JPH10502746A - 広面積レーザーダイオードの射出ビームの対称性を改良するための光学システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学システム（２０）が開示され、これはレーザーダイオードから射出されたビーム（１０）の輝度対称性を改良するためのものであり、ここでビーム（１０）は大きな幅（Ｗ）と狭い高さ（Ｈ）を有する。光学システム（２０）は、ビームの幅の一方の半分を下方へ置換するための偏向板（２２）を含む。第一のビーム方向付けプリズム（３０）は、ビーム幅の残りの第二の半分（１４）を幅寸法に対して平行な面へ偏向するように作用して、第二の半分（１４）を第一の半分（１２）へ向かって進行させる。第二のビーム方向付けプリズム（３２）は、ビームの第二の半分（１４）に偏向を与えることにより、第二の半分（１４）の伝搬軸が第一の半分（１２）の伝搬軸に対して平行をなし、ここで第二の半分（１４）は第一の半分（１２）上に積層されている。光学システム（２０）は、ビーム（１０）の輝度対称性を係数５で改良するように作用する。補正されたビームは、固体レーザー（１１２）の性能を改良するために使用可能であり、この固体レーザー（１１２）は、広領域レーザーダイオード（１０６）またはレーザーダイオードバーにより端部励起される。

Description

【発明の詳細な説明】広面積レーザーダイオードの射出ビームの対称性を改良するための光学システム 技術分野 本発明は、広面積レーザーダイオードにより発生した出力ビームの輝度対称性 を改良するための光学システムに関する。この光学システムは、広域レーザーダ イオードまたはレーザーダイオードバーを、固体レーザーの端部励起に用いた場 合のシステム効率の改良のために特に適している。発明の背景 ここ十年間に亘り、レーザーダイオードを用いて光学的に励起される固体レー ザーシステムの面積における重要な発展がなされてきた。レーザーダイオードは 励起源として望ましいが、これはレーザーダイオードが小型であり、しかもフラ ッシュランプのような他の光源が遭遇する加熱の問題を生じないためである。レ ーザーダイオードからの光は、比較的に効率的な縦励起または端部励起形態を可 能とするように合焦させることもできる。 レーザーダイオードを使用するためには、幾つかの不都合も存在する。一つの 重要な問題は、レーザーダイオード（特に高パワーレーザーダイオード）が線形 状の射出面積を有するので、非対称出力、即ち幅が高さよりも非常に大きな出力 が生成されてしまうことである。レーザーシステムを励起させるダイオードにお いては、最大効率は、レーザーダイオードのモード体積がレーザー共鳴器の循環 モードと充分に整合した際に達成される。 理論的には、ビームの循環モードは比較的に対称であるので、ＴＥＭ₀₀または 基本モード出力を発生できる。従って、高度に非対称なレーザーダイオード出力 ビームを変更し、対称共鳴器ビームに整合させるために重要な労力が要求されて きた。 実際問題として、レーザーダイオードの非対称出力の変更における最大の労力 は、ビームの「空間」対称性の改良に向けられる。プリズムやレンズなどの様々 な光学要素を用いると、ビームのアスペクト比を変更できる。残念ながら、空間 非対称性は問題の一部分にすぎない。更に詳しくは、広面積エミッタは、甚だし い「輝度(brightness)」または「放射輝度(radiance)」非対称性をも有する。輝 度(brightness)は、単位立体角についての面積あたりの光子の数として定義され 、面積と発散角との積に対して逆比例する。典型的な高パワーレーザーダイオー ドにおいては、狭い高さ寸法における発散が幅寸法における発散よりも大きい。 しかしながら、幅寸法が高さ寸法よりもかえって大きいので、高さ寸法における 輝度は、依然として幅寸法におけるよりも百倍も大きくなることができる。励起 効率を最大にする目的では、輝度非対称性を最小化することが望ましいであろう 。 残念ながら、これら輝度における非対称性は、空間非対称性を補正するために 使用される基本的な光学要素では変えることができない。更に詳しくは、基本的 な光学システムがビームの幅を縮小するために用いられた場合、発散は比例的に 増大する。増大が可能であるために、幅と発散との積は依然として同じであるの で、輝度には効果がない。それ故、改良された光学システム、即ち空間非対称性 を変更するのみならず輝度対称性をも充分に変更する結果、高パワーレーザーダ イオードをレーザー励起に使用可能とする光学システムの必要性が生じる。 従って、本発明の一つの目的は、広面積レーザーダイオードまたはレーザーダ イオードバーの出力の輝度対称性を改良するための光学システムを提供すること である。 本発明の他の目的は、広面積レーザーダイオード出力のモード特性対称性を改 良するための光学システムを提供することである。 本発明の更なる目的は、広面積エミッタの出力の対称性を改良し、このエミッ タを利得媒体または光ファイバーのような対称形ターゲットの端部に一層に効率 的に結合可能とするための光学システムを提供することである。 本発明の更に他の目的は、固体レーザーを励起して一層の高出力パワー発生を 可能とするダイオードレーザーを提供することである。発明の概要 上述した目的及び他の目的に鑑みて、本発明が提供する光学システムは、広面 積のエミッタまたはレーザーダイオードバーの対称性を改良する結果、幅方向軸 における輝度を実質的に増大可能であり、光エネルギーを対称形ターゲットへ一 層に効率的に結合させることができる。本発明の光学システムは、ビームを幅寸 法に沿って二つに均等分割するように作用する。その一方の半分ビームは下方に 置かれる。ビームの残りの半分は、上方へずらされる結果、第一の半分の上に積 層され、平行な伝搬軸に沿って進行する。 この試みを用いると、ビームの全幅は、一つの半分ビームにより縮小されるが 、高さは二倍にされる。ビームの部分が単にずらされているのみ（しかも新たな 形状にはされていない）ので、発散は変化しない。更に、幅寸法における面積は ５０％に減少されるが、発散は依然として同じであるので、幅寸法における輝度 は二倍にされる。本システムはビームの空間対称性と輝度対称性とを共に改良す るように作用するので、端部励起されたレーザー利得媒体におけるモード体積の ような対称形ターゲットに、ビームを一層に効率的に適合させることができる。 好適実施例においては、偏向板がビームの第一部分に整列され、この第一部分 を、高さ方向軸に対して平行をなす方向へ置換させるように作用する。第一のビ ーム方向付けプリズムは、ビームの残りの第二の部分に整列され、このビームを 角度的に偏向させて第一の部分へ向かわせるように作用する。ひとたび第二の部 分が第一の部分と交差すると、第二のビーム方向付けプリズムが、ビームを対向 する方向へ角度的に偏向させるので、両ビーム部分が平行な伝搬軸に沿って進行 する。 本光学システムは、広面積エミッタからの光を固体レーザー共鳴器へ結合する ために使用される。このシステムは、レーザーの出力パワーを二倍にさせる能力 を持つ。 本発明の更なる目的と利点は、添付図面に関連してなされる以下の説明から明 らかにされる。図面の簡単な説明 図１は広面積ダイオードにより発生された非対称ビームの断面図である。 図２は、図１に示された非対称ビームの輝度対称性を改良するための本発明の 光学システムの斜視図である。 図３は、ビームの第一部分を下方へ置換させるために使用される偏向板の上面 図である。 図４は、ビームの第一部分を下方へ置換させるために使用される偏向板の側面 図である。 図５は、ビームの第二部分をビームの第一部分の上面上へずらすために使用さ れるプリズム対の上面図である。 図６は、ビームの第二部分をビームの第一部分の上面上へずらすために使用さ れるプリズム対の側面図である。 図７は、本発明の光学システムを通過した後の図１のビームの断面図である。 図８は、非対称ビームの輝度対称性を改良するための本発明の光学システムの 他の実施例の斜視図である。 図９は、本発明の光学システムを使用して固体レーザーを励起するダイオード の好適実施例の上面図である。 図１０は、本発明の第二の光学システムを通過した後の図７のビームの断面図 である。 好適実施例の詳細な説明 図１を参照すると、出力ビーム１０の断面図が示されており、このビーム１０ は典型的には広面積(broad area)レーザーダイオードにより発生される。商用の ４Ｗレーザーダイオードについての幅対高さの比は、５００対１のオーダーであ る。幅方向軸における発散は約２０度であり、一方、高さ方向軸における発散は 約３０度である。これは結果的に、その輝度対称性において１００対１を越えさ せる。充分に大きな非対称性形態を持つ出力ビームは、レーザーダイオードバー により発生される。 この輝度非対称性は、本発明の光学システム２０により改良できる。更に詳し くは、図２乃至図６に示されるように、本光学システムは、ビームの一部分を下 方へ置換させるための第一要素２２を含む。図３及び図４に最もよく示されるよ うに、要素２２はビーム１０の全高を遮るように位置しており、第一の部分１２ はビーム幅の概ね半分に等しい。この好適実施例において、要素２２は立方形偏 向板(cubic tilt plate)により規定され、この立方形偏向板は、対向する平行面 ２４及び２６を有する。面２４及び２６には反射防止コーティングを施すべきで ある。入力面２４にて生じる屈折は、ビーム部分１２を下方へ偏光させる。出力 面２６にて生じる屈折は、ビーム部分１２を新たに方向付ける結果、その伝搬軸 は、入力ビーム１０に対して平行であるものの、入力ビーム１０の下方へ置換さ れる。 本発明はビーム１４の第二部分を第一部分１２の上方へずらす光学手段を更に 含むので、ビームの双方の部分は、図７の断面図に示されるように、積層された 形態にて、平行な伝搬軸に沿って進行する。第一実施例において、ビームをずら すための光学手段は、一対のビーム方向付けプリズム３０及び３２を含む。第一 のプリズム３０は、ビームの幅の第二の、即ち残りの部分１４に整列されている 。プリズム３０の入力面３４は、ビームの伝搬軸に対して垂直をなすように整列 されている。出力面３６は斜角を形成しており、これに起因してビームは、図２ 及び図５に示されるように、幅方向軸に対して平行な面に屈折される。偏向角は ２０度と４０度との間であり、好ましくは２５度と３５度との間である。 ビームの部分１４の屈折により、ビームは第一部分１２へ向かって進行する。 プリズム３２は、部分１４が部分１２上に交差する空間的位置に配置されている 。このプリズム３２が、ビーム１４を対向する方向へ角度的に偏向させる結果、 伝搬軸は、初期伝搬方向に対して平行をなし、且つ部分１２の伝搬軸に対して平 行をなす。 プリズム３２は、好ましくはプリズム３０と同一の構造である。付言すれば、 プリズム３０の出力面３６及びプリズム３２の入力面４２は、ビームの偏光状態 に関するブリュスター角に置かれる。この配置構成によれば、反射防止コーティ ングの必要性を伴うことなく、透過が最大化される。好ましくは、プリズム３０ の入力面３４及びプリズム３２の出力面４４に反射防止コーティングを施し、透 過を最大化させる。 図２及び図６に明らかなように、プリズム３２はビーム部分１２の上方に位置 させねばならないので、部分１２からのエネルギーのうち、プリズム３２により 遮断されて再度に方向付けられるものは僅かか、全く無いかである。アライメン トを容易にするために、要素は、上部部分１２と下部部分１４の間に小さな間隙 Ｇを与える形態にされる。この配置構成によれば、散乱損失が最小化される。 光学システム２０の出力は図７に示されている。図から明らかなように、ビー ムの二つの部分（１２，１４）は積層され、且つ平行な伝搬軸を有する。ビーム の全幅は５０％に縮小されるが、発散は依然として変化しない。この理由のため に、幅方向軸における輝度は二倍とされる。更に、この軸におけるビームのモー ド特性も係数２により改良される。逆に言えば、ビームの高さが二倍以上にされ 、これは、高さ方向軸における輝度を少なくとも係数２で減少させる。従って、 本光学システムは輝度対称性における少なくとも四倍の改良を提供できる。 偏向板及びプリズム対の使用は、本システムを実行するために望ましい試みと 考えられるが、他の変形も可能である。例えば、ビーム部分１２は、単独の偏向 板に代えて、一対のプリズムにより下方へ置換させることができる。一対のミラ ーを用いて同じ結果に到達することもまた可能である。同様に、一対のミラーを 用いて、プリズム３０、３２の位置におけるビーム１４の第二部分を角度的に偏 向させることもできる。 他の代替例を図８に示す。上記第一実施例におけるように、偏向板２２を用い てビームの第一部分１２を下方へ偏向させている。第一実施例とは異なり、ここ では一対のプリズムが第二部分１４を方向付けるために用いられ、偏向板５０が その作用を果たす。偏向板５０は、偏向板２２と同様な形態を有する。しかしな がら、偏向板５０の入力面５２は、ビームの幅方向軸についてよりもむしろ高さ 方向軸について回動されている。この配置構成によれば、ビーム部分１４が入力 面５２に入射する際に、ビーム部分１４は幅方向軸に対して平行な面における出 力面５４へ向かって屈折する。ビーム部分１４が出力面を透過する際、ビーム部 分１４は屈折してもとに戻るので、その伝搬軸は第一部分１２の伝搬軸に対して 平行をなし、二つの部分は、積層されて整列された形態で進行する。 この代替的な実施例においては、偏向板５０を第一の偏向板２２から下流に配 置させる必要がある。図から明らかなように、偏向板５０の出力面５４は、ビー ムの第一部分１２が第一の偏向板２２と相互作用するに先だって進行する空間面 積に整列させねばならない。従って、二つの偏向板は、第一実施例の偏向板２２ 及びプリズム３０について示した方式で並べて配置することはできない。 図９は、縦励起された固体レーザー１０２における光学システム２０の第一実 施例の使用を示す。レーザー１０２の共鳴器は単一指向性リングであり、これに ついては米国特許第５,０５２,８１５号に詳細に説明されている。共鳴器組立体 の詳細は米国特許第５,１７０,４０９号に説明されている。この米国特許第５, １７０,４０９号に記載されたレーザー組立体と本発明との間の原理的な差異は 、ビームの輝度対称性を改良するための光学的組立体２０の使用に関する。上記 に引用した特許の教示によって製作されたレーザーは、本願の譲受人であるCohe rent，Inc．（コヒーレント インク）により、商標ＤＰＳＳと共にスター(STAR )共鳴器として市販されている。このレーザーの要素は本明細書に簡単に説明さ れている。更なる詳細については上記に引用した特許に見ることができる。 図９に示すように、レーザー共鳴器は第一のミラー１０４を含み、このミラー は、レーザーダイオード１０６からの８０８ｎｍ励起ビーム放射を透過可能であ り、循環放射を反射可能である。共鳴器は第二のミラー１０８をも含み、このミ ラーは出力カプラとしての役割をも果たす。固体利得媒体１１２は共鳴器内に配 置されている。商用の態様においては、利得媒体はＮｄ：ＹＡＧ（ネオジム：イ ットリウム・アルミニウム・ガーネット）から形成されている。米国特許第５, ０５２,８１５号に説明されているように、ＹＡＧ結晶は屈折面を伴って形成さ れ、この屈折面は、単に二つの反射ミラーで形成されるべきリング共鳴器を可能 とする。 レーザー１０２の共鳴器は更に、非線形周波数倍増結晶１２０を含む。商用の 態様においては、結晶はＫＴＰから形成される。本実施例では、双方のミラー１ ０４、１０８は基本波長（１.０６ミクロン）における最大反射力のためにコー ティングされている。ミラー１０８は周波数倍増放射の出力結合を最大化させる ５３２ｎｍ放射までの高い透過力（約９５％）を持つ。利得媒体１１２はレーザ ーダイオード１０６からの光で励起される。以前の商用態様においては、ＳＤＬ 社により製造された２ワット広面積レーザーダイオードを用いて５３２ｎｍにお ける２００ｍｗの定格出力を発生させていた。この出力を増大させる労力におい ては、一層に強力な励起レーザーが利用されていた。ここに説明される 好適実施例においては、ＳＤＬ社により製造された４ワット広面積レーザーダイ オード（ＳＤＬ モデル ２３８２−Ｐ１）を使用する。このダイオードレーザ ーは、高さが概ね１ミクロンで幅が５００ミクロンの拡張された出射面積を有す る。高パワーダイオードからの光を共鳴器へ効率的に結合させる目的で、本発明 の光学システム２０が開発された。 従来技術の結合配置構成と同様に、ダイオード１０６からの光は先ずレンズ１ ３０によりコリメートされる。レンズ１３０は、ビームの大きさを概略的に高さ が２ｍｍで幅が３ｍｍに変化させる効果を有する。次いで、ビームは一対のプリ ズム１４０及び１４２により歪像的に拡大される。この一対のプリズムを通過し た後、ビームは依然として約２ｍｍの高さを有するが、その幅は約１０ｍｍへ拡 長される。ビームが拡長されるので、ついにはレンズ１５０による一層に小さな スポットへ合焦させることができる。 このビームは次いで、本発明の光学システム２０を通過する。先に記したよう に、偏向板２２はビーム１０の第一部分１２を下方へ置換させるように作用する 。好適な偏向板は、０.５インチ角のＢＫ−７ガラスから形成可能である。第一 ビーム方向付けプリズム３０は、ビームの第二部分１４を、ビームの幅方向軸に 対して平行な面へ角度的に置換させる。好適実施例においては、置換角度は３０ .５度である。補充的なビーム方向付けプリズム３２が、ビーム部分１４を再び 置換させるように作用する結果、ビーム部分１４の伝搬軸はビーム部分１２の伝 搬軸に対して平行をなす。ビームの積層された部分（図７に示す）はレンズ１５ ０へ伝搬する。レンズ１５０は、利得媒体内のレーザー共鳴器のモード体積へビ ームを合焦させるように作用する。 レーザーの出力パワーを最大にするために、且つ高入力パワーの利点を得るた めに重要なことは、光学システム２０の透過特性が比較的に高い（少なくとも８ ０％）ことである。この目的を達成する一つの方法は、構成要素が散乱損失を減 少するように配置されることを補償する。好適実施例においては、プリズム３０ 及び偏向板２２が互いに装着されている。接着剤の薄層が構成要素を互いに張り 付けるように使用されるので、接合箇所は狭く、透過損失は最小化される。 興味深いことに、実験的に用いられたＳＤＬダイオードの出力射出パターンは 、中央に位置して幅方向に最小に延在する輝度を持つことが注目される。最小の 物理的面積は、５００ミクロンのレーザーダイオード射出面積の中心に位置する ５０ミクロンの空間である。この最小における偏向板とプリズムとの間の機械的 結合の配置により、ビーム散乱損失を更に減少させることができる。歪像プリズ ム１４０及び１４２から下流の光学システム２０の配置もまた散乱損失の減少を 付助する。更に詳しくは、プリズムがビームを幅方向に拡張するので、一層に少 量のエネルギーが、偏向板とプリズム３０との間の干渉に利用される。光学シス テムは二つの歪像プリズムの間にも配置し得ることに注目すべきであるものの、 幾らかの付加的な散乱損失が予想される。 干渉におけるビーム散乱を減少する他の試みとしては、図９に示される配置を 、光学システム２０の前方に板１６０（図９では仮想線で示す）を挿入すること により変更できる。板１６０はブルースター角に置くことができ、一方の半分ビ ームを、偏向板（図８）と同様な方式で横方向（幅方向に対して平行）に置換す るように作用する。従って二つの半分ビームは空間的に離間しており、偏向板２ ２とプリズム３０との間の接続とは交差しない。 先に記したように、伝搬経路をビームの間に生成された間隙Ｇ（図７）のよう に制御することも望ましい。間隙Ｇの大きさは偏向板２２の角度により制御され る。好適実施例においては、偏向板は到来ビームに関して３８度の入射角に設定 され、間隙Ｇは１.４ｍｍのオーダーである。ビームはガウス強度分布を有し、 実際には図に示された鋭い縁を有しないので、この間隙は、ビームの下層部分１ ２の上縁がプリズム３２の下縁により遮られるのを防ぐ。 間隙Ｇの提供の一つの付加的な利点は、ビーム断面の高さ寸法が増加されて、 輝度対称性を更に改良することである。好適実施例においては、ビーム部分の幅 （図７に示す如き）は、５ｍｍのオーダーである。個々の部分の各々の高さは約 ２ｍｍであるので、ビームの全高（１.４ｍｍの間隙Ｇを含む）は約５.４ｍｍで ある。 上記に与えられた寸法に基づいて、輝度対称性における改良を計算できる。更 に詳しくは、高さ寸法におけるダイオード１０６からの射出光の輝度は、幅寸法 における輝度の１００倍以上である。本発明の光学システム２０を通過した後、 幅寸法における輝度が係数２で増加される一方、高さ寸法における輝度は係数２ .５で減少されるので、輝度対称性は係数５で改良される。 レーザーキャビティへの励起パワーを増加させる他の方法も存在することに注 目すべきである。一つの従来技術の試みは、二つのダイオードレーザーを用いて 出力ビームを重ね合わせていた。残念ながら、二つのビームの伝搬軸を重ね合わ せるためには、比較的に複雑で高価な偏光マルチプレックス(multiplex)計画が 必要である。対象的に、本願における技術を用いると、結果的な改良は、単純且 つ低コストの光学要素により達成可能である。実際に、三つの光学要素の全コス トは８米国ドル未満である。 本システムの他の利点は、伝送損失が全く低いことである。実験では、偏向板 及び二つのプリズムにより発生した伝送損失は、単に約３％である。レーザーダ イオード１０６から合焦レンズ１５０への全光学要素の伝送損失は、１０％のオ ーダーである。従って、レーザーダイオードにより生成された光の極めて高い割 合を、利得媒体へ合焦し得る。本光学システム１０の実験的な使用においては、 ４ワットレーザーダイオードを用いて、上述したようにレーザー共鳴器を励起し た。５３２ｎｍにおいて５５０ミリワットの出力パワーが生成された。 先に記したように、本光学システムは係数５で輝度非対称性を改良できる。こ の改良を伴っても、高さ寸法における輝度は、依然として幅寸法におけるよりも 著しく明るい。仮に更なる改良が望まれるならば、ビーム経路に一つ以上の付加 的な光学システム２０をカスケード形態で配置することが可能である。第二のシ ステムの光学要素（図９に仮想線２０ａとして示されている）は、二つのビーム 部分（１２，１４）の高さの組み合わせに少なくとも等しい高さと、５ｍｍビー ム幅の半分に等しい幅とを持ち得る。積層されたビーム部分１２及び１４の経路 に配置された際は、結果的な出力は、図１０に示されるようなパターンにおける 四つの積層されたビーム部分を生成し得る。部分１２ａ及び１４ａは、図７の部 分１２及び１４の右半分から引き出され、一方、部分１２ｂ及び１４ｂは、図７ の部分１２及び１４の左半分から引き出される。図７に示されたビームとの比較 では、部分の幅は５０％に縮小され得るし、全ての部分の全高は５０％以上に増 大し得る。一つの付加的な光学システム２０ａの使用では、ビームの輝度対称性 は、他の係数５で改良可能である。 図示された実施例では、光学要素はビームの幅を半分に分割する形態とされて いるが、他の幾何学的形状の使用も可能である。変形例は、多重の光学要素２０ がカスケード形態に使用されている場合に特に実用的である。この場合の幾何学 的形状は、変更すべきビームの形状、例えば更に丸いビーム形状の形成を可能と するものを使用し得る。 先に記したように、本光学システム２０は、固体利得媒体の縦励起より他の適 用において有益となり得る。例えば、同様な検討事項は、光ファイバーのアパー チュアへ光を発射する試みの際に適切である。従って、本光学システムは、レー ザーダイオードからのエネルギーを遠隔伝送用光ファイバーへ結合させるデバイ スにおける輝度非対称性を改良するために使用することができる。 注意すべきことは、本明細書における下方、上方、下側の如き用語は、単に説 明を単純化するために用いられているのであって、本発明を限定する意図ではな いことである。 本発明について好適実施例を参照して説明したが、等業者には、添付の請求の 範囲に規定された如き本発明の目的と要旨とを変えることなく、様々な変更及び 変形例をなすことが可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年６月６日 【補正内容】 従来技術の結合配置構成と同様に、ダイオード１０６からの光は先ずレンズ１ ３０によりコリメートされる。レンズ１３０は、ビームの大きさを概略的に高さ が２ｍｍで幅が３ｍｍに変化させる効果を有する。次いで、ビームは一対のプリ ズム１４０及び１４２により歪像的に拡大される。この一対のプリズムを通過し た後、ビームは依然として約２ｍｍの高さを有するが、その幅は約１０ｍｍへ拡 長される。ビームが拡長されるので、ついにはレンズ１５０による一層に小さな スポットへ合焦させることができる。 このビームは次いで、本発明の光学システム２０を通過する。先に記したよう に、偏向板２２はビーム１０の第一部分１２を下方へ置換させるように作用する 。好適な偏向板は、１.２５ｃｍ（０.５インチ）角のＢＫ−７ガラスから形成可 能である。第一ビーム方向付けプリズム３０は、ビームの第二部分１４を、ビー ムの幅方向軸に対して平行な面へ角度的に置換させる。好適実施例においては、 置換角度は３０.５度である。補充的なビーム方向付けプリズム３２が、ビーム 部分１４を再び置換させるように作用する結果、ビーム部分１４の伝搬軸はビー ム部分１２の伝搬軸に対して平行をなす。ビームの積層された部分（図７に示す ）はレンズ１５０へ伝搬する。レンズ１５０は、利得媒体内のレーザー共鳴器の モード体積へビームを合焦させるように作用する。 請求の範囲 １．高さよりも幅が大きい断面を有する光ビームを発生する光源を含み、この光 ビームのエネルギー分布を変えるための光学システムにおいて、 第一の光学手段（２２）が、ビームの幅の第一の部分に沿って整列され、且 つ第一の部分を高さ方向軸に対して平行な方向へ置換するように作用して、第一 の部分の伝搬軸を平行に、しかし入力ビームの伝搬軸から下方へ置換することと 、前記光学システムは、ビームの幅の第二の部分に沿って整列された第二の光学 手段（３０及び３２または５０）を更に含み、この第二の光学手段は、ビームの 第二の部分をビームの第一部分の上面上へと上方へ向かって屈曲させるように作 用し、この第二の光学手段は更に、ビームの第二の部分を向け直し、ビームの両 部分を積層された形態で平行な伝搬軸に沿って進行させることにより、ビームの 輝度対称性が改良されることとを特徴とする光学システム。 ２．第一の部分と第二の部分とは、その幅が実質的に等しい請求項１記載のシス テム。 ３．整列された第一の部分と第二の部分とが空間的に離間され、散乱に起因する 損失を回避する請求項１記載のシステム。 ４．第一と第二の光学手段が、屈折光学要素である請求項１記載のシステム。 ５．第一の光学手段が、偏向板（２２）である請求項４記載のシステム。 ６．第二の光学手段が、偏向板（２２）である請求項４記載のシステム。 ７．第二の光学手段が、ビームの第二の部分の伝搬軸をビームの第一の部分の上 面上へ屈曲させるための第一のプリズム（３０）と、第二のプリズム（３２）と を含み、この第二のプリズムは、ビームの第二の部分を向け直し、ビームの両部 分を積層された形態で平行な伝搬軸に沿って進行させる請求項１記載のシステム 。 ８．第一と第二の各々の前記プリズムにより生成された角度偏向は、２０度から ４０度の範囲である請求項７記載のシステム。 ９．第一と第二の光学手段が、幅寸法におけるビームの輝度を係数２で増加させ るように作用する請求項１記載のシステム。 10．ビームの第一部分に整列され、且つ他の光学手段の前方に配置された第三の 光学手段を更に含み、この第三の光学手段は、ビームの第一部分を、第二の部分 から幅方向軸に平行な面へ置換するように作用し、散乱損失を最小化させる請求 項１記載のシステム。 11．第一と第二の光学手段が、ビームの少なくとも８０％を透過させる請求項１ 記載のシステム。 12．請求項１記載のシステムが、レーザーに組み込まれ、このレーザーは、光学 的共鳴器と、この光学的共鳴器内に配置された利得媒体とを含むと共に、前記光 源がレーザーダイオードにより規定された請求項１記載のシステム。 13．前記レーザーダイオードから射出されたビームをコリメートするための手段 を更に含む請求項１２記載のシステム。 14．ビームを歪像的に拡張するための手段を更に含む請求項１２記載のシステム 。 15．前記利得媒体が、前記レーザーダイオードにより端部励起されている請求項 １２記載のシステム。 16．ビームを前記利得媒体へ合焦させるためのレンズを更に含む請求項１２記載 のシステム。 17．ビームの第一の部分に整列され、且つ前記レーザーダイオードと第一の光学 手段との間に位置された光学要素（１６０）を更に含み、この光学要素は、半分 のビームの一方を、他方の半分から幅方向軸に対して平行な面へ置換させ、散乱 損失を最小化させる請求項１２記載のシステム。 18．光源により発生した光ビームのエネルギー分布をを変えるための方法であっ て、前記光ビームは、高さよりも幅が大きな断面を有する方法において、 ビームの第一の部分を高さ方向軸に対して平行な方向へ置換させ、この第一 の部分の伝搬軸を、入力ビームの伝搬軸に対して平行に且つ下方へ置換させるこ とと、 ビームの第二の部分を上方へ屈曲させて第一の部分の上面上へ向かわせた後 、ビームの第二の部分を向け直して、ビームの両部分を積層された形態で平行伝 搬軸に沿って進行させることにより、ビームの輝度対称性を改良することとを特 徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョンソン、ジョン・ケリー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94087、サニーベイル、コウアー・ディー アレーン・ウェイ 966 【要約の続き】 ドバーにより端部励起される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高さよりも幅が大きな断面を有する光ビームのエネルギー分布を変えるため の光学システムであって、 ビーム幅の第一の部分に沿うビームに整列された第一の光学要素であり、こ の第一の光学要素は、第一の部分を高さ方向軸に対して平行な方向へ置換させる ように作用させることと、 ビーム幅の第二の部分に沿うビームに整列された第二の光学要素であり、こ の第二の光学要素は、第二の部分を幅方向軸に対して平行な面における第二の部 分へ角度的に偏向させるように作用することにより、第二の部分を第一の部分へ 向かって向け直すことと、 角度的に偏向された第二の部分に整列された第三の光学要素であり、この第 三の光学要素は、幅方向軸に対して平行な面における第二の部分へ角度的に偏向 させるように作用し、第一と第二の部分を整列させ、且つ平行な伝搬軸に沿って 進行させることにより、ビームの輝度対称性を改良することとを備える光学シス テム。 ２．第一の部分と第二の部分とは、その幅が実質的に等しい請求項１記載のシス テム。 ３．整列された第一の部分と第二の部分とが空間的に離間され、散乱に起因する 損失を避ける請求項１記載のシステム。 ４．第一と第二の光学要素が、屈折光学要素である請求項１記載のシステム。 ５．第一の光学要素が、偏向板である請求項４記載のシステム。 ６．第二と第三の光学要素が、入力及び出力面を有するプリズムである請求項４ 記載のシステム。 ７．第二の光学要素の出力面と第三の光学要素の入力面とが、ビームの伝搬軸に 対してブルースター角に向き付けられている請求項６記載のシステム。 ８．第一の光学要素が偏向板であり、第二の光学要素がプリズムであり、これら 偏向板とプリズムとが互いに装着されると共に、これら偏向板とプリズムとの接 合に沿う軸が、ビームの中心に整列されている請求項１記載のシステム。 ９．第一と第二の各々の前記光学要素により生成された角度偏向は、２０度から ４０度の範囲である請求項１記載のシステム。 10．第一と第二の各々の前記光学要素により生成された角度偏向は、２５度から ３５度の範囲である請求項７記載のシステム。 11．前記光学要素が、幅寸法におけるビームの輝度を係数２で増加させるように 作用する請求項１記載のシステム。 12．ビームの第一部分に整列され、且つ他の光学要素の前方に配置された第四の 光学要素を更に含み、この第四の光学要素は、ビームの第一部分を、第二の部分 から幅方向軸に対して平行な面へ置換するように作用し、散乱損失を最小化させ る請求項１記載のシステム。 13．第一と第二の光学要素が、ビームの少なくとも８０％を透過させる請求項１ 記載のシステム。 14．レーザーであって、 光学共鳴器と、 この共鳴器内に配置された固体利得媒体と、 この利得媒体を光学的に励起するための光源であり、この光源は、高さより も幅が大きな断面を有する光ビームを発生するレーザーダイオードにより規定さ れることと、 この光源からのビームを前記利得媒体光学的に結合させるための手段であり 、この結合手段は、幅寸法における一方の半分ビームに整列して、この半分ビー ムを遮る第一の光学手段を含み、この第一の光学手段は、ビームの前記一方の半 分ビームを下方へ置換するように作用することと、 幅寸法における他方の半分ビームに整列して、この半分ビームを遮る第二の 光学手段であり、この第二の光学手段は、ビームの幅の他方の半分を前記一方の 半分ビームへずらし、このずらしは、双方の半分ビームを平行伝搬軸に沿って積 層された形態で進行させるので、ビームの輝度対称性が改良されることとを備え るレーザー。 15．前記結合手段が、レーザーダイオードからの射出ビームをコリメートするた めの手段を更に含む請求項１４記載のレーザー。 16．ビームを歪像的に拡張するための手段を更に含む請求項１５記載のレーザー 。 17．前記結合手段が、利得媒体を端部励起するように作用する請求項１４記載の レーザー。 18．前記結合手段が、ビームを合焦させるためのレンズを含む請求項１４記載の レーザー。 19．第一の光学手段が、偏向板である請求項１４記載のレーザー。 20．第二の光学手段が、偏向板である請求項１９記載のレーザー。 21．第二の光学手段が、第一のプリズムを含み、この第一のプリズムは、ビーム の伝搬軸を屈曲させ、前記他方の半分を前記一方の半分の上方へ通過させ、第二 の光学手段は更に第二のプリズムを含み、この第二のプリズムは、前記他方の半 分を向け直すためにビームの前記他方の半分を遮るように整列する結果、双方の 半分ビームを平行伝搬軸に沿って積層された形態で進行させる請求項１９記載の レーザー。 22．半分ビームが空間的に離間され、散乱に起因する損失を避ける請求項１４記 載のレーザー。 23．第一の結合手段と前記利得媒体との間に配置され、ビームの輝度対称性を更 に高めるための第二の結合手段を更に含む請求項１４記載のレーザー。 24．ビームの第一の部分に整列され、且つ前記レーザーダイオードと前記結合手 段との間に位置する光学要素を更に含み、この光学要素は、一方の半分ビームを 他方の半分ビームから幅方向軸に対して平行な面へ置換し、散乱損失を最小化す る請求項１４記載のレーザー。 25．前記結合手段が、ビームの少なくとも８０％を透過させる請求項１４記載の レーザー。 26．高さよりも幅が大きい断面を有する光ビームのエネルギー分布を変えるため の光学システムであって、 幅方向におけるビームの一方の半分を遮るように整列された第一の光学手段 であり、この第一の光学手段は、ビームの前記一方の半分を下方へ置換するよう に作用することと、 幅方向におけるビームの他方の半分を遮るように整列された第二の光学手段 であり、この第二の光学手段は、ビーム幅の他方の半分を前記一方の半分上へ ずらし、このずらしは、ビームの両方の半分を平行な伝搬軸に沿って積層された 形態で進行させる方式であることにより、ビームの輝度対称性を改良することと を備える光学システム。 27．第一の光学手段が、偏向板である請求項２６記載のシステム。 28．第二の光学手段が、偏向板である請求項２７記載のシステム。 29．第二の光学手段が、第一のプリズムを含み、この第一のプリズムは、ビーム の伝搬軸を屈曲させ、前記他方の半分を前記一方の半分の上方へ通過させ、第二 の光学手段は更に第二のプリズムを含み、この第二のプリズムは、前記他方の半 分を向け直すためにビームの前記他方の半分を遮るように整列する結果、双方の 半分ビームを平行伝搬軸に沿って積層された形態で進行させる請求項２７記載の システム。 30．前記光学手段が、屈折要素である請求項２６記載のシステム。 31．第一と第二の光学手段が、ビームの少なくとも８０％を透過させる請求項２ ６記載のシステム。 32．高さよりも幅が大きな断面を有する光ビームのエネルギー分布を変えるため の方法であって、 ビームの幅の一方の半分を下方方向へ置換させる置換行程と、 ビームの幅の他方の半分を前記一方の半分上へずらし、このずらしは、ビー ムの両方の半分を平行な伝搬軸に沿って積層された形態で進行させる方式である ことにより、ビームの輝度対称性を改良するずらし行程とを備える方法。 33．前記ずらし行程が、ビームの伝搬軸を屈曲させ、前記他方の半分を前記一方 の半分上へ通過させた後、 前記他方の半分を向け直して、ビームの両部分を平行伝搬軸に沿って積層され た形態で進行させることにより、ビームの輝度対称性を改良する行程を備える請 求項３０記載の方法。 34．前記置換行程とずらし行程との間に、ビームの少なくとも８０％を透過させ る請求項３２記載の方法。