(57)【要約】  光学システムは光軸を有し、光学システムには、(Ｉ)光源、(II)反射器、(III)光源と反射器の間に配置されたレンズコンポーネント及び(IV)受光器が備えられ、光源と受光器は実質的に対称に配置され、光軸に対して中心が外され、相互に距離ｄで隔てられており、(ａ)レンズコンポーネントは光源からの光を受け取ってコリメートビームを提供するように位置決めされ、(ｂ)反射器は、コリメートビームを受取り、コリメートビームをレンズを通して受光器に反射するように、またコリメートビームが光軸に対して角度Θ'をなすように、配置され、(ｃ)レンズコンポーネントは、光源の像を受光器上に与えるようにつくられ、光源の像の特性は、λを光源で与えられる中心波長として、(ｉ)レンズコンポーネントに光源の平均放射角に対するアライメントずれがない場合に、０.０５λＲＭＳより大きく、０.１λＲＭＳより小さい、非点収差、及び(ii)レンズコンポーネントが光源の平均放射角に対して２〜５°傾けられている場合に、２〜５°の傾角に対して０.０５λＲＭＳより小さい非点収差、によって表される。
2012519304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有する光学システムにおいて、前記光学システムが、
(Ｉ)  光源、
(II)  反射器、
(III) 前記光源と前記反射器の間に配置されたレンズコンポーネント、及び
(IV)  受光器、
を備え、
前記光源及び前記受光器は、実質的に対称に配置され、前記光軸に関して中心が外されて、相互に距離ｄで隔てられており、
(ａ)  前記レンズコンポーネントは、前記光源からの光を受け取ると、コリメートされたビームを提供するように位置決めされ、
(ｂ)  前記反射器は、前記コリメートビームを受取り、前記コリメートビームを前記レンズを通して前記受光器に反射するように、また前記コリメートビームが前記光軸に対して角度Θ'をなすように、配置され、
(ｃ)  前記レンズコンポーネントは、前記光源の像を前記受光器上に与えるようにつくられており、前記像の特性が、
λを前記光源で与えられる中心波長として、
(ｉ)  前記レンズコンポーネントに前記光源の平均放射角に対するアライメントずれがない場合に、０.０５λＲＭＳより大きく、０.１λＲＭＳより小さい、非点収差、及び
(ii)  前記レンズコンポーネントが前記光源の前記平均放射角に対して２〜５°傾けられている場合に、２〜５°の傾角に対して０.０５λＲＭＳより小さい非点収差、
によって表される、
ことを特徴とする光学システム。
【請求項２】
前記レンズコンポーネントが、
(ａ)  凸面であって曲率半径がｒ１の非球面である前面及び凸面であって曲率半径が、|ｒ１|＞|ｒ２|であるような、ｒ２の非球面である後面、
(ｂ)  ０.３５〜０.５のＮＡ、及び
(ｃ)  １ｍｍ〜３ｍｍの焦点距離、
を有することを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記前面の作動距離,ＦＷＤが０.３ｍｍ〜３ｍｍであり、前記後面の作動距離,ＢＷＤが０.５ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記レンズコンポーネントの前記非点収差が、アライメントずれがない場合に、
(ｉ)  前記レンズ内のくさび(wedge)、または
(ii)  前記前面及び前記後面の一方の他方に対する中心ずれ、
によるか、あるいは
(iii) 前記前面及び前記後面の一方が他方に対して傾けられていることにより、
生じることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項５】
前記レンズが、前記光軸に対して角度Θ'をなすような、コリメートされたビームを与えるようにつくられており、中心を外された点光源が前記レンズの焦平面に配置されて、オフアクシス量が７５０μｍまでの場合に、角度Θ'が０.０５ＲＡＤ(ラジアン)≦Θ'≦０.２ＲＡＤであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項６】
(ｉ)  前記光源がダイオードレーザであり、[前記レンズの光路長,ＯＰＤ＋前記反射面までの距離]が前記ダイオードレーザのＯＰＤに実質的に(１０％の範囲内で)等しい、及び／または
(ii)  前記光路長,ＯＰＤが１０ｍｍ未満である、
ことを特徴とする請求項２に記載の光学システム。
【請求項７】
前記光源からの光が、前記受光器に到達する前に前記レンズコンポーネントを２回通り、前記レンズコンポーネントが倍率Ｍで結像するように配置され、０.９≦|Ｍ|≦１.１であることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
光軸上に配置されたレンズであって、前記レンズが、
(Ｉ)  前面、及び
(II)  前記前面から距離Ｔｈで隔てられた後面、
を有し、前記レンズが、
(Ａ)  前記光軸から距離ｄ'だけ変位させたオフアクシス光源を結像しているときに、前記光軸に対して角度Θ'をなすように前記後面から出てくる、コリメートされたビームを与える、及び
(Ｂ)  反射面との結合時に、前記コリメートビームを受け取って、前記オフアクシス光源の像を与える、
ようにつくられており、前記像が、
λを前記光源で与えられる中心波長として、
(ａ)  前記レンズコンポーネントに前記光源の平均放射角に対するアライメントずれがない場合に、０.０５λＲＭＳより大きい非点収差、及び
(ｂ)  前記レンズコンポーネントが前記光源の前記平均放射角に対して２〜６°傾けられている場合に、２〜６°の傾角に対して０.０５λＲＭＳより小さい非点収差、
を有する、
ことを特徴とするレンズ。
【請求項９】
(ｉ)  ２５μｍ≦ｄ'≦７５０μｍ及び０.０５ＲＡＤ≦Θ'≦０.２ＲＡＤである、及び／または
(ii)  前記レンズが、非球面の前面及び非球面の後面、０.３５〜０.５のＮＡ，及び１ｍｍ〜３ｍｍの焦点距離を有する、
ことを特徴とする請求項８に記載のレンズ。
【請求項１０】
(ｉ)  前記非点収差が視野(画角)誘起非点収差成分及びレンズ傾き誘起非点収差成分を有し、２°〜６°の間の全傾角に対して、前記非点収差成分の一方が正であるときに他方の非点収差線分が負であるように、前記レンズがつくられる、及び／または
(ii)  ２°〜６°の間の少なくとも１つの傾角において前記視野(画角)誘起非点収差成分がレンズ傾き誘起非点収差成分と符号が反対で大きさがほぼ等しい、
ことを特徴とする請求項８に記載のレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には光学システムに関し、さらに詳しくはそのようなシステムに用いるための折返しレーザシステム及びレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
緑色レーザ光の発生は赤外光の非線形周波数２逓倍によって達成することができる。一般に、図１Ａのレーザシステムに示されるように、赤外ダイオードレーザ３からの光ビーム２が、周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)のような、非線形光学結晶４内に導かれ、そこで緑色光５に変換される。赤外ダイオードレーザから非線形光学結晶に光を供給するため、赤外ダイオードレーザ３と非線形光学結晶４の間にレンズ６が配置される。レンズ６はダイオードレーザ３からの赤外光を受取り、この光を非線形光学結晶４内に結合させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、レーザシステムはダイオードレーザ及び非線形光学結晶のいずれにおいても光を閉じ込めるために用いられる小さい光導波路を利用しているため、コンポーネント(レンズ、非線形光学結晶及びダイオードレーザ)のアライメント許容範囲は１０分の数μｍ程度ないしさらに小さい。このことは、レーザシステムの初期組立て及びレーザの寿命にわたるコンポーネントアライメント維持のいずれに対しても重大な問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様は光軸を有する光学システムであり、光学システムは、
(Ｉ)  光源、
(II)  反射器、
(III) 光源と反射器の間に配されたレンズコンポーネント、及び
(IV)  受光器、
を備え、
光源及び受光器は、実質的に対称に配され、光軸に関して中心が外され、相互に距離ｄで隔てられており、
(ａ)  レンズコンポーネントは光源からの光を受け取るとコリメートビームを提供するように配置され、
(ｂ)反射器は、コリメートビームを受取り、コリメートビームをレンズを通して受光器に反射するように、またコリメートビームが光軸に対して角度Θ'をなすように、配置され、
(ｃ)  レンズコンポーネントは、光源の像を受光器上に与えるように配置され、
光源の像の特性は、
λを光源で与えられる中心波長として、
(ｉ)  レンズコンポーネントに光源の平均放射角に対するアライメントずれがない場合に、０.０５λＲＭＳより大きく、０.１λＲＭＳより小さい、非点収差、及び
(ii)  レンズコンポーネントが光源の平均放射角に対して２〜５°傾けられている場合に、２〜５°の傾角に対して０.０５λＲＭＳより小さい非点収差、
によって表される。
【０００５】
いくつかの実施形態によれば、光学システムは緑色レーザであって、光源は赤外(ＩＲ)ダイオードレーザであり、受光器は非線形光学結晶、例えばＩＲ光を緑色光に変換するためのＳＨＧ(二次高調波発生)結晶である。
【０００６】
発明者等は、非線形光学結晶の導波路領域の入力ファセット(すなわち前面ファセット)上の微細構造が光を散乱してダイオードレーザに向けて戻すことができ、ダイオードレーザ波長にモードホッピングをおこさせ得ることも見いだした。モードホッピングはＩＲ光-緑色光変換効率に大きく影響することができ、したがって像アーティファクトを導入し得る。
【０００７】
本発明のいくつかの実施形態において、ダイオードレーザの出力ファセットから非線形光学結晶の入力ファセットまでの光路長,ＯＰＬはダイオードレーザ自体の内部光路長のｎ倍にほぼ(±１０％の範囲内で)等しい。ここで、ｎは整数であり、ｎ＝１であることが好ましい。
【０００８】
本発明の光学システムの緑色レーザ実施形態の例によって得られるいくつかの利点は、反射器及びレンズコンポーネントに対する比較的広い(例えば５°のオーダーの)角度許容範囲及び非線形結晶の入力ファセットで生じる寄生反射への低感度である。
【０００９】
別の態様において、本発明は光軸上に配されたレンズを含み、レンズは、
(Ｉ)  前面、及び
(II)  前面から距離Ｔで隔てられた後面、
を有し、レンズは、
(Ａ)  光軸から距離ｄ'だけ変位された軸外光源を結像させる場合に、後面から出射するコリメートされたビームを、コリメートビームが光軸に対して角度Θ'をなすように、与える、及び
(Ｂ)  反射面と結合される場合に、コリメートビームを受取って、軸外光源の像を与える、
ようにつくられており、軸外光源の像は、
λを光源で与えられる中心波長として、
(ａ)  レンズコンポーネントに光軸に対するアライメントずれがない場合に、０.０５λＲＭＳより大きい非点収差、及び
(ｂ)  レンズコンポーネントが(ｉ)光軸または(ii)光源の平均放射角に対して２〜５°傾けられている場合に、２〜６°の傾角に対して０.０５λＲＭＳより小さい非点収差、
を有する。
【００１０】
本発明のさらなる特徴及び利点は以降の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは以降の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって容易に認められるであろう。
【００１１】
上述の全般的説明及び以降の詳細な説明はいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは従来技術の光学システムを示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の一実施形態にしたがう、折返し光学システムを簡略に示す。
【図２】図２は、本発明の一実施形態にしたがう、折返しキャビティ緑色レーザシステムである。
【図３】図３は、本発明の一実施形態にしたがう、レンズコンポーネントの断面図である。
【図４】図４は図２及び３のレンズコンポーネントの結合性能を示す。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態にしたがう、レンズコンポーネントの断面図である。
【図６】図６は、本発明のまた別の実施形態にしたがう、レンズコンポーネントの断面図である。
【図７】図７は収差(波面収差)の変遷を一例のレンズコンポーネントの傾きの関数として示す。
【図８】図８は収差(波面収差)の変遷を一例のレンズコンポーネントの傾きの関数として示す。
【図９】図９は一例のレンズコンポーネントの傾角の関数としての結合効率のグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、レンズコンポーネントの傾きによって生じる収差成分及び傾角の変化にともなうその変遷を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは非点収差のＦＯＶ(視野(画角))依存性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
その例が添付図面に示される本発明の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、同じ参照数字は図面を通して同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本発明の光学システムの実施形態の一例が図１Ｂに示され、図面を通して総体的に参照数字１０で示される。
【００１４】
本実施形態例における光学システム１０は、折返し構成を有する、周波数２逓倍緑色レーザである。光学システム１０において、光は発散光ビーム２２の形態で、本例においては赤外(ＩＲ)ダイオードレーザ２０'である、光源２０から放射され、単レンズコンポーネント３０によって受け取られてコリメートされる。本実施形態において、光源２０で与えられる発散光ビーム２０の特徴は、例えば、一方向において２０°であり、(直交する)別の方向においては７°である、１/ｅ２における放射発散半角Θで表される。コリメート(赤外)ビーム４０は反射器５０に向かって角度Θ'で伝搬し、次いで反射器で反射されてレンズコンポーネント３０に向かって戻る。いくつかの実施形態にしたがえば、０.０５ＲＡＤ(ラジアン)≦Θ'≦０.２ＲＡＤであることが好ましく、０.０９ＲＡＤ≦Θ'≦０.１７ＲＡＤであることがさらに好ましい。反射器５０は、例えば平面ミラーとすることができる。反射ビームはレンズコンポーネント３０を通って伝搬して像平面６０に向かい、本実施例では非線形光学結晶７０'，例えば二次高調波発生(ＳＨＧ)結晶の導波路領域の入力ファセットである、受光器７０上に集束される。本実施形態において、非線形光学結晶７０'はレンズコンポーネント３０によって与えられるＩＲ光を受取り、これを緑色光５に変換する。レンズコンポーネント３０の位置または反射器５０の角度のいずれかの調節を、非線形光学結晶７０'の入射ファセットにおいて集束スポットを移動させるために用いることができる。
【００１５】
本例において、光源２０及び受光器(非線形光学結晶７０')はいずれも光軸ＯＡ(レンズコンポーネント３０の光軸)に対して中心が外され、光軸に対して対称またはほぼ(±１００μｍの範囲内で)対象に配される。さらに詳しくは、赤外ダイオードレーザ２０'の導波路の出力ファセットと非線形光学結晶７０'の導波路の入力ファセットは、受光器７０における(像平面における)光ビームの収差を最小限に抑えるために、レンズ３０の焦点距離ｆに比較して短い距離ｄ(すなわちｄ≪ｆ)で隔てられる。レンズ３０の焦点距離ｆは１〜５ｍｍ(１ｍｍ≦ｆ≦５ｍｍ)であることが好ましい。光源２０と非線形光学結晶７０'の間隔ｄは、好ましくは３０μｍ≦ｄ≦１５００μｍ、さらに好ましくは５０μｍ≦ｄ≦７５０μｍ、さらに好ましくは１００μｍ≦ｄ≦６００μｍ、さらに一層好ましくは１５０μｍ≦ｄ≦５００μｍ、最も好ましるは３００μｍ≦ｄ≦５００μｍである。したがって、本実施形態において、光源２０(ダイオードレーザ２０')及び受光器７０(非線形光学結晶７０')は光軸に対して、距離ｄ'≒ｄ/２だけ、例えばｄ'＝ｄ/２±１００μｍだけ、Ｙ軸に沿って中心が外される。中心を外れる距離ｄ'はｄ/２に等しいかまたはｄ/２に対して５０μｍの範囲内(すなわちｄ'＝ｄ/２±５０μｍ)であることが好ましい。
【００１６】
図１Ｂに示される折返しレーザ構造設計には光路が光路自体に重ねて折り返されるからレーザキャビティの全長が短縮される(したがってレーザのパッケージ寸法が短縮される)という利点がある。折返しレーザ構成では同じレンズ３０が二度−一度はビームをコリメートするため、一度は光を非線形光学結晶７０'の入力ファセット上に再集束させるため−用いられるから、レンズコンポーネント３０で生じる非対称光学収差の効果が最小限に抑えられることも有利である。安定で正確な取り付け法があれば、光学システム１０は完璧に受動型とし得る(すなわち可動コンポーネントを備える必要がない−そのような設計が図１Ｂに簡略に示される)。あるいは、光学システム１０は反射器５０としてＭＥＭＳミラーを利用して容易に、非線形光学結晶７０'の入力ファセット上の像を２つの横方向で能動的にアライメントをとることができる。ＭＥＭＳミラーは、例えば磁気で作動させることができ、約１°傾けることができる。
【００１７】
折返し光学構成の実用化には多くの難題が課される。第１に、折返し構成では非線形光学結晶７０'及びダイオードレーザ２０'がレンズコンポーネントの光軸を外して配置される(すなわち中心が外される)必要があるから、軸外光学収差が存在し、制御が困難であり得る。しかし、折返し構成による光学収差は、ダイオードレーザ２０'と非線形光学結晶７０'の間の光結合効率を達成するため、小さくしておかなければならない。本発明の緑色レーザ実施形態の一利点は、レンズコンポーネント３０のアライメントがずれていたとしても、軸外収差を小さいままにしておけることである。本実施形態例においては、反射器５０またはレンズコンポーネント３０を移動させることで光ビームの焦点合わせを制御するアクチュエータはない。本実施形態の光学システム１０は焦点シフトに敏感ではない(そうでなければ結合、したがって光出力パワーが失われ得る)ことが利点である。最後に、図１Ｂの光学システム１０では、光フィードバックが制御または最小化され得ることも利点である。例えば、本明細書に説明される緑色レーザ実施形態において、非線形光学結晶７０'の入力ファセットからのＩＲ光の後方反射及び後方散乱は赤外ダイオードレーザ２０'の望ましくないモードホッピング挙動を誘起しない。すなわち、本発明の光学システムの緑色レーザ実施形態例によって得られる利点には、反射器５０及び／またはレンズコンポーネント３０に対する(５°程度、例えば±０.１５ｍｍ及び±３.５°の)比較的広い角度アライメント許容範囲及び非線形結晶の入力ファセットで生じる寄生反射への低感度がある。
【００１８】
本発明のいくつかのレーザシステム実施形態において、ダイオードレーザ２０'の出力ファセットから非線形光学結晶７０'の入力ファセットまでの光路長,ＯＰＬはダイオードレーザ自体内部の光路長の整数(ｎ)倍にほぼ(±１０％の範囲内で)等しい。図１Ｂに示される光学システム１０は、光源２０(ダイオードレーザ２０'の出力ファセット)と受光器７０(ＳＨＧ結晶の入力ファセット)の間の光路長,ＯＰＬがダイオードレーザキャビティの光路長とほぼ同じになる(すなわちｎ＝１になる)ように、設計される(異なるコンポーネントの表面間隔をＤｉとし、そのような表面の間の屈折率をＮｉとすれば、ＯＰＬ＝Ｄｉ×Ｎｉであることに注意されたい)。すなわち、図１Ｂの光学システム１０は、ダイオードレーザ２０'の出力ファセットと非線形光学結晶７０'の入力ファセットの間に形成されるキャビティの光路長がダイオードレーザのキャビティの光路長と同じになるような結合キャビティ条件で、はたらくように設計される。すなわち、例えばダイオードレーザ結晶の端から端までの光路長が９.５ｍｍであれば、光学システム１０の端から端まで(光源から受光器まで)の光路長は９.５ｍｍであるべきである。すなわち、光源２０がダイオードレーザであれば、光源からレンズコンポーネント３０に至り、レンズコンポーネント３０を通過して反射器５０に至る光路長(ＯＰＬ)は、ダイオードレーザのＯＰＬの１/２である。この構成の利点は非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０‘Ａの入力ファセットからの寄生反射によって生じるレーザ波長不安定性を最小限に抑えることである。
【００１９】
レンズコンポーネント３０は、０.３５と０.６の間の開口数,ＮＡ、１ｍｍ〜３ｍｍの焦点距離、０.３ｍｍ〜３ｍｍの前方作動距離,ＦＷＤ及び０.５ｍｍ〜３ｍｍの後方作動距離,ＢＷＤを有することが好ましい。ＦＷＤは光源２０からレンズコンポーネント３０の前面Ｓ１(すなわち光源に面しているレンズ表面)までの光軸に沿う距離である。ＢＷＤはレンズコンポーネント３０の後面Ｓ２から反射器５０までの距離である。例えばＢＷＤは、０.８ｍｍ、１ｍｍ、１.２ｍｍ、１.５ｍｍ、１.７ｍｍ、２ｍｍまたは２.５ｍｍとすることができる。レンズコンポーネント３０は、好ましくは０.９≦|Ｍ|≦１.１，さらに好ましくは０.９５≦|Ｍ|≦１.０５の、倍率,Ｍで光源を結像するように配されることが好ましい。
【００２０】
反射器５０は、光源の平均放射角(すなわち放射中心)の方向が受光器７０上の平均ビーム角に平行である(すなわち、非線形光学結晶７０'の入力ファセットによって受け取られる集束光円錐の中心線に平行である)ように、レンズコンポーネント３０の焦平面に配置されることが好ましい。光源２０が最大半角Θで発散するビームを与える場合、反射器は、光源の平均放射角の方向が受光器７０上の平均ビーム角に平行であるように、レンズコンポーネント３０の焦平面に配置されることが好ましい。中心を外された光源がレンズコンポーネントの焦平面に配置され、軸外れ量が７５０μｍまでであれば、レンズコンポーネント３０は、コリメートビームが(反射器表面の法線に対して)角Θ'をなして、０.０５ＲＡＤ≦Θ'≦０.２ＲＡＤであるような、コリメートビームを与える構造につくられる。
【００２１】
本例のレンズコンポーネント３０は光源の像を受光器上に与えるような構造につくられており、光源の像の特性は、λを光源２０で与えられる中心波長として、(ｉ)レンズコンポーネントが光源の平均放射角に対して傾けられていない場合、０.０５λＲＭＳより大きく、０.１λＲＭＳより小さい、非点収差、及び(ii)レンズコンポーネントが光源の平均放射角に対して２〜５°傾けられている場合、２〜５°の傾角に対して０.０５λＲＭＳより小さい非点収差、によって表される。少なくともいくつかの実施形態においては、レンズコンポーネントの光軸が光源の平均放射角に平行であることに注意されたい。すなわち、光学システム１０の組み立て中にレンズコンポーネント３０のアライメントがずれた(例えば若干傾くかまたは中心を外れた)としても受光器上のＲＭＳ波面収差は(ＮＡが０.４のレンズコンポーネントにわたって)≦０.１λである。
【００２２】
非点収差は、(ｉ)レンズコンポーネント内のくさび                      (wedge)、または(ii)レンズの一方の表面の他方の表面に対する中心ずれによって、あるいは(iii)表面の一方が他方の表面に対して傾いていることによって、生じ得ることに注意されたい。
【実施例】
【００２３】
本発明は以下の実施例によってさらに明解になるであろう。
【００２４】
実施例１
図２は、図１Ｂに示したシステムと同様の、折返しキャビティ型緑色レーザシステムの例の一部を示す。図３は図２に示されるレンズコンポーネント３０を示す。さらに詳しくは、非線形光学結晶７０'(周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ))が、赤外ダイオードレーザ２０'に隣接し、赤外ダイオード２０'に重ねてカンチレバー態様で配置される。ＩＲ光が赤外ダイオードレーザから放射され、レレンズコンポーネントに受け取られて、コリメートされる。コリメートされた赤外光ビームは次いで反射器５０(平ミラー，図３)から反射されて同じレンズコンポーネント３０に戻り、レンズコンポーネント３０を通して非線形光学結晶７０'の入力ファセット上に集束される。ミラーは通常の固定ミラーとすることができ、あるいは前後／左右の傾角で作動するミラー、例えば微小電気機械システム(ＭＥＭＳ)ミラーとすることができる。ダイオード導波路と結晶導波路の間の光の結合が２つの基本的な仕方で調節できることに注意されたい。第１に、レンズコンポーネント３０の位置をｘ軸、ｙ軸またはｚ(焦点合わせ)軸で移動させることができる。第２に、ミラー自体を傾けることができる。ミラーはコリメート赤外ビーム空間に配されているから、角度調節は結晶の入力ファセットにおける反射／集束ビームの位置(ｘ,ｙ)の移動を生じさせるであろう。ＰＰＬＮ結晶は赤外光のかなりの分量を、結晶(図示せず)の出力ファセットから放射される、緑色光に変換する。そのような設計により、５０ｍＷより強い緑色光を放射できる小型(≪１ｃｍ３)のレーザシステムパッケージの作成が可能になる。赤外ダイオード自体への電流注入を変調することによって走査型投影ディスプレイのための高速(１００ＭＨｚ)変調を行うことができる。
【００２５】
本実施形態例において、図２及び３のレンズコンポーネント３０は、１０６０ｎｍにおいて、０.４の開口数,ＮＡにわたり、±２００μｍ視野(画角)に対して０.１λより小さいＲＭＳ(二乗平均)波面収差(ＷＦＥ)を与えるように、また光源と受光器の間の光路長が９.３６ｍｍであるような焦点距離と厚さの組合せを与えるように、最適化される。
【００２６】
レンズコンポーネント３０の曲率半径(ｒ１,ｒ２)、厚さＴ(頂点−頂点)及び非球面係数は、
１．コマ収差及び非点収差を最小限に抑える、
２．大きな視野(画角)を得る；光学システムはダイオードレーザ２０'の導波路領域と非線形光学結晶７０'の導波路領域との４００μｍ(ｄ＝３５０μｍ±２５μｍ)の間隔に対して良好な結合効率を有するように、低視野(画角)収差が大開口数(例：ＮＡ＝０.４)と組み合わされる、
３．ダイオードレーザ２０'の出力ファセットと非線形光学結晶７０'(例えば二次高調波発生(ＳＨＧ)結晶)の入力ファセットの間に形成されるキャビティの光路長がダイオードレーザキャビティの光路長と同じになるような、結合キャビティ条件における光学システムの作動を可能にするに適切な焦点距離と厚さの組合せを得る、
ように選べば、有利である。
【００２７】
上述したようにレンズコンポーネント３０は前面Ｓ１及び後面Ｓ２を有する。前面Ｓ１は凸面であって、曲率半径がｒ１の非球面であることが好ましい。後面Ｓ２は凸面であって、曲率半径が、|ｒ１|＞|ｒ２|であるような、ｒ２の非球面であることが好ましい。
【００２８】
図２及び３のレンズコンポーネント３０は以下の特徴:
(Ｉ)  光学システムが(ダイオードレーザと非線形光学結晶の間のＯＰＬがダイオードレーザのＯＰＬと±０.０５ｍｍの範囲内で等しい)結合キャビティ状態にあることを可能にし、ＯＰＬ＝(０.９ｍｍ＋１.７４４ｍｍ×１.５＋１.１８ｍｍ)×２＝９.３９ｍｍである、及び
(II)  以下のパラメータ、(ｉ)ＦＷＤ＝０.９０ｍｍ，(ii)１.７４ｍｍの厚さＴｈ(頂点−頂点)，(iii)ｆ＝１.７６ｍｍの焦点距離，(iv)１０６０ｎｍにおいて１.５のガラス屈折率Ｎ，(ｖ)２ｍｍの後面Ｓ２の実効直径，(vi)全ＮＡ＝０.６１及び(vii)２.５ｍｍ〜３ｍｍのレンズコンポーネント外径を有する、
を有する。
【００２９】
表面Ｓ１及びＳ２の表面サグは下式：
【数１】
2012519304.tif 000003
【００３０】
で与えられる。ここで、ｃは曲率半径、ｒはレンズコンポーネントの中心からの径方向距離であり、ｋ＝円錐係数である。
【００３１】
図２及び３のレンズコンポーネント３０の表面パラメータは下の表１に与えられる。
【表１】
2012519304.tif 000004
【００３２】
図４は図２のレンズコンポーネント３０の性能を示し、結合用途に一般に用いられる市販の非球面レンズの２つの例(レンズ１及びレンズ２)の性能も示す。上述したように、赤外ダイオードレーザ２０'の導波路の出力ファセットと非線形光学結晶７０'の導波路の入力ファセットは小さな距離ｄで隔てられる。図４は、レンズコンポーネント３０が同様の焦点距離をもつ２つの市販非球面結合レンズより高い結合効率を有することを示す。例えば、レンズコンポーネント３０は、赤外ダイオードレーザ２０'の導波路の出力ファセットと非線形光学結晶７０'の導波路の入力ファセットが４５０μｍ(０.４５ｍｍ)までの距離ｄだけ隔てられても約９０％ないしさらに高い結合効率を維持しているが、他の２つのレンズはそれぞれ３５０μｍ及び２１５μｍまでのｄ値でしか９０％の結合効率を維持していない。同様に、レンズコンポーネント３０は、赤外ダイオードレーザ２０'の導波路の出力ファセットと非線形光学結晶７０'の導波路の入力ファセットが約５６０μｍの距離ｄで隔てられていても約８０％ないしさらに高い結合効率を維持しているが、他の２つのレンズはそれぞれ約３６０μｍ及び２７０μｍまでのｄ値でしか８０％の結合効率を維持していない。
【００３３】
実施例２
図５は図１Ｂ及び２の光学システムに用いるに適するレンズコンポーネント３０を示す。図２及び３のレンズコンポーネントは以下の特徴：
(Ｉ)  光学システムが(ダイオードレーザと非線形光学結晶の間のＯＰＬがダイオードレーザのＯＰＬと±０.０５ｍｍの範囲内で等しい)結合キャビティ状態にあることを可能にする、及び
(II)  以下のパラメータ、(ｉ)ＦＷＤ＝０.５６８ｍｍ，(ii)１.８２１ｍｍの厚さＴｈ(頂点−頂点)，(iii)ｆ＝１.４ｍｍの焦点距離，(iv)１０６０ｎｍにおいて１.７８のガラス屈折率Ｎ及び(ｖ)ＮＡ＝０.４を有する、
を有する。
【００３４】
図５のレンズコンポーネント３０の表面パラメータは下の表２に与えられる。
【表２】
2012519304.tif 000005
【００３５】
実施例３
図６は図１Ｂ及び２の光学システムに用いるに適するレンズコンポーネント３０を示す。図２及び３のレンズコンポーネントは以下の特徴：
(Ｉ)  光学システムが(ダイオードレーザと非線形光学結晶の間のＯＰＬがダイオードレーザのＯＰＬと±０.０５ｍｍの範囲内で等しい)結合キャビティ状態にあることを可能にする、及び
(II)  以下のパラメータ、(ｉ)ＦＷＤ＝１.１０１ｍｍ，(ii)１.５８ｍｍの厚さＴｈ(頂点−頂点)，(iii)ｆ＝１.７８９ｍｍの焦点距離，(iv)１０６０ｎｍにおいて１.５０３のガラス屈折率Ｎ及び(ｖ)ＮＡ＝０.４を有する、
を有する。
【００３６】
図６のレンズコンポーネント３０の表面パラメータは下の表３に与えられる。
【表３】
2012519304.tif 000006
【００３７】
レンズコンポーネント最適化
レンズシステムを最適化するための従来の進め方は、全ての光学コンポーネントをそれぞれの公称位置につけ、与えられた最適化関数に対する局所最小値を光学設計ソフトウエアに見つけださせることにある。また、光学コンポーネントの位置決め許容範囲を可能な限り広くするため、通常の最適化方法は中間空間(すなわち光学コンポーネント間)において収差を最小限に抑えるステップも含む。すなわち、一般的な最適化中にレンズ設計者は、屈折力を与える光学表面のそれぞれを求めた後、波面が完全な(球面または平面の)波面に可能な限り近いことを検証しようとする。これは通常、中間空間における(すなわち、異なる表面間及び光学素子間の空間における)ザイデル係数(収差)に関わるいくつかの制約を課すことによってなされる。
【００３８】
発明者等は、この方法を折返し構成に適用することで、０.５ｍｍまでのダイオードレーザ−ＰＰＬＮ結晶間隔ｄに関して優れた結果を得た。残念ながら、このタイプの最適化を用いて発明者等が得た全ての設計において、製造及び組立位置決めの許容範囲は極めて狭く、最もクリティカルなパラメータはおそらくレンズコンポーネントの傾きであり、約１°以下に制限された。
【００３９】
レンズコンポーネント３０またはミラー５０への若干の傾きの影響は、いずれも結合の低下(ダイオードレーザと非線形光学結晶の間の結合の効率低下)に寄与する、いくらかのコマ収差及び非点収差の導入がほとんどである。
【００４０】
図７はレンズコンポーネントの設計の一例について計算されたレンズの傾きの関数としての波面収差の変遷を示す。この構成において、ダイオードレーザとＰＰＬＮ結晶の間隔ｄは一定(０.３５ｍｍ)に保たれ、焦点はレンズ方向きのそれぞれに対して調節されている。傾きが大きくなるにつれて、(主な収差である)コマ収差及び非点収差のいずれの絶対値も増大する。この結果、レンズコンポーネントの傾きがゼロのときの波面収差は非常に小さいが、傾きが大きくなるとともに波面収差は急速に悪化する。
【００４１】
許容範囲を拡げるため、発明者等は別の最適化法を試行した。この最適化で得られたレンズコンポーネント３０(図３，５及び６を見よ)に課せられる許容範囲はそれほど狭くはない。すなわち、許容範囲解析によれば、レンズ傾き及びミラー角度に関する許容範囲は少なくとも５倍に拡げられることが示される。拡大の原因がどこにあるかを理解するために、発明者等はレンズコンポーネントの傾きの関数としての収差の変化を再び計算した。図８に見られるように、非点収差曲線は傾きがゼロのときに最小値をとらず、レンズの傾きが大きくなるにつれて減少する。これは基本的に、全てのコンポーネントが公称位置にあって傾いていない場合にレンズの傾きが大きくなると表れる非点収差を補償する、残留非点収差を設計が与えていることを意味する。
【００４２】
この結果、広いレンズ傾角範囲にわたって総非点収差が比較的一定のままでいることになる。言い換えれば、レンズコンポーネント３０は有利な態様でかなり広い位置許容範囲を受け入れることができる。
【００４３】
図９はレンズコンポーネント(すなわち、１つは従来通りの最適化レンズコンポーネント[設計＃１]であり、１つは残留非点収差をもつレンズコンポーネント[設計＃２])のそれぞれについて、レンズコンポーネントの傾き及びミラーの傾きに対する結合係数の計算値を示す。見て分かるように、レンズコンポーネントに小量の非点収差がある場合(例えば図３，５及び６を見よ)、許容範囲は、結合にいかなる有意な影響も与えずに、劇的に改善される。
【００４４】
この解析は、光学システム設計に若干の残留非点収差を組み入れることによって位置決め許容範囲が劇的に改善され得ることを示す。そのような非点収差はコンポーネントのアライメントずれによって発生する非点収差を補償し、システムの位置決め許容範囲をさらに一層広くする。例えば、受光器における像点に非点収差があり、非点収差に視野(画角)誘起非点収差成分及びレンズ傾き誘起成分があれば、全レンズコンポーネントの２°〜６°の間の傾角に対して、これらの非点収差成分の一方が正であるときに他方の非点収差成分が負であるように、レンズコンポーネント３０がつくられることが好ましい。このことが例えば図１０Ａ及び１０Ｂに示される。さらに詳しくは、図１０Ａはレンズコンポーネント３０の傾きによって誘起された非点収差成分を示す。図１０Ｂは非点収差成分対ＦＯＶ(視野(画角))を示す。
【００４５】
本発明の精神及び範囲を逸脱せずに様々な改変及び変形が本発明になされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらと等価な言明の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００４６】
１０    光学システム
２０    光源
２０'    赤外(ＩＲ)ダイオードレーザ
２２    発散光ビーム
３０    単レンズコンポーネント
４０    コリメートビーム
５０    反射器
６０    像平面
７０    受光器
７０'    非線形光学結晶
【図１Ａ】
2012519304.tif 000007
【図１Ｂ】
2012519304.tif 000008
【図２】
2012519304.tif 000009
【図３】
2012519304.tif 000010
【図４】
2012519304.tif 000011
【図５】
2012519304.tif 000012
【図６】
2012519304.tif 000013
【図７】
2012519304.tif 000014
【図８】
2012519304.tif 000015
【図９】
2012519304.tif 000016
【図１０Ａ】
2012519304.tif 000017
【図１０Ｂ】
2012519304.tif 000018
【国際調査報告】
2012519304.tif 000019
2012519304.tif 000020
2012519304.tif 000021
2012519304.tif 000022
2012519304.tif 000023
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