WO2025224932A1 - 整形装置 - Google Patents

整形装置

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夏葉 落合
陽平 鳥海
徹 田中
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    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water

Definitions

  • the present invention relates to beam shaping technology.
  • Optical wireless power transfer technology uses light, such as a laser, as the energy carrier.
  • the laser beam is emitted from the laser toward the target, where it is converted into electricity using a photoelectric conversion element, such as a solar cell.
  • methods for shaping laser beams include diffractive optical elements (DOEs) and spatial light modulators (SLMs).
  • DOEs and SLMs the phase and intensity of light can be modulated, or the intensity of light can be partially cut or superimposed to obtain the desired beam.
  • a panel In high-power optical wireless power transfer, a panel is used in which multiple photoelectric conversion cells are arranged and connected in series to reduce the current value after photoelectric conversion and increase the voltage.
  • the current value of that cell becomes a bottleneck, limiting the overall current value and leading to a decrease in photoelectric conversion efficiency. Therefore, it is desirable to make the intensity distribution of the beam incident on the photoelectric conversion panel uniform. In other words, it is necessary to shape the beam so that the intensity distribution is uniform after propagation.
  • the present invention was made in consideration of the above points, and aims to provide technology for shaping a beam so that the intensity distribution becomes uniform after propagation.
  • a beam shaping device for shaping a beam comprising: A beam shaping device is provided that includes a beam shaper having a lens function in which the central portion of an axicon lens is a concave lens.
  • the disclosed technology provides a technique for shaping a beam so that the intensity distribution is uniform after propagation.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a problem.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a problem.
  • 1 is a configuration diagram of an optical wireless power supply system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a light transmitting device 100.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a beam shaper 10.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration including a beam shaper 10 and a magnification/reduction optical system 20.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration including a beam shaper 10 and a magnification/reduction optical system 20.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration including a beam shaper 10 and a magnification/reduction optical system 20.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining Example 3.
  • the beam shaping technology of the present invention can be applied to a variety of fields, such as optical wireless communication and laser processing.
  • a beam output from a laser medium is called a Gaussian beam
  • the light intensity distribution in a plane perpendicular to the optical axis is a Gaussian distribution.
  • a single-cell type that has only one cell, which is a photoelectric conversion element, as the photoelectric conversion unit that converts received light into electricity
  • a multi-cell type that has multiple cells.
  • the voltage that can be extracted from a single cell is determined by the band gap of the element, and for a typical solar cell, this is 0.5V, for example. Therefore, when attempting to supply high-power electricity, the current value becomes large, making the single-cell type unsuitable.
  • the configuration shown in Figure 1 shows a laser medium 1, which is a light source element, and a photoelectric conversion unit 2 on the light receiving side.
  • a surface 3 (light emitting surface) on the side where the laser medium 1 outputs light is also shown.
  • a surface (light receiving surface) on the side where the light is received is also shown.
  • the photoelectric conversion unit 2 has multiple cells arranged in a grid pattern. Furthermore, in Figure 1, the beam output from surface 3 is input to the optical path, so surface 3 is described as "input.” Furthermore, the output from the optical path becomes the input to the photoelectric conversion unit 2.
  • the intensity distribution of a Gaussian beam is a Gaussian distribution, making it difficult to uniformly illuminate each cell that makes up the photoelectric conversion unit 2, as shown in Figure 1.
  • a Gaussian beam the light is stronger in the center of a circular beam, and becomes weaker toward the periphery, according to the Gaussian distribution.
  • Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 1
  • Non-Patent Documents 3 and 4 Flat-top beam shaping technology for 1m and 1km propagation has also been reported in the field of optical wireless communication (Non-Patent Documents 3 and 4), but the base of the beam does not drop off sharply, resulting in significant loss in optical wireless power transfer. This situation is shown in Figure 2. As shown particularly on the right side of Figure 2 (the light-receiving surface of the photoelectric conversion unit 2), the outer cells are not exposed to much light, and the current value of these unexposed cells limits the overall current value.
  • Non-Patent Document 5 a highly flat beam using a diffraction grating
  • Non-Patent Document 6 a beam shaping method that physically cuts off a Gaussian beam using an aperture
  • FIG. 3 An example of the configuration of an optical wireless power supply system according to this embodiment is shown in Fig. 3. As shown in Fig. 3, the optical wireless power supply system according to this embodiment includes a light transmitting device 100 and a light receiving device 200.
  • FIG 4 shows an example configuration of the light transmitting device 100.
  • the light transmitting device 100 includes a light source unit 110 and a shaping unit 120.
  • the light source unit 110 includes a light source element that emits laser light.
  • the shaping unit 120 includes a beam shaper 10, as described below.
  • the shaping unit 120 may also be called a shaping device.
  • the shaping unit 120 (shaping device) may also be a standalone device.
  • the light receiving device 200 is equipped with a photoelectric conversion panel in which cells are connected in series.
  • the surface of the photoelectric conversion panel serves as the light receiving surface.
  • a first and second embodiment will be described as a beam shaping method using the shaping unit 120.
  • the first embodiment is a basic example, and the second embodiment has an additional mechanism compared to the first embodiment.
  • an axicon lens with a concave lens at the center is used as the beam shaper 10 in the shaping unit 120. That is, as shown in Fig. 5, beam shaping is performed by combining the effects of the axicon lens and the concave lens.
  • an axicon lens is a lens with one conical surface and one flat surface, and in this embodiment, the central part of the conical portion is a concave lens.
  • the center part of the axicon lens By making the center part of the axicon lens a concave lens, the outside of the beam becomes a ring-shaped beam, and the center part is diffused by the concave lens.
  • the "outside of the beam” refers to the part close to the outer periphery of the circle that represents the beam when the beam is cut on a plane perpendicular to its direction of travel.
  • the original Gaussian beam can be shaped to obtain the desired flat beam.
  • diffracted light is not used and the beam is not physically truncated, making it possible to achieve a highly efficient beam shaping method.
  • the beam shaper 10 may be a processed physical lens (a physical axicon lens with the central part turned into a concave lens), or it may be something other than a physical lens.
  • one or more of the following can be used to realize the function of a lens, with the central part of the axicon lens being a concave lens: a DOE, an SLM, and a hologram.
  • the beam shaper 10 When using one or more of a DOE, SLM, and hologram as the beam shaper 10, it is also possible to give the beam shaper 10 lens power instead of giving the input Gaussian beam wavefront curvature.
  • the beam shaper 10 When a physical lens is used as the beam shaper 10, it can be used over a wider bandwidth than wavelength-dependent systems such as DOEs, SLMs, and holograms. Therefore, in systems that use multiple wavelengths, it is desirable to use a physical lens as the beam shaper 10. Furthermore, when a variable beam shaping device such as an SLM or hologram is used as the beam shaper 10, the beam shape can be adjusted by adjusting one or more of the focal length of the axicon lens, the focal length of the concave lens, and the width of the concave lens.
  • a variable beam shaping device such as an SLM or hologram
  • a beam shaping unit 120 includes an expansion/reduction optical system 20, which expands or reduces the beam using a beam expander or a lens system, in front of the beam shaper 10.
  • Figure 7 shows a case where lens power is applied to the magnification/reduction optical system 20, shortening the distance to the target 30.
  • Figure 8 shows a case where lens power or magnification is changed in the magnification/reduction optical system 20, increasing the beam diameter at the target 30. Examples of the operation and effects of the magnification/reduction optical system 20 are as follows:
  • Example 1 When the beam is focused by the magnification/reduction optical system 20, the focal length of the outer ring-shaped beam is closer to the front, so the beam diameter after 100 m is wider. The degree of divergence of the central beam is smaller, so the beam diameter after 100 m is smaller.
  • the "expander or expansion system” used here may be the expansion/reduction optical system 20, or an expander other than the expansion/reduction optical system 20.
  • Example 2 When the beam is diverged by the magnification/reduction optical system 20, the focal length of the outer ring-shaped beam becomes farther back, and the beam diameter after 100 m propagation becomes smaller. The degree of divergence of the central beam becomes greater, and the beam diameter after 100 m propagation becomes larger.
  • the intensity of the overlapping portion of the ring-shaped beam and the central beam is strong, but by narrowing the diameter of the incident beam (reducing the magnification of the expander or expansion system), the outer ring beam becomes thinner, and it is possible to maintain a flat beam at the target 30.
  • the "expander or expansion system” used here may be the expansion/reduction optical system 20, or an expander other than the expansion/reduction optical system 20.
  • the parameters are adjusted so that the width (outer diameter) of the beam expanded into a ring shape by the axicon lens and the width of the beam expanded by the central concave lens are approximately the same.
  • the beam shaping parameters, the focal length fa of the axicon lens, the focal length fc of the concave lens, and the width wc of the central concave lens can be determined using the following equations (1) and (2).
  • the design should take this curvature into consideration.
  • Example 1 A more specific example (simulation) will be described as Example 1.
  • the width of the input Gaussian beam was set to 75.2 mm in full width at 1/ e2 and the wavelength was set to 1064 nm.
  • the beam shaper 10 was also designed so that the beam diameter would be about 60 cm after propagation of 100 m.
  • Figure 9(a) shows the simulated beam profile after propagation of 100 m.
  • Example 2 is an example of the above-mentioned “(Example 1) When a beam is focused by the magnification/reduction optical system 20.”
  • Figure 10(a) shows the simulation results for the basic design for comparison, where the incident Gaussian beam diameter is 7.52 cm and the wavefront curvature of the incident Gaussian beam is infinite (collimated light).
  • the incident Gaussian beam diameter is set to 7.52 cm, the same as in the basic design, and the wavefront curvature of the incident Gaussian beam is set to -200 m.
  • the diameter of the incident Gaussian beam is increased from the basic design to 9 cm.
  • the wavefront curvature of the incident Gaussian beam is -200 m, the same as in Figure 10(b).
  • Example 3 is an example of the above-mentioned “(Example 2) When the beam is diverged by the magnification/reduction optical system 20.”
  • Figure 11(a) shows the simulation results for the basic design for comparison.
  • the incident Gaussian beam diameter is 7.52 cm
  • the wavefront curvature of the incident Gaussian beam is infinite (collimated light).
  • the incident Gaussian beam diameter is 7.52 cm, the same as in the basic design, and the wavefront curvature of the incident Gaussian beam is 140 mm.
  • the diameter of the incident Gaussian beam is reduced from the basic design to 5 cm.
  • the wavefront curvature of the incident Gaussian beam is 140 mm, the same as in Figure 11(b).
  • the technology according to the present embodiment can efficiently shape a beam into a flat beam during long-distance propagation and can suppress a decrease in photoelectric conversion efficiency due to intensity non-uniformity in optical wireless power transfer. Furthermore, flat-top beams are required in fields other than optical wireless power transfer, such as optical wireless communication and laser processing, and the technology according to the present embodiment can be applied to these fields.
  • the beam shaper 10 by combining the beam shaper 10 with a lens optical system 20 such as a beam expander, it is possible to adjust the propagation distance, beam width, and intensity profile.
  • a lens optical system 20 such as a beam expander
  • this adjustment mechanism makes it possible to shape the beam to suit each system.
  • a beam shaping device for shaping a beam comprising: A beam shaping device equipped with a beam shaper that functions as a lens with the central part of an axicon lens being a concave lens.
  • a beam shaping device according to appended item 1 wherein the focal length of the axicon lens, the focal length of the concave lens, and the width of the concave lens are adjusted to make the intensity distribution of the beam uniform after propagation.
  • the shaping device according to claim 1 further comprising an optical system for expanding or contracting the beam.
  • the beam shaping device includes a physical lens, a diffractive optical element (DOE), a spatial light modulator (SLM), or a hologram.
  • DOE diffractive optical element
  • SLM spatial light modulator
  • a variable beam shaper is used as the beam shaper, and any one or more of a focal length of the axicon lens, a focal length of the concave lens, and a width of the concave lens are adjusted.
  • Beam shaper 20 Magnification/reduction optical system 100 Light transmitting device 200 Light receiving device

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Abstract

ビームを整形するための整形装置において、アキシコンレンズの中央部分を凹レンズとしたレンズの機能を有するビーム整形器を備える。

Description

整形装置
　本発明は、ビームを整形する技術に関連するものである。
　光無線給電技術では、エネルギー媒体としてレーザなどの光を用いる。レーザから給電対象に向かってレーザを飛ばし、給電対象において、太陽電池などの光電変換素子を用いてレーザを電力に変換する。
　また、レーザのビームを整形する方式として、回折光学素子（DOE: Diffractive Optical Element）、及び空間光変調器（SLM: Spatial Light Modulator）などがある。DOEやSLMを用いることで、光の位相や強度を変調したり、光の強度を部分的にカットしたり、重ねあわせたりすることで、所望のビームを得る。
https://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/41/41291/41291_p23-114.pdf C. Guo, et.al., "Large aperture flat-top beam shaping and long-distance transmission based on off-axis reflective free-form surface optical system," Proc. of SPIE, 12765 127650K-1-127650K-9 (2023). Z. Hu, et.al., "Performance research on flat-topped beam-based small satellites free space optical communication," Opt. Commun. 487, 126802 (2021). P. Barcik, et.al., "Optical Wireless Communication Transmitter with a Refraction Beam Shaper," 9th International Symposium on Communication Systems, Networks & Digital Sign (2014). Z. Zhai, et.al., "Flattop Beam Shaping Using Hybrid Gratings," IEEE Photonics J. 14, 4, 7440605 (2022). https://www.edmundoptics.jp/knowledge-center/application-notes/optics/laser-beam-shaping-overview/
　ハイパワーの光無線給電においては、光電変換後の電流値を抑え、電圧を大きくするために、光電変換セルを複数並べ、直列に接続したパネルを用いる。しかし、充分に光が当たらないセルがあると、そのセルの電流値がボトルネックとなり、全体の電流値が制限されてしまい光電変換効率の低下につながる。よって、光電変換パネルに入射するビームの強度分布を均一にすることが望ましい。つまり、伝搬後に強度分布が均一となるようにビームを整形することが必要である。
　本発明は上記に点に鑑みてなされたものであり、伝搬後に強度分布が均一となるようにビームを整形するための技術を提供することを目的とする。
　開示の技術によれば、ビームを整形するための整形装置であって、
　アキシコンレンズの中央部分を凹レンズとしたレンズの機能を有するビーム整形器
　を備える整形装置が提供される。
　開示の技術によれば、伝搬後に強度分布が均一となるようにビームを整形するための技術が提供される。
課題を説明するための図である。 課題を説明するための図である。 本発明の実施の形態における光無線給電システムの構成図である。 送光装置１００の構成図である。 ビーム整形器１０の構成図である。 ビーム整形器１０と拡大・縮小光学系２０とを含む構成図である。 ビーム整形器１０と拡大・縮小光学系２０とを含む構成図である。 ビーム整形器１０と拡大・縮小光学系２０とを含む構成図である。 実施例１を説明するための図である。 実施例２を説明するための図である。 実施例３を説明するための図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。
　以下では、一例として、本発明に係るビーム整形技術を光無線給電分野に適用する場合の実施形態を説明するが、本発明に係るビーム整形技術は、光無線通信、及びレーザ加工といった様々な分野に適用することが可能である。
　以下ではまず、本実施の形態の技術に係る課題についてより詳細に説明し、その後に本実施の形態の技術を説明する。なお、下記の課題の説明の内容は公知ではない。
　（課題について）
　一般に、レーザ媒質から出力されるビームはガウシアンビームと呼ばれ、光軸に垂直な面における光の強度分布がガウシアン分布となっている。
　光無線給電技術において、受信した光を電気に変換する光電変換部として、光電変換素子であるセルを１つだけ備える単セル型と、複数のセルを備える複数セル型がある。１つのセルから取り出せる電圧は、素子のバンドギャップの大きさにより決まっており、一般的な太陽電池では例えば０．５Ｖである。よって、ハイパワーの電力を給電しようとする際には電流値が大きくなってしまうため、単セル型は不向きである。
　一方、複数セル型の場合、セルを直列に接続することで、電圧を大きくすることができ、取り出せる電力を増やすことができる。しかし、複数セルの中に、十分に光が当たらないセルがあると、そのセルの電流値がボトルネックとなり、全体の電流値が制限されてしまうため、大電力が得られない。また、その他のセルに入射した光エネルギーは電力として取り出せず、熱となり、光電変換部の特性を悪化させる。
　図１を参照して、ガウシアンビームを用いる場合における上述した問題をより具体的に説明する。
　図１に示す構成において、光源素子であるレーザ媒質１と、受光側の光電変換部２が示されている。レーザ媒質１については、レーザ媒質１が光を出力する側の面３（発光面）も示されている。また、光電変換部２については、光を受光する側の面（受光面）が示されている。図１に示すとおり、光電変換部２には、複数のセルが格子状に備えられている。また、図１において、面３から出力されたビームは光路に入力されるので、面３において「入力」と記述している。また、光路からの出力が、光電変換部２への入力となる。
　前述のとおり、ガウシアンビームの強度分布はガウシアン分布となっているため、図１に示すように、光電変換部２を構成する各セルに光を均一に当てることが難しい。ガウシアンビームでは、ガウシアン分布に従って、円形の形状において、中央部分の光が強く、周辺に向かうにつれて光が弱くなる。
　そこで、ビームの伝搬後に強度分布が一定（均一）となるよう、ビーム整形ができることが望ましい。しかし、光無線給電など、ｍオーダ以上の長距離伝搬では、レーザの回折現象により、ビームをフラットにすることは難しい（非特許文献１）。
　光無線通信分野などでも１ｍや１ｋｍ伝搬におけるフラットトップビーム整形技術が報告されているが（非特許文献３，４）、ビームの裾野部分が急峻に落ちておらず、光無線給電においてはロスが大きくなってしまう。この状況を図２に示す。特に図２の右側（光電変換部２の受光面）に示すように、外側のセルには光があまり当たらず、この光が当たっていないセルの電流値で、全体の電流値が制限されてしまう。
　従来技術として、回折格子を用いたフラット度合の高いビーム（非特許文献５）や、ガウシアンビームをアパーチャで物理的に切り捨てるビーム整形手法（非特許文献６）もある。しかし、これらはビーム整形時の効率が低く、光無線給電分野においては不向きである。
　以下、上記の課題を解決するための、本実施の形態に係る技術を説明する。
　（システム構成例）
　図３に、本実施の形態における光無線給電システムの構成例を示す。図３に示すように、本実施の形態における光無線給電システムは、送光装置１００、及び受光装置２００を有する。
　図４に、送光装置１００の構成例を示す。図４に示すように、送光装置１００は、光源部１１０と整形部１２０を含む。光源部１１０は、レーザの発光を行う光源素子を含む。整形部１２０は、後述するようにビーム整形器１０を含む。なお、整形部１２０を整形装置と呼んでもよい。また、整形部１２０（整形装置）が単独の装置であってもよい。
　受光装置２００には、セルを直列に接続した光電変換パネルが備えられている。光電変換パネルの表面が受光面となる。以下、整形部１２０を用いたビーム整形方法として、第１実施形態、第２実施形態を説明する。第１実施形態が基本的な例であり、第２実施形態は、第１実施形態に対して追加する機構を有する。
　（第１実施形態）
　第１実施形態では、整形部１２０におけるビーム整形器１０として、アキシコンレンズの中央部分を凹レンズとしたレンズを使用する。つまり、図５に示すように、アキシコンレンズの効果と凹レンズの効果とを組み合わせて、ビーム整形を行う。
　なお、アキシコンレンズとは、１つの円錐面と１つの平面を持つレンズであり、本実施の形態では、その円錐部分の中央部分を凹レンズとする。
　アキシコンレンズの中央部分を凹レンズにすることで、ビームの外側はリング状のビームとなり、中央部分は凹レンズにより拡散される。なお、「ビームの外側」とは、ビームをその進行方向に垂直な面で切ったときのその面上における、ビームを表す円の内部における外周に近い部分である。
　伝搬距離、及び、伝搬後にどれくらいの太さのビームにしたいか、に応じて、図５に示すように、アキシコンレンズの焦点距離、凹レンズの焦点距離、及び凹レンズの幅を調整することで、元のガウシアンビームが整形されて、所望のフラットビームを得ることができる。本実施形態では、回折光を使用せず、物理的にビームを切り捨てることもないため、効率の高いビーム整形手法を実現することができる。
　ビーム整形器１０として、物理的なレンズを加工した物（物理的にアキシコンレンズの中央部分を凹レンズにした物）を使用してもよいし、物理的なレンズ以外の物を使用してもよい。
　物理的なレンズ以外で、アキシコンレンズの中央部分を凹レンズにしたレンズの機能を実現するために、例えば、DOE、SLM、及びホログラムのうちのいずれか１つ又はいずれか複数を使用することができる。
　ビーム整形器１０として、DOE、SLM、及びホログラムのうちのいずれか１つ又はいずれか複数を使用する場合、入力のガウシアンビームに波面曲率を持たせる代わりに、このビーム整形器１０でレンズパワーを持たせることも可能である。
　なお、ビーム整形器１０として、物理的なレンズを用いる場合は、DOE、SLM、及びホログラムといった波長依存の系と比べて、より広い帯域で使用することができる。よって、複数波長を用いる系などでは、ビーム整形器１０として物理的なレンズを用いることが望ましい。また、ビーム整形器１０として、SLMやホログラム等の可変ビーム整形機器を用いた場合は、アキシコンレンズの焦点距離、凹レンズの焦点距離、及び、凹レンズの幅のうちのいずれか１つ又はいずれか複数を調整してビーム形状を調整することができる。
　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態では、例えば図６に示すように、整形部１２０において、ビーム整形器１０の前段にビームエキスパンダ又はレンズ系等による、ビームを拡大又は縮小する拡大・縮小光学系２０を備える。
　拡大・縮小光学系２０におけるレンズパワーあるいは倍率を調整することで、送光装置１００からターゲット３０（光無線給電においては光電変換パネル）までの伝搬距離を変化させたり（図７）、ビーム径の大きさや強度プロファイルを変化させたり（図８）することが可能になる。
　なお、図７は、拡大・縮小光学系２０において、レンズパワーを与え、ターゲット３０までの距離を短くした場合を示している。図８は、拡大・縮小光学系２０において、レンズパワーあるいは倍率を変化させ、ターゲット３０におけるビーム径を大きくした場合を示している。拡大・縮小光学系２０の動作及びその効果の例は下記の通りである。
　（例１）拡大・縮小光学系２０によりビームを集光させた場合
　外側のリング状のビームについては、焦点距離が手前に来るので、１００ｍ伝搬後のビーム径が拡がる。中心のビームは拡散度合が小さくなるため、１００ｍ伝搬後のビーム径が小さくなる。
　従って、外周リング部分のビームと中央部分のビームとの間に隙間が生じてくるが、入射ビーム径を太くする（エキスパンダあるいは拡大系の倍率を上げる）ことで、外周リングのビームが太くなり、ターゲット３０においてフラットなビームを維持できる。なお、ここで用いる「エキスパンダあるいは拡大系」として、拡大・縮小光学系２０を使用してもよいし、拡大・縮小光学系２０以外のエキスパンダを使用してもよい。
　（例２）拡大・縮小光学系２０によりビームを拡散させた場合
　外側のリング状のビームについては、焦点距離が奥になり、１００ｍ伝搬後のビーム径が小さくなる。また、中心のビームは拡散度合が大きくなり、１００ｍ伝搬後のビーム径が大きくなる。
　従って、リング状のビームと中央のビームとの重なる部分の強度が強くなるが、入射ビーム径を細くする（エキスパンダあるいは拡大系の倍率を下げる）ことで外周リングのビームが細くなり、ターゲット３０においてフラットを維持できる。なお、ここで用いる「エキスパンダあるいは拡大系」として、拡大・縮小光学系２０を使用してもよいし、拡大・縮小光学系２０以外のエキスパンダを使用してもよい。
　（具体的な設計方法の例）
　ここで、具体的な設計手法の例を説明する。なお、ここでの設計手法は一例であり、この設計手法に限定されない。
　アキシコンレンズによってリング状に広げられたビームの幅（外径）と、中心の凹レンズによって広げられたビームの幅を同程度になるようにパラメータを調整する。ここでは、図５に示したように、入力のガウシアンビームの幅をｗｂ、伝搬距離をＬ、整形したいフラットビームの幅をｗｆとすると、ビーム整形のパラメータ、アキシコンレンズの焦点距離ｆａ、凹レンズの焦点距離ｆｃ、中央の凹レンズの幅ｗｃは以下の式（１）、（２）を用いて決定することができる。
　入力のガウシアンビームの波面に曲率があった場合や、ビーム整形自体にレンズパワーを持たせる場合はこの曲率分を考慮して設計すればよい。
　（実施例１）
　より具体的な例（シミュレーション）を実施例１として説明する。本実施例１では、入力するガウシアンビームの幅を１／ｅ２の全幅で７５．２ｍｍ、波長を１０６４ｎｍとした。また、１００ｍ伝搬後に６０ｃｍほどのビーム径になるようにビーム整形器１０を設計した。
　アキシコンレンズの設計を、ｆａ＝１０ｍ、ｆｃ＝８．３ｍ、ｗｃ＝４０ｍｍとして、さらに全体に波面曲率３５ｍのレンズパワーを持たせた。シミュレーションによる１００ｍ伝搬後のビームプロファイルを図９（ａ）に示す。ビーム強度のｙ＝０におけるクロスセクションは図９（ｂ）の通りである。提案手法は、ガウシアンビームと比較して、ビームがフラットになっていることが分かる。また、ビームの裾野も急峻に落ちており、光無線給電におけるロスを抑えることができる。
　（実施例２）
　次に、前述した「（例１）拡大・縮小光学系２０によりビームを集光させた場合」の実施例である実施例２を説明する。実施例２において、アキシコンレンズの設計は、実施例１と同じく、ｆａ＝１０ｍ、ｆｃ＝８．３ｍ、ｗｃ＝４０ｍｍとして、さらに全体に波面曲率３５ｍのレンズパワーを持たせた。
　実施例２における、シミュレーションによる１００ｍ伝搬後のビームプロファイルと、ビーム強度のｙ＝０におけるクロスセクションを図１０に示す。
　図１０（ａ）は、比較のための基本設計におけるシミュレーション結果を示しており、入射ガウシアンビーム径は７．５２ｃｍ、入射ガウシアンビームの波面曲率は無限大（コリメート光）である。
　図１０（ｂ）は、入射ガウシアンビーム径を基本設計と同じく７．５２ｃｍとし、入射ガウシアンビームの波面曲率を－２００ｍとしたものである。
　図１０（ｃ）は、入射ガウシアンビーム径を基本設計よりも大きくし、９ｃｍとしたものである。入射ガウシアンビームの波面曲率は、図１０（ｂ）と同じく－２００ｍとしている。
　入射ビームの波面曲率を－２００ｍとすると焦点距離が手前に来るため、リング径が大きくなりビームを大きくすることができる（図１０（ａ）→（ｂ））。ここで、入射ビーム径を９ｃｍまで拡げるとリング径が太くなるため、フラットに近づく（図１０（ｂ）→（ｃ））。
　（実施例３）
　続いて、前述した「（例２）拡大・縮小光学系２０によりビームを拡散させた場合」の実施例である実施例３を説明する。実施例３においても、アキシコンレンズの設計は、実施例１と同じく、ｆａ＝１０ｍ、ｆｃ＝８．３ｍ、ｗｃ＝４０ｍｍとして、さらに全体に波面曲率３５ｍのレンズパワーを持たせた。
　実施例３における、シミュレーションによる１００ｍ伝搬後のビームプロファイルと、ビーム強度のｙ＝０におけるクロスセクションを図１１に示す。
　図１１（ａ）は、比較のための基本設計におけるシミュレーション結果を示しており、実施例２と同じく、入射ガウシアンビーム径は７．５２ｃｍ、入射ガウシアンビームの波面曲率は無限大（コリメート光）である。
　図１１（ｂ）は、入射ガウシアンビーム径を基本設計と同じく７．５２ｃｍとし、入射ガウシアンビームの波面曲率を１４０ｍとしたものである。
　図１１（ｃ）は、入射ガウシアンビーム径を基本設計よりも小さくし、５ｃｍとしたものである。入射ガウシアンビームの波面曲率は、図１１（ｂ）と同じく１４０ｍとしている。
　入射ビームの波面曲率を１４０ｍとすると焦点距離が奥に行くため、リング径が小さくなりビームを小さくすることができる（図１１（ａ）→（ｂ））。ここで、入射ビーム径を５ｃｍまで細くすると中心のガウシアン成分が大きくなるため、フラットに近づく（図１１（ｂ）→（ｃ））。
　（実施の形態のまとめ、効果等）
　以上説明したとおり、本実施の形態に係る技術によれば、長距離伝搬においてビームを高効率でフラットに整形し、光無線給電における強度不均一による光電変換効率の低下を抑えることができる。また、光無線給電分野以外にも光無線通信や、レーザ加工の分野でフラットトップビームは必要とされており、本実施の形態に係る技術を適用することが可能である。
　また、第２実施形態で説明したように、ビーム整形器１０にビームエキスパンダ等のレンズ光学系２０を組み合わせることで、伝搬距離やビーム幅、強度プロファイルを調整することができる。伝搬距離が変わる移動体への光無線給電や、給電対象が変わる（複数ある）光無線給電において、この調整機構によって、それぞれのシステムに適したビームを整形することが可能となる。
　以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
　＜付記＞
（付記項１）
　ビームを整形するための整形装置であって、
　アキシコンレンズの中央部分を凹レンズとしたレンズの機能を有するビーム整形器
　を備える整形装置。
（付記項２）
　前記レンズにおいて、前記アキシコンレンズの焦点距離、前記凹レンズの焦点距離、及び、前記凹レンズの幅を調整することで、伝搬後にビームの強度分布を均一にする
　付記項１に記載の整形装置。
（付記項３）
　ビームを拡大又は縮小する光学系を更に備える
　付記項１に記載の整形装置。
（付記項４）
　前記ビーム整形器は、物理的なレンズ、DOE（Diffractive Optical Element）、SLM（Spatial Light Modulator）、又は、ホログラムを有する
　付記項１に記載の整形装置。
（付記項５）
　前記ビーム整形器として、可変ビーム整形器を用いて、前記アキシコンレンズの焦点距離、前記凹レンズの焦点距離、及び、前記凹レンズの幅のうちのいずれか１つ又はいずれか複数が調整される
　付記項１に記載の整形装置。
　以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０　ビーム整形器
２０　拡大・縮小光学系
１００　送光装置
２００　受光装置

Claims (5)

  1. 　ビームを整形するための整形装置であって、
    　アキシコンレンズの中央部分を凹レンズとしたレンズの機能を有するビーム整形器
    　を備える整形装置。
  2. 　前記レンズにおいて、前記アキシコンレンズの焦点距離、前記凹レンズの焦点距離、及び、前記凹レンズの幅を調整することで、伝搬後にビームの強度分布を均一にする
    　請求項１に記載の整形装置。
  3. 　ビームを拡大又は縮小する光学系を更に備える
    　請求項１に記載の整形装置。
  4. 　前記ビーム整形器は、物理的なレンズ、DOE（Diffractive Optical Element）、SLM（Spatial Light Modulator）、又は、ホログラムを有する
    　請求項１に記載の整形装置。
  5. 　前記ビーム整形器として、可変ビーム整形器を用いて、前記アキシコンレンズの焦点距離、前記凹レンズの焦点距離、及び、前記凹レンズの幅のうちのいずれか１つ又はいずれか複数が調整される
    　請求項１に記載の整形装置。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20170259375A1 (en) * 2014-11-19 2017-09-14 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optical system for beam shaping
JP2020522387A (ja) * 2017-06-09 2020-07-30 バイストロニック レーザー アクチェンゲゼルシャフト ビーム整形器及びその使用、ワークピースのレーザビーム処置装置及びその使用、ワークピースのレーザビーム処置方法

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