特表 2024-537566 光励起源を均一化する薄いディスクレーザシステム

(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】2024-10-11

(54)【発明の名称】光励起源を均一化する薄いディスクレーザシステム

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/06 20060101AFI20241004BHJP

   H01S 3/0941 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

H01S3/06

H01S3/0941

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024514651

(86)(22)【出願日】2022-09-22

(85)【翻訳文提出日】2024-05-01

(86)【国際出願番号】 CZ2022050097

(87)【国際公開番号】W WO2023046222

(87)【国際公開日】2023-03-30

(31)【優先権主張番号】102858

(32)【優先日】2021-09-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】LU

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】518014874

【氏名又は名称】フィジカルニ ウースタヴ アーヴェー チェーエル ヴェーヴェーイー

【氏名又は名称原語表記】ＦＹＺＩＫＡＬＮＩ ＵＳＴＡＶ ＡＶ ＣＲ， Ｖ．Ｖ．Ｉ．

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100175042

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 秀明

(74)【代理人】

【識別番号】100224775

【弁理士】

【氏名又は名称】南 毅

(72)【発明者】

【氏名】橋本 浩平

(72)【発明者】

【氏名】ヒーラ，ミハル

(72)【発明者】

【氏名】スムルツ，マルティン

【テーマコード（参考）】

5F172

【Ｆターム（参考）】

5F172AL07

5F172EE15

5F172EE17

(57)【要約】

薄いディスクレーザヘッドを、レーザダイオードモジュールを用いて直接励起するビーム形成光学システムである。本発明は、レーザシステムに関する。特に、本発明は、ダイオードで励起されたレーザシステムに関する。特に、本発明は、レーザダイオード励起された薄いディスクレーザに関し、レーザヘッドは、レーザダイオード励起源にファイバケーブルによって連結される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非均一な励起源（１）からの光励起ビーム（１１）を均一化して、均一な励起ビーム（６１）を均一化された該励起ビーム（６１）を増幅する薄いディスク活性媒体を含むレーザヘッド（７）に送出するレーザシステムにおいて、
光強度が非均一な前記光ビーム（１１）を生成する源（１）と、
非均一な前記光ビーム（１１）を受光する１枚のビーム分割回転プリズム（２）であって、より長い光路を提供する第１の部分（２０１）、および、より短い光路を提供する第２の部分（２０２）を有し、非均一な該光ビーム（１１）を２つの部分に分割するように構成され、該第１の部分は、該より長い光路を通って伝播し、該第２の部分は、該より短い光路を通って伝播するように構成されて、各該部分を同じ方向に同じ角度で回転するように構成されたものであるビーム分割回転プリズム（２）と、
前記ビームの両方の部分（２１、３１）を前記ビーム分割回転プリズム（２）から受光して、均一化部（５）へと合焦させ、それにより、均一化された光励起ビーム（５１）を提供する合焦手段（３、４）と、
薄いディスクを含み、均一化された前記光ビーム（５１）を前記均一化部（５）から受光する前記レーザヘッド（７）であって、均一化された該光ビーム（５１）は該薄いディスクに向けられるものであるレーザヘッド（７）と
を含むシステム。

【請求項2】

非均一な前記光ビーム（１１）を生成する前記源（１）は、
正方形、並びに／若しくは、矩形、並びに／若しくは、円形に積層配列した複数のレーザダイオード、および／または、
非均一な前記光励起ビーム（１１）が前記ビーム分割回転プリズム（２）に送出されるように空間に配列した複数のレーザダイオード積層体（１、１０）、および／または、
複数のレーザバー、および／または、
複数のレーザ出射部である、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記均一化部（５）は、多角形の均一化部、好ましくは、非対称の幾何学形状を有する八角形の均一化部であり、垂直および水平断面寸法は、放物面鏡の収差によって導入された垂直平面と水平平面の拡大率の差を補正するように構成されたものである、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記合焦手段（３、４）は、２つの円筒レンズであり、該レンズの第２のレンズ（４）の方向は、該レンズの第１のレンズ（３）に直交し、焦点距離は、前記ビーム分割回転プリズム（２）から出射される前記ビーム（２１）のサイズに基づいて、前記均一化部（５）の開口数内に収まるように選択されるものである、請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項5】

前記複数のレーザダイオード積層体（１、１０）と前記ビーム分割回転プリズム（２）の間に配置されたアナモルフィックプリズム対（８）を、
更に含む、請求項２から４のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項6】

前記複数のレーザダイオード積層体（１、１０）と前記ビーム分割回転プリズム（２）の間に配置されたバーミラーアレイ（９）を、
更に含む、請求項２から４のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項7】

前記複数のレーザダイオード積層体（１、１０）と前記ビーム分割回転プリズム（２）の間に配置された偏光子を、
更に含む、請求項２から４のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項8】

前記複数のレーザダイオード積層体（１、１０）と前記偏光子の間に配置された１／２波長板（１２）を、
更に含む、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記複数のレーザダイオード積層体（１、１０）と前記ビーム分割回転プリズム（２）の間に配置された更なるバーミラーアレイ（９）を、
更に含む、請求項７または８に記載のシステム。

【請求項10】

非均一な励起源（１）からの光励起ビーム（１１）を均一化して、均一な励起ビーム（６１）を均一化された該励起ビーム（６１）を増幅する薄いディスク活性媒体を含むレーザヘッド（７）に送出するレーザシステムにおいて、
光強度が非均一な前記光ビーム（１１）を生成する複数の源（１）と、
ビーム分割および平行光化手段（２’）であって、
非均一な前記光ビーム（１１）を前記複数の源（１）から受光するファースト軸コリメータ（ＦＡＣ）、
前記光ビームを前記ファースト軸コリメータ（ＦＡＣ）から受光するビームツイスター、および、
非均一な前記光ビーム（１１）を前記ビームツイスターから受光するスロー軸コリメータ（ＳＡＣ）を含むものである手段と、
前記ビームを前記ビーム分割および平行光化手段（２’）から受光して、均一化部（５）へと合焦させ、それにより、均一化された光励起ビーム（５１）を提供する合焦手段（３０１、３０２）と、
薄いディスクを含み、均一化された前記光ビーム（５１）を前記均一化部（５）から受光する前記レーザヘッド（７）であって、該均一化された光ビーム（５１）は該薄いディスクに向けられるものであるレーザヘッド（７）と
を含むシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、移動自在レーザシステムに関する。特に、本発明は、非均一に励起された薄いディスクレーザシステム、好ましくは、積層レーザダイオードによって励起された薄いディスクレーザシステムに関する。好適な実施形態において、本発明は、レーザダイオードで励起された薄いディスクレーザに関し、薄い増幅ディスクを含むレーザヘッドが非均一な励起ビームを送出するレーザダイオード励起源に連結され、システムは、励起ビームを均一化する。

【背景技術】

【0002】

薄いディスクレーザは、ダイオードで励起された高出力の固体レーザである。ゲイン媒体は、厚さが直径よりかなり小さい薄いディスクである。この幾何学形状が、ディスクの全表面を効率的に冷却可能にして、一次元の熱の流れに亘って平坦な温度プロファイルを提供し、それは、自己位相変調（ＳＰＭ）または自己集束（ＳＦ）のような低いレンズおよび非線形効果効果につながる。シングルまたはダブルパスのみを用いた場合、典型的には、ディスクの厚さが薄いと、非効率な励起吸収につながる。通常、この問題はマルチパス励起配列を用いることによって解決され、その配列は、典型的には放物面鏡およびプリズム逆反射体を含んで良好に設計された光学セットアップを用いた場合にコンパクトにしうる。そのような配列は、励起ビームの質に過度に厳しい要求をすることなく、ディスクを通り抜ける励起光の複数のパスを配列するのを容易にする。

【0003】

レーザディスクは、ダイオード励起源から分離しており、励起光は、光ファイバによって、レーザヘッドに送出される。レーザヘッドは、励起光を受光して吸収する上記薄いディスクを含む。図１に、基本構成を示しており、ダイオード励起源１が励起ビームを生成し、ダイオード励起源１は、光ケーブル２を通して、励起室に連結している。励起ビームは、コリメートレンズ３に、更に、励起ビームを吸収する薄いディスク５へビームを反射するための放物面鏡４に向けられる。薄いディスク５は、ヒートシンク６に接続している。励起室において、励起ビームを受光して反射して戻す反射部７が備えられる。励起ビームの最終パスの端部で、レーザビーム８は、薄いディスクに略完全に吸収される。

【0004】

光ファイバ２は、円形の断面を有する。しかしながら、放物面鏡４から第１の反射をした後に、薄いディスク上の励起スポットの形状は楕円であり、放物面鏡４によって導入された収差により劣化している。放物面鏡から反射した後の現実の楕円励起スポット形状１０を図２に示しており、放物面鏡４の代わりに球面合焦レンズを用いた場合に得られるであろう理想的な円形形状１１も示している。図２に示した縮尺は、何ら限定するものではない。これは、図３ａに示したように提供されうる実施形態の簡単な例である。図３ｂに示すように、楕円ビームが励起室を通って伝播する時に、何度も反射した後に楕円の劣化したビームが重ね合わされて擬円形の励起スポット形状になり、図３ｃに概略的に示すように、断面は、励起スポットの重大な劣化および滲んだ縁部を示すものとなる。

【0005】

特許文献１は、均一なビームを薄いディスクへと送出するレーザシステムを開示し、励起源は、非均一な励起ビームを提供する積層レーザダイオードである。上記解決法によるレーザシステムは、均一化したビームを薄いディスクに送出可能であり、励起ビームは、増幅される。しかしながら、このシステムは、製造が容易ではない複数のマイクロレンズを含み、更に、マイクロレンズは、位置合わせについて更なる要求を必要とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】独国特許出願公開第１０８９３６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

一般的に、薄いディスクを含むレーザヘッドに送出するトップハットビームスポット、好ましくは、均一な強度の円形スポットを提供して、励起ビームの増幅が効率的かつ均一になるようにしたいという技術的要求がある。したがって、本発明は、非均一な強度を補正して、好ましくは、円形のビームプロファイルを提供するビーム形成システムを提供することを目的とする。同時に、本発明は、光ビーム位置合わせ、特に、レンズまたはプリズムなどの光学要素についての位置合わせの問題を解決すべきであり、その場合に、解決策に含まれる全光学要素に要求される精密さは、できるだけ低くなるようにすべきである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記技術的問題を、本明細書に添付の独立した請求項に記載の本発明によって解決する。

【0009】

第１の態様において、本発明は、光励起ビームを形成し、その強度を均一化することが可能なレーザシステムに関する。システムは、均一化された光励起ビームを、レーザヘッド、特に、励起ビームを増幅する薄いディスクに提供する。励起された光ビーム源は、例えば、積層レーザダイオードからの励起ビームなど、矩形または正方形であるプロファイルを有するビームなどの非均一な光ビームであり、本発明によるシステムは、均一なビームスポットを薄いディスクに送出可能であり、円形スポットを、レーザ出力として送出する。本システムは、請求項１によって画定される。

【0010】

システムは、
光強度が非均一な光ビームを生成する源であって、非均一な光ビームは、排他的ではないが、積層レーザダイオードから形成された矩形または正方形のビーム形状など、非円形のプロファイルでありうる源と、
非均一な光ビームを受光する１枚のビーム分割回転プリズムであって、より長い光路を提供する第１の部分、および、より短い光路を提供する第２の部分を有し、非均一な光ビームを２つの部分に分割するように構成され、第１の部分は、より長い光路を通って伝播し、第２の部分は、より短い光路を通って伝播するように構成されて、各部分を同じ方向に同じ角度で回転するように構成されたものであるビーム分割回転プリズムと、
ビームの両方の部分をビーム分割回転プリズムから受光して、均一化部へと合焦させ、それにより、均一化された光励起ビームを提供する合焦手段と、
薄いディスクを含み、均一化された光ビームを均一化部から受光するレーザヘッドであって、均一化された光ビームは薄いディスクに向けられるものであるレーザヘッドと
を含む。

【0011】

ビーム分割回転プリズムと光ビーム均一化部を組み合わせることで、均一化された光ビームスポットを提供し、それは、レーザヘッドに含まれる薄いディスク上に送出される。多数の多角形のスポットを回転させて重ね合わせることを繰り返すことによって、好ましくは円形に近い励起スポット形状を薄いディスク上で取得しうる。いくつかの実施形態において、ビーム分割回転プリズムは、均一化部への結合効率を高めるために、光ビームのアスペクト比をレーザビームのための励起ビームとして適するように低下させうる。更に、本発明を、手動で扱いうる移動自在システムとして製造することが可能である。更に、１枚のビーム分割プリズムであることにより、位置合わせ、および、マイクロレンズの精密性についての技術的問題が解決される。更に、１枚のビーム分割回転プリズムであることは、例えば、光学台の異なる位置に配置された複数のプリズムを必要とする解決策に伴うビーム位置合わせの問題を解決する。

【0012】

ビームを励起して均一化部に送るのに適した非均一な光ビームを生成する源は、ダイオード積層体に収容された複数のレーザダイオード、複数のダイオード積層体、複数のダイオードモジュール、または、複数の更なるレーザビームでありうる。光ビームは強度が非均一であるが、空間的に、光励起ビームを生成する源と、この光ビームを受光するビーム分割回転プリズムの間で平行光化されうるもので、いくつかの実施形態において、垂直方向の発散角は１°未満で、水平方向の発散角は５°未満でありうる。好適な実施形態において、ビームは、強度が非均一であるが、空間的に、円形、正方形、または、矩形へと配列された複数のレーザダイオードなどの非均一な光励起ビームを生成する源と、回転した励起ビームを受光して、多角形または楕円の均一化部へと合焦させる合焦手段の間で平行光化されうるもので、垂直方向の発散角は１．８°未満で、水平方向の発散角は３．６°未満でありうる。非均一な光ビームを生成する源の好適な実施形態は、請求項２によって画定される。最も好適な実施形態は、レーザダイオードなど、複数の楕円または円形のビームを含む非均一な光ビームを生成する源であり、それらは共に、積層体における配列により、矩形のエンベロープまたは正方形のエンベロープを形成する。

【0013】

ビーム分割回転プリズムは、２つの部分を有する１枚のプリズムである。第１の部分は、より長い光路を提供する。第２の部分は、より短い光路を提供する。両方の部分は、透明ガラスなど、同じ材料から製作される。非均一な光ビームは、ビーム分割回転プリズムの前面によって受光された時に、２つの部分に分割される。第１の半分は、より長い光路を通って伝播する。第２の半分は、より短い光路を通って伝播する。次に、両方の部分は、９０度で二回反射して、第１の部分と第２の部分が互いに逆の形状および強度分布を有するようにする。ビーム分割回転プリズムの裏側で、ビームは、非均一のままであるが、２倍になり、各半分は方向を変えて、互いに逆である。

【0014】

好適な実施形態において、合焦手段は、２つの円筒レンズであり、第２のレンズの方向は、第１のレンズと直交し、焦点距離は、ビーム分割回転プリズムから出射されるビームのサイズに基づいて、均一化部の開口数内に収まるように選択される。

【0015】

均一化部は、光学的に透明なレーザロッドであり、その表面には、高反射膜が備えられて、非均一な光励起ビームを多様に反射して、レーザロッドの端部では、ビームを完全に均一化する。そのような均一化部は、例えば、先行技術文献として引用した特許文献１に記載のものなど、従来から知られている。好適な実施形態において、均一化部は、多角形であり、より好ましくは、非対称の幾何学形状を有する八角形の均一化部であり、垂直および水平断面寸法は、放物面鏡の収差によって導入された垂直平面と水平平面の拡大率の差を補正するように構成される。

【0016】

更に好適な実施形態において、システムは、複数のレーザダイオード積層体、好ましくは、大きい矩形の出射領域を有する複数のレーザダイオード積層体と、ビーム分割回転プリズムの間に配置されたアナモルフィックプリズム対を更に含む。アナモルフィックプリズム対は、非均一な光ビームのサイズを縮小して、更に、非均一な光ビームを略正方形に変換して、ビームがビーム分割回転プリズム上に収まるようにしうる。

【0017】

更に好適な実施形態において、システムは、非均一な光ビームの複数の源を含む。非均一な光ビームの少なくとも２つの源は、より強力に励起して、高出力の励起パワーのレーザビームが、レーザヘッドから出射される。

【0018】

更に好適な実施形態において、システムは、複数のレーザダイオード積層体とビーム分割回転プリズムの間に配置されたバーミラーアレイを、更に含む。

【0019】

更に好適な実施形態において、システムは、複数のレーザダイオード積層体とビーム分割回転プリズムの間に配置された偏光子を更に含む。更に好適な実施形態において、１／２波長板が、レーザダイオード積層体の前に挿入される。この配列は、２つの偏光したビームを結合して、１つのより強力なビームにする。

【0020】

更に好適な実施形態において、システムは、複数のレーザダイオード積層体とビーム分割回転プリズムの間に配置されたバーミラーアレイを更に含む。この配列は、レーザダイオード積層体の１つの中のバーから出射されたビームを第２のダイオード積層体の出射方向に反射することによって、ビームを結合して、１つのより強力なビームにする。

【0021】

更に好適な実施形態において、システムは、ファースト軸コリメータおよびスロー軸コリメータを有するレーザダイオード積層体モジュールを更に含み、０．５°未満のファースト軸発散角、および、４°未満のスロー軸発散角を提供する。

【0022】

本発明の代わりの実施形態は、非均一な励起源からの光励起ビームを均一化して、均一な励起ビームを、均一化された励起ビームを増幅する薄いディスク活性媒体を含むレーザヘッドへ送出するレーザシステムである。

【0023】

システムは、
光強度が非均一な光ビームを生成する複数の源と、
ビーム分割および平行光化手段であって、
非均一な光ビームを複数の源から受光するファースト軸コリメータ、
光ビームをファースト軸コリメータから受光するビームツイスター、および、
非均一な光ビームをビームツイスターから受光するスロー軸コリメータを含むものである手段と、
ビームをビーム分割および平行光化手段から受光して、均一化部へと合焦させ、それにより、均一化された光励起ビームを提供する合焦手段と、
薄いディスクを含み、均一化された光ビームを均一化部から受光するレーザヘッドであって、均一化された光ビームは薄いディスクに向けられるものであるレーザヘッドとを含む。

【0024】

他の実施形態において、八角形の均一化部は、平均パワーで１ｋＷまでの励起パワーについて、１．３ｍｍの幅、１．６ｍｍの高さ、および、４５度で０．４ｍｍの面取りの八角形の前面寸法を有する。

【0025】

他の実施形態において、八角形の均一化部は、８０～１００ｍｍの範囲の長さを有する。

【0026】

更に他の実施形態において、八角形の均一化部は、１００～１２０ｍｍの範囲の長さを有する。

【0027】

更に他の実施形態において、八角形の均一化部は、１２０～１５０ｍｍの範囲の長さを有する。

【0028】

上記実施形態は、限定されることなく、全産業分野、特に、切断、エッチング、アニーリング、溶接、穿孔、半田付け、高温プラズマ生成、粒子加速分野で、または、科学器具として利用しうる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】従来例による励起室に位置する薄いディスクを含むダイオード励起固体レーザ装置を示す概略図である。

【図2】レンズ系システムからの最適な円形の励起スポットと、従来例による放物面鏡からの反射により生じた楕円ビームとの差を示す概略図である。

【図3a】従来例によるレーザシステムに基づくシミュレーション結果を表し、従来技術の励起ファイバ先端の端部からのビーム伝播を示している。

【図3b】従来例によるレーザシステムに基づくシミュレーション結果を表し、放物面鏡からの第１の反射を通ったビーム伝播を示している。

【図3c】従来例によるレーザシステムに基づくシミュレーション結果を表し、放物面鏡からの全ての反射が重なる位置へのビーム伝播を示している。

【図3d】最終的な励起スポット構造の断面を示している。

【図4a】本発明によるレーザシステムに基づくシミュレーション結果を表し、本発明の均一化部の端部からのビーム伝播を示している。

【図4b】本発明によるレーザシステムに基づくシミュレーション結果を表し、放物面鏡からの第１の反射を通ったビーム伝播を示している。

【図4c】本発明によるレーザシステムに基づくシミュレーション結果を表し、放物面鏡からの全ての反射が重なる位置へのビーム伝播を示している。

【図4d】最終的な励起スポット構造の断面を示している。

【図5】本発明の実施形態を示す概略図である。

【図6】本発明の一実施形態によるビーム分割プリズムの詳細図である。

【図7】本発明の一実施形態による均一化部における励起ビーム断面強度進展のシミュレーション結果を表す。

【図8】本発明による均一化部を示し、励起ビームは励起室に向けられており、均一化部の端部および薄いディスク上のビームプロファイルも示している。

【図9】本発明の一実施形態による何度も反射してビーム分割回転プリズム、均一化部、および、励起室を通って伝播した後の薄いディスク上での励起ビームプロファイルのシミュレーション結果を示す。

【図10a】図５の実施形態からの出力としてシミュレーションした最終的な励起スポットサイズの断面を表す。

【図10b】図５の実施形態からの出力としてシミュレーションした最終的な励起スポットサイズの断面を表す。

【図11】本発明の他の実施形態によるアナモルフィックプリズム対を更に含む改良した実施形態を示す概略図である。

【図12】図１１の第２の実施形態の断面を表す概略図であり、励起ビームの光路を概略的に示している。

【図13】本発明の第３の実施形態によるバーミラーアレイ、および、４００Ｗのレーザビームを提供する２つのダイオード積層体を用いたパワースケーリング配列を目的とし更に改良した実施形態を示している。

【図14】２つのダイオード積層体を有する図１３に示した実施形態の上面図であり、励起ビームの伝播と共に示している。

【図15】図１４の実施形態による薄膜偏光子、１／２波長板、および、４００Ｗのレーザビームを提供する２つのダイオード積層体を有するパワースケーリング配列を目的とした更なる実施形態を示している。

【図16】図１５の実施形態の上面図である。

【図17】ビームを均一化する代わりの実施形態を示している。

【図18】図１７の代わりの実施形態についての詳細図であり、ファースト軸コリメータ（ＦＡＣ）、ビームツイスター（ＢＴ）およびスロー軸コリメータ（ＳＡＣ）を有するレーザダイオードを含む本発明による実施形態を表している。

【図19】レーザダイオード積層体における４つのダイオードバーからの強度ビーム分布をビームの矩形エンベロープと共に示している。

【図20】本発明で用いる八角形の均一化部を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下の記載は、均一化されて形成された光ビームを提供可能なシステムの例示的な実施形態を示す。この光ビームを、レーザビームを出射するレーザヘッド、特に、直接レーザダイオード励起のコンパクトでロバストなレーザヘッドに向ける励起ビームとして用いうる。励起光ビームは、レーザダイオード積層体などの複数の光源によって出射されて、その結果、光強度が非均一な光ビームを生じる。レーザダイオード積層体の場合には、最終的なエンベロープは、レーザダイオード積層体の形状に応じて、矩形または正方形でありうる。一般的に、均一なビーム、例えば、トップハットビームを、レーザヘッドに送出することが望まれる。本発明の主な利点は、レーザシステムの移動自在性、および、システム内で光学要素の位置合わせを更に必要とせずに、システムの設置が容易なことである。

【0031】

第１の例において、本発明者らは、レーザダイオード積層体を用いて、薄いディスクレーザヘッドの直接励起を提案し、それは、多くの利点を提供する。第１に、励起光をファイバ連結されたレーザダイオードから薄いディスクレーザヘッドに送出するのに通常用いる光ファイバを用いないことにより、ロバスト性および信頼性が大きく改良する。そのような光ファイバは、特に設置の際に注意深い取扱いを必要とし、産業用の薄いディスクレーザ装置の場合には、設置作業の一部は顧客の現場で行われて、レーザ装置から出たファイバはファイバ連結されたレーザダイオードを有するレーザ筐体に接続される（両方のモジュールを、運搬および一部の設置作業のために切り離す必要がある）。この設計により、接続時に、高出力のファイバの先端を破損する危険がいつもある。

【0032】

第２に、光ファイバを用いずに、高価で複雑なファイバ連結レーザダイオードモジュールの代わりに、安価なレーザダイオード積層体を直接用いることで、薄いディスクレーザのコストを大きく削減しうる。

【0033】

他の重要な改良点は、ビーム励起源の保守が簡単になることである。ダイオードと平行光化光学機器が別々なので、欠陥のあるレーザダイオード積層体のみの交換を可能にしうる。これに対して、既存のファイバ連結されたレーザダイオードモジュールは、通常全モジュールの保守修理を必要とし、レーザダイオード積層体を交換する際に、ファイバ連結する光学機器を再度位置合わせする必要があり、修理作業全体がより複雑になる。

【0034】

更に、この解決策は、異なるゲイン材料の場合に、単に適切なレーザダイオード積層体を広範囲の利用可能な励起波長から選択することによって、他の励起波長を用いることが可能なので、更なる利点を提供する。その他にも、光ファイバを用いないことで、この構成要素が限定要因ではなくなるので、更なる励起波長を検討しうるようになり、２μｍ範囲のレーザの場合に重要である。

【0035】

標準的なファイバ励起されたレーザヘッドの場合、ファイバからの励起ビームは円形で（図３ａ）、レーザヘッドの放物面鏡から反射した後に、放物面鏡の収差により変形して、薄いディスク上のスポットは、断面が楕円で劣化し、中心から反れている（図３ｂ）。この楕円ビームが励起室を通って伝播する時に、何度も反射した後に、楕円の劣化したビームが重ね合わさった結果、擬円形の励起スポット形状（図３ｃ）を生じ、図３ｄのシミュレーション結果に示すように、断面は、励起スポットの重大な劣化および滲んだ縁部を示すものとなる。本発明において、本発明らは、放物面鏡の収差を補正して、均一化部を出る時のビームは、楕円形状（図４ａ）で、放物面鏡から反射した後に、薄いディスク上で対称になる（図４ｂ）。このビームは、励起室を通って伝播し、何度も反射した後に、ビームが重ね合わさった結果、円形の励起スポット形状（図４ｃ）を生じ、断面は、ファイバ励起された解決策と比べて、励起スポットの形状が大きく改良したことを示している（図４ｄ）。

【0036】

図５は、本発明の実施形態の詳細図である。特に、図５は、非均一な光ビーム１１を生成する源１を示している。非均一な光ビーム１１は、例えば、図１９に示したような異なる強度プロファイルを有する。そのような強度分布は、矩形のレーザダイオード積層体１における複数のダイオードの配列によって提供されうる。図５は、更に、非均一な光ビーム１１を、源１、特に、レーザダイオード積層体１から受光する１枚のビーム分割回転プリズム２を示している。非均一なビーム１１の源１は、９４０ｎｍ波長で平均２００Ｗのパワーを送出する４つのバー（バー毎に１９の出射部）を有するレーザダイオード積層体を含みうる。出射したビームは、ファースト軸コリメータおよびスロー軸コリメータで平行光化される。その後、図５に示すように、ビームは、２つに分割され、９０度回転されて、２つの円筒レンズの組によって、八角形の均一化ロッドに合焦される。ビーム分割回転プリズム２は、ビーム１１を２つの部分に分割して、第１の部分２０１は、より長い光路を通って伝播し、第２の部分２０２は、より短い光路を通って伝播するように構成される。プリズム２は、各部分を同じ方向に同じ角度で回転するように構成される。しかしながら、光路差により、第１の部分２０１に生じたビーム２１は、ビーム２１の第２の部分２０２に対して逆になる。したがって、ビーム２１は、非均一なビーム１１に対して２倍になる。図５は、合焦手段３、特に、２つの円筒レンズ３、４を示しており、第２のレンズ４の方向は、第１のレンズ３に直交し、焦点距離は、ビーム分割回転プリズム２から出射されるビームのサイズに基づいて、均一化部の開口数内に収まるように選択される。図５は、更に、上記先行技術文献に記載の従来例の均一化部でありうる均一化部５を示している。均一化部５からの光ビームは、完全に均一化されて、励起ビームを増幅するための薄いディスクレーザヘッドに容易に合焦される。レーザヘッド７への合焦は、従来の合焦手段６によって提供されうる。

【0037】

図６は、非均一な励起光ビーム１１を受光するビーム分割回転プリズム２の詳細図である。図６は、ビーム分割回転プリズム２の構造図であり、特に、線で示した短い光路および長い光路を提供する２つの部分２０１、２０２を示している。ビーム分割回転プリズムは、２つの部分を有する。ビーム分割回転プリズムは、結晶体またはガラスなどの１枚の材料から製造される。製造方法は、それらの部分を別々に製造して、その後に、結合するものでありうる。第１の部分は、より長い光路を提供し、したがって、スロー軸に対応する。ビーム分割回転プリズムの第１の部分と比べて、第２の部分は、より短い光路を提供する。この図面から分かるように、ビーム２１は、更に、合焦手段３である１対の円筒レンズ３、４を通って伝播し、次に、ビーム４１は均一化部５に伝播する。

【0038】

本発明で得られる円形で均一な励起スポット構造を、図７のシミュレーション結果に示している。この高品質な励起スポットの形状は、シングルモード（ＴＥＭ００）領域で動作する高出力の薄いディスクレーザの性能に重要である。特に、図７は、ビーム均一化部５を通って何度も反射することによって均一化されたビームの処理を示している。

【0039】

図８は、均一化部５から出射された励起ビーム５１が合焦手段６によって受光されて、合焦された均一化された励起ビーム６１がレーザヘッド７に送られるのを示している。レーザヘッド７は、ビーム６１を薄いディスクに送る複数のミラーを含みうる。薄いディスク、レーザヘッド７、および、励起ビームの増幅処理は、従来から知られている。

【0040】

図９は、本発明によるシステムから得られる増幅された均一なビームのシミュレーション結果を示している。

【0041】

図１０ａ、１０ｂは、図９のビームスポットの断面である。

【0042】

図１１は、ビーム分割回転プリズム２とレーザダイオード積層体１の間に配置された１対のアナモルフィックプリズム８を示している。

【0043】

図１２は、図１１に示した実施形態の上面図である。

【0044】

本発明の励起パワーを高めるために、本発明の更なる実施形態に組み込んだ３つのアプローチがある。特定の実施形態において、多数のダイオードバーを有するレーザダイオード積層体を用いうる。図１１、１２に示すように、レーザダイオードの出射領域が増加するので、アナモルフィックプリズム対８を用いて、ビームサイズを縮小し、ビーム分割回転プリズム上に収まるようにしうる。

【0045】

パワーを高める他の方法は、図１３、１４に示すように、バーミラーアレイ１１を用いて、第２（または、それより多く）のダイオード積層体のビームを同じ方向に曲げることによる２つ（または、それより多く）のレーザダイオード積層体のビーム組合せである。

【0046】

図１５、１６に示すように、薄膜偏光子１２および１／２波長板９１を用いて、２つ（または、それより多く）のダイオード積層体からの多数のビームを組み合わせることも可能であり、偏光を変化させることによって、第２（または、それより多く）のダイオード積層体からのビームを、第１のダイオード積層体からのビームに組み合わせることも可能である。非均一なビーム１０２、１０１が組み合わされる。

【0047】

上記のようなパワーを高める方法を用いることによって、ｋＷレベルの励起パワーを取得しうる。

【0048】

本発明の代わりの実施形態を、図１７、１８に示している。レーザシステムは、非均一な励起源１からの光励起ビームを均一化して、均一な励起ビームを均一化された励起ビームを増幅する薄いディスク活性媒体を含むレーザヘッド７に送出するものであり、システムは、光強度が非均一な光ビームを生成する複数の源１と、ビーム分割および平行光化手段２’であって、非均一な光ビーム１１を複数の源１から受光するファースト軸コリメータＦＡＣ、光ビームをファースト軸コリメータＦＡＣから受光するビームツイスター、および、非均一な光ビーム１１をビームツイスターから受光するスロー軸コリメータＳＡＣを含むものである手段と、ビームをビーム分割および平行光化手段２’から受光して、均一化部５へと合焦させ、それにより、均一化された光励起ビーム５１を提供する合焦手段３０１、３０２と、薄いディスクを含み、均一化された光ビーム５１を均一化部５から受光するレーザヘッド７であって、均一化された光ビーム５１は薄いディスクに向けられるものであるレーザヘッド７とを含む。

【0049】

図２０は、均一化部の好適な実施形態をサイズと共に示している。

【符号の説明】

【0050】

１ レーザダイオード積層体
２ ビーム分割回転プリズム
３ 第１のレンズ
４ 第２のレンズ
５ 均一化部
６ 合焦手段
７ レーザヘッド
８ アナモルフィックプリズム対
９ バーミラーアレイ
１０ 非均一なビームの第２の源‐第２のダイオード積層体
１２ １／２波長板
ＦＡＣ ファースト軸コリメータ
ＢＴ ビームツイスター
ＳＡＣ スロー軸コリメータ

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図3d】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図4d】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10a】

【図10b】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【手続補正書】

【提出日】2024-05-27

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非均一な励起源からの光励起ビームを均一化して、均一な励起ビームを均一化された該励起ビームを増幅する薄いディスク活性媒体を含むレーザヘッドに送出するレーザシステムにおいて、
光強度が非均一な前記光ビームを生成する源と、
非均一な前記光ビームを受光する１枚のビーム分割回転プリズムであって、より長い光路を提供する第１の部分、および、より短い光路を提供する第２の部分を有し、非均一な該光ビームを２つの部分に分割するように構成され、該第１の部分は、該より長い光路を通って伝播し、該第２の部分は、該より短い光路を通って伝播するように構成されて、各該部分を同じ方向に同じ角度で回転するように構成されたものであるビーム分割回転プリズムと、
前記ビームの両方の部分を前記ビーム分割回転プリズムから受光して、均一化部へと合焦させ、それにより、均一化された光励起ビームを提供する合焦手段と、
薄いディスクを含み、均一化された前記光ビームを前記均一化部から受光する前記レーザヘッドであって、均一化された該光ビームは該薄いディスクに向けられるものであるレーザヘッドと
を含むシステム。

【請求項2】

非均一な前記光ビームを生成する前記源は、複数のレーザダイオードである、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記均一化部は、多角形の均一化部である、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記合焦手段は、２つの円筒レンズであり、該レンズの第２のレンズの方向は、該レンズの第１のレンズに直交し、焦点距離は、前記ビーム分割回転プリズムから出射される前記ビームのサイズに基づいて、前記均一化部の開口数内に収まるように選択されるものである、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記複数のレーザダイオード積層体と前記ビーム分割回転プリズムの間に配置されたアナモルフィックプリズム対を、
更に含む、請求項２に記載のシステム。

【請求項6】

前記複数のレーザダイオード積層体と前記ビーム分割回転プリズムの間に配置されたバーミラーアレイを、
更に含む、請求項２に記載のシステム。

【請求項7】

前記複数のレーザダイオード積層体と前記ビーム分割回転プリズムの間に配置された偏光子を、
更に含む、請求項２に記載のシステム。

【請求項8】

前記複数のレーザダイオード積層体と前記偏光子の間に配置された１／２波長板を、
更に含む、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記複数のレーザダイオード積層体と前記ビーム分割回転プリズムの間に配置された更なるバーミラーアレイを、
更に含む、請求項７に記載のシステム。

【請求項10】

非均一な励起源からの光励起ビームを均一化して、均一な励起ビームを均一化された該励起ビームを増幅する薄いディスク活性媒体を含むレーザヘッドに送出するレーザシステムにおいて、
光強度が非均一な前記光ビームを生成する複数の源と、
ビーム分割および平行光化手段であって、
非均一な前記光ビームを前記複数の源から受光するファースト軸コリメータ、
前記光ビームを前記ファースト軸コリメータから受光するビームツイスター、および、
非均一な前記光ビームを前記ビームツイスターから受光するスロー軸コリメータを含むものである手段と、
前記ビームを前記ビーム分割および平行光化手段から受光して、均一化部へと合焦させ、それにより、均一化された光励起ビームを提供する合焦手段と、
薄いディスクを含み、均一化された前記光ビームを前記均一化部から受光する前記レーザヘッドであって、該均一化された光ビームは該薄いディスクに向けられるものであるレーザヘッドと
を含むシステム。

【請求項11】

非均一な前記光ビームを生成する前記源は、非均一な前記光励起ビームが前記ビーム分割回転プリズムに送出されるように空間に配列した複数のレーザダイオード積層体である、請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

非均一な前記光ビームを生成する前記源は、複数のレーザバーである、請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

非均一な前記光ビームを生成する前記源は、複数のレーザ出射部である、請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

前記多角形の均一化部は、非対称の幾何学形状を有する八角形の均一化部であり、垂直および水平断面寸法は、放物面鏡の収差によって導入された垂直平面と水平平面の拡大率の差を補正するように構成されたものである、請求項３に記載のシステム。

【国際調査報告】