JP2015513792A - 二次元マルチビームのスタビライザーおよびコンバイニングシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

複数の放射されたビームを安定させるため、及びそれらのビームを１つの系へとコンバイニングするための、ＷＢＣ技術とＷＤＭ技術との双方を用いるシステムおよび方法。

Description

関連技術の相互参照
[0001]本願は、米国特許法第１１９条のもとに、２０１２年２月１４日に提出された米国仮特許出願シリアル番号６１／５９８４７０の優先権を主張し、且つ、その全体を、ここで参照することにより組み込む。

著作権情報
[0002]この特許文献の開示の一部は、著作権保護の対象となる素材を含む。著作権の所有者は、特許商標庁の特許ファイルや記録で発表された特許文献や特許情報開示を、何れの者がファクシミリで再生することにも異議はないが、それ以外の全てに対しては著作権を所有する。

１．発明の分野
[0003]本実施形態は、一般に、レーザー・システムに関して、より特定的には、波長ビームコンバイニングシステムおよび方法に関する。

２．従来技術の説明
[0004]波長ビームコンバイニング（wavelength beam combining）（ＷＢＣ）および波長分割多重（ＷＤＭ）のシステムは、様々な応用で使用されるように、単一出力ビーム（複数の波長を含む）のパワーを大きくするように開発されてきた。しかし、以前の高出力システムの光学系のアーキテクチャーは、それらのＷＢＣシステムやＷＤＭシステムにおいて、高い熱負荷に耐えるように、特定の光学エレメントを必要とすることが多く、それにより、システムを高価かつ高コストにしている。

必要とされているのは、熱負荷を転換し且つ低コストのコンポーネントの使用を可能にし、同時に、容易な製造および設定を可能にする代替のシステムである。

[0005]ここで説明する本システムおよび本方法は、熱負荷を低くすることと、許容度の低いコンポーネントを許可することと、柔軟にスケーラブルであり高い出力および輝度のシステムにすることとを達成するように、ＷＢＣ技術とＷＤＭ技術とを共通システムへと組み合わせようとするものである。

[0006]下記の応用は、前記の問題を解決しようとするものである。

[0007]複数のビームを、高輝度多波長ビームとして放射するように、安定させるため及び結合するためのシステムは、ビーム・コンバイナーシステムと共にスタビライザー／共振器システムを含む。

[0008]１つの実施形態では、変換レンズおよび他の光学エレメントが、各システムの間で共有される。

[0009]１つの実施形態では、双方のシステムにより回折格子が用いられる。

[0010]１つの実施形態では、共振器／スタビライザーの部分において、エミッターを波長的に安定させるために、０次のフィードバックが用いられる。

図１は、リトロー（Littrow）・共振器を示す。 図２のＡおよびＢは、波長共振器および波長コンバイナーシステムの概略を示す。 図３のＡおよびＢは、波長スタビライザー・キャビティの実施形態を示す。 図４のＡおよびＢは、波長コンバイナーの実施形態を示す。 図５のＡおよびＢは、波長スタビライザー・キャビティの実施形態を示す。 図６のＡないしＣは、波長コンバイナーの実施形態を示す。 図７は、リットマン−メトカフ型の外部キャビティ系を示す。 図８のＡおよびＢは、反射面を用いる波長スタビライザー・キャビティの実施形態を示す。 図９のＡおよびＢは、反射面を用いる波長スタビライザー・キャビティの別の実施形態を示す。 図１０のＡおよびＢは、波長コンバイナーの実施形態を示す。 図１１のＡおよびＢは、光利得媒体の後方ファセットから安定したビームを発する波長スタビライザー・キャビティの実施形態を示す。 図１２のＡおよびＢは、偏光キューブ（polarized cube）を用いて安定したビームを発する波長スタビライザー・キャビティの実施形態を示す。 図１３のＡおよびＢは、光学エレメントが共有される、波長スタビライザー／コンバイナー・キャビティのハイブリッドの実施形態を示す。 図１４は、分散エレメントが共有される、波長スタビライザー／コンバイナー・キャビティのハイブリッドの別の実施形態を示す。 図１５は、回折格子の１次のところに出力カプラーが配される、従来のＷＢＣキャビティを示す。 図１６は、エミッターを安定させるために０次のフィードバックを用いるハイブリッドのＷＢＣシステムを示す。

[0027]外観および実施形態は、一般に、波長ビームコンバイニング技術を用いて、レーザー・ソースを高出力および高輝度へと調整する分野に関する。より特定的には、波長ビームコンバイニングシステムの輝度、安定性、および有効性を増加させる方法である。

[0028]ここで説明する実施形態は、１）ＷＤＭ技術およびＷＢＣ技術を組み込んだ共通システムにおいて複数のエミッターを組み合わせることを通じて、出力のパワーおよび輝度を増加させることを、扱うことを含む。ここで説明される様々な実施形態および技術を通じて、安定した高輝度多波長出力のレーザー・システムを得ることができる。

[0029]ここで説明するアプローチおよび実施形態は、スロー軸（slow-axis）、ファスト軸（fast-axis）、または他のビームコンバイニング次元に従って、一次元および二次元のビームコンバイニングシステムへ適用することができる。この出願のために、光学エレメントは、電磁放射を方向変更する、反射する、曲げる、または任意の他の様式で光学的に操作するレンズ、ミラー、プリズムなどのうちの任意のものと関連し得るものとする。更に、ビームという用語は、電磁放射を含む。ビーム・エミッターは、半導体エレメントなどのような任意の電磁ビーム生成デバイスを含み、それらは電磁ビームを生成するが、自己共振するものもしないものもあり得る。これらはまた、ファイバー・レーザー、ディスク・レーザー、非ソリッド・ステート・レーザー、ダイオード・レーザーなどを含む。一般に、各エミッターは、後方反射面と、少なくとも１つの光利得媒体と、前方反射面とを含む。光利得媒体は、電磁放射の利得を増加させることと関連するものであり、電磁スペクトルの視覚的な部分やＩＲの部分や紫外線の部分には限定されない。エミッターは、複数のビームを放射するように構成されたダイオード・バーなどのような、複数のビーム・エミッターを含むことができる。

[0030]波長ビームコンバイニングは、ダイオード・エレメントからの出力のパワーおよび輝度をスケーリングするための、立証された方法である。ここで、共通システムにおける並んだ空間および波長ビームのコンバイニング（side-by-side spatial and wavelength beam combining）の新たな方法を開示する。中心の概念は、単一共振器の多波長スタビライザーと、二次元ダイオード・エレメントのための別個の波長コンバイナーとからなる。ここで説明される実施形態の目標および成果は、安定しており且つ複数キャビティシステムにおいて共振するものであり、組み合わされ又は重ねられて共通ビーム・プロフィールになるように構成される複数の一意の波長を、創作することである。

波長の安定化／波長コンバイニング
[0031]ダイオード・エレメントの波長を安定させるための幾つかの方法がある。図１は、１つの放射エミッター１０２を、狭くて明確な波長１０５にするように安定化するための、良く知られたリトロー（Littrow）共振器１００を示す。典型的に、光学系アーキテクチャー１００は、透過光学系またはコリメーション光学系１０８と、回折格子１１４とを含む。透過光学系１０８は、ダイオード・エレメントなどのような１つのエミッター１０２からの放射１０３をコリメートする。通常、放射されたビームは、変換光学系の後では、非常に長いローリー（Raleigh）範囲を有し、従って、回折格子１１４の配置はそれほど重要ではない。放射されたビーム１０３を回折することにより格子１１４から作られた１次は、フィードバック１１０として用いられる。１つのエミッター１０２（ダイオード・エレメント）の後方ファセットと回折格子１１４との間に、共振器が形成される。

[0032]述べたように、本出願の１つの目的は、２次元ダイオード・エレメントのための、多波長スタビライザーと、別個の波長コンバイナーとを提供することである。図２のＡおよびＢは、この中心の概念の例示を手助けする。図２のＡおよびＢの左側は、多波長スタビライザー共振器２１０ａ−ｂを示す。図２のＡおよびＢの右側は、波長コンバイナー２２０ａ−ｂを示す。一般に、何れの波長安定化共振器および波長コンバイナーの基礎も、分散エレメントである。この開示の目的ために、指定しないかぎりは、１つの光軸のみに沿って分散が生じると想定する。分散次元（図２のＡ）に沿って、多波長スタビライザー・共振器２１０ａの主機能は、各エミッター２０２（光利得エレメントや、他の上記の放射生成エレメントなど）をこの分散次元に沿って安定化して、狭い帯域を有する一意に十分に画定された又は明瞭な波長（１以上）出力２０５ａを作ることである。スタビライザー２０４は、帯域が一般に狭い十分に画定された又は一意の波長を有する、放射されたビーム２０３ａを取り入れ、それらのビームの少なくとも一部をエミッター２０２へ戻すように構成される分散エレメントおよび光エレメントを含むことができる。

[0033]非分散次元（図２のＢ）に沿って、共振器２１０ｂの主機能は、ダイオードまたは他の光利得エレメント２０２のそれぞれに対しての共振器を形成することである。波長コンバイナー２２０ａ−ｂの主機能は、スタビライザー共振器２１０ａ−ｂから２次元ビームを取り入れ、１次元ビームを生成することである。分散軸２００ａに沿って、コンバイナー２２２は、複数の入力ビーム２０５ａを取り入れ、それぞれを重ねて及び／又は結合して１つのビーム・プロフィール２２５ａにする。その１つのプロフィールは、少なくとも１つの次元に沿って重ねられた複数の一意の波長を含む。安定化された一意の波長は、高い輝度レベルを維持しつつも、この１つのプロフィールが形成されることを可能にする。非分散軸２００ｂに沿って、テレセントリック光学系などのような光エレメント２２４は、入力ビーム２０５ｂを受け取り、出力ビームの品質において減損が僅かであるか又は全く無い同じ出力ビーム２２５ｂを生成する。まとめると、２つの系は、一意の波長の安定化と効率的なビームの結合とを管理するように組み合わされ、高い輝度であり高い出力パワーのマルチビーム・プロフィールを生成する。

波長安定化キャビティ
[0034]図３は、リトロー共振器の１つの変形を用いて多波長安定エレメントを生成するための１つの実施形態を示す。この実施形態は、チャープ格子３１４を用いる。双方の次元において、１つのテレセントリック光学系３０６が用いられる。示されるように、その最も簡素な形では、用いられるテレセントリック光学系３０６は、２レンズ共焦点構成を含む。チャープ格子３１４は、面格子（surface grating）または体積格子（volume grating）とすることができる。この実施形態では、１次元３００ａに沿ってのみチャープされる。分散次元３００ａと非分散次元３００ｂとの双方において、エミッター３０２は、格子３１４への同じ入射角を有する。各エミッターからの回折されたビーム３０８ａ−ｂは、安定した共振器を形成するためのフィードバックとして用いられる。格子３１４はチャープされるので、各エミッターは、チャープ格子３１４と各エミッター（ラベル付けしていない）の後方反射ファセットとの間に形成される共振器により、一意であり画定された波長へと、安定させられる。出力ビーム３０５ａは、格子３１４の０次から取り入れられる。図３で開示した実施形態と、後に説明する他の実施形態とは、複数の共振キャビティが作られるマルチキャビティ系を含むことができる。それらの共振キャビティは、放射エレメントまたはエミッターの一端に形成される後方ファセット・リフレクターと、任意の結合又は個別の実効反射率の前方ファセット（示さず）、分散エレメント（または回折格子）、部分反射または完全反射のミラー、および／またはシステムで用いられる他の任意の反射用光エレメントを、含むことができる。図３に示すチャープ格子などのような、これらの反射用光エレメントの幾つかは、複数のエミッターに対する共通のリフレクターとして機能し、共通システムが作成される。この共通システムは、それぞれのキャビティを作るために部分的に同じ反射用光エレメントを用いて、複数の共振キャビティが作られるものである。即ち、複数のエミッターにより放射されたビームのそれぞれを安定化する。図３のＡおよびＢに示す波長安定化システムの出力３０５ａ−ｂは、図４の波長コンバイナーへの入力とすることができる。

[0035]図５のＡおよびＢは、一定の溝密度格子（constant groove density grating）５１４を用いて２Ｄエミッターを望ましい波長へと安定させるためにリトロー共振器の１つの変形を用いる、別の波長安定化における分散型および非分散型のアーキテクチャーを示す。ここでは、分散次元５００ａに沿って、変換光学系５０８が用いられる。変換光学系（１以上）５０８の主機能は、ダイオード・エミッター５０２の一意の近距離場位置を、密度格子５１４への一意の角度へと変換することである。格子５１４からのフィードバック５１０ａ−ｂは、エレメント５０２へと再方向付けされ、共振器系は、一意の波長を有する放射されたビームのそれぞれを用いて形成される。図５のＢは、非分散次元５００ｂに沿ったキャビティを示す。ここでは、非分散次元に沿ってテレセントリック光学系５０６のみが用いられ、フィードバック５１０ｂが５０２のエミッターのそれぞれへと再方向付けされることを保証し、従って、この次元に沿っての共振を安定化する。示されたテレセントリック光学系５０６は、２つの円柱状レンズを含む。出力ビーム５０５ａ−ｂは、格子５１４の０次の分散の結果である。出力５０５ａ−ｂは、図６の波長コンバイナーに対する入力として用いることができる。

[0036]図７は、１つの利得エレメント／エミッター７０２のための従来のリットマン−メトカフ型の外部キャビティ系７００を示す。系７００は、１つの光利得エレメント７０２と、コリメーションまたは変換光学系７０８と、分散エレメント７１４と、７１４の分散させられた次数のうちの１つを受けるように配される全反射面／ミラー７３０とを含む。共振器は、ダイオード・エレメント７０２の後方ファセットとミラー７３０との間に形成され、フィードバック７１０は、ミラー７３０により回折格子７１４へ、そして７０８を通ってダイオード・エレメント７０２へと向きを変えて戻される。ここでは、出力ビーム７２５は、回折格子７１４の０次から提供される。

[0037]図８のＡおよびＢは、反射面８３０を組み込んで、２次元（２Ｄ）エレメント８０２を望ましい波長へと安定化する方法を示す。このバリエーションのリットマン−メトカフ型キャビティ７００は、２Ｄエミッターと共に使用するように構成される。分散軸８００ａに沿って、各ダイオード・エミッター８０２は、一意の入射角を有する。パワーを分散次元では有するが非分散次元では有さない変換用光エレメント８０８が、一部において用いられて、放射されたビーム８０３ａのそれぞれに対しての一意の入射角を生じさせる手助けをする。回折格子８１４からの回折されたビームの１次は、ミラー８３０へと伝播する。共振器は、ダイオード・エミッター８０２のそれぞれの後方ファセット（ラベル付けせず）とミラー８３０との間で、フィードバック８１０ａ−ｂにより、形成される。従って、分散軸に沿った各エミッターは、一意であり明確である波長を提供するように、安定化される。非分散軸８００ｂに沿って、この次元でのみフォーカル・パワーを有するテレセントリック光学系８０６を用いて、フィードバック８１０ｂをエミッター８０２へと向きを変えて戻して、この次元に沿って共振を確立する。テレセントリック光学系（１以上）８０６は、各エミッターのビーム・ウェスト（beam waist）を光学的に転送して、それをミラーへ投影し、ミラーは、複数の共振キャビティを作るためにエミッターに対しての共通リフレクターとして機能する。出力ビームは、格子の０次から取られる。この構成では、全ての光学系（８０６、８０８）が円柱状レンズである。ここで説明する様々な実施形態において、フィードバックのために異なる次の光を用いることもでき、また、出力もこの出願の範囲内にあることに、留意されたい。

[0038]図９のＡおよびＢは、反射面９３０を組み込んで、２次元（２Ｄ）エレメント９０２を望ましい波長へと安定化する別の方法を示す。しかし、この実施形態では、テレセントリック光学系９０６が、格子９１４とミラー９３０との間に配されている。９０６は、非分散次元９００ｂにおいてのみパワーを有するが、変換光学系９０８と関連して用いることができ、ここでは、双方の次元（９００ａ−ｂ）においてパワーを有し、放射されたビーム９０３ａを安定化するためのテレスコーピング系を形成し、非分散次元９００ｂに沿って共振系を形成するためのフィードバック９１０ｂを形成する。変換光学系９０８は、球状レンズとすることができ、これは、ビーム９０３ａを、分散次元９００ｂに沿って回折格子９１４へ収束させる。ここでも、フィードバック９１０ａは、この次元に沿ってエミッター９０２の後方ファセットとミラー９３０との間で、波長の安定したフィードバックを提供する。図９の出力９０５ａ−ｂと８０５ａ−ｂとは、図１０のコンバイナーに対する入力として用いることができる。

[0039]上記の波長安定化の構成からの、以前の出力ビームは、一般に、分散成分または格子からの０次から取られる。出力ビームはまた、キャビティ内（図１２のＡおよびＢ）または別のファセットから取ることもできる。

[0040]図１１のＡおよびＢは、安定化したビームを放射する波長スタビライザー・キャビティの実施形態を示し、この場合、出力ビームは、後方ファセット１１４０から取られる又は発せられる。放射されたビーム１１０３は、テレセントリック光学系１１０６を通してチャープ格子１１１４へと送られ、そこで、それらは次数に分散され、フィードバック１１１０ａ−ｂがエミッター１１０２へ向けて戻すように送られて、安定化システムが形成される。次に、出力ビーム１１２５ａ−ｂが、エミッター１１０２の後方ファセット１１４０から放射される。テレセントリック光学系１１０６は、分散次元１１００ａおよび非分散次元１１００ｂの双方においてパワーを有する。次に、出力１１２５ａ−ｂは、波長コンバイナー系と関連して用いることができる。

[0041]図１２のＡおよびＢは、出力ビーム１２２５ａと１２２７ａとがキャビティ内で直接に取られる構成を示す。好適な選択は、多くのパラメーターに応じたものとなり、それらのうちの１つは格子１２１４の効率である。例えば、格子の効率が低い場合には、格子の０次から出力ビームを取るのが好ましいであろう。好適には、チャープ格子１２１４からの実効フィードバック１２１０ａ−ｂは、出力パワーが最適化されるときには、エミッター１２０２のダイオード・ファセット（１以上）の反射率に相当する。図１１に示す構成は、非常に強固な波長ロックのために好ましいものであり得、その場合、格子は、効率的に動作するように最適化する必要がある。図１１のＡおよびＢにおける構成との主な違いは、ダイオード・エミッターの双方のファセットへアクセス可能であることを必要とすることである。図１２に示すキャビティ内の抽出は、複数の出力ビームのための好ましい方法であり得る。出力１２２７は、少しの光またはパワーを有する次数とすることができ、幾つかの実施形態では、ビーム・ダンプへと向きを変えられる。別の実施形態では、出力ビームの向きを変えるための反射面および／または追加の光エレメントを用いるリサイクル系も、考えられている。出力１２２５ａは、偏光キューブなどのような偏光またはビーム・スプリッター光エレメントを用いて光の大部分をこの系から送り出すことにより生じるものであり、そのときには、少しの割合をチャープ格子１２１４へ送って光を分散させて一意の波長とし、安定化したフィードバックをエミッター１２０２へ送る。

波長コンバイナー
[0042]図４は、図３のＡおよびＢに示す波長スタビライザー構成から出力３０５ａ−ｂを受け取るように構成される波長および空間ビーム・コンバイナーを示す。図４のＡに示すように、分散次元４００ａに沿って、変換光学系（１以上）４０６および格子４１４は、出力／入力３０５ａ−ｂを、１つのビームへと混合する。非分散軸４００ｂに沿って（図４のＢ）、円柱状光学系を含むテレセントリック光学系４０６は、図３のＡおよびＢからの共振器と同じ入射角を再生する手助けを行う。従って、理想的には、光学系は、入力ビーム３０５ｂの品質を保つ。これからの何れのずれも、一般的に、ビームの品質を低下させる。それらのずれは、変換光学系と格子との結合が理想的に調和しないこと、格子の位置が、主光線が重なるところのそば以外の他の場所／位置にあること、および非テレセントリック光学系が非分散軸に沿っていることを、含む。この構成において、変換光学系（１以上）４０８は、分散次元４００ａに沿って、３０５ａを、４１４へ向けて収束するように送るためのパワーを有することに、留意されたい。テレセントリック光学系４０６は、同様に、非分散次元４００ｂにおいてのみパワーを有する。従って、出力４２５は、分散次元４００ａに沿った混合された多波長ビーム４２５ａを含み、非分散次元に沿った出力４２５ｂは、２Ｄプロフィールからの元のアレイまたは数の放射ビームを維持する。

[0043]図６は、図５のＡおよびＢに示す波長スタビライザー構成から出力５０５ａ−ｂを受け取るように構成されるビーム・コンバイナーを示す。分散次元／軸６００ａに沿った光エレメントは、コリメーター６０８ａ、変換光学系６０８ｂ、および格子６１４を含む。コリメーター６０８ａは、入力５０５ａからの主光線をコリメートするように構成され、ビームを格子６１４において収束させる又は重ねるために、変換光学系６０８ｂと共に用いられる。２つの光エレメントと格子との結合は、ダイオード・エレメントの波長帯域と合うように選択することができる。非分散次元６００ｂに沿って、主光線の全ては平行である。ここでも、円柱状光学系を含む円柱状テレスコープ６０６は、図５のＡおよびＢからの共振器と同じ入射角を再生する手助けを行い、入力ビーム５０５ｂの品質を保つ。図６に示すように、４つの円柱状レンズ（６０６ａ−ｂ、６０８）がある。これらのレンズのうちの幾つかは、ここで説明した機能と同じ機能を行う１つの球状レンズへと結合することができる。例えば、４つの円柱状レンズを２つの球状レンズに置き換えることができ、その場合でも出力６２５ａ−ｂは同じであろう。

[0044]図１０は、図８のＡ〜図９のＢに示す共振器構成と共に用いる空間および波長コンバイナーの実装を示す。分散軸１０００ａに沿って、光エレメントは、主光線コリメーター１００４と変換光学系１００８とを含む。コリメーターは、格子（８１４、９１４）における入力（８０５ａ、９０５ａ）からの重ねられた主光線を取り込んで、それらを並行にする。次に、変換光学系１００８は、格子１０１４上で全ての主光線を空間的に重ねる。従って、この次元に沿って、１つのみの結合された出力ビーム１０２５ａがある。非分散軸１０００ｂに沿って、９０５ｂに対して必要なのは単一レンズ主光線コリメーター１００６のみである。８０５ｂに対しては少し変更したシステムが必要であろう。これらの光エレメントのそれぞれは、円柱状光学系である。しかし、実際には、幾つかの円柱状光学系は、球状光学系を形成するために置換する／結合することができる。

ハイブリッド・システム
[0045]図１３のＡおよびＢは、共振器とコンバイナーとの光学系が共有される波長スタビライザーおよびコンバイナーのハイブリッド・バージョンを示す。変換光学系１３０８は、放射されたビーム１３０３ａの全ての近距離場の位置を、分散次元１３００ａに沿った角度へと変換する。ミラー１３３０と第１格子１３１４との結合は、フィードバック１３１０ａを送って一意の波長を作ることにより、利得エレメント１３０２を安定させる。波長コンバイナー格子１３４４は、放射されたビームの全てが重なる位置に配される。従って、単一出力ビーム１３２５ａが、分散／結合次元１３００ａに沿って作られる。非分散次元１３００ｂに沿ったテレセントリック光学系１３０６は、放射されたビーム１３０３ｂの像を、ミラー１３３０およびコンバイナー格子１３４４へ送る。

[0046]殆どのシステムにおける回折格子の効率は、レーザーの偏光に依存することが多々ある。格子とソースとの間に挿入される波長板を用いることは、偏光を整合させるために用いられる１つの方法である。これは、ダイオード・バーまたは他の非対称ビームが放射ソースとして用いられるときに、特に有用である。その結果、この技術を用いることにより、光の約９０％が１次へと回折され、１０％が０次へと回折されて浪費される。代替的に、波長板無しでは、光の約１０％が１次へと回折され、残りは０次となる。

[0047]図１４は、別のハイブリッド・バージョンの波長コンバイナーおよびスタビライザー系を示す。ハイブリッドの波長スタビライザー／コンバイナー系１４００では、波長板１４１７が、格子１４１４と第２反射面１４３１との間に配される。エミッター１４０２はビームを放射し、そのビームは、変換光学系１４０８により回折格子１４１４上で重ねられ、幾つかの構成では、光の約９０％が０次へと回折されて第２反射面１４３１へ向けて透過し、残りの１０％が１次へと回折されて第１反射面１４３０へ向けて送られる。格子を通じて回折され送られる光の量は様々であり得ることに、留意されたい。例えば、幾つかの格子は、１次の９０％が格子を透過することを可能とし（偏光がアライメントされる場合）、他のものは、９５％まで、更には９９％までを可能にする。しかし、透過される１つの次数の光について高い許容パーセンテージを持つ格子は、製造および購入が困難であり高価である。

[0048]第１反射面１４３０からのフィードバック１４１０は、回折格子１４１４へ向けて戻され、大部分（ソースとしての１４３０からの０次）は、結合された多波長ビームとしての出力１４２５として透過する。別の小部分（ソースとしての１４３０からの１次）は、エミッター１４０２へと向きを変えて戻され、格子１４１４へ向けられた各ビームの角度に基づく一意の波長でエミッターを安定させるために、用いられる。ここで説明した他の実施形態と同様に、非分散方向（示さず）に沿ってテレセントリック光学系１４０６を用いて、その方向においてエミッターを安定させる。

[0049]エミッター１４０２から第２反射面１４３１へ向けての０次へと透過させられる光１４０５の元の９０％は、光エレメント１４１８でコリメートされる。次に、１４０５は、１／４波長板１４１７を通して送られ、第２反射面１４３１によりフィードバック１４１２として反射されて格子１４１４へ戻され、この場合、ビームは、ここで更に１／４だけ偏光され、１４３１へ向けられた元の０次（１４０５）と直交するようになる。ここで、光エレメント１４１８は、戻るビーム１４１２を格子１４１４上で重ね、そこにおいて、大部分は出力１４２５として透過し、少しの偏光された部分はエミッター１４０２へ向けて戻される。この偏光されたフィードバックは、エミッター１４０２の安定化に影響を与えず、幾つかの場合では、システムにおいて無視可能な量であり、熱として再吸収される。テレセントリック光学系１４１６は、システムのコンバイナー部分において、システムの安定化部分の１４０６と類似の機能を行い、双方とも、非分散次元に沿ったパワーを有する。従って、出力ビーム１４２５は、多波長安定ビームを形成する、１４１０と１４１０との結合フィードバックである。このシステムでは、スタビライザー／共振器部分は、光エレメント１４０６、１４０８、１４１４、および１４３０を含み、コンバイナー部分は、光エレメント１４１４、１４１６、１４１７、１４１８、および１４３１を含み、１４１４は各部分で共有されている。

[0050]上記および他のＷＢＣアーキテクチャーのシステムで示したように、格子からの分散された光の１次は、エミッターを安定させるために用いられる。図１５は、３レンズ一次元ＷＢＣ共振器系１５００を示す。示されるように、図１５では、格子１５１４から分散する３セットのビーム（１５２５、１５２６、１５２７）がある。この実施形態では、２つの０次（１５２６、１５２７）ビームと１つの１次（１５２５）ビームとがある。１次ビームは、出力ビーム１５２５であり、最も明るい。変換光学系１５０８は、放射されたビーム１５０３を格子１５１４上で重ね、それにより、３セットの回折されたビーム１５２５、１５２６、および１５２７を作る。部分反射出力カプラー１５２０は、幾らかの１次ビームの方向を変えてエミッター１５０２へと戻して、システムの波長を安定させるために、用いられる。無限焦点テレスコーピング系１５０６ａ−ｂを、オプションのスリット１５０９と共に用いて、クロストークを低減する手助けを行う。ビーム・ダンプは、一般的に、１５２６および１５２７に対して必要とされる。

[0051]図１６は、以前の実施形態とは基本的に異なるＷＢＣアーキテクチャーのハイブリッド・システムを示し、この場合、エミッター１６０２を波長的に安定させるために１次ビーム（１６２５）を用いず、第１ミラー１６３１によりフィードバック１６１２として反射された０次ビーム１６２７を用いる。エミッター１６０２を安定させるために０次を用いることにより、この新たな実装では、１次キャビティと関連する多数の制限が克服される。それらは、キャビティの効率を高くすること、高パワーでの光学系のアライメントを容易にすること、およびビーム整形用光学系の設計を容易にすることの制限である。１６００は、変更することができ、全てのＷＢＣキャビティ（一次元および二次元のレーザー／増幅器エレメントの一次元および二次元のＷＢＣ）へ適用することができる。

[0052]１６００を図１５に示す１５００と対照させると、実施形態１６００は、第１の変換レンズ／無限焦点テレスコープ１６０８、回折格子１６１４、第２の変換レンズ／無限焦点テレスコープ１６１８、第１のミラー１６３１、拡大用光エレメント／システム１６０６ａ−ｂ、光スリット１６０９、および第２のミラー１６３０を含む。出力ビーム１６２５は、格子１６１４の１次の回折から取られる。放射されたビーム１６０３の全ては、第１変換レンズ１６０８により回折格子１６１４上で重ねられる。０次ビーム１６２７（格子を透過しているように示されている）は、１６１８により捕らえられる。１６０８および１６１８は、無限焦点テレスコープ系を形成する。エミッター１６０２は、１６０８の焦点面にあり、第１のミラー１６３１は、１６１８の焦点面にある。２つのレンズ（１６０８、１６１８）の間の距離は、それらそれぞれの焦点距離の合計である。即ち、従って、エミッター１６０２の実像が第１のミラー１６３１に形成される。

[0053]像がフィードバック１６１２として第１のミラー１６３１から反射されると、それらは再び１６１８を通過する。ここで、１６１８は、フィードバック１６１２（エレメントの実像）に対して変換レンズとして機能し、それらのビームを回折格子１６１４上で重ねる。ここで、フィードバック１６１２の一部は、波長安定フィードバックとして、エミッター１６０２へと向きを変えられ、別の部分は、第２のミラー１６３０へ向けて、即ち、１次回折ビーム１６０３と逆の角度に、向けられる。拡大用／縮小用光学系１６０６ａ−ｂは、クロストークを低減するために用いられ、オプションのスリット１６０９と共に用いることができる。光学系の間での焦点距離の比率、１６０６ａ：１６０６ｂは、１：１０、１：２５、または１：１００の範囲とすることができる。１６２６は、第２のミラー１６３０によりフィードバック１６１０として反射され、大部分は第１のミラー１６３１へと方向を変えられ、一部は出力１６２５として透過し、これは、透過した１６１０と、１６０３の１次の回折光とを含む。このタイプのシステムの１つの利点は、光の大部分が再循環されて用いられ、ビーム・ダンプを必要としないことである。

[0054]ここで説明した多くの実施形態において、放射エレメントまたはエミッターの二次元アレイが、テレセントリック光学系の使用を通じて、非分散方向に沿って安定させられ、第２のテレセントリック光学系が、マルチビーム高輝度出力レーザー・システムの波長コンバイナー側において用いられる。分散次元および混合次元に沿って、ここで実施形態を説明したが、それらの実施形態は、回折格子などのような１つの分散エレメントを用いて、１）分散方向に沿って一意の波長の安定化を援助し、また、ビーム混合次元に沿って別の分散エレメントを用いて、２）一意のビームのそれぞれを１つのマルチビーム出力プロフィールへと重ねる。しかし、説明し且つ示したように、共振分散エレメントを用いて、１）一意の波長を安定させ、２）後に、同じ共通分散エレメントまたは格子に沿って第２段（ハイブリッド・システムと呼ばれる）において一意の波長を混合するシステムは、１つの格子のみを必要とする。

[0055] 上記の記載は単なる例示である。従って、本発明の好適な実施形態を含む少なくとも１つの実施形態の幾つかの構成を説明したが、様々な代替、変更、および改善が当業者により容易になされるであろうことが、理解される。そのような代替、変更、および改善は、本開示の一部であると意図され、本発明の精神内および範囲内にあることが意図されている。従って、上記の記載および図面は単なる例である。

Claims (20)

1. それぞれがビームを放射するビーム・エミッターのアレイと、
   非分散の次元に沿って配され且つパワーを有し、放射された前記ビームを第１の分散エレメント上に映すテレセントリック光学系と、
   を含む分散および非分散の次元を有する二次元波長スタビライザーと、
   前記第１の分散エレメントは、放射された前記ビームの一部を各ビーム・エミッターへ戻すように反射し、分散された前記ビームの一部を透過させ、透過した前記ビームの少なくとも２つは別個の波長を有し、
   前記分散されたビームを受けるように配列され、ビーム結合次元に沿って前記ビームを収束させるようにする結合用光エレメントと、
   ビーム結合次元に沿って配され、複数の収束する前記ビームを受け、前記ビームを多波長出力として透過させる第２の分散エレメントと
   を含む分散および非分散の次元を有する波長コンバイナーと、
   を含む、マルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
2. 前記分散の次元に沿って放射された前記ビームを、前記第１の分散エレメントへ向けて収束させるようにする変換光学系を更に含む、請求項１に記載の波長スタビライザー。
3. 前記第１の分散エレメントはチャープ格子である、請求項１に記載の波長スタビライザー。
4. 前記非分散の次元に沿って光パワーを有し、前記第１の分散エレメントからの透過されたビームを受けるように、及びそれらのビームを前記第２の分散エレメントへ映すように配される第２のテレセントリック光学系を更に含む、請求項１に記載の波長コンバイナー。
5. それぞれがビームを放射するビーム・エミッターのアレイと、
   分散の次元においてパワーを有し、前記ビームを受けるように配され、前記ビームを収束させるようにする少なくとも１つの変換用光エレメントと、
   前記変換用光エレメントから、収束する前記ビームを受けるように配され、前記ビームを少なくとも２つ次数へと分散させる第１の分散エレメントであって、前記次数のうちの１つは透過させられる、第１の分散エレメントと、
   透過しない前記次数を受け、前記次数を反射させて前記第１の分散エレメントへ戻し、前記変換用光エレメントを通して、前記エミッターのそれぞれへと戻すように構成され、ミラーと各前記エミッターの後方ファセットとの間に共振器が形成される、反射面と、
   を含む、分散および非分散の次元を有する二次元波長スタビライザーと、
   透過した前記次のビームを受け、ビーム混合次元に沿って、透過した前記ビームを収束させるようにする混合用光エレメントと、
   ビーム結合次元に沿って配され、収束する前記ビームを受け、前記ビームを多波長出力として透過させる第２の分散エレメントと、
   を含む、分散および非分散の次元を有する波長コンバイナーと
   を含む、マルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
6. 前記エミッターと前記第１の分散エレメントとの間に配され、前記非分散の次元においてパワーを有するテレセントリック光エレメントを更に含む、請求項５に記載の波長スタビライザー。
7. 前記第１の分散エレメントは透過格子である、請求項５に記載の波長スタビライザー。
8. 前記分散の次元に沿って光パワーを有するコリメート用光エレメントを更に含み、前記コリメート用光エレメントは、透過した前記ビームを受け、前記ビームをコリメートし、それらを前記混合用光エレメントへと透過させるように配される、請求項５に記載の波長コンバイナー。
9. 前記非分散の次元に沿ってパワーを有し、前記エミッターの前記アレイの像から前記非分散の次元に沿って前記第２の分散エレメント上への、透過された前記ビームを受けるように配されるイメージング光エレメントを更に含む、請求項５に記載の波長コンバイナー。
10. それぞれがビームを放射するものであり且つ前方および後方のファセットを有するものであるビーム・エミッターのアレイと、
    分散および非分散の次元の双方に沿ってパワーを有し、放射されたビームを、前記前方のファセットから第１の分散エレメント上へイメージングするように配されるテレセントリック光学系と、
    を含む、分散および非分散の次元を有する二次元波長スタビライザーと、
    前記第１の分散エレメントは、放射された前記ビームを各ビーム・エミッターへ戻すように反射し、それにより、前記第１の分散エレメントと各エミッターの前記後方のファセットとの間で共振器を形成し、および透過した前記ビームのうちの少なくとも２つは個別の波長を有し、
    各エミッターの前記後方のファセットからの分散された前記ビームを受け、分散次元に沿って前記ビームを収束させるようにする結合用レメントと、
    分散次元に沿って配され、複数の収束する前記ビームを受け、前記ビームを結合多波長出力として透過させる第２の分散エレメントと
    を含む、分散および非分散の次元を有する波長コンバイナーと
    を含む、マルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
11. それぞれがビームを放射するビーム・エミッターのアレイと、
    放射された前記ビームの一部分の向きを変え、前記ビームの別の部分を透過させる偏光用光学系と、
    分散および非分散の次元に沿って光パワーを有し、前記エミッターから第１の分散エレメントへ、透過した前記ビームをイメージングするために前記偏光用光学系の後に配され、前記第１の分散エレメントは、前記ビームを反射させて各エミッターへ戻し、それにより、前記第１の分散エレメントと各エミッターの前記後方のファセットとの間で共振器を形成する、テレセントリック光学系と、
    を含む、分散および非分散の次元を有する二次元波長スタビライザーと、
    分散された前記ビームを受け、ビーム結合次元に沿って前記ビームを収束させるようにする結合用光エレメントと、
    ビーム結合次元に沿って配され、複数の収束する前記ビームを受け、前記ビームを多波長出力として透過させる第２の分散エレメントと
    を含む、分散および非分散の次元を有する波長コンバイナーと、
    を含む、マルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
12. スタビライザー・キャビティを形成するステップであって、各エミッターは外部反射面と共になって共振器を形成し、前記エミッターのアレイから放射された各ビームは、前記共振器内に配される分散エレメントへ導かる、ステップと、
    前記スタビライザーのビームを、少なくとも１つの結合用光エレメントを含む波長コンバイナー内へ透過させるステップと、
    多波長ビーム出力を形成するように１次元に沿って前記ビームをコンバイニングするステップと、
    を含む、エミッターの二次元アレイを安定化およびコンバイニングする方法。
13. 前記波長コンバイナーは第２の分散エレメントを更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. それぞれがビームを放射するビーム・エミッターのアレイと、
    分散の次元においてパワーを有し、各ビームを受け、その後、収束するビームを透過させるように配される少なくとも１つの光エレメントと、
    収束する前記ビームを前記光エレメントから受け、前記ビームを少なくとも２つの次数へと分散させるように配され、前記次数の１つは、収束する次数のビームとして透過させられる、第１の分散エレメントと、
    透過しない前記次数を受け、前記次数を反射させて前記第１の分散エレメントへ戻し、前記光エレメントを通して、前記ビーム・エミッターのそれぞれへと戻すように構成され、ミラーと各前記エミッターの後方ファセットとの間に共振器が形成される、反射面と、
    を含む、分散および非分散の次元を有する二次元波長スタビライザーと、
    ビーム結合次元に沿って配され、複数の収束する前記ビームを受け、前記ビームを多波長出力として透過させる第２の分散エレメントと、
    を含む、分散および非分散の次元を有する波長コンバイナーと
    を含む、マルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
15. それぞれがビームを放射するビーム・エミッターのアレイと、
    放射された前記ビームを０次と１次とに分散させるように構成される中央の分散エレメントと、
    前記分散エレメントと前記ビーム・エミッターとの間に配され、結合次元に沿ってパワーを有し、放射された前記ビームを受け、前記分散エレメント上へ収束させるようにする第１の変換レンズと、
    前記分散エレメントの後の、前記第１の変換レンズと第２の変換レンズとの焦点距離を結合した距離に配置され、分散された前記０次を受け、前記０次をコリメートし、前記０次のビームを第１反射面の方へ透過させる第２の変換レンズと、
    前記第２の変換レンズと前記反射面との間に配され、０次のビームを、通過する毎に４分の１だけ回転させるように構成される４分の１板と、
    前記１次を受け、前記１次をフィードバックとして前記分散エレメントへ及び前記エミッターのそれぞれへと反射するように配置され、各エミッターの後方ファセットと前記第２の反射面との間に共振器が形成される、第２反射面と、
    を含むマルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
16. 非分散次元に沿ってパワーを有し、前記エミッターと前記分散エレメントとの間に配されるテレスコーピング光学系を更に含む、請求項９に記載のマルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
17. それぞれがビームを放射するビーム・エミッターのアレイと、
    放射された前記ビームを受け、各ビームを分散エレメント上で重ならせるように配置され、発散する０次および１次のビームが生成される、第１の変換レンズと、
    前記０次のビームを受け、前記０次のビームをコリメートし、それらを第１の反射面へと透過させるように構成され、前記第１の反射面は、コリメートされた前記０次のビームを、フィードバックとして、第２の変換レンズへと向きを変えさせ、次に前記第２の変換レンズは、前記フィードバックを前記分散エレメント上へ収束させるようにし、前記フィードバックの一部分は、波長安定フィードバックとして前記エミッターへ向けられ、第２の部分は、第２の反射面の方へ向けられ、前記第２の反射面からのフィードバックの一部分は、前記第１の反射面の方へ戻すように向けられ、別の部分は、前記分散エレメントにより透過させられる、前記第２の変換レンズと、
    を含むマルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
18. 前記分散エレメントと前記第２反射面との間に配される拡大用光学系を更に含む、請求項１７に記載のマルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。
19. １：１０の範囲の焦点距離の比率を有する少なくとも２つのレンズを含む、請求項１８に記載の拡大用光学系。
20. 前記分散エレメントにより回折された前記１次のビームは、少なくとも１つの次元に沿った結合多波長安定ビームである、請求項１７に記載のマルチビーム・スタビライザーおよびコンバイニングシステム。

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