(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ活性物質に励起光を導入してレーザ光を発生する光ファイバレーザ装置において、
前記レーザ活性物質を有するコアと、前記コアを取り囲むクラッド層とを有する光ファイバが配置され、前記励起光を透過し、屈折率が前記クラッド層と等しい封止物質が、前記光ファイバを覆うことによって構成された光ファイバ構造体と、
前記レーザ活性物質に前記励起光を導入する励起光導入部と、
少なくとも前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率と流動性とを有するとともに、前記励起光を透過する透明弗素樹脂が用いられ、前記光ファイバ構造体の前記光ファイバが渦巻き状に配置された表面の凹凸に密着して設けられ、前記励起光を前記光ファイバ構造体の内部に閉じ込める低屈折率部と、
前記低屈折率部に密着して配置される冷却ユニットと、
を有することを特徴とする光ファイバレーザ装置。
【請求項２】
レーザ活性物質に励起光を導入して光の増幅を行う光増幅装置において、
前記レーザ活性物質を有するコアと、前記コアを取り囲むクラッド層とを有する光ファイバが配置され、前記励起光を透過し、屈折率が前記クラッド層と等しい封止物質が、前記光ファイバを覆うことによって構成された光ファイバ構造体と、
前記レーザ活性物質に前記励起光を導入する励起光導入部と、
少なくとも前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率と流動性とを有するとともに、前記励起光を透過する透明弗素樹脂が用いられ、前記光ファイバ構造体の前記光ファイバが渦巻き状に配置された表面の凹凸に密着して設けられ、前記励起光を前記光ファイバ構造体の内部に閉じ込める低屈折率部と、
前記低屈折率部に密着して配置される冷却ユニットと、
を有することを特徴とする光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ活性物質に励起光を導入してレーザ光を発生する光ファイバレーザ装置、及びレーザ活性物質に励起光を導入して光の増幅を行う光増幅装置に関し、特に本体の冷却機構を有する光ファイバレーザ装置及び光増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信及びレーザ加工の分野では、高出力でより安価なレーザ装置の開発が求められている。このような要請を満たすものとして、光ファイバを利用した光ファイバレーザ装置が知られている。
【０００３】
光ファイバレーザ装置は、レーザ活性物質を有するコアとその周りを取り囲むクラッド層により構成された光ファイバ、及びレーザ活性物質に励起光を導入する励起光導入部によって構成され、励起光導入部から光ファイバのコアに励起光を導入することによってレーザ光を発生させる。コアの屈折率はクラッドの屈折率よりも大きく設定され、コア内のレーザ活性物質への励起光導入によって発生したレーザ光は、コアとクラッド層の境界線で全反射を繰り返しながらコア内部を進み、光ファイバの端面から出力される。
【０００４】
光ファイバレーザ装置においてレーザ光の発生効率をより高めようとする場合、コア内のレーザ活性物質にいかに効率良く励起光を導入できるかが問題となる。このレーザ活性物質への励起光導入効率を高める方法として、コア内にレーザ活性物質を有する１つながりの光ファイバを束ね、その束に励起光を導入することによってレーザ光を発生させる方法がある。この方法をとる光ファイバレーザ装置では、１つながりの光ファイバを一定の領域に複数回折り返すか、円盤状又は円柱状の領域に巻きつけること等によって光ファイバの束を形成し、このように形成された光ファイバの束を、クラッド層と同じ屈折率を持つ紫外線硬化樹脂等の硬化性物質で隙間なく覆うことにより光ファイバ構造体を形成する。光ファイバ構造体は、クラッド層よりも屈折率の低い低屈折率層でその外部を覆われ、さらに、その周辺には励起光導入部であるＬＤ光源が複数配置される。そして、これらのＬＤ光源によって光ファイバ構造体内部に励起光を導入し、光ファイバ構造体内部に位置するレーザ活性物質を励起してレーザ光を発生させる。このような光ファイバ構造体内部に導入された励起光は、光ファイバ構造体と低屈折率層との境界面で全反射を繰り返しながら光ファイバ構造体内部に閉じ込められ、光ファイバ構造体を構成する光ファイバの束を何度も横切りながらレーザ活性物質への励起光導入を行う。これにより、レーザ活性物質への励起光導入が効率良く行われ、高いレーザ光発生効率を得ることが可能となる。
【０００５】
このような光ファイバレーザ装置においてレーザ光を発生させる場合、励起光の導入によって光ファイバ構造体が発熱する。この励起光の導入による熱は、冷却水を循環する水路が設けられた水冷ユニットを用いた水冷、或いは、放熱フィンが設けられた空冷ユニットを用いた空冷等により放熱する必要がある。このような水冷ユニット等の冷却ユニットは、光ファイバ構造体と一体化して構成してもよいが、その場合、例えば、光ファイバ構造の構成部品を単体で修理、交換ができない、或いは、冷却ユニットにトラブルが生じた場合、冷却ユニット等のみを交換できない等の問題が生じる。そのため、冷却ユニットは、光ファイバ構造体と個別に構成し、それらを組み合わせることによって、光ファイバレーザ装置を構成することが望ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光ファイバ構造体は、光ファイバを複数回折り返したり、巻きつけたりして構成した束を樹脂等で固めて構成されているため、その表面には光ファイバの形状を反映した凹凸が表れてしまう。そのため、光ファイバ構造体とそれに取付けられる冷却ユニットとの密着性が低下してしまうこととなり、これにより、光ファイバ構造体から冷却ユニットへの熱伝導性が低下し、十分な放熱効果が得られないという問題点がある。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、励起光の導入により発生した熱を効率良く放射できる光ファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、励起光の導入により発生した熱を効率良く放射できる光増幅装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、レーザ活性物質に励起光を導入してレーザ光を発生する光ファイバレーザ装置において、前記レーザ活性物質を有するコアと、前記コアを取り囲むクラッド層とを有する光ファイバが配置され、前記励起光を透過し、屈折率が前記クラッド層と等しい封止物質が、前記光ファイバを覆うことによって構成された光ファイバ構造体と、前記レーザ活性物質に前記励起光を導入する励起光導入部と、少なくとも前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率と流動性とを有するとともに、前記励起光を透過する透明弗素樹脂が用いられ、前記光ファイバ構造体の前記光ファイバが渦巻き状に配置された表面の凹凸に密着して設けられ、前記励起光を前記光ファイバ構造体の内部に閉じ込める低屈折率部と、前記低屈折率部に密着して配置される冷却ユニットと、を有することを特徴とする光ファイバレーザ装置が提供される。
【００１０】
ここで、光ファイバはレーザ活性物質に励起光が導入されることによってレーザ光を発生し、励起光導入部はレーザ活性物質に励起光を導入し、低屈折率部は励起光を光ファイバ構造体の内部に閉じ込め、冷却ユニットは、光ファイバ構造体の外部の凹凸に密着して配置されることによって、光ファイバ構造体に生じた熱が効率良く伝えられ、伝わった熱を放熱する。
【００１１】
また、レーザ活性物質に励起光を導入して光の増幅を行う光増幅装置において、前記レーザ活性物質を有するコアと、前記コアを取り囲むクラッド層とを有する光ファイバが配置され、前記励起光を透過し、屈折率が前記クラッド層と等しい封止物質が、前記光ファイバを覆うことによって構成された光ファイバ構造体と、前記レーザ活性物質に前記励起光を導入する励起光導入部と、少なくとも前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率と流動性とを有するとともに、前記励起光を透過する透明弗素樹脂が用いられ、前記光ファイバ構造体の前記光ファイバが渦巻き状に配置された表面の凹凸に密着して設けられ、前記励起光を前記光ファイバ構造体の内部に閉じ込める低屈折率部と、前記低屈折率部に密着して配置される冷却ユニットと、を有することを特徴とする光増幅装置が提供される。
【００１２】
ここで、光ファイバはレーザ活性物質に励起光が導入されることによってレーザ光を発生し、励起光導入部はレーザ活性物質に励起光を導入し、低屈折率部は励起光を光ファイバ構造体の内部に閉じ込め、冷却ユニットは、光ファイバ構造体の外部の凹凸に密着して設けられることによって、光ファイバ構造体に生じた熱が効率良く伝えられ、伝わった熱を放熱する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
まず、本発明における第１の実施の形態について説明する。
【００１４】
図２は本形態における光ファイバレーザ装置１の平面図であり、図１は、図２における光ファイバレーザ装置１のＡ−Ａ断面図である。
光ファイバレーザ装置１は、レーザ光を発生する光ファイバ構造体３、光ファイバ構造体３に励起光を導入する励起光導入部であるレンズダクト２、光ファイバ構造体３に密着して固定され、熱伝導部として機能する熱伝導シート４、及び励起光の導入によって発熱した光ファイバ構造体３等の冷却を行う冷却ユニットである水冷ユニット５によって構成されている。
【００１５】
光ファイバ構造体３は、Ｎｄイオン等に代表されるレーザ活性イオン、色素、その他発光中心等のレーザ活性物質を有するコア３ｃａと、それを取り囲むクラッド層３ｃｂとによって構成される１つながりの光ファイバ３ｃ、発生したレーザを引き出すレーザ引出し用光ファイバ３ｆ、光ファイバの一端に取付けられる反射鏡３ｅ、クラッド層３ｃｂとほぼ同じ屈折率を持ち、励起光に対して透明な封止樹脂３ｄ、及びクラッド層３ｃｂよりも小さい屈折率を持つ透明弗素樹脂等の低屈折率部として機能する低屈折率層３ａによって構成されている。ここで、反射鏡３ｅとしては、発生したレーザ光の波長に対して高い反射率を持つものが望ましい。また、クラッド層３ｃｂには、その屈折率がコア３ｃａの屈折率よりも小さいものを用いる。
【００１６】
光ファイバ３ｃは、その一端を中心に配置し、その中心から外部に向かって順次一層の渦巻き状に巻きつけていくことにより、円盤状の平面を形成する。この円盤の中心に位置する光ファイバ３ｃの一端には反射鏡３ｅが取付けられ、円盤状の外側に位置する他の一端には、レーザ引出し用光ファイバ３ｆが取付けられる。
【００１７】
このように円盤状に配置された光ファイバ３ｃ及び反射鏡３ｅは、封止樹脂３ｄによって円盤状に封止される。このように光ファイバ３ｃを封止した封止樹脂３ｄの表面には低屈折率層３ａが配置され、これにより、円盤状の光ファイバ構造体３が形成される。
【００１８】
円盤状に形成された光ファイバ構造体３の円盤側面には、複数のレンズダクト２がその円盤側面に沿ってある一定の間隔で配置され、各レンズダクト２には、励起光を出力する図示していないＬＤ光源が取付けられる。ここで、各レンズダクト２が配置される向きは、ＬＤ光源が出力する励起光を光ファイバ構造体３の円盤側面から中心方向へ導入する向きとする。
【００１９】
光ファイバ構造体３の底面には熱伝導シート４が密着して配置される。
熱伝導シート４の材料としては、高い熱伝導性、及び光ファイバ構造体３の表面等の凹凸に対して十分に密着できる柔軟性を有するものであれば特に制限なく使用できる。また、装置稼動時の高温下に長時間さらされても、光ファイバ構造体３及び水冷ユニット５に固着しない非固着性を有するものであればより望ましい。このような条件を満たすものとしては、例えば、耐熱性ゴムの中にそのゴムよりも熱伝導率の高い物質を分散させたシートが挙げられる。具体的には、例えば、耐熱性ゴムとしてシリコンゴムを用い、その内部にボロンナイトライドを分散させたものがある。さらに、機械的強度の向上のため、それらにグラスファイバを添加したものを用いてもよい。
【００２０】
光ファイバ構造体３の底面に密着して配置された熱伝導シート４の底面には、水冷ユニット５が密着して配置される。
水冷ユニット５は、その内部に複数の水路を有し、その水路に冷却水を循環させることによって装置の冷却を行う。
【００２１】
水冷ユニット５は、装置の冷却効率を高めるために平板構造となっていることが望ましい。また、材料としては、熱伝導性が高く、ある程度の耐熱性があれば特に制限なく使用できるが、熱伝導性及び軽量性を考慮しアルミニウムが望ましい。さらに、使用環境に応じ、その他の熱伝導率の高い金属、例えば銅等を用いることとしてもよい。
【００２２】
次に、図１及び図２を用いて、光ファイバレーザ装置１の動作について説明する。
光ファイバレーザ装置１を用いてレーザ光の出力を行う場合、まず、図示していないＬＤ光源によって、レンズダクト２へ励起光を導入する。レンズダクト２へ導入された励起光は、レンズダクト２によって光ファイバ構造体３の円盤側面から光ファイバ構造体３の中心方向に導入される。
【００２３】
低屈折率層３ａの屈折率は封止樹脂３ｄの屈折率よりも小さいため、光ファイバ構造体３に導入された励起光は低屈折率層３ａと封止樹脂３ｄとの境界部分で全反射し、光ファイバ構造体３の内部に閉じ込められる。この際、光ファイバ構造体３の内部に閉じ込められた励起光は、この境界部分で全反射を繰り返しながら光ファイバ構造体３の内部に構成されるコア３ｃａを横切り、コア３ｃａの内部に存在するレーザ活性物質を励起する。これにより、光ファイバ構造体３の内部に導入された励起光は、レーザ活性物質に吸収され、或いはその他の損失によって、そのエネルギーを喪失するまで、光ファイバ構造体の内部に存在し、コア３ｃａの内部のレーザ活性物質を有効に励起し続けることとなる。
【００２４】
このように励起光が導入されたレーザ活性物質はレーザ光を発生し、発生したレーザ光はコア３ｃａとクラッド層３ｃｂとの境界面で全反射しながら、コア３ｃａの内部を進行する。コア３ｃａの内部を進行したレーザ光は光ファイバ３ｃの両端に達し、そのうち光ファイバ構造体３の中心に位置する反射鏡３ｅが取付けられた一端に達したレーザ光は、反射鏡３ｅで全反射することによってその進行方向を変え、再びコア３ｃａ内部を進行する。これにより、発生したレーザ光はレーザ引出し用光ファイバ３ｆが取りつけられた一端に集約することが可能となり、その一端に達したレーザ光はレーザ引出し用光ファイバ３ｆから取出されることとなる。
【００２５】
以上のように、光ファイバ構造体３に導入された励起光はレーザ活性物質の励起に用いられることとなるが、その一部は、低屈折率層３ａと封止樹脂３ｄとの境界面、クラッド層３ｃａと封止樹脂３ｄとの境界面、レーザ活性物質、内部に存在する不純物等での損失によって熱に変換されることとなる。また、この際、レンズダクトに励起光を導入するＬＤ光源自体も発熱することとなる。このように光ファイバ構造体３等で発生した熱は光ファイバ構造体３に密着した熱伝導シート４に効率良く伝えられ、熱伝導シート４に伝わった熱は水冷ユニット５に伝えられることとなる。水冷ユニット５に到達した熱はその内部を流動する冷却水に伝えられ、その冷却水の流動によって外部に放出されることとなる。これにより、励起光の導入によって発生した光ファイバ構造体３の熱を効率良く放出することが可能となる。
【００２６】
図３は、本形態における光ファイバレーザ装置１の具体的な構成例を示した組み立て図である。
図３の例では、水冷ユニット５に給水口５ａ及び排出口５ｂが設けられており、この給水口５ａから水冷ユニット５に冷却水を導入し、導入された冷却水は水冷ユニット５内部を流動した後、排出口５ｂから排出される。水冷ユニット５の上面には熱伝導シート４が密着して配置され、さらに熱伝導シート４の上面には光ファイバ構造体３が密着して配置される。そして、その上面には、内部を保護するための本体カバー６が配置される。
【００２７】
このように、本形態では、光ファイバ構造体３の底面に熱伝導シート４を密着させて配置し、さらに、その熱伝導シート４の底面に水冷ユニット５を密着して配置することとしたため、光ファイバ構造体３の外部表面に凹凸がある場合であっても、励起光導入時において光ファイバ構造体３に生じる熱を効率良く水冷ユニット５に伝えることが可能となり、装置の放熱を効率良く行うことが可能となる。
【００２８】
なお、本形態では、光ファイバ３ｃを渦巻き状に巻きつけて配置し、封止樹脂３ｄで封止で固めることにより、光ファイバ構造体３を構成することとしたが、光ファイバを複数回折り返し、或いは円筒状に巻きつけられた光ファイバを押し倒す等により光ファイバを平面状に配置し、それを封止樹脂で板状に封止して、光ファイバ構造体３を構成することとしてもよい。
【００２９】
また、本形態では、光ファイバ３ｃを封止樹脂３ｄで封止して光ファイバ構造体３を構成することとしたが、封止樹脂３ｄを用いず、各光ファイバ間を溶着し、或いは、クラッド層３ｃｂと屈折率の等しいオイルで光ファイバ間の隙間を満たすことにより光ファイバ構造体３を構成することとしてもよい。
【００３０】
さらに、本形態では、熱伝導シート４を光ファイバ構造体３の底面のみに配置し、さらにその底面に水冷ユニット５を配置することとしたが、光ファイバ構造体３の上下面、或いはそれに加えて側面にも熱伝導シートを配置し、それらに水冷ユニットを密着させて配置する構成としてもよい。
【００３１】
また、本形態では、熱伝導シート４を低屈折率層３ａと水冷ユニット５との間に介在させることとしたが、熱伝導シート４を用いず、低屈折率層３ａに直接水冷ユニット５を密着させて配置させる構成としてもよい。この場合、低屈折率層３ａとしては、流動性を有し、光ファイバ３ｃのクラッド層３ｃｂ及び封止樹脂３ｄよりも屈折率が小さく、励起光を透過する物質を用いることが望ましい。このような構成にすることにより、低屈折率層３ａが励起光を光ファイバ構造体３に閉じ込める働き、及び光ファイバ構造体３から水冷ユニット５への熱伝導性を高める働きの両方を兼ねることとなり、部品点数の削減を図ることができる。なお、この場合の低屈折率層３ａの厚みは、１００μｍ以下であることが望ましい。
【００３２】
さらに、本形態では、レーザ光の発生を行う光ファイバレーザ装置１について説明したが、本発明を、光ファイバレーザ装置１の構成から反射鏡３ｅを排除し、光ファイバ３ｃの一端から入力光を入力させた光を増幅して他の一端から出力する光増幅装置に対して適用することとしてもよい。
【００３３】
次に、本発明における第２の実施の形態について説明する。
本形態は、第１の実施の形態における光ファイバレーザ装置１の変形例である。第１の実施の形態では、水冷により光ファイバレーザ装置１の冷却を行っていたが、第２の実施の形態では空冷によって光ファイバレーザ装置の冷却を行う。なお、以下の説明では、第１の実施の形態との相違点を中心に説明を行い、第１の実施の形態と共通する事項については説明を省略する。
【００３４】
図４は、本形態における光ファイバレーザ装置１０の構成を示した組み立て図である。
光ファイバレーザ装置１０では、光ファイバ構造体３の上下面に熱伝導シート１４ａ、１４ｂを密着させて配置し、さらに、それぞれの熱伝導シート１４ａ、１４ｂに空冷ユニット１５、１６を密着させて配置する。
【００３５】
空冷ユニット１５、１６は、熱伝導シート１４ａ、１４ｂとの密着性を高めるため、その内面は平坦であることが望ましい。一方、それぞれの外面には、複数の放熱フィン１５ａ、１６ａが構成される。放熱フィン１５ａ、１６ａは、空冷ユニット１５、１６の外面に複数構成されたひだ状の突起物であり、空冷ユニット１５、１６が外気に接する表面積を広くとり、空冷ユニット１５、１６の放熱効果を高める働きをする。放熱フィン１５ａ、１６ａの形状としては、このように外気に対する表面積を広くとれる構造であれば特に制限はない。また、材料としては、熱伝導性が高く、ある程度の耐熱性があれば特に制限なく使用できるが、熱伝導性及び軽量性を考慮しアルミニウムが望ましい。さらに、使用環境に応じ、その他の熱伝導率の高い金属、例えば銅等を用いることとしてもよい。
【００３６】
このような構成をとることにより、励起光導入により光ファイバ構造体３に発生した熱は、光ファイバ構造体３に密着された熱伝導シート１４ａ、１４ｂに効率良く伝わり、さらに、熱伝導シート１４ａ、１４ｂに伝わった熱は、それに密着された空冷ユニット１５、１６に効率良く伝わり、それぞれの放熱フィン１５ａ、１６ａから外気中に放熱される。
【００３７】
このように、空冷ユニット１５、１６によって冷却を行うこととしても、第１の実施の形態と同様な効果を得ることが可能となる。
なお、本形態では、空冷ユニット１５、１６のみによって冷却を行うこととしたが、空冷ユニット１５、１６の内部に冷却水を流動させる構成とし、空冷と水冷とによって冷却を行う構成としてもよい。
【００３８】
また、本形態では、光ファイバ構造体３の上下に空冷ユニット１５、１６を配置することとしたが、上下どちらか一方のみに空冷ユニットを配置する構成としてもよい。
【００３９】
さらに、本形態では、熱伝導シート１４ａ、１４ｂを光ファイバ構造体３の低屈折率層３ａと空冷ユニット１５、１６との間に介在させることとしたが、熱伝導シート１４ａ、１４ｂを用いず、低屈折率層３ａに直接空冷ユニット１５、１６を密着させて配置させる構成としてもよい。この場合、低屈折率層３ａとしては、流動性を有し、光ファイバ３ｃのクラッド層３ｃｂ及び封止樹脂３ｄよりも屈折率が小さく、励起光を透過する物質を用いることが望ましい。このような構成にすることにより、低屈折率層３ａが励起光を光ファイバ構造体３に閉じ込める働き、及び光ファイバ構造体３から空冷ユニット１５、１６への熱伝導性を高める働きの両方を兼ねることとなり、部品点数の削減を図ることができる。なお、この場合の低屈折率層３ａの厚みは、１００μｍ以下であることが望ましい。
【００４０】
また、本形態では、レーザ光の発生を行う光ファイバレーザ装置１０について説明したが、本発明を、光増幅装置に対して適用することとしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光ファイバレーザ装置では、光ファイバ構造体の外部の凹凸に低屈折率部を設け、その低屈折率部に冷却ユニットを密着させることとしたため、光ファイバ構造体の外部表面に凹凸がある場合であっても、励起光導入時において光ファイバ構造体に生じる熱を効率良く冷却ユニットに伝えることが可能となり、部品点数を増やすことなく、装置の放熱を効率良く行うことができる。
【００４２】
また、本発明の光増幅装置では、光ファイバ構造体の外部の凹凸に低屈折率部を設け、その低屈折率部に冷却ユニットを密着させることとしたため、光ファイバ構造体の外部表面に凹凸がある場合であっても、励起光導入時において光ファイバ構造体に生じる熱を効率良く冷却ユニットに伝えることが可能となり、部品点数を増やすことなく、装置の放熱を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバレーザ装置の断面図である。
【図２】光ファイバレーザ装置の平面図である。
【図３】光ファイバレーザ装置の構成を示した組み立て図である。
【図４】光ファイバレーザ装置の構成を示した組み立て図である。
【符号の説明】
１、１０  光ファイバレーザ装置
２  レンズダクト
３  光ファイバ構造体
３ａ  低屈折率層
３ｃ  光ファイバ
３ｃａ  コア
３ｃｂ  クラッド層
３ｄ  封止樹脂
４、１４ａ、１４ｂ  熱伝導シート
５  水冷ユニット
１５、１６  空冷ユニット
１５ａ、１６ａ  放熱フィン
【図１】
0004540773.tif 000002
【図２】
0004540773.tif 000003
【図３】
0004540773.tif 000004
【図４】
0004540773.tif 000005