JP2016012621A - 光ファイバ保持装置及びこれを有するレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの発熱を効率よく放熱することができる光ファイバの保持装置を提供する。【解決手段】この保持装置６５は、ホルダ１４と、ホルダ押え１５と、第１及び第２インジウム１８，１９と、を備えている。ホルダ押え１５は表面の一部がホルダ１４の表面に当接する。第１及び第２インジウム１８，１９は、ホルダ１４とホルダ押え１５との間において、光ファイバ６を挟みこむように配置され、変形可能かつ熱伝導性を有する板状の部材である。ホルダ１４及びホルダ押え１５には、第１及び第２インジウム１８，１９の互いに密着する部分を収容可能な凹部１４ｂ，１５ｂと、凹部１４ｂ，１５ｂ内において、第１及び第２インジウム１８，１９に挟み込まれた光ファイバ６を第１及び第２インジウム１８，１９とともに収容する溝１４ｃ，１５ｃと、を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、光ファイバ保持装置及びこれを有するレーザ発振器に関する。

光ファイバを利用したレーザ発振器が広く用いられている。このレーザ発振器は、光源から発振される励起光を利用して、光ファイバによってレーザ光を発振する。このレーザ発振器に用いられる光ファイバは、例えば、エルビウムなどのレーザ媒質がドープされたＺＢＬＡＮガラスなどのフッ化物ガラスによって形成される。

ここで、光ファイバに含まれるレーザ媒質は励起光を吸収することによって発熱するため、この発熱によって光ファイバが損傷する場合がある。特に、フッ化物ファイバでは、石英ファイバと比較して耐熱性が低い。

そこで、例えば特許文献１の図４には、光ファイバを２枚の板状のインジウムで挟みこみ、さらにその外側からホルダとホルダ押えとで光ファイバ及び２枚のインジウムを挟みこむようにしている。また、ホルダには、一般的にヒートシンクが接触して設けられている。

このような構成では、光ファイバからの熱は、インジウム及びホルダを介してヒートシンクに伝達される。これにより、光ファイバの熱が放熱される。

特開２０１０−１５３６７３号公報

特許文献１の構造では、インジウムは、柔らかい金属であるため、小片同士で光ファイバを挟みこむことによって変形する。このため、ファイバ及びホルダとの隙間が少ない状態で１対のインジウムが接触し、伝熱により冷却を行うことができる。

しかし、２枚のインジウムで光ファイバを挟みこむことによって、ホルダとホルダ押えとの間に２枚のインジウム分の隙間が形成される。このため、ホルダとホルダ押えとの間での伝熱性が劣ることになる。このため、ホルダへの伝熱性が阻害され、効率よく放熱を行うことができない。

本発明の課題は、光ファイバの発熱を効率よく放熱することができる光ファイバの保持装置を提供することにある。また、この保持装置を有するレーザ発振器を提供することにある。

（１）本発明の一側面に係る光ファイバ保持装置は、光ファイバを保持する装置であり、第１ホルダと、表面の一部が第１ホルダの表面に当接する第２ホルダと、第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材と、を備えている。第１ホルダ及び第２ホルダの少なくとも一方は、凹部と、溝と、を有している。凹部は、第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材の互いに密着する部分を収容可能である。溝は、凹部内において、第１熱伝導部材と第２熱伝導部材に挟み込まれた光ファイバを第１及び第２熱伝導部材とともに収容する。

この装置では、光ファイバは、第１熱伝導部材と第２熱伝導部材とに挟持された状態で、第１ホルダ及び第２ホルダに形成された溝に収容されている。第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材は第１ホルダ及び第２ホルダの少なくとも一方の表面に形成された凹部に収容されている。そして、第１ホルダと第２ホルダとは、一部の表面が当接している。

ここでは、第１ホルダと第２ホルダとの間に第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材が挟持されているが、２つの熱伝導部材は両ホルダの少なくとも一方に形成された凹部に収容されている。このため、第１ホルダと第２ホルダとは、一部の表面が当接しており、互いの間の熱伝導性が良好になる。したがって、光ファイバの発熱を効率よく放熱することができる。

（２）本発明の別の側面に係る光ファイバ保持装置では、溝の径方向の寸法は、第１熱伝導部材の厚みと第２熱伝導部材の厚みと光ファイバの直径との合計寸法よりも小さい。また、凹部の溝が延びる方向と直交する方向の幅は、第１及び第２熱伝導部材の該当する方向の幅よりも大きい。

ここでは、第１ホルダと第２ホルダとの間に、２つの熱伝導部材及び光ファイバを挟み込むと、２つの熱伝導部材は変形する。この熱伝導部材の変形によって、光ファイバの径寸法に不均一性があっても、熱伝導部材と光ファイバとは良好に密着する。したがって、光ファイバからの放熱性が良好になる。

また、凹部内には、第１及び第２熱伝導部材の両端との間に隙間が形成されているので、２つの熱伝導部材の変形分は、凹部に設けられた隙間によって吸収される。

（３）本発明のさらに別の側面に係る光ファイバ保持装置では、凹部は、第１ホルダに形成された第１凹部と、第２ホルダに形成された第２凹部と、を有している。溝は第１溝と第２溝とを有している。第１溝は、第１凹部の底面中央部に一方向に延び、第１ホルダの一端から他端まで貫通して形成されている。また、第２溝は、第２凹部の底面中央部に一方向に延び、第２ホルダを一端から他端まで貫通して形成されている。

（４）本発明のさらに別の側面に係る光ファイバ保持装置では、第１ホルダ及び第２ホルダの一方に接触して配置され、溝に収容される光ファイバを冷却するヒートシンクをさらに備えている。

（５）本発明のさらに別の側面に係る光ファイバ保持装置では、第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材はインジウムで構成されている。

（６）本発明の一側面に係るレーザ発振器は、励起光源と、励起光源からの励起光が導入されレーザ光を出力する発振用光ファイバと、発振用光ファイバの一部を保持する前述したいずれかの光ファイバ保持装置と、を備えている。

以上のような本発明では、光ファイバの発熱を効率よく放熱することができる。

レーザ発振器の概略構成図。 光ファイバの第１端部側を示す断面図。 光ファイバの第２端部側を示す断面図。 保持装置の外観斜視図。 保持装置の断面図。 図５の分解図。

［レーザ発振器の構成］
図１は、本発明の一実施形態によるレーザ発振器の概略構成図である。レーザ発振器１は、励起光源２、第１〜第３レンズ３ａ，３ｂ，３ｃ、第１及び第２ダイクロイックミラー４ａ，４ｂ、ダンパ５、光ファイバ６、筐体７、並びにチラー装置８を備えている。

励起光源２は、励起光を発振するものであり、例えばランプ又は半導体レーザなどによって構成することができる。励起光源２にて発振された励起光は、励起光伝送ファイバ２ａを介して出力される。

第１レンズ３ａは、コリメートレンズとして機能するレンズであり、励起光伝送ファイバ２ａと、後述する筐体７の第１窓部７ａとの間に配置されている。第１レンズ３ａは、励起光源２からの励起光を発散光の状態から平行光の状態に変換する。

第２レンズ３ｂは、集光レンズ及びコリメートレンズとして機能するレンズであり、第１ダイクロイックミラー４ａと光ファイバ６の第１端部１１との間に配置されている。第２レンズ３ｂは、第１レンズ３ａによって平行光の状態とされた励起光を集光して光ファイバ６に放射するとともに、光ファイバ６から放射されたレーザ光を平行光の状態に変換する。

第３レンズ３ｃは、集光レンズ及びコリメートレンズとして機能するレンズであり、第２ダイクロイックミラー４ｂと光ファイバ６の第２端部１２との間に配置されている。第３レンズ３ｃは、光ファイバ６からの励起光及びレーザ光を平行光の状態に変換するとともに、第２ダイクロイックミラー４ｂからのレーザ光を集光して光ファイバ６に放射する。

第１ダイクロイックミラー４ａは、第１レンズ３ａと第２レンズ３ｂとの間に配置されている。第１ダイクロイックミラー４ａは、励起光源２からの励起光を透過するとともに、光ファイバ６からのレーザ光の進行方向を変更するように反射する。

第２ダイクロイックミラー４ｂは、第３レンズ３ｃとダンパ５との間に配置されている。第２ダイクロイックミラー４ｂは、光ファイバ６からの励起光を透過するとともに、光ファイバ６からのレーザ光を反射するように構成されている。

ダンパ５は、第２ダイクロイックミラー４ｂの下流側に配置されており、第２ダイクロイックミラー４ｂが透過した励起光を吸収する部材である。

図２は光ファイバ６の第１端部１１側の側面断面図であり、図３は光ファイバ６の第２端部１２側の側面断面図である。図２及び図３に示すように、光ファイバ６は、第１光ファイバ本体６１、第２光ファイバ本体６２、第１エンドキャップ６３、第２エンドキャップ６４、及び保持装置６５を有している。

［光ファイバ６］
第１光ファイバ本体６１が光ファイバ６のメインとなる部分であって、この第１光ファイバ本体６１においてレーザ光が生成される。第１光ファイバ本体６１は、第１コアと、第１コアを覆うように形成された第１クラッドと、を有している。第１コアは、希土類元素がレーザ媒質としてドープされたフッ化物ガラスから形成されており、好ましくはエルビウムがドープされたＺＢＬＡＮ（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF）ガラスによって形成されている。第１クラッドは、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。なお、第１クラッドは、第１コアよりも屈折率が低く、また、レーザ媒質がドープされていない。

第２光ファイバ本体６２は、一方の端面が第１光ファイバ本体６１の端面に熱融着されている。第２光ファイバ本体６２は、第２コアと、第２コアを覆うように形成された第２クラッドと、を有している。第２光ファイバ本体６２は、第１光ファイバ本体６１と同軸上に延びており、第１光ファイバ本体６１の直径とほぼ同じ直径を有している。

第２光ファイバ本体６２は、第１光ファイバ本体６１からのレーザ光が第２コア内において反射しないような長さに設計されている。すなわち、第１コアから第２コアに入射したレーザ光は、第２コア内で反射する前に第２コアから放射される。また、第２コアは、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。すなわち、第２光ファイバ本体６２ではレーザ光が生成されない。

［第１及び第２エンドキャップ６３，６４］
図２に示すように、第１エンドキャップ６３は、第２光ファイバ本体６２の他方の端面に熱融着されている。第１エンドキャップ６３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。好ましくは、第１エンドキャップ６３は、フッ化カルシウムなどの結晶で形成されている。また、第１エンドキャップ６３は石英などの結晶であってもよい。

図３に示すように、第２エンドキャップ６４は、第１光ファイバ本体６１の他方の端面に熱融着されており、第１エンドキャップ６３と同様の構成である。

［保持装置６５］
図４に、第１端部１１に設けられた保持装置６５の斜視図を示している。また、図５に保持装置６５の断面図を、図６にその分解図を示している。なお、第２端部１２に設けられた保持装置も同様の構成である。

図２〜図６に示すように、保持装置６５は、ホルダ１４（第１ホルダ）と、ホルダ押え（第２ホルダ）１５と、これらと光ファイバ６との間に配置された第１インジウム（第１熱伝導部材）１８及び第２インジウム（第２熱伝導部材）１９と、を有している。

ホルダ１４は銅製のブロック状の部材である。ホルダ１４の一方の表面１４ａには、第１インジウム１８を収容するための凹部（第１凹部）１４ｂが形成されている。また、凹部１４ｂには、光ファイバ本体６１の一部（径方向の半分）と第１インジウム１８とを収容するための溝（第１溝）１４ｃが形成されている。溝１４ｃは、凹部１４ｂの底面において幅方向中央部に形成されており、ホルダ１４の全長にわたって形成されている。すなわち、溝１４ｃは、図５において、ホルダ１４の紙面垂直方向の一端から他端まで貫通して形成されている。

凹部１４ｂは、第１インジウム１８を収容した状態で、端部に隙間が形成されるような寸法に設定されている。具体的には、図５において、第１インジウム１８の左右方向の幅ｗ０に対して、凹部１４ｂの同方向の幅はｗ０より大きいｗ１に設定されている。

ホルダ押え１５は、光ファイバ６の延びる方向の寸法が異なるが、基本的な構成はホルダ１４と同様である。すなわち、ホルダ押え１５の一方の表面１５ａには、第２インジウム１９を収容するための凹部１５ｂが形成され、凹部１５ｂには、光ファイバ６の一部及び第２インジウム１９を収容するための溝１５ｃが形成されている。溝１５ｃの形状もホルダ１４の溝１４ｃと同様である。また、凹部１５ｂの寸法も凹部１４ｂと同様であり、第２インジウム１９を収容した状態で、端部に隙間が形成されるような寸法に設定されている。

また、ホルダ押え１５には４つの貫通孔１５ｄが形成され、ホルダ１４には貫通孔１５ｄに対応する位置に４つのタップ穴１４ｄが形成されている。

以上のような構成により、ホルダ押え１５の貫通孔１５ｄを貫通するボルト（図示せず）をホルダ１４のタップ穴１４ｄにねじ込むことによって、第１及び第２インジウム１８，１９で光ファイバ６を挟み込んだ状態で、これらをホルダ１４とホルダ押え１５との間に保持することができる。

ここで、ホルダ１４の溝１４ｃの表面１４ａからの深さと、ホルダ押え１５の溝１５ｃの表面１５ａからの深さと、の合計ｄ（図５参照）は、第１インジウム１８及び第２インジウム１９の厚みと光ファイバ６の直径よりも小さい。したがって、図５に示すように、ホルダ１４とホルダ押え１５との間に第１及び第２インジウム１８，１９と光ファイバ６とを挟み込んだ場合、第１及び第２インジウム１８，１９は、光ファイバ６の外周に密着しながら変形する。そして、この変形分は、第１及び第２インジウム１８，１９と凹部１４ｂ，１５ｂとの間に形成された隙間（ｗ１−ｗ０）に吸収されることになる。

筐体７は、図１に示すように、直方体状の箱体であって、第２及び第３レンズ３ｂ，３ｃ、第１及び第２ダイクロイックミラー４ａ，４ｂ、ダンパ５、並びに光ファイバ６を収容している。筐体７は、光透過性を有する第１窓部７ａ及び第２窓部７ｂを有する。光源２からの励起光は、第１窓部７ａを介して筐体７内に進入し、光ファイバ６へと送られる。また、光ファイバ６からのレーザ光は、第２窓部７ｂを介して、筐体７の外部に出力される。

また、筐体７は、底面にベース部（図示省略）を有する。ベース部は内部に冷媒が流れる流路が形成されている。このベース部上に、ホルダ１４が設置されているため、ホルダ１４を含む保持装置６５が冷却される。

なお、筐体７の内部は、窒素によって充填されている。また、筐体７内の水分を除去するために、筐体７内に乾燥剤が入れられている。

チラー装置８は、筐体７と配管８ａを介して接続されている。チラー装置８は、筐体７のベース部内を流れる冷媒の温度を調整する。具体的には、筐体７のベース部から配管８ａを介して送られてきた冷媒をチラー装置８が冷却する。チラー装置８において冷却された冷媒は配管８ａを介して筐体７のベース部に戻される。

［動作］
励起光源２において発振された励起光は、励起光伝送ファイバ２ａから出力され、第１レンズ３ａにおいて平行光の状態となり、第１窓部７ａを介して筐体７内に進入する。筐体７内に進入した励起光は、第１ダイクロイックミラー４ａを透過し、第２レンズ３ｂにて集光されて光ファイバ６の第１端部６７から光ファイバ６に入射する。

光ファイバ６に入射した励起光は、第１光ファイバ本体６１の第１コア内を伝播し、第１コアにドープされたエルビウムが励起してレーザ光が出力される。なお第２コア内にはエルビウムがドープされていないため、第２コアではレーザ光は出力されない。そして、光ファイバ６の第２端部１２から放射された励起光は、第３レンズ３ｃ、第２ダイクロイックミラー４ｂを透過し、ダンパ５に吸収される。

一方、第１光ファイバ本体６１の第１コア内で生成されたレーザ光は、光ファイバ６の第２端部１２から放射され、第３レンズ３ｃで平行光の状態に変換される。そして、レーザ光は、第２ダイクロイックミラー４ｂで反射され、第３レンズ３ｃで集光されて、第２端部１２側から光ファイバ６に入射する。光ファイバ６内に入射したレーザ光は、第１光ファイバ本体６１の第１コア内を伝播し、光ファイバ６の第１端部１１から放射される。そして、レーザ光は、第２レンズ３ｂによって平行光の状態に変換され、第１ダイクロイックミラー４ａに反射されて第２窓部７ｂに向かうように進行方向が変更され、第２窓部７ｂを介して筐体７の外部へ放射される。

以上のレーザ発振動作において、光ファイバ６のコアが発熱する。ここで、第１端部１１及び第２端部１２の保持装置６５では、ホルダ１４及びホルダ押え１５と、第１及び第２インジウム１８，１９と、によって光ファイバ６を保持し、熱伝導によって冷却しているので、光ファイバ６で発生した熱を放熱させることができる。しかも、第１及び第２インジウム１８，１９をホルダ１４とホルダ押え１５に形成された凹部１４ｂ，１５ｂに収容しているので、ホルダ１４とホルダ押え１５の表面を互いに接触させることができ、両者の間の伝熱性が良好になる。したがって、効率よく光ファイバ６を冷却することができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態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、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（１）ホルダ１４とホルダ押え１５のそれぞれに凹部１４ｂ，１５ｂを形成したが、一方のみに２つのインジウム１８，１９を収容可能な凹部を形成してもよい。

（２）ホルダ１４とホルダ押え１５のそれぞれに溝１４ｃ，１５ｃを形成したが、いずれか一方のみに溝を形成して、光ファイバ及びインジウムを収容するようにしてもよい。

（３）光ファイバを挟みこむ熱伝導部材としてインジウムを用いたが、変形可能な熱伝導性の良い部材であればよく、特にインジウムに限定されない。

（４）保持装置６５をレーザ発振器に適用したが、本発明の保持装置は、他の光ファイバ装置において光ファイバを保持する際に用いることができる。

（５）保持すべき光ファイバの構成は前記実施形態に限定されない。

１ レーザ発振器
２ 励起光源
６ 光ファイバ
１４ ホルダ
１５ ホルダ押え
１４ａ，１５ａ 表面
１４ｂ，１５ｂ 凹部
１４ｃ，１５ｃ 溝
６１ 第１光ファイバ本体
６５ 保持装置

Claims (6)

1. 光ファイバを保持する光ファイバ保持装置であって、
   第１ホルダと、
   表面の一部が前記第１ホルダの表面に当接する第２ホルダと、
   前記第１ホルダと前記第２ホルダとの間において、前記光ファイバを挟みこむように配置され、変形可能かつ熱伝導性を有する板状の第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材と、
   を備え、
   前記第１ホルダ及び前記第２ホルダの少なくとも一方は、
   前記第１熱伝導部材及び前記第２熱伝導部材の互いに密着する部分を収容可能な凹部と、
   前記凹部内において、前記第１熱伝導部材と前記第２熱伝導部材に挟み込まれた光ファイバを前記第１及び第２熱伝導部材とともに収容する溝と、
   を有する、
   光ファイバ保持装置。
   
2. 前記溝の径方向の寸法は、前記第１熱伝導部材の厚みと前記第２熱伝導部材の厚みと光ファイバの直径との合計寸法よりも小さく、
   前記凹部の前記溝が延びる方向と直交する方向の幅は、前記第１及び第２熱伝導部材の該当する方向の幅よりも大きい、
   請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
   
3. 前記凹部は、
   前記第１ホルダに形成された第１凹部と、
   前記第２ホルダに形成された第２凹部と、
   を有し、
   前記溝は、
   前記第１凹部の底面中央部に一方向に延び、前記第１ホルダの一端から他端まで貫通して形成された第１溝と、
   前記第２凹部の底面中央部に一方向に延び、前記第２ホルダの一端から他端まで貫通して形成された第２溝と、
   を有している、
   請求項１又は２に記載の光ファイバ保持装置。
   
4. 前記第１ホルダ及び前記第２ホルダの一方に接触して配置され、前記溝に収容される光ファイバを冷却するヒートシンクをさらに備えた、請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ装置。
   
   
5. 前記第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材はインジウムで構成されている、請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ保持装置。
   
6. 励起光源と、
   励起光源からの励起光が導入され、レーザ光を出力する発振用光ファイバと、
   前記発振用光ファイバの一部を保持する請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバ保持装置と、
   を備えたレーザ発振器。

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