JP2015518185A - 高性能空間フィルタ - Google Patents

Abstract

改善された高性能空間フィルタ、システム、及び方法であって、該システムにおいて、光学ファイバーは、フェルーレ伝送路構造の内側に配置され、伝送路構造は、集光レンズシステムと揃えられる。ファイバーの端は、集光レンズシステムの向けられた伝送路の開口から距離Ｄのところに位置し、Ｄは、システムの開口数と光学ファイバーのクラッド厚みによって決定される。

Description

本願は、自由空間を通って伝搬するレーザー光から高い開口数（「ＮＡ」）の光線をフィルタで除去するように機能する光学システムに関する。

現在の産業要求を満たすために、剛性及びファイバーレーザーを含む一般的なレーザーは、ますます強力になっている。しかしながら、多くの場合、高光出力は、レーザー光の質を落とすことなく達成されるべきである。様々な構成におけるファイバーレーザーシステムにおける自由空間を通るレーザー光の伝搬は、慣習となっている。例えば、アイソレーター、サーキュレーター、または同類物などの、ファイバーレーザーシステムのピグテイル（pigtailed）光学部品は、自由空間を介する光の伝搬を必要とする光路伸張を備えて構成される。一方、自由空間を介する光の伝搬を必要とする別の光学構成は、一般的にポンプ源として機能する半導体レーザーモジュールを含む。半導体レーザーモジュールは、一般的に、それぞれがビームを放射する複数の半導体レーザーを有する。ビームは、さらに収束され、ポンプ光をファイバーゲインブロックにさら案内するマルチモード（「ＭＭ」）伝送の入口に焦点を合わせられる。

光学ファイバー内に集光された光の結合は、特に半導体レーザーがレーザー光を放射することができるファイバーレーザーシステム用のポンプとして機能する際に、一般的に重要性を持つ。様々な産業でよく見られる進歩は、概して高品質のレーザービームを有するますます高くなるレーザービーム出力を必要とする。

この要求を満足するのは、いわゆる１つまたは複数の半導体ポンプモジュールを通常含む高出力ファイバーレーザーシステムである。ゲインブロックは、所望の波長で略基本モード（「ＦＭ」）のみを支持するように構成されたマルチモード（「ＭＭ」）コアを通常有するアクティブファイバーと共に構成される。アクティブファイバーの両端それぞれに結合される、入力及び出力信号モード（「ＳＭ」）パッシブファイバーは、通常ゲインブロックのファイバーユニットを完成させる。

高出力レーザーシステム用のポンプ半導体レーザーモジュールは、ピグテイル光学部品、すなわち、そこに結合される光学ファイバーを有する構成部品として構成される。従って、複数の放射体からの集光されたＭＭ光は、その定義の通り、最高出力の基本モードを含む複数の横モードを支持するＭＭパッシブファイバーに結合される。モードは所定出力用に「完成」する。ＭＭパッシブファイバー内で励起されたより多くのＨＯＭｓに伴い、基本モードの出力は低下する。

伝達された基本モードの出力損失は、上述の高出力ファイバーレーザーシステムの全体効率に大きく影響する。従って、ＭＭパッシブファイバーによって伝送された基本モードが、ＨＯＭｓに数を減らすことによって達成され得る、最も大会出力になることが所望される。

ＨＯＭｓの数に影響するいくつかの要因がある。例えば、ＭＭパッシブファイバー内に集光された光の結合工程中、殆どの光がＭＭコア内に入る。このような光は、主に、基本モード及び少数の中央ＨＯＭｓによって主に占領される光学ファイバーのコア領域に周りに揃えられる光出力の強度を有する中央コアモードを励起する。

しかし、比較的多くな開口数を有する光線、すなわち、ファイバーの光軸に対して相対的に大きな角度で伝搬する光線、を有するレーザー光線のいくらかは、ＭＭコアから外れ、ＭＭコアに良好に揃えられない。このような迷光は、ファイバーのコア／クラッドインターフェース及びクラッドモードに沿って通常伝搬する多量の周辺コアＨＯＭｓを励起し得る。これらの周辺ＭＯＨｓはまた、基本モードの出力及び品質を落とし、かつ、環境危険もたらすファイバーの外に結合される傾向がおおいにある。特に、機械的なストレスからファイバーを保護する保護高分子層は、容易に損傷を受け得、これは、ファイバー自体への修理不可能な損傷につながる。さらに、切り離された光は、ファイバーシステムの別の光学部品に有害である。

便宜上、開口絞りまたはダイヤフラムが使用され、レーザー光線がファイバー内に入ることを避ける。この直接的な解決案は、普通の自由空間光学に通常良好に機能する。しかしながら、高出力ポンプモジュールに関連するマイクロ光学において、開口絞りはより扱いづらい。従って、光学ファイバー軸に対する取り付け及びアライメントにおける高精度な要求を常に満足することはできない。その場合は、大量生産用のレーザーモジュールの信頼性及び生産性を低下させる。

上述の好ましくない流れを引き起こす周辺モードの励起は、ポンプ光伝達システムに排他的に限定されるものではない。ファイバーレーザーシステムは、よく、自由空間を通って伝搬する、ファイバー内に結合される平行光の光路の伸張を有する。例えば、終端ブロックは平行レンズを有する、または、祭りカスケード高出力ファイバーレーザーシステムは、よく、光がファイバー内に結合される前の自由空間路伸張を伴って構成される、アイソレーター、サーキュレーター、及び、ほかのバルク部品を含む。多くの場合、ファイバー内への伝搬する光の結合は、ポンプ光伝送システムに関連する上述の同じ問題を有し得る。

従って、自由空間を介して伝わるＭＭ光を受け入れるパッシブＭＭファイバー内の周辺及びクラッドＨＯＭｓの励起を最少化する改善された方法が必要である。

改善された方法を実施する光学システムもまた必要である。

開示される光学システムは、上記の要求を満足する。特に、本システムは、自由空間を通ってさらに伝搬し、集光光学部品に入射する光を放射する光源と共に構成される。集光された光は、さらに、前記光学部品と揃えられたファイバーに入射し、かつ、前記光学部品の光軸に対してそれぞれの角度で延在する低及び高ＮＡ光線を含む。

下記に開示されたものは、ファイバーに入射する光から高開口数の迷光線をフィルタリングすることによって、高高クラッドモードの励起を減少するための改善された方法である。

これは、伝送路の開口部端から距離を置いて内側に離間したファイバーの上流端面を有するフェルーレ伝送路の内側に光学ファイバーを配置することによって実現する。高ＮＡ光線を収束することによって影響されるフェルーレの端部は、例えば、誘電材料または金属材料などの、この端部に入射する高ＮＡ光線を反射し、それにより、ファイバーのコア内に結合することを防ぐ高反射被覆材料の層で覆われる。

光がファイバー内に入るための光ファイバー端面から光結合共通部分でフェルーレ伝送路の開口端までの距離は、ここでは、次式：D=t/tan (arcsin (NA/n))、Ｄは開口部端からフェルーレ伝送路内へのファイバーファセットの距離、ＮＡは所望の開口数、及び、ｎは光が入り口のファイバーファセットへ伝送するのに通過する媒体の屈折率、で決定されると理解される。

この簡単な設計改善で、開口絞りを取り付け、かつ、揃える必要性が排除される。このことは、半導体レーザーポンプシステムの信頼性を高めるだけでなく、半導体レーザーポンプシステムの製造総コストを削減する。

本発明の上記及び別の態様、特徴、及び利点が、同様の参照符号が同様の要素を示すところの添付する図面と併せて読まれる下記の説明から明らかになるだろう。

ファイバー光学における高出力半導体レーザーポンプモジュールの一般的なレーザー光結合工程を示す図である。 レーザーファイバー光学における迷光線が光学ファイバーに入るのを減らすためのレーザー光結合の従来の機構の断面図である。 本願に関連する、ファイバー光学における半導体レーザーポンプモジュールの改善されたレーザー光結合機構の断面図である。 本願に関連する改善された高出力半導体レーザーポンプモジュールの例におけるレーザー光結合工程の共通部分構造の分解図である。 図３及び図４のレーザー結合機構の実施形態の概略図である。

ここで、本発明の実施形態の詳細が示される。可能な限り、同じまたは似た符号が、同じまたは似た部品またはステップを示すのに本願図及び明細書で使用される。図は、簡易化された形であり、正確な比率ではない。便宜的かつ明瞭化目的のみのために、方向（上／下）または動き（前方／後方等）の用語が図に対して使用され得る。これらの及び似たような方向的な用語は、いかなる場合でも本発明の範囲を限定するように解釈されるべきではない。

光学ファイバーは、人間の毛髪よるそれほど太くないシリカガラスで作られた、柔軟性のある、透明なファイバーである。一般的に光学ファイバーは、より低い屈折率を有する透明な被覆材で覆われた透明なコアを含む。光は、全内部反射によってコア内に保たれる。多くの伝搬横断経路をサポートするコアのファイバーは、マルチモード（「ＭＭ」）ファイバーと称され、また、１つお経路だけをサポートするファイバーは、シングルモード（「ＳＭ」）ファイバーと称される。ＳＭファイバーは、高品質だが、小さなスポットサイズを有する比較的低出力光ビームを放射する。ＭＭファイバーは、通常、ＳＭファイバーより大きなコア径を有し、高出力が伝達されないといけないが、ビーム品質要求はＳＭファイバーの質よりは幾分厳しくないアプリケーションに使用される。従って、レーザービームの出力と質の両方の要求が高い際は、少数のＨＯＭｓだけをサポートするＭＭファイバーを使用しることが所望される。

モードの励起は、数ある中で開口数（「ＮＡ」）を含む様々な要因による。ＮＡは、ファイバー光学において一般的に使用され、ファイバー内に受け入れられる、またはそ、点でいうとファイバーから出る光の円錐を描く。
NA = nsinθ
ここで、ｎはレンズが置かれている媒体の屈折率であり、θは。ファイバーに入り得る、または。点からファイバーを出得る光の最大円錐の半分の角度である。

図１を参照すると、例えばポンプ源として機能する、例えば半導体レーザーモジュールなどの、光源を含む一般的な光結合構成１００が示される。複数の放射体からの平行なレーザービーム１０１は、異なる角度またはＮＡそれぞれでレンズシステムの焦点に収束する光線１０２にビームを曲げるように構成された集光レンズシステム１２０に入射する。ＭＭパッシブファイバー１６０は、一般的にフェルーレに取り付けられ、これにより、その上流端は、レンズシステム１２０によって形状化されるＭＭビームのレイリー領域に実質的に配置される。レンズシステム１２０の集光工程の後、比較的な小さなＮＡ１０２を有する曲げられた光線は、基本かつ少数の高次コアモードにおける光学ファイバー１６０のコアに操作可能に主に動作可能に結合され、レーザー光１０３として伝搬して出る。しかしながら、迷光線１０４、すなわち、通常、追加的な高次コアモード及びクラッドモード１０５を励起する、より高い開口数またはファイバー１６０の軸に対してより大きい角度を有する光線は、ファイバーに結合することを防止される。これらの追加的なＨＯＭコア及びクラッドモードは、ファイバー１６０の保護層に外で結合され、被覆層を燃やし得るほど温度を上昇させるほど被覆層を熱するかもしれず、かつ、他のシステム部品にも悪影響を及ぼし得る。

図２を参照すると、通常、開口絞り１７０が、集光経路に追加され、後で大きな角度で曲がる、放射体それぞれからの周辺ビームが集光レンズシステム１２０に入るのを遮蔽し、低ＮＡ伝送光線にさらに曲げられるこれらのビームだけが、開口を通過することができ、ファイバー１６０に結合され、被服モード光線および高次モード光線の量を削減する。これは、通常の自由空間光学に効果的な「クラシカルな」直接的な方法である。マイクロ光学系を扱う際、高出力ポンプモジュール用の集光光学システムの場合のように、この方法はそれほど直接的でないことがある。かなりの頻度で、アライメント及び取付方法の選択により、システムの光学軸に対する開口絞りの芯出しが困難になり、量産環境において再現不可能になり得る。

図３を参照すると、高出力半導体レーザーポンプモジュールからファイバー１６０に結合する光のための改善された機構３００が断面図で示される。光学ファイバー１６０は、フェルーレ１５０の端部が高反射材料の層で覆われた状態でフェルーレ伝送路１５０の内側に配置される。図２に示される開口絞り１７０は取り除かれるが、高ＮＡ迷光線１０４は、代わりにフェルーレ１５０の前端によって光学ファイバー１６０に入らないように反射される。この改善が光学ファイバー軸との開口絞りのアライメントの必要性を除外する。フェルーレ伝送路内部の光学ファイバーに配置は、高い確率で再現可能であり、高精度でコントロールできる。

図４は、図３の領域４００の分解図である。入ってくる光に面する、フェルーレ１５０の１つまたは複数の面は、例えば誘電材料の層または金属の層などの、高反射材料１５１の層で覆われる。光学ファイバー１６０は、その上流端が収束されたビームの例リー領域に沿って位置する状態でフェルーレ伝送路１５０の内側に配置される。ファイバーの上流端がフェルーレ伝送路の上流端から離隔される特定の距離「Ｄ」は、幾何光学のアプローチまたは波動光学のアプローチに基づいて所望のＮＡ用に決定され得る。

幾何光学では、距離「Ｄ」は、以下のように決定される：ファイバー１６０の被服が厚み「ｔ」を有するとする。高ＮＡ迷光線１０４は、フェルーレ伝送路１５０の端部によって遮蔽され、反射され、光学ファイバー１６０内に入る高ＮＡ光線１０２’の量は、深さ「Ｄ」と逆の関係を有する。より大きいＤを有すると、ＭＭパッシブ光学ファイバー１６０の入り口は、フェルーレ伝送路のさらに内部に配置され、すなわち、光学ファイバーの被服及び／または被覆するコア接合部分内に入り得る迷光線の数を減らす。所定のターゲット開口数（「ＮＡ」）、及び、被服の厚みｔのために、所望の距離「Ｄ」は、次に開示されるように決定され得る。

ＨＯＭｓの発生を防ぐための、高ＮＡ光線１０２’は、コア１４０に結合することを防がれるべきである。
上記の関係から、距離「Ｄ」は
D=t/tanφ
として決定され得る。
角度「φ」は、次のように決定される：
φ = arcsin(NA/n),
ｎは空気の屈折率であり、よって、１であり、NAは、所望のターゲットNAである。
上記より、
D = t/tan(arcsinNA)
なる。
ここでDは、フェルーレ伝送路の開口端からの光学ファイバーの入り口が配置される距離であり、ｔは、光学ファイバーの被服の厚みである。すなわち、ある所望のターゲットNA、例えば、０．１３５、及び、ｔ＝１０μｍのためには、光学ファイバーの入り口は、フェルーレ伝送路の開口端から距離Ｄ＝７３μｍである必要がある。Ｄは、容易に算出され、正確に調整され得る。この改善により、高出力半導体レーザーポンプモジュールを、高精度、高再現性かつ自動で、しかし、低費用で製造することができる。波動光学の視点から、必要な深さは、上述と同じ結果をもたらす、集光されたビームのレイリー領域内のビームウエスト計算から取得できる。

図５は、フェルーレ１５０のコートされた端面１７０の変形を図示する。図４を参照すると、フェルーレの端面の入り口は、ファイバーの軸Ａ−Ａに略垂直に延在する平面内で延在する。この構成では、後ろに反射された光線は、集光部品に入り、これら及び他の上流部品に有害になり得る温度上昇を引き起こす熱に関する問題を起こし得る。このような好ましくない後方反射を避けるために、コートされた端面１７０は、そこに当たる高ＮＡ光線１０４を反射された光線１８０が上流部品に影響しないような角度で反射する概して円錐形を有する。上に開示された構造は、高出力の明るいＭＭ光を放射する半導体レーザーモジュールとして構成される光源と共に開示される。しかしながら、当業者であれば容易に認識されるように、光源は、例えば、ファイバー、コリメーター等を含む種々の構成を有してもよい。

添付図を参照に本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、当業者には、本発明がこれらの正確な実施形態に限定されず、種々の改良及び変形が、本発明の範囲または精神から逸脱することなくここに開示されたシステムになされ得ることが明らかであろう。従って、本開示が、添付する特許請求の範囲及びこれらの均等物内に含まれる、本開示の改良及び変形に及ぶことが意図される。

１００ 光結合構成
１０１ レーザービーム
１０２ 光線
１０２ 低ＮＡ光線
１０２’ 高ＮＡ光線
１０４ 高ＮＡ光線、迷光線
１２０ 集光レンズシステム
１４０ コア
１５０ フェルーレ（伝送路）
１５１ 高反射材料
１６０ （ＭＭパッシブ）光学ファイバー
１７０ 開口絞り、コートされた端面
１８０ 光線
３００ 機構
４００ 領域

Claims (20)

1. 集光部品に入るビームを集光するように構成される集光部品であって、これにより、集光されたビームが、殆どターゲットＮＡである低開口数（「ＮＡ」）光線を含む角度範囲と、少なくともターゲットＮＡと同じである高ＮＡ光線を含む別の角度範囲と、で軸に向けて収束する複数の光線を含む、集光部品；
   内側の中央伝送路を画定する内面を有するフェルーレ；
   前記中央伝送路と同軸に延在する光学ファイバーであって、前記光学ファイバーは、前記光学ファイバーの上流端が、前記フェルーレの終端でボイドを生成するために所定距離「Ｄ」で前記フェルーレの上流端部から内側に離隔されている状態で前記中央伝送路内に配置される、光学ファイバー；
   を備え、
   実質的に前記低ＮＡ光線のみが前記終端に入り、かつ、前記光学ファイバーのコアに結合されることを特徴とする光学システム。
2. 前記フェルーレの前記上流端の端面は、反射材料の層で覆われることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 前記反射材料は、誘電材料、金属材料、セラミック材料、または、これらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項２に記載の光学システム。
4. 前記フェルーレ及び光学ファイバーそれぞれの上流端は、次の関係：
   D=t/tan (arcsin NA)
   ここで、ＮＡは、前記ターゲットＮＡ、ｔはファイバー被服の厚み、ｎは１である周囲空気の屈折率、
   に従って決定される距離Ｄで互いから離隔されることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
5. 決定された距離Ｄ離隔された、前記光学ファイバーの前記上流端は、前記集光されたビームのレイリー領域内に位置することを特徴とする請求項４に記載の光学システム。
6. 前記集光部品に入射する、相対的に略平行な出力ビームを出力する複数の光放射体と共に構成された、高出力半導体レーザーモジュールを含む光源をさらに備え、
   前記集光部品は集光レンズであることを特徴とする請求項４に記載の光学システム。
7. マルチモードファイバーに光ビームを結合する方法であって、当該方法は、
   集光レンズによって前記集光レンズの軸に向けて前記光ビームを収束するステップであって、これにより、ターゲットＮＡ以下である比較的低開口数（「ＮＡ」）の複数の光線と、少なくともターゲットＮＡ以上である比較的高ＮＡを有する複数の光線と、を提供するステップ；
   前記マルチモードファイバーをフェルーレ内に挿入するステップであって、これにより、前記フェルーレの入り口でボイドを生成する、ステップ；及び
   前記フェルーレとレンズとを互いに対して所定の距離「Ｄ」離して互いに対して配置するステップであって、これにより、周辺コア及び被覆する高次モードの励起を最少化させるように前記フェルーレの端面から前記比較的高ＮＡを有する光線を反射する一方で、前記ファイバーのコア内に略前記比較的低ＮＡを有する光線のみ結合する、ステップ；
   を備える方法。
8. 前記集光レンズ及び前記ファイバーは揃えられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記フェルーレの端面は、高反射性材料で覆われることを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記高反射性材料は、誘電性材料、金属材料、またはセラミックであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記所定の距離「Ｄ」は、
    D=t/tan (arcsin (NA/n))
    ここで、ＮＡは所望の開口数であり、ｔは前記ファイバーの被服の厚みである、
    として決定されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
12. 前記端面は、前記軸と略垂直に延在する平面に位置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記端面は、前記光学部品から離れるように拡張する概して円錐形状を有し、これにより、前記高ＮＡ光線が光学部品から離れて前記円錐形状に入射することを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 光路に沿って略平行なビームをそれぞれ出力する複数の放射体；
    参照値より小さく、比較的低ＮＡ光線に対応する角度範囲と、参照値より大きく、比較的高ＮＡ光線に対応する角度範囲と、の前記平行なビームによって影響され、前記平行なビームを収束するように機能する集光レンズ；
    前記集光レンズと揃えられる、境界のある内側の中央伝送路を画定する伝送路構造；及び
    前記伝送路構造内に搭載された光学マルチモードファイバーであって、前記伝送路構造の上流端が、前記伝送路構造の上流端から下流に隔離され、これにより、比較的高ＮＡ光線が、前記伝送路構造の上流端の端面から反射され、一方で比較的低ＮＡ光線は、前記ファイバーのコア内に結合され、少数のモードを励起する、光学マルチモードファイバー；
    を備えることを特徴とする高出力半導体レーザーポンプモジュール。
15. 前記端面は、高反射性材料の層で覆われていることを特徴とする請求項１４に記載のモジュール。
16. 高反射性材料は、誘電性材料、金属材料、セラミック材料、または、これらの組み合わせであることを特徴とする請求１５に記載のモジュール。
17. 前記伝送路構造及びファイバーそれぞれの上流端は、距離D=t/tan (arcsin NA)、ここでＮＡは参照値であり、ｔは前記ファイバーの被服の厚みである、離間することを特徴とする請求項１４に記載のモジュール。
18. 前記ファイバーの前記上流端は、前記収束したビームのレイリー範囲内に位置することを特徴とする請求項１４に記載のモジュール。
19. 前記端面は、前記軸に略垂直に延在する平面内に位置することを特徴とする請求項１４に記載のモジュール。
20. 前記端面は、前記光学部品から離れるように拡張する概して円錐形状を有し、これにより、前記高ＮＡ光線が前記光学部品から離れて前記円錐形状に入射することを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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