(57)【要約】  光生成装置が、クラッディング（５）と、コア径を画定するコア（４）と、を備える光ファイバ（１０）に動作可能に結合される。光ファイバ（１０）は開口数を有し、ファイバの開口数とコア（４）の直径の２分の１の積は４００ミリメートル−ミリラジアン未満または実質的に４００ミリメートル−ミリラジアンに等しい。装置は、複数（７）のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）を備え、各アレイは個別のビーム（２１、１１）で光を発するために適合された少なくとも１つの発光領域（１、２４）を有する。複数のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は、個別のビーム（２１、１１）からの光が結合ビームに結合されるように配置され、結合ビームは第１の方向における第１の遠視野の発散半角と、第１の方向における第１のウエスト寸法と、第１の方向に対して実質的に垂直である第２の方向における第２の遠視野の発散半角と、第２の方向における第２のウエスト寸法と、を有する。レーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は、レーザダイオードアレイ（６、２３、５５）から出力される光をファイバの端部でファイバのコアに結合するように、光ファイバ（１０）に対して配置される。第１の遠視野の発散半角と第１のウエスト寸法の積は、ファイバ（１０）のコア径と開口数の積の２分の１以下であり、第２の遠視野の発散半角と第２のウエスト寸法の積は、コア径と開口数の積の２分の１以下である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッディング（５）と、コア径を画定するコア（４）と、を備える光ファイバ（１０）に動作可能に結合された光生成装置であって、前記光ファイバ（１０）は開口数を有し、前記ファイバの前記開口数と前記コア（４）の直径の２分の１の積は４００ミリメートル−ミリラジアン未満または実質的に４００ミリメートル−ミリラジアンに等しい光生成装置において、
複数（７）のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）を備え、各アレイは個別のビーム（２１、１１）に光を発するために適合された少なくとも１つの発光領域（１、２４）を備え、前記複数のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は、前記個別のビーム（２１、１１）からの光が結合ビームに結合されるように配置され、前記結合ビームは第１の方向における第１の遠視野の発散半角と、前記第１の方向における第１のウエスト寸法と、前記第１の方向に対して実質的に垂直である第２の方向における第２の遠視野の発散半角と、前記第２の方向における第２のウエスト寸法と、を有し、
前記レーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は、前記レーザダイオードアレイ（６、２３、５５）から出力される光を前記ファイバの端部で前記ファイバの前記コアに結合するように、前記光ファイバ（１０）に対して配置され、
前記第１の遠視野の発散半角と前記第１のウエスト寸法の積は、前記ファイバ（１０）の前記コア径と開口数の積の２分の１以下であり、
前記第２の遠視野の発散半角と前記第２のウエスト寸法の積は、前記コア径と前記開口数の積の２分の１以下である光生成装置。
【請求項２】
前記ファイバ（１０）の前記開口数と前記コア（４）の直径の２分の１の前記積は、１１０ミリメートル−ミリラジアン未満または実質的に１１０ミリメートル−ミリラジアンに等しく、特に６ミリメートル−ミリラジアン未満または実質的に６ミリメートル−ミリラジアンに等しい、請求項１に記載の光生成装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの発光領域（１、２４）は、多モード発光領域である、請求項１または２に記載の光生成装置。
【請求項４】
各アレイは複数のＭ個の発光領域（１、２４）を備え、Ｍは整数である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項５】
各アレイの各発光領域（１、２４）はストライプ幅（ｗｓ）を備え、アレイ（６、２３、５５）の前記発光領域（１、２４）は互いに隣接して配置され、中心間の距離（ｐｓ）だけ隣接する領域（１、２４）から離隔され、特に前記第１のウエスト寸法は実質的に０．５・［（Ｍ−１）・ｐｓ＋ｗｓ］に等しい、請求項４に記載の光生成装置。
【請求項６】
前記アレイ（６、２３、５５）は、速軸および遅軸の両方を画定し、
当該装置は、前記遅軸の方向に沿って各アレイ（６、２３、５５）から個別のビーム（１１、２１）に発せられる光を平行化するためのレンズ（２０、３３）をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項７】
各アレイ（６、２３、５５）は、互いに隣接して配置され、中心間の距離（ｐｓ）だけ隣接する領域から離隔される複数のＭ個の発光領域（１、２４）を備え、Ｍは整数であり、前記個別のビーム（１１、２１）は前記遅軸に対して実質的に平行な方向において前記レンズ（２０、３３）による平行化後、ウエスト寸法（ｗｂｅａｍ）を有し、前記第１のウエスト寸法は実質的に０．５・［（Ｍ−１）・ｐｓ＋２・ｗｂｅａｍ］に等しい、請求項６に記載の光生成装置。
【請求項８】
前記複数のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は、個別のアレイ（６、２３、５５）から出力された光が光（５９）の実質的に平行なストライプで前記ファイバコア（４）に結合されるように配置される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項９】
前記複数のＮ個のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は、スタック（７）に配置され、Ｎは整数である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項１０】
各レーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は高さ（ｔ）の発光領域（１、２４）を有し、前記アレイ（６、２３、５５）は、前記スタック（７）における隣接するアレイ（６、２３、５５）間の中心間の距離（ｑａ）を有するように積み重ねられ、前記第２のウエスト寸法は、実質的に０．５・［（Ｎ−１）・ｑａ＋ｔ］に等しい、請求項９に記載の光生成装置。
【請求項１１】
前記アレイ（６、２３、５５）は、速軸および遅軸を画定し、
当該装置は、前記速軸の方向に沿って各アレイ（６、２３、５５）から個別のビーム（２１、１１）に発せられる光を平行化するために、各アレイ（６、２３、５５）に対応するマイクロレンズ（１３）をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項１２】
前記装置は、複数のＮ個のアレイ（６、２３、５５）を備え、Ｎは整数であり、個別のビーム（１４）は、前記速軸（ｈ）に対して実質的に平行な方向において前記マイクロレンズによる平行化後には、ウエスト寸法を有し、前記個別のビーム（１４）はビームのスタック（６１）で結合され、前記スタック（６１）における隣接するビーム（１４）が中心間の距離ｑｓを有するようになっており、前記第２のウエスト寸法は実質的に０．５・［（Ｎ−１）・ｑｓ＋ｈ］に等しい、請求項１１に記載の光生成装置。
【請求項１３】
前記発光領域は、多モード発光領域、特に、幅が少なくとも１０μｍの多モード発光領域を備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項１４】
前記第１の遠視野の発散半角と前記第１のウエスト寸法の前記積は、前記コア径の２分の１と前記開口数の前記積の
【数１】
2008501144.tif 000021
倍以下であり、前記第２の遠視野の発散半角と前記第２のウエスト寸法の前記積は、前記コア径の２分の１と前記開口数の前記積の
【数２】
2008501144.tif 000022
倍以下である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項１５】
前記複数のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は、Ｎ個のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）を備え、Ｎは整数であり、
前記Ｎ個のアレイ（６、２３、５５）の前記ビームは、前記個別のアレイ（６、２３、５５）からの個別のビーム（１４）の実質的に平行な光ストライプ（５９）のスタック（６１）から構成される結合ビームに結合され、
個別のアレイ（６、２３、５５）から発せられる個別のビーム（１４）は、第１の方向に対して実質的に平行な方向において、第１の遠視野の発散半角
【数３】
2008501144.tif 000023
および第１のウエスト寸法
【数４】
2008501144.tif 000024
を有し、第２の方向に対して実質的に平行な方向において、第２の遠視野の発散半角（Θ２）および第２のウエスト寸法（ｗ２）を有し、
前記結合ビームにおけるｉ番目の平行な光ストライプ（５９）に関する
【数５】
2008501144.tif 000025
と
【数６】
2008501144.tif 000026
の積は、前記コア径（ｄ）の２分の１、前記開口数（ＮＡ）および係数
【数７】
2008501144.tif 000027
の積以下であり、ｉは整数指数であり、ｉ＝１．．．Ｎの値をとり、順に前記結合ビームにおける前記ｉ番目の平行な光ストライプ（５９）を表し、前記第１の光ストライプ（５９）は前記スタック（６１）の底部であり、前記Ｎ番目の光ストライプは前記スタックの最上部であり、
Θ２とｗ２の積は、前記コア径の２分の１と前記開口数の積以下である、請求項１〜４のいずれか一項または請求項６に記載の光生成装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの発光領域（１、２４）は、多モード発光領域である、請求項１５に記載の光生成装置。
【請求項１７】
各アレイ（６、２３、５５）は、複数のＭ個の発光領域（１、２４）を備え、Ｍは整数である、請求項１５または１６に記載の光生成装置。
【請求項１８】
各発光領域（１、２４）はストライプ幅（ｗｓ）を備え、アレイ（６、２３、５５）の前記発光領域（１、２４）は互いに隣接して配置され、中心間の距離（ｐｓ）だけ隣接する領域から離隔される、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項１９】
前記アレイは速軸および遅軸を備え、前記装置は前記遅軸の方向に沿って各アレイ（６、２３、５５）から個別のビーム（２１、１１）に発せられる光を平行化するためのレンズ（２０、３３）をさらに備える、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の光生成装置。
【請求項２０】
前記複数のＮ個のレーザダイオードアレイ（６、２３、５５）は、スタック（７）に配置され、各発光領域（１、２４）は、高さ（ｔ）を有し、前記アレイ（６、２３、５５）は、前記スタック（７）における隣接するアレイが中心間の距離（ｑａ）を有するように積み重ねられ、前記第２のウエスト寸法は、実質的に０．５・［（Ｎ−１）・ｑｓ＋ｔ］に等しい、請求項１５に記載の光生成装置。
【請求項２１】
前記アレイ（６、２３、５５）は速軸および遅軸を画定し、前記装置は、前記速軸の方向に沿って各アレイ（６、２３、５５）から個別のビーム（２１、１１）に発せられる光を平行化するために、各アレイ（６、２３、５５）に対応するマイクロレンズ（１３）をさらに備える、請求項１５に記載の光生成装置。
【請求項２２】
個別のビーム（２１、１１）は、前記速軸（ｈ）に対して実質的に平行な方向において前記マイクロレンズ（１３）による平行化後にウエスト寸法を有し、前記個別のビーム（２１、１１）はスタック（６１）に結合され、前記スタック（６１）における隣接するビームは中心間の距離（ｑｓ）を有し、前記第２のウエスト寸法は実質的に０．５・［（Ｎ−１）・ｑｓ＋ｈ］に等しい、請求項２１に記載の光生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ダイオードレーザに関し、さらに詳細にはダイオードレーザアレイスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
高パワーダイオードレーザが、種々の用途で用いられている。特定の用途向けのレーザの有用性は、レーザの出力パワー、出力光のスペクトル線幅および出力光の空間ビーム品質によって特徴付けることができる。
【０００３】
空間ビーム品質は、複数の方法で特徴付けることができる。たとえば、空間ビーム品質の波長非依存特性は、ビームパラメータ積（「ＢＰＰ」）によって与えられる。ビームパラメータ積は、ビームウエスト（すなわち、いわゆる「ウエスト」位置におけるビームの直径の半分）ｗ０とビームの遠視野発散半角Θ０の積として定義される。
ＢＰＰ＝ｗ０Θ０                        （１）
【０００４】
別の例として、空間ビーム品質の無次元特性は、ビーム品質係数Ｍ２またはＱによって与えられる。ビーム品質係数は、
Ｍ２＝１／Ｑ＝πｗ０θ０／λ                        （２）
によって与えられる。λは、出力レーザ光の波長である。
【０００５】
ＴＥＭ００モードで動作し、ガウスビームを発するレーザは、可能な限り最低のＢＰＰ（Ｍ２＝１）を有する。このモードで動作するリッジ型導波路および利得導波型レーザダイオードは、単一モード発光体と呼ばれ、通常は（レーザの横軸に沿って）幅３μｍのストライプからなる。これらの発光体の出力パワーは、レーザ端面のカタストロフィック光学損傷（「ＣＯＤ」）のために、約１Ｗに制限される。端面領域を増大するために、いわゆるテーパ型発光体を用いることができる。
【０００６】
半導体レーザダイオードからより高いパワーの出力を実現するために、レーザにおけるアクティブ材料の比較的広い有効横幅を用いることができる。そのようなデバイスは、「ワイドストライプ型発光体」、「ブロードストライプ型発光体」または「多モードデバイス」として周知である。しかし、アクティブ材料の有効横幅がレーザ出力波長の数倍より大きい場合には、利得は空洞共振器のより高次の空間モードで生じる可能性があり、出力レーザ光の空間ビーム品質を低下させる恐れがある。
【０００７】
複数のワイドストライプ発光体および／または単一モード発光体は、単一発光体のアレイを形成するために、１つのチップ上に並んで作製されることができる。アレイにおける複数の個別のレーザダイオード発光体の出力光は、非干渉状態で結合して、チップからの全体的な出力パワーを増大することができる。しかし、結合した出力ビームの品質は一般に、アレイにおける個別の発光体の数に応じて減少する。
【０００８】
これらのレーザダイオードアレイの総出力ビームは一般に、強い非対称性である。たとえば、遅軸（すなわち、レーザダイオードの横軸）に沿った幅１０ｍｍのアレイの代表的なビームパラメータ積（「ＢＰＰ」）は、ＢＰＰＳｌｏｗ＝５００ミリメートル−ミリラジアン（ｍｍ＊ｍｒａｄ）であってもよく、デバイスが通常、ＴＥＭ００モードで動作中である場合には、速軸（すなわち、レーザダイオードの垂直軸）に沿ったアレイの代表的なＢＰＰは、ＢＰＰＦａｓｔ＝０．３ミリメートル−ミリラジアンであってもよい。
【０００９】
多くのレーザ用途は光ファイバから通常供給される対称なビームを必要とし、したがって、パワーはレーザダイオードアレイからファイバの中に結合されなければならない。しかし、アレイの強い非対称性のビームをファイバに結合することは困難である。アレイからの出力ビームは、（たとえば、ステップミラー、傾斜板または傾斜プリズムによって）部分に分割され、再配置されることができるため、再配置されるビームのＢＰＰは両方の軸において等しいが、そのような態様で対称なビームを実現するためには、複雑な光学系が必要である。したがって、光ファイバに結合することができる高パワー出力ビームを生成する光源を有することが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、一つには、レーザダイオードアレイのスタックからの出力ビームの光学性能を光ファイバの光学性能と整合することによって、複数のレーザダイオードから光ファイバへの光の結合を強化することができるという認識に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、光生成装置は、クラッディングと、コア径を画定するコアと、を備える光ファイバに動作可能に結合される。光ファイバは開口数を有し、ファイバの開口数とコアの直径の２分の１の積は４００ミリメートル−ミリラジアン未満または実質的に４００ミリメートル−ミリラジアンに等しい。装置は、複数のレーザダイオードアレイを備え、各アレイは個別のビームに光を発するために適合された少なくとも１つの発光領域を有する。複数のレーザダイオードアレイは、個別のビームからの光が結合ビームに結合されるように配置され、結合ビームは第１の方向における第１の遠視野の発散半角と、第１の方向における第１のウエスト寸法と、第１の方向に対して実質的に垂直である第２の方向における第２の遠視野の発散半角と、第２の方向における第２のウエスト寸法と、を有する。レーザダイオードアレイは、レーザダイオードアレイから出力される光をファイバの端部でファイバのコアに結合するように、光ファイバに対して配置される。第１の遠視野の発散半角と第１のウエスト寸法の積は、ファイバのコア径と開口数の積の２分の１以下であり、第２の遠視野の発散半角と第２のウエスト寸法の積は、コア径と開口数の積の２分の１以下である。
【００１２】
実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上の特徴を備えることができる。たとえば、ファイバの開口数とコアの直径の２分の１の積は、１１０ミリメートル−ミリラジアン未満または実質的に１１０ミリメートル−ミリラジアンに等しくてもよく、特に６ミリメートル−ミリラジアン未満または実質的に６ミリメートル−ミリラジアンに等しくてもよい。少なくとも１つの発光領域は、多モード発光領域であってもよい。各アレイは、複数のＭ個の発光領域を備えることができ、Ｍは整数である。各アレイの各発光領域は、ストライプ幅（ｗｓ）を備えることができ、アレイの発光領域は互いに隣接して配置されることができ、中心間の距離（ｐｓ）だけ隣接する領域から離隔されることができ、特に第１のウエスト寸法は実質的に０．５・［（Ｍ−１）・ｐｓ＋ｗｓ］に等しい。
【００１３】
アレイは、速軸および遅軸の両方を画定することができ、装置は、遅軸の方向に沿って各アレイから個別のビームに発せられる光を平行化するためのレンズをさらに備える。各アレイは、互いに隣接して配置され、中心間の距離（ｐｓ）だけ隣接する領域から離隔される複数のＭ個の発光領域を備えることができ、Ｍは整数であり、個別のビームは、遅軸に対して実質的に平行な方向においてレンズによる平行化後、ウエスト寸法（ｗｂｅａｍ）を有することができ、第１のウエスト寸法は実質的に０．５・［（Ｍ−１）・ｐｓ＋２・ｗｂｅａｍ］に等しい。
【００１４】
複数のレーザダイオードアレイは、個別のアレイから出力された光が光の実質的に平行なストライプでファイバコアに結合されるように配置されることができる。複数のＮ個のレーザダイオードアレイがスタックに配置され、Ｎは整数である。各発光領域は、高さ（ｔ）を有することができ、アレイは、スタックにおける隣接するアレイ間の中心間の距離（ｑａ）を有するように積み重ねることができ、その結果、第２のウエスト寸法は、実質的に０．５・［（Ｎ−１）・ｑａ＋ｔ］に等しい。アレイは、速軸および遅軸を画定することができ、装置は、速軸の方向に沿って各アレイから個別のビームに発せられる光を平行化するために、各アレイに対応するマイクロレンズをさらに備えることができる。
【００１５】
装置は、複数のＮ個のアレイを備えることができ、Ｎは整数であり、個別のビームは、速軸に対して実質的に平行な方向においてマイクロレンズによる平行化後には、ウエスト寸法（ｈ）を有し、個別のビームはスタックで結合され、スタックにおける隣接するビームが中心間の距離ｑｓを有するようになっており、第２のウエスト寸法は実質的に０．５・［（Ｎ−１）・ｑｓ＋ｈ］に等しい。
【００１６】
発光領域は、多モード発光領域、特に、幅が少なくとも１０μｍの多モード発光領域を備えることができる。
【００１７】
第１の遠視野の発散半角と第１のウエスト寸法の積は、コア径の２分の１と開口数の積の
【数１】
2008501144.tif 000002
倍以下であってもよく、第２の遠視野の発散半角と第２のウエスト寸法の積は、コア径の２分の１と開口数の積の
【数２】
2008501144.tif 000003
倍以下であってもよい。
【００１８】
複数のレーザダイオードアレイは、Ｎ個のレーザダイオードアレイを備えることができ、Ｎは整数であり、Ｎ個のアレイのビームは、個別のアレイからの個別のビームの実質的に平行な光ストライプのスタックから構成される結合ビームに結合されてもよく、個別のアレイから発せられる個別のビームは、第１の方向に対して実質的に平行な方向において、第１の遠視野の発散半角
【数３】
2008501144.tif 000004
および第１のウエスト寸法
【数４】
2008501144.tif 000005
を有することができ、第２の方向に対して実質的に平行な方向において、第２の遠視野の発散半角（Θ２）および第２のウエスト寸法（ｗ２）を有することができ、結合ビームにおけるｉ番目の平行な光ストライプに関する
【数５】
2008501144.tif 000006
と
【数６】
2008501144.tif 000007
の積は、コア径（ｄ）の２分の１、開口数（ＮＡ）および係数
【数７】
2008501144.tif 000008
の積以下であり、ｉは整数指数であり、ｉ＝１．．．Ｎの値をとり、順に結合ビームにおけるｉ番目の平行な光ストライプを表し、第１の光ストライプはスタックの底部であり、Ｎ番目の光ストライプはスタックの最上部であり、Θ２とｗ２の積は、コア径の２分の１と開口数の積以下である。
【００１９】
少なくとも１つの発光領域は、多モード発光領域であってもよい。各アレイは、複数のＭ個の発光領域を備えることができ、Ｍは整数である。各発光領域は、ストライプ幅（ｗｓ）を備えることができ、アレイの発光領域は互いに隣接して配置されることができ、中心間の距離（ｐｓ）だけ隣接する領域から離隔されることができる。
【００２０】
アレイは、速軸および遅軸を備え、装置は、遅軸の方向に沿って各アレイから個別のビームに発せられる光を平行化するためのレンズをさらに備えることができる。複数のＮ個のレーザダイオードアレイがスタックに配置されることができ、各発光領域は高さ（ｔ）を有し、アレイは、スタックにおける隣接するアレイが中心間の距離（ｑａ）を有するように積み重ねられ、第２のウエスト寸法は、実質的に０．５・［（Ｎ−１）・ｑｓ＋ｔ］に等しい。
【００２１】
アレイは、速軸および遅軸を画定することができ、装置は、速軸の方向に沿って各アレイから個別のビームに発せられる光を平行化するために、各アレイに対応するマイクロレンズをさらに備えることができる。個別のビームは、速軸に対して実質的に平行な方向においてマイクロレンズによる平行化後には、ウエスト寸法（ｈ）を有することができ、スタックにおける隣接するビームが中心間の距離（ｑｓ）を有するように個別のビームはスタックで結合され、第２のウエスト寸法は実質的に０．５・［（Ｎ−１）・ｑｓ＋ｈ］に等しい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
特定の幾何構成を有するレーザダイオードおよびレーザダイオードから光ファイバに光を結合するための光学系の構成が、開示される。
【００２３】
この構成を用いて、レーザダイオードからの放射線出力のファイバへの結合を最適化し、光ファイバの一端に結合され、ファイバの他端へ搬送されるレーザパワーの量を増大させることができる。
【００２４】
ステップインデックス型光ファイバは、屈折率および直径が異なるコアおよびクラッディングを有し、屈折率および直径は、ファイバの端部に上首尾に結合されることができる光ビームの空間サイズおよび角度発散を決定する。以下にさらに詳細に説明するように、Ｍ個のレーザダイオードからなるＮ個のレーザダイオードアレイ（ＭおよびＮは整数）は、光ファイバの特性パラメータに基づいて、アレイからの光がファイバに最適に結合されるように配置されることができる。
【００２５】
図１に示されているように、発光デバイス（たとえば、半導体ダイオードレーザ）６は、１つ以上の発光領域１を備えることができる。発光領域１は単一チップ発光デバイスの一部であってもよく、チップが２つ以上の発光領域１を備える場合には、チップは発光アレイ（たとえば、ダイオードレーザアレイ）として周知である場合もある。電気エネルギをデバイス内の光生成層に注入するために、デバイス６上に複数の接触ストライプ１をパターン形成することによって、半導体チップに発光領域１を形成することができる。したがって、接触ストライプの下のデバイス６の複数の発光領域（「発光体」）１は、光を発し、隣接する発光体１の間の非発光領域２によって離隔される。ダイオードレーザアレイ６の異なる特性パラメータ（たとえば、アレイの充填率、発光体当たりのビーム品質および／またはアレイの熱挙動）を最適化するように、約数μｍ〜約数百μｍであってもよい発光体の幅ｗＳｔｒｉｐｅおよび隣接する発光体間の中心間の距離ｐＳｔｒｉｐｅを選択することができる。
【００２６】
各発光領域１は、出力ビームに光（たとえば、レーザ光）を発することができる。発光領域からの出力ビームは通常、半導体デバイス６から出た後で発散し、発光領域１の幅は通常、発光領域の厚さより（すなわち、図１に示されるページに対して直交する方向において）はるかに大きいため、出力ビームの発散角Θ０，ｓｌｏｗは通常、発光体１の幅に平行な方向において、厚さに対して平行な方向（すなわち、図１に示されるページに対して直交する方向）における出力ビームの発散角Θ０，ｆａｓｔより小さい。たとえば、幅が約１００μｍで厚さが約１μｍの発光体１の場合には、Θ０，ｓｌｏｗはΘ０，ｆａｓｔより約１桁小さくてもよい。小さいビーム発散（すなわち、発光体１の幅に対して平行）の方向は、発光体１の「遅軸」として周知である場合があり、大きなビーム発散（すなわち、発光体１の幅および長さに対して垂直）の方向は、発光体１の「速軸」として周知である場合がある。
【００２７】
通常、複数の発光領域１を有する発光デバイス６は、デバイスの幅全体からは光を発しない。さらに正確に言えば、アレイ６に配置された複数のレーザダイオード発光体１からの光出力は、アレイ６の遅軸に沿って「充填率」（「ＦＦＳｌｏｗ」）を有し、ＦＦＳｌｏｗはアレイ６の幅合計によって除算される光を発するレーザダイオード発光体１の部分の幅合計として定義され、１未満である。ワイドストライプ利得導波型レーザダイオード１のアレイ６の場合には、光を発するレーザダイオード１の部分はレーザダイオード１の接触ストライプの幅ｗＳｔｒｉｐｅによって近似される。接触ストライプの幅ｗＳｔｒｉｐｅを有するＭ個のワイドストライプダイオードレーザが直線アレイ６に配置され、２つの隣接するアレイ素子１の間の中心間の距離（「ｐＳｔｒｉｐｅ」）であるとき、アレイ６に関するＦＦＳｌｏｗは、
【数８】
2008501144.tif 000009
によって与えられ、Ｍは整数である。以下にさらに詳細に記載したように、複数の同一のアレイ６が垂直に積み重ねられるとき、アレイ６のスタックに関するＦＦＳｌｏｗは、スタック中の個別のアレイ６のＦＦＳｌｏｗに等しい。他のタイプの半導体レーザ（たとえば、テーパ型導波路、ヘテロ構造レーザ）の場合には、光を発するチップの横幅は接触ストライプの幅に必ずしも等しいとは限らず、チップから発せられるビームの幅はレーザの発光端面における空洞モードのウエストｗｗａｉｓｔによって定義される。そのような場合には、２＊ｗｗａｉｓｔは、ｗＳｔｒｉｐｅと置き換えられなければならず、隣接する発光ビームの中心間の間隔は、式（３）のｐＳｔｒｉｐｅと置き換えられなければならない。
【００２８】
Ｍ個の発光体１からなるアレイ６からの総放射線ビーム出力は、ビームの発散角およびビームの幅の積によって特徴付けられることができる。したがって、Ｍ個の単一発光体からなるアレイの遅軸に沿ったビームパラメータ積（「ＢＰＰＳｌｏｗ，Ａｒｒａｙ」）は、式
【数９】
2008501144.tif 000010
によって、個別の発光ストライプの幅ｗＳｔｒｉｐｅに関連付けられることができる（幅ｗＳｔｒｉｐｅは通常、単一発光体のウエスト半径ｗ０の２倍である）。
【００２９】
図２は、レーザダイオードアレイ６およびビームの遅軸において個別のレーザダイオードから発せられる出力ビームの上面図を示している。アレイ６は、非発光領域２および発光領域１を備え、光２１の出力ビームを円筒レンズ２０のアレイに発する。レンズ２０は、出力ビーム２１を平行化して、平行化レンズ２０の後に平行ビーム２２のアレイを形成する。以下にさらに詳細に説明するように、平行ビーム２２は、次に光ファイバの中に案内されることができる。通常、個別の平行ビーム２２は、個別のレーザダイオードから直接発せられるビーム２１より大きなウエスト寸法ｗｂｅａｍおよび小さな角度発散を有する。個別の平行ビーム２２のＢＰＰＳｌｏｗは元の出力ビーム２１のＢＰＰＳｌｏｗに実質的に等しいが、平行化レンズ２０後の結合ビームの充填率を増大させることによる結合出力ビーム２２のすべての結合のために、円筒形の平行化レンズ２０は結合ビームのＢＰＰを小さくすることができる。したがって、遅軸方向におけるビームパラメータ積は、平行化レンズ２０などの平行化用光学素子と結合したアレイによって発せられるビームに関して定義されることができる。２＊ｗｂｅａｍがｗＳｔｒｉｐｅと置き換えられ、遅軸における結合ビームの角度発散が式（３）および（４）で用いられる点を除き、この結合出力ビームのＢＰＰＳｌｏｗ，Ａｒｒａｙは、式（４）のように定義される。
【００３０】
図３に示されているように、複数のダイオードレーザアレイ６は、遅軸方向に直交する速軸方向に積み重ねられることができる。複数のアレイ６からの光出力のスタック７は、スタック７において互いの上に複数のアレイ６を機械的に取り付けることによるか、または異なるアレイ６の出力ビームを互いの垂直方向の上部に最適に配置することによるかのいずれかによって、達成されることができる。スタック７内部の、アレイ６のアクティブな導波路領域１２から発せられる放射線ビーム１１は、速軸方向において大きな角度発散を有する。しかし、円筒形のマイクロレンズ１３を用いて、ビーム１１を平行化することができ、マイクロレンズ１３から出射する平行ビーム１４は、マイクロレンズ１３をちょうど過ぎた位置で高さｈと、通常、約１ｍｒａｄ程度である平行化後の速軸方向における発散角Θ０，ｆａｓｔと、を有する。したがって、マイクロレンズ１３は、ダイオードレーザスタック７から発せられたビームの速軸方向に沿った充填率ＦＦＦａｓｔを増大し、同時に個別のビームの高さを増大することができる。
【００３１】
高さｈＡｒｒａｙを有するビームをそれぞれ発し、隣接して積み重ねられるアレイからのビームに対する中心間の垂直距離ｑＡｒｒａｙを有するＮ個のレーザダイオードアレイ６からなるスタック７の場合には、アレイのスタックから発せられる結合ビーム全体のＦＦＦａｓｔは、
【数１０】
2008501144.tif 000011
として定義されることができる。したがって、複数のアレイ６からなるスタック７の速軸ビームパラメータ積（「ＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋ」）は、関係
【数１１】
2008501144.tif 000012
に基づき、個別のアレイから発せられるビームの高さｈと相関される。
【００３２】
式（３）〜式（６）はまた、単一発光体アレイ（すなわちＭ＝１）および／または単一アレイスタック（すなわち、Ｎ＝１）に関しても有効である。複数の同一のアレイが互いの上に積み重ねられる場合には、ＢＰＰＳｌｏｗ，Ａｒｒａｙは変化しないため、以下のように表現することができる。
【数１２】
2008501144.tif 000013
【００３３】
図１〜図３を参照すると、速軸マイクロレンズ１３および／または遅軸平行化レンズ２０による平行化の次に、ビーム中の放射線は、１つ以上の光学素子３によって直径ｄｆのコア４およびコアの周囲のクラッディング５を有するファイバ１０に集束されることができる。
【００３４】
１つ以上の発光領域１から発せられた光は、１つ以上の光学素子３（たとえば、レンズ）によって、直径ｄｆのコア４およびクラッディング５を備えるステップインデックス型光ファイバに結像または集束され、ファイバ１０に結合されることができる。たとえば、ファイバは約１０μｍ〜約１ｍｍのコア径を有することができるがさらに大きな径も可能であり、その場合には、ファイバはロッドとして周知である可能性がある。光は、異なる屈折率ｎ１およびｎ２をそれぞれ有するコア４とクラッディング５との間の境界における内部全反射のために、ファイバ１０の内部に伝搬することができる。ファイバ内の内部全反射が生じうるファイバ１０の軸に対して光線の最大角は、ファイバの受光角Θａとして周知である場合もあり、関係
【数１３】
2008501144.tif 000014
に基づき、ファイバのコア４およびクラッディング５の屈折率に左右される。ファイバ１０の開口数ＮＡは、ファイバの受光角Θａの正弦に等しいものとして定義されることができ、すなわち、
【数１４】
2008501144.tif 000015
である。通常の光ファイバは、約０．１〜約０．５のＮＡを有する。したがって、著しいパワーの挿入損失ＢＰＰＦｉｂｅｒを生じることなくファイバが受け入れることができるレーザビームのビームパラメータ積は、これらのパラメータに関して、
ＢＰＰＦｉｂｅｒ＝０．５・ｄｆ・ｓｉｎΘａ＝０．５・ｄｆ・ＮＡ        （９）
として定義されることができる。１００μｍのコア径および０．２２のＮＡを有する通常の光ファイバ１０の場合には、式（３）からＢＰＰＦｉｂｅｒ≒１１ｍｍ＊ｍｒａｄとなる。特定のファイバは、０．２２のＮＡ、並びに３．６４ｍｍ、１ｍｍおよび５０μｍのコア径を有することができ、その結果、ＢＰＰＦｉｂｅｒ値はそれぞれ４００ｍｍ＊ｍｒａｄ、１１０ｍｍ＊ｍｒａｄおよび６ｍｍ＊ｍｒａｄとなる。
【００３５】
レーザダイオードアレイ６のスタック７は、ビームが結合されることになっている光ファイバ１０の特性に十分に整合する特性を有する出力ビームを生成するように調整されることができる。たとえば、スタック７は、スタック７からファイバ１０に結合されるパワーが最大となるような特性および／またはパワーが低損失ファイバモードでファイバ１０に結合されるような特性を有するビームを生成することができる。ファイバ１０のＢＰＰとスタック７からのビーム出力のＢＰＰの整合を用いて、そのようなスタックの最適な設計を決定することができる。
【００３６】
たとえば、図４は、光ファイバ１０のビームパラメータ積に関して、３つの異なるレーザダイオードスタック７から発せられる光のパラメータ積ｗ０θ０の重なりを表す２次元グラフを示している。ファイバの過剰充填、不足充填および最適充填に対応する３つの場合が、図４のグラフに示されている。速軸および遅軸に沿ってそのＢＰＰによって特徴付けられる異なる発光素子（たとえば、レーザダイオード、レーザダイオードのアレイまたはレーザダイオードアレイのスタック）は、グラフの異なる線によって示されているように、この図の異なる領域を占めている。四半円５０は、対称な光ファイバのコア径ｄｆの２分の１を乗じた受光角Θａを表している。単一の矩形形状のアレイからの光出力は、矩形５１によって表され、遅軸（すなわち、グラフのｘ軸）におけるアレイのＢＰＰＳｌｏｗがファイバのＢＰＰＦｉｂｅｒと一致している。
【００３７】
互いの上に複数のアレイ６からの光出力を重ねることによって、線５２、ｘ軸およびｙ軸によって画定される領域を占めることができ、線５０、ｘ軸およびｙ軸によって画定される領域とこの領域との重なりが、スタックに関して達成することができる結合効率を規定している。線５２および両軸によって包囲される領域は、ＢＰＰＳｌｏｗ，Ａｒｒａｙ＝ＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋ＝ＢＰＰＦｉｂｅｒにおける場合を示しており、ファイバを過剰充填する場合として周知である可能性がある。スタック７からの光出力のＢＰＰは、ＢＰＰＳｌｏｗ，Ａｒｒａｙ＝ＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋ＝ＢＰＰＦｉｂｅｒを確保するようにレーザダイオードアレイスタック７の値Ｍ＊ｗＳｔｒｉｐｅ／ＦＦＳｌｏｗおよびＮ＊ｈａｒｒａｙ／ＦＦＦａｓｔを選択することによって、この条件を満たすことができる。ファイバの過剰充填の場合は、線５０内部のＢＰＰを有するスタック７から発せられた光の部分が挿入損失のない状態でファイバ１０の一端に結合され、ファイバ１０の他端へと結合されるほか、線５０と線５２との間にある出力ビームの部分はファイバの一端から他端に結合されないことを保証する。しかし、ＢＰＰＳｌｏｗ，Ａｒｒａｙ＝ＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋ＝ＢＰＰＦｉｂｅｒを有するファイバに送り出されるビームに関するさまざまな用途では、光がファイバ中で曲げおよび欠陥に遭遇し、レーザパワーがファイバの端部間で失われる場合には、ファイバの軸に沿って伝搬するときに、光はファイバから逃げる可能性がある。さらに、ファイバの出力端部に結合される光学系（たとえば、レーザ切削に用いられる系）は、端部から端部にファイバにおいて搬送されることができる最小ビーム品質（すなわち、ＢＰＰＦｉｂｅｒ）より高いビーム品質（すなわちより低いＢＰＰ）を要求する可能性がある。したがって、ファイバが屈曲されるか、応力を受けるかまたは他の欠陥を有する場合に安全域を確保するために、ＢＰＰＳｌｏｗ，ＡｒｒａｙおよびＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋは、互いに実質的に等しいが、ＢＰＰＦｉｂｅｒ未満であるように選択されることができる。たとえば、スタック７から０．２２の開口数および１００μｍのコア径を有するファイバの中に光を結合する場合には、ファイバの中に送り出されるビームの速軸および遅軸におけるＢＰＰをファイバのＢＰＰの約２分の１（すなわち、ＢＰＰＬａｕｎｃｈ＝０．５＊１００μｍ＊０．１＝５ｍｍ＊ｍｒａｄ）であるように選択することができる。
【００３８】
線５４および両軸によって画定される領域は、
【数１５】
2008501144.tif 000016
であり、ファイバが不足充填である場合として周知である可能性がある場合を示している。スタック７からの光出力のＢＰＰは、
【数１６】
2008501144.tif 000017
を確保するように、レーザダイオードアレイスタック７の値Ｍ＊ｗＳｔｒｉｐｅ／ＦＦＳｌｏｗおよびＮ＊ｈａｒｒａｙ／ＦＦＦａｓｔを選択することによって、この条件を満たすことができる。ファイバの不足充填の場合は、ファイバに結合されるときに、パワーが失われないことを保証する。しかし、線５４によって画定される正方形の隅付近でＢＰＰを有し、線５０に近い光は、ファイバを出射するビームの最大のＢＰＰがファイバに送り出されるビームのＢＰＰＳｌｏｗ，ＡｒｒａｙおよびＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋより大きいように、ファイバを通って伝搬するときに、コア／クラッディングの境界から散乱される。また、安全域を確保するために、ＢＰＰＳｌｏｗ，ＡｒｒａｙおよびＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋは、互いに実質的に等しいが、
【数１７】
2008501144.tif 000018
未満であるように選択され、ファイバが屈曲されるか、応力を受けるか、他の欠陥を有するか、用途がさらに高いビーム品質を要求する場合に安全域を確保することができる。
【００３９】
ファイバの受光角を乗じた光ファイバのコアの半径を有するレーザダイオードスタック７から発せられた光の総ビームパラメータ積の間の最適な重なりは、異なるＢＰＰＳｌｏｗを有するアレイを積み重ねることによって達成されることができ、その結果、スタックから発せられた光の総ＢＰＰが光ファイバのＢＰＰＦｉｂｅｒを表す四半円と略同一に重なる。速軸におけるＢＰＰＦａｓｔを有し、遅軸におけるＢＰＰＳｌｏｗを変化させる光出力を示すレーザダイオードアレイスタック７は、トレース５３で図示されているように、光ファイバのＢＰＰＦｉｂｅｒと高い重なりを生じ、したがって、ファイバの高い結合効率および最大パワーを生じる。たとえば、Ｎ個のアレイ６からなるスタック７の場合には、ＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋは、ＢＰＰＦｉｂｅｒおよびＢＰＰＳｌｏｗ，Ａｒｒａｙに等しいように選択されることができる。スタック７の個別のアレイ６は、式
【数１８】
2008501144.tif 000019
に基づき、Ｎ個のアレイに関して近似的に変化するように選択されることができる。
式中、ｉ＝１−Ｎであり、ｉ＝１はスタックの一番下のアレイであり、ｉ＝Ｎはスタックの一番上のアレイであり、「最適なファイバ充填」と呼び、速軸における単一アレイの所与のＢＰＰに関してファイバによって伝送されるビームの最大パワー効率およびビーム品質を確保する。また、安全係数を確保するために、速軸方向および遅軸方向におけるビームのＢＰＰは、たとえば、１未満の一定の係数ｃだけ上記の式によって与えられるものより小さくてもよい。
【００４０】
さらに、速軸および／または遅軸における充填率は、速軸平行化レンズおよび／または遅軸平行化レンズを用いることによって、または遅軸および速軸におけるＢＰＰの上記の条件を保持すると同時に、異なる出力ビームを最適に積み重ねることによって、最適化されることができる。これは、ビームの最大パワーが所与のビーム品質のファイバによって伝送されることを保証する。
【００４１】
光学系は、遅軸用および速軸用の個別のビーム整形光学素子を備えることができ、これにより、ＢＰＰは上述の要件を満たすほか、ファイバおよび遠視野角度における個別のビームサイズはファイバの開口数ＮＡおよびファイバコア径と整合することも保証する。この時点まで、光源の全体的なＢＰＰは、光源の特性パラメータとして考えられていた。しかし、ビームパラメータ積は、ビームの幅または実空間および角度空間におけるビームの結合の積であり、遅軸および速軸に沿ったビームの形状および発散は異なっていてもよい。通常、多モードレーザダイオードから発せられる光に関する遅軸方向における強度分布は、実空間および角度空間において、強度分布の中央部分で比較的一定であり、分布の縁で著しく低下する（すなわち、分布は、シルクハット形状を有する）。速軸方向において、強度分布は、実空間および角度空間において比較的ガウス形に近い。一般に、レーザダイオードから光ファイバに発せられる実ビームの伝達効率は、光源（たとえば、レーザダイオード、アレイまたはスタック）からの光の空間強度分布と実空間におけるファイバコアの断面（たとえば、コア径ｄｆによって定義される）との重なりと、光源から発せられた光の角度分布とファイバの受光角（たとえば、ファイバのＮＡ）との重なりの積によって特徴付けられ得る。
【００４２】
たとえば、ファイバから出射するビームに関して１００μｍのコア径を有し、０．１の開口数を必要とする光ファイバを用いる用途において、ファイバに送り出されることになっているビームのＢＰＰは、約５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満でなければならない。これは、１００μｍのストライプ幅および６°の遅軸発散角を有する単一発光体のＢＰＰＳｌｏｗに略等しい。単一発光体が速軸において０．３６ｍｍ＊ｍｒａｄのＢＰＰＦａｓｔを有すると仮定すると、ＢＰＰＦａｓｔ，Ｓｔａｃｋ≒ＢＰＰＳｌｏｗ，Ｓｔａｃｋ≒ＢＰＰＦｉｂｅｒであるように、１４個の発光体からなるスタックは、互いの上に積み重ねることができる。ＴＥＭ００モードにおいて９４０ｎｍで動作する通常の半導体ダイオードレーザが０．３ｍｍ＊ｍｒａｄのＢＰＰＦａｓｔを有するため、０．３６ｍｍ＊ｍｒａｄのＢＰＰを選択することができ、これにより、このように１４個の積み重ねられたダイオードレーザからのビームは、必要なＢＰＰＦａｓｔに比べて２０％の安全域を有するＢＰＰＦａｓｔを有することを保証する。
【００４３】
光を１００μｍのコア径を有し、０．１のＮＡを必要とするファイバに結合するための１４個のレーザダイオード３２からなる構成が、図５ａ、図５ｂおよび図５ｃに示されている。明確にするため、１４個の発光体を含むスタックの対称な構成のうち、上の７個の発光体のみが示されている。発光体３２はステップ形状のホルダ５８に配置され、円筒レンズ３３が遅軸に沿ってビームを平行化し、球面レンズ３４を備える光学系が速軸および遅軸に沿ってビームをファイバの入射平面３５に集束する。レーザダイオード３２およびステップミラー６６の位置決めにより、偏向後、すべてのレーザビームに関して同一の光路長を確保する。
【００４４】
図６ａは、図５に示されるレンズ群３４の後側焦点面である平面３６における空間強度分布を示している。１４個のレーザダイオード発光体の発光は、（ｗ０）ｙ方向において互いの上部に積み重ねられ、略１００％の充填率を達成する。（ｗ０）ｙ軸におけるこのスタック全体の高さは、（ｗ０）ｘ軸における各個別の発光体の幅に略等しい。
【００４５】
図６ｂは、レンズ群３４の焦点面である平面３６における同一のビームの角度分布を示している。（Θ０）ｙ軸に沿って分布はガウス形であり、（Θ０）ｘ軸に沿って分布はシルクハット形状である。（Θ０）ｘ軸および（Θ０）ｙ軸における最大発散角は、略等しい。
【００４６】
図７ａおよび図７ｂは、ファイバの過剰充填として周知である場合を示している。図７ａは、図５に示されているように、入射平面３５における空間強度分布２９および（ｗ０）ｘ＊（ｗ０）ｙ空間におけるファイバ直径２８を示している。個別の発光体の放射線は、ファイバの入射平面３５に集束されることができ、したがって、平面３５で重ね合わせて、速軸（ｗ０）ｙにおける単一のガウス分布を形成することができる。ビームが平面３５を越えてさらに伝搬した後、異なる発光体の放射線は再び分離する。
【００４７】
図７ｂは、複数の発光体６からなるスタック７から出力される光のファイバの入射平面３５における角度強度分布３１を示している。発光体をファイバに集束する特定の選択のために、角度空間において、異なる発光体の光出力は分離する。ファイバの選択された受光角（すなわち、ＮＡ＝０．１に対応）は（Θ０）ｘ（Θ０）ｙ平面における円３０を形成し、受光角３０の外側にある強度は、ファイバの選択された開口数の中にはない。０．１を超える開口数（たとえば、ＮＡ＝０．２２）を有するファイバは円３０の外側に光を案内することができるが、この光はファイバの下流の光学系において用いることが許容できない角度発散を有する可能性がある。たとえば、ファイバが光を材料処理系に伝搬する場合には、系の光学素子はそのような大きな発散角を有する放射線を許容しない可能性がある。したがって、円３０の外側の強度の部分は、下流の用途では失われたものとして考えなければならない。
【００４８】
光をファイバに集束する特定の選択は、ファイバ直径２８の外側にある強度（図７ａ）が、幾何的に円２８によって画定される領域の２２％を占めるという事実に基づいているが、この強度はビームのガウス強度分布の末尾に生じるため、この強度は総ビーム強度のごく小さな部分になり、犠牲にすることができる。
【００４９】
図８ａおよび図８ｂは、ファイバの不足充填と呼ばれる場合を示している。
【００５０】
図８ａは、図５に示されているように、ファイバの入射平面３５における空間強度分布２９および（ｗ０）ｘ＊（ｗ０）ｙ空間におけるファイバ直径２８を示している。個別の発光体の放射線は、ファイバに集束されることができ、したがって、平面３５で重ね合わせて、速軸（ｗ０）ｙにおける単一のガウス分布を形成することができる。ビームが平面３５を越えてさらに伝搬した後、異なる発光体の放射線は再び分離する。この挙動はまた、図８ｂにも反映される。
【００５１】
図８ｂは、ファイバの入射平面３５における角度強度分布３１を示している。角度空間において、発光体をファイバに集束するという特定の選択のために、発光体は分離する。この場合には、ファイバに関してより大きな受光角（すなわち、ＮＡ＝０．１４）が選択され、今度は（Θ０）ｘ（Θ０）ｙにおけるより大きな円３０を形成する。この開口数は、ファイバの開口数より依然として小さい（ＮＡ＝０．２２）ことに留意しなければならない。しかし、すべての次の光学素子（すなわち材料処理のために用いられる）がＮＡ＝０．１４に等しい角度まで放射線を受光することを保証しなければならない。ＮＡ＝０．１が材料処理に関する業界標準であるため、現在導入されている用途では、これは当てはまらない。
【００５２】
図９ａ、図９ｂおよび図９ｃは、ファイバの最適充填の場合を示している。この場合には（図９ａ）には、表１において表にされた異なる幅を有する単一発光体６５が、サブマウント６３に配置され、ステップミラー６６のステップによって偏向される前に、速軸平行化６４および遅軸平行化６２を用いて平行化される。また、レーザダイオード６５およびステップミラー６６の位置決めにより、偏向後、すべてのレーザビームに関して同一の光路長を確保する。明確にするため、１４個の発光体を含むスタックの対称な構成のうち、上の７個の発光体のみが示されている。表１は、発光体の異なる個別の選択された幅（ｗＳｔｒｉｐｅ）のために、単一発光体の発散角が一定のままであるときに、個別の発光体に関してビームパラメータ積が変化することを示している。あるいは、異なる発光体のＢＰＰにおける変化を実現するために、個別の発光体の発散角が変化してもよく、そのような系は遅軸平行化レンズ６２を必要としない。
【００５３】
【表１】
2008501144.tif 000020
【００５４】
図９ｂは、図５に示されているように、ファイバの入射平面３５における空間強度分布２９および（ｗ０）ｘ＊（ｗ０）ｙ空間におけるファイバ直径２８を示している。個別の発光体の放射線は、ファイバに集束されることができ、したがって、平面３５で重ね合わせて、速軸（ｗ０）ｙにおける単一のガウス分布を形成することができる。ビームが平面３５を越えてさらに伝搬した後、異なる発光体の放射線は再び分離する。図９ｃは、ファイバの入射平面３５における角度強度分布３１を示している。角度空間において、発光体をファイバに集束するという特定の選択のために、発光体は分離する。この場合には、個別の発光体のＢＰＰが変化するため、全体の強度は、選択されたファイバ受光角（この場合には、ＮＡ＝０．１）の中に含まれており、（Θ０）ｘ（Θ０）ｙ空間におけるより円を形成する。このような態様で、すべての発光体３２（図５）の全パワーは所与の開口数の中に含まれ、すなわち、材料処理のために、すべての次の光学素子によって供給されることができる。そのような系は、ファイバコア径およびファイバ受光角の所与の選択に関して（この場合には、ＮＡ＝０．１に対応）最大効率および輝度を示すという点で最適である。
【００５５】
ファイバへの入射において上述した空間および角度の光強度分布を達成するために、互いの上に機械的に積み重ねられた複数のレーザダイオードアレイから光を生成することは必要ではない。そのような分布はまた、図１０ａに示されているように、互いに接触しない複数のアレイ２３からの光出力を結合することによって達成されることもできる。垂直軸において異なる高さで異なるアレイ２３を互いの後に位置決めすることができる。結合ビームの高い充填率を確保するために、隣接するアレイ２３間の高さの差は、個別のアレイによって発せられる平行ビーム２８の高さに等しいか、または近くてもよい。個別のアレイの発光領域２４から出射する光は、レンズ２５を用いて速軸において平行化される。レンズ２５の上縁が平行ビーム２８の上に延在せず、別のアレイから発せられたビームと干渉しないように、レンズ２５を整形することができ、平行ビームの高さの２分の１がレーザダイオードアレイとの機械的接点または電気的接点２６より大きいようにレンズ２５の焦点距離を選択することができ、その結果、すべてのアレイ２３から発せられた光のために、結合ビームの高い充填率を確保する。アレイ２３から（たとえば、光が結合されるファイバの）基準面２７までの光路長がアレイ２３ごとに異なるため、遅軸平行化素子２６を用いて、結合ビームのＢＰＰＳｌｏｗにおけるこの差の影響を効果的に低減することができる。そのような構造の利点は、アレイ２３から発せられたビームが光ファイバに達するように再指向する必要がないことである。
【００５６】
図１０ｂおよび図１０ｃは、米国特許第６，１２４，９７３号明細書（当該特許は、参照によって本願明細書に援用されるものとする）に記載されているように、複数のアレイ５５の光出力５９を積み重ねるために用いることができる光学系を示している。異なるアレイ５５は、すべてのアレイ５５からの出力５９のために、結合ビームの高い充填率を達成するのにステップの相対的な高さを適合することができるステップ形状のホルダ５８に位置決めされるサブマウント５６に実装される。異なるアレイ５５からのビーム５９は、速軸平行化レンズ５７によって平行化され、個別のアレイ５５からのビームを反射するためのステップ構造６０を有することもできる光学素子の表面によって再指向（たとえば、反射）される。その結果、個別のアレイ５５から発せられたビーム５９はパターンに結合され、異なるアレイ５５による光のストライプがストライプの長さに直交する垂直方向に配置されるようにする。個別のアレイ５５からのビーム５９の結合光の出力パターン６１が、図１０ｄに示される。
【００５７】
機械的な素子の数を減少させるために、アレイ６からなるスタック７における一定の素子を、実装モジュールにおいて共にグループ化することができる。これについては、本願と共に同時に出願され、「ダイオードレーザアレイマウント（ＤＩＯＤＥ  ＬＡＳＥＲ  ＡＲＲＡＹ  ＭＯＵＮＴ）」という名称の同時係属中の米国特許出願明細書に記載され、示されている。
【００５８】
図１１に示されているように、複数の狭帯域幅反射体７３および７４を用いて、異なる波長λ１、λ２およびλ３を有する複数のレーザビーム６８ａ、６８ｂおよび６８ｃを単一の空間的に重なるビーム６８に結合することができる。波長λ２を有するビーム６８ｂを反射するが、波長λ１を有するビーム６８ａに対して光透過性であるように、狭帯域幅反射体７３の反射率スペクトルを選択することができる。同様に、狭帯域幅反射体７４の反射率スペクトルは、波長λ３を有するビーム６８ｃを反射するが、それぞれ波長λ１およびλ２を有するビーム６８ａおよび６８ｂに対して光透過性であるように選択される。反射体７３および７４の反射率スペクトルは比較的狭いため、個別のビーム６８ａ、６８ｂおよび６８ｃは、結合される出力ビーム６８のパワーまたはビーム品質を犠牲にすることなく、空間において結合されることができる。
【００５９】
図１２は、２つのビームの偏向平面が直交している２つのビーム８３ａおよび８３ｂの偏向結合の例を示している。光学素子８４は、ビーム８３ｂを透過し、ビーム８３ａを反射する。この素子は、誘電コーティングまたは複屈折性結晶を備えたガラス板であってもよい。
【００６０】
特定の実施形態に関する他の詳細は、２００４年６月１日に出願された係属中の米国仮特許出願第６０／５７５，３９０号明細書または本願と共に同時に出願され、「ダイオードレーザアレイマウント（ＤＩＯＤＥ  ＬＡＳＥＲ  ＡＲＲＡＹ  ＭＯＵＮＴ）」という名称の同時係属中の米国特許出願明細書に見られる。これらの上記の出願のいずれの内容も、本願明細書に参照によって援用されるものとする。
【００６１】
本発明のさまざまな実施形態について記載してきた、しかし、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、種々の変更を行うことができることは理解されよう。したがって、他の実施形態が冒頭の特許請求の範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】レーザダイオードアレイ、光ファイバおよびアレイからファイバに光を結合するためのレンズの概略上面図である。
【図２】４つの単一発光体および付属する遅軸平行化アレイの上面図である。
【図３】アレイの出力端面にマイクロレンズを有するダイオードレーザアレイのスタックの概略側面図である。
【図４】光ファイバの断面の４分の１に関する異なるレーザダイオードスタックからのレーザビーム出力のビームパラメータ積を重ねたグラフである。
【図５ａ】レーザダイオードアレイスタックから光ファイバに光を結合するための系の概略側面図である。
【図５ｂ】レーザダイオードアレイスタックから光ファイバに光を結合するための系の概略上面図である。
【図５ｃ】レーザダイオードアレイスタックから光ファイバに光を結合するための系の概略斜視図である。
【図６ａ】光学系の焦点面におけるダイオードレーザアレイスタックから発せられた光の空間強度分布のプロットである。
【図６ｂ】光学系の焦点面におけるダイオードレーザアレイスタックから発せられた光の角度強度分布のプロットである。
【図７ａ】ファイバの入射瞳におけるダイオードレーザアレイスタックから発せられた光の空間強度分布のプロットである。
【図７ｂ】ファイバの入射瞳におけるダイオードレーザアレイスタックから発せられた光の角度強度分布のプロットである。
【図８ａ】ファイバの入射瞳におけるダイオードレーザアレイスタックから発せられた光の空間強度分布のプロットである。
【図８ｂ】ファイバの入射瞳におけるダイオードレーザアレイスタックから発せられた光の角度強度分布のプロットである。
【図９ａ】１４素子のレーザダイオードアレイスタックのうちの７個の素子の概略図である。
【図９ｂ】ファイバの入射瞳におけるダイオードレーザアレイスタックから発せられた光の空間強度分布のプロットである。
【図９ｃ】ファイバの入射瞳におけるダイオードレーザアレイスタックから発せられた光の角度強度分布のプロットである。
【図１０ａ】ダイオードレーザアレイスタックの概略側面図である。
【図１０ｂ】ダイオードレーザアレイのスタックの構造の概略上面図である。
【図１０ｃ】ダイオードレーザアレイのスタックの構造の概略側面図である。
【図１０ｄ】図１０ａ、図１０ｂおよび図１０ｃのダイオードレーザアレイスタックからの光出力のグラフである。
【図１１】波長多重化方式の概略図である。
【図１２】偏光多重化方式の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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