(57)【要約】ライトガイド内でレーザ光線を自動的にセンタリングする装置及びこの装置を製造する方法。この装置は、レーザ光線を散乱させて、モノモード又はマルチモード光ファイバ等のライトガイド（３２）内で自動的にセンタリングする体積散乱体（２）を備える。この装置を製造するには、管状のライトガイド（６）を製造し、この管状ライトガイド（６）を切断パンチとして使用して、光を散乱させる材料から体積散乱体を形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライトガイド（３２）内でレーザ光線を自動的にセンタリングする装置であって、該レーザ光線に対する入射面を備え、該レーザ光線を散乱させ且つ前記ライトガイド内で自動的にセンタリングするように設計された体積散乱体（２）を備えることを特徴とする、レーザ光線自動センタリング装置。
【請求項２】
モノモード又はマルチモードの光ファイバ（３２）内でレーザ光線を自動的にセンタリングする装置であって、該レーザ光線に対する入射面を備え、該レーザ光線を散乱させ且つ前記光ファイバ内で自動的にセンタリングするように設計された体積散乱体（２）を備えることを特徴とする、レーザ光線自動センタリング装置。
【請求項３】
前記体積散乱体（２）の厚み（Ｌ）がレーザ光線の波長の少なくとも１００倍に等しい、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記体積散乱体（２）がポリテトラフルオロエチレンからなる、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記体積散乱体（２）が円筒形である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記体積散乱体（２）が側面を有し、前記装置は該側面をとり囲む光反射体（６，１４）も備える、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記体積散乱体（２）の入射面に配置され、該入射面から光線の焦点が外れるように設計されているレンズ（１０）をさらに備える、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記体積散乱体（２）が側面を有し、前記装置は、該側面を取り囲み、且つ当該側面を越えて突出し、該側面まで光線をガイドする光反射体（１４）をさらに備える、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記体積散乱体（２）の前記入射面に光学的に結合されており、該入射面まで光線をガイドする補助的な光ファイバ（１６）をさらに備える、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置を製造する方法であって、管状のライトガイド（６）を製造し、切断パンチとして管状のライトガイドを使用して、光を散乱させることができる材料（３４）から体積散乱体（２）を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
技術分野
本発明は、特にモノモード光ファイバ又はマルチモード光ファイバにおいて前レーザ光線がずれたり中心から外れたりした場合に、レーザ光線を自動的にセンタリングする装置に関する。
より詳細には、この装置は、ずれ又は偏心が、光ファイバの横方向の寸法より大きいか又はそれと同じであるようなレーザ光線に適する。
また、本発明は、この装置の製造方法にも関する。
【０００２】
背景技術
公知のセンタリング装置は、以下の２種類に分類することができる。
−ファイバへのレーザ光線入射の位置合わせ及びセンタリングの変更を可能にする静的装置
−位置合わせ及びセンタリングの変更を可能にし、レーザ光線を偏位させるか又はファイバの方向を合わせることによってレーザ光線をファイバの入口に対して再センタリングするためのシステムを備える動的装置。
【０００３】
静的装置では、より簡単には面散乱体と呼ばれる面光散乱体、即ち入射光線の光を散乱させることができる面を備える手段が主として使用されるが、
−第１に、元々均一でないレーザ光線が部分的にしか補正されないこと、及び
−第２に、レーザ光線のコヒーレント性
のために、ファイバへの入射に十分な均一性を得ることができない。
実際、面散乱物にレーザが放射された場合、この面散乱物を構成する点はコヒーレント光を散乱し、その周囲の空間全体にフレネル型のスペックルを生成する。
【０００４】
動的装置では、レーザ光線に対して光ファイバの位置を較正するための位置合わせ及びセンタリングの変更を予め知っておく必要があるという大きな欠点がある。
したがって、動的装置には最適な結合位置に向かって収束するいくつかのレーザパルスが必要なので、一般に周期的なレーザにしか適さない。
【０００５】
このタイプの装置は、ＣＣＤタイプのセンサ又は４象限センサに従動する電子手段を使用し、そのようなセンサは光ファイバの芯の位置に配置されている。
電子手段は、ファイバ内での結合を最適化するためにレーザ光線の位置合わせの変化を補償する可動の光学機器を制御する。
【０００６】
このタイプの装置の利点は、高い結合率（５０％のオーダー）が得られることである。しかしながら、この装置は複雑であるためにきわめて高価であり、また温度変化及び振動の影響を受けやすいきわめて微細な位置合わせを必要とする。
この制約は、ファイバの芯が小さいこと、及びその開口角が小さいことによって生じ、よって比較的長い焦点距離（典型的には２０ｃｍのオーダー）を有する光学機器が必要となり、そのためには１μｍのオーダーで位置決めを行わなくてはならない。
【０００７】
発明の開示
本発明の目的は、上記の欠点を克服することである。
【０００８】
この目的を達成するために、体積光散乱体、略して体積散乱体、即ちその体積（面ではない）がセンタリングすべき入射レーザ光線の光を散乱させることができる手段を備える静的センタリング装置を使用する。
【０００９】
特に、本発明の目的は、ライトガイド内でレーザ光線を自動的にセンタリングする装置を提供することであり、この装置は、レーザ光線に対する入射面を備え、このレーザ光線を散乱させ且つライトガイド内で自動的にセンタリングするように設計されていることを特徴としている。
【００１０】
ライトガイドは、モノモード光ファイバであってもよいし、又はマルチモード光ファイバであってもよい。
【００１１】
本発明による装置の好ましい一実施態様によれば、体積散乱体の厚みは、レーザ光線の波長の少なくとも１００倍に等しい。
【００１２】
この体積散乱体は、ポリテトラフルオロエチレンから作成できる。
【００１３】
本発明による装置の特定の一実施態様によれば、この体積散乱体は円筒形である。
【００１４】
好ましくは、体積散乱体は側面を有しており、装置はこの側面を囲んでいる光反射体も有している。
【００１５】
本発明による装置の好ましい第１の実施態様によれば、この装置は、体積散乱体の入射面に配置され且つこの入射面から光線の焦点が外れるように設計されたレンズを有している。
【００１６】
好ましい第２の実施態様によれば、体積散乱体は側面を有しており、装置はこの側面を囲んで入射面を超えて延び、この入射面まで光線をガイドする光反射体も有していている。
【００１７】
好ましい第３の実施態様によれば、本発明による装置は、体積散乱体の入射面に光学的に結合され、この入射面まで光線をガイドする補助的な光ファイバも有している。
【００１８】
また、本発明は、本発明による装置の製造方法にも関する。この方法では、管状のライトガイドを製造し、この管状のライトガイドを切断パンチとして使用して、光を散乱させることのできる材料から体積散乱体を形成する。
【実施例】
【００１９】
本発明は、添付の図面を参照し、例示的な実施例に対する以下の説明を読むことによってよりよく理解されるであろう。この説明は、説明のみを目的としており、何ら限定的なものではない。
【００２０】
前述のように、本発明による装置を使用することにより、本装置が第１に静的装置であり、第２には体積散乱体を使用することから、先行技術の欠点を補うことができる。この場合、レーザ光線のコヒーレンスを低下させ、これにより、スペックルを減少させることができる。
【００２１】
光線の規模と比較して小さな非均一性を有する媒体を使用することで、多重散乱により、光線の異なる点の間にランダム位相の関係が導入され、空間的コヒーレンスが低下する。
【００２２】
体積散乱体は、的確な均一性を得るために適切な材料からなっている。この材料は、光散乱係数ができるだけ大きくなり、吸収係数ができるだけ小さくなるように選択される。
【００２３】
これについては、本明細書の最後の放射伝達理論を含む説明を参照されたい。
【００２４】
ポリテトラフルオロエチレン又はテフロン（登録商標）のような材料は、可視及び近赤外スペクトルに関して、レーザ光線にきわめて良好に適合する。
【００２５】
また、パルスの長さが１０−１１ｓ以上であると、本発明による装置がパルスレーザ光線の形状を劣化させることはなく、関連のないスペックル画像が重ね合わされることにより、光線のコヒーレンスが散乱体の出口でこの光線の均一性を低下させることはないことが明らかとなっている。
【００２６】
また、体積散乱体が使用されている。このことは、散乱体の長さＬ、つまり厚さが、センタリングすべき入射レーザ光線Ｆの波長と比較して著しく大きいことを意味する（図１）。好ましくは、この散乱体の厚みはこの波長の少なくとも１００倍である。
【００２７】
有利には、この体積散乱体は円筒形であり、均一性及び必要とされる球状伝達によって決まる長さを有している。
【００２８】
これを、図１に概略的に示す。この図１には、長さＬを有するテフロン（登録商標）からなる円筒形の体積散乱体２を備えている本発明による装置を示す。
【００２９】
レーザ光線Ｆは、散乱体２の、入射面を形成する一方の端部４で焦点を結ぶ。このレーザ光は、入射面４とは反対側の散乱体の出口において、球面波Ｓの形状で散乱する。
【００３０】
さらに、体積散乱体を反射波ガイド内に配置することによって、この散乱体２の出口における均一性及び球状伝達が増加する。
【００３１】
これを、図２に概略的に示す。この図２は、金属製の管状反射体６内に挿入された散乱体２を示す。つまり、この管状反射体６は散乱体２の側面８を囲んでいる。
【００３２】
この反射体６又はガイドは、この側面８に到達したレーザ光線を反射し、よって散乱体２内にこの光をガイドする。
【００３３】
実験によって検証された実験式によって、球状伝達の簡単な計算が可能であり、位置合わせすべきずれに対してセンタリング装置の寸法を決めることが可能である。
【００３４】
以下の式によって、金属製のガイドが設けられた装置の透過率Ｔが得られる。
2005531037.tif 000003
式中、
−Ａは金属製のガイドの断面積（ｍ２）であり、
−ａは、散乱体に結合されていて、且つその中でレーザ光線がセンタリングされるべき光ファイバの断面積（ｍ２）であり、
−αは、ファイバの開口角であり、
−ｚは、ガイドの長さ（ｍ）であり、
−ρは、光を散乱させる粒子の密度（／ｍ３）であり、
−σは、散乱断面（ｍ２）である。
【００３５】
有利には、補助手段を反射ガイドに追加することにより、光束影響下での自動センタリング装置の抵抗を増大させることができる。
【００３６】
実際、レーザ光線が散乱体の入射面に焦点を結ぶ場合、入射面が損傷を受ける危険がある。
【００３７】
第１の実施態様によれば、散乱体の前面にマイクロレンズを設けることにより散乱体の入射面からレーザ光線の焦点を外す、つまりレーザ光線がこの入射面上で焦点を結ばないようにすることによって、このような劣化の危険を低減することができる。
【００３８】
これを、図３に概略的に示す。この図３は、散乱体２の入射面４と接触して配置されているマイクロレンズ１０を示す。このマイクロレンズ１０は、散乱体の面４から入射レーザ光線１２の焦点を外すことができる。ここで散乱体とマイクロレンズ１０は同軸上に配置されている。
【００３９】
図３の実施例では、マイクロレンズの直径は散乱体２の直径と等しい。
【００４０】
第２の実施態様によれば、波ガイドを散乱体の前面の方向に延ばすことによって散乱体までレーザ光線をガイドし、散乱体の位置におけるその表面積を増大させることによって光線の幾何学的範囲を増大させ、よってこの散乱体の劣化の危険を低減することができる。
【００４１】
これを、図４に概略的に示す。この図４は、円筒形の散乱体２を囲み、この散乱体の入射面４を越えて突出している管状の反射体１４を示す。
【００４２】
図６Ａには、同じ長さを有する管状の反射体内に設けられている図２の散乱体２を製造する方法を示す。
【００４３】
図４の散乱体は、同様の方法でより長い管状の反射体内に入れ、次いで反射体の、散乱体材料が導入された面とは反対側の面に向かって散乱体を押し込むことによって得ることができる。
【００４４】
第３の実施態様によれば、大きな直径の光ファイバを体積散乱体の正面に追加することにより、自動センタリング装置の光束影響下での抵抗を増加することができる。
【００４５】
これを図５に概略的に示す。この実施例では、それぞれ参照符号１８及び２０で示した芯及びクラッド部分を含む光ファイバ１６のセグメントが、図４の装置に追加されている。芯１８と散乱体２は同軸上に位置している。
【００４６】
散乱体２の直径にほぼ等しい直径を有するこのセグメント１６は、入射面４を越えて突出しているガイド１４の一部に収容されている。この入射面は、ファイバセグメント１６に接している。
【００４７】
したがって、このファイバセグメント１６は散乱体の手前でレーザ光線１２を受信するので、散乱体中で高温点が生じることが回避される。
【００４８】
有利には、柔軟な散乱体材料から散乱体を形成するための切断パンチとして反射ガイド６を使用する（ガイドが十分に硬い材料からなる場合）。
【００４９】
これを、図６Ａの実施例によって概略的に示す。この図６Ａには、鋼板２２に堅く固定され、よってこの鋼板２２からの突出部を形成している鋼からなる管状のガイド６を例示する。
【００５０】
図６Ｂに示すように、この板２２は、この突出部によって支持部材２４内に係合しており、ねじによって支持部材に固定されている。これは、一点鎖線２６によって象徴的に表されている。
【００５１】
支持部材２４は、ねじ山が切られた部分２８を有しており、この部分２８に光ファイバコネクタ３０をねじ止めすることができる。したがって、コネクタ３０に設けられた光ファイバ３２に散乱体２を光学的に接続することが可能であり、この目的に見合うように板２２及び支持部材２４には適宜孔が設けられている。
【００５２】
特に、図６Ｂに示すように、板２２の穿孔部は、散乱体２が、図２に示したタイプのガイド内ではなく、図４に示したタイプの反射体内に配置されるように設けられている。
【００５３】
体積散乱体２によって、図６Ｂの装置は、光ファイバ３２上にレーザ光線１２をセンタリングすることができる。
【００５４】
この装置は、柔軟な散乱体材料、例えばテフロン（登録商標）板からなる板３４を使用して製造され、鋼からなる板２２をこの板３４と接触させて使用する（図６Ａ）。
【００５５】
図６Ａの管状のガイド６によって形成されている突出部が材料を貫通し、この材料の一部が管状のガイド内を貫通して散乱体２を形成する。
【００５６】
次に、適切な切断工具３６を使用して材料の残りの部分から上述のように形成した散乱体を分離する。
【００５７】
限定を目的とせず、例示のみを目的に挙げると、レーザ光線の波長のほぼ７００倍である７５０μｍの長さ（厚み）を備えたテフロン（登録商標）の散乱体と、散乱体のレーザ光線が入射する面から０．３ｍｍ突出している研磨された鋼製の波ガイドとが、１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光線をセンタリングするために使用される。
【００５８】
本発明は、光ファイバ（シングルモード又はマルチモード）内におけるレーザ光線のセンタリングに限定されることはない。
【００５９】
別のライトガイド、例えば平面ガイド内でのレーザ光線のセンタリングに応用することもできる。
【００６０】
以下に、放射伝達理論、即ち散乱体による光の伝達を説明する。
【００６１】
直線的伝搬の場合、素体積の厚みｄｚを横切るときの輝度Ｌ（Ｗ/ｍ２/ｓｒ）の変化量ｄＬは以下の式で表される。
2005531037.tif 000004
式中、αは吸収係数（ｍ−１）であり、βは散乱係数（ｍ−１）である。
【００６２】
散乱横断面σｓ、吸収横断面σａ及び消失横断面σｔ＝σａ＋σｓ（ｍ２）が規定された散乱粒子の場合、方向
2005531037.tif 000005
の点ｒにおける入射輝度
2005531037.tif 000006
は、長さｄｓ（図７参照）を有する円筒形の素体積上では、以下の式で同様に表される。
2005531037.tif 000007
式中、ρは粒子の体積密度である。
【００６３】
全ての方向
2005531037.tif 000008
から発生する全ての散乱及び吸収は、方向
2005531037.tif 000009
に沿った吸収及び散乱を規定する項に加えなければならない。これは、以下の式によって定義される散乱相関数
2005531037.tif 000010
を元にして表される。
2005531037.tif 000011
上式中、Ｗ０は単一粒子のアルベドであり、ｄωは基本立体角である。
【００６４】
方向
2005531037.tif 000012
に沿った長さｄｓを有する素体積の放射に対応する項（Ｗ/ｍ３/ｓｒ）も加える必要があり、これを
2005531037.tif 000013
で示す。
【００６５】
これら全ての項を統合すると、以下の伝達方程式が得られる。
2005531037.tif 000014
【００６６】
方向
2005531037.tif 000015
に沿った点ｒにおける全体の輝度Ｉは、減少入射輝度Ｉｒｉ及び散乱輝度Ｉｄという２つの項に分けられ、以下の２式が得られる。
2005531037.tif 000016
【００６７】
これらの式より、点ｒで散乱された照度Ｕｄ及び光束ベクトルＦｄが以下のように誘導される。
2005531037.tif 000017
【００６８】
平行光線又はガウスビームが平面試料に到達する場合、全ての点における散乱照度Ｕｄ（ｒ）を計算することができる。これを得るためには、長さｄを有する平面試料に対する伝搬等式及び境界条件を満足するグリーン関数Ｇ（ｒ、ｒ´）を導入しなければならない。
2005531037.tif 000018
上記の３つの等式において、
ｈ＝２ρδｔｒ／３、及びＫｄ＝３ρδｔｒρδａ、であり、
式中、σｔｒ＝σａ＋σｓ（１−μ）であり、μは平均散乱角のコサインである。
【００６９】
したがって、点ｒにおける散乱照度は、以下のように表される。
2005531037.tif 000019
式中、
2005531037.tif 000020
は、等方散乱に対してゼロであり、ｄＶは試料の体積であり、Ｐ０はレーザ光線の入射出力であり、Ｗはレーザ光線の１/ｅ２での半径である。
【００７０】
変形ベッセル関数を用いて、散乱照度Ｕｄを分析的に表すことが可能であり、ρ、σｔ及び試料厚みの異なる値について計算を行うことができる。
【００７１】
様々なシミュレーションを行うことにより、粒子密度、及び３種類の試料の厚み（０．５ｍｍ、１ｍｍ及び２ｍｍ）に対する消失横断面の変化に伴うＵｄ及びＵｒｉ（減少入射照度）の変化を求めた。
【００７２】
使用したレーザの出力は１ｍＷであり、開口数は０．１１であった。
【００７３】
図８に、ｚの変化に伴うＵｄ及びＵｒｉの変化の曲線を示す。
【００７４】
減少入射照度Ｕｒｉは、ｅｘｐ（−ρσｔｚ）及びレーザ光線の寸法の変化に伴って減少し、一方、散乱照度Ｕｄは、まずｚの変化に伴って増加し、その後減少する。
【００７５】
入射レーザ光線に対して選択された構成によって、積ρσｔｚは必ず１０のオーダーとなり、よってＵｄはＵｒｉのオーダーとなる。
【００７６】
この値の大きさのオーダーは、簡単に見つけることができる。減少入射照度は、以下の形で減少する。
2005531037.tif 000021
式中、Ｋ１は比例定数であり、θは材料中のレーザ光線の１/ｅ２での開口角であり、半径ｚを有する球の表面上の照度が一定であると仮定すると、エネルギー保存によって、散乱照度に関する以下の式を得ることができる。
４πｚ２Ｕｄ（ｚ）＝Ｋ２ｘ（１−ｅｘｐ（−ρδｔｚ））
式中、Ｋ２は比例定数である。
【００７７】
ＵｄがＵｒｉに等しい場合、ｅｘｐ（−ρσｔｚ）は、θ２/４πからあまり大きく異なることはなく、したがってρσｔｚも、７からあまり大きくずれることはない。
【００７８】
ここでも上記の大きさのオーダーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に使用可能な体積散乱体の一実施態様を概略的に示す。
【図２】本発明による装置の第１の実施例の概略断面図である。
【図３】本発明による装置の第２の実施例の概略断面図である。
【図４】本発明による装置の第３の実施例の概略断面図である。
【図５】本発明による装置の第４の実施例の概略断面図である。
【図６Ａ】本発明による装置の製造ステップを概略的に示す。
【図６Ｂ】本発明による装置の概略断面図である。
【図７】散乱体材料の素体積による光の散乱を概略的に示す。
【図８】距離の変化に伴う散乱照度及び減少入射照度の変化を示す曲線である。
【図１】
2005531037.tif 000022
【図２】
2005531037.tif 000023
【図３】
2005531037.tif 000024
【図４】
2005531037.tif 000025
【図５】
2005531037.tif 000026
【図７】
2005531037.tif 000027
【図８】
2005531037.tif 000028
2005531037.tif 000029
【国際調査報告】
2005531037.tif 000030
2005531037.tif 000031
2005531037.tif 000032
2005531037.tif 000033
2005531037.tif 000034
2005531037.tif 000035