JP6039654B2 - レーザからの光ビームを光学的に分離する装置及び方法 - Google Patents
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Description
BPP=M2・λ/π(mm.mrad) (1)
ここで、波長λは、マイクロメートルμmを単位として与えられる。従って、1.06μmにおいて放出されると共にM2=1.0を有するイッテルビウムドーピングファイバレーザは、BPP=0.338mm.mradを有することになろう。このレーザがM2=2を有する場合には、BPP=0.672mm.mradであり、且つ、このレーザがM2=3を有する場合には、BPP=1.01mm.mradである。
倍率=f2/f1 (2)
及び
光学レンズの離隔距離=f1+f2 (3)
ここで、f1及びf2は、2つのレンズの焦点距離である。その出力ビームが良好にコリメートされている一般的な1μmの赤外線レーザシステムは、物理的な自由空間ビーム伝播の法則による自由空間回折が無視可能となるように、略1mm超のビーム直径を有することになる。次いで、材料加工システムの光学入力における5〜10mmという一般的なビーム直径要件を実現するべく、このようなビームをガリレイタイプのビーム拡張テレスコープによって操作することができる。
倍率=f2/f1+dZ/(f1+f2) (4)
ここで、dZは、最適なコリメーションを実現するのに必要とされるレンズの離隔距離の変化である。従って、ビーム拡張テレスコープの振る舞いは、式(2)及び式(3)により、且つ、従来のカタログ説明文において、記述されているガリレイビーム拡張テレスコープのものとは異なるものになる。これに加えて、ビーム拡張テレスコープに対する入力における相対的に小さなビームは、所与の出力ビーム直径を実現するために、相対的に大きな倍率を必要とすることになろう。これは、サイズ又は光学的複雑さの増大を結果的にもたらすことになろう。
・結晶サイズ及び磁石サイズを極小化するべく、アイソレータを通じた光ビームが、小さく、コリメートされず、或いは、場合によっては、合焦されるように、光学アイソレータ設計がコスト/サイズの面において最適化される。
・装置の出力を非常に広がったものにするべく、光学アイソレータハウジングの出力において負の要素が導入される。
・出力の広がりが実質的にM2との関係において正規化されるように、負の要素の仕様が入力光ビームのビーム品質M2に従って選択される。
・この広がりの供給源(「仮想的ウエスト」)が、明確に規定された空間内の位置に配置される。
・光ビームが、コリメーションレンズグループにより、必要とされるサイズにコリメートされ、コリメーションレンズグループは、機械的担持体内において保持されており、機械的担持体は、仮想的なウエスト及び光学アイソレータの光学軸との関係においてコリメーションレンズグループを正確に配置する方式によって光学アイソレータシステムに対して正確に結合するように設計されている。
・光学アイソレータの出力が、明確に規定された出力の広がりを有し、且つ、ビームウエストが、明確に規定された位置を有していることに起因した、スキャナアプリケーションごとの、すべてのビーム品質M2タイプ(ビーム直径)と適合した1つのコリメーティングレンズタイプのみに対するニーズ
・コリメーションの「プラグアンドプレイ」の許容範囲及び基準プレーンとの関係におけるビームの位置決め
・同一のコリメータ/スキャナシステムとの間における異なるビーム品質(M2)を有するレーザの相互交換性
・負の光学レンズからの大きな広がりに起因したコンパクトなビーム拡張
・ビーム拡張の結果としてもたらされる最小限の光学損失
・新しいコリメータ要件の迅速且つ相対的に低コストのプロトタイプ化
・レーザ及びコリメータの既存の製品範囲に対する異なるビーム品質を有するレーザ源の迅速且つ容易な導入
Claims (19)
- レーザからの光ビームを光学的に分離する装置であって、該光ビームはM2値によって規定されたビーム品質を有し、該装置は、
入力レンズと、
該光ビームを分離するように構成された光学アイソレータと、
基準プレーンと、
該光学アイソレータの出力に配置された出力コネクタであって、該基準プレーンを機械的に参照し得るコリメータに共通コリメータインタフェースで接続するように構成された出力コネクタと、
該出力コネクタの遠端の近位に配置された第1レンズ構成と、
を具備し、
該M2値は、1〜25であり、
該光学アイソレータは、偏波無依存型アイソレータであり、
該光ビームは、該光学アイソレータにおいてコリメートされず、
該入力レンズは、該光ビームを受領し且つ該光学アイソレータを通じて該第1レンズ構成へと該光ビームを合焦するように配置され、
該入力レンズは、1mm未満の該光学アイソレータ内光ビーム直径を提供し、該光ビーム直径は、該M2値に依存しており、
該第1レンズ構成は、該M2値から独立した既定の広がりを有する出力光ビームを提供し、
該コリメータインタフェースと該M2値から独立した該既定の広がりとは、相互交換自在のコリメータの一群が該装置において使用されることを可能にし、各コリメータは、該コリメータが該装置に取付けられるとき、M2から独立した異なる既定のビーム直径を提供する、
装置。 - 該第1レンズ構成は、該基準プレーンから既定の距離にあるビームウエストを提供するように位置決めされている、請求項1に記載に装置。
- 該第1レンズ構成は、該光ビームと同心状である、請求項2に記載に装置。
- 該第1レンズ構成は、焦点距離によって規定され、且つ、該ビームウエストは、該焦点距離に略等しい距離だけ該第1レンズ構成から離隔している、請求項2に記載の装置。
- 該ビームウエストは、仮想的ビームウエストである、請求項2に記載の装置。
- 該第1レンズ構成は、該光ビームと同心状である、請求項1に記載に装置。
- 前記第1レンズ構成は、負のレンズである、請求項1に記載に装置。
- 該既定の広がりを有する該光ビームを既定のビーム直径を有するコリメートされたビームに変換するための第2レンズ構成を具備するコリメータを包含し、該装置は、該コリメータが該出力コネクタに装着されると共に該基準プレーンを基準として機械的に参照された際に、該既定のビーム直径が該ビーム品質M2値から独立するようになっている、請求項1に記載の装置。
- 該第2レンズ構成は、単一の正のレンズである、請求項8に記載に装置。
- 該第2レンズ構成は、空気によって離隔した二重レンズである、請求項8に記載の装置。
- 一つのレーザを包含し、該レーザは該入力レンズを介して該光学アイソレータに接続されている、請求項1に記載の装置。
- 該レーザは、1kW超のピーク出力強度によって特徴付けられる、請求項11に記載の装置。
- 複数の請求項11に記載の装置を具備するとともに一つのコリメータを包含するシステムであって、該装置の各々が同一の既定の広がりを有し、該レーザの各々が、同一の既定のビーム直径を有する出力光ビームを提供するべく該コリメータにプラグ挿入され得る、システム。
- 複数のレーザは、各々、異なるM2値によって規定される、請求項13に記載のシステム。
- 複数の請求項11に記載の装置を具備するとともに複数のコリメータを包含するシステムであって、各コリメータが異なる既定のビーム直径を有し、該レーザのいずれもが、独自の既定のビーム直径を提供するべく任意の一つのコリメータにプラグ挿入され得る、システム。
- 複数のレーザは、各々、異なるM2値によって規定される、請求項15に記載のシステム。
- 該入力レンズは、該光ビーム直径が0.5mm未満となるように、該光学アイソレータ内光ビーム直径を提供するべく選択される、請求項1に記載の装置。
- 光学的に分離された光ビームを提供する装置であって、該光ビームは第1M2値によって規定されたビーム品質を有し、該装置は、
該第1M2値を有する第1入力光ビームを分離するように構成された第1光学アイソレータと、
基準プレーンと、
機械的インタフェースを有する出力コネクタであって、コリメートされたビーム直径を有するコリメートされたビームを提供するためのコリメーティングレンズを具備するコリメータに接続されている出力コネクタと、
位置とビームウエスト直径とを有するビームウエストと、
該第1M2値と該ビームウエスト直径と該ビームウエストの該位置とに基づいて広がりを提供するように選択された第1レンズであって、該装置内の該第1レンズの位置は、第1出力光ビームが、該基準プレーンから既定の距離にあるアパーチャから出力されるように見えるように、選択される、第1レンズと、
を具備し、
該第1M2値は、1〜25であり、
該第1光学アイソレータは、偏波無依存型アイソレータであり、
該光ビームは、該光学アイソレータにおいてコリメートされず、
それによって、該装置は、該第1M2値と異なる第2M2値によって規定される第2入力光ビームを分離するように構成された第2光学アイソレータを具備するが、実質的に同一の機械的インタフェースを有する第2出力コネクタと、実質的に同一の既定の広がり及び実質的に同一の既定の距離を提供するように選択且つ位置決めされた第2レンズと、を有する、異なる装置が、実質的に同一のコリメートされたビーム直径を有するコリメートされたビームを提供するべく、同一のコリメータに接続される、ことを可能にする、
装置。 - 該ビームウエストと該第1レンズとがアライメントされている、請求項18に記載の装置。
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