸收产生自放大用光纤4的热并将此热发散至外部的器件，具有与LD用散热器6a大致相同的结构。供给到光纤用散热器6b上的风是由光纤用鼓风机7b产生的风。另外，光纤用鼓风机7b供给的风量与光纤激光装置1的环境温度无关地保持恒定。

(LD的温度控制)

在本实施方式中，根据LD5的温度来改变LD用鼓风机7a供给到LD用散热器6a的风量，从而控制LD用散热器6a的热阻，由此不管使用光纤激光装置1的环境温度如何，LD5的温度均能被控制为目标值即温度T_peak。热敏电阻8以及CPU9即是为实现此控制而设置的器件。对于温度T_peak的设定，将在后文中说明。

热敏电阻8靠近LD5而设置在LD用散热器6a的金属板上，其根据检测出的温度而输出电压信号。CPU9具备温度检测部91、比较部92、温度目标值存储部93、电流控制部94。来自热敏电阻8的电压信号被输入到温度检测部91中，之后温度检测部91将该电压信号转换成数字值并输出给比较部92。温度目标值存储部93中存储有表示温度T_peak的目标值，比较部92对输入自温度检测部91的数字值和存储在温度目标值存储部93中的目标值进行比较。

从温度检测部91输入的数字值比目标值大时，即热敏电阻8的检测温度比温度T_peak高时，比较部92向电流控制部94输出目的在于增大对LD用鼓风机7a的供给电流的控制信号。由此从LD用鼓风机7a供给到LD用散热器6a的风量会增多，因此会降低LD用散热器6a的热阻。结果，LD用散热器6a的散热量得以增加，LD5的温度会降低到温度T_peak。

对此，从温度检测部91输入的数字值比目标值小时，即热敏电阻8的检测温度比温度T_peak低时，比较部92向电流控制部94输出目的在于减少对LD用鼓风机7a的供给电流的控制信号。由此从LD用鼓风机7a供给到LD用散热器6a的风量会减少，因此会增加LD用散热器6a的热阻。结果，LD用散热器6a的散热量得以减少，LD5的温度会上升到温度T_peak。

如上所述，LD用鼓风机7a、热敏电阻8以及CPU9将用作控制LD用散热器6a的热阻以致LD5的温度达到温度T_peak的热阻控制单元。

(温度T_peak的设定)

接下来，说明温度T_peak。温度T_peak是LD5的激发波长变成放大用光纤4的吸收率达到极大时的波长λ_peak的温度。

图3是表示入射到放大用光纤4中的光的波长和放大用光纤4的吸收率之间的关系的图表。如图中实线表示，在LD5的工作范围内，入射光的波长达到λ_peak时放大用光纤4的吸收率最大。而且，LD5的激发波长也因温度而发生变化。在图3中，虚线、一点划线以及双点划线分别表示温度为0℃、30℃以及T_peak下的LD5的激发波长。如前所述，由于入射光的波长达到λ_peak时放大用光纤4的吸收率最大，因而通过进行使LD5的温度达到T_peak的控制，对LD5的激发光的吸收率会变为最大。

图4是表示LD用散热器6a的温度和光纤激光装置1的输出P之间的关系的图表。从该图表可知，LD用散热器6a的温度，即LD5的温度达到T_peak时光纤激光装置1的输出会变为最大。从而，通过进行使LD5的温度达到T_peak的控制，能稳定光纤激光装置1的高效率输出。而且，作为LD5的温度控制单元使用了散热器以及风冷鼓风机，因此与作为温度控制单元而使用珀耳帖元件的以往的结构相比，能减少能量消耗。

在此，当光纤激光装置1的规范环境温度设定在T_{amb_min}～T_{amb_max}的范围内时，优选的是，光纤激光装置1的输出在环境温度T_{amb_min}～T_{amb_max}的范围内不发生变动。此时，需要使用满足下述条件的LD5、LD用散热器6a以及LD用鼓风机7a。

首先，在作为温度控制单元使用了散热器和风冷鼓风机的本结构中，无法将LD5的温度控制得比环境温度低。因此，温度T_peak必须高于规范环境温度的上限T_{amb_max}。即需要选定满足关系式T_peak＞T_{amb_max}的LD5。

其次，LD用散热器6a以及LD用鼓风机7a需要满足以下要件。LD用散热器6a的热阻根据LD用鼓风机7a所供给的风量而改变。在此，将LD用散热器6a的热阻的最小值即LD用鼓风机7a所供给的风量最大时的热阻表示为R_{th_min}，将该热阻的最大值即LD用鼓风机7a停止时的热阻表示为R_{th_max}。而且，LD5的能量消耗(即发热量)表示为P_dis。

此时，在环境温度T_{amb_max}下使用光纤激光装置1时，LD5的可控制的温度下限是T_{amb_max}+R_{th_min}×P_dis。温度T_peak比该下限温度低时，在环境温度T_{amb_max}下无法将LD5的温度指控为T_peak，因此需要满足关系式T_peak＞T_{amb_max}+R_{th_min}×R_dis。

同样，在环境温度T_{amb_min}下使用光纤激光装置1时，LD5的可控制的温度上限是T_{amb_min}+R_{th_max}×P_dis。温度T_peak比该上限温度高时，在环境温度T_{amb_min}下无法将LD5的温度控制为T_peak，因此需要满足关系式T_peak＜T_{amb_min}+R_{th_max}×P_dis。

即，如图4的虚线所示，温度T_peak必须是T_{amb_max}+R_{th_min}×P_dis到T_{amb_min}+R_{th_max}×P_dis的范围内温度。从而，作为热阻的要件，需要使用满足以下关系式，即：

的LD用散热器6a以及LD用鼓风机7a。满足此要件时，在规范环境温度T_{amb_min}～T_{amb_max}的范围内，能时常将LD5的温度控制为T_peak，从而能稳定光纤激光装置1的高效率输出。

(放大用光纤的温度控制)

在本实施方式中，光纤用鼓风机7b所供给的风量与光纤激光装置1的使用环境无关而保持恒定。在此，就放大用光纤4来说，其具有自身温度越低对入射光的吸收率越高的吸收特性。因此，为了使光纤激光装置1的输出更加稳定，也可以改变光纤用鼓风机7b的风量，以此使放大用光纤4的温度不依赖环境温度而保持恒定。这种情况下，光纤用鼓风机7b的风量控制与LD用鼓风机7a的风量控制一样，例如在放大用光纤4的附近设置热敏电阻并通过反馈来进行使热敏电阻的检测温度达到规定值的控制。

而且，就放大用光纤4的吸收特性来说，针对入射光的波长的变动大于针对放大用光纤4的温度的变动。因此，可以采用如图2所示的未设置光纤用鼓风机7b的结构，或者未设置光纤用散热器6b以及光纤用鼓风机7b的结构。由此，能简化光纤激光装置1的结构。

(附注事项)

在上述的实施方式中说明了LD5的温度控制的目标值是T_peak的情况，但所述目标值并不局限于此。作为以高输出为目的的激发光源使用多模式LD，其输出光的光谱宽度(3dB频带)是3～6nm。因而，对于放大用光纤4的最大吸收波长λ_peak，可将LD5的温度控制在输出光波长的3dB频带内。将此时的LD5的温度控制的目标值表示为T时，LD用散热器6a以及LD用鼓风机7a满足以下关系式，

$R_{\mathrm{th}\_\min }<\frac{T-T_{\mathrm{amb}\_\max }}{P_{\mathrm{dis}}};R_{\mathrm{th}\_\max }>\frac{T-T_{\mathrm{amb}\_\min }}{P_{\mathrm{dis}}}$

即可。如上所述，LD5、LD用散热器6a以及LD用鼓风机7a的特性的要件得以缓解，从而能使用更多种类的LD5、LD用散热器6a以及LD用鼓风机7a。

而且，在所述实施方式是以使用为激发光源的所有LD5具有同一温度特性为前提进行说明的，但LD5的各温度特性也可以互不相同。此时，可控制LD5的温度，使得LD5的激发波长的平均成为使放大用光纤4的吸收率达到极大的波长λ_peak。另外，LD5的激发波长的平均是各LD5的激发波长的总和除以LD5的个数的值。而且，当作为LD5使用多模式激发的LD时，各LD的激发波长可定义为3dB频带的中心值，或者某输出时的重心波长。

而且，所述实施方式中考虑了LD5的光输出恒定的情况，但也不局限于此，也可以根据LD5的光输出而控制为不同的温度。

本发明并不限于上述的实施方式，可以在权利要求的范围内进行种种变更，通过对不同的实施方式所揭示的技术手段进行适宜组合而获得的实施方式也属于本发明的技术范围内。

优选地，在本发明所涉及的光纤激光装置中，当所述光纤激光装置的规范环境温度的范围是T_{amb_min}～T_{amb_max}时，满足T_peak＞T_{amb_max}。

根据此特征，即使在规范环境温度的上限温度即T_{amb_max}环境下使用光纤激光装置，也能通过使用具有适当特性的散热器以及热阻控制单元来进行使激发光源的温度达到T_peak的控制。因此，尤其在高温环境下能稳定光纤激光装置的输出。

优选地，在本发明所涉及的光纤激光装置中，所述热阻控制单元具备向所述散热器供给风的鼓风机、用于检测所述激发光源的温度的温度检测单元、根据所述温度检测单元所检测出的温度来控制所述鼓风机的风量的风量控制单元。

根据此特征，可以用风冷方式控制散热器的热阻，因此能以更简单的结构实现激发光源的温度控制。

优选地，在本发明所涉及的光纤激光装置中，将所述激发光源的发热量表示为P_dis、将所述热阻的最小值表示为R_{th_min}、将所述热阻的最大值表示为R_{th_max}时。满足以下关系式，即：

$R_{\mathrm{th}\_\min }<\frac{T_{\mathrm{peak}}-T_{\mathrm{amb}\_\max }}{P_{\mathrm{dis}}};R_{\mathrm{th}\_\max }>\frac{T_{\mathrm{peak}}-T_{\mathrm{amb}\_\min }}{P_{\mathrm{dis}}}.$

根据此特征，在规范环境温度T_{amb_min}～T_{amb_max}的范围内，能时常将激发光源的温度控制为T_peak，因而能稳定光纤激光装置的高效率输出。

[实施例]

下面，进一步对本发明的实施例进行详细说明，当然，本发明并不限定于此实施例。

本实施例所涉及的光纤激光装置的规范环境温度是0℃～50℃，并作为放大用光纤，使用了作为极大值的吸收波长是915nm的、添加了Yb的光纤。另外，作为发射激发光的激发光源使用了5台LD，而在环境温度是25℃、输出是10W的条件下，这些LD的激发波长的平均波长是905nm。而且，这些LD的激发波长的温度依赖性是0.3nm/K，光-电转换效率约为50％。即，当LD的温度是60℃时，LD的激发波长是放大用光纤的最大吸收波长，也就是915nm。并且，作为用于控制LD的温度的散热器以及风冷鼓风机，使用了热阻是1K/W～10K/W的器件。

使具有这种特性的光纤激光装置在不同的环境温度下进行工作，并分别测量了环境温度下的光纤激光装置的输出。在本实施例所涉及的光纤激光装置中，由于具有在环境温度发生变化时也能使LD的温度达到60℃的结构，因此，例如在环境温度是50℃的条件下，增加风冷鼓风机的风量而使散热器的热阻被调整为2K/W。另外，在环境温度是0℃的条件下，减少风冷鼓风机的风量而使散热器的热阻被调整为10K/W。

图5是表示光纤激光装置的针对工作环境温度的输出(光输出)的特性的图表。在该图中，黑心圆圈表示对LD进行了温度控制的本实施例所涉及的光纤激光装置的输出特性，空心圆圈表示未对LD进行温度控制的现有技术中的光纤激光装置的输出特性。从该图表可知：现有技术中的光纤激光装置的输出在环境温度是0℃左右时达到峰值，即环境温度越高输出的降低越显著；相对于此，本实施例所涉及的光纤激光装置的输出在规范环境温度的范围内不受温度变化的影响，大致保持恒定。由此能确认，根据本发明能提供输出稳定且输出效率良好的光纤激光装置。

[产业上的可利用性]

本发明所涉及的光纤激光装置可应用于激光加工、激光焊接、激光刻印等。

Claims (5)

1.一种光纤激光装置，其特征在于：

具备放大用光纤、用于激发所述放大用光纤的激发光源、用于吸收所述激发光源所产生的热的散热器、用于控制所述散热器的热阻R_th的热阻控制单元，

将所述激发光源的激发波长成为使所述放大用光纤的吸收率达到极大的波长时的所述激发光源的温度表示为T_peak时，所述热阻控制单元为了使所述激发光源的温度接近T_peak而控制所述散热器的热阻R_th。

2.一种光纤激光装置，其特征在于：

具备放大用光纤、用于激发所述放大用光纤的多个激发光源、用于吸收所述激发光源所产生的热的散热器、用于控制所述散热器的热阻R_th的热阻控制单元，

将所述激发光源的激发波长的平均成为使所述放大用光纤的吸收率达到极大的波长时的所述激发光源的温度表示为T_peak时，所述热阻控制单元为了使所述激发光源的温度接近T_peak而控制所述散热器的热阻R_th。

3.如权利要求1或2所述的光纤激光装置，其特征在于：

当所述光纤激光装置的规范环境温度的范围是T_{amb_min}～T_{amb_max}时，T_peak＞T_{amb_max}的关系成立。

4.如权利要求1或2或3所述的光纤激光装置，其特征在于：

所述热阻控制单元具备向所述散热器供给风的鼓风机、用于检测所述激发光源的温度的温度检测单元、根据所述温度检测单元所检测出的温度来控制所述鼓风机的风量的风量控制单元。

5.如权利要求3所述的光纤激光装置，其特征在于：

将所述激发光源的发热量表示为P_dis、所述热阻的最小值表示为R_{th_min}、所述热阻的最大值表示为R_{th_max}时，

$R_{\mathrm{th}\_\min }<\frac{T_{\mathrm{peak}}-T_{\mathrm{amb}\_\max }}{P_{\mathrm{dis}}};R_{\mathrm{th}\_\max }>\frac{T_{\mathrm{peak}}-T_{\mathrm{amb}\_\min }}{P_{\mathrm{dis}}}$

的关系成立。

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