JP6412478B2 - 波長合成レーザシステム - Google Patents

Description

本開示は、レーザシステム及びレーザシステムを操作する方法に関する。より詳細には、本開示は、一連のレーザダイオードが発したビームを波長ロック及びビーム合成する方法及びシステムに関する。

レーザシステムは、２つ以上のレーザダイオードの集合を出力レーザ放射の直接源として、又はダイオード励起レーザ用の、例えばファイバレーザ、ディスクレーザ、スラブレーザ、ロッドレーザ、ダイオード励起固体レーザ、ラマンレーザ、ブリュアンレーザ、光パラメトリックレーザ、アルカリ蒸気レーザ用のポンプとして組み込み得る。工業材料加工用途（例えば、シートメタル切断及び溶接）等のレーザ用途によっては、２つ以上のレーザダイオードによって提供される光線（以下、ビームと称する）を合成して、例えば単一の高パワー及び／又は高品質出力ビームを発生させることができる。

ビームコンバイナは、光源素子アレイであり、光源素子アレイの各光源素子が、光源素子アレイの他の光源素子の中心波長とは異なる中心波長でロックされる光線を出力するよう構成され得る光源素子アレイと、光線を合成して合成ビームにするよう構成された分散素子と、合成ビームを出力ビーム及びロッキングビームに分離するよう構成されたビームセパレータであり、ロッキングビームが合成ビームのうち出力ビームよりも小さな部分となり得ると共に、当該小さな部分が各光源素子の光線の一部を含み得るビームセパレータと、ロッキングビーム内のクロストークを防止し、且つロッキングビームを光源素子アレイへ再指向させるよう構成された空間フィルタとを備えることができ、分散素子は、ロッキングビームを成分波長ビームに分散するよう構成され、各成分波長ビームを、光源素子アレイの各光源素子をその中心波長でロックするよう各光源素子へ指向させることができ、各成分波長ビームは、各光源素子の中心波長に波長が対応し得る。

ビームコンバイナは、合成ビームを出力ビーム及びロッキングビームに分離するよう構成されたビームセパレータであり、合成ビームを、光源アレイの光源素子によって提供される光線の組み合わせである光線とすることができ、光源アレイの各光源素子を、光源アレイの他の光源素子の中心波長とは異なる中心波長でロックされる光線を出力するよう構成することができ、ロッキングビームが合成ビームのうち出力ビームよりも小さな部分を含み得ると共に、当該小さな部分が各光源素子の光線の一部を含み得るビームセパレータと、ロッキングビーム内のクロストークを防止し、且つロッキングビームを光源アレイへ再指向させるよう構成されたロッキングアームと、ロッキングビームを波長ビーム群に分散するよう構成された分散素子であり、各波長ビームを、光源アレイの各光源素子をその中心波長でロックするよう各光源素子へ指向させることができ、各波長ビームが、各光源素子の中心波長に波長が対応し得る分散素子とを備え得る。

方法は、ビームコンバイナによって、合成ビームを出力ビーム及びロッキングビームに分離するステップであり、合成ビームを、光源アレイに含まれる光源素子によって提供される光線の組み合わせである光線とすることができ、光源アレイの各光源素子を、光源アレイの他の光源素子の中心波長とは異なる中心波長でロックされる光線を出力するよう構成することができ、ロッキングビームが合成ビームのうち出力ビームよりも小さな部分を含み得ると共に、当該小さな部分が各光源素子の光線の一部を含み得るステップと、ビームコンバイナによって、ロッキングビーム内のクロストークを防止するステップと、ビームコンバイナによって、ロッキングビームを光源アレイへ再指向させるステップと、ビームコンバイナによって、ロッキングビームを一連の波長ビームに分散するステップであり、各波長ビームを、光源アレイの各光源素子をその中心波長でロックするよう各光源素子へ指向させることができ、各波長ビームが、各光源素子の中心波長に波長が対応し得るステップとを含み得る。

レーザシステムを備えたレーザ加工装置のコンポーネント例を示す図である。 図１のレーザシステムのダイオードバンクのコンポーネント例を示す図である。 図２のビームコンバイナの種々の実施態様のコンポーネント例を示す図である。 図２のビームコンバイナの種々の実施態様のコンポーネント例を示す図である。 図２のビームコンバイナの種々の実施態様のコンポーネント例を示す図である。

以下の実施態様例の詳細な説明では、添付図面を参照する。異なる図中の同じ参照符号は、同じ又は同様の要素を示し得る。以下に記載する実施態様は、例に過ぎず、開示したものとまさに同一の形態に実施態様を限定することを意図するものではない。その代わりに、実施態様は、当業者による実施を可能にするための説明として選択したものである。

レーザシステムは、波長ビーム合成を行うよう構成されたビームコンバイナを含み得る。例えば、ビームコンバイナは、単一の出力ビームを発生させるために、レーザ光源群（例えば、レーザダイオード群、レーザアレイ等）が発したビームを合成するよう構成され得る。スケーラブルなビーム合成技術の使用は、（例えば、個々のレーザ光源がスケーラブルでない場合でも）パワースケーラブルなレーザ光源を可能にし得る。

しかしながら、従来の波長ビーム合成方法は、レーザ光源間のクロストークを起こしやすく、これがレーザ光源を不正確な波長で波長ロックさせることで、ビームが単一のビームに合成されなくなる。場合によっては、空間フィルタの使用がクロストークの軽減に役立ち得るが、空間フィルタは、出力ビームが空間フィルタを通過する際に出力ビームに損失を導入し得る。

ビームコンバイナの動作は、実質的な利得帯域をそれぞれ有する光源素子（例えば、利得素子）のアレイが、レンズを介して回折格子等の分散素子に結合され、続いてビーム（すなわち、フィードバック信号、ロッキングビーム等）の一部（例えば、１％〜１０％）を光源素子へ送り戻す部分反射鏡に結合されることで、光源素子を適当な波長で波長ロックさせて、光源素子によって提供されるビームが回折格子以降で単一の出力ビームに合成され得るようにすることができる。

各光源素子が部分反射鏡から受け取るフィードバック信号は、その特定の光源素子から生じたものであるべきである。しかしながら、光源素子が異なる光源素子から生じたフィードバック信号を受け取る場合、その光源素子対は、その光源素子対がクロストークを伴わずにレーザ発光する波長間の中間波長で両方がレーザ発光し、回折格子の後のビームは、相互に又は多方の光源素子のビームと同一直線上にない場合がある。したがって、光学設計が光源素子（すなわち、各光源素子自体に戻るもの以外のフィードバック経路）間のクロストークを抑制することが有益であろう。

付加的な光学素子がない場合、所与の光学設計で抑制できるクロストークはわずかである。例えば、部分反射鏡がレイリーレンジの少なくとも大部分の距離だけ回折格子から離れていることで、クロストーク経路がセルフロッキング経路よりも大きな損失を被り得る場合、クロストーク信号のケラレ（vignetting）又は位置ずれ（misalignment）が生じ得る。したがって、各光源素子は、対応のセルフロッキング経路上でレーザ発光し得る。しかしながら、この技法は、クロストークを実質的に抑制し得ない。

付加的又は代替的に、場合によっては、クロスカップリング軽減光学系を回折格子と部分反射鏡との間で用いることができる。クロスカップリング軽減光学系は、ビームをリサイズしてレイリーレンジを短縮することで、クロストークに対する十分な区別を与えるのに必要な総光路長及び物理的サイズを減らすことができる。しかしながら、この方法はクロストーク信号を完全に抑制しないので、光源素子は、特定の状況下でクロストーク信号を予想外にロックオンする場合があり、ビーム合成システムは、故障及び／又はレーザシステムの損傷をきたす場合がある。

クロストークの抑制は、空間フィルタを部分反射鏡の近位でシステムに挿入する場合により良好に提供され得る。場合によっては、空間フィルタは、集光レンズ及び小さな開口を含むことができ、この小さな開口は、伝播可能な信号が、部分反射鏡に垂直入射で当たることで潜在的なクロストーク経路を遮断しセルフロッキング経路のみを許す信号のみであることを確実にする。しかしながら、このような場合、合成ビーム全体（例えば、光源素子をロックするために部分反射鏡によって反射されるようになっている部分及び出力として用いられる部分の両方を含む）が、空間フィルタを越えなければならない。空間フィルタは、レンズの透過損失及び開口によるクリッピング損失の両方に起因して約５％〜１０％の透過損失をもたらし得るので、これは、システムのパワー及び効率に大きな影響を及ぼし得る。さらに、開口を通るビームは強く集束され得るので、キロワットパワーレベルでの動作時に、高いパワー密度が開口を摩滅及び／又は損傷させ得る。したがって、出力ビームに損失を加えることなく利得チャネル間のクロストークを防止又は低減する方法が必要である。

本明細書に記載される実施態様は、（例えば回折格子を出る）合成ビームを、クロストークのない波長ロッキングのために空間フィルタ処理及びフィードバックされるロッキングビームと、出力に用いられる出力ビームとに空間的に分離することによって、クロストークを低減又は防止することが可能なビームコンバイナを提供することができる。

図１は、工業材料加工用途に適したレーザ加工システム１０を備えたレーザ加工装置のコンポーネント例を示す図であり、本明細書で述べられ且つ本明細書に記載の実施態様に従ったレーザシステムの実施形態を組み込み得る。レーザ加工システム１０は、ワークピース１８を加工するレーザビーム１６を送る加工ヘッド１４を有するレーザシステム１２を備える。加工ヘッド１４は、レーザビーム１６を切削パターン又は彫刻パターン等の所望のパターンへ向けるようプログラムされたＸ−Ｙキャリッジ（図示せず）に搭載される。レーザシステム１２は、複数のダイオードバンク２０を備え、ダイオードバンク２０のそれぞれが、レーザビーム２２をビームコンバイナ２４へ供給する。図２は、ダイオードバンク２０の例を示す。ビームコンバイナ２４は、当該技術分野で既知の又は将来開発される任意の方法でビームを合成し、合成ビーム２６を加工ヘッド１４へ出力する。本明細書に記載の実施態様に従ったビームコンバイナ２４の実施態様例は、図３Ａ〜図３Ｃを参照して後述する。

各レーザビーム２２は、制御ユニット３０によって調節される出力パワーを有する。一例では、制御ユニット３０は、電源３２によって複数の電流として複数のダイオードバンク２０へ供給されるパワーを調節し、各電流を制御ユニット３０によって個別に制御して、ダイオードバンク２０がレーザビーム２２を介して所望の出力パワーを生み出すようにする。冷却システム３４を設けて、ダイオードバンク２０を通して冷却液を循環させてそれらの温度を所望の範囲内で維持することができる。

本明細書に記載の実施態様に従った工業材料加工用途に適したレーザシステムの具体的な一例は、シングルエミッタチップ上のマルチモードエッジエミッタを含み、これはそれぞれが最大約１０ワット（Ｗ）の出力パワーを生み出す。本例では、１４個のこのようなシングルエミッタが各パッケージに直列配線で搭載され、約１４０Ｗの出力が単一の出力ファイバに結合される。各バンクは、３個のダイオードパッケージ又はモジュールを直列配線で備える。ダイオード毎の通常のダイオードドロップが約１．８Ｖである場合、各パッケージの総ドロップは約２５Ｖであり、したがって各バンクは約７５Ｖで動作する。並列配線された５個の個別に制御可能なバンクをシステムで用いて、合計１５個の１４０Ｗパッケージを提供して全利用可能レーザダイオードパワーを２．１ｋＷとすることができる。１５個の出力ファイバ（バンク毎に３個）又は５個の出力ファイバ（バンク毎に１つ）が、ワークピース１８につながる１つのより大きな電源供給ファイバに、又はファイバレーザのポンプ入力ポートに結合され得る。

本明細書に開示される実施形態での使用に適したレーザダイオードの例は、エッジエミッタ又は垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、単一横モード又はマルチモードレーザ等、さまざまなダイオードタイプ及びパッケージタイプの組み合わせのいずれかを含む。ダイオードチップとして、半導体チップ毎に１つのエミッタ（シングルエミッタチップ）、又はチップ毎に複数のエミッタ（例えば、ダイオードバー、ＶＣＳＥＬアレイ）が挙げられ得る。チップは、１つのパッケージ内に１つ又は複数のシングルエミッタチップ、又は１つのパッケージ内に１つ又は複数のマルチエミッタチップで実装され得る。ダイオードパッケージ又はバンクからのレーザ出力は、光ファイバで又は自由空間ビームとして送られ得る。

ダイオードバンクのレーザ出力を発生させるために、チップ出力はダイオードバンク内で合成される。高出力シングルエミッタから放出された光は、通常は非対称性が高く、長くて薄い出射開口が得られる。このようなレーザが発した光ビームは、その「遅軸」（活性層と平行）よりもその「速軸」（主ｐ／ｎ接合に対して垂直）ではるかに高い輝度を有する。光ファイバは、概して、実質的に円形又は多角形の断面及び実質的に対称の受入角を有する。最高輝度を得るために、複数のシングルエミッタダイオードレーザからの光線が、それらの速軸方向に重ねて単ファイバに結合される。例えば、遅軸で１００マイクロメートル（μｍ）の開口幅を有する３個〜１０個の個別レーザエミッタのアレイを、個々のレーザビームを速軸方向に重ね合わせることによって直径１０５μｍ及び０．１５ＮＡ（開口数）のファイバに結合することができる。

レーザダイオード発光は通常は偏光するので、偏光ビーム合成を用いて、２つのシングルエミッタアレイが発した光を単ファイバに結合することにより、出力ビームのパワー及び輝度を倍増させることができる。このようなレーザビーム合成の一例は、等しく偏光したレーザビームの空間的重ね合わせを、２つのレーザアレイからの重なり合ったビームの偏光合波と組み合わせる。一例では、２列のレーザダイオードを上段に位置決めし、２列のコリメートレンズを中段に位置決めする。光線は、レンズによってコリメートされ、続いて下段に位置決めされた２列の鉛直方向にずれたプリズムミラーによって反射されて、偏光ビームコンバイナ（ＰＢＣ）及び半波長板を用いて偏光合波された２つの鉛直方向に重なり合ったビームを形成する。

別の例では、第１レーザダイオード列及び第２レーザダイオード列が、横方向にずれた千鳥配置で配置される。本例は、２０１３年４月２３日に発行された米国特許第８，４２７，７４９号にさらに詳述されており、当該特許の全体を参照により本明細書に援用し、図２のダイオードバンク２０を参照してさらに説明する。

図１に示すコンポーネントの数及び配置は、一例として提供するものである。実際には、レーザシステム１０は、追加のコンポーネント、より少ないコンポーネント、異なるコンポーネント、又は図１に示すものとは異なる配置のコンポーネントを含み得る。付加的又は代替的に、レーザシステム１０の一組のコンポーネント（例えば、１つ又は複数のコンポーネント）が、レーザシステム１０の別の組のコンポーネントが果たすように記載されている１つ又は複数の機能を果たしてもよい。

図２は、図１のレーザシステム１０のダイオードバンク２０のコンポーネント例を示す図である。図２に示すように、ダイオードバンク２０の例は、それぞれがダイオードレーザ４２、速軸コリメータ４６、遅軸コリメータ４８、及び回転反射鏡５０を備えた複数のダイオードレーザサブシステム４０ａ〜４０ｆを備える。ダイオードレーザサブシステム４０ａ〜４０ｃは、共通の平面Ａ上で鉛直方向に整列して、１つのサブシステムからのビームが共通の平面上に整列した他のサブシステムの光学コンポーネントを横切らないよう鉛直方向に互い違いになった平行ビームを発生させる。ダイオードレーザサブシステム４０ｄ〜４０ｆは、共通の鉛直面Ｂ上で同様に配置及び整列される。ダイオードバンク２０はさらに、サブシステムからのレーザビームを合成して出力ファイバ６８によって送られるレーザビーム２２にするよう配置された光学素子を備える。光学素子の例は、偏光変換素子６０、折り返しミラー６２、偏光ビームコンバイナ６４、及び結合光学系６６を備える。

図２に示すコンポーネントの数及び配置は、一例として提供するものである。実際には、ダイオードバンク２０は、追加のコンポーネント、より少ないコンポーネント、異なるコンポーネント、又は図２に示すものとは異なる配置のコンポーネントを含み得る。付加的又は代替的に、ダイオードバンク２０の一組のコンポーネント（例えば、１つ又は複数のコンポーネント）が、ダイオードバンク２０の別の組のコンポーネントが果たすように記載されている１つ又は複数の機能を果たしてもよい。

図３Ａ〜図３Ｃは、図１のビームコンバイナの種々の実施態様のコンポーネント例を示す図である。図３Ａは、ビームコンバイナ２４の第１実施態様のコンポーネント例を示す。

図３Ａに示すように、ビームコンバイナ２４は、光源素子群を含む光源アレイ１００を含むことができ、光源素子群は、レーザダイオードを含むダイオードバンク２０等の利得素子、又はレーザ利得媒質に結合されたパッシブファイバの出力ファセット等の非利得素子を含み得る。光源アレイ１００の各光源素子は、異なる波長帯域及び中心波長をそれぞれが有する光線を提供（例えば、発射、出力等）し得る。いくつかの実施態様では、光源アレイ１００は、コリメートレンズ１０１の焦点面付近に位置決めされ得る。

分散素子（例えば、回折格子１０２）が、追跡レンズ１０１の後の平行ビームに（例えば、レンズ１０１の別の焦点面付近に）位置決めされ得る。回折格子１０２は、光源アレイ１００が提供した光線を合成することが可能であり得る。いくつかの実施態様では、凹面ミラーがレンズ１０１の代わりに用いられ得る。付加的又は代替的に、曲面チャープ格子がレンズ１０１及び回折格子１０２の両方の代わりに用いられ得る。いくつかの実施態様では、回折格子１０２は、反射したロッキングビーム１１２を成分波長ビーム群に分散させることが可能であり、各成分波長ビームは、光源アレイ１００の特定の光源素子に対応し得る。

図３Ａにさらに示すように、ビームコンバイナ２４は、回折格子１０２を出るビームを出力ビーム１０９及びロッキングビーム１１２に分離することが可能なビームセパレータ１０３を含み得る。図示のように、ロッキングビーム１１２は、空間フィルタを含むロッキングアーム１０４を横切り得る。図示のように、空間フィルタは、反射構成であり得ると共に、レンズ１０５、開口１０６（例えば、レンズ１０５の焦点面と実質的に一致して位置決めされる）、レンズ１０７（例えば、レンズ１０７の焦点面が開口１０６と実質的に一致するよう位置決めされる）、及びミラー１０８からなり得る。いくつかの実施態様では、ミラー１０８は、部分的に反射性（例えば、反射率９９％未満）又は高反射性（例えば、反射率９９％を超える）であり得る。いくつかの実施態様では、レンズ１０５、開口１０６、及び／又はレンズ１０７は、垂直（例えば９０°）又は近垂直入射光がミラー１０８に当たることを確実にすることで、光源アレイ１００の光源素子間のクロストークを防止し得る。

いくつかの実施態様では、ビームセパレータ１０３は、高反射性である少なくとも一部と、高透過性（例えば、透過率９９％を超える、透過率９５％を超える等）である少なくとも一部とを含み得る。いくつかの実施態様では、ビームセパレータ１０３は、出力ビーム１０９が反射されてロッキングビーム１１２が透過されるよう構成され得る。代替的に、ビームセパレータ１０３は、出力ビーム１０９が透過されてロッキングビーム１１２が反射されるよう構成され得る。

いくつかの実施態様では、ロッキングビーム１１２は、ビームセパレータ１０３に入射する回折格子１０２からの全パワーの１％〜２０％を含み得るので、ビームセパレータ１０３及び開口１０６の反射領域及び透過領域の相対面積は、それに従って選択すべきである。いくつかの実施態様では、ロッキングビーム１１２は、（例えば図３Ａに示すように）入射ビームの中間から、又は入射ビームの周辺等の入射ビームの別の部分から選択され得る。付加的又は代替的に、ロッキングビーム１１２は、入射ビーム中のストライプを含み得る。１つの実施態様例では、ビームセパレータ１０３はスクレーパミラーを含むことができ、これは、入射ビームの一部がビームセパレータ１０３を透過できるようにする孔を有する高反射ミラーを含み得る。別の実施形態例では、ビームセパレータ１０３は、少なくとも１つの高反射部分及び少なくとも１つの反射防止部分（例えば、反射率１％未満）を有するパターン状薄膜フィルタを含み得る。

いくつかの実施態様では、開口１０６は、孔又はスリットを含む吸収、散乱、及び／又は反射基板を含み得る。付加的又は代替的に、開口１０６は、高透過部分及び高反射部分を有するパターン状薄膜フィルタとして実施され得る。いくつかの実施態様では、回折格子１０２の分散が一平面内にあり得るので、ドット又は垂直スリット（例えば、分散平面に対して垂直）がクロストークの防止をもたらし得る。反射基板又はフィルタを用いる場合、開口１０６は、反射（すなわち跳ね返された）光が廃棄されてシステムに結合し戻されないよう（例えば、面外に）角度が付けられ得る。

いくつかの実施態様では、ロッキングビーム１１２を光源アレイ１００へ効率的に送り戻すために、ロッキングアーム１０４は、空間フィルタ（及びミラー１０８）の透過時にビームセパレータ１０３の平面をそれ自体に結像し戻すよう設計され得る。これにより、ロッキングビーム１１２が大きな追加損失を伴わずにビームセパレータ１０３を再度通り抜けることが確実になる。この条件は、例えば、ビームセパレータ１０３がレンズ１０５の焦点面とほぼ一致して位置決めされ、ミラー１０８がレンズ１０７の焦点面とほぼ一致して位置決めされる場合に満たすことができる。

図３Ｂは、図１のビームコンバイナ２４の第２実施態様のコンポーネント例を示す。図３Ｂに示すように、ロッキングアーム１０４は、反射型のパターン状薄膜フィルタ１１１を開口として用い得る。この場合、パターン状薄膜フィルタ１１１の一面上のドット又は垂直ストライプ（例えば、パターン状薄膜フィルタ１１１のその面の平面に対して垂直な面の中心）が、高反射性となるようコーティングされ得る一方で、パターン状薄膜フィルタ１１１のその面の残りの部分は、高透過性であり得る。ここで、反射ドット又はストライプのサイズは、クロストークを抑制するよう選択され得る。さらに図示するように、ロッキングアーム１０４は、凹面ミラー１１０を（例えば、図３Ａに関して上述したレンズ１０７及びミラー１０８の代わりに）含み得る。いくつかの実施態様では、図３Ｂのビームコンバイナ２４は、（例えば、図３Ａのビームコンバイナ２４と比べて）より少ないコンポーネント及び／又は配置の異なるコンポーネントを含むので、より単純且つ／又はより小型であり得る。

図３Ｃは、図１のビームコンバイナ２４の第３実施態様のコンポーネント例を示す。図Ｃに示すように、パターン状薄膜フィルタ１１１は、垂直入射反射で用いられ得る。ここでは、図３Ｂのビームコンバイナ２４と同様に、パターン状薄膜フィルタ１１１は、高反射性となるようコーティングされたドット又はストライプを含む一方で、他の場所ではパターン状薄膜フィルタ１１１は高透過性であり得る。しかしながら、ビームコンバイナ２４は、図３Ａ及び図３Ｂによってそれぞれ上記したようなコリメートレンズ１０７及びミラー１０８又は凹面ミラー１１０を含み得ない。したがって、図３Ｃのビームコンバイナ２４は、（例えば、図３Ａ及び図３Ｂのビームコンバイナ２４と比べて）より単純、より小型、且つ／又はより効率的であり得る。図３Ｃのビームコンバイナ２４は、図３Ａ及び図３Ｂのビームコンバイナと比べて光学的挙動が異なり得る。例えば、図３Ｃのビームコンバイナ２４のフィードバック信号が、光源アレイ１００の光源素子に対して結像され得るので、システムは、自己整合型であり、したがって機械的にロバストである一方で、クロストークの可能性があり得ない。図３Ｃのビームコンバイナ２４の例では、パターン状薄膜フィルタ１１１の機能は、（図３Ａ及び図３Ｂのビームコンバイナ２４のようにクロストークを遮断するのではなく）光源アレイ１００の光源素子毎に正しい波長を選択することである。

図３Ｃにさらに示すように、いくつかの実施態様では、ビームコンバイナ２４は、重なり合った出力ビームの線幅を狭め同心度を高めるために、エタロン１２０を任意に含み得る。例えば、１．７ナノメートル（ｎｍ）の波長間隔では、エタロン１２０を用いない場合の線幅は約０．５ｎｍであり得るが、これは、出力ビーム１０９に約１５％のぼけ（すなわち、ビームスポットの楕円率）を発生させ得る（例えば、０．５×（０．５ｎｍ／１．７ｎｍ）≒１５％）。しかしながら、同じ波長間隔の場合、エタロン１２０を用いた場合の線幅は、出力ビーム１０９に約４．５％のぼけしか発生させ得ない（例えば、０．５×（０．１５／１．７ｎｍ）≒４．５％）。いくつかの実施態様では、エタロン１２０は、各ビームスポット（例えば、各波長チャネル）の真円度を改善することができる。上記例で示したように、ビームコンバイナ２４がエタロン１２０を含まない場合にはビームから楕円が形成され得るが、ビームコンバイナ２４がエタロン１２０を含む場合にはビームから略円が形成され得る。いくつかの実施形態では、エタロン１２０は、エタロン１２０が引き起こすパワー損失を低減するためにロッキングアーム１０４に位置決めされ得る。

いくつかの実施態様では、光源アレイ１００は、可変ピッチ光源アレイであり得る。可変ピッチ光源アレイの使用は、エタロン１２０を用いる場合にビームスポットの相互の位置合わせを改善することができる。ここでは、エタロン１２０によって画定された波長グリッドが均一なピッチの光源アレイ１００、レンズ１０１、及び回折格子１０２の組み合わせによって画定されるものとわずかに異なり得るので、出力ビームは、全出力ビームスポットがぼけるような不完全な整列になる。例えば、ビームスポットは、光源アレイ１００が均一なピッチの光源アレイである場合には側方に（例えば、円直径の約５０％まで）広がり得る。しかしながら、光源アレイ１００の連続した素子が相互に対して数ミクロン（例えば、１０ミクロン〜３０ミクロン、１５ミクロン〜２５ミクロン、最大４０ミクロン等）チャープする（chirped：ずれる）場合（すなわち、光源アレイ１００が可変ピッチ光源アレイである場合）、ビームスポットは相互に重なり合い得る。換言すれば、可変ピッチ光源アレイの使用で、光源素子が異なる波長で動作することに起因してエタロン１２０によって導入された波長不整合（及び／又はエタロン１２０が悪化させる、回折格子１０２等のビームコンバイナ２４の別のコンポーネントによって導入された波長不整合）を補正することができる。１つの事例では、２６０ミクロンピッチで１８個の２００ミクロン径素子がある場合、（例えば、ピッチに２５０ミクロンから２７０ミクロンまで幅があるように）約２０ミクロンのピッチ変動が必要であり得る。

本明細書に記載の実施態様例では、ビームコンバイナ２４は、（例えば、図３Ａ〜図３Ｃに示すように）波長ロックに用いられるビームの一部がビームの中心であり得ることで、光源アレイ１００の素子をそれぞれ対応の低次モードでロックさせることができるよう構成することができ、これがビーム品質の改善につながり得る。

本明細書に記載の実施態様は、ぼけ効果も低減し得る。例えば、上述のように、光源アレイ１００の素子は、回折格子１０２の分解能に対応する線幅でレーザ発光し得ることで、波長合成（WAVELENGTH-COMBINED）方向のビームの実質的な空間的ぼけ（spatial blurring）を引き起こし得る（すなわち、出力ビーム１０９の品質を低下させる）。ここでは、ライン幅を狭めるためにエタロン１２０をロッキングアーム１０４に挿入することができることで、ぼけ効果を低減又は防止することができる。エタロン１２０は損失を引き起こし得るが、その損失はロッキングアーム１０４のみが被るので、このような損失がビームコンバイナ２４の出力パワー又は効率に大きな影響を及ぼし得ない。エタロン１２０は、図３Ｃに示す実施形態で利用され得るものであり、ビームセパレータ１０３とレンズ１０５との間の平行ビームに位置決めされ得る。しかしながら、ロッキングアーム１０４及び／又はビームコンバイナ２４内の別の位置にエタロン１２０を位置決めすることも可能である。特に、エタロン１２０は、各チャネルの線幅を低減して、回折格子１０２によってそこから発生するぼけを低減することができる。しかしながら、エタロン１２０をビームセパレータ１０３の前に位置決めすると、エタロン１２０の損失が（例えば、ビームセパレータ１０３における出力ビーム１０９及びロッキングビーム１１２への分離前の）ビーム全体に影響を及ぼすので、出力ビーム１０９に損失を招き得る。

さらに、本明細書に記載の実施態様は、光源アレイ１００、レンズ１０１、及び回折格子１０２の組み合わせの共振波長がエタロン１２０の共振波長と一致することを確実にするのに役立つように、光源アレイ１００の光源素子に対して可変間隔を用いることを含み得る。

特に、図３Ａ〜図３Ｃは３つの実施態様例を説明しているが、実施態様例の構成は、いくつかの実施態様で交換、組み合わせ、変更等を行うことができる。

図３Ａ〜図３Ｃに示すコンポーネントの数及び配置は、一例として提供するものである。実際には、ビームコンバイナ２４は、追加のコンポーネント、より少ないコンポーネント、異なるコンポーネント、又は図３Ａ〜図３Ｃに示すものとは異なる配置のコンポーネントを含み得る。付加的又は代替的に、ビームコンバイナ２４の一組のコンポーネント（例えば、１つ又は複数のコンポーネント）が、ビームコンバイナ２４の別の組のコンポーネントが果たすように記載されている１つ又は複数の機能を果たしてもよい。

本明細書に記載の実施態様は、（例えば回折格子を出る）合成ビームを、クロストークのない波長ロッキングのために空間フィルタ処理及びフィードバックされるロッキングビームと、出力に用いられる出力ビームとに空間的に分離することによって、クロストークを低減又は防止することが可能なビームコンバイナを提供することができる。

上記開示は、図示及び説明を提供するものであるが、網羅的であることも、開示したものとまさに同一の形態に実施態様を限定することも意図しない。変更形態及び変形形態は、上記開示に照らして可能であるか又は実施態様の実施から得ることができる。

本明細書で用いられる場合、コンポーネントという用語は、ハードウェア、ファームウェア、及び／又はハードウェア及びソフトウェアの組み合わせとして広義に解釈されることが意図される。

特徴の特定の組み合わせが特許請求の範囲に記載及び／又は明細書に開示されているが、これらの組み合わせは、可能な実施態様の開示を限定することを意図したものではない。実際には、これらの特徴の多くを、具体的に特許請求の範囲に記載及び／又は明細書に開示されていない方法で組み合わせることができる。別記の各従属請求項は、１つの請求項のみに直接従属し得るが、可能な実施態様の開示は、クレームセットの他の全ての請求項と組み合わせた各従属請求項を含む。

本明細書で用いられる素子、動作、又は指示はいずれも、そのように明記されない限り重要なものとも必須なものと解釈すべきでない。また、本明細書で用いられる場合、冠詞「a」及び「an」は、１つ又は複数の項目を含むことが意図され、「１つ又は複数」と交換可能に用いられ得る。さらに、本明細書で用いられる場合、用語「組」は、１つ又は複数の項目（例えば、関連項目、非関連項目、関連項目及び非関連項目の組み合わせ等）を含むことが意図され、「１つ又は複数」と交換可能に用いられ得る。１つの項目のみが意図される場合、用語「１つ」又は同様の文言が用いられる。また、本明細書で用いられる場合、用語「有する」等は、オープンエンドな用語であることが意図される。さらに、語句「に基づく」は、別段の明記がない限り、「少なくとも部分的に基づく」を意味するとことが意図される。

Claims (20)

1. ビームコンバイナであって、
   光源素子アレイであり、
   該光源素子アレイの各光源素子が、前記光源素子アレイの他の光源素子の中心波長とは異なる中心波長でロックされる光線を出力するよう構成される光源素子アレイと、
   前記光線を合成して合成ビームにするよう構成された分散素子と、
   前記合成ビームを出力ビーム及びロッキングビームに分離するよう構成されたビームセパレータであり、
   前記ロッキングビームが、前記合成ビームのうち前記出力ビームよりも小さな部分となり、
   該小さな部分は、各光源素子の前記光線の一部を含み得るビームセパレータと、
   前記ロッキングビーム内のクロストークを防止し、且つ前記ロッキングビームを前記光源素子アレイへ再指向させるよう構成された空間フィルタと
   を備え、前記分散素子は、前記ロッキングビームを成分波長ビームに分散するよう構成され、
   各成分波長ビームを、前記光源素子アレイの各光源素子をその中心波長でロックするよう前記各光源素子へ指向させ、
   各成分波長ビームは、前記各光源素子の前記中心波長に波長が対応するビームコンバイナ。
2. 請求項１に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタは、前記ロッキングビームを反射する一方で迷光を透過するか又は前記ロッキングビームを透過する一方で迷光を反射するよう構成された反射又は透過フィルタを含むビームコンバイナ。
3. 請求項２に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタは、
   前記ロッキングビームを透過する一方で前記迷光を反射又は吸収する開口を有する基板と、
   前記開口、前記ビームセパレータ、前記分散素子を通して前記光源素子アレイへ前記ロッキングビームを反射し戻すミラーと
   を備えるビームコンバイナ。
4. 請求項３に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタはさらに、
   前記ビームセパレータと実質的に一致する第１焦点面及び前記開口と実質的に一致する第２焦点面を有する第１レンズと、
   前記開口と実質的に一致する第３焦点面及び前記ミラーと実質的に一致する第４焦点面を有する第２レンズと
   を備えるビームコンバイナ。
5. 請求項２に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタは
   前記ロッキングビームを反射する一方で前記迷光を透過する開口を有する基板と、
   前記開口、前記ビームセパレータ、前記分散素子を通して前記光源素子アレイへ前記ロッキングビームを反射し戻すミラーと
   を備えるビームコンバイナ。
6. 請求項５に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタはさらに、
   前記ビームセパレータと実質的に一致する第１焦点面及び前記開口と実質的に一致する第２焦点面を有する第１レンズ
   をさらに備え、前記ミラーは、前記開口と実質的に一致する第３焦点面を有する凹面ミラーを含むビームコンバイナ。
7. 請求項２に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタは、
   前記ロッキングビームを前記ビームセパレータへ反射する一方で前記迷光を透過する開口を有する基板
   を備えるビームコンバイナ。
8. 請求項７に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタはさらに、
   前記ビームセパレータと実質的に一致する第１焦点面及び前記開口と実質的に一致する第２焦点面を有する第１レンズ
   を備えるビームコンバイナ。
9. 請求項１に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタはエタロンを備えるビームコンバイナ。
10. 請求項１に記載のビームコンバイナにおいて、前記光源素子アレイは可変ピッチを有するビームコンバイナ。
11. ビームコンバイナであって、
    合成ビームを出力ビーム及びロッキングビームに分離するよう構成されたビームセパレータであり、
    前記合成ビームが、光源アレイの光源素子によって提供される光線の組み合わせである光線であり、
    前記光源アレイの各光源素子が、前記光源アレイの他の光源素子の中心波長とは異なる中心波長でロックされる光線を出力するよう構成され、
    前記ロッキングビームが、前記合成ビームのうち前記出力ビームよりも小さな部分を含み、
    該小さな部分が、各光源素子の前記光線の一部を含むビームセパレータと、
    前記ロッキングビーム内のクロストークを防止し、且つ前記ロッキングビームを前記光源アレイへ再指向させるよう構成されたロッキングアームと、
    前記ロッキングビームを波長ビーム群に分散するよう構成された分散素子であり、
    各波長ビームを、前記光源アレイの前記光源素子のそれぞれをその中心波長でロックするよう前記光源素子へ指向させ、
    各波長ビームは、各光源素子の前記中心波長に波長が対応する分散素子と
    を備えたビームコンバイナ。
12. 請求項１１に記載のビームコンバイナであって、前記ロッキングアームは、
    前記ロッキングビームを透過する一方で迷光を反射又は吸収する開口を有する基板を含む空間フィルタと、
    前記開口、前記ビームセパレータ、前記分散素子を通して前記光源アレイへ前記ロッキングビームを反射し戻すミラーと
    を備えるビームコンバイナ。
13. 請求項１２に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタはさらに、
    前記ビームセパレータとほぼ一致する第１焦点面及び前記開口とほぼ一致する第２焦点面を有する第１レンズと、
    前記開口とほぼ一致する第３焦点面及び前記ミラーとほぼ一致する第４焦点面を有する第２レンズと
    を備えるビームコンバイナ。
14. 請求項１１に記載のビームコンバイナにおいて、前記ロッキングアームは
    前記ロッキングビームを反射する一方で迷光を透過する開口を有する基板を含む空間フィルタと、
    前記開口、前記ビームセパレータ、前記分散素子を通して前記光源アレイへ前記ロッキングビームを反射し戻すミラーと
    を備えるビームコンバイナ。
15. 請求項１４に記載のビームコンバイナにおいて、前記空間フィルタはさらに、
    前記ビームセパレータとほぼ一致する第１焦点面及び前記開口とほぼ一致する第２焦点面を有する第１レンズ
    をさらに備え、前記ミラーは、第３焦点面を有する凹面ミラーを含むビームコンバイナ。
16. 請求項１１に記載のビームコンバイナにおいて、前記ロッキングアームは、前記ロッキングビームを前記ビームセパレータへ反射する一方で迷光を透過する開口を有する基板を備えるビームコンバイナ。
17. 請求項１６に記載のビームコンバイナにおいて、前記ロッキングアームはさらに、前記ビームセパレータとほぼ一致する第１焦点面及び前記開口とほぼ一致する第２焦点面を有する第１レンズを備えるビームコンバイナ。
18. ビームコンバイナによって、合成ビームを出力ビーム及びロッキングビームに分離するステップであり、
    前記合成ビームは、光源アレイに含まれる光源素子によって提供される光線の組み合わせである光線であり、
    前記光源アレイの各光源素子は、前記光源アレイの他の光源素子の中心波長とは異なる中心波長でロックされる光線を出力するよう構成され、
    前記ロッキングビームは、前記合成ビームのうち前記出力ビームよりも小さな部分を含み、
    該小さな部分は、各光源素子の前記光線の一部を含むステップと、
    前記ビームコンバイナによって、前記ロッキングビーム内のクロストークを防止するステップと、
    前記ビームコンバイナによって、前記ロッキングビームを前記光源アレイへ再指向させるステップと、
    前記ビームコンバイナによって、前記ロッキングビームを一連の波長ビームに分散するステップであり、
    各波長ビームを、前記光源アレイの前記光源素子のそれぞれをその中心波長でロックするよう前記光源素子へ指向させ、
    各波長ビームは、各光源素子の前記中心波長に波長が対応するステップと
    を含む方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、
    前記ロッキングビームを透過する一方で迷光を反射又は吸収するステップと、
    前記ロッキングビームを前記一連の波長ビームへの分散のために反射するステップと
    をさらに含む方法。
20. 請求項１８に記載の方法において、
    前記ロッキングビームを反射する一方で迷光を透過するステップと、
    前記ロッキングビームを前記一連の波長ビームへの分散のために反射するステップと
    をさらに含む方法。