(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザデバイスであって、
少なくとも２個のポンプレーザを含み、
前記少なくとも２個のポンプレーザのうち第１のポンプレーザは、前記少なくとも２個のポンプレーザのうち第２のポンプレーザとは独立して、ポンプビームを発するように適合されており、
前記レーザデバイスは、さらに、ゲインエレメントを含み、
前記レーザデバイスは、光学エレメントを含み、
前記光学エレメントは、ポンプミラーと、拡張キャビティミラーと、を含み、
前記拡張キャビティミラーは、前記ゲインエレメントを用いて拡張キャビティレーザを生成するように構成されており、
前記拡張キャビティミラーは、サブミラーを含んでおり、
それぞれのサブミラーは、一つのポンプスポットに対応しており、
それぞれのサブミラーは、それぞれの前記ポンプスポットに対して共振ビームをフォーカスするように適合されており、
前記ポンプミラーは、前記第１のポンプレーザの前記ポンプビームを前記ゲインエレメント上の第１のポンプスポットに対してリダイレクトし、かつ、前記第２のポンプレーザの前記ポンプビームを前記ゲインエレメント上の第２のポンプスポットに対してリダイレクトするように構成されており、
前記第２のポンプスポットは、前記ゲインエレメント上に前記第１のポンプスポットとは異なる領域を含んでおり、
前記ゲインエレメントは、前記ゲインエレメントの中心を通り延びている第１の光学軸を有し、かつ、前記ポンプレーザは、前記ゲインエレメントと共通のヒートシンク上の前記第１の光学軸のまわりに対称的に配置されており、
前記光学エレメントは、前記拡張キャビティミラーの中心に対して延びている第２の光学軸を含む、
レーザデバイス。
【請求項２】
前記第１のポンプスポットと前記第２のポンプスポットは、前記ゲインエレメント上の異なる領域を含み、
前記レーザデバイスは、少なくとも２つのレーザビームを発するように適合されており、
レーザビームは、オーバーラップしない、
請求項１に記載のレーザデバイス。
【請求項３】
前記第１のポンプスポットは、前記第２のポンプスポットとオーバーラップする、
請求項１に記載のレーザデバイス。
【請求項４】
前記ポンプレーザは、グループ化され、
前記グループ化されたポンプレーザは、ポンプビームを同時に発するように適合されている、
請求項１に記載のレーザデバイス。
【請求項５】
前記ゲインエレメントは、前記ポンプスポットが熱レンズに対応するように配置されており、
前記共振ビームが、前記拡張キャビティミラーに対してフォーカスされる、
請求項１に記載のレーザデバイス。
【請求項６】
前記光学エレメントは、
前記ゲインエレメントに面している側の前記光学エレメント上に集束レンズのアレイ、および、
前記ゲインエレメントから離れた側の前記光学エレメント上に平坦な拡張キャビティミラー、を含む、
請求項５に記載のレーザデバイス。
【請求項７】
前記ポンプミラーは、ポンプスポットを提供するように適合されているサブポンプミラーを含み、
ポンプスポットは、オーバーラップしない、
請求項２に記載のレーザデバイス。
【請求項８】
前記レーザデバイスは、
前記ポンプレーザと前記ポンプミラーとの間に配置されているビームマニピュレータ、を含み、
前記ビームマニピュレータは、ポンプスポットを提供するように適合されており、
ポンプスポットは、オーバーラップしない、
請求項２に記載のレーザデバイス。
【請求項９】
前記光学エレメントは、さらに、ビームダイバータを含み、
前記ビームダイバータと前記拡張キャビティミラーは、レーザビームを広げるように適合されている、
請求項１に記載のレーザデバイス。
【請求項１０】
前記ビームダイバータは、第１の焦点を伴うレンズであり、
前記拡張キャビティミラーは、第２の焦点を伴う反射表面を含み、
前記拡張キャビティミラーは、前記第１の焦点が前記第２の焦点と一致するように配置されている、
請求項９に記載のレーザデバイス。
【請求項１１】
前記ビームダイバータは、第１の焦点を伴うレンズであり、
前記拡張キャビティミラーは、円弧部分を有している反射表面を含み、
前記拡張キャビティミラーは、前記円弧部分の中心点が前記第１の焦点と一致するように配置されている、
請求項９に記載のレーザデバイス。
【請求項１２】
レーザビームが、前記拡張キャビティミラーを通じて発せられる、
請求項１に記載のレーザデバイス。
【請求項１３】
請求項１に記載のレーザデバイスを含む、
レーザシステム。
【請求項１４】
前記第１のポンプレーザまたは前記第２のポンプレーザ、もしくは、両方のポンプレーザは、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である、
請求項１に記載のレーザデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡張キャビティレーザ（ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｃａｖｉｔｙ  ｌａｓｅｒ）に関する。拡張キャビティレーザは、好ましくは、光ポンプ垂直外部共振器型面発光レーザ（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｐｕｍｐｅｄ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｅｘｔｅｒｎａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒ）デバイスであり、少なくとも一つの垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）と数個のポンプレーザを含んでいる。ポンプレーザは、ミラーエレメントにおけるポンピング光（ｐｕｍｐ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）によってＶＥＣＳＥＬの活性領域を光学的にポンプするように構成されている。
【背景技術】
【０００２】
光ポンプＶＥＣＳＥＬまたは半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）は、高輝度、狭帯域、および短レーザパルスを伴う中位のレーザ出力光のためのコンパクトで低コストなソリューションを提供する。標準ディスクレーザは、レーザ共振器（ｌａｓｅｒ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の光モードに関して、ポンプレーザとポンプレーザ光学部品との正確なアライメント（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を必要とする。さらに、コンピュータ・トゥー・プレート（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｔｏ−ｐｌａｔｅ）印刷または選択的レーザ溶解のような、そうした光ポンプＶＥＣＳＥＬまたはＳＤＬのアプリケーションは、発せられたレーザビームを用いてプロセスされ得る許容可能なワークスペースができるように、たいてい実質的な労力を要するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、従って、そうしたレーザデバイスを含む、改善されたレーザデバイスおよび改善されたレーザシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の態様に従って、レーザデバイスが提供される。レーザデバイスは、少なくとも２個のポンプレーザを含む。ポンプレーザは、望ましくは、端面発光レーザダイオードまたは垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ダイオードのようなレーザダイオードである。少なくとも２個のポンプレーザのうち第１のポンプレーザは、少なくとも２個のポンプレーザのうち第２のポンプレーザとは独立して、ポンプビームを発するように適合されている。ポンプレーザのうち少なくとも２個は、お互いに独立してスイッチオン及びオフされ得る。さらに、ポンプビームのパワーは、独立してコントロールされてよい。例えば、第１のポンプレーザは最大パワーのポンプビームを発するが、第２のポンプレーザは、第２のポンプレーザによって発することができる最大パワーの５０％の独立したポンプビームを発する、ようにである。レーザデバイスは、さらに、ゲインエレメント、ポンプミラー、および拡張キャビティミラーを含む。ゲインエレメントを用いて一緒に拡張キャビティレーザを生成するためである。ポンプミラーは、第１のポンプレーザのポンプビームをゲインエレメント上の第１のポンプスポットに対してリダイレクトし、かつ、第２のポンプレーザのポンプビームをゲインエレメント上の第２のポンプスポットに対してリダイレクトするように構成されている。第２のポンプスポットは、ゲインエレメント上に第１のポンプスポットとは異なる領域を少なくとも部分的に含んでいる。レーザデバイスは、望ましくは、少なくとも２つの独立したレーザビームを発するように適合されている。ポンプミラーの反射性は、望ましくは、できる限り高いものである（例えば、＞９９．９％）。損失を最小化し、かつ、ポンプビームによるポンプミラーの不必要な加熱を避けるためである。拡張キャビティミラーの反射性は、ゲインエレメントと組み合わせてレージング（ｌａｓｉｎｇ）ができるように適合されている。反射性は、さらに、レーザデバイスが発するレーザビームが、拡張キャビティミラーを通じて発せられるか否かに依存している。拡張キャビティミラーの反射性は、レーザビームが拡張キャビティミラーを通じて発せられる場合、レーザ発光ができるように、望ましくは、９０％と９９．５％との間の範囲である。反射性は、また、例えば、インナーキャビティと呼ばれる、半導体レーザにおける活性レイヤの周りのミラーレイヤの反射性に依存して、９０％より低くてもよい。レーザビームが拡張キャビティミラーを通じて発せられない場合に、反射性は、望ましくは、９９．９％より高いものである。第１および第２のポンプレーザのポンプビームは、ポンプミラーによってリダイレクトされる。ポンプスポットが、オーバーラップしないように、もしくは、ポンプスポットが他のポンプスポットと同一のものにならないようにである。後者は、例えば、２個のポンプスポットの場合において、
−ポンプスポットはオーバーラップしないが、１個のポンプレーザによってだけポンプされる領域を両方のポンプスポットが含んでいること、または、
−第１のポンプスポットは第２のポンプスポットに含まれるが、第１のポンプレーザによってはポンプされない領域を第２のポンプスポットが含んでいること、
を意味している。
【０００５】
この動作原理は、３個、４個、５個、または多数の独立したポンプビームに対して一般化され得る。ポンプスポットは、この観点において、ゲインエレメントの活性レイヤに係る定められたボリュームが、対応するポンプレーザによって発せられたそれぞれのポンプビームによって光ポンプされること、を意味している。
【０００６】
第１および第２のポンプスポットは、望ましくは、ゲインエレメント上の異なる領域を含む。レーザデバイスが、少なくとも２つのレーザビームを発するように適合されるようにである。レーザビームは、オーバーラップしない。レーザデバイスによって発せられた２個、３個、４個、または、それ以上の独立したレーザビームが、レーザデバイスの作業空間（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｓｐａｃｅ）を拡張するために使用され得る。従来のレーザモジュールは、たいてい、レーザモジュールの拡張の際に、ずっと大きな作業空間をアドレス（ａｄｄｒｅｓｓ）する必要がある。従って、作業空間をアドレスするために、レーザモジュールが移動されることを要するか、または、レーザビームを意図された作業空間に対してリダイレクトするために、スキャナシステムが提供されることを要するか、いずれかである。レーザモジュールを移動すること又はスキャナシステムを提供することは、システム全体のサイズを増加させる。個別に操作され得る独立したレーザビームを提供することは、従って、レーザデバイスを移動するための機械的システムに関する要求、または、スキャナシステムに関する要求を低減し、もしくは、そうしたシステムまたはスキャナを全く回避することさえなし得る。さらに、レーザデバイスによって発せられる独立したレーザビーム間のピッチは、１ｍｍより小さくてよく、または、ゲインエレメントのサイズに応じて１００μｍよりさらに小さくてよい。従って、高解像度を伴いレーザデバイスによって個々にアドレスできる平行なレーザビームを提供することが可能であり得る。機械的サポートシステムまたはスキャナに関する要求を低減し得るものである。個別にアドレス可能であるが、発散しているレーザビームの場合に、機械的サポートシステムまたはスキャナなしに、作業空間おいて、広い領域を照らすことが可能であり得る。
【０００７】
代替的なアプローチにおいて、第１のポンプスポットは、第２のポンプスポットとオーバーラップする。レーザデバイスによって発せられた２個、３個、４個、または、それ以上の独立したレーザビームが、レーザデバイスによって発せられるレーザビームの形状及び/又はビームプロフィールを適合するために使用され得る。数個のポンプスポットのラインは、レーザビームが直線（ｌｉｎｅ）を照らすようにオーバーラップしてよい。代替的に、第１の丸いポンプスポットは、第２の丸いポンプスポットの一部であってよい。レーザビームのビームプロフィールが、例えば、ガウシアン（Ｇａｕｓｓｉａｎ）からトップハット（ｔｏｐ−ｈａｔ）へ影響され得るようにである。もしくは、その逆も同様である。オーバーラップしているポンプスポットを用いた、後続の又は代替的なポンプビームの活性化の場合に、エネルギは、レーザ照射によって、高解像度でデポジット（ｄｅｐｏｓｉｔ）され得る。それぞれのレーザビームの絶対的なレーザパワーは、それぞれのポンプビームのパワーを用いて適合され得るし、加えて、それぞれのポンプビームのパルス持続時間（ｄｕｒａｔｉｏｎ）が、オーバーラップしている照射領域を提供するために使用され得る。領域および時間ごとのエネルギデポジション（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が正確なやり方で調整され得るようにである。後者は、コンピュータ・トゥー・プレート印刷および３次元プリンティング（例えば、迅速なプロトタイプ作成）のような印刷アプリケーションに対して有利であり得る。
【０００８】
ポンプレーザの一部は一緒にグループ化されてよい。グループ化されたポンプレーザが同時にポンプビームを発するようにである。ポンプビームを同時に発するように、２個、３個、または、それ以上のポンプレーザが結合されてよい。ポンプスポットはオーバーラップしてよい。この場合に、例えば、オーバーラップしているポンプスポットのリングが、チューブ（ｔｕｂｅ）のようなレーザビームを発するために使用され得る。ポンプビームのグループ化は、また、一つのポンプレーザが提供できるパワーの２倍、３倍、または、例えば、４倍のパワーを提供することによって、ポンピングパワーを増加するために使用されてもよい。同じ動作原理が、オーバーラップしていないポンプスポットの場合に、使用されてよい。ポンプレーザおよびポンプミラーは、例えば、市松模様（ｃｈｅｃｋｅｒｂｏａｒｄ  ｐａｔｔｅｒｎ）が提供されるように配置されてよい。そこでは、「白い」ポンプスポットが一緒にグループ化され、かつ、「黒い」ポンプスポットが一緒にグループ化される。「白い」ポンプスポットと「黒い」ポンプスポットは、この場合には、小さなピッチを伴い、同時に発せられるレーザビームの２つの独立したサブパターンを提供するために使用され得る。例えば、印刷アプリケーションにおいて提供される、領域毎のエネルギは、従って、容易な方法で適応することができる。
【０００９】
ポンプミラーと拡張キャビティミラーは、一つの第１の光学エレメントの一部である。ポンプミラーと拡張キャビティミラーは、両方がお互いに関して自動的に調整されるように、機械的に結合されている。ポンプレーザとゲインエレメントは、ゲインエレメントと共通のヒートシンク上で、ゲインエレメントの中心を通って延びている第１の光学軸の周りに対称に配置されている。第１の光学エレメントは、拡張キャビティミラーの中心に対して延びている第２の光学軸を含んでいる。第１の光学軸と第２の光学軸との間の小さな傾斜角は、問題を生じないものであり得る。傾斜角は、拡張キャビティミラーとポンプピラーに対して同一だからである。さらに、拡張キャビティミラーとポンプミラーとの間に横方向のシフトは存在しない。両方とも、一つの第１の光学エレメントの一部だからである。
【００１０】
拡張キャビティミラーは、サブミラーを含んでいる。ここで、それぞれのサブミラーは、一つのポンプスポットに対応している。それぞれのサブミラーが、共振ビームをそれぞれのポンプスポットに対してフォーカスするよう適合されるようにである。サブミラーは、放物面であってよく、または、半球の一部であってもよい。カーブしたサブミラーが、この場合には、ゲインエレメント上でそれぞれのポンプスポットに対して共振ビームをフォーカスするために使用されてよい。ポンプスポット間で小さなピッチを伴う、独立した、そして、望ましくは、平行なレーザビームを提供するためである。
【００１１】
拡張キャビティミラーは、代替的なアプローチにおいて、平坦であってよい。ゲインエレメントは、この場合に、ポンプスポットが熱レンズに対応するような方法で配置されている。共振ビームが、平坦な拡張キャビティミラーに対してフォーカスされるようにである。熱レンズは、共振ビームをフォーカスするように、カーブしたサビミラーの代わりに使用され得る。ポンプスポット間で小さなピッチを伴う、独立した、そして、望ましくは、平行なレーザビームを提供するためである。
【００１２】
第１の光学エレメントは、ゲインエレメントに面している側の第１の光学エレメント上に集束レンズのアレイ、および、ゲインエレメントから離れた側の第１の光学エレメント上に平坦な拡張キャビティミラー、を含んでよい。共振ビームは、この場合に、例えば、ゲインエレメントの隣りの第１の光学エレメントの側面における半球状の突起によってフォーカスされ得る。第１の光学エレメントの反対側は、この場合に、平坦で、かつ、鏡面仕上げであってよい。共振ビームの大部分が、ゲインエレメント上のそれぞれのポンプスポットに対して、突起を通じてはね返されるようにである。ポンプミラーは、突起と同じ側に備えられてよく、例えば、適宜の形状の鏡面仕上げの表面を用いて突起の周りに配置されている。代替的に、ポンプミラーは、共振ミラー（ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｍｉｒｒｏｒ）と同一の第１の光学エレメントの側に備えられてよい。集束レンズが、また、ゲインエレメントにおける熱レンズに加えて、使用されてもよい。
【００１３】
ポンプミラーは、ポンプスポットを提供するように適合されているサブポンプミラーを含んでおり、ポンプスポットは、オーバーラップしない。それぞれのポンプビームが、ゲインエレメント上の離れたポンプスポットに対してフォーカスされるように、それぞれのポンプレーザに対して球状の断面が提供され得る。サブポンプミラーは、また、オーバーラップしているポンプスポットを提供するためにも使用され得る。例えば、お互いに隣接するリングのようなミラーが提供され得る。ゲインエレメントの周りの円の上に配置されたポンプレーザのポンプビームが、この場合に、例えば、ゲインエレメント上でリングを構築しているオーバーラップしているポンプスポットの上にフォーカスされ得るようにである。代替的に、または、追加して、ビームマニピュレータが備えられてよい。ビームマニピュレータは、ポンプレーザとポンプミラーとの間に配置されている。ビームマニピュレータは、ポンプスポットを提供するように適合されており、ポンプスポットは、オーバーラップしない。ビームマニピュレータは、例えば、ポンプビームをリダイレクトするためのプリズム、または、マイクロレンズのアレイであってよい。ほとんどのアプリケーションにおいて、マイクロレンズは、ポンプビームの明るさを増加させるために役立ち得る。マイクロレンズのアレイは、この場合には、ビーム発光の方向によって与えられるポンプレーザの光学軸に関してシフトされてよい。結果として生じるポンプビームの傾斜角は、それぞれのポンプビームが、ポンプミラーと組み合わされて、異なるポンプスポットに対してフォーカスされるように、選定され得る。
【００１４】
レーザデバイスは、第２の光学エレメントを含んでよい。第２の光学エレメントは、ポンプミラーとビームダイバータ（ｂｅａｍ  ｄｉｖｅｒｔｅｒ）を伴う第１の光学エレメントを含んでおり、ここで、ビームダイバータと拡張キャビティミラーは、レーザビームを広げるように適合されている。共振ビームは、例えば、ゲインエレメントとビームスプレッダ（ｓｐｒｅａｄｅｒ）との間で平行であってよい。ビームダイバータは、ゲインエレメントとビームダイバータとの間でポンプビームに対して平行なゲインエレメントの光学軸に関して傾いた表面を提供し得る。ビームダイバータは、例えば、拡張されたレンズ、異なる傾斜角を伴う数個のリング形状のサブ表面を含んでいる表面、または、それぞれの共振ビームに対して個々の傾斜角を伴うサブ表面を用いた表面、であってよい。さらに、共振ビームを方向転換させるために光学格子（ｏｐｔｉｃａｌ  ｇｒａｔｉｎｇ）が使用され得る。拡張されたキャビティミラーは、共振ビームが対応するポンプスポットに対して跳ね返されるように配置されたビームダイバータに依存している。ビームダイバータは、例えば、第１の焦点を伴うレンズであり、そして、拡張キャビティミラーは、この場合、第２の焦点を伴う反射表面を含む。拡張キャビティミラーは、第１の焦点が第２の焦点と一致するように配置されている。ゲインエレメントの光学軸は、この場合に、望ましくは、拡張キャビティミラーの光学軸と一致している。この構成は、特に、それぞれの共振ビームのポンプスポットのオーバーラップに適している。それぞれの共振ビームのポンプスポットがオーバーラップしない場合に、拡張キャビティミラーは、円弧部分を有している反射表面を含んでよい。拡張キャビティミラーは、この場合に、円弧部分の中心点が第１の焦点と一致するように、配置されてよい。レンズは、拡張キャビティミラーが、また、円柱の一部であるように、円柱レンズ（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｌｅｎｓ）であってよい。円柱レンズは、レンズ表面に平行なフォーカス線（ｆｏｃｕｓ  ｌｉｎｅ）を有している。拡張キャビティミラーを用いた円柱の切断は、また、中線（ｍｉｄｄｌｅ  ｌｉｎｅ）も有しており、中線は、円柱レンズのフォーカス線と一致している。代替的なアプローチにおいては、拡張キャビティミラーが球の切断であるように、（従来の）丸レンズ（ｒｏｕｎｄ  ｌｅｎｓ）が使用されてよい。共振ビームが対応するポンプスポットに対して跳ね返されるように、球の中心は丸レンズの焦点と一致している。
【００１５】
レーザビームは、望ましくは、拡張キャビティミラーを通じて発せられ得る。拡張キャビティミラーの反射性は、この場合に、共振ビームの一部が拡張キャビティミラーを通過するように、適合される必要がある。これにより、ゲインエレメントと拡張キャビティミラーを含んでいる拡張キャビティのゲインは、レージングができるように、レーザ閾値を越えている。
【００１６】
ポンプレーザとゲインエレメントは、望ましくは、一つのサブストレート上でプロセスされる。ポンプレーザは、例えば、一つのサブストレート上でゲインエレメントと一緒にプロセスされる垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であってよい。レイヤシーケンスとレイヤ構造および対応するプロセスは、この場合に、ポンプレーザによって発せられるポンプビームの波長に対して、および、拡張キャビティミラーと組み合わされてゲインエレメントを用いて発せられるレーザビームの波長に対して適合される必要がある。望まれない損失を低減するために、拡張キャビティミラーに面しているゲインエレメントの側面上に反射防止コーティングが局所的に備えられてよい。一つのサブストレート上でポンプレーザとゲインエレメントをプロセスすることは、ポンプレーザとゲインエレメントの更なるアライメントが必要とされないという利点を有し得る。この完全なアライメントは、ポンプミラーと拡張キャビティミラーが一つの光学エレメントの中で提供される場合、特に、両者のアライメントを簡素化し得るものであり、このように、全体コスト、および、従って、レーザデバイスのコストを削減している。
【００１７】
さらなる態様に従って、レーザシステムが提供される。レーザシステムは、上記のレーザデバイスを含む。レーザシステムは、レーザ印刷システムであってよい。レーザ印刷は、この観点においては、コンピュータ・トゥー・プレート印刷、または、迅速なプロトタイプ作成のために使用され得る３次元プリンティング（レーザ焼結（ｌａｓｅｒ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）を意味するものである。他のアプリケーションは、プラスチック、金属、等のレーザマーキング、および、熱プリント（ｔｈｅｒｍｏ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ）がある。
【００１８】
本発明の望ましい実施例は、また、従属請求項とそれぞれの独立請求項とのあらゆる組み合わせでもあり得ることが理解されるべきである。
【００１９】
さらなる有利な実施例が、以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明に係るこれら及び他の態様が、以降に説明される実施例から、および、実施例を参照して明らかになろう。
【００２１】
これから本発明が、例示として、添付の図面に関する実施例に基づいて説明される。
【図１】図１は、第１のレーザデバイスを示している。
【図２】図２は、第２のレーザデバイスを示している。
【図３】図３は、ＶＣＳＥＬポンプレーザの動作原理スケッチを示している。
【図４】図４は、ゲインエレメントの動作原理スケッチを示している。
【図５】図５は、第３のレーザデバイスを示している。
【図６】図６は、第４のレーザデバイスを示している。
【図７】図７は、異なるポンプスポットを用いるゲインエレメントの第１の実施例を示している。
【図８】図８は、異なるポンプスポットを用いるゲインエレメントの第２の実施例を示している。
【図９】図９は、異なるポンプスポットを用いるゲインエレメントの第３の実施例を示している。
【図１０】図１０は、レーザデバイスを含むレーザシステムの動作原理スケッチを示している。
【００２２】
図面において、類似の数字は、全体にわたり類似のオブジェクトを参照するものである。図面におけるオブジェクトは、必ずしも拡大縮小されることを要しない。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
これから、本発明に係る種々の実施例が、図面を用いて説明される。
【００２４】
図１は、第１のレーザデバイス１００に係る断面図の動作原理スケッチを示している。第１のレーザデバイスは、望ましくは、ゲインエレメント１６０の中心軸（光学軸）の周りに回転対称である。数個のポンプレーザ１１０、望ましくはＶＣＳＥＬアレイが、少なくとも一つのゲインエレメント１６０、望ましくは半導体ディスクレーザエレメント（ＯＰ−ＶＥＣＳＥＬとも呼ばれるもの）とともに、共通のヒートシンク１２０の上に取り付けられている。ポンプレーザは、ポンプミラー１４０に対してポンプビーム１９１を発するように適合されており、それぞれのレーザは、それによって、個々にアドレス（ａｄｄｒｅｓｓ）され得る。ポンプミラー１４０は、いわゆるサブポンプミラーと呼ばれる、異なる形状及び/又は曲率半径を伴う数個の領域を含んでいる。ポンプミラーは、モジュールの正面に配置されている。ポンプミラーの反射性は、損失を避けるために、できる限り高いものである（例えば、＞９９．９％）。ポンプミラー１４０は、反射されたポンプビーム１９２をゲインエレメント１６０の上にフォーカス（ｆｏｃｕｓ）し、数個のポンプスポット１７０を形成している。ポンプミラー１４０のサブポンプミラーは、軸外放物面ミラー（ｏｆｆ−ａｘｉｓ  ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｍｉｒｒｏｒ）の最も簡素な構造（または、反射されたポンプビーム１９２を所望の形状に形成するための自由形状のミラー）である。拡張キャビティミラー（ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｃａｖｉｔｙ  ｍｉｒｒｏｒ）１５０が、ゲインエレメント１６０の上方に配置されている。拡張キャビティミラー１５０は、ポンプミラー１４０の中心に配置され、そして、従って、ポンプミラー１４０によって取り囲まれている。拡張キャビティミラー１５０とポンプミラー１４０は、一つの光学エレメントである。ポンプミラー１４０と拡張キャビティミラー１５０の両方を含んでいるものである。拡張キャビティミラー１５０は、ゲインエレメント１６０と一緒に安定したキャビティをそれぞれ形成しているサブミラーを含み、結果として数個の共振ビーム（ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｂｅａｍ）、そして、最終的に、拡張キャビティミラー１５０を通じて発せられるレーザビーム１９４を生じさせる。拡張キャビティミラー１５０、および、その結果としてサブミラーは、ゲインエレメントと一緒に安定した拡張レーザキャビティを可能にするのに十分な反射性を有している。反射性は、一方で、レーザビーム１９４が拡張キャビティミラー１５０のサブミラーを通過できるように、あまりに高くてもいけない。反射性は、例えば、９０％と９９．５％との間の範囲であるが、ゲインエレメント１６０に応じて、より低くてもよい。拡張キャビティミラー１５０のサブミラーは、単純な半球状ミラー、または、自由形状のミラーであってよい。それぞれのレーザビーム１９４は、ポンプレーザ１１０をアドレスする手段によって、個別にアドレスされ得るものである。レーザビーム１９４のピッチは、ポンプミラー１４０と拡張キャビティミラー１５０によって決定され、そして、１００μｍほどに小さくてよい。レーザデバイスは、このように、レーザビーム１９４の間で小さなピッチを伴う、複数の個別にスイッチ可能なレーザビーム１９４��可能にする。高精度にレーザモジュールを移動、または、高精度にレーザビームをリダイレクトするように適合されている複雑な機械的または光学的デバイスを回避することができる。そうでなければ、精度が低減され得る。
【００２５】
図２は、第２のレーザデバイス１００を示している。レーザデバイス１００は、図１に示されるレーザデバイスとほぼ同一である。いくつかのマイナーな相違が存在するだけである。ポンプミラー１４０と拡張キャビティミラー１５０は、アライメントの労力を低減するために、一つの光学エレメントである。拡張キャビティミラー１５０の反射性は、レーザビーム１９４が拡張キャビティミラー１５０を通過できないように、できる限り高いものである（例えば、＞９９．９％）。ゲインエレメント１６０は、安定した拡張レーザキャビティが拡張キャビティミラー１５０と一緒に構築されるが、レーザビーム１９４がヒートシンク１２０の方向においてゲインエレメントを通過できるようなやり方で配置されている。ヒートシンク１２０は、従って、レーザビーム１９４が発せられるように、ゲインエレメントの少なくとも一つの一部の真下に穴を有している。ヒートシンク１２０は、銅のように高い熱伝導性を伴う材料で構成されてよい。ゲインエレメントの真下のヒートシンク１２０における穴は、レーザビーム１９４に対しては透明であるが、空気と比べて改善された熱伝導性を伴う材料で満たされてよい。
【００２６】
図３は、ＶＣＳＥＬポンプレーザ１１０の動作原理スケッチを示している。図は、光共振器（ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を示しているＶＣＳＥＬポンプレーザ１１０の断面である。光共振器は、ボトムＤＢＲ１１５とトップＤＢＲ１１３、および、ボトムＤＢＲ１１５とトップＤＢＲ１１３との間に挟まれた活性レイヤ１１４を含んでいる。ボトムＤＢＲ１１５は、反射性が高く（＞９９．９％）、そして、トップＤＢＲ１１３は、トップＤＢＲ１１３を介してポンプビーム１９１を発することができるように、幾分より小さな反射性（＞９５％）を有している。ＶＣＳＥＬは、従って、いわゆるトップエミッタ（ｔｏｐ  ｅｍｉｔｔｅｒ）である。活性レイヤ１１４は、量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造体を構築している数多くのレイヤを含んでいる。ボトムＤＢＲ１１５は、ＧａＡｓサブストレートのようなサブストレートの上に配置されている。ＶＣＳＥＬは、ボトム電極１１７とリング電極１１２によって接触されている。ボトム電極１１７は、ボトムＤＢＲ１１５に対向するサブストレートの側面上に備えられる。リング電極１１２は、トップＤＢＲ１１３の上面に備えられる。ＶＣＳＥＬポンプレーザは、電極１１２、１１７に対して十分な電圧と電流が提供された場合に、ポンプビーム１９１を発する。レイヤの機能性に影響することのないレーザの配置の変形が、当業者にはよく知られている。ＶＣＳＥＬポンプレーザ１１０は、また、例えば、いわゆるボトムエミッタ（ｂｏｔｔｏｍ  ｅｍｉｔｔｅｒ）として構成されてもよい。ボトムＤＢＲを通じてポンプビーム１９１を発するものであり、この場合には、透明なサブストレートである。ＤＢＲの反射性と電極の配置が、それに応じて適合されることを要する。
【００２７】
図４は、ゲインエレメント１６０断面の動作原理スケッチを示している。ゲインエレメントは、ボトムＤＢＲ１６５と任意的なトップＤＢＲ１６３、および、ボトムＤＢＲ１６５とトップＤＢＲ１６３との間に挟まれた活性レイヤ１６４を含んでいる。ボトムＤＢＲ１６５は、反射性が高く（＞９９．９％）、そして、トップＤＢＲ１６３は、追加の技術的手段がなければレージング（ｌａｓｉｎｇ）ができないように、より小さな、例えば、５０％の反射性を有している。トップＤＢＲ１６３は、取り除かれてよく、反射防止コーティングだけが提供されてもよい。従って、ゲインエレメントがポンプレーザ１１０によって光ポンプされる場合に、レージングを可能にするために、拡張キャビティミラー１５０による追加の光学的フィードバックが必要とされる。図３で示されるＶＣＳＥＬポンプレーザ１１０の構成と図４で示されるゲインエレメント１６０を比較すると、両方が一つのサブストレート上で製造され得ることが明らかである。サブストレート１１６と１６６は、この場合に、同一のものであろうし、かつ、ゲインエレメント１６０は、この場合に、使用されていないボトム電極１１７を含んでよく、もしくは、ボトム電極１１７は、ゲインエレメント１６０の真下で取り除かれてよい。トップとボトムＤＢＲに係るレイヤシーケンスとレイヤ構造、および、活性レイヤに係る量子井戸レイヤは、この場合には、拡張キャビティミラー１５０と組み合わされて、ポンプレーザ１１０から発せられるポンプビーム１９１の波長とゲインエレメント１６０を用いて発せられるレーザビーム１９４の波長とに対して適合される必要がある。このことは、いくつかの追加の処理ステップを生じ得る。ポンプレーザ１１０および一つのサブストレート上のゲインエレメント１６０をプロセスすることは、レーザデバイスをアセンブリする労力を低減し得る。さらに、ゲインエレメント１６０は、ボトムＤＢＲ１６３を通じたレーザ発光が可能であるやり方で構成され得る。ボトムＤＢＥ１６３は、この場合に、反射性がおよそ９５％であるように製造される。
【００２８】
図５は、第３のレーザデバイス１００の動作原理スケッチを示している。個々のポンプスポットは、共通の放物面ミラーであるポンプミラー２４０によって具現化される。しかし、ポンプミラー２４０上への異なる入射角を有するポンプレーザ１１０のポンプビーム１９１を伴っており、従って、分離されたポンプスポット１７０を結果として生じている。入射角における差異は、例えば、ポンプレーザ１１０のポンプビーム１９１を視準（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）するためのマイクロレンズのようなビームマニピュレータ３００を使用することによって、具現化され得る。ポンプレーザ１１０のマイクロレンズアレイは、アレイ平面に対して平行な方向において僅かに外れてアライメントされており、ポンプビーム１９１と反射されたポンプビーム１９２の傾き（ｔｉｌｔ）を結果として生じている。傾きは、ゲインエレメント１６０上でポンプスポット１７０の横方向のシフトを導くものである。個々の共振ビームと最終的に発せられるレーザビーム１９４に対する拡張レーザキャビティは、拡張キャビティミラー２５０によって形成される。共通の平面ミラーと、例えば、ゲインエレメント１６０のボトムＤＢＲ１６５である。さらに、集束レンズ（ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｌｅｎｓ）２７０が、レンズアレイの形式において、ポンプスポット１７０毎に一つのレンズを用いて備えられている。共振ビーム１９３をそれぞれのポンプスポット１７０に対してフォーカスするためである。拡張キャビティミラー２５０、ポンプミラー２４０、および集束レンズ２７０は、一つの第１の光学エレメント２００に含まれる。光学エレメントは、共振ビーム１９３の周波数帯において低吸収なガラスからできている。ポンプミラー２４０と集束レンズ２７０は、ポンプレーザ１１０とゲインエレメントに隣接する側面上に備えられる。そして、拡張キャビティミラー２５０は、第１の光学エレメント２００の反対の側面上に備えられる。ポンプミラー２４０と拡張キャビティミラーは、第１の光学エレメントのそれぞれの領域をコーティングすることによって製造されてよい。集束レンズ２７０は、プレスまたはグライディングによってプロセスされ得る、半球状の突起のアレイであってよい。
【００２９】
図６は、第４のレーザデバイス１００の動作原理スケッチを示している。構成は、図５に関して説明された構成と類似しているが、第１の光学エレメント２００が、第２の光学エレメント４００で置き換えられている。ポンプミラー４４０は、図５のポンプミラー２４０と同じやり方で構成されているが、集束レンズ２７０のレンズアレイが、一つの共通レンズから成るビームダイバータ（ｄｉｖｅｒｔｅｒ）４８０で置き換えられている。ゲインエレメント１６０において形成される熱レンズ（ｔｈｅｒｍａｌ  ｌｅｎｓ）は、共振ビーム１９３がレンズ表面（ビームダイバータ４８０）を異なるポイントにおいてヒット（ｈｉｔ）するように、共振ビーム１９３をフォーカスする。共振ビーム１９３が異なって回折され、かつ、レンズの焦点においてフォーカスされるようにである。焦点は、同時に、図５の平面ミラーを置き換えている半球状ミラーである拡張キャビティミラー４５０の中心点（ｍｉｄｄｌｅ  ｐｏｉｎｔ）である。共振ビーム１９３は、従って、対応するポンプスポット１７０へとはね返される。このように、全てのポンプスポット１７０のイメージ（ｉｍａｇｅ）は、一つのキャビティを往復した後で自分自身の上にイメージされ、拡張キャビティ共振器を異なる角度で離れる個々のレーザビーム１９４を結果として生じている。従って、ポンプレーザ１１０、ポンプミラー４４０、およびゲインエレメント１６０の形状の配置に応じて、直線（ｌｉｎｅ）または領域（ａｒｅａ）を照らすことが可能である。形状は、ゲインエレメント１６０のサイズよりずっと大きいものである。機械的または光学的サポートデバイス（例えば、スキャナ）に関する労力が、このように、低減され得る。第２の光学エレメント４００は、この実施例において、ポンプミラー４４０、ビームダイバータ４８０、および拡張キャビティミラー４５０を含んでいる。
【００３０】
図７は、異なるポンプスポット１７１、１７２を用いるゲインエレメント１６０の第１の実施例を示している。第１のポンプスポット１７１は丸く、そして、第１のポンプスポット１７１よりも大きな直径を有する第２の丸いポンプスポット１７２に含まれている。レーザビーム１９４のビーム形状は、こうして、第２のポンプスポット１７２のポンプレーザとは独立して第１のポンプスポット１７１のポンプレーザをスイッチングすることによって影響され得る。
【００３１】
図８は、異なるポンプスポット１７１、１７２を用いるゲインエレメント１６０の第２の実施例を示している。第１のポンプスポット１７１は、図７で示されたように、再び丸い。第２のポンプスポット１７２は、それぞれが丸いポンプスポットを提供している６個のポンプレーザ１１０のポンプスポットをオーバーラップすることによって構築される。６個のポンプレーザ１１０は、ポンプビーム１９１が同時に発せられるように、一緒にグループ化されている。第２のポンプスポット１７２は、第１のポンプスポット１７１に対応しているポンプレーザ１１０がスイッチオフされた場合にはポンプされない領域を中央に含んでいる。
【００３２】
図９は、異なるポンプスポット１７１、１７２を用いるゲインエレメント１６０の第３の実施例を示している。ポンプスポット１７１、１７２は、１００μｍピッチの標準アレイにおいて配置されている。それぞれのポンプスポット１７１、１７２は、個別にスイッチされ得る一つのポンプレーザ１１０に対応している。領域毎に照らされるエネルギは、従って、ポンプレーザのスイッチングによって適合され得る。
【００３３】
図１０は、レーザデバイスを１１０含むレーザシステム５００の断面に係る動作原理スケッチを示している。レーザシステム５００は、レーザ印刷システムであり、図６に関して説明されたタイプの数個のレーザデバイス１００とレーザコントローラ５２５を含んでいる。それぞれのレーザデバイス１００に係る個々のポンプレーザ１１０は、印刷領域全体があらゆる機械的または光学的スキャナシステム無しで照らされ得るように、レーザコントローラによってコントロールされ得る。移動する機械部品が必要とされないので、レーザ印刷システムのサイズが低減され、そして、信頼性が増加され得る。
【００３４】
レーザデバイスは、個々のレーザビームのコントロールされた発光ができるように説明されている。レーザデバイスは、一つのゲインエレメントを伴う光ポンプ拡張キャビティレーザを含み、それにより、独立したポンプビーム、および、従って、対応するレーザビームを生成するために、多くのポンプレーザが提供されている。個々のレーザビームは、ビーム形状に影響するため、及び/又は、小さいピッチを伴う多くの個々に平行なレーザビームを提供するために、使用され得る。レーザデバイスは、２または３次元レーザプリンタとして、より簡素化されたレーザシステムを可能とするように使用され得る。
【００３５】
本発明は、図面または前出の記載において、その詳細が説明され記述されてきたが、そうした説明および記載は、説明的または例示的なものであり、限定的なものではないと考えられるべきである。
【００３６】
本開示を研究すれば、当業者に対しては、他の変更が明らかであろう。そうした変更は、従来技術において既に知られた他の機能を含んでよい。そして、ここにおいて既に説明された機能の代わりに、または、追加的に使用され得るものである。
【００３７】
図面、明細書、および添付の特許請求の範囲を研究すれば、当業者によって、開示された実施例に対する変形が理解され、もたらされ得る。請求項において、用語「含む（“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ“」は、他のエレメントまたはステップを排除するものではなく、不定冠詞「一つの（”ａ“または”ａｎ“）」は、複数のエレメントまたはステップを排除するものではない。異なる従属請求項においてお互いに特定の手段が引用されているという事実だけでは、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すものではない。
【００３８】
請求項におけるいかなる参照番号も、発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００３９】
１００  レーザデバイス
１１０  ポンプレーザ
１１２  リング電極
１１３、１６３  トップＤＢＲ
１１４、１６４  活性レイヤ
１１５、１６５  ボトムＤＢＲ
１１６、１６６  表面
１１７  ボトム電極
１２０  ヒートシンク
１４０、２４０、４４０  ポンプミラー
１５０、２５０、４５０  拡張キャビティミラー
１６０  ゲインエレメント
１７０  ポンプスポット
１７１  第１のポンプスポット
１７２  第２のポンプスポット
１９１  発せられたポンプビーム
１９２  反射されたポンプビーム
１９３  共振ビーム
１９４  レーザビーム
２００  第１の光学エレメント
２７０  集束レンズ
３００  ビームマニピュレータ
４００  第２の光学エレメント
４８０  ビームダイバータ
５００  レーザシステム
５２５  レーザコントローラ
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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