JP2002541513A - レーザダイオードの２次元アレイの照射を対称化するための光学配列 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザダイオードの各々の出射が互いに直交する第１方向（ｙ軸）と第２方向（ｘ軸）とに対して非対称である、一定の配分で並列にかつ上下に配列した複数のレーザダイオードの光束を対称化、特にレーザダイオードスタックに上下に積み重ねたレーザダイオードバーの光束を対称化するための光学配列であって、充分に大きいイソプラナシーを有する複数のマイクロシリンダレンズ光学系（２ａ、２ｂ、２ｃ）を、割り当てられた線形レーザダイオードアレイの光学軸（ｚ軸）の周りに傾けて配列しており、この光学系が割り当てられた線形レーザダイオードアレイの個々のレーザダイオードの出射光束をｙ方向に視準しかつ異なった程度に偏向しかつその際に分離し、かつｙ方向に上下に重ね合わせたレーザダイオードから出射する光束（８）は、所定の間隔で一致する。またここで、マイクロシリンダレンズ光学系（２ａ、２ｂ、２ｃ）に方向素子（３）を後置しており、この方向素子がｘ方向に並列に配置された、個々のレーザダイオードの光束（８）をｘ方向にその都度異なる偏向角で、個々の光束（８）の中心点が所定の間隔で一致するように方向転換し、かつこの間隔で方向素子（３）の背後に再方向素子（５）を配列しており、この再方向素子は方向素子（３）によって様々に導入された光束（８）の偏向角をｘｚ面で再び補償する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、主請求項の前段に記載されるレーザダイオードの光束を対称化する
ための光学的配列に関する。

【０００２】 高出力レーザダイオード組合せを行うために、複数のレーザダイオードを一定
の配列でいわゆるレーザダイオードバー（Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｎｂａｒｒｅｎ
）状に並べて配置する。このようなバーは約４０Ｗまでの光学的出力を達成しか
つ５０μｍ×１μｍないし２００μｍ×１μｍの照射面積の典型的な寸法を有す
る一列に配置された個別エミッタから成り、これらのエミッタの線形配列は常に
それらの最大拡張方向に行われる。さらに高い出力を実現するために、前記のよ
うなレーザダイオードバーはエミッタの小さい拡張方向にいわゆるレーザダイオ
ードスタック（Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｎｓｔａｃｋ）（重ね）状に重ね合わされ
る。このスタックの照射は非常に非対称的であり、かつ１つのバーの個別のエミ
ッタ間と、バー群における非照射領域の故に、個別エミッタに比べて照射は低い
ものになっている。

【０００３】 例えば材料加工または固体レーザのポンピングに必要な、可能な限り高い照射
密度を有する対称の束を得るために、一方で光束対称化を生ぜしめ、ならびに照
射密度を維持するための非照射領域の消滅も生ぜしめる光学系が必要である。

【０００４】 光ファイバに結合するために若しくは焦点合わせするためにレーザダイオード
スタックを対称化する配列が知られている。対称化および照射密度に関する要求
に応じて、様々な概念が従来技術としてある。

【０００５】 スタックの結合は、ドイツ連邦共和国特許出願明細書ＤＥ１９５００５１３Ｃ
１に記載されている。この場合の欠点は、個々のバー間の最小間隔が、視準レン
ズの厚さの３倍あることであり、このことは所定の高さに可能な限り多数のバー
を集積することができないことを示す。

【０００６】 ドイツ連邦共和国特許ＤＥ１９５４４４８８による配列は、確かに多数のバー
を使用することによって非常に高い出力の調整を可能にするが、達成された照射
密度は、ドイツ連邦共和国特許ＤＥ４４３８３６８のようにファイバに結合した
レーザダイオードバーより少なくとも１オーダー小さくなる。

【０００７】 さらに、一定の配分で並列に配置された複数のレーザダイオードの光束を対称
化するための光学配列が知られている（ドイツ連邦共和国特許公報ＤＥ１９６４
５１５０Ａ１）。対称化配列は、この場合、光学軸の周りを回転するシリンダレ
ンズと、個々のレーザダイオードの照射光束を偏向するための方向レンズと、方
向レンズの偏向を補償するための再方向レンズと、それに続く視準光学系とから
成る。

【０００８】 本発明が解決しようとする課題は、比較的簡単に製造することができるマイク
ロ光学構成素子から成り、コスト的に有利な小型化に近づけることができ、かつ
対称化に伴って確実に現われる照射密度損失を可能な限り減らす調整可能な数の
レーザダイオードバーの光束を対称化するための光学配列を達成することである
。特にファイバに結合されたレーザダイオードバーに比べて照射密度の改善が達
成されることである。

【０００９】 上述の課題は本発明に従い、前段部の特徴と関係する主請求項に示した特徴部
によって解決される。

【００１０】 好ましい実施例は、従属請求項２ないし１５に記載してある。

【００１１】 それぞれ個別バーに割り当てられ、そのバーの光学軸（ｚ軸）に関連づけられ
たマイクロシリンダレンズによって、各バーの個別エミッタの出射光束がレーザ
ダイオードバーの積層方向へ視準され、別様に偏向され、それから分離される。
この偏向は、互いに上下に重なり合った様々なバーの個別エミッタの光束中心が
再方向素子（Ｒｅｄｉｒｅｋｔｉｏｎｓｅｌｅｍｅｎｔ）上を、同じ高さでこの
方向に所定の間隔で当たるように、行われる。マイクロシリンダレンズに後置し
た方向素子（Ｄｉｒｅｋｔｉｏｎｓｅｌｅｍｅｎｔ）が個別エミッタの線形配列
方向のバーの個別エミッタの光束偏向を生ぜしめるため、バーのエミッタの光束
中心は、所定の間隔で再方向素子上でこの方向に発生する。さらに、この方向素
子は個々のバーの光束中心を積層方向に偏向し、積層方向の全ての中心も、同様
にして再方向素子上に落ちる。この再方向素子は、個々のエミッタから発生する
出射光束を、方向素子によって作られた偏向角が再び補償されるように偏向する
。再方向素子に隣接する投映レンズは、ここで各バーの光束を、所定の間隔で存
在する１つの焦点に投映する。この焦点は、そこに存在する１つの光ファイバ束
の開脚したファイバの正面に結合される。この束により、元々バーの重なり方向
に配列されていた焦点を所望の対称全焦点に再配列する。

【００１２】 前記のような配列は、方向素子および再方向素子および全バー用の写像光学系
（Ａｂｂｉｌｄｕｎｇｓｏｐｔｉｋ）の多重利用によって個々のエミッタの照射
密度をできるだけ維持して簡単かつコスト的に好適にレーザダイオードスタック
の照射の対称化を可能にする。

【００１３】 一実施例を図面に表わし、以下により詳しく説明する。

【００１４】 図１に示した光学配列では、ｙ方向に積層した３つのレーザダイオードバーが
１ａ、１ｂ、１ｃで示されている。ここで３つのバー１ａ、１ｂ、１ｃに制限し
た理由は単によりよい説明のためである。これらのバー１ａ、１ｂ、１ｃの各々
は、ｘ方向に配列した複数の個別のエミッタから成る。ここでは見易くするため
に、外側の２個のエミッタおよび中央のエミッタを示している。各エミッタの光
束の違いはｙｚ面（急速軸 ｆａｓｔ ａｘｉｓ）で比較的大きく、光束の広が
りの半角度は３０゜またはそれ以上になる。これに対し、ｘｚ面（緩速軸 ｓｌ
ｏｗ ａｘｉｓ）においては、各エミッタの光束の違いは比較的小さい。この場
合の光速の広がりの半角度は典型的には約６゜になる。バー１ａ、１ｂ、１ｃの
全拡張部は緩速軸で典型的には１０ｍｍになる。バー１ａ、１ｂ、１ｃの積層間
隔は互いに約０．１ｍｍ〜数ｍｍの範囲内である。

【００１５】 個々のバー１ａ、１ｂ、１ｃに後置されて各々１つのマイクロシリンダレンズ
２ａ、２ｂ、２ｃがある。光束通路には、さらに順番に方向素子３およびレンズ
４、再方向素子５、もう１つのレンズ６ならびに光ケーブル束７にまとまる光フ
ァイバ７ａ、７ｂ、７ｃがある。

【００１６】 ｚ軸に関連したマイクロシリンダレンズ２ａ、２ｂ、２ｃは、互いに重なって
異なったバー１ａ、１ｂ、１ｃの個々のエミッタの光束を視準し、かつ図面に８
で示された個別エミッタの光束を同じ高さで再方向素子５上で偏向し、バー１ａ
、１ｂ、１ｃのエミッタの光束８が分離されている。マイクロシリンダレンズ２
ａ、２ｂ、２ｃとして、グラジエント（ｇｒａｄｉｅｎｔｅｎ）光学的シリンダ
レンズまたは充分なイソプラナシー（Ｉｓｏｐｌａｎａｓｉｅ）を有する多素子
円筒光学系が使用されることが好ましい。マイクロシリンダレンズ２ａ、２ｂ、
２ｃの典型的な焦点距離は１００μｍ〜約１ｍｍの範囲内にある。

【００１７】 方向素子３は、緩速軸でエミッタの個別光束８を偏向させ、急速軸で各個別の
バーの全てのエミッタの光束を同様にして偏向させ、その結果バー１ａ、１ｂ、
１ｃのエミッタの光束８が、各バーの同じｘ位置でおよび各バーの光束中心点が
再方向素子５上の同じｙ位置であたる。

【００１８】 方向素子３として、平凸レンズまたは両凸レンズまたはデュブレット（ｄｏｕ
ｂｌｅｔｔ）、好ましくは大きいフィールド角、球面または非球面の面を有する
ものが使用される。

【００１９】 可能な別の実施形態は、図２に記載するプリズムアレイ９とこの方向レンズ３
の組合せであり、これは緩速軸で再方向素子５上で個々のバー１ａ、１ｂ、１ｃ
の光束８の置換を生ぜしめる。この場合、各バー１ａ、１ｂ、１ｃには緩速軸で
偏向するプリズム９ａ、９ｂ、９ｃが割り当てられる。このように達成された再
方向素子５上での個々のバー１ａ、１ｂ、１ｃの光束中心点の分離によって焦点
域の１ａ、１ｂ、１ｃに対する位置決めは、各バーのｙ方向に個別的に実現可能
であり、若し方向素子５が適当に作られていると、例えば個々の焦点域をお互い
の上に正確に位置決めすることができる。あるいは方向レンズ３とプリズムアレ
イ９の組合せは、選択的に緩速軸で互いに置換して配列した複数のセグメントに
方向レンズ３を分割することによっても達成することができる。方向素子３の焦
点距離は、典型的に数ｍｍ〜数１０ｍｍの範囲になる。

【００２０】 方向素子３に後置されて、再方向素子５（図１参照）および写像光学系レンズ
４、６がある。具体的な実施形態において、まず初めに焦点距離が方向焦点距離
に相当するレンズ４がある。写像光学系のこの第１のレンズ４は緩速軸で個別エ
ミッタの光束の視準を行う。これは、ほぼ収差のない再方向素子５の作動を可能
にする。写像光学系の第１のレンズ４における実施の具体例は、方向素子３の変
形に対応する。

【００２１】 再方向素子５は緩速軸において偏向作用を有する急速軸で積層された複数の素
子、例えば回折格子のアレイ、プリズム積層体またはミラーアレイから成る。再
方向素子５によって、各バー１ａ、１ｂ、１ｃから四角形または正方形の断面を
有する視準された光束が得られる。この再方向素子５から視準された光束の方向
は、急速軸の各バー１ａ、１ｂ、１ｃに対して様々である。

【００２２】 図２に示されているように、方向レンズ３およびプリズムアレイ９の組合せに
よって緩速軸で個々のバー１ａ、１ｂ、１ｃの光束８の分離が再方向素子５で達
成される場合、この種々の照射方向は急速軸と緩速軸で偏向する適当な素子１０
によって再方向素子５の付近で補償することができる。これらの素子１０は、例
えば追加のプリズムを使って再方向素子５の付近に、好適な再方向素子５を形成
し、例えば２次元に偏向する回折格子またはこれらの素子の組合せのアレイとし
て実現可能である。再方向素子５により、その結果広範囲に対称的な高い照射密
度を有する視準された光束が実現する。四角形の断面を有する視準された光束が
必要になる場合に適用するためには、さもなければここで必要とする写像光学系
の後続の第２レンズ６を省くことができる。

【００２３】 しかし通常は、焦点合わせをした出射光束が必要になる。後続のレンズ６は各
バー１ａ、１ｂ、１ｃの個別エミッタの像を共通の焦点に形成する。

【００２４】 図１には、各々のバー１ａ、１ｂ、１ｃうちの1つにおけるエミッタの重ね合
わせた写像が結合されるレンズ６の焦点面に配列された光ファイバ７ａ、７ｂ、
７ｃが示されている。１つのファイバ束７にこの光ファイバ７ａ、７ｂ、７ｃを
収束することによって、所望の対称的な束の断面が最大の照射密度を維持しなが
ら得られる。

【００２５】 若し図２に示したように、各々１つのプリズムアレイ９若しくは１０を有する
方向レンズ３および再方向素子５の組合せの変形が実現される場合、レンズ６の
焦点面に全てのバー１ａ、１ｂ、１ｃの共通の焦点域が得られる。その場合、こ
の実施形態において個々のバー１ａ、１ｂ、１ｃの焦点域を集結させるために広
げたファイバ束が不要になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ファイバ束を使用した際の２次元レーザダイオードアレイの照射対称化用の光
学配列

【図２】 追加の偏向素子を使用した際の２次元レーザダイオードアレイの照射対称化用
の光学配列

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュライバー ペーター ドイツ連邦共和国 ディー−07749 イエ ナ ブルクヴェーク ２ Ｆターム(参考） 2H037 AA04 BA03 CA13 CA15 CA21 CA32 CA33 CA37 5F073 AB04 AB25 AB27 AB28 BA09 EA24 【要約の続き】 るように方向転換し、かつこの間隔で方向素子（３）の 背後に再方向素子（５）を配列しており、この再方向素 子は方向素子（３）によって様々に導入された光束 （８）の偏向角をｘｚ面で再び補償する。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザダイオードの各々の出射が互いに垂直に重なる第１方
   向（ｙ軸）と第２方向（ｘ軸）とに対して非対称である、一定の配分で並列にか
   つ上下に配列した複数のレーザダイオードの光束を対称化するための、特にレー
   ザダイオードスタック（Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｎｓｔａｃｋ）に上下に積み重ね
   られたレーザダイオードバー（Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｎｂａｒｒｅｎ）の光束を
   対称化するための光学配列であって、 充分に大きいイソプラナシー（Ｉｓｏｐｌａｎａｓｉｅ）を有する複数のマイ
   クロシリンダレンズ光学系（２ａ、２ｂ、２ｃ）を、前記割り当てられた線形レ
   ーザダイオードアレイの前記光学軸（ｚ軸）周りに傾けて配列されており、前記
   光学系は、前記割り当てられた線形レーザダイオードアレイの個々のレーザダイ
   オードの出射光束をｙ方向に視準しかつ異なった角度で偏向しかつその際に分離
   し、 方向素子（Ｄｉｒｅｋｔｉｏｎｓｅｌｅｍｅｎｔ）（３）は、前記マイクロシ
   リンダレンズ光学系（２ａ、２ｂ、２ｃ）に後置されており、前記方向素子は、
   ｘ方向に並列に配置した前記個々のレーザダイオードの光束（８）を、前記ｘ方
   向にその都度異なる偏向角度で、前記個々の光束（８）の中心が所定の間隔で前
   記ｘ方向に収束するように方向転換し、かつ前記各個別の線形レーザダイオード
   アレイの光束を前記ｙ方向に、前記光束が所定の間隔で収束するように方向転換
   し、かつ 前記方向素子（３）に並んで、ｘｚ面で前記方向素子（３）によって導入され
   る前記光束（８）の異なった偏向角を再び補償する再方向素子（Ｒｅｄｉｒｅｋ
   ｔｉｏｎｓｅｌｅｍｅｎｔ）（５）が配されていることを特徴とする光学配列。
2. 【請求項２】 写像光学系（Ａｂｂｉｌｄｕｎｇｓｏｐｔｉｋ）（４、６）
   は、前記再方向素子（５）に割り当てられており、前記写像光学系は、前記ｘ方
   向に並列に配置された、全てのレーザダイオードの前記光束（８）を共通の照射
   域ごとに写像し、前記光束は、１つのファイバ束（７）の開脚した個々の光ファ
   イバ（７ａ、７ｂ、７ｃ）の中に結合されて、共通の照射域に統合されることを
   特徴とする、請求項１に記載の配列。
3. 【請求項３】 前記マイクロシリンダレンズ光学系（２ａ、２ｂ、２ｃ）の
   各々は、グラジエント光学系のマイクロシリンダレンズ（ＧＲＩＮ）、球面また
   は非球面マイクロシリンダレンズ、フレネルレンズおよび／またはそれらの組合
   せを有することを特徴とする、請求項１ないし２のいずれかに記載の配列。
4. 【請求項４】 前記方向素子（３）は、デュブレット（Ｄｕｂｌｅｔｔ）、
   球面または非球面の表面を有する両凸レンズまたは平凸レンズとして形成されて
   いることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の配列。
5. 【請求項５】 前記方向素子（３）がそれに割り当てられた光学素子（９）
   を有しており、前記光学素子は、前記ｘ方向に並列に配置されたレーザダイオー
   ドの前記光束を、ｙ方向に上下に配列されているレーザダイオードから所定の間
   隔で前記ｘ方向に互いに分離されるように等しく偏向することを特徴とする、請
   求項１または３ないし４に記載の配列。
6. 【請求項６】 偏向素子（９）として、回折格子、プリズム積層体またはミ
   ラー積層体アレイを利用することを特徴とする、請求項５に記載の配列。
7. 【請求項７】 前記偏向機能は、ｘ方向に方向素子を分割化し、それに続き
   ｘ方向に互いにずらして合わせることによって実現されていることを特徴とする
   、請求項５に記載の配列。
8. 【請求項８】 再方向素子（５）として、回折格子、プリズム積層体または
   ミラー積層体アレイを利用することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか
   に記載の配列。
9. 【請求項９】 ｙ方向に偏向する素子（１０）は、前記再方向素子（５）に
   割り当てられており、前記素子は、前記個々のバー（１ａ、１ｂ、１ｃ）の前記
   光束（８）をｙ方向に方向転換させて、前記光束が前記再方向素子（５）をｚ軸
   と平行にすることを特徴とする、請求項５ないし７のいずれか1項に記載の配列
   。
10. 【請求項１０】 偏向素子（１０）として、回折格子アレイ、プリズムアレ
    イまたはミラーアレイを利用することを特徴とする、請求項９に記載の配列。
11. 【請求項１１】 前記再方向素子（５）の機能も、前記偏向素子（１０）の
    機能も、回折素子によって実現されていることを特徴とする、請求項９に記載の
    配列。
12. 【請求項１２】 前記個別光束（８）の視準を前記ｘ方向で生ぜしめるレン
    ズ（４）は、再方向素子（５）に前置されていることを特徴とする、請求項１な
    いし１１のいずれかに記載の配列。
13. 【請求項１３】 前記再方向素子（５）に前置した前記レンズ（４）は、デ
    ュブレット、球面または非球面の表面を有する両凸レンズまたは平凸レンズとし
    て形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の配列。
14. 【請求項１４】 フォーカスレンズ（６）は、前記再方向素子（５）に後置
    されており、前記レンズは、前記光束（８）を１つまたはそれ以上の焦点域に収
    束させることを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれかに記載の配列。
15. 【請求項１５】 前記フォーカスレンズ（６）は、アクロマート、アクロマ
    ートおよびメニスカスレンズ、平凸レンズ、平凸レンズおよびメニスカスレンズ
    またはそれぞれ球面または非球面断面形状を有する両凸レンズとして形成されて
    いることを特徴とする、請求項１４に記載の配列。