JP4452335B2 - 一方が他方の上に配置される１つ以上のハイパワーダイオードレーザーの光ビームのバランスをとるための光学配置構成 - Google Patents

Description

本発明は、請求の範囲第１項の前文によるハイビーム品質と同様にハイパワー密度を達成する目的のために１つ以上のハイパワーダイオードレーザーの光ビームのバランスをとる配置構成に関する。
ハイパワーダイオードレーザー（一列に配置された複数のエミッターまたはエミッターグループを備えたダイオードレーザー）（以下HP-DLと呼ぶ）の発光特性については、十分頻繁に説明されている。HP-DLで表れる特別な特徴は、pn接合と平行および垂直をなす面で発光ビームと、エミッター配置の空間的範囲について大きく異なる発散があるという事実である。故に、pn接合の面（以下のファースト軸）で、発散はほぼ４５度FHWMとなり、pn接合と垂直をなす面（以下のスロー軸）で、それはほぼ１０度FHWMとなる。
高さ１μmおよび幅２００mmの放射範囲が得られる、例えば、ほぼ高さ１μmおよび幅２００μmのエミッターに対する典型的な寸法の場合、互いがほぼ２００μmの距離にある２５個のエミッターから成る一列のエミッターが得られる。発光ビームは、放射範囲の幅では不均一である、つまり、それはエミッターの数、距離および幅により決まる複数の光ビームから成る。実例によるエミッター配置に対して、その結果は、光ビーム出口開口部が１μm×２００μmの２５個の光ビームである。これらの光ビームは、複合的にまたはグループに組み合わされる、または光ビームのバランスをとる目的のために個別に形成されることもある。
光ビーム伝搬の方向に、HP-DLから開始する、HP-DLの光ビームのバランスをとるための全ての周知光学配置は、それぞれの場合で、第１光学要素として、ファースト軸の方向の光ビームを平行にするための、エミッターの列の上流に配置される円筒状レンズを有する。
光学要素およびアッセンブリの異なる組合せは、２つの面の大きく異なる光ビーム品質についての均一性を実現する目的で以下のように配置される。
そのような配置構成は、WO 96/13884、DE 196 45 150およびDE 195 00 513から知られている。その最初の２つの解決法には、その光ビームが適切にその配置構成内に投射され得るHP-DL数が非常に限定され、その結果HP-DLの達成可能な総パワーがほぼ１００Wに限定されるという欠点がある。
DE 195 00 513で提示される配置構成は、多数のエミッターを有するHP-DLに、主に一方が他方の上に配置される複数のHP-DLに適用できる。この配置構成は、非常に多くのエミッターの光ビーム整形を通じて非常に高いパワーまでのスケーリングを可能にする。DE 195 00 513に記述される配置構成では、第１段階は、周知のように、円筒状レンズによってファースト軸の方向で数ミリラジアンの残留発散にまでそれぞれ個別のHP-DLの光ビームを平行にすることである。
複数の個別のエミッターまたはエミッターグループの並置のため、スロー軸の方向での光ビームが、既述されたように、均一なライン放射源とはならない。
光学配置構成によってより良好にライン放射源が平行にされる、または集束されると、そのライン源の範囲がより小さくなるので、個別のエミッターまたはエミッターグループの光ビームがスロー軸の方向で個別に平行にされることが有利となる。
この目的のために、DE 195 00 513では、プリズム系は、ファースト軸の方向の隣接エミッターまたはエミッターグループの、ファースト軸の方向で平行にされた、光ビームを偏向するためにそれぞれの場合で円筒状レンズの下流に配置される。そのように偏向された部分的光ビームは、スロー軸の方向で互いに関してオフセットされたままとなる。その結果、スロー軸の方向での光ビームを平行にするための分割されたコリメーションレンズ系の、個々の光ビームに割り当てられる、円筒状レンズ要素は、スロー軸に関して重なり合うように配置できる。故に、その屈折損失は、HP-DLのエミッターまたはエミッターグループ間の距離が小さな場合でもより大きなコリメーションレンズを使用することによって最小限に抑えることができる。良好な光ビーム形成がスロー軸の方向で可能となるが、分割された円筒状レンズ系は実施するのにかなりの費用が伴う。
明確に説明された偏向により分離される個別の光ビームの光ビーム品質が、光学配置構成全体の光ビーム品質を決定する。
但し、DE 195 00 513による光学系は、光ビーム品質の観点から光ビームの最適再配置を行わない：
- スロー軸に沿う分離された個別の光ビームの元のオフセットは維持され、２つの軸方向での再配置による光ビーム品質のバランスがとれていない。故に、その光ビーム品質、つまりその配置構成から出てくるときの全光ビームの達成可能な最小焦点範囲または開口数は、その光学系により以下のように制限される。
- 但し、分割されたコリメーションレンズ系の挿入のためにスロー軸の方向に光ビームを形成するのには非常に費用がかかる。
１つ以上のHP-DLの光ビームに対する効率的な光ビーム形成に加えて、光ビーム品質のバランスが、集束前にスローおよびファースト軸に沿って達成される、その結果として光ビーム品質が焦点で実質的に改善されるように光ビーム再配置をも実行する新しいより簡単な光学配置構成を示すことが本発明の目的である。
この目的は、請求の範囲第１項による光学配置構成で達成される。有利な態様は従属請求の範囲に記載される。
それぞれ個別のHP-DLの個々のエミッターまたはエミッターグループの光ビームが、単一円筒状レンズを用いてスロー軸の方向で平行にされるように、スロー軸の方向で重なり合わされるようにできる光学的回折、反射または屈折手段によって偏向され、光ビーム全体の実質的なバランスがとれることが達成されることが本発明には重要である。
本発明による配置構成は、図を参照して以下でより詳述される。
第１図は、３つのエミッターまたはエミッターグループを備えたHP-DLに適した第１の態様の簡略側面図を示す。
第２図は、第１図による配置構成の平面図を示す。
第３図は、一方が他方の上に配置される３つのHP-DLに適した第２の態様の簡略側面図を示す。
明瞭化のために、第１の態様として、３つのエミッターまたはエミッターグループを備えたHP-DL１の光ビームを１点に集束させるのに適している本発明による配置構成が、記載されるべきである。故に、放射範囲は、スロー軸上に隣接配置された３つのエミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃを具備する。
第１図および第２図から分かるように、第１実施例は、第１円筒状レンズ３、方向要素４として以下に示される第１偏向要素、再方向要素５として以下に示される第２偏向要素、第２円筒状レンズ６および集束レンズ７の順でHP-DL１のビーム方向に配置される光学的機能要素を具備する。単純プレーナ凸レンズであることもある集束レンズ７を除いて、光学的機能要素の全てが、ファースト軸およびスロー軸の方向のエミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃの光ビームに様々な影響を与える。光ビームにおける配置構成の動作の異なるモードは、光ビームの光路でファースト軸の方向（x-z面、側面）におけるものが第１図に、さらにスロー軸の方向（x-z面、平面）におけるものが第２図に示される。
エミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃによって発せられる、第１図に示された３本の光ビームは、第１円筒状レンズ３による周知の方法でファースト軸の方向で最初に平行にされる。従来技術によれば、典型的に発散を５ミリラジアンにまで低減する非球面円筒状レンズがこの目的のために利用される。コリメーション後の光ビームの典型的な直径は、ファースト軸で０．６mmである。この第１円筒状レンズ３は、スロー軸の方向には何の影響もない。
方向要素４は、第１円筒状レンズ３の下流の最小限の距離に配置され、第２図に示されるように、通過時に光ビームがファースト軸の方向とスロー軸の方向との両方で異なるように様々に偏向されるように、エミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃに従ってスロー軸に沿って３つの異なるセグメント４ａ、４ｂおよび４ｃに再分割される。この場合、中間エミッターまたはエミッターグループ２ｂの光ビームはいかなる方向にも偏向されない。エミッターまたはエミッターグループ２ａの光ビームの偏向は、ｙ方向において固有角度でその中間に向かって、およびｘ方向において下方に向かって起こる。エミッターまたはエミッターグループ２ｃの光ビームの偏向は、同絶対値だけであるが、それぞれ反対方向で起こる。偏向角度の絶対値は、HP-DLの幾何学的寸法形状、特に、HP-DLの個々のエミッターまたはエミッターグループの数、間隔および幅から得られる幅Ｂから、恐らく一方が他方の上に配置される２つのHP-DLのエミッターまたはエミッターグループ間の間隔Ｐから、および方向要素４と再方向要素５との間の軸方向の間隔からの原則に従う。
実施例で選択されたHP-DLのエミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃの配置構成では、スロー軸の方向での方向要素４の偏向角度は、個々の光ビームの主要光線が再方向要素５の面における方向要素４から定義された距離Ａにおいて交差するように選択される。ファースト軸の方向では、方向要素４の偏向角度は、距離Ａにおいて互いにはっきりと分離された光ビームを生成するように選択される。
再方向要素５も同じように、方向要素４内のｘ方向およびｙ方向で経験される主要光線の偏向を正確に補正できるようにそれぞれ通過した光ビームを偏向する３つのセグメントを具備する。これは最適集束性能を得るための前提条件である。光ビームの全てを可能な限り小さなスポットに集束させるために、スロー軸の方向に作用する第２円筒状レンズ６と、球状集束レンズ７とが、ビーム光路の下流に配置される。方向要素４および再方向要素５のために、個々のエミッターまたはエミッターグループ２ａ、２ｂおよび２ｃの光ビームは、それらが、ｘ方向を除いて、もはや続いてｙ方向に互いに隣接して配置されないように再配置される。これは、両軸でHP-DLからの放射の大きく異なる光ビーム品質についての最上のバランスがとれることとなる。これは続く光ビームの整形をも可能にし、分割されたコリメーションレンズ系を使用せずに、単純第２円筒状レンズ６を用いて、従来技術と比較して明らかにより良好な光ビーム品質にする。第２円筒状レンズ６の焦点距離は、ｙ方向における再方向要素５を通過する光ビームが数ミリラジアンにまで平行にされるように選択される。
第２実施例では、本発明による配置構成は、一方が他方の上に配置される２４個のHP-DLのために設計されることである。第３図において、３つのHP-DLからの光ビームの表示に低減されたこの第２実施例は、側面図で示される。２つの隣接HP-DLのエミッターまたはエミッターグループは、互いにＰの距離だけ離れて位置する。
原則として、本発明による配置構成の設計と、それに応じて、HP-DLの数は、光ビームが投射されるべきポイントにおける所望パワーと幾何学的形状とで決まる。このパワーは、一方が他方の上に配置されるHP-DL数で決まる。光ビーム品質は、実質的にエミッターグループへのエミッター列の細分割数に依存し、細分割の最大数は恐らくエミッターの数に等しい。これは、第２実施例で以下で説明されることになろう。
その目的は、エッジ長を有する矩形光ビームスポット２^*４mm²を照射することであり、その開口数がファースト軸およびスロー軸の方向で０．１を超えないようにしてある。
４mmのエッジ長は、それぞれの場合で３．３mmの幅、および０．１２の開口数を有する一列に配置された３つのエミッターグループによって達成できる。光学的機能要素は、４mmの長さおよび０．１の開口数で焦点に光ビームスポットを生成できるようにスロー軸の方向において今や設計される。それらの焦点距離がほぼ２６０mmである円筒状レンズおよび両凸レンズの光ビーム整形が利用され、方向要素および再方向要素４、５の間の距離が６０mmの範囲内である。
２mm高のエッジ長は、０．１の開口数で実現できる。典型的に１．７mmの２つの隣接HP-DLのエミッターグループの間隔と、ファースト軸の方向で平行にされた光ビームに対して典型的に５ミリラジアンの発散とに基づくので、焦点でのパワーをスケールするためにファースト軸の方向に一方が他方の上になるように２４個のHP-DLを配置することが可能となる。第１円筒状レンズ３は、各HP-DLの、つまりエミッターグループの各列の下流に配置される。ｘ方向における次の方向要素４の範囲は、エミッターグループの全列に対する光ビームを再配置できるように選択される。三倍分割について説明される場合には、この再方向要素５は各一列にそれぞれ３つのセグメントを具備する。エミッターグループ２の、実施例で選択された、配置構成の場合、および托葉状距離がＰとすると、スロー軸（ファースト軸）の方向での方向要素４の偏向角度は、arctan（B/3A）（arctan［P/3A］）として与えられる。ＢとＰとに対する１０mmと１．７mmとの典型的な値の場合、その結果は、ほぼ６の偏向角度の割合となり、Ａに対してほぼ６０mmの典型的な値の場合、これらの角度は、それぞれ約３°および０．５°となる。
スロー軸の方向でのコリメーションの機能は、異なる長さについてであるが、個々のレンズによってエミッター列の数とは無関係に果たされる。同様に、光ビームの全ての集束は、１つの集束レンズのみによってエミッター列の数とは無関係に実行される。再方向要素５のロケーションにおけるファースト軸の方向での光ビームの高さを個々のセグメント５ａ、５ｂおよび５ｃの高さに一致させる目的のために、ファースト軸の方向での光ビームの再集束を選択することが可能である。これは、円筒状レンズ３をｚ方向に移動することによって達成される。再集束により起こる比較的強い非点収差は、方向要素５の直ぐ上流または下流に円筒状レンズの配列を配置することによって補正できる。
再方向面５内でほぼ０．５５mmの光ビームに再集束させることが、３倍分割および距離Ｐが典型的に１．７mmの現在の場合では必要であろう。入手可能な非球面状レンズを使用する場合、そのような再集束は、所定レンズの厚みが１．５mmであっても達成できる。
２つの実施例では、方向要素４および再方向要素５は、単純化のために透明プリズム系として示されている。これらの要素も同じように、例えばフレネル構造や回折構造など、反射系として異なる構造のものであっても良いことは当業者には明白である。全ての方向および再方向要素４；５は、それぞれの場合でモノリスまたは疑似モノリスとして個別にまたは連帯的に設計できる。勿論、方向および再方向要素４；５の、異なる方法で光ビームを偏向する個別のセグメントも、独立した光学要素であることもある。光学系を製造および組み立てる費用は、方向要素４がモノリスとして設計される、または方向要素４および再方向要素５の機能が１つの光学要素に組み合わされ、その後者がモノリスとして設計される場合、従来技術と比べてかなり低減される。

Claims (7)

1. 一点に集束させる目的のための、一方が他方の上に配置された、２つ以上のハイパワーダイオードレーザー（１）の光ビームのバランスをとるための光学配置構成であって、
   一列に配置された複数のエミッターグループ（２）を有するハイパワーダイオードレーザー（１）、
   複数のエミッターグループ（２）の光ビームをエミッターのｐｎ接合（ファースト軸）の方向で平行にするための第１円筒状レンズ（３）、および、
   複数のエミッターグループ（２）の数に等しい多数の異なるセグメントを備え、回折、屈折または反射によってファースト軸の方向に光ビームを偏向する方向要素（４）が各列の下流に配置されており、
   前記エミッターのｐｎ接合と垂直をなす方向（スロー軸）での光ビームを平行にするための平行光学素子と、全光ビームを集束点に集束させるレンズ（７）とがあり、
   前記集束点が、前記スロー軸およびファースト軸の方向に対する垂直線として定義される光軸上にあり、
   ｐｎ接合と垂直をなす方向（スロー軸）での前記光ビームを平行にする前記平行光学素子が単一の第２円筒状レンズ（６）であり、
   前記方向要素（４）のセグメントが互いにスロー軸の方向に前記光ビームをそれぞれの場合で偏向するので、それらの主要光線が前記pn接合と垂直をなす方向で前記方向要素（４）から距離Ａにおいて前記光軸と重なり、前記pn接合の方向の等距離において一方が他方の上に配置され、
   各方向要素（４）から距離Ａの下流に配置されるのが、前記光ビームが互いに平行に走るようにそれらを偏向する再方向要素（５）である、光学配置構成。
2. 前記ファースト軸に沿って前記ハイパワーダイオードレーザー（１）の距離を一致させる目的のために、前記第１円筒状レンズ（３）が、前記光軸に垂直な再方向要素（５）を横断する面に中間集束を実行する、請求の範囲第１項に記載の光学配置構成。
3. 前記中間集束によって起こる比較的強い非点収差を補正する円筒状レンズ配列が、前記再方向要素（５）の上流または下流に直接配置される、請求の範囲第２項に記載の光学配置構成。
4. 光学配列が、少なくとも３つの要素に前記スロー軸の面での前記ハイパワーダイオードレーザー（１）の放射を分割し、その結果、前記ファースト軸で並列してオフセットされた少なくとも３つの光ビームが、前記方向要素（４）の下流側でファースト軸方向の面に表れる、請求の範囲第１または２項のいずれかに記載の光学配置構成。
5. それぞれの場合でのHP-DLの下流に配置された前記方向要素（４）と、前記再方向要素（５）とはモノリスとして設計される、請求の範囲第１項に記載の光学配置構成。
6. 方向要素（４）の全てがモノリスとして設計される、請求の範囲第１項に記載の光学配置構成。
7. 再方向要素（５）の全てがモノリスとして設計される、請求の範囲第１項に記載の光学配置構成。

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