JP2013508688A - ランダム偏光の出力監視組立体 - Google Patents

Abstract

ランダム偏光ビームの出力を計測するユニットは、個別反射面を有する離間する第１と第２のビームスプリッタを用いて構成してあり、それらは互いに対向し、第１のスプリッタに入射するランダム偏光ビームの一部を逐次反射する構成としてある。ビームスプリッタは、第２のビームスプリッタで反射された出力ビームがランダム偏光ビームの偏光状態とは無関係の出力を有するような大きさおよび形状としてある。
【選択図】図４

Description

本発明は光学的システムに関し、詳しくはランダム偏光の出力を監視し計測するよう構成した光学的組立体に関する。

高出力レーザシステムに沿って伝搬する光信号は、広範囲に変化することがある。伝搬信号の不安定性は、レーザシステムにより遂行するタスクとシステム構成要素の機能性に悪影響を及ぼす。光信号の出力変動を監視するため、光学レーザシステムには下記に説明する出力監視組立体が配設される。

図１は、入力リード線付きファイバ１４と出力リード線付きファイバ１６との間での光信号Ｉｉの伝搬を支援する構成のリード線付き直線偏光アイソレータ１２を含む出力監視組立体１０を示すものである。アイソレータコア１８には、光検出器２４，２６に結合されてさらなる計測を行なう光信号の小部分を放出するよう作動可能な板状ビームスプリッタ２２を有するタップカプラーモニタ２０が配設されている。組立体１０は、直線偏光の出力読み取りに首尾よく用いられてきた。

しかしながら、ファイバ型レーザシステムを含む公知の多くの光学用途は、下記の理由からモニター２０の出力読み取りに影響を及ぼすことのあるランダム偏光を用いて動作させている。光が物質中を移動する際に、それは出力損失を蒙る。出力損失の要因の一つが、偏光である。少なくとも一部透明な材料を光信号が通過する際に、信号の光学出力は空間的な偏光相互作用に起因して選択的方向に減少する。換言すれば、光のエネルギーは２つの偏光状態、すなわち互いに直交する「ｐ」と「ｓ」とに分割される。偏光状態は、これらの２つのモード間の光エネルギーの分布を指す。２つの偏光モード間の損失における差分は、その装置の偏光依存損失（ＰＤＬ）を表わす。

上記に基づき、ランダム偏光を用いるファイバ型レーザシステムは従って、例えば組立体２０の板状ビームスプリッタ２２に入射する光の個々の「ｐ」偏光状態と「ｓ」偏光状態についての異なる反射率（Ｒｐ，Ｒｓ）により特徴付けられる。その結果、分岐させたビームの出力は入射光の偏光に応じて変動する。

所望の精度でもってＲｓとＲｐを相互に整合させることでランダム偏光の影響を矯正することのできる被覆を有する板状ビームスプリッタ２２を提供するよう仕向けられた労力は、不首尾であった。後者は、反射率Ｒが分率１％を超過しない範囲内で光を監視する本装置の技術的な限界により説明することができる。反射率Ｒがほぼ２０％であるときにだけ、ＲｐとＲｓとの間の上記の関係を整合的に満たすことができる。しかし、２０％は容認できない大きな出力損失を構成する筈である。

図２は、出力監視組立体の代替構成を示す。この組立体は、ファイバタップあるいはファイバカプラ２８として構成されている。ファイバ３０により案内される光の一部は、それを光検出器３４に送り込むファイバ３２内に結合される。この種の出力監視組立体は、ほぼ１０Ｗを超えない低出力において有効である。

図３は、導波路４０の長さに沿って散乱（レイリー散乱）する出力を検出するよう構成した出力監視組立体３６のさらにもう一つの構成を示す。導波路４０のコア内の散乱光は、フォトダイオード４２により検出される。しかしながら、レイリー信号はやや弱く、従って洗練された検出器を必要とする。また、直接信号と反射戻り信号とを相互に分離することは困難であろう。

それ故に、ランダム偏光信号光の一部を受光し、この一部を光学的に処理し、ユニットから放出されるビームの出力を偏光無感応とすることのできる光学ユニットに対する必要性が存在する。

開示された光学ユニットにより、主たる第１のビームスプリッタと第２の追加のビームスプリッタと検出ユニットとを含む開示組立体により、上記の必要性を効果的に適えることができる。スプリッタは、第１のスプリッタの第１の一部反射面に対する入射面と第２のスプリッタの第２の反射面に対する入射面が相互に実質直交するよう構成される。当業者には熟知されている如く、入射面はその面に入射する光ビームと、入射ビームがその面に衝突する箇所の法線とにより定まる。

従って、開示構成により、検出ユニットに入射する出力光は続く２回の反射、すなわち第１のビームスプリッタと続く第２のビームスプリッタでの反射にさらされるようになる。従って、第１の面で反射された例えば偏光状態「ｐ」の入射光は、偏光状態「ｓ」にてさらに第２の表面で反射される。他方、第１の板状ビームスプリッタに偏光状態「ｓ」にて入射し反射された光は、第２の板状ビームスプリッタで状態「ｐ」にて反射を受けることになる。その結果、第２の面から受光する光検出器に入射する光は偏光不感応となり、何故なら偏光状態にも拘わらず、２回の反射後の全反射率はＲｓ×Ｒｐに等しいからである。これ故、２つの偏光状態間の出力変動が配設光検出器の読み取りに影響を及ぼすことはなく、無論、第１のスプリッタは第２のスプリッタの個々の率Ｒｓ，Ｒｐと同一の反射率Ｒｓ，Ｒｐでもって構成してある。

本開示の上記ならびに他の特徴や利点は、図面を添付した下記の具体的説明からさらに即明らかとなろう。

公知の先行技術出力計測ユニットの一構成である。 公知の先行技術出力計測ユニットのもう一つの構成である。 先行技術出力計測ユニットのもう一つの構成を組み込んだ高出力ファイバ型レーザシステムである。 本開示に従って構成した出力計測ユニットである。 図４の出力計測ユニット内に用いる塊状光学系の線図である。

ここで、出力計測ユニットを組み込んだ開示された出力監視ユニットとファイバ型レーザシステムについて詳細に参照を行なうこととする。可能な限り、同一あるいは同様の符号を図面と詳細な説明中に使用し、同一あるいは同様の部分あるいは工程を指すことにする。図面は簡略形式としてあり、厳密な縮尺からは遠いものである。

図４は、ランダム偏光の出力計測を必要とするあらゆる光学システムに用いることのできる出力計測光学ユニット５０を示す。このユニット５０は、第１のビームスプリッタ５２と第２のビームスプリッタ５４と検出組立体５６とを含んでいる。ランダム偏光ビームＩｉ信号が第１の板状ビームスプリッタ５２の一部反射面５８に入射すると、必ずしもそうとは限らないが好ましくは光ビームＩｉの一定割合を超えないその一部が反射され、その残りが伝送される。光Ｉｉの反射部分Ｉｒは、入射光の入射角度と偏光方向の両方に依存する。計測光路沿いに第１のスプリッタ５２の直後に検出組立体５６を配置したとするならば、計測出力は入射Ｉｉすなわち反射光Ｉｒが「ｓ」偏光状態あるいは「ｐ」偏光状態にあったかどうかに応じて変動する筈である。

従って、開示された光学ユニット５０は、一部反射面６０を用いて構成した第２のビームスプリッタ５４を組み込むことで、光ビームＩｉの偏光状態から出力計測データの依存性を取り除く。第１のスプリッタ５２と第２のスプリッタ５４はそれぞれ相対配置し、第１のスプリッタ５２の面５８への入射光Ｉｉの第１の入射面が第２のビームスプリッタ５４の面６０での反射光Ｉｒの入射面に実質直交するようにしてある。第１の入射面は、光Ｉｉと第１の入射角度ＡＯＩ₁をその間に画成する第１のスプリッタ５２の面５８上の光入射点に対する法線Ｎ₁とにより定まる。同様に、第２の入射面は面６０に入射する光Ｉｒとその間に第２の入射角ＡＯＩ₂を画成する法線Ｎ₂とにより定まる。光学分野の当業者には即理解されるように、本発明ユニット５０の最も好適な構成には上記開示面間の直角が含まれる。しかしながら、面間角度は所望の計測精度に深刻な影響を及ぼすことなくほぼ８５°と９５°との間の範囲で可変することができる。

初期ランダム偏光Ｉｉの偏光ベクトルは、当業者には熟知されている如く、２つの直交成分Ｅ１，Ｅ２を含む。第１のビームスプリッタ５２と第２のビームスプリッタ５４にて逐次反射される際に、成分Ｅ１，Ｅ２は個々の全反射率Ｒ_E1，Ｒ_E2により特徴付けることができる。検出組立体５６上に入射する出力光ビームの出力は、Ｒ_E1とＲ_E2の全反射率が同一すなわちＲ_E1＝Ｒ_E2である場合、偏光無感応となる。この要件は、それぞれ「ｐ」偏光状態についての率Ｒｐと「ｓ」偏光についての率Ｒｓを有するスプリッタ５２，５４によって満たされ、ここでは第１のスプリッタ５２の率Ｒｐ，Ｒｓは第２のスプリッタ５４の個々のＲｐ，Ｒｓに実質等しい。

例えば、主光ＩｉのＥ１成分が「ｓ」偏光状態を有し、従って第１のビームスプリッタ５２での反射率Ｒｓにより特徴付けられると仮定する。ビームスプリッタ５２，５４は実質均一な光学的構成を有するため、第１のスプリッタ５２に入射して反射される成分Ｅ１の「ｓ」偏光状態は、第２のスプリッタ５４でのその反射の結果として個々の反射率Ｒｐでもって「ｐ」偏光状態へ遷移する。従って、検出組立体５６の入力端の全反射率Ｒ_E1は、Ｒｓ×Ｒｐとして特定することができる。

第１のスプリッタ５２で反射された光ＩｉのＥ２成分がさらにスプリッタ５４で跳ね返されると、その「ｐ」偏光状態は「ｓ」偏光状態へ回転する。Ｒ_E2の全反射率もまた、率Ｒ_E1と同様、Ｒｐ×Ｒｓとして特定される。これ故、２つの偏光状態間の出力変動が検出組立体５６の読み取りに影響を及ぼすことはない。無論、開示ユニット５０は前方と後方の両方に光出力を計測することができる。戻り反射光の計測には、板状ビームスプリッタ５４と同様の構成の追加の板状ビームスプリッタ５４’と仮想線で示した検出組立体５６’とが必要とされる。

開示ユニットの偏光無感応出力読み取りを達成する必須条件は下記、すなわち
両スプリッタについての均一な反射率Ｒｓと両スプリッタについての均一な反射率Ｒｐであって、原則としてこの条件で開示概念の実現に十分であるＲｓおよびＲｐと、
スプリッタ５２の面５８に対する光Ｉｉと第２のスプリッタ５４の面６０に対する光Ｉｒの入射面どうしの実質直交性とである。
望ましくは、板状ビームスプリッタ５２に対する光Ｉｉの入射角度（ＡＯＩ）と第２の板状ビームスプリッタ５４に対する反射光ＩｒのＡＯＩは実質均一とし、技術的には、ＡＯＩは所定範囲内で変動するが、好ましくはＡＯＩは４５°とする。しかしながら、ＡＯＩは互いに全く一致しないようにできる。

第１の板状ビームスプリッタ５２を介して伝送される光ビームＩｉの相当の出力損失を防止すべく、板状ビームスプリッタ５２，５４それぞれに反射防止（ＡＲ）膜６２を被覆することができる。この被覆６２は、好ましくは反射光Ｉｒと出力光Ｉｏが個別にそれぞれほぼ２０〜３０ｄＢ減衰されるよう構成する。ほぼ４０〜６０ｄＢの間の範囲にある総減衰は、検出組立体５６の光検出器の動作に有益となるようにできる。例えば、入力光Ｉｉがほぼ１００Ｗの出力を有する場合、上記の減衰範囲により光検出器は線形領域内で作動させることができる。

このユニット５０はまた、例えば半波長板あるいは９０度遅相器を含めることのできる偏光管理構成要素６４を用いて構成することができる。半波長板は、当業者が熟知している如く、一つの偏光成分を他の偏光成分に対し半波長分だけ遅相させる構成とされている。９０度遅相器は、偏光を９０度回転させる。換言すれば、面５８，６０どうしの相対位置にも拘わらず、光Ｉｒが入射した場合、成分６４は一方の偏光成分から他方へ回転することになる。また、通常は、光学回路網は光ビームが一つの好ましくは水平面内を伝搬するよう構成される。このユニット５０は、プレート６４を用いずに構成した場合、垂直面と水平面における光ビームの伝搬を規定し、従って三次元構成と考えることができる。偏光管理構成要素６４を組み込むことで、第２の板状ビームスプリッタ５４は例えば残りの光ビームと同じ水平面内で出力ビームＩｏを振り分けるよう配置できるようになる。

図５を参照するに、ユニット５０には反射ビームＩｒとＩｏをそれぞれさらにもっと減衰させるよう構成した追加の構成要素を持たせることができる。その構成の一つに、光発散球面塊状光学系６６を含めることができる。ユニット５０のさらにもう一つの構成に、光分散プレート６８を持たせることができる。出力減衰塊状構成要素は、無論、検出組立体５６の光検出器７０に隣接配置される。

開示ユニット５０は、個別構成要素として、あるいは光学システムの一体構成要素として製造することができる。例えば、光学システムはリード線付きアイソレータとして構成することができ、これには４５°光学遅相器やファラデー回転器や出力偏光器や入出力コリメータを封入した筺体が含まれる。換言すれば、ユニット５０はごく線図的に示したアイソレータ１２０内に組み込むことができる。光学分野の当業者には熟知されている如く、ランダム偏光を処理する構成としたアイソレータ１２０は２つの直交する偏光を２つの光ビームに分割し、さらにそれらを合成するようにした作動可能な構造に基づくものである。

図６を参照するに、都合よくは、ユニット５０をアイソレータ内に組み込み、片やアイソレータを高出力ファイバ型レーザ（ＨＰＦＬ）システム２００の一構成要素としてある。このシステム２００には無限の構成を持たせることができ、すなわち図６に示したものは例示ファイバ型レーザシステムの概略図である。このシステム２００には、１または複数の縦列接続体２０２を持たせることができる。好ましくは、縦列接続体２０２はそれぞれ能動ファイバ２０４すなわち希土類あるいは遷移金属のイオンを用いて不純物添加したファイバと入力受動ファイバ２０６と出力受動ファイバ２０８をそれぞれ含む利得ブロックを用いて構成する。能動ファイバ２０４の両端は、それぞれ受動ファイバに溶着する。必ずというものではないが、好ましくは、能動ファイバ２０４には所望の波長で基本モードを支えることのできる複数モードのコアを持たせることができる。一つのファイバから別のファイバへの光の実質無損失結合を提供すべく、全てのファイバに能動ファイバと各受動ファイバとの間で実質モード整合できるようにする構造を持たせる。ユニット５０を用いたアイソレータは、システム２００の後続の縦列接続体間および／または出力端に沿って配置することができる。

当業者には明白であり得る如く、ここに開示した高出力レーザシステムにおいて様々な改変と変形が可能である。従って、添付請求項群とその均等物の範囲内に含まれる限り、本開示がこの開示の改変例と変形例を包含することを意図するものである。

Claims (21)

1. ランダム偏光ビームの出力を計測するユニットであって、
   ランダム偏光ビームの一部を逐次反射する構成の第１と第２のビームスプリッタであって、該第２のビームスプリッタで反射された出力ビームが第１のスプリッタに入射するランダム偏光ビームの偏光状態とは無関係であるようにした前記第１および第２のビームスプリッタと、
   前記出力ビームを検出し、前記ランダム偏光ビームの出力に比例するその出力を計測するよう作動可能な光学組立体とを備える、ユニット。
2. 前記第１と第２のビームスプリッタを、ランダム偏光ビームを含め、第１のスプリッタの、一部反射する第１の面への入射面が前記第１の面で反射された光の一部の第２のスプリッタの、一部反射する第２の面への入射面に実質直交するよう相対配置した、請求項１に記載のユニット。
3. 前記反射面を、第１のビームスプリッタに対する前記ランダム偏光ビームの入射角度（ＡＯＩ）が、前記第１のスプリッタで反射されて第２のスプリッタに入射するランダム偏光ビームの一部のＡＯＩに実質等しくなるよう配置した、請求項２に記載のユニット。
4. 前記反射面を、前記第１のビームスプリッタのランダム偏光ビームの入射角度（ＡＯＩ）が前記第１のスプリッタで反射されて第２のスプリッタに入射するランダム偏光ビームの一部のＡＯＩとは異なるよう配置した、請求項２に記載のユニット。
5. 前記第１と第２のビームスプリッタはそれぞれ反射率Ｒｓ，Ｒｐを持たせて構成してあり、ここでＲｓは入射面に直交するベクトルＥを有する「ｓ」偏光状態についての反射率、Ｒｐは入射面に横たわるベクトルＥを有する「ｐ」偏光状態についての反射率であり、第１のビームスプリッタのＲｓとＲｐは所与の入射角度（ＡＯＩ）について第２のビームスプリッタの個々のＲｓ，Ｒｐと実質同一である、請求項２に記載のユニット。
6. 出力光ビームについての生成反射率は、前記ランダム偏光の「ｓ」または「ｐ」偏光状態の如何によらず、Ｒｓ×Ｒｐに等しい、請求項５に記載のユニット。
7. 前記個々の第１および第２のビームスプリッタの反射面はそれぞれ、監視対象である前記ランダム偏光ビームの減衰を最小化するよう構成した反射防止被覆で覆ってある、請求項２に記載のユニット。
8. 前記第２のビームスプリッタと出力ビームの検出計測用光学組立体との間に位置する塊状光学系であって、前記出力ビームの出力を弱め、２回反射された一部の光の光路中の光学組立体の検出器の位置決めを簡単化するよう構成され、前記検出器を光発散球面レンズと光分散光学系とからなるグループから選択する前記塊状光学系をさらに備える、請求項１に記載のユニット。
9. 前記反射防止膜は、前記２回反射された一部の光を減衰させて前記光出力を計測する光学組立体が線形領域で動作するよう構成した、請求項７に記載のユニット。
10. 前記第１のビームスプリッタに光学的に連通し、前記第１のビームスプリッタを介して伝送されるランダム偏光ビームの方向とは反対の方向に伝搬するランダム偏光戻り反射光ビームを受光する追加の第２のプレートと、
    前記第１のビームスプリッタ内に結合された戻り反射光の偏光状態とは無関係に戻り反射光ビームを受光して出力を計測する追加の光学組立体とをさらに備える、請求項１に記載のユニット。
11. 前記第１と第２のビームスプリッタの間の偏光管理構成要素であって、半波長板と９０度遅相器からなるグループから選択される前記偏光管理構成要素をさらに備える、請求項１に記載のユニット。
12. リード線付き光アイソレータであって、
    光路に沿う前方伝搬するランダム偏光ビームが横断するアイソレータコアと、
    前記コアの第２の伸長方向に沿って配置した出力計測ユニットであって、
    前記ランダム偏光ビームの一部を逐次反射する構成の離間する第１および第２のビームスプリッタであって、該第２のビームスプリッタで反射された出力ビームが第１のスプリッタに入射するランダム偏光ビームの偏光状態とは無関係な出力を有するようにした前記第１および第２のビームスプリッタと、
    前記出力ビームを検出し、前記ランダム偏光ビームの出力に比例するその出力を計測するよう作動可能な光学組立体とを含む
    前記出力計測ユニットとを備える、光アイソレータ。
13. 前記第１と第２のビームスプリッタ間に配置され、半波長板あるいは９０度遅相器から選択される偏光管理構成要素をさらに備える、請求項１２に記載の光アイソレータ。
14. 前記第１と第２のビームスプリッタを、ランダム偏光ビームを含め、第１のスプリッタの、一部反射する第１の面への入射面が、前記第１の面で反射された光の一部の第２のスプリッタの、一部反射する第２の面への入射面に実質直交するよう相対配置した、請求項１２に記載の光アイソレータ。
15. 前記第１と第２の面を、前記第１のビームスプリッタに対するランダム偏光ビームの入射角度（ＡＯＩ）が、前記第２のスプリッタに入射する前記第１のスプリッタで反射されたランダム偏光ビームの一部のＡＯＩと実質等しくなるよう配置した、請求項１４に記載の光アイソレータ。
16. 前記第１と第２の面を、前記第１のビームスプリッタに対するランダム偏光ビームの入射角度（ＡＯＩ）が、前記第２のスプリッタに入射する前記第１のスプリッタで反射されたランダム偏光ビームの一部のＡＯＩとは異なるよう配置した、請求項１４に記載の光アイソレータ。
17. 前記第１と第２のビームスプリッタはそれぞれ反射率Ｒｓ，Ｒｐを持たせて構成してあり、ここでＲｓは入射面（ＰＯＩ）に直交して横たわる「ｓ」偏光状態についての反射率、Ｒｐは入射面ＰＯＩに横たわる「ｐ」偏光状態についての反射率であり、第１のビームスプリッタのＲｓとＲｐは所与の入射角度（ＡＯＩ）について第２のビームスプリッタの個々のＲｓ，Ｒｐと実質同一である、請求項１４に記載の光アイソレータ。
18. 前記第１と第２の個々のビームスプリッタそれぞれの反射面は、動作波長でのランダム偏光ビームの減衰を最小化するよう構成した反射防止膜により被覆した、請求項１４に記載の光アイソレータ。
19. 前記第２のビームスプリッタとの間に配置され、光発散球面塊状光学系と光分散プレート６８とからなるグループから選択される光減衰構成要素をさらに備える、請求項１２に記載の光アイソレータ。
20. 高出力ファイバ型レーザシステムであって、
    光路に沿って伝搬するランダム偏光入力光ビームを増幅するよう作動可能な少なくとも１個の増幅縦列接続体と、
    前記増幅縦列接続体に光学的に連通し増幅ランダム偏光ビームの出力を計測するユニットであって、
    前記ランダム偏光の一部を逐次反射するよう構成された、離間する第１と第２のビームスプリッタであって、前記第２のビームスプリッタで反射された出力ビーム光が前記第１のスプリッタに入射するランダム偏光の偏光状態とは無関係の出力を有するよう構成した前記第１と第２のビームスプリッタと、
    前記出力ビームを検出し、前記ランダム偏光の出力に比例するその出力を計測するよう作動可能な光学組立体とを有する
    前記ユニットを備える、高出力ファイバ型レーザシステム。
21. 前記第１のビームスプリッタで反射された入力光ビームの一部が前記第１のビームスプリッタへの前記入力光ビームの入射面に実質直交する入射面内に延在し、前記第１と第２のビームスプリッタはそれぞれ反射率ＲｓとＲｐを持たせて構成してあり、ここでＲｓは入射面に直交するベクトルＥを有する「ｓ」偏光状態についての反射率、Ｒｐは入射面に横たわるベクトルＥを有する「ｐ」偏光状態についての反射率であり、第１のビームスプリッタのＲｓとＲｐは所与の入射角度（ＡＯＩ）について第２のビームスプリッタの個々のＲｓ，Ｒｐと実質同一とし、出力光ビームについての生成反射率が前記ランダム偏光の「ｓ」または「ｐ」偏光状態の如何によらず、Ｒｓ×Ｒｐに等しくなるようにした、請求項２０に記載の高出力ファイバ型レーザシステム。

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