JP7165337B2

JP7165337B2 - 光結合装置

Info

Publication number: JP7165337B2
Application number: JP2020537970A
Authority: JP
Inventors: 直樹若林; 公資東條; 雅裕塚本
Original assignee: Shimadzu Corp; Osaka University NUC
Current assignee: Shimadzu Corp; Osaka University NUC
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2038-08-23
Also published as: WO2020039556A1; JPWO2020039556A1; US20210247573A1; CN112585515A; US11567272B2; CN112585515B

Description

本発明は、複数の光源から出射されたビームを１本のファイバコアに結合させる光結合装置に関する。

従来の光結合装置として、複数のレーザダイオード（ＬＤ）から出射されたビームを１本のファイバに結合させ、ファイバから高出力を得る光パワー合成光学系や合波光学系が知られている（特許文献１，２）。この光結合装置では、光源からのビームを単レンズやテレスコープ等の縮小光学系を通した後、集光レンズでファイバに集光している。

この光結合装置では、中心に配置されたレーザダイオードのビームは、単レンズやテレスコープの中心軸に入射されるが、中心に配置されたレーザダイオード以外のレーザダイオードのビームは、単レンズやテレスコープの中心軸から離れたところに入射される。

特開２００５－１１４９７７号公報特開２００７－１６３９４７号公報

しかしながら、これらのビームは、集光レンズでファイバに集光した場合に、球面収差を起こすため、ビームの集光径が大きくなる。このため、ファイバ結合効率が低下してしまう。

本発明は、複数の光源からの光の球面収差を抑制してファイバ結合効率を向上させることができる光結合装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１は、複数のビームを１本のファイバに結合させる光結合装置であって、各々が所定間隔毎に配置され、前記複数のビームを出射する複数の光源と、前記複数の光源と対向して配置され、前記複数の光源から出射される前記複数のビームを平行にさせる複数のコリメートレンズと、前記複数のコリメートレンズで平行にされた複数のビームのビーム径を縮小する縮小光学系と、前記縮小光学系で縮小された複数のビームを前記ファイバに集光させる集光レンズとを備え、前記縮小光学系の中心を通るビームに対応して配置された前記光源と前記コリメートレンズとの第１距離に対して、前記縮小光学系の端部を通るビームに対応して配置された前記光源と前記コリメートレンズとの第２距離が異なる。

請求項２の光結合装置は、前記縮小光学系の球面収差が正の場合には、前記第１距離よりも前記第２距離を小さくし、前記縮小光学系の球面収差が負の場合には、前記第１距離よりも前記第２距離を大きい。

さらに、請求項３の光結合装置は、前記縮小光学系の端部を通るビームに対応して配置された前記光源と前記コリメートレンズとを一体化したコリメータを備え、前記コリメータは、ビームが前記縮小光学系に斜めに入射するように所定の角度に傾斜されている。

請求項４の光結合装置は、複数のビームを１本のファイバに結合させる光結合装置であって、各々が所定間隔毎に配置され、前記複数のビームを出射する複数の光源と、前記複数の光源と対向して配置され、前記複数の光源から出射される前記複数のビームを平行にさせる複数のコリメートレンズと、前記複数のコリメートレンズで平行にされた複数のビームのビーム径を縮小する縮小光学系と、前記縮小光学系で縮小された複数のビームを前記ファイバに集光させる集光レンズと、前記縮小光学系の端部を通るビームに対応して配置された前記光源と前記コリメートレンズとを一体化したコリメータとを備え、前記コリメータは、ビームが前記縮小光学系に斜めに入射するように所定の角度に傾斜されている。

請求項５の光結合装置は、複数のビームを１本のファイバに結合させる光結合装置であって、各々が所定間隔毎に配置され、前記複数のビームを出射する複数の光源と、前記複数の光源と対向して配置され、前記複数の光源から出射される前記複数のビームを平行にさせる複数のコリメートレンズと、前記複数のコリメートレンズで平行にされた複数のビームのビーム径を縮小する縮小光学系と、前記縮小光学系で縮小された複数のビームを前記ファイバに集光させる集光レンズとを備え、前記縮小光学系の中心を通るビームに対応した配置された前記光源と前記コリメートレンズとは、光軸上に配置され、前記縮小光学系の端部を通るビームに対応した配置された前記光源と前記コリメートレンズとは、前記光源の中心に対して前記コリメートレンズの中心がずらして配置されている。

本発明によれば、縮小光学系の中心を通るビームに対応して配置された光源とコリメートレンズとの第１距離に対して、縮小光学系の端部を通るビームに対応して配置された光源とコリメートレンズとの第２距離が異なるので、複数の光源からの光の球面収差を抑制してファイバ結合効率を向上させることができる。

図１は本発明の実施例１に係る光結合装置の全体構成図である。図２は本発明の実施例１に係る光結合装置に用いられるレンズの集光特性を示す図である。図３は本発明の実施例１に係る光結合装置のレーザダイオード１ｂからのビームを集光レンズで集光した位置での収差を補正する前後での収差を示す図である。図４は本発明の実施例２に係る光結合装置の全体構成図である。図５は本発明の実施例３に係る光結合装置の全体構成図である。図６は本発明の実施例４に係る光結合装置の全体構成図である。図７は本発明の実施例５に係る光結合装置の全体構成図である。図８は本発明の実施例６に係る光結合装置の全体構成図である。図９は本発明の実施例７に係る光結合装置の全体構成図である。図１０は本発明の実施例８に係る光結合装置の全体構成図である。

（実施例１）
以下、本発明の実施形態に係る光結合装置を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施例１に係る光結合装置の全体構成図である。光結合装置は、複数のビームを１本のファイバ５に結合させるもので、複数のレーザダイオード１ａ～１ｃと、複数のコリメートレンズ２ａ～２ｃと、縮小光学系３と、集光レンズ４と、ファイバ５を備えている。

複数のレーザダイオード１ａ～１ｃは、本発明の複数の光源に対応し、各々が所定間隔毎に配置され、各々がレーザ光を出射する。この例では、３つのレーザダイオードを配置したが、これに限定されることはなく、４つ以上のレーザダイオードを所定間隔毎に配置してもよい。

また、光源としては、複数のレーザダイオード１ａ～１ｃに代えて、発光ダイオード、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を用いても良い。

複数のコリメートレンズ２ａ～２ｃは、複数のレーザダイオード１ａ～１ｃに対向して配置され、複数のレーザダイオード１ａ～１ｃから出射される複数のビームを平行にさせる。

縮小光学系３は、凸レンズ３ａと凹レンズ３ｂを有するテレスコープからなり、複数のコリメートレンズ２ａ～２ｃからの複数のビームのビーム径、ビーム間隔を縮小して、集光レンズ４に導光する。

凸レンズ３ａと凹レンズ３ｂは、球面レンズからなり、球面収差を有する。集光レンズ４は、縮小光学系３で縮小された複数のビームをファイバ５に集光させる。

また、縮小光学系３の中心を通るビームに対応して配置されたレーザダイオード１ａとコリメートレンズ２ａとの第１距離Ｚ１に対して、縮小光学系３の凸レンズ３ａの端部を通るビームに対応して配置されたレーザダイオード１ｂ（１ｃ）とコリメートレンズ２ｂ（２ｃ）との第２距離Ｚ２が異なる。

凸レンズ３ａと凹レンズ３ｂを有する縮小光学系３の球面収差が正である場合には、第１距離Ｚ１よりも第２距離Ｚ２を小さくする。

次にこのように構成された実施例１の光結合装置の動作を説明する。図２に、光結合装置に用いられるレンズの集光特性を示す。凸レンズに入射されたビームは、レンズの中心Ｏに近いほど焦点ｆ４が長く、レンズの端部Ｐ１，Ｐ２に行くほど、焦点ｆ１，ｆ２が短くなる。

このため、球面収差が発生する。レンズの周辺から入った光がレンズの中心付近から入射した光による焦点よりもよりレンズに近い側に集光する場合、正の球面収差と呼ぶこととする。図２では正の球面収差が発生している。

図１に示す実施例１では、凸レンズ３ａの端部に対応して配置されたレーザダイオード１ｂ（１ｃ）とコリメートレンズ２ｂ（２ｃ）との距離がＺ１の場合には、コリメートレンズ２ｂ，２ｃから出射されるビームＢＭ１は、平行光となる。ここでは、凸レンズ３ａの外側にビームが入射する場合に正の球面収差が発生すると考える。

これに対して、実施例１では、凸レンズ３ａの端部に対応して配置されたレーザダイオード１ｂ（１ｃ）とコリメートレンズ２ｂ（２ｃ）との距離Ｚ２を第１距離Ｚ１よりも小さくしているので、ビームＢＭ２が発散（平行光ビームＢＭ１に対して外側に角度φだけ拡がる）して凸レンズ３ａのより端部側（外側）に入射される。

このため、発散したビームＢＭ２は、凸レンズ３ａで集光され、焦点位置は、ビームＢＭ１を凸レンズ３ａで集光したときの焦点位置よりも伸びることになる。従って、正の球面収差を抑制することができる。

図３に、レーザダイオード１ｂからのビームを集光レンズで集光した位置での収差を補正する前後での収差を示す。縦軸は、収差量であり、横軸は、コリメートレンズ透過後の像高を示す。距離Ｚ２を距離Ｚ１と等しくした場合の球面収差補正前の収差量と、距離Ｚ２を距離Ｚ１とは異なえた場合の球面収差補正後の収差量とを比較している。

収差補正前では、像高が大きくなると（例えば、像高が１）、収差量が増加してしまう。

これに対して、実施例１の収差補正後では、像高が大きくなった場合に、補正前よりも収差量が減少していることがわかる。例えば、図１に示すように、１００μｍのコアのファイバ５に集光する場合、図３に示す収差量が１００μｍを超えると、ビーム径も１００μｍを超えるため、ファイバ５でパワーがロスしてしまう。

これに対して、実施例１の収差補正後では、どの像高でも１００μｍ以下であり、収差補正前よりもファイバ５でのロスを減らすことができる。

このように実施例１の光結合装置によれば、縮小光学系３の中心を通るビームに対応して配置されたレーザダイオード１ａとコリメートレンズ２ａとの第１距離Ｚ１に対して、縮小光学系３の端部を通るビームに対応して配置されたレーザダイオード１ｂ（１ｃ）とコリメートレンズ２ｂ（２ｃ）との第２距離Ｚ２が小さいので、レーザダイオード１ａ～１ｃからの光の球面収差を抑制してファイバ結合効率を向上させることができる。

（実施例２）
図４は本発明の実施例２に係る光結合装置の全体構成図である。実施例２に係る光結合装置は、凸レンズ３ａと凹レンズ３ｂを有する縮小光学系３を有し、集光レンズ４の中心軸から遠ざかった位置にビームが入射した場合、球面収差が正となると考える。実施例２の光結合装置は、縮小光学系３の端部を通るビームに対応して配置されたレーザダイオード１ｂ（１ｃ）とコリメートレンズ２ｂ（２ｃ）とを一体化したコリメータ１０ｂ（１０ｃ）を備えている。

コリメータ１０ｂ（１０ｃ）は、ビームが縮小光学系３に斜めに入射するように所定の角度φに傾斜されて配置されている。より具体的には、コリメータ１０ｂ（１０ｃ）は、コリメータ１０ｂ（１０ｃ）から出射されるビームＢＭ２が、平行光からなるビームＢＭ１に対して外側に所定の角度φ（φ＞０）だけ傾斜するように配置され、ビームＢＭ２を凸レンズ３ａに斜めに入射させる。

図４に示すその他の構成は、図１に示す実施例１に係る光結合装置の構成と同一であるので、同一部分の説明は省略する。

このように構成された実施例２の光結合装置によれば、コリメータ１０ｂ（１０ｃ）は、ビームＢＭ２がビームＢＭ１に対して外側に所定の角度φだけ傾斜するように配置されているので、ビームＢＭ１に対してビームＢＭ２が発散して、ビームＢＭ２が凸レンズ３ａに斜めに入射される。従って、レーザダイオード１ａ～１ｃからの光の球面収差を抑制してファイバ結合効率を向上させることができる。

（実施例３）
図５は本発明の実施例３に係る光結合装置の全体構成図である。実施例３に係る光結合装置は、凸レンズ３ａと凹レンズ３ｂを有する縮小光学系３を有し、集光レンズ４の中心軸から遠ざかった位置にビームが入射した場合、球面収差が正となると考える。図５に示す実施例３に係る光結合装置は、凸レンズ３ａの端部に対応して配置されたレーザダイオード１ｂ（１ｃ）とコリメートレンズ２ｂ（２ｃ）との距離Ｚ２を第１距離Ｚ１よりも小さくしている。

また、コリメータ１０ｄ（１０ｅ）は、ビームＢＭ１に対してビームＢＭ２を発散させるように所定の角度φだけ傾斜させて配置され、ビームＢＭ２を凸レンズ３ａに斜めに入射させる。

このように構成された実施例３の光結合装置によれば、レーザダイオード１ｂ（１ｃ）とコリメートレンズ２ｂ（２ｃ）との距離Ｚ２を第１距離Ｚ１よりも小さくし、且つコリメータ１０ｄ（１０ｅ）がビームＢＭ１に対してビームＢＭ２を発散させるように所定の角度φだけ傾斜させて配置されているので、実施例１の光結合装置の効果と実施例２の光結合装置の効果とを併せた効果が得られる。

（実施例４）
図６は本発明の実施例４に係る光結合装置の全体構成図である。実施例４に係る光結合装置は、凸レンズ３ａと凹レンズ３ｂを有する縮小光学系３を有し、集光レンズ４の中心軸から遠ざかった位置にビームが入射した場合、球面収差が正となると考える。実施例４に係る光結合装置は、縮小光学系３の中心を通るビームに対応した配置されたレーザダイオード１ａとコリメートレンズ２ａとは、光軸上に配置されている。

縮小光学系３の端部を通るビームに対応した配置されたレーザダイオード１ｂとコリメートレンズ２ｂとは、レーザダイオード１ｂの中心に対してコリメートレンズ２ｂの中心Ｏが正のＸ方向（Ｘ＞０）にずらして配置されている。

縮小光学系３の端部を通るビームに対応した配置されたレーザダイオード１ｃとコリメートレンズ２ｃとは、レーザダイオード１ｃの中心に対してコリメートレンズ２ｃの中心Ｏが負のＸ方向（Ｘ＜０）にずらして配置されている。

実施例４に係る光結合装置によれば、レーザダイオード１ｂの中心に対して、コリメートレンズ２ｂの中心Ｏが正のＸ方向（Ｘ＞０）にずらして配置されているので、ビームＢＭ１よりも外側に発散したビームＢＭ２が凸レンズ３ａに入射される。

また、レーザダイオード１ｃの中心に対してコリメートレンズ２ｃの中心Ｏが負のＸ方向（Ｘ＜０）にずらして配置されているので、ビームＢＭ１よりも外側に発散したビームＢＭ２が凸レンズ３ａに入射される。このため、実施例１の光結合装置の効果と同様な効果が得られる。

（実施例５）
図７は本発明の実施例５に係る光結合装置の全体構成図である。実施例５に係る光結合装置は、縮小光学系３を有し、集光レンズ４の中心軸から遠ざかった位置にビームが入射した場合、球面収差が負となると考え、第１距離Ｚ１よりも第２距離Ｚ２を大きくしている。

図７に示すその他の構成は、実施例１に係る光結合装置の構成と同一構成であるので、同一部分については、同一符号を付してその説明は省略する。

実施例５に係る光結合装置によれば、縮小光学系３に起因した球面収差が負であり、第１距離Ｚ１よりも第２距離Ｚ２を大きくしているので、レーザダイオード１ｂ（１ｃ）からコリメートレンズ２ｂ（２ｃ）を透過したビームＢＭ３は、平行光ビームＢＭ１に対して内側に角度φ（φ＜０）だけ集束して、凸レンズ３ａのより中心側に入射される。このため、実施例１の光結合装置の効果と同様な効果が得られる。

（実施例６）
図８は本発明の実施例６に係る光結合装置の全体構成図である。実施例６に係る光結合装置は、縮小光学系３に起因した球面収差が負である。

コリメータ１０ｄ（１０ｅ）は、コリメータ１０ｄ（１０ｅ）から出射されるビームＢＭ３が、平行光からなるビームＢＭ１に対して内側に所定の角度φ（φ＜０）だけ傾斜するように配置され、ビームＢＭ３を凸レンズ３ａに斜めに入射させる。

図８に示すその他の構成は、実施例２に係る光結合装置の構成と同一構成であるので、同一部分については、同一符号を付してその説明は省略する。

実施例６に係る光結合装置によれば、実施例２の光結合装置の効果と同様な効果が得られる。

（実施例７）
図９は本発明の実施例７に係る光結合装置の全体構成図である。実施例７に係る光結合装置では、縮小光学系３に起因した球面収差が負であり、第１距離Ｚ１よりも第２距離Ｚ２を大きくしている。

図９に示すその他の構成は、実施例３に係る光結合装置の構成と同一構成であるので、同一部分については、同一符号を付してその説明は省略する。

実施例７に係る光結合装置によれば、実施例１の光結合装置の効果と実施例２の光結合装置の効果とを併せた効果が得られる。

（実施例８）
図１０は本発明の実施例８に係る光結合装置の全体構成図である。実施例８に係る光結合装置は、縮小光学系３に起因した球面収差が負である。

実施例８に係る光結合装置は、縮小光学系３の中心を通るビームに対応した配置されたレーザダイオード１ａとコリメートレンズ２ａとは、光軸上に配置されている。

縮小光学系３の端部を通るビームに対応した配置されたレーザダイオード１ｂとコリメートレンズ２ｂとは、レーザダイオード１ｂの中心に対してコリメートレンズ２ｂの中心Ｏが負のＸ方向（Ｘ＜０）にずらして配置されている。

縮小光学系３の端部を通るビームに対応した配置されたレーザダイオード１ｃとコリメートレンズ２ｃとは、レーザダイオード１ｃの中心に対してコリメートレンズ２ｃの中心Ｏが正のＸ方向（Ｘ＞０）にずらして配置されている。

実施例８に係る光結合装置によれば、レーザダイオード１ｂの中心に対して、コリメートレンズ２ｂの中心Ｏが負のＸ方向（Ｘ＜０）にずらして配置されているので、ビームＢＭ１よりも内側に集束したビームＢＭ３が凸レンズ３ａに入射される。

また、レーザダイオード１ｃの中心に対してコリメートレンズ２ｃの中心Ｏが正のＸ方向（Ｘ＞０）にずらして配置されているので、ビームＢＭ１よりも内側に集束したビームＢＭ３が凸レンズ３ａに入射される。このため、実施例１の光結合装置の効果と同様な効果が得られる。

なお、本発明は、上述した実施例１乃至実施例８の光結合装置に限定されるものではない。実施例１乃至実施例８の光結合装置のいずれか２つ以上の実施例を組み合わせても良い。

本発明は、レーザ加工、露光、照明、画像表示、医療等に適用可能である。

Claims

複数のビームを１本のファイバに結合させる光結合装置であって、
各々が所定間隔毎に配置され、前記複数のビームを出射する複数の光源と、
前記複数の光源と対向して配置され、前記複数の光源から出射される前記複数のビームを平行にさせる複数のコリメートレンズと、
球面レンズを含み、前記複数のコリメートレンズで平行にされた複数のビームのビーム径を縮小する縮小光学系と、
前記縮小光学系で縮小された複数のビームを前記ファイバに集光させる集光レンズとを備え、
前記縮小光学系の中心を通るビームに対応して配置された前記光源と前記コリメートレンズとの第１距離に対して、前記縮小光学系の端部を通るビームに対応して配置された前記光源と前記コリメートレンズとの第２距離が異なり、
前記縮小光学系に起因した球面収差が正の場合には、前記第１距離よりも前記第２距離を小さくし、前記縮小光学系に起因した球面収差が負の場合には、前記第１距離よりも前記第２距離を大きくする、光結合装置。
さらに、前記縮小光学系の端部を通るビームに対応して配置された前記光源と前記コリメートレンズとを一体化したコリメータを備え、
前記コリメータは、ビームが前記縮小光学系に斜めに入射するように所定の角度に傾斜されている請求項１記載の光結合装置。
複数のビームを１本のファイバに結合させる光結合装置であって、
各々が所定間隔毎に配置され、前記複数のビームを出射する複数の光源と、
前記複数の光源と対向して配置され、前記複数の光源から出射される前記複数のビームを平行にさせる複数のコリメートレンズと、
前記複数のコリメートレンズで平行にされた複数のビームのビーム径を縮小する縮小光学系と、
前記縮小光学系で縮小された複数のビームを前記ファイバに集光させる集光レンズとを備え、
前記縮小光学系の中心を通るビームに対応した配置された前記光源と前記コリメートレンズとは、光軸上に配置され、前記縮小光学系の端部を通るビームに対応した配置された前記光源と前記コリメートレンズとは、前記光源の中心に対して前記コリメートレンズの中心が前記光軸に近づく方向にずらして配置されている光結合装置。