(57)【要約】  本発明の実施形態による外部キャビティレーザ装置を提供する。外部キャビティレーザ装置は、それぞれ１次成分放射ビームを含む複数の放射ビーム（１５１）を集合的に放射する、複数のビーム放射器（１１１）を含む。第１の反射素子（１２１）は、複数の１次成分放射ビームを反射するように構成されており、複数の１次成分放射ビームの光路に配置された第１の偏光光学素子（１１４）は、各１次成分放射ビームの偏光状態を回転させて、第１の直線偏光状態を有する第１の回転１次成分ビームと第２の直線偏光状態を有する第２の回転１次成分ビームとを形成するように構成されている。偏光ビームスプリッタ（１１５）は、第１のフィードバック系出力成分ビームを出力ビーム（１５８）として配向し、第２のフィードバック系出力成分ビームをフィードバックビーム（１５９）として複数のビーム放射器へ配向するように構成されている。
2018518048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部キャビティレーザ装置であって、
それぞれ１次成分放射ビームを含みかつ所定の波長を有する複数の放射ビームを集合的に放射する、複数のビーム放射器と、
前記複数の１次成分放射ビームの光路に配置されており、かつ、前記複数の１次成分放射ビームを、複数の成分入力ビームを含む結合入力ビームへ結合するように構成された角度分散光学素子と、
前記結合入力ビームの光路に配置された第１の偏光光学素子と、
偏光ビームスプリッタと、
を含み、
前記第１の偏光光学素子は、
前記結合入力ビームの前記複数の成分入力ビームそれぞれの偏光状態を回転させて、複数の回転成分入力ビームを含む回転結合入力ビームを形成し、
前記回転結合入力ビームの前記複数の回転成分入力ビームそれぞれの反射の偏光状態を回転させて、第１の直線偏光状態を有しかつ複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含む第１の結合フィードバック系出力ビームと、第２の直線偏光状態を有しかつ複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む第２の結合フィードバック系出力ビームとを形成する
ように構成されており、
前記偏光ビームスプリッタは、
前記第１の結合フィードバック系出力ビームを結合出力ビームとして配向し、
前記第２の結合フィードバック系出力ビームを第１の結合フィードバックビームとして前記角度分散光学素子へ配向して前記複数の放射ビームの波長安定化のために前記複数のビーム放射器へ戻す
ように構成されている、
装置。
【請求項２】
前記偏光ビームスプリッタはさらに、前記結合入力ビームを前記第１の偏光光学素子へ配向するように構成されている、
請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記複数の放射ビームそれぞれは、付加的に２次成分放射ビームを含む、
請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記分散光学素子は、偏光状態につき不感の格子である、
請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記装置はさらに、前記回転結合入力ビームを反射して、前記複数の回転成分入力ビームそれぞれの反射を含む反射回転結合入力ビームを形成するように構成された、第１の反射素子を含む、
請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記装置はさらに、第２の反射素子を含み、
前記偏光ビームスプリッタはさらに、前記複数の２次成分放射ビームを前記第２の反射素子へ配向するように構成されている、
請求項３記載の装置。
【請求項７】
第２の反射素子が、前記複数の２次成分放射ビームの反射を、第３のフィードバック系出力ビームの複数の成分として前記偏光ビームスプリッタへ配向するように構成されて設けられており、
前記偏光ビームスプリッタはさらに、前記第３のフィードバック系出力ビームの前記複数の成分を前記複数のビーム放射器へ配向するように構成されている、
請求項５記載の装置。
【請求項８】
第２の反射素子が、前記複数の２次成分放射ビームの反射を、第３のフィードバック系出力ビームの複数の成分として前記偏光ビームスプリッタへ配向するように構成されて設けられており、
前記偏光ビームスプリッタは、前記第３のフィードバック系出力ビームの前記複数の成分を前記結合出力ビームの成分として配向するように構成されている、
請求項５記載の装置。
【請求項９】
前記角度分散光学素子は、波長依存性の角度分散関数を有し、
前記角度分散光学素子は、前記波長依存性の角度分散関数によって求められた波長依存性の角度スペクトルを前記複数の１次成分放射ビームへ付与するように構成されていることにより、前記複数の１次成分放射ビームを結合入力ビームへ結合するように構成されている、
請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記装置はさらに、前記複数のビーム放射器と前記角度分散光学素子との間の光路に配置された第１の位置角度変換光学素子を含み、
該第１の位置角度変換光学素子は、前記複数の放射ビームそれぞれに、前記角度分散光学素子に対する入射角を付与するように構成されている、
請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記装置はさらに、前記複数のビーム放射器と前記角度分散光学素子との間に配置された第２の偏光光学素子を含み、
該第２の偏光光学素子は、前記複数の放射ビームそれぞれの偏光状態を回転させるように構成されている、
請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記装置はさらに、前記結合入力ビームおよび前記回転結合入力ビームのいずれかの光路に配置された空間フィルタリングアセンブリを含み、
該空間フィルタリングアセンブリは、前記波長依存性の角度スペクトルの一部に対応する成分ビームのみを透過するように構成されている、
請求項９記載の装置。
【請求項１３】
前記空間フィルタリングアセンブリは、
第２の位置角度変換光学素子と、
第３の位置角度変換光学素子と、
前記第２の位置角度変換光学素子と前記第３の位置角度変換光学素子との間に配置されたアパーチャと、
を含む、
請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記複数のビーム放射器は、バー状に配置された複数のダイオードビーム放射器およびアレイ状に配置された複数のダイオードビーム放射器のいずれかである、
請求項１記載の装置。
【請求項１５】
前記アレイは、垂直方向の積層体として構成された複数のダイオードバー、水平方向の積層体として構成された複数のダイオードバーおよびダイオードバーの２次元アレイのいずれかから形成されている、
請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の偏光光学素子は、１／４波長板である、
請求項１記載の装置。
【請求項１７】
前記第２の偏光光学素子は、半波長板である、
請求項１１記載の装置。
【請求項１８】
前記第２の結合フィードバック系出力ビームは、前記複数の放射ビームの光出力の約２０％より小さい光出力を有する、
請求項１記載の装置。
【請求項１９】
複数の放射器により、それぞれ１次成分放射ビームを含んで集合的に放射される複数の放射ビームの波長を安定化させる方法であって、該方法は、
複数の放射器により、複数の１次成分放射ビームを集合的に含む複数の放射ビームを放射するステップと、
前記複数の１次成分放射ビームの光路に配置された角度分散光学素子により、前記複数の１次成分放射ビームを、複数の成分入力ビームを含む結合入力ビームへ結合するステップと、
第１の偏光光学素子により、前記結合入力ビームの前記複数の成分入力ビームを回転させて、複数の回転成分入力ビームを含む回転結合入力ビームを形成するステップと、
前記第１の偏光光学素子により、前記回転結合入力ビームの前記複数の回転成分入力ビームを回転させて、第１の直線偏光状態を有しかつ複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含む第１の結合フィードバック系出力ビームと、第２の直線偏光状態を有しかつ複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む第２の結合フィードバック系出力ビームとを形成するステップと、
偏光ビームスプリッタにより、前記第１の結合フィードバック系出力ビームを結合出力ビームとして配向するステップと、
前記偏光ビームスプリッタにより、前記第２の結合フィードバック系出力ビームを第１の結合フィードバックビームとして前記角度分散光学素子へ配向するステップと、
を含む、方法。
【請求項２０】
前記複数の放射ビームそれぞれは、２次成分放射ビームを含み、
前記方法はさらに、
前記偏光ビームスプリッタにより、前記複数の２次成分放射ビームを第２の反射素子へ配向するステップと、
前記第２の反射素子により、前記複数の２次成分放射ビームを第３の結合フィードバック系出力ビームの成分として反射するステップと、
前記偏光ビームスプリッタにより、前記第３の結合フィードバック系出力ビームの前記成分を、第２のフィードバックビームまたは前記結合出力ビームのいずれかの成分として配向するステップと、
を含む、
請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
外部キャビティレーザ装置であって、
それぞれ１次成分放射ビームおよび２次成分放射ビームを含みかつ所定の波長を有する複数の放射ビームを集合的に放射する、複数のビーム放射器と、
前記複数の放射ビームの光路に配置されており、かつ、前記複数の放射ビームを、１次結合入力ビームおよび２次結合入力ビームを含む結合入力ビームへ結合するように構成された、角度分散光学素子と、
前記１次結合入力ビームの光路に配置された第１の偏光光学素子と、
偏光ビームスプリッタと、
を含み、
前記第１の偏光光学素子は、
前記１次結合入力ビームを回転させて回転１次結合入力ビームを形成し、
前記回転１次結合入力ビームの反射を回転させて、第１の直線偏光状態を有しかつ複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含む第１の結合フィードバック系出力ビームと、第２の直線偏光状態を有しかつ複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む第２の結合フィードバック系出力ビームとを形成する
ように構成されており、
前記偏光ビームスプリッタは、
前記１次結合入力ビームを、第１の反射素子で、前記第１の偏光光学素子を通るように配向し、
前記２次結合入力ビームを第３の結合フィードバック系出力ビームとして反射するように構成された第２の反射素子で、前記２次結合入力ビームを配向し、
前記第１の結合フィードバック系出力ビームを結合出力ビームとして配向し、
前記第２の結合フィードバック系出力ビームを第１の結合フィードバックビームとして前記角度分散光学素子へ配向して前記放射ビームの波長安定化のために前記放射器へ戻し、
前記第３の結合フィードバック系出力ビームを、第２の結合フィードバックビームとして前記角度分散光学素子へ配向するかまたは前記結合出力ビームの成分として配向する
ように構成されている、
装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くはレーザシステムに関し、より具体的には、狭域レーザビームを安定化する装置および方法ならびにマルチレーザビーム結合に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
稠密波長ビーム結合（ＤＷＢＣ）技術は、複数の入力ビームを空間的に重畳して高出力の単独結合出力ビームを形成する技術である。高出力の結合出力ビームが充分に高い品質を有すること、すなわち、所望の用途に対して充分に小さいビームパラメータ積（ＢＰＰ）を有することを保証するために、ＤＷＢＣ技術では、複数の入力ビームを放射する個別放射器の波長ロックが行われる。波長ロックとは、放射器にその放射の大部分を狭域の波長スペクトル内で放射させることにより、特定の波長を中心として放射器の放射スペクトルを狭めることをいう。ＤＷＢＣ技術により、狭域のスペクトル内の波長の放射の放出を励起する各個別放射器へフィードバックを供給し、これにより望ましくない波長の放射の相対比率を低減することで、波長ロックが達成される。
【０００３】
波長ロックが行われないと、個別放射器は、望ましくない波長の放射を大きな割合で放射する。望ましくない波長の放射は、スペクトル角度分散素子、例えば回折格子によって形成された結合ビームのＢＰＰを増大する。付加的に、望ましくない波長を有する放射は、隣り合う放射器間でのスペクトルクロストークによって、出力に時間変動を誘起しうる。スペクトルクロストークとは、或る個別放射器が放出した放射の一部がフィードバックとして異なる個別放射器へ配向される状況をいう。望ましくない波長で放出される放射のレベルを制限し、これにより波長ロックプロセスの忠実性を増大するために、ＤＷＢＣ技術では波長フィルタリング素子を利用可能である。波長フィルタリング素子は、低出力の入力ビームが外部キャビティを伝搬する際に、この入力ビームから望ましくない波長を有する放射を除去するように構成されている。例えば、波長フィルタリング素子を含むＤＷＢＣ技術および装置は、米国特許出願第１４／０５３１８７号明細書（U.S. Patent Application Serial No.14/053,187）、米国特許出願第１４／０８７９８５号明細書（U.S. Patent Application Serial No.14/087,985）および米国特許出願第１４／５２１４８７号明細書（U.S. Patent Application Serial No.14/521,487）に記載されており、これらの出願は全て引用により本願に組み込まれるものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１４／０５３１８７号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１４／０８７９８５号明細書
【特許文献３】米国特許出願第１４／５２１４８７号明細書
【特許文献４】米国特許第８７２４２２２号明細書
【特許文献５】米国特許第８５５３３２７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
本発明の一実施形態にしたがえば、外部キャビティレーザ装置が提供される。当該外部キャビティレーザ装置は、それぞれ１次成分放射ビームを含みかつ所定の波長を有する複数の放射ビームを集合的に放射する、複数のビーム放射器と、複数の１次成分放射ビームの光路に配置されており、かつ、複数の１次成分放射ビームを、複数の成分入力ビームを含む結合入力ビームへ結合するように構成された角度分散光学素子と、結合入力ビームの光路に配置された第１の偏光光学素子とを含み、この第１の偏光光学素子は、結合入力ビームの複数の成分入力ビームそれぞれの偏光状態を回転させて、複数の回転成分入力ビームを含む回転結合入力ビームを形成し、回転結合入力ビームの複数の回転成分入力ビームそれぞれの反射の偏光状態を回転させて、第１の直線偏光状態を有しかつ複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含む第１の結合フィードバック系出力ビームと、第２の直線偏光状態を有しかつ複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む第２の結合フィードバック系出力ビームとを形成するように構成されている。本発明のこの実施形態による外部キャビティレーザ装置はさらに偏光ビームスプリッタを含み、この偏光ビームスプリッタは、第１の結合フィードバック系出力ビームを結合出力ビームとして配向し、第２の結合フィードバック系出力ビームを第１の結合フィードバックビームとして角度分散光学素子へ配向して、複数の放射ビームの波長安定化のために複数のビーム放射器へ戻すように構成されている。
【０００６】
本発明の別の実施形態にしたがえば、複数の放射器が集合的に放射する複数の放射ビームの波長を安定化させる方法が提供される。当該方法は、複数の放射器により、複数の１次成分放射ビームを集合的に含む複数の放射ビームを放射するステップと、複数の１次成分放射ビームの光路に配置された角度分散光学素子により、複数の１次成分放射ビームを、複数の成分入力ビームを含む結合入力ビームへ結合するステップとを含む。本発明のこの実施形態の方法は、また、第１の偏光光学素子により、結合入力ビームの複数の成分入力ビームを回転させて、複数の回転成分入力ビームを含む回転結合入力ビームを形成するステップと、第１の偏光光学素子により、回転結合入力ビームの複数の回転成分入力ビームを回転させて、第１の直線偏光状態を有しかつ複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含む第１の結合フィードバック系出力ビームと、第２の直線偏光状態を有しかつ複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む第２の結合フィードバック系出力ビームと、を形成するステップと、を含む。本発明のこの実施形態の方法は、さらに、偏光ビームスプリッタにより、第１の結合フィードバック系出力ビームを結合出力ビームとして配向するステップと、偏光ビームスプリッタにより、第２の結合フィードバック系出力ビームを第１の結合フィードバックビームとして角度分散光学素子へ配向して、複数の放射ビームの波長安定化のために複数のビーム放射器へ戻すステップとを含む。
【０００７】
本発明の別の実施形態にしたがえば、外部キャビティレーザ装置が提供される。当該外部キャビティレーザ装置は、それぞれ１次成分放射ビームおよび２次成分放射ビームを含みかつ所定の波長を有する複数の放射ビームを集合的に放射する、複数のビーム放射器と、複数の放射ビームの光路に配置されており、かつ、複数の放射ビームを、１次結合入力ビームおよび２次結合入力ビームを含む結合入力ビームへ結合するように構成された、角度分散光学素子と、１次結合入力ビームの光路に配置された第１の偏光光学素子とを含み、この第１の偏光光学素子は、１次結合入力ビームを回転させて回転１次結合入力ビームを形成し、回転１次結合入力ビームの反射を回転させて、第１の直線偏光状態を有しかつ複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含む第１の結合フィードバック系出力ビームと、第２の直線偏光状態を有しかつ複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む第２の結合フィードバック系出力ビームとを形成するように構成されている。本発明のこの実施形態の外部キャビティレーザ装置は、また、偏光ビームスプリッタを含み、この偏光ビームスプリッタは、１次結合入力ビームを、第１の反射素子で、第１の偏光光学素子を通るように配向し、２次結合入力ビームを第３の結合フィードバック系出力ビームとして反射するように構成された第２の反射素子で、当該２次結合入力ビームを配向し、第１の結合フィードバック系出力ビームを結合出力ビームとして配向し、第２の結合フィードバック系出力ビームを第１の結合フィードバックビームとして角度分散光学素子へ配向して放射ビームの波長安定化のために放射器へ戻し、第３の結合フィードバック系出力ビームを、第２の結合フィードバックビームとして角度分散光学素子へ配向するかまたは結合出力ビームの成分として配向するかのいずれかとなるように構成されている。
【０００８】
本発明を例示の図に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は例示の実施形態に限定されない。ここに説明および／または図示する全ての特徴は、単独でまたは種々に組み合わせて、本発明の実施形態に適用可能である。本発明の種々の実施形態の特徴および利点は、添付図を参照して行う以下の説明を読むことによって明らかとなるであろう。なお、各図には次のことがらが示されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態にしたがい、稠密波長ビーム結合（ＤＷＢＣ）技術によって、それぞれ狭域の波長スペクトルを有する複数のビームを空間的かつ方向的に重畳して含む多波長の単独出力レーザビームを形成する装置を示す図である。
【図２Ａ】水平方向に積層された複数のダイオードバーから形成されるダイオードレーザアレイとしての、外部キャビティレーザ装置に用いられるレーザ源の一構成を示す図である。
【図２Ｂ】水平方向に積層された複数のダイオードバーから形成されるダイオードレーザアレイとしての、外部キャビティレーザ装置に用いられるレーザ源の別の構成を示す図である。
【図３Ａ】垂直方向に積層された複数のダイオードバーから形成されるダイオードレーザアレイとしての、外部キャビティレーザ装置に用いられるレーザ源の一構成を示す図である。
【図３Ｂ】垂直方向に積層された複数のダイオードバーから形成されるダイオードレーザアレイとしての、外部キャビティレーザ装置に用いられるレーザ源の別の構成を示す図である。
【図３Ｃ】垂直方向に積層された複数のダイオードバーから形成されるダイオードレーザアレイとしての、外部キャビティレーザ装置に用いられるレーザ源の別の構成を示す図である。
【図４】２次元で積層された複数のダイオードバーから形成されるダイオードレーザアレイとしての、外部キャビティレーザ装置に用いられるレーザ源の一構成を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態にしたがい、稠密波長ビーム結合（ＤＷＢＣ）技術によって、それぞれ狭域の波長スペクトルを有する複数のビームを空間的かつ方向的に重畳して含む多波長の単独出力レーザビームを形成する装置を示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態にしたがい、稠密波長ビーム結合（ＤＷＢＣ）技術によって、それぞれ狭域の波長スペクトルを有する複数のビームを空間的かつ方向的に重畳して含む多波長の単独出力レーザビームを形成する装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面の詳細な説明
複数の個別入力ビームを単独の結合出力ビームへ結合することに関連する、多様な稠密波長ビーム結合（ＤＷＢＣ）技術および装置をここで説明する。種々の用途に要求される充分に高い出力と充分に高いビーム品質との組み合わせを有する結合出力ビームを形成するためには、相対的に低い出力を有する多数の入力ビームを空間的かつ方向的に正確に重畳して結合する必要がある。幾つかの用途、例えば約１０ｍｍより小さい厚さを有するシート状金属のレーザカットなどの材料処理分野では、５ｍｍ・ｍｒａｄより小さいビーム品質とキロワット領域のレーザ出力とが要求される。ＤＷＢＣ技術および装置では、低出力の入力ビームを放射する個別放射器にフィードバックを供給するように構成された外部共振器キャビティにより、低出力の入力ビームがしばしば空間的かつ方向的に正確に重畳される。しかし、各個別放射器で受信されるフィードバックの量は、外部共振器キャビティのイメージング品質、外部共振器キャビティで用いられる種々の光学素子の反射率および透過率ならびにフィードバックが個別放射器に入射するときに通る面の反射率を含む、複数の要素に強く依存している。
【００１１】
ＤＷＢＣ装置の製造中、ＤＷＢＣ装置が個別放射器に供給するフィードバックの量の変動が種々の源から生じうる。フィードバックが内部共振器キャビティに入射するときに通る面の反射率を制限するために、反射防止（ＡＲ）コーティングを個別放射器の表面に設けることができる。しかし、ＡＲコーティングを設けても、個別放射器の表面は残留反射率を有する。当該残留反射率は、ＡＲコーティングを設けるプロセスおよびＡＲコーティングそのものの結果として、変動を有しうる。また、ＤＷＢＣ装置が供給するフィードバックの量の変動も、製造中または他の期間中に生じる小さな不整合の結果、変動を有しうる。ＤＷＢＣ装置の動作中には各要素が高温となり、このためにＤＷＢＣ装置が供給するフィードバックの量にも変動が生じることがある。
【００１２】
従来技術のＤＷＢＣアーキテクチャは、個別放射器にフィードバックを供給する一定の反射率を有する誘電出力ミラーを基礎としている。しかし、実際には、製造中または動作中または他の期間中に導入された系の変動の結果、個別放射器へ供給されるフィードバックの量が低下して、１つもしくは複数の放射器にスペクトルの不安定な（フリーランニングの）動作モードが生じるおそれがある。その結果、こうした放射器が放射したビームは適正に集積された結合出力ビームとならず、結合出力ビームのビームパラメータ積（ＢＰＰ）が増大する。このため、ＤＷＢＣ装置のパフォーマンスが幾つかの用途にとって許容不能なものとなることがある。
【００１３】
基本的には、製造および動作の許容差に起因するフィードバックの量の低下は、外部フィードバック素子の反射率を増大して必要なスペクトルロックレンジを再取得することで補償可能である。しかし、外部フィードバック素子の有効反射率を増大する自由度を得るには、調整可能なフィードバックレベルを提供できる外部共振器が必要である。本発明の一実施形態によれば、偏光ビーム分割に基づく可変フィードバック系を有するＤＷＢＣ装置が設けられる。ＤＷＢＣ装置において利用される発光レーザダイオードは、典型的に、電界成分が強く横断方向となる偏光（ＴＥ偏光）を生じ、こうしたレーザダイオードが放射する光出力はその僅かな部分しか放射器に戻らず、大部分が結合出力ビームとして外部共振器キャビティ外へ放射される。このような機能は、偏光ビームスプリッタと複屈折光学素子と高反射率（ＨＲ）ミラーとを直列に配置することで達成されうる。
【００１４】
角度分散光学素子を出た結合ビームの直線偏光は、偏光ビームスプリッタを用いて完全に反射させ、フィードバック分岐またはフィードバック系に導入することができる。フィードバック系内で、直線偏光は、複屈折光学素子を介して偏光解消される。偏光解消された光は、非選択の角度周波数モードを除去するための任意の空間周波数フィルタを通して配向可能である。その後、偏光解消された光は、ＨＲミラーで反射され、１／４波長板によって２度目の偏光解消を受ける。偏光解消された光が有する光出力は、１／４波長板での（２度目の）偏光解消後に、直交の直線偏光状態を有する２つの成分から成る結合ビームとして現れる。１／４波長板の回転により、各成分が有する相対光出力を調整することができる。一方の成分が偏光ビームスプリッタを透過し、他方の成分が偏光ビームスプリッタで反射されて複数の個別放射器へ戻るので、外部共振器キャビティの有効反射率を複屈折光学素子の単純な回転によって調整することができる。外部共振器の有効反射率のこの調整能を、種々の装置部品の製造許容差の変動の補償に用いることができ、装置構成に利用される部品のコストを低減できる。また、外部共振器の調整可能な有効反射率により、生産歩留まりも増大できる。
【００１５】
図１には、本発明の一実施形態にしたがい、稠密波長ビーム結合（ＤＷＢＣ）技術によって、複数の個別レーザビームを空間的かつ方向的に重畳して含む多波長の単独出力レーザビームを形成する装置が示されている。ＤＷＢＣ装置１００は、入力形成系１０１、ビーム結合系１０２、アジャスタブルフィードバック系１０３およびビーム分割系１０４を含む。
【００１６】
入力形成系１０１は、結合出力レーザビームの形成に用いられる複数の個別レーザビームそれぞれを形成する手段を提供している。入力形成系１０１が形成する複数の個別レーザビームを、図１の説明においては、外部共振器入力ビームまたは放射ビーム１５１と称する。入力形成系１０１はレーザ源１１１を含み、さらに位置角度変換光学素子１１２および複屈折光学素子１１３を含む。また、これに代えてもしくはこれに加えて、位置角度変換光学素子１１２および複屈折光学素子１１３を、これら双方がその下流の特性、例えばビーム結合器入力ビーム１５２の特性および結合入力ビーム１５３の特性に影響する形態で複数の外部共振器入力ビームまたは放射ビーム１５１と相互作用することから、ビーム結合系１０２および／またはアジャスタブルフィードバック系１０３の一部と見なしてもよい。
【００１７】
ビーム結合系１０２は、図１の説明ではビーム結合器入力ビーム１５２と称している複数の個別レーザビームから多波長の単独結合入力ビームすなわち結合入力ビーム１５３を形成する手段を提供している。ビーム結合系１０２は、角度分散ビーム結合光学素子１１４を含む。図１に示されている実施形態では、角度分散ビーム結合光学素子は、偏光状態依存性の光学素子である。ただし、代替の実施形態では、偏光状態に依存しない光学素子も使用可能である。
【００１８】
アジャスタブルフィードバック系１０３は、図１の説明では結合フィードバック系入力ビームまたは回転結合入力ビーム１５４と称している多波長の結合レーザビームが有する光出力を、それぞれ、複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含む第１の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ａと、複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ｂとに分割する手段を提供する。アジャスタブルフィードバック系１０３は、アジャスタブル複屈折光学素子１１６と高反射率（ＨＲ）ミラー１２１とを含む。任意の手段として、アジャスタブルフィードバック系１０３は、空間フィルタリング素子１１７を含んでもよい。
【００１９】
ビーム分割系１０４は、第１の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ａと第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ｂとを分割する偏光ビームスプリッタ１１５を含む。ビーム分割系１０４は、結合外部共振器出力ビーム１５８を外部共振器外へ配向し、結合フィードバックビーム１５９を角度分散ビーム結合光学素子１１４へ配向する。
【００２０】
図１の実施形態では、入力形成系１０１は、それぞれ単独レーザビームを放射する複数の個別放射器（例えば１１１Ａおよび１１１Ｎ）を含み、これらが集合的にレーザ源１１１を形成している。レーザ源１１１の個別放射器が放射した各個別ビームは、外部共振器入力ビーム１５１の一組成である。簡単化のために、外部共振器入力ビーム１５１は、図１の説明の以下の部分では単に放射ビーム１５１と称する。放射ビーム１５１は、例えば、放射ビーム１５１Ａと放射ビーム１５１Ｎとを含む。
【００２１】
レーザ光源１１１の個別放射器は、ダイオードレーザ、ファイバレーザ、ソリッドステートレーザまたは他のタイプのレーザであってよい。複数の個別放射器は、１次元アレイ、２次元アレイまたは他の種々の構成で配置することができる。例えば、レーザ源１１１は、それぞれ複数の個別ダイオードレーザ放射器を垂直方向または水平方向に積層したダイオードバーから形成されるダイオードレーザアレイであってよい。またレーザ源１１１は、図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａ乃至図３Ｃおよび図４に示されているいずれの構成のダイオードレーザアレイであってもよい。なお、レーザ源１１１はこうした構成には限定されず、ここで説明している実施形態は、種々の代替のレーザ源の構成も利用可能であることを意図するものである。図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａ乃至図３Ｃおよび図４に示されているレーザ源１１１の構成は、幾何学的に積層された構成（幾何学スタック）、光学的に積層された構成（光学スタック）または他の構成のいずれであってもよい。
【００２２】
図１に示されている実施形態では、ダイオードレーザ放射器をレーザ源１１１に用いることができる。ダイオードレーザ放射器（ならびに他のタイプの放射器）は、放射するビームの偏光状態に応じて電界成分が横断方向となる型（ＴＥ型）または磁界成分が横断方向となる型（ＴＭ型）として市販されていることが多い。しかし、製造許容差に起因して、ＴＥ型として市販されているダイオードレーザが僅かなＴＭ成分を含むビームを放射することがあり、逆の場合もある。図１についての以下の論では、レーザ源１１１の各放射器がＴＥ偏光状態を有するビームを放射する、つまり、放射ビーム１５１の組成のＴＭ成分は無視できるものと仮定する。したがって、図１では、放射ビーム１５１は、それぞれＴＥ偏光状態を有する複数の単独波長の個別レーザビームである。
【００２３】
レーザ源１１１の複数の放射器それぞれは、好ましい共振モード成分と代替共振モード成分とを含む組成の放射ビームを放射する。好ましい共振モード成分は、組成ビームを放射するレーザ源１１１の放射器の好ましい共振モードに対応するスペクトル狭帯域内に入る波長を有する光子から成る。代替共振モード成分は、組成ビームを放射するレーザ源１１１の放射器の好ましい共振モードに対応するスペクトル狭帯域外の波長を有する光子から成る。外部共振器を通って伝搬する放射ビーム１５１の組成の代替共振モード成分は、偏光ビームスプリッタ１１５を出ても空間的かつ方向的に重畳されず、代わりに、残留角度スペクトルを有する。したがって、放射ビーム１５１の組成の代替共振モード成分は、結合入力ビーム１５３のＢＰＰおよび結合外部共振器出力ビーム１５８のＢＰＰを増大しうる。系のビーム出力の品質を増大するため、下述するように空間フィルタリング素子１１７をアジャスタブルフィードバック系１０３に組み込むことにより、こうした代替共振モード成分の影響を緩和することができる。
【００２４】
レーザ源１１１の各放射器は、位置角度変換光学素子１１２に対する特定かつ一定の位置を有する。したがって、放射ビーム１５１は、レーザ源１１１の放射器の空間分布に対応する位置スペクトルを有する。例えば、放射ビーム１５１Ａの位置は個別放射器１１１Ａの位置に対応し、一方、放射ビーム１５１Ｎの位置は個別放射器１１１Ｎの位置に対応する。
【００２５】
図１の実施形態には示されていないが、本発明の実施形態は、位置角度変換光学素子１１２との相互作用前に、レーザ源１１１が放射したビームを操作する種々の光学素子を含むことができる。典型的には、ダイオードレーザが放射したビームは非対称のビームプロフィルを有し、つまり、ビームはその伝搬方向に対して垂直に定められた２つの軸線に沿って異なる率で発散する。当該２つの軸は、ビームがより急速に発散する急軸およびビームが比較的緩慢に発散する緩軸として識別できる。ビームのこうした操作は前処理と称することができ、例えば、下流処理が緩軸でなく急軸に沿って行われるようにするビームの回転、急軸に沿ったビームのコリメーション、緩軸に沿ったビームのコリメーションなどが含まれうる。従来技術の種々の文献において、ダイオードレーザ放射器が放射するビームの前処理技術が議論されている。例えば、レーザ源１１１が放射するビームは、米国特許出願第１４／０５３１８７号明細書（U.S. Patent Application Serial No.14/053,187）または米国特許第８７２４２２２号明細書（U.S. Patent No.8,724,222）または米国特許第８５５３３２７号明細書（U.S. Patent No.8,553,327）に記載されているように操作可能であり、これらの出願は全て引用により本願に組み込まれるものとする。
【００２６】
位置角度変換光学素子１１２は、放射ビーム１５１の位置スペクトルをビーム結合器入力ビーム１５２の角度スペクトルへ変換する。図１の実施形態では、ビーム結合器入力ビーム１５２の角度スペクトルは、位置角度変換光学素子１１２に対するビーム結合器入力ビーム１５２の透過角度の集合をいう。位置角度変換光学素子１１２は、放射ビーム１５１それぞれの（レーザ源１１１の放射器の位置に対応する）位置を、ビーム結合系１０２の角度分散光学素子１１４に対する入射角度へ変換する。特に、ビーム結合器入力ビーム１５２の角度スペクトルは、角度分散光学素子１１４に対する入射角度の集合を定める。したがって、ビーム結合器入力ビーム１５２は、レーザ源１１１の放射器と位置角度変換光学素子１１２との空間分布によって定められる角度スペクトルを有する。例えば、位置角度変換光学素子１１２は、放射ビーム１５１Ａの位置を、角度分散光学素子１１４に対するビーム結合器入力ビーム１５２の入射角度へ変換する。
【００２７】
複屈折光学素子１１３は、例えば第２の偏光光学素子と称することもあるが、これは、ビーム結合器入力ビーム１５２の各組成の偏光状態が放射ビーム１５１の対応する成分に対して回転されるよう、放射ビーム１５１の偏光状態を回転させる。図１の実施形態では、複屈折光学素子１１３は、放射ビーム１５１のＴＥ偏光状態を回転させてＴＭ偏光状態を有するビーム結合器入力ビーム１５２を形成する半波長板である。種々の複屈折光学素子を種々の実施形態で使用可能である。
【００２８】
ビーム結合系１０２は、角度分散光学素子１１４を含む。角度分散光学素子１１４は、（位置角度変換光学素子１１２が付与して）ビーム結合器入力ビーム１５２が有する角度スペクトルを波長依存性の角度スペクトルに変換する。角度分散光学素子１１４は、ビーム結合器入力ビーム１５２の各組成の好ましい共振モード成分が、結合入力ビーム１５３の成分として、共通の伝搬方向で角度分散光学素子１１４から出るように、位置角度変換光学素子１１２に対して相対的に配置されている。図１の実施形態では、角度分散光学素子１１４は偏光状態に依存する光学素子であり、特には偏光状態に依存する格子である。しかし、代替の構成において、偏光状態に依存しない光学素子、例えば偏光状態に依存しない格子も使用可能である。結合入力ビーム１５３は、それぞれ放射ビーム１５１の組成に対応する複数の個別の組成のビームを含む結合多波長ビームである。結合入力ビーム１５３は、ＴＭ偏光状態の光出力を有している。
【００２９】
任意の空間フィルタリング素子１１７を含む図１の実施形態では、入力形成系１０１の変換光学素子１１２とビーム結合系１０２の角度分散光学素子１１４と任意の空間フィルタリング素子１１７との相対位置および特性により、外部共振器系を伝搬可能な放射ビーム１５１それぞれの好ましい共振モード成分を選択できる。放射ビーム１５１それぞれの代替共振モード成分は、外部共振器系からフィルタリングによって取り出される。特に、ビーム結合器入力ビーム１５２の各組成の代替共振モード成分は、結合入力ビーム１５３の共通の伝搬方向に対する所定の角度で角度分散光学素子１１４から出て、続いて、アジャスタブルフィードバック系１０３の任意の空間フィルタリング素子１１７でのフィルタリングにより系外へ除去される。
【００３０】
アジャスタブルフィードバック系１０３は、結合フィードバック系入力ビーム１５４を受け取る。結合フィードバック系入力ビーム１５４は、偏光ビームスプリッタ１１５での結合入力ビーム１５３の反射である。偏光ビームスプリッタ１１５は、図１の実施形態では、ＴＭ偏光状態を有するビーム成分を反射し、ＴＥ偏光状態を有するビーム成分を透過するように構成されている。結合フィードバック系入力ビーム１５４は、複数の個別の組成ビームを含む結合多波長レーザビームであり、ここでの複数の個別の組成ビームは（それぞれ放射ビーム１５１の組成に対応し）、ＴＭ偏光状態を有する。アジャスタブルフィードバック系１０３は、結合フィードバック系入力ビーム１５４の偏光状態を回転させて結合空間フィルタ入力ビームまたは回転結合入力ビーム１５５を形成するアジャスタブル複屈折光学素子１１６を含む。図１の実施形態では、アジャスタブル複屈折光学素子１１６は回転可能な１／４波長板であり、これは、結合フィードバック系入力ビーム１５４の偏光状態を回転させてＴＥ偏光状態とＴＭ偏光状態との組み合わせとし、ＴＥ偏光状態とＴＭ偏光状態との間に位相シフトを導入することによって、楕円偏光状態、例えば円偏光状態を有する結合空間フィルタ入力ビームまたは回転結合入力ビーム１５５を形成する。したがって、結合空間フィルタ入力ビームまたは回転結合入力ビーム１５５は、複数の個別の成分ビーム（すなわち回転成分入力ビーム）を含む結合多波長レーザビームであり、ＴＥ偏光状態およびＴＭ偏光状態の組み合わせの光出力を有する。
【００３１】
図１の実施形態では、アジャスタブル複屈折光学素子１１６は、到来するビームの偏光状態を広帯域で色消し回転させる色消し光学素子（特には色消し１／４波長板）である。こうした色消し１／４波長板は、複屈折材料から成る複数のプレートから形成可能である。例えば、アジャスタブル複屈折光学素子１１６は、石英製の第１の薄板とシリコン製の第２の薄板とから、到来するビームの偏光状態を広帯域で色消し回転させるように構成可能である。幾つかの構成形態では、アジャスタブル複屈折光学素子１１６は、外見上別個の複数の要素から形成可能である。ただし、代替の実施形態では、他の種々の複屈折光学素子を利用可能であり、種々の他の材料から形成可能である。こうした代替の光学素子は、結合フィードバック系入力ビーム１５４の偏光状態を制御しうるものであり、その要素は種々の形式のものであってよい。
【００３２】
アジャスタブル複屈折光学素子１１６を初回通過した後、結合空間フィルタ入力ビームまたは回転結合入力ビーム１５５は、ＨＲミラー１２１で反射され、反射された結合空間フィルタ出力ビームとなるかまたは回転結合入力ビームの反射１５６となり、この反射は、相互間に相対位相シフトを有するＴＥ偏光状態およびＴＭ偏光状態の組み合わせの光出力を有する。図１の実施形態では、アジャスタブル複屈折光学素子１１６は、回転結合入力ビームの反射または反射された結合空間フィルタ出力ビーム１５６の偏光状態を回転させ、反射された結合空間フィルタ出力ビーム１５６のＴＥ偏光状態とＴＭ偏光状態との間の位相シフトを消去して、（ＴＥ偏光状態を有する）第１の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ａと、（ＴＭ偏光状態を有する）第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ｂとを形成する。第１の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ａおよび第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ｂは共に、結合フィードバック系出力ビーム１５７を形成する。第１の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ａは複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含み、第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ｂは複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む。第１の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ａが有する光出力と第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ｂが有する光出力との相対量は、アジャスタブル複屈折光学素子１１６の位置調整によって変化させることができる。例えば、図１の実施形態の１／４波長板は、光出力のうち相対的に大きな量または小さな量を結合フィードバック系出力ビーム１５７の種々の成分へ分配するために、回転させることができる。
【００３３】
ビーム分割系１０４は、偏光ビームスプリッタ１１５を含む。偏光ビームスプリッタ１１５は、第１の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ａを（ＴＥ偏光状態の光出力を有する）結合出力ビーム１５８として透過し、第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ｂを（ＴＭ偏光状態の光出力を有する）結合フィードバックビーム１５９として反射することにより、第１の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ａと第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７Ｂとを分割する。実際には、フィードバックとしての返送は、放射ビーム１５１が有する光出力の５０％未満としなければならず、よって、第２の結合フィードバック系出力成分ビーム１５７Ｂ（すなわち結合フィードバックビーム１５９）への配向は、放射ビーム１５１の有する光出力の５０％未満としなければならない。ＤＷＢＣ装置１００の高い動作効率を達成するには、フィードバックとしての返送は、放射ビーム１５１が有する光出力の１５％未満とすることが好ましく、よって、結合フィードバックビーム１５９への配向は、放射ビーム１５１が有する光出力の１５％未満としなければならない。製品試験および実験から、ＤＷＢＣ装置１００の最適動作は、結合フィードバックビーム１５９への配向を、放射ビーム１５１が有する光出力の約４％から約１０％とすると達成されることが判明している。
【００３４】
偏光ビームスプリッタ１１５を出た後、第２の結合フィードバック系出力ビーム１５７ＢのＴＭ偏光状態を有し、空間的かつ方向的に重畳された複数の単独波長ビーム（すなわち第２のフィードバック系出力成分ビーム）を含む結合フィードバックビーム１５９は、角度分散光学素子１１４に入射する。結合フィードバックビーム１５９の空間的かつ方向的に重畳された複数の単独波長ビームは、角度分散光学素子１１４を出ると、この角度分散光学素子１１４が付与した波長依存性の角度スペクトルを共通に有するフィードバックビーム１６０となる。フィードバックビーム１６０は、複屈折光学素子１１３および位置角度変換光学素子１１２を通り、レーザ源１１１へ配向される。複屈折光学素子１１３はフィードバックビーム１６０の各組成の偏光状態を回転させ、位置角度変換光学素子１１２はフィードバックビーム１６０の各組成をレーザ源１１１の個別放射器へ配向する。これにより、結合フィードバックビーム１５９は、放射ビーム１５１の波長安定化のため、レーザ源１１１の複数のビーム放射器へ配向されて戻される。
【００３５】
特に、位置角度変換光学素子１１２は、フィードバックビーム１６０をレーザ源１１１へ結像する。特に、角度分散光学素子１１４がフィードバックビーム１６０に付与した波長依存性の角度スペクトルを好ましい共振モードの波長とレーザ源１１１の各放射器の空間位置との集合に対応する波長位置スペクトルへ変換することにより、位置角度変換光学素子１１２は、フィードバックビーム１６０の各組成を、レーザ源１１１の個別放射器へ配向する。このようにして、フィードバックビーム１６０の各組成は、放射ビーム１５１の対応する組成を放射したレーザ源１１１の各放射器に配向される。その結果、外部共振器の選択波長に適合する放射が行われるよう、レーザ源１１１の各放射器（またはチャネル）が放射ビーム１５１の組成の波長を調整する。各チャネルが単独の波長に調整されるが、この構成は、複数のチャネルが同波長の複数のビームを放射する可能性を排除しない。例えば、レーザ源１１１がダイオードバーの積層体である場合、種々のダイオードバーから成る個別放射器は同じ波長のビームを放射することができる。
【００３６】
上述したように、任意の空間フィルタリング素子１１７を、代替共振モード成分の影響を緩和してビーム品質を高めるために、アジャスタブルフィードバック系１０３に集積することができる。図１に示されている実施形態では、空間フィルタリング素子１１７は、アジャスタブル複屈折光学素子１１６とＨＲミラー１２１との間の光路に沿ったアパーチャ１１９の側辺の周囲に配置された２つの位置角度変換光学素子１１８，１２０を含む。アパーチャ１１９は、（結合入力ビーム１５３に由来する）結合空間フィルタ入力ビーム（または回転結合入力ビーム）１５５の共通の伝搬方向を有するビームのみを通過させることで、放射ビーム１５１の各組成の代替共振モード成分をフィルタリングする。２つの位置角度変換光学素子１１８，１２０は、代替共振モード成分が有する角度スペクトルを（結合空間フィルタ入力ビーム１５５の共通の伝搬方向に対して）増倍することによって（これにより当該成分がアパーチャ１１９を通過しないことが保証され）、アパーチャ１１９が代替共振モード成分をフィルタリング除去する際の忠実性を高める。このようにして、放射ビーム１５１の組成のうちの代替共振モード成分が結合出力ビーム１５８から除去される。こうして、代替共振モード成分がレーザ源１１１の放射器にフィードバックとして到達することが阻止され、これにより、スペクトルクロストークの発生が防止される。
【００３７】
代替の構成では、空間フィルタリング素子１１７は、導波構造体、勾配層を有するミラーセット、または望ましくない代替共振モード成分をフィルタリングによって除去可能な他の１つの素子または複数の素子のセットであってよい。図１の実施形態に代わる形態として、放射ビーム１５１の各組成の代替共振モード成分を、空間フィルタリング素子１１７を使用せずに、角度分散光学素子１１４を充分に長い光路によってＨＲミラー１２１から分離して除去することもできる。こうした形態では、角度分散光学素子１１４を出た後、代替共振モード成分が、高反射率ミラー１２１に到達する前に、結合入力ビーム１５３（ひいては結合フィードバック系入力ビーム１５４および回転結合入力ビーム１５５）の光路から発散してしまうため、反射されない。当該代替の実施形態では、例えばアパーチャ、導波構造体、勾配層を有するミラーセットなどを含む空間フィルタリング素子１１７を省略可能である。
【００３８】
図２Ａ，図２Ｂは、外部キャビティレーザ装置に使用されるレーザ源の、ダイオードバーを水平方向に積層して形成されたダイオードレーザアレイの構成が示されている。図２Ａ，図２Ｂの双方に、それぞれｍ個の個別ダイオードレーザ放射器を含むＮ個のダイオードバーの水平方向の積層体から形成された、ｍ・Ｎ個のダイオードレーザのアレイとしてのレーザ源が示されている。図２Ａ，図２Ｂに示されているレーザ源の構成は、幾何学的に積層された構成（幾何学スタック）、光学的に積層された構成（光学スタック）または複数のビームを構成する他の手段のいずれであってもよい。図２Ａに示されている構成では、ダイオードレーザ２００Ａのアレイのｍ個の個別放射器それぞれは、水平の積層方向に対して平行な緩軸を有する。結合軸が放射器の緩軸に対して平行である場合、ダイオードレーザ２００Ａのアレイとして構成されたレーザ源を含むＤＷＢＣレーザ装置が形成する結合出力ビームのプロフィルは、ブロック２０１Ａで示されているようになる。図２Ｂに示されている構成では、ダイオードレーザ２００Ｂのアレイのｍ個の個別放射器それぞれは、水平の積層方向に対して平行な急軸を有する。結合軸が放射器の緩軸に対して平行である場合、ダイオードレーザ２００Ｂのアレイとして構成されたレーザ源を含むＤＷＢＣレーザ装置が形成する結合出力ビームのプロフィルは、ブロック２０１Ｂで示されているようになる。ただし、図２Ａに示されている構成によってプロフィル２０１Ｂを有する結合出力ビームを形成することもできるし、図２Ｂに示されている構成によってプロフィル２０１Ａを有する結合出力ビームを形成することもできる。また、適切な変換光学素子、例えばビームロテータまたはビームツイスタを用いて、図２Ａに示されている構成によりプロフィル２０１Ｂを有する結合出力ビームを形成することもできるし、図２Ｂに示されている構成によりプロフィル２０１Ａを有する結合出力ビームを形成することもできる。
【００３９】
図３Ａ，図３Ｂおよび図３Ｃには、外部キャビティレーザ装置に使用されるレーザ源の、ダイオードバーを垂直方向に積層して形成されたダイオードレーザアレイの構成が示されている。図３Ａ，図３Ｂおよび図３Ｃの全てに、それぞれｍ個の個別ダイオードレーザ放射器を有するＮ個のダイオードバーの垂直方向の積層体から形成された、ｍ・Ｎ個のダイオードレーザのアレイとしてのレーザ源が示されている。図３Ａ，図３Ｂおよび図３Ｃに示されているレーザ源の構成は、幾何学的に積層された構成（幾何学スタック）、光学的に積層された構成（光学スタック）または複数のビームを構成する他の手段のいずれであってもよい。図３Ａに示されている構成では、ダイオードレーザ３００Ａのアレイのｍ個の個別放射器それぞれは、垂直の積層方向に対して垂直な緩軸を有する。結合軸が放射器の緩軸に対して平行である場合、ダイオードレーザ３００Ａのアレイとして構成されたレーザ源を含むＤＷＢＣレーザ装置が形成する結合出力ビームのプロフィルは、ブロック３０１Ａで示されているようになる。図３Ｂに示されている構成では、ダイオードレーザ３００Ｂのアレイのｍ個の個別放射器それぞれは、垂直の積層方向に対して平行な急軸を有する。結合軸が放射器の急軸に対して平行である場合、ダイオードレーザ３００Ｂのアレイとして構成されたレーザ源を含むＤＷＢＣレーザ装置が形成する結合出力ビームのプロフィルは、ブロック３０１Ｂで示されているようになる。図３Ｃに示されている構成では、ダイオードレーザ３００Ｃのアレイのｍ個の個別放射器それぞれは、垂直の積層方向に対して垂直な急軸を有する。結合軸が放射器の急軸に対して平行である場合、ダイオードレーザ３００Ｃのアレイとして構成されたレーザ源を含むＤＷＢＣレーザ装置が形成する結合出力ビームのプロフィルは、ブロック３０１Ｃで示されているようになる。ただし、図３Ａ乃至図３Ｃに示されている種々の構成では、適切な変換光学素子、例えばビームロテータを用いて、種々異なるプロフィルを有する結合出力ビームを形成することもできる。こうした変換光学素子およびこの素子が実行可能な変換は、例えば米国特許第８５５３３２７号明細書（U.S. Patent No.8,553,327）に示されており、この文献は引用により本願に組み込まれるものとする。
【００４０】
図４には、外部キャビティレーザ装置に使用されるレーザ源の、ダイオードバーを２次元で積層して形成されたアレイの構成が示されている。図４には、それぞれｍ個の個別放射器を含むＮ個のダイオードバーを３列に配置したアレイ４００としてのレーザ源が示されている。言い換えれば、アレイ４００は、Ｎ個のダイオードバーを３個垂直方向に積層した水平方向の積層体、またはこれに代えて、３個のダイオードバーをＮ個水平方向に積層した垂直方向の積層体を含む。図４に示されている構成では、３・ｍ・Ｎ個の個別ダイオード放射器それぞれが、水平の積層方向に対して平行な急軸を有する。図４に示されているレーザ源の構成は、幾何学的に積層された構成（幾何学スタック）、光学的に積層された構成（光学スタック）または複数のビームを構成する他の手段のいずれであってもよい。結合軸が放射器の緩軸に対して平行である場合、アレイ４００として構成されたレーザ源を含むＤＷＢＣレーザ装置が形成する結合出力ビームのプロフィルは、ブロック４０１で示されているようになる。ただし、放射器が水平の積層方向に対して垂直にアライメントされた急軸、すなわち、垂直の積層方向に対して平行にアライメントされた急軸を有する場合、図４に示されている構成により、異なるプロフィルを有する結合出力ビームを形成することもできる。さらに、図４に示されている構成では、適切な変換光学素子、例えばビームロテータを用いて、種々異なるプロフィルを有する結合出力ビームを形成することもできる。こうした変換光学素子およびこの素子が実行可能な変換は、例えば米国特許第８７２４２２２号明細書（U.S. Patent No.8,724,222）および米国特許第８５５３３２７号明細書（U.S. Patent No.8,553,327）に示されている。
【００４１】
ここで提案している波長安定化および結合装置は、あらゆる種類の積層レーザダイオードバーに関連して用いることができる。したがって、個別ビームは、個々のバーの放射器アレイの次元に沿った方向またはこれに対して垂直な方向の双方で結合可能である。結果として、得られる結合ビームは、仮想のバーまたは仮想の放射器のいずれかのアピアランスを有することができる。幾つかの用途では、ビーム結合プロセスの後に所望のビーム品質を取得するために、複数のダイオードバーの水平方向での積層が要求される仮想の放射器で終端することが望ましい。従来のブロードエリアダイオードレーザバー（ＢＡＬ）を水平方向に積層したアレイの場合、典型的には、その緩軸（ＳＡ）に沿って全ての個別放射器が結合されるはずである。しかし、幾つかの用途では、この結合スキーマは、各放射器の緩軸に沿ったビームの品質がすでに所望の値に近い（〜３ｍｍ・ｍｒａｄ）という欠点を有する。したがって、線幅の超過および光学収差に起因するビーム品質の劣化が、５ｍｍ・ｍｒａｄファイバへの効率的な結合を制限しかねないさらなるビーム品質の劣化を生じさせることがある。ブロードエリアダイオードバーでは、個別放射器を伝搬軸に関して９０°回転させるマイクロ光学ビームロテータを用いて、この問題を解決可能である。この場合、ビームの結合は放射器の所望の軸に沿った方向で行うことができ、これにより、ビーム品質の僅かな劣化は生じるが、２ｍｍ・ｍｒａｄより小さいビームパラメータ積を有するビームを形成可能となる。なお、代替のダイオードレーザバーのアーキテクチャ、例えばシングルモードダイオードレーザアレイ、スラブカプルドオプティカルウェーブガイドレーザアレイ（ＳＣＯＷＬ）またはローテイテッドシングルエミッタＢＡＬアレイなどが用いられる場合、ビーム回転用のマイクロ光学素子を省略でき、放射ビームを直接に波長ビーム結合に使用できる。
【００４２】
図５には、本発明の別の実施形態にしたがい、稠密波長ビーム結合（ＤＷＢＣ）技術によって、それぞれ狭域の波長スペクトルを有する複数のビームを空間的かつ方向的に重畳して含む多波長の単独出力レーザビームを形成する装置が示されている。図５に示されているＤＷＢＣ装置５００は、図１に示されているのとほぼ全て同じ要素を含む。ただし、図５に示されている実施形態では、外部共振器入力ビームまたは放射ビーム１５１は、その光出力の大半を（ＴＭ偏光状態の）１次外部共振器成分放射ビーム１６１として有するものの、光出力のうち無視できない量を（ＴＥ偏光状態の）２次外部共振器成分放射ビーム１７１として有する。２次外部共振器成分放射ビーム１７１は、製造中の実装プロセスにおける、製造プロセスおよび動作条件の小さい変動から、ならびに個別放射器への外部ストレスから、生じることがある。こうした外部ストレスは、製造プロセスにおけるダイオードバーのハードソルダリングから生じうる。ハードソルダリングされたダイオードバーは、長期の動作安定性を提供するが、ハードソルダリング実装プロセス中に生じる機械的応力は、放射ビームのおよそ１０％乃至２０％の偏光解消をまねきうる（すなわち放射ビームの光出力の１０％乃至２０％が、放射ビームの残りの光出力を有する偏光状態に直交する偏光状態で含まれる）。
【００４３】
２次外部共振器成分放射ビーム１７１に含まれる光出力を利用するため、ＤＷＢＣ装置５００は、ビーム再利用装置５０５を用いる。ビーム再利用装置５０５は、２次外部共振器成分放射ビーム１７１を結合外部共振器出力ビーム１５８へ結合する手段を提供する。ビーム再利用装置５０５は、複屈折光学素子５１１と高反射率（ＨＲ）ミラー５１２とを含む。
【００４４】
図５に示されている実施形態では、外部共振器入力ビーム１５１がレーザ源１１１の複数の個別放射器によって放射される。簡単化のために、外部共振器入力ビーム１５１は、図５の説明の以下の部分では単に放射ビーム１５１と称する。放射ビーム１５１は、例えば、放射ビーム１５１Ａと放射ビーム１５１Ｎとを含む。図５に示されている実施形態では、放射ビーム１５１は、（ＴＭ偏光状態を有する）１次外部共振器成分放射ビーム１６１および（ＴＥ偏光状態を有する）２次外部共振器成分放射ビーム１７１の双方の光出力を有する。１次外部共振器成分放射ビーム１６１および２次外部共振器成分放射ビーム１７１の対応する偏光状態は、例えば図１の複屈折素子１１３などの複屈折素子により、レーザ源が放射する光出力の回転の結果であってよい。図５に示されているように、ＴＭ偏光された１次外部共振器成分放射ビーム１６１と、ＴＥ偏光された２次外部共振器成分放射ビーム１７１との双方を含む放射ビーム１５１は、角度分散光学素子５１４に対する角度スペクトルを有する。
【００４５】
（図１の角度分散光学素子１１４に代えて用いられている）角度分散光学素子５１４は、ＴＭ偏光された１次外部共振器成分放射ビーム１６１とＴＥ偏光された２次外部共振器成分放射ビーム１７１とが有する角度スペクトルを波長依存性の角度スペクトルへ変換する。図５に示されている実施形態では、角度分散光学素子５１４は、偏光状態につき不感の光学素子、特に、偏光状態につき不感の格子である。角度分散光学素子５１４は、１次外部共振器成分放射ビーム１６１の各組成および２次外部共振器成分放射ビーム１７１の各組成の好ましい共振モード成分が共通の伝搬方向で結合入力ビーム１５３の成分として角度分散光学素子５１４を出るように、配置されている。結合入力ビーム１５３は、それぞれ放射ビーム１５１の組成に対応する複数の個別組成ビームを含む結合多波長ビームである。結合入力ビーム１５３は、（外部共振器成分放射ビーム１６１に対応する）ＴＭ偏光された１次結合入力ビーム１６３と（外部共振器成分放射ビーム１７１に対応する）ＴＥ偏光された２次結合入力ビーム１７３との双方の光出力を有する。
【００４６】
偏光ビームスプリッタ１１５は、１次結合入力ビーム１６３を結合１次フィードバック系入力ビーム１６４として反射し、２次結合入力ビーム１７３を結合ビーム再利用装置入力ビーム１８４として透過することにより、結合入力ビーム１５３を分割する。結合１次フィードバック系入力ビーム１６４は、それぞれ成分放射ビーム１６１の組成に対応する複数の個別組成ビームを含む結合多波長レーザビームであって、ＴＭ偏光状態を有する。結合ビーム再利用装置入力ビーム１８４は、それぞれ成分放射ビーム１７１の組成に対応する複数の個別組成ビームを含む結合多波長レーザビームであって、ＴＥ偏光状態を有する。
【００４７】
図５の結合１次フィードバック系入力ビーム１６４は、図１の結合フィードバック系入力ビーム１５４と同様に、アジャスタブル複屈折光学素子１１６および高反射率（ＨＲ）ミラー１２１と相互作用する。アジャスタブル複屈折光学素子１１６を初回通過して、ＨＲミラー１２１で反射され、アジャスタブル複屈折光学素子１１６を２回目に通過した後、アジャスタブル複屈折光学素子１１６を出る結合１次フィードバック系入力ビーム１６４が有する光出力は、（ＴＥ偏光状態を有する）第１の結合フィードバック系出力ビーム１６７Ａと、（ＴＭ偏光状態を有する）第２の結合フィードバック系出力ビーム１６７Ｂとを有する。複数の第１のフィードバック系出力成分ビームを含む第１の結合フィードバック系出力ビーム１６７Ａと、複数の第２のフィードバック系出力成分ビームを含む第２の結合フィードバック系出力ビーム１６７Ｂとは共に、結合１次フィードバック系出力ビーム１６７を形成する。第１の結合フィードバック系出力ビーム１６７Ａが有する光出力と第２の結合フィードバック系出力ビーム１６７Ｂが有する光出力との相対量は、アジャスタブル複屈折光学素子１１６の位置調整によって変化させることができる。
【００４８】
図５に示されている実施形態では、任意の空間フィルタリング素子１１７が、アジャスタブル複屈折光学素子１１６とＨＲミラー１２１との間に配置されている。図５の任意の空間フィルタリング素子１１７は、図１に関連して上述したのと同様に、代替共振モード成分の影響を緩和することにより、ビーム品質を高める。
【００４９】
偏光ビームスプリッタ１１５は、図１の実施形態において偏光ビームスプリッタ１１５が第１の結合フィードバック系出力成分ビーム１５７Ａと第２の結合フィードバック系出力成分ビーム１５７Ｂとを分割するのと同様に、図５の実施形態の第１の結合１次フィードバック系出力ビーム１６７Ａと第２の結合１次フィードバック系出力ビーム１６７Ｂとを分割する。よって、第１の結合１次フィードバック系出力ビーム１６７Ａが結合外部共振器出力ビーム１５８の成分として透過され、第２の結合フィードバック系出力ビーム１６７Ｂが結合フィードバックビーム１５９として反射される。結合フィードバックビーム１５９は、図１の実施形態を結合フィードバックビーム１５９が伝搬するのと同様に、図５の実施形態を伝搬する。結合フィードバックビーム１５９が有する光出力は、最終的には、放射ビーム１５１を放射する複数の放射器へのフィードバックとして供給される。
【００５０】
結合ビーム再利用装置入力ビーム１８４は、複屈折光学素子５１１を通過し、ＨＲミラー５１２で反射されて、複屈折光学素子５１１を通過して戻る。結合ビーム再利用装置入力ビーム１８４が有する光出力は、複屈折光学素子５１１を通過するたびに回転され、これにより、当該ビームは当該光学素子を結合ビーム再利用装置出力ビーム１７７として出る。ここでの結合ビーム再利用装置出力ビーム１７７は第３の結合フィードバック系出力ビームと称されることもあり、図５に示されている実施形態では、ＴＭ偏光状態としての光出力を有する結合多波長レーザビームである。結合ビーム再利用装置出力ビームは、偏光ビームスプリッタ１１５により反射され、結合外部共振器出力ビーム１５８の成分となる。
【００５１】
図６には、本発明の別の実施形態にしたがい、稠密波長ビーム結合技術によって、それぞれ狭域の波長スペクトルを有する複数のビームを空間的かつ方向的に重畳して含む多波長の単独出力レーザビームを形成する装置が示されている。図６に示されているＤＷＢＣ装置６００は、図１に示されているのと同じ多数の要素を含む。ただし、図５の実施形態と同様に、図６の実施形態においても、外部共振器入力ビームまたは放射ビーム１５１は、その光出力の大半を（ＴＭ偏光状態の）１次外部共振器成分放射ビーム１６１として有するものの、光出力のうち無視できない量を（ＴＥ偏光状態の）２次外部共振器成分放射ビーム１７１として有する。図５と同様に、（偏光状態につき不感の光学素子である）角度分散光学素子５１４が角度分散光学素子１１４に代えて用いられている。
【００５２】
２次外部共振器成分放射ビーム１７１として含まれる光出力を利用するため、ＤＷＢＣ装置６００は、第２のフィードバック系６０５を用いている。第２のフィードバック系６０５は、２次外部共振器成分放射ビーム１７１を結合フィードバックビーム１５９へ結合する手段を提供する。第２のフィードバック系６０５は、空間フィルタリング素子６１１と高反射率（ＨＲ）ミラー６１０，６１５とを含む。
【００５３】
図６の実施形態では、外部共振器放射ビーム１５１がレーザ源、例えば図１のレーザ源１１１の複数の個別放射器から放射される。簡単化のために、外部共振器放射ビーム１５１は、図６の説明の以下の部分では単に放射ビーム１５１と称する。放射ビーム１５１は、例えば、入力ビーム１５１Ａと入力ビーム１５１Ｎとを含む。図６に示されている実施形態では、（ＴＭ偏光状態を有する）１次外部共振器成分放射ビーム１６１および（ＴＥ偏光状態を有する）２次外部共振器成分放射ビーム１７１の双方の光出力を有する。
【００５４】
図６の１次外部共振器成分放射ビーム１６１は、図５のＤＷＢＣ装置５００を伝搬するのと同様に、ＤＷＢＣ装置６００を伝搬する。したがって、図６の１次外部共振器成分放射ビーム１６１が有する光出力は、最終的には、結合外部共振器出力ビーム１５８と第１の結合フィードバックビーム１６９とに分割される。
【００５５】
図６の２次外部共振器成分放射ビーム１７１は、２次結合入力ビーム１７３として偏光ビームスプリッタ１１５に到達するまで、図５のＤＷＢＣ装置５００を伝搬するのと同様に、ＤＷＢＣ装置６００を伝搬する。図６では、２次結合入力ビーム１７３は、偏光ビームスプリッタを、結合２次フィードバック系入力ビーム１７４として透過する。結合２次フィードバック系入力ビーム１７４は、それぞれＴＥ偏光された複数の組成ビームから成る結合多波長ビームである。
【００５６】
図６に示されている実施形態では、任意の空間フィルタリング素子６１１は、図１の任意の空間フィルタリング素子１１７に関連して上述したのと同様に、代替共振モード成分の影響を緩和することにより、ビーム品質を高める。任意の空間フィルタリング素子６１１は、ＨＲミラー６１０，６１５間の光路に沿ったアパーチャ６１３の側辺の周囲に配置された２つの位置角度変換光学素子６１２，６１４を含む。アパーチャ６１３は、（２次結合入力ビーム１７３から受け継いだ）結合２次フィードバック系入力ビーム１７４の共通の伝搬方向を有するビームのみ通過させることで、２次外部共振器成分放射ビーム１７１の各組成の代替共振モード成分をフィルタリング除去する。２つの位置角度変換光学素子６１２，６１４は、代替共振モード成分が有する角度スペクトルを（結合２次フィードバック系入力ビーム１７４の共通の伝搬方向に対して）増倍することにより、アパーチャ６１３が代替共振モード成分をフィルタリング除去する際の忠実性を高める（これにより当該成分がアパーチャ６１３を通過しないことが保証される）。このようにして、２次外部共振器成分放射ビーム１７１の組成のうち代替共振モード成分が、結合２次フィードバック系出力ビームまたは第３の結合フィードバック系出力ビーム１７７から除去される。
【００５７】
代替の構成では、空間フィルタリング素子６１１は、導波構造体、勾配層を有するミラーセット、または望ましくない代替共振モード成分をフィルタリング除去可能な他の素子または素子のセットであってよい。代替の構成では、２次外部共振器成分放射ビーム１７１の各組成の代替共振モード成分を、空間フィルタリング素子６１１を使用せずに、角度分散光学素子５１４を充分に長い光路によってＨＲミラー６１５から分離して除去することもできる。こうした形態では、角度分散光学素子５１４を出た後、代替共振モード成分が、ＨＲミラー６１５に到達する前に２次結合入力ビーム１７３（ひいては結合２次フィードバック系入力ビーム１７４）の光路から発散してしまうため、反射されない。
【００５８】
空間フィルタリング素子６１１を通過した後、結合２次フィードバック系入力ビーム１７４は、ＨＲミラー６１５で反射されて戻り、空間フィルタリング素子６１１を通過し、その後、ＨＲミラー６１０で反射されて、結合２次フィードバック系出力ビームまたは第３の結合フィードバック系出力ビーム１７７として偏光ビームスプリッタ１１５へ戻る。図６の第３の結合フィードバック系出力ビーム１７７は、ＴＥ偏光された複数の組成ビームを空間的かつ方向的に重畳して形成された結合多波長レーザビームである。第３の結合フィードバック系出力ビーム１７７は、偏光ビームスプリッタ１１５を、第２の結合フィードバックビーム１７９として透過する。第２の結合フィードバックビーム１７９は、ＴＥ偏光状態の光出力を有する。第２の結合フィードバックビーム１７９に含まれる光出力は（図１に示されているＤＷＢＣ装置１００を結合フィードバックビーム１５９が伝搬するのと同様にＤＷＢＣ装置６００を伝搬することにより）、最終的にはフィードバックとして、放射ビーム１５１を放射する複数の放射器へ供給される。
【００５９】
実際には、フィードバックとしての返送は、放射ビーム１５１の光出力の５０％未満としなければならず、よって、第１の結合フィードバックビーム成分１６９および第２のフィードバックビーム成分１７９の組み合わせ（ひいては結合フィードバックビーム１５９）への配向は、放射ビーム１５１が有する光出力の５０％未満としなければならない。ＤＷＢＣ装置１００の高い動作効率を達成するには、フィードバックとしての返送は、放射ビーム１５１が有する光出力の１５％未満とすることが好ましく、よって、結合フィードバックビーム１５９への配向は、放射ビーム１５１が有する光出力の１５％未満としなければならない。製品試験および実験から、ＤＷＢＣ装置１００の最適動作は、結合フィードバックビーム１５９への配向を、放射ビーム１５１が有する光出力の約４％から約１０％とすると達成されることが判明している。図６に示されている実施形態では、第２のフィードバックビーム成分１７９が有する光出力の量は、放射ビーム１５１を放射する個別放射器の偏光解消度の関数である。したがって、所望のフィードバック量を得るために、アジャスタブル複屈折光学素子１１６が、第１の結合１次フィードバック系出力ビーム成分１６７Ａの有する光出力と第２の結合１次フィードバック系出力ビーム成分１６７Ｂの有する光出力との相対量によって放射ビーム１５１を放射する個別放射器への全フィードバックのうち所望の量が送出されるように調整される。
【００６０】
このように、本発明の他の構成では上述した例と詳細が異なっていてもよいことを理解されたい。なお、本発明での全ての言及は、明細書の該当箇所において論ずべき本発明の特定の例の説明を意図したものであって、本発明の範囲に対するより一般的ないかなる限定も意味しない。或る特徴に対する対比および差別化に関する全ての語句は当該特徴を優先しないことを表す意図のものであるが、格別のことわりがないかぎり、本発明の範囲からの完全な排除を意図しない。
【００６１】
特許請求の範囲で使用されている語は、上述の説明に合致する最も広い合理的な解釈を有するものと解すべきである。例えば、要素に冠される「１つの」または「前記１つの」なる語の使用は、複数の要素を排除するものと解釈されてはならない。同様に、「または」の言及は、文脈または上述した説明からＡおよびＢのうち一方のみを意味することが明らかである場合を除き、「ＡまたはＢ」の言及が「ＡおよびＢ」を排除しないよう、包括的に解釈されるべきである。また、「Ａ，ＢおよびＣの少なくとも１つ」は、Ａ，Ｂ，Ｃから成る要素群のうち１つまたは複数と解釈されるべきであり、Ａ，Ｂ，Ｃがカテゴリとして関係しているかまたは他の形態で関係しているかにかかわらず、列挙された要素Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ少なくとも１つずつ要すると解釈されてはならない。さらに、「Ａ，Ｂおよび／またはＣ」または「Ａ，ＢまたはＣ」とは、列挙された要素の単独のエンティティ、例えばＡ、または列挙された要素のあらゆる部分集合、例えばＡおよびＢ、または列挙された要素リストの全てＡ，Ｂ，Ｃのいずれも含むものと解釈されるべきである。
【００６２】
したがって、本発明は、適用法に基づいて以下に添付する特許請求の範囲に言及されている発明特定事項の全ての修正物および等価物を含む。また、格別のことわりがないかぎりまたは文脈から明らかに導かれるのでないかぎり、上述した要素およびその全ての可能の変形形態のあらゆる組み合わせが本発明に含まれる。
【図１】
2018518048.tif 000003
【図２Ａ】
2018518048.tif 000004
【図２Ｂ】
2018518048.tif 000005
【図３Ａ】
2018518048.tif 000006
【図３Ｂ】
2018518048.tif 000007
【図３Ｃ】
2018518048.tif 000008
【図４】
2018518048.tif 000009
【図５】
2018518048.tif 000010
【図６】
2018518048.tif 000011
【国際調査報告】
2018518048.tif 000012
2018518048.tif 000013