(57)【要約】  光ビームを供給する装置は、第一のエタンデュのアスペクト比Ｒ１を有する偏光入力レーザ光ビームを発する固体レーザを有する。第一と第二の円柱レンズが光を直交方向に沿ってコリメートする。二等分反射面の端がレーザ光ビームを、第一のビーム経路に沿って方向付けられる第一の部分と第二のビーム経路に沿った第二の部分に分割し、第一と第二のビーム経路は各々、固体レーザから発せられた光を含む。1つ以上の折り返し反射面が第一または第二または両方のビーム経路に沿って配置される。偏光回転子が第二のビーム経路に沿った光の偏光状態を回転させる。偏光コンバイナが第一と第二のビーム経路からの光を合波して出力ビームを形成し、出力ビームはＲ１とは等しくない第二のエタンデュのアスペクト比Ｒ２を有する。
2015508241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを供給する装置において、
光軸に沿って、第一のエタンデュのアスペクト比Ｒ１を有する偏光入力レーザ光ビームを発するように励起可能な固体レーザであって、前記入力レーザ光ビームの、第一の方向に関する光不変量が、前記入力レーザ光ビームの、前記第一の方向に直交する第二の方向に関する光不変量の半分未満であるような固体レーザと、
前記偏光入力レーザ光ビームを前記第一の方向に関してコリメートするように配置された第一の円柱レンズと、
前記偏光入力レーザ光ビームを前記第二の方向に関してコリメートするように配置された第二の円柱レンズと、
前記光軸に沿って配置され、コリメートされた前記偏光レーザ光ビームを、前記第二の方向に関して、第一のビーム経路に沿って方向付けられる第一の部分と第二のビーム経路に沿って方向付けられる第二の部分に分割する端を有する二等分反射面であって、前記第一と第二のビーム経路が各々、前記固体レーザから発せられた光を収容するような二等分反射面と、
前記第一のビーム経路に沿って、または前記第二のビーム経路に沿って、または前記第一と第二のビーム経路の両方に沿って配置された1つ以上の折り返し反射面と、
前記第二のビーム経路に沿って光の偏光状態を回転させるように配置された偏光回転子と、
前記第一と第二のビーム経路からの光を合波して、出力ビームを形成するように配置された偏光コンバイナであって、前記出力ビームが、Ｒ１と等しくない第二のエタンデュのアスペクト比Ｒ２を有するような偏光コンバイナと、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
光ファイバに光を供給する装置において、
少なくとも第一と第二のレーザであって、前記第一のレーザが第一の偏光ビームを第一の発光軸に沿って方向付けるように励起可能であり、前記第二のレーザが第二の偏光ビームを、前記第一の発光軸に平行な第二の発光軸に沿って方向付けるように励起可能であり、前記第一と第二の発光軸が第一の方向に関して整列され、離間されているような第一と第二のレーザと、
少なくとも前記第一と第二の発光軸に沿った光を受け入れ、前記第一と第二の光ビームのそれぞれの前記発光軸を、前記第一の方向に実質的に直交する第二の方向に関して再整列させるように配置された光合波装置であって、再整列された前記第一の光ビームの第一の部分と再整列された前記第二の光ビームの第一の部分を偏光ビームスプリッタの第一の面に向かって、および射出軸へと方向付けるように配置されている光合波装置と、
再整列された前記第一の光ビームの第二の部分と再整列された前記第二の光ビームの第二の部分を前記偏光ビームスプリッタの第二の面に向かって、および前記射出軸へと方向転換させるように配置された1つ以上の反射要素と、
前記光合波装置と前記偏光ビームスプリッタの間に配置され、前記第一と第二の光ビームの各々の前記第一の部分の経路または、前記第一と第二の光ビームの各々の前記第二の部分の経路のいずれかの中にある偏光回転子と、
前記射出軸から前記光ファイバに向かって光を方向付けるように配置された1つ以上のレンズ要素と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項３】
光ファイバに光を供給する装置において、
少なくとも第一と第二の固体レーザであって、前記第一のレーザが第一の偏光ビームを第一の軸に沿って方向付けるように励起可能であり、前記第二のレーザが第二の偏光ビームを、前記第一の軸に平行で、前記第一の軸から第一の距離だけ離間された第二の軸に沿って方向付けるように励起可能であるような第一と第二の固体レーザと、
前記第一と第二の軸を、前記第一の距離より小さい第二の距離だけ離間されるように再整列させる空間光合波装置であって、前記第二の距離が前記第一の距離に実質的に直交する方向に測定されるような空間光合波装置と、
前記第一の固体レーザからの再整列された前記第一の光ビームを第一の部分と第二の部分に分割し、前記第二の固体レーザからの再整列された前記第二の光ビームを第三の部分と第四の部分に分割して、前記第一と第三の部分を偏光ビームスプリッタの第一の面に向かって、また前記第二と第四の部分を、変更回転子を通じて前記偏光ビームスプリッタの第二の面に向かって方向転換させる偏光合波装置と、
前記偏光ビームスプリッタから受け取った光を前記光ファイバに向かって方向付けるように配置された1つ以上のレンズ要素と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項４】
光ファイバに光を供給する装置において、
少なくとも、第一の光ビームを第一に軸に沿って方向付けるように励起可能な第一のレーザと、第二の光ビームを、前記第一の軸に平行な第二の軸に沿って方向付けるように励起可能な第二のレーザであって、前記第一と第二の軸が第一の平面Ｐ１を画定するようなレーザと、
少なくとも前記第一と第二の軸に沿った光を受け入れて、合波ビームを形成するように配置された光合波装置であって、前記第一の光ビームが第三の軸に沿って方向付けられ、前記第二の光ビームが第四の軸に沿って方向付けられ、前記第三と第四の軸が、前記第一の平面Ｐ１に実質的に直交する第二の平面Ｐ２を画定し、前記第三の軸からの前記第一の光ビームの第一の部分と前記第四の軸からの前記第二の光ビームの第一の部分を偏光ビームスプリッタの第一の面に向かって、および射出軸へと方向付けるようにさらに配置された光合波装置と、
前記第三の軸からの前記第一の光ビームの第二の部分と前記第四の軸からの前記第二の光ビームの第二の部分を前記偏光ビームスプリッタの第二の面に向かって、および射出軸へと方向付けるように配置された1つ以上の反射要素であって、前記偏光ビームスプリッタの前記第二の面が前記偏光ビームスプリッタの前記第一の面と対向するような反射要素と、
前記第三と第四の軸からの前記第一と第二の光ビームの、方向付けられた前記第一の部分または、前記第三と第四の軸からの前記第一と第二の光ビームの、方向転換された前記第二の部分のいずれかの前記経路内に配置された偏光回転子と、
前記射出軸からの光を前記光ファイバに向かって方向付けるように配置された1つ以上のレンズ要素と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項５】
第一の波長λ１の励起光を、第二の波長λ２を発光する被励起レーザに供給する装置において、
光を第一の発光軸に沿って第一の方向に方向付けるように励起可能な、前記第一の波長λ１の第一のレーザと、
光を、前記第一の発光軸に平行な第二の発光軸に沿って方向付けるように励起可能な、前記第一の波長λ１の第二のレーザと、
前記第一の波長λ１の合波光ビームを形成するように配置された合波装置であって、方向付けられた前記光の経路内に配置された中実の透明体の上に形成され、
（ｉ）前記合波装置の第一の面の上に形成され、前記第一と第二の発光軸に対して斜角で配置され、λ１を透過させ、λ２を反射する第一の短波長透過フィルタと、
（ｉｉ）前記合波装置の、前記第一の面に平行な第二の面上に形成された第一の長波長透過フィルタであって、λ１を反射し、λ２を透過させる第一の長波長透過フィルタと、
（ｉｉｉ）前記合波装置の前記第一の面の上に形成された第二の長波長透過フィルタであって、λ１を反射し、λ２を透過させる第二の長波長透過フィルタと、
を有し、前記第一と第二の発光軸を、Ｐ１に直交し、前記第一の方向に平行な第二の面Ｐ２に沿って再整列させる合波装置と、
前記合波光ビームの経路内に配置された偏光光合波装置であって、
前記合波ビームの第一の部分の経路内に配置され、前記合波ビームの前記第一の部分を射出軸へと方向付けるように処理された第一の面を有する偏光ビームスプリッタであって、前記合波ビームの前記第一の部分が、前記第一のレーザからの前記光の２０％より多くと前記第二のレーザからの前記光の２０％より多くを含むような偏光ビームスプリッタと、
前記合波ビームの第二の部分を、偏光回転子を通じて、前記偏光ビームスプリッタの第二の面に向かって、および前記射出軸へと方向転換させる２つ以上の反射要素であって、前記合波ビームの前記第二の部分が前記第一のレーザからの前記光の２０％より多くと前記第二のレーザからの前記光の２０％より多くを含むような２つ以上の反射要素と、
を含む偏光光合波装置と、
前記射出軸からの光を、前記被励起レーザへと光を案内する光ファイバに向かって方向付けるように配置された1つ以上のレンズ要素と、
を含み、
前記第一と第二の発光軸が第一の平面Ｐ１を画定する、
ことを特徴とする装置。
【請求項６】
光を光ファイバに供給する方法において、
第一のレーザを励起して、光を第一の発光軸に沿って方向付けるステップと、
少なくとも第二のレーザを励起して、光を前記第一の発光軸と平行な第二の発光軸に沿って方向付けるステップであって、前記第一と第二の発光軸が第一の平面Ｐ１を画定するようなステップと、
合波ビームを形成するステップであって、前記第一と第二のレーザの前記光が、前記第一の平面Ｐ１に実質的に直交する第二の平面Ｐ２を画定する第三と第四の軸に沿って整列されるようなステップと、
前記合波ビームの少なくとも第一の部分を偏光ビームスプリッタの第一の面に向かって、および射出軸へと方向付けるステップであって、前記合波ビームの前記少なくとも第一の部分が前記第一と第二のレーザの両方からの光を含むようなステップと、
前記合波ビームの第二の部分を、偏光回転子を通じて、前記偏光ビームスプリッタの第二の面に向かって、および前記射出軸へと方向付けるステップであって、前記合波ビームの前記少なくとも第二の部分が前記第一と第二のレーザの両方からの光を含むようなステップと、
前記射出軸からの光を前記光ファイバに向かって方向付けるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、２０１２年２月２１日に出願された米国特許出願第１３／４０１１９６号明細書の優先権の利益を主張するものであり、その内容に依拠し、その全体を参照によって本願に援用する。
【０００２】
本発明は、本願と同じ譲受人に譲渡されている、２０１１年５月３１日に出願されたＪｏｓｈ  Ｃｏｂｂ，ｅｔ  ａｌ．名義の、“ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＣＯＭＢＩＮＩＮＧ  ＬＩＧＨＴ  ＳＯＵＲＣＥＳ  ＩＮ  Ａ  ＰＵＭＰ  ＬＡＳＥＲ  ＡＲＲＡＹ”と題する米国特許出願第１３／１１８，９３９号に関連する。
【技術分野】
【０００３】
本願は一般に、複数の光源からの光を合波する光学装置に関し、より詳しくは、エタンデュマッチングを改善するように複数のレーザ光源を空間的に合波する装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
レーザおよびその他の固体光源の合波には多くの用途がある。一般に、ある用途が単独のレーザ源によって供給可能なものより大きなパワーを必要とする場合、一般的な解決策は、波長が同じ２つ以上のレーザからの光を合波することである。追加されるレーザは物理的に異なる位置にあるため、レーザの出力ビームを合波して積み重ね、合波出力ビームの中の「デッドスペース」をできるだけ多く排除することが必要となる。
【０００５】
レーザをこのように合波する際はしばしば、合波対象の光源をできるだけ小さくし（すなわち、エタンデュをできるだけ小さくし）、合波ビームのエネルギーを効果的かつ効率的に他の光学システムへと集束させ、伝送できるようにすることが望ましい。合波方法は、波長、偏光状態、空間特性をはじめとする光の各種の特性を利用する。
【０００６】
複数の光源の空間的合波に特に関心が寄せられる１つの用途が、ファイバレーザのポンプ励起にある。ファイバレーザでは、活性利得媒質は適当な希土類元素が添加された光ファイバである。励起エネルギーを多くのタイプの光源から、例えば利得媒質にファイバで連結された複数のレーザダイオードの集合を使って供給できる。複数の励起源を使用することによって、より高い光パワーを利得媒質に向けることができる。複数のレーザ源の使用はまた、増幅器利得が同じ場合に、励起レーザの各々がより低いパワーレベルで動作することを可能にし、それによって励起レーザの寿命が延び、ひいては増幅器の信頼性が高まる。これはまた、励起レーザのうちの１つが故障した場合のある程度の冗長性も提供する。
【０００７】
励起エネルギーには単独の波長が必要であるため、個々の光源を密接にマッチさせる必要があり、レーザダイオードが現実的な選択肢となる。しかしながら、レーザダイオードでは、断面が円形の、すなわち中心軸の周囲でのエネルギー分布の対称性の高いビームが供給されない。その代わりに、出力光はアスペクト比の非対称性が高く、直交方向の広がり角が顕著に異なり、長さ（「遅」軸に沿うと考えられる）が幅（「速」軸に沿う）の数倍にもなりうる出力ビームが生成される。この非対称性によって、成分出力ビームをできるだけ密接に相互に積み重ねて、より対称に近いアスペクト比を有する合波ビームを形成することが望ましい。制約要素として、励起エネルギーを受ける入力光ファイバの開口数（Ｎ．Ａ．）が比較的小さく、これが入ってくる合波ビームの角度範囲を限定するため、成分ビーム間のデッドスペースをできるだけ排除することが望ましい。
【０００８】
励起レーザとして使用するためのレーザ源を合波するために実施または提案されている解決策の中に、垂直方向にずらしたレーザダイオードとそれに対応するミラーを有するモジュール式励起モジュールがある。図１Ａと１Ｂは、このタイプの一般的な励起モジュール１０の、それぞれ上面図と側面図を示す。この方法では、３つのレーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃがそれぞれ、これらに対応する、相互に交差する円柱レンズ群、すなわち第一の軸（速軸ＦＡであり、詳しくは後述する）についての１５ａ、１５ｂ、１５ｃと直交軸（遅軸ＳＡであり、後述する）についての１４ａ、１４ｂ、１４ｃを通じてビームをミラー１６ａ、１６ｂ、１６ｃに向ける。フィルタ３０は戻り光ＦＢから保護する手段を提供し、これについては後でより詳しく説明する。すると、レンズ１８の瞳２７内にある合波ビーム２８がレンズ１８によって光ファイバ２０の中へと合焦され、励起エネルギーとして使用される。
【０００９】
明瞭にするために垂直方向の距離を意図的に誇張させた図１Ｂの側面図が示すように、レーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃとそれぞれに対応する円柱レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃと３つの離間されたミラー１６ａ、１６ｂ、１６ｃは垂直方向にわずかな距離だけずれている。反射部品のこのような配置では、成分出力ビーム間にトレランスの余地がほとんどない。レーザ１２ａからの光は、例えばミラー１６ｂの最上部をかすめる。同様に、レーザ１２ｂからの光はミラー１６ｃの最上部をかすめる。図１Ａの挿入図Ｗは、レンズ１８の瞳における合波ビーム２８の角度分布を示す。挿入図Ｗは、合波ビーム２８がレーザ１２ａからの出力ビーム２２ａ’、レーザ１２ｂからの出力ビーム２２ｂ’、レーザ１２ｃからの出力ビーム２２ｃ’により形成される様子を示している。当然、積み重ねられた出力ビーム間にはある程度のギャップ距離、すなわちデッドスペース２４があり、これは折り返しミラー１６ｂと１６ｃによりビームを通過させるために必要なトレランスによるものである。
【００１０】
図１Ａと１Ｂに関して説明した解決策は有効であることがわかっているが、改善の余地がある。製作公差が厳しく、製造上のばらつきに関する余裕はほとんどない。各構成部品を精密に整列させて、光がミラー１６ａ、１６ｂ、１６ｃから正しく方向転換されるようにしなければならない。各レーザは異なるミラーで反射されるため、ミラー１６ａ、１６ｂ、１６ｃ間の温度変化が動作中のシステムのアライメントに悪影響を与える。重要な点として、現実的な理由から、このタイプの解決策では、限定された数のレーザ、すなわち３つまたはそれ以下しか合波できない。
【００１１】
従来の合波方法では、合波出力ビームのアスペクト比は合波システムの設計にうまくマッチしない。図１Ａにおいて、挿入図Ｚは光ファイバ２０の入射口９０での各レーザモードフィールドの重複像２３を示している。像２３は像１２２ａ’、１２２ｂ’、１２２ｃ’として示される、レーザの出力の空間分布を重ね合わせた、または重複させた像から形成されている。多くの所見を得ることができる：
（ｉ）入射口９０は、各ビームの遅軸ＳＡ方向に実質的に満たされる。ＳＡ方向により長いビームは単純にファイバの入射口からその方向にはみ出る。
（ｉｉ）入射口９０は、速軸方向ＦＡには満たされない。
（ｉｉｉ）挿入図Ｗは、レンズ１８の瞳もＳＡ方向には満たされていることを示している。
【００１２】
第一の所見（ｉ）は、励起エネルギー生成に用いられるレーザの製造にとっての制約を示す。現在利用可能なものよりはるかに長い遅軸を提供するレーザは容易に製造でき、それによってより高いパワーと効率が提供されるであろう。しかしながら、従来の励起モジュールコンバイナの設計ではこの潜在的能力を利用できる見込みはなく、それは、光にそれ以上の能力がない、すなわち、その軸においてはファイバのエタンデュが制限されるからである。上記の第二の所見（ｉｉ）は、ファイバのエタンデュには、より多くの光を追加する余地がまだあることを示しているが、このスペースはレーザの速軸方向においてであり、これは遅軸よりはるかに明るい。さらに、遅軸方向へのアライメントのトレランスはほとんどなく、これは光ビームがすでにこの方向では開口からはみ出す傾向があるからである。
【００１３】
レーザ励起モジュールの効率改善のために提案されている解決策には、ファイバの中に追加のビームを重複させる方法が含まれ、これは例えば、ビームの集合の偏光状態を変化させ、異なる偏光状態のビーム経路を重ねて追加のレーザからの光を利用することによって行われる。しかしながら、このような方法は、図１Ａに関して説明したものと同じエタンデュに基づく制約に直面する。使用できるレーザモードフィールドの大きさが制約される。レーザダイオードからの光のエタンデュのアスペクト比は変化しないため、これらの解決策では依然として出力ビームの寸法を制約する。それゆえ、現在レーザポンピングに使用されているものより長いレーザダイオードの製造が可能であり、これが光出力に関してより効率的で、コストもより安いとしても、従来の光合波方法では、そのような設計によって提供される可能性のある効率の向上とコスト削減を利用することができない。こうしたエタンデュに基づく制約の１つの結果として、効率が改善されたレーザダイオードの設計を提供することが不可能となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
それゆえ、単独のレーザ光源または合波レーザ光源のエタンデュ特性と、例えば励起光エネルギーをレーザに提供するために使用される光ファイバ等の光ファイバのエタンデュとの間のマッチングを改善する、光源を空間的に合波する方法と装置が必要とされていることがわかる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、レーザビーム合波の技術を進歩させることである。この目的を念頭に、本願は光ビームを供給する装置を提供し、この装置は、
光軸に沿って、第一のエタンデュのアスペクト比Ｒ１を有する偏光入力レーザ光ビームを発するように励起可能な固体レーザであって、入力レーザ光ビームの、第一の方向に関する光不変量が、入力レーザ光ビームの、第一の方向に直交する第二の方向に関する光不変量の半分未満であるような固体レーザと、
偏光入力レーザ光ビームを第一の方向に関してコリメートするように配置された第一の円柱レンズと、
偏光入力レーザ光ビームを第二の方向に関してコリメートするように配置された第二の円柱レンズと、
光軸に沿って配置され、コリメートされた偏光レーザ光ビームを第二の方向に関して、第一のビーム経路に沿って方向付けられる第一の部分と第二のビーム経路に沿って方向付けられる第二の部分に分割する端を有する二等分反射面であって、前記第一と第二のビーム経路が各々、前記固体レーザから発せられた光を収容するような二等分反射面と、
第一のビーム経路に沿って、または第二のビーム経路に沿って、または第一と第二のビーム経路の両方に沿って配置された1つ以上の折り返し反射面と、
第二のビーム経路に沿って光の偏光状態を回転させるように配置された偏光回転子と、
第一と第二のビーム経路からの光を合波して、出力ビームを形成するように配置された偏光コンバイナであって、出力ビームが、Ｒ１と等しくない第二のエタンデュのアスペクト比Ｒ２を有するような偏光コンバイナと、
を含む。
【００１６】
他の態様から、本発明は光ファイバに光を供給する装置を提供し、この装置は、
少なくとも第一と第二のレーザであって、第一のレーザが第一の光ビームを第一の軸に沿って方向付けるように励起可能であり、第二のレーザが第二の光ビームを第一の軸に平行な第二の軸に沿って方向付けるように励起可能であり、第一と第二の軸が第一の方向に関して整列され、離間されているような第一と第二のレーザと、
少なくとも第一と第二の軸に沿った光を受け入れ、第一と第二の光ビームのそれぞれの軸を、第一の方向に実質的に直交する第二の方向に関して再整列させるように配置された光合波装置であって、再整列された第一の光ビームの第一の部分と再整列された第二の光ビームの第一の部分を偏光ビームスプリッタの第一の面に向かって、および射出軸へと方向付けるように配置されている光合波装置と、
再整列された第一の光ビームの第二の部分と再整列された第二の光ビームの第二の部分を偏光ビームスプリッタの第二の面に向かって、および射出軸へと方向転換させるように配置された1つ以上の反射要素と、
光合波装置と偏光ビームスプリッタの間に配置され、第一と第二の光ビームの各々の第一の部分の経路または、第一と第二の光ビームの各々の第二の部分の経路のいずれかの中にある偏光回転子と、
射出軸から光ファイバに向かって光を方向付けるように配置された1つ以上のレンズ要素と、
を含む。
【００１７】
本発明により提供される利点は、個々の光ビームについても、また２つ以上の合波された成分光ビームから形成された合波光ビームについても、エタンデュのアスペクト比を調整できることである。これによって、レーザダイオードからの光をより効率的に使用するための改良が可能となり、例えば励起対象レーザのための光を供給するために使用されるもののようなレーザダイオードビームのアライメントにとっての利点も提供できる。本発明の実施形態は、既存のビーム合波モジュールのほか、多数の革新的な構成のビーム合波システムにも組み込むことができる。
【００１８】
当業者にとっては、本発明のその他の好ましい目的、特徴、利点が着想され、または明らかとなるであろう。本発明は付属の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】レーザを合波して合波ビームを供給するための従来のレーザ励起モジュールの上面ブロック図である。
【図１Ｂ】レーザを合波して合波ビームを供給するための、図１Ａに示される従来のレーザ励起モジュールの側面ブロック図である。
【図２Ａ】レーザダイオード出力ビームの非対称性を示す概略図である。
【図２Ａ１】あるエタンデュのアスペクト比の光源の空間および角度分布を示す概略平面図である。
【図２Ａ２】一方の軸に沿って拡大された光源の空間および角度分布の変化を示す概略平面図である。
【図２Ｂ】ファイバレンズの瞳における、４つのレーザ源を使って形成された合波ビームの断面を示す概略平面図である。
【図２Ｃ】光ファイバに結像された、４つのレーザ源の合波ビームを示す概略平面図である。
【図３Ａ】合波ビームとその初期のアスペクト比を示す平面図である。
【図３Ｂ】本発明のある実施形態によって合波ビームのエタンデュのアスペクト比が変化される過程を示す図である。
【図４Ａ】単独のレーザビームのエタンデュのアスペクト比を変化させるための光学装置の構成部品を示す概略斜視図である。
【図４Ｂ】図３Ｂに概要が示される過程を使って、合波ビームを形成し、合波ビームの各成分ビームのエタンデュのアスペクト比を変化させるための光学システムの構成部品を示す概略斜視図である。
【図５Ａ】本発明のある実施形態による、１対の反射面を使用して合波ビームを形成するための光学システムの構成部品を示す簡略概略斜視図である。
【図５Ｂ】本発明のある実施形態による、合波ビームを形成するためのフィルタ装置の動作原理を示す簡略概略斜視図である。
【図５Ｃ】本発明のある実施形態による、フィルタ装置を使用して光を合波するための装置を示し、光路を示す概略斜視図である。
【図５Ｄ】図５Ｃに示される光合波装置の上面図である。
【図５Ｅ】図５Ｃに示される光合波装置の背面図である。
【図６Ａ】本発明のある実施形態による図５Ｂ〜５Ｅのフィルタ装置の中の短波長透過フィルタの分光特性曲線を示すグラフである。
【図６Ｂ】本発明のある実施形態による図５Ｂ〜５Ｅのフィルタ装置の中の長波長透過フィルタの分光特性曲線を示すグラフである。
【図７】フィルタ装置を使用する光合波装置の斜視図であり、成分光ビーム間の距離を調整するための傾斜軸を示す。
【図８Ａ】傾斜角度が合波光ビームの間隔とアスペクト比に与える影響を示す断面ブロック図である。
【図８Ｂ】傾斜角度が合波光ビームの間隔とアスペクト比に与える影響を示す断面ブロック図である。
【図９Ａ】ある傾斜角度の合波装置を用いたファイバレンズの瞳の中の合波出力ビームプロファイルの断面図である。
【図９Ｂ】異なる傾斜角度の合波装置を用いたファイバレンズの瞳の中の合波出力ビームプロファイルの断面図である。
【図１０】合波装置が３つより多いレーザ光源を有する代替的実施形態を示す斜視図である。
【図１１】図１０の代替的実施形態の光路を示す上面図である。
【図１２】合波装置が５つのレーザ光源を有する代替的実施形態を示す斜視図である。
【図１３】図１２の代替的実施形態の光路を示す上面図である。
【図１４】反射出力ビームを有する合波装置の代替的実施形態を示す斜視図である。
【図１５】本発明のある実施形態による、３つのレーザ源からのレーザ光を光ファイバに供給する装置の上面図である。
【図１６】図１５の装置の正面斜視図である。
【図１７】図１５の装置の背面斜視図である。
【図１８】本発明のある実施形態による、４つのレーザ源からのレーザ光を光ファイバに供給する装置の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書において示され、説明されている図面は、各種の実施形態による光学装置に関する動作および製造の重要な原理を例示するために提供されており、これらの図面の多くは、実際の大きさまたは縮尺を示す意図では描かれていない。基本的な構造的関係または動作原理を強調するために、幾分誇張する必要がある場合もある。例えば、いくつかの同平面上の構造は、これらの構造が重なっている図では、相互に若干ずらして示されている場合がある。
【００２１】
本願の内容において、「最上部」、「最下部」または「上」、「下」という用語は相対的であり、ある構成部品または表面の必然的な方位を示しているのではなく、単に、構成部品または材料ブロック内の反対の面または異なる光路を指示し、区別するために使用されている。同様に、「水平」と「垂直」という用語は、図面に関して、例えば異なる平面内で整列する構成部品または光ビームの相対的な直交関係を説明するために使用されているかもしれないが、真の水平および垂直の方位に関して必要な構成部品の方位を示していない。
【００２２】
「第一の」、「第二の」、「第三の」等々という用語が使用されている場合、これらは必ずしも順序または優先関係を示しているとは限らず、１つの要素または時間間隔をその他のものからより明瞭に区別するために使用される。例えば、本明細書の教示の中には決められた「第一の」または「第二の」要素はなく、これらの説明は、本願の内容において、１つの要素を別の同様の要素から明瞭に区別するために使用されているにすぎない。同様に、フィルタの指示記号Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４が使用されている場合、これらは図面および以下の説明において異なるフィルタを特定するために付与され、フィルタ機能を特定するのに役立つもので、このような部品の番号付けにおいては、光路内での順序もしくは優先関係または必然的なシーケンスは一切黙示されない。
【００２３】
本明細書で使用されている「励起可能な」という用語は、パワーを受けた時に、および任意選択によりイネーブル信号を受けた時でもよいが、所定の機能を実行する装置または構成部品の集合に関する。
【００２４】
本願の内容において、２つの平面、方向ベクトル、またはその他の幾何学的特徴は、その実際の、または投影された交差角度が９０度＋／−１２度以内である時に実質的に直交すると考えられる。本願の内容において、「二等分」という用語は、光ビームを２つの部分に分離することを示すために使用され、すなわちこれは、幾何学的証明で用いられる「二等分」という用語ほど正式な使用方法ではなく、必ずしも分割されたビームの２つの部分が等しい大きさであることを黙示しているとはかぎらない。本発明の内容において、各レーザ光源からのビームを２つの部分に二等分して、各部分がそのビームの略半分になるようにすることが一般的には有益であるが、それらの部分間に１０％の、または２５〜３０％以上の差があっても有効であることがわかるであろうし、有利となりうる。それゆえ、本発明のある実施形態により形成される被分割光ビームの２つの部分の各々は、各固体レーザ光源からの光の少なくとも２０％を有するであろう。ビームアスペクト比は、光学分野の当業者が一般的に理解されているとおりに考えられ、すなわち、（伝播方向に対して垂直な平面において）光ビームの中心軸に関して直交方向に考えられる。
【００２５】
本発明の内容において、特定の波長で「反射する」、または反射性であると考えられる表面は、その波長の入射光の少なくとも約９５％を反射する。特定の波長で「透過する」、または透過性であると考えられる表面は、その波長の入射光の少なくとも約８０％を透過させる。光フィルタに関して、「短波透過」、「短波長透過」、「ＳＷＰ」という用語は同義語と考えられ、同様に、「長波透過」、「長波長透過」、「ＬＷＰ」という用語は同義語と考えられる。
【００２６】
本発明の内容において、「斜め」または「斜角」という用語は、それが少なくとも一方の軸において垂直から、すなわち９０度から、もしくは９０度の整数倍から少なくとも約２度以上異なるように傾斜している非直角を意味するために使用される。斜角は、この一般的定義を使って、９０度より少なくとも２度大きい、または小さくてよい。
【００２７】
本発明の内容において、「合波ビーム」は２つ以上の個々の「成分ビーム」の集合から形成される。
【００２８】
本発明の１つの広い態様によれば、光ビームのエタンデュのアスペクト比を、そのビームが１つの光源から発せられた単独ビームであるか、複数の光源からの光を合波することによって形成された合波ビームであるかを問わず、変化させることのできる装置と方法が提供される。有利な点として、本発明の実施形態は、ファイバレーザまたはその他のタイプのレーザのためのレーザ励起光を、複数のレーザ源により発せられた光から形成された合波ビームとして供給する装置と方法を提供する。本発明の実施形態はさらに、励起レーザ源をファイバレーザまたはその他のタイプの励起レーザの光漏れからフィルタにより保護することができる。本発明の代替的実施形態はまた、光ビームのエタンデュのアスペクト比を調整できることが有利であるようなその他の環境で光ビームを調整するためにも役立てることができる。
【００２９】
「エタンデュのアスペクト比」という語句によって意味されるものをよりよく理解するには、エタンデュとこれに関連する多数の用語と原理をより明確に定義することが有益である。光学分野でよく知られているように、エタンデュは光源の断面積と光源の発光立体角の積の中に含まれる光の量を表し、光学システムが扱うことのできる光の量に関する。エタンデュは光の損失がない限り、光学システム内で減ることはありえない。光学システムでは、エタンデュはその空間分布とその角度分布に関して考えられる。エタンデュは幾何学特性、すなわち空間面積（Ａ）と角度（Ω）の２つの要素の積と考えることができる。
【００３０】
光学システムでは、光を効率的に使用するために、光路に沿った構成部品のエタンデュをマッチさせて、光のすべてが使用されるようにする必要がある。全体的に回転対称の光学システムの場合、エタンデュの計算と扱いに関して考慮すべき点は非常に単純である。回転対称の光ビームの中心軸と直交する平面で得た断面で考えた場合、このビームは円形であり、その平面内の光学不変量もいずれの方向でも同じである。すると、このような光学システム内の構成部品に関するエタンデュマッチングは、単純に光ビームの空間および角度範囲を適正に拡縮するだけの問題となる。
【００３１】
エタンデュマッチングは、光学システム内で光の各軸の空間分布を変化させなければならない場合、ずっと複雑になる。この問題には、例えば、レーザダイオードからの、エタンデュ特性の非対称性が高い光をエタンデュに関する対称性が高い光ファイバの中へと方向付ける際に対処しなければならない。
【００３２】
背景の項ですでに述べ、図２Ａに示すように、レーザ励起光に使用されるレーザダイオードの場合、固体レーザダイオードのエタンデュは顕著に非対称である。図２Ａは、概略的に、一般的なマルチモードレーザダイオードからの出力を示す。レーザは、レーザ出力カプラに示されている空間分布１２２と、発せられた光について示された角度分布２２を有する。
【００３３】
本願の内容での説明を簡単にするために、「光不変量」という用語は、１方向に関するエタンデュを説明する時に使用される。例えば図２Ａ１の光ビームの代表的な空間分布１０２とそれに対応する角度分布１０４に関して、図に示されている相互に直交する２方向の各々に光不変量Ｌがある。すなわち、遅軸（ＳＡ）に沿った光不変量Ｌｓがあり、
Ｌｓ＝（Ｉｓ・ωｓ）
であり、式中、（Ｉｓ）は遅軸方向への空間分布の長さ寸法、（ωｓ）は遅軸方向に得られた光ビームの発散角であり、速軸（ＦＡ）に沿った異なる光不変量Ｌｆがあり、
Ｌｆ＝（Ｉｆ・ωｆ）
であり、式中、（Ｉｆ）は速軸方向への空間分布の長さ寸法、（ωｆ）はその方向に得られた拡散角である。
【００３４】
ある光源からのこの光ビームの全体のエタンデュＥは以下の積、
Ｅ＝（Ｌｓ・Ｌｆ）
と考えることができる。
【００３５】
本願の内容において、「エタンデュのアスペクト比」は本明細書においてＲとされ、次の商、
Ｒ＝（Ｌｓ）／（Ｌｆ）
となる。これは、
Ｒ＝（Ｉｓ・ωｓ）／（Ｉｆ・ωｆ）
と等しい。
【００３６】
回転対称の光ビームの場合、エタンデュのアスペクト比Ｒ＝１であることがわかる。本発明の実施形態は、エタンデュのアスペクト比Ｒがある光ビームについて１以外であり、エタンデュのアスペクト比Ｒが、光ファイバまたは、光ビームが方向付けられるその他の光学部品については実質的に１である時に遭遇する問題に対処する。
【００３７】
レンズはエタンデュのアスペクト比Ｒを変化させるために使用できないことにも注意しなければならない。光ビームがレンズを通して方向付けられる場合、エタンデュのアスペクト比Ｒは一定のままである。これは球面レンズ（両方向に屈折力を有するレンズ）と円柱レンズ（一方向に屈折力を有するレンズ）にも当てはまる。図２Ａ２は、概略的に、円柱レンズを使って寸法（Ｉｓ）に沿った空間分布を減少させるとどうなるかを示す。その結果として得られる空間分布１０２’は、図２Ａ１に示されるものより寸法（Ｉｓ）が小さくなっていることを示している。しかしながら、これに対応する角度分布１０４’は、それに対応して拡大された角度範囲を示している。円柱レンズを使用した場合、エタンデュのアスペクト比Ｒは保存され、すなわち、
Ｒ＝（Ｉｓ・ωｓ）／（Ｉｆ・ωｆ）＝（Ｉｓ’・ωｓ’）／（Ｉｆ・ωｆ）
となる。
【００３８】
本発明の実施形態は、光源からの光の個々のビームのエタンデュのアスペクト比Ｒを、光を損失させることなく変化させる必要性に対処する。１つの利点として、個々の光ビームのエタンデュのアスペクト比Ｒｉｎを拡縮することによって、例えば、非対称性の高いエタンデュのアスペクト比Ｒｉｎを有するレーザダイオード等の入力光源を、例えば対称性の高いエタンデュのアスペクト比Ｒｏｕｔを有する光ファイバ等の出力に、よりよく適応させることができる。個々の光ビームのエタンデュのアスペクト比Ｒを拡縮するために使用される原理と方法はすると、それぞれの光源からの個々の光ビームを合波することによって形成される合波光ビームにも同様に適用される。
【００３９】
レーザダイオードは、その、より長い遅軸（ＳＡ）方向に沿って有意により大きな光不変量Ｌｓを特徴的に有し、その軸に沿ったその光不変量が概して光ファイバのそれに概して近くなるか、これを超過さえするような発光部品である。ＳＡ方向への光不変量Ｌｓはそれゆえ、効率的なビーム合波にとって制約要素となる。
【００４０】
レーザダイオードは、そのより狭い速軸（ＦＡ）方向に沿って小さな光不変量Ｌｆを有し、これは単一の空間モードであることが多い。これは、図２Ａで空間分布１２２として示される小さな空間寸法と大きな（または速い）角発散よって特徴付けられる。他方で、ダイオードの長さＤ１の遅軸（ＳＡ）への発光は、多数の空間モードを含む。ＳＡへの発光は一般に、はるかに大きな空間分布と小さい（遅い）角拡散を有する。この光を光ファイバの中に結合しなければならない。図２Ａに示されるレーザ出力とは異なり、ファイバコアが円形の開口であり、回転対称の開口数を有する光ファイバのエタンデュは対称であるため、生成されたこの光を効率的に使用することが難しくなる。
【００４１】
例えば、これに限定されないが、励起レーザ設計の一般的な公称値は以下を含む。
光ファイバの直径：１０５μｍ
光ファイバの開口数：０．１５
光ファイバの各軸の光不変量は以下に比例：０．１５×０．１０５ｍｍ＊ｒａｄ＝０．０１５７５ｍｍ＊ｒａｄ
レーザ源の光不変量Ｌｓ（遅軸方向）：約０．０１５ｍｍ＊ｒａｄ
レーザ源の光不変量Ｌｆ（速軸方向）：各々約０．００１４ｍｍ＊ｒａｄ
４つのレーザの集合が速軸方向に積み重ねられた場合は０．００５６ｍｍ＊ｒａｄ
速軸におけるレーザの光不変量Ｌｆはファイバの不変量よりはるかに小さいため、この軸に沿った光を捕捉するには十分な余裕がある。上記の計算例では、遅軸光不変量Ｌｓは速軸光不変量Ｌｆより１０倍以上大きい。ここで、速軸における光ファイバの光不変量は、４つのレーザからの光ビームを積み重ねることによって得られる光不変量の約２．８倍である。しかしながら、他方で、レーザの遅軸での光不変量Ｌｓはファイバの不変量に非常に近い。それゆえ、その方向へのアライメントがより重要である。
【００４２】
背景の項で述べたように、図１Ａはレーザ合波のための従来の方法を示す。これらのシステムでは、各レーザの空間モードフィールド１２２（図２Ａに示される）は、ファイバ２０のコア９０に結像される。図１Ａの挿入図Ｚが示すように、モードフィールド１２２ａ’、１２２ｂ’、１２２ｃ’（各レーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃのそれぞれのモードフィールド）の重複像が次にファイバのコア９０の内部に入射する。挿入図Ｗに示されるように、レーザの角度分布はコリメートされ、相互に積み重ねられて、レンズ１８の瞳２７において出力ビーム２８が形成される。この出力ビーム２８は、レーザの、コリメートされ、再分散されたレーザの角度分布から構成され、これらはビーム２２ａ’、２２ｂ’、２２ｃ’として示されている。この光を効率的に使用するために、光の全部をレンズ１８の瞳２７の中に収容しなければならない。
【００４３】
容易にわかるように、速軸に沿った光については余地がある。それゆえ、第四のレーザを図１Ａに示される構成に追加することは、速軸においてファイバレンズの瞳２７の中の未使用の空間を埋めるのに役立つ。これは、システムの出力パワーを増大させるための１つの方法である。しかしながら、ファイバのエタンデュによって、遅軸においては、より多くの光を追加できる余裕がない。例えばレーザダイオードの長さＤ１を長くすることには、図１Ａに示される従来の合波構成では何の利点もない。それゆえ、遅軸においてレーザエミッタの長さＤ１を長くして、その光をファイバ２０の中に有効に捕捉することは現実的でない。
【００４４】
図２Ｂの概略的ブロック図は、レンズ１８の入射口である瞳２７の中に配置された４つのレーザ出力ビーム２２ａ’、２２ｂ’、２２ｃ’、２２ｄ’を示している。出力ビームのエタンデュのアスペクト比が非対称であるため、最上位と最下位の出力ビーム２２ａ’と２２ｄ’は瞳からはみ出し、一部の光が失われて光学システム内で不適正に方向付けられる。理論上、このアスペクト比は拡大によって変化させることができ、すなわち、瞳２７の中の角度分布を遅軸において小さくすることができ、それゆえ、これは瞳２７の内部にフィットすることになる。しかしながら、これによってファイバ９０のコアにおけるモードフィールドの像が増大する。図２Ｃは、モードフィールドの重複像１２２ａ’、１２２ｂ’、１２２ｃ’、１２２ｄ’がファイバ９０のコアの上に重ねられている様子を示す。明らかに、角度分布２２ａ’をより小さくしようとした場合、それに対応する空間分布１２２ａ’はより大きく拡大され、ファイバコアからはみ出るであろう。図２Ｂに示されるように、速軸（ＦＡ）方向に対応するデッドスペース２４を埋めることは、はみ出しの問題を部分的に解消するのに役立ちうるが、ビームを積み重ねるためにより厳しいアライメントトレランスが必要となり、速軸におけるビームの端である程度のエネルギーが切り取られる危険性がある。
【００４５】
従来のビーム合波方式とは異なり、本発明の実施形態は、エタンデュマッチングの問題に対処するために、合波ビームの一部である各成分ビームのエタンデュのアスペクト比を変える。合波ビームが光コンバイナによって形成された後、合波ビームの、成分ビームの各々からの光の一部を含む第一の部分が、位置変更または再分散されて、合波ビームの中の、同様に成分ビームの各々からの光を含む第二の部分の上に重ねられると、遅軸（ＳＡ）に沿った光に対する速軸（ＦＡ）に沿った光の割合が効果的に小さくなり、それゆえ、合波ビームのアスペクト比は、その空間分布を変化させることによって変わる。このように光ビームを合波する中で、本発明の実施形態はそれゆえ、合波ビームを生成するために使用される個々の成分光ビームの各々のエタンデュのアスペクト比を変化させることによって、合波ビームのエタンデュのアスペクト比を変える。その結果、各成分ビームのエタンデュを再成形できるため、レーザダイオードの長さ（図２ＡのＤ１）の実践上の制約が緩和される。個々のレーザダイオードはそれゆえ、従来の解決策より効率的で、より低コストになるように、より長く製造できる。本発明の実施形態は、レーザ光源のエタンデュのアスペクト比が非対称である、例えば遅軸光不変量Ｌ２が速軸光不変量Ｌｆを２倍以上上回るような用途において有利となりうる。それゆえ、本発明の実施形態は一般に、第一の方向に関する光不変量が、第一の方向に直交する第二の方向に関する光不変量の半分未満である時により有利であり、この利益は、直交方向への光不変量の差が大きいほど増大する傾向がある。
【００４６】
図３Ａと３Ｂの概略平面図は、時系列で、基本原理を示すために誇張して、本発明の実施形態によって成分ビームのエタンデュのアスペクト比がどのように変化させられるかを示す。図３Ａは、例えば図１Ａまたは１Ｂの励起モジュール１０を使用して、または後述のような他のタイプのいずれかの光コンバイナを使用して、出力成分ビーム２２ａ’、２２ｂ’、２２ｃ’を積み重ねることによって形成された合波ビーム２８を示す。合波ビーム２８は、速軸に沿った光対遅軸に沿った光の割合（ＦＡ：ＳＡ）に応じたエタンデュのアスペクト比Ｒ１を有する。図の例において、合波ビーム２８のＳＡ寸法は、図のように、レンズ１８の瞳の入射口２７を超える。レンズ１８の瞳の大きさは、ファイバ２０の開口数によって決まる（図１Ａ）。これは、少なくとも１つのレーザについてのＳＡ方向のエタンデュまたは光不変量が光ファイバの光不変量を超えることを意味する。従来のレーザ合波法では、この関係は光の浪費、すなわち入射口２７からはみ出すことを意味する。他方で、本発明の実施形態によれば、そうでなければ従来の方式では使いきれなかった光の使用が可能となる。
【００４７】
図３Ｂを見ると、本発明の実施形態がどのように合波ビーム２８の各成分ビームからの光を再分散させて、改善されたエタンデュのアスペクト比Ｒ２を有する合波ビーム２８’を供給し、それによって合波ビーム２８’がファイバのエタンデュまたは光不変量により緊密にマッチするようになるかがわかる。合波ビーム２８の経路内に設置された1つ以上の二等分反射要素９４は、この合波ビームの個々の成分ビームの各々を二等分または分割して、合波ビームの一部、すなわち図の例では部分２２ａ２、２２ｂ２、２２ｃ２からなる部分を方向転換させる。図３Ｂの概略的表現においては、方向転換された部分は、半波長板等の偏光回転子１００に向かって方向付けられる。偏光光合波装置１７０の一部として、偏光回転子１００は光のうちの方向転換部分の偏光状態を回転させ、その偏光状態を当初の合波ビーム２８のそれに直交させる。方向転換されなかった残りの部分２２ａ１、２２ｂ１、２２ｃ１の偏光状態は変化しない。すると、偏光コンバイナ１１０が部分２２ａ１、２２ｂ１、２２ｃ１を部分２２ａ２、２２ｂ２、２２ｃ２と再び合波し、これらは少なくとも部分的に相互に重複させることによって、改善されたアスペクト比Ｒ２を有する合波ビーム２８’を形成することができる。当初の成分ビーム２８の一方またはもう一方の部分のいずれかが偏向回転子１００を通じて方向付けられることに注意する必要があり、これは図３Ｂに示される「方向転換された」部分であっても、反射要素９４によって方向転換されない部分であってもよく、これについては具体的な実施形態に関して後述する。偏光コンバイナ１１０は、偏光ビームスプリッタを含む、多数の実施形態のいずれを有することもでき、これについては以下により詳しく説明する。
【００４８】
図３Ｂはまた、任意選択により設置可能な1つ以上の傾斜板３８を分割された合波ビーム２８の各部分の経路内に配置して、ビーム部分の集合の、積み重ね方向（図３Ｂの図では垂直）への相対的アライメントを調整することができる。
【００４９】
図４Ａの概略斜視図は、単独のレーザ１２ａからのレーザ光の単独のビームのエタンデュのアスペクト比を変化させるために使用できる光学装置１４０を示す。次に、図４Ｂは、図３Ａと３Ｂに示される光処理過程を使って、２つ以上のレーザ光源を合波して、光ファイバ２０への出力のための改善されたアスペクト比を有する合波出力ビーム２８’を形成するために使用可能な光学装置１５０を示す。
【００５０】
図４Ａに示される実施形態において、単独の固体レーザ１２ａは、光軸ＯＡに沿って円柱レンズ１５ａと１４ａを通じて、前述のように計算された第一のエタンデュのアスペクト比Ｒ１を有する偏光入力レーザ光ビーム２２ａを発するように励起可能である。円柱レンズ１５ａは、速軸ＦＡに沿ったコリメーションを行う。円柱レンズ１４ａは、図２Ａに関して示されているように、ＦＡに直交する遅軸ＳＡに沿ったコリメーションを行う。光軸ＯＡに対して傾斜した二等分反射面１７２の端１７３は光軸に沿って配置され、発せられたレーザ光ビームをＳＡ方向に関して２つの部分２２ａ１と２２ａ２に二等分し、各部分は、第一と第二のビーム経路１４２と１４４として示されている別々のビーム経路に沿って方向付けられる。単独のレーザ光ビームがこのように二等分されると、第一と第二のビーム経路１４２、１４４は各々、固体レーザ１２ａから発せられてコリメートされた光を含む。図４Ａが示す部分２２ａ２は1つ以上の折り返し反射面１７６、１７８へと方向付けられ、これらはビーム経路１４４を折り返して、部分２２ａ２の光を、例えば半波長板等の偏光回転子１７４を通じて方向付ける。ビーム経路１４２と１４４の両方からの光は次に、偏光ビームスプリッタ１８０として示されている偏光コンバイナへと方向付けられ、これは第一と第二のビーム経路１４２、１４４からの光を合波して出力ビーム１４６を形成するように配置され、出力ビーム１４６は出力面Ｐ３に向けて方向付けられる。ビーム経路１４２からの光は、偏光ビームスプリッタ１８０の一方の面に到達し、ビーム経路１４４からの光は偏光ビームスプリッタ１８０の反対の面に到達する。レンズまたはその他の光学要素が一般的に平面Ｐ３に位置付けられる。出力ビーム１４６の部分２２ａ１と２２ａ２の位置がずれていることから得られる出力ビームのエタンデュのアスペクト比Ｒ２は、発せられたレーザ光ビームの第一のエタンデュのアスペクト比Ｒ１と異なる。
【００５１】
図４Ｂは、単独のビームのエタンデュのアスペクト比の拡縮に関する図４Ａの基本的方式を、２つ以上の固体レーザダイオードエミッタの光から形成された同じ波長の合波ビームに関するエタンデュのアスペクト比を拡縮する問題へと延長させている。第一のレーザ１２ａは、波長λ１の第一の光ビームを、直交する円柱レンズ１５ａと１４ａを通じて第一の発光軸Ａに沿って、空間光合波装置１６０として動作する光合波装置６０に向かって供給するように励起可能である。少なくとも第二のレーザ１２ｂは、同様に波長λ１の第二の光ビームを、対応するレンズ１５ｂと１４ｂを通じて、第一の軸Ａに平行でこれから離れた第二の発光軸Ｂに沿って、光合波装置６０に向かって供給するように励起可能である。発光軸ＡとＢは、第一の方向に関して整列されており、あるいは、発光軸ＡとＢは第一の平面Ｐ１の中にあるか、これを画定するということができる。軸ＡとＢに沿った第一と第二の光ビームはどちらも、図２Ａと３Ａに関して述べたように断面が非対称であり、どちらも、図４Ｂの平面Ｐ１に実質的に平行な第一の方向のビーム遅軸（ＳＡ）の寸法を有し、これは平面Ｐ１に実質的に直交する第二の方向のビーム速軸（ＦＡ）の寸法の少なくとも２倍より大きい。空間光合波装置１６０は合波ビーム２８を形成し、その中で第一と第二のレーザの光は、それぞれ第三の軸ＡＡ１と第四の軸ＢＢ１に沿って整列され、これらは第一の平面Ｐ１に実質的に直交する第二の平面Ｐ２を画定する。このように、軸Ａ１とＢ１は、平面Ｐ１に関して説明した第一の方向に実質的に直交する第二の方向に関して再整列される。偏光光合波装置１７０において、合波ビーム２８の第一の部分が偏光ビームスプリッタ１８０の第一の面１８２に向かって、および出力軸ＯＡへと向けられる。反射要素１７２の端１７３は、合波ビーム２８を二等分して、合波ビーム２８の第二の部分を、図３Ｂの偏光回転子１００に関して説明した偏光回転子１７４となる1つ以上の波長板を通じて、偏光コンバイナとして機能し、出力軸ＯＡに合波ビームを供給する偏光ビームスプリッタ１８０の第二の面１８４に向かって方向転換される。図４Ｂにおいて１７６と１７８として示されるように、1つ以上の追加の反射面を使って、ビーム経路が折り返され、方向転換された光が偏光光合波装置１７０内で案内される。1つ以上のレンズ要素４８が出力軸ＯＡからの光を光ファイバ２０に向かって方向付けるように配置される。
【００５２】
図４Ａと４Ｂの構成は、ビームの１つの集合を別の集合と合波するために偏光を利用するその他の技術とは異なることを強調しなければならない。異なる偏光状態の成分ビームを重複させることによって合波ビームを形成するため、本発明の実施形態は、個々の成分ビーム自体の各々に関するエタンデュのアスペクト比を調整することによって、光エネルギーを再分散させる。各成分ビームをその長いほうの遅軸（ＳＡ）寸法に沿って二等分することにより、本発明の実施形態はビームの非対称性を補償し、最終的な合波ビームのエタンデュのアスペクト比を劇的に改善することができる。これはまた、遅軸方向の光不変量が光ファイバ２０のそれより大きいビームを発する1つ以上のレーザダイオードを効率的に使用することも可能にする。この能力は従来のビーム合波方法では得られなかったものであり、事実上、レーザダイオードの設計を制約していた。
【００５３】
図１Ａと１Ｂが示す励起モジュール１０は、図４Ｂに関して説明したような、光学装置１５０の一部として使用可能な１つのタイプの空間光合波装置１６０であった。このような従来の光合波部品を使用するには、偏光光合波装置１７０の部品、すなわち偏光ビームスプリッタ１８０、偏光回転子１７４、および図４Ｂに示されるように光路を折り返す反射要素１７２、１７６、１７８のうちの２つ以上を追加することが必要となる。
【００５４】
図５Ａ以下は、空間光合波装置１６０として励起モジュール１０の代わりに使用可能な、透明基板上に形成された合波装置６０の代替的実施形態を示す。図５Ａの簡略概略図は、１対の反射面Ｍ１とＭ２を使って成分ビーム光軸を再整列させて合波ビーム２８を形成する合波装置６０の部品を示している。図５Ａにおいて、反射面間の距離は、光路の方向転換の原理を示すために誇張されている。反射面Ｍ１とＭ２は、空気によって離間された鏡面であっても、ガラス板またはブロック等の中実の透明体６８の対向面上に形成されていてもよく、この透明体は図５Ａにおいては光路をより見やすくするために取り除かれているが、その後の実施形態では示されている。動作原理を示す目的のために、２つのレーザ１２ａと１２ｂのみが示されており、各々、それぞれ対応する発光軸ＡとＢに沿って対応する円柱レンズ１５ａ、１４ａと１５ｂ、１４ｂを通じて光を方向付けるように励起される。レーザ１２ａと１２ｂはどちらも、波長λ１の光を発し、これはレーザ励起光を供給するために使用される。反射面Ｍ１とＭ２は、発せられた波長λ１の光を図５Ａに示される経路内に選択的にとどめるように形成され、配置される。ミラーＭ１とＭ２は中実の透明屈折体６８の対向面上に形成でき、それによって光路を屈折させ、軸Ａは屈折体６８内で方向転換軸Ａ１へと屈折され、軸Ｂは屈折体６８内で方向転換軸Ｂ１に屈折される。光フィルタＦ４が設置されて、被励起レーザからの波長λ２の戻り光を遮断し、この波長の光がレーザ１２ａと１２ｂに到達しないようになっている。容易にわかるように、図５Ａの構成を使って、別のレーザを追加することができ、それによって合波ビーム２８が２つ、３つ、４つ以上の積み重ねられたレーザ光ビームを有するようにし、励起光を励起レーザに供給することができる。
【００５５】
合波装置６０の以下の実施形態は、図５Ａに示される対向反射面の基本的構成から始まり、励起光のフィルタ処理を改善し、またレーザからの不要な戻り光の減衰と除去のために随意選択によって追加可能な改良を加えたものである。図５Ｂを参照すると、合波装置６０が示されており、これはフィルタ装置４０を使用し、レーザ光の関連経路を示し、不要な波長を減衰させ、反射によって光を再整列させて、複合光ビーム２８を形成するフィルタを有する。図５Ａと同様に、フィルタ面間の距離は誇張され、光路の方向転換の原理をよりよく説明するために中実の屈折体６８は示されていない。動作原理を示す目的のために、２つのレーザ１２ａと１２ｂのみが示され、各々、それぞれ対応する発光軸ＡとＢに沿って円柱レンズペア１５ａと１４ａ、１５ｂと１４ｂを通じて光を合波装置６０に方向付けるように励起される。レーザ１２ａと１２ｂは波長λ１の光を発し、これは光ファイバ２０を通じてレーザ励起光を供給するために使用される。フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は、選択的に波長λ１を図５Ｂに示される経路内にとどめ、また励起レーザからの波長λ２の戻り光を光路から排除するように形成され、配置される。フィルタＦ１〜Ｆ４は、ガラス板またはブロック等の中実の透明屈折体６８の表面上に形成され、それによって光路を屈折させて、軸Ａが屈折体６８内で方向転換軸Ａ１へと屈折し、軸Ｂは屈折体６８内で方向転換軸Ｂ１に屈折する。随意選択により設置可能な第一のフィルタＦ１は、第一と第二の軸ＡとＢに対して斜角で配置された短波長透過フィルタであり、より短い波長λ１は透過させ、より長い波長λ２は反射する。第二のフィルタＦ２はフィルタＦ１から離間され、これに平行である。フィルタＦ２は長波長透過フィルタであり、より短い波長λ１を反射し、より長い波長λ２を透過させる。第三の長波長透過フィルタＦ３は、随意選択により設置可能な短波長透過フィルタＦ１と同一平面内あり、λ１を反射し、λ２を透過させる。第四の短波長透過フィルタＦ４は、より短い波長λ１を透過させ、より長い波長λ２を反射する。部品を適正に離間させることで、フィルタ装置４０は、当初は第一の方向に沿って整列されていた、方向転換軸Ａ１とＢ１を、軸ＡとＢの第一の方向に実質的に直交する第二の方向に沿って再整列させる。同一平面とは、従来の意味を有し、例えば平行な第一と第二の薄膜フィルタは、第一のフィルタのいずれかの層が第二のフィルタのいずれかの層を含む同じ平面に沿って延びていれば、同一平面と考えることができる。
【００５６】
本明細書に記載されている説明と例において、励起レーザ１２ａ、１２ｂの波長λ１は被励起レーザの波長λ２より小さいと仮定されている。これは一般に、励起レーザの場合であるが、容易にわかるように、本発明のフィルタ装置４０はλ１がλ２より大きい別の状況のために設計でき、フィルタＦ１〜Ｆ４の分光特性に相応の変更が加えられる。いずれの状況でも、フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は、選択的に波長λ１を図５Ｂに示される経路内にとどめ、また波長λ２を経路から排除するように形成し、配置することができる。
【００５７】
図５Ａの２レーザモデルは、励起された３つ以上のレーザを合波するように拡張でき、随意選択により設置可能なフィルタ処理は、戻り光のエネルギーから追加の励起レーザを保護するようにさらに拡張される。図５Ｃの斜視ブロック図およびこれに対する図５Ｄの上面図と図５Ｅの背面図を参照すると、本発明の実施形態によるフィルタ装置４０を使ってレーザ励起モジュールのための合波装置６０が示されている。励起レーザアレイ７０内の励起レーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃの各々は、光をフィルタ装置４０の入射面３６に向かって発する。励起レーザ１２ａは発光軸Ａに沿って発光し、励起レーザ１２ｂは発光軸Ｂに沿って発光し、励起レーザ１２ｃは発光軸Ｃに沿って発光する。励起レーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃは第一の波長λ１の光を発し、この光は図５Ｄに示されるように、第二の波長λ２の光を発する被励起レーザへの励起光として使用される。被励起レーザ光は一般に、供給される励起光より波長が長い。本発明の１つの実施形態によれば、被励起レーザはファイバレーザである。各レーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃからの光は、それぞれ相互に直交する円柱レンズペア１５ａと１４ａ、１５ｂと１４ｂ、１５ｃと１４ｃを通じて方向付けられる。フィルタ装置４０はカラス板等の透明体または板４２上に形成される。第一の波長λ１の光は、随意選択により設置可能な短波長透過フィルタＦ１を透過して、透明板４２の屈折材内に入る。その後、フィルタ装置４０内の長波長透過フィルタＦ２とＦ３の間で反射され、続いて短波長透過フィルタＦ４でフィルタ処理されることにより、当初は平行に透過し、第一の平面または第一の方向に相互に整列されたレーザ光は、第一の平面に実質的に直交する、すなわち直角から約＋／−１２度を超えない範囲内の第二の平面または第二の方向に沿って相互に再整列される。被励起レーザからの、第二の波長λ２の迷走戻り光ＦＢはすべて、短波長透過フィルタＦ４からの反射、長波長透過フィルタＦ３とＦ２の透過、随意選択により設置可能な短波長透過フィルタＦ１からの反射によって、フィルタ装置４０内の光路から排除される。このような戻り光ＦＢの遮断は、フィルタ装置４０の面を使った複数のスタック型またはカスケード連結型フィルタの保護効果を模倣している。再び留意すべき点として、フィルタＦ１〜Ｆ４は随意選択により設置可能であり、図５Ａに関して前述したように、随意選択により設置可能な1つ以上のフィルタの代わりに、またはそれと一緒に反射面Ｍ１とＭ２を使用できる。
【００５８】
図５Ｄの上面図において、発せられたレーザビームの軸は、軸Ａ、Ｂ、Ｃを含む第一の平面（第一の平面Ｐ１は、図５Ｃの図では概して水平面であり、図５Ｄではページの面内にある）を画定する第一の方向に沿って配列される。発光軸Ａ、Ｂ、Ｃは、平面Ｐ１内で相互に等距離にあり、図５Ｄに示されるように軸間距離２６だけ離間されている。フィルタ装置４０の出力において、合波ビームは第二の直交方向に再整列され、すなわち軸は直交面Ｐ２（図５Ｄで示されるようにページから直角に外側に延び、図５Ｅに示されている）に沿って配列され、平面Ｐ２内のフィルタ処理された光と合波された光の軸間の距離は、平面Ｐ１内の入射光に関する軸間距離２６より小さい。合波された成分ビームは、合波軸Ｃ２に沿って合波光ビーム２８を形成する。成分ビームはこの方向に離間され、これは図１Ａの例では挿入図Ｗに示されていた。図５Ｄとその後の同様の上面図に関して、フィルタＦ１とＦ３は、見やすくするために相互にずらして描かれている場合がある。本発明の実施形態において、フィルタＦ１とＦ３は好ましくは同一平面内にある。
【００５９】
それゆえ、図５Ａに関して説明した基本的パターンに従い、図５Ｃおよび図５Ｄと５Ｅの上面図と背面図は、合波装置６０の光ビームをどのようにフィルタ装置４０またはその他のタイプの合波装置６０の中で連続的にシフトさせ、１つの反射面から次の反射面へと方向付けるかを示している。軸Ａに沿った光は、板４２またはその他の屈折体の中で屈折させられ、方向転換軸Ａ１に沿って、背面５４上に形成された後方長波長透過フィルタＦ２に向かって進む。レーザ１２ａから発せられた第一の波長λ１の、軸Ａ１に沿った光は、長波長透過後方フィルタＦ２から反射されて長波長透過前方フィルタＦ３へと向かう。軸Ａ１は次に、レーザ１２ｂからの、再び第一の波長λ１を有し、軸Ｂに沿った光の入射地点のすぐ下で前方フィルタＦ３に入射する。後方フィルタＦ２と前方フィルタＦ３はどちらも、光源１２ａ〜１２ｃからの波長λ１の光を反射してフィルタ装置４０に戻し、被励起レーザから発せられたレーザ波長λ２の光をフィルタ装置４０の外へと伝送するように処理され、またはその他の方法で形成される。図５Ｃに示されるように、軸Ｂに沿った光は、長波長透過前方フィルタＦ３の端のすぐ上またはそれを過ぎた地点で板４２上に入射する。板４２で屈折されることにより、次に、軸Ｂからの入射光は方向転換軸Ａ１と整列された方向転換軸Ｂ１へと方向転換され、軸Ａ１とＢ１の整列方向は、軸Ａ、Ｂ、Ｃの初期の整列方向（平面Ｐ１）に直交する。
【００６０】
図５Ｃ、５Ｄ、５Ｅに示される光路の説明を続けると、第一の波長λ１の光の光軸Ａ１とＢ１は、長波長透過後方フィルタＦ２で反射して前方フィルタＦ３に戻る。すると、軸Ａ１とＢ１は、軸Ｃに沿ったレーザ１２ｃからの光の入射点のすぐ下で長波長透過前方フィルタＦ３から反射される。再び図５Ｃで示されるように、軸Ｃに沿った光は、前方フィルタＦ３の端のすぐ上またはこれを過ぎた地点で板４２に入射する。板４２で屈折されることにより、次に、軸Ｃからの入射光は方向転換軸Ａ１とＢ１と整列された方向転換軸Ｃ１へと方向転換され、軸Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の整列方向は、軸Ａ、Ｂ、Ｃの初期の整列方向（平面Ｐ１）に直交する。図５Ｃ、５Ｄ、５Ｅの３つのレーザを用いた実施形態では、方向転換軸Ａ１、Ｂ１、Ｃ１に沿った波長λ１の光は再び長波長透過後方フィルタＦ２から前方フィルタＦ３に反射され、板４２から短波長透過フィルタＦ４を通じて射出し、それによって合波光ビーム２８が形成される。
【００６１】
図５Ｃ〜５Ｅに示される実施形態の各光路に従うと、各光路が４つのフィルタＦ１〜Ｆ４のすべてを通過することがわかる。レーザ源１２ａ〜１２ｃの各々からの入射光は、短波長透過フィルタＦ１〜Ｆ４の各々に１回入射する。レーザ１２ｃからのＣ−Ｃ１の光路は、長波長透過後方フィルタＦ２に１回、長波長透過前方フィルタＦ３に１回入射する。レーザ１２ｂからのＢ−Ｂ１光路は、長波長透過後方フィルタＦ２に２回、長波長透過前方フィルタＦ３に２回入射する。レーザ１２ａからのＡ−Ａ１光路は、長波長透過後方フィルタＦ２に３回、長波長透過前方フィルタＦ３に３回入射する。この構成では、被励起レーザからの戻り光ＦＢが大きく削減され、実質的に励起レーザに到達しないようにされることがわかる。それゆえ、図５Ａに示される４つのフィルタＦ１〜Ｆ４の配置は、レーザが何個であっても、スタック型またはカスケード連結型フィルタの性能を有効に提供する。前述のように、短波長透過フィルタＦ１は随意選択によって設置可能である。代替的実施形態では、短波長透過フィルタが１つだけ設置され、これは図５Ａ〜５ＥにおいてフィルタＦ１またはフィルタＦ４のいずれについて示された位置にあってもよい。短波長過フィルタＦ１が使用されない場合、一段に、対応する面に反射防止（ＡＲ）コーティングが設置される。
【００６２】
図５Ｂ〜５Ｅの実施形態を使って、長波長透過フィルタＦ３とＦ２が中程度の品質であったとしても、フィルタ装置４０によって提供されるスタック型フィルタの効果がどのように不要な戻り光ＦＢを減衰させるかを考えることが有益である。
【００６３】
図６Ａを参照すると、短波長透過（ＳＷＰ）フィルタＦ１とＦ４に関する分光特性曲線８２が、本発明の実施形態による透過率に関して示されている。曲線８２が示すように、不要な１０３０ｎｍの戻り光ＦＢの透過がある程度ある。しかしながら、光路内にこれらの短波長透過フィルタが２つ存在する実施形態においては、各フィルタで３％透過（．０３）されてしまうとしても、１０３０ｎｍの光のうち、２つの短波長透過フィルタＦ１とＦ４を通じて透過するパーセンテージは以下のとおりとなる。
（．０３）２＝０．０００９、すなわち０．０９％
図６Ｂを参照すると、長波長透過（ＬＷＰ）フィルタＦ２とＦ３に関する分光特性曲線８４が、同様に本発明の実施形態による透過率に関して示されている。曲線８４が示すように、不要な１０３０ｎｍの戻り光ＦＢの一部は依然として反射される。しかしながら、スタック型フィルタの効果はまた、ここでも有利に作用する。前方および後方長波長透過フィルタＦ３とＦ２がＦＢ光を、その光の９６％を透過させることによって減衰させ、短波長透過フィルタＦ１とＦ４がＦＢ光を、その光の９７％を反射することによって減衰させる図５Ｃに示される例示的システムを考えると、励起レーザ１２ｃが受け取りうるＦＢ光のパーセンテージは、
（．０４）２（．０３）２＝０．０００００１４４、すなわち０．０００１４４％
となる。励起レーザ１２ｂが受け取りうるＦＢ光のパーセンテージは、
（．０４）４（．０３）２＝２．３０４Ｅ−７＝０．００００００２３９４、すなわち０．００００２３９４％
となる。励起レーザ１２ａが受け取りうるＦＢ光のパーセンテージは、
（．０４）６（．０３）２＝３．６８６４Ｅ−１２＝０．０００００００００００３６８６４、すなわち０．０００００００００３６８６４％
となる。
【００６４】
それゆえ、フィルタＦ１〜Ｆ４を有するフィルタ装置４０を使用することによって、図５Ａの実施形態に示される反射面Ｍ１とＭ２とは異なり、被励起レーザからの迷走するλ２の戻り光を減衰させるという利点を提供でき、実質的にすべての戻り光ＦＢを無視できる程度まで低減させ、それによって励起レーザ１２ａ〜１２ｃを損傷から保護することに役立つ。戻り光ＦＢを大きく減衰させるには、この構成でフィルタを積み重ね、個々の性能が中程度のフィルタを使用した場合でも、これらの組み合わせにより提供される分光特性が、１つのフィルタを使用した場合に実現可能なものを超えることができるようにする。
【００６５】
図５Ｄはまた、光吸収体５６の位置も示しており、これらは励起レーザからの迷走する戻り光ＦＢを吸収する、あるタイプの光減衰部品として提供される。１つの吸収体５６が、長波長透過後方フィルタＦ２を通じて透過された光を吸収するために背面５４の付近に配置される。別の吸収体５６は、長波長透過前方フィルタＦ３の一部の上端と整列させて入射面３６の付近に配置されているように示されている。吸収体５６は長波長透過フィルタＦ３またはＦ２のいずれかの背面上に形成することができ、あるいは別に形成して、フィルタ装置４０の表面に沿って、そこから離間させて配置してもよい。
【００６６】
引き続き図５Ｄを参照すると、前方および後方フィルタＦ３とＦ４を通じて意図せず透過された、被励起レーザからの戻り光ＦＢを吸収させるための吸収体５６が、励起光の射出点Ｑにより近い位置で戻り光ＦＢからのエネルギーの中のより多くの部分を受け取る。長波長透過フィルタＦ３とＦ２で繰り返し減衰された後に、戻り光ＦＢの無視できる成分だけが、面３６または５４を通じて、例えば射出点Ｑよりさらに遠くに透過する可能性がある。それゆえ、吸収体５６はフィルタＦ３とＦ２の長さ全体にわたっていなくてもよく、または例えば点Ｑからの距離に応じて厚さが変化してもよい。
【００６７】
図５Ａ〜５Ｅが示すように、光は斜めの入射角で合波装置６０へと方向付けられる。少なくとも軸ＡとＢにより画定された平面、すなわち図５Ｄの平面Ｐ１内に斜めに入射することにより、光は屈折によって各軸に沿って方向転換させられ、それによって第一の軸から長波長透過フィルタＦ３とＦ２で反射された光は、隣接する軸に沿った入射光と整列する。図５Ｄの軸Ｃに沿ってαで示される角度は、面３６に対する法線に関して示されており、入射面３６と、平面Ｐ１内にある入射軸Ａ、Ｂ、Ｃの各々の間にある。本願の内容において、この入射角αは平面角と考えられる。
【００６８】
平面Ｐ１内の入射光に関する斜めの入射に加えて、合波装置６０ではまた、平面Ｐ１に平行な軸に関してもある程度の傾斜がなされる。有利な点として、この傾斜は調節可能であり、それによってフィルタ装置４０は合波光ビーム２８のアスペクト比を制御することができる。これは、図１Ａにおいてデッドスペース２４として示されている、成分光ビーム間のギャップ距離を調節する。図７の斜視図は、傾斜を調節するための傾斜軸５２を示す。傾斜軸５２は、光軸Ａ、Ｂ、Ｃを含む平面（例えば、図５Ｄと５Ｅの平面Ｐ１）に平行である。傾斜軸５２の周囲での回転により、軸Ａ、Ｂ、Ｃに沿った光に関する入射面３６の入射角が変化し、波長λ１の光が前方および後方反射面Ｍ２とＭ１（または図５Ｂ〜５Ｅに関して説明した反射フィルタ）から反射される角度もそれに対応して変化する。１つの実施形態において、合波装置６０が設置された取付用ハードウェアによって、例えば合波装置６０の初期アライメント中およびセットアップ中等に傾斜軸の周囲での回転による調節を行うことが可能となる。吸収体５６またはその他の部品の1つ以上もまた、フィルタ装置４０が回転されると傾斜軸５２の周囲で回転してもよい。
【００６９】
図８Ａと８Ｂの断面図は、傾斜軸５２の周囲での傾斜が成分ビーム２８に与える影響を示している。図８Ａの上部にある第一の傾斜角θ１は法線（図８Ａの表現において垂直）に関しているが、この傾斜角θ１において、出力ビーム２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、図のようにデッドスペース２４の量だけ離間される。図８Ｂに示されるように、より小さな傾斜角θ２まで傾斜させると、出力ビーム２２ａ、２２ｂ、２２ｃ間のデッドスペース２４の量は相応に減少する。これによって、合波装置６０によって形成された合波光ビームの、例えばｘ対ｙ、すなわち高さ対幅の比として表現できるビーム２８の空間アスペクト比が変化する。参考のために、傾斜角θ１とθ２は、図５Ｄの平面Ｐ１に対する垂直線、すなわち図８Ｂの点線Ｌ１として示される垂直線に関する。平面Ｐ１は、図８Ａと８Ｂの断面図においてページに直交し、Ａ、Ｂ、Ｃ軸に沿っている。
【００７０】
図８Ａと８Ｂに示されるように、１つの傾斜調節での１つの軸に沿った空間アスペクト比を調節できることは、光ファイバ２０またはその他の光学デバイスへの入力用として合波光ビーム２８を成形するために有利である。例えば、図９Ａと９Ｂは、２つの異なる傾斜角での、合波装置６０を使った３つのレーザの装置からのエネルギー強度の角度分散を示す。図９Ｂが示すように、より小さい傾斜角θを使用すると、成分出力ビーム間のデッドスペースが圧縮され、または排除される。比較のために、図９Ａと９Ｂの各々の円は、光ファイバの大体の開口数（Ｎ．Ａ．）を示す。
【００７１】
合波装置６０を使用した時の別の利点は、図１Ａと１Ｂに関して前述したような従来のデバイスの現時点での限界である、３つより多くのレーザの使用可能性に関係する。図１０の斜視図と図１１の側面図を参照すると、合波装置６０は、励起レーザアレイ７０の中に４つのレーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを有する。各レーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、前述のように、それに対応する、レンズ１５ａ、１４ａ、１５ｂ、１４ｂ、１５ｃ、１４ｃ、１５ｄ、１４ｄの円柱レンズペアを有する。この異なる角度から視覚的に示されるように、光軸Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは合波装置６０の入射面で垂直に整列され、合波光ビーム２８では水平に再整列される。明瞭にするために図１０の図では示されていない、随意選択により設置可能な吸収体５６もこの実施形態に設置してもよい。これに加えて、フィルタ装置４０は、図１０〜１４の実施形態のいずれにおいても、合波装置６０として使用できる。
【００７２】
４つより多い追加のレーザを、フィルタＦ１〜Ｆ４を有する合波装置６０を使い、前方および後方長波長透過フィルタＦ３とＦ２を適当な寸法にするか、あるいは、図５Ａに関しては、反射面Ｍ１とＭ２を適当な寸法にすることによって追加できることがわかる。図１２と１３は、励起レーザアレイ７０の中に５つのレーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅを有する合波装置６０の、それぞれ斜視図と側面図を示す。前述のように、各レーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅはこれに対応する円柱レンズペアを有し、対応する軸Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤまたはＥに沿って光を方向付ける。
【００７３】
図１４の斜視図は、出力合波光ビーム２８が後方反射面Ｍ１から反射される代替的実施形態を示す。この実施形態では、背面５４の一部または全体にコーティングして反射面Ｍ１とすることができる。この実施形態は、パッケージングと光路の折り返しにとって有利でありうる。しかしながら、この実施形態では、合波光ビーム２８のビームの間隔の傾斜を調整するには、出力合波軸Ｃ２の（垂直面Ｐ２に関する）角度も変化させなければならない。
【００７４】
図５Ａの基本モデルと図５Ｂ〜５Ｅと図１０〜１４に示される実施形態を使った合波装置６０の１つの利点は、反射面Ｍ１（図５Ａ）の端または、その代わりに、フィルタＦ２の端を使って、合波ビーム２８を二等分または分割し、合波ビーム２８の一部を別のビーム経路へと方向付け、２つのビーム経路の一方が偏光光合波装置１７０を通過するようにすることに関する。図１５、１６、１７、１８の概略図は、これによって、合波装置６０の構造の外部に二等分のための反射要素を追加せずに合波ビーム２８の２つの部分を分離できる様子を示している。図１５は、合波光ビーム２８を分割または二等分するための反射面Ｍ１の端６２の位置を示している。
【００７５】
図１５、１６、１７の概略図は、図５Ａ〜５Ｅに関して説明した合波装置６０が空間光合波装置１６０として使用され、偏光光合波装置１７０と結合されて形成される光学装置１５０の、それぞれ上面、正面、背面斜視図を示す。図１５、１６、１７は、３つのレーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有し、励起光を、光ファイバ２０に連結された被励起レーザ３２に供給する実施形態を示す。反射面Ｍ１とＭ２は、前述のように、1つ以上のフィルタ面Ｆ２とＦ３に置き換えることができる。合波光ビーム２８は、それがこの実施形態では合波装置６０の内部にあるように形成される。再構成された合波光ビーム２８’は、前述のように、偏光光合波装置１７０の後で形成される。ここで、合波装置６０の外部では、光路の方向転換に１つの折り返し反射要素１７６だけが必要である。参照のために、図４Ｂに示される記号を使用して、図１６は、ビーム２８の中の、部分２２ａ１、２２ｂ１、２２ｃ１として示されている方向転換された部分を示し、これは反射要素１７６に向けられ、偏光光コンバイナ・偏光ビームスプリッタ１８０を透過する。ビーム２８のその他の部分は、1つ以上の波長板またはその他の偏光回転子１７４を通り、偏光ビームスプリッタ１８０から反射される。例示のために、レーザ１２ｃの光の経路に従って、図１７は端６２に沿って出力ビーム２２ｃを分割することによって形成されるビーム部分２２ｃ１と２２ｃ２の経路を示している。図１５はまた、光路のうちの１つにおける随意選択により設置可能な傾斜板３８の使用も示しており、いずれかの光路で1つ以上の傾斜板３８を使用する各種の構成を、ビーム調整のために使用できる。図１８は、４つのレーザ源を用いた、図１５〜１７のそれと同様の構成を示す。
【００７６】
図３Ａに戻ると、光学装置１５０の実施形態によって今度は、１つの軸に沿った光ファイバの光不変量を超える光不変量（エタンデュ）を有するレーザダイオード光源を使用することが可能となる。図３Ａでは、例えば出力ビーム２２ｂ’を発生する光源の光不変量は、光ファイバの光不変量を超える。これは、遅軸（ＳＡ）の寸法における入射口９０の不変量を超えるように描かれている。本発明の実施形態によって、この関係と、そうでなければ従来の方式では使いきれなかった光を使用することが可能となる。これによって、例えば図１５においてレーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃのために使用されているようなレーザダイオードは、より長い断面で製造することができ、それによってレーザ光線の効率が向上し、コストが低減される。例えば、以前は長さ約１００μｍまでのレーザダイオードが励起レーザ１２ａ、１２ｂ、１２ｃのために使用されていた。１００μｍを超えるようなより長い長さのレーザは、これらが光ファイバのＳＡ方向へのエタンデュを超えるため、現実ではなかった。ＳＡ方向に光ビームを二等分することによって、本発明の実施形態では、より長いレーザを使用でき、それによって、長さ１００μｍを超える出力長さを供給するレーザダイオードの製造が可能となる。
【００７７】
本発明の実施形態の光学装置１５０は、複数のレーザ源を合波して単独の合波光ビームを形成するための従来の解決策に対して、多数の特徴と利点を提供する。これらの利点には以下が含まれる：
（ｉ）同じ平面に沿って、平行に方向付けられたレーザの位置付けにより、レーザアレイの使用が可能となり、レーザアライメントを、図１Ｂに関して説明したような以前のレーザダイオード合波装置の構成のための、高さを階段式にしなければならないものから単純化できる；
（ｉｉ）フィルタコーティングを有するガラス板等の低コストの透明板の使用。薄膜コーティングの使用により、入射光ビームに対して非常に鋭い端を提供でき、散乱およびその他の効果が低減する；
（ｉｉｉ）図３Ａ〜４Ｂと８Ａ〜９Ｂに関して前述したように、速軸と遅軸の両方向へのアスペクト比が調節可能。これによって、既存のレーザダイオード設計とのエタンデュマッチングが改善されるほか、出力ビームのエタンデュのアスペクト比の非対称性がより顕著なレーザダイオードを効率的に使用できる；
（ｉｖ）図１０〜１３と１８に関して説明した４つ以上のレーザを使用する実施形態を含め、１または複数のレーザから、レーザの数を変えることによって拡張可能；
（ｖ）すべての励起レーザが同じフィルタ部品を通じて光を方向付けるため、熱安定性が改善；
（ｖｉ）光の干渉波長、特に励起レーザから発せられる光漏れからの保護手段を随意選択により内蔵可能；
（ｖｉｉ）製造とアライメントが単純化；
（ｖｉｉｉ）構成部品の寿命が改善。これは、従来の単独フィルタまたはスタック型フィルタ構成に対して、励起レーザそのものと、反射面Ｍ１、Ｍ２または、それに代わるフィルタ面Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４のどちらにも当てはまる。例えば、薄膜反射板とフィルタは、レーザ光からの損傷閾値が高いため、他のタイプの反射板またはフィルタより有利である。
【００７８】
偏光光合波装置１７０を空間光合波装置に追加することは、図１Ａの励起モジュール１０等の既存の光合波モジュールへの組み込み構成を含め、現在レーザ励起に使用されているものより長い長さを有する1つ以上のレーザダイオードの使用を可能にする。アライメント要求もまた緩和される。そのために、本発明の実施形態は、既存の方式より効率的で低コストのレーザ励起のための解決策を提供し、発光長さがより長くなるように製造される単独の固体レーザをより効率的に使用することさえ可能となる。
製造
合波装置６０の透明板４２は、フィルタ装置４０の実施形態を含め、一般にガラス板であり、これは所期のレーザ波長にとって適当となるように選択される。その他の透明材料も使用でき、例えば結晶性物質とプラスチックが含まれる。従来の取付方法を使って、合波装置６０を、図５Ｄに関して前述したように、発せられたレーザビームに関して適当な斜めの平面角αで位置付けることができる。平面角αは、透明板４２またはその他の透明体に使用される、選択されたガラスまたはその他の透明材料ブロックの屈折率ｎによって決まる。
【００７９】
前方および後方長波長透過フィルタＦ３とＦ２は、第一の、より短い波長λ１、ここでは励起光波長の光を反射し、第二の、より長い波長λ２、ここでは被励起レーザ波長の光を透過させるように形成され、またはその他の方法で処理される。フィルタＦ３とＦ２は、１つの実施形態においてはダイクロイック薄膜コーティングから形成でき、これは有利な点として、高いフィルタ選択性、反射性、透過特性を有する非常に薄い面を提供する。ある分光特性を提供するための薄膜ダイクロイックコーティングの設計は、薄膜設計技術の当業者にとって知られており、一般には、これは類似の設計から始まり、一連の最適化を繰り返し行われ、最終的に所望の分光特性が得られるようにする。反射面Ｍ１とＭ２はまた、薄膜コーティングまたはその他のタイプのコーティングを使って提供できる。この薄膜コーティングは、他の反射デバイスの解決策に対して、ビームの二等分または分割のために有利であり、回折およびその他の不要な効果を削減できる。図４Ａと４Ｂと図１５〜１８に示される実施形態では、ビームを二等分する反射薄膜コーティングは、発せられたビームの光軸ＯＡに関して斜角である。
【００８０】
図８Ａと８Ｂの傾斜角θ１とθ２として説明された傾斜角の調節を可能にするために調節可能な機構を設置することができる。調節は、手作業で行うことも、モータまたはその他の自動化装置を使って提供することもできる。完了した傾斜調節を固定するために、ロックダウン装置を提供できる。
【００８１】
合波装置６０は、前述のように単独の出力軸に沿って方向付けられる２つ以上のレーザ光を合波し、特に、発せられた光ビームが１つの軸に沿った方向に長くされるレーザダイオードからの励起レーザ光を合波し、これらのビームを積み重ねて、アスペクト比が可変である合波光ビームを形成できるようにするのによく適している。上述の本発明の実施形態は、同時に生成されたビームを合波するための合波装置６０の使用を説明している。光学分野の当業者であれば容易にわかるように、合波装置６０の合波作用はあるいは、同じ平面に沿った発光軸を持つ複数のレーザを有する集合のうち、いずれかの空ではない適正な部分集合からの光を方向付けるためにも使用できる。それゆえ、例えば１つのパワーレベルで透過させるための単独の励起レーザと、より高いパワーレベルで励起光を透過させるための２つのレーザを使用することが有益な場合もある。あるいは、合波ビーム軸Ｃ２に沿って透過させるために、異なる波長のレーザを選択することもできる。
【００８２】
本発明を、その特定の好ましい実施形態を具体的に参照しながら詳細に説明したが、当然のことながら、当業者は、上述の、また付属の特許請求の範囲で述べられている本発明の範囲内で、本発明の範囲から逸脱することなく、変更や改良を加えることができる。
【００８３】
それゆえ、特にレーザ励起源との使用、および固体レーザ源を使ったその他の合波の用途に非常に適し、直交軸の一方または両方に沿った合波光ビームのアスペクト比を調整できるようにする、レーザ光の合波装置と方法が提供される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ａ１】
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【図２Ａ２】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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