JP2015065189A

JP2015065189A - ファイバーレーザ光源装置

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Publication number: JP2015065189A
Application number: JP2013196395A
Authority: JP
Inventors: 寛之高田; Hiroyuki Takada; 理大澤; Osamu Osawa; 蕪木　清幸; Kiyoyuki Kaburagi; 清幸蕪木
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-04-09

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Ｔａ₂Ｏ₅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

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。
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。