JP2015065189A - ファイバーレーザ光源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高い出力のレーザ光を出射することができるファイバーレーザ光源装置を提供することにある。【解決手段】 本発明のファイバーレーザ光源装置は、半導体レーザ素子と、当該半導体レーザ素子を冷却する冷却部材と、当該半導体レーザ素子から射出された光を集光する結合光学系と、当該結合光学系によって集光された光を励起光として一端面に受けて当該励起光と異なる波長域のレーザ光を他端面から出射するファイバーレーザ部材とを備え、前記ファイバーレーザ部材における、少なくとも前記半導体レーザ素子からの励起光の入射側端部の周面が、金属からなるスリーブによって被覆され、当該スリーブが前記冷却部材に熱的に接続されていることを特徴とする。【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体レーザ素子から射出された励起光を受けて、当該励起光と異なる波長域のレーザ光を出射するファイバーレーザ部材を備えるファイバーレーザ光源装置に関する。
従来、コアに希土類元素をドープした光ファイバーを用いたファイバーレーザが知られている。例えば、特許文献1には、窒化ガリウム(GaN)系の半導体レーザ素子(LD)から射出されるレーザ光を励起光としてアルミニウム(Al)系のフッ化物ガラス中にプラセオジウムイオン(Pr3+)がドープされたコアを有する光ファイバーに入射させ、当該コアにおいて発生した蛍光のうち一定の波長域の光を共振させるファイバーレーザが開示されている。
図3は、従来のファイバーレーザ光源装置の構成の一例を示す説明用断面図である。このファイバーレーザ光源装置50は、窒化ガリウム(GaN)系の半導体レーザ素子51と、当該半導体レーザ素子51から射出された励起光52が結合光学系53を介して入射されるファイバーレーザ部材55とを備える。このファイバーレーザ部材55においては、光入射面55aおよび光射出面55bにそれぞれ共振用ミラーが形成されており、励起光52により発生した蛍光のうち、一定の波長域の光のみが共振されることによって、当該励起光52とは波長域の異なるレーザ光56が光射出面55bから出射される。
特開平11−204862号公報
しかしながら、半導体レーザ素子から射出された励起光をファイバーレーザ部材を構成する光ファイバーのコアの一端面に集光して入射させたときに、当該コアの温度が上昇し、これに起因してファイバーレーザ部材におけるレーザ光の発振の効率が低くなり、その結果、所望の出力のレーザ光を出射することができない、という問題がある。
また、ファイバーレーザ部材自体の温度が上昇することによって、ファイバーレーザ部材とこれを保持する部材との間を接着する接着剤との熱膨張率差から、ファイバーレーザ部材の位置にズレが生じ、その結果、励起光の取り込み率が低下してしまう。特に、励起光が入射されるべきファイバーレーザ部材は、長さ方向における自由度が高いため、光ファイバーのコアの一端面の長さ方向の位置に変位が生じ、これによって励起光を十分に取り込むことができない。その結果、励起光の利用効率が低下するため、レーザ光の出力が低くなってしまう、という問題もある。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、高い出力のレーザ光を出射することができるファイバーレーザ光源装置を提供することにある。
本発明のファイバーレーザ光源装置は、半導体レーザ素子と、当該半導体レーザ素子を冷却する冷却部材と、当該半導体レーザ素子から射出された光を集光する結合光学系と、当該結合光学系によって集光された光を励起光として一端面に受けて当該励起光と異なる波長域のレーザ光を他端面から出射するファイバーレーザ部材とを備え、
前記ファイバーレーザ部材における、少なくとも前記半導体レーザ素子からの励起光の入射側端部の周面が、金属からなるスリーブによって被覆され、当該スリーブが前記冷却部材に熱的に接続されていることを特徴とする。
本発明のファイバーレーザ光源装置においては、前記半導体レーザ素子が前記冷却部材に接触して配置された金属製の半導体レーザ素子ホルダによって支持され、前記結合光学系が金属製のレンズホルダによって支持されると共に、前記スリーブが、金属製のスリーブホルダによって支持されており、
前記スリーブホルダが、レンズホルダに接触して配置されると共に、当該レンズホルダが、半導体レーザ素子ホルダに接触して配置されることが好ましい。
本発明のファイバーレーザ光源装置においては、ファイバーレーザ部材における少なくとも半導体レーザ素子からの励起光の入射側端部の周面が金属からなるスリーブによって被覆され、当該スリーブが冷却部材に熱的に接続されている。これにより、ファイバーレーザ部材における励起光の入射側端部の付近で発生する熱が高い効率で冷却部材に伝熱されて放熱されるので、ファイバーレーザ部材の温度上昇を有効に抑制することができる。従って、ファイバーレーザ部材におけるレーザ光の発振の効率の低下を抑制することができ、その結果、所望の高い出力のレーザ光を出射することができる。
また、ファイバーレーザ部材において発生する熱が高い効率で放熱されることによって、ファイバーレーザ部材とこれを保持する部材との間を接着する接着剤との熱膨張率差が大きい場合にも、ファイバーレーザ部材の長さ方向の位置にズレが生じることが抑制される。その結果、励起光の取り込み率が低下することが抑制されて所期のレーザ光の出力を維持することができる。
本発明のファイバーレーザ光源装置の一例の構成を示す説明用断面図である。 ファイバーレーザ部材の位置ズレを説明するための模式図である。 従来のファイバーレーザ光源装置の構成の一例を示す説明用断面図である。
以下、本発明のファイバーレーザ光源装置の実施の形態について説明する。
図1は、本発明のファイバーレーザ光源装置の一例の構成を示す説明用断面図である。このファイバーレーザ光源装置は、ファイバーレーザ部材10を備えてなる。
ファイバーレーザ部材10は、半導体レーザ素子30から射出され、結合光学系35によって集光された光を励起光として一端面に受け、当該励起光と異なる波長域のレーザ光を他端面から出射するものである。このファイバーレーザ部材10は、光ファイバー11と、当該光ファイバー11の励起光が入射される入射側端面12に配置された入射側ミラー16と、レーザ光が出射される出射側端面13に配置された出射側ミラー17とにより構成される共振器とよりなる。
共振器における入射側ミラー16に対向する位置には、コリメートレンズ36および集光レンズ37からなる結合光学系35を介して、光ファイバー11に励起光を入射する半導体レーザ素子30が配置されている。
図1において、39はファイバーレーザ部材10において発振されたレーザ光を導光する石英ファイバの接続部となるフェルールであり、38はフェルール39が装着されて支持されるキャップである。
半導体レーザ素子30としては、光ファイバー11のコア中の希土類元素イオンを励起し得る波長の光、例えば430〜480nmの波長域の青色光を出射するものが用いられる。このような半導体レーザ素子30の具体例としては、GaN系レーザダイオードなどが挙げられる。
半導体レーザ素子30の出力は、例えば1.4〜4.0Wとされる。
半導体レーザ素子30は、金属よりなる円筒状の半導体レーザ素子ホルダ31の一端部(図1において左端部)に収納状態に保持されており、当該半導体レーザ素子ホルダ31の他端部にコリメートレンズ36が固定されている。半導体レーザ素子ホルダ31の一端面は、冷却プレート42の表面に固定されている。
また、集光レンズ37は、円筒状のレンズホルダ32に固定されている。
半導体レーザ素子ホルダ31、レンズホルダ32、冷却プレート42を構成する材料としては、各々、SUS、Al、Ni等の熱伝導性の高い金属材料を用いることができる。
光ファイバー11は、レーザ媒質となる断面円形の線状のコアと、このコアの外周面を覆うよう設けられた円筒状のクラッドと、このクラッドの外周面を覆うよう設けられた円筒状のジャケットからなるものである。
光ファイバー11におけるコアを構成する材料としては、母材中に励起光を受けて蛍光を発光する発光物質が含有されてなるものが用いられる。
コアの母材としては、フッ化アルミニウム系フッ化物材料、ZBLANP(ZrF4 −BaF2 −LaF3 −AlF3 −AlF3 −NaF−PbF2 )等のZr系フッ化物ガラスなどを用いることができる。
コア中に含有される発光物質としては、希土類元素イオンを用いることができ、その具体例としては、プラセオジムイオン(Pr3+)、ツリウム(Tm3+)、ネオジウム(Nd3+)、イッテルビウム(Yb3+)、エルビウム(Er3+)、ホルミウム(Ho3+)などが挙げられる。コア中における希土類元素イオンの割合は、例えば500〜6000ppmである。
光ファイバー11におけるクラッドを構成する材料としては、ZBLAN(ZrF4 −BaF2 −LaF3 −AlF3 −NaF)等のZr系フッ化物ガラスやAlF系(AlF3 −BaF2 −SrF2 −CaF2 −MgF2 −YF3 )のフッ化物ガラスなどを用いることができる。
光ファイバー11におけるジャケットを構成する材料としては、酸化物ガラスなどが挙げられる。
また、光ファイバー11におけるコアの外径は、例えば7〜40μmである。
また、光ファイバー11の開口数(NA)は、0.28以上であることが好ましく、より好ましくは0.30〜0.40である。光ファイバー11の開口数(NA)が過小である場合には、光ファイバー11の集光能力が小さくなり、カップリングが困難になる。
共振器における入射側ミラー16および出射側ミラー17の各々は、例えばSiO2 よりなる低屈折率層と例えばTa2 5 よりなる高屈折率層とが交互に積層されてなる誘電体多層膜により構成されている。誘電体多層膜における低屈折率層および高屈折率層の各々の厚みは、例えば20〜300nmである。また、多層誘電体膜における低屈折率層および高屈折率層の層数は、両者の合計で例えば10〜100である。
入射側ミラー16としては、半導体レーザ素子30からの励起光の透過率が大きく、発振されるレーザ光の波長域の光の反射率が大きいものが用いられる。また、出射側ミラー17としては、発振されるレーザ光の波長域の光の反射率が入射側ミラー16よりも僅かに小さいものが用いられる。具体的な一例を示すと、入射側ミラー16は、波長430〜480nmの光の透過率が95%以上で、波長615nmの光の反射率が99%以上である。また、出射側ミラー17は、波長615nmの光の反射率が95%である。
ファイバーレーザ部材10の半導体レーザ素子30からの励起光の入射側端部および出射側端部の周面には、当該周面を覆う円筒状の金属スリーブ20A,20Bがそれぞれ設けられている。金属スリーブ20A,20Bの各々とファイバーレーザ部材10の周面とは、エポキシ系の接着剤によって接着されている。
金属スリーブ20A,20Bの間には、ファイバーレーザ部材10の周面において金属スリーブ20A,20Bに覆われていない領域を覆う状態に、可視光を透過する高分子からなる保護被膜23が設けられている。
光ファイバー11の全長は例えば40〜120mm、金属スリーブ20A,20Bの長さはそれぞれ5〜25mmであることが好ましい。
金属スリーブ20A,20Bを構成する材料としては、ニッケル、銅などの熱伝導性の高い金属材料を用いることができる。
金属スリーブ20A,20Bの熱伝導率は、例えば50W/m・k以上であることが好ましい。
金属スリーブ20A,20Bは、電鋳法によって作製することができる。
金属スリーブ20A,20Bは、SUS、Al、Ni等の金属製の円筒管よりなるスリーブホルダ25A,25B内にそれぞれ挿入されて固定されることよって支持されている。
そして、本発明のファイバーレーザ光源装置においては、金属スリーブ20Aが冷却プレート42に熱的に接続されている。
具体的には、スリーブホルダ25Aの一端面(図1において左端面)が、レンズホルダ32の一面(図1において右端面)に、集光レンズ37とファイバーレーザ部材10の入射側ミラー16が対向する状態に、熱的に接触して配置されている。また、レンズホルダ32の他面が、SUS、Al、Ni等の金属製の円筒管よりなるスペーサ33を介して半導体レーザ素子ホルダ31の他端面に、当該他端面に固定されたコリメートレンズ36と集光レンズ37とが対向する状態に、熱的に接触して配置されている。
上記したように、半導体レーザ素子ホルダ31は冷却プレート42上に固定されているので、金属スリーブ20Aは冷却プレート42に熱的に接触して配置されていることになる。
本明細書において、「熱的に接続」とは、部材同士が断熱部材を介さずに熱抵抗の低い状態で熱的に接触していることをいう。また、「熱的に接触」とは、部材同士が直接的に接触していること、あるいは、部材同士が熱伝導率の高い接着剤による接着層や、金属溶接によって接合されていることをいう。
一方、ファイバーレーザ部材10の出射側端部に設けられた金属スリーブ20Bは、スリーブホルダ25Bを介してフェルール39を支持するキャップ38内に挿入されて保持されている。
本発明のファイバーレーザ光源装置においては、半導体レーザ素子30から射出された励起光が、コリメートレンズ36および集光レンズ37を介して光ファイバー11の入射側端面12に入射され、当該光ファイバー11のコアにおいて蛍光が生じる。コアにおいて生じた蛍光は、光ファイバー11の入射側端面12と出射側端面13との間で共振してレーザ発振を引き起こしてレーザ光が発生し、得られたレーザ光が光ファイバー11の出射側端面13から出射される。
本発明のファイバーレーザ光源装置においては、ファイバーレーザ部材10における少なくとも半導体レーザ素子30からの励起光の入射側端部の周面が金属スリーブ20Aによって被覆され、当該金属スリーブ20Aが冷却プレート42に熱的に接続されている。これにより、ファイバーレーザ部材10における励起光の入射側端部の付近で発生する熱が高い効率で冷却プレート42に伝熱されて放熱されるので、ファイバーレーザ部材10の温度上昇を有効に抑制することができる。従って、ファイバーレーザ部材10におけるレーザ光の発振の効率の低下を抑制することができ、その結果、所望の高い出力のレーザ光を出射することができる。
なお、例えば1.6Wで励起時、金属スリーブ20Aを備える本発明のファイバーレーザ光源装置における光ファイバー11のコアの最高温度は110℃である。一方、金属スリーブ20Aを備えず光ファイバーにおいて発生した熱が十分に放熱されない構成のものの場合、光ファイバーのコアの最高温度は312℃になる。
また、ファイバーレーザ部材10の熱が高い効率で放熱されることによって、ファイバーレーザ部材10と当該ファイバーレーザ部材10および金属スリーブ20Aを接着する接着剤の熱膨張率差が大きい場合にも、長さ方向の位置にズレが生じることが抑制される。その結果、励起光の取り込み率が低下することが抑制されて所期のレーザ光の出力を維持することができる。
ファイバーレーザ部材の熱が放熱されにくい従来の装置においては、図2に示されるように、ファイバーレーザ部材60と当該ファイバーレーザ部材60および支持部材65を接着する接着剤層61の熱膨張率差が大きい場合に、長さ方向の位置にズレが生じる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、金属スリーブは、ファイバーレーザ部材の半導体レーザ素子からの励起光の入射側端部および出射側端部の周面の両方に設けられていることに限定されず、少なくとも入射側端部の周面に設けられていればよい。
また例えば、ファイバーレーザ部材の入射側端部および出射側端部の周面をそれぞれ覆う2つの金属スリーブが設けられていることに限定されず、ファイバーレーザ部材の周面を全て覆う長尺な1つの円筒管よりなる金属スリーブが設けられていてもよい。
10 ファイバーレーザ部材
11 光ファイバー
12 入射側端面
13 出射側端面
16 入射側ミラー
17 出射側ミラー
20A,20B 金属スリーブ
23 保護被膜
25A,25B スリーブホルダ
30 半導体レーザ素子
31 半導体レーザ素子ホルダ
32 レンズホルダ
33 スペーサ
35 結合光学系
36 コリメートレンズ
37 集光レンズ
38 キャップ
39 フェルール
42 冷却プレート
50 ファイバーレーザ光源装置
51 半導体レーザ素子
52 励起光
53 結合光学系
55 ファイバーレーザ部材
55a 光入射面
55b 光射出面
56 レーザ光
60 ファイバーレーザ部材
61 接着剤層
65 支持部材

Claims (2)

  1. 半導体レーザ素子と、当該半導体レーザ素子を冷却する冷却部材と、当該半導体レーザ素子から射出された光を集光する結合光学系と、当該結合光学系によって集光された光を励起光として一端面に受けて当該励起光と異なる波長域のレーザ光を他端面から出射するファイバーレーザ部材とを備え、
    前記ファイバーレーザ部材における、少なくとも前記半導体レーザ素子からの励起光の入射側端部の周面が、金属からなるスリーブによって被覆され、当該スリーブが前記冷却部材に熱的に接続されていることを特徴とするファイバーレーザ光源装置。
  2. 前記半導体レーザ素子が前記冷却部材に接触して配置された金属製の半導体レーザ素子ホルダによって支持され、前記結合光学系が金属製のレンズホルダによって支持されると共に、前記スリーブが、金属製のスリーブホルダによって支持されており、
    前記スリーブホルダが、レンズホルダに接触して配置されると共に、当該レンズホルダが、半導体レーザ素子ホルダに接触して配置されることを特徴とする請求項1に記載のファイバーレーザ光源装置。

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