JP2013521666A - 波長ビーム結合システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

複数のレーザ・エレメントを利用または結合するときに、出力パワー、ならびに空間的輝度および／またはスペクトル輝度を高めるシステムおよび方法を提供する。
【選択図】図２Ａ

Description

関連出願に対する相互引用
本願は、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号の優先権を主張するものである。これらの出願を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。
１．発明の分野
本実施形態は、一般にはレーザ・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

２．従来技術の説明
波長ビーム結合（ＷＢＣ：wavelength beam combining）は、ダイオード・バーおよびスタックからの出力のパワーおよび輝度をスケーリング(scaling)する。

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。しかしながら、ここに記載した従前からの方法は、システムの全体的なフットプリントをスケーリングする際に柔軟性向上を考慮しておらず、キロワットのパワー、数十および数百キロワットのパワー、そしてメガワットものパワーをも生成するために出力のパワーおよび明るさをスケーリングしつつ、アパーチャが大きい光学系の懸念に取り組む際における柔軟性も考慮していない。種々の工業用途、科学用途、および防衛用途に答えるためには、スペクトル輝度および出力パワー増大に合わせた、方法およびシステムの改良が必要とされる。

本出願は、上述した課題を解決することを追求する。

レーザには、多数の工業用途、科学用途、および防衛用途がある。工業用途には、金属切断、スポット溶接、シーム溶接、穿孔、精密切断、およびけがき(marking)が含まれる。科学用途には、天文学用レーザ・ガイド星(laser-guide star for astronomy)、重力波検出、レーザ冷却および捕獲、ならびにレーザに基づく粒子加速が含まれる。防衛用途には、レーザに基づく兵器、レーザ誘起火花、およびＬＩＤＡＲが含まれる。

前述のように応用可能なレーザの例には、高平均および高ピークのパワー・ファイバ・レーザおよび増幅器、高平均および高ピークのパワー・アイセーフ(eye-safe)エルビウム・ドープ（Ｅｒ−ドープ）ファイバ・レーザおよび増幅器、工業用レーザの準連続波（ＱＣＷ：quasi-continuous wave）あるいはパルス状動作または長パルス状動作、工業用レーザの短パルス状（数ｎｓから数百ｎｓのパルス幅）動作等が含まれる。

前述したような、応用可能なレーザを含む、本明細書に記載したレーザのいずれかに波長ビーム結合を応用すると、レーザ利用に影響を及ぼす関連要因の多くを大幅に改善することが可能になる。パワー出力のような側面(aspects)を大幅に増大させることができ、輝度を大幅に高めることができ、コストを劇的に低減することができ、熱およびファイバに関する光学系の課題を容易に克服すること、または重大ではないところまで軽減することができ、全体的なサイズを縮小することができる等である。これらおよびその他の要因の結果を、波長ビーム結合によって、２桁以上改良することができる場合もある。
レーザ(LASERS)
以下の概略的な説明において記載するレーザのようなレーザは、本明細書において記載するイノベーションについての実施形態と関連付けて使用することができる。

レーザは、一般に、光の誘導放出によって可視光または不可視光を生成するデバイスと定義することができる。「レーザ(Laser)」は、本来、「輻射の誘導放出による光増幅(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)」の頭文字語であり、１９５７年にレーザの開発者であるGordon Gouldによって名付けられたが、現在では、一般にレーザの原理を使用して光を生成するデバイスに専ら使用されている。

レーザは、通常、種々の用途においてこれらが有用となる特性を有する。レーザの特性は、以下のことを含むことができる。光をレーザ・ビームとして放出する。レーザ・ビームは、大きく拡散することなく、長い距離を伝搬することができ、非常に小さな点に合焦することができる。非常に広いスペクトルを生成する殆どの他の光源と比較して、帯域幅が非常に狭い。光を連続的に放出することができ、あるいは僅か数フェムト秒も可能な短いバースト（パルス）で放出することもできる。

レーザは、種々のタイプで市販されることがある。極普通のレーザ・タイプには、半導体レーザ、ソリッド・ステート・レーザ、ファイバ・レーザ、およびガス・レーザが含まれる。

半導体レーザ（殆どのレーザ・ダイオード）は、電気的または光学的に励起され (pump)、通常非常に高い出力パワーを効率的に発生することができるが、乏しいビーム品質を犠牲にする場合が多い。半導体レーザは、ＣＤおよびＤＶＤプレーヤにおける用途に合わせて、優れた空間特性で低いパワーを生成することもできる。更に他の半導体レーザには、高いパルス・レート、低いパワーのパルス（例えば、電気通信用途用）を生成するのに適したものもある。特殊なタイプの半導体レーザには、量子カスケード・レーザ（中間赤外線光用）、および表面放出半導体レーザ（ＶＣＳＥＬおよびＶＥＣＳＥＬ）が含まれ、後者は高いパワーのパルス発生にも適している。更に、半導体レーザについては、「レーザ・ダイオード(LASER DIODE)」という題の下で本明細書の他のところで説明する。

ソリッド・ステート・レーザは、イオン・ドープ・クリスタルまたはガラス（例えば、ドープ絶縁レーザ）に基づくことができ、放電ランプまたはレーザ・ダイオードによって励起し、高い出力パワーを発生することができる。あるいは、ソリッド・ステート・レーザは、非常に高いビーム品質、スペクトル純度、および／または安定性（例えば、測定の目的のため）で低いパワー出力を生成することもできる。ソリッド・ステート・レーザの中には、ピコ秒またはフェムト秒期間の超短パルスを生成できるものもある。ソリッド・ステート・レーザで使用される共通の利得媒体(gain media)には、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ガラス、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ガラス、Ｔｉ：サファイア、Ｃｒ：ＹＡＧ、およびＣｒ：ＬｉＳＡＦが含まれる。

ファイバ・レーザは、ファイバ・コア内に何らかのレーザ活性イオンがドープされた光学グラス・ファイバに基づくことができる。ファイバ・レーザは、波長同調動作(wavelength-tuning operation)を妨げてきた、高いビーム品質で非常に高い出力パワー（キロワットまで）を達成することができる。狭幅ライン幅動作(narrow line width operation)等も、ファイバ・レーザによってサポートすることができる。

ガス・レーザは、ヘリウム−ネオン・レーザ、ＣＯ２レーザ、アルゴン・イオン・レーザなどを含み、通例放電によって励起されるガスに基づくことができる。頻繁に使用されるガスには、ＣＯ２、アルゴン、クリプトン、およびヘリウム−ネオンのようなガス混合体が含まれる。加えて、エキシマ・レーザは、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＦ、およびＦ２の内いずれかに基づくことができる。その他の余り一般的でないタイプのレーザには、化学および核励起レーザ、自由電子レーザ、およびＸ−線レーザが含まれる。
レーザ・ダイオード(LASOR DIODE)
以下の概略的な説明において説明するレーザ・ダイオードのような、レーザ・ダイオードは、本明細書において記載するイノベーションの実施形態と関連付けて、そして本明細書において引用する証拠において、使用することができる。

レーザ・ダイオードは、一般に、光子（光）の放出をサポートする単純なダイオード構造を基本とする。しかしながら、効率、パワー、ビーム品質、輝度、同調可能性(tunability)等を改良するために、この単純な構造を修正して、種々の多くの実用的なタイプのレーザ・ダイオードを提供するのが一般的である。レーザ・ダイオードは、端面放出に様々な細かい変化を含み、高いビーム品質のビームで数ミリワットから凡そ半ワットの出力パワーを発生するタイプがある。レーザ・ダイオードの構造タイプには、２つの高バンドギャップ層の間に狭持された低バンドギャップ材料の層を含む二重ヘテロ−構造レーザ、非常に薄い中間層（量子井戸層）を含み、レーザのエネルギの高い効率および量子化が得られる量子井戸レーザ、１つよりも多い量子井戸層を含み、利得特性を改良する多重量子井戸レーザ、中間層をワイヤまたはドットと置き換えて、更に高い効率の量子井戸レーザを生成する量子ワイヤまたは量子の海(quantum sea)（ドット）レーザ、比較的長い波長においてレーザ動作を可能とし、量子層の厚さを変えることによって波長に同調することができる量子カスケード・レーザ、最も一般的に市販されているレーザ・ダイオードであり、量子井戸層の上下に他にも２層を含み、生成された光を効率的に閉じ込める分離閉じ込めヘテロ構造レーザ(separate confinement heterostructure laser)、厳しい光通信用途において一般に使用され、集積された回折格子を含み、１つの波長を反射させて利得領域に戻すことによって製造中に安定した波長セットを発生し易くした分散フィードバック・レーザ、光が端面からではなく表面から放出されるということから、他のレーザ・ダイオードとは異なる構造を有する垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、主に二重ヘテロ構造ダイオードを使用し、格子または多重プリズム格子構成を含む同調可能なレーザである、垂直外部キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）および外部キャビティ・ダイオード・レーザが含まれる。外部キャビティ・ダイオード・レーザは、多くの場合波長が同調可能であり、小さな放出ライン幅を呈する。また、レーザ・ダイオードのタイプには、種々の高パワー・ダイオード系レーザも含まれる。高パワー・ダイオード系レーザには、１×１００μｍの矩形出力ファセットを有するマルチモード・ダイオードを特徴とし、通常ビーム品質は乏しいが数ワットのパワーを発生するブロード・エリア・レーザ(broad area laser)、１×１００μｍのテーパー状出力ファセットを有する非点モード・ダイオードを特徴とし、ブロード・エリア・レーザと比較すると、改良されたビーム品質および輝度を呈するテーパー状レーザ、１×４μｍの楕円形出力ファセットを有する楕円モード・ダイオードを特徴とするリッジ導波路レーザ、および４×４μｍのより大きな出力ファセットを有する円形モード・ダイオードを特徴とし、ほぼ円断面の回折限界ビームにおいてワット・レベルの出力を発生することができるスラブ結合光導波路レーザ（ＳＣＯＷＬ：slab-coupled optical waveguide laser）が含まれる。以上に記載したものに加えて、他のタイプのダイオード・レーザも報告されている。
レーザ・ダイオード・アレイ（配列）、バー、およびスタック（積み重ね）(LASER DIODE ARRAYS, BARS AND STACKS)
レーザ・ダイオード・アレイ、バー、および／またはスタックは、本明細書において記載するイノベーションの実施形態と関連付けて、そして本明細書において引用する証拠において、使用することができる。

レーザ・ダイオードは、一般に、一次元の行／アレイ（ダイオード・バー）または二次元のアレイ（ダイオード・バー・スタック）に、個別にまたは纏めてパッケージ化することができる。ダイオード・アレイ・スタックは、一般に、ダイオード・バーの垂直スタックである。レーザ・ダイオード・バーまたはアレイでは、一般に、同等の１つのブロード・エリア・ダイオードよりも遙かに高いパワー、および価格効率性が得られる。高パワー・ダイオード・バーは、一般に、ブロード・エリア・エミッタのアレイを内蔵し、比較的乏しいビーム品質で、数十ワットを発生する。ブロード・エリア・レーザ・ダイオードよりもパワーは高いのであるが、輝度はこれよりも低い場合が多い。高パワー・ダイオード・バーをスタックして、数百または数千ワットという非常に高いパワーを発生するための高パワー・スタック・ダイオード・バーを生成することができる。レーザ・ダイオード・アレイは、自由空間またはファイバ内にビームを入射させるように構成することができる。ファイバ結合ダイオード・レーザ・アレイは、ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器のための励起源(pumping source)として便利に用いることができる。

ダイオード・レーザ・バーは、ブロード・エリア・エミッタの一次元アレイを内蔵する、または代わりに１０から２０個の狭い帯状エミッタ(narrow stripe emitter)を内蔵する半導体レーザの一タイプである。ブロード・エリア・ダイオード・バーは、通例、１９から４９個のエミッタを内蔵し、各エミッタは、例えば、１×１００μｍ程度の幅となっている。１μｍ次元即ち進相軸に沿ったビーム品質は、通例、回折制限を受ける。１００μｍ次元即ち遅相軸、または配列次元(array dimension)に沿ったビーム品質は、通例、何倍も回折制限を受ける。通例、商用のダイオード・バーは、長さが１から４ｍｍ程度のレーザ・キャビティを有し、幅が約１０ｍｍであり、数十ワットの出力パワーを発生する。殆どのダイオード・バーは、７８０から１０７０ｎｍの波長領域で動作し、８０８ｎｍ（ネオジム・レーザを励起するため）および９４０ｎｍ（Ｙｂ：ＹＡＧを励起するため）が最も突出している。９１５から９７６ｎｍの波長範囲は、エルビウム・ドープまたはイットリウム・ドープの高パワー・ファイバ・レーザおよび増幅器を励起するために使用される。

通常取り組まれるダイオード・バーの特性は、出力空間ビーム・プロファイル(output spatial beam profile)である。殆どの用途では、ビーム・コンディショニング光学系が必要となる。したがって、ダイオード・バーまたはダイオード・スタックの出力をコンディショニングするために、多くの場合多大な労力が必要となる。コンディショニング技法には、ビーム品質を保存しつつビームを平行化するために非球面レンズを使用することが含まれる。進相軸に沿った出力ビームを平行化するために、微小光学進相軸コリメータが使用される。非球面円筒形レンズのアレイが、アレイ即ち遅相軸に沿った各レーザ・エレメントの平行化に、多くの場合使用される。ほぼ円形のビーム・ウェストを有するビームを得るためには、各ダイオード・バーまたはアレイのビーム品質を対称にするための特殊ビーム・シェーパを適用することができる。ダイオード・バーの劣化特性(degrading property)は、「スマイル」(smile)、即ち、本質的に平面状に接続されるエミッタにおける小さな湾曲である。スマイルの不具合(smile error)は、ダイオード・バーからのビームを合焦する能力に、有害な影響を与える可能性がある。他の劣化特性に、遅相および進相軸の平行化誤差がある。例えば、進相軸平行化レンズを捻ると、事実上のスマイルが生ずる。これは、合焦する能力に有害な影響を及ぼす。スタックにおいて、各バーの「指向」誤差が最も目立つ影響である。指向誤差(pointing error)は、平行化誤差となる。これは、進相軸レンズからアレイまたはバーが偏倚した結果である。１μｍの偏倚は、アレイ全体が１μｍのスマイルを有することと同じである。

ダイオード・バーおよびダイオード・アレイは、横断方向またはフィラメント形成における増幅自発放出または寄生レーザ発振というような、非常に広い単一エミッタの欠点を解消する。また、ダイオード・アレイはより安定なモードのプロファイルで動作することができる。何故なら、各エミッタがそれ自体のビームを生成するからである。隣り合うエミッタのコヒーレント結合をある程度利用する技法では、ビーム品質を高めることができる。このような技法は、ダイオード・バーの製作において含めることができるが、他の技法では外部キャビティを必要とする場合もある。ダイオード・アレイの他の利点は、このアレイの幾何学的形状が、ダイオード・バーおよびアレイを、遙かに高いビーム品質を得るためのコヒーレントまたはスペクトル・ビーム結合に非常に適したものにすることである。

バーまたはアレイを加工せずに提供することに加えて、ダイオード・アレイはファイバ結合形式でも入手可能である。何故なら、こうする方が、光が使用される場所からある距離だけ離れてダイオードの冷却が行われるように、 各エミッタの出力を利用すること、およびダイオード・バーを装着することが遙かに容易となるからである。通常、単純な進相軸コリメータを使用し遅相軸方向ではビーム・コンディショニングを行わずに、または輝度をより良く保存するために一層複雑なビーム・シェーパを使用して、光は１本のマルチモード・ファイバに結合される。また、エミッタからファイバの束（エミッタ毎に１本のファイバ）にビームレットを発射することも可能である。

ダイオード・バーまたはダイオード・アレイの放出帯域幅は、用途によっては、重要な考慮事項となる。光フィードバック（例えば、体積型ブラッグ格子からの）は、波長許容範囲(wavelength tolerance)および放出帯域幅を大幅に改良することができる。加えて、帯域幅および正確な中心波長も、スペクトル・ビーム結合には重要となる可能性がある。

ダイオード・スタックは、単に、非常に高い出力パワーを送り出すことができる、多数のダイオード・バーの配列に過ぎない。ダイオード・レーザ・スタック、マルチバー・モジュール、または二次元レーザ・アレイとも呼ばれる、最も一般的なダイオード・スタックの配列は、事実上端面放射型発光ダイオード(edge emitter)の二次元アレイである、垂直スタックのそれである。このようなスタックは、ダイオード・バーを薄いヒート・シンクに取り付け、ダイオード・バーおよびヒート・シンクの周期的なアレイを得るようにこれらの組立体をスタックすることによって製作することができる。また、水平ダイオード・スタック、および二次元スタックもある。

高ビーム品質を得るためには、一般に、ダイオード・バーをできるだけ互いに近づけなければならない。一方、効率的な冷却には、バーの間に装着するヒート・シンクには何らかの最小厚さが必要となる。このダイオード・バーの間隔のトレードオフの結果、垂直方向におけるダイオード・スタックのビーム品質（そして、その結果、その輝度も）、単一のダイオード・バーのそれよりも遙かに低くなる。しかしながら、例えば、異なるダイオード・スタックの出力の空間的交互配置によって、偏光結合(polarization coupling)によって、または波長多重化によって、この問題を大幅に軽減する様々な技法がある。このような目的のために、種々のタイプの高パワー・ビーム・シェーパおよび関連デバイスが開発されている。ダイオード・スタックは、非常に高い出力パワー（例えば、数百または数千ワット）を供給することができる。

また、水平ダイオード・スタックもあり、ここでは、ダイオード・スタックが横に並んで配列され、長い直線状のエミッタのアレイとなる。このような配列は、垂直に向けられたダイオード・バー間に発生する自然対流冷却によって、一層容易に冷却することができ、したがってエミッタ毎の出力パワー増大を図ることができる。一般に、水平スタックにおけるダイオード・バーの数（したがって、全出力パワー）は、垂直スタックにおけるよりも一層制限される。

ダイオード・バーおよびダイオード・スタックは、数百ミリ秒の期間と、数十ヘルツのパルス繰り返し率とを有するパルスを発生することを含む準連続波動作を適用することによって、重大な冷却の課題もなく、非常に高いパワーを得ることができる。
波長ビーム結合(WAVELENGTH BEAM COMBINING)
以下の概略的な説明において記載するような、波長ビーム結合の技術および実施形態は、本明細書において記載するイノベーションの実施形態と関連付けて、そして本明細書において引用する証拠において、使用することができる。

レーザ・ダイオードによって放出された光が線形に偏光されると、２つのダイオードの出力を、偏光ビーム・スプリッタによって結合することが可能になるので、１つのダイオードの２倍のパワーがあるが同じビーム品質のビームを得ることができる（これは、多くの場合、偏光多重化と呼ばれている）。あるいは、ダイクロイック・ミラーを使用して、多少異なる波長のレーザ・ダイオードのビームをスペクトル的に結合することも可能である。ビーム結合手法を更に系統立てることによって、高い出力ビーム品質で、更に多くのエミッタを結合することが可能になる。

ビーム結合は、通常、多数のデバイスの出力を結合することによって、レーザ・ソースのパワーをスケーリングするために使用される。ビーム結合の原理は、本質的に、多数のレーザ・ソースの出力を、多くの場合、レーザ・アレイの形態で結合して１つの出力ビームを得るというように記述することができる。スケーラブルなビーム結合技術を応用することによって、結合されるビームに寄与する１つ１つのレーザがスケーラブルではなくても、パワーがスケーラブルなレーザ・ソースを生成することができる。ビーム結合は、通常、出力パワーと（ほぼ）同じだけ輝度を高めるように、ビーム品質を保存しつつ、出力パワーを倍増させることを目標とする。

輝度向上を伴うビーム結合には多くの異なる手法があると考えられるが、全ての手法は３つのカテゴリ、コヒーレント、偏光、および波長ビーム結合の内１つに分類することができる。コヒーレント・ビーム結合は、互いにコヒーレントなビームにおいてうまく作用する。単純な例では、光周波数が同じである単色ビームを結合することができる。しかしながら、コヒーレント・ビーム結合の方式の中には、遙かに洗練されたものもあり、したがって、これらの方式は多数の周波数に跨がって行われる放出と合わせるとうまく作用し、全てのエミッタの放出スペクトルが同じものとなる。

偏光ビーム結合は、２本の直線偏光ビームをポラライザ（例えば、薄膜ポラライザ）によって結合する。勿論、この方法は反復可能ではない。何故なら、これは非偏光出力を発生するからである。したがって、この方法では、厳密な意味ではパワー・スケーリングが可能ではない。これら３つの技法の各々は、例えば、レーザ・ダイオード（特に、ダイオード・バー）およびファイバ増幅器に基づいて、種々のレーザ・ソースだけでなく、高パワー・ソリッド・ステート・バルク・レーザおよびＶＥＣＳＥＬにも適用することができる。

波長ビーム結合（スペクトル・ビーム結合または非コヒーレント・ビーム結合とも呼ばれる）は、相互コヒーレンスを必要としない。何故なら、これは光スペクトルが重複しないエミッタを採用し、波長結合ビームを生成するために、そのビームが、プリズム、回折格子、ダイクロイック・ミラー、立体ブラッグ格子等のような、波長感応ビーム・コンバイナに供給されるからである。ＷＢＣの発明および実施態様は、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２０１０／１１０５５６号に記載されている。波長ビーム結合は、ビーム品質に重大な損失を全く生ずることなく、一層容易にビーム結合を首尾良く達成する。また、波長ビーム結合は、単一の高パワー・レーザ・ダイオードよりも信頼性が高い。何故なら、１つのエミッタが故障すると、単純に、出力パワーがそれに応じて低下するだけであるからである。

波長ビーム結合の概略的な原理は、光スペクトルが重複しない数個のレーザ・ダイオード・ビームを発生し、波長感応ビーム・コンバイナにおいてこれらを結合し、その結果同じ方向にこれらのビームが全て伝搬するようにすることである。

多くのダイオード・レーザを結合し高いビーム品質を得るために、結合されるレーザ・ダイオードは、各々、利得帯域幅の小さな一部分でしかない放出帯域幅を有していなければならない。更に、波長ビーム結合の間におけるビーム品質は、ビーム・コンバイナの角度分散による影響を受ける。ビーム・コンバイナを、分散が十分に強く波長が安定しているレーザ・ダイオードと共に用いると、波長ビーム結合の間に高いビーム品質を得るのに大いに役立つ。波長ビーム結合をやりやすくするためにレーザ・ダイオードの波長を同調させる技法は、各レーザを所定の波長に独立して同調させることから、結合されたビーム・パスに対するその空間位置に基づいて、各レーザ・ダイオードのビーム波長を自動的に調節することまでに亘る。

波長ビーム結合は、パワー・スケーリングに使用することもできる。ほぼ無限のパワー・スケーリングの単純な例を挙げるとすると、独立して動作及び隣接する多数のレーザからの平行化ビームを重なり合わないように並べることであろうが、結合されたパワーはレーザの個数に比例して増大するものの、結合された出力のビーム品質は低下し、一方輝度はせいぜい単一のレーザと同等に過ぎない。通例、システムの輝度は、単一エレメントよりも遙かに低くなる。したがって、ビーム結合エレメントのビーム品質を保存するパワー・スケーリング方法は、非常に望ましいことが分かるであろう。

波長ビーム結合は、ダイオード・バー、ダイオード・スタックなどを含む、種々のタイプのレーザ・ダイオード構成に応用することができる。ダイオード・バーは、ブロード・エリア・レーザ・エミッタの一次元アレイであり、種々のファイバおよび光学システムと組み合わせて、１つ以上の波長結合ビームを生成することができる。ダイオード・バーは、２つから５０個以上のレーザ・エミッタを１つの直線状基板上に含むことができる。ダイオード・スタックは、本質的に、ダイオードの二次元アレイである。ダイオード・バーは、垂直スタックまたは水平スタック配置でダイオード・スタックに製作することができる。

本明細書において記載するシステムおよび方法は、高い輝度およびパワーを生成するためのスケーリングＷＢＣ方法を対象とする。本明細書において記載する実施形態の一部は、複数のモジュール状レーザ入力デバイスを使用し、各デバイスは、スケーラブルなシステムを形成するために複数のレーザ・エレメントで構成される。モジュール状レーザ入力デバイスを用いてスケーリングを可能にすることによって、必要に応じてパワーを増減することに適用する際に柔軟性が得られ、必要とされる光学系のサイズを縮小し、場合によっては、システムの全体的なフットプリントも縮小することができ、これによって、小型でロバストなシステムが生み出される。このシステムは、キロワット、数十および数百キロワット、そしてメガワットのパワー出力、ならびに輝度までにもスケーリングすることができる。

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は、エミッタの二次元アレイのスタック（積み重ね）次元に沿ったＷＢＣ方法の模式図である。 図２Ａは、ＷＢＣシステムを数十キロワット以上にスケーリングする実施形態を示す模式図である。 図２Ｂは、ＷＢＣシステムを数十キロワット以上にスケーリングする実施形態を示す他の模式図であり、テレスコープ光学系が組み込まれている。 図３は、種々の半導体、ダイオード・バー、および他のレーザ・アレイ・エミッタの共通の欠点を示す。 図４は、波長狭域化およびダイオード・アレイおよびスタックの安定化のため、ならびに各ダイオード・バーのビーム品質を同時に改良するために、球面テレスコープ(telescope)および回折格子を使用して、スマイルおよびその他の指向誤差に取り組む基本的な外部キャビティ構造を示す。 図５は、ダイオード・バーおよびスタックにおける欠陥には関係なく、全てのレーザ・エレメントが同じ狭域波長において、場合によっては１つの周波数で動作する構造を示す。 図６は、スマイルのあるダイオード・レーザ・スタックの基本的な一次元アーキテクチャを示し、この場合配列次元に沿ってＷＢＣが行われる。 図７は、キャビティによって欠点が完全に補償された場合の、配列次元に沿った２−Ｄダイオード・レーザ・エレメントの１−Ｄ ＷＢＣの基準アーキテクチャを示す。 図８は、ダイオード・バーおよびスタックにおけるいずれの欠陥にも関係なく、理想的なまたはほぼ理想的なビームを生成する、スタック次元に沿った１−Ｄ ＷＢＣキャビティ結合の基準アーキテクチャを示す。 図９は、ダイオード・アレイおよびダイオード・スタックにおける欠陥を補正するために使用される関連技術の方法を示す。 図１０は、非対称的なビームの拡散を示す。 図１１は、欠陥を低減するためにガラス・ブロックを使用した回折共振システムを示す。 図１２は、スマイルを有する共振システムを示す。 図１３は、図８における実施形態の構成の計算的光学モデルである。

態様および実施形態は、一般に、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。更に、態様および実施形態は、１０から数百、更には数メガワットもの出力パワーの重複ビームまたは同軸ビームを発生する、高パワーおよび／または高輝度多重波長外部キャビティ・レーザに関するものである。

とりわけ、態様および実施形態は、個々のレーザ・エミッタを組み合わせてモジュール状ユニットにし、これらの複数のモジュール状ユニットを全て単一のシステムにおいて組み合わせて、輝度およびパワーがスケーリングされた単一出力プロファイルを生成する方法および装置を対象とする。本明細書において提供する発明の利点の１つは、システムをスケーリングするために必要となる光学エレメントのサイズ縮小である。他の利点は、波長ビーム結合（ＷＢＣ）システムの全体的なフットプリントのサイズを縮小できることである。

多くの場合、光学システムを「簡素化する」ことは、個々のシステムの中にある光学エレメントの数を減少させることと考えられていた。光学エレメントの数を増加させることは、システムまたはシステムの生産性の複雑度を増大させるように思われる。しかしながら、本明細書において記載する実施形態の一部は、ＷＢＣシステムにおける光学エレメントの数を増大させることによって、ある種の光学エレメントのアパーチャを縮小するというような、以前に論じた利点の内一部を達成する。

例えば、図１ａに基本的なＷＢＣアーキテクチャを示す。４つのレーザ・エレメントを有するアレイ１０２が示されている。しかしながら、アレイ１０２は、それよりも遙かに多いレーザ・エレメントを有することもできる。アレイ１０２は、単一ダイオード・レーザ・バーとして示されている。しかしながら、エレメントのアレイ即ち行が、多数のエレメントを有するファイバ・レーザであること、横に並べられた多数の個々のレーザ・エミッタであること、または一次元アレイに配列されたレーザ・エレメントの他のいずれかの組み合わせであることも可能であり、この場合、各エミッタが１つ以上の電磁ビームを放出し、このビームの遅相発散次元(slow diverging dimension)が配列次元即ち行次元に沿って整列されることを前もって考慮する。個々のビーム１０４は、図では破線または１本の線で示されており、ビームの長さ、即ち、長い方の次元は遅相発散次元を表し、高さ、即ち、短い方の次元は進相発散次元を表す。各ビームを進相次元に沿って平行化するために、１つの平行化光学系１０６が使用されている。変換光学系（１つまたは複数）１０８は、円筒形または球面のレンズまたはミラーあるいは組み合わせとすることができ、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１０４を結合するために使用される。次いで、変換光学系１０８は、結合されたビームを分散性エレメント(dispersive element)（回折格子を使用して示されている）１１４上に重ね合わせ、次いで結合されたビームは、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。この出力カプラは、次に、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を伝える。出力カプラは、部分的に反射し、この外部共振システム１００ａにおける全てのレーザ・エレメントに対して、共通フロント・ファセット(front facet)として作用する。外部キャビティとは、レーザ発生システムであり、各レーザ・エミッタの放出アパーチャまたはファセット（表示されていない）からある距離だけ離れたところに、副ミラーが転置させられている。一般に、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、追加の光学系が配置される。

同様に、図１Ｂは、３つのレーザ・アレイまたはバー１０２のスタック（積み重ね）１５０を示し、各アレイが４つのエミッタを有する。図１Ａにおけると同様、図１Ｂの入力正面ビュー１１２は、この場合はビームの二次元アレイであるが、ビームの配列次元に沿って結合され、出力正面ビュー１１８、即ち、ビームの単一列の単一出力プロファイル１２０を生成する。

図１Ｃに示す他のＷＢＣ方法は、エミッタの二次元アレイを形成するレーザ・アレイ１０２のスタック１５０を示し、図１Ａおよび図１Ｂにおけるようにビームを遅相次元に沿って結合する代わりに、ＷＢＣ次元１１０は、ここでは、二次元プロファイルで配列されたビームのスタック次元(stack dimension)に従う(follow)。ここでは、それぞれの進相発散次元即ち軸に沿って、ビーム１２０の単一列が示される出力正面ビュー１１８を生成するように、入力正面ビュー１１２が結合されている。

以上の図１Ａから図１ＣのＷＢＣ方法の例示では、１つの変換光学システムを利用する方法を示した。一次元または二次元入力プロファイル全体は、１つの変換光学システムによって、単一出力プロファイルに縮小される。しかしながら、列即ちスタック次元あるいはアレイ即ち行次元のような１つの次元に沿ってビームの数が増大すると、一次元または二次元プロファイル全体を受け入れるために、開口数のサイズを空間的に増大しなければならない。加えて、エミッタ間の空間が広がると、変換の開口数も同様に、更に広がる、即ち、空間的に離されるエミッタを受け入れるために、サイズを増大させる必要がある。例えば、典型的なＣＯＴＳダイオード・スタックは、バー間に２ｍｍのピッチを有する。つまり、１００個のバーを組み合わせようとする場合、変換光学系のアパーチャは、少なくとも２００ｍｍでなければならない。殆どのＣＯＴＳ光学系の直径は７５ｍｍ未満であり、２５ｍｍが最も一般的である。

ＷＢＣシステムの設計目標の１つが、多数のビームを結合する小型のシステムを生成することである場合、または個々のビームが空間的に広げられる場合、これは問題となる。ビームの数が増えると、またはビーム間が空間的に広がると、一次元または二次元ビーム・プロファイルが大きくなる。このため、変換光学系は、十分に大きなアパーチャを有することが必要となる。

変換光学系のアパーチャが大きくなり過ぎると、製造が一層難しくなり、光学系のコストが通常上昇する。アパーチャが大きく収差が少ない光学系を作るのは、困難な作業である。容認可能な品質を有する市販の既製光学系は、直径が約５から６インチに制限され、１インチが最も一般的である。

一般的な「既製」の高パワー・レーザ・ダイオード・アレイおよびスタックに基づくレーザ・ソースは、ブロード・エリア・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、個別にパッケージングされたダイオード・レーザ、半導体レーザ、およびその他のタイプのレーザを含む、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。更に、本明細書において使用する場合、「アレイ（配列）」という用語は、横に並べられた１つ以上のレーザ・エレメントを指す。図１Ａから図１Ｃにおける配列次元(array dimension)は、ブロード・エリア・エミッタについては遅相軸に沿った方向である。しかしながら、配列次元に沿って整列させられた個々のエミッタが、進相軸に沿っていること、遅相軸からある角度だけずれていること、あるいはアレイまたは列に沿った各エミッタに対して不規則に並べられていることもあり得ると考えられる。本明細書において使用する場合、「スタック（積み重ね）」という用語は、一緒にスタックされた２つ以上のアレイを指す。スタックは、機械的または光学的に配列することができる。一例では、機械的に配列されたスタックが２つ以上のアレイを含み、これらのアレイは物理的に互いの上にスタックされて出力ビームを生成し、これらのビームが互いの上にスタックされる。光学的に配列されたスタックは、方向転換ミラーのような光学素子を使用することによって得ることができ、出力ビームが互いの上にスタックされるように、２つ以上のアレイからの出力ビームを配列し、各ビームは対応するアレイから放出される。図１Ａから図１Ｃにおけるスタック次元は、進相軸に沿っている。しかしながら、スタック次元即ち列次元に沿って整列された個々のエミッタが、遅相軸に沿っていること、遅相軸からある角度だけずれていること、あるいはスタック即ち列に沿った各エミッタに対して不規則に並べられていることもあり得ると考えられる。レーザは、準連続波（ＱＣＷ）またはＣＷとして動作させることができ、出力パワーはミリワット未満から数十ワット以上となる。

注記したように、レーザ・エレメントの波長ビーム結合（ＷＢＣ）は、レーザ・システムからのパワーおよび輝度をスケーリングするための魅力的な方法である。輝度は、Ｎ＊Ｐ／（λ^２*Ｍ*Ｍ^２ _ｙ）ｉの積であり、ここでＮは結合エレメントの総数であり、Ｐは各エレメントの出力パワーであり、λは動作波長であり、Ｍ^２ _ｘ, Ｍ^２ _ｙは、二次元に沿ったビーム品質であり、Ｎ*Ｐはパワーである。

図１は、一般的な、部分的に反射する外部カプラを使用するＷＢＣキャビティの３つの変形を示す。１）図１ａは、一次元アレイの波長ビーム結合を示し、ここでは、遅相次元でもある配列次元に沿って、ビーム結合が行われる。入力ビュー１１２および出力ビュー１１８が、図１Ａの左側に示されている。出力ビームは単一エレメントのそれである。２）図１Ｂは、遅相次元でもある、配列次元に沿った波長ビーム結合のための基準キャビティを示す。その結果、ビームの単一列が得られる。３）図１Ｃは、第３のＷＢＣ外部キャビティを示す。波長ビーム結合は、進相次元でもある、スタック次元に沿って行われる。これは、キャビティ１００ａおよび１００ｂにおいて示すように、ＷＢＣ次元の逆である。結果的に得られる出力は、ビームのアレイとなる。

一般に、３つのＷＢＣキャビティは全て、レーザ・エレメントのアレイまたはスタック、変換光学系（円筒形または球面のレンズあるいはミラー）、分散性エレメント（回折格子を使用して示されている）、および部分的に反射する出力カプラで構成されている。変換光学系（１つまたは複数）は、レーザ・アレイの後ろに配置されている。変換光学系の位置は、光源によって異なる。理想的な点光源では、光源から焦点距離だけ離れたところに配置される。分散性エレメントは、全てのビームが空間的に重なり合うところに配置され、名目上は(nominally)変換光学系の後部焦点面となる。分散性エレメントがこの名目的位置に配置されない場合、その結果出力ビーム品質の劣化が生ずる。出力カプラは、一次回折ビームの経路上に配置される。したがって、理想的には、レーザ・エレメントからの全ての出力ビームは、図１Ａから図１Ｃに示したように、変換光学系によって、格子上において空間的に重ね合わされる。部分的に反射する出力カプラおよび格子は、レーザ・エレメントの一意の波長制御のためのフィードバックを与え、近場（出力カプラにおける）および遠場においてビームを重ね合わせる。その結果、理想的には、出力ビームは単一ビーム結合エレメントと同じビーム品質を有するが、パワーは全てのレーザ・エレメントからの総和となる。

更に高いパワーおよび高い輝度にスケーリングするためには、以上で論じた３つのＷＢＣキャビティに対するこの基本的な光学設定では限界があり、ときとして非実用的であることもある。例示するために、図１Ｃに示したキャビティを使用する例を用いる。３０００ワットのＷＢＣシステムが望ましいと仮定する。典型的な市販されている既製品（ＣＯＴＳ）の多数のエミッタを有するレーザ・ダイオード・バーでは、バー当たりの全出力パワーが１００ワットに定められている(rated)。つまり、３０００ワットを得るためには、１００ワットのレーザ・ダイオード・バーが３０本必要となる。このタイプのダイオード・バー間のピッチは、通例、約２．０ｍｍである。したがって、図１ｃにおける構成と同様に３０本のバーをスタックすると、スタック次元に沿ったスタックの幅は、２９×２＝５８ｍｍとなる。ビーム・プロファイル全体を受光するために必要とされる変換光学系の直径は、それよりも多少大きくなければならないので、標準的なサイズの７５ｍｍ、即ち、３インチが適したサイズとなる。収差が少ない光学素子は、この直径では、市販されているが、一層高価となり一般的でなくなる。

以上の例示を３０００ワットから１０キロワット・システムにスケーリングするには、光学素子のサイズを３．３倍大きくする必要がある。即ち、約１９１．４ｍｍ（〜１０インチ）にする必要がある。直径が１０インチで収差が少ない光学素子を生産するには、非常に費用がかかり、時間がかかる特別な光学素子の製作が必要となる。これでは、市場では競争力のない１０キロワット・システムとなる。加えて、３０００Ｗおよび１０ｋＷのスペクトル帯域幅が同じであると仮定すると、１０インチの焦点距離では、変換光学系／ミラーから回折格子までの距離が、大まかに３倍長くなることになる。

より大きなアパーチャを有する光学エレメントを使用する問題に取り組む一実施形態を図２Ａに示す。ここでは、複数のエミッタを単一出力プロファイルにスケーリングするためにＷＢＣ方法を使用する、外部キャビティ２００ａが、複数のより小さな変換光学系２０８を使用して、構成されている。エミッタのスタックを分析して、より小さなビーム−入力プロファイルを有する個々のモジュールを得ることによって、より小さな開口数を有する光学エレメントを使用することが可能になる。加えて、スタックのモジュール化によって、システムの柔軟性を高めることが可能になる。この柔軟性は、一度に１つのモジュールを交換できること、パワー増大が要求されるときに追加のモジュールをシステムに加入させること、および当業者には明白になるその他の利点を含む。

キャビティ２００ａは、一次元または二次元プロファイルを生成する複数のレーザ・エレメント２５０、レーザ・エレメント２５０の１組毎の変換光学系、分散性エレメント（透過回折格子(transmission diffraction grating)が示されている）、および出力カプラによって構成されている。キャビティ２００ａの個々のレーザ入力モジュール２５２は、一次元または二次元プロファイルを形成する１組の複数のレーザ・エレメント２５０と、１つの変換光学系２０８とによって構成されている。加えて、図２Ａに示すように、レーザ入力モジュールは、平行化光学系、例えば、進相軸に沿ってビームを平行化するように構成されている、進相軸平行化光学系、即ち、ＦＡＣ光学系２０６を含むことができる。他の光学エレメントも含むことができるが、基本的なレーザ入力モジュールは、少なくとも２つのエミッタと１つの変換光学系とを含む。レーザ・エミッタ２５０および変換光学系２０８の各組は、全てのレーザ・エミッタからの全てのビームが回折格子２１４上で空間的に重ね合わされるように、方向付けられている。各スタックの変換光学系は、ＦＡＣ光学系２０６の後方焦点面から１焦点距離だけ離れたところに配置するとよい。回折格子２１４は、全てのビームが重ね合わせられるところに配置するとよい。名目的に、これは、変換光学系２０８の各焦点面となる。出力カプラ２１６は、通常、一次回折ビームの経路に配置される。この実施形態では、出力カプラ２１６を部分的に反射型にして、回折格子２１４と組み合わせたときに、レーザ・エミッタの一意の波長制御のためにフィードバックを供給することができる。これをウェーブ・ロッキング(wave locking)と呼ぶことがある。加えて、格子および出力カプラは、近場（出力カプラにおいて）および遠場双方にビームの重なり合いを生成することによって、単一出力プロファイルを形成する。

許容される最大の光学エレメントが３インチであると仮定したレーザ・ダイオード・バーを使用する先の例示を続けると、レーザ・エレメント２５０は、３０個のダイオード・バーを含むスタックで構成されることになる。つまり、各レーザ入力モジュール２５２は、３０００ワットの総パワーを生成し、３つのレーザ入力モジュールを有する図２Ａに示したような外部キャビティ２００ａは、１００％の効率を仮定すると、９０００ワットを生成することになる。第４のレーザ入力モジュールまたはｎ番目のレーザ入力モジュールを追加すると、追加の３０００ワット分外部キャビティの出力が増大する。

他の実施態様を図２Ｂに示す。高パワーのレーザ・システムを設計するときにおける、実用上の考慮点の一部には、レーザ・エレメントの有限利得帯域幅、分散性エレメントの受入角度、分散性エレメント上におけるスポット・サイズ、およびシステムの全体的なサイズが含まれる。外部キャビティ２００ｂは、全体的なプロファイルのアパーチャ・サイズ、およびレーザ入力モジュール２５２の各々からの個々のビームを縮小する、テレスコープ・システム(telescoping system)２６４を形成するように構成されている副テレスコープ光学系２６２を含む。このプロファイルの縮小によって、変換光学系２０８が更に小さなアパーチャを有することが可能になり、一方、このために変換光学系２０８と回折格子２１４との間の距離２７０を短縮するのにも役立つ。外部キャビティ２００ｂにおけるレーザ入力モジュール２５２は、図示のように、レーザ・エレメント２５０、ＦＡＣ光学系２０６、および主テレスコープ光学系２６０によって構成されている。主テレスコープ光学系２６０は、副テレスコープ光学系２６２と結合されると、テレスコープ・システム２６４を形成する。図２Ａにおける実施形態と同様、図２Ｂにおけるレーザ入力モジュール２５０は、追加の光学エレメントを含むこともできるが、基本的形態では、少なくとも２つのレーザ・エミッタと、少なくとも１つの次元に沿った、ビーム間の距離を空間的に短縮するように構成された光学エレメントがあればよい。基本的なレーザ入力モジュールにおけるこれらの光学エレメントは、円筒形または球面のレンズあるいはミラーを含むことができる。この追加のテレスコープ(telescope)は、これらの殆どを軽減するのに役立つ。全体的なサイズは、変換光学系の焦点距離によって決まる。例えば、ｆ＝１００ｍｍの変換光学系を有し１０ｍｍ幅で９７６ｎｍのダイオード・アレイ、およびミリメートル当たり１６００ラインの格子を使用すると、１つの次元に沿ったサイズは、大まかに、変換光学系の焦点距離の２倍、即ち、約２００ｍｍとなる。しかしながら、ｆ＝１０ｍｍおよびｆ＝１ｍｍのテレスコープ、およびｆ＝１０ｍｍの変換光学系を使用すると、約４２ｍｍという遙かに小さなサイズが得られる。出力ビーム特性は、単一のｆ＝１００ｍｍの変換光学系と全く同じである。双方の場合の空間帯域幅は、約３９ｎｍである。３９ｎｍは、ほぼ９７６ｎｍのダイオード・レーザの利得帯域幅である。つまり、単一変換光学系のキャビティにレーザ・エレメントを更に追加しても、うまく作用しない。しかしながら、第２の例において、変換光学系をｆ＝２０ｍｍに交換すると、空間帯域幅はの縮小は２倍になる。または、同じ空間帯域幅に対して、２つの１０−ｍｍ幅のバーを波長ビーム結合することができる。これによって、全体的なサイズが大凡４２ｍｍから６２ｍｍに増大する。変換レンズを１００ｍｍに交換すると、全体的なサイズは約２２２ｍｍとなり、単一変換光学系の設計に相当するが、この場合、１０倍多いレーザ・エレメントを結合することができる。即ち、大凡１０倍明るいシステムとなる。

また、テレスコープの追加によって、格子上のスポット・サイズも小さくなる。例えば、典型的なダイオード・バーには、ｆ＝９００μｍの平行化光学系が取り付けられている。理想的な平行化を仮定すると、平行化されたビームは、約１ｍｒａｄの発散角度(divergence angle)を有する。つまり、ｆ＝１００ｍｍの変換光学系を使用すると、格子上におけるスポット・サイズは、ＷＢＣ次元に沿って約１００μｍとなる。このような小さなスポット・サイズは望まれない。格子上のスポット・サイズが小さいと、このために、格子上のパワー密度が非常に高くなる。この結果、格子に光学的な損傷を及ぼす危険性が高くなる。

追加のテレスコープによって、格子上のスポット・サイズを、テレスコープの倍率だけ増大させることができる。ｆ＝１０ｍｍ、ｆ＝１ｍｍ、即ち、１０倍の倍率を使用した先の例では、格子上のスポット・サイズは、１００μｍではなく、１ｍｍとなる。同時に、空間帯域幅は、バー当たり３９ｎｍから３．９ｎｍに減少する。つまり、先に述べたように、１０本のバーを結合して、３９ｎｍ帯域幅の全てを使用することができる。図２Ｂに示したような一例は、多数のダイオード・スタックと、レンズのアレイおよび共通レンズを使用したテレスコープと、変換光学系と、格子と、ＷＢＣ次元に沿ったテレスコープと、ＷＢＣ以外の次元に沿ったテレスコープと、出力カプラとによって構成されている。ＷＢＣ次元に沿って、図２Ｂに示すように、レンズ２６０のアレイおよび共通レンズ２６２が、テレスコープ２６４のアレイを形成する。各レーザ・モジュールは、それ自体のテレスコープを有する。レーザ・モジュールおよびテレスコープのアレイは、全てのビームが名目的に、テレスコープの後に互いに平行になるように位置付けられる。つまり、その機能は、各エミッタのサイズを縮小し、全てのレーザ・モジュールからの全体的なサイズをしかるべき所望のサイズに縮小することである。テレスコープの後ろにおけるビーム・サイズの縮小によって、格子上におけるビーム・サイズが大きくなり、つまり、パワー密度が同じ倍率だけ低下することになる。このスタック・サイズの縮小によって、以上の例に示したように、スペクトル帯域幅を一層良く利用できるようになる。つまり、スタックの縮小画像が、テレスコープの共通光学系の焦点面において形成される。変換光学系は、これらを回折格子上に重ね合わせる。格子および出力カプラは、各レーザ・バーを一意の制御された波長で動作させる。このように、全てのビームが、近場および遠場双方において、空間的に重ね合わせられる。格子と出力カプラとの間にあるテレスコープは、ビーム結合次元に沿ったビーム・サイズを縮小するために使用される。ＷＢＣ以外の次元に沿って、非ビーム結合次元に沿った全てのビームが、出力カプラに対して垂直に伝搬するように、追加の光学素子が必要となる。例えば、図示のように、格子と出力カプラとの間においてＷＢＣ以外の次元に沿ったテレスコープは、レーザ・アレイを出力カプラ上に再撮像する。このように、結果的に得られる出力ビームは、単一バーのそれと同じになる。尚、一層ロバストで損失が少ないキャビティを形成するために、図示しない追加の光学素子が必要となる場合もあることは、注記してしかるべきである。

設計の一例として、レンズ・アレイが球面レンズであり、焦点距離が３００ｍｍ、直径が３インチの光学素子であると仮定する。スタックは、２ｍｍピッチの３０本のバーで構成されている。共通テレスコープ光学系は、円筒形光学系で、焦点距離が２．８ｍｍであると仮定する。また、格子はミリメートル当たり１７６０ラインの溝密度を有すると仮定する。変換光学系の焦点距離は、２００ｍｍである。このため、レーザ・スタックの帯域幅は約０．７８ｎｍとなる。３０本のバーで構成されるスタックを１０個スタックすると、帯域幅は約１０×０．７８／ｆｆとなる。ここで、ｆｆはスタック間の充填率である。スタック間充填率が０．９の場合、帯域幅は約８．７ｎｍとなる。格子上におけるビーム・サイズは、約１００ｍｍとなる。空間インターリーバ(spatial interleaver)を使用して、偏光多重化(polarization multiplexing)を行うと、１０（スタック数）×３０（スタック当たりのバー数）×２（空間インターリーバの効果）×２（偏光による）＝１２００バーまで結合することができ、単一バーと同じ出力ビーム品質、１２００×１００Ｗ＝１２０，０００Ｗのバー・パワー、および約８．７ｎｍの空間ライン幅を得ることができる。
低コスト、高信頼性、高輝度ダイオード・レーザ・システム
非常に信頼性が高いダイオード・レーザ・システムは、工業用途のために強く求められている。工業界における顧客は、通例、システムが１００，０００時間まで、即ち、１１年よりも長く存続することを求める。レーザの寿命は、レーザのタイプによって様々である。マイクロ・チャネル・クーラを使用して能動的に冷却するダイオードの寿命は、約１０，０００時間以上である。受動的に冷却するダイオード・レーザは、約２０，０００時間以上の寿命がある。密閉管ＣＯ２レーザの寿命は、約３５，０００時間である。保守は殆ど行われない。密閉管ＣＯ２レーザは、数百ワットが限界である。高パワーのｋＷクラスのＣＯ２レーザ・システムは、通例、１００，０００時間以上存続する。しかしながら、これらは１，０００時間毎に保守を必要とし、８，０００時間毎に完全な光学系の分解修理を必要とする。ランプ励起ソリッド・ステート・レーザは、高パワーＣＯ２レーザとほぼ同じサイクル・タイムを有する。ファイバおよびバルク・ソリッド・ステートを含む、ダイオード励起ソリッド・ステート・レーザの寿命は、ＣＯ２レーザよりも遙かに短い。最長でも、寿命はレーザ・ダイオードの寿命が限界となる。本開示では、本発明の高輝度ＷＢＣダイオード・レーザが、保守の必要性が全くなく、５０，０００時間まで、１００，０００時間、またはそれ以上の寿命を有することができることを示す。

図１は、１つの基礎的な波長ビーム結合（ＷＢＣ）キャビティを示す。このキャビティは、本発明者の「新たな」ＷＢＣ外部キャビティに基づいており、スタック次元に沿ってビームを結合するものである。通常、各ビームの進相軸は、スタック次元と合わせられている。ＷＢＣキャビティは、ソース・ダイオード・レーザ・スタックを含む。これは、機械的または光学的にスタックすることができ、あるいは機械的および光学的なスタックの組み合わせでもよい。また、この外部キャビティは、変換光学系、格子、および出力カプラも含む。出力カプラの後ろに、ビーム伝達のために、ビーム・シェーパ、ファイバ結合光学系、および出力処理ファイバが必要となる。あるいは、自由空間出力も可能なビーム伝達の選択肢である。ＷＢＣキャビティでは、「新」ＷＢＣ、「旧」ＷＢＣ、「新−新」ＷＢＣ、および「新−旧」ＷＢＣを含む、本発明者が発明した範囲のＷＢＣキャビティ、ならびに本発明者が発明した範囲のダイオード・レーザのためのビーム結合技術および輝度向上技術を使用することが可能である。

殆どの場合、ダイオード・レーザの出力パワーは、時間に対して線形依存性を有し、近似的に次のように表される。

ここで、Ｐ_０は初期パワーであり、Ｐ（ｔ）は時間ｔ後におけるレーザ・パワーであり、βは劣化率である。受動的に冷却するダイオード・バーでは、劣化率は毎時約β〜１×１０^−５となる。したがって、受動的に冷却するダイオード・バーでは、約２０，０００時間で寿命の終末が来る。ここで、寿命の終末とは、出力パワーが初期値の８０％になったときと定義する。本システムの本質的な利点を例示するために、１，０００Ｗシステムについて検討する。ダイオード・レーザのコストが１０／Ｗドルであると仮定する。つまり、１，０００Ｗシステムでは、ダイオードのコストは１０，０００ドルとなる。本システムが１００，０００時間存続することを要求されることもあると仮定する。本発明者が、本システムにおいて１，０００Ｗのダイオード・レーザを用いてシステムを構築する場合、ダイオード・レーザを２０，０００時間毎に交換しなければならない。つまり、４，０００Ｗ相当分のダイオード・レーザを交換しなければならない。したがって、この交換のコストは、４０，０００ドルに作業を加えたものとなる。バルクＮｄ：ＹＡＧ、薄型ディスク、およびファイバ・レーザを含む全てのダイオード励起ソリッド・ステート・レーザは、この様式に従わなければならない。これは、ダイオード励起ソリッド・ステート・レーザ用のレーザ・キャビティの基本である。例えば、バルクＮｄ：ＹＡＧレーザでは、一旦ダイオードがその寿命終末状態に達したなら、それを交換しなければならない。それを交換しなければならず、そしてレーザ全体を光学的に整列し直さなければならない。基本的に、この要件はＷＢＣシステムには適用しなくてもよい。本システムでは、出力ビームはレーザ・バーの数、エレメントの数、または本システムの出力パワーに関して不変(invariant)である。たとえば、１，０００Ｗのシステムを設計する場合、本システムに多数の１，０００Ｗダイオード・レーザ集合体を実装し、一度に１集合体ずつオンに切り替えることができる。２０，０００時間の終了時に、単に最初のダイオード・レーザ集合体をオフに切り替え、そして第２集合体または組み合わせをオンにする。このように、本システムに対する交換および／または整列し直しは不要である。これは、本システムの基本的な特性である。本システムに本質的なこととして、ダイオード・レーザは２０，０００時間しか存続しないが、１００，０００時間存続するレーザ・システム、または所望される時間長であればどれだけでも存続するレーザ・システムを作ることができる。先に述べた単純な例から要求される交換レーザ・ダイオードの数を減少させることができる。例えば、本レーザ・ダイオード・システムを製造するとき、合計で２，０００Ｗ相当分のパワーのダイオード・レーザを実装する。２，０００Ｗのレーザは、ダイオード・レーザのクラスタ５つで構成される。最初のクラスタは、１，２００Ｗのパワー・レベルを有する。残りのクラスタは、各々、２００Ｗである。最初の２０，０００時間、その寿命終末まで、１２００Ｗのクラスタを単に１０００Ｗのパワー・レベルで動作させる。２０，０００時間の終了時に、クラスタ１およびクラスタ２を動作させる。４０，０００時間の終了時に、クラスタ１、２、および３を動作させる。６０，０００時間の終了時に、クラスタ１，２，３，および４を動作させる。８０，０００時間の終了時に、これらのクラスタ全てを動作させる。本システムからの出力パワーは、いずれの所与の時点でも、常に約１，０００Ｗとなる。この例では、ダイオード・レーザの総コストは、先の例の５０，０００ドル（初期ダイオードのための１０，０００ドルに加えて、交換ダイオードのための４０，０００ドル）の代わりに、２０，０００ドルとなる。更に重要なのは、保守を予定する必要がないことである。本システムを交換し整列し直すために、密閉されたレーザ・システムを開く必要はない。本システムの一部として、クラスタ動作がプログラミングされており、単純なパワー閾値検出器を用いたコンピュータによって制御する。ダイオード・レーザが、平均寿命から予測されるよりも信頼性が高いことが分かった場合、コンピュータは、システム・パワーが予め設定された閾値よりも低くなるまで、追加のクラスタをオンにする必要はなく、これによって更に動作時間を延長することができる。以上の例は、種々のクラスタを動作させるときに可能な１つのシーケンスを示すに過ぎない。可能なシステムのシナリオは多数存在する。更に、この手法を、ダイオード・レーザの各クラスタからのパワーを下げることと組み合わせることも可能であり、これによって、各クラスタに予測される基準寿命が更に恐らくは劇的に改良される結果となる。
単一周波数ダイオード・アレイおよびスタック(SINGLE FREQUENCY DIODE ARRAYS AND STACKS)
アルカリ・レーザの励起、およびスピン交換光励起(spin-exchange optical pumping)というような、多くの用途におけるダイオード・バーおよびスタックの最大限の利用は、広い出力スペクトルによって限定される。ダイオード・バーおよびスタックの出力スペクトル帯域幅は、約３から５ｎｍである。用途の中には、０．０５ｎｍ未満の出力スペクトル帯域幅が要求される場合もある。更に、出力スペクトルは、通例、波長が安定しない(not wavelength-stabilized)。このため、中心波長が動作温度の関数として変動する。多くの用途において、これは望ましくなく、レーザ・システムの破滅的損傷に至る可能性がある。温度による波長の典型的な変化は、摂氏１度毎に約０．３３ｎｍである。用途の中には、励起アルカリ・レーザのように、約０．０５ｎｍのシフトが、レーザ・システムがレーザ発生を停止する原因となる場合もある。

ライン狭幅および波長安定ダイオード・アレイおよびスタックの方法は、大まかに３つある。第１の方法は、レーザ製造プロセスの一部として、内部格子を使用する。例えば、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザおよび分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザである。様々な会社が、内部波長安定ダイオード・アレイおよびスタックを提供している。第１の方法の欠点は、ダイオード・レーザの性能が、通例、内部格子の加入によって損なわれることである。第２の方法は、外部体積型ブラッグ格子（ＶＢＧ）を使用する。ＶＢＧを提供する種々の会社がある。双方の方法は、時間がかかり費用もかかる。更に、結果的に得られるライン幅は約０．５ｎｍであり、摂氏１度当たり約０．１ｎｍの波長対温度係数を有する。通例、ＶＢＧには吸収があり、このため能動的冷却が必要となることもある。第３の方法は、外部回折格子を使用する。この第３の方法は、最も高い分散を有し、原理的に、非常に狭いライン幅を得ることができる。

方法２および３では、結果的に得られるライン幅は、本システムが可能である幅よりも遙かに広い。出力スペクトルが広がるのは、レーザ・エミッタにおける欠陥が主な原因である。レーザ・ダイオード・バーにおいて現れるこれらの欠陥の一部を図３に示す。図３の行１は、全く誤差のない単一レーザ・ダイオード・バー３０２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３０６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３０６を通過する出力ビーム３１１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３０６を通過したビーム３１１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３１３各々の平行化光学系３０６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３１３は完全に直線状である。加えて、平行化光学系３０６は、全てのレーザ・エレメント３１３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、システムから予測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たりする可能性もある。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３１１を示す。行４は、平行化レンズが歪んでまたは傾いて、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るので、前述のように、広くなる。

図３において紹介した欠陥に取り組む１つの試みに、図４に示す外部キャビティ４００システムがある。４００は、波長狭域化、ならびにダイオード・バー４０２およびダイオード・バー４５０のスタックの安定化のために、回折光学系４１４を使用して設計された。光学系は、球面テレスコープ４０９、回折格子４１４、および出力カプラ４１６によって構成されている。ダイオード・アレイ４０２およびスタック４５０は、第１球面レンズ４１０ａの焦点面と平行化光学系４０６の焦点距離を加算した和のところに配置されている。２つの光学系の隔たりは、それらの焦点距離の和となる。格子４１４は、第２球面レンズ４１０ｂのほぼ焦点面のところに配置されている。出力カプラ４１６は、回折ビームの出力アームに配置されている。この構成において、何らかの欠陥があるレーザ・エレメントが異なる角度で格子に向いている。これは、破線で示されている。例えば、スタック４５０の中にある第１ダイオード・アレイ４０３がスマイルを有する場合を考える。平行化光学系の焦点面において、全てのビームが空間的に重ね合わせられる。球面テレスコープ４１０は、重ね合わされたビームを取り込み、それを格子４１４上に位置付ける。回折格子および出力カプラの組み合わせによって、全てのビームが出力カプラに対して垂直に伝搬させられる。これを遂行することができる方法は、バーの中にあり欠陥がある各レーザ・エレメントに、キャビティによって決定される一意の波長で動作させることである。言い換えると、各バーからの出力スペクトルを、欠点に比例する量だけ、広げるのである。

システム４００に対するスマイルの影響を比較する分析（ＺＥＭＡＸを使用する）を行った。そのモデルは、３−バー・ダイオード・スタックを内蔵した。各エミッタの中心波長は、９８０ｎｍの波長であった。各バーには、山から谷の間で、１０μｍのスマイルがあった。各バーは、ｆ＝１ｍｍ進相軸平行化光学系によって平行化される。球面テレスコープは、ｆ＝１００のレンズ２枚で構成されている。格子は、１ｍｍ当たり６００ラインの溝密度を有する。＋５μｍのスマイルを有する最上位のエレメントは、約９７２．１６ｎｍで動作させられ、−５μｍのスマイルを有するエレメントは９８７．８２ｎｍで動作させられる。スマイルが全くないエレメントは、９８０ｎｍで動作する。したがって、各バーおよびスタック全体のスペクトルは、ここでは、約１５．６６ｎｍとなる。通例、一つ一つのレーザ・エレメントのスペクトル帯域幅は、３〜５ｎｍである。技術的現状のダイオード・アレイおよびスタックでは、スマイルの近似範囲は約３ミクロンであり、このモデルの下では、約５ｎｍのスペクトル帯域幅となる。このように、スペクトル輝度を目的とするこのタイプのシステムは、自走スペクトル同様全く良くないと考えられる。

図５は、ダイオード・アレイおよびスタックの波長狭域化ならびに波長安定化のために回折を使用し、欠陥とは無関係である新たな基準キャビティ５００を示す。この光学構成は、分散方向に沿った円筒形レンズ・アレイ５３３と、２つの円筒形テレスコープ５０９と、回折格子５１４と、出力カプラ５１６とによって構成されている。円筒形レンズ・アレイ５３３は、ダイオード・スタック５５０と同じピッチを有する。２つの円筒形テレスコープ５０９がある。第１円筒形テレスコープ（５１０ｃおよび５１０ｄ）は、配列次元に沿った撮像のためにある（紙面から出る方向）。第２円筒形望遠鏡（５１０ａおよび５１０ｂ）は、スタック方向（図５に対して垂直）に沿った撮像のためにある。

円筒形レンズ・アレイ５３３は、この円筒形レンズ・アレイの焦点面および平行化光学系５０６の焦点距離の和にあたるところに配置されている。また、ダイオード・スタック５５０は、アレイ・テレスコープの第１光学系５０１ｃの焦点面にある。出力カプラは、アレイ・テレスコープ５１０ｄの第２光学系の焦点面にある。この隔たりは、これらの焦点距離の和となる。図５に示すように、スタック次元に沿って、スタック・テレスコープの第１光学系５１０ａが、円筒形レンズ・アレイ５３３の焦点距離とスタック・テレスコープの第１光学系５１０ａの焦点距離との和にあたるところに配置されている。このスタック・テレスコープの２つの光学系間の隔たりは、これらの焦点距離の和となる。格子５１４は、円筒形テレスコープの最後の光学系５１０ｂと出力カプラ５１６との間に配置されている。出力カプラ５１６は、回折ビームの出力アームに配置されている。この配列では、何らかの欠陥があるエレメントが全て、格子５１４上に対して同じ角度で向いている。全てのエレメントが同じ角度で向いているので、これらの全ては正確に同じ波長でレーザ発振する。

この構成のＺＥＭＡＸモデルも分析した。パラメータは、先のモデルにおけると同一であり、円筒形レンズ・アレイ５３３が含まれている。この円筒形レンズ・アレイは、焦点距離が１００ｍｍである。全てのエレメントは、正確に同じ波長で動作する。原理的には、出力スペクトルは単一周波数になることができる。このため、ＭＨｚおよびｋＨｚ範囲で動作する波長が高いスペクトル輝度を必要とする場合に多数の用途がある。また、このタイプのシステムは、温度の上昇または低下によるレーザ発振波長の変化に対して非熱的(athermal)、即ち、影響を受けないということから、ロバストでもある。

表１は、この光学発信機を競合する技法と比較する。図５におけるキャビティの設定の方が大きいが、これは全てのダイオード・レーザ・バーおよびスタックでもうまく作用するということから万能である。これは、前述のようなひどい欠陥のあるアレイやスタックだけでなく、完全なアレイでもうまく作用する。出力スペクトルは、同調可能かつ非熱的な特性で、１つの周波数を生成する。これは、多くの用途において非常に望まれる。

ダイオード・レーザ・エレメントの二次元アレイの配列次元に沿った、波長ビーム結合（ＷＢＣ）外部キャビティにおける円筒形レンズ・アレイの利用
図１Ｂに、ＷＢＣが配列次元に沿って行われる、従来の外部キャビティ１−Ｄ波長ビーム結合（ＷＢＣ）アーキテクチャを示す。このキャビティは、進相軸平行化（ＦＡＣ）レンズ、円筒形変換レンズ／ミラー、回折エレメント／格子、および部分的に反射する出力カプラを有するレーザ・エレメントのスタックによって構成されている。円筒形変換レンズ／ミラーは、ＦＡＣ光学系の後方焦点面から焦点距離のところに配置されている。回折格子は、円筒形変換光学系の後方焦点面に配置されている。出力カプラは、一次回折ビームの経路上に配置されている。したがって、レーザ・エレメントからの出力ビームは、変換光学系によって、格子において空間的に重ね合わせられる。反射型出力カプラおよび格子は、レーザ・エレメントの一意の波長制御のためのフィードバックを与え、近場（出力カプラにおいて）および遠場においてビームを重ね合わせる。ＷＢＣは、配列次元に沿って行われる。スタックは、パワー・スケーリングのためであり、輝度スケーリングのためにあるのではない。

図１Ｂをモデリングする分析（ＺＥＭＡＸを使用する）では、スマイルが皆無であり，平行化誤差もない３つのダイオード・バーを仮定する。ＦＡＣ光学系１０６は、焦点距離が１ｍｍであるが、これはＣＯＴＳ ＦＡＣ光学系の典型である。このモデルは、ＦＡＣ光学系１０６を有する３つのダイオード・バー１０２、変換光学系１０８、回折格子１１４、および出力カプラ１１６によって構成されている。変換光学系１０８は、焦点距離が１００ｍｍである。入力ビームおよび戻りビームは完全に重ね合わされており、したがってレーザ・キャビティに対する要件を満たすことが、図から見て取ることができる。

平行化ダイオード・エレメントのスマイルおよび指向誤差が少ないことは、ロバストで効率的な波長ビーム結合に非常に望まれる主要特性の内の２つである。スマイル、即ち、パッケージングの間におけるレーザ・ダイオード・アレイの物理的な屈曲、および平行化マイクロ・レンズの位置ずれによって生ずる指向誤差は、出力ビーム品質を劣化させ、ビーム結合効率を低下させる。外部キャビティの動作は、スマイルおよび平行化誤差の量によって非常に左右される。図１Ｂに示すような以前のＷＢＣキャビティは、非常に少量のスマイルおよび平行化誤差しか許容することができない。キャビティが許容することができる誤差の量は、現在の技術的現状によって可能なものよりも、１桁厳しくなる。

以前のＷＢＣキャビティ（図１Ｂ）の主な欠点(drawback)は、外部キャビティがダイオード・アレイおよびスタックにおける欠陥(imperfection)の量に非常に左右されることである。今日入手可能な最良のダイオード・アレイおよびスタックでさえも（約１ミクロンのスマイルがある）、先に論じたように、第２光学モデルを実行するには十分に満足できる訳ではない。本願では、外部キャビティ動作がスマイルおよび平行化誤差の量には無関係なＷＢＣアーキテクチャの実施形態を開示する。

図６は、スマイルがあり、ＷＢＣ以外の軸に沿った、図１Ｂと同じＷＢＣキャビティを示す。図６における破線は、スマイルのあるエレメント６０３に対応する。スマイルのために、出力カプラ６１６からの戻りビーム６３７は、入射ビームと重なり合わない。つまり、外部キャビティの動作は不可能である。

図１Ｂに基づく第２光学モデル（ＺＥＭＡＸを使用する）は、２ミクロンの山対谷差のスマイルを有する各バーを含む。加えて、３つのエレメントには、０、１、およびマイナス・ミクロンのスマイルがモデリングされている。スマイルが０のエレメントは、完全にそれ自体に戻ってくる。１ミクロンのスマイルがあるエレメントは、ＦＡＣ光学系（図１Ｂにおける１０６）を完全に逸脱し（ＦＡＣ光学系の直径は１ｍｍである）、したがって外部キャビティ動作は不可能である。−１ミクロンのスマイルがあるエレメントも、ＦＡＣ光学系を逸脱する。

図７は、非ビーム結合次元に沿った基本的な光学レイアウトを示す。このキャビティは、空間輝度を高めるように設計されている。キャビティ７００は、平行化光学系７０６を有するダイオード・スタック７５０、円筒形レンズ・アレイ７３３、および出力カプラ７１６によって構成されている。円筒形変換光学系７０８および格子７１４は、ビーム結合次元に沿っている。円筒形レンズ・アレイ７３３は、平行化光学系７０６の後方焦点面から離れた焦点面に配置されている。円筒形レンズ・アレイ７３３は、ダイオード・スタック７５０のピッチと同じピッチを有する。ダイオード・スタック７５０および格子７１４は、円筒形変換光学系７０８の焦点面に配置されている。このようなキャビティでは、外部キャビティはダイオード・バーおよびスタックにおけるいずれの欠陥にも無関係となる。

キャビティ７００の図７のモデリング（ＺＥＭＡＸを使用する）は、２０ミクロンのスマイル（山対谷）を呈しＦＡＣ光学系７０６を有するダイオード・バー７０３のパラメータを含む。これは、図１Ｂの第２光学モデルにおいて以前に論じたスマイルよりも１０倍多いことに注意すること。ここでは、円筒形レンズ・アレイ７３３は、焦点距離が１００ｍｍである。その結果、戻りビーム７３７は入射ビームと重なり合い、スマイルおよび平行化誤差がなく、これらには無関係な外部キャビティ動作が得られる。このタイプの設計によるレーザ・キャビティは、高パワー・レーザ切断業界や、その他の分野において多くの用途がある。
ダイオード・アレイおよびスタックの欠陥には無関係な２−Ｄダイオード・レーザ・エレメントの外部キャビティ一次元（１−Ｄ）波長ビーム結合（ＷＢＣ）
関連技術として、以前の２−Ｄレーザ・エレメントの外部キャビティ１−Ｄ ＷＢＣアーキテクチャを図１Ｃに示す。ここでは、ビーム結合はスタック次元に沿って行われる。このキャビティは、進相軸平行化（ＦＡＣ）光学系を有する２−Ｄダイオード・レーザ・エレメントまたはダイオード・レーザ・スタック、円筒形変換レンズ／ミラー、回折エレメント／格子（進相軸即ちスタック次元に沿った分散がある）、および部分的に反射する出力カプラによって構成されている。変換レンズ／ミラーは、ＦＡＣ光学系の後方焦点面から焦点距離のところに配置されている。回折格子は、変換光学系の焦点面に配置されている。出力カプラは、一次回折ビームの経路上に配置されている。したがって、理想的には、レーザ・エレメントからの全ての出力ビームは、図１Ｃに示すように、変換光学系によって格子において空間的に重ね合わせられる。反射型出力カプラおよび格子は、レーザ・エレメントの一意の波長制御のためにフィードバックを与え、近場（出力カプラにおいて）および遠場においてビームを重ね合わせる。ＷＢＣは、スタック次元に沿って行われる。これは、主に各ビームに対する進相軸次元である。配列次元は、パワーのスケーリングに使用され、輝度のスケーリングに使用されるのではない。図３において示したように、外部キャビティ動作は、スマイル、指向誤差、またはＦＡＣ歪み誤差には無関係である。回折損失を低減するために、配列次元に沿った円筒形テレスコープが、配列次元即ち遅相軸に沿った各エミッタを出力カプラ上に撮像する。この次元に沿って、円筒形テレスコープおよび回折格子は何もしない。

光学的に図１Ｃをモデリングすると（ＺＥＭＡＸを使用する）、ダイオード・スタックからの出力ビームは１つの回折限界ビームであることが示される。このモデルに限って、３つのダイオード・バーはスマイルが皆無であり、平行化誤差がないと仮定する。ＦＡＣ光学系１０６は、焦点距離が１ｍｍであり、これはＣＯＴＳ ＦＡＣ光学系の典型である。変換光学系１０８は、焦点距離が１００ｍｍである。全ての光学コンポーネントは理想的である（概念を明示するためにのみ）と仮定する。このモデルには出力カプラ１１６を含めなかった。加えて、変換光学系の焦点面において、または回折格子において、全てのビームは完全に重ね合わせられる。全てのエレメントからの全てのビームが回折格子上で空間的に重ね合わせられるので、出力ビームは、キャビティにおいて動作するときには、１つの回折限界ビームとなる。

図１２は、スマイルがあり、ＷＢＣ次元に沿ったＷＢＣキャビティを示し、円筒形レンズ・テレスコープ１０９ａおよび１０９ｂを除いて同じである。円筒形テレスコープは、非ビーム結合方向に沿っているので、関係がない。図１２における破線は、スマイルのあるエレメント１２０３に対応する。図１２をモデリングしたとき、各バーが山対谷で２０ミクロンのスマイルを有することを除いて、使用したパラメータは以前の図１Ｃのモデリングの場合と同一であった。スマイル１２０３または平行化誤差があるエレメントは、図１２に示すように、回折格子１２１４において空間的に重ね合わせられない。しかしながら、これらのエレメントは、格子１２１４および出力カプラ１２１６の機能によって、変わりなく動作する。しかしながら、出力ビーム・カプラに劣化が生ずる。出力ビームは、出力プロファイル１２９１に示すように、もはや１つのビームではなくなる。スマイルがあるエレメントを含む所与のバーの中にある全てのエレメントは、名目上同じ波長でレーザ発振する。位置とスペクトルとの間には１対１の対応があるので、この結果、出力カプラの後にビーム・サイズが広がることになる。しかしながら、スマイルまたは平行化誤差がある全てのエレメントに対して有効なフィードバックは、本質的に１００％であり、スマイルまたはいずれの平行化誤差の量にも無関係である。

このＷＢＣキャビティの主な欠点は、出力ビームの品質が、ダイオード・バーおよびスタックにおける欠陥（スマイルおよび平行化誤差）の量に比例して劣化することである。これらの誤差は、１０倍という多さで、出力ビームの品質を劣化させる可能性がある。スマイルおよび平行化誤差が少ないダイオード・バーおよびスタックも入手可能であるが（通例、出力ビームの品質において２倍から３倍の劣化に至る）、これらの方が高価である場合が多い。本願では、新たなＷＢＣアーキテクチャの実施形態について述べる。ここでは、ビーム結合次元に沿った出力ビームの品質は、ほぼ回折限界であり、スマイルおよび平行化誤差の量には無関係である。

図８は、この基本的な光学レイアウトを示す。キャビティは、ＦＡＣ光学系８０６を有するダイオード・スタック８５０、円筒形レンズ・アレイ８３３、円筒形変換光学系８０８、格子８１４（スタック次元に沿った分散がある）、および出力カプラ８１６によって構成されている。アレイ即ち非ビーム結合次元に沿った円筒形テレスコープ８０９が、アレイを出力カプラ８１６上に撮像するために使用されている。円筒形レンズ・アレイ８３３は、ＦＡＣ光学系８０６の後方焦点面から離れた焦点面に配置されている。この円筒形レンズ・アレイは、ダイオード・スタック８５０のピッチと同じピッチを有する。変換光学系８０８は、円筒形レンズ・アレイ８３３の後方焦点面から焦点距離のところに配置されている。格子８１４は、変換光学系８０８の後方焦点面に配置されている。

図１３は、ＷＢＣキャビティのビーム結合次元に沿ったこの回折限界出力プロファイルのＺＥＭＡＸモデルを示す。図１３の左側の部分は、２０ミクロンのスマイル（山対谷）があり、ＦＡＣ光学系を有するダイオード・バーを示す。図１３の中間部分は、キャビティの一部を示す。円筒形変換光学系および円筒形レンズ・アレイは双方共、焦点距離は１００ｍｍである。図１３の右側の部分は、回折格子上において空間的に重ね合わせされた全てのビームを示す。スマイルまたは平行化誤差には関係なく、全てのエレメントからの全てのビームが回折格子上で空間的に重ね合わせられるので、キャビティにおいて動作するとき、出力ビームは１つの回折限界ビームとなる。
ダイオード・アレイおよびスタックのビーム不具合補正
ソリッド・ステート・レーザの励起や材料加工における直接使用というような、多くの用途におけるダイオード・バーおよびスタックの最大限の利用は、貧弱な出力ビームによって限定されてしまう。更に、ダイオード・アレイおよびスタックの出力ビームの品質は、個々のエミッタ各々のビーム品質に対して、実際に可能なものよりも遙かに劣る。この劣化は、主に、パッケージングの不具合および平行化誤差によるものである。これらの不具合は、図３に示され、既に説明した。

図９は、ダイオード・アレイおよびスタックにおける欠陥を補正するために使用される極普通の方法の関連技術を示す。図９の左側の部分は、Power Photonic社(http://www.powerphotonic.co.uk/)の市販製品を示す。この製品は、位相のばらつき(phase variations)がある一片のガラスである。位相板は、殆どの欠陥を補正することができる。図９の右側の部分は、２つのタイプのスマイル補正用有形光学系(shaped optics)を示す。この有形光学系は、指向および歪みの不具合を補正することはできない。先に示した３つの方法は、非常にカスタム化されている。各ダイオード・アレイおよびスタックの欠陥を正確に測定する必要はない。一旦欠陥が分かったなら、位相板または有形レンズをカスタム製作する。これらの位相板または有形レンズは、他のアレイやスタックには使用することはできない。

図１１は、ダイオード・アレイおよびスタックにおける殆どの欠陥を補正するための基準光学設定の他の実施形態を示す。この光学的構成は、球面テレスコープ１１０９、ガラス・ブロック１１８１、格子１１１４、および出力カプラ１１１６によって構成されている。他の可能な構成では、２つの円筒形テレスコープによって構成される。分散次元に沿ったテレスコープは、所与のバー内の全てのビームを回折格子上で重ね合わせる。非ビーム結合次元に沿ったテレスコープは、各エミッタを、部分的に反射するミラー上で結合する。ダイオード・アレイ１１０２および１１０３は、第１球面レンズ１１１０ａの焦点面と平行化レンズ１１０６の焦点距離とを加算した和のところに配置されている。２つのレンズの隔たりは、それらの焦点距離の和となる。格子１１１４は、第２球面光学系１１１０ｂの焦点面に配置されている。格子１１１４は、光軸からある角度をなして位置付けられているので、ガラス・ブロックのアレイが必要となる。出力カプラ１１１６は、回折ビームの出力アームに配置されている。この配列では、ダイオード・アレイおよびスタックにおけるいずれの結果も、完全に補正される。例えば、第１ダイオード・アレイ１１０３がスマイルを有する場合を考える。平行化光学系の焦点面において、全てのビームが空間的に重ね合わせられる。球面テレスコープ１１０９は、この重ね合わされたビームを取り込み、それを格子１１１４上に位置付ける。回折格子１１１４および出力カプラ１１１６の組み合わせによって、全てのビームを出力カプラ１１１６に対して垂直に伝搬させる。このため、出力ビームは単に１つのビームとなる。この状態を実現することができる唯一の方法は、欠陥があるバーの中にある各レーザ・エレメントを、キャビティによって決められる一意の波長において動作させることである。

図１１の概念および本質の構成をモデリングすることは、欠陥がない３バー・ダイオード・スタックを使用し、９８０ｎｍの波長で動作させることを含む。各バーは、ｆ＝１ｍｍの進相軸平行化光学系によって平行化される。球面テレスコープは、２つのｆ＝１００ｍｍ光学系によって構成されている。格子は、１ｍｍ当たり６００ラインである。予測されるように、キャビティからの出力ビームは、入力ビームと同じである。技術的現状のダイオード・バーおよびスタックにおけるよりも約５０倍多いスマイルである、１００μｍの山対谷のスマイルを有する最上位アレイおよび最下位アレイのような、同じキャビティでありながらダイオード・アレイに欠陥があるものをモデリングする場合、中間のバーは、５０ｍｒａｄの指向誤差を有する。これは、技術的現状のダイオード・バーおよびスタックにおける指向誤差よりも２５倍多い。この大きなスマイルおよび指向誤差があっても、得られるビームは、スマイルや指向誤差がない最初のモデルのビームと全く同じである。これを達成するためには、例えば、５０μｍのスマイルがある最上位および最下位のバーにおけるエレメントは９０１．０８ｎｍで動作し、一方−５０μｍのスマイルがある最上位および最下位のバーにおけるエレメントは１０５７．５ｎｍで動作する。スマイルが全くないエレメントは、９８０ｎｍで動作する。５０ｍｒａｄの指向誤差がある中間バーは、９０１．０８ｎｍで動作する。尚、これは、バーおよびスタックの不具合補償に対するこの技法の効力を例示する極端な例であることは、述べておくべきであろう。実際には、技術的現状のバーのスマイルは２マイクロメートルの範囲であり、実際の補正キャビティにおいて得られるライン幅は約０．５ｎｍである。この一層実用的な例は、本技法の狭帯域幅能力を示す。本明細書において説明したこの実施形態を使用すると、スマイル、指向、または歪みの不具合に関係なく、出力ビームの品質は最大限補償され、単一エレメントのそれと同じとなる。

表１は、本光学キャビティを競合と比較したものである。本設定の唯一の欠点は、これの方が大きいことである。本設定は、スマイル、指向、および歪みの不具合を最大限補償することができる。本設定は万能である。この設定は、原理的に、全てのレーザでうまく作用する。ダイオード・レーザ・バーおよびスタックの欠陥を測定したり、カスタムの補正用光学系を製作する必要はない。本手法は、完全なアレイおよびスタックからひどく欠陥のあるアレイおよびスタックまでうまく作用する。本設定は回折格子を必要とするので、出力スペクトルは狭いライン幅、同調可能、そして非熱的となる。これらの特性は、多くの用途において非常に望ましいものである。

Claims (22)

1. スケーラブルな波長ビーム結合システムであって、
   複数のモジュール状レーザ入力デバイスを備えており、各モジュール状レーザ入力デバイスが、
   電磁ビームを生成するように構成されている少なくとも１つのレーザ・エレメントと、
   少なくとも１つの変換光学系であって、各変換光学系が、放出されたビームを分散性エレメントにおいて重ね合わせ、前記分散性エレメントが、前記重ね合わされたビームを、単一出力プロファイルとして透過させる、変換光学系と、
   を含む、スケーラブルな波長ビーム結合システム。
2. 請求項１記載のシステムであって、更に、前記分散性エレメントを透過した前記単一出力プロファイルを受けて、前記単一出力プロファイルの一部を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、システム。
3. スケーラブルな波長ビーム結合システムであって、
   複数のモジュール状レーザ入力デバイスを備えており、各モジュール状レーザ入力デバイスが、
   各々が電磁ビームを生成するように構成されている１つ以上のレーザ・エレメントと、
   前記ビームを受けるように構成されている少なくとも１つの主テレスコープ光学系と、
   前記主テレスコープ光学系の各々と共にテレスコープ・システムを形成するように整列されている副テレスコープ光学系であって、前記テレスコープ・システムが前記ビームを互いに平行に整列する、副テレスコープ光学系と、
   前記平行なビームを受け、ビーム結合次元に沿って前記平行なビームを結合するように構成されている変換光学系と、
   前記結合ビームの重複領域に位置付けられ、前記ビームを受けて透過させ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、
   を含む、スケーラブルな波長ビーム結合。
4. 請求項３記載のシステムであって、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、この出力プロファイルの一部を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、システム。
5. 請求項３記載のシステムにおいて、前記変換光学系が、５インチ以下の直径を有する、システム。
6. 請求項３記載のシステムにおいて、前記変換光学系が、直径が５インチ以下の湾曲ミラーである、システム。
7. ＷＢＣシステムをスケーリングする方法であって、
   複数の変換光学系を、各々が少なくとも１つの放出電磁ビームを受け、分散性エレメント上に重ね合わせるように配列するステップと、
   前記重ね合わされたビームから、単一の出力プロファイルを透過させるステップと、
   を備えている、方法。
8. ＷＢＣシステムをスケーリングする方法であって、
   １つ以上のレーザ・エレメントのモジュールから放出された電磁ビームを、１つよりも多い入力面を有する光学テレスコープ・システムに受け入れさせるステップであって、前記テレスコープ・システムが、モジュール毎に入力面を有する、ステップと、
   前記受け入れられたビーム全てを互いに平行に整列するステップと、
   前記平行なビームを分散性エレメント上に重ね合わせるステップと、
   前記分散性エレメントから単一の出力プロファイルを透過させるステップと、
   を備えている、方法。
9. 拡張出力波長ビーム結合システムであって、
   選択的にオンまたはオフに切り替えられるように構成されている複数のレーザ入力モジュールであって、各モジュールが１つ以上のレーザ・エレメントを含む、レーザ入力モジュールと、
   各モジュールから放出される電磁ビームを受けて、これらの放出ビームを重ね合わせるように構成されている変換光学系と、
   前記重ね合わせの領域に配置され、単一出力プロファイルを受けて透過させる分散性エレメントと、
   を備えている、システム。
10. 請求項９記載のシステムであって、更に、前記単一出力プロファイルを受け、この単一出力プロファイルの一部を反射して前記レーザ・エレメントに戻し、前記単一出力プロファイルを透過させるように構成されている出力カプラを備えており、外部キャビティが形成される、システム。
11. 請求項９記載のシステムにおいて、前記単一出力プロファイルが、最小輝度および出力パワーを、少なくとも５０，０００時間維持する、システム。
12. 請求項９記載のシステムにおいて、前記単一出力プロファイルが、最小輝度および出力パワーを、少なくとも１００，０００時間維持する、システム。
13. 請求項９記載のシステムであって、更に、前記単一出力プロファイルのデータを検出するように構成されている検知システムを含む、システム。
14. 請求項１３記載のシステムであって、更に、前記出力データを受け取り、選択的にレーザ入力モジュールをオンまたはオフに切り替えるように構成されているコントローラを含む、システム。
15. 請求項９記載のシステムであって、更に、レーザ入力モジュール毎に動作時間数を追跡するように構成されているカウンタを含む、システム。
16. 請求項９記載のシステムにおいて、多数のレーザ入力モジュールがオンに切り替えられる、システム。
17. 外部キャビティ・システムであって、
    電磁放射線を放出するように構成されている複数の固定位置レーザ・エレメントと、
    前記放出された放射線を受けて、第１次元に沿って前記放射線を平行化するように構成されているマイクロ・レンズのアレイと、
    前記平行化された放射線を受けて、ビーム結合次元に沿って前記放射線を結合するように構成されている変換レンズと、
    前記結合の重ね合わせ領域に位置付けられ、前記結合放射線を受けて、単一出力プロファイルを透過させる分散性エレメントと、
    前記単一出力プロファイルを受け、その一部を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、外部キャビティ・システム。
18. 請求項１７記載のシステムであって、更に、前記マイクロ・レンズのアレイと共にテレスコープ・システムを形成するように構成されている第２のマイクロ・レンズのアレイを含む、システム。
19. 請求項１７記載のシステムであって、更に、前記放出された放射線を受け、第２次元に沿って平行化するように構成されている、第２のマイクロ・レンズのアレイを含む、システム。
20. 外部キャビティ・システムであって、
    電磁放射線を放出するように構成されている複数の固定位置レーザ・エレメントと、
    少なくとも２つのレーザ・エレメントの放出経路内に配置されている少なくとも１つの平行化光学系であって、前記放射線が１つの次元に沿って平行化される、平行化光学系と、
    各レーザ・エレメントによって放出された放射線を受けて、前記システムの好ましい光軸に沿って前記複数のエレメントを整列させるように構成されているマイクロ・レンズのアレイと、
    前記整列された放射線を受け、ビーム結合次元に沿って前記放射線を結合するように構成されている変換光学系と、
    前記結合放射線の重ね合わせ領域に位置付けられ、前記結合放射線を受けて、単一出力プロファイルを透過させる分散性エレメントと、
    前記単一出力プロファイルを受け、前記プロファイルの一部を反射して前記分散性エレメントに向けて戻すように構成されている、出力カプラと、
    を備えている、外部キャビティ・システム。
21. 請求項２１記載のシステムにおいて、前記マイクロ・レンズのアレイが、前記平行化光学系から焦点距離のところに配置されている、システム。
22. 請求項２１記載のシステムにおいて、前記結合次元が、各レーザ・エミッタの進相軸に沿っている、システム。