JP5616150B2

JP5616150B2 - アクティブファイバ冷却装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器

Info

Publication number: JP5616150B2
Application number: JP2010161484A
Authority: JP
Inventors: 山崎　信幸; 信幸山崎; 昌利斉藤
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: JP2012023274A

Description

本発明は、アクティブファイバ冷却装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器に関する。

従来からアクティブファイバの端面から励起光を入射させてレーザ光を発振させるファイバレーザ発振器が種々提案されている。

本出願人は、ラージモードエリアのアクティブファイバを用いたファイバレーザ発振器を提案している（例えば、特許文献１参照）。

このラージモードエリアのアクティブファイバとしては、例えば、ダブルクラッドファイバを用いることができる。

このファイバレーザ発振器においては、近年その出力を増大することが要望されている。

アクティブファイバの端面から励起光を入射させるファイバレーザ発振器においては、出力が大きくなるほどファイバ内における発熱量が増大するために冷却が必要となる。

そのために従来から各種の冷却手法が提案されている（例えば、特許文献２から４参照）。

特開２００９−２５３０７５号公報特開２００１−２７４４８９号公報特開２００３−２０２４３０号公報特開２００７−１７３６４８号公報

しかしながら、前記従来の冷却手法においては、いずれも冷却効率が悪く、アクティブファイバを取付ける作業が複雑であり、更に、高ピークのノイズパルスの発生原因となるアクティブファイバに付与される外的要因の振動を吸収することができないという不都合がある。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、冷却効率が高く、アクティブファイバを取付ける作業が容易であり、アクティブファイバに付与される外的要因の振動を吸収することができ、ひいては高出力のレーザ光を発振することのできるアクティブファイバ冷却装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の第１の態様のアクティブファイバ冷却装置は、長手方向の両端面の間において前記端面から入射された励起光を用いてレーザ光を発振するアクティブファイバを冷却するアクテイブファイバ冷却装置であって、外部から内部に給排される冷媒によって冷却されるヒートシンクの表面に対して、前記アクティブファイバの全体を覆う粘着性を有する薄膜状の金属製放熱部材によって前記アクティブファイバを密着させるようにして貼り付けたことを特徴とする。

このような構成の本発明によれば、アクティブファイバの全体がヒートシンクに密着し、その外側全体も金属製放熱部材によって覆われているために放熱効果が高く非常に冷却効率の高いものとなる。また、アクティブファイバの取付は金属製放熱部材によって貼り付けるものであるためにアクティブファイバの微妙な位置あわせを簡単に行いつつ貼り付けて固着させることができ、これにより取付作業も容易となる。さらに、薄膜状の金属製放熱部材が振動吸収作用を発揮して外的要因の振動を確実に吸収することができ、高ピークのノイズパルスを抑制しつつ高出力のレーザ光を発振することができる。

また、本発明の第２の態様のアクティブファイバ冷却装置は、前記金属製放熱部材を複数枚重ねて前記アクティブファイバを前記ヒートシンクに貼り付けていることを特徴とする。こうすれば、アクティブファイバの冷却効果と振動減衰効果とを更に向上させることができる。

また、本発明の第３の態様のアクティブファイバ冷却装置において、前記アクティブファイバは、長手方向の中途部を偏平な巻き体状に形成されている巻き体部と、この巻き体部から前記両端面に向けて直線状に伸びる両端部とを有しており、前記ヒートシンクは、前記アクティブファイバの巻き体部が密着される表面を備えた金属製平板からなる基板と、前記アクティブファイバの両端部がそれぞれ密着される表面を備えた金属製のファイバガイドブロックとを有している。そして前記アクティブファイバの巻き体部はその全体を覆う前記金属製放熱部材によって前記基板に貼り付けられ、前記アクティブファイバの両端部は前記金属製放熱部材によって前記ファイバガイドブロックに貼り付けられていることを特徴とする。

このような構成の本発明によれば、長手方向の中途部を偏平な巻き体状に形成されている巻き体部と、この巻き体部から前記両端面に向けて直線状に伸びる両端部とを有しているアクティブファイバを、金属製放熱部材によってヒートシンクに確実に固着することができる。その結果、第１の態様の本発明の効果をより確実に発揮させることができる。

また、本発明の第４の態様のアクティブファイバ冷却装置において、前記基板には前記アクティブファイバの巻き体部の形状に沿った冷媒流路が内部に形成されていることを特徴とする。こうすれば、アクティブファイバのうちの熱がこもり易い巻き体部を冷媒流路内の冷媒によって効率良く冷却することができる。

また、本発明の第５の態様のアクティブファイバ冷却装置において、前記ファイバガイドブロックは前記基板に取付されており、前記アクティブファイバの両端部が密着する部分の内部に冷媒流路が形成されていることを特徴とする。こうすれば、アクティブファイバのうちの発熱し易い両端部を冷媒流路内の冷媒によって効率良く冷却することができる。

また、本発明の第１の態様のファイバレーザ発振器は、第１から第５の態様のアクティブファイバ冷却装置の前記ヒートシンクの前記アクティブファイバが貼り付けられている表面と反対側の表面に、前記アクティブファイバの両端部の少なくとも一方に連続する光学系部材が設置されていることを特徴とする。

このような構成の本発明によれば、冷却効率が高く、アクティブファイバを取付ける作業が容易であり、アクティブファイバに付与される外的要因の振動を吸収することができ、ひいては高出力のレーザ光を発振することのできるアクティブファイバ冷却装置を備えたファイバレーザ発振器を提供することができる。

本発明によれば、冷却効率が高く、アクティブファイバを取付ける作業が容易であり、アクティブファイバに付与される外的要因の振動を吸収することができ、ひいては高出力のレーザ光を発振することのできるアクティブファイバ冷却装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器を得ることができる。

本発明のアクティブファイバ冷却装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器の実施形態を示す底面図図１の平面図本発明のアクティブファイバ冷却装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器の要部を示す分解斜視図アクティブファイバの断面図

以下、本発明の実施の形態を図１から図４について説明する。

図１〜図４は本発明のアクティブファイバ冷却装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器の１実施形態を示す。

以下に、本実施形態のファイバレーザ発振器１の全体構成とアクティブファイバ冷却装置３１の構成を順に説明する。

＜ファイバレーザ発振器１について＞
本実施形態のファイバレーザ発振器１は長尺なアクティブファイバ２を有しており、アクティブファイバ２の一方の端面に励起光Ｌ１を入射させるように形成されている。励起光Ｌ１は、例えば、９００ｎｍ〜９９０ｎｍの波長に設定される。

このアクティブファイバ２としては、例えば、図４に示すようなダブルクラッドファイバ２１からなるラージモードエリアのクティブファイバが用いられている。このダブルクラッドファイバ２１は、中心軸部のコア（active core）２２の外側をインナークラッド（multimode pump core）２３、アウタークラッド（air cladding）２４およびサポート層２５によって順に覆って形成されている。アクティブファイバ２としては、コア２２に希土類元素をドープした発振用の光ファイバであることが望ましい。

このアクティブファイバ２は、冷却装置３１を形成するヒートシンク３２の金属製平板からなる基板３３の下面に取付けられている。アクティブファイバ２の一端側、即ち励起光Ｌ１が入射する側の第１端面３（ダブルクラッドファイバ２１の端面）は、後述するレーザ発振光ＦＢに対して高反射（ＨＲ）となっている。アクティブファイバ２の他端側、即ちレーザ発振光の出射側の第２端面４（ダブルクラッドファイバ２１の端面）は、後述する発振光ＦＢの光軸に対して直角に形成（いわゆる、フラットカット）されている。このように形成された第２端面４においては、当該端面４に到達した光が部分反射する。以上の構成により、レーザ共振器を形成し、励起光Ｌ１によってコアが励起されることにより発する光を両端面３および４の間で反射・増幅させることにより出射端面である端面４からレーザ発振光ＦＢが出射される。

一方の第１端面３の外側（光入射側）には、励起光Ｌ１を平行にするコリメートレンズ５と、平行にされた励起光Ｌ１を第１端面３に集光させる集光レンズ６とが光軸上に配置されている。第１端面３にはコネクタ３ａが設けられており、基板３３の下面に固着されたレセプタクル３ｂを介して光軸上に配置されている光学系を接続されている。

他方の第２端面４の外側（光出射側）には、第２端面４から出射されたレーザ発振光ＦＢを平行にするコリメートレンズ７と、平行にされたレーザ発振光ＦＢを系外に反射させて取り出す発振光取り出しミラー８が光軸上に配置されている。第２端面４にはコネクタ４ａが設けられており、基板３３の下面に固着されたレセプタクル４ｂを介して光軸上に配置されている光学系に接続されている。

図２に示すように、発振光取り出しミラー８から系外に取出されてレーザ発振光ＦＢを加工部分まで出力させるための出力系ユニット９が基板３３の上面側に固着されている。この出力系ユニット９としては、発振光取り出しミラー８から系外に取出されてレーザ発振光ＦＢを基板３３の上面側に導く２枚の反射ミラー１０と、反射ミラー１０からのレーザ発振光ＦＢを受けて下流側の複数の分光ミラー１２に導くアイソレーターユニット１１と、各分光ミラー１２からの下流側に設けられている安全シャッタ１３，集光レンズ１４，出力用ファイバ１５とによって形成されている。

＜アクティブファイバ冷却装置３１について＞
図３において、冷却対象となるアクティブファイバ２は、長手方向の中途部を偏平な巻き体状に形成されている巻き体部２ａと、この巻き体部２ａから両端面３、４に向けて直線状に伸びる両方の端部２ｂとを有している。第１端面３からの端部２ｂは巻き体部２ａの最外周に至り、その後内外周面を密着させるようにして内周側に巻かれて行き、巻き体部２ａの最内周部分から第２端面４に至る端部２ｂが巻き体部２ａの最外周部分に戻るように導かれる。

このように形成されているアクティブファイバ２は、外部から内部に給排される冷媒によって冷却されるヒートシンク３２の表面に対して、アクティブファイバ２の全体を覆う粘着性を有する薄膜状の金属製放熱部材３５によってアクティブファイバ２を密着させるようにして貼り付けられる。

更に説明すると、ヒートシンク３２は、アクティブファイバ２の巻き体部２ａが密着される表面を備えた金属製平板からなる基板３３と、アクティブファイバ２の両端部２ｂがそれぞれ密着される表面を備えた金属製のファイバガイドブロック３４とを有している。

この基板３２にはアクティブファイバ２の巻き体部２ａの形状に沿った冷媒流路３６が内部に形成されており、入口３６ａおよび出口３６ｂを通して水等の冷媒が給排されるようになっている。ファイバガイドブロック３４内にも冷媒流路３７が内部に形成されており、入口３７ａおよび出口３７ｂを通して水等の冷媒が給排されるようになっている。このファイバガイドブロック３４は基板３３の下面に固着されて両者は一体的に結合されている。

そして、アクティブファイバ２は巻き体部２ａを基板３３の冷媒流路３６の形成されている部分に位置決めされ、端部２ｂをファイバガイドブロック３４の内側面に沿うように位置決めされ、その上から薄膜状の金属テープ（アルミ薄粘着テープ、例えば厚さが５０μｍ〜５００μｍ程度）からなる金属製放熱部材３５によってアクティブファイバ２の全表面を覆うようにして貼り付けられる。金属製放熱部材３５は、１枚だけを貼り付けることによっても効果を奏することができるが、放熱の状態に応じて複数枚を重ねて貼り付けることが望ましい。複数枚を重ねることで、アクティブファイバの固着力を強固にすることができ、また、放熱効果も向上させることができる。なお、本実施形態においては、金属テープを２枚重ねとして貼り付けている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

レーザダイオード等といった励起光出力手段（図示せず）によって発光されたパルス状の励起光Ｌ１は、コリメートレンズ５により平行化され、続いて集光レンズ６により第１端面３に集光させられてアクティブファイバ２内に入射する。アクティブファイバ２内に入射した励起光Ｌ１は、当該アクティブファイバ２内のコア２２を励起する。それにより発せられた光が各端面３、４を反射面としてアクティブファイバ２内を往復して次第に増幅される。

アクティブファイバ２内で増幅された光はレーザ発振光ＦＢとしてフラットカットされた第２端面４より出力される。そして、発振光取り出しミラー８により反射して系外に取り出される。取出されたレーザ発振光ＦＢは反射ミラー１０を経て基板３３に固着されている出力系ユニット９に導かれ、アイソレータユニット１１、分光ミラー１２、安全シャッタ１３、集光レンズ１４および出力用ファイバ１５を経て出光され、加工等に供される。

そして、本実施形態においては、アクティブファイバ冷却装置３１によってアクティブファイバ２が効率よく冷却されることにより高出力のレーザ発振光ＦＢを安定して出力できる。

具体的には、アクティブファイバ２の全体がヒートシンク３２に密着し、その外側全体も金属製放熱部材３５によって覆われているために放熱効果が高く非常に冷却効率の高いものとなる。また、アクティブファイバ２の取付は金属製放熱部材３５によって貼り付けるものであるためにアクティブファイバ２の微妙な位置あわせを簡単に行いつつ貼り付けて固着させることができ、これにより取付作業も容易となる。また、薄膜状の金属製放熱部材３５が振動吸収作用を発揮して外的要因の振動を確実に吸収することができ、ノイズパルスを発生することも防止され、高出力のレーザ光を発振することができる。

また、長手方向の中途部を偏平な巻き体状に形成されている巻き体部２ａと、この巻き体部２ａから両端面３、４に向けて直線状に伸びる両端部２ｂとを有しているアクティブファイバ２を、ヒートシンク３２の金属製平板からなる基板３３および金属製のファイバガイドブロック３４に対してテープ状に形成されている金属製放熱部材３５によって貼り付けて固着することができ、より一層高い効果を発揮させることができる。

また、アクティブファイバ２の巻き体部２ａの形状に沿った冷媒流路３６内の冷媒によってアクティブファイバ２が効率的に冷却され、基板３３とファイバガイドブロック３４とが一体とされて冷却効率を高くすることができ、金属製放熱部３５を複数枚重ねてアクティブファイバ２を基板３３およびファイバガイドブロック３４に貼り付けているので、冷却効率と振動減衰率とを更に向上させることができる。

１ファイバレーザ発振器
２アクティブファイバ
２ａ巻き体部
２ｂ端部
３、４端面
９出力系ユニット
３１アクティブファイバ冷却装置
３２ヒートシンク
３３基板
３４ファイバガイドブロック
３５金属製放熱部材
３６、３７冷媒流路

Claims

長手方向の両端面の間において前記端面から入射された励起光を用いてレーザ光を発振するアクティブファイバを冷却するアクティブファイバ冷却装置であって、
外部から内部に給排される冷媒によって冷却されるヒートシンクの表面に対して、前記アクティブファイバの全体を覆う粘着性を有する薄膜状の金属製放熱部材によって前記アクティブファイバを密着させるようにして貼り付けたことを特徴とするアクティブファイバ冷却装置。
前記金属製放熱部材を複数枚重ねて前記アクティブファイバを前記ヒートシンクに貼り付けていることを特徴とする請求項１に記載のアクティブファイバ冷却装置。
前記アクティブファイバは、長手方向の中途部を偏平な巻き体状に形成されている巻き体部と、この巻き体部から前記両端面に向けて直線状に伸びる両端部とを有しており、
前記ヒートシンクは、前記アクティブファイバの巻き体部が密着される表面を備えた金属製平板からなる基板と、前記アクティブファイバの両端部がそれぞれ密着される表面を備えた金属製のファイバガイドブロックとを有しており、
前記アクティブファイバの巻き体部は、その全体を覆う前記金属製放熱部材によって前記基板に貼り付けられ、
前記アクティブファイバの両端部は、前記金属製放熱部材によって前記ファイバガイドブロックに貼り付けられている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアクティブファイバ冷却装置。
前記基板には前記アクティブファイバの巻き体部の形状に沿った冷媒流路が内部に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のアクティブファイバ冷却装置。
前記ファイバガイドブロックは前記基板に取付されており、前記アクティブファイバの両端部が密着する部分の内部に冷媒流路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のアクティブファイバ冷却装置。
請求項１から請求項５のアクティブファイバ冷却装置の前記ヒートシンクの前記アクティブファイバが貼り付けられている表面と反対側の表面に、前記アクティブファイバの両端部の少なくとも一方に連続する光学系部材が設置されていることを特徴とするファイバレーザ発振器。