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JP2019176046A - 水中用レーザ光源 - Google Patents

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Abstract

【課題】高出力化を図ることができ、しかも発熱する半導体レーザを冷却することができる水中用レーザ光源を提供する。【解決手段】水中用レーザ光源は、水中で使用され、光出射窓４を備える耐水圧容器Ａを備え、耐水圧容器Ａ内には、複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆと、複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆからの各レーザ光を集光させ、集光された各レーザ光を光出射窓４に出射させる集光レンズ１３とが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、通信技術、水中技術、水中光無線通信、水中測距、水中探査、水中光検出を行うための水中用レーザ光源に関する。
近年、水中探査を目的とした水中ロボット技術は、目覚ましく発展し、最近では、自律型無人潜水機（ＡＵＶ）の開発が進んでいる。水中資源の探査等を目的とし、ＡＵＶを始めとした水中ロボットを効果的に運用するためには、水中ロボット間や水中ロボット−水上船舶間等での無線通信技術の通信能力を向上させる必要がある。従来、水中での無線通信手段として水中での信号の減衰が小さい音波を利用した音響通信が主に用いられてきた。
しかしながら、音波は水中での伝搬速度が遅く周波数も低いため、１０ｋｂｐｓ程度の低速な通信しかできなかった。このため、データ量の多い画像や動画を送受信できないため、水中ロボット探査には不十分である。
そこで、高速通信可能な水中無線通信手段として注目されている技術が光通信技術である。可視光波長帯の光は、音波には劣るものの、比較的水中での減衰が小さく、さらに、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）等の高速変調できるデバイスを使用することで水中での高速無線通信が行える。
特開２００９−５５４０８号公報
しかしながら、水中光無線通信技術は、高速化できる一方で、水中で強度減衰が起こる。例えば、比較的水質が良く可視光の透過率が高い条件下でも水中での光の減衰は、−０．５ｄＢ／ｍである。このことは、１０ｍで光強度が３分の１程度まで減衰することを示している。
同時に、光源から放射された光は、徐々に拡散するため、光源から離れるほど光の密度も大きく低下する。水中光無線通信技術に期待される通信距離は、少なくとも数１０ｍ〜１００ｍ程度であり、光強度の減衰を加味すると、如何に強い光を遠くまで到達させるかという点が重要である。
水中の光の減衰を可能な限り抑制するためには、光源から放射される光の拡散を抑制することが効果的である。このため、光源としては、高い指向性を持つレーザ光が適している。
また、近年の半導体レーザの技術の発展に伴い、低消費電力でワットクラスの光出力が得られる可視光レーザダイオードを使用することが容易になっている。
一方、水中では、必ずしも水質が良好な状態ばかりではなく、さらに光軸合わせの観点からは、レーザ光線を極限まで絞り込むことは難しい。水質の不良な環境下でレーザ光線を拡散させた状態で光通信を行うには、ＬＤ単体での１〜２Ｗ程度の光出力は数１０ｍ〜１００ｍの水中光無線通信技術の実現には十分とは言えない。このため、水中光無線通信技術の実現にはＬＤ光源の高出力化が最も大きな課題である。
また、ＬＤ光源の高出力化に伴い、ＬＤ光源の発熱量が増大した際に、密閉された耐水圧容器中では空冷によるＬＤ・ＬＥＤの冷却が難しく発光強度の低下や寿命の短縮が発生する。安定した高出力光を送信するためには、光源全体を冷却する必要がある。
本発明の課題は、高出力化を図ることができ、しかも発熱する半導体レーザを冷却することができる水中用レーザ光源を提供する。
本発明に係る水中用レーザ光源の請求項１は、水中で使用され、光出射窓を備える耐水圧容器を備え、前記耐水圧容器内には、複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザからの各レーザ光を集光させ、集光された各レーザ光を前記光出射窓に出射させる集光レンズとが設けられていることを特徴とする。
請求項２の発明は、前記集光レンズで集光された各レーザ光を入射し、入射した各レーザ光を前記光出射窓に出射する光ファイバを備えることを特徴とする。
請求項３の発明は、前記複数の半導体レーザは、前記耐水圧容器の一端に接触して配置され、前記光出射窓は、前記耐水圧容器の一端と対向する他端に配置され、前記光ファイバの出射側は、前記光出射窓の付近に配置されていることを特徴とする。
請求項４の発明では、前記複数の半導体レーザは、互いに異なる中心波長を持つ複数の半導体レーザ群から構成されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、水中で使用され、光出射窓を備える耐水圧容器を備え、前記耐水圧容器は、単一の半導体レーザと、前記単一の半導体レーザからのレーザ光を集光させる集光レンズと、前記集光レンズで集光されたレーザ光を入射する光ファイバと、前記光ファイバから出射されるレーザ光を前記光出射窓に出射させる光出射窓とを備えることを特徴とする。
請求項６の発明では、前記単一の半導体レーザは、前記耐水圧容器の一端に接触して配置され、前記光出射窓は、前記耐水圧容器の一端と対向する他端に配置され、前記光ファイバの出射側は、前記光出射窓の付近に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、複数の半導体レーザからの各レーザ光を集光レンズで集光させるので、集光レンズで集光された各レーザ光により高出力化を図ることができる。
また、１つの光ファイバにレーザ光を入力することで、光ファイバ後のレーザ光線を一つのビームとして扱うことができる。
また、光ファイバにより光出射部と熱源となる半導体レーザとを分離し、発熱する半導体レーザを、耐水圧容器の一端に接触して配置したので、耐水圧容器が水中で冷却される。このため、発熱する複数の半導体レーザを冷却することができる。
本発明の実施例１の水中用レーザ光源の構成図である。 本発明の実施例２の水中用レーザ光源の構成図である。 本発明の実施例３の水中用レーザ光源の構成図である。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の水中用レーザ光源の構成図である。図１に示す水中用レーザ光源は、例えば、水中光無線通信用レーザ光源に適用され、水中で使用される耐水圧容器Ａを備える。耐水圧容器Ａは、円筒部１と、円筒部１の一端に設けられた蓋２と、円筒部１の一端に対向する他端に設けられた窓付蓋３とからなる。
耐水圧容器Ａ内には、複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆと、複数のコリメートレンズ１２ａ〜１２ｆと、集光レンズ１３と、光ファイバ２２、レーザ光制御基板３１と、レーザ光指向性制御用レンズ２３とが設けられている。
複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆと、コリメートレンズ１２ａ〜１２ｆと、集光レンズ１３とは、筐体２０内に配置されている。コリメートレンズ１２ａ〜１２ｆと、集光レンズ１３とは、集光光学系２１を構成している。
複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆは、所定の間隔で配置され、且つ耐水圧容器Ａの一端である蓋２に接触して配置され、レーザ光（可視光で波長が約３５０ｎｍ〜８５０ｎｍ）を出射する。光出射窓４は、耐水圧容器Ａの蓋２と対向する窓付蓋３に配置され、光ファイバ２２の出射側は、光出射窓４の付近に配置されている。
コリメートレンズ１２ａ〜１２ｆは、複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆに対向して配置され、複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆからの各レーザ光をコリメートして集光レンズ１３に導く。
集光レンズ１３は、コリメートレンズ１２ａ〜１２ｆからの各レーザ光を集光して光ファイバ２２に導く。光ファイバ２２は、コリメートレンズ１２ａ〜１２ｆからの各レーザ光を入射し、レーザ光をファイバ出射端から出射する。
レーザ光指向性制御用レンズ２３は、光ファイバ２２からのレーザ光を所定の比較広がり角度に調整して光出射窓４を通して水中に導く。
なお、光ファイバ２２から出射されたレーザ光は、レーザ光指向性制御用レンズ２３を設けることなく、直接、耐水圧容器ａ外に出射するような構成を用いてもよい。
また、光ファイバ２２の周辺には空間が発生する。この空間に、複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆをパルス駆動させるための制御回路を有するレーザ光制御基板３１を配置している。このため、耐水圧容器ａの限られた空間を有効に活用することができる。
このように実施例１の水中用レーザ光源によれば、複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆからの各レーザ光を集光レンズ１３で集光させるので、集光レンズ１３で集光された各レーザ光により高出力化を図ることができる。
また、１つの光ファイバ２２にレーザ光を入力することで、光ファイバ２２の出射後のレーザ光線を一つのビームＢＭとして扱うことができる。
また、熱源となる半導体レーザ１１ａ〜１１ｆは、耐水圧容器Ａの蓋２に接触させて冷却する。一方、光ファイバの光出射側（光出射部）からのレーザ光を耐水圧容器Ａの蓋２と対向する他端に配置された光出射窓４から出射させる。これにより、熱源と光出射部とを分けることができる。
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２の水中用レーザ光源の構成図である。実施例２の水中用レーザ光源では、図１に示す複数の半導体レーザ１１ａ〜１１ｆが、互いに異なる中心波長を持つ第一ＬＤ群１４と第二ＬＤ群１５とから構成されていることを特徴とする。
第一ＬＤ群１４は、中心波長が第一波長λ１を有する３つの半導体レーザからなる。第二ＬＤ群１５は、中心波長が第一波長λ２を有する３つの半導体レーザからなる。
実施例２の水中用レーザ光源によれば、単一の水中光無線通信用レーザ光源から複数波長のレーザ光を同時に出射することができる。あるいは、複数波長のレーザ光を切り替えて出射することができる。
また、水中光無線通信用レーザ光源から出射される複数波長は、水質の状態に応じて選択することができる。
また、水中では、耐水圧容器Ａの光出射窓４にも水圧がかかる。このため、光出射窓４は、図２に示すように、水深で決定される水圧に耐えるための厚みｔと有効径Ｄを有する。これによれば、有効径Ｄが小さく、厚みｔも小さいので、水中用レーザ光源のコストダウンを実現することができる。
また、コリメートレンズ１２ａ〜１２ｆの位置を制御することにより、光ファイバ２２の出射端から出射したビームの径が光出射窓４の有効径Ｄに収まるように制御する。このようにすることで、径の小さい光出射窓４からレーザ光ＢＭを水中に出射させることができる。
（実施例３）
図３は、本発明の実施例３の水中用レーザ光源の構成図である。実施例３の水中用レーザ光源は、耐水圧容器Ａ内には、単一の半導体レーザ１６と、コリメートレンズ１２ａ、コリメートレンズ１２ａからのレーザ光を集光させる集光レンズ１３ａと、集光レンズ１３ａで集光されたレーザ光を入射する光ファイバ２２と、光ファイバ２２から出射されるレーザ光を水中に出射させる光出射窓４とを備えることを特徴とする。
単一の半導体レーザ１６は、耐水圧容器Ａの一端にある蓋２に接触して配置され、光出射窓４は、耐水圧容器Ａの蓋２と対向する他端に配置され、円形の光ファイバ２２の出射側は、光出射窓４の付近に配置されている。
短距離水中通信において、半導体レーザの出力が１個分の出力で十分な場合で、かつ、半導体レーザ１１ａが楕円型かつ縦横の拡がり角度が異なる光源である場合には、単一の半導体レーザ１６からの楕円型かつ縦横の拡がり角度が異なるレーザビームを円形の光ファイバ２２に通すことで、円形のビームに整形することができる。
これにより、レンズを用いたビームの拡がり角度を容易に調整でき、水中光無線通信の送受信確率を向上させることができる。
また、単一の半導体レーザ１６は、耐水圧容器Ａの一端にある蓋２に接触して配置され、光出射窓４は、耐水圧容器Ａの蓋２と対向する他端に配置され、円形の光ファイバ２２の出射側は、光出射窓４の付近に配置されている。
従って、実施例１，２の水中用レーザ光源の効果と同様に、熱源となる半導体レーザ１１ａは、耐水圧容器Ａの蓋２に接触させて冷却する。一方、光ファイバの光出射側（光出射部）からのレーザ光を耐水圧容器Ａの蓋２と対向する他端に配置された光出射窓４から出射させる。これにより、熱源と光出射部とを分けることができる。
本発明は、通信技術、水中技術、水中光無線通信、水中測距、水中探査、水中光検出に適用可能である。
Ａ 耐水圧容器
１ 円筒部
２ 蓋
３ 窓付蓋
４ 光出射窓
１１ａ〜１１ｆ，１６ 半導体レーザ
１２ａ〜１２ｆ コリメートレンズ
１３，１３ａ 集光レンズ
１４ 第一ＬＤ群
１５ 第二ＬＤ群
２１ 集光光学系
２２ 光ファイバ
２３ レーザ光指向性制御用レンズ
３１ レーザ光制御基板
ＢＭ レーザビーム

Claims (7)

  1. 水中で使用され、光出射窓を備える耐水圧容器を備え、
    前記耐水圧容器内には、複数の半導体レーザと、
    前記複数の半導体レーザからの各レーザ光を集光させ、集光された各レーザ光を前記光出射窓に出射させる集光レンズと、
    が設けられていることを特徴とする水中用レーザ光源。
  2. 前記集光レンズで集光された各レーザ光を入射し、入射した各レーザ光を前記光出射窓に出射する光ファイバを備えることを特徴とする請求項１記載の水中用レーザ光源。
  3. 前記複数の半導体レーザは、前記耐水圧容器の一端に接触して配置され、前記光出射窓は、前記耐水圧容器の一端と対向する他端に配置され、前記光ファイバの出射側は、前記光出射窓の付近に配置されていることを特徴とする請求項２記載の水中用レーザ光源。
  4. 前記複数の半導体レーザは、互いに異なる中心波長を持つ複数の半導体レーザ群から構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項項記載の水中用レーザ光源。
  5. 水中で使用され、光出射窓を備える耐水圧容器を備え、
    前記耐水圧容器内には、単一の半導体レーザと、
    前記単一の半導体レーザからのレーザ光を集光させる集光レンズと、
    前記集光レンズで集光されたレーザ光を入射する光ファイバと、
    前記光ファイバから出射されるレーザ光を前記水中に出射させる光出射窓と、
    を備えることを特徴とする水中用レーザ光源。
  6. 前記単一の半導体レーザは、前記耐水圧容器の一端に接触して配置され、前記光出射窓は、前記耐水圧容器の一端と対向する他端に配置され、前記光ファイバの出射側は、前記光出射窓の付近に配置されていることを特徴とする請求項５記載の水中用レーザ光源。
  7. 前記半導体レーザの中心波長は、３５０ｎｍ〜８５０ｎｍの帯域内のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の水中用レーザ光源。
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