JP2021022654A - ファイバーレーザー装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置小型化のためのファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避し得るファイバーレーザー装置を提供する。【解決手段】このファイバーレーザー装置は、高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用い、ファイバー１９の端部にはフェルール３１，３２が挿入され、ファイバーを収容しフェルールで支持するハウジング３０を備え、ハウジングおよびフェルールはそれぞれ、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、小型コンパクトに構成可能なファイバーレーザー装置に関する。
活性元素（希土類元素、遷移元素、または希土類イオン（Yb,Nd,Er,Pr,Dy,Ce,Tb等））を添加した光ファイバーを用いたファイバーレーザー装置の従来の構成例を図７に示す。この従来例は、10mを超える程度の長さの利得ファイバーを巻き取り巻回した円形状のファイバー２と、細く機械的強度が弱いために折れやすいファイバー２をサポートするためにファイバー２の入出力端に設けられたジルコニア製のフェルール１と、ファイバー２を支持し熱排出のための基板・放熱器３と、冷却ファン（または水冷装置）４と、を備える。フェルール１にはニッケルやステンレス鋼が使用され場合があるが、その目的は、ファイバー先端を溶接固定するためである。ファイバー２は、レーザー装置をできるだけコンパクトにするために巻回され、冷却効率を向上させるためファイバー同士が重ならないようにしている。その巻回された径はおおよそ30cm程度以下である。基板・放熱器３とファイバー２とは熱伝導性ペーストを用い、熱抵抗を極力抑えた形で接触している。基板・放熱器３では、冷却ファン（または水冷装置）４やペルチエ素子を用いてファイバー２に蓄積される熱が排出される。ファイバー２の希土類添加濃度を低濃度とし、また、その条長を長くすることで冷却面積の向上および熱蓄積のファイバー長方向への分散効果の二つが得られ、効率的な冷却が可能となる。
特許文献１は、多数回巻回された長い１本のレーザーファイバーが直方体状の透明な紫外線硬化性樹脂中に隙間なく埋めこまれて固定され、両端部が外部に露出している光ファイバーレーザー装置を開示する。
特開平１０−１３５５４８号公報
図７の従来のファイバーレーザー装置は、長さ10m程度の利得ファイバーを使用するのでファイバーを巻回する必要があり、このため巻回径以下の小型コンパクトな設計は困難であり、小型コンパクトな構造とするには限界があった。特許文献１の光ファイバーレーザー装置も同様であり、また、多数回巻回された長いレーザーファイバーが紫外線硬化性樹脂中に隙間なく埋めこまれる構造は排熱効率が低下する。
小型コンパクトな装置構成は社会的な要請から来る課題であって、この課題解決のためには、ファイバー長を短尺化（30cm程度以下、あるいは20、15,10cm以下でもよい）するために、従来よりも高濃度の活性元素（希土類元素、遷移元素等、あるいは希土類イオン（Yb,Nd,Er,Pr,Dy,Ce,Tb等））が添加された利得ファイバーを使う必要があるが、短尺化すると、ファイバーの熱蓄積の問題が生じる。
本発明は、装置小型化のためのファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避し得るファイバーレーザー装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するためのファイバーレーザー装置は、高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、前記ハウジングおよび前記フェルールはそれぞれ、前記ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成される。
このファイバーレーザー装置によれば、ハウジングおよびフェルールはそれぞれ、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成されるので、装置作動中のファイバー端部における熱蓄積を低減でき、熱蓄積に起因する問題を回避できる。すなわち、ハウジングおよびフェルールは、熱伝導性の高い金属材料から構成されることで、従来のたとえばジルコニアなどのセラミックスよりも熱伝導性が向上するので、ファイバー端部における熱蓄積を低減でき、また、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した材料であるので、ファイバーが熱蓄積をしてもハウジングおよびフェルールから熱膨張係数の差により受けるストレスを低減できる。このように、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を防止できるので、ファイバー短尺化による装置の小型化を実現できる。
上記目的を達成するための別のファイバーレーザー装置は、高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、前記フェルールおよび前記ハウジングは、90W/mK以上の熱伝導率と、10×10-6〜30×10-6/Kの熱膨張係数と、を有する材料から構成される。
このファイバーレーザー装置によれば、ハウジングおよびフェルールはそれぞれ、90W/mK以上の熱伝導率と、10×10-6〜30×10-6/Kの熱膨張係数と、を有する材料から構成されるので、装置作動中のファイバー端部における熱蓄積を低減でき、熱蓄積に起因する問題を回避できる。すなわち、ハウジングおよびフェルールは、90W/mK以上の熱伝導性の高い材料から構成されることで、従来のたとえばジルコニアなどのセラミックスよりも熱伝導性が向上するので、ファイバー端部における熱蓄積を低減でき、また、10×10-6〜30×10-6/Kの熱膨張係数を有し、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似するので、ファイバーが熱蓄積をしてもハウジングおよびフェルールから熱膨張係数の差により受けるストレスを低減できる。このように、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を防止できるので、ファイバー短尺化による装置の小型化を実現できる。
上記各ファイバーレーザー装置において、前記ファイバーの長さが300mm以下であり、また、前記ファイバーの素材がフッ化物ガラス材料であり、また、前記ファイバーは、Pr元素の添加濃度が1500〜5000ppmであるファイバーコアを有することが好ましい。
また、上記ファイバーレーザー装置は、520nm±10nm、610nm±10nm、638nm±10nmのいずれか１つの波長、または、いずれか２つの波長でレーザー発振することが好ましい。
本発明のファイバーレーザー装置によれば、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避し得るので、装置小型化を実現できる。
本実施形態によるファイバーレーザー装置の概略的構成を示す光路図である。 図１のファイバーを収容したハウジングを概略的に示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 図２（ａ）のファイバーの端部に取り付けられたフェルールを示す図である。 本事前検討例で用いたファイバーレーザー装置の概略的構成を示す光路図である。 本事前検討例で得られた図４のファイバーレーザー装置の基本出力特性を示すグラフである。 本実施例で得られた図１のファイバーレーザー装置の基本出力特性を示すグラフである。 従来のファイバーレーザー装置の要部構成例を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態によるファイバーレーザー装置の概略的構成を示す光路図である。図２は、図１のファイバーを収容したハウジングを概略的に示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。図３は図２（ａ）のファイバーの端部に取り付けられたフェルールを示す図である。
図１のように、本実施形態によるファイバーレーザー装置１０は、半導体レーザー１１，１１Ａと、レンズ１２，１２Ａと、波長板１３と、半導体レーザー１１からのレンズ１２を通したレーザー光と半導体レーザー１１Ａからのレンズ１３Ａ，波長板１３を通して９０°の位相差を与えられたレーザー光とが入射して合波する偏光ビームスプリッター１４と、偏光ビームスプリッター１４からのレーザー光が入射し出射するアナモルフィックプリズムペア１５と、アナモルフィックプリズムペア１５からのレーザー光を全反射する全反射ミラー１６，１７と、を備える。
ファイバーレーザー装置１０は、さらに、全反射ミラー１７からのレーザー光が入射するレンズ１８と、レンズ１８からのレーザー光が入射する短尺型のファイバー１９と、ファイバー１９からのレーザー光が入射するレンズ２０と、レンズ２０からのレーザー光を出射する出射ミラー２１と、を備える。
たとえば、半導体レーザーの発振波長を４４２ｎｍとして、フッ化物ファイバーを励起すると、波長５２０ｎｍ（緑），６１０ｎｍ（オレンジ），６３８ｎｍ（赤）の強いスペクトルが発光するが、ファイバー１９の入射端面１９ａと出射ミラー２１とにおけるコーティングにより、たとえば、６３８ｎｍを選択すれば、赤色の基本波レーザー光が出力し、また、たとえば、６１０ｎｍと６３８ｎｍとを選択すれば、オレンジと赤色の基本波レーザー光が出力する。
ファイバーレーザー装置１０をより小型コンパクトな構造にて設計するためには、利得ファイバー中の希土類元素濃度をより高濃度にし、その条長を短くする必要がある。そのためには、この短尺化により生じるファイバー１９の熱蓄積を効果的に回避し得る排熱手段が課題となる。
かかる排熱手段としての装置構成は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、励起光を十分に吸収するように高濃度の活性元素（希土類元素、遷移元素等、または希土類イオン（Yb,Nd,Er,Pr,Dy,Ce,Tb等））により短尺化されたファイバー１９の両端にフェルール３１，３２を接着し、フェルール３１，３２とファイバー１９をハウジング３０内にフェルール３１，３２がハウジング３０の両側の側板３０ｃ，３０ｄに熱伝導性ペーストを用いて熱抵抗を極力抑えて接触させた状態で収容されるようになっている。
すなわち、ハウジング３０は、図２（ａ）（ｂ）の上下に半割された構造で、上部３０ａと下部３０ｂとを突き合わせたとき、フェルール３１，３２が各側板３０ｃ，３０ｄに形成された半円状の切欠部に位置し挟み込まれるようにして支持されるようになっている。ファイバー１９は、図２，図３のように、フェルール３１，３２の貫通孔内に接着剤を適用して挿入されている。
なお、ファイバー１９の長さは、30cm程度以下であるが、20,15,10cm以下でもよい。また、ファイバー１９は、たとえば、フッ化物ガラス材料を素材とし、Pr元素の添加濃度が1500〜5000ppmであるファイバーコアを有することが好ましい。
ここで、フェルール３１，３２を、高熱伝導性材料である金属（たとえば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、それらの合金など）から構成することで、(1)ファイバーの端部からの効率的な熱伝導、(2)細く機械的強度が弱いために折れやすいファイバー端の保護、(3)ファイバー端面の研磨作業の容易化、(4)ファイバー端面への誘電体コーティング膜の形成の容易化を実現できる。
また、ハウジング３０は、高熱伝導性材料である金属材料（たとえば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、それらの合金など)から構成され、熱抵抗を極力抑えた形でハウジング３０の側板３０ｃ，３０ｄに接触したフェルール３１，３２からファイバー１９で生じた熱を効率よく伝導し、放熱することができる。このため、ハウジング３０は放熱器としても機能する。ハウジング３０から放熱された熱は、ハウジング３０に設けられた冷却ファン、水冷装置、または、ペルチエ素子等を用いて排出することで、ファイバー１９に蓄積される熱を効果的に排出することができる。
また、ハウジング３０およびフェルール３１，３２は、ファイバー１９の素材の熱膨張係数と一致または近似した材料から構成することで、装置の高出力動作時の熱蓄積により生じる熱膨張係数の違いに起因する、ファイバー端面や誘電体多層膜コーティング面の破損を防ぐことができる。
以上のように、ハウジング３０およびフェルール３１，３２を構成する各材料は、ファイバー１９の素材と近似する熱膨張係数を有し、かつ、高い熱伝導率を有することで、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避することができる。
〈実施例〉
次に、本発明を実施例・事前検討例により具体的に説明する。ただし、本発明は、本実施例に限定されるものではない。
（事前検討例）
まず、本発明に関し事前に検討した事前検討例について説明する。この事前検討例では、図４に示すファイバーレーザー装置を使用したが、この装置は、図１において半導体レーザー１１Ａ，レンズ１２Ａ，および、波長板１３を省略した構成である。ファイバー１９を、フェルール３１，３２を用いて図２，図３と同様の構造のハウジング３０に収容し固定した。
ファイバー１９をフッ化物ファイバーとし、ファイバー径が280μm、ファイバー長は17cmである。ファイバーコアに3000ppmのPrを添加している。ファイバー１９の両端にはジルコニア製フェルール３１，３２を装着している。フェルール３１，３２の外径は2.5mm、長さが12mmで、内径が282μmであり、ファイバー１９を挿入後、樹脂接着剤で接着している。また、ファイバー１９およびフェルール３１，３２は、伝熱冷却のためアルミニウム製のハウジング３０によって支持固定されている。この構造にて、ファイバー１９の励起側端面に波長638nmで高反射の誘電体多層膜コーティング、および、出射ミラー２１に波長442nmで無反射の誘電体多層膜コーティングを施し、外部ミラー67%にてレーザー共振器を構成した。かかる構成によれば、図５のように、ファイバーレーザー出力0.425Wが達成され、出力の向上が確認されたが、波長442nmの励起半導体レーザー入力2.5Wにおいて出力（波長638nm）が飽和する現象が観測された。
かかる原因として考えられるのは、ファイバー端面の熱蓄積によって生じる熱飽和現象である。図７に示す従来のファイバーレーザー装置の構成では、利得ファイバーの活性元素添加濃度が低く問題とならなかったが、小型コンパクト化を目指したファイバー短尺化によりファイバーの励起端面において顕著な熱蓄積が現れるのである。
長時間レーザー動作を行うと、フェルール自身も温度が上昇する。そのため、フェルールの熱を効率よく放熱する機構が必要である。一方、ファイバー先端の温度が上昇すると、ファイバーの屈折率が変化する。ファイバー内を伝送する光は、コア材料とクラッド材料の屈折率差によって閉じ込められている。しかし、温度変化により屈折率変化は、その屈折率差を変えるため、ファイバー内を伝搬するモードが変化する。ファイバー先端部と中心部で温度が異なると、ファイバー内を伝播する間に伝搬モードが変わることになるため、光の一部は伝搬できずファイバーの外へ放出される。その結果、ファイバーの伝搬方向の温度変化は、伝送効率の低下を引き起こす。そのため、先端部の温度は放熱するとともに、ファイバー全体に拡散し温度の一様化を図る機構が必要である。これらの原因により、励起光に対する吸収係数の低下、誘導放出断面積の低下、発振波長のシフト、屈折率変化による損失の増加、熱複屈折によるビーム品質の低下などが起こり、熱飽和現象が現れたと考えられる。
また、過度の熱蓄積はファイバーがハウジングおよびフェルールから熱膨張係数の差に起因するストレスを受けるため出力が低下し、ファイバー端面の破壊やコーティングの破壊に繋がる場合があるため、解決すべき問題である。
（実施例）
上記事前検討例で判明した熱飽和現象の軽減のために本実施例では次の改善を行った。
(1)ファイバー端面を保持するフェルールには、セラミックスに代えてより熱伝導率の高い金属性のフェルールを用いた。
(2)高出力動作時の熱蓄積により生じる熱膨張係数の違いに起因する、ファイバー端面や誘電体多層膜コーティング面の破損を防ぐため、フッ化物ファイバー、フェルール、ハウジングの各材料として、熱膨張係数の一致または近似する材料を選択した。
具体的には、図１〜図３において、レーザー媒質であるファイバー１９は、フッ化物ファイバーであり、ファイバー径が280μm、ファイバー長は17cmである。ファイバーコアに3000ppm のPrを添加している。ファイバー両端にはニッケル製フェルール３１，３２を装着している。フェルールの外径は2.5mmで長さ12mmである。フェルールの内径は282μmであり、ファイバーを挿入後樹脂接着剤で接着している。また、ファイバー１９およびフェルール３１，３２は銅製のハウジング３０によって支持固定されている。この構造にて、ファイバー１９の励起側端面１９ａに波長638nmで高反射の誘電体多層膜コーティング、および、出射ミラー２１に波長638nmで反射率６７％の誘電体多層膜コーティングを施し、レーザー共振器を構成した。
フッ化物ファイバー、ニッケル、銅の熱伝導率はそれぞれ、0.898W/mK、91W/mK、403W/mKである。また、それぞれの熱膨張係数は、18.6×10-6/K、13.4×10-6/K、16.5×10-6/Kである。ニッケルおよび銅は、フッ化物ファイバーと近い熱膨張係数を有しながら、高い熱伝導率を有する。その結果、図６のように、波長442nmの励起半導体レーザー入力5.0Wに対して、ファイバーレーザー出力（波長638nm）1.0W、効率約20%を得て、また、出力は飽和しなかった。
事前検討例のように、フェルールにジルコニア材料、ハウジングにアルミニウム材料を用いた構造では、励起半導体レーザー入力2.5Wに対してファイバーレーザー出力0.425Wでレーザー出力は飽和し、それ以上の出力は得られなかった。これは、ジルコニア製フェルールの熱伝導性が低いためファイバーに熱が蓄積し、温度が上昇したため励起半導体レーザーの波長に対する吸収係数の低下、ファイバー材料の誘導放出断面積の低下、伝搬損失の増加が原因である。これに対し、本実施例では、高熱伝導率とファイバー材料に近い熱膨張係数とを有するフェルールおよびハウジングに置き換えることにより、レーザー出力の増大および効率の改善が図られた。
以上のように本発明を実施するための形態および実施例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、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。たとえば、図１のファイバーレーザー装置の構成は、一例であって、他の構成であってもよいことはもちろんである。
また、フェルールおよびハウジングを構成する材料として、熱膨張係数がファイバーの熱膨張係数に近似し、たとえば90W/mK以上の高熱伝導率を有するものであれば、他の材料も使用可能である。
本発明のファイバーレーザー装置によれば、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避できるので、社会的な要請の強い小型コンパクトな装置構成を実現し提供できる。
１０ ファイバーレーザー装置
１１，１１Ａ 半導体レーザー
１９ ファイバー
３０ ハウジング
３０ａ 上部
３０ｂ 下部
３０ｃ，３０ｄ 側板
３１，３２ フェルール
上記目的を達成するためのファイバーレーザー装置は、活性元素が添加された長さ300mm以下の短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、前記ハウジングおよび前記フェルールはそれぞれ、前記ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した材料から構成され、前記材料の熱膨張係数Ａと前記ファイバーの素材の熱膨張係数Ｂとの差（Ａ−Ｂ）は、-8.6×10 -6 〜11.4×10 -6 /Kの範囲内にある。
このファイバーレーザー装置によれば、ハウジングおよびフェルールはそれぞれ、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した材料から構成されるので、装置作動中のファイバー端部における熱蓄積を低減でき、熱蓄積に起因する問題を回避できる。すなわち、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した材料であるので、ファイバーが熱蓄積をしてもハウジングおよびフェルールから熱膨張係数の差により受けるストレスを低減できる。このように、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を防止できるので、ファイバー短尺化による装置の小型化を実現できる。
上記目的を達成するための別のファイバーレーザー装置は、活性元素が添加された長さ300mm以下の短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、前記ハウジングおよび前記フェルールはそれぞれ、10×10-6〜30×10-6/Kの範囲内の熱膨張係数を有する材料から構成され、前記ファイバーの素材の熱膨張係数は前記材料の熱膨張係数と近似するように前記範囲内にある。
このファイバーレーザー装置によれば、ハウジングおよびフェルールはそれぞれ、10×10-6〜30×10-6/Kの熱膨張係数を有する材料から構成されるので、装置作動中のファイバー端部における熱蓄積を低減でき、熱蓄積に起因する問題を回避できる。すなわち、ハウジングおよびフェルールは、10×10-6〜30×10-6/Kの熱膨張係数を有し、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似するので、ファイバーが熱蓄積をしてもハウジングおよびフェルールから熱膨張係数の差により受けるストレスを低減できる。このように、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を防止できるので、ファイバー短尺化による装置の小型化を実現できる。
上記各ファイバーレーザー装置において、前記材料は、90W/mK以上の熱伝導率を有することが好ましい。90W/mK以上の熱伝導性の高い材料から構成されることで、従来のたとえばジルコニアなどのセラミックスよりも熱伝導性が向上するので、ファイバー端部における熱蓄積を低減できる。また、前記ファイバーの素材がフッ化物ガラス材料であり、また、前記ファイバーは、Pr元素の添加濃度が1500〜5000ppmであるファイバーコアを有することが好ましい。

Claims (6)

  1. 高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、
    前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、
    前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、
    前記ハウジングおよび前記フェルールはそれぞれ、前記ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成されるファイバーレーザー装置。
  2. 高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、
    前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、
    前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、
    前記フェルールおよび前記ハウジングは、90W/mK以上の熱伝導率と、10×10-6〜30×10-6/Kの熱膨張係数と、を有する材料から構成されるファイバーレーザー装置。
  3. 前記ファイバーの長さが300mm以下である請求項１または２に記載のファイバーレーザー装置。
  4. 前記ファイバーの素材がフッ化物ガラス材料である請求項１乃至３のいずれかに記載のファイバーレーザー装置。
  5. 前記ファイバーは、Pr元素の添加濃度が1500〜5000ppmであるファイバーコアを有する請求項４に記載のファイバーレーザー装置。
  6. 520nm±10nm、610nm±10nm、638nm±10nmのいずれか１つの波長、または、いずれか２つの波長でレーザー発振する請求項１乃至５のいずれかに記載のファイバーレーザー装置。
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