JP2011054960A - ダイオードレーザポンプアレイを均一化する方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力な固体レーザの励起に適したダイオードレーザポンプアレイ、およびダイオードレーザポンプアレイに使用する回折型ホモジナイザの製造方法を提供する。
【解決手段】アレイ構成で配設された複数の半導体ダイオードレーザバーにより構成されるダイオードポンプアレイ１００から出射する不均一な光強度プロファイルを持つレーザビームを、回折型ホモジナイザ４１０を通過させることで均一化し利得媒体４２０に照射する。
【選択図】図４
【解決手段】アレイ構成で配設された複数の半導体ダイオードレーザバーにより構成されるダイオードポンプアレイ１００から出射する不均一な光強度プロファイルを持つレーザビームを、回折型ホモジナイザ４１０を通過させることで均一化し利得媒体４２０に照射する。
【選択図】図４
Description
[0001]以下の２つの正規の米国特許出願（本出願を含む）、すなわち、
２００９年８月１９日に出願した「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｍｐ Ａｒｒａｙｓ」（代理人整理番号０２７５１２−００１３００ＵＳ）と題する米国特許出願第１２／５４４，１４７号、及び
２００９年８月１９日に出願した「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ Ｐｈｏｔｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」（代理人整理番号０２７５１２−００１４００ＵＳ）と題する米国特許出願第１２／５４４，１６１号は、
同時に出願したものであり、他方の出願の開示全体を、あらゆる目的のために参照することにより本出願に援用する。
２００９年８月１９日に出願した「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｍｐ Ａｒｒａｙｓ」（代理人整理番号０２７５１２−００１３００ＵＳ）と題する米国特許出願第１２／５４４，１４７号、及び
２００９年８月１９日に出願した「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ Ｐｈｏｔｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」（代理人整理番号０２７５１２−００１４００ＵＳ）と題する米国特許出願第１２／５４４，１６１号は、
同時に出願したものであり、他方の出願の開示全体を、あらゆる目的のために参照することにより本出願に援用する。
[0002]米国政府は、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣの間の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に従って、本発明の権利を有する。
[0003]高平均出力ダイオード励起固体レーザでは、大きなダイオードレーザポンプアレイが、大口径増幅器を励起するために一般に使用される。ダイオードレーザポンプの開発により、高出力固体レーザの励起に適した高出力パワーがもたらされている。その結果、ダイオードレーザポンプは、多くのアプリケーションでフラッシュランプポンプに取って代わっている。
[0004]図１は、ダイオードレーザ（すなわち、半導体レーザ）の２次元アレイの略示斜視図である。ダイオードレーザアレイ１００は、基部１３０上に熱交換器１２０と共に積み重ねられた複数のダイオードレーザバー１１０を備えている。熱交換器１２０は、能動冷却式マイクロチャンネル熱交換器などであり得る。熱導体１４０ａ及び１４０ｂが、レーザダイオードバー１１０により発生する熱を除去するための追加の熱経路を提供するために、利用され得る。個々のレーザバーそれぞれは、複数のレーザ１１２の水平に配設されたアレイを含み、それぞれがポンプ放射を発する。このようにして、ダイオードレーザアレイ１００は、Ｍ×Ｎ個のレーザを備える。ここで、Ｍは、ダイオードレーザバー１１０の個数であり、Ｎは、バー当たりのレーザ１１２の個数である。
[0005]ダイオード励起により、フラッシュランプ励起に比べて効率及び寿命の劇的な増加、並びに熱負荷の減少がもたらされるが、ダイオードレーザポンプアレイは、通常、非等方的な（不均一な）照射を行う。図２に示すように、レーザ端面でのビームが略楕円形であるので、ダイオードレーザからの出力ビームの発散は非等方性であり、垂直平面内の発散角（θＶ）は、水平方向の発散角（θＨ）より相当に大きい。小型レンズアレイが、ダイオードレーザバーの前に取り付けられており、水平に配設されて各水平レーザバーに整合されている。小型レンズアレイは、垂直平面内の発散角を水平方向の発散角に略等しい値まで減少させるために使用されている。
[0006]小型レンズアレイを用いて発散角を整合させるのではなく、当技術分野においてはダイオードレーザポンプアレイのビームを均一化するための改善された方法及びシステムの必要性が存在している。
[0007]本発明は、広く、レーザシステムに関するものである。より詳細には、本発明は、ダイオードレーザアレイからの出力を均一化する方法及びシステムに関するものである。この方法及び装置は、単に例として、出力に略一様な強度プロファイルを与えるためにダイオードレーザアレイに光学的に結合された光熱屈折ガラス部材に適用されている。さらに、大きい回折型ホモジナイザを製造する方法が、本発明の各実施形態によって提供される。本発明は、より広範な適用性を有し、他のレーザシステムに適用することができることが理解されよう。
[0008]本発明の一実施形態によれば、光増幅器システムが提供される。光増幅器システムは、アレイ構成で配設された複数の半導体ダイオードレーザバーを備え、隣り合う半導体ダイオードレーザバー間の周期的な距離を特徴とするダイオードポンプアレイを備える。この周期的な距離は、複数の半導体ダイオードレーザバーそれぞれに垂直な第１の方向において測定される。ダイオードポンプアレイは、光路に沿って伝搬し、第１の方向の関数として測定されると共に１０％を超える変化を有する第１の強度プロファイルを特徴とするポンプ出力を与える。光増幅器システムは、光路に沿って配設された回折光学部品も備える。回折光学部品は、光熱屈折ガラス部材を含む。光増幅器システムは、入射面を有し、光路に沿って、所定の距離だけ回折光学部品から隔てられた位置にある増幅器スラブを更に備える。第１の方向の関数として増幅器スラブの入射面で測定される第２の強度プロファイルが、１０％未満の変化を有する。
[0009]本発明の別の実施形態によれば、回折型ホモジナイザを製造する方法が提供される。この方法は、所定のグレイスケール強度パターンを有する部分的に透過性の光学要素を準備するステップと、透明光学素子を用意するステップと、ＵＶ放射を、部分的に透過性の光学要素を介して透明光学素子に入射させるように、向けるステップと、を含む。この方法は、透明光学素子の所定部分をＵＶ放射に露光し、透明光学素子を熱処理して、透明光学素子内の位置の関数として連続的に変化する屈折率プロファイルによって特徴付けられる回折型ホモジナイザを製作することも含む。
[0010]従来の技法を上回る多くの利益が、本発明によって実現される。例えば、本技法は、ダイオード照射の均一化をもたらし、その結果、強度プロファイルが一様になり、固体増幅器及びレーザ利得媒体からの抽出効率がより高くなり、固体増幅器の出力についてのビーム品質が改善される。また、本発明の各実施形態によってもたらされる伝達効率は、９８％を上回り得る。本発明の各実施形態は、高出力固体増幅器及び固体レーザに適用可能である。さらに、本発明の各実施形態は、滑らかな位相プロファイルを有する回折光学部品を製造する方法を提供し、それにより均一化、及び固体増幅器／レーザの効率を改善する。本発明の各実施形態は、ダイオード照射を均一化して、高平均出力ダイオード励起固体レーザの一様な照射、及びビーム品質の改善をもたらす。一様な照射により、レーザ抽出効率を改善することが可能となり、熱的に誘起される波面の歪みを最小にする一様な熱負荷が可能となる。ビーム品質及び波面の改善は、レーザデバイスの信頼性を向上させるよう更に機能する。これは、システム内の光学部品のフルエンス又は強度負荷が、レーザで誘起される光損傷の閾値に比べて低いからである。本発明のこれら及び他の実施形態を、その多くの利点及び特徴と共に、以下の文章及び添付図面と併せてより詳細に説明する。
[0022]図３は、ダイオードレーザアレイの２つのモジュールに関し、位置の関数としてのレーザ強度を略示したグラフである。図３については、２つのモジュール３００が示されており、各モジュールは、ヒートスプレッダ１２０によって隔てられたレーザバー１１０のアレイを含む。これらモジュールは、図１に示すダイオードレーザポンプアレイ１００と同様であってもよい。モジュールが小型レンズアレイを用いてコリメートされる場合でも、モジュール３００の下方に垂直に測定した強度プロファイルは、一様でないことになる。図３に示すように、強度プロファイルは、レーザバー１１０に関連したピークと、レーザバー同士の間のヒートスプレッダ１２０に関連した谷と、隣り合うモジュールの間の大きな谷とを有する。図３に示す強度プロファイルは望ましくない。これは、そのようなポンプ強度プロファイルによって、増幅器の利得プロファイルが非一様なものとなるからである。増幅器（又はレーザ）の利得プロファイルの非一様性により、増幅器の効率は低くなり、ビーム品質が劣化する。
[0023]図３に示す非一様性の課題を克服するために、様々な方法が、試みられている。一例として、各エミッタ又は一群のエミッタからのダイオードレーザポンプ光が、光ファイバ中に放たれることがある。エミッタ又は一群のエミッタからの光を均一化するために光ファイバを使用することによりビームの均一性を改善することができるが、個々の光ファイバの出力には限界があり、また、この方法を採用することは、費用がかかり、非効率である。別の手法は、増幅器スラブの横励起であり、それによりこのスラブのダイオード励起は、レーザ伝搬の方向に直交する。横励起は、細いロッド（例えば、１ｃｍ未満のロッド径）、並びに小さいスラブのレーザ及び増幅器の利得の一様性の改善にいくつかの利益をもたらすが、この方法をより大口径にスケール変更することは、困難であり、口径全体にわたって一様でない利得を生成する傾向がある。更に別の手法は、中空反射（又は固体屈折）管を用いて複数のエミッタからのビームを混合することである。この技法は、いくつかの利益をもたらすが、本発明の各実施形態によって提供される技法に比して効率が低く、より費用がかかる。
[0024]日光への露光後に色を変化させるガラスの能力が、当技術分野で知られている。より最近になって、感光ガラスが、永久イメージをケイ酸ガラスに記録するために使用されている。ＵＶ放射への露光に続いて熱現像する２段階のプロセスにより、写真処理と同様に露光した範囲において結晶相析出がもたらされる。様々な異なる感光ガラスが、開発されており、様々なアプリケーション、例えば、フォトクロミック眼鏡に用いられている。
[0025]本発明の各実施形態で利用される別のタイプの感光ガラスは、光熱屈折（ＰＴＲ）ガラスである。ＰＴＲガラスが、ＵＶ放射に露光され、次いで熱処理によるプロセスを受けると、ＰＴＲガラスの屈折率は、ＵＶ放射／熱処理プロセスに応じて変化する。本発明の各実施形態の範囲を限定するものではないが、光屈折効果は、ＵＶ露光プロセス中に開始される銀の酸化還元反応に基づいていると考えられている（すなわち、銀イオンは、銀金属のナノクラスタに転換される）。元素の銀粒子は、典型的には約５００℃の温度で数時間の間実行される熱現像プロセス中に第２相を成長させるための核形成中心として働く。この第２相は、ナトリウム及びカリウムのハロゲン化物が豊富であり、露光されていない範囲と比べて露光された範囲内で屈折率が低くなると考えられている。露光時にＵＶ強度パターンを制御することによって、屈折率の変化を制御することもできる。このプロセスを用いて、ＰＴＲガラスの平坦なスラブ（すなわち、直方体）は、本発明の実施形態による回折型ホモジナイザとして用いられる。例えば、ボリュームブラッググレーティング（ＶＢＧ）を製造するために、２つの平面波ＵＶレーザビームを用いた干渉パターンが、正弦曲線の屈折率の変化を誘起するために、ＰＴＲガラスの内側に作り出される。
[0026]ＰＴＲガラスなどの光屈折性ガラスは、通信システム、例えば、波長分割多重方式（ＷＤＭ）システムに用いられる高効率位相体積ホログラムを製造するための感光性媒体として使用されている。これらアプリケーションでは、線形屈折率変調が、ＵＶ放射への露光、それに続く熱処理の後に、ＰＴＲガラスに実現される。典型的なＰＴＲガラスは、ケイ酸ガラスであり、ＳｉＯ２及び様々な添加物に基づいている。典型的な格子ベースの回折素子は、アンギュラビームの合波（ａｎｇｕｌａｒ ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）、スペクトルビームの合波、及びモード同期のために、ボリュームブラッグ格子（ＶＢＧ：ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）を含む。典型的なＶＧＢベースのデバイスは、フロリダ州オーランドのＯｐｔｉＧｒａｔｅ Ｃｏｒｐ．、及びニュージャージー州ベニントンのＰＤ−ＬＤ Ｉｎｃ．から入手可能である。
[0027]従来のボリュームブラッグ格子は、特定のアプリケーションに応じて周期的なものであるか又はチャープを有しており、格子構造では典型的なように、レーザを用いて露光することによって製造される。本発明の各実施形態は、ＰＴＲに形成されるこれら従来の格子構造と対照的である。これは、パターンが、周期的又はチャープでなく、回折型ホモジナイザの入射面に存在する特定の強度プロファイルと光学利得媒体での所望の強度プロファイルとに基づいて定められるからである。格子ベースのボリュームブラッグ格子とは対照的に、本発明の各実施形態によって提供される回折型ホモジナイザは、非正弦曲線状である。
[0028]図４は、本発明の一実施形態によるダイオードレーザアレイ均一化システムの略示斜視図である。ダイオードレーザアレイ均一化システムは、レーザダイオードアレイ１００と、回折型ホモジナイザ４１０とを備える。回折型ホモジナイザ４１０は、回折光学素子とも呼ばれる。本発明の各実施形態では、回折型ホモジナイザは、ＰＴＲガラスのスラブ（すなわち、ＰＴＲガラスの直方体）を用いて製造される。回折型ホモジナイザの表面４１２及び４１４は、略平坦であり、反射防止（ＡＲ）膜の蒸着又は他の表面処理に適している。本明細書を通じて更に十分に説明するように、回折型ホモジナイザ４１０は、ＵＶベースの露光及び熱処理プロセスを用いて製造される。ＰＴＲガラス、又は位置の関数として変化する屈折率を与えることができる他の適した透明材の使用により、屈折率の連続的変化を位置の関数として有する回折型ホモジナイザの製造及び使用が可能になる。基本的には、回折型ホモジナイザは、ダイオード照射の非一様性に比べて小さい空間スケールで位相を変化させる。このことは、表面形体の不連続性によって不連続的に変わる屈折率をもたらす従来のエッチング型の回折光学素子と対照的である。
[0029]回折型ホモジナイザに必要とされる位相変化は、コンピュータで正確に計算することができ、それによって意図した光学部品の空間的な位相のマップを発生させることができる。この計算から、所要の位相変化を実現するのに必要である所要の屈折率の変化は、Δｎ＝φ／ｔである。ここで、Δｎは屈折率の変化であり、φは所要の位相であり、ｔはＰＴＲガラスの厚さである。典型的には、ＰＴＲに生じる屈折率の変化は、露光時の入射光強度に比例している。
[0030]ダイオードレーザアレイ均一化システム４００は、回折型ホモジナイザ４１０と利得媒体４２０の間の伝搬経路４４０も含む。利得媒体４２０は、高出力増幅器用の増幅器スラブ又はレーザの能動部品であり得る。回折型ホモジナイザ４１０の設計は、ダイオードレーザアレイ１００によって生成される強度プロファイルに合わせることになる。伝搬経路４４０を通じて伝搬した後、ダイオードレーザアレイによって生成される空間依存の照射は、ランダム化され、増幅器スラブ又は他の適した利得媒体の励起のための均一化されたビームを生成する。所望のダイオードポンプフルエンス（ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐ ｆｌｕｅｎｃｅ）に応じて、任意のレンズ４３０を、均一化ダイオードポンプビームを集光するために用いることも可能である。（断面で測定される）ビームの形状を、回折型ホモジナイザ４１０を用いて変化させることができる。一例として、２次元ダイオードレーザアレイからの正方形又は長方形のビームの断面を、利得媒体４２０（例えば、増幅器スラブ）で維持することができ、又は利得媒体４２０で円形ビームに変換することができる。
[0031]回折型ホモジナイザ４１０は、ビームの均一化、及びイメージングを実行することができる。典型的なダイオードレーザポンプアレイアプリケーションでは、マイクロレンズアレイを利用してダイオードレーザからの光を平行又は一部平行にする。図４に示すシステム４００では、回折型ホモジナイザは、ビームを平行にし、ダイオードレーザアレイの幾何学的形状に起因する非一様性を除去するのに有効な屈折率の変化を含み得る。したがって、本発明の各実施形態は、ダイオードアレイからの光を平行にするためにマイクロレンズアレイの使用を必要としない。
[0032]ＰＴＲガラスは、波長分割多重システムに用いるボリュームブラッグ格子を製造するために使用されてきた。これらボリュームブラッグ格子は、特定のアプリケーションに応じて周期的であるか又はチャープを有するものであり、格子構造で典型的なように、レーザを用いて露光することによって製造される。本発明の各実施形態は、ＰＴＲに形成されるこれら従来の格子構造と対照的である。その理由は、パターンが周期的であるか又はチャープを有するのではなく、回折型ホモジナイザの入射面に存在する特定の強度プロファイル及び光学利得媒体での所望の強度プロファイルに基づいて定められるからである。図４を参照すると、したがって、回折型ホモジナイザの屈折率プロファイルは、表面４１２での強度プロファイル、及び表面４２２での所望の一様な強度プロファイルによって定められる。周期的な格子構造、更にチャープを有する格子構造とは対照的に、本発明の各実施形態は、非正弦曲線状の屈折率プロファイルを利用して所望の回折効果を実現する。
[0033]エッチング型の回折構造は、いくつかの欠点を有しており、この欠点は、高出力レーザアプリケーションで用いるための課題を提示するものである。レーザビームが回折型ホモジナイザを通過するときに、エッチングされた表面の形状により、回折効果がもたらされる。表面形体を制御するために、エッチングマスクの一方のレベルをエッチングマスクの他方のレベルに位置合わせする処理全体にわたって、高水準の制御が必要とされる。エッチングマスクの位置合わせが不良であると、表面形状が誤って画成されることになり、それによって透過ビームの質が低下する。また、エッチング深さの制御は、最終的な表面プロファイルへの極めて重要な入力である。回折構造の全高が約１μｍである８レベルのエッチングプロセスでは、最終ステップの高さは２５０ｎｍであり、これは高水準の再現性をもってエッチングすることを困難とする。
[0034]エッチングマスクの位置合わせ及びエッチング深さについて適切な制御が実行されると仮定すると、エッチング型の回折構造の鋭利な形体（ｓｈａｒｐ ｆｅａｔｕｒｅ）により、入射光が散乱することになり、回折型ホモジナイザの伝達効率に悪影響が及ぼされる。エッチング型の回折構造を利用した本発明者等によって行われた研究は、アナモルフィック望遠鏡（ａｎａｍｏｒｐｈｉｃ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）、エッチング型の回折型ホモジナイザ、集束レンズ、及びミラーの通過後に、伝達効率（出て行く光を入ってくる光で割ったもの）が約６０％であることを示している。典型的には、光学素子からの散乱損失は、薄膜のＡＲ膜の使用によって低減される。しかし、エッチング型の回折構造の高度に構造化された表面は、薄膜コーティングの有用性（ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ）及び品質に悪影響を及ぼす。したがって、いくつかのエッチング型の回折光学素子では、界面でのフレネル反射損失は、出力伝達効率の低下に大きく寄与し得る。
[0035]本発明の各実施形態は、エッチング型の回折光学素子の欠点を低減し又は排除する。ＰＴＲガラスを用いて作製された回折型ホモジナイザの平坦面は、高出力レーザアプリケーションによく適している。光学部品の表面が平坦であるので、エッチングされた表面に共通する汚れや塵の集積が低減される。加えて、この平面は、界面でのフレネル反射損を低減するＡＲ膜の蒸着に適した基板を与える。本明細書に記載した回折型ホモジナイザによって与えられる平面及び「内部」屈折率の変化により、エッチング型の回折構造の伝達効率よりも非常に高い伝達効率が得られる。本発明者等によって試験された、約８０％の伝達効率によって特徴付けられた１６レベルのバイナリプレート（ｂｉｎａｒｙ ｐｌａｔｅ）とは対照的に、本発明の各実施形態は、＞９０％、＞９２％、＞９４％、＞９６％、又は＞９８％の伝達効率をもたらす。
[0036]加えて、ＰＴＲガラスに製造された回折型ホモジナイザの散乱損失は、従来のエッチング型の回折要素と比べて低減される。本明細書に記載した製造方法に由来する屈折率の連続的変化により、エッチングされた構造に存在する不連続性が排除され、それによりＰＴＲガラスに製造された回折型ホモジナイザの伝達効率が増大する。
[0037]上述したように、従来のエッチング型の回折光学部品は、当該回折光学部品を作製するためのエッチングプロセスの結果として伝達効率に限界がある。本発明の各実施形態を利用すると、半導体リソグラフィ用に開発された技術を含む技術を利用してグレイスケールのマスタースライドを生成し、屈折率が連続的に変化する回折型ホモジナイザをＰＴＲガラスに製造することが可能である。イメージリレー、ステップ、繰り返し等といったリソグラフィ用に相当なコストで開発された印刷技術及びイメージング技術を活用することができる。したがって、これら回折型ホモジナイザでの滑らかな位相プロファイルは、従来の板よりも非常に効率的になる。
[0038]本発明の各実施形態は、多数の高出力レーザ及び増幅器アプリケーションに適用可能である。一例として、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙで開発されたＬＩＦＥプログラムは、相当に大きいダイオードアレイを利用し、単色光を増幅器に送る能力から恩恵を得る。増幅器の均一な照射により、高ビーム品質及び高効率が可能となる。さらに、国防上のアプリケーションに役立つ大口径レーザは、均一な励起からの恩恵を得てビーム品質を向上させ、それにより戦術的戦闘の標的上のレーザ強度も増大させることができる。レーザ加工、マーキング、穴あけ、及び溶接などの他のダイオード励起固体レーザアプリケーションも、改善された出力エネルギー及びビーム質によって本発明の各実施形態から恩恵を得ることができる。
[0039]図５Ａは、本発明の一実施形態による回折型ホモジナイザの入力での位置の関数としてのレーザ強度を略示した画像である。図５Ａに示すように、レーザの強度は、位置の関数として大きく変化する。強度プロファイルは、位置の関数として変化する出力によって特徴付けられ、ビームのいくつかの領域が他の領域よりも相当に明るくなっている。実際には、レーザビームのいくつかの部分は、ほとんど黒に見え、ビームのこれら部分では少量の出力を示す。
[0040]この例では、ダイオードレーザポンプアレイからの光が、所与の距離だけ伝搬しており、回折及び伝搬によって、例示の一様でない強度プロファイルがもたらされている。この強度プロファイルが、増幅器スラブに結像される場合には、増幅器スラブの利得は、高利得の範囲及び低利得の範囲によって特徴付けられることになり、この増幅器の利得媒体での励起は非効率なものとなる。また、ビーム強度の変化は、この増幅器において予測できない利得プロファイルをもたらし、システム性能に悪影響を及ぼす。
[0041]図５Ｂは、本発明の一実施形態による回折型ホモジナイザの入力での位置の関数としてのレーザ強度を略示したグラフを含む。水平方向に沿って得られた強度プロファイルは、入力ビームの幅を表す破線５２２によって示されており、垂直方向に沿って得られた強度プロファイルは、入力ビームの高さを表す実線５２４によって示されている。図５Ａに示すように、幅方向に沿った測定値（破線５２２）は、略２峰性の分布によって特徴付けられており、ピークがエッジ領域にあり、強度の低下がプロファイルの中央に存在する。高さ方向に沿った測定値（実線５２４）は、ビームの上部に出力の大部分が存在することに特徴を有し、低い強度が下部中央に存在する。ビームの下縁にあるスパイクが、レーザ強度グラフで見える。
[0042]レーザビーム全体にわたる強度変化は大きく、強度スパイクのいくつかは、他の強度値の３倍よりも大きくなっている。ビームの垂直方向測定値に関する実線５２４を参照すると、約−２０ｍｍでのスパイクは、３を超える正規化強度値を有し、一方、約−１０ｍｍでの強度は、１未満である。破線５２２については、約１の平均正規化強度値を有し、いくつかのピークは、その値の約２倍に達しており、谷は、その値の約半分である。したがって、強度の変化は、１００％を超え得る。図５Ａに関して述べたように、図５Ｂに示すような強度プロファイルを有するレーザビームは、ポンプビームとして使用される場合に又は他の高出力アプリケーション向けに使用される場合に、芳しくない性能をもたらす。図５Ａ及び図５Ｂに示す入力ビームの集束によって、非回折限界スポットがもたらされ、相当量の出力が、より高次のローブに存在するものとなる。したがって、標的上の出力は、入力ビームが一様であったら利用できたものより非常に少ないことになる。
[0043]図５Ｃは、本発明の一実施形態による回折型ホモジナイザの出力での位置の関数としてのレーザ強度を略示した画像である。回折型ホモジナイザの出力でのレーザビーム強度について言及する際には、この出力は、回折型ホモジナイザの表面に位置する出力ビームである必要はなく、回折型ホモジナイザから離間して配置された出力位置にあるビームとして理解することができる。図４を参照すると、出力ビームは、利得媒体４２０の表面４２２に位置し得る。レーザビームは、略矩形のビーム形状から円形ビームに変換されている。ビーム形状の変換は、本発明の各実施形態によって必須ではないが、この図に示すように与えられてもよい。図５Ｃに示すように、レーザビーム強度の画像は、一様な強度パターンを位置の関数として示しており、このことは、多くのアプリケーションにとって望ましい。
[0044]図５Ｄは、本発明の一実施形態による回折型ホモジナイザの出力での位置の関数としてのレーザ強度を略示したグラフを含む。円形ビーム全体にわたる位置の関数としてのレーザ強度が、破線５３２及び実線５３４によって示されている。水平方向に沿って得られた強度プロファイルは、破線５３２によって示されており、垂直方向に沿って得られた強度プロファイルは実線５３４によって示されている。図５Ｂと比べて、水平方向と垂直方向の双方の強度プロファイルは略一様であり、位置の関数としてわずかな変化だけを有している。本明細書に記載した回折型ホモジナイザを利用することにより、回折型ホモジナイザについての特定の設計基準に応じて、ビーム全体にわたって２０％未満、１５％未満、１０％未満、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、又は１％未満の強度変化がもたらされる。
[0045]本発明の各実施形態によれば、回折型ホモジナイザは、強度変化又は位相変化を有するマスタープレートを用い、光屈折性ガラス基板に所定の強度プロファイルを結像することによって製造され、それによって単一の露光で新しい回折型ホモジナイザが生成される。図６は、本発明の一実施形態による回折型ホモジナイザを製造する方法の略示フロー図である。図６に示す方法では、ダイオードレーザポンプアレイからの光の均一化に用いる一以上の回折型ホモジナイザを製造することができる。この方法は、部分的に透過性のスライドを用意するステップ（６１０）と、一つのＰＴＲガラスを用意するステップ（６１２）と、を含む。部分的に透過性のスライドは、グレイスケールフォトリソグラフィ技法の使用に適した写真イメージであってもよい。そのような写真イメージを用い、濃淡の陰影を利用して、ＰＴＲガラス中の位置の関数としての連続的な屈折率の変化を生成することができる。ＰＴＲガラス中の位置の関数としての所望の屈折率の計算に基づいて、結果として、部分的に透過性のスライドの密度、及びＰＴＲガラスの照射の強度は、ＰＴＲガラスの様々な部分で露光される光量に応じて変化する。
[0046]この方法は、ＵＶ放射を、部分的に透過性のスライドを介してＰＴＲガラスに入射するように向けるステップ（６１４）も含む。強度パターンは、ＰＴＲガラスの所望の屈折率パターンに応じた所定のパターンである。ＰＴＲガラスの所定部分は、ＵＶ放射に露光され（６１６）、露光されたＰＴＲガラスは、熱処理されて、位置の関数として所望の屈折率プロファイルを生成する。本発明のいくつかの実施形態は、位置の関数として屈折率の連続的変化を与える。これら回折型ホモジナイザによってもたらされる滑らかに変化する位相プロファイルによって、所望の一様なビームプロファイルの発生において伝達効率をより高めることが可能となる。
[0047]ＰＴＲガラスに所望の強度プロファイルを作り出すために用いられ得る別の方法は、空間光変調器を用いて、ＵＶビームの一部を遮り、ＰＴＲガラスに連続的に変化する強度パターンを作り出すことである。フォトリソグラフィプロセスの一部として利用されるイメージリレー技法を利用して、部分的に透過性のスライドの使用又は空間光変調器の使用によって生成される画像を拡大又は縮小することができる。一例として、ＬＩＦＥプログラムでの使用に適した大口径光学部品用に、本明細書に記載の方法は、ステッパを用いて拡張して、ある露光箇所を隣の箇所に適切に位置合わせし、それにより共にタイミングをとって、完全な大面積の回折型ホモジナイザを得ることができる。図７との関連で更に十分に説明するように、次いで、タイリングプロセスを用いて製造される大面積のマスタープレートを使用して、単一の露光を用いて複製のプレートを作り出すことができる。
[0048]ＰＴＲガラスに製造される回折型ホモジナイザは、従来のエッチング型の回折構造よりも堅牢でもある。本発明の各実施形態によって提供される回折型ホモジナイザの平面は、微細な特徴を有するエッチングされた構造よりも非常に損傷しにくい。
[0049]オプションの方法として、更なるＰＴＲガラスが、用意されてもよい（６２０）。同じ部分的に透過性のスライドを用いて、ＵＶ放射が、部分的に透過性のスライドを介して更なるＰＴＲガラスに入射するように向けられてもよい。更なるＰＴＲガラス一部は、ＵＶ放射に露光され、次いで露光されたＰＴＲガラスは、熱処理されて、第２の回折型ホモジナイザを形成することになる。このオプションのパスは、複数回行われてもよい。このオプションのプロセスを利用して、複数の回折型ホモジナイザを、唯一の部分的に透過性のスライドをマスタースライドとして用いて製造することができる。大面積の光学部品については、部分的に透過性のスライドは、部分的に透過性の媒体のより小さい部分に基づいて、ステッププロセス及び繰り返しプロセスを用いて製造することができる。したがって、ダイオードレーザアレイ及びレーザビーム用の空間ビームホモジナイザを含む回折型ホモジナイザを製造する開示方法は、基板（例えば、ＰＴＲガラス基板）の大きさによってのみ制限される規模で低コスト大量生産を可能にする。
[0050]図６に示す具体的なステップは、本発明の一実施形態による回折型ホモジナイザを製造するある特定の方法を与えていることを理解されたい。他のステップ順序が、代替の実施形態によって同様に行われてもよい。例えば、本発明の代替の実施形態は、異なる順序で上記のステップを行ってもよい。また、図６に示す個々のステップは、個々のステップに応じた様々な順序で行われ得る複数のサブステップを含んでもよい。さらに、追加のステップが、特定のアプリケーションによって追加又は除去されてもよい。当業者は、多くの変更形態、修正形態、及び代替形態を認識するであろう。
[0051]図７は、本発明の別の実施形態による回折型ホモジナイザを製造する方法の略示フロー図である。この方法は、部分的に透過性のスライドを用意するステップ（７１０）と、第１のＰＴＲガラスを用意するステップ（７１２）とを含む。後述の通り、第１のＰＴＲガラスは、処理されて、次いで回折型ホモジナイザとして用いる更なるＰＴＲガラスの製造においてマスタープレートとして使用されることになる。この方法も、ＵＶ放射を、部分的に透過性のスライドを介して第１のＰＴＲガラスに入射するように向けるステップ（７１４）と、第１のＰＴＲガラスの所定部分をＵＶ放射に露光するステップ（７１６）とを含む。
[0052]第１のＰＴＲガラスに所望の強度パターンを生成するために、部分的に透過性のスライドを使用する以外の方法が、利用されてもよい。例えば、２次元の空間光変調器を利用して第１のＰＴＲガラスに所望の強度パターンを生成し、それによって第１のＰＴＲガラスの所定部分をＵＶ放射に露光してもよい。
[0053]ＰＴＲガラスが露光された後、ＰＴＲガラスを熱処理して、ＰＴＲガラスの内部に位置の関数として所定の屈折率パターンを生成する（７１８）。第１のＰＴＲガラスは屈折率パターンを備え、当該屈折率パターンは回折により特定の結像面に所定の強度プロファイルを生成する。したがって、以下に更に十分に説明するように、第１のＰＴＲガラスに強度パターンを生成し、この強度パターンは屈折率パターンになり、この屈折率パターンを後に使用して第２の強度パターンを生成するために、計算が、この方法の実施形態に含まれている。
[0054]本発明の各実施形態は、いくつかの異なる方法を利用してマスタープレートを生成することができる。マスタープレートに対して所望の光強度プロファイルを発生させるために、空間光変調器、リソグラフィ印刷技法、標準のフォトリソグラフィエッチング技法、磁性流体研磨法などを使用してもよい。位相板に当該板全体にわたって位置の関数としての所定の位相変化を与えてマスタープレートを製造した後、マスタープレートを略無限数の複製プレートを発生させるためのマスタとして使用する。複製プレートのコストは、当該複製プレート用に用いられる基板のコストに迫るものとなる。
[0055]この方法は、第２のＰＴＲガラスを用意するステップ（７２０）と、ＵＶ放射を、第１のＰＴＲガラスを介して第２のＰＴＲガラスに入射するように向けるステップ（７２２）とを更に含む。したがって、第１のＰＴＲガラスは、部分的に透過性のスライドを使用するのと同様にマスタープレートとして使用される。部分的に透過性のスライドは、第１のＰＴＲガラスに所定の強度パターンを作り出すために使用されることを理解されよう。本発明の本実施形態では、次いで、第１のＰＴＲガラスを用いて、第２のＰＴＲガラスに第２の所定の強度パターンを生成する。第１のＰＴＲガラスを通過するＵＶ放射の回折を利用して、第２の所定の強度パターンを形成する。更なる光学素子を、第２の所定の強度パターンを形成するために、光学系の一部として利用することができる。当業者は、追加の多くの変更形態、修正形態、及び代替形態を認識するであろう。
[0056]第２のＰＴＲガラスの所定部分は、第１のＰＴＲガラスを通過するＵＶ放射に露光され（７２４）、第２のＰＴＲガラスは、露光後に熱処理される（７２６）。したがって、第２のＰＴＲガラスは、回折光学素子、例えば回折型ホモジナイザとしての使用に適した位置の関数としての屈折率プロファイルを有する。第１のＰＴＲガラスをマスタープレートとして利用するために、プロセス７２０〜７２６を更なるＰＴＲガラスを用いて適宜繰り返し、更なる回折型ホモジナイザを形成する。したがって、初めのマスタープレートの製造後に、第２のＰＴＲガラスの複数のコピーを、従来の技法と比べて容易及び安価に製造することができる。図６との関連で述べたように、イメージリレー、拡大、縮小などを含むフォトリソグラフィ技法をＰＴＲガラスのＵＶ放射への露光中に利用することができる。
[0057]図７に示す具体的なステップは、本発明の一実施形態による回折型ホモジナイザを製造する特定の方法を与えることを理解されたい。他のステップ順序が、代替の実施形態に従って行われてもよい。例えば、本発明の代替の実施形態は、異なる順序で上記のステップを行ってもよい。また、図７に示す個々のステップは、様々な順序で行われ得る個々のステップに応じた複数のサブステップを含んでもよい。さらに、追加のステップが、特定のアプリケーションによって追加又は除去されてもよい。当業者は、追加の多くの変更形態、修正形態、及び代替形態を認識するであろう。
[0058]図８は、本発明の一実施形態によるマスタープレートを用いた回折型ホモジナイザを製造する方法の略示フロー図である。この方法は、位置の関数として所定の位相プロファイルによって特徴付けられるマスタープレートを用意するステップ（８１０）を含む。このマスタープレートは、ＰＴＲ材料を用いて製造することができ、或いは、マスタープレートは、従来の多段階エッチング型の回折素子であってもよい。この方法は、ＰＴＲガラスを用意するステップ（８１２）と、ＵＶ放射を、マスタースライドを介してＰＴＲガラスに入射するように向けるステップ（８１４）をも含む。マスタープレートの位相プロファイルは、所定の位相プロファイルであり、マスタープレートを通じて伝播する光を回折させ、ＰＴＲガラスにおいてある強度パターンを提供する。
[0059]この方法は、ＰＴＲガラスの所定部分をＵＶ放射に露光するステップ（８１６）と、露光したＰＴＲガラスを熱処理して（８１８）回折型ホモジナイザを形成するステップとを更に含む。図８に示す方法は、共通する特徴を図６及び図７に示す方法と共有し、これらの図に関連した説明は、図８に適用可能である。
[0060]更なる回折型ホモジナイザを製造するために、更なるＰＴＲガラスを用意し（８２０）、工程８１４〜８１８を繰り返して、追加の回折型ホモジナイザを製造する。単一の位相ベースのマスタープレートを利用して、製造に使用される基板のコストに迫る回折型ホモジナイザのコストで、複数の同一の回折型ホモジナイザが生成される。図８に示す方法は、回折型ホモジナイザの製造中にマスタープレートの単一の露光を利用するが、ステップ方法及び繰り返しの方法を利用して、マスタープレートより大きい回折型ホモジナイザを製造することができる。
[0061]図８に示す具体的なステップは、本発明の一実施形態によるマスタープレートを用いた回折型ホモジナイザを製造する特定の方法を与えることを理解されたい。他のステップ順序が、代替の実施形態によって行われてもよい。例えば、本発明の代替の実施形態は、異なる順序で上記のステップを行ってもよい。また、図８に示す個々のステップは、個々のステップに応じた様々な順序で行われ得る複数のサブステップを含んでもよい。さらに、追加のステップが、特定のアプリケーションによって追加又は除去されてもよい。当業者は、追加の多くの変更形態、修正形態、及び代替形態を認識するであろう。
[0062]本明細書に記載した例及び実施形態は、例示の目的のために過ぎず、それらに鑑みて様々な修正又は変更を当業者は想到するであろうし、それらは、本出願の精神及び認識範囲内、並びに添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることになることも理解されよう。
１００…ダイオードレーザアレイ、ダイオードレーザポンプアレイ、レーザダイオードアレイ、１１０…ダイオードレーザバー、レーザバー、１１２…レーザ、１２０…熱交換器、ヒートスプレッダ、１３０…基部、１４０ａ…熱導体、１４０ｂ…熱導体、３００…モジュール、４００…ダイオードレーザアレイ均一化システム、システム、４１０…回折型ホモジナイザ、４１２…表面、４１４…表面、４２０…利得媒体、４２２…表面、４３０…任意のレンズ、４４０…伝搬経路。
Claims (20)
- アレイ構成で配設された複数の半導体ダイオードレーザバーを備え、隣り合う半導体ダイオードレーザバーの間の周期的な距離によって特徴付けられるダイオードポンプアレイであって、前記周期的な距離が、前記複数の半導体ダイオードレーザバーそれぞれに垂直な第１の方向において測定されるものであり、該ダイオードポンプアレイが、光路に沿って伝搬し、且つ、前記第１の方向の関数として測定されると共に１０％より大きい変化を有する第１の強度プロファイルによって特徴付けられるポンプ出力を与える、該ダイオードポンプアレイと、
前記光路に沿って配設された回折光学部品であって、光熱屈折ガラス部材を含む該回折光学部品と、
入射面を有し、前記光路に沿っており且つ所定の距離だけ前記回折光学部品から離れた位置に存在する増幅器スラブであって、前記第１の方向の関数として該増幅器スラブの前記入射面で測定される第２の強度プロファイルが１０％未満の変化を有する、該増幅器スラブと、
を備える光増幅器システム。 - 前記光熱屈折性ガラス部材が、屈折率の連続的変化を有する、請求項１に記載の光増幅器システム。
- 前記光熱屈折性ガラス部材が、正弦曲線の格子構造を実質的に有していない、請求項１に記載の光増幅器システム。
- 前記格子構造が、周期的であるか、又はチャープを有する、請求項３に記載の光増幅器システム。
- 前記回折光学部品と前記増幅器スラブの間の前記光路に沿って配設された１以上のレンズを更に備える、請求項１に記載の光増幅器システム。
- 前記光熱屈折性ガラス部材が、第２の平坦面に対向する第１の平坦面を有する、請求項１に記載の光増幅器システム。
- 前記第１の強度プロファイルが、１０％〜３００％の変化を有する、請求項１に記載の光増幅器システム。
- 前記第１の強度プロファイルが、１０％〜１００％の変化を有する、請求項７に記載の光増幅器システム。
- 前記第１の強度プロファイルが、１０％〜５０％の変化を有する、請求項８に記載の光増幅器システム。
- 前記第２の強度プロファイルが、１％〜１０％の変化を有する、請求項１に記載の光増幅器システム。
- 前記第２の強度プロファイルが、２％〜５％の変化を有する、請求項１０に記載の光増幅器システム。
- 回折型ホモジナイザを製造する方法であって、
所定のグレイスケール強度パターンを有する部分的に透過性の光学要素を用意するステップと、
透明光学素子を用意するステップと、
ＵＶ放射を、前記部分的に透過性の光学要素を介して前記透明光学素子に入射するように向けるステップと、
前記透明光学素子の所定部分を前記ＵＶ放射に露光するステップと、
前記透明光学素子を熱処理して、前記透明光学素子内の位置の関数としての連続的に変化する屈折率プロファイルによって特徴付けられる前記回折型ホモジナイザを製作するステップと、
を含む方法。 - 前記連続的に変化する屈折率プロファイルが、光放射のための回折効果を有する面によって特徴付けられる、請求項１２に記載の方法。
- 前記透明光学素子が、光熱屈折性（ＰＴＲ）ガラスを含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記透明光学素子の第２の所定部分を前記ＵＶ放射に露光するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記所定のグレイスケール強度パターンの範囲が、前記透明光学素子の前記所定部分の範囲及び前記透明光学素子の前記第２の所定部分の範囲よりも小さい、請求項１５に記載の方法。
- 前記部分的に透過性の光学要素が、写真イメージを含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記部分的に透過性の光学要素が、空間光変調器アレイを含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記透明光学素子が、ＰＴＲガラスを含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記ＰＴＲガラスが、直方体を構成し、前記ＵＶ放射が、前記直方体の最小面に垂直な面で該直方体に入射する、請求項１９に記載の方法。
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