JP6726703B2 - 交替ビーム密度プロファイルを有する近接場ビーム密度分布のための光学モジュールシステム - Google Patents

交替ビーム密度プロファイルを有する近接場ビーム密度分布のための光学モジュールシステム Download PDF

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Description

本発明は、ビーム密度が焦点平面または像平面の周りの焦点領域において光軸を中心に回転対称に分布する集束出力ビームを生成するための光学モジュールシステムに関するものであり、光軸に垂直な像平面に、ビーム密度プロファイルに沿ったビーム密度は、１つのビーム密度極大、２つのビーム密度極大、または一定のビーム密度の中央領域を有する。
ビーム密度プロファイルを、光軸を中心とする中央領域で一定とすることができ、中央領域の両側でゼロまで鋭く低下させることができる。この種のビーム密度プロファイルは、以下ではトップハットプロファイルと称される。
ビーム密度プロファイルを、光軸上にあるビーム密度極小の両側に位置するビーム密度極大を有する二峰性にすることができる。この種のビーム密度プロファイルは、以下ではドーナツプロファイルと称される。
また、ビーム密度プロファイルを、光軸上にある単一のビーム密度極大を有する単峰性にすることができる。この種のビーム密度プロファイルは、以下ではビームウエストプロファイルと称される。
この種のビーム密度プロファイルの全体は、以下では交替ビーム密度プロファイルと称される、というのも、そのようなビーム密度プロファイルは、本質的に、トップビーム密度値とボトムビーム密度値との間で交替するからである。
本発明はまた、集束ビームシェイパに関するものであり、それによって、交替ビーム密度プロファイルが、異なる像平面において生成され、焦点周りに光軸に沿って、いずれの場合も光軸に垂直に設けられる。
集束ビームシェイパ、すなわちＦＢＳは、従来から知られており、それによって、光軸に垂直な入口平面におけるその分布が回転対称ガウスプロファイルを有する入力ビーム密度分布によって決定されるコリメートされた入力ビームの束が、焦点平面において集束される出力ビームに変換され、焦点平面におけるビーム密度分布は、トップハットプロファイルに従う。
さらに、ファイバコリメータが、知られており、光ファイバの開口数によって決定される立体角範囲内で光ファイバの出口面から発散して出射する光をコリメートする。
さらに、ビームエキスパンダが、従来から知られており、それによって、コリメートされたビーム束の直径が変化される。
さらに、例えば、ビームシェイパ、ファイバコリメータ、および/またはビームエキスパンダのような光学素子を互いに接続し、または互いに固定し、光学的に調整することができる方法およびデバイスが、知られている。例えば、光学ベンチが知られており、これは、光学素子を装着するための複数の装着デバイスと、装着デバイスを互いに固定するための固定デバイスとを備える。光学素子をオートコリメータの助けによって互いに対してセンタリングするとともに個々の素子の光軸が整列されるように配向することができる方法も知られている。
本発明は、特定の入力ビーム分布および特定の出力ビーム分布とは無関係に標準化されて提供される少数の素子タイプを備える光学モジュールシステムを提供するという目的に基づく。出口側に位置する像平面において交替ビーム密度プロファイルを有するビーム密度分布を生成する出力ビームを、ガウスプロファイルを有する多数の入力ビーム密度分布に対して生成することができる光学システムを、同じおよび/または異なる素子タイプの素子を組み合わせることによって形成することができる。さらに、本発明は、同じおよび/または異なる素子タイプの光学素子を互いに対してより容易に固定することができ、かつ/または光学的に調整することができるよう、この種の光学モジュールシステムを提供するという目的に基づく。
この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する光学モジュールシステムによって達成される。
本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
モジュールシステムは、装着された光学素子として、少なくとも１つの装着された位相板と、少なくとも１つの装着された集束レンズとを備える。本発明の一実施形態では、集束レンズは、集束非球面レンズとして設計される。少なくとも１つの装着された位相板は、集束ビームシェイパを形成するために、光路の下流に配置された少なくとも１つの非球面集束レンズに接続できるように設置される。
この種の集束ビームシェイパは、一波長とガウスプロファイルを有する入力ビーム密度分布とを含む光軸に対してコリメートされた光を、交替ビーム密度プロファイルを光軸に垂直な少なくとも１つの像平面に有する出力ビーム密度分布に変換する。ビーム密度プロファイルは、ビーム密度分布を、光軸に垂直なプロファイル方向に沿った像平面に含む。プロファイル方向に沿った交替ビーム密度プロファイルは、単峰性または二峰性のビーム密度プロファイル、または、光軸を中心とする中央領域でほぼ一定でありかつこの中央領域の両側でゼロに急激に低下するビーム密度プロファイルを有する。
モジュールシステムは、光軸に対してコリメートされた同じ波長の単色光のビーム束の直径の回折限界変化のための少なくとも１つのビームエキスパンダをさらに備える。
装着された光学素子はそれぞれ、光軸と同軸に配置された管状のハウジング内に装着され、光軸と同心に、環状の第１のストッパおよび第１の細目ねじが、ハウジングの第１の端部に配置され、環状の第２のストッパおよび第２の細目ねじが、ハウジングの反対側の第２の端部に配置される。第１の装着された光学素子の第２の細目ねじが、第１の光学素子のハウジングの第２のストッパが第２の光学素子のハウジングの第１のストッパと接触する停止位置にまで、第２の光学素子の第１の細目ねじにねじ込まれるように、これらのストッパおよび細目ねじは、適切に形成され、配置される。この停止位置では、ねじ込まれて合体した装着された光学素子は、それらの光軸が回折限界発散内で互いに整列されるように配向されている。
本発明の一実施形態では、集束ビームシェイパの光路内の配置のための少なくとも１つのビームエキスパンダが装着された位相板と集束非球面レンズとの間に設置される。位相板から出るビーム径は、位相板と集束非球面レンズとの間に配置されたビームエキスパンダによって、集束非球面レンズの光学的実効径に合わせることができる。この実施形態の利点は、コリメートされた入力ビーム束の様々な直径に対して集束ビームシェイパをビームエキスパンダの追加および配置によって形成することができることである。したがって、特に多数の用途に適し、非常に少数の異なるように装着された光学素子を有する集束ビームシェイパを作成できるモジュールシステムを製造することが可能である。
本発明の一実施形態では、異なる焦点距離および開口数を有する異なるレンズが容易に交換され、１つの同じ位相板と組み合わされ得るように、集束ビームシェイパの集束レンズが本発明のハウジング内に装着され、配置される。それにより、単に出口側の集束レンズを交換するだけで、異なる距離または焦点距離を有する焦点平面において、異なる半径方向の広がりの交替ビーム密度プロファイルを生成することが可能である。
有利なことに、ハウジング内の光学素子の本発明の配置は、単にねじ込んで合体させることによる光学アセンブリの製造を可能にする。これにより、さらに複雑な調整工程がなくなり、装着された光学素子を組み合わせることにより、高精度で回折限界の光学効果を有する多種多様な光学アセンブリを確実に製造することができる。
モジュールシステムのさらなる利点は、集束ビームシェイパと、集束ビームシェイパの出口側に配置され、本発明のハウジング内にも装着された少なくとも１つのビームエキスパンダとをねじ込んで合体させることによって、交替ビーム密度プロファイルの半径方向の広がりが容易に変更されることである。
さらに、有利には、装着された位相板を出るビームの径を、光路の下流で装着された集束レンズに、装着されたビームエキスパンダによって、適合させることができる。装着された位相板、装着されたビームエキスパンダ、および装着された集束レンズからなるこの種の集束ビームシェイパは、所定の開口数において可能な限り最短の焦点距離を有する集束レンズの使用を可能にし、したがって特に短い全長を可能にする。
さらに、集束ビームシェイパの入口側に配置され、装着された位相板は、入口側に配置された少なくとも１つのビームエキスパンダにねじ込むことができる。この結果、入力ビーム径を入口側に配置された位相板に適合させることが容易できる。
本発明の一実施形態では、モジュールシステムは、コリメータハウジング内に装着された少なくとも１つのファイバコリメータをさらに備え、当該ファイバコリメータは、光ファイバからの単色光を供給するための入口と、光軸に沿ってコリメートされた光を出力するための出口とを有する。モジュールシステムのファイバコリメータ、集束ビームシェイパ、および少なくとも１つのビームエキスパンダに対してそれぞれに指定された波長範囲は、これらの光学素子の組み合わせが機能する少なくとも１つの重複領域を有する。
ファイバコリメータの出口側のストッパが第２の光学素子の第１のストッパに接触し、配向してファイバコリメータおよび第２の素子の光軸が互いに回折限界発散内で整列される停止位置にまで、ファイバコリメータの出口側の細目ねじがハウジング内に装着された第２の光学素子の第１の細目ねじにねじ込まれるように、出口側のストッパおよび出口側の細目ねじは、ファイバコリメータの出口において光軸と同心に配置される。
有利なことに、この実施形態は、さらなる調整なしに、レーザ源から、ねじ込まれて合体した光学素子によって形成された光学アセンブリ内への光の供給を可能にする。
本発明の一実施形態では、ファイバコリメータは調整可能である。そのような調整可能なファイバコリメータの、装着された集束トップハットビームシェイパおよび任意で１つまたは複数の装着されたビームシェイパとの組み合わせは、それらから形成される光学アセンブリの調整が特に容易であるので有利である。
本発明の一実施形態では、第１のビームエキスパンダは１．５の倍率を有し、第２のビームエキスパンダは１．７５の倍率を有し、第３のビームエキスパンダは２．０の倍率を有する。このような段階的に変化するビームエキスパンダをねじ込んで合体させることによって、ビーム拡大用の光学アセンブリを、広範囲の全倍率にわたって、全倍率の微細な間隔で、追加の調整なしに製造することができる。
本発明の一実施形態では、モジュールシステムは、光学素子のセットを複数備え、光学素子のセットはそれぞれ、供給される単色光の波長のために設けられ、当該波長はセット毎に異なる。結果として、回折限界の結像精度を保持する光学アセンブリの形成は、複数の波長に対してもモジュールシステムを用いて可能である。
本発明の一実施形態では、モジュールシステムは、少なくとも１つのねじ付きアダプタをさらに備え、当該アダプタは、長手方向軸に同心にかつ垂直に配置された第１のストッパと、第１の細目ねじと、長手方向軸に沿って反対側の第２のストッパと、第２の細目ねじとを有する。ねじ付きアダプタのストッパが、装着された光学素子のストッパに接触し、配向してねじ付きアダプタの長手方向軸が装着された光学素子の光軸と光学素子の回折限界発散内で整列される停止位置にまで、ねじ付きアダプタの細目ねじが、装着された光学素子のハウジングの細目ねじにねじ込まれるように、ねじ付きアダプタの細目ねじは、形成され、配置される。
ねじ付きアダプタの一実施形態では、その第１および第２の細目ねじ、および、その第１および第２のストッパは、本発明のハウジングの、第１の細目ねじに合わさり、および、第１のストッパに合わさるように形成され、配置される。ねじ付きアダプタのこのような実施形態によって、第１のハウジングの第１の細目ねじを、ねじ付きアダプタを介して、第２のハウジングの第１の細目ねじにねじ込むことができる。したがって、例えば、装着されたフレア状のビームエキスパンダの、通常は入口側に配置される第１の細目ねじを、意図されたビーム方向とは反対に、ねじ付きアダプタを介して、装着された集束ビームシェイパの第１の細目ねじにねじ込むことが可能であり、その結果、このねじ込み式の配置におけるビームエキスパンダは、集束ビームシェイパの入口においてビーム狭窄効果を有する。
ねじ付きアダプタのさらなる実施形態では、その第１および第２の細目ねじ、および、その第１および第２のストッパは、本発明のハウジングの、第２の細目ねじに合わさり、および、第２のストッパに合わさるように形成され、配置される。ねじ付きアダプタのこのような実施形態によって、第１のハウジングの第２の細目ねじを、ねじ付きアダプタを介して、第２のハウジングの第２の細目ねじにねじ込むことができる。したがって、例えば、装着されたフレア状のビームエキスパンダの、通常は出口側に配置される第２の細目ねじを、意図されたビーム方向とは反対に、ねじ付きアダプタを介して、装着された集束ビームシェイパの第２の細目ねじにねじ込むことが可能であり、その結果、このねじ込み式の配置におけるビームエキスパンダは、集束ビームシェイパの出口においてビーム狭窄効果を有する。
有利な態様では、モジュールシステムを用いて製造できる異なる光学システムの数を、ねじ付きアダプタを用いることによって大幅に増加させることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
集束ビームシェイパを通る光路を概略的に示す。 集束ビームシェイパの異なる像平面における交替ビーム密度プロファイルを概略的に示す。 ハウジング内に装着された集束ビームシェイパを概略的に示す。 ビームエキスパンダにおける光路を概略的に示す。 ハウジング内に装着されたビームエキスパンダを概略的に示す。 カスケード状に配置されたビームエキスパンダにおける光路を概略的に示す。 ハウジング内に装着されたファイバコリメータを概略的に示す。 調整可能なファイバコリメータを概略的に示す。 ねじ付きアダプタを概略的に示す。
すべての図において、互いに対応する部分には同じ参照符号が付されている。
図１Ａは、従来技術による、入口Ｅと出口Ａを有する集束ビームシェイパ１を通る光路を概略的に示す。位相板１.１が、入口側に配置されている。非球面集束レンズ１.２が、出口側に配置されている。
位相板１.１は、光軸Ｘに対してコリメートされた入力光ビームＥＳが光軸Ｘを中心とする中央領域で遅延または位相シフトされるように形成されており、達成される位相シフトはおよそπである。この結果、位相板１.１から出るビーム束ＩＳのビーム密度は、光軸Ｘからの距離を従属変数とする１次および０次のベッセル関数によって数学的に記述されるエアリーパターンに従う。そのような位相板１.１、および、その構成および製作方法は、従来から知られている。
集束レンズ１.２は、ビーム束ＩＳ中の光軸Ｘに対してコリメートされたビームが出口側焦点Ｆで回折限界で集束されるように形成されている。そのような非球面集束レンズ１.２は、従来から知られている。また、所定の焦点距離ｆを考慮して、そのような集束レンズ１.２を構成する方法も知られている。
エアリーパターンに従って分布されかつコリメートされたビーム束ＩＳを集束させることによって、周知の通り、トップハットプロファイルを有するビーム密度分布が、焦点Ｆを含む焦点平面において形成される。トップハットプロファイルの円形内側領域の範囲は、集束レンズ１.２の焦点距離ｆによって決定される。内側領域の端におけるビーム密度の減少の急峻さは、回折によって制限される。
トップハットプロファイルに加えて、更に交替ビーム密度プロファイルは、図１Ｂに概略的に示されるように、焦点Ｆに対する距離ｘの関数として、像平面Ｂ１−Ｂ５に形成される。光軸Ｘを中心として回転対称に分布するビーム密度は、光軸Ｘに沿った縦断面ＬＳに示されている。したがって、光軸Ｘに垂直なプロファイル方向ｙに沿ったビーム密度プロファイルは、光軸Ｘ上に位置するゼロ点ｙ＝０に対して鏡面対称である。
距離ｘ＝ｘ１＜０で焦点Ｆの前に位置する第１の像平面Ｂ１において、ビーム密度プロファイルは、第１のトップハットプロファイルＴＰ'の形状を有する。焦点Ｆの方向に近い第２の距離ｘ＝ｘ２、ｘ１＜ｘ２＜０では、像平面Ｂ２におけるビーム密度プロファイルは、二峰性ビーム密度プロファイルまたはドーナツプロファイルＤＰの形状を有する。焦点平面と一致する像平面Ｂ３において、距離ｘ＝０、焦点Ｆにおいて、ビーム密度プロファイルは、第２のトップハットプロファイルＴＰの形状を有し、それは第１のトップハットプロファイルＴＰ'よりも、急峻な側部および高ビーム密度の狭い領域を有する。
ビーム密度プロファイルが単峰性ビーム密度プロファイルまたはビームウエストプロファイルＢＰの形状を有する像平面Ｂ４は、焦点Ｆより後の距離ｘ＝ｘ４＞０にある。さらに後の距離ｘ＝５＞ｘ４において、像平面Ｂ５のビーム密度プロファイルは、第２のトップハットプロファイルＴＰと比較して急峻でない側部を有し、第１のトップハットプロファイルＴＰ'と比較して高ビーム密度のより狭い領域を有する第３のトップハットプロファイルＴＰ"の形状を有する。したがって、光軸Ｘに沿った作業距離を変化させることによって、有利な方法で、特定の用途に最も適した様々なビーム密度分布を物体またはワークピース上に投影することが可能である。
図２は、位相板１.１および光路の下流に配置された集束レンズ１.２を有する集束ビームシェイパ１の配置を概略的に示す。位相板１.１およびレンズ１.２はそれぞれ、管状のハウジング２内に装着されている。
ハウジング２は、入口側の第１の細目ねじ２.１と、環状の入口側の第１のストッパ２.２と、出口側の第２の細目ねじ２.３と、環状の出口側の第２のストッパ２.４とを有する。入口側の第１の細目ねじ２.１は外側ねじ山として形成され、その入口Ｅを向く端部に、入口側の第１のストッパ２.２が配置される。出口側の第２の細目ねじ２.３は内側ねじ山として形成され、その入口Ｅに向く端部に、出口側の第２のストッパ２.４がハウジング２の内面に半径方向の突起として形成される。
細目ねじ２.１、２.３、ストッパ２.２、２.４、およびハウジング２は、光軸Ｘに同心に配置されている。ストッパ２,２、２.４はそれぞれ、光軸Ｘに垂直に設けられた環状のストッパ面２.２.１、２.４.１を有する。第１のハウジング２の第１の細目ねじ２.１が第２のハウジング２の第２の細目ねじ２.３にねじ込まれ得る方法で、または第１のハウジング２の第２の細目ねじ２.３が第２のハウジング２の第１の細目ねじ２.１にねじ込まれ得る方法で、第１および第２のハウジング２が互いにねじ込まれて合体するように、細目ねじ２.１、２.３およびストッパ２.２、２.４は、互いに対応するように形成され、配置されている。
従って、有利には、ハウジング２に装着された異なる焦点距離ｆおよび開口数を有する集束レンズ１.２を、他のハウジング２に装着された同じ位相プレート１.１と組み合わせることができ、位相プレート１.１はレンズ１.２に対して入口側でねじ込まれる。装着された集束レンズ１.２は、装着された集束非球面レンズとして形成されてもよい。装着された集束レンズ１.２によって、少数の異なる素子を有する集束ビームシェイパ１を製造することができ、それにより、異なる焦点距離ｆを有する焦点平面の周りの像平面Ｂ１−Ｂ５において、およびそれぞれの像平面Ｂ１−Ｂ５において異なる半径方向の範囲において、交替ビーム密度プロファイルを生成することができる。
図３は、入口側の第１の光学面１０.１および出口側の第２の光学面１０.２を有するワンピース光学素子からなるビームエキスパンダ１０における光路を概略的に示す。ビームエキスパンダ１０は、入力ビーム束ＥＳを出力ビーム束ＡＳに変換させる。出力ビーム束ＡＳは、入力ビーム束ＥＳと比較して変更された直径を有するが、この変更された直径にスケーリングされた同じビーム密度分布を有する。光学面１０.１、１０.２が非球面からなる回折限界ビームエキスパンダ１０は、従来から知られている。
図４は、光学面１０.１、１０.２を有するワンピース光学素子を受けるための管状のハウジング２内に装着されたビームエキスパンダの配置を概略的に示す。
ハウジング２は、図２で説明したハウジングと同様である。特に、それは、同様に形成され、配置された細目ねじ２.１、２.３およびストッパ２.２、２.４を有する。
したがって、それぞれハウジング２内に配置され装着された集束ビームシェイパ１およびビームエキスパンダ１０はねじ込まれて合体することができ、集束ビームシェイパ１の出口側の第２の細目ねじ２.３をビームエキスパンダ１０の入口側の第１の細目ねじ２.１にねじ込むことができ、集束ビームシェイパ１の入口側の第１の細目ねじ２.１は、ビームエキスパンダ１０の出口側の第２の細目ねじ２.３にねじ込むことができる。
この場合、ストッパ２.２、２.４のストッパ面２.２.１、２.４.１が停止位置で互いに押し付けられるまで、２つのハウジング２をねじ込むことができる。細目ねじ２.１、２.３およびストッパ面２.２.１、２.４.１は精密に作られ、光学素子１.１、１.２、１０.１、１０.２はそれぞれハウジング２内に正確に配置されており、したがって、それぞれハウジング２内に配置され、装着された集束ビームシェイパ１およびビームエキスパンダ１０の光軸Ｘは、回折限界によって決定される公差内で、互いに整列される。言い換えれば、次のようになる: ハウジング２内に装着された集束ビームシェイパ１およびビームエキスパンダ１０が停止位置にまでねじ込まれると、光学機能の精度が回折によって制限される光学アセンブリが得られる。
本発明のハウジング２の設計は、装着された集束ビームシェイパ１を１つ又は２つの装着されたビームエキスパンダ１０にねじ込むことを可能にし、従って、このような集束ビームシェイパ１は、入口側および/又は出口側のビーム径を変化させることによって、様々な光学アセンブリにおいて柔軟に使用することができる。例えば、小さすぎる入口側のビーム径を、有利には、位相板１.１の入口側の上流でビームエキスパンダ１０をねじ込むことによって、位相板１.１の直径にまで拡大させることができる。以下により詳細に説明されるねじ付きアダプタ３０を使用することによって、ビームエキスパンダ１０の伝送方向を反転させることができ、したがって、ねじ付きアダプタ３０によって、通常の伝送方向とは反対に、位相板１.１の入口側の上流でビームエキスパンダ１０をねじ込むことで、非常に大きな入口側のビーム径を減少させることもできる。
同様に、ビームエキスパンダ１０を、オプションとして、２つのねじ付きアダプタ３０を使用してビーム方向を反転させるために、装着された位相板１.１とレンズ１.２との間にねじ込むことによって、ビーム径を、光路の下流に配置されたレンズ１.２の直径に適合させることができる。
この場合の本発明の利点は、少なくとも１つのビームエキスパンダ１０に対して集束ビームシェイパ１をさらに調整する必要がないことである。
図５に示すように、ビームエキスパンダ１０をカスケード状に配置して、ビーム径をより大きく変化させることもできる。有利なことに、ハウジング２内に装着されたビームエキスパンダ１０を、この目的のために、追加の調整なしにねじ込むことができる。本発明の一実施形態では、所定の数のカスケード状に装着されたビームエキスパンダ１０の光軸Ｘが回折限界によって決定される公差内で互いに整列されるように、細目ねじ２.１、２.３およびストッパ面２.２.１、２.４.１は精密に作られ、かつ、光学素子１.１、１.２、１０.１、１０.２はハウジング２内に正確に配置される。言い換えれば、次のようになる: 各々ハウジング２に装着された所定数のビームエキスパンダ１０がねじ込まれると、個々のねじ込まれたビームエキスパンダ１０の倍率の積として生じる倍率を有し、光学機能の精度が回折によって制限される光学アセンブリが生成される。したがって、有利な態様では、限られた数の装着された個々のビームエキスパンダ１０をねじ込むことによって、その倍率が広い範囲にわたって非常に細かい単位で選択することができる光学アセンブリとしてビームエキスパンダを製造することができる。
本発明の一実施形態では、ビームエキスパンダ１０は、２.０、１．７５、または１.５の倍率を有し、最大倍率のビームエキスパンダ１０が、最小ビーム径の位置に配置されるように、ねじ込まれる。
図６は、光ファイバを受けるための入口側のファイバレセプタクル２０.４を有するハウジング１０２内に装着されたファイバコリメータ２０を追加の光学素子として概略的に示す。ファイバコリメータ２０は、光ファイバから出てくる光を、コリメートして、光軸Ｘに対してコリメートされた出力ビーム束ＡＳにする。少なくとも部分的に非球面に形成され、回折限界のコリメートされた出力ビーム束ＡＳを生成する光学素子を有するファイバコリメータが従来から知られている。
本発明によれば、ファイバコリメータ２０は、図２に示すハウジング２の入口側の第１の細目ねじ２.１と入口側の第１のストッパ２.２に合うように形成され配置された出口側の細目ねじ１０２.３と出口側のストッパ１０２.４とを有するコリメータハウジング１０２を備えている。従って、ファイバコリメータ２０を、装着された集束ビームシェイパ１に対して調整なしにねじ込むことができる。任意選択で、１つまたは複数の装着されたビームエキスパンダ１０を、装着されたファイバコリメータ２０と装着された集束ビームシェイパ１との間にねじ込むことができる。
１つの例示的な実施形態において、ファイバコリメータ２０は調整可能なファイバコリメータとして設計され、これはドイツ特許出願ＤＥ １０ ２０１７ ２０５ ５９０.１により詳細に説明され、図７に示される。調整可能なファイバコリメータ２０は、光ファイバからの光を供給するための入口Ｅと、光軸Ｘに沿ってコリメートされた光を出力するための出口Ａとを有する。このような調整可能なファイバコリメータは、収束レンズ２０.２が装着されたコリメータハウジング１０２を備え、収束レンズの入口側の焦点Ｆは、光軸Ｘ上にある。コリメータハウジング１０２は、出口側の細目ねじ１０２.３と出口側のストッパ１０２.４とを有する。
調整可能なファイバコリメータ２０は、細目ねじ２０.３.４を有するマウント２０.３と、マウント２０.３を同心で受ける管状のファイバレセプタクル２０.４とを備え、当該ファイバレセプタクルは、光ファイバを受けるためのファイバカップリング２０.４.３と、半径方向外向きに突出する保持ストッパ２０.４.６と、スリーブジャケット内で偏心固定ねじ２０.５を回転可能に受けるための偏心レセプタクル２０.４.５と、スリーブジャケットの内側に配置され、マウント２０.３の細目ねじ２０.３.４に案内され、かつ光軸を中心とした回転運動を、マウント２０.３に対する光軸に沿ったファイバレセプタクル２０.４の長手方向の変位に変換する細目ねじ２０.４.２とを有する。
調整可能なファイバコリメータ２０はさらに、ファイバレセプタクル２０.４を環状に取り囲み、それに対して回転可能かつマウント２０.３に対して回転不能な調節外枠２０.６を備える。調節外枠２０.６は、マウント２０.３に対して長手方向に移動可能な固定半外枠２０.６.２を備え、これは、固定ねじ２０.５のねじヘッド２０.５.２を受けるための円周に沿って凹んだ固定スロット２０.６.２.２を有する。調節外殻２０.６は、固定ねじ２０.５によって、保持ストッパ２０.４.６に対する静止摩擦によって固定位置に押し付けられ、かつ、それによって、解放位置に解放される。
そのような調整可能なファイバコリメータの、装着された集束ビームシェイパ１および任意で１つまたは複数の装着されたビームシェイパ１０との組み合わせは、それらから形成される光学アセンブリの調整が特に容易であるので有利である。
図８は、内側ねじ山から外側ねじ山への移行のためのねじ付きアダプタ３０を示す。ねじ付きアダプタ３０は、長手方向軸Ｌに沿ってのびる管状に形成され、一端部に、外側ねじ山として形成された第１の細目ねじ３０.１と、第１のストッパ３０.２とを有する。反対側の端部において、ねじ付きアダプタ３０は、同様に外側ねじ山として形成された第２の細目ねじ３０.３と、第２のストッパ３０.４とを有する。細目ねじ３０.１、３０.３およびストッパ３０.２、３０.４は、ハウジング２、１０２の、内側ねじ山として形成された第２の細目ねじ２.３、１０２.３および第２のストッパ２.４、１０２.４に合うように形成され、配置され、それぞれの場合において、ねじ付きアダプタ３０の細目ねじ３０.１、３０.３は第１のハウジング２、１０２および第２のハウジング２の第２の細目ねじ２.３、１０２.３に停止位置にまでねじ込まれる。この停止位置において、ねじ付きアダプタ３０の長手方向軸Ｌは、第１および第２のハウジング２に装着されて、例としてビームエキスパンダ１０として作られた光学素子の光軸Ｘと整列される。
同様に、細目ねじ３０.１、３０.３は、外側ねじ山として形成された第１の細目ねじ２.１と合った内側ねじ山として形成されてよく、ストッパ３０.２、３０.４は、ハウジング２の第１のストッパに対応するように形成されてよい。
ねじ付きアダプタ３０とハウジング２内に装着された光学素子とをねじ込んで合体させることで光学素子のビーム方向を反転することができるという事実によって、ねじ付きアダプタ３０は、モジュールシステムを用いて製造することができる光学アセンブリの数を拡大する。
１ 集束ビームシェィパ、光学素子
１.１ 位相板
１.２ 集束レンズ
２ ハウジング
２.１、２.３ 第１、第２の細目ねじ
２.２、２.４ 第１、第２のストッパ
２.２.１、２.４．１ ストッパ面
１０ ビームエキスパンダ、光学素子
１０.１、１０.２ 第１、第２の光学面
２０ ファイバコリメータ、光学素子
２０.２ 収束レンズ
２０.３ マウント
２０.３.４ 細目ねじ
２０.４ ファイバレセプタクル
２０.４.２ 細目ねじ
２０.４.３ ファイバカップリング
２０.４.５ 偏心レセプタクル
２０.４.６ 固定ストッパ
２０.５ 固定ねじ
２０.５.２ ねじヘッド
２０.６ 調整外枠
２０.６.２ 長手方向に移動可能な固定半外枠
２０.６.２.２ 固定スロット
３０ ねじ付きアダプタ
３０.１、３０.３ 第１、第２の細目ねじ
３０.２、３０.４ 第１、第２のストッパ
１０２ コリメータハウジング
１０２.３ 出口側の細目ねじ
１０２.４ 出口側のストッパ
ｘ 距離
ｙ プロファイル方向
Ａ 出口
ＡＳ 出力ビーム束
Ｅ 入口
ＥＳ 入力ビーム束
Ｆ 焦点
ｆ 焦点距離
Ｌ 長手方向軸
ＬＳ ビーム密度分布の縦断面
Ｘ 光軸
ＴＰ’ 、ＴＰ、ＴＰ’’ 第１、第２、第３のトップハットプロファイル
ＤＰ ドーナツプロファイル
ＢＰ ビームウエストプロファイル

Claims (9)

  1. モジュールシステムであって、光学素子(１.１、１.２、１０)として、
    少なくとも１つの位相板(１.１)と、
    少なくとも１つの非球面集束レンズ(１.２)と、
    光軸(Ｘ)に対してコリメートされた同じ波長の単色光のビーム束の直径の回折限界変化のための少なくとも１つのビームエキスパンダ(１０)と、を備え、
    前記位相板、前記非球面集束レンズ、および前記ビームエキスパンダは、それぞれ、前記光軸(Ｘ)と同軸に配置された管状のハウジング(２)内に装着され、
    前記光軸(Ｘ)と同心に、環状の第１のストッパ(２.２)および第１の細目ねじ(２.１)が前記ハウジング(２)の第１の端部に配置され、かつ、環状の第２ストッパ(２.４)および第２の細目ねじ(２.３)が前記ハウジング(２)の第２の端部に形成され、配置されていることで、
    第１の光学素子(１、１０)の前記ハウジング(２)の前記第２のストッパ(２.４)が第２の光学素子(１、１０)の前記ハウジング(２)の前記第１のストッパ(２.２)に接触し配向して、前記第１および第２の光学素子(１、１０)の光軸(Ｘ)が、当該第１および第２光学素子(１、１０)により形成された光学系が回折限界を達成できるように互いに整列される停止位置にまで、装着された前記第１の光学素子(１、１０)の前記第２の細目ねじ(２.３)は、前記第２の光学素子(１、１０)の前記第１の細目ねじ(２.１)にねじ込まれるようになっており、
    少なくとも１つの装着された前記位相板(１.１)が、光路の下流に配置された非球面集束レンズ(１.２)と共に集束ビームシェイパ(１)を形成するように設置されており、前記集束ビームシェイパは、一波長とガウスプロファイルを有する入力ビーム密度分布とを含む前記光軸(Ｘ)に対してコリメートされた光を、少なくとも１つの像平面(Ｂ２−Ｂ５)において交替ビーム密度プロファイル(ＴＰ、ＴＰ’、ＴＰ"、ＤＰ、ＢＰ)を有する出力ビーム密度分布(ＬＳ)に変換するためのものである、
    ことを特徴とするモジュールシステム。
  2. 集束ビームシェイパ(１)の光路内の配置のための少なくとも１つのビームエキスパンダ(１０)が、装着された位相板(１.１)と集束非球面レンズ(１.２)との間に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のモジュールシステム。
  3. ハウジング(２)内に装着された焦点距離(ｆ)の異なる集束レンズ(１.２)を、位相板(１.１)と交換可能に組み合わせて、集束ビームシェイパ(１)を形成することができる、ことを特徴とする請求項１または２に記載のモジュールシステム。
  4. 光ファイバから同じ波長の単色光を供給するための入口(Ｅ)および前記光軸(Ｘ)に沿ってコリメートされた光を出力するための出口(Ａ)を有し、コリメータハウジング(１０２)内に装着された少なくとも１つのファイバコリメータ(２０)を光学素子としてさらに備え、
    前記ファイバコリメータ(２０)の前記出口(Ａ)において前記光軸と同心に、出口側のストッパ(１０２.４)および出口側の細目ねじ(１０２.３)が配置されていることで、
    前記ファイバコリメータ(２０)の前記出口側のストッパ(１０２.４)が第２の光学素子(１、１０)の前記第１のストッパ(２.２)に接触し配向して前記ファイバコリメータ(２０)と前記第２の光学素子(１、１０)との光軸(Ｘ)が前記回折限界を達成可能に互いに整列される停止位置にまで、前記ファイバコリメータ(２０)の前記出口側の細目ねじ(１０２.３)は、ハウジング(２)内に装着された前記第２の光学素子(１、１０)の前記第１の細目ねじ(２.１)にねじ込まれるようになっている、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモジュールシステム。
  5. 第１のビームエキスパンダ(１０)は１.５の倍率を有し、第２のビームエキスパンダ(１０)は１.７５の倍率を有し、第３のビームエキスパンダ(１０)は２.０の倍率を有する、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のモジュールシステム。
  6. 光学素子(１、１０、２０)のセットを複数備え、光学素子(１、１０、２０)の前記セットはそれぞれ、単色光の波長のために設けられ、前記波長は、前記セット毎に異なる、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモジュールシステム。
  7. 少なくとも１つのねじ付きアダプタ(３０)をさらに備え、
    前記ねじ付きアダプタは、長手方向軸(Ｌ)に対して同心にかつ垂直に配置された第１のストッパ(３０.２)と、第１の細目ねじ(３０.１)と、前記長手方向軸(Ｌ)に沿って反対側の第２のストッパ(３０.４)と、第２の細目ねじ(３０.３)と、を有し、
    前記ねじ付きアダプタ(３０)のストッパ(３０.２、３０.４)が、装着された光学素子(１、１０)のストッパ(２.２、２.４)に接触し配向して前記ねじ付きアダプタ(３０)の前記長手方向軸(Ｌ)が前記回折限界を達成可能に前記光学素子(１、１０)の光軸(Ｘ)と整列される停止位置にまで、前記ねじ付きアダプタ(３０)の前記細目ねじ(３０.１、３０.３)は、装着された前記光学素子(１、１０)のハウジング(２)の細目ねじ(２.１、２.３)にねじ込まれるようになっている、
    ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のモジュールシステム。
  8. 少なくとも１つのねじ付きアダプタ(３０)が、前記少なくとも１つのビームエキスパンダ(１０)のビーム方向の反転のために設けられている、ことを特徴とする請求項７に記載のモジュールシステム。
  9. 少なくとも１つの集束レンズ(１.２)が、集束非球面レンズ(１.２)として設計されている、ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のモジュールシステム。
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