JP6686867B2

JP6686867B2 - 太陽光励起ファイバーレーザー装置

Info

Publication number: JP6686867B2
Application number: JP2016248765A
Authority: JP
Inventors: 泰造増田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: JP2018107158A

Description

本発明は、太陽光により励起されて光ファイバー内にレーザーを生起する太陽光励起ファイバーレーザー装置に係る。

希土類を添加した光ファイバーに太陽光または太陽光を蛍光材に照射して生成された蛍光を照射し、光ファイバー内に特定波長のレーザー光を生起させることが知られている。この種の光ファイバーは、或る緩やかな曲率を越えて曲げられると、導光性が劣化し、更に曲率が上がると破損を生ずるので、光ファイバーを照射光に露呈するレーザー装置においては、従来、一般に、光ファイバーは直線状ないし略直線状とされるか、或いは下記の特許文献１に記載されている如く直線状配列の一部に緩やかな折り返し曲げ部を設けたＵ字型に形成されている。従って、太陽光の如き平行光線の束に対し所要長さの光ファイバーを露光させるには、レーザー装置として、光ファイバーに要する長さ（またはその２分の１弱）に相当する縦寸法が必要となる。

そこで、本件出願人と同一人は、先の特願２０１６−５３０７３および特願２０１６−２２５７９２において、太陽光に対し或る所要長さの光ファイバーを該所要長さに対比して大幅に縮小されたスペース内にて露呈させることのできる太陽光励起ファイバーレーザー装置を提案した。これは、円形ないし長円形の平面輪郭と一様な厚みを有する導光材または蛍光材の層と、前記層の厚み縁に沿って捲装された光ファイバーとを有し、前記層の前記平面輪郭の平面部に入射した太陽光が前記導光材により散乱された光または前記層の前記平面輪郭の平面部に入射した太陽光が前記蛍光材に照射されて生成された蛍光が前記厚み縁に沿って捲装された光ファイバーに照射されるようになっていることを特徴とし、更には、前記層の厚み縁に沿って捲装された光ファイバーの環の外周りに、太陽光励起ファイバーレーザー装置の全体的平面外形輪郭を多角形とする導光材または蛍光材の付加層が付加されることを特徴とするものである。尚、ここで「長円形」とは、楕円形、同径の半円弧を２本の平行直線で接続した形、互いに異なる径の略半円弧を２本の八型直線で接続した形等の曲率を所定値以下とする滑らかな輪郭を指すものとしている。

特開平７-５７５２５号公報

本発明は、上記の先の提案になる太陽光励起ファイバーレーザー装置における前記層の厚み縁に沿って捲装された光ファイバーの捲装構造を更に改良することを課題としている。

上記の課題を解決すべく、本発明は、円形ないし長円形の平面輪郭と一様な厚みを有する導光材または蛍光材の層と、前記層の厚み縁に沿って捲装された光ファイバーとを有し、前記層の前記平面輪郭の平面部に入射した太陽光が前記導光材により散乱された光または前記層の前記平面輪郭の平面部に入射した太陽光が前記蛍光材に照射されて生成された蛍光が前記厚み縁に沿って捲装された光ファイバーに照射されるようになっている太陽光励起ファイバーレーザー装置において、前記光ファイバーはレーザー共振を生起するコア部を横断面が相互間に隙間を残さずに集合できる多角形外輪郭を呈するクラッド部にて被覆したものであることを特徴とする太陽光励起ファイバーレーザー装置を提案するものである。

前記クラッド部の横断面の多角形外輪郭は、前記導光材または蛍光材の層の厚み縁に沿って前記光ファイバーが捲装されたとき、外側の巻層の光ファイバーの前記コア部を内側の巻層の光ファイバーの前記コア部に対し前記層の厚み方向に偏倚させる形状とされていてよい。

本発明に係る太陽光励起ファイバーレーザー装置にて使用する光ファイバーは、上記特願２０１６−５３０７３の明細書中に例示した直径１０〜２０μｍのコア部を直径１２５μｍのクラッド部にて被覆したような微細な繊維体であってよいが、この例のように、従来のこの種の光ファイバーは、そのクラッド部が通常円形の外輪郭の横断面を呈するチューブ状に作られており、その中心に沿ってコア部を擁する構造に作られている。この場合、かかる光ファイバーが円形ないし長円形の平面輪郭と一様な厚みを有する導光材または蛍光材の層の厚み縁に沿って捲装されると、捲装された光ファイバーの互に隣接する巻回の間には後述の図２の図Ａに例示する如くかなりの隙間が生じ、かかる隙間に進行した太陽光または蛍光は該隙間を囲む光ファイバーのクラッド部の外表面にて順次反射されて該隙間内に留まるうちに減衰してしまい、レーザーの生起に有効に使用されなくなる虞れがある。これに対比して、クラッド部が相互間に隙間を残さずに集合できる多角形外輪郭の横断面を呈するように作られていれば、導光材または蛍光材の層の厚み縁に沿って捲装され光ファイバーの互に隣接する巻回の間には隙間は残されないので、上記の如く隙間内進行した太陽光または蛍光がクラッド部外表面での反射の繰り返しにより減衰してしまうという問題は回避される。

導光材または蛍光材の層は、上記特願２０１６−５３０７３の明細書中に直径が１０００ｍｍで厚みが１ｍｍの円板として例示した如く、厚みに比して直径がかなり大きい形状を呈するものとなることから、該層にその平面部から入射した太陽光が層内の導光材により散乱された光または層の平面部に入射した太陽光が層内の蛍光材に照射されて生成された蛍光は、主として層内をその平面部に沿う方向に進行し、該層の厚み縁より該層の平面部に沿う方向に照射される。従って、該層の厚み縁に沿って光ファイバーが捲装されたとき、光ファイバーが後述の図２の図Ａまたは図Ｂに示すごとく該層の平面部に沿って整列して捲装されていると、照射される光に対し外側の巻層の光ファイバーのコア部は内側の巻層のコア部の陰に入り、前記層からの太陽光または蛍光を受けにくくなり、外側の巻層部における光ファイバーの有効度が低下する虞れがある。この点において、クラッド部の横断面の多角形外輪郭が、外側の巻層の光ファイバーのコア部を内側の巻層の光ファイバーのコア部に対し前記層の厚み方向に偏倚させる形状とされていれば、外側の巻層の光ファイバーのコア部が内側の巻層のコア部の陰に入る度合を減じ、外側の巻層部における光ファイバーの有効度の低下を抑えることができる。

図Ａは太陽光励起ファイバーレーザー装置が円形の平面輪郭と一様な厚みを有する導光材または蛍光材の層１の厚み縁に沿って光ファイバー２が捲装された態様に構成された本発明による太陽光励起ファイバーレーザー装置の基本構成部を示す斜視図であり、図Ｂは図Ａに示す構造に透明の被服用ガラス板３，４が付加された構造体の縦断面図である。図Ａは図１に示す如く導光材または蛍光材の層１の厚み縁に沿って光ファイバー２が捲装された太陽光励起ファイバーレーザー装置において、コア部５が円形外輪郭の横断面を呈するクラッド部６により被覆された従来の形態の光ファイバー２が層１の厚み縁に沿って層１の平面部に沿う方向に整列して捲装されている状態を示す部分断面図であり、図Ｂは光ファイバーが横断面で見て相互間に隙間を残さずに集合できる多角形外輪郭（この場合四角形輪郭）を呈するクラッド部６aにてコア部５を被覆する光ファイバー２aとされた本発明の一つの実施例を示す図２の図Ａと同様の部分断面図である。図２の図Ｂに於ける光ファイバー２aが、外側の巻層の光ファイバーのコア部を内側の巻層の光ファイバーのコア部に対し層１の厚み方向に偏倚させる態様にて層１の厚み縁に沿って捲装された本発明の他の一つの実施例を示す図２と同様の部分断面図である。光ファイバーが横断面で見て相互間に隙間を残さずに集合できる多角形外輪郭を呈するクラッド部６bにてコア部２を被覆し且つ外側の巻層の光ファイバーのコア部を内側の巻層の光ファイバーのコア部に対し層１の厚み方向に偏倚させる光ファイバー２bとされた本発明の更に他の一つの実施例を示す図２〜図３と同様の部分断面図である。光ファイバーが横断面で見て相互間に隙間を残さずに集合できる多角形外輪郭を呈するクラッド部６cにてコア部２を被覆し且つ外側の巻層の光ファイバーのコア部を内側の巻層の光ファイバーのコア部に対し層１の厚み方向に偏倚させる光ファイバー２cとされた本発明の更に他の一つの実施例を示す図２〜図４と同様の部分断面図である。

本発明による太陽光励起ファイバーレーザー装置は、その基本構成として図１の図Ａに示す如く、円形ないし長円形（この例では円形）の平面輪郭と一様な厚みを有する導光材または蛍光材の層１と、層１の厚み縁に沿って捲装された光ファイバー２とを有し、またより具体的には、図１の図Ｂに示す如く、それに被服用ガラス板３，４を加えた構造を有する。尚、底側のガラス板４は内側が鏡面等の高反射率の面とされていてよい。導光材または蛍光材の層１の円形ないし長円形の平面輪郭の平面部に入射した太陽光７は、層１を構成する導光材により散乱された光となるか、または層１を構成する蛍光材に照射されて蛍光を生成し、これらの散乱光または蛍光は、光８として示す如く、前記厚み縁に沿って捲装された光ファイバー２に照射されるようになっている。

尚、図１の図Ａおよび図Ｂは、本発明による太陽光励起ファイバーレーザー装置の基本構成を概念的に示すものであり、導光材または蛍光材の層１は、上記の特願２０１６−５３０７３の明細書中に直径が１０００ｍｍで厚みが１ｍｍの円板として例示した如く、厚みに比して直径がかなり大きい形状を呈するものとなることから、層１にその平面部から入射した太陽光７が層内の導光材により散乱された光または層１の平面部に入射した太陽光７が層内の蛍光材に照射されて生成された蛍光である光８は、主として層１内を層１の平面部に沿う方向に進行する光となり、層１の厚み縁より層１の平面部に沿う方向に照射される。

導光材または蛍光材の層１の厚み縁に沿って捲装される光ファイバー２は、図２の図Ａに示す如く、コア部５が円形外輪郭の横断面を呈するクラッド部６により被覆された従来の形態の光ファイバーであってもよいが、この場合、捲装された光ファイバー２の互に隣接する巻回の間にはかなりの隙間が生じ、かかる隙間に進行した太陽光または蛍光は該隙間を囲む光ファイバーのクラッド部の外表面にて順次反射されて該隙間内に留まるうちに減衰してしまい、レーザーの生起に有効に使用されなくなる虞れがある。そこで、光ファイバーを図２の図Ｂに示す如く横断面が四角形を呈するクラッド部６bによりコア部５を被覆した光ファイバー２bに置き換えれば、捲装された光ファイバー間に隙間を残さないようにすることができる。光ファイバーのクラッド部を四角形横断面外輪郭のクラッド部とすることは、クラッド部の成形過程においてその引き抜き型の形状を適宜に成形すること、一旦成型されたクラッド部に圧延処理または研磨処理を施すこと等によって行われてよい。

ところで、上記の通り導光材または蛍光材の層１は厚みに比して直径がかなり大きい形状を呈するものとなることから、層１にその平面部から入射した太陽光が層内の導光材により散乱された光または層の平面部に入射した太陽光が層内の蛍光材に照射されて生成された蛍光は、その大部分が外側にて層１より屈折率の低い空気層に接する層１の平面部にその内側から極小さな入射角にて入射することにより平面部にて全反射され、主として層１内をその平面部に沿う方向に進行する光となり、層１の厚み縁より層１の平面部に沿う方向に照射されることとなるので、光ファイバーが図２の図Ａおよび図Ｂに示す如く層１の平面部に沿う方向に整列して捲装されていると、照射される光に対し外側の巻層の光ファイバーのコア部は内側の巻層のコア部の陰に入り、層１からの太陽光または蛍光を受けにくくなり、外側の巻層における光ファイバーの有効度が低下する虞れがある。図３は、この点に関する本発明の更なる改良の一つの実施例を示す図２と同様の部分断面図である。この場合、コア部５を四角形横断面のクラッド部６aにて被覆した光ファイバー２aは、クラッド部６aの横断面が四角形をなす４つの扁平な外表面は、層１の平面部に沿う方向に対し４５°傾斜して配置されており、これによって外側の巻層の光ファイバーのコア部５は内側の巻層の光ファイバーのコア部５に対し層１の厚み方向に偏倚され、層１内をその平面部に沿う方向に進行して照射される光に対し外側の巻層の光ファイバーのコア部５が内側の巻層のコア部５の陰に入る度合を減じ、外側の巻層における光ファイバーの有効度の低下が抑えられるようになっている。

また、このように、クラッド部の横断面の多角形外輪郭が、外側の巻層の光ファイバーのコア部を内側の巻層の光ファイバーのコア部に対し層１の厚み方向に偏倚させる形状とされていれば、外側の巻層の光ファイバーと内側の巻層の光ファイバーの間に巻層間の滑りによる配置ずれが生ずることも防止され、光ファイバーの巻層全体におけるコア部の配列が安定したものとなり、光ファイバーの巻回のくずれにより装置の性能に変化が生じるような問題が回避される。

図４は、光ファイバーのクラッド部が横断面で見て相互間に隙間を残さずに集合できる多角形外輪郭を呈し且つ外側の巻層の光ファイバーのコア部を内側の巻層の光ファイバーのコア部に対し層１の厚み方向に偏倚させる光ファイバーの本発明による更に他の一つの実施例を示す図２〜図３と同様の部分断面図である。この場合、光ファイバー２bのコア部５は横断面の外輪郭が正六角形を呈するクラッド部６bにて被覆されている。このように光ファイバーのクラッド部を正六角形横断面のクラッド部とすることも、クラッド部の成形過程においてその引き抜き型の形状を適宜に成形すること、一旦成型されたクラッド部に圧延処理または研磨処理を施すこと等によって行われてよい。

図５は、光ファイバーのクラッド部が横断面で見て相互間に隙間を残さずに集合できる多角形外輪郭を呈し且つ外側の巻層の光ファイバーのコア部を内側の巻層の光ファイバーのコア部に対し層１の厚み方向に偏倚させる光ファイバーの本発明による更に他の一つの実施例を示す図２〜図４と同様の部分断面図である。この場合、光ファイバー２cのコア部５は横断面の外輪郭が正三角形を呈するクラッド部６cにて被覆されている。

ただ、この実施例では、内側から数えて１番目の巻層の外側にある２番目の巻層のコア部は、確かに１番目の巻層のコア部に対し層１の厚み方向に偏倚されているが、２番目の巻層の外側にある３番目の巻層のコア部は、２番目の巻層のコア部に対し層１の厚み方向に偏倚されてはいない。同様に、３番目の巻層の外側にある４番目の巻層のコア部は、確かに３番目の巻層のコア部に対し層１の厚み方向に偏倚されているが、４番目の巻層の外側にある５番目の巻層のコア部は、４番目の巻層のコア部に対し層１の厚み方向に偏倚されてはいない。また、この場合、１番目の巻層の外側にある２番目の巻層は１番目の巻層に対し巻層間の滑りを阻止されているが、２番目の巻層の外側にある３番目の巻層は２番目の巻層に対し巻層間の滑りを阻止されてはいない。

このように光ファイバーのクラッド部を正三角形横断面のクラッド部とすることも、クラッド部の成形過程においてその引き抜き型の形状を適宜に成形すること、一旦成型されたクラッド部に圧延処理または研磨処理を施すこと等によって行われてよい。

以上に於いては本発明をいくつかの実施例について詳細に説明したが、かかる実施例について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

１…導光材または蛍光材の層、２，２a，２b，２c…光ファイバー、３，４…ガラス板、５…コア部、６，６a，６b，６c…クラッド部、７…太陽光、８…太陽光が導光材層により散乱された光または太陽光が蛍光材層に照射されて生成された蛍光

Claims

円形ないし長円形の平面輪郭と一様な厚みを有する導光材または蛍光材の層と、前記層の厚み縁に沿って捲装された光ファイバーとを有し、前記層の前記平面輪郭の平面部に入射した太陽光が前記導光材により散乱された光または前記層の前記平面輪郭の平面部に入射した太陽光が前記蛍光材に照射されて生成された蛍光が前記厚み縁に沿って捲装された光ファイバーに照射されるようになっている太陽光励起ファイバーレーザー装置において、前記光ファイバーはレーザー共振を生起するコア部を横断面が相互間に隙間を残さずに集合できる多角形外輪郭を呈するクラッド部にて被覆したものであることを特徴とする太陽光励起ファイバーレーザー装置。
前記クラッド部の横断面の多角形外輪郭は、前記導光材または蛍光材の層の厚み縁に沿って前記光ファイバーが捲装されたとき、外側の巻層の光ファイバーの前記コア部を内側の巻層の光ファイバーの前記コア部に対し前記層の厚み方向に偏倚させる形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の太陽光励起ファイバーレーザー装置。