JPWO2011102378A1 - ファイバレーザ装置 - Google Patents
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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
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。
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。
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。
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、
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、
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、
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、
(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。
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、
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、
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、
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、
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)
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)
- 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。 - 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。 - 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、
- 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。 - 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、
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CN113708199A (zh) * | 2021-08-11 | 2021-11-26 | 光惠(上海)激光科技有限公司 | 一种无水冷多模式选择光纤激光器*** |
CN113708209A (zh) * | 2021-08-29 | 2021-11-26 | 光惠(上海)激光科技有限公司 | 一种变频温控光纤激光器*** |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06268125A (ja) * | 1992-05-28 | 1994-09-22 | Fujitsu Ltd | ヒートシンク並びに該ヒートシンクに用いるヒートシンク取付具及びヒートシンクを用いた可搬型電子装置 |
WO2008093545A1 (ja) * | 2007-01-29 | 2008-08-07 | Panasonic Corporation | 固体レーザー装置、表示装置及び波長変換素子 |
WO2009057309A1 (ja) * | 2007-10-31 | 2009-05-07 | Panasonic Corporation | ファイバレーザ光源 |
WO2009057308A1 (ja) * | 2007-10-31 | 2009-05-07 | Panasonic Corporation | レーザ光源 |
WO2009130894A1 (ja) * | 2008-04-25 | 2009-10-29 | パナソニック株式会社 | パルスファイバレーザ光源、波長変換レーザ光源、2次元画像表示装置、液晶表示装置、レーザ加工装置及びファイバ付レーザ光源 |
JP2010263026A (ja) * | 2009-05-01 | 2010-11-18 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光増幅装置および光伝送システム |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4890289A (en) * | 1987-12-04 | 1989-12-26 | Board Of Trustees Of Leland Stanford, Jr. University | Fiber coupled diode pumped moving solid state laser |
JPH0715078A (ja) | 1993-06-15 | 1995-01-17 | Nec Corp | 半導体レーザ装置 |
JPH08204263A (ja) * | 1995-01-31 | 1996-08-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体レーザ励起レーザ発振器 |
US6363095B1 (en) * | 1999-05-06 | 2002-03-26 | Northrop Grumman Corporation | Solid-state laser system using high-temperature semiconductor diode laser as an optical pump source |
JP2001257402A (ja) | 2000-03-08 | 2001-09-21 | Nec Corp | 光増幅媒体コンポーネントとこれを備えた光ファイバ増幅器 |
US7151787B2 (en) * | 2003-09-10 | 2006-12-19 | Sandia National Laboratories | Backscatter absorption gas imaging systems and light sources therefore |
US7505196B2 (en) * | 2004-03-31 | 2009-03-17 | Imra America, Inc. | Method and apparatus for controlling and protecting pulsed high power fiber amplifier systems |
JP2007190566A (ja) | 2006-01-17 | 2007-08-02 | Miyachi Technos Corp | ファイバレーザ加工装置 |
JP5203573B2 (ja) * | 2006-03-23 | 2013-06-05 | ミヤチテクノス株式会社 | レーザ加工装置 |
JP4835294B2 (ja) * | 2006-07-14 | 2011-12-14 | 株式会社ジェイテクト | レーザ発振装置 |
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06268125A (ja) * | 1992-05-28 | 1994-09-22 | Fujitsu Ltd | ヒートシンク並びに該ヒートシンクに用いるヒートシンク取付具及びヒートシンクを用いた可搬型電子装置 |
WO2008093545A1 (ja) * | 2007-01-29 | 2008-08-07 | Panasonic Corporation | 固体レーザー装置、表示装置及び波長変換素子 |
WO2009057309A1 (ja) * | 2007-10-31 | 2009-05-07 | Panasonic Corporation | ファイバレーザ光源 |
WO2009057308A1 (ja) * | 2007-10-31 | 2009-05-07 | Panasonic Corporation | レーザ光源 |
WO2009130894A1 (ja) * | 2008-04-25 | 2009-10-29 | パナソニック株式会社 | パルスファイバレーザ光源、波長変換レーザ光源、2次元画像表示装置、液晶表示装置、レーザ加工装置及びファイバ付レーザ光源 |
JP2010263026A (ja) * | 2009-05-01 | 2010-11-18 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光増幅装置および光伝送システム |
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