JP5178499B2 - 光ファイバレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバケーブルを用いてレーザの発振、増幅等を行う光ファイバレーザ装置に関する。

レーザ光の媒体として光ファイバケーブルを用いたレーザ装置、いわゆる光ファイバレーザ装置が多々開発されている。光ファイバレーザ装置は、光ファイバケーブルのコアに添加された希土類イオン等のレーザ媒質に対して、半導体レーザ等の励起源から励起光を入射させることにより、レーザ光を発振させる、あるいは増幅させる装置である。

光ファイバケーブルの両端には、一般的な固体レーザと同じく、反射ミラーと出力ミラーとが配置されており、各ミラーと光ファイバケーブルの端面との間には、ミラーからの光を光ファイバケーブル内に確実に誘導するためのレンズが配置されている。また、光ファイバケーブルは湿気に弱いので、所定の湿度に維持された窒素雰囲気中にて保持されている。

ところで、光ファイバレーザ装置では、光ファイバケーブルの温度上昇に伴って、レーザ特性の低下、増幅特性の劣化（例えば、発振閾値の上昇、変換効率の低下等）等が生じるおそれがあった。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もあった。

斯かる問題を解決するために、例えば特許文献１では、円筒体の周縁部に光ファイバを巻きつけるための溝部を設け、該溝部に沿って光ファイバを巻きつける光ファイバレーザ装置が開示されている。溝部に沿って光ファイバが巻きつけられることにより、光ファイバが互いに接触することなく、確実に円筒体の周壁部に接触して巻きつけることができる。
特開２００７−１０３４７８号公報

しかし、特許文献１では、一定の長さの光ファイバについては円筒体の周壁部に確実に接触しながら巻きつけることはできても、光ファイバの長さが変動する場合には、円筒体の周壁部に確実に接触させることが困難になるという問題点があった。すなわち、光ファイバが長すぎる場合には溝部から浮き出してしまうことにより円筒体の周壁部と接触することができない部分が生じる。逆に光ファイバが短かすぎる場合には円筒体の周壁部との接触は維持することができるものの、光ファイバの一端が支持部（ホルダ）と接続することができない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバケーブルの長さによらず、光ファイバケーブルの冷却効果を損なわず、一定の特性を維持することができる光ファイバレーザ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に第１発明に係る光ファイバレーザ装置は、両端部が閉塞され、略鉛直方向を回転軸として互いに反対方向へ回転することが可能な複数の筒体と、前記筒体の周壁部に巻きまわされた光ファイバケーブルと、該光ファイバケーブルの両端を支持する第一のファイバ支持部及び第二のファイバ支持部と、前記筒体を介して前記光ファイバケーブルを冷却する冷却装置とを備え、前記第一のファイバ支持部と第二のファイバ支持部とを異なる筒体上に配設してあり、前記第一のファイバ支持部を配設してある一の筒体と、前記第二のファイバ支持部を配設してある他の筒体とを互いに反対方向へ回転させて、前記光ファイバケーブルを前記筒体の周壁部に沿って巻きまわすようにしてあることを特徴とする。

第１発明では、両端部が閉塞され、略鉛直方向を回転軸として互いに反対方向へ回転することが可能な複数の筒体を備え、光ファイバケーブルが筒体の周壁部に巻きまわされている。複数の筒体を介して光ファイバケーブルを冷却する冷却装置を備えており、複数の筒体の周壁部に巻きまわしている光ファイバケーブルを冷却する。光ファイバケーブルの両端を支持する第一のファイバ支持部及び第二のファイバ支持部をそれぞれ異なる筒体上に配設してあり、第一のファイバ支持部を配設してある一の筒体と、第二のファイバ支持部を配設してある他の筒体とを互いに反対方向へ回転させて、光ファイバケーブルを筒体の周壁部に沿って巻きまわすことにより、光ファイバケーブルの長さが変動した場合であっても、少なくとも第一のファイバ支持部が配設してある筒体と、第二のファイバ支持部が配設してある筒体とを互いに反対方向へ回転させることにより筒体の周壁部にて適度な張力を付与して光ファイバケーブルを巻きまわすことができ、光ファイバケーブルが筒体の周壁部から浮き上がることがない。したがって、筒体と光ファイバケーブルとを一定の接触面積を維持しつつ接触させることができ、光ファイバケーブルの長さによらず冷却効果を維持することが可能となる。

また、第２発明に係る光ファイバレーザ装置は、第１発明において、前記筒体は、上端から下端に向かって半径が大きくなるテーパ形状を有することを特徴とする。

第２発明では、筒体が、上端から下端に向かって半径が大きくなるテーパ形状を有することにより、第一のファイバ支持部が配設してある筒体と、第二のファイバ支持部が配設してある筒体とを互いに反対方向へ回転させた場合、光ファイバケーブルは、筒体の周壁部にて適度な張力が付与され、しかも下方へ落下することがない。したがって、光ファイバケーブルを筒体の周壁部に接触させて巻きまわすことができ、光ファイバケーブルの長さによらず冷却効果を維持することが可能となる。

また、第３発明に係る光ファイバレーザ装置は、第１又は第２発明において、複数の前記筒体は、上下２つの筒体に分割されており、上側の筒体に前記第一のファイバ支持部が、下側の筒体に前記第二のファイバ支持部が、それぞれ配設してあることを特徴とする。

第３発明では、複数の筒体は、上下２つの筒体に分割されており、上側の筒体に第一のファイバ支持部が、下側の筒体に前記第二のファイバ支持部が、それぞれ配設してある。これにより、光ファイバケーブルの長さが変動した場合であっても、第一のファイバ支持部が配設してある上側の筒体と、第二のファイバ支持部が配設してある下側の筒体とを互いに反対方向へ回転させることにより、筒体の周壁部にて適度な張力を付与して光ファイバケーブルを巻きまわすことができ、光ファイバケーブルが筒体の周壁部から浮き上がることがない。したがって、筒体と光ファイバケーブルとを一定の接触面積を維持しつつ接触させることができ、光ファイバケーブルの長さによらず冷却効果を維持することが可能となる。

また、第４発明に係る光ファイバレーザ装置は、第１又は第２発明において、複数の前記筒体は、前記第一のファイバ支持部が配設してある第一の筒体と、前記第二のファイバ支持部が配設してある第二の筒体と、前記第一の筒体及び前記第二の筒体に挟持された第三の筒体とを備え、前記第一の筒体と前記第二の筒体とが回転することが可能になっていることを特徴とする。

第４発明では、複数の筒体は、第一のファイバ支持部を配設してある第一の筒体と、第二のファイバ支持部が配設してある第二の筒体と、第一の筒体及び第二の筒体に挟持された第三の筒体とを備えている。光ファイバケーブルの長さが変動した場合であっても、第一のファイバ支持部が配設してある第一の筒体と、第二のファイバ支持部が配設してある第二の筒体とを互いに反対方向へ回転させることにより、第三の筒体が回転しない場合であっても、筒体の周壁部にて適度な張力を付与して光ファイバケーブルを巻きまわすことができ、光ファイバケーブルが筒体の周壁部から浮き上がることがない。したがって、筒体と光ファイバケーブルとを一定の接触面積を維持しつつ接触させることができ、光ファイバケーブルの長さによらず冷却効果を維持することが可能となる。

上記構成により、第一のファイバ支持部を配設してある一の筒体と、第二のファイバ支持部を配設してある他の筒体とを互いに反対方向へ回転させて、光ファイバケーブルを筒体の周壁部に沿って巻きまわすことにより、光ファイバケーブルの長さが変動した場合であっても、少なくとも第一のファイバ支持部が配設してある筒体と、第二のファイバ支持部が配設してある筒体とを互いに反対方向へ回転させることにより筒体の周壁部にて適度な張力を付与して光ファイバケーブルを巻きまわすことができ、光ファイバケーブルが筒体の周壁部から浮き上がることがない。したがって、筒体と光ファイバケーブルとを一定の接触面積を維持しつつ接触させることができ、光ファイバケーブルの長さによらず冷却効果を維持することが可能となる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す平面模式図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る光ファイバレーザ装置１は、回転軸が略鉛直方向となるように配置されている筒状のボビン（筒体）１１を備えており、ボビン１１の上下の開口部には上蓋１２と下蓋（図示せず）が内部を密閉するように嵌め込まれている。なお、ボビン１１、上蓋１２及び下蓋は、アルミ、銅等の熱伝導率が高い素材で構成されることが好ましい。ボビン１１の周壁部に巻きまわす光ファイバケーブル１３の冷却効果を高めるためである。

ボビン１１の周壁部には、光ファイバケーブル１３の両端部を支持するためのホルダ（支持部）１４、１５が配設されている。ホルダ１４は、光ファイバケーブル１３の終端側のホルダ（第一のファイバ支持部）であり、光ファイバケーブル１３の終端から放出されたレーザ光は、レンズ１４１を経由してミラー１４２で全反射し、レンズ１４１にて集約されて再度光ファイバケーブル１３の終端から励起側へと戻る。

ホルダ１５は、光ファイバケーブル１３の励起側のホルダ（第二のファイバ支持部）であり、励起光源１５１から発せられた励起光は、レンズ１５２、１５３を経由して集約され、光ファイバケーブル１３の励起側の端部へ集約される。光ファイバケーブル１３の終端側のミラー１４２にて反射されたレーザ光は、レンズ１５３を経由してダイクロイックミラー１５４へ入光する。

ダイクロイックミラー１５４は、励起光源１５１からの励起光は透過するが、光ファイバケーブル１３の終端側のミラー１４２にて反射されたレーザ光は透過することなく反射する。ダイクロイックミラー１５４で反射したレーザ光を出力として、種々の目的に使用する。

図２は、光ファイバケーブル１３の長手方向に直交する面での断面図及び斜視図である。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、光ファイバケーブル１３は、コア１３１とクラッド１３２とで構成されている。コア１３１内には、希土類イオン等のレーザ媒質が添加されている。コア１３１に添加されたレーザ媒質は、励起光源１５１から発せられた励起光により励起され、レーザ光を出力する。出力するレーザ光のレベルに応じて励起光源１５１の数は調整すれば良い。

図３は、本実施の形態に係る光ファイバレーザ装置１の筒体１１の構成を示す斜視図である。筒体１１は、略鉛直方向の回転軸を有する回転体であり、上端から下端に向かって半径が大きくなるテーパ形状を有することが好ましい。光ファイバケーブル１３をたるませること無く筒体１１の周壁部に巻きまわした場合、光ファイバケーブル１３が下方へスライドして落ちることがないからである。

筒体１１は、上部筒体１１Ａと下部筒体１１Ｂとに分割されており、それぞれ略鉛直方向の回転軸を中心として互いに反対方向へ回転することが可能となっている。上部筒体１１Ａの周壁部には、光ファイバケーブル１３の終端側のホルダ（第一のファイバ支持部）であるホルダ１４が、下部筒体１１Ｂの周壁部には、光ファイバケーブル１３の励起側のホルダ（第二のファイバ支持部）であるホルダ１５が、それぞれ配設されている。

図４は、本実施の形態に係る光ファイバレーザ装置１のホルダ１４の構成を示す斜視図である。ホルダ１４の一方の面には光ファイバケーブル１３の端部を保持するインジウム板１４３が設けてあり、光ファイバケーブル１３の端部をインジウム板１４３上に配置した状態でホルダ押さえ１４４で光ファイバケーブル１３を挟持する。

ホルダ押さえ１４４にもインジウム板１４３が設けてあり、光ファイバケーブル１３の径に合致した溝部１４７が設けてある。光ファイバケーブル１３を溝部１４７に嵌め込んだ状態でホルダ押さえ１４４をホルダ１４にかぶせ、タップ穴１４５、１４５、・・・とボルト通し穴１４６、１４６、・・・との位置合わせをする。ボルト（図示せず）をボルト通し穴１４６、１４６、・・・から挿入して締め付けることにより、ホルダ押さえ１４４をホルダ１４に固定する。ホルダ１５についても基本的構成は同じである。

図５は、上部筒体１１Ａ及び下部筒体１１Ｂの接合部近傍の拡大断面図である。上部筒体１１Ａ及び下部筒体１１Ｂの接合部では、上部筒体１１Ａの下端部及び下部筒体１１Ｂの上端部が互いに嵌め合う構造を有しており、図５の例では、上部筒体１１Ａの下端部に、下部筒体１１Ｂの上端部との相対的な回転移動を止めるためのボルト用タップ穴１１１を設けてある。上部筒体１１Ａ及び下部筒体１１Ｂを相対的に回転させて所望の位置になった場合、ボルト（図示せず）を複数のボルト用タップ穴１１１、１１１、・・・に挿入して締め付けることにより、上部筒体１１Ａ及び下部筒体１１Ｂが固定される。

また、筒体１１の内周面には、光ファイバケーブル１３の冷却装置として水冷配管１６が螺旋状に設けられている。水冷配管１６は、その内部を流れる冷却水との間で熱交換を行う。これにより、レーザ光の発振、増幅等により光ファイバケーブル１３にて生じた熱は、上部筒体１１Ａ及び下部筒体１１Ｂを通って水冷配管１６から逃がされる。

なお、水冷配管１６への水の供給は、冷却水注入口１７及び冷却水排出口１８を用いて行う。冷却水注入口１７及び冷却水排出口１８は、上部筒体１１Ａ、下部筒体１１Ｂのそれぞれに配設されており、ポンプ（図示せず）等を用いて水を供給することにより、水冷配管１６内に水流を生じさせることができる。

以上のような構成の本実施の形態に係る光ファイバレーザ装置１では、光ファイバケーブル１３の一端をホルダ１４又はホルダ１５に固定した状態で、上部筒体１１Ａ、下部筒体１１Ｂを互いに反対方向へ回転させて、光ファイバケーブル１３を上部筒体１１Ａ及び下部筒体１１Ｂの周壁部に巻きまわす。そして、光ファイバケーブル１３が上部筒体１１Ａ及び下部筒体１１Ｂの周壁部から浮き上がらずに一定の接触面積を維持しつつ接触している状態で、光ファイバケーブル１３の他端をホルダ１５又はホルダ１４に固定する。

このようにすることで、光ファイバケーブル１３の長さによらず、光ファイバケーブル１３を筒体１１の周壁部に接触させた状態で巻きまわすことができ、光ファイバケーブル１３がレーザ光の発振、増幅等により生じた熱を確実に水冷配管１６へ排出することができる。したがって、光ファイバケーブル１３の熱膨張による筒体１１からの浮き上がりを未然に回避することができ、発熱によるレーザ特性の低下、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）等が生じるのを防止することも可能となる。また、クラッド１３２を保護するための被覆部材が発熱による熱的損傷を受けることもない。

さらに、上部筒体１１Ａ、下部筒体１１Ｂが互いに反対方向へ回転することにより光ファイバケーブル１３に適度な張力を付与することで筒体１１の周壁部へ圧着することができる。したがって、巻きまわされた光ファイバケーブル１３と筒体１１との間の摩擦力が増大することから、大きな振動が発生する環境下であっても光ファイバケーブル１３と筒体１１とが離脱することがなく、十分な冷却効果を発揮することができる。

以上のように本実施の形態によれば、光ファイバケーブル１３の長さによらず、光ファイバケーブル１３を筒体１１の周壁部に確実に接触させた状態で巻きまわすことができ、光ファイバケーブル１３の発熱を未然に回避することができる。したがって、光ファイバケーブル１３の熱膨張による筒体１１からの浮き上がりを未然に防止することができ、発熱によるレーザ特性の低下、増幅特性の劣化（例えば、発振閾値の上昇、変換効率の低下等）等が生じるのを防止することも可能となる。

なお、本実施の形態では、光ファイバケーブルを用いた光ファイバレーザ発振器を例に挙げて説明しているが、本発明は特にこれに限定されるものではなく、例えば光ファイバを用いてレーザ動作させる装置、例えば光ファイバレーザ増幅器等に適用された場合であっても同様の効果を奏することができる。

その他、本発明の趣旨の範囲内であれば多種の変形、置換等が可能であることは言うまでもない。例えば筒体１１は上下二分割された構造に限定されるものではなく、少なくともホルダ１４が配設されている部分及びホルダ１５が配設されている部分が、互いに反対方向へ回転することが可能な構造であれば、間に回転しない筒体部分が存在しても同様の効果が期待できる。

本発明の実施の形態に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す平面模式図である。 光ファイバケーブルの長手方向に直交する面での断面図及び斜視図である。 本実施の形態に係る光ファイバレーザ装置の筒体の構成を示す斜視図である。 本実施の形態に係る光ファイバレーザ装置のホルダの構成を示す斜視図である。 上部筒体及び下部筒体の接合部近傍の拡大断面図である。

符号の説明

１ 光ファイバレーザ装置
１１ 筒体
１１Ａ 上部筒体
１１Ｂ 下部筒体
１３ 光ファイバケーブル
１４ ホルダ（第一のファイバ支持部）
１５ ホルダ（第二のファイバ支持部）
１６ 水冷配管（冷却装置）

Claims (4)

1. 両端部が閉塞され、略鉛直方向を回転軸として互いに反対方向へ回転することが可能な複数の筒体と、
   前記筒体の周壁部に巻きまわされた光ファイバケーブルと、
   該光ファイバケーブルの両端を支持する第一のファイバ支持部及び第二のファイバ支持部と、
   前記筒体を介して前記光ファイバケーブルを冷却する冷却装置と
   を備え、
   前記第一のファイバ支持部と第二のファイバ支持部とを異なる筒体上に配設してあり、
   前記第一のファイバ支持部を配設してある一の筒体と、前記第二のファイバ支持部を配設してある他の筒体とを互いに反対方向へ回転させて、前記光ファイバケーブルを前記筒体の周壁部に沿って巻きまわすようにしてあることを特徴とする光ファイバレーザ装置。
2. 前記筒体は、上端から下端に向かって半径が大きくなるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバレーザ装置。
3. 複数の前記筒体は、上下２つの筒体に分割されており、
   上側の筒体に前記第一のファイバ支持部が、下側の筒体に前記第二のファイバ支持部が、それぞれ配設してあることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバレーザ装置。
4. 複数の前記筒体は、前記第一のファイバ支持部が配設してある第一の筒体と、前記第二のファイバ支持部が配設してある第二の筒体と、前記第一の筒体及び前記第二の筒体に挟持された第三の筒体とを備え、
   前記第一の筒体と前記第二の筒体とが回転することが可能になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバレーザ装置。

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