JP2004170484A - ビームホモジナイザ - Google Patents

Abstract

【課題】中空光ファイバの出射端に接続して使用する小型かつ高効率なビーム均一化光学素子を提供する．
【解決手段】中空光ファイバの出射端に接続された方形もしくは矩形断面を有する小型の金属導波管で形成されたビームホモジナイザであって，高効率伝送が可能となるように，好ましくは矩形ガラス管の内面に金属被覆が施された構造をもちことを特徴とするビームホモジナイザ．
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，ビームホモジナイザに関するものである．
【０００２】
【従来の技術】
ガラスや樹脂のチューブ内面に金属や誘電体の薄膜を形成して，チューブ内面における反射率を向上させた低損失中空光ファイバは，真空紫外から遠赤外といった幅広い波長域に存在する各種のレーザ光用伝送路として開発が進んでいる．特に，紫外から真空紫外波長域で発振するエキシマレーザや，赤外域の炭酸ガスレーザおよびエルビウムヤグレーザ，また高出力パルスを発生するＱスイッチヤグレーザなどを，医療分野や産業分野で使用する際に，可撓性をもつ有効な伝送路として中空光ファイバは重要である．中空光ファイバは空気やガスをコアとして用いるため，端面破壊の可能性も低く，また端面での反射がないので大きな光電力の伝送に適しており，さまざまな分野への応用が展開されている．
【０００３】
中空光ファイバは構造的に多モード伝送路であるが，低次モードと高次モードの伝送損失の差が大きいために伝送電力のほとんどを低次モードが占める．そのため，中空ファイバからの出射光は，通常はガウス分布に準じるビーム形状となる．なおかつ出射光の拡がり角は全角で数度といったように非常に小さくなり，ファイバ出射端にレンズ等の集光素子を配置することなく，高いエネルギー密度の光ビームが得られる．これは中空光ファイバを様々な応用分野へ適用する際の大きな利点のひとつである．
【０００４】
しかし，赤外および紫外レーザ光を広い範囲に均一な強度で照射することが必要となる応用においては，中空ファイバの低次モード伝送が問題となる．特にファイバを曲げた状態でレーザ光を伝送すると，最低次モードのほかに幾つかの高次モードが同時伝送し，互いに干渉するため，ファイバからの出射光は複数のエネルギーピークをもつ複雑な形状となる．しかも，その形状はファイバの曲げ状態に敏感に影響を受け，変動することが多い．そのためレーザからのガウスビームを均一化する手法としてよく用いられている位相光学素子やリレー光学素子を用いて，中空ファイバからの出射光を安定して均一化することは困難である．
【０００５】
一方，矩形断面をもつ金属導波管を用いて無数の高次モードを発生させ，それらを重畳させることにより，レーザ光強度を均一化する手法についても提案されている．しかし，これらの導波管の断面形状は通常数ｃｍ以上の大きさであり，均一ビームを得るのに十分な数のモードを発生するためには数１０ｃｍといった長さが必要となり，小型の光学系を形成するのは不可能である．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は，中空光ファイバの出射端に接続して使用する小型かつ高効率なビーム均一化光学素子を実現することにある．
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために，中空光ファイバの出射端に接続された方形もしくは矩形断面を有する小型の金属導波管で形成されたビームホモジナイザである．
【０００８】
ここで前記金属導波管の断面寸法は，接続する中空ファイバと同程度であってもよい．
【０００９】
ここで前記金属導波管は，表面が光学研磨された複数の金属帯を組み合わせて形成されたものであってもよい．
【００１０】
ここで前記金属導波管は，方形もしくは矩形断面を有するガラスチューブの内面に金属薄膜が形成されたものであってもよい．
【００１１】
ここで前記金属導波管は，方形もしくは矩形断面を有するガラスチューブの内面に誘電体被覆が施された金属薄膜が形成されたものであってもよい．
【００１２】
ここで前記ビームホモジナイザは，導波管の出射部に配置されたレンズもしくは拡大鏡を具備するものであってもよい．
【００１３】
そして，このような本発明のビームホモジナイザであれば，中空ファイバの出射端に取り付けることにより，高い均一性をもつ光ビームを高効率で得ることができる小型の光学系を形成することが可能となる．
【００１４】
【本発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態を例示して詳述する．まず金属導波管の断面寸法および長さは，小型の光学素子を実現するという観点からは，できるだけ小さいことが望ましいが，十分なビーム強度均一性を高い効率で得ることが必要である．
【００１５】
導波管寸法の設計には，光線追跡法が有効である．図２には設計に用いた導波管のモデル図を示す．導波管断面の辺長内寸ｗ，導波管長さｌの二つのパラメータについて設計を行う．
【００１６】
図３は光線追跡法により計算した方形断面のアルミニウム製金属導波管の伝送損失を，導波管長さの関数として示したものである．導波管への入射光としては，内径１ｍｍの円形断面をもつ中空ファイバから出射する広がり全角２．２度のガウス状エネルギー分布をもつビームを仮定している．計算は方形導波管の断面の辺長内寸ｗが０．８ｍｍ，１．０ｍｍおよび２．０ｍｍについて行っているが，辺長が１ｍｍ未満になると急激に損失が増大する．これは内径１ｍｍの中空ファイバからのエネルギーが導波管へ十分に結合することができないためである．
【００１７】
図４は導波管からの出射エネルギー分布の均一性を変動係数として示した計算値であり，導波管断面寸法ｗが異なる３種類の導波管について，導波管長さｌの関数として示したものである．なお変動係数は，標準偏差を平均値で割ったものとして定義してある．導波管長さが大きいほど変動係数が小さい，つまり均一性が高いビーム分布が得られる．また，導波管断面寸法が小さいほど，短い導波管長さで高い均一性が得られることがわかる．
【００１８】
以上の結果より，高いエネルギー均一性をもつ光ビームをできるだけ小型の導波管を用いて実現するためには，導波管断面の辺長内寸は，接続する導波管と同程度であることが望ましいと考えられる．ファイバ内径が１ｍｍの場合は，導波管内寸は１ｍｍ程度，かつ導波管長さは１００ｍｍ程度が望ましい．通常，中空ファイバの内径は１ｍｍ以下であり，導波管断面寸法もそれに応じて小さくなる．また，導波管長さも断面寸法とともに１００ｍｍ以下と短くすることが望ましい．
【００１９】
金属導波管はさまざまな構造および材質で形成することが可能であるが，以下に，いくつかの例をあげて説明する．
【００２０】
光の領域では，金属表面において全反射とはならずに，反射時に吸収損失が生じるうえ，金属表面粗さによる散乱損失も大きな影響を及ぼす．そのため，通常の押出形成により製造された金属導波管では，表面粗さが大きく高い効率が得られないために，その内面を化学研磨などにより鏡面化することが必要である．
【００２１】
より容易に内面が平滑である金属導波管を構成する手法としては，あらかじめ鏡面研磨を施した金属帯を矩形上に組み合わせる方法や，図１に示すように方形もしくは矩形断面をもつガラス管１の内面に金属薄膜２を形成する方法があげられる．なお，図１の形態においては，脆弱なガラス管を保護するために，管の外部に樹脂などの保護層を装着することが好ましい．
【００２２】
可視から赤外の波長域においては，金，銀，モリブデン，ニッケルなどの金属は高い反射率を示すために，金属導波管の構成材質として好適である．また，金属表面に誘電体薄膜を形成し，その干渉効果をもちいることにより飛躍的に反射率を増加させることが可能であり，導波管の効率を高めることができる．誘電体の材質としては，ポリマーなどの有機化合物，および石英，硫化亜鉛，ゲルマニウム，セレン化亜鉛などの無機物で，対象となる波長域で透明である物質が好適である．誘電体薄膜の厚さは，対称波長により異なるが，１０ミクロン以下とし，高い反射率が得られるように微調整されていることが好ましい．
【００２３】
紫外および真空紫外の波長域においては，金属表面の粗さが反射率の低下により大きく影響する．そのため，図１のように表面がきわめて平滑であるガラス管を用いて，その内面に金属薄膜を形成する手法が有効である．また，導波管の伝送効率を高めるためには，導波管内面における反射時の散乱損失を低減する必要があり，金属薄膜の表面粗さは，二乗平均値（ＲＭＳ値）で２０ｎｍ以下であることが好ましい．紫外および真空紫外の波長域で使用する導波管の内面金属材質としては，高反射率を呈するアルミニウムが好適である．矩形ガラス管の内面に表面が平滑なアルミニウム膜を形成する手法としては，特許第３３４１００７号にあるように，有機アルミニウム化合物を原料とした化学気相成長法が適している．
【００２４】
導波管から出射する均一化されたレーザビームを拡大する手法として，図５に示すように，中空ファイバ４に接続された導波管５の出射端後方にレンズ６を配置する方法が挙げられる．このレンズにより，導波管出射部の均一化されたレーザビームが拡大結像され，より大きな面積を照射することができる．また，このレンズを拡大鏡などにより置き換えることにより，レーザビームを折り返して拡大結像することも可能である．なお，波長２００ｎｍ以下の紫外および真空紫外光は空気中で減衰するため，より高い伝送効率を得るためには，ファイバおよび導波管の内部や，導波管出射端から照射ターゲット面までの光路を伝送光を吸収しない不活性ガスを，充填もしくは流入させることが好ましい．また，上記の光路をすべて真空化することも効果的である．
【００２５】
【発明の効果】
以上要するに，本発明によれば次のような優れた効果を発揮する．
【００２６】
▲１▼真空紫外から赤外の広い波長範囲に適応する小型・高効率なビーム均一化光学素子を提供できる．
【００２７】
▲２▼中空光ファイバの出射ビーム形状の変動を矯正し，いかなるファイバの状態においても，安定して均一なビーム形状が得られる．
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す断面図である．
【図２】本発明の一実施形態を示す斜視図である．
【図３】本発明の効果を示す伝送効率についての理論計算の結果を表す図である．
【図４】本発明の効果を示すビーム均一性についての理論計算の結果を表す図である．
【図５】本発明の一実施形態を示す配置図である．
【符号の説明】
１ ガラス管
２ 金属層
３ 中空領域
４ 中空ファイバ
５ 矩形導波管
６ レンズ

Claims (6)

1. 中空光ファイバの出射端に接続された方形もしくは矩形断面を有する小型の金属導波管で形成されたことを特徴とするビームホモジナイザ
2. 前記金属導波管の断面寸法が，接続する中空ファイバと同程度であることを特徴とする請求項１に記載のビームホモジナイザ
3. 前記金属導波管が，表面が光学研磨された複数の金属帯を組み合わせて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のビームホモジナイザ
4. 前記金属導波管が，方形もしくは矩形断面を有するガラスチューブの内面に金属薄膜が形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のビームホモジナイザ
5. 前記金属導波管が，方形もしくは矩形断面を有するガラスチューブの内面に誘電体被覆が施された金属薄膜が形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のビームホモジナイザ
6. 前記金属導波管の出射部にレンズもしくは拡大鏡が配置されたことを特徴とする請求項１に記載のビームホモジナイザ

Images