JP2014192412A - 光ファイバ、及びこれを用いたレーザ発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】光ファイバの端部における損傷を抑制することにある。
【解決手段】光ファイバ6は、第1光ファイバ本体61、第2光ファイバ本体62、及び第1エンドキャップ63を備えている。第1光ファイバ本体61は、第1コア611及び第1クラッド612を有する。第2光ファイバ本体62は、第2コア621及び第2クラッド622を有し、第1端面623が第1光ファイバ本体61の第1端面613に接合されている。第1エンドキャップ63は、光透過性であって、第2光ファイバ本体62の第2端面624に接合されている。第1コアはレーザ媒質がドープされている。第2コアにおけるレーザ媒質の質量含有率は、第1コアにおけるレーザ媒質の質量含有率よりも低い。
【選択図】図2
【解決手段】光ファイバ6は、第1光ファイバ本体61、第2光ファイバ本体62、及び第1エンドキャップ63を備えている。第1光ファイバ本体61は、第1コア611及び第1クラッド612を有する。第2光ファイバ本体62は、第2コア621及び第2クラッド622を有し、第1端面623が第1光ファイバ本体61の第1端面613に接合されている。第1エンドキャップ63は、光透過性であって、第2光ファイバ本体62の第2端面624に接合されている。第1コアはレーザ媒質がドープされている。第2コアにおけるレーザ媒質の質量含有率は、第1コアにおけるレーザ媒質の質量含有率よりも低い。
【選択図】図2
Description
本発明は、光ファイバ、及びこれを用いたレーザ発振器に関するものである。
光ファイバを利用したレーザ発振器が広く用いられている。このレーザ発振器は、光源から発振される励起光を利用して、光ファイバによってレーザ光を発振する。このレーザ発振器に用いられる光ファイバは、例えば、エルビウムなどのレーザ媒質がドープされたZBLANガラスなどのフッ化物ガラスによって形成される。しかしながら、このようなフッ化物ガラス、特にZBLANガラスは、光ファイバからのレーザ光を吸収した大気中の水分によって潮解するという問題がある。すなわち、光ファイバの端面が損傷するという問題がある。
この問題を解消するため、例えば特許文献1には、光ファイバの端面にエンドキャップを接合している。これにより、光ファイバの端面が大気に露出しないため、大気中の水分によって光ファイバの端面が潮解することを防ぐことができる。
また、光ファイバに含まれるレーザ媒質が励起光を吸収することによって発熱するため、この発熱によって光ファイバが焼かれて損傷してしまうことを防止する必要がある。例えば特許文献2には、光ファイバを2つの金属板で挟むことによって光ファイバからの熱を放熱することにより、光ファイバの発熱による損傷を防止している。
上述したように2つの金属板で光ファイバを挟む場合、光ファイバの両端部まで完全に金属板で挟むことは難しく、光ファイバの両端部が金属板から露出することがある。そうすると、励起光が入射される光ファイバの第1端部において、光ファイバが発熱して損傷してしまうという問題が生じる。
本発明の課題は、光ファイバの端部における損傷を抑制することにある。
(1)本発明の第1側面に係る光ファイバは、励起光を利用してレーザ光を生成または増幅するための光ファイバである。この光ファイバは、第1光ファイバ本体、第2光ファイバ本体、及び第1エンドキャップを備えている。第1光ファイバ本体は、第1コア及び第1クラッドを有する。第2光ファイバ本体は、第2コア及び第2クラッドを有し、第1端面が第1光ファイバ本体の第1端面に接合されている。第1エンドキャップは、光透過性であって、第2光ファイバ本体の第2端面に接合されている。第1コアは、レーザ媒質がドープされている。第2コアにおけるレーザ媒質の質量含有率は、第1コアにおけるレーザ媒質の質量含有率よりも低い。
この構成によれば、まず、第1光ファイバ本体の第1端面は、第2光ファイバ本体が接合されており大気に露出していないため、レーザ光を吸収した大気中の水分によって潮解することを防ぐことができる。また、第2光ファイバ本体の第2端面は、第1エンドキャップが接合されており大気に露出していないため、同様に潮解を防ぐことができる。
さらには、第1光ファイバ本体の第1端面に第2光ファイバ本体が接合されているため、第1光ファイバ本体を金属板などの冷却部材で挟む等しても、第1光ファイバ本体の第1端部が冷却部材から露出することを防止することができる。この結果、第1端部も含めて第1光ファイバ本体を十分に冷却することができ、ひいては第1コアが発熱によって損傷してしまうことを防止することができる。なお、第2光ファイバ本体は一部が冷却部材から露出する可能性があるが、第2光ファイバ本体の第2コアは、レーザ媒質の質量含有率が第1コアのそれよりも低くされており、第1光ファイバ本体の第1コアよりも励起光に対する吸光度が低い。このため、第2コアの発熱を抑制することができ、第2コアが発熱によって損傷してしまうことを抑制することができる。なお、第1光ファイバ本体の第1端部とは、第2光ファイバ本体が接続される側の端部を意味する。また、この光ファイバは、第1エンドキャップ側から励起光を入射するように用いることが好ましい。
(2)好ましくは、第1コアはレーザ媒質がドープされ、第2コアはレーザ媒質がドープされていない。この構成によれば、第2コアは、レーザ媒質がドープされていないため、励起光の吸収による発熱が防止される。この結果、第2光ファイバ本体の一部が冷却部材から露出している場合であっても、第2コアの損傷を防止することができる。
(3)好ましくは、第1及び第2光ファイバ本体はフッ化物ガラスにより形成され、レーザ媒質は希土類元素である。具体的には、第1及び第2光ファイバ本体はZBLANガラスにより形成され、レーザ媒質はエルビウムであることが好ましい。
この構成によれば、発光特性などを向上させることができる。また、フッ化物ガラス、特にZBLANガラスは潮解性を有するため、本発明の適用が特に有効である。
(4)好ましくは、エンドキャップは、フッ化カルシウムによって形成される。
(5)好ましくは、第2コアは、直径が第1コアの直径よりも大きく、第1コアからの出力光が第2コア内において反射されないような長さに設計される。この構成によれば、第1コアからの出力光のモードを変更することなく、出力光を出力することができる。
(6)好ましくは、光ファイバは、第1光ファイバ本体の第2端面に接合された光透過性の第2エンドキャップをさらに備える。この構成によれば、第1光ファイバ本体の第2端面の損傷も防ぐことができる。
(7)好ましくは、光ファイバは、第1光ファイバ本体及び第2光ファイバ本体を冷却するための冷却部材をさらに備える。この構成によれば、発熱によって第1光ファイバ本体の第1コアが損傷することを防止することができる。
(8)本発明の第2側面に係るレーザ発振器は、上述したいずれかの光ファイバと、光ファイバを収容する筐体と、励起光を発振する光源とを備える。
本発明によれば、光ファイバの端部における損傷を抑制することができる。
以下、本発明に係る光ファイバ及びこれを用いたレーザ発振器の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、レーザ発振器の構成を示す概略図である。
図1に示すように、レーザ発振器1は、光源2、第1〜第3レンズ3a、3b、3c、第1及び第2ダイクロイックミラー4a、4b、ダンパ5、光ファイバ6、筐体7、並びにチラー装置8を備えている。
光源2は、励起光を発振するものであり、例えばランプ又は半導体レーザなどによって構成することができる。光源2にて発振された励起光は、励起光伝送ファイバ2aを介して出力される。
第1レンズ3aは、コリメートレンズとして機能するレンズであり、励起光伝送ファイバ2aと、後述する筐体7の第1窓部7aとの間に配置されている。第1レンズ3aは、光源2からの励起光を発散光の状態から平行光の状態に変換する。
第2レンズ3bは、集光レンズ及びコリメートレンズとして機能するレンズであり、第1ダイクロイックミラー4aと光ファイバ6の第1端部67との間に配置されている。第2レンズ3bは、第1レンズ3aによって平行光の状態とされた励起光を集光して光ファイバ6に放射するとともに、光ファイバ6から放射されたレーザ光を平行光の状態に変換する。
第3レンズ3cは、集光レンズ及びコリメートレンズとして機能するレンズであり、第2ダイクロイックミラー4bと光ファイバ6の第2端部68との間に配置されている。第3レンズ3cは、光ファイバ6からの励起光及びレーザ光を平行光の状態に変換するとともに、第2ダイクロイックミラー4bからのレーザ光を集光して光ファイバ6に放射する。
第1ダイクロイックミラー4aは、第1レンズ3aと第2レンズ3bとの間に配置されている。第1ダイクロイックミラー4aは、光源2からの励起光を透過するとともに、光ファイバ6からのレーザ光の進行方向を変更するように反射する。
第2ダイクロイックミラー4bは、第3レンズ3cとダンパ5との間に配置されている。第2ダイクロイックミラー4bは、光ファイバ6からの励起光を透過するとともに、光ファイバ6からのレーザ光を反射するように構成されている。
ダンパ5は、第2ダイクロイックミラー4bの下流側に配置されており、第2ダイクロイックミラー4bが透過した励起光を吸収する部材である。
図2は光ファイバ6の第1端部67側の側面断面図であり、図3は光ファイバ6の第2端部68側の側面断面図である。図2及び図3に示すように、光ファイバ6は、第1光ファイバ本体61、第2光ファイバ本体62、第1エンドキャップ63、第2エンドキャップ64、及び冷却部材65を有している。
第1光ファイバ本体61が光ファイバ6のメインとなる部分であって、この第1光ファイバ本体61においてレーザ光が生成される。図4は、光ファイバ6の第1端部67側における第1光ファイバ本体61及び第2光ファイバ本体62の詳細を示す側面断面図である。図4に示すように、第1光ファイバ本体61は、第1コア611と、第1コア611を覆うように形成された第1クラッド612とを有している。
第1コア611は、希土類元素がレーザ媒質としてドープされたフッ化物ガラスから形成されており、好ましくはエルビウムがドープされたZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)ガラスによって形成されている。第1クラッド612は、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはZBLANガラスによって形成されている。なお、第1クラッド612は、第1コア611よりも屈折率が低く、また、レーザ媒質がドープされていない。
第2光ファイバ本体62は、第1端面623が第1光ファイバ本体61の第1端面613に接合されている。第2光ファイバ本体62は、第2コア621と、第2コア621を覆うように形成された第2クラッド622とを有している。第2光ファイバ本体62は、第1光ファイバ本体61と同軸上に延びており、第1光ファイバ本体61の直径とほぼ同じ直径を有している。すなわち、第2クラッド622の外径は、第1クラッド612の外径とほぼ同じである。なお、この第2光ファイバ本体62は、熱融着によって第1光ファイバ本体61に接合されている。
第2光ファイバ本体62の第2コア621は、第1光ファイバ本体61の第1コア611よりも直径が大きい。また、第2光ファイバ本体62は、第1光ファイバ本体61からのレーザ光が第2コア621内において反射しないような長さに設計されている。すなわち、第1コア611から第2コア621に入射したレーザ光は、第2コア621内で反射する前に第2コア621から放射される。また、第2コア622は、レーザ媒質であるエルビウムなどの希土類元素がドープされていないため、励起光が入射されても発熱しない。すなわち、第2ファイバ本体62ではレーザ光が生成されない。
図2に示すように、第1エンドキャップ63は、第2光ファイバ本体62の第2端面624に接合されている。具体的には、第1エンドキャップ63は、熱融着によって第2光ファイバ本体62に接合されている。第1エンドキャップ63は、励起光及びレーザ光を透過する光透過性であり、且つ潮解性を有さない。また、第1エンドキャップ36は、融点が第2光ファイバ本体62の融点以上とすることが好ましく、第2光ファイバ本体62の第2端面624の冷却のために熱伝導率は第2ファイバ本体62の熱伝導率よりも高いことが好ましい。また、第1エンドキャップ63は、第2光ファイバ本体62との接合を強固にするために、線膨張係数が第2光ファイバ本体62と同程度のものが好ましい。具体的には、第1エンドキャップ63は、フッ化カルシウムなどの結晶とすることができる。第1エンドキャップ63は、他にも石英などの結晶であってもよい。
図3に示すように、第2エンドキャップ64は、第1光ファイバ本体61の第2端面614に接合されている。具体的には、第2エンドキャップ64は、熱融着によって第1光ファイバ本体61に接合されている。第2エンドキャップ64は、上述した第1エンドキャップ63と同じ構成であるため、その詳細な説明を省略する。
図2及び図3に示すように、冷却部材65は、2つの金属板651a、651bによって構成されている。金属板651a、651bは、例えば銅製である。冷却部材65は、2つの金属板651a、651bによって、第1及び第2光ファイバ本体61、62を挟んだ状態で、第1及び第2光ファイバ本体61、62を保持するように構成されている。なお、冷却部材65は、第1光ファイバ本体61の全体を挟んでいる。すなわち、第1光ファイバ本体61は、長さ方向において各金属板651a、651bから露出していない。
より詳細には、各金属板651a、651bの対向する面に、第1及び第2光ファイバ本体61、62を保持するための凹部が形成されている。第1及び第2光ファイバ本体61,62は、この各凹部によって画定される収容部内に収容されており、この収容部内において各金属板651a、651bと接触している。このため、第1及び第2光ファイバ本体61、62において熱が発生すると、その熱は金属板651a、651bを介して放熱される。なお、各金属板651a、651bは、凹部以外の部分では互いに接触している。下側に配置される金属板651bは、後述する筐体7のベース部と接触している。
図1に示すように、筐体7は、直方体状の箱体であって、第2及び第3レンズ3b、3c、第1及び第2ダイクロイックミラー4a、4b、ダンパ5、並びに光ファイバ6を収容している。筐体7は、光透過性を有する第1窓部71a及び第2窓部71bを有する。光源2からの励起光は、第1窓部7aを介して筐体7内に進入し、光ファイバ6へと送られる。また、光ファイバ6からのレーザ光は、第2窓部7bを介して、筐体7の外部に出力される。
また、筐体7は、底面にベース部(図示省略)を有する。ベース部は内部に冷媒が流れる流路が形成されている。このベース部上に、上述した金属板651bが設置されているため、金属板651bが冷却される。また、金属板651aは、金属板651bに接触しているために熱伝導によって冷却される。
筐体7の内部は、窒素によって充填されている。また、筐体7内の水分を除去するために、筐体7内に乾燥剤が入れられている。
筐体7には、チラー8が配管8aを介して接続されている。チラー8は、筐体7のベース部内を流れる冷媒の温度を調整する。具体的には、筐体7のベース部から配管8aを介して送られてきた冷媒をチラー8が冷却する。チラー8において冷却された冷媒は配管8aを介して筐体7のベース部に戻される。
次に、上述したように構成されたレーザ発振器1の動作について説明する。
光源2において発振された励起光は、励起光伝送ファイバ2aから出力され、第1レンズ3aにおいて平行光の状態となり、第1窓部7aを介して筐体7内に進入する。筐体7内に進入した励起光は、第1ダイクロイックミラー4aを透過し、第2レンズ3bにて集光されて光ファイバ6の第1端部67から光ファイバ6に入射する。より詳細には、光ファイバ6の第1エンドキャップ63から励起光が入射する。
光ファイバ6に入射した励起光は、第1光ファイバ本体61の第1コア611内を伝播する。これによって、第1コア611にドープされたエルビウムが励起してレーザ光を出力する。なお、励起光は、第2光ファイバ本体62の第2コア621内も伝播するが、第2コア621内にはエルビウムがドープされていないため、第2コア621ではレーザ光は出力されない。励起光は、第1コア611内を伝播する間に徐々に強度が低くなる。そして、光ファイバ6の第2端部68から放射された励起光は、第3レンズ3c、第2ダイクロイックミラー4bを透過し、ダンパ5に吸収される。
一方、第1光ファイバ本体61の第1コア611内で生成されたレーザ光は、光ファイバ6の第2端部68から放射され、第3レンズ3cで平行光の状態に変換される。そして、レーザ光は、第2ダイクロイックミラー4bで反射され、第3レンズ3cで集光されて、第2端部68側から光ファイバ6に入射する。光ファイバ6内に入射したレーザ光は、第1光ファイバ本体61の第1コア611内を伝播し、光ファイバ6の第1端部67から放射される。そして、レーザ光は、第2レンズ3bによって平行光の状態に変換され、第1ダイクロイックミラー4aに反射されて第2窓部7bに向かうように進行方向が変更され、第2窓部7bを介して筐体7の外部へ放射される。
[特徴]
本実施形態に係る光ファイバ6は、次の特徴を有する。
本実施形態に係る光ファイバ6は、次の特徴を有する。
(1)まず、第1光ファイバ本体61の第1端面613は、第2光ファイバ本体62が接合されており大気に露出していないため、出力光を吸収した大気中の水分による第1端面613の潮解を防ぐことができる。また、第2光ファイバ本体の第2端面は、エンドキャップが接合されており大気に露出していないため、同様に潮解を防ぐことができる。
さらには、第1光ファイバ本体61の第1端面613に第2光ファイバ本体62が接合されているため、第1光ファイバ本体61を金属板651a、651bで挟む場合に、第1光ファイバ本体61の第1端部が金属板651a、651bから露出することを防止することができる。この結果、第1光ファイバ本体61の第1端部も十分に冷却することができ。ひいては第1コア611が発熱によって損傷してしまうことを防止することができる。なお、第2光ファイバ本体62は金属板651a、651bから露出する可能性があるが、第2コア621はレーザ媒質がドープされていないため、第2コア621は励起光の吸収による発熱が防止される。この結果、第2光ファイバ本体62が金属板651a、651bから露出している場合であっても、第2コア621の損傷を防止することができる。
(2)第2コア622は、直径が第1コア621の直径よりも大きく、第1コア621からの出力光が第2コア622内において反射されないような長さに設計されている。このため、第1コア621で生成されたレーザ光のモードを変更することなく、レーザ光を出力することができる。
(3)第1光ファイバ本体61の第2端面614には、第2エンドキャップ64が接合されているため、第1光ファイバ本体61の第2端面614の損傷も防ぐことができる。
[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
変形例1
上記実施形態では、第1光ファイバ本体61の第2端面614には第2エンドキャップ64が接合されているが、特にこれに限定されない。例えば、図5に示すように、第1光ファイバ本体61と第2エンドキャップ64との間に第3光ファイバ本体66が介在していてもよい。具体的には、第3光ファイバ本体66は、第1端面663が第1光ファイバ本体61の第2端面614に接合しており、第2端面664が第2エンドキャップ64に接合している。この第3光ファイバ本体66は、第2光ファイバ本体62と同じ構成とすることができる。
上記実施形態では、第1光ファイバ本体61の第2端面614には第2エンドキャップ64が接合されているが、特にこれに限定されない。例えば、図5に示すように、第1光ファイバ本体61と第2エンドキャップ64との間に第3光ファイバ本体66が介在していてもよい。具体的には、第3光ファイバ本体66は、第1端面663が第1光ファイバ本体61の第2端面614に接合しており、第2端面664が第2エンドキャップ64に接合している。この第3光ファイバ本体66は、第2光ファイバ本体62と同じ構成とすることができる。
変形例2
上記実施形態では第2光ファイバ本体62の第2コア621にはレーザ媒質は含まれていないが、特にこれに限定されない。例えば、第2光ファイバ本体62の第2コア621は、第1光ファイバ本体61の第1コア611よりも低い質量含有率でレーザ媒質を含んでいてもよい。なお、第2コア621に含まれるレーザ媒質の質量含有率は、励起光の強度、及びレーザ媒質の種類などによっても変わってくるが、第2コア621が発熱によって損傷しない程度であることが好ましい。
上記実施形態では第2光ファイバ本体62の第2コア621にはレーザ媒質は含まれていないが、特にこれに限定されない。例えば、第2光ファイバ本体62の第2コア621は、第1光ファイバ本体61の第1コア611よりも低い質量含有率でレーザ媒質を含んでいてもよい。なお、第2コア621に含まれるレーザ媒質の質量含有率は、励起光の強度、及びレーザ媒質の種類などによっても変わってくるが、第2コア621が発熱によって損傷しない程度であることが好ましい。
変形例3
上記実施形態では、第1光ファイバ本体61は、第1コア611と、第1コア611を覆うように形成された第1クラッド612とを有している構成としたが、特にこれに限定されない。例えば、第1光ファイバ本体61は、いわゆるダブルクラッドファイバとすることができる。具体的には、第1クラッド612を、内部クラッドと内部クラッドを覆う外部クラッドとによって構成としてもよい。
上記実施形態では、第1光ファイバ本体61は、第1コア611と、第1コア611を覆うように形成された第1クラッド612とを有している構成としたが、特にこれに限定されない。例えば、第1光ファイバ本体61は、いわゆるダブルクラッドファイバとすることができる。具体的には、第1クラッド612を、内部クラッドと内部クラッドを覆う外部クラッドとによって構成としてもよい。
1 レーザ発振器
2 光源
6 光ファイバ
61 第1光ファイバ本体
611 第1コア
612 第1クラッド
613 第1端面
614 第2端面
62 第2光ファイバ本体
621 第2コア
622 第2クラッド
623 第1端面
624 第2端面
63 第1エンドキャップ
64 第2エンドキャップ
65 冷却部材
2 光源
6 光ファイバ
61 第1光ファイバ本体
611 第1コア
612 第1クラッド
613 第1端面
614 第2端面
62 第2光ファイバ本体
621 第2コア
622 第2クラッド
623 第1端面
624 第2端面
63 第1エンドキャップ
64 第2エンドキャップ
65 冷却部材
Claims (10)
- 励起光を利用してレーザ光を生成または増幅するための光ファイバであって、
第1コア及び第1クラッドを有する第1光ファイバ本体と、
第2コア及び第2クラッドを有し、第1端面が前記第1光ファイバ本体の第1端面に接合された第2光ファイバ本体と、
前記第2光ファイバ本体の第2端面に接合された光透過性の第1エンドキャップと、
を備え、
前記第1コアは、レーザ媒質がドープされ、
前記第2コアにおける前記レーザ媒質の質量含有率は、前記第1コアにおける前記レーザ媒質の質量含有率よりも低い、
光ファイバ。 - 前記第1コアは、レーザ媒質がドープされ、
前記第2コアは、前記レーザ媒質がドープされていない、
請求項1に記載の光ファイバ。 - 前記第1及び第2光ファイバ本体は、フッ化物ガラスにより形成され、
前記レーザ媒質は、希土類元素である、請求項1又は2に記載の光ファイバ。 - 前記第1及び第2光ファイバ本体は、ZBLANガラスにより形成されている、請求項3に記載の光ファイバ。
- 前記レーザ媒質は、エルビウムである、請求項3又は4に記載の光ファイバ。
- 前記第1エンドキャップは、フッ化カルシウムによって形成される、請求項1から5のいずれかに記載の光ファイバ。
- 前記第2コアは、直径が前記第1コアの直径よりも大きく、前記第1コアからの出力光が前記第2コア内において反射しないような長さに設計される、請求項1から6のいずれかに記載の光ファイバ。
- 前記第1光ファイバ本体の第2端面に接合された光透過性の第2エンドキャップをさらに備える、請求項1から7のいずれかに記載の光ファイバ。
- 前記第1光ファイバ本体及び前記第2光ファイバ本体を冷却するための冷却部材をさらに備える、請求項1から8のいずれかに記載の光ファイバ。
- 請求項1から9のいずれかに記載の光ファイバと、
前記光ファイバを収容する筐体と、
前記励起光を発振する光源と、
を備える、レーザ発振器。
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