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図面 (14)

課題

本発明は、複数のレーザビームのような電磁ビーム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。

概要

背景

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。

概要

本発明は、複数のレーザビームのような電磁ビームエネルギを集中する方法を提供することを目的とする。

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。

目的

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。

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。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

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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。

技術分野

0001

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エネルギを集中させる方法および装置に関する。

背景技術

0002

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。

発明が解決しようとする課題

0003

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マイクロレンズの使用を伴う。例えば、米国特許第5,127,068 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。

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。

課題を解決するための手段

0007

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。

0008

ビームのエネルギは、中間ファイバ出口端をまとめてコンパクト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。

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。

発明を実施するための最良の形態

0011

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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70、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。

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。

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。

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。

0025

開口数(N.A.)は、光学素子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。

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、装置の解像度基本波限界を与える。すなわち、光学画像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=1.22λ/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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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104 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。

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100 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110 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。

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。

0047

結合器180 は、楕円シリンダ200 および186 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212 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図面の簡単な説明

0055

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。
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。
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。
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。
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。
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。

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