JP2001516473A - 一方が他方の上に配置される１つ以上のハイパワーダイオードレーザーの光ビームのバランスをとるための光学配置構成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一列に配置されたHP-DLのエミッターのpn接合の方向とpn接合と垂直の方向とで非常に異なる分散が起きることが知られている光ビームは、本発明による配置方法によりハイパワー密度およびハイビーム品質で一点に写像される。この目的のために、pn接合の方向で相互にオフセットした状態で光線を分散させ、しかもその光線がpn接合と垂直をなすように重ね合わせられるようにする光学手段を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 一方が他方の上に配置される１つ以上のハイパワーダイオードレーザー の光ビームのバランスをとるための光学配置構成 本発明は、請求の範囲第１項の前文によるハイビーム品質と同様にハイパワー 密度を達成する目的のために１つ以上のハイパワーダイオードレーザーの光ビー ムのバランスをとる配置構成に関する。 ハイパワーダイオードレーザー（一列に配置された複数のエミッターまたはエ ミッターグループを備えたダイオードレーザー）(以下HP-DLと呼ぶ)の発光特性 については、十分頻繁に説明されている。HP-DLで表れる特別な特徴は、pn接合 と平行および垂直をなす面で発光ビームと、エミッター配置の空間的範囲につい て大きく異なる発散があるという事実である。故に、pn接合の面（以下のファー スト軸）で、発散はほぼ４５度FHWMとなり、pn接合と垂直をなす面（以下のスロ ー軸）で、それはほぼ１０度FHWMとなる。 高さ１μmおよび幅２００mmの放射範囲が得られる、例えば、ほぼ高さ１μmお よび幅２００μmのエミッターに対する典型的な寸法の場合、互いがほぼ２００ μmの距離にある２５個のエミッターから成る一列のエミッターが得られる。 発光ビームは、放射範囲の幅では不均一である、つまり、それはエミッターの数 、距離および幅により決まる複数の光ビームから成る。実例によるエミッター配 置に対して、その結果は、光ビーム出口開口部が１μm×２００μｍの２５個の 光ビームである。これらの光ビームは、複合的にまたはグループに組み合わされ る、または光ビームのバランスをとる目的のために個別に形成されることもある 。 光ビーム伝搬の方向に、HP-DLから開始する、HP-DLの光ビームのバランスをと るための全ての周知光学配置は、それぞれの場合で、第１光学要素として、ファ ースト軸の方向の光ビームを平行にするための、エミッターの列の上流に配置さ れる円筒状レンズを有する。 光学要素およびアッセンブリの異なる組合せは、２つの面の大きく異なる光 ビーム品質についての均一性を実現する目的で以下のように配置される。 そのような配置構成は、WO 96/13884、DE 196 45 150およびDE 195 00 513か ら知られている。その最初の２つの解決法には、その光ビームが適切にその配置 構成内に投射され得るHP-DL数が非常に限定され、その結果HP-DLの達成可能な総 パワーがほぼ１００Wに限定されるという欠点がある。 DE 195 00 513で提示される配置構成は、多数のエミッターを有するHP-DLに、 主に一方が他方の上に配置される複数のHP-DLに適用できる。この配置構成は、 非常に多くのエミッターの光ビーム整形を通じて非常に高いパワーまでのスケー リングを可能にする。DE 195 00 513に記述される配置構成では、第１段階は、 周知のように、円筒状レンズによってファースト軸の方向で数ミリラジアンの残 留発散にまでそれぞれ個別のHP-DLの光ビームを平行にすることである。 複数の個別のエミッターまたはエミッターグループの並置のため、スロー軸の 方向での光ビームが、既述されたように、均一なライン放射源とはならない。 光学配置構成によってより良好にライン放射源が平行にされる、または集束さ れると、そのライン源の範囲がより小さくなるので、個別のエミッターまたはエ ミッターグループの光ビームがスロー軸の方向で個別に平行にされることが有利 となる。 この目的のために、DE 195 00 513では、プリズム系は、ファースト軸の方向 の隣接エミッターまたはエミッターグループの、ファースト軸の方向で平行にさ れた、光ビームを偏向するためにそれぞれの場合で円筒状レンズの下流に配置さ れる。そのように偏向された部分的光ビームは、スロー軸の方向で互いに関して オフセットされたままとなる。その結果、スロー軸の方向での光ビームを平行に するための分割されたコリメーションレンズ系の、個々の光ビームに割り当てら れる、円筒状レンズ要素は、スロー軸に関して重なり合うように配置できる。故 に、その屈折損失は、HP-DLのエミッターまたはエミッターグループ間の距離が 小さな場合でもより大きなコリメーションレンズを使用することによって最小限 に抑えることができる。良好な光ビーム形成がスロー軸の方向で可能となるが、 分割された円筒状レンズ系は実施するのにかなりの費用が伴う。 明確に説明された偏向により分離される個別の光ビームの光ビーム品質が、光 学配置構成全体の光ビーム品質を決定する。 但し、DE 195 00 513による光学系は、光ビーム品質の観点から光ビームの最 適再配置を行わない： ‐ スロー軸に沿う分離された個別の光ビームの元のオフセットは維持され、 ２つの軸方向での再配置による光ビーム品質のバランスがとれていない。故に、 その光ビーム品質、つまりその配置構成から出てくるときの全光ビームの達成可 能な最小焦点範囲または開口数は、その光学系により以下のように制限される。 ‐ 但し、分割されたコリメーションレンズ系の挿入のためにスロー軸の方向 に光ビームを形成するのには非常に費用がかかる。 １つ以上のHP-DLの光ビームに対する効率的な光ビーム形成に加えて、光ビー ム品質のバランスが、集束前にスローおよびファースト軸に沿って達成される、 その結果として光ビーム品質が焦点で実質的に改善されるように光ビーム再配置 をも実行する新しいより簡単な光学配置構成を示すことが本発明の目的である。 この目的は、請求の範囲第１項による光学配置構成で達成される。有利な態様 は従属請求の範囲に記載される。 それぞれ個別のHP-DLの個々のエミッターまたはエミッターグループの光ビー ムが、単一円筒状レンズを用いてスロー軸の方向で平行にされるように、スロー 軸の方向で重なり合わされるようにできる光学的回折、反射または屈折手段によ って偏向され、光ビーム全体の実質的なバランスがとれることが達成されること が本発明には重要である。 本発明による配置構成は、図を参照して以下でより詳述される。 第１図は、３つのエミッターまたはエミッターグループを備えたHP-DLに適し た第１の態様の簡略側面図を示す。 第２図は、第１図による配置構成の平面図を示す。 第３図は、一方が他方の上に配置される３つのHP-DLに適した第２の態様の簡 略側面図を示す。 明瞭化のために、第１の態様として、３つのエミッターまたはエミッターグ ループを備えたHP-DL１の光ビームを１点に集束させるのに適している本発明に よる配置構成が、記載されるべきである。故に、放射範囲は、スロー軸上に隣接 配置された３つのエミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃを 具備する。 第１図および第２図から分かるように、第１実施例は、第１円筒状レンズ３、 方向要素４として以下に示される第１偏向要素、再方向要素５として以下に示さ れる第２偏向要素、第２円筒状レンズ６および集束レンズ７の順でHP-DL１のビ ーム方向に配置される光学的機能要素を具備する。単純プレーナ凸レンズである こともある集束レンズ７を除いて、光学的機能要素の全てが、ファースト軸およ びスロー軸の方向のエミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃ の光ビームに様々な影響を与える。光ビームにおける配置構成の動作の異なるモ ードは、光ビームの光路でファースト軸の方向（x-z面、側面）におけるものが 第１図に、さらにスロー軸の方向（x-z面、平面）におけるものが第２図に示さ れる。 エミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃによって発せられ る、第１図に示された３本の光ビームは、第１円筒状レンズ３による周知の方法 でファースト軸の方向で最初に平行にされる。従来技術によれば、典型的に発散 を５ミリラジアンにまで低減する非球面円筒状レンズがこの目的のために利用さ れる。コリメーション後の光ビームの典型的な直径は、ファースト軸で０．６mm である。この第１円筒状レンズ３は、スロー軸の方向には何の影響もない。 方向要素４は、第１円筒状レンズ３の下流の最小限の距離に配置され、第２図 に示されるように、通過時に光ビームがファースト軸の方向とスロー軸の方向と の両方で異なるように様々に偏向されるように、エミッターまたはエミッターグ ループ２ａ、２ｂおよび２ｃに従ってスロー軸に沿って３つの異なるセグメント ４ａ、４ｂおよび４ｃに再分割される。この場合、中間エミッターまたはエミッ ターグループ２ｂの光ビームはいかなる方向にも偏向されない。エミッターまた はエミッターグループ２ａの光ビームの偏向は、ｙ方向において固有角度でその 中間に向かって、およびｘ方向において下方に向かって起こる。エミッターま たはエミッターグループ２ｃの光ビームの偏向は、同絶対値だけであるが、それ ぞれ反対方向で起こる。偏向角度の絶対値は、HP-DLの幾何学的寸法形状、特に 、HP-DLの個々のエミッターまたはエミッターグループの数、間隔および幅から 得られる幅Ｂから、恐らく一方が他方の上に配置される２つのHP-DLのエミッタ ーまたはエミッターグループ間の間隔Ｐから、および方向要素４と再方向要素５ との間の軸方向の間隔からの原則に従う。 実施例で選択されたHP-DLのエミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂ および２ｃの配置構成では、スロー軸の方向での方向要素４の偏向角度は、個々 の光ビームの主要光線が再方向要素５の面における方向要素４から定義された距 離Ａにおいて交差するように選択される。ファースト軸の方向では、方向要素４ の偏向角度は、距離Ａにおいて互いにはっきりと分離された光ビームを生成する ように選択される。 再方向要素５も同じように、方向要素４内のｘ方向およびｙ方向で経験される 主要光線の偏向を正確に補正できるようにそれぞれ通過した光ビームを偏向する ３つのセグメントを具備する。これは最適集束性能を得るための前提条件である 。光ビームの全てを可能な限り小さなスポットに集束させるために、スロー軸の 方向に作用する第２円筒状レンズ６と、球状集束レンズ７とが、ビーム光路の下 流に配置される。方向要素４および再方向要素５のために、個々のエミッターま たはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃの光ビームは、それらが、ｘ方向 を除いて、もはや続いてｙ方向に互いに隣接して配置されないように再配置され る。これは、両軸でHP-DLからの放射の大きく異なる光ビーム品質についての最 上のバランスがとれることとなる。これは続く光ビームの整形をも可能にし、分 割されたコリメーションレンズ系を使用せずに、単純第２円筒状レンズ６を用い て、従来技術と比較して明らかにより良好な光ビーム品質にする。第２円筒状レ ンズ６の焦点距離は、ｙ方向における再方向要素５を通過する光ビームが数ミリ ラジアンにまで平行にされるように選択される。 第２実施例では、本発明による配置構成は、一方が他方の上に配置される２４ 個のHP-DLのために設計されることである。第３図において、３つのHP-DLか らの光ビームの表示に低減されたこの第２実施例は、側面図で示される。２つの 隣接HP-DLのエミッターまたはエミッターグループは、互いにＰの距離だけ離れ て位置する。 原則として、本発明による配置構成の設計と、それに応じて、HP-DLの数は、 光ビームが投射されるべきポイントにおける所望パワーと幾何学的形状とで決ま る。このパワーは、一方が他方の上に配置されるHP-DL数で決まる。光ビーム品 質は、実質的にエミッターグループへのエミッター列の細分割数に依存し、細分 割の最大数は恐らくエミッターの数に等しい。これは、第２実施例で以下で説明 されることになろう。 その目的は、エッジ長を有する矩形光ビームスポット２^*４mm²を照射すること であり、その開口数がファースト軸およびスロー軸の方向で０．１を超えないよ うにしてある。 ４mmのエッジ長は、それぞれの場合で３．３mmの幅、および０．１２の開口数 を有する一列に配置された３つのエミッターグループによって達成できる。光学 的機能要素は、４mmの長さおよび０．１の開口数で焦点に光ビームスポットを生 成できるようにスロー軸の方向において今や設計される。それらの焦点距離がほ ぼ２６０mmである円筒状レンズおよび両凸レンズの光ビーム整形が利用され、方 向要素および再方向要素４、５の間の距離が６０mmの範囲内である。 ２mm高のエッジ長は、０．１の開口数で実現できる。典型的に１．７mmの２つ の隣接HP-DLのエミッターグループの間隔と、ファースト軸の方向で平行にされ た光ビームに対して典型的に５ミリラジアンの発散とに基づくので、焦点でのパ ワーをスケールするためにファースト軸の方向に一方が他方の上になるように２ ４個のHP-DLを配置することが可能となる。第１円筒状レンズ３は、各HP-DLの、 つまりエミッターグループの各列の下流に配置される。ｘ方向における次の方向 要素４の範囲は、エミッターグループの全列に対する光ビームを再配置できるよ うに選択される。三倍分割について説明される場合には、この再方向要素５は各 一列にそれぞれ３つのセグメントを具備する。エミッターグループ２の、実施例 で選択された、配置構成の場合、および托葉状距離がＰとすると、スロー軸 （ファースト軸）の方向での方向要素４の偏向角度は、arctan(B/3A)（arctan[P /3A]）として与えられる。ＢとＰとに対する１０mmと１．７mmとの典型的な値の 場合、その結果は、ほぼ６の偏向角度の割合となり、Ａに対してほぼ６０mmの典 型的な値の場合、これらの角度は、それぞれ約３°および０．５°となる。 スロー軸の方向でのコリメーションの機能は、異なる長さについてであるが、 個々のレンズによってエミッター列の数とは無関係に果たされる。同様に、光ビ ームの全ての集束は、１つの集束レンズのみによってエミッター列の数とは無関 係に実行される。再方向要素５のロケーションにおけるファースト軸の方向での 光ビームの高さを個々のセグメント５ａ、５ｂおよび５ｃの高さに一致させる目 的のために、ファースト軸の方向での光ビームの再集束を選択することが可能で ある。これは、円筒状レンズ３をｚ方向に移動することによって達成される。再 集束により起こる比較的強い非点収差は、方向要素５の直ぐ上流または下流に円 筒状レンズの配列を配置することによって補正できる。 再方向面５内でほぼ０．５５mmの光ビームに再集束させることが、３倍分割お よび距離Ｐが典型的に１．７mmの現在の場合では必要であろう。入手可能な非球 面状レンズを使用する場合、そのような再集束は、所定レンズの厚みが１．５mm であっても達成できる。 ２つの実施例では、方向要素４および再方向要素５は、単純化のために透明プ リズム系として示されている。これらの要素も同じように、例えばフレネル構造 や回折構造など、反射系として異なる構造のものであっても良いことは当業者に は明白である。全ての方向および再方向要素４；５は、それぞれの場合でモノリ スまたは疑似モノリスとして個別にまたは連帯的に設計できる。勿論、方向およ び再方向要素４；５の、異なる方法で光ビームを偏向する個別のセグメントも、 独立した光学要素であることもある。光学系を製造および組み立てる費用は、方 向要素４がモノリスとして設計される、または方向要素４および再方向要素５の 機能が１つの光学要素に組み合わされ、その後者がモノリスとして設計される場 合、従来技術と比べてかなり低減される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハイネマン シュテファン アメリカ合衆国 ミシガン州 48105 ア ン アーバー プラシッド ウェイ 2258 (72)発明者 レリッヒ ウルリヒ ドイツ連邦共和国 デー・07747 イェー ナ ビンスヴァンガーシュトラーセ ４ (72)発明者 ニッケル ミヒャエル ドイツ連邦共和国 デー・07646 ルッタ ースドルフ・ロッチェン ロッチェン ９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一点に集束させる目的のための、一方が他方の上に配置された、１つ以上 のハイパワーダイオードレーザー（１）の光ビームのバランスをとるための光学 配置構成であって、一列に配置された複数のエミッターまたはエミッターグルー プ（２）を有するハイパワーダイオードレーザー(１)、エミッターまたはエミッ ターグループ（２）の光ビームを前記エミッターのpn接合（ファースト軸）の方 向で平行にするための第１円筒状レンズ(３)、およびエミッターまたはエミッタ ーグループ（２）の数に等しい多数の異なるセグメントを備え、回折、屈折また は反射によってファースト軸の方向に光ビームを偏向する方向要素（４）が各列 の下流に配置されており、前記エミッターのpn接合と垂直をなす方向（スロー軸 ）での光ビームを平行にするための本手段と、全光ビームを一点に集束させるレ ンズ（７）とがあり、前記焦点が、前記スロー軸およびファースト軸の方向に対 する垂直線として定義される光軸上にあり、pn接合と垂直をなす方向（スロー軸 ）での前記光ビームを平行にする前記手段が単一の第２円筒状レンズ（７）であ り、前記方向要素（４）のセグメントが互いにスロー軸の方向に前記光ビームを それぞれの場合で偏向するので、それらの主要光線が前記pn接合と垂直をなす方 向の前記方向要素（４）から距離Ａにおいて前記光軸と重なり、前記pn接合の方 向の等距離において一方が他方の上に配置され、各方向要素（４）から距離Ａの 下流に配置されるのが、前記光ビームが互いに平行に走るようにそれらを偏向す る再方向要素（５）である、光学配置構成。 ２．前記ファースト軸に沿って前記ハイパワーダイオードレーザー（１）の距 離を一致させる目的のために、前記第１円筒状レンズ（３）が前記再方向面に中 間集束を実行する、請求の範囲第１項に記載の光学配置構成。 ３．前記再方向要素（５）の上流または下流に直接配置されるのが、前記中間 集束によって起こる比較的強い非点収差を補正する円筒状レンズ配列である、請 求の範囲第２項に記載の光学配置構成。 ４．前記光ビームの再配置が少なくとも２倍、好ましくは３倍だけ前記スロ ー軸の面での前記ハイパワーダイオードレーザー（１）の放射を低減し、その結 果、前記ファースト軸で並列してオフセットされた少なくとも２つ、好ましくは 少なくとも３つの光ビームが前記方向要素（４）の前記ファースト軸下流の面に 表れる、請求の範囲第１または２項のいずれかに記載の光学配置構成。 ５．複数のHP-DLの配置構成である場合、前記方向要素（４）と再方向要素（ ５）のセグメント数は、前記ファースト軸上の光ビームの残留発散により制限さ れるように光ビーム品質が両面で最高可能程度にまでバランスがとられるよう互 いに関してHP-DLの距離Ｐへの一致がはかられる、請求の範囲第１または２項の いずれかに記載の光学配置構成。 ６．それぞれの場合でのHP-DLの下流に配置された前記方向要素（４）と、前 記再方向要素（５）とはモノリスとして設計される、請求の範囲第１項に記載の 光学配置構成。 ７．方向要素（４）の全てがモノリスとして設計される、請求の範囲第１項に 記載の光学配置構成。 ８．再方向要素（５）の全てがモノリスとして設計される、請求の範囲第１項 に記載の光学配置構成。