JPH10510933A - 複数のダイオードレーザアレイの放射光の集束及び整形のための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光の集束及び整形のための装置はその放射光が放射平面（ｘ−ｙ平面）おいて横断面を有し、この横断面の縦軸が横軸の多数倍の長さに値する少なくとも２個以上のダイオ−ドレ−ザアレイ、放射方向において１個のダイオ−ドレ−ザアレイに対してそれぞれ１個ずつ配置されるコリメ−タユニット（１）、前記横断面の横軸方向に並列配置されることによって個々のダイオ−ドレ−ザアレイの平行光束を集束する結合ユニット（２）及び集束された放射光を前記横断面の縦軸方向に個々の分割放射光に分割し、且つ前記横断面の横軸方向に並列配置されることによって放射光を再集束するための再結合ユニット（３）から成る複数のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光の集束及び整形のための装置。

Description

【発明の詳細な説明】 複数のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光の集束及び整形のための装置 本発明は複数のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光を、例えば光ファイバ又は固 体レ−ザ−ロッドの端面に供給するために集束及び整形するための装置に関する 。この発明はダイオ−ドレ−ザアレイ光源を提示する。このダイオ−ドレ−ザア レイ光源は、例えばレーザ医学、レ−ザ加工又は固体レ−ザのポンプ部に効果的 に使用可能である。 ダイオ−ドレ−ザは他のレ−ザと比較して、特にその高い効率に特徴づけられ るが、非常に高い電流密度を伴うこと及びその非常に小さい容積のため出力に限 界がある。従って、高出力の必要な多くの使用形態において複数のダイオ−ドレ −ザの放射出力を利用し、その放射出力を集束することが要求される。特に、放 射光束が次に説明する装置や光学系の要素に供給される場合、放射光束横断面及 び放射光の遠方発散の観点から、確実に高い放射品質が要求される。 ダイオ−ドレ−ザの場合、約１μm×１００μmの放射面を有するため、各放射 光横断面の縦軸の長さが横軸の長さの約１００倍に相当する放射光束の非対称な 横断面が形成される。ダイオ−ドレ−ザアレイの放射光の場合、この非対称性は 個々の放射平面に関する技術及び冷却技術の観点から要求される位置的制約によ って数倍になる。ダイオ−ドレ−ザアレイの放射面は放射面の縦軸方向に沿って 直線上に配置されている。従って、放射光は非効率的な幾何学的放射形状を生じ 、放射面の縦軸及び横軸方向において非常に異なる発散を生じる。周知のように ダイオ−ドレ−ザの放射面の横軸方向の放射光の発散はダイオ−ドレ−ザのp-n 接合の平面に垂直に９０°まで生じ、ダイオ−ドレ−ザの放射面の縦軸方向の放 射光の発散はダイオ−ドレ−ザのp-n接合の平面に水平に約１０度のみである。 ダイオ−ドレ−ザアレイの放射光束の極端に非対称な幾何学的放射形状及び発散 により放射光の集束及び整形のための装置に関して、高い性能が要求される。即 ち、本 装置は高い結合効率を達成するために、次に続いて配置されるレンズの開口部に 適合する放射光束を生成する必要がある。 本発明の課題は複数のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光束が僅少な非対称性を 有する可能な限り小さい横断面及び遠方発散を有するように集束及び整形される 新しい装置を発明することである。 この課題は請求項１の装置によって解決される。効果的な構成は従属請求項に 記される。本発明は複数のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光束の整形、偏向、分 割及び集束を行う光学上の効果的な手段及び配置に関する選択及び順序について 言及する。ダイオ−ドレ−ザアレイに対して配置される手段及び順序を以下に述 べる。 １．ダイオ−ドレ−ザアレイの放射光を平行にするための手段（コリメ−タユ ニット）。 ２．放射光の放射面の横軸方向に並列配置される平行な放射光を集束するため の手段（結合ユニット）。 ３．放射面の縦軸方向に集束される放射光を分割するための手段及び分割放射 光束を放射面の横軸方向に並列に再び集束するための手段（再結合ユニット）。 後に、実施例において詳しく述べるが、再結合ユニットは、例えば光集積要素 又は各光学構成要素から構成され、この光学構成要素は少なくとも１つのモジュ −ルを構成する。光集積要素又は前記モジュール内での放射光の分割は放射方向 と同角度で互いに相対して設けられる平面での反射（実施例１）又は放射方向に 異なる角度で設けられる平面での反射（実施例２）によって行われる。放射光の 偏向及び再集束は２つの相対する垂直方向の平面内にて分割光束の９０°毎の反 射によって行なわれ、その際分割光束の向きが変わり、その後再び集束され、並 列に位置する。生成される放射光束が、例えば次に述べる光学上の要素に供給さ れる場合、結合手段として集光レンズを用いた配置が行なわれる。 以下に、２つの実施例を図示して、本発明を詳しく述べる。 図１は結合ユニット３としての光集積要素３．１を有する実施例１の斜視図で ある。 図２ａ〜図２ｄは図１に示す実施例１の光集積要素の斜視図である。 図３は再結合ユニット３としてのモジュール３．２を用いる実施例２の斜視図 である。 図１に示す複数のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光の集束及び整形のための装 置は、図示していない５個のダイオ−ドレ−ザアレイ、５個のコリメ−タユニッ ト１、１個の結合ユニット２、再結合ユニット３として１個の光集積要素３．１ 及び集光レンズ４を有する。幾何学的放射形状の変化を良く理解できるように直 交ｘ−ｙ座標系を採用し、光学上の放射経路の各場所に変換を示すように図示し た。２つの座標軸は１個のダイオ−ドレ−ザアレイの位置に対して定義されてい る。ダイオ−ドレ−ザアレイでは冒頭に記載したように、放射面が放射面の縦軸 上平面内に一直線に配置していることが問題となる。放射面の縦軸方向の伝達は 座標系のｘ−軸により、放射面の横軸方向の伝達は座標系のｙ−軸により定義さ れる。ｘ−ｙ平面、即ちダイオ−ドレ−ザアレイの放射面の平面において幾何学 的放射形状は放射面の配置により決まり、例えばこれは約１μm×１００mmの横 断面を有する線で示される。図はこの比率を座標系を用いた変換平面の放射光横 断面の比率同様、正確に示していない。各々５個のダイオ−ドレ−ザアレイに対 して各放射方向に１個のコリメ−タユニット１が、直接配置されている。コリメ −タユニット１は１個づつの単独円筒形状レンズ６から構成され、放射光をｙ− 軸に対して平行にする。より高い放射効率を達成するためにコリメ−タユニット １は、更に円筒形状レンズ列を有し、これによって放射光をｘ−軸に対して平行 にする。単独円筒形状レンズ６及び円筒形状レンズ列は非球面特性を有し、球面 収差を取り除くために設けられる。コリメ−タユニット１は、当然他の光学要素 を用いても構成され得る。例えば、グラジエントインデックスレンズのようにｙ −軸又はｘ−軸及びｙ−軸に対して放射光を平行にする。 結合ユニット２は放射方向においてすべてのコリメ−タユニット１に共通に配 置され、この結合ユニット２はダイオ−ドレ−ザアレイの平行にされた放射光を 集束する。この結合ユニット２は予め設定する数の反射面を有する透明な平板か ら成り、その数量及び位置はダイオ−ドレ−ザアレイの数量及び位置により決ま る。実施例１において４個のダイオ−ドレ−ザアレイが相対する平行な平面上に 対に置かれ、対毎に互いに向かい合う方向に放射し、５番目のダイオ−ドレ−ザ アレイが前記方向に垂直に放射する５個のダイオ−ドレ−ザアレイを使用する場 合、結合ユニット２はこのとき光集積要素として構成され、３個の平板を有する 。中心の平板は自身へのダイオ−ドレ−ザアレイの平行な放射光に影響を及ぼさ せないようにし、他のダイオ−ドレ−ザアレイの平行な放射光は外側に配置され る平板にある反射平面で９０°偏向される。結合ユニット２は、適切に配置され た反射平面を有する個々の光学要素からも構成され得る。結合ユニット２を介し て生成される放射光束は、ｘ１−ｙ１変換座標系において、結合ユニット２が横 軸方向に並列配置されることによって、ｘ−ｙ座標系平面内より僅かにより有効 な幾何学的放射形状を有する。放射光束の仲張がｘ−軸方向で一定に留まろ一方 、ｙ−軸方向の仲張は僅かに大きくなり、従って全体のダイオ−ドレ−ザアレイ の光束の僅かな非対称性を示す。これは個々のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光 の非対称性と同様である。この改善は均一且つ高い分割放射エネルギ−を後続レ ンズへ供給する場合に、放射光横断面に影響を与える。 放射光束の幾何学形状の重要な改善は結合ユニット２に対して配置される光集 積要素３．１によって行なわれる。この光集積要素３．１はｘ２−ｙ２変換座標 系に示すような幾何学的放射形状を実現する。光集積要素３．１はそれぞれ４５ °の平面を有する偶数個の４角柱形状ロッドから成る。これらの４角柱形状ロッ ドは放射方向に対して１番目の積層構造体（Stapel）の各放射光入口平面及び放 射方向に対して２番目の積層構造体の各放射光出目平面が互いに垂交する平面上 に面を揃えて配置され、２つの連結する積層構造体の形態を成すように構成され る。その積層構造体を構成するこれら４角柱形状ロッドの長さは線形関係を有し て減少する。この両方の積層構造体はそれぞれ同じ光路を有する２つの４角柱形 状ロッドが１つロッド対を構成し、それぞれの分割放射光束に対して光導波路を 成すよう相対して配置される。この光集積要素３．１は既に記載したような同様 の光学機能面を有する１つのブロックからも構成され得る。それぞれ５個のロッ ドを有する積層構造体は図１、詳しくは図２a〜図２dに示され、入射するｘ軸方 向ｘａ及びｙ軸方向ｙaの長さの放射光束に応じて、ｘ１−ｙ１座標系に示すよ うに５個の分割放射光束を生成し、前記分割放射光束を前記４５°平面で２回反 射させることによって偏向する。その結果、前記分割光束は光集積要素３．１を 通過後、ｘ軸方向ｘｂ＝ｘa／５及びｙ軸方向ｙb長さの放射光束を生成する。前 記ｙbは積層構造体の外側４角柱形状ロッド間の距離の相違より決まる。ｘ２− 軸とｙ２−軸方向の放射光束の長さの相違は４角柱形状ロッドの数量及びその長 さの相違を最適化することによって最少にできるだけでなく、完全に取り除くこ とができ、その結果光軸に対してほぼ対称な放射光束が生成される。 効果的には、放射光束を光ファイバ５に供給する集光レンズ４が光集積要素３ ．１に対して配置されることである。 図３に示す実施例２は、単に再結合ユニット３の使用の点で実施例１と異なり 、ここでは３個のモジュ−ル３．１から構成される。実施例１で記載したように 放射光がＮ個の４角柱形状ロッド対を有する光集積要素３．１を通してＮ個の分 割光束にされる一方、実施例２によれば、放射光の分割は２個の分割放射光束及 びＭ個のモジュ−ルの使用によって２のＭ乗個の分割放射光束を生成する。最初 のモジュ−ル３．２に対して配置されるダイオ−ドレ−ザアレイ、コリメ−タユ ニット２及び結合ユニット３は、数量、位置及び構成において実施例１と同様で あるため再度示さない。各々のモジュ−ル３．２は同様に構成され、それぞれ入 射光を同一の方法で分割及び偏向する。個々のモジュ−ル（３．２）は放射光を ２つの放射光束に分割する１個の菱面体形状プリズム７、２個の三角形状プリズ ム８及び分割放射光束を偏向、結合するプリズム９より構成される。図示する変 換座標系から明らかなようにｙ−軸方向の伸張はプリズム９の三角プリズム８に 対する相対位置により、僅かに大きくなる一方、放射光のｘ−軸方向の仲張はモ ジュ−ルにより半減される。実施例１に追加される効果は、それぞれ三角形状プ リ ズム８の前方のレンズ１０の配置により達成される。レンズ１０は光学的放射経 路に順次配置されるレンズ１０の焦点平面が一致し、その結果レンズ光導波路を 形成するように配置及び設計される。これは一つの焦点平面から次へ伝送される 光フィ−ルドが３次元フーリエ変換により結合され、これにより角度中心とする 総合的な放射の調和がなされるという実施例１に付加できる利点を提供する。 使用した符号 １…コリメータユニット ２…結合ユニット ３…再結合ユニット ３．１…光集積要素 ３．２…モジュ−ル ４…集光レンズ ５…光ファイバ ６…単独円筒形状レンズ ７…菱面体形状プリズム ８…三角形状プリズム ９…プリズム １０…レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カレーフ、ミハイル ミハイルヴィッチ ロシア連邦国 195296 サンクトペテルス ブルク カサンスカヤ ストリート 24 アパートメント 190 (72)発明者 マク、アルトゥール アファナセヴィッチ ロシア連邦国 199226 サンクトベテルス ブルク コラブレストロイテレイ ストリ ート 40／１ アパートメント 224 (72)発明者 ウストゥゴフ、ヴラジミール イヴァノヴ ィッチ ロシア連邦国 195257 サンクトペテルス ブルク ヴァヴィロヴィキ ストリート ９／２ アパートメント 21 (72)発明者 ミハイロフ、アレクセイ ヴァジモヴィッ チ ロシア連邦国 197042 サンクトペテルス ブルク レズナヤ ストリート 19／８ アパートメント ５ (72)発明者 ノヴィコフ、ゲオルギ エゴロヴィッチ ロシア連邦国 199007 サンクトペテルス ブルク リゴフスキ アベニュー 267 アパートメント 29 (72)発明者 オルロフ、オレグ アレクサンドロヴィッ チ ロシア連邦国 190008 サンクトペテルス ブルク サドヴァヤ ストリート 111 ／113 アパートメント ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．その放射光が放射平面（ｘ−ｙ平面）おいて１つの横断面を有し、この横断 面の縦軸が横軸の多数倍の長さに相当する少なくとも２個以上のダイオ−ドレ− ザアレイ、放射方向において１個のダイオ−ドレ−ザアレイに対してそれぞれ１ 個づつ配置されるコリメ−タユニット（１）、前記横断面の横軸方向に並列配置 され、個々のダイオ−ドレ−ザアレイの平行光束を集束する結合ユニット（２） 及び集束された放射光を前記横断面の縦軸方向に個々の分割放射光に分割し、前 記横断面の横軸方向に並列配置されることによって再集束するための再結合ユニ ット（３）から成る複数のダイオ−ドレ−ザアレイの放射光の集束及び整形する ための装置。 ２．集光レンズ（４）が用いられ、これは再結合ユニット（３）に対して配置さ れ、放射光を配置される光学要素、例えば光ファイバ（５）に供給ずる請求項１ に記載の装置。 ３．コリメ−タユニット（１）は単独円筒形状レンズ（６）から成り、このレン ズはダイオ−ドレ−ザアレイの放射光を前記横軸の方向に平行にする請求項１又 は２に記載の装置。 ４．コリメ−タユニット（１）は円筒形状レンズを有し、このレンズはダイオ− ドレ−ザアレイの放射光を前記縦軸の方向に平行にする請求項３に記載の装置。 ５．円筒形状レンズは非球特性を有し、球面収差を取り除く請求項３又は４に記 載の装置。 ６．円筒形状レンズはグラジエントインデックスレンズである請求項３又は４に 記載の装置。 ７．結合ユニット（２）は光集積要素として構成され、透明且つ反射面を有する 平板から成る請求項１に記載の装置。 ８．再結合ユニット（３．１）は光集積要素であり、この光集積要素はそれぞ４ ５°平面を有し、少なくとも２つの異なる長さの少なくとも４個の４角柱形状ロ ッドを有し、長さの短くなる順に２つの積層構造体を形成し、それぞれの積層構 造体の異なる２個から成る４角柱形状ロッドは、同長の光経路を有する１個の４ 角柱形状ロッド対を形成し、従ってこの１個の４角柱形状ロッド対は２個の４角 柱形状ロッドの１個目の長手方向の入射光をこの４角柱形状ロッドの前記４５° 平面にて前記２個の４角柱形状ロッドの２個目の４角柱形状ロッドの前記４５° 平面へ向かって反射し、前記入射光を前記２個の４角柱形状ロッドの２個目の４ 角柱形状ロッド内にて、その長手方向に反射するように相対して配置されるとと もに、前記４角柱形状ロッド対の数は発生させる分割放射光の数によって決まる 請求項１に記載の装置。 ９．再結合ユニット（３）は少なくとも１つのモジュール（３．２）から成り、 放射方向に放射光を２つに分割するための菱面体形状プリズム（７）、三角形状 プリズム（８）及びプリズム（９）を有する請求項１に記載の装置。 １０．再結合ユニット（３）は放射方向に続いて配置されるＭ個のモジュール（ ３．２）から成り、２のＭ乗個の放射光分割を行う請求項９に記載の装置。 １１．両方の三角形状プリズム（８）に対して１個づつレンズ（１０）が配置さ れ、且つレンズ（１０）のそれぞれの焦点面が隣接するモジュール（３．２）位 置に一致し、その結果レンズ光導波路を形成する請求項１０に記載の装置。