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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-14
(54)【発明の名称】高出力レーザダイオードパッケージ
(51)【国際特許分類】
H01S 5/02253 20210101AFI20220307BHJP
H01S 5/40 20060101ALI20220307BHJP
【ＦＩ】
H01S5/02253
H01S5/40
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021526705
(86)(22)【出願日】2018-11-28
(85)【翻訳文提出日】2021-07-07
(86)【国際出願番号】 US2018062889
(87)【国際公開番号】W WO2020101717
(87)【国際公開日】2020-05-22
(31)【優先権主張番号】16/192,696
(32)【優先日】2018-11-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518172129
【氏名又は名称】エヌライト， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＮＬＩＧＨＴ， ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100205833
【弁理士】
【氏名又は名称】宮谷 昂佑
(72)【発明者】
【氏名】デイビッド マーティン ヘメンウェイ
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173MC01
5F173MD64
5F173MF28
5F173MF39
(57)【要約】
高出力レーザダイオードアセンブリは、レーザダイオードパッケージ内のより多くのエミッタを使用するか、より大きく、より広いレーザダイオードエミッタを使用して、高出力レーザ出力を生成する。各アセンブリ設計オプションは、強い負のレンズ表面屈折力を付与して入射ビームを外側に発散させる光入射面と、更に強い正のレンズ表面屈折力を付与して急速に発散するビームをコリメートする光出射面とを有するメニスカス遅軸コリメータレンズを含む。一例では、５ｍｍ焦点距離のメニスカスコリメータレンズは、標準的な１２ｍｍ焦点距離のコリメータレンズと比較して、コリメータレンズからレーザダイオードへの物理的経路を７ｍｍ短縮することができる。別の例では、標準的な１２ｍｍコリメータのものと同じ後方焦点距離を有する１５ｍｍ焦点距離のメニスカスコリメータレンズは、２００μｍから２５０μｍへのチップオンサブマウント幅の増大を容易にする。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに間隔をあけて平行に配置された別々のビーム軸に沿って伝搬する複数のレーザビームを放射するように構成された複数の広域レーザダイオードを含むレーザダイオードアセンブリにおいて、前記レーザダイオードの各々は、速軸方向において速い発散速度を示し、遅軸方向において遅い発散速度を示し、前記複数の放射レーザビームの各々は、速軸コリメーション光学系及び遅軸コリメーション光学系によって受光されてコリメートされて、対物レンズへの送達のためにそれぞれの光反射素子によって反射される複数のコリメートされたレーザビームのうちの１つを形成し、前記遅軸コリメーション光学系は、それぞれの光反射素子から公称距離に位置決めされ、公称焦点距離及び公称後方焦点距離を有し、前記対物レンズは、前記光反射素子によって反射された前記複数のレーザビームを光ファイバに向ける、レーザダイオードアセンブリであって、改良点は、光軸に沿って分離され、前記遅軸コリメーション光学系として機能するメニスカス遅軸コリメータレンズを形成するように構成された第１及び第２の面を有する透過性光学基板であって、前記第１の面は、前記複数の放射レーザビームのうちの１つを受光するように位置決めされ、負のレンズ表面屈折力を付与して、受光された前記複数の放射レーザビームのうちの１つを外側に発散させる第１の曲率を有し、受光された前記複数の放射レーザビームのうちの１つは、前記遅い発散速度よりも速い速度で外側に発散して、急速に発散するビームを形成し、前記第２の面は、前記負のレンズ表面屈折力よりも強い正のレンズ表面屈折力を付与して、前記急速に発散するビームをコリメートする第２の曲率を有する透過性光学基板を含む、レーザダイオードアセンブリ。
【請求項2】
前記レーザダイオードアセンブリが、レーザダイオードパッケージにおいて公称体積を占有し、前記メニスカス遅軸コリメータレンズが、前記公称焦点距離よりも短いメニスカスレンズ焦点距離と、前記公称後方焦点距離よりも短いメニスカスレンズ後方焦点距離とを有し、それによって、前記遅軸コリメーション光学系を、それぞれの光反射素子から、前記公称距離よりも短い距離に位置決めすることができ、その結果、前記レーザダイオードアセンブリは、前記レーザダイオードパッケージにおいて、前記公称体積よりも小さい体積を占有する、請求項１に記載のレーザダイオードアセンブリ。
【請求項3】
前記遅軸コリメーション光学系が、特徴的な遅軸残留発散を示し、前記複数の広域レーザダイオードが、前記メニスカス遅軸コリメータレンズへの入射のために前記レーザビームが伝搬する異なる経路長をもたらすパッケージ内に収容され、前記メニスカス遅軸コリメータレンズが、前記公称焦点距離よりも長いメニスカスレンズ焦点距離を有し、且つ、前記公称後方焦点距離と実質的に同じであるメニスカスレンズ後方焦点距離を有し、前記特徴的な遅軸残留発散よりも小さい遅軸残留発散と、その結果として、開口数の減少と輝度の増加とを提供する、請求項１に記載のレーザダイオードアセンブリ。
【請求項4】
前記複数の広域レーザダイオードの各々が、レーザダイオードパッケージのサブマウントに取り付けられ、その幅を画定し、前記遅軸コリメーション光学系が、特徴的な遅軸残留発散を示し、前記メニスカス遅軸コリメータレンズが、前記公称焦点距離よりも長いメニスカスレンズ焦点距離を有し、且つ、前記公称後方焦点距離と実質的に同じであるメニスカスレンズ後方焦点距離を有し、残留発散の低減と、その結果として、前記公称焦点距離に対して前記サブマウントの幅を増加させることのない、前記レーザダイオードパッケージからのレーザ放射の輝度の増加とを提供する、請求項１に記載のレーザダイオードアセンブリ。
【請求項5】
前記メニスカス遅軸コリメータレンズが、一体光学系である、請求項１に記載のレーザダイオードアセンブリ。
【請求項6】
前記第１の曲率が、非球面プロファイルを有し、前記第２の曲率が、非球面プロファイルを有する、請求項１に記載のレーザダイオードアセンブリ。
【請求項7】
前記第１の曲率及び前記第２の曲率は、それぞれ、第１の曲率半径及び第２の曲率半径と関連付けられ、前記第２の曲率半径は、前記第１の曲率半径よりも長い、請求項１に記載のレーザダイオードアセンブリ。
【請求項8】
受光された前記複数の放射レーザビームのうちの１つが、レーザビーム波長及び出力を有し、前記透過性光学基板が、前記ビーム波長及び出力と動作的に適合するタイプのガラスであり、前記コリメートされた急速に発散するビームの残留発散を最小にする値の中心ガラス厚を有する、請求項１に記載のレーザダイオードアセンブリ。
【請求項9】
前記複数の広域レーザダイオードが、低減モード（ＲＥＭ）ダイオードを含む、請求項１に記載のレーザダイオードアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【0001】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年１１月１５日に出願された米国特許出願第１６／１９２，６９６号の優先権の利益を主張するものである。
【著作権表示】
【0002】
【技術分野】
【0003】
本開示は、複数のレーザダイオードを含むパッケージ化された高出力レーザダイオードアセンブリに関するものであり、各レーザダイオードには、遅軸コリメータ内にメニスカスレンズが形成され、全体的な物理的フットプリントの低減又はレーザ出力輝度の向上を示すモジュールパッケージに含まれるように構成されたレーザダイオードアセンブリから高出力を生成する。
【背景】
【0004】
マルチモードレーザダイオードは、広域レーザ（ＢＡＬ）としても知られている。広域レーザダイオードは、放射領域がブロードストライプの形で強く非対称な形状を有する端面放射型レーザダイオードである。最新技術の高出力レーザダイオードパッケージは、速軸コリメータ及び遅軸コリメータを使用して広域レーザをコリメートする。これらのレーザダイオードパッケージは、０．１５ｍｍ～５ｍｍ程度の焦点距離を有する速軸コリメータレンズを使用し、例えば０．３２ｍｍの焦点距離などの、より短い速軸コリメータレンズ焦点距離を有する高性能パッケージを使用する。更に、ほとんどのレーザダイオードパッケージは、５ｍｍから１５ｍｍの間の焦点距離を有する平凸遅軸コリメータレンズを使用し、これはレーザダイオードの遅軸輝度によって決まる。エテンデュの保存は、コリメートビームの残留発散を駆動し、レーザダイオードパッケージの全体的なパッケージフットプリントを最小化することは、長年の目的である。
【0005】
一般的に、例えば９５μｍのエミッタから２５０μｍのエミッタへと、広域レーザの幅が大きくなると、幅の広いエミッタの輝度が低下するため、光学系の非対称性が大きくなる。非対称性を最小化することは、遅軸コリメータの焦点距離を増加させることによって達成され得るが、そのようにすることは、レーザダイオードパッケージの全体的な物理的フットプリントに悪影響を及ぼす。しかしながら、現在の傾向は、レーザダイオードパッケージのサイズ／体積／質量を減少させることであり、それを増加させることではない。簡単な例としては、現在利用可能なパッケージにおける遅軸焦点距離が、約７０ｍｍの利用可能なパッケージ全体の幅のうちの約２０ｍｍ（すなわち、約２８％）を占めるものが挙げられる。遅軸コリメータの焦点距離、したがってその後方焦点距離を低減する方法を案出することは、パッケージフットプリント／体積／質量の低減をもたらすであろう。
【概要】
【0006】
開示された高出力レーザダイオードパッケージは、所与のパッケージ体積内でより多くのエミッタの使用を可能にする。更に、開示されたレーザダイオードパッケージは、より高出力のレーザ出力の生成において、より大きく、より広いレーザダイオードエミッタの使用を可能にする。これらのシステム設計オプションの各々は、レーザダイオードに面する光入射面がビームを外側に発散させる強い負のレンズ表面屈折力を有し、光出射面が急速に発散するビームをコリメートする更に強い正のレンズ表面屈折力を有する遅軸コリメータレンズ設計によって達成される。
【0007】
第１の例として、標準的な１２ｍｍの焦点距離の遅軸コリメータレンズと比較して、５ｍｍの焦点距離の遅軸コリメータレンズを作成することにより、遅軸コリメータレンズの出射面からレーザダイオードの放射面までの物理的経路を７ｍｍ短縮することができ、それによってレーザダイオードパッケージのサイズを縮小することができる。
【0008】
第２の例として、１５ｍｍ焦点距離の遅軸コリメータレンズを、ただし標準的な１２ｍｍ焦点距離の遅軸コリメータレンズと同じ後方焦点距離で作成することは、アセンブリレベル開口数に悪影響を及ぼすことなく、又は１５ｍｍ焦点距離の遅軸コリメータレンズによってもたらされる残留発散の減少のためにレーザダイオードパッケージのサイズを増大させることなく、チップオンサブマウント幅を２００μｍから２５０μｍに増大させることを容易にする。
【0009】
更なる態様及び利点は、添付の図面を参照して進められる好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】図１Ａは、従来の高出力レーザダイオードパッケージの光学部品レイアウトを示す。図１Ｂ及び図１Ｃは、図１Ａのレーザダイオードパッケージによって生成されたそれぞれの入力レーザビーム及び圧縮されたレーザビームのスタックを示す。
【図2】図２Ａは、２つのビームスタックが偏波多重化を用いて形成され、ビーム圧縮器によって圧縮される高出力レーザダイオードアセンブリを示す。図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれ図２Ａの圧縮前及び圧縮後のビームスタックを示す。図２Ｄは、図２Ａの２つのビームスタックの形成において使用されるレーザダイオードのセットのための代表的な階段状レーザダイオードマウントを示す。
【図3】図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃは、本開示によるメニスカス遅軸コリメータレンズの使用によって達成されるレーザダイオードパッケージの全体的なフットプリントに対する有益な効果を連続的、段階的に示す平面図である。
【詳細な説明】
【0011】
図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃは、広域レーザによって放射される放射線をコリメートする速軸コリメーション光学系及び遅軸コリメーション光学系を使用する従来の高出力レーザダイオードパッケージの光学部品レイアウトと、それによって生成されたレーザビームのスタックとを示す。
【0012】
図１Ａは、一例として、レーザダイオードパッケージハウジング１２に含まれるパッケージ化されたレーザダイオードアセンブリ１０を示す。レーザダイオードアセンブリ１０は、速軸コリメーション光学系１６及び遅軸コリメーション光学系１８によってコリメートされるレーザビームを放射する３つの広域レーザダイオード１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃを含む。コリメートビームは、対物レンズ２０に向けられ、対物レンズ２０はそれらを光ファイバ２２に送達する。
【0013】
ハウジング１２は、説明の便宜上、一部を除いて示している。段差面３０は、複数の段差面部分３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃを含み、これらに対して、１つ又は複数のレーザダイオード１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃがそれぞれ、典型的には単調に下降又は上昇する異なる高さに位置決めされるように確保される。典型的には、単一のレーザダイオードが各段上に取り付けられ、レーザダイオードは、レーザ放射線が実質的に平行な軸に沿って伝搬するように段に確保される。平行配置からのずれは、以下で説明するように、必要に応じて補償することができる。
【0014】
レーザダイオード１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃの速軸は図の平面に垂直であり、遅軸は図の平面内にある。レーザダイオード１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃからの放射ビームは、速軸コリメーション光学系１６及び遅軸コリメーション光学系１８によって受光されてコリメートされ、コリメートビームを生成する。任意の体積ブラッググレーティング要素３４を速軸コリメーション光学系１６と遅軸コリメーション光学系１８との間に位置決めして、レーザダイオード１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃの波長のロックを提供することができる。
【0015】
光反射素子又は反射鏡３６は、コリメート後に互いにほぼ平行に伝搬するコリメートビームを受光する。図１Ａの例では、反射ビームがビーム圧縮器３８に向けられるように、コリメートビームを直角に反射するように反射鏡３６が位置決めされる。好ましいビーム圧縮器は、米国特許出願公開第２０１７／０２３５０５７号（本特許出願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１５／４３５，１１７号の刊行物）に記載されている。各レーザダイオード１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃから放射されたビームの伝搬方向は、対応する反射器３６の調整により調整可能である。ビーム圧縮器３８において、反射ビームの速軸は、上下に積み重ねられ、レーザダイオード１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃにそれぞれ対応し、段差面部分３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの高さに基づく分離を有する積み重ねられたビーム４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ（図１Ｂに示す）を形成する。反射鏡３６及び遅軸コリメーション光学系１８は、共通面４２に簡便に確保することができる。
【0016】
各コリメートビームのための各反射鏡３６の最上部は、反射ビームが下流の反射鏡３６によってクリッピングされないような高さに設定される。例えば、図１Ａでは、図中の最下部のミラーが、対応する段差面部分３２Ａの最大段差高さに対応する最大高さを有する。積み重ねられたビーム４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの隣接するビーム間の間隔は、ビーム圧縮器３８によって調整され、圧縮されたビームは、対物レンズ２０に向けられ、対物レンズ２０は、圧縮されたビームを光ファイバ２２に向ける。いくつかの例では、対物レンズ２０は単一の平凸レンズであり、他の例では、球面及び非球面を含むより複雑な多要素レンズが使用される。
【0017】
図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、ビーム４０Ａ、４０Ｂ、及び４０Ｃの入力ビームスタックは、ビーム４４Ａ、４４Ｂ、及び４４Ｃの圧縮されたビームスタックとしてビーム圧縮器３８から伝搬する。図１Ｂと図１Ｃとを比較すると、ビーム分離は、ビーム直径と共に、圧縮方向に圧縮されることが分かる。
【0018】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄは、右手系ｘｙｚ座標系５２を参照して説明されるレーザダイオードアセンブリ５０を示し、ｚ軸は、図２Ａの平面から上方に延在する。レーザダイオードアセンブリ５０は、レーザダイオードのセット５４、５６、５８、及び６０を含み、これらは、レーザビームのそれぞれのセットを反射器の対応するセット６４、６６、６８、及び７０、並びに速軸及び遅軸コリメータに放射するように配置される。例えば、セット５４のレーザダイオードは、ｘ軸方向に沿ってビームを放射し、次いで、ｙ軸方向に沿って伝搬するように、セット６４のそれぞれの反射器によって向け直される。各セットのレーザダイオードは、ｚ軸に沿って互いに変位又はオフセットされ、関連付けられた反射器は、セットからのレーザビームが反射器によって遮断されないように位置決めされる。図２Ｄに示すように、レーザダイオードのセット５４は、適切なｚ軸オフセットを提供するために、段差マウント７２に確保されている。レーザダイオードの残りのセットについても同様のマウントが設けられている。便宜上、各セットの最下部のレーザダイオードについて、ビーム伝搬軸７４、７６、７８、及び８０が示されている。各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、互いに同様であるが、ｚ軸に沿って変位されている。
【0019】
レーザダイオードのセット５４からのレーザビームは、セット６４の反射器によって半波リターダ８２に向けられ、次いで、偏光ビームスプリッタ８４において、セット６６の反射器によって向け直されたレーザダイオードのセット５６からのレーザビームと組み合わされ、その結果、垂直に積み重ねられたビームのセット８６Ａ（図２Ｂに示す）がビーム圧縮器８８に入射する。レーザダイオードのセット６０からのレーザビームは、セット７０の反射器によって半波リターダ９２に向けられ、次いで、偏光ビームスプリッタ９４において、セット６８の反射器によって向け直されたレーザダイオードのセット５８からのレーザビームと組み合わされ、その結果、垂直に積み重ねられたビーム８６Ｂのセット（図２Ｂに示す）がビーム圧縮器８８に入射する。
【0020】
レーザダイオード５４及び５６並びにレーザダイオード５６及び６０に対して、それぞれ取付面１００及び取付面１０２が設けられる。レーザダイオード５８及び６０からの圧縮されていないレーザビームは、プリズム１０４によってビーム圧縮器８８に向けられる。対物レンズ１０６は、圧縮されたビームを光ファイバ１１０の入力面１０８に向ける。偏光ビームスプリッタ８４及び９４は、それぞれの光学アセンブリ１１２及び１１４に含むことができ、それらは、組み合わされたビームを向け直すプリズムを含むことができる。
【0021】
図２Ｂは、ビーム圧縮器８８に入射する積み重ねられたビーム８６Ａ及び８６Ｂを示す。図２Ｃは、ビーム圧縮器８８から出る垂直に積み重ねられたビームのセット９６Ａ及び９６Ｂを示し、ビーム間隔及び個々のビーム高さは、圧縮比Ｍ＝Ｈ２／Ｈ１によって変更される。この例では、円筒形ビーム圧縮器がｚ方向に圧縮を適用するが、ｘ方向には適用しない。他の方向の圧縮のために追加のビーム圧縮器を設けることができ、又は球面を使用するビーム圧縮器を使用することができる。
【0022】
図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃ（まとめて図３）は、メニスカス遅軸コリメータレンズを広域レーザダイオードと反射鏡との間に位置決めすることによって達成される、レーザダイオードパッケージの全体的なフットプリントに対する有益な効果を連続的、段階的に示す上面図である。図３は、それぞれのレーザビーム２１５Ａ、…、２１５Ｌが実質的に平行な軸に沿って伝搬するように、それぞれの段差面部分（図示せず）上に取り付けられた１２個の実質的に同じである広域レーザダイオード２１４Ａ、…、２１４Ｌのセットを示す。レーザビーム２１５Ａ、…、２１５Ｌは、それぞれ、速軸コリメーション光学系２１６Ａ、…、２１６Ｌ及び遅軸コリメーション光学系２１８ＡＳ、…、２１８ＬＳによってコリメートされてから、反射鏡２３６Ａ、…、２３６Ｌに入射する。１２個のレーザダイオード２１４Ａ、…、２１４Ｌは実質的に同じであるので、以下の説明はレーザダイオード２１４Ａのみを対象とするが、レーザダイオード２１４Ｂ、…、２１４Ｌにも適用可能である。
【0023】
図３Ａは、レーザダイオードアセンブリ２５０Ｓにおける公称体積を占有する従来のレーザダイオードパッケージ２４９Ｓを示す。レーザダイオード２１４Ａから伝搬、発散するレーザビーム２１５Ａは、１２ｍｍの公称後方焦点距離２５２Ｓを有する標準平凸遅軸コリメータレンズ２１８ＡＳによってコリメートされる。公称後方焦点距離２５２Ｓは、速軸コリメーション光学系２１６Ａによって占有される空間を含む。遅軸コリメータレンズ２１８ＡＳ、…、２１８ＬＳは各々、同じ公称後方焦点距離２５２Ｓを有する。
【0024】
図３Ｂは、図３Ａに示すものとは異なる遅軸コリメーション光学系を用いて実装されるが、レーザダイオードアセンブリ２５０Ｉにおける公称体積を占有するレーザダイオードパッケージ２４９Ｉを示す。発散するレーザビーム２１５Ａは、メニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭによって受光されてコリメートされ、メニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭは、第１の又は光入射面２５４Ａと第２の又は光出射面２５６Ａとを有する。光入射面２５４Ａは、負のレンズ表面屈折力を付与して、レーザビーム２１５Ａをレーザビーム２１５Ａの比較的遅い初期発散速度よりも速い速度で外側に発散させ、それによって、急速に発散するレーザビーム２１５ＡＤを形成する。光出射面２５６Ａは、急速に発散するレーザビーム２１５ＡＤに、負のレンズ表面屈折力よりも強い正の表面屈折力を付与して、急速に発散するレーザビーム２１５ＡＤをコリメートし、それによって、コリメートされたレーザビーム２１５ＡＣを形成する。メニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭは、５ｍｍの後方焦点距離２５２Ｍを有する。図３Ｂは、メニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭの配置が、コリメートされたレーザビーム２１５ＡＣが光出射面２５６Ａと反射鏡２３６Ａとの間を伝搬するデッドスペース２５８Ａを作成することを示す。
【0025】
図３Ｃは、レーザダイオードアセンブリ２５０Ｍにおいて、５ｍｍの後方焦点距離２５２Ｍを有し、図３Ｂのメニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭの光出射面２５６Ａと反射鏡２３６Ａとの間にデッドスペース２５８Ａがないためよりコンパクトなレーザダイオードパッケージ２４９Ｍを示す。レーザダイオードパッケージの全体的なフットプリントの低減は７ｍｍである。したがって、レーザダイオードパッケージ２４９Ｍによって占有される体積は、レーザダイオードパッケージ２４９Ｓによって占有される公称体積よりも小さい。
【0026】
図４は、単一のチップオンサブマウント（ＣＯＳ）と光学的に関連付けられた単一の広域レーザダイオード３１４と共にメニスカス遅軸コリメータレンズを位置決めすることの有益な効果の説明を容易にするために提示された連続光線トレース図である。この実施形態は、図３Ａの標準平凸遅軸コリメータレンズ２１８ＡＳの公称後方焦点距離と同じ後方焦点距離を有する、より長い焦点距離の遅軸コリメータレンズを作成する。複数の広域ダイオードの各々が、レーザダイオードパッケージのサブマウントに取り付けられ、その幅を画定するとき、得られる利益は、コリメータレンズ２１８ＡＳの特徴的な残留発散よりも少ない残留発散と、その結果として、公称焦点距離に対してサブマウント幅を増加させることのない、アセンブリレベル開口数（すなわち、輝度）の改善である。
【0027】
図４の光線追跡図は、図４の光フィールド３１５Ｆによって表される３つのセットの光線３１４１、３１４２、及び３１４３を放射するレーザダイオード３１４を示す。３つのセットの光線３１４１、３１４２、及び３１４３は、Ｚｅｍａｘ光学設計プログラムにより生成された光線追跡に示されるように、レーザダイオード３１４の一端、中央、他端から放射される光線をそれぞれ表している。光線３１４１、３１４２、及び３１４３は、速軸コリメータレンズ３１６を通って伝搬し、メニスカス遅軸コリメータレンズ３１８上に入射し、メニスカス遅軸コリメータレンズ３１８は、第１の又は光入射面３５４及び第２の又は光出射面３５６を有する。光入射面３５４は、負のレンズ表面屈折力を付与して、光フィールド３１５Ｆの光線を比較的遅い初期発散速度よりも速い速度で外側に発散させ、メニスカス遅軸コリメータレンズ３１８内を伝搬する光フィールド３１５ＦＤの急速に発散する光線を形成する。光出射面３５６は、光フィールド３１５ＦＤの急速に発散する光線に、負のレンズ表面屈折力よりも強い正のレンズ表面屈折力を付与して、光フィールド３１５ＦＤの急速に発散する光線をコリメートし、光フィールド３１５ＦＣのコリメートされた光線を形成する。光入射面３５４及び光出射面３５６の曲率は、メニスカス遅軸コリメータレンズ３１８を作成するように設定され、例えば、１５ｍｍの焦点距離３６０を有するが、１２ｍｍの後方焦点距離３６２は、図３Ａに示す後方焦点距離２５２Ｓと同じである。それらの曲率半径は小さいため、光入射面３５４及び光出射面３５６は非球面レンズ表面プロファイルを示す。したがって、レーザダイオード３１４の幅は、アセンブリレベル開口数に悪影響を及ぼすことなく、又はレーザダイオードパッケージのフットプリントを増加させることなく、例えば、２００μｍから２５０μｍに増大させることができる。
【0028】
別の有益な効果は、パッケージ内に収容され、遅軸残留発散を示すメニスカス遅軸コリメータレンズに入射する際に異なる経路長に沿って伝搬するレーザビームを放射する複数の広域レーザダイオードに対して達成され得る。公称焦点距離よりも長いメニスカスレンズ焦点距離と、公称後方焦点距離と実質的に同じであるメニスカスレンズ後方焦点距離とを有するように設計されたメニスカス遅軸コリメータレンズは、標準平凸遅軸コリメータレンズ２１８ＡＳの特徴的な遅軸残留発散よりも小さい遅軸残留発散と、その結果として、開口数の減少及び輝度の増加とをもたらす。
【0029】
上述の実施形態のメニスカス遅軸コリメータレンズは各々、好ましくはビーム波長及び出力と動作的に適合するタイプのガラスで作られた透過性光学基板であり、コリメートされた急速に発散するビームの残留発散を最小にする値の中心ガラス厚を有する。
【0030】
以下の実施例は、メニスカスコリメータレンズが標準的な１２ｍｍ平凸焦点距離の遅軸コリメータの代替であるレーザダイオードパッケージの実施形態の光学設計基準を提示する。実施例１は、代替的なメニスカス遅軸コリメータレンズが、標準平凸遅軸コリメータレンズの１２ｍｍ公称焦点距離を維持するが、後方焦点距離を短くする実装形態である。実施例２は、代替的なメニスカス遅軸コリメータレンズが、物理的な経路長を維持するが、標準平凸遅軸コリメータレンズの１２ｍｍ公称焦点距離より長い焦点距離を提供する実装形態である。
【0031】
実施例１は、１２５μｍの遅軸近接フィールド及び９ｍｍの焦点距離を示すレーザダイオードを用いて実装されたレーザダイオードパッケージのためのメニスカス遅軸コリメータレンズ設計基準を提示する。図５は、レーザダイオードパッケージ２５０Ｍのレーザダイオード２１４Ａ、速軸コリメーション光学系２１６Ａ、及びメニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭを含む光学部品の平面図レイアウトであり、図３Ｃのものに対応する。図５は、放射面２００及び中心線２２２を有するレーザダイオード２１４Ａを示す。頂部のフィールド光線２１４Ａ１は、中心線２２２から＋６２．５μｍに放射され、中央のフィールド光線２１４Ａ２は、中心線２２２に放射され、底部のフィールド光線２１４Ａ３は、放射面２２０の中心線２２２から－６２．５μｍに放射される。メニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭは、光入射面２５４ＡがＲ１＝１．４９ｍｍ、光出射面２５６ＡがＲ２＝２．０ｍｍの偶数の非球面で形成されている。偶数の非球面係数には複数の解が存在するため、実施例１の実装態様では、面２５６Ａ及び２５４Ａの円錐係数Ｋの値は、－１＜Ｋ＜０（すなわち、長楕円形）である。メニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭは、９７６ｎｍで特定される１．７９高屈折率ガラスから作製され、２．１ｍｍの中心厚を有する。
【0032】
上述の特定レーザダイオード２１４Ａ及びメニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭを用いて実装されるレーザダイオードパッケージの実施形態は、５．１ｍｍの後方焦点距離２５２Ｍ（速軸コリメーション光学系２１６Ａのガラスを含む）を示す。これは、ビーム品質を劣化させることなく、メニスカス遅軸コリメータレンズ２１８ＡＭの光出射面２５６Ａからレーザダイオード２１４Ａの放射面２２０までの７．２ｍｍ（５．１ｍｍ＋２．１ｍｍ）の総物理的経路長２６０をもたらし、１２ｍｍの公称焦点距離に対して２５％（（１２ｍｍ－９ｍｍ）／１２ｍｍ）短い焦点距離を表す。
【0033】
輝度（エテンデュ）の保存は、マルチモードレーザダイオードの残留発散が２５％増加することを意味する。しかしながら、「より小さい」（１２５μｍ）遅軸近接フィールドは、以下の実施例２における２５０μｍレーザダイオードと比較して、より明るいレーザダイオードを発現させるため、全体的な残留発散は、名目上、１２ｍｍ焦点距離の標準平凸遅軸コリメータのそれから保存される。全体的な結果として、全体の質量及び体積が考慮される、高輝度用途のためのより小さくよりコンパクトなレーザダイオードパッケージが可能になる。
【0034】
実施例２は、２５０μｍの遅軸近接フィールド及び１５ｍｍの焦点距離を示すレーザダイオードを用いて実装されたレーザダイオードパッケージのためのメニスカス遅軸コリメータレンズ設計基準を提示する。図６は、レーザダイオード３１４、速軸コリメーション光学系３１６、及びメニスカス遅軸コリメータレンズ３１８を含む光学部品の平面図レイアウトであり、図４のものに対応する。図６は、放射面３２０及び中心線３２２を有するレーザダイオード３１４を示す。頂部のフィールド光線３１４１は、中心線３２２から＋１２５μｍに放射され、中央のフィールド光線３１４２は、中心線３２２に放射され、底部のフィールド光線３１４３は、放射面３２０の中心線３２２から－１２５μｍに放射される。メニスカス遅軸コリメータレンズ３１８は、光入射面３５４がＲ１＝２．５９ｍｍ、光出射面３５６がＲ２＝２．９ｍｍの偶数の非球面で形成されている。偶数の非球面係数には複数の解が存在するため、実施例２の実装態様では、面３５６及び３５４の円錐係数Ｋの値は、Ｋ＞０（すなわち、偏平楕円形）である。メニスカス遅軸コリメータレンズ３１８は、９７６ｎｍで特定される１．７９高屈折率ガラスから作製され、２．１４ｍｍの中心厚を有する。
【0035】
上述の特定レーザダイオード３１４及びメニスカス遅軸コリメータレンズ３１８を用いて実装されるレーザダイオードパッケージの実施形態は、１０．４ｍｍの後方焦点距離３６２（速軸コリメーション光学系３１６のガラスを含む）を示す。これは、物理的な経路長を増加させることなく、メニスカス遅軸コリメータレンズ３１８の光出射面３５６からレーザダイオード３１４の放射面３２０までの１２．５ｍｍ（１０．４ｍｍ＋２．１４ｍｍ）の総物理的経路長３６０をもたらし、１２ｍｍの公称焦点距離に対して２５％（１５ｍｍ／１２ｍｍ）長い焦点距離を表す。
【0036】
輝度（エテンデュ）の保存は、マルチモードレーザダイオードの残留発散が２５％減少することを意味する。その結果、追加のエミッタはより長い経路長を有することになるので、レーザダイオードパッケージ内に追加のエミッタを設計することが可能になる。
【0037】
本発明の基礎となる原理から逸脱することなく、上述の実施形態の詳細に対して多くの変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、開示されたレーザダイオードアセンブリは、本特許出願の譲受人に譲渡された米国特許第９，１６６，３６９号に記載された、低減モード（ＲＥＭ）ダイオードと呼ばれる最近導入された種類の広域ダイオードを使用して構築することができる。ＲＥＭダイオードは、マルチモード高反射体ファセットと部分反射体ファセットとの間に延在するフレア電流注入領域を有する広域半導体ダイオードレーザデバイスである。ＲＥＭダイオードは、高次モードを抑制し、それによって、遅軸輝度を損なうことなくパワーをスケーリングするためのより大きなエミッタの使用を可能にする。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ決定されるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】