JP4369048B2 - 光線変換を行うための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路に配置された光学的に活性なインターフェースを備える光学部材により、Ｘ−Ｙ面に延びる光線断面を備える少なくとも光束を光学的に光線変換する装置に関する。また、本発明の技術的対象は、少なくとも光束の光線断面の光学的な変換に関するものであり、この光束は、Ｘ−Ｙ面に延びる光線断面を備えるとともに所定の発散分布特性を備えているものである。
【０００２】
【従来の技術】
高いエネルギを持つレーザ光と光学繊維を接続する際の基本的な問題は、光線断面の幾何学的な形状が、通常、活性な光学繊維断面の形状とは著しく異なっていることにある。例えば、現在普及が甚だしい半導体レーザは、帯状に延びた光射出面、および、準線形開口を備えており、個々の狭く限られた発光中心は、例えば、Ｘ方向に隣接している。
【０００３】
この発光中心から出てきた要素光束の発散特性は、光線形状の長手方向においても始めに導かれた座標系におけるＸ方向においても、これらと直交するＹ軸におけるものよりも、非常に小さくて一定である。そのため、以後は、長手方向軸を、「遅軸」とし、および、これと直交するＹ軸を、「速軸」と呼ぶ。
【０００４】
様々な条件の下では、速軸において、比較的良いコリメーションは可能であるが，光線断面は、直線形状に引き延ばされる以前と同じである。このはっきりとした非対称性により、光線断面の幾何学的な面積を考慮しても発散分布を考慮しても、光束は、円形対称な光学繊維断面との接続に適した対称なスポットには結像されない。従って、この場合、光学繊維の開口数よりも大きくなっている。
【０００５】
焦点調節された光線断面が、光学繊維コアの活性な断面よりも大きいことを除いても、大きな発散のために、コアと光学繊維間の全反射の角度は大きくなり、光線はシース内に入射して、損失が大きくなる。
【０００６】
光線断面と光学繊維コア間の上述の差から、光学繊維断面には、比較的大きな照明されない領域が生じる。堆積と呼ばれている積層されたレーザ棒を使用することも効果があり、多数の直線形状の発光部材が互いに積層されて配置される。これによって生じた光線は、大きなおおむね長方形の断面で分布する。しかし、個々の直線間には、発光のない部分が存在し、不均一な強度分布を持っているのと同じようになる。
【０００７】
光学繊維断面を均一に照明する効果的な利用特性と、そのための高い転用性を持った解決策としては、従来、様々なやり方が提案されている。公知の配置あるいは装置においては、入力光束は、Ｘ−Ｙ面にわたる少なくとも１つの方向、例えば、Ｘ軸に沿って個々の部分光束に分割される。最終的には、この部分光束は、屈折部材あるいは反射部材によりＹ方向に組み替えられて、必要な出力光線にされる。
【０００８】
例えば、ドイツ国特許１９５１４６２５号明細書に述べられているように、与えられたリニヤな光線断面の直線形状の部分は、正方形あるいは長方形領域を持つように互いに編成される。このようにして構成された出力光束によって、円形の光学繊維断面の面充実度が改善され、これによって、容易なコリメーションあるいは焦点調節の実行が可能になる。しかし、上記の方法、あるいはそれを実施する装置によると、組み合わされた直線部分の間に、発光していない部分が存在しているため、限界が以外に早く現れる。
【０００９】
従って、光学繊維の開口は、均一には照明されない。光源の技術的改良によれば、局部的な強度の上昇による高い伝達性の達成により、光学繊維に迅速な変化を生じさせることができる。局部的なエネルギ密度が、光学繊維材料の消耗速度を超えるときには、光学繊維の損失が生じる。
【００１０】
分離位置において、個々の部分的な光束への入力光束の分解に際して避けることのできない回折効果が生じて、損失を招くというおそれもある。これは、階段状の反射鏡のような反射部材、階段状のプリズムなどのような屈折部材の使用時に生じる。この損失により、効率も低下する。
【００１１】
その他の試みが、ドイツ国特許公開第１９６２３７６２号公報に述べられている。それに基づく装置の助けにより、３個の互いに直交するシリンドリカルレンズの接続により、直線的な入力光線形状が、円形対称な光線フィールドに変換される。このような装置により、出力光線は、円形リング形状を必然的に備えている。これは、実際には、同一の円形内面が照明されない無駄なゾーンを描くということを意味している。
【００１２】
このように生じた光学繊維断面に関するエネルギ分布の不均一性のために、上記装置によっても効果的な実施が、制限される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した問題点に鑑み、本発明は、光線変換装置および光線変換のための方法を提案しようとするものであり、出力光束の所定の強度分布を可能にし、内部損失を僅かなものにしようとするものである。特に、本発明による装置および方法は、不均一性の強い光線断面を備える光源からの光線を、効率良く１つあるいは多数の光学繊維に接続するのに適している。
【００１４】
上記のような課題の解決のために、本発明は、光学的な光線変換のための装置を提案するものであり、光学部材が、連続的な角度変換部材として構成され、この部材は、Ｘ軸に沿って連続的に変化する傾きを、Ｙ軸に関する光線方向に有している光学的なインターフェースを備えている。
【００１５】
本発明による角度変換部材においては、新規な反射部材、あるいは屈折部材が用いられ、その光学的に活性なインターフェースは、光軸と直交するＸ軸を座標とする面を備えている。このような面は、Ｘ−Ｙ面に配置された面内を、例えばＸ方向における外側の端部が互いに回転されて、Ｘ軸それ自身が曲げられていない中立の光学繊維を形成するようにして構成することができる。その際Ｘ方向に連続的に増加するが、あるいは減少する傾いた角度へ構成部材を延ばしてもよく、段階的に異なる方向へ変化できる傾いた角度へ調整させることもできる。
【００１６】
最初に述べた形は、「プロペラ状」面に似ているが、第２の形は、錐面に似せて選択された部分を備えている。
【００１７】
本発明における角度変換部材は、反射部材としても、屈折部材としても構成できる。反射部材は、光線方向を横切って連続的に変化する基本角度を持つ準プリズムを構成する。傾斜角度の波型の移行によって、レーザダイオードの上下方向へのショックを保証することが可能となる。
【００１８】
「スマイル」ひずみとして呼ばれる延長方向に直交する発光体のずれが問題となる。このようなひずみは、製造時の半導体チップのひずみによって生じるものである。これによって、光射出面および光線断面は、湾曲して移行することになる。
【００１９】
角度変換部材の傾斜角度の移行は、直線からの光線形状の局部的なずれにより定まり、ひずみの保証を行うことができる。この対応は、与えられたＸ座標に対する局部的な傾斜角度が直線移行からの光源の局部的なずれとによって定まる。これにより、所定の距離にある出力点において、所定の線形の光線形状を得ることが可能となる。
【００２０】
本発明における角度変換部材の機能は、Ｚ方向に広げられた光束が、無限小の断面を有する光学要素が無限の数Ｘ−Ｙ面に配置されている光線断面を有し、これが、Ｘ−Ｙ面に配置されている要素点から射出するという概念によって、良く説明できる。
【００２１】
本発明の角度変換部材によれば、要素光束は、光線軸に対してＹ−Ｚ面にあるそのＸ座標から偏向させられる。角度座標において、直線の光線座標の変換は、連続的であり、常時機能している。個々の部分的な光束の不連続な分割は、常時ではない移行において、端部の発散などによって損失が生じないので好都合である。また連続的に角度変換される光束は、連続的に処理をしやすい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の光線変換装置の特に好ましい実施例では、
光路に沿って順に、
Ｙ軸に関して光線方向にＸ軸に沿って連続的に変化する傾きを有する少なくとも１つの光学的なインターフェースを有する第１の角度変換部材と、
フーリエ変換装置と、
Ｘ軸に関して光線方向にＹ軸に沿って連続的に変化する傾きを備える少なくとも１つの光学的に活性なインターフェースを有する第２の角度変換部材を設け、かつ前記第１および第２の角度変換部材は、前記フーリエ変換装置の焦点面におよび後側の焦点面に配置されている。
【００２３】
フーリエ変換装置においては、いわゆる１^*ｆ−１^*ｆ装置が問題である。その際、レンズ前方の物体は焦点にあり、物体のフーリエ変換は、レンズ後方の後側焦点にある。この装置は、１つの面における所定の発散の変換を行う。
【００２４】
本発明による変換装置により、Ｘ−Ｙ面に配置された光束は、Ｘ方向に配置された光線断面を備えるとともに、所定の発散分布を備えるＸ−Ｙ面に配置され、光束は変換されて、
Ｘ方向に隣接可能な要素光線において、その都度の発散を維持して、光軸に関してＹ方向にX座標について、連続的に変化する光線角度について偏向させられ、
連続的なフーリエ変換によって、要素光線は、その都度の発散して、Ｙ座標において変換され、かつ、
その発散により、光軸に関してＹ軸に連続的に変化する要素光線が、平行とされる。
【００２５】
本発明による光束の変換は、Ｘ−Ｙ面に配置された光線断面を備え、例えば、レーザによって、直線状にＸ方向に配置された光線断面を備え、光線断面に連続する無限小の要素光束が、互いに対して、そのＸ座標から連続的に傾斜している角度だけ偏向させられる。
【００２６】
第１の角度変換部材は、フーリエ変換装置の焦点距離に配置され、例えば，収斂レンズアレイ、あるいは交差させられたシリンドリカルレンズアレイからなる簡単な収斂レンズが、連続的なフーリエ変換装置によって、後側の焦点に出力光束を生じさせる。この出力光束は、Ｙ方向に連続的に変化する発散角度を備えている。配置されている第２の角度変換部材によって、この空間的な発散分布は補正される。これにより、射出された光束は、光軸とほぼ平行となる。
【００２７】
本発明による装置、あるいはこの装置を利用した方法による本質的な利点は、出力光束の強度分布を明確に調節できることである。従って、光源は、断面において、強い不均一性のある縦横比を備えており、出力光線断面における直線形状の光線形状は、均一な縦横比を備えるとともに、均一な強度分布の変換を可能にしている。
【００２８】
配置されている光源の大きさと開口数の積が一定である光学的に対称な光源において、長方形の出力光線断面を得ることができる。Ｘ方向におけるその幅は、フーリエ変換装置の焦点距離と、Ｘ方向における光源開口数に従って定まる。そのＹ方向の大きさは、Ｘ方向における発散とフーリエ変換装置の焦点距離の積によって定まる。従って、例えば、直線形状の非対称な光線断面の光源は、ほぼ長方形の出力断面において、対称な縦横比となるように変換可能である。これは、対称な断面を備える光学繊維に接続するのに特に適している。
【００２９】
フーリエ変換の特性に基づいて、積層が、多数の平行に配置された直線形状の光源からなる堆積が、出力断面において、均質な強度分布を持って変換される。個々の直線に対して、これは対称であり、最終的には、縦横比が僅かに変化しているだけである。従って、本発明による変換装置は、個々のレーザについても、レーザダイオード積層についても、使用することができ、面充実度が、光学繊維との接続によっても、なんら劣化させられることがない。
【００３０】
本発明によると、出力光線断面における強度分布の厳密な差別化が始めて可能となる。これによって、前述したように、１つの、あるいは多数の入力光線が、１つのあるいは多数の均一に照明された出力光線に変換させられる。傾斜した角度を備える非直線性の移行を行う角度変換部材によって、厳密に不均一な強度を、出力光束に与えることができる。これにより、所要の表面処理方法が必要な強度分布を得ることができる。
【００３１】
本発明における角度変換部材は、一体的な屈折部材として構成することができ、石英から、マイクロ振動研磨により製造できる。追加の角度により、増大する傾斜を目立たせる角度誤差を減少させるために、個々の角度変換部材は、隣接して配置された部分的な角度変換部材からなるアレイとして構成されている。これは、本質的に独特の形状を備えている。Ｘ方向に達する小さな開口によって、望ましくない余分の角度は、比較的小さな傾斜角度、あるいは偏向角度を有している。
【００３２】
角度変換部材を、反射インターフェースを備える反射鏡部材として構成しても良い。
【００３３】
与えられた光束断面に最適に適合させるために、個々の部分的な角度変換部材は、互いに対して異なる傾斜を備える角度変換部材アレイからなるものとすることができる。
【００３４】
変換レンズ装置は、交差するシリンドリカルレンズにより、あるいは収斂レンズ、シリンドリカルレンズアレイのような同様に良く知られている収斂レンズにより構成することができる。他にも色々あるが、１つあるいは多数の入力光束は、１つあるいは多数の出力光束に変換できる。場合によっては、シリンドリカルレンズアレイも、異なる幅のシリンドリカルレンズからなるものとすることができる。
【００３５】
本発明の変換装置によれば、任意に配置された光束も変換できる。例えば、どのような種類のレーザ装置も、光源に適している。光線の幾何学的な配置に基づいて、エキシマレーザ、および、半導体レーザを使うことができ、例えば，レーザダイオードの使用が最適である。場合によっては、このレーザは、交差されたシリンドリカルレンズ、例えば、シリンドリカルレンズアレイからなるコリメータを備えるものとされる。
【００３６】
本発明により多くの角度変換部材あるいはレーザアレイを取り付けることによって、多くの出力光束が発生される。
【００３７】
この角度変換部材が、光学的なハイブリッドチップとして構成されていると、特に好都合である。その際光学部材は、一体的な基板に取り外し不能に固定される。この基板は、例えば石英により製造され、光学部材の収容のための保持部材が、寸法の安定化のために成形される。全体の装置は、１つのユニットにまとめられ、個々の構成部材は、高い精度で、互いに位置的に固定される。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明による角度変換部材は、全体として（１）で示してある。これは、屈折部材として構成されていると好都合であるが、例えば、石英あるいはガラスで構成することもできる。上述の構成には、本発明により構成される光学的に活性なインターフェースは、Ｚ方向の上方に配置されており、（２）で示されている。
【００３９】
光学的に活性なこのインターフェース（２）は、Ｘ方向に延びる帯の形を備えており、Ｘ軸の回りにねじられている。これによって、Ｘ軸に沿って連続的に変化する局部的な基準面の傾斜が、Ｙ軸に関して光線方向に従う。簡単に、光学的なインターフェース（２）は、「プロペラ状に」ねじれていると述べても良い。
【００４０】
この回転方向は、この図ではＺ軸の方向である。
【００４１】
図２は、図１と同じ表現をもって、本発明による角度変換部材であるアレイ（３）を示している。これは、Ｙ方向と平行に、互いに隣接して配置されている光学的に活性なインターフェース（２）を備えている。このアレイ（３）は、例えば石英により作られた一体の部材であることが好ましい。
【００４２】
図３は、直線形状の入力光束を長方形の出力光線に変換するための、本発明による光線変換装置の構成図である。この光線変換装置の全体は、（４）で示されている。
【００４３】
まず、レーザ棒（５）の前方には、Ｘ方向に直線形状に延びる光線断面を備える交差するシリンドリカルアレイからなるコリメータ（６）が配置されている。その前に、光路内には、図１に示すような、本発明による角度変換部材（１）が、Ｚ方向に配置されている。
【００４４】
角度変換部材（１）は、フーリエ変換装置（７）の焦点位置Ｆに配置されている。このフーリエ変換装置（７）は、図示の実施例では収斂レンズである。これは、交差するシリンドリカルレンズなどから構成されていても良い。
【００４５】
Ｚ方向のフーリエ変換装置（７）の後方にあるその後側焦点面には、第２の角度変換部材として、図２の角度変換部材アレイ（３）が配置されている。その背後には、出力光束Ａの焦点調節を行う任意の焦点調節装置（８）が配置されている。
【００４６】
図４には、図３に示されるフーリエ変換装置７と協働する第１の角度変換部材（１）の機能が示されている。
【００４７】
Ｘ方向に延びている入力光束は、Ｘ方向に隣接して配置された無限数の要素光線、あるいは要素光束Ｅから構成されている。この光束Ｅの各々は、所定の発散分布を有している。コリメーションによるＹ方向への発散は、小さく（速軸）、Ｘ方向へは大きい（遅軸）。
【００４８】
入力光束の左に、図式的に示されている実際には無限小の要素光束Ｅは、本発明の角度変換部材（１）によって、光線方向におけるＹ−Ｚ面への発散を維持しつつ、角度変換部材１の局部的な傾斜によって与えられる角度に対して、下方に偏向される。Ｘ軸に沿って左から右へ要素光束は、そのＸ座標に従って連続的に変化する角度に対して上方に偏向される。
【００４９】
空間的に存在するＸ方向への分布は、このようにして、本発明の角度変換部材により、光線角度分布に変換される。
【００５０】
フーリエ変換装置（７）によって斜めに配置された連続的な光線のフィールドは、長方形の出力光線断面に収斂される。
【００５１】
上方右には、出力光線断面が拡大して示されている。その強度は、均一に分布している。上下の反対方向の斜線からなるハッチングにより、分散が示されている。各々Ｙ座標に対して、一定の分散角度αが存在し、光線断面に関して、−αから＋αに変化している。
【００５２】
図５には、アレイとして構成されている第２の角度変換部材（３）によって、Ｙ方向に連続的に−αから＋αに変化する分散を有する図４と同様の出力光束が示されている。Ａで示してあるこの出力光束は、均一な強度分布を備えているだけでなく、Ｚ軸と平行となるように変換される。これは、フーリエ変換によって生じた空間的な発散分布が、本発明の角度変換部材によって再び補正されたことを示している。
【００５３】
出力光束Ａの特別な利点は、これが均一な縦横比を備える矩形であり、かつ均一な強度分布を備えていることにある。光学繊維の円形の繊維断面との接続が、高い効率で行われる。
【００５４】
本発明の光線変換装置（４）によるその他の基本的な利益は、ＸあるいはＹ方向における光源（５）の位置誤差に対して、許容差が非常に大きいことにある。これは、入力光束Ｅの位置誤差が、出力光束Ａの僅かな移動のみを引き起こすということを意味している。これにより、多数のレーザ棒（５）を、Ｙ方向に積層することができ、かつ発光された光束Ｅのすべての出力が、出力光束Ａとして均一にまとめられるという基本的な利益が生じるのである。従って、最高の出力密度が、効率的に光学繊維に入力されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による角度変換部材の斜視図である。
【図２】 本発明による角度変換部材アレイの斜視図である。
【図３】 本発明による光線変換装置の構成図である。
【図４】 図３に示す光線変換装置における第１の角度変換部材の構成図である。
【図５】 図３に示す光線変換装置における第２の角度変換部材の構成図である。
【符号の説明】
１ 角度変換部材
２ 光学的なインターフェース
３ 角度変換部材

Claims (17)

1. Ｘ−Ｙ平面においてＸ−軸に沿って長い断面を有する少なくとも１本の光束を光学変換する装置であって、
   Ｙ−軸に対する光束方向の傾斜がＸ−軸における位置に応じて連続的に変化する少なくとも１つの光学界面（２）を有する第１角度変換素子（１）と、
   １つのフーリエ変換装置（７）と、
   Ｘ−軸に対する光束方向の傾斜がＹ−軸における位置に応じて連続的に変化する少なくとも１つの光学界面（２）を有する第２角度変換素子（３）とが、光路に沿って順に配置されており、
   第１および第２角変換素子（１、３）が、それぞれ、フーリエ変換装置（７）の一方の焦点面および他方の焦点面に位置することを特徴とする装置。
2. 前記第１および第２角度変換素子（１、３）の少なくとも一方の光学界面が、非直線的に変化する傾斜を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１および第２角度変換素子（１、３）の少なくとも一方が、屈折素子として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第１および第２角度変換素子（１、３）の少なくとも一方が、反射素子として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記第１および第２角度変換素子（１、３）の少なくとも一方が、Ｙ−軸またはＸ−軸に対する光束方向の傾斜がＸ−軸またはＹ−軸における位置に応じて連続的に変化する光学界面（２）をそれぞれ有し、隣接して平行に配置された角度変換部材のアレイとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 角度変換部材のアレイとして構成されている前記第１または第２角度変換素子（１、３）が、一体的に構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 少なくとも２つの角度変換部材が互いに異なる傾きを有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記第１および第２角度変換素子（１、３）の各々が、複数の角度変換部材から成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記フーリエ変換装置（７）が集光レンズを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記フーリエ変換装置（７）がレンズアレイを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記フーリエ変換装置（７）が交差したシリンドリカルレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記フーリエ変換装置（７）がシリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記第１角度変換素子（１）の前方に、少なくとも１つのレーザ光源（５）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. 前記レーザ光源（５）が、各々Ｘ−軸に沿って長い光射出面を有し、Ｘ−軸に沿って配列されたレーザバーのアレイを有することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記レーザ光源（５）が、Ｙ−軸に沿って重ねられた複数のレーザバーのアレイを有することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記第１および第２角度変換素子（１、３）ならびに前記フーリエ変換装置（７）が１つの基板に取り外し不能に固定された、光学的なハイブリッドチップとして構成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の装置。
17. 前記基板に、前記第１および第２角度変換素子（１、３）ならびに前記フーリエ変換装置（７）を安定的に搭載するための支持部が形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。

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