(57)【要約】【課題】レーザー装置内の複数の繊維により増幅される個々の光ビームをコリメートする高パワー繊維レーザー装置のための光学コリメータ装置を提供する。【解決手段】繊維は未ドープ繊維に光学的に結合され、繊維は光学基体の１つの表面に光学的に結合される。位置合わせガイドは繊維を基体に精確に整合させる。レンズは繊維と精確に整合した状態で基体の反対側表面に光学的に結合される。各繊維からの光ビームは基体を通って伝播し、発散し、関連するレンズは所望のビーム幅及び方向を有するようにビームをコリメートする。各レンズは、繊維からの光ビームが基体を通って著しく戻り反射しないように、反射防止コーティングを含む。【選択図】　図１
2004145299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　光学装置において、
　互いに対向する第１の表面及び第２の表面を備え、光学基体屈折率を有する光学基体；
　繊維列として配置され、上記光学基体の上記第１の表面に光学的に結合され、上記光学基体屈折率とほぼ同じコア屈折率を持つコアをそれぞれ有する複数の光学繊維；及び
　上記基体の上記第２の表面に光学的に結合され、上記光学基体屈折率とほぼ同じレンズ屈折率をそれぞれ有する複数のレンズであって、それぞれのレンズは、上記各光学繊維から放出された光ビームが上記光学基体を通って伝播するときに同ビームが発散し、かつ所望のビーム幅及びビーム方向を有するように関連するレンズによりコリメートされるように、それぞれの上記光学繊維と光学的に整合している複数のレンズ;
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
　上記各レンズが上記基体とは反対側のレンズ表面上に反射防止コーティングを備え、同反射防止コーティングは、コリメートされた光ビームが当該レンズから出て空間内へ伝播するときに、コリメートされた光ビームのフレネル反射を減少させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
　複数の開口を備えた位置合わせガイドを更に有し、上記光学繊維が上記開口内に位置し、上記位置合わせガイドが上記基体の上記第１の表面に関して当該複数の光学繊維を精確に位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
　上記光学繊維及び上記レンズが、シームレス遷移部をその間に提供するように室温又はほぼ室温で２つの材料の接着を提供する低温接着処理により、上記基体に光学的に結合されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
　上記低温接着処理が上記レンズ上の上記反射防止コーティングを損傷させない温度で遂行されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
　上記光学基体がシリカの平坦で、中実で、透明なブロックであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
　上記光学繊維の上記コアが増幅イオンによりドープされていないことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
　上記各光学繊維が繊維列レーザーに関連する増幅繊維に結合され、上記増幅繊維が増幅イオンでドープされたコアを有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
　上記繊維列レーザーが約１００ワットのパワーをそれぞれ発生させる多くの繊維を含む高パワーレーザーであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は一般に、繊維列レーザーのためのコリメータに関し、特に、位置合わせされた繊維位置、複数のコリメートされたビーム、軽減された後方反射及び損傷、並びに頑丈な支持構造体を提供する繊維列レーザーのためのコリメータに関する。
【背景技術】
【０００２】
　高パワーレーザーは、弾道ミサイル、巡航ミサイル及び戦術航空機を含む種々の空中脅威に対する軍隊応用の如き多くの応用に使用される。繊維の列を使用する、ダイオードでポンピングされるソリッドステートレーザー又は増幅器はこれらの形式の応用に使用される１つの既知の高パワーレーザーである。本出願人に譲渡された「高パワー繊維リボンレーザー及び増幅器」という名称の米国特許第６，２２９，９３９号明細書はこのような高パワー繊維列レーザーを開示している。
【特許文献１】米国特許第６，２２９，９３９号明細書
【０００３】
　典型的な高パワー繊維列レーザーは高パワー出力を提供するように単一のビームとして組み合わされる別個のレーザービームをそれぞれ発生させる離間した単一モードの繊維の列を有する。この形式の繊維列レーザーは１００ワットを越えるパワーをそれぞれ発生させる１００個又はそれ以上の単一モードの繊維を含むことができる。列内の各繊維は典型的にはレーザービームを発生させるために５−２０μｍ程度の直径を持つ丸いコアを有する。コアのまわりの内側クラッディング層はコア内に単一モードのビームを閉じ込める。外側のクラッディング層はコアを横切るポンプ光を反射させてコア内に吸収させ、ビームを増幅する。単一モードのレーザービームは、ビームが合焦される際に、単位面積当り最大のパワーを発生させる。レーザービームの横断方向のモードの数が増大すると、モードの中の空間コーヒレンスが欠如する結果として、合焦できるビームスポットの寸法も増大する。これは、単位面積当りのビームパワーを減少させ、その強度を減少させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　繊維レーザーのパワー出力は、繊維のコアの長さを増大させ、一層の光学ポンプ光を提供することにより、増大させることができる。しかし、コアの材料はパワー限界を有し、この限界を越えた場合は、コア材料を損傷させることがある。従って、所望の合計ビーム出力パワーを発生させるためには、多数の単一モードの繊維が必要である。一層の光学パワーはまたコアの直径を一層大きくすることにより提供できる。しかし、コアの直径が増大すると、一層高級なモードの発生が発展し始め、ビームを単一モードに限定することがますます困難になる。更に、コアの寸法及びパワーが増大すると、コア内での熱の発生も増大する。熱を減少させるために冷却装置を使用するが、一層大きな直径のコアは、コアの中心から熱を除去することを一層困難にする。それ故、コアを横切る熱勾配が存在することがあり、これがレーザーの性能を減少させる。
【０００５】
　上述したもののようなある応用に対しては、レーザーにより発生されたビームは自由空間を通って標的領域へ伝播する。従って、ビームの発散を最小化するようにビームをコリメートし、標的領域でビームスポットの寸法を減少させる必要がある。繊維列内の多くの繊維の方位のため、すべての繊維からのビームを一緒にコリメートさせるには、単一のレンズは有効でない。光学繊維遠距離通信産業においては、個々にコリメートされるビームを生じさせるために、繊維列増幅器内の各繊維に対するそれぞれのレンズ及び各繊維に取付けられた先細り区分を提供することが知られている。しかし、これらの既知の技術は、高パワー応用に対する精確にコリメートされたビームにとって必要な公差を提供するその能力が制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　本発明の教示によれば、高パワー繊維レーザー装置のためのコリメータが開示され、このコリメータはレーザー装置の繊維列内の複数の繊維により発生されたそれぞれのビームをコリメートする。繊維列内の繊維は光学基体の１つの表面に光学的に結合され、繊維を基体に精確に整合させるために位置合わせガイドを設ける。レンズの列は光学繊維と精確に整合するように基体の反対側表面に光学的に結合され、各繊維に対して別個のレンズが設けられる。各繊維からの光ビームは基体を通って伝播し、発散し、関連するレンズは発散するビームを所望のビーム幅を有するようにコリメートする。
【０００７】
　各レンズの外表面は反射防止コーティングにより被覆されて、繊維からの光ビームが基体を通って逆方向に著しく反射しないようにする。位置合わせガイドはレンズから反射された光の大半を受け取り、熱を放散させる熱管理装置として作用する。ビームを所望のビーム幅に広げることにより、各ビームの単位面積当りの強度は、反射防止コーティングを損傷させるような強度以下に減少される。繊維及びレンズは、繊維、レンズ及び基体の分子の完全状態を維持し、反射防止コーティングに対する損傷を阻止するために、低温接着処理により基体に光学的に結合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
　光学繊維列レーザー／増幅器のためのコリメータに関する本発明の実施の形態の以下の説明は本質的に単なる例示であり、本発明又はその応用又は使用を限定する意図のものではない。
【０００９】
　図１は多くの応用にとって必要なレーザービームのコリメーションを提供する、本発明の１つの実施の形態に係る光学コリメータ装置１０の平面図である。装置１０は所望の方法で束ねられた繊維列２０内に配置された複数の繊維１４上を伝播する複数の増幅された単一モードのレーザービームを発生させる繊維列レーザー即ち増幅器１２に光学的に結合される。繊維レーザー１２は所望の出力パワーを提供する、ダイオードでポンピングされる二重クラッド形式のイッテルビウムでドープされたガラス繊維列レーザーの如き任意の適当な繊維レーザーとすることができる。しかし、当業者なら認識できるように、繊維列レーザー１２は高パワーレーザービームを提供する、ここに記載された目的に適する任意の繊維レーザー即ち増幅器とすることができる。図には、繊維列２０内のたった３本の繊維１４を示すが、列２０は、例えば矩形、六角形又は円形形状として、所望の方法で一緒に光学的に梱包された数百個の繊維１４を含むことができることを理解されたい。これまた当業者なら理解できるように、繊維１４は適正な熱放散等のために互いに離間する。
【００１０】
　各繊維１４はシリカの如き適当な繊維材料で各々作られた外側のクラッディング層１８により取り巻かれた単一モードの繊維コア１６を含む。単一モードのコア１６の屈折率及び最内側のクラッディング層１８の屈折率が所定の入射角でコア１６を下って伝播するレーザー光をコア１６内に収容するのを許容するために、適当な光学ドーピングが提供される。また、コア１６の直径は、単一の光学モードのみがそこを通って伝播するように、制限される（５−２０μｍ）。繊維１４は図１には特に示さない他の外側のジャケット層を含む。コア１６はイッテルビウム及びエルビウムの如き適当なレーザー放出希土類イオンでドープされ、当業者なら理解できるように、そこを通って伝播する光のパワーを増大させる。ポンプ光はコア１６を横切って前後に反射され、光の増幅を提供するように希土類イオンを励起する。
【００１１】
　各繊維１４は界面２４において未ドープの単一モード繊維２２に融解添接されて、繊維１４のコア１６が繊維２２のコア２６に光学的に結合されるようにする。繊維２２はまた外側のクラッディング層２８を含み、このクラッディング層は、界面２４を通って伝播する繊維１４からのレーザー光がコア２６内に収容されるように、コア２６の屈折率に関して適当な屈折率を有する。この説明において、未ドープの繊維２２は光増幅を提供する希土類イオンとの関係について述べているもので、コア２６とクラッディング層２８との間に屈折率差を提供するドーピングに関してではない。この実施の形態においては、繊維２２は繊維１４よりも小さな直径を有するものとして示してある。しかし、これは、繊維１４、２２が異なることを単に示すものである。他の実施の形態においては、繊維２２の直径は繊維１４と同じ又は繊維１４の直径よりも大きくすることができる。
【００１２】
　界面２４とは反対側の各繊維２２の端部は光学基体３６の表面３４に光学的に結合される。１つの実施の形態においては、基体３６はコア２６と同じ屈折率を有するシリカの平坦で、中実で、透明なブロックであり、そのため、コア２６からの高パワー出力レーザー光ビーム４８は繊維２２と基体３６との間の界面３８で反射しない。
【００１３】
　１つの実施の形態においては、繊維２２は、その間にシームレス光学界面３８を形成するように、米国特許第６，２８４，０８５号明細書に開示されたような低温光学結合方法により表面３４に光学的に結合される。
【特許文献２】米国特許第６，２８４，０８５号明細書
【００１４】
　低温光学結合方法は室温又はそれより僅かに高い温度で遂行され、そのため、分子レベルでの繊維コア２６及び基体３６の損傷は無い。この接着技術を使用することにより、繊維２２を基体３６に結合するために、繊維コア２６から放出された高パワー光ビーム４８により損傷する虞のある光学接着剤及びセメントは使用しない。更に、低温光学結合技術は後に説明するある反射防止コーティングの如き装置１０の他の部品を損傷させない。低温光学結合技術はコア２６と基体３６との間のシームレス遷移部を提供するように繊維２２及び基体３６の物理的特性を保持する。
【００１５】
　ある距離だけ離間し、ある直径を有する複数の開口４４を含む位置合わせガイド４２は図示のように繊維２２を受け入れるために設けられる。１つの実施の形態においては、位置合わせガイド４２はケイ素又はガラスである。繊維２２は、繊維２２を基体３６に光学的に結合する前に、開口４４内で位置合わせガイド４２に装着される。１つの実施の形態においては、開口４４はマスク等を使用するリソグラフィーエッチング処理により位置合わせガイド４２内に形成される。開口４４を発生させる高精度リソグラフィー処理は互いに関する繊維２２の高精度整合を提供する。別の実施の形態においては、開口４４に毛細管を設けて、そこに繊維２２を挿入することができる。位置合わせガイド４２は、後の説明から明らかとなる理由で繊維２２が基体３６に精確に整合するように、基体３６に関して方位決めされる。
【００１６】
　本発明によれば、複数の凸レンズ５０は表面３４とは反対側の基体３６の表面５２に光学的に装着される。各レンズ５０は特定の繊維２２からの光ビーム４８をコリメートするようにその繊維に関して方位決めされる。レンズ５０はシリカの如き同じ材料で作られ、繊維コア２６及び基体３６と同じ屈折率を有する。上述のように、低温接着技術を使用して、その分子的完全状態を維持し、間にシームレス界面５４を提供するように、レンズ５０を基体３６に装着する。この例では、５つのレンズ５０及び３つの繊維２２を示すが、当業者なら、多くの別個の繊維２２の各々に対して別個のレンズ５０を設けることは明らかであろう。更に、ここでは、レンズ５０は互いに隣接して示してある。しかし、他の実施の形態においては、レンズ５０は互いにある距離だけ離間することができる。
【００１７】
　各繊維２２のコア２６から放出された光ビーム４８は、基体３６を通ってレンズ５０の方へ伝播するときに、発散する。基体３６の厚さ及びレンズ５０の直径は、ビーム４８がレンズ５０に到達したときにそのビームが単位面積当り所定のパワーを提供するあるビーム幅を有するように、選択される。レンズ５０は、標的領域の方へ伝播するときに発散が最小となるようなコリメートされた出力ビームを提供するように、発散するビーム４８をコリメートする。数個のレンズ５０からのコリメートされた出力ビーム５８は互いに並列に組み合わされ、所望のパワー及びビーム幅を有する総合ビームを提供する。
【００１８】
　レンズ５０が基体３６と同じ屈折率を有し、低温処理により基体にシームレスに結合された組立体であるので、基体３６とレンズ５０との間の界面５４でフレネル反射は生じない。しかし、レンズ５０及び空気が異なる屈折率を有するので、その間の遷移部でフレネル反射が発生し、ビーム４８の一部は、図示のように、反射ビーム６０として基体３６内へ反射して戻る。反射されたビーム６０の大半は、位置合わせガイド４２に衝突し、その中に吸収される。従って、位置合わせガイド４２はまた装置１０のための熱管理装置として作用する。位置合わせガイド４２の熱管理特性のため、このガイドはケイ素の如き高熱伝導性の材料で作る必要があり及び（又は）適当な冷却装置（図示せず）で冷却する必要がある。
【００１９】
　本発明によれば、各レンズ５０はフレネル反射を最小化するものとして当業者に十分知られている形式の反射防止外側誘電コーティング５６により被覆される。当業界で既知のように、このような形式の反射防止コーティングは反射された光ビームの干渉相殺を提供することにより反射を最小化する。特に、レンズ５０と外側コーティング５６との間及び外側コーティング５６と空気との間の界面で生じる反射及び伝達は、レンズ５０及び空気の遷移部から生じるであろう反射のかなりの部分を相殺する干渉パターンをコーティング５６内で発生させる。上述のように、基体３６の幅及びレンズ５０の直径は、反射防止コーティング５６に衝突したときのビーム４８の単位面積当りのパワーがこのコーティングの損傷を生じさせるには不十分となるように、選択される。更に、繊維２２を基体３６に接着し、レンズ５０を基体３６に接着するための低温接着処理はまた反射防止コーティング５６に損傷を生じさせないのに十分なほどの低温で行われる。
【００２０】
　フレネル遷移部の典型的な反射は総ビームパワーの約４％である。反射防止コーティング５６は典型的にはその反射を総ビームパワーの約０．１％へ減少させる。更に、光ビーム４８がコリメートされる前に十分に発散できるので、繊維２２と表面３４との間の界面３８における反射ビーム６０のビームスポットの寸法は、光のかなり小さな部分をコア２６内へ戻り結合させることになり、さもなければ、この戻り結合は問題が生じることがある。従って、公知のものでは通常であるかかる反射戻り結合を防止するのに遷移部３８での繊維２２の端部角度付け研磨を行う必要がなくなる。従って、伝播幾何学及び反射防止コーティング５６の組み合わせ効果は、コーティングを有しない典型的な繊維において普通に使用される繊維２２の端部での角度付け部を有すること無しに、コア２６の光学的損傷及び後方反射フィードバックの双方を軽減する。レンズ５０上の反射防止コーティング５６は伝達損失及び隣接する装置の部品上の関連する熱負荷を最小化し、整合安定性における光学的なスループット効率を向上させる。
【００２１】
　各レンズ５０を関連する繊維２２の光学軸線に整合させるために種々の整合技術を使用することができる。１つの実施の形態においては、位置合わせガイド４２及び光学結合技術を使用して繊維２２を表面３４に取り付け、次いで、各別個のレンズ５０を関連する繊維２２に独立に整合させることが望ましいことがある。別の実施の形態においては、最初に、レンズ５０を基体３６の表面５２に光学的に結合し、次いで、繊維２２をそれに関連するレンズ５０に特に整合させるために位置合わせガイド４２を使用することが望ましいことがある。いずれの処理においても、繊維２２とレンズ５０との間の所望の整合を提供するように他のビーム５８とは独立に各ビーム５８を検出するために整合装置（図示せず）が必要となることがある。
【００２２】
　上述の説明では、本発明の例示的な実施の形態を単に開示し、述べた。当業者なら、このような説明から並びに添付図面及び特許請求の範囲の記載から、特許請求の範囲で規定された本発明の要旨を逸脱することなく、種々の変更、修正及び変形が可能であることを容易に認識できよう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係る光学繊維列レーザー／増幅器のためのコリメータを示す平面図である。
【符号の説明】
【００２４】
　１０　　光学コリメータ装置
　１２　　繊維列レーザー
　１４　　繊維
　１６　　コア
　２０　　繊維列
　２２　　未ドープ繊維
　２６　　コア
　３４　　基体表面
　３６　　基体
　４２　　位置合わせガイド
　４４　　開口
　４８　　光ビーム
　５０　　レンズ
　５２　　基体表面
　５６　　反射防止コーティング
　５８　　コリメートされたビーム
【図１】
2004145299.tif 000003