JP7092386B2 - 光ファイバ保持装置及びこれを有するレーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ保持装置及びこれを有するレーザ発振器に関する。

光ファイバを利用したレーザ発振器が広く用いられている。このレーザ発振器は、光源から発振される励起光を利用して、光ファイバによってレーザ光を発振する。このレーザ発振器に用いられる光ファイバは、例えば、エルビウムなどのレーザ活性物質がドープされたＺＢＬＡＮガラスなどのフッ化物ガラスによって形成される。

ここで、光ファイバに含まれるレーザ活性物質は励起光を吸収することによって発熱するため、この発熱によって光ファイバが損傷する場合がある。特に、フッ化物ファイバでは、石英ファイバと比較して耐熱性が低い。

そこで、特許文献１の光ファイバの保持構造では、金属からなる基体と熱伝導性成形体とによって光ファイバを挟みこむようにして、光ファイバを保持し、冷却するようにしている。

特開２０１０－２３７５７４号公報

特許文献１の構造では、熱伝導性成形体が適度な硬度を有しているために、光ファイバは熱伝導性成形体に沈み込むようにして保持される。このため、光ファイバは冷却配管が設けられた基体に押し付けられることになり、冷却効率が高くなる。

しかし、熱伝導性成形体は、基体から浮き上がったり、また基体から剥離することがある。このような場合は、光ファイバを基体に十分に押し付けることができず、効率よく光ファイバを冷却することができない。

本発明の課題は、光ファイバの保持構造において、光ファイバを効率よく冷却することができるようにすることにある。

（１）本発明の一側面に係る光ファイバ保持装置は、光ファイバを保持するとともに冷却するための装置であって、ベース部と、樹脂シートと、金属プレートと、を備えている。ベース部は、内部に冷却用の配管が設けられている。樹脂シートは、ベース部の表面との間に光ファイバを挟み込むように配置され、変形可能かつ熱伝導性を有する。金属プレートは、樹脂シートを挟んでベース部と対向して配置され、樹脂シートをベース部に押圧する。このような構成により、ベース部に対して光ファイバを押し付ける。

この装置では、内部に冷却用の配管が設けられたベース部に、光ファイバが載置されている。そして、光ファイバは、樹脂シートによってベース部に密着され、さらに樹脂シートは金属プレートによってベース部に押し付けられている。このため、樹脂シートがベース部から浮き上がったり、ベース部から剥離するのを防止でき、ベース部に対して光ファイバを十分に密着させて、効率よく光ファイバを冷却することができる。

（２）好ましくは、光ファイバの周囲であって、光ファイバと樹脂シートの変形部との隙間に充填されたグリス又は熱伝導性を有する接着剤をさらに備えている。

樹脂シートによって光ファイバをベース部に押し付けると、樹脂シートの光ファイバとの接触部が変形する。この変形部分において、光ファイバの周囲に隙間が生じる。そこで、樹脂シートの変形部と光ファイバとの間に生じた隙間に、グリス又は熱伝導性を有する接着剤を充填するのが好ましい。

ここでは、光ファイバと樹脂シートとの隙間にグリス等が充填されるので、さらに冷却効率が高くなる。

（３）好ましくは、金属プレートは、複数の分割プレートを有している。この場合は、光ファイバの長さが変わっても、分割プレートを追加することによって、樹脂シート及び光ファイバ全体を適切にベース部に対して押し付けることができる。また、金属プレートの歩留まりが向上する。

（４）好ましくは、光ファイバは環状に巻かれた環状部を有している。そして、複数の分割プレートは光ファイバの環状部に沿って配置されている。この場合は、光ファイバが配置されていない部分には金属プレート（分割プレート）を配置する必要がない。このため、金属プレートの歩留まりが向上する。また、金属プレートの組付けが容易になる。

（５）好ましくは、樹脂シートは、環状部に沿って配置された複数の分割シートを有している。そして、複数の分割プレートの隣接する分割プレート間の接合部と、複数の分割シートの隣接する分割シートの接合部と、は、平面視でずれている。

ここで、隣接する分割プレートの接合部には、隙間が発生する。この隙間に、隣接する分割シートの接合部が位置するように分割シートを配置すると、分割シートの端縁を、分割プレートによって押さえつけることができない。このような状況では、分割シートの端縁が変形して浮き上がってしまうことになる。

そこで、分割プレートの接合部と分割シートの接合部とをずらし、両者の接合部が同じ位置にならないように分割プレート及び分割シートを配置するのが好ましい。これにより、分割シート全体を良好に押さえつけることができる。

（６）好ましくは、金属プレートとベース部との間に配置され、樹脂シートに比較して剛性の高いスペーサをさらに備えている。

この場合は、スペーサの高さを変えることによって、樹脂シートに対する金属プレートの押圧力を調整することができる。

（７）本発明の一側面に係るレーザ発振器は、励起光源と、励起光源からの励起光が導入されレーザ光を出力する発振用光ファイバと、発振用光ファイバの一部を保持する前述の光ファイバ保持装置と、を備えている。

以上のような本発明では、冷却配管が設けられたベース部に対して光ファイバを適切に押し付けることができ、冷却効率を高めることができる。

レーザ発振器の概略構成図。 光ファイバ保持装置の断面部分図。 図２の拡大図。 分割プレート及び分割シートの接合部の不具合を説明するための模式図。 本発明の他の実施形態による図２に相当する図。

［レーザ発振器の構成］
図１は、本発明の一実施形態によるレーザ発振器の概略構成図である。レーザ発振器１は、励起光源２、第１～第３レンズ３ａ，３ｂ，３ｃ、第１及び第２ダイクロイックミラー４ａ，４ｂ、ダンパ５、光ファイバ６、筐体７、並びにチラー装置８を備えている。

励起光源２は、励起光を発振するものであり、例えばランプ又は半導体レーザなどによって構成することができる。励起光源２にて発振された励起光は、励起光伝送ファイバ２ａを介して出力される。

第１レンズ３ａは、コリメートレンズとして機能するレンズであり、励起光伝送ファイバ２ａと、後述する筐体７の第１窓部７ａとの間に配置されている。第１レンズ３ａは、励起光源２からの励起光を発散光の状態から平行光の状態に変換する。

第２レンズ３ｂは、集光レンズ及びコリメートレンズとして機能するレンズであり、第１ダイクロイックミラー４ａと光ファイバ６の第１端部１１との間に配置されている。第２レンズ３ｂは、第１レンズ３ａによって平行光の状態とされた励起光を集光して光ファイバ６に放射するとともに、光ファイバ６から放射されたレーザ光を平行光の状態に変換する。

第３レンズ３ｃは、集光レンズ及びコリメートレンズとして機能するレンズであり、第２ダイクロイックミラー４ｂと光ファイバ６の第２端部１２との間に配置されている。第３レンズ３ｃは、光ファイバ６からの励起光及びレーザ光を平行光の状態に変換するとともに、第２ダイクロイックミラー４ｂからのレーザ光を集光して光ファイバ６に放射する。

第１ダイクロイックミラー４ａは、第１レンズ３ａと第２レンズ３ｂとの間に配置されている。第１ダイクロイックミラー４ａは、励起光源２からの励起光を透過するとともに、光ファイバ６からのレーザ光の進行方向を変更するように反射する。

第２ダイクロイックミラー４ｂは、第３レンズ３ｃとダンパ５との間に配置されている。第２ダイクロイックミラー４ｂは、光ファイバ６からの励起光を透過するとともに、光ファイバ６からのレーザ光を反射するように構成されている。

ダンパ５は、第２ダイクロイックミラー４ｂの下流側に配置されており、第２ダイクロイックミラー４ｂが透過した励起光を吸収する部材である。

光ファイバ６は、詳細な説明を省略するが、コアと、コアを覆うように形成されたクラッドと、を有している。光ファイバ６は、前述のように、両端部に第１端部１１及び第２端部１２を有している。また、光ファイバ６は、第１端部１１と第２端部１２との間において、環状に巻かれた環状部６ａを有している。

筐体７は、箱状に形成されており、底面に保持装置２０を有している。保持装置２０は、光ファイバ６を保持するとともに、光ファイバ６を冷却する。保持装置１６は、光ファイバ６を保持するとともに、光ファイバ６を冷却するための装置である。図１及び図２に示すように、保持装置２０は、ベース部２１と、樹脂シート２２と、金属プレート２３と、を有している。なお、図２は図１のII-II線断面図である。

ベース部２１は、筐体７の底面のほぼ全体を形成しており、表面が平坦に形成されている。そして、このベース部２１の表面に光ファイバ６が載置される。また、ベース部２１の内部には冷却用の配管２５が設けられ、この配管２５には冷媒が流通可能である。

樹脂シート２２は、容易に変形が可能な弾性を有する熱伝導性の樹脂で形成されている。樹脂シート２２は、複数の分割シート２２ａ～２２ｈから構成されている。これらの複数の分割シート２２ａ～２２ｈは、光ファイバ６の環状部６ａに沿って環状に配置され、ベース部２１の表面との間に光ファイバ６を挟みこむように配置されている。

金属プレート２３は、樹脂シート２２をベース部２１に押圧するための部材であり、複数の分割プレート２３ａ～２３ｄから構成されている。これらの複数の分割プレート２３ａ～２３ｄは、光ファイバ６の環状部６ａに沿って環状に配置され、樹脂シート２２を挟んでベース部２１と対向して配置されている。そして、各分割プレート２３ａ～２３ｄは、図示しないボルト等によってベース部２１に固定されている。

このとき、光ファイバ６の第１端部１１及び第２端部１２は、励起光やレーザ光が入射及び出射させる位置に合わせて固定されているため、金属プレート２３で環状の光ファイバ６を固定する際に、第１端部１１及び第２端部１２の近傍の光ファイバ６にたるみが生じたり、逆に引っ張られたりしないように注意する必要がある。この実施形態では、金属プレート２３が各分割プレート２３ａ～２３ｄに分割されているので、第１端部１１近傍の分割プレート２３ｂ及び第２端部１２近傍の分割プレート２３ｄを先に固定しておき、次いで分割プレート２３ａ及び分割プレート２３ｃを固定すれば、金属プレート２３の組み付けが容易になる。

なお、ベース部２１と樹脂シート２２とによって光ファイバ６を挟み込み、金属プレート２３で樹脂シート２２をベース部２１側に押圧した場合、図３に示すように、光ファイバ６の周囲と樹脂シート２２の変形部との間には隙間が生じる。このような隙間は、光ファイバ６の冷却効率を低下させる。

そこで、この隙間には、グリス又は熱伝導性を有する接着剤２７が充填されている。このため、光ファイバ６を効率よく冷却することができる。

ここで、分割プレート２３及び分割シート２２を配置した場合、それらの接合部には隙間が生じる。この場合、図４に示すように、分割プレート２３及び分割シート２２を、それらの接合部が一致するように配置した場合、分割プレート２３によって押圧された分割シート２２は、その端縁部分が隙間に逃げるように変形する。すると、分割シート２２の端縁がベース部２１から離れ、冷却効率に悪影響を与えることになる。

そこで、この実施形態では、図１から明らかなように、隣接する分割プレートの接合部（例えば分割プレート２３ａと分割プレート２３ｂの接合部）と、その下方において隣接する分割シートの接合部（例えば分割シート２２ａと分割シート２２ｂの接合部）とは、平面視で一致しないように互いにずれて配置されている。このように分割プレート及び分割シートを配置することによって、分割シートの端縁の浮き上がりを防止することができ、冷却効率の低下を防止することができる。

チラー装置８は、筐体７と配管８ａを介して接続されている。チラー装置８は、筐体７のベース部２１内を流れる冷媒の温度を調整する。具体的には、筐体７のベース部２１から配管８ａを介して送られてきた冷媒をチラー装置８が冷却する。チラー装置８において冷却された冷媒は配管８ａを介して筐体７のベース部２１に戻される。

［動作］
励起光源２において発振された励起光は、励起光伝送ファイバ２ａから出力され、第１レンズ３ａにおいて平行光の状態となり、第１窓部７ａを介して筐体７内に進入する。筐体７内に進入した励起光は、第１ダイクロイックミラー４ａを透過し、第２レンズ３ｂにて集光されて光ファイバ６の第１端部１１から光ファイバ６に入射する。

光ファイバ６に入射した励起光は、コア内を伝播し、コアにドープされたレーザ活性物質が励起してレーザ光が出力される。そして、光ファイバ６の第２端部１２から放射された励起光は、第３レンズ３ｃ、第２ダイクロイックミラー４ｂを透過し、ダンパ５に吸収される。

一方、光ファイバ６のコア内で生成されたレーザ光は、光ファイバ６の第２端部１２から放射され、第３レンズ３ｃで平行光の状態に変換される。そして、レーザ光は、第２ダイクロイックミラー４ｂで反射され、第３レンズ３ｃで集光されて、第２端部１２側から光ファイバ６に入射する。光ファイバ６内に入射したレーザ光は、コア内を伝播し、光ファイバ６の第１端部１１から放射される。そして、レーザ光は、第２レンズ３ｂによって平行光の状態に変換され、第１ダイクロイックミラー４ａに反射されて第２窓部７ｂに向かうように進行方向が変更され、第２窓部７ｂを介して筐体７の外部へ放射される。

以上のレーザ発振動作において、光ファイバ６は発熱するが、光ファイバ６は、樹脂シート２２及び金属プレート２３によってベース部２１に密着して保持されているので、ベース部２１内を流れる冷媒によって効率よく冷却される。

［特徴］
（１）樹脂シート２２は金属プレート２３によってベース部２１に押さえ付けられているので、樹脂シート２２がベース部２１から浮き上がったり、ベース部２１から剥離するのを防止でき、ベース部に対して光ファイバを十分に密着させて、効率よく光ファイバを冷却することができる。

（２）樹脂シート２２の変形部と光ファイバ６との間の隙間には、グリス又は熱伝導性を有する接着剤が充填されているので、より冷却効率が高くなる。

（３）樹脂シート２２及び金属プレート２３は、複数の分割プレート及び分割シートに分割され、光ファイバ６の環状部６ａに沿って配置されている。このため、樹脂シート２２及び金属プレート２３の歩留まりが向上する。

（４）隣接する分割プレート間の接合部と、隣接する分割シートの接合部と、は、平面視でずれている。したがって、分割シートの端縁の浮き上がりを防止し、全体を良好に押さえつけることができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態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、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（ａ）前記実施形態では、金属プレート２３をボルト等によってベース部２１に固定するようにしたが、図５に示すような構成によって、ベース部２１に固定するようにしてもよい。

図５に示す例では、ベース部２１と金属プレート２３との間に、筒状のスペーサ３０が配置されている。スペーサ３０は、樹脂シート２２の厚みよりも薄い寸法に設定されている。そして、金属プレート２３は、ベース部２１に装着されたスタッドボルト３１及びナット３２によって、ベース部２１に固定されている。

この図５に示した例では、スペーサ３０の厚みを制御することによって、樹脂シート２２に対する押圧力を調整することができる。

（ｂ）分割シート及び分割プレートの形状及び個数については前記実施形態に限定されない。

（ｃ）保持装置２０をレーザ発振器に適用したが、本発明の保持装置は、他の光ファイバ装置において光ファイバを保持する際に用いることができる。

１ レーザ発振器
２ 励起光源
６ 光ファイバ
６ａ 環状部
２０ 保持装置
２１ ベース部
２２ 樹脂シート
２２ａ～２２ｈ 分割シート
２３ 金属プレート
２３ａ～２３ｄ 分割プレート
３０ スペーサ

Claims (7)

1. 光ファイバを保持するとともに冷却する光ファイバ保持装置であって、
   内部に冷却用の配管が設けられ、平坦な表面を有するベース部と、
   前記ベース部の平坦な表面との間に光ファイバを挟み込むように配置され、変形可能かつ熱伝導性を有する樹脂シートと、
   前記樹脂シートを挟んで前記ベース部と対向して配置され、前記樹脂シートを前記ベース部に押圧するための金属プレートと、
   を備え、
   前記ベース部に対して前記光ファイバを押し付けるように構成されている光ファイバ保持装置。
2. 前記光ファイバの周囲であって、前記光ファイバと前記樹脂シートの変形部との隙間に充填されたグリス又は熱伝導性を有する接着剤をさらに備えた、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
3. 前記金属プレートは、複数の分割プレートを有している、請求項１又は２に記載の光ファイバ保持装置。
4. 前記光ファイバは環状に巻かれた環状部を有しており、
   前記複数の分割プレートは前記環状部に沿って配置されている、
   請求項３に記載の光ファイバ保持装置。
5. 前記樹脂シートは、前記環状部に沿って配置された複数の分割シートを有しており、
   前記複数の分割プレートの隣接する分割プレート間の接合部と、前記複数の分割シートの隣接する分割シートの接合部と、は、平面視でずれている、
   請求項４に記載の光ファイバ保持装置。
6. 前記金属プレートと前記ベース部との間に配置され、前記樹脂シートに比較して剛性の高いスペーサをさらに備えた、請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバ保持装置。
7. 励起光源と、
   励起光源からの励起光が導入され、レーザ光を出力する発振用光ファイバと、
   前記発振用光ファイバの一部を保持する請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバ保持装置と、
   を備えたレーザ発振器。

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