JP7296605B2 - 波長ビーム結合共振器のアライメントのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、２０１９年１月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／７９７，４３８号の利益および優先権を主張するものであり、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

様々な実施の形態において、本発明は、レーザーシステム、特に、複数のビームエミッタを有するレーザーシステムのアライメントのための方法およびシステムに関する。

高出力レーザーシステムは、溶接、切断、穴あけ、および材料加工などの多くの異なる用途に使用されている。このようなレーザーシステムには、一般的に、レーザー光を光ファイバー（または単に「ファイバー」）に結合するレーザーエミッタと、ファイバーからのレーザー光を加工対象物に集束する光学系と、が含まれる。レーザーシステムの光学系は、通常、最高品質のレーザービームを生成するよう、言い換えると、最も低いビームパラメータ積（ＢＰＰ）のビームを生成するよう設計される。ＢＰＰは、レーザービームの発散角（半角）とビームの最も狭い点（すなわち、ビームウエスト、最小スポット径）の半径との積である。つまり、Ｄを焦点スポット（ウエスト）直径、ＮＡを開口数、とすると、ＢＰＰ＝ＮＡ×Ｄ／２である。したがって、ＮＡおよび／またはＤを変化させることによりＢＰＰを変化させることができる。ＢＰＰはレーザービームの品質と小さなスポットへの集束性とを数値化したものであり、一般的に、ミリメートル－ミリラジアン（ｍｍ－ｍｒａｄ）の単位で表される。ガウスビームは、レーザー光の波長を円周率（ｐｉ）で除算することで得られる、取り得る最低のＢＰＰを有する。同じ波長での理想的なガウスビームのＢＰＰに対する実際のビームのＢＰＰの比率はＭ^２で表され、これは、波長に依存しないビーム品質の基準である。

波長ビーム結合（ＷＢＣ）は、レーザーダイオード、レーザーダイオードバー、ダイオードバーのスタック、または１次元または２次元アレイに配置された他のレーザーからの出力パワーと輝度をスケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ）する技術である。ＷＢＣの方法は、エミッタアレイの１つまたは両方の次元に沿ってビームを結合するために開発された。一般的なＷＢＣシステムは、１つまたは複数のダイオードバーなどの複数のエミッタを含み、それらを組み合わせて分散素子を使用することにより多波長ビームを形成する。ＷＢＣシステムにおけるそれぞれのエミッタは、個別に共振し、ビーム結合次元に沿った分散素子によりフィルタリングされる共通の部分反射出力カプラからの波長固有のフィードバックを通して安定化される。例示的なＷＢＣシステムは、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、および、２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号に詳述されており、それらの開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれている。

様々なＷＢＣレーザーシステムは、「ＷＢＣ次元（ＷＢＣ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）」と呼ばれる単一の方向または次元に沿って、複数のビームエミッタにより放射されたビームを結合する。したがって、ＷＢＣシステムまたは「共振器」は、ＷＢＣ次元の同一平面に配置された様々な構成要素を備えていることが多い。ビームが結合されないＷＢＣ次元に垂直な次元は、一般的に「非ＷＢＣ次元」と呼ばれる。

上述の文献のいくつかに開示されているように、ＷＢＣレーザーシステムは、ダイオードバー、または他のマルチビームエミッタを備えていることが多く、その出力は、単一の出力ビームに結合される。一般的なＷＢＣ共振器は、分散素子と、下流側のフィードバック面と、を含み、これは、それぞれのエミッタをその対応するレージング波長に固定することにより共振器を安定させるために、それぞれの対応するエミッタにフィードバックビームを（例えば、反射により）提供する。ＷＢＣ共振器を最適化するために、共振器で結合されたビームは、通常、ＷＢＣ次元と非ＷＢＣ次元との両方で、フィードバック面に対して垂直になるようアライン（ａｌｉｇｎ）される。

有利なことに、共振器がＷＢＣ次元のフィードバック面に垂直な方向に伝播する異なる波長に単に固定するため、ＷＢＣ共振器はＷＢＣ次元におけるある程度のずれ（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）に対して自己適応できる場合が多い。新しいレージング波長がエミッタ利得曲線の実質的に平らな領域にあり、ずれが共振器内の光学系において顕著なパワークリッピング（ｐｏｗｅｒ ｃｌｉｐｐｉｎｇ）を引き起こさない場合、ＷＢＣ次元におけるずれは、共振器のパワーおよび安定性に影響を与えないことが多い。

しかし、非ＷＢＣ次元でのＷＢＣ共振器のアライメントは、より困難である。ＷＢＣ共振器は、実質的に多くの独立した単一ビーム共振器の集合体であるため、それぞれの単一ビーム共振器は、理想的には個別にアラインされる。特に、複数のエミッタが複数のダイオードバーまたは他のマルチエミッタソースであるシステムにおいて、ＷＢＣ共振器のパフォーマンスは、個々のダイオードバーに対応する個々のサブ共振器のアライメントに依存する。したがって、特に非ＷＢＣ次元において、ＷＢＣ共振器およびそのビーム源の最適化されたアライメントを可能にするシステムおよび方法が必要とされている。

本発明の実施の形態によるシステムおよび技術は、複数のビームエミッタからの複数のビームを空間的に重ね合わせるレーザー共振器（例えば、ＷＢＣ共振器）におけるエミッタのずれを検出して、ずれを軽減することができる。様々な実施の形態によると、共振器ビーム（例えば、ＷＢＣ共振器ビーム）は、逆多重化され（ｄｅ－ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ）、結果として得られたサブビームのニアフィールド画像およびファーフィールド画像がビームプロファイリングシステムを介して（順次にまたは同時に）生成される。結果として得られた画像は、レーザーシステムの１つまたは複数の光学素子の調整により低減され得る、または実質的に排除され得るビーム偏心およびポインティングエラーを明らかにする。例えば、インターリーバミラーを傾けたり、および／またはレンズ（例えば、ＳＡＣレンズまたはスロー軸および／または非ＷＢＣ次元でビームを調整する他のレンズ）を移動させたりして、個々のビームのアライメントを調整してもよい。

本明細書で使用される場合、「ニアフィールド画像」はビーム出力（例えば、レーザー共振器の出力）におけるビームまたはサブビームの画像に相当する。通常、ニアフィールドにおいて、ビームは、比較的平行で、比較的大きいビームサイズを有する。様々な実施の形態において、ニアフィールド画像は、ＷＢＣ次元（または、代替的に画像化に関する別の次元）に屈折力（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を有するレンズを通さずに、ビームプロファイリングシステムへのビームまたはサブビームの投影により生成することができる。（様々な実施の形態において、そのようなビームまたはサブビームは、ニアフィールド画像を生成するために、ＷＢＣ次元に屈折力を持たないレンズを通って伝播することがある。）他の実施の形態において、ニアフィールド画像は、ビームプロファイリングシステム上のイメージングレンズ（すなわち、ＷＢＣ次元に屈折力を有し、その焦点距離に相当するビーム出力からの光学的距離に配置され得るレンズ）を用いて、ビーム出力におけるビームまたはサブビームを画像化することにより生成することができる。ニアフィールド画像は、ビーム出力におけるビームまたはサブビームの形状および大きさを監視および決定するために使用することができる。

一方、「ファーフィールド画像」は、レンズ、例えば、ビーム出力の光学的下流に配置されたレンズの焦点面におけるビームまたはサブビームの画像に相当する。様々な実施の形態において、ファーフィールド画像は、レンズの焦点距離に相当するビームプロファイリングシステムからの光学的距離に配置されたレンズを用いて、ビームプロファイリングシステムにビームまたはサブビームを集束することにより生成することができる。ファーフィールド画像は、ビームポインティング（ビームプロファイリングシステムでのビームポジションに相当する）およびビームまたはサブビームの発散角（ビームプロファイリングシステムでのビームのサイズに相当する）を監視および決定するために使用することができる。

本発明の様々な実施の形態によるアライメントシステムは、共振器の出力ビームの経路内外で出入り可能であってもよいが、必ずしもそうではない光学素子（例えば、レンズ、ビームスプリッタ、リフレクタ、および／またはビームローテータ）を特徴とする。光学素子、およびその配置および／または移動により、ビームプロファイリングシステムを用いてファーフィールド画像とニアフィールド画像との両方を生成することができる。また、ビームの経路に移動したビームローテータにより出力ビームを回転させることができるため、ＷＢＣ次元および非ＷＢＣ次元の両方でずれの検出および補正をすることができる。つまり、非回転ビームの逆多重化は、例えば非ＷＢＣ次元におけるずれを検出するために使用することができ、回転ビームの逆多重化は、例えばＷＢＣ次元におけるずれを検出するために使用することができる。光学素子は、当技術分野で知られているように、機械化されたステージ、ジンバル、プラットフォーム、および／またはマウントを使用して移動可能（例えば、平行移動可能および／または傾斜可能）であってもよく、したがって、移動可能な光学素子要素の提供は、当業者により過度の実験をすることなく達成することができる。

多くのレーザー共振器が、共振器出力で空間的に重ね合わせた個々のビームを使用するため、そのようなシステムのアライメントは、通常、一度に１つのエミッタ（例えば、ダイオードバー）の電源を入れる必要があり、その結果として得られたビーム（またはビームのセット）だけを調整して、ビームにより確立された結果として得られたサブ共振器を最適化する。一方、本発明の実施の形態では、空間的に重ね合わせたビームを有利に逆多重化して、１つまたは複数の、またはすべてのビームを同時にアラインすることができる。このように、本発明の実施の形態は、マルチエミッタレーザー共振器のより効率的なアライメントを可能にする。さらに、本発明の実施の形態では、アライメントのために単一のエミッタに個別に電力を供給する必要がないため、レーザー共振器の電力供給および電源スイッチング構成を簡素化することができる。

本発明の実施の形態によるシステムおよび技術は、複数のビームエミッタとして複数のダイオードバーを含むＷＢＣ共振器において使用することができる。それぞれのビームエミッタは、対応するインターリーバミラーおよびスロー軸コリメーション（ＳＡＣ）レンズを有し、すべてのエミッタからのビームは、光学的に下流で結合されて多波長出力ビームになってもよい。それぞれのダイオードバーは、ファスト軸コリメータおよび光ローテータ（または「光学ツイスタ」）と結合されてもよく、それらは、ビーム伝播方向に垂直な面で、ビームのファスト軸およびスロー軸を９０度回転させる。そのようＷＢＣシステムにおいて、ビームのスロー軸は、非ＷＢＣ次元または光ローテータの光学的に下流の方向にある。したがって、単一のダイオードバーのエミッタはすべて、単一のＳＡＣレンズ（または「スロー軸コリメータ」）によりスロー軸にコリメートされてもよい。

本発明の実施の形態は、例えば、非ＷＢＣ次元でのＷＢＣシステム内の分散素子の傾斜により、スロー軸ポインティングエラーを検出し補正するために利用することができる。これは、２０１９年１０月１０日に出願された米国特許出願第１６／５９８，００１号（’００１出願）に詳述されており、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。さらに、本発明の実施の形態は、「階段状」の、すなわち、’００１出願に詳述されているように、高さおよび／または位置が相対的に変化するＳＡＣレンズのアレイを使用してビームスミア（ｂｅａｍ ｓｍｅａｒ）を検出し、そしてそれを低減または実質的に排除するために利用することができる。

本発明の実施の形態において、ビームエミッタ（または単に「エミッタ」）は、ダイオードレーザー、ファイバーレーザー、ファイバーピッグテールダイオードレーザー、などを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよく、１次元または２次元アレイとして個別にまたはグループでパッケージ化されてもよい。様々な実施の形態において、エミッタまたはエミッタアレイは、それぞれのバーが複数の（例えば、数十の）エミッタを有する高出力ダイオードバーである。エミッタは、エミッタのコリメーションおよびビーム成形のためにそれに取り付けられたマイクロレンズを有していてもよい。通常共焦点で、エミッタと分散素子（例えば、回折格子）との間に配置された変換光学系は、異なるエミッタからの個々のビームをコリメートし、特に、ＷＢＣ次元（すなわち、ビームが結合される次元、または方向）において、回折格子の中心に向かってビームのすべての主光線を集束させる。分散素子により回折されたメインビームは、部分反射出力カプラに伝播する。カプラは、個々のエミッタにフィードバックを提供し、分散素子を介して個々のエミッタの波長を定義する。つまり、カプラは個々のエミッタに様々なビームの一部を反射して戻し、それにより外部のレージングキャビティ（ｌａｓｉｎｇ ｃａｖｉｔｙ）を形成し、溶接、切断、機械加工、加工などの用途、および／または１つまたは複数の光ファイバーに結合するために組み合わされた多波長ビームを伝送する。

本発明の様々な実施の形態は、その出力レーザービームのＢＰＰを変化させる技術を特徴とするレーザーシステムで利用することができる。これは、２０１５年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／６３２，２８３号、および２０１６年６月２１日に出願された米国特許出願第１５／１８８，０７６号に詳述されており、それらの開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。本発明の実施の形態によるレーザーシステムはまた、電力および／またはスペクトル監視機能を含んでもよい。これは、２０１９年５月２１日に出願された米国特許出願第１６／４１７，８６１号に詳述されており、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書において、「光学素子」は、別段の指示がない限り、電磁放射を方向転換、反射、屈折、または任意の他の方法で光学的に操作する、レンズ、ミラー、プリズム、回折格子、ビームスプリッタなどのいずれかを指し得る。本明細書において、ビームエミッタ、エミッタ、またはレーザーエミッタ、またはレーザーは、半導体要素などの任意の電磁ビーム生成装置を含み、電磁ビーム生成装置は、電磁ビームを生成するものであるが、自己共振してもしなくてもよい。これらには、ファイバーレーザー、ディスクレーザー、非固体レーザーなども含まれる。一般的に、それぞれのエミッタは、背面反射面と、少なくとも１つの光学利得媒質と、前面反射面と、を含む。光学利得媒質は、電磁放射の利得を増加させる。電磁放射は、電磁スペクトルの特定の部分に限定されず、可視光、赤外線、および／または紫外線であってもよい。エミッタは、複数のビームを放射するよう構成されたダイオードバーなどの複数のビームエミッタを含んでもよい、または本質的にそれらにより構成されてもよい。本明細書の実施の形態において受信された複数の入力ビームは、当技術分野で知られている様々な技術を使用して組み合わされた単波長または多波長ビームであってもよい。

回折格子は、本明細書では例示的な分散素子として使用されているが、本発明の実施の形態では、例えば、分散プリズム、透過格子、またはエシェル格子などの他の分散素子を使用することができる。本発明の実施の形態では、１つまたは複数の回折格子に加えて１つまたは複数のプリズムを使用することができる。これは、例えば、２０１７年１月１９日に出願された米国特許出願第１５／４１０，２７７号に詳述されており、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の実施の形態では、多波長出力ビームを光ファイバーに結合することができる。様々な実施の形態において、光ファイバーは、シングルコアを取り囲む複数のクラッド層、単一のクラッド層内の複数の離散コア領域（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｒｅ ｒｅｇｉｏｎｓ、または「コア」）、または複数のクラッド層に取り囲まれた複数のコア、を有する。様々な実施の形態において、出力ビームは、切断、溶接などの用途のために加工対象物に送られてもよい。

以下の一般的な説明に記載されているような、レーザーダイオードアレイ、バー、および／またはスタックは、本明細書に記載されるイノベーションの実施の形態に関連して使用することができる。一般的に、一次元の行／アレイ（ダイオードバー）または２次元アレイ（ダイオードバースタック）に、レーザーダイオードを個別にまたはグループで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、通常、ダイオードバーの垂直スタックである。レーザーダイオードバーまたはアレイは、通常、同等の単一広域ダイオードよりも実質的に高い出力および高いコスト効率を実現する。高出力ダイオードバーは、通常、広域エミッタのアレイを含み、比較的ビーム品質の低い数十ワットの出力を生成する。その出力は高出力にもかかわらず、輝度が広域レーザーダイオードのそれよりも低いことが多い。高出力ダイオードバーを積み重ねて、非常に高出力な数百または数千ワットの出力を生成する高出力スタックダイオードを製造することができる。レーザーダイオードアレイはフリースペースまたはファイバーにビームを放射するよう構成することができる。ファイバー結合ダイオードレーザーは、ファイバーレーザーおよびファイバー増幅器の励起源として便利に使用することができる。

ダイオードレーザーバーは、広域エミッタの一次元アレイを含む、または代替的に、例えば、１０～２０個の狭ストライプエミッタを含むサブアレイを含む、半導体レーザーの一種である。広域ダイオードバーは、通常、例えば、１９～４９個のエミッタを含み、それぞれのエミッタは、例えば、約１μｍ×１００μｍの次元を有する。１μｍの次元またはファスト軸に沿ったビーム品質は、通常、回折限界である。１００μｍの次元またはスロー軸またはアレイ次元に沿ったビーム品質は、通常、回折限界の何倍にもなる。通常、商業用のダイオードバーは、レーザー共振器の長さが１～４ｍｍであり、幅が約１０ｍｍであり、数十ワットの出力を生成する。ほとんどのダイオードバーは、７８０～１０７０ｎｍの範囲の波長で動作する。８０８ｎｍ（ネオジウムレーザーの励起用）および９４０ｎｍ（Ｙｂ：ＹＡＧの励起用）の波長が最も顕著である。９１５～９７６ｎｍの波長帯域は、エルビウムドープまたはイッテルビウムドープの高出力ファイバーレーザーまたは増幅器の励起に使用される。

ダイオードスタックは、単に複数のダイオードバーの配置であり、非常に高い出力を供給することができる。ダイオードレーザースタック、マルチバーモジュール、または２次元レーザーアレイとも呼ばれる最も一般的なダイオードスタック配置は、実質的にエッジエミッタの２次元アレイである垂直スタックである。そ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て、ダイオードバーとヒートシンクとの周期的なアレイを得ることができるようにこれらのアセンブリを積み重ねることにより組み立てることができる。水平ダイオードスタック、および２次元スタックも存在する。高いビーム品質を得るために、通常、ダイオードバーを互いにできるだけ近づける必要がある。一方、効率的な冷却のために、バーの間に取り付けられたヒートシンクの最低限の厚さが必要である。このダイオードバーの間隔のトレードオフにより、垂直方向でのダイオードバーのビーム品質（および実質的にその輝度）が単一のダイオードバーのビーム品質よりもはるかに低くなる。しかし、この問題を大幅に軽減するためのいくつかの技術が存在する。例えば、異なるダイオードスタックの出力の空間的インターリーブ、偏光カップリング、または波長多重化、などである。このような目的のために、様々な種類の高出力ビームシェイパーおよび関連デバイスが開発されてきた。ダイオードスタックは、非常に高い出力（例えば、数百または数千ワット）を提供することができる。

本発明の実施の形態により生成された出力ビームは、単に光で表面を検査する光学技術（例えば、反射率測定）と対照的に、加工対象物の表面を物理的に変化させるよう、および／または表面上または表面内に特徴を形成するよう、加工対象物を加工するために使用することができる。本発明の実施の形態による例示的な加工には、切断、溶接、穴あけ、および半田付けが含まれる。本発明の様々な実施の形態では、加工対象物の表面のすべてまたは実質的にすべてにレーザービームからの放射を照射するのではなく、１つまたは複数のスポットで、または１次元の直線的または曲線的な加工経路に沿って、加工対象物を加工することもできる。そのような１次元経路は、複数のセグメントから構成されてもよい。セグメントのそれぞれは、直線的または曲線的であってもよい。

一態様において、本発明の実施の形態は、複数の入力ビームを波長ビーム結合（ＷＢＣ）次元に沿って空間的に重ね合わせ、その結果得られる出力ビームをビーム出力から出力するレーザー共振器とともに使用するためのアライメントシステムを特徴とする。アライメントシステムは、分散素子、ビームプロファイラ、第１レンズ、および第２レンズを含む、本質的にそれらにより構成される、またはそれらにより構成される。分散素子は、出力ビームを受信し、出力ビームを分散させて、ＷＢＣ次元で複数の分散ビームを生成する。ビームプロファイラは、複数の分散ビームを受信し、ビームプロファイラにより受信した複数の分散ビームの相対位置の画像を生成する。第１レンズは、ＷＢＣ次元に垂直な非ＷＢＣ次元の屈折力を有する。第１レンズは、ビーム出力の光学的下流かつビームプロファイラの光学的上流に配置される。第２レンズはビームプロファイラ上に、またはビームプロファイラに向けて、複数の分散ビームを集束させる。第２レンズはＷＢＣ次元の屈折力を有する。第２レンズはビーム出力の光学的下流（例えば、分散素子の光学的下流）かつビームプロファイラの光学的上流に配置される。

本発明の実施の形態は、様々な任意の組み合わせで以下の１つまたは複数を含むことができる。分散素子は、回折格子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。第１レンズは、分散素子の光学的上流に配置されてもよい。第１レンズは、非ＷＢＣ次元の屈折力だけを有していてもよい。第１レンズの焦点距離は、第２レンズの焦点距離よりも大きくてもよい。第１レンズおよび／または第２レンズは、１つまたは複数のシリンドリカルレンズを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。第１レンズとビームプロファイラとの光学的距離は、第１レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第１レンズとビームプロファイラとの光学的距離は、第１レンズの焦点距離よりも大きくてもよい。第１レンズとビーム出力との光学的距離は、第１レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第２レンズとビームプロファイラとの光学的距離は、第２レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第２レンズと分散素子との光学的距離は、第２レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第２レンズは、ＷＢＣ次元の屈折力だけを有していてもよい。

第１レンズは、（ｉ）ビームプロファイラを介してファーフィールド画像を生成するための出力ビームの経路内の第１位置と、（ｉｉ）ビームプロファイラを介してニアフィールド画像が生成される出力ビームの経路外の第２位置と、の間で移動可能であってもよい。アライメントシステムは、第３レンズを含んでもよい。第３レンズの焦点距離は、第１レンズの焦点距離よりも小さくてもよい。第１レンズと第３レンズとは、出力ビームの経路内で交換可能であり、（ｉ）第１レンズが出力ビームの経路内にある場合、ファーフィールド画像がビームプロファイラを介して生成され、（ｉｉ）第３レンズが出力ビームの経路内にある場合、ニアフィールド画像がビームプロファイラを介して生成される。

アライメントシステムは、ビーム出力の光学的下流かつ第１レンズの光学的上流に配置された第３レンズを含んでもよい。第３レンズは、非ＷＢＣ次元の屈折力を有していてもよい。第３レンズは、非ＷＢＣ次元の屈折力だけを有していてもよい。第３レンズの焦点距離は、第１レンズの焦点距離よりも小さくてもよい。第３レンズとビーム出力との光学的距離は、第３レンズの焦点距離と略等しくてもよい。第３レンズとビームプロファイラとの光学的距離は、第３レンズの焦点距離よりも大きくてもよい。第３レンズは、（ｉ）ビームプロファイラを介してニアフィールド画像を生成する出力ビームの経路内の第１位置と、（ｉｉ）ビームプロファイラを介してファーフィールド画像が生成される出力ビームの経路外の第２位置と、の間で移動可能であってもよい。

アライメントシステムは、ビーム出力の光学的下流に配置されるビームローテータを含んでもよい。ビームローテータは、出力ビームを約９０度回転させるよう構成されてもよい。ビームローテータは、（ｉ）２つの共焦点シリンドリカルレンズ、（ｉｉ）ダブプリズム（ｄｏｖｅ ｐｒｉｓｍ）、または（ｉｉｉ）２つのリフレクタ、を含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。ビーム出力は、部分反射出力カプラを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。

別の態様において、本発明の実施の形態は、レーザー共振器およびアライメントシステムを含む、本質的にそれらにより構成される、またはそれらにより構成されるアライメント可能なレーザーシステムを特徴とする。レーザー共振器は、（ｉ）複数の入力ビームを放射する複数のビームエミッタ、（ｉｉ）複数の入力ビームを操作する複数の光学素子、および（ｉｉｉ）ビーム出力を含む、本質的にそれらにより構成される、またはそれらにより構成される。レーザー共振器は、波長ビーム結合（ＷＢＣ）次元に沿って複数の入力ビームを空間的に重ね合わせ、その結果得られた出力ビームをビーム出力から出力するよう構成される。アライメントシステムは、複数のビームエミッタにより放射される複数の入力ビームの画像を生成するためのビームプロファイラを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。

本発明の実施の形態は、様々な任意の組み合わせで以下の１つまたは複数を含むことができる。レーザーシステムは、ビームプロファイラにより生成された画像に少なくとも基づいて複数の入力ビームをアラインする光学素子を調整するよう構成されたコントローラを含んでもよい。光学素子は、１つまたは複数のインターリーバミラーおよび／または１つまたは複数のコリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。コントローラは、１つまたは複数のインターリーバミラーを傾斜させる、および／または１つまたは複数のコリメーションレンズを平行移動させることにより光学素子を調整するよう構成されてもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれのコリメーションレンズは、スロー軸コリメーションレンズであってもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれのコリメーションレンズは、ファスト軸コリメーションレンズであってもよい。レーザー共振器は、（ａ）複数の入力ビームを受信し波長分散させて多波長ビームを形成するための分散素子と、（ｂ）（ｉ）出力ビームとして多波長ビームの第１部分を送信し、（ｉｉ）多波長ビームの第２部分を反射させて分散素子に（および、外部レーザーキャビティを形成し、それぞれ異なる場合があるその放射波長に複数のビームエミッタを安定させるために、複数のビームエミッタに）戻すための部分反射出力カプラと、を含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。レーザー共振器は、複数のビームエミッタのそれぞれに関連して、ファスト軸コリメータ、および約９０度のビーム回転を誘導する光ローテータを含んでもよい。分散素子は、回折格子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。レーザー共振器は、（ａ）複数の第１コリメータであって、それぞれの第１コリメータのそれぞれが複数のビームエミッタの１つからの１つまたは複数のビームを受信しコリメートする、複数の第１コリメータと、（ｂ）複数のインターリーバであって、複数のインターリーバのそれぞれが第１コリメータの１つからの１つまたは複数のビームを受信する、複数のインターリーバと、（ｃ）複数のインターリーバからのすべてのビームを受信し、ビームをコリメートし、分散素子にビームを送信する第２コリメータと、を含んでもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれの第１コリメータは、スロー軸コリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれの第１コリメータは、ファスト軸コリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。レーザー共振器は、分散素子の光学的下流かつ部分反射出力カプラの光学的上流に配置された屈曲ミラー（ｆｏｌｄｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）を含んでもよい。部分反射出力カプラは、ビーム出力であってもよい。ビームプロファイラは、ビーム出力の光学的下流に配置されてもよい。

アライメントシステムは、さらに、分散素子、第１レンズ、および第２レンズを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。分散素子は、出力ビームを受信して、出力ビームを分散させて、ＷＢＣ次元に複数の分散ビームを生成してもよい。第１レンズは、ＷＢＣ次元に垂直な非ＷＢＣ次元の屈折力を有してもよい。第１レンズは、ビーム出力の光学的下流かつビームプロファイラの光学的上流に配置されてもよい。第２レンズは、ＷＢＣ次元の屈折力を有してもよい。第２レンズは、ビームプロファイラ上に、またはビームプロファイラに向けて複数の分散ビームを集束してもよい。第２レンズは、ビーム出力の光学的下流（例えば、分散素子の光学的下流）かつビームプロファイラの光学的上流に配置されてもよい。ビームプロファイラは、複数の分散ビームを受信して、ビームプロファイラにより受信された複数の分散ビームの相対位置の画像を生成するよう構成されてもよい。第１レンズは、（ｉ）ビームプロファイラを介してファーフィールド画像を生成する出力ビームの経路内の第１位置と、（ｉｉ）ビームプロファイラを介してニアフィールド画像が生成される出力ビームの経路外の第２位置と、の間で移動可能であってもよい。アライメントシステムは、第３レンズを含んでもよい。第３レンズの焦点距離は、第１レンズの焦点距離よりも小さくてもよい。第１レンズと第３レンズとは出力ビームの経路内で交換可能であり、（ｉ）第１レンズが出力ビームの経路内にある場合、ファーフィールド画像がビームプロファイラを介して生成され、（ｉｉ）第３レンズが出力ビームの経路内にある場合、ニアフィールド画像がビームプロファイラを介して生成される。

アライメントシステムは、ビーム出力の光学的下流かつ第１レンズの光学的上流に配置される第３レンズを含んでもよい。第３レンズの焦点距離は、第１レンズの焦点距離よりも小さくてもよい。第３レンズは、（ｉ）ビームプロファイラを介してニアフィールド画像を生成する出力ビームの経路内の第１位置と、（ｉｉ）ビームプロファイラを介してファーフィールド画像が生成される出力ビームの経路外の第２位置と、の間で移動可能であってもよい。アライメントシステムは、ビーム出力の光学的下流に配置されるビームローテータを含んでもよい。ビームローテータは、出力ビームを約９０度回転させるよう構成されてもよい。ビームローテータは、（ｉ）２つの共焦点シリンドリカルレンズ、（ｉｉ）ダブプリズム、または（ｉｉｉ）２つのリフレクタ、を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。

さらに別の態様において、本発明の実施の形態は、波長ビーム結合（ＷＢＣ）次元に沿って複数の入力ビームを空間的に重ね合わせ、その結果得られる出力ビームをビーム出力から出力するレーザー共振器とともに使用するためのアライメントシステムを特徴とする。アライメントシステムは、分散素子と、ビームプロファイラと、第１レンズと、第２レンズと、第３レンズと、複数の光学素子と、を含む、本質的にそれらにより構成される、またはそれらにより構成される。分散素子は、ＷＢＣ次元にビームを分散させるよう構成される。ビームプロファイラは、ビームを受信してその相対位置の画像を生成する。第１レンズは、ＷＢＣ次元に垂直な非ＷＢＣ次元の屈折力を有する。第１レンズは、ビーム出力の光学的下流かつビームプロファイラの光学的上流に配置される。第２レンズは、ＷＢＣ次元の屈折力を有する。第２レンズは、ビームプロファイラ上に、またはビームプロファイラに向けて複数の分散ビームを集束させる。第２レンズは、ビーム出力の光学的下流（たとえば、分散素子の光学的下流）かつビームプロファイラの光学的上流に配置される。第３レンズは、非ＷＢＣ次元の屈折力を有する。第３レンズは、ビーム出力の光学的下流かつビームプロファイラの光学的上流に配置される。光学素子は、（ｉ）出力ビームを受信し、（ｉｉ）出力ビームの第１部分を第３レンズに向け、（ｉｉｉ）出力ビームの第２部分を第１レンズに向けるよう構成される。

本発明の実施の形態は、様々な任意の組み合わせで以下の１つまたは複数を含むことができる。出力ビームの第２部分は、第３レンズに向けられなくてもよい。第１レンズは、出力ビームの第１部分と出力ビームの第２部分との両方を受信するよう配置されてもよい。光学素子は、出力ビームの第１部分と第２部分とを、異なる角度で第１レンズに向けるよう構成されてもよい。分散素子は、出力ビームの第１部分を受信して分散するよう配置されてもよく、それにより、ビームプロファイラを介して複数の入力ビームのニアフィールド画像が生成される。分散素子は、出力ビームの第２部分を受信して分散するよう配置されてもよく、それにより、ビームプロファイラを介して複数の入力ビームのファーフィールド画像が生成される。分散素子は、回折格子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。

第１レンズは、分散素子の光学的上流に配置されてもよい。第３レンズは、第１レンズの光学的上流に配置されてもよい。第１レンズの焦点距離は、第２レンズの焦点距離よりも大きくてもよい。第１レンズ、第２レンズ、および／または第３レンズは、１つまたは複数のシリンドリカルレンズを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。第１レンズとビームプロファイラとの光学的距離は、第１レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第１レンズとビーム出力との光学的距離は、第１レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第２レンズとビームプロファイラとの光学的距離は、第２レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第２レンズと分散素子との光学的距離は、第２レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第３レンズの焦点距離は、第１レンズの焦点距離よりも小さくてもよい。第３レンズとビーム出力との光学的距離は、第３レンズの焦点距離に略等しくてもよい。第３レンズとビームプロファイラとの光学的距離は、第３レンズの焦点距離よりも大きくてもよい。

アライメントシステムは、ビーム出力の光学的下流に配置されたビームローテータを含んでもよい。ビームローテータは、出力ビームを約９０度回転させるよう構成されてもよい。ビームローテータは、（ｉ）２つの共焦点シリンドリカルレンズ、（ｉｉ）ダブプリズム、または（ｉｉｉ）２つのリフレクタ、を含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。第１レンズは、非ＷＢＣ次元の屈折力だけを有してもよい。第２レンズは、ＷＢＣ次元の屈折力だけを有してもよい。第３レンズは、非ＷＢＣ次元の屈折力だけを有してもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれの光学素子は、ビームスプリッタおよび／またはリフレクタを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。ビーム出力は、部分反射出力カプラを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。

別の態様において、本発明の実施の形態は、レーザー共振器とアライメントシステムをと含む、本質的にそれらにより構成される、またはそれらにより構成されるアライメント可能なレーザーシステムを特徴とする。レーザー共振器は、（ｉ）複数の入力ビームを放射する複数のビームエミッタ、（ｉｉ）ビーム出力、および（ｉｉｉ）ビーム出力の光学的上流に配置され、複数の入力ビームを操作する複数の第１光学素子、を含む、本質的にそれらにより構成される、またはそれらにより構成される。レーザー共振器は、波長ビーム結合（ＷＢＣ）次元に沿って複数の入力ビームを空間的に重ね合わせ、その結果得られる出力ビームをビーム出力から出力するよう構成される。アライメントシステムは、ビーム出力の光学的下流に配置された複数の第２光学素子を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。アライメントシステムは、複数の第２光学素子を物理的に移動させることなく、複数の入力ビームのニアフィールド画像とファーフィールド画像とを同時に生成するよう構成される。

本発明の実施の形態は、様々な任意の組み合わせで以下の１つまたは複数を含むことができる。アライメントシステムは、（例えば、レーザー共振器の複数の入力ビームの）ニアフィールド画像とファーフィールド画像とを生成するためのビームプロファイラを含んでもよい。ビームプロファイラは、ビーム出力の光学的下流に配置されてもよい。レーザーシステムは、ニアフィールド画像および／またはファーフィールド画像の一部に少なくとも基づいて複数の入力ビームをアラインするために第１光学素子を調整するよう構成されたコントローラを含んでもよい。１つまたは複数の、またはそれぞれの第１光学素子は、１つまたは複数のインターリーバミラーおよび／または１つまたは複数のコリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。コントローラは、１つまたは複数のインターリーバミラーを傾斜させること、および／または１つまたは複数のコリメーションレンズを平行移動させることにより、第１光学素子を調整するよう構成されてもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれのコリメーションレンズは、スロー軸コリメーションレンズであってもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれのコリメーションレンズは、ファスト軸コリメーションレンズであってもよい。レーザー共振器は、（ａ）複数の入力ビームを受信し波長分散して多波長ビームを生成するための分散素子と、（ｂ）（ｉ）出力ビームとして多波長ビームの第１部分を送信し、（ｉｉ）多波長ビームの第２部分を反射して分散素子に戻すための部分反射出力カプラと、を含んでもよい。レーザー共振器は、複数のビームエミッタのそれぞれに関連して、ファスト軸コリメータ、および約９０度のビーム回転を誘導する光ローテータを含んでもよい。分散素子は、回折格子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。レーザー共振器は、（ａ）複数の第１コリメータであって、それぞれの第１コリメータが複数のビームエミッタの１つからの１つまたは複数のビームを受信しコリメートする、複数の第１コリメータと、（ｂ）複数のインターリーバであって、それぞれのインターリーバが第１コリメータの１つからの１つまたは複数のビームを受信する、複数のインターリーバと、（ｃ）複数のインターリーバからのすべてのビームを受信し、ビームをコリメートし、分散素子にビームを送信する第２コリメータと、を含んでもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれの第１コリメータは、スロー軸コリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれの第１コリメータは、ファスト軸コリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。レーザー共振器は、分散素子の光学的下流かつ部分反射出力カプラの光学的上流に配置された屈曲ミラーを含んでもよい。部分反射出力カプラは、ビーム出力であってもよい。

アライメントシステムは、（ｉ）ＷＢＣ次元にビームを分散させるよう構成された分散素子と、（ｉｉ）ビームを受信してその相対位置の画像を生成するビームプロファイラと、を含んでもよい。複数の第２光学素子は、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、および複数の第３光学素子を含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。第１レンズは、ＷＢＣ次元に垂直な非ＷＢＣ次元の屈折力を有してもよい。第１レンズは、ビーム出力の光学的下流かつビームプロファイラの光学的上流に配置されてもよい。第２レンズは、ＷＢＣ次元の屈折力を有してもよい。第２レンズは、ビームプロファイラ上に、またはビームプロファイラに向けて複数の分散ビームを集束させてもよい。第２レンズは、ビーム出力の光学的下流（例えば分散素子の光学的下流）かつビームプロファイラの光学的上流に配置されてもよい。第３レンズは、非ＷＢＣ次元の屈折力を有してもよい。第３レンズは、ビーム出力の光学的下流かつビームプロファイラの光学的上流に配置されてもよい。第３光学素子は、（ｉ）出力ビームを受信し、（ｉｉ）出力ビームの第１部分を第３レンズに向け、（ｉｉｉ）出力ビームの第２部分を第１レンズに向けるよう構成されてもよい。

出力ビームの第２部分は、第３レンズに向けられなくてもよい。第１レンズは、出力ビームの第１部分と出力ビームの第２部分との両方を受信するよう配置されてもよい。第３光学素子は、出力ビームの第１部分と第２部分とを、異なる角度で第１レンズに向けるよう構成されてもよい。分散素子は、出力ビームの第１部分を受信し分散するよう配置されてもよく、それにより、ビームプロファイラを介して複数の入力ビームのニアフィールド画像が生成される。分散素子は、出力ビームの第２部分を受信し分散するよう配置されてもよく、それにより、ビームプロファイラを介して複数の入力ビームのファーフィールド画像が生成される。少なくとも１つの、またはそれぞれの第３光学素子は、ビームスプリッタおよび／またはリフレクタを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。分散素子は、回折格子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。アライメントシステムは、ビーム出力の光学的下流に配置されたビームローテータを含んでもよい。ビームローテータは、出力ビームを約９０度回転させるよう構成されてもよい。ビームローテータは、（ｉ）２つの共焦点シリンドリカルレンズ、（ｉｉ）ダブプリズム、または（ｉｉｉ）２つのリフレクタを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。

さらに別の態様において、本発明の実施の形態は、波長ビーム結合（ＷＢＣ）次元に沿って複数の入力ビームを空間的に重ね合わせ、その結果得られる出力ビームをビーム出力から出力するレーザー共振器とともに使用するためのアライメントの方法を特徴とする。レーザー共振器は、複数の入力ビームを操作する複数の光学素子を含む。方法は、（ａ）ビームプロファイラを使用して、（ｉ）複数の入力ビームのニアフィールド画像、または（ｉｉ）複数の入力ビームのファーフィールド画像、のうち少なくとも一方を生成すること、および（ｂ）複数の入力ビームの１つがニアフィールド画像またはファーフィールド画像のうち少なくとも一方においてずれている（ｍｉｓａｌｉｇｎｅｄ）場合に、１つまたは複数の光学素子を調整して入力ビームにアラインすること、を含む、本質的にそれらにより構成される、またはそれらにより構成される。

本発明の実施の形態は、様々な任意の組み合わせで以下の１つまたは複数を含むことができる。ニアフィールド画像とファーフィールド画像との両方が生成されてもよい。ニアフィールド画像とファーフィールド画像とは、順次にまたは同時に生成されてもよい。方法は、ニアフィールド画像またはファーフィールド画像のうち少なくとも一方を生成する前に、（ｉ）出力ビームを波長分散させて、ＷＢＣ次元に複数の分散ビームを生成することと、（ｉｉ）複数の分散ビームをビームプロファイラに向けて集束することと、を含んでもよい。光学素子は、１つまたは複数のインターリーバミラーおよび／または１つまたは複数のコリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。１つまたは複数の光学素子を調整することは、１つまたは複数のインターリーバミラーを傾斜させること、および／または１つまたは複数のコリメーションレンズを平行移動させることを含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれのコリメーションレンズは、スロー軸コリメーションレンズであってもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれのコリメーションレンズは、ファスト軸コリメーションレンズであってもよい。ファーフィールド画像を生成することは、出力ビームの経路内に第１レンズを配置することを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ニアフィールド画像を生成することは、出力ビームの経路から第１レンズを除去することを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ファーフィールド画像を生成することは、出力ビームの経路内に第１レンズを配置することを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ニアフィールド画像を生成することは、第１レンズを、第１レンズの焦点距離よりも小さい焦点距離を有する第２レンズと置換することを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ニアフィールド画像を生成することは、出力ビームの経路内に第１レンズと第２レンズとを配置することを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ファーフィールド画像を生成することは、出力ビームの経路から第２レンズを除去することを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。第２レンズは、第１レンズの焦点距離よりも小さい焦点距離を有してもよい。ファーフィールド画像を生成することは、出力ビームの第１部分を第１レンズに向けることを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ニアフィールド画像を生成することは、出力ビームの第２部分を第２レンズに向けることを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。方法は、ニアフィールド画像またはファーフィールド画像のうち少なくとも一方を生成する前に、出力ビームを回転させることを含んでもよい。

レーザー共振器は、（ａ）複数の入力ビームを受信し波長分散して、多波長ビームを形成する分散素子と、（ｂ）（ｉ）出力ビームとして多波長ビームの第１部分を送信し、（ｉｉ）多波長ビームの第２部分を反射して分散素子に戻す、部分反射出力カプラと、を含んでもよい。レーザー共振器は、複数の入力ビームを放射するよう構成された複数のビームエミッタを含んでもよい。レーザー共振器は、複数のビームエミッタのそれぞれに関連して、ファスト軸コリメータと、約９０度のビーム回転を誘導する光ローテータと、を含んでもよい。分散素子は、回折格子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。複数の光学素子は、（ａ）複数の第１コリメータであって、それぞれの第１コリメータが１つまたは複数の入力ビームを受信しコリメートする、複数の第１コリメータと、（ｂ）複数のインターリーバであって、それぞれのインターリーバが第１コリメータの１つからの１つまたは複数の入力ビームを受信する、複数のインターリーバと、（ｃ）複数のインターリーバからのすべての入力ビームを受信し、ビームをコリメートし、分散素子にビームを送信する第２コリメータと、を含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれの第１コリメータは、スロー軸コリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。少なくとも１つの、またはそれぞれの第１コリメータは、ファスト軸コリメーションレンズを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。レーザー共振器は、分散素子の光学的下流かつ部分反射出力カプラの光学的上流に配置された屈曲ミラーを含んでもよい。部分反射出力カプラは、ビーム出力であってもよい。ビームプロファイラは、ビーム出力の光学的下流に配置されてもよい。

これらのおよびその他の目的は、本明細書に開示された本発明の利点および特徴とともに、以下の説明、添付の図面、および特許請求の範囲を参照することによって、より明らかになるであろう。さらに、本明細書に記載された様々な実施の形態の特徴は、相互排他的なものではなく、様々な組み合わせおよび置換で存在できることを理解するべきである。本明細書では、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、±１０％を意味し、いくつかの実施の形態においては、±５％を意味する。「本質的にそれにより構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」という用語は、本明細書で別段の定義がない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それにもかかわらず、そのような他の材料は、個別的にまたは集合的に、微量に存在することもある。本明細書では、「放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」および「光（ｌｉｇｈｔ）」という用語は、別段の指示がない限り、同じ意味で使用される。本明細書では、「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」または「光学的下流（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、第１の要素に衝突した後に光線が当たる第２の要素の相対位置を示すために使用される。第１の要素は、第２の要素の「上流」または「光学的上流」である。本明細書では、２つの要素間の「光学的距離（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ）」は、光線が実際に移動する２つの要素の距離である。光学的距離は、例えば、ミラーからの反射または一方の要素から他方の要素へ移動する光の伝播方向の他の変化に起因して、２つの要素間の物理的距離と等しいこともあるが、必ずしもそうとは限らない。本明細書で使用される距離は、特に指定のない限り、「光学的距離」とみなされ得る。

図面において、同様の参照符号は、通常、異なる図の全体を通して同じ部分を参照する。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、通常、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。以下の説明では、本発明の様々な実施の形態を以下の図面を参照して説明する。

本発明の実施の形態による、ＷＢＣ次元における波長ビーム結合（ＷＢＣ）共振器を示す概略図 本発明の実施の形態による、ＷＢＣ次元におけるＷＢＣ共振器の一部を示す概略図 本発明の実施の形態による、非ＷＢＣ次元におけるＷＢＣ共振器の一部を示す概略図 本発明の実施の形態による、ＷＢＣ次元におけるアライメントシステムの概略図 本発明の実施の形態による、非ＷＢＣ次元におけるアライメントシステムの概略図 非ＷＢＣ次元においてずれているビームを描写するファーフィールドおよびニアフィールドの例示的な画像 非ＷＢＣ次元においてずれているビームを描写するファーフィールドおよびニアフィールドの例示的な画像 非ＷＢＣ次元においてアラインされたビームを描写するファーフィールドおよびニアフィールドの例示的な画像 非ＷＢＣ次元においてアラインされたビームを描写するファーフィールドおよびニアフィールドの例示的な画像 本発明の実施の形態による、非ＷＢＣ次元におけるアライメントシステムの概略図 本発明の実施の形態による、非ＷＢＣ次元におけるアライメントシステムの概略図 本発明の実施の形態による、アライメントシステムの概略図 本発明の実施の形態による、例示的なビームローテータの概略図 本発明の実施の形態による、例示的なビームローテータの概略図 本発明の実施の形態による、例示的なビームローテータの概略図 本発明の実施の形態による、アライメントシステムの概略図

図１は、ＷＢＣ共振器１００の様々な構成要素を概略的に示すものであり、図示された実施の形態では、ＷＢＣ共振器１００は、１１個の異なるダイオードバー（本明細書で使用される「ダイオードバー（ｄｉｏｄｅ ｂａｒ）」は、マルチビームエミッタ、すなわち、単一のパッケージから複数のビームが放射されるエミッタを意味する）により放射されるビームを組み合わせる。本発明の実施の形態は、１１個よりも少ない、または多くのエミッタを使用してもよい。本発明の実施の形態によると、それぞれのエミッタは単一のビームを放射してもよく、または、それぞれのエミッタは複数のビームを放出してもよい。図１のビューは、ＷＢＣ次元、すなわち、バーからのビームが組み合わされる次元に沿っている。共振器１００は、１１個のダイオードバー１１０（１１０－１～１１０－１）を特徴とし、それぞれのダイオードバー１１０は、ＷＢＣ次元に沿った複数のエミッタのアレイ（１次元アレイ）を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。ダイオードバー１１０のそれぞれのエミッタは、一方向（「ファスト軸」として知られ、ここではＷＢＣ次元に対して垂直に向いている）に大きな発散角を有し、垂直方向（「スロー軸」として知られ、ここではＷＢＣ次元に沿っている）に小さな発散角を有する、非対称ビームを放射する。

様々な実施の形態において、それぞれのダイオードバー１１０は、放射されたそれぞれのビームのスロー軸が、マイクロレンズアセンブリの下流のＷＢＣ次元に垂直になるよう、ビームのファスト軸およびスロー軸を９０度回転させつつ、放射されたビームのファスト軸をコリメートするファスト軸コリメータ（ＦＡＣ）／光学ツイスタマイクロレンズアセンブリに関連付けられる（例えば、取り付けられているか、または光学的に結合している）。マイクロレンズアセンブリはまた、それぞれのダイオードバー１１０からの複数のエミッタの主光線を分散素子１２０に向けて集束させる。適切なマイクロレンズアセンブリは、２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５３，３２７号、および２０１５年６月８日に出願された米国特許第９，７４６，６７９号に記載され、それらの開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書に記載される本発明の実施の形態は、ＦＡＣレンズと光学ツイスタ（例えば、マイクロレンズアセンブリとして）との両方を放射されたそれぞれのビームに関連付け、したがって、ＳＡＣレンズ（後述する）は非ＷＢＣ次元のビームに影響を与える。他の実施の形態において、放射されたビームは回転せず、ＦＡＣレンズを、非ＷＢＣ次元でポインティング角度を変更するために使用することができる。したがって、本明細書におけるＳＡＣレンズとは、通常、非ＷＢＣ次元の力を有するレンズを示し、そのようなレンズは、様々な実施の形態において、ＦＡＣレンズであってもよい、またはＦＡＣレンズを含んでもよい、ということが理解される。

図１に示すように、共振器１００はまた、一連のＳＡＣレンズ１３０を特徴としており、１つのＳＡＣレンズ１３０は、１つのダイオードバー１１０に関連付けられ、その１つのダイオードバー１１０からビームを受信する。それぞれのＳＡＣレンズ１３０は、単一のダイオードバー１１０から放射されたビームのスロー軸（すなわち、非ＷＢＣ次元）をコリメートする。ＳＡＣレンズ１３０によるスロー軸のコリメートの後、ビームは一連のインターリーバミラー１４０に伝播する。インターリーバミラー１４０は、ビーム１５０を分散素子１２０に向けて方向転換する。（図１において、ビーム１５０は、１１個のダイオードバー１１０から集まった１１個のビームを示す中央の主光線である。）様々な実施の形態において、インターリーバミラー１４０の配置により、ダイオードバー１１０間のフリースペースを最小化することができる。分散素子１２０は、個々の空間的に分離されたビームを単一の複数の波長（すなわち、個々のビームの波長）を有するビームに多重化する。分散素子１２０（例えば、図１に示す透過型回折格子などの回折格子、または反射型回折格子を含んでもよい、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される）の上流において、レンズ１６０は、ダイオードバー１１０からの個々のビーム（例えば、主光線ではなくサブビーム）をコリメートする。様々な実施の形態において、レンズ１６０は、レンズ１６０の焦点距離に実質的に等しい、ダイオードバー１１０からの光学的距離に配置される。分散素子１２０での主光線の重なりは、レンズ１６０の集束力（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｐｏｗｅｒ）ではなく、主にインターリーバミラー１４０の方向転換に起因することに留意されたい。

また、図１には、光学的クロストークを軽減するための光学望遠鏡を形成するレンズ１７０、１７５が示されており、これは、２０１３年３月１５日に出願された米国特許第９，２５６，０７３号、および２０１５年６月２３日に出願された米国特許第９，２６８，１４２号に開示され、それらの開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。共振器１００はまた、共振器１００がより小さな物理的フットプリントに収まるよう、ビームを方向転換するための１つまたは複数の任意の屈曲ミラー１８０を含んでもよい。分散素子１２０は、ダイオードバー１１０からのビームを、部分反射出力カプラ１９０に伝播する単一の多波長ビームに組み合わせる。カプラ１９０は、共振器１００の出力ビームとしてビームの一部を送信し、ビームの別の部分を分散素子１２０に向けて反射し、そして、それぞれのビームの放射波長（通常、互いに異なる）を安定させるためのフィードバックとしてダイオードバー１１０に向けて反射する。

図１に示すように、それぞれのダイオードバー１１０は、対応するＳＡＣレンズ１３０と、対応するインターリーバミラー１４０と、を有する。インターリーバミラー１４０の光学的下流のすべての光学系は、すべてのダイオードバー１１０により共有される。

一般的に、ＷＢＣ共振器は、ＷＢＣ次元と非ＷＢＣ次元との両方でアラインされることが好ましい。すなわち、異なるダイオード（すなわち、ダイオードバーにおける個々のエミッタ）からのビームは、ＷＢＣ次元と非ＷＢＣ次元との両方において、分散素子１２０（例えば、そのほぼ中央）で重なり、安定したレージングのために出力カプラに対して略垂直となるよう、好ましくは調整される。

共振器がずれている場合、特に、非ＷＢＣ次元でずれている場合、またはＷＢＣ次元で大きくずれている場合、個々のエミッタは、フリーランニングの（すなわち、アンロックされた）波長で放射することがある。そのずれが非レージング領域（すなわち、エミッタの実効利得帯域外）へ放射をシフトさせる場合、または、エミッタ出力が大幅にクリップ（ｃｌｉｐ）される場合、例えば、１つまたは複数の光学系におけるオフセンタリング（ｏｆｆ－ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）による、例えば光学系での出力および／またはビームサイズの２０％を超えるクリッピングの場合、エミッタは、ＷＢＣ次元で大幅にずれることがある。例として、共振器の分散素子 がリトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）角（すなわち、回折角が入射角に等しい場合）でアラインされると仮定すると、エミッタ波長が９７５ｎｍ、線密度が１．６／μｍで、パワークリッピングを考慮しない場合、ＷＢＣ次元の分散素子の方向に対して２０ｍｒａｄのずれが約８ｎｍの波長のシフトを引き起こす。特に、室温（または冷媒温度）から一般的な動作温度まで（例えば、約６０℃から約７０℃の範囲、またはそれ以上）のエミッタの温度変化に関連付けられたダイオードエミッタの利得曲線の通常１０ｎｍを超える固有シフトを考慮する場合、これは、ダイオードエミッタ帯域（通常、１４ｎｍから２０ｎｍまでの範囲）外に「レージング波長」を動かすために十分な大きさであり得る。

通常、非ＷＢＣ次元でアラインされると、複数のエミッタは、格子回折方程式を満たす共振器波長にロック（ｌｏｃｋｅｄ ｉｎ）される。格子回折方程式は、すなわち、ｓｉｎ（Ａｉ）＋ｓｉｎ（Ｂ）＝ｐλｉであり、Ａｉは、ｉ番目のエミッタの分散素子１２０における入射角であり、λｉは、ｉ番目のエミッタのレージング波長であり、Ｂおよびｐは、それぞれ回折角および回折格子線密度である。

複数のエミッタは通常、ＷＢＣ次元で出力カプラ１９０に対して垂直な回折角を有する波長にロックされるため、ＷＢＣ次元での任意のアライメント変更は、波長シフトをもたらすが、通常、シフトした波長が個々のエミッタの動作帯域内に収まっている限り、大幅な出力低下などの他の深刻な問題は発生しない。（例えば、９７５ｎｍ領域で放射するダイオードエミッタは、通常、１４ｎｍから２０ｎｍの範囲の利得帯域幅（９０％全幅）を有する。温度変化を考慮しない場合、エミッタの動作帯域はその利得帯域幅に等しい。しかし、共振器がクイックコールドスタートを求められる場合、動作帯域を数ｎｍ未満に小さくすることがある。）対照的に、非ＷＢＣ次元でのずれは、より深刻な結果をもたらすことがある。

図２は、ＷＢＣ次元での共振器２００のずれの結果を示す図である。例示の目的および明確化のために、共振器２００は単一のダイオードバー１１０だけを有するよう図示されている。しかし、図示された原理は、複数のダイオードバー１１０を有する共振器に適用可能であることが理解される。さらに、明確化のために、単一のエミッタ（ｉ番目のエミッタ）からのビームだけが示されている。アラインされた状態では、エミッタは、波長λｉに固定されている。その主光線２１０は、それぞれの光学素子の中心を通過し、ＷＢＣ次元および非ＷＢＣ次元の両方でカプラ１９０に対して垂直な方向２０１ｕに沿って伝播する。

例示的な実施の形態において、ＷＢＣ次元でのずれは、エミッタに対応するインターリーバ１４０の小さな角度変化（例えば、回転）により発生する。これにより、エミッタの主光線２１０が方向２０１ｖに沿って伝播する。この方向２１０ｖは、ＷＢＣ次元で元の方向２１０ｕから角度αだけ発散する。さらに、分散素子１２０でのＡｉから近似角（Ａｉ＋α）への入射角の変化は、回折方程式ｓｉｎ（Ａｉ＋α）＋ｓｉｎ（Ｂ）≒ｐ×（λｉ＋Δλ）で決定する、λｉから（λｉ＋Δλ）への波長シフトをもたらす。

図２の拡大部分に示すように、ＷＢＣ次元でのずれはまた、出力カプラ１９０において偏心距離δをもたらす。このため、ＷＢＣ次元のビーム品質を１＋δ／Ｓ倍低下させることがある。ここで、Ｓは、出力カプラ１９０におけるＷＢＣ次元でのビームサイズである。レンズ１７０および１７５は、通常、共焦点配置（すなわち、光学望遠鏡を形成する）にあるため、偏心距離δは、δ≒α×Ｄ／Ｒ×ｃｏｓ（Ｂ）／ｃｏｓ（Ａｉ）により推定することができる。ここで、Ｄはインターリーバ１４０から分散素子１２０までの距離であり、Ｒはレンズ１７０、１７５の焦点距離の比であり、様々な実施の形態において、約３から約２０の範囲内である。分散素子１２０がリトロー角で構成される場合、すなわち、ｃｏｓ（Ｂ）／ｃｏｓ（Ａｉ）≒１の場合、δ≒α×Ｄ／Ｒである。

例示的な実施の形態において、Ｄ＝１０００ｍｍ、Ｒ＝１０、λｉ＝０．９７５μｍであり、分散素子１２０は、線密度１．６／μｍでリトロー角に配向されていると仮定することができる。角度αのずれにより得られる波長シフトおよび偏心距離は、Δλ（μｍ）≒０．４×α、およびδ（ｍｍ）≒１００×αにより推定することができる。α＝１ｍｒａｄの場合、Δλ≒０．４ｎｍ、およびδ≒１００μｍである。そのような例において、ＷＢＣ次元のずれは、エミッタレージングに実質的に影響を与えないことがあり、ＷＢＣ共振器に対する安定性の問題が発生しないことがある。約０．４ｎｍの波長シフトは、１μｍの放射領域でのダイオードレーザーの１５ｎｍを超える利得幅と比較して小さい。さらに、１００μｍの偏心距離は、ＷＢＣ次元のビームサイズの約５～１０％に相当することがあり、これは、ＷＢＣ次元での５～１０％のビーム品質低下に相当する。そのような品質低下の深刻度は、特定の共振器およびそれが展開される用途（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）によって異なることがある。

図３は、非ＷＢＣ次元での例示的なずれを説明するために、図２の共振器２００と同様であるが非ＷＢＣ次元の共振器３００の一部を示す図である。簡単にするために、インターリーバ１４０、分散素子、および出力カプラ１９０だけが図示されている。図２に示すレンズ１５０、１７０、および１７５は、非ＷＢＣ次元で屈折力を欠いていると想定されるが、本発明の他の実施の形態ではそうである必要はない。ｉ番目のエミッタ（図示省略）の主光線３１０は、カプラ１９０に対して垂直で、カプラ１９０の中心を通過する方向３１０ｕに沿って完全にアラインされる。カプラは、出力ビーム３２０とフィードバックビーム３３０とに共振器ビームを分離する部分反射器である。フィードバックビーム３３０は、カプラ１９０に対して垂直であり、したがって、分散素子１２０に戻って伝播し、それにより、対応するエミッタに伝播する。したがって、エミッタとカプラ１９０の間で安定した共振器を形成する。

例示的な実施の形態において、非ＷＢＣ次元のずれは、非ＷＢＣ次元におけるインターリーバミラー１４０のわずかな傾斜に起因し、これにより、主光線３１０は、方向３１０ｕから角度βだけ逸れている、ずれた方向３１０ｖに沿って伝播する。図２に示すＷＢＣ次元の場合と対照的に、非ＷＢＣ次元では、例示のｉ番目のエミッタ（波長ロックまたはフリーランニングのいずれか）からのレーザービーム３１０は、図３に示すように、ずれた方向３１０ｖに沿ってカプラ１９０までずっと伝播する。図示されているように、例示のずれにより、ずれた出力ビーム３４０は比較的大きな偏心距離（Δ）および非ゼロポインティングエラー（β）を有し、その結果、フィードバックビーム３５０が、フィードバックビーム３３０がそれに沿って伝播する理想的な垂直方向から２βだけずれるため、共振器フィードバックの効率が低下する。

説明の目的で、複数のエミッタのスロー軸が非ＷＢＣ次元にあり、５０ｍｍの焦点距離を有するＳＡＣレンズ（例えば、図１および図２のＳＡＣレンズ１３０）によりコリメートされると仮定することができ、その結果、カプラ１９０でのスロー軸ビームサイズが約６ｍｍとなる。さらに、最大許容スロー軸偏心距離は０．６ｍｍ（１０％のビーム品質低下に相当する）であり、インターリーバ１４０からカプラ１９０までの光学的距離が１．５ｍであると仮定すると、ビーム偏心の観点から、最大許容ずれ角度βは０．４ｍｒａｄであると計算される。しかし、共振器フィードバックの観点から、０．４ｍｒａｄのずれにより、スロー軸の複数のエミッタ表面でのフィードバックビームの変位が４０μｍとなる。したがって、フィードバックの効率が４０％低下する（例えばエミッタサイズが１００μｍの場合）。対応するエミッタビームに対するフィードバックビームの変位により、パワーの低下だけでなく、不安定な波長ロック（すなわち、不安定な共振器パワー）および出力でのビーム形状の変形を引き起こす。したがって、一般的に言えば、ＷＢＣ共振器は、ＷＢＣ次元よりも非ＷＢＣ次元におけるずれに対してはるかに敏感である。様々な実施の形態において、図１のものと同様のＷＢＣ共振器に対して、スロー軸（すなわち、非ＷＢＣ次元）のずれは約０．１ｍｒａｄ以下に制御されることが望ましい。

図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の様々な実施の形態によるアライメントシステム４００の一部を示す図である。図示されているように、アライメントシステム４００は、第１シリンドリカルレンズ４１０と、分散素子４２０と、第２シリンドリカルレンズ４３０と、ビームプロファイラ４４０と、を含む。図４Ａおよび図４Ｂはそれぞれ、ＷＢＣ次元および非ＷＢＣ次元のアライメントシステム４００を示す。レンズ４１０は、非ＷＢＣの屈折力を有し、焦点距離がｆ１である。レンズ４３０は、ＷＢＣ次元の屈折力を有し、焦点距離がｆ２である。分散素子４２０は、透過型回折格子または反射型回折格子などの回折格子を含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。

ビームプロファイラ４４０は、カメラまたは他のイメージセンサ（例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＯＭＳセンサ、または他の光応答センサ）を含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。ビームプロファイラ４４０は、ディスプレイを含んでもよく、またはディスプレイに動作可能に結合されてもよい。例えば、ビームプロファイラ４４０に入射したビームをディスプレイに表示して、互いのアライメントを決定してもよい。ビームプロファイラ４４０は市販されており、過度の実験をせずに提供および利用することができる。例えば、ビームプロファイラ４４０は、カリフォルニア州レディングのＤａｔａＲａｙ社から入手可能な、ＷｉｎＣａｍＤシリーズのビームプロファイラの１つを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。様々な実施の形態において、ビームプロファイラ４４０は、物理的スクリーン（例えば、近赤外領域で放射するエミッタ用の近赤外線センサプレート、ホワイトボード、または可視領域で放射するエミッタ用の他のプレート、または紫外領域で放射するエミッタ用のＵＶ感光プレート）、または従来のカメラまたは他のイメージセンサ（例えば、２次元センサ）の集合体であってもよい、またはそれらを含んでもよい。

アライメントシステム４００は、ｎ個のサブバンドの波長（Δλｉ、ｉ＝１：ｎ）を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される、ＷＢＣ共振器ビーム４５０を受け入れる。ビーム４５０は、ＷＢＣ次元で分散素子４２０により分散され、分散ビームの主光線は、レンズ４３０によりコリメートされる。一般的に、分散ビームの主光線のコリメーションは、明確に定義された全体画像の次元およびビームプロファイラ４４０でのビーム分離を生成する。様々な実施の形態において、レンズ４３０は、分散素子４２０の下流の１つの焦点距離（すなわち、レンズ４３０の）に位置する。レンズ４３０はまた、ビームプロファイラ４４０に個々のビームを集束させる。ビームプロファイラ４４０は、様々な実施の形態において、レンズ４３０の下流の１つの焦点距離（すなわち、レンズ４３０の）に位置する。様々な実施の形態において、共振器ビーム４５０は、ＷＢＣ共振器１００または同様の共振器により生成された出力ビームである。

図４Ａおよび図４Ｂに図示されるアライメントシステム４００の実施の形態では、レンズ４３０が分散素子４２０の光学的下流に位置しているが、他の実施の形態では、レンズ４３０は、分散素子４２０の光学的上流に位置していてもよい。さらに、分散素子４２０はが高集束ビームまたは分散ビームに対してより多くの収差を誘発することがあるため、そのような実施の形態は収差の観点からは好ましくないことがある。

非ＷＢＣ次元において、図４Ｂに示すように、レンズ４１０は、ビームプロファイラ４４０の上流の１つの焦点距離（すなわち、レンズ４１０の）に位置してもよい。様々な実施の形態において、レンズ４１０の焦点距離ｆ１は、レンズ４３０の焦点距離ｆ２よりも大きく、レンズ４１０は、分散素子４２０の上流の位置に配置される。

図４Ｂに示すように、レンズ４１０は、共振器ビーム４５０の経路内の位置４６０（例えば、ビームがレンズ４１０の略中央に位置するように）、またはビーム経路の外側の位置４６５に配置されてもよい。これにより、ビームプロファイラ４４０で、ファーフィールド画像４７０またはニアフィールド画像４７５のそれぞれが表示される。ＷＢＣ次元におけるビームプロファイラ４４０の中心線は、出力ビーム４５０のすべてのサブビームに対して非ＷＢＣ次元における出力カプラ（例えば、図１のカプラ１９０）で偏心距離がゼロおよびポインティングエラーがゼロの場合に相当すると仮定すると、ファーフィールド４７０またはニアフィールド４７５のサブビームの偏心距離の量は、非ＷＢＣ次元における共振器出力の対応するサブビームのポインティングエラーまたは偏心距離の量を比例的に示すことができる。このように、図４Ａおよび図４Ｂに示すアライメントシステム４００は、ＷＢＣ共振器などの多波長共振器のアライメントを最適化するために有効なツールであり得る。

図５Ａおよび図５Ｂは、図１に示す共振器１００と同様のＷＢＣ共振器において、いくつかのサブビーム（画像の左からビーム＃３、＃７、および＃１０）が非ＷＢＣ次元で位置がずれている場合のファーフィールド画像およびニアフィールド画像の例を示す。それぞれの画像は、１１個のダイオードバー（例えば、図１のダイオードバー１１０）、または図４Ａおよび図４Ｂに示す１１個のサブバンドの波長（Δλｉ、ｉ＝１：１１）に対応する１１個のサブビームの画像を含む。それぞれのダイオードバーは、複数のエミッタのアレイを含んでもよい、または本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよいため、それぞれのサブバンドは、複数の異なる波長を含んでもよい、本質的にそれらにより構成されてもよい、またはそれらにより構成されてもよい。隣接するダイオードバーの間のスペクトルギャップ（または「デッドスペース」）により、ビームプロファイラ４４０でサブビームの画像を重ならないように分離することができる。様々な実施の形態において、サブビームの画像は、ビームプロファイラ４４０で部分的に重なる場合でも、容易に識別可能である。したがって、ビームプロファイラ４４０での完全なサブ画像の分離に、例えば少なくとも２０％のスペクトルギャップが必要である場合でも、本発明の実施の形態は、少なくとも１０％、または少なくとも５％の複数のエミッタ間のスペクトルギャップであっても、ずれの識別または軽減を容易にすることができる。

ビームプロファイラ４４０から得られる画像は、個々のビームエミッタ（例えば、ダイオードバー）がずれているか否か、およびどのビームエミッタがずれているかを効率的に示す。様々な実施の形態において、ファーフィールド画像のずれ（例えば偏心）は、’００１特許に記載されているように、エミッタ用の対応するミラー（例えば、図１のインターリーバ１４０）の、非ＷＢＣ次元での傾斜調整により調整または軽減することができる。様々な実施の形態において、インターリーバミラーの傾斜調整は、ニアフィールド画像におけるずれ（例えば、偏心）も同様に低減または最小化することができる。他の実施の形態では、ニアフィールドではなくファーフィールドにアラインされたビームは、’００１特許に記載されているように、対応するＳＡＣレンズの位置（例えば、スロー軸、非ＷＢＣ次元で）を繰り返し平行移動させること、および非ＷＢＣ次元でインターリーバミラー１４０の傾斜を調整することにより、アラインすることができる。

上述のように、非ＷＢＣ次元のずれは、共振器のパワーを大幅に低下させ、対応するエミッタにアンロックされた波長を放射させることがある。しかし、固体レーザーおよびガスレーザーなどの従来のレーザーとは異なり、一般的なＷＢＣ共振器における複数のダイオードまたは複数のエミッタは独立して動作し、共振器の総出力に対してパワーのごく一部にしか寄与しないことがあるため、ＷＢＣ共振器のアライメント指標として出力パワーを使用することは、ほとんど効果がないことがある。したがって、単一のダイオードのずれは、総出力パワーに基づいて検出するのが難しいことがある。対照的に、本発明の実施の形態による光学技術は、個々のエミッタのずれを効率的に明らかにする。図５Ｃおよび図５Ｄは、すべてのサブビームが非ＷＢＣ次元で適切にアラインされた場合のファーフィールド画像およびニアフィールド画像の例を示す。

本発明の様々な実施の形態では、ビームプロファイラ４４０により取得された画像に応じて、非ＷＢＣ次元で複数のエミッタを自動的にアラインすることができる。例えば、本発明の実施の形態によるシステムは、ビームプロファイラ４４０により取得された画像に現れるずれを低減するまたは実質的に排除するために、少なくとも非ＷＢＣ次元で、インターリーバミラー１４０の傾斜、および／またはＳＡＣレンズ１３０の位置（すなわち、平行移動）を調整するコントローラ１９５（図１参照）を含んでもよい。様々な実施の形態によると、コントローラ１９５は、従来の画像処理ソフトウェアまたはアルゴリズムを使用して、ビームプロファイラ４４０により生成されたニアフィールド画像およびファーフィールド画像に現れる複数のエミッタのアライメントまたはずれを測定し、上述のように、ずれを緩和するためにインターリーバミラー１４０の傾斜および／またはＳＡＣレンズの位置（すなわち、平行移動）を（例えば、チップ／チルトステージ、ステッパモータなどのコンピュータ制御を介して）調整してもよい。

コントローラ１９５は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせのいずれかとして提供されてもよい。例えば、システムは、カリフォルニア州サンタクララのインテル社により製造されたＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）またはＣｅｌｅｒｏｎ（登録商標）ファミリのプロセッサ、イリノイ州シャンバーグのモトローラ社により製造された、６８０ｘ０およびＰＯＷＥＲ ＰＣ（登録商標）ファミリのプロセッサ、および／または、カリフォルニア州サニーベールのアドバンストマイクロデバイセズ社により製造されたＡＴＨＬＯＮ（登録商標）、などの１つまたは複数のプロセッサを含むＣＰＵ基板を有するＰＣなどの、１つまたは複数の従来のサーバクラスコンピュータに実装されてもよい。プロセッサはまた、本明細書に記載される方法に関するプログラムおよび／またはデータを格納するメインメモリユニットを含んでもよい。メモリは、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブル読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などの一般的に利用可能なハードウェアに存在する、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、および／またはＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリを含んでもよい。いくつかの実施の形態において、プログラムは、光学ディスク、磁気ディスク、および他の一般的に使用されるストレージ装置などの、外部ＲＡＭおよび／またはＲＯＭを使用して提供されてもよい。機能が１つまたは複数のソフトウェアプログラムとして提供される実施の形態では、プログラムは、ＰＹＴＨＯＮ、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、様々なスクリプト言語、および／またはＨＴＭＬなどの多くの高級言語のうちのいずれかで記述されていてもよい。さらに、ソフトウェアは、ターゲットコンピュータに常駐するマイクロプロセッサに向けたアセンブリ言語で実装されていてもよい。例えば、ソフトウェアは、ＩＢＭ ＰＣまたはＰＣクローン上で実行されるよう構成されている場合、インテル８０ｘ８６アセンブリ言語で実装されてもよい。ソフトウェアは、フロッピーディスク、ジャンプドライブ（ｊｕｍｐ ｄｒｉｖｅ）、ハードディスク、光学ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはＣＤ－ＲＯＭを含むがそれに限定されない製造物に具現化されていてもよい。

様々な実施の形態において、図４Ｂに示すビームプロファイラ４４０により生成されたニアフィールド画像４７５は、ビーム４５０を一直線に投影したものある。したがって、（例えば、図５に示すような）ニアフィールド画像のサブビームの偏心距離は、ＷＢＣ共振器の出力カプラ上で対応するサブビームの実際の偏心距離を直接反映したものではないことがある。これは、図６Ａおよび図６Ｂに示す本発明の様々な実施の形態によるアライメントシステム６００を介して対処することができる。図６Ａにおいて、ニアフィールド画像６１０は、レンズイメージング方程式１／Ｓ１＋１／Ｓ２＝１／ｆ３を満たし、ｆ１よりも短い焦点距離ｆ３を有する第３レンズ６２０に、第１レンズ４１０を置き換えることにより取得することができる。ここで、Ｓ１およびＳ２はそれぞれ、レンズ６２０からカプラ１９０まで、およびレンズ６２０からビームプロファイラ４４０までの距離である。Ｓ２＝ｆ１であるため、Ｓ１＝ｆ１×ｆ３（ｆ１－ｆ３）となる。

図６Ｂに示す同様の実施の形態において、Ｓ１＝ｆ３であり、焦点距離ｆ３を有する第３レンズ６４０を追加することにより、ニアフィールド画像６３０を取得することができる。様々な実施の形態において、図６Ｂに示すように、第３レンズ６４０は、ビーム出力（例えば、カプラ１９０）の光学的下流かつレンズ４１０の光学的上流に配置される。図６Ａおよび図６Ｂのいずれかに示すアライメントシステム６００において、所定の位置に第１レンズ（またはレンズセット）４１０だけを配置し、Ｓ２＝ｆ１を維持することにより、ファーフィールド画像を取得することができる。ニアフィールド画像６１０または６３０は、カプラ１９０でのビーム４５０の画像であるため、ニアフィールド画像におけるサブビーム画像の偏心距離は、これらのサブビームのカプラ１９０での偏心距離を直接および比例的に反映する。

図７Ａは、図６Ｂのアライメントシステム６００と同様の、本発明の様々な実施の形態によるアライメントシステム７７０を示す図であるが、出力カプラ１９０の光学的下流に配置されたビームローテータ７１０が追加されている。様々な実施の形態において、ビームローテータ７１０は、出力ビーム４５０を約９０度回転させる。したがって、アライメントシステム７００は、サブビームのずれおよびＷＢＣ次元でのポインティングエラーを描写する。様々な実施の形態において、ビームローテータ７１０は、ビーム４５０の経路内外で出入り可能であり、それにより、非ＷＢＣ次元またはＷＢＣ次元のいずれかに沿ったずれの検出（およびその結果として生じる緩和）の選択を可能にする。

本発明の実施の形態による例示的なビームローテータ７１０が、図７Ｂ～図７Ｄに図示されている。例えば、図７Ｂは、ビームの垂直方向および水平方向の次元に対して４５度に配向された共焦点の一対のシリンドリカルレンズとして、ビームローテータ７１０を図示している。図７Ｃは、ビームの垂直方向および水平方向の次元に対して４５度に配向されたダブプリズムとして、ビームローテータ７１０を図示している。図７Ｄは、一対のミラーとして、ビームローテータ７１０を図示している。第１ミラーは、第１面でビームを９０度反射し、第２ミラーは、第１面に直交する第２面でビームを９０度反射する。

図８は、本発明の実施の形態によるアライメントシステム８００を示す図である。様々な実施の形態において、アライメントシステム８００は、レンズまたは他の光学素子を物理的に移動させることなく、ニアフィールド画像８１０とファーフィールド画像８２０とを同時に取得する。図示された例示のアライメントシステム８００において、ビーム４５０は、ビームスプリッタ８３０で受信される。ビームスプリッタ８３０では、一方のビーム部分はレンズ６４０、４１０の両方を通過して伝播するが、他方のビーム部分は（レンズ６４０の周りで方向転換された後）レンズ４１０だけを通過して伝播するよう分割される。次に、両方のビーム部分が、ニアフィールド画像およびファーフィールド画像の表示のためにビームプロファイラ４４０に伝播する。図８の例示的な実施の形態に示すように、一方のビーム部分は、リフレクタ（例えば、ミラー）８４０、８５０によりレンズ６４０の周りで方向転換される。ビーム部分は、主ビーム経路に再合流するビームスプリッタ８６０に方向転換される。図８では、レンズ６４０の周りでビーム部分を方向転換させるためにリフレクタ８４０、８５０を使用しているが、様々な実施の形態では、ビーム部分を方向転換させるために、１つのリフレクタだけ、または２つ以上のリフレクタを使用してもよい。

図８に示すように、１つまたは複数のビームスプリッタおよび／またはリフレクタの角度を調整して、ニアフィールド画像およびファーフィールド画像が互いに重なり合わないようにしてもよい。このようにして、ビーム４５０のニアフィールド画像およびファーフィールド画像を同時に監視しつつ、複数のエミッタのずれを低減するまたは実質的に排除することができる。

本明細書において使用される用語および表現は、限定のためではなく説明のための用語として使用される。それらの用語および表現の使用において、図示され説明された特徴またはその一部と同等なものを排除する意図はない。しかし、請求項に記載された発明の範囲内において様々な変更が可能であることが認識されている。

Claims (42)

1. アライメント可能なレーザーシステムであって、
   （ｉ）複数の入力ビームを放射する複数のビームエミッタと、（ｉｉ）前記複数の入力ビームを操作する複数の光学素子と、（ｉｉｉ）ビーム出力と、を含み、波長ビーム結合（ＷＢＣ）次元に沿って前記複数の入力ビームを空間的に重ね合わせ、結果として得られた出力ビームを前記ビーム出力から出力するよう構成されたレーザー共振器と、
   前記複数のビームエミッタから放射された前記複数の入力ビームの画像を生成するビームプロファイラを含むアライメントシステムと、
   を備え、
   前記アライメントシステムは、
   前記出力ビームを受信し、前記出力ビームを分散して前記ＷＢＣ次元で複数の分散ビームを生成する、分散素子と、
   前記ビーム出力の光学的下流かつ前記ビームプロファイラの光学的上流に配置され、前記ＷＢＣ次元に垂直な非ＷＢＣ次元に屈折力を有する第１レンズと、
   前記分散素子の光学的下流かつ前記ビームプロファイラの光学的上流に配置され、前記ＷＢＣ次元に屈折力を有し、前記ビームプロファイラで前記複数の分散ビームを集束する、第２レンズと、
   を含み、
   前記ビームプロファイラは、前記複数の分散ビームを受信し、前記ビームプロファイラにより受信された前記複数の分散ビームの相対位置の画像を生成するよう構成される、
   レーザーシステム。
2. さらに、前記光学素子を調整して、前記ビームプロファイラにより生成された画像に少なくとも基づいて前記複数の入力ビームをアラインするコントローラ、を備える、
   請求項１に記載のレーザーシステム。
3. 前記光学素子は、１つまたは複数のインターリーバミラー、および／または１つまたは複数のコリメーションレンズ、を含む、
   請求項２に記載のレーザーシステム。
4. 前記コントローラは、１つまたは複数の前記インターリーバミラーを傾斜させること、および／または１つまたは複数の前記コリメーションレンズを平行移動することにより、前記光学素子を調整するよう構成される、
   請求項３に記載のレーザーシステム。
5. 少なくとも１つの前記コリメーションレンズは、スロー軸コリメーションレンズである、
   請求項３に記載のレーザーシステム。
6. 前記レーザー共振器は、
   多波長ビームを形成するために前記複数の入力ビームを受信し波長分散する分散素子と、
   （ｉ）出力ビームとして前記多波長ビームの第１部分を送信し、（ｉｉ）前記多波長ビームの第２部分を反射して前記分散素子に戻す、部分反射出力カプラと、
   を含む、
   請求項１に記載のレーザーシステム。
7. 前記レーザー共振器は、前記複数のビームエミッタのそれぞれに関連して、
   ファスト軸コリメータと、
   約９０度のビーム回転を誘導する光ローテータと、
   を含む、
   請求項６に記載のレーザーシステム。
8. 前記分散素子は、回折格子を含む、
   請求項６に記載のレーザーシステム。
9. 前記レーザー共振器は、
   複数の第１コリメータであって、それぞれの第１コリメータが前記複数のビームエミッタの１つから１つまたは複数のビームを受信しコリメートする、複数の第１コリメータと、
   複数のインターリーバであって、それぞれのインターリーバが前記複数の第１コリメータの１つから前記１つまたは複数のビームを受信する、複数のインターリーバと、
   前記複数のインターリーバからのすべてのビームを受信し、前記複数のビームをコリメートし、前記分散素子に前記複数のビームを送信する、第２コリメータと、
   を含む、
   請求項６に記載のレーザーシステム。
10. それぞれの前記第１コリメータは、スロー軸コリメーションレンズ、を含む、
    請求項９に記載のレーザーシステム。
11. 前記レーザー共振器は、前記分散素子の光学的下流かつ前記部分反射出力カプラの光学的上流に配置された屈曲ミラー、を含む、
    請求項６に記載のレーザーシステム。
12. 前記部分反射出力カプラは、前記ビーム出力である、
    請求項６に記載のレーザーシステム。
13. 前記ビームプロファイラは、前記ビーム出力の光学的下流に配置される、
    請求項１に記載のレーザーシステム。
14. 前記第１レンズは、（ｉ）前記ビームプロファイラを介してファーフィールド画像を生成するための前記出力ビームの経路内の第１位置と、（ｉｉ）前記ビームプロファイラを介してニアフィールド画像を生成するための前記出力ビームの経路外の第２位置と、の間で移動可能である、
    請求項１に記載のレーザーシステム。
15. 前記アライメントシステムは、第３レンズ、を含み、
    前記第３レンズの焦点距離は、前記第１レンズの焦点距離よりも小さく、
    前記第１レンズと前記第３レンズとは、前記出力ビームの経路内で交換可能であり、（ｉ）前記第１レンズが前記出力ビームの経路内にある場合に、前記ビームプロファイラを介してファーフィールド画像が生成され、（ｉｉ）前記第３レンズが前記出力ビームの経路内にある場合に、前記ビームプロファイラを介してニアフィールド画像が生成される、
    請求項１に記載のレーザーシステム。
16. 前記アライメントシステムは、前記ビーム出力の光学的下流かつ前記第１レンズの光学的上流に配置された第３レンズ、を含む、
    請求項１に記載のレーザーシステム。
17. 前記第３レンズの焦点距離は、前記第１レンズの焦点距離よりも小さい、
    請求項１６に記載のレーザーシステム。
18. 前記第３レンズは、（ｉ）前記ビームプロファイラを介してニアフィールド画像を生成するための前記出力ビームの経路内の第１位置と、（ｉｉ）前記ビームプロファイラを介してファーフィールド画像を生成するための前記出力ビームの経路外の第２位置と、の間で移動可能である、
    請求項１６に記載のレーザーシステム。
19. 前記アライメントシステムは、前記ビーム出力の光学的下流に配置されたビームローテータ、を含む、
    請求項１に記載のレーザーシステム。
20. 前記ビームローテータは、前記出力ビームを約９０度回転させるよう構成される、
    請求項１９に記載のレーザーシステム。
21. 前記ビームローテータは、（ｉ）２つの共焦点シリンドリカルレンズ、（ｉｉ）ダブプリズム、または（ｉｉｉ）２つのリフレクタ、を含む、
    請求項１９に記載のレーザーシステム。
22. 波長ビーム結合（ＷＢＣ）次元に沿って複数の入力ビームを空間的に重ね合わせ、結果として得られた出力ビームをビーム出力から出力するレーザー共振器とともに使用するためのアライメントの方法であって、前記レーザー共振器は、前記複数の入力ビームを操作する複数の光学素子を含み、
    方法は、
    ビームプロファイラを用いて、（ｉ）前記複数の入力ビームのニアフィールド画像、または（ｉｉ）前記複数の入力ビームのファーフィールド画像、のうち少なくとも一方を生成するステップと、
    前記複数の入力ビームの１つが前記ニアフィールド画像または前記ファーフィールド画像のうち少なくとも一方でずれている場合に、１つまたは複数の前記光学素子を調整して前記複数の入力ビームをアラインするステップと、
    前記ニアフィールド画像または前記ファーフィールド画像のうち少なくとも一方を生成する前に、（ｉ）前記出力ビームを波長分散してＷＢＣ次元で複数の分散ビームを生成するステップと、（ｉｉ）前記ビームプロファイラに向かって前記複数の分散ビームを集束するステップと、
    を含む、
    方法。
23. 前記ニアフィールド画像と前記ファーフィールド画像との両方が生成される、
    請求項２２に記載の方法。
24. 前記ニアフィールド画像と前記ファーフィールド画像とは、順次生成される、
    請求項２３に記載の方法。
25. 前記ニアフィールド画像と前記ファーフィールド画像とは、同時に生成される、
    請求項２３に記載の方法。
26. 前記光学素子は、１つまたは複数のインターリーバミラー、および／または１つまたは複数のコリメーションレンズ、を含む、
    請求項２２に記載の方法。
27. １つまたは複数の前記光学素子を調整することは、１つまたは複数の前記インターリーバミラーを傾斜させること、および／または１つまたは複数の前記コリメーションレンズを平行移動させること、を含む、
    請求項２６に記載の方法。
28. 少なくとも１つの前記コリメーションレンズは、スロー軸コリメーションレンズである、
    請求項２６に記載の方法。
29. 前記ファーフィールド画像を生成することは、前記出力ビームの経路内に第１レンズを配置することを含み、
    前記ニアフィールド画像を生成することは、前記出力ビームの経路から前記第１レンズを除去することを含む、
    請求項２２に記載の方法。
30. 前記ファーフィールド画像を生成することは、前記出力ビームの経路内に第１レンズを配置することを含み、
    前記ニアフィールド画像を生成することは、前記第１レンズを前記第１レンズの焦点距離よりも小さい焦点距離を有する第２レンズと交換することを含む、
    請求項２２に記載の方法。
31. 前記ニアフィールド画像を生成することは、前記出力ビームの経路内に第１レンズおよび第２レンズを配置することを含み、
    前記ファーフィールド画像を生成することは、前記出力ビームの経路から前記第２レンズを除去することを含む、
    請求項２２に記載の方法。
32. 前記第２レンズは、前記第１レンズの焦点距離よりも小さい焦点距離を有する、
    請求項３１に記載の方法。
33. 前記ファーフィールド画像を生成することは、前記出力ビームの第１部分を第１レンズに向けることを含み、
    前記ニアフィールド画像を生成することは、前記出力ビームの第２部分を第２レンズに向けることを含む、
    請求項２２に記載の方法。
34. さらに、前記ニアフィールド画像または前記ファーフィールド画像のうち少なくとも一方を生成する前に、前記出力ビームを回転させるステップ、を含む、
    請求項２２に記載の方法。
35. 前記レーザー共振器は、
    前記複数の入力ビームを受信して波長分散し、それにより多波長ビームを形成する分散素子と、
    （ｉ）前記出力ビームとして前記多波長ビームの第１部分を送信し、（ｉｉ）前記多波長ビームの第２部分を反射して前記分散素子に戻す、部分反射出力カプラと、
    を含む、
    請求項２２に記載の方法。
36. 前記レーザー共振器は、（ｉ）前記複数の入力ビームを放射するよう構成された複数のビームエミッタ、および、（ｉｉ）前記複数のビームエミッタのそれぞれに関連した、ファスト軸コリメータおよび約９０度のビーム回転を誘導する旋回子、を含む、
    請求項３５に記載の方法。
37. 前記分散素子は、回折格子を含む、
    請求項３５に記載の方法。
38. 前記複数の光学素子は、
    複数の第１コリメータであって、それぞれの第１コリメータが１つまたは複数の入力ビームを受信してコリメートする、複数の第１コリメータと、
    複数のインターリーバであって、それぞれのインターリーバが１つの前記第１コリメータから前記１つまたは複数の入力ビームを受信する、複数のインターリーバと、
    前記複数のインターリーバからすべての前記入力ビームを受信して、前記入力ビームをコリメートし、前記入力ビームを前記分散素子に送信する第２コリメータと、
    を含む、
    請求項３５に記載の方法。
39. それぞれの前記第１コリメータは、スロー軸コリメーションレンズを含む、
    請求項３８に記載の方法。
40. 前記レーザー共振器は、前記分散素子の光学的下流かつ前記部分反射出力カプラの光学的上流に配置された屈曲ミラー、を含む、
    請求項３５に記載の方法。
41. 前記部分反射出力カプラは、前記ビーム出力である、
    請求項３５に記載の方法。
42. 前記ビームプロファイラは、前記ビーム出力の光学的下流に配置される、
    請求項２２に記載の方法。

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