JPH05502980A - Diode laser assembly with cylindrical lens - Google Patents

Diode laser assembly with cylindrical lens

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JPH05502980A
JPH05502980A JP3507244A JP50724491A JPH05502980A JP H05502980 A JPH05502980 A JP H05502980A JP 3507244 A JP3507244 A JP 3507244A JP 50724491 A JP50724491 A JP 50724491A JP H05502980 A JPH05502980 A JP H05502980A
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スナイダー、ジェームス ジェイ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 円柱レンズを有するダイオード レーザ組立体 米国政府は、ローレンスリバーモア国立研究所の運営のための米国エネルギー省 とカリフォルニア大学とのあいだの契約W−7405−ENG−48に基づき本 発明に関する権利を有している。[Detailed description of the invention] diode with cylindrical lens laser assembly The U.S. government supports the U.S. Department of Energy for the operation of Lawrence Livermore National Laboratory. Published pursuant to Agreement W-7405-ENG-48 between the University of California and the University of California. has the right to the invention.

本発明はマイクロレンズに関する。さらに詳しくは、本発明はダイオードレーザ およびそこに一体化された光学部品とともに使用される円柱マイクロレンズに関 する。The present invention relates to microlenses. More specifically, the present invention provides a diode laser and cylindrical microlenses used with optical components integrated therein. do.

本出願は、ジェームス・ジエイ・スナイダ−(Jamesl、 5n7de+) による同日付けの他の出願(発明の名称“円柱マイクロレンズを選択された形状 に加工する方法(Method fo「Fabrication of Cyl ind[1cal MiC+olensesof 5elected 5hap e) ” )に関連する。This application is filed by James J.A. Snyder (Jamesl, 5n7de+) Another application filed on the same date (titled “Cylindrical microlens with selected shape”) Method of Fabrication of Cyl ind[1cal MiC+olensesof 5elected 5hap e) “”).

関連技術の記載 レンズは、光の焦点を合わせたり、ずらしたりすることができる光学的要素であ る。最も良く知られているタイプのレンズは円形のもので、たとえば円形の集束 レンズは光を点に集束させる。そのようなレンズは、イメージングないしは結像 や写真技術などの多くの応用に役立つ。良く知られている円形のレンズは光学軸 の周りに対称な形状を有する。Description of related technology A lens is an optical element that can focus or shift light. Ru. The most well-known type of lens is circular, for example circular focusing A lens focuses light onto a point. Such lenses are used for imaging Useful for many applications such as and photographic techniques. The well-known circular lens has an optical axis has a symmetrical shape around.

他の重要なタイプのレンズは円柱レンズである。円柱状の集束レンズは光を線に 沿って集束させる。この線は一般に“線状焦点”と呼ばれる。代表的な円柱レン ズは、前記光学軸に対して直角である主軸に関して対称に形成されている。たと えば、円柱ガラスレンズは、中心軸の回りに円形であるシリンダーの形状をして いる。光は該シリンダーの第1のカーブした表面から入射し、カーブしている第 2の側から出ていく。Another important type of lens is the cylindrical lens. A cylindrical focusing lens transforms light into a line. Focus along. This line is commonly referred to as a "line focus." Typical cylindrical lens The lenses are symmetrically formed with respect to a principal axis that is perpendicular to the optical axis. and For example, a cylindrical glass lens has the shape of a cylinder that is circular around its central axis. There is. Light is incident on the first curved surface of the cylinder and is incident on the first curved surface of the cylinder. Go out from the 2nd side.

しかし、多くの応用に対して、円形の断面は望ましくない。それゆえ円柱レンズ のカーブは、前述の例の円形カーブとは全く異なる特定の形状であることが必要 である。この必要とされる形状は平坦、または、楕円または双曲線などの非円形 のカーブであろう。言い換えれば、円柱レンズは多様な曲面の表面で形成されて いてもよい。However, for many applications, a circular cross section is undesirable. Therefore cylindrical lens The curve needs to have a specific shape that is completely different from the circular curve in the previous example. It is. This required shape may be flat or non-circular such as an ellipse or hyperbola. It would be the curve of In other words, a cylindrical lens is formed of various curved surfaces. You can stay there.

選択された正確な形状は各応用につよく依存している。The exact shape chosen is highly dependent on each application.

円形や平坦の形状は容易に製造され、円柱レンズにおいては一般的である。しか しこれらの形状は、周縁光線の焦点合わせのミスを引き起こす球面収差などの不 利を有する。設計ならびに入力面および出力面の製造を綿密に行うことにより、 球面収差は実質的に減じることかできる。非対称収差などの他のタイプの収差も また、レンズ設計と製造とを綿密に行うことにより減じることができる。あるレ ンズが主要な全ての収差を実質的に減じるように設計されたばあいには、“ディ フラクション−リミテッド(di’ll+aclion−1imited )  ” と呼ばれる。ディフラクション−リミテッドなレンズは焦点の強度(1nl ensi17 )を高くすることにより、それが受け取る光を有効に使用する。Circular and flat shapes are easily manufactured and are common in cylindrical lenses. deer However, these shapes suffer from imperfections such as spherical aberration that causes misfocusing of the marginal rays. have an advantage. Through careful design and manufacturing of input and output surfaces, Spherical aberration can be substantially reduced. Other types of aberrations such as asymmetric aberrations also It can also be reduced by careful lens design and manufacturing. A certain level If the lens is designed to substantially reduce all major aberrations, it is Fraction-Limited (di’ll+aclion-1limited) Diffraction-limited lenses are called ensi17) to make efficient use of the light it receives.

すべてのレンズに対して重要な量はその開口数(numerical aper lp+e)である。An important quantity for any lens is its numerical aperture. lp+e).

開口数N、A、 は定量的に次式によって与えられる。The numerical apertures N, A, are quantitatively given by the following equations.

N、A、(開口数)=n−sinθ ここで、θはレンズに入射するもつとも外側の光線と光軸とのなす角(angu lar semi−aperture )であり、nは、その中で光が集束され る媒質の屈折率である。開口数はレンズの解像度および集光性(ligN ga theringpowe「)の尺度となるもので、開口のサイズおよび焦点距離 に影響される。レンズの開口数が、レンズが規準するソースの開口数よりも大き いばあいには、該ソースからの全ての光は平行とされる。一方、レンズの開口数 が、前記ソースの開口数よりも小さいばあいには、前記ソースから発せられる光 のうちあるものは平行とならず、他へ向けられて消失するだろう。レンズが大き な開口数を有するばあいには、“ファースト(last)”と呼ばれる。N, A, (numerical aperture) = n-sinθ Here, θ is the angle between the outermost ray of light incident on the lens and the optical axis. lar semi-aperture), and n is the area in which the light is focused. is the refractive index of the medium. Numerical aperture is determined by lens resolution and light-gathering ability (ligNga is a measure of the aperture size and focal length influenced by. The numerical aperture of the lens is greater than the numerical aperture of the source to which the lens is referenced. In some cases, all light from the source is parallel. On the other hand, the numerical aperture of the lens is smaller than the numerical aperture of the source, the light emitted from the source Some of them will not be parallel, but will be directed toward others and disappear. large lens If it has a numerical aperture, it is called "last".

大きな開口数(1またはそれ以上)の大きなサイズの光学部品(5mmよりも大 きい)に対しては、綿密に設計されたレンズ表面は、従来の研削および艶だしく polishing )の技術によって加工されうる。しかし、小さなサイズの 光学部品(5mmよりも小さい)については、従来の研削および艶だしの技術に よっては、光学的に品質の優れた円柱レンズを製造することはできない。Large size optics (larger than 5mm) with large numerical aperture (1 or more) The carefully engineered lens surface has been polished and polished to a sharp contrast. It can be processed by polishing technology. However, the small size For optical components (smaller than 5mm), conventional grinding and polishing techniques Therefore, it is impossible to manufacture a cylindrical lens with excellent optical quality.

小さなマイクロレンズ(l mmよりも小さい)に対しては、他の技術が開発さ れてきた。マイクロレンズは、感光性ガラスや屈折率に勾配のあるガラス(gr aded indexgla口)を使用して、コンピュータを用いて作成された 回折性の光学部品またはキノフオーム(kinolo+ms )として加工され てきた。これらの技術では、開口数が0.5にせまる、またはそれ以上のレンズ を製造することができなかった。For small microlenses (smaller than 1 mm), other technologies have been developed. It's been coming. Microlenses are made of photosensitive glass or glass with a gradient of refractive index (gr created using a computer using Processed as a diffractive optical component or kinoform (kinolo+ms) It's here. These technologies require lenses with numerical apertures approaching 0.5 or greater. could not be manufactured.

感光性ガラスからマイクロレンズを加工する際には、最初にガラス上にマスクが なされる。そして、レンズとされる部分の外側の材料が光にあてられる。続いて 、前記ガラスが熱せられると、光にさらされた部分は膨張してその体積を増し、 光にさらされないレンズとなる領域は圧縮される。この圧縮により、レンズ領域 が盛り上って簡単なレンズを形成する。When processing microlenses from photosensitive glass, a mask is first placed on the glass. It will be done. The material outside the lens is then exposed to light. continue , when said glass is heated, the part exposed to light expands and increases its volume; The areas that become lenses that are not exposed to light are compressed. This compression allows the lens area swells up to form a simple lens.

屈折率に勾配のあるマイクロレンズ(graded indexmic+ole nse+ )は屈折率を変化させる材料(inder−changing ma +++口1)をガラス中に拡散させることにより形成される。前記拡散工程によ り、レンズの中央から端部にかけてなめらかに変化する屈折率かえられる。この なめらかに変化する屈折率により、従来のレンズよりもはるかに多くの光が集束 される。Microlens with graded index of refraction (graded index+ole) nse+) is a material that changes the refractive index (inder-changing ma +++ It is formed by diffusing the mouth 1) into the glass. The diffusion process The refractive index changes smoothly from the center of the lens to the edges. this Smoothly changing refractive index focuses much more light than traditional lenses be done.

バイナリ−な(binaB1回折性光学部品(所望の方向に光を回折しうる精巧 なパターンのレンズ表面を有する回折性光学部品)またはコンピュータを用いて 作成されたキノフオームにおいては、コンピュータにより作成されたパターンに したかってガラス板の表面がエツチングされる。エツチングされた表面は、焦点 に向けて光を回折して従来のレンズのようにふるまうように設計されている。Binary (binaB1) diffractive optics (sophisticated optical components that can diffract light in a desired direction) using a diffractive optical component with a patterned lens surface) or a computer. In the created kinoform, the computer-generated pattern As a result, the surface of the glass plate is etched. Etched surface is a focal point It is designed to behave like a conventional lens by diffracting light towards the lens.

感光性ガラスから加工された円柱マイクロレンズおよび屈折率に勾配のある平坦 なマイクロレンズは安価に、かつ、多量に製造することができる。しかし、これ らの光学要素は単一ではそのスピード(光を集束させる能力)が開口数で0.2 5から0.32に制限され、さらに球面収差に対して修正されえない。回折性の 光学部品キノフオーム(Dillrac口ve optic kinolo+m s )は収差に対して修正されうるが、開口数が0.5に近い効率のよいキノフ オームレンズには、1/4ミクロンオーダーの石版術が要求され、それは現在の 技術の限界を越えている。Cylindrical microlenses fabricated from photosensitive glass and flat surfaces with gradient refractive index Microlenses can be manufactured inexpensively and in large quantities. But this The speed (ability to focus light) of these optical elements is 0.2 in terms of numerical aperture when used as a single optical element. 5 to 0.32 and cannot be further corrected for spherical aberration. diffractive Optical component kinoform (Dillrac mouth ve optic kinolo+m s) can be corrected for aberrations, but an efficient kinof with a numerical aperture close to 0.5 Ohm lenses require lithography on the order of 1/4 micron, which is currently It's beyond the limits of technology.

円形断面の光ファイバーが円柱レンズとして使用されてきた。光ファイバーは安 価で容易に入手できる。しかし、円形の光ファイバーは球面収差に対して修正で きない。すなわち、そのような光ファイバーはディフラクションー リミテッド ではない。Optical fibers with circular cross sections have been used as cylindrical lenses. Optical fiber is cheap It is easily available at a low price. However, circular optical fibers cannot be corrected for spherical aberration. I can't. In other words, such optical fibers are manufactured by Diffraction Limited. isn't it.

注文設計による、ディフラクション−リミテッドで、ファーストな円柱レンズ、 および、そのようなレンズを安価に製造する方法を提供することが有利であろう 。前記レンズは、多様な入力および出力表面を有するものとして設計されうる。Custom designed cylindrical lens with limited diffraction, and it would be advantageous to provide a method of manufacturing such lenses inexpensively . The lens can be designed with a variety of input and output surfaces.

そのようなレンズはたとえば球面収差を補正するように設計されつる。Such lenses may be designed to correct spherical aberration, for example.

円柱マイクロレンズは一体的な光学部品を製造するため、および、ダイオードレ ーザバーの焦点合わせのために使用される。一体的な光学部品において、綿密に 設計された円柱マイクロレンズは、光を効率的にかつ都合よく、細い導波管また はスリットに導き、またはそこから取り出す。Cylindrical microlenses are used for manufacturing integral optical components and for diode used for focusing the laser bar. In integral optical components, meticulous The designed cylindrical microlens efficiently and conveniently directs light into thin waveguides or is guided into or removed from the slit.

他の応用においては、円柱マイクロレンズは、より高い出力のレーザを取り出す ための、低コストで高効率のダイオードレーザシステムの一部を構成する。現在 、高出力レーザは、高強度フラッシュランプにより光学的に取り出されるゲイン 材料(光を増幅させる固状の結晶やガラス)を有する。このことは効率がわるく 、高い電圧を必要とする。フラッシュランプと比較して、ダイオードレーザは効 率的で寿命が長い。また、電源も、フラッシュランプを発生するのに使用される 電源よりも低電圧のものでよい。フラッシュランプをダイオードレーザで置き換 えれば、電力を節約して高出力レーザの効率を増すことができる。そして、その ような置き換えによれば、信頼性と寿命もまた増加せしめることができるであろ う。In other applications, cylindrical microlenses extract higher power lasers. form part of a low-cost, high-efficiency diode laser system. the current , a high-power laser has a gain extracted optically by a high-intensity flash lamp. It has a material (solid crystal or glass that amplifies light). This is inefficient , requiring high voltage. Compared to flash lamps, diode lasers are less effective. efficient and long-lasting. The power source is also used to generate the flash lamp. It can be of lower voltage than the power supply. Replace flash lamp with diode laser This can save power and increase the efficiency of high-power lasers. And that With such a replacement, reliability and longevity could also be increased. cormorant.

さらにダイオードレーザは実質的に単一の波長を発する。そして、その波長は、 ゲイン材料のスペクトル吸収がゲイン材料内における取出しエネルギー(pum peneBマ)から蓄積エネルギーへの効率のよい転換と合致ないしは調和する ように選択することができる。前記取出しエネルギーは、配列されたダイオード レーザから供給されつる。かかる配列は密に重なる多数のダイオードレーザバー からなる。そのような構成においては、前記ダイオードレーザバーから発せられ る実質的に全ての光が、固状のゲイン材料に集められれば有用である。この目的 のためには、各ダイオードレーザバーからのダイオードレーザビームが前記ゲイ ン材料に向けられることが有利である。前記ビームのうち、前記ゲイン材料に向 けられていない部分は全て失われるエネルギーである。しかし、前記ダイオード レーザバーは約0.5の開口数を有しており、それゆえ、適切な円柱レンズは0 .5またはそれ以上の開口数を有すべきである。しかしそれは現在の技術の限界 を越えている。Additionally, diode lasers emit essentially a single wavelength. And the wavelength is The spectral absorption of the gain material is the extraction energy (pum) within the gain material. consistent or harmonious with efficient conversion from peneB to stored energy. You can choose as follows. The extracted energy is extracted through an array of diodes. Vine powered by laser. Such an array consists of a large number of closely overlapping diode laser bars. Consisting of In such a configuration, the light emitted from the diode laser bar is It is useful if substantially all of the light is collected in the solid gain material. this purpose For the diode laser beam from each diode laser bar is Advantageously, the present invention is directed to the material. Of the beam, a portion of the beam is directed toward the gain material. All the parts that are not highlighted are energy that is lost. However, the diode The laser bar has a numerical aperture of approximately 0.5, so a suitable cylindrical lens has a numerical aperture of approximately 0.5. .. It should have a numerical aperture of 5 or more. But that is the limit of current technology exceeds.

もしそのような円柱レンズかえられれば、0.5以上の開口数を有するディフラ クション−リミテッドな円柱レンズがダイオードレーザからのビームを平行たら しむることかできる。平行ビームは一点に向かって集中することも発散すること もない。つまり、そのようなビーム内の光線は実質的に平行に進む。それに比べ 、集束ビームは焦点に集中し、その後無限に発散する。前記ダイオードレーザバ ーは効率のよいレーザ放射源であるが、その応用において、ダイオードレーザか ら発せられるビームが大きく発散するという問題がある。ダイオードレーザから のビームの発散はその出口開口に起因する。出口開口は1つの軸(“ファースト ”軸)に沿ってきわめて狭く、他の軸(“ファースト”軸に対して垂直な軸)に 沿って極めて広い。発せられたビームの、前記ファースト軸(狭い開口)に沿う 横断面は、回折により大きく発散する。それに比べ、前記広い開口からのビーム の横断面はわずかに発散するだけである。従来の円形断面の光ファイバーは、ダ イオードレーザバーからのビームを平行たらしめるために用いられてきた。しか し、前記円形断面の光ファイバーはディフラクション−リミテッドではなく、こ の円形状には球面収差という不利があり、そのようなファイバーにより集束され る光はその多くの部分が消失するのである。If such a cylindrical lens is replaced, a diffraction lens with a numerical aperture of 0.5 or more can be used. An action-limited cylindrical lens parallelizes the beam from the diode laser. I can feel it. Parallel beams can either concentrate toward one point or diverge. Nor. That is, the rays within such a beam travel substantially parallel. compared to that , the focused beam converges at a focal point and then diverges to infinity. The diode laser bar - is an efficient laser radiation source, but in its application, diode laser There is a problem in that the beam emitted from the beam diverges greatly. from diode laser The divergence of the beam is due to its exit aperture. The exit opening has one axis (“first along the “first” axis) and along the other axis (perpendicular to the “first” axis) It is extremely wide along. Along the first axis (narrow aperture) of the emitted beam The cross section is highly divergent due to diffraction. In comparison, the beam from the wide aperture The cross-sections of are only slightly divergent. Traditional circular cross-section optical fibers It has been used to collimate the beam from an iode laser bar. deer However, the circular cross-section optical fiber is not diffraction-limited. The circular shape of has the disadvantage of spherical aberration, and such a fiber focuses A large part of the light disappears.

発明の概要 本発明によりディフラクション−リミテッドで、高い開口数を有する(速い(l ast))非円形の円柱マイクロレンズを成形する方法が提供される。この方法 は、はとんどあらゆる形状をその光学的表面の片方または両方に有しており、開 口数が1.5程度の大きさの円柱レンズを生産するのに適用できる。この円柱レ ンズはその開口数においてディフラクション−リミテッドであるのがよい。Summary of the invention The present invention provides a diffraction-limited, high numerical aperture (fast (l) ast)) A method of forming non-circular cylindrical microlenses is provided. this method has almost any shape on one or both of its optical surfaces; It can be applied to producing a cylindrical lens with a diameter of about 1.5. This cylindrical The lens should be diffraction-limited in its numerical aperture.

ある実施例においては、前記円柱レンズは双曲線の形状にカーブした光学的表面 を有している。また、他の実施例においてはそれは楕円の形状であってもよい。In some embodiments, the cylindrical lens has a hyperbolically curved optical surface. have. Also, in other embodiments it may be oval in shape.

さらに他の実施例においては、円柱レンズは、与えられたある特定の入力光分布 をある所望の出力光分布に変えるように設計された他の形状であってもよい。In yet other embodiments, the cylindrical lens can be used for a given input light distribution. Other shapes designed to change the output light distribution to some desired output light distribution are also possible.

最終的な製品よりも大きなガラスプレフォームの状態において、前記所望の形状 がまず成形される。この大きさの寸法については、従来の研削技術を用いて前記 所望の形状が形成されうる。そののち、ガラスプレフォームが最低の引抜温度ま で加熱され、そこから所望の寸法のマイクロレンズが引き抜かれる。引き抜かれ ても前記ガラスの断面形状は一定のままである。その結果、断面形状は一定のま まで、その断面寸法が除々に小さくなる。Said desired shape in the form of a glass preform larger than the final product is first formed. Dimensions of this magnitude can be obtained using conventional grinding techniques. Any desired shape can be formed. The glass preform is then heated to the lowest drawing temperature. microlenses of desired dimensions are pulled out from there. pulled out However, the cross-sectional shape of the glass remains constant. As a result, the cross-sectional shape remains constant. Its cross-sectional size gradually decreases until

このことによる利点は、プレフォームの製造段階での不完全性(形状誤差)が、 引き抜かれることにより、問題とならないほど減じられる(1波長以下)ことで ある。The advantage of this is that imperfections (shape errors) during the preform manufacturing stage are By being pulled out, it is reduced to an insignificant amount (less than one wavelength). be.

たとえば、プレフォーム内の0001インチの欠陥は、できあがった円柱レンズ において問題とならない程に減じられるであろう。さらに追加の利点は、引抜き 工程において火力ボリンングないしはファイヤボリシング(firepolis hing)により円柱レンズの表面が光学的になめらかになることである。For example, a 0001 inch defect in the preform will result in a 0001 inch defect in the finished cylindrical lens. will be reduced to such an extent that it will not be a problem. An additional benefit is that the pultrusion In the process, firepower boring or firepolis hing) makes the surface of the cylindrical lens optically smooth.

本発明は、一体化された光学部品、光学的検出器およびダイオードレーザなどに ついて多くの応用か可能である。レンズがダイオードレーザバーに接続されたば あいには、平均出力の高い固状レーザを取り出す、ないしはポンピング(pum ping )ための高強度のレーザ放射源が提供される。一体化された光学部品 においては、レンズは光を導波管などの開口に導いたり、そこから取り出したり するのに用いられる。そのようなレンズは光を集束させて検出器に集めるものに も使用できる。The invention relates to integrated optics, optical detectors and diode lasers, etc. Many applications are possible. Once the lens is connected to the diode laser bar In some cases, a solid-state laser with a high average output power is extracted or pumped. A high-intensity laser radiation source for ping) is provided. integrated optics In , a lens guides light into an aperture such as a waveguide and extracts it from there. used to do. Such lenses focus light onto a detector. can also be used.

図面の簡単な説明 図1は円柱レンズの斜視図、 図2は、図1の楕円表面を有する円柱し、ンズの断面図、図3は、円柱レンズの 形状のガラス製プレフォームの一実施例を示す斜視図、 図4は、円柱レンズの形状のガラス製プレフォームの他の実施例を示す斜視図、 図5は、ガラス製プレフォームを作成するために使用されるガラスロッドの斜視 図、 図6は、本発明の円柱レンズを形成する好ましい方法のフローチャート、 図7は、双曲線表面を有する円柱レンズの断面図、図8は、ダイオードレーザに 接続された円柱レンズの断面図、 図9は、互いに接続されて組立体を形成するダイオードレーザバーと円柱レンズ の斜視図、 図10は、レンズ設計を描くダイアグラム、および図11は、ダイオードレーザ の出口開口から発せられたレーザビームの断面図である。Brief description of the drawing Figure 1 is a perspective view of a cylindrical lens. Figure 2 is a cross-sectional view of the cylindrical lens with the elliptical surface of Figure 1, and Figure 3 is a cross-sectional view of the cylindrical lens. A perspective view showing an example of a glass preform in the shape of FIG. 4 is a perspective view showing another embodiment of a glass preform in the shape of a cylindrical lens; Figure 5 is a perspective view of the glass rod used to create the glass preform. figure, FIG. 6 is a flowchart of a preferred method of forming a cylindrical lens of the present invention; Figure 7 is a cross-sectional view of a cylindrical lens with a hyperbolic surface, and Figure 8 is a cross-sectional view of a cylindrical lens with a hyperbolic surface. Cross section of connected cylindrical lens, Figure 9 shows a diode laser bar and cylindrical lens connected together to form an assembly. A perspective view of Figure 10 is a diagram depicting the lens design, and Figure 11 is a diode laser FIG. 3 is a cross-sectional view of a laser beam emitted from an exit aperture of the laser beam.

発明の詳細な説明 本発明は図を参照することによって、もっともよく理解される。図においては同 一の部分には同一の符号が付されている。Detailed description of the invention The invention is best understood by reference to the drawings. In the figure, the same One part is given the same reference numeral.

図1および図2には円柱レンズ10が示されている。円柱レンズ10は本体II からなり、第1の表面12および第2の表面14を有する。円柱レンズ10は円 柱軸16に沿って一様な断面を有する。図2に示された前記断面は、図1に示さ れた外側を向いた端面17と同じ形状である。図1に示されるように、光線18 が第1の表面12から円柱レンズ10の本体11に入り、第2の表面14を通っ てレンズ10から出ていく。他の形状においては、光の伝播方向が逆にされても よい。A cylindrical lens 10 is shown in FIGS. 1 and 2. FIG. The cylindrical lens 10 is the main body II and has a first surface 12 and a second surface 14. The cylindrical lens 10 is circular It has a uniform cross section along the column axis 16. The cross section shown in FIG. 2 is similar to that shown in FIG. It has the same shape as the end face 17 facing outward. As shown in FIG. enters the body 11 of the cylindrical lens 10 from the first surface 12 and passes through the second surface 14. and exits from the lens 10. In other geometries, even if the direction of light propagation is reversed, good.

円柱レンズ10を通過する光は、第1の表面12および第2の表面14の形状に 大きく影響を受ける。表面12と14の形状、および光の伝播方向に依存して、 出ていく光が、集束されたり、されなかったり、歪曲されたりする。また、その 性質が変化することもある。図示されているように、第1の表面12は平坦であ り、第2の表面I4は凸状である。このように、図1および図2に示されている レンズ10は平行化レンズ(collimating 1ens)である。入力 表面12に形成される光は出力表面14から平行光線として現れる。他の実施例 においては、異なる特性に対して、表面12および14は、凹状や平坦など多様 な形状のいずれであってもよく、異なる曲率半径を有していてもよい。The light passing through the cylindrical lens 10 follows the shape of the first surface 12 and the second surface 14. greatly affected. Depending on the shape of surfaces 12 and 14 and the direction of propagation of the light, The outgoing light may be focused, unfocused, or distorted. Also, that Characteristics may change. As shown, first surface 12 is flat. The second surface I4 is convex. Thus, as shown in Figures 1 and 2 Lens 10 is a collimating lens. input The light formed on surface 12 emerges from output surface 14 as parallel rays. Other examples For different characteristics, surfaces 12 and 14 can be varied, such as concave or flat. They may have any shape and may have different radii of curvature.

本発明によれば、円柱マイクロレンズを加工成形する方法が提供される。この方 法は、(a)非円形の円柱レンズの形状のガラスプレフォーム20(図3〜4) を形成する工程、および(b)前記ガラスプレフォーム20をその断面形状を保 持しつつ断面寸法を減じるように引き抜き加工して開口数の大きな、または他の 望ましい特性を有する円柱マイクロレンズを提供する工程を含む。According to the present invention, a method for processing and molding a cylindrical microlens is provided. This person (a) A glass preform 20 in the shape of a non-circular cylindrical lens (FIGS. 3-4) and (b) maintaining the cross-sectional shape of the glass preform 20. A large numerical aperture or other providing a cylindrical microlens with desirable properties.

図3および4において、ガラスプレフォーム20の例が、20aおよび20bと して概略的に示されている。各ガラスプレフォーム20は第1の表面22および 第2の表面24を含む円柱断面を有する。この断面形状は円柱軸26に沿って一 定である。図3に示された形態においては、ガラスプレフォーム20aは、平坦 な第1の表面22aと、カーブしたないしは湾曲した第2の表面24aを有する 。図4に示された別の形態においては、ガラスプレフォーム20bは、ともにカ ーブした、第1の表面22bおよび第2の表面24bを有する。3 and 4, an example glass preform 20 is shown with 20a and 20b. is shown schematically. Each glass preform 20 has a first surface 22 and It has a cylindrical cross section including the second surface 24. This cross-sectional shape is uniform along the cylinder axis 26. It is fixed. In the configuration shown in FIG. 3, the glass preform 20a is flat a first surface 22a and a curved second surface 24a. . In another form shown in FIG. 4, the glass preform 20b is It has a first surface 22b and a second surface 24b which are curved.

プレフォーム20の特定の形状は、もちろんそれから形成されるであろう円柱レ ンズの望まれる応用につよく依存する。プレフォーム20の形状は、引抜き加工 工程をとおして実質的に維持される。それゆえ、プレフォーム20の断面形状は 、できあがった円柱マイクロレンズ内においである特定の入力光線分布をある所 望の出力光線分布に変換するように選択される。ある実施例においては、プレフ ォーム20の表面22および24のどちらか、または両方が双曲線形状であって もよい。また、他の実施例においては、表面22および24のどちらか、または 両方が楕円形状であってもよい。図4に示される1つの実施例においては、各表 面22b、 24bが図示のように向かい合う関係にある双曲線形状であっても よい。The particular shape of preform 20 will, of course, depend on the cylindrical shape that will be formed therefrom. depends strongly on the desired application of the lenses. The shape of the preform 20 is made by drawing substantially maintained throughout the process. Therefore, the cross-sectional shape of the preform 20 is , a certain input ray distribution inside the completed cylindrical microlens is selected to transform the desired output ray distribution. In some embodiments, the preform Either or both surfaces 22 and 24 of the form 20 have a hyperbolic shape. Good too. In other embodiments, either of surfaces 22 and 24 or Both may be oval in shape. In one embodiment shown in FIG. Even if the surfaces 22b and 24b are in a hyperbolic shape facing each other as shown in the figure, good.

ガラスプレフォーム20を成形するために、研削、モールディングまたは押出し などの多数の従来技術のいずれが使用されてもよい。できあがった円柱マイクロ レンズの品質は、ガラスプレフォーム20の表面の品質に依存する。ガラスプレ フォームになめらかで正確な表面を成形しうる成形技術が選択されるのが好まし い。しかし、本発明の方法は、ガラスプレフォーム20の製造におけるわずかな 形状誤差に対しである許容範囲(lεevay)を与える。たとえば、プレフォ ーム20中の0001 インチの欠陥は、できあがった円柱マイクロレンズにお いて問題とならないほどに減じられる。Grinding, molding or extrusion to form glass preform 20 Any of a number of conventional techniques may be used, such as. The completed cylindrical micro The quality of the lens depends on the quality of the surface of the glass preform 20. glass play Preferably, a molding technique is selected that allows a smooth and precise surface to be molded onto the foam. stomach. However, the method of the present invention reduces the amount of A certain tolerance range (lεevay) is given for the shape error. For example, The 0001-inch defect in beam 20 is the result of a cylindrical microlens. It is reduced to such an extent that it does not become a problem.

好ましい実施例においては、数値制御されたユニバーサルグラインダー(たとえ ば、ペンシルバニア州ヨークにあるウェルトンマシンツール(Weldon M achine Tool!社製の非円形研削のためのコンピュータ数値制御され たワークヘッドをオプションとして有するCNC円柱グラインター、モデル16 32)が、プレフォーム20を成形するのに使用される。ガラスプレフォーム2 0は、たとえば図5に示されたロット30などの円形のガラスロッドから研削加 工されてもよい。前記ユニバーサルグラインダーを使用して、ロッド30は任意 の形状に研削される。このように、ガラスプレフォーム20は無限に多様な形状 に形成することができる。In a preferred embodiment, a numerically controlled universal grinder (e.g. For example, Weldon Machine Tools in York, Pennsylvania. achine Tool! Computer numerically controlled for non-circular grinding manufactured by CNC cylindrical grinder, Model 16 with optional workhead 32) is used to mold the preform 20. glass preform 2 0 is ground from a circular glass rod, such as lot 30 shown in FIG. May be modified. Using the universal grinder, the rod 30 is optional. is ground into the shape of In this way, the glass preform 20 can have an infinite variety of shapes. can be formed into

プレフォーム20をモールディノブにより成形する工程においては、所望の形状 の型が、従来の手段を使用して作成される。従来はその後に溶融ガラスか前記型 内に、注がれまたは圧入され、プレフォーム20が成形される。In the process of molding the preform 20 using moldy knobs, the desired shape is A mold is created using conventional means. Conventionally, after that, molten glass or the above-mentioned mold was used. The preform 20 is then poured or pressed into the mold.

モールディング工程は、プレフォームごとの一定性と正確性という有利な点を有 する。前記型を製造する最初の加工には多くのコストが必要であるが、一旦、型 を製造してしまえば、追加のプレフォーム20は容易に作られつる。The molding process has the advantage of consistency and precision from preform to preform. do. The initial processing to manufacture the mold requires a lot of cost, but once the mold is manufactured, Once the preform 20 has been manufactured, additional preforms 20 can be easily made.

ガラスプレフォーム20は、製造された後、光フアイバー産業において使用され る方法と同様の方法で引抜き加工される。ガラスプレフォーム20は、少なくと も最低の引抜温度(drawing temperatuIe )にまで加熱さ れ、所望の寸法のマイクロレンズファイバーがそこから加工される。ガラスプレ フォーム30の断面形状は、引き抜かれても一定であるが、断面寸法は徐々に小 さくなる。この工程において、表面はファイヤポリレンズ(li+!−poli +bing )により光学的に滑らかになる。ファイヤボリンングは表面温度が 内部温度よりも高いために生じると考えられる。ファイヤポリンングは表皮効果 (skineffect)である。After the glass preform 20 is manufactured, it is used in the fiber optic industry. It is drawn using a method similar to that used for The glass preform 20 includes at least is also heated to the lowest drawing temperature. microlens fibers of desired dimensions are fabricated therefrom. glass play The cross-sectional shape of the foam 30 remains constant even when it is pulled out, but the cross-sectional dimension gradually decreases. It gets colder. In this process, the surface is made of fire polylens (li+!-poli +bing) makes it optically smooth. Fireboring has a surface temperature of This is thought to occur because the temperature is higher than the internal temperature. Fire polling is a skin effect (skin effect).

引抜き工程においては、ガラスプレフォーム20はオーブン内で、少なくとも軟 化温度にまで加熱される。ガラスプレフォーム20は、5LF6などの軟化温度 の低い材料からなることが好ましい。5LF6は、商業上ペンシルバニア州ドゥ リエーのスコツトガラス(Schotj Glai+)社から入手することかで きる。During the drawing process, the glass preform 20 is at least softened in an oven. heated to the temperature of Glass preform 20 has a softening temperature such as 5LF6 It is preferable that the material is made of a material with low . 5LF6 is commercially located in Pennsylvania, Pennsylvania. It can be obtained from Schotj Glai+ in Liée. Wear.

円柱レンズ10(図1参照)を成形加工する好ましい方法が、図6のフローチャ ートに示されている。箱32に示された第1のステップにおいては、ガラスプレ フォーム20は所望の形状に成形される。箱34に示された次のステップにおい ては、ガラスプレフォーム20がオーブン内に配置され、加熱される。このとき 、温度が引抜きに必要な最低温度となるように注意深く制御することが好ましい 。温度を最低に保つことが、引抜きのあいだプレフォーム20がその形状を維持 することを助けると考えられているからである。言い換えれば、プレフォーム2 0のガラス材料が、引抜きを許容するのには充分であるか、表面張力がプレフォ ーム20の形状を実質的に変形させないよう充分低い粘性を有するように引抜温 度は選択されることが好ましい。粘性が高すぎるばあい、または、あまりに長い 時間ガラスがその粘性を保ったばあいには、加熱されたプレフォーム20の表面 張力はプレフォーム20および引き抜かれた円柱レンズの変形の原因となる。も ちろん、いずれの特定の応用のために選択された温度も、プレフォーム20に含 まれる材料に依存して変化する。ある材料の軟化温度は低く、他の材料の軟化温 度は高いからである。箱36に示された次のステップにおいては、プレフォーム 20は、同様の光フアイバー技術を使用して引き抜かれる。プレフォーム20か 引き抜かれると、円柱マイクロレンズファイバーの寸法は減じらりる。たとえば 、前記寸法は1150から1/’100に減しられてもよい。引き抜かれたマイ クロレンズファイバーの最終的な断面寸法(前記第1の光学表面から第2の光学 表面までの距離)は50ミクロン程度の小ささであり、l000ミクロン(1m m)の大きさのものも可能である。引き抜かれた後、マイクロレンズファイバー はシリンダー上に巻き取られるか、または切断されてもよい。箱38に示された 次のステップにおいては、マイクロレンズファイバーは、各応用に依存して所望 の長さを有する部分に切断される。A preferred method for forming the cylindrical lens 10 (see FIG. 1) is according to the flowchart of FIG. as shown in the chart. In the first step, shown in box 32, the glass plate Foam 20 is molded into the desired shape. In the next step indicated in box 34 Then, glass preform 20 is placed in an oven and heated. At this time , the temperature is preferably carefully controlled to be the minimum temperature required for pultrusion. . Keeping the temperature at a minimum ensures that the preform 20 maintains its shape during drawing. This is because it is thought to help. In other words, preform 2 0 glass material is sufficient to permit pull-out or the surface tension is preformed. The drawing temperature is such that the viscosity is low enough to not substantially deform the shape of the beam 20. Preferably, the degree is selected. If the viscosity is too high or too long If the glass retains its viscosity for a period of time, the surface of the heated preform 20 The tension causes deformation of the preform 20 and the pulled cylindrical lens. too Of course, the temperature selected for any particular application may be included in the preform 20. Varies depending on the materials involved. The softening temperature of some materials is low, while the softening temperature of other materials is low. This is because the degree is high. In the next step, shown in box 36, the preform 20 is drawn using similar fiber optic technology. Preform 20? Once drawn, the dimensions of the cylindrical microlens fiber decrease. for example , said dimensions may be reduced from 1150 to 1/'100. Mai was pulled out Final cross-sectional dimensions of the cross-lens fiber (from the first optical surface to the second optical surface) The distance to the surface) is as small as 50 microns, and the distance to the surface is as small as 1000 microns (1 m A size of m) is also possible. After being pulled out, the microlens fiber may be rolled onto a cylinder or cut. shown in box 38 In the next step, the microlens fibers are fabricated as desired depending on each application. cut into pieces having a length of .

図1に示された円柱レンズ10は、本発明の方法にしたがって引き抜かれたマイ クロレンズファイバーの1部分を示している。その円柱レンズ10は、おおよそ 185から220ミクロンのあいだの断面寸法(前記第1の表面12と第2の表 面14とのあいだの距離)で実験的に成形された。The cylindrical lens 10 shown in FIG. A section of a chromelens fiber is shown. The cylindrical lens 10 is approximately A cross-sectional dimension between 185 and 220 microns (said first surface 12 and second surface 12) (distance between surface 14).

図1に示されるような、好ましい実施例においては、第1の表面12は平坦であ り、第2の表面14はカーブしている。より具体的には第2の表面14は楕円形 状である。In a preferred embodiment, as shown in FIG. 1, first surface 12 is flat. In addition, the second surface 14 is curved. More specifically, the second surface 14 is elliptical. It is in a state of

その実施例においては、楕円の環線40が平坦表面12上またはそれに近接して 位置せしめられることか好ましい。In that embodiment, the elliptical ring line 40 is on or near the flat surface 12. It is preferable to be located.

その結果、焦線40から発する発散するビーム42が楕円表面14から出て、平 行光線44となる。このことが図2に断面図によって示されている。この平行光 線44は球面収差に対して補正される。このような形態は、ダイオードレーザな どの小さな開口から生しるビームを平行たらしめることに応用することができる 。逆にいえば、楕円表面14から円柱レンズ10に入る平行光線44は焦線40 に沿って集束するであろう。平坦表面と楕円表面を有する形態のレンズIOは、 一体化された光学部品の検出器や導波管などの開口に光を導くことに応用するこ とができる。このような平坦−楕円の形態の円柱レンズ10は、185 ミクロ ンおよび220ミクロンの焦点距離で成形加工されてきた。As a result, a diverging beam 42 emanating from the focal line 40 emerges from the elliptical surface 14 and flattens out. This becomes a row ray 44. This is illustrated in cross-section in FIG. this parallel light Line 44 is corrected for spherical aberration. This type of configuration is similar to diode lasers. It can be applied to make the beams coming from any small aperture parallel. . Conversely, a parallel ray 44 entering the cylindrical lens 10 from the ellipsoidal surface 14 has a focal line 40. will be focused along. The lens IO has a flat surface and an elliptical surface. It can be applied to guiding light to the aperture of integrated optical components such as detectors and waveguides. I can do it. The cylindrical lens 10 having such a flat-elliptical shape has a diameter of 185 microns. and 220 micron focal length.

これまでにえられたもっともよい結果は、220ミクロンの焦点距離で成形加工 された円柱レンズである。The best results obtained so far have been with a focal length of 220 microns. It is a cylindrical lens.

図1および図10を参照すると、円柱レンズ104よ平坦な第1の表面12と軸 上の平坦波を完全な円筒波に変えうる“パヮード(powe「ed )”な第2 の表面14とを有するように設計されてもよい。“パワード”な表面とは、ビー ムに作用してそれを曲げ、または、その進路を決めるような表面のことである。1 and 10, the cylindrical lens 104 has a flat first surface 12 and an axial A “power” second wave that can change the above flat wave into a perfect cylindrical wave. The surface 14 may be designed to have a surface 14 of . A “powered” surface is a A surface that acts on a system and bends it or determines its course.

以下に示すものは、全ての特定のレンズを設計する際に考慮されるべき事項であ る。図10に示されるように、誘電界面45の頂点と焦点46とのあいだの光路 は、焦点46に向かう他の全ての光路に等しい。Listed below are considerations that should be taken into account when designing any particular lens. Ru. As shown in FIG. 10, the optical path between the apex of the dielectric interface 45 and the focal point 46 is equal to all other optical paths towards focal point 46.

ここで、nlおよびn2はそれぞれ、界面45の左右の媒質の屈折率である。ま たfは界面45から焦点46までの埠点距離である。この等式は、 X=a ・ ・・ (8)に中心軸を有する円錐曲線に対して標準形になおすことここで はそれぞれ、半長軸および半焼軸の平方である。そして、円錐曲線の離心率eは ここで、等式(4)および(6)における下の符号は、nl〉n2のばあいであ る。Here, nl and n2 are the refractive indices of the media on the left and right sides of the interface 45, respectively. Ma f is the distance from the interface 45 to the focal point 46. This equation is: ...Restore the standard form to the conic section with the central axis at (8).Here, are the squares of the semimajor and semimajor axes, respectively. And the eccentricity e of the conic section is Here, the lower signs in equations (4) and (6) are for nl>n2. Ru.

球面収差のない表面には2つの種類がある。屈折率の大きい媒質が右側にあるば あい(すなわち、nl<n2のばあい)、等式(2)におけるy2の項の係数は 正となり、曲線は楕円となる。焦点が屈折率の大きい媒質の内側にあるので、こ の形態は界浸レンズ(9)の特性を有する。屈折率の大きい媒質が左側にあるば あい、等式(2)におけるy2の項の係数は負となり、曲線は双曲線となる。こ の2つの曲線の両方において、レンズの焦点が円錐曲線の焦点と一致する。よっ て、等式(3)および(6)より、焦点距離fは aは、円錐曲線の頂点からその中心までのX軸に沿う距離である。また、eaは 中心から焦点までの距離である。There are two types of surfaces without spherical aberration. If a medium with a large refractive index is on the right side, (i.e., if nl<n2), the coefficient of the y2 term in equation (2) is It is positive and the curve becomes an ellipse. This is because the focal point is inside a medium with a large refractive index. has the characteristics of an immersion lens (9). If the medium with a large refractive index is on the left side, In this case, the coefficient of the term y2 in Equation (2) is negative, and the curve becomes a hyperbola. child In both of the two curves, the focus of the lens coincides with the focus of the conic section. Okay From equations (3) and (6), the focal length f is a is the distance along the X axis from the apex of the conic section to its center. Also, ea is It is the distance from the center to the focal point.

焦点距離は半長軸に比例し、離心率(等式(6))は屈折率のみに依存するので 、レンズの直径を一定の縮尺で設計すれば、焦点距離も一定の縮尺で設計される 。Since the focal length is proportional to the semi-major axis and the eccentricity (Equation (6)) depends only on the refractive index, , if the lens diameter is designed to a certain scale, the focal length will also be designed to a certain scale. .

平坦−楕円の形態のレンズに対する開口数の最大値は、理論的には となる。ここで、n2はレンズ内の屈折率、n 1は周辺の媒質の屈折率である 。また、aは楕円の半長軸の長さであり、bは楕円の半焼軸の長さである。通常 のばあいのように、楕円形状のレンズが空気中にあるばあい、開口数の最大値は M、N、A’、ell=、/M”了 となる。たとえば、楕円形状のレンズが5FL6で成形され、波長が800nm の光に対して1.78の屈折率を有するばあいには、開口数の最大値は1.47 となる。もちろん、さらに屈折率の大きい材料によってレンズを形成すれば、さ らに大きな開口数がえられるであろう。The maximum numerical aperture for a flat-elliptical lens is theoretically becomes. Here, n2 is the refractive index within the lens, and n1 is the refractive index of the surrounding medium. . Further, a is the length of the semi-major axis of the ellipse, and b is the length of the semi-major axis of the ellipse. usually When an elliptical lens is in air, as in the case of , the maximum numerical aperture is M, N, A’, ell=, /M” completed becomes. For example, an elliptical lens is molded with 5FL6 and the wavelength is 800nm. If the refractive index is 1.78 for light, the maximum numerical aperture is 1.47. becomes. Of course, if the lens is made of a material with an even higher refractive index, An even larger numerical aperture would be obtained.

平坦−楕円の形態の円柱レンズ10はこれまで加工成形されてきた。0.75c mの幅のプレフォーム20は、数値制御されたユニバーサルグラインダーにより 5FL60・ソド原料から成形される。前記楕円レンズは220ミクロンの焦点 距離を有しており、その屈折率は178であった。また、半長軸aは141.0  ミクロン、半焼軸すは117.0 ミクロン、離心率eは056であった。レ ンズの厚さは、当該レンズが屈折率にマツチした光学的セメントを用いて、ダイ オードレーザの出力ファセットに直接とりつけることができるように220ミク ロンの焦点距離にほぼマ・ソチするよう選択された。さらに、完全にディフラク ション−リミテッドなふるまいが、干渉写真による分析によって観察された。1 50ミクロンの開口(開口数は06)におけるディフラクション−リミテッドな ふるまいがインターフェロメトリー分析(in!erle+omeHic an alyiit)によって測定された。Cylindrical lenses 10 in the form of flat-ellipsoids have heretofore been fabricated. 0.75c The preform 20 with a width of m is made by a numerically controlled universal grinder. Molded from 5FL60/Sodo raw materials. The elliptical lens has a focal point of 220 microns. The refractive index was 178. Also, the semi-major axis a is 141.0 The semi-baked shaft was 117.0 microns, and the eccentricity e was 056. Re The thickness of the lens is determined by the thickness of the lens, using an optical cement that matches the refractive index. 220 micrometers so that it can be attached directly to the output facet of the laser. Ron's focal length was chosen to be approximately the same. In addition, completely diffrac tion-limited behavior was observed by interferographic analysis. 1 Diffraction-limited at 50 micron aperture (numerical aperture 06) Behavior is interferometric analysis (in!erle+omeHic an alyiit).

他の好ましい実施例においては、第1の表面12が平坦であって、第2の表面1 4が双曲線の形状であってもよい。In other preferred embodiments, the first surface 12 is flat and the second surface 1 4 may have a hyperbolic shape.

図7には、この好ましい実施例における横断面および該横断面のそこを通過する 光に対する効果が示されている。FIG. 7 shows a cross section in this preferred embodiment and a section through the cross section. The effect on light is shown.

焦点48から伝播する光ビーム47が円柱レンズlOに向かって発散する。第2 の表面14から入った光は平行ビーム49となり、平坦な第1の表面12から出 ていく。平行ビーム49は球面収差に対して補正される。このような形態は、ダ イオードレーザなどの点状源からのビームを平行たらしむるための自立形(tr ee−+tanding )レンズとして応用することができる。逆にいえば、 平坦な第1の表面12から円柱レンズ10に入る平行ビーム49は、双曲線形状 の第2の表面14に到達するまでは何の影響も受けず、第2の表面14から出て いくときに、点48に向かって集束される。このような形態は、一体化された光 学部品の検出器や導波管などの開口に光を導くための自立形レンズとして応用す ることができる。このような平坦−双曲線の形態の円柱レンズの開口数の最大値 は となる。ここで、aは半長軸であり、bは半焼軸である。A light beam 47 propagating from a focal point 48 diverges towards a cylindrical lens lO. Second The light entering from the surface 14 becomes a parallel beam 49 and exits from the flat first surface 12. To go. The parallel beam 49 is corrected for spherical aberration. This form is A free-standing (tr ee-+tanding) It can be applied as a lens. Conversely, The parallel beam 49 entering the cylindrical lens 10 from the flat first surface 12 has a hyperbolic shape. is unaffected until it reaches the second surface 14 of the As it moves, it is focused toward point 48. Such a form is an integrated light It can be applied as a free-standing lens to guide light to the aperture of a detector or waveguide in a medical component. can be done. The maximum numerical aperture of such a flat-hyperbolic cylindrical lens teeth becomes. Here, a is the semi-long axis and b is the semi-burned axis.

また、eは離心率であり、n2はレンズの屈折率、nlは周辺の媒質の屈折率で ある。空気中における通常のばあいには、開口数の最大値は となる。5FL6からなる双曲線レンズが空気中にあるばあい、その開口数の最 大値は083である。これに比べ、5FL6からなる楕円レンズは最大で1.4 7の開口数を有しており、きわめて大きい開口数を有している。Also, e is the eccentricity, n2 is the refractive index of the lens, and nl is the refractive index of the surrounding medium. be. Under normal conditions in air, the maximum numerical aperture is becomes. When a hyperbolic lens consisting of 5FL6 is in air, its maximum numerical aperture is The maximum value is 083. In comparison, an elliptical lens consisting of 5FL6 has a maximum of 1.4 It has a numerical aperture of 7, which is an extremely large numerical aperture.

図8に示されているように、第1の表面12が接着に適切な形状を有するばあい には、円柱レンズlOaはダイオードレーザの光学的ファセットなどの外部表面 に接着されてもよい。その断面が示されているダイオードレーザ50は半導体接 続52を含んでおり、該半導体接続52は、ファッセト56上に配置された発光 開口54からレーザ光線を発スる。接続52は、レージングのためのゲイン材料 を提供し、レーザキャビィティを定める。レーザビーム58は、発光開口54か ら矢印60の方向に発光される。図11はレーザビーム58の発光開口54にお ける断面の一例を示している。ビーム58の狭い部分はファースト軸(las+  axis )62を定め、ビーム58の広い部分は長軸(long 21口) 64を定める。出口開口54においては、ビーム58はたとえば1ミクロンの幅 65、および、たとえば7ミクロンの長さ66を有している。しかし、回折の影 響によりビーム58か、長軸66に沿うよりも速くファースト軸62に沿って発 散することはよく知られている。If the first surface 12 has a shape suitable for adhesion, as shown in FIG. In this case, the cylindrical lens lOa is attached to an external surface such as the optical facet of a diode laser. may be glued to. A diode laser 50, the cross section of which is shown, is connected to a semiconductor. the semiconductor connection 52 includes a light emitting connection 52 disposed on the facet 56; A laser beam is emitted from the aperture 54. Connection 52 is the gain material for lasing. and define the laser cavity. The laser beam 58 is emitted from the light emitting aperture 54. The light is emitted in the direction of arrow 60. FIG. 11 shows the emission aperture 54 of the laser beam 58. An example of a cross section is shown. The narrow portion of beam 58 is aligned with the first axis (las+ axis) 62, and the wide part of the beam 58 is the long axis (long 21 ports) 64. At the exit aperture 54, the beam 58 is e.g. 1 micron wide. 65 and a length 66 of, for example, 7 microns. However, the shadow of diffraction The sound causes the beam 58 to fire faster along the fast axis 62 than along the long axis 66. It is well known that it spreads.

接着などの利用できるいずれかの手段によって、ファセット56は円柱レンズ1 0の第1の表面12aに接続されている。レンズ10の屈折率にマツチした(i n+Iex malch+d )光学的セメント67が使用されることが好まし い。その代りとして、ファセット56と第1の表面12aは、屈折率に合致した オイルなどの材料によって分離され、ダイオード50がレンズlOaに他の機械 的手段によって接続されていてもよい。第1の表面12aに接続されたファセッ ト56により、ダイオードレーザ50からのレーザ光線を効率的にレンズIOa 内に導< (coupling)ことができる。By any available means such as gluing, the facets 56 are attached to the cylindrical lens 1. 0 first surface 12a. Matched the refractive index of lens 10 (i n+Iex malch+d) Optical cement 67 is preferably used. stomach. Alternatively, facet 56 and first surface 12a are index-matched. Separated by a material such as oil, the diode 50 connects the lens lOa to another machine. They may be connected by physical means. a facet connected to the first surface 12a; 56, the laser beam from the diode laser 50 is efficiently directed to the lens IOa. It can be coupled within.

はとんどの実施例において、円柱軸+6(図1参照)かダイオードレーザ50の 長軸64(図11参照)に平行となるようにレンズIOが配置されることが有利 である。そのような形態においては、レンズ10のパワードな第2の表面14は 、大きく発散するレーザビーム58のファースト軸62に作用するするように配 置される。In most embodiments, the cylindrical axis +6 (see FIG. 1) or the diode laser 50 Advantageously, the lens IO is arranged parallel to the long axis 64 (see FIG. 11). It is. In such configurations, the powered second surface 14 of the lens 10 is , arranged to act on the fast axis 62 of the highly divergent laser beam 58. be placed.

ある実施例においては、第2の表面14は楕円形状であり、発光開口54は前記 楕円の焦点にほとんど近接して配置される。そのような実施例においては、レン ズlOaから出ていくレーザビーム58は、ファースト軸62に沿って実質的に 平行、ないしはファスト軸に沿って実質的に規準されている(collimal ed)。In some embodiments, second surface 14 is elliptical in shape and light emitting aperture 54 is elliptical in shape. It is placed almost close to the focal point of the ellipse. In such embodiments, the lens The laser beam 58 exiting the lens lOa is substantially aligned along the fast axis 62. collimal or substantially aligned along the fast axis ed).

他の実施例においては、円柱レンズ10は、大きく発散するビーム58のファー スト軸62の発散を小さくするような形状である。たとえば、第2の表面14の カーブは、ビーム58がその長軸64に沿う発散と同じようにそのファースト軸 62に沿って発散するように選択されてもよい。そうすることによって、軸62 および64の両方に沿ってほぼ等しく発散するビーム58をうることができる。In other embodiments, the cylindrical lens 10 may provide a far divergent beam 58. The shape is such that the divergence of the strike shaft 62 is reduced. For example, the second surface 14 The curve is similar to the divergence of beam 58 along its long axis 64 as well as its first axis. may be chosen to diverge along 62. By doing so, the shaft 62 and 64 can result in a beam 58 that is approximately equally divergent along both.

円柱レンズ10は、出力ファセット56と第1の表面I2とを接続するのに適切 な形状を有するものであれば、どんなタイプのダイオードレーザ50と接続され てもよい。図9にはダイオードレーザバー70が示されている。該ダイオードレ ーザバー70は、実質的にその長さ71の幅のレーザ光線を発する。円柱レンズ 10はダイオードレーザバー70に接続されて組立体72を形成する。レンズ1 0の円柱軸16(図1参照)はダイオードレーザバー70の長Id16B=平行 に配置されている。レンズ14のカーブした第2の表面14はどんな形状でもよ いが、レンズ10から発せられるレーザビーム74がそのファースト軸62に沿 って実質的に平行となるように表面14の形状が選択されれば好ましい。Cylindrical lens 10 is suitable for connecting output facet 56 and first surface I2. Any type of diode laser 50 can be connected as long as it has a suitable shape. It's okay. A diode laser bar 70 is shown in FIG. The diode The laser bar 70 emits a laser beam having a width substantially equal to its length 71. cylindrical lens 10 is connected to a diode laser bar 70 to form an assembly 72 . lens 1 0 cylinder axis 16 (see FIG. 1) is parallel to the length Id16B of the diode laser bar 70 It is located in The curved second surface 14 of the lens 14 can be of any shape. However, if the laser beam 74 emitted from the lens 10 is Preferably, the shape of the surfaces 14 is selected so that the surfaces 14 are substantially parallel.

たとえば、カーブした第2の表面14が、その形状かファースト軸62に沿って 楕円形状であり、該楕円の焦点が発光開口54(図8参照)に近接するように形 成されれば、レンズ10から発せられるレーザビーム74はそのファースト軸6 2に沿って実質的に平行となるであろう。For example, if the curved second surface 14 is It has an elliptical shape, and is shaped so that the focal point of the ellipse is close to the light emitting aperture 54 (see FIG. 8). If this is done, the laser beam 74 emitted from the lens 10 will have its first axis 6 2 will be substantially parallel.

図2に示されるように第2の表面が楕円形状である円柱レンズ10の実施例にお いては、楕円の焦点を第1の表面12に近接して配置することが好ましいという ことかいわれてきた。プレフォーム20はこのような形態で設計されてもよいが 、製造上の不完全性により、引き抜かれた円柱レンズ10の現実の悼点は第1の 表面12に関連して変化するだろう。それゆえ、ある応用においては、光学表面 12に近接する焦点を、図2中の点76などの位置となるように設計することが 好ましいてあろう。このように、実際に円柱レンズ10を成形するときは、発光 開口54に関するレンズIOの位置は、出力ビーム74がそのファースト軸62 に沿って実質的に平行となるような位置へと調整されてもよい。この位置におい ては、ビーム74は、レンズ10の焦点カーブに依存するある角度でレンズ10 から出ていく。In an embodiment of a cylindrical lens 10, the second surface of which is elliptical, as shown in FIG. It is preferred that the focus of the ellipse be located close to the first surface 12. It has been said that. Although the preform 20 may be designed in such a form, , due to manufacturing imperfections, the actual point of the pulled out cylindrical lens 10 is the first one. It will vary in relation to the surface 12. Therefore, in some applications, optical surfaces 12 can be designed to be at a position such as point 76 in FIG. That would be preferable. In this way, when actually molding the cylindrical lens 10, the light emitting The position of lens IO with respect to aperture 54 is such that output beam 74 has its first axis 62 may be adjusted to a position such that they are substantially parallel to each other. smell this position In other words, beam 74 is directed toward lens 10 at an angle that depends on the focal curve of lens 10. I'm leaving.

ダイオードレーザバー70は、効率的でコンパクトなレーサ放射源であり、ダイ オードレーザとレンズとの組立体72においてレンズ10と接続されれば、多く の応用が可能である。たとえば、配列された、ダイオードレーザとレンズとの組 立体72が互いに接続されれば、効率がよく強度の高い平行光線出力をうろこと ができる。そのような組立体72は固状のレーザ材料からレーザ光線を取り出す のにたいへん適したパッケージを提供する。Diode laser bar 70 is an efficient and compact laser radiation source that If connected to the lens 10 in the laser and lens assembly 72, many can be applied. For example, an array of diode lasers and lenses If the three-dimensional objects 72 are connected to each other, they can output parallel light beams with high efficiency and intensity. Can be done. Such an assembly 72 extracts the laser beam from the solid laser material. We offer a package that is very suitable for

本発明は、その精神および本質的特徴からはずれなければ、他の特定の形態で実 施されてもよい。ここに述べられた実施例はすべての点において単なる例示にす ぎずそれらに制限されるものでないと考えられるべきであり、それゆえ、本発明 の範囲はここまでの記載よりもむしろ添付の請求の範囲によって決められる。請 求の範囲の文言およびその均等範囲に含まれるすべての変更は本発明の範囲に含 まれるべきである。The invention may be carried out in other specific forms without departing from its spirit or essential characteristics. may be applied. The embodiments described herein are in all respects merely illustrative. However, the present invention should not be considered as being limited thereto. The scope of is determined by the appended claims rather than by the foregoing description. request All changes that come within the scope of the claims and their equivalents are included within the scope of the invention. should be

20ら 、−10 FIG、 7 マ 要 約 本発明によりディフラクション−リミテッドで、高い開口数を有する(速い(l ast))円柱マイクロレンズ(10)が提供される。このマイクロレンズ(1 0)を製造する方法は、はとんどあらゆる形状をその光学的表面に有する円柱レ ンズを生産するのに適用できる。この円柱レンズは与えられたある特定の入力光 分布を所望の出力光分布に変えるように設計された双曲線または楕円の形状であ ってもよい。前記方法においては、ガラスプレフォーム(20)の状態で前記所 望の形状かまず成形される。この後、ガラスプレフォームが最低の引抜温度まで 加熱され、そこからファイバー(10)が引き抜かれる。えられたファイバーの 断面形状は、それか引き抜かれたプレフォームの断面形状そのままである。引抜 き工程においてファイヤポリンングによりその表面が光学的になめらかになる。20 et al. , -10 FIG. 7 Ma summary The present invention provides a diffraction-limited, high numerical aperture (fast (l) ast)) A cylindrical microlens (10) is provided. This micro lens (1 The method for producing It can be applied to produce lenses. This cylindrical lens is A hyperbolic or elliptical shape designed to change the distribution to the desired output light distribution. You can. In the method, the glass preform (20) is The desired shape is first molded. After this, the glass preform is brought to the lowest drawing temperature. It is heated and the fiber (10) is drawn therefrom. of the obtained fiber The cross-sectional shape remains that of the preform from which it was drawn. Pulling out In the process, the surface is optically smoothed by fire polishing.

本発明は、一体化された光学部品、光学的検出器およびダイオードレーザなどに ついて多くの応用が可能である。The invention relates to integrated optics, optical detectors and diode lasers, etc. Many applications are possible.

レンズ(10)は、ダイオードレーザバー(70)に接続されたばあい、高い平 均出力のソリッドステートレーザをボンピングするための高い強度を有するレー ザ放射源を提供することができる。レンズは一体化された光学部トして、光をウ ニイブガイドのような装置に導き、そして取り出すめたに用いることかできる。The lens (10) has a high flat surface when connected to the diode laser bar (70). High intensity laser for pumping solid state lasers with equal power The radiation source can be provided. The lens has an integrated optical part that directs light It can be used to guide and remove devices such as nib guides.

さらに、レンズは集光して検出器に集束させることができる。Additionally, the lens can collect and focus light onto a detector.

国際調査報告international search report

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.第1軸および該第1軸と直角な第2軸を定める発光開口を備えたダイオード レーザと、 該ダイオードレーザの出口ファセットに接着された円柱状マイクロレンズ とからなり、 該円柱状マイクロレンズが前記第2軸と平行な円柱の軸を有してなるレーザー放 射光線を供給するためのレーザー組立体。1. a diode with a light emitting aperture defining a first axis and a second axis perpendicular to the first axis; laser and A cylindrical microlens glued to the exit facet of the diode laser It consists of a laser beam in which the cylindrical microlens has a cylindrical axis parallel to the second axis; Laser assembly for providing a beam of light. 2.前記ダイオードレーザが、その第1軸に沿う幅よりも実質的に長い、その第 2軸に沿う発光開口を有すダイオードレーザバーからなる請求項1記載のレーザ ー組立体。2. The diode laser has a width along its first axis that is substantially longer than a width along its first axis. 2. A laser according to claim 1, comprising a diode laser bar having a light emitting aperture along two axes. -Assembly. 3.円柱状マイクロレンズが、第1軸に沿う光線の発散がほぼ第2軸に沿う光線 の発散に調和するように、ダイオードレーザから発射されるレーザー放射線の第 1軸を部分的に視準する形状を呈してなる請求項1記載のレーザー組立体。3. A cylindrical microlens allows light rays along the first axis to diverge almost along the second axis. The laser radiation emitted from the diode laser is 2. The laser assembly of claim 1, wherein the laser assembly is configured to partially collimate one axis. 4.円柱状マイクロレンズが、ダイオードレーザから発射されたレーザー放射線 の第1軸を視準する形状を有してなる請求項1記載のレーザー組立体。4. A cylindrical microlens captures the laser radiation emitted from a diode laser. 2. The laser assembly of claim 1, wherein the laser assembly is configured to collimate a first axis of the laser. 5.前記円柱状マイクロレンズが楕円状光学面を有してなる請求項1記載のレー ザー粗立体。5. The laser according to claim 1, wherein the cylindrical microlens has an elliptical optical surface. Zar coarse solid. 6.前記円柱状マイクロレンズが、ダイオードレーザの発光開口に近接した無線 を有してなる請求項5記載のレーザー組立体。6. The cylindrical microlens is located close to the light emitting aperture of the diode laser. 6. The laser assembly according to claim 5, comprising: 7.前記円柱状マイクロレンズが、ダイオードレーザのファセットに接着される 平面を有してなる請求項1記載のレーザー組立体。7. The cylindrical microlens is glued to the facet of the diode laser. 2. The laser assembly of claim 1, comprising a flat surface. 8.円柱状レンズとダイオードレーザの出口ファセットとのあいだの薄層に配設 される、円柱状レンズに調和する屈折率を有した光学部材を有してなる請求項7 記載のレーザー組立体。8. Placed in a thin layer between the cylindrical lens and the exit facet of the diode laser Claim 7 comprising an optical member having a refractive index that matches the cylindrical lens. Laser assembly as described. 9.円柱状レンズをダイオードレーザの出口ファセットに接着するための、円柱 状レンズに調和する屈折率を有した光学的セメントを有してなる請求項8記載の レーザー組立体。9. Cylindrical lens for bonding the cylindrical lens to the exit facet of the diode laser 9. The optical cement according to claim 8, comprising an optical cement having a refractive index matched to the shaped lens. laser assembly. 10.ファースト軸を定める狭い領域および長軸を定める実質的により長い領域 を有する発光開口を備えたダイオードレーザバーと、 前記ダイオードレーザの出口ファセットに接着される円柱状のマイクロレンズ とからなり、 該円柱状マイクロレンズが、前記開口から発射されるレーザー光線のファースト 軸を実質的に視準する形状を有してなる、少なくとも1本の軸に実質的に平行に されたレーザー放射線を供給するためのレーザー組立体。10. A narrow region defining the fast axis and a substantially longer region defining the long axis a diode laser bar with a light emitting aperture having a a cylindrical microlens glued to the exit facet of the diode laser; It consists of The cylindrical microlens allows the laser beam emitted from the aperture to substantially parallel to at least one axis, having a shape that substantially collimates the axis; a laser assembly for supplying laser radiation; 11.前記円柱状マイクロレンズが楕円状光学面を有してなる請求項10記載の レーザー組立体。11. 11. The cylindrical microlens according to claim 10, wherein the cylindrical microlens has an elliptical optical surface. laser assembly. 12.前記円柱状マイクロレンズが、ダイオードレーザの出口ファセットに近接 した焦線を有してなる請求項11記載のレーザー組立体。12. The cylindrical microlens is close to the exit facet of the diode laser. 12. The laser assembly of claim 11, wherein the laser assembly has a focal line. 13.前記円柱状マイクロレンズが、ダイオードレーザの出口ファセットに接着 される平面を有してなる請求項10記載のレーザー組立体。13. The cylindrical microlens is glued to the exit facet of the diode laser. 11. The laser assembly of claim 10, having a flat surface. 14.円柱状レンズとダイオードレーザの出口ファセットとのあいだに配設され る、円柱状レンズに調和する屈折率を有した光学部材を有してなる請求項13記 載のレーザー組立体。14. disposed between the cylindrical lens and the exit facet of the diode laser. 14. An optical member having a refractive index that matches the cylindrical lens. Laser assembly included. 15.円柱状レンズをダイオードレーザの出口ファセットに接着するための、円 柱状レンズに調和する屈折率を有した光学的セメントを有してなる請求項14記 載のレーザー組立体。15. Circular for gluing the cylindrical lens to the exit facet of the diode laser 15. An optical cement having a refractive index matched to the columnar lens. Laser assembly included. 16.ダイオードレーザのファセットが接着されるために調和した形状を呈する 第1の光学面と、該第1の光学面の反対側に位置する第2の光学面とを有してお り、 該第2の光学面が第1の光学面から50〜1000ミクロンの範囲に位置する楕 円状を呈しており、該楕円が、レンズの外側であって第1の光学面に近接した位 置に焦点を有してなる、ダイオードレーザの出力を平行化するための円柱状マイ クロレンズ。16. The facets of the diode laser are glued together to give them a harmonious shape. It has a first optical surface and a second optical surface located on the opposite side of the first optical surface. the law of nature, The second optical surface is an ellipse located within a range of 50 to 1000 microns from the first optical surface. It has a circular shape, and the ellipse is located on the outside of the lens and close to the first optical surface. A cylindrical micrometer for collimating the output of a diode laser with a focal point at Kuro Lens. 17.第1の光学面がマイクロレンズの円柱軸に平行な平面からなる請求項16 記載の円柱状マイクロレンズ。17. Claim 16: The first optical surface is a plane parallel to the cylindrical axis of the microlens. The cylindrical microlens described.
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