JPWO2020059433A1 - 光ファイバ冷却装置及び光ファイバレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
光ファイバ冷却装置５は、筐体３３と、液状金属Ｍと、チラー装置３７とを備えている。筐体３３は、第１光ファイバ１７の一部と第２光ファイバ１９を収納する。液状金属Ｍは、筐体３３内に配置されている。チラー装置３７は、液状金属Ｍを冷却する。
Description
本発明は、光ファイバ冷却装置及び光ファイバレーザ装置に関する。
レーザ光の媒体として光ファイバケーブルを用いたレーザ装置、いわゆる光ファイバレーザ装置が開発されている。光ファイバレーザ装置は、光ファイバのコアに添加された希土類イオン等のレーザ媒質に対して、半導体レーザ等の励起光源から励起光を入光させることにより、レーザ光を発振又は増幅させる装置である。
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。この発熱により、励起光からレーザ光への変換効率が変化するので、レーザ光の安定した出力を行うためには光ファイバの温度を一定にするのが望ましい。また、近年では、レーザ発振器の高出力化が進んでいるので、ファイバ内での発熱量が増大して損傷する場合がある。
特に近年において、加工の高速化（生産性向上）のために、より高出力なファイバレーザが必要である。レーザは一般的に励起光源出力を向上することで、レーザ出力が増加する。しかし、励起光源出力の増加に伴う発熱も同時に増加する。例えば、Ｅｒ添加フッ化物ファイバの波長２．８μｍ帯域のレーザ発振では、波長変換量子効率は３０％程度であり、残りの７０％は発振に寄与しないエネルギーとして、最終的に熱となる。そして、フッ化物ファイバはおよそ摂氏３００度で軟化するので、レーザの高出力化に伴って熱的影響を無視できない。
つまり、いかに光ファイバケーブルを冷却するかは、安定したレーザ特性、増幅特性等を発揮するための重要な課題である。
そこで、光ファイバ装置は、一般に、冷却装置を有している（例えば、特許文献１を参照）。
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。この発熱により、励起光からレーザ光への変換効率が変化するので、レーザ光の安定した出力を行うためには光ファイバの温度を一定にするのが望ましい。また、近年では、レーザ発振器の高出力化が進んでいるので、ファイバ内での発熱量が増大して損傷する場合がある。
特に近年において、加工の高速化（生産性向上）のために、より高出力なファイバレーザが必要である。レーザは一般的に励起光源出力を向上することで、レーザ出力が増加する。しかし、励起光源出力の増加に伴う発熱も同時に増加する。例えば、Ｅｒ添加フッ化物ファイバの波長２．８μｍ帯域のレーザ発振では、波長変換量子効率は３０％程度であり、残りの７０％は発振に寄与しないエネルギーとして、最終的に熱となる。そして、フッ化物ファイバはおよそ摂氏３００度で軟化するので、レーザの高出力化に伴って熱的影響を無視できない。
つまり、いかに光ファイバケーブルを冷却するかは、安定したレーザ特性、増幅特性等を発揮するための重要な課題である。
そこで、光ファイバ装置は、一般に、冷却装置を有している（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１に記載の光ファイバ冷却装置では、光ファイバをヒートシンクに対して金属製の放熱部材を介して密着させている。この装置では、放熱部材として銅やアルミといった金属は熱伝導に優れるが、固体であるので冷却対象の形状に合せて加工が必要である。また、固体金属は、高い加工精度を求められるので、密着性が不十分となる恐れがある。
その場合は、効率よく光ファイバを冷却することができない。
なお、樹脂やグリスは密着性が高いが熱伝導が低いので、冷却性に劣る。
その場合は、効率よく光ファイバを冷却することができない。
なお、樹脂やグリスは密着性が高いが熱伝導が低いので、冷却性に劣る。
本発明の目的は、光ファイバ冷却装置の冷却性能を向上させることにある。
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係る光ファイバ冷却装置は、収納部と、液状金属と、冷却装置とを備えている。
収納部は、光ファイバの少なくとも一部を収納する。
液状金属は、収納部内に配置されている。
冷却装置は、液状金属を冷却する。
この装置では、光ファイバを冷却する性能が向上する。液状金属が常温で液状であるので光ファイバとの密着性に優れ、熱伝導が良い（例えば、水の約２７．５倍）からである。したがって、光ファイバ冷却装置の冷却性能が向上する。
収納部は、光ファイバの少なくとも一部を収納する。
液状金属は、収納部内に配置されている。
冷却装置は、液状金属を冷却する。
この装置では、光ファイバを冷却する性能が向上する。液状金属が常温で液状であるので光ファイバとの密着性に優れ、熱伝導が良い（例えば、水の約２７．５倍）からである。したがって、光ファイバ冷却装置の冷却性能が向上する。
光ファイバは、第１光ファイバと、第２光ファイバと、両者の接続部とを有していてもよい。
接続部が収納部に収納されていてもよい。
この装置では、光ファイバの冷却が効率的に行われる。接続部が最も発熱する部分だからである。
接続部が収納部に収納されていてもよい。
この装置では、光ファイバの冷却が効率的に行われる。接続部が最も発熱する部分だからである。
光ファイバ冷却装置は、液状金属を収納部から出して戻す循環装置をさらに備えていてもよい。
冷却装置は、循環装置の一部において液状金属を冷却してもよい。
この装置では、冷却装置の設置の自由度が高くなる。
冷却装置は、循環装置の一部において液状金属を冷却してもよい。
この装置では、冷却装置の設置の自由度が高くなる。
液状金属は、ガリウム、インジウム、水銀、スズ、鉛、銅、亜鉛及びビスマスからなる群から選択される１つ以上の金属を含んでいてもよい。
この装置では、光ファイバを冷却する性能がさらに向上する。
この装置では、光ファイバを冷却する性能がさらに向上する。
液状金属は、ガリウム、インジウム、スズの合金からなっていてもよい。
この装置では、光ファイバを冷却する性能がさらに向上する。
本発明の他の見地に係る光ファイバレーザ装置は、光ファイバと、前記光ファイバ冷却装置とを備えている。
この装置では、光ファイバを冷却する性能がさらに向上する。
本発明の他の見地に係る光ファイバレーザ装置は、光ファイバと、前記光ファイバ冷却装置とを備えている。
本発明の他の見地に係る光ファイバ冷却装置は、光ファイバを冷却する装置であって、収納部と、液状金属と、冷却装置とを備えている。
収納部は、光ファイバの少なくとも一部を収納する。
液状金属は、収納部内に配置されている。
冷却装置は、収納部を外側から冷却することで、液状金属を冷却する。
この装置では、光ファイバを冷却する性能が向上する。液状金属が常温で液状であるのでファイバとの密着性に優れ、熱伝導が良い（例えば、水の約２７．５倍）からである。したがって、光ファイバ冷却装置の冷却性能が向上する。
特に、筐体を直接冷却しているので、構造が簡素化し、液状金属の冷却効果が高くなる。
収納部は、光ファイバの少なくとも一部を収納する。
液状金属は、収納部内に配置されている。
冷却装置は、収納部を外側から冷却することで、液状金属を冷却する。
この装置では、光ファイバを冷却する性能が向上する。液状金属が常温で液状であるのでファイバとの密着性に優れ、熱伝導が良い（例えば、水の約２７．５倍）からである。したがって、光ファイバ冷却装置の冷却性能が向上する。
特に、筐体を直接冷却しているので、構造が簡素化し、液状金属の冷却効果が高くなる。
光ファイバは、第１光ファイバと、第２光ファイバと、両者の接続部とを有していてもよい。
接続部が収納部に収納されていてもよい。
この装置では、光ファイバの冷却が効率的に行われる。接続部が最も発熱する部分だからである。
接続部が収納部に収納されていてもよい。
この装置では、光ファイバの冷却が効率的に行われる。接続部が最も発熱する部分だからである。
収納部は、金属製本体と、脆化防止コートとを有していてもよい。金属製本体は、液状金属を収納する空間を構成する内壁面を有していてもよい。脆化防止コートは、内壁面に形成されていてもよい。脆化防止コートは液状金属に浸食されない材料とする。
この装置では、収納部が金属製であるので、熱伝導が良い。そのため、液状金属を冷却する効果が高くなる。
また、脆化防止コートによって、収納部の金属製本体が液状金属に対して保護される。したがって、金属製本体の脆化が防止される。
この装置では、収納部が金属製であるので、熱伝導が良い。そのため、液状金属を冷却する効果が高くなる。
また、脆化防止コートによって、収納部の金属製本体が液状金属に対して保護される。したがって、金属製本体の脆化が防止される。
液状金属は、ガリウム、インジウム、水銀、スズ、鉛、銅、亜鉛及びビスマスからなる群から選択される１つ以上の金属を含んでいてもよい。
この装置では、光ファイバを冷却する性能がさらに向上する。
この装置では、光ファイバを冷却する性能がさらに向上する。
液状金属は、ガリウム、インジウム、スズの合金からなっていてもよい。
この装置では、光ファイバを冷却する性能がさらに向上する。
本発明の他の見地に係る光ファイバレーザ装置は、光ファイバと、前記光ファイバ冷却装置とを備えている。
この装置では、光ファイバを冷却する性能がさらに向上する。
本発明の他の見地に係る光ファイバレーザ装置は、光ファイバと、前記光ファイバ冷却装置とを備えている。
本発明に係る光ファイバ冷却装置では、冷却性能が向上する。
１．第１実施形態
（１）レーザ発振器
図１を用いて、レーザ発振器１の構成を説明する。図１は、光ファイバ及び光ファイバ冷却装置の模式的構成図である。
（１）レーザ発振器
図１を用いて、レーザ発振器１の構成を説明する。図１は、光ファイバ及び光ファイバ冷却装置の模式的構成図である。
レーザ発振器１は、一般的に、励起光源から励起光が入射されると、レーザ発振する。励起光源は、励起光を発振するものであり、例えば半導体レーザである。
レーザ発振器の動作原理を説明する。レーザ発振器では、光ファイバの入力端から入射された励起光がコアを通過することで、コア内で励起光が吸収される。その後、誘導放出により、コア内部にて発光が増幅され、さらに光ファイバ内部を両端のミラーにより反射を繰り返すことにより、出力端からのレーザ発振に至る。
レーザ発振器の動作原理を説明する。レーザ発振器では、光ファイバの入力端から入射された励起光がコアを通過することで、コア内で励起光が吸収される。その後、誘導放出により、コア内部にて発光が増幅され、さらに光ファイバ内部を両端のミラーにより反射を繰り返すことにより、出力端からのレーザ発振に至る。
本実施形態では、レーザ発振器１は、励起光Ｌ１の入射によってレーザ光を発振するレーザ共振器３と、レーザ共振器３を冷却する光ファイバ冷却装置５とを有している。
レーザ共振器３は、光ファイバ１５を有する。光ファイバ１５は、レーザ媒体及び共振器として機能し、励起光の照射により発生したレーザ光を増幅させてレーザ発振させる。
レーザ共振器３は、光ファイバ１５を有する。光ファイバ１５は、レーザ媒体及び共振器として機能し、励起光の照射により発生したレーザ光を増幅させてレーザ発振させる。
（２）光ファイバ
光ファイバ１５は、第１光ファイバ１７と、第２光ファイバ１９とを有している。第１光ファイバ１７は、入力端１７ｄ及び出力端１７ｅを有している。入力端１７ｄには、第１エンドキャップ２５ａが接続されている。
第２光ファイバ１９は、入力端１９ｄと出力端１９ｅとを有している。
第１光ファイバ１７の出力端１７ｅと第２光ファイバ１９の入力端１９ｄが第１接続部２１によって融着接続されている。第２光ファイバ１９は、複数回巻かれた環状部１９ｆを形成している。
第２光ファイバ１９の出力端１９ｅには、第１光ファイバ１７と同じ構成の第３光ファイバ２０が、第２接続部２２によって融着接続されている。
光ファイバ１５は、第１光ファイバ１７と、第２光ファイバ１９とを有している。第１光ファイバ１７は、入力端１７ｄ及び出力端１７ｅを有している。入力端１７ｄには、第１エンドキャップ２５ａが接続されている。
第２光ファイバ１９は、入力端１９ｄと出力端１９ｅとを有している。
第１光ファイバ１７の出力端１７ｅと第２光ファイバ１９の入力端１９ｄが第１接続部２１によって融着接続されている。第２光ファイバ１９は、複数回巻かれた環状部１９ｆを形成している。
第２光ファイバ１９の出力端１９ｅには、第１光ファイバ１７と同じ構成の第３光ファイバ２０が、第２接続部２２によって融着接続されている。
第１光ファイバ１７は、図２に示すように、コア１７ａと、クラッド１７ｂと、バッファ１７ｃとを有する。図２は、第１光ファイバ（非添加フッ化物ファイバ）の断面図である。
第１光ファイバ１７は、非添加フッ化物ファイバであり、励起光を伝播するために用いられる。
コア１７ａは、例えばＺＢＬＡＮガラスであり、希土類は添加されていない。
クラッド１７ｂは、コア１７ａの外周においてコア１７ａを覆うように形成されており、コア１７ａの屈折率よりも小さな屈折率を有する層である。
バッファ１７ｃは、コア１７ａ及びクラッド１７ｂを外部刺激から保護するための層である。
第１光ファイバ１７は、非添加フッ化物ファイバであり、励起光を伝播するために用いられる。
コア１７ａは、例えばＺＢＬＡＮガラスであり、希土類は添加されていない。
クラッド１７ｂは、コア１７ａの外周においてコア１７ａを覆うように形成されており、コア１７ａの屈折率よりも小さな屈折率を有する層である。
バッファ１７ｃは、コア１７ａ及びクラッド１７ｂを外部刺激から保護するための層である。
第２光ファイバ１９は、希土類元素をドープしたフッ化物ファイバである。
第２光ファイバ１９は、励起光により励起されることで、中赤外の波長（具体的には、２．８μｍ近辺）のレーザ光を出射する。第２光ファイバ１９は、入力端１９ｄから導入した励起光により励起され、第２光ファイバ１９にドープされた物質により決まる波長のレーザ光を発生する。
第２光ファイバ１９は、励起光により励起されることで、中赤外の波長（具体的には、２．８μｍ近辺）のレーザ光を出射する。第２光ファイバ１９は、入力端１９ｄから導入した励起光により励起され、第２光ファイバ１９にドープされた物質により決まる波長のレーザ光を発生する。
第２光ファイバ１９は、図３に示すように、ダブルクラッドファイバであり、コア１９ａと、第１クラッド１９ｂと、第２クラッド１９ｃと、バッファ１９ｇとを有している。図３は、第２光ファイバ（Ｅｒ添加フッ化物ファイバ）の断面図である。
コア１９ａは、希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）をドープしたＺＢＬＡＮガラスである。ＺＢＬＡＮガラスは、ジルコニウム（Ｚｒ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ナトリウム（Ｎａ）を主成分とするフッ化物ガラスである。なお、添加物質は、レーザ発振する物質であれば何でもよく、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）のような他の希土類元素でもよい。
コア１９ａは、希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）をドープしたＺＢＬＡＮガラスである。ＺＢＬＡＮガラスは、ジルコニウム（Ｚｒ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ナトリウム（Ｎａ）を主成分とするフッ化物ガラスである。なお、添加物質は、レーザ発振する物質であれば何でもよく、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）のような他の希土類元素でもよい。
第１クラッド１９ｂ及び第２クラッド１９ｃは、コア１９ａの外周においてコア１９ａを覆うように形成されており、コア１９ａの屈折率よりも小さな屈折率を有する層である。また、第１クラッド１９ｂ及び第２クラッド１９ｃには、希土類元素は添加されていない。
バッファ１９ｇはコア１９ａ及び第１クラッド１９ｂと第２クラッド１９ｃを外部からの物理的圧力から保護するための層である。
上記の構造により、第２光ファイバ１９は、主に励起光を波長２．８μｍ帯域の光に変換することができる。具体的には、第１クラッド１９ｂにおいて、主に波長２．８μｍ帯域の光を反射させて、コア１９ａを伝搬させる。また、第２クラッド１９ｃにおいて、主に励起光を反射させて、第１クラッド１９ｂとコア１９ａを伝搬させる。コア１９ａを励起光が通過すると、吸収が起こり、波長２．８μｍ帯域の光に変換される。
第２光ファイバ１９の環状部１９ｆは、コア１９ａ内を伝播する光が第１クラッド１９ｂに漏れない最小半径よりも大きな半径で曲げられている。
バッファ１９ｇはコア１９ａ及び第１クラッド１９ｂと第２クラッド１９ｃを外部からの物理的圧力から保護するための層である。
上記の構造により、第２光ファイバ１９は、主に励起光を波長２．８μｍ帯域の光に変換することができる。具体的には、第１クラッド１９ｂにおいて、主に波長２．８μｍ帯域の光を反射させて、コア１９ａを伝搬させる。また、第２クラッド１９ｃにおいて、主に励起光を反射させて、第１クラッド１９ｂとコア１９ａを伝搬させる。コア１９ａを励起光が通過すると、吸収が起こり、波長２．８μｍ帯域の光に変換される。
第２光ファイバ１９の環状部１９ｆは、コア１９ａ内を伝播する光が第１クラッド１９ｂに漏れない最小半径よりも大きな半径で曲げられている。
第２光ファイバ１９には、図１に示すように、高反射ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）２３と、低反射ＦＢＧ２５とが描き込まれている。高反射ＦＢＧ２３は、第２光ファイバ１９の入力端１９ｄ近傍つまり第１接続部２１近傍に描き込まれている。低反射ＦＢＧ２５は、第２光ファイバ１９の出力端１９ｅに近い側に描き込まれている。
高反射ＦＢＧ２３は、レーザ共振器３において、レーザ光として発振させる特定の波長を持つ光を全反射する反射部である。
低反射ＦＢＧ２５は、レーザ共振器３において、レーザ光として発振させる特定の波長を持つ光のうち、一部のみを透過し、残りを反射する反射部である。
高反射ＦＢＧ２３は、レーザ共振器３において、レーザ光として発振させる特定の波長を持つ光を全反射する反射部である。
低反射ＦＢＧ２５は、レーザ共振器３において、レーザ光として発振させる特定の波長を持つ光のうち、一部のみを透過し、残りを反射する反射部である。
第１エンドキャップ２５ａは、励起光及びレーザ光を透過する光透過性であり、且つ潮解性を有さない。また、第１エンドキャップ２５ａは、融点が第１光ファイバ１７の融点以上とすることが好ましく、第１光ファイバ１７の端面の冷却のために熱伝導率は第１光ファイバ１７の熱伝導率よりも高いことが好ましい。また、第１エンドキャップ２５ａは、第１光ファイバ１７との接合を強固にするために、線膨張係数が第１光ファイバ１７と同程度のものが好ましい。具体的には、第１エンドキャップ２５ａは、フッ化カルシウムなどの結晶とすることができる。第１エンドキャップ２５ａは、他にも石英などの結晶であってもよい。
なお、第２エンドキャップ２５ｂは、第１エンドキャップ２５ａと同じ構成である。
第３光ファイバ２０は、レーザ光が内部で反射する前に出射される長さを有している。また、第３光ファイバ２０は、レーザ媒質であるエルビウムなどの希土類元素がドープされていないため、励起光が入射されても発熱しない。
なお、第２エンドキャップ２５ｂは、第１エンドキャップ２５ａと同じ構成である。
第３光ファイバ２０は、レーザ光が内部で反射する前に出射される長さを有している。また、第３光ファイバ２０は、レーザ媒質であるエルビウムなどの希土類元素がドープされていないため、励起光が入射されても発熱しない。
以上の光ファイバ１５の構成により、レーザ共振器３が形成されている。レーザ共振器３では、第２光ファイバ１９のコア１９ａにドープされた希土類元素に吸収されて、基底準位と準安定準位との間に反転分布が生じて光が放出される。こうして放出された光は、第２光ファイバ１９の光増幅作用と高反射ＦＢＧ２３及び低反射ＦＢＧ２５の作用とによって、レーザ発振する。出力光は、第２光ファイバ１９の出力端１９ｅから出力される。
出力光は、ダイクロイックミラー２７へ誘導される。ダイクロイックミラー２７は、励起光源からの励起光Ｌ２は透過するが、レーザ光Ｌ３は透過することなく反射する。ダイクロイックミラー２７で反射したレーザ光Ｌ３を出力として、種々の目的に使用される。
ダンパ２９（例えば、光出力を測る機能を有する装置）は、ダイクロイックミラー２７の下流側に配置されており、ダイクロイックミラー２７が透過した励起光Ｌ２を吸収し測定できる。これにより出力を制御装置（例えば、制御部５１）で監視できる。
出力光は、ダイクロイックミラー２７へ誘導される。ダイクロイックミラー２７は、励起光源からの励起光Ｌ２は透過するが、レーザ光Ｌ３は透過することなく反射する。ダイクロイックミラー２７で反射したレーザ光Ｌ３を出力として、種々の目的に使用される。
ダンパ２９（例えば、光出力を測る機能を有する装置）は、ダイクロイックミラー２７の下流側に配置されており、ダイクロイックミラー２７が透過した励起光Ｌ２を吸収し測定できる。これにより出力を制御装置（例えば、制御部５１）で監視できる。
（３）光ファイバ冷却装置
光ファイバ冷却装置５は、冷却された液状金属Ｍを用いて光ファイバ１５を冷却する装置である。光ファイバ冷却装置５は、筐体３３（収納部の一例）と、循環装置３５と、チラー装置３７（冷却装置の一例）と、を有している。
筐体３３は、箱状に形成されており、第２光ファイバ１９を保持するとともに、第２光ファイバ１９を直接に冷却するための装置である。筐体３３は、第２光ファイバ１９の環状部１９ｆを収容する内部空間３３ａを有している。この構造により、筐体３３によって第２光ファイバ１９は保持される。筐体３３は、例えば、アクリル製である。
さらに、内部空間３３ａには、液状金属Ｍが充填されている。内部空間３３ａには、液状金属Ｍが循環可能な環状の通路が形成されている。
光ファイバ冷却装置５は、冷却された液状金属Ｍを用いて光ファイバ１５を冷却する装置である。光ファイバ冷却装置５は、筐体３３（収納部の一例）と、循環装置３５と、チラー装置３７（冷却装置の一例）と、を有している。
筐体３３は、箱状に形成されており、第２光ファイバ１９を保持するとともに、第２光ファイバ１９を直接に冷却するための装置である。筐体３３は、第２光ファイバ１９の環状部１９ｆを収容する内部空間３３ａを有している。この構造により、筐体３３によって第２光ファイバ１９は保持される。筐体３３は、例えば、アクリル製である。
さらに、内部空間３３ａには、液状金属Ｍが充填されている。内部空間３３ａには、液状金属Ｍが循環可能な環状の通路が形成されている。
循環装置３５は、液状金属Ｍを筐体３３から出して戻す装置である。循環装置３５は、配管４３とポンプ４５とを有している。配管４３は、筐体３３の内部空間３３ａに設けられた流入ポート３３ｂと流出ポート３３ｃに接続されている。
チラー装置３７は、循環装置３５の一部において、筐体３３の内部空間３３ａを流れる液状金属Ｍを冷却する。チラー装置３７は、配管４３において、例えば二重管構造によって水を用いて液状金属Ｍを冷却する。
液状金属Ｍは、筐体３３の内部空間３３ａからポンプ４５によって配管４３を介して、チラー装置３７に送られる。液状金属Ｍはチラー装置３７によって冷却される。その後、液状金属Ｍは配管４３を介して筐体３３に戻される。
チラー装置３７は、循環装置３５の一部において、筐体３３の内部空間３３ａを流れる液状金属Ｍを冷却する。チラー装置３７は、配管４３において、例えば二重管構造によって水を用いて液状金属Ｍを冷却する。
液状金属Ｍは、筐体３３の内部空間３３ａからポンプ４５によって配管４３を介して、チラー装置３７に送られる。液状金属Ｍはチラー装置３７によって冷却される。その後、液状金属Ｍは配管４３を介して筐体３３に戻される。
液状金属Ｍは、ガリウム、インジウム、水銀、スズ、鉛、銅、亜鉛及びビスマスからなる群から選択される１つ以上の金属を含んでいる。具体的には、液状金属Ｍは、ガリウム、インジウム、スズの合金からなる。ガリウム、インジウム、スズの合金は、熱伝導率が約１６．５［Ｗ／ｍＫ］である。
この装置では、液状金属Ｍが常温で液状であるので第２光ファイバ１９との密着性に優れ、熱伝導性が良い（例えば、水の約２７．５倍）。したがって、冷却性能が向上する。
この装置では、液状金属Ｍが常温で液状であるので第２光ファイバ１９との密着性に優れ、熱伝導性が良い（例えば、水の約２７．５倍）。したがって、冷却性能が向上する。
内部空間３３ａに液状金属Ｍの流れＦが生じることから、熱量を吸収した液状金属Ｍが内部空間３３ａに滞留することがなく、熱量の吸収効率をより高めることができる。
ガリウム、インジウム、スズの合金は、例えば、Ｇａ１４Ｉｎ３Ｓｎ２、Ｇａ１７Ｉｎ４Ｓｎ２、Ｇａ２２Ｉｎ４Ｓｎ３、Ｇａ２５Ｉｎ５Ｓｎ４、Ｇａ２５Ｉｎ６Ｓｎ３を含む。
特に、第１接続部２１と、第２光ファイバ１９の入力端１９ｄが液状金属Ｍに接して冷却されていることで、発熱防止効果が優れている。
ガリウム、インジウム、スズの合金は、例えば、Ｇａ１４Ｉｎ３Ｓｎ２、Ｇａ１７Ｉｎ４Ｓｎ２、Ｇａ２２Ｉｎ４Ｓｎ３、Ｇａ２５Ｉｎ５Ｓｎ４、Ｇａ２５Ｉｎ６Ｓｎ３を含む。
特に、第１接続部２１と、第２光ファイバ１９の入力端１９ｄが液状金属Ｍに接して冷却されていることで、発熱防止効果が優れている。
（４）制御構成
図４を用いて、光ファイバ冷却装置５の制御構成を説明する。図４は、光ファイバ冷却装置の制御構成を示すブロック図である。
光ファイバ冷却装置５は、制御部５１を有している。制御部５１は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ）と、記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤなど）と、各種インターフェース（例えば、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェースなど）を有するコンピュータシステムである。制御部５１は、記憶部（記憶装置の記憶領域の一部又は全部に対応）に保存されたプログラムを実行することで、各種制御動作を行う。
制御部５１は、単一のプロセッサで構成されていてもよいが、各制御のために独立した複数のプロセッサから構成されていてもよい。
図４を用いて、光ファイバ冷却装置５の制御構成を説明する。図４は、光ファイバ冷却装置の制御構成を示すブロック図である。
光ファイバ冷却装置５は、制御部５１を有している。制御部５１は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ）と、記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤなど）と、各種インターフェース（例えば、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェースなど）を有するコンピュータシステムである。制御部５１は、記憶部（記憶装置の記憶領域の一部又は全部に対応）に保存されたプログラムを実行することで、各種制御動作を行う。
制御部５１は、単一のプロセッサで構成されていてもよいが、各制御のために独立した複数のプロセッサから構成されていてもよい。
制御部５１の各要素の機能は、一部又は全てが、制御部５１を構成するコンピュータシステムにて実行可能なプログラムとして実現されてもよい。その他、制御部５１の各要素の機能の一部は、カスタムＩＣにより構成されていてもよい。
制御部５１には、循環装置３５のポンプ４５、チラー装置３７が接続されている。制御部５１は、これら及び他の装置を制御可能である。
制御部５１には、図示しないが、各装置の状態を検出するためのセンサ及びスイッチ、並びに情報入力装置が接続されている。
制御部５１には、循環装置３５のポンプ４５、チラー装置３７が接続されている。制御部５１は、これら及び他の装置を制御可能である。
制御部５１には、図示しないが、各装置の状態を検出するためのセンサ及びスイッチ、並びに情報入力装置が接続されている。
（５）動作
最初に、励起光源（図示せず）において、励起光が発振される。励起光は、光ファイバ１５に具体的には第１エンドキャップ２５ａを通って第１光ファイバ１７の入力端１７ｄに入射する。
励起光は第１光ファイバ１７から第２光ファイバ１９へと送られる。励起光は、高反射ＦＢＧ２３を通って第２光ファイバ１９に入射する。この後、励起光によってコア１９ａの活性物質が励起され、活性物質から光が放出される。この後、活性物質から放出された光は、コア１９ａ内を伝搬されながら高反射ＦＢＧ２３と低反射ＦＢＧ２５との間で往復する。この結果、特定の波長を持つ光がレーザ光として第２光ファイバ１９から低反射ＦＢＧ２５を透過して外部へ出射される。具体的には、レーザ光は、第３光ファイバ２０及び第２エンドキャップ２５ｂを通って外部に出射される。
最初に、励起光源（図示せず）において、励起光が発振される。励起光は、光ファイバ１５に具体的には第１エンドキャップ２５ａを通って第１光ファイバ１７の入力端１７ｄに入射する。
励起光は第１光ファイバ１７から第２光ファイバ１９へと送られる。励起光は、高反射ＦＢＧ２３を通って第２光ファイバ１９に入射する。この後、励起光によってコア１９ａの活性物質が励起され、活性物質から光が放出される。この後、活性物質から放出された光は、コア１９ａ内を伝搬されながら高反射ＦＢＧ２３と低反射ＦＢＧ２５との間で往復する。この結果、特定の波長を持つ光がレーザ光として第２光ファイバ１９から低反射ＦＢＧ２５を透過して外部へ出射される。具体的には、レーザ光は、第３光ファイバ２０及び第２エンドキャップ２５ｂを通って外部に出射される。
そして、励起光Ｌ２は、ダイクロイックミラー２７を透過し、ダンパ２９（例えば、光出力を測る機能を有する装置）に吸収され測定される。それに基づいて、制御装置（例えば、制御部５１）が出力を監視できる。一方、第２光ファイバ１９のコア１９ａ内で生成されたレーザ光Ｌ３は、ダイクロイックミラー２７で反射されて、外部に出力される。
以上のレーザ発振動作において、光ファイバ１５は発熱するが、光ファイバ１５は、光ファイバ冷却装置５によって効率よく冷却される。
これにより、光ファイバ１５を効率良くかつより均一に冷却することができ、それにより冷却効率の向上できる。従って、レーザ発振器１では、レーザ光の出力の低下の防止を図ることができ、レーザ光の安定した出力を得ることができる。
以上のレーザ発振動作において、光ファイバ１５は発熱するが、光ファイバ１５は、光ファイバ冷却装置５によって効率よく冷却される。
これにより、光ファイバ１５を効率良くかつより均一に冷却することができ、それにより冷却効率の向上できる。従って、レーザ発振器１では、レーザ光の出力の低下の防止を図ることができ、レーザ光の安定した出力を得ることができる。
２．第２実施形態
（１）レーザ発振器
図５を用いて、レーザ発振器１０１の構成を説明する。図５は、第２実施形態の光ファイバ及び光ファイバ冷却装置の模式的構成図である。
なお、第1実施形態と共通する構造については、適宜省略する。
（１）レーザ発振器
図５を用いて、レーザ発振器１０１の構成を説明する。図５は、第２実施形態の光ファイバ及び光ファイバ冷却装置の模式的構成図である。
なお、第1実施形態と共通する構造については、適宜省略する。
レーザ発振器１０１は、一般的に、励起光源から励起光が入射されると、レーザ発振する。励起光源は、励起光を発振するものであり、例えば半導体レーザである。
本実施形態では、レーザ発振器１０１は、励起光Ｌ１の入射によってレーザ光を発振するレーザ共振器３と、レーザ共振器３を冷却する光ファイバ冷却装置１０５とを有している。
レーザ共振器３は、光ファイバ１５を有する。光ファイバ１５は、レーザ媒体及び共振器として機能し、励起光の照射により発生したレーザ光を増幅させてレーザ発振させる。
レーザ共振器３は、光ファイバ１５を有する。光ファイバ１５は、レーザ媒体及び共振器として機能し、励起光の照射により発生したレーザ光を増幅させてレーザ発振させる。
（２）光ファイバ
光ファイバ１５は、第１実施形態のものと同じである。したがって、ここでは説明を省略する。
光ファイバ１５は、第１実施形態のものと同じである。したがって、ここでは説明を省略する。
（３）光ファイバ冷却装置
光ファイバ冷却装置１０５は、冷却された液状金属Ｍを用いて光ファイバ１５を冷却する装置である。光ファイバ冷却装置１０５は、筐体１３３（収納部の一例）と、チラー装置１３７（冷却装置の一例）と、を有している。
筐体１３３は、箱状に形成されており、第２光ファイバ１９を保持するとともに、第２光ファイバ１９を直接に冷却するための装置である。筐体１３３は、第２光ファイバ１９の環状部１９ｆを収容する内部空間１３３ａを有している。この構造により、筐体１３３によって第２光ファイバ１９は保持される。
光ファイバ冷却装置１０５は、冷却された液状金属Ｍを用いて光ファイバ１５を冷却する装置である。光ファイバ冷却装置１０５は、筐体１３３（収納部の一例）と、チラー装置１３７（冷却装置の一例）と、を有している。
筐体１３３は、箱状に形成されており、第２光ファイバ１９を保持するとともに、第２光ファイバ１９を直接に冷却するための装置である。筐体１３３は、第２光ファイバ１９の環状部１９ｆを収容する内部空間１３３ａを有している。この構造により、筐体１３３によって第２光ファイバ１９は保持される。
さらに、内部空間１３３ａには、液状金属Ｍが充填されている。内部空間１３３ａには、液状金属Ｍが循環可能な環状の通路が形成されている。
チラー装置１３７は、筐体１３３の外部から、筐体１３３の内部空間１３３ａに滞留する液状金属Ｍを冷却する。
この装置では、光ファイバ１５を冷却する性能が向上する。液状金属が常温で液状であるので光ファイバ１５との密着性に優れ、熱伝導が良い（例えば、水の約２７．５倍）からである。したがって、光ファイバ冷却装置１０５の冷却性能が向上する。
特に、筐体１３３を直接冷却しているので、構造が簡素化し、液状金属Ｍの冷却効果が高くなる。
チラー装置１３７は、筐体１３３の外部から、筐体１３３の内部空間１３３ａに滞留する液状金属Ｍを冷却する。
この装置では、光ファイバ１５を冷却する性能が向上する。液状金属が常温で液状であるので光ファイバ１５との密着性に優れ、熱伝導が良い（例えば、水の約２７．５倍）からである。したがって、光ファイバ冷却装置１０５の冷却性能が向上する。
特に、筐体１３３を直接冷却しているので、構造が簡素化し、液状金属Ｍの冷却効果が高くなる。
チラー装置１３７は、筐体１３３の少なくとも一側面に接触している。チラー装置１３７は、筐体１３３の複数の側面に接触していてもよいし、筐体１３３の一部又は全部を覆った状態で筐体１３３に接触していてもよい。
筐体１３３は、金属製であり、内部空間１３３ａを構成する内壁面には脆化防止コートが形成されている。この場合、筐体１３３が金属製であるので、熱伝導が良い。そのため、液状金属Ｍを冷却する効果が高くなる。脆化防止コートは、例えば、熱やUV光で硬化する樹脂であり、具体的には、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、テフロン（登録商標）樹脂である。
また、脆化防止コートによって、収納部の金属製本体が液状金属Ｍに対して保護される。したがって、金属製本体の脆化が防止される。
また、脆化防止コートによって、収納部の金属製本体が液状金属Ｍに対して保護される。したがって、金属製本体の脆化が防止される。
液状金属Ｍは、ガリウム、インジウム、水銀、スズ、鉛、銅、亜鉛及びビスマスからなる群から選択される１つ以上の金属を含んでいる。具体的には、液状金属Ｍは、ガリウム、インジウム、スズの合金からなる。ガリウム、インジウム、スズの合金は、熱伝導率が約１６．５［Ｗ／ｍＫ］である。
この装置では、液状金属Ｍが常温で液状であるので第２光ファイバ１９との密着性に優れ、熱伝導性が良い（例えば、水の約２７．５倍）。したがって、冷却性能が向上する。
この装置では、液状金属Ｍが常温で液状であるので第２光ファイバ１９との密着性に優れ、熱伝導性が良い（例えば、水の約２７．５倍）。したがって、冷却性能が向上する。
ガリウム、インジウム、スズの合金は、例えば、Ｇａ１４Ｉｎ３Ｓｎ２、Ｇａ１７Ｉｎ４Ｓｎ２、Ｇａ２２Ｉｎ４Ｓｎ３、Ｇａ２５Ｉｎ５Ｓｎ４、Ｇａ２５Ｉｎ６Ｓｎ３を含む。
特に、第１接続部２１と、第２光ファイバ１９の入力端１９ｄが液状金属Ｍに接して冷却されていることで、発熱防止効果が高くなっている。
特に、第１接続部２１と、第２光ファイバ１９の入力端１９ｄが液状金属Ｍに接して冷却されていることで、発熱防止効果が高くなっている。
（４）制御構成
図６を用いて、光ファイバ冷却装置１０５の制御構成を説明する。図６は、光ファイバ冷却装置の制御構成を示すブロック図である。
光ファイバ冷却装置１０５は、制御部５１を有している。制御部５１は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ）と、記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤなど）と、各種インターフェース（例えば、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェースなど）を有するコンピュータシステムである。制御部５１は、記憶部（記憶装置の記憶領域の一部又は全部に対応）に保存されたプログラムを実行することで、各種制御動作を行う。
制御部５１は、単一のプロセッサで構成されていてもよいが、各制御のために独立した複数のプロセッサから構成されていてもよい。
図６を用いて、光ファイバ冷却装置１０５の制御構成を説明する。図６は、光ファイバ冷却装置の制御構成を示すブロック図である。
光ファイバ冷却装置１０５は、制御部５１を有している。制御部５１は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ）と、記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤなど）と、各種インターフェース（例えば、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェースなど）を有するコンピュータシステムである。制御部５１は、記憶部（記憶装置の記憶領域の一部又は全部に対応）に保存されたプログラムを実行することで、各種制御動作を行う。
制御部５１は、単一のプロセッサで構成されていてもよいが、各制御のために独立した複数のプロセッサから構成されていてもよい。
制御部５１の各要素の機能は、一部又は全てが、制御部５１を構成するコンピュータシステムにて実行可能なプログラムとして実現されてもよい。その他、制御部５１の各要素の機能の一部は、カスタムＩＣにより構成されていてもよい。
制御部５１には、チラー装置１３７が接続されている。制御部５１は、これら及び他の装置を制御可能である。
制御部５１には、図示しないが、各装置の状態を検出するためのセンサ及びスイッチ、並びに情報入力装置が接続されている。
制御部５１には、チラー装置１３７が接続されている。制御部５１は、これら及び他の装置を制御可能である。
制御部５１には、図示しないが、各装置の状態を検出するためのセンサ及びスイッチ、並びに情報入力装置が接続されている。
（５）動作
レーザ発振動作は、第１実施形態と同じである。従って、ここでは説明を省略する。
レーザ発振動作において、光ファイバ１５は発熱するが、光ファイバ１５は、光ファイバ冷却装置１０５によって効率よく冷却される。
これにより、光ファイバ１５を効率良くかつより均一に冷却することができ、それにより冷却効率の向上できる。従って、レーザ発振器１０１では、レーザ光の出力の低下の防止を図ることができ、レーザ光の安定した出力を得ることができる。
レーザ発振動作は、第１実施形態と同じである。従って、ここでは説明を省略する。
レーザ発振動作において、光ファイバ１５は発熱するが、光ファイバ１５は、光ファイバ冷却装置１０５によって効率よく冷却される。
これにより、光ファイバ１５を効率良くかつより均一に冷却することができ、それにより冷却効率の向上できる。従って、レーザ発振器１０１では、レーザ光の出力の低下の防止を図ることができ、レーザ光の安定した出力を得ることができる。
３．他の実施形態
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
（１）第１実施形態及び第２実施形態では、第２光ファイバ１９を複数回巻いて環状にしているが、これに限定されず、第２光ファイバ１９の曲げ半径の条件を満たす範囲であれば、どのような形状に曲げていてもよい。
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
（１）第１実施形態及び第２実施形態では、第２光ファイバ１９を複数回巻いて環状にしているが、これに限定されず、第２光ファイバ１９の曲げ半径の条件を満たす範囲であれば、どのような形状に曲げていてもよい。
（２）光ファイバの用途は、レーザ発振に限定されない。
（３）光ファイバの内部構成及び長手方向構成は、前記実施形態に限定されない。
（４）第２実施形態において、流体金属及び光ファイバを収納する収納部の形状、材質は特に限定されない。
（３）光ファイバの内部構成及び長手方向構成は、前記実施形態に限定されない。
（４）第２実施形態において、流体金属及び光ファイバを収納する収納部の形状、材質は特に限定されない。
本発明は、光ファイバ冷却装置に広く適用できる。
１ ：レーザ発振器
３ ：レーザ共振器
５ ：光ファイバ冷却装置
１５ ：光ファイバ
１７ ：第１光ファイバ
１７ａ ：コア
１７ｂ ：クラッド
１７ｃ ：バッファ
１９ ：第２光ファイバ
１９ａ ：コア
１９ｂ ：第１クラッド
１９ｃ ：第２クラッド
１９ｄ ：バッファ
２１ ：第１接続部
２３ ：高反射ＦＢＧ
２５ ：低反射ＦＢＧ
３３ ：筐体
３３ａ ：内部空間
３５ ：循環装置
３７ ：チラー装置
４３ ：配管
４５ ：ポンプ
５１ ：制御部
６１ ：冷却用管
６１ａ ：流路
Ｍ ：液状金属
３ ：レーザ共振器
５ ：光ファイバ冷却装置
１５ ：光ファイバ
１７ ：第１光ファイバ
１７ａ ：コア
１７ｂ ：クラッド
１７ｃ ：バッファ
１９ ：第２光ファイバ
１９ａ ：コア
１９ｂ ：第１クラッド
１９ｃ ：第２クラッド
１９ｄ ：バッファ
２１ ：第１接続部
２３ ：高反射ＦＢＧ
２５ ：低反射ＦＢＧ
３３ ：筐体
３３ａ ：内部空間
３５ ：循環装置
３７ ：チラー装置
４３ ：配管
４５ ：ポンプ
５１ ：制御部
６１ ：冷却用管
６１ａ ：流路
Ｍ ：液状金属
Claims (12)
- 光ファイバの少なくとも一部を収納する収納部と、
前記収納部内に配置された液状金属と、
前記液状金属を冷却する冷却装置と、
を備えた、光ファイバ冷却装置。 - 前記光ファイバは、第１光ファイバと、第２光ファイバと、両者の接続部とを有しており、
前記接続部が前記収納部に収納されている、請求項１に記載の光ファイバ冷却装置。 - 前記液状金属を前記収納部から出して戻す循環装置をさらに備え、
前記冷却装置は、前記循環装置の一部において前記液状金属を冷却する、請求項１又は２に記載の光ファイバ冷却装置。 - 前記液状金属は、ガリウム、インジウム、水銀、スズ、鉛、銅、亜鉛及びビスマスからなる群から選択される１つ以上の金属を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバ冷却装置。
- 前記液状金属は、ガリウム、インジウム、スズの合金からなる、請求項４に記載の光ファイバ冷却装置。
- 光ファイバと、
前記光ファイバを冷却するための光ファイバ冷却装置とを、備え、
前記光ファイバ冷却装置は、
光ファイバの少なくとも一部を収納する収納部と、
前記収納部内に配置された液状金属と、
前記液状金属を冷却する冷却装置と、を有する、
光ファイバレーザ装置。 - 光ファイバを冷却する装置であって、
前記光ファイバの少なくとも一部を収納する収納部と、
前記収納部内に配置された液状金属と、
前記収納部を外側から冷却することで、前記液状金属を冷却する冷却装置と、
を備えた、光ファイバ冷却装置。 - 前記光ファイバは、第１光ファイバと、第２光ファイバと、両者の接続部とを有しており、
前記接続部が前記収納部に収納されている、請求項７に記載の光ファイバ冷却装置。 - 前記収納部は、
前記液状金属を収納する空間を構成する内壁面を有する金属製本体と、
前記内壁面に形成された脆化防止コートと、を有する、請求項７又は８に記載の光ファイバ冷却装置。 - 前記液状金属は、ガリウム、インジウム、水銀、スズ、鉛、銅、亜鉛及びビスマスからなる群から選択される１つ以上の金属を含む、請求項７〜９のいずれかに記載の光ファイバ冷却装置。
- 前記液状金属は、ガリウム、インジウム、スズの合金からなる、請求項１０に記載の光ファイバ冷却装置。
- 光ファイバと、
前記光ファイバを冷却する光ファイバ冷却装置と、を備え、
前記光ファイバ冷却装置は、
前記光ファイバの少なくとも一部を収納する収納部と、
前記収納部内に配置された液状金属と、
前記収納部を外側から冷却することで、前記液状金属を冷却する冷却装置と、を有する、光ファイバレーザ装置。
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|---|---|---|---|
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| JP2018177067 | 2018-09-21 | ||
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2019
- 2019-08-26 JP JP2020548204A patent/JPWO2020059433A1/ja active Pending
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- 2019-08-26 CN CN201980061610.3A patent/CN112740489A/zh active Pending
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