(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学装置であって、
平面偏光レーザ放射の源と、
前記放射を前記源から使用点に伝送するための中空コア光ファイバであって、前記光ファイバは、入力端および出力端を有する、光ファイバと、
前記源と前記光ファイバの前記入力端との間の第１の光学要素であって、前記要素は、前記平面偏光放射を、前記光ファイバを通して伝送するために別様に偏光された放射に変換するように構成されかつ配列されている、第１の光学要素と、
前記光ファイバの前記出力端と前記使用点との間の第２の光学要素であって、前記第２の光学要素は、前記別様に偏光され伝送された放射を平面偏光放射に逆変換するように構成されている、第２の光学要素と、
前記第２の光学要素と前記使用点との間の偏光回転子であって、前記変換された平面偏光放射の偏光平面を所望の偏光平面に回転させるための偏光回転子と
を備え、前記偏光回転子が前記第２の光学要素の直ぐ後ろに位置付けられていて、前記第２の光学要素と前記偏光回転子との間に位置する偏光子が存在しない、装置。
【請求項２】
前記別様に偏光された放射は、円偏光および楕円偏光のうちの１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記偏光回転子と前記使用点との間の偏光子をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記偏光回転子は、半波長板であり、前記偏光子は、偏光選択反射体である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記偏光選択反射体は、ＭａｃＮｅｉｌｌｅバイプリズムである、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記中空コアファイバは、フォトニックバンドギャップタイプ、Ｋａｇｏｍｅ格子タイプ、および共鳴防止タイプのうちの１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
光学装置であって、
平面偏光レーザ放射の源と、
前記放射を前記源から使用点に伝送するための中空コア光ファイバであって、前記光ファイバは、入力端および出力端を有する、光ファイバと、
前記源と前記光ファイバの前記入力端との間の第１の光学要素であって、前記要素は、前記平面偏光放射を、前記光ファイバを通して伝送するための楕円偏光レーザ放射に変換するように構成されかつ配列されている、第１の光学要素と、
前記ファイバの前記出力端の近傍に位置付けられ、前記楕円偏光レーザ放射を平面偏光レーザ放射に逆変換する４分の１波長板と、
前記変換された平面偏光レーザ放射を受け取るように位置付けられた偏光回転子であって、前記偏光回転子が前記４分の１波長板の直ぐ後ろに位置付けられていて、前記４分の１波長板と前記偏光回転子との間に位置する偏光子が存在しない、偏光回転子と、
前記偏光回転子を通して伝導された前記レーザ放射を受け取るように前記偏光回転子と前記使用点との間に位置付けられた偏光子と
を備える、装置。
【請求項８】
前記楕円偏光放射は、実質的に円偏光されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記偏光回転子は、半波長板である、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記偏光子は、偏光選択反射体である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記偏光選択反射体は、ＭａｃＮｅｉｌｌｅバイプリズムである、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記中空コアファイバは、フォトニックバンドギャップタイプ、Ｋａｇｏｍｅ格子タイプ、および共鳴防止タイプのうちの１つである、請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
前記レーザ放射は、一回だけ前記中空コアファイバの前記出力端から前記使用点に向かう方向に前記偏光回転子を通過する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記レーザ放射は、一回だけ前記中空コアファイバの前記出力端から前記使用点に向かう方向に前記偏光回転子を通過する、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権）
本願は、２０１５年５月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／１６１，７５０号に基づく優先権を主張し、その開示は、その全体が参照によって援用される。
【０００２】
（発明の技術分野）
本発明は、概して、光ファイバを使用したレーザ放射の伝送に関する。本発明は、特に、中空コア（光）ファイバ（ＨＣＦ）を使用した偏光パルスレーザ放射の伝送に関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景技術の議論）
送達（伝送）ファイバは、一般に、レーザ光（放射）をその源から使用点に伝送するために使用される。本技法は、使用点から源の何メートルもの便宜的分離を可能にする。技術水準のファイバ送達配列は、最大数百メートルの距離にわたって、最大数十キロワット（ｋＷ）の電力を用いて、持続波（ＣＷ）レーザ放射を伝送することが可能である。そのような送達配列は、典型的には、放射を誘導し、ファイバを保護するためのクラッディングおよびジャケットによって囲繞された中実ガラスコアを有する伝送ファイバを採用する。
【０００４】
超短パルス高エネルギーレーザと併用されるとき、この中実ガラスコアは、ガラス内の非線形効果に起因して、時間ドメインおよびスペクトルドメインにおいてパルスの品質を低下させる。これは、パルス持続時間の増加および著しく歪曲された一時的パルスプロファイル（パルス形状）を含む問題につながり得る。例えば、約５メガワット（ＭＷ）またはそれを上回る超高ピーク電力の極端な場合では、送達ファイバの中実ガラスコアは、破壊され得る。
【０００５】
本問題に対する公知の解決策は、中空コアファイバ（ＨＣＦ）を中実ガラスコアファイバの代用とするものである。中空コアファイバは、放射が、主に、フォトニック結晶またはフォトニックバンドギャップ材料と典型的に称されるクラッディング材料によって囲繞される中心中空領域内で伝搬するファイバである。フォトニック結晶材料は、中実クラッディング材料によって囲繞される。フォトニック結晶材料は、特定のパターンで配列された中実（ガラス）と空隙領域（長手方向に延在する管）の混合物である。中空コアファイバは、いくつかの供給業者から市販されており、フォトニックバンドギャップファイバ、Ｋａｇｏｍｅ格子ファイバ、共鳴防止ファイバと称されるタイプを含む。図１、図２、および図３は、それぞれ、これらの３つの中空コアファイバタイプの例を概略的に図示する断面顕微鏡写真である。
【０００６】
ＨＣＦでは、レーザ放射は、主に、空気、他のガス、または真空中を伝搬し、少量の放射光のみ、ガラス内を伝搬する。このため、前述の非線形効果は、大幅に低下されることができ、高パルス品質が、ファイバ内の伝搬全体を通して維持される。これは、ファイバを通した高エネルギーピコ秒（ｐｓ）パルスおよびフェムト秒（ｆｓ）パルスの伝送を可能にし、パルス持続時間およびパルス形状を最小限にのみ変化させる。
【０００７】
パルスレーザ放射の特定の用途では、放射は、名目上好ましい配向に平面偏光されたレーザから送達され、この偏光状態は、伝送ファイバによって使用点に伝送された後も使用点において維持されることが望ましい。レーザ放射伝送のためのＨＣＦの使用における特定の課題は、伝送の間、レーザ放射の平面偏光を保存（維持）することである。ＨＣＦの好ましい偏光配向を慎重に合致させることによって、伝送全体を通して、偏光配向を維持することが可能である。残念ながら、これらの配向は、動作の間、回転および変化し、放射源とＨＣＦの再配列を必要にし得る。偏光配向に影響を及ぼすパラメータは、ファイバ温度、温度勾配、およびファイバ屈曲を含む。ファイバ屈曲は、平面偏光放射を伝送するためのＨＣＦの使用を実質的に制限する。
【０００８】
ＨＣＦの移動または屈曲平面の変更は、レーザ放射の偏光状態を回転および変化させる。前述の高エネルギー放射パルスの低歪曲伝送のためにＨＣＦを利用するために、ファイバの出力において平面偏光放射を保存するための手段が、要求される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の概要）
一側面では、本発明による光学装置は、平面偏光レーザ放射の源を備える。中空コアファイバが、放射を源から使用点に伝送するために提供される。光ファイバは、入力端と、出力端とを有する。光学要素が、源と光ファイバの入力端との間に位置する。光学要素は、平面偏光放射を、光ファイバを通して伝送するために別様に偏光された放射に変換するように構成されかつ配列される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光学装置であって、
平面偏光レーザ放射の源と、
前記放射を前記源から使用点に伝送するための中空コア光ファイバであって、入力端および出力端を有する光ファイバと、
前記源と前記光ファイバの前記入力端との間の第１の光学要素であって、前記要素は、前記平面偏光放射を、前記光ファイバを通して伝送するために別様に偏光された放射に変換するように構成されかつ配列されている、第１の光学要素と
を備える、装置。
（項目２）
前記別様に偏光された放射は、円偏光および楕円偏光のうちの１つである、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記光ファイバの前記出力端と前記使用点との間の第２の光学要素をさらに含み、前記第２の光学要素は、前記別様に偏光された伝送された放射を平面偏光放射に逆変換するように構成されかつ配列されている、項目１に記載の装置。
（項目４）
前記変換された平面偏光放射を受け取りかつ伝導するように配列された偏光子と、前記第２の光学要素と前記偏光子との間の偏光回転子であって、前記変換された平面偏光放射の偏光平面を前記偏光子によって最適に伝導される配向に回転させるための偏光回転子とをさらに含む、項目３に記載の装置。
（項目５）
前記偏光回転子は、半波長板であり、前記偏光子は、偏光選択反射体である、項目４に記載の装置。
（項目６）
前記偏光選択反射体は、ＭａｃＮｅｉｌｌｅバイプリズムである、項目５に記載の装置。
（項目７）
前記中空コアファイバは、フォトニックバンドギャップタイプ、Ｋａｇｏｍｅ格子タイプ、および共鳴防止タイプのうちの１つである、項目１に記載の装置。
（項目８）
光学装置であって、
平面偏光レーザ放射の源と、
前記放射を前記源から使用点に伝送するための中空コア光ファイバであって、入力端および出力端を有する光ファイバと、
前記源と前記光ファイバの前記入力端との間の第１の光学要素であって、前記要素は、前記平面偏光放射を、前記光ファイバを通して伝送するための楕円偏光レーザ放射に変換するように構成されかつ配列されている、第１の光学要素と、
前記ファイバの前記出力端の近傍に位置付けられ、前記楕円偏光レーザ放射を平面偏光レーザ放射に逆変換する４分の１波長板と、
前記変換された平面偏光レーザ放射を受け取るように位置付けられた偏光回転子と、
前記偏光回転子を通して伝導された前記レーザ放射を受け取るように位置付けられた偏光子と
を備える、装置。
（項目９）
前記楕円偏光放射は、実質的に円偏光されている、項目８に記載の装置。
（項目１０）
前記偏光回転子は、半波長板である、項目８に記載の装置。
（項目１１）
前記偏光子は、偏光選択反射体である、項目１０に記載の装置。
（項目１２）
前記偏光選択反射体は、ＭａｃＮｅｉｌｌｅバイプリズムである、項目１１に記載の装置。
（項目１３）
前記中空コアファイバは、フォトニックバンドギャップタイプ、Ｋａｇｏｍｅ格子タイプ、および共鳴防止タイプのうちの１つである、項目８に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本明細書内に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に図示し、前述の概要および後述の好ましい実施形態の詳細な説明ととともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１１】
【図１】図１は、フォトニックバンドギャップタイプの中空コアファイバの例を概略的に図示する断面顕微鏡写真である。
【００１２】
【図２】図２は、Ｋａｇｏｍｅ格子タイプの中空コアファイバの例を概略的に図示する断面顕微鏡写真である。
【００１３】
【図３】図３は、共鳴防止タイプの中空コアファイバの例を概略的に図示する断面顕微鏡写真である。
【００１４】
【図４】図４は、平面偏光放射を円偏光放射に変換するための４分の１波長板と、円偏光放射を使用場所に伝送するように配列された中空コアファイバと、円偏光放射を中空コアファイバから受け取り、円偏光放射を平面偏光放射に逆変換するように配列された、使用場所における別の４分の１波長板と、偏光子と、逆変換された平面偏光放射の平面を偏光子によって最大限に伝導される配向に回転させるように配列された偏光回転子とを含む、平面偏光放射を使用場所に伝送するための本発明による装置の好ましい実施形態を概略的に図示する。
【００１５】
【図５】図５は、本発明の偏光変換４分の１波長板および偏光回転子を有する場合および有しない場合の図４の偏光子によって伝導される放射の計算された割合を中空コアファイバによって放射中に導入される偏光回転の関数として概略的に図示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（発明の詳細な説明）
ここで図面に目を向けると、図４は、平面偏光放射をその源から使用場所に伝送するための、本発明による装置の好ましい実施形態１０を概略的に図示する。源からの平面偏光放射は、４分の１波長板１２を通して伝導され、４分の１波長板１２は、平面偏光放射を、好ましくは、円偏光放射に変換する。
【００１７】
ここでは、中空コアファイバ（ＨＣＦ）１６が、円偏光放射を使用場所２０に伝送するように配列され、中空コアファイバ（ＨＣＦ）１６は、その各端部でフェルール１８によって終端される。ＨＣＦ１６から出射する円偏光放射は、使用場所において、４分の１波長板２２を通して伝導される。４分の１波長板２２は、中空コアファイバからの円偏光放射を、名目上平面偏光放射に逆変換するように配列される。
【００１８】
４分の１波長板２２から送達される平面偏光放射は、その源からの平面偏光放射のものより低い平面偏光度（消光比）と、幾分異なる偏光配向とを有し得る。これは、屈曲、応力、不完全性、および同等物に起因して、ＨＣＦによって導入されるアーチファクトに起因する。故に、４分の１波長板２２によって伝導された放射は、最初に、半波長板等の偏光回転子２４を通して伝導され、次いで、偏光子２６（ここでは、ＭａｃＮｅｉｌｌｅバイプリズムの形態における偏光選択反射体）を通して伝導される。偏光回転子２４は、偏光子２６によって最大限に伝導される配向に、逆変換された平面偏光放射の平面を回転させるように配列される。偏光子は、矢印Ｒによって示されるように、名目上平面偏光放射の任意の別様に偏光された残余の成分を拒否する。
【００１９】
ここでは、ＨＣＦ１６は、比較的に短いものとして図４に描写されるが、実際は、ＨＣＦは、典型的には、数メートル（ｍ）の長さを有することに留意されたい。平面偏光光が、偏光状態の変化を伴わずに、ＨＣＦの中に指向され、予測不能な配向に平面偏光されてＨＣＦから出射する従来技術の配列では、半波長板は、偏光子を通る伝導を最大限にするように、すなわち、送達される放射の偏光配向を偏光子によって画定されるものと整合させるように回転させられ得る。しかしながら、使用時のファイバの移動または使用時のファイバの温度の変化等の要因が、出力平面偏光の配向（回転）を変化させ、偏光子出力の変動をもたらす。図４の本発明の装置では、半波長板２４に送達される平面偏光放射の配向は、主に、４分の１波長板２２によって決定される。
【００２０】
図５は、図４の本発明の配列（実線曲線）と、４分の１波長板１２および２２が省略され、平面偏光放射が、ＨＣＦの中に指向され、ＨＣＦから送達される従来技術の配列（破線曲線）とに関する、偏光子２６の計算され正規化された伝導をＨＣＦ１６内の偏光回転の関数として概略的に図示するグラフである。半波長板２４は、最初に、偏光子を通した最大伝導のために（ゼロ回転に）調節され、ＨＣＦによる偏光回転が変化するにつれて再調節されないと仮定する。従来技術の場合、伝導は、わずか０．５Ｐｉ（π／２）の偏光回転の変化に対して１００％からゼロまで降下することが分かる。これは、数メートルの長さのＨＣＦで起こりそうもないことではない。本発明の配列に関して、計算された伝導は、偏光回転にかかわらず、同一のままである。
【００２１】
本発明の配列を用いた実験では、直径約５５マイクロメートル（μｍ）および長さ約３メートルの中空コアを有するＫａｇｏｍｅ格子タイプのＨＣＦが、採用された。ＨＣＦは、５０センチメートル（ｃｍ）〜１００ｃｍの直径のコイル状にされた。図４に描写されるように、円偏光放射がファイバの中に投射された場合、ファイバの移動が、偏光子の出力を最大値とその最大値の約８５％との間で変動させることが見出された。
【００２２】
ここでは、平面偏光光から円偏光光への変換が前述されたが、平面偏光光は、平面偏光ではない（別様に偏光された）他の偏光状態に変換されることができることに留意されたい。ファイバによって伝送される放射が、平面偏光への再変換を伴わずに使用され得る場合、平面偏光は、ＨＣＦによって伝送され得る任意の状態であって、ファイバ屈曲、ファイバ温度、または温度勾配の変化に比較的に鈍感な任意の状態に変換され得る。そのような状態は、円偏光、楕円偏光、および方位角偏光を含む。円および楕円偏光放射は、前述のように、第２の割合の波長板によって、平面偏光放射に容易に逆変換される。
【００２３】
さらに、用語「平面偏光」は、正確な平面偏光を意味するものとして解釈されるべきではないことに留意されたい。一般に、一方向において名目上平面偏光である全放射は、その方向に対して９０度で偏光される比較的に少量のある成分を含んでもよい。その成分と名目上の成分との比率は、当業者によって消光比と称される。前述の方式では、名目上平面偏光放射は、好ましくは、約１０−１以下、より好ましくは、わずか約１０−２以下の消光比を有する。
【００２４】
本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態の観点から前述されている。しかしながら、本発明は、説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
0006789245.tif 000002
【図２】
0006789245.tif 000003
【図３】
0006789245.tif 000004
【図４】
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【図５】
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