WO2011102378A1 - ファイバレーザ装置 - Google Patents

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真一 阪本
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株式会社フジクラ
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    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar

Definitions

  • the present invention relates to a fiber laser device, and more particularly, to a fiber laser device with improved temperature dependency of output.
  • the fiber laser device includes an amplification fiber in which a rare earth is added to a core and an excitation light source that emits excitation light, and outputs laser light by exciting the amplification fiber with excitation light.
  • Fiber laser devices are attracting attention because they have advantages such as small size, light weight, and high efficiency compared with gas lasers and solid-state lasers.
  • a semiconductor laser (LD) is used as an excitation light source.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor laser device that includes a semiconductor laser unit, an optical output stabilization circuit, and an oscillation wavelength control unit, and the semiconductor laser unit detects fluctuations in the output and oscillation wavelength of the semiconductor laser. Then, a semiconductor laser device is disclosed that adjusts the output of the semiconductor laser and adjusts the oscillation wavelength by changing the bias current of the semiconductor laser in the optical output stabilization circuit and performing temperature control in the oscillation wavelength control unit. Yes. In the semiconductor laser device, by providing the semiconductor laser unit, the light output stabilization circuit, and the oscillation wavelength control unit for each semiconductor laser, the output of the semiconductor laser device can be substantially stabilized.
  • Patent Document 2 discloses an optical fiber amplifier including an excitation light source that outputs excitation light, an amplification fiber, two substrate-shaped Peltier elements that sandwich the amplification fiber, and a temperature control element that controls the temperature of the Peltier element. It is disclosed. In the optical fiber amplifier, since the temperature of the amplification fiber can be controlled by the Peltier element, the wavelength characteristic of the gain of the amplification fiber can be stabilized.
  • Patent Document 3 discloses a fiber laser device that includes a power monitor in the front portion and feedback-controls a part of the output of the fiber laser. In the fiber laser device, variation in output characteristics of the fiber laser device can be reduced.
  • Japanese Patent Publication Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-015078 (Publication Date: January 17, 1995)” Japanese Patent Publication “Japanese Patent Laid-Open No. 2001-257402 (Publication Date: September 21, 2001)” Japanese Patent Publication “JP 2007-190566 A (publication date: August 2, 2007)”
  • Patent Document 1 when the configuration according to Patent Document 1 is applied to a high-power semiconductor laser device and an LD-pumped fiber laser device, it is necessary to mount a large number of semiconductor lasers, so that the output of each semiconductor laser is stabilized. The structure of is complicated.
  • a Peltier element is used for temperature control.
  • power consumption increases and output efficiency as a device decreases.
  • the optical fiber amplifier described in Patent Document 2 since the Peltier element is used as the temperature control means, the output efficiency is lowered.
  • the output efficiency of the fiber laser device may be extremely lowered depending on the use environment.
  • the amplification fiber has a property that the absorption rate of the excitation light varies depending on the wavelength of the incident excitation light.
  • the oscillation wavelength of the LD which is an excitation light source, also depends on temperature and drive current. For this reason, the oscillation wavelength of the LD is not always a wavelength with a high absorptivity of the amplification fiber, and it is difficult to always maintain high output efficiency.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fiber laser apparatus that is stable in output regardless of the environmental temperature and is efficient.
  • a fiber laser device absorbs heat generated by an amplification fiber, an excitation light source for exciting the amplification fiber, and the heat generated by the excitation light source, and dissipates heat to the outside.
  • a heat resistance control means for controlling the heat resistance Rth of the heat sink, wherein the oscillation wavelength of the excitation light source is a wavelength at which the absorptance of the amplification fiber is maximized.
  • the heat resistance control means to approximate the temperature of the pump light source to T peak, it is characterized by controlling the heat resistance R th of the heat sink .
  • a fiber laser device absorbs heat generated by an excitation fiber, a plurality of excitation light sources for exciting the amplification fiber, and the excitation light source. And a heat resistance control means for controlling the heat resistance Rth of the heat sink, wherein the average oscillation wavelength of the excitation light source has a maximum absorptance of the amplification fiber.
  • the thermal resistance control means controls the thermal resistance R th of the heat sink so that the temperature of the excitation light source approaches T peak when the temperature of the excitation light source at the wavelength becomes T peak. It is characterized by.
  • the amplifying fiber absorbs light from the excitation light source, and the absorptance varies depending on the wavelength of incident light.
  • the temperature of the excitation light source is a T peak
  • the oscillation wavelength of the excitation light source (average) is assumed to be the absorption wavelength of the maximum of the amplification fiber
  • the temperature of the pumping light source is deviated from T peak
  • the amplifying fiber The absorptance of incident light is reduced.
  • the thermal resistance control unit controls the temperature of the excitation light source to be close to T peak , the wavelength of the excitation light is shifted from the absorption wavelength at which the amplification fiber is maximized. Decrease in absorption rate can be prevented.
  • the heat resistance control means controls the thermal resistance R th of the heat sink, by adjusting the amount of heat absorbed from the excitation light source to the heat sink, the temperature of the pumping light source, close to the T peak. Since the heat sink is used as the temperature control means of the excitation light source, the configuration is simplified, and power consumption can be suppressed as compared with the conventional configuration using a Peltier element as the temperature control means. Therefore, it is possible to provide a fiber laser device with stable output and high efficiency.
  • the fiber laser device includes an amplification fiber, an excitation light source for exciting the amplification fiber, a heat sink that absorbs heat generated by the excitation light source, and dissipates heat to the outside.
  • a heat resistance control means for controlling a heat resistance Rth of the heat sink, wherein the oscillation wavelength of the excitation light source is a wavelength at which the absorptance of the amplification fiber is maximized.
  • the thermal resistance control means controls the thermal resistance R th of the heat sink so that the temperature of the excitation light source approaches T peak , so that the output is stable and the output There is an effect that an efficient fiber laser device can be provided.
  • FIGS. 1 to 4 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4 as follows.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fiber laser device 1 according to the present embodiment.
  • the fiber laser device 1 is a MOPA fiber laser device that performs pulse oscillation by a combination of a master oscillator and an optical amplifier, and includes an MO unit 2 that is an oscillation unit and a PA unit 3 that is an amplification unit.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the PA unit 3 shown in FIG.
  • the PA unit 3 includes an amplification fiber 4, an LD (excitation light source) 5, an LD heat sink 6a, a fiber heat sink 6b, an LD fan 7a, a fiber fan 7b, a thermistor 8, and a CPU (center). Arithmetic unit) 9.
  • the one end of the amplifying fiber 4 is configured so that the excitation light from the LD 5 and the signal light from the MO unit 2 are incident.
  • the core of the amplifying fiber 4 has ytterbium (Yb) or erbium (Er ) And the like are added.
  • Yb ytterbium
  • Er erbium
  • the amplification fiber 4 amplifies the signal light from the MO unit 2 and emits it from the other end to the object to be processed.
  • six LDs 5 are provided, but the number of LDs 5 is not limited to this.
  • the LD heat sink 6a is a member that absorbs the heat generated by the LD 5 and releases it to the outside, and is composed of a metal plate and a heat radiating fin.
  • the radiation fin is formed on one surface of the metal plate, and the LD 5 is fixed to the other surface of the metal plate.
  • the LD fan 7a is an air cooling fan for promoting the heat radiation action of the LD heat sink 6a. As will be described later, the supply amount of the wind generated by the LD fan 7a is controlled by the thermistor 8 and the CPU 9 so that the temperature of the LD 5 becomes constant at a predetermined target value.
  • the fiber heat sink 6b is a member that absorbs the heat generated by the amplification fiber 4 and discharges it to the outside, and has a configuration substantially similar to that of the LD heat sink 6a.
  • the heat generated by the fiber fan 7b is supplied to the fiber heat sink 6b.
  • the air volume supplied by the fiber fan 7b is constant regardless of the environmental temperature of the fiber laser device 1.
  • the thermal resistance of the LD heat sink 6a is controlled by changing the amount of air supplied from the LD fan 7a to the LD heat sink 6a in accordance with the temperature of the LD 5, and thereby the fiber laser.
  • the temperature of the LD 5 is controlled to be the target value T peak .
  • the thermistor 8 and CPU 9 are provided as means for realizing this control. The setting of the temperature T peak will be described later.
  • the thermistor 8 is provided on the metal plate of the LD heat sink 6a in the vicinity of the LD 5 and outputs a voltage signal corresponding to the detected temperature.
  • the CPU 9 includes a temperature detection unit 91, a comparison unit 92, a temperature target value storage unit 93, and a current control unit 94.
  • the voltage signal from the thermistor 8 is input to the temperature detection unit 91, and the temperature detection unit 91 converts the voltage signal into a digital value and outputs the digital value to the comparison unit 92.
  • a target value indicating the temperature T peak is stored in the temperature target value storage unit 93, and the comparison unit 92 is stored in the digital value input from the temperature detection unit 91 and the temperature target value storage unit 93. Compare with the target value.
  • the comparison unit 92 sends the LD fan 7a to the current control unit 94.
  • a control signal for increasing the supply current to is output.
  • the amount of air supplied from the LD fan 7a to the LD heat sink 6a increases, so that the thermal resistance of the LD heat sink 6a decreases.
  • the amount of heat released from the LD heat sink 6a increases, and decreases until the temperature of the LD 5 reaches the temperature T peak .
  • the comparison unit 92 is connected to the current control unit 94.
  • a control signal for reducing the supply current to the LD fan 7a is output.
  • the amount of air supplied from the LD fan 7a to the LD heat sink 6a decreases, and the thermal resistance of the LD heat sink 6a increases.
  • the amount of heat released from the heat sink 6a for LD decreases, and the temperature of the LD 5 increases until it reaches the temperature T peak .
  • the LD fan 7a, the thermistor 8 and the CPU 9 function as a thermal resistance control means for controlling the thermal resistance of the LD heat sink 6a so that the temperature of the LD 5 becomes T peak .
  • the temperature T peak means a temperature at which the oscillation wavelength of the LD 5 at the temperature becomes a wavelength ⁇ peak at which the absorptance of the amplification fiber 4 is maximized.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the wavelength of light incident on the amplification fiber 4 and the absorptance of the amplification fiber 4. As indicated by the solid line in the figure, the absorptance of the amplifying fiber 4 becomes maximum when the wavelength of the incident light is ⁇ peak within the operating range of the LD 5. Further, the oscillation wavelength of the LD 5 also varies with temperature. In FIG. 3, a broken line, a one-dot chain line, and a two-dot chain line indicate the oscillation wavelength of the LD 5 at temperatures of 0 ° C., 30 ° C. and T peak , respectively.
  • the amplifying fiber 4 has a maximum absorption rate when the wavelength of the incident light becomes ⁇ peak , so that the excitation light from the LD 5 is controlled by controlling the temperature of the LD 5 to be T peak. The absorption rate of is maximized.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature of the LD heat sink 6 a and the output P of the fiber laser device 1. From this graph, it can be seen that the output of the fiber laser device 1 becomes maximum when the temperature of the LD heat sink 6a, that is, the temperature of the LD 5 is T peak . Therefore, by controlling the temperature of the LD 5 to be T peak , the output of the fiber laser device 1 can be stabilized with high efficiency. Further, since the heat sink and the air cooling fan are used as the temperature control means of the LD 5, the power consumption can be reduced as compared with the conventional configuration using the Peltier element as the temperature control means.
  • the specifications environmental temperature of the fiber laser device 1 is defined as T amb_min ⁇ T amb_max
  • the output of the fiber laser unit 1 it is preferable not to vary within a range of the environmental temperature T amb_min ⁇ T amb_max. In that case, it is necessary to use the LD 5, the LD heat sink 6a, and the LD fan 7a that satisfy the following conditions.
  • the temperature of the LD 5 cannot be controlled lower than the environmental temperature. Therefore, the temperature T peak must be higher than the upper limit T amb_max of the specification environment temperature. That is,
  • the thermal resistance of the LD heat sink 6a varies depending on the amount of air supplied from the LD fan 7a.
  • the minimum value of the thermal resistance of the LD heat sink 6a that is, the thermal resistance when the air volume supplied from the LD fan 7a is the maximum is Rth_min
  • Rth_max be the thermal resistance when is stopped.
  • loss power of LD5 i.e. heating value
  • P dis dis.
  • the lower limit of the temperature that can be controlled by the LD 5 is T amb_max + R th_min ⁇ P dis .
  • the temperature of the LD 5 cannot be controlled to T peak at the environmental temperature T amb_max .
  • the upper limit of the controllable temperature of the LD 5 is T amb — min + R th — max ⁇ P dis .
  • the temperature of the LD 5 cannot be controlled to T peak at the environmental temperature T amb_min .
  • the temperature T peak must be within a range from T amb — max + R th — min ⁇ P dis to T amb — min + R th — max ⁇ P dis . Therefore, as a requirement for thermal resistance,
  • the temperature of the LD 5 can always be controlled to T peak within the range of the specified environmental temperature T amb — min to T amb — max , so that the output of the fiber laser device 1 can be stabilized with high efficiency.
  • the air volume supplied by the fiber fan 7 b is constant regardless of the environmental temperature of the fiber laser device 1.
  • the amplification fiber 4 has an absorption characteristic that the absorptance of incident light increases as the temperature decreases. Therefore, in order to make the output of the fiber laser device 1 more stable, the air volume of the fiber fan 7b may be made variable so that the temperature of the amplification fiber 4 becomes constant regardless of the environmental temperature.
  • the control of the air volume of the fiber fan 7b is similar to the control of the air volume of the LD fan 7a.
  • a thermistor is provided in the vicinity of the amplification fiber 4, and feedback is performed so that the detected temperature of the thermistor becomes a predetermined value. Is done.
  • the absorption characteristic of the amplification fiber 4 is larger in the variation with respect to the wavelength of the incident light than in the variation with respect to the temperature of the amplification fiber 4. Therefore, a configuration in which the fiber fan 7b shown in FIG. 2 is not provided, or a configuration in which the fiber heat sink 6b and the fiber fan 7b are not provided may be employed. Thereby, the structure of the fiber laser apparatus 1 can be further simplified.
  • the configuration in which the target value of the temperature control of the LD 5 is T peak has been described, but the target value is not limited to this.
  • a multimode LD is mainly used as an excitation light source aiming at high output, and the spectrum width (3 dB band) of the output light is 3 to 6 nm. Therefore, the temperature of the LD 5 may be controlled so as to fall within the 3 dB band of the wavelength of the output light with respect to the maximum absorption wavelength ⁇ peak of the amplification fiber 4.
  • the target value of the temperature control of the LD 5 in this case is T
  • the LD heat sink 6a and the LD fan 7a are examples of the LD heat sink 6a and the LD fan 7a.
  • the description is made on the assumption that all the LDs 5 used as the excitation light source have the same temperature characteristics.
  • the temperature characteristics of the LDs 5 may be different from each other.
  • the temperature of the LD 5 may be controlled so that the average of the oscillation wavelength of the LD 5 becomes the wavelength ⁇ peak at which the absorptance of the amplification fiber 4 is maximized.
  • the average of the oscillation wavelength of LD5 means the value which divided the sum total of the oscillation wavelength of each LD5 by the number of LD5.
  • the oscillation wavelength of each LD is defined as the center value of the 3 dB band or the center of gravity wavelength at a certain output time.
  • the present invention is not limited to this, and the temperature may be controlled to be different depending on the optical output of the LD 5.
  • the thermal resistance control unit is based on a fan that supplies wind to the heat sink, a temperature detection unit that detects a temperature of the excitation light source, and a temperature detected by the temperature detection unit. And an air volume control means for controlling the air volume of the fan.
  • the temperature control of the excitation light source can be realized with a simpler configuration.
  • the temperature of the pumping light source can always be controlled to T peak within the range of the specified environmental temperature T amb — min to T amb — max , so that the output of the fiber laser device can be stabilized with high efficiency.
  • the fiber laser device uses a Yb-doped fiber having a specified environmental temperature of 0 ° C. to 50 ° C. and an amplifying fiber having an absorption wavelength at a maximum value of 915 nm. Further, five LDs are used as excitation light sources for emitting excitation light, and the average of the oscillation wavelengths of these LDs is 905 nm under the conditions of an environmental temperature of 25 ° C. and an output of 10 W. Further, these LDs have a temperature dependence of the oscillation wavelength of 0.3 nm / K, and the photoelectric conversion efficiency is about 50%.
  • the oscillation wavelength of the LD is 915 nm, which is the maximum absorption wavelength of the amplification fiber.
  • a heat sink and an air cooling fan for controlling the LD temperature were used having a thermal resistance of 1 K / W to 10 K / W.
  • the fiber laser device having such characteristics was operated at different environmental temperatures, and the output of the fiber laser device at each environmental temperature was measured.
  • the fiber laser device according to the present embodiment is configured such that the LD temperature is 60 ° C. even if the environmental temperature changes. For example, when the environmental temperature is 50 ° C., the air volume of the air cooling fan increases. Thus, the heat resistance of the heat sink is adjusted to 2 K / W. Further, when the environmental temperature is 0 ° C., the air volume of the air cooling fan is reduced and the heat resistance of the heat sink is adjusted to 10 K / W.
  • FIG. 5 is a graph showing the characteristics of the output (light output) with respect to the operating environment temperature of the fiber laser device.
  • black circles indicate the output characteristics of the fiber laser device according to the present embodiment in which temperature control is performed on the LD
  • white circles indicate output characteristics of a conventional fiber laser device in which temperature control is not performed on the LD.
  • the conventional fiber laser device has an output peak near the environmental temperature of 0 ° C., and the output decreases significantly as the environmental temperature increases. It can be seen that the output is substantially constant regardless of the temperature change within the range of the specified environmental temperature. Therefore, it has been confirmed that the present invention can provide a fiber laser device with stable output and high output efficiency.
  • the fiber laser device according to the present invention can be used for laser processing, laser welding, laser marking, and the like.

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Abstract

　本発明に係るファイバレーザ装置のＰＡ部（３）は、増幅用ファイバ（４）と、増幅用ファイバ（４）を励起するためのＬＤ（５）と、ＬＤ（５）が発生する熱を吸収するＬＤ用ヒートシンク（６ａ）と、ＬＤ用ヒートシンク（６ａ）の熱抵抗Ｒｔｈを制御するＬＤ用ファン（７ａ）、サーミスタ（８）およびＣＰＵ（９）と、を備える。ＬＤ（５）の温度は、その発振波長が増幅用ファイバ（４）の吸収率が極大となる波長となるときの温度Ｔｐｅａｋに近づくようにＬＤ用ヒートシンク（６ａ）の熱抵抗Ｒｔｈを変化させることによって制御される。

Description

ファイバレーザ装置
　本発明は、ファイバレーザ装置に関し、特に、出力の温度依存性を改善したファイバレーザ装置に関する。
　従来より、金属板への文字の刻印や金属の微細加工などの用途に、ファイバレーザ装置が広く使用されている。ファイバレーザ装置は、コアに希土類が添加された増幅用ファイバと、励起光を出射する励起光源とを備え、増幅用ファイバを励起光で励起することにより、レーザ光を出力する。ファイバレーザ装置は、ガスレーザや固体レーザと比較して、小型、軽量、高効率などの利点を有していることから、注目を集めており、前述の各種レーザと同様、多数の高出力可能な半導体レーザ（ＬＤ）を励起光源として用いている。
　一般的なＬＤは、発振波長や出力光強度といった出力特性が温度によって変化する。また増幅用ファイバも、入射する励起光の吸収係数が温度によって変化する。そのため、ＬＤおよび増幅用ファイバを備えるファイバレーザ装置の出力は、温度依存性を有することとなる。これに対し、ＬＤやファイバレーザ装置の出力の温度依存性を低減させるために、下記の技術が提案されている（例えば、特許文献１～３）。
　特許文献１には、半導体レーザ部と光出力安定化回路と発振波長制御部とから構成される半導体レーザ装置であって、半導体レーザ部によって半導体レーザの出力の変動と発振波長の変動とを検出したのち、光出力安定化回路において半導体レーザのバイアス電流を変化させ、発振波長制御部において温度制御を行うことにより、半導体レーザの出力の調整および発振波長の調整を行う半導体レーザ装置が開示されている。当該半導体レーザ装置では、個々の半導体レーザについて、半導体レーザ部と光出力安定化回路と発振波長制御部とを設けることにより、半導体レーザ装置の出力をほぼ安定させることが可能となる。
　特許文献２には、励起光を出力する励起光源と、増幅用ファイバと、増幅用ファイバを挟み込む２つの基板状のペルチェ素子と、ペルチェ素子を温度制御する温度制御素子とを備える光ファイバ増幅器が開示されている。当該光ファイバ増幅器では、ペルチェ素子によって増幅用ファイバを温度制御することができるので、増幅用ファイバの利得の波長特性を安定させることができる。
　特許文献３には、フロント部にパワーモニターを備え、ファイバレーザの出力の一部をフィードバック制御するファイバレーザ装置が開示されている。当該ファイバレーザ装置では、ファイバレーザ装置の出力特性のバラツキを低減させることができる。
日本国公開特許公報「特開平０７－０１５０７８号公報（公開日：１９９５年１月１７日）」 日本国公開特許公報「特開２００１－２５７４０２号公報（公開日：２００１年９月２１日）」 日本国公開特許公報「特開２００７－１９０５６６号公報（公開日：２００７年８月２日）」
　しかしながら、特許文献１に係る構成を高出力の半導体レーザ装置、及びＬＤ励起のファイバレーザ装置に適用した場合、多数の半導体レーザを搭載する必要があるため、個々の半導体レーザの出力を安定させるための構成が複雑になる。また、特許文献１では、温度制御のためにペルチェ素子を用いているが、消費電力が増大し、装置としての出力効率が低下するという問題が生じる。同様に、特許文献２に記載の光ファイバ増幅器においても、温度制御手段としてペルチェ素子を用いているため出力効率が低下する。
　また、特許文献３に係る構成では、ファイバレーザ装置の出力効率が使用環境によって極端に低下するおそれがある。増幅用ファイバには、入射する励起光の波長によって、励起光の吸収率が変化するという性質がある。また、励起光源であるＬＤの発振波長も、温度、及び駆動電流に対する依存性を有している。そのため、ＬＤの発振波長が増幅用ファイバの吸収率の高い波長になるとは限らず、常に出力効率を高く維持することが困難である。
　本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、環境温度にかかわらず出力が安定し、かつ効率の良いファイバレーザ装置を提供することにある。
　上記の課題を解決するために、本発明に係るファイバレーザ装置は、増幅用ファイバと、上記増幅用ファイバを励起するための励起光源と、上記励起光源が発生する熱を吸収し、外部に放熱するヒートシンクと、上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御する熱抵抗制御手段と、を備えるファイバレーザ装置であって、上記励起光源の発振波長が、上記増幅用ファイバの吸収率が極大となる波長となるときの上記励起光源の温度をＴｐｅａｋとしたとき、上記熱抵抗制御手段は、上記励起光源の温度をＴｐｅａｋに近づけるように、上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御することを特徴としている。
　上記の課題を解決するために、本発明に係るファイバレーザ装置は、増幅用ファイバと、上記増幅用ファイバを励起するための複数の励起光源と、上記励起光源が発生する熱を吸収し、外部に放熱するヒートシンクと、上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御する熱抵抗制御手段と、を備えるファイバレーザ装置であって、上記励起光源の発振波長の平均が、上記増幅用ファイバの吸収率が極大となる波長となるときの上記励起光源の温度をＴｐｅａｋとしたとき、上記熱抵抗制御手段は、上記励起光源の温度をＴｐｅａｋに近づけるように、上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御することを特徴としている。
　増幅用ファイバは、励起光源からの光を吸収するが、その吸収率は、入射光の波長によって変化する。励起光源の温度がＴｐｅａｋであるときに、励起光源の発振波長（の平均）が増幅用ファイバの極大となる吸収波長であるとすると、励起光源の温度がＴｐｅａｋからずれると、増幅用ファイバの入射光の吸収率が減少してしまう。ここで、上記の構成によれば、熱抵抗制御手段が励起光源の温度をＴｐｅａｋに近づけるように制御するため、励起光の波長が増幅用ファイバの極大となる吸収波長からずれることに起因する吸収率の低下を防ぐことができる。
　又、熱抵抗制御手段がヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御することにより、励起光源からヒートシンクに吸収される熱量を調整して、励起光源の温度を、Ｔｐｅａｋに近づける。励起光源の温度制御手段としてヒートシンクを使用しているので、構成が簡素になり、温度制御手段としてペルチェ素子を用いる従来構成に比べ、消費電力を抑えることができる。したがって、出力が安定し、かつ効率の良いファイバレーザ装置を提供することができる。
　以上のように、本発明に係るファイバレーザ装置は、増幅用ファイバと、上記増幅用ファイバを励起するための励起光源と、上記励起光源が発生する熱を吸収し、外部に放熱するヒートシンクと、上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御する熱抵抗制御手段と、を備えるファイバレーザ装置であって、上記励起光源の発振波長が、上記増幅用ファイバの吸収率が極大となる波長となるときの上記励起光源の温度をＴｐｅａｋとしたとき、上記熱抵抗制御手段は、上記励起光源の温度をＴｐｅａｋに近づけるように、上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御するので、出力が安定し、かつ出力効率の良いファイバレーザ装置を提供できるという効果を奏する。
本発明の実施形態に係るファイバレーザ装置の概略構成を示すブロック図である。 上記ファイバレーザ装置のＰＡ部を示す構成図である。 増幅用ファイバへの入射光の波長と増幅用ファイバの吸収率との関係を示すグラフである。 ヒートシンクの温度とファイバレーザ装置の出力との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係るファイバレーザ装置の動作環境温度に対する出力の特性を示すグラフである。
　本発明の実施の一形態について図１～図４に基づいて説明すれば以下のとおりである。
　（ファイバレーザ装置の構成）
　図１は、本実施形態に係るファイバレーザ装置１の概略構成を示すブロック図である。ファイバレーザ装置１は、マスターオシレータと光増幅器との組み合わせによってパルス発振を行うＭＯＰＡ方式のファイバレーザ装置であり、発振部であるＭＯ部２と、増幅部であるＰＡ部３とを備えている。
　図２は、図１に示すＰＡ部３を示す構成図である。ＰＡ部３は、増幅用ファイバ４と、ＬＤ（励起光源）５と、ＬＤ用ヒートシンク６ａと、ファイバ用ヒートシンク６ｂと、ＬＤ用ファン７ａと、ファイバ用ファン７ｂと、サーミスタ８と、ＣＰＵ（中央演算装置）９とを備えている。
　増幅用ファイバ４の一方端には、ＬＤ５からの励起光およびＭＯ部２からの信号光が入射するように構成されており、増幅用ファイバ４のコアには、イッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素が添加されている。これにより増幅用ファイバ４は、ＭＯ部２からの信号光を増幅して他方端から加工対象物に出射する。本実施形態では、ＬＤ５は６つ設けられているが、ＬＤ５の個数はこれに限定されない。
　ＬＤ用ヒートシンク６ａは、ＬＤ５が発生する熱を吸収し、外部へ放出する部材であり、金属板と放熱フィンとから構成されている。放熱フィンは、金属板の一方の面に形成され、金属板の他方の面には、ＬＤ５が固定されている。また、ＬＤ用ファン７ａは、ＬＤ用ヒートシンク６ａの放熱作用を促進するための空冷ファンである。後述するように、ＬＤ用ファン７ａが発生する風の供給量は、ＬＤ５の温度が所定の目標値で一定となるように、サーミスタ８およびＣＰＵ９によって制御されている。
　ファイバ用ヒートシンク６ｂは、増幅用ファイバ４が発生する熱を吸収し、外部へ放出する部材であり、ＬＤ用ヒートシンク６ａと略同様の構成である。ファイバ用ヒートシンク６ｂには、ファイバ用ファン７ｂが発生する風が供給される。なお、ファイバ用ファン７ｂが供給する風量は、ファイバレーザ装置１の環境温度にかかわらず一定となっている。
　（ＬＤの温度制御）
　ここで、本実施形態では、ＬＤ５の温度に応じて、ＬＤ用ファン７ａがＬＤ用ヒートシンク６ａに供給する風量を変化させてＬＤ用ヒートシンク６ａの熱抵抗を制御しており、これにより、ファイバレーザ装置１が使用される環境温度にかかわらず、ＬＤ５の温度が、目標値である温度Ｔｐｅａｋとなるように制御されている。サーミスタ８およびＣＰＵ９は、この制御を実現するための手段として設けられている。温度Ｔｐｅａｋの設定については、後述する。
　サーミスタ８は、ＬＤ用ヒートシンク６ａの金属板上に、ＬＤ５に近接して設けられており、検出する温度に応じた電圧信号を出力する。ＣＰＵ９は、温度検出部９１と、比較部９２と、温度目標値記憶部９３と、電流制御部９４とを有している。サーミスタ８からの電圧信号は、温度検出部９１に入力され、温度検出部９１は、当該電圧信号をデジタル値に変換して比較部９２に出力する。温度目標値記憶部９３には、温度Ｔｐｅａｋを示す目標値が記憶されており、比較部９２は、温度検出部９１から入力されるデジタル値と、温度目標値記憶部９３に記憶されている目標値とを比較する。
　温度検出部９１から入力されるデジタル値が目標値よりも大きい場合、すなわち、サーミスタ８の検出温度が温度Ｔｐｅａｋよりも高い場合、比較部９２は、電流制御部９４に対してＬＤ用ファン７ａへの供給電流を増大させるための制御信号を出力する。これにより、ＬＤ用ファン７ａがＬＤ用ヒートシンク６ａに供給する風量が増大するので、ＬＤ用ヒートシンク６ａの熱抵抗が低下する。その結果、ＬＤ用ヒートシンク６ａからの放熱量が増加し、ＬＤ５の温度が温度Ｔｐｅａｋとなるまで低下する。
　これに対し、温度検出部９１から入力されるデジタル値が目標値よりも小さい場合、すなわち、サーミスタ８の検出温度が温度Ｔｐｅａｋよりも低い場合、比較部９２は、電流制御部９４に対してＬＤ用ファン７ａへの供給電流を減少させるための制御信号を出力する。これにより、ＬＤ用ファン７ａがＬＤ用ヒートシンク６ａに供給する風量が低下するので、ＬＤ用ヒートシンク６ａの熱抵抗が増加する。その結果、ＬＤ用ヒートシンク６ａからの放熱量が低下し、ＬＤ５の温度が温度Ｔｐｅａｋとなるまで上昇する。
　このように、ＬＤ用ファン７ａ、サーミスタ８およびＣＰＵ９は、ＬＤ５の温度がＴｐｅａｋとなるようにＬＤ用ヒートシンク６ａの熱抵抗を制御するための熱抵抗制御手段として機能する。
　（温度Ｔｐｅａｋの設定）
　続いて、温度Ｔｐｅａｋについて説明する。温度Ｔｐｅａｋとは、当該温度におけるＬＤ５の発振波長が、増幅用ファイバ４の吸収率が極大となる波長λｐｅａｋとなる温度を意味する。
　図３は、増幅用ファイバ４への入射光の波長と増幅用ファイバ４の吸収率との関係を示すグラフである。同図において実線に示すように、増幅用ファイバ４の吸収率は、ＬＤ５の動作範囲内においては入射光の波長がλｐｅａｋのときに最大となる。また、ＬＤ５の発振波長も温度によって変化する。図３において、破線、一点鎖線および二点鎖線は、それぞれ温度０℃、３０℃およびＴｐｅａｋにおけるＬＤ５の発振波長を示している。前述のように、増幅用ファイバ４は、入射光の波長がλｐｅａｋとなるときに、吸収率が最大となるので、ＬＤ５の温度をＴｐｅａｋとする制御を行うことにより、ＬＤ５からの励起光の吸収率が最大となる。
　図４は、ＬＤ用ヒートシンク６ａの温度とファイバレーザ装置１の出力Ｐとの関係を示すグラフである。このグラフから、ＬＤ用ヒートシンク６ａの温度、すなわちＬＤ５の温度がＴｐｅａｋであるときにファイバレーザ装置１の出力が最大となることが分かる。したがって、ＬＤ５の温度がＴｐｅａｋとなるように制御することにより、ファイバレーザ装置１の出力を高効率で安定させることができる。また、ＬＤ５の温度制御手段としてヒートシンクおよび空冷ファンを用いているので、ペルチェ素子を温度制御手段として使用する従来構成に比べ、消費電力を低減させることができる。
　ここで、ファイバレーザ装置１の仕様環境温度がＴａｍｂ＿ｍｉｎ～Ｔａｍｂ＿ｍａｘと定められている場合、ファイバレーザ装置１の出力は、環境温度Ｔａｍｂ＿ｍｉｎ～Ｔａｍｂ＿ｍａｘの範囲内で変動しないことが望ましい。その場合、下記の条件を満たすＬＤ５、ＬＤ用ヒートシンク６ａおよびＬＤ用ファン７ａを用いる必要がある。
　まず、温度制御手段としてヒートシンクおよび空冷ファンを用いる本構成では、ＬＤ５の温度を環境温度より低く制御することができない。そのため、温度Ｔｐｅａｋは仕様環境温度の上限Ｔａｍｂ＿ｍａｘよりも高くなければならない。すなわち、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 の要件を満たすＬＤ５を選定する必要がある。
　続いて、ＬＤ用ヒートシンク６ａおよびＬＤ用ファン７ａは、以下の要件を満たす必要がある。ＬＤ用ヒートシンク６ａの熱抵抗は、ＬＤ用ファン７ａから供給される風量によって変化する。ここで、ＬＤ用ヒートシンク６ａの熱抵抗の最小値、すなわち、ＬＤ用ファン７ａから供給される風量が最大の場合の熱抵抗をＲｔｈ＿ｍｉｎとし、当該熱抵抗の最大値、すなわち、ＬＤ用ファン７ａが停止している場合の熱抵抗をＲｔｈ＿ｍａｘとする。また、ＬＤ５の消失電力（すなわち発熱量）をＰｄｉｓとする。
　このとき、ファイバレーザ装置１を環境温度Ｔａｍｂ＿ｍａｘで使用すると、ＬＤ５の制御可能な温度の下限は、Ｔａｍｂ＿ｍａｘ＋Ｒｔｈ＿ｍｉｎ×Ｐｄｉｓとなる。温度Ｔｐｅａｋが、この下限温度よりも低い場合、環境温度Ｔａｍｂ＿ｍａｘにおいてＬＤ５の温度をＴｐｅａｋに制御することができないので、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 の要件を満たす必要がある。
　同様に、ファイバレーザ装置１を環境温度Ｔａｍｂ＿ｍｉｎで使用すると、ＬＤ５の制御可能な温度の上限は、Ｔａｍｂ＿ｍｉｎ＋Ｒｔｈ＿ｍａｘ×Ｐｄｉｓとなる。温度Ｔｐｅａｋが、この上限温度よりも高い場合、環境温度Ｔａｍｂ＿ｍｉｎにおいてＬＤ５の温度をＴｐｅａｋに制御することができないので、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 の要件を満たす必要がある。
　すなわち、図４の破線に示すように、温度ＴｐｅａｋがＴａｍｂ＿ｍａｘ＋Ｒｔｈ＿ｍｉｎ×ＰｄｉｓからＴａｍｂ＿ｍｉｎ＋Ｒｔｈ＿ｍａｘ×Ｐｄｉｓまでの範囲内でなければならない。したがって、熱抵抗の要件として、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 が成り立つＬＤ用ヒートシンク６ａおよびＬＤ用ファン７ａを用いる必要がある。この要件を満たす場合、仕様環境温度Ｔａｍｂ＿ｍｉｎ～Ｔａｍｂ＿ｍａｘの範囲内において、常にＬＤ５の温度をＴｐｅａｋに制御することができるので、ファイバレーザ装置１の出力を高効率に安定させることができる。
　（増幅用ファイバの温度制御）
　本実施形態では、ファイバ用ファン７ｂが供給する風量は、ファイバレーザ装置１の環境温度にかかわらず一定となっている。ここで、増幅用ファイバ４は、その温度が低いほど、入射光の吸収率が高くなるという吸収特性を有している。そこで、ファイバレーザ装置１の出力をより安定させるために、増幅用ファイバ４の温度が環境温度によらず一定となるように、ファイバ用ファン７ｂの風量を可変としてもよい。この場合、ファイバ用ファン７ｂの風量の制御は、ＬＤ用ファン７ａの風量の制御と同様、例えば、増幅用ファイバ４の近傍にサーミスタを設け、サーミスタの検出温度が所定値になるようにフィードバックすることにより行われる。
　また、増幅用ファイバ４の吸収特性は、増幅用ファイバ４の温度に対する変動よりも、入射光の波長に対する変動のほうが大きい。そのため、図２に示すファイバ用ファン７ｂを設けない構成、または、ファイバ用ヒートシンク６ｂおよびファイバ用ファン７ｂを設けない構成であってもよい。これにより、ファイバレーザ装置１の構成をさらに簡略化することができる。
　（付記事項）
　上述した実施形態では、ＬＤ５の温度制御の目標値がＴｐｅａｋである構成について説明したが、上記目標値はこれに限定されない。高出力を目的とした励起光源としては主としてマルチモードＬＤが用いられ、その出力光のスペクトル幅（３ｄＢ帯域）は３～６ｎｍである。その為ＬＤ５の温度を増幅用ファイバ４の最大吸収波長λｐｅａｋに対して、出力光の波長の３ｄＢ帯域内に入るように制御してもよい。この場合のＬＤ５の温度制御の目標値をＴとすると、ＬＤ用ヒートシンク６ａおよびＬＤ用ファン７ａは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 が成り立つものであればよい。このように、ＬＤ５、ＬＤ用ヒートシンク６ａおよびＬＤ用ファン７ａの特性の要件が緩和されるので、より多種類のＬＤ５、ＬＤ用ヒートシンク６ａおよびＬＤ用ファン７ａを使用することができる。
　また、上述した実施形態では、励起光源として使用する全てのＬＤ５が同一の温度特性を有することを前提に説明したが、ＬＤ５の各温度特性が互いに異なっていてもよい。その場合、ＬＤ５の発振波長の平均が増幅用ファイバ４の吸収率が極大となる波長λｐｅａｋとなるように、ＬＤ５の温度を制御すればよい。なお、ＬＤ５の発振波長の平均とは、各ＬＤ５の発振波長の合計をＬＤ５の個数で割った値を意味する。又、ＬＤ５としてマルチモード発振しているＬＤを用いた場合、各ＬＤの発振波長は３ｄＢ帯域の中心値、若しくはある出力時の重心波長として定義する。
　また、上述した実施形態ではＬＤ５の光出力が一定の場合を考えたが、これに限るところではなく、ＬＤ５の光出力に応じて別々の温度に制御しても良い。
　本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　本発明に係るファイバレーザ装置では、上記ファイバレーザ装置の仕様環境温度の範囲がＴａｍｂ＿ｍｉｎ～Ｔａｍｂ＿ｍａｘであるとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 が成り立つことが好ましい。
　上記の構成によれば、ファイバレーザ装置を仕様環境温度の上限であるＴａｍｂ＿ｍａｘの環境下で使用した場合であっても、適切な特性のヒートシンクおよび熱抵抗制御手段を用いることにより、励起光源の温度をＴｐｅａｋとなるように制御することが可能となる。そのため、特に高温環境下においてファイバレーザ装置の出力を安定させることができる。
　本発明に係るファイバレーザ装置では、上記熱抵抗制御手段は、上記ヒートシンクに風を供給するファンと、上記励起光源の温度を検出する温度検出手段と、上記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、上記ファンの風量を制御する風量制御手段と、を備えることが好ましい。
　上記の構成によれば、空冷方式によってヒートシンクの熱抵抗を制御するので、励起光源の温度制御をさらに簡単な構成で実現できる。
　本発明に係るファイバレーザ装置では、上記励起光源の発熱量をＰｄｉｓ、上記熱抵抗の最小値をＲｔｈ＿ｍｉｎ、上記熱抵抗の最大値をＲｔｈ＿ｍａｘとしたとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 が成り立つことが好ましい。
　上記の構成によれば、仕様環境温度Ｔａｍｂ＿ｍｉｎ～Ｔａｍｂ＿ｍａｘの範囲内において、常に励起光源の温度をＴｐｅａｋに制御することができるので、ファイバレーザ装置の出力を高効率に安定させることができる。
　以下、本発明について実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
　本実施例に係るファイバレーザ装置は、仕様環境温度が０℃～５０℃であり、増幅用ファイバとして、極大値となる吸収波長が９１５ｎｍであるＹｂ添加ファイバを使用した。また、励起光を出射する励起光源として、５台のＬＤを使用し、これらのＬＤの発振波長の平均は、環境温度２５℃、出力１０Ｗの条件下で、９０５ｎｍである。また、これらのＬＤは、発振波長の温度依存性が０．３ｎｍ／Ｋであり、光－電気変換効率は約５０％である。すなわち、ＬＤの温度が６０℃のとき、ＬＤの発振波長は増幅用ファイバの最大吸収波長である９１５ｎｍとなる。さらに、ＬＤの温度を制御するヒートシンクおよび空冷ファンとして、熱抵抗が１Ｋ／Ｗ～１０Ｋ／Ｗであるものを使用した。
　このような特性を有するファイバレーザ装置を、異なる環境温度で動作させ、それぞれの環境温度におけるファイバレーザ装置の出力を測定した。本実施例に係るファイバレーザ装置では、環境温度が変化しても、ＬＤの温度が６０℃となるように構成されているので、例えば環境温度が５０℃の場合、空冷ファンの風量が増加して、ヒートシンクの熱抵抗が２Ｋ／Ｗとなるように調整される。また、環境温度が０℃の場合、空冷ファンの風量が低下して、ヒートシンクの熱抵抗が１０Ｋ／Ｗとなるように調整される。
　図５は、ファイバレーザ装置の動作環境温度に対する出力（光出力）の特性を示すグラフである。同図において、黒丸は、ＬＤに対する温度制御を行った本実施例に係るファイバレーザ装置の出力特性を示しており、白丸は、ＬＤに対する温度制御を行っていない従来のファイバレーザ装置の出力特性を示している。このグラフから、従来のファイバレーザ装置は、環境温度０度付近で出力のピークを持っており、環境温度が高いほど出力が著しく低下しているのに対し、本実施例に係るファイバレーザ装置の出力は、仕様環境温度の範囲内において温度変化にかかわらずほぼ一定であることが分かる。したがって、本発明によって、出力が安定し、かつ出力効率の良いファイバレーザ装置を提供することができることが確認できた。
　本発明に係るファイバレーザ装置は、レーザ加工、レーザ溶接、レーザマーキング等に利用することができる。
　１　　ファイバレーザ装置
　４　　増幅用ファイバ
　５　　ＬＤ（励起光源）
　６ａ　ＬＤ用ヒートシンク（ヒートシンク）
　７ａ　ＬＤ用ファン（熱抵抗制御手段、ファン）
　８　　サーミスタ（熱抵抗制御手段、温度検出手段）
　９　　ＣＰＵ（熱抵抗制御手段、風量制御手段）

Claims (5)

  1. 　増幅用ファイバと、
    　上記増幅用ファイバを励起するための励起光源と、
    　上記励起光源が発生する熱を吸収するヒートシンクと、
    　上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御する熱抵抗制御手段と、
    を備えるファイバレーザ装置であって、
    　上記励起光源の発振波長が、上記増幅用ファイバの吸収率が極大となる波長となるときの上記励起光源の温度をＴｐｅａｋとしたとき、上記熱抵抗制御手段は、上記励起光源の温度をＴｐｅａｋに近づけるように上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御すること、
    を特徴とするファイバレーザ装置。
  2. 　増幅用ファイバと、
    　上記増幅用ファイバを励起するための複数の励起光源と、
    　上記励起光源が発生する熱を吸収するヒートシンクと、
    　上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御する熱抵抗制御手段と、
    を備えるファイバレーザ装置であって、
    　上記励起光源の発振波長の平均が、上記増幅用ファイバの吸収率が極大となる波長となるときの上記励起光源の温度をＴｐｅａｋとしたとき、上記熱抵抗制御手段は、上記励起光源の温度をＴｐｅａｋに近づけるように上記ヒートシンクの熱抵抗Ｒｔｈを制御すること、
    を特徴とするファイバレーザ装置。
  3. 　上記ファイバレーザ装置の仕様環境温度の範囲がＴａｍｂ＿ｍｉｎ～Ｔａｍｂ＿ｍａｘであるとき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     が成り立つことを特徴とする請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
  4. 　上記熱抵抗制御手段は、
    　上記ヒートシンクに風を供給するファンと、
    　上記励起光源の温度を検出する温度検出手段と、
    　上記温度検出手段によって検出された温度に基いて、上記ファンの風量を制御する風量制御手段と、を備える、
    ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のファイバレーザ装置。
  5. 　上記励起光源の発熱量をＰｄｉｓ、上記熱抵抗の最小値をＲｔｈ＿ｍｉｎ、上記熱抵抗の最大値をＲｔｈ＿ｍａｘとしたとき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     が成り立つことを特徴とする請求項３に記載のファイバレーザ装置。
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