(57)【要約】  （ｉ）光参照ビーム（１０）が光ファイバ（１２）の第１の端部から出力されるように光ファイバ（１２）の第２の端部に光を結合するステップと、（ｉｉ）第１の光ビーム（１８）の少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビーム（１０）の対応するビームパラメータに整合させるステップとを含む、第１の光ビーム（１８）を光ファイバ（１２）の第１の端部に結合する方法が記載される。ステップ（ｉｉ）は、波面センサ（２）を用いて実施することができる。対応する装置も付加的に記載される。【選択図】図１
2008506146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの第１の端部に第１の光ビームを結合する方法であって、
（ｉ）光参照ビームが前記光ファイバの第１の端部から出力されるように前記光ファイバの第２の端部に光を結合するステップと、
（ｉｉ）前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させる前記ステップ（ｉｉ）が、ビーム特性センサを用いて前記光参照ビームの少なくとも１つのビームパラメータを計測するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させる前記ステップ（ｉｉ）が、ビーム特性センサを用いて前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを計測するステップを含む請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
請求項２に従属する場合において、共通のビーム特性センサを用いて前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータ及び前記光参照ビームの少なくとも１つのビームパラメータを計測することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ビーム特性センサを用いる前記ステップが、波面センサを用いるステップを含む請求項２から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させる前記ステップ（ｉｉ）が、前記第１の光ビームの先端／傾斜を前記参照ビームの先端／傾斜に整合させるステップを含む請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させる前記ステップ（ｉｉ）が、前記第１の光ビームを前記参照ビームと横方向に位置合わせするステップを含む請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の光ビームを前記参照ビームと横方向に位置合わせする前記ステップが、前記光ファイバの第１の端部を前記第１の光ビームに対して横方向に変位させることを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させる前記ステップ（ｉｉ）が、前記第１の光ビームの焦点を前記参照ビームの焦点に整合させるステップを含む請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させる前記ステップ（ｉｉ）が、前記第１の光ビームのビーム曲率を前記参照ビームのビーム曲率に整合させるステップを含む請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させる前記ステップ（ｉｉ）が、前記第１の光ビームのビームウェストを前記光参照ビームのビームウェストに整合させるステップを含む請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
第１の光ビームを光ファイバの第１の端部に結合する光学装置において、
前記光ファイバの第１の端部から光参照ビームが出力されるように前記光ファイバの第２の端部に光を結合する手段を含み、前記第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを前記光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるためにビーム整合手段が設けられることを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
前記ビーム整合手段が、ビーム特性センサを含む請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記ビーム特性センサが、波面センサを含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記波面センサが、歪み格子、レンズ及び検出器アレイのうちの少なくとも１つを含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記参照ビーム及び前記第１の光ビームのある割合を前記ビーム特性センサに配向するように配置されたリレー光学系を更に含む請求項１３から１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記リレー光学系が、ビームスプリッタ及び逆反射体を含む請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記光ファイバが、フォトニック結晶ファイバである請求項１２から１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
第１の光ビームを生成する１次レーザ源と、光ファイバの第１の端部を前記第１の光ビームに位置合わせするための位置合わせ手段とを備えた光学装置であって、前記位置合わせ手段が少なくとも１つ波面センサを含むことを特徴とする光学装置。
【請求項２０】
光ファイバを更に備え、前記位置合わせ手段が前記光ファイバの第１の端部を前記光ビームに対して位置合わせするように配置されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記位置合わせ手段が更に、光参照ビームを出力するための第２のレーザ源を備え、使用時には、前記参照ビームが前記光ファイバの第２の端部に光学的に結合されることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記装置は、前記参照ビームが前記光ファイバの第１の端部から出力されるとき、前記波面センサが該参照ビームを受信するように配置されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記位置合わせ手段は、前記第１の光ビームに対して前記光ファイバの第１の端部の位置を変更して前記参照ビーム及び前記１次光ビームを重ね合わせるように配置されることを特徴とする請求項１９から２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記位置合わせ手段が、前記光ファイバの第１の端部の位置を前記第１の光ビームに対して平行移動させるための平行移動ステージを含む請求項１９から２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
位置合わせ手段が、前記第１の光ビームの光軸に対する前記光ファイバの第１の端部の角度合わせを変更するための可動ステージを含む請求項１９から２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
ビーム形成手段が、前記第１の光ビームのビーム形状を変更するために付加的に設けられることを特徴とする請求項１９から２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記１次レーザ源が、高出力レーザ源である請求項１９から２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
光学系を位置合わせする装置であって、前記光学系が第１の光ビームを光ファイバの第１の端部に結合するように配置される１次レーザ源を備え、前記装置が、前記光学系に取り付けられたときに前記第１の光ビームのビーム特性を計測することができる波面センサを備えることを特徴とする装置。
【請求項２９】
前記光学系が、前記光ファイバの第２の端部に放射線を供給して光参照ビームが前記光ファイバの第２の端部から出力されるように配置され、前記波面センサが、前記光学系に取り付けられたときに、前記光参照ビームのビーム特性を計測できることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム操作システムに関し、より具体的には、光ファイバを高出力レーザに対して位置合わせする装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力レーザシステムの開発は、フォトニック結晶ファイバなどの小型コア光ファイバに高出力レーザ光を結合する（couple high power laser light into small core optical fibers）ことができる要件をもたらした。高出力レーザ光が光ファイバの中心コアを外れてファイバのクラッドに入射するようになる場合、対処できない損傷の原因となる恐れがある。通常、公知の結合システムは、高出力レーザビームに対してファイバの位置合わせを最適化するための手動マイクロメータ調整手段を有する集束光学系を含む。カメラを用いて光ビームが注入されるファイバの端部を見る技法も知られており、例えば欧州特許ＥＰ４３２９１２号を参照されたい。しかしながら、かかる従来技術は、時間がかかり、熟練の専門家を必要とすることが多く、極めて信頼性が低い可能性がある。
【０００３】
全く無関係な技術領域においても波面センサは公知である。かかるセンサはこれまで、光学面の形状を特徴付けるのに用いられてきた。以下の出版物により、種々の波面センサの詳細が得られる。
（ａ）Ｗｏｏｄｓ，Ｓ．，Ｇｒｅｅｎａｗａｙ，Ａ．Ｈ．の「Ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｂｙ  ｕｓｅ  ｏｆ  ａ  Ｇｒｅｅｎ’ｓ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｅｑｕａｔｉｏｎ（強度輸送方程式に対してグリーン関数の解を用いることによる波面感知）」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，２０(３）５０８−５１２（２００３年）。
（ｂ）Ｂｕｒｎｅｔｔ，Ｊ．Ｇ．，Ｗｏｏｄｓ，Ｓ．，Ｔｕｒｎｅｒ，Ａ．，Ｓｃｏｔｔ，Ａ．Ｍ．の「Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｖｅｒ  ａｎ  ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ｐａｔｈ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｃｕｒｖａｔｕｒｅ  ｓｅｎｓｏｒ（波面曲率センサを用いる延長水平路にわたる波面計測）」２００３年１０月ドイツ、ミュエンスターにおける第４回工業及び医薬のための適応光学に関する国際ワークショップの会報に掲載。
（ｃ）Ｓｃｏｔｔ，Ａ．Ｍ．，Ｗｏｏｄｓ，Ｓ．の「Ｓｉｎｇｌｅ  ｓｈｏｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  Ｍ２  ｕｓｉｎｇ  ＩＭＰ  ｇｒａｔｉｎｇｓ（ＩＭＰ格子を用いてレーザビーム品質パラメータＭ2の単発計測）」２００２年１月２２から２３日サンホセにおけるＳＰＩＥ議事録４６２９レーザ共鳴装置及びビーム制御Ｖ、Ａｌｅｘｉｓ  Ｖ．Ｋｕｄｒｙａｓｈｏｖ（編集）。
（ｄ）Ｂｌａｎｃｈａｒｄ，Ｐ．Ｍ．，Ｆｉｓｈｅｒ，Ｄ．Ｊ．，Ｗｏｏｄｓ，Ｓ．，Ｇｒｅｅｎａｗａｙ，Ａ．Ｈ．の「Ｐｈａｓｅ−ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｇｒａｔｉｎｇ（歪んだ回折格子を用いる位相ダイバーシティ波面感知）」応用光学３９（３５）６６４９−６６５５（２０００年）。
（ｅ）Ｂｌａｎｃｈａｒｄ  Ｐ．Ｍ．，Ｇｒｅｅｎａｗａｙ  Ａ．Ｈ．の「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｍｕｌｔｉｐｌａｎｅ  ｉｍａｇｉｎｇ（広帯域同時多面イメージング）」光学通信１８３、２９−３６（２０００年）。
（ｆ）Ｂｌａｎｃｈａｒｄ，Ｐ．Ｍ．，Ｇｒｅｅｎａｗａｙ，Ａ．Ｈ．の「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｍｕｌｔｉｐｌａｎｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｇｒａｔｉｎｇ（歪んだ回折格子を用いる同時多面イメージング）」応用光学３８（３２）６６９２−６６９９（１９９９年）。
（ｇ）Ｂｌａｎｃｈａｒｄ  Ｐ．Ｍ．，Ｂｕｒｎｅｔｔ  Ｊ．Ｇ．，Ｅｒｒｙ  Ｇ．Ｒ．，Ｆｉｓｈｅｒ  Ｄ．Ｊ．，Ｇｒｅｅｎａｗａｙ  Ａ．Ｈ．，Ｈａｒｒｉｓｏｎ  Ｐ．，Ｗｏｏｄｓ  Ｓ．の「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｌｏｗ−ｌｅｖｅｌ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ（低レベル大気乱流の計測）」１９９９年ＳＰＩＥ３８６６議事録１３５−１４２の大気伝搬における光学系及び適応システムＩＩＩ、Ａ  Ｋｏｈｎｌｅ、Ｊ  Ｄ  Ｇｏｎｇｌｅｗｓｋｉ（編集）。
（ｈ）Ｂｌａｎｃｈａｒｄ  Ｐ．Ｍ．，Ｂｕｒｎｅｔｔ  Ｊ．Ｇ．，Ｅｒｒｙ  Ｇ．Ｒ．Ｇ．，Ｇｒｅｅｎａｗａｙ  Ａ．Ｈ．，Ｈａｒｒｉｓｏｎ  Ｐ．，Ｈａｒｖｅｙ  Ａ．，Ｗｏｏｄｓ  Ｓ．の「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｌｏｗ−ｌｅｖｅｌ  ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ（低レベル乱流を通る光伝播）」１９９８年ＳＰＩＥ３４９４議事録１０４−１１０の大気伝搬、適応システム及び遠隔感知のためのライダー法ＩＩ、Ａ  Ｄ  Ｄｅｖｉｒ、Ａ  Ｋｏｈｌｅ、Ｕ  Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ、Ｃ  Ｗｅｒｎｅｒ（編集）。
（ｉ）国際特許出願番号ＷＯ９９／４６７６８号。
【０００４】
【特許文献１】国際特許出願番号ＷＯ９９／４６７６８号公報
【特許文献２】欧州特許ＥＰ４３２９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、レーザビームを光ファイバに結合する装置及び方法の改善を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、第１の光ビームを光ファイバの第１の端部に結合する方法は、（ｉ）光参照ビームが光ファイバの第１の端部から出力されるように光ファイバの第２の端部に光を結合するステップと、（ｉｉ）第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップとを含む。
【０００７】
従って本発明は、参照光源（例えば低出力レーザ）から光ファイバに沿って反対方向に第１の光ビームに向かって光を通すこと含む。光ファイバを通過後、光ファイバの第１の端部から出力される参照ビームは、第１の光ビームの最適形状に共役のビーム形状を有する。すなわち、光ファイバの第１の端部から出力される光参照ビームの特性は、第１の光ビームの理想特性の指標をもたらし、すなわち、第１の光ビームの光ファイバへの結合効率を最大にするのに必要とされる特性である。従って、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを参照ビームの対応するビームパラメータに整合させることは、レーザビームを光ファイバに結合することができる光学的効率を増大させる好都合な方法を提供することが分かる。
【０００８】
光が光ファイバの第２の端部に結合される効率は、ファイバへの結合にわずかな低出力レーザしか必要としないので、重要でない点に留意されたい。しかしながら、光参照ビームを形成する光の大部分は、光ファイバのコアに沿って伝播し、ファイバコアに結合していないあらゆる光は、ファイバの第１の端部に到達する前に損失することが好ましい。ファイバクラッド内での光伝播に関連する損失は、例えば光ファイバの湾曲によって場合によっては増大する可能性がある。
【０００９】
有利には、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップ（ｉｉ）は、ビーム特性センサを用いて光参照ビームの少なくとも１つのビームパラメータを計測するステップを含む。
【００１０】
好ましくは、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップ（ｉｉ）は、ビーム特性センサを用いて第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを計測するステップを含む。
好都合には、共通のビーム特性センサが用いられ、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータと光参照ビームの少なくとも１つビームパラメータとが計測される。
【００１１】
ビーム特性センサを用いるステップは、波面センサを用いるステップを含むことができる。波面センサは、傾斜角度、位置ずれ及びビーム曲率などの多くの波面特性に関する正確な情報をもたらすことができるので有利である。波面センサはまた、ビームウェスト情報をもたらすのに用いることができる。或いは、光ファイバに対する第１の光ビームの正確ではない位置合わせが求められる場合、センサは標準的な２次元イメージングアレイを含むことができる。幾つかの好適な波面センサを上記で説明し、こうしたセンサを記載する出版物への種々の参照を上記で掲載した。上述の参考文献の内容は、本引用により本明細書に組み込まれる。良く知られたシャック・ハルトマン波面センサなどの他の波面センサも用いることができる。
【００１２】
第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップ（ｉｉ）は、第１の光ビームの先端／傾斜を光参照ビームの先端／傾斜に整合させるステップを含むことができる。ビームの先端／傾斜とは、当業者にはよく知られた用語である。簡単に言えば、第１の光ビームは、参照ビームが光ファイバの第１の端部から離れる方向に伝播するのと同じ角度から光ファイバの第１の端部に入射するように配置される。
【００１３】
第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップ（ｉｉ）は、第１の光ビームを参照ビームに対して横方向に位置合わせするステップを含むことができる。従って、第１の光ビームは、参照ビームと同じ位置で光ファイバの第１の端部を含む平面と交差するように配置される。
【００１４】
第１の光ビームを参照ビームに対して横方向に位置合わせするステップは、有利には、第１の光ビームに対して光ファイバの第１の端部を横方向に変位させることを含む。光ファイバの第１の端部を第１の光ビームに対して移動させることは、光ファイバの第１の端部に対する第１の光ビームの横方向変位を変更する好都合な方法を提供する。或いは、第１の光ビームをもたらすレーザ源は、光ファイバの第１の端部に対して調整することができる。
【００１５】
有利には、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップ（ｉｉ）は、第１の光ビームの焦点を参照ビームの焦点に整合させるステップを含む。すなわち、第１の光ビームは、参照ビームと実質的に同一面内に焦点を有するように配置される。
【００１６】
更に、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップ（ｉｉ）は、第１の光ビームのビーム曲率を参照ビームのビーム曲率に整合させるステップを含むことができる。「ビーム曲率」は、レーザの当業者にはよく知られた用語である。この場合、光ファイバの第１の端部上への第１の光ビームの集束角度は、光ファイバを出る参照ビームの発散角度に整合することになる。
【００１７】
好都合には、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップ（ｉｉ）は、第１の光ビームのビームウェストを光参照ビームのビームウェストに整合させるステップを含む。ビームウェスト、すなわち２ω0は、レーザビームのよく知られた特性である。通常、必要とされるビームウェストは、光ファイバコアの直径の７０％程度となる。
【００１８】
本発明の方法は、第１の光ビームの先端／傾斜、横方向位置合わせ、焦点、ビーム曲率、又はビームウェストのいずれか１つ又はそれ以上を光参照ビームに整合させることを含むことができる。しかしながら、特定の光学系における特定のビームパラメータを正確に整合させることがどのように重大であるかに対しては、様々な要因（例えばファイバコア直径）が影響を及ぼすことになる。従って当業者であれば、第１の光ビームの１つ又は複数のビームパラメータのどれを光学装置の精密設計に基づいて光参照ビームのパラメータに整合させる必要があるかを選択する。
【００１９】
波面センサから収集されるデータを分析するためにコンピュータプログラムも設けられる。更に、コンピュータプログラムは、光学系の様々な構成要素を制御するように配置することができ、これによって第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるステップを実装することができる。例えば、コンピュータプログラムは、波面センサによってもたらされるデータを分析することができ、データは光参照ビーム及び第１の光ビームのビーム特性に関連する。次いで、光ファイバの第１の端部の位置は、第１の光ビームと相対的に移動され、参照ビーム及び第１の光ビームの横方向の位置ずれを最小限にすることができる。
【００２０】
位置合わせ方法を用いることができると同時に、第１の光ビームは光ファイバを通って送信され、及び／又は本方法は、第１の光ビームの起動前に用いることができる。すなわち、位置合わせ方法は、装置の較正中（例えば光学構成要素の初期位置合わせ中）、定期的（例えばシステム起動時）、及び／又は連続的（例えば使用中の結合効率を連続的に最大にするように）に用いることができる。
【００２１】
ステップ（ｉｉ）は２つの段階、例えば光参照ビームのビームパラメータを計測するステップ（ａ）と、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを調整するステップ（ｂ）とで実行することができる。特定の状況では、ステップ（ａ）と（ｂ）を実施する間に遅延が存在することもある。例えば、光参照ビームのビームパラメータは、第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータの最適化における次に使用するために計測し記憶することができる。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、第１の光ビームを光ファイバの第１の端部に結合する光学装置が提供され、本装置は、光ファイバの第１の端部から光参照ビームが出力されるように光ファイバの第２の端部に光を結合する手段を含み、ビーム第１の光ビームの少なくとも１つのビームパラメータを光参照ビームの対応するビームパラメータに整合させるために整合手段が設けられることを特徴とする。
【００２３】
好ましくは、ビーム整合手段は、波面センサなどのビーム特性センサを含む。波面センサは、歪み格子、レンズ及び検出器アレイの少なくとも１つを含むことができる。加えて、装置は更に、参照ビーム及びある割合の第１の光ビームをビーム特性センサに配向するように配置されたリレー光学系を含むことができる。有利には、リレー光学系は、ビームスプリッタ及び逆反射体を含むことができる。この構成によって、わずかな割合の第１の光ビームをセンサに配向することができると共に、ビーム出力の大部分は、光ファイバの第１の端部に配向される。
【００２４】
好都合には、光ファイバはフォトニック結晶ファイバとすることができる。しかしながら本発明は、あらゆるタイプの光ファイバを位置合わせするのに用いることができる点に留意されたい。
本発明の別の態様によれば、光学装置は、第１の光ビームを生成する１次レーザ源と光ファイバの第１の端部を第１の光ビームに位置合わせする位置合わせ手段とを含み、位置合わせ手段は少なくとも１つの波面センサを含むことを特徴とする。
【００２５】
従って、位置合わせ手段が波面センサを用いて第１の光ビームを光ファイバに位置合わせするように配置された光学装置が提供される。波面センサは、第１の光ビームの波面形状の計測値をもたらし、かかるビーム形状データは、レーザ源によって生成される第１の光ビームへの光ファイバのコアの位置合わせを助けるのに用いることができる。すなわち、第１の光ビームの固有性は、第１の光ビームを光ファイバに位置合わせするときに計測され用いられる。このタイプの装置によって、従来技術の手動による調整手法よりも遙かに高精度で光ファイバのコアに光ビームを位置合わせすることができる。
【００２６】
好都合には、装置は更に光ファイバを含み、位置合わせ手段は前記光ファイバの第１の端部を光ビームに対して位置合わせするように配置される。
好ましくは、位置合わせ手段は更に、光参照ビームを出力するための第２のレーザ源を含み、使用中、前記参照ビームは、光ファイバの第２の端部に光学的に結合される。かかる場合において、参照ビームが光ファイバの第１の端部から出力されるときに波面センサが参照ビームを受信するように配置されるよう装置を配置することができる。
【００２７】
このようにして、光ファイバの第１の端部から出力される参照ビームの形状及び／又は１次光ビームの形状は、必要に応じて波面センサによって計測することができる。すなわち、装置によって、第１の光ビーム及び参照ビームの一方又は双方を波面センサに送ることができる。上述のように、第１の光ビーム及び参照ビームは、ビームスプリッタ装置を介して波面センサを通ることができる。これによって参照ビーム及び第１の光ビームは、同一の波面感知手段上にあることができる。第１の光ビーム及び参照ビームの粗位置合わせは、ゼロ次モードの重複を確保することによってもたらすことができる。
【００２８】
第１の光ビーム及び光参照ビームを別個に検出するためには、単一の波面センサが好ましいが、別個の波面センサを備えてもよい点に留意されたい。
有利には、位置合わせ手段は、第１の光ビームに対する光ファイバの第１の端部の位置を変更して参照ビームと第１の光ビームとを重ね合わせるように配置される。例えば位置合わせ手段は、光ファイバの第１の端部の位置を第１の光ビームに対して平行移動するための平行移動ステージを含むことができる。
【００２９】
位置合わせ手段はまた、第１の光ビームの光軸に対する光ファイバの第１の端部の角度合わせを変更する（例えば先端／傾斜を整合させるように）可動ステージを含むことができる。可動ステージはまた、第１の光ビームに対する光ファイバの第１の端部の位置を平行移動するように配置することができる。
【００３０】
加えて、ビーム形成手段（例えばビーム形成光学系）は更に、第１の光ビームのビーム形状を変更するために付加的に設けることができる。すなわち、第１の光ビームの形状を変更するための手段が設けられる。第１の光ビームの形状の変更（例えばビームウェスト又は曲率の変化）は更に、光が第１の光ファイバに結合することができる効率を改善する。
好都合には、第１のレーザ源は高出力レーザ源である。かかる高出力源の位置ずれを防ぐことにより、光ファイバに対する損傷が阻止される。
【００３１】
レーザ源、レーザ源によって出力される第１の光ビームを受信するように配置された第１の端部を有する光ファイバ、及び前記第１の光ビームの波面の形状を光ファイバの第１の端部の位置で変更するビーム調整手段を含む光学装置であって、装置が更に、第１の光ビームの波面の形状を計測する少なくとも１つの波面センサを含むことを特徴とする装置が記載される。
【００３２】
第１の光ビームを光ファイバの第１の端部に結合するように配置された１次レーザ源を含む光学系を位置合わせするための装置も記載される。装置は、前記光学系に取り付けられたときに、第１の光ビームのビーム特性を計測することができる波面センサを備える。
【００３３】
すなわち、前記光学系に取り付けられ１次レーザ源のビーム特性を計測する波面センサを含む装置を用いて位置合わせされた光学系を提供することができる。位置合わせ後、装置は光学系から取り外すことができる。
【００３４】
好都合には、光学系は、光参照ビームが光ファイバの第２の端部から出力されるように放射線を光ファイバの第２の端部に供給するように配置され、ここで波面センサは、前記光学系に取り付けられると、光参照ビームのビーム特性を計測することができる。このようにして、光参照ビームのビームパラメータは、上述の方法で第１の光ビームのビームパラメータと比較することができる。
【００３５】
更に、波面センサ、ビームスプリッタ、及び逆反射体を備えた波面感知装置が記載され、ここで装置は、２つの光ビームを同時に波面センサに配向することができるように配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
ここで例証として添付図面を参照しながら本発明を説明する。
【００３７】
図１を参照すると、本発明の光学装置が示されている。本装置は、上記の種々の出版物において既述されたタイプの波面曲率センサ又はカメラ２を含む。
波面カメラ２は、検出器アレイ４、従来のレンズ６及び軸外フレネルレンズとして作用する歪んだ位相格子８を含む。或いは、焦点距離の異なる２つの直交格子をレンズ６及び格子８の代わりに用いることができる。
【００３８】
波面カメラ２は、入射ビームの直径及び曲率を計測することができる。前述の形式の処理を用いると、波面センサ２は、９つの面でビームの直径を同時に計測することが可能であり、これによって入射ビームのガウスビームパラメータを即座に求めることができる。
【００３９】
カメラ２へ入射する光は、最初に軸外フレネル帯プレート（すなわち歪み格子８）によって回折される。格子８は、位相格子の深さに応じた効率で光を−１、０、及び＋１の次数に回折する。０次光は変更されずに通過するが、＋１及び−１次はそれぞれの焦点距離＋ｆg及び−ｆgに対応した集束を生じる。回折光は更に、カメラの従来レンズ６によって集束され、従来レンズ６の焦点面で検出器アレイ４上に配光される。
【００４０】
コリメートビームがカメラ２上に配向されると、３つの回折次数は各々、異なる焦点距離に対応した画像を生成し、カメラの焦点面上の画像は０次のウェストの画像に対応し、焦点外れの画像はそれぞれ＋１及び−１次に相当する。３つの画像の直径を計測することによって、ビームウェストの位置及び直径の推定並びにビーム発散度の推定を導出することが可能である。
【００４１】
異なる有効焦点距離の２つの格子を従来レンズの前で互いに直交して配置することによって、別の概念を取り入れることができる。この場合、９つの異なる面でビームの画像に対応した３×３のアレイの画像を生成することができる。これらの９つの画像を用いて、焦点直径、位置、及びビーム発散度を正確に計測することができ、Ｍ2の計測値が得られる。当業者には公知であるように、Ｍ2はビームの品質の尺度をもたらす。
【００４２】
代替的に歪み格子と従来型カメラの組合せは、波面曲率センサとして用いることができることを留意されたい。これは、記録されたデータを処理する異なる方法を含む。２つの異なる次数を２つの別個の面で入射ビームの画像に関連付けることができ、これら２つの画像を処理して波面曲率を求めることができることが示されている。このようなデータを処理し、グリーン関数アルゴリズムを用いて２つの画像を記録することができ、この２つの画像から４０×４０空間アレイ全体の波面の形状を求めることができることは上記で示された（例えば上記に記載されたＷｏｏｄｓ及びＧｒｅｅｎａｗａｙの出版物を参照）。次いで、波面をゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）モードに関して分析し、歪み度を求め、非点収差、球面収差、及びコマ収差などの特徴を識別することができる。
【００４３】
上記の波面曲率センサは、これまでは光学面の形状を計測するのに用いられていた。これは、計測されることになる反射面上にコリメートビームを照らし、反射光の波面の形状を計測することによって実施された。
【００４４】
使用中、本発明の装置は、低出力参照ビーム１０がビームスプリッタ１４及びレンズ１６を介して光ファイバ１２の出力端部に配向されるようにする。参照ビーム１０の光ファイバ１２に対する位置合わせは、高出力入力端部における波面センサからの計測ができる程十分な出力がファイバに結合されている限り、重要とされる必要はない。
【００４５】
レーザ源２０は、レンズ２２及びアパーチャ２４を通って第２のビームスプリッタ２６に通る高出力レーザビーム１８を提供する。第２のビームスプリッタ２６は、高出力レーザビームのほとんどをレンズ２８を介してファイバ１２の入力端部に向けて配向する。光ファイバ１２の入力端部は、Ｘ−Ｙ−Ｚエンコーダフィードバックステージ３０上に取り付けられる。
【００４６】
わずかな比率の高出力ビーム１８は、第２のビームスプリッタ２６を用いて取り出され、レンズ２７及びミラー２９を介して反射され波面センサ２まで戻される。リレー光学系（すなわちレンズ２２、２９など）は、高出力レーザビームのアパーチャ（瞳孔面）が歪んだ回折格子上に確実にリレー結像されるようにする。高出力レーザビーム１８及び参照ビーム１０の波面特性（先端、傾斜、焦点外れ）は、波面センサ２によって計測され、この２つが比較される。Ｘ−Ｙ−Ｚエンコーダフィードバックステージ３０を調整することによる光ファイバ１２の入力端部の移動は、波面センサ２における参照ビームの特性を変更するのに用いられる。Ｘ−Ｙ−Ｚエンコーダフィードバックステージ３０は、参照ビーム及び高出力ビームが位置合わせされるまで、すなわち高出力ビームが参照ビームと整合するまで移動される。このような調整を行う方法を以下でより詳細に説明する。
【００４７】
すなわち、本発明の装置は、参照ビームが最適には位置合わせされてないが、「入力」端部から出現するときに分析するのには十分な電力を有した状態で、該参照ビームを「出力」端部からファイバに配向する概念を利用する。光は、ファイバに結合されることになるビーム上に生成することを意図する正確なガウスビームパラメータを具備して入力端部から出現することになる。波面センサを用いると、出現ビームの位置（横方向及び長手方向の双方）及び直径を求めることができる。ビームスプリッタ及び別個の光学経路を用いて、波面センサが光学的位置合わせを変更することなく実際の入力ビームのパラメータを求めることができる。従って、入力ビームが出現する参照ビームのパラメータに整合するまで入力ビームを調整するようにセンサを用いることができ、この点において入力ビームはファイバによく整合する。
【００４８】
本明細書で説明される特定のシステムは、波面センサを用いて出現する波面の曲率及び先端傾斜のみを計測する点に留意されたい。これによってファイバの長手方向及び横方向位置を調整し、目的の入力ビームを確実に最大効率で結合することができる。詳細には、ビームウェストの直径は求められていないので、記載のシステムは完全なモード整合は提供しない。しかしながら、波面センサはかかる計測を実施するように容易に構成することができ、目的の入力ビームの集束光学系を修正することによっても完全なモード整合が得られるシステムを提供することができる。
【００４９】
コンピュータ３２は、波面センサ２によって収集される計測値に応じてＸ−Ｙ−Ｚエンコーダフィードバックステージ３０を制御するために設けられている。コンピュータは、幾つかのステップで位置合わせ処理を行う制御ソフトウェアを実行する。
【００５０】
最初に、粗位置合わせステップを行う。このステップによって２つのビーム（すなわち高出力ビームと参照ビーム）の様々な特性を、波面を比較する前に計測することができる。このステップは、参照及び高出力ビームの０次の位置を求めることを含む。次いで、単純平行移動を実行し、参照ビームと高出力ビームを重ね合わせる。すなわち、ステージ３０は、０次の高出力及び参照ビームを波面センサの同一場所に配置するよう調整される。
【００５１】
第２に、参照ビームは遮断され、高出力レーザビームから波面計測が算出される。この計測からの先端及び傾斜結果を用いて、他のあらゆる計測が高出力波面に対するものであるようにシステムをゼロ調整する。このステップの焦点外れ計測は、発散高出力ビームが集束参照ビームに等しいので、反対の方向で整合させる必要がある点に留意されたい。
【００５２】
第３に、高出力ビームが遮断され、参照ビームが有効にされる。高出力レーザビームの特性とは異なる参照波面から計測される。波面特性先端及び傾斜の計測は、ファイバ端部のＸ−Ｙ軸における正確な平行移動が得られることを意味する。同様に、焦点外れ計測は、ファイバ端部をＺ軸で平行移動させて、必要とされる（すなわち反対の）焦点を与えることができる。
【００５３】
ここで図２から図５を参照すると、典型的な位置合わせ処理が示されている。上述のように、位置合わせ処理は、粗位置合わせと、その後の波面計測及び補正とからなる。
【００５４】
図２は、本発明の装置の制御ソフトウェアからキャプチャされたフレームを示す。参照ビーム及び高出力ビームの０次ビームが特定され、２つのビームの位置の差が算出される。参照ビームの角度のずれは、＋／−１次の軸外強度を引き起こす点に留意されたい。次いで、算出された差分値は空間差分に変換され、平行移動ステージが始動され、２つのビームは重なり合うように光ファイバの端部を移動させる。
【００５５】
図３は、２つの次数の粗位置合わせを示す。この実施例で用いられる２つのビームは同一のＨｅＮｅレーザ源から結合されたので、粗位置合わせは次数の干渉を生じている点に留意されたい。いずれの場合でも、２つのビームは同時には分析されないので、干渉の影響はいずれの計測値にも影響することはない。
【００５６】
次いで、参照ビームが遮断され、波面計測が高出力レーザビームだけについて行われる。図４は、ビームの先端／傾斜及び焦点外れ特性が算出される高出力ビームの画像を示している。先端又は傾斜として現れることができるコマ収差などの他のモードも計測され、同時に全体ビーム品質計測を得ることができる。次いでソフトウェがリセットされ、高出力ビームに関連する先端／傾斜値がゼロにされる。
【００５７】
最後に、高出力ビームが遮断される。次いで、参照ビーム特性が計測されると同時に、フィードバックループが光ファイバの端部の位置合わせを変化させ、該位置合わせが高出力の位置合わせに整合するようにする。高出力ビームの先端／傾斜値はゼロにされたので、フィードバックループはゼロ系として動作する。すなわち、参照ビームの波面特性は、光ファイバの端部を移動させることによって変更され、高出力レーザビームの特性に整合するようにする。焦点外れの場合には、集束高出力ビームは発散参照ビームとなる必要がある点に留意されたい。
【００５８】
図５は、整合した参照ビームを示し、これは、先端／傾斜が最小（すなわち高出力ビームの先端／傾斜に等しい）で、焦点外れ（この場合ゼロ）が反対方向であるように位置合わせされている。
図６及び図７を参照すると、図１から図５を参照して上述された位置合わせ技法の有効性を評価する方法が概略的に述べられている。
【００５９】
本方法は、光ファイバの入力端部が組みレンズの焦点の周囲で３次元スキャンされるときに、高出力ビームがどのように効率的に光ファイバに結合されるかに関する計測を含む。入力端部が高出力ビームのウェストを通ってスキャンされるときに、ファイバの出力端部の強度は変化する。最良の結合は最大の出力強度をもたらすものとする。最も高い強度の座標及びＷＦＳ位置合わせを比較することによって、システムの有効性を確認することができる。
【００６０】
図６は、迅速な高分解能強度分布を得るように小さなボリューム（０．１６ｍｍ寸法）にわたる例示的なスキャンを示している。スキャンの各点に位置する光ダイオードを用いてファイバの出力端部における強度を計測した。スキャンは、波面センサ技法によって予め位置合わせされているファイバ端部を中心とした。（０，０）の位置は、波面センサを用いてファイバを位置合わせさせることから出力端部における強度に対応する。得られた最高強度は、原点から＋０．０１３０ｍｍ、＋０．０２７０ｍｍに配置される４０９５ＡＵ（任意単位）であった。相対的に、位置（０，０）における強度は２８３２ＡＵであった。
【００６１】
図７は、Ｚ＝０において図６に示されるデータのＸ−Ｙ面を通る強度の断面図を示す。最高強度（４０９５ＡＵ）は、クロス７０で示され、（０，０）位置（２８３２ＡＵ）からわずかにオフセットしているのが分かる。
【００６２】
ファイバ自体の結合効率は、該結合効率に影響を及ぼす多くの要因が設計に存在するので、調査していない点に留意されたい。入射ビームのプロファイルはファイバに整合したモードではなく、処理は、ファイバ端部が示す方向を考慮するように最適化されていなかった。参照ビームの方向の位置ずれは、波面センサシステムのフィードバックシステムに用いられる非線形補正係数を生じさせることになる。現在のソフトウェアでは、観測される様々なモード（先端、傾斜、焦点外れ）のどのようなクロストーク作用又はどのような非線形性も考慮していない。
【００６３】
種々の近似があるにも拘わらず、波面センサは、ファイバから入来する参照ビームの焦点ウェストの位置を計測するのに用いることができ、これを用いて参照ビームをファイバと位置合わせさせることができる。このような技法によって、約３０ミクロン以下の精度で位置合わせを行うことが可能となる。かかる位置合わせ技法は、ファイバを入力ビームと半自動的に位置合わせすることが可能な単純な制御システムへの統合に好適となる。
【００６４】
図８を参照すると、光ファイバ端部の角度合わせの効果が示されている。図８ａは、ファイバの軸外指示における１次の強度分布を示す。図８ｂは、ファイバの軸上指示を与えるように中心強度が中央に向かってどのようにシフトされたかを示している。
【００６５】
格子カメラシステムが波面センサとして用いられる（すなわちグリーン関数手法を利用する）場合、波面センサは、波面の曲率及び撮像面におけるファイバの角度も計測することができる。効率的な結合を得るようにファイバを位置合わせするために、ビームがファイバに入る角度が重要である。劈開が平坦であれば、結合レーザはファイバの軸に沿ってファイバに出入りすることになる。歪み格子の２次作用を利用すると、参照ビームのファイバからの方向を推測することができる。
【００６６】
波面センサにおいて焦点外れした１次のビームは、ファイバの角度が変化するときに周囲の強度のシフトを示す。参照ビームが位置合わせされたので、最高強度は＋／−１次の中央にあった。
図１を参照しながら例示的な光学配置を説明したが、当業者であれば、本発明を実施するのに用いることができる多くのタイプの異なる光学構成を理解するであろう。
図９を参照すると、別の光学配置が示されている。図１に示される構成要素と同等の図９に示される構成要素は、同じ参照符号が割り当てられている。
【００６７】
図９に示される構成は、ビームスプリッタ２６、波面センサ２及び高出力レーザ２０を含む。集束光学系９１は、光ファイバ１２に高出力ビームを結合し、光ファイバ１２から低出力参照ビームを受信するために設けられる。図１のシステムにおいて、高出力レーザビームが、波面センサに達する前に２度ビームスプリッタを通過する（すなわちレンズ２７及びミラー２９を含むリレー光学系を介して送られる）と同時に、図９に示されるシステムは、２度ビームスプリッタを通って低出力参照ビームを送る点も留意されたい。リレー光学系９０は、低出力ビームが横断する追加区間が、波面センサに対する低出力ビームのあらゆる位置ずれも引き起こさないことを確保するために設けられる。
【００６８】
図１０を参照すると、本発明の別のシステムが示される。図９に示されるリレー光学系９０の代わりに、逆反射体９２（例えばコーナーキューブ）が設けられる。逆反射体は、逆反射体に入射する参照ビームの光軸が、逆反射体から反射される参照ビームの光軸と確実に一致するようにする。このようにして、位置合わせが維持される。
【００６９】
別の好適な光学構成は、本明細書に含まれる教示の観点から当業者であればすぐに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の光学系の配置を示す図である。
【図２】０次の参照及び高出力ビームの画像を示す図である。
【図３】粗位置合わせ後の参照及び高出力ビームの画像を示す図である。
【図４】高出力ビーム波面計測を示す図である。
【図５】波面特性が高出力ビームに整合したときの参照ビームを示す図である。
【図６】スキャンされたファイバ端部の３次元プロットを示す図である。
【図７】図６に示されるデータのｚ＝０におけるｘ−ｙ面を通る断面画像を示す。
【図８】図８ａと８ｂは、ファイバ軸合わせの効果を示す図である。
【図９】本発明の第１の別の光学配置を示す図である。
【図１０】本発明の第２の別の光学配置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2008506146.tif 000015
2008506146.tif 000016
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