JP2013524539A - 高出力レーザ用熱補償レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 高出力レーザ用光学系においてレンズの熱補償を行う方法であって、高出力レーザビームをコリメートさせるために溶融石英レンズを供給する工程と、そのレンズをレーザビームがコリメートした状態にあるように位置決めする工程を含む。集光レンズアセンブリは、コリメートされたレーザビームを集束させるために設けられるとともに、コリメートされたレーザビームの集束状態を保つように位置決めされる。溶融石英レンズの屈折率における熱誘導変化を補正するために、負のｄｎ／ｄＴを有する少なくとも１個のレンズが、コリメートレンズアセンブリの一部として、また集光レンズアセンブリの一部として含まれる。負のｄｎ／ｄＴを有するレンズは、負のｄｎ／ｄＴを有するガラス群から選択される。レンズの出力は、光学系が幅広い温度範囲に亘り集束状態を維持するように、補正する負のｄｎ／ｄＴと均衡が保たれる。
【選択図】図１３

Description

本発明は、概してレーザの分野に関する。とりわけ、本発明は、高出力レーザのレンズに関する。

１キロワット（１ｋＷ）を超える高出力ファイバレーザを集束させるために、１個またはそれより多くの高品質溶融石英レンズが使用される。即ち、ファイバの直径が５０ミクロンから３００ミクロンを超える範囲に及ぶ場合に、ファイバレーザから放射されたレーザ光をコリメートさせるために、少なくとも１個の高品質溶融石英レンズが使用される。コリメートされた後に、光は、１個またはそれより多くの高品質溶融石英レンズから作られる集光レンズアセンブリに向けられ、溶融石英レンズは、切断加工、ドリル加工、スクライブ加工、マーキング加工または溶接加工される面へ光を集束させる。

溶融石英レンズ材料は透過性が高いが、放射線の中にはレンズ内に吸収または散乱されるものもあり、レンズの温度が上昇してしまうことがある。全ての光学ガラス材料は、レンズの温度が上昇するにつれて、レンズの集束特性を変化させる一定の熱特性を有する。特に、温度（ｄｎ／ｄＴ）の関数としての熱膨張係数αおよび屈折率ηの変化は、レンズの出力を変えてしまう。レンズ出力は、この２つの特性の影響を受けるとともに、レンズの熱出力と呼ばれる。

従って、レンズ出力は、以下の方程式により、温度に応じて変化する。

ここで、Φはレンズの出力である。また、出力変化は、レンズの初期出力×レンズの熱出力Ψ_ｐである。

（数３）
ΔΦ＝ΦΨ_ｐ

溶融石英は熱膨張係数が極めて低く、紫外線から赤外線波長近くまでの電磁スペクトラムの透過性が高く、また散乱性が低い。溶融石英は、この目的について、目下のところ最も費用効果的なガラスである。しかしながら、上記の方程式に示すように、他の全ての光学ガラスと同様に、ガラスの温度が上昇するにつれて、フォーカルパワーの変化の影響を受けやすい。熱によるフォーカルパワーの変化問題は、目下２０ｋＷを超える平均出力を有するこれまでのファイバレーザにとって解決が難しい。

溶融石英の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、約０．５×１０^−６／°Ｋであり、〜１０×１０^−６／°Ｋのｄｎ／ｄＴを有する。２００ｍｍの公称焦点距離を有する溶融石英レンズは、１００℃の温度上昇に対して、３５０ミクロンより大きな焦点変化を伴う。この値は、このように焦点距離が長いレンズではそれほど多いものではないが、ファイバのコリメータとして使用されるときには、どのようにして光がファイバからコリメートされるかに実質的な影響を及ぼす。

アブト（Ａｂｔ）等によって書かれた論文である非特許文献１は、この問題について論じており、様々な溶融石英レンズおよびグラディウムインデックスガラスを使用して、１００ワットから９００ワットのレーザ出力に及ぶ出力範囲で、１〜２ミリメートルの焦点移動を示している。スティール（Ｓｔｅｅｌｅ）等は、非特許文献２において、ＣＯ２レーザと同様の作用を説明しており、この論文は、エネルギ省によって発表された。窓材料における熱レンズ効果については、クライン（Ｋｌｅｉｎ）による非特許文献３で更に論じられている。

従来の方法では、光学系の熱レンズ効果に対処するために、３〜４分間システムを熱安定化させた後、コリメート光学素子および集光光学素子の焦点を再調整している。これは非常に不適切であるとともに、生産環境において費用がかかる遅延を生じさせる。

特許文献１は、集光レンズおよびデブリシールドの間に小さな隙間を設けることにより、レンズの冷却を補助する方法を開示している。この方法は、低出力レーザでは有効である。この方法は、回避されるべき付加的な光学素子を高出力レーザに追加することなく、高出力ファイバレーザのコリメーション問題を解決しない。従来技術では、光学性能を向上させることなく、また多素子レンズが必要とされるときに冷却ガスを供給する手段を設けることなく、付加的なウィンドウ、即ち追加の光学素子を必要とする。

特許文献２は、半径方向に偏光された光、およびＺｎＳｅの応力複屈折性を利用して、熱レンズ効果を低減させる方法を開示している。この方法は用途が極めて限定されるとともに、偏光しない高出力ファイバレーザでは実用的ではない。

アサーマル化法が中赤外光学系に一般的に適用されるが、高出力レーザには特に適用されない。これらのシステムは、赤外線の中の広範なスペクトルにおける熱変化を補償するように適応している。アサーマル化法は、スミス（Ｓｍｉｔｈ）の非特許文献４、非特許文献５で、またフィッシャー（Ｆｉｓｈｃｅｒ）等の非特許文献６で考察されている。これらの文書は、３つの連立方程式を解くことにより消色およびアサーマル化することを教示している。

ここで、Φはレンズシステムの出力、Φ_ａおよびΦ_ｂは個々のレンズ素子の出力、φ_ａおよびφ_ｂは各素子の色出力、ψ_ａおよびψ_ｂはレンズの熱出力である。レンズの色出力はそのアッベ値Ｖの逆である。

本発明がなされた時点において、全体として検討される従来技術を鑑みて、当該技術分野に属する通常の知識を有する者には、従来技術の制限をいかにして克服するかは明らかではなかった。

米国特許第５，１２８，９５３号 欧州特許出願第ＥＰ１ ７９１ ２２９ Ａ１号

FocusingHigh-Power, Single Mode Laser Beams, Photonics Spectra Magazine, May 2008 Spot Size andEffective Focal Length Measurements for a Fast Axial Flow CO2 Laser Materials forHigh-Energy Laser Windows: How thermal Lensing andThermal Stress Control Performance, SPIE Proceedings Vol.6666, 66660Z1 (2007) ModernOptical Engineering, McGraw Hill 2000 PracticalOptical System Layout and Use of Stock Lenses, McGraw Hill, 1997 OpticalSystem Design, McGraw Hill, 2008

新規、有用且つ非自明の発明により、長年に亘りこれまで実現されていない高出力レーザ用コリメート手段の必要性が、満たされようとしている。

本発明の構成は、２個またはそれより多くの光学素子からなる熱補償レンズアセンブリを含み、第１素子は、システムの全体出力を変えることなく、第２素子の熱出力を補償する。本発明のシステムでは、追加の光学素子がレンズシステムの光学性能を向上させると共に、冷却ガスの供給手段を提供する。

本発明は、溶融石英の熱効果を利用すると共に、負のｄｎ／ｄＴを有する第２材料によって屈折率の変化を補正することにより、従来技術を改善する。殆どのガラスで、材料の温度が上昇すると、屈折率は正の変化を呈するが、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＬｉＦ２、ＮａＣｌ、ＫＣｌなどの幾つかのガラスは、負のｄｎ／ｄＴを有する。負のｄｎ／ｄＴを有するガラスは他にもあり、本発明は、概念を例証するためにここに列挙されるガラスに限定されるものではない。システムにおけるレンズ出力の均衡を補正ｄｎ／ｄＴで保つことにより、光学系は、幅広い温度範囲に亘り、その集束状態を維持する。

前述したように、２個レンズシステムの出力は、以下のとおりである。

（数５）
Φ＝Φ_ａ＋Φ_ｂ

ここで、Φ_ａは第１素子の出力であり、Φ_ｂは第２素子の出力である。レンズシステムは、温度変化を受けると、その出力が以下のように変化する。

（数６）
ΔΦ＝Ψ_ａΦ_ａ＋Ψ_ｂΦ_ｂ

これは、各素子の出力×その熱出力ψの合計である。集束においてゼロシフトを獲得するために、２個のレンズの出力は、以下のとおりに均衡を保たなければならない。

（数７）
Ψ_ａΦ_ａ＝−Ψ_ｂΦ_ｂ

レーザは単色光源であり、そのため、レンズの色出力は無関係であり、また上記方程式は全て、レーザ集光レンズをアサーマル化するために必要である。理想的な状況としては、各ガラスの膨張係数αが同一であり、また、第１材料のｄｎ／ｄＴが、第２材料の厳密な負である。その理想状況は達成不可能であるが、αおよびｄｎ／ｄＴの補正は、各ψφのより厳密な絶対値を得るために、素子の厚みおよび曲率を変化させることにより、補償される。

本発明の第１の目的は、温度が環境温度および熱安定化温度の間で変化する時に、システムのレイリー範囲（集束深さ）内において、一定の焦点位置を保つことである。

別の目的は、レーザ出力が増加するにつれて、吸収された熱を放熱するために、光学素子を熱管理することである。

本発明のこれらおよび他の重要な目的、効果、および特徴は、本説明が進むに従い明確になる。

従って、本発明は、以下に記載される説明において例証される構成の特徴、要素の組み合わせ、および部品の配置を含み、また、本発明の範囲は、請求項に指示される。

本発明の性質および目的をより完全に理解するために、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明を参照する。

ファイバの出力から放射されると共に面へ再集束させられる従来技術の高出力ファイバレーザ光を示す図。 マルチサーマル形態を伴う図１のレンズを示す図。 図２の焦点の拡大図。 高出力ファイバレーザ用の従来のファイバコリメータを示す図。 図４に示すコリメートレンズダブレットのスポットダイアグラム。 高出力ファイバレーザ用ファイバコリメータとして構成される本発明を示す図。 図６に示すコリメータのスポットダイアグラム。 高出力ファイバレーザ用の焦点調節対物レンズとして構成される本発明を示す図。 図８に示す焦点調節対物レンズのスポットダイアグラム。 図８に示す対物レンズの光線追跡の拡大図。 最小の焦点移動変化について熱的に最適化された溶融石英およびＣａＦ２ダブレットのスポットダイアグラム。 レンズ保持装置の端面図。 図１２の１３−１３線視断面図。 図１２の１４−１４線視断面図。

図１は、全体的に符号１０によって示す従来のレンズ構成を示す図である。

即ち、図１は、ファイバ１２の出力から放射された高出力ファイバレーザ光を示す。レンズ１４は光１６をコリメートし、また、レンズ１８はその光を、切断加工、ドリル加工、スクライブ加工、マーキング加工、溶接加工、または他の処理が施される材料の表面に形成された焦点２０へ再集束させる。両レンズとも、高品質の溶融石英から作られる。

図２は、図１のレンズを示しているが、マルチサーマル形態が構成されており、レンズ１４および１８は、２５℃の大気温度にあり、続いて５０℃、７５℃、１２５℃夫々に上昇する。焦点２０は、温度上昇により、前記レンズへ向けて移動する。各形態は、温度が上昇する時の焦点の変化を示すために、２ミリメートル（２ｍｍ）の補正を伴い提供される。

図３は、図２の焦点の拡大図である。図３上側の大気条件から、図３下側の最高温度までの焦点移動は、０．６４４ミリメートルである。

図４は、従来の高出力ファイバレーザ２２用ファイバコリメータを示す。平凸レンズ２４ａおよび両凸レンズ２４ｂを含む溶融石英ダブレット２４は、最小の波面誤差で適切なコリメーションレベルを生じさせる。

図５は、図４に示すコリメーションレンズダブレット２４のスポットダイアグラムである。このレンズシステムのエアリーディスク半径（回折限界分岐）は、０．０７４ミリラジアンである。温度が５０℃を超えて増加すると、光線は回折限界を超えて分岐し、また、光線の最も外側の組では、１２５℃で０．１６１ミリラジアンに及ぶ。

図６は、高出力ファイバレーザ用ファイバコリメータとして構成された本発明を示す。第１レンズ２６は溶融石英レンズであり、また第２レンズ２８はＳｃｈｏｔｔ Ｎ−ＰＳＫ５３Ａから作られる。

図７は、図６に示す新規のコリメータのスポットダイアグラムである。より高い温度におけるシステムの分岐は０．０８３ミリラジアンまで減少しており、この値は回折限界の０．０７０１ミリラジアンに極めて近い。

図８は、高出力ファイバレーザ用の焦点調節対物レンズとしての本発明を示す。第１レンズ３０は溶融石英レンズであり、第２レンズ３２はＳｃｈｏｔｔ Ｎ−ＰＳＫ５３Ａから作られる。

図９は、図８に示す焦点調節対物レンズのスポットダイアグラムである。ｒｍｓスポット半径は２．１２９ミクロンであり、また、幾何学的半径は３．９３６ミクロンであり、この値は回折限界の８．７３７ミクロンよりもずいぶん小さい。

図１０は、図８に示す対物レンズの光線追跡の拡大図であり、レンズシステムの温度が上から下へ夫々２５℃、５０℃、７５℃、１２５℃の範囲で上昇する時に、焦点位置２０において識別可能なほどの相違は示されていない。

図１１は、最小の焦点移動変化のために熱的に最適化されている溶融石英およびＣａＦ２ダブレットのスポットダイアグラムである。

レンズ保持装置４０の端面視を図１２に提供する。装置４０は、環状圧縮端キャップ４２を含み、環状圧縮端キャップ４２は、図１３に示す環状基準端キャップ４４と協働して、それらの間に環状主ハウジング４６を保持する。レンズ３０，３２は、環状インバール隔離器４８により、夫々の外周縁において隔離され、隔離器４８は、図示されるように、主ハウジング４６の半径方向内方に位置決めされる。環状保持リング５０は、集合的に符号５２で示す複数の円周方向に間隔があけられたウェイブスプリングシートと協働して、それらの間で環状のウェイブスプリング５４を保持する。ウェイブスプリング５４は、約６５ポンド（６５ｌｂｓ，２９．５キログラム）である。

レンズは、連結器５６と流体連通する別個の回路によって冷却され、図１３に示すように、４個が存在する。図１２および図１４に示す層内レンズガス連結器５８は、離れたガス源、好適には空気（０．０２４Ｗ／ｍ℃）よりも約６倍も大きい０．１４２Ｗ／ｍ℃の熱伝導率を有し、従ってレンズからの熱をより良好に取り除くことが可能なヘリウムから、レンズ３０，３２の間の空間まで、流体連通をもたらす。ポート６０は、ガスの排出口を供給する。ヘリウムが使用されるならば、再利用が可能であり、また空気が使用されるならば、レンズアセンブリから取り除くことが可能である。いずれにしても、冷却ガスは、レンズを汚染しかねない残留物または粒子が存在しないものでなければならない。

連結器５６，５８は、水冷式入口ポートおよび出口ポートである。各レンズは、それ自体の冷却源を有し、また、レンズアセンブリの温度調節を助けるために、水が循環させられなければならない。数十キロワットのレーザは、吸収された光、およびレンズ面から反射して戻る光の両方から、アセンブリで多量の熱を生じさせる。例えば、２個の光学素子について、面毎に０．５パーセントの損失があるならば、これは、２パーセントの損失を表しており、１０キロワットの２パーセントは２００ワットである。即ち、極めて大きな出力が消失してしまう。

全実施形態において、多素子レンズをなす少なくとも１個の素子が負のｄｎ／ｄＴ値を有し、また少なくとも１個の他のレンズが正のｄｎ／ｄＴ値を有する。

溶融石英素子およびＮ−ＰＳＫ５３Ａ素子が、好適な実施形態において採用されている。Ｎ−ＰＳＫ５３Ａガラスは成形用ガラスである。成形性は、球面収差の減少を助ける非球面を作る際に効果的である。Ｎ−ＰＳＫ５３Ａは、溶融石英と比べて２倍以上の軟化点を有するので、使用されるレーザ出力レベルを制限する。

第２実施形態は、ＣａＦ２素子および溶融石英素子を含む。ＣａＦ２および石英の両方が、紫外線から近赤外線までに及ぶ高出力レーザにとって良い材料である。本発明は、これら２つの材料に限定されるものではない。以下は、負のｄｎ／ｄＴ値、および対応するα値を伴う使用可能なガラスを示す表である。

典型的に高出力レーザに使用されるガラス、および対応するｄｎ／ｄＴ値とα値には、以下を含む。

表によれば、ｄｎ／ｄＴおよび比較可能なＣＴＥを完全に適合させることは起こり得ない。高出力レーザ光学素子の最良なアサーマル化に最適であるように、レンズ素子の厚み、および対応する曲率は変更可能である。これは、レンズの厚み、曲率、および間隔を最適化すると共に、レンズシステムに対して、公称レイリー範囲値で焦点移動を維持するために、光学的設計ソフトウェアプログラムにおいて、適切なメリット関数を構築することにより達成される。上記表の研究によれば、ガラスの組み合わせは、紫外線から遠赤外線までに及ぶ高出力レーザのアサーマル化に適応するように構成されることが可能であり、エキシマー、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、ファイバ、およびＣＯ２レーザを含むが、これに限定されるものではない。

以下の表は、公称有効焦点距離が１００ミリメートルである溶融石英レンズで、高出力ファイバレーザの典型的な波長である１．０７５ミクロンの光を集束するための光学的処方および熱的設定値を示す。背面焦点距離は、各温度変化に対して与えられ、公称温度に対する焦点移行の対応する差分は、「デルタ」値として与えられる。正の「デルタ」はレンズへ向かう焦点の減少を表しており、また、負の「デルタ」は、レンズから離れる焦点の増加を表す。

次の表は、１．０７５ミクロンの溶融石英ダブレットの光学的処方を示す。

次の表は、１．０７５ミクロンのファイバレーザを集束させるダブレット用の好適な実施形態の処方を提供する。

２５℃から１２５℃の温度範囲における焦点移行は、約３から４ミクロンに過ぎず、上記表の溶融石英ダブレットよりも４７倍も優れている。

Ｎ−ＰＳＫ５３Ａガラスは、極度に高いレーザ出力まで持ちこたえることができない。従って、以下の表は、溶融石英がＣａＦ２と合わせて使用される処方を示す。

ＣａＦ２が存在することにより、システムの焦点距離は、溶融石英ダブレットと対照的に、負の記号によって示すように、５３ミクロンも増加する。焦点移行は、従来技術よりも３．５倍も向上しており、また、光学素子は、極めて高い平均出力レベルで使用されることが可能である。図１１のスポットダイアグラムを調べてみると、レンズシステムの温度が上昇するにつれて、スポット寸法は減少する。従って、焦点距離がわずかに増加していても、レンズシステムの収差は減少すると共に性能は改善し、回折はより制限される。

光学的設計性能をより向上させるために、隔離リングは、１．５×１０^−６／℃のＣＴＥを有するインバールなどの低熱膨張材料から作られる。このリングは、各素子の外径に嵌合する分割リングである。分割により、ガラスの膨張が許容される。インバール隔離リングは、レンズから熱を奪う手段を付加する。インバール隔離器の各側面は、更に、レンズ周縁上で最大面積に接触するように、また最初の数ミリメートルがレンズ半径方向を横切りレンズの輪郭に合わせて機械加工される。対物レンズアセンブリの主ハウジングは、水冷ポートを有する真鍮材料から作られる。実際には、いかなる液体もレンズと接触しない。インバール隔離器は、分割体と径方向に対向するようにガス流出穴を有することにより、清潔で乾燥したパージガスが、光学素子を更に冷却するために使用され得る。光学素子は、アセンブリの最後の面を基準とすると共に、第１素子上に載せられたウェイブスプリングによって固定される。アセンブリは、加工対象物ではなくレーザへ向けて拡張するようにされており、含まれる材料の熱膨張に起因する焦点移行が更に減少する。

このようにして、上述の目的、および上記の説明から明らかにされた事は効果的に達成され、また、一定の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく、上記の構成に行われてよいので、上記の説明に含まれ或いは添付の図面に示される全ての事項は、例証的なものとして解釈されるのであって、限定的な意味で解釈されるものではない。

また当然のことながら、以下の請求の範囲は、本明細書に記載される発明の包括的および特定の特徴全てを網羅するように意図されており、また、発明の範囲の全ての記述は、言葉上の問題として、その範囲内にあると言える。

１６ 光
２６ 第１レンズ
２８ 第２レンズ
３０ 第１レンズ
３２ 第２レンズ
４０ レンズ保持装置
４２ 環状圧縮端キャップ
４４ 環状基準端キャップ
４６ 環状主ハウジング
４８ 環状インバール隔離器
５０ 環状保持リング
５２ ウェイブスプリングシート
５４ ウェイブスプリング
５６ 連結器
５８ ガス連結器

Claims (7)

1. 高出力レーザ用光学系においてレンズを熱補償する方法であって、
   高出力レーザビームをコリメートするために、正のｄｎ／ｄＴレンズを供給すると共に、前記正のｄｎ／ｄＴレンズを前記高出力レーザビームとコリメートさせるように位置決めする工程と、
   前記高出力レーザビームを集束させるために、集光レンズアセンブリを供給すると共に、前記集光レンズアセンブリを、前記コリメートされたレーザビームを集束させるように位置決めする工程と、
   前記集光レンズアセンブリの一部として、前記正のｄｎ／ｄＴレンズの屈折率における熱誘発変化を補正するために、負のｄｎ／ｄＴを有する少なくとも１個のレンズを含む工程と
   を含む方法。
2. 負のｄｎ／ｄＴを有するレンズ群から、前記正のｄｎ／ｄＴレンズの正のｄｎ／ｄＴと略等しい負のｄｎ／ｄＴを有する少なくとも１個の前記レンズを選択する工程を更に含むことにより、
   前記光学系における前記正のｄｎ／ｄＴレンズは、前記光学系が広い温度範囲に亘りその集束状態を維持するように、補正する負のｄｎ／ｄＴレンズと均衡が保たれる
   請求項１の方法。
3. 前記コリメートされたレーザビームを所定の面上に集束させるために、溶融石英レンズの形態をなす前記正のｄｎ／ｄＴレンズを供給すると共に、前記集光レンズアセンブリにＮ−ＰＳＫ５３Ａレンズの形態をなして負のｄｎ／ｄＴを有する少なくとも１個のレンズを供給する工程を更に含むことにより、
   前記Ｎ−ＰＳＫ５３Ａレンズは、システムの全体出力が実質的に変化しないように、前記溶融石英レンズの熱出力を補償する
   請求項１の方法。
4. 高出力レーザ用コリメート光学系においてレンズを熱補償する方法であって、
   溶融石英レンズおよびＮ−ＰＳＫ５３Ａレンズを、互いに協働する状態で、且つ、高出力レーザにより放射された光ビームをコリメートさせるように位置決めすることにより、前記コリメート光学系を形成する工程
   を含む方法。
5. 高出力レーザ用焦点調節対物レンズ系においてレンズを熱補償する方法であって、
   溶融石英レンズおよびＮ−ＰＳＫ５３Ａレンズを、互いに協働する状態で、且つ、高出力レーザにより放射された光ビームを集束させるように位置決めすることにより、前記焦点調節対物レンズ系を形成する工程
   を含む方法。
6. 高出力レーザ用焦点調節対物レンズ系においてレンズを熱補償する方法であって、
   溶融石英レンズおよびＣａＦ２、ＢａＦ２、ＬｉＦ２、ＮａＣｌ、ＫＣｌガラスからなるレンズ群から選択されたレンズを、互いに協働する状態で、且つ、高出力レーザによって放射された光ビームを集束させるように位置決めすることにより、前記焦点調節対物レンズ系を形成する工程
   を含む方法。
7. 高出力レーザによって放射されたコリメート光ビームが通過する焦点調整対物レンズ系においてレンズを熱補償する方法であって、
   溶融石英レンズおよびＣａＦ２、ＢａＦ２、ＬｉＦ２、ＮａＣｌ、ＫＣｌガラスからなるレンズ群から選択されたレンズを、互いに協働する状態で、且つ、前記コリメートされた光ビームを集束させるように位置決めすることにより、前記焦点調節対物レンズ系を形成する工程
   を含む方法。

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