JP2001501777A

JP2001501777A - 高効率、高出力の直接ダイオードレーザシステムおよびその方法

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Publication number: JP2001501777A
Application number: JP10515715A
Authority: JP
Inventors: ゼディカー，マーク・エス; ライス，ロバート・アール; ハッケ，ジョン・エム
Original assignee: マクドネル・ダグラス・コーポレイション
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 2001-02-06
Also published as: EP1008212B1; USRE40173E1; EP1008212A1; US5715270A; DE69736133T2; EP1008212A4; AU4646197A; WO1998013910A1; DE69736133D1

Abstract

(57)【要約】Ｎ個の出力ビームおよびＮ個の受光出力ビームを生成するＮ個のレーザヘッドアセンブリ（ＬＨＡ）（４００Ａ、４００Ｂなど）と、Ｎ個の受光出力ビームを再コリメートし、かつ一点上に焦点合わせをするトーチヘッド（５００）とを含む直接ダイオードレーザシステム（４００）である。好ましくは、直接ダイオードレーザシステム（４００）のレーザヘッドアセンブリ（４００Ａ、４００Ｂなど）の各々はＭ個のレーザビームを生成するＭ個のモジュールを含み、Ｍ個のレーザビームの各々は対応する光の単一波長を有し、前記レーザヘッドアセンブリの各々はさらに、Ｍ−１個のダイクロイックフィルタ（４２０）を含み、Ｍ−１個のダイクロイックフィルタ（４２０）の各々はＭ個のレーザビームの対応する１つを透過して他のすべての波長を反射し、前記レーザヘッドアセンブリの各々はさらに、Ｍ個のレーザビームを集光してＮ個の出力ビームの対応する１つを生成するファイバ結合装置（４６０、４６２、４６４、４６６）を含む。一例では、Ｍ−１個のダイクロイックフィルタ（４２０）はバンドパスフィルタとして機能する。高流速、高出力のレーザビームを生成する方法もまた述べられる。

Description

【発明の詳細な説明】高効率、高出力の直接ダイオードレーザシステムおよびその方法発明の背景この発明は一般にダイオードレーザアレイシステムに関する。より具体的には、この発明は高効率、高出力の直接ダイオードレーザシステムに関する。レーザ追跡、レーザ誘導、およびレーザ画像のような多くの応用例において、高出力のコヒーレントなレーザ出力を生成することが望まれる。さらに、高出力のコヒーレントなレーザシステムは、攻撃および防御武器システム（たとえば特殊部隊用の不可視性光照明器および保護レーザグリッド）や、また材料処理（たとえば溶接、切断、熱処理および融除）、さらには医学（たとえば手術および診療の補助）などのような種々の分野で応用が効く。最も初期のレーザシステムでは、レーザ出力のコヒーレント源を提供するのに単一半導体レーザが利用された。これらの単一半導体レーザは、構造的な制限と限られた効率とのため、提供できる出力量が制限されていた。より最近では、同じ基板上に間隔をあけて位置する半導体レーザのアレイの近接するエミッタが互いに結合されている、半導体レーザのアレイも利用されるようになった。このようなレーザアレイシステムの１つは、同一人に譲受された、ヘイデル他（Heidel et al.）の米国特許第５，２１２，７０７号に開示され、これはあらゆる目的のためにここに引用により援用する。図１は、ヒートシンク１２上に取付けられた米国特許第５，２１２，７０７号に従った一次元半導体レーザアレイ１０を表わす。この半導体レーザアレイ１０はレーザアレイの出力をコリメートするために付随するレンズアセンブリ２２、２４を有し、これは半導体レーザアレイ１０の放出フェーセットに近接して位置する。レンズアセンブリ２２、２４はヒートシンク１２の耳２５に装着される。アレイ１０のエミッタ２０は、外部電源からワイヤ１８、スタンドオフパッド１６、および電力リード線１４を介して電力を供給される。ある例では、図１に示す半導体レーザアレイ１０は１０個の個別のエミッタ２０を含み、また、特定の応用例の必要に応じて多数のエミッタ２０が採用され得る。一旦半導体レーザアレイ１０が製造され、取付けられ、さらに起動されると、半導体レーザアレイのエミッタ２０の出力は所望のコリメートされた出力を得るためにコリメートされなければならない。図１に示すように、半導体レーザアレイ１０の出力をコリメートするように設計されたレンズアセンブリは、典型的には両凸設計の第１の屈折レンズ２２と、基本的に回折レンズである第２の２値光学素子２４とを含む。屈折両凸レンズ２２は各エミッタ２０の速軸をコリメートし、一方２値光学素子２４は、各エミッタ２０の遅軸をコリメートし、かつ屈折レンズ２２が行なうコリメーションによって導入されるものを含むすべての球面収差を修正する役割を果たす。２値光学素子２４は、基板を含み、その上に２値光学回折パターン２６がエッチングされる。一般に、屈折レンズ２２および２値光学素子２４の材料は実質上等価な屈折率を有するので、屈折レンズ２２と２値光学素子２４との境界面での屈折は最小である。２値光学素子２４は屈折レンズ２２の表面２８に近接して位置する背面２７と表面２９とを有し、表面２９上には２値光学回折パターン２６がエッチングされる。当業者には周知のように（米国特許第４，８４６，５５２号参照）、２値光学回折パターン２６は典型的な２値光学技術に従って生成されるので、この技術についてここでさらに述べることはしない。２値光学回折パターン２６は、典型的には８位相レベル構造（２、４、または１６位相レベル構造を利用することもできるが）であり、半導体レーザアレイのエミッタの発散出力光に固有の光路差を修正する。したがって、２値光学素子２４から射出する光線はすべて同じ光路長分移動することとなるが、物理的光路長に光線が中を移動する材料の屈折率を乗じたものとして規定され、その同じ光路長と等しいか、または射出される光の波長の整数倍だけこれと異なる。８位相の２値光学回折パターン２６は図１に略図で示される。二次元半導体レーザアレイは、図１に示す一次元半導体レーザアレイ１０の複数のものから製造され得る。一次元半導体レーザアレイ１０は図２に示すように、固定またはクランプ取付具７０としての役割を果たすヒートシンク内に積み重ねられる。クランプ取付具７０は、一次元半導体レーザアレイ１０が互いの上に積み重なり、よって各一次元半導体レーザアレイの出力が他の半導体レーザアレイの出力と実質上平行になるように設計される。一旦、一次元半導体レーザアレイ１０がクランプ取付具７０内に取付けられると、コリメートレンズは整列されて装着される。コリメートレンズの製造は前述したものと同一の方法で行なわれるので、屈折レンズ２２は、各エミッタ２０のレーザ出力をコリメートするように設計された２値光学素子２４に接合される。コリメートレンズの整列および装着は効率を最適にするために連続式で達成される。第１の一次元半導体レーザアレイ１０ａに付随するコリメートレンズ８０ａは前述したように位置付けられるので、半導体レーザアレイ１０の各エミッタ２０の光軸はコリメートレンズアセンブリ８０ａの中心に実質上整列される。第２のコリメートレンズアセンブリ８０ｂはこの後、第２の一次元半導体レーザアレイ１０ｂの前に置かれ、図３に示すように真空源への真空線によって接続された真空チャック７６によってその位置に保持される。この後、二次元半導体レーザアレイ１０は電源を供給されるので、エミッタ２０は光出力を生成する。変換レンズ７２は第１および第２の一次元半導体レーザアレイから射出する光の経路内に位置付けられる。変換レンズ７２は図３に示すように平凸レンズであっても両凸レンズであってもよく、よって、変換レンズ７２への入力光がコリメートされると、変換レンズ７２の焦点面に擬似遠視野が現われる。擬似遠視野を決定するために、すべての光ビームが変換レンズ７２の焦点面で重なり合うとき、線走査検出器７４が焦点面に位置付けられる。適切なコリメーションが達成されたかどうかを決定するために線走査検出器の出力が監視される。第２のコリメートレンズアセンブリ８０ｂの位置は、変換レンズの焦点面で適切なコリメーションが観察されるまで変えられる。一旦適切なコリメーションが観察されると、第２のコリメートレンズアセンブリ８０ｂの位置はクランプ取付具７０の耳２５の位置にレンズアセンブリを固定することにより保たれる。各レンズアセンブリおよびそれに対応する一次元半導体レーザアレイ１０について、各半導体レーザアレイ１０のレンズアセンブリが適切に整列されることにより光が擬似遠視野でコリメートされかつ焦点を合わせられるまで、同一の整列処理が行なわれる。二次元レーザアレイは適切に電源を供給されると、遠視野に単一のコリメートされたレーザ点を生成する。その出力を組合わせることのできる複数の一次元半導体レーザアレイ１０を利用することにより、二次元半導体レーザアレイの出力をかなり高くすることができる。たとえば、１２個の一次元半導体レーザアレイからなり、一次元半導体レーザアレイの各々が２１個のエミッタを有する、二次元半導体レーザアレイによって、２５ワットの連続波レーザエネルギが生成された。さらに、電気入力から中央ローブの電力までのレーザアレイ全体の効率はおよそ２６％であった。米国特許第５，２９９，２２２号は、レーザ出力をダイオードレーザ棒のスタックからレーザをポンピングするのに有用かつ柔軟な形式（固体レーザ）で集光し、かつ集中させる高出力のレーザダイオードシステムを生成するための代替的アプローチを開示する。図４に略図で示すように、積み重ねられたダイオードレーザ棒の光ビーム出力は、複数の光ファイバ内に結合される。ファイバからの出力光ビームはレーザ共振器をポンピングするのに用いられ得る。ファイバは、終点ポンピングを効率よくするために、固体レーザの空洞共振器のさまざまな終点でまとめられ得る。図４では、ダイオードレーザ棒スタック１３の複数のダイオードレーザ棒から光ビーム１１が射出され、棒の選択された群からの光が、スタック１３の各ダイオード棒に近接しながらも間隔をあけて位置付けられた複数の円筒レンズ１５の１つによって集光される。各ダイオードレーザ棒は縦横比（長さ対幅）が１０，０００：１ほど高いかまたはもっと高くてもよく、円筒レンズ１５が介在して、第１の方向のビーム発散角度を、第２の垂直な方向のビーム発散角度に対して減少するので、その結果２つの方向の各々のビーム発散角度はほぼ同じになる。２つ以上の回転鏡１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃおよび１７Ｄは、光ビーム１１のお互いに相容れない部分を、重なり合わない光ビーム成分１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃおよび１９Ｄへそれぞれ分離し、１９Ｅのような少なくとも１つのポンプ光ビーム成分が回転鏡に当たらない光ビーム１１の一部によって任意に規定される。各光ビーム成分１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄおよび１９Ｅはこの後、それぞれ好適な焦点合わせ光学素子２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄおよび２１Ｅによって対応する多モード光ファイバ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅにそれぞれ焦点を合わせられ、ファイバの直径はそのファイバを目的とした光ビームを完全に捕捉するように選ばれる。好ましくは、ある光ビームがファイバの一受光端に到着するときの収束角の正弦は、ファイバの開口数ＮＡより小さい。一実施例では、各光ファイバは約５００μｍの直径を有するが、このファイバの直径は数ｍｍ程度の大きさであり得る。焦点合わせ光学素子２１ｊ（ｊ＝Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤまたはＥ）の各々は、ｆ＝６．３５ｍｍのように焦点距離の短いレンズであってもよく、結果として生じるビームを、対応するファイバ２３ｊに入射するところで測定される入射直径、すなわち焦点合わせ光学素子２１ｊに到着するポンプ光ビーム１１の部分の直径の約２５％まで収束させることを目的とする。多モードファイバ２３ｊの開口数ＮＡは０．１５〜０．３の範囲にわたるが、０．６程度の高さであってもよい。各光ファイバ２３ｊはその中を伝搬する成分ポンプ光ビームを選択された位置に、この成分ポンプ光ビームの集まりによってポンプされるべきレーザ空洞共振器に対して選択された角度配置で運ぶ。各光ファイバ２３ｊはダイオードレーザ波長Ｐの反射防止膜を備え、この膜はファイバ端に直接塗布されるかまたはそのファイバの受光端に接着された分離したガラス窓に塗布されるかのいずれかである。ファイバ２３ｊのコア材料はガラスであってもよく、ファイバのクラッディング材料は、技術分野で周知の方法でファイバの開口数によって決定されるコア屈折率よりも小さい屈折率を有する、ガラスまたはプラスチックであってもよい。上述のシステムを拡張するには、複数の開示した出力モジュールの出力を一点に結合するために大量のスペース(real estate)および合成光学アセンブリの両方が必要であると認識されるであろう。たとえば、図３のレンズ７２の存在は、各モジュールに付随する焦点合わせレンズの必要性を示唆し、図４は単一ダイオードレーザアレイの出力を効率よく結合するために複数のレンズ２１が必要であると示唆する。複数の半導体レーザアレイが単純でかつ丈夫な光学サブシステムを用いて強度の高いレーザ出力の一点を生成することが望ましいとされる。さらに、複数の半導体レーザアレイが均一に取付けられ、それらの出力が、利用可能な開口を充填することにより、生成されたレーザ出力の一点にわたって実質上一定の強度を提供するような方法でコリメートされることが望ましい。発明の概要上述および前述したことに基づいて、ダイオードレーザシステムの分野で上述の欠点を克服する必要性が現存する。この発明の目的は、加工品上で高い流速レベルを生成する直接ダイオードレーザシステムを提供することである。この発明の別の目的は、高出力レーザビームを生成する直接ダイオードレーザシステムを提供することである。この発明の一局面に従うと、高出力レーザビームは一点上に焦点を合わせて加工品と相互作用することができる。この発明の別の局面に従うと、高出力レーザビームを固体レーザの一端に向けることができる。この発明のさらに別の目的は、多周波数のコリメートされたレーザビームのダイクロック結合を用いて加工品上で高い流速レベルを生成する直接ダイオードレーザシステムを提供することである。有利なことに、すべてのコリメートされたレーザビームはレーザダイオードアレイを用いて生成され得る。この発明のさらに別の目的は、多周波数のコリメートされたレーザビームのダイクロイック結合および偏光結合の両方を用いて加工品上で高い流速レベルを生成する直接ダイオードレーザシステムを提供することである。有利なことに、すべてのコリメートされたレーザビームはレーザダイオードアレイを用いて生成され得る。この発明のさらなる目的は、何千ものコリメートされたレーザダイオード出力を単一のレンズを介して単一のファイバ内に同時に結合することによって加工品上で高い流速レベルを生成する直接ダイオードレーザシステムを提供することである。この発明の別の目的は、線形にスケール可能な高出力レベルの出力を生成する直接ダイオードレーザシステムを提供することである。この発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、Ｎ個の出力ビームを生成するＮ個のレーザヘッドアセンブリ（ＬＨＡ）と、Ｎ個の出力ビームのそれぞれを受けてＮ個の受光出力ビームを生成するＮ個の光ファイバと、Ｎ個の受光出力ビームを再コリメートし、かつ一点上に焦点合わせをするトーチヘッドとを含む、直接ダイオードレーザシステムによって提供される。この発明の一局面に従うと、直接ダイオードレーザシステムのレーザヘッドアセンブリの各々は、Ｍ個のレーザビームを生成するＭ個のモジュールを含み、Ｍ個のレーザビームの各々は対応する光の単一波長を有し、前記レーザヘッドアセンブリの各々はさらに、Ｍ−１個のダイクロイックフィルタを含み、Ｍ−１個のダイクロイックフィルタの各々はＭ個のレーザビームのうち対応する１波長を透過し、がつＭ個のレーザビームの他の波長のすべてを反射し、前記レーザヘッドアセンブリの各々はさらに、Ｍ個のレーザビームを集光してＭ個の出力ビームに対応するものを生成するファイバ結合装置を含む、直接ダイオードレーザシステムによって提供される。この発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、Ｎ個の出力ビームを生成するＮ個のレーザヘッドアセンブリ（ＬＨＡ）を含み、Ｎ個のレーザヘッドアセンブリの各々はＭ個の第１のレーザビームを生成するＭ個の第１のモジュールを含み、Ｍ個の第１のレーザビームの各々は対応する光の単一波長を有し、Ｍ− １個の第１のダイクロイックフィルタは第１の光導波路を規定してＭ個の第１のレーザビームのすべてを第１の光路の方へ向け、Ｍ−１個の第１のダイクロイックフィルタの各々は対応する波長を有するＭ個の第１のレーザビームの対応する１つを透過し、Ｍ個の第１のレーザビームの他の波長すべてを反射し、さらに、第１の光路に近接して配置され、Ｍ個の第１のレーザビームを集光してＮ個の出力ビームの対応するものを生成するファイバ結合装置を含み、Ｎ個の光ファイバはそれぞれのＮ個の出力ビームを受けてＮ個の受光出力ビームを生成し、さらに、Ｎ個の受光ビームを再コリメートし、かつ一点上に焦点合わせをするトーチヘッドを含む、直接ダイオードレーザシステムによって提供される。この発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、高エネルギレーザビームを生成するための方法によって提供され、この方法は、（ａ）Ｍ番目の波長を有するＰのコリメートされたレーザビームを生成するステップと、（ｂ）Ｍ個の異なる波長を有するＭ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームを生成するようにステップ（ａ）をＭ回繰返すステップと、（ｃ）Ｍ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームを光路中に結合するステップと、（ｄ）Ｍ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームをｉ番目の（ｉ＝１からＮ）光ファイバ中に結合させることにより、対応するｉ番目の出力レーザビームを生成するステップと、（ｅ）（ａ）から（ｄ）のステップをＮ回繰返すことによりＮ個の出力レーザビームを生成するステップと、（ｆ）Ｎ個の出力レーザビームを再コリメートしてＮ個の再コリメートされたレーザビームを生成するステップと、（ｇ）Ｎ個の再コリメートされたレーザビームを一点上に焦点合わせをするステップとを含む。この発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、後の好ましい実施例の説明で開示され、またはそれにより明らかになるであろう。図面の簡単な説明この発明のこれらおよび他のさまざまな特徴および局面は、添付の図面とともに後の詳細な説明を参照することにより容易に理解されるであろう。図１は、一次元半導体レーザアレイアセンブリ、屈折レンズ、および２値光学素子の斜視図である。図２は、二次元半導体レーザアレイと、それに付随する、クランプ取付具内に保持されたコリメート用光学素子である。図３は、二次元半導体レーザアレイ構造の変換レンズの側面図であり、コリメートレンズアセンブリによるレーザダイオード出力の適切なコリメーションを表わす。図４は、１ｃｍの長さのダイオードレーザスタックの出力を５つの分離したファイバ内に結合するのに用いられる光学システムの略図である。図５は、この発明に従った高効率、高出力の直接ダイオードレーザシステムの高レベルのブロック図である。図６は、図５に示す高効率、高出力の直接ダイオードレーザシステムの選択された構成要素のより詳細なブロック図である。図７は、図６に示すアセンブリの１つの光学ベッドの詳細な図であり、これはこの発明に従ったシステム電力スケーリングの一面を理解する上で有用である。図８は、この発明に従った実施例で採用され得るダイオードレーザアレイモジュールの側面図である。図９は、図５のトーチヘッドアセンブリの構成例を表わす。発明の詳細な説明図５は、この発明の好ましい代替的実施例に従った、高効率、高出力の直接ダイオードレーザシステム（ＤＬＳ）の高レベルのブロック図である。図５に表わすように、ＤＬＳ１は、コントローラ２００と一般に３００で示されるＮ個のレーザヘッドアセンブリ（ＬＨＡ）との両方に電力を供給する電源１００を含む。一般に４００で示されるＮ個のレーザヘッドアセンブリ（ＬＨＡ）はそれぞれＬＨＡコントローラ３００の出力を受け、Ｎ個の光出力レーザビームをＮ個の光ファイバを介してトーチヘッド５００に提供する。トーチヘッド５００は有利なことに、レーザヘッド５１０（図９参照）によって拡大することができるので、図５では択一的な表示がなされていることも記しておく。好ましくは、ＬＨＡコントローラ３００およびＬＨＡ４００のＮの数は、ＤＬＳ１の所望の出力を提供するために必要に応じて変えることができる。ある例では、４個のＬＨＡ４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃおよび４００Ｎにそれぞれ電力を提供する４個のＬＨＡコントローラ３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃおよび３００ＮがＤＬＳ１に含まれる。図５のブロック図はＤＬＳ１を表わし、ここで、各々が８００ワットの電力を生成する４個のＬＨＡ４００の光出力レーザビームは、３２００ワット以上のｃｗ電力を単一の焦点合わせレンズに運ぶために結合される。図９に関して以下により詳細に述べるように、対応するＬＨＡ４００の各々の出力は有利なことに、ファイバに結合され、さらに、各ファイバの末端（直径およそ１ｍ）で再コリメートされることもできる。４つのコリメートされたレーザ源、すなわち４つの出力光ビームは、好ましくは単一レンズによって集光され、これは総電力３２００ワットを一点上に焦点合わせをする。加工品上で流速を増加させるためにこの後の方の技術が産業レーザシステムに通常用いられることが認識されるであろう。図５のＤＬＳ１の実施例では、電源はコントローラ２００とＬＨＡコントローラ３００とに直流電力を提供する。好ましくは、コントローラ２００はマスタコントローラとして作用し、これに対してＮ個のＬＨＡコントローラ３００はスレーブコントローラとして作用する。さらに言及すべきことは、Ｎ個のＬＨＡコントローラ３００の各々は、以下により詳細に述べるように、それぞれのＬＨＡ４００の出力光ビームを制御し、かつ変化させるということである。図６は、図５に示すＬＨＡ４００とトーチヘッド５００とをさらに詳細に表わした中レベルのブロック図である。有利なことに、Ｎ個のＬＨＡ４００の各々は、Ｍ個のダイオードレーザモジュール４１０を含み、Ｍ／２個のモジュールの出力ビームは、偏光コンバイナ４５０を用いて他のＭ／２個のモジュール４１０の出力ビームと結合する。Ｎ個の偏光コンバイナ４５０の各々の結合出力ビームは、ファイバ結合光学素子４６０および対応する光ファイバ４７０を介してトーチヘッド５００に提供される。次に図７を参照すると、ここではＬＨＡ４００を詳細に表わしたものが提示される。好ましくは、Ｍ個のダイオードレーザモジュール４１０はＭ／２個のモジュール４１０を一群として支持プレートまたは光学ベッド４３０上に配置され、モジュール１４０の左右の群は偏光コンバイナ（偏光子）４５０を挟んで対向する両側に配置される。Ｍ／２個のモジュール４１０の左の組の出力ビームは（Ｍ／２）−１個のダイクロイックフィルタ４２０を用いて結合され、偏光子４５０の反射面に向けられる。Ｍ／２個のモジュールの４１０の右の組の出力ビームは別の（Ｍ／２）−１個のダイクロイックフィルタ４２０を用いて結合され、波長板４４０を介して偏光子４５０の透過面に向けられる。偏光子４５０は、当業者に周知の方法で、左右のＭ／２個のモジュールの組によって生成された左右の組のＭ／２個のレーザビームを結合する。偏光子４５０の出力ビームは、ファイバ結合光学素子４６０を介して光ファイバ４７０へと透過される。有利なことに、ファイバ結合光学素子はリレーミラー４６２と、変換レンズ４６４と、ファイバカプラ４６６とがこの順番にＬＨＡ４００の光路に沿って配置されたものを含み得る。好ましくは、偏光子４５０およびリレーミラー４６３は２軸調整を提供し、一方変換レンズ４６４は５軸調整を提供する。図７に表わす例では、波長板４４０はＭ／２個のモジュールの右の群の出力ビームの偏光面の回転を生じさせる。有利なことに、左右の組のモジュール４１０の各々は、各々が異なる単一波長を有する出力ビームを生成し、出力ビーム間の波長の分離はＤＬＳ１で用いられるダイクロイックフィルタの質にのみ依存する。モジュール４１０の（Ｍ／２） −１個は、そのモジュールからの出力ビームのみを透過し、他のすべての光の波長を反射する、対応する光バンドパスフィルタ４２０の後に配置される。モジュールは付随するダイクロイックフィルタ４２０から機械的に独立しているので、ダイクロイックフィルタ４２０はモジュール４１０から分離して整列され得る。すべてのモジュール４１０が波長で結合された後で、広帯域の偏光子４５０を用いてＭ／２個のモジュール４１０の対向する群からの出力ビームを単一の高輝度ビームへと結合する。上述しかつ図７に示したように、１２個の１００ワットのコリメートされたダイオードレーザモジュール４１０（左右の群に各６個ずつ）が結合され、単一の光ファイバへと射出される。モジュール４１０の左右の群の１つ中の各モジュール４１０は単一の選択された波長でレーザ光を生成するということに注目すべきである。好ましくは、選択された波長はダイクロイックフィルタ４２０の１つのバンドパス波長に対応する。選択された波長は、好ましくはおよそ４５０ｎｍから２．５ミクロンの範囲内にあり、選択された波長は好ましくはすべて７６０〜１０５０ｎｍの範囲内に留まり、図７に示す例で最も好ましいものは８００〜９８０ｎｍの範囲である。さらに言及すべきことは、モジュール４１０のいずれか２つについての最小の差分波長はおよそ１０ｎｍであり、これは現存の技術を用いて利用できるダイクロイックフィルタ４２０の最小の帯域に対応する。したがって、各ＬＨＡ４００のモジュール４１０のＭの数は、ダイクロイックフィルタ４２０および偏光子４５０の両方が採用されるとき、トーチヘッド５００の出力の帯域幅１００ｎｍごとに２０であり、ダイクロイックフィルタ４２０のみが採用されるときは、帯域幅１００ｎｍごとに１０である。しかしながら、モジュールのＭの数は、ダイクロイックフィルタ４２０の各々のパスバンドが減少するにつれて増加し得る。ダイクロイックフィルタ４２０は有利なことには、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、またはバンドパスフィルタであり得ることも記しておく。さらに、モジュール４１０によって生成された波長は、有利には、ＤＬＳ１の使用を容易にするために選択され得ることも認識されるであろう。たとえば、モジュール４１０の１つはスペクトルの可視部分の波長を生成するので、安全のために誘導ビームを提供することができる。モジュール４１０の各々は有利なことに、図８に示すように構築されてもよく、ここで複数のレーザダイオードアレイ４１４はケース４１８内でヒートシンク４１２によって支持される。好ましくは、３つ以上の傾斜修正ミラー４１６がレーザダイオードアレイ４１４の出力を高度にコリメートされた出力ビームに結合するのに用いられる。好ましくは、各モジュール４１０は有利にはＰ個のレーザダイオードを含む。Ｐの数が明らかに制限されるのは、効果的に冷却できるレーザダイオードの数がいくつか、ということだけである。モジュール４１０は、米国特許第５，２１２，７０７号に開示されたものにある点で類似している一方、他の多くの点において著しく異なるということに注目されたい。米国特許第５，２１２，７０７号に開示されたモジュールは、１９９３年に譲受人によって販売された１００ワットのファイバ結合システムの一部として実際に製造されかつテストされた。これらのモジュールは高度にコリメートされたレーザダイオードアレイを生成したが、一方これ以降いくつかの新しい技術が発達し、米国特許第５，２１２，７０７号に開示されたものに相対してモジュール４１０を向上させることが可能になった。たとえば、この特許で用いられた基本のエミッタは屈折率誘導装置、すなわちリブレーザであった。対照的に、本発明に従ったモジュール４１０は有利なことに利得誘導構造、特に、２０ミクロン幅の酸化物規定ストリップであり得る。レーザダイオードアレイ４１４は米国特許第５，２１２，７０７号に開示された屈折率誘導構造と同じ発散は生成しないが、著しく高い出力レベルを生成する。さらに、米国特許第５，２１２，７０７号が発行されて以来、次のようにさらに改良がなされてきた。（ａ）スペクトラ・ダイオード・ラブズ，インコーポレイテッド（Spectra Diode Labs，Inc.）による製品番号ＳＤＬ５４１０に見られるような、高出力の屈折率誘導装置の使用。（ｂ）一般に酸化物規定ストリップでありながら発散波面を備えた、テーパ発振器設計の使用。（ｃ）改良された２値光学素子。これにより、電力を共有しかつエミッタからの光をコリメートするために屈折素子はもはや必要でなくなる。この後の方の改良は単独でも、レーザダイオードアレイ４１４の各々によって生成される効果的な流速を増大することがわかるであろう。これらの改良すべてを正しく実施することにより、米国特許第５，２１２，７０７号に開示されたモジュールで使用された元の設計に対してモジュール４１０の輝度を劇的に増大することができる。さらに、図８に示すモジュール４１０は基本モジュール構造に指示ミラー４１６を含むという点にも注目されたい。これらの指示ミラーは、モジュール４１０を出る出力ビームを、図７に示す光路を通って光ファイバ４７０へと方向付けるのに用いられる。有利なことに、指示ミラー４１６は光ファイバ４７０に対する高い結合効率を達成するのに必要な微調整を提供する。さらに米国特許第５，２１２，７０７号に従った最初の商業システムは、図２および図３に示す２個のレーザダイオードアレイを偏光結合することにより１００ワットの出力を提供したということにも注目されたい。このモジュール内結合に対するアプローチは、図８に示すモジュールの構成がより有利であるため放棄され、この構成が加工品の上で流速を増加しつつモジュール４１０の全体の大きさを有利に小さくする。モジュール４１０の基本設計に対する別の改良は、レーザダイオードの梱包密度を増大させるためにスタック可能なマイクロチャネル冷却器を使用し、その結果システム全体の大きさを小さくすることである。有利なことに、米国特許第５，４９５，４９０号に開示されたような冷却システムを用いることができ、この特許はあらゆる目的のために引用として援用する。図９を参照すると、トーチヘッド５００の好ましい実施例はＮ個のコリメートレンズ５０４を含み、これは光ファイバ４７０からＮ個のファイバ出力５０２を介して出力ビームを受け、また変換レンズ５０６とともにＮ個の出力ビームを一点上で焦点合わせをする。Ｍ×Ｎ×Ｐ個のレーザダイオードの出力はトーチヘッド５００によって一点上に焦点を合わせられるということがわかるであろう。代替的には、ＬＨＡ４００の出力は、図９に示すものと同一または類似した構造を用いて固体レーザロッド５１０を終点ポンピングするために結合され得るということがわかるであろう。ここで言っておくべきことは、トーチヘッド５００中のコリメートレンズの数はＮ、すなわちＬＨＡ４００の数であるということである。さらに、レーザロッド５１０は有利なことには、希土類でドープされた光ファイバまたは色素レーザのいずれかによって置換され得る、すなわち媒体を増幅する何らかのレーザがヘッド５００に直列に結合され得るということも言っておく。上述したように、図５に示すＤＬＳ１は４個のＬＨＡ４００の出力ビームが結合して３２００ワット以上のｃｗ電力を単一の焦点合わせレンズ５０６に運ぶ例についてのものである。なお、各ＬＨＡ４００の出力ビームは１２個のモジュール４１０の出力のダイクロイックおよび偏光結合によって生成される。ＤＬＳ１の出力を数々の方法で変化させ得るという点を認識すべきである。まず、ＬＨＡ４００のＮの数を変えることができる。たとえば、ＬＨＡ４００のＮの数を倍にすると、出力ビームの結合した力も倍になる。これに代えて、モジュール４１０および対応するダイクロイックフィルタのＭの数を変えることで、出力レベルを変化させることもできる。ある例では、Ｍの数を１２から６に減少すると、その特定のＬＨＡ４００の出力は半減する。最後に、ＤＬＳ１の出力は、起動されたシステムモジュール４１０のＭ×Ｎの数を制御するか、または励起力レベルをＭ×Ｎ個のモジュール４１０のある部分まで制御するかのいずれかによって有利に変えることができる。出力は励起電流をＭ×Ｎ個のモジュール４１０に対して均一に調整することによって調整できるが、システム電力の上限および下限で制御することはおそらく困難なことがわかるであろう。このため、Ｍ×Ｎ個のモジュールの選択された部分が制御され、一方Ｍ×Ｎ個のモジュール４１０の残りの部分は所望のシステム出力によってオンまたはオフのいずれかにされ得る。さらに、選択されたＭ×Ｎ個のモジュール４１０の出力を、ｃｗ動作モードでは励起電流に従って変化させ、パルス動作モードではデューティサイクルに従って変化させることができるということも認識されたい。上述したように、各々対応するモジュールの出力は光ファイバ４７０にファイバ結合される。変換レンズ４６４はＬＨＡ４００の出力ビーム全体をファイバ４７０へと焦点を合わせかつ結合するということに注目されたい。好ましくは、光ビームがファイバ４７０の受光端に到着するときの収束角の正弦は、そのファイバの開口数ＮＡより小さい。有利には、ファイバ４７０のＮＡは０．４７より小さい。好ましくは、ファイバ４７０のＮＡは０．１９以下であり、最も好ましくは、光出力のＮＡは０．１６以下である。好ましくは、ファイバ結合レンズ４６４は、特にＬＨＡ４００の広波長帯域システムからの光ビームの集まりを光ファイバ４７０へ焦点を合わせるために設計されたレンズである。図７の例に示すモジュール４１０の数は、ファイバ出力で必要な光出力の束に適合するように選ばれ、使用する光の質に完全に依存する。前述したように、唯一の基準は、システムがファイバから８００ワットを生成し、０．１６ＮＡ内に含まれることである。当業者には、商業的な応用の範囲が、手術から、切断、溶接、および熱処理金属までにわたるということがわかるであろう。さらにこのＤＬＳ１は、合成材料のペイント剥がし、縁巻き、切断および錐揉みに理想的であるとされる。軍事への応用は、ジンバル外照射システムから核保管区域に対する遅延否定システムまでの範囲にわたる。この技術についての他の主要な応用例は、上述したように、希土類元素に基づいた固体レーザの光ポンピングのようなものであろう。この構成により、固体レーザロッド、希土類でドープされたファイバまたは色素レーザの優れた終点ポンピングが容易になった。さらに、この構成は最も効率のよい手段であると照明されており、しかもコヒーレントでないレーザダイオードポンピング光を高品質で高輝度のビームに変換するために考案されたものである。この発明の現在好ましい実施例は以上に詳しく述べてきたが、当業者には明らかであろうが、ここに教示した基本的な発明の概念の多くの変形例および／または修正例は、当然、添付の請求の範囲に規定されるとおり、この発明の精神および範囲内に依然収まるものであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ハッケ，ジョン・エムアメリカ合衆国、63301 ミズーリ州、セント・チャールズ、ガムトゥリー・プレイス、５【要約の続き】速、高出力のレーザビームを生成する方法もまた述べられる。

Claims

【特許請求の範囲】１．Ｎ個の出力ビームを生成するＮ個のレーザヘッドアセンブリ（ＬＨＡ）を含むダイオードレーザシステムであって、前記Ｎ個のＬＨＡの各々は、Ｍ個のレーザビームを生成するＭ個のモジュールを含み、前記Ｍ個のレーザビームの各々は異なる単一波長を有し、前記Ｎ個のＬＨＡの各々はさらに、Ｍ−２個のダイクロイックフィルタを含み、前記Ｍ−２個のダイクロイックフィルタの各々は前記Ｍ個のレーザビームのうち対応する１つを透過し、前記Ｍ個のレーザビームの他のすべてを反射し、前記Ｎ個のＬＨＡの各々はさらに、前記Ｍ個のレーザビームを集光して前記Ｎ個の出力ビームの対応する１つを生成するファイバ結合装置を含み、前記システムはさらに、前記Ｎ個の出力ビームの対応するものを受けてＮ個の受光出力ビームを生成するＮ個の光ファイバと、前記Ｎ個の受光出力ビームを一点上に再コリメートして焦点合わせをする光学アセンブリとを含み、ＮおよびＭはともに２以上の整数である、ダイオードレーザシステム。２．前記Ｎ個のＬＨＡの対応するものによって生成された出力を制御するＮ個のＬＨＡコントローラをさらに含む、請求項１に記載のダイオードレーザシステム。３．前記Ｎ個のＬＨＡのすべてによって生成された出力を制御するＬＨＡコントローラをさらに含む、請求項１に記載のダイオードレーザシステム。４．前記光学アセンブリが、前記Ｎ個の出力ビームの対応するものを再コリメートするためのＮ個のコリメートレンズと、前記再コリメートされたＮ個の出力ビームを前記一点上で焦点合わせをする単一の変換レンズとを含む、請求項１に記載のダイオードレーザシステム。５．前記一点が固体レーザロッドの一端に対応する、請求項４に記載のダイオードレーザシステム。６．前記一点が希土類でドープされた光ファイバの一端に対応する、請求項４に記載のダイオードレーザシステム。７．前記ＬＨＡの各々が、Ｍ／２個の第１のレーザビームを生成するＭ／２個の第１のモジュールを含み、前記Ｍ／２個の第１のレーザビームの各々は対応する単一波長を有し、前記ＬＨＡの各々はさらに、（Ｍ／２）−１個のダイクロイック第１のフィルタを含み、前記（Ｍ／２）− １個のダイクロイック第１のフィルタの各々は前記Ｍ／２個の第１のレーザビームの対応する１つを透過し、前記Ｍ／２個の第１のレーザビームの他のすべてを反射し、前記ＬＨＡの各々はさらに、Ｍ／２個の第２のレーザビームを生成するＭ／２個の第２のモジュールを含み、前記Ｍ／２個の第２のレーザビームの各々は対応する単一波長を有し、前記ＬＨＡの各々はさらに、（Ｍ／２）−１個のダイクロイック第２のフィルタを含み、前記（Ｍ／２）− １個のダイクロイック第２のフィルタの各々は前記Ｍ／２個の第２のレーザビームのうち対応する１つを透過し、前記Ｍ／２個の第２のレーザビームの他のすべてを反射し、前記ＬＨＡの各々はさらに、第１および第２のＭ／２個のレーザビームを結合することによりＭ個の偏光結合されたレーザビームを生成する偏光子と、前記Ｍ個の偏光結合されたレーザビームを集光して前記Ｎ個の出力ビームの対応する１つを生成するファイバ結合装置とを含む、請求項１に記載のダイオードレーザシステム。８．前記Ｍ−２個のダイクロイックフィルタの前記各々が、前記Ｍ個のレーザビームのうち前記対応する１つをバンドパスフィルタし、前記Ｍ個のレーザビームの他のすべてを反射する、請求項１に記載のダイオードレーザシステム。９．Ｎ個の出力ビームを生成するＮ個のレーザヘッドアセンブリ（ＬＨＡ）を含むダイオードレーザシステムであって、前記Ｎ個のＬＨＡの各々は、Ｍ個の第１のレーザビームを生成するＭ個の第１のモジュールを含み、前記Ｍ個の第１のレーザビームの各々は異なる単一波長を有し、前記Ｎ個のＬＨＡの各々はさらに、第１の光導波管を規定して前記Ｍ個の第１のレーザビームのすべてを第１の光路へと方向付けるＭ−１個の第１のダイクロイックフィルタを含み、前記Ｍ−１個の第１のダイクロイックフィルタの各々は、前記Ｍ個の第１のレーザビームの対応する１つを透過し、前記Ｍ個の第１のレーザビームの他のすべてを反射し、前記Ｎ個のＬＨＡの各々はさらに、前記Ｍ個の第１のレーザビームを集光して前記Ｎ個の出力ビームの対応する１つを生成する前記第１の光路に近接して配置されたファイバ結合装置を含み、前記システムはさらに、前記Ｎ個の出力ビームの対応するものを受けてＮ個の受光出力ビームを生成するＮ個の光ファイバと、Ｎ個の受光出力ビームを再コリメートし、かつ一点上で焦点合わせをする光学アセンブリとを含み、ＮおよびＭがともに２以上の整数である、ダイオードレーザシステム。１０．前記光学アセンブリが、前記Ｎ個の出力ビームを再コリメートするためのＮ個のコリメートレンズと、前記再コリメートされたＮ個の出力ビームを前記一点上で焦点を合わせるための単一の変換レンズとを含む、請求項９に記載のダイオードレーザシステム。１１．前記一点がレーザ増幅媒体の一点に対応する、請求項１０に記載のダイオードレーザシステム。１２．前記ＬＨＡの各々がさらに、Ｍ個の第２のレーザビームを生成するＭ個の第２のモジュールを含み、前記Ｍ個の第２のレーザビームの各々が異なる単一波長を有し、前記ＬＨＡの各々はさらに、第２の光導波管を規定して前記Ｍ個の第２のレーザビームのすべてを第２の光路の方向に向けるＭ−１個の第２のダイクロイックフィルタを含み、前記Ｍ−１個の第２のダイクロイックフィルタの各々は、前記Ｍ個の第２のレーザビームの対応する１つを透過し、前記Ｍ個の第２のレーザビームの他のすべてを反射し、前記ＬＨＡの各々はさらに、前記Ｍ個の第２のレーザビームの偏光面を回転させるための回転素子と、前記Ｍ個の第１およびＭ個の第２のレーザビームを第２の光路に結合することによって２Ｍ個の偏光結合されたレーザビームを生成する、前記第１および第２の光路の交点に配置される偏光子とを含み、前記ファイバ結合装置が前記２Ｍ個の偏光結合されたレーザビームを集光して前記Ｎ個の出力ビームの対応する１つを生成する、請求項９に記載のダイオードレーザシステム。１３．前記ファイバ結合装置が、前記Ｍ個の第１のレーザビームを受けて、それを前記Ｎ個の光ファイバに結合することによって前記Ｎ個の出力ビームの対応する１つを生成する変換レンズを含む、請求項９に記載のダイオードレーザシステム。１４．Ｎ個のレーザビームを生成するための手段を含み、前記Ｎ個のレーザビームの各々は複数の光の波長を含み、前記生成する手段は、Ｍ個の第１のレーザビームを生成するためのＭ個の第１の手段を含み、前記Ｍ個の第１のレーザビームの各々は異なる単一波長を有し、前記生成する手段はさらに、第１の光導波管を規定して前記ｒビームのすべてを第１の光路に向けるＭ−１個の第１のフィルタ手段を含み、前記Ｍ−１個の第１のフィルタ手段の各々は前記Ｍ個の第１のレーザビームのうち対応する１つを透過し、前記Ｍ個の第１のレーザビームの他のすべてを反射し、前記生成する手段はさらに、前記Ｍ個の第１のレーザビームを集光し、かつ前記Ｎ個の出力レーザビームの対応する１つを生成するための前記第１の光路に近接して配置されたファイバ結合手段を含み、前記ダイオードレーザシステムはさらに、前記Ｎ個の出力レーザビームの対応するものを受けてＮ個の受光出力ビームを生成するためのＮ個の光ファイバ手段と、前記Ｎ個の受光出力ビームを再コリメートし、かつ一点上で焦点合わせをするための出力手段を含み、ＮおよびＭはともに２以上の整数である、ダイオードレーザシステム。１５．前記出力手段が、前記Ｎ×Ｍ個のレーザビームを再コリメートするためのＮ個のコリメートレンズと、前記再コリメートされたＮ×Ｍ個のレーザビームを前記一点上で焦点合わせをする単一の変換レンズとを含む、請求項１４に記載のダイオードレーザシステム。１６．前記一点が固体レーザの一端に対応する、請求項１４に記載のダイオードレーザシステム。１７．前記一点が希土類でドープされた光ファイバの一端に対応する、請求項１４に記載のダイオードレーザシステム。１８．前記一点が色素レーザの一端に対応する、請求項１４に記載のダイオードレーザシステム。１９．前記生成する手段がさらに、Ｍ個の第２のレーザビームを生成するための第２の手段を含み、前記Ｍ個の第２のレーザビームの各々は異なる単一波長を有し、前記生成する手段はさらに、第２の光導波路を規定して前記Ｍ個の第２のレーザビームのすべてを第２の光路に向け、前記Ｍ−１個の第２のフィルタ手段は、前記Ｍ個の第２のレーザビームのうち対応する１つを透過し、前記Ｍ個の第２のレーザビームの他のすべてを反射し、前記生成する手段はさらに、前記Ｍ個の第２のレーザビームの偏光面を回転させるための回転手段と、前記Ｍ個の第１およびＭ個の第２レーザビームを前記第２の光路に結合することによって２Ｍ個の偏光結合されたレーザビームを生成するために、前記第１および第２の光路の交点に配置される偏光手段とを含み、前記ファイバ結合手段は前記２Ｍ個の偏光結合したレーザビームを集光して前記Ｎ個のレーザビームの対応する１つを生成する、請求項１４に記載のダイオードレーザシステム。２０．前記ファイバ結合装置が、前記２Ｍ個の偏光結合されたレーザビームを受け、それを前記光ファイバ手段の１つに結合することによって前記Ｎ個の出力ビームの対応する１つを生成するための変換レンズを含む、請求項１９に記載のダイオードレーザシステム。２１．高エネルギのレーザビームを生成する方法であって、（ａ）Ｍ番目の波長を有するＰ個のコリメートされたレーザビームを生成するステップと、（ｂ）Ｍ個の異なる波長を有するＭ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームを生成するように、ステップ（ａ）をＭ回繰返すステップと、（ｃ）前記Ｍ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームを光路に結合するステップと、（ｄ）前記Ｍ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームをｉ番目の光ファイバ中に結合することにより対応するｉ番目の出力レーザビームを生成し、ｉ＝１からＭであるステップと、（ｅ）（ａ）から（ｄ）のステップをＮ回繰返すことによりＮ個の出力レーザビームを生成するステップと、（ｆ）前記Ｎ個の出力レーザビームを再コリメートしてＮ個の再コリメートされたレーザビームを生成するステップと、（ｇ）前記Ｎ個の再コリメートされたレーザビームを一点上で焦点合わせをするステップとを含み、Ｍ、ＮおよびＰは２以上の整数である、方法。２２．ステップ（ｃ）が前記Ｍ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームを前記光路中にダイクロイック結合するステップを含む、請求項２１に記載の方法。２３．ステップ（ｃ）が、前記Ｍ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームを前記光路中にダイクロイック結合および偏光結合するステップを含む、請求項２１に記載の方法。２４．ステップ（ｃ）が前記Ｍ×Ｐ個のコリメートされたレーザビームを前記光路中に偏光結合するステップを含む、請求項２１に記載の方法。