JP6547072B2 - ビーム品質改良および帯域幅低減のためのプリズムを利用する波長ビーム組み合わせレーザシステム - Google Patents

Description

（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第６２／２８０，９６４号（２０１６年１月２０日出願）の利益およびそれに対する優先権を主張し、上記出願の開示は、参照により本明細書に援用される。

（技術分野）
種々の実施形態では、本発明は、レーザシステム、特に、改良されたビーム品質および狭波長帯域幅を有する、波長ビーム組み合わせレーザシステムに関する。

高出力レーザシステムは、溶接、切断、穿孔、および材料加工等の異なる用途のホストのために利用される。そのようなレーザシステムは、典型的には、そこからのレーザ光が光ファイバ（または単純に「ファイバ」）の中へ結合されるレーザエミッタと、ファイバから処理されるべき加工対象物上にレーザ光を集束させる光学システムとを含む。光学システムは、典型的には、高品質レーザビーム、または、等化に、最低ビームパラメータ積（ＢＰＰ）を伴うビームを生成するように設計される。ＢＰＰは、レーザビームの発散角度（半角）と、その最も狭い点におけるビームの半径（すなわち、ビームウェスト、最小スポットサイズ）との積である。ＢＰＰは、レーザビームの品質と、それがどれだけ良好に小さいスポットに集束させられることができるかを定量化し、それは、典型的には、ミリメートル・ミリラジアン（ｍｍ−ｍｒａｄ）の単位で表される。ガウスビームは、可能な限り最も低いＢＰＰを有し、それは、パイによって除算されるレーザ光の波長によって与えられる。同一の波長における理想ガウスビームのＢＰＰに対する実際のビームのＢＰＰの比は、Ｍ^２、または、ビーム品質の波長非依存性尺度である「ビーム品質係数」で表され、「最良」品質は、１という「最低」ビーム品質係数に対応する。

波長ビーム組み合わせ（ＷＢＣ）は、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もしくは２次元アレイに配列される他のレーザからの出力および輝度を拡大縮小するための技法である。ＷＢＣ方法は、エミッタのアレイの一方または両方の次元に沿ってビームを組み合わせるように開発されてきた。典型的なＷＢＣシステムは、１つ以上のダイオードバー等、複数のエミッタを含み、それらは、分散要素（例えば、異なる格子）を使用して組み合わせられ、多波長ビームを形成する。ＷＢＣシステム内の各エミッタは、個別に共振し、ビーム組み合わせ次元に沿って分散要素によってフィルタ処理される共通部分反射出力結合器からの波長特定のフィードバックを通して安定させられる。例示的ＷＢＣシステムは、それらの各々の開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号（特許文献１）、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号（特許文献２）、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号（特許文献３）、および２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号（特許文献４）で詳述される。

理想的には、回折格子を伴うＷＢＣレーザシステムは、格子によって個々に画定された異なる波長における複数のエミッタを単一エミッタに匹敵するビーム品質を伴う複数の波長の単一出力ビームに組み合わせる。しかしながら、実際は、組み合わせられた出力ビームのビーム品質は、単一エミッタのものより有意に悪くあり得る。１つの主な理由は、異なるエミッタからの異なるビームが、格子への異なる入射角を有し、それが、異なる投影されたビームサイズを格子上に生じることである。そのような場合、ビームは、格子上およびその光学的に下流で完全に互いに重ならないこともある。異なる入射角は、回折ビームのウエストの深刻な転位をもたらし、したがって、フィードバック均一性およびＷＢＣ共振器効率を低減させ得る。

加えて、ＷＢＣシステムは、異なる波長で動作する異なるエミッタを要求するので、源アレイの利用可能な波長帯域幅は、重要なリソースであり得る。多くの場合、この帯域幅は、格子の分散能に対する要件を設定し、組み合わせ可能なエミッタの最大数またはＷＢＣ共振器の最小サイズを画定する。波長帯域幅の使用における低減は、分散能を増加させることに匹敵し、また、より高速のコールドスタート開始、より高い効率等、レーザ性能を改良することに役立ち得る。

米国特許第６，１９２，０６２号明細書 米国特許第６，２０８，６７９号明細書 米国特許第８，６７０，１８０号明細書 米国特許第８，５５９，１０７号明細書

種々の実施形態では、本発明は、ＷＢＣ共振器内で１つ以上のプリズムを使用することによって、ＷＢＣレーザシステムのビーム品質を改良する。本発明の実施形態は、各々が１つ以上のビームを放出する１つ以上のエミッタ（または「ビームエミッタ」）と、変換レンズと、１つ以上のプリズムと、回折格子（または他の分散要素）と、部分反射出力結合器とを含み得る。本発明の実施形態は、回折格子と出力結合器との間に配置される望遠鏡レンズ組（または「光学望遠鏡」）も含み得る。エミッタは、ダイオードレーザ、ファイバレーザ、ファイバピグテールダイオードレーザ等を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得、個々に、または１もしくは２次元アレイとして群においてパッケージ化され得る。種々の実施形態では、エミッタアレイは、高出力ダイオードバーであり、各バーは、複数（例えば、数十）のエミッタを有する。エミッタアレイは、エミッタコリメーションおよびビーム成形のためにそこに取り付けられるマイクロレンズを有し得る。変換レンズは、通常、共焦点であり、エミッタと格子との間に位置付けられ、異なるエミッタからの個々のビームをコリメートし、特に、ＷＢＣ次元（すなわち、ビームが組み合わせられる次元または方向）において、ビームの全ての主光線を格子の中心に収束させる。格子の下流に位置付けられ得る望遠鏡レンズ組は、ＷＢＣ次元において屈折力を有する２つの円筒形レンズを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得、適切な出力ビームサイズを発生させ、個々のビームのウエストを出力結合器またはその近傍に投射するために使用され得る。（種々の実施形態では、望遠鏡レンズ組はまた、非ＷＢＣ次元においても屈折力を有する。）部分反射出力結合器は、典型的には、平坦な部分的反射体であり、フィードバックを個々のエミッタに提供し、格子を介して、個々のエミッタの波長を画定する。すなわち、結合器は、種々のビームの一部をその個々のエミッタに反射し、それによって、溶接、切断、機械加工、処理等の使用のために、および／または１つ以上の光ファイバの中に結合するために、外部レーザ発振空洞を形成し、組み合わせられた多波長ビームを伝送する。

当技術分野において公知のように、ＷＢＣ共振器は、個々のビームのウエストが全てフィードバックを提供する表面にあるとき、フィードバックの最大効率を有する。ＷＢＣ共振器の出力ビームのビーム品質が、典型的には、格子上およびその後（すなわち、光学的に下流）に重ねられる個々のビームの同一性に大きく依存することも理解されたい。個々のビームのウエストを結合器上に投射する望遠鏡レンズ組は、全てのビームによって共有されるので、望遠鏡レンズ組に入射する前の個々のビームの同一性は、効率的かつ均一フィードバックおよび高ビーム品質を達成するために重要であり得る。本発明の実施形態によると、１つ以上のプリズムが、高ビーム品質およびレーザ性能を達成するために、ビームの差異を最小化するために利用される。プリズムの１つ以上のもの（またはさらに全て）は、回折格子から分離し、個別的であり、そこから間隔を置かれる光学構成要素であり得る。種々の実施形態では、プリズムのうちの１つは、回折格子と統合された構成要素と接触するか、またはその一部でさえあり得る。そのような実施形態は、プリズム／格子の光学的に上流および／または下流にあり、そこから物理的に分離し、個別的であり（および間隔を置かれる）１つ以上のプリズムを特徴とし得る。

種々の実施形態では、ＷＢＣ共振器の波長帯域幅の使用は、１つ以上のプリズムを使用することによって低減させられる。具体的には、１つ以上のプリズム（例えば、アナモルフィックプリズム対）が、ビームサイズ拡張のために利用され得る。ビーム発散は、コリメートされたレーザビームのビームサイズに反比例するので、格子の前（すなわち、光学的に上流）に適切に位置付けられたプリズムは、ビームサイズを拡張させ、格子に入射するビームの主光線の円錐角を低減させ、したがって、より狭い波長帯域幅を提供し得る。

種々の実施形態では、ＷＢＣ共振器は、通常脆弱な伝送格子のための支持または搭載基部を提供し得る１つ以上のプリズムの使用を介して、よりコンパクトかつロバストでもある。回折格子が、例示的分散要素として本明細書で利用されるが、本発明の実施形態は、例えば、分散プリズム、伝送格子、またはエシェル格子等の他の分散要素を利用し得る。

本発明の実施形態は、多波長出力ビームを光ファイバの中へ結合する。種々の実施形態では、光ファイバは、単一のコアを包囲する複数のクラッド層、単一のクラッド層内の複数の個別のコア領域（もしくは「コア」）、または複数のクラッド層によって包囲される複数のコアを有する。種々の実施形態では、出力ビームは、切断、溶接等の用途のために加工対象物に送達され得る。

本明細書で、「光学要素」とは、電磁放射線を向け直し、反射し、屈曲し、または任意の他の様式で光学的に操作するレンズ、鏡、プリズム、格子等のうちのいずれかを指し得る。本明細書で、ビームエミッタ、エミッタ、またはレーザエミッタ、もしくはレーザは、電磁ビームを生成するが、自己共振であることも、そうではないこともある半導体要素等の任意の電磁ビーム生成デバイスを含む。これらはまた、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非ソリッドステートレーザ、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等も含む。概して、各エミッタは、後反射表面と、少なくとも１つの光学利得媒体と、前反射表面とを含む。光学利得媒体は、電磁スペクトルの任意の特定の部分に限定されないが、可視光、赤外線、および／または紫外線であり得る電磁放射線の利得を増加させる。エミッタは、複数のビームを放出するように構成されるダイオードバー等の複数のビームエミッタを含み得るか、または本質的にそれらから成り得る。

以下の一般説明で説明されるもの等のレーザダイオードアレイ、バー、および／またはスタックは、本明細書に説明される革新の実施形態と関連して使用され得る。レーザダイオードは、概して、１次元行／アレイ（ダイオードバー）または２次元アレイ（ダイオードバースタック）において、個別に、もしくはグループでパッケージ化され得る。ダイオードアレイスタックは、概して、ダイオードバーの垂直スタックである。レーザダイオードバーまたはアレイは、概して、同等の単一広域ダイオードよりも実質的に高い電力および費用効果を達成する。高出力ダイオードバーは、概して、比較的不良なビーム品質を伴って数十ワットを生成する広域エミッタのアレイを含み、より高い電力にもかかわらず、輝度は、多くの場合、広域レーザダイオードのものより低い。高出力ダイオードバーは、数百または数千ワットの極めて高い電力の生成のための高出力積層ダイオードバーを生産するように積み重ねられ得る。レーザダイオードアレイは、自由空間の中へ、ファイバの中へビームを発するように構成され得る。ファイバ結合ダイオードレーザアレイは、ファイバレーザおよびファイバ増幅器のためのポンプ源として便利に使用され得る。

ダイオードレーザバーは、広域エミッタの１次元アレイを含むか、または代替として、例えば、１０〜２０個の狭小ストライプエミッタを含むサブアレイを含むあるタイプの半導体レーザである。広域ダイオードバーは、典型的には、各々が、例えば、約１μｍ×１００μｍの寸法を有する、例えば、１９〜４９個のエミッタを含む。１μｍ寸法または速軸に沿ったビーム品質は、典型的には、回折制限される。１００μｍ寸法または遅軸もしくはアレイ次元に沿ったビーム品質は、典型的には、何回も回折制限される。典型的には、商業用途のためのダイオードバーは、約１〜４ｍｍのレーザ共振器長を有し、幅が約１０ｍｍであり、数十ワットの出力電力を生成する。殆どのダイオードバーは、７８０〜１０７０ｎｍの波長領域中で動作し、（ネオジムレーザをポンピングするための）８０８ｎｍおよび（Ｙｂ：ＹＡＧをポンピングするための）９４０ｎｍの波長が、最も顕著である。９１５〜９７６ｎｍの波長範囲は、エルビウムでドープした、またはイッテルビウムでドープした高出力ファイバレーザおよび増幅器をポンピングするために使用される。

ダイオードスタックは、単純に、非常に高い出力電力を送達することができる複数のダイオードバーの配列である。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次元レーザアレイとも呼ばれ、最も一般的なダイオードスタック配列は、効果的に縁エミッタの２次元アレイである垂直スタックの配列である。そのようなスタックは、ダイオードバーを薄いヒートシンクに取り付け、ダイオードバーおよびヒートシンクの周期的アレイを得るように、これらのアセンブリを積み重ねることによって製作され得る。水平ダイオードスタック、および２次元スタックもある。高いビーム品質のために、ダイオードバーは、概して、可能な限り互いに近くなるべきである。一方で、効率的な冷却は、バーの間に搭載されるヒートシンクのある最小厚さを必要とする。ダイオードバー間隔のこのトレードオフは、単一のダイオードバーよりはるかに低い、垂直方向へのダイオードスタックのビーム品質（後に、その輝度）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インターリービングによって、偏光結合によって、または波長多重化によって、この問題を有意に軽減するためのいくつかの技法がある。種々のタイプの高出力ビームシェーパおよび関連デバイスが、そのような目的で開発されてきた。ダイオードスタックは、極めて高い出力電力（例えば、数百または数千ワット）を提供し得る。

ある側面では、本発明の実施形態は、複数の個別のビームを放出する１つ以上のビームエミッタと、集束光学と、回折格子（または他の分散要素）と、部分反射出力結合器と、１つ以上の第１のプリズムとを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成る波長ビーム組み合わせレーザシステムを特徴とする。集束光学は、複数のビームを回折格子に向かって集束させる。回折格子は、集束させられたビームを受光し、分散させる。集束光学によって画定されるビームの焦点面は、角度付けられるか（すなわち、非ゼロ角度に）、または別様に回折格子によって画定される平面に対して同一平面上にない。例えば、回折格子は、実質的に平面であり得、したがって、回折格子によって画定される平面は、回折格子自体の平面に対応する。部分反射出力結合器は、分散させられたビームを受光し、分散させられたビームの一部をそれを通して多波長出力ビームとして伝送し、分散させられたビームの第２の部分をビームエミッタに向かって戻るように反射する。１つ以上の第１のプリズムは、集束光学の光学的に下流かつ回折格子の光学的に上流に配置される。１つ以上の第１のプリズムは、（ｉ）第１のプリズムのうちの１つの入射表面においてある入射角でビームを受光し、（ｉｉ）第１のプリズムのうちの１つの射出表面から回折格子に入射角より小さい射出角でビームを伝送し、それによって、（ａ）ビームの結果として生じる焦点面は、回折格子によって画定される平面と実質的に同一平面上にあるように回転させられ、（ｂ）回折格子に入射するビームのサイズは、互いに実質的に等しい。

本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。１つ以上の第１のプリズムは、入射表面および射出表面を有する単一の第１のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。１つ以上の第１のプリズムは、複数の第１のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。入射および射出表面は、異なる第１のプリズム上にあり得る。回折格子は、射出表面上に配置され、それと接触し得る。回折格子および第１のプリズムは、単一の統合された構成要素であり得る。回折格子は、射出表面と実質的に一致し得る。回折格子は、反射性であり得、それによって、回折格子からの回折ビームは、出力結合器によって受光される前に第１のプリズムのうちの少なくとも１つを通して伝送される。回折格子は、透過性であり得る。

レーザシステムは、回折格子の光学的に下流かつ出力結合器の光学的に上流に配置される、１つ以上の第２のプリズムを含み得る。回折格子からの回折ビーム（すなわち、波長分散）は、第２のプリズムの入射表面によって第２の入射角で受光され、第２のプリズムの射出表面から第２の入射角より大きい第２の射出角で伝送され得、それによって、１つ以上の第１のプリズムによって導入されるビームサイズ拡張は、低減または実質的に排除される。１つ以上の第２のプリズムは、入射表面および射出表面を有する単一の第２のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。１つ以上の第２のプリズムは、複数の第２のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。入射および射出表面は、異なる第２のプリズム上にあり得る。レーザシステムは、回折格子と出力結合器との間に配置されている光学望遠鏡を含み得る。光学望遠鏡は、回折されたビームのウエストを出力結合器に近接して、または実質的にその上に投射し得る。光学望遠鏡は、波長ビーム組み合わせ次元において屈折力を有する２つの円筒形レンズを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。

別の側面では、本発明の実施形態は、異なる波長を有する複数のビームを組み合わせる波長ビームの方法を特徴とする。複数のビームは、回折格子に向かって集束させられる。ビームの焦点面は、回折格子によって画定される平面に対して角度付けられる。ビームの焦点面は、焦点面が回折格子によって画定される平面と実質的に同一平面上にあるように、回転および／または平行移動される。ビームは、回折格子で波長分散させられる。分散させられたビームの第１の部分は、回折格子に向かって反射される。分散させられたビームの第２の部分は、多波長出力ビームとして伝送される。

本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。多波長出力ビームは、複数のビームの波長の全てを有し得る。ビームの焦点面は、１つ以上の第１のプリズムによって回転させられ得る。１つ以上の第１のプリズムは、回折格子の光学的に上流に配置され得る。ビームの焦点面を回転させることは、ビームのうちの少なくとも１つのサイズを拡張させ得る。ビームサイズ拡張は、ビームが波長分散させられた後、低減または実質的に排除され得る。ビームサイズ拡張は、１つ以上の第２のプリズムによって低減または実質的に排除され得る。１つ以上の第２のプリズムは、回折格子の光学的に下流に配置され得る。ビームを波長分散させることは、回折格子を通してビームを伝送することを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。ビームを波長分散させることは、ビームを回折格子で反射することを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。

さらに別の側面では、本発明の実施形態は、複数の個別のビームを放出する、１つ以上のビームエミッタと、集束光学と、回折格子（または他の分散要素）と、部分反射出力結合器と、第１のプリズムとを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成る波長ビーム組み合わせレーザシステムを特徴とする。集束光学は、複数のビームを回折格子に向かって集束させ、ビームの焦点面を画定する。回折格子は、集束させられたビームを受光し、分散させる。集束光学によって画定されるビームの焦点面は、角度付けられるか（すなわち、非ゼロ角度に）、または別様に、回折格子によって画定される平面に対して同一平面上にないこともある。例えば、回折格子は、実質的に平面であり得、したがって、回折格子によって画定される平面は、回折格子自体の平面に対応する。種々の実施形態では、集束光学によって画定されるビームの焦点面は、回折格子によって画定される平面と実質的に同一平面上にある。部分反射出力結合器は、分散させられたビームを受光し、分散させられたビームの一部をそれを通して多波長出力ビームとして伝送し、分散させられたビームの第２の部分をビームエミッタに向かって戻るように反射する。第１のプリズムは、集束光学の光学的に下流かつ回折格子の光学的に上流に配置される。第１のプリズムは、（ｉ）第１のプリズムの入射表面においてある入射角でビームを受光し、（ｉｉ）第１のプリズムの射出表面から回折格子にある射出角でビームを伝送し、それによって、ビームの結果として生じる焦点面は、回折格子によって画定される平面と実質的に同一平面上にある。回折格子に入射するビームのサイズは、互いに実質的に等しくあり得るか、または互いに異なり得る。入射角は、射出角未満、ほぼ等しいか、またはそれを上回わり得る。

本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。回折格子は、射出表面上に配置され、それと接触し得る。回折格子および第１のプリズムは、単一の統合された構成要素であり得る。回折格子は、射出表面と実質的に一致し得る。回折格子は、反射性であり得、それによって、回折格子からの回折ビームは、出力結合器によって受光される前に第１のプリズムを通して伝送される。回折格子は、透過性であり得る。

レーザシステムは、回折格子の光学的に下流かつ出力結合器の光学的に上流に配置される１つ以上の第２のプリズムを含み得る。回折格子から回折された（すなわち、波長分散）ビームは、第２のプリズムの入射表面によって第２の入射角で受光され、第２のプリズムの射出表面から第２の入射角より大きい第２の射出角で伝送され得、それによって、ビームのうちの少なくとも１つのサイズは、減少させられる。１つ以上の第２のプリズムは、入射表面および射出表面を有する単一の第２のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。１つ以上の第２のプリズムは、複数の第２のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。入射および射出表面は、異なる第２のプリズム上にあり得る。レーザシステムは、回折格子と出力結合器との間に配置されている光学望遠鏡を含み得る。光学望遠鏡は、回折されたビームのウエストを出力結合器に近接して、または実質的にその上に投射し得る。光学望遠鏡は、波長ビーム組み合わせ次元において屈折力を有する２つの円筒形レンズを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。レーザシステムは、集束光学の光学的に下流かつ第１のプリズムの光学的に上流配置される１つ以上の第２のプリズムを含み得る。

これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点および特徴とともに、以下の説明、添付図面、および請求項の参照を通して、明白となるであろう。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用されるように、「実質的に」および「約」という用語は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。「本質的に〜から成る」という用語は、本明細書で別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、そのような他の材料が、集合的または個別に、微量で存在し得る。本明細書では、「放射線」および「光」という用語は、別様に指示されない限り、同義的に利用される。本明細書では、「下流」または「光学的に下流」という用語は、第１の要素に遭遇した後に光ビームが衝打する第２の要素の相対配置を示すために利用され、第１の要素は、第２の要素の「下流」または「光学的に下流」にある。本明細書では、２つの構成要素の間の「光学距離」は、光ビームによって実際に移動される２つの構成要素の間の距離であり、光学距離は、例えば、鏡からの反射、または構成要素のうちの一方から他方まで移動する光によって受けられる伝搬方向の他の変化による、２つの構成要素の間の物理的距離と等しくあり得るが、必ずしもその必要はない。

図面では、類似参照記号は、概して、異なる図の全体を通して同一の部品を指す。また、図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証することに重点が置かれている。以下の説明では、以下の図面を参照して、本発明の種々の実施形態が説明される。
図１は、ＷＢＣ次元における部分的ＷＢＣ共振器の概略図であり、ビーム入射の異なる角度によって生じる回折格子上および後のビームサイズ差を図示する。図１Ａは、図１の拡大部分である。 図２は、本発明の実施形態による、部分的ＷＢＣ共振器の概略図であり、格子上および後の低減させられたビームサイズ差を図示する。図２Ａは、図２の拡大部分である。 図３は、本発明の実施形態による、複数のプリズムを組み込む部分的ＷＢＣ共振器の概略図であり、格子の上流の第１のプリズムは、ビーム品質を改良し、波長帯域幅を低減させ、格子の下流の第２のプリズムは、ビーム拡張を逆転させる。図３Ａは、図３の拡大部分である。 図４は、本発明の実施形態による、格子の上流に複数のプリズムを組み込む部分的ＷＢＣ共振器の概略図である。 図５Ａおよび５Ｂは、本発明の実施形態による、格子に関連して近接して離されるか、またはそれと統合されるプリズムを組み込む部分的ＷＢＣ共振器の概略図である。 図６は、本発明の実施形態による、プリズムおよび反射格子を特徴とする部分的ＷＢＣ共振器の概略図である。

図１は、ＷＢＣ次元における波長ビーム組み合わせ（ＷＢＣ）共振器１００の典型的従来のレイアウトを示す。共振器１００は、複数のエミッタ１０２、１０４、１０６と、焦点距離ｆ１を有する変換レンズ１０８と、回折格子１１０と、レンズ１１２、１１４を特徴とする望遠鏡レンズ組と、部分反射出力結合器１１６とを特徴とする。図１および他の図には図示されないが、エミッタは、初期の大きな発散を低減させるために、かつビーム成形および方向づけのために、そこに取り付けられるマイクロレンズを有し得る。変換レンズ１０８は、通常、エミッタおよび格子１１０に対して共焦点に位置付けられる。レンズ１０８は、特に、ＷＢＣ次元において、個々のエミッタをコリメートし、エミッタ主光線を格子１１０の中心に収束させる。エミッタ１０２、１０４、１０６の主光線は、それぞれ、１１８、１２０、および１２２として標識される。図１に示されるように、エミッタ１０２、１０４、１０６は、ＷＢＣ平面上にＤ（１２４）の寸法を伴うＷＢＣ共振器１００のための源アレイを形成する。所与のＷＢＣ共振器に対して、源寸法Ｄ（１２４）は、格子１１０に入射する主光線の円錐角θ（１２６）、したがって、共振器の波長帯域幅を画定する。

レンズ１１２およびレンズ１１４は、特に、ＷＢＣ次元におけるビームサイズ低減のために、かつ、個々のビームのウエストを出力結合器１１６上に投射するために設計される望遠鏡レンズ組を形成する。結合器１１６、典型的には、部分反射体であり、格子１１０を介して、フィードバックを個々のエミッタに提供し、かつ、組み合わせられた多波長出力ビーム１２７を伝送する。特に、ＷＢＣ次元における高ビーム品質のために、ＷＢＣ共振器は、典型的に、主光線の全てを格子の中心に重ねるように設計される。図１に示されるように、格子１１０の中心１２８における主光線の理想的重複は、格子１１０後、全ての主光線の完璧なコリニア重複をもたらすであろう。しかしながら、格子１１０後の個々のビームの重複は、通常傾斜される格子１１０上への入射角の差異によって生じる個々のビームのビームサイズの差異により、実際には不完全である。ビームのそのような不完全な重複は、ＷＢＣ共振器の出力ビームのビーム品質を約Ｓ_Ｎ／Ｓ_１倍劣化させ、Ｓ_Ｎ（１３０）は、格子１１０への最大入射角を有するエミッタ１０６からのビームのビームサイズであり、Ｓ_１（１３２）は、格子への最小入射角を有するエミッタ１０２からのビームのビームサイズである。

格子の光学的に下流のビームの異なるサイズは、共有望遠鏡レンズ組１１２、１１４が、特定の入力エミッタビームのためにのみ最適化され得るので、出力ビーム品質のみを劣化させるのではなく、エミッタ間のフィードバック均一性および全体的フィードバック効率も低減させるであろう。他のビームは、したがって、それらのウエストが結合器１１６から離れて位置し得るので、大きなフィードバック損失に悩まされ得る。

格子の光学的に下流のビームサイズ差は、中心主光線１２０に対して垂直な焦点面１３４と、通常、必要とされる分散能および回折効率を達成するために中心主光線１２０に対して大きな角度で傾斜されるように設計される格子１１０の向きとの相違によっても説明され得る。示されるように、焦点面１３４は、回転させられ得るか（すなわち、非ゼロ角度に）、または別様に格子１１０に対して非同一平面上にあり得る。焦点面１３４が、格子１１０に沿って横たわるように傾斜され得る場合、格子１００後のビームサイズ差は、排除または最小化され得る。

以下の表１および表２は、上で説明される典型的従来のＷＢＣ共振器の数値例を実証し、したがって、以降に描写される本発明の実施形態のための比較参照を提供する。

表２は、表１によって定義されたパラメータに基づくＷＢＣ共振器の結果を示す。共振器は、焦点距離ｆ１の約２倍である、格子１１０の上流の約６００ｍｍと、格子１１０の下流の約２００ｍｍを含む総経路長約８００ｍｍを有し、距離は、適切な出力ビームサイズおよびウエスト場所のために利用される。所与の変換レンズ１０８および格子１１０に対して、源寸法Ｄ（１２４）は、入射円錐角θ（１２６）、したがって、共振器の波長帯域幅を設定する。

表２に示される大きいビームサイズ差（４７％）は、出力ビーム品質が、単一エミッタ（全てのエミッタが同一ビーム品質を有すると仮定して）のものより約１．４７倍劣化し得ることを意味する。大きいビームサイズ差は、ウエスト場所の大きい差異も生じさせる傾向にあり、したがって、フィードバック均一性および全体的フィードバック効率を著しく低減させるであろう。したがって、ビームのビームサイズ差を低減させることは、出力ビーム品質だけではなく、レーザ性能も改良するであろう。

表２に示される波長帯域幅は、一端における縁エミッタの動作波長が、他端における縁エミッタから４０ｎｍ異なるであろうことを示す（すなわち、図１では、エミッタ１０２および１０６）。源エミッタがダイオードレーザであると仮定すると、９７０ｎｍ帯におけるダイオードレーザは、約３０ｎｍの利得範囲を有するので、このＷＢＣ共振器の源エミッタアレイは、全体的帯域幅を対象とするために、ダイオードレーザの少なくとも２つの異なる帯を必要とするであろう。より重要なこととして、約０．３５ｎｍ／℃の率でダイオードレーザは、波長をシフトさせ得るので、このＷＢＣレーザを低電流（低温）および高電流（高温）の両方で動作させるために要求される帯の数は、実際には、２つをはるかに上回り得る。より多くの帯は、より多くのチップ設計ならびにビニングおよびスクリーニングに関するより多くの作業、したがって、レーザシステムのためのより高いコストをもたらすことを意味する。加えて、当業者に理解されるように、広波長範囲も、コーティング表面からの余分な出力損失およびコーティングのための余分なコストを追加し得る。

本発明の実施形態は、上記に述べられた問題に対処する。図２は、本発明の種々の実施形態による、ＷＢＣ共振器２００を描写する。示されるように、共振器２００は、隅角α（２０４）と、入射表面２０６と、射出表面２０８とを有するビーム経路内のプリズム２０２を特徴とする。入射表面２０６と射出表面２０８との間の角度は、隅角２０４に対応する。本発明の例示的実施形態では、プリズム２０２は、約１０°〜約４５°に及ぶ隅角２０４を有する直角プリズムであるが、本発明の実施形態は、非直角プリズム等の他のプリズムも特徴とする。特定の共振器２００に対して、中心波長、格子入射角、およびプリズム屈折率等を含む多くの要因が、プリズム隅角２０４およびプリズム２０２の相対的向きの選択に影響を及ぼし得る。図２に示されるように、プリズム２０２は、ＷＢＣ平面にあり、格子１１０の方に向き、中心主光線１２０のための大入射角および小射出角を形成するその隅角２０４に合わせられる。さらに示されるように、本発明の種々の実施形態では、入射表面２０６および／または射出表面２０８（およびさらにプリズム２０２の全ての表面）は、格子１１０の平面と平行ではない。

共振器２００では、プリズム２０２は、少なくとも２つの効果を有する。第１に、ＷＢＣ次元における線形位相遅延を導入し、それは、格子１１０の平面に向かって傾斜する傾斜焦点面２１０をもたらし、それによって、格子１１０上の個々のビームの投影されたビームサイズの差異が、最小化される。この効果は、図１に示される共振器１００のレイアウトと比較すると、非常に明白である。種々の実施形態では、焦点面２１０は、格子１１０の平面と実質的に同一平面上にあり、すなわち、焦点面２１０と格子１１０の平面との間の角度は、２°未満、１°未満、０．５°未満、０．２°未満、またはさらに０．１°未満である。第２に、入射表面２０６上のより大きい入射角（すなわち、入射ビームと入射表面２０６の面法線との間の角度）および射出表面２０８からのより小さい射出角（すなわち、射出ビームと射出表面２０８の面法線との間の角度）により、プリズム２０２を通過するレーザビームは、ビーム拡張係数Ｆによって拡張され得る。対応して、プリズム２０２の光学的に下流の主光線収束角β（２１２）は、プリズム２０２の光学的に上流の収束角θ（２１４）と比較して、同一係数Ｆによって低減させられ得、すなわち、Ｆ＝θ／β＞１である。したがって、ＷＢＣ共振器２００の波長帯域幅は、事実上、共振器１００と比較して、Ｆ倍狭くなる。本発明の種々の実施形態によると、Ｆの値は、単一プリズムに対して最大４、プリズム対を用いて最大１６であり得る。したがって、プリズム−格子組み合わせの効果的分散能は、格子単独を利用するシステムより数倍大きくなり得る。ＷＢＣ共振器内に１つ以上のプリズムを使用することによる分散能の劇的増加は、そのような共振器内で使用される格子と比較して事実上無視可能であるプリズムの自然分散能によるのではなく、プリズムを通過後の効果的ビームサイズ拡張（例えば、アナモルフィックプリズム対におけるように）によることに留意されたい。

比較目的のために、図２のＷＢＣ共振器２００の数値例が、上記の表１内に含まれる同一設計パラメータに基づいて、表３に提供される。

表３に示されるように、共振器２００内でプリズム２０２を使用することによって、ビームサイズ差は、４７％（表２参照）から約１％まで劇的に低減させられる。ＺＥＭＡＸ光学モデル化ソフトウェアを使用して開発されたモデルも、プリズム２０２を共振器２００の中に挿入後、それが、プリズム２０２を欠いている共振器１００に関する５０％超と比較して、レイリー範囲の５％以内において個々のビームの全てのウエストを結合器１１６に投射することが可能となったことを明らかにした。これは、１つ以上のプリズムを使用することによってビームサイズ差を最小化することが、フィードバック均一性および効率を著しく改良するであろうことの明らかな指示である。表３はまた、プリズム２０２によって提供される１．６×ビーム拡張により予期されるように、波長帯域幅が４０ｎｍ（表２参照）から２５ｎｍまで１．６倍狭くなることを示す。

種々の実施形態では、１つ以上のプリズム（例えば、プリズム２０２）を特徴とするシステムは、増加されるビームサイズおよび格子１１０の上流のより長い経路長により、より大きいサイズ格子１１０を利用し得る。表３に示されるように、全経路長は、＞１００ｍｍ増加され、レンズ１１２と結合器１１６との間の追加される距離は、出力を不変のまま保つために利用され得る。

図３は、本発明の種々の実施形態による、ＷＢＣ共振器３００を描写する。示されるように、共振器３００は、ビームサイズを収縮し、すなわち、全体的共振器経路長が不変のままであるように、またはさらに短縮され得るように、プリズム２０２によって生じるビーム拡張を戻すために利用される追加のプリズム３０２を特徴とする。示されるように、プリズム３０２は、格子１１０とレンズ１１２との間に設置され得るが、プリズム３０２は、格子１１０と結合器１１６との間の任意の場所に位置付けられ得る。示されるように、プリズム３０２は、プリズム３０２の入射表面３０４上の入射角が、プリズム３０２の射出表面３０６からの射出角より小さく、プリズム３０２の光学的に下流に小さいビームサイズをもたらすように配列される。本発明の例示的実施形態では、プリズム３０２は、約１０°〜約４５°に及ぶ入射表面３０４と射出表面３０６との間の隅角を有する直角プリズムであるが、本発明の実施形態は、非直角プリズム等の他のプリズムも特徴とする。種々の実施形態では、プリズム２０２、３０２の隅角は、ほぼ同一である。図３に示されるように、本発明の種々の実施形態では、入射表面３０４および／または射出表面３０６（またはさらにプリズム３０２の表面の全て）は、格子１１０の平面と平行ではない。

図４は、格子１１０の光学的に上流において、共振器２００のプリズム２０２を一対のプリズム４００、４０２と置換する本発明の実施形態を描写する。描写される実施形態では、プリズム４００、４０２は、共振器２００内のプリズム２０２のように、ビームの焦点面を実質的に格子１１０上に設置するように配列される。示されるように、プリズム４００、４０２は、各プリズムに対して、プリズムの入射表面上の入射角がプリズムの射出表面からの射出角より小さいように配列される。図４は、共振器２００のプリズム２０２に取って代わる２つのプリズム４００、４０２を描写するが、本発明の実施形態は、格子１１０の光学的に上流に配置され、格子１１０の光学的に下流のビームサイズ差を最小化するように配列される３つ以上のプリズムを含む。本発明の種々の実施形態では、そのような様式において２つ以上のプリズムを利用する利点は、より急勾配の線形位相遅延の導入、すなわち、さらに傾斜された焦点面を発生させることを含み、それは、格子上の入射角が極めて大きいときに利用され得る。加えて、そのような実施形態は、プリズムそれら自体上の入射角を低減させることに役立ち、それは、反射防止コーティングの反射損失を最小化または低減させるために望ましくあり得る。本発明の実施形態は、図４のものに類似する配列も含み、複数のプリズムが、図３におけるプリズム３０２に取って代わり、その機能性を再現する。図４に示されるように、複数のプリズムが格子１１０の光学的に上流および／または下流に配置される、本発明の種々の実施形態では、プリズムの少なくとも１つ（またはさらに全て）の入射表面および／または射出表面（またはさらに全ての表面）は、格子１１０の平面と平行ではない。

図５Ａおよび５Ｂは、プリズムが、格子１１０上およびその光学的に下流におけるビームサイズの差異を最小化するために利用される本発明の追加の実施形態を描写する。示されるように、プリズム５００、５０２の各々が、格子１１０が搭載され、物理的に支持され得る剛体支持表面を提供する。格子１１０は、典型的には、薄く脆弱であるので、格子１１０がプリズム上に搭載され、それと接触する共振器は、よりコンパクトであり、ロバストでもあり得る。例えば、光学接着剤または他の結合剤が、格子１１０をプリズムの射出表面上に搭載するために利用され得る。本発明の実施形態は、プリズムをその射出表面上の回折格子と組み合わせる単一の統合された光学構成要素の使用も包含する。

図５Ａに示されるように、プリズム５００は、約４５°〜約７５°に及ぶ入射表面５０６と射出表面５０８との間の隅角α（５０４）を有する二等辺三角形プリズムであり得る。そのような実施形態では、格子１００の下流のビームサイズは、プリズム５００の上流のビームサイズとほぼ同一であり得、したがって、共振器の波長帯域幅は、プリズム５００の有無にかかわらず、実質的に不変であり得る。すなわち、プリズム５００上への入射角およびプリズム５００からの射出角は、本発明の種々の実施形態では、実質的に同一であり得る。対照的に、図５Ｂに描写されるプリズム５０２は、プリズム２０２に類似し、約１０°〜約４５°に及ぶ隅角を有する。プリズム５０２は、その射出表面がビームの焦点および格子１１０の表面にほぼ対応するように合わせられるので、プリズム５０２は、ビームサイズを収縮させる傾向にあり、したがって、共振器の波長帯域幅は、プリズム５０２を利用するとき、広げられ得る。すなわち、種々の実施形態では、プリズム５０２上への入射角は、プリズム５０２からの射出角より小さくあり得る。

本発明の実施形態は、図６に示されるように、透過格子ではなく、反射回折格子を利用し得る。示されるように、単一プリズム６００が、ビームを反射格子６０２に向かって伝送し、集束させ、回折されたビームを受光し、レンズ１１２、次いで、結合器１１６に向かって伝送する。したがって、ビームを反射格子６０２に向かって伝送するとき、プリズム６００は、図２および３に描写されるプリズム２０２として機能し、反射格子６０２から受光された回折されたビームを伝送するとき、プリズム６００は、図３に描写されるプリズム３０２として機能する。図６に示されるように、本発明の種々の実施形態では、反射格子６０２の表面の１つ以上のもの（またはさらに全て）は、格子１１０の平面と平行ではない。

本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の観点として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部の均等物のいずれかを除外する意図はなく、種々の修正が、請求される本発明の範囲内で可能であることを認識されたい。

Claims (26)

1. 波長ビーム組み合わせレーザシステムであって、前記レーザシステムは、
   複数の個別のビームを放出するビームエミッタと、
   前記複数のビームを回折格子に向かって集束させるための集束光学と、
   受光される集束させられたビームを受光し、それらを分散させるための回折格子であって、前記集束光学によって画定される前記ビームの焦点面は、前記回折格子によって画定される平面に対して角度付けられている、回折格子と、
   部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散させられたビームを受光し、前記分散させられたビームの一部をそれを通して多波長出力ビームとして伝送し、前記分散させられたビームの第２の部分を前記ビームエミッタに向かって戻るように反射するように位置付けられている、部分反射出力結合器と、
   １つ以上の第１のプリズムと
   を備え、
   前記１つ以上の第１のプリズムは、前記集束光学の光学的に下流かつ前記回折格子の光学的に上流に配置され、
   前記１つ以上の第１のプリズムは、（ｉ）前記第１のプリズムのうちの１つの入射表面においてある入射角で前記ビームを受光し、（ｉｉ）前記第１のプリズムのうちの１つの射出表面から前記回折格子に前記入射角より小さい射出角で前記ビームを伝送し、それによって、（ａ）前記ビームの結果として生じる焦点面は、前記回折格子によって画定される平面と実質的に同一平面上にあるように回転させられ、（ｂ）前記回折格子に入射する前記ビームのサイズは、互いに実質的に等しい、レーザシステム。
2. 前記１つ以上の第１のプリズムは、本質的に、前記入射表面および前記射出表面を有する、単一の第１のプリズムから成る、請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記１つ以上の第１のプリズムは、複数の第１のプリズムを備え、前記入射表面と前記射出表面とは、異なる第１のプリズム上にある、請求項１に記載のレーザシステム。
4. 前記回折格子は、反射性であり、それによって、前記回折格子からの回折ビームは、前記出力結合器によって受光される前に前記第１のプリズムのうちの少なくとも１つを通して伝送される、請求項１に記載のレーザシステム。
5. 前記回折格子は、透過性である、請求項１に記載のレーザシステム。
6. 前記回折格子の光学的に下流かつ前記出力結合器の光学的に上流に配置されている第２のプリズムをさらに備え、前記回折格子からの回折ビームは、前記第２のプリズムの入射表面によって第２の入射角で受光され、前記第２のプリズムの射出表面から前記第２の入射角より大きい第２の射出角で伝送され、それによって、前記１つ以上の第１のプリズムによって導入されるビームサイズ拡張は、低減または実質的に排除される、請求項１に記載のレーザシステム。
7. 前記回折格子と前記出力結合器との間に配置されている光学望遠鏡をさらに備えている、請求項１に記載のレーザシステム。
8. 前記光学望遠鏡は、波長ビーム組み合わせ次元において屈折力を有する２つの円筒形レンズを備えている、請求項７に記載のレーザシステム。
9. 異なる波長を有する複数のビームを組み合わせる波長ビームの方法であって、前記方法は、
   前記複数のビームを回折格子に向かって集束させることであって、前記ビームの焦点面は、前記回折格子によって画定される平面に対して角度付けられている、ことと、
   前記焦点面が前記回折格子によって画定される平面と実質的に同一平面上にあるように、前記ビームの焦点面を回転させることと、
   前記回折格子を用いて前記ビームを波長分散させることと、
   前記分散させられたビームの第１の部分を前記回折格子に向かって戻るように反射することと、
   前記分散させられたビームの第２の部分を多波長出力ビームとして伝送することと
   を含む、方法。
10. 前記ビームの前記焦点面は、前記回折格子の光学的に上流に配置されている１つ以上の第１のプリズムによって回転させられる、請求項９に記載の方法。
11. 前記ビームの前記焦点面を回転させることは、前記ビームのうちの少なくとも１つのサイズを拡張させる、請求項９に記載の方法。
12. 前記ビームが波長分散させられた後、前記ビームサイズ拡張を低減または実質的に排除することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ビームサイズ拡張は、前記回折格子の光学的に下流に配置されている１つ以上の第２のプリズムによって低減または実質的に排除される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ビームを波長分散させることは、前記回折格子を通して前記ビームを伝送することを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記ビームを波長分散させることは、前記ビームを前記回折格子で反射することを含む、請求項９に記載の方法。
16. 波長ビーム組み合わせレーザシステムであって、前記レーザシステムは、
    複数の個別のビームを放出するビームエミッタと、
    前記複数のビームを回折格子に向かって集束させるための集束光学であって、前記集束光学は、前記ビームの焦点面を画定する、集束光学と、
    受光される集束させられたビームを受光し、それらを分散させるための回折格子と、
    部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散させられたビームを受光し、前記分散させられたビームの一部をそれを通して多波長出力ビームとして伝送し、前記分散させられたビームの第２の部分を前記ビームエミッタに向かって戻るように反射するように位置付けられている、部分反射出力結合器と、
    第１のプリズムと
    を備え、
    前記第１のプリズムは、前記集束光学の光学的に下流かつ前記回折格子の光学的に上流に配置され、
    前記第１のプリズムは、（ｉ）前記第１のプリズムの入射表面においてある入射角で前記ビームを受光し、（ｉｉ）前記第１のプリズムの射出表面から前記回折格子にある射出角で前記ビームを伝送し、それによって、（ａ）前記ビームの結果として生じる焦点面は、前記回折格子によって画定される平面と実質的に同一平面上にあり、（ｂ）前記回折格子に入射する前記ビームのサイズは、互いに実質的に等しい、レーザシステム。
17. 前記回折格子は、前記射出表面上に配置されている、請求項１６に記載のレーザシステム。
18. 前記回折格子および前記第１のプリズムは、単一の統合された構成要素である、請求項１６に記載のレーザシステム。
19. 前記回折格子は、反射性であり、それによって、前記回折格子からの回折ビームは、前記出力結合器によって受光される前に前記第１のプリズムを通して伝送される、請求項１６に記載のレーザシステム。
20. 前記回折格子は、透過性である、請求項１６に記載のレーザシステム。
21. 前記回折格子の光学的に下流かつ前記出力結合器の光学的に上流に配置されている第２のプリズムをさらに備えている、請求項１６に記載のレーザシステム。
22. 前記回折格子からの回折ビームは、前記第２のプリズムの入射表面によって第２の入射角で受光され、前記第２のプリズムの射出表面から前記第２の入射角より大きい第２の射出角で伝送され、それによって、前記ビームのうちの少なくとも１つのサイズは、減少させられる、請求項２１に記載のレーザシステム。
23. 前記回折格子と前記出力結合器との間に配置されている光学望遠鏡をさらに備えている、請求項１６に記載のレーザシステム。
24. 前記光学望遠鏡は、波長ビーム組み合わせ次元において屈折力を有する２つの円筒形レンズを備えている、請求項２３に記載のレーザシステム。
25. 前記集束光学の光学的に下流かつ前記第１のプリズムの光学的に上流配置されている第２のプリズムをさらに備えている、請求項１６に記載のレーザシステム。
26. 前記集束光学によって画定される前記ビームの焦点面は、前記回折格子によって画定される平面に対して角度付けられている、請求項１６に記載のレーザシステム。