JP2007081029A - 光ファイバレーザモジュール、光ファイバレーザ発振器、光ファイバレーザ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】入力される励起光のレベルが高くても、レーザ特性や増幅器特性が低下することがない、信頼性の高い光ファイバレーザモジュールを提供すること。
【解決手段】第１、第２の開口部２４ａ，２４ｂを有する本体筐体２０と、前記本体筐体２０内に配設される円筒部材４０と、中途部が前記円筒部材４０の外周面に螺旋状に密着し、両端部が前記円筒部材４０の外周面から離れて前記第１、第２の開口部２４ａ，２４ｂに向かって延出した、レーザ媒質が添加された光ファイバ６０と、前記円筒部材４０の周面から離れた前記光ファイバ６０の各端部を支持する支持部材５０ａ，５０ｂと、前記第１、第２の開口部２４ａ，２４ｂに配設され、前記本体筐体２０内を密閉する透光性部材３０ａ，３０ｂとを備え、前記支持部材５０ａ，５０ｂは、前記円柱部材４０の外周面から離れた前記光ファイバ６０の各端部に対して、略全長に亘り密着している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザ媒体として光ファイバを用いた高出力用の光ファイバレーザモジュール、光ファイバレーザ発振器、光ファイバレーザ増幅器に関する。

レーザ媒体として光ファイバを用いたレーザ装置、いわゆる光ファイバレーザ装置が知られている。この光ファイバレーザ装置は、光ファイバのコアに添加された希土類イオン等のレーザ媒質に、半導体レーザからの励起光を入射させて、レーザ光の発振、あるいは増幅を行うものである。したがって、光ファイバの両側には、一般的な固体レーザと同じく、反射ミラーと出力ミラーが配置されており、各ミラーと光ファイバーの端面との間には、ミラーからの光を光ファイバ内に導くためのレンズが配置されている。

ところで、この光ファイバレーザ装置では、光ファイバの温度上昇により、レーザ特性の低下や、増幅器特性の低下（例えば、発振閾値の上昇、変換効率の低下等）が生じることがある。また、クラッドを保護するための被覆部材が熱的損傷を受けて劣化することがある。

このような事態を避けるために、金属製の円柱体に光ファイバを巻きつけて、当該円柱体から光ファイバの熱を排出させるタイプの光ファイバレーザ装置が開発されている。この光ファイバレーザ装置において、光ファイバの両端部は、円柱体から直線状に引き出されており、引き出された部分の先端部のみが支持部材により支持される構成となっている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００１−２７４４８９号公報

しかしながら、特許文献１のファイバレーザ装置において、円柱体から引き出された光ファイバの両端部は、その大部分が宙に浮いているため、十分な冷却がなされないという問題がある。

特に、レーザ加工機械等に使用される高出力用のファイバレーザ装置では、入力する励起光のレベルが非常に高いため、光ファイバの両端部における温度上昇が大きくなる。したがって、高出力用のファイバレーザ装置では、光ファイバの両端部を効率良く冷却することが大きな課題となっている。

本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、入力される励起光のレベルが高くても、レーザ特性や増幅器特性が低下することがない、信頼性の高い光ファイバレーザモジュール、光ファイバレーザ発振器、光ファイバレーザ増幅器を提供することにある。

前記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光ファイバレーザモジュール、光ファイバレーザ発振器、光ファイバレーザ増幅器は、順に次のように構成されている。

第１、第２の開口部を有する筐体と、前記筐体内に配設される円筒部材と、中途部が前記円筒部材の周面に螺旋状に密着し、各端部が前記円筒部材の周面から離れて前記第１、第２の開口部に向かって延出した、レーザ媒質が添加された光ファイバと、前記円筒部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部を支持する支持部材と、前記第１、第２の開口部に配設され、前記筐体内を密閉する透光性部材とを備え、前記支持部材は、前記円柱部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部に対して、略密着している。

または、レーザ光を発振させる光ファイバレーザ発振器において、第１、第２の開口部を有する筐体と、前記筐体内に配設される円筒部材と、中途部が前記円筒部材の周面に螺旋状に密着し、各端部が前記円筒部材の周面から離れて前記第１、第２の開口部に向かって延出した、レーザ媒質が添加された光ファイバと、前記円筒部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部を支持する支持部材と、前記第１、第２の開口部に配設され、前記筐体内を密閉する透光性部材と、前記レーザ媒質を励起させる励起光を発振する半導体レーザと、前記透光性部材を挟んで前記光ファイバの各端部に対向配置されレーザミラーとを備え、前記支持部材は、前記円柱部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部に対して、略密着している。

または、レーザ光を増幅させる光ファイバレーザ発振器において、第１、第２の開口部を有する筐体と、前記筐体に配設される円筒部材と、中途部が前記円筒部材の周面に螺旋状に密着し、各端部が前記円筒部材の周面から離れて前記第１、第２の開口部に向かって延出した、レーザ媒質が添加された光ファイバと、前記円筒部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部を支持する支持部材と、前記第１、第２の開口部に配設され、前記筐体内を密閉する透光性部材と、前記レーザ媒質を励起させる励起光を発振する半導体レーザとを備え、前記支持部材は、前記円柱部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部に対して、略密着している。

本発明によれば、入力される励起光のレベルが高くても、レーザ特性や増幅器特性が低下することがない。

以下、本発明の第１実施形態〜第３実施形態について詳細に説明する。
（第１実施形態）
先ず、図１〜図３を参照しながら第１実施形態について説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザモジュール１０の横断面図、図２は同実施形態に係る光ファイバレーザモジュール１０の縦断面図、図３は同実施形態に係る光ファイバ６０の先端部を拡大して示す縦断面図である。

図１〜図３に示すように、この光ファイバレーザモジュール１０は、本体筐体２０、ガラス板３０ａ，３０ｂ、円筒部材４０、支持部材５０ａ，５０ｂ、及び光ファイバ６０を備えている。

本体筐体２０は、下板２１、上板２２、後板２３、前板２４、左側板２５ａ、及び右側板２５ｂを備えている。上板２２と前板２４は、残りの下板２１、後板２３、左側板２５ａ、及び右側板２５ｂに対して取り外し可能な構成となっている。本体筐体２０の素材としては、例えば銅やアルミ等の熱伝導率の高い金属が用いられる。

前板２４には、２つの開口部２４ａ，２４ｂが形成されている（一方のみ図示）。これら開口部２４ａ，２４ｂは、左右方向に対して円筒部材４０の直径と略同じ距離だけ離れ、かつ上下方向に対して円筒部材４０の軸線方向への長さと略同じ距離だけ離れた位置に配置されている。

左右側板２５ａ，２５ｂは、前板２４に近い方の端部に、それぞれ鍔部２６ａ，２６ｂを備えている。これら鍔部２６ａ，２６ｂは、互いに接近する方向に対して延設されており、前板２４の開口部２４ａ，２４ｂと対向する位置には、それぞれ当該開口部２４ａ，２４ｂと略同じ形状の挿通穴２７ａ，２７ｂが形成されている。これら挿通穴２７ａ，２７ｂは、後板２３に近い方に位置に、ザグリ部２８ａ，２８ｂを備えている。

ガラス板３０ａ，３０ｂは、鍔部２６ａ，２６ｂに形成されたザグリ部２８ａ，２８ｂ内に収納され、鍔部２６ａ，２６ｂと前板２４とにより挟持されている。鍔部２６ａ，２６ｂとガラス板３０ａ，３０ｂとの間には、Ｏリング等のシール材３１ａ，３１ｂが介装されている。これにより、本体筐体２０の内部は密閉されている。なお、本体筐体２０の内部は、乾燥した窒素または空気などの不活性ガス雰囲気となっている。また、ガラス板３０ａ，３０ｂの表面には、レーザ光や励起光の反射を低減させるための、いわゆる無反射コーティングが形成されている。

円筒部材４０は、光ファイバ６０を冷却するためのものであり、本体筐体２０の下板２１に対して、軸線が直角となるように固定されている。円筒部材４０の直径は、１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度である。円筒部材４０の内部には、冷却用の気体を流すための通気穴４１と、その冷却効果を高めるためのフィン４２とが設けられている。

また、円筒部材４０の外周面には、光ファイバ６０との接触面積を大きくするための溝部４３が形成されている。この溝部４３は螺旋状をしており、その寸法は、幅が光ファイバ６０の直径と略同じであり、深さが光ファイバ６０の直径よりも僅かに大きい。円筒部材４０及びフィン４２の素材としては、本体筐体２０と同じく、例えば銅やアルミ等の熱伝導率の高い金属が用いられる。

支持部材５０ａ，５０ｂは、それぞれ本体筐体２０の下板２１及び上板２２の内面に、左右側板２５ａ，２５ｂと略平行に配設されている。支持部材５０ａと支持部材５０ｂの間隔は、円筒部材４０の直径と略一致している。支持部材５０ａ，５０ｂの一端部は、それぞれ円筒部材４０の外周面に連結されている。また、支持部材５０ａ，５０ｂの他端部は、それぞれ本体筐体２０の左右側板２５ａ、２５ｂの鍔部２６ａ、２６ｂ近傍まで延設されている。支持部材５０ａ，５０ｂの素材としては、本体筐体２０及び円筒部材４０と同じく、例えば銅やアルミ等の熱伝導率の高い金属が用いられる。

支持部材５０ａ，５０ｂには、光ファイバ６０との接触面積を大きくするための溝部５１ａ，５１ｂが形成されている。これら溝部５１ａ，５１ｂは直線状をしており、その寸法は、円筒部材４０の外周面に形成された溝部４３と略同じである。溝部５１ａ，５１ｂの一端は、それぞれ円筒部材４０に形成された溝部４３の端部と連結している。また、溝部５１ａ，５１ｂの他端は、それぞれ前板２４に設けられたガラス板３０ａ，３０ｂに対向している。

光ファイバ６０は、コア、クラッド、及び被覆部材から構成されている。コアは、レーザ光の光導波路として機能する部分であり、その内部には希土類イオン等のレーザ媒質が添加されている。クラッドは、コアより屈折率が低い素材からなり、光をコア内に閉じ込めるためのものである。高レベルの励起に適した光ファイバには、励起用のクラッドを設けた２重（ダブル）クラッドファイバが用いられる。なお、コア及びクラッドの素材としては、フッ化物ガラスが使用される。被覆部材は、クラッドの周囲に設けられ、クラッドを周囲環境から保護するためのものである。また、本実施形態で使用される光ファイバ６０は、直径が１ｍｍ程度のものである。

光ファイバ６０の中途部は、円筒部材４０の外周面に形成された溝部４３に嵌め込まれることで、当該円筒部材４０の外周面に螺旋状に密着している。また、光ファイバ６０の両端部は、円筒部材４０から離れると同時に、それぞれ支持部材５０ａ、５０ｂに形成された溝部５１ａ，５１ｂに嵌め込まれている。これにより、光ファイバ６０の各部分は、後述する両端から２ｍｍの部分を除いて、円筒部材４０と支持部材５０ａ、５０ｂとのいずれか一方と接触していることになる。円筒部材４０から離れた光ファイバ６０の端部の長さは、１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度に設定されている。なお、円筒部材４０及び支持部材５０ａ，５０ｂと光ファイバ６０との間で熱伝導が行われ易いように、溝部４３、及び溝部５１ａ，５１ｂに嵌め込まれた光ファイバ６０上に金属板または金属箔を置くか、あるいは高い熱伝性を有するジェル等を塗っても良い。

支持部材５０ａ，５０ｂとガラス板３０ａ，３０ｂとの間には、小さなスペースが存在している。支持部材５０ａ，５０ｂの溝部５１ａ，５１ｂに嵌め込まれた光ファイバ６０の端部は、この小さなスペースに僅かだけ、本実施形態では約２ｍｍだけ突出しており、ガラス板３０ａ，３０ｂの内面に略直角に対向している。

また、この光ファイバレーザモジュール１０は、ファン（図示しない）を備えている。このファンは、円筒部材４０の通気穴４１内に冷却用の気体を流通させ、円筒部材４０を冷却するものである。円筒部材４０が冷却されると、この円筒部材４０に密着している光ファイバ６０の中途部も冷却される。また、円筒部材４０が冷却されると、本体筐体２０を介して円筒部材４０に連結された支持部材５０ａ，５０ｂも冷却されるため、支持部材５０ａ，５０ｂと密着している光ファイバ６０の各端部も冷却されることになる。

（光ファイバレーザモジュール１０の製造工程）
先ず、下板２１に円筒部材４０、後板２３、及び左右側板２５ａ、２５ｂが固定される。次に、円筒部材４０の溝部４３に光ファイバ６０が嵌め込まれる。この時点では、上板２２と前板２４は取り付けられていない。上板２２が取り外されているのは、光ファイバ６０の装着作業が行われ易くするためである。次に、光ファイバ６０の両端部が支持部材５０ａ，５０ｂの溝部５１ａ，５１ｂに嵌め込まれる。そして最後に、下板２１及び左右側板２５ａ、２５ｂに、上板２２と前板２４とが順に取り付けられ、本体筐体２０が密閉される。これらの作業は、乾燥した窒素または空気などの不活性ガス雰囲気の中で行われる。これにより、完成した光ファイバレーザモジュール１０の本体筐体２０内は、乾燥した窒素または空気などの不活性ガス雰囲気となる。

（本実施形態による作用）
本実施形態において、円筒部材４０から離れた光ファイバ６０の各端部が、その略全長に亘って支持部材５０ａ，５０ｂと密着している。そのため、高レベルの励起光が入力されても、光ファイバ６０の両端部で発生した熱が支持部材５０ａ，５０ｂから効率良く排出される。したがって、光ファイバ６０の両端部だけが過剰に加熱されることがない。

したがって、レーザ発振閾値や変換効率が劣化することなく、高いレベルまで出力できる。さらに、光ファイバ６０が過剰に加熱されることがないから、光ファイバ６０自身や光ファイバ６０の被覆部材の熱的損傷が抑制される。

なお、発明者の実験により、入力する励起光が５０Ｗ〜１００Ｗであっても、光ファイバ６０の両端部の温度が５０度程度に抑えられることが確認されている。

また、支持部材５０ａ，５０ｂには、光ファイバ６０を嵌め込むための溝部５１ａ，５１ｂが形成されている。そのため、光ファイバ６０と支持部材５０ａ，５０ｂの接触面積が増加し、光ファイバ６０の両端部における熱が効率良く支持部材５０ａ，５０ｂに排出される。

さらに、支持部材５０ａ，５０ｂに形成される溝部５１ａ，５１ｂは、それぞれ前板２４のガラス板３０ａ，３０ｂに向かって直線状に延びている。そのため、光ファイバ６０の端部に入射する励起光やレーザ光の漏れ量が低減される。

なお、本実施形態において、支持部材５０ａ，５０ｂは、本体筐体２０の下板２１に別部材として固定されているが、これに限定されるものではなく、例えば下板２１の一部で構成されていてもよい。その場合、溝部５１ａ，５１ｂは、下板２１に直接形成されることになる。

（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態に係る光ファイバレーザ発振器の概略図である。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の構成及び作用については、その説明を省略することにする。

図４に示すように、本実施形態に係る光ファイバレーザ発振器は、第１実施形態に係る光ファイバレーザモジュール１０、半導体レーザ１０１ａ，１０１ｂ、コリメートレンズ１０２ａ、１０２ｂ、ダイクロイックミラー１０３ａ，１０３ｂ、集光レンズ１０４ａ，１０４ｂ、全反射ミラー１０５、及び出力ミラー１０６を備えている。

半導体レーザ１０１ａ，１０１ｂは、コアに添加されたレーザ媒質を励起させる励起光ａを発振するものである。なお、本実施形態では、励起光量を多くするために、２つの半導体レーザ１０１ａ，１０１ｂが使用されているが、出力するレーザ光のレベル次第で１つに減らしても良い。

コリメートレンズ１０２ａ，１０２ｂは、半導体レーザ１０１ａ，１０１からの励起光ａをコリメートするものである。

ダイクロイックミラー１０３ａ，１０３ｂは、半導体レーザ１０１ａ，１０１ｂからの励起光ａを反射して光ファイバ６０の端部に導き、かつ全反射ミラー１０５ａ，１０５ｂや出力ミラー１０６ａ，１０６ｂで反射したレーザ光ｂを透過させるものである。

集光レンズ１０４ａ，１０４ｂは、ダイクロイックミラー１０３ａ，１０３ｂで反射した励起光ａや、ダイクロイックミラー１０３ａ，１０３ｂで反射したレーザ光ｂを収束し、光ファイバ６０の端部に入射させるものである。

全反射ミラー１０５は、光ファイバ６０から出射したレーザ光ｂを全反射させるものである。出力ミラー１０６は、光ファイバ６０から出射したレーザ光ｂを反射させるとともに、その一部を出力として透過させるものである。出力ミラー１０６の反射率は、光ファイバ６０の増幅率が大きいため、数％〜３０％程度で十分である。

なお、本実施形態では、集光レンズ１０４ａ，１０４ｂとガラス板３０ａ，３０ｂとが別部材となっているが、集光レンズ１０４ａ，１０４ｂでガラス板３０ａ，３０ｂを兼用しても良い。この場合、光ファイバ６０の端面の位置が集光レンズ１０４ａ，１０４ｂの焦点距離になるように調整する必要がある。また、接着シールなどを使用すれば、この集光レンズ１０４ａ，１０４ｂでも本体筐体２０の気密性が維持される。

このように、光ファイバレーザ発振器に対して、第１実施形態で述べた光ファイバレーザモジュール１０を搭載すれば、光ファイバ６０に高いレベルの励起光ａを入力しても、光ファイバ６０の両端部が極端に加熱されることが無くなる。その結果、レーザ加工等に使用される高出力レーザ発振器であっても、極めて良好なレーザ特性を得ることができる。さらに、被覆部材が熱的損傷を受けることもない。

（第３実施形態）
図５は同実施形態に係る光ファイバレーザ増幅器の概略図である。なお、以下の説明において、第２、第３実施形態と同様の構成及び作用については、その説明を省略することにする。

図５に示すように、本実施形態に係る光ファイバレーザ増幅器は、第２実施形態に係る光ファイバレーザ発振器から、全反射ミラー１０５と出力ミラー１０６を除いたものであり、入力されるレーザ光ｂを増幅させるためのものである。

このように、光ファイバレーザ増幅器に対して、第１実施形態で述べた光ファイバレーザモジュール１０を搭載すれば、光ファイバ６０に高いレベルの励起光ａを入力しても、光ファイバ６０の両端部だけが極端に加熱されることが無くなる。したがって、高い増幅率の増幅器であっても、安定した増幅特性が得られる。

本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

すなわち、ファイバの用途や使用条件に合わせて、各部の配置、形状、及びサイズが変国されても良い。また、本実施形態では、光ファイバ６０の素材として、フッ化物ファイバを使用しているが、これに限定されるものではなく、例えばシリカ系のファイバに対して適用することが可能である。さらに、２重クラッドファイバに限らず、単一クラッドファイバにも適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザモジュールの横断面図。 同実施形態に係る光ファイバレーザモジュールの縦断面図。 同実施形態に係る光ファイバの先端部を拡大して示す縦断面図。 本発明の第２実施形態に係る光ファイバレーザ発振器の概略図。 本発明の第３実施形態に係る光ファイバレーザ増幅器の概略図。

符号の説明

２０…本体筐体、２４ａ，２４ｂ…開口部、３０ａ，３０ｂ…ガラス板、４０…円筒部材、４３…溝部、５０ａ，５０ｂ…支持部材、５１ａ，５１ｂ…溝部、６０…光ファイバ、１０１ａ，１０１ｂ…半導体レーザ、１０５…全反射ミラー、１０６…出力ミラー。

Claims (6)

1. 第１、第２の開口部を有する筐体と、
   前記筐体内に配設される円筒部材と、
   中途部が前記円筒部材の周面に螺旋状に密着し、各端部が前記円筒部材の周面から離れて前記第１、第２の開口部に向かって延出した、レーザ媒質が添加された光ファイバと、
   前記円筒部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部を支持する支持部材と、
   前記第１、第２の開口部に配設され、前記筐体内を密閉する透光性部材とを備え、
   前記支持部材は、前記円柱部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部に対して、略密着していることを特徴とする光ファイバレーザモジュール。
2. 前記支持部材には溝部が形成されており、前記光ファイバの端部は当該溝部に収納されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバレーザモジュール。
3. 前記光ファイバの端部は、前記溝部から前記透光性部材側に僅かに突出していることを特徴とする請求項２記載の光ファイバレーザモジュール。
4. 前記支持部材は、前記筐体の一部から構成されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバレーザモジュール。
5. レーザ光を発振させる光ファイバレーザ発振器において、
   第１、第２の開口部を有する筐体と、
   前記筐体内に配設される円筒部材と、
   中途部が前記円筒部材の周面に螺旋状に密着し、各端部が前記円筒部材の周面から離れて前記第１、第２の開口部に向かって延出した、レーザ媒質が添加された光ファイバと、
   前記円筒部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部を支持する支持部材と、
   前記第１、第２の開口部に配設され、前記筐体内を密閉する透光性部材と、
   前記レーザ媒質を励起させる励起光を発振する半導体レーザと、
   前記透光性部材を挟んで前記光ファイバの各端部に対向配置されレーザミラーとを備え、
   前記支持部材は、前記円柱部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部に対して、略密着していることを特徴とする光ファイバレーザ発振器。
6. レーザ光を増幅させる光ファイバレーザ発振器において、
   第１、第２の開口部を有する筐体と、
   前記筐体に配設される円筒部材と、
   中途部が前記円筒部材の周面に螺旋状に密着し、各端部が前記円筒部材の周面から離れて前記第１、第２の開口部に向かって延出した、レーザ媒質が添加された光ファイバと、
   前記円筒部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部を支持する支持部材と、
   前記第１、第２の開口部に配設され、前記筐体内を密閉する透光性部材と、
   前記レーザ媒質を励起させる励起光を発振する半導体レーザとを備え、
   前記支持部材は、前記円柱部材の周面から離れた前記光ファイバの各端部に対して、略密着していることを特徴とする光ファイバレーザ増幅器。

Images