(57)【要約】【課題】アクティブファイバの冷却の均一性および組み立て作業の容易性向上させることができるアクティブファイバ冷却装置およびファイバレーザ発振器を提供すること。【解決手段】巻回部５の外周面に、アクティブファイバ３が基板４の裏面４１側に向かって螺旋状に巻回され、巻回されたアクティブファイバ３の外周に、冷却手段７がアクティブファイバ３を押圧保持するように配置されていること。【選択図】図１
2014093475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向の両端面の間において前記端面から入射された励起光を用いてレーザ光を発振するアクティブファイバを冷却するアクティブファイバ冷却装置であって、
基板と、
この基板の裏面上に配置された筒状の外周面を有する巻回部と
を備え、
前記巻回部の外周面に、前記アクティブファイバが前記裏面の反対側から前記裏面側に向かって螺旋状に巻回され、
前記外周面に巻回された前記アクティブファイバの外周に、前記アクティブファイバを冷却する冷却手段が、前記アクティブファイバを径方向外方から押圧保持するように配置されていること
を特徴とするアクティブファイバ冷却装置。
【請求項２】
前記アクティブファイバにおける最も前記裏面側に巻回された最後の一巻き部分が、前記巻回部に対して弛みを有した状態で前記裏面に固定されていること
を特徴とする請求項１に記載のアクティブファイバ冷却装置。
【請求項３】
前記アクティブファイバと前記冷却手段との間に、粘着性を有する熱伝導シートが介在されていること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のアクティブファイバ冷却装置。
【請求項４】
前記冷却手段は、冷媒が流通する中空の冷却リングを有すること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアクティブファイバ冷却装置。
【請求項５】
前記冷却リングは、前記巻回部の高さ方向に重ねられた複数の角管を有すること
を特徴とする請求項４に記載のアクティブファイバ冷却装置。
【請求項６】
前記冷却手段は、前記アクティブファイバにおける前記端面側の部位を前記冷却リングの外側に導きつつ冷却するための捻られた丸管を有すること
を特徴とする請求項５に記載のアクティブファイバ冷却装置。
【請求項７】
前記最後の一巻き部分は、熱伝導性を有する貼着部材によって前記裏面に貼着されていること
を特徴とする請求項２に記載のアクティブファイバ冷却装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のアクティブファイバ冷却装置と、
このアクティブファイバ冷却装置の前記基板における表面に配置され、前記アクティブファイバの前記端面に光学的に結合される光学系と
を備えたことを特徴とするファイバレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブファイバ冷却装置およびこれを備えたファイバレーザ発振器に係り、特に、アクティブファイバの冷却に好適なアクティブファイバ冷却装置およびこれを備えたファイバレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アクティブファイバの端面から励起光を入射させてレーザ光を発振させるファイバレーザ発振器に関する種々の技術が提案されており、例えば、本出願人は、ラージモードエリアのアクティブファイバを用いたファイバレーザ発振器を提案している（特許文献１参照）。
【０００３】
近年、この種のファイバレーザ発振器においては、その出力を増大させることが要求されており、このような要求に応えるべく出力を増大させる場合には、アクティブファイバ内における発熱量の増大をともなうことになる。
【０００４】
したがって、このような高出力のファイバレーザ発振器においては、発熱によるアクティブファイバの光学性能の劣化（溶融や破損を含む）を回避するために、アクティブファイバを冷却する技術が不可欠となる。
【０００５】
かかるアクティブファイバの冷却に関する技術としては、例えば、本出願人によって以下の特許文献２に示すような技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５３０７５号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に記載の技術によれば、冷媒流路が配置された金属平板（基板）上に、アクティブファイバの巻き体部を金属製放熱部材（シール）を用いて貼り付けることによって、アクティブファイバの冷却効率を向上させることができ、また、アクティブファイバを取り付ける作業を簡便化することができる。
【０００８】
本発明者等は、このような特許文献２に記載の技術の利点を考慮しつつ、更に、アクティブファイバの冷却の均一性および組み立て作業の容易性を向上させるべく鋭意研究した結果、本願発明をなすに至った。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みなされたものであり、アクティブファイバの冷却の均一性および組み立て作業の容易性を向上させることができるアクティブファイバ冷却装置およびこれを備えたファイバレーザ発振器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した目的を達成するため、本発明に係るアクティブファイバ冷却装置は、長手方向の両端面の間において前記端面から入射された励起光を用いてレーザ光を発振するアクティブファイバを冷却するアクティブファイバ冷却装置であって、基板と、この基板の裏面上に配置された筒状の外周面を有する巻回部とを備え、前記巻回部の外周面に、前記アクティブファイバが前記裏面の反対側から前記裏面側に向かって螺旋状に巻回され、前記外周面に巻回された前記アクティブファイバの外周に、前記アクティブファイバを冷却する冷却手段が、前記アクティブファイバを径方向外方から押圧保持するように配置されていることを特徴としている。
【００１１】
そして、このような構成によれば、巻回部にアクティブファイバを螺旋状に巻回することによって巻き径を均一にし、このようなアクティブファイバを冷却手段によって外側から押さえつけながら冷却することで、冷却を均一に行うことができるとともに、組み立て工数の削減による組み立て作業の容易化が可能となる。
【００１２】
また、前記アクティブファイバにおける最も前記裏面側に巻回された最後の一巻き部分が、前記巻回部に対して弛みを有した状態で前記裏面に固定されていてもよい。そして、このような構成によれば、最後の一巻き部分を、巻回部に対して意図的に弛みを持たせた状態で基板の裏面に固定するように構成したことで、巻回径のばらつきが生じた場合においても、これを最後の一巻きの際に事後的に調整・低減させることができるので、冷却の均一性を更に確実に確保することができるとともに、組み立て作業を更に容易に行うことができ、また、作業者もしくは製品ごとの組み立てのばらつきを緩和することができる。また、前記アクティブファイバと前記冷却手段との間に、粘着性を有する熱伝導シートが介在されていてもよい。
【００１３】
そして、このような構成によれば、熱伝導シートにより、アクティブファイバの冷却効率を更に向上させることができるとともに、粘着性を利用してアクティブファイバを更に簡便かつ安定的に保持することができる。
【００１４】
さらに、前記冷却手段は、冷媒が流通する中空の冷却リングを有していてもよい。
【００１５】
そして、このような構成によれば、アクティブファイバを簡易な構成によって効率良く冷却することができる。
【００１６】
さらにまた、前記冷却リングは、前記巻回部の高さ方向に重ねられた複数の角管を有していてもよい。
【００１７】
そして、このような構成によれば、角管を高さ方向に重ねることで、アクティブファイバへの密接性が良好かつ均一な高さ方向に面一の冷却面を形成することができるので、アクティブファイバの冷却効率および冷却の均一性を更に向上させることができる。
【００１８】
また、前記冷却手段は、前記アクティブファイバにおける前記端面側の部位を前記冷却リングの外側に導きつつ冷却するための捻られた丸管を有していてもよい。
【００１９】
そして、このような構成によれば、アクティブファイバにおける端面側の部位を、この部位の冷却を確保しながらレーザ発振用の光路を形成するために冷却リングの外側に配置させることができる。
【００２０】
さらに、前記最後の一巻き部分は、熱伝導性を有する貼着部材によって前記裏面に貼着されていてもよい。
【００２１】
そして、このような構成によれば、最後の一巻き部分の固定および冷却を簡便かつ適切に行うことができる。
【００２２】
さらにまた、本発明に係るファイバレーザ発振器は、上記各構成のアクティブファイバ冷却装置と、このアクティブファイバ冷却装置の前記基板における表面に配置され、前記アクティブファイバの前記端面に光学的に結合される光学系とを備えたことを特徴としている。
【００２３】
そして、このような構成によれば、アクティブファイバの冷却を均一に行うことができるとともに、組み立て作業を容易かつ均一に行うことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、アクティブファイバの冷却の均一性および組み立て作業の容易性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係るアクティブファイバ冷却装置およびファイバレーザ発振器の実施形態を示す平面図
【図２】図１の下面図
【図３】図１の概略分解斜視図
【図４】アクティブファイバの部分縦断斜視図
【図５】冷却リングの横断面図
【図６】丸管の構成を説明するための説明図
【図７】貼着部材の一例を示す斜視図
【図８】本発明の第１の変形例を示す概略構成図
【図９】本発明の第２の変形例を示す概略構成図
【図１０】本発明の第３の変形例を示す概略構成図
【図１１】本発明の第４の変形例を示す概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係るアクティブファイバ冷却装置およびこれを備えたファイバレーザ発振器の実施形態について、図１乃至図７を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本実施形態におけるアクティブファイバ冷却装置１およびファイバレーザ発振器２を示す平面図である。また、図２は、図１の下面図である。さらに、図３は、図１の概略分解斜視図である。
【００２８】
図１および図３に示すように、本実施形態におけるアクティブファイバ冷却装置１は、長尺なアクティブファイバ３を有しており、このアクティブファイバ３の一方の端面３ａに励起光Ｌを入射させるように構成されている。励起光Ｌは、例えば、９００ｎｍ〜９９０ｎｍの波長に設定されていてもよい。
【００２９】
このアクティブファイバ３は、例えば、図４に示すようなダブルクラッドファイバ３からなるラージモードエリアのアクティブファイバであってもよい。因みに、このダブルクラッドファイバ３は、中心軸部のコア(active core)３１の外周に、インナークラッド(multimode pump core)３２、アウタークラッド(air cladding)３３およびサポート層３４を順次被覆することによって形成されている。なお、コア３１には、希土類元素がドープされていることが望ましい。
【００３０】
このアクティブファイバ３は、図１および図３に示すように、金属製平板からなる基板４の裏面４１上に立設された巻回部としての金属製のファイバ巻回用円筒部５に巻回されている。具体的には、アクティブファイバ３のうち、長手方向の両端面３ａ、３ｂ側の所定範囲の部位を除く大部分の部位は、ファイバ巻回用円筒部５の円筒状の外周面５１に、基板４の裏面４１の反対側（図３における上端側）から裏面４１側（図３における下端側）に向かう巻き順で螺旋状に巻回されている。
【００３１】
また、図３に示すように、アクティブファイバ３におけるファイバ巻回用円筒部５の外周面５１に巻回された部位の外周には、粘着性および柔軟性を有する熱伝導シート６が貼り付けられている。なお、熱伝導シート６の高さ方向（図３における上下方向）の幅（範囲）は、この熱伝導シート６の粘着力によってアクティブファイバ３を巻回位置に保持する観点から、アクティブファイバ３の巻回幅（高さ方向における占有範囲）よりも太幅（広範囲）であることが望ましい。また、熱伝導シート６は、例えば、ＰＴ−ＵＴ（ポリマテック社製）等の高熱伝導放熱シートであってもよい。さらに、熱伝導シート６は、全周にわたって配置されていてもよい。
【００３２】
さらに、図１および図３に示すように、アクティブファイバ３におけるファイバ巻回用円筒部５の外周面５１に巻回された部位および熱伝導シート６の外周には、冷却手段７を構成する金属製の冷却リング７１が、熱伝導シート６を介してアクティブファイバ３を径方向外方から均一に押圧保持するように配置されている。ここで、冷却リング７１は、水等の冷媒を流通させるように中空状に形成されており、この流通される冷媒によって、アクティブファイバ３を冷却するようになっている。
【００３３】
より具体的には、図３および図５に示すように、冷却リング７１は、ファイバ巻回用円筒部５の高さ方向に重ねられた複数の角管７１１を有しており、これらの角管７１１は、互いに同径の円形状に湾曲されている。なお、角管７１１は、取り扱い性の観点から、後述する継ぎ手部７３、７４が設けられる長手方向の両端部同士の間隙を自由に調整できる程度の可撓性を有していることが望ましい。
【００３４】
また、図６に示すように、冷却手段７は、複数の丸管７２を有しており、これらの丸管７２は、アクティブファイバ３における両端面３ａ、３ｂ側の部位を、レーザ発振用の光路を形成するために冷却リング７１の外側に配置させ、なおかつ、冷却するために用いられるようになっている。図６に示すように、丸管７２は、角管７１１とほぼ同径の円形状に湾曲されている。また、互いに隣位する一対の丸管７２は、外周面同士が互いに接触されているとともに、接触位置（溝）にアクティブファイバ３を這わせるようにして周方向に向かうにしたがって捻られていることによって、アクティブファイバ３における両端面３ａ、３ｂ側の部位を冷却リング７１の外側（径方向外方）に導くようになっている。具体的には、同図の区間Ａにおいては、アクティブファイバ３が冷却リング７１の内側にあるのに対して、このアクティブファイバ３を這わせた丸管７２が周方向に向かって次第に捻られていることによって、区間Ｃにおいては、アクティブファイバ３が冷却リング７１の外側に導かれている。
【００３５】
さらに、図１および図３に示すように、冷却リング７１の周方向における両端部には、金属製の冷媒供給用継ぎ手部７３および冷媒排出用継ぎ手部７４がそれぞれ固設されており、両継ぎ手部７３、７４には、冷媒供給用のホース７５、冷媒排出用のホース７６がそれぞれ連結されるようになっている。これにより、冷却リング７１に対するホース７５、７６を介した冷媒の給排が行われるようになっている。なお、ホース７５、７６を介した冷媒の給排は、丸管７２に対しても行われるようにしてもよい。
【００３６】
さらにまた、図１および図３に示すように、両継ぎ手部７３、７４には、ねじおよびねじ穴等からなる締結構造７７が設けられている。そして、この締結構造７７により、両継ぎ手部７３、７４が着脱可能とされているとともに、締結量を調整することによって冷却リング７１によるアクティブファイバ３の押圧力を調整可能とされている。
【００３７】
また、図１および図３に示すように、アクティブファイバ３における最も裏面４１側に巻回された最後の一巻き部分３５は、ファイバ巻回用円筒部５に対して弛み（換言すれば、間隔もしくは遊び）を有した状態で、裏面４１に固定されている。この一巻き部分３５の固定は、図１に示すように、熱伝導性を有する貼着部材１１を用いた貼着によって行われている。この貼着部材１１は、図７に示すように、アルミシート１１１と粘着性の熱伝導シート１１２との２層構造を有するものであってもよい。この場合には、熱伝導シート１１２を最後の一巻き部分３５側に向ければよい。
【００３８】
さらにまた、図１および図３に示すように、アクティブファイバ３における前述した励起光Ｌが入射する長手方向の一方の端面（以下、第１端面と称する）３ａは、後述するレーザ発振光ＦＢに対して高反射（ＨＲ）となっている。一方、アクティブファイバ３の長手方向における他方の端面（以下、第２端面と称する）３ｂは、後述するレーザ発振光ＦＢの光軸に対して直角に形成されており、これにより、レーザ発振光ＦＢを部分反射（ＰＲ）させるようになっている。そして、このような構成により、励起光Ｌによってコアが励起されることによって発する光が第１端面３ａと第２端面３ｂとの間において反射・増幅されて、第２端面３ｂからレーザ発振光ＦＢとして出射されるようになっている。
【００３９】
また、図１に示すように、第１端面３ａに対する励起光Ｌの入射側の位置には、不図示の光源側から入射した励起光Ｌをコリメート（平行光に）するコリメートレンズ１２と、このコリメートレンズ１２によってコリメートされた励起光Ｌを第１端面３ａに向けて集光させる集光レンズ１３とが、同軸上に配置されている。これらの光学系１２、１３は、基板４の裏面４１に固着されたレセプタクル１５に収容されている。なお、図１に示すように、第１端面３ａには、レセプタクル１５に着脱可能とされたコネクタ３６が設けられており、このコネクタ３６のレセプタクル１５への装着状態において、レセプタクル１５内の光学系１２、１３と第１端面３ａとの光結合が確保されるようになっている。また、前述した丸管７２は、コネクタ３６に至る位置まで這わされていることが望ましい。
【００４０】
一方、図１に示すように、第２端面３ｂに対するレーザ発振光ＦＢの出射側の位置には、第２端面３ｂから出射されたレーザ発振光ＦＢをコリメートするコリメートレンズ１７と、このコリメートレンズ１７によってコリメートされたレーザ発振光ＦＢを基板４の表面４２（図２参照）側となる出力系側に反射させて取り出すための発振光取り出しミラー１８とが、同軸上に配置されている。これらの光学系１７、１８は、基板４の裏面４１に固着されたレセプタクル１９に収容されている。なお、図１に示すように、第２端面３ｂには、レセプタクル１９に着脱可能とされたコネクタ３７が設けられており、このコネクタ３７のレセプタクル１９への装着状態において、レセプタクル１９内の光学系１７、１８と第２端面３ｂとの光結合が確保されるようになっている。また、前述した丸管７２は、コネクタ３７に至る位置まで這わされていることが望ましい。
【００４１】
さらに、図２に示すように、基板４１の表面４２上には、発振光取り出しミラー１８によって取り出されたレーザ発振光ＦＢを出力させるための出力系ユニット２１が配設されている。この出力系ユニット２１は、アクティブファイバ冷却装置１とともにファイバレーザ発振器２を構成しており、アクティブファイバ３に光学的に結合される光学系を備えている。
【００４２】
具体的には、図２に示すように、出力系ユニット２１は、発振光取り出しミラー１８によって取り出されたレーザ発振光ＦＢを基板４の表面４２上に導く２枚の反射ミラー２１１を有している。また、反射ミラー２１１に対するレーザ発振光ＦＢの反射側の位置には、アイソレータユニット２１２が配置されている。このアイソレータユニット２１２は、反射ミラー２１１側から入射したレーザ発振光ＦＢを、所定の出射方向に出射させるようになっている。さらに、アイソレータユニット２１２に対するレーザ発振光ＦＢの出射側の位置には、複数の分光ミラー２１３が、アイソレータユニット２１２からの出射方向に間隔を設けて配置されている。これらの分光ミラー２１３は、アイソレータユニット２１２側から入射したレーザ発振光ＦＢを、反射および透過によって分光するようになっている。なお、各分光ミラー２１３による反射方向は、互いに同方向（平行）とされている。さらにまた、各分光ミラー２１３に対するレーザ発振光ＦＢの反射側の位置には、それぞれ集光レンズ２１４が配置されている。各集光レンズ２１４は、各分光ミラー２１３側からそれぞれ入射したレーザ発振光ＦＢを、各集光レンズ２１４にそれぞれ対応する出力用ファイバ２１５の端面に向けて集光させるようになっている。また、各分光ミラー２１３と各集光レンズ２１４との間には、不使用時に光路を切断するための安全シャッタ２１６が配置されている。
【００４３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００４４】
本実施形態においては、レーザダイオード等の光源によって発光されたパルス状の励起光Ｌが、コリメートレンズ１２によってコリメートされ、次いで、集光レンズ１３により第１端面３ａに集光されてアクティブファイバ３内に入射する。そして、アクティブファイバ３内に入射した励起光Ｌは、コア３１を励起することによって光を生じさせる。そして、このようにして生じた光は、両端面３ａ、３ｂを反射面としてアクティブファイバ３内を往復して次第に増幅される。
【００４５】
次いで、アクティブファイバ３内において増幅された光は、レーザ発振光ＦＢとして第２端面３ｂから出射される。その後、レーザ発振光ＦＢは、発振光取り出しミラー１８によって反射されて出射系ユニット２１側に取り出される。そして、取り出されたレーザ発振光ＦＢは、反射ミラー２１１、アイソレータユニット２１２、分光ミラー２１３および集光レンズ２１４を経て出力用ファイバ２１５の端面に入射する。そして、出力用ファイバ２１５に入射したレーザ発振光ＦＢは、レーザ加工等の用途に供される。
【００４６】
このとき、本実施形態においては、アクティブファイバ冷却装置１によってアクティブファイバ３を冷却することができるので、高出力のレーザ発振光ＦＢを安定的に出力させることができる。
【００４７】
とりわけ、本実施形態においては、ファイバ巻回用円筒部５にアクティブファイバ３を螺旋状に巻回することによって巻き径を均一にし、このようなアクティブファイバ３を冷却リング７１によって径方向外方から押圧保持しながら冷却することで、冷却を長手方向において均一に行うことができる。この結果、長尺なアクティブファイバ３の各位置同士の間に生じる温度差を抑えることができ、温度差によるアクティブファイバ３の破損の危険性を回避することができる。また、冷却リング７１として、冷却面が面一となるように複数の角管７１１が重ねられたものを用いることにより、均一な冷却をより安定的に確保することができる。
【００４８】
また、本実施形態においては、アクティブファイバ冷却装置１の組み立て作業を、ファイバ巻回用円筒部５へのアクティブファイバ３の巻き付けおよび冷却リング７１による押さえつけによって行うことにより、特許文献２に比較して、アクティブファイバ３を固定するためにテープを貼り付ける箇所を各段に少なくすることができるので、組み立て工数を削減することができる。
【００４９】
さらに、本実施形態によれば、最後の一巻き部分３５を、ファイバ巻回用円筒部５に対して意図的に弛みを持たせた状態で基板４の裏面４１に固定するように構成したことで、巻回径のばらつきが生じたとしても、これを最後の一巻きの際に事後的に調整して低減させることができる。この結果、特許文献２に比較して、アクティブファイバ３の巻き始めと巻き終わりで巻き径の違いが生じ難く、作業者もしくは製品ごとの組み立て精度のばらつきを緩和することができ、また、組み立て作業を容易に行うことができる。
【００５０】
なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限度において種々変更してもよい。
【００５１】
例えば、図８に示すように、冷却リング７１を、高さ方向に太幅に形成された単一の角管７１２によって構成してもよい。
【００５２】
また、図９に示すように、必要に応じて、冷却リング７１における所望の位置の内側に、金属製の冷却補助板２３を設けてもよい。なお、同図においては、冷却補助板２３を、冷却リング７１における継ぎ手部７３、７４が配置された前部内側に設けているが、後部内側に設けてもよい。
【００５３】
さらに、図１０に示すように、冷却リング７１（継ぎ手部７３、７４）と基板４の裏面４１との間に緩衝材２４を介在させるようにしてもよい。
【００５４】
さらにまた、図１１に示すように、冷却リング７１の脱落を防止するための板金２５を設けるようにしてもよい。なお、同図においては、板金２５を、冷却リング７１の前部に設けているが、後部に設けてもよい。
【００５５】
また、冷却リング７１に用いる冷媒としては、水以外の液体や気体を用いてもよい。
【００５６】
さらに、２体のファイバレーザ発振器２を、これらの裏面４１同士を臨ませるように配置するとともに、両発振器２のアクティブファイバ３の巻回を、両発振器２に共通の単一のファイバ巻回用円筒部５に対して行うように構成することで、コンパクト化および部品点数の削減を図るようにしてもよい。
【００５７】
さらにまた、最後の一巻き部分３５の巻き径は、ファイバの仕様に合わせて、他の巻き部の巻き径と同径に設定してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１  アクティブファイバ冷却装置
２  ファイバレーザ発振器
３  アクティブファイバ
３ａ  第１端面
３ｂ  第２端面
３５  最後の一巻き部分
４  基板
４１  裏面
５  ファイバ巻回用円筒部
７  冷却リング
【図１】
2014093475.tif 000003
【図２】
2014093475.tif 000004
【図３】
2014093475.tif 000005
【図４】
2014093475.tif 000006
【図５】
2014093475.tif 000007
【図６】
2014093475.tif 000008
【図７】
2014093475.tif 000009
【図８】
2014093475.tif 000010
【図９】
2014093475.tif 000011
【図１０】
2014093475.tif 000012
【図１１】
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