(57)【要約】ダイオードレーザは、複数のダイオードレーザ素子（２(1)、２(2)・・・２(n)）により生成される複数の部分ビーム（８(1)、８(2)・・・８(n)）からなる射出される出力レーザビーム（１２）の放射輝度を物体（１６）の場所で高める光学装置（１０）を含む。前記光学装置は前記ダイオードレーザ素子に後置されるとともに、前記ダイオードレーザ素子から射出される前記部分ビームの１つのスペクトル領域（λB(1)、ΔλB(1)・・・λB(2)、ΔλB(2)・・・λB(n)、ΔλB(n)）だけを各ダイオードレーザ素子へ各々部分的に反射して前記スペクトル領域）の主要部分だけを透過させる第１の体積ブラッグ格子（１８）を含み、異なる部分ビームから各々フィルタリングされる前記スペクトル領域の平均波長は互いに異なっている。第２の格子（２４）により、前記第１の体積ブラッグ格子により透過された部分ビームが出力レーザビーム（１２）でコリニヤに重ね合わされる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のダイオードレーザ素子（２(1)、２(2)・・・２(n)）により生成される複数の部分ビーム（８(1)、８(2)・・・８(n)）からなり、射出される出力レーザビーム（１２）の放射輝度を物体（１６）の場所で高める光学装置（１０）を備えたダイオードレーザにおいて、
前記光学装置（１０）は前記ダイオードレーザ素子（２(1)、２(2)・・・２(n)）に後置されると共に、前記ダイオードレーザ素子（２(1)、２(2)・・・２(n)）から射出される前記部分ビーム（８(1)、８(2)、８(n)）の１つのスペクトル領域（λB(1)、ΔλB(1)・・・λB(2)、ΔλB(2)・・・λB(n)、ΔλB(n)）だけを各ダイオードレーザ素子（２(1)、２(2)・・・２(n)）へ各々部分的に反射して前記スペクトル領域（λB(1)、ΔλB(1)・・・λB(2)、ΔλB(2)・・・λB(n)、ΔλB(n)）の主要部分だけを透過させる第１の体積ブラッグ格子（１８）を含み、
異なる部分ビーム（８(1)、８(2)・・・８(n)）から各々フィルタリングされる前記スペクトル領域（λB(1)、ΔλB(1)・・・λB(2)、ΔλB(2)・・・λB(n)、ΔλB(n)）の平均波長（λB(1)、λB(2)・・・λB(n)）は互いに異なり、
かつ前記第１の体積ブラッグ格子（１８）により透過された部分ビーム（８(1)、８(2)・・・８(n)）を出力レーザビーム（１２）でコリニヤに空間的に重ね合わせるための第２の格子（２４）を備えるダイオードレーザ。
【請求項２】
前記第２の格子として、体積ブラッグ格子を備える請求項１記載のダイオードレーザ。
【請求項３】
スペクトルが隣接する透過された部分ビームの平均波長の差異が、各スペクトルの半値幅の合計の半分よりも大きい請求項１又は２記載のダイオードレーザ。
【請求項４】
前記第１および／又は第２の体積ブラッグ格子が、格子特性が位置依存的である単一の体積ブラッグ格子素子で構成された請求項２又は３記載のダイオードレーザ。
【請求項５】
前記体積ブラッグ格子素子が、各々一定ではあるが互いに異なる格子特性を持ち、前記ダイオードレーザ素子の数に相当する数の領域を持つ請求項４記載のダイオードレーザ。
【請求項６】
前記第１および／又は第２の体積ブラッグ格子が、各格子特性が相違する複数の離散した体積ブラッグ格子素子で構成された請求項２又は３記載のダイオードレーザ。
【請求項７】
離散した前記体積ブラッグ格子素子の数が前記ダイオードレーザ素子の数に等しい請求項６記載のダイオードレーザ。
【請求項８】
前記第１の体積ブラッグ格子および／又は前記第２の格子にミクロ光学系が各々前置された請求項１から７の１つに記載のダイオードレーザ。
【請求項９】
前記ミクロ光学系が、各々前記体積ブラッグ格子に組み込まれた請求項２から８の１つに記載のダイオードレーザ。
【請求項１０】
前記第１の体積ブラッグ格子および／又は第２の格子が、１つ又は複数のＰＴＲ素子で構成された請求項２から９の１つに記載のダイオードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出されるレーザビームの出力を高める光学装置を備えたダイオードレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイオードレーザは、レーザ活性素子としてオプトエレクトロニクス半導体チップ、所謂レーザダイオードを含み、該レーザダイオードは、特にダイオードレーザの場合、相並んで配置された複数の個別エミッタで構成する。高い光学出力を実現するための一実施形態では、所謂レーザダイオードバーに個別エミッタをモノリシックに配置する。このレーザダイオードバーは、典型的には、幅が約５〜１０ｍｍ（側方）、高さが０．１０〜０．１５ｍｍ（垂直方向）であり、０．３〜２．５ｍｍの間の共振器長さ（横方向）を持つ。所謂エッジ放出エミッタの場合、レーザダイオードのｐｎ接合部で生じたレーザ放射は、側面の内の１つで射出される（出力面又は前面、エミッタ面）。これと対向する面（裏面）は、高度の反射をなすべく鏡面加工され、共振器のバックミラーを形成する。
【０００３】
各レーザダイオードバーは、近似的に長方形の細いレーザビームを生じ、該レーザビームは、個々のエミッタから射出される多数の部分ビームを組み合わされ、そのビーム特性は、レーザダイオードバーの横方向（幅）、所謂遅軸において、これに対し垂直な軸（エピタキシ方向）、所謂速軸におけるビーム特性と明らかに異なっている。
【０００４】
このように著しく非対称なレーザダイオードバーのビーム特性に基づき、更には高性能ダイオードレーザではこのような複数のレーザダイオードバーを相並べで、又は相上下して積層して配置する必要があるため、特に高性能ダイオードレーザの構造は、ビームフォーミング、即ちビーム対称化とビーム重ね合わせのため、複雑な光学装置を必要とするのが普通である。このことは、特に、レーザビームを光ファイバに注入し、個々のレーザダイオードバーの線状のビームをほぼ正方形の、又は理想的には円形の断面形状に変換すべきダイオードレーザに当てはまる。このようなビームフォーミング装置を備えたダイオードレーザは、例えば独国特許第１９６４５１５０号、同第１９８４６５３２号および同第１００１５２４５号明細書から公知である。
【０００５】
個々のエミッタから各々射出される部分ビームの配列変更による出力レーザビームの対称化と、これに伴い生ずるビーム対称化とは、原理的には任意の数のエミッタについて可能であるが、出力レーザビームの放射輝度を高めるには、個々の部分ビームをコリニヤに空間的に重ね合わせることが必要である。しかし、空間的に互いに分離された複数の個別源を組み合わせてなり、互いにコヒーレントな関係にないビーム源から放出される放射の放射輝度（単位立体角あたりの強度）又は明るさ（ラジアンス）は、個々の部分ビームが各物理特性に関し、相応に選択的に作用するビームスプリッタにより空間的に重ね合わせ可能なように相違している場合にしか高め得ない。これが可能なのは、部分ビームが各偏光又は波長に関し相違している場合である。
【０００６】
例えば独国特許第１９８４６５３２号明細書から公知の、２つのレーザダイオードバー積層の結合に関する偏光結合法では、独立した偏光度が２種類しかなく、放射輝度を最大で２倍にしか高め得ない。それに対し、波長結合は原則として多数の部分ビームについて可能であるが、それは、これらの部分ビームの各波長が十分に相違し、スペクトル選択的な誘電体ミラーシステムで、できる限り少ない損失で重ね合わせ得る場合に限られる。この際、実際問題として誘電体ミラーシステムを用いると、赤外領域における偏光していない部分ビームの結合のための最小の波長間隔は、約４０ｎｍでなくてはならないことが解っている。そのため、この波長結合法は、個々のレーザダイオードバーの部分ビームには基本的に適用できない。レーザダイオードバーのエミッタは、通常の場合、近似的に等しい波長を各々有するからである。従って誘電体ミラーによる波長結合は、波長の異なる複数のレーザダイオードバー又は複数の積層の結合にしか利用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明の課題は、簡単な構造で、従来技術に比べて明らかに多数の部分ビームの空間的な結合を可能にする、射出される出力レーザビームの放射輝度を高める光学装置を備えたダイオードレーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題を請求項１の構成要件を備えるダイオードレーザで解決する。これら構成要件によれば、ダイオードレーザは、複数のレーザダイオード素子により生成される複数の部分ビームからなり、射出される出力レーザビームの放射輝度を適用平面で高める光学装置を含み、該光学装置はダイオードレーザ素子に後置される。本発明では、光学装置が、ダイオードレーザ素子から射出される部分ビームの１つのスペクトル領域だけを各ダイオードレーザ素子へ各々部分的に反射し、当該スペクトル領域の主要部分だけを透過させる第１の体積ブラッグ格子を含み、異なる部分ビームから各々フィルタリングされるスペクトル部分の平均波長は互いに異なる。第１の体積ブラッグ格子には、第１の体積ブラッグ格子により透過された部分ビームを出力レーザビームでコリニヤに空間的に重ね合わせるための第２の格子、好ましくは同じく体積ブラッグ格子が後置される。
【０００９】
更に、本発明に基づく波長結合により、遅軸の平面におけるレーザダイオードバーのビームパラメータ積、即ちビーム品質は、バー幅と個別エミッタ幅の比率から形成される係数１０ｍｍ／０．１５ｍｍだけ改善され、バー幅が１０ｍｍの場合、典型的には５００ｍｍ・ｍｒａｄから約１０ｍｍ・ｍｒａｄになる。
【００１０】
第１のホログラフィック格子又は体積ブラッグ格子を用いることで、ダイオードレーザ素子から既に比較的狭帯域で射出される部分ビームを、各スペクトル帯域幅に関して再度狭窄化し得る。かくして、各平均波長に関し十分に相違していて、それらの波長に合わせて狭帯域で安定化され、その結果第２の格子によってほぼ損失なしに重ね合わせ可能な、スペクトルが互いに異なる部分ビームを生成できる。
【００１１】
波長分割多重化を実現すべくホログラフィック格子を使用することは、米国特許第５６９１９８９号明細書により、原理的には既に公知である。しかしこの公知の適用法の目的は、レーザビームによって物理特性を変化させようとする物体の場所、例えば熱加工する場所で、レーザビームの放射輝度や明るさを高めることではなく、スペクトル分割可能なレーザビームを各々同時に伝送し、引き続きこれをデマルチプレクサで分離することによって、光ファイバを用いた光学的な情報伝達における帯域幅を広げることにある。
【００１２】
本発明の意味でダイオードレーザとは、複数のレーザダイオード素子を組み合わせてなる、上位に位置づけられたアセンブリである。このダイオードレーザは、本発明においてダイオードレーザ素子と呼ぶ個別エミッタの群により構成される構造であるばかりか、各々多数の個々のエミッタを含むレーザダイオードの群、例えばレーザダイオードバーの群によって構成される構造であってもよい。後者の場合には、レーザダイオードバーをダイオードレーザ素子と呼ぶことになる。
【００１３】
部分ビームのできるだけ損失のない結合を可能にすべく、本発明の好ましい一実施形態では、スペクトル的に隣接し、透過された部分ビームの平均波長の差は、各スペクトルの半値幅の合計の半分よりも大きい。
【００１４】
第１および／又は第２の体積ブラッグ格子を、格子特性が位置に依存する単一の体積ブラッグ格子素子で構成し、好ましくは各体積ブラッグ格子素子が、一定ではあるが互いに異なる格子特性を持ち、ダイオードレーザ素子の数に相当する数の領域を有すると、格別にコンパクトな構造となし得る。
【００１５】
上記に代えて、第１および／又は第２の体積ブラッグ格子を、各格子特性が相違する複数の離散した体積ブラッグ格子素子で構成し、特に離散した体積ブラッグ格子素子の数をダイオードレーザ素子の数に相当させるとよい。個々の体積ブラッグ格子素子からなる体積ブラッグ格子は、特に容易に製造できる。
【００１６】
好適な一実施形態では、第１および／又は第２の各体積ブラッグ格子構造に、特に各々体積ブラッグ格子構造に組み込んだミクロ光学系を前置する。この結果、部分ビームを体積ブラッグ格子へ伝送する際と、体積ブラッグ格子に結合する際との損失を減らせる。
【００１７】
本発明の特に有利な実施形態では、第１および／又は第２の体積ブラッグ格子を１つ又は複数のＰＴＲ素子で構成する。このＰＲＴ素子は、各々ダイオードレーザ素子から射出される部分ビームの波長の格別に狭帯域の安定化を可能にし、その結果そのようにして安定化した部分ビームの格別に効率的で損失のない波長結合を可能にする。
【００１８】
本発明の更に詳しい説明のため、図面の実施例を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１の実施例では、ダイオードレーザは、１列に相並んで配置され、ダイオードレーザモジュール４を形成する、ｎ個の多数のダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)を含む。図示のダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)は、レーザダイオードバーの個別エミッタであっても、相上下して積層して配置されたレーザダイオードバーであってもよい。各々のダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)は、部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)を放出する。
【００２０】
ダイオードレーザモジュール４の出力側に、ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)から各々射出される部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)の速軸の方向でのコリメーションを惹起するミクロ光学系６が後置されている。
【００２１】
このミクロ光学系６は、ダイオードレーザモジュール４が個々のレーザダイオードバーであり、ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)が個別エミッタであるとき、個々の円柱レンズである。この場合、図示のダイオードレーザモジュールが、ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)として働く複数のレーザダイオードバーを組み合わせてなるなら、ミクロ光学系６として、ｎ個の各ミクロレンズからなるアレイを用いる。代替的な実施形態では、ミクロ光学系６により、遅軸の方向へのコリメーションを追加的に行う。
【００２２】
ダイオードレーザモジュール４又はコリメータ６から射出される部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)は、出力側で出力レーザビーム１２を生ずる光学装置１０で結合され、該出力レーザビームでは、全ての部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)がコリニヤに重畳されており、直接的に、又は図面には示唆だけしているビームガイド、ビーム成形装置、例えば光ファイバによって、一緒に重ね合わせた状態で物体１６へと案内され、そこで、各利用目的に応じて求められる物理的効果を高い強度でもたらす。この物体は、例えば加工すべき工作物或いはダイオードレーザで光ポンピングすべき固体レーザのレーザ活性媒体である。
【００２３】
光学装置１０は、入力側に、各部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)の内、平均波長λB(1)、λB(2)・・・λB(n)と、放出される各部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)の半値幅よりも小さい半値幅ΔλB(1)、ΔλB(2)・・・ΔλB(n)とを持つ狭いスペクトル領域だけを各ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)へ部分的に反射し、当該スペクトル領域の主要部分だけを透過させる、第１のホログラフィック格子又は体積ブラッグ格子１８を含む。反射された部分により引き起こされるフィードバックは、各ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)の所謂セルフシーディングにつながり、その結果各出力放射のスペクトル狭窄化につながり、ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)は定常状態のときに、平均波長が波長λB(1)、λB(2)・・・λB(n)に合わせて安定化されるとともに半値幅ΔλB(1)、ΔλB(2)・・・ΔλB(n)に関しても相応に狭窄化された、即ち当初に射出された部分ビームよりも明らかに狭い帯域幅を有する、部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)だけを放出する。仮に、第１の体積ブラッグ格子１８がなければ、ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)から各々射出される部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)は、近似的に等しい波長λAおよび同一の半値幅ΔλAを有することになる。適当な体積ブラッグ格子は、例えば米国特許第６５８６１４１号明細書から公知の光熱屈折デバイスである。このような所謂ＰＴＲ素子を基礎として、非常に優れたスペクトル選択性と、高い屈折効率とを示す体積ブラッグ格子が知られている。該ＰＴＲ素子は、機械的、光学的および熱的な安定性が高いと言う特徴も備える。
【００２４】
図１は、図面に矢印２０で図示する如く、第１の体積ブラッグ格子の格子定数が位置座標の関数として連続的に変化する実施例を示す。この格子定数の連続的な変化に代えて、第１の体積ブラッグ格子の内部での格子定数の不連続的な変化も可能であり、その結果、各ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)に、各々一定の格子特性をもつ領域を割り当てられる。
【００２５】
第１の体積ブラッグ格子１８から射出される部分ビームは、ミクロ光学系２２による遅軸でのコリメーション後、光学装置１０の内部に配置された第２の格子２４に当たり、該格子は、好適には同じく体積ブラッグ格子であり、その内部で、スペクトルが狭帯域な部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)のインコヒーレントでコリニヤな重畳が起こる。第２の格子もＰＴＲ素子であるとよく、第１の体積ブラッグ格子１８に準じ、位置依存的な内部の格子構造を持つ。位置ｉでは、格子構造は、波長λB(i)を持つ部分ビームが最大に反射されるのに対し、既に重畳されている波長λB(i+1)、λB(i+2)・・・λB(i+n)の部分ビームはできるだけ損失なく透過するように構成せねばならない。
【００２６】
効率的な波長結合と、これに伴い放射輝度又は明るさの効率的な増加を可能にすべく、スペクトルが隣接し、透過した部分ビーム８(1)、８(2)・・・８(n)の平均波長λB(1)、λB(2)・・・λB(n)の差異は、各スペクトル半値幅ΔλB(1)、ΔλB(2)・・・ΔλB(n)の合計の半分よりも大きくなり、従って、次の条件が満たされる。
１／２（ΔλB(1)＋ΔλB(i-1)）≦λB(1)−λB(iー1)
【００２７】
例えばPD‐LD Inc．（アメリカ、ニュージャージー州ペニントン所在）やOndax Inc．（アメリカ、カリフォルニア州モンロビア所在）から提供され公知のＰＴＲ素子を用い、個々のダイオードレーザ素子から約３〜６ｎｍの半値幅で射出されるレーザビームを、０．２ｎｍ未満の半値幅の狭帯域の領域へ狭窄化することができ、その結果波長結合を可能にすべく、レーザダイオードバーの例えば最大３０個の個別エミッタを、各波長に関して十分に分離させ得る。更に、各々積層して配置したレーザダイオードバーを、製造時に互いに数ｎｍだけ相違した、異なる中心波長に合わせて調整できるので、原則的に、このような積層の全部分ビームを、波長結合によってコリニヤに重ね合わせ得る。これに代えて、１つの積層のレーザダイオードバーから射出される部分ビームを、第１の体積ブラッグ格子を用いて唯一の波長に合わせて調整し、個々のレーザダイオードバーから射出される狭帯域のレーザビームを、波長結合によってコリニヤに重ね合わせることもできる。
【００２８】
図２に示す実施例では、第１の体積ブラッグ格子１８を、ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)の数ｎに相当する、複数の離散した体積ブラッグ格子素子１８(1)、１８(2)・・・１８(n)で構成している。原則的に、第２の格子２４も複数の離散した体積ブラッグ格子素子で構成し得る。更に、ミクロ光学系６、第１の体積ブラッグ格子１８および第２の格子２４をモノリシックなコンポーネントに統合でき、その結果、コンパクトな構造に基づき、図１および図２に示すミクロ光学系２２はもはや不要となる。
【００２９】
第１の体積ブラッグ格子１８をコリメータ６に直接組み付けたり、上記の如くモノリシックなコンポーネントとしてコリメータ６と共に製造したりできる故、本発明による構成は、非常にコンパクトで安定した構造を可能にする。ダイオードレーザ素子２(1)、２(2)・・・２(n)の出力面から、第１の体積ブラッグ格子１８迄の距離ｄは僅か数ｍｍ、典型的には３ｍｍ未満なので、機械的な負荷に対する感受性は大幅に低減する。
【００３０】
更に別の好ましい効果は、第１の体積ブラッグ格子が狭帯域の領域に合わせて波長を安定化させるので、第１の体積ブラッグ格子１８により、放出されるレーザ放射の波長の温度依存性が少なくなることである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明によるダイオードレーザを模式的な原理図で示す。
【図２】本発明によるダイオードレーザの他の実施形態を、模式的な原理図で示す。
【符号の説明】
【００３２】
２(1)、２(2)、２(n)  ダイオードレーザ素子、４  ダイオードレーザモジュール、６  ミクロ光学系、８(1)、８(2)、８(n)  部分ビーム、１０  光学装置、１８  第１の体積ブラッグ格子、２４  第２の格子
【図１】
2008511131.tif 000003
【図２】
2008511131.tif 000004
【国際調査報告】
2008511131.tif 000005
2008511131.tif 000006
2008511131.tif 000007
2008511131.tif 000008