特許 7348167 光電子集成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-11

(45)【発行日】2023-09-20

(54)【発明の名称】光電子集成装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/26 20060101AFI20230912BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20230912BHJP

【ＦＩ】

G02B6/26 311

G02B6/32

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020512476

(86)(22)【出願日】2018-10-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-12-24

(86)【国際出願番号】 EP2018077925

(87)【国際公開番号】W WO2019076766

(87)【国際公開日】2019-04-25

【審査請求日】2021-08-25

(31)【優先権主張番号】1751284-9

(32)【優先日】2017-10-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE

(73)【特許権者】

【識別番号】515271559

【氏名又は名称】オプトスカンド エービー

(74)【代理人】

【識別番号】100103816

【弁理士】

【氏名又は名称】風早 信昭

(74)【代理人】

【識別番号】100120927

【弁理士】

【氏名又は名称】浅野 典子

(72)【発明者】

【氏名】アレリド， シモン

(72)【発明者】

【氏名】キャンプベル， スチュアート

(72)【発明者】

【氏名】サルハンマー， オロフ

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０９０２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２１７２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３４００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－１５７７０４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０２－０５６５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－２００２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２８６８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１５９６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１５４０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０６６４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１３９９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０１３４６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０６４５４４６５（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／０２－ ６／１０

Ｇ０２Ｂ ６／２６－ ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０－ ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２－ ６／４４

Ｈ０１Ｓ ３／００－ ４／００

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学集成装置（１００）であって、光学集成装置（１００）が、
光学集成装置（１００）の入力端（１１０）中に予め決められた方向（Ｐ）で光を伝搬する第一光ファイバー（１０１）、但し前記第一光ファイバー（１０１）は、コアー及びクラッドを有する；
入力端（１１０）で前記第一光ファイバー（１０１）を包囲するヒートシンク（１１１）；及び
第一光軸（Ｘ１）を有しかつ伝搬方向（Ｐ）においてヒートシンク（１１１）の後に配置されたレンズ（１２０）；
を含み、
光学集成装置（１００）が、伝搬方向においてレンズ（１２０）の後に配置されたフィルター（１３０）をさらに含み、
フィルター（１３０）が、一つ以上の希望の波長を有する光を透過しかつ一つ以上の希望しない波長を反射してレンズ（１２０）を通して戻すように配置された反射面（１３１）を有するものにおいて、
レンズ（１２０）が、反射された光からのエネルギーが前記第一光ファイバー（１０１）を包囲するヒートシンク（１１１）によって吸収されるように、反射された光を光学集成装置の入力端（１１０）で前記第一光ファイバー（１０１）を包囲するヒートシンク（１１１）中に又は前記第一光ファイバー（１０１）のクラッドに再合焦するように配置されていることを特徴とする光学集成装置（１００）。

【請求項2】

フィルター（１３０）が、ダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光学集成装置。

【請求項3】

フィルター（１３０）が、ラマン光／波長をフィルター除去するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学集成装置。

【請求項4】

フィルター（１３０）が、レンズ（１２０）の第一光軸（Ｘ１）に対して角度（β）で光を反射してレンズ（１２０）に戻すように配置されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項5】

フィルターが、第一光軸（Ｘ１）のまわりで回転可能であるように配置されていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項6】

フィルターが、平坦反射面（１３１）を有することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項7】

フィルターが、非平坦反射面（１３２）を有することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項8】

ヒートシンク（１１１）が、流体冷却熱交換器であることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項9】

ヒートシンク（１１１）が、ガス冷却熱交換器であることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項10】

ヒートシンク（１１１）が、液体冷却熱交換器であることを特徴とする請求項８に記載の光学集成装置。

【請求項11】

液体が、水であることを特徴とする請求項１０に記載の光学集成装置。

【請求項12】

光学集成装置が、ファイバーコネクターの一部であることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項13】

光学集成装置が、加工ヘッドに取り付けられていることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項14】

光学集成装置が、ファイバー間カップラーであることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項15】

第一光ファイバー（１０１）が、伝搬方向（Ｐ）においてヒートシンクの後でヒートシンク（１１１）に隣接して位置される透明エンドキャップ（１１４）と接触して末端処理されることを特徴とする請求項１～１４のいずれかに記載の光学集成装置。

【請求項16】

光学集成装置（１００）において光の波長を分離するための方法であって、光学集成装置（１００）が、
光学集成装置（１００）の入力端（１１０）中に予め決められた方向（Ｐ）で光を伝搬する第一光ファイバー（１０１）、但し前記第一光ファイバー（１０１）は、コアー及びクラッドを有する；
入力端（１１０）で前記第一光ファイバー（１０１）を包囲するヒートシンク（１１１）；及び
伝搬方向（Ｐ）においてヒートシンク（１１１）の後に配置されたレンズ（１２０）；
を含むものであって、
－ 光をレーザー光の出所源から光学集成装置（１００）中に送ること；
－ 一つ以上の希望の波長を有する光をレンズ（１２０）に通し、伝搬方向（Ｐ）においてレンズ（１２０）の後に配置されたフィルター（１３０）に通して透過させること；
－ 反射面（１３１）を有するフィルター（１３０）から一つ以上の希望しない波長を有する光を反射させてレンズ（１２０）を通して戻すこと；及び
－ レンズ（１２０）を使用して、反射された光を光学集成装置の入力端（１１０）で前記第一光ファイバー（１０１）を包囲するヒートシンク（１１１）中に又は前記第一光ファイバー（１０１）のクラッドに再合焦して、反射された光からのエネルギーを、前記第一光ファイバー（１０１）を包囲するヒートシンク（１１１）によって吸収させること；
を含むことを特徴とする方法。

【請求項17】

ダイクロイックミラーをフィルター（１３０）として使用して光を反射することを特徴とする請求項１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工業レーザー用途においてレーザー源からの光の希望の波長と希望しない波長を分離するための方法及び手段に関する。波長の分離は、高光出力、特に１ｋＷを越える出力を伝達するための光ファイバーを含む光ファイバー集成装置で実施され、ファイバーコアーの外側に漏れる光放射線は、少なくとも部分的に流動冷却剤に吸収される。

【背景技術】

【0002】

高光出力を伝達するための光ファイバー用途では、光ファイバーケーブル、特にファイバーコネクターのような構成要素がファイバーのコアーの外側に漏れる入射放射線のため、又はファイバーコネクターに戻って反射される放射線のために損傷されうることを回避することが望ましい。かかる出力損失を処理する方法が従来から知られている。特に、かかる入射放射線を流動冷却剤に吸収させることが従来から知られている。

【0003】

高光出力を伝達するための光ファイバーケーブルは、工業用途で頻繁に使用されている。特に、それらは、高出力レーザー放射線による切断及び溶接作業に使用されているが、高温環境における加熱、検出、又は加工作業のような他の工業用途においても、このタイプの光ファイバーケーブルが使用されることができる。光ファイバーによって、高出力レーザー源からの放射線を加工部品に伝達するためのフレキシブルな製造システムを構築することが可能である。通常、光ファイバーは、ガラスのコアー及び周囲のクラッドを有する。クラッドの機能は、光ビームをコアーに閉じ込めるように維持することである。本文脈で使用されることができるレーザー源は、数キロワットまでの平均的な出力を持つことができる。

【0004】

フィルター除去されることが必要であるレーザー源からの望ましくない放出波長の光が存在しうる。かかる光は、過剰なポンプ光、非線形プロセスからの変換されない光、又は高次プロセスからの光であることができる。

【0005】

典型的な現在の工業レーザーは、短波長光をポンピングされ、長波長レーザー光を放出する。ほとんどの場合において、関心があるのは長波長レーザー光のみである。短波長は、レーザーの外側の検出装置又はプロセスに悪影響を及ぼしうる。例えば、工業ファイバーレーザーは、～９８０ｎｍの波長の光をポンピングされることができ、～１０７０ｎｍの波長の光を放出することができる。

【0006】

短いパルスレーザーは、一般的に周波数を２倍化又は３倍化される。このプロセスは、幾分非効率であるので、特定量の一次波長が残る。例えば、１０６４ｎｍで操作するナノセカンドＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウムドープイットリウムアルミニムガーネット）レーザーは、非線形結晶を使用して５３２ｎｍに周波数２倍化されることができる。

【0007】

光が高強度で、即ち低容積と組み合わせた高出力でガイドされる場合には、異なる波長の光が自然に発生されることができる。例えば、～１０７０ｎｍで操作する多ｋＷ単一モードレーザーは、いわゆるラマン光を長波長で発生することができる。

【0008】

強いパルスのためのファイバー増幅器のような光ファイバー装置では、ラマン散乱は、有害でありうる。それは、パルスエネルギーの多くをレーザー増幅が起こらない波長範囲に変換しうる。この効果は、かかる装置で達成可能なピーク出力を制限しうる。連続波高出力ファイバーレーザー及び増幅器であっても、ラマン散乱は、問題になりうる。しかしながら、かかる問題に対して様々な種類の解決策があり、それは、チャープパルス増幅、及びラマンシフト波長構成要素を弱めることによってラマン散乱を抑える特別なファイバー設計の使用を含む。

【0009】

異なる波長の光を分離するための別の方法は、フィルターとしてダイクロイックミラーを使用することである。ダイクロイックミラーは、特定の波長（単数又は複数）を反射することができ、一方希望の波長（単数又は複数）は、ダイクロイックミラーを通って透過される。ダイクロイックミラーに対する反射の角度は、透過／反射する波長とともにミラーの設計時に特定される。ミラーは、好適な基板、好ましくは溶融シリカ又は石英ガラスのようなガラス基板の上に蒸着される多層誘電体被覆である。異なる屈折率を有する光学被覆の交互層は、例えば真空蒸着を使用して基板の上に構築される。異なる屈折率の層間の界面は、段階的な反射を生み出し、これは、選択的に光の特定の波長を強め、他の波長を干渉する。層の厚さ及び数を制御することによって、フィルターの通過帯域の周波数（波長）は、調整され、希望により幅広く又は狭くすることができる。透過された波長と反射された波長を互いにどのくらい近づけることができるかについては物理的な限界がある。また、どの波長に関心があるかによって、光がどの角度に反射されることができるかについても限界がある。公知の方法は、入射光の光軸に対して４５°にダイクロイックミラーを位置付けることを含む。希望しない波長は、吸収されるよりむしろ反射されるので、ダイクロイックフィルターは、操作中に希望しないエネルギーを吸収せず、等価な従来のフィルターと同じ程度まで加熱されないだろう。

【0010】

かかる大きな角度でフィルターを傾けることによる問題は、反射された光がフィルターコネクター又は類似の装置から外に向けられ、追加の冷却装置又は吸収装置中に向けられることである。この解決策は、コストと複雑さの両方を付加する。また、希望の波長と希望しない波長が互いに近いことが多いことを考えると、この相対的に高い入射角度でフィルターを設計することは、不可能でないにしても難しい。従って、この解決策でのさらなる問題は、希望の波長と希望しない波長が互いに十分に除去されない限り、フィルターの効率の低下、及び波長の分離不可能に関する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明の目的は、上述の問題を克服する異なる波長の光を分離するための改良された方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上述の課題は、添付の請求項に記載されたような光電子装置及び方法によって解決される。

【0013】

本明細書において、用語「光ファイバー」は、少なくともコアー及びクラッドを含む光ファイバーを記載することを意図される。光ファイバーは、一般的に内部の石英ガラスコアー、及びコアーより低い屈折率を有する透明の周囲層（いわゆるクラッド）を有する。クラッドの機能は、光ビームをコアーに閉じ込めることを保つことである。コアー及びクラッドは、保護緩衝及びジャケット層によってカバーされることができる。一例として、光ファイバーは、放射線を伝搬するために例えば石英ガラスから作られた内部コアーを含むことができる。周囲のクラッドは、好適な屈折率を有する例えばガラス又はポリマーから作られることができる。クラッドは、一つ以上の層を含むことができ、クラッドの目的は、放射線をコアー内に光学的に「ロック」することである。クラッドの外側には、光ファイバーを機械的に安定させるために一つ以上の保護ジャケットがある。これらの層は、「緩衝」又は「ジャケット」層と称されることが多く、例えばポリウレタン又はＰＶＣのようなポリマー層を含むことができる。

【0014】

用語「伝搬方向」は、光が光学集成装置を通って源から工業プロセスに伝達される方向を示すために使用される。伝搬方向に伝達される光は、「入射光」と称されるだろう。反対方向に伝達される光は、「反射光」と称され、レーザー溶接又は切断のような工業プロセスによって発生されることができる。

【0015】

通信用途のために使用される相対的に低い出力の光ファイバーシステム（＜１Ｗ）とは対照的に、本明細書で言及される「高出力」用途は、一般的に工業用途のために使用される。この文脈において記載される光ファイバー集成装置は、連続波出力の１キロワット（ｋＷ）から２０ｋＷ以上までの高出力を扱うように設計されている。高出力用途に対しては、希望しない波長の出力は、極めて高いので、構成要素の損傷を避けるためにそれを吸収するように光学集成装置の積極的な冷却が必要とされる。

【0016】

好ましい実施形態によれば、本発明は、光学集成装置の入力端中に予め決められた方向で光を伝搬する第一光ファイバーを含む光学集成装置に関する。光学集成装置の出力端から外にコヒーレント光を伝搬するために第二光ファイバーが配置される。光ファイバーは、少なくともコアー及びクラッドを含む。光学集成装置は、光学集成装置の入力端で光ファイバーを包囲するヒートシンク、伝搬方向においてヒートシンクの後に配置されたレンズ、及び伝搬方向においてそのレンズの後の再合焦レンズをさらに含む。レンズは、好ましくは、必須ではないが、コリメーティングレンズである。本発明によれば、光学集成装置は、レンズと再合焦レンズの間に配置されたフィルターをさらに含む。フィルターは、一つ以上の希望の波長を有する光を透過し、一つ以上の希望しない波長を反射するように配置された反射面を有する。希望しない波長は、反射されてレンズに戻され、それは、反射光をヒートシンクの方に再合焦する。

【0017】

異なる波長の光を分離する一つの方法は、ダイクロイックミラーをフィルターとして使用することである。ダイクロイックミラーは、好適な基板の上に蒸着された多層誘電体被覆である。基板は、溶融シリカ、石英ガラス、又は同種の好適な材料を含むことができる。続く例は、希望の波長（単数又は複数）を透過しながら希望しない波長（単数又は複数）を完全に反射するダイクロイックミラーを記載する。しかしながら、特定の波長（単数又は複数）を部分的にのみ反射する被覆を有するダイクロイックミラーを設計することも可能である。反射の角度は、特定の用途のために透過／反射する波長とともにミラーの設計時に特定される。透過波長と反射波長は互いにどのくらい近くできるかについて物理的制限があるので、かかる要因を考慮しなければならない。

【0018】

どの波長が関心があるかによって、どの角度で光が反射されることができるかについての制限がある。本発明は、ダイクロイックミラーの特性を完全に使用するために相対的に小さい角度を選択することによってこの問題を回避する。一例によれば、フィルターは、ラマン光／波長をフィルター除去するように配置されることができる。

【0019】

フィルターは、平面であることが好ましく、第一光軸に対して直角な平面に対して角度を付けて配置されることが好ましい。従って、フィルターは、光を反射してレンズに戻し、透過光の光軸に対して角度を付けて光をレンズに通すだろう。レンズからの入射光の光軸は、第一光軸として言及されるだろう。ダイクロイックミラーの特性を完全に使用するために、相対的に小さい角度が選択される。角度は、レンズとフィルターの間の距離、レンズの外径又は入射光のビーム直径、及び／又は反射光をヒートシンク中に再合焦することが望ましい場所のような要因に依存して選択されることができる。再合焦された反射光は、エンドキャップに指向され、それは、エネルギーを除去可能にするためにファイバーコアーの外側のヒートシンクの端の上に光を合焦するだろう。

【0020】

１ｋＷを越える出力を伝達する光学集成装置では、ファイバーコネクターは、一般に、石英ガラスから作られた円柱形のエンドキャップを与えられる。エンドキャップは、ファイバーコアーより大きい直径を有し、光ファイバーに接合される。このようにして、レーザー光は、通常、石英キャップの端面によってファイバーコアーの上に合焦され、そこでは同じレーザー出力では、出力密度は有意に低い。例えば、２００ミクロンファイバーにおいてＮＡ０．１のレーザー出力を結合するとき、１０ｍｍ長のエンドキャップは、表面のエネルギー密度を１００倍変化させる。同様に、ファイバーを通って透過される光は、それがエンドキャップを通って光学集成装置中に進むときに発散するだろう。しかしながら、本発明の例では、反射光は、エンドキャップを通過する光がファイバーコアーに到達しないようにレンズによって再合焦される。

【0021】

あるいは、エンドキャップは、任意であることができる。この場合において、ファイバーの端は、独立して立ち、エンドキャップが通常位置される場所で光学集成装置中に予め決められた距離だけ延びるだろう。この場所を超えて、ファイバーは、Ｖブロック又は放射状クランプのような機械部品で保持されることができる。あるいは、ファイバーは、熱交換器の端を通ってドリル溝中の位置の中に接着されることができる。

【0022】

この例によれば、フィルターは、波長が互いに相対的に近くても（例えば１００ｎｍ未満の分離）、ラマン光をフィルター除去するように配置されることができる。レンズ及びフィルターはまた、第一光ファイバーのコアーの外側で、ファイバーの一つの側に反射光を再合焦するように配置されることができる。レンズは、それによって反射光を第一光ファイバーのクラッド中に又はクラッド中に、そしてヒートシンクの端の上に直接、再合焦するように配置される。これは、さらに小さい角度を選択することを可能にする。ヒートシンクでは、反射光からのエネルギーは、光学集成装置から吸収され、除去されることができる。同様に、クラッド中に向けられた光によって発生される熱はまた、ヒートシンクによって吸収されることができる。再合焦された反射光に対する持続的な露出によってホットスポットが形成されることを回避するために、フィルターは、代替的に回転可能なホルダーに装着されることができる。フィルターを一定スピード又は可変スピードで回転することによって、反射光からのエネルギーは、ヒートシンクの大面積にわたって分散されることができ、より均一な温度分布を与えることができる。フィルターの反射面は、レンズからの入射光の第一光軸に対して直角の平面に対して選択された角度で配置された平坦な円形面であることができる。この場合において、レンズの寸法は、反射光のいかなる部分もレンズの外側に通ることを避けるために十分大きく選択されなければならない。

【0023】

あるいは、フィルターは、非平面であり、透過光の第一光軸に対して角度を付けて第二光軸に沿って光を反射してレンズに戻し、レンズを通すように配置される。反射光は、第二光軸に追従し、レンズによって再合焦されるだろう。角度は、レンズとフィルターの間の距離、レンズの外径、及び／又は反射光をヒートシンク中に再合焦することが望ましい場所のような要因に依存して選択されることができる。この例では、フィルターの反射面は、光学集成装置の入力端でレンズからの入射光の光軸に対して選択された角度で配置された第二光軸を有する円形の凸状面又は凹状面であることができる。凸状面又は凹状面の半径は、反射光のいずれの部分もレンズの外側を通過しないか、又はその支持構造に当たらないことを確実にするように選択される。かかる非平坦な面の半径は、希望の波長のみが反射されることを確実にするために、相対的に大きく、好ましくは１０ｍを十分に越えるべきである。半径の中心点は、この第二光軸上に位置されるだろう。反射面は、凹状であるとき、反射光は、ヒートシンクの端面の直前でエンドキャップ内で再合焦されるだろう。この場合において、エンドキャップは、ヒートシンク内の冷却剤と直接接触し、従ってエンドキャップ内で発生されるいかなる熱も流動冷却剤によって効率的に除去されることができる。上で示したように、フィルターはまた、より均一な温度分布を与えるように回転されることができる。

【0024】

一例によれば、ヒートシンクは、好適な流動冷却剤媒体を供給された能動型流体冷却熱交換器であることができる。この配置は一つ以上の希望しない波長を吸収するときに光学集成装置の効率的な冷却を与える。第一例によれば、ヒートシンクは、ガス冷却熱交換器である。第二例によれば、ヒートシンクは、液体冷却熱交換器である。液体は、水又は同種の好適な液体であることができる。

【0025】

光学集成装置は、その入力端に隣接して透明エンドキャップを与えられることができる。好ましい例によれば、第一光ファイバーは、透明エンドキャップと光学的に接触して末端処理され、そのエンドキャップは、伝搬方向においてヒートシンクの後でヒートシンクに隣接して位置される。エンドキャップは、好適な間隔で、又はヒートシンクに直接的もしくは間接的に接続されて、ヒートシンクに隣接して装着されることができる。エンドキャップは、石英又はシリカを含むガラスから、又は同種の好適な透明材料から作られることができる。

【0026】

本発明はまた、光学集成装置において光の波長を分離するための方法に関する。上で示したように、光学集成装置は、光学集成装置の入力端中に予め決められた方向で光を伝搬する第一光ファイバー、及び光学集成装置の出力端から外に光を伝搬する第二光ファイバーを含み、前記光ファイバーは、コアーとクラッドを有する。ヒートシンクは、光学集成装置の入力端で光ファイバーを包囲して配置される。光学集成装置は、伝搬方向においてヒートシンクの後に配置されたレンズ、及び伝搬方向において前記レンズの後の再合焦レンズをさらに含む。前記方法は、以下の工程を含む：
－ 光をレーザー光の源から光学集成装置中に送ること；
－ 一つ以上の希望の波長を有する光をレンズに通し、前記レンズと再合焦レンズの間に配置されたフィルターに通して透過させること；
－ 反射面を有するフィルターから一つ以上の希望しない波長を有する光を反射させてレンズを通して戻すこと。

【0027】

前記方法によれば、レンズを使用して、反射された光をファイバーの一つの側に、光学集成装置の入力端で第一光ファイバーのコアーの外側に再合焦する。特に、レンズは、反射された光をヒートシンク中に又は第一光ファイバーのクラッドに再合焦することができる。

【0028】

上で示したように、ヒートシンクは、好適な流動冷却剤媒体を供給された能動型流体冷却熱交換器であることができる。光学集成装置は、その入力端に隣接して透明エンドキャップを与えられることができ、そのエンドキャップは、伝搬方向においてヒートシンクの後にヒートシンクに隣接して位置される。

【0029】

本発明の装置の利点は、反射された光がレンズに戻って向けられるようにフィルターが極めて小さい角度にわたって傾斜されているにすぎないことである。このようにして、反射された光は、再合焦され、光学集成装置の入力端で冷却装置中に戻るように向けられることができる。これは、光学集成装置の一つの側への追加の冷却装置又は吸収装置の必要性を除去し、コストと複雑性の両方を低下する。さらに、小さな入射角度は、希望の波長と希望しない波長が互いに相対的に近くても、それらを分離することを可能にする。結果として、本発明の装置は、フィルターの効率とその波長分離能力の両方を改善する。光学集成装置は、溶接又は切断のための加工ヘッド及び光ファイバーコネクターのような複数の異なる装置の一部を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

以下の明細書において、本発明は、添付図面を参照して詳細に記載されるだろう。これらの概略図は、図示説明だけのために使用され、本発明の範囲をいかなる方法でも限定しない。

【図1】図１は、本発明による概略的な光学集成装置を示す。

【図2】図２は、図１の光学集成装置の入力端の拡大側面図を示す。

【図3】図３は、図１の光学集成装置の入力端のさらなる側面図を示す。

【図4A-4B】図４Ａは、本発明による反射フィルターの第一例を示す。図４Ｂは、本発明による反射フィルターの第二例を示す。

【図5】図５は、本発明による光学集成装置における透過光と反射光の光路の例を示す。

【図6】図６は、光ファイバーコネクターの一部を形成する光学集成装置の概略断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１は、本発明による光学集成装置１００の概略断面図を示す。光学集成装置１００は、光をレーザー源（図示せず）から予め決められた伝搬方向Ｐで光学集成装置１００の入力端１１０中に伝搬する第一光ファイバー１０１を含む。光ファイバー１０１は、少なくともコアー及びクラッド層を含む。

【0032】

光学集成装置１００は、伝搬方向Ｐにおいて入力端１１０の後に配置されたレンズ１２０を包囲するハウジング１０３をさらに含む。この目的のために使用されるレンズは、好ましくは、しかし必須でなく、コリメーティングレンズである。フィルター１３０は、伝搬方向においてレンズ１２０の後に配置され、そのフィルター１３０は、一つ以上の希望の波長を含む光を透過し、一つ以上の希望しない波長を反射するように配置された反射面１３１を有する。光学集成装置１００は、装置１０５（点線で示される）に取り付けられるか、又はその一部を形成することができる。装置１０５は、例えば切断又は溶接のための加工ヘッド又は光ファイバーコネクターであることができる。本発明の範囲内では、光学集成装置は、ファイバー間カップラーであることができる。

【0033】

図２は、図１の光学集成装置１００の入力端の拡大側面図を示す。入力端１１０は、第一光ファイバー１０１を包囲するヒートシンク１１１、及び第一光ファイバー１０１が光学接着剤又は同種の好適な材料によって光学的に接続される透明エンドキャップ１１４を含む。エンドキャップ１１４は、光源からの入射光の伝搬方向Ｐにおいてヒートシンクの後にヒートシンクに隣接して位置される。この例によれば、エンドキャップは、ヒートシンクに直接接続されるが、それはまた、好適な間隔を伴って装着されることができる。ヒートシンク１１１は、ガス冷却又は液体冷却熱交換器のような流体冷却熱交換器であることができる。この例では、ヒートシンク１１１は、冷却剤入口１１２及び冷却剤出口１１３を有する水冷熱交換器である。エンドキャップ１１４は、任意であり、石英もしくはシリカを含むガラスから、又は同種の好適な透明材料から作られることができる。

【0034】

透過された光がファイバー１０１のコアーを出てエンドキャップ１１４に入るとき、Ｌ１によって示される光のビームは、それが伝搬方向においてヒートシンク１１１の後に配置されたレンズ１２０に到達するまで発散するだろう。レンズ１２０を出るビームＬ２は、フィルター１３０に向かって発散せずに伝搬する平行光線を含む。一つ以上の希望の波長を有する光は、光学集成装置を通過して工業プロセスに向かう透過光Ｌ３としてフィルター１３０を通って透過される（図６参照）。

【0035】

図３は、図１の光学集成装置１００の入力端のさらなる側面図を示す。レンズ１２０を出るビームＬ２は、フィルター１３０によって反射される一つ以上の希望しない波長を含み、反射ビームＲ１としてレンズ１２０に戻される。レンズ１２０は、反射光ビームＲ１を再合焦するために使用され、収束する再合焦された反射光ビームＲ２を形成し、それは、光学集成装置の入力端１１０でエンドキャップ１１４を通って第一光ファイバー１０１のコアーの外側で、ファイバーの一方の側に合焦される。図３に概略的に示されているように、レンズ１２０は、反射光をヒートシンク中に再合焦するように配置されることが好ましいが、それはまた、第一光ファイバー１０１のクラッド中に少なくとも部分的に再合焦されることができる。

【0036】

相対的に高い光出力の光に対して長期間、絶えずさらすと、クラッドを潜在的に劣化することがあり、非対称的な加熱を回避することが好ましい。クラッドを損傷する危険は、以下に記載のように回転フィルター（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｏｒ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒ）を与えることによって減少又は除去されることができる。

【0037】

再合焦された反射光Ｒ２の静止ビームに絶えずさらすことによってホットスポットがヒートシンク１１１に形成されることを回避するために、フィルター１３０は、任意の回転可能なホルダー１３５に装着されることができる。回転可能なホルダー１３５は、第一光軸Ｘ１に対して直角な平面においてフィルター１３０を回転するように配置され、それは、角度の付いた第二光軸Ｘ２が第一光軸Ｘ１のまわりで円錐経路に追従することを生じる。再合焦された反射光Ｒ２の焦点は、次いで第一光ファイバー１０１のコアーのまわりで円形経路に追従するだろう。フィルター１３０を一定のスピード、間欠的に、又は可変スピードで回転することによって、反射光Ｒ２からのエネルギーは、ヒートシンク１１１のより大きな面積にわたって分散され、より均一な温度分布を与えることができる。回転可能なホルダー１３５は、ステップモーター、連続又は間欠駆動電気モーター、又は同種の好適な駆動手段を含むことができる。回転可能なホルダー１３５は、滑り軸受、ローラー／ボール軸受、又は同種の好適な装置を含む支持構造を与えられることができる。

【0038】

図４Ａは、本発明による反射フィルターの第一例を示す。図は、第一光軸Ｘ１を有するレンズ１２０を示し、第一光軸Ｘ１は、レンズ１２０と図２に示された入射光ビームＬ２の両方に対する光軸である。光は、次いでフィルター１３０に到達し、それは、この例では、平坦な反射面１３１を有するダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラーは、溶融シリカ又は石英ガラスのような好適な基板の上に蒸着された多層誘電体被覆を含む。ダイクロイックミラー１３０は、特定の波長（単数又は複数）を完全に反射し、他の波長（単数又は複数）を完全に透過するだろう。この例では、ダイクロイックミラー１３０は、１０７０ｎｍの光を透過し、１１２０ｎｍのラマン光を反射するだろう。

【0039】

フィルター１３０は、平面であり、第一光軸Ｘに対して直角の平面に対して角度αで配置されている。このようにして、フィルター１３０は、光を反射してレンズ１２０に戻し、光は、レンズ１２０を通してレンズから入射光の第一光軸Ｘ１に対して角度βで第二光軸Ｘ２に沿って進むだろう。ここで角度βは、角度２αに相当する。反射光は、上記のように、第二光軸Ｘ２に追従し、レンズ１２０によって再合焦されるだろう。ダイクロイックミラーの特性を完全に使用するためには、相対的に小さい角度が選択される。角度αは、レンズ１２０とフィルター１３０の間の距離、レンズ１２０の外径、及び／又は反射光をヒートシンク中に合焦することが望ましい場所のような要因に依存して選択される。この例によれば、フィルターは、たとえ波長が互いに相対的に近くても（１００ｎｍ未満の分離）、ラマン光をフィルター除去するように配置されることができる。

【0040】

この例では、フィルター１３０の反射面は、光学集成装置の入力端から入射光の第一光軸Ｘ１に対して直角の平面に対して選択された角度αで配置された平坦な円形面１３１である。この場合において、レンズ１２０の外径は、反射光のいかなる部分もレンズの外側を通ったり、又はその支持構造（図示せず）に当たったりすることを回避するために十分に大きく選択されなければならない。

【0041】

図４Ｂは、本発明による反射フィルターの第二例を示す。図は、第一光軸Ｘ１を有するレンズ１２０を示し、第一光軸Ｘ１は、レンズ１２０と図２に示された透過光ビームＬ２の両方に対する光軸である。光は、次いでフィルター１３０’に到達するだろう。フィルター１３０’は、この例では凹状反射面１３２を有するダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラー１３０’は、特定の波長（単数又は複数）を完全に反射し、他の波長（単数又は複数）を完全に透過するだろう。この例では、ダイクロイックミラー１３０’は、１０７０ｎｍの光を透過し、１１２０ｎｍのラマン光を反射するだろう。

【0042】

フィルター１３０’は、光を反射してレンズ１２０に戻し、光がレンズ１２０を通して入射光の第一光軸Ｘ１に対して角度βで第二光軸Ｘ２に沿って進むように第一光軸Ｘ１に対して直角の平面に対して角度αで配置される。これは、図４Ａについて上で記載したようにフィルター１３０’を角度付けすることによって、又は非球面（図示せず）を有するフィルターを使用することによって達成されることができる。もし非球面の反射面が選択されるなら、そのときフィルターは、角度の付いた第二光軸を達成するために角度付けされる必要がない。反射光は、上記のように、第二光軸Ｘ２に追従し、レンズ１２０によって再合焦されるだろう。ダイクロイックミラーの特性を完全に使用するために、相対的に小さい角度が選択される。角度βは、角度αの２倍であり、レンズ１２０とフィルター１３０の間の距離及び／又はレンズ１２０の外径のような要因に依存して選択されることができる。この例によれば、フィルターは、たとえ波長が互いに相対的に近くても（１００ｎｍ未満の分離）、ラマン光をフィルター除去するように配置されることができる。

【0043】

この例では、フィルター１３０’の反射面１３２は、光学集成装置の入力端でレンズからの入射光及びレンズの第一光軸Ｘ１に対して角度βで配置された光軸を有する円形凹状面１３２である。凹状面１３２の半径Ｒは、反射光のいかなる部分もレンズの外側に進んだり、又はその支持構造（図示せず）に当たったりしないことを確実にするように選択される。誇張した半径Ｒの中心点は、第一光軸Ｘ１と第二光軸Ｘ２の間に位置されるだろう。反射面は凹状であるので、反射光は、ヒートシンクの端面の真正面のエンドキャップ内で再合焦されるだろう。しかしながら、エンドキャップは、ヒートシンク内で冷却剤と直接接触しているので、エンドキャップ内で発生されるいかなる熱も流動冷却剤によって効率的に除去されるだろう。

【0044】

図５は、本発明による光学集成装置における透過光Ｌ１及び反射光Ｒ２についての光路の例を示す。図５は、図２及び３に示されたヒートシンク１１１及びエンドキャップ１１４の一部を概略的に示す。ヒートシンク１１１は、上記のように、流動冷却剤を含む内部空洞１１６を画定する内部表面１１５を有する。入射光は、第一光ファイバー１０１を通り、ヒートシンク１１１を通り、第一光ファイバー１０１が光学的に接続されるエンドキャップ１１４の方に進む。

【0045】

透過光は、ファイバー１０１のコアーを出てエンドキャップ１１４に入り、その後、Ｌ１によって示された光のビームは、それが伝搬方向においてヒートシンク１１１及びエンドキャップ１１４の後に配置されたレンズ（図２参照）に到達するまで発散するだろう。ダイクロイックミラー（図３参照）によって反射された後、レンズによって再合焦されたＲ１によって示された反射光のビームは、エンドキャップ１１４を通過し、ヒートシンク１１１に再び入るだろう。反射光は、内部空洞内で内部表面１１５に当たるだろう。内部表面１１５に伝達される熱は、図２及び３に示されるように冷却剤によって吸収され、光学集成装置から除去されるだろう。

【0046】

レンズは、反射光Ｒ２をファイバーの一つの側に、第一光ファイバー１０１のコアーの外側に再合焦するように配置される。レンズは、それによって反射光を第一光ファイバーのクラッド中に、又は好ましくはヒートシンク１１１中に直接、再合焦するように配置され、そこでは反射光からのエネルギーは、光学集成装置から吸収されかつ除去されることができる。

【0047】

図６は、本発明による光ファイバーコネクター１０６の一部を形成する光学集成装置の概略断面を示す。光ファイバーコネクター１０６は、レーザー源（図示せず）からのコヒーレント光を予め決められた伝搬方向Ｐで光学集成装置の入力端１１０中に伝搬する第一光ファイバー１０１を含む。第二光ファイバー１０２は、ファイバーコネクター１０６の出力端１５０から外にコヒーレント光を伝搬する。光ファイバー１０１，１０２は、少なくともコアー及びクラッドを含む。

【0048】

光ファイバーコネクター１０６は、伝搬方向Ｐにおいて入力端１１０の後に配置されたレンズ１２０を包囲するハウジング１０３をさらに含む。再合焦レンズ１４０は、伝搬方向Ｐにおいてレンズ１２０の後に与えられ、その再合焦レンズ１４０は、透過されかつフィルター通過された光を出力端１５０の第二光ファイバー１０２のコアーの端の上に合焦する。フィルター１３０は、レンズ１２０と再合焦レンズ１４０の間に配置され、そのフィルター１３０は、一つ以上の希望の波長を有する光を透過し、一つ以上の希望しない波長を反射するように配置された反射面１３１を有する。光ファイバーコネクター１０６はまた、例えばファイバーコネクター１０６の状態並びに第二光ファイバー１０２を通って戻るいずれかの反射プロセス光を監視するためのセンサー手段を含む制御ユニット１０４を与えられることができる。反射されたプロセス光は、フィルター１３０によって反射された光に関するものではない。

【0049】

光学集成装置は、溶接又は切断のための加工ヘッド及び光ファイバーコネクターのような複数の異なる装置の一部を形成することができる。これらの装置は、ファイバーの後でコリメーターとともに、又は加工ヘッドにおける別個の構成要素として加工ヘッドで使用されることができる。

【0050】

本発明は、上記の実施形態に制限されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲内で多数のさらなる変形及び修正が考えられる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A-4B】

【図5】

【図6】