JP2007538404A - スタガー配置アレイ型結合器 - Google Patents

Abstract

発明の実施形態は階段型支持構造体上にスタガー配置されたレーザダイオードバーアレイに向けられる。光導波路が個々のダイオードバーの出力を所望の場所、例えば共通出力面に導くことができる。いくつかの実施形態において光導波路はガラス板とすることができる。ダイオードバーが発生する廃熱をどこかで支持構造体から除去でき、この結果、ダイオードバーを相互に密に配置することができる。レーザダイオードバーを密に配置し、ダイオードバーの出力を所望の場所に導くことにより、与えられた出力面積及び動作パワーに対し、実効輝度及び実効フルーエンスを従来技術に比較して高めることができる。付随するスタガー配置アレイ型結合器の作成方法及び高パワーポンピングエネルギーの作発生方法も説明される。

Description

本発明は複数のレーザダイオードバーの出力結合器に関し、特に、スタガー配置アレイ型結合器に関する。

半導体レーザダイオード集成体すなわちダイオード「バー」は普通、別のレーザの利得媒体の光励起すなわち「ポンピング」を含む、多くの用途に用いられる。そのようなダイオードバーは一般に、規則的間隔で共通基板上に揃えて配置され、ダイオードエミッタの列または「ストライプ」を形成する、一組のレーザ発光ダイオードを有する。

図１は従来技術のレーザダイオードバー１００の斜視図である。この例において、ダイオードバーは１０個のダイオードエミッタ１０２を有する。それぞれのダイオードバーは一般に、ダイオードバーストライプの軸１１２に垂直な軸１１６に沿う、ほぼ１５０μｍの幅１１０を有する。ダイオードバー１００は結合された個々のダイオードエミッタ１０２の光放射領域から結合された出力を放射する。それぞれのダイオードエミッタ１０２は一般に、幅１０８及び長さ１０６が、例えばそれぞれ１μｍ及び１００μｍの、面積を有する。

個々のダイオードエミッタによってつくられる出力軸１１４に沿う出力ビーム１０４は、１つの方向すなわち軸１１８においては比較的広い角度分散を有し、直交方向すなわち軸１２０においては比較的小さい角度分散を有する。角度分散におけるこの顕著な差は端面発光型レーザダイオードの出力の特徴である。これらの軸１１８及び１２０はそれぞれ、「速」軸及び「遅」軸と称されることが多い。例えば、速軸１１８に沿う出力ビーム１０４の角度分散θ_１はほぼ３０°になり、遅軸１２０に沿う出力ビームの角度分散θ_２はほぼ１０°になり得る。この角度分散の差により、図１に示されるような楕円分布を有する出力ビーム１０４がつくられる。上記の角度分散角に対しては、３：１の角度分散比、すなわちアスペクト比が生じる。ダイオードレーザに対する一般的なアスペクト比は、例えば２：１から１０：１の範囲になり得る。

レーザダイオードは他のタイプのレーザに対して比較的高い電気効率を有し、個々のレーザダイオードは一般に比較的低電力で動作する。レーザダイオードバーは、特定のダイオードバー内に個別レーザエミッタがどれだけ多く含まれるかによって評定される出力パワーを有する。レーザダイオード及びダイオードバーの出力パワーの制限の１つはダイオードの動作中の余剰熱の発生である。与えられたダイオードバーからの出力を増大させようとして熱を除去するために冷却手段が用いられてきた。

図２は、冷却スラブ１３０上に搭載されてモジュラーユニットを形成した、図１の従来技術のレーザダイオードバーの斜視図である。レーザダイオードエミッタ１０２は、図示されるように、冷却スラブ１３０の長寸に平行な方位に出力ビームを放射するように配置される。冷却スラブ１３０は一般に、銅のような、熱伝導度値が高い材料でつくられる。水のような冷却液を供給するために、流路１３２，１３４が一般に用いられる。ダイオードバーからの熱除去を容易にするために、細い流路１３６，１３８すなわちマイクロチャネルをスラブ内に設けることができる。

図２に示されるような冷却スラブを用いても、レーザダイオードバーのパワー出力には限界があったため、そのようなダイオードバーからの出力の強度及びフルーエンスを高めるためのさらなる試みがなされた。例えば、レーザダイオードバーを互いに隣接させて配置するか、あるいは積み重ねてスタック型レーザダイオードバー集成体とした。スタック型レーザダイオードバー集成体の一例が図３に示される。

図３は図２に示されるダイオードバー及び冷却スラブユニットのスタック３００の斜視図である。複数の、エミッタ３０２をもつダイオードバー３０１がモジュラー構成で冷却スラブ３３０の間に取り付けられている。液体熱交換のための冷却路すなわちチャネル３３２及び３３４を設けることができる。ダイオードバー３０１及び冷却スラブ３３０の整合を容易にするためにスペーサ３４０を入れることができる。

光励起手段すなわちポンピング源として用いられる場合のような、いくつかの用途に対しては光源が高輝度光を発生することが望ましいであろう。与えられた光源、例えばレーザダイオードまたはダイオードバー３０１の輝度は、式（１）：

の輝度方程式で表される。

式（１）において、Ｂは光源の輝度、Ｐは特定の光源のパワー出力、Ωはビーム発散の立体角、Ａは光源の面積である。したがって、与えられた光源の輝度は、パワー成分、面積成分及び発散成分を有する。測定の一般的な単位は、Ｐについてはワット（Ｗ）、Ωについてはステラジアン（ｓｒ）、Ａについてはｃｍ^２、ＢについてはＷ/ｃｍ^２/ｓｒである。

スタック型レーザダイオードバー集成体３３０のような、ダイオードバースタックの達成可能な輝度の制限の１つは、特定のスタックにおけるレーザザダイオードバー間の間隔すなわち「ピッチ」である。式（１）によれば、レーザダイオードバー及びそのようなダイオードバーの輝度は、ダイオードエミッタの外側構造体の非発光面積の比率にしたがって減少する。総スタック面積に対する総エミッタ面積の比はダイオードスタックのフィルファクターと称されることがある。

図３を続けて参照すれば、ダイオードバースタック３００の非発光面積は、特定のレーザダイオードバーのエミッタ３０２間の間隔及び隣接ダイオードバー間の間隔を含む。隣接ダイオードバー間の間隔、したがってフィルファクターは第一義的にレーザダイオードからの廃熱を除去する必要によって定められる。適切に熱を除去しなければ、レーザダイオード部品の寿命が短くなり、時間の経過とともに波長変動がおこり得る。現在、連続波（ＣＷ）ダイオードバーを用いるシステムにおいては約２００Ｗ/ｃｍ^２の電力密度を達成することができるが、６０Ｗダイオードバーについては、温度管理問題のためにレーザダイオードバーを１〜３ｍｍより互いに近づけて配置することができないから、電力密度は現在この値に制限されている。

図４は冷却スラブ４２０を有する別の従来技術のダイオードバースタック４００の斜視図である。それぞれのダイオードバー４０２は多くのエミッタ４０４を有する。ダイオードバー４０２は、ダイオードバーに対する熱拡散体及び電気的コンタクトすなわちオーミックコンタクトとして作用し得る、銅プレート４０６によって隔てられる。ダイオード出力（図示せず）が冷却スラブ４２０に垂直となる方位に、複数のダイオードバー４０２が冷却スラブ４２０上に搭載される。ダイオードバーと冷却スラブ４２０の間に基板が配置され、基板は一般に、ダイオードバー４０２の活性領域を電流が容易に通れるようにするために、導電体４０８及び電気絶縁体４１０を有する。

図３及び図４に示されるような従来技術のダイオードスタックのフィルファクターは、高パワー動作用に設計される場合には小さくなり、したがって、そのようなダイオードスタックが発生できる光出力の輝度及び／またはフルーエンスはダイオードスタックの総面積及び与えられた印加電力に対して比較的低い。

本発明の課題は、ダイオードスタックの総面積及び与えられる印加電力に対して従来技術のダイオードスタックより輝度及び／またはフルーエンスが高い光出力を発生するダイオードスタックを提供することである。

本発明の実施形態は従来技術について上述した制限に対処するシステム及び方法に向けられる。特に、本発明は、複数のダイオードバー集成体のビームを結合して、結合出力ビームにおいて得られる電力密度の増大を達成し、同時にダイオードバーからの熱除去の必要に対処する、システム及び方法を提供する。

本発明の第１の実施形態には、２つまたはそれより多くの段及び冷却面を有する段付支持構造体並びに、それぞれがエミッタ面を有する、２つまたはそれより多くのレーザダイオードバーを備えるスタガー配置アレイ型結合器を含めることができる。２つまたはそれより多くのダイオードバーのそれぞれは、２つまたはそれより多くの段の個々の段上に配される。スタガー配置アレイ型結合器は２つまたはそれより多くの光導波板を備えることができ、それぞれの光導波板は入力面がダイオードバーの内の１つのエミッタ面に隣接して配されている。スタガー配置アレイ型結合器は冷却面と熱流通関係にある冷却手段を備えることができる。スタガー配置アレイ型結合器は２つまたはそれより多くのコリメートレンズを備えることができ、それぞれのレンズはダイオードバーの内の１つのエミッタ面と光導波板の内の１つの入力面の間に配される。スタガー配置アレイ型結合器は所望の波長範囲内の光を放射することができる。スタガー配置アレイ型結合器は２つまたはそれより多くのダイオードバーに結合されたポンピング手段を備えることができる。スタガー配置アレイ型結合器はダイオードバー間の電気的接続を有することができ、電気的接続は電源からの電流を受け取ることができる。所望の波長範囲には近赤外範囲を含めることができる。

本発明の第２の実施形態には、スタガー配置アレイ型結合器における使用のために適合された階段配置ダイオード集成体を含めることができる。階段配置ダイオード集成体は、複数の段を有する段付支持部材、段接触面及び冷却面を有することができる。階段配置ダイオード集成体は複数のダイオードバーも有することができ、複数のダイオードバーのそれぞれは複数の段のそれぞれ１つの上に配される。階段配置ダイオード集成体は冷却面と熱流通関係にある冷却手段を有することができる。冷却手段には、例えば、液体スプレーシステム、マイクロチャネル構造または冷却スラブを含めることができる。

第３の実施形態には、スタガー配置アレイ型結合器における使用のために適合された光導波構造体を含めることができる。光導波構造体は複数の光導波板を有することができ、それぞれの光導波板は入力面及び出力面を有する。入力面のそれぞれはそれぞれの隣接入力面に対してオフセットされ、光導波板のそれぞれは段付支持体面のダイオードピッチに相当する高さを有することができる。光導波構造体は矩形プリズムとして整形された光導波板を有することができる。光導波板のそれぞれは不変の断面を有することができ、あるいは光導波板のそれぞれは変化する断面を有することができる。光導波板のそれぞれはタイプＢＫ７光学ガラスでつくることができる。光導波板のそれぞれは、入力面と光結合され、ダイオードバー出力を受け取るために使用することができる、コリメートレンズを有することができる。光導波板のそれぞれは、入力面と光結合され、ダイオードバー出力を受け取るために使用することができる、偏光フィルタを有することができる。

第４の実施形態にはスタガー配置アレイ型結合器の作成方法を含めることができる。２つまたはそれより多くの段を有し、２つまたはそれより多くの段がダイオードバー高に適合された、支持面をもつ支持構造体を形成することができる。２つまたはそれより多くの段のそれぞれと熱接触させてダイオードバーを配置することができる。ダイオードバーのそれぞれのエミッタ領域に隣接して光導波板を配置することができる。光導波板の出力面を所望の方位に揃えることができる。光導波板の出力面は共通平面に沿って揃えることができる。光導波路板の出力面は所望の曲面に沿って揃えることができる。支持構造体に冷却手段を一体化することができる。ダイオードバーのそれぞれと付随する光導波路板の間にコリメートレンズを配置することができる。光導波路板は互いに融着することができる。光導波板間に導波スペーサを配置することができる。

第５の実施形態には高パワーポンピングエネルギーの発生方法を含めることができる。２つまたはそれより多くのダイオードバーを２つまたはそれより多くの段を有する支持構造体上に互いにオフセットさせて配置することができる。ダイオードバー出力を発生して２つまたはそれより多くのダイオードバー出力を形成するために、２つまたはそれより多くのダイオードバーにエネルギーを与えることができる。ダイオードバー出力のそれぞれは入力面を通して光導波板内に導くことができる。ダイオードバー出力のそれぞれは付随する光導波板から所望の場所に導くことができる。２つまたはそれより多くの段のそれぞれの支持面から熱を除去することができる。ダイオードバー出力のそれぞれは光導波板のそれぞれから出力面を含む共通出力面を通して所望の場所に導くことができる。所望の場所にはレーザ利得媒体を含めることができる。

第６の実施形態には、２つまたはそれより多くのスタガー配置ダイオードバーを有する２つまたはそれより多くの光ポンピングユニット、２つまたはそれより多くの電源接続及び支持構造体を備え、それぞれの光ポンピングユニットは出力を発生するために使用することができる、レーザポンピングシステムを含めることができる。レーザポンピングシステムは、光ポンピングユニットからの出力を受け取る方向転換手段を備えることができ、出力を結合させるために使用することができる。方向転換手段には１つまたはそれより多くのプリズムまたはミラーを含めることができる。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付される特許請求の範囲及び添付図面に留意すれば、さらによく理解されるであろう。図面は必ずしも定尺で描かれておらず、代りに本発明の原理の説明に関しては強調がなされている。

本発明は、添付図面とともに読まれるべき、以下の詳細な説明によって理解することができる。いくつかの実施形態の以下の詳細な説明は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定することは目的とされていない。

本発明の実施形態は段付支持構造体上に配置されたレーザダイオードバーのスタガー配置に向けられる。光導波構造によって個々のダイオードバーの出力を所望の場所、例えば共通出力面に導くことができる。ダイオードバーが発生する廃熱はどこかで支持構造体から除去することができ、この結果、付帯する冷却手段のダイオードバー間隔への影響を最小限に抑えることができる。レーザダイオードバーを所望の方位で密に配置することによって、与えられたダイオードスタック面積及び動作パワーに対する実効輝度及び実効フルーエンスレベルを、従来技術に比較して、高めることができる。

図５は本発明にしたがうスタガー配置アレイ型結合器の一実施形態５００の側面図を示す。スタガー配置アレイ型結合器５００は２つまたはそれより多くのレーザダイオードバー５０２を備え、それぞれのレーザダイオードバー５０２は隣接するダイオードバーとスタガー配置関係で支持構造体５１４上に配置される。スタガー配置アレイ型結合器５００はダイオードバー５０２のスタガー配置を容易にするための段５０３を有する。支持構造体５１４はダイオードバー５０２を支持する基板すなわち支持面５０４を有する。支持面５０４は熱拡散体または熱伝導体として作用する。光導波構造、例えば光導波板５０６がダイオードバーによってつくられた出力５０８を受取り、出力５０８を、例えば共通出力面５１８を通して、所望の方向に導く。スタガー配置アレイ型結合器５００はダイオードバー及び光導波板５０６を、所望に応じていくつでも、有することができる。

支持構造体５１４は、ダイオードバー５０２から熱を除去するための、冷却面５０２及び／またはその他の冷却手段（図示せず）を有することができる。冷却面５０５はダイオードバー５０２から最小限の距離にあることが好ましい。支持面５０４及び冷却面５０５はダイオードバー５０２の光放射領域に直交または実質的に直交する領域を有する。この形状により、光放射領域に平行な方向における個々のダイオードバー５０２の間の間隔すなわち分離距離すなわちピッチに影響を与えない、支持面５０４及び冷却面５０５の面積を介する熱輸送が容易になる。したがって、存在すれば、支持面５０４及び冷却面５０５によって、特定の方向に沿うダイオードバー５０２相互の、従来可能であった配置よりかなり密な、配置が可能になる。支持面５０４及び／または支持構造体５１４の望ましい特性は厚さ及び、ダイオードバー５０２からの熱輸送を向上させるための、高熱伝導度である。いくつかの実施形態において、基板または支持面５０４のための材料には、ダイアモンド、銅、銅タングステン（例えば、１０％Ｃｕ-９０％Ｗ）、及び／または酸化ベリリューム（ＢｅＯ）のような高熱伝導性材料を含めることができるが、これらには限定されない。

レーザダイオードバー５０２は、適するいかなる半導体材料からもつくることができ、所望に応じて搭載及び構成することができる。例えば、所望に応じてダイオードバーのｎ面またはｐ面を支持面に向けて搭載することができる。いくつかの実施形態においては、ダイオードバーのｐ側の厚さが付随するｎ側の厚さより薄いことが多いから、熱輸送を容易にするためにダイオードバーのｐ面を支持面及び冷却面または冷却手段に向けて搭載する、例えば、「ｐ面付け」とすることが望ましいであろう。

冷却面５０５によってスタガー配置アレイ型結合器５００とともに用いられる様々な冷却手段または冷却構造への熱の輸送を可能にすることができる。支持面５０４及び／または冷却面５０５を介するダイオードバー５０２からの廃熱の除去を容易にするためにいかなる冷却手段（図示せず）も用いることができる。例えば、適する冷却手段には、対流冷却、伝導冷却及び蒸発冷却の方法及び装置を含めることができるが、これらには限定されない。冷却手段には直接液冷のシステム及び手法を含めることができる。いくつかの実施形態において、冷却面５０５はスプレー冷却または蒸発冷却を含む冷却手段によって冷却することができる。

いくつかの実施形態において、支持構造体５１４は支持面５０４を支持または強化する１つまたはそれより多くのフランジまたはリブ５１６を有することができる。いくつかの実施形態において、支持面５０４及び冷却面５０５は冷却手段を有する構造体と一体化するかまたはそのような構造体に結合することができる。適する冷却手段には、シリコンまたは銅でつくられたマイクロチャネル素子を含めることができる。例えば、支持面は、例えば直径が２５μｍ〜１２５μｍのマイクロチャネルまたは空孔を通る液体移動を可能にする、構造体上に搭載するかまたはそのような構造体と一体化することができる。

ダイオードバー５０２と支持面５０４の間の熱抵抗を、また支持面とその下のいずれかの構造体、例えば冷却手段の間の熱抵抗も、下げるために、適する結合手法を用いることができる。例えば、ハンダ、グリースまたは熱ペーストを、スタガー配置アレイ型結合器５００の対向する表面上の小さな表面不規則性または微視的粗さを埋めるために用いることができる。いくつかの実施形態において、ポリエチレングリコール及び、例えば３０ｎｍ粒子の形態の、カーボンブラックを含む熱ペーストを用いることができる。

いくつかの実施形態において、名称を「モノリシックマイクロチャネルヒートシンク（Monolithic Microchannel Heatsink）」とする、米国特許第５５４８６０５号明細書に説明されているような、シリコンモノリシックマイクロチャネル構造またはウエハを組み入れた基板または支持面５０４上に、個々のダイオードバー５０２を搭載または作成することができる。上記明細書の内容は本明細書に参照として含まれる。いくつかの実施形態において、冷却手段には、米国カリフォルニア州ハンティントンビーチ（Huntington Beach），＃１２２，スレーター通り（Slater Ave.）７５２２のマイクロクーリングコンセプツ（ＭＣ^２）社（Micro Cooling Concepts Inc.）から入手できる、ＳＡ-２インピンジメントマイクロクーラー、タイプＡ，ＢまたはＣを含めることができる。

図５を続けて参照すれば、光導波板５０６は、支持構造体５１４上にダイオードバー５０２のスタガー配置と調和するように、相異なる長さを有することができる。光導波板に適する材料は、硬度、製造可能性及びダイオードバー出力５０８の波長範囲における低吸収率を含むが、これらには限定されない、物理的及び光学的なパラメータに基づいて選択することができる。いくつかの実施形態において、タイプＢＫ７光学ガラスのようなガラスを、近赤外範囲、例えば７００〜２２００ｎｍにおいて出力を放射するダイオードバーに用いることができる。

図６は、段付支持体すなわち階段構造体６０１上に配置された２つまたはそれより多くのダイオードバー６０２を有するスタガー配置アレイ型結合器の別の実施形態６００の詳細な側面図を示す。階段構造体６０１は、数多くの、段６０３，支持面６０４及び冷却面６０５を有する。階段構造体６０１はダイオードバー６０２を支持し、階段構造体６０１のそれぞれの段６０３は特定のダイオードバー６０２に対応する。それぞれの段６０３は、段長６２４，段高６２５及び（図６の紙面に垂直な方向の）段幅を有する。

それぞれのダイオードバー６０２は適当なポンピング手段を有し、例えば、ダイオードバー６０２のダイオードの活性領域を通る電流を供給するための陰極接続及び陽極接続として作用するための電気的接続６１２が存在し得る。それぞれのダイオードバー６０２は、バー６０２の個々のダイオードエミッタの出力を含む光出力６０８をつくる。光導波路板６０６がそれぞれのダイオードバー６０２に対して存在し得る。それぞれの光導波路板６０６は、入力面６５０を通して付随する出力６０８を受取り、出力面（図示せず）を通して出力６０８を所望の場所に導く。個々の光導波路板６０６の長さは変わることができ、いくつかの実施形態において、共通出力面に沿って出力面を揃えることができる。

ダイオードバー６０２が発生する熱は冷却面６０５を介して温度管理システム６３０またはその他の冷却手段によって除去することができる。適する冷却手段の例にはマイクロチャネル構造６３１及び／または液体スプレーシステム６３２があるが、これらには限定されない。支持面６０４と付帯する冷却手段の距離は、ダイオードバー６０２と冷却手段、例えば、温度管理システム６３０，マイクロチャネル６３１または液体スプレーシステム６３２の間の熱輸送を容易にするために実用上許される限り短くすることが望ましい。

例えば、支持面６０４と冷却面６０５または冷却手段６３０の間の厚さを薄くすることにより、ダイオードバー６０２からの一様で大容量の熱の運び去りが容易になり、ダイオードバーの性能及び寿命が向上する。冷却に適する手段には、霧化液体スプレー冷却システムを含めることができる、液体スプレーシステム６３２を含めることができるが、これには限定されない。適する液体スプレー冷却手段の一例が、名称を「高流束熱輸送のための方法及び装置（Method and Apparatus for High Flux Heat Transfer）」とする米国特許第６５７１５６９号明細書に説明されている。上記明細書の内容は本明細書に参照として含まれる。

階段構造体６０１の総厚６４４は与えられた材料について必要とされる厚さに設計及び作成することができる。いくつかの実施形態において、階段構造体６０１の厚さ６４４は本質的に支持面６０４の厚さとすることができる。支持面６０４は材料特性、例えば、剛性、熱伝導度、硬度等が適するいかなる材料からも作成することができる。いくつかの実施形態において、支持面６０４は冷却面６０５を支持するリブまたはフランジ６３７を有することができる。いくつかの実施形態において、それぞれの段６０３はモジュラーユニット、例えば、階段構造体６０１を形成するために、隣接する、同様の段６０３に続いて配置される、断面が三角形のストリップとすることができる。

特定の段６０３の段高６２５は付随するダイオードバー６０２のダイオードバー高６４２と整合または適合させることができる。ダイオードバー高６４２は半導体ｐ-ｎ接合を有する半導体ダイオードキャビティにわたる距離を含む。ダイオードバーのダイオードバー高６４２には、所望の方位に、例えば図示されるような６１４（１）及び６１４（２）に、配置することができる、半導体基板６１４の厚さを含めることができる。ダイオードバー高６４２は付随する電気的コンタクトすなわちオーミックコンタクト６１２の厚さの影響を受けることもあり得る。

図示される構成に対し、段高６２５はダイオードエミッタに平行な方向でのダイオードエミッタ中心線６４３間の間隔すなわちダイオードバー「ピッチ」６２０を表す。いくつかの実施形態において、段高６２５，したがってダイオードバーピッチ６２０は、光導波板厚６１８より大きくすることができる。ダイオードバーピッチ６２０が光導波板厚６１８より大きい場合、隣り合う光導波板は板間隔６１６だけ互いに隔てられる。板間隔６１６が望ましい状況があり得る。

いくつかの実施形態において、板間隔６１６は、図７について説明するように、コリメートレンズの包含を可能にするかまたは容易にするために、ダイオードバー６０２と付随する段６０３の間の水平方向間隔６２６と合せて用いることができる。板間隔６１６が光導波板６０６の間にある場合、光導波板６０６の位置合わせを容易にするかまたは光導波板６０６に対する構造的支持を与えるために所望の形状を有する導波スペーサ６３６を所望の場所に入れることができる。いくつかの実施形態において、適する導波スペーサ６３６にはコーティング及び／または、個々のダイオード集成体からのような、その他の導波構造を含めることができる。適するコーティングには適する反射性光学コーティング及び／またはフィルムを含めることができる。

いくつかの実施形態において、隣り合う光導波板６０６の対向面６０７及び６０９は互いに接することができ、間隔はゼロとなる。そのような場合には、隣り合う光導波板６０６の分離は、スタガー配置アレイ型結合器６００のある寸法を調節することによって、例えば光導波路板厚６１８を大きくするか、及び／または段高６２５を小さくすることによって、回避することができる。いくつかの実施形態において、段高６２５は最小限の、ダイオード構造高６４２と電気的コンタクト６１２の内の１つの厚さの和に等しくするかまたはほぼ等しくすることができる。そのような実施形態において、電気的コンタクト６１２は基本的に平坦とすることができ、１つのダイオードバー６０２の上面を隣のダイオードバー６０２の下面に接続する。

したがって、ダイオードバー６０２間のダイオードバーピッチ６２０は、高パワーダイオードバーに対してさえも、関連するいかなる温度管理構造または冷却手段にも実質的に依存しないでいることができる。さらに、ダイオードバー６０２のためのいかなる支持構造体も、ダイオードバーのエミッタ面に平行な側面に支持構造体を含めることができるから、ダイオードバーピッチからほとんどまたは完全に外すこともできる。したがって、基本的に特定のレーザダイオードバー６０２に対するダイオードｐ-ｎ構造すなわちキャビティの高さまで、ダイオードバーピッチ６２０を減じることができる。

図７は、所望の方向、例えば速軸方向でのダイオードエミッタの発散をコリメートするために存在するコリメータレンズ７２０を備える、スタガー配置アレイ型結合器の一実施形態７００の側面図である。２つまたはそれより多くのレーザダイオードバー７０２が支持構造体７１４上に配置され、それぞれのダイオードバー７０２は隣接するダイオードバー７０２に対してずらされた関係で配置される。支持構造体７１４は、ダイオードバー７０２に対して冷却面として作用することができる、支持面７０４を有する。ダイオードバーの出力７０８を受け取り、所望の場所に導くための光導波板７０６が存在する。コリメートレンズ７２０は、関連する出力７０８の速軸をコリメートし、出力ビームのアスペクト比を改善するために、それぞれのダイオードバーと付随する光導波板７０６の間に配置される。光導波板７０６は、スタガー配置ダイオードバー７０２と調和し、結合出力を共通出力面７１８に導くために、相異なる長さをもつことができる。適するいかなる光学材料もコリメートレンズ７２０に用いることができる。いくつかの実施形態において、コリメートレンズ７２０は光学品質ガラス、例えばタイプＢＫ７の円柱ロッドとすることができる。いくつかの実施形態において、偏光フィルタのような別の光学素子をコリメートレンズ７２０とともに、あるいはコリメートレンズ７２０の代りに、用いることができる。

図７の実施形態において、支持面７０４は支持構造体７１４と一体化されているとして示される。そのような実施形態において、支持構造体７１４は、マイクロチャネルまたは支持構造体７１４の内部空孔による連続路のような、内部冷却手段を有することができる。

いくつかの用途においてはスタガー配置アレイ型結合器の空間的大きさの縮小または最小化が望ましいことがあり得る。図８は、別の、それぞれが２つまたはそれより多くのダイオードバー８０２及び支持面８０４をもつ段８０３を有する、２つの結合された支持構造体８０１（１）及び８０１（２）のセットを備えるスタガー配置アレイ型結合器の「反転段」実施形態８００の斜視図である。段８０３のスタガー配置順序は、図示されるように、所望の段頂点すなわち頂点領域８１４において反転させることができる。得られるスタガー配置アレイ型結合器８００の光導波板８０６に平行な方向における空間的大きさは、与えられた出力面積８１８及び光導波板８０６の数に対して、図５〜７のスタガー配置アレイ型結合器と同様に構成された実施形態の大きさのほぼ１/２になり得る。一方の支持構造体８０１（１）のための冷却手段８０７が示されている。

電気的コンタクトすなわちオーミックコンタクト８１２が、例えば図示されるように直列に、ダイオードバー８０２を接続する。いくつかの実施形態において、電気的接続８１５が頂点領域８１４に隣接して配置されたダイオードバーの相対する外部表面を接続することができる。別の実施形態において、支持構造体８０１（１），８０１（２）のそれぞれに個別に電力を供給することができる。

図９は、図８の実施形態と同様の反転段スタックアレイ結合器の実施形態９００の、単純化した、斜視図である。スタックアレイ結合器９００は、それぞれが複数のスタガー配置ダイオードバー、電源接続及び支持構造体を有する、２つの光ポンピングユニット９０１（１），９０１（２）を備える。光ポンピングユニット９０１（１），９０１（２）からの出力（図示せず）は光導波板９０６の集成体内に導くことができる。光ポンピングユニット９０１（１），９０１（２）は、いくつかの実施形態において、冷却手段及び／または電源を有することができる。図示される構成において、反転段スタックアレイ結合器９００はスタック形成または、例えば航空機内での用途による制限された高さのような、一方向において空間的大きさが小さいことを必要とする用途に良く適するであろう。

図１０は、複数の光ポンピングユニット１００２（１）〜１００２（１０）が共通面に沿って揃えられた実施形態１０００の斜視図である。対をなす光ポンピングユニット１００２（１）〜１００２（１０）がダイオードバー出力を光導波板集成体１００４（１）〜１００４（５）内に送ることができ、光導波路板はそれぞれ個々のダイオードバーから出力を受け取る。図示されるように、光導波板集成体１００４（１）〜１００４（５）からの出力の方向を転換して共通出力１００８にするためのプリズム１００６（１）〜１００６（５）またはその他の方向転換手段を入れることができる。したがって、図１０の実施形態は光ポンピング集成体からの出力を結合及びスケーリングしてパワー及びフルーエンスを高めるに適していることを示す。

図１１はスタガー配置アレイ型結合器を製造する方法１００における工程を示す。冷却面、支持面及び２つまたはそれより多くの段を有し、それぞれの段がダイオードバーに適合されている、支持構造体を形成することができる（工程１１０２）。段は、銅またはダイアモンドを含むが、これらには限定されない、適する熱伝導度が高い材料で形成することができる。支持構造体を形成するために、既知の微細加工法及び／またはリソグラフィ法を含む技法を用いることができる。それぞれの段と熱接触させてダイオードバーを配置することができる（工程１１０４）。それぞれのダイオードバーには、電気的コンタクトすなわちオーミックコンタクトを活性領域の相対面に取り付けることができる。それぞれのダイオードバーの光放射領域に隣接して光導波板を配置することができる（工程１１０６）。それぞれの光導波板は、支持面の段と調和するように、相異なる長さを有することができる。いくつかの実施形態において、光導波板は互いに溶着または焼結させることができる。

方法１１００の説明を続ける。導波路板の出力端すなわち出力面を所望の方位に揃えることができる（工程１１０８）。例えば、平面または所望の形状の曲面に出力端を揃えることができる。光導波板は所望の断面積及び断面形状を有するようにつくることができる。例えば、光導波路板は、矩形プリズムまたは台形プリズムを含むがこれらには限定されない、形状を有することができる。いくつかの実施形態において、光導波路板は厚さが変わるようにつくることができる。支持構造体と熱接触させて冷却手段を配置することができる（工程１１１０）。いくつかの実施形態において、冷却手段は支持構造体と一体化することができる。必要に応じて、それぞれのダイオードバーとそれに付随する光導波路板の間にコリメートレンズを配置することができる（工程１１１２）。

図１２は、例えばレーザ利得媒体をポンピングするために、ダイオードバーから高パワーポンピングエネルギーをつくる方法１２００の工程を示す。２つまたはそれより多くのレーザダイオードバーを出力軸に平行な方向に互いにオフセットがとられた関係で支持構造体上に配置することができる（工程１２０２）。支持構造体は支持面を含む段を有する。それぞれのダイオードバーには、ダイオードバー出力を発生させるために、適切な手段、例えば電気的接続を通して供給される電流によってエネルギーを与えることができる（工程１２０４）。

それぞれのダイオードバー出力は、光導波路板内に入力面を通して導くことができる（工程１２０６）。ダイオードバー出力は、光導波板の出力面から所望の場所、例えば所望のレーザ利得媒体に導くことができる（工程１２０８）。それぞれの段の支持面から熱を除去することができる（工程１２１０）。ダイオードバー出力は、必要に応じて、光導波路板に入る前にコリメートすることができる（工程１２１２）。

したがって、本発明の実施形態は、高強度−高輝度光を必要とする用途に有用であり得る。本発明の実施形態は、ダイオードバー集成体で達成し得る光束及び輝度を高めることができる。そのような用途には、照明、観測、写真処理、光化学反応、光硬化、光エージング、光露光、並びに、気体、液体及び固体の媒体が、蛍光、レーザ作用、ラマン散乱に基づく光源として、またはその他のいずれかの光放射プロセスまたは発光プロセスによって、光を放射することができるような、気体、液体及び固体の媒体の光ポンピングを含めることができるが、これらには限定されない。

特に、本発明にしたがうシステム及び方法は、様々なレーザ利得媒体の高パワーポンピングのための複数のダイオードアレイまたはダイオードバーの出力ビーム結合に適用可能であり得る。例えば、スタガー配置アレイ型結合器は、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ），ネオジムドープガドリニウムガリウムガーネット（Ｎｄ：ＧＧＧ）またはイッテルビウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｙｂ：ＹＡＧ）のような、結晶から成長させた利得媒体のポンピング、あるいは、これらを含む、押し固められて焼結されたセラミックレーザ利得媒体のポンピングに用いることができる。

説明したダイオードバーは連続波（ＣＷ）態様またはパルス態様で動作させることができ、ポンピングされるレーザは連続波（ＣＷ）出力またはパルス態様で動作させることができる。本発明の実施形態は、高い平均パワーへのスケーリングが望まれる場合での使用に特によく適している。そのような高パワー用途の例には、研究用途、ドリル加工、切削加工及び表面処理を含む、金属加工及び材料加工用途、診断用途、通信用途、パワー伝送用途、防衛システム用途及び医療用途での高パワーレーザの使用があるが、これらには限定されない。

本発明を本発明のいくつかの好ましい実施形態を参照してかなり詳細に説明したが、他の実施形態も可能である。例えば、先の説明では特定の利得媒体をポンピングするためのスタガー配置アレイ型結合器の実施形態の使用を参照したが、本発明の実施形態は適するいかなる利得媒体のポンピングまたは光励起にも用いることができる。さらに、先の説明では同様のパワー出力、ピッチ、出力波長をもつ同様のダイオードバーの使用を述べたが、そのような特性は本発明の範囲内においてダイオード間で異なり得る。

さらに、本明細書の説明では光導波板は実質的に厚さが一様な平板であるとして説明したが、光導波板の諸元は所望に応じて変わり得る。例えば、いくつかの実施形態において、個々の光導波板の厚さは長さに沿って、すなわち光導波板の長軸に沿って、変わり得る。さらに、１つまたはそれより多くの量子井戸を有するレーザダイオードバーを本発明の範囲内で用いることができる。所望のいかなる波長においても出力を発生するダイオードを用いることができる。例えば、ある赤外波長、例えば近赤外（ＮＩＲ）波長で出力を発生するレーザダイオードに関して説明したが、紫外（ＵＶ）波長、可視波長、及びその他の赤外波長範囲、例えば中赤外（ＭＩＲ）波長でダイオード出力を発生するレーザダイオードを用いることもできる。いくつかの実施形態において、ダイオードバーは、適する半導体基板上に成長させた、インジウム−ガリウム−ヒ素−リン（ＩｎＧａＡｓＰ），インジウム−ガリウム−アルミニウム−ヒ素（ＩｎＧａＡｌＡｓ），インジウム−ガリウム−ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）及び／またはガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ）を含む活性領域を有することができる。

ダイオードバー間の電気的コンタクトについて直列電気的接続を説明し、示した、すなわち、隣り合うダイオードバーの向かい合う側が直列に接続されると説明したが、その他の適する電気的接続も本発明の範囲内で用いることができる。例えば、スタガー配置アレイ型結合器のダイオードバーの一方の面、例えばｐ面、をスタガー配置アレイ型結合器のその面に沿って連続して電気的接続によって接続することができ、相対面、例えばｎ面、をスタガー配置アレイ型結合器のその側に沿って連続して接続することができる。この場合、電流はダイオードバーを通って並列に流れる。

読者の注意は、本明細書と同時に提出され、本明細書とともに公衆の便覧に附される、全ての論文及び文書に向けられ、そのような論文及び文書の全ての内容は本明細書に参照として含まれる。添付される特許請求の範囲、要約書、及び図面のいずれをも含む、本明細書に開示される特徴は全て、別に明白に言明されていない限り、同じであるか、等価であるか、または同様の目的を果たす別の特徴で置き換えることができる。

従来技術のダイオードバーの斜視図である 従来技術の、冷却スラブ上に搭載されたダイオードバーの斜視図である 図２の従来技術のダイオードバーと冷却スラブのスタックの斜視図である 従来技術の、別の、冷却スラブ上に搭載されたダイオードバーのスタックの斜視図である 本発明にしたがうスタガー配置アレイ型結合器の一実施形態の側面図である スタガー配置アレイ型結合器の別の実施形態の側面図である コリメータレンズ付スタガー配置アレイ型結合器の側面図である スタガー配置アレイ型結合器の「反転段」実施形態の斜視図である スタガー配置アレイ型結合器の別の反転段実施形態の斜視図である 結合出力をもつ反転段スタガー配置アレイ型結合器の集成体の斜視図である スタガー配置アレイ型結合器の製造方法における工程を示す 高パワーポンピングエネルギーの発生方法における工程を示す

符号の説明

５００ スタガー配置アレイ型結合器
５０２ ダイオードバー
５０３ 段
５０４ 支持面
５０５ 冷却面
５０６ 光導波板
５０８ ダイオードバー出力
５１４ 支持構造体
５１６ リブ
５１８ 共通出力面

Claims (46)

1. スタガー配置アレイ型結合器において、
   ２つまたはそれより多くの段及び冷却面を有する段付支持構造体、
   ２つまたはそれより多くのダイオードバーであって、それぞれが、エミッタ面を有し、前記２つまたはそれより多くの段の個々の段上に配置されている２つまたはそれより多くのダイオードバー、及び
   ２つまたはそれより多くの光導波板であって、それぞれが、それぞれの入力面を前記２つまたはそれより多くのダイオードバーの内の１つの前記エミッタ面に隣接させて配置された２つまたはそれより多くの光導波板、
   を備えることを特徴とするスタガー配置アレイ型結合器。
2. 前記冷却面と熱流通関係にある冷却手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
3. ２つまたはそれより多くのコリメートレンズをさらに備え、前記２つまたはそれより多くのレンズのそれぞれが前記２つまたはそれより多くのダイオードバーの内の１つの前記エミッタ面と前記２つまたはそれより多くの光導波板の前記入力面の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
4. 前記２つまたはそれより多くのダイオードバーのそれぞれは所望の波長範囲内の光を放射させるために使用できることを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
5. 前記２つまたはそれより多くのダイオードバーに接続されたポンピング手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
6. 前記ポンピング手段が前記２つまたはそれより多くのダイオードバーの間の電気的接続を有し、前記電気的接続は電源から電流を受け取るために使用できることを特徴とする請求項５に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
7. 前記電気的接続が第１のダイオードバーの第１の面を第２のダイオードバーの第２の面に接続することを特徴とする請求項６に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
8. 前記所望の波長範囲が近赤外範囲を含むことを特徴とする請求項４に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
9. 前記近赤外範囲が８０８ｎｍまたは９８０ｎｍを含むことを特徴とする請求項８に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
10. 前記２つまたはそれより多くの光導波板が互いに共面の出力面を有することを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
11. 前記２つまたはそれより多くの光導波板が互いに接していることを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
12. 前記２つまたはそれより多くの光導波板が前記２つまたはそれより多くの光導波板のそれぞれの対の間に分離距離を有することを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
13. ２つまたはそれより多くのスペーサ板をさらに備え、前記２つまたはそれより多くのスペーサ板のそれぞれが前記２つまたはそれより多くの光導波板の対の間に配置されることを特徴とする請求項１２に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
14. 前記スペーサ板のそれぞれが２つまたはそれより多くの第２の光源の内の１つから光を受け取る入力面を有することを特徴とする請求項１３に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
15. 前記２つまたはそれより多くの第２の光源が２つまたはそれより多くの第２のダイオードバーを含み、複数の段を有する第２の段付支持部材をさらに備え、前記２つまたはそれより多くの第２のダイオードバーが前記第２の段付支持部材のそれぞれの段上に配置されることを特徴とする請求項１４に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
16. 前記２つまたはそれより多くのダイオードバーの前記それぞれが、インジウム−ガリウム−ヒ素−リン（ＩｎＧａＡｓＰ），インジウム−ガリウム−アルミニウム−ヒ素（ＩｎＧａＡｌＡｓ），インジウム−ガリウム−ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）及びガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ）からなる群から選ばれる半導体を含む活性領域を有することを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
17. 前記２つまたはそれより多くのダイオードバーの対の間に段頂点をさらに有し、前記スタガー配置アレイ型結合器が反転段スタガー配置アレイ型結合器であることを特徴とする請求項１に記載のスタガー配置アレイ型結合器。
18. スタガー配置アレイ型結合器における使用に適合された階段型ダイオード集成体において、
    複数の段、段接触面及び冷却面を有する段付支持部材、及び
    複数のダイオードバーであって、それぞれが、前記複数の段のそれぞれ１つの上に配置されている複数のダイオードバー、
    を有することを特徴とする階段型ダイオード集成体。
19. 前記冷却面と熱流通関係にある冷却手段をさらに有することを特徴とする請求項１８に記載の階段型ダイオード集成体。
20. 前記冷却手段が液体スプレーシステムを含むことを特徴とする請求項１９に記載の階段型ダイオード集成体。
21. 前記冷却手段がマイクロチャネル構造を含むことを特徴とする請求項１９に記載の階段型ダイオード集成体。
22. 前記冷却手段が冷却スラブを含むことを特徴とする請求項１９に記載の階段型ダイオード集成体。
23. スタガー配置アレイ型結合器における使用に適合された光導波構造体において、
    複数の光導波板であって、前記複数の光導波板のそれぞれが入力面及び出力面を有し、前記入力面のそれぞれがそれぞれに隣接する入力面に対してオフセットされ、前記複数の光導波板のそれぞれが段付支持面のダイオードピッチに対応する高さを有する複数の光導波板、
    を含むことを特徴とする光導波構造体。
24. 前記光導波板のそれぞれが矩形プリズムとして整形されることを特徴とする請求項２３に記載の光導波構造体。
25. 前記光導波板のそれぞれが不変の断面を有することを特徴とする請求項２３に記載の光導波構造体。
26. 前記光導波板のそれぞれが変化する断面を有することを特徴とする請求項２３に記載の光導波構造体。
27. 前記光導波板のそれぞれがタイプＢＫ７光学ガラスでつくられることを特徴とする請求項２３に記載の光導波構造体。
28. 前記複数の光導波板のそれぞれが、前記入力面に光結合され、ダイオードバー出力を受け取るために使用できるコリメートレンズを有することを特徴とする請求項２３に記載の光導波構造体。
29. 前記複数の光導波板のそれぞれが、前記入力面に光結合され、ダイオードバー出力を受け取るために使用できる偏光フィルタを有することを特徴とする請求項２３に記載の光導波構造体。
30. スタガー配置アレイ型結合器の作成方法において、
    それぞれがダイオードバーの高さに適合されている、２つまたはそれより多くの段をもつ支持面を有する支持構造体を形成する工程、
    前記２つまたはそれより多くの段に熱接触させてダイオードバーを配置する工程、
    前記ダイオードバーのそれぞれの光放射領域に隣接させて光導波板を配置する工程、及び
    前記光導波板の出力面を所望の方位に揃える工程、
    を含むことを特徴とする方法。
31. 前記光導波板の出力面を所望の方位に揃える前記工程が前記出力面を共通の平面に沿って揃える工程を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 前記光導波板の出力面を所望の方位に揃える前記工程が前記出力面を所望の曲面に沿って揃える工程を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
33. 冷却手段を前記支持構造体と一体化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
34. 前記ダイオードバーのそれぞれと付随する光導波板の間にコリメートレンズを配置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
35. 前記光導波板を融着する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
36. 前記光導波板間に導波スペーサを配置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
37. 高パワーポンピングエネルギーの発生方法において、
    ２つまたはそれより多くの段を有する支持構造体上に２つまたはそれより多くのダイオードバーを互いにオフセットさせて配置する工程、
    ダイオードバー出力をつくるために前記２つまたはそれより多くのダイオードバーのそれぞれにエネルギーを与える工程及び２つまたはそれより多くのダイオードバー出力を形成する工程、
    前記２つまたはそれより多くのダイオードバー出力のそれぞれを入力面を通して光導波板内に導く工程、及び
    前記２つまたはそれより多くのダイオードバー出力のそれぞれを付随する光導波板から所望の場所へ導く工程、
    を含むことを特徴とする方法。
38. 前記２つまたはそれより多くの段のそれぞれの支持面から熱を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
39. 前記２つまたはそれより多くのダイオードバー出力のそれぞれを前記光導波板のそれぞれから出力面を含む共通出力面を通して前記所望の場所に導く工程をさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
40. 前記所望の場所がレーザ利得媒体を含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
41. レーザポンピングシステムにおいて、
    ２つまたはそれより多くのスタガー配置されたダイオードバーを有する２つまたはそれより多くの光ポンピングユニット、前記２つまたはそれより多くのスタガー配置されたダイオードバーに接続された２つまたはそれより多くの電源接続、前記２つまたはそれより多くのダイオードバーを支持する支持構造体及び、それぞれが前記２つまたはそれより多くのスタガー配置されたダイオードバーの内の１つから出力を受け取り、前記出力を共通出力面に導く、２つまたはそれより多くの光導波板を備え、
    前記光ポンピングユニットのそれぞれはポンピングユニット出力をつくるために使用できることを特徴とするレーザポンピングシステム。
42. 前記２つまたはそれより多くの光ポンピングユニットから前記ポンピングユニット出力を受け取り、前記ポンピングユニット出力を結合するために使用できる方向転換手段をさらに備えることを特徴とする請求項４１に記載のレーザポンピングシステム。
43. 前記方向転換手段が１つまたはそれより多くのプリズムを含むことを特徴とする請求項４２に記載のレーザポンピングシステム。
44. 前記方向転換手段が１つまたはそれより多くのミラーを含むことを特徴とする請求項４２に記載のレーザポンピングシステム。
45. 前記２つまたはそれより多くの光ポンピングユニットが、２つ、４つ、６つまたは８つの光ポンピングユニットを含むことを特徴とする請求項４１に記載のレーザポンピングシステム。
46. 前記２つまたはそれより多くの電源接続に接続された電源をさらに備えることを特徴とする請求項４１に記載のレーザポンピングシステム。

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