(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベッセルビームを発生する方法であって、
（ａ）高次モードのファイバの基本ＬＰ０１モードへの入力としてコヒーレントな光ビームを供給し、
（ｂ）前記高次モードのファイバ内の前記ＬＰ０１モードをファイバモード変換装置を用いて、Ｎ個のリングを含む（Ｎは７以上の整数）方位角的に対称な高次モードに変換し、そして、
（ｃ）前記方位角的に対称な高次モードがベッセルビームを近似するように、前記モード変換装置の端面で前記方位角的に対称な高次モードを出力する、ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記コヒーレントな光ビームがレーザによって供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記モード変換装置が、前記高次モードのファイバに書き込まれた回折格子である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記回折格子の特性が、約５０ミクロン〜約１０００ミクロンの範囲を有する周期である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
（ｄ）前記高次モードのファイバの屈折コントラストおよび直径のうちの少なくとも１つを調整することにより、前記近似されたベッセルビームの回折耐性の範囲を設計することをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ファイバ回折格子が稀土類ドープファイバから製作される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ベッセルビームを発生するシステムであって、
ファイバ内回折格子を含む高次モードのファイバを含み、前記高次モードファイバと回折格子は、前記選択された高次モードがベッセルビームを近似するように、ＬＰ０１モードと、Ｎ個のリングを含む（Ｎは７以上の整数）方位角的に対称な選択された高次モードとの間で、励起波長で位相の整合を与え、さらに、
前記ＬＰ０１モードで伝播をサポートする、前記高次モードのファイバの先端に接続された入力ファイバと、
前記入力ファイバに接続されたコヒーレントな光源とを含み、前記コヒーレントな光源と入力ファイバは、前記方位角的に対称な選択された高次モードが共鳴的に励起されるように、前記励起波長で前記高次モードのファイバにＬＰ０１モードの入力を供給するものであり、
前記方位角的に対称な選択された高次モードが、前記高次モードのファイバの端面でビーム出力としてもたらされることを特徴とするシステム。
【請求項８】
前記コヒーレントな光源がレーザである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記回折格子の特性が、約５０ミクロン乃至約１０００ミクロンの範囲を有する周期である、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記近似されたベッセルビームの回折耐性の範囲が、前記高次モードのファイバの屈折コントラストおよび直径のうちの少なくとも１つを調整することによって調整可能である、請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光ファイバ装置および方法に関し、詳細には、ベッセルビームを発生するための改良されたシステムおよび技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ベッセルビーム（Ｂｅｓｓｅｌ  ｂｅａｍ）と呼ばれる光の空間的パターンの種類は、その伝播不変、すなわち、非回折性のために最近関心を集めてきている。ガウスビームとは異なり、ベッセルビーム内の中心スポットは、自由空間中の伝播と共に拡大しない。さらに、ベッセルビームは自己回復（ｓｅｌｆ−ｈｅａｌ）が可能であり、すなわち、不透明な障害物を通過して完全に再形成することができる。したがってベッセルビームは、暗い物体中を進行することができ、科学および工学の様々な分野で大きな関心の的である。その利用は、高性能光ピンセット、顕微鏡検査、および、おそらく自由空間通信、ならびにＬＩＤＡＲ（ＬＩｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）にまで及ぶ。
【０００３】
これらのビームプロファイルを作り出すことは、多くの理由により困難であるということが示されてきた。現在のある手法は、特殊な種類の自由空間レンズであるアキシコン（ａｘｉｃｏｎ）の使用を伴う。しかしアキシコンは、巨大な自由空間の光学素子であるので、慎重な調節を要し、遠隔伝達を必要とするシステムには有用ではない。したがって、安定性および遠隔伝達を必要とする用途には、ベッセルビームを発生させるためのファイバ装置の手法が非常に好ましい。
【０００４】
ファイバベースの解決法のある試みにおいて、アキシコンが、ファイバ先端上に機械加工された。しかしながら、この装置は不十分であった。製造の観点から極端に費用がかかることに加えて、この装置から得られる２μｍのビームは、主にファイバの元来小さな開口部のために４０μｍ未満に分散した。したがって、この装置は、ガウスビームを上回る著しい利点をもたらさなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒ，  Ａ．Ｍ．他、「Ｌｏｎｇ−Ｐｅｒｉｏｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  ａｓ  Ｂａｎｄ−Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ  Ｆｉｌｔｅｒｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１４巻、第５８乃至第６５頁（１９９６））
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従来技術のこれらおよび他の問題が、本発明によって対処され、本発明の一態様は、ベッセルビームを発生させる技法を提供する。基本ＬＰ０１モードで伝播をサポートする入力光ファイバを準備する。この入力ファイバは、ファイバモード変換装置に接続され、この装置は、ＬＰ０１モードと、Ｎ個のリングを有する方位角的に対称な選択された高次モードとの間で、所定の励起波長で位相の整合を与える。ここでのＮは、７以上の値の整数である。ファイバモード変換装置への入力として、コヒーレントな光ビームが、入力光ファイバを貫通して供給され、励起波長でＬＰ０１モードの入力を与える。ファイバモード変換装置は、方位角的に対称な選択された高次モードを共鳴的に励起する。次いで、この高次モードが、ベッセルビームを近似するビーム出力として、ファイバモード変換装置の端面からもたらされる。
【０００７】
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面への参照によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ベッセルビームの近似ビームを発生させるための本発明の一態様によるシステムの線図である。
【図２】本発明に従って発生させられたベッセルビームをテストするための実験用のセットアップの線図である。
【図３】図２に記載された実験用のセットアップを使用して発生させたベッセルビームの画像である。
【図４】図２に記載された実験用のセットアップを使用して発生させたベッセルビームの画像である。
【図５】本発明および基準ガウスビームにより発生させられたベッセルビームの中心スポットそれぞれのピーク強度および半値全幅（ＦＷＨＭ）を比較する一連のプロットを示すグラフである。
【図６】図６Ａ乃至Ｄは、図２に示す実験用のセットアップを使用して発生させられ、光軸に沿った一連の距離で赤外線カメラによって記録されたベッセルビームの一連の画像である。
【図７】本発明に従って発生させられたベッセルビームの自己回復性をテストするための実験用のセットアップの線図である。
【図８】図８Ａ乃至図８Ｅは、図７に示す実験用のセットアップを使用して発生させられ、光軸に沿った一連の距離で赤外線カメラによって記録されたベッセルビームの一連の画像である。
【図９】説明された本発明の様々な態様によるベッセルビームを発生させるための技法全体のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上記および他の問題は、本発明によって対処され、その諸態様は、ベッセルビームを実質上近似するビームを発生させるためのファイバベースの技法を対象としている。
【００１０】
本発明の一実施形態において、非常に高次の空間モードの励起で有限距離上で理想ベッセルビームを細密に近似できるようにする、ファイバ内回折格子に基づく装置が提供される。この装置は、入力光ファイバの端面出力部に結合されたファイバモード変換装置を含む。
【００１１】
図１は、本発明の一態様による例示のシステム２０の線図である。このシステムは、他の回折格子パラメータとの組合せで、ＬＰ０１モードの入力と方位角的に対称な選択された高次モードとの間で、励起波長で位相の整合をもたらす周期を備えた回折格子２４を有する、例えば増幅器ファイバなどの高次モード（ＨＯＭ）ファイバ２２を含む。
【００１２】
ＨＯＭファイバ２２および回折格子２４は、一体となってファイバモード変換装置として機能する。ＬＰ０１モードをサポートする入力ファイバ２６の第１の端部が、ＨＯＭファイバ２２の第１の端部に接続される。入力ファイバ２６の第２の端部が、例えばレーザなどのコヒーレントな光源２８に接続される。光源２８および入力ファイバ２６は、ＬＰ０１モードの入力３０を励起波長でＨＯＭファイバ２２へ提供する。回折格子２４は、ＬＰ０１モードの入力の方位角的に対称な選択されたモード３２を共鳴的に励起する。方位角的に対称な選択されたモード３２は、Ｎ個のリングを有する。ここに、Ｎは７以上の値の整数である。
【００１３】
ＨＯＭファイバ２２の第２の端部は、端面３４で終端する。方位角的に対称な選択されたＨＯＭモード３２は、端面３４でファイバ２２を抜け出て、自由空間中でベッセルビーム出力３６を近似する。
【００１４】
回折格子２４を作り出すために使用できる例示的技法の詳細な説明は、Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒ，  Ａ．Ｍ．他の「Ｌｏｎｇ−Ｐｅｒｉｏｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  ａｓ  Ｂａｎｄ−Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ  Ｆｉｌｔｅｒｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１４巻、第５８頁乃至第６５頁（１９９６）（以下、「Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒ」）に見い出すことができ、その全体を参照により本明細書に組み込む。具体的には、Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒは、長周期ファイバ回折格子を使用して、ＬＰ０１モードと個々の特定の高次クラッディングモードとの間で、特定の波長でモード結合を誘導する技法を説明している。説明された一実施例では、長周期ファイバ回折格子は、水素充填されたゲルマニウム含有シリカ（ｇｅｒｍａｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ）ファイバの中心を紫外線に露光させることによって製作される。回折格子内に所望の周期性を作り出すために、クロムメッキされたシリカ振幅マスクが使用される。Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒは、回折格子周期を含む、高次モード結合と回折格子パラメータとの間の関係をさらに説明している。
【００１５】
本発明の例示の一実施形態は、Ｎが１１の場合の方位角的に対称な１２次モードの共鳴励起を伴う。この実施形態は、従来の基本ＬＰ０１モードから方位角的に対称な選択されたモードへの９９．８％の変換効率および０．１ｄＢ未満の挿入損失を生み出す。
【００１６】
以下にさらに詳細に説明するように、半値全幅（ＦＷＨＭ）が３．１μｍの中央ピークを有するビームに対して４５０μｍの回折耐性の範囲が測定されたことで、この装置のベッセル様の性状が確認される。比較として、高非線形ファイバ（Ｈｉｇｈｌｙ  ＮｏｎＬｉｎｅａｒ  Ｆｉｂｅｒ：ＨＮＬＦ）からの同程度のサイズ、２．９μｍのガウス形状のスポットは、わずか約１４μｍ以内の伝播中にピーク強度が半減する。したがって、本明細書に説明した装置は、ガウス形状の光ビームの標準的レイリー領域に対して約３２倍の改良をもたらす。
【００１７】
説明した装置の横寸法がファイバの寸法であり、これは、目下説明中の実施例では１２５μｍである。逆に、同程度の性能を備えた自由空間のアキシコンの開口部ならば、少なくとも３倍大きくなければならない。以下に詳細に説明するように、ビームの自己回復性が確認された。本明細書に説明する技法に従って発生させられたベッセルビームの近似ビームは、不透明な障害物を通過して２ｃｍ以内の伝播で、その形状を回復することが判明した。
【００１８】
目下説明中の本発明は、１２次モード以外の方位角的に対称なモードを使用して応用することができる。一般的に言って、ベッセルビームは、Ｎ個のリングを有する方位角的に対称なモードの共鳴励起を介して近似することができる。ここに、Ｎは７以上の値を持つ整数である。興味ある主要なパラメータは、ベッセルビームの中心の高強度スポットの強度プロファイルの光軸に沿った漸進的変化である。
【００１９】
目下説明中のファイバ装置および技法は、屈折コントラストおよびモードサイズ、したがって、開口サイズが独立に制御できる、あるファイバのあるモードを使用することに留意されたい。これらのパラメータの独立制御により、装置の物理的寸法を変更することなく、ベッセルビームの回折耐性の範囲を設計することが可能となり、それによって、アキシコンを上回る別の著しい利点がもたらされる。この制御は、閉じ込めを制御する、方位角的に対称な所望のＨＯＭをサポートするファイバ導波路の屈折コントラストを変化させること、または開口サイズを制御するファイバの直径を変化させることによって達成される。
【００２０】
図２は、本発明によるベッセルビームを発生させるための実験用のセットアップ１２０を示す。セットアップ１２０は、適切な回折格子１２４が書き込まれた高次モード（ＨＯＭ）ファイバ１２２の全長を含む。入力ファイバ１２６の第１の端部は、接合点Ｉ２５でＨＯＭファイバ１２２の第１の端部に接続される。外部空洞レーザ１２８が、コヒーレントな光源として使用され、ＨＯＭファイバ１２２に接続する。
【００２１】
回折格子１２４は、ガウスビームの方位角的に対称な選択されたモード、この実施例では１２次の方位角的に対称なモードを共鳴的に励起し、ＨＯＭファイバ１２２の端面から抜け出るベッセルビーム１３６を近似する。次いで、ベッセルビーム１３６は、顕微鏡対物レンズ１４２および赤外線カメラ１４４を含む結像系１４０を使用して結像される。結像系１４０は、光軸１４６に沿った一連の距離でベッセルビーム１３６の画像を捕捉する。比較のため、高非線形のファイバ（ＨＮＬＦ）から同程度のスポットサイズ、約３μｍのガウス出力もまた測定された。
【００２２】
図３は、図２で説明した実験用のセットアップ１２０から発生させられた例示のベッセルビーム１３６の近視野画像１５０である。図３に示したように、ビーム１３６は方位角的に対称で、中心スポットおよび１１個の同心リングを含む。
【００２３】
図４は、切断したベッセルビーム１３６のリング状の遠視野パターン１５２の画像である。遠視野パターン１５２により、ビーム１３６がベッセルビームのように動作することが確認される。ビーム１３６が高次ガウスビームのように動作していたならば、遠視野画像１５２は、より大きな空間的広がりを有することを除いて図３の近視野型画像１５０に類似していたであろう。
【００２４】
図５は、装置の端面から０〜１０００μｍにわたる距離での、図２の実験用のセットアップ１２０からの結果を表すグラフ１６０を示す。図６Ａ〜６Ｄは、それぞれ１００μｍ、２５０μｍ、７５０μｍおよび１０００μｍで撮られた、セットアップ１２０からの一連の赤外線カメラの画像１８０ａ〜１８０ｄを示す。
【００２５】
図５で、上部のプロット１６２および１６４は、任意単位で測定した、ベッセル出力およびガウス出力の中心スポットのそれぞれのピーク強度を比較しており、下部のプロット１７２および１７４は、マイクロメートルで測定した、ベッセル出力およびガウス出力の中心スポットのそれぞれの半値全幅（ＦＷＨＭ）値を比較している。
【００２６】
図５に示すように、プロット１６２および１６４でのピーク強度対伝播距離には有意差がある。ガウス出力での１４μｍとは対照的にベッセルビームでは４５０μｍである。プロット１６２および１６４は、ベッセルビームが、その元の値の半分より大きなピーク強度を有する割合が約３２倍に増大することを示す。また、プロット１６２でのベッセルビームのピーク強度の比較的急激なカットオフは注目に値する。このカットオフは、スポットサイズと無関係な特定の焦点深度を有する結像装置、例えば、生物内視鏡ならびにレーザおよび切削機械を調整するために使用することができる。したがって、本発明のシステムは、例えば生物医学的システムでの内視鏡的な細胞操作、または高出力のファイバレーザからの自由空間の伝播において、ベッセルビームの用途として以前は利用できなかった応用分野を開くことができる。
【００２７】
プロット１７４および１７２それぞれに示すように、たとえガウスビームのＦＷＨＭが予想通りに発散したとしても、ベッセルビームのスポットサイズは、１０００μｍもの長さの範囲にわたってほとんど変化しないことに留意されたい。しかし、一般的に言って、ビームの有効範囲は、中心スポットの強度を示すプロット１６２によって定義される。
【００２８】
図７は、目下説明中の技法に従って発生させられたベッセルビームの自己回復特性をテストするための別の実験用のセットアップ２２０を示す。セットアップ２２０は、適切な回折格子２２４が書き込まれた高次モード（ＨＯＭ）ファイバ２２２の全長を含む。入力ファイバ２２６の第１の端部は、接合点２２５でＨＯＭファイバ２２２の第１の端部に接続される。外部空洞レーザ２２８が、入力ファイバ２２６と共に使用されて、励起波長で基本ＬＰ０１モードの入力を与え、これが、入力ファイバ２２６を貫通してＨＯＭファイバ２２２に供給される。
【００２９】
回折格子２２４は、１２次モードなどのＬＰ０１モードの入力ビームの方位角的に対称な選択された高次モードを共鳴的に励起し、この高次モードが、ＨＯＭファイバ２２２の端面から抜け出るベッセルビーム出力２３６を近似する。セットアップ２２０において、約２５０μｍの寸法を有する不透明なスポット２４４が、ガラスのスライド２４６上でビーム経路内に案内できるように、顕微鏡対物レンズ２３８を用いてビーム２３６を伸縮させて約５０μｍの中心スポットサイズを得る。光軸２４２に沿った一連の位置で、不透明なスポット２４４中をビームが進行した後、第２の顕微鏡対物レンズ２４０を使用してビームを結像させる。
【００３０】
図８Ａ〜８Ｅは、光軸に沿った、それぞれ０ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍおよび４０ｍｍで撮られた異なる切片からの一連のカメラ画像２８０ａ〜２８０ｅを示す。画像のコントラストおよびガンマ比は、ビームがその形状に回復する程度を実際に測定するために、この一連の画像全体を通じて同一である。ビームは、障害物２４４を通過して２０ｍｍ以内に、高強度中心スポットに関してその元の形状に回復することが判明した。観察された回復度合は、光軸２４２に沿ってさらに伝播すると共に向上する。この場合、拡大されたビームサイズのために、回折耐性の範囲は５０ｃｍより大きい。不透明なスポット２４４は、実際は中心スポットのサイズの５倍であることに留意されたい。ビームの外側のリングが、元の形状を再形成するために中心に「供給する」ことに役立つので、不透明なスポット２４４のこのサイズにより、理想的なベッセルビームの良い近似が与えられることが期待された。
【００３１】
図９は、本発明の一実施形態による、ベッセルビームを発生させるための技法全体のフローチャート３００を示す。方法３００は以下のステップを含む。
３０１：基本ＬＰ０１モードにおける伝播をサポートする入力光ファイバを準備する。
３０２：ＬＰ０１モードの入力と方位角的に対称な選択されたＨＯＭとの間で、所定の励起波長で位相の整合を与えるファイバモード変換装置に入力ファイバを接続する。
３０３：入力光ファイバを通してコヒーレントな光ビームを供給し、ファイバモード変換装置への入力として、励起波長でＬＰ０１モードの入力を与え、ファイバモード変換装置が、方位角的に対称な選択されたＨＯＭを共鳴的に励起する。
３０４：ファイバモード変換装置の端面からベッセルビームを近似するビーム出力として方位角的に対称なＨＯＭをもたらす。
【００３２】
上記の説明は、当業者が本発明を実施できるようにさせる詳細を含むが、その説明は性質上例示的であり、その多くの修正および変更は、これらの教示の恩恵を得る当業者には明白であろうことを認識されたい。したがって、本明細書の本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ定義され、特許請求の範囲は、従来技術によって許容されるだけ広範囲に解釈されるべきものである。
【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８】
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【図９】
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