JP6765395B2 - 光モジュールユニット及びレーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光モジュールユニット及びレーザ装置に関する。
光モジュールの一つとして、レーザダイオードから出射する光が光ファイバを介して出射するものが知られている。この光モジュールでは、筺体内にレーザダイオード、ミラー、レンズ、光ファイバの一端等の光学部品が配置され、当該光ファイバは筺体内から筺体外に導出している。それぞれのレーザダイオードから出射する光は、ミラー及びレンズによって集光された後に光ファイバに入射し、筺体外において当該光ファイバの他端から出射する。
上記のような光モジュールにおいてレーザダイオードは発光時に発熱するため、光モジュールは冷却構造を有する。例えば下記特許文献1には、冷却媒体が流通する流体通路が形成された複数のヒートシンクと複数の半導体レーザモジュールとを備える半導体レーザ装置が記載されている。この半導体レーザ装置では、ヒートシンクと半導体レーザモジュールとが交互に重ねられることによって、それぞれの半導体レーザモジュールがヒートシンクに接するように配置されている。この半導体レーザ装置において、それぞれの半導体レーザモジュールが発する熱の一部は、それぞれの半導体レーザモジュールに接するヒートシンクに伝導する。そして、ヒートシンクに伝わった熱の一部は、流体通路を流通する冷却媒体に伝導する。このようにして、半導体レーザモジュールが冷却される。
特開2012−89584号公報
上記特許文献1に記載の半導体レーザ装置において、冷却媒体は、複数重ねられるヒートシンクに順次供給される。したがって、複数のヒートシンクのうち2番目以降に冷却媒体が供給されるヒートシンクには、それ以前に冷却媒体が供給されているヒートシンクに接した冷却媒体が供給されることになる。一方、ヒートシンクには半導体レーザモジュールからの熱が伝達されて温度が上昇している。よって、冷却媒体が供給される順番が後になるヒートシンク程、温度が高い冷却媒体が供給される。このように上記特許文献1に記載の半導体レーザ装置において、それぞれのヒートシンクに供給される冷却媒体の温度は互いに異なる傾向にある。したがって、複数の光モジュールを備える上記特許文献1の光モジュールユニットにおいて、それぞれの光モジュールは冷却効率が互いに異なる傾向にある。
そこで、本発明は、複数の光モジュールの冷却効率のばらつきを抑制し得る光モジュールユニット、及び当該光モジュールユニットを備えるレーザ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の光モジュールユニットは、複数の発光素子と、一方の面側に前記複数の発光素子が配置されるマウントと、前記マウントに形成されるサブ流路と、を有する複数の光モジュール、及び、前記複数の光モジュールが固定され、それぞれの前記光モジュールが有する前記サブ流路の一方の端部が並列に接続される第1メイン流路を有するマニホールドを備えることを特徴とする。
それぞれの光モジュールはサブ流路を有しており、サブ流路に冷却媒体を流通させることにより、発光素子が発する熱はマウントを介して冷却媒体へと伝えられ、発光素子を冷却することができる。すなわち、マウントがヒートシンクとして機能し、熱源である発光素子が発する熱はヒートシンクを介して冷却媒体へと伝えられる。また、それぞれの光モジュールが有するサブ流路は、マニホールドの第1メイン流路に並列に接続される。よって、それぞれの光モジュールには、他の光モジュールのサブ流路を流通しておらず、他の光モジュールによって加熱されていない冷却媒体が第1メイン流路を介して供給され得る。そのため、それぞれの光モジュールに供給される冷却媒体の温度が不均一になることが抑制され得る。したがって、本発明の光モジュールユニットによれば、複数の光モジュールの冷却効率のばらつきを抑制することができる。
また、それぞれの前記サブ流路の他方の端部が並列に接続される第2メイン流路を更に備えることが好ましい。
それぞれのサブ流路の他方の端部が第2メイン流路に並列に接続されることによって、複数のサブ流路から流出する冷却媒体を第2メイン流路に流入させて一括処理することができる。よって、例えば、サブ流路に一度流通させた冷却媒体を第2メイン流路に流入させて回収してから冷却することで冷却媒体の再利用が容易になる。
また、前記第2メイン流路が前記マニホールドに形成されることが好ましい。
第1メイン流路及び第2メイン流路が共にマニホールドに形成されることによって、光モジュールユニットを小型化することができる。
また、前記マウントは互いに平行な複数の素子配置面を有し、前記複数の発光素子はそれぞれの前記素子配置面上に配置され、前記サブ流路は、前記サブ流路が前記素子配置面に平行に形成される場合よりもそれぞれの前記発光素子と前記サブ流路との最短距離の平均が小さくなるように、前記素子配置面に対して傾斜して形成されることが好ましい。
それぞれの発光素子とサブ流路との最短距離の平均とは、それぞれの発光素子とサブ流路との最短距離を合計して発光素子の総数で割った値を意味する。例えば、発光素子が13個設けられる場合、13個の発光素子のそれぞれからサブ流路までの最短距離を求め、これらの最短距離の和を発光素子の総数である13で割って得られる値がそれぞれの発光素子とサブ流路との最短距離の平均である。ところで、互いに平行な複数の素子配置面は階段状に形成される。このような階段状の素子配置面に発光素子が配置される場合において、サブ流路が上記のように素子配置面に対して傾斜して形成されることによって、それぞれの発光素子とサブ流路との距離が不均一になることが抑制され得る。よって、それぞれの発光素子の冷却効率のばらつきが抑制され得る。
また、前記複数の発光素子のうち少なくとも一部の前記発光素子は、前記発光素子の設置面に対して垂直な方向において前記サブ流路の中心軸と重ならない位置に配置されることが好ましい。
発光素子の設置面に対して垂直な方向において当該発光素子とサブ流路の中心軸とが互いに重ならないことによって、発光素子とサブ流路の中心軸とが重なる場合に比べて、マウント内における発光素子からサブ流路までの熱の伝導経路を長くすることができる。よって、発光素子が発する熱は上記のようにヒートシンクとして機能するマウント内において拡散され易く、発光素子が効率良く冷却され得る。
また、それぞれの前記光モジュールは、前記複数の発光素子が出射する光を外部に導出する光ファイバを有し、それぞれの前記光モジュールの前記光ファイバが配置される面と対向する面が前記マニホールドに固定されることが好ましい。
光ファイバが配置される面と対向する面がマニホールドに固定されることによって、光モジュールの他の面がマニホールドに固定される場合に比べて、光ファイバに入射する光の光軸と光ファイバの光軸との相対的なずれが抑制され得る。そのため、複数の発光素子が出射する光を外部に導出する効率の低下が抑制され得る。
また、それぞれの前記光モジュールが有する前記サブ流路は、前記光モジュールが前記マニホールドに固定される面側において前記第1メイン流路に接続されることが好ましい。
光モジュールとマニホールドとが固定される面側において光モジュールのサブ流路とマニホールドの第1メイン流路とが接続されることによって、サブ流路と第1メイン流路とを最短距離で接続し得る。
また、互いに隣り合う前記光モジュールが互いに離間していることが好ましい。
互いに隣り合う光モジュールが互いに離間していることによって、光モジュールが熱等によって変形する場合であっても当該光モジュールの変形による応力が互いに隣り合う光モジュールに加わることが抑制され得る。また、互いに隣り合う光モジュールが互いに離間していることによって、互いに隣り合う光モジュール同士の間での熱の伝達が抑制され得る。そのため、3つ以上の光モジュールが並列される場合において、内側に配置される光モジュールの温度が外側に配置される光モジュールの温度よりも高くなることが抑制され得る。すなわち、それぞれの光モジュールの温度の不均一化が抑制され得る。
また、上記課題を解決するため、本発明のレーザ装置は、上記本発明の光モジュールユニットと、前記光モジュールユニットが出射する光を伝搬する光ファイバと、を備えることを特徴とする。
また、複数の前記光モジュールは、前記発光素子が出射する光のファスト軸と平行な方向に並列され、それぞれの前記光モジュールの外周面のうち複数の前記光モジュールの並列方向に非垂直な面が固定部材に固定されることが好ましい。
複数の発光素子を備える光モジュールにおいて、複数の発光素子が出射する光はファスト軸に重ねられて外部に導出されることがある。また、光モジュールにおいて、複数の発光素子が出射する光が重ねられる方向に平行な方向の大きさは当該方向に対して垂直な方向の大きさよりも小さくなる傾向にある。そのため、発光素子が出射する光のファスト軸と平行な方向に複数の光モジュールが並列されることにより、それぞれの光モジュールにおいて、外周面のうち複数の光モジュールの並列方向に非垂直な面が当該並列方向に垂直な面より小さくなる傾向にある。よって、このように複数の光モジュールが並列される場合に、それぞれの光モジュールの外周面のうち複数の光モジュールの並列方向に非垂直な面が固定部材に固定されることにより、光モジュールユニットの設置面積を小さくすることができる。
以上のように、本発明によれば、複数の光モジュールの冷却効率のばらつきを抑制し得る光モジュールユニット、及び当該光モジュールユニットを備えるレーザ装置が提供される。
本発明の第1実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。 図1に示す増幅用光ファイバの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 図1に示す光モジュールユニットの斜視図である。 図3とは異なる方向から見る光モジュールユニットの斜視図である。 図3に示す光モジュールユニットの一部を切断して示す図である。 図3に示す光モジュールの斜視図である。 図3に示す光モジュールの平面図である。 図6から枠体及び底蓋を省略した図である。 図7に示す光モジュールの一部を示すと共にサブ流路を透視して破線で示す図である。 図3に示すマニホールドを光モジュールが固定される側から見る斜視図である。 図10に示すXI−XI線に沿ったマニホールドの断面図である。 本発明の第2実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。
以下、本発明に係る光モジュールの好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態のレーザ装置1は、励起光源2、光コンバイナ3、増幅用光ファイバ5、増幅用光ファイバ5の一方側に接続される光ファイバ4、光ファイバ4に設けられる第1FBG(Fiber Bragg Grating)7、増幅用光ファイバ5の他方側に接続される光ファイバ6、及び、光ファイバ6に設けられる第2FBG8を主な構成として備えるファイバレーザ装置である。また、レーザ装置1において、増幅用光ファイバ5、第1FBG7、及び、第2FBG8によって共振器が構成される。
図2は、図1に示す増幅用光ファイバ5の長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。図2に示すように増幅用光ファイバ5は、コア5aと、コア5aの外周面を隙間なく囲む内側クラッド5bと、内側クラッド5bの外周面を被覆する外側クラッド5cと、外側クラッド5cを被覆する被覆層5dとを主な構成として備え、いわゆるダブルクラッド構造とされている。内側クラッド5bの屈折率はコア5aの屈折率よりも低く、外側クラッド5cの屈折率は内側クラッド5bの屈折率よりも低くされている。
コア5aを構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム(Ge)等の元素、及び、励起光源2から出射される励起光により励起されるイッテルビウム(Yb)等の活性元素が添加された石英が挙げられる。このような活性元素としては、希土類元素が挙げられ、希土類元素としては、上記Ybの他にツリウム(Tm)、セリウム(Ce)、ネオジウム(Nd)、ユーロピウム(Eu)、エルビウム(Er)等が挙げられる。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス(Bi)等を挙げることができる。
内側クラッド5bを構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英を挙げることができる。なお、内側クラッド5bの材料には、屈折率を低下させるフッ素(F)等の元素が添加されてもよい。外側クラッド5cは、樹脂または石英から成る。このような樹脂としては例えば紫外線硬化樹脂が挙げられ、石英としては例えば内側クラッド5bよりもさらに屈折率が低くなるように屈折率を低下させるフッ素(F)等のドーパントが添加された石英が挙げられる。被覆層5dを構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられ、外側クラッド5cが樹脂の場合、外側クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂とされる。
増幅用光ファイバ5の一方側に接続される光ファイバ4は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、この内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドを被覆する被覆層とを主な構成として備える。光ファイバ4のコアは、活性元素が添加されていないことを除いて増幅用光ファイバ5のコア5aと略同様の構成とされる。光ファイバ4のコアは増幅用光ファイバ5のコア5aと接続され、光ファイバ4の内側クラッドは増幅用光ファイバ5の内側クラッド5bと接続されている。また、光ファイバ4のコアには、第1ミラーとしての第1FBG7が設けられている。こうして第1FBG7は、増幅用光ファイバ5の一方側において増幅用光ファイバ5のコア5aと光学的に結合している。第1FBG7は、光ファイバ4の長手方向に沿って周期的に屈折率が高くなる部分が繰り返されており、この周期が調整されることにより、励起状態とされた増幅用光ファイバ5の活性元素が放出する光うち少なくとも一部の波長の光を反射するように構成されている。第1FBG7の反射率は、後述の第2FBG8の反射率よりも高く、活性元素が放出する光うち所望の波長の光を例えば99%以上で反射する。また第1FBG7が反射する光の波長は、上述のように活性元素がイッテルビウムである場合、例えば1090nmとされる。
増幅用光ファイバ5の他方側に接続される光ファイバ6は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、このクラッドの外周面を被覆する被覆層とを主な構成として備える。光ファイバ6のコアは増幅用光ファイバ5のコア5aと接続され、光ファイバ6のクラッドは増幅用光ファイバ5の内側クラッド5bと接続されている。また、光ファイバ6のコアには、第2ミラーとしての第2FBG8が設けられている。こうして第2FBG8は、増幅用光ファイバ5の他方側において増幅用光ファイバ5のコア5aと光学的に結合している。第2FBG8は、光ファイバ6の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、第1FBG7が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を第1FBG7よりも低い反射率で反射するように構成される。第2FBG8は、第1FBG71が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を例えば5%〜50%の反射率で反射する。また、本実施形態では光ファイバ6の増幅用光ファイバ5側と反対側の他端には特に何も接続されていないが、光ファイバ6のコアの直径より大径のガラスロッド等が接続されても良い。
次に、励起光源2について説明する。
励起光源2は、複数の光モジュールユニット10とそれぞれの光モジュールユニット10に接続される光ファイバ11を備える。なお、それぞれの光ファイバ11のコアは、光コンバイナ3において光ファイバ4の内側クラッドに接続されている。従って、それぞれの光モジュールユニット10から出射する励起光が伝播する光ファイバ11と増幅用光ファイバ5の内側クラッド5bとは、光ファイバ4の内側クラッドを介して光学的に結合されている。
図3は、図1に示す光モジュールユニット10の斜視図であり、図4は、図3とは異なる方向から見る光モジュールユニット10の斜視図である。また、図5は、図3に示す光モジュールユニット10において、一つの底蓋22を省略すると共に一部を切断して示す図である。なお、図3〜図5及び以下に示す他の図において、同一図面内に同様の構成のものが複数表れている場合、見易さのため、それらのうち一つにのみに符号を付して他のものに対して符号を省略している場合がある。
図3から図5に示すように、光モジュールユニット10は、複数の光モジュール20とマニホールド40とを備える。光モジュール20の数は特に限定されないが、本実施形態の光モジュールユニット10は6つの光モジュール20を備える。また、互いに隣り合う光モジュール20は互いに離間するように並列されている。さらに、それぞれの光モジュール20は、ボルト50によってマニホールド40に固定されている。
光モジュール20について以下に詳細に説明する。
光モジュール20は、筐体本体21、筐体本体21内に収容される後述の光学部品、光学部品が収容される空間を覆う上蓋23、筐体本体21の上蓋23とは反対側を覆う底蓋22、一部の光学部品に電力を供給するコネクタ28とを備えている。なお、底蓋22及び上蓋23は便宜上名付けたものであり、光モジュール20の設置時に底蓋22が下となって上蓋23が上となることを意味するものではない。
上蓋23は、金属板から成り、筐体本体21に接着等により固定されている。また、底蓋22は、金属からなる三角柱状体であり、筐体本体21に形成される後述する凹部に嵌め込まれて筐体本体21に接着剤等により固定される。筐体本体21、底蓋22及び上蓋23が組み合わされることによって、光モジュール20の外形は概ね直方体とされる。
図6は、図3に示す光モジュール20の斜視図であり、図7は、光モジュール20の平面図である。図7において、発光素子であるレーザダイオード31が出射する光の光路が破線で示されている。なお、図6及び図7では、光学部品の配置を見やすくするために上蓋23が省略されている。
図6に示すように、本実施形態の筐体本体21は、マウント24及びマウント24と一体となってマウント24の外周を囲う枠体26からなる。
図8は、マウント24の構造及び光学部品の配置をより見やすくするために、図6から枠体26を省略し、さらに底蓋22も省略した図である。
図6から図8に示すように、マウント24は、光学部品が配置される側の面である一方の面24aと、その反対側の面である他方の面24bとを有する。マウント24の一方の面24a側には、互いに平行に複数の素子配置面24sが階段状に形成されている。また、マウント24の他方の面24bのうち階段状に形成された複数の素子配置面24sと厚さ方向に重なる部位は、当該階段の勾配と同程度に傾斜した傾斜面とされる。すなわち、素子配置面24sに対する当該傾斜面の勾配と複数の素子配置面24sによって形成される階段の勾配とは同程度である。このようにマウント24の他方の面24bに傾斜面が形成されることによって、図8に示すように凹部24cが形成される。底蓋22は、この凹部24cに嵌め込まれ、筐体本体21に接着剤等により固定される。
また、図5に示すように、マウント24の他方の面24bに形成された上記傾斜面には、サブ流路25が形成される。サブ流路25は、複数回折れ曲がって延在し、一方の端部に入口25iを有すると共に他方の端部に出口25oを有する流路である。また、サブ流路25の入口25i及び出口25oは、マウント24の同一面に形成される。また、サブ流路25は、サブ流路25が素子配置面24sに平行に形成される場合よりもそれぞれのレーザダイオード31とサブ流路25との最短距離の平均が小さくなるように、素子配置面24sに対して傾斜して形成される。本実施形態では、レーザダイオード31が13個設けられる。そのため、13個のレーザダイオード31のそれぞれとサブ流路25との最短距離を求め、これらの最短距離の和を13で割って得られる値がそれぞれのレーザダイオード31とサブ流路25との最短距離の平均である。また、サブ流路25の入口25iには継手51が取り付けられ、サブ流路25の出口25oには継手52が取り付けられる。このようなサブ流路25には、マウント24を冷却するために、水等の冷却媒体が流通する。サブ流路25が底蓋22で覆われることにより、サブ流路25からの冷却媒体の漏洩が抑制される。
また、マウント24は、図8に示すように、マニホールド40が配置される側の面にボルト50が螺合されるネジ穴24hを有する。本実施形態のネジ穴24hは、所定の間隔を有して2つ形成される。
このようなマウント24は、後述するようにヒートシンクとして機能するため、熱伝導性が高い銅等の金属で構成されることが好ましい。
次に、枠体26の構造について説明する。枠体26は、上蓋23が配置される側の端部において、内周面側に全周に渡って切り欠き26cを有する。この切り欠き26cに上蓋23の外周部が嵌められる。また、枠体26には、光ファイバ29を筐体本体21の内側から筐体本体21の外側に導出するための貫通孔、コネクタ28を筐体本体21の内側から筐体本体21の外側に導出するための貫通孔、ボルト50を通すための貫通孔、サブ流路25の入口25iに取り付けられる継手51を配置するための貫通孔、サブ流路25の出口25oに取り付けられる継手52を配置するための貫通孔が形成されている。
次に、筐体本体21内に収容される光学部品について説明する。本実施形態の光モジュール20において、マウント24の一方の面24a側に配置される光学部品は、レーザダイオード31、第1コリメートレンズ36、第2コリメートレンズ37、ミラー33、第1集光レンズ34、第2集光レンズ35、光ファイバ29を含んで構成される。光ファイバ29は、一端が筐体本体21内に収容され、他端は筐体本体21の外側に配置される。
複数のレーザダイオード31は、上記のようにマウント24の一方の面24aに形成された階段状の素子配置面24sの各段上に一つずつ配置される。それぞれのレーザダイオード31は、活性層を含む複数の半導体層が積層されて成るファブリペロー構造を有する素子であり、複数の半導体層の積層方向が設置面に対して垂直となるように配置される。よって、レーザダイオード31は、当該レーザダイオード31の設置面に対して垂直な方向がファスト軸、当該レーザダイオード31の設置面に対して平行な方向がスロー軸となるレーザ光を出射する。また、本実施形態では、それぞれのレーザダイオード31は、レーザマウント32上にはんだ等により固定されており、レーザマウント32を介してマウント24に固定されている。なお、それぞれのレーザダイオード31は、例えば波長が900nm帯のレーザ光を出射する。
レーザマウント32は、レーザダイオード31の高さを調整するための台であり、それぞれのレーザマウント32は、マウント24に例えばはんだ付け等により固定されている。なお、このようにレーザマウント32がマウント24と別体とされて、レーザマウント32がマウント24上に固定されても良いが、レーザマウント32がマウント24と一体に成型されても良い。或いは、レーザダイオード31の高さ調整が不要の場合、このレーザマウント32は省略されても良い。
図9は、図7に示す光モジュール20の一部を示すと共にサブ流路25を透視して破線で示す図であり、複数のレーザダイオード31の配置とサブ流路25との関係を示す図である。図9に示すように、複数のレーザダイオード31のうち一部のレーザダイオード31は、レーザダイオード31の設置面に対して垂直な方向においてサブ流路25の中心軸と重ならない位置に配置される。すなわち、本実施形態では、マウント24の厚さ方向において、複数のレーザダイオード31のうち一部のレーザダイオード31はサブ流路25の中心軸と重なっていない。
第1コリメートレンズ36は、レーザダイオード31から出射する光のファスト軸方向の光をコリメートするレンズである。第1コリメートレンズ36は、レーザダイオード31との相対的位置が固定されるように、樹脂等によってレーザマウント32上に固定される。
第2コリメートレンズ37は、レーザダイオード31から出射する光のスロー軸方向の光をコリメートするレンズである。第2コリメートレンズ37は、マウント24に接着等により固定されている。
それぞれのミラー33は対応するそれぞれのレーザダイオード31における光の出射方向側に設けられ、一つレーザダイオード31に対して一つのミラー33が設けられる。したがって、それぞれのミラー33は、レーザダイオード31から出射してコリメートされた光を直接反射することができる。このような本実施形態のミラー33は、例えば誘電体多層膜からなる反射膜によって反射面が表面に形成されたガラス体である。なお、反射面は金属膜によって形成されても良い。
第1集光レンズ34は、それぞれのミラー33で反射される光をファスト軸方向に集光するレンズであり、シリンドリカルレンズから成る。第1集光レンズ34は、レンズマウント34mを介してマウント24に固定されている。レンズマウント34mは第1集光レンズ34の高さを調整するための台であり、第1集光レンズ34はレンズマウント34mに接着などにより固定され、レンズマウント34mはマウント24に接着などにより固定されている。なお、レンズマウント34mはマウント24と一体に成型されても良く、第1集光レンズ34の高さ調整が不要の場合、レンズマウント34mは省略されても良い。
第2集光レンズ35は、第1集光レンズ34から出射する光をスロー軸方向に集光するレンズであり、シリンドリカルレンズから成る。第2集光レンズ35は、レンズマウント35mを介してマウント24に固定されている。レンズマウント35mは第2集光レンズ35の高さを調整するための台であり、第2集光レンズ35はレンズマウント35mに接着などにより固定され、レンズマウント35mはマウント24に接着などにより固定されている。なお、レンズマウント35mはマウント24と一体に成型されても良く、第2集光レンズ35の高さ調整が不要の場合、レンズマウント35mは省略されても良い。
第1集光レンズ34及び第2集光レンズ35から出射する光が所望の位置で集光しない場合には、他の集光レンズが更にマウント24上に配置されても良い。
光ファイバ29は、パイプ状のホルダ29hに挿通されて、ホルダ29hに固定されている。また、ホルダ29hは、図7及び図8に示すようにリング状の固定部材29fに固定され、固定部材29fは筐体本体21の枠体26に固定される。光ファイバ29の一端は、第2集光レンズ35から出射する光が、光ファイバ29のコアに入射可能な位置とされる。本実施形態では、光ファイバ29はホルダ29hに接着剤やはんだ付けにより固定されており、ホルダ29hは固定部材29fに接着されることで固定され、固定部材29fは枠体26に接着されて固定されている。
なお、それぞれの光モジュール20の光ファイバ29は、不図示の光コンバイナに接続され、当該光コンバイナを介して図1に示す光ファイバ11に光学的に結合される。
コネクタ28は、一対の棒状の導体から形成されており、それぞれの導体はコネクタホルダ28hに固定されている。それぞれのコネクタホルダ28hは、筐体本体21の枠体26に接着されて固定されている。コネクタ28の一方の導体は、当該一方の導体に最も近いレーザダイオード31と図示しない金線により接続されており、それぞれのレーザダイオード31は図示しない金線によりデイジーチェーン接続されている。また、コネクタ28の他方の導体は、当該他方の導体に最も近いレーザダイオード31と図示しない金線により接続されている。
以上に説明した光モジュール20は、図3〜図5に示すように、複数並列されてマニホールド40に固定される。それぞれの光モジュール20において、光ファイバ29が固定される面とマニホールド40に固定される面とは互いに対向している。なお、光モジュール20のマニホールド40に固定される面は、光モジュール20を略直方体と見做したときに最も小さい面である。また、本実施形態の光モジュール20が並列する方向は、レーザダイオード31が配置される平面に対して直交する方向である。上記のように、レーザダイオード31は、当該レーザダイオード31が配置される平面に対して直交する方向がファスト軸となる光を出射するため、本実施形態の光モジュール20が並列する方向は、レーザダイオード31が出射する光のファスト軸と平行な方向である。また、それぞれの光モジュール20の外周面のうち複数の光モジュール20の並列方向に非垂直な面が不図示の固定部材に固定される。本実施形態では、図6及び図7に示す光モジュール20の外周面のうち複数の光モジュール20の並列方向に平行な側面20aが不図示の固定部材に固定される。側面20aは、光モジュール20の外周面のうちマニホールド40が固定される側面20dと光ファイバ29が導出される側面20bとの間の側面であり、光モジュール20の外周面のうちコネクタ28が導出される側面20cと対向する面である。また、側面20aは、マウント24の一方の面24a及び他方の面24bよりも面積が小さい面である。すなわち、側面20aは、光モジュール20の外周面のうち上蓋23によって構成される面より面積が小さく、光モジュール20の外周面のうちマウント24の他方の面24bの一部及び底蓋22によって構成される面より面積が小さい。
次に、マニホールド40について詳細に説明する。
図10は、図3〜図5に示すマニホールド40を光モジュール20が固定される側から見る斜視図であり、図11は、図10に示すXI−XI線に沿ったマニホールド40の断面図である。
図5に示すように、マニホールド40は、冷却媒体が流通する第1メイン流路41と第2メイン流路45とを有する。図11には、第1メイン流路41の長手方向に平行な断面が表れている。第1メイン流路41は、光モジュール20のサブ流路25に供給される冷却媒体が流通する流路である。第2メイン流路45は、光モジュール20のサブ流路25を流通した後の冷却媒体が流通する流路である。なお、第2メイン流路45の形状は第1メイン流路41の形状と同じであるため、第2メイン流路45の長手方向に平行な断面は図示していない。
図11に示すように、第1メイン流路41は、直線状に形成される。第1メイン流路41の長手方向の中央部の側面に貫通孔が形成され、当該貫通孔に継手42が取り付けられている。継手42は筒状に形成されており、継手42を通って外部から冷却媒体が第1メイン流路41へ流入する。また、第1メイン流路41の継手42が設けられる側とは反対側の側面には、複数の貫通孔43が形成されている。それぞれの光モジュール20に取り付けられた継手51がそれぞれの貫通孔43に挿入されることによって、第1メイン流路41とそれぞれの光モジュール20のサブ流路25の入口25iとが接続される。すなわち、それぞれの光モジュール20が有するサブ流路25は、第1メイン流路41によって並列に接続される。また、それぞれの光モジュール20が有するサブ流路25は、光モジュール20がマニホールド40に固定される面側において第1メイン流路41に接続される。さらに、第1メイン流路41の長手方向の両端は蓋材44によって塞がれており、第1メイン流路41からの冷却媒体の漏洩が抑制され得る。
第2メイン流路45は、第1メイン流路41と同様に、直線状に形成される。第2メイン流路45の長手方向の中央部の側面に貫通孔が形成され、当該貫通孔に継手46が取り付けられている。継手46は筒状に形成されており、継手46を通って冷却媒体が第2メイン流路45から外部へ流出する。また、第2メイン流路45の継手46が設けられる側とは反対側の側面には、複数の貫通孔47形成されている。それぞれの光モジュール20に取り付けられた継手52がそれぞれの貫通孔47に挿入されることによって、第2メイン流路45とそれぞれの光モジュール20のサブ流路25の出口25oとが接続される。すなわち、それぞれの光モジュール20が有するサブ流路25は、第2メイン流路45によって並列に接続される。また、それぞれの光モジュール20が有するサブ流路25は、光モジュール20がマニホールド40に固定される面側において第2メイン流路45に接続される。さらに、第2メイン流路45の長手方向の両端は蓋材48によって塞がれており、第2メイン流路45からの冷却媒体の漏洩が抑制され得る。
また、マニホールド40は、図10に示すように、第1メイン流路41と第2メイン流路45と間において、光モジュール20が配置される側からその反対側に貫通した貫通孔49を複数有している。これらの貫通孔49にボルト50が挿通される。
次に、レーザ装置1の動作について説明する。
それぞれの光モジュール20において、コネクタ28からそれぞれのレーザダイオード31に所望の電力が供給されると、図7に示すように、それぞれのレーザダイオード31が光を出射する。この光は、上記のように例えば波長が900nm帯のレーザ光とされる。また、それぞれのレーザダイオード31が出射する光は、ファスト軸方向がそれぞれのレーザダイオード31が配置される平面に対して直交する方向とされ、スロー軸方向が当該平面に対して平行な方向とされる。それぞれのレーザダイオード31が出射する光は、第1コリメートレンズ36に入射する。第1コリメートレンズ36は、レーザダイオード31から出射する光をファスト軸方向にコリメートして出射する。第2コリメートレンズ37は、第1コリメートレンズ36から出射した光をスロー軸方向にコリメートして出射する。第2コリメートレンズ37から出射した光は、ミラー33に入射し、ミラー33に反射される。このようにしてそれぞれのミラー33で反射された光は、第1集光レンズ34に入射する。
第1集光レンズ34に入射する光は、上記のようにファスト軸方向が集光される。第1集光レンズ34から出射する光は、第2集光レンズ35に入射して、第2集光レンズ35により光のスロー軸方向が集光される。第2集光レンズ35により集光された光は、光ファイバ29のコアに入射して、光ファイバ29を伝搬する。
このように、それぞれの光モジュール20において、複数のレーザダイオード31が出射する光は光ファイバ29を伝搬する。それぞれの光ファイバ29を伝搬する光は、不図示の光コンバイナによって図1に示す光ファイバ11に入射される。このようにして、励起光源2から励起光となる光が出射される。
上記のようにして励起光源2のそれぞれの光モジュール20が励起光を出射すると、この励起光が光ファイバ4の内側クラッドを介して、増幅用光ファイバ5の内側クラッド5bに入射する。内側クラッド5bは内側クラッド5bより屈折率が高いコア5aと内側クラッド5bより屈折率が低い外側クラッド5cとに挟まれており、内側クラッド5bに入射した励起光は主に内側クラッド5bを伝播してコア5aに入射する。このようにコア5aに入射する励起光は、コア5aに添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。このときの自然放出光は、例えば活性元素がイッテルビウムである場合、1090nmの波長を含み一定の波長帯域を有する光である。この自然放出光は、増幅用光ファイバ5のコア5aを伝播して、一部の波長の光が第1FBG7により反射され、このように反射された光のうち第2FBG8が反射する波長の光が第2FBG8で反射されて、共振器内を往復する。そして、第1FBG7及び第2FBG8で反射される光が増幅用光ファイバ5のコア5aを伝播するときに、誘導放出が生じてこの光が増幅され、共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となる。そして、第1FBG7と第2FBG8との間を共振する光のうち一部の光が第2FBG8を透過して、光ファイバ6の端部から出射する。
また、このとき、冷却媒体は継手42を介してマニホールド40の第1メイン流路41に供給される。冷却媒体は第1メイン流路41において分岐され、それぞれの光モジュール20に接続された継手51を介して入口25iからそれぞれのサブ流路25に供給される。それぞれの光モジュール20のサブ流路25を流通してマウント24から熱を伝えられた冷却媒体は、出口25oから排出される。このようにしてそれぞれの光モジュール20のサブ流路25を流通した冷却媒体は、継手52を介してマニホールド40の第2メイン流路45へ流入し、継手46を介して光モジュールユニット10の外部に排出される。光モジュールユニット10から排出された冷却媒体は、冷却されて循環することによって継手42から第1メイン流路41に戻されてもよく、レーザ装置1が備える光コンバイナ等の他の部品を冷却するために用いられてもよい。
以上の説明のように、本実施形態のレーザ装置1は、光モジュールユニット10と、光モジュールユニット10が出射する光を増幅する増幅用光ファイバ5と、を備える。
また、本実施形態の光モジュールユニット10は、複数の光モジュール20及びマニホールド40を備える。それぞれの光モジュール20は、複数の発光素子であるレーザダイオード31と、一方の面24a側に複数のレーザダイオード31が配置されるマウント24と、マウント24に形成されるサブ流路25と、を有する。また、マニホールド40は、複数の光モジュール20が固定され、それぞれの光モジュール20が有するサブ流路25の一方の端部を並列に接続すると共にそれぞれのサブ流路25に供給される冷却媒体が流通する第1メイン流路41を有する。
上記のようにそれぞれの光モジュール20はサブ流路25を有しており、サブ流路25に冷却媒体を流通させることにより、レーザダイオード31が発する熱はマウント24を介して冷却媒体へと伝えられ、レーザダイオード31を冷却することができる。すなわち、マウント24がヒートシンクとして機能し、熱源であるレーザダイオード31が発する熱はヒートシンクを介して冷却媒体へと伝えられる。また、それぞれの光モジュール20が有するサブ流路25は、マニホールド40の第1メイン流路41に並列に接続される。よって、それぞれの光モジュール20には、他の光モジュール20のサブ流路25を流通しておらず、他の光モジュール20によって加熱されていない冷却媒体が第1メイン流路41を介して供給され得る。そのため、それぞれの光モジュール20に供給される冷却媒体の温度が不均一になることが抑制され得る。したがって、本実施形態の光モジュールユニット10によれば、複数の光モジュール20の冷却効率のばらつきを抑制することができる。
また、本実施形態の光モジュールユニット10は、それぞれの光モジュール20が有するそれぞれのサブ流路25の他方の端部を並列に接続する第2メイン流路45を備える。それぞれのサブ流路25の他方の端部が第2メイン流路45に並列に接続されることによって、複数のサブ流路25から流出する冷却媒体を第2メイン流路45に流入させて一括処理することができる。よって、例えば、サブ流路25に一度流通させた冷却媒体を第2メイン流路に流入させて回収してから冷却することで冷却媒体の再利用が容易になる。
また、本実施形態の第1メイン流路41及び第2メイン流路45はマニホールド40に形成される。第1メイン流路41及び第2メイン流路45が共にマニホールド40に形成されることによって、光モジュールユニット10が小型化され得る。
また、マウント24は互いに平行な複数の素子配置面24sを有し、複数のレーザダイオード31はそれぞれの素子配置面24s上に配置される。さらに、サブ流路25は、サブ流路25が素子配置面24sに平行に形成される場合よりもそれぞれのレーザダイオード31とサブ流路25との最短距離の平均が小さくなるように、素子配置面24sに対して傾斜して形成される。互いに平行な複数の素子配置面24sは階段状に形成され、このような階段状の素子配置面24sにレーザダイオード31が配置される場合において、サブ流路25が上記のように素子配置面24sに対して傾斜して形成されることによって、それぞれのレーザダイオード31とサブ流路25との距離が不均一になることが抑制され得る。よって、それぞれのレーザダイオード31の冷却効率のばらつきが抑制され得る。
また、複数のレーザダイオード31のうち少なくとも一部のレーザダイオード31は、レーザダイオード31の設置面に対して垂直な方向においてサブ流路25の中心軸と重ならない位置に配置される。レーザダイオード31の設置面に対して垂直な方向において当該レーザダイオード31とサブ流路25の中心軸とが互いに重ならないことによって、レーザダイオード31とサブ流路25の中心軸とが重なる場合に比べて、マウント24内におけるレーザダイオード31からサブ流路25までの熱の伝導経路を長くすることができる。よって、レーザダイオード31が発する熱は上記のようにヒートシンクとして機能するマウント24内において拡散され易く、レーザダイオード31が効率良く冷却され得る。
また、それぞれの光モジュール20は、複数のレーザダイオード31が出射する光を外部に導出する光ファイバ29を有し、それぞれの光モジュール20の光ファイバ29が配置される面と対向する面がマニホールド40に固定される。光ファイバ29が配置される側面20bと対向する側面20dがマニホールド40に固定されることによって、光モジュール20の外周面のうち他の面がマニホールド40に固定される場合に比べて、光ファイバ29に入射する光の光軸と光ファイバ29の光軸との相対的なずれが抑制され得る。具体的には、側面20dがマニホールド40に固定されることによって、側面20aや側面20cにマニホールド40が固定される場合に比べ、マニホールド40と光モジュール20との熱膨張係数の差等によって光モジュール20が反るとしてもそれぞれのミラー33の位置がずれ難い。そのため、それぞれのミラー33と光ファイバ29との相対的な位置のずれが抑制され、上記のように光ファイバ29に入射する光の光軸と光ファイバ29の光軸との相対的なずれが抑制され得る。そのため、複数のレーザダイオード31が出射する光を外部に導出する効率の低下が抑制され得る。
また、それぞれの光モジュール20が有するサブ流路25は、光モジュール20がマニホールド40に固定される面側において第1メイン流路41及び第2メイン流路45に接続される。光モジュール20とマニホールド40とが固定される面側において光モジュール20のサブ流路25とマニホールド40の第1メイン流路41及び第2メイン流路45とが接続されることによって、サブ流路25と第1メイン流路41とを最短距離で接続し得ると共にサブ流路25と第2メイン流路45とを最短距離で接続し得る。
また、互いに隣り合う光モジュール20は互いに離間している。互いに隣り合う光モジュール20が互いに離間していることによって、光モジュール20が熱等によって変形する場合であっても当該光モジュール20の変形による応力が互いに隣り合う光モジュール20に加わることが抑制され得る。また、互いに隣り合う光モジュール20が互いに離間していることによって、互いに隣り合う光モジュール20同士の間での熱の伝達が抑制され得る。そのため、3つ以上の光モジュール20が並列される場合において、内側に配置される光モジュール20の温度が外側に配置される光モジュール20の温度よりも高くなることが抑制され得る。すなわち、それぞれの光モジュール20の温度の不均一化が抑制され得る。
また、複数の光モジュール20は、レーザダイオード31が出射する光のファスト軸と平行な方向に並列され、それぞれの光モジュール20の外周面のうち複数の光モジュール20の並列方向に非垂直な面が不図示の固定部材に固定される。複数のレーザダイオード31を備える光モジュール20において、複数のレーザダイオード31が出射する光はファスト軸に重ねられて外部に導出される。また、光モジュール20において、複数のレーザダイオード31が出射する光が重ねられる方向に平行な方向の大きさは、当該方向に対して垂直な方向の大きさよりも小さくなる傾向にある。そのため、レーザダイオード31が出射する光のファスト軸と平行な方向に複数の光モジュール20が並列されることにより、それぞれの光モジュール20において、外周面のうち複数の光モジュール20の並列方向に非垂直な面が当該並列方向に垂直な面より小さくなる傾向にある。よって、このように複数の光モジュール20が並列される場合に、それぞれの光モジュール20の外周面のうち複数の光モジュールの並列方向に非垂直な面が固定部材に固定されることにより、光モジュールユニット10の設置面積を小さくし得る。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図12を参照して詳細に説明する。なお、第1実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。
図12は、本発明の第2実施形態に係るレーザ装置1aの構成を示す図である。図12に示すように、本実施形態のレーザ装置1aは、増幅用光ファイバ5を備えない点において上記第1実施形態のレーザ装置1と異なる。本実施形態のレーザ装置1aでは、複数の光モジュールユニット10から出射する光は、光ファイバ11及び光コンバイナ3を介して光ファイバ9の一端に入射し、光ファイバ9の他端から出射される。光ファイバ9は、第2FBG8を備えていないこと以外は上記第1実施形態の光ファイバ6と同様の構成とされる。
以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、複数のレーザダイオード31が階段状の素子配置面24s上に配置され、サブ流路25が素子配置面24sに対して傾斜して形成される例を挙げて説明した。しかし、サブ流路25は素子配置面24sに対して平行に形成されてもよい。
また、上記実施形態では、マウント24が階段状に形成される複数の素子配置面24sを有する例を挙げて説明したが、マウント24は平板状に形成されてもよい。
また、上記実施形態では、複数のレーザダイオード31のうち少なくとも一部のレーザダイオード31が、レーザダイオード31の設置面に対して垂直な方向においてサブ流路25の中心軸と重ならない位置に配置される例を挙げて説明した。レーザダイオード31の設置面に対して垂直な方向において、レーザダイオード31はサブ流路25の中心軸と重なる位置に配置されてもよい。
また、上記実施形態では、複数のレーザダイオード31が出射する光を外部に導出する光ファイバ29が配置される面と対向する面においてそれぞれの光モジュール20がマニホールド40に固定される例を挙げて説明した。しかし、それぞれの光モジュール20は他の面がマニホールド40に固定されてもよい。
また、上記実施形態では、それぞれの光モジュール20が有するサブ流路25は、光モジュール20がマニホールド40に固定される面側においてマニホールド40のメイン流路に接続される例を挙げて説明した。しかし、サブ流路25の入口25i及び出口25oは、他の面に形成されてもよい。
また、上記実施形態では、互いに隣り合う光モジュール20が互いに離間して配置される例を挙げて説明したが、互いに隣り合う光モジュール20は互いに接していてもよい。
また、上記実施形態では、複数の光モジュール20はレーザダイオード31が出射する光のファスト軸と平行な方向に並列される例を挙げて説明したが、複数の光モジュール20を並列される方向はこれに限定されない。
以上説明したように、本発明によれば、複数の光モジュールの冷却効率のばらつきを抑制し得る光モジュールユニット、及び当該光モジュールユニットを備えるレーザ装置が提供され、例えばレーザ加工装置等の分野において使用することができる。
1・・・レーザ装置
2・・・励起光源
5・・・増幅用光ファイバ
10・・・光モジュールユニット
20・・・光モジュール
24・・・マウント
24s・・・素子配置面
25・・・サブ流路
31・・・レーザダイオード(発光素子)
40・・・マニホールド
41・・・第1メイン流路(メイン流路)
45・・・第2メイン流路(メイン流路)

Claims (10)

  1. 複数の発光素子と、一方の面側に前記複数の発光素子が配置されるマウントと、前記マウントに形成されるサブ流路と、を有する複数の光モジュール、及び、
    前記複数の光モジュールが固定され、それぞれの前記光モジュールが有する前記サブ流路の一方の端部が並列に接続される第1メイン流路を有するマニホールド
    を備え
    それぞれの前記光モジュールは、前記複数の発光素子が出射する光を外部に導出する光ファイバを有し、
    それぞれの前記光モジュールの前記光ファイバが配置される面と対向する面が前記マニホールドに固定される
    ことを特徴とする光モジュールユニット。
  2. 互いに隣り合う前記光モジュールが互いに離間している
    ことを特徴とする請求項に記載の光モジュールユニット。
  3. 複数の発光素子と、一方の面側に前記複数の発光素子が配置されるマウントと、前記マウントに形成されるサブ流路と、を有する複数の光モジュール、及び、
    前記複数の光モジュールが固定され、それぞれの前記光モジュールが有する前記サブ流路の一方の端部が並列に接続される第1メイン流路を有するマニホールド
    を備え、
    互いに隣り合う前記光モジュールが互いに離間している
    ことを特徴とする光モジュールユニット。
  4. それぞれの前記サブ流路の他方の端部が並列に接続される第2メイン流路を更に備える
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光モジュールユニット。
  5. 前記第2メイン流路が前記マニホールドに形成される
    ことを特徴とする請求項に記載の光モジュールユニット。
  6. 前記マウントは互いに平行な複数の素子配置面を有し、
    前記複数の発光素子はそれぞれの前記素子配置面上に配置され、
    前記サブ流路は、前記サブ流路が前記素子配置面に平行に形成される場合よりもそれぞれの前記発光素子と前記サブ流路との最短距離の平均が小さくなるように、前記素子配置面に対して傾斜して形成される
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の光モジュールユニット。
  7. 前記複数の発光素子のうち少なくとも一部の前記発光素子は、前記発光素子の設置面に対して垂直な方向において前記サブ流路の中心軸と重ならない位置に配置される
    ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光モジュールユニット。
  8. それぞれの前記光モジュールが有する前記サブ流路は、前記光モジュールが前記マニホールドに固定される面側において前記第1メイン流路に接続される
    ことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の光モジュールユニット。
  9. 請求項1から8のいずれか1項に記載の光モジュールユニットと、
    前記光モジュールユニットが出射する光が伝播する光ファイバと、
    を備える
    ことを特徴とするレーザ装置。
  10. 複数の前記光モジュールは、前記発光素子が出射する光のファスト軸と平行な方向に並列され、
    それぞれの前記光モジュールの外周面のうち複数の前記光モジュールの並列方向に非垂直な面が固定部材に固定される
    ことを特徴とする請求項9に記載のレーザ装置。
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