JP2022508765A - 階段状スロー軸コリメータを有するレーザシステム - Google Patents

Abstract

様々な実施の形態において、レーザシステムの非波長合成寸法におけるポインティングエラーは、階段状コリメーションレンズによって、少なくとも部分的に低減される。

Description

（関連出願）
本出願は、２０１８年１０月１５日に出願された、米国仮特許出願第６２／７４５，６２３号に基づく利益及び優先権を主張し、その開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

様々な実施の形態において、本発明はレーザシステムに関し、特に、スロー軸コリメータの特定の配置を有するレーザシステムに関する。

高出力レーザシステムは、溶接、切削、穴あけ加工及び材料加工等、異なる複数の用途に使用されている。このようなレーザシステムは、一般的に、レーザ発振器と、加工される工作物上にレーザ光を集光させる光学システムとを含む。レーザ発振器からのレーザ光は光ファイバ（または、単に「ファイバ」）に結合される。レーザシステムのための光学システムは、通常、最高品質のレーザビーム、または同等に、最低ビームパラメータ積（ＢＰＰ）を有するビームを発生させるように設計される。ＢＰＰは、レーザビームの発散角（半角）と最も狭い点におけるビームの半径（即ち、ビームウェイスト、最小スポット径）との積である。即ち、Ｄが焦点（ウェイスト）直径であり、ＮＡが開口数であると、ＢＰＰ＝ＮＡ×Ｄ／２であり、よって、ＮＡ及び／またはＤを変化することによってＢＰＰを変化することができる。ＢＰＰはレーザビームの品質、及びどの程度小さいスポットに集光できるかを定量化し、一般的にミリメートル－ミリラジアン（ｍｍ－ｍｒａｄ）の単位で表記される。ガウスビームは、レーザ光の波長をπ（pi）で割ることで得られる、取り得る最も低いＢＰＰを有する。同じ波長における理想的なガウスビームに対する実際のビームのＢＰＰの比はＭ^２と示され、波長から独立したビーム品質の基準である。

波長合成技術（ＷＢＣ）は、レーザダイオード、レーザダイオードバー、ダイオードバーのスタック、または１または２次元アレーに配置された他のレーザからの出力パワー及び輝度を調節するための技術である。発振器の１または両方の次元のアレーに沿ってビームを合成するＷＢＣ方法が開発された。一般的なＷＢＣシステムは、マルチ波長ビームを形成する分散要素を用いて合成される１つまたは複数のダイオードバー等、複数の発振器を含む。ＷＢＣシステム内の各発振器は個別に共振し、ビーム合成の次元に沿って分散要素によりフィルタされる、共通の部分反射型出力カプラからの波長特性を有するフィードバックを通じて安定化される。例示的なＷＢＣシステムは、２０００年２月４日に出願された、米国特許第６，１９２，０６２号と、１９９８年９月８日に出願された、米国特許第６，２０８，６７９号と、２０１１年８月２５日に出願された、米国特許第８，６７０，１８０号と、２０１１年３月７日に出願された、米国特許第８，５５９，１０７号と、において説明され、各出願の開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

様々なＷＢＣレーザシステムは、ＷＢＣ次元と呼ばれる単一の方向または次元に沿って、ビーム発振器に発振されるビームを合成する。よって、ＷＢＣシステムまたは「共振器」は、多くの場合、ＷＢＣ次元における同一平面に位置する様々な要素を特徴とする。上述の文献に開示されるように、ＷＢＣレーザシステムは、多くの場合、ダイオードバーまたは他のマルチビーム発振器を特徴とし、そこからの出力は単一の出力ビームに合成される。省スペース化及び効率のため、各ダイオードバーは、ファスト軸（fast-axis）コリメータと、ビーム伝播方向に対して直交する平面において、ビームのファスト軸及びスロー（slow）軸を９０°回転させる光学ローテータ（または「光学ツイスタ（optical twister）」）とに合成してもよい。このようなＷＢＣシステムにおいて、ビームのスロー軸は、非ＷＢＣ次元または光学ローテータの光学的下流側の方向にある。よって、単一ダイオードバーの発振器は、単一のスロー軸コリメーションレンズ（または「スロー軸コリメータ」）によって、スロー軸において全てコリメートされてもよい。

加えて、ＷＢＣ共振器の効率を最大化するためには、ＷＢＣシステムにおける拡散要素は、通常、ＷＢＣ次元におけるリトロー（Littrow）角で構成される。拡散要素からの第１次反射が発振器まで戻るように伝播することを抑制するためには、拡散要素は非ＷＢＣ方向に（即ち、スロー軸に沿って）傾斜されてもよい。しかしながら、拡散要素の傾斜は、拡散要素上に入射する異なるビームにおける異なる複合（compound）角度をもたらし、よって、異なる発振器によって発振されるビームにおいて、拡散要素の光学的下流側のスロー軸のポインティングエラー（pointing error）を誘発する。よって、ポインティングエラーを抑制し、よってシステムの効率を向上する改善されたＷＢＣシステム設計が求められている。

本発明の実施の形態によるシステム及び技術は、例えば、ＷＢＣシステムの非ＷＢＣ方向または寸法における拡散要素の傾斜によって誘発されるポインティングエラー（例えば、スロー軸ポインティングエラー）を補填する。非ＷＢＣ次元は、ビームが合成されるＷＢＣ次元とは異なり、様々な実施の形態において、略直交する。様々な実施の形態において、このようなポインティングエラーは、個別のインターリービング（interleaving）ミラーの操作によって、拡散要素においてビームスミア（smear）に変換される。本発明の実施の形態は、「階段状（staircased）」の、即ち、互いに対して、高さ及び／または位置（例えば、縦方向の位置）において異なるスロー軸コリメーション（ＳＡＣ）レンズのアレーを用いて、ビームスミアを低減または実質的に排除する。各ＳＡＣレンズは、ダイオードバーまたは他の発振器に関連しており、全ての発振器からのビームは、光学的下流側において、マルチ波長ビームに合成される。

本発明の実施の形態において、ビーム発振器（または、単に「発振器」）は、ダイオードレーザ、ファイバレーザ、ファイバピグテール（fiber-pigtailed）ダイオードレーザ等を含んでもよく、それから本質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよく、及び、個別に、または１若しくは２次元のアレーとしてグループでパッケージ化されてもよい。様々な実施の形態において、発振器または発振器アレーは、各バーが複数の（例えば、数十の）発振器を有する高出力ダイオードバーである。発振器は、発振器のコリメーション及びビーム成形のためにそこに取り付けられたマイクロレンズを有してもよい。変換光学系は、通常共焦点であり、発振器と拡散要素（例えば、回折格子）との間に配置され、異なる発振器からの個別のビームをコリメートし、特にＷＢＣ次元において（即ち、ビームが合成される次元または方向において）、格子の中央に向かってビームの全ての主光線を収束させる。拡散要素に回折されたメインビームは、部分反射型出力カプラに伝播し、出力カプラは、個別の発振器にフィードバックを提供し、拡散要素によって個別の発振器の波長を規定する。即ち、カプラは、様々なビームを個別の発振器へ反射して戻し、よって、外部のレーザキャビティを形成し、合成されたマルチ波長ビームを溶接、切断、加工、処理等の用途のために、及び／または１つまたは複数の光ファイバ内に結合するために伝播する。

本発明の様々な実施の形態は、２０１５年２月２６日に出願された、米国特許出願第１４／６３２，２８３号、及び２０１６年６月２１日に出願された、米国特許出願第１５／１８８，０７６号に記載されるように、出力レーザビームのＢＰＰを変化する技術を特徴とするレーザシステムにおいて使用されてもよく、それらの開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。本発明の実施の形態によるレーザシステムは、２０１９年５月２１日に出願された、米国特許出願第１６／４１７，８６１号に記載されるように、パワー及び／またはスペクトラム監視機能を含んでもよく、その開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。本発明の実施の形態は、２０１９年１月２８日に出願された、米国仮特許出願第６２／７９７，４３８号に記載されるように、位置合わせ技術及びシステムを含んでもよく、その開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

本明細書にて、「光学要素」は、特に記載がない限り、電磁気放射を方向転換させる、反射させる、曲げる、または他のいずれかの方法で光学的に操作する、レンズ、鏡、プリズム、回折格子等のいずれかを指してもよい。本明細書にて、ビーム発振器、発振器、またはレーザ発振器、またはレーザは、電磁気ビームを発生させるが、自己共鳴するまたはしない半導体要素等のいずれかの電磁気ビーム発振器装置を含む。これらは、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非個体レーザ等を含む。一般的に、各発振器は、背面反射面、少なくとも１つの光学利得媒体、及び正面反射面を含む。光学利得媒体は、電磁気放射の振幅を増加させる。電磁気放射は、電磁気スペクトラムのいずれかの特定部分に限定されておらず、可視光、赤外線及び／または紫外線であってもよい。発振器は、複数のビームを照射するように構成されたダイオードバー等、実質的に複数のビーム発振器を含んでもよくまたはそれからなってもよい。本明細書における実施の形態において受ける入力ビームは、単一波長、または先行技術において知られている様々な技術を用いて結合されるマルチ波長ビームであってもよい。

本明細書にて、回折格子が例示的な拡散要素として使用されるが、本発明の実施の形態は、例えば、拡散プリズム、透過格子、またはエシェル（Echelle）格子等の他の拡散要素を使用してもよい。本発明の実施の形態は、２０１７年１月１９日に出願された米国特許出願第１５／４１０，２７７号に記載されるように、１つまたは複数の回折格子に加えて、１つまたは複数のプリズムを使用してもよく、その開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明の実施の形態は、マルチ波長出力ビームを光ファイバに結合する。様々な実施の形態において、光ファイバは、単一のコアを囲む複数のクラッド層、１つのクラッド層内に複数の離散的なコア領域（または「コア」）、または複数のクラッド層に囲まれた複数のコアを有する。様々な実施の形態において、出力ビームは、切削、溶接等の用途のために、工作物に導かれてもよい。

後述の一般的な説明において説明されるようなレーザダイオードのアレー、バー及び／またはスタックは、本明細書にて説明される革新の実施の形態と関連して使用されてもよい。レーザダイオードは、個別にまたはグループ、一般的に１次元列／アレー（ダイオードバー）または２次元アレー（ダイオードバースタック）でパッケージ化されてもよい。ダイオードアレースタックは、一般的にダイオードバーの縦方向のスタックである。レーザダイオードバーまたはアレーは、一般的に、同等な単一のブロードエリア型ダイオードより、実質的に高いパワー及びコスト効率を達成する。高出力ダイオードバーは、一般的に、ブロードエリア型発振器のアレーを収容し、比較的低いビーム品質で数十ワットを発生させる。高いパワーに係らず、その輝度は、ブロードエリア型レーザダイオードよりも低いことが多い。数百または数千ワットの非常に高いパワーの発生のため、高出力スタックダイオードバーを生成するため、高出力ダイオードバーは重ねられてもよい。レーザダイオードアレーは、ビームを自由空間内またはファイバ内に照射するために構成されてもよい。ファイバ結合ダイオードレーザアレーは、ファイバレーザ及びファイバ増幅器のためのポンピングソースとして、便宜的に使用されてもよい。

ダイオードレーザバーは、半導体レーザの種類であり、ブロードエリア型発振器の１次元アレーを含む、または、代替的に、例えば、１０－２０個の細いストライプ発振器を含むサブアレーを含む。ブロードエリア型ダイオードバーは、一般的に、例えば、１９－４９個の発振器を含み、それぞれ、例えば、１μｍ×１００μｍの桁の寸法を有する。１μｍの寸法に沿ったビーム品質、またはファスト軸（fast-axis）は、一般的に、回折限界を有する。１００μｍの寸法に沿ったビーム品質、またはスロー軸（slow-axis）は、一般的に、複数回の回折限界を有する。一般的に、商業的用途のためのダイオードバーは、１から４ｍｍの桁のレーザ共振器長さを有し、幅方向に約１０ｍｍであり、数十ワットの出力パワーを発生させる。多くのダイオードバーは７８０から１０７０ｎｍの波長範囲内で操作され、８０８ｎｍの波長（ポンピングされたネオジムレーザ）および９４０ｎｍ（ポンピングされたＹｂ：ＹＡＧ）が最も顕著である。９１５－９７６ｎｍの波長範囲は、エルビウムドープ、イッテルビウムドープの高出力ファイバレーザと増幅器のポンピングに使用される。

ダイオードスタックは、単に、非常に高い出力パワーを照射できる複数のダイオードバーの配置である。ダイオードレーザスタック、マルチバーモジュール、または２次元レーザアレーとも呼ばれ、最も一般的なダイオードスタック配置は、縦方向のスタックであり、効果的なエッジ発振器の２次元アレーである。このようなスタックは、薄いヒートシンクにダイオードバーを取り付け、ダイオードバーとヒートシンクとの周期的なアレーを得るように、このアセンブリをスタックすることで形成されてもよい。横方向のダイオードスタック及び２次元スタックもある。高いビーム品質のためには、ダイオードバーは一般的に可能な限り互いに近くあるべきである。他方で、効果的な冷却のためには、バーの間に取り付けられたヒートシンクにおいて、ある最低厚みが必要である。このダイオードバーの間隔のトレードオフは、縦方向のダイオードスタックのビーム品質（及び、したがって、その輝度）が、単一のダイオードバーのものより非常に低いことをもたらす。しかしながら、例えば、異なるダイオードスタックの出力の空間的インターリービング（interleaving）すること、偏光結合すること、または波長の多重化（multiplexing）すること等、この問題を大幅に改善するいくつかの方法がある。高出力ビームシェーパーの様々な種類及び関連した装置は、このような目的のために開発されている。ダイオードスタックは極めて高い出力パワー（例えば、数百または数千ワット）を提供してもよい。

本発明の実施の形態に基づいて形成された出力ビームは、工作物を加工するために使用されてもよく、よって、単に表面を光でプローブ（probe）する光学技術（例えば、反射率測定）とは対照的に、工作物の表面は物理的に変更され、及び／または表面上または表面内にある特徴が形成される。本発明の実施の形態に基づいた例示的加工は、切断、溶接、穴あけ加工、及びはんだ付けを含む。本発明の様々な実施の形態は、レーザビームからの照射で工作物の表面の全体または実質的に全体を照らさず、１つまたは複数の点において、または１次元的直線または曲線の加工パスに沿って、工作物を加工してもよい。このような１次元のパスは、複数のセグメントによって構成されてもよく、それぞれは直線または曲線であってもよい。

本発明の実施の形態は、異なる種類の加工技術または異なる種類の加工される材料のために性能を向上または最適化するように、ビーム形状及び／またはＢＰＰを変更させてもよい。本発明の実施の形態は、２０１５年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／６３２，２８３号、２０１５年６月２３日に出願された米国特許出願第１４／７４７，０７３号、２０１５年９月１４日に出願された米国特許出願第１４／８５２，９３９号、２０１６年６月２１日に出願された米国特許出願第１５／１８８，０７６号、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号、及び２０１７年７月１４日に出願された米国特許出願第１５／６４９，８４１号に記載される、ＢＰＰ及び／またはレーザビーム形状を変更させる様々な方法を用いてもよい。それぞれの開示の全体は、本明細書にて参照することによって組み込まれる。

ある態様において、本発明の実施の形態は、レーザシステムを特徴として、レーザシステムは、それぞれ１つまたは複数のビームを発振する複数のビーム発振器と、拡散要素と、複数のコリメータと、複数のインターリービングミラーと、部分反射型出力カプラと、を含み、それから本質的に構成され、またはそれから構成される。拡散要素は、ビームを受けて、ビームを、波長合成（ＷＢＣ）次元において、マルチ波長ビームに合成する。複数のコリメータは、ビーム発振器の光学的下流側及び拡散要素の光学的上流側に配置される。各コリメータは、ビーム発振器から１つまたは複数のビームを受け、１つまたは複数のビームを非ＷＢＣ次元においてコリメートする。複数のインターリービングミラーは、ビーム発振器の光学的下流側、及び拡散要素の光学的上流側に配置されてもよい。複数のインターリービングミラーは、複数のコリメータの光学的下流側に配置されてもよい。複数のコリメータは、複数のインターリービングミラーの光学的下流側に配置されてもよい。各インターリービングミラーは、ビーム発振器から拡散要素に向かう１つまたは複数のビームを反射する。部分反射型出力カプラは、拡散要素からマルチ波長ビームを受けて、出力ビームとしてマルチ波長ビームの第１部分を透過させ、拡散要素に向かってマルチ波長ビームの第２部分を反射して戻す。拡散要素は、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜され、よって、拡散要素からのビームの第１次反射は、ビーム発振器から離れる方向に向けられ、マルチ波長ビームにポインティングエラーをもたらす。マルチ波長ビームのポインティングエラーを減少させるように、１つまたは複数のインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜され、拡散要素で、非ＷＢＣ次元においてビームスミアをもたらす。２つ以上のコリメータの光軸は、非ＷＢＣ次元において、互いに対して変位しており、傾斜されたインターリービングミラーによるビームスミアは低減される。

本発明の実施の形態は、後続の１つまたは複数のことをいずれかの組み合わせの種類において含んでもよい。非ＷＢＣ次元は、ビームのスロー軸及び／またはビーム発振器のスロー軸に対応してもよい。非ＷＢＣ次元は、ビームのファスト軸及び／またはビーム発振器のファスト軸に対応してもよい。拡散要素は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含んでもよく、それから本質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい。少なくとも１つのビーム発振器は、複数の離散的ビームを発振させるように構成されたダイオードバーまたは他の発振器を含んでもよく、それから本質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい。第１ビーム発振器において、（ｉ）非ＷＢＣ次元における拡散要素の傾斜は、第１角度を有するポインティングエラーをもたらしてもよく、及び（ｉｉ）第１ビーム発振器に関連したインターリービングミラーは、第２角度で、非ＷＢＣ次元において傾斜されてもよい。第２角度は、第１角度と略同じであってもよい。

インターリービングミラーの全ては、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜されてもよい。インターリービングミラーの非ゼロ傾斜角度の２つ以上、または全ては、互いに異なってもよい。少なくとも２つのインターリービングミラーは、異なる角度で、非ＷＢＣ次元において、傾斜されてもよい。１つを除く全てのインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜されてもよい。中央ビーム発振器に関連するインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜されなくてもよい（即ち、中央ビーム発振器に関連するインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、略ゼロの角度において（例えば、入射ビームに直交して）配置されてもよい）。２つ以上のインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜されなくてもよい。第２コリメータ及び／または１つまたは複数のビームを略９０°回転させる光学ローテータは、各ビーム発振器に関連してもよい。各コリメータは、スロー軸コリメータであって、及び／または各第２コリメータはファスト軸コリメータであってもよい。各コリメータは、ファスト軸コリメータであって、及び／または各第２コリメータはスロー軸コリメータであってもよい。複数のインターリービングミラーは、複数のコリメータの光学的下流側に配置されてもよい。各コリメータと拡散要素との間の光学距離は、略同じであってもよい。２つ以上のコリメータの高さは異なってもよい。２つ以上のコリメータの高さは略同じであってもよい。全てのコリメータの高さは略同じであってもよい。レーザシステムは１つまたは複数の折り畳み（folding）ミラーを含んでもよい。１つまたは複数の折り返しミラーは、拡散要素の光学的下流側に、及び出力カプラの光学的上流側に配置されてもよい。

他の態様において、本発明の実施の形態は、レーザシステムを特徴として、レーザシステムは、それぞれ１つまたは複数のビームを発振する複数のビーム発振器と、拡散要素と、複数のコリメータと、部分反射型出力カプラと、を含み、それから本質的に構成され、またはそれから構成される。拡散要素は、ビームを受けて、ビームを、波長合成（ＷＢＣ）次元において、マルチ波長ビームに合成する。複数のコリメータは、ビーム発振器の光学的下流側及び拡散要素の光学的上流側に配置される。各コリメータは、ビーム発振器から１つまたは複数のビームを受け、１つまたは複数のビームを非ＷＢＣ次元においてコリメートする。部分反射型出力カプラは、拡散要素からマルチ波長ビームを受けて、出力ビームとしてマルチ波長ビームの第１部分を透過させ、拡散要素に向かってマルチ波長ビームの第２部分を反射して戻す。拡散要素は、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜され、よって、拡散要素からのビームの第１次反射は、ビーム発振器から離れる方向に向けられ、マルチ波長ビームにポインティングエラーをもたらす。２つ以上のコリメータの光軸は、非ＷＢＣ次元において、互いに対して変位しており、傾斜された拡散要素によるポインティングエラーは低減される。

本発明の実施の形態は、後続の１つまたは複数のことをいずれかの組み合わせの種類において含んでもよい。非ＷＢＣ次元は、ビームのスロー軸及び／またはビーム発振器のスロー軸に対応してもよい。非ＷＢＣ次元は、ビームのファスト軸及び／またはビーム発振器のファスト軸に対応してもよい。拡散要素は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含んでもよく、それから本質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい。少なくとも１つのビーム発振器は、複数の離散的ビームを発振させるように構成されたダイオードバーまたは他の発振器を含んでもよく、それから本質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい。ＷＢＣ次元コリメータは、拡散要素で、非ＷＢＣ次元においてビームスミアをもたらしてもよい。第２コリメータ及び／または１つまたは複数のビームを略９０°回転させる光学ローテータは、各ビーム発振器に関連してもよい。各コリメータは、スロー軸コリメータであって、及び／または各第２コリメータはファスト軸コリメータであってもよい。各コリメータは、ファスト軸コリメータであって、及び／または各第２コリメータはスロー軸コリメータであってもよい。各コリメータと拡散要素との間の光学距離は、略同じであってもよい。２つ以上のコリメータの高さは異なってもよい。２つ以上のコリメータの高さは略同じであってもよい。全てのコリメータの高さは略同じであってもよい。レーザシステムは１つまたは複数の折り畳み（folding）ミラーを含んでもよい。１つまたは複数の折り返しミラーは、拡散要素の光学的下流側に、及び出力カプラの光学的上流側に配置されてもよい。

さらに他の態様において、本発明の実施の形態は、レーザシステムを位置合わせする方法を特徴とする。レーザシステムは、（ｉ）１つまたは複数のビームを発振するようにそれぞれ構成された複数のビーム発振器と、（ｉｉ）ビームを受けて、ビームを、波長合成（ＷＢＣ）次元において、マルチ波長ビームに合成する拡散要素と、（ｉｉｉ）拡散要素からマルチ波長ビームを受けて、出力ビームとしてマルチ波長ビームの第１部分を透過させ、拡散要素に向かってマルチ波長ビームの第２部分を反射して戻す、部分反射型出力カプラと、を含み、それから本質的に構成され、またはそれから構成される。複数のビーム発振器によって発振されるビームは、拡散要素でマルチ波長ビームに合成される。ポインティングエラーは、非ＷＢＣ次元において、マルチ波長ビームに発生する。ビームスミアは、マルチ波長ビームのポインティングエラーを減少させるように、非ＷＢＣ次元において、拡散要素で発生する。マルチ波長ビームのポインティングエラーが増加せずに、ビームスミアが減少する。

本発明の実施の形態は、後続の１つまたは複数のことをいずれかの組み合わせの種類において含んでもよい。非ＷＢＣ次元において、拡散要素を非ゼロ角度で傾斜することによって、ポインティングエラーがマルチ波長ビームに発生してもよい。非ＷＢＣ次元において、１つまたは複数のインターリーバ（interleaver）ミラーを非ゼロ角度で傾斜することによって、ビームスミアが発生してもよい。１つまたは複数のインターリーバミラーは、複数のビーム発振器の光学的下流側、及び拡散要素の光学的上流側に配置されてもよい。２つ以上のコリメータの光軸が、非ＷＢＣ次元において、互いに対して変位することによって、ビームスミアが低減されてもよい。２つ以上のコリメータは、ビーム発振器の光学的下流側及び拡散要素の光学的上流側に配置される。２つ以上のコリメータは、スロー軸コリメータであってもよい。２つ以上のコリメータは、ファスト軸コリメータであってもよい。非ＷＢＣ次元は、ビームのスロー軸及び／またはビーム発振器のスロー軸に対応してもよい。非ＷＢＣ次元は、ビームのファスト軸及び／またはビーム発振器のファスト軸に対応してもよい。ビームは、ビームをマルチ波長ビームに合成する前、略９０度回転してもよい。ビームは、ＷＢＣ次元及び／または非ＷＢＣ次元においてコリメートされてもよい。

他の態様において、本発明の実施の形態は、レーザシステムを位置合わせする方法を特徴とする。レーザシステムは、（ｉ）１つまたは複数のビームを発振するようにそれぞれ構成された複数のビーム発振器と、（ｉｉ）ビームを受けて、ビームを、波長合成（ＷＢＣ）次元において、マルチ波長ビームに合成する拡散要素と、（ｉｉｉ）拡散要素からマルチ波長ビームを受けて、出力ビームとしてマルチ波長ビームの第１部分を透過させ、拡散要素に向かってマルチ波長ビームの第２部分を反射して戻す、部分反射型出力カプラと、を含み、それから本質的に構成され、またはそれから構成される。複数のビーム発振器によって発振されるビームは、拡散要素でマルチ波長ビームに合成される。拡散要素からの第１次反射が、複数のビーム発振器に戻るように伝播することが抑制される。マルチ波長ビームのポインティングエラーは減少する。

本発明の実施の形態は、後続の１つまたは複数のことをいずれかの組み合わせの種類において含んでもよい。拡散要素からの第１次反射が、複数のビーム発振器に戻るように伝播することを抑制することは、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で拡散要素を傾斜することを含んでもよく、それから本質的に構成されてもよく、それから構成されてもよい。２つ以上のコリメータの光軸を、非ＷＢＣ次元において、互いに対して変位することによって、ポインティングエラーは低減されてもよい。２つ以上のコリメータは、ビーム発振器の光学的下流側及び拡散要素の光学的上流側に配置される。２つ以上のコリメータは、スロー軸コリメータであってもよい。２つ以上のコリメータは、ファスト軸コリメータであってもよい。非ＷＢＣ次元は、ビームのスロー軸及び／またはビーム発振器のスロー軸に対応してもよい。非ＷＢＣ次元は、ビームのファスト軸及び／またはビーム発振器のファスト軸に対応してもよい。ビームは、ビームをマルチ波長ビームに合成する前、略９０度回転してもよい。ビームは、ＷＢＣ次元及び／または非ＷＢＣ次元においてコリメートされてもよい。

これら及び他の目的は、本明細書にて開示される本発明の利点及び特徴とともに、後続の説明、添付の図面及び請求項の参照によって、より明確になる。さらに、本明細書にて説明される様々な実施の形態の特徴は、相互に排他的でなく、様々な組み合わせ及び順列として存在してもよいと理解されよう。本明細書にて使用されるように、用語「実質的に」は、±１０％を意味し、ある実施の形態では±５％を意味する。用語「実質的に構成する」は、本明細書にて特に定義されない限り、機能に貢献する他の材料を排除することを意味する。しかしながら、このような他の材料は、併せてまたは個別に、微量で存在してもよい。本明細書にて、用語「放射線」及び「光」は、特に断りのない限り、置換可能に使用されている。本明細書にて、「下流」または「光学的に下流」は、光ビームが第１要素に当たった後に当たる第２要素の相対的位置を示すように使用され、第１要素は第２要素に対して「上流」または「光学的に上流」である。本明細書にて、２つの要素の間の「光学的距離」は光ビームが実際に移動する２つの要素の間の距離であり、光学的距離は、２つの要素の間の物理的距離であってもよいが、例えば、ミラーからの反射、または１つの要素から他の要素に移動する光が経験する伝播方向における他の変更によって、必ずしもそうでない。本明細書にて使用される距離は、特に特定されない限り、「光学距離」として考慮されてもよい。

図面において、類似の参照記号は、一般的に、異なる図面を通じて同一の部品を示す。さらに、図面は必ずしも縮尺があっているものでなく、一般的に、本発明の原理を示すことが強調されている。後続の説明において、本発明の様々な実施の形態は、後続の図面に対する参照と共に説明される。

本発明の実施の形態による波長合成技術（ＷＢＣ）共振器の概略図 本発明の実施の形態によるＷＢＣ次元における拡散要素及び様々なビームの概略図 本発明の実施の形態による非ＷＢＣ次元における拡散要素及び様々なビームの概略図 本発明の実施の形態による非ＷＢＣ次元における拡散要素及び様々なビームの概略図 本発明の実施の形態による非ＷＢＣ次元における拡散要素及び様々なビームの概略図 本発明の実施の形態による拡散要素の傾斜によって誘発される非ＷＢＣ次元におけるビームのポインティングエラーのグラフ 本発明の実施の形態によって、図３Ａに示すポインティングエラーが略ゼロまで減少されたときの、拡散要素におけるビームスミアのグラフ 本発明の実施の形態によって、図３Ｂのビームスミアを略ゼロまで減少させるように用いられるレンズ配置のグラフ 図４に示す曲線に基づいて、本発明の実施の形態による２つの異なる配置のレンズの相対的変位のグラフ 本発明の実施の形態によって、図５Ａに示すレンズ配置によって生じる残留ビームスミアのグラフ 本発明の実施の形態によって、図５Ａに示すレンズ変位の配置の１つにおける中央発振器に対するダイオードバーの左及び右エッジ発振器のビームスミアにおけるシミュレートされた差のグラフ 本発明の実施の形態によって、図５Ａに示すレンズ変位の配置の１つにおける中央発振器に対するダイオードバーの左及び右エッジ発振器のポインティングエラーにおけるシミュレートされた差のグラフ 本発明の実施の形態によって、図２Ａに示す実施の形態による非ＷＢＣ方向におけるＷＢＣ共振器の概略図 本発明の実施の形態によって、図２Ｂに示す実施の形態による非ＷＢＣ方向におけるＷＢＣ共振器の概略図 本発明の実施の形態によって、図２Ｃに示す実施の形態による非ＷＢＣ方向におけるＷＢＣ共振器の概略図 本発明の実施の形態によって、図２Ｄに示す実施の形態による非ＷＢＣ方向におけるＷＢＣ共振器の概略図 本発明の実施の形態によって、図７Ｃに示すように傾斜された例示的インターリービングミラーの透視図

図１は、図示された実施の形態において、９つの異なるダイオードバー（本明細書にて、「ダイオードバー」は、任意のマルチビーム発振器、即ち、単一のパッケージから複数のビームが発振される発振器を示す）から発振されるビームを合成するＷＢＣ共振器１００の様々な要素を概略的に示す。本発明の実施の形態は、９つより少ないまたは多くの発振と共に用いられてもよい。本発明の実施の形態によると、各発振器は単一のビームを発振してもよく、または各発振器は複数のビームを発振してもよい。図１のビューはＷＢＣ次元、即ち、バーからのビームが合成される次元に沿っている。例示的共振器１００は、９つのダイオードバー１０５を特徴として、各ダイオードバー１０５は、ＷＢＣ次元に沿った発振器のアレー（例えば、１次元アレー）を含み、それから本質的に構成され、またはそれから構成される。ダイオードバー１０５の各発振器は、１つの方向（ＷＢＣ次元に対して縦方向に配置された「ファスト軸」として知られている）においてより大きい発散、及び垂直方向（ＷＢＣ次元に沿った「スロー軸」として知られている）においてより小さい発散を有する非対称的なビームを発振する。

様々な実施の形態において、各ダイオードバー１０５は、ファスト軸コリメータ（ＦＡＣ）／光学ツイスタマイクロレンズアセンブリに関連している（例えば、取り付けられまたは他の方法で光学的に結合される）。ファスト軸コリメータ（ＦＡＣ）／光学ツイスタマイクロレンズアセンブリは、ビームのファスト軸及びスロー軸を９０°回転させつつ、発振されるビームのファスト軸をコリメートし、よって、発振される各ビームのスロー軸は、マイクロレンズアセンブリの下流のＷＢＣ次元に直交する。マイクロレンズアセンブリは、拡散要素１１０に向かって各ダイオードバー１０５からの発振器の主光線を収束させる。適切なマイクロレンズアセンブリは、２０１１年３月７日に出願された、米国特許第８，５５３，３２７号と、２０１５年６月８日に出願された、米国特許第９，７４６，６７９号とにおいて説明され、それぞれの開示の全体は、本明細書にて参照することによって組み込まれる。

本明細書にて示す本発明の実施の形態は、ＦＡＣレンズ及び光学ツイスタ（例えば、マイクロレンズアセンブリ）の両方を、各ビーム発振器及び／または発振されるビームと関連し、よってＳＡＣレンズ（後述する）は、非ＷＢＣ次元においてビームに影響を与える。他の実施の形態において、発振されるビームは回転せず、ＦＡＣレンズは非ＷＢＣ次元におけるポインティングエラーを変更するために使用されてもよい。したがって、本明細書にて、ＳＡＣレンズとは、通常、非ＷＢＣ次元においてパワーを有するレンズを示し、このようなレンズは、様々な実施の形態において、ＦＡＣレンズを含んでもよい、と理解されよう。よって、様々な実施の形態において、例えば、発振されるビームが回転されない実施の形態、及び／またはビームのファスト軸が非ＷＢＣ次元にある実施の形態において、ＦＡＣレンズは、本明細書にて説明するように、ＳＡＣレンズとして使用されてもよい（即ち、階段状にしてもよい）。

図１に示すように、共振器１００も、ＳＡＣレンズ１１５のセットを特徴として、１つのＳＡＣレンズ１１５は、１つのダイオードバー１０５に関連して、そこからビームを受ける。各ＳＡＣレンズ１１５は、単一のダイオードバー１０５から発振されるビームのスロー軸をコリメートする。ＳＡＣレンズ１１５によるスロー軸におけるコリメーションのあと、ビームは、拡散要素１１０に向かってビーム１２５を方向転換させるインターリービングミラー１２０のセットに伝播する。インターリービングミラー１２０の配置は、ダイオードバー１０５の間の自由空間が減少または最小化することを可能にする。拡散要素１１０（例えば、図１に示す透過回折格子等の回折格子を含んでもよく、それから本質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい）の上流において、レンズ１３０は、ダイオードバー１０５からのサブビーム（即ち、主光線以外の発振される光線）をコリメートするために、選択的に使用されてもよい。様々な実施の形態において、レンズ１３０は、ダイオードバー１０５から、レンズ１３０の焦点距離と実質的に同等な光学距離において配置されてもよい。通常の実施の形態おいて、拡散要素１１０における主光線の重なりは、主に、レンズ１３０の集光能力でなく、インターリービングミラー１２０の方向転換によるものであることに留意する。

図１に示すように、レンズ１３５、１４０は、２０１３年３月１５日に出願された、米国特許第９，２５６，０７３号と、２０１５年６月２３日に出願された、米国特許第９，２６８，１４２号とに開示されるように、光学クロストーク（optical cross-talk）の促進のための光学テレスコープ（optical telescope）を形成し、それぞれの開示の全体は、本明細書にて参照することによって組み込まれる。共振器１００は、ビームの方向転換のための１つまたは複数の光学折り返しミラー１４５を含んでもよく、よって共振器１００は、より小さい物理的フットプリントに収容されてもよい。拡散要素１１０は、ダイオードバー１０５からのビームを、単一のマルチ波長ビーム１５０に合成して、マルチ波長ビーム１５０は、部分反射型出力カプラ１５５に伝播する。カプラ１５５は、ビームの一部を、共振器１００の出力ビームとして、透過させ、共に、ビームの他の部分を、拡散要素１１０、及び、各ビームの発振波長を安定させるためのフィードバックとして、そこからダイオードバー１０５に戻すように反射する。

様々な実施の形態において、拡散要素１１０は、リトロー角、即ち、少なくともＷＢＣ次元において、高い回折効率を得るために、回折角度が入射角度と同じになるように配向される。各ダイオードバー１０５の発振器が、ＷＢＣ次元において、少し空間的に分離されることが必要であるため、いずれかの単一の発振器からのビームは、他の発振器から発振される他のビームの入射角から少し異なる角度において、拡散要素１１０に入射される。即ち、通常、各ダイオードバーから、多くて１つの発振器は、リトロー角において拡散要素１１０に当たるビームを実際に発振し、他のビームは、リトロー角から少し異なる角度にある。図２Ａを参照すると、非リトロー角において、拡散要素１１０に入射するダイオードバー１０５からの様々なビームは、フィードバックにおいて、問題を起こす可能性がある。図２Ａは、ＷＢＣ次元において、中央ビーム２０５（例えば、ビームは発振器１０５の最も中央よりのビーム（または、偶数のビームを発振するビーム発振器において、その１つ））のために、リトロー角（θ）において構成される拡散要素２００を示す。ビーム２１０及びビーム２１５は、リトロー角と異なる角度で拡散要素２００に入射されるビーム（例えば、隣接するビーム、及び／または中央ビーム２０５から離されるビーム）である。線２２０は、拡散要素２００の垂線を示す。上述のように、拡散要素２００は、ビーム２０５、２１０、２１５を、出力カプラ（図２Ａには図示せず）に向かって伝播する単一の出力ビーム２２５に合成する。フィードバック２３０は、出力カプラに受けられ、拡散要素２００によって、それぞれ１つの発振器に戻るように伝播される個別の要素に分離される。例えば、フィードバック２３５は、ビーム２１５に関連する発振器に戻るように伝播するフィードバック成分である。

図２Ａは、拡散要素２００の第１次反射２４０を示し、示された例示では、ビーム２１５の発振器にも戻るように伝播する。第１次反射２４０は、望ましいフィードバックビーム２３５と競合し、よって、ビーム２１５の波長安定化における不安定さ、またはビーム２１５が間違った波長において安定化されることをもたらす。これは、ＷＢＣ共振器のパワーが不安定になる及び／または減少されることさえももたらす。（本発明の例示的な実施の形態は、本明細書にて、問題を有する、即ち、望ましいフィードバックビーム及び／または発振及び／またはパワーにおいて不安定さを形成する回折格子等の拡散要素からの第１次反射を特徴として説明される。しかしながら、本発明の実施の形態によって、本明細書にて説明される原理、技術、及びシステムは、問題を有するより高次元の反射（例えば、第２次反射、第３次反射、等）の場合にも適用されてもよい。）

望ましいフィードバック２３５の波長λ１と、拡散要素２００からの第１次反射の競合波長λ２とは、下記の式１及び式２によって特定されてもよい。

上記において、図２Ａに示すように、ｐは拡散要素２００の線密度（即ち、単位長さ当たりの線）であり、角度（θ＋Δθ）はビーム２１５の入射角である。これらの式１、式２は、図２Ａの例示的中央ビーム２０５のように、Δθ＝０でない限り、波長λ１と波長λ２とは常に異なることを示す。

拡散要素からの第１次反射から生じるフィードバックの競合を回避するため、本発明の実施の形態は、図２Ａにおいて方向２４５に示すように、非ＷＢＣ方向において拡散要素２００の少しの傾斜を含む。拡散要素２００が角度δで傾斜されると、第１次反射２４０は、矢印Ａに沿った図２Ｂのビューである図２Ｂに示すように、傾斜されていない拡散要素からのフィードバックに対して、角度２δにおいて伝播する。図２Ｂにおいて、非ＷＢＣ次元に沿って、入射ビーム２０５、２１０、２１５は重なり、破線２５０は、拡散要素２００の傾斜されていない配向を示す。（本発明の図示された実施の形態は、ＷＢＣ次元において、リトロー状態に配向される拡散要素について説明するが、必ずこの状態とは限らない。様々な実施の形態において、拡散要素は、ＷＢＣ次元において、非リトロー角で傾斜または配向されてもよく、本発明の実施の形態は、非ＷＢＣ方向における拡散要素の傾斜による問題を低減する。）

しかしながら、図２Ｂに示すように、拡散要素２００の傾斜は、非ＷＢＣ方向における回折ビーム２２５において拡散をもたらす可能性がある。拡散は、入射ビームと、傾斜された拡散要素２００の表面との間の小さい複合角度によって生じる。非ＷＢＣ方向におけるビームのこの拡散またはポインティングエラーは、不安定な波長安定化及び不安定なＷＢＣ共振器パワーをもたらす可能性がある。

図２Ｃに示すように、本発明の様々な実施の形態において、波長拡散（即ち、回折された）ビームのポインティングエラーは、拡散要素（即ち、図１のミラー１２０）に向かってビームを反射する個別のインターリービングミラーの調節を通じて、非ＷＢＣ方向における拡散要素での全体ビームスミアΔＳに変換されてもよい。ビームスミアは、非ＷＢＣ次元において、ビーム品質を（ΔＳ／Ｓ×１００）％で劣化させる。ここで、Ｓは非ＷＢＣ次元において、拡散要素でのビームサイズである。様々な実施の形態において、生じるビームスミアΔＳを最小化するように、ＳＡＣレンズ（例えば、図１のＳＡＣレンズ１１５）は、非ＷＢＣ方向、即ち、図１のスロー軸（紙面から出る方向）において、個別に調節（例えば、変換）されてもよい。（同様に、望ましい異なるレベルにおいて配置された中央光軸を有するＳＡＣレンズが使用されてもよい。即ち、ＳＡＣレンズは、異なる大きさを有してもよく、それぞれの中央光軸は階段（staircase）の望ましいレベルにおいて配置される。よって、ＳＡＣレンズの変位または調節の参照は、望ましいレベルまたは位置において光軸を有するＳＡＣレンズの使用と同等であると理解されよう。）図２Ｄは、インターリービングミラー１２０の傾斜の調節によって、ビームのポインティングエラーが最小化される最適化された場合を示し、生じるビームスミアは、非ＷＢＣ方向（例えば、図１の例示のスロー軸）においてＳＡＣレンズ１１５の変位によって、最小化される。

図３Ａ、図３Ｂ、図４、図５Ａ、及び図５Ｂは、本発明の実施の形態により、及び図１のＷＢＣ共振器１００に基づく、数値的例示の結果を示す。例示において、拡散要素１１０は、１０ｍｒａｄによってスロー軸において傾斜され、中央波長９７５ｎｍにおいてリトロー角で（ＷＢＣ次元において）構成され、拡散要素に対する他の入射角がリトロー角の±３°以内で構成される。例示において、各ＳＡＣレンズ１１５は、関連したダイオードバー１０５のビームのスロー軸をコリメートすることが仮定され、よって、拡散要素１１０において、スロー軸ビームの大きさは略３．５ｍｍであって、スロー軸の発散は略４ｍｒａｄである。

図３Ａは、図２Ｂに示す場合に対応する。図３Ａは、図１の共振器１００の拡散要素１１０の１０ｍｒａｄの傾斜によって誘発される非ＷＢＣ方向における様々なダイオードバー１２０からのビームのポインティングエラーのグラフである。図３Ｂは、図２Ｃに示す場合に対応する。図３Ｂは、図３Ａに示すポインティングエラーが様々なインターリービングミラー１２０の個別の調節によって略ゼロに減少された時における、拡散要素１１０でのビームスミアのグラフである。この例示において、中央ダイオードバー１０５（即ち、図１におけるダイオードバー＃５）は、略ゼロのポインティングエラーを有し、よって、そのダイオードバー１０５に関連するインターリービングミラー１２０（即ち、そのダイオードバー１０５からビームを受けるインターリービングミラー１２０）は、ポインティングエラーを補填するために傾斜される必要がないことに留意する。よって、本発明の実施の形態は、全てのインターリービングミラー１２０ではないが、１つまたは複数のインターリービングミラー１２０（例えば、１つ以外全てのインターリービングミラー１２０、例えば、ダイオードバー等の中央発振器に関連したインターリービングミラー１２０以外の全てのインターリービングミラー１２０）が、ポインティングエラーを補填するように傾斜されている実施の形態を含む。（本明細書にて、ダイオードバー等の「中央」発振器は、アレーまたは発振器のラインにおける発振器であり、略同数の発振器がそのいずれかの側方に配置される。例えば、中央発振器のいずれかの側方にある発振器の数は、互いと同じであってもよく、他の発振器において、中央発振器の一方の側方にある発振器の数は、中央発振器の他方の側方にある発振器の数より、１つ、２つ、または３つ以上多くてもよい。）非ＷＢＣ方向における略±０．４ｍｒａｄのポインティングエラー（図３Ａ）は、拡散要素におけるスロー軸発散の略２０％に対応し、ＷＢＣ共振器１００において、重大なパワー損失をもたらす可能性がある。ポインティングエラーの低減によるスミア（図３Ｂ）、即ち、略±０．４ｍｍのスロー軸における拡散要素でのビーム変位は、スロー軸におけるビーム品質を２０％以上劣化させる可能性がある。

本発明の様々な実施の形態において、非ＷＢＣ方向（例えば、スロー軸）におけるビームスミアは、スロー軸において、図１に示すＳＡＣレンズの個別の変位によって減少される。図４は、略ゼロに図３Ｂのビームスミアを減少させるために要求されるＳＡＣレンズ１１５の変位の（ＺＥＭＡＸシミュレーションによってモデルした）グラフである。様々なＳＡＣレンズ１１５は、略同じ大きさ及び形状であると仮定すると、個別のＳＡＣレンズの変位は、中央光軸のＳＡＣレンズの同量の変位に対応する。図４に示すように、ＳＡＣレンズ１１５は、（図１に示すように、ＷＢＣ次元における発振器１０５の間隔が略一定である実施の形態においても）ＳＡＣレンズ１１５に関連するダイオードバー１０５によって、それぞれ異なる量によって変位されてもよい。しかしながら、他の実施の形態において、ＳＡＣレンズ変位のこの「階段」は、１つまたは複数の他の近位なＳＡＣレンズと、非ＷＢＣ次元（例えば、スロー軸）において、略同じレベルに変位または配置される１つまたは複数のＳＡＣレンズを含んでもよい。このような配置は、エイペックスロール（apex roll）の誘発等の他の問題をもたらすことなく、限定された空間において高い信頼性のレンズ変換調節を実現することが困難であるかもしれないため、ＳＡＣレンズの周りにおける物理空間が限定された実施の形態において望ましくてもよい。

図５Ａは、図４に示す理想的な曲線に基づく、本発明の実施の形態による２つの配置（または「階段」）におけるＳＡＣレンズの相対的変位を示す。それぞれの実施の形態において、全体の高さ（即ち、変位における最大差）は、同じであり、略０．７ｍｍである。いずれかの実施の形態は、図４の理想的な曲線に完全に対応しないため、図５Ｂに示すように、スロー軸において残量ビームスミアがある。下記の表は、階段１と階段２と示した２つの場合におけるレンズ変位をまとめる。

示すように、階段１は、より少ない異なるレンズ変位を有する、即ち、残量スミアにおける増加に係らず、略同じ高さにおいて変位されるＳＡＣレンズを含む。対照的に、階段２は、それぞれのレンズにおいて、異なるレンズ変位を有し、図４の理想的な場合により近く対応し、より少ない残量スミアをもたらす。図５Ｂに示すように、２つ場合における残量スミアの全範囲は、それぞれ略０．０９ｍｍと０．０３ｍｍとであり、略２．６％と０．９％とのスロー軸のビーム品質劣化に対応する。本発明の実施の形態は、インターリービングミラーの傾斜調節によるスロー軸における残留ビームスミアを、略３ｍｍ未満、略２ｍｍ未満、略１ｍｍ未満、略０．５ｍｍ未満、略０．１ｍｍ未満、または略０．０５ｍｍ未満のレベルにまで減少させる。本発明の実施の形態は、インターリービングミラーの傾斜調節によるスロー軸ビーム劣化を、略１０％未満、略８％未満、略５％未満、略３％未満、略２％未満、または略１％未満のレベルにまで減少させる。

図５Ｂの残留スミアは、各ダイオードバー１０５の中央発振器のみの挙動を示すことに留意する。即ち、図５Ｂは、各ダイオードバー１０５が、単一のビームのみを発振する発振器に交換される例示に対応してもよい。しかしながら、様々な実施の形態において、各ダイオードバー１０５は、複数の発振器を有し、よって複数のビームを発振する。様々な実施の形態において、複数の発振器を含むダイオードバー１０５または他のビーム源は、例えば、８より多く、１０より多く、２０より多く、３０より多く、４０より多く、１０から５０の間、または１９から４６の間等、任意の数の発振器（及び対応するビーム）を有してもよい。上述のように、各バー上の非中央発振器からのビームは、拡散要素上の少し異なる入射角度によって、異なるポインティングエラー（及び結果として生じるビームスミア）を示してもよい。本発明の様々な実施の形態において、ＳＡＣレンズ及び各ダイオードバーのためのインターリービングミラーは、ダイオードバーの中央発振器に対して光学的に配置及び傾斜される。よって、各ダイオードバーの他の発振器に関連したポインティングエラー及びビームスミアを考慮することが望ましくてもよい。図６Ａ及び図６Ｂは、バーの中央発振器に対して各ダイオードバーの左及び右エッジ発振器におけるスミア及びポインティングエラーにおけるシミュレートされた差のグラフである。図５Ｂの階段１の使用によって生じる残留スミアは仮定される。シミュレーションにおいて、９．４ｍｍのバー幅（即ち、左及び右のエッジ発振器との間の距離）が使用される。示すように、中央発振器と比較したビームスミアにおける最大差は０．６μｍ以下であり、ポインティングエラーにおける最大差は０．０５ｍｒａｄ以下であり、両方とものＷＢＣ共振器１００の性能に対する影響は無視できる。

図７Ａから図７Ｄは、非ＷＢＣ方向における共振器１００の概略図であって、それぞれ図２Ａ－図２Ｄに関して説明される場合に対応する。それぞれの図７Ａ－図７Ｄは、単一のダイオードバー１０５と、ＳＡＣレンズ１１５と、ダイオードバー１０５、拡散要素１１０、及び出力カプラ１５５に関連したインターリービングミラー１２０とを含む。共振器１００の他の要素は、簡単のため省略されている。図７Ａにおいて、共振器ビーム１５０は、ダイオードバー１０５から出力カプラ１５５に伝播し、実線によって示される。図７Ａの場合において、拡散要素１１０が傾斜されていないため、共振器ビーム１５０は、出力カプラ１５５に直交する中心線７００と重なり、非ＷＢＣ次元におけるビーム第１次反射は、有害なことに、出力カプラ１５５からのフィードバックビームと干渉する（即ち、発振器に戻るように伝播することによって干渉する）可能性がある。インターリービングミラー１２０上の黒点は、共振器ビームがミラー１２０に当たり、拡散要素１１０に向かって反射される点を示す。

図７Ｂに示すように、拡散要素１１０が、角度δによって非ＷＢＣ方向（例えば、スロー軸）において傾斜されると、角度αを有するポインティングエラーが共振器ビーム１５０に誘発される。ポインティングエラー角度α（ｍｒａｄ）は、拡散要素１１０の傾斜角度δ及び拡散要素の格子線密度ｐ（線（lines）／μｍ）に略比例する。ポインティングエラー角度は、（図２Ａに関して上述された）ビームの（ＷＢＣ方向における）オフ－リトロー（off-Littrow）入射角度Δθの接線に略比例する。これらの関係は、次の式３によって表現されてもよい。

本発明の様々な実施の形態において、拡散要素１１０は、非ＷＢＣ方向（即ち、スロー軸）において、５ｍｒａｄ以下の角度、１０ｍｒａｄ以下の角度、１５ｍｒａｄ以下の角度、２０ｍｒａｄ以下の角度、２５ｍｒａｄ以下の角度、または３０ｍｒａｄ以下の角度で傾斜されてもよい。傾斜は、様々な実施の形態において、少なくとも１ｍｒａｄ、少なくとも２ｍｒａｄ、少なくとも３ｍｒａｄ、または少なくとも５ｍｒａｄであってもよい。

図７Ｃに示すように、インターリービングミラー１２０の傾斜は、非ＷＢＣ次元（例えば、スロー軸）における角度βによって調節されてもよく、よって、不安定な波長安定化をもたらす可能性があるポインティングエラー角度αを排除する。本発明の様々な実施の形態において、拡散要素１１０の傾斜δは、ポインティングエラー角度αより大きい（例えば、略１０倍大きい、または１００倍大きい）。また、本発明の様々な実施の形態において、インターリービングミラー傾斜βは、ポインティングエラー角度αと略同じである。

本明細書にて説明されるように、拡散要素の傾斜によって生じる非ＷＢＣ方向におけるポインティングエラーの修正は、通常、拡散要素での非ＷＢＣ方向における増加したビームスミアをもたらす。図７Ｃにおいて、このビームスミアはΔＳによって示される。図７Ｄに示すように、量Ｔによって非ＷＢＣ次元（例えば、スロー軸）において（即ち、ビームが、ＳＡＣレンズ１１５の縦方向中心及び／または光軸に当たらないように）ＳＡＣレンズ１１５を変位することは、インターリービングミラー１２０において、量ΔＳ’のビーム位置のオフセットをもたらす。図７Ｄに示すように、インターリービングミラーにおけるこのオフセットΔＳ’は、様々な実施の形態において、ｆがＳＡＣレンズ１１５の焦点長さであり、ＤがＳＡＣレンズ１１５とインターリービングミラー１２０との間の光学距離であり、ＬはＳＡＣレンズ１１５と拡散要素１１０との間の光学距離であり、εは拡散要素１１０における残量ビームスミアであると、下記式４のようである。

本発明の実施の形態において、残量ビームスミアは略ゼロまで減少されるため、及び、上述のように、βはポインティングエラー角度αと略同じであるため、ＳＡＣレンズの変位Ｔは、下記式５によって表現されてもよい。

本発明の様々な実施の形態において、ＳＡＣレンズ１１５から拡散要素１１０までの光学距離Ｌは、異なる全ての発振器において略同じである。よって、本発明の様々な実施の形態によると、ＳＡＣ階段、即ち、ＳＡＣレンズオフセット／変位は、下付きｋが各ビーム発振器、即ちｋ＝１，２，．．．，ｎであり、ｎがビーム発振器の数であると、式６によって、実質的に示されてもよい。

この式より明らかであるように、ＳＡＣレンズ１１５からインターリービングミラー１２０までの距離が小さいと、より大きいＳＡＣレンズオフセットが要求される。ＳＡＣレンズ１１５からインターリービングミラー１２０までの光学距離Ｄが各ビーム発振器において略同じである実施の形態において、ＳＡＣ階段オフセットは、Δθ_ｋに比例する直線状または実質的に直線状の関係に従う。図４及び図５Ａに示すような本発明の他の実施の形態は、このような実施の形態においてＴ_ｋはＤ_ｋに反比例であることに少なくとも部分的によって、実質的に放物線状のＳＡＣレンズ階段関係を含む。本発明の実施の形態によると、様々なＳＡＣレンズと、対応するインターリービングミラーとの間の光学距離Ｄは変動してもよく、よって、ＳＡＣレンズ階段の形状は、直線状（または実質的に直線状）または放物線状（または実質的に放物線状）に限定されず、ＳＡＣレンズ階段は、単調に増加しなくてもよく、ステップ状に（例えば、変位において、１、２、または３以上のステップを有して）増加してもよい。

本発明の実施の形態は、インターリービングミラーが使用されないＷＢＣ共振器にもＳＡＣレンズ階段を含んでもよい。このような実施の形態において、ＳＡＣレンズ階段は略、式７のように定義されてもよい。

このような実施の形態において、ＳＡＣレンズのアレーの変位は、拡散要素の傾斜によって発生するポインティングエラーを実質的に排除するが、拡散要素における残留の補填されていないビームスミアをもたらす可能性がある。このようなビームスミアは、式８のように実質的に計算されてもよい。

例えば、上述と同じであるが、インターリービングミラーの使用を除く数値例は、０．９ｍｍ以上の拡散要素における全体のビームスミアをもたらし、スロー軸において２５％以上のビーム品質の劣化に対応する。

図７Ｅは、図７Ｃに示すように傾斜された例示的インターリービングミラー１２０の透視図を示す。実線は、入射ビームに対応して、図７Ｃの中心線７００に対して示されている。図示されるように、インターリービングミラー１２０は、非ＷＢＣ（例えば、スロー軸）次元において傾斜され（即ち、回転され）、入射ビームは、非ＷＢＣ（例えば、スロー軸）方向における角度βで、インターリービングミラー１２０から反射される。

本発明の様々な実施の形態において、ＳＡＣレンズのオフセット変位は、焦点距離の略５％以下、または焦点距離の略３％以下である。例えば、５０ｍｍの焦点距離を有するＳＡＣレンズを使用する数値例において、ＳＡＣレンズ階段の最大変位は、略２．５ｍｍ以下または、略１．５ｍｍ以下に限定されてもよい。本発明の様々な実施の形態において、ＳＡＣレンズのオフセット変位は、焦点距離の少なくとも略０．１％、少なくとも略０．２％、少なくとも略０．５％または、少なくとも略１％であってもよい。

本発明の実施の形態において、ＳＡＣレンズ階段の全高さ（即ち、ＳＡＣレンズアレーの変位の範囲）は、中央（または、様々な実施の形態において、唯一の）発振器において、拡散要素を（ＷＢＣ方向において）リトロー角より小さい角度に設定することによって減少されてもよい。このような実施の形態は、少し低い回折効率及び拡散要素の少し低い拡散パワーを示してもよい。上記で提供される数値例示において、拡散要素の傾斜角度をリトロー角より１°小さく設定することは、略０．７ｍｍから略０．４ｍｍに全体のＳＡＣレンズ階段の高さを減少させる。

様々な実施の形態において、ＳＡＣレンズ階段は、ＷＢＣ共振器における１つまたは複数のＳＡＣレンズの変位（例えば、ビーム入射方向に対して直交する縦方向の変位）によって実現されてもよい。他の実施の形態において、異なるＳＡＣレンズは、スロー軸方向において、それぞれ異なる高さを有してもよく、よって、各レンズの中心点（例えば、光軸）は適正なレベルに配置される。このような実施の形態において、様々なＳＡＣレンズのベースは、実質的に同平面上にあってもよく（しかしながら、必ずしもそうでなくてもよい）、ＳＡＣレンズの中心は、望ましい量によってオフセットされる。様々な実施の形態において、位置（例えば、ベース位置）及び２つ以上のＳＡＣレンズの高さは階段内において変動してもよい。

様々な実施の形態において、様々なＳＡＣレンズは、実質的に平面のプラットホーム上に配置され、ＳＡＣレンズは、例えば、様々な高さまたは厚さを有するスペーサ、またはレンズベースによって、ベース上で様々な高さにおいて配置される。他の実施の形態において、様々なＳＡＣレンズ及びそのいずれかのベースは、略同一の寸法及び形状であってもよく、共通のプラットホーム自体は、ＳＡＣレンズが適正な位置に配置されてもよく、異なる高さを有する領域（例えば、メサ（mesas）または他の突出部）を画定してもよい。様々な実施の形態において、１つまたは複数のＳＡＣレンズの変位は、例えば、１つまたは複数のアクチュエータを通じて、共通プラットホームへの設置の後に調節されてもよい。

様々な実施の形態において、２０１９年１月２８日に出願された、米国仮特許出願第６２／７９７，４３８号において記載されるように、ミラー傾斜及び／またはレンズ変位を通じた後続の修正のために、重なったビームの個別のビーム成分の検査のためにビームを非多重化（demultiplex）する検出システムによって、様々なビームのビームスミア及び／またはポインティングエラーは、検出されてもよく、その開示の全体は、本明細書にて参照することによって組み込まれる。例えば、ビームスミア及び／またはポインティングエラーは、検出されてもよく、個別の成分の傾斜及び／または変位は、人間オペレータまたはコンピュータ制御された制御システム（及びアクチュエータ、ワームギア等の機械的調節部）によって調節されてもよく、よって、観測されたビームスミア及び／またはポインティングエラーを最小化する。

本明細書にて使用される用語及び表現は、限定ではなく、説明の用語として使用され、このような用語及び表現の使用において、示された及び説明された特徴と同等なものを除外する意図はなく、様々な改造は請求項に記載されている発明の範囲内で可能であると認めている。

Claims (50)

1. それぞれが１つまたは複数のビームを発振する複数のビーム発振器と、
   ビームを受けて、前記ビームを波長合成（ＷＢＣ）次元においてマルチ波長ビームに合成する拡散要素と、
   前記複数のビーム発振器の光学的下流側、及び前記拡散要素の上流側に配置される複数のコリメータと、
   ここで、前記複数のコリメータのそれぞれは、前記複数のビーム発振器から１つまたは複数のビームを受けて、非ＷＢＣ次元にコリメートし、
   前記複数のビーム発振器の光学的下流側、及び前記拡散要素の光学的上流側に配置される複数のインターリービングミラーと、
   ここで、前記複数のインターリービングミラーのそれぞれは、ビーム発振器から前記拡散要素に向かう１つまたは複数のビームを反射し、
   前記拡散要素から前記マルチ波長ビームを受けて、出力ビームとして前記マルチ波長ビームの第１部分を透過させて、前記拡散要素に向かって前記マルチ波長ビームの第２部分を反射して戻す部分反射型出力カプラと、
   を備え、
   前記拡散要素は、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜しており、これにより、前記拡散要素からのビームの第１次反射は、前記複数のビーム発振器から離れる方向に向けられ、前記マルチ波長ビームにポインティングエラーをもたらし、
   前記複数のインターリービングミラーのうちの１つまたは複数のインターリービングミラーは、前記マルチ波長ビームのポインティングエラーを減少させるように、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜され、これにより、前記拡散要素で非ＷＢＣ次元においてビームスミアをもたらし、
   ２つ以上のコリメータの光軸は、非ＷＢＣ次元において、互いに対して変位されており、これにより、傾斜されたインターリービングミラーによるビームスミアは低減される、
   レーザシステム。
2. 非ＷＢＣ次元は、ビームのスロー軸に対応する、請求項１に記載のレーザシステム。
3. 非ＷＢＣ次元は、ビームのファスト軸に対応する、請求項１に記載のレーザシステム。
4. 前記拡散要素は、回折格子を有する、請求項１に記載のレーザシステム。
5. 少なくとも１つのビーム発振器は、複数の離散的なビームを発振するように構成されたダイオードバーを有する、請求項１に記載のレーザシステム。
6. 第１ビーム発振器において、
   非ＷＢＣ次元における前記拡散要素の傾斜は、第１角度を有するポインティングエラーをもたらし、
   前記第１ビーム発振器に関連したインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元における第２角度を有する、請求項１に記載のレーザシステム。
7. 前記第２角度は、前記第１角度と略等しい、請求項６に記載のレーザシステム。
8. 全てのインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜される、請求項１に記載のレーザシステム。
9. 少なくとも２つのインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、異なる角度で傾斜される、請求項１に記載のレーザシステム。
10. １つ以外全てのインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、異なる角度で傾斜される、請求項１に記載のレーザシステム。
11. 中央ビーム発振器に関連したインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜されない、請求項１０に記載のレーザシステム。
12. ２つ以上のインターリービングミラーは、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜されない、請求項１に記載のレーザシステム。
13. 各ビーム発振器に関連して、（ｉ）第２コリメータと、（ｉｉ）１つまたは複数のビームを略９０°回転させる光学ローテータとをさらに有する、請求項１に記載のレーザシステム。
14. 各コリメータは、スロー軸コリメータであり、各第２コリメータはファスト軸コリメータである、請求項１３に記載のレーザシステム
15. 複数のインターリービングミラーは、複数のコリメータの光学的下流側に配置される、請求項１に記載のレーザシステム。
16. 各コリメータと前記拡散要素との間の光学距離は、略等しい、請求項１に記載のレーザシステム。
17. ２つ以上のコリメータの高さが異なる、請求項１に記載のレーザシステム。
18. ２つ以上のコリメータの高さが略等しい、請求項１に記載のレーザシステム。
19. 全てのコリメータの高さが略等しい、請求項１に記載のレーザシステム。
20. 前記拡散要素の光学的下流側、及び前記出力カプラの上流側に配置される１つまたは複数の折り返しミラーをさらに有する、請求項１に記載のレーザシステム。
21. それぞれが１つまたは複数のビームを発振する複数のビーム発振器と、
    ビームを受けて、前記ビームを波長合成（ＷＢＣ）次元においてマルチ波長ビームに合成する拡散要素と、
    前記複数のビーム発振器の光学的下流側、及び前記拡散要素の上流側に配置される複数のコリメータと、
    ここで、前記複数のコリメータのそれぞれは、前記複数のビーム発振器から１つまたは複数のビームを受けて、非ＷＢＣ次元にコリメートし、
    前記拡散要素から前記マルチ波長ビームを受けて、出力ビームとして前記マルチ波長ビームの第１部分を透過させて、前記拡散要素に向かって前記マルチ波長ビームの第２部分を反射して戻す部分反射型出力カプラと、
    を備え、
    前記拡散要素は、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜しており、これにより、前記拡散要素からのビームの第１次反射は、前記複数のビーム発振器から離れる方向に向けられ、前記マルチ波長ビームにポインティングエラーをもたらし、
    ２つ以上のコリメータの光軸は、非ＷＢＣ次元において、互いに対して変位されており、これにより、傾斜されたインターリービングミラーによるビームスミアは低減される、
    レーザシステム。
22. 非ＷＢＣ次元は、ビームのスロー軸に対応する、請求項２１に記載のレーザシステム。
23. 非ＷＢＣ次元は、ビームのファスト軸に対応する、請求項２１に記載のレーザシステム。
24. 前記拡散要素は、回折格子を有する、請求項２１に記載のレーザシステム。
25. 少なくとも１つのビーム発振器は、複数の離散的なビームを発振するように構成されたダイオードバーを有する、請求項２１に記載のレーザシステム。
26. 前記複数のコリメータは、前記拡散要素において、非ＷＢＣ次元において、ビームスミアをもたらす、請求項２１に記載のレーザシステム。
27. 各ビーム発振器に関連して、（ｉ）第２コリメータと、（ｉｉ）１つまたは複数のビームを略９０°回転させる光学ローテータとをさらに有する、請求項２１に記載のレーザシステム。
28. 各コリメータは、スロー軸コリメータであり、各第２コリメータはファスト軸コリメータである、請求項２７に記載のレーザシステム
29. 各コリメータと前記拡散要素との間の光学距離は、略等しい、請求項２１に記載のレーザシステム。
30. ２つ以上のコリメータの高さが異なる、請求項２１に記載のレーザシステム。
31. ２つ以上のコリメータの高さが略等しい、請求項２１に記載のレーザシステム。
32. 全てのコリメータの高さが略等しい、請求項２１に記載のレーザシステム。
33. 前記拡散要素の光学的下流側、及び前記出力カプラの上流側に配置される１つまたは複数の折り返しミラーをさらに有する、請求項２１に記載のレーザシステム。
34. レーザシステムを位置合わせする方法であって、
    前記レーザシステムは、
    （ｉ）１つまたは複数のビームを発振するようにそれぞれ構成された複数のビーム発振器と、
    （ｉｉ）ビームを受けて、ビームを、波長合成（ＷＢＣ）次元において、マルチ波長ビームに合成する拡散要素と、
    （ｉｉｉ）前記拡散要素から前記マルチ波長ビームを受けて、出力ビームとして前記マルチ波長ビームの第１部分を透過させて、前記マルチ波長ビームの第２部分を前記拡散要素に向かって反射して戻す、部分反射型出力カプラと、
    を備え、
    前記方法は、
    前記複数のビーム発振器によって発振されるビームを、前記拡散要素で前記マルチ波長ビームに合成することと、
    ポインティングエラーを、非ＷＢＣ次元において、前記マルチ波長ビームにもたらすことと、
    前記マルチ波長ビームのポインティングエラーを減少させるように、非ＷＢＣ次元において、拡散要素でビームスミアをもたらすことと、
    前記マルチ波長ビームのポインティングエラーを増加させずに、ビームスミアを減少させることと、
    を含む、方法。
35. ポインティングエラーを、非ＷＢＣ次元において、前記拡散要素を非ゼロ角度で傾斜することによって、前記マルチ波長ビームにもたらす、請求項３４に記載の方法。
36. １つまたは複数のインターリービングミラーは、前記複数のビーム発振器の光学的下流側、及び前記拡散要素の光学的上流側に配置され、
    １つまたは複数のインターリービングミラーを、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜することによって、ビームスミアをもたらす、請求項３４に記載の方法。
37. ２つ以上のコリメータは、前記複数のビーム発振器の光学的下流側、及び前記拡散要素の上流側に配置され、
    ２つ以上のコリメータの光軸を、非ＷＢＣ次元において、互いに対して変位することによって、ビームスミアは減少する、請求項３４に記載の方法。
38. ２つ以上のコリメータは、スロー軸コリメータである、請求項３７に記載の方法。
39. ２つ以上のコリメータは、ファスト軸コリメータである、請求項３７に記載の方法。
40. 非ＷＢＣ次元は、ビームのスロー軸に対応する、請求項３４に記載の方法。
41. 非ＷＢＣ次元は、ビームのファスト軸に対応する、請求項３４に記載の方法。
42. ビームをマルチ波長ビームに合成する前に、ビームを略９０°回転させることをさらに有する、請求項３４に記載の方法。
43. レーザシステムを位置合わせする方法であって、
    前記レーザシステムは、
    （ｉ）１つまたは複数のビームを発振するようにそれぞれ構成された複数のビーム発振器と、
    （ｉｉ）ビームを受けて、ビームを、波長合成（ＷＢＣ）次元において、マルチ波長ビームに合成する拡散要素と、
    （ｉｉｉ）前記拡散要素から前記マルチ波長ビームを受けて、出力ビームとして前記マルチ波長ビームの第１部分を透過させて、前記マルチ波長ビームの第２部分を前記拡散要素に向かって反射して戻す、部分反射型出力カプラと、
    を備え、
    前記方法は、
    前記複数のビーム発振器によって発振されるビームを、前記拡散要素で前記マルチ波長ビームに合成することと、
    前記第１次反射が、前記拡散要素から前記複数のビーム発振器に戻るように伝播することを抑制することと、
    前記マルチ波長ビームのポインティングエラーを減少させることと、
    を含む、方法。
44. 前記第１次反射が、前記拡散要素から前記複数のビーム発振器に戻るように伝播することを抑制することは、前記拡散要素を、非ＷＢＣ次元において、非ゼロ角度で傾斜することを含む、請求項４３に記載の方法。
45. ２つ以上のコリメータは、前記複数のビーム発振器の光学的下流側、及び前記拡散要素の上流側に配置され、
    ２つ以上のコリメータの光軸を、非ＷＢＣ次元において、互いに対して変位することによって、ポインティングエラーは減少する、請求項４３に記載の方法。
46. ２つ以上のコリメータは、スロー軸コリメータである、請求項４５に記載の方法。
47. ２つ以上のコリメータは、ファスト軸コリメータである、請求項４５に記載の方法。
48. 非ＷＢＣ次元は、ビームのスロー軸に対応する、請求項４３に記載の方法。
49. 非ＷＢＣ次元は、ビームのファスト軸に対応する、請求項４３に記載の方法。
50. ビームをマルチ波長ビームに合成する前に、ビームを略９０°回転させることをさらに有する、請求項４３に記載の方法。

Images