特許 5832455 選択的再配置および回転波長ビーム結合システムならびに方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5832455

(24)【登録日】2015年11月6日

(45)【発行日】2015年12月16日

(54)【発明の名称】選択的再配置および回転波長ビーム結合システムならびに方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/10 20060101AFI20151126BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20151126BHJP

   H01S 3/23 20060101ALI20151126BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/10

   H01S5/40

   H01S3/23

【請求項の数】19

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2012-556273(P2012-556273)

(86)(22)【出願日】2011年3月4日

(65)【公表番号】特表2013-521667(P2013-521667A)

(43)【公表日】2013年6月10日

(86)【国際出願番号】US2011027277

(87)【国際公開番号】WO2011109763

(87)【国際公開日】20110909

【審査請求日】2014年3月3日

(31)【優先権主張番号】61/310,777

(32)【優先日】2010年3月5日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/310,781

(32)【優先日】2010年3月5日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/417,394

(32)【優先日】2010年11月26日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514134192

【氏名又は名称】テラダイオード， インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】チャン，ビアン

(72)【発明者】

【氏名】ファン，ロビン

【審査官】 林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００６／０４５３０３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／０５３９１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−１７１３４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１３７７０３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００４／１００３３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０００２９２５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−１８９７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１０８８０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｈ０１Ｓ ３／００−３／３０

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

Ｇ０２Ｂ ２７／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長ビーム・コンバイナであって、
複数のレーザ・エレメントによって放出されたビームを選択的に回転させるように構成されている光回転体と、
前記選択的に回転させられたビームをビーム結合次元に沿って受けて結合するように構成されている変換レンズと、
前記結合されたビームを受けて透過するように位置付けられている分散性エレメントであって、出力プロファイルが形成される、分散性エレメントと、
前記分散性エレメントから前記出力プロファイルを受け、前記出力プロファイルの一部を部分的に反射して前記レーザ・エレメントに戻すように構成されている出力カプラと、
を備えている、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項2】

請求項１記載の波長ビーム・コンバイナであって、前記レーザ・エレメントの内少なくとも２つが、固定位置関係を有する、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項3】

請求項１記載の波長ビーム・コンバイナであって、前記レーザ・エレメントが、第１反射面と光学利得媒体とを含む、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項4】

請求項１記載の波長ビーム・コンバイナであって、更に、前記レーザ・エレメントからのビームを受け、１本以上のビームを当該ビームの進相次元に沿って平行化するように構成されている平行化レンズを含む、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項5】

波長ビーム・コンバイナであって、
複数のレーザ・エレメントによって放出されたビームを選択的に回転させるように構成されている光回転体と、
前記選択的に回転させられたビームをビーム結合次元に沿って受けて結合するように構成されている変換レンズと、
前記結合されたビームを受けて透過するように位置付けられている分散性エレメントであって、出力プロファイルが形成される、分散性エレメントと、
１本以上のビームが前記変換レンズによって受けられる前に、前記１本以上のビームを空間的に再配置するように構成されている空間再配置エレメントと、
を備えている、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項6】

請求項１記載の波長ビーム・コンバイナであって、前記放出されたビームが、非対称的プロファイルを有する、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項7】

波長ビーム・コンバイナであって、
複数のレーザ・エミッタによって放出されたビームを空間的に再配置するように構成されている空間再配置エレメントと、
前記空間的に再配置されたビームを受けて、ビーム結合次元に沿って前記ビームを結合するように構成されている変換レンズと、
前記結合されたビームの重ね合わせ領域に配置され、前記結合されたビームを受けて透過させる分散性エレメントと、
を備えている、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項8】

請求項７記載の波長ビーム・コンバイナであって、更に、前記ビームの一部を部分的に反射して、前記レーザ・エレメントに戻すように構成されている光学カプラを含む、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項9】

請求項７記載の波長ビーム・コンバイナであって、前記複数のレーザ・エレメントが、二次元プロファイルを生成し、前記空間再配置エレメントが、第１次元に沿ってビームの数を減少させる一方、第２次元を横切ってビームの数を増大させる、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項10】

請求項７記載の波長ビーム・コンバイナであって、前記レーザ・エレメントの内少なくとも２つが、固定位置関係を有する、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項11】

請求項７記載の波長ビーム・コンバイナであって、更に、ビームが前記変換レンズによって受けられる前に、前記ビームを選択的に回転させるように構成されている光回転体を含む、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項12】

波長ビーム・コンバイナであって、
各々が電磁ビームを放出する複数のレーザ・エレメントと、
各レーザ・エレメントを選択的に回転させるように構成されているエレメント回転体と、
前記選択的に回転させられたレーザ・エレメントのビームを受けて、ビーム結合次元に沿ってそれらを結合するように構成されている変換レンズと、
前記結合されたビームの重ね合わせ領域に位置付けられ、前記結合されたビームを受けて透過させる分散性エレメントと、
を備えている、波長ビーム・コンバイナ。

【請求項13】

波長ビーム結合方法であって、
複数のレーザ・エレメントによって放出された電磁ビームを選択的に回転させるステップと、
変換レンズによって、ビーム結合次元に沿って、前記選択的に回転させられたビームを結合するステップと、
分散性エレメントによって、前記結合されたビームを分散させるステップと、
前記分散させられたビームの一部の方向を変えて前記レーザ・エレメントに戻すステップと、
を含む、波長ビーム結合方法。

【請求項14】

請求項１３記載の方法であって、更に、
前記ビームを選択的に回転させる前に、進相次元に沿って、前記放出されたビームを個々に平行化するステップを含む、方法。

【請求項15】

請求項１３記載の方法であって、前記レーザ・エレメントの内少なくとも２つが、固定位置関係を有する、方法。

【請求項16】

波長ビーム結合方法であって、
複数のレーザ・エレメントによって放出された電磁ビームを選択的に回転させるステップと、
変換レンズによって、ビーム結合次元に沿って、前記選択的に回転させられたビームを結合するステップと、
分散性エレメントによって、前記結合されたビームを分散させるステップと、
を含み、前記ビームの全てを９０度回転させる、波長ビーム結合方法。

【請求項17】

波長ビーム結合の方法であって、
複数のレーザ・エレメントによって放出された電磁ビームを選択的に空間的に再配置するステップと、
前記選択的に空間的に再配置されたビームをビーム結合次元に沿って結合するステップと、
前記結合されたビームを分散性エレメントによって分散させるステップと、
を含む、方法。

【請求項18】

請求項１７記載の方法であって、前記複数のレーザ・エレメントが、二次元プロファイルを生成し、前記選択的に空間的に再配置するステップが、第１次元に沿ってビームの数を減少させる一方、第２次元を横切ってビームの数を増大させる、方法。

【請求項19】

請求項１７記載の方法であって、前記選択的に空間的に再配置するステップにおいて、ペリスコープのアレイを使用する、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願に対する相互引用
本願は、以下の仮特許出願の優先権を主張する。これらの出願の各々は、ここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。即ち、２０１０年３月５日に出願された米国仮特許出願第６１／３１０，７７７号、２０１０年３月５日に出願された米国仮特許出願第６１／３１０，７８１号、および２０１０年１１月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／４１７，３９４号である。
１．発明の分野
本実施形態は、一般的には、レーザ・システムに関し、更に特定すれば、波長ビーム結合システムおよび方法に関するものである。

【従来技術】

【0002】

２．従来技術の説明
波長ビーム結合（ＷＢＣ）は、レーザ・ダイオード・バー、ダイオード・バーのスタック、および一次元または二次元アレイに配列されているその他のレーザからの出力のパワーおよび輝度をスケーリング(scaling)するための方法である。

【0003】

ＷＢＣ方法は、各エミッタの遅相次元(slow dimension)および各エミッタの進相次元(fast dimension)に沿ったビームを結合するために開発されてきた。例えば、米国特許第６，１９２，０６２号、第６，２０８，６７９号、および米国特許出願公開２０１０／０１１０５５６号を参照のこと。先行特許の米国特許第６，１９２，０６２号および第６，２０８，６７９号では、ビーム結合は、配列次元(array dimension)に沿って行われる。したがって、外部キャビティは、レーザ・エレメントにおける欠陥の影響を一層受けやすくなる。更に、ブロード・エリア・レーザ・エレメントが使用される場合、スペクトル利用度が低くなる。先行技術の米国特許出願公開２０１０／０１１０５５６号では、ビーム結合がスタック次元に沿って行われる。このような実施態様の方が、外部キャビティはレーザ・エレメントにおける欠陥に対する感度が遙かに低い。更に、ビーム結合がスタック次元またはほぼ回折限界次元に沿って行われるので、スペクトル利用度は高くなる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、この実施態様の主な欠点の１つは、出力ビームの品質が、１つのビーム結合エレメントまたは１つのバーのビーム品質に制限されることである。典型的なＣＯＴＳバーは、１９から４９個のエミッタを有する。典型的な１９−エミッタ・バーは、２００μｍ／０．２２ＮＡファイバ、またはせいぜい１００μｍ／０．２２ＮＡファイバにしか結合することができない。このようなシステムの輝度は、工業界における、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム、および銅を含む、薄い板金および厚い板金のレーザ切断というような用途によっては、かろうじて使える程度に過ぎない。より高い出力ビーム品質を求めるには、エミッタの数が少ないダイオード・レーザ程望まれる。しかしながら、これらは、標準的なダイオード・レーザ・バーと比較すると、入手し難く、コストも遙かに高くなる。先行技術では、これらの個々のエミッタは、予め整列されているかまたは定位置に固定されていると見なされており、したがって、これらの次元の内１つを横切った(across)結合から発生する出力ビーム・プロファイルは、このエミッタのアレイの予め整列されたまたは固定された位置付けの結果となる。本願は、個々の一次元、二次元、そして不規則に配置されたエミッタを操作して、好ましい出力ビーム・プロファイルを発生するのに資する好ましい整列にすることを目的とする。その結果、多数のレーザ・エレメント（バー当たり１９から４９個以上）を有するＣＯＴＳダイオード・レーザ・バーおよびスタックを使用して、ロバスト性の向上、および遙かに高い空間輝度を得ることができる。更に他の利点は、本願の詳細な説明において明らかになろう。

【0005】

以下の出願内容は、以上で述べた問題を解決しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

放出された電磁ビームを選択的に回転させ、および／または選択的に再配置して、一次元または二次元アレイにおいて所望の向きおよび／またはパターンとし、種々の波長ビーム結合システムおよび方法と共に使用するための光学的および機械的手段を開発した。

【0007】

特に、これらのシステムおよび方法は、他のエミッタに対して固定位置を有するエミッタに適用することができる。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
波長ビーム・コンバイナであって、
複数のレーザ・エレメントから放出されたビームを選択的に回転させる光回転体と、
前記選択的に回転させられたビームをビーム結合次元に沿って受けて結合するように構成されている変換レンズと、
前記結合されたビームを受けて透過するように位置付けられている分散性エレメントであって、出力プロファイルが形成される、分散性エレメントと、
を備えている、波長ビーム・コンバイナ。
（項目２）
項目１記載の波長ビーム・コンバイナであって、更に、
前記分散性エレメントから前記出力プロファイルを受け、前記出力プロファイルの一部を部分的に反射して前記レーザ・エレメントに戻すように構成されている、出力カプラを含む、波長ビーム・コンバイナ。
（項目３）
項目１記載の波長ビーム・コンバイナにおいて、前記レーザ・エレメントの内少なくとも２つが、固定位置関係を有する、波長ビーム・コンバイナ。
（項目４）
項目１記載の波長ビーム・コンバイナにおいて、前記レーザ・エレメントが、第１反射面と光学利得媒体とを含む、波長ビーム・コンバイナ。
（項目５）
項目１記載の波長ビーム・コンバイナであって、更に、前記レーザ・エレメントからのビームを受け、１本以上のビームを当該ビームの進相次元に沿って平行化するように構成されている平行化レンズを含む、波長ビーム・コンバイナ。
（項目６）
項目１記載の波長ビーム・コンバイナであって、更に、１本以上のビームが前記変換レンズによって受けられる前に、前記１本以上のビームを空間的に再配置するように構成されている空間再配置エレメントを含む、波長ビーム・コンバイナ。
（項目７）
項目１記載の波長ビーム・コンバイナにおいて、前記放出されたビームが、非対称的プロファイルを有する、波長ビーム・コンバイナ。
（項目８）
波長ビーム・コンバイナであって、
複数のレーザ・エミッタによって放出されたビームを空間的に再配置するように構成されている空間再配置エレメントと、
前記空間再配置されたビームを受けて、ビーム結合次元に沿って前記ビームを結合するように構成されている変換レンズと、
前記結合されたビームの重ね合わせ領域に配置され、前記結合されたビームを受けて透過させる分散性エレメントと、
を備えている、波長ビーム・コンバイナ。
（項目９）
項目８記載の波長ビーム・コンバイナであって、更に、前記ビームの一部を部分的に反射して、前記レーザ・エレメントに戻すように構成されている光学カプラを含む、波長ビーム・コンバイナ。
（項目１０）
項目８記載の波長ビーム・コンバイナにおいて、前記複数のレーザ・エレメントが、二次元プロファイルを生成し、前記空間再配置エレメントが、第１次元に沿ってビームの数を減少させる一方、第２次元を横切ってビームの数を増大させる、波長ビーム・コンバイナ。
（項目１１）
項目８記載の波長ビーム・コンバイナにおいて、前記レーザ・エレメントの内少なくとも２つが、固定位置関係を有する、波長ビーム・コンバイナ。
（項目１２）
項目８記載の波長ビーム・コンバイナであって、更に、ビームが前記変換レンズによって受けられる前に、前記ビームを選択的に回転させるように構成されている光回転体を含む、波長ビーム・コンバイナ。
（項目１３）
波長ビーム・コンバイナであって、
各々が電磁ビームを放出する複数のレーザ・エレメントと、
各レーザ・エレメントを選択的に回転させるように構成されているエレメント回転体と、
前記選択的に回転させられたレーザ・エレメントのビームを受けて、ビーム結合次元に沿ってそれらを結合するように構成されている変換レンズと、
前記結合されたビームの重ね合わせ領域に位置付けられ、前記結合されたビームを受けて透過させる分散性エレメントと、
を備えている、波長ビーム・コンバイナ。
（項目１４）
波長ビーム結合方法であって、
複数のレーザ・エレメントによって放出された電磁ビームを選択的に回転させるステップと、
変換レンズによって、ビーム結合次元に沿って、前記選択的に回転させられたビームを結合するステップと、
分散性エレメントによって、前記結合されたビームを分散させるステップと、
を含む、波長ビーム結合方法。
（項目１５）
項目１４記載の方法であって、更に、
前記ビームを選択的に回転させる前に、進相次元に沿って、前記放出されたビームを個々に平行化するステップを含む、方法。
（項目１６）
項目１４記載の方法において、前記レーザ・エレメントの内少なくとも２つが、固定位置関係を有する、方法。
（項目１７）
項目１４記載の方法において、前記ビームの全てを９０度回転させる、方法。
（項目１８）
波長ビーム結合方法であって、
複数のレーザ・エレメントによって放出された電磁ビームを選択的に再配置するステップと、
前記選択的に再配置されたビームをビーム結合次元に沿って結合するステップと、
前記結合されたビームを分散性エレメントによって分散させるステップと、
を含む、方法。
（項目１９）
項目１８記載の方法において、前記複数のレーザ・エレメントが、二次元プロファイルを生成し、前記選択的に再配置するステップが、第１次元に沿ってビームの数を減少させる一方、第２次元を横切ってビームの数を増大させる、方法。
（項目２０）
項目１８記載の方法において、前記選択的に再配置するステップにおいて、ペリスコープのアレイを使用する、方法。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】図１Ａは、エミッタの単一ダイオード・レーザ・バーの配列次元に沿った、波長ビーム結合（ＷＢＣ）方法の模式図である。

【図1B】図１Ｂは、エミッタの二次元アレイの配列次元に沿ったＷＢＣ方法の模式図である。

【図1C】図１Ｃは、エミッタの二次元アレイのスタック次元に沿ったＷＢＣ方法の模式図である。

【図2】図２は、ダイオード・レーザ・エミッタの二次元アレイのスタック次元に沿って、ＷＢＣ方法におけるスマイルの影響を示す模式図である。

【図3A】図３Ａは、ビームの一次元アレイを選択的に回転させる光回転体を含むＷＢＣシステムを示す。

【図3B】図３Ｂは、ビームの二次元アレイを選択的に回転させる光回転体を含むＷＢＣシステムを示す。

【図3C】図３Ｃは、ビームの二次元アレイの向きを選択的に変える光回転体を含むＷＢＣシステムを示す。

【図3D】図３Ｄは、光回転体がある場合およびない場合における図３ｃのシステムの出力プロファイル図を示す。

【図4A】図４Ａは、光回転体の例を示す。

【図4B】図４Ｂは、光回転体の例を示す。

【図4C】図４Ｃは、光回転体の例を示す。

【図5A】図５Ａは、一次元または二次元レーザ・エレメントを形成するように結合エレメントを配置する関連方法を示す。

【図5B】図５Ｂは、一次元または二次元レーザ・エレメントを形成するように結合エレメントを配置する関連方法を示す。

【図5C】図５Ｃは、一次元または二次元レーザ・エレメントを形成するように結合エレメントを配置する関連方法を示す。

【図6】図６は、空間再配置エレメントを有するＷＢＣの実施形態を示す。

【図7】図７は、ＷＢＣステップの前に構成されているエミッタの二次元アレイの一実施形態、およびＷＢＣステップの後における個々のビーム回転を示す。

【図8】図８は、遅相および進相ＷＢＣ間における差を示す。

【図9A】図９Ａは、単一アレイ構成およびスタック・アレイ構成双方において、ＷＢＣの前に光回転体を使用する実施形態を示す。

【図9B】図９Ｂは、ＷＢＣの前に光回転体を使用する追加の実施形態を示す。

【図10】図１０は、単体半導体チップ・エミッタを示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

態様および実施形態は、一般的に、外部キャビティを使用してレーザ・ソースを高パワーおよび高輝度にスケーリングする分野に関し、更に特定すれば、一次元または二次元レーザ・ソース双方を使用する外部キャビティ・ビーム結合方法および装置に関するものである。一実施形態では、外部共振システムは、一次元または二次元レーザ・エレメント、光学システム、分散性エレメント、および部分的に反射するエレメントを含む。光学システムとは、２つの基本的な機能を実行する１つ以上の光学エレメントである。第１の機能は、ビーム結合次元に沿って全てのレーザ・エレメントを分散性エレメント上で重ね合わせることである。第２の機能は、非ビーム結合次元に沿った全てのエレメントが、出力カプラに対して垂直に伝搬していることを確保することである。この光学システムができるだけ少ない損失を生ずることの確証を得るために、注意しなければならない。そういうことから、これら２つの機能によって、１つの共振キャビティ(resonance cavity)を全てのレーザ・エレメントに使用可能にする。他の実施形態では、ＷＢＣ外部共振システムは、波長安定化一次元または二次元レーザ・エレメントと、光学システムと、分散性エレメントとを含む。一次元または二次元波長安定化レーザ・エレメントは、一意の波長を有し、波長チャープ体積型ブラッグ格子からのフィードバックを使用するレーザ・エレメント、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザ・エレメント、または分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザ・エレメントというような、種々の手段を使用して得ることができる。ここで、光学システムの主要な機能は、全てのビームを分散性エレメント上に重ね合わせることである。波長安定レーザ・エレメントの外部には出力カプラ・ミラーがないので、非ビーム結合次元に沿って平行なビームを有することは、重要性が低くなる。更に、態様および実施形態は、高パワーおよび／または高輝度多重波長外部共振レーザに関し、非常に低い出力パワーから数百そして数メガワットもの出力パワーの重ね合わせビームまたは同軸ビームを発生する。

【0010】

具体的には、態様および実施形態は、これらの外部共振システムのレーザ・エレメントによって放出されたビームを操作し、ＷＢＣ方法を使用してこれらを結合して所望の出力プロファイルを生成する方法および装置に関する。波長ビーム結合方法は、非対称的なビーム・エレメントをそれらの各遅相軸および進相軸次元を横切って結合するために開発されてきた。本発明が提供しようとする１つの利点は、遅相および進相軸ＷＢＣ方法、ならびにこれら２つの混成において使用するために、入力ビームを空間的にまたは向きによって、選択的に再構成する能力である。他の利点は、他の入力ビームに対して固定位置関係があるときに、入力ビームを選択的に再構成することである。

【0011】

図１Ａは、基本的なＷＢＣアーキテクチャを示す。これは、米国特許第６，１９２，０６２号、および第６，２０８，６７９号の基本である。この特定の図では、ＷＢＣは、配列次元即ち遅相次元に沿って、ブロード・エリア・エミッタに対して行われる。個々のビーム１０４は、図では、破線または１本の線によって示されており、ビームの長さ次元、即ち、長い方の次元がブロード・エリア・エミッタに対して配列次元、即ち、遅相分散次元を表し、高さ次元、即ち、短い方の次元は、進相分散次元を表す。（図８の左側も参照のこと。）この関連技術では、４つのエミッタを有するバー１０２が示されている。これらのエミッタは、各放出ビーム１０４の遅相次元端が互いに１つの行に沿って横に一直線状になるように、整列されている。行のことをアレイと呼ぶこともある。しかしながら、いずれのレーザ発振エレメント(lasing element)でも使用してもよく、特に、広い利得帯域幅を有するレーザ・エレメントを使用してもよいと考えられる。通例、進相分散次元に沿って各ビームを平行化するために、平行化レンズ１０６が使用される。場合によっては、平行化光学系を別々の進相軸平行化レンズおよび遅相軸平行化レンズで構成することができることもある。通例、変換光学系１０８が、入力正面ビュー１１２によって示されるように、ＷＢＣ次元１１０に沿って各ビームを結合するために使用される。変換光学系１０８は、円筒形または球面レンズあるいはミラーとするとよい。そして、変換光学系１０８は、結合されたビームを分散性エレメント１１４（ここでは、反射回折格子として示されている）上に重ね合わせる。一次回折ビームは、部分反射ミラーに入射する。レーザ・エレメントのバック・ファセットと部分反射ミラーとの間に、レーザ・キャビティが形成されている。したがって、結合ビームは、次に、単一出力プロファイルとして、出力カプラ１１６上に伝えられる。次いで、この出力カプラは、出力正面ビュー１１８によって示されるように、結合ビーム１２０を透過させる。尚、出力カプラがないシステムを作成することも考えられる。例えば、波長安定レーザ・エレメントを備え、各レーザ・エレメントが一意の波長を有する一次元または二次元システムを、いくつかの方法で設けることができる。１つのシステムまたは方法では、ビーム結合次元に沿って、外部波長チャープ体積型ブラッグ格子からのフィードバックがあるレーザ・エレメントを使用する。他のものは、内部分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザ・エレメントまたは内部分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザ・エレメントを使用する。これらのシステムでは、分散性エレメントから透過される単一出力プロファイルは、１１８と同じプロファイルを有する。出力カプラ１１６は、部分的に反射型のミラーまたは表面、あるいは光学皮膜でもよく、ダイオード・アレイ１０２の中にある全てのレーザ・エレメントに対して共通のフロント・ファセットとして作用することができる。放出されたビームの一部は、反射されて、この外部共振システム１００ａにおけるダイオード・アレイ１０２の光学利得および／またはレーザ発振部分に戻される。外部キャビティとは、各レーザ・エミッタの放出アパーチャまたはファセット（表記せず）からある距離だけ副ミラーが変位されているレーザ発振システムである。一般に、外部キャビティでは、放出アパーチャまたはファセットと出力カプラまたは部分的反射面との間に、追加の光学エレメントが配置されている。

【0012】

同様に、図１Ｂは、４つのエミッタを有するレーザ・ダイオード・バーのスタック（積み重ね）を示し、これらのバーは３つ上下にスタックされている（図８の左側も参照のこと）。図１Ａと同様に、この実施形態ではエミッタの二次元アレイである、図１Ｂの入力正面ビュー１１２は、組み合わせられて出力正面ビュー１１８またはエミッタ１２０の単一列を生成する。外部キャビティ１００ｂにおいて放出されたビームは、配列次元に沿って、結合された。ここで、変換光学素子１０８は、アレイに沿ってビームを結合するために使用される円筒形レンズである。しかしながら、全てのビームを分散性エレメント上で重ね合わせるように光学エレメントを構成し、非ビーム結合次元に沿ったビーム全てが，出力カプラに対して垂直に伝搬していることの確証を得るように、これらの光学エレメントまたは光学システムの組み合わせを使用することもできる。このような光学システムの単純な例をあげるとすれば、ビーム結合次元に沿ってしかるべき焦点距離を有する単一円筒形レンズ、および非ビーム結合次元に沿って無限焦点テレスコープを形成する２枚の円筒形レンズであり、光学システムは画像を一部反射ミラー上に投影する。同じ機能を遂行するために、この光学システムの多くの変形を設計することができる。

【0013】

図１Ｂの配列次元は、また、マルチモード・ダイオード・レーザ・エミッタの場合における各放出ビームの遅相次元と同じ軸である。このため、このＷＢＣシステムを遅相軸結合と呼ぶこともでき、結合次元はビームの同じ次元となる。

【0014】

対照的に、図１Ｃは、１２０で示されるように、エレメントの二次元アレイを形成するレーザ・ダイオード・アレイ１０２のスタック１５０を示し、図１Ａおよび図１Ｂにおいて配列次元に沿って結合する代わりに、ＷＢＣ次元が、ここでは、エミッタのスタック（積み重ね）次元に従う。ここでも、スタック次元は、放出されるビームの各々の進相軸次元と整列されている。ここでは、入力正面ビュー１１２は、出力正面ビュー１１８を生成するために組み合わせられており、出力正面ビュー１１８ではエミッタの単一列１２０が示されている。

【0015】

３つの構成には全て種々の欠点がある。図１Ａおよび図１Ｂに示した構成の主な欠点の１つは、ビーム結合が配列次元に沿って行われることである。したがって、外部キャビティの動作は、ダイオード・アレイの欠陥によって大きく左右されることになる。ブロード・エリア半導体レーザ・エミッタが使用される場合、ビーム結合が進相軸次元に沿って行われる場合程、ＷＢＣシステムにおけるスペクトル利用は効率的でない。図１Ｃに示した構成の主な欠点の１つは、外部ビーム整形またはビーム対称化が、ファイバへの効率的な結合には必要になることである。多数のエミッタを有する高パワー・システムに必要とされるビーム対称化光学素子は、複雑で厄介(non-trivial)となる場合もある。図１Ｃの他の欠点は、出力ビームの品質が１つのレーザ・バーのそれに制限されることである。典型的な半導体またはダイオード・レーザ・バーは、バー毎に１９から４９個のエミッタを有し、１つの次元ではほぼ回折限界のビーム品質を有し、配列次元に沿って数百倍回折制限を受けるビーム品質を有する。ビーム対称化の後、出力ビーム１２０を結合することができるファイバは、せいぜい１００μｍ／０．２２開口数（ＮＡ）程度である。更に高いビーム品質を得るためには、エミッタ・バーの数を減らすことが必要となる。例えば、５０μｍ／０．２２ＮＡファイバに結合するためには、５エミッタ出力ビームが必要となる。多くの工業用レーザの用途では、更に高い輝度のレーザ・ビームが要求される。例えば、用途の中には、１９または４９個の代わりに、２エミッタ出力ビームが必要とされる場合もある。２エミッタ出力ビームは、設計許容範囲および余裕が遙かに大きくコアの直径が小さいファイバに結合することができる。コア直径およびＮＡにおけるこの追加の余裕は、高パワー（ｋＷ−級）のパワー・レベルにおける信頼性の高い動作には重要である。５−エミッタ・バーまたは２−エミッタ・バーを調達することは可能であるが、標準的な１９または４９エミッタ・バーと比較すると、バー当たりのパワーが著しく減少するために、コストおよび複雑さが遙かに高くなる。本開示では、以上の欠点全てを解消する方法を開示する。以前の図、即ち、図１Ａから図１Ｃは、予め配列されている、即ち、固定位置のレーザ・エミッタのアレイおよびスタックを示した。一般に、アレイまたはスタックは、特定の一次元または二次元プロファイルを生成するために、機械的または光学的に配置される。つまり、レーザ・エレメントの予め設定されている条件を記述するために、固定位置が使用されたのであり、多数のエミッタまたはファイバ・レーザがＶ字形の溝に機械的に離間されている半導体またはダイオード・レーザ・バー、更にはエミッタと共に固定位置にパッケージングされてくる他のレーザ・エミッタの場合のように、レーザ・エレメントは互いに対して機械的に固定される。あるいは、固定位置は、レーザ・エミッタが動かないＷＢＣシステムでは、レーザ・エミッタの固着場所(secured placement)を指す場合もある。予め配列する(pre-arranging)とは、ＷＢＣシステムの入力プロファイルとして使用される光学アレイまたはプロファイルに言及する。多くの場合、予め配列されている位置は、機械的に固定された位置にエミッタが構成された結果である。また、予め配列されたと固定位置は、相互交換可能に使用されてもよい。固定位置または事前配置光学システムの例を、図５Ａ〜図５Ｃに示す。

【0016】

図５Ａ〜図５Ｃは、先行技術の光学的に配列された一次元および二次元アレイの図示例を指す。図５Ａは、個々の光学エレメント５１０を光学的に配列したスタックを示す。ミラー５２０は、光学エレメント５３０からの光ビームを配列するために使用され、各光学エレメント５３０は近場画像５４０を有し、個々の光学エレメント５１０のスタック５６０（水平次元）に対応する画像５５０（各光学エレメント５３０からの光ビームを含む）を生成する。光学エレメント５００をスタック状に配列しなくてもよいが、ミラー５２０は、画像５５０が光学エレメント５１０のスタック５６０に対応するように現れるように、光ビームを配列する。同様に、図５Ｂにおいて、ミラー５２０は、ダイオード・バーまたはアレイ５７５のスタック５６０に対応する画像５５０を形成するために、ダイオード・バーまたはアレイ５７０からの光ビームを配列するために使用することができる。この例では、各ダイオード・バーまたはアレイ５７０は、当該バーまたはアレイの中にある個々のエレメント各々からの光ビーム５４５を含む、近場画像５４０を有する。同様に、ミラー５２０も、図５Ｃに示すように、画像５５０に対応する個々のスタック５８５の明白なより大きな全体的なスタック５６０に、レーザ・スタック５８０を光学的に配列するために使用することができる。

【0017】

先行技術において「アレイ（配列）次元」という用語を定義するために使用されている呼称(nomenclature)は、並列状に配置された１つ以上のレーザ・エレメントを指し、この場合、配列次元も遅相軸に沿っている。この呼称の理由の１つは、多数のエミッタを有するダイオード・バーは、このように配列されることが多く、各ビームの遅相次元が行即ちアレイに沿うように各エミッタが並列状に整列されているからである。本願に限って言えば、アレイまたは行は、１つの次元を横切って配列されている個々のエミッタまたはビームを指すこととする。アレイのエミッタの個々の遅相または進相次元も配列次元に沿って整列されてもよいが、この整列は想定されないものとする。本明細書において記載される実施形態の中には、アレイ即ち行に沿って整列された各ビームの遅相次元を個別に回転させるものもあるので、これは重要である。加えて、ビームの遅相軸とは、ビームの広い方の次元を指し、通例、最遅相発散次元(slowest diverging dimension)でもあり、一方進相軸は、ビームの狭い方の次元を指し、通例、最進相発散次元となる。また、遅相軸は、単一モード・ビームも指すこともある。

【0018】

加えて、先行技術の中には、「スタック（積み重ね）またはスタック（積み重ね）次元」を２つ以上の互いにスタックされたアレイと定義するものがあり、この場合、ビームの進相次元は、スタック次元と同じである。これらのスタックは、予め機械的または光学的にスタックされたものである。しかしながら、本願に限って言えば、スタックとは、ビームまたはレーザ・エレメントの列を指し、進相次元に沿っていてもまたは沿っていなくてもよい。特に、先に論じたように、個々のビームまたはエレメントをスタック即ち列内部で回転させることができる。

【0019】

実施形態の中には、各放出ビームの配列次元および遅相次元が最初に同じ軸を横切って方向付けられていることを注記することが有用である場合もあるが、これらの次元は、本願において記載するように、互いに対してあるオフセット角度をなして方向付けられるのであってもよい。他の実施形態では、配列次元およびエミッタの一部のみが、アレイに沿って配列されているか、またはＷＢＣシステムにおけるある位置において完全に同じ軸に整列されている。例えば、ダイオード・バーの配列次元は、配列次元に沿って配置されたエミッタを有することができるが、スマイル（多くの場合、バーの変形または反り）のために、個々のエミッタの遅相放出次元は、配列次元から多少歪んでいるかまたはずれている。

【0020】

一般的な「市販の既製品」即ちＣＯＴＳ高パワー・レーザ・ダイオード・アレイおよびスタックは、ブロード・エリア半導体またはダイオード・レーザ・エレメントに基づく。通例、これらのエレメントのビーム品質は、進相軸に沿って回折制限を受け、更にレーザ・エレメントの遅相軸に沿って何倍も回折制限を受ける。尚、以下の論述は主に単一レーザ・ダイオード、ダイオード・バー、およびダイオード・スタックに言及すると考えればよいが、本発明の実施形態は、レーザ・ダイオードには限定されず、ファイバ・レーザおよび増幅器、個別にパッケージングされたダイオード・レーザ、量子カスケード・レーザ（ＱＣＬ）、テーパー型レーザ、リッジ導波路（ＲＷＧ）レーザ、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザ、分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザ、格子結合表面放出レーザ、垂直キャビティ表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む他のタイプの半導体レーザ、ならびにその他のタイプのレーザおよび増幅器を含む、多くの異なるタイプのレーザ・エミッタとでも使用できることは認められてしかるべきである。

【0021】

本明細書において記載する実施形態の全ては、ダイオード・レーザ単一エミッタ、バー、およびスタック、ならびにこのようなエミッタのアレイのＷＢＣに適用することができる。ダイオード・レーザ・エレメントのスタックを採用するこれらの実施形態では、機械的スタックまたは光学的スタック手法を採用することができる。加えて、ＨＲコーティングがダイオード・レーザ・エレメントのファセットにおいて指示されている場合、平行化光学素子およびバルクＨＲミラーを含むがこれらに限定されない外部キャビティ光学コンポーネントがＡＲコーティングと組み合わせて使用されるのであれば、ＨＲコーティングをＡＲコーティングと置き換えることができる。この手法は、例えば、ダイオード増幅エレメントのＷＢＣと共に使用される。また、遅相軸は、レーザ放出の劣等ビーム品質方向(worse beam quality direction)としても定義される。遅相軸は、通例、ダイオード・レーザ・エレメントの放出アパーチャの平面において半導体チップと平行な方向に対応する。進相軸は、レーザ放出の優等ビーム品質方向(better beam quality direction)として定義される。進相軸は、通例、ダイオード・レーザ・エレメントの放出アパーチャの平面において半導体チップに対して垂直な方向に対応する。

【0022】

単一半導体チップ・エミッタ１０００の一例を図１０に示す。アパーチャ１０５０は、初期ビーム・プロファイルも示す。ここでは、１０５０における高さ１０１０は、スタック次元に沿って測定される。１０５０における幅１０２０は、配列次元に沿って測定される。高さ１０１０は、１０５０において、幅１０２０よりも短い次元である。しかしながら、高さ１０１０の方が速く広がり、即ち、ビーム・プロファイル１０５２に発散する。ビーム・プロファイル１０５２は、初期アパーチャ１０５０からある距離だけ離れたところに現れる(place)。このように、進相軸はスタック次元に沿っている。幅１０２０は、幅１０４０によって示されるように、 高さ１０３０よりも遅いレートで広がる、即ち、発散し、高さ１０３０よりも小さい寸法となる。このように、ビーム・プロファイルの遅相軸は、配列次元に沿っている。図示しないが、１０００のような多数の単一エミッタを、配列次元に沿って並列にバー状に配置することができる。

【0023】

ビームを主にそれらの遅相軸次元に沿って結合することに対する欠点には、指向誤差、スマイル、およびその他の位置ずれによって生ずるレーザ発振非効率によるパワーおよび輝度の低下を含むことができる。図２に示すように、スマイルのあるレーザは、ダイオード・レーザ実装プロセスが原因でときとして中央部が反ってしまうダイオード・アレイによって生ずることが多く、アレイに沿った個々のエミッタが、スマイルの湾曲を表す典型的な湾曲を形成する。指向誤差とは、ダイオード・バーに沿った個々のエミッタが、放出点から垂直以外の角度でビームを放出することによって生ずる。指向誤差は、スマイルに関係があると考えられる。例えば、スマイルのあるダイオード・レーザ・バーが水平進相軸平行化レンズによって撮像されるときにおけるこのダイオード・レーザ・バーのバー方向に沿った可変指向の影響に関係があると考えられる。これらの誤差は、変換レンズ、格子、および出力カプラで構成される外部キャビティからのフィードバックが、ダイオード・レーザ・エレメントに向かっても結合しない原因となる。この結合不良の悪影響のために、ＷＢＣレーザが波長ロックを破る(break)こともあり、ダイオード・レーザまたは関連のあるパッケージングが、結合不良即ち位置ずれしたフィードバックが光学利得媒体に再入射しないことによる損傷を受ける可能性がある。例えば、フィードバックが、ダイオード・バーに接触するまたは近接する何らかのエポキシまたははんだに衝突し、ダイオード・バーを破局的に故障させることもあり得る。

【0024】

図２の行１は、全く誤差のない１つのレーザ・ダイオード・バー２０２を示す。図示する実施形態は、ヒート・シンク上に取り付けられ、進相軸平行化光学系２０６によって平行化されたダイオード・バーの一例である。列Ａは、平行化光学系２０６を通過する出力ビーム２１１の軌道の斜視図または３−Ｄ図を示す。列Ｄは、放出され平行化光学系２０６を通過したビーム２１１の軌道の側面図を示す。列Ｂは、レーザ・ファセットの正面ビューを示し、個々のレーザ・エレメント２１３各々の平行化光学系２０６に対する位置を示す。行１に示すように、レーザ・エレメント２１３は完全に直線状である。加えて、平行化光学系２０６は、全てのレーザ・エレメント２１３に対して中心に位置付けられている。列Ｃは、この種の入力によって、システムから予期される出力ビームを示す。行２は、指向誤差があるダイオード・レーザ・アレイを示す。行２の列Ｂによって示されるように、レーザ・エレメントおよび平行化光学系は、互いに多少偏倚している。その結果、図示のように、放出されたビームは望ましくない軌跡を有し、外部キャビティに対するレーザ発生効率を低下させる可能性がある。加えて、出力プロファイルが偏倚されて、システムを非効率的にしたり、または余分な変更を行わせる原因となる可能性もある。行３は、パッケージングの不具合があるアレイを示す。レーザ・エレメントはもはや直線上に並んでおらず、バーの湾曲がある。これは「スマイル」(smile)と呼ばれることもある。行３に示すように、スマイルは、均一の経路がない、即ち、システムに共通の方向がないので、一層厳しい軌跡の問題を招く可能性がある。行３の列Ｄは、更に、種々の角度で射出するビーム２１１を示す。行４は、平行化レンズが歪んでおりまたは傾いており、レーザ・エレメントと整列していない状態を示す。その結果、出力ビームは全体的に最も大きな平行化誤差または歪み誤差を有するので、恐らく、全ての内で最悪となる。殆どのシステムでは、ダイオード・アレイおよびスタックにおける実際の不具合は、行２、３、および４における不具合の組み合わせである。ＶＢＧおよび回折格子を使用する方法２および３の双方では、欠陥のあるレーザ・エレメントによって、出力ビームは光軸に対して平行に向かわなくなる。これらの光軸から外れたビームのために、レーザ・エレメントの各々は異なる波長でレーザ発振する結果となる。複数の異なる波長がシステムの出力スペクトルを広げて、前述のように広くなる。

【0025】

ダイオード・レーザ・バーのスタックのスタック（積み重ね）次元（ここでは、主に進相次元でもある）に沿ってＷＢＣを行う利点の１つは、図２に示すようなスマイルを補償することである。指向誤差およびその他の整列誤差は、配列方向（主に遅相次元でもある）に沿ってＷＢＣを行うことによっては補償されない。ダイオード・バー・アレイは、通例１９から４９個またはそれ以上のある幅のエミッタを有することもある。注記したように、ダイオード・バー・アレイは、配列次元が、各エミッタの遅相次元が他のエミッタと並列状に位置合わせされるところとなるように、形成されるのが通例である。その結果、ＷＢＣを配列次元に沿って使用すると、ダイオード・バー・エミッタが１９個のエミッタまたは４９個のエミッタを有するかには関係なく（または他のいずれの数のエミッタであっても）、その結果は１つのエミッタのそれとなる。対照的に、同じ単一ダイオード・バー・アレイの直交即ち進相次元に沿ってＷＢＣを行うと、その結果、放出された各ビームはスペクトル輝度が高くなる、即ち、スペクトル帯域幅が狭くなるが、ビーム数の減少はない（空間輝度の増大がないことと等価である）。

【0026】

この点について図８に示す。図８の左側には、エミッタ１および２のアレイの正面ビューが示されており、遅相次元に沿ったＷＢＣが行われている。右側に沿って、同じアレイ１および２を使用して、進相次元に沿ったＷＢＣが行われている。アレイ１を比較すると、遅相次元に沿ったＷＢＣは、出力プロファイルを１つのビームのそれに低減するが、進相次元に沿ったＷＢＣは、アレイ１の右側に沿って示すように、スペクトル帯域幅を狭めるが、出力プロファイルのサイズを１つのビームのそれに縮小することはない。

【0027】

ＣＯＴＳダイオード・バーおよびスタックを使用すると、スタック次元に沿ったビーム結合による出力ビームは、通常、非常に非対称になる。結果的に得られるビーム・プロファイルを光りファイバに結合しようとするとき、ビーム・プロファイルの対称化、即ち、ビーム・プロファイル比を小さくして１に等しくなるように近づけることは重要である。複数のレーザ・エミッタを結合する用途の多くは、広いシステムのある地点においてファイバ結合を必要とする。つまり、出力プロファイルに対する制御の幅が広がることは、本願の別の利点である。

【0028】

図８におけるアレイ２を更に分析すると、出力プロファイルの非常に高い輝度の対称化が望まれる場合、進相次元に沿ってＷＢＣを行う実用的なレーザ・ダイオード・アレイには、アレイ当たりのエミッタ数に制限があることが示される。先に論じたように、通例、レーザ・ダイオード・バーにおけるエミッタは、それらの遅相次元に沿って並列に整列されている。ダイオード・バーにレーザ・エレメントを追加する毎に、出力ビーム・プロファイルにおける非対称性が増加していく。進相次元に沿ってＷＢＣを行うと、ある数のレーザ・ダイオード・バーが互いにスタックされても、結果的に得られる出力プロファイルは、相変わらず１つのレーザ・ダイオード・バーのそれとなる。例えば、ＯＣＴＳ１９−エミッタのダイオード・レーザ・バーを使用すると、期待することができる最良のことは、出力を１００μｍ／０．２２ＮＡファイバに結合することである。つまり、小さいコアに結合しようとする程、バー当たりのエミッタの数を少なくしなければならない。対称化の比率に寄与するためには、レーザ・ダイオード・アレイにおけるエミッタの数を単純に５つのエミッタに固定することができる。しかしながら、レーザ・ダイオード・バー当たりのエミッタ数が少ない程、一般的に、バー当たりのコスト上昇、または出力パワーのワット当たりのコスト上昇を招く結果となる。例えば、５つのエミッタを有するダイオード・バーのコストは、２，０００ドル程度であると考えられるが、４９個のエミッタを有するダイオード・バーのコストもほぼ同じ価格であると考えられる。しかしながら、４９個のエミッタを有するバーは、５個のエミッタを有するバーよりも１桁まで大きい、全パワー出力を有することができる。つまり、エミッタ数が多いＣＯＴＳダイオード・バーおよびスタックを使用して非常に高い輝度の出力ビームを達成できることが、ＷＢＣシステムにとって有利となる。エミッタ数が多いバーには、その他にも、所与のファイバ結合パワー・レベルに対してバー当たりのパワーをあるレベルに持っていく場合に、エミッタ当たりのパワーを下げて使用できるという利点があり、これによって、ダイオード・レーザ・バーの寿命を延ばすことまたはバーの信頼性を高めることができる。

【0029】

この問題に取り組む一実施形態を図３Ａに示す。図３Ａは、光回転体３０５を有するＷＢＣシステム３００ａの模式図を示す。光回転体３０５は、平行化レンズ３０６の後ろでありそして変換光学系３０８の前に置かれている。尚、変換光学系３０８は、ある数のレンズまたはミラー、あるいは他の光学コンポーネントによって構成することができることは注記してしかるべきである。光回転体３０５は、入力正面ビュー３１２において示されている各放出ビームの進相次元および遅相次元を個々に回転させて、再指向正面ビュー(re-oriented front view)３０７を生成する。尚、光回転体は、他のビームには関係なく各ビームを選択的に個々に回転させることができること、または全てのビームを同じ角度だけ同時に回転させることができることは、注記してしかるべきである。また、２本以上のビームの集合体(cluster)を同時に回転させることができることも注記してしかるべきである。ＷＢＣを配列次元に沿って行った後に結果的に得られる出力が、出力正面ビュー３１８において、１つのエミッタとして示されている。分散性エレメント３１４が反射回折格子として示されているが、分散性プリズム、グリズム（プリズム＋格子）、透過格子、およびエシェル格子(Echelle grating)であってもよい。この図示した特定の実施形態は、４つのレーザ・エミッタのみを示すが、先に論じたように、このシステムはそれよりも遙かに多いエレメント、例えば、４９個を含むレーザ・ダイオード・アレイも利用することができる。この図示した特定の実施形態は、特定の波長帯域（例えば、９７６ｎｍ）における１つのバーを示すが、実際には、全て同じ特定の波長帯域で、並列状に配列された多数のバーで構成することができる。更に、多数の波長帯域（例えば、９７６ｎｍ、９１５ｎｍ、および８０８ｎｍ）を１つのキャビティにおいて組み合わせることもでき、各帯域は多数のバーで構成することができる。ＷＢＣは各ビームの進相次元を横切って(across)行われたので、より高い輝度のシステム（バーの欠陥に感応しないことによる効率向上）を設計することが一層容易となる。加えて、帯域幅の狭域化およびパワー出力増大も全て達成される。既に論じたように、ＷＢＣシステム３００ａの実施形態の中には、出力カプラ３１６および／または平行化レンズ（１つまたは複数）３０６を含まなくてもよいものもあることは注記してしかるべきである。更に、指向誤差およびスマイルの不具合は、スタック次元（この実施形態では、これは進相次元でもある）に沿って結合することによって補償される。図３Ｂは、レーザ・アレイ３０２のスタック３５０が２−Ｄ入力プロファイル３１２を形成することを除いて、３Ａと同様の実施態様を示す。キャビティ３００ｂは、同様に、平行化レンズ（１つまたは複数）３０６、光回転体３０５、変換光学系３０８、分散性エレメント３１４（ここでは、回折格子）、および部分的に反射面を有する出力カプラ３１６によって構成されている。ビームの各々は、光回転体３０５によって個々に回転させられて、回転体通過後プロファイル(after rotator profile)３０７を形成する。ＷＢＣ次元は、配列次元に沿っているが、回転によって、ビームの各々はその進相軸を横切って結合される。進相軸ＷＢＣは、ライン幅が非常に狭くスペクトル輝度が高い出力を生成する。これらは、通常、溶接のような工業用途には理想的である。変換光学系３０８が、回転されたビームを分散性エレメント３１４上に重ね合わせた後、単一出力プロファイルが生成され、部分的に反射してキャビティを通過してレーザ・エレメントに戻される。ここでは、出力プロファイル３１８は非常に非対称的な３本のビームからなる１本の線で構成されている。

【0030】

図３Ｃは、２−Ｄレーザ・エレメントに適用したときの同じ実施態様を示す。このシステムは、２−Ｄレーザ・エレメント３０２、光回転体３０５、変換光学システム（３０８および３０９ａ−ｂ）、分散性エレメント３１４、および部分的に反射するミラー３１６によって構成されている。図３Ｃは、レーザ・ダイオード・バー３０２のスタック３５０を示しており、各バーは、光回転体３０５を有する。外部キャビティ３００ｃにおいて示されるように、ダイオード・バー３０２（全部で３つ）の各々は４つのエミッタを含む。入力正面ビュー３１２が光回転体３０５によって向きを変えられた後、この向きを変えられた正面ビュー３０７では、各ビームの遅相次元がスタック次元に沿って整列されている。ＷＢＣはこの次元に沿って行われ、この次元はこの場合各ビームの遅相軸であり、出力正面ビュー３１８は、ここでは、ビームの単一列を構成し、各ビームの遅相次元がスタック次元に沿って方向付けられている。光学系３０９ａおよび３０９ｂは、配列次元に沿って撮像するための円筒形テレスコープ(telescope)を規定する。３つの円筒形レンズの機能は、２つの主要な機能を与えることである。中央の円筒形レンズは変換レンズであり、その主要な機能は全てのビームを分散性エレメント上に重ね合わせることである。２つの他の円筒形レンズ３０９ａおよび３０９ｂは、非ビーム結合次元に沿って、無限焦点円筒形テレスコープを形成する。その主要な機能は、非ビーム結合に沿った全てのレーザ・エレメントが、部分的反射ミラーに対して垂直な伝搬となることを確実にすることである。したがって、図３Ｃに示すような実施態様は、図１Ｃに示したものと同じ利点を有する。しかしながら、図１Ｃに示した実施態様とは異なり、出力ビームは入力ビームと同じではない。図３Ｃにおける出力ビーム３１８内にあるエミッタの数は、スタックにおけるバーの数と同じである。例えば、２−Ｄレーザ・ソースが３−バー・スタックで構成され、各バーが４９個のエミッタを含む場合、図１Ｃにおける出力ビームは、４９個のエミッタによる単一バーとなる。しかしながら、図３Ｃでは、出力ビームは、３つのエミッタのみによる単一バーとなっている。このため、出力ビームの品質または輝度は、１桁よりも多く高くなる。この輝度の向上は、ファイバ結合にはとても重要である。更に高いパワーおよび輝度を求めるスケーリングには、多数のスタックを並列状に配置することができる。

【0031】

この構成を更に例示するために、例えば、３−バー・スタックのＷＢＣを行い、各バーが１９個のエミッタで構成されていると仮定する。これまで、３つの選択肢があった。第１に、波長ビーム結合を配列次元に沿って行って、図１Ｂに示すように３本のビームを発生することができる。第２に、波長ビーム結合をスタック次元に沿って行い、図１Ｃに示すように１９本のビームを発生することができる。第３に、ビーム回転体を使用して配列次元に沿って波長ビーム結合を行って、図３Ｃに示すように、１９本のビームを発生することができる。３つの構成全てには、種々のトレードオフがある。第１の場合では、最も高い空間輝度を与えるが、スペクトル輝度は最も低い。第２の場合では、最も低い空間輝度を与え、スペクトル輝度はそれなりであり、ファイバに結合するためにビーム対称化を必要としない。第３の場合では、最も低い空間輝度を与えるが、スペクトル輝度は最も高く、光ファイバに結合するためにはビーム対称化が必要となる。用途によっては、この方がより望ましい場合もある。

【0032】

非対称性の低減を例示するために、図３Ｄを描いて、３００ｂのシステムが光回転体を有していなかった場合の最終出力プロファイル３１９ａ、およびシステムが光回転体を含む場合の出力プロファイル３１９ｂを示す。これらの図は同じ倍率で描かれていないが、これらの図は、この構成を有し各ビームの遅相寸法に沿ってＷＢＣが行われるシステムにおいて、光回転体を利用することによって得られた平均を示す。短くそして幅が広い３１９ｂの方が、高くそして細い３１９ａよりも、ファイバ結合には適している。

【0033】

種々の光回転体の例を図４Ａ〜図４Ｃに示す。図４Ａは、入力ビーム４１１ａを４１１ｂの新たな向きに回転させる円筒形レンズ（４１９ａおよび４１９ｂ）のアレイを示す。同様に、図４Ｂは、ある角度をなしてプリズムに入射する入力４１１ａを示し、その結果新たな向き、即ち、回転ビーム４１１ｂが得られる。図４Ｃは、１組の階段状ミラー(step mirror)４１７を使用する実施形態を示し、入力４１１ａを８０から９０度の角度で回転させ、これらの他の入力ビームによってビーム４１１ｂの新たな整列ができ、ビーム４１１ｂはそれらのぞれぞれの進相軸に沿って並んでいる。これらのデバイスおよびその他は、偏光非感応(non-polarization sensitive) および偏光感応手段双方によって回転を生じさせることができる。これらのデバイスの多くは、入射するビームが少なくとも進相軸次元において平行化されている場合、一層効果的となる。また、光回転体は、９０度未満、９０度、および９０度よりも大きい角度を含む種々の角度で、ビームを選択的に回転させることができることも言うまでもない。

【0034】

以上の実施形態における光回転体は、個々のビーム、行または列、およびビームの集合体を選択的に回転させることができる。実施形態の中には、８０〜９０度の範囲というような、１組の回転角度を、プロファイル全体またはプロファイルの部分集合に適用するものもある。他の場合には、可変回転角度を各ビーム、行、列、またはプロファイルの部分集合に一意に適用する。（図９Ａおよび図９Ｂ参照）。例えば、１本のビームを時計回り方向に４５度回転させることができ、一方隣接するビームを半時計回り方向に４５度回転させる。また、１本のビームを１０度回転させ、他のビームを７０度回転させることも考えられる。本システムが与える柔軟性は、種々の入力プロファイルに適用することができ、これによって、どのように出力プロファイルを形成すべきか決定し易くなる。

【0035】

放出ビームの遅相および進相次元間の中間角度に沿ってＷＢＣを実行することも、本発明の範囲に十分該当する（例えば、図９Ｂにおける６を参照のこと）。本明細書において記載するいくつかのレーザ・エレメントは、電磁放射線を生成し、光学利得媒体を含む。放射線即ちビームが光路部から射出すると、これらは通常一連のマイクロ・レンズを通過して遅相次元および／または進相次元に沿って平行化される。この特徴のために、この章において既に記載した実施形態は、光回転体を含んでいた。この光回転体は、各ビームの遅相次元または進相次元のいずれかに沿って変換レンズによってビームが分散性エレメント上に重ね合わせられる前に、各ビームを選択的に回転させる。出力カプラは、部分的にビームをシステム内のレーザ・エレメントに向けて逆に反射させるために、コーティングされていても、されていなくてもよく、戻されたビームは、これらがレーザ・エレメントの後部において全反射ミラーで反射されるまで、光学利得エレメント部分においてより多くの外部キャビティ・フィードバックを発生するのに役立つ。以上で列挙した光学エレメントおよび列挙しなかったその他のものの第２部分反射面に対する位置は、光学エレメントが外部共振システム内部にあるのか、またはレーザ発振キャビティ(lasing cavity)の外部にあるのか判断する助けとなる。図示しない実施形態の中には、第２部分反射ミラーが、光学利得エレメントの端部に、そして平行化または回転光学系の前に位置する場合もある。

【0036】

種々のＷＢＣ方法を利用するためにビームおよび構成を操作する他の方法は、空間再配置エレメント(spatial repositioning element)を使用することを含む。この空間再配置エレメントは、外部キャビティ内において、光回転体の位置と同様の位置に配置することができる。例えば、図６は、外部共振ＷＢＣシステム６００において、平行化レンズ６０６の後ろで変換光学系（１つまたは複数）６０８の前に配置された空間再配置エレメント６０３を示す。空間再配置エレメントの目的は、エレメントのアレイを新たな構成に構成し直すことである。図６は、Ｎ個のエレメントを有する３−バー・スタックが、Ｎ／２個のエレメントを有する６−バー・スタックに構成され直される場合を示す。空間再配置は、特に、スタック６５０が機械的スタックである６００のような実施形態において有用であり、またはダイオード・バー・アレイ６０２およびそれらの出力ビームが機械的または光学的に互いに重ね合わされている実施形態において有用である。この種の構成では、レーザ・エレメントが互いに固定位置を有する。空間再配置エレメントを使用することによって、進相次元に沿ったＷＢＣにとって一層理想的となる新たな構成を形成することができる。この新たな構成は、出力プロファイルをファイバ結合に一層相応しくする。

【0037】

例えば、図７はエミッタ１７２の二次元アレイが、空間再配置ステップ７０３において、ペリスコープ・ミラー(periscope mirror)のアレイのような空間再配置光学エレメントによって構成し直される実施形態を示す。再構成正面ビュー７０７によって示される構成し直されたアレイは、ここでは、ＷＢＣステップ７１０がＷＢＣ次元を横切って行われるように、準備が整っている。ＷＢＣ次元は、ここでは、各エレメントの進相次元である。この実施形態例７００における元の二次元プロファイルは、縦に１２個のエミッタ横に５個のエミッタから成るアレイである。このアレイが空間再配置エレメントを透過した後またはこれによって反射された後、縦に４個のエレメント横に１５個のエレメントから成る新たなアレイが形成される。双方のアレイにおいて、エミッタは、各々の遅相次元が垂直となり、一方進相軸が水平となるように、配列されている。ＷＢＣは、進相次元に沿って行われ、第２アレイにおける１５個のエミッタ列が、縦に４個のエミッタがある１つの列に押しつぶされる(collapse)。この出力は、既に、ＷＢＣが元のアレイに対して行われた場合よりも対称的になっている、元のアレイであれば、その結果、縦に１５個のエミッタがある１つの列ができたであろう。図示のように、更に、各エミッタを９０度回転させる個々の回転ステップ７０５によってこの新たな出力を対称化することもできる。すると、遅相次元に沿って１ビーム幅で縦に４つのエレメントがスタックされた、ＷＢＣ後の正面ビュー７２１が生成される。これは、ファイバに結合するのに更に相応しくなっている。

【0038】

一次元または二次元プロファイルとなっているエレメントを構成し直す１つの方法は、そのプロファイルを「切断」するまたはセクションに分解して、各セクションをしかるべく整列し直すことである。例えば、図７において、７１３では２回の切断７１５が行われた。各セクションは、並列状に配置されて７０７が形成された。これらの光学的切断は、７１３のエレメントが予め配列されていた、即ち、固定位置の関係を有していたことを記せば、評価することができる。また、初期の入力ビーム・プロファイルを再配置するために、あらゆる回数の切断を行うことを想像することも、十分に範囲内に該当する。これらのセクションの各々は、並列状に配置されることに加えて、望ましければ、上に重ねることまたは不規則に並べることも可能である。

【0039】

空間再配置エレメントは、偏光されたおよび偏光されないペリスコープ光学系の双方、ならびにその他の再配置光学系を含む種々の光学エレメントによって構成することができる。図４ａに示したような階段状ミラーも、空間再配置エレメントになるように構成し直すことができる。

【0040】

尚、空間再配置エレメントおよび光回転体は、同じ外部共振システム、または共振システムの内側および外側の組み合わせにおいて使用してもよいことも考えられる。最初にエレメントが現れる順序は、それほど重要ではなく、一般に所望の出力プロファイルによって決定される。

【0041】

本発明の範囲を包含するがそれを限定しない追加の実施形態を図９Ａおよび図９Ｂに示す。図９Ａの１に示すシステムは、遅相次元に沿って横並びに整列されている４本のビームから成る１つのアレイを示す。光回転体が、個別に、各ビームを回転させる。次いで、これらのビームは進相次元に沿って結合され、ＷＢＣによって１本のビームに減縮される。この構成では、４本のビームを容易に４９本以上のビームにすることができることを注記するのは重要である。また、エミッタの一部が物理的に他のエミッタから取り外される場合、個々のエミッタを機械的に回転させて、理想的なプロファイルに構成するとよいことも注記するとよいであろう。機械式回転体は、摩擦スライダ、ロッキング・ベアリング(locking bearing)、チューブ、およびレーザ・エレメントを回転させるように構成されているその他のメカニズムを含む種々のエレメントによって構成することができる。一旦所望の位置が得られたなら、次に、レーザ・エレメントを適所に固定することができる。また、所望のプロファイルに応じてビーム・プロファイルを調節することができる自動回転システムを実装してもよいことも考えられる。この自動システムは、所望に応じて出力プロファイルを変化させるために、レーザまたは光学エレメントを機械的に再配置することができ、あるいは新たな光学エレメントをシステム内およびシステム外に挿入することもできる。

【0042】

図９Ａに示すシステム２は、３つのスタック・アレイを有する二次元アレイを示し、４本のビームが各々遅相次元に沿って整列されている。（図３Ｃと同様）このスタック・アレイが光回転体を通過し進相次元に沿ったＷＢＣを受けると、縦に３ビームが遅相次元に沿って上下に整列された１本の列が形成される。この場合も、このシステムにおいて示した３つのスタック・アレイが５０個のエレメントを有するとすると、同じ出力プロファイルが作られるが、この方が輝度が高く、高い出力パワーを有することが認められよう。

【0043】

図９Ｂにおけるシステム３は、４本のビームから成る菱形パターンを示し、これらのビームは全て実質的に互いに平行である。また、このパターンはランダムなパターンを示すこともできる。これらのビームを回転させ進相次元に沿って結合すると、３本のビームが遅相次元に沿って上下に整列された１本の列が得られる。エミッタの故障またはその他の理由によって、エレメントが失われたダイオード・レーザ・バーまたはスタックが、システム３の例である。システム４は、ビームが整列されておらず、１本のビームを回転させて第２ビームと整列させて、双方のビームが進相次元に沿って結合されて１本のビームを形成するようにしたシステムを示す。システム４は、レーザ・ダイオード・アレイを使用することを超えてＷＢＣ方法を拡大する多数の可能性を実証する。例えば、システム４における入力ビームは、二酸化炭素（ＣＯ_２）レーザ、半導体またはダイオード・レーザ、ダイオード励起ファイバ・レーザ、ランプ励起またはダイオード励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ディスク・レーザ等から発生することができる。結合すべきレーザのタイプおよびレーザの波長を混合し一致させる能力は、本発明の範囲に包含される別の優位性である。

【0044】

システム５は、ＷＢＣ次元と完全に整列させるためにビームを回転させないシステムを示す。その結果、進相次元に沿ったＷＢＣの優位性の多くを維持する混成出力が得られる。様々な実施形態では、ビームをＷＢＣ次元と整列させるためには、９０度完全に回転させる。ＷＢＣ次元は、多くの場合、進相次元と同じ方向即ち次元であった。しかしながら、システム５は、そしてシステム６も、ビームの光学的回転が、全体的に（システム６）または個々に（システム５）、１本以上のビームの進相次元がＷＢＣ次元に対して角度θ(theta)をなす、即ち、ある度数だけ偏倚されるようなものであればよいことを示す。９０度の完全な偏倚によって、ＷＢＣ次元が遅相次元と整列するが、４５度の偏倚では、ビームの遅相および進相次元間の中間の角度に、ＷＢＣ次元が向けられる。これは、遅相および進相次元が互いに直交するからである。一実施形態では、ＷＢＣ次元が、ビームの進相次元から約３度の角度θを有する。

【0045】

以上の説明は、単なる例示に過ぎない。好ましい実施形態を含む本発明の少なくとも１つの実施形態の様々な態様についてこのように説明したので、種々の変更、修正、および改良が当業者には容易に想起されることは認められてしかるべきである。このような変更、修正、および改良は、本開示の一部であることを意図しており、本発明の主旨および範囲に該当することを意図している。したがって、以上の説明および図面は、単なる一例に過ぎないこととする。

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図6】