JPH08222817A - レーザダイオードビームのエネルギを集中させる方法および装置 - Google Patents
レーザダイオードビームのエネルギを集中させる方法および装置Info
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- JPH08222817A JPH08222817A JP7324919A JP32491995A JPH08222817A JP H08222817 A JPH08222817 A JP H08222817A JP 7324919 A JP7324919 A JP 7324919A JP 32491995 A JP32491995 A JP 32491995A JP H08222817 A JPH08222817 A JP H08222817A
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- G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、複数のレーザビームのような電磁
ビームのエネルギを集中する方法を提供することを目的
とする。 【解決手段】 第１および第２の軸ビーム平面に沿って
第１の開口数とそれより小さい第２の開口数とをそれぞ
れ有する複数の電磁ビーム24を、それらの第１の軸ビー
ム平面および第２の軸ビーム平面が互いに平行になるよ
うに配置し、焦点平面26で重畳された画像と第２の開口
数とほぼ一致する結合された開口数が得られるようにビ
ーム24を第１の軸ビーム平面に沿って投影し、焦点平面
26において第２の開口数を保持するようにビームをそれ
らの第２の軸ビーム平面に沿って案内することを特徴と
する。
ビームのエネルギを集中する方法を提供することを目的
とする。 【解決手段】 第１および第２の軸ビーム平面に沿って
第１の開口数とそれより小さい第２の開口数とをそれぞ
れ有する複数の電磁ビーム24を、それらの第１の軸ビー
ム平面および第２の軸ビーム平面が互いに平行になるよ
うに配置し、焦点平面26で重畳された画像と第２の開口
数とほぼ一致する結合された開口数が得られるようにビ
ーム24を第１の軸ビーム平面に沿って投影し、焦点平面
26において第２の開口数を保持するようにビームをそれ
らの第２の軸ビーム平面に沿って案内することを特徴と
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にレーザビー
ムに関し、特にレーザダイオードビームのエネルギを集
中させる方法および装置に関する。
ムに関し、特にレーザダイオードビームのエネルギを集
中させる方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザダイオードは、それらのダ
イオード接合部と同じ平面にある非常に小さい（典型的
に、約１ミクロン× 200ミクロン）放射開口を有する。
それらはまた他のレーザより著しく大きいビーム発散角
度（ビームの両側のエッジ間の角度）を有する。ダイオ
ード接合部に平行な典型的な発散角度（“スロー平
面”）は10°であり、ダイオード接合部に垂直な典型的
な発散角度（“ファースト平面”）は40°である。それ
自身の伝播軸に関して、レーザダイオードビームは、ス
ロー軸ビーム平面（最初、接合平面）に沿った開口数お
よびさらにファースト軸ビーム平面（最初、ダイオード
平面に垂直な）に沿った大きい開口数を限定することが
できる。
イオード接合部と同じ平面にある非常に小さい（典型的
に、約１ミクロン× 200ミクロン）放射開口を有する。
それらはまた他のレーザより著しく大きいビーム発散角
度（ビームの両側のエッジ間の角度）を有する。ダイオ
ード接合部に平行な典型的な発散角度（“スロー平
面”）は10°であり、ダイオード接合部に垂直な典型的
な発散角度（“ファースト平面”）は40°である。それ
自身の伝播軸に関して、レーザダイオードビームは、ス
ロー軸ビーム平面（最初、接合平面）に沿った開口数お
よびさらにファースト軸ビーム平面（最初、ダイオード
平面に垂直な）に沿った大きい開口数を限定することが
できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】多数のレーザダイオー
ドは、例えば20乃至30ワットの相当な合計出力パワーを
生成する数百個の間隔を隔てられたダイオードを含むバ
ーおよびアレイで製造されている。レーザダイオードが
効率的であっても、放散されたパワーの除去はこのよう
な構造では重要な問題である。レーザダイーオード出力
がファイバ光学系において使用される場合、レーザダイ
オードの能動光放射開口は光ファイバの光搬送コアに結
合されなければならない。光ファイバコアおよびレーザ
ダイオードの光放射開口は共にミクロン単位の精度で測
定されるため、正確な機械的整列が臨界的になる。典型
的に結合技術は、レーザダイオードビームの発散角度が
大きく、光ファイバ直径が小さいために短い焦点距離の
マイクロレンズの使用を伴う。例えば、米国特許第5,12
7,068 号明細書には、多モードの光ファイバに多数のエ
ミッタレーザダイオードを結合する装置が記載されてい
る。それには、レーザダイオード出力放射をコリメート
するために小さい直径の光ファイバのような円筒形のマ
イクロレンズが使用されている。コリメートは、レーザ
ダイオードの高い発散軸で行われ、マイクロレンズとし
て使用される光ファイバの直径は、結合されたファイバ
のものにほぼ等しく選択される。前記米国特許明細書に
示された実施例において、光ファイバアレイは、複数の
間隔を隔てられたダイオードエミッタを有するダイオー
ドバーに結合される。ファイバアレイの各ファイバは、
ダイオードバーのダイオードの間隔と整合する間隔を有
し、マイクロレンズ光ファイバは、ダイオードバーとフ
ァイバアレイとの間に配置され、レーザダイオードバー
の長手に沿って延在するように方向付けられている。ア
レイのファイバは 250ミクロンの直径を有する。マイク
ロレンズも250ミクロンの直径を有し、レーザダイオー
ド放射面からほぼ50ミクロン、また結合された光ファイ
バの端部から約 300ミクロン間隔を隔てられている。こ
のような小さい間隔は困難な整列問題を生じさせるが、
結合構造によって要求さられる短い焦点距離のマイクロ
レンズのために必要である。記載されている結合構造は
また、分離した出力光ファイバがダイオードバーにおけ
る付加的なレーザダイオードのそれぞれに対して付加さ
れることを必要とする。
ドは、例えば20乃至30ワットの相当な合計出力パワーを
生成する数百個の間隔を隔てられたダイオードを含むバ
ーおよびアレイで製造されている。レーザダイオードが
効率的であっても、放散されたパワーの除去はこのよう
な構造では重要な問題である。レーザダイーオード出力
がファイバ光学系において使用される場合、レーザダイ
オードの能動光放射開口は光ファイバの光搬送コアに結
合されなければならない。光ファイバコアおよびレーザ
ダイオードの光放射開口は共にミクロン単位の精度で測
定されるため、正確な機械的整列が臨界的になる。典型
的に結合技術は、レーザダイオードビームの発散角度が
大きく、光ファイバ直径が小さいために短い焦点距離の
マイクロレンズの使用を伴う。例えば、米国特許第5,12
7,068 号明細書には、多モードの光ファイバに多数のエ
ミッタレーザダイオードを結合する装置が記載されてい
る。それには、レーザダイオード出力放射をコリメート
するために小さい直径の光ファイバのような円筒形のマ
イクロレンズが使用されている。コリメートは、レーザ
ダイオードの高い発散軸で行われ、マイクロレンズとし
て使用される光ファイバの直径は、結合されたファイバ
のものにほぼ等しく選択される。前記米国特許明細書に
示された実施例において、光ファイバアレイは、複数の
間隔を隔てられたダイオードエミッタを有するダイオー
ドバーに結合される。ファイバアレイの各ファイバは、
ダイオードバーのダイオードの間隔と整合する間隔を有
し、マイクロレンズ光ファイバは、ダイオードバーとフ
ァイバアレイとの間に配置され、レーザダイオードバー
の長手に沿って延在するように方向付けられている。ア
レイのファイバは 250ミクロンの直径を有する。マイク
ロレンズも250ミクロンの直径を有し、レーザダイオー
ド放射面からほぼ50ミクロン、また結合された光ファイ
バの端部から約 300ミクロン間隔を隔てられている。こ
のような小さい間隔は困難な整列問題を生じさせるが、
結合構造によって要求さられる短い焦点距離のマイクロ
レンズのために必要である。記載されている結合構造は
また、分離した出力光ファイバがダイオードバーにおけ
る付加的なレーザダイオードのそれぞれに対して付加さ
れることを必要とする。
【０００４】円筒形レンズを使用した場合、円形の断面
を有する光ファイバは、円形の焦点形状を生成する。米
国特許第5,080,706 号明細書には、例えば楕円形および
双曲線等の他の光学的に望ましい焦点形状を有するシリ
ンダマイクロレンズの形成方法が記載されている。これ
らの形状は、良好な焦点特性を提供するが、このような
シリンダマイクロレンズは、レーザダイオードビームの
焦点を結ぶために使用された場合、依然として短い焦点
距離を有していなければならない。
を有する光ファイバは、円形の焦点形状を生成する。米
国特許第5,080,706 号明細書には、例えば楕円形および
双曲線等の他の光学的に望ましい焦点形状を有するシリ
ンダマイクロレンズの形成方法が記載されている。これ
らの形状は、良好な焦点特性を提供するが、このような
シリンダマイクロレンズは、レーザダイオードビームの
焦点を結ぶために使用された場合、依然として短い焦点
距離を有していなければならない。
【０００５】パラボラおよび楕円形の反射面の特性は、
光学分野においてよく知られている。電磁放射線の焦点
を結ぶために軸外れパラボラおよび楕円形の反射面、す
なわちパラボラおよび楕円形状の非対称部分を使用した
第１の例は、米国特許第4,325,633 号明細書に記載され
ている。第２の例は、サンタ・バーバラ・リサーチ・セ
ンターに譲渡された米国特許第5,155,354 号明細書に記
載されている。
光学分野においてよく知られている。電磁放射線の焦点
を結ぶために軸外れパラボラおよび楕円形の反射面、す
なわちパラボラおよび楕円形状の非対称部分を使用した
第１の例は、米国特許第4,325,633 号明細書に記載され
ている。第２の例は、サンタ・バーバラ・リサーチ・セ
ンターに譲渡された米国特許第5,155,354 号明細書に記
載されている。
【０００６】本発明の目的は、一定ではない開口数を有
する電磁ビームのエネルギを集中する方法および装置を
提供することである。例示的なビームは、第１および第
２の軸ビーム平面にそれぞれ沿って第１の開口数および
それより小さい第２の開口数を定めるレーザダイオード
ビームである。
する電磁ビームのエネルギを集中する方法および装置を
提供することである。例示的なビームは、第１および第
２の軸ビーム平面にそれぞれ沿って第１の開口数および
それより小さい第２の開口数を定めるレーザダイオード
ビームである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的は、本発明によ
って提供される。本発明は、これらのビームがそれらの
第１の軸ビーム平面が実質的に平行であり、それらの第
２の軸ビーム平面が実質的に平行であるように配置され
ているならば、ビームは、焦点平面においてそれらの第
２の開口数を維持するようにそれらのスロー軸ビーム平
面に沿って案内されている間に焦点平面において重畳さ
れた画像および結合された開口数でそれらのファースト
軸ビーム平面に沿って投影されることができることの認
識に基づいている。結合された開口数が第２の開口数と
実質的に整合しているならば、ビームは第２の開口数に
それらの開口数を整合することによって高められる効率
を有する光ファイバの入口開口中に焦点平面で受取られ
ることができることが認められる。光ファイバのパッキ
ング効率もまた、これらの機能ステップによって焦点平
面に生成された画像寸法にそれらの断面積を整合するこ
とによって高められる。
って提供される。本発明は、これらのビームがそれらの
第１の軸ビーム平面が実質的に平行であり、それらの第
２の軸ビーム平面が実質的に平行であるように配置され
ているならば、ビームは、焦点平面においてそれらの第
２の開口数を維持するようにそれらのスロー軸ビーム平
面に沿って案内されている間に焦点平面において重畳さ
れた画像および結合された開口数でそれらのファースト
軸ビーム平面に沿って投影されることができることの認
識に基づいている。結合された開口数が第２の開口数と
実質的に整合しているならば、ビームは第２の開口数に
それらの開口数を整合することによって高められる効率
を有する光ファイバの入口開口中に焦点平面で受取られ
ることができることが認められる。光ファイバのパッキ
ング効率もまた、これらの機能ステップによって焦点平
面に生成された画像寸法にそれらの断面積を整合するこ
とによって高められる。
【０００８】ビームのエネルギは、中間ファイバの出口
端をまとめてコンパクトなパターンにすることによって
さらに集中されることができることもまた認められる。
単一またはアレイのいずれかの状態のファイバは、リレ
ーレンズによって縮小して投影されることができる。実
現可能な縮小率は、ファイバまたはファイバアレイの面
積を1/52倍に減少させた場合に約7.2 倍である。所望の
場合には、この集中されたエネルギパターンは、整合し
たまたはそれより大きい面積および開口数の光ファイバ
の端部に与えられ、ファイバを通って選択された通路に
沿って伝送されることができる。この集中されたエネル
ギの典型的な適用には、内部フォト・カテーテル、フォ
トダイナミック治療、溶接、ろう付けおよびマーキング
が含まれる。
端をまとめてコンパクトなパターンにすることによって
さらに集中されることができることもまた認められる。
単一またはアレイのいずれかの状態のファイバは、リレ
ーレンズによって縮小して投影されることができる。実
現可能な縮小率は、ファイバまたはファイバアレイの面
積を1/52倍に減少させた場合に約7.2 倍である。所望の
場合には、この集中されたエネルギパターンは、整合し
たまたはそれより大きい面積および開口数の光ファイバ
の端部に与えられ、ファイバを通って選択された通路に
沿って伝送されることができる。この集中されたエネル
ギの典型的な適用には、内部フォト・カテーテル、フォ
トダイナミック治療、溶接、ろう付けおよびマーキング
が含まれる。
【０００９】好ましい実施例において、第１の開口数を
減少して、焦点平面にビームを導く軸外れパラボラ反射
面にビームを導くように構成されたレンズを含む結合器
が形成される。この実施形態は、焦点平面の両側に間隔
を隔てられたクラッド壁を有し、それらのスロー発散平
面に沿ってビームを焦点平面に導く。
減少して、焦点平面にビームを導く軸外れパラボラ反射
面にビームを導くように構成されたレンズを含む結合器
が形成される。この実施形態は、焦点平面の両側に間隔
を隔てられたクラッド壁を有し、それらのスロー発散平
面に沿ってビームを焦点平面に導く。
【００１０】別の好ましい実施例において、ビームを焦
点平面に導く軸外れ楕円形反射面を含む結合器が形成さ
れる。第２の軸外れ楕円形反射面は遠い側の焦点を第１
の反射面と共有して、共通の焦点平面で重畳した画像を
得るように構成されている。
点平面に導く軸外れ楕円形反射面を含む結合器が形成さ
れる。第２の軸外れ楕円形反射面は遠い側の焦点を第１
の反射面と共有して、共通の焦点平面で重畳した画像を
得るように構成されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、特に添付された特許請求の
範囲により本発明の新しい特徴を詳細に説明する。本発
明は以下の詳細な説明および添付図面から理解されるで
あろう。図１は、複数のレーザダイオードバー22からの
レーザビームエネルギをそれらの画像を重畳することに
よって集中させる好ましい実施例の光学系20の上側面図
である。特に、光学系20は最初に光結合器28の焦点平面
26上にダイオードバー22のレーザビーム24を投影して案
内し、次にリボンファイバ装置32および投影レンズ34に
よって焦点平面26のエネルギを出力光ファイバ30中に導
く。
範囲により本発明の新しい特徴を詳細に説明する。本発
明は以下の詳細な説明および添付図面から理解されるで
あろう。図１は、複数のレーザダイオードバー22からの
レーザビームエネルギをそれらの画像を重畳することに
よって集中させる好ましい実施例の光学系20の上側面図
である。特に、光学系20は最初に光結合器28の焦点平面
26上にダイオードバー22のレーザビーム24を投影して案
内し、次にリボンファイバ装置32および投影レンズ34に
よって焦点平面26のエネルギを出力光ファイバ30中に導
く。
【００１２】光結合器28は、複数の円筒型レンズ36（円
筒型レンズは、縦軸に沿って一定の光学断面を有するも
のである）と、第１のダイオード軸に沿った発散レーザ
ビームのイメージを焦点平面26上に投影するように構成
されているパラボラミラー38（円筒型レンズは縦軸に沿
って一定の光学断面を有する）とを含む。レーザビーム
の発散は、光結合器28内の内面全反射によって第２のダ
イオード軸に沿って制御され、それによって焦点平面26
に案内される。その後、レーザビームエネルギは焦点平
面26から結合され、リボンファイバ装置32に沿って転送
され、出力光ファイバ30の端部に投影される。レーザダ
イオードによって放散された熱を除去するために、ダイ
オードバー22は例えば水冷の銅またはセラミックブロッ
ク等の熱シンク40の凹部内に収容されている。
筒型レンズは、縦軸に沿って一定の光学断面を有するも
のである）と、第１のダイオード軸に沿った発散レーザ
ビームのイメージを焦点平面26上に投影するように構成
されているパラボラミラー38（円筒型レンズは縦軸に沿
って一定の光学断面を有する）とを含む。レーザビーム
の発散は、光結合器28内の内面全反射によって第２のダ
イオード軸に沿って制御され、それによって焦点平面26
に案内される。その後、レーザビームエネルギは焦点平
面26から結合され、リボンファイバ装置32に沿って転送
され、出力光ファイバ30の端部に投影される。レーザダ
イオードによって放散された熱を除去するために、ダイ
オードバー22は例えば水冷の銅またはセラミックブロッ
ク等の熱シンク40の凹部内に収容されている。
【００１３】したがって、ダイオードバー22中の全ての
ダイオードによって生成されたエネルギは、光ファイバ
30中に集中させられる。この集中されたエネルギは、出
力ファイバの断面積と大きさが類似している領域への供
給のために出力ファイバによって小さい複雑な路に沿っ
て案内される。
ダイオードによって生成されたエネルギは、光ファイバ
30中に集中させられる。この集中されたエネルギは、出
力ファイバの断面積と大きさが類似している領域への供
給のために出力ファイバによって小さい複雑な路に沿っ
て案内される。
【００１４】主光学系素子の拡大図によって光学系20を
説明する。したがって、図２のａ、ｂおよびｃはリボン
ファイバ装置32の受信端部、側面および送信端部の図を
それぞれ示す。図３および４はそれぞれ光結合器28の拡
大した側面図および後方正面図である。図５のａは、図
３の曲線５Ａ内のレンズおよびダイオードバー構造の拡
大図である。最後に図５のｂおよびｃはそれぞれ図５の
ａのダイオードの下面図および正面図である。図面を明
瞭にするために、図３乃至５には熱シンク40を示されて
いない。
説明する。したがって、図２のａ、ｂおよびｃはリボン
ファイバ装置32の受信端部、側面および送信端部の図を
それぞれ示す。図３および４はそれぞれ光結合器28の拡
大した側面図および後方正面図である。図５のａは、図
３の曲線５Ａ内のレンズおよびダイオードバー構造の拡
大図である。最後に図５のｂおよびｃはそれぞれ図５の
ａのダイオードの下面図および正面図である。図面を明
瞭にするために、図３乃至５には熱シンク40を示されて
いない。
【００１５】最初に、図５のａ乃至ｃに示されたレーザ
ダイオードバー22を詳細に検討する。各ダイオードバー
22は、複数の間隔を隔てられたレーザ放射開口44を含
む。各開口44は、その大きさが実質的にレーザダイオー
ドの能動接合部領域の大きさである光共振器の放射端で
ある。ダイオードバー22における各レーザダイオード
は、その接合部平面と平行な“スロー”軸、およびその
接合部平面に対して垂直な“ファースト軸”に沿って光
を放射する。レーザダイオードのビームは、スロー軸放
射平面よりもはるかに速くファースト軸放射平面に沿っ
て発散する。
ダイオードバー22を詳細に検討する。各ダイオードバー
22は、複数の間隔を隔てられたレーザ放射開口44を含
む。各開口44は、その大きさが実質的にレーザダイオー
ドの能動接合部領域の大きさである光共振器の放射端で
ある。ダイオードバー22における各レーザダイオード
は、その接合部平面と平行な“スロー”軸、およびその
接合部平面に対して垂直な“ファースト軸”に沿って光
を放射する。レーザダイオードのビームは、スロー軸放
射平面よりもはるかに速くファースト軸放射平面に沿っ
て発散する。
【００１６】ダイオードバーは、一般に平面に沿って間
隔を隔てられたダイオード接合部を製造され、各ダイオ
ード接合部のスロー軸はその平面に存在し、ファースト
軸はその平面に対して垂直である。したがって、図５の
ｂの平面図は、ダイオードバー22の各ダイオードのスロ
ー軸と平行な放射パターン46を示し、一方図５のａの端
部図は各ダイオードのファースト軸と平行な放射パター
ン48を示す。各レーザビーム24は、スロー軸に沿った発
散角50およびファースト軸に沿った発散角52を定める。
隔を隔てられたダイオード接合部を製造され、各ダイオ
ード接合部のスロー軸はその平面に存在し、ファースト
軸はその平面に対して垂直である。したがって、図５の
ｂの平面図は、ダイオードバー22の各ダイオードのスロ
ー軸と平行な放射パターン46を示し、一方図５のａの端
部図は各ダイオードのファースト軸と平行な放射パター
ン48を示す。各レーザビーム24は、スロー軸に沿った発
散角50およびファースト軸に沿った発散角52を定める。
【００１７】したがって、各レーザビーム24は、それ自
身の伝播軸に関連された場合、スロー軸ビーム平面に沿
った発散角50、およびスロー軸ビーム平面に対して垂直
なファースト軸ビーム平面に沿った発散角52を有する。
発散角50および52の値の例は、それぞれ10°および40°
である。放射開口44の方形寸法の例は 1×100 ミクロン
であり、ダイオード間隔の例は 500ミクロンである。例
示的なダイオードバー22の長さは１cmである。
身の伝播軸に関連された場合、スロー軸ビーム平面に沿
った発散角50、およびスロー軸ビーム平面に対して垂直
なファースト軸ビーム平面に沿った発散角52を有する。
発散角50および52の値の例は、それぞれ10°および40°
である。放射開口44の方形寸法の例は 1×100 ミクロン
であり、ダイオード間隔の例は 500ミクロンである。例
示的なダイオードバー22の長さは１cmである。
【００１８】図５のａで認められるように、各ダイオー
ドバー22はコリメートレンズ36から間隔を隔てられてい
る。各レーザビーム24のそのファースト軸ビーム平面に
沿った発散は、コリメートレンズ36によって実質的にゼ
ロの発散角に減少される。すなわち、コリメートレンズ
36を通過して後、各レーザビーム24の全ての光線は、フ
ァースト軸ビーム平面において実質的に平行である。図
５のａの図を簡明にするために、ダイオードバー22を１
つだけ示す。
ドバー22はコリメートレンズ36から間隔を隔てられてい
る。各レーザビーム24のそのファースト軸ビーム平面に
沿った発散は、コリメートレンズ36によって実質的にゼ
ロの発散角に減少される。すなわち、コリメートレンズ
36を通過して後、各レーザビーム24の全ての光線は、フ
ァースト軸ビーム平面において実質的に平行である。図
５のａの図を簡明にするために、ダイオードバー22を１
つだけ示す。
【００１９】図３を参照すると、光結合器28の軸を外れ
たパラボラ反射面38からの各レーザビーム24の反射が示
されている。軸を外れたパラボラ面38は、コリメートさ
れたレーザビーム24と平行な軸58を有するパラボラシリ
ンダ56の一部分である。パラボラシリンダ56の焦点は軸
58と破線62との交差点によって示され、その軸方向の焦
点距離は矢印63によって示されている。光結合器28は、
パラボラシリンダ56の焦点において焦点平面26を限定す
るように構成されている。レーザビーム24はパラボラ軸
58と平行であるため、それらは焦点平面26上に焦点を結
ばれる。すなわちコリメートレンズ36および反射面38の
組合せがそれらのファースト軸ビーム平面に沿ってレー
ザビーム24を焦点平面26に投影する。図４の後方正面図
に示されているように、焦点を結んだレーザビーム24
は、それらの画像が重畳される焦点平面26上に画像ライ
ン66を限定する。
たパラボラ反射面38からの各レーザビーム24の反射が示
されている。軸を外れたパラボラ面38は、コリメートさ
れたレーザビーム24と平行な軸58を有するパラボラシリ
ンダ56の一部分である。パラボラシリンダ56の焦点は軸
58と破線62との交差点によって示され、その軸方向の焦
点距離は矢印63によって示されている。光結合器28は、
パラボラシリンダ56の焦点において焦点平面26を限定す
るように構成されている。レーザビーム24はパラボラ軸
58と平行であるため、それらは焦点平面26上に焦点を結
ばれる。すなわちコリメートレンズ36および反射面38の
組合せがそれらのファースト軸ビーム平面に沿ってレー
ザビーム24を焦点平面26に投影する。図４の後方正面図
に示されているように、焦点を結んだレーザビーム24
は、それらの画像が重畳される焦点平面26上に画像ライ
ン66を限定する。
【００２０】さらに図４に示されているように、光結合
器28はまたスロー軸ビーム平面に対して実質的に直交
し、レーザビーム24のファースト軸ビーム平面と反対側
に間隔を隔てられた１対の間隔をおいて平行な案内壁7
0、72を限定する。したがって、ビーム24の光線は、図
５のｂに示されたスロー発散角50の１／２に等しい角度
でこれらの壁に近付く。各壁70、72は、レーザビーム24
の内面全反射を得るために十分な屈折率を有するクラッ
ドをそれぞれ有している。
器28はまたスロー軸ビーム平面に対して実質的に直交
し、レーザビーム24のファースト軸ビーム平面と反対側
に間隔を隔てられた１対の間隔をおいて平行な案内壁7
0、72を限定する。したがって、ビーム24の光線は、図
５のｂに示されたスロー発散角50の１／２に等しい角度
でこれらの壁に近付く。各壁70、72は、レーザビーム24
の内面全反射を得るために十分な屈折率を有するクラッ
ドをそれぞれ有している。
【００２１】この内面全反射は、図４の曲線６内の構造
の拡大図である図６に示されている。この図において、
壁72およびその上に支持されたクラッド74によって形成
された屈折境界面から内側に反射された例示的なレーザ
光線76が示されている。良く知られているように、光線
76の内面全反射は、壁72との入射角がｓｉｎ-1（ｎ2／
ｎ1 ）によって定められた臨界角より大きい場合に得ら
れ、ここでｎ2 はクラッド74の屈折率であり、ｎ1 は光
結合器の本体の屈折率である。
の拡大図である図６に示されている。この図において、
壁72およびその上に支持されたクラッド74によって形成
された屈折境界面から内側に反射された例示的なレーザ
光線76が示されている。良く知られているように、光線
76の内面全反射は、壁72との入射角がｓｉｎ-1（ｎ2／
ｎ1 ）によって定められた臨界角より大きい場合に得ら
れ、ここでｎ2 はクラッド74の屈折率であり、ｎ1 は光
結合器の本体の屈折率である。
【００２２】例えば、結合器28が 1.6の屈折率を有する
ガラスから形成され、クラッド74が1.575 の屈折率を有
している場合、臨界角は80°である。スネル(Snell) の
法則によると、レーザビーム24のスロー軸発散は、光結
合器28の材料の屈折率によって変化する。すなわち、図
５のｂに示された10°の１／２のダイオードスロー軸発
散は結合器28内においてｓｉｎ-1（ｓｉｎ5/1.6 ）＝3.
12°に変化させられる。例示的な光線76は、90−3.12＝
86.88 °の壁との入射角を有する（表面との入射角は、
表面に垂直なラインに関して限定される）。これは臨界
角より大きいため、内面全反射が得られ、光線76は示さ
れているように壁72から反射される。すなわち、壁72お
よびクラッド74の光学媒体がそれらの隣接面に沿って屈
折境界面を形成する。例示的なクラッド材料は、二酸化
シリコンおよびほとんどのエポキシを含む。
ガラスから形成され、クラッド74が1.575 の屈折率を有
している場合、臨界角は80°である。スネル(Snell) の
法則によると、レーザビーム24のスロー軸発散は、光結
合器28の材料の屈折率によって変化する。すなわち、図
５のｂに示された10°の１／２のダイオードスロー軸発
散は結合器28内においてｓｉｎ-1（ｓｉｎ5/1.6 ）＝3.
12°に変化させられる。例示的な光線76は、90−3.12＝
86.88 °の壁との入射角を有する（表面との入射角は、
表面に垂直なラインに関して限定される）。これは臨界
角より大きいため、内面全反射が得られ、光線76は示さ
れているように壁72から反射される。すなわち、壁72お
よびクラッド74の光学媒体がそれらの隣接面に沿って屈
折境界面を形成する。例示的なクラッド材料は、二酸化
シリコンおよびほとんどのエポキシを含む。
【００２３】したがって、壁70、72によって限定される
屈折境界面は、レーザビーム24を含み、それらをスロー
軸ビーム平面に沿って焦点平面26にそれらを導く。結果
として、レーザビーム24が焦点平面26から空気中へ出る
ことが可能にされた場合、それらは図４におけるライン
80，82によって限定された包絡線内に含まれ、ここにお
いてこれらのラインは図５のｂのスロー軸発散角度50に
等しい角度84を有することになる。
屈折境界面は、レーザビーム24を含み、それらをスロー
軸ビーム平面に沿って焦点平面26にそれらを導く。結果
として、レーザビーム24が焦点平面26から空気中へ出る
ことが可能にされた場合、それらは図４におけるライン
80，82によって限定された包絡線内に含まれ、ここにお
いてこれらのラインは図５のｂのスロー軸発散角度50に
等しい角度84を有することになる。
【００２４】図１乃至５の構造を導入して、光学系20の
動作に検討する。この動作は、例示的なシステム設計を
参照して最もよく説明されることが可能であり、その説
明は開口数、倍率および回折限界の光学概念を使用する
ことによって容易に行なわれる。
動作に検討する。この動作は、例示的なシステム設計を
参照して最もよく説明されることが可能であり、その説
明は開口数、倍率および回折限界の光学概念を使用する
ことによって容易に行なわれる。
【００２５】開口数（Ｎ．Ａ．）は、光学素子の光集束
倍率の尺度であり、式Ｎ．Ａ．＝ｎｓｉｎφによって表
され、ここでｎは屈折率であり、φは放射線パターンの
１／２角度である。例えば、スローおよびファースト軸
ビーム平面に沿ったダイオードビーム24の放射線の開口
数は、簡単には角度φs およびφf がそれぞれ図５のａ
乃至ｃの発散角度50および52の１／２であるｓｉｎφs
およびｓｉｎφf である。これは、空気の屈折率が１の
結果である。光ファイバに適応した場合、開口数は受光
角度すなわちファイバによって伝送するために受取られ
る光線の最大円錐形を表わす。光ファイバの開口数は
｛（ｎcr）2 −（ｎcd）2 ｝1/2 から計算可能であり、
ここでｎcrはファイバコアの屈折率であり、ｎcdはファ
イバクラッドの屈折率である。
倍率の尺度であり、式Ｎ．Ａ．＝ｎｓｉｎφによって表
され、ここでｎは屈折率であり、φは放射線パターンの
１／２角度である。例えば、スローおよびファースト軸
ビーム平面に沿ったダイオードビーム24の放射線の開口
数は、簡単には角度φs およびφf がそれぞれ図５のａ
乃至ｃの発散角度50および52の１／２であるｓｉｎφs
およびｓｉｎφf である。これは、空気の屈折率が１の
結果である。光ファイバに適応した場合、開口数は受光
角度すなわちファイバによって伝送するために受取られ
る光線の最大円錐形を表わす。光ファイバの開口数は
｛（ｎcr）2 −（ｎcd）2 ｝1/2 から計算可能であり、
ここでｎcrはファイバコアの屈折率であり、ｎcdはファ
イバクラッドの屈折率である。
【００２６】反射光学系（反射および回折の法則が適用
するもの）において、倍率は画像の高さと開口数との積
が光学系の任意の段階で一定であること、すなわちＨ
（ｎｓｉｎφ）＝Ｃを示す正弦法則によって決定され
る。したがって、光学系に沿った種々の点における画像
の高さの比率の逆数は、それらの点における素子の開口
数の比率によって表されることになる。例えば、Ｈi お
よびＨf がそれぞれ光学系の最初および最後の素子の画
像の高さである場合、光学系の幾何学的な倍率は、ｍ＝
Ｈf ／Ｈi ＝（ｎi ｓｉｎφi ）／（ｎf ｓｉｎφf ）
により表される。
するもの）において、倍率は画像の高さと開口数との積
が光学系の任意の段階で一定であること、すなわちＨ
（ｎｓｉｎφ）＝Ｃを示す正弦法則によって決定され
る。したがって、光学系に沿った種々の点における画像
の高さの比率の逆数は、それらの点における素子の開口
数の比率によって表されることになる。例えば、Ｈi お
よびＨf がそれぞれ光学系の最初および最後の素子の画
像の高さである場合、光学系の幾何学的な倍率は、ｍ＝
Ｈf ／Ｈi ＝（ｎi ｓｉｎφi ）／（ｎf ｓｉｎφf ）
により表される。
【００２７】回折限界は、点光源の最小の可能な画像を
決定する光の波動特性の結果である。これは、装置の解
像度に基本波限界を与える。すなわち、光学画像の鮮明
度は回折によって課された限界を決して越えない。この
限界に達した画像を“回折制限された”という。薄い方
形の開口は、中心バーの両側で間隔を隔てられた平行な
光のバーからなる回折パターンを発生する。中心バーの
一側における放射線ミニマムから他方の側のミニマムま
での幅は、Ｗ＝λ／ｎ ｓｉｎφ＝λ／Ｎ．Ａ．であ
り、ここでλは放射線波長である。この幅内のエネルギ
は、ビームエネルギ全体のほぼ90％である。
決定する光の波動特性の結果である。これは、装置の解
像度に基本波限界を与える。すなわち、光学画像の鮮明
度は回折によって課された限界を決して越えない。この
限界に達した画像を“回折制限された”という。薄い方
形の開口は、中心バーの両側で間隔を隔てられた平行な
光のバーからなる回折パターンを発生する。中心バーの
一側における放射線ミニマムから他方の側のミニマムま
での幅は、Ｗ＝λ／ｎ ｓｉｎφ＝λ／Ｎ．Ａ．であ
り、ここでλは放射線波長である。この幅内のエネルギ
は、ビームエネルギ全体のほぼ90％である。
【００２８】同様に、円形開口は、間隔を隔てられたリ
ングによって包囲された中心スポットを有する回折パタ
ーンを生成する。中心スポットの一側における放射線ミ
ニマムから他方の側のミニマムまでの直径は、Ｄ＝1.22
λ／ｎ ｓｉｎφ＝1.22λ／Ｎ．Ａ．である。この直径
内のエネルギは、全ビームエネルギのほぼ87％である。
ングによって包囲された中心スポットを有する回折パタ
ーンを生成する。中心スポットの一側における放射線ミ
ニマムから他方の側のミニマムまでの直径は、Ｄ＝1.22
λ／ｎ ｓｉｎφ＝1.22λ／Ｎ．Ａ．である。この直径
内のエネルギは、全ビームエネルギのほぼ87％である。
【００２９】例示的な光学設計の始めに、製作目標を図
１の投影レンズ34の出力の開口数に対して0.5 を設定す
る。出力ファイバ30および0.5 の開口数として使用する
ために0.5 の開口数（30°の許容角度）を有する光ファ
イバを容易に得ることができるため、これは妥当なゴー
ルであり、小さい視界および関連した狭い波長帯域に対
して回折制限されたレンズが設計されることができる。
レーザビーム24の開口数はそれらのスローおよびファー
スト軸ビーム平面に対してそれぞれｓｉｎ 5°＝0.087
および20°＝0.342 である。
１の投影レンズ34の出力の開口数に対して0.5 を設定す
る。出力ファイバ30および0.5 の開口数として使用する
ために0.5 の開口数（30°の許容角度）を有する光ファ
イバを容易に得ることができるため、これは妥当なゴー
ルであり、小さい視界および関連した狭い波長帯域に対
して回折制限されたレンズが設計されることができる。
レーザビーム24の開口数はそれらのスローおよびファー
スト軸ビーム平面に対してそれぞれｓｉｎ 5°＝0.087
および20°＝0.342 である。
【００３０】ファイバのものより低い入口開口数を有す
るエネルギがファイバを通過しながら膨脹して、実質的
にそのファイバの出口開口数を有することは光ファイバ
の伝送特性である。本質的に、これは、ファイバを通過
することでエネルギ密度が失われたことを意味する。し
たがって、効率的なビーム集中システムのためには、結
合されたレーザビーム24の開口数（すなわち、図３の先
端角91に対応した開口数）が、図１の焦点平面26におい
てリボンファイバ装置32の開口数と厳密に整合すること
が好ましい。リボンファイバ装置32の幅は、レーザ画像
ライン（図４の66）のものと整合することも好ましい。
るエネルギがファイバを通過しながら膨脹して、実質的
にそのファイバの出口開口数を有することは光ファイバ
の伝送特性である。本質的に、これは、ファイバを通過
することでエネルギ密度が失われたことを意味する。し
たがって、効率的なビーム集中システムのためには、結
合されたレーザビーム24の開口数（すなわち、図３の先
端角91に対応した開口数）が、図１の焦点平面26におい
てリボンファイバ装置32の開口数と厳密に整合すること
が好ましい。リボンファイバ装置32の幅は、レーザ画像
ライン（図４の66）のものと整合することも好ましい。
【００３１】したがって、本発明の特徴によると、光結
合器28は結合されたファースト軸ビーム平面開口数およ
びスロー軸ビーム平面開口数を焦点平面26において実質
的に整合するように構成されることが好ましい。スロー
軸ビーム平面開口数は間隔を隔てられた屈折壁70，72
（図３および４参照）によって維持され、それらが焦点
平面にビームを案内するので、この平面における開口数
は焦点平面26で依然として0.087 である。その後、レン
ズ36およびパラボラミラー38によるファースト軸ビーム
平面に沿った投影が結合されたレーザビーム24に対して
実質的に同じ0.087 の開口数を実現するように構成され
る。実施例の光学系20において、これは最初にビーム24
をコリメートし、次にパラボラミラー38の適切な焦点距
離を選択することによって達成される。
合器28は結合されたファースト軸ビーム平面開口数およ
びスロー軸ビーム平面開口数を焦点平面26において実質
的に整合するように構成されることが好ましい。スロー
軸ビーム平面開口数は間隔を隔てられた屈折壁70，72
（図３および４参照）によって維持され、それらが焦点
平面にビームを案内するので、この平面における開口数
は焦点平面26で依然として0.087 である。その後、レン
ズ36およびパラボラミラー38によるファースト軸ビーム
平面に沿った投影が結合されたレーザビーム24に対して
実質的に同じ0.087 の開口数を実現するように構成され
る。実施例の光学系20において、これは最初にビーム24
をコリメートし、次にパラボラミラー38の適切な焦点距
離を選択することによって達成される。
【００３２】図３は、ダイオードバー22からコリメート
されたレーザビーム24がパラボラ面38に接近したときに
垂直方向の空間88内に含まれ、レーザビーム24が焦点平
面26を照射したときに先端角91内に含まれることを示し
ている。ｎg ｓｉｎφf がファースト軸ビーム平面開口
数（ｎg が光結合器28のガラスの屈折率である）である
場合、先端角91は半分の角度φf の２倍である（同様
に、ｎg ｓｉｎφs がスロー軸ビーム平面開口数である
場合、図５のｂの先端角84は半分の角度φs の２倍であ
る）。
されたレーザビーム24がパラボラ面38に接近したときに
垂直方向の空間88内に含まれ、レーザビーム24が焦点平
面26を照射したときに先端角91内に含まれることを示し
ている。ｎg ｓｉｎφf がファースト軸ビーム平面開口
数（ｎg が光結合器28のガラスの屈折率である）である
場合、先端角91は半分の角度φf の２倍である（同様
に、ｎg ｓｉｎφs がスロー軸ビーム平面開口数である
場合、図５のｂの先端角84は半分の角度φs の２倍であ
る）。
【００３３】付加的なレーザダイオードバー22は空間88
を増加させるが、パラボラミラー38の焦点距離の対応し
た変化は、所望の0.087 のファースト軸ビーム平面開口
数、または等価に同じ先端角91を維持することができる
ことが明らかである。コリメートレンズ36の焦点距離が
増加された場合、これはまた空間88を増加させる。再
び、これはパラボラミラー38の焦点距離の適切な増加に
よってオフセットされることができる。したがって、本
発明の教示は、レーザダイオードバー22とレンズ36との
間の間隔（図３）が合理的なシステム整列要求にしたが
って選択されることを可能にする。
を増加させるが、パラボラミラー38の焦点距離の対応し
た変化は、所望の0.087 のファースト軸ビーム平面開口
数、または等価に同じ先端角91を維持することができる
ことが明らかである。コリメートレンズ36の焦点距離が
増加された場合、これはまた空間88を増加させる。再
び、これはパラボラミラー38の焦点距離の適切な増加に
よってオフセットされることができる。したがって、本
発明の教示は、レーザダイオードバー22とレンズ36との
間の間隔（図３）が合理的なシステム整列要求にしたが
って選択されることを可能にする。
【００３４】レーザビーム24の開口数はそれらのスロー
およびファースト軸ビーム平面の両方に沿って 0.087に
設定されているため、図１のリボンファイバ装置32の開
口数は、実質的に同じ開口数を有するように選択される
ことが好ましい。ファイバの開口数がもっと大きい場
合、エネルギ開口数は膨脹してファイバの開口数にな
り、少しづつ拡大する能力を低下させる。それがもっと
小さい場合には、エネルギはクラッドに侵入して失なわ
れる。
およびファースト軸ビーム平面の両方に沿って 0.087に
設定されているため、図１のリボンファイバ装置32の開
口数は、実質的に同じ開口数を有するように選択される
ことが好ましい。ファイバの開口数がもっと大きい場
合、エネルギ開口数は膨脹してファイバの開口数にな
り、少しづつ拡大する能力を低下させる。それがもっと
小さい場合には、エネルギはクラッドに侵入して失なわ
れる。
【００３５】システムパッキング比もまた焦点平面26の
画像寸法がリボンファイバ装置の断面積に整合された場
合に増加される。したがって、例示的な光学システム設
計において、焦点平面26における画像寸法および回折制
限効果が検討される。レーザビーム24の画像は焦点平面
において重畳されるため、これらの光学特性は各個別の
ビームによって定められる。図３の説明を簡明にするた
めに、レーザダイオードバー22および、したがってビー
ム24を間隔を隔てて配置されている。実際には、それら
は、ビーム24がミラー38に接近したときに垂直方向の空
間88を最小にするようにできるだけ密接した間隔を有し
ている。例示的な光学系に対して、ビーム24のエッジは
それらがミラー38および焦点平面26に近づくと隣接する
と考えられる。
画像寸法がリボンファイバ装置の断面積に整合された場
合に増加される。したがって、例示的な光学システム設
計において、焦点平面26における画像寸法および回折制
限効果が検討される。レーザビーム24の画像は焦点平面
において重畳されるため、これらの光学特性は各個別の
ビームによって定められる。図３の説明を簡明にするた
めに、レーザダイオードバー22および、したがってビー
ム24を間隔を隔てて配置されている。実際には、それら
は、ビーム24がミラー38に接近したときに垂直方向の空
間88を最小にするようにできるだけ密接した間隔を有し
ている。例示的な光学系に対して、ビーム24のエッジは
それらがミラー38および焦点平面26に近づくと隣接する
と考えられる。
【００３６】ファースト軸ビーム平面における結合され
たビーム24の開口数と各ビーム24開口数との間の関係
は、ｎg ｓｉｎφf ＝0.087 ＝ｎg ｓｉｎΣφb であ
り、ここにおいてφb は各ビーム24の半分の発散角度で
ある。結合されたビームの数が図３のように５個である
場合、φb は 0.623°であり、各ビームの開口数はｎg
ｓｉｎ(0.623) ＝0.017 である。各ビームの開口数が分
かると、Ｎ．Ａ．入力／Ｎ．Ａ．出力＝0.342 ／0.017
＝20から、各ビームに対する結合器28のファースト軸ビ
ーム平面での拡大率を知ることができる。図５のｃにお
けるビーム放射開口44の典型的な高さは１ミクロンであ
るため、焦点平面26における画像の高さは20ミクロンで
ある。
たビーム24の開口数と各ビーム24開口数との間の関係
は、ｎg ｓｉｎφf ＝0.087 ＝ｎg ｓｉｎΣφb であ
り、ここにおいてφb は各ビーム24の半分の発散角度で
ある。結合されたビームの数が図３のように５個である
場合、φb は 0.623°であり、各ビームの開口数はｎg
ｓｉｎ(0.623) ＝0.017 である。各ビームの開口数が分
かると、Ｎ．Ａ．入力／Ｎ．Ａ．出力＝0.342 ／0.017
＝20から、各ビームに対する結合器28のファースト軸ビ
ーム平面での拡大率を知ることができる。図５のｃにお
けるビーム放射開口44の典型的な高さは１ミクロンであ
るため、焦点平面26における画像の高さは20ミクロンで
ある。
【００３７】次に、各ビーム24による回折パターンの中
心バーの幅はλ／ｎg ｓｉｎφb ＝0.7 ／0.017 ＝41ミ
クロンと判明し、ここで放射線波長は近赤外線で0.7 ミ
クロンであると考えられる。反射光学系における回折制
限された画像の倍率分布は、回折パターンのコンボルー
ションおよび幾何学的に予測される倍率分布によって与
えられる。これは、回折パターンの幾何学的な予測値と
中心バーの幅を加算することによって近似されることが
可能であり、20＋41＝61ミクロンになる。したがって、
パッキング効率を高めるためにリボンファイバ装置32に
おけるファイバの高さを61ミクロンに近いように選択し
なければならない。
心バーの幅はλ／ｎg ｓｉｎφb ＝0.7 ／0.017 ＝41ミ
クロンと判明し、ここで放射線波長は近赤外線で0.7 ミ
クロンであると考えられる。反射光学系における回折制
限された画像の倍率分布は、回折パターンのコンボルー
ションおよび幾何学的に予測される倍率分布によって与
えられる。これは、回折パターンの幾何学的な予測値と
中心バーの幅を加算することによって近似されることが
可能であり、20＋41＝61ミクロンになる。したがって、
パッキング効率を高めるためにリボンファイバ装置32に
おけるファイバの高さを61ミクロンに近いように選択し
なければならない。
【００３８】最後に、例示的な光学系設計の注意事項と
して、図１の投影レンズ34および図２のａ乃至ｃに示さ
れているリボンファイバ装置32を説明する。簡明化のた
めに、図２のａではリボンファイバ装置32を概略的な平
面図で示す。図２のｂは、図２のａの平面２Ｂ−２Ｂに
おける部分拡大図であり、装置32が複数の隣接した方形
の光ファイバ100 を含むことを示す。
して、図１の投影レンズ34および図２のａ乃至ｃに示さ
れているリボンファイバ装置32を説明する。簡明化のた
めに、図２のａではリボンファイバ装置32を概略的な平
面図で示す。図２のｂは、図２のａの平面２Ｂ−２Ｂに
おける部分拡大図であり、装置32が複数の隣接した方形
の光ファイバ100 を含むことを示す。
【００３９】ファイバ100 は、図４の画像ライン66の長
さに実質的に等しい合計長を有するように平面に沿って
配列される。その後、リボンファイバ装置100 の受光端
102は図１に示されているように標準的なファイバ継手1
04 によって焦点平面26に当接され、リボンファイバ100
の平面はレーザビーム24をリボンファイバ100 中に受
けるように画像ライン（図４の66）と整列される。上記
の光学系設計計算により、各リボンファイバ100 は61ミ
クロンの高さおよび0.087 の開口数を有していることが
好ましい。
さに実質的に等しい合計長を有するように平面に沿って
配列される。その後、リボンファイバ装置100 の受光端
102は図１に示されているように標準的なファイバ継手1
04 によって焦点平面26に当接され、リボンファイバ100
の平面はレーザビーム24をリボンファイバ100 中に受
けるように画像ライン（図４の66）と整列される。上記
の光学系設計計算により、各リボンファイバ100 は61ミ
クロンの高さおよび0.087 の開口数を有していることが
好ましい。
【００４０】例示的な光学系設計において、出力光ファ
イバ30の断面形状を円形と仮定する。この特定の形状に
対して、リボンファイバ装置32の伝送端108 は、図２の
ａの平面２Ｃ−２Ｃを示す図２のｃに示された仮想的な
円内に実質的に入るように構成されることが好ましい。
より一般的には、伝送端108 は出力ファイバ30の断面形
状の縮小形態に構成される。図１に示されているよう
に、リボンファイバ装置100 の伝送端108 は標準的な光
学継手112 中に保持され、投影レンズ34がこれらの端部
と継手120 中に保持されたシステム出力光ファイバ30と
の間に配置される。
イバ30の断面形状を円形と仮定する。この特定の形状に
対して、リボンファイバ装置32の伝送端108 は、図２の
ａの平面２Ｃ−２Ｃを示す図２のｃに示された仮想的な
円内に実質的に入るように構成されることが好ましい。
より一般的には、伝送端108 は出力ファイバ30の断面形
状の縮小形態に構成される。図１に示されているよう
に、リボンファイバ装置100 の伝送端108 は標準的な光
学継手112 中に保持され、投影レンズ34がこれらの端部
と継手120 中に保持されたシステム出力光ファイバ30と
の間に配置される。
【００４１】エネルギが小さいコンボルートされた通路
を進行しなければならない場合、レンズ34は出力光ファ
イバ30の端部上に伝送端108 を投影する。前述のような
光学系設計の前段の部分のために、放射線はファイバ10
0 の垂直および水平の両平面において0.087 の開口数で
伝送端108 から現れる。例示的な光学系設計の開始時
に、出力光ファイバ30は0.5 の開口数（30°の受光角
度）を有すると仮定された。出力ファイバのパッキング
効率は、レンズ34の出力開口数がファイバ30の開口数と
整合した場合に最大になる。
を進行しなければならない場合、レンズ34は出力光ファ
イバ30の端部上に伝送端108 を投影する。前述のような
光学系設計の前段の部分のために、放射線はファイバ10
0 の垂直および水平の両平面において0.087 の開口数で
伝送端108 から現れる。例示的な光学系設計の開始時
に、出力光ファイバ30は0.5 の開口数（30°の受光角
度）を有すると仮定された。出力ファイバのパッキング
効率は、レンズ34の出力開口数がファイバ30の開口数と
整合した場合に最大になる。
【００４２】この選択に関して、レンズ34の拡大率ｍは
その入力および出力開口数の比率、すなわち0.087/0.5
＝0.174 である。画像の面積減少は拡大率の２乗、すな
わち（ 0.174）2 ＝0.0303である。エネルギは元の面積
の0.0303である面積に集中されるため、エネルギ密度が
（１／ｍ）2 ＝1/0.0303＝33倍に増加される。仮想円11
0 が1600ミクロンの直径を有している場合、光ファイバ
30における画像は 0.174×1600＝279 ミクロンの直径を
有する。このレンズの回折限界直径は、Ｄ＝1.22λ／
Ｎ．Ａ．＝1.7 ミクロンであり、これは幾何学的に予測
された直径と比較して無視できるほど小さい。したがっ
て、例示的な光学系設計は、0.5 の開口数と 279ミクロ
ンの直径を有していることが好ましい出力光ファイバ30
を選択することによって完成する。
その入力および出力開口数の比率、すなわち0.087/0.5
＝0.174 である。画像の面積減少は拡大率の２乗、すな
わち（ 0.174）2 ＝0.0303である。エネルギは元の面積
の0.0303である面積に集中されるため、エネルギ密度が
（１／ｍ）2 ＝1/0.0303＝33倍に増加される。仮想円11
0 が1600ミクロンの直径を有している場合、光ファイバ
30における画像は 0.174×1600＝279 ミクロンの直径を
有する。このレンズの回折限界直径は、Ｄ＝1.22λ／
Ｎ．Ａ．＝1.7 ミクロンであり、これは幾何学的に予測
された直径と比較して無視できるほど小さい。したがっ
て、例示的な光学系設計は、0.5 の開口数と 279ミクロ
ンの直径を有していることが好ましい出力光ファイバ30
を選択することによって完成する。
【００４３】図７は、図３に示された構造に類似した別
の好ましい実施例の光学系150 の上側面図であり、同じ
素子は同じ参照符号を有している。光学系150 は、図３
の光結合器28に類似しているが、レーザビーム24が焦点
を結ぶ前にそれらを遮断するように軸外れパラボラ反射
面154 から間隔を隔てられた中間反射面156 もまた限定
する光結合器152 を含む。さらに、結合器28の焦点平面
26は、反射面156 の上方においてビーム24の焦点に位置
された焦点平面158 と置換されている。このようにして
光路が折返され、光学系の寸法を減少する。説明を簡単
にするために、焦点平面158 に達する選択されたレーザ
ビーム28だけを示す。
の好ましい実施例の光学系150 の上側面図であり、同じ
素子は同じ参照符号を有している。光学系150 は、図３
の光結合器28に類似しているが、レーザビーム24が焦点
を結ぶ前にそれらを遮断するように軸外れパラボラ反射
面154 から間隔を隔てられた中間反射面156 もまた限定
する光結合器152 を含む。さらに、結合器28の焦点平面
26は、反射面156 の上方においてビーム24の焦点に位置
された焦点平面158 と置換されている。このようにして
光路が折返され、光学系の寸法を減少する。説明を簡単
にするために、焦点平面158 に達する選択されたレーザ
ビーム28だけを示す。
【００４４】図８は、図７の光学系150 に類似した別の
好ましい実施例の光学系170 の側面図であり、同じ素子
は同じ参照符号を有している。光学系170 は、ガラス延
長ロッド172 によって結合器152 から延長された分離し
たコリメートレンズ36を有している。ロッド172 は、ダ
イオードバー22が種々の距離だけ表面174 から間隔を隔
てられることを可能にする種々の長さを有している。ロ
ッド172 の両側は、内面全反射を行うように被覆され、
ダイオードバー22と光結合器152 との間のパワー損失を
減少させる。間隔の変化は、各ダイオードバー22に対す
る分離した熱シンク176 の割当てを容易にし、熱シンク
176 は低い抵抗の熱除去路をレーザダイオードに提供す
る。再び、説明を簡単にするために、焦点平面158 に達
する選択されたレーザビーム28だけを示す。
好ましい実施例の光学系170 の側面図であり、同じ素子
は同じ参照符号を有している。光学系170 は、ガラス延
長ロッド172 によって結合器152 から延長された分離し
たコリメートレンズ36を有している。ロッド172 は、ダ
イオードバー22が種々の距離だけ表面174 から間隔を隔
てられることを可能にする種々の長さを有している。ロ
ッド172 の両側は、内面全反射を行うように被覆され、
ダイオードバー22と光結合器152 との間のパワー損失を
減少させる。間隔の変化は、各ダイオードバー22に対す
る分離した熱シンク176 の割当てを容易にし、熱シンク
176 は低い抵抗の熱除去路をレーザダイオードに提供す
る。再び、説明を簡単にするために、焦点平面158 に達
する選択されたレーザビーム28だけを示す。
【００４５】図９は、図８の曲線９内の構造の拡大図で
ある。この図は、各ダイオードハー22が各ダイオードバ
ー22とその熱シンク176 との間に位置された例えばダイ
ヤモンド等の低い熱抵抗のウェハ178 を有し、熱の通路
の抵抗をさらに低くすることができることを示す。
ある。この図は、各ダイオードハー22が各ダイオードバ
ー22とその熱シンク176 との間に位置された例えばダイ
ヤモンド等の低い熱抵抗のウェハ178 を有し、熱の通路
の抵抗をさらに低くすることができることを示す。
【００４６】上記の好ましい実施例は、一般にレーザダ
イオードビームのファースト軸ビーム平面に沿って投影
するためのレンズおよびパラボラミラーを含んでいる。
別の実施形態は、例えば楕円形および双曲線等の他の円
錐形シリンダによる構造の使用により形成されてもよ
い。特に、図１０は、１対の楕円形ミラー182 ，184 を
使用する別の好ましい実施例の光結合器180 の側面図で
ある。各ミラーは、楕円シリンダの軸外れセグメントで
ある。例えば、ミラー182 は、図１０において破線によ
って示される楕円シリンダ186 の一部分である。この楕
円シリンダは、軸188 を有する。同様に、ミラー184 は
軸202 を有する楕円シリンダ200 の一部分である。楕円
シリンダは、シリンダの遠い側の焦点204 ，206 で交差
するそれらの軸188 、202 を中心として互いに反対方向
に回転される。
イオードビームのファースト軸ビーム平面に沿って投影
するためのレンズおよびパラボラミラーを含んでいる。
別の実施形態は、例えば楕円形および双曲線等の他の円
錐形シリンダによる構造の使用により形成されてもよ
い。特に、図１０は、１対の楕円形ミラー182 ，184 を
使用する別の好ましい実施例の光結合器180 の側面図で
ある。各ミラーは、楕円シリンダの軸外れセグメントで
ある。例えば、ミラー182 は、図１０において破線によ
って示される楕円シリンダ186 の一部分である。この楕
円シリンダは、軸188 を有する。同様に、ミラー184 は
軸202 を有する楕円シリンダ200 の一部分である。楕円
シリンダは、シリンダの遠い側の焦点204 ，206 で交差
するそれらの軸188 、202 を中心として互いに反対方向
に回転される。
【００４７】結合器180 は、楕円シリンダ200 および18
6 の近い側の焦点210 、211 にそれぞれ位置された１対
のビーム入口平面208 および209 を有する。結合器180
はまた遠い側の焦点204 ，206 に位置された焦点平面21
2 を有する。平面208 および209 は、端部壁214 ，216
によって焦点平面212 に接続される。結合器180 は再び
図１１に示されており、１対のダイオードバー22が平面
208 および209 に接するように構成されている（しかし
ながら、熱膨脹を許容するために結合器とダイオードバ
ー22の間の間隔を少し置くことが好ましい）。結合器お
よびダイオードバーはまた図１２の後方正面図で示され
ており、図１２は側壁222 ，224 を示す。
6 の近い側の焦点210 、211 にそれぞれ位置された１対
のビーム入口平面208 および209 を有する。結合器180
はまた遠い側の焦点204 ，206 に位置された焦点平面21
2 を有する。平面208 および209 は、端部壁214 ，216
によって焦点平面212 に接続される。結合器180 は再び
図１１に示されており、１対のダイオードバー22が平面
208 および209 に接するように構成されている（しかし
ながら、熱膨脹を許容するために結合器とダイオードバ
ー22の間の間隔を少し置くことが好ましい）。結合器お
よびダイオードバーはまた図１２の後方正面図で示され
ており、図１２は側壁222 ，224 を示す。
【００４８】動作において、レーザビームは、ビーム入
口平面208 ，209 に入力し、それらのファースト軸ビー
ム平面は側壁222 ，224 と平行である。ビームは、ミラ
ー182 ，184 から反射し、焦点平面212 に重畳された画
像を生じるように構成される。すなわち、楕円構造のよ
く知られた特性にしたがって、ビームは楕円の入口焦点
から楕円の反射面に、最終的に同じ楕円の出口焦点まで
進行することによってそれらのファースト軸ビーム平面
に沿ってそれぞれ投影される。さらにエネルギ集中を増
加させるために、ビームはそれらが図１１において例示
的なビーム230，232 によって示された焦点平面212 に
近付いたときに隣接するように構成されることが好まし
い。
口平面208 ，209 に入力し、それらのファースト軸ビー
ム平面は側壁222 ，224 と平行である。ビームは、ミラ
ー182 ，184 から反射し、焦点平面212 に重畳された画
像を生じるように構成される。すなわち、楕円構造のよ
く知られた特性にしたがって、ビームは楕円の入口焦点
から楕円の反射面に、最終的に同じ楕円の出口焦点まで
進行することによってそれらのファースト軸ビーム平面
に沿ってそれぞれ投影される。さらにエネルギ集中を増
加させるために、ビームはそれらが図１１において例示
的なビーム230，232 によって示された焦点平面212 に
近付いたときに隣接するように構成されることが好まし
い。
【００４９】それらのスロー軸ビーム平面に沿って、例
示的なビーム230 ，232 は側壁222，224 からの内面全
反射によって焦点平面212 に導かれることができる。し
かしながら、エネルギをさらに集中させるために、結合
器180 は結合器の部分的な後面図である図１３に示され
た積層構造を有することができる。図１３は、スペーサ
236 とインターリーブされた複数のプレート234 を示
す。ダイオードバーの各放射開口（図４のｃの44）は、
各レーザビームが各プレート234 中に入射するようにプ
レート234 のそれぞれ別の開口と整列されている。プレ
ート234 およびスペーサの隣接面は、内面全反射によっ
てそれらの各プレート234 から焦点平面にビームを案内
する反射性境界面である。これらの反射性境界面は、適
切な反射率の材料からスペーサ236 を形成することによ
って実現されることができる。それはまたプレート234
とスペーサ236 との間に配置された別の材料、例えばプ
レート234 とスペーサ236 を結合するために使用される
クラッドまたは接着剤の屈折率によって実現されてもよ
い。
示的なビーム230 ，232 は側壁222，224 からの内面全
反射によって焦点平面212 に導かれることができる。し
かしながら、エネルギをさらに集中させるために、結合
器180 は結合器の部分的な後面図である図１３に示され
た積層構造を有することができる。図１３は、スペーサ
236 とインターリーブされた複数のプレート234 を示
す。ダイオードバーの各放射開口（図４のｃの44）は、
各レーザビームが各プレート234 中に入射するようにプ
レート234 のそれぞれ別の開口と整列されている。プレ
ート234 およびスペーサの隣接面は、内面全反射によっ
てそれらの各プレート234 から焦点平面にビームを案内
する反射性境界面である。これらの反射性境界面は、適
切な反射率の材料からスペーサ236 を形成することによ
って実現されることができる。それはまたプレート234
とスペーサ236 との間に配置された別の材料、例えばプ
レート234 とスペーサ236 を結合するために使用される
クラッドまたは接着剤の屈折率によって実現されてもよ
い。
【００５０】図１３の積層構造により、各レーザビーム
は焦点平面212 に位置されて、そのビームの各プレート
234 と整列された光ファイバ中に受取られる。図１３の
積層構造は、そのビームを放射したダイオード開口の幅
にそのスロー軸ビーム平面に沿って各ビームを実質的に
案内する反射面の間の空間を制限することによって焦点
平面212 においてファイバのパッキング効果を増加させ
る。
は焦点平面212 に位置されて、そのビームの各プレート
234 と整列された光ファイバ中に受取られる。図１３の
積層構造は、そのビームを放射したダイオード開口の幅
にそのスロー軸ビーム平面に沿って各ビームを実質的に
案内する反射面の間の空間を制限することによって焦点
平面212 においてファイバのパッキング効果を増加させ
る。
【００５１】本発明のさらに別の好ましい実施例におい
て、ファースト軸ビーム平面における投影は、円筒形レ
ンズとパラボラミラー（図３の38）を置換することによ
って達成されることが可能であり、スロー軸ビーム平面
に沿った案内は間隔を隔てられた反射性境界面ではな
く、間隔を隔てられたミラー状の面により実現可能であ
る。
て、ファースト軸ビーム平面における投影は、円筒形レ
ンズとパラボラミラー（図３の38）を置換することによ
って達成されることが可能であり、スロー軸ビーム平面
に沿った案内は間隔を隔てられた反射性境界面ではな
く、間隔を隔てられたミラー状の面により実現可能であ
る。
【００５２】図１の出力光ファイバ30において集中され
たパワーは、付加的なダイオードバー22から放射線をそ
れぞれ受取る付加的な光結合器28を加えることによって
増加されることができる。これらの付加された光結合器
からの放射線は、例えば図１において破線で示された装
置32Ａ，32Ｂ等の各リボンファイバ装置に沿って伝送さ
れる。その後、全てのリボンファイバ装置の伝送端が結
合され、単一の装置について上述されたように構成され
る。次に、結合されたリボンファイバ装置の伝送端は大
きい直径のパターンすなわち図２のｃの仮想円110 を占
有し、それが大きい直径の出力ファイバ30を必要とす
る。
たパワーは、付加的なダイオードバー22から放射線をそ
れぞれ受取る付加的な光結合器28を加えることによって
増加されることができる。これらの付加された光結合器
からの放射線は、例えば図１において破線で示された装
置32Ａ，32Ｂ等の各リボンファイバ装置に沿って伝送さ
れる。その後、全てのリボンファイバ装置の伝送端が結
合され、単一の装置について上述されたように構成され
る。次に、結合されたリボンファイバ装置の伝送端は大
きい直径のパターンすなわち図２のｃの仮想円110 を占
有し、それが大きい直径の出力ファイバ30を必要とす
る。
【００５３】図３の光結合器28はレンズ36、間隔を隔て
られた壁70，72、パラボラミラー38および焦点平面26を
一体に含むものとして示されているが、これらの光学素
子のいくつかを別々に形成することが有効である。例え
ば、分離したレンズ36は図３における結合器の表面180
に結合されてもよい。
られた壁70，72、パラボラミラー38および焦点平面26を
一体に含むものとして示されているが、これらの光学素
子のいくつかを別々に形成することが有効である。例え
ば、分離したレンズ36は図３における結合器の表面180
に結合されてもよい。
【００５４】上記の説明から、ここにでは多数のレーザ
ビームのエネルギを集中させることに特に適した光学系
の実施例が記載されていることを認識すべきである。こ
こに記載した本発明の好ましい実施例は単なる一例であ
り、種々の修正および再構成が容易に実現され、添付さ
れた特許請求の範囲内である等価な結果を達成すること
が可能である。
ビームのエネルギを集中させることに特に適した光学系
の実施例が記載されていることを認識すべきである。こ
こに記載した本発明の好ましい実施例は単なる一例であ
り、種々の修正および再構成が容易に実現され、添付さ
れた特許請求の範囲内である等価な結果を達成すること
が可能である。
【図１】複数のレーザダイオードの放射線を出力光ファ
イバに集中させる本発明による好ましい実施例の光学系
の正面図。
イバに集中させる本発明による好ましい実施例の光学系
の正面図。
【図２】図１の光学系におけるリボンファイバ装置の概
略平面図、この平面図のライン２Ｂ−２Ｂにおける部分
拡大図および２Ｃ−２Ｃにおける拡大図。
略平面図、この平面図のライン２Ｂ−２Ｂにおける部分
拡大図および２Ｃ−２Ｃにおける拡大図。
【図３】図１の光学系における光結合器および関連した
ダイオードバーの側面図。
ダイオードバーの側面図。
【図４】図３の構造の後面図。
【図５】図３の曲線５Ａ内の構造の拡大図、およびこの
拡大図のダイオードバーの下面図、並びに90°回転され
たこの拡大図のダイオードバーの正面図。
拡大図のダイオードバーの下面図、並びに90°回転され
たこの拡大図のダイオードバーの正面図。
【図６】図４の曲線６内の構造の拡大図。
【図７】別の好ましい実施例の光学系の側面図。
【図８】さらに別の好ましい実施例の光学系の側面図。
【図９】図８の曲線９内の構造の拡大図。
【図１０】別の実施例の光結合器の側面図。
【図１１】関連したダイオードバーを含む図１０に類似
した側面図。
した側面図。
【図１２】図１１の結合器の後面図。
【図１３】積層構造を示した図１１の結合器の部分的な
後面図。
後面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/25 Ｈ０１Ｓ 3/23 Ｓ (72)発明者 レーランド・ブイ・ガードナー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93427 − 1789、ブエルトン、ウエス ト・ハイウェイ 246 1115
Claims (10)
- 【請求項１】 第１および第２の軸ビーム平面にそれぞ
れ沿った第１の開口数およびそれより小さい第２の開口
数をそれぞれ定める複数の電磁ビームのエネルギを集中
する方法において、 実質的に平行なそれらの第１の軸ビーム平面および実質
的に平行なそれらの第２の軸ビーム平面を有するように
前記ビームを配置し、 焦点平面で重畳された画像および結合された開口数を得
るために前記ビームをそれら第１の軸ビーム平面に沿っ
て投影し、前記結合された開口数が前記第２の開口数と
実質的に整合し、 前記焦点平面において前記第２の開口数を保持するよう
に前記ビームをそれらの第２の軸ビーム平面に沿って案
内するステップを含んでいる方法。 - 【請求項２】 前記投影ステップは、円錐形の一部分で
限定された表面から前記ビームを反射するステップを含
んでいる請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 前記案内ステップは、それらの第２の軸
ビーム平面に沿って間隔を隔てられた第１および第２の
反射ミラー間に前記ビームを含むステップを含んでいる
請求項１記載の方法。 - 【請求項４】 さらに、前記ビームを受けるように前記
焦点平面における複数の第１の光ファイバの入口端を位
置させるステップを含んでいる請求項１記載の方法。 - 【請求項５】 さらに、第２の光ファイバを設け、 この第２の光ファイバの断面形状に類似した断面形状を
限定するように前記第１の光ファイバの出口端を形成
し、 前記第１の光ファイバ出口端の焦点を前記第２の光ファ
イバの一方の端部に結ばせるステップを含んでいる請求
項４記載の方法。 - 【請求項６】 第１および第２の軸ビーム平面にそれぞ
れ沿った第１および第２の開口数をそれぞれ有し、ビー
ムが実質的に平行なそれらの第１の軸ビーム平面および
実質的に平行なそれらの第２の軸ビーム平面を有してい
る複数の電磁ビームのエネルギを集中させる装置におい
て、 前記ビームを受取って、焦点平面で重畳された画像およ
び結合された開口数で第１の軸ビーム平面に沿ってそれ
らを投影するように構成され、前記結合された開口数が
前記第２の開口数と実質的に整合している投影素子と、 前記ビームをそれらの間で受けるように間隔を隔てら
れ、前記第２の開口数と実質的に整合した前記焦点平面
における開口数を得るために前記ビームをそれらの第２
の軸ビーム平面に沿って案内するように構成された反射
壁とを具備している装置。 - 【請求項７】 前記投影素子は、円錐形の反射部分を含
んでいる請求項６記載の装置。 - 【請求項８】 さらに、前記ビームを受けるように前記
焦点平面に位置された入口端を有する複数の第１の光フ
ァイバを含んでいる請求項６記載の装置。 - 【請求項９】 前記結合された開口数および第２の焦点
平面開口数は実質的に整合しており、前記第１の光ファ
イバの各開口数は実質的に前記結合されたおよび第２の
焦点平面開口数と整合している請求項８記載の装置。 - 【請求項１０】 前記投影素子は、前記焦点平面におい
て結合された画像および回折高を生成し、前記第１の光
ファイバはそれぞれ前記画像および回折高と実質的に整
合した断面積を有している請求項８記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/355,878 US5568577A (en) | 1994-12-13 | 1994-12-13 | Method and apparatus for concentrating the energy of laser diode beams |
| US355878 | 1994-12-13 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08222817A true JPH08222817A (ja) | 1996-08-30 |
| JP2831960B2 JP2831960B2 (ja) | 1998-12-02 |
Family
ID=23399187
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7324919A Expired - Fee Related JP2831960B2 (ja) | 1994-12-13 | 1995-12-13 | レーザダイオードビームのエネルギを集中させる方法および装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5568577A (ja) |
| EP (1) | EP0717476B1 (ja) |
| JP (1) | JP2831960B2 (ja) |
| DE (1) | DE69507443T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6327412B1 (en) | 1998-04-22 | 2001-12-04 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Optical fiber, light-emitting module, and optical fiber amplifier |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5768453A (en) * | 1994-12-13 | 1998-06-16 | Raytheon Company | Method and apparatus for concentrating and combining the energy of asymmetric diode laser beams |
| EP0878727A3 (de) * | 1997-03-27 | 1999-11-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Vorrichtung zur Umsetzung mehrerer Lichtstrahlen in eine kompaktere Anordnung dieser Lichtstrahlen |
| US6151342A (en) * | 1997-12-08 | 2000-11-21 | Coherent, Inc. | Bright diode-laser light-source |
| US6229831B1 (en) | 1997-12-08 | 2001-05-08 | Coherent, Inc. | Bright diode-laser light-source |
| US6101199A (en) * | 1999-01-05 | 2000-08-08 | Apollo Instruments, Inc. | High power high efficiency cladding pumping fiber laser |
| US6666590B2 (en) | 2000-12-14 | 2003-12-23 | Northrop Grumman Corporation | High brightness laser diode coupling to multimode optical fibers |
| DE10062454B4 (de) * | 2000-12-14 | 2007-10-11 | My Optical Systems Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Überlagerung von Strahlenbündeln |
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