JP7007527B1 - プラスチック製アサーマルレーザ光学系 - Google Patents

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Abstract

本発明は、焦点に合焦されるレーザ放射を発生させるためのアサーマル化された装置に関し、これはレンズとプラスチックハウジングと、物体距離ＳＩを調整するための受動調整システムと、を含む。受動調整装置は、有効熱膨張率（ｌ）を有する。【数１】JPEG0007007527000031.jpg15161

Description

本発明は、焦点に集光されるレーザ放射を生成するための装置のアサーマル化に関する。
独国特許第１１２００６００２３９６号明細書は、低い熱膨張率を有するスペーサがレーザ源と集束レンズとの間に提供される温度補償型レーザ集光光学系を開示している。このような配置により、温度依存性を低減させることはできるが、焦点位置の温度依存性は補償されない。
米国特許第６６５０４１２号は、たわみ性要素による光学装置のための温度補償を開示している。このような配置には、高コストの金属コンポーネントが必要となる。
欧州特許第０９３２１１３号明細書は、プラスチック製の集光レンズを有する波長依存温度補償型光学システムを開示している。ここで提案されているものは、集光レンズの下流のビーム経路内に設置された回折光学素子であり、それを用いてレンズの焦点距離の温度による変化が補償される。米国特許第５４１０５６３号明細書は、レーザビームをレンズ及びフレネルレンズによってコリメートする配置を開示している。
回折素子及びフレネルレンズは、不利な点として、効率が低い。さらに、後方反射が回折素子で生じる可能性があり、これはレーザ共振器に支障をきたす可能性がある。
米国特許第６２９２３１２号明細書は、アサーマル化されたレンズホルダを開示している。異なる範囲の同心円状管体からなる既知の管体配置の代わりに、傾斜した円錐形の外郭を有する素子が推奨されている。このような素子は非線形で、制約された温度範囲内での補償しか可能ではないかもしれない。
欧州特許第０５６４３７６号明細書は、補償リングの効果を、たわみ性ベアリングに取り付けられたたわみ性プレートを利用することによって向上させることのできるアサーマル化コリメーションを開示している。この目的のためには、複雑なたわみ性ベアリングが必要となる。
英国特許第２２５４９５９号明細書は、異なる熱膨張率を有する２つの同心円状スリーブによるレーザのコリメーションレンズのアサーマル化を開示している。この補償では、レーザ波長の温度依存性が無視されている。さらに、ハウジング材料の熱膨張は考慮されていない。したがって、補償は制約された温度範囲でしかできない。
欧州特許第０３１８９７０号明細書は、温度補償されたコリメータを備えるレーザ素子を開示している。
米国特許第４８６１１３７号明細書は、焦点距離プラスチックレンズのうちの１つの温度依存性を補償するための二種の金属からなる素子を有するレンズホルダを開示している。
米国特許第４７２０１６８号明細書は、単焦点レンズの散乱と併せてレーザの波長依存性に関する単焦点レンズの補正を開示している。
Ａｌｉ Ｈ．Ａｌ－Ｈａｍｄａｎｉ ａｎｄ Ｒａｇｈａｄ Ｉ．Ｉｂｒａｈｉｍ，Ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ．５， Ｎｏ．５ ３１６２－３１６５（２０１５）は、レンズの温度依存性を補償するために、光軸に沿って焦点面の背後に配置された熱膨張率の異なる素子の組合せにより焦点面を移動させることを開示している。
本発明の目的は、広い温度範囲で動作可能な、焦点に集光されるレーザ放射を発生させるための安価な装置を明示することである。
焦点に集光されるレーザ放射を発生させる本発明の装置は、安価に製造でき、広い温度範囲で動作可能である。この装置にはプラスチック製の１枚のレンズだけが必要である点が有利である。高価なガラスレンズ又は色消しレンズの組合せの使用を不要にすることができる。
この目的は、特許請求項１に記載の焦点に集光されるレーザ放射を発生させる安価な装置及び請求項８に記載の使用によって達成される。
説明
焦点（９）に集光されるレーザ光を発生させるための装置（１）は、
・中心波長λと、中心波長の温度依存性
Figure 0007007527000002
 を有するレーザダイオード（３）と、
・焦点距離ｆを有し、屈折率ｎ、屈折率の波長依存性
Figure 0007007527000003
、屈折率の温度依存性
Figure 0007007527000004
、及び熱膨張率αＬを有する第一のプラスチックで製作されたレンズ（８）であって、それによってレーザ放射の光学像が焦点（９）において得られ、光学像は物体距離ｓ１を有するようなレンズ（８）と、
・熱膨張率α２を有する第二のプラスチックで製作されたハウジング（１１）と、
・有効熱膨張率αＶを有する、物体距離ｓ１を調整するための受動調整装置（１２）であって、有効熱膨張率は：
Figure 0007007527000005
 であるような受動調整装置（１２）と、
を含む。
焦点は、光軸上にあってもよいが、ある必要はない。焦点は、幾何放射光学系の解釈のためには、レンズにより回折される収束光の交差点と考えてよい。波動光学の観点から、焦点はガウシアンビームウエスト、すなわちガウシアンビームのウエストであってよい。
第一のプラスチックは、有利な態様として、透明プラスチック、例えばポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアリルジグリコールカーボネート（ＰＡＤＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマ（ＣＯＰ）、又は合成樹脂、例えばフェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、若しくはエポキシ樹脂であってよい。
第二のプラスチックは、有利な態様として、例えばＰＳ、ＰＶＣ、ＰＥＴ、ＰＡＤＣ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＰＥＥＫ、ＰＥ、ＰＰ、ＣＯＰ、ポリスルフォン（ＰＳＵ）、又は合成樹脂、例えばフェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、若しくはエポキシ樹脂であってよい。第二のプラスチックは、光を吸収するように改質され、及び／又は混和物、例えばカーボン若しくは色素を利用して着色されていてもよい。同様に有利な態様として、第二のプラスチックは繊維強化されていてもよい。
装置は転送行列Ｍ＝ＭＳ２ＭＬＭＳ１を有していてよく、指数は各々０～１の範囲であってよい。これはここでは、
Figure 0007007527000006
 がレンズの後の自由ビームの転送行列であり、
Figure 0007007527000007
 がレンズの前の自由ビームの転送行列であり、
Figure 0007007527000008
 がレンズの転送行列である場合であってよく、ここでは薄型レンズの慣習的概算で示される。像距離ｓ２は、ハウジング材料の温度依存性α２を有していてよい。これは、標的焦点位置がハウジングの熱膨張と共に光軸に沿って移動する、又は移動するように意図されることを意味することができる。レンズの焦点距離ｆは、熱的に影響を与える３つのパラメータに依存するかもしれない。熱膨張率αＬに基づいて、温度が変化した場合、レンズの形状が変化する可能性があり、これによって焦点距離が変化する。屈折率
Figure 0007007527000009
 の温度依存性の結果、焦点距離が変化する可能性がある。さらに、レーザの波長、すなわちレーザ放射の中心波長は、温度依存性
Figure 0007007527000010
 により温度の変化と共に変化する可能性がある。レンズの屈折率
Figure 0007007527000011
 の波長依存性から、それゆえ、同様にレンズの焦点距離が変化するかもしれない。
転送行列の級数への一次展開により、
Figure 0007007527000012
 が得られ、式中、Ｔ０は参照温度、ΔＴは参照温度からの温度分散である。転送行列の導出は、
Figure 0007007527000013
 であり、調整装置の有効熱膨張率は、
Figure 0007007527000014
 である。
参照温度及び光学系の開口内の光軸に関するビームのあらゆる角度φでの像の平面内の変性ビームベクトルの０番目のインデックスは０である
Figure 0007007527000015
 という条件下で、参照温度での結像条件
Figure 0007007527000016
 が得られる。
この結像条件は、異なる温度でも
Figure 0007007527000017
 及び移動した像面においても
ｓ２（Ｔ）＝ｓ２（Ｔ０）・（１＋α２・ΔＴ）
同様に当てはまるべきである。
この目的のために、
Figure 0007007527000018
 でなければならない。
上式の計算によって、調整装置の必要な有効熱膨張率が得られる。
Figure 0007007527000019
 これは、本発明により想定される。
例えば、レンズは第一のプラスチック、αＬ＝７０・１０－６／Ｋ、ｎ＝１．５７９、
Figure 0007007527000020
 のＰＣで構成されてよい。レンズは、焦点距離ｆ＝５ｍｍを有していてよく、物体距離ｓ１＝７ｍｍ、像距離ｓ２＝１７．５ｍｍであってよい。ハウジングは第二のプラスチック、α２＝７０・１０－６／Ｋの黒色化ＰＣで構成されてよい。レーザダイオードは、温度依存性
Figure 0007007527000021
 の波長６５０ｎｍを有していてよい。この例では、本発明によれば、調整装置の有効熱膨張率、αｖ＝３８０・１０－６／Ｋを提供することが必要となる。
厚いレンズの場合、物体距離ｓ１と像距離ｓ２は各々、レンズの物体側／像側主平面に関して既知の方法で明示されてよい。薄いレンズの概算では、物体側及び増側主平面はほぼ一致するため、共通の主平面と仮定することが可能である。
本発明の装置は、有利な実施形態において、光学像が物体距離の５倍５・ｓ１より長い像距離Ｓ２を有することを特徴とする。それゆえ、結像動作は拡大であってよい。本発明の装置は同様に、有利な点として、光学像が物体距離の２０倍２０・ｓ１より短い像距離ｓ２を有することを特徴とする。像距離は例えば、５ｍｍ～２５ｍｍであってよい。
レーザダイオードは、有利な態様として、シングルモードレーザダイオードであってよい。これは、品質係数Ｍ２＜１．３のレーザ放射を発出できる。レーザダイオードは、有利な態様として、６００ｎｍ～８００ｎｍの波長範囲から選択されてよい。レーザダイオードの中心波長は、温度に応じて、例えば０．２５．．．０．４０ｎｍ／Ｋ刻みで変化してよい。レーザ放射は直線偏光であってよい。
本発明の装置は、有利な点として、焦点がビーム品質係数Ｍ２＜１．３を有する結像ビームウエストの形態をとることを特徴としてよい。有利な点として、レンズは、非球面レンズの形態をとってよい。それは１つ又は２つの非球面を有していてよい。その結果、レーザダイオードのビーム品質係数を得ることができる。レンズは、回転対称レンズであってよい。代替的に、乱視用レンズを使用することもできる。この場合、ビーム経路はメリジオナル平面内に明示されてもよい。円柱レンズの場合、これは活性平面であってもよい。一般に、乱視用レンズの場合、最短の焦点距離を有するメリジオナル平面を使用することができる。レーザダイオードは、乱視用レンズを用いて補正できる収差を有するかもしれない。
調整装置の有効熱膨張率は、αｖ＞１００μｍ／（ｍ・Ｋ）であってよい。
調整装置は、熱膨張率αａ＞５０μｍ／（ｍ・Ｋ）を有する第一のストレッチャを含んでいてよい。有利な態様として、第一のストレッチャの熱膨張率はハウジングの熱膨張率α２より大きくてよい。有利な態様として、第一のストレッチャの長さｌａは物体長さｓ１より長くてよい。また、調整装置は、第一のストレッチャに対抗し、より低い熱膨張率を有するαｂ＜αａの第二のストレッチャ（１４）を含むことも可能である。これは有利な態様として、αｂ＜２０μｍ／（ｍ・Ｋ）の場合であってよい。第二のストレッチャは長さｌｂを有していてよい。長さｌｂは、長さｌａより約距離ｓ１だけ短くてよい。第一のストレッチャは、第三のプラスチックで構成されてもよい。第二のストレッチャは第四のプラスチック、ガラス、セラミック、例えばＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ、又は金属で構成されてもよい。この２つの構造の組合せは、第一のストレッチャのそれより高い熱膨張率を実現できる。調整装置の有効熱膨張率は
Figure 0007007527000022
 であってよい。第一のストレッチャ及び／又は第二のストレッチャは管状の形態であってよい。
第三のプラスチックは、有利な態様として、例えばＰＳ、ＰＶＣ、ＰＥＴ、ＰＡＤＣ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＰＥＥＫ、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳＵ、ＣＯＰ、又は合成樹脂、例えばフェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、若しくはエポキシ樹脂であってよい。第三のプラスチックは、光を吸収するように改質され、及び／又は混和材、例えばカーボン又は染料を用いて着色されていてもよい。
第四のプラスチックは、有利な態様として、ＰＳ、ＰＶＣ、ＰＥＴ、ＰＡＤＣ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＰＥＥＫ、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳＵ、ＣＯＰ、又は合成樹脂、例えばフェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、若しくはエポキシ樹脂であってよい。第四のプラスチックは、光を吸収するように改質され、及び／又は混和材、例えばカーボン又は染料を用いて着色されていてもよい。同様に、有利な態様として、第四のプラスチックは遷移で強化され、及び／又はセラミック粒子で充填されてもよい。このようにして、開始材料より熱膨張率αｂを低くすることができる。有利な繊維は、アラミド、ガラス、又はカーボン繊維であってよい。
本発明の装置は、少なくとも－４０℃～＋８５℃の温度範囲内でアサーマル化されていてよい。有利な態様として、第三のプラスチックは、上記の温度範囲の最高温度より高いガラス遷移温度を有していてよい。特に有利な点として、第一及び第二のプラスチックもまた、上記の温度範囲の最高温度より高いガラス遷移温度を有していてもよい。
物理的又は技術的パラメータの測定を行うために試料を照明するために本発明の装置（１）を使用することが有利であるかもしれない。測定対象パラメータは例えば、光の偏光面の回転、試料による特定の波長の光の吸収、試料中に存在する不均質性又は粒子における光の散乱、試料中の粒子の大きさ若しくは数、又は試料の蛍光放射の強度であってよい。
図面は以下を示す。
第一の実施例を示す。
実施例
本発明を実施例によって以下に説明する。
図１は、第一の実施例を示す。焦点（９）に集光されるレーザ放射を発生させるための図の装置（１）は、
・中心波長λと、中心波長の温度依存性
Figure 0007007527000023
 を有するレーザダイオード（３）と、
・焦点距離ｆを有し、屈折率ｎ、屈折率の波長依存性
Figure 0007007527000024
 、屈折率の温度依存性
Figure 0007007527000025
 、及び熱膨張率αＬを有する第一のプラスチックで製作されたレンズ（８）であって、それによってレーザ放射の光学像が焦点（９）において得られ、光学像は物体距離ｓ１を有するようなレンズ（８）と、
・熱膨張率α２を有する第二のプラスチックで製作されたハウジング（１１）と、
・有効熱膨張率αＶを有する、物体距離ｓ１を調整するための受動調整装置（１２）であって、有効熱膨張率は：
Figure 0007007527000026
 であるような受動調整装置（１２）と、
を含む。
装置は、光軸２を有する。レーザダイオードはレーザダイオードハウジング４を含み、その中にレーザダイオードチップ５が配置されている。レーザダイオードハウジング４の前面には窓が設けられ、そこからレーザ放射７が出る。レーザダイオードの電気コンタクトは、コンタクトピン６により作られる。レーザダイオードは、光線束７を発出し、これはレンズ８によって焦点９に集光される。焦点は、図中、ガウシアンビームウエストとして表されている。焦点は測定空間１０内にあり、これはハウジング１１に接続された、又はそれに組み込まれた測定チャンバの形態をとってよい。
また、熱膨張率αｚ＞５０μｍ／（ｍ・Ｋ）を有する第一のストレッチャ（１３）と、第一のストレッチャに対抗し、熱膨張率αｂ＜２０μｍ／（ｍ・Ｋ）を有する第二のストレッチャ（１４）を含む調整装置（１２）も存在する。第一のストレッチャは第三のプラスチックで構成される。
測定空間１０は、物理的又は技術的パラメータの測定を行うために試料を収容するためのものであってよい。測定対象パラメータは例えば、光の偏光面の回転、試料による特定の波長の光の吸収、試料中に存在する不均質性又は粒子における光の散乱、試料中の粒子の大きさ若しくは数、又は試料の蛍光放射の強度であってよい。測定される光の散乱は、古典的な散乱、ミー散乱、又はレイリ散乱であってよい。
１ 焦点に集光されるレーザ放射を発生させる装置
２ 光軸
３ レーザダイオード
４ レーザダイオードハウジング
５ レーザダイオードチップ
６ 電気コンタクト
７ 集光ビーム
８ レンズ
９ 焦点
１０ 測定空間
１１ ハウジング
１２ 調整装置
１３ 第一のストレッチャ
１４ 第二のストレッチャ

Claims (9)

  1. 焦点（９）に集光されるレーザ光を発生させるための装置（１）において、
    ・中心波長λと、前記中心波長の温度依存性
    Figure 0007007527000027
     を有するレーザダイオード（３）と、
    ・焦点距離ｆを有し、屈折率ｎ、前記屈折率の波長依存性
    Figure 0007007527000028
     、前記屈折率の温度依存性
    Figure 0007007527000029
     、及び熱膨張率αＬを有する第一のプラスチック材料で製作されたレンズ（８）であって、それによって前記レーザ放射の光学像が前記焦点（９）において得られ、前記光学像は、物体距離ｓ１ 、及び前記物体距離の２０倍である２０・ｓ １ より短い像距離ｓ 2 を有するような、レンズ（８）と、
    ・熱膨張率α２を有する第二のプラスチック材料で製作されたハウジング（１１）と、
    ・有効熱膨張率αＶを有する、前記物体距離ｓ１を調整するための受動調整装置（１２）であって、前記有効熱膨張率は：
    Figure 0007007527000030
     であるような受動調整装置（１２）と、
    を含む装置（１）。
  2. 前記像距離ｓ ２ は、前記物体距離の５倍である５・ｓ１より長いことを特徴とする、請求項１に記載の装置（１）。
  3. 前記レーザダイオード（３）は、ビーム品質係数がＭ２＜１．３であるレーザ放射を発出することを特徴とする、請求項１及び２の何れかに記載の装置（１）。
  4. 前記焦点（９）はビーム品質係数がＭ２＜１．３を有する結像ビームウエストの形態をとること、及び／又は前記レンズ（８）が非球面レンズの形態をとることを特徴とする、請求項１～３の何れか１項に記載の装置（１）。
  5. 前記調整装置の前記有効熱膨張率がαｖ＞１００μｍ／（ｍ・Ｋ）であることを特徴とする、請求項１～４の何れか１項に記載の装置（１）。
  6. 前記調整装置（１２）は、熱膨張率αａ＞５０μｍ／（ｍ・Ｋ）を有する第一のストレッチャ（１３）と、前記第一のストレッチャに対抗し、熱膨張率αｂ＜２０μｍ／（ｍ・Ｋ）を有する第二のストレッチャ（１４）を有することと、前記第一のストレッチャは第三のプラスチック材料で構成されることを特徴とする、請求項１～５の何れか１項に記載の装置（１）。
  7. 少なくとも－４０℃～＋８５℃の温度範囲内でアサーマル化されていることを特徴とする、請求項１～６の何れか１項に記載の装置（１）。
  8. 前記第三のプラスチック材料は前記温度範囲より高いガラス遷移温度を有することを特徴とする、請求項７に記載の装置（１）。
  9. 物理的又は技術的パラメータの測定を行うために試料を照明するための、請求項１～８の何れか１項に記載の装置（１）の使用。
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