(57)【要約】【課題】ほぼ回転対称的な光混合器への入射ができるだけ簡単に可能であるようなダイオードレーザー装置とビーム形成ユニットとを提供する。【解決手段】ダイオードレーザー装置２であって、第１の方向Ｘで互いに横方向でずらされた複数のレーザーバー３を有している形式のものにおいて、少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバー３が、１つの円弧４に沿って配置されていて、その放射方向５，６が円弧内部に向けられている。ビーム形成ユニットが、少なくとも１つのこのようなダイオードレーザー装置２と、レーザーバー３の放射方向５，６を共通の１つの放射方向１１にまとめる少なくとも１つの光学機器９とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードレーザー装置（２；２′）であって、第１の方向（Ｘ）で互いに横方向でずらされた複数のレーザーバー（３；１７，１８）を有している形式のものにおいて、
少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバー（３；１７，１８）が、１つの円弧に沿って配置されていて、その放射方向（５，６）が円弧内部に向けられていることを特徴とするダイオードレーザー装置。
【請求項２】
少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバー（３；１７，１８）が、第１の方向（Ｘ）に対して直角な第２の方向（Ｚ）で横方向に、特に階段状に互いにずらされている、請求項１記載のダイオードレーザー装置。
【請求項３】
少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバー（３；１７，１８）の放射方向が、第１の方向（Ｘ）に対して直角な第２の方向（Ｚ）で互いに傾けられている、請求項１または２記載のダイオードレーザー装置。
【請求項４】
少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバー（３；１７，１８）の後方の光路において、少なくとも１つの第１の光学素子が、特に１つのシリンドリカルレンズ（２２）が、放射方向を傾けるために配置されている、請求項３記載のダイオードレーザー装置。
【請求項５】
少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバー（３；１７，１８）が、１つの円弧（４）または１つの円筒外周区分に沿って配置されていて、その放射方向（５，６）が円弧（４）のほぼ中心点に、または円筒外周区分のほぼ軸線の方向に向けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のダイオードレーザー装置。
【請求項６】
少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバー（３；１７，１８）が１つの共通の冷却体（１５）上に取り付けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のダイオードレーザー装置。
【請求項７】
レーザーバー（３；１７，１８）と冷却体（１５）との間の結合が、特に銅から成る複数の同一のヒートシンク（２５）を介して形成されている、請求項６記載のダイオードレーザー装置。
【請求項８】
各レーザーバー（３；１７，１８）のための冷却体が載置面を有しており、特に少なくともいくつかの載置面が互いに傾けられている、請求項６または７記載のダイオードレーザー装置。
【請求項９】
載置面及び／又はヒートシンクの形状により、レーザーバー（３；１７，１８）と全てのレーザーバー（３；１７，１８）のための冷却体（１５）との間のほぼ同じ熱的な距離が規定される、請求項７または８記載のダイオードレーザー装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載のダイオードレーザー装置（２，２´）と、レーザーバー（３；１７，１８）の放射方向（５，６）を共通の１つの放射方向（１１）にまとめる少なくとも１つの光学機器（９，２１）とを備えたビーム形成ユニット（１，１′）。
【請求項１１】
少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバー（３；１７，１８）が１つの円弧（４）または円筒外周区分に沿って配置されていて、これらのレーザーバーの放射方向（５，６）が円弧（４）のほぼ中心点または円筒外周区分のほぼ軸線の方向に向けられており、光学機器（９，２１）が、放射方向（５，６）の、円弧（４）の中心点または円筒外周区分の軸線の近傍に配置された反射光学機器である、請求項１０記載のビーム形成ユニット。
【請求項１２】
反射光学機器（９，２１）が、各放射方向（５，６）のための、円筒外周区分の軸線に沿って、個々のミラー（１０；２３，２４）、特に平面ミラーまたは凹面シリンドリカルミラーを有しており、個々のミラー（１０；２３，２４）がそれぞれ、円筒外周区分の軸線に対して所定の角度を成して互いに回転されている、請求項１１記載のビーム形成ユニット。
【請求項１３】
個々のミラー（２３，２４）が、第１の方向（Ｘ）に対して直角な第２の方向（Ｚ）で互いに傾けられている、請求項１２記載のビーム形成ユニット。
【請求項１４】
個々のミラー（１０；２３，２４）が、一体的にまたはほぼ一体的に形成されたミラー装置を成すように接合されている、請求項１２または１３記載のビーム形成ユニット。
【請求項１５】
個々のミラー（１０；２３，２４）またはミラー装置が、ダイアモンドフライス加工された銅または誘電的に高反射するように被覆されたガラスから成っている、請求項１２から１４までのいずれか１項記載のビーム形成ユニット。
【請求項１６】
反射光学機器が、回折的な光学素子により形成されている、請求項１１記載のビーム形成ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオードレーザー装置であって、第１の方向で互いに横方向でずらされた複数のレーザーバーを有している形式のものに関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力ダイオードポンプ固体レーザーのための励起光源（ポンプ光源）として、例えば、レーザーダイオードバーから成る鉛直方向のレーザーダイオードスタック（鉛直スタック）を備えた、マイクロチャネルヒートシンクにより能動的に冷却されるダイオードレーザー装置が使用される。このようなスタックは、十分に大きなスタック高さ（約５０レーザーダイオードバー）の場合には、ほぼ同じ大きさのビームパラメータ積を水平方向（Slow-Axis  SA）および鉛直方向（Fast-Axis  FA）で有する。ＳＡ方向では、各レーザーバーに多数のエミッタ領域が均一に分配配置されている。ＳＡ方向でのバーの幅は典型的には１０ｍｍである。ＳＡ方向で生じるレーザービームの発散は約６〜１０度（周角）である。ＦＡ方向では個々のバーが、単に約１μｍの高さのアパーチュアから、回折に基づく約４０°〜７０°（周角）の高い発散をもって放射する。能動的なヒートシンクの高さによって規定された約１．５〜２ｍｍの最小間隔のもとで放射された光束がほぼ整列するために、個々のレーザーバーのビームは通常、それぞれ１つのマイクロシリンドリカルレンズによってＦＡ方向でコリメートさせられる。ＦＡ方向でコリメートされた光束の拡がりは典型的には約０．８〜１ｍｍである。ＦＡ方向でコリメートされた光束の発散は、コリメーションレンズの品質、コリメーションレンズの配向の正確性、レーザーバーの直真度に依存していて、約０．５〜２°（周角）である。バーの鉛直方向の積み重ねにより、この鉛直方向のスタックから出るビームを、（ほぼ）回転対称的な光混合機へ、ポンプビームの輝きをほぼ維持しながら入射させることができる。光混合機では、例えば多重反射によってポンプビームが均一にされる。光混合機から出射したビームは、円形のポンプスポットをレーザークリスタル上に形成するのに適している。しかしながら、能動的に冷却される鉛直方向のスタックの耐用期間が約１００００時間と限られていることが欠点である。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００６１２６５号明細書により、高出力固体レーザーのための励起光源として水平のレーザーダイオードスタックを備えた準受動的に冷却されるダイオードレーザー装置（２Ｄ受動スタック、水平方向スタック）が公知である。このダイオードレーザー装置では個々のレーザーバーはＦＡ方向では重なっておらず、ＳＡ方向で互いに隣接していて、特に有利な配置では、ＦＡ方向では幾分段状に互いにずらされて配置されている。水平方向のスタックは、電気的な機能を冷却から分離することにより、ならびに大きな冷却構造と、著しく減じられた数のシール部材に基づき、鉛直方向のスタックよりもずっと高い信頼性を有している。
【０００４】
水平方向のスタックのために必要な冷却構造はドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２２９７１１号明細書により公知である。レーザーバーはまず最初に（受動的な）銅ヒートシンク上に組み付けられる。バーが取り付けられている複数（典型的には４〜１２個）のヒートシンクは次いで共通の能動的な冷却体上にろう接される。能動的な冷却体は、熱導伝性のセラミックから成る２つの（またはそれ以上の）プレートから成っていて、これらのプレートの間には、フライス加工されたまたはエッチングされた冷却通路を備えた、銅から成る複数の層が配置されている。これらの層は互いに、かつセラミックプレートに、いわゆる銅ダイレクトボンディング法によって接続されている。冷却される従来の鉛直方向のスタックよりもこの冷却通路は広く、冷却面積は大きいので、冷却水はゆっくりと流れることができ、冷却通路の摩耗による問題も少ない。
【０００５】
欠点は、ＳＡ方向で互いに隣接して整列されたレーザーダイオードバーにより生じる光学的な寸法である。鉛直方向のスタックとは異なり水平方向のスタックでは、互いに隣接して配置されたバーによるビーム品質の非対称性と、これにより生じる、放射されたビームの横断面全体の拡がりはＳＡ方向に沿ってさらに高められる。さらに、ＦＡ方向で水平方向のスタックの比較的大きな構成高さに基づき、ＦＡ方向で光学的に同一平面の重なりのために、通常大きな焦点距離を有するＦＡコリメータレンズが必要である。コリメートされたビームの僅かな発散は、別の光路における光学的な構成部分の極めて高い精度を必要とする。さらに、実際の使用のためには、対称的なビーム品質のために必要な数だけ水平方向のスタックが重ねられている場合、全体の高さは高すぎる。従って、水平方向のスタックの出射ビームのほぼ対称性を得るためにビーム形成ユニットが必要である。このビーム形成ユニットは、ＳＡ方向では互いに隣接して延びる水平方向のスタックのビームを、ＦＡ方向で互いに重なり合って延びるビームに再配列する。
【０００６】
ＥＰ１０５９７１３Ａ２号特許明細書により、１つのレーザーダイオードバーの個々のダイオードから発せられた平行な、ＳＡ方向で横方向（ｌａｔｅｒａｌ）にずらされた複数のレーザービームから成る、対称的な輝度を有する１つのレーザービームを生ぜしめるためのビーム形成ユニットが公知である。１つの実施例では、ビーム形成光学機器が、ＦＡ方向での個々のレーザービームを横方向でずらすための第１の透過型の光学素子を有している。第２の透過型の光学素子は、ＳＡ方向とビーム方向とから成る平面においてレーザービームを、ＦＡ方向の１つの共通の交点軸上に延びるように変向させる。交点軸に沿って入るレーザービームの方向が互いに異なるので、ここでは、レーザービームの数に相応する数の、互いに回転されたＦＡ方向で重ねられた個々のミラーを有する扇形ミラーが設けられている。この扇形ミラーはレーザービームを１つの共通の放射方向で変向させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これに対して、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のダイオードレーザー装置とビーム形成ユニットとを改良して、ほぼ回転対称的な光混合器への入射ができるだけ簡単に可能であるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題を解決するために本発明の構成では、少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバーが、１つの円弧に沿って配置されていて、その放射方向が円弧内部に向けられているようにした。
【発明の効果】
【０００９】
レーザーバーの放射方向は、有利には集束するように延びていて、即ち、共通の中心点へと延びている。これにより、後に続くビーム形成光学機器において、レーザービームをまとめるための光学素子の使用を省くことができる。特に、透過型の光学素子を使用する際に、この素子の加熱により生じる熱的な問題が解決される。
【００１０】
本発明の有利な別の構成では、少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバーが、第１の方向に対して直角な第２の方向で横方向に、特に階段状に互いにずらされている。レーザーバーをＦＡ方向でずらすことにより、後続のビーム形成ユニットにおける接合（Verkaemmung）が、ＦＡ方向で横方向のずれを生ぜしめるための付加的な光学素子なしに可能である。
【００１１】
本発明の別の有利な構成では、少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバーの放射方向が、第１の方向に対して直角な第２の方向で互いに傾けられている。このように傾けることにより、ＦＡ方向においてレーザービームを簡単にずらすことができる。従って、ＦＡ方向でバーを横方向でずらす必要はない。レーザービームはこの場合、ＦＡ方向ではもはや平行には延びていないが、これは後でビーム形成光学機器において補償することができる。レーザーバーの放射方向の傾きは、レーザーバーの互いに傾けられた配置により得られる。
【００１２】
本発明の別の構成によれば、少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバーの後方の光路において、少なくとも１つの第１の光学素子が、特に１つのシリンドリカルレンズが、放射方向を傾けるために配置されている。この光学素子は、その延在が全てのレーザーバーにわたって延びていて、ビーム伝播方向に対して垂直な平面でレーザーバーに対して回転されて配置されている個々のシリンドリカルレンズとして形成されていて良い。これにより、前もってコリメートされたレーザービームのビーム方向は変更される。選択的に、全てのレーザーバーの後方にそれぞれ１つのシリンドリカルレンズを配置することができる。これらのシリンドリカルレンズは同時に、レーザーバーから放射されるレーザービームのＦＡ方向でのコリメーションのためにも働く。シリンドリカルレンズをＦＡ方向で僅かに摺動させることにより、放射方向の傾動が得られる。
【００１３】
特に有利な構成では、少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバーが、１つの円弧または１つの円筒外周区分に沿って配置されていて、その放射方向が円弧のほぼ中心点に、または円筒外周区分のほぼ軸線の方向に向けられている。レーザービームから中心点もしくは軸線に到る光学距離はほぼ同じである。これにより、接合後に形成されたレーザービームの形成は、統一的なビーム発散により容易になる。特に簡単に、種々異なるレーザーバーのビーム出射開口をＳＡ方向で１つの共通の平面（例えば光混合器の入射開口）においてほぼはっきりと形成することができる。
【００１４】
特に有利な構成では、少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバーが１つの共通の冷却体上に取り付けられている。レーザーバーは共通の冷却体に位置固定することができ、一緒に冷却することができる。
【００１５】
有利には、個々のレーザーバーが、別個の同一の受動的な、特に銅から成るヒートシンクに取り付けられていて、これらのヒートシンクは共通の能動的な冷却体に位置固定されている。ＦＡ方向でのレーザーバーの円弧状の配置および横方向でのずれもしくは傾きは、冷却体に支持面が設けられている（例えばフライス加工されている）ことにより実現される。載置面及び／又はヒートシンクの形状は、個々のレーザーバーと冷却体との間にほぼ同じ熱的な距離が得られるように形成されている。
【００１６】
本発明はさらに、少なくとも１つの上述したようなダイオードレーザー装置と、レーザーバーの放射方向を共通の１つの放射方向にまとめる少なくとも１つの光学機器とを備えたビーム形成ユニットに関する。集束する光路を備えた本発明によるダイオードレーザー装置の使用により、光学機器は、入射するレーザービームの放射方向をＳＡ方向で単に変向すればよく、横方向でずらす必要はない。
【００１７】
少なくともいくつかの、有利には全てのレーザーバーが１つの円弧または円筒外周区分に沿って配置されていて、これらのレーザーバーの放射方向が円弧のほぼ中心点または円筒外周区分のほぼ軸線の方向に向けられているならば、光学機器は有利には、この中心点または軸線の近傍に配置された反射光学機器である。反射光学機器を使用することにより、光学的な面の数が、透過型の光学機器と比較して著しく減じられる。
【００１８】
別の有利な構成では、反射光学機器が、各放射方向のための、円筒外周区分の軸線に沿って、個々のミラー、特に平面ミラーまたは凹面シリンドリカルミラーを有しており、個々のミラーがそれぞれ、円筒外周区分の軸線に対して所定の角度を成して互いに回転されている。個々のミラーが対応するレーザーバーの各放射方向と形成する角度は、光路において、反射光学機器の後方で唯一の放射方向を有したレーザービームを生ぜしめるように選択されている。典型的にはこの場合、個々のミラーは扇形に配置されている。凹面シリンドリカルミラーを使用することにより、シリンドリカルミラーの有効焦点距離がレーザーバーと反射光学機器との間の間隔にほぼ相当するならば、ＳＡ方向に沿ったコリメーションが行われる。これにより、このために後続の光路にシリンドリカルレンズを取付ける必要がない。扇形のミラーに入射し、ここから出射するレーザービームが互いに形成する変向角度はこの場合、結像誤差を回避するためにできるだけ小さく選択される。
【００１９】
別の構成では、反射光学機器の個々のミラーがＦＡ方向で互いに傾けられて配置されていて、ＦＡ方向で互いに平行に入射しないレーザービームから、唯一の放射方向を備えた１つのレーザービームの互いに平行に出射する部分ビームを形成する。
【００２０】
特に有利な構成では、個々のミラーが、一体的にまたはほぼ一体的に形成されたミラー装置を成すように接合されている。このような配置は安価であって、比較的高い精度で製造可能である。個々のミラーもしくはミラー装置のための材料としては、有利には、高反射性の誘電層を備えたダイアモンドフライス加工された銅またはガラスがあげられる。
【００２１】
別の有利な構成では、反射光学機器は、回折光学素子により形成されていて、この光学素子はフォトリソグラフィにより製造することができ、例えば扁平な一体的な格子として形成することができる。
【００２２】
本発明のさらなる有利な構成は、明細書および図面に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に図面につき本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００２４】
図１に平面図で示したビーム形成ユニット１は６つのレーザーバー３を備えたダイオードレーザー装置２を有している。これらのレーザーバー３は、ＸＹＺ座標系のＸＹ平面に配置された円弧４上に配置されていて、Ｚ方向で横方向で互いにずらされて配置されている。レーザーバー３は、銅から成るヒートシンク２５および共通の冷却体１５上に取り付けられている。レーザーバー３から放射されたレーザービームのＳＡ方向はＸＹ平面に、ＦＡ方向はこれに対して直角のＺ方向に延びている。レーザーバー３から放射されたレーザービームのうち第１のレーザービーム７と第２のレーザービーム８とが図１に示されている。各レーザーバー３の出射部には、放射されたレーザービームをＦＡ方向でコリメートさせ、場合によっては放射されたレーザービームをＦＡ方向で傾けるためのシリンドリカルレンズ２２が設けられている。
【００２５】
各レーザーバー３は１つの放射方向を有していて、そのうち第１の放射方向５と第２の放射方向６とが図１に示されている。ＸＹ平面ではレーザーバー３の第１の放射方向５と第２の放射方向６とが円弧の中心点で互いに交差している。円弧４の中心点の近傍には反射光学機器（扇形ミラー）９が配置されていて、これはＺ方向で互いに重ね合わされた６つの個々のミラー１０を有している。これらの個々のミラー１０は、それぞれ同じ角度だけ、Ｚ軸を中心として互いに回転されていて、これにより扇状の配置を形成している。個々のミラー１０は平面ミラーとして形成されていて、その各表面はレーザーバー３の放射方向５，６に対して、反射により唯１つの（共通の）放射方向１１が形成されるような角度をなして配置されている。Ｚ方向で互いに横方向でずれているレーザービーム７，８はこのようにして１つの共通のレーザービーム１３に統一される。個々のレーザービームは反射光学機器の後方では、もはや半径方向で隣り合って延びるのではなく、平行に重なり合って延びる。
【００２６】
共通のレーザービーム１３はＺ方向（ＦＡ方向）に沿って、光路において後置されたシリンドリカルレンズ１２によって集束させることができる。選択的にこの集束は、扇形ミラー９によって直接的にも、即ちＦＡ方向で傾けるように配置された個々のミラー１０によって行うことができる。
【００２７】
場合によっては光学的な変向ミラー１４が、共通のレーザービーム１３を、レーザーバー３の放射方向５，６に対してほぼ平行な方向に変向するために用いられる。変向ミラー１４の凹面シリンドリカル構成によりレーザービーム１３の同時的な変向と集束が可能であり、この場合、シリンドリカルレンズ１２は省かれる。
【００２８】
光路にさらに後置されたシリンドリカルレンズまたは別の円柱状のミラーによって、レーザービーム１３はＸ方向（ＳＡ方向）でも集束させることができる。これによりレーザービーム１３は、光路において反射光学機器後方に位置する平面で同時にＸ方向およびＺ方向でほぼ最小の高さを有する。この平面には、光混合器の入射開口を配置することができる。
【００２９】
図２には図１のダイオードレーザー装置２の正面図が示されている。レーザーバー３はそのヒートシンク２５とともに１つの共通の冷却体１５上に配置されている。この冷却体１５は、ＸＹ平面に対して傾斜して配置されている。ヒートシンク２５のための載置面１６は、例えば冷却体１５上に取り付けられた銅層をフライス加工することにより冷却体１５上に形成される。冷却体１５は例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２２９７１１号明細書に記載されているように形成されている。
【００３０】
ビーム形成ユニット１は、Ｚ方向で互いに重なり合って配置された所定の数のダイオードレーザー装置２と、相応の数の反射光学機器９とを有している。この場合この数は、共通のレーザービーム１３が、ビーム品質に関してほぼ対称的であるように選択されている。
【００３１】
図３には、別のビーム形成ユニット１′の側方図が示されている。このビーム形成ユニット１′はＺ方向に沿って横方向でずらされて配置された３つのダイオードレーザー装置２′を有している。これらのダイオードレーザー装置２′はそれぞれ６つのレーザーバーを有しており、そのうちそれぞれ第１のレーザーバー１７と第２のレーザーバー１８とが図示されている。レーザーバー１７，１８はＸＹ平面において１つの円弧に沿って配置されていて、Ｚ方向で互いに傾けられていて、これにより、レーザーバー１７，１８から出射するレーザービーム１９，２０は互いに傾けられている。これにより、レーザービーム１９，２０は、反射光学機器２１の２つの異なる個々のミラー２３，２４に達し、ここからＸＹ平面で異なる角度だけ変向され、これによりレーザービーム１９，２０は互いに重ねられてずらされる。反射された光束のＦＡ方向（Ｚ方向）での平行な出射は、個々のミラーをＺ方向で（Ｘ軸線を中心として）幾分傾けることにより（図示せず）得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ダイオードレーザー装置を備えた本発明によるビーム形成ユニットの第１実施例を示した平面図である。
【図２】図１のダイオードレーザー装置を示す正面図である。
【図３】本発明によるビーム形成ユニットの第２実施例を示す側方図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ビーム形成ユニット、  ２  ダイオードレーザー装置、  ３  レーザーバー、  ４  円弧、  ５  第１の放射方向、  ６  第２の放射方向、  ７  第１のレーザービーム、  ８  第２のレーザービーム、  ９  反射光学機器（扇形ミラー）、  １０  個々のミラー、  １１  放射方向、  １３  レーザービーム、  １４  変向ミラー、  １５  冷却体、  １６  載置面、  １７，１８  レーザーバー、  １９，２０  レーザービーム、  ２１  反射光学機器、  ２２  シリンドリカルレンズ、  ２３，２４  個々のミラー、  ２５  ヒートシンク
【図１】
2006032971.tif 000003
【図２】
2006032971.tif 000004
【図３】
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