JP7272959B2 - 最適化されたビーム寸法を有するダイオードを使用したファイバ結合式ダイオードレーザにおけるパワーおよび輝度スケーリング - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年１月１０日に出願された米国仮出願第６２／４４４，７７３号の利益を主張し、その出願は参照によりその全体を組込まれる。

本開示はマルチエミッタ・レーザダイオードシステムに関する。

ファイバレーザポンピングおよび材料処理等の用途についてファイバ結合式ハイパワー高輝度ダイオードレーザについての大きな需要が存在する。参照により本明細書に組込まれる米国特許第８，８９１，５７９号、米国特許第９，４５５，５５２号、および米国公報第２０１６／０１８１７６２号に記載されるような、幾つかのアプローチにおいて、複数の単一エミッタダイオードレーザが、高速軸に沿って積重ねられて、パワースケーリングおよび輝度改善を達成する。パッケージパワーを更にスケーリングする１つの方法は、高速軸方向により多くのエミッタを付加することである。しかしながら、エミッタを付加することは、高速軸開口数（ＮＡ）を増加させるため、同じＮＡにおけるパワーを更に増加させない。したがって、パワースケーリングのために高速軸に積重ねられるエミッタの数を増加させかつ高速軸イメージサイズおよびＮＡをファイバアパーチャにおいて不変に維持し得る、または、等価的に、輝度改善が達成されるように高速軸ビームパラメータ積ＢＰＰ（：ｂｅａｍ－ｐａｒａｍｅｔｅｒ－ｐｒｏｄｕｃｔ）を維持し得ることが所望される。

本開示は、概して、光ファイバ内に結合できるビームの数が、より大きい広がりを有する放出ビームを使用して増加されることを可能にし、したがって、増加した結合式ビームパワーを提供する方法および装置に関する。代替的に、固定数のエミッタを用いて、開口数がより小さい状態で出力ビーム内のより少数のビームによって総光パワーを維持できる。

幾つかの例において、装置は、積重ね軸に関して所定の間隔を有するレーザダイオードのセットを備え、それぞれのレーザダイオードは、１．６２μｍより小さい高速軸ビーム全幅を有する放出ビームを生成する高速軸および低速軸を規定する放出領域を有する。レーザダイオードのそれぞれの高速軸は、互いに平行でかつ積重ね軸に直交であり、レーザダイオードのそれぞれの低速軸は、互いに平行でかつ積重ね軸に直交する。高速軸コリメータ（ＦＡＣ）は、レーザダイオードのそれぞれに関連し、高速軸コリメータのそれぞれは共通焦点距離を有する。レーザダイオードのそれぞれの放出領域は、それぞれの高速軸コリメータに結合して、高速軸に沿ってコリメートされるそれぞれのビームを生成する。無限焦点望遠鏡（高速軸望遠鏡またはＦＡＴ（：ｆａｓｔ ａｘｉｓ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）とも呼ばれる）は、高速軸コリメータから高速軸コリメートビームを受信し、所定の間隔および無限焦点望遠鏡に関連する倍率Ｍに基づいて高速軸ビーム間隔を生成するために位置付けられる。対物レンズは、無限焦点望遠鏡から高速軸コリメートビームを受信し、結合済みビームを光ファイバのコアに送出する。通常、ＦＡＣおよび対物レンズは焦点距離ｆ_ＦＡＣおよびｆ_０をそれぞれ有し、Ｍは高速軸方向におけるＦＡＴの倍率であり、ファイバにおけるレーザダイオードの放出領域の倍率はｆ_０／Ｍｆ_ＦＡである。典型的な例において、Ｍは０．８より小さく、ｆ_ＦＡＣは、１００μｍから１，０００μｍの間、２５０μｍから６００μｍの間、２００μｍから４００μｍの間であり、ｆ_０は５ｍｍから１２ｍｍの間である。特定の例において、レーザダイオードのセットは、少なくとも１６０Ｗの総パワーを光ファイバ内に結合する７つのレーザダイオードの２つのセットからなる。光ファイバは、５０μｍ、１０５μｍ、または２００μｍのコア径を有し、高速軸間隔は４００μｍから４５０μｍの間である。典型的な実施形態において、レーザダイオードは、固定間隔を有するように低速軸方向に沿って分配される。なお更なる例において、レーザダイオードのセットのレーザダイオードのそれぞれに対応する反射体のセットは、それぞれのＦＡＣからビームを受信し、ビームを対物レンズに方向付けるために位置付けられるそれぞれの反射体を含むため、対物レンズにおける方向付けられたビームの伝搬軸は平行である。通常、低速軸コリメータ（ＳＡＣ：ｓｌｏｗ ａｘｉｓ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）のセットは、ＦＡＣからそれぞれのビームを受信し、ＦＡおよびＳＡコリメートビームをそれぞれの反射体に方向付けるために位置付けられる。

光ビーム源は、互いに平行であるそれぞれの高速軸に沿って固定間隔を有するように位置付けられるレーザダイオードのセットを備え、それぞれのレーザダイオードは、１．６μｍより小さい全幅を有する高速軸ビームによって規定され、高速軸および低速軸を規定する放出領域を有し、レーザダイオードのそれぞれの高速軸は、互いに平行であり、レーザダイオードのそれぞれの低速軸は、互いに平行でかつ高速軸に直交する。セットのレーザダイオードのそれぞれに対応する高速軸コリメータ（ＦＡＣ）および低速軸コリメータ（ＳＡＣ）は、レーザダイオードのそれぞれの放出領域から放出される光ビームをコリメートするために位置付けられる。ＦＡＣのそれぞれは共通焦点距離ｆ_ＦＡＣを有し得、ＳＡＣのそれぞれは共通焦点距離ｆ_ＳＡＣを有し得る。無限焦点望遠鏡は、コリメートビームを受信し、所定の間隔および無限焦点望遠鏡に関連する倍率Ｍに基づいて高速軸ビーム間隔を生成するために位置付けられる。対物レンズは、無限焦点望遠鏡からビームを受信し、ビームを焦点に方向付けるように位置付けられる。入力表面を有する光ファイバは対物レンズの焦点に位置付けられる。特定の例において、光ファイバは、５０μｍから１．０ｍｍの間のコア径を有する。他の例において、レーザダイオードのそれぞれは、複数の段差を有するレーザダイオードマウントのそれぞれの段差に留められて、それぞれの高速軸に沿って均等に離間して配置される。

方法は、レーザダイオードマウントの所定の段差高さに基づいて、選択された数のレーザダイオードからの放出ビームを光ファイバ内に結合するために、放出ビーム高速軸広がり、放出ビーム高速軸サイズ、高速軸導波路厚の少なくとも１つを選択することを含む。選択された数のレーザダイオードは所定の高さに位置付けられ、低速軸および高速軸コリメーションレンズは、レーザダイオードのそれぞれからの放出ビームからコリメートビームを生成するように位置付けられる。高速軸望遠鏡および対物レンズは、コリメートビームを光ファイバ内に方向付けるために位置付けられる。幾つかの例において、放出ビーム高速軸広がり、放出ビーム高速軸サイズ、および高速軸導波路厚の少なくとも１つは、光ファイバの開口数に基づいて選択される。典型的な例において、段差高さは４００μｍから１５００μｍの間であり、高速軸望遠鏡の倍率は１より小さい。幾つかの実施形態において、放出ビームの高速軸倍率は、光ファイバのコア径に基づいて選択される。

他の例において、方法は、高速軸方向に沿う固定分離および或る数のレーザダイオードに基づいて、放出ビーム高速軸広がり、放出ビーム高速軸サイズ、または高速軸導波路厚の少なくとも１つを選択することであって、それにより、選択された電力、選択された開口数、または両方を有する結合式ビームを光ファイバ内に結合することを含む。レーザダイオードは固定分離に位置付けられ、レーザダイオードのそれぞれからの放出ビームは、対応する高速軸および低速軸コリメータ、高速軸望遠鏡、および対物レンズによって光ファイバに方向付けられる。典型的な例において、放出ビーム高速軸サイズは１．６０μｍより小さい。

開示される技術の、上記および他の目的、特徴、および利点は、添付図面を参照して進められる以下の詳細な説明からより明らかになる。

複数のエミッタからのビームを光ファイバ内に結合するマルチエミッタ組立体を示す図である。 図２Ａは３つのレーザビームのスタックがビーム圧縮器によって圧縮される代表的なレーザダイオード組立体を示す図である。図２Ｂは入力ビームスタックを示す図である。図２Ｃは圧縮されたビームスタックを示す図である。 ２つのビームスタックが偏光多重化を使用して形成され、２つのビームスタックがビーム圧縮器を使用して圧縮されるレーザダイオード組立体を示す図である。 圧縮前のビームスタックを示す図である。 圧縮後のビームスタックを示す図である。 代表的な階段段差レーザダイオードマウントを示す図である。 圧縮前の梁間ギャップなしのビームスタックを示す図である。 圧縮後の梁間ギャップなしのビームスタックを示す図である。 複数のレーザダイオードビームを光ファイバ内に結合する方法を示す図である。 図５Ａは３つのレーザダイオードからのビームが対物レンズアパーチャを満たすために結合されるマルチエミッタ配置構成を示す図である。図５Ｂは３つのレーザダイオードからのビームが対物レンズアパーチャを満たすために結合されるマルチエミッタ配置構成を示す図である。図５Ｃは３つのレーザダイオードからのビームが対物レンズアパーチャを満たすために結合されるマルチエミッタ配置構成を示す図である。

従来のマルチエミッタ・レーザダイオードシステムは、概して、複数のエミッタからのビームを結合することによって大きい出力パワーを達成しようと試みる。ハイパワー動作の場合、比較的厚い半導体利得領域が使用されて、パワー密度を低減し、それにより、長期で損傷なしのエミッタ動作を可能にする。ビーム結合は、比較的大きいエミッタ高速軸開口数によって制限される可能性があり、増加したパワーおよび損傷抵抗を提供するための利得領域厚の増加は、低減した高速軸開口数を生成し、ビーム結合光学部品を簡略化する。本開示は、従来のアプローチと対照的に、より薄い利得領域およびより高い高速軸開口数が、より多くのエミッタからのパワーをビーム送出ファイバ内に結合することを可能にし、したがって、より高いビームパワーを提供することを認識するアプローチを採用する。そのため、従来のアプローチを無視することは、以下で論じるように優れたマルチエミッタレーザダイオードを可能にする。

本出願および特許請求項において使用するとき、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途はっきりと（ｃｌｅａｒｌｙ）指示しない限り、複数形を含む。さらに、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」を意味する。

本明細書で述べるシステム、装置、および方法は、いずれの点でも制限的であるとして解釈されるべきでない。代わりに、本開示は、単独でならびに互いとの種々の組合せおよび部分的組合せで、種々の開示される実施形態の全ての新規のおよび非自明の特徴および態様を対象とする。開示されるシステム、方法、および装置は、任意の特定の態様または特徴あるいはその組合せに限定されないし、システム、方法、および装置は、任意の１つまたは複数の特定の利点が存在することまたは問題が解決されることを必要としない。

開示される方法の幾つかのオペレーションは、便宜的な提示のために特定の逐次的順序で述べられるが、以下で述べる特定の言語によって特定の順序付けが必要とされない限り、説明のこの方法は再配置を包含することが理解されるべきである。例えば、順次に述べるオペレーションは、幾つかの場合に再配置されてもよいまたは同時に実施されてもよい。さらに、簡潔にするために、添付図面は、開示するシステム、方法、および装置を他のシステム、方法、および装置と連携して使用し得る種々の方法を示さない場合がある。さらに、説明は、開示する方法を述べるために、「生成する（ｐｒｏｄｕｃｅ）」および「提供する（ｐｒｏｖｉｄｅ）」のような用語を時として使用する。これらの用語は、実施される実際のオペレーションの高レベル抽象化である。これらの用語に対応する実際のオペレーションは、特定の実装態様に応じて変化することになり、当業者によって容易に識別可能である。

本開示の装置または方法を参照して本明細書で提示されるオペレーションの理論、科学的原理、または他の理論的説明は、よりよい理解のために提供されており、範囲を制限することを意図されない。添付特許請求項における装置および方法は、オペレーションのこうした理論によって述べる方法で機能する装置および方法に限定されない。

以下の説明において、レーザビームまたは他の伝搬光放射は、１つまたは複数の軸に沿う伝搬を指す。本明細書で使用するとき、こうした軸は、プリズムまたはミラー等の光学要素を使用して屈曲され得るまたは折り畳まれ得るリニア軸を指す。幾つかの例において、円柱レンズまたは球レンズ等の光学要素は、レンズが、湾曲の表面中心を通って方向付けられる中心軸を有することを示すために、心出しされているまたはオンアクシスであると呼ばれる。他の例において、オフアクシスレンズまたはレンズセグメントが使用され得る。レンズ中心厚は、湾曲の表面中心を通って延在する主軸に沿って切取られたレンズ厚を指す。開示する例において、表面湾曲が、概して、円柱または球面に対応するが、より複雑な湾曲が使用され得る。非球面等のこうしたより複雑な表面の場合でさえ、湾曲の表面半径は、概して、オンアクシス曲率に基づいて規定されるが、オフアクシス表面形状はこの曲率に従わない。光学表面は反射防止または他のコーティングを備え得るが、こうしたコーティングは、開示する例から省略される。ビーム、表面、および軸は、概して、約１度、２度、または５度以内にある場合、平行であると言及される。

本明細書において、通常、選択された導波路厚、屈折率、および屈折率差を有するエピタキシャル導波路設計を選択することによって、単一エミッタレーザダイオード放出領域の適切な高速軸寸法の選択に基づくレーザパッケージ輝度スケーリングを可能にし得る、システム、方法、および装置が開示される。レーザダイオードは、概して、放出領域が薄いが細長くなるような１つまたは複数のエピタキシャル層によって規定される。エピタキシャル層厚寸法に平行な軸は、本明細書で高速軸（ＦＡ：ｆａｓｔ ａｘｉｓ）と呼ばれる。その理由は、放出ビームがこの方向により大きい広がりを有するからである。通常、ＦＡ方向の放出は、回折限界を受け、放出ビーム開口数は、ビーム波長と放出領域厚の比に比例する。エピタキシャル層に平行な軸は本明細書で低速軸（ＳＡ：ｓｌｏｗ ａｘｉｓ）と呼ばれる。その理由は、放出ビームが、高速軸に比べて、この方向により少ない広がりを有するからである。ほとんどの例において、低速軸に沿って、放出ビームは、単一モードに対応せず、複雑な強度分布を有し得る。一方、高速軸に沿って、ビーム強度はほぼガウシアンである。便宜上、高速軸および低速軸に関するビーム広がりおよび寸法は、高速／低速軸開口数あるいは高速／低速軸角度半径または直径と呼ばれる。ビーム寸法は、高速／低速軸ビーム直径、半径、または幅と同様に呼ばれる。ビーム寸法は、１／ｅ^２強度または振幅あるいは他の値に基づき得、全幅または半幅であり得る。以下の図面および説明において、低速軸方向におけるビーム操作は、高速軸特徴を強調するために論じられない場合がある。

幾つかの例において、放出ビームは、１／ｅ^２強度または振幅に対応する寸法に基づいて特徴付けられる。放出ビームは、有効放出エリアおよび寸法、または、放出波長とビーム寸法または放出エリア寸法との比に対応する角度寸法を参照して同様に述べられ得る。典型的な例において、＞５０°の高速軸広がり（１／ｅ^２パワーにおけるＦＷ）を有するレーザダイオードがダイオードレーザアレイに積重ねられる。固定の高速軸コリメータ（ＦＡＣ：ｆａｓｔ ａｘｉｓ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）および階段高さの場合、より大きい高速軸広がりが、ＦＡＣ、低速軸コリメータ（ＳＡＣ）、焦点距離および高速軸望遠鏡（ＦＡＴ）によって生成される結合式コリメートビームにおいてより高いフィルファクタ／より少ないデッドスペースを可能にする。ビーム広がりは、概して、ビーム波長、ビーム放出エリアの寸法、および導波路屈折率の関数である。特定の広がり角度は、ビーム波長および放出領域特徴に基づいて選択され得る。ほとんどの例において、８００ｎｍから１，０００ｎｍの間の波長で放出するレーザダイオードが使用されるが、２００ｎｍから２，０００ｎｍの間の任意の利用可能な波長範囲または任意の他の範囲が使用され得る。

図１は、代表的なマルチエミッタシステムの所定の部分を示す。便宜的な例証のために、３つのエミッタおよび関連する光学要素が詳細に示されるが、更なるエミッタおよび関連する光学要素が、概して含まれ、図１において破線で示される。図１に示すように、レーザダイオード１０２Ａ～１０２Ｃは、高速軸方向（図１においてＸ方向として示す）に沿って共通距離ｄ_{ｓｔａｉｒ}だけ離間して配置され、高速軸角度半径θ_ＦＡを有するビームを放出する。レーザダイオード１０２Ａ～１０２Ｃは、通常、Ｙ方向に（図１の平面に垂直に）オフセットするが、こうした変位は図１に示されない。それぞれの高速軸コリメータ（ＦＡＣ）１０６Ａ～１０６Ｃは、レーザダイオード１０２Ａ～１０２Ｃからビームを受信し、軸１０７Ａ～１０７Ｃに沿って方向付けられるコリメートビーム１０８Ａ～１０８Ｃを生成する。無限焦点望遠鏡（ビームエキスパンダまたは高速軸望遠鏡（ＦＡＴ）とも呼ばれる）１１０は、ビームを受信し、圧縮出力ビーム１１２Ａ～１１２Ｃを生成する。対物レンズ１１６は、その後、出力ビーム１１２Ａ～１１２Ｃを光ファイバ１２０のコア１１８内に集束させるまたはその他の方法で方向付ける。圧縮出力ビーム１１２Ａ～１１２Ｃに対応する集束ビームによって形成される結合式ビームは、ｍＭｄ_{ｓｔａｉｒ}／２ｆ_０に比例する開口数（ＮＡ）を有するコア１１８に方向付けられる。ここで、ＭはＦＡＴ倍率であり、ｍはエミッタの総数であり、ｆ_０は対物レンズ１１６の焦点距離である。典型的な実用的な例において、倍率Ｍ＜１は、円柱レンズに基づく無限焦点望遠鏡によって高速軸に沿ってのみ適用される。集束済みで圧縮済みのビームの高速軸角度半径は、約Ｍｆ_ＦＡＣθ_ＦＡ／ｆ_０であり、レーザダイオード１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれの放出領域の高速軸倍率は、角度半径と高速軸高さとの積が一定のままであるように約ｆ_０／Ｍｆ_ＦＡＣである。対物レンズ１１６は、概して、圧縮ビーム１１２Ａ～１１２Ｃをファイバ１２０の表面１２２に集束させるために位置付けられる。図１に示すように、レーザダイオード１０２Ａ～１０２Ｃは、共通広がりを有するビームを生成し、ＦＡＣ１０６Ａ～１０６Ｃは共通焦点距離を有する。レーザダイオード１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれの放出領域の高速軸倍率は、約ｆ_０／Ｍｆ_ＳＡＣであり；低速軸ビームサイズは、概して、ＦＡＴによって不変である。

図１の例において、レーザダイオード１０２Ａ～１０２Ｃからの放出ビームは、レンズアパーチャを満たすように示され、ＦＡレンズアパーチャが満たされない場合、更なるエミッタおよび関連する光学部品が、任意のギャップを満たすために位置付けられて、結合式光パワーを増加させ得る。ほとんどの場合、ビームは、クリッピングを回避するためにＦＡＣを少し少なめに満たすように配置される。

図１に示すようなマルチエミッタシステムにおいて、出力ファイバの入力表面における高速軸イメージスポットサイズは、

として表され得る。ここで、Ｂ_ＦＡは高速軸方向における放出ダイオードビームサイズであり、ｆ_０およびｆ_ＦＡＣはそれぞれ対物レンズおよびＦＡＣの焦点距離であり、Ｍは高速軸望遠鏡（ＦＡＴ）の倍率である。高速軸ＮＡ_ＦＡは、１次近似に対して、ダイオード高速軸ビームサイズまたはＦＡＣレンズ焦点距離に無関係である：

ここで、ｄ_{ｓｔａｉｒ}はダイオードレーザ階段（積重ね）高さであり、ｍは高速軸方向に積重ねられるダイオードレーザの数である。そして、高速軸ビームパラメータ積（ＢＰＰ_ＦＡ）は：

である。

高速軸におけるファイバ結合式輝度を増加させるために、積重ねられるダイオードレーザの数は増加され、したがって、高速軸ＢＰＰを一定かつ最大許容可能ファイバＢＰＰ未満に維持しながらパワーを増加させ得る。

階段高さは、ｄ_{ｓｔａｉｒ２}＝ｄ_{ｓｔａｉｒ１}×ｍ_１／ｍ_２であるようなｄ_{ｓｔａｉｒ２}まで低減され得る。ここで、ｍ_１およびｍ_２は、ｄ_{ｓｔａｉｒ１}、ｄ_{ｓｔａｉｒ２}にそれぞれ関連する積重ねられたエミッタの数である。残念ながら、このアプローチは、高速軸間隔ｄ_{ｓｔａｉｒ}を提供する基板に対する変更を必要とする。こうした基板は、製造するのが難しいまたは費用がかかる可能性があり、種々の数のエミッタを有するマルチエミッタシステムについて共通高速軸間隔ｄ_{ｓｔａｉｒ}を有する同じまたは同様の基板を使用することがしばしば好ましい。エミッタ高速軸間隔ｄ_{ｓｔａｉｒ}は、通常、約２５０μｍから１．０ｍｍの間、または、約４００μｍから５００μｍの間であり、実際には、±１０μｍ、±２０μｍ、±５０μｍの公差に対して製造され、幾つかの場合に、費用のかかる材料または処理するのが難しい材料で作られる。幾つかの例において、１００μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、３５０μｍ、４００μｍｍ、４５０μｍ、５００μｍ、５５０μｍ、６００μｍ、７５０μｍ、８００μｍ、９００μｍ、または１０００μｍの固定間隔、あるいは約７５μｍから約５ｍｍの範囲の他の間隔が、種々の数のエミッタのために使用される。そのため、高速軸間隔の変更を必要としない高速軸に沿うエミッタ積重ねを増加させるためのアプローチが好ましい。代替的に、ｆ_ＦＡＣ２＝ｆ_ＦＡＣ１×ｍ_２／ｍ_１かつＭ_２＝Ｍ_１×ｍ_１／ｍ_２であるように、ＦＡＣ焦点距離が増加され、その後、ＦＡＴ倍率が低減され得る。これは、特別なＦＡＣ設計を必要として、特別なＦＡＣ設計は、複雑であり得、いずれの場合も、異なる取付けおよび組立て材料およびプロシージャを必要とし得る。そのため、ＦＡＣに対する変更を必要としないアプローチが、特に、共通の光学的および機械的コンポーネントを使用して異なる数のエミッタを有するシステムを製造するために好ましい。

便宜的な製造可能性およびスケーラビリティについて、高速軸ビームサイズおよびＦＡＴ倍率は、Ｂ_ＦＡ２＝Ｂ_ＦＡ１×ｍ_１／ｍ_２かつＭ_２＝Ｍ_１×ｍ_１／ｍ_２であるように低減され得る。上記で述べた他のアプローチと比較して、これは、光学設計アーキテクチャまたは光学アライメントおよび作製プロセスに対してほとんどまたは全く変更を必要としない；高速軸ビームサイズは、エミッタエピタキシャル層設計によって制御され得る。ダイオードレーザの高速軸ビーム寸法を低減することは、低ビームＮＡのために高速軸ＢＰＰを低減することを可能にする、または、ハイパワー／高輝度のために同じＢＰＰに関してエミッタカウントを増加させることを可能にする。単一エミッタ高速軸ＢＰＰと、高速軸において積重ねられるダイオードレーザの数の積は、通常、ファイバによって許容される最大高速軸ＢＰＰより小さい。すなわち、ｍ×ＢＰＰ_ＳＥ＜ＢＰＰ_ＦＡである。ここで、ｍは積重ねられるエミッタの数であり、ＢＰＰ_ＳＥは単一エミッタＢＰＰであり、ＢＰＰ_ＦＡはファイバＢＰＰである。パワー損失および信頼性の低減をもたらす場合があるビームクリッピングの対価を払って、より多くの単一エミッタが、積重ねられ、ファイバ内に結合され得る。

幾つかの代表的な例は、以下の表において要約され、以下の表は、より大きい初期高速軸ビームサイズに基づく従来のマルチエミッタシステムのためのパラメータを同様に含む。表のシステムは、偏光、波長、または他の多重化方法を使用して高速軸積重ね式エミッタの２つのセットを結合することに基づき、エミッタの総数は２×７または２×８として表される。表は、低速軸（ＳＡ）ビームサイズを同様に含み、同じＳＡ特性が代表的な例において使用される。ＦＡイメージサイズはＢ_ＦＡｆ_０／（ｆ_ＦＡＣＭ）として決定され得る。これらの例において、放出波長は約０．９μｍであるが、他の波長における同様のシステムが設けられ得る。典型的な波長範囲は約２５０ｎｍから約２．０μｍに及ぶ。

表１から明らかであるように、薄い（または高ＮＡの）エミッタが使用されて、高速軸に沿うレーザダイオードの間隔が固定の場合でも、更なるエミッタからのパワーを結合することによってファイバ結合式パワーを増加させ得る、または、エミッタの数を増加させることなく、同じパワーを提供しながら、出力ファイバにおいてビームＮＡを低減し得る。１．６０μｍ、１．５８μｍ、１．５６μｍ、１．５４μｍ、１．５２μｍ、１．５０μｍ、１．４８μｍ、１．４６μｍ、１．４４μｍ、１．４２μｍ、１．４０μｍ、１．３８μｍ、１．３６μｍ、１．３４μｍ、１．３２μｍ、１．３０μｍ、１．２８μｍ、またはそれより小さい値未満の放出高速軸ビームサイズ（１／ｅ^２におけるＦＷ）、または、約１．７０μｍから１．２０μｍの間の任意のサイズ、または、こうしたビームサイズに対応する広がりを有する放出ビームが使用され得る。典型的な放出ビーム全幅広がり（１／ｅ^２ビームパワー）は、３６、３８、４０、４２、４４、４６、４８、４９、５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５９度、またはそれより大きい値である。典型的なＦＡＴ倍率は、０．９、０．８５、０．８、０．７５、０．７、０．６、０．５５、０．５、０．４５、０．４、０．３５、０．３０、またはそれより小さい値、あるいは、０．２５から１．０の間の任意の値である。一例において、０．３４の倍率が使用される。

高速軸ビームサイズの低減を通して輝度スケーリングする上記方法は、特定の低速軸寸法を必要とせず、種々の低速軸幅を有するレーザダイオードを使用してファイバ結合式ダイオードレーザパッケージにおいて適用され得る。従来の理解によれば、破滅的光ミラー損傷（ＣＯＭＤ：ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｒｒｏｒ ｄａｍａｇｅ）の可能性は、上述したようなシステムにおいて１エミッタごとに所与のパワーにおいて増加することになる。ファセットＣＯＭＤによって制限される最大ＣＷダイオードパワーは：

として表され得る。ここで、ｄ_ＱＷはアクティブな層厚であり、Γは高速軸モーダル制限ファクターであり、ｄ_ＱＷ／Γは有効高速軸モーダルサイズであり、Ｗは低速軸ビーム幅であり、ＲはＰＲファセット（出力カプラー）反射率であり、

はＣＯＭＤパワー密度である。高速軸ビームサイズのみを低減することは、それだけで、最大ダイオードパワーを低減する、または、同じパワーレベルで働くＣＯＭＤの可能性を増加させることになる。幾つかの例において、低速軸ビーム幅を増加させることは、匹敵するファセット信頼性のために、高速軸ビームサイズの低減を補償し得る。低速軸輝度を犠牲にすることなく、高いファセット信頼性を達成するために、より広い低速軸ビーム幅を有するが、同じかまたは更に低い低速軸ＢＰＰを有するレーザダイオード設計が好ましい。例えば、特定のＳＡビームサイズは、米国特許第９，１６６，３６９号に記載される、いわゆるフレア式レーザダイオードにおいて選択され得、その特許は参照によって本明細書に組込まれる。フレア式レーザダイオードは、全てが同じＳＡ ＢＰＰを提供する種々の低速軸幅の中での選択を可能にし、高速軸ビームサイズが低減されるため、ファセット信頼性要件を満たし得る。

表１の例は、例に過ぎず、制限的であると考えられない。明確にするために、出力ファイバにおけるサイズおよびＮＡは、幾何学的光学部品モデルを使用して計算され、全てが約０．９μｍの波長にある。

低ＮＡ高輝度２×７エミッタの例（列２）は、１．７μｍの従来のＦＡビームの代わりに、１．３４μｍの低減されたＦＡビームサイズを有するレーザダイオードを使用する。これは、２×７の同じダイオードレーザカウントの下で、低減された高速軸ＢＰＰをもたらす。ＦＡＴ倍率は、（同じ効率的なファイバ結合について）ファイバにおいて同じ高速軸イメージサイズを得るために修正される。高速軸ＮＡは、一方で、低減された高速軸ＢＰＰのために、０．１０７から０．１３８に低減される。９５％ＮＡは、０．１５０と対照的に０．１３２である。エミッタカウントが同じであるため、ファイバ結合式パワーは同様のレベルに維持されるが、輝度は大幅に改善される。幾つかの例において、ＦＡＴ倍率および対物レンズ焦点距離は共に変動する。

高輝度２×９エミッタは、低ＮＡパッケージの場合と同様に、同じ低減されたＦＡビームサイズレーザダイオードならびに同じ光学部品を使用する。低減された高速軸ＢＰＰを目標とする代わりに、あと２つの行のエミッタが、従来のパッケージ（列１）の場合と同様に、同じ高速軸ＢＰＰを維持しながらのパワースケーリングのために、垂直方向に積重ねられている。結果は、２８％のファイバ結合式パワーの増加である。

表２は、一対のダイオードレーザ設計：１．７μｍ高速軸ビームサイズを有する９５μｍ長方形設計および１．３４μｍ高速軸ビームサイズを有するフレア式レーザダイオードについて、高速軸モーダル制限ファクターおよび低速軸ビーム幅を示す。フレア式レーザダイオードは、１２５μｍ低速軸ビーム幅を有するが、９５μｍ長方形レーザのＢＰＰと同様かまたは小さいＢＰＰを有する。Ｗ×ｄ_ＱＷ／Γに比例するフレア式レーザダイオードの最大ＣＷ ＣＯＭＤパワーは、２１％小さい高速軸ビームサイズを有する場合でも、長方形設計より７％高い。したがって、低減した高速軸ビームサイズを有するフレア式レーザダイオードに関してファセット信頼性の懸念は全く存在しないはずである。

薄化された導波路を使用する別の例は図２Ａ～２Ｃに示される。パッケージ化されたダイオードレーザ組立体２００は、便宜的な例証のために部分的に除去されて示されるハウジング２０２を含む。段差状表面２０４は、複数の段差状表面部分２０６Ａ～２０６Ｃを含み、複数の段差状表面部分２０６Ａ～２０６Ｃに対して、１つまたは複数のダイオードレーザ２０８Ａ～２０８Ｃが、それぞれ留められ、異なる高さに位置付けられて、通常、単調に下降または上昇する。通常、単一ダイオードレーザがそれぞれの段差に留められ、複数のダイオードレーザが複数の段差に留められて、実質的に平行な軸に沿ってレーザ放射を放出する。平行配置構成からの逸脱は、以下で論じるように必要に応じて補償され得る。図２Ａにおいて、ダイオードレーザ２０８Ａ～２０８Ｃの高速軸は、図の平面に垂直であり；低速軸は図の平面内にある。ダイオードレーザ２０８Ａ～２０８Ｃからの放出ビームは、高速軸コリメーション光学部品２１２および低速軸コリメーション光学部品２１４によって受信されコリメートされて、コリメートビームを生成する。オプションの体積ブラッグ回折格子要素２１３が、高速軸コリメーション光学部品２１２と低速軸コリメーション光学部品２１４との間に位置決めされて、レーザダイオード２０８Ａ～２０８Ｃの波長のロッキングを提供し得る。ターニングミラー２１６は、コリメーション後に互いに対して全体的に平行に伝搬するコリメートビームを受信する。図２Ａの例において、ターニングミラー２１６はコリメートビームを直角に反射するために位置付けられるため、反射ビームはビーム圧縮器２２０に方向付けられる。それぞれのレーザダイオードの伝搬方向は、対応する反射体の対応する調整具によって調整され得る。ビーム圧縮器２２０（すなわち、高速軸望遠鏡）において、反射ビームの高速軸は、上下に積重ねられて、ダイオードレーザ２０８Ａ～２０８Ｃにそれぞれ対応し、段差状表面部分２０６Ａ～２０６Ｃの高さに基づく分離を有する積重ね式ビーム２２２Ａ～２２２Ｃ（図２Ｂに示す）を形成する。ターニングミラー２１６およびコリメーション光学部品２１４は、共通表面２１８に好都合に留められ得る。

それぞれのコリメートビームについてのそれぞれのターニングミラー２１６の一番上の部分は、反射ビームが後続のターニングミラー２１６によってクリップされないような高さに位置付けされる。例えば、図２Ａにおいて、図面の一番下のミラーは、対応する段差状表面部分２０６Ａの最も大きい段差高さに対応するために最も大きい高さを有する。積重ね式ビーム２２２Ａ～２２２Ｃの間隔は、ビーム圧縮器２２０によって調整され、その後、圧縮ビームは、光ファイバ２１０内に圧縮ビームを方向付ける対物レンズ２２４に方向付けられる。幾つかの例において、対物レンズ２２４は単一平凸レンズであり、一方、他の例において、球面および非球面を含むより複雑な複数要素レンズが使用される。

図２Ｂ～２Ｃに示すように、積重ね式ビーム２２２Ａ～２２２Ｃの入力ビームスタックは、ビーム２３２Ａ～２３２Ｃの圧縮ビームスタックとしてビーム圧縮器２２０によって出力される。ビーム分離が、圧縮方向のビーム径と共に圧縮されることに留意されたい。この例において、積重ね式ビーム２２２Ａ～２２２の間のギャップが同様に圧縮される。

図３Ａ～３Ｄを参照すると、ダイオードレーザ組立体３００は、ｚ軸が図３Ａの平面から出て上方に延在する右手ｘｙｚ座標系３８０を参照して述べられる。ダイオードレーザ組立体３００は、レーザビームのそれぞれのセットを反射体ならびに高速軸および低速軸コリメータの対応するセット３１２～３１５に放出するように配置されるレーザダイオードのセット３０２～３０５を含む。例えば、セット３０２のレーザダイオードは、ビームをｘ軸方向に放出し、そのビームは、その後、セット３１２のそれぞれの反射体によって方向転換されて、ｙ軸方向に沿って伝搬する。それぞれのセットのレーザダイオードは、ｚ軸に沿う同じセットの他のレーザダイオードから変位またはオフセットされ、関連する反射体は、セットからのレーザビームが反射体によってブロックされないように位置付けられる。図３Ｄに示すように、レーザダイオードのセット３０２は、段差状マウント３２０に留められて、適切なｚ軸オフセットを提供し；同様のマウントは、レーザダイオードの残りのセットのために設けられる。ほとんどの場合、段差状マウント３２０は熱伝導性材料で作られる。便宜上、ビーム伝搬軸３２２～３２５は、それぞれのセットの一番下のレーザダイオードについて示され；それぞれのセットの残りのレーザダイオードについてのビーム伝搬軸は、同様であるが、ｚ軸に沿って変位する。

レーザダイオードのセット３０２からのレーザビームは、１／２波長板３３０に方向付けられ、その後、偏光ビームスプリッタ３３２においてレーザダイオードのセット３０３からのレーザビームと結合されるため、ビームの垂直積重ね式セット３３６Ａ（図３Ｂに示す）がビーム圧縮器３４０に入射する。レーザダイオードのセット３０５からのレーザビームは、セット３１５の反射体によって１／２波長板３３４に方向付けられ、その後、偏光ビームスプリッタ３３５において、反射体のセット３１４によって方向転換された通りにレーザダイオードのセット３０４からのレーザビームと結合されるため、ビームの垂直積重ね式セット３３６Ａがビーム圧縮器３４０に入射する。

図３Ｂは、ビーム圧縮器３４０に入射する積重ね式ビーム３３６Ａ、３３６Ｂを示し；図３Ｃは、ビーム圧縮器３４０を出る積重ね式ビーム３５６Ａ、３５６Ｂを示し、ビーム間隔および個々のビーム高さは共に、圧縮比Ｍ＝Ｈ２／Ｈ１によって変更される。この例において、円柱ビーム圧縮器が使用され、ｚ方向に圧縮が存在するが、ｘ方向に存在しない。更なる圧縮器が他の方向の圧縮のために設けられ得る、または、球面を使用する圧縮器が使用され得る。幾つかの例において、ビームは、高速軸方向にギャップがない状態で配置される。図３Ｅは、ビーム間にギャップがない状態でビーム圧縮器３４０を出る積重ね式ビーム３６０Ａ、３６０Ｂを示し、図３Ｆは、ビーム間にギャップがない状態でビーム圧縮器３４０を出る積重ね式ビーム３６６Ａ、３６６Ｂを示す。ギャップがない状態でビームを位置付けることによって利用可能である更なる空間は、更なるエミッタからのビームを提供されて、より高い出力パワーを提供し得る、またはその他の方法で、更なる波長、変調、または他のビーム特徴を提供することによって複数エミッタを利用し得る。代替的に、同じ数のビームが、より小さいエリアに入るようにＦＡＴにおいてパックされ、それにより、対物レンズによって提供されるビームの開口数を低減し得る。

図４を参照すると、方法４００は、４０２にて、通常、利用可能な段差状マウントに基づいて、高速軸エミッタ間隔を選択することを含む。４０４にて、出力パワーおよび出力ＮＡが選択され、４０６にて、エミッタの数が、選択された出力パワーに基づいて決定される。４０８にて、放出されるＦＡビーム幅は、必要な数のエミッタを、選択されたＮＡ内に結合することを可能にするために選択される。４１０にて、離間したエミッタからのビームは、ＦＡＣ、ＦＡＴ、および対物レンズによって出力ファイバに結合されて、選択されたＮＡおよびパワーを達成する。通常、ＦＡＣ、ＦＡＴ、および対物レンズは、光ファイバのコアを満たすために放出領域を拡大するために選択される。幾つかの場合、４１０にて、放出されるＳＡビーム幅または低速軸寸法は、低速軸ＢＰＰが最大許容可能ファイバ低速軸ＢＰＰより小さくなるように、また、ＣＯＭＤを回避するために選択され、幾つかの場合、ＳＡビーム幅は、適切なビーム強度を提供するために増加される。

代表的な３つのレーザベースシステム５００が、配向５５０、５５５に示すｘｙｚ座標系を参照して図５に示される。便宜的な例証のために、ミラーによる光軸の折畳みは、広げられて、真っすぐのままである。そのため、傾斜した平面表面によるビーム反射は、連続する直線ビーム伝搬として示される。典型的な折畳み式伝搬経路は、図２Ａの場合等、上記で示される。

レーザダイオード５０２Ａ～５０２Ｃは、高速軸方向（図５に示すｘ方向）に共通距離ｄ_{ｓｔａｉｒ}だけ分離されて、ＦＡＣ５０４Ａ～５０４Ｃのそれぞれによってコリメートされたビームを放出する。ＦＡコリメートビーム５０６Ａ～５０６Ｃは、それぞれのＳＡＣ５０７Ａ～５０７Ｃに方向付けられて、ＦＡおよびＳＡコリメートビーム５０８Ａ～５０８Ｃを生成する。図５に示すように、レーザダイオードは、ｚ軸に沿って伝搬し、高速軸方向（示すｘ方向）に沿って変位されるビームを放出する。通常、レーザダイオード５０２Ａ～５０２Ｃは階段段差マウント上に位置付けられるため、レーザダイオード５０２Ａ～５０２Ｃの放出領域は、ｘｙ平面に平行な共通平面内にある。概して、レーザダイオード５０２Ａ～５０２Ｃは低速軸方向（示すｙ方向）にオフセットする。ビーム５０６Ａ～５０６Ｃは、互いに接触するように見えるが、ｙ軸に沿って変位するため、ＦＡＣ５０４Ａ～５０４Ｃによってクリップされる必要はない。同様に示すように、レーザダイオード５０２Ａ～５０２Ｃのそれぞれからの放出ビームは、ＦＡＣ５０４Ａ～５０４Ｃのアパーチャをそれぞれ実質的に満たす。ＳＡＣ５０７Ａ～５０７Ｃは、ｘｙ平面に平行である共通平面内に位置付けられるものとして示されるが、都合よく、ビーム軸に沿って分配され得るまたは伝搬し得る。図５において、ＳＡＣは湾曲がない状態で示される。その理由は、ＳＡＣが、概して、ｘｚ平面において湾曲がない状態の円柱レンズであるからである。ＦＡおよびＳＡコリメートビーム５０８Ａ～５０８Ｃは、それぞれのターニングミラー５０９Ａ～５０９Ｃに方向付けられて、座標系５５５のｙ軸に沿って伝搬するコリメートビーム５１５Ａ～５１５Ｃを生成する。ＦＡＴ５１３は、高速軸（ｘ方向）に沿ってビームサイズを減少させ、対物レンズ５１６に入射する出力ビーム５１２Ａ～５１２Ｃを生成する。図５Ａの例において、ＦＡおよびＳＡコリメートビーム５１５Ａ～５１５Ｃはギャップによって分離されず、ギャップがない状態でＦＡＴ５１３に入射する。結果として、出力ビーム５１２Ａ～５１２Ｃは、図５Ｃに示すように、対物レンズ５１６への入力としてギャップによって分離されない。こうした配置構成において、個々のビームは、対物レンズ５１６のアパーチャの一部分を満たすために、結合式と呼ばれる。

レーザダイオードビームパワーを、所定の階段段差サイズによって、選択される光ファイバ内に結合させるために、高速軸ビーム寸法は、ＦＡＣ焦点距離、ＦＡＴ倍率、および対物レンズ焦点距離の組合せによって制御される。これらは、個々のビームが、ＦＡビーム径がファイバコア径に対応する状態で出力ファイバに入射するように選択される倍率を生成する。同様に、低速軸ビーム寸法は、ＳＡビーム径がファイバコア径に対応するように概して選択されるＳＡＣ焦点距離および対物レンズ焦点距離に基づいて確立される。代表的な組合せは、共通励起ＮＡおよび共通ＳＡ／ＦＡ倍率を提供する２×９構成について以下の表３に示される。

開示される技術の原理が適用し得る多くの可能な実施形態を考慮して、示された実施形態が好ましい例に過ぎないものであって、本開示の範囲を制限するものとして考えられるべきでないことが認識されるべきである。添付特許請求項の範囲および趣旨内に入る全てが特許請求される。
［付記］
［形態１］
積重ね軸に関して所定の間隔を有するレーザダイオードのセットであって、それぞれのレーザダイオードは、１．６２μｍより小さい高速軸ビーム全幅または少なくとも４８度の高速軸全幅ビーム広がりを有する放出ビームを生成する高速軸および低速軸を規定する放出領域を有し、レーザダイオードのそれぞれの高速軸は、互いに平行でかつ前記積重ね軸に平行であり、レーザダイオードのそれぞれの低速軸は、互いに平行でかつ前記積重ね軸に直交する、レーザダイオードのセットと、
前記レーザダイオードのそれぞれに関連する高速軸コリメータ（ＦＡＣ）であって、高速軸コリメータのそれぞれは共通焦点距離を有し、レーザダイオードのそれぞれの放出領域は、それぞれの高速軸コリメータに結合して、前記高速軸に沿ってコリメートされるそれぞれのビームを生成する、高速軸コリメータ（ＦＡＣ）と、
前記高速軸コリメータから前記高速軸コリメートビームを受信し、前記所定の間隔および無限焦点望遠鏡に関連する倍率Ｍに基づいて高速軸ビーム間隔を生成するために位置付けられる、無限焦点望遠鏡と、
前記無限焦点望遠鏡から前記高速軸コリメートビームを受信するために位置付けられる対物レンズと、
前記対物レンズから前記高速軸コリメートビームを受信するために位置付けられるコアを有する光ファイバとを備える、装置。
［形態２］
形態１に記載の装置において、前記ＦＡＣおよび前記対物レンズは焦点距離ｆ_ＦＡＣおよびｆ_０をそれぞれ有し、前記ファイバにおける前記レーザダイオードの前記放出領域の倍率はｆ_０／Ｍｆ_ＦＡであり、前記高速軸コリメートビームの高速軸開口数はＮＡ_ＦＡ＝（ｄ_{ｓｔａｉｒ}×ｍ×Ｍ）／（２×ｆ_０）であり、ここで、ｍは前記セット内のレーザダイオードの数であり、ｄ_{ｓｔａｉｒ}は所定間隔である、装置。
［形態３］
形態２に記載の装置において、Ｍは１．０より小さい、装置。
［形態４］
形態２に記載の装置において、ｆ_ＦＡＣは２００μｍから４００μｍの間であり、ｆ_０は５ｍｍから１２ｍｍの間であり、Ｍは０．９より小さい、装置。
［形態５］
形態１に記載の装置において、レーザダイオードの前記セットの前記ダイオードのそれぞれは、８００ｎｍ～１，０００ｎｍの波長範囲で放出し、レーザダイオードの前記セットは、１）少なくとも１６０Ｗの総光パワーを前記光ファイバ内に結合する７つのレーザダイオードの２つのセット、２）０．１５より小さい開口数のビームにおける少なくとも２００Ｗの総光パワーを、１０５μｍのコア径を有する前記光ファイバ内に結合する９つのレーザダイオードの２つのセット、３）０．１８より小さい開口数のビームにおける少なくとも３６０Ｗの総光パワーを、１０５μｍのコア径を有する前記光ファイバ内に結合する１５のレーザダイオードの２つのセット、または、４）０．１８より小さい開口数のビームにおける少なくとも８００Ｗの総光パワーを、２００μｍのコア径を有する前記光ファイバ内に結合する２４のレーザダイオードの２つのセットからなる、装置。
［形態６］
形態５に記載の装置において、前記光ファイバは１０５μｍまたは２００μｍのコア径を有する、装置。
［形態７］
形態１に記載の装置において、前記所定の間隔は、２００μｍから１，０００μｍの間である、装置。
［形態８］
形態１に記載の装置において、前記レーザダイオードは、固定低速軸間隔を有するように低速軸方向に分配される、装置。
［形態９］
形態８に記載の装置において、レーザダイオードの前記セットの前記レーザダイオードのそれぞれに対応する反射体のセットを更に備え、それぞれの反射体は、それぞれのＦＡＣからビームを受信し、前記ビームを前記対物レンズに方向付けるために位置付けられるため、前記対物レンズにおける前記方向付けられたビームの伝搬軸は平行である、装置。
［形態１０］
形態９に記載の装置において、前記ＦＡＣからそれぞれのビームを受信し、前記ＦＡおよびＳＡコリメートビームをそれぞれの反射体に方向付けるために位置付けられる低速軸コリメータ（ＳＡＣ）のセットを更に備える、装置。
［形態１１］
互いに平行であるそれぞれの高速軸に沿って固定間隔を有するために位置付けられるレーザダイオードのセットであって、それぞれのレーザダイオードは、１．６０μｍより小さい高速軸ビームサイズまたは少なくとも４８度の高速軸全幅ビーム広がりによって規定され、高速軸および低速軸を規定する放出領域を有し、レーザダイオードのそれぞれの高速軸は、互いに平行でかつ前記積重ね軸に直交であり、レーザダイオードのそれぞれの低速軸は、互いに平行でかつ前記積重ね軸に直交する、レーザダイオードのセットと、
前記セットの前記レーザダイオードのそれぞれに対応する高速軸コリメータ（ＦＡＣ）および低速軸コリメータ（ＳＡＣ）であって、ＦＡＣのそれぞれは共通焦点距離ｆ_ＦＡＣを有し、ＳＡＣのそれぞれは共通焦点距離ｆ_ＳＡＣを有し、ＦＡＣおよびＳＡＣは、前記レーザダイオードのそれぞれの放出領域から放出される光ビームをコリメートするために位置付けられる、高速軸コリメータ（ＦＡＣ）および低速軸コリメータ（ＳＡＣ）と、
コリメートビームを受信し、前記所定の間隔および無限焦点望遠鏡に関連する倍率Ｍに基づいて高速軸ビーム間隔を生成するために位置付けられる、無限焦点望遠鏡と、
前記無限焦点望遠鏡から前記ビームを受信し、前記ビームを焦点に方向付けるために位置付けられる対物レンズとを備える、光ビーム源。
［形態１２］
形態１１に記載の光ビーム源において、前記対物レンズの前記焦点に位置付けられる入力表面を有する光ファイバを更に備える、光ビーム源。
［形態１３］
形態１２に記載の光ビーム源において、前記光ファイバは、５０μｍから１．０ｍｍの間のコア径を有する、光ビーム源。
［形態１４］
形態１１に記載の光ビーム源において、複数の熱伝導性段差を有するレーザダイオードマウントを更に備え、前記レーザダイオードのそれぞれは、それぞれの段差に留められて、それぞれの高速軸に沿って離間して配置される、光ビーム源。
［形態１５］
形態１１に記載の光ビーム源において、前記レーザダイオードはフレア式レーザダイオードである、光ビーム源。
［形態１６］
レーザダイオードマウントの所定の段差高さに基づいて、選択された数のレーザダイオードからの放出ビームを光ファイバ内に結合するために、放出ビーム高速軸広がり、放出ビーム高速軸サイズ、高速軸導波路厚の少なくとも１つを選択するステップと、
前記選択された数のレーザダイオードを前記所定の高さに位置付けるステップと、
前記レーザダイオードのそれぞれからの放出ビームからコリメートビームを生成するために、低速軸および高速軸コリメーションレンズを位置付けるステップと、
前記コリメートビームを前記光ファイバ内に方向付けるために、高速軸望遠鏡および対物レンズを位置付けるステップとを含む、方法。
［形態１７］
形態１６に記載の方法において、前記放出ビーム高速軸広がり、前記放出ビーム高速軸サイズ、および前記高速軸導波路厚の少なくとも１つは、前記光ファイバの開口数に基づいて選択される、方法。
［形態１８］
形態１６に記載の方法において、前記段差高さは２００μｍから１，０００μｍの間であり、前記高速軸望遠鏡の倍率は１より小さい、方法。
［形態１９］
形態１６に記載の方法において、前記光ファイバのコア径に基づいて前記放出ビームの高速軸倍率を選択するステップを更に含む、方法。
［形態２０］
高速軸方向に沿う固定分離および或る数のレーザダイオードに基づいて、選択された電力、選択された開口数、または両方を有する結合式ビームを光ファイバ内に結合するために、放出ビーム高速軸広がり、放出ビーム高速軸サイズ、または高速軸導波路厚の少なくとも１つを選択するステップと、
前記数のレーザダイオードを前記固定分離に位置付け、前記レーザダイオードのそれぞれからの放出ビームを、対応する高速軸および低速軸コリメータ、高速軸望遠鏡、および対物レンズによって前記光ファイバに方向付けるステップとを含む、方法。
［形態２１］
形態２０に記載の方法において、前記放出ビーム高速軸サイズは１．６０μｍより小さい、または、前記高速軸ビーム広がりは４８度より大きい、方法。
［形態２２］
形態２０に記載の方法において、低速軸ＢＰＰが最大許容可能ファイバＢＰＰより小さくなるように低速軸寸法を選択するステップを更に含む、方法。
［形態２３］
形態２２に記載の方法において、低速軸寸法は、前記レーザダイオードの１つまたは複数のレーザダイオードの光損傷に関連する閾値に基づいて選択される、方法。
［形態２４］
共通高速軸方向に沿って段差高さを選択するステップと、
前記選択された段差高さに基づいて、共通高速軸ビーム径および共通高速軸ビーム広がりを選択するステップと、
出力ファイバコア径および開口数に対応する結合式のビーム高速軸ビーム径およびビーム広がりを有する結合式ビームを生成するために、前記段差高さだけ離間して配置され、前記共通高速軸ビーム径および前記共通高速軸ビーム広がりを有するレーザダイオードのセットのそれぞれからのビームを、それぞれの高速軸コリメータ、高速軸望遠鏡、および対物レンズによって前記共通高速軸方向に沿って整形し、前記結合式ビームが、前記出力ファイバコア径および開口数に対応する結合式のビーム低速軸ビーム径およびビーム広がりを有するように、レーザダイオードの前記セットのそれぞれからのビームを、それぞれの低速軸コリメータおよび前記対物レンズによって低速軸方向に沿って整形するステップとを含む、方法。
［形態２５］
形態２４に記載の方法において、レーザダイオードの前記セットの前記ビームは、前記対物レンズのアパーチャの一部分を満たすために結合される、方法。

Claims (24)

1. 積重ね軸に関して所定の間隔を有するレーザダイオードのセットであって、それぞれのレーザダイオードは、１．６２μｍより小さい高速軸ビーム全幅または少なくとも４８度の高速軸全幅ビーム広がりを有する放出ビームを生成する高速軸および低速軸を規定する放出領域を有し、レーザダイオードのそれぞれの高速軸は、互いに平行でかつ前記積重ね軸に平行であり、レーザダイオードのそれぞれの低速軸は、互いに平行でかつ前記積重ね軸に直交する、レーザダイオードのセットと、
   前記レーザダイオードのそれぞれに関連する高速軸コリメータ（ＦＡＣ）であって、高速軸コリメータのそれぞれは共通焦点距離を有し、レーザダイオードのそれぞれの放出領域は、それぞれの高速軸コリメータに結合して、前記高速軸に沿ってコリメートされるそれぞれのビームを生成する、高速軸コリメータ（ＦＡＣ）と、
   前記高速軸コリメータから前記高速軸に沿ってコリメートされたビームである高速軸コリメートビームを受信し、前記所定の間隔および無限焦点望遠鏡に関連する倍率Ｍに基づいて高速軸ビーム間隔を生成するために位置付けられる、円柱レンズの無限焦点望遠鏡と、
   前記無限焦点望遠鏡から前記高速軸コリメートビームをビーム間にギャップがない状態で受信するために位置付けられる対物レンズと、
   前記対物レンズから前記高速軸コリメートビームを受信するために位置付けられるコアを有する光ファイバとを備え、
   前記ＦＡＣおよび前記対物レンズは焦点距離ｆ _ＦＡＣ およびｆ _０ をそれぞれ有し、前記ファイバにおける前記レーザダイオードの前記放出領域の倍率はｆ _０ ／Ｍｆ _ＦＡＣ であり、前記高速軸コリメートビームの高速軸開口数はＮＡ _ＦＡ ＝（ｄ _{ｓｔａｉｒ} ×ｍ×Ｍ）／（２×ｆ _０ ）であり、ここで、ｍは前記セット内のレーザダイオードの数であり、ｄ _{ｓｔａｉｒ} は所定間隔である、装置。
2. 請求項１に記載の装置において、Ｍは１．０より小さい、装置。
3. 請求項１に記載の装置において、ｆ_ＦＡＣは２００μｍから４００μｍの間であり、ｆ_０は５ｍｍから１２ｍｍの間であり、Ｍは０．９より小さい、装置。
4. 請求項１に記載の装置において、レーザダイオードの前記セットの前記ダイオードのそれぞれは、８００ｎｍ～１，０００ｎｍの波長範囲で放出し、レーザダイオードの前記セットは、１）少なくとも１６０Ｗの総光パワーを前記光ファイバ内に結合する７つのレーザダイオードの２つのセット、２）０．１５より小さい開口数のビームにおける少なくとも２００Ｗの総光パワーを、１０５μｍのコア径を有する前記光ファイバ内に結合する９つのレーザダイオードの２つのセット、３）０．１８より小さい開口数のビームにおける少なくとも３６０Ｗの総光パワーを、１０５μｍのコア径を有する前記光ファイバ内に結合する１５のレーザダイオードの２つのセット、または、４）０．１８より小さい開口数のビームにおける少なくとも８００Ｗの総光パワーを、２００μｍのコア径を有する前記光ファイバ内に結合する２４のレーザダイオードの２つのセットからなる、装置。
5. 請求項４に記載の装置において、前記光ファイバは１０５μｍまたは２００μｍのコア径を有する、装置。
6. 請求項１に記載の装置において、前記所定の間隔は、２００μｍから１，０００μｍの間である、装置。
7. 請求項１に記載の装置において、前記レーザダイオードは、固定低速軸間隔を有するように低速軸方向に分配される、装置。
8. 請求項７に記載の装置において、レーザダイオードの前記セットの前記レーザダイオードのそれぞれに対応する反射体のセットを更に備え、それぞれの反射体は、それぞれのＦＡＣからビームを受信し、前記ビームを前記対物レンズに方向付けるために位置付けられるため、前記対物レンズにおける前記方向付けられたビームの伝搬軸は平行である、装置。
9. 請求項８に記載の装置において、前記ＦＡＣからそれぞれの高速軸コリメートビームを受信し、受信したビームを更に前記低速軸に沿ってコリメートしてＦＡおよびＳＡコリメートビームを出力する低速軸コリメータ（ＳＡＣ）のセットであり、前記ＦＡおよびＳＡコリメートビームをそれぞれの反射体に方向付けるために位置付けられる低速軸コリメータ（ＳＡＣ）のセットを更に備える、装置。
10. 互いに平行であるそれぞれの高速軸に沿って固定間隔を有するために位置付けられるレーザダイオードのセットであって、それぞれのレーザダイオードは、１．６０μｍより小さい高速軸ビームサイズまたは少なくとも４８度の高速軸全幅ビーム広がりによって規定され、高速軸および低速軸を規定する放出領域を有し、レーザダイオードのそれぞれの高速軸は、互いに平行でかつ積重ね軸に平行であり、レーザダイオードのそれぞれの低速軸は、互いに平行でかつ前記積重ね軸に直交する、レーザダイオードのセットと、
    前記セットの前記レーザダイオードのそれぞれに対応する高速軸コリメータ（ＦＡＣ）および低速軸コリメータ（ＳＡＣ）であって、ＦＡＣのそれぞれは共通焦点距離ｆ_ＦＡＣを有し、ＳＡＣのそれぞれは共通焦点距離ｆ_ＳＡＣを有し、ＦＡＣおよびＳＡＣは、前記レーザダイオードのそれぞれの放出領域から放出される光ビームをコリメートするために位置付けられる、高速軸コリメータ（ＦＡＣ）および低速軸コリメータ（ＳＡＣ）と、
    円柱レンズの無限焦点望遠鏡であり、コリメートビームを受信し、前記所定の間隔および無限焦点望遠鏡に関連する倍率Ｍに基づいて高速軸ビーム間隔を生成するために位置付けられる、無限焦点望遠鏡であって、該無限焦点望遠鏡で生成される出力ビームはギャップによって分離されていない、前記無限焦点望遠鏡と、
    前記無限焦点望遠鏡から前記出力ビームを受信し、前記出力ビームを焦点に方向付けるために位置付けられる対物レンズとを備え、
    前記ＦＡＣおよび前記対物レンズは焦点距離ｆ _ＦＡＣ およびｆ _０ をそれぞれ有し、前記ファイバにおける前記レーザダイオードの前記放出領域の倍率はｆ _０ ／Ｍｆ _ＦＡＣ であり、前記高速軸コリメートビームの高速軸開口数はＮＡ _ＦＡ ＝（ｄ _{ｓｔａｉｒ} ×ｍ×Ｍ）／（２×ｆ _０ ）であり、ここで、ｍは前記セット内のレーザダイオードの数であり、ｄ _{ｓｔａｉｒ} は所定間隔である、光ビーム源。
11. 請求項１０に記載の光ビーム源において、前記対物レンズの前記焦点に位置付けられる入力表面を有する光ファイバを更に備える、光ビーム源。
12. 請求項１１に記載の光ビーム源において、前記光ファイバは、５０μｍから１．０ｍｍの間のコア径を有する、光ビーム源。
13. 請求項１０に記載の光ビーム源において、複数の熱伝導性段差を有するレーザダイオードマウントを更に備え、前記レーザダイオードのそれぞれは、それぞれの段差に留められて、それぞれの高速軸に沿って離間して配置される、光ビーム源。
14. 請求項１０に記載の光ビーム源において、前記レーザダイオードはフレア式レーザダイオードである、光ビーム源。
15. レーザダイオードマウントの所定の段差高さに基づいて、選択された数のレーザダイオードからの放出ビームを光ファイバ内に結合するために、放出ビーム高速軸広がり、放出ビーム高速軸サイズ、高速軸導波路厚の少なくとも１つを選択するステップと、
    前記選択された数のレーザダイオードを前記所定の高さに位置付けるステップと、
    前記レーザダイオードのそれぞれからの放出ビームからコリメートビームを生成するために、低速軸および高速軸コリメーションレンズを位置付けるステップと、
    前記コリメートビームを前記光ファイバ内に方向付けるために、及び前記コリメートビームが対物レンズのところでギャップによって分離されていないように、高速軸望遠鏡および対物レンズを位置付けるステップとを含む、方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、前記放出ビーム高速軸広がり、前記放出ビーム高速軸サイズ、および前記高速軸導波路厚の少なくとも１つは、前記光ファイバの開口数に基づいて選択される、方法。
17. 請求項１５に記載の方法において、前記段差高さは２００μｍから１，０００μｍの間であり、前記高速軸望遠鏡の倍率は１より小さい、方法。
18. 請求項１５に記載の方法において、前記光ファイバのコア径に基づいて前記放出ビームの高速軸倍率を選択するステップを更に含む、方法。
19. 高速軸方向に沿う固定分離および或る数のレーザダイオードに基づいて、選択された電力、選択された開口数、または両方を有する結合式ビームを光ファイバ内に結合するために、放出ビーム高速軸広がり、放出ビーム高速軸サイズ、または高速軸導波路厚の少なくとも１つを選択するステップと、
    前記数のレーザダイオードを前記固定分離に位置付け、前記レーザダイオードのそれぞれからの放出ビームを、対応する高速軸および低速軸コリメータ、高速軸望遠鏡、および対物レンズによって前記光ファイバに方向付けるステップであって、前記放出ビームが前記対物レンズのところでギャップによって分離されていないステップとを含む、方法。
20. 請求項１９に記載の方法において、前記放出ビーム高速軸サイズは１．６０μｍより小さい、または、前記高速軸ビーム広がりは４８度より大きい、方法。
21. 請求項１９に記載の方法において、低速軸ＢＰＰが最大許容可能ファイバＢＰＰより小さくなるように低速軸寸法を選択するステップを更に含む、方法。
22. 請求項２１に記載の方法において、低速軸寸法は、前記レーザダイオードの１つまたは複数のレーザダイオードの光損傷に関連する閾値に基づいて選択される、方法。
23. 共通高速軸方向に沿って段差高さを選択するステップと、
    前記選択された段差高さに基づいて、共通高速軸ビーム径および共通高速軸ビーム広がりを選択するステップと、
    ビームをギャップによって分離することなく、出力ファイバコア径および開口数に対応する結合式のビーム高速軸ビーム径およびビーム広がりを有する結合式ビームを生成するために、前記段差高さだけ離間して配置され、前記共通高速軸ビーム径および前記共通高速軸ビーム広がりを有するレーザダイオードのセットのそれぞれからのビームを、それぞれの高速軸コリメータ、高速軸望遠鏡、および対物レンズによって前記共通高速軸方向に沿って整形し、前記結合式ビームが、前記出力ファイバコア径および開口数に対応する結合式のビーム低速軸ビーム径およびビーム広がりを有するように、レーザダイオードの前記セットのそれぞれからのビームを、それぞれの低速軸コリメータおよび前記対物レンズによって低速軸方向に沿って整形するステップとを含む、方法。
24. 請求項２３に記載の方法において、レーザダイオードの前記セットの前記ビームは、前記対物レンズのアパーチャの一部分を満たすために結合される、方法。

Images