JP2004356421A

JP2004356421A - 光ファイバレーザ

Info

Publication number: JP2004356421A
Application number: JP2003152776A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Takemoto; 恭介武本; Tetsuya Sakai; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】レーザ媒質として用いられる光ファイバの発熱を抑制し、高出力のレーザ光を出力することが可能な光ファイバレーザを提供する。
【解決手段】レーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバ１０と、光ファイバ１０が巻き回される円柱状のドラム２０とを少なくとも備えた光ファイバレーザにおいて、光ファイバ１０をドラム２０の外周面２０ａに互いに重なり合わないように巻き回し、かつ、光ファイバ１０とドラム２０の溝２１の内面との間には熱伝導性の材料を介在させる。ドラム２０の外周面２０ａには、光ファイバ１０を１本のみ収容可能な溝２１をドラム２０の一方の端面２０ｂ側から他方の端面２０ｃ側に向かって螺旋状に設け、光ファイバ１０を溝２１内に収容して、外周面２０ａに巻き回す。外周面２０ａに巻き回した光ファイバ１０を覆うようにカバー３０を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振器内にレーザ活性物質を含む光ファイバをレーザ媒質として用いた光ファイバレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバは、励起光が入射されると、この励起光を吸収し、誘導放出によりレーザ光を出力する。しかし、この光ファイバが吸収する励起光のエネルギーは、全てがレーザ光に変換されず、一部は熱に変換される。
【０００３】
このとき発生する熱は、低出力の光ファイバであれば問題にならない程度の量である。しかし、数１０Ｗ以上の大出力で励起した場合、高い吸収率を有する光ファイバを用いると、この熱量は非常に大きなものとなる。
【０００４】
また、光ファイバに入射した励起光が熱に変換される割合は、その光ファイバ自体の温度上昇に伴って大きくなる傾向にある。そのため、熱対策を施さずに、大出力で励起すると、発熱量の増加やレーザ出力効率の低下の原因となる。
【０００５】
さらには、光ファイバ自体の高温化によって、光ファイバのガラス転位による動作中の機能低下や溶融、装置の発火などといった危険も発生する。
【０００６】
特許文献１では、レーザ媒質の光ファイバを、導光部材と共にドラムに巻き回し、励起光を分布導入する方式における放熱機構が提案されている。しかしながら、この方法は光ファイバと共に巻き回す導光部材が必要であるため、導光部材を周囲に配置することなく、光ファイバ端面から光を入射する場合には、適さない方法である。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１５６３６３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、レーザ媒質として用いられる光ファイバの発熱を抑制し、高出力のレーザ光を出力することが可能な光ファイバレーザを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、レーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバと、該光ファイバが巻き回される円柱状のドラムとを少なくとも備えた光ファイバレーザにおいて、前記光ファイバは前記ドラムの外周上に互いに重なり合わないように巻き回され、かつ、前記光ファイバと前記ドラムの外周との間には熱伝導性の材料が介在している光ファイバレーザを提供する。
【００１０】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記ドラムの外周には、前記光ファイバを１本のみ収容可能な溝がドラムの一方の端面側から他方の端面側に向かって螺旋状に設けられ、前記光ファイバは前記溝内に収容されて、前記ドラムの外周に巻き回されていることが好ましい。
【００１１】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記ドラムの外周に巻き回された光ファイバを覆うようなカバーが設けられていることが好ましい。
【００１２】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記ドラムの外周に設けられた溝の断面の深さおよび幅は、該溝内に収容される光ファイバの外径以上であり、かつ、該溝の断面形状は光ファイバが巻き回されたときに内周に位置する側面が接する面が円弧をなし、該円弧の直径は前記光ファイバの外径以上であることが好ましい。
【００１３】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記レーザ活性物質は、Ｎｄ^３＋、Ｙｂ^３＋、Ｅｒ^３＋、Ｐｒ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｈｏ^３＋、Ｔｂ^３＋、Ｄｙ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｅｕ^２＋から選択される少なくとも１種であることが好ましい。
【００１４】
上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記光ファイバのコアをなす材料は、フッ化物ガラスを主成分とすることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の光ファイバレーザの一例を示す概略正面図である。図２は、図１の光ファイバレーザをドラムの端面から見た概略平面図である。
図１および図２中、符号１０はレーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバ、２０は円柱状のドラム、３０は光ファイバを覆う円筒形状のカバーを示している。
この例の光ファイバレーザは、光ファイバ１０と、ドラム２０と、カバー３０とから概略構成されている。この例の光ファイバレーザでは、光ファイバ１０がドラム２０の外周に螺旋状に設けられた溝２１に収容されて、ドラム２０の外周に互いに重なり合わないように巻き回され、このように巻き回された光ファイバ１０を覆うようにカバー３０が設けられている。
【００１６】
光ファイバ１０は、レーザ活性物質が添加されたフッ化物ガラスからなるコアと、このコアの周囲に設けられたフッ化物ガラスからなるクラッドとを有する光ファイバである。
光ファイバ１０としては、光ファイバ裸線、光ファイバ素線、光ファイバ心線を使用することができる。
【００１７】
上記レーザ活性物質としては、希土類元素のイオンが用いられており、例えば、Ｎｄ^３＋、Ｙｂ^３＋、Ｅｒ^３＋、Ｐｒ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｈｏ^３＋、Ｔｂ^３＋、Ｄｙ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｅｕ^２＋から選択される少なくとも１種が用いられる。
これらの希土類元素のイオンが、光ファイバ１０のコアに１，０００ｐｐｍ〜１００，０００ｐｐｍ（重量比）程度添加されている。
【００１８】
これらの希土類元素のイオンが添加されていることにより、光ファイバ１０のコアに特定の波長を有する励起光を導入することで誘導放出により、別の波長の光のレーザ発振が可能となる。
【００１９】
ドラム２０は、アルミニウム合金、銅、真鍮などの熱伝送率の高い材料からなる円柱状の部材であり、外周面２０ａには、光ファイバ１０を収容する溝２１が、一方の端面２０ｂ側から他方の端面２０ｃ側に向かって螺旋状に設けられている。また、ドラム２０には、一方の端面２０ａから他方の端面２０ｂに向かって４つの貫通穴２２が設けられている。
【００２０】
ドラム２０の外径および高さは、この外周に巻き回される光ファイバ１０の長さに応じて適宜設定されるが、通常、外径は１５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度、高さは６０ｍｍ〜１００ｍｍ程度となっている。
【００２１】
溝２１は光ファイバ１０を１本のみ収容可能な大きさに設けられており、溝２１を設ける間隔は、隣り合う溝２１に収容された光ファイバ１０同士において、一方の光ファイバ１０で発生した熱が、他方の光ファイバ１０に達しない程度となっていることが望ましい。
このように、溝２１を所定の間隔で設け、この中に光ファイバ１０を収容することにより、光ファイバ１０はドラム２０の外周面２０ａに互いに重なり合わないように巻き回される。
【００２２】
また、図３に示すように、溝２１の断面形状は略Ｕ字状となっており、光ファイバ１０が巻き回されたときに、光ファイバ１０の内周に位置する側面が接する面（以下、「底面」と言う。）２１ａが円弧をなしている。
ここで、光ファイバ１０の外径をｄとすると、溝２１の断面の深さＤ_１および幅Ｗは、外径ｄ以上であることが好ましく、ｄ≦Ｄ_１≦ｄ＋０．１ｍｍ、ｄ≦Ｗ≦ｄ＋０．１ｍｍであることがより好ましい。その上、底面２１ａの直径をＤ_２とすると、直径Ｄ_２は、外径ｄ以上であることが好ましく、ｄ≦Ｄ_２≦ｄ＋０．１ｍｍであることがより好ましい。
【００２３】
溝２１の断面の深さＤ_１および幅Ｗが外径ｄ未満であると、光ファイバ１０の外周面１０ａとドラム２０の外周面２０ａとが同一面上、あるいは、光ファイバ１０の外周面１０ａの一部が外周面２０ａよりも溝２１の内側とならず、光ファイバ１０が外部からの衝撃などにより損傷し易くなる。一方、深さＤ_１および幅Ｗが外径ｄ＋０．１ｍｍを超えると、光ファイバ１０が溝２１から脱落し易くなる。また、光ファイバ１０とドラム２０との熱的な接触が悪くなり、光ファイバ１０からドラム２０への放熱の効率が低下する。
【００２４】
また、溝２１の断面の底面２１ａの直径Ｄ_２が外径ｄ未満であると、光ファイバ１０の外周面１０ａとドラム２０の外周面２０ａとが同一面上、あるいは、光ファイバ１０の外周面１０ａの一部が外周面２０ａよりも溝２１の内側とならず、光ファイバ１０が外部からの衝撃などにより損傷し易くなる。一方、深さＤ_１および幅Ｗが外径ｄ＋０．１ｍｍを超えると、光ファイバ１０が溝２１から脱落し易くなる。また、光ファイバ１０とドラム２０との熱的な接触が悪くなり、光ファイバ１０からドラム２０への放熱の効率が低下する。
【００２５】
さらに、光ファイバ１０と溝２１の内面２１ｂとの間には、熱伝導性の材料が介在している。なお、ここでは、内面２１ｂは底面２１ａを含んでいる。
熱伝導性の材料としては、シリコングリス、放熱コンパウンド、熱伝導シートなどが挙げられるが、中でも、１〜５Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導性を有し、光ファイバ１０と溝２１との間にエアギャップを介在させないことで、熱伝導性の向上を図ることができる材料が望ましい。
【００２６】
貫通穴２２の大きさ（内径）は特に限定されないが、光ファイバ１０からの熱を外部に効率良く放出するためには、貫通穴２２を設ける位置には偏りがないことが望ましい。
【００２７】
なお、この例の光ファイバレーザでは、４つの貫通穴２２が設けられているが、本発明の光ファイバレーザはこれに限定されない。本発明の光ファイバレーザでは、内径の小さな多数の貫通穴を設けて、その内側面の表面積を大きくしてもよい。
【００２８】
カバー３０は、その内径がドラム２０の外径に対して＋０．１ｍｍ〜＋０．４ｍｍ程度大きくなっており、その高さがドラム２０に巻き回された光ファイバ１０を覆うように、すなわち、光ファイバ１０が配されたドラム２０の外周面２０ａの領域を覆うように適宜設定された円筒形状の部材である。
また、カバー３０は、アルミニウム合金、銅、真鍮などの金属で形成されている。
【００２９】
なお、この例の光ファイバレーザでは、カバー３０として、厚みの薄い円筒形状の部材が用いられているが、本発明の光ファイバレーザはこれに限定されない。本発明の光ファイバレーザでは、カバーとして、ドラムの外径よりも若干大きめの内径を有する穴が設けられた構造体を用い、この穴の中に光ファイバを巻き回したドラムを収容してもよい。
【００３０】
また、本発明の光ファイバレーザでは、ドラムに設けられた貫通穴の長手方向に向けて送風機を配置し、貫通穴内に送風して、ドラムを強制冷却することにより、光ファイバの放熱の効率を上げるようにしてもよい。
【００３１】
この例の光ファイバレーザでは、光ファイバ１０をドラム２０の外周面２０ａに互いに重なり合わないように巻き回し、かつ、光ファイバ１０と溝２１の内面２１ｂとの間に熱伝導性の材料を介在させている。これにより、光ファイバ１０は、その全長にわたって熱伝導率の高い材料からなるドラム２０と直接、あるいは、それに相当する程度に接触しているから、光ファイバ１０が発熱しても、光ファイバ１０が単体で存在する場合よりも、放熱面積を大きくすることができる。したがって、この例の光ファイバレーザは、光ファイバ１０から効率的に放熱させることができるので、高出力のレーザ光を出力することが可能となる。
【００３２】
また、熱伝導性の材料を介在させることにより、光ファイバ１０と溝２１の内面２１ｂとの間に空気が介在するのを防止することができるため、光ファイバ１０からドラム２０への放熱の効率が向上する。
【００３３】
さらに、カバー３０を設けることにより、光ファイバ１０が損傷することや、光ファイバ１０を溝２１に収容した後に、光ファイバ１０が溝２１から外れることを防止することができるばかりでなく、光ファイバ１０とドラム２０との接触面積の向上、光ファイバ１０の側面から漏出するレーザ光を直視する危険を低減することができる。
【００３４】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実験例）
図１〜図３に示したような光ファイバレーザを作製した。
ドラム２０として、外径１５０ｍｍ、高さ６０ｍｍのアルミニウム合金製の円柱状の部材の外周面に、一方の端面２０ｂ側から他方の端面２０ｃ側に向かって設けた螺旋状の溝２１と、一方の端面２０ｂから他方の端面２０ｃに向かって設けた４つの貫通穴２２とを有するものを用意した。
溝２１の断面の深さＤ_１を０．５ｍｍ、幅Ｗを０．５ｍｍ、底面２１ａの半径ｒを０．２５ｍｍ、溝２１の間隔を３ｍｍ、溝２１の周回数を２０回とした。
貫通穴２２の内径を５０ｍｍとした。
【００３５】
この溝２１に、表面に熱伝導性のシリコングリスを塗布した光ファイバ１０を収容して、光ファイバ１０をドラム２０の外周面２０ａに巻き回した。
光ファイバ１０としては、エルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）を４０，０００ｐｐｍ含むフッ化物ガラスからなる、外径１００μｍのコアを有する、外径０．５ｍｍのマルチモードフッ化物ファイバを用いた。
さらに、光ファイバ１０を巻き回したドラム２０の外周面２０ａに、光ファイバ１０を覆うように、厚み０．５ｍｍのアルミニウム板を巻き付けて、カバー３０とし、光ファイバレーザを得た。
【００３６】
この実施例の光ファイバレーザの光ファイバ１０の一方の端面に、波長０．９８μｍ、出力１０Ｗの励起光を入射したところ、光ファイバ１０の温度は５０℃であった。
一方、従来の光ファイバレーザの光ファイバの端面に、波長０．９８μｍ、出力１０Ｗの励起光を入射したところ、光ファイバの温度は２００℃まで上昇した。
また、実施例の光ファイバレーザから出力されるレーザ光の出力と、従来の光ファイバレーザから出力されるレーザ光の出力を比較したところ、実施例の出力は比較例よりも５％向上していることが確認された。
【００３７】
【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によれば、光ファイバをドラムの外周面に互いに重なり合わないように巻き回し、かつ、光ファイバとドラムの溝の内面との間に熱伝導性の材料を介在させることにより、光ファイバは、その全長にわたってドラムとほぼ直接接触するから、光ファイバが発熱しても、光ファイバが単体で存在する場合よりも、放熱面積を大きくすることができる。したがって、光ファイバから効率的に放熱させることができるので、高出力のレーザ光を出力することが可能となる。
【００３８】
また、熱伝導性の材料を介在させることにより、光ファイバと溝の内面との間に空気が介在するのを防止することができるため、光ファイバからドラムへの放熱の効率が向上する。
さらに、カバーを設けることにより、光ファイバが損傷することや、光ファイバをドラムの溝に収容する作業を行なうのを容易にすることができるばかりでなく、光ファイバとドラムとの接触面積の向上、光ファイバの側面から漏出するレーザ光を直視する危険を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバレーザの一例を示す概略正面図である。
【図２】図１の光ファイバレーザをドラムの端面から見た概略平面図である。
【図３】ドラムの溝を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０・・・光ファイバ、２０・・・ドラム、２０ａ・・・外周面、２０ｂ，２０ｃ・・・端面、２１・・・溝、２１ａ・・・底面、２１ｂ・・・内面、２２・・・貫通穴、３０・・・カバー。

Claims

レーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバと、該光ファイバが巻き回される円柱状のドラムとを少なくとも備えた光ファイバレーザにおいて、
前記光ファイバは前記ドラムの外周上に互いに重なり合わないように巻き回され、かつ、前記光ファイバと前記ドラムの外周との間には熱伝導性の材料が介在していることを特徴とする光ファイバレーザ。
前記ドラムの外周面には、前記光ファイバを１本のみ収容可能な溝がドラムの一方の端面側から他方の端面側に向かって螺旋状に設けられ、前記光ファイバは前記溝内に収容されて、前記ドラムの外周に巻き回されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバレーザ。
前記ドラムの外周に巻き回された光ファイバを覆うようなカバーが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバレーザ。
前記ドラムの外周に設けられた溝の断面の深さおよび幅は、該溝内に収容される光ファイバの外径以上であり、かつ、該溝の断面形状は光ファイバが巻き回されたときに内周に位置する側面が接する面が円弧をなし、該円弧の直径は前記光ファイバの外径以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光ファイバレーザ。
前記レーザ活性物質は、Ｎｄ^３＋、Ｙｂ^３＋、Ｅｒ^３＋、Ｐｒ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｈｏ^３＋、Ｔｂ^３＋、Ｄｙ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｅｕ^２＋から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光ファイバレーザ。
前記光ファイバのコアをなす材料は、フッ化物ガラスを主成分とすることを特徴とする請求項５記載の光ファイバレーザ。