JP2013247364A

JP2013247364A - 単一エミッタのエテンデュのアスペクト比スケーラ

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Publication number: JP2013247364A
Application number: JP2013109705A
Authority: JP
Inventors: Joshua Monroe Cobb; モンローコブジョシュア
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-12-09
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: EP2667238A3; JP6292767B2; US20130314922A1; EP2667238A2; US8599485B1

Abstract

【課題】対称光学系とより適合し、かつ光ファイバとの効率的な使用にさらに適するように、固体レーザダイオードの光出力を再配置する。
【解決手段】固体レーザ１２を付勢して、第１のエテンデュアスペクト比Ｒ₁を有する入力レーザ光ビーム２４を光軸ＯＡ沿いに放射する。ビーム２４の速軸ＦＡ方向に対する光学的不変量は、速軸に直交する遅軸ＳＡ方向の光学的不変量の半分未満である。シリンドリカルレンズ１５および１４に通してコリメートされたビーム２４が、エッジ７３を備えている二分用反射表面７２へと導かれ、この反射表面７２が逸れていないビーム経路４２と逸れたビーム経路４４とに分割する。折返し反射表面７６が、逸れたビーム経路４４を反射表面７２の方に方向転換させ、方向転換された逸れたビーム経路が、逸れていないビーム経路と光学的に平行でありかつ速軸方向に関して変位されたものとなって、Ｒ₁に等しくない第２のエテンデュアスペクト比Ｒ₂を有する出力ビーム３０を形成する。
【選択図】図３

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１２年５月２５日に出願された米国特許出願第１３／４８０８８３号の優先権の利益を主張するものである。

本発明は、Josh Cobbの名で２０１１年５月３１日に出願された「励起レーザアレイにおいて光源を結合させる方法および装置（METHOD AND APPARATUS FOR COMBINING LIGHT SOURCES IN A PUMP LASER ARRAY）」と題する同一出願人による米国特許出願第１３／１１８９３９号、およびJosh Cobbの名で２０１２年２月２１日に出願された「レーザアレイ光源を結合させる方法および装置（METHOD AND APPARATUS FOR COMBINING LASER ARRAY LIGHT SOURCES）」と題する同一出願人による米国特許出願第１３／４０１１９６号に関連する。

従来の大規模な金属酸化物製造プロセスは、典型的には３つの段階、すなわち、前駆体化合物の水溶液析出と、化学反応を促進しかつ結晶度を高めるための焼成と、これに続く最終的な粒子サイズの調節とに分けることができる。より詳細には、水溶液析出は、反応物の分散、反応物の送出、粒子の析出、分離、洗浄、乾燥、および他の金属イオンとの随意的な含浸といった、初期ステップを含み、焼成は４００〜１０００℃に数時間の間加熱するものであり、さらに最終的な粒子サイズを調節するために、グラインディング、粉砕（milling）、または分類などのステップが続く。

本発明は、一般に、レーザ光を生成する光学装置に関し、特に、固体レーザ源から放射される光のエテンデュを調整する装置および方法に関する。

レーザダイオードは、高コヒーレント光が有用な広範な用途に採用される、固体の放射デバイスである。レーザダイオードは、サイズ、コスト、および性能に関していくつかの利点があるが、このデバイスが提供する出力ビームは、従来の球面レンズを使用している光学装置など、回転対称の光を扱う系で使用するにはあまり適していない。レーザダイオードの出力ビームのアスペクト比は、断面で考えると極めて非対称であり、直交方向夫々において著しく異なった発散角を有している。出力ビームは、「遅」軸に沿って幅寸法まで延びる幅広のストライプから放出し、この幅寸法は、遅軸に直交する「速」軸に沿ったその高さの数倍である。一方、回転対称の光学系は、それ自体実質的に対称な光ビームを取り扱うために最適化される。すなわち、レーザダイオードまたはレーザダイオードアレイからの光を球面光学系に適応させるには、複数のレーザのビームを速軸に沿って積み重ねて、例えばより対称なアスペクト比を有する合成ビームを形成することなどによって、光の分布を再配置する構成要素および技術が必要となり得る。

レーザダイオード光に固有の非対称性は、光ファイバでの使用には特に不利である。光ファイバの入力開口は極めて対称であって、レーザダイオードの出力ビームのアスペクト比との一致が不十分であり、これが光出力の全てを使用し得る効率的な光学系の設計を困難にしている。実際に、単一のレーザダイオードからの光を使用すると、１方向では光ファイバの入力開口から容易にはみ出し、またその直交方向では入力開口を十分に満たない状態となる。

レーザダイオードと光ファイバとの間のこの固有の不適合の１つの結果が、レーザダイオードの設計に制約を課すことになる。例えば、ファイバレーザにポンプ励起光を提供するために使用されるレーザダイオードは、公称約１００μｍ以下のエミッタ幅で、発光ストライプ幅が制約される。エミッタのストライプ幅が１２０μｍ以上のダイオードなど、より幅広のストライプ幅を有するエミッタについて述べてきたし、こういったエミッタはより効率的で、比例してより多くの光を提供するであろう。しかしながら出力ビームの形状のため、遅軸方向の放射エネルギーは光ファイバの入力ＮＡを１方向（遅軸）でかなり超えてしまい、一方、直交（速軸）方向では依然として開口を十分に満たさないことになる。

すなわち、対称光学系とより適合し、かつ光ファイバとの効率的な使用にさらに適するように、固体レーザダイオードの光出力を再配置する解決策が必要であることが理解できる。

レーザビーム光の取扱いと適用に関する技術を前進させることが本発明の目的である。この目的を念頭に置いて、本開示の提供する装置は、光ビームを提供する装置であって、
ａ）第１のエテンデュアスペクト比Ｒ₁を有する入力レーザ光ビームを光軸に沿って放射するよう付勢可能な固体レーザであって、このとき入力レーザ光ビームの第１方向に対する光学的不変量が、第１方向に直交する第２方向に対する入力レーザ光ビームの光学的不変量の半分未満である、固体レーザ、
ｂ）入力レーザ光ビームを第１方向に対してコリメートするように配置された、第１シリンドリカルレンズ、
ｃ）入力レーザ光ビームを第２方向に対してコリメートするように配置された、第２シリンドリカルレンズ、
ｄ）第１方向に沿って延在しているエッジを備えた二分用反射表面であって、エッジが、光軸沿いに配置されて、コリメートされたレーザ光ビームを第２方向に関して、エッジの片側の光による逸れていないビーム経路と、エッジの反対側の光による第１の逸れたビーム経路とに分割し、このとき逸れていないビーム経路および第１の逸れたビーム経路の夫々が、固体レーザからの放射光を含むものである、二分用反射表面、および、
ｅ）第１の逸れたビーム経路を二分用反射表面の方に方向転換させて戻すように配置された折返し反射表面であって、その結果、方向転換された第１の逸れたビーム経路が、逸れていないビーム経路と光学的に平行となりかつ逸れていないビーム経路から第１方向に関して変位される、折返し反射表面、
を備え、方向転換された第１の逸れたビーム経路の少なくとも第１部分が、エッジを通過しかつ逸れていないビーム経路と結合して、Ｒ₁に等しくない第２のエテンデュアスペクト比Ｒ₂を有する出力ビームを形成することを特徴とする。

本発明により提供される利点は、単一のレーザ源により生成される個別の光ビームに対して、エテンデュのアスペクト比を変化させる性能である。これにより、レーザダイオードからの光をより効率的に使用するよう改善が可能になり、さらに励起レーザに光を提供するために使用されるものなど、レーザダイオードのビームの位置合わせを容易にするという利点をさらにもたらし得る。

開示される本発明の他の望ましい目的、特徴、および利点が、当業者には思いつくであろうし、あるいは明らかになるであろう。本発明は添付の請求項によって画成される。

レーザダイオードの出力ビームの非対称性を示した概略図所与のエテンデュアスペクト比を有する光源に対する空間分布および角度分布を示した概略平面図１つの軸に沿って倍率が変えられた光源に対する空間分布および角度分布の変化を示している概略平面図レーザ出力ビームの光を再分配して、元の放射されたビームよりも対称的なエテンデュアスペクト比を提供するシーケンスを概略的に示した図レーザ出力ビームの光を再分配して、元の放射されたビームよりも対称的なエテンデュアスペクト比を提供するシーケンスを概略的に示した図レーザ出力ビームの光を再分配して、元の放射されたビームよりも対称的なエテンデュアスペクト比を提供するシーケンスを概略的に示した図単一のレーザビームに対するエテンデュのアスペクト比をスケーリングするための光学装置の構成要素を示している概略斜視図エテンデュのスケーリングのための光学装置の構成要素を示した概略上面図本発明の実施形態による、スケーリングされたエテンデュアスペクト比を有する光ビームを提供する装置を示した斜視図図５の装置の上面図であって、３以上のセグメントに分離される光ビームの光路を示した図光ファイバまたは他の球面光学系の対称的な入口開口を超えている、放射されたレーザビームの空間プロファイルを示した図図７Ａに示したビームプロファイルを最初に有していた放射光から形成された、出力ビーム３０を示した図本発明の実施形態による、放射されたビームの一部分がセグメントに分割されかつ再配置されて、出力ビームを形成する手法を示した概略上面図図８Ａで開始された光の分割および再配置を継続している図であり、放射されたレーザ光の続く部分に対する光路を示している概略上面図図８Ａで開始された光の分割および再配置を継続している図であり、放射されたレーザ光の続く部分に対する光路を示している概略上面図図８Ａで開始された光の分割および再配置を継続している図であり、放射されたレーザ光の続く部分に対する光路を示している概略上面図図８Ａで開始された光の分割および再配置を継続している図であり、放射されたレーザ光の続く部分に対する光路を示している概略上面図図８Ａで開始された光の分割および再配置を継続している図であり、放射されたレーザ光の続く部分に対する光路を示している概略上面図本発明の別の実施形態による、間隙の調節を可能にする傾き調節部材を示している斜視図ある間隙距離に対する傾き位置を示している概略側面図図１０Ａの例における間隙距離を有した出力ビームの平面図図１０Ａおよび１０Ｂに示したものよりも間隙距離が狭い傾き位置を示している概略側面図図１１Ａの例における間隙距離を有した出力ビームの平面図

ここで図示および説明する図面は、種々の実施形態による動作の主要原理と光学装置の製造とを説明するために提供され、これら図面のいくつかは、実際のサイズまたは縮尺を示すことを意図して描かれたものではない。基本的な構造上の関係、または動作の原理を強調するために、誇張を必要とするものもあり得る。

本開示の文脈において、「上部」および「下部」、または「上方」および「下方」といった用語は、相対的なものであって、構成要素または表面のいかなる必須の配向をも示したものではなく、構成要素内または材料のブロック内の、対向した面または異なる光路を、単に参照しかつ識別するために使用する。同様に「水平」および「垂直」という用語は、例えば異なる平面内の構成要素または光の相対的な直交関係を説明するために図に対して使用され得るものであるが、実際の水平および垂直の配向に関連して構成要素に要求されるいかなる配向をも示したものではない。

「第１」、「第２」、「第３」などの用語が使用される場合、これらの用語はいかなる順序または優先の関係をも必ずしも意味するものではなく、１つの要素または時間間隔を別のものとより明らかに識別するために使用される。例えば、本書における教示では決まった「第１」または「第２」の要素は存在せず、すなわちこれらの記述子は本開示の文脈において、単に１つの要素を別の類似の要素から明確に識別するために使用される。

本書において使用される「付勢可能（energizable）」という用語は、電力を受けたときに、さらに随意的には許可信号を受信したときに、指示された機能を実行する、装置、または構成要素の組に関連する。

本開示の文脈において、２つの平面、方向ベクトル、または他の幾何学的特徴は、これらの実際のまたは予測される交差角度が９０度±２度の範囲内であるとき、実質的に直交であると見なされる。本開示の文脈において「二分する（bisect）」という用語は、光ビームを、夫々異なるビーム経路に沿って伝播する２つの部分に分離することを意味するために使用される。すなわちこれは、幾何学証明において適用される用語「二等分する（bisect）」の砕けた使い方であり、分割ビームの２つの部分が同じサイズのものであることは必ずしも意味していない。本発明の文脈において、いくつかの実施形態では、レーザ光源からのビームを、夫々がそのビームのおよそ半分になるように２つの部分に二分することが一般に有用となり得るが、２つの部分間の差が１０％または２５〜３０％以上であっても、依然として使用可能であることが分かるであろうし、また有利になることがある。すなわち、本発明の実施形態による二分用エッジにぶつかったときに形成される分割光ビームの２つの部分夫々は、同じ固体レーザ光源からの光の少なくともいくらかの割合を有していることになる。さらに他の実施形態では、ビームを二分してサイズの異なる２つの部分に分割し、さらにこのプロセスを繰り返して、後により詳細に説明するように効果的に複数回ビームを二分する。

ビームのアスペクト比は、一般に光学技術の当業者には理解されているであろうと考えられ、つまりアスペクト比は、光ビームの中心軸に対して直交する、すなわち伝播方向に直角な平面内で考えられる。

本発明の文脈において、「反射する」と考えられる表面、または特定波長を反射するものであると考えられる表面は、その波長の入射光の少なくとも約９５％を反射する。「透過する」と考えられる表面、または特定波長を透過するものであると考えられる表面は、その波長の入射光の少なくとも約８０％を透過する。

本発明の文脈において、「傾斜」という用語または「傾斜角」という表現は、法線とは異なるように、すなわち９０°または９０°の整数倍とは少なくとも１つの軸に沿って少なくとも約２°以上異なるように、斜めになっている、法線ではない角度を意味するために使用される。例えば、この一般的定義を用いて、傾斜角は９０°より少なくとも約２°大きいまたは小さいものでもよい。

本発明の文脈において、「合成ビーム」は、２以上の個別の「成分ビーム」の組から形成される。２つの光路が同じ屈折部品または屈折媒体内で同じ方向に伝播しているとき、これらの光路は「光学的に平行」であると見なされ、その結果２つの光学的に平行な光路の対応するセグメントは、両光路のセグメントが同じ屈折媒体内に延在しているとき、互いに幾何学的に平行である。光学的に平行な光路は、同じ透明媒体内の対応するセグメントにとって、区分的に平行であるとも考えることができる。

本発明の一般的な態様によれば、単一の光源から放射される光ビームのエテンデュのアスペクト比を変化させることが可能な装置および方法が提供される。有利なことに、本発明の実施形態は、ファイバレーザ用または他の種類のレーザ用のレーザ励起光を、単一のレーザ源から光ビームとして提供する装置および方法を提供する。本発明の他の実施形態は、光ビームのエテンデュのアスペクト比を調節可能とすることが有利な他の環境で光ビームを調整する際にも役立ち得る。

「エテンデュのアスペクト比」という表現が意味することをよりよく理解するために、エテンデュと、いくつかの関連する用語および原理とを、より明確に定義することが有用である。光学技術では周知であるが、エテンデュは、光源の断面積と光源の放射立体角との積の範囲に含まれる光の量を表現したものであり、光学系で扱うことができる光の量に関する。エテンデュは、光の損失がなければ光学系内で減少し得ない。光学系内においてエテンデュは、その空間的分布および角度分布に対して考慮される。エテンデュは、幾何学的特性として、すなわち空間面積（Ａ）および角度（Ω）の２つの因子の積として考えることができる。

光学系において光を効率的に使用するには、光の全てを使用するように、光路に沿った構成要素のエテンデュをマッチングさせることが必要である。全体を通じて回転対称な光学系においては、エテンデュの計算および取扱いの考察は極めて分かり易い。回転対称な光ビームの中心軸に直交する平面でとった断面、すなわち伝播方向に直角な平面内でとった断面で考えると、ビームはこの系で円形であり、かつ平面内の任意の方向で考慮される光学的不変量は同じである。こういった光学系の構成要素に対するエテンデュのマッチングは、光ビームの空間範囲および角度範囲を適切に単にスケーリングするという問題になる。

各軸における光の空間的分布を光学系内で異なったやり方で変えなければならないとき、エテンデュのマッチングはさらにかなり複雑なものとなる。例えば、非常に非対称なエテンデュ特性を有するレーザダイオードからの光を、エテンデュに関して極めて対称的な光ファイバへと導く場合、この問題に対処しなければならない。

背景技術の項で前述し図１Ａに示したように、レーザ励起光用に使用されるレーザダイオードにおいて、固体レーザダイオードのエテンデュは著しく非対称である。図１Ａは、典型的なマルチモードレーザダイオードからの出力を概略的な形で示している。このレーザは、レーザ出力カプラに現れているように示されている空間的分布１２２と、放射光として示されている角度分布２２とを有する。

本開示の文脈における説明を助けるために、「光学的不変量」という用語は、エテンデュを単一の方向に対して説明するときに使用される。例えば、図１Ｂにおいて光ビームの代表的な空間的分布１０２および対応する角度分布１０４を参照すると、図示の２つの相互に直交している方向の夫々において光学的不変量Ｌが存在する。図１Ｂを参照すると、遅軸（ＳＡ）に沿った光学的不変量Ｌ_s、すなわち、
Ｌ_s＝（ｌ_s・ω_s）
が存在し、ここで（ｌ_s）は遅軸方向における空間的分布の幅寸法であり、（ω_s）は遅軸方向に取られた光ビームの発散角である。速軸（ＦＡ）に沿って異なる光学的不変量Ｌ_f、すなわち、
Ｌ_f＝（ｌ_f・ω_f）
が存在し、ここで（ｌ_f）は速軸方向における空間的分布の高さ寸法であり、（ω_f）はその方向で取られた発散角である。

この光ビームに対する所定の光源からの全エテンデュは、積：
Ｅ＝（Ｌ_s・Ｌ_f）
として考えることができる。

本開示の文脈において、本書においてＲで表される「エテンデュアスペクト比」は、比率、
Ｒ＝（Ｌ_s）／（Ｌ_f）
である。

同等に、
Ｒ＝（ｌ_s・ω_s）／（ｌ_f・ω_f）
である。

回転対称の光ビームに対して、エテンデュのアスペクト比Ｒ＝１であることに注意されたい。本発明の実施形態は、放射された光ビームに対するエテンデュのアスペクト比Ｒが１以外であって、かつ光ビームを導く光ファイバまたは他の光学部品に対するエテンデュのアスペクト比Ｒが実質的に１である場合に直面する難題に対処するものである。

レンズを用いてエテンデュのアスペクト比Ｒを変化させることができないことに、さらに気付くはずである。光ビームがレンズを通って導かれるとき、エテンデュのアスペクト比Ｒは一定のままである。これは、球面レンズ（両方向にパワーを有するレンズ）にもシリンドリカルレンズ（一方向のみにパワーを有するレンズ）にも当てはまる。図１Ｃは、シリンドリカルレンズを使用して空間的分布を寸法（ｌ_s）に沿って減少させたときに起こることを、概略的な形で示したものである。得られた空間的分布１０２’は、寸法（ｌ_s’）が図１Ｂから減少したことを示しているが、対応する角度分布１０４’は、角度範囲が対応して増加したことを示している。シリンドリカルレンズを使用したとき、エテンデュのアスペクト比Ｒは保存され、すなわち、
Ｒ＝（ｌ_s・ω_s）／（ｌ_f・ω_f）＝（ｌ_s’・ω_s’）／（ｌ_f・ω_f）
となる。

本発明の実施形態は、光の損失なしに、光源からの個別の光ビームのエテンデュのアスペクト比Ｒを変化させる必要性に対処するものである。１つの利益として、個別の光ビームのエテンデュアスペクト比Ｒ_outをスケーリングすると、非常に対称的なエテンデュアスペクト比Ｒ_inを有する光ファイバなどの入力に対して、非常に非対称なエテンデュアスペクト比Ｒ_outを有するレーザダイオードなどの光源の適応を向上させることが可能になる。

前述したように、レーザダイオードはその長い方の遅軸（ＳＡ）方向に沿って著しく大きい光学的不変量Ｌ_sを特徴的に有しており、その結果その軸に沿った光学的不変量は、光ファイバのものと一般に近くなり、あるいはこれを超えてしまうこともある。レーザダイオードはその狭い方の速軸（ＦＡ）方向に沿って小さい光学的不変量Ｌ_fを有しており、これは単一の空間モードであることが多い。これは、図１Ａに空間的分布１２２として示したような小さい空間的寸法と、大きい（または速い）角拡散とによって特徴付けられる。一方、ダイオード幅Ｄ１を有する遅軸（ＳＡ）における放射は、いくつかの空間モードを含む。ＳＡ放射は、典型的には、一層大きい空間的分布と小さい（遅い）角拡散とを有する。この光は、典型的には、回転対称の光で最もよく機能する、光ファイバまたは他の光学系に連結させなければならない。図１Ａに示したレーザ出力と違って、円形開口のファイバコアと回転対称な開口数とを備えた光ファイバのエテンデュは、対称的であり、レーザダイオードから生成された光を効率的に使用することを困難にする。

例として、限定するものではないが、励起レーザ設計のための典型的な公称値は以下のものを含む。

光ファイバの直径：１０５μｍ
光ファイバの開口数：０．１５
光ファイバの各軸における光学的不変量が、０．１５×０．１０５ｍｍ・ｒａｄ＝０．０１５７５ｍｍ・ｒａｄに比例
レーザ源の光学的不変量Ｌ_s（遅軸沿い）：約０．０１５ｍｍ・ｒａｄ
レーザ源の光学的不変量Ｌ_f（速軸沿い）：約０．００１４ｍｍ・ｒａｄ
レーザの速軸における光学的不変量Ｌ_fはファイバの不変量よりも大幅に小さいため、この軸に沿って光を捕獲する余地はたくさんある。上で示した計算例において、遅軸の光学的不変量Ｌ_sは速軸の光学的不変量Ｌ_fの１０倍超を上回る。レーザの遅軸における光学的不変量Ｌ_sは、ファイバの不変量と極近いものであり、この方向における位置合わせがより困難になる。

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、本発明の実施形態によりレーザダイオードの出力ビームを再分配する光処理シーケンスを、基本原理を示すよう概略的な形でかつ強調して示したものであり、エテンデュのアスペクト比が元のビームよりも対称的になるように再配置されている。光ファイバのコア内へと集束するレンズの入射瞳９０が、これらの図に円で表されている。放射されたビーム２４は、その空間的分布に従って表されている。図２Ａにおいて、遅軸（ＳＡ）方向に沿ったその光学的不変量で表現されている光ビームの分布は、入射瞳９０および光ファイバの、光学的不変量を超えている。何らかの補正がなければ、ＳＡ方向においてある程度の光の損失が生じる。図２Ｂは、２つのセグメント、すなわち部分２４ａおよび２４ｂに分割された出力ビームを示している。部分２４ａは図２Ａに示されている元の光ビームと同じ光学経路に沿ったままであり、部分２４ｂは方向転換されている。図２Ｃは、部分２４ａおよび２４ｂを再配置することにより形成された、再構成された出力ビーム３０を示し、これらの部分は図２Ｃに垂直で表したＦＡ方向に関して積層されている。

エテンデュの観点からは、光を２つの部分に分割することによる図２Ｃで与えられた再配置によって、光の空間的分布が変化し、かつ出力ビームのＳＡ方向における光学的不変量を、図２Ａに示した元の放射出力ビームの光学的不変量の１／２と同じ程度に小さくすることができる。直交するＦＡ方向における出力ビームの光学的不変量は、元の出力ビームの少なくとも２倍になる。これによりエテンデュのアスペクト比が変化し、対称的なビームにより近づいた、かつレーザダイオードからの光をより効率的に使用することができる、出力ビームが提供される。

図３の斜視図および図４の上面図は、図２Ａ〜２Ｃに示したシーケンスに従ってエテンデュのアスペクト比をスケーリングするために使用される構成要素の配置を、レーザ励起モジュール１０の一部として示したものである。エテンデュアスペクト比スケーラ４０において固体レーザ１２は、前述したように計算された第１のエテンデュアスペクト比Ｒ₁を有する入力レーザ光ビーム２４を、光軸ＯＡ沿いにシリンドリカルレンズ１５および１４を通して放射するよう付勢可能なものである。シリンドリカルレンズ１５は、速軸ＦＡに沿ったコリメーションを実現する。シリンドリカルレンズ１４は、図１Ａを参照して前に図示したようにＦＡに直交する遅軸ＳＡに沿ったコリメーションを実現する。二分用反射表面７２は、光軸ＯＡおよび遅軸ＳＡを含む平面すなわち図４の頁の平面に対して考えると、光軸ＯＡに対して傾斜している。二分用反射表面７２はエッジ７３を有し、このエッジ７３は光軸沿いに配置されて放射レーザ光ビームをＳＡ方向に関して２つの部分２４ａおよび２４ｂに二分するものであり、これらの各部分は、逸れていないビーム経路４２と逸れたビーム経路４４として図示されている別々のビーム経路に沿って導かれる。逸れていないビーム経路４２は軸ＯＡに沿ったままであり、逸れたビーム経路４４は反射されて反射表面７６へと逸脱し、また逸れたビーム経路４４は図４の平面図内で考えると光軸ＯＡに対して傾斜している。このように単一のレーザ光ビームが二分されたものであるため、逸れていないビーム経路４２と逸れたビーム経路４４の夫々は、固体レーザ１２からのコリメートされた放射光を含んでいる。図示の入射の傾斜角αは、図４の平面図内の光軸ＯＡすなわち伝播方向の法線Ｎに対するものである。法線Ｎは、ＯＡおよびＳＡ軸により画成される平面（図４の頁の平面）内にある。

図３および４は、逸れたビーム経路４４に沿って折返し反射表面７６へと導かれた部分２４ｂを示しており、折返し反射表面７６は、逸れたビーム経路４４を折り返し、部分２４ｂの光を逸れていないビーム経路４２に沿った光の方向に戻すように導いて、出力ビーム３０を形成する。表面７６から反射された逸れたビーム経路４４の方向転換した部分は、逸れていないビーム経路４２と光学的に平行であるが、方向転換した逸れたビーム経路４４は逸れていないビーム経路４２から軸ＦＡに関して若干位置が変わり、すなわち移動されている。方向転換した逸れたビーム経路４４が表面７６により反射された後、光学的に平行な経路に沿って伝播している結合された部分２４ａおよび２４ｂが出力ビーム３０を形成し、そのエテンデュのアスペクト比は前述したようにスケーリングされたものとなる。レンズ１８がその後、出力ビーム３０を出力ビーム経路に沿って光ファイバ２０へと導く。

光軸ＯＡと遅軸ＳＡとを含む平面内で考えたときの傾斜角αに加え、反射表面７２および７６に関して、光軸ＯＡと速軸ＦＡとを含む平面に対するゼロではない傾き角θがさらに存在し、この傾き角は前に画成した傾斜でもよいし、あるいは傾斜でなくもよい。図３ではより視認し易いように角度θとして誇張しているこの傾き角によって、表面７２および７６は、光軸ＯＡと遅軸ＳＡとを含む平面に対する法線（直交）から離れるように傾けられる。必要な傾き角は、表面７２および７６間の距離や、出力ビームを形成するセグメント部分間に設けられる間隙距離などの因子に依存する。傾き角θおよび角度調節について、続いてより詳細に説明する。

有利なことに、エテンデュアスペクト比スケーラ４０を使用すると、単一のレーザダイオードを励起モジュール１０の励起源として使用することが可能になる。その幅寸法が広がっているレーザダイオードを、光ファイバの入力開口からはみ出すことなく、スケーラ４０と共に効果的に使用することができる。

図３および４に励起モジュール１０の一部として図示されているが、エテンデュアスペクト比スケーラ４０を使用すると、伝播軸に対して対称的に分配される光で最もよく機能する他の種類の光学装置への入力のために、レーザダイオードの出力ビームを調整することができる
本発明の実施形態は、遅軸の光学的不変量Ｌ_sが速軸の光学的不変量Ｌ_fを少なくとも約２倍超える場合など、レーザ光源のエテンデュのアスペクト比が非対称である用途において有用となり得る。別の考え方をすると、本発明の実施形態は一般に、第１方向に対する光学的不変量が、第１方向に直交する第２方向に対する光学的不変量の半分未満であるときにより有利であり、この利益は直交している方向における光学的不変量間の差が増加すると増す傾向にある。例えば、レーザ励起光用途において、本発明の実施形態は、入力レーザ光ビームのＦＡ方向に対する光学的不変量が、入力レーザ光ビームのＳＡ方向に対する光学的不変量の、１／２、１／３、１／４未満となり得る場合、またはさらには１／１０未満となり得る場合でも有利になり得る。本発明の実施形態のエテンデュアスペクト比スケーラ４０を使用すると、速軸方向に対する出力ビーム３０の光学的不変量が、速軸方向に対する入力レーザ光ビームの光学的不変量の、典型的には少なくとも約２倍となる。

反射表面７２および７６はミラーなどの反射部材でもよく、これらは平行にマウントされ、かつレーザ１２の出力に対して正確な傾き角および傾斜角で位置付けられる。図４の実施形態において、反射表面７２および７６は、透明なブロックである屈折体６８の対向する表面上に形成されている。反射表面７２および７６に薄膜コーティングを使用すると、散乱や他の影響を減少させるのを助け、エッジ７３に沿って入射する光ビームに対して非常に鋭いエッジを示すことができる。

上記のように、広がったエミッタストライプ幅を有するレーザが開発されたが、出力ビームの非対称性が過度に高いため、光ファイバとの使用に関して商業的価値は制限される。こういったレーザのために、図２Ａ〜２Ｃを参照して上述したシーケンスを拡張して、放射されたレーザビームをさらに３以上の部分のセグメントに分けると有利になり得る。図５の斜視図と図６の概略上面図が示しているエテンデュアスペクト比スケーラ４０は、光ファイバの光学的不変量の２倍をさらに超え得る光学的不変量を遅軸ＳＡに沿って有している、より幅広のレーザビーム１２４を取り扱うように設計されたものであり、さらに３以上の積層した部分を有した対応する出力ビーム３０を提供するように設計されている。これらの図に示されているように、レーザビーム１２４のいくつかの部分は、反射表面７２および７６の間で多数の反射を受ける。

例として、図７Ａは、光ファイバの対称的な入力開口または他の回転対称のレンズ系を超える、放射レーザビームの空間的プロファイルを示したものであり、光ファイバへの光を集束するための典型的なレンズの入射瞳９０を参照として図７Ａに加えている。図７Ｂは、本発明の実施形態によるエテンデュアスペクト比スケーラ４０を使用して、図７Ａに示したビームプロファイルを有する放射光から形成された、出力ビーム３０を示したものである。図７Ｂで示されているように、出力ビーム３０はビーム１２４を多くの部分に分割しかつ再配置することによって形成され、この例では６つの部分が示されている。これらの部分は速軸に沿って位置合わせされている。

図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅ、および８Ｆに示したシーケンスは、出力ビームの各部分がどのように配置されるかについて、スケーラ４０および他の光学部品の上面図と入射瞳９０の平面図とに概略的な形で示したものである。図８Ａは、放射されたレーザビーム１２４の第１部分１２４ａが、どのようにしてビームの平衡から分割されて、逸れていないビーム経路４２に従うかを示した概略上面図である。この例において部分１２４ａは、放射ビーム１２４の約１／６をビームの右エッジから取って含んでいる。図８Ｂは次に、第２部分１２４ｂがどのようにしてビーム１２４からセグメントに分けられるか、すなわち区分されるかを示している。部分１２４ｂは最初に二分用反射表面７２に入射し、さらに逸れたビーム経路に沿って反射表面７６に向かって導かれる。反射表面７６は、この光を反射表面７２の方に戻るよう方向転換させる。反射表面７２からの反射と反射表面７６からの反射の１サイクルを終えた後、部分１２４ｂからの光は、部分１２４ａが取った光の経路と光学的に平行でありかつ前述したＦＡ方向に関してこの経路から若干変位された、ビーム経路上にあり、エッジ７３を通過して出力ビームを形成する。

図８Ｃは、第３部分１２４ｃがどのようにしてビーム１２４からセグメントに分けられるか、すなわち区分されるかを示している。部分１２４ｃは最初に二分用反射表面７２に入射し、さらに逸れたビーム経路に沿って反射表面７６に向かって導かれる。反射表面７６は、この光を反射表面７２の方に戻るよう方向転換させる。反射表面７２からの反射と反射表面７６からの反射の２サイクルを終えた後、部分１２４ｃからの光は、部分１２４ｂが取った光の経路と光学的に平行でありかつ前述したＦＡ方向に関してこの経路から若干変位された、ビーム経路上にあり、エッジ７３を通過して出力ビームを形成する。

図８Ｄ、８Ｅ、および８Ｆは、続くビーム部分１２４ｄ、１２４ｅ、および１２４ｆの夫々が、部分１２４ｂおよび１２４ｃに対して説明した基本パターンに従ってどのように分割および方向転換されるかを示している。各ビーム部分１２４ｄ、１２４ｅ、および１２４ｆは、ビーム１２４から分割され、表面７２および７６間で夫々３、４、および５回の反射サイクルで反射されて、最終的には逸れていないビーム部分１２４ａと光学的に平行になるように方向転換されて出力ビームを形成する。図８Ａから８Ｆのシーケンスで示したように、各連続したビーム部分は１つ前の部分から速軸（ＦＡ）方向に変位されており、このＦＡ方向はこれらの図の中に示されているように、入射瞳９０の中を見ると表されているような垂直方向である。

図８Ａ〜８Ｆのシーケンス図に示されている例のように、エテンデュアスペクト比スケーラ４０は出力ビーム１２４を２以上の部分のセグメントに分け、このセグメント部分を速軸ＦＡに対して積層して、エテンデュのアスペクト比を変化させかつより効率的に光を回転対称の入力開口へと導くことができる。一般に、逸れた方向転換されたビームの少なくとも一部分が、エッジ７３を通過して出力ビーム３０になることが分かる。図２Ａ〜２Ｃ、３、および４を参照して説明した実施形態では、この方向転換された部分が、放射されたビームの全ての残りの光を単一の反射サイクル後に含有している。一方、図８Ａ〜８Ｅの実施形態では、逸れた方向転換されたビームの部分の中には、さらに１回以上追加で反射される部分がある。同じエテンデュアスペクト比スケーラ４０を、種々の幅の放射ビームに対して使用し得ることにも留意されたい。

反射表面７２および７６は、光軸ＯＡおよび遅軸ＳＡを含む平面と直交しないように、すなわちこの平面と垂直にならないように配置される。図３を参照して前述したように、二分用反射表面７２および折返し反射表面７６は、この平面の法線に対して、少なくとも多少の０ではない傾き角を有している。

本発明のさらなる実施形態によれば、図９に示したように、傾き調節部材５２によって様々な角度値に亘る傾きの調節が可能となり、この傾き調節部材５２がビーム部分間の間隔に影響を及ぼすことで、速軸に対し様々な間隙距離へと調節可能になる。傾き調節は、各方向転換された逸れたビーム経路の、逸れていないビーム経路からの変位を、速軸方向に対して効果的に調節する。

図１０Ａの概略側面図は、第１傾き角θ１での傾き調節を示している。図１０Ｂは、ビーム部分間に間隙１２６を有する出力ビーム３０の対応する配置を、入射瞳９０から見て示したものであり、図１０Ａおよび１０Ｂにおいて間隙１２６は、ビーム部分１２４ｃと１２４ｄとの間に示されている。基準線Ｌ１は、光軸ＯＡに直交し、軸ＯＡおよびＳＡを含む平面の法線であり、さらに軸ＯＡおよびＦＡを含む平面に平行である。

図１１Ａおよび１１Ｂは、第２傾き角θ２の傾き調節の効果を示している。このときビーム部分の間隔は、図１０Ａおよび１０Ｂでの傾き角θ１に対する間隙１２６よりも狭い間隙１２６’となって、出力ビーム３０内でより近いものとなる。この随意的な機構を使用すると、エテンデュアスペクト比スケーラ４０を使用して達成されるエテンデュアスペクト比に対する調節能力の対策が可能になる。傾き調節部材５２は手動で調節してもよいし、あるいは例えばモータまたは他のアクチュエータを用いて調節してもよい。傾き角θ１およびθ２は、本書での用語「傾斜」を用いるが、伝播方向に対して傾斜したものでもよいし、あるいは傾斜していないものでもよい。例えば、本書において説明したように、ビームのエテンデュの調節のために反射表面７２および７６を適切な傾き位置に配置すると、本発明のいくつかの実施形態に対して１．５°以下の傾き角が実際にあり得る。

製造
図４および５の例に対して示されている透明な屈折体６８は、典型的には、所望のレーザ波長に適するように選択されたガラス板である。例えば、結晶性材料およびプラスチックなど、他の透明材料を使用してもよい。従来のマウント技術を使用して、エテンデュアスペクト比スケーラ４０の構成要素を、図４を参照して前で説明したように、放射されたレーザビームに対して適切な傾斜した平面内角度αで位置付けることができる。平面内入射角αは、屈折体６８または他の透明体に使用される、選択されたガラスまたは他の透明な材料のブロックの屈折率ｎで決定される。傾き角θ１は同様に、屈折率、所望の間隙距離、そして反射表面７２および７６間の距離に応じたものである。

透明体６８の対向する表面上に薄膜コーティングを設けると、他の反射デバイスの解決策よりも回折および他の望ましくない影響が低減されるため、ビームの二分すなわち分割、および方向転換にとって有利である。透明体６８を使用すると、さらに位置合わせが単純化され、またコーティングされた表面を別々に位置付ける必要性が排除される。

本発明を、特にその特定の好ましい実施形態を参照して詳細に説明してきたが、上述したような、そして添付の請求項に記したような、本発明の範囲内で、通常の当業者により本発明の範囲から逸脱することなく変形および改変が達成可能であることを理解されたい。本発明は請求項により画成される。

すなわち、レーザ光ビームのエテンデュアスペクト比の調節を可能にする装置および方法が提供される。

１２固体レーザ
１４、１５シリンドリカルレンズ
１８レンズ
２０光ファイバ
２４入力レーザ光ビーム
３０出力ビーム
４０エテンデュアスペクト比スケーラ
４２逸れていないビーム経路
４４逸れたビーム経路
５２傾き調節部材
６８屈折体
７２二分用反射表面
７３エッジ
７６折返し反射表面
９０入射瞳

Claims

光ビームを提供する装置において、
ａ）第１のエテンデュアスペクト比Ｒ₁を有する入力レーザ光ビームを光軸に沿って放射するよう付勢可能な固体レーザであって、前記入力レーザ光ビームの第１方向に対する光学的不変量が、該第１方向に直交する第２方向に対する前記入力レーザ光ビームの光学的不変量の半分未満である、固体レーザ、
ｂ）前記入力レーザ光ビームを前記第１方向に対してコリメートするように配置された、第１シリンドリカルレンズ、
ｃ）前記入力レーザ光ビームを前記第２方向に対してコリメートするように配置された、第２シリンドリカルレンズ、
ｄ）前記第１方向に沿って延在しているエッジを備えた二分用反射表面であって、前記エッジが、前記光軸沿いに配置されて、前記コリメートされたレーザ光ビームを前記第２方向に関して、該エッジの片側の光による逸れていないビーム経路と、該エッジの反対側の光による第１の逸れたビーム経路とに分割し、このとき前記逸れていないビーム経路および前記第１の逸れたビーム経路の夫々が、前記固体レーザからの放射光を含むものである、二分用反射表面、および、
ｅ）前記第１の逸れたビーム経路を前記二分用反射表面の方に方向転換させて戻すように配置された折返し反射表面であって、その結果、方向転換された前記第１の逸れたビーム経路が、前記逸れていないビーム経路と光学的に平行となりかつ前記逸れていないビーム経路から前記第１方向に関して変位される、折返し反射表面、
を備え、前記方向転換された第１の逸れたビーム経路の少なくとも第１部分が、前記エッジを通過しかつ前記逸れていないビーム経路と結合して、Ｒ₁に等しくない第２のエテンデュアスペクト比Ｒ₂を有する出力ビームを形成することを特徴とする装置。
前記折返し反射表面が、前記方向転換された第１の逸れたビーム経路の第２部分を前記二分用反射表面へと方向転換させて、前記第１の逸れたビーム経路と光学的に平行でありかつ前記第１の逸れたビーム経路から前記第１方向に関して位置ずれしている、第２の逸れたビーム経路を形成するようにさらに配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記入力レーザ光ビームの前記第１方向に対する光学的不変量が、前記入力レーザ光ビームの前記第２方向に対する光学的不変量の４分の１未満であることを特徴とする請求項１記載の装置。
（ｉ）前記二分用反射表面および前記折返し反射表面の両方が、透明体の対向する表面上に形成されたものであり、および／または（ｉｉ）前記二分用反射表面および前記折返し反射表面が、平行な平面内にあり、および／または（ｉｉｉ）前記二分用反射表面が薄膜コーティングとして形成され、さらに該二分用反射表面が前記光軸の法線に対して傾斜した角度で配置されており、該法線が、前記第２方向に延在しかつ前記光軸を含んだ、平面内にあるものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記透明体に連結されかつ傾き軸を画成する、傾き調節部材をさらに備え、前記傾き軸に関する回転が、前記出力ビームの変位を、少なくとも前記方向転換された第１の逸れたビーム経路と前記逸れていないビーム経路との間で、前記第１方向に対して調節するものであることを特徴とする請求項４記載の装置。
前記出力ビームを光ファイバの方に導くよう配置された、回転対称のレンズをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記固体レーザの前記第２方向に関する前記光学的不変量が、前記光ファイバの前記光学的不変量を超えているものであることを特徴とする請求項１または６記載の装置。
光ファイバに光を提供する方法において、
ａ）固体レーザを付勢して、第１のエテンデュアスペクト比Ｒ₁を有する入力レーザ光ビームを光軸に沿って放射するステップであって、前記入力レーザ光ビームの第１方向に対する光学的不変量が、該第１方向に直交する第２方向に対する前記入力レーザ光ビームの光学的不変量の半分未満であるステップ、
ｂ）前記入力レーザ光ビームを、第１シリンドリカルレンズを通じて、前記第１方向に対してコリメートするステップ、
ｃ）前記入力レーザ光ビームを、第２シリンドリカルレンズを通じて、前記第２方向に対してコリメートするステップ、
ｄ）コリメートされた前記レーザ光ビームを、該コリメートされたレーザ光ビームを前記第２方向に関して、該エッジの片側の光による逸れていないビーム経路と、該エッジの反対側の光による逸れたビーム経路とに分割するように前記光軸沿いに配置されたエッジを備えた二分用反射表面の方へ導くステップであって、前記逸れていないビーム経路および前記逸れたビーム経路の夫々が、前記固体レーザからの放射光を含むものであるステップ、および、
ｅ）折返し反射表面を配置して、前記逸れたビーム経路を前記二分用反射表面の方に方向転換させて戻し、その結果、方向転換された前記逸れたビーム経路が、前記逸れていないビーム経路と光学的に平行でありかつ前記逸れていないビーム経路から前記第１方向に関して変位されたものとなることによって、Ｒ₁に等しくない第２のエテンデュアスペクト比Ｒ₂を有する出力ビームを形成するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
（ｉ）前記方向転換された逸れたビーム経路の第１部分は前記二分用反射表面の前記エッジを通過し、かつ前記方向転換された逸れたビーム経路の第２部分は、前記二分用反射表面によって再び分割されて前記折返し反射表面の方に戻るよう方向転換され、および／または（ｉｉ）前記二分用反射表面および前記折返し反射表面が、透明な材料のブロックの対向している側面に形成されていることを特徴とする請求項８記載の方法。
（ｉ）前記方向転換された逸れたビーム経路の、前記逸れていないビーム経路からの前記第１方向に対する変位を調節する、傾き調節を提供するステップ、および／または（ｉｉ）前記出力ビームを光ファイバの方に回転対称のレンズを通じて導くステップ、をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の方法。