(57)【要約】【課題】アパーチャの配置で高信頼、高安定なファイバ結合光学システムの実現【解決手段】ファイバ結合光学システムは、レーザ発振器１と、第１リレーレンズ２と、第１アパーチャ３と、第２リレーレンズ４と、第２アパーチャ５と、結合レンズ６と、ファイバ７と、が縦続に接続されて構成される。第１アパーチャ３は、ファイバ７の入射端面での像が結合レンズ６と第２リレーレンズ４とにより結像される位置で、且つ、第１リレーレンズ２と第２リレーレンズ４間の位置に配置され、ファイバ７に入射するレーザビームの集光径を制限する。第２アパーチャ５は、第２リレーレンズ４と結合レンズ６間の位置に配置され、第２リレーレンズ４からのレーザビームの径を制限し、ファイバ７に入射するレーザビームの集束角度を制限する。第１アパーチャ３と第２アパーチャ５は、吸収が少なく耐熱性を有する透明材料、あるいはガラスで構成される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、ファイバと、前記ファイバの直前に位置し、前記レーザ発振器からのレーザビームを前記ファイバに直接に結像する結合レンズを有して構成されるファイバ結合光学システムにおいて、
前記ファイバの入射端面での像が、前記結合レンズを介して、結像される位置に配置される第１アパーチャを有することを特徴とするファイバ結合光学システム。
【請求項２】
前記結合レンズの、前記ファイバが配置されている位置と反対側の位置に配置される第２アパーチャをさらに有することを特徴とする請求項１記載ファイバ結合光学システム。
【請求項３】
レーザ発振器と、ファイバと、前記ファイバの直前に位置し、前記レーザ発振器からのレーザビームを前記ファイバに直接に結像する結合レンズと、前記レーザ発振器からのレーザビームを前記結合レンズに接続する１個以上のリレーレンズとを有して構成されるファイバ結合光学システムにおいて、前記ファイバの入射端面での像が、前記結合レンズと前記リレーレンズを介して、結像される位置に配置される第１アパーチャと、前記結合レンズの、前記ファイバが配置されている位置と反対側の位置に配置される第２アパーチャと、を有することを特徴とするファイバ結合光学システム。
【請求項４】
前記第１アパーチャは、前記ファイバの入射端面でのレーザビームの収束径が、前記ファイバのコア径より小さくなるような開口径の開口を有することを特徴とする請求項１、３うちのいずれか１項記載のファイバ結合光学システム。
【請求項５】
前記第２アパーチャは、前記ファイバの入射端面でのレーザビームの収束角度が、前記ファイバのＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）より小さくなるような開口径の開口を有することを特徴とする請求項２、３うちのいずれか１項記載のファイバ結合光学システム。
【請求項６】
レーザ発振器と、第１リレーレンズと、第２リレーレンズと、結合レンズと、ファイバと、が縦続に接続されて構成されるファイバ結合光学システムであって、
ファイバの入射端面での像が、前記結合レンズと前記第２リレーレンズとを介して結像される位置で、且つ、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズ間の位置に配置され、前記ファイバの入射端面でのレーザビームの収束径が、前記ファイバのコア径より小さくなるような開口径を備える開口を有する第１アパーチャと、
前記第２リレーレンズと前記結合レンズ間の位置に配置され、前記ファイバの入射端面でのレーザビームの収束角度が、前記ファイバのＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）より小さくなるような開口径の開口を有する第２アパーチャと、を有することを特徴とするファイバ結合光学システム。
【請求項７】
前記第１アパーチャと第２アパーチャは、ガラスで構成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６のうちのいずれか１項記載のファイバ結合光学システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力レーザをファイバに結合する光学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にレーザ発振器の出力は励起強度や光学フィルタなどによって調整される。特にＹＡＧレーザに代表される固体レーザ発振器では熱レンズ効果の影響などで、ビームパラメータや出射方向が変化する場合があるが、従来からのファイバ結合光学システムでは、この変化から生じる、レーザのファイバへの非結合量は、非常に微小でありこの影響を考慮する事はなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ＹＡＧレーザ発振器に代表される固体レーザ発振器では、結晶の大型化とＬＤ（半導体レーザ）励起による高効率な励起手法、そして、ＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）方式による多段結合方式の採用により、著しい高輝度化と高出力化が進んできている。
【０００４】
このため、出力変化に伴うビームパラメータや出射方向の変化により、レーザのファイバへの微小な非結合に伴う損失が、多くの場合、発熱源としてふるまう。そして、この損失による発熱源が、光ファイバもしくはコネクタを破損し、ファイバ結合光学システムの信頼性を損なうという課題を有する。
【０００５】
本発明の目的は、従来のこの様な課題を解決し、ファイバ入射条件を満足しつつ、アパーチャを効果的に且つ適切に配置することで、高信頼かつ安定度の高いファイバ結合光学システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のファイバ結合光学システムは、レーザ発振器と、ファイバと、前記ファイバの直前に位置し、前記レーザ発振器からのレーザビームを前記ファイバに直接に結像する結合レンズを有して構成されるファイバ結合光学システムにおいて、
前記ファイバの入射端面での像が、前記結合レンズを介して、結像される位置に配置される第１アパーチャを有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のファイバ結合光学システムは、前記結合レンズの、前記ファイバが配置されている位置と反対側の位置に配置される第２アパーチャをさらに有することを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明のファイバ結合光学システムは、レーザ発振器と、ファイバと、前記ファイバの直前に位置し、前記レーザ発振器からのレーザビームを前記ファイバに直接に結像する結合レンズと、前記レーザ発振器からのレーザビームを前記結合レンズに接続する１個以上のリレーレンズとを有して構成されるファイバ結合光学システムにおいて、
前記ファイバの入射端面での像が、前記結合レンズと前記リレーレンズを介して、結像される位置に配置される第１アパーチャと、前記結合レンズの、前記ファイバが配置されている位置と反対側の位置に配置される第２アパーチャと、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のファイバ結合光学システムは、前記第１アパーチャは、前記ファイバの入射端面でのレーザビームの収束径が、前記ファイバのコア径より小さくなるような開口径の開口を有することを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明のファイバ結合光学システムは、前記第２アパーチャは、前記ファイバの入射端面でのレーザビームの収束角度が、前記ファイバのＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）より小さくなるような開口径の開口を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のファイバ結合光学システムは、レーザ発振器と、第１リレーレンズと、第２リレーレンズと、結合レンズと、ファイバと、が縦続に接続されて構成されるファイバ結合光学システムであって、
ファイバの入射端面での像が、前記結合レンズと前記第２リレーレンズとを介して結像される位置で、且つ、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズ間の位置に配置され、前記ファイバの入射端面でのレーザビームの収束径が、前記ファイバのコア径より小さくなるような開口径を備える開口を有する第１アパーチャと、
前記第２リレーレンズと前記結合レンズ間の位置に配置され、前記ファイバの入射端面でのレーザビームの収束角度が、前記ファイバのＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）より小さくなるような開口径の開口を有する第２アパーチャと、を有することを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明のファイバ結合光学システムは、前記第１アパーチャと第２アパーチャは、ガラスで構成されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態によるファイバ結合光学システムの構成ブロック図である。
【００１５】
図１を参照して、本発明のファイバ結合光学システムは、レーザ発振器１と、第１リレーレンズ２と、第１アパーチャ３と、第２リレーレンズ４と、第２アパーチャ５と、結合レンズ６と、ファイバ７と、が縦続に接続されて構成される。
【００１６】
レーザ発振器１は、高出力レーザ光を発振するレーザ発振器で、例えば、ＹＡＧレーザ発振器に代表される固体レーザ発振器である。
【００１７】
第１リレーレンズ２は、レーザ発振器１から出射されるレーザ光を、第１アパーチャ３に接続するためのレンズである。
【００１８】
第１アパーチャ３は、ファイバ７の入射端面での像が結合レンズ６と第２リレーレンズ４とにより結像される位置で、且つ、第１リレーレンズ２と第２リレーレンズ４間の位置に配置され、ファイバ７に入射するレーザビームの集光径を制限する。そして、第１アパーチャ３は、吸収が少なく耐熱性を有する透明材料に、例えば、ガラスに、レーザビームの径を制限するための開口半径Ｒ１の開口が設けられている。
【００１９】
第２リレーレンズ４は、第１アパーチャ３により径が制限されたレーザビームを、第２アパーチャ５に入射する。
【００２０】
第２アパーチャ５は、第２リレーレンズ４と結合レンズ６間の位置に配置され、第２リレーレンズ４からのレーザビームの径を制限し、ファイバ７に入射するレーザビームの集束角度を制限する。そして、第２アパーチャ５は、第１アパーチャ３と同様に、吸収が少なく耐熱性を有する透明材料に、例えば、ガラスに、レーザビームの径を制限するための開口半径Ｒ２の開口が設けられている。
【００２１】
結合レンズ６は、第１アパーチャ３により集光径が制限され、且つ、第２アパーチャ５により集束角度が制限されるレーザビームを、ファイバ７の入射端面に結合する。
ファイバ７は、結合レンズ６により結合されるレーザビームを対象装置に伝送する。
【００２２】
次に、本発明の実施形態の動作について図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図２は、本発明の動作を説明するための図で、図３は、本発明による特性を示す図である。
【００２４】
動作の説明を簡単にするため、図２に示されるように、第１リレーレンズ２と第２リレーレンズ４と結合レンズ６との焦点の位置と、レーザビームが最小スポット半径を取る位置とを一致するように第１リレーレンズ２と第２リレーレンズ４と結合レンズ６とが配置され、そして、第１リレーレンズ２と第２リレーレンズ４と結合レンズ６との焦点の位置にレーザ発振器１と第１アパーチャ３と第２アパーチャ５とが配置されているとする。
【００２５】
一般に、レンズ伝搬におけるレーザビームの最小スポット半径と最小スポット位置は、次式で表される。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
ここで、ｆは、レンズの焦点距離で、ｗ０、ｗ１は、レンズの前後での最小スポット半径で、ｄ０、ｄ１は、レンズの前後での最小スポット位置で、θ１は、レンズの後方でのビーム拡がり角である。
【００２８】
焦点の位置と最小スポット半径を取る位置とが一致するとき、すなわち、ｄ１＝ｆとするとき、式（１）と式（２）から、ｄ０＝ｆで、ｗ０＝ｆ・θ１であり、そして、ビーム積保存側により、レンズの前方でのビーム拡がり角θ０＝ｗ１／ｆが得られる。これらの関係を使用して、図２に示されるファイバ結合光学システムの動作を説明する。ファイバの入射端面側から順を追って説明する。
【００２９】
まず、レーザビームのファイバへの入射条件の一つは、ファイバ７への、レーザビームの集束角度が、ファイバ７のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）より小でなければならない。すなわち、ファイバ７のＮＡをδとするとき、レーザビームの集束角度＜δを満足する必要がある。
【００３０】
結合レンズ６の、ファイバ７方向のビーム拡がり角θ０３は、結合レンズ６の焦点距離ｆ３と、結合レンズ６の、ファイバ７と反対方向の焦点での最小スポット半径ｗ１３と、結合レンズ６の、ファイバ７と反対方向のビーム拡がり角θ１３とで、θ０３＝ｗ１３／ｆ３と与えられる。ここで、ｗ１３は、第２アパーチャ５が存在しないときの、結合レンズ６のみによる最小スポット半径であることに注意を要する。したがって、このとき、ファイバ７へのレーザビームの集束角度は、ビーム拡がり角θ０３そのものである。
【００３１】
ファイバ７へのレーザビームの集束角度＜δを満足させるため、結合レンズ６の、ファイバ７と反対方向の焦点の位置に、開口半径Ｒ２の開口を有する第２アパーチャ５を配置する。このとき、ファイバ７へのレーザビームの集束角度は、Ｒ２／ｆ３で与えられる。（Ｒ２／ｆ３）＜δを満足するような開口半径Ｒ２の開口を有する第２アパーチャ５は、ビーム拡がり角θ０３を制限して、レーザビームとファイバ７との結合損を小にすることができる。
【００３２】
次に、レーザビームのファイバへの入射条件のもう一つは、ファイバ７への、レーザビームの集光半径が、ファイバ７のコア半径Ｒｆより小でなければならない。
【００３３】
焦点距離ｆ２を有する第２リレーレンズ４を考慮して、ファイバ７の入射端面での、レーザビームの最小スポット半径ｗ０３は、ｗ０３＝ｆ３・θ１３＝ｆ３・ｗ１２／ｆ２で与えられる。ここで、ｗ１２は、第２アパーチャ３が存在しないときの、第２リレーレンズ４あるいは第１リレーレンズ２の最小スポット半径であることに注意を要する。したがって、このとき、ファイバ７へのレーザビームの集光半径は、レーザビームの最小スポット半径ｗ０３そのものである。
【００３４】
ファイバ７へのレーザビームの集光半径＜コア半径Ｒｆを満足させるため、ｗ０３＜コア半径Ｒｆでなければならない。そこで、第２リレーレンズ４の、ファイバ７と反対方向の焦点の位置に、開口半径Ｒ１の開口を有する第１アパーチャ３を配置する。
【００３５】
ファイバ７へのレーザビームの集光半径Ｒ１・ｆ３／ｆ２＜コア半径Ｒｆを満足するような開口半径Ｒ１の開口が、レーザビームとファイバ７との結合損を小にすることができる。
【００３６】
以上に示す通り、本発明は、２個所に設けられたアパーチャが、ファイバの入射端面での集光半径と集束角度を一意的に制限するよう構成され、ファイバの入射条件を満足させ、レーザビームとファイバとの結合損を最小にしている。
【００３７】
レーザ発振器１がＹＡＧレーザ発振器等の固体レーザ発振器であるとき、ファイバ結合光学システムの、熱レンズ焦点距離によるビーム拡がり角と最小スポット半径との特性は、図３で示される。ここで、熱レンズ焦点距離は、レーザビームの励起強度によって発生する熱レンズ効果による焦点距離である。
【００３８】
ビーム拡がり角が、ファイバ７のＮＡ＝δ、すなわち、ビーム拡がり角の特性で点１００、以下で、しかも、最小スポット半径が、ファイバ７のコア半径Ｒｆ、すなわち、最小スポット半径の特性で点２００、以下で、しかも、レーザ動作範囲以内の、領域は、ビーム拡がり角が点１００から点１０１で、最小スポット半径が点２００から点２０１の領域で、ファイバの入射条件を満足する満足領域である。
【００３９】
ファイバ７の入射端面での集光半径Ｒ１・ｆ３／ｆ２とファイバ７の入射端面での収束角Ｒ２／ｆ３が、この満足領域内に入るように（ここでは、点１１１と点２１１）、第１アパーチャの開口半径Ｒ１と第２アパーチャの開口半径Ｒ２とを選ぶことにより、より結合損を小さくし、ファイバの発熱を抑制し、高信頼、高安定なファイバ結合光学システムを実現できる。
【００４０】
また、本発明は、光学部品材質中の脈理や気泡，空気中の埃などによる散乱光の影響など、機器の安定性が損なわれる場合、あるいは、レンズ焦点距離精度とアパーチャの開口径の誤差，ファイバの製造誤差がある場合、ファイバ７の入射端面での集光半径Ｒ１・ｆ３／ｆ２とファイバ７の入射端面での収束角Ｒ２／ｆ３が、変動しても、満足領域内の範囲で誤差を吸収できるので、製造性が高く、しかも高信頼、高安定なファイバ結合光学システムを実現できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、２個所に設けられたアパーチャが、ファイバの入射端面での集光半径と集束角度を一意的に制限するよう構成されているで、ファイバの入射条件を満足させ、レーザビームとファイバとの結合損を最小にできるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態によるファイバ結合光学システムの構成ブロック図である。
【図２】本発明の動作を説明するための図である。
【図３】本発明による特性を示す図である。
【符号の説明】
１　　レーザ発振器
２　　第１リレーレンズ
３　　第１アパーチャ
４　　第２リレーレンズ
５　　第２アパーチャ
６　　結合レンズ
７　　ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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