CN106575850B - 光纤冷却装置和激光振荡器 - Google Patents

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Abstract

能够调整光纤的前端位置，并且能高效地冷却整个光纤。该冷却装置具有冷却底板(7)、光纤夹持器(21)、调整部件(22)。冷却底板(7)具有收纳凹部(17)。光纤夹持器(21)以在第1方向上自由移动的方式配置在收纳凹部(17)。光纤夹持器(21)将光纤(6)的前端部保持于表面，并且调整光纤(6)在第1方向上的前端位置。调整部件(22)配置在光纤夹持器(21)与收纳凹部(17)的端面(17b)之间的间隙，并且表面载置有光纤(6)，通过在与第1方向相交的第2方向上移动而能够在第1方向上移动。调整部件(22)与收纳凹部(17)的端面(17b)和光纤夹持器(21)的端面(21b)这两者抵接。

Description

光纤冷却装置和激光振荡器
技术领域
本发明涉及光纤冷却装置以及具有该光纤冷却装置的激光振荡器。
背景技术
利用光纤的激光振荡器被广泛使用。该激光振荡器利用从光源振荡出的激励光，通过光纤振荡激光。用于该激光振荡器的光纤例如由掺杂有铒等激光活性物质的ZBLAN玻璃等氟化物玻璃形成。
此处，光纤含有的激光活性物质通过吸收激励光而发热，因此存在光纤因该发热而损伤的情况。尤其是，氟化物光纤与石英光纤相比较，耐热性低。
因此，如专利文献1所示，提出用于冷却光纤的冷却装置。该专利文献1的装置中，利用金属制的散热部件使光纤与被制冷剂冷却的散热器的表面紧贴。金属制的散热部件形成为具有粘附性的薄膜状，设置成覆盖光纤整体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-23274号公报
发明内容
发明所要解决的课题
一般而言，激光用光纤的长度不均一。另一方面，为了将激励光有效导入光纤，必须正确定位光纤的前端与透镜之间的距离和中心轴。
因此，使保持光纤的前端部的夹持器(holder)能够沿光轴移动，并且在正确定位光纤前端与透镜之间的距离后，固定夹持器。
此处，为了良好地冷却光纤，使光纤整体紧贴于散热器、夹持器，从而使光纤中产生的热量有效地散热，这点很重要。因此，将夹持器配置在设于散热器的凹部，使散热器的表面与夹持器的表面为同一面，并且使散热器与夹持器之间无间隙地紧贴，这一点很重要。
但是，如前所述，当使夹持器沿光轴移动时，在夹持器与散热器的凹部端面之间出现间隙。产生这样的间隙时，通过间隙部分的光纤局部难以冷却。因此，该间隙部分的光纤达到高温，结果不能提高激光的输出。
本发明的课题在于，在能够调整光纤的前端位置的光纤冷却装置中，能够高效地冷却光纤整体。
用于解决课题的手段
(1)本发明的一个方面的光纤冷却装置具有冷却底板、光纤夹持器、调整部件。冷却底板具有收纳凹部。光纤夹持器以在第1方向上自由移动的方式配置在冷却底板的收纳凹部。光纤夹持器将光纤的前端部保持于表面，并调整所保持的光纤在第1方向上的前端位置。调整部件配置在光纤夹持器与收纳凹部的端面之间的间隙内，并且表面载置有光纤，通过在与第1方向相交的第2方向上移动而能够在第1方向上移动。调整部件与收纳凹部的端面和光纤夹持器的端面这两者抵接。
此处，光纤的前端部保持于光纤夹持器。光纤夹持器自由移动地配置在冷却底板上，因此例如能够高精度地调整与透镜的距离等。移动光纤夹持器时，存在光纤夹持器的端面与收纳有光纤夹持器的冷却底板的收纳凹部的端面之间产生间隙的情况。因此，在这两者的间隙内配置调整部件，光纤夹持器、调整部件、以及冷却底板彼此抵接，无间隙地配置。因此，这些表面上载置的光纤有效地被冷却。
(2)本发明的另一方面的光纤冷却装置中，收纳凹部的端面与调整部件的第1抵接部、和光纤夹持器与调整部件的第2抵接部中的至少一个通过相对于第1方向倾斜的端面彼此之间的接触而构成。
此处，通过简单的结构使调整部件在第2方向上移动，从而能够使其在第1方向上移动。
(3)本发明的又一个方面的光纤冷却装置中，收纳凹部的与调整部件抵接端面相对第1方向倾斜。并且，调整部件通过沿收纳凹部的倾斜的端面移动而在第2方向上移动。
此处，所述同样地，通过简单的结构使调整部件在第2方向上移动，从而能够使其在第1方向上移动。
(4)本发明的再一个方面的光纤冷却装置中，光纤夹持器和调整部件均整个底面与收纳凹部的表面接触。
此处，能够经由光纤夹持器和调整部件向冷却底板高效地散发光纤的热量。
(5)本发明的另一个方面的光纤冷却装置中，光纤夹持器和调整部件的表面与冷却底板的表面共面。
此处，能够使光纤容易地紧贴于冷却底板、调整部件、以及光纤夹持器的各个表面，从而能够高效地冷却光纤。
(6)本发明的一个方面的激光振荡器具有：激励光源、被导入来自激励光源的激励光从而输出激光的振荡用光纤、以及冷却振荡用光纤的前述的光纤冷却装置。
发明的效果
以上这样的本发明中，在能够调整光纤的前端位置的光纤冷却装置中，能够高效地冷却光纤。
附图说明
图1是激光振荡器的概要结构图。
图2是示出光纤的第1端部侧的剖视图。
图3是示出光纤的第2端部侧的剖视图。
图4是保持装置的外观立体图。
图5是包括保持装置的冷却装置的剖视图。
图6是说明光纤夹持器和调整部件的位置调整动作的示意图。
图7是示出本发明的其他实施方式的光纤夹持器和调整部件的示意图。
图8是示出本发明的其他实施方式的光纤夹持器和调整部件的示意图。
具体实施方式
[激光振荡器的结构]
图1是本发明的一个实施方式的激光振荡器的概要结构图。激光振荡器1具有激励光源2、第1～第3透镜3a、3b、3c、第1及第2分色镜4a、4b、减震器5、光纤6、冷却底板7、以及冷水机装置8。另外，冷却底板7和装配在其上的各部件收纳在未图示的壳体内，但图1中示出为拆卸了壳体。
激励光源2振荡出激励光，激励光源2可以由例如灯或半导体激光器等构成。激励光源2振荡出的激励光经由激励光传输光纤2a输出。
第1透镜3a是作为准直透镜发挥功能的透镜，配置在激励光传输光纤2a与后述的冷却底板7的第1窗口部7a之间。第1透镜3a使来自激励光源2的激励光从发散光的状态转换为平行光的状态。
第2透镜3b是作为聚光透镜及准直透镜发挥功能的透镜，配置在第1分色镜4a与光纤6的第1端部11之间。第2透镜3b利用第1透镜3a对平行光状态的激励光进行聚光并导入光纤6，并且将从光纤6放射出的激光转换为平行光的状态。
第3透镜3c是作为聚光透镜和准直透镜发挥功能的透镜，配置在第2分色镜4b与光纤6的第2端部12之间。第3透镜3c将来自光纤6的激励光及激光转换为平行光的状态，并且对来自第2分色镜4b的激光进行聚光并导入光纤6。
第1分色镜4a配置在第1透镜3a与第2透镜3b之间。第1分色镜4a透过来自激励光源2的激励光，并且反射来自光纤6的激光，从而变更行进方向。
第2分色镜4b配置在第3透镜3c与减震器5之间。第2分色镜4b构成为透过来自光纤6的激励光，并且反射来自光纤6的激光。
减震器5配置在第2分色镜4b的下游侧，是吸收透过第2分色镜4b的激励光的部件。
[光纤6]
图2是光纤6的第1端部11侧的侧面剖视图，图3是光纤6的第2端部12侧的侧面剖视图。如图2和图3所示，光纤6具有第1光纤主体6a、第2光纤主体6b、第1端盖6c、第2端盖6d、以及保持装置15。
第1光纤主体6a是光纤6的主要部分，在该第1光纤主体6a中生成激光。第1光纤主体6a具有第1芯和形成为包覆第1芯的第1包层。第1芯中掺杂有激光活性物质。第1包层比第1芯折射率低，未掺杂激光活性物质。
第2光纤主体6b的一个端面与第1光纤主体6a的端面热熔接。第2光纤主体6b具有第2芯和形成为包覆第2芯的第2包层。第2光纤主体6b与第1光纤主体6a在同轴上延伸，具有与第1光纤主体6a的直径大致相同的直径。第2芯由于未掺杂激光活性物质，即使射入激励光也不发热。即，第2光纤主体6b中不产生激光。
如图2所示，第1端盖6c与第2光纤主体6b的另一个端面热熔接。第1端盖6c具有透过激励光及激光的透光性，且不具有潮解性。
如图3所示，第2端盖6d与第1光纤主体6a的另一个端面热熔接，与第1端盖6c结构相同。
[冷却底板7和冷水机装置8]
如图1所示，冷却底板7在平面视图中形成为长方体状，装配有第2及第3透镜3b、3c、第1及第2分色镜4a、4b、减震器5、以及包括保持装置1的光纤6。
冷却底板7具备具有透光性的第1窗口部7a及第2窗口部7b。来自光源2的激励光经由第1窗口部7a进入冷却底板7内，并导入光纤6。来自光纤6的激光经由第2窗口部7b，输出至冷却底板7的外部。
此外，冷却底板7在表面具有收纳凹部17，在内部具有制冷剂流通的通路18(参照图5)。收纳凹部17具有：距离冷却底板7的表面7c低于规定的深度的表面17a、侧壁即倾斜侧面17b和侧面17c。倾斜侧面17b形成为相对于光纤6的端部的光轴的延伸方向(以下记述为“第1方向”)倾斜规定的角度。侧面17c与第1方向平行地形成。该收纳凹部17中设置有保持装置15，因此冷却光纤6的端部。
另外，收纳冷却底板7等的壳体的内部被填充氮气。此外，为了去除壳体内的水分，在壳体内放入干燥剂。
冷水机装置8经由配管8a与冷却底板7连接。冷水机装置8调整在冷却底板7内流通的制冷剂的温度。具体而言，冷水机装置8冷却从冷却底板7经由配管8a输送来的制冷剂。在冷水机装置8内冷却的制冷剂经由配管8a返回至冷却底板7。
[保持装置15]
图4中示出设于第1端部11的保持装置15的立体图。此外，图5中示出保持装置15的截面示意图。保持装置15具有保持光纤6的端部的功能和冷却保持的端部的功能。保持装置15具有光纤夹持器21、调整部件22、以及第1～第3盖部件23、24、25。
另外，该激光振荡器中，由冷却底板7、冷水机装置8、以及保持装置15构成光纤冷却装置。
光纤夹持器21是铜制的块状的部件。光纤夹持器21的一个表面上形成有用于收纳光纤6的光纤用槽，并且其一部分设有铟等导热部件27。此外，光纤夹持器21的第1方向的两端面21a、21b形成为相对第1方向垂直。
第1盖部件23能够安装在光纤夹持器21的表面上。第1盖部件23的与光纤夹持器21相对一侧的表面上形成有用于收纳光纤6的光纤用槽，并且设有铟等导热部件28。此外，第1盖部件23上形成有四个贯通孔23a，光纤夹持器21上，在与第1盖部件23的贯通孔23a对应的位置上形成有四个螺纹孔21c。
第2盖部件24能够安装在光纤夹持器21的表面上，除了尺寸不同、以及光纤夹持器21侧的表面上未设置导热部件以外，结构与第1盖部件23相同。
调整部件22与光纤夹持器21一同收纳于冷却底板7的收纳凹部17。更详细而言，调整部件22配置在光纤夹持器21与收纳凹部17的倾斜侧面17b之间。在调整部件22的表面上形成有用于收纳光纤6的光纤用槽。此外，调整部件22的光纤夹持器21侧的端面22a形成为相对第1方向垂直。该端面22a的整个面能够与光纤夹持器21的端面21b抵接。此外，调整部件22的相反一侧的端面22b相对第1方向倾斜。该倾斜端面22b的倾斜角度与收纳凹部17的倾斜侧面17b的倾斜角度相同。并且，调整部件22的倾斜端面22b的整个面能够与收纳凹部17的倾斜侧面17b抵接。
第3盖部件25与调整部件22形状相同，能够安装于调整部件22的表面。第3盖部件25的与调整部件22相对一侧的表面上形成有用于收纳光纤6的光纤用槽。此外，在第3盖部件25上形成有四个贯通孔25a，在调整部件22上，在与第3盖部件25的贯通孔25a对应的位置上形成有四个螺纹孔22c。
根据以上那样结构，通过将贯通各盖部件23、24、25的贯通孔的螺栓(未图示)拧入光纤夹持器21及调整部件22的螺纹孔，能够在光纤夹持器21及调整部件22与各盖部件23～25之间夹入光纤6的状态下保持光纤6。
此外，为了调整光纤6的前端与第2透镜3b之间的距离，光纤夹持器21能够沿光轴(沿第1方向)移动。此外，通过使调整部件22沿收纳凹部17的倾斜侧面17b移动，能够使调整部件22在第1方向上移动。因此，进行光纤夹持器21在第1方向上的位置调整后，通过使调整部件22沿倾斜侧面17b移动，能够通过调整部件22填充光纤夹持器21的端面21b与收纳凹部17的倾斜侧面17b之间的间隙。
并且，如上所述，利用未图示的任意方法，将调整位置后的光纤夹持器21和调整部件22固定在冷却底板7上。例如，在光纤夹持器21和调整部件22上设置贯通孔，利用设于冷却底板7上的螺纹孔中的螺栓进行固定即可。该情况下，将设于光纤夹持器21的贯通孔设为沿第1方向的长孔，将设于调整部件22的贯通孔设为沿倾斜端面22b的长孔，由此，光纤夹持器21能够固定在沿第1方向调整的任意位置上，调整部件22能够固定在沿倾斜端面22b(沿倾斜侧面17b)调整的任意位置上。
此处，光纤夹持器21和调整部件22的厚度设定为，将它们收纳在收纳凹部17中时，光纤夹持器21及调整部件22的表面与冷却底板7的表面7c共面。
另外，该实施方式中，在冷却底板7的第2端部12侧未形成收纳凹部。并且，利用光纤夹持器21及盖部件23保持光纤6的前端部。当然，也可以使第2端部12侧为与第1端部11侧同样的结构。
[动作]
激励光源2中振荡出的激励光从激励光传输光纤2a输出，在第1透镜3a内为平行光的状态，经由第1窗口部7a进入冷却底板7的收纳凹部17内。进入收纳凹部17内的激励光透过第1分色镜4a，在第2透镜3b中被聚光，并从光纤6的第1端部11射入光纤6。
射入光纤6的激励光在第1光纤主体6a的第1芯内传播，第1芯中掺杂的激光活性物质被激励，从而输出激光。另外，第2芯中不输出激光。并且，从光纤6的第2端部12放射出的激励光透过第3透镜3c、第2分色镜4b，被减震器5吸收。
另一方面，第1光纤主体6a的第1芯内生成的激光从光纤6的第2端部12放射出去，在第3透镜3c中转换为平行光的状态。并且，激光被第2分色镜4b反射，被第3透镜3c聚光，从第2端部12侧射入光纤6。射入光纤6内的激光在第1光纤主体6a的第1芯内传播，从光纤6的第1端部11放射出。并且，激光被第2透镜3b转换为平行光的状态，被第1分色镜4a反射而朝向第2窗口部7b，从而变更了行进方向，经由第2窗口部7b向冷却底板7的外部放射。
在以上的激光振荡动作中，光纤6内，尤其导入激励光的第1端部11达到高温。因此，第1端部11的保持装置15中，经由调整部件22使光纤夹持器21紧贴于冷却底板7，从而高效地冷却光纤6的端部产生的热量。
[光纤夹持器21的位置调整及调整部件22的设置]
如前所述，必须高精度地设定光纤6的前端位置与第2透镜3b之间的距离。因此，在光纤夹持器21上设置光纤6后，使光纤夹持器21沿光轴方向(第1方向)移动，从而调整光纤6的前端位置。
例如，当初图6的右侧所示的位置上设置有光纤夹持器21，在该位置上，与第2透镜3b之间的距离过大。该情况下，必须使光纤夹持器21向第2透镜3b侧移动(图6中为调整宽度D)。当使光纤夹持器21向第2透镜3b侧移动距离D时，如果原样保持调整部件22，则光纤夹持器21与调整部件22之间产生间隙。在这样的状态下，位于两者间隙上的光纤6均不与光纤夹持器21和调整部件22任何一个接触，因此不能高效地进行冷却。
因此，如图6的左侧所示，使调整部件22沿着收纳凹部17的倾斜侧面17b向图6中右侧移动。于是，调整部件22向图6中右侧移动，并且也向光纤夹持器21侧移动。并且，在调整部件22的端面22a与光纤夹持器21的端面21b抵接的状态下，停止调整部件22的移动，在该位置固定于冷却底板7。
通过以上那样的调整，光纤6的端部整体地与光纤夹持器21和调整部件22、以及冷却底板7的表面抵接。因此，能够高效地对光纤6的热量进行散热，从而能够避免光纤6达到高温。
另外，即使通过以上调整，光纤夹持器21的光轴的位置也不变化。即，如图6中所示，冷却底板7的端面起的距离W在调整前后相同。
[其他实施方式]
本发明不限于以上那样的实施方式，能够在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变形或修正。
(1)所述实施方式中，将调整部件的光纤夹持器侧的端面设为与第1方向垂直的面，但如果不是与相反侧的倾斜端面的倾斜角度相同的角度，能够设定成任意的角度。对于该情况下的调整部件的形状，图7和图8中示出具体例子。
图7所示的例子为，使调整部件32的一个端面32a相对于光轴方向(第1方向)倾斜，并且使另一个端面32b也向该方向倾斜。另外，如前所述，一个端面32a的倾斜角度与另一个端面32b的倾斜角度不同。另一个端面32b与冷却底板7的收纳凹部17的倾斜侧面17b具有相同的倾斜角度。
另外，该例子的情况下，光纤夹持器31的与调整部件32接触的一侧的端面31b也以与调整部件32的一个端面32a同样的角度倾斜地形成。
此外，图8(a)(b)的例子为，使调整部件42、52的一个端面42a，52a相对于光轴方向倾斜，使另一个端面42b、52b向与端面42a、52a相反的方向倾斜。
另外，所述同样地，图8所示的例子的情况下，光纤夹持器41、51的与调整部件42、52接触的一侧的端面41b、51b也以与调整部件42、52的一个端面42a、52a同样的角度倾斜地形成。
(2)所述实施方式中，使光纤夹持器21及调整部件22的表面与冷却底板7的表面7c共面，但在这些表面之间可以存在阶梯差。
(3)将包括保持装置15的冷却装置应用于激光振荡器，但本发明的冷却装置在其他光纤装置中保持并冷却光纤时也同样能够适用。
(4)应保持的光纤的结构不限于所述实施方式。
(5)设为冷却底板7在内部具有制冷剂流通的通路18，但也可以设为省略通路18，对与冷却底板7的外表面接触的流体或部件散发来自光纤6的热量。
产业上的可利用性
本发明中，在能够调整光纤的前端位置的光纤冷却装置中，能够高效地冷却光纤。
标号说明
1：激光振荡器；
2：激励光源；
6：光纤；
15：保持装置；
17：收纳凹部；
17b：倾斜侧面；
21、31、41、51：光纤夹持器；
22、32、42、52：调整部件；
22b、32b、42b、52b：倾斜端面。

Claims (6)

1.一种光纤冷却装置，该光纤冷却装置具有：
冷却底板，其具有收纳凹部；
光纤夹持器，其以在第1方向上自由移动的方式配置在所述冷却底板的收纳凹部中，用于将光纤的前端部保持于表面，并且调整所保持的光纤在所述第1方向上的前端位置；以及
调整部件，其配置在所述光纤夹持器与所述收纳凹部的端面之间的间隙内，并且表面载置有光纤，通过在与所述第1方向相交的第2方向上移动而能够在所述第1方向上移动，并与所述收纳凹部的端面和所述光纤夹持器的端面这两者抵接。
2.根据权利要求1所述的光纤冷却装置，其中，
所述收纳凹部的端面与所述调整部件的第1抵接部、和所述光纤夹持器与所述调整部件的第2抵接部中的至少一方通过相对于所述第1方向倾斜的端面彼此之间的接触而构成。
3.根据权利要求1或2所述的光纤冷却装置，其中，
所述收纳凹部的与所述调整部件抵接的端面相对于所述第1方向倾斜，
所述调整部件通过沿所述收纳凹部的倾斜的端面移动而在所述第2方向上移动。
4.根据权利要求1或2所述的光纤冷却装置，其中，
所述光纤夹持器和所述调整部件均整个底面与所述收纳凹部的表面接触。
5.根据权利要求1或2所述的光纤冷却装置，其中，
所述光纤夹持器和所述调整部件的表面与所述冷却底板的表面共面。
6.一种激光振荡器，该激光振荡器具有：
激励光源；
振荡用光纤，其被导入来自所述激励光源的激励光，输出激光；以及
权利要求1至5中的任意一项所述的光纤冷却装置，其冷却所述振荡用光纤。
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