JP3589299B2 - ビーム整形装置 - Google Patents

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Description

本発明はビーム整形装置に関し、より詳細にはレーザビームなどの光ビームにおける横強度分布を変化させるために使用可能なビーム整形装置に関する。
レーザビームの横強度分布での変化が望ましいレーザ光源の用途は数多く存在する。
多くの場合、このような変化は、従来の光学コンポーネント（例えばレンズ、プリズム、曲面鏡など）を用いた比較的に簡易な方法により実現可能である。しかしレーザ装置のうちある種のもの（例えば大出力ダイオードレーザなど）は出力の扁平率が高く、かつその出力が非回折限界的であり、レーザビームのサイズおよび形に関する所望の調整を従来の光学コンポーネントのみを用いて行なうことは困難である。
このような状況として重要な一例は、固体レーザの縦励起（端面励起）に大出力のダイオードバーを使用する場合である。ダイオードレーザを用いた固体レーザの縦励起は、1991年のIEEE量子エレクトロニクス・ジャーナル（IEEE J.Quantum Electron.）27,2319における論文「ダイオードにより励起される固体レーザのモードサイズ最適化のための設計基準」（Design Criteria for mode size optimisation in diode−pumped solid−state lasers）に記述されているように、固体レーザをポンピングする特に魅力的かつ効率的な方法と考えられている。固体レーザの最も望ましい動作特性（例えば低しきい値、最適効率、および回折限界の基本横モード（いわゆる"TEMoo"）動作）を実現するためには、レーザモードの領域を相対的に小さくし、ポンプビームの横方向の大きさを、レーザ媒質の全長または少なくともレーザ媒質におけるポンプ光の吸収波長にほぼ等しい長さにわたって（いずれか短い方に）、基本横レーザモードの大きさにある程度うまく適合させるよう、ポンプ光をレーザ媒質内に集束させることが必要である。
レーザビームの拡がりを可能な限り小さくしながらレーザビームを特定のサイズに集束させる能力の評価は、ビームのいわゆる「M2」パラメータによって行われる。このことは、1989年発行のアダム・ヒルガー（Adam Hilger）著「レーザ共振器の物理と技術」（The Physics and Technology of Laser Resonators）に記述されている。その中でM2は、ビームの拡がりが回折の限界を超える倍率として定義されている。ビームを（任意の長さにわたって）集束させせることが可能な最小平均ビームサイズが、Ｍにほぼ比例することは証明可能である。このように固体レーザの縦励起の場合、、ポンプビームにおけるＭの値が（TEMooによる動作のための）最小レーザモードサイズ、したがってポンピングされたレーザの最大利得を決定する。
回折限界ビームにおけるビームの特性値（ビーム・クオリティ・ファクター）M2は１に等しい。多くのレーザ光源ではM2は１よりはるかに大きく、M2の減少はビーム特性の改善を表わすものである。
ある種のレーザ光源、特に大出力のダイオードレーザでは、出力ビームの回折特性はビームの伝搬軸に対して円筒対称ではなく、したがってM2における２つの異なる値、すなわち、それぞれ直交する横方向ｘおよびｙについての２つの別の値Mx2およびMy2によって記述しなければならない。
Mx2およびMy2の値は、レーザの設計細部によって大きく異なる。もう１つの影響要因となるのは、大出力ダイオードレーザの多くがより低出力のダイオードレーザのアレイから形成されているということである。このような場合、複合的な出力ビームのMx2およびMy2の値は、個々のダイオードレーザにおけるMx2およびMy2の値、および（複数の）ダイオードの相互間隔にも依存する。
例えば、大出力のダイオードバーは通常、低出力のダイオードレーザ（複数）の直線状配置からなっており、各低出力ダイオードレーザは、幅広ストライプのダイオードレーザであってもよく、またはそれ自体は低出力なダイオード（複数）の直線状アレイからなっていてもよい。付属図面の図１は典型的な10W（ワット）ダイオードバーレーザ光源10の放射領域の略図である。このダイオードバーレーザ光源は、横の寸法が約１μｍ（マイクロメートル）で縦が200μｍ、かつ中心間の間隔を約0.89mm（ミリメートル）とした12個の個別のダイオードまたはダイオードアレイ12からなっている。したがって全体的な放射範囲はおよそ１μｍ×10mmであり、これにより高い扁平率の（ハイリィ・エリプティカルな）複合出力ビームがもたらされる。この例における出力ビームは、My2の1,000倍を超えるMx2の値を有している。
このようにMx2とMy2とが大きく相違する結果、従来の光学装置を用いて出力ビームの焦点を合わせるとき、ｘ方向（すなわちダイオードバーアレイの長軸に平行な方向）の最小有効スポットサイズが不都合に大きくなり、通常、（ほぼ回折限界にある）ｙ方向の最小有効スポット径のおよそ40倍にもなりうる。これは、固体レーザの発振器または増幅器の縦励起など、大出力ダイオードレーザの有用な用途の数が厳しく制限される特に望ましくない特徴である。
ダイオードバーからの出力ビームを集光して、その結果、集束させるための多くの技術が、様々な用途、とりわけ固体レーザの端面励起での使用のために提示されている。これら技術の大部分は、円柱レンズおよび球面レンズの配列（例えばオプティクス・レターズ（Optics Letters）16,318（1991年）における論文「開口が10mm×１μｍのcw10Wレーザダイオードバーにより端面励起される大出力Nd:YAGレーザ」（High−Power Nd;YAG Laser End−Pumped by a cw,10mm×１μm Aperture,10W Laser−Diode Bar）に記述されているシステム）を採用しているか、または（オプティクス・レターズ（Opt.Lett.）18,1317（1993年）における論文「ダイオードレーザバーにより端面励起される大出力Nd:YLFレーザ」（High−Power Nd:YLF Laser End−Pumped by a Diode−Laser Bar）に記述されているように）各放射領域からの光を結合して、密集束へと経路選択されているそれぞれの光ファイバに導入することを必要としている。
これらどちらの場合とも、数ミリメートルの長さにわたって得られ且つ維持が可能なところの最小平均ビーム径は比較的大きい（通常1mmを超える）。この比較的大きな平均ビームサイズは、多くの用途にとって好ましくない。例えば上述のように固体レーザの縦励起の場合、比較的に大きなポンプビームサイズはレーザ利得に不利益な影響を与えるとともに、共振器の形態およびその動作モードの選択における柔軟性を相当程度制約する。
これまでに提案されているこれらの技術におけるもう１つの短所は、集束用光学装置またはファイバの配列によりもたらされるパワーの損失である。さらにこのことによって、大出力が必要な端面励起または外科治療用装置などの用途において装置の有用性が低下する。
ビームを再成形するためのさらなる装置はEP−Ａ−0 525 528に開示されている。
その発明は：
第１の方向における第１のビーム特性値がMx2でありそれに直交する方向における第２のビーム特性値がMy2であるビーム（32から40）を発生するように動作可能なレーザ装置と、
ビーム整形装置（20）であって、前記ビーム整形装置のビーム入口からビーム出口までを通る複数の異なる伝搬経路を形成する複数の実質的に平行な反射面（22、24）を具備し、各経路が前記反射面の間でそれぞれ異なる回数の反射を伴い、攪拌斜面の一部がもう一方の反射面に覆われないように前記反射面が相互に配置され、かつ前記レーザ装置が発した前記ビーム（32から40）を受容するように前記反射面が位置決めされ、それにより、使用のとき、前記ビーム整形装置の前記ビーム入口に入射する前記レーザ装置からの入力ビームの部分が、それぞれ異なる伝搬経路を進み、前記ビームを特性値Mx2およびMy2の一方が減少した出力ビームを前記ビーム出口において形成するように再形成されるところのビーム整形装置と、
を具備するレーザ光源を提供する。
本発明には、レーザビームの横方向空間強度プロファイルを再形成して、ある平面でビームの拡がりが回折限界を超える比率（すなわちその平面におけるM2の値）を減少させ、その直交する平面での比率を増加させてもパワーが大きく損失しないようにするために使用可能な新しいビーム整形技術が記述されている。
入力レーザビームは、一連の（望ましくは２枚の）実質的に平行な反射面により形成される多数の伝搬経路に分割される。これらの経路は別の相対的な形状に再結合され、それによって直交する伝搬平面（複数）におけるビームの形状（プロファイル）と拡がりを変更することができる。例えば、直交する２つの方向（伝搬平面（複数））において非常に不均等なM2の値（複数）を有する一つのビームを、このビーム整形装置によってその２つの平面において実質的に等しいM2の値を有する一つのビームに整形することが可能である。
この技術は非常に簡潔に構成でき、前記M2の値の積を必ずしも大きく増加させることなく、また必ずしもパワーの大きな損失を招くことなく、直交する平面（複数）におけるレーザビームのM2パラメータを効果的に制御できるという点で上述の先行技術に対して優れている。このため、非対称性の強い回折特性をもつビームを発生させるレーザ（例えばダイオードレーザバー）とともに使用するのにこの技術は特に魅力的である、その様な場合、多くの用途において、横強度プロファイルを再形成し、直交する平面において同様な遠視野のビームの拡がり（すなわちMx2およびMy2の同様な値）をもつほぼ円形のスポットを最終的に集束されたビームが包含するようにすることが望ましい。
「実質的に平行」という用語は平行から約５度以内の名目的に平行な関係を含むものであることが理解されるであろう。
前記反射面は例えば単一の基板上に形成できるが、ある望ましい実施例においては、各反射面はそれぞれ別の基板上に形成されている。２枚の反射面の間にエアギャップを用いると、この装置の損失を抑制することができる。
これらの反射面は実質的に平面であることが望ましい。
またこれらの反射面は、ビーム入口およびビーム出口を形成するよう相互に配置されることが望ましい。
ある望ましい実施例においては、Mx2とMy2との積は出力ビームにおける（Mx2）’と（My2）’との積に実質的に等しい。このことは、再形成された（出力）ビームが入力ビームと輝度において同様であることを意味している。
また出力ビームにおける（Mx2）’と（My2）’とは実質的に等しいことが望ましい。これは、出力ビームが実質的に対称的であり、そのため上述の用途（例えば固体レーザのポンピング）での使用に特に適していることを意味する。
本発明はまた、第１の方向における第１のビーム特性値Mx2と第２の方向における第２のビーム特性値My2とを有するレーザ装置と、ビームの少なくとも一部の方向を転換して前記第１および第２のビーム特性値Mx2およびMy2のうち少なくとも一方を再形成するための少なくとも１枚の反射面を包含するビーム整形装置と、を具備するレーザ光源を提供するものである。
本発明は多くの異なる種類の光源に応用可能であるが、レーザ装置はダイオードバーまたはダイオードアレイであることが望ましい。
ある望ましい実施例においては、そのレーザ光源はさらに、ビーム整形装置により形成された再形成ビームからスポットが実質的に円形の出力ビームを形成するための光学系を具備している。
本発明はまた、前記レーザ光源と、印加ビームを供給するために前記レーザ光源の出力を受容するビーム供給システムと、を具備するレーザシステムを提供する。このビーム供給システムはマルチモード光ファイバを包含することが可能である。
このビーム供給システムは、材料加工用ビームを供給するための材料加工ビーム供給用システムであることが望ましい。もしくは、このビーム供給システムは、医療用ビームを供給するための、医療用ビーム供給用システムであることが望ましい。どちらの場合においても、このビーム供給用システムはマルチモード光ファイバを包含できるであろう。
本発明はまた、前記レーザ光源と印加ビームを供給するための固体レーザとを具備する、ダイオードにより励起される固体レーザシステムを提供するものであり、前記レーザ光源の出力は、望ましくはマルチモード光ファイバなどのビーム供給システムを経由して前記固体レーザを励起する。前記固体レーザは、バルクレーザ、導波管レーザまたはファイバレーザとすることが可能である。
本発明はまた、レーザ装置のためのビーム整形装置を提供するものであり、前記レーザ装置のビームは、ある方向におけるビーム特性値がMx2で、それに直交する方向におけるビーム特性値がMy2であり、
このビーム整形装置は、
（ｉ）このビーム整形装置を通る複数の異なる伝搬経路を形成する複数の実質的に平行な反射面であって、各経路が前記反射面の間でそれぞれ異なる回数の反射を伴うところの反射面と、
（ii）前記レーザ装置からのビームを受容し、そのビームを前記反射面に向けるための集光用光学機器と、
（iii）前記反射面からの出力ビームを受容するための伝送用光学機器と、を具備しており、
各反射面の一部がもう一方の反射面に覆われることなく、かつ使用のときに、このビーム整形装置のビーム入口に入射する前記レーザ装置からの入力ビームの部分がそれぞれ異なる伝搬経路を進み、前記伝送用光学機器により伝送される前記ビーム特性値Mx2およびMy2の一方が減少した出力ビームを形成するよう再形成されるように前記反射面が相互に配置され、かつ前記集光用光学機器からのビームに対して前記反射面が位置決めされている。
本発明はまた、ある方向におけるビーム特性値がMx2で、それに直交する方向におけるビーム特性値がMy2であるレーザビームを、前記ビーム特性値Mx2およびMy2の一方が減少した出力ビームを形成するように再形成するためのビーム整形装置の使用法を提供するものであり、
このビーム整形装置は、このビーム整形装置を通る複数の異なる伝搬経路を形成する複数の実質的に平行な反射面を具備し、各経路が前記反射面の間でそれぞれ異なる回数の反射を伴っており、
前記使用法は、各反射面の一部がもう一方の反射面に覆われることなく、かつこのビーム整形装置のビーム入口に入射するレーザ装置からの入力ビームの部分がそれぞれ異なる伝搬経路を進み、前記出力ビームを形成するよう再形成されるように前記反射面を相互に配置し、かつ前記レーザビームに対して前記反射面を位置決めすることを包含している。
この装置はまた、第２の反射面を具備し、前記第１および第２の反射面が互いに実質的に平行であることが望ましい。
本発明におけるその他の様々な望ましい特徴はここに述べられた本発明の各側面に適用されるものである。
本発明の実施例を、付属の図面を参照しつつ、例示のみによって説明する；付属図面を通じて同一の部分は同一の参照符号によって示されている；付属図面において；
図１はダイオードバーレーザの放射領域の略線図である；
図２はビーム整形装置の略側面図である；
図３はビーム整形装置の略平面図である；
図４はダイオードレーザバーからのレーザビームのためのコリメート、結像、ビーム整形および集束を行なう光学装置の略側面図である；
図５（ａ）および図５（ｂ）はダイオードレーザバーからのレーザビームのためのコリメート、結像、ビーム整形および集束を行なう光学装置の２つの実施例それぞれの略平面図である；
図６および７は前記ビーム整形装置のそれぞれさらなる略側面図および略平面図である；
図８（ａ）から図８（ｃ）は前記ビーム整形装置の出力ビームの経路に沿った略図である。
図２および３は本発明の一実施例であるビーム整形装置の略側面図および略平面図である。
図２および３では、非回折限界レーザ光源（図示せず）からのレーザ放射は、レンズおよびプリズムの適切な配列（図示せず）により集光され、直交する平面x'−z'およびy'−z'においてそれぞれθおよびαの角度をもって、反射率の高い２枚の平面鏡22、24を具備するビーム整形装置20（ビームシェーパ）に対し斜めに入射する。
これらの鏡は短い距離ｄ（通常数ミリメートル未満、例えば0.1マイクロメートルから５ミリメートル）を置いて隔てられており、かつ直交する方向x'およびy'にそれぞれ短い距離ｗおよびｈだけ相互にずれており、そのため各鏡の小部分が他方の鏡に覆われない状態にある。寸法ｄ、ｗおよびｈの例示的値は以下に示される。
このビーム整形装置の動作原理は、入射レーザビームが多くの近接するビームからなっている（または分割されている）と考えることによって容易に説明できる。以下の説明を簡単にするために、入射ビームは５本の平行なビームまたはビーム部分32、34、36、38、40からなるように便宜的に選択した。
ビーム32は（図２に示すように）鏡24の上方を通過し、（図３に示すように）鏡22の側方を通過するので、鏡22、24のどちらにも入射せず、その結果（鏡22の端における回折効果を無視しうると仮定すると）、当初の方向から変化せずにビーム整形装置から出射する。
しかし、ビーム34は鏡24の上方を通過するが鏡22に入射し、その結果反射されてビーム32の直下において鏡24に当たる。次にビーム34は鏡24で反射されてビーム32とほぼ平行な方向でビーム整形装置から出射するが、ビーム32の下方に転位している（すなわちビーム整形装置に入射する以前の当初の転位位置に対しビーム32から実質的に直交する方向に転位している）。
ビーム36も最初に鏡22に入射し、そこで反射されてビーム34の下方において鏡24に当たる。次にビーム36は反射されて鏡22に２度目の入射を行ないそこで鏡24に対し反射され、その後ビーム32および34と実質的に平行であるが、ビーム整形装置に入射する以前の当初の転位位置に対し直交する向きにビーム34の下方へ転位し、ビーム整形装置から出射するように反射される。
ビーム38および40も同様に鏡22および24において複数回反射され、最終的にビーム32、34および36とほぼ平行な方向に伝搬してビーム整形装置から出射するが、（図２に示すように）それらビームの下方に列をなしている。
このようにビーム整形装置の作用は、入射レーザビームを特定の数のビームに効果的にチョップつまり分割して、それらビームが互いの上部に列をなして（すなわち当初の転位位置に対し実質的に直交する方向に転位して）ビーム整形装置から出射するようにそれらビームを再形成または再配列することである。このようにして前記の鏡はビームの入口およびビームの出口を形成する。
もし入射ビームが最初にｘ−ｚ平面において回折限界を大きく上回っている（すなわちMx2が１よりはるかに大きい）と、このビーム整形装置の効果としてｘ方向のビームの幅が減少するが、その拡がりは大きく増大しない。
このような全体的結果として、ビーム整形装置から出射するビームは回折限界をｘ方向に当初のビームより低い率で上回る（すなわちMx2の値が減少する）。
２枚の鏡22、24は名目上互いに平行に並べられているが、必要な場合、入射レーザビーム個々の拡がり特性、最終的に集束を行なう配列の設計および集束ビームの望ましい横強度プロファイルによっては、互いにわずかに（通常数度以下、例えば５度まで）傾斜させてもよい。これらの鏡を平行から傾斜させることにより、出力ビームの全体的拡がりを変化させるようにビーム32から40の個々の方向を変えることができる。
所与の入射レーザビームについて、実質的に直交する方向に列をなしているビームの数および（ｘ−ｚ平面における）それらビームの幅は、角度θおよびα、鏡の間隔ｄの適切な選択、また入射レーザビームに対するビーム整形装置の適切な位置決めにより指定することができる。したがってビーム整形装置の前記パラメータおよび入射ビームに対するビーム整形装置の位置を適切に調整することにより、Mx2が減少する率を制御することが可能である。
しかし、Mx2の値の減少が可能なのは、入射ビームのMx2の値が１より大きい（理想的には１よりはるかに大きい）場合のみであることに留意すべきである。それ以外の場合は、入射ビームがチョップされた個々のビームは、鏡22の端で回折され、出射するビームにおけるMx2の最終的値が１以上になるようにビームの拡がりが増大する。ｙ方向においては、（ビームがこの方向に列をなすので）ビームサイズが実効的に増大しても、（鏡22と24とが平行である場合）ビームの拡がりはほぼ一定のままなので、出射するビームのMy2の値は増大する。
My2が増大する率は、（ｙ方向における）出射するビームの総体的な幅を（ｙ方向における）個々のビームの幅で除した値にほぼ等しい。多くの用途においては、鏡24の上端でのビームのクリッピングによりビーム整形装置の透過率を大きく悪化させることなく、列をなすビームの各対の間の隙間が実質的に最小化されるように、鏡の間隔ｄおよび傾斜角αの値を選択しMy2の増大を最小化または減少させることが望ましい。
このようにビーム整形装置の総体的効果は、ある平面において大きく回折限界を上回るレーザビームの横強度プロフィールを再形成して、それによりパワーの大きな損失を招くことなく、回折限界を上回る比率をその平面では減少させ、直交する平面では増加させることである。
大まかな目安として、M2の値を低下させうる率（ファクター）は、入射ビームを何本の（小）ビームに分割できるかの数にほぼ等しい（入射ビームの回折限界を上回る比率がこの数より多く、かつ出射ビームがほぼ等しい幅を有するとして）。直交する平面では、M2の値は少なくとも同じ率で増大し、２つの平面におけるM2の値を実質的に等しくすることができる。このとき出射ビームは適切なレンズ配列を用いて簡単に集束させることが可能となる。
このビーム整形装置の全体的な簡易性の他に特に注目される特徴の１つは、非対称性の強い回折特性を有するレーザビームの横強度プロフィールをほぼ対称的な回折特性を有する（すなわち直交する平面のM2の値がほぼ等しい）ものに変形し、その一方、直交する平面におけるビームの拡がりが同様なほぼ同形のスポットに（レンズやプリズムなど）通常の光学装置で容易に集束できるレーザビームを発生させるために、この装置が使用可能なことである；これは用途によっては有用なだけでなく、しばしば不可欠な要件となる。
この技術が非常に重要な役割を果たすと考えられる１つの特定の領域は、大出力ダイオードレーザ、特に大出力ダイオードレーザバーからのレーザビームにおける空間的横強度プロフィールを再形成する（すなわちビームを整形する）場合である。これらの装置は、非対称性の強い空間特性と、直交する平面において1,000倍を超えて異なることもあるM2の値と、を有するレーザビームをつくり出す。
これらの装置を用いる用途の多くにおいては、（全体的な輝度を大きく低下させることなく）直交する平面のM2の値を（例えばあるオーダー内に）平準化するようレーザビームを再形成し、その結果、直交する平面においてビームの拡がりが同様な、より円形に近いスポットにビームを集束可能にすることが、不可欠ではなくとも有利となる。本技術はこのような課題の実行に特に適している。このことは、非放射領域（「デッドスペース」）によって隔てられている小さいレーザ光源のほぼ直線状のアレイ（「放射領域」）から構成されるレーザ光源（例えばダイオードレーザバー）の場合に特に当てはまる；なぜなら、ビーム整形装置の前方における結像レンズの適切な配置、および（図２および３に示す）ビーム整形装置の適切なパラメータ（すなわちｗ、ｈ、ｄ、θおよびα）の選択により、「デッドスペース」の多くまたは全部を効果的に除去でき、（ダイオードレーザバーアレイと平行な平面における）レーザビームのM2値を非常に大きく低下させることが可能だからである。
通常の大出力ダイオードレーザバーを用いた、このビーム整形技術の使用例を、図１、４、５（ａ）、５（ｂ）、６および７を参照しつつ以下に説明する。
上述のように、図１は通常のダイオードレーザバー10の端面図であり、ダイオードレーザバー10は12個の放射領域12からなっており、そのレーザ出力放射はｚ方向に伝搬する。
図４および５（ａ）、５（ｂ）はダイオードレーザバーからのレーザビームをコリメート、結像、ビーム整形および集束する光学装置のそれぞれ側面図および平面図である。
図６および７は前記ビーム整形装置のそれぞれ側面図および平面図である。
図１、４、５（ａ）、５（ｂ）、６および７を参照すると、ダイオードレーザバー10からのレーザ放射14はｚ方向に伝搬し、ファイバレンズ50で集められる；このファイバレンズ50は前記ダイオードバーに非常に近接して位置しており、ｙ−ｚ平面におけるビームの拡がりを小さくする働きをする。伝送された光は次に、前記ダイオードレーザバーから焦点距離にほぼ等しい距離を置いて位置する平凸球面レンズ52（この場合の焦点距離は40mm）に入射する。このレンズは前記ダイオードバーの各個別放射領域からのレーザビームを近似的にコリメートし、これらのビームはさらに、焦点距離が約100mmであって、前記球面レンズ52から自身の焦点距離とレンズ52の焦点距離との合計にほぼ等しい距離を置いて位置する平凸円柱レンズ54に入射する。
伝送されたビームは次に（ｘ−ｚ平面においてのみ）集光されて、前記レンズからほぼ焦点距離分離れた前記ダイオードバーの像を形成する。この像はレンズ54と52との焦点距離の比率にほぼ等しい率（すなわち、この場合は約2.5倍）で拡大されている。
直交するｙ−ｚ平面においては、前記ビームは約0.7mmの幅に近似的にコリメートされる。線図の簡略化のため、ビーム整形装置は図４、５（ａ）および５（ｂ）では単一の独立した光学素子58として示されており、レンズ54の焦点面内の前記像に近接して位置している。
前記ビーム整形装置は実際には図６および７に示すように形成されており、この場合一辺の長さが50mmの正方形である２枚の平行な鏡22'および24'から構成されている。鏡22'および24'の正確な形状および寸法は、入射ビームを受け入れるのに十分な大きさであれば、ビーム整形装置の設計において決定的な特徴とはならない。しかしこの設計において１つの重要な側面は、鏡22'の側端および鏡24'の上端がほぼ直線的であり、かつ良好に形成され、また反射率の高いコーティング（この場合は多層誘電コーティング）が鏡の端まで保持されていることである。
特にこの例においては、鏡22'および24'は互いに平行に並べられ、また相互に関連しつつ１つの複合ユニットとして位置しており、その結果、前記ダイオードバーの像の横強度プロフィールは、ｙ−ｚ平面においてほぼ垂直に列をなす（各放射領域に対応する）12本のビームに再形成される。このために必要なパラメータｄ、ｗ、ｈ、θおよびαの選択は、前記ダイオードレーザバーの設計（すなわち放射領域およびそれらの間隔の数および横の寸法）、および前記集光および結像用の光学装置の設計に依存する。特にこの場合、ビームの横強度プロフィールの望ましい変化は、
鏡の間隔ｄを約1.1mmとし、傾斜角θおよびαをそれぞれ約45度および20度とすること
により達成された。
前記鏡のオフセット距離ｗおよびｈは、鏡24'における出力ビームの（x'方向の）横幅および鏡22'における入射ビームの（y'方向の）深度を超えるように選択された。通常のｗおよびｈの値は、それぞれ４ミリメートルおよび３ミリメートルである。
このビーム整形技術がこのような方法によりダイオードレーザバーからのビームを再形成するために用いられるときに、遭遇する可能性のある１つの問題は、近接する放射領域間のクロストークである。これは、各放射領域からのレーザビームがこのビーム整形装置から出射する際に重なり合っている場合に発生しうるものであり、個々の放射領域からのレーザビームがビーム整形装置の出力までに異なる距離を伝搬することにより激化する。鏡22'または24'のどちらにも入射しないレーザビームは最短距離を伝搬し、ビーム整形装置の鏡22'および24'においてより多く反射されたレーザビームほどビーム整形装置の出口までに累進的に長い距離を伝搬する。
クロストークの影響は、特定の出力ビームのｘ−ｚ平面におけるM2の値がクロストークがない場合の値に対して増大することである。場合によってはｚ軸に沿ったビーム整形装置の適切な位置決めによりクロストークが回避されることもあるが、より一般的には、ビーム整形装置の出口におけるすべてのレーザビーム（すなわち各放射領域からのビーム）の有効な光路長を均等化する（すなわちｘ−ｚ平面における回折に関して）ように設計されたプリズム56を（図５（ｂ）に示すように）レンズとビーム整形装置との間に含めることが望ましい。
このビーム整形技術の最終的結果として、ビーム整形装置から出射するビームは、ｘ−ｚ平面において、ダイオードレーザバーの個々の放射領域（アレイまたは幅広ストライプ）におけるM2の値と同様かつダイオードレーザバー全体の（ｘ−ｚ平面における）M2の実効値よりかなり小さいM2の値を有する。ｙ−ｚ平面においては、ビーム整形装置からの出力ビーム（すなわちビームの列）の（ｙ方向における）総体的な幅を個々のビームの幅で除した値にほぼ等しい率でM2の値が増大する。特にこの場合の光学的配置においては、ｙ−ｚ平面におけるM2の実効値はおよそ20である。
ビーム整形装置から出射するビームは、ｚ方向に平行に伝搬しｙ方向に（ほとんど垂直に）列をなす12本の平行なビームからなっている。
このビームは次に、ｘ−ｚ平面においてビームを近似的にコリメートする働きをもつ焦点距離約80mmの平凸円柱レンズ60と、ｙ−ｚ平面およびｘ−ｚ平面において集束を行なうための、焦点距離がそれぞれ60mmおよび20mmの一対の交差平凸円柱レンズ62および64と、を具備する伝送システムに入射する。この伝送システムにはマルチモード光ファイバを含めることができ、そのようなシステムは例えば医療または材料加工の用途のためにビームを伝送することが可能である。
これらのレンズのｚ軸に沿った相対的位置は、（直交するｙ−ｚ平面およびｘ−ｚ平面における）ビームウェストがほぼ同じ位置に形成されるようなものになっている。特にこの例においては、最終的に集束されたビームにおける、横断面がほぼ円形の最小面積スポットは、その直径がおよそ130μｍであった。
直交する平面におけるこのビームのM2の値は等しくないので、ビームの拡がり、したがって最小平均スポットサイズはｘ−ｚ平面とｙ−ｚ平面とにおいて異なる。例えば、空気中の経路の長さ3mmにわたって、ｙ−ｚ平面およびｘ−ｚ平面における平均ビームサイズはそれぞれ190μｍおよび280μｍであり、これは、対応するM2の値が約20および約40であることを示している。集束レンズを適切に選択することによって異なるビームサイズの値が得られる。
図８（ａ）から８（ｃ）は、このビーム整形装置の出力ビームの経路に沿った略図である。
特に図８（ａ）は、鏡22および24が形状において方形であり、双方とも同じ向きに取り付けまたは保持されている場合の、ビーム32から40の経路に沿って鏡24に向かい合った略図である。（ビームの方向に見た場合の）鏡22の端はビーム整形装置に入射するビーム32から40の方向100に対して垂直ではないので、出力ビーム32から40は互いに真下ではなく、わずかに歪んだパターンをもって出射する。このようなビームの横の広がりは、出力ビームが集束光学装置62、64により単一のビームに集束されると、最終的なビームのビーム特性がわずかに悪化することを意味している。
この些細な問題は、（図８（ｂ）に示すように）鏡22の端102を再形成するか、または（図８（ｃ）に示すように）従来通り２枚の方形の鏡を用いながら、鏡の一方を他方に対して回転させることにより、容易に克服可能である。言い換えれば、鏡22の形状を利用して、ビーム整形装置からの再構成された出力ビームの形状を画定することができる。
ここに記述されている光学的配置は単に一例を示すものであり、実際には、特定のレーザ光源および最終的用途に応じて使用される集光／結像用光学装置および集束用光学装置は多くの形状をとることが可能である。しかし各場合における主要な特徴はビーム整形装置それ自体であり、ビーム整形装置は２枚の平行またはほぼ平行な反射面（独立した鏡、または単一の基板の反対側表面における反射率の高いコーティング）を具備し、それら反射面は相互にずらされ、入射ビームの近接する部分が反射面の間で異なる回数多重反射されるように入射ビームに対し位置しているため、ビームの横強度プロファイルが再形成されて直交する平面におけるM2の値は相対的に変化するが、パワーの大きな損失は起こらない。
この技術は、ダイオードレーザバーの他、レーザダイオードアレイ、幅広ストライプレーザダイオード、平面導波路、または非回折限界ビームを発生させる任意のレーザ光源とともに利用することができる；その場合、パワーを大きく損失することなく直交する平面におけるM2パラメータの相対的な値を変化させることが望ましい。
この技術はまた、回折特性の非対称性が強いレーザ光源（例えばダイオードレーザバー）の横強度プロファイルの再形成に特に適している；そこでは、直交する表面においてビームの拡がりが同様な、より円に近いスポットへのビームの集束が可能なようにこの非対称性を減少させることが望ましい。
本発明によって可能となるこの横レーザビームプロファイルの制御は、例えば、（バルクまたはファイバの結合構造を使用する）固体レーザの発振器および増幅器の縦方向励起、材料加工用および医療用など多くの用途にとって重要である。
さらに、このビーム整形装置は、ダイオードレーザバーまたはダイオードアレイ（または実際その他任意の種類のレーザ）の列からなる複合レーザビームの横強度プロファイルを変化させるためにも使用することができる。このような状況のもとでは多くの場合、個々のレーザの間の距離がそれらの放射領域よりもはるかに大きくなる。このビーム整形装置を逆に使用する（すなわち適切なコリメーティング光学装置および集束用光学装置を併用して図２および３に示す方向とは反対の方向に伝搬する）ことにより、ビーム列を単一の細長いビームに再形成することができ、次にこのビームを、異なるパラメータｄおよびαを用いて第２のビーム整形装置により再形成することが可能である；このときビームは図２および３と同じ方向に伝搬してビームの列になるがその間隔ははるかに狭くなっている。このようにして各光源からの複合ビームの実効輝度を有意に増大させることができる。
このように本発明の実施例においては、入射ビームにおけるMx2とMy2との積を出力ビームにおける（Mx2）’と（My2）’との積に実質的に等しくすることができる。また出力ビームにおける（Mx2）’と（My2）’とを実質的に等しくすることができる。このビーム整形装置は、非回折限界レーザ光源（例えばダイオードバー、ダイオードアレイ、幅広ストライプダイオードレーザ）など様々なレーザ光源に対して使用可能である。この最終的出力ビームは、例えば材料加工用または医療用の用途、またはバルクレーザ、導波路レーザもしくはファイバレーザ（図示せず）などの固体レーザのポンピングに使用することができる。

Claims (23)

  1. 第１の方向における第１のビーム特性値がMx2でありそれに直交する方向における第２のビーム特性値がMy2であるビーム（32から40）を発生するように動作可能なレーザ装置と、
    ビーム整形装置（20）であって、前記ビーム整形装置のビーム入口からビーム出口までを通る複数の異なる伝搬経路を形成する複数の実質的に平行な反射面（22、24）を具備し、使用において前記ビーム入口を通じて前記ビ ーム整形装置に入力したビームの各部分が他の反射面に よって覆われない反射面の部分に入射し、前記ビーム出 口を通じて前記ビーム整形装置から出力したビームの各 部分が他の反射面によって覆われない反射面の部分から 反射されるように、前記ビーム入口及び前記ビーム出口 が位置し、各経路が対向する前記反射面の間でそれぞれ異なる回数の反射を伴い、かつ使用のとき、前記ビーム入口を通じて前記ビーム整形装置に入射する前記レーザ装置からの入力ビームの各部分が、それぞれ異なる伝搬経路を進み、前記ビーム出口において再形成されて、前記ビーム特性値Mx2およびMy2の一方が減少した出力ビームを形成するように、前記反射面が相互に配置され、前 記レーザ装置によって生成されたビームを受容するよう に前記反射面が位置決めされるところのビーム整形装置と、
    を具備するレーザ光源。
  2. その反射面の端が、反射面に平行な２つの直交方向に他の反射面の端から互いにずれて（オフセットして）配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
  3. 前記ビームの各部分が、使用において前記ビーム整形装置のビーム入口においては空間的に１方向に拡がりを有し、前記ビーム整形装置のビーム出口においては直交する方向に実質的に拡がりを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ光源。
  4. 前記各反射面（22、24）が、それぞれ別の基板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のレーザ光源。
  5. 共通の基板の反対側表面に形成された２枚の反射面を具備する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のレーザ光源。
  6. 前記反射面が実質的に平面であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のレー ザ光源。
  7. Mx2がMy2より大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ光源。
  8. 前記ビーム入口に入射する前記レーザ装置 からの入力ビームの各部分が、それぞれ異なる伝搬経路 を進み、前記ビーム出口で再形成されることにより、前 記ビーム出口において、前記入力ビームの前記ビーム特 性値Mx 2 およびMy 2 の一方が減少し、他方が増加し、
    再形成された前記出力ビームの（Mx 2 ）’と（My 2 ）’と の積が、前記入力ビームのMx 2 とMy 2 との積と、実質的に 等しいことを特徴とする請求項７記載のレーザ光源。
  9. 前記出力ビームにおける（Mx2）’と（My2）’とが実質的に等しいことを特徴とする請求項８記載のレーザ光源。
  10. 前記レーザ装置が、回折限界でないレー ザビームを出力するよう動作可能なダイオードレーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項９に記載のレーザ光源。
  11. 前記レーザ装置がダイオードバーであることを特徴とする請求項10記載のレーザ光源。
  12. 前記レーザ装置がダイオードアレイであることを特徴とする請求項10記載のレーザ光源。
  13. 前記レーザ装置が幅広ストライプダイオードレーザであることを特徴とする請求項10記載のレーザ光源。
  14. 前記ビーム整形装置により形成された再形成ビームからスポットが実質的に円形の出力ビームを形成するための光学系を具備する請求項１乃至13のいずれかに記載のレーザ光源。
  15. 請求項１乃至14のいずれかに記載のレーザ光源と、前記レーザ光源の出力を受容して、対象に照 射するためのビームを供給するためのビーム供給システムと、を具備するレーザシステム。
  16. 前記ビーム供給システムが、材料加工用ビームを供給するための材料加工ビーム供給システムであることを特徴とする請求項15記載のレーザシステム。
  17. 前記ビーム供給システムが、医療用ビームを供給するための医療用ビーム供給システムであることを特徴とする請求項15記載のレーザシステム。
  18. 前記ビーム供給システムがマルチモード光ファイバであることを特徴とする請求項15乃至17のいずれかに記載のレーザシステム。
  19. 請求項１乃至14のいずれかに記載のレーザ光源と、対象に照射するためのビームを供給するための固体レーザであって、前記レーザ光源の出力が前記固体レーザを励起するところの固体レーザであるものと、を具備する、ダイオードで励起される固体レーザシステム。
  20. 前記レーザ光源の出力を前記固体レーザに供給するために前記レーザ光源に結合されたビーム供給システムであって、前記固体レーザがバルクレーザ、導波管レーザまたはファイバレーザであるところのビーム供給システムを具備する、請求項19記載の、ダイオードにより励起される固体レーザシステム。
  21. 前記ビーム供給システムがマルチモード光ファイバであることを特徴とする、請求項20に記載の、ダイオードにより励起される固体レーザシステム。
  22. レーザ装置のためのビーム整形装置（2 0）であって、前記レーザ装置がある方向におけるビー ム特性値がMx 2 で、それに直交する方向におけるビーム 特性値がMy 2 であるビームを有し、
    そのビーム整形装置が、
    （ｉ）使用において前記ビーム入口を通じて前記ビーム 整形装置に入力したビームの各部分が他の反射面によっ て覆われない反射面の部分に入射し、前記ビーム出口を 通じて前記ビーム整形装置から出力したビームの各部分 が他の反射面によって覆われない反射面の部分から反射 されるように、前記ビーム入口及び前記ビーム出口が位 置し、前記ビーム整形装置のビーム入口からビーム出口 までを通る複数の異なる伝搬経路を形成する複数の実質的に平行な反射面（22、24）であって、各経路が対向す る前記反射面の間でそれぞれ異なる回数の反射を伴うところの反射面（複数）と、
    （ii）前記レーザ装置からのビーム（32から40）を受容し、そのビームを前記反射面に向けるための集光用光学装置と、
    （iii）前記反射面からの出力ビームを受容するための伝送用光学装置と、を具備し、
    使用のとき、前記ビーム入口を通じて前記ビーム整形装 置に入射する前記レーザ装置からの入力ビームの各部分が、それぞれ異なる伝搬経路を進み、前記ビーム出口に おいて再形成されて、前記ビーム特性値Mx2およびMy2の一方が減少し伝送用光学装置によって伝送される出力ビームを形成するように、前記反射面が相互に配置され、 前記集光用光学装置からの前記ビームに対して前記反射 面が位置決めされることを特徴とするビーム整形装置。
  23. 第１の方向におけるビーム特性値がMx 2 でありそれに直交する方向におけるビーム特性値がMy 2 であるレーザビーム（32から40）を再形成して、前記ビ ーム特性値Mx 2 およびMy 2 の一方が減少した出力ビームを 再形成するビーム整形装置（20）の使用であって、
    前記ビーム整形装置は、前記ビーム整形装置のビーム入 口からビーム出口までを通る複数の異なる伝搬経路を形 成する複数の実質的に平行な反射面（22、24）を具備 し、使用において前記ビーム入口を通じて前記ビーム整 形装置に入力したビームの各部分が他の反射面によって 覆われない反射面の部分に入射し、前記ビーム出口を通 じて前記ビーム整形装置から出力したビームの各部分が 他の反射面によって覆われない反射面の部分から反射さ れるように、前記ビーム入口及び前記ビーム出口が位置 し、各経路が対向する前記反射面の間でそれぞれ異なる 回数の反射を伴い、
    前記使用は、前記ビーム入口を通じて前記ビーム整形装 置に入射する前記レーザ装置からの入力ビームの各部分 が、それぞれ異なる伝搬経路を進み、前記ビーム出口に おいて前記出力ビームを再形成するように、前記反射面 を相互に配置し、前記レーザビーム（32から40）に対し て前記反射面を位置決めすることを含む、
    ビーム整形装置の使用。
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