JP2009520353A - レーザダイオードアレーから強力レーザ光を発生するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

２次元配置のレーザダイオードアレーを利用したレーザモジュールは、組み合わせられた強力なレーザビームを発生する。２次元配置のアレーのレーザダイオードは、横列と縦列とを形成し、光学アセンブリは縦列のレーザダイオードによって発生された光を光ファイバに描く。レーザモジュールのレーザ光出力はスペクトル組合器によって光ファイバに組み合わせられて強力レーザビームを形成する。

Description

本発明は、レーザ、より特には、たとえばレーザダイオードのような複数のレーザ部材の個々の出力を光ファイバに効果的に組み合わせて光ファイバを通して高効率な出力伝達を提供する光学的構造に関する。

コンパクトで高い効率の半導体レーザダイオードは、集中され、スペクトル的に純粋なレーザ光源を要求することが、理想的な適用とされている。光学的保存、低価格プリントおよび通信のような適用では、かつては沢山の異なるタイプのレーザ源を利用し、現在では半導体レーザダイオードを利用し、要求された特性をもつかつてのレーザダイオード源は成功裏に発展した。このように半導体レーザダイオードがとても便利な特性を有する主な理由は、励起されまたはポンピングされたレーザ領域が、写真平板技術や，エピタキシャル層の成長などのレーザ半導体組み立て技術の利用に亘って、とても小さいからである。
小さいレーザ領域，レーザ光子へのレーザ媒体中の励起された原子の効率的変換のための最も必要な２つの主成分であるゲインおよび光学的強度により、レーザダイオードの効率をとても高くできる。この効果は、高輝度、すなわち、その波長域において相対的に低いビーム広がりを有するようなレーザ源を提供する。輝度は、ラグランジュ不定数、光源の放射領域は光源からの光の広がりの立体角の倍数、またはガウスのビームの場合にはＭ２パラメータによっても定義できる。

にもかかわらず、半導体レーザダイオードのこの主な利点、レーザ用途の小さな容積はこれらの装置を高出力用に大規模化してやると、不利な面が生じる。しかしながら、回折限界付近での単一のＴＥＭooモードの操作は、３から５ミクロンよりも小さくなるようなレーザ用接点寸法（レーザダイオード幅）を必要とする。これらのレーザ用寸法から抽出される出力が増加すると、光学的な面およびその他出力の面での損傷のメカニズムによって、これらの装置で利用できる出力が５００ミリワットより少なくなるような限界がある。
レーザダイオードのストライプ幅が約１００ミクロンに増加すると、１０ワットを超える出力が実現できるが、ビームの質はより低下する。一つのレーザダイオードストライプからのこのような出力は両出力レベルとビーム質によって、多くの適用に対しては不適当である。たとえば、溶接や切断のような高出力材料処理、および金属のような材料の熱処理に適用するには、０．１４から０．２２の開口数（ＮＡ）の光ファイバによる２００ミクロンから４００ミクロンの出力に等しいビームの質を持った１キロワットから５キロワットの範囲での出力レベルが要求される。

ビーム質を維持して、これらの半導体レーザダイオードの出力を高出力にするには、いくらかの方法がある。第一に、良く知られ文書化されていることでは、これらのレーザダイオードを利用して固体状態のゲイン媒質をポンピングすることである。この方法では、インコヒーレントな半導体レーザダイオードのアレーの低い輝度が、励起された固体状態レーザの１．０ＴＥＭoo出力のＭ²に変換される。
多くの個々のレーザダイオードまたはレーザダイオードバーの出力をクラッドポンプされたレアアースドープファイバレーザに連結することである。Ｍ²値が１．１より小さくなる回折近傍が、Ｙｂドープダブルクラッドファイバにおいて８００ワットよりも大きい出力レベルで実現されている。

材料処理や固体状態レーザのポンピングのような多くの適用は回折限界よりかなり低いビーム質しか要求されず、レーザダイオードアレーバーを重ねる際のビームの形状や操作の技術に多くの注目がいっている。これらの努力のほとんどは、５から１０ミリメートルの幅の単一のワイドソース（充填比１９％より大）としてレーザバーを扱うものであるビームの形状や操作の技術に焦点があてられている。これらの技術を使った機器は広く公にされており、６００マイクロメータで０．２２ＮＡファイバにおけるほぼ６００ワットを発生させる機器が商用で利用可能である。１００マイクロメータ幅のレーザエミッタを個別に利用する技術、エピタキシャル成長されたダイオード接合に垂直にアークに沿って向けられた機器が並べられた個別レーザデータダイオードエミッタ、または速い軸方向が同一線形になるように個別に平行にされ、９０度画像回転プリズムを通過するような単一のバー（充填比２１％より小）に並べられた個別レーザデータダイオードエミッタを利用した技術は早くから発表されている。ダイオードに焦点をあて、良い質でファイバを結合するこれらの技術が作られる間に、これらの技術は複数個の単一のレーザバーに集約され、結果として得られる出力は高出力の適用の要求に対してはるかに少なく落ち込む。通信産業における高出力のブリード領域の発展を通して、充填比２１％より少ない高出力バーは、産業に対する適用で、十分な寿命をもって実用的に、近年利用可能となっている。

前記のとおり、本発明の目的は、比較的大きな数のレーザダイオードの出力を、また高輝度と，効率的集束と，所望の高出力レベルかつビーム質を有する強力レーザビームを発生するファイバ連結とを成し遂げる類似レーザ源を効率的に組み合わせることである。

本願発明の目的は、重ねられたレーザダイオードバーのように２次元レーザレーを利用し、各２次元レーザレーからの出力を一以上の光ファイバとを効率的に組み合わせて所望の強度とビーム質とを実現することによって装置および方法によって成し遂げられる。本発明の構成にしたがって、レーザダイオ−ドのようなレーザ部材は、縦列方向におけるレーザ部材の早い軸を有するように、縦列と横列とに配置され、アレーの縦列におけるレーザ部材の出力は、組み合わされ、一の光ファイバの入り口に描かれる。レーザ部材からの出力を一の光ファイバと組み合わせることによって、遅い軸方向とほぼ等しいかまたは接近した輝度を有する速い軸方向における輝度を有するような、まとられたビームが成し遂げられ、それゆえにビーム質も改善される。光ファイバにより実行される二次元レーザの出力は、ファイバ組み合わせ、スペクトル組み合わせを含む技術によって、出力光ファイバによって実行される良いビーム質を有する高出力レーザビームに帰着する。

２次元で重ねられた、レーザダイオードバーのアレーや光ファイバへの効率的な連結において、個々のエミッターの輝度の保持を提供する。光ファイバへの処理、操作、組み合わせ、集束のために、新たな構造が開示されている。これらは、構造の実現のため、
以前は固体状態レーザをポンピングした半導体レーザのみ、または以前使用された他のレーザが使用される適用に半導体レーザダイオードアレーを使用させたり、固体状態レーザとファイバレーザと増幅器のコストの面で効果的にポンピングするためのような構造の実現を開示するものである。

本発明の効果および他の目的は、本願発明の実施例の詳細な説明と、対応する図面を参照することにより理解される。

本願発明のシステムや方法について述べる前に図面に戻ると、レーザダイオードの構造およびその出力光の特性は、第一に、発明のアプローチの理解や正しい認識を容易にするように述べられている。下記に説明するとおり、発明は特に、レーザダイオードの２次元配置のアレーから出力ビームを合成し、強力な高質のファイバ連結ビームを形成する点が有利である。ではあるが、本願発明は、レーザダイオードに限定されるものではなく、将来の発展も含めて、回折限界的な小さいレーザ用領域を有する他のレーザ部材の形態にも適用できるものである。

図１ａは、エピタキシャル成長による単一のブロード領域半導体レーザダイオード１０４の体表的な幾何寸法を示している。この装置は、幅ｙおよび厚さｚおよび長さｘの放射または活性領域１００によって特徴付けられる。このエピタキシャル成長及び写真平板技術的に定義される領域は、多くの異なる方法によって構成することができるが、大抵はInGaAsPのような材料構造中の指標誘導導波管を有する単一のまたは複数の量子が好ましい。このような構造はさらに成長層１０８を有し，放射ファセット１０３に分割されるように画定され、排熱基板上またはヒートシンク１１２に取り付けられる。半導体接合に平行な方向は遅い軸１１６として引用する。この方向に、ストライプ幅ｙが写真平板技術的に定義され、開口からの光の放射が半値全幅（ＦＷＨＭ）で定義される角度θで遠視野１０２で発散する。一方、半導体接合と垂直方向は早い軸１１８として引用する。この方向でストライプ厚さｚがエピタキシャルに定義され、開口からの光の放射はＦＷＨＭで定義される角度αで遠視野１０２で発散する。代表的な装置では、ｚはほぼ１ミクロンであって、ｙは普通は５０ミクロンから２００ミクロンの範囲にあり、θはほぼ１０度であって、一方αはほぼ５０度である。もっとも重要なことは、遅い軸におけるＭ２はこれらのストライプ寸法に対して１０から２０まで変化するのに対し、速い軸におけるＭ２はほぼ１である。

図１ｂはこれらのブロードエリアの半導体レーザダイオードの多様性が写真平板技術的に定義され、レーザダイオードアレーバー１２０を、またはマルチストライプバーを作る。マルチストライプバー１２０は平行な電気接点を有して高い電流負荷を広げ、導電性熱輸送板または水冷板で作られた冷却基板１２８上に取り付けられる。冷却板１２８として好ましくは、マイクロチャンネル冷却板が使われる。ゆっくりとした非回折限界方向１１６はアレーの放射領域１００に平行であって、早いほぼ回折限界方向１１８はアレーの放射領域１００に垂直である。マルチストライプバー１２０の遠視野放射パタンは、個々のレーザダイオード放射領域１００の遠視野放射パタン１０２であって、その各々の遠視野放射パタン１０２がレーザダイオード放射領域１００の各々の軸方向に配置される遠視野放射パタン１０２の線形和として特徴付けられる。これらのマルチストライプバー１２０は、全幅が１ｃｍであって、４０から１００ワットの範囲での出力が得られるように、均等に間隔があけられた１０から３０のレーザダイオード放射領域１００を有するように配置されている。

図１ｃはこれらのマルチストライプバー１２０が２次元（２Ｄ）に重ねられたアレー（スタックアレー）１４０を形成するようにどのように配置できるかを示している。この配置において、平行な電気的結合１２４を有するように冷却基板１２８上に取り付けられているマルチストライプバー１２０は、互いに平行になるように配置されている。２Ｄスタックアレー１４０は縦列、または個々の各マルチストライプバー１２０におけるエミッタ１００の全てが同一平面上においてゆっくりとした軸方向１１６を有しているような縦の方向を有している。２Ｄスタックアレー１４０は横列、または個々の各マルチストライプバー１２０における横エミッタ１００の全てが同一平面上において速い軸方向１１８を有しているような横の方向を有している。バー１２０は、２Ｄアレー１４０の各横列のレーザダイオードが互いに並べられるように配置されて取り付けられ、好ましくは、５ミクロン以下の公差を有し、以下に述べるように、レーザダイオードの出力を組み合わせることによって発生されるビームの質の重大な劣化を防止する。各２Ｄスタックアレーは１０から２５のマルチストライプバー１２０を有しており、５００から１５００ワットの範囲で出力を発生させうる。このように、横列と縦列のレーザダイオードを有する２Ｄスタックアレ−は、横方向１４４に沿って並べられたレーザダイオードの速い軸と、縦方向１４８に沿ったレーザダイオードの遅い軸とを有し、詳しくは以下に述べるように、高輝度、高質のレーザビームのシステムを構成する構成要素として使用される。

本願発明の構成にしたがって、２Ｄアレーにおけるレーザダイオードの出力は効果的に組み合わされ、一以上の光ファイバに連結され、増強されたビーム質を提供する。特に、高いビーム質は、一の光ファイバにおける所与の横列レーザダイオードからの出力を描くことによって達成できる。例によれば、図２ａおよび２ｂは、レーザダイオードエミッタ１０４が、互いに平行な遠視野出力１０２の方向で横列１４４に並べられるような構成における速い軸と遅い軸とを示している。この横列１４４は、たとえば、図１ｃに示される２Ｄレーザレーの横列であってもよいが、２Ｄアレーにおける全横列を示す代わりに、この図を単純化、明確化したものとして、図２ａおよび２ｂに示している。上記のとおり、縦列１４４における全てのレーザダイオードは、その速い軸が横列方向で並べられるように配置されている。一方、図１ｂにおいて示されているように、ダイオードバーにおけるレーザダイオードは長手方向と、または縦列と、垂直なレーザバーの速い軸を有している。

レーザダイオードの横列から光ファイバに光出力を描くと、マルチ光学コンポーネントを有する光学アセンブリがレーザダイオードと光ファイバの入口との間に配置される。図２に示した実施例のように、速い軸および遅い軸の視準光学素子１５０、１５６は、速い軸方向１１８および遅い軸方向１１６において、横列１０４の出力をそれぞれ平行にする。これらは、限定されるものではないが、代表的には円筒光学素子である。個々の平行ビーム２１０の速い軸への集束、およびそのビームを操作は、個々の光束２１０が通過する円筒光学アセンブリ２３０の利用を通して、ここに成し遂げられる。最小で、この円筒光学アセンブリ２３０は、負有効焦点距離レンズ２２２に続く正有効焦点距離レンズ２１４からなるマルチ部材を有する光学装置である。加えられた光学レンズ２１８は収差の低減のために正有効焦点距離レンズ２１４と負有効焦点距離レンズ２２２の間に加えられる。光束２２６の出力は遅い軸の焦点レンズ１６４を通過し、所望の直径およびＮＡからなるマルチモード光ファイバ１６８に入る。円筒光学アセンブリの利用は、適切なくびれ径まで各ビーム１１６を速い軸方向に集束し、かつ元来のレーザダイオード放射領域１００の輝度を保存する方法で、光ファイバまたは他の光学システムに効率的に連結するような複数のビームを操作する２つの機能を成し遂げる。効率、収差最小化、大きさ、コストおよび複雑さ、並行化、集束化などの異なる光学的配置などの理由のため、ロッドレンズ、ハーフロッドシリンダ、傾きインデックスレンズなどこれらに限られないが、他のマルチレンズシステムなどのワイドアレーの工学的技術が生み出された。これにより、図２ａおよび２ｂに示される実施の形態は利用できるレンズとして熱望されている。

発明に従って、ファイバ結合されたレーザビームにおいて、よいビーム品質および高い強度の組み合わせは、1つの光ファイバに横列方向と並べられた速い軸で横列を形成するレーザダイオードからの光の出力へ結合することにより達成される。一般に、マルチモード光ファイバの中への単一のレーザダイオードの出力ビームを連結する場合、単一のレーザの放射する領域１００に対する輝度の限界は、非回折限界の遅い軸方向１１６に存する。この輝度は、レーザストライプ幅yに遠視野角発散θを乗じて求められるものとして定義される。光ファイバは代表的には断面が対称であるので、本願発明に従って、図２ａおよび２ｂの中で示されたように、ほぼ回折限界の速い軸方向１１８においてまとめられたビームの輝度(ストライプ厚さzに遠距離角発散αが乗じられる)は、遅い軸方向１１６の明るさとほぼ等しいか近くなるように、多くの光源104によって光ファイバの中に生成されたレーザビームを組み合わせることは、有利である。この配置は、個々のエミッター１００の合計の輝度を保存する対称輝度ユニット(ＳＢＵ)を作成する。ＳＢＵを形成するために連結することができる源104nの数は、単に、速い方向の輝度および遅い方向の輝度の比である。
［数式１］
ｎ＝ (ｚ × α) / (y × θ)

その後、所望の直径およびＮＡのマルチモードファイバ１６８が、このＳＢＵと合うように選ばれる。１６８のＮＡのいずれかの直径をわずかに増加させると、全体としてＳＢＵの輝度を低下するように働くが、まだファイバ結合の効率は増加する。球面収差、コマあるいはレーザダイオードバー１２０(「レーザバースマイル」と呼ぶ)の取り付け平面度の変化のような光学的収差は、全体としてのＳＢＵの輝度を減少させて、より大きなマルチモードファイバ１６８直径あるいは比較可能なカップリング効率用のＮＡが必要となる。光ファイバへの結合が所望の実施例であるが、この技術は、集中した、また、集束および処理ビームは、材料処理光学系のような別の光学系に組み合わせるような手今日もできる。

図３ａおよび３ｂは、それぞれ速く遅い軸中において、図２ａおよび２ｂの中のエミッター１４４の横列を形成する各レーザダイオードエミッタ１０４からのビームが、どのようにマルチモードファイバ光学１６８の入口面に集中させるかを概略的に示している。光学のマルチモードファイバ１６８は、その直径および入射角１７１によって特徴づけられたクラッド層１６９およびコア１７０からなっている。速い軸方向１１８において、個々のレーザダイオードエミッタ１０４からのビームに対する方向１０２からなるビーム２２６を含む出力束は、各レーザダイオードエミッタからの各ビームが所望のファイバ寸法１６８へ連結されるための最適のサイズに集束させるように、マルチモードファイバの方へ光学１６８の入口面に集中させる。レーザダイオードエミッタ１４４の多様性は、マルチモードファイバ１６８の入射角１７１内にビームの束が含まれているように、各々異なる角度で操作される。遅い軸方角１１６において、それらの伝播方向１０２でレーザダイオードエミッタ１０４の多様性からのビームは、マルチモードファイバ１６８に対する所望の直径および開口数に各ビームが集束するように重ねられる。このように、ＳＢＵの生成は、非対称輝度のレーザダイオード源１０４を対称な輝度のファイバに変形することによって作られる。

レーザダイオードの1以上の横列からのレーザ光線を光ファイバへ組み合わせることにより形成されたＳＢＵは、同じ２Ｄアレーから配列からの他のファイバをつながれたＳＢＵと結合することができ、高い強度のビームが提供される。更に、既に上に言及されるように、２Ｄレーザアレーは、高輝度の出力レーザビームの生成のためのシステム用構成要素として使用してもよい。そのシステムの中で使用される２Ｄレーザアレーの数は、所望の出力レベルに依存しうる。また、高輝度の出力ビームを達成するために、２Ｄレーザアレー中のレーザダイオードによって生成された光が、1つ以上のコンビネーションステージを通して組み合わせてもよい。

例として、図10は、ファイバが連結された２Ｄ連結アレーの多様性を含むシステムの実施例を示している。この実施例では、出力ファイバによって運ばれた最終の高い強度出力ビームへ多数の２Ｄアレーからのレーザ光線を組み合わせるために、２つの技術(ファイバコンビネーションおよびスペクトルコンビネーション)を利用する。マルチライファ連結された２Ｄスタックアレー３０、アレー中のエミッターのすべてが定義された波長領域３０４の光を放射するように、構成される。接続３０８は、電源や冷却の目的はいうまでもなく監視のためとしての３００が用意される。このマルチファイバ束３１２からの光は、ファイバコンバイナ３１６を通過して、単一のファイバ３２０になる。限定されるものではないが、ファイバコンバイナ３１６は、一般に、出力ファイバの半径がＮＡ倍であるヒューズテーパタイプ装置は、入力束の半径がＮＡ倍の合計以上となる。このような装置は、ＪＤＳＵまたはＩｔｆのような会社からの標準または注文のフォーマットで購入できる。

別のマルチファイバと連結された２Ｄスタックアレー324は、その配列中のエミッターの全てが、定義された波長地域３２８において、最初の領域３０４とは区別されるように光を放射するように、構成される。このマルチファイバ束３１２からの光は、さらに単一のファイバ３２０になるようにそれ自身がファイバコンバイナ316を通過する。この方法で、ファイバ結合された２Ｄスタックアレーとして組み合わされたマルチファイバの多様性で、各々それ自身が別個の波長領域を持つように作成することができる。単一のファイバを結合した出力を生産される。ファイバ結合された２Ｄスタックアレー３２０の多様性からの光が、スペクトルコンバイナー３３２中の波長の中で組み合わせられる。このように、多数の２Ｄスタックアレー３００のレーザ光線出力は、最終的出力光ファイバを通してガイドされた1つの強力なレーザビームと組み合わせられます。スペクトルコンバイナー３３２は、その単一のチャンネル通過帯域が各マルチファイバとつながれた２Ｄスタックアレー３００が中へ入っているような波長領域３０４と対応するように設計された光学の波長多重化装置である。これらのスペクトルコンバイナー３３２は、制限されるものではないが、方眼、格子ボリューム・ブラッグ・ホログラム、薄膜鏡、プリズムあるいはファイバ、ブラッグ格子で構成することができる。そのようなコンバイナーの設計および構成は良く知られている。

光ファイバの中への２Ｄアレーのレーザダイオードからの光を容易に描くために、異なるアレー配置および光学アセンブリを使用してもよい。図６ａおよび６ｂは、２Ｄスタックアレー１４２からの出力を組み合わせの1つの実施例の配置として、速い軸と遅い軸とを示している。
２Ｄスタックアアレー１４２は、個々のエミッター１００が、単一のエミッター１００の多様性から成る縦列方向１４８が、一つのマルチストライプバー１２０上で写真平板技術的に定義されるように、個々のエミッター１００のマルチストライプによって形成される。マルチストライプバー１２０は、また、横列方向１４４が個々のエミッター１００の多様性によって、マルチストライプバー１２０の多様性から形成されるように、並べられる。この場合、２Ｄスタックアレー１４２は、個々のエミッタ１００が半径Ｒのシリンダの表面の上に並べられる。半径Ｒの長さは、個々のエミッター100の各々から光の伝播の軸が円筒の中心軸に向くような軸である個々のマルチストライプバー１２０の幅である。

速い軸１１８および遅い軸１１６の視準化は、多数の光学のイメージング要素を使用して遂しとげられる。単一の速い軸の円柱レンズ１８０は、縦列１４８全体からの光を平行にする。また、個々のエミッターはそれぞれそれ自身の個々の遅い軸コリメータレンズ２５０を持っています。横列１４８全体からの速い軸光は、単一の速い軸の集束するレンズ２５４を通して適切なビーム寸法に集中される。２Ｄスタックアレー全体を有し、遅い軸は光を平行にし、速い軸は、その有効焦点距離が負の円柱レンズ２６２の単一またはアセンブリの円柱レンズ２６２を通して光線２６６の全体束に対して適切なＮＡを操作されるように、単一のエミッタービーム２５８の多様性からの光を集中させる。横列１４４はそれぞれ、単一の円柱レンズ１６４を通して、所望の直径およびＮＡへ集束された遅い軸であり、各横列１４４はそれぞれ個々の光ファイバ１６８につながれる。このファイバの直径およびＮＡは、単一のエミッター１４４の横列の光学的処理に基づいて、ＳＢＵの輝度に合うように選ばれる。２Ｄスタックアレー１４２全体からのファイバにつながれた出力は、光ファイバ１６８と、アレー中の横列１４４の数とが１：１になるような光ファイバ３１２からなっている。追加の光学の要素は遅い軸か速い軸か、あるいは両方を加えることができまる。光学のパフォーマンスを改善する、つまり、光学の効率を犠牲にして、収差を低減下する。さらに、光ファイバへこのシステムからの出力光を排他的に連結する必要はない。このシステムからの出力光も多くの異なる光学系に連結してもよい。

図７ａおよび７ｂは、２Ｄスタックアレー１４０からの出力を組み合わせるための代替の実施例として、速い軸と遅い字句とを示します。個々のエミッター100は、単一のマルチストライプバー１２０上に写真平板技術から単一のエミッタ１００の多様性からなる縦列または縦列の方向１４８が画定されるように配置される。マルチストライプバー１２０は、横列または横列の方向１４４が個々のエミッター１００の多様性によってマルチストライプの多様性から形成されるように、配置される。この代替の場合では、２Ｄスタックアレー１４０は、伝播する個々のエミッター１０２の方向が他の単一のエミッター100のすべてと平行となるように配置される。速い軸１１８および遅い軸１１６の視準化は以下のように遂行される。単一の速い軸の円柱レンズ１８０は、縦列１４４全体からの光を平行にする。また、単一の遅い軸の円柱レンズ１８４は、横列１４８全体からの光を平行にします。平行ビーム２１０は結果です。２Ｄスタックアレー１４０全体からの速い軸の光は、円筒状の光学アセンブリ２３０の使用を通じて適切なビーム寸法およびＮＡに集束される。円筒状の光学アセンブリは複数の部材からなり、最小で、負有効焦点距離円柱レンズ２２０に続けられる正有効焦点距離円柱レンズ２１４である。追加的な正および負のレンズ２１８は光学の収差を低減下するために、正有効焦点距離円柱レンズ２１４と負有効焦点距離円柱レンズ２２０との間に加えることができます。

放射線２２６の生じる出力束では、各エミッター１００からの光は速い軸であり、適切な寸法および全光線束２２６に集束されて、光ファイバ１６８あるいは他のタイプの光学系に対して効率的なカップリング用の所望のＮＡを持っている。横列１４４はそれぞれ、そのとき、所望の直径およびＮＡへの単一の円柱レンズ１６４によって集束された遅い軸である。横列１４４はそれぞれ個々の光ファイバ１６８につながれる。各横列によって定義された境界内の遅い軸ビーム直径を維持するリレー・レンズの役割をするために、追加の遅い軸円柱レンズは、設計に組み入れてもよい。このファイバの直径およびＮＡは、単一のエミッター１００の横列の光学的処理に基づいて輝度を合わせるように選ばれる。２Ｄスタックアレー全体からをつながれたファイバ出力１００は、光ファイバ３１２と、アレー中の横列１４４の数とが１：１になるような光ファイバ３１２からなっている。この実施例も、この目的を成し遂げる1つの方法であることが注意されるべきである。追加の光学の要素は遅い軸か速い軸、あるいは両方を加えることができる、それ、光学性能を改善する、つまり、光学の効率を犠牲にして、収差を低減下する。さらに、光ファイバへこのシステムからの出力光を排他的に連結する必要はない。このシステムからの出力光も多くの異なる光学系に連結してもよい。

オリジナルの配列より大きな明るさ価値は、極性化およびスペクトルの結合のような技術で達成することができます。図８は、構造１５８の極性組合遅い軸の方向１１６を示す。構造１５８は、置換プリズムとして配置の中で適応させられたそのような方解石またはイットリウムのバナジウム酸塩ＹＶＯ４のような複屈折の材料１５０の基板から成る。
標準置換プリズムにおいて、直角の極性化の入力ビームは単光束方式へ組み合わせられる。これらの置換プリズムは、いくつかの異なるサプライヤーから容易に利用可能です。材料用の置換プリズムの厚さＬ、そのような方解石は、距離Ｐの入力ビームの入射分離によって決定されます。レーザダイオードバー１２０からの入射光束がすべて同じ極性化方向１５８を持つので、多くの半波長板１５４は、置換プリズム１５０に隣接しているアレーに置かれた極性化の入射面に４５度を向いている。半波長板１５４はレーザダイオードビームのすべての他の横列に影響するように置かれる。空気またはグラスのスペーサー１５３は極性回転がないために、他の横列位置に置かれない。この配置では、奇数横列において、ビームの極性化が、それらの元の向きについて９０度の角度１５９で回転される。ビームの隣接した横列が材料の複屈折特性を通り抜けたとしても、極性化は影響されず、他方はその向きおよび複屈折の特性によって決定された角度で屈折する。材料の厚さは、ビームの隣接する横列の出力が同一線形方向に移動する組み合わされた出力１６０を形成するために重ねられるように選ばれる。ビーム列中において、隣接した２横列からの輝度は１つの光ファイバへ組み合わせられ、描かれます。その結果、２Ｄアレーの出力光を運ぶのに必要な光ファイバの数は、２の因数によって減じられる。極性組合構造は、ビーム経路のいかなる場所にも置くことができが、個々のビームの分岐が最小にある位置にむしろ置かれます。

図９ａおよび９ｂは、図７ａおよび７ｂの中で描かれたそれに似ている具体化を示しますが、ビーム経路と平行な領域に置かれたアセンブリ１５８を組み合わせる極性化を含んでいる。横列を結合の結果、出力ファイバ束３１２は、図７ａおよび７ｂの構成の折半のファイバの数を有している。

図１１ａおよび１１ｂが、２Ｄスタックアレー１４０の出力ビームを組み合わせるための他の代替実施例における速く軸と遅い軸を示している。２Ｄスタックアレー１４０は個々のエミッター１００の複数のマルチストライプバー１２０を有しており、その個々のエミッター１００は、横列または横方向１４８が単一マルチストライプバー１２０の上に写真平板技術的に定義されるようなものからなるように、整列される。マルチストライプバー１２０もまた、横列または横列の方向144がマルチストライプバー１２０の多様性から、個々のエミッター１００の多様性によって形成されるように、整列される。この実施例において、２Ｄスタックアレー1４０は、個々のエミッター１０２方向が他の単一のエミッター１００のすべてと平行となるように並べられる。

速い軸１１８および遅い軸１１６の視準化は以下のように遂行される。速い軸の円柱レンズ１８０は、縦列１４４の全体からの光を平行にする。また、遅い軸の円柱レンズ１８４は、横列１４８の全体からの光を平行にし、平行ビーム２１０が得られる。２Ｄスタックアレー１４０全体からの速い軸の光は、円筒状の光学アセンブリ２３０の使用を通じて適切なビーム寸法およびＮＡに集束される。円筒状の光学アセンブリは複数の部材であって、最小で、負有効焦点距離円柱レンズ２２０に続けられる正有効焦点距離円柱レンズ２１４からなる。追加的に正および負レンズ２１８は光学収差低減のために、正有効焦点距離円柱レンズ２１４と負有効焦点距離円柱レンズ２２０との間に加えることができる。光線２２６が生じる出力束では、各エミッター１００からの光は適切な大きさで集束される速い軸であり、光線226の全体の束は、光ファイバ168あるいは他のタイプの光学系に対して効率的に結合するための所望のＮＡを持っています。

遅い軸方向においては、極性アセンブリ１５９は横列が２つの横列のグループで極性が組み合わされるように設計される図９ａおよび９ｂとは異なっている。言いかえれば、直ちに隣接する２つの横列のグループからの光が、隣接している隣の２つの横列グループからの光と極性的に結合される。これは、２つの隣接する横列からの光を回転する波長板を有することと、そして２つの隣接した横列を隣に隣接した２つの横列とを組み合わせるための適切な光学距離の複屈折の置換プリズムの使用によって実現される。この技術は、適切に分類された波長板および複屈折の置換プリズムと共に、各グループ中の横列の任意の数に適用することができます。図１１の中で例証された具体化では、その後、隣接して平行にされた２つの横列は、所望の直径および開口数を備えた1つのファイバ１６８に遅い軸の円柱レンズ１６５を使用して集束させる。要求されたファイバ３１３の数は、図９の実施例のそれに似ていて、半分に減らされる。この多重横列集束技術は、２以上の横列に適用することができる。例えば、３以上の横列を備えたグループでは、この技術を使用して組み合わせてもよい。

ファイバあるいは他の光学系の中への一つのマルチストライプレーザダイオードバー１２０を連結する際に、個々のレーザダイオード放射領域１００は横列または横列の方向１４８を作成するように並べられ、それがＳＢＵの生成、および光ファイバあるいは他の光学系の中への光の効率的なカップリング用の横列または横列の方向１４４を作成すると望まれる場合となる問題が生じる。図４ａおよび４ｂは、ｓの単一のマルチストライプレーザダイオードバー１２０からの出力を組み合わせるために代替の実施例についての速くい軸と遅い軸とを示している。冷却基板１２８上に取り付けられた、電気的並列接続１２４を備えたマルチストライプレーザダイオードバー１１６からの放射は、速い軸平行光学系１８０および遅い軸平行光学系１８４で集められる。その後、平行ビーム１８６は、各ビームに対して９０度の画像回転を生じる回転アレー１８８を通り抜ける。限定されるものではないが、この画像回転を遂行するための一般に容認された方法は、ドーブプリズム、アッベコレニグプリズム、３つ直角ミラー反射の利用である。図５は、縦列方向１００から横列方向１００への変形を概略的に示している。回転配列の使用は、円筒状の光学アセンブリ１９２による変形の準備に列または列の方向１４８からマルチストライプレーザダイオードバー１２０を横列または横列の方向１４４に転換します。この円筒状の光学アセンブリ１９２は、負有効焦点距離円柱レンズ１９８が後続する正有効焦点距離円柱レンズ１９４とからなる複数の部材による光学の装置である。追加の光学用レンズ２０２は収差低減のために正有効焦点距離円柱レンズ１９４と負有効焦点距離円柱レンズ１９８との間で追加することができます。補足レンズ２０６は、マルチモードファイバ２０８と一致するために適切なビームサイズおよびＮＡへの遅い軸方向に集束させる。

この発明の原理が適用されうる多くの可能な実施例を考慮して、ここに図面を参照して述べられた実施例は、実施例として表されているにとどまり、本願発明の範囲を制限するために単に理解されるべきではない。本願発明の本願発明の本旨から外れない範囲において、表された実施例の変形は許される。したがって、ここに述べられる発明は、それの次のクレームおよび等価物の範囲内をも含む。

速い軸と遅い軸とを有し、単一であってブロード領域半導体レーザダイオードの幾何形状を表した概略図である。 一次元配置のアレーにおける複数のブロード領域半導体レーザダイオードを表した概略図である。 図１ｂに示したタイプの複数のレーザバーを重ねることにより形成された二次元配置のレーザレーを表した概略図である。 速い軸と遅い軸とに沿った図であって、遠視野の出力方向が互いに平行に配置されるように、個々のレーザダイオードの個別の配置が早い軸方向に縦列として配置されている構造を表した図である。 速い軸と遅い軸とに沿った図であって、遠視野の出力方向が互いに平行に配置されるように、個々のレーザダイオードの個別の配置が早い軸方向に縦列として配置されている構造を表した図である。 個々のエミッタのビームがファイバ入口の開口上で広がっている状態を速い軸と遅い軸とで示した概略図である。 個々のエミッタのビームがファイバ入口の開口上で広がっている状態を速い軸と遅い軸とで示した概略図である。 図１（ｂ）におけるレーザダイオードのように、単一のレーザダイオードからの出力を組み合わせるための速い軸と遅い軸との図を示した概略図である。 図１（ｂ）におけるレーザダイオードのように、単一のレーザダイオードからの出力を組み合わせるための速い軸と遅い軸との図を示した概略図である。 図４ａおよび図４ｂのレーザレーからのビームの回転変換を示した概略図である。 速い軸と遅い軸との図であって、第一実施例に応じてレーザダイオードの積み重ねからの出力の組み合わせを示した該略図である。 速い軸と遅い軸との図であって、第一実施例に応じてレーザダイオードの積み重ねからの出力の組み合わせを示した該略図である。 速い軸と遅い軸との図であって、第二実施例に応じてレーザダイオードの積み重ねからの出力の組み合わせを示した該略図である。 速い軸と遅い軸との図であって、第二実施例に応じてレーザダイオードの積み重ねからの出力の組み合わせを示した該略図である。 偏光組み合わせによって隣接する縦列のビームから出力ビームを組み合わせる構成を示した概略図である。 速い軸と遅い軸との図であって、偏光組み合わせアセンブリ挿入で、図７ａにおける実施例を示した該略図である。 速い軸と遅い軸との図であって、偏光組み合わせアセンブリ挿入で、図７ｂにおける実施例を示した該略図である。 各々がレーザダイオードの２次元アレーを有する複数のレーザモジュールを利用したシステムの実施例であって、そのレーザモジュールが単一の強力出力ビームを提供するためにスペクトル合成されている状態を示した該略図である。 ２次元のレーザレーの縦列から出力ビームを組み合わせる偏光合成に利用する別の実施例を示した該略図である。 ２次元のレーザレーの縦列から出力ビームを組み合わせる偏光合成に利用する別の実施例を示した該略図である。

Claims (23)

1. レーザ光発生装置であって、
   縦列と横列とに配置されたレーザダイオードを有する２次元配置のレーザレーであって、該２次元配置のレーザダイオードの各々は該縦列の方向に画定される速い軸と、該横列の方向に画定される遅い軸とを備える該２次元配置のレーザレーと、
   該２次元配置のレーザレーの該縦列のうちの少なくとも一つの列のレーザダイオードによって発生されたレーザ光を光ファイバの入口端に描く光学アセンブリとを備えるレーザ光発生装置。
2. 請求項１に記載のレーザ光発生装置であって、前記該２次元配置のレーザレーの該縦列のうちの少なくとも一つの列のレーザダイオードによって発生されたレーザ光を光ファイバの入口端に描く光学アセンブリはまとめられたビームを形成し、該縦列の方向にまとめられたビームの明るさは該横列の方向にまとめられたビームの明るさとほぼ等しいことを特徴とするレーザ光発生装置。
3. 請求項１に記載のレーザ光発生装置であって、該光学アセンブリは、該２次元配置のレーザレーの該縦列のうちの少なくとも二つの列のレーザダイオードによって発生されたレーザ光を光ファイバの入口端に描くことを特徴とするレーザ光発生装置。
4. 請求項１に記載のレーザ光発生装置であって、該２次元配置のレーザレーのうちのレーザダイオードによって発生されたレーザ光は、光学アセンブリによって複数の光ファイバに描かれ、該光学アセンブリは、該２次元配置のレーザレーと該複数の光ファイバの入口端との間に配置される複数の光学部材を有することを特徴とするレーザ光発生装置。
5. 請求項４に記載のレーザ光発生装置であって、該光学アセンブリは、該２次元配置のレーザレーの縦列のうちの２つの縦列の組のレーザダイオードによって発生されたレーザ光は一の光ファイバに描かれるように、該２次元配置のレーザレーの縦列のうちの２つの縦列の組のレーザダイオードによって発生されたレーザ光を組合わせる少なくとも一つの光学組合器を備えることを特徴とレーザ光発生装置。
6. 請求項５に記載のレーザ光発生装置であって、該光学組合器は偏光組合器であることを特徴とレーザ光発生装置。
7. 請求項４に記載のレーザ光発生装置であって、さらに、該複数の光ファイバを単一のファイバにまとめるファイバ組合器を有することを特徴とするレーザ光発生装置。
8. 請求項１に記載のレーザ光発生装置であって、該２次元配置のレーザレーは、一次元配置のレーザダイオードバーであって、各々のレーザダイオードバーには複数のレーザダイオードが形成さるレーザダイオードバーを有し、前記各々のレーザダイオードバーが該２次元配置のレーザレーの横列を形成していることを特徴とするレーザ光発生装置。
9. 請求項８に記載のレーザ光発生装置であって、該レーザダイオードバーは、ともに、積み重ねられていることを特徴とするレーザ光発生装置。
10. 請求項８に記載のレーザ光発生装置であって、該レーザダイオードバーは、出力の方向角が分散するようにともに配置されていることを特徴とするレーザ光発生装置。
11. レーザ光発生方法であって、
    縦列と横列とに配置されたレーザダイオードを有する２次元配置のレーザレーであって、該２次元配置のレーザダイオードの各々は該縦列の方向に画定される速い軸と、該横列の方向に画定される遅い軸とを備える該２次元配置のレーザレーを励起する工程と、
    該２次元配置のレーザレーの該縦列のうちの少なくとも一つの列のレーザダイオードによって発生されたレーザ光を光ファイバに描く工程とを備えるレーザ光発生方法。
12. 請求項１１に記載のレーザ光発生方法であって、前記描く工程では、該光ファイバにまとめられたビームを形成し、該縦列の方向にまとめられたビームの明るさは該横列の方向にまとめられたビームの明るさとほぼ等しいことを特徴とするレーザ光発生方法。
13. 請求項１１に記載のレーザ光発生方法であって、前記描く工程では、該２次元配置のレーザレーの該縦列のうちの少なくとも二つの列のレーザダイオードによって発生されたレーザ光を光ファイバの入口端に描くことを特徴とするレーザ光発生方法。
14. 請求項１３に記載のレーザ光発生方法であって、前記描く工程では、該２次元配置のレーザレーのうちのレーザダイオードによって発生されたレーザ光を複数の光ファイバに描くことを特徴とするレーザ光発生方法。
15. 請求項１４に記載のレーザ光発生方法であって、前記描く工程では、該２次元配置のレーザレーの縦列のうちの２つの縦列の組のレーザダイオードによって発生されたレーザ光は一の光ファイバに描かれるように、該２次元配置のレーザレーの縦列のうちの２つの縦列の組のレーザダイオードによって発生されたレーザ光を組合わせることを特徴とレーザ光発生方法。
16. 請求項１４に記載のレーザ光発生方法であって、さらに、該複数の光ファイバを通過するレーザ光を単一のファイバにまとめることを特徴とするレーザ光発生装置。
17. レーザダイオードからレーザ光のビームを発生するシステムであって、
    各々が２次元配置のレーザレーと、光学アセンブリと、複数の光ファイバとを備える複数のレーザモジュールであって、該複数のレーザモジュールの該２次元配置のレーザレーは縦列と横列とに配置されたレーザダイオードを有する２次元配置のレーザレーであって、該２次元配置のレーザダイオードの各々は該縦列の方向に画定される速い軸と、該横列の方向に画定される遅い軸とを備え、該光学アセンブリは、該２次元配置のレーザレーのレーザダイオードによって発生されたレーザ光を複数の光ファイバに描き、該２次元配置のレーザレーの該縦列のうちの少なくとも一つの列のレーザダイオードによって発生されたレーザ光が該複数のレーザモジュールのうちの一つの複数の光ファイバに描かれる該複数のレーザモジュールと、
    複数のファイバ組合器であって、各ファイバ組合器は、レーザモジュールの複数の光ファイバに接続され、該複数の光ファイバを一の組み合わされた光ファイバにまとめる複数のファイバ組合器と、
    該ファイバ組合器から該一の組み合わされた光ファイバを受けるスペクトル組合器であって、該複数のレーザモジュールによって発生されたレーザ光が最終的な出力光ファイバにスペクトル的に組み合わされるようなスペクトル組合器とを備えるレーザ光発生システム。
18. 請求項１７に記載のレーザ光発生システムであって、各レーザモジュールの光学アセンブリは該２次元配置のレーザレーの該縦列のうちのレーザダイオードによって発生されるレーザ光を前記各レーザモジュールの光ファイバの入口端に描くことを特徴とするレーザ光発生システム。
19. 請求項１８に記載のレーザ光発生システムであって、各レーザモジュールアセンブリの光学アセンブリは、該２次元配置のレーザレーと各レーザモジュールの光ファイバの入口端との間に配置される複数の光学部材を有することを特徴とするレーザ光発生システム。
20. 請求項１９に記載のレーザ光発生システムであって、各レーザモジュールの光学アセンブリは、該２次元配置のレーザレーの隣接する２つの縦列中のレーザダイオードによって発生されたレーザ光であって、前記２つの縦列中のレーザダイオードによって発生されたレーザ光が前記各レーザモジュールの光ファイバに描かれるように該レーザ光を組み合わせる少なくとも一つの組合器を有することを特徴とするレーザ光発生システム。
21. 請求項２０に記載のレーザ光発生システムであって、各レーザモジュールは、一次元配置のレーザダイオードバーであって、各々のレーザダイオードバーには複数のレーザダイオードが形成さるレーザダイオードバーを有し、前記各々のレーザダイオードバーが前記各レーザモジュールの該２次元配置のレーザレーの横列を形成していることを特徴とするレーザ光発生システム。
22. 請求項１８に記載のレーザ光発生装置であって、各レーザモジュールの該レーザダイオードバーは、ともに、積み重ねられていることを特徴とするレーザ光発生装置。
23. 請求項２１に記載のレーザ光発生装置であって、各レーザモジュールの該レーザダイオードバーは、出力の方向角が分散するようにともに配置されていることを特徴とするレーザ光発生装置。

Images