JP2020524394A - レーザシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

レーザシステム及び方法を開示する。１つのレーザシステムは、入力レーザビームを放出するように各共振器が作動可能である複数のレーザ共振器と、各入力レーザビームを向け直し、かつ向け直したビームのビームサイズを低減する少なくとも１つの湾曲反射面を含む中継アセンブリと、各向け直したビームを受光し、かつ各レーザ入力ビームの電力レベルよりも高い電力レベルで結合レーザビームを出力する湾曲反射面を含むガルバノメータと、結合レーザビーム内の球面収差を低減し、かつ結合レーザビームを光ファイバの中に向けるカプリングアセンブリとを含む。このシステムでは、結合レーザビームは、光ファイバの最小ビームパラメータ積よりも低い最大ビームパラメータ積を有することができる。関連のシステム及び方法も開示する。【選択図】図１

Description

本発明の開示の態様は、一般的にレーザシステム及びそれに関連する方法に関する。

ビーム品質の１つの尺度は、「ビームパラメータ積」（又は「ＢＰＰ」）である。レーザビームのＢＰＰは、ビーム半径（ビームウエストで測定）にビームの発散角（半角）を乗じた積に等しいとすることができる。より小さいＢＰＰは、より良好なビーム品質を表す。ランプ励起式レーザシステムが低ＢＰＰ、高パルスエネルギ、及び高周波数を有するレーザビームを維持することは、利得媒体の熱レンズ効果に起因して困難である可能性がある。

ファイバのＢＰＰは、ファイバコア半径にファイバの開口数（又は「ＮＡ」）を乗じた積に等しいとすることができる。出力レーザビームのＢＰＰがファイバのＢＰＰに非常に近い時に、非常に低い位置合わせ公差が予想されることになる。入力レーザビームを光ファイバに向けるのに一般的に使用する光学系は、ビーム品質を更に劣化させる場合があり、レーザビームのＢＰＰをファイバのＢＰＰに更に近づけて位置合わせ公差を更に低減する。高いパルスエネルギ及び周波数では、低い位置合わせ公差は、レーザシステムの信頼性を低減する可能性がある。

本発明の開示の態様は、これら及び関連の課題に対処する。

本発明の開示の一態様は、レーザシステムである。レーザシステムは、各共振器が入力レーザビームを放出するように作動可能である複数のレーザ共振器と、各入力レーザビームを向け直し、かつ向け直したビームのビームサイズを低減する少なくとも１つの湾曲反射面を含む中継アセンブリと、各向け直したビームを受光し、かつ各レーザ入力ビームの電力レベルよりも高い電力レベルで結合レーザビームを出力する湾曲反射面を含むガルバノメータと、結合レーザビーム内の球面収差を低減して結合レーザビームを光ファイバの中に向けるカプリングアセンブリとを含むことができ、結合レーザビームは、光ファイバの最小ビームパラメータ積よりも低い最大ビームパラメータ積を有する。

一部の態様では、中継アセンブリの少なくとも１つの湾曲反射面は、第１の曲率半径を有することができ、ガルバノメータの湾曲反射面は、第２の曲率半径を有することができ、第１及び第２の曲率は異なる場合がある。第１の曲率半径は、第２の曲率半径よりも大きい場合がある。例えば、第２の曲率半径は、結合レーザビーム内の球面収差を低減することができる。各入力レーザビームは、（ｉ）複数のレーザ共振器のうちの１つの共振器から中継アセンブリの少なくとも１つの湾曲反射面まで延びる第１の距離と、（ｉｉ）中継アセンブリの少なくとも１つの湾曲反射面からガルバノメータの湾曲反射面まで延びる第２の距離と、（ｉｉｉ）ガルバノメータの湾曲反射面から光ファイバまで延びる第３の距離とを含むビーム経路に沿って放出することができる。第１及び第２の曲率半径は、第１、第２、及び第３の距離に応じてサイズを寸法決めすることができる。例えば、第１の距離は、第２の距離にほぼ等しいとすることができ、第３の距離は、第１及び第２の距離の合計よりも大きい場合がある。

カプリングアセンブリは、１つの非球面レンズ又は２つの球面レンズを含むことができる。システムは、ガルバノメータとカプリングアセンブリの間に位置付けられた追加の光学構成要素を更に含むことができる。追加の光学構成要素は、ビーム分割器、ビーム結合器、シャッター、又はブラックシールドのうちの少なくとも１つを含むことができる。カプリングアセンブリは、結合レーザビームを光ファイバの入力面の上に出力することができ、結合レーザビームのビームパラメータ積は、入力面での光ファイバのビームパラメータ積よりも少なくとも１０％小さくすることができる。

中継アセンブリは、平坦反射面を更に含むことができる。少なくとも１つの湾曲反射面は、平坦反射面に向けて入力レーザビームを向け直し、かつ平坦反射面での入力レーザビームのビームサイズを低減することができる。平坦反射面は、ガルバノメータの湾曲反射面に向けて入力レーザビームを向け直すことができる。この態様により、複数のレーザ共振器は、面に固定することができ、中継アセンブリの各反射面は、この面に対して少なくとも２つの自由度で移動可能とすることができる。各入力レーザビームは、（ｉ）複数のレーザ共振器のうちの１つの共振器から第１の反射面まで延びる第１の距離と、（ｉｉ）第１の反射面から第２の反射面まで延びる第２の距離と、（ｉｉｉ）第２の反射面からガルバノメータの反射面まで延びる第３の距離と、（ｉｖ）ガルバノメータの反射面から光ファイバまで延びる第４の距離とを含むビーム経路に沿って放出することができる。第１及び第２の曲率半径は、第１、第２、第３、及び第４の距離に応じてサイズを寸法決めすることができる。例えば、第１の距離は、第２の距離にほぼ等しいとすることができ、第３の距離は、第１、第２、及び第３の距離の合計よりも大きい場合がある。

別の態様は、別のレーザシステムである。このレーザシステムは、各共振器が湾曲出力面を通して入力レーザビームを放出するように作動可能である複数のレーザ共振器と、各入力レーザビームを向け直し、かつ向け直したビームのビームサイズを低減する少なくとも１つの湾曲反射面を含む中継アセンブリと、各向け直したビームを受光し、かつ各レーザ入力ビームの電力レベルよりも高い電力レベルで結合レーザビームを出力する平坦反射面を含むガルバノメータと、結合レーザビームを光ファイバの中に向けるカプリングアセンブリとを含むことができ、結合レーザビームは、光ファイバの最小ビームパラメータ積よりも低い最大ビームパラメータ積を有する。

このシステムは、カプリングアセンブリ上の結合レーザビームのビームサイズを低減する球面中継レンズを含むことができる。中継アセンブリの少なくとも１つの湾曲反射面は、第１の湾曲反射面及び第２の湾曲反射面を含むことができる。例えば、出力面の曲率半径は、第１の反射面の曲率半径よりも大きい場合があり、第２の反射面の曲率半径は、第１の反射面の曲率半径よりも大きい場合がある。

本発明の開示の別の態様は、方法である。本方法は、複数のレーザ発生器から入力レーザビームを放出する段階と、入力レーザビームのビームサイズを低減し、かつガルバノメータの反射面に向けてビームを向け直す少なくとも１つの湾曲反射面を含む中継アセンブリに向けて各入力レーザビームを向け直す段階と、ガルバノメータの反射面を用いて入力レーザビームを結合し、各入力レーザビームの電力レベルよりも高い電力レベルを有する結合レーザビームにする段階と、結合レーザビームを光ファイバに出力する段階とを含むことができ、結合レーザビームは、光ファイバの最小ビームパラメータ積よりも低い最大ビームパラメータ積を有する。

この方法の一態様により、ガルバノメータの反射面は湾曲させることができ、本方法は、結合レーザビーム内の球面収差を更に低減する段階を含むことができる。他の態様により、ガルバノメータの反射面は平坦である場合があり、本方法は、各レーザ共振器の湾曲出力面を通して各レーザ入力ビームを放出する段階を更に含むことができる。複数のレーザ共振器は、面に固定することができ、少なくとも１つの湾曲反射面は、第１の湾曲反射面及び第２の湾曲反射面を含むことができ、本方法は、複数のレーザ共振器と位置合わせするように第１及び第２の反射面を移動する段階を含むことができる。いずれのそのような方法も、球面中継レンズを通るように結合レーザビームを向ける段階を更に含むことができる。

添付図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成する。これらの図面は、本明細書に提供する説明と共に以下に続く本発明の開示を説明するのに寄与する本発明の開示の態様を示している。

本発明の開示によるレーザシステムを示す図である。 本発明の開示による別のレーザシステムを示す図である。 本発明の開示による更に別のレーザシステムを示す図である。 本発明の開示による方法を示す図である。

本発明の開示の態様をここでレーザシステム及び方法を参照して説明する。一部の態様は、光ファイバがスコープを通して体腔の中にその体腔に位置付けられた結石を処置するためにファイバの遠位端が位置決めされるまで進められる砕石術手順を参照して説明する。特定のタイプの手順、レーザエネルギ、スコープ、組織、身体での場所、及び／又は身体器官への参照は、便宜上与えられるものであり、別途主張しない限り本発明の開示を制限するように意図していない。従って、本明細書に説明する概念は、医療又は他のあらゆる類似のレーザシステムに利用することができる。

多くの軸線及び方向を説明する。軸線は、原点Ｏを有する直交座標系を形成することができる。１つの軸線は、要素の長手軸線に沿って延びることができる。方向性及び相対性は、用語「近位」及び「遠位」及びそれらのそれぞれの頭文字「Ｐ」及び「Ｄ」によって示すことができる。近位は、身体又はユーザの外部により近い位置を指し、一方で遠位は、身体の内部により近い又はユーザから更に離れた位置を指す。Ｐ又はＤを要素番号又は矢印に添付することは、近位又は遠位の場所又は方向を意味する。別途主張しない限り、これらの用語は、便宜上与えるものであり、本発明の開示を特定の場所、方向、又は向きに限定するように意図していない。別途言及しない限り、「ほぼ」、「約」、「実質的に」、及び／又は「近似的に」のような用語は、言及値の±５％内である可能な値の範囲を示す。

本明細書に使用される時に、用語「含む」、「含んでいる」、又は類似の変形は、要素のリストを含むデバイス又は方法が単にこれらの要素を含むのではなく、むしろ明示的に列挙されず又はそれに固有でもない他の要素を含むことができるように非限定的包含を網羅するように意図している。別途言及しない限り、用語「例示的」は、「理想的」ではなく「例」の意味に使用される。反対に、用語「から構成される」及び「から構成されている」は、要素のリストから構成されるデバイス又は方法がそれらの要素のみを含むように限定的包含を網羅するように意図している。

図１に示すように、本発明の開示の一態様は、複数のレーザ共振器１０と、中継アセンブリ１２と、移動可能な反射面１７を含む反照検流計又は「ガルバノメータ」１６とを含むレーザシステム１である。４つのレーザ共振器１０Ａ−１０Ｄが図１に示されているが、あらゆる個数を使用することができる。各レーザ共振器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、及び１０Ｄは、入力レーザビーム２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、又は２Ｄを中継アセンブリ１２に向けて放出するように作動可能である。図示のように、中継アセンブリ１２は、移動可能な反射面１７に向けて各ビーム２Ａ−２Ｄを向け直す反射面を含む。ガルバノメータ１６は、反射面１７で各向け直した入力レーザビーム２Ａ−２Ｄを受け入れ、かつ結合レーザビーム４を光ファイバ４０に向けて出力する。ビーム４を制御する、強化する、及び／又は送出するための追加の光学系は、カプリングアセンブリ２０及び光学系アセンブリ３０のようなレーザシステム１を含むことができる。

図１に示すように、複数のレーザ共振器１０は、テーブル又はレーザコンソールの内面のような面７に装着することができる。レーザ共振器１０Ａ−１０Ｄは、第１の又は入力電力レベルでレーザビーム２Ａ−２Ｄを放出することができる。一例として、各入力レーザビーム２Ａ−２Ｄのそのそれぞれのレーザ共振器１０Ａ−１０Ｄでの初期ＢＰＰは、約４８ｍｍ−ｍｒａｄとすることができる。各ビーム２Ａ−２Ｄの入力電力レベルは、同じか又は異なる場合がある。各レーザ共振器１０Ａ−１０Ｄは、中継アセンブリ１２との入力レーザビーム２Ａ−２Ｄの正確な位置合わせのために面７に移動可能に装着することができる。例えば、図１の各共振器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、及び１０Ｄは、面７に対して横断する軸線（例えば、Ｘ−Ｘ又はＺ−Ｚ軸線）の周りの回転のような１自由度で面７に対して回転可能である傾斜板１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、又は１１Ｄ上に装着される。

中継アセンブリ１２は、ガルバノメータ１６の反射面１７に向けて入力レーザビーム２Ａ−Ｄを向けるように構成された反射面を含むことができる。図１に示すように、中継アセンブリ１２は、各入力レーザビーム２Ａ−２Ｄの経路に位置決めされた少なくとも１つの反射面を含むことができる。各反射面は、ＨＲ被覆される場合がある。従って、中継アセンブリ１２は、入力レーザビーム２Ａの経路に第１の反射面１２Ａと、レーザビーム２Ｂの経路に第２の反射面１２Ｂと、ビーム２Ｃの経路に第３の反射面１２Ｃと、ビーム２Ｄの経路に第４の反射面１２Ｄとを含むことができる。各反射面１２Ａ−１２Ｄは、共振器１０Ａ−１０Ｄ及びガルバノメータ１６との正確な位置合わせのために面７に移動可能に装着することができる。図１では、例えば、各反射面１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、及び１２Ｄは、傾斜マウント１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、又は１３Ｄによって面７に移動可能に装着することができる。傾斜マウント１３Ａ−１３Ｄは、面７に平行な第１の軸線（例えば、Ｙ−Ｙ軸線）の周りの回転、及び面７に対して横断する第２の軸線（例えば、Ｘ−Ｘ又はＺ−Ｚ軸線）に対する回転のような少なくとも２つの自由度で面７に対して面１２Ａ−１２Ｄの移動を可能にする。反射面１２Ａ−１２Ｄは、入力レーザビーム２Ａ−２Ｄを修正することができる。例えば、各反射面１２Ａ−１２Ｄは、反射面１７上の入力レーザビーム２Ａ−２Ｄのビームサイズを低減するように湾曲させることができる。

ガルバノメータ１６は、入力電力レベルで反射面１２Ａ−１２Ｄからレーザビーム２Ａ−２Ｄを受け入れ、かつ各入力レーザビーム２Ａ−２Ｄの入力電力レベルよりも高い出力電力レベルで結合レーザビーム４を出力することができる。例えば、図１のガルバノメータ１６は、入力レーザビーム２Ａ−２Ｄの各１つが異なる時間に結合レーザビーム４に追加され、ビーム２Ａ−２Ｄの各入力電力レベルの合計にほぼ等しい出力電力レベルをもたらすように、異なる角度で反射面１７を回転させる（又はそうでなければ移動する）ことができる。図１では、例えば、各ビーム２Ａ−２Ｄの入力電力レベルがほぼ等しい場合に、結合レーザビーム４の出力電力レベルは、各ビーム２Ａ−２Ｄの入力電力レベルのほぼ４倍であることになる。反射面１２Ａ−１２Ｄの曲率は、各入力レーザビーム２Ａ−２Ｄが球面収差を有することを引き起こすことができ、各ビーム２Ａ−２Ｄの各部分は、異なる焦点を有する。反射面１７の曲率は、そのような収差を低減することができる。

反射面１２Ａ−１２Ｄの曲率は、反射面１７の曲率に応じたものである場合がある。例えば、各反射面１２Ａ−１２Ｄの曲率半径は、約１６５ｍｍとすることができ、反射面１７の曲率半径は、約５００ｍｍとすることができる。システム１内の様々な点でビーム２Ａ−２Ｄ及び／又はビーム４のＢＰＰを低減するために、反射面１２Ａ−１２Ｄ及び１７の曲率も、レーザ発生器１０Ａ−１０Ｄ、中継アセンブリ１２、反射面１７、及び光ファイバ４０の間の距離に応じたものである場合がある。例えば、入力レーザビーム２Ｂを参照した図１に示すように、第１の距離Ｌ１は、共振器１０Ｂと反射面１２Ｂの間を延び、第２の距離Ｌ２は、反射面１２Ｂと反射面１７の間を延び、第３の距離Ｌ３は、反射面１７と光ファイバ４０の入力面４１の間を延びる。同じ距離Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を一貫してビーム２Ａ−２Ｄと共に使用することができる。例えば、図１に示すように、第１の距離Ｌ１は、約１１６ｍｍとすることができ、第２の距離Ｌ２は、約１１０ｍｍとすることができ、第３の距離Ｌ３は、約２８３ｍｍとすることができる。

この例では様々な比が定められる。これらの比は、システム１の変形を受け入れるためにスケールアップ又はダウンすることができる。例えば、反射面１２Ａ−１２Ｄの曲率半径は、反射面１７の曲率半径のほぼ３分の１とすることができ、第１の距離Ｌ１は、第２の距離Ｌ２にほぼ等しいとすることができ、第３の距離Ｌ３は、距離Ｌ１及びＬ２の合計よりも大きいとすることができる。

レーザシステム１は、更に球面収差を低減し、レーザ入力ビーム２Ａ−２Ｄを修正し、及び／又は結合レーザビーム４を修正するように構成された追加の光学系を含むことができる。図１に示すように、例えば、カプリングアセンブリ２０及び光学系アセンブリ３０は、結合レーザビーム４の経路に与えることができる。カプリングアセンブリ２０は、結合レーザビーム４を受け入れ、結合ビーム４内の球面収差を低減し、かつファイバ４０の入力面４１にビーム４を出力することができる。アセンブリ２０は、１又は２以上のレンズを含む場合がある。図１では、例えば、カプリングアセンブリ２０は、第１の球面レンズ２１及び第２の球面レンズ２２を含む。１つの非球面レンズも使用することができる。図１に示すように、カプリングアセンブリ２０は、ファイバ不整合からの汚染物質を遮断するブラックシールド２４を更に含むことができる。ブラックシールド２４は、図１にあるようにカプリングアセンブリ２０と一体化され、又は図２Ａにあるようにカプリングアセンブリ２０から分離することができる。

光学系アセンブリ３０は、第１のビーム分割器３１、シャッター３２、及び第２のビーム分割器３３を含むことができる。第１のビーム分割器３１は、コントローラ（図示せず）に向けて結合レーザビーム４の一部分を向けることができる。シャッター３２は、システム１のための自動遮断スイッチを提供するようにコントローラと共に作動可能とすることができる。第２のビーム分割器３３は、照準レーザビーム（図示せず）を受光し、かつファイバ４０の入力面４１に向けて照準レーザビームを向けることができる。図１に示すように、第１の分割器３１、シャッター３２、及び第２の分割器３３は、ガルバノメータ１６とカプリングアセンブリ２０の間に位置付けることができる。光学系アセンブリ３０の構成要素も、レーザシステム１を通して分配することができる。

中継アセンブリ１２及びガルバノメータ１６は、レーザシステム１内の様々な場所で入力レーザビーム２Ａ−２Ｄ及び結合レーザビーム４のＢＰＰを低減することによってビーム品質を改善することができる。例えば、反射面１２Ａ−１２Ｄ、反射面１７、それらの間を延びるそれぞれの距離Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３、及びカプリングアセンブリ２０は、光ファイバ４０の入力面４１で結合ビーム４のＢＰＰを最小にして高いビーム品質を保証することができる。光ファイバ４０もＢＰＰを有する場合があり、ビーム４のＢＰＰは、システム１内の位置合わせ公差を高めるようにファイバ４０のＢＰＰよりも低いとすることができる。入力面４１での入力ビーム４のＢＰＰは、入力面４１でのファイバ４０のＢＰＰよりも少なくとも１０％小さいとすることができる。例えば、入力面４１でのビーム４のＢＰＰは、約５６ｍｍ−ｒａｄとすることができ、面４１でのファイバ４０のＢＰＰは、約６８ｍｍ−ｒａｄとすることができ、約２０％のＢＰＰ低減を与える。

レーザシステム１の代替及び／又は追加の態様を図２Ａで部分的に示すレーザシステム１００及び図２Ｂで部分的に示すレーザシステム２００を参照してここで説明する。システム１００及び２００は、図２Ａ〜図２Ｂに示して以下に説明する修正を別にすればシステム１と同じであり、修正された要素は、それぞれの１００又は２００シリーズの番号内に説明する。システム１、１００、及び２００のいずれの態様も本発明の開示により交換可能に結合することができ、各潜在的な組合せは本発明の開示の一部である。

各入力レーザビーム２Ａ−２Ｄは、４つの自由度を使用して反射面１１７に位置合わせすることができる。システム１では、２つの自由度は傾斜板１１Ａ−１１Ｄにより、及び更に別の２つの自由度は傾斜マウント１３Ａ−１３Ｄによって提供される。システム１００は傾斜板１１Ａ−１１Ｄを排除することができる。例えば、システム１００は、複数のレーザ共振器１０、中継アセンブリ１１２、及び反射面１１７を有するガルバノメータ１１６を含むことができる。複数の共振器１０は、上述の共振器１０Ａ−１０Ｄと同じとすることができる。例示的レーザ共振器１０Ａ及び入力レーザビーム２Ａを説明しやすくするために図２Ａに示している。類似の構成は、図１のシステム１と一致する方式で追加の入力レーザビーム（例えば、共振器１０Ｂ、１０Ｃ、及びＣ０Ｄからの）に対して使用することができる。

図２Ａに示すように、中継アセンブリ１１２は、第１の反射面１１２Ａ及び第２の反射面１１４Ａを含むことができる。第１及び第２の反射面１１２Ａ及び１１４Ａは、入力レーザビーム２Ａに４つの自由度を与えることができる。例えば、図２Ａに示すように、第１の反射面１１２Ａは、第１の傾斜マウント１１３Ａによって面７に移動可能に装着することができ、第２の反射面１１４Ａは、第２の傾斜マウント１１５Ａによって面７に移動可能に装着することができる。上記と同様に、各傾斜マウント１１３Ａ及び１１５Ａは、面７に対して２方向に回転可能とすることができ、４つの自由度を与える。

レーザ共振器１０Ａの位置は、システム１００内で面に対して固定することができる。例えば、レーザ共振器１０Ａは、開口部を有するベース支持体を含むことができ、面７は、対応する開口部を含むことができ、共振器１０Ａ及び面７の開口部の中にピンを挿入することができ、それらの要素を互いに取り付ける。多くの利益をこの構成によって実現することができる。例えば、傾斜板を使用するレーザ共振器１０Ａの位置合わせ及び再位置合わせは、それが冷却流体及び高電流及び／又は高電圧を含有するので困難である場合があり、搬送衝撃振動は、レーザビーム位置及び指向を変える場合がある。これらの困難は、各追加の入力レーザビームと共に増大される。これと比較して、傾斜マウント１１３Ａ及び１１５Ａは、それらがあまり重量を支持しないので位置合わせするのが遙かに容易であると考えられ、得られる位置合わせは、より少ない可動部品を有するので維持するのがより容易とすることができる。面７に対してレーザ発生器１０Ａを固定することも、位置合わせを妨害することなくランプのような発生器１０Ａの構成要素を交換するのをより容易にする。

図２Ａに示すように、レーザ共振器１０Ａは、入力レーザビーム２Ａを第１の反射面１１２Ａに向けて放出することができる。第１の反射面１１２Ａは、ビーム２Ａを修正し、第２の反射面１１４Ａに向けて修正ビーム２Ａを向け直すことができ、第２の反射面１１４Ａは、反射面１１７に向けて修正ビーム２Ａを向け直すことができる。図２Ａに示すように、第１の反射面１１２Ａは湾曲させることができ、第２の反射面１１４Ａは平坦とすることができ、反射面１１７は湾曲させることができる。図２Ａにあるように、カプリングアセンブリ２０は、反射面１１２Ａ及び１１７の曲率よって生じる球面収差を低減するようにシステム１００内に含めることができる。

反射面１１２Ａの曲率は、反射面１１７の曲率に応じたものである場合がある。例えば、面１１２Ａの曲率半径は約２８０ｍｍとすることができ、反射面１１７の曲率半径は約８００ｍｍとすることができる。以前と同様に、反射面１１２Ａ及び１１７の曲率も、レーザ発生器１０Ａ、面１１２Ａ及び１１４Ａ、反射面１１７、及び光ファイバ４０の間の距離に応じたものである場合がある。図２Ａでは、例えば、第１の距離Ｌ１は、共振器１０Ａと第１の反射面１１２Ａの間を延び、第２の距離Ｌ２は、第１の反射面１１２Ａと第２の反射面１１４Ａの間を延び、第３の距離Ｌ３は、第２の反射面１１４Ａと反射面１１７の間を延び、第４の距離Ｌ４は、反射面１１７と光ファイバ４０の入力面４１との間を延びる。同じ距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４を一貫して追加の入力レーザビーム（例えば、共振器１０Ｂ、１０Ｃ、及び１０Ｄからの）に対してシステム１００内で使用することができる。図２Ａに示すように、例えば、第１の距離Ｌ１は約１３３ｍｍとすることができ、第２の距離Ｌ２は約８４ｍｍとすることができ、第３の距離Ｌ３は約８５ｍｍとすることができ、第４の距離Ｌ４は約４１３ｍｍとすることができる。

この例では様々な比が定められ、この比は、システム１００の他の反復に適用することができる。例えば、明らかにしたように、反射面１１２Ａの曲率半径は、反射面１７の曲率半径のほぼ３分の１とすることができ、第１の距離Ｌ１は、第２の距離Ｌ２にほぼ等しいとすることができ、第４の距離Ｌ４は、距離Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３の合計よりも大きいとすることができる。

上記と同様に、中継アセンブリ１１２及びガルバノメータ１１６は、システム１内の様々な点で入力レーザビーム２Ａ及び／又は結合レーザビーム４のＢＰＰを低減することによってビーム品質を改善することができる。例えば、反射面１１２Ａ及び１１４Ａ、反射面１１７、それらの間を延びるそれぞれの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４、及びカプリングアセンブリ２０は、光ファイバ４０の入力面４１での結合ビーム４のＢＰＰを最小にして高いビーム品質を保証することができる。位置合わせ公差も、システム１００内で高めることができる。システム１００内の結合レーザビーム４のＢＰＰは、入力面４１で光ファイバ４０のＢＰＰよりも少なくとも２０％小さいとすることができる。例えば、入力面４１での結合レーザビーム４のＢＰＰは、約５４ｍｍ−ｍｒａｄとすることができ、面４１でのファイバ４０のＢＰＰは、約６８ｍｍ−ｒａｄとすることができ、約２３％のＢＰＰ低減を与える。

レーザシステム２００は、より多くの従来の構成要素を利用するように修正される。図２Ｂに示すように、レーザシステム２００は、複数のレーザ共振器２１０、中継アセンブリ２１２、及び反射面２１７を有するガルバノメータ２１６を含むことができる。複数の共振器２１０は、上述の共振器１０Ａ−１０Ｄと同一とすることができる。レーザ共振器２１０Ａ及び入力レーザビーム２Ａのみが、説明しやすくするために図２Ｂに示されている。類似の構成は、追加のレーザ入力ビーム（例えば、レーザ発生器１０Ｂ、１０Ｃ、及び１０Ｄからの）に使用することができる。図示のように、システム２００のレーザ共振器２１０Ａは、湾曲出力面２０８Ａを有することができ、入力レーザビーム２Ａは、面２０８を通して放出することができる。湾曲出力面２０８Ａは、入力レーザビーム２のサイズを低減する平凸レンズである場合がある。

図２Ｂの中継アセンブリ２１２は、傾斜マウント２１３Ａによって面７に移動可能に装着された第１の反射面２１２Ａと、傾斜マウント２１５Ａによって面７に移動可能に装着された第２の反射面２１４Ａとを含む。第１の反射面２１２Ａは、ビーム２Ａを修正し、第２の反射面２１４Ａに向けて修正ビーム２Ａを向け直すことができる。第２の反射面２１４Ａは、ビーム２Ａを更に修正し、反射面２１７に向けて更に修正されたビーム２Ａを向け直すことができる。図２Ｂに示すように、第１及び第２の反射面２１２Ａ及び２１４Ａは湾曲させることができ、反射面１１７は平坦にすることができる。光学系アセンブリ３０がシステム２００内に含められる場合がある。カプリングアセンブリ２２０は、システム２００内に含められる。

湾曲出力面２０８Ａの曲率は、反射面２１２Ａ及び２１４Ａの曲率に応じたものである場合がある。例えば、湾曲出力面２０８Ａの曲率半径は、約８００ｍｍとすることができ、第１の反射面２１２Ａの曲率半径は約３００ｍｍとすることができ、第２の反射面２１４Ａの曲率半径は約４００ｍｍとすることができる。以前と同様に、システム２００内の曲率も、レーザ発生器１０Ａ、面２１２Ａ及び２１４Ａ、反射面２１７、光ファイバ４０の入力面４１の間のそれぞれの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、又はＬ４に応じたものである場合がある。システム２００内の距離Ｌ１−Ｌ４は、システム１００において上述したそれらの同等物の距離と同様である。システム２００全体を通して、第１の距離Ｌ１は、１３３ｍｍにほぼ等しいとすることができ、第２の距離Ｌ２は、８４ｍｍにほぼ等しいとすることができ、第３の距離Ｌ３は、８６ｍｍにほぼ等しいとすることができ、第４の距離Ｌ４は、４５０ｍｍにほぼ等しいとすることができる。ここでもまた、様々な比を曲率と距離の間で定めることができ、この比は、レーザシステム２００の変形を受け入れるのに使用することができる。

中継アセンブリ２１２及びガルバノメータ２１６は、システム１内の入力レーザビーム２Ａ及び結合レーザビーム４のＢＰＰを低減することによってビーム品質を改善することができる。例えば、反射面２１２Ａ、２１４Ａ、及び２１７、それらの間を延びるそれぞれの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４は、光ファイバ４０の入力面４１での結合ビーム４のＢＰＰを最小にして高いビーム品質を保証することができる。従って、反射面２１７及びカプリングアセンブリ２２０は、ファイバカプラ２２１のような従来の在庫構成要素とすることができる。位置合わせ公差は、システム２００内で高めることができる。システム２００内の結合レーザビーム４のＢＰＰは、入力面４１で光ファイバ４０のＢＰＰよりも少なくとも１０％小さいとすることができる。例えば、入力面４１での結合レーザビーム４のＢＰＰは、約５８ｍｍ−ｍｒａｄとすることができ、面４１でのファイバ４０のＢＰＰは、約６８ｍｍ−ｒａｄとすることができ、約１６％のＢＰＰ低減を与える。

距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４は、変化する場合がある。システム２００では、例えば、第４の距離Ｌ４は、結合レーザビーム４をパルス駆動するように作動可能な追加のシャッター機構のような光学アセンブリ３０の追加の構成要素を受け入れるために増大させることができる。第４の距離Ｌ４を増大させることは、レーザビーム４のビームサイズを拡張させる場合があり、潜在的にビーム４のＢＰＰを増大する。システム２００は、この問題に対処するように更に修正することができる。例えば、図２Ｂに示すように、球面中継レンズ２６０が結合レーザビーム４の経路に配置され、カプリングアセンブリ２２０上のビーム４のビームサイズを低減することができる。システム１及び１００も同様に修正することができる。

ビーム品質を維持するために、修正されたシステム２００内の曲率及び距離は、球面中継レンズ２６０の場所及び有効焦点距離に応じたものである場合がある。例えば、球面中継レンズ２６０が、ガルバノメータ２１６から２００ｍｍ離れて配置され、かつ２５０ｍｍの有効焦点距離を有する時に、湾曲出力面２０８Ａの曲率半径は、約２００ｍｍとすることができ、第１の反射面２１２Ａの曲率半径は、約３００ｍｍとすることができ、第２の反射面２１４Ａの曲率半径は、約５００ｍｍとすることができ、第１の距離Ｌ１は、１３３ｍｍにほぼ等しいとすることができ、第２の距離Ｌ２は、８１ｍｍにほぼ等しいとすることができ、第３の距離Ｌ３は、９０ｍｍにほぼ等しいとすることができ、第４の距離Ｌ４は、６００ｍｍにほぼ等しいとすることができる。この例に基づいて様々な比を定めて適用することができる。

位置合わせ公差は、修正されたシステム２００によって改善することができる。例えば、球面中継レンズ２６０により、修正されたシステム２００内の結合レーザビーム４のＢＰＰは、第４の距離Ｌ４の増大にも関わらず、依然として入力面４１での光ファイバ４０のＢＰＰよりも少なくとも１０％小さいとすることができる。入力面４１での結合レーザビーム４のＢＰＰは、約５７ｍｍ−ｍｒａｄとすることができ、面４１でのファイバ４０のＢＰＰは、約６８ｍｍ−ｒａｄとすることができ、約１８％のＢＰＰ低減を与える。明らかにしたように、湾曲出力面２０８Ａの直径も、レンズ２６０を使用する時に低減することができ、レーザ共振器２１０Ａのサイズを低減する。

方法３００をレーザシステム１を参照してここで説明するが、類似の方法は、システム１００及び２００に適用可能である。図３に示すように、方法３００は、複数の入力レーザビーム２Ａ−２Ｄを放出する段階（「放出する」段階３１０）と、中継アセンブリ１２を用いて反射面１７に向けて各入力レーザビーム２Ａ−Ｄを向ける段階（「向ける」段階３２０）と、湾曲反射面１７を回転させて各入力レーザビーム２Ａ−２Ｄの電力レベルよりも高い電力レベルで結合レーザビーム４を出力する段階（「結合する」段階３３０）と、ファイバ４０のＢＰＰよりも低いＢＰＰで光ファイバ４０の中に結合レーザビーム４を出力する段階（「出力する」段階３４０）とを含むことができる。段階３１０、３２０、３３０、及び３４０の追加の態様をより詳細にここで説明する。

放出する段階３１０は、複数のレーザ共振器１０又は２１０を構成して作動させるためのあらゆる中間段階を含むことができる。図１のレーザシステム１を用いて、例えば、段階３１０は、入力レーザビーム２Ａ−２Ｄを放出するのに必要なレーザ設定値を決定する段階を含むことができる。第２の反射面２１４Ａが湾曲して反射面２１７が平坦である図２Ｂのレーザシステム２００内の各入力レーザビームに対して、放出する段階３１０は、湾曲出力面２０８Ａを通して入力レーザビーム２Ａを放出する段階に類似の段階を更に含むことができる。

向ける段階３２０は、中継アセンブリ１２、１１２、及び２１２を構成するためのあらゆる中間段階を含むことができる。図１のシステム１を用いて、例えば、段階３２０は、各入力レーザビーム２Ａ−２Ｄが反射面１７に向けて向けられるように、レーザ共振器１０Ａ−Ｄを反射面１２Ａ−１２Ｄと位置合わせさせるように傾斜板１１Ａ−１１Ｄ及び／又は傾斜マウント１３Ａ−１３Ｄを作動させる段階を含むことができる。システム１００及び２００内の各レーザ入力ビームに対して、段階３２０は、レーザ共振器１１０Ａ又は２１０Ａを面７に取り付ける段階と、レーザ共振器１０Ａを反射面１１７又は２１７と位置合わせさせるように傾斜マウント１１３Ａ、２１３Ａ及び１１５Ａ、２１５Ａを作動させる段階とを含むことができる。

向ける段階３２０は、本明細書に説明する様々な反射面及びレンズの曲率に対処するように修正することができる。例えば、段階３２０は、ビームサイズを低減する段階及び／又は各入力レーザビーム２Ａ−２Ｄから球面収差を除去する段階を更に含むことができる。システム１では、例えば、両方の反射面１２Ａ及び１７は湾曲反射面であり、段階３３０は、湾曲反射面を用いてレーザビームを向ける段階を含むことができる。類似の中間段階は、システム１００及び２００でも行うことができる。それらのシステムでは、例えば、段階３３０は、入力レーザビーム２を第１の反射面１１２Ａ又は２１２Ａに向ける段階と、面１１２Ａ又は２１２Ａを用いてビーム２Ａのビームサイズを低減する段階と、面１１２Ａ又は２１２Ａから第２の反射面１１４Ａ又は２１４Ａに向けてビーム２Ａを向ける段階と、ビーム２Ａを第２の反射面１１４Ａ又は２１４Ａから反射面１１７に向ける段階とを含むことができる。

結合する段階３３０は、ガルバノメータ１６又は類似の技術の使用を含む結合レーザビーム４を発生させるためのあらゆる手段を含むことができる。方法３００内では、例えば、段階３３０は、対応する反射面１７、１１７、及び２１７の回転速度を決定する段階のようなガルバノメータ１６、１１６、及び２１６を構成するためのあらゆる中間段階を含むことができる。段階３３０は、結合レーザビーム４内の球面収差を低減する段階を更に含むことができる。例えば、段階３３０は、カプリングアセンブリ２０を通るように結合レーザビーム４を向ける段階を含むことができる。段階３３０はまた、球面中継レンズを通して結合レーザビーム４を出力するための段階を含むことができる。システム２００では、例えば、段階３３０は、ファイバカプラ２２１上の結合ビーム４のビームサイズを低減するために球面中継レンズ２６０を通して結合レーザビーム４を出力する段階を含むことができる。

出力する段階３４０は、入力面４１のＢＰＰよりも低いＢＰＰでビーム４を出力するためのあらゆる段階を含む光ファイバ４０の入力面４１の上に結合レーザビーム４を出力するためのあらゆる中間段階を含むことができる。システム１内では、例えば、段階３４０は、光学アセンブリ３０を通るように結合レーザビームを向ける及び／又はアセンブリ３０のあらゆる利益を実現するための段階を含むことができる。例えば、段階３４０は、第１のビーム分割器３１を使用してコントローラに向けて結合レーザビーム４の一部分を向ける段階、このコントローラからの出力信号に応答してシャッター機構３２を作動させる段階、第２のビーム分割器３１を使用して光ファイバ４０の入力面４１に向けて照準ビームを向ける段階、及び／又はブラックシールド２４を通るように結合レーザビーム４を向ける段階を含むことができる。あらゆる光学系を段階３４０に利用することができる。

この説明により、システム１、１００、及び２００、並びに方法３００を使用して複数の入力レーザビーム２Ａ−２Ｄから結合レーザビーム４を発生させ、（ｉ）各入力レーザビーム２Ａ−Ｄの電力レベルの合計に等しい平均電力レベル及び（ｉｉ）光ファイバ４０のＢＰＰよりも少なくとも１０％小さいＢＰＰを有する結合レーザビーム４を出力することができる。光ファイバのＢＰＰは、入力面４１でのファイバ４０の最小直径により、又は異なる場所での光ファイバ４０の別の最小直径に基づいて定めることができる。ほとんどのレーザシステムでは、光ファイバ４０の最小直径は、他のシステム要件によって決定され、位置合わせ公差を高めて構成要素故障のリスクを低減するのにシステム１、１００、及び２００、及び方法３００を特に有益にする。

本発明の開示の多くの態様は、システム１、１００、及び２００の具体例を参照して説明されている。本発明の開示の完全な理解をサポートするために、寸法及び比がこれらの具体例に与えられている。別途主張しない限り、これらの寸法及び比は、本発明の開示を制限するように意図していない。

本発明の開示の原理は、特定の用途のための例示的態様を参照して本明細書に説明されるが、本発明の開示はそれに限定されない。当業技術及び本明細書に与える教示へのアクセスを有する当業者は、本明細書に説明する態様の範囲に全て入る追加の修正、用途、態様、及び均等物の置換を認識するであろう。従って、本発明の開示は、以上の説明によって制限されるように考えないものとする。

１ レーザシステム
１０ 複数のレーザ共振器
１２ 中継アセンブリ
１６ ガルバノメータ
１７ 移動可能な反射面

Claims (15)

1. レーザシステムであって、
   入力レーザビームを放出するように各共振器が作動可能である複数のレーザ共振器と、
   各入力レーザビームを向け直し、かつ該向け直したビームのビームサイズを低減する少なくとも１つの湾曲反射面を含む中継アセンブリと、
   各向け直したビームを受光し、かつ各入力レーザビームの電力レベルよりも高い電力レベルで結合レーザビームを出力する湾曲反射面を含むガルバノメータと、
   前記結合レーザビームの球面収差を低減し、かつ該結合レーザビームを光ファイバの中に向けるカプリングアセンブリと、
   を含み、
   前記結合レーザビームは、前記光ファイバの最小ビームパラメータ積よりも低い最大ビームパラメータ積を有する、レーザシステム。
2. 前記中継アセンブリの前記少なくとも１つの湾曲反射面は、第１の曲率半径を有し、
   前記ガルバノメータの前記湾曲反射面は、第２の曲率半径を有し、
   該第１及び第２の曲率は、異なっている、請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記第１の曲率半径は、前記第２の曲率半径よりも大きい、請求項２に記載のレーザシステム。
4. 前記第２の曲率半径は、前記結合レーザビームの球面収差を低減する、請求項２又は３に記載のレーザシステム。
5. 各入力レーザビームが、（ｉ）前記複数のレーザ共振器のうちの１つの共振器から前記中継アセンブリの前記少なくとも１つの湾曲反射面まで延びる第１の距離、（ｉｉ）該中継アセンブリの該少なくとも１つの湾曲反射面から前記ガルバノメータの前記反射面まで延びる第２の距離、及び（ｉｉｉ）該ガルバノメータの該反射面から光ファイバまで延びる第３の距離を含むビーム経路に沿って放出され、
   前記第１及び第２の曲率半径は、前記第１、第２、及び第３の距離に応じて寸法決めされている、請求項２〜４のいずれか１項に記載のレーザシステム。
6. 前記第１の距離は、前記第２の距離に略等しく、前記第３の距離は、該第１及び第２の距離の合計よりも大きい、請求項５に記載のレーザシステム。
7. 前記カプリングアセンブリは、１つの非球面レンズ又は２つの球面レンズを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザシステム。
8. 前記ガルバノメータと前記カプリングアセンブリの間に位置付けられた追加の光学構成要素を更に含み、
   前記追加の光学構成要素は、ビーム分割器、ビーム結合器、シャッター、又はブラックシールドのうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザシステム。
9. 前記カプリングアセンブリは、前記結合レーザビームを光ファイバの入力面の上に出力し、
   該結合レーザビームのビームパラメータ積は、該入力面での該光ファイバのビームパラメータ積よりも少なくとも１０％小さい、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザシステム。
10. 前記中継アセンブリは、平坦反射面を更に含み、
    前記少なくとも１つの湾曲反射面は、前記平坦反射面に向けて前記入力レーザビームを向け直し、かつ該平坦反射面における該入力レーザビームの前記ビームサイズを低減し、
    前記平坦反射面は、前記ガルバノメータの前記湾曲反射面に向けて前記入力レーザビームを向け直す、請求項１に記載のレーザシステム。
11. 前記複数のレーザ共振器は、面に固定され、該面に対して前記中継アセンブリの各反射面が少なくとも２つの自由度で移動可能である、請求項１０に記載のレーザシステム。
12. 各入力レーザビームが、（ｉ）前記複数のレーザ共振器のうちの１つの共振器から第１の反射面まで延びる第１の距離、（ｉｉ）該第１の反射面から第２の反射面まで延びる第２の距離、（ｉｉｉ）該第２の反射面から前記ガルバノメータの前記反射面まで延びる第３の距離、及び（ｉｖ）該ガルバノメータの該湾曲反射面から光ファイバまで延びる第４の距離を含むビーム経路に沿って放出され、
    前記第１及び第２の曲率半径は、前記第１、第２、第３、及び第４の距離に応じて寸法決めされている、請求項１１に記載のレーザシステム。
13. 前記第１の距離は、前記第２の距離に略等しく、前記第３の距離は、該第１、第２、及び第３の距離の合計よりも大きい、請求項１２に記載のレーザシステム。
14. レーザシステムであって、
    湾曲出力面を通して入力レーザビームを放出するように各共振器が作動可能である複数のレーザ共振器と、
    各入力レーザビームを向け直し、かつ該向け直したビームのビームサイズを低減する少なくとも１つの湾曲反射面を含む中継アセンブリと、
    各向け直したビームを受光し、かつ各入力レーザビームの電力レベルよりも高い電力レベルで結合レーザビームを出力する平坦反射面を含むガルバノメータと、
    前記結合レーザビームを光ファイバの中に向けるカプリングアセンブリと、
    を含み、
    前記結合レーザビームは、前記光ファイバの最小ビームパラメータ積よりも低い最大ビームパラメータ積を有する、レーザシステム。
15. 前記カプリングアセンブリ上の前記結合レーザビームのビームサイズを低減する球面中継レンズを更に含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のレーザシステム。

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