DE69112185T2

DE69112185T2 - Lichtquelleneinrichtung.

Info

Publication number: DE69112185T2
Application number: DE69112185T
Authority: DE
Inventors: Takafumi Uemiya; Naota Uenishi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-12-14
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2011-12-07
Also published as: US5195159A; CA2057545C; CA2057545A1; DE69112185D1; EP0490291A1; EP0490291B1; JPH04215622A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelleneinrichtung, die unter Verwendung eines eine zweite Harmonische erzeugenden Elements, eine zweite Harmonische aus Laserlicht erzeugt und die zweite Harmonische in einen Parallellichtstrahl, der mit einem Strahlenbündel bis zu einem zentralen Abschnitt des Strahls ausgefüllt ist, konvertiert.

Beschreibung des Standes der Technik

Der nichtlineare optische Effekt kann wie folgt beschrieben werden. Wenn man Licht auf ein nichtlineares optisches Material einfallen läßt, tritt eine Polarisation auf, die proportional zu einem Term eines Grades ist, der höher als das Quadrat des elektrischen Feldes des Lichts ist. Die zweite Harmonische wird durch dieses Phänomen erzeugt.
Anorganische Materialien, wie KH&sub2;PO&sub4; und LiNbO&sub3;, sind Beispiele nichtlinearer optischer Materialien. Organische durch 2- Methyl-3-Nitroanilin (MNA) typifizierte organische Materialien können ebenfalls verwendet werden, da sie große nichtlineare optische Koeffizienten haben.
Zusätzlich sind wellenlängenkonvertierende Elemente zur Haibierung der Wellenlänge eines Strahls eines Lasers mit geringer Ausgangsleistung, wie einem Halbleiterlaser, unter Verwendung der zuvor genannten nichtlinearen optischen Materialien als das eine zweite Harmonische erzeugende Element verwendet worden. Ein solches wellenlängenkonvertierendes Element ist so konstruiert, daß es eine fundamentale Welle, wie Halbleiterlaserlicht, für die Harmonische bei einer hohen Energiedichte enthält und das es die Länge der Wechselwirkung mit der Harmonischen vergrößert.
Aus diesem Grund wird z.B. ein optischer Wellenleitertyp als Form für das eine zweite Harmonische erzeugende Element verwendet. Dieser optische Wellenleitertyp ist so aufgebaut, daß ein länglicher optischer Wellenleiterabschnitt, der erlaubt, daß Licht dadurch, daß es innerhalb desselben enthalten ist, propagiert wird, auf einem Substrat gebildet wird, und mit einer Deckschicht darauf bedeckt wird. Außerdem muß der optische Wellenleiter, um die durch den optischen Wellenleiterabschnitt und dergleichen erzeugte zweite Harmonische zu kollimieren, in der Weise aufgebaut sein, daß er mit der Phasengeschwindigkeit der Propagation der zweiten Harmonischen der relevanten Wellenlänge zurechtkommt. Das heißt, die Fundamentalwelle und die zweite harmonische Welle müssen phasenangepaßt sein. Um diese Phasenanpassung zu erhalten, sind verschiedene Verfahren entwickelt worden. Das einfachste bekannte Verfahren ist ein eine zweite Harmonische erzeugendes Element unter Verwendung eines Cerenkov-Stahlungsverfahrens.
In dem Cerenkov-Strahlungsverfahren tritt, wie in Fig. 6 gezeigt, eine aus durch einen optischen Wellenleiterabschnitt 11 eines eine zweite Harmonische erzeugenden Elements vom optischen Wellenleitertyp propagiertes Licht an einem Punkt A erzeugte zweite Harmonische in eine Basis 12 und eine Deckschicht 13 unter einem Winkel θ ein. Wenn die Equiphasenebene in die Richtung von θ einer im Punkt B erzeugten zweiten Harmonischen und die Equiphasenebene der zuvor genannten zweiten Harmonischen miteinander übereinstimmen, tritt eine zweite harmonische Welle in Richtung des Winkels θ aus. Die Phase der zweiten harmonischen Welle ist an die Phase der Fundamentalwelle angepaßt, wenn der Brechungsindex des Substrats in bezug auf die Fundamentalwelle ns (ω) der Brechungsindex des Wellenleiterabschnitts nG (ω) und der Brechungsindex des Substrats in bezug auf die zweite Harmonische ns (2ω) sind, insofern die Bedingung
ns (2ω) > nG (ω) > ns (ω)
erfüllt ist.
Außerdem ist, da die zweite Harmonische von dem optischen Wellenleiterabschnitt mit kleiner Breite zu Basis ausgestrahlt wird, der Lichtstrahl in dem die zweite Harmonische erzeugenden Element vom optischen Wellenleitertyp sichelförmig im Querschnitt, so daß das Licht nicht in einen kleinen Punkt fokussiert werden kann. Daher ist es schwierig, diese zweite Harmonische zum Schreiben auf und Lesen von einem optischen Speichermedium mit feinen Vertiefungen, wie einer optischen Disk, zu verwenden.
Im Gegensatz breitet sich, da das die zweite Harmonische erzeugende Element vom optischen Fasertyp axialsymmetrisch ist, die zweite Harmonische in einer ringförmigen Weise aus und kann in einen Parallellichtstrahl konvertiert werden.
Demgemäß ist eine Lichtquelleneinrichtung vorgeschlagen worden, die aufweist eine Laserlichtquelle, ein eine zweite Harmonische erzeugendes Element, das eine zweite Harmonische eines von der Laserlichtquelle emittierten Laserlichts emittiert, und eine Kollimatorlinse, die eine zirkular symmetrische, geneigte oberfläche hat und so ausgelegt ist, daß sie die aus dem die zweite Harmonische erzeugenden Element austretende zweite Harmonische in einen Parallellichtstrahl konvertiert, offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 1- 287531.
Eine änlicher Typ einer Lichtquelleneinrichtung ist auch in EP-A-0 483 952 vorgeschlagen worden, die als Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ zitiert wird. Hierin hat die Kollimatorlinse oder das Axicon zwei konische Oberflächen, nämlich eine konvex-konische Oberfläche, auf der das Licht empfangenden Seite, und eine konkav-konische Oberfläche, auf der das Licht emittierenden Seite, wobei dieses Merkmal die Abweichung der Kollimation durch das Axicon verringern kann.
Entsprechend der Lichtquelleneinrichtung mit der oben beschriebenen Anordnung dehnt sich die zweite Harmonische von der Endfläche der optischen Faser in Form einer Welle mit einer axial symmetrischen und einer konischen Equiphasenebene aus, falls das von der Laserlichtquelle emittierte Laserlicht zur Erzeugung der zweiten Harmonischen in das die zweite Harmonische erzeugende Element vom optischen Fasertyp eingeführt wird.
Fig. 7 zeigt dieses Verhalten und die zweite Harmonische dehnt sich als konischer Strahl B durch einen Mantel 42 einer optischen Faser 4 aus. Demgemäß ist es möglich, wenn die zweite Harmonische durch eine Kollimatorlinse mit einer zirkular symmetrischen, zumindest teilweise geneigten Oberfläche tritt, einen Parallellichtstrahl der zweiten Harmonischen zu erhalten.
Allerdings kann, obwohl das von der oben beschriebenen Lichtquelleneinrichtung emittierte Licht in der Lage ist, das Licht in einen Punkt zu fokussieren, eine paraxiale Annäherung nicht eingesetzt werden, da das Licht ringförmig ist und der Zentralabschnitt desselben fehlt, d.h., ein ringförmiger (doughnut-förmiger) Lichtstrahl vorliegt. Daher ist es ein Nachteil dahingehend, daß die Lichtquelleneinrichtung empfindlich gegenüber dem Effekt der sphärischen Aberration von Elementen, wie Linsen, die ein optisches System darstellen. Zusätzlich ist es nötig, wenn die Lichtquelleneinrichtung für eine optische Diskeinrichtung verwendet wird, den Aufbau eines optischen Detektors zur Kollimation eines Astigmatismus- Signals besonders umzugestalten, um einen Nachführungsfehler zu detektieren, offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2-15434.
Demgemäß ist es wenn möglich vorzuziehen, einen Lichtstrahl zu erzeugen, der bis zu einem zentralen Abschnitt des Strahls mit einem Strahlenbündel ausgefüllt ist.
Daher ist es vorstellbar, einen Strahl, der mit einem Strahlenbündel bis zu einem zentralen Abschnitt des Strahls ausgefüllt ist, dadurch zu erhalten, daß das distale Ende einer konischen Linse 10 geschliffen wird, und daß es in Kontakt mit der Austrittsendfläche der Faser, wie in Fig. 8 gezeigt, in Kontakt gebracht wird. Allerdings besitzt dieses Verfahren ein Problem dahingehend, daß leicht ein Schaden an der geschliffenen Oberfläche der Faser zu dem Zeitpunkt der Ausrichtung zwischen der Faser 4 und der Linse 10 auftreten kann.
Andererseits offenbart EP-A-0 430 183, die als Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ zitiert ist, einen Lichtguelleneinrichtung vom Typ einer Faser, die ausgelegt ist, um eine zweite harmonische Welle von parallelem Licht mit einer kreisförmigen Intensitätsverteilung zu erzielen. Eine Axiconlinse zum Konvertieren des von dem Erzeuger der zweiten Harmonischen emittierten Lichts wird von dem Erzeuger bei einer vorbestimmten Position positioniert, so daß die Bedingung
L = D / 2 tan α
erfüllt ist, wobei L die Entfernung von der emittierenden Endfläche des Erzeugers der zweiten Harmonischen ist; D der äußere Durchmesser des Erzeugers vom Typ einer Faser ist; und α einen Cerenkov-Strahlungswinkel ausdrückt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtquelleneinrichtung zu schaffen, die eine konische Kollimatorlinse zum Konvertieren der von einem eine zweite Harmonische erzeugenden Element vom Typ einer optischen Faser austretenden zweiten Harmonischen in einen Parallellichtstrahl besitzt und in der Lage ist, ohne weiteres einen Lichtstrahl zu erzeugen, der bis zu einem zentralen Abschnitt des Strahls mit einem Strahlenbündel ausgefüllt ist.
Die vorliegende Erfindung löst ihre Aufgabe durch Schaffen einer Lichtquelleneinrichtung, die die in Anspruch 1 dargelegten Merkmale aufweist.
Eine Laserlichtquelle emittiert Laserlicht, das auf ein eine zweite Harmonische erzeugendes Element vom Typ einer optischen Faser eingestrahlt wird, welches eine zweite Harmonische erzeugt. Die zweite Harmonische ist mit der fundamentalen Welle phasenangepaßt und wird von dem die zweite Harmonische erzeugenden Element als ringförmiges (doughnut-förmiges) Strahlenbündel unter einem Winkel bezüglich des zentralen Abschnitts desselben emittiert. Das ringförmige Strahlenbündel wird auf eine Linse eingestrahlt, die wenigstens eine konische Oberfläche mit einem Apex besitzt. Die Linse ist derart angeordnet, daß wenigstens ein Abschnitt des Strahlenbündels durch den Apex läuft. Das Strahlenbündel, das davon abgestrahlt wird, ist nicht mehr ringförmig unter einem Winkel gegenüber des zentralen Abschnitts desselben, sondern hat nun die Form eines parallelen Lichtstrahls, der mit einem Strahlenbündel bis zu dem zentralen Abschnitt des Parallellichtstrahls ausgefüllt ist.

KURZE BESCHEIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform einer Lichtquelleneinrichtung gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine andere Ausführungsform der Lichtquelleneinrichtung darstellt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Modifikation einer Kollimatorlinse darstellt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das verschiedene Modifikationen der Kollimatorlinse darstellt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das verschiedene andere Modifikationen der Kollimatorlinse darstellt;
Fig. 6 ist ein Diagramm zur Erklärung eines Cerenkov- Stahlenverfahrens;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das einen austretenden Strahl in der Form einer konischen Wellenfläche gemäß einer herkömmlichen Einrichtung darstellt; und
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm,um das distale Ende einer konischen Linse in Kontakt mit einer Austrittsendfläche einer Faser zu bringen, so daß ein Lichtstrahl erhalten wird, der bis zu einem zentralen Abschnitt des Strahls mit einem Strahlenbündel ausgefüllt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bezug nehmend auf die Zeichnungen wird nun eine Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform einer Lichtquelleneinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Laserlicht wird durch eine Laserlichtquelle 1, wie beispielsweise einen Halbleiterlaser, zur Verfügung gestellt. Eine sphärische Linse 2 kollimiert das durch die Laserlichtquelle 1 erzeugte Laserlicht. Eine sphärische Kondensorlinse verdichtet das von der Linse 2 kollimierte Licht. Licht von der Kondensorlinse 3 trifft auf ein erstes Ende eines eine zweite Harmonische erzeugenden Elements 4 vom Typ einer optischen Faser. Das Element 4 verwendet ein nichtlineares optisches Material, wie MNA, für entweder einen Kern 41 oder eine Umhüllung 42 oder für beide. Aus dem Element 4 ausgegebenes Licht trifft auf eine räumliche konische Kollimatorlinse 5 mit einem Brechungsindex n, die zwei konische Flächen und Apexwinkel 2α und 2β hat. Die Kollimatorlinse 5 kollimiert die durch das die zweite Harmonische erzeugende Element 4 vom Typ einer optischen Faser erzeugte zweite Harmonische.
Die zweite Harmonische tritt aus dem die zweite Harmonische erzeugenden Element 4 vom Typ einer optischen Faser als ringförmiger (doughnut-förmiger) Lichtstrahl bei einem festen Winkei θ&sub0; in bezug auf die Achse der Rotationssymmetrie des die zweite Harmonische erzeugenden Elements vom Typ einer optischen Faser. Weil die Kolimatorlinse 5 zwei konische Oberflächen mit Apexwinkeln 2α bzw. 2β hat, falls die Achse der Rotationssymmetrie der Kollimatorlinse 5 parallel zur Achse der Rotationssymmetrie der optischen Faser eingestellt ist, und weil n, α und β auf die Weise gewählt werden, daß
cos(α - β) cos(α - θ&sub0;) + sin(α - β) {n² - cos² (α - θ&sub0;)}² = cosβ (1)
und falls die Position der Kollimatorlinse 5 in der Weise eingestellt ist, daß ein Strahlenbündel L, das einer äußersten Peripherie des aus der optischen Faser austretenden konischen Lichts entspricht, an einem distalen Ende P der Kollimatorlinse 5 konvergiert, dann ist der austretende Lichtstrahl nicht länger ein ringförmiger Lichtstrahl, sondern ist nun ein Parallellichtstrahl, der bis zu dem zentralen Abschnitt des Strahls mit einem Strahlenbündel ausgefüllt ist.
Die zuvor genannte Formel (1) ist eine Bedingung, um einen Parallellichtstrahl zu erhalten und kann leicht unter Verwendung von dem Snellius'schen Gesetz abgeleitet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsrorm beschränkt. Es ist möglich, einen Lichtstrahl zu erhalten, der einen zentralen Abschnitt enthält, wenn die Strahlenbündel, die sich nicht an der äußersten Peripherie des von der optischen Faser austretenden konischen Lichts befinden, durch das distale Ende P treten. Fig. 2 stellt diesen Fall dar. Ein Strahlenbündel L1, das sich nicht an der äußersten Peripherie des konischen austretenden Lichts befindet, tritt durch das distale Ende P. Ein Strahlenbündel, das näher an dem innern peripheren Abschnitt als das Strahlenbündel L1 liegt, wird durch die konischen Flächen der Kollimatorlinse 5 gebrochen und tritt in Form eines Parallellichtstrahls aus, während ein Strahlenbündel, das sich näher an dem äußeren peripheren Abschnitt als das Strahlenbündel L1 befindet, durch die konischen Flächen totalreflektiert wird. Demgemäß können nicht alle Strahlenbündel parallel gemacht werden. Wenigstens die Strahlenbündel, die näher als das Strahlenbündel L1 an den inneren peripheren Abschnitt eingestrahlt werden, können kollimiert werden.
Die Konfiguration der oben beschriebenen Kollimatorlinse 5 ist nicht auf zwei konvexe Konusse bestimmt. Beispielsweise kann, wie in Fig. 3 gezeigt, die Kollimatorlinse derart sein, daß eine konische Fläche konvex und die andere konische Fläche konkav ist.
Zusätzlich ist die Anzahl der konischen Flächen nicht auf zwei beschränkt und kann beispielsweise drei sein. Die Figuren 4(a) bis 4(f) und die Figuren 5(a) bis 5(f) zeigen Linsensysteme, in denen drei konische Flächen unter Verwendung von zwei bzw. drei Linsen gebildet werden. Was allen gemeinsam ist, ist allerdings, daß die Strahlenbündel stets durch einen Punkt P auf der Achse der Rotationssymmetrie laufen. Die anderen konischen Flächen brauchen nicht notwendigerweise konische Flächen, von denen jede einen Apex besitzt, sein, und können Flächen sein, in denen ihre Köpfe flach abgeschnitten sind (siehe Figuren 4(c), 4(e) und 5(b)).
In jedem der oben beschriebenen Fälle kann ein Parallellichtstrahl, der bis zu einem zentralen Abschnitt desselben mit einem Strahlenbündel ausgefüllt ist, aus der Kollimatorlinse 5 austreten. Durch Verdichten dieses Strahls durch eine bekannte Kondensoreinrichtung ist es möglich, einen Punkt, der praktisch einer Grenze der Wellenlänge des Lichts entspricht, zu erhalten.
Wie oben beschrieben, tritt entsprechend der Lichtquelleneinrichtung dieser Erfindung wenigstens ein Abschnitt des von dem die zweite Harmonische erzeugenden Element vom Typ einer optischen Faser ausgestrahlte Strahlenbündels stets durch den Apex der konischen Oberfläche und wird davon in Form eines Strahlenbündels abgestrahlt, das einen zentralen Abschnitt des Parallellichtstrahls darstellt. Deshalb ist es möglich, einen Parallellichtstrahl zu erhalten, der mit dem Strahlenbündel bis zu dem zentralen Abschnitt des Strahls ausgefüllt ist. Demgemäß ist es unwahrscheinlich, daß die Lichtquelleneinrichtung durch die sphärische Aberration von Elementen, wie Linsen, die das optische System darstellen, beeinflußt werden, was es unnötig macht, die Komponenten des optischen Systeme speziell auszubilden, wodurch das optische System vereinfacht wird.

Claims

1. Eine Lichtquelleneinrichtung aufweisend:

eine Laserlichtquelle (1);

eine eine zweite Harmonische erzeugende Einrichtung (4) zum Erzeugen einer zweiten Harmonischen eines Laserlichts, das von der Laserlichtquelle auf diese einfällt; und

eine Linseneinrichtung (5) zum Konvertieren eines von der die zweite Harmonische erzeugenden Einrichtung abgestrahlten Lichtstrahls in einen Parallellichtstrahl, der bis zur Zentralachse des Strahls mit einem Strahlenbündel ausgefüllt ist, wobei die Linseneinrichtung eine Vielzahl von konischen Oberflächen aufweist, wenigstens eine konische Oberfläche einen Apex (P) hat, und die Linseneinrichtung in solcher Weise angeordnet ist, daß wenigstens ein Abschnitt des von der die zweite Harmonische erzeugenden Einrichtung abgestrahlten Lichtstrahls durch den Apex (P) läuft.

2. Eine Lichtquelleneinrichtung nach Anspruch 1, worin die die zweite Harmonische erzeugende Einrichtung (4) ein eine zweite Harmonische erzeugendes Element vom Typ einer optischen Faser aufweist.

3. Eine Lichtquelleneinrichtung nach Anspruch 1, worin die Kollimatorlinseneinrichtung (5) zwei konvex-konische Oberflächen aufweist.

4. Eine Lichtquelleneinrichtung nach Anspruch 1, worin die Kollimatorlinseneinrichtung (5) eine konvex-konische Oberfläche und eine konkav-konische Oberfläche aufweist.

5. Eine Lichtquelleneinrichtung nach Anspruch 1, worin die Kollimatorlinseneinrichtung (5) wenigstens eine konische Oberfläche mit einem Apex (P), der flach abgeschnitten ist, aufweist.

6. Eine Lichtquelleneinrichtung nach Anspruch 2, worin die Linseneinrichtung (5) drei konische Oberflächen aufweist, wobei wenigstens eine konische Oberfläche einen Apex hat und die Linseneinrichtung in solcher Weise angeordnet ist, daß wenigstens ein Abschnitt eines von der die zweite Harmonische erzeugenden Einrichtung (4) abgestrahlten Lichtstrahls durch den Apex (P) läuft.

7. Eine Lichtquelleneinrichtung nach Anspruch 6, worin wenigstens eine konische Oberfläche einen Apex (P), der flach abgeschnitten ist, aufweist.