WO2021020188A1 - ファイバーレーザー装置 - Google Patents

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WO2021020188A1
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fiber
housing
laser device
ferrule
fibre
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靖 藤本
ビヌン ポール
伸二 本越
正盛 中原
武 濱田
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株式会社金門光波
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Definitions

  • the present invention relates to a fiber laser device that can be configured compactly and compactly.
  • FIG. 7 shows a conventional configuration example of a fiber laser device using an optical fiber to which an active element (rare earth element, transition element, or rare earth ion (Yb, Nd, Er, Pr, Dy, Ce, Tb, etc.)) is added.
  • the input / output of the fiber 2 is to support a circular fiber 2 in which a gain fiber having a length exceeding 10 m is wound around and a fiber 2 which is thin and easily broken due to weak mechanical strength.
  • It includes a zirconia ferrule 1 provided at the end, a substrate / radiator 3 that supports the fiber 2 and discharges heat, and a cooling fan (or water cooling device) 4.
  • Nickel or stainless steel may be used for the ferrule 1, but the purpose is to weld and fix the fiber tip.
  • the fibers 2 are wound in order to make the laser apparatus as compact as possible so that the fibers do not overlap each other in order to improve the cooling efficiency.
  • the wound diameter is about 30 cm or less.
  • the substrate / radiator 3 and the fiber 2 are in contact with each other in a form in which thermal resistance is suppressed as much as possible by using a heat conductive paste.
  • the heat accumulated in the fiber 2 is discharged by using the cooling fan (or water cooling device) 4 or the Peltier element.
  • Patent Document 1 is an optical fiber laser device in which one long laser fiber wound many times is embedded and fixed in a rectangular transparent ultraviolet curable resin without gaps, and both ends are exposed to the outside. To disclose.
  • the conventional fiber laser device shown in FIG. 7 uses a gain fiber having a length of about 10 m, it is necessary to wind the fiber. Therefore, it is difficult to design a compact and compact structure having a winding diameter or less, and the structure is compact and compact. There was a limit to that.
  • a compact and compact device configuration is an issue that comes from social demands, and in order to solve this issue, conventional methods have been used to shorten the fiber length (about 30 cm or less, or 20, 15, 10 cm or less). It is necessary to use a gain fiber to which a higher concentration of active elements (rare earth elements, transition elements, etc., or rare earth ions (Yb, Nd, Er, Pr, Dy, Ce, Tb, etc.)) is added, but the length is shortened. Then, the problem of heat accumulation of the fiber arises.
  • active elements rare earth elements, transition elements, etc., or rare earth ions (Yb, Nd, Er, Pr, Dy, Ce, Tb, etc.)
  • An object of the present invention is to provide a fiber laser apparatus capable of avoiding problems caused by heat accumulation of fibers caused by shortening of fibers for miniaturization of the apparatus.
  • the fiber laser apparatus reflecting one aspect of the present invention is a fiber laser apparatus using a short fiber to which an active element is added at a high concentration, and is described above.
  • a ferrule is inserted into the end of the fiber and includes a housing that accommodates the fiber and is supported by the ferrule, and the housing and the ferrule are each composed of a metal material that approximates the coefficient of thermal expansion of the material of the fiber. ..
  • the housing and ferrule are each made of a metal material that approximates the coefficient of thermal expansion of the fiber material, which can reduce heat buildup at the fiber ends during device operation, due to heat buildup.
  • the housing and the ferrule are made of a metal material having high thermal conductivity, the thermal conductivity is improved as compared with the conventional ceramics such as zirconia, so that the heat accumulation at the fiber end can be reduced, and the heat accumulation can be reduced.
  • the material is similar to the coefficient of thermal expansion of the material of the fiber, even if the fiber accumulates heat, the stress received from the housing and the ferrule due to the difference in the coefficient of thermal expansion can be reduced.
  • the device can be downsized by shortening the fiber.
  • another fiber laser apparatus reflecting one aspect of the present invention is a fiber laser apparatus using a short fiber in which an active element is added at a high concentration.
  • a ferrule is inserted into the end of the fiber, and a housing for accommodating the fiber and supporting the fiber is provided.
  • the ferrule and the housing have a thermal conductivity of 90 W / mK or more and 10 ⁇ 10 -6 to Consists of materials with a thermal expansion coefficient of 30 ⁇ 10 -6 / K.
  • the housing and ferrule are each composed of materials with a thermal conductivity of 90 W / mK or higher and a coefficient of thermal expansion of 10 ⁇ 10 -6 to 30 ⁇ 10 -6 / K, respectively. Therefore, heat accumulation at the fiber end during device operation can be reduced, and problems caused by heat accumulation can be avoided. That is, since the housing and ferrule are composed of a material having a high thermal conductivity of 90 W / mK or more, the thermal conductivity is improved as compared with the conventional ceramics such as zirconia, so that the heat accumulation at the fiber end is reduced.
  • the device can be downsized by shortening the fiber.
  • the length of the fiber is 300 mm or less
  • the material of the fiber is a fluoride glass material
  • the fiber is a fiber in which the addition concentration of Pr element is 1500 to 5000 ppm. It is preferable to have a core.
  • the fiber laser device oscillates at any one wavelength of 520 nm ⁇ 10 nm, 610 nm ⁇ 10 nm, and 638 nm ⁇ 10 nm, or at any two wavelengths.
  • the fiber laser apparatus of the present invention it is possible to avoid the problem caused by the heat accumulation of the fiber caused by the shortening of the fiber length, so that the apparatus can be miniaturized.
  • FIG. 1 is an optical path diagram showing a schematic configuration of a fiber laser device according to the present embodiment.
  • 2 is a front view (a) and a side view (b) schematically showing the housing containing the fibers of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a ferrule attached to the end of the fiber of FIG. 2 (a).
  • the laser light and the semiconductor laser 11A passed through the semiconductor lasers 11, 11A, the lenses 12, 12A, the wavelength plate 13, and the lens 12 from the semiconductor laser 11 A polarized beam splitter 14 in which a laser beam given a phase difference of 90 ° through the lens 13A and a wavelength plate 13 is incident and combined, and an anamorphic in which the laser beam from the polarized beam splitter 14 is incident and emitted.
  • the prism pair 15 and the fully reflective mirrors 16 and 17 that totally reflect the laser beam from the anamorphic prism pair 15 are provided.
  • the fiber laser device 10 further includes a lens 18 to which the laser light from the total reflection mirror 17 is incident, a short fiber 19 to which the laser light from the lens 18 is incident, and a lens 20 to which the laser light from the fiber 19 is incident. And an exit mirror 21 that emits a laser beam from the lens 20.
  • a fluoride fiber when excited with the oscillation wavelength of a semiconductor laser set to 442 nm, strong spectra with wavelengths of 520 nm (green), 610 nm (orange), and 638 nm (red) are emitted, but the incident end face 19a of the fiber 19 and the exit mirror Depending on the coating in 21, for example, if 638 nm is selected, the red fundamental wave laser light is output, and if 610 nm and 638 nm are selected, for example, the orange and red fundamental wave laser light is output.
  • the apparatus configuration as such a heat exhausting means includes a high concentration of active elements (rare earth elements, transition elements, etc., or rare earth ions (Yb) so as to sufficiently absorb the excitation light. , Nd, Er, Pr, Dy, Ce, Tb, etc.)), the ferrules 31 and 32 are bonded to both ends of the fiber 19, and the ferrules 31 and 32 and the fiber 19 are placed in the housing 30.
  • the side plates 30c and 30d on both sides of the housing 30 are accommodated in a state of being in contact with each other by using a heat conductive paste while suppressing the thermal resistance as much as possible.
  • the housing 30 has a structure that is divided into upper and lower halves in FIGS. 2A and 2B, and when the upper portion 30a and the lower portion 30b are butted against each other, the ferrules 31 and 32 are formed in the side plates 30c and 30d. It is located in a circular notch and is supported so as to be sandwiched. As shown in FIGS. 2 and 3, the fiber 19 is inserted by applying an adhesive into the through holes of the ferrules 31 and 32.
  • the length of the fiber 19 is about 30 cm or less, but it may be 20, 15, 10 cm or less. Further, the fiber 19 preferably has, for example, a fiber core made of a fluoride glass material and having a Pr element addition concentration of 1500 to 5000 ppm.
  • the ferrules 31 and 32 from a metal (for example, copper, aluminum, stainless steel, nickel, an alloy thereof, etc.) which is a highly thermally conductive material, (1) efficiency from the end of the fiber is achieved. Excellent heat conduction, (2) Protection of fiber ends that are thin and easily broken due to weak mechanical strength, (3) Easy polishing of fiber end faces, (4) Easy formation of dielectric coating film on fiber end faces Can be realized.
  • a metal for example, copper, aluminum, stainless steel, nickel, an alloy thereof, etc.
  • the housing 30 is made of a metal material (for example, copper, aluminum, stainless steel, nickel, an alloy thereof, etc.) which is a highly thermally conductive material, and the side plates 30c and 30d of the housing 30 are formed in a form in which thermal resistance is suppressed as much as possible.
  • the heat generated in the fiber 19 from the ferrules 31 and 32 in contact with the fiber 19 can be efficiently conducted and dissipated. Therefore, the housing 30 also functions as a radiator.
  • the heat radiated from the housing 30 can be effectively discharged by using a cooling fan, a water cooling device, a Peltier element, or the like provided in the housing 30 to discharge the heat accumulated in the fiber 19. ..
  • the housing 30 and the ferrules 31 and 32 are made of a material that matches or approximates the coefficient of thermal expansion of the material of the fiber 19, and is caused by the difference in the coefficient of thermal expansion caused by heat accumulation during high output operation of the apparatus. , It is possible to prevent damage to the fiber end face and the dielectric multilayer film coating surface.
  • the materials constituting the housing 30 and the ferrules 31 and 32 have a coefficient of thermal expansion similar to that of the material of the fiber 19 and have a high thermal conductivity, so that the fiber produced by shortening the fiber length. Problems caused by heat accumulation can be avoided.
  • Fiber 19 is a fluoride fiber, the fiber diameter is 280 ⁇ m, and the fiber length is 17 cm. 3000ppm Pr is added to the fiber core. Zirconia ferrules 31 and 32 are attached to both ends of the fiber 19. The outer diameters of the ferrules 31 and 32 are 2.5 mm, the length is 12 mm, the inner diameter is 282 ⁇ m, and the fiber 19 is inserted and then bonded with a resin adhesive. Further, the fiber 19 and the ferrules 31 and 32 are supported and fixed by an aluminum housing 30 for heat transfer cooling.
  • the excitation side end face of the fiber 19 is coated with a highly reflective dielectric multilayer film at a wavelength of 638 nm
  • the exit mirror 21 is coated with a non-reflective dielectric multilayer film at a wavelength of 442 nm.
  • a laser resonator was constructed. According to this configuration, as shown in FIG. 5, the fiber laser output of 0.425 W was achieved and the improvement of the output was confirmed, but the phenomenon that the output (wavelength 638 nm) was saturated at the excitation semiconductor laser input of 2.5 W with a wavelength of 442 nm occurred. It was observed.
  • the probable cause is the heat saturation phenomenon caused by the heat accumulation on the fiber end face.
  • the concentration of the active element added to the gain fiber was low and did not cause a problem.
  • remarkable heat accumulation appears at the excited end face of the fiber. It is.
  • the temperature of the ferrule itself will rise. Therefore, a mechanism for efficiently dissipating the heat of the ferrule is required.
  • the refractive index of the fiber changes.
  • the light transmitted through the fiber is confined by the difference in refractive index between the core material and the clad material.
  • the change in the refractive index due to the temperature change changes the difference in the refractive index, so that the mode propagating in the fiber changes. If the temperature is different between the tip and the center of the fiber, the propagation mode changes while propagating in the fiber, so that part of the light cannot propagate and is emitted to the outside of the fiber.
  • the temperature change in the propagation direction of the fiber causes a decrease in transmission efficiency. Therefore, it is necessary to have a mechanism that dissipates heat from the temperature at the tip and diffuses it throughout the fiber to make the temperature uniform. Due to these causes, the absorption coefficient for excitation light decreases, the stimulated emission cross-sectional area decreases, the oscillation wavelength shifts, the loss increases due to changes in the refractive index, the beam quality deteriorates due to thermal birefringence, and the thermal saturation phenomenon appears. It is thought that it was.
  • the fiber 19 which is the laser medium is a fluoride fiber
  • the fiber diameter is 280 ⁇ m
  • the fiber length is 17 cm.
  • 3000ppm Pr is added to the fiber core.
  • Nickel ferrules 31 and 32 are attached to both ends of the fiber.
  • the outer diameter of the ferrule is 2.5 mm and the length is 12 mm.
  • the inner diameter of the ferrule is 282 ⁇ m, and the fibers are inserted and then bonded with a resin adhesive. Further, the fiber 19 and the ferrules 31 and 32 are supported and fixed by the copper housing 30.
  • the excitation side end face 19a of the fiber 19 is coated with a highly reflective dielectric multilayer film coating at a wavelength of 638 nm
  • the exit mirror 21 is coated with a dielectric multilayer film coating having a reflectance of 67% at a wavelength of 638 nm.
  • the thermal conductivity of fluoride fiber, nickel and copper is 0.898W / mK, 91W / mK and 403W / mK, respectively. Further, each of the thermal expansion coefficient is 18.6 ⁇ 10 -6 /K,13.4 ⁇ 10 -6 /K,16.5 ⁇ 10 -6 / K.
  • Nickel and copper have a high thermal conductivity while having a coefficient of thermal expansion close to that of fluoride fiber. As a result, as shown in FIG. 6, a fiber laser output (wavelength 638 nm) of 1.0 W and an efficiency of about 20% were obtained with respect to an excitation semiconductor laser input of 5.0 W having a wavelength of 442 nm, and the output was not saturated.
  • the laser output is saturated at the fiber laser output of 0.425W for the excitation semiconductor laser input of 2.5W, and more output can be obtained. There wasn't. This is because heat is accumulated in the fiber due to the low thermal conductivity of the zirconia ferrule, and the temperature rises, resulting in a decrease in the absorption coefficient for the wavelength of the excited semiconductor laser, a decrease in the stimulated emission cross-sectional area of the fiber material, and an increase in propagation loss. responsible. On the other hand, in this embodiment, the laser output was increased and the efficiency was improved by replacing the ferrule and the housing having a high thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion close to that of the fiber material.
  • the material constituting the ferrule and the housing other materials can be used as long as the coefficient of thermal expansion is close to the coefficient of thermal expansion of the fiber and has a high thermal conductivity of, for example, 90 W / mK or more.
  • the fiber laser apparatus of the present invention it is possible to avoid problems caused by heat accumulation of fibers caused by shortening the fiber length, so that it is possible to realize and provide a compact and compact apparatus configuration with strong social demand.
  • Fiber laser device 11 11A
  • Semiconductor laser 19 Fiber 30 Housing 30a Upper 30b Lower 30c, 30d Side plate 31, 32 Ferrule

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Abstract

装置小型化のためのファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避し得るファイバーレーザー装置を提供する。このファイバーレーザー装置（１０）は、高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバー（１９）を用い、ファイバー（１９）の端部にはフェルール（３１，３２）が挿入され、ファイバー（１９）を収容しフェルール（３１，３２）で支持するハウジング（３０）を備え、ハウジング（３０）およびフェルール（３１，３２）はそれぞれ、ファイバー（１９）の素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成される。

Description

ファイバーレーザー装置
　本発明は、小型コンパクトに構成可能なファイバーレーザー装置に関する。
　活性元素（希土類元素、遷移元素、または希土類イオン（Yb,Nd,Er,Pr,Dy,Ce,Tb等））を添加した光ファイバーを用いたファイバーレーザー装置の従来の構成例を図７に示す。この従来例は、10mを超える程度の長さの利得ファイバーを巻き取り巻回した円形状のファイバー２と、細く機械的強度が弱いために折れやすいファイバー２をサポートするためにファイバー２の入出力端に設けられたジルコニア製のフェルール１と、ファイバー２を支持し熱排出のための基板・放熱器３と、冷却ファン（または水冷装置）４と、を備える。フェルール１にはニッケルやステンレス鋼が使用され場合があるが、その目的は、ファイバー先端を溶接固定するためである。ファイバー２は、レーザー装置をできるだけコンパクトにするために巻回され、冷却効率を向上させるためファイバー同士が重ならないようにしている。その巻回された径はおおよそ30cm程度以下である。基板・放熱器３とファイバー２とは熱伝導性ペーストを用い、熱抵抗を極力抑えた形で接触している。基板・放熱器３では、冷却ファン（または水冷装置）４やペルチエ素子を用いてファイバー２に蓄積される熱が排出される。ファイバー２の希土類添加濃度を低濃度とし、また、その条長を長くすることで冷却面積の向上および熱蓄積のファイバー長方向への分散効果の二つが得られ、効率的な冷却が可能となる。
　特許文献１は、多数回巻回された長い１本のレーザーファイバーが直方体状の透明な紫外線硬化性樹脂中に隙間なく埋めこまれて固定され、両端部が外部に露出している光ファイバーレーザー装置を開示する。
特開平１０－１３５５４８号公報
　図７の従来のファイバーレーザー装置は、長さ10m程度の利得ファイバーを使用するのでファイバーを巻回する必要があり、このため巻回径以下の小型コンパクトな設計は困難であり、小型コンパクトな構造とするには限界があった。特許文献１の光ファイバーレーザー装置も同様であり、また、多数回巻回された長いレーザーファイバーが紫外線硬化性樹脂中に隙間なく埋めこまれる構造は排熱効率が低下する。
　小型コンパクトな装置構成は社会的な要請から来る課題であって、この課題解決のためには、ファイバー長を短尺化（30cm程度以下、あるいは20、15,10cm以下でもよい）するために、従来よりも高濃度の活性元素（希土類元素、遷移元素等、あるいは希土類イオン（Yb,Nd,Er,Pr,Dy,Ce,Tb等））が添加された利得ファイバーを使う必要があるが、短尺化すると、ファイバーの熱蓄積の問題が生じる。
　本発明は、装置小型化のためのファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避し得るファイバーレーザー装置を提供することを目的とする。
　上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映したファイバーレーザー装置は、高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、前記ハウジングおよび前記フェルールはそれぞれ、前記ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成される。
　このファイバーレーザー装置によれば、ハウジングおよびフェルールはそれぞれ、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成されるので、装置作動中のファイバー端部における熱蓄積を低減でき、熱蓄積に起因する問題を回避できる。すなわち、ハウジングおよびフェルールは、熱伝導性の高い金属材料から構成されることで、従来のたとえばジルコニアなどのセラミックスよりも熱伝導性が向上するので、ファイバー端部における熱蓄積を低減でき、また、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した材料であるので、ファイバーが熱蓄積をしてもハウジングおよびフェルールから熱膨張係数の差により受けるストレスを低減できる。このように、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を防止できるので、ファイバー短尺化による装置の小型化を実現できる。
　上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した別のファイバーレーザー装置は、高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、前記フェルールおよび前記ハウジングは、90W/mK以上の熱伝導率と、10×10-6～30×10-6/Kの熱膨張係数と、を有する材料から構成される。
　このファイバーレーザー装置によれば、ハウジングおよびフェルールはそれぞれ、90W/mK以上の熱伝導率と、10×10-6～30×10-6/Kの熱膨張係数と、を有する材料から構成されるので、装置作動中のファイバー端部における熱蓄積を低減でき、熱蓄積に起因する問題を回避できる。すなわち、ハウジングおよびフェルールは、90W/mK以上の熱伝導性の高い材料から構成されることで、従来のたとえばジルコニアなどのセラミックスよりも熱伝導性が向上するので、ファイバー端部における熱蓄積を低減でき、また、10×10-6～30×10-6/Kの熱膨張係数を有し、ファイバーの素材の熱膨張係数に近似するので、ファイバーが熱蓄積をしてもハウジングおよびフェルールから熱膨張係数の差により受けるストレスを低減できる。このように、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を防止できるので、ファイバー短尺化による装置の小型化を実現できる。
　上記各ファイバーレーザー装置において、前記ファイバーの長さが300mm以下であり、また、前記ファイバーの素材がフッ化物ガラス材料であり、また、前記ファイバーは、Pr元素の添加濃度が1500～5000ppmであるファイバーコアを有することが好ましい。
　また、上記ファイバーレーザー装置は、520nm±10nm、610nm±10nm、638nm±10nmのいずれか１つの波長、または、いずれか２つの波長でレーザー発振することが好ましい。
　本発明のファイバーレーザー装置によれば、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避し得るので、装置小型化を実現できる。
本実施形態によるファイバーレーザー装置の概略的構成を示す光路図である。 図１のファイバーを収容したハウジングを概略的に示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 図２（ａ）のファイバーの端部に取り付けられたフェルールを示す図である。 本事前検討例で用いたファイバーレーザー装置の概略的構成を示す光路図である。 本事前検討例で得られた図４のファイバーレーザー装置の基本出力特性を示すグラフである。 本実施例で得られた図１のファイバーレーザー装置の基本出力特性を示すグラフである。 従来のファイバーレーザー装置の要部構成例を示す図である。
　以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態によるファイバーレーザー装置の概略的構成を示す光路図である。図２は、図１のファイバーを収容したハウジングを概略的に示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。図３は図２（ａ）のファイバーの端部に取り付けられたフェルールを示す図である。
　図１のように、本実施形態によるファイバーレーザー装置１０は、半導体レーザー１１，１１Ａと、レンズ１２，１２Ａと、波長板１３と、半導体レーザー１１からのレンズ１２を通したレーザー光と半導体レーザー１１Ａからのレンズ１３Ａ，波長板１３を通して９０°の位相差を与えられたレーザー光とが入射して合波する偏光ビームスプリッター１４と、偏光ビームスプリッター１４からのレーザー光が入射し出射するアナモルフィックプリズムペア１５と、アナモルフィックプリズムペア１５からのレーザー光を全反射する全反射ミラー１６，１７と、を備える。
　ファイバーレーザー装置１０は、さらに、全反射ミラー１７からのレーザー光が入射するレンズ１８と、レンズ１８からのレーザー光が入射する短尺型のファイバー１９と、ファイバー１９からのレーザー光が入射するレンズ２０と、レンズ２０からのレーザー光を出射する出射ミラー２１と、を備える。
　たとえば、半導体レーザーの発振波長を４４２ｎｍとして、フッ化物ファイバーを励起すると、波長５２０ｎｍ（緑），６１０ｎｍ（オレンジ），６３８ｎｍ（赤）の強いスペクトルが発光するが、ファイバー１９の入射端面１９ａと出射ミラー２１とにおけるコーティングにより、たとえば、６３８ｎｍを選択すれば、赤色の基本波レーザー光が出力し、また、たとえば、６１０ｎｍと６３８ｎｍとを選択すれば、オレンジと赤色の基本波レーザー光が出力する。
　ファイバーレーザー装置１０をより小型コンパクトな構造にて設計するためには、利得ファイバー中の希土類元素濃度をより高濃度にし、その条長を短くする必要がある。そのためには、この短尺化により生じるファイバー１９の熱蓄積を効果的に回避し得る排熱手段が課題となる。
　かかる排熱手段としての装置構成は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、励起光を十分に吸収するように高濃度の活性元素（希土類元素、遷移元素等、または希土類イオン（Yb,Nd,Er,Pr,Dy,Ce,Tb等））により短尺化されたファイバー１９の両端にフェルール３１，３２を接着し、フェルール３１，３２とファイバー１９をハウジング３０内にフェルール３１，３２がハウジング３０の両側の側板３０ｃ，３０ｄに熱伝導性ペーストを用いて熱抵抗を極力抑えて接触させた状態で収容されるようになっている。
　すなわち、ハウジング３０は、図２（ａ）（ｂ）の上下に半割された構造で、上部３０ａと下部３０ｂとを突き合わせたとき、フェルール３１，３２が各側板３０ｃ，３０ｄに形成された半円状の切欠部に位置し挟み込まれるようにして支持されるようになっている。ファイバー１９は、図２，図３のように、フェルール３１，３２の貫通孔内に接着剤を適用して挿入されている。
　なお、ファイバー１９の長さは、30cm程度以下であるが、20,15,10cm以下でもよい。また、ファイバー１９は、たとえば、フッ化物ガラス材料を素材とし、Pr元素の添加濃度が1500～5000ppmであるファイバーコアを有することが好ましい。
　ここで、フェルール３１，３２を、高熱伝導性材料である金属（たとえば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、それらの合金など）から構成することで、(1)ファイバーの端部からの効率的な熱伝導、(2)細く機械的強度が弱いために折れやすいファイバー端の保護、(3)ファイバー端面の研磨作業の容易化、(4)ファイバー端面への誘電体コーティング膜の形成の容易化を実現できる。
　また、ハウジング３０は、高熱伝導性材料である金属材料（たとえば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、それらの合金など)から構成され、熱抵抗を極力抑えた形でハウジング３０の側板３０ｃ，３０ｄに接触したフェルール３１，３２からファイバー１９で生じた熱を効率よく伝導し、放熱することができる。このため、ハウジング３０は放熱器としても機能する。ハウジング３０から放熱された熱は、ハウジング３０に設けられた冷却ファン、水冷装置、または、ペルチエ素子等を用いて排出することで、ファイバー１９に蓄積される熱を効果的に排出することができる。
　また、ハウジング３０およびフェルール３１，３２は、ファイバー１９の素材の熱膨張係数と一致または近似した材料から構成することで、装置の高出力動作時の熱蓄積により生じる熱膨張係数の違いに起因する、ファイバー端面や誘電体多層膜コーティング面の破損を防ぐことができる。
　以上のように、ハウジング３０およびフェルール３１，３２を構成する各材料は、ファイバー１９の素材と近似する熱膨張係数を有し、かつ、高い熱伝導率を有することで、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避することができる。
　〈実施例〉
　次に、本発明を実施例・事前検討例により具体的に説明する。ただし、本発明は、本実施例に限定されるものではない。
　（事前検討例）
　まず、本発明に関し事前に検討した事前検討例について説明する。この事前検討例では、図４に示すファイバーレーザー装置を使用したが、この装置は、図１において半導体レーザー１１Ａ，レンズ１２Ａ，および、波長板１３を省略した構成である。ファイバー１９を、フェルール３１，３２を用いて図２，図３と同様の構造のハウジング３０に収容し固定した。
　ファイバー１９をフッ化物ファイバーとし、ファイバー径が280μm、ファイバー長は17cmである。ファイバーコアに3000ppmのPrを添加している。ファイバー１９の両端にはジルコニア製フェルール３１，３２を装着している。フェルール３１，３２の外径は2.5mm、長さが12mmで、内径が282μmであり、ファイバー１９を挿入後、樹脂接着剤で接着している。また、ファイバー１９およびフェルール３１，３２は、伝熱冷却のためアルミニウム製のハウジング３０によって支持固定されている。この構造にて、ファイバー１９の励起側端面に波長638nmで高反射の誘電体多層膜コーティング、および、出射ミラー２１に波長442nmで無反射の誘電体多層膜コーティングを施し、外部ミラー67%にてレーザー共振器を構成した。かかる構成によれば、図５のように、ファイバーレーザー出力0.425Wが達成され、出力の向上が確認されたが、波長442nmの励起半導体レーザー入力2.5Wにおいて出力（波長638nm）が飽和する現象が観測された。
　かかる原因として考えられるのは、ファイバー端面の熱蓄積によって生じる熱飽和現象である。図７に示す従来のファイバーレーザー装置の構成では、利得ファイバーの活性元素添加濃度が低く問題とならなかったが、小型コンパクト化を目指したファイバー短尺化によりファイバーの励起端面において顕著な熱蓄積が現れるのである。
　長時間レーザー動作を行うと、フェルール自身も温度が上昇する。そのため、フェルールの熱を効率よく放熱する機構が必要である。一方、ファイバー先端の温度が上昇すると、ファイバーの屈折率が変化する。ファイバー内を伝送する光は、コア材料とクラッド材料の屈折率差によって閉じ込められている。しかし、温度変化により屈折率変化は、その屈折率差を変えるため、ファイバー内を伝搬するモードが変化する。ファイバー先端部と中心部で温度が異なると、ファイバー内を伝播する間に伝搬モードが変わることになるため、光の一部は伝搬できずファイバーの外へ放出される。その結果、ファイバーの伝搬方向の温度変化は、伝送効率の低下を引き起こす。そのため、先端部の温度は放熱するとともに、ファイバー全体に拡散し温度の一様化を図る機構が必要である。これらの原因により、励起光に対する吸収係数の低下、誘導放出断面積の低下、発振波長のシフト、屈折率変化による損失の増加、熱複屈折によるビーム品質の低下などが起こり、熱飽和現象が現れたと考えられる。
　また、過度の熱蓄積はファイバーがハウジングおよびフェルールから熱膨張係数の差に起因するストレスを受けるため出力が低下し、ファイバー端面の破壊やコーティングの破壊に繋がる場合があるため、解決すべき問題である。
　（実施例）
　上記事前検討例で判明した熱飽和現象の軽減のために本実施例では次の改善を行った。
(1)ファイバー端面を保持するフェルールには、セラミックスに代えてより熱伝導率の高い金属性のフェルールを用いた。
(2)高出力動作時の熱蓄積により生じる熱膨張係数の違いに起因する、ファイバー端面や誘電体多層膜コーティング面の破損を防ぐため、フッ化物ファイバー、フェルール、ハウジングの各材料として、熱膨張係数の一致または近似する材料を選択した。
　具体的には、図１～図３において、レーザー媒質であるファイバー１９は、フッ化物ファイバーであり、ファイバー径が280μm、ファイバー長は17cmである。ファイバーコアに3000ppm のPrを添加している。ファイバー両端にはニッケル製フェルール３１，３２を装着している。フェルールの外径は2.5mmで長さ12mmである。フェルールの内径は282μmであり、ファイバーを挿入後樹脂接着剤で接着している。また、ファイバー１９およびフェルール３１，３２は銅製のハウジング３０によって支持固定されている。この構造にて、ファイバー１９の励起側端面１９ａに波長638nmで高反射の誘電体多層膜コーティング、および、出射ミラー２１に波長638nmで反射率６７％の誘電体多層膜コーティングを施し、レーザー共振器を構成した。
　フッ化物ファイバー、ニッケル、銅の熱伝導率はそれぞれ、0.898W/mK、91W/mK、403W/mKである。また、それぞれの熱膨張係数は、18.6×10-6/K、13.4×10-6/K、16.5×10-6/Kである。ニッケルおよび銅は、フッ化物ファイバーと近い熱膨張係数を有しながら、高い熱伝導率を有する。その結果、図６のように、波長442nmの励起半導体レーザー入力5.0Wに対して、ファイバーレーザー出力（波長638nm）1.0W、効率約20%を得て、また、出力は飽和しなかった。
　事前検討例のように、フェルールにジルコニア材料、ハウジングにアルミニウム材料を用いた構造では、励起半導体レーザー入力2.5Wに対してファイバーレーザー出力0.425Wでレーザー出力は飽和し、それ以上の出力は得られなかった。これは、ジルコニア製フェルールの熱伝導性が低いためファイバーに熱が蓄積し、温度が上昇したため励起半導体レーザーの波長に対する吸収係数の低下、ファイバー材料の誘導放出断面積の低下、伝搬損失の増加が原因である。これに対し、本実施例では、高熱伝導率とファイバー材料に近い熱膨張係数とを有するフェルールおよびハウジングに置き換えることにより、レーザー出力の増大および効率の改善が図られた。
　以上のように本発明を実施するための形態および実施例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、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。たとえば、図１のファイバーレーザー装置の構成は、一例であって、他の構成であってもよいことはもちろんである。
　また、フェルールおよびハウジングを構成する材料として、熱膨張係数がファイバーの熱膨張係数に近似し、たとえば90W/mK以上の高熱伝導率を有するものであれば、他の材料も使用可能である。
　本発明のファイバーレーザー装置によれば、ファイバー短尺化により生じるファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避できるので、社会的な要請の強い小型コンパクトな装置構成を実現し提供できる。
１０ ファイバーレーザー装置
１１，１１Ａ 半導体レーザー
１９ ファイバー
３０ ハウジング
３０ａ 上部
３０ｂ 下部
３０ｃ，３０ｄ 側板
３１，３２ フェルール

Claims (6)

  1. 　高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、
    　前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、
    　前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、
    　前記ハウジングおよび前記フェルールはそれぞれ、前記ファイバーの素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成されるファイバーレーザー装置。
  2. 　高濃度に活性元素が添加された短尺型ファイバーを用いたファイバーレーザー装置であって、
    　前記ファイバーの端部にはフェルールが挿入され、
    　前記ファイバーを収容し前記フェルールで支持するハウジングを備え、
    　前記フェルールおよび前記ハウジングは、90W/mK以上の熱伝導率と、10×10-6～30×10-6/Kの熱膨張係数と、を有する材料から構成されるファイバーレーザー装置。
  3. 　前記ファイバーの長さが300mm以下である請求項１または２に記載のファイバーレーザー装置。
  4. 　前記ファイバーの素材がフッ化物ガラス材料である請求項１乃至３のいずれかに記載のファイバーレーザー装置。
  5. 　前記ファイバーは、Pr元素の添加濃度が1500～5000ppmであるファイバーコアを有する請求項４に記載のファイバーレーザー装置。
  6. 　520nm±10nm、610nm±10nm、638nm±10nmのいずれか１つの波長、または、いずれか２つの波長でレーザー発振する請求項１乃至５のいずれかに記載のファイバーレーザー装置。
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