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JPWO2016013468A1 - 光ファイバ冷却装置及びレーザ発振器 - Google Patents

光ファイバ冷却装置及びレーザ発振器 Download PDF

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Abstract

光ファイバの先端位置を調整可能にするとともに、光ファイバ全体を効率よく冷却できるようにする。この冷却装置は、冷却ベース板(7)と、ファイバホルダ(21)と、調整部材(22)と、を備えている。冷却ベース板(7)は、収容凹部(17)を有する。ファイバホルダ(21)は、収容凹部(17)に第1方向に移動自在に配置されている。ファイバホルダ(21)は、光ファイバ(6)の先端部を表面に保持するとともに、光ファイバ(6)の第1方向における先端位置を調整する。調整部材(22)は、ファイバホルダ(21)と収容凹部(17)の端面(17b)との間の隙間に配置されるとともに表面に光ファイバ(6)が載置され、第1方向と交差する第2方向に移動することによって第1方向に移動可能である。調整部材(22)は収容凹部(17)の端面(17b)及びファイバホルダ(21)の端面(21b)の両方に当接する。

Description

本発明は、光ファイバ冷却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活性物質がドープされた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活性物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、特許文献1に示すように、光ファイバを冷却するための冷却装置が提案されている。この特許文献1の装置では、冷媒によって冷却されるヒートシンクの表面に対して、金属製の放熱部材によって光ファイバを密着させている。金属製の放熱部材は、粘着性を有する薄膜状に形成されており、光ファイバの全体を覆うように設けられている。
特開2012−23274号公報
一般的に、レーザ用光ファイバは長さが不均一である。一方で、励起光を光ファイバに効率的に導入するためには、光ファイバの先端とレンズとの間の距離と中心軸とを正確に位置決めする必要がある。
そこで、光ファイバの先端部を保持するホルダを、光軸に沿って移動可能にし、光ファイバ先端とレンズとの間の距離を正確に位置決めした後に、ホルダを固定するようにしている。
ここで、光ファイバを良好に冷却するためには、光ファイバの全体をヒートシンクやホルダに密着させて、光ファイバで発生した熱を効率よく放熱させることが重要である。このため、ホルダをヒートシンクに設けられた凹部に配置し、ヒートシンクの表面とホルダとの表面とを面一にするとともに、ヒートシンクとホルダとの間を隙間なく密着させることが重要である。
しかし、前述のようにホルダを光軸に沿って移動させると、ホルダとヒートシンクの凹部端面との間に隙間ができる。このような隙間が生じると、隙間部分を通過する光ファイバは、部分的に冷却されにくい。このため、この隙間部分の光ファイバが高温になり、結果的にレーザ光の出力を上げることができない。
本発明の課題は、光ファイバの先端位置を調整可能にした光ファイバの冷却装置において、光ファイバ全体を効率よく冷却できるようにすることにある。
(1)本発明の一側面に係る光ファイバの冷却装置は、冷却ベース板と、ファイバホルダと、調整部材と、を備えている。冷却ベース板は、収容凹部を有する。ファイバホルダは、冷却ベース板の収容凹部に第1方向に移動自在に配置されている。ファイバホルダは、光ファイバの先端部を表面に保持するとともに、保持された光ファイバの第1方向における先端位置を調整する。調整部材は、ファイバホルダと収容凹部の端面との間の隙間に配置されるとともに表面に光ファイバが載置され、第1方向と交差する第2方向に移動することによって第1方向に移動可能である。調整部材は収容凹部の端面及びファイバホルダの端面の両方に当接する。
ここでは、光ファイバの先端部はファイバホルダに保持されている。ファイバホルダは冷却ベース板上に移動自在に配置されているので、例えばレンズとの距離等を精度よく調整することができる。ファイバホルダを移動した場合、ファイバホルダの端面と、ファイバホルダが収容された冷却ベース板の収容凹部の端面と、の間に隙間が生じる場合がある。そこで、この両者の隙間に調整部材が配置され、ファイバホルダと調整部材と冷却ベース板とが互いに当接し、隙間なく配置されることになる。したがって、これらの表面に載置される光ファイバは効率よく冷却されることになる。
(2)本発明の別の側面に係る光ファイバの冷却装置では、収容凹部の端面と調整部材との第1当接部、及びファイバホルダと調整部材との第2当接部の少なくとも一方は、第1方向に対して傾斜する端面同士の接触により構成されている。
ここでは、簡単な構成によって、調整部材を、第2方向に移動させることによって第1方向に移動させることができる。
(3)本発明のさらに別の側面に係る光ファイバの冷却装置では、収容凹部の調整部材と当接する端面は、第1方向に対して傾斜している。そして、調整部材は収容凹部の傾斜する端面に沿って移動することにより第2方向に移動する。
ここでは、前記同様に、簡単な構成によって、調整部材を、第2方向に移動させることによって第1方向に移動させることができる。
(4)本発明のさらに別の側面に係る光ファイバの冷却装置では、ファイバホルダ及び調整部材は、ともに底面全体が収容凹部の表面に接触している。
ここでは、光ファイバの熱を、ファイバホルダ及び調整部材を介して効率よく冷却ベース板に放熱することができる。
(5)本発明のさらに別の側面に係る光ファイバの冷却装置では、ファイバホルダ及び調整部材の表面は冷却ベース板の表面と面一である。
ここでは、冷却ベース板、調整部材、及びファイバホルダのそれぞれの表面に、光ファイバを容易に密着させることができ、効率よく光ファイバを冷却することができる。
(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、発振用光ファイバを冷却する前述の光ファイバ冷却装置と、を備えている。
以上のような本発明では、光ファイバの先端位置を調整可能にした光ファイバの冷却装置において、光ファイバを効率よく冷却することができる。
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。 保持装置を含む冷却装置の断面図。 ファイバホルダ及び調整部材の位置調整動作を説明する模式図。 本発明の他の実施形態によるファイバホルダ及び調整部材を示す模式図。 本発明の他の実施形態によるファイバホルダ及び調整部材を示す模式図。
[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、冷却ベース板7、並びにチラー装置8を備えている。なお、冷却ベース板7及びこれに搭載された各部材は、図示しない筐体に収容されているが、図1では筐体を取り外して示している。
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、後述する冷却ベース板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に導くとともに、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に導く。
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からのレーザ光を反射して進行方向を変更する。
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を透過した励起光を吸収する部材である。
[光ファイバ6]
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6a、第2光ファイバ本体6b、第1エンドキャップ6c、第2エンドキャップ6d、及び保持装置15を有している。
第1光ファイバ本体6aは、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6aにおいてレーザ光が生成される。第1光ファイバ本体6a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コアにはレーザ活性物質がドープされている。第1クラッドは、第1コアよりも屈折率が低く、レーザ活性物質がドープされていない。
第2光ファイバ本体6bは、一方の端面が第1光ファイバ本体6aの端面に熱融着されている。第2光ファイバ本体6b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6bは、第1光ファイバ本体6aと同軸上に延びており、第1光ファイバ本体6aの直径とほぼ同じ直径を有している。第2コアは、レーザ活性物質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6bではレーザ光が生成されない。
図2に示すように、第1エンドキャップ6cは、第2光ファイバ本体6bの他方の端面に熱融着されている。第1エンドキャップ6c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。
図3に示すように、第2エンドキャップ6dは、第1光ファイバ本体6aの他方の端面に熱融着されており、第1エンドキャップ6cと同様の構成である。
[冷却ベース板7及びチラー装置8]
冷却ベース板7は、図1に示すように、平面視で直方体状に形成されており、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、並びに保持装置15を含む光ファイバ6が搭載されている。
冷却ベース板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を介して冷却ベース板7内に進入し、光ファイバ6に導かれる。光ファイバ6からのレーザ光は、第2窓部7bを介して、冷却ベース板7の外部に出力される。
また、冷却ベース板7は、表面に収容凹部17を有し、内部に冷媒が流れる流路18(図5参照)を有している。収容凹部17は、冷却ベース板7の表面7cから所定の深さだけ低い表面17aと、側壁である傾斜側面17b及び側面17cを、を有している。傾斜側面17bは、光ファイバ6の端部における光軸の延びる方向(以下、「第1方向」と記す)に対して所定の角度だけ傾斜して形成されている。側面17cは第1方向と平行に形成されている。この収容凹部17に、保持装置15が設置されているため、光ファイバ6の端部が冷却される。
なお、冷却ベース板7等を収容する筐体の内部は、窒素によって充填されている。また、筐体内の水分を除去するために、筐体内には乾燥剤が入れられている。
チラー装置8は、冷却ベース板7と配管8aを介して接続されている。チラー装置8は、冷却ベース板7内を流れる冷媒の温度を調整する。具体的には、冷却ベース板7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を介して冷却ベース板7に戻される。
[保持装置15]
図4に、第1端部11に設けられた保持装置15の斜視図を示している。また、図5に保持装置15の断面模式図を示している。保持装置15は、光ファイバ6の端部を保持する機能と、保持された端部を冷却する機能と、を有している。保持装置15は、ファイバホルダ21と、調整部材22と、第1〜第3蓋部材23,24,25と、を有している。
なお、このレーザ発振器においては、冷却ベース板7、チラー装置8、及び保持装置15によってファイバ冷却装置が構成されている。
ファイバホルダ21は銅製のブロック状の部材である。ファイバホルダ21の一方の表面には、光ファイバ6を収容するためのファイバ用溝が形成されるとともに、その一部にはインジウム等の熱伝導部材27が設けられている。また、ファイバホルダ21の第1方向の両端面21a,21bは、第1方向に対して直交するように形成されている。
第1蓋部材23は、ファイバホルダ21の表面に装着可能である。第1蓋部材23のファイバホルダ21と対向する側の表面には、光ファイバ6を収容するためのファイバ用溝が形成されるとともに、インジウム等の熱伝導部材28が設けられている。また、第1蓋部材23には、4つの貫通孔23aが形成され、ファイバホルダ21には第1蓋部材23の貫通孔23aに対応する位置に4つのタップ穴21cが形成されている。
第2蓋部材24は、ファイバホルダ21の表面に装着可能であり、寸法が異なる点、及びファイバホルダ21側の表面に熱伝導部材が設けられていない点を除いて、第1蓋部材23と同様の構成である。
調整部材22は、ファイバホルダ21とともに冷却ベース板7の収容凹部17に収容されている。より詳細には、調整部材22は、ファイバホルダ21と収容凹部17の傾斜側面17bとの間に配置されている。調整部材22の表面には、光ファイバ6を収容するためのファイバ用溝が形成されている。また、調整部材22のファイバホルダ21側の端面22aは、第1方向に対して直交するように形成されている。この端面22aの全面がファイバホルダ21の端面21bに当接可能である。また、調整部材22の逆側の端面22bは第1方向に対して傾斜している。この傾斜端面22bの傾斜角度は、収容凹部17の傾斜側面17bと同じ角度である。そして、調整部材22の傾斜端面22bの全面が、収容凹部17の傾斜側面17bに当接可能である。
第3蓋部材25は、調整部材22と同様の形状であり、調整部材22の表面に装着可能である。第3蓋部材25の調整部材22と対向する側の表面には、光ファイバ6を収容するためのファイバ用溝が形成されている。また、第3蓋部材25には、4つの貫通孔25aが形成され、調整部材22には第3蓋部材25の貫通孔25aに対応する位置に4つのタップ穴22cが形成されている。
以上のような構成により、各蓋部材23,24,25の貫通孔を貫通するボルト(図示せず)をファイバホルダ21及び調整部材22のタップ穴にねじ込むことによって、ファイバホルダ21及び調整部材22と各蓋部材23〜25との間に光ファイバ6を挟み込んだ状態で、光ファイバ6を保持することができる。
また、ファイバホルダ21は、光ファイバ6の先端と第2レンズ3bとの間の距離を調整するために、光軸に沿って(第1方向に沿って)移動可能である。また、調整部材22を収容凹部17の傾斜側面17bに沿って移動させることにより、調整部材22を第1方向に移動させることができる。このため、ファイバホルダ21の第1方向における位置調整を行った後に、調整部材22を傾斜側面17bに沿って移動させることにより、ファイバホルダ21の端面21bと収容凹部17の傾斜側面17bとの間の隙間を、調整部材22によって埋めることができる。
そして、上述のように位置を調整したファイバホルダ21及び調整部材22を冷却ベース板7に、図示しない任意の方法で固定する。例えば、ファイバホルダ21及び調整部材22に貫通孔を設け、冷却ベース板7に設けたタップ穴のボルトで固定すればよい。この場合、ファイバホルダ21に設けた貫通孔を第1方向に沿った長穴とし、調整部材22に設けた貫通孔を傾斜端面22bに沿った長穴としておくことにより、ファイバホルダ21は第1方向に沿って調整した任意の位置で、調整部材22は傾斜端面22bに沿って(傾斜側面17bに沿って)調整した任意の位置で固定できる。
ここで、ファイバホルダ21及び調整部材22の厚みは、これらを収容凹部17に収容したとき、ファイバホルダ21及び調整部材22の表面と、冷却ベース板7の表面7cと、が面一になるように設定されている。
なお、冷却ベース板7の第2端部12側には、この実施形態では収容凹部は形成されていない。そして、ファイバホルダ21及び蓋部材23によって、光ファイバ6の先端部が保持されている。もちろん、第2端部12側についても、第1端部11側と同様の構成にしてもよい。
[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を介して冷却ベース板7の収容凹部17内に進入する。収容凹部17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11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6aの第1コア内を伝播し、第1コアにドープされたレーザ活性物質が励起してレーザ光が出力される。なお、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6a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6a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にて反射されて第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を介して冷却ベース板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において、特に励起光が導入される第1端部11が高温になる。そこで、第1端部11の保持装置15では、ファイバホルダ21を、調整部材22を介して冷却ベース板7に密着させ、光ファイバ6の端部で発生した熱を効率よく冷却するようにしている。
[ファイバホルダ21の位置調整及び調整部材22のセット]
前述のように、光ファイバ6の先端位置と第2レンズ3bとの間の距離は、精度よく設定する必要がある。そこで、ファイバホルダ21に光ファイバ6をセットした後に、ファイバホルダ21を光軸方向(第1方向)に沿って移動させ、光ファイバ6の先端位置を調整する。
例えば、当初、図6の右側に示すような位置にファイバホルダ21がセットされており、この位置では第2レンズ3bとの間の距離が大きすぎるとする。この場合は、ファイバホルダ21を第2レンズ3b側に移動させる必要がある(図6では、調整幅D)。ファイバホルダ21を第2レンズ3b側に距離Dだけ移動させたとき、調整部材22をそのままにしておくと、ファイバホルダ21と調整部材22との間に隙間が生じる。このような状態では、両者の隙間上に位置する光ファイバ6は、ファイバホルダ21及び調整部材22のいずれにも接触しないので、効率よく冷却することができない。
そこで、図6の左側に示すように、調整部材22を収容凹部17の傾斜側面17bに沿って図6において右側に移動させる。すると、調整部材22は図6において右側に移動するとともにファイバホルダ21側にも移動する。そして、調整部材22の端面22aがファイバホルダ21の端面21bに当接した状態で、調整部材22の移動を停止し、その位置で冷却ベース板7に固定する。
以上のような調整によって、光ファイバ6の端部は、全体にわたってファイバホルダ21及び調整部材22、さらには冷却ベース板7の表面に当接する。したがって、光ファイバ6の熱を効率よく放熱することができ、光ファイバ6が高温になるのを避けることができる。
なお、以上の調整によっても、ファイバホルダ21の光軸の位置は変化しない。すなわち、図6で示すように、冷却ベース板7の端面からの距離Wは調整の前後で同じである。
[他の実施形態]
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
(1)前記実施形態では、調整部材のファイバホルダ側の端面を第1方向に直交する面としたが、逆側の傾斜端面の傾斜角度と同じ角度でなければ、任意の角度に設定することができる。この場合の調整部材の形状について、図7及び図8に具体例を示している。
図7に示した例は、調整部材32の一方の端面32aを光軸方向(第1方向)に対して傾斜させるとともに、他方の端面32bについても同方向に傾斜させている。なお、前述のように、一方の端面32aの傾斜角度と、他方の端面32bの傾斜角度と、は異なっている。他方の端面32bは冷却ベース板7の収容凹部17の傾斜側面17bと同じ傾斜角度である。
なお、この例の場合は、ファイバホルダ31の調整部材32と接触する側の端面31bも、調整部材32の一方の端面32aと同様の角度で傾斜して形成されている。
また、図8(a)(b)の例は、調整部材42,52の一方の端面42a,52aを光軸方向に対して傾斜させ、他方の端面42b,52bを端面42a,52aとは逆方向に傾斜させている。
なお、前記同様に、図8に示す例の場合も、ファイバホルダ41,51の調整部材42,52と接触する側の端面41b,51bも、調整部材42,52の一方の端面42a,52aと同様の角度で傾斜して形成されている。
(2)前記実施形態では、ファイバホルダ21及び調整部材22の表面と冷却ベース板7の表面7cとを面一にしたが、これらの表面の間に段差があってもよい。
(3)保持装置15を含む冷却装置をレーザ発振器に適用したが、本発明の冷却装置は、他の光ファイバ装置において光ファイバを保持し冷却する際にも同様に適用することができる。
(4)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。
(5)冷却ベース板7は内部に冷媒が流れる流路18を有していることとしたが、流路18を省略して、冷却ベース板7の外面に接する流体や部材に光ファイバ6からの熱を放熱することとしてもよい。
本発明では、光ファイバの先端位置を調整可能にした光ファイバの冷却装置において、光ファイバを効率よく冷却することができる。
1 レーザ発振器
2 励起光源
6 光ファイバ
15 保持装置
17 収容凹部
17b 傾斜側面
21,31,41,51 ファイバホルダ
22,32,42,52 調整部材
22b,32b,42b,52b 傾斜端面

Claims (6)

  1. 収容凹部を有する冷却ベース板と、
    前記冷却ベース板の収容凹部に第1方向に移動自在に配置され、光ファイバの先端部を表面に保持するとともに、保持された光ファイバの前記第1方向における先端位置を調整するためのファイバホルダと、
    前記ファイバホルダと前記収容凹部の端面との間の隙間に配置されるとともに表面に光ファイバが載置され、前記第1方向と交差する第2方向に移動することによって前記第1方向に移動可能であり、前記収容凹部の端面及び前記ファイバホルダの端面の両方に当接する調整部材と、
    を備えた光ファイバの冷却装置。
  2. 前記収容凹部の端面と前記調整部材との第1当接部、及び前記ファイバホルダと前記調整部材との第2当接部の少なくとも一方は、前記第1方向に対して傾斜する端面同士の接触により構成されている、請求項1に記載の光ファイバの冷却装置。
  3. 前記収容凹部の前記調整部材と当接する端面は、前記第1方向に対して傾斜しており、
    前記調整部材は前記収容凹部の傾斜する端面に沿って移動することにより前記第2方向に移動する、
    請求項1又は2に記載の光ファイバの冷却装置。
  4. 前記ファイバホルダ及び前記調整部材は、ともに底面全体が前記収容凹部の表面に接触している、請求項1から3のいずれかに記載の光ファイバの冷却装置。
  5. 前記ファイバホルダ及び前記調整部材の表面は前記冷却ベース板の表面と面一である、請求項1から4のいずれかに記載の光ファイバの冷却装置。
  6. 励起光源と、
    前記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を冷却する請求項1から5のいずれかに記載の光ファイバ冷却装置と、
    を備えたレーザ発振器。
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