JP2005531135A - 高光学出力密度を生成するための方法およびレーザ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、単一のレーザバー（ＬＢ）において、隣接するダイオードレーザ（Ｅ）の遅軸が、同一線において相互に関して配置されており、前記ダイオードレーザ（Ｅ）は実質的に同じ方向（ｚ）に放出し、前記複数のレーザバー（ＬＢ）によって放出された放射線は、さらに、光軸（Ａ）と平行な結合された明るい光線に集光されるように、ダイオードレーザ（Ｅ）のレーザバー（ＬＢ）を形成することによって、高光学出力密度を生成するための方法および装置に関する。本発明に従えば、レーザバー（ＬＢ）は、異なるセクタから出る光線の方向が前記光線を結合するために方向を変えられる（ＤＥ）ように、セクタに光軸（Ａ）に関して軸対称構造に対して配置される。本発明の好適な実施形態は、空間多重化、偏光多重化および／または、波長多重化を用いて、レーザバー（ＬＢ）の効率的なセクタバイセクタの放射線の結合を可能にする。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、高光学出力密度を生成するための請求項１の前提項に従う方法に関する。さらにまた本発明は添付の請求項１７の前提項に従う上述の方法を実施するレーザ装置に関する。

発明の背景
レーザ装置によって生成された明るい光線は、今日では多くの種々の処理で利用されている。このような処理には、たとえば材料のマーキング、表面処理、切断、溶接などがある。高出力レーザは、たとえば、上記の処理を使用する金属材料の処理などに適用可能である。またレーザ光は、医療目的にも広く利用され、また種々の光学測定に利用されている。

半導体に基づくダイオードレーザが開発され、それによって得られた光学出力を増大しかつ光線の質を改善しているので、コンパクトな半導体レーザを用いた用途は、より大規模なガスレーザおよび結晶レーザを伝統的に用いてきた上記の利用分野に積極的に広げられている。半導体レーザ装置は、複数の単一レーザエミッタによって放出された放射線を結合させることによって、典型的に、高密度光学総出力を達成する。

高出力密度を有する半導体レーザ装置の一般的な目的は、所望された方法で、対象物に焦点を合わせることができる、充分強力でかつ明るい光線を生成することである。光源の明るさは、発光表面積からある特定の立体角に放出された光出力として決定される。単一の光源の明るさは、受動光学素子によって増加させることができない。

半導体レーザについては、単一の半導体エミッタの光出力はかなり制限されており、充分な総光出力を得るためには、多数の単一エミッタが必要である。光出力を増大するためには、並べて配置した複数の単一エミッタから成るいわゆるレーザバーが用いられ、いわゆるレーザタワーを構成するように、このレーザバーを多数、上下に結合させることができる。それにも拘わらず、光源中のエミッタの数は、それによって増加するので、光源のサイズが大きくなるのも避けられない。光源によって放出された放射線は、出力密度を増大するためには、光源の種々の位置から発生する光線は、適当な方法で、ともに結合される。この光線の結合は、一般に多重化と称される。半導体レーザに関して用いられる種々の多重化方法には、波長多重化、偏光多重化および空間多重化がある。

波長多重化においては、２つまたは複数（ｎ個）の異なる波長の光線が結合されて、適当な波長依存性を有するビームコンバイナを使用して１つの光線を構成する。光学分野でそれ自体として周知であるようなビームコンバイナはたとえば、ダイクロイックミラーで、その既知の例には、たとえばホット／コールドミラーがある。ビームコンバイナを用いた場合には、結合光線の直径は、結合される異なった波長を有する各光線の直径に実質的に相当するように配置することができる。したがって、結合光線の出力密度は、損失皆無の状態では、ｎ倍に増大される。光の立体角は、当初のままに維持され得るので、結合光線の明るさも出力密度と同じ関係で増大する。

偏光多重化においては、同じ波長を有する２つの光線が、偏光ビームコンバイナを用いて１つの光線に結合される。必要なら、他の部分光線の偏光レベルが、たとえば、λ／２板で９０°変化させることができる。結合光線の直径は、結合される部分光線の直径と実質的に同じであるので、この場合の出力密度は、実質的にほぼ２倍となる。光の立体角は変化しないので、明るさもほぼ２倍に増える。

空間多重化においては、異なる光源から生じた光線は、空間の同じ位置に集光される。空間多重化の目的は、できる限り当初の光源の明るさを良好に維持することである。出力密度は増大することができるが、光の立体角が同じ関係で大きくなるので、明るさは、単なる空間多重化では、増加させることができない。

実際、半導体レーザ光線を効果的な方法で結合し、波長多重化、偏光多重化および空間多重化を同時に用いるような構造を設計し実施することは非常に難しい。このことは、たとえば、半導体レーザの放射の非点収差、および先行技術のレーザバーの幅に起因する。

典型的には、先行技術の広範なレーザバーで用いられる単一の発光体の発光面の高さ（以下、方向ｙという）は、１μｍ未満であり、この急速に発散する方向（速軸、ＦＡ）では、発光体から生じる光線は、３０〜４０°（ＦＷＨＭ）の角度で、ガウス分布のようにで広がっている。個々の発光体の発光面の幅（以下、方向ｘという）は、典型的には１００μｍ程度であり、この低速で発散する方向（遅軸、ＳＡ）では、出射光線は、１０°（ＦＷＨＭ）未満の角度で発散する。光を発しない不活性の「空の」空間は、レーザバーに結合された隣接する発光体間に存在する。典型的には１０ｍｍ程度で、２０〜４０の隣接発光体を含むレーザバーは、２０〜５０Ｗの連続的な光出力を生成する。したがって、レーザバーの長さに比例して、光出力は２〜５Ｗ／ｍｍである。パルス化用途では、瞬時対応出力は、１０Ｗ／ｍｍを超える可能性がある。

米国特許第５８２５５５１号明細書は、２つの平面鏡に基づいた簡単な空間多重化方法を開示している。その解決手段において、発光体の遅軸は、２つのガラス板の間で斜めに向けられており、そこで光線が、捕捉されており、その光線は、反射に基づき、ガラス板の出口端の方へ移動する。光線は、当初より狭くなっているガラス板の間の鏡の間隙から出射する。その構造は簡単であるが、光出力の一部は反射損として失われる。さらに、上述された方法を同時に用いて異なる多重化方法を実施することは難しく、得られる最大出力密度も限られる。

いくつかの特許が、レーザバー（米国特許第４８２００１０号明細書）または発光体（米国特許第６３１２１６６号明細書）の光線を結合するための種々の導波管を使用することを示唆している。導波管に基づく解決手段は発光体間のおよび／またはレーザバー間の非発光空所を除去し、導波管が光をさらに光ファイバに伝送するために用いられ得る。しかしながら、実際には、導波管は、しばしば、光源の明るさを著しく減少させる。このことは、導波管の出口端で、高充填比が達成できないということに起因している。導波管は、光出力の全てを集めるためには充分大きな光結合端を有していなければならないが、結合表面の一部だけでは、全明るさが劣化するので、不充分である。加えて、取り付けの精度は、光線の質に重要な要素となりうる。偏光多重化および波長多重化も、導波管の使用に直接結びつかない。

遅軸の方向におけるレーザの明るさを維持することは、おそらく、明るいダイオードレーザ光線を結合する際のもっとも一般の問題であり、これに対する問題解決手段が、複数の特許公報で開示されている。この問題は、発光体が相互に充分離れて配置されるようにレーザウエハ上で処理されるような方法で簡単に解決することができる。したがって、次に、個々の発光体の前に、各発光体のサイズに対して、充分大きなサイズの遅軸コリメーション光学（米国特許第５７９３７８３号明細書）が、配置される。それにも拘わらず、このような解決手段は、ウエハの大部分は発光体間の空所から成っているために、レーザウエハの利用レベルは高くないであろうので、実際的には、有利ではない。

複数の解決手段は、光学的方法を用いることによって、遅軸の方向に光照射野を狭める傾向にあり、同時に場合によっては発光体間の空所を除去する傾向にある。一般に、遅軸の狭窄は、光源の像の高さを大きくすることによって発生し、この狭窄に伴って、レーザバー間の物理的な距離が、それらを上下に積層することによって結合されたときに、伸びることは避けられない。加えて、光学部品を狭窄したり積層したりすることによって必要な物理的空間は、異なった多重化方法を組合せることを難しくさせる。既知の狭窄光学部品の主要特性は以下において、さらに詳述される。

米国特許第５７８４２０３号明細書では、遅軸の狭窄は、レンズ光学部品およびタワー状に積層したガラス板を利用した平行偏向器を用いて、実施される。タワー状のガラス板の平面は平行であるが、ガラス板は、その構造が扇に似ているように相互に適宜回転させた。幅広いレーザバーから生じる光線は、遅軸の方向に部分光線に分けられ、速軸の方向に曲げられる。そこで、異なる発光体から生じた光は、ガラス板のタワー中の異なる層に衝突する。平行シフトが、扇構造を形成するように積層したガラス板中で起こり、そこで、異なる発光体から生じた光線は、遅軸の方向に上下に配置される。この光は、全反射によってガラス板のタワー中で伝搬し、ガラス板間でおよび／または板表面間で、板自体よりも低い反射率の媒体が必要である。遅軸の発散が原因で、異なるガラス板に対して意図された光は、部分的に混合され、この部分は失われる。この方法では、複数の円筒形のレンズ、球状レンズおよびガラスレンズが必要で、これらが構造のサイズを大きくし、異なる多重化方法の同時利用を難しくする。狭窄および積層は、ガラス板を積層した２つのタワーを用いてもすることができる（米国特許第５８０５７８４号明細書および米国特許第５９８６７９４号明細書）。この解決手段ではまた、レーザバーは、相互に離れたままで、したがって、この方法は、単一のレーザバーから生じる光出力のファイバベースカップリングに最適である。

マイクロミラーに基づく多数の異なる狭窄および積層構造が紹介されている。たとえば、半導体技術によって半導体から作製された２列のオフセットミラー（米国特許第５８８７０９６号明細書）または、偏向ミラーシステム（米国特許第５８０８３２３号明細書）が、この目的のために用いることができる。米国特許第５５９２３３３号明細書は、モノリシック構造のミラー技術に基づき、さらに発光体間の空所をも除去する狭窄光学部品を開示している。各発光体または発光体群から由来する光線は、「Ｖ」字型溝の両端から反射され、伝搬の方向は９０度変化し、部分光線は、新しい方法で、相互に積層される。この結果、当初の長い光線が分割され、速軸の方向に相互に積み重ねられた分割された部分光線が形成され、これらの光線は、１つのレンズで平行光線にされる。しかしながら、この方法による装置の構造は、「Ｌ」字型であり、大きなスペースを必要とする。この結果として、複数のレーザバーの光線を結合することは、あまり有利ではない。しばしば、マイクロミラーの作製技術に関する問題も制限要因である。ミラー反射に基づく光学部品では、上記の解決手段も示しているが、吸収によって引き起こされる効果損が生じ、ミラーはおそらく冷却されなければならない。

遅軸の狭窄および圧縮は、適当な形式のガラスバーを用いることによってもまたステップミラーに相当する方法で実施することができる（米国特許第５８７７８９８号明細書）。各ガラスバーの入口表面は、光の入射方向に垂直であり、出口表面は光の入射方向に対して４５°をなしている。傾斜した出口表面によって生じた全反射に起因して、光の方向は、９０度変化する。全反射に基づく解決手段は、ミラー出力損を示すだけである。しかしながら、ガラスバーを内蔵した小さなミラー構造を作製することは難しく、レーザバーは、この解決手段では相互に近づけることもできない。

遅軸の狭窄および平行化のための実際的な解決手段は、偏向プリズムに基づいている（米国特許第５８０８８０３号明細書）。発光体または発光体群の光線は、プリズムを用いて、速軸の方向に偏向され、当初のレーザバーより狭いこれらの光線は、独自の円筒形レンズでより正確に平行化することができる。必要なコリメーションレンズの数は、当初のレーザバーが何個の部分に分割されるかに依存する。構造は簡単であるが、偏向は速軸の方向に行わなければならないので、レーザバーは相互に近づけることができない。目的がレーザバーの２０もの発光体を別個に平行化することである場合には、２０階建てのコリメーションレンズタワーとともにさらに、２０個のプリズム構造が必要となるであろう。また、異なる発光体から出る光線が、遅軸の方向に相互に重ね合わせて配置することができないから、不必要である全明るさは、低下されるであろう。

発光体間空所も、ステップミラー構造に基づき米国特許第６２４０１１６号明細書で実施されているように光線を結合する前に除去することができる。

上記先行技術の解決手段の要約として、これらの解決手段は、発光体の遅軸を制御することに関し、また現在使用されている幅の広いレーザバーの諸特性によって概して引き起こされる光学的問題を解決する傾向があると言える。上記の解決手段は、技術的解決の一層複雑な構造および物理的サイズの増大を犠牲にして遅軸の取り扱いを容易にするが、他方では、異なる多重化方法を同時に使用することを難しくし、それによって、明るさおよび出力密度を制限する。

発明の簡単な説明
本発明の主たる目的は、高濃度光学出力密度がいくつかの半導体レーザによって放出された放射線をともに結合することによって生成される状態に対する全般的に新規の解決手段を導入することである。

本願で導入された方法およびレーザ装置は、第一に、遅軸の方向に先行技術のレーザバーよりも短い、いわゆる狭いレーザバーを使用すること、そして第二に、異なるセクタに配置されたレーザバーの放射線を集光する際に、特別な軸対称構造を利用することに主として基づいている。

本発明に従う従来の構造よりも狭いレーザバーは、先行技術の幅広いレーザバーに比べて、簡素化されたまたはより効果的な冷却を提供する。レーザバーが狭いということは、煩雑な先行技術を避け、遅軸の方向に光線を狭窄する光学部品を制約するのを避けることができることを伴う。このことは、言い換えれば、非常にコンパクトな軸対称構造の解決手段を可能にし、空間多重化な、波長多重化および偏光多重化を同時に効率的に利用することを可能にする。

したがって、本発明の解決手段は、異なるレーザバーから成る放射線の出力密度を、異なる発光体の光学的効率が損失なく結合され所望の点に導かれ得る理想的な状況で得られる理論的最大値により近づくように増大することができるようにする。したがって、本発明の解決手段は、より良質の結合光線とともに先行技術の出力密度よりも高い出力密度を達成することを可能にする。

本発明の方法および装置は、複数の他の有利な諸特性を示しており、以下に提示される本発明の詳細な説明から当該分野の専門家には明らかになる。

上記の目的を実施するためには、本発明の方法は、添付の請求項１の特徴部分に開示されることを主として特徴とする。言い換えれば、本発明のレーザ装置は、添付の請求項１７の特徴部分に開示されることを主として特徴とする。

以下において、本発明は、添付の図面を参照して説明される。
本発明のさらに詳細な説明
図１に従えば、方向ｙは、並んで配置された半導体発光体Ｅから成る狭いレーザバーＬＢの座標における速軸の方向であり、方向ｘは、遅軸の方向であると、まず決められる。レーザバーＬＢから出る光線は全て、実質的に同じ方向ｚにまず伝搬する。レーザバーＬＢにおいては、隣接する発光体Ｅの遅軸ｘが相互に対して、同じ線に位置され、前記ダイオードレーザＥは、実質的に同じ方向ｚに放出する。

本発明の狭いレーザバーＬＢは、構造であって、発光体Ｅが、先行技術のレーザバーにおけるものよりも実質的に狭い面積Ｌ（近接場（ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ）の幅）にｘの方向に並んで、レーザバーに配置されている構造に関する。典型的には、たとえば、５個の発光体Ｅが狭いレーザバーＬＢ中に並んで位置しており、他方、先行技術のレーザバーにおいては、その数は、典型的には、２０〜４０個である。

単一の半導体発光体Ｅは、以下では、半導体レーザまたはダイオードレーザとも言われる。

本発明の軸対称構造においては、狭いレーザバーＬＢから成る基本部品であって、たとえば、相互に積み重ねられたレーザバーから形成されたレーザタワーおよび／またはレーザタワーパイルである基本部品および可能性のある光学部品が、セクタ中で円を形成するように配置されており、セクタの構造は、規則的または不規則的間隔で、繰返される。

次に、大きな出力密度を有し、狭いレーザバーＬＢに基づくレーザ装置は、狭いレーザバー、基板上へのレーザバーの取り付け、レーザバーの積層、速軸の平行化（ＦＡＣ）、光線の結合、遅軸の平行化（ＳＡＣ）、集束、最終結果の順で、光の伝搬経路に従って、試験される。

本発明の中枢となる原理を考慮して、本明細書は以下において、図５に図示された本発明の基本的な原理に主として関連している。本発明のその他のいくつかの可能性ある実施形態も、以下において、さらに詳細に観察される。

１．狭いレーザバーの諸特性および作製
図１に従えば、本発明の基本的な起点は、単一の狭いレーザバーＬＢであり、レーザウェハから加工され、１つまたは複数のレーザ発光体Ｅを含む単一の構成部品に言及している。前記レーザ発光体Ｅは、近接場Ｌをともに形成し、この場Ｌは、前記構成部品の遅軸に平行で、その近接場は、実質的に狭い場であり、レーザバーＬＢによって伝送された光線が、使用の目的に対して充分な精度で、直接的に、平行化され集束することができ、その場合には、先行技術の特別な狭窄光学部品は必要ではない。

レーザバーＬＢの狭窄は、同じレーザバー中により少ない総数の平行発光体を用いることによっておよび／または先行技術レーザバーより高密度に発光体Ｅを間隔をおいて配置することによって、もたらすことができる。

狭いレーザバーＬＢの遅軸に平行な近接場の幅Ｌは、好ましくは、０．５ｍｍ程度であってもよい。レーザバーＬＢでは、発光体Ｅは電気的に並列に連結される。

狭いレーザバーＬＢの発光体Ｅは、先行技術の構造を示すかまたは、この目的のためにより良く最適化されてよい。したがって、発光体Ｅは、従来通りの手法によるよりもさらに高密度に隣り合って離間することができ、同じ面積から得られたより大きな光出力の結果、レーザバーＬＢの全明るさは、大きくなる。従来の間隔に比べて発光体のさらに高密度の間隔は、レーザバーの冷却特性が先行技術の冷却特性より良好になる結果、狭いレーザバーＬＢで、可能になる。このことは、狭いレーザバーＬＢにおいては、熱は、中央に位置した発光体Ｅから離れる方に、部分的にはｘ方向にも向かうことができるという事実に起因している。狭いレーザバーＬＢは、典型的には、幅のより広いレーザバーよりも著しく少ない数の発光体を含んでいるので、その中で生成される熱出力の総量はより低くなり、したがって、冷却に対する要件を減少させる。

現在使用されている半導体の処理方法は、０．５ｍｍの幅を有し、各々１０Ｗ程度の光出力を与える狭いレーザバーＬＢを作製することを可能にする。レーザバーＬＢの長さに対する比をとると、これは２０Ｗ／ｍｍに相当し、先行技術の幅の広いレーザバーよりもかなり大きい。この差異は、狭いレーザバーＬＢの上記のより良好な冷却特性の結果、従来の解決手段におけるよりも高密度に離間することができることによって主としてもたらされる。

発光体Ｅの密度が大きくなるに従って、レーザウェハも大きくなり、現状と比べて面積単位あたりさらに大きな光出力が得られるようにレーザの作製段階で処理され得る。この面では、レーザの作製コストを低下させる。

２．基板上への狭いレーザバーの取り付けおよびレーザバーの冷却
レーザバーＬＢ構造のレーザ処理する半導体層が、冷却された基板Ｍにできるかぎり近接させるようにし冷却をさらに有効にするために、狭いレーザバーＬＢは、図２に従って基板Ｍ上に取り付けられる。使用される固定方法は、それ自体としては既知であるが、たとえば、良好な導電率および熱伝導率を有する種々の接着剤、はんだ、気化はんだおよび／またはこれらの組合せとすることができる。

実際には、側面から方向ｚに放出しているレーザバーＬＢは、典型的には下側ｐサイドの基板Ｍに取り付けられている。基板Ｍのサイズは、好ましくは、狭いレーザバーＬＢよりも長くかつ幅広く、基板Ｍの材料は、良好な熱伝導率を有することができるように選択される。レーザバーＬＢと基板Ｍとの間には、熱を有効に伝達する層、いわゆる、「ヒートスプレッダ」（図では示されていない）を配置することができ、必要な場合には、電気絶縁体（たとえば、多形ダイヤモンド被膜または窒化ホウ素）としても作用する。冷却のための充分な数のチャネルＣＨが、基板の特定の場所にあわせて機械加工される。別の代替案としては、積層によってレーザバーＬＢから形成された既成のレーザタワーに合わせるだけでチャネルＣＨを機械加工することである。

本発明に従う狭いレーザバーは、現在使用されている幅広いレーザバーに比べて、約１０分の１しか昇温せず、それによって冷却に対する設定要件をかなりの程度まで低減する。

狭いレーザバーの小さな物理的な寸法によって、その冷却に関しては、幅広いレーザバーの代わりに効果的な「ヒートスプレッダ」ベースを用いやすく、それによって、熱膨張が引き起こす様々な制約問題が避けられる。加えて、レーザバーＬＢ先行技術の幅広いレーザバーよりｘ方向の軸に関して、はるかに曲がり（いわゆる「スマイリング」）が少ない。伝熱において必要な、大きなサイズのダイヤモンド箔（「ヒートスプレッダ」）は、先行技術では作製するのが難しい。さらに、狭いレーザバーＬＢの冷却は、狭い構造を有しているので、より幅広い構造に比べて、効率的である。これは、熱流束がｘ方向のベースにも広がり、冷却基板Ｍが、この方向でレーザバーＬＢよりも著しく幅広くできるからである。

図２ａおよび図２ｂにおいて原理上は示されており、「巨視的」チャネルＣＨに基づいている冷却に代わって、先行技術からそれ自体としては周知であるいわゆるマイクロチャネル冷却も用いることができる。マイクロチャネル冷却では、その目的は、基板Ｍの小さな機械加工されたマイクロチャネル中の冷却剤をできる限り、発熱するレーザ発光体に近接させることである。しかしながら、狭いレーザバーＬＢを用いる利点は、さらに簡単な構造を用い、実施することが難しいとそれ自体知られている、高価なマイクロチャネル冷却を全くしないで、大抵の場合、充分効率的な冷却を実施することができることである。

冷却されたレーザバーＬＢの構造は、以下のようにできる。薄い絶縁板ＩＬが基板Ｍ（たとえば、銅製の）上に取り付けられており、この絶縁板は、図２ａに示されるように、レーザバーＬＢの端で基板Ｍに比べて短く、そして、レーザバーＬＢは、基板Ｍの表面に直接取り付けることができる。相互に積み重ねられた２つの基板の間にある前記絶縁板ＩＬは、たとえば、窒化ホウ素または高熱伝導率を有するその他のいくつかの材料からなることができる。レーザバーＬＢは、下部ｐサイドで基板Ｍに取り付けられている。レーザバーＬＢは、図３で示されるように、容易に取り付けられる電流導体Ｗを含んでよく、レーザバーＬＢが基板Ｍに取り付けられた後に、次の層の基板Ｍの底部に、たとえば、導電性の銀を配合したエポキシ接着剤を使用して、接続することができる。電流導体Ｗは、図３に示されるように配置することができ、その導体Ｗの両遊端部は、上の基板Ｍの底部に取り付けられている。代案として、導体Ｗの一方の端のみを上の基板Ｍに取り付けることができる。

レーザバーＬＢを基板Ｍに取り付けるときには、電流導体Ｗの代わりに、ろう付けまたは接着技術だけを用いることも可能である。この取り付けは、基板Ｍに取り付けられたレーザバーＬＢが、絶縁板ＩＬと同じレベルにまで研磨されるようにも、実施され得る。その次に、その表面に、たとえば、ろう付け予備成形物を施し、適当なろう付け層を蒸発させ、または導電性の接着層を施すことができる。相互に積み重ねられた基板Ｍは、同時に加熱することもでき、そこでは、ろう付け層が溶融し必要な接点が、相互に積み重ねられた基板Ｍと基板上にあるレーザバーとの間にもたらされる。

３．レーザタワーおよびレーザタワーパイルへのレーザバーの積み重ね
より大きな光出力をもたらすために、基板Ｍに上に取り付けられている単一のレーザバーＬＢは、積層されてより高いレーザタワーを形成し、そこでは、レーザバーＬＢが電気的にともに直列に連結される。積層に関しては、発光体Ｅ側面でのレーザバーＬＢの端面は、一時的に保護され得るが、構造中におそらく残ったままになっている空隙は、好ましくは、熱伝導性材料によって、たとえば、適当な電導性接着剤によって充填することができる。この場合には、その構造の冷却は、より効率的になる。

図４ａ〜図４ｄは、速軸のコリメーション光学部品ＦＡＣ（図４ｃおよび図４ｄには図示せず）とともに、狭いレーザバーＬＢから成る、１つの可能性のあるレーザタワー構造ＬＴを、原理的な手法で示す。コリメーション光学部品ＦＡＣは、先行技術のレンズセットであってもよく、図４ａに従えば、該レンズセットは、各レーザバーＬＢの前面に分離して配置されるレンズ群から成る。

図４ａ〜図４ｄは、速軸に関して平行化される前記レーザタワーＬＴの異なる方向に相当する図面記号も示す。これらの図面記号は、以下の図において用いられる。

レーザバーＬＢが、相互に積み重ねられてレーザタワーＬＴを形成するときには、光を発する構造の面積のサイズは、速軸の方向には増大し、遅軸の方向には、同じ状態のままである。既成のレーザタワーＬＴは、相当する方法で、相互にさらに積み重ねることができ、レーザタワーパイルＬＴＰが得られ、そこでは、光放出面積のサイズは、急速軸の方向にさらに大きくなる。レーザタワーパイルＬＴＰは、以下に、たとえば、図５で示されるように、異なる波長のレーザタワーＬＴを含むことができる。

タワーパイルＬＴＰは、レーザタワーＬＴが、充分な精度で、相互に方向づけられるように積み重ねることができるので、レーザタワーパイルＬＴＰ中に含まれたレーザタワーＬＴは、直列で、冷却されるように接続することができる。言い換えれば、レーザバーＬＢ中に含まれた冷却チャネルＣＨは、相互に重ねられて位置しているレーザバーＬＢ中で相互に方向付けられ、したがって、冷却チャネルＣＨが、全てのレーザタワーＬＴを、さらに、レーザタワーパイルＬＴＰを通って均一に移動する。

冷却された基板Ｍは、たとえば、Ｓｎ／Ａｕろう交番層構造を用いて、被覆することができ、この構造中では、被膜の溶融温度は、その構造が初めて溶融されたときには、典型的には上昇する。このことによって、新らしい冷却レーザバーＬＢのろう付けに関連して、以前のろう付けによるジョイントを溶融させないときには、１つの冷却レーザバーＬＢに冷却レーザタワーＬＴを積層することを可能にする。蒸発によって作製されたＳｎ／Ａｕろう層構造の厚みも、正確に知られ、レーザタワーＬＴの寸法は、高精度に知られる。

たとえば、１０個の狭い、冷却されたレーザバーＬＢを含む１つのレーザタワーＬＴは、典型的には、１００Ｗの連続した光出力を与えることができる。放出される光は、通常ｘｚ平面で明るいダイオードレーザを発する端面で偏光されている。

４．速軸の平行化（ＦＡＣ）
各レーザバーＬＢの速軸は、光線が、重なっているレザーバーＬＢ間の距離を殆ど網羅するためにこの方向に広がるとすぐ、それ自体先行技術から知られた典型的な方法で、速軸コリメーション光学部品ＦＡＣを使用することによって、平行化される。この平行化は、たとえば、非球面の円筒形レンズ、グリンレンズ、回折光学部品またはこれらの組合せを用いて実施することができる。図４ａは、原理的な図で、速軸の平行化を実施するＦＡＣを設けたレンズを示す。

レーザタワーＬＴ中の単一のレーザバーＬＢが、相互に関して、充分な制度で配置されている状況では、速軸の平行化のために、１つの光学的マトリクス素子、すなわち、レーザタワーＬＴの前に単一構成部品として配置されるＦＡＣ設定レンズを用いることが好ましい。このようにして、設けられるＦＡＣ構成部品の数は、著しく減少し、その工程は、素早く実施できる。本発明に従う狭いレーザバーを使用するときには、このようなＦＡＣ構成部品もサイズが小さいので、取り付けの自動化をさらに容易にする。

ダイオードレーザの速軸の平行化における１つの一般的な制限要因は、発光体Ｅと平行化光学部品ＦＡＣとの間のｚ方向の距離が不正確であることである。言い換えれば、単一の発光体Ｅとそれに相当するコリメーション光学部品ＦＡＣの場所との間の距離は、光線の適正な平行化のためには充分正確とはいえない。先行技術の幅広いレーザバーの場合には、上述の取り付けの不正確は、効率的に拡大され、コリメーション光学部品ＦＡＣは、たとえば、ｘ方向の幅広いレーザバーの端面で、最適の距離から害を及ぼす程度にまで、偏位する。

その上、幅広いレーザバーの取り付けに関連して、たとえば、顕微鏡を用いて実施された監視は煩雑である。これは、充分な拡大倍率を用いたときには、幅広いレーザバーの端面は、撮像装置を使用して、一度に正確な画像を得るためには、ｘ方向に相互にあまりにも離れすぎている。本発明の狭いレーザバーＬＢは、より幅広いレーザバーほど位置の不正確さに対して過敏ではない。狭いレーザバーＬＢの両端面は、たとえば、１つの撮像装置だけを用いて、一度に、容易に監視することができる。

５．光線の結合（多重化）および補償
図５は、原理的な図で、レーザタワーＬＴおよび、レーザタワーを相互に積み重ねることによって形成されているレーザタワーパイルＬＴＰであって、これら全てが回転軸に向かって、半径方向に光を伝送するように、セクタ中で、本発明の円形状に配置されるレーザタワーパイルＬＴＰを示している。回転軸Ａは、以下、光軸Ａという。

物理的に可能な数のレーザタワーパイルＬＴＰが、前記円形のセクタ中で適応することができる。本発明に従えば、各レーザタワーパイルＬＴＰから生じる光線の方向は、適当な光学素子を用いて９０°変えられ、光線は全て、光軸Ａから一定の距離で軸方向に同じ方向に伝搬させることが可能である。同じ方向に伝搬するこれらの光線は、さらに、高光学出力密度を生成するために、１つの点に集束される。

以下において、異なるレーザタワーＬＴから生じる光線の伝搬が、図５に従う構造で観察される。図５で示された原理および図面記号は、以下で、図６〜図１３で示される本発明のその他の実施形態でも用いられる。

波長λｎの光線がまず考察される。この光線は、図５のレーザタワーＬＴ５１から生じる。点線で概略的に示された前記光線は、偏光回転素子Ｐおよび光学的補償素子Ｃを通り、この光線が方向転換素子ＤＥによって当初の伝搬方向から９０°偏向されるまで、まず光軸Ａに向かって半径方向に伝搬する。

光学的補償素子Ｃの目的は、単一のレーザタワーパイルＬＴＰに含まれたレーザタワーＬＴから結合される光線を、前記レーザタワーパイルＬＴＰの発光体を多重化によって結合させた光線の遅軸が、以下に記述されるように、遅軸のコリメーション光学部品ＳＡＣによって平行化できるように、修正することである。

補償素子Ｃは、典型的には、適当な屈折率を有し光線の光路差を補償する光学材料、すなわち、一媒体から成る光学平面である。この材料の屈折率、および部品の厚みや形式を、各レーザタワーＬＴに対する適当な方法で適応させることによって、集束光学部品ＦＯに対して、レーザタワーＬＴの異なる距離を補償することができる。

補償素子Ｃは、レンズとしても作用することができ、また、レーザタワーＬＴの異なる波長λ１〜λｎの異なる分散および／または、当初の様々な開散が、考慮される。したがって、補償素子Ｃは、たとえば、１または複数のシリンドリカルレンズであることができまたは含むことができる。

補償は、たとえば、光軸Ａから各レーザタワーＬＴの距離がレーザタワーパイルＬＴＰを形成する際に適用可能に設定されるように実際の補償素子Ｃが全くなくても実施することができる。

たとえば、ミラーまたはプリズムであり得る転換素子（ｔｕｒｎｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）ＤＥの後、レーザタワーＬＴ５１から生じた光線は、軸方向に偏光ビームコンバイナＰＢＣに連続し、レーザタワーＬＴ５１およびＬＴ５２から生じた光線の偏光多重化が行われる。

偏光ビームコンバイナの作用は、原理上は、偏光ビームデバイダの作用に相当するが、ビームデバイダの作用とは逆である。偏光ビームコンバイナＰＢＣで結合された光線は、好ましくは、相互に対して直角に偏光されなければならないから、必要な場合には、λ／２板のような、偏光回転素子Ｐによって、結合される第２のビームの偏光を９０°分回転させることが可能である。レーザタワーＬＴから生じる光は、最初は、ｘｚ平面で偏光される。

点線で図示された、レーザタワーＬＴ５２から生じる光線は、偏光ビームコンバイナＰＢＣへ進み、その方向を変えずに、前記構成部品を通る。ところが、レーザタワーＬＴ５１から出てくる光線は、これより先に、偏光面を９０°回転させた偏光回転素子Ｐを通り伝搬している。偏光ビームコンバイナＰＢＣの後、光線は、重なって進む。

その次に、結合光線は、光軸Ａに向かって進み、方向転換素子ＤＥによって、軸の方向に進むように偏向されるに至る。

波長多重化は、適当なダイクロイック反射体および通常のミラーおよび／またはプリズムを用いて実施される。波長多重化は、異なる波長λ１〜λｎを放出する各レーザタワーパイルＬＴＰのレーザタワーＬＴの光線を１つの光線に結合させることができる。

偏光多重化されたλｎ波長の光線がその過程中で遭遇するダイクロイックビームコンバイナＤＢＣは、当該波長λｎが、方向を変えずにコンバイナＤＢＣを通り進むように、設計されている。各ダイクロイックビームコンバイナＤＢＣは、光軸Ａの方向Ａに平行となるようにそれぞれの軸位置から半径方向に出てくる光線を偏向させるが、このようにして光軸Ａに既に平行になっている図５において左から来る光線は通過させるようにも設計されている。それゆえ、レーザタワーパイルＬＴＰの種々のレーザタワーＬＴから生じる多数の異なる波長λ１〜λｎは、相互に重ねて接続される。

本発明の軸対称構造とともに、狭いレーザバーＬＢを積み重ねたレーザタワーＬＴおよびレーザタワーパイルＬＴＰは、上記のように、非常に効果的な空間多重化を可能にする。空間多重化は、異なるセクタに位置しており波長多重化および偏光多重化によって、空間中の同じ位置に結合される、各レーザタワーパイルＬＴＰの光線を集めるために適用できる。図５に従う構造がｍ個のセクタ、すなわち、光軸Ａの方向から見たときに軸対称を形成する、ｍ個のレーザタワーパイルＬＴＰ（ｍ＝２，３，．．．）を含んでいる場合には、損失がないときには、焦点の出力密度を、ｍ倍に増大することが可能である。

本発明の軸対称構造のために、装置の外周は、レーザバーＬＢの冷却を備えるための多くの余地を有する。

６．遅軸の平行化（ＳＡＣ）
本発明の解決手段においては、レーザバーＬＢの狭窄は、複雑で、スペースを必要とする先行技術の狭窄光学部品が全く避けられるので、遅軸の平行化をかなりの程度まで簡単にする。本発明に従えば、遅軸は、好ましくは、異なるレーザタワーＬＴおよびレーザタワーパイルＬＴＰから生じる光線を結合した後に平行化され、そのとき、光軸Ａと平行であって、軸の周囲の円の接線の方向に徐々に発散する光線は、適切な断面積にまで、大きくなる。この光線の断面積は、大型のコリメーション部品の使用を可能にし、精密な平行化を可能にするが、それ自体、光学部品から非常によく知られた原理である。

遅軸の平行化は、本発明に従えば、図５で示された遅軸のコリメーション光学部品ＳＡＣによって実施することができる。前記コリメーション光学部品は、好ましくは、段付レンズパイルであり、光軸Ａの方向から見たときのそのレンズパイルの断面は、相当する円形のセクタと類似している。レンズパイルに基づいた遅軸コリメーション光学部品ＳＡＣの１つの構造が図８ａ〜図８ｃにおいてさらに詳細に図示されている。

レーザタワーＬＴから生じ、その後、速軸に対して、速軸のコリメーション光学部品ＦＡＣによって、直接、平行化される光線は、図８ａ〜図８ｃに従う、遅軸のコリメーション光学部品ＳＡＣ（レンズパイル）の異なる平面Ｌ１〜ＬＮで方向づけられる。レーザタワーＬＴに含まれたレーザからコリメーション光学部品ＳＡＣの各単一の平面Ｌ１〜ＬＮまでの距離は、遅軸の方向に発散する光線は、所定の場所（場所Ｌ１〜ＬＮ）に位置しているレンズの幅にまで大幅に大きくなる時間があるという事実によって、決定される。実際には、このことは、光が、常に、できる限り大きなレンズを用いて平行化されることを意味しており、したがって、光学部品の基本原理に従って、平行化の質は、できる限り高く保つことができる。

７．集束
波長多重化、偏光多重化および空間多重化によってともに結合され、速軸および遅軸に関して平行化された光照射野は、今や、さらに集束光学部品ＦＯとして、適応できる反射またはレンズ光学部品を用いて、集束することができる。

図５に示されるように、集束光学部品ＦＯとして、軸対称の放物面ミラーを用いたとき、色収差を避けることができ、異なった波長が同じように集束され、小さな円形の焦点を生成することができる。集束光線の、非常に大きな開口値が放物面ミラー光学部品によって生み出され、大きな出力密度および短スコープの焦点深さが得られる。

図１０および図１１で示される実施形態におけるように、集束光学部品ＦＯとしてレンズ光学部品を用いた場合には、色収差は、複数の波長が集束されるときには焦点を光軸Ａの方向にさらに長円形にする。このことは、いくつかの状況においては、望ましいことでありうる。このようにして、最適の集束光学部品を、用途に依り選択することができる。

光出力を集束するために適用できるいくつかの集束光学部品が、図９ａ〜図９ｅに示される。図９ａおよび図９ｂは、レンズ光学部品に基づく光学部品を示し、図９ｃおよび図９ｅは、それぞれ、ミラー光学部品に基づく解決手段を示す。装置の使用目的に依って、光軸Ａは、集束素子ＦＯの中央で貫通することができる（図９ｂおよび図９ｄ）。放物面収束ミラーに対しては、焦点の中心で球面を処理することができ、その焦点を通じて、波面は、球面の法線方向に平行して、したがって、歪なく追随する（図９ｃ〜図９ｅ）。球面の付近の回転軸部分は、光線はこの部分を通過しないが、穴を貫通するかまたは平面に形成することができる（図９ｄおよび図９ｅ）。この平面は、たとえば、適当な光学的密度を有し、たとえば、接着または鋳造によって、複合ＦＯに加えることができる充填剤を用いてもたらされる。放物面の焦点距離は、用途に最適となるように選択することができる。

８．結果
本発明の狭いレーザバーＬＢおよび軸対称セクタの構造によって、異なる多重化方法が効率的にかつ同時に利用できる非常にコンパクトな技術的解決手段を実施することができる。効率的な波長多重化および偏光多重化を用いて、単一のダイオードレーザの当初の明るさよりも明るさが高レベルである光線をもたらすことが可能である。この方法によって、種々の材料の処理のために充分な出力密度をもたらすことができる。

軸対称構造によって、レーザ装置の焦点は円形であり、このことは、たとえば、レーザ装置の使用の自動化を考慮すると、有利である。加えて、この構造は、光軸Ａの付近に依然として存在する、自由空間の使用、たとえば、視覚化、様々な物質の供給、吸引または吹き付けを可能にする。コンパクトな構造のために、光線を長距離伝送する必要はなく、レーザ装置の構成部品の相互位置決めにおける軽微な不正確は、サイズがより大きい構造と比べて光線の質を損なうことは少ない。また、狭いレーザバーＬＢは、冷却を考慮すると有利である。

狭いレーザタワーＬＴは、また、現在使われている幅広いレーザタワーに比べると、より高電圧で総出力の低いレーザ装置中へも、一定の電力を供給することを可能にする。これは、電流パルスの上昇および下降ならびにそれに相当するものとして光パルスの時間も重要である種々のパルス用途における特に重要な特徴である。たとえば、医療用途では、光学的エネルギは、対象にさらに正確に割り当てることができる。良好な波長多重化特性の結果、本発明の装置は、たとえば、異なる波長λ１〜λｎが異なるプロセスを実行するために最適化されるように、用いることができる。この種の一用途には、１つの波長で組織を切断し、別の波長で血液を凝固させることがある。第３の波長は、対象を照明するために用いられ、対象の視覚化が、対象を処理するのとは異なる波長で行われる。このようにして、処理に使用される波長をろ過し対象の形態を明らかにすることが容易である。

本発明の好適な実施形態
本発明の狭いレーザバーＬＢおよび軸対称セクタの構造に基づく解決手段は、多くの形で技術的に実施することができる。以下に、本発明のいくつかの好適な実施形態が、記述される。まず、構造が一般に多様であるいくつかの課題を考察する。その後、さらに特別な実施形態をいくつか考察する。

一般的な実施形態の変形
ダイオードレーザを作製するときには、半導体材料のレーザウェハを通常より薄い形式に生成することが可能であり、それに相応して、通常より薄いレーザバーＬＢが得られる。これにより、冷却はさらに効率的になる。なぜなら、熱的エネルギが、レーザバーＬＢの薄い半導体層を通じて、冷却基板Ｍに伝達されるからである。

レーザバーＬＢの基板ＭのチャネリングＣＨは、複数の種々の方法で実施することができる。基板Ｍは、多数の小さな穴を含むことができ、多数の基板Ｍから成るパイルの上部および下部に、外部冷却管を取り付けるため、前記パイルの端部でチャネルＣＨをともに集める素子を設けることができる。冷却チャネルが、レーザタワーパイルＬＴＰの各レーザタワーＬＴ中の正確に同じ場所に作られる場合には、チャネルＣＨを、レーザタワーＬＴをともに近接して取り付けることによって、結合することができる。基板Ｍ中に形成された冷却チャネルＣＨは、溝ともなり得る。レーザバーＬＢの冷却に際して、先行技術のミクロチャネルを用いることもできる。

レーザタワーＬＴは、いくつかの異なる方法で、実施することができる。レーザタワーＬＴは、相互に積み重なって位置しているレーザバーＬＢの発光最前壁が、複数の異なるレベルに配置されるように、たとえば、階段状に構成することができる。このような階段状のタワー構造は、異なるレーザバーＬＢが、相互に、および光線を処理する光学部品（たとえば、ＤＥ，ＤＢＣ，ＰＢＣ，ＳＡＣ，ＦＯ）に対して、また、光軸Ａに対して、異なる距離で位置しているから、補償として利用することができる。

ダイクロイックミラーのような波長多重化において用いられるダイクロイックビームコンバイナＤＢＣは、種々の形式を有することができる。図６の構造は、図５で用いられる方形の素子と比べて、ダイヤモンド形断面を有するダイクロイックビームコンバイナＤＢＣを含む。正方形のダイクロイックビームコンバイナＤＢＣは、たとえば、側面から見たとき三角形の断面を有する９０°の２つのプリズムを取り付け、たとえば、取り付けられる他の表面が、ダイクロイックミラー（コーティング）であるように形成することができる。また、偏光多重化は、構造および用途がそれ自体において当業者に知られている種々の偏光ビームコンバイナＰＢＣを用いて実施することができる。

遅軸は、異なるレーザタワーＬＴから得られた光線を結合した後、およびこれらの光線を光軸Ａに平行にした後、上記の方法で、平行化することができる。代案として、遅軸の平行化（ＳＡＣ）は、平行化が速軸ＦＡＣに対して実施された後、直ちに実施することができる。

図１０は、遅軸の平行化は、光線の方向を変える前に、別個の遅軸コリメーション光学部品ＳＡＣ（レンズ表面）で、レーザタワーＬＴの各々に対して実施することができる。この場合には、さらに遅軸コリメーション光学部品ＳＡＣが、必要であるが、他方、光線の補償はより正確に実施することができる。

速軸の直後に配置されるレーザタワーＬＴまたはレーザタワーパイルＬＴＰの遅軸の平行化は、１または複数のレンズおよびステップから成るレンズパイルによって実施することができる。ただ１つだけのステップＬ１〜ＬＮ（図８ａ〜図８ｃ参照）、すなわち、通常の円筒形レンズがある場合には、平行化が、レーザタワーＬＴの各レーザバーに均一的に行われる。更なるステップＬ１〜ＬＮがある場合には、レーザタワーＬＴの異なる部分から出た部分光線は、平行化前と同じでない光路距離を進む。発散に起因して、平行化前に長い距離を進んだ方の部分光線は、平行化前に短い距離を進んだ方の部分光線よりも大きなサイズで平行化光学部品に到達する。この原理を用いて、光軸Ａから離れて進むときには光線サイズを増大することができ、また、光線とともに大きくなる軸対称構造の処理可能面積をできる限り効率的に利用することができる。したがって、また、平行化の質もそれぞれ向上する。ステップ構造は、部分光線の光路差が、たとえば、階段状構造を有する前述のレーザタワーＬＴのような、他の何らかの方法で形成される場合、または、光線の質が、別の方法で充分である場合には、遅軸のコリメーション光学部品から省略することができる。

ダイオードレーザの作製技術における改良は、将来、遅軸のより短い発散（たとえば、いわゆるテーパレーザ）につながり、それによって、光線の質はさらに改良される。また別の代替案としては、遅軸のコリメーション光学部品ＳＡＣを簡素化することであり、装置のサイズは、小さくなり、構造は、簡素化される。装置のサイズは、必要な場合は、遅軸コリメーション光学部品ＳＡＣの前に配置され、遅軸を分割する適当なレンズをもって、小さくすることもでき、遅軸コリメーション光学部品ＳＡＣは、レーザにより近接して配置することができる。

遅軸のコリメーション光学部品ＳＡＣは、使用の目的により、低質の光線が許容される場合には、なくてもよい。また、その時には速軸のコリメーション光学部品ＦＡＣの要件も、軽減することもできる。

最大出力および／または必要な出力密度が重要な要素でない場合には、先行技術発明の構造は、偏光多重化および／または波長多重化を省略することによって、簡素化することができる。したがって、その最も簡素化された構造では、装置は、円形状に同じ波長（波長帯）を放出するレーザタワーを含むことができる。

図６に従う実施形態
図６は、本発明の一実施形態を表しており、そこでは上記の多重化方法が、同時に利用される。各セクタのレーザでは、レーザタワーＬＴから作製されたタワーパイルＬＴＰ６１およびＬＴＰ６２が相互に垂直である２つの方向に配置されており、前記タワーパイルは、相互に同一であることができる。レーザタワーパイルＬＴＰ６１およびＬＴＰ６２は、冷却するために直列に連結することができ、これらは補償のための適当な光学素子を含む。第２のレーザタワーパイルＬＴＰ６１の偏光面は、９０°回転され、その後、光線は、偏光ビームコンバイナを用いることによって、結合することができる。遅軸は、光線が、結合された後、レンズＳＡＣの１つの階段状パイルによって平行化することができる。別の代替案は、各レーザタワーまたはレーザタワーパイルに遅軸の個々のコリメーション光学部品ＳＡＣを備えることである。

また、この解決手段において、構造は、使用目的によって許容される方法で、簡素化される。偏光多重化（素子ＰおよびＰＢＣ）は、たとえば、省略することができ、または、別の代替案は、新しい波長を合わせることであり、その場合には、ダイクロイックビームコンバイナＤＢＣ、すなわち、この目的に適したダイクロイックミラーが、偏光ビームコンバイナＰＢＣに置き換わる。当然、２つまたは多数のセクタもあり得る。

図７ａおよび図７ｂに従う実施形態
図７ａおよび図７ｂで示された実施形態では、同じ波長を有し、ともに偏光ビームコンバイナＰＢＣの側面で各セクタ上に位置しているレーザタワーＬＴ７１およびＬＴ７２は、実質的に９０°の角度を形成する。加えて、図は、波長多重化を実施するための新規な方法を表している。明確にするために、偏光ビームコンバイナＰＢＣおよび偏光回転素子Ｐは、図７ａから省略されており、レーザタワーＬＴの図面記号が、さらに明瞭に示されている。同様のことが、以下の図１０においても適用されている。

異なる側面から来るレーザタワーＬＴ７１およびＬＴ７２の光線は、偏光ビームコンバイナＰＢＣで結合され、そのとき、第２のレーザタワーＬＴ７１から来る光線の偏光面は、まず、偏光の回転素子Ｐで９０°（λ／２板）回転される。偏光ビームコンバイナＰＢＣの後で結合された光線は、補償素子Ｃへ進み、さらに、方向転換素子ＤＥおよびダイクロイックビームコンバイナＤＢＣを含むミラー素子７１に進む。ミラー素子７１は、光軸Ａと、好ましくは、４５°の角度を形成する。

光線は、転換素子ＤＥからダイクロイックビームコンバイナＤＢＣに軸的に向かって連続し、そこで、その方向を光軸Ａの方向に変更される。光線は、ダイクロイックビームコンバイナＤＢＣおよび方向転換素子ＤＥで反射された後、ミラー素子７１の右側から出る。ミラー素子７１のダイクロイックビームコンバイナＤＢＣは、半径方向に伝搬する光線を通過させ、軸方向に伝搬する光線を反射させるように作用する。異なる波長の結合光線は、ミラー素子７１の右側から出て、予定され得る遅軸のコリメーション光学部品ＳＡＣおよび集束部品ＦＯの方に連続する。

ミラー素子７１のダイクロイック表面は、たとえば、異なる場所のために多数の蒸発を用いて、または、別の方法では、素子が別個の素子（素子７１における点線部）を結合することによって、作製することができる。

偏光ビームコンバイナ後の補償素子Ｃは、図７ａに従えば、三角形状であり得る。代案は、各補償素子Ｃのために別々に最適形状を実施することである。補償は、レーザタワーＬＴの位置を変更することによっても、実施できる。

この解決手段においても、１または多数の波長があり得る。加えて、偏光多重化は、構造を簡素化するために効率を犠牲にして、省略することができる。偏光回転素子Ｐは、たとえば、偏光ビームコンバイナとして、いわゆるトムソンプリズムを用いることによって、回避することができる。

他の可能な構造
図１０は、レーザタワーＬＴの波長多重化の１つの可能な方法を示す。偏光多重化は、図７ａおよび図７ｂに従う構成を用いて実施されるが、波長多重化は、不均一な形状を有するダイクロイックビームコンバイナＤＢＣで実施される。

遅軸のコリメーション光学部品ＳＡＣは、レーザタワーパイルＬＴＰの直後に配置され、最良の補償を可能にする。遅軸の前記コリメーション素子ＳＡＣとして、図８ａ〜図８ｃに従う１つのシリンドリカルレンズまたはシリンドリカルレンズパイルを使用できる。構造を小さくするために、レーザタワーＬＴと円筒形レンズパイルとの間に、遅軸を発散させるレンズを配置することができる。また、この構造においては、遅軸のコリメーション光学部品ＳＡＣは組合され、集束光学部品ＦＯの前に配置することができる。

図１１は、４つの異なる波長が、偏光多重化をしないコンパクトな構造で、結合されている構造を示す。代替案として、λ１＝λ２およびλ３＝λ４である場合には、偏光回転素子Ｐおよび偏光ビームコンバイナＰＢＣによって、λ３およびλ４と同様に、λ１およびλ２をともに結合することが可能である。偏光多重化で結合された光線は、さらに、ダイクロイックビームコンバイナＤＢＣで結合することができる。遅軸の平行化ＳＡＣのために、図８ａ〜図８ｃに従う２つのコリメーション素子または単一のシリンドリカルレンズが用いられる。また別の代替案は、第１のダイクロイック素子ＤＢＣ間でレーザタワーＬＴおよび光線の方向に直接的に、遅軸の平行化ＳＡＣを実施することである。

図１２は、波長多重化のまた別の実施を示し、相互に積み重ねて集められたレーザタワーのパイルＬＴＰの光線が、半径方向に結合される。平行四辺形１２１は、図７ａのミラー素子７１に相当する。または、ダイクロイックミラー面が、三角形状の光学素子中に配置され、平行四辺形１２１は、全内部反射を用いた通常の波長とすることができる。この代替実施においては、補償のための適当な光学素子を追加することが可能である。

図１３は、４つの波長多重化のためのコンパクトな構造を図示している。代案として、λ１＝λ２およびλ３＝λ４である場合には、偏光回転素子Ｐおよび偏光ビームコンバイナＰＢＣによって、λ３およびλ４と同様に、λ１およびλ２をともに結合することが可能である。偏光多重化で結合された光線は、ダイクロイックビームコンバイナＤＢＣで、さらに結合される。

本発明の上記の実施形態に関連して説明された実施手順および種々の方法におけるシステムの構造によって、本発明の様々な実施形態を本発明の精神の範囲内で、実施することができる。したがって、上記の実施例は、本発明を制約すると解釈されるべきではなく、本発明の実施形態は、以下の請求項で記載された発明性ある特徴の範囲内で、自由に変えることができる。

異なる波長λ１〜λｎを特定のセクタのレーザタワーＬＴＰに放出するレーザタワーＬＴは、補償を考慮して、最適な順序に配置することができることは、たとえば、明らかである。たとえば、遅軸の方向に、徐々に発散する波長のレーザは、速く発散する波長のレーザよりも集束光学部品ＦＯから遠くに置くことができる。レーザタワーパイルＬＴＰ中のレーザタワーの位置決めによって、異なる波長の異なる分散特性も補償することが可能である。

本発明の狭いレーザバーに関連して図および説明で用いられるｘｙｚ座標を示す。 ｘ軸の方向から見たときの、冷却された基板上に取り付けられた狭いレーザバーを原理的に示す。 ｙ軸の方向から見たときの、図２ａの個体を示す。 ｚ軸の方向から見たときの、相互に積み重ねられ配置されている２つの基板の間に位置しているレーザバーの一配線配置を原理的に示す。 ｘ軸の方向（側方から）から見たときの、狭いレーザバーから成るレーザタワーを原理的に示す。 ｙ軸の方向から（上方から）みたときの、図４ａのレーザタワーを示す。 ｚ軸の方向からおよび光の方向を反対に（正面から）見たときの、図４ａのレーザタワーを示す。 ｚ軸の方向からおよび光の方向に沿って（背面から）見たときの、図４ａのレーザタワーを示す。 本発明の一実施形態を原理的に示す。 本発明の別の実施形態を原理的に示す。 本発明の第３の実施形態を原理的に示す。 背面から見たときの本発明の第３の実施形態を原理的に示す。 遅軸の方向から見たときの、遅軸のコリメーション光学部品の一構造を図示する。 速軸の方向から見たときの、図８ａの構造を図示する。 ｚ軸（光軸）の方向から見たときの、図８ａの構造を図示する。 集束光学部品を原理的に示す。 集束光学部品を原理的に示す。 集束光学部品を原理的に示す。 集束光学部品を原理的に示す。 集束光学部品を原理的に示す。 本発明の第４の実施形態を原理的に示す。 本発明の第５の実施形態を原理的に示す。 本発明の第６の実施形態を原理的に示す。 本発明の第７の実施形態を原理的に示す。

Claims (33)

1. 高光学出力密度を生成する方法であって、
   複数のレーザバー（ＬＢ）が、個々のレーザバー（ＬＢ）において、隣接するダイオードレーザ（Ｅ）の遅軸（Ｘ）が相互に関して平行線に位置しており、前記ダイオードレーザ（Ｅ）が実質的に同じ方向（ｚ）に放出し、前記複数のレーザバー（ＬＢ）によって放出された放射線が光軸（Ａ）と平行な方向に進む結合光線に集光されるように、ダイオードレーザ（Ｅ）から形成される方法において、
   レーザバー（ＬＢ）が、光軸（Ａ）に関して軸対称構造にセクタに配置されており、異なるセクタから出る光線の方向が、光軸（Ａ）と実質的に平行となるように空間多重化によって、前記光線を結合するために方向を変えられることを特徴とする方法。
2. 単一のセクタにおいて、レーザバー（ＬＢ）の遅軸（ｘ）が光軸（Ａ）に対しておよび光軸（Ａ）の垂線に対して実質的に直角を形成するように、レーザバー（ＬＢ）が配置されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 単一のセクタにおいて、レーザバー（ＬＢ）が、１または複数のレーザタワー（ＬＴ）を形成するように相互に積み重ねて集められることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 単一のセクタにおいて、レーザタワー（ＬＴ）が、１または複数のレーザタワーパイル（ＬＴＰ）を形成するように相互に積み重ねて集められることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 単一のセクタにおいて、複数の異なる波長（λ１〜λｎ）のダイオードレーザ（Ｅ）が用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. レーザバー（ＬＢ）が、遅軸（ｘ）の方向に狭くなるように形成され、放射線が遅軸の方向に光線の狭窄、積層など無しに、前記遅軸の方向で、対象に向けられるようにすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 単一のセクタにおいて、レーザバー（ＬＢ）の放射線が偏光多重化（Ｐ，ＰＢＣ）によってさらに結合されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 単一のセクタにおいて、レーザバー（ＬＢ）の放射線が偏光多重化（Ｐ，ＤＢＣ）によってさらに結合されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. レーザバー（ＬＢ）の放射線が、光線が空間多重化、偏光多重化または波長多重化で結合される前に、速軸（ｙ）の方向に平行化（ＦＡＣ）されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 単一のセクタにおいて、光軸（Ａ）に関して異なる位置から発した光線の諸特性が、光路長差、発散または波長の影響を考慮して、補償（Ｃ）されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記補償（Ｃ）は、光線が光軸（Ａ）に平行な結合光線に結合される前に、実施されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 光軸（Ａ）に平行な結合光線が、軸対称レンズ、ミラーまたは回折光学部品で集束（ＦＯ）されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 集束（ＦＯ）が、軸対称の放物面ミラー光学部品を用いて実施されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 放射線は、結合光線が集束（ＦＯ）される前に、遅軸（ｘ）の方向に平行化（ＳＡＣ）されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
15. 光軸（Ａ）を取り囲み、軸対称構造の中央部に残存する自由領域が、対象の光学的または相応する監視において用いられることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 光軸（Ａ）を取り囲み、軸対称構造の中央部に残存する自由領域を通じて、対象の処理に必要な材料が導入される、または、対象の処理において存在する材料が取り除かれることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. レーザ装置であって、
    ダイオードレーザ（Ｅ）から成る複数のレーザバー（ＬＢ）を含み、単一のレーザバー（ＬＢ）中には、隣接するダイオードレーザ（Ｅ）の遅軸（ｘ）が実質的に相互に平行に配置されており、前記ダイオードレーザ（Ｅ）は、実質的に同じ方向（ｚ）に放出するように配置されており、
    前記複数のレーザバー（ＬＢ）から放出された放射線を、レーザ装置の光軸（Ａ）に平行に進む１つの結合光線に、ともに集光するための手段を含むレーザ装置において、
    レーザバーは、セクタに、光軸（Ａ）に関して軸対称構造に対して配置されており、
    レーザ装置は、異なるセクタから生じる光線の方向を変え、前記光線を空間多重化によって、光軸（Ａ）と実質的に平行な結合光線に結合するための手段（ＤＥ）を、少なくともさらに含むことを特徴とするレーザ装置。
18. 単一のセクタにおいて、レーザバー（ＬＢ）の遅軸（ｘ）が光軸（Ａ）に対しておよび光軸（Ａ）の垂線に対して実質的に直角を形成するように、レーザバー（ＬＢ）が配置されることを特徴とする請求項１７記載のレーザ装置。
19. 単一のセクタにおいて、１または複数のレーザタワー（ＬＴ）を形成するように、レーザバー（ＬＢ）が相互に積み重ねて集められることを特徴とする請求項１７または１８記載のレーザ装置。
20. 単一のセクタにおいて、１または複数のレーザタワーパイル（ＬＴＰ）を形成するように、レーザタワー（ＬＴ）が相互に積み重ねて集められることを特徴とする請求項１９記載のレーザ装置。
21. 単一のセクタにおいて、複数の異なる波長（λ１〜λｎ）のダイオードレーザ（Ｅ）が用いられることを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか１項に記載のレーザ装置。
22. レーザバー（ＬＢ）が、遅軸（ｘ）の方向に狭くなるように形成され、放射線が遅軸の方向に光線の狭窄、積層など無しに、前記遅軸の方向で対象に向けられるようにすることを特徴とする請求項１７〜２１のいずれか１項に記載のレーザ装置。
23. 前記狭いレーザバー（ＬＢ）が１０個未満の隣接ダイオードレーザ（Ｅ）、好ましくは、約５個の隣接ダイオードレーザ（Ｅ）を含むことを特徴とする請求項２２記載のレーザ装置。
24. 単一のセクタは、偏光多重化によって、前記セクタのレーザバー（ＬＢ）の放射線を結合するための手段（Ｐ，ＰＢＣ）を、さらに含むことを特徴とする請求項１７〜２３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
25. 単一のセクタは、波長多重化によって、レーザバー（ＬＢ）の放射線を結合するための手段（ＤＢＣ）を、さらに含むことを特徴とする請求項１７〜２４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
26. レーザバー（ＬＢ）の放射線が、光線が空間多重化、偏光多重化または波長多重化で結合される前に、速軸（ｙ）の方向に平行化（ＦＡＣ）されるように構成されることを特徴とする請求項１７〜２５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
27. 単一のセクタは、光軸（Ａ）に関して異なる位置から発した光線の諸特性を、光路長差、発散または波長を考慮して、補償するための手段（Ｃ）を、さらに含むことを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
28. 単一のセクタにおいて、光軸（Ａ）から単一のレーザバー（ＬＢ）またはレーザタワー（ＬＢ）までの距離は、光軸の方向の異なる位置から発した光線の諸特性を、光路長差、発散または波長の影響を考慮して、補償するように構成されることを特徴とする請求項１７〜２７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
29. 光線が光軸（Ａ）に平行な結合光線に結合される前に、前記補償（Ｃ）が実施されるように構成されることを特徴とする請求項２７または２８記載のレーザ装置。
30. 装置は、光軸（Ａ）の方向に軸対称に結合された光線を集束するためのレンズまたはミラーに基づく手段（ＦＯ）を、さらに含むことを特徴とする請求項１７および２９のいずれか１項に記載のレーザ装置。
31. 前記集束手段（ＦＯ）は、軸対称の放物面ミラー光学部品に基づくことを特徴とする請求項３０に記載のレーザ装置。
32. 遅軸（ｘ）の方向に放射線を平行化するための手段（ＳＡＣ）が、前記集束手段（ＦＯ）の前に、光線の方向に配置されていることを特徴とする請求項３０または３１に記載のレーザ装置。
33. 遅軸の方向に、光線を平行化するための前記手段（ＳＡＣ）は、シリンドリカルレンズパイルのようなセクタを含むことを特徴とする請求項３２記載のレーザ装置
    
    

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