JPWO2016208703A1 - 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

Abstract

光ファイバの発熱を効率よく放熱する。この装置は、ホルダ１４と、ホルダ押え１５と、第１及び第２インジウム１８，１９と、を備えている。ホルダ１４及びホルダ押え１５は一部の表面が当接する。両インジウム１８，１９は、ホルダ１４とホルダ押え１５との間において、光ファイバ６を挟みこむように配置されている。ホルダ１４は、第１インジウム１８を収容する第１凹部１４ｂと、第１溝１４ｃと、平坦部１４ａと、を有している。第１溝１４ｃは、第１凹部１４ｂ内に形成され、両インジウム１８，１９によって挟み込まれた光ファイバ６を収容する。平坦部１４ａは第１凹部１４ｂが形成された以外の部分に形成されている。ホルダ押え１５は、ホルダ１４の第１凹部１４ｂ及び平坦部１４ａを覆う長さに形成されるとともに、第２インジウム１９を収容する第２凹部１５ｂを有している。

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、例えば特許文献１の図４には、光ファイバを２枚の板状のインジウムで挟みこみ、さらにその外側からホルダとホルダ押えとで光ファイバ及び２枚のインジウムを挟みこむようにしている。また、ホルダには、一般的にヒートシンクが接触して設けられている。

このような構成では、光ファイバからの熱は、インジウム及びホルダを介してヒートシンクに伝達される。これにより、光ファイバの熱が放熱される。

特開２０１０−１５３６７３号公報

特許文献１の構造では、インジウムは、柔らかい金属であるため、小片同士で光ファイバを挟みこむことによって変形する。このため、ファイバ及びホルダとの隙間が少ない状態で１対のインジウムが接触し、伝熱により冷却を行うことができる。

しかし、２枚のインジウムで光ファイバを挟みこむことによって、ホルダとホルダ押えとの間に２枚のインジウム分の隙間が形成される。このため、ホルダとホルダ押えとの間での伝熱性が劣ることになる。このため、ホルダへの伝熱性が阻害され、効率よく放熱を行うことができない。

本発明の課題は、光ファイバの発熱を効率よく放熱することができる光ファイバの保持装置を提供することにある。また、この保持装置を有するレーザ発振器を提供することにある。

（１）本発明の一側面に係る光ファイバ保持装置は、光ファイバを冷却するヒートシンク上に配置され、光ファイバを保持する装置である。この保持装置は、第１ホルダと、第２ホルダと、板状の第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材と、を備えている。第１ホルダはヒートシンクに接触して配置される。第２ホルダは表面の一部が第１ホルダの表面に当接する。第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材は、第１ホルダと第２ホルダとの間において、光ファイバを挟みこむように配置され、変形可能かつ熱伝導性を有する。そして、第１ホルダは、第１凹部と、第１溝と、平坦部と、を有している。第１凹部は、第２ホルダと対向する面において光ファイバの先端側に対応する位置に形成され、第１熱伝導部材を収容可能である。第１溝は、第１凹部内に形成され、第１熱伝導部材と第２熱伝導部材とによって挟み込まれた光ファイバを第１熱伝導部材とともに収容する。平坦部は第１凹部が形成された以外の部分に形成されている。また、第２ホルダは、第１ホルダの第１凹部及び平坦部を覆う長さに形成されるとともに、第１ホルダと対向する面における第１凹部に対応する位置に第２熱伝導部材を収容可能な第２凹部を全長にわたって有している。

この装置では、光ファイバの先端部は、第１熱伝導部材と第２熱伝導部材とに挟持された状態で、これらの熱伝導部材とともに第１ホルダ及び第２ホルダの各凹部及び第１溝に収容されている。そして、第１ホルダと第２ホルダとは、一部の表面が当接している。

ここでは、第１ホルダと第２ホルダとの間に第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材が挟持されているが、２つの熱伝導部材は両ホルダに形成された凹部に収容されている。このため、第１ホルダと第２ホルダとは、一部の表面が当接しており、互いの間の熱伝導性が良好になる。したがって、光ファイバの発熱を効率よく放熱することができる。

また、第１ホルダは、光ファイバの先端側に対応する位置に第１凹部が形成されるとともに、第１凹部が形成された以外の部分に平坦部を有している。すなわち、光ファイバは、第１ホルダの平坦部と第２ホルダの凹部とによって挟み込まれて保持されている。このため、光ファイバを第１ホルダにしっかり密着させて、光ファイバ及び熱伝導部材の浮き上がりを防止できる。このため、冷却効率を高めることができる。

（２）好ましくは、第２ホルダは、第２凹部内に形成され、第１熱伝導部材と第２熱伝導部材とによって挟み込まれた光ファイバを第２熱伝導部材とともに収容する第２溝を有している。

この場合は、光ファイバは第１及び第２凹部に形成された第１及び第２溝に、第１及び第２熱伝導部材とともに収容されるので、左右方向のずれを防止できる。したがって、光ファイバは各熱伝導部材とともに第１ホルダ及び第２ホルダに密着して保持され、冷却効率をより高めることができる。また、光ファイバ先端の位置精度を高めることができる。

（３）好ましくは、第１ホルダの平坦部には、光ファイバの横方向の移動を規制するための規制溝が形成されている。

この場合は、第１ホルダの平坦部に形成された規制溝によって光ファイバが左右にずれるのを防止でき、光ファイバ先端の位置精度をより高めることができる。

（４）好ましくは、第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材はインジウムで構成されている。

（５）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、光ファイバ保持装置が載置されるヒートシンクと、を備えている。

以上のような本発明では、光ファイバの発熱を効率よく放熱することができる。また、光ファイバ及び熱伝導部材が、第１及び第２ホルダから浮き上がるのを防止でき、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。 保持装置の外観斜視図。 保持装置の断面図。 図３の分解図。 図４の断面図。 第１ホルダの他の実施形態を示す断面図。

［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、詳細は省略するが、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の第１端部１１の端面には第１エンドキャップ（図示せず)が熱融着されており、また第２端部１２の端面には第２エンドキャップ（図示せず）が熱融着されている。

光ファイバ６の第１エンドキャップ及び第２エンドキャップの内側（端面から離れる側）には、図２に示すように、保持装置６０が設けられている。図２は、第１端部１１に設けられた保持装置６０の斜視図である。また、図３に保持装置６０の断面図を、図４及び図５にその分解図を示している。なお、第２端部１２に設けられた保持装置も同様の構成である。

図２〜図５に示すように、保持装置６０は、ホルダ１４（第１ホルダ）と、ホルダ押え（第２ホルダ）１５と、これらと光ファイバ６との間に配置された第１インジウム（第１熱伝導部材）１８及び第２インジウム（第２熱伝導部材）１９と、を有している。

ホルダ１４は銅製のブロック状の部材である。ホルダ１４の一方の表面１４ａには、第１インジウム１８を収容するための第１凹部１４ｂが形成されている。第１凹部１４ｂは、図５に示すように、光ファイバ６の先端側の一部にのみ形成されており、第１凹部１４ｂが形成されていない部分は平坦部（すなわち表面１４ａ）になっている。また、第１凹部１４ｂには、光ファイバ６の一部（径方向の半分）と第１インジウム１８とを収容するための第１溝１４ｃが形成されている。第１溝１４ｃは、第１凹部１４ｂの底面において幅方向中央部に形成されている。

第１凹部１４ｂは、第１インジウム１８を収容した状態で、端部に隙間が形成されるような寸法に設定されている。具体的には、図３において、第１インジウム１８の左右方向の幅ｗ０に対して、第１凹部１４ｂの同方向の幅はｗ０より大きいｗ１に設定されている。

ホルダ押え１５は、光ファイバ６の延びる方向の寸法が異なるが、基本的な構成はホルダ１４と同様である。すなわち、ホルダ押え１５の一方の表面１５ａには、第２インジウム１９を収容するための第２凹部１５ｂが形成され、第２凹部１５ｂには、光ファイバ６の一部及び第２インジウム１９を収容するための第２溝１５ｃが形成されている。第２溝１５ｃの形状はホルダ１４の第１溝１４ｃと同様である。また、第１凹部１５ｂの左右幅方向の寸法は第１凹部１４ｂと同様であり、第２インジウム１９を収容した状態で、端部に隙間が形成されるような寸法に設定されている。

ホルダ押え１５の光ファイバ６の延びる方向の長さは、ホルダ１４の第１凹部１４ｂの同方向の長さより長く形成されている。すなわち、ホルダ押え１５は、ホルダ１４の第１凹部１４ｂ及び平坦部１４ａの一部を覆う長さに形成されている。そして、第２凹部１５ｂ及び第２溝１５ｃは、ホルダ押え１５の全長にわたって形成されている。

なお、第１インジウム１８の長さはホルダ１４の第１凹部１４ｂの長さとほぼ同じに形成されている。また、同様に、第２インジウム１９の長さはホルダ押え１５の第２凹部１５ｂの長さと同じに形成されている。

ホルダ押え１５には４つの貫通孔１５ｄが形成され、ホルダ１４には貫通孔１５ｄに対応する位置に４つのタップ穴１４ｄが形成されている。

以上のような構成により、ホルダ押え１５の貫通孔１５ｄを貫通するボルト（図示せず）をホルダ１４のタップ穴１４ｄにねじ込むことによって、第１及び第２インジウム１８，１９で光ファイバ６を挟み込んだ状態で、これらをホルダ１４とホルダ押え１５との間に保持することができる。

ここで、ホルダ１４の溝１４ｃの表面１４ａからの深さと、ホルダ押え１５の溝１５ｃの表面１５ａからの深さと、の合計ｄ（図３参照）は、第１インジウム１８及び第２インジウム１９の厚みと光ファイバ６の直径よりも小さい。したがって、図３に示すように、ホルダ１４とホルダ押え１５との間に第１及び第２インジウム１８，１９と光ファイバ６とを挟み込んだ場合、第１及び第２インジウム１８，１９は、光ファイバ６の外周に密着しながら変形する。そして、この変形分は、第１及び第２インジウム１８，１９と各凹部１４ｂ，１５ｂとの間に形成された隙間（ｗ１−ｗ０）に吸収されることになる。

筐体７は、図１に示すように、直方体状の箱体であって、第２及び第３レンズ３ｂ，３ｃ、第１及び第２ダイクロイックミラー４ａ，４ｂ、ダンパ５、並びに光ファイバ６を収容している。筐体７は、光透過性を有する第１窓部７ａ及び第２窓部７ｂを有する。光源２からの励起光は、第１窓部７ａを介して筐体７内に進入し、光ファイバ６へと送られる。また、光ファイバ６からのレーザ光は、第２窓部７ｂを介して、筐体７の外部に出力される。

また、筐体７は、底面にヒートシンクとしてのベース部７０を有する。ベース部７０は内部に冷媒が流れる流路が形成されている。このベース部７０上に、ホルダ１４が設置されているため、ホルダ１４を含む保持装置６０が冷却される。

なお、筐体７の内部は、窒素によって充填されている。また、筐体７内の水分を除去するために、筐体７内に乾燥剤が入れられている。

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、ベース部７０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。

また、第１端部１１及び第２端部１２の保持装置６０では、ホルダ１４及びホルダ押え１５と、第１及び第２インジウム１８，１９と、によって光ファイバ６を保持し、熱伝導によって冷却しているので、光ファイバ６で発生した熱を放熱させることができる。しかも、第１及び第２インジウム１８，１９をホルダ１４とホルダ押え１５に形成された第１及び第２凹部１４ｂ，１５ｂに収容しているので、ホルダ１４とホルダ押え１５の表面を互いに接触させることができ、両者の間の伝熱性が良好になる。したがって、効率よく光ファイバ６を冷却することができる。

さらに、保持装置６０においては、ホルダ押え１５によって光ファイバ６をホルダ１４の平坦部１４ａに押し付けているので、光ファイバ６の浮き上がりを防止でき、冷却効率をより高めることができる。

［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）ホルダ１４の第１凹部１４ｂが形成されていない部分を平坦にしたが、第１凹部１４ｂに沿った方向に、図６に示すようなＶ字状の溝１４ｅ’を形成してもよい。この場合は、光ファイバ６の左右方向のズレを防止でき、光ファイバ端面の位置の精度を高くすることができる。なお、この溝の形状はＶ字状に限定されない。

（ｂ）前記実施形態では、ホルダ押え１５の第２凹部１５ｂに第２溝１５ｃを形成したが、第２熱伝導部材の変形の程度によっては、この第２溝１５ｃを省略することも可能である。

（ｃ）光ファイバを挟みこむ熱伝導部材としてインジウムを用いたが、変形可能な熱伝導性の良い部材であればよく、特にインジウムに限定されない。

（ｄ）前記実施形態では保持装置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。

（ｅ）保持すべき光ファイバの構成は前記実施形態に限定されない。

１ レーザ発振器
２ 励起光源
６ 光ファイバ
１４ ホルダ（第１ホルダ）
１４ａ 表面（平坦部）
１４ｂ 第１凹部
１４ｃ 第１溝
１５ ホルダ押え（第２ホルダ）
１５ｂ 第２凹部
１５ｃ 第２溝
６０ 保持装置
７０ ベース部（ヒートシンク）

Claims (5)

1. 光ファイバを冷却するヒートシンク上に配置され、光ファイバを保持する光ファイバ保持装置であって、
   前記ヒートシンクに接触して配置される第１ホルダと、
   表面の一部が前記第１ホルダの表面に当接する第２ホルダと、
   前記第１ホルダと前記第２ホルダとの間において、前記光ファイバを挟みこむように配置され、変形可能かつ熱伝導性を有する板状の第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材と、
   を備え、
   前記第１ホルダは、
   前記第２ホルダと対向する面において光ファイバの先端側に対応する位置に形成され、前記第１熱伝導部材を収容可能な第１凹部と、
   前記第１凹部内に形成され、前記第１熱伝導部材と前記第２熱伝導部材とによって挟み込まれた光ファイバを前記第１熱伝導部材とともに収容する第１溝と、
   前記第１凹部が形成された以外の部分に形成された平坦部と、
   を有し、
   前記第２ホルダは、前記第１ホルダの第１凹部及び平坦部を覆う長さに形成されるとともに、前記第１ホルダと対向する面における前記第１凹部に対応する位置に前記第２熱伝導部材を収容可能な第２凹部を全長にわたって有している、
   光ファイバ保持装置。
2. 前記第２ホルダは、前記第２凹部内に形成され、前記第１熱伝導部材と前記第２熱伝導部材とによって挟み込まれた光ファイバを前記第２熱伝導部材とともに収容する第２溝を有している、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
3. 前記第１ホルダの平坦部には、前記光ファイバの横方向の移動を規制するための規制溝が形成されている、請求項１又は２に記載の光ファイバ保持装置。
4. 前記第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材はインジウムで構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ保持装置。
5. 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４のいずれかに記載の光ファイバ保持装置と、
   前記光ファイバ保持装置が載置されるヒートシンクと、
   を備えたレーザ発振器。

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