特開 2023-121215 ファイバレーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023121215

(43)【公開日】2023-08-31

(54)【発明の名称】ファイバレーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/067 20060101AFI20230824BHJP

   H01S 3/042 20060101ALI20230824BHJP

   H01S 3/02 20060101ALI20230824BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20230824BHJP

【ＦＩ】

H01S3/067

H01S3/042

H01S3/02

G02B6/02 411

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022024415

(22)【出願日】2022-02-21

(71)【出願人】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】100109896

【弁理士】

【氏名又は名称】森 友宏

(72)【発明者】

【氏名】増渕 光暁

【テーマコード（参考）】

2H250

5F172

【Ｆターム（参考）】

2H250AB03

2H250AC37

2H250AD15

2H250AG02

2H250AH33

5F172AE13

5F172AF01

5F172AF02

5F172AF03

5F172AF05

5F172AF06

5F172AF15

5F172AM04

5F172AM08

5F172DD02

5F172DD03

5F172EE15

5F172EE16

5F172EE19

5F172NQ34

5F172NS01

5F172WW18

(57)【要約】

【課題】高パワーのレーザ光をコンパクトな構成で出力することができるファイバレーザ装置を提供する。
【解決手段】ファイバレーザ装置１は、活性元素が添加されたコアを含み、異なる増幅特性を有する増幅用光ファイバ１０，２０と、増幅用光ファイバ１０と熱的に接触して増幅用光ファイバ１０を冷却可能な冷却面５１Ａを有する冷却プレート５１と、増幅用光ファイバ２０と熱的に接触して増幅用光ファイバ２０を冷却可能な冷却面５２Ａを有する冷却プレート５２と、冷却プレート５１，５２を収容するゲインモジュールボックス７１Ｃを含む１以上のモジュールボックス７１と、モジュールボックス７１を収容する筐体７０とを備える。冷却プレート５１，５２の冷却面５１Ａ，冷却面５２Ａは、ゲインモジュールボックス７１内で異なる高さに配置され、冷却面５１Ａ，５２Ａの少なくとも一部は、高さ方向に沿って見たときに互いに重なるように配置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

活性元素が添加されたコアを含み、異なる増幅特性を有する複数の増幅用光ファイバと、
前記複数の増幅用光ファイバのうち第１の増幅用光ファイバと熱的に接触して前記第１の増幅用光ファイバを冷却可能な第１の冷却面と、前記複数の増幅用光ファイバのうち第２の増幅用光ファイバと熱的に接触して前記第２の増幅用光ファイバを冷却可能な第２の冷却面とを有する１以上の冷却プレートと、
前記１以上の冷却プレートとともに前記複数の増幅用光ファイバを収容するゲインモジュールボックスを含む１以上のモジュールボックスと、
前記１以上のモジュールボックスを収容する筐体と
を備え、
前記１以上の冷却プレートの前記第１の冷却面及び前記第２の冷却面は、前記ゲインモジュールボックス内で異なる高さに配置され、前記第１の冷却面及び前記第２の冷却面の少なくとも一部は、高さ方向に沿って見たときに互いに重なるように配置される、ファイバレーザ装置。

【請求項2】

前記１以上の冷却プレートの前記第１の冷却面及び前記第２の冷却面は、単一の冷却プレートの両面により構成される、請求項１に記載のファイバレーザ装置。

【請求項3】

前記１以上の冷却プレートの前記第１の冷却面は、第１の冷却プレートの一方の面により構成され、
前記１以上の冷却プレートの前記第２の冷却面は、前記第１の冷却プレートとは異なる第２の冷却プレートの一方の面により構成される、
請求項１に記載のファイバレーザ装置。

【請求項4】

前記第１の冷却プレートの前記第１の冷却面と前記第２の冷却プレートの前記第２の冷却面とは、互いに対向しないように配置される、請求項３に記載のファイバレーザ装置。

【請求項5】

前記第１の冷却プレートと前記第２の冷却プレートとは、異なるサイズを有する、請求項３又は４に記載のファイバレーザ装置。

【請求項6】

前記第１の増幅用光ファイバは、前記第２の増幅用光ファイバの上流側に接続され、
前記第１の冷却プレートのサイズは、前記第２の冷却プレートのサイズよりも大きい、
請求項５に記載のファイバレーザ装置。

【請求項7】

前記第１の増幅用光ファイバと前記第２の増幅用光ファイバとの間を接続する中間光ファイバをさらに備え、
前記第１の冷却プレート及び前記第２の冷却プレートの少なくとも一方には、前記中間光ファイバが通過するファイバ孔又は切欠きが形成される、
請求項３から６のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。

【請求項8】

前記第１の冷却プレート及び前記第２の冷却プレートのそれぞれには、
内部に冷却媒体を流通させる流路と、
前記流路に前記冷却媒体を供給する流入口と、
前記流路を流通した前記冷却媒体を排出する流出口と
が形成される、
請求項３から７のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。

【請求項9】

前記第１の冷却プレート及び前記第２の冷却プレートの一方の前記流出口と前記第１の冷却プレート及び前記第２の冷却プレートの他方の前記流入口とを接続する接続管をさらに備える、請求項８に記載のファイバレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ファイバレーザ装置に係り、特に複数の増幅用光ファイバを含むファイバレーザ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、複数の増幅用光ファイバを用いることでレーザ光の増幅度を上げ、高出力のレーザ光を出力できるようにしたファイバレーザの開発が進んでいる（例えば、特許文献１参照）。このようなファイバレーザにおいては、増幅用ファイバに傷が付いたり、埃が付着したりすることを防止するとともに、増幅用光ファイバのメンテナンス性を向上させるために、それぞれの増幅用光ファイバを別個に箱状のモジュールボックスに収容している。

【0003】

このように、ファイバレーザが複数の増幅用光ファイバを含む場合、複数のモジュールボックスを例えば縦に並べて筐体内に収容する必要があり、モジュールボックスを収容する筐体の厚さが増してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１６８７７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、高パワーのレーザ光をコンパクトな構成で出力することができるファイバレーザ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様によれば、高パワーのレーザ光をコンパクトな構成で出力することができるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、活性元素が添加されたコアを含み、異なる増幅特性を有する複数の増幅用光ファイバと、上記複数の増幅用光ファイバのうち第１の増幅用光ファイバと熱的に接触して上記第１の増幅用光ファイバを冷却可能な第１の冷却面と、上記複数の増幅用光ファイバのうち第２の増幅用光ファイバと熱的に接触して上記第２の増幅用光ファイバを冷却可能な第２の冷却面とを有する１以上の冷却プレートと、上記１以上の冷却プレートとともに上記複数の増幅用光ファイバを収容するゲインモジュールボックスを含む１以上のモジュールボックスと、上記１以上のモジュールボックスを収容する筐体とを備える。上記１以上の冷却プレートの上記第１の冷却面及び上記第２の冷却面は、上記ゲインモジュールボックス内で異なる高さに配置され、上記第１の冷却面及び上記第２の冷却面の少なくとも一部は、高さ方向に沿って見たときに互いに重なるように配置される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を模式的に示すブロック図である。

【図2】図２は、図１に示すファイバレーザ装置における第１の増幅用光ファイバの構造を模式的に示す断面図である。

【図3】図３は、図１に示すファイバレーザ装置における第２の増幅用光ファイバの構造を模式的に示す断面図である。

【図4】図４は、図１に示すファイバレーザ装置の配置構成を示す模式図である。

【図5】図５は、図４に示すモジュールボックス内の構成の変形例を示す模式図である。

【図6】図６は、図４に示すモジュールボックス内の構成の他の変形例を示す模式図である。

【図7】図７は、図４に示すモジュールボックス内の構成のさらに他の変形例を示す模式図である。

【図8】図８は、本発明の第２の実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を模式的に示すブロック図である。

【図9】図９は、図８に示すファイバレーザ装置におけるゲインモジュールボックスの構成の一例を示す模式図である。

【図10】図１０は、図８に示すファイバレーザ装置におけるゲインモジュールボックスの構成の他の例を示す模式図である。

【図11】図１１は、本発明の第３の実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を模式的に示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明に係るファイバレーザ装置の実施形態について図１から図１１を参照して詳細に説明する。図１から図１１において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図１１においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

【0009】

図１は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ装置１の構成を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、ファイバレーザ装置１は、レーザ光を増幅可能な第１の増幅用光ファイバ１０及び第２の増幅用光ファイバ２０を含む光共振器２と、この光共振器２の一端側（前方）から光共振器２に励起光を供給する複数の前方励起光源３と、光共振器２の他端側（後方）から光共振器２に励起光を供給する複数の後方励起光源４と、複数の前方励起光源３から出力される励起光を結合して光共振器２に導入する上流側光コンバイナ５と、複数の後方励起光源４から出力される励起光を結合して光共振器２に導入する下流側光コンバイナ６と、下流側光コンバイナ６から延びるデリバリファイバ７と、デリバリファイバ７の下流側の端部に設けられたレーザ出力部８とを備えている。なお、本明細書では、特に言及がない場合には、光共振器２からレーザ出力部８に向かってレーザ光が伝搬する方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

【0010】

光共振器２は、所定の波長帯（例えば１０７０ｎｍ）の光を高い反射率（例えば１００％近い反射率）で反射する高反射部３１と、この波長の光を高反射部３１よりも低い反射率（例えば１０％の反射率）で反射する低反射部３２とを含んでいる。高反射部３１及び低反射部３２は、例えば、光の伝搬方向に沿って周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成したファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）やミラーにより構成される。図１に示す例では、高反射部３１及び低反射部３２をファイバブラッググレーティングにより構成している。

【0011】

高反射部３１と第１の増幅用光ファイバ１０とは融着接続部４１において互いに融着接続されており、高反射部３１と上流側光コンバイナ５の出力ファイバ５Ａとは融着接続部４２において互いに融着接続されている。また、低反射部３２と第２の増幅用光ファイバ２０とは融着接続部４３において互いに融着接続されており、低反射部３２と下流側光コンバイナ６の出力ファイバ６Ａとは融着接続部４４において互いに融着接続されている。

【0012】

図２は、第１の増幅用光ファイバ１０の構造を模式的に示す断面図である。図２に示すように、第１の増幅用光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の周囲を覆う内側クラッド層１２と、内側クラッド層１２の周囲を覆う外側クラッド層１３とを有している。コア１１は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。コア１１に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）などが挙げられる。本実施形態では、Ｙｂを第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。

【0013】

内側クラッド層１２は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低くなっており、コア１１の内側には光導波路が形成される。外側クラッド層１３は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層１３の屈折率は内側クラッド層１２の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層１２の内側にも光導波路が形成される。

【0014】

図３は、第２の増幅用光ファイバ２０の構造を模式的に示す断面図である。図３に示すように、第２の増幅用光ファイバ２０は、コア２１と、コア２１の周囲を覆う内側クラッド層２２と、内側クラッド層２２の周囲を覆う外側クラッド層２３とを有している。コア２１は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。コア２１に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）などが挙げられる。本実施形態では、Ｙｂを第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。

【0015】

内側クラッド層２２は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層２２の屈折率はコア２１の屈折率よりも低くなっており、コア２１の内側には光導波路が形成される。外側クラッド層２３は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層２３の屈折率は内側クラッド層２２の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層２２の内側にも光導波路が形成される。

【0016】

第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０とは異なる増幅特性を有している。例えば、第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０とは、活性元素の種類、活性元素の添加濃度、コアの径、ファイバ長などのうち少なくとも１つの特性において互いに異なっており、異なる増幅特性を有している。

【0017】

第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０との間には中間光ファイバ９が接続されている。この中間光ファイバ９は、コアと、コアの周囲を覆う内側クラッド層と、内側クラッド層の周囲を覆う外側クラッド層とを有している。中間光ファイバ９のコアには、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素が添加されているが、第１の増幅用光ファイバ１０及び第２の増幅用光ファイバ２０と異なり、活性元素は添加されていない、いわゆるパッシブファイバである。内側クラッド層は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層の屈折率はコアの屈折率よりも低くなっており、コアの内側には光導波路が形成される。外側クラッド層は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層の屈折率は内側クラッド層の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層の内側にも光導波路が形成される。この中間光ファイバ９は、融着接続部４５において第１の増幅用光ファイバ１０と融着接続され、融着接続部４６において第２の増幅用光ファイバ２０と融着接続されている。

【0018】

前方励起光源３及び後方励起光源４のそれぞれは、例えばＧａＡｓ系半導体を材料とするファブリペロー型の半導体レーザ素子を含むものであり、例えば中心波長９１５ｎｍの励起光を生成するものである。前方励起光源３により生成される励起光の波長と後方励起光源４により生成される励起光の波長は同一である必要はなく、異なっていてもよい。

【0019】

前方励起光源３から延びる光ファイバ３Ａは、融着接続部４７において上流側光コンバイナ５の入力ファイバ５Ｂと融着接続されている。後方励起光源４から延びる光ファイバ４Ａは、融着接続部４８において下流側光コンバイナ６の入力ファイバ６Ｂと融着接続されている。また、デリバリファイバ７は、融着接続部４９において下流側光コンバイナ６の入力ファイバ６Ｂと融着接続されている。

【0020】

上流側光コンバイナ５は、複数の前方励起光源３から出力される励起光を結合してこの励起光を第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入するように構成されている。また、下流側光コンバイナ６は、複数の後方励起光源４から出力される励起光を結合してこの励起光を第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２に導入するように構成されている。

【0021】

光共振器２において、第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２を伝搬する励起光は、コア１１を通過する際にＹｂに吸収され、このＹｂが励起されて自然放出光が生じる。また、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２を伝搬する励起光は、コア２１を通過する際にＹｂに吸収され、このＹｂが励起されて自然放出光が生じる。Ｙｂの励起により生じた自然放出光は、高反射部３１と低反射部３２との間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器２で増幅されたレーザ光Ｌは、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１内を伝搬し、その一部が低反射部３２を透過して下流側に伝搬する。低反射部３２を透過したレーザ光Ｌは、デリバリファイバ７を通ってレーザ出力部８から例えば被加工物に向けて出射される。

【0022】

図１に示すように、ファイバレーザ装置１は、伝熱性の高い材料（例えばアルミニウムや銅）から形成される第１の冷却プレート５１及び第２の冷却プレート５２を含んでいる。本実施形態では、これらの冷却プレート５１，５２として水を冷却媒体とする水冷プレートが用いられているが、水以外の不凍液や空気を冷却媒体とする冷却プレートを用いることもできる。

【0023】

具体的には、第１の冷却プレート５１の内部には、冷却水を流通させる冷却水流路５３が形成されており、第１の冷却プレート５１の側面には、冷却水流路５３に冷却媒体としての冷却水を供給する流入口５４と、冷却水流路５３を流通した冷却水を排出する流出口５５とが形成されている。流入口５４から冷却水流路５３に冷却水が導入され、この冷却水は冷却水流路５３を流通した後、流出口５５から排出されるようになっている。

【0024】

同様に、第２の冷却プレート５２の内部には、冷却水を流通させる冷却水流路５６が形成されており、第２の冷却プレート５２の側面には、冷却水流路５６に冷却水を供給する流入口５７と、冷却水流路５６を流通した冷却水を排出する流出口５８とが形成されている。流入口５７から冷却水流路５６に冷却水が導入され、この冷却水は冷却水流路５６を流通した後、流出口５８から排出されるようになっている。

【0025】

第１の冷却プレート５１の表面には、上流側光コンバイナ５、高反射部３１、上流側光コンバイナ５と高反射部３１との間の融着接続部４２、第１の増幅用光ファイバ１０、高反射部３１と第１の増幅用光ファイバ１０との間の融着接続部４１、及び第１の増幅用光ファイバ１０と中間光ファイバ９との間の融着接続部４５がそれぞれ例えば樹脂などで固定されており、これらの光学部品と第１の冷却プレート５１とが熱的に接触するようになっている。以下、第１の冷却プレート５１の表面に固定されているこれらの光学部品を第１の光学部品群ということとする。このような構成により、第１の光学部品群で発生した熱は第１の冷却プレート５１に伝達し、第１の冷却プレート５１の冷却水流路５３を循環する冷却水と熱交換することで放熱される。これにより第１の光学部品群が冷却される。

【0026】

第２の冷却プレート５２の表面には、下流側光コンバイナ６、低反射部３２、下流側光コンバイナ６と低反射部３２との間の融着接続部４４、第２の増幅用光ファイバ２０、低反射部３２と第２の増幅用光ファイバ２０との間の融着接続部４３、及び第２の増幅用光ファイバ２０と中間光ファイバ９との間の融着接続部４６がそれぞれ例えば樹脂などで固定されており、これらの光学部品と第２の冷却プレート５２とが熱的に接触するようになっている。以下、第２の冷却プレート５２の表面に固定されているこれらの光学部品を第２の光学部品群ということとする。このような構成により、第２の光学部品群で発生した熱は第２の冷却プレート５２に伝達し、第２の冷却プレート５２の冷却水流路５６を循環する冷却水と熱交換することで放熱される。これにより第２の光学部品群が冷却される。

【0027】

ここで、第１の冷却プレート５１の冷却水流路５３と第２の冷却プレート５２の冷却水流路５６との間で別の冷却水を使用してもよいが、本実施形態では、第１の冷却プレート５１の冷却水流路５３と第２の冷却プレート５２の冷却水流路５６との間で同一の冷却水を使用している。より具体的には、第１の冷却プレート５１の流入口５４には、外部から冷却水が供給される給水管６１が接続されており、第２の冷却プレート５２の流出口５８には、外部に冷却水を排出する排水管６２が接続されている。第１の冷却プレート５１の流出口５５と第２の冷却プレート５２の流入口５７とは接続管６３により接続されている。このような構成において、給水管６１を介して冷却水が第１の冷却プレート５１の冷却水流路５３に導入され、冷却水流路５３に導入された冷却水は、冷却水流路５３の内面と熱交換しつつ冷却水流路５３を流れる。第１の冷却プレート５１の冷却水流路５３から排出される冷却水は、接続管６３を通って第２の冷却プレート５２の冷却水流路５６に導入される。第２の冷却プレート５２の冷却水流路５６に導入された冷却水は、冷却水流路５６の内面と熱交換しつつ冷却水流路５６を流れ、排水管６２を介して第２の冷却プレート５２から排出される。

【0028】

このように、第１の冷却プレート５１の冷却水流路５３と第１の冷却プレート５１に隣接する第２の冷却プレート５２の冷却水流路５６との間で同一の冷却水を使用することで、第１の冷却プレート５１の冷却水流路５３と第２の冷却プレート５２の冷却水流路５６との間で別の冷却水を使用する場合に比べて、必要とされる冷却水の流量を減らすことができる。

【0029】

図４は、ファイバレーザ装置１の配置構成を示す模式図である。図４に示すように、ファイバレーザ装置１は、上述した様々な光学部品を収容する１以上のモジュールボックス７１を収容した筐体７０を備えている。本実施形態では、筐体７０内に３つのモジュールボックス７１が収容されており、これらのうちの１つのモジュールボックス７１Ｃ（ゲインモジュールボックス）に、上述した２つの冷却プレート５１，５２が収容されている。これらの冷却プレート５１，５２は、冷却プレート５１，５２の厚さ方向に並べて配置されており、図示しない支持部によってモジュールボックス７１Ｃ内に固定されている。

【0030】

図４に示すように、第１の光学部品群８１は第１の冷却プレート５１の上面５１Ａ（第１の冷却面）に固定されており、第２の光学部品群８２は第２の冷却プレート５２の上面５２Ａ（第２の冷却面）に固定されている。このように、本実施形態では、第１の冷却プレート５１に固定される第１の光学部品群８１と第２の冷却プレート５２に固定される第２の光学部品群８２とが互いに対面しないようになっている。このような構成により、２つの増幅用光ファイバ１０，２０のうち一方の増幅用光ファイバが破損して光が外部に漏れるようなことがあったとしても、この増幅用光ファイバは他方の増幅用光ファイバに対面していないため、一方の増幅用光ファイバから外部に漏れ出た光によって他方の増幅用光ファイバがダメージを受けることを抑制することができる。

【0031】

また、２つの増幅用光ファイバ１０，２０を別々の冷却プレート５１，５２上に固定しているため、２つの増幅用光ファイバ１０，２０のうち一方の増幅用光ファイバで生じる熱が他方の冷却プレート上の他方の増幅用光ファイバに与える影響を抑えることができる。

【0032】

図４に示すように、本実施形態では、第１の増幅用光ファイバ１０と熱的に接触している第１の冷却プレート５１の第１の冷却面５１Ａと第２の増幅用光ファイバ２０と熱的に接触している第２の冷却プレート５２の第２の冷却面５２Ａとがゲインモジュールボックス７１Ａ内で異なる高さに配置され、第１の冷却プレート５１の第１の冷却面５１Ａと第２の冷却プレート５２の第２の冷却面５２Ａとは、高さ方向に沿って見たときに互いに重なるように配置されている。このように、１つのゲインモジュールボックス７１Ｃに２つの冷却プレート５１，５２とともに２つの増幅用光ファイバ１０，２０が収容されているため、それぞれの増幅用光ファイバ１０，２０を別個のモジュールボックス７１に収容する場合に比べて、筐体７０の内部ですべてのモジュールボックス７１が占める高さ（厚さ）Ｈを低減することができる。また、増幅用光ファイバ１０，２０の間を接続する中間光ファイバ９が長くなると、誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering）が増加する傾向があるが、本実施形態によれば、ゲインモジュールボックス７１Ｃ内の中間光ファイバ９を短くすることができるため、この中間光ファイバ９で生じる誘導ラマン散乱を低減することができる。

【0033】

上述した第１の光学部品群８１及び第２の光学部品群８２以外の光学部品は、モジュールボックス７１Ａ又は７１Ｂに収容される。例えば、前方励起光源３はモジュールボックス７１Ｂに収容され、後方励起光源４はモジュールボックス７１Ａに収容される。なお、第１の冷却プレート５１上に配置される第１の光学部品群８１には少なくとも第１の増幅用光ファイバ１０が含まれていればよく、第２の冷却プレート５２上に配置される第２の光学部品群８２には少なくとも第２の増幅用光ファイバ２０が含まれていればよい。

【0034】

ここで、増幅用光ファイバ１０，２０間を接続する中間光ファイバ９をさらに短くするために、図５に示すように、冷却プレート５１，５２の一方のサイズを他方のサイズよりも小さくし、増幅用光ファイバ１０，２０間に中間光ファイバ９を取り回すための空間Ｓを形成してもよい。図５に示す例では、第２の冷却プレート５２のサイズを第１の冷却プレート５１のサイズよりも小さくしている。

【0035】

あるいは、図６に示すように、冷却プレート５１，５２の一方に、増幅用光ファイバ１０，２０間で中間光ファイバ９を取り回すためのファイバ孔又は切欠きを形成してもよい。図６に示す例では、第２の冷却プレート５２にファイバ孔７３を形成して、このファイバ孔７３に中間光ファイバ９を通過させることで、増幅用光ファイバ１０，２０間を接続する中間光ファイバ９を短くしている。

【0036】

また、図７に示すように、第１の増幅用光ファイバ１０を含む第１の光学部品群８１を第１の冷却プレート５１の一方の面（例えば下面５１Ｂ）に配置し、第２の増幅用光ファイバ２０を含む第２の光学部品群８２を第１の冷却プレート５１の他方の面（例えば上面５１Ａ）に配置してもよい。このような構成によれば、２つの増幅用光ファイバ１０，２０を１つの冷却プレート５１上に配置することができるため、２つの増幅用光ファイバ１０，２０をそれぞれ別個の冷却プレート５１，５２上に配置する場合（図４参照）に比べて、ゲインモジュールボックス７１Ｃの厚さをさらに低減することができる。この結果、筐体７０の内部ですべてのモジュールボックス７１が占める高さＨをさらに低減することができる。

【0037】

図８は、本発明の第２の実施形態におけるファイバレーザ装置１０１の構成を模式的に示すブロック図である。本実施形態におけるファイバレーザ装置１０１は、第１の実施形態における第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０との間に第３の増幅用光ファイバ１１０を含んでいる。すなわち、本実施形態における光共振器１０２は、第１の増幅用光ファイバ１０と、第２の増幅用光ファイバ２０と、第３の増幅用光ファイバ１１０とを含んでいる。この第３の増幅用光ファイバ１１０は、第１の増幅用光ファイバ１０及び第２の増幅用光ファイバ２０と同様の構造を有しているため、図示は省略するが、活性元素が添加されたコアと、コアの周囲を覆う内側クラッド層と、内側クラッド層の周囲を覆う外側クラッド層とを有している。この第３の増幅用光ファイバ１１０の増幅特性は、第１の増幅用光ファイバ１０及び第２の増幅用光ファイバ２０の増幅特性とは異なっている。

【0038】

第１の増幅用光ファイバ１０と第３の増幅用光ファイバ１１０との間には中間光ファイバ１０８が接続されている。この中間光ファイバ１０８は、融着接続部４５において第１の増幅用光ファイバ１０と融着接続され、融着接続部１４５において第３の増幅用光ファイバ１１０と融着接続されている。また、第３の増幅用光ファイバ１１０と第２の増幅用光ファイバ２０との間には中間光ファイバ１０９が接続されている。この中間光ファイバ１０９は、融着接続部１４６において第３の増幅用光ファイバ１１０と融着接続され、融着接続部４６において第２の増幅用光ファイバ２０と融着接続されている。

【0039】

本実施形態におけるファイバレーザ装置１０１は、第１の実施形態における冷却プレート５１，５２と同様の構造を有する第３の冷却プレート１５１を含んでいる。本実施形態では、第３の冷却プレートとして水を冷却媒体とする水冷プレートが用いられており、第１の冷却プレート５１及び第２の冷却プレート５２と同様に、第３の冷却プレート１５１には、冷却水を流通させる冷却水流路と、冷却水流路に冷却水を供給する流入口と、冷却水流路を流通した冷却水を排出する流出口とが形成されている。この流入口から冷却水流路に冷却水が導入され、この冷却水は冷却水流路を流通した後、流出口から排出されるようになっている。

【0040】

第３の冷却プレート１５１の表面には、第３の増幅用光ファイバ１１０、中間光ファイバ１０８と第３の増幅用光ファイバ１１０との間の融着接続部１４５、及び第３の増幅用光ファイバ１１０と中間光ファイバ１０９との間の融着接続部１４６がそれぞれ例えば樹脂などで固定されており、これらの光学部品と第３の冷却プレート１５１とが熱的に接触するようになっている。以下、第３の冷却プレート１５１の表面に固定されているこれらの光学部品を第３の光学部品群ということとする。このような構成により、第３の光学部品群で発生した熱は第３の冷却プレート１５１に伝達し、第３の冷却プレート１５１内部の冷却水流路を循環する冷却水と熱交換することで放熱される。これにより第３の光学部品群が冷却される。

【0041】

第１の冷却プレート５１、第２の冷却プレート５２、及び第３の冷却プレート１５１は、例えば、図９に示すように、１つのモジュールボックス７１（ゲインモジュールボックス）に冷却プレート５１，５２，１５１の厚さ方向に並べて収容されている。図９に示す例では、第１の光学部品群８１は第１の冷却プレート５１の上面５１Ａに固定されており、第２の光学部品群８２は第２の冷却プレート５２の上面５２Ａに固定されており、第３の光学部品群１８１は第３の冷却プレート１５１の上面１５１Ａに固定されている。すなわち、第１の冷却プレート５１に固定される第１の光学部品群８１、第２の冷却プレート５２に固定される第２の光学部品群８２、第３の冷却プレート１５１に固定される第３の光学部品群１８１が互いに対面しないようになっており、いずれかの増幅用光ファイバが破損した場合に他の増幅用光ファイバがダメージを受けにくくなっている。なお、第３の冷却プレート１５１上に配置される第３の光学部品群１８１には少なくとも第３の増幅用光ファイバ１１０が含まれていればよい。

【0042】

この場合において、図５に関連して述べたように、冷却プレート５１，５２，１５１の少なくとも１つのサイズを他の冷却プレートのサイズよりも小さくして、中間光ファイバ１０８及び／又は１０９を取り回すための空間を形成してもよい。また、図６に関連して述べたように、冷却プレート５１，５２，１５１の少なくとも１つに中間光ファイバ１０８及び／又は１０９を取り回すための孔又は切欠きを形成してもよい。これらの場合には、中間光ファイバ１０８又は１０９の長さを短くすることができるので、中間光ファイバ１０８又は１０９で生じる誘導ラマン散乱が低減される。

【0043】

また、図１０に示すように、第１の増幅用光ファイバ１０を含む第１の光学部品群８１を第１の冷却プレート５１の下面５１Ｂに配置し、第３の増幅用光ファイバ１１０を含む第３の光学部品群１８１を第１の冷却プレート５１の上面５１Ａに配置し、第２の増幅用光ファイバ２０を含む第２の光学部品群８２を第２の冷却プレート５２の上面５２Ａに配置してもよい。このような構成によれば、図９に示す構成に比べて、ゲインモジュールボックス７１の厚さを低減することができる。

【0044】

図１１は、本発明の第３の実施形態におけるファイバレーザ装置２０１の構成を模式的に示すブロック図である。上述した第１の実施形態における冷却プレート５１，５２の構成は、第３の実施形態におけるファイバレーザ装置２０１にも適用することができる。このファイバレーザ装置２０１では、ＭＯＰＡ型のファイバレーザとなっている。

【0045】

本実施形態では、第１の実施形態における低反射部３２が第２の増幅用光ファイバ２０の上流側に移動され、この低反射部３２と第２の増幅用光ファイバ２０との間に下流側光コンバイナ２０６が配置されている。また、低反射部３２と下流側光コンバイナ２０６との間には中間光ファイバ２０９が接続されている。

【0046】

第２の増幅用光ファイバ２０と下流側光コンバイナ２０６の出力ファイバ２０６Ａとは融着接続部２４５において互いに融着されており、第２の増幅用光ファイバ２０とデリバリファイバ７とは融着接続部２４６において互いに融着されている。励起光源４から延びる光ファイバ４Ａは、融着接続部２４８において下流側光コンバイナ２０６の入力ファイバ２０６Ｂと融着接続されている。また、低反射部３２と中間光ファイバ２０９とは融着接続部２４４において互いに融着接続されており、中間光ファイバ２０９と下流側光コンバイナ２０６の入力ファイバ２０６Ｂとは融着接続部２４９において互いに融着接続されている。

【0047】

本実施形態では、高反射部３１、第１の増幅用光ファイバ１０、及び低反射部３２により光共振器１０２が構成されており、この光共振器１０２に励起光源３からの励起光が導入されることにより光共振器１０２内でレーザ発振が生じてシード光が生成される。このシード光は、下流側光コンバイナ２０６を介して第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に導入される。また、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２には、励起光源４から励起光が導入され、この励起光が第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１を通過する際に、コア２１に添加された活性元素が励起光を吸収して励起され、誘導放出によってコア２１を伝搬するシード光が増幅される。なお、励起光源４を省略して、第２の増幅用光ファイバ２０におけるシード光の増幅を励起光源３からの励起光で行ってもよい。

【0048】

このような構成のファイバレーザ装置２０１においても、図４を参照して説明したように、第１の増幅用光ファイバ１０が固定された第１の冷却プレート５１と第２の増幅用光ファイバ２０が固定された第２の冷却プレート５２とが１つのゲインモジュールボックス７１に収容されている。これにより、筐体７０の内部ですべてのモジュールボックス７１が占める高さ（厚さ）Ｈを低減することができる。また、増幅用光ファイバ１０，２０間を接続する中間光ファイバ２０９を短くすることができるため、この中間光ファイバ２０９で生じる誘導ラマン散乱を低減することができる。

【0049】

ここで、光共振器１０２においては、高反射部３１と低反射部３２との間で光が再帰的に反射し、上流側の第１の増幅用光ファイバ１０を光が何度も通過するのに対して、下流側の第２の増幅用光ファイバではシード光が下流に向けて一方向に伝搬するだけである。このため、第１の増幅用光ファイバ１０が曲がっていると、第２の増幅用光ファイバ２０が曲がっているときよりもビーム品質の低下が生じやすい。したがって、第１の増幅用光ファイバ１０の曲げ径をなるべく大きくできるように、図５に示すように、第１の増幅用光ファイバ１０が配置される第１の冷却プレート５１のサイズを第２の増幅用光ファイバ２０が配置される第２の冷却プレート５２のサイズよりも大きくすることが好ましい。このような構成にすれば、中間光ファイバ２０９を取り回すための空間が確保できるとともに、第１の増幅用光ファイバ１０の曲げ径が小さくなることによるビーム品質の低下を抑制することができる。

【0050】

以上述べたように、本発明の一態様によれば、高パワーのレーザ光をコンパクトな構成で出力することができるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、活性元素が添加されたコアを含み、異なる増幅特性を有する複数の増幅用光ファイバと、上記複数の増幅用光ファイバのうち第１の増幅用光ファイバと熱的に接触して上記第１の増幅用光ファイバを冷却可能な第１の冷却面と、上記複数の増幅用光ファイバのうち第２の増幅用光ファイバと熱的に接触して上記第２の増幅用光ファイバを冷却可能な第２の冷却面とを有する１以上の冷却プレートと、上記１以上の冷却プレートとともに上記複数の増幅用光ファイバを収容するゲインモジュールボックスを含む１以上のモジュールボックスと、上記１以上のモジュールボックスを収容する筐体とを備える。上記１以上の冷却プレートの上記第１の冷却面及び上記第２の冷却面は、上記ゲインモジュールボックス内で異なる高さに配置され、上記第１の冷却面及び上記第２の冷却面の少なくとも一部は、高さ方向に沿って見たときに互いに重なるように配置される。

【0051】

このような構成によれば、１以上の冷却プレートとともに複数の増幅用光ファイバを１つのゲインモジュールボックスに収容しているため、それぞれの増幅用光ファイバを別個のモジュールボックスに収容する場合に比べて、筐体の内部ですべてのモジュールボックスが占める高さを低減することができる。また、増幅用光ファイバ間を接続する光ファイバを短くすることができるため、増幅用光ファイバ間を接続する光ファイバで生じる誘導ラマン散乱を低減することができる。

【0052】

上記１以上の冷却プレートの上記第１の冷却面及び上記第２の冷却面は、単一の冷却プレートの両面により構成されていてもよい。この場合には、２つの増幅用光ファイバを１つの冷却プレート上に配置することができるため、２つの増幅用光ファイバをそれぞれ別個の冷却プレート上に配置する場合に比べて、ゲインモジュールボックスの厚さを低減することができる。この結果、筐体の内部ですべてのモジュールボックスが占める高さをさらに低減することができる。

【0053】

上記１以上の冷却プレートの上記第１の冷却面は、第１の冷却プレートの一方の面により構成され、上記１以上の冷却プレートの上記第２の冷却面は、上記第１の冷却プレートとは異なる第２の冷却プレートの一方の面により構成されていてもよい。このような構成によれば、２つの増幅用光ファイバが別々の冷却プレート上に配置されるため、２つの増幅用光ファイバのうち一方の増幅用光ファイバで生じる熱が他の冷却プレート上の他方の増幅用光ファイバに与える影響を抑えることができる。

【0054】

上記第１の冷却プレートの上記第１の冷却面と上記第２の冷却プレートの上記第２の冷却面とは、互いに対向しないように配置されていてもよい。この場合には、２つの増幅用光ファイバのうち一方の増幅用光ファイバが破損して光が外部に漏れるようなことがあったとしても、この増幅用光ファイバは他方の増幅用光ファイバに対面していないため、この増幅用光ファイバから外部に漏れ出た光によって他の増幅用光ファイバがダメージを受けることを抑制することができる。

【0055】

上記第１の冷却プレートと上記第２の冷却プレートとは、異なるサイズを有していてもよい。このような構成によれば、第１の冷却プレートの一方の面に配置される増幅用光ファイバと第２の冷却プレートの一方の面に配置される増幅用光ファイバとの間を接続する光ファイバを取り回すための空間を第１の冷却プレートと第２の冷却プレートとの間に形成することができ、増幅用光ファイバ間を接続する光ファイバをさらに短くすることができる。したがって、増幅用光ファイバ間を接続する光ファイバで生じる誘導ラマン散乱をさらに低減することができる。

【0056】

上記第１の増幅用光ファイバは、上記第２の増幅用光ファイバの上流側に接続され、上記第１の冷却プレートのサイズは、上記第２の冷却プレートのサイズよりも大きくてもよい。このように、ビーム品質により影響を与えやすい上流側の第１の増幅用光ファイバが配置される第１の冷却プレートのサイズを下流側の第２の増幅用光ファイバが配置される第２の冷却プレートのサイズよりも大きくすることで、第１の増幅用光ファイバの曲げ径が小さくなることによるビーム品質の低下を抑制することができる。

【0057】

上記ファイバレーザ装置は、上記第１の増幅用光ファイバと上記第２の増幅用光ファイバとの間を接続する中間光ファイバをさらに備えていてもよい。この場合において、上記第１の冷却プレート及び上記第２の冷却プレートの少なくとも一方には、上記中間光ファイバが通過するファイバ孔又は切欠きが形成されていてもよい。このようなファイバ孔又は切欠きに中間光ファイバを通過させることで、増幅用光ファイバの間を接続する中間光ファイバを短くすることができ、誘導ラマン散乱を低減することができる。

【0058】

上記第１の冷却プレート及び上記第２の冷却プレートのそれぞれには、内部に冷却媒体を流通させる流路と、上記流路に上記冷却媒体を供給する流入口と、上記流路を流通した上記冷却媒体を排出する流出口とが形成されていてもよい。この場合において、上記ファイバレーザ装置は、上記第１の冷却プレート及び上記第２の冷却プレートの一方の上記流出口と上記第１の冷却プレート及び上記第２の冷却プレートの他方の上記流入口とを接続する接続管をさらに備えていてもよい。このようにすることで、第１の冷却プレートと第２の冷却プレートとの間で同一の冷却媒体を使用することができるので、隣接する冷却プレートの間で別の冷却媒体を使用する場合に比べて、必要とされる冷却媒体の流量を減らすことができる。

【0059】

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0060】

１，２０１，１０１ ファイバレーザ装置
２，１０２，２０２ 光共振器
３，４ 励起光源
５，６，２０６ 上流側光コンバイナ
７ デリバリファイバ
８ レーザ出力部
９，１０８，１０９，２０９ 中間光ファイバ
１０ 第１の増幅用光ファイバ
２０ 第２の増幅用光ファイバ
３１ 高反射部
３２ 低反射部
４１～４９，１４５，１４６，２４４～２４６，２４８，２４９ 融着接続部
５１ 第１の冷却プレート
５１Ａ 上面（第１の冷却面）
５１Ｂ 下面
５２ 第２の冷却プレート
５２Ａ 上面（第２の冷却面）
５３，５６ 冷却水流路
５４，５７ 流入口
５５，５８ 流出口
６１ 給水管
６２ 排水管
６３ 接続管
７０ 筐体
７１ モジュールボックス
７３ ファイバ孔
８１ 第１の光学部品群
８２ 第２の光学部品群
１１０ 第３の増幅用光ファイバ
１５１ 第３の冷却プレート
１８１ 第３の光学部品群

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】