Optical limiter |
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| 申请号 | JP2004115104 | 申请日 | 2004-04-09 | 公开(公告)号 | JP2004310120A | 公开(公告)日 | 2004-11-04 |
| 申请人 | Kilolambda Ip Ltd; キロランダ・アイピー・リミテッド; | 发明人 | FARBER ALLAN; DONVAL ARIELA; NEVO DORON; ORON MOSHE; ORON RAM; | ||||
| 摘要 | PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical power limiter and a method of limiting power transmission such that defects of the conventional device and method are improved. SOLUTION: An optical power limiter includes an input optical transmitting element, an output optical transmitting element, and a power limiting element which is arranged between the input element and output element and transmits a light signal from the input element to the output element. The power limiting element includes an optical-limiting solid mixture containing particles of at least one material that produces reversible thermal changes in response to light alone a predetermined optical power level to change the optical transmission characteristics of the power-limiting element. COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI | ||||||
| 权利要求 | 入力光伝送要素と、 出力光伝送要素と、 前記入力光伝送要素と前記出力光伝送要素の間に配置され、前記入力光伝送要素から前記出力光伝送要素へ光信号を伝送する強度制限要素とを含む光強度リミッタであって、前記強度制限要素が、所定の光強度レベルを超える光に応答して可逆的熱変化を生じ、これによって前記強度制限要素の光伝送特性を変化させる、少なくとも１種の材料の粒子を含有する光制限固体混合物を含む、光強度リミッタ。 前記光制限固体混合物が、光透明母材に分散した光吸収粒子を含む、請求項１に記載の光強度リミッタ。 前記光透明母材が高分子材料である、請求項２に記載の光強度リミッタ。 前記光透明母材が、ポリメタクリル酸メチルおよびその誘導体、エポキシ樹脂、ガラス、ゾルゲル材料およびスピンオンガラスから構成される群から選択される、請求項２に記載の光強度リミッタ。 前記光透明母材が無機ガラス材料である、請求項２に記載の光強度リミッタ。 前記光吸収粒子が、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃ、Ｒｅ、ＳｉおよびＳｍＯ ２から構成される群から選択される少なくとも１種の材料である、請求項２に記載の光強度リミッタ。 前記固体混合物が、限られた開口数の光学系に配置されている、請求項１に記載の光リミッタ。 前記固体混合物が、２つの物理接触接合コネクタのフェルール先端間に充填されている、請求項７に記載の光リミッタ。 前記固体混合物が、２つの裸ファイバの間に一列に充填されている、請求項７に記載の光リミッタ。 前記裸ファイバが、Ｖ字状溝を使って整合されている、請求項９に記載の光リミッタ。 前記裸ファイバが、孔を有するフェルールを使って整合されている、請求項９に記載の光リミッタ。 前記裸ファイバが、それぞれ後方反射を低下させるように傾斜した対向する端面を形成している、請求項９に記載の光リミッタ。 前記裸ファイバが対向する端面を形成し、前記端面間に所定の距離を設けるために、対向する前記端面の間にスペーサを含む、請求項９に記載の光リミッタ。 前記固体混合物が導波管のコア材料となる、請求項１に記載の光リミッタ。 閾値を超える所定の強度に露光すると、前記光制限混合物が永久的に不透明になる、請求項１に記載の光強度リミッタ。 入力光伝送要素と強度制限要素を通過して、出力光伝送要素へ光信号を伝送する工程と、 所定の光強度レベルを超える光に応答して、前記強度制限要素に可逆的熱変化を生じ、これによって前記強度制限要素の光伝送特性を変化させる工程とを含む、光強度制限方法。 前記強度制限要素が、所定の光強度レベルを超える光に応答して可逆的熱変化を生じる少なくとも１種の材料の粒子を含有する光制限固体混合物を含む、請求項１５に記載の光強度制限方法。 前記光制限固体混合物が、光透明母材に分散した光吸収粒子を含む、請求項１６に記載の光強度制限方法。 前記光透明母材が高分子材料である、請求項１７に記載の光強度制限方法。 前記光透明母材が、ポリメタクリル酸メチルおよびその誘導体、エポキシ樹脂を基にしたもの、ガラス、誘導ゾルゲルおよびスピンオンガラスから構成される群から選択される少なくとも１種の材料である、請求項１７に記載の光強度制限方法。 前記光透明母材が無機ガラス材料である、請求項１７に記載の光強度制限方法。 前記光吸収粒子が、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃ、Ｒｅ、ＳｉおよびＳｍＯ ２から構成される群から選択される少なくとも１種の材料である、請求項１６に記載の光強度制限方法。 前記固体混合物が、限られた開口数の光学系に配置されている、請求項１６に記載の光強度制限方法。 前記固体混合物が、２つの物理接触接合コネクタのフェルール先端間に充填されている、請求項２２に記載の光強度制限方法。 前記固体混合物が、２つの裸ファイバの間に一列に充填されている、請求項２２に記載の光強度制限方法。 前記裸ファイバが、Ｖ字状溝を使って整合されている、請求項２４に記載の光強度制限方法。 前記裸ファイバが、孔を有するフェルールを使って整合されている、請求項２４に記載の光強度制限方法。 前記裸ファイバが、それぞれ後方反射を低下させるように傾斜した対向する端面を形成している、請求項２４に記載の光強度制限方法。 前記裸ファイバが対向する端面を形成し、前記端面間に所定の距離を設けるために、対向する前記端面の間にスペーサを含む、請求項２４に記載の光強度制限方法。 前記固体混合物が導波管のコア材料となる、請求項１６に記載の光強度制限方法。 閾値を超える所定の強度に露光すると、前記光制限混合物が永久的に不透明になる、請求項１６に記載の光強度制限方法。 |
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| 说明书全文 | 本発明は、光強度制限装置に関し、より具体的には、光強度制限受動装置、および光強度の伝送を制限する方法に関する。 光リミッタは、低レベルの光入力に対して透過率が高く、高い強度に対して透過率が低くなるように設計された装置である。 最初のレーザの開発以来、受動光リミッタの研究が行われ、レーザの最高強度が誘起する損傷から光センサを保護する構想が試験されてきた。 ＣＷレーザ（連続発振レーザ）用の最初の光リミッタは、吸光性バルク液体の熱レンズ作用に基づくものであった。 すなわち、撮像系を局部加熱すると屈折率が低下し、「熱焦点ぼけ」が引き起こされ、光線は焦点が合わなくなった。 パルスレーザ源を制限するために、逆可飽和吸収、２光子自由キャリア吸収、自己焦点合わせ、非線形屈折および誘起散乱など、他の方法も提案されている。 この装置自体も、損傷に対する閾値（スレッショルド）が高くなければならず、「抜ける（bleached-out）」すなわち透明な状態になってはならない。 医療、工業および遠隔検出用途における通信やその他の系では、単一のファイバ即ち導波管で、マイクロワットから数ワットまでの比較的高い光強度を取扱う可能性がある。 これらの系に高強度（単位面積当たりの強度）が導入されると、多くの薄い塗膜、光接着剤、および材料全体さえ、その損傷閾値を超える光強度にさらされることになる。 他の問題としてはレーザの安全性がある。 ファイバから空中へ放出可能な強度の上限は明確に規定されている。 これらの２つの問題は、ファイバ／導波管を伝搬するエネルギー量を許容可能なレベルに制限する受動装置を必要としている。 主として高出力レーザ放射、高出力パルス放射、および眼の安全装置について、光リミッタを実現するために多くの試みがなされてきた。 これらの装置に用いられた技術には、主として次のものがある。 １）例えば撮像系において光線の焦点はずれをおこさせるための、負のｄｎ／ｄＴを有する液体の屈折率ｎの熱変化。 上記技術のＮｏ． １および２の両方とも、意味のある制限を生じるためには、非常に高エネルギーのレーザ光線または光強度を必要とする。 第１の技術では、加熱すべき液体の量が多く高い強度が必要である。 この方法の別の問題は、この液体が優れた光媒体ではなく、光線を歪ませることである。 第２の技術では、使用できる材料の係数ｎ ２が非常に小さく、非常に高い電界が必要となる。 第３の方法では、大部分の用途で液体の使用が問題となる。 例えば、通信系では、受動装置に液体を使用すると、光路中の液体の乱流により雑音と歪みを引き起こす。 コロイド液を光制限媒体として使用した際の別の問題として報告されているのは、活性炭素材料の消滅、または超音波解凝集でしか分解しない緩く結合した炭素粒子凝集塊の形成による、老化現象である。 主として高出力パルス用に、液晶を制限材料として使う試みも行われたが、導波器変動のために、この材料は普通の液体よりひどい騒音と歪みを引き起こす。 したがって、本発明の基本的な目的は、従来技術の装置および方法の欠点を改良した、光強度制限装置および強度伝送を制限する方法を提供することである。 したがって、本発明によれば、限られた開口数の光学系に光制限固体混合物を含む、光強度制限装置が提供される。 この光制限固体混合物は、光エネルギーを受けるとその光特性に影響を与える手段を含んでおり、光エネルギーが通過するときに前記光制限固体混合物に熱または電界誘起変化を引き起こす。 本発明は、光制限固体混合物が置かれた導波管内または導波管間の間隙の、光学系のレンズまたは鏡の焦点に伝送された強度を制限する方法をさらに提供する。 この光制限固体混合物は、固体母材に分散した、可視光の波長より小さい（０．５ミクロンより小さい）、好ましくは０．１ミクロンより小さい（ナノ粉体）光吸収粒子から構成されている。 光吸収粒子には、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃ、Ｒｅ、Ｓｉ、ＳｍＯ ２およびこうした材料の混合物から構成される群から選択される少なくとも１種の金属または非金属材料が含まれる。 固体母材としては、透明または光学高分子または無機ガラス材料、例えば、ポリメタクリル酸メチル（「ＰＭＭＡ」）およびその誘導体、エポキシ樹脂、ガラス、スピンオンガラス（「ＳＯＧ」）、または他のゾルゲル材料を挙げることができる。 光制限機能は、それぞれその吸収スペクトルに従って分散した粉体粒子に光が吸収されて始まる。 吸収された光によって粒子が加熱されると、粒子は周囲へ熱を伝導し、囲まれた容積内に熱点と、その周囲に低下してゆく温度勾配とを生じる。 これらの熱容積は、いくつかの機構で光制限固体混合物を通過する光伝送を減少させることができる。 その１つは、所与の、正または負の、屈折率温度変化（ｄｎ／ｄＴ）を有する、熱粒子とその周囲の媒体によって作られる屈折率の空間変動による散乱である。 α（ここで、開口数がｓｉｎαである）より大きい角度の散乱光は、この光学系の光路から離れる。 後方反射光の若干の増加も観察することができる。 散乱しない光は、より低い、「制限された」強度で、光路に沿って進む。 入射強度が低くなると、それぞれの吸収粒子を取り囲む散乱容積が次第に減少する。 光制限固体混合物の透過率は元の値に戻り、散乱プロセスは無視できる値に減少する。 伝送強度限界より一桁以上大きいエネルギーまでは、どんな永久的損傷もなしに、このプロセスを多数回繰り返すことができる。 母材または吸収粒子を様々に選択することによって、他の光散乱機構が同時に働くようにも、あるいはこれが主として働くようにもできる。 これらの機構には、光が熱誘起分子振動で非弾性散乱する誘導ラマン散乱、または光が局部熱誘起音波で非弾性散乱する誘導ブリユアン散乱が含まれる。 光吸収粒子は、その後重合させる単量体などの透明母材に分散させる。 分散剤および解こう剤（解凝集剤）を単量体混合物に添加して使用するなど、こうした分散液を調製する多くの技術がある。 高分子およびコロイド科学の技術者なら、広範囲の粒子および単量体についてこうした材料を調製することができる。 同様に、無機ガラス母材にサブミクロン粒子を分散させて複合材料を調製する技術はよく知られている。 本光強度制限装置は、以下の利点および特性を提供することができる。 リミッタは、光通信領域において、例えば、検出器保護、スイッチおよびラインの保護、増幅器入力信号の制限および等化、ならびに強度サージ保護などにも使用することができる。 また、ネットワークにおいて、部品への入力またはそれからの出力における強度の調節も可能である。 医療、軍用およびレーザ加工の領域では、光強度リミッタは、サージ保護および安全用途に使うことができる。 撮像系において保護装置として使う場合は、リミッタは、高輝度光またはレーザ源が見える画像点に作用し、残りの画像を妨害することなく、これらの供給源から入る光の量を制限する。 以下、より完全に理解できるように、以下の図面を参照していくつかの好ましい実施形態について本発明を説明する。 図１ａおよび図１ｂに示したリミッタの構成および動作において、光は、コア４および被覆６を有するファイバ即ち導波管２（例えば、米国コーニング社のＳＭＦ２８）に入り、コア４の出口に配置された光制限固体混合物１０に衝突する。 光制限固体混合物１０は、屈折率が負に大きく温度変化する（ｄｎ／ｄＴ）固体材料、例えばポリマーに、可視光波長より小さい（０．５ミクロンより小さい）、好ましくは０．１ミクロンより小さい（ナノ粉体）光吸収粒子が均一に分布または分散した分散液から構成されている。 吸収材料には、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃ、Ｒｅ、Ｓｉおよびこうした材料の混合物から構成される群から選択される少なくとも１種の金属または非金属材料が含まれる。 大きな（ｄｎ／ｄＴ）を有するポリマー母材としては、ＰＭＭＡまたはその誘導体、エポキシ樹脂系のポリマー、ガラス、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、または他のゾルゲル材料を挙げることができる。 光制限機能は、その吸収スペクトルに従って懸濁した微小粒子に光が吸収されて始まる。 粒子が加熱されると、粒子は周囲へ熱を伝導し、容積内に、周囲を低下してゆく温度勾配によって囲まれた熱点を生じる。 これらの熱容積は、いくつかの機構で光制限固体混合物１０を通過する光伝送を減少させることができる。 その１つは、熱粒子とその周囲の媒体によって作られる屈折率の空間変動による散乱である。 他の非支配的な機構については既に述べた。 ファイバ６の開口数より大きい角度の散乱光１２は、ファイバコア８を通って伝搬することなく、最後は被覆（クラッディング）６に入って外部に吸収される。 あらゆる方向に散乱が増加するとき、後方反射光の若干の増加も認められる。 散乱しない光は、光路に沿って進み、より低い「制限された」強度を有する。 入射強度が低くなると、それぞれの吸収粒子を取り囲む散乱容積が次第に減少する。 光制限固体混合物１０の透過率は元の値に戻り、散乱プロセスは無視できる値に減少する。 伝送強度限界より一桁以上大きいエネルギーまでは、どんな永久的損傷もなしに、このプロセスを多数回繰り返すことができる。 強度が閾値より一桁を超えて大きい場合は、リミッタは永久的に不透明になり、リミッタ以降の構成要素を永久的な損傷から保護する。 図２は、光線伝搬方向に対して垂直のリミッタを使った、コネクタカプセル型の光強度制限装置を示す。 この装置は、入力ファイバ２'と出力ファイバ２”を取り付けたフェルール１６を有する２つのＰＣ（Physical Contact:物理接触又は球面研磨）コネクタ２２に対称的に充填されている。光制限固体混合物１０は、２つのフェルール１６を分離している数ミクロン〜数十ミクロンの間隙に配置されている。スリーブ（鞘）１８が２つのファイバ２'と２”の整合を担っており、外被２０が環境保護と安全性を提供する。 光制限固体混合物１０の厚みおよびその組成が、光強度制限の役割を果たしている。 図３は、図２の実施形態を改良したものを示す。 ここでは、ＡＰＣ（斜め球面研磨）コネクタ２６を使って、光線伝搬方向に直交する平面に対して一定の角度（例えば、８°）でリミッタ１０を傾斜させて、入力ファイバ２'のコア内への直接反射を回避している。 この場合は、フェルール２４の表面は角度βで傾斜している。 図４ａおよび図４ｂは、裸ファイバでＶ字状溝を備え封入（カプセル化）された光強度制限装置の断面図である。 ここでは、入力ファイバ２と出力ファイバは、ファイバ間の距離を画定する２つの任意のスペーサ３０を有するＶ字状溝の光学台２８に取り付けられている。 光制限固体混合物１０は、これらのスペーサによって作られた間隙に配置されている。 あるいは、ファイバの間隔は、スペーサを使用せずに顕微鏡を使って整合することもできる。 図５ａおよび図５ｂは、裸ファイバでＶ字状溝を備え封入された傾斜型の光強度制限装置の断面図である。 ここでは、入力ファイバ２と出力ファイバは、ファイバ間の距離を画定するスペーサ３０を有するＶ字状溝の光学台２８に取り付けられている。 光制限固体混合物１０は、このスペーサによって作られた間隙に配置されており、この間隔は角度βをなしてコア内への後方反射を解消している。 図６ａおよび図６ｂは、裸ファイバでフェルール即ち案内管に封入された光強度制限装置の断面図である。 ここでは、入力ファイバ２と出力ファイバは、ファイバ間の距離を画定するスペーサ３０を有するフェルール即ち案内管３２に取り付けられている。 光制限固体混合物１０は、側孔を通してスペーサによって作られた間隙に配置されている。 図７ａおよび図７ｂは、裸ファイバでフェルール即ち案内管に封入された傾斜型の光強度制限装置の断面図である。 ここでは、入力ファイバ２と出力ファイバは、ファイバ間の距離を画定するスペーサを有するフェルール即ち案内管３２に取り付けられている。 光制限固体混合物１０は、スペーサによって作られた間隙に配置されており、この間隔は角度βをなしてコア内への後方反射を解消している。 図８は、この光強度制限装置の、実験に基づく典型的な入力−出力曲線を示す。 使用した装置は、図２の実施形態であった。 この場合の光制限固体混合物１０は、市販のエポキシ樹脂（３Ｍ Ｓｃｏｔｃｈ Ｗｅｌｄ ＤＰ１００＋）を市販のカーボンブラック粉（Ａｌｆａ Ｎｏ．３９７２４）に混ぜたものである。 粒子の平均粒径は０．０４２ミクロンである。 カーボン粒子の０．１０〜０．１６重量％を樹脂Ａ部に混ぜ、次いでこれを１：１の比で樹脂Ｂ部に混ぜる。 この混合物を硬化し、図２のように組み立てる。 このリミッタは、３０±１ｄＢｍの強度に露光すると永久に不透明になる。 この値は、強度閾値よりほぼ２０ｄＢ（二桁）高い。 図１０は、光が主入射光３４として左側から入る、自由空間光リミッタを示す。 入射光は、集光レンズ３８によって光制限固体混合物１０上に焦点を結ぶ。 光制限固体混合物１０を間に挟んだ光入口窓部４４と光出口窓部４６とが図示されている。 光制限固体混合物とその窓部は、光制限組立体４０を形成している。 角度がαより大きい散乱光は、受光レンズ４２によって集光されない。 射出光３６は、制限された光出力を表す。 図１１は、図１０に示した実施形態の変形であり、光制限組立体４０は、制限組立体４０上の点４８からの反射光５０が光学系に再入射しないよう、角度β／２で配置されている。 図１２ａおよび図１２ｂは、図１０の実施形態の光制限を介した保護機構を示している。 例えば、主光線３４で示す無限距離からの光線を仮定すると、光制限固体混合物１０上に像が形成される。 レーザ光線が角度δで入射すると、この光は、光制限固体混合物上の、距離Ｙだけ点４８からずれている点５４に焦点を結ぶ。 光制限は、光学系から散乱する光がある点５４でのみ起こる。 残りの像は減衰しない。 図１３ａおよび図１３ｂは、光制限固体混合物１０を導波管即ち光ファイバ部分５６のコア材料に使う、別の実施形態を示す。 大きな角度１２で散乱した光は、ファイバを伝搬することがない。 この実施形態は、吸収された熱が大きな容積にわたって分布し、ファイバ即ち導波管の間の間隙による挿入損失がないという利点を有する。 図１４ａおよび図１４ｂは、図１３ａおよび図１３ｂで、後方反射を防ぐために、光制限固体混合物１０のコアに対する結合および減結合を（角度θで）傾斜させた実施形態を示す。 本発明は前述の実施形態の詳細に限らないこと、ならびに、その精神および本質的属性を逸脱することなく本発明を別の特定の形態で具現化できることは、当分野の技術者には明らかである。 したがって、本実施形態は、すべての点で例示的であり限定的ではないと見なすべきであり、本発明の範囲は、前述の説明によってではなく特許請求の範囲によって示されるものである。 したがって、特許請求の範囲の均等物の意義および範囲内に入るすべての変更は、その中に含まれることを意図している。 本発明の具体的な実施形態および用途を例示し説明したが、本発明は本明細書に開示された厳密な構造および構成物に限るものではないとみなすべきであり、かつ、特許請求の範囲に規定された本発明の精神および範囲を逸脱することなしに、様々な修正、変更、および変動を前述の説明から明らかにすることができると考えるべきである。 ２ ファイバ即ち導波管 ２' 入力ファイバ ２” 出力ファイバ ４ コア ６ 被覆 ８ ファイバコア １０ 光制限固体混合物 １２ 散乱光 １６ フェルール １８ スリーブ ２０ 外被 ２２ ＰＣ（球面研磨）コネクタ ２４ フェルール ２６ ＡＰＣ（斜め球面研磨）コネクタ ２８ Ｖ字状溝の光学台 ３０ スペーサ ３２ 案内管 ３４ 主入射光 ３６ 射出光 ３８ 集光レンズ ４０ 光制限組立体 ４２ 受光レンズ ４４ 光入口窓部 ４６ 光出口窓部 ４８ 点 ５０ 反射光 ５２ 無限距離からの光線 ５４ 距離Ｙだけ点４８からずれている点 ５６ 光ファイバ部分 |
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