JP7080971B2 - マルチｋＷクラスの青色レーザーシステム - Google Patents

Description

本出願は米国特許法第３５条§１１９（ｅ）（１）に基づき、２０１７年１１月１日に提出された米国仮出願２／５８０，４１９の提出日の利益を主張し、その開示全体は参照により本出願明細書に組み入れられる。

本発明は、より短い波長、例えば、約３５０ｎｍ～約７００ｎｍの波長のレーザーエネルギーを提供する高出力レーザーシステム、ならびに材料処理およびレーザー溶接用途を含む、これらのシステムおよびレーザービームの使用に関する。

赤外線レッド（ＩＲ）ベース（例えば、７００ｎｍを超える波長、特に１０００ｎｍを超える波長を有する）の付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システムは、とりわけ、２つの短所、すなわち製造量と製造スピードの両方を制限するという短所がある。

本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、「ＵＶ」、「紫外線」、「ＵＶスペクトル」、および「スペクトルのＵＶ部分」および同様の用語は、それらの最も広い意味を与えられるべきであり、約１０ｎｍから約４００ｎｍ、および１０ｎｍから４００ｎｍの波長のものを含む。

本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、「高出力」、「マルチキロワット」、および「マルチｋＷ」のレーザー、レーザービーム、および同様のそのような用語は、少なくとも１ｋＷのパワー（低出力ではない、たとえば１ｋＷ以上）、少なくとも２ｋＷ（たとえば、２ｋＷ以上）であり、少なくとも３ｋＷ（たとえば、３ｋＷ以上）、１ｋＷ超、２ｋＷ超、３ｋＷ超、約１ｋＷから約３ｋＷ、約１ｋＷから約５ｋＷ、約２ｋＷから約１０ｋＷおよびこれらの範囲内並びにより大きな出力であるレーザービーム及びそれらを提供し又は伝播するシステムを意味し、それらを含む。

本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、「可視」、「可視スペクトル」、および「スペクトルの可視部分」という用語および同様の用語は、それらの最も広い意味を与えられるべきであり、約３８０ｎｍから約７５０ｎｍ、および４００ｎｍから７００ｎｍの光を含む。

本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、「青色レーザービーム」、「青色レーザー」、および「青色」という用語は、最も広い意味を与えられるべきであり、約４００ｎｍから約４９５ｎｍまでの波長を有する光又はレーザーを提供する（例えば、伝播する）ダイオードレーザーなどの光源、レーザービーム、レーザーを提供するシステムを指す。

本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、「緑色レーザービーム」、「緑色レーザー」、および「緑色」という用語は、最も広い意味を与えられるべきであり、概ね、約４９５ｎｍ～約５７０ｎｍの波長を有する光を提供する（例えば、伝播させる）レーザーおよびダイオードレーザーなどの光源レーザービーム、レーザービーム、レーザーを提供するシステムを指す。

一般に、本明細書で使用される「約」という用語は、別段の指定がない限り、±１０％の変動または範囲、規定値の取得に関連する実験または機器の誤差、好ましくはこれらの大きい方を含むことを意味する。

本明細書で使用する場合、別段の指定がない限り、値の範囲、約「ｘ」から約「ｙ」までの範囲、および同様のそのような用語および数量化の列挙には、その範囲内に入る各項目、機能、値、量、または数量が含まれる。本明細書で使用される場合、別段の指定がない限り、範囲内の個々のすべての点は、本明細書に組み込まれ、あたかも個別に本明細書に記載されているかのように、本明細書の一部である。

この「背景技術」の項は、本発明の実施形態に関連し得る技術の様々な態様を紹介することを意図している。したがって、この項での前述の議論は、本発明をよりよく理解するためのフレームワークを提供し、先行技術の承認として見なされるべきではない。

本発明は、技術を進歩させ、高出力の青色、青緑色および緑色レーザーを提供および利用するという長年のニーズを解決し、ＩＲ付加製造システムとプロセスに関する長年の問題の解決策を提供し、付加製造プロセスとシステムがより普及するように、これらと他の長い間感じられていたニーズ、そして将来のニーズに対処する。本発明は、とりわけ、技術を進歩させ、本明細書に開示、教示される製品、デバイス、およびプロセスを提供することによって、これらの問題および必要性を解決する。

先ず、５０～２００μｍのファイバに１００ワット超のレーザービームを発射する青色（４００ｎｍ～４９５ｎｍ）レーザーダイオードシステムが提供される。

さらに、１５０μｍのファイバに１０００ワット超のレーザービームを発射する高出力青色（４００ｎｍ～４９５ｎｍ）レーザーダイオードシステムが提供される。

加えて、ラマンファイバレーザーをポンピングしまたは材料を処理するたとえば、溶接、切断、クラッディング、および３Ｄ印刷などをするための約５ｍｍ-ｍｒａｄのビームパラメーター積を有する高出力青色レーザーダイオードシステムが提供される。

さらに、ラマンファイバレーザーを励起し材料を処理するために使用することができる、約１０ｍｍ-ｍｒａｄのビームパラメーター積を有する高出力青色レーザーダイオードシステムが提供される。

また、高出力ラマンレーザーシステムをポンピングし材料を処理するために使用することができる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するためにスペクトル的にビーム結合される高出力青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

さらにまた、高出力ラマンレーザーシステムをポンピングしまたは材料を処理するのに使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するためにスペクトル的にビーム結合される高出力青色ダイオードレーザーシステムであって、プリズムを使用してビームをスペクトル結合するようにされている高出力青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

また、高出力ラマンレーザーシステムをポンピングしまたは材料を処理するのに使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するために回折素子を使用してスペクトル的にビーム結合される高出力青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

さらに、高出力ラマンレーザーシステムをポンピングしまたは材料を処理するのに使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するためにボリュームブラッググレーティングを使用してスペクトル的にビーム結合される高出力青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

さらにまた、高出力ラマンレーザーシステムをポンピングしまたは材料を処理するのに使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するためにフィルタとして誘電体コーティングを使用してスペクトル的に結合される高出力青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

さらに、ラマンファイバレーザーをポンピングしまたは材料を処理するための、約５ｍｍ-ｍｒａｄのビームパラメーター積を有する１００～１，０００Ｗの出力の青色レーザーダイオードシステムが提供される。

さらに、ラマンファイバレーザーをポンピングしまたは材料を処理ために、１０ｍｍ-ｍｒａｄのビームパラメーター積を有する１００～１，０００Ｗ出力の青色レーザーダイオードシステムが提供される。

また、高出力ラマンレーザーシステムをポンピングし又は材料を処理するのに使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するためにスペクトル的にビーム結合される１００～１，０００Ｗ出力の青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

さらに、高出力ラマンレーザーシステムを励起しまたは材料を処理するために使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するためにプリズムを使用してスペクトル的にビーム結合される１００～１，０００Ｗの青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

さらにまた、高出力ラマンレーザーシステムを励起し又は材料を処理するために使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するために回折素子を使用してスペクトル的にビーム結合される１００～１，０００Ｗ出力の青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

さらに、高出力ラマンレーザーシステムをポンピングし又は材料を処理するのに使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するためにボリュームブラッググレーティングを使用してスペクトル的にビーム結合される１００～１，０００Ｗ出力の青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

また、高出力ラマンレーザーシステムをポンピングし又は材料を処理するのに使用できる十分に狭い（＜１０ｎｍ）複合ビームを生成するために誘電体コーティングに基づく一連のダイクロイックフィルターを使用してスペクトル的にビーム結合される１００～１，０００Ｗ出力の青色ダイオードレーザーシステムが提供される。

このようにして、１００～１，０００Ｗの出力で、より好ましくは約４００ｎｍ～約４９５ｎｍのスペクトル範囲の波長を有する最終出力レーザービームを有するマルチｋＷレーザービームを提供するためのレーザーシステムが提供される。このシステムは１、２、５、数１０、数１００のファイバ結合モジュールを含み、各モジュールには１、２、５、数１０、数１００のサブモジュールを有するようになっている。サブモジュールは、ＧａＮ材料系からの１、２、５、数１０、数１００のレンズ付き（ｌｅｎｓｅｄ）青色半導体ゲインチップを、レーザーダイオードの安定したロックのために最適化された出力端面反射率を有しており、また、この反射率の低い端面が外側を向き、速軸コリメートレンズがゲインチップの前に取り付けられている状態で、熱伝導性の高いサブマウントにマウントされている。レンズ付き青色半導体ゲインチップは、速軸ビームレットを最適に整合するために、外部キャビティ内の階段ヒートシンクに取り付けられている。これらのゲインチップは、各ゲインチップの遅軸がコリメートレンズによってコリメートされるように構成されている。ボリュームブラッググレーティングを遅軸コリメータの前に配置して、レーザーに直接フィードバックを提供し、レーザーを所定の波長にロックすることができる。あるいは、ボリュームブラッググレーティングは、速軸コリメータまたは遅軸コリメータと一体であってもよい。さらに、ボリュームブラッググレーティングをターニングミラーの後に配置して、外部キャビティを形成することができる。各ゲインデバイスの偏光は、外部キャビティで維持される。

また、１００～１，０００Ｗの出力で、より好ましくは約４００ｎｍ～約４９５ｎｍのスペクトル範囲の波長を有する最終出力レーザービームを有するマルチｋＷレーザービームを提供するためのレーザーシステムが提供される。このシステムは１、２、５、数１０、数１００のファイバ結合モジュールが含まれ、各モジュールには１、２、５、数１０、数１００のサブモジュールが含まれる。サブモジュールは、ＧａＮ材料系からの１、２、５、数１０、数１００のレンズ付き青色半導体ゲインチップを、出力端面の反射率がレーザーダイオードの安定したロックに最適化されるようにして有しており、また、反射率の低い端面が外側を向き、速軸コリメートレンズがゲインチップの前に取り付けられるようにした状態で、熱伝導性の高いサブマウントにマウントされている。レンズ付き青色半導体ゲインチップは、速軸ビームレットを最適に整合するために、外部キャビティ内の階段ヒートシンクに取り付けられている。これらのゲインチップは、各ゲインチップの遅軸がコリメートレンズによってコリメートされるように構成されている。個々のゲインチップの出力をファイバブラッググレーティングで光ファイバに結合して、素子を特定の波長にロックできる。これで、ファイバの出力はサブモジュールごとに異なる波長になり、ダイクロイックフィルター、ボリュームブラッググレーティング、透過型グレーティング、またはプリズムによってスペクトル的に組み合わせることができる。

また、１００～１，０００Ｗの出力で、より好ましくは約４００ｎｍ～約４９０ｎｍのスペクトル範囲の波長を有する最終出力レーザービームを有するマルチｋＷレーザービームを提供するためのレーザーシステムが提供される。このシステムは１、２、５、数１０、数１００のファイバ結合モジュールを有し、各モジュールは１、２、５、数１０、数１００のサブモジュールを有する。サブモジュールは、ＧａＮ材料系からの１、２、５、数１０、数１００のレンズ付き青色半導体ゲインチップを有し、個々のデバイスの波長を所定の値に設定するブラッググレーティングが組み込まれている。チップは熱伝導性サブマウントに取り付けられ、出力端面の反射率が外側を向いたデバイスの出力パワーに最適化され、速軸コリメートレンズがゲインチップの前に取り付けられた状態とされる。レンズ付き青色半導体ゲインチップは、速軸ビームレットを最適に整合するために、外部キャビティ内の階段ヒートシンクに取り付けられる。これらのゲインチップは、各ゲインチップの遅軸コリメートレンズによってコリメートされるように構成されている。チップの出力は、サブモジュールごとに異なる波長になり、ダイクロイックフィルター、ボリュームブラッググレーティング、透過型グレーティング、またはプリズムによってスペクトル的に組み合わせることができる。

図１は、本発明に従う、０．０４５ｎｍの線幅を有する特定の波長にロックされた単一の青色ゲイン素子に対する、光スペクトル分析器によって生成されたスペクトルである。

図１Ａは、図１の０．０４５ｎｍの線幅を有する特定の波長にロックされた単一の青色ゲイン素子のスペクトルを示す。

図２は、本発明に従って特定の波長を確立するための一体型ＶＢＧ（ボリュームブラッググレーティング）を備えたレンズ付きチップオンサブマウント（ＬＣＯＳ）のサブモジュールの実施形態の概略図である。

図３は、本発明による、一体型ＶＢＧなしの６つのＬＣＯＳのサブモジュールの実施形態の概略図である。

図４は、図２に示されるタイプの６つのサブモジュールの２つの列を有するレーザモジュールの概略図である。

図５は、図４に示されるタイプのモジュールを７つ有する本発明に係る完全なｋＷクラスのレーザーシステムの概略図である。

図５Ａは、図５の実施形態のブロック図である。

図６は、図３に示されるタイプのサブモジュールの２つの列を有するＶＢＧのない高密度波長ビーム結合システムの概略図である。

図７は、図４のそれぞれのフィルタのバンドパス関数のスペクトル（ｘ軸はナノメートル（ｎｍ）での波長であり、ｙ軸は透過率である）である。 図７Ａは、図４のそれぞれのフィルタのバンドパス関数のスペクトル（ｘ軸はナノメートル（ｎｍ）での波長であり、ｙ軸は透過率である）である。

図８は、本発明によるスペクトルビーム結合（ＳＢＣ）アセンブリの実施形態の斜視図である。

図９は、図６のフィルタのバンドパス関数のスペクトル（ｘ軸はナノメートル（ｎｍ）での波長であり、ｙ軸は透過率である）である。

図１０は、階段ベースプレート上の図２に示されるタイプのサブモジュールの斜視図である。

図１１は、本発明に係るＬＣＯＳの斜視図である。

本発明は、概括的には、高出力でより低い（ｌｏｗｅｒ）波長のレーザーシステム、高出力レーザービームを生じるためのビーム結合、ならびにこれらのビームの用途および使用に関する。特に、本発明の実施形態は、材料処理およびレーザー溶接用途に使用されるマルチｋＷクラスの青色ファイバ結合レーザーシステム、特に、約４００ｎｍから約４９５ｎｍの波長範囲の波長に関する。これらのレーザーの実施形態は、複数の青色半導体ゲインチップを有し、外部キャビティにおける階段ビーム結合、波長多重化、偏光ビーム結合およびファイバビーム結合によって出力結合される。

さらに、特に、本発明の実施形態は、４００ｎｍから４９５ｎｍのスペクトル範囲、および約４００ｎｍから約４９５ｎｍのスペクトル範囲で動作するマルチｋＷレベルの青色レーザーシステムの構造に関する。ここでのレーザーは、ビームパラメーター積（ＢＰＰ）が＜６ｍｍ-ｍｒａｄ（ｍｍ*ｍｒａｄ、またはｍｍ ｍｒａｄ、つまりｍｍ×ｍｒａｄ）を達成することができる。このタイプのレーザーは、スペクトルの青色領域に高い光吸収がある材料の処理または溶接に非常に望ましく、Ｃｕがその一例である。このタイプのレーザーは、とりわけ、ラマンレーザーのポンピング、または希土類ドープファイバレーザーのポンピングにも非常に適している。

本レーザーシステムの実施形態は、スペクトルの青色波長（約４００から約４９５ｎｍ）、より好ましくは４００ｎｍから４７５ｎｍの範囲の発光を有するマルチｋＷレーザーシステムであり、材料の処理において非常に効果的である。短い発光波長は、ＩＲレーザー光源を使用して処理するのが困難な事実上すべての金属、特にＣｕとＡｕに対して、優先的に吸収される。多くの実施形態において、これらのシステムは、送達の容易さおよび高輝度のために、低開口数（ＮＡ）光ファイバ送達システムを使用する。本発明の好ましい実施形態では、レーザーシステムは、効率的なファイバ結合を可能にする約５ｍｍ*ｍｒａｄのビームパラメーター積を有する、マルチｋＷのレーザービームを達成する。

本発明による当技術分野における進歩の１つであり、本発明の実施形態がそれに基づいて行われるのは、青色レーザーダイオードゲインチップの波長を、わずか０．０４５ｎｍ線幅の特定の波長にロックする能力である。このようなロックされた波長のレーザービームの実施形態のスペクトルは、図１および１Ａに示されている。ロック波長としては、約０．０５０ｎｍ以下の線幅、約０．０４５ｎｍ以下の線幅、約０．０４０ｎｍ以下の線幅、または０．０５０ｎｍから０．３５０ｎｍの線幅を有する約４００から４９５ｎｍの波長範囲のものが考えられる。青色レーザーダイオードゲインチップをロックする機能により、例えばＧａＮにおいて、この波長ロック結果に基づいて、モジュール式の高密度波長ビームの結合設計が可能になる。

この狭い線幅は、たとえば、ボリュームブラッググレーティングを外部フィードバックフィルターとして使用し、前端面のコーティングの反射率を最適化することで実現される。最適化されたコーティングは、とりわけ、サブキャビティーによる寄生振動を抑制するため、狭いロックされた線幅を実現するのに役立つ。抑制されたサブキャビティーは、レーザーダイオード素子自体、またはレーザーダイオードとコリメート光学系やＶＢＧ自体などの外部光学素子との間のサブキャビティーを含む。

本発明の実施形態は、特定の波長にロックされる個々のサブモジュールを含む拡張可能なレーザーシステムである。これらのサブモジュールは、高密度波長ビーム結合技術を使用し、続いて１つの偏光ビーム結合を使用して、サブモジュールの２番目のレッグと結合される。結果として得られるビームは、使用されるレンズと直接的にファイバ結合され、さらに他のモジュールと組み合わせて高出力パワーを達成するか、ラマンゲインファイバに結合される。

サブモジュールの実施形態は、より低い反射率の前端面を有する複数のレンズ付き青色半導体ゲインチップからなる。半導体ゲインチップはＧａＮ材料系内で製造され、青色および緑色のＬＥＤと青色レーザーダイオードの製造で広く使用されている。ゲインチップは、低い反射率の端面が外側を向いた状態で、熱伝導性の高いサブマウントに取り付けられる。速軸コリメート（ＦＡＣ）レンズが、速軸で放射光をコリメートするために、ゲインチップの前に取り付けられる。サブマウント上のレンズ付きチップ（Ｌｅｎｓｅｄ Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｓｕｂ－ｍｏｕｎｔ）はＬＣＯＳと略される。

一実施形態では、ＬＣＯＳ素子は、外部キャビティ内の階段構造内に取り付けられる。通常、サブモジュールには、必要なビームパラメーター積に応じて、２つ以上のＬＣＯＳ素子がある。ＬＣＯＳ素子の遅軸は、個別の遅軸コリメートレンズ（ＳＡＣ）によってコリメートされる。ＬＣＯＳ素子は、導電性または電気絶縁性の基板上にあってもよく、電気的に直列に、または直列／並列の組み合わせで接続できる。ワイヤーボンディングは通常、ＬＣＯＳ素子をサブモジュール電極に接続するために使用される。ターニングミラーは、コリメートされた光を速軸にスタックし、それを外部結合素子（たとえば、ボリュームブラッググレーティング（ＶＢＧ））に中継するために使用される。ターニングミラーはまた、単一の光学素子においてＳＡＣと有利に組み合わせることができる。外部キャビティ構造での波長ロックにより、サブモジュールアセンブリのスペクトル帯域幅は１ｎｍ未満、通常０．１ｎｍ未満になる。

一実施形態では、ＬＣＯＳ素子は、外部キャビティ内の階段構造内に取り付けられる。通常、サブモジュールには、必要なビームパラメーター積に応じて、２つ以上のＬＣＯＳ素子がある。ＬＣＯＳ素子の遅軸は、個別の遅軸コリメートレンズ（ＳＡＣ）によってコリメートされる。ＬＣＯＳ素子は、導電性または電気絶縁性の基板上にあってもよく、電気的に直列に、または直列／並列の組み合わせで接続できる。ワイヤーボンディングは通常、ＬＣＯＳ素子をサブモジュール電極に接続するために使用される。この実施形態では、ＶＢＧはＦＡＣに統合され、速軸でのコリメーションとＧａＮゲイン素子のロックの両方を提供する。外部キャビティ構造内での波長ロックにより、サブモジュールアセンブリのスペクトル帯域幅は１ｎｍ未満、通常０．１ｎｍ未満になる。

一実施形態では、ＬＣＯＳ素子は、外部キャビティ内の階段構造内に取り付けられる。通常、サブモジュールには、必要なビームパラメーター積に応じて、２つ以上のＬＣＯＳ素子がある。ＬＣＯＳ素子の遅軸は、個別の遅軸コリメートレンズ（ＳＡＣ）によってコリメートされる。ＬＣＯＳ素子は、導電性または電気絶縁性の基板上にあってもよく、電気的に直列に、または直列／並列の組み合わせで接続できる。ワイヤーボンディングは通常、ＬＣＯＳ素子をサブモジュール電極に接続するために使用される。この実施形態では、ＶＢＧはＳＡＣに統合され、遅軸でのコリメーションとＧａＮゲイン素子のロックの両方を提供する。外部キャビティ構造内での波長ロックにより、サブモジュールアセンブリのスペクトル帯域幅は１ｎｍ未満、通常０．１ｎｍ未満になる。

一実施形態では、ＬＣＯＳ素子は、外部キャビティ内の階段構造内に取り付けられる。ＬＣＯＳ素子は、ＦＡＣレンズとＳＡＣレンズのペアによってコリメートされる。コリメートされたＬＣＯＳ素子の出力は、反射型または透過型の回折グレーティング（格子）に送られる。各グレーティングからのリトロ（Ｌｉｔｔｒｏｗ）反射を使用して、ＬＣＯＳ素子をロックするとともに、ＬＣＯＳ／グレーティング外部キャビティの出力をモジュール内の他のロックされた素子を組み合わせるために使用されるダイクロイックフィルターに方向転換することができる。

特定の波長にロックされる個々のサブモジュールは、次に、バンドパス、ロングパス、ショートパスダイクロイックフィルター、ＶＢＧ、または回折格子およびプリズムを使用して、より高出力のモジュールに結合される。サブモジュールをこれらの技術と組み合わせて、帯域幅が１０ｎｍ未満のモジュールを作製できる。例えば、偏光ビーム結合方法を使用して一対の波長結合サブモジュールを結合することにより、出力を増大することができる。典型的なモジュールは、内部に１３個以上のサブモジュールを２セット使用することができる。１３のサブモジュールの各セットは、通常１０ｎｍ未満の波長分散を持っている。２つのセットは、偏光ビーム結合によって結合される。この場合、広帯域波長板を使用して１つのサブモジュールグループの偏光を回転させるか、１組のイメージターニングミラーをアクロマティック偏光回転子として使用して、２つの別々のグループのサブモジュールを重ねる。次に、モジュールは、集束レンズを使用して低ＮＡファイバにファイバ結合される。モジュールは密閉された筐体に含まれており、ヒートシンクに取り付けられる。ヒートシンクは、従来の熱交換器であるか、またはマクロチャネルまたはマイクロチャネルタイプであることができる。さまざまなタイプのヒートシンクの例は、Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｈｅａｔ Ｓｉｎｋｓ（ダイオードレーザヒートシンク設計）Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ－Ｉｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｒ Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｋ ＩＬＴ、（Ｊａｎ ２００７）、ｈｔｔｐ：／／ｉｌｔ．ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ．ｄｅ／ｉｌｔ／ｐｄｆ／ｅｎｇ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／Ｈｅａｔｓｉｎｋｓ．ｐｄｆに示されており、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。

一実施形態では、マルチｋＷレベルの青色レーザーシステムは、ファイバを束ねて複数のモジュールを単一の出力ファイバに結合することによって実現される。複数のモジュールは、Ｎから１のファイバカプラとして指定されたファイバカプラを使用して結合される。ここでＮは＞１であり、目的の出力ファイバ用に最適化された幾何学的パターンに配置された入力ファイバの数である。ファイバとファイバカプラーコンポーネントは、スペクトルの青色領域での低吸収とソラリゼーションに対する高い耐性のために選択されており、ファイバカプラの製造は青色光透過用に最適化されている。

このような光学系列に加えて、これらのマルチｋＷレーザーシステムの実施形態は、とりわけ、冷却マニホールド、電子機器／電源、安全インターロック、光パワー監視検出器、および温度監視センサーを含むことができる。

本レーザーシステムで使用するのに好ましいダイオードは、一般に良好な出力、効率、および信頼性を有する青色ＧａＮレーザーダイオードである。これらのダイオードは、本発明のレーザーシステムの実施形態において、ゲイン素子として（出力端面コーティングの反射率が整列およびロックのために最適化されて）使用される。実施形態では、サブモジュールレベルにおいて階段外部キャビティ構造にしてそれらを使用することにより、個々のレーザーの放出パワーを重ねる。階段構造は、速軸レンズが、スタックされたレーザーソースの望ましい垂直ピッチよりも大きくされた状態で、複数のレーザーダイオードソースを組み合わせるときに、レーザーダイオードビームをより高密度にパッキングできる。さらに、実施形態では、ファイバ結合モジュールレベルでサブモジュールを結合することは、サブモジュールの波長多重化によって、および偏光ビーム結合によって行われる。

実施形態では、いくつかのモジュール（典型的には７つ）が、ファイバパワー結合によって結合される。この実施形態は、外部キャビティでの階段ビーム結合、波長多重化、偏光およびファイバパワービーム結合を使用して、各段階でアセンブリにより多くのパワーを追加する、青色のゲインチップのユニークなビーム結合シーケンスを有し、システムレベルで放出された放射輝度（明るさ）を最大化する。個別のレーザーダイオードの使用によって、システムを可能な限り最高の明るさで設計できるため、このファイバパワービームの結合方法をインコヒーレントパワー増大のために使用しながら、溶接、切断、又は他のレーザーのポンピングのできる十分な輝度のレーザー光源を生成できる。

スペクトルの青色領域にある市販のＧａＮマルチモードレーザーダイオードは、シングルエミッターから数ワットの電力を達成できる（たとえば、波長範囲４４０－４５５ｎｍで３．５Ｗ出力で定格されているＮｉｃｈｉａ ＮＤＢ７Ｋ７５マルチモードシングルエミッターパーツを参照：製品の説明はｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｃｈｉａ．ｃｏ．ｊｐ／ｅｎ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｌａｓｅｒ．ｈｔｍｌ）。複数のＧａＮ青色マルチモード半導体レーザーダイオードまたは同等のゲイン素子の出力は、輝度を最大化しながら建設的に追加され、ｋＷ出力レベルを実現する。

一実施形態では、本レーザーシステムの開始構成要素または基本構成要素は、レンズ付きチップオンサブマウント（ＬＣＯＳ）ゲイン素子である。たとえば、ＬＣＯＳはＧａＮベースの半導体ゲインチップで構成されている。ＧａＮは、青色ＬＥＤやレーザーダイオードの製造に広く使用されている材料系である。この実施形態では、青色レーザダイオードゲイン素子は、外部キャビティ構造での波長ロックを容易にするために、前方放射端面に低い反射率（ＬＲ）のコーティング（＜１０％）を有する。低い反射率のコーティングは、例えば米国特許第５，０５０，１７９号、米国特許第６，２０８，６７９号、米国特許第６，１９２，０６２号、国際公開第２０１６／０４２０１９号に記載されているタイプの半導体レーザー外部キャビティ設計において典型的であり、その開示全体を参照により本明細書に組み込む。低い反射率のコーティングは、広帯域ロックを可能にするだけでなく、レンズの整合や取り付け時にチップをレージングできるように最適化されるように選択されている。好ましくは、ゲインチップは、例えば、ＳｉＣ、ダイヤモンド、Ｃｕ、ＣｕＷ、またはＣｕ－ＡｌＮ－Ｃｕなどの多くの材料から作ることができるサブマウント上にはんだ付けされる。

青色のゲインチップは、はんだを使用してサブマウントに取り付けられるが、はんだとしては、ＳｎおよびＳｎベースの合金（Ａｕ－Ｓｎなど）、またはＩｎおよびＩｎベースの合金、またはＮａｎｏｆｏｉｌ（インジウムコーポレーションの熱パルス後に自己発熱反応を起こす反応性多層フォイル材料に対する登録商標）がある。ゲイン素子の速軸は、速軸コリメータ（ＦＡＣ）を使用してコリメートされる。チップオンサブマウント（ＣＯＳ）装置はＩＲダイオード・システムでのアプリケーションを見つけている（たとえば、ＷＯ ２０１６／１６０５４７、ＵＳ ９，４５０，３７７およびＵＳ ６，０４４，０９６を参照）が、青の波長範囲のＬＣＯＳのための一般に受け入れられた商用アプリケーションとなるとは考えられていなかった。本発明に係る青用ＦＡＣレンズの構成は、製造上の制約とサブマウントサイズによって決まる高さの考慮事項を含むことができる、固有の波長範囲、ゲインチップ設計に合わせて調整されている。

一般に、レーザーダイオードの階段ビーム結合は、ＵＳ２００４／０１１４６４８、ＵＳ７，７３８，１７８、ＵＳ７，７３３９，３２、ＵＳ７，６６８，２１４、ＵＳ７，７７３，６５５、ＵＳ８，４２７，７４９、ＵＳ８，４３２，９４５、ＵＳ８，４３７，０８６、ＵＳ９，３７３，９３２およびＵＳ９，３１８，８７６に教示および開示されており、それぞれの開示全体を参照により本明細書に組み込む。

本発明の実施形態では、レーザーダイオードの階段ビーム結合は、青色ＧａＮ発光レーザーダイオードまたは青色ＧａＮゲインチップ（低反射（ＬＲ）被覆チップ）用であり、好ましくは、ゲインチップが外部キャビティ内に配置される構成用である。

本発明の実施形態は、外部キャビティ構造内で青色ＬＲ被覆ゲインチップを使用し、外部結合素子としてボリュームブラッググレーティング（ＶＢＧ）を使用する。一実施形態では、ビーム結合方法は、例として、外部キャビティ内での階段ビーム結合、外部キャビティ内でのパターン化ミラー結合、１０ｎｍ帯域幅内での多重化による波長ビーム結合、偏光ビーム結合、ファイバ結合、および統合されたシステムを実現するためのそれらの結合又は変形を含み、好ましくは、５ｋＷ-ｍｒａｄ未満のビームパラメーター積を有するマルチｋＷの青色波長を提供する。

本発明の実施形態で使用することができるＶＢＧは、例えば、米国特許第７，３９４，８４２号および米国特許第７，０３１，５７３号に記載されており、それらの全体の開示は参照により本明細書に組み込まれる。本発明の実施形態で使用することができるファイバカプラ／スプリッタは、例えば、米国特許第７，２１８，８２８号および米国特許第７，５３２，７９２号に開示されており、それぞれの開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の実施形態は、受動的に冷却することができ（例えば、冷却媒体を強制的に移動しない、ヒートシンク、周囲空気、またはその両方）、または能動的に冷却することができる。能動的冷却の例は、空気などのガスや水などの液体冷却流体をダイオードと熱接触して流すことを含む。レーザーダイオード用の水冷システムは、米国特許第９，４１３，１３６号に開示されており、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれている。

ある実施形態では、光学装置は、スペクトルの青色波長（４００～４９５ｎｍ）の発光を伴う数ｋＷのレーザー放射を生成するように構成され、この光学装置は：

ａ）Ｍ＞１およびＮ＞１であるとして、各モジュールがＮ個のサブモジュールで構成されるファイバ結合モジュールをＭ個含む：ここで（ｉ）サブモジュールは、ＧａＮ材料系のＰ個のレンズ付き青色半導体ゲインチップで構成され、該ゲインチップの前端面はロックのために最適化されているより低い反射率のコーティングが施されており；（ｉｉ）サブモジュールは、より低い反射率の端面が外側を向き、速軸コリメートレンズがゲインチップの前に取り付けられた状態で、熱伝導性サブマウントに取り付けられており；（ｉｉｉ）レンズ付き青色半導体ゲインチップは、該ゲイン素子の波長を所定の波長に最適にロックするために、外部キャビティ内の階段ヒートシンクに取り付けられており；（ｉｖ）各ゲインデバイスの偏光は、外部キャビティ設計内で維持され；

ｂ）ファイバ結合モジュールは、複数のサブモジュールを含む；ここで（ｉ）２セット以上のサブモジュールが、帯域幅が１０ｎｍ未満の波長多重化によって結合されており；（ｉｉ）一方、波長多重サブモジュールの２つのセットが、偏光ビーム結合によって結合され；（ｉｉｉ）前述の複数のモジュールは、密閉された筐体内でヒートシンクに取り付けられており；そして、

ｃ）複数のモジュールのファイバが束ねられて単一の出力ファイバに結合され、ＫＷレベルの青色レーザーシステムを生成するようになっている。

これらのレーザーシステム、モジュール、サブモジュールおよび方法の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有することができる。光学装置のゲイン素子の出力はコリメートされ、ターニングミラーで次のビーム結合素子に向け直される。光学装置のゲイン素子の出力はコリメートされ、次のビーム結合素子と位置合わせされる。より低い反射率の端面を外側に向けたＧａＮゲイン素子と、速軸コリメートレンズと統合されたボリュームブラッググレーティングを有する。より低い反射率の端面が外側を向いているＧａＮゲイン素子と、速軸コリメートレンズの後のボリュームブラッググレーティングとを有する。より低い反射率の端面が外側を向くＧａＮゲイン素子と、遅軸コリメートレンズの後のボリュームブラッググレーティングとを有する。より低い反射率の端面が外側に向けられたＧａＮゲイン素子と、遅軸コリメートレンズの後にリトロ構成で動作する反射回折格子を使用し、出力をダイクロイックフィルターに方向転換する。より低い反射率の端面が外側を向くＧａＮゲイン素子と、ゲイン素子にフィードバックを提供し、出力をダイクロイックフィルターに方向転換するためにミラーと組み合わせて動作する透過型回折格子を含む。より低い反射率の端面を外側に向けたＧａＮゲイン素子と、光ファイバに結合される出力を有するコリメート光学システムを含み、光ファイバがＧａＮゲインのフィードバックと波長を決定するように埋め込まれたファイバブラッググレーティングを有する。装置は速軸上で＜３．５ｍｍ*ｍｒａｄのビームパラメーター積を有するレーザービームを提供するように構成されていることを特徴とする。装置は遅軸上に５ｍｍ*ｍｒａｄ未満のビームパラメーター積を有するレーザービームを提供するように構成されていることを特徴とする。装置は、全体で３．５ｍｍ-ｍｒａｄ超であるが５ｍｍ-ｍｒａｄ未満のビームパラメーター積を有するレーザービームを提供するように構成されていることを特徴とする。装置は、全体で５ｍｍ-ｍｒａｄ超であるが１０ｍｍ-ｍｒａｄ未満であるビームパラメーター積を有するレーザーパラメータを提供するように構成されていることを特徴とする。装置は、４００～４９５ｎｍのスペクトル領域で１０ｎｍ未満のスペクトル放射を提供するように構成されていることを特徴とする。装置は、１ｎｍ超であるが５ｎｍ未満、１ｎｍ超であるが１０ｎｍ未満、１ｎｍ超であるが１５ｎｍ未満、および１ｎｍ超であるが２０ｎｍ未満のスペクトル放射を提供するように構成されることを特徴とする。ゲインチップの前端面の反射率が１０％未満であることを特徴とする。ゲインチップの前端面の反射率は、１０％を超えるが１５％未満、１５％を超えるが２０％未満、２０％を超えるが３０％未満のグループから選択されることを特徴とする。各サブモジュールのサブマウントにＰ個のレンズ付き青色半導体ゲインチップがあり、Ｐが１より大きいことを特徴とする。レンズ付き青色ＧａＮベースの半導体ゲインチップは、電気的に直列にまたは直列／並列の電気的組み合わせで接続され、サブモジュール電極にワイヤーボンディングされていることを特徴とする。特徴としては、スペクトルの青色領域での吸収が少ないようにファイバを選択する必要があり、ファイバカプラの製造を青色光透過用に最適化する必要がある。特徴として、各サブモジュールは、外部キャビティ構造内での波長ロックに続いて１ｎｍ未満のスペクトル分布を有する。モジュール内に１２セットのサブモジュールが２セットあることを特徴とする。Ｍ個のモジュール（Ｍ＞１）が、選択した出力ファイバまたは出力ビーム用に最適化された任意の幾何学的パッケージング配置で、１つのファイバカプラを使用してＫ個の入力ファイバ（Ｋ＞Ｍ）に結合される。特徴として、ｋＷレーザーシステムが冷却マニホールドを有する。特徴として、ｋＷレーザーシステムがエレクトロニクス／電源を含む。特徴として、ｋＷレーザーシステムが安全インターロックを含む。特徴として、ｋＷレーザーシステムが光パワー監視検出器を有する。そして、特徴として、ｋＷレーザーシステムが、温度監視センサーを含む。

ある実施形態では、光学装置は、スペクトルの青色波長（４００～４９５ｎｍ）の発光を伴う数ｋＷのレーザー放射を生成するように構成され、該光学装置は：

ａ）Ｍ個のファイバ結合モジュールであり、各モジュールはＮ個のサブモジュールで構成され、ここでＭ＞１、Ｎ＞１であり、（ｉ）サブモジュールは、ＧａＮ材料系のＰ個のレンズ付き青色半導体ゲインチップで構成され、前端面にコーティングが施されており、反射率が低く、ロックに最適化されており；（ｉｉ）サブモジュールは、より低い反射率の端面が外側を向き、速軸コリメートレンズがゲインチップの前に取り付けられた状態で、熱伝導性サブマウントに取り付けられ、；（ｉｉｉ）レンズ付き青色半導体ゲインチップが、速軸ビームレットを最適に整合するために、外部キャビティ内の階段ヒートシンクに取り付けられており、（ｉｖ）各ゲインチップが、遅軸コリメートレンズによってコリメートされる遅軸を有し、ターニングミラーによって放射が出力カプラーに向けられるようにされており；そして、（ｖ）各ＬＣＯＳが、ダイクロイックフィルターによって整合され、出力カプラーが、ゲイン素子のそれぞれにフィードバックを提供し、ダイクロイックフィルター素子が、各ＬＣＯＳアセンブリの動作波長を決定する；

ｂ）ファイバ結合モジュールは、複数のサブモジュールを含む：（ｉ）２セットのサブモジュールは、帯域幅が１０ｎｍ未満の波長多重化によって結合され、（ｉｉ）２セットの波長多重サブモジュールは、偏光ビーム結合によって結合され；（ｉｉｉ）前述のモジュールは、密閉された筐体に含まれて、能動的に冷却されるヒートシンクに取り付けられている；そして、

ｃ）複数のモジュールのファイバが束ねられて単一の出力ファイバに結合され、ＫＷレベルの青色レーザーシステムを生成する。

これらのレーザーシステム、モジュール、サブモジュールおよび方法の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有することができる。すなわち、特徴として、速軸上で３．５ｍｍ*ｍｒａｄ超のビームパラメーター積を有する。特徴として、ビームパラメーター積が遅軸上に５ｍｍ*ｍｒａｄ未満；ビームパラメーター積が全体で３．５ｍｍ-ｍｒａｄを超えるが５ｍｍ-ｍｒａｄ未満；ビームパラメーター積が全体５ｍｍ-ｍｒａｄを超えるが１０ｍｍ-ｍｒａｄ未満である。特徴としては、スペクトルの４００～４９５ｎｍの領域で１０ｎｍ未満のスペクトル；１ｍを超えるが５ｎｍ未満、１ｎｍを超えるが１０ｎｍ未満、１ｎｍを超えるが１５ｎｍ未満、１ｎｍを超えるが２０ｎｍ未満のスペクトルである。特徴として、ゲインチップの前端面の反射率が１０％未満；ゲインチップの前端面の反射率が１０％を超え１５％未満、１５％を超え２０％未満、２０％を超え３０％未満である。特徴として、各サブモジュールのサブマウントにＰ個のレンズ付き青色半導体ゲインチップがあり、Ｐが１より大きいことを特徴とする。特徴として、レンズ付き青色ＧａＮベースの半導体ゲインチップが、電気的に直列に、または直列／並列の電気的組み合わせで接続され、サブモジュール電極にワイヤーボンディングされている。特徴としては、スペクトルの青色領域での吸収が少ないようにファイバを選択する必要があり、ファイバカプラの製造を青色光透過用に最適化する必要がある。特徴として、各サブモジュールは、外部キャビティ構造内での波長ロックに続いて１ｎｍ未満のスペクトル分布を持つ。特徴として、モジュール内に１２セットのサブモジュールが２セットある。Ｍ個のモジュール（Ｍ＞１）が、選択した出力ファイバまたは出力ビーム用に最適化された任意の幾何学的パッケージング配置で、ファイバカプラを使用してＫ個のファイバ（Ｋ＞Ｍ）と結合される。ｋＷレーザーシステムには次のものが含まれる。特徴として、ｋＷレーザーシステムが冷却マニホールドを有する。特徴として、ｋＷレーザーシステムがエレクトロニクス／電源を含む。特徴として、ｋＷレーザーシステムが安全インターロックを含む。特徴として、ｋＷレーザーシステムが光パワー監視検出器を有する。そして、特徴として、ｋＷレーザーシステムが、温度監視センサーを含む。

一実施形態では、光学装置は、スペクトルの青色波長（４００～４９５ｎｍ）の発光を伴う数ｋＷのレーザー放射を生成するように構成され、光学装置は、以下の特徴を含む：

ａ）Ｍ個のファイバ結合モジュールであり、各モジュールはＮ個のサブモジュールで構成され、ここでＭ＞１、Ｎ＞１であり；（ｉ）サブモジュールは、ＧａＮ材料系からのＰ個のレンズ付き青色半導体レーザーチップで構成され、その動作波長を選択するために分散型ブラッグまたはフィードバックグレーティングがＧａＮチップに統合されており、（ｉｉ）サブモジュールは、より低い反射率の端面が外側を向き、速軸コリメートレンズがレーザーの前に取り付けた状態で、熱伝導性の高いサブマウントに取り付けられ；（ｉｉｉ）熱伝導性ヒートシンクに取り付けられ、速軸コリメートレンズの後に遅軸コリメートレンズが設けられ、（ｉｖ）レンズ付き青色半導体レーザーは、階段のヒートシンクに取り付けられ（ｖ）各レーザーデバイスの偏光は、レーザーデバイスの導波路構成によって確立される；

ｂ）ファイバ結合モジュールは、複数のサブモジュールを含み：ここで（ｉ）２セット以上のサブモジュールが、帯域幅が１０ｎｍ未満の波長多重化によって結合され、（ｉｉ）２セットの波長多重サブモジュールは、偏光ビーム結合によって結合され、（ｉｉｉ）前述のモジュールは、密閉された筐体に含まれ、ヒートシンクに取り付けられる；そして

ｃ）複数のモジュールのファイバが束ねられて単一の出力ファイバに結合され、ＫＷレベルの青色レーザーシステムを生成する。

これらのレーザーシステム、モジュール、サブモジュールおよび方法の実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を有することができる。光学装置のゲイン素子の出力は平行にされ、ターニングミラーで次のビーム結合素子に向け直される。光学装置のゲイン素子の出力は平行にされ、次のビーム結合素子と整合される。反応性多層フォイルを含み、フォイルは、熱パルスの後に自己持続的な発熱反応を起こす。個々のＬＣＯＳアセンブリをサブモジュールに結合し、サブモジュールをモジュールに結合する。フォイルは（Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより提供される）ＮＡＮＯＦＯＩＬである。ファイバベースのラマンレーザーを励起するために十分に狭い線幅を提供するように構成される（溶融シリカの場合は１０ｎｍ未満、リン酸塩をドープしたガラスの場合は３ｎｍ未満）。そして、特徴として、スペクトルの青色領域での吸収が少ないようにすべての光学部品を選択する必要があり、ファイバカプラの製造は青色光の透過に対して最適化する必要があり；光学部品の１つ以上は、スペクトルの青色領域における低吸収のために選択され、ファイバカプラの製造は青色光透過のために最適化されなければならない。

これらのレーザーシステム、モジュール、サブモジュールの実施形態は、レーザー動作を予備形成する。これらのレーザーシステム、モジュール、サブモジュールの予備成形レーザー操作の実施形態では、レーザー操作は、３Ｄ印刷、積層造形、減法／積層造形、溶接、表面処理、および切断を含む操作のグループから選択される。

以下の例は、本レーザーシステムおよび本発明の構成要素の様々な実施形態を例示するために提供される。これらの例は、例示を目的としたものであり、予言的なものである可能性があり、限定するものと見なされるべきではなく、本発明の範囲を制限しない。

例１

アセンブリ（例えば、サブモジュール）１００の実施形態は、６つのサブマウント上レンズ付きチップ（ＬＣＯＳ）の構成であり、図２に概略的に示されている。サブモジュール１００において、各ＬＣＯＳはゲイン素子１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅ、１０１ｆを有し、それらはそれぞれ、例えば１８１ａなどのレーザービーム経路に沿って進行するレーザービーム、例えば１８０ａを生成する（レーザービームはレーザービーム経路上にあり、すなわちレーザービーム経路と一致しているため、単一の矢印として示されている）。ゲイン素子１０１ａ～１０１ｆを単一の素子にロックする能力は、好ましくは各ＧａＮゲイン素子１０１ａ～１０１ｆ上にある、より低い反射率（ＬＲ）端面コーティング、例えば、１０２ａによって強化される。ゲイン素子１０１ａ～１０１ｆのそれぞれは、例えば１０３ａなどの速軸コリメートレンズと、たとえば１０４ａなどの遅軸コリメートレンズを有する。各ゲイン素子１０１ａ～１０１ｆは、例えば１０５ａのようなターニングミラーを有する。このようにして、レーザービームおよびレーザービーム経路はそれぞれ、例えば１０１ａなどのゲイン素子から、１０３ａなどの速軸コリメータ（ＦＡＣ）、次に、１０４ａなどの遅軸コリメータ（ＳＡＣ）を通って、次に、例えば、１０５ａなどのターニングミラーに至る。第１のターニングミラー１０５ａは、レーザービーム経路およびレーザービームを第２のターニングミラー１０５ｂ及びそれに続く後続のターニングミラーに向ける（方向転換する）。方向転換されたレーザービーム１８０ａ’およびレーザービーム経路１８１ａ’は、後続のターニングミラー、例えば、１０５ｂによって、他のゲイン素子１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅ、１０１ｆからのレーザービームおよびレーザービーム経路と組み合わされる。次に、方向転換されて組み合わされたレーザービームおよびレーザービーム経路は、ＶＢＧ１０６を通って出る。

ＶＢＧ１０６は、サブモジュール１００の出口にあり、サブモジュール１００上のすべてのゲイン素子を単一の波長にロックするためのものである。ＶＢＧはＦＡＣまたはＳＡＣに統合できる。同様に、ロッキング素子である回折格子が、この図に示されているターニングミラーである場合があり、これにより、ＶＢＧの必要がなくなる。

ＬＯＣＳは、ヒートシンクとしても機能することができる、例えば、サブマウント（図１には図示せず）などのベース上に組み立てることができる。

２、３、４、５、７、８、９、１０、数十、および数百のゲイン素子が、単一のサブモジュールまたはアセンブリで使用され得ることが理解される。さらに、図２の実施形態に示されるようなビーム経路に沿った光学部品が好ましいが、他の実施形態では、１つのゲイン素子からのいくつかのレーザービーム経路が、図２の実施形態に示されるようなビーム経路に沿った光学構成要素の必ずしもすべてを有していないものとすることができる。

図２の実施形態は、例えば、図１および１Ａに示されるように単一のＧａＮゲイン素子を特定の波長にロックすることによって達成されるレーザービームを提供することができ、外部キャビティレーザーは０．０４５ｎｍの線幅で動作する。この線幅は、本明細書に記載されている高密度波長ビーム結合方法の要件の実施形態をはるかに下回っている。

例１Ａ

図２のサブモジュールの実施形態では、１つ以上およびすべてのビーム経路に沿って配置されるバックバイアス保護のためのツェナーダイオードを含む。

例１Ｂ

図２のサブモジュールの実施形態では、遅軸コリメート（ＳＡＣ）レンズ１０４は、ターニングミラー１０５から分離されている。一実施形態では、サブモジュールの設計目標に応じて、軸外放物線アプローチ（ｏｆｆ－ａｘｉｓ ｐａｒａｂｏｌａ ａｐｐｒｏａｃｈ）を使用して２つを組み合わせるか、又はＳＡＣレンズをターニングミラーの後に取り付けることができる。

例２

図３を参照すると、個々のダイクロイックミラーと共通の出力カプラーとの組み合わせによってゲイン素子をロックすることを可能にするアセンブリの実施形態の概略図が示されている。この実施形態では、サブモジュールなどのアセンブリは、該サブモジュールに統合された６つのＬＣＯＳ、３０００ａ、３０００ｂ、３０００ｃ、３０００ｄ、３０００ｅ、３０００ｆを含み、ベース３３００（たとえば、ベースプレート、ヒートシンク、取り付けブロック）に取り付けられている。６つのＬＣＯＳのそれぞれは、より低い反射率（ＬＲ）の端面コーティング３１０２を有するゲイン素子３１０１、ＦＡＣ３１０３、ＳＡＣ３１０４、ならびにターニングビーム結合素子３１０５を有する。

例３

図４を参照すると、ベース２００上のレーザモジュール２９０の概略図が示されている。レーザモジュール２９０は、ＬＣＯＳサブモジュールの２つの列２９１、２９２を有する。この実施形態では、各列２９１、２９２は、６つのＬＣＯＳサブモジュールを有する。この実施形態では、１２のＬＣＯＳサブモジュールはすべて、図１の実施形態のサブモジュール１００である。より多いまたはより少ない列、より多いまたはより少ないサブモジュール、および同じまたは異なるタイプのサブモジュールが使用することができることが理解される。

サブモジュールは、一連の結合光学素子、例えば、ダイクロイックフィルター、ＶＢＧまたは回折格子と光学的に結合される。すなわち、この実施形態では、列２９２の各サブモジュール（例えば、１００）は、それらのレーザービーム経路およびレーザーを、ダイクロイックフィルター２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａに向け、これらは、レーザービーム経路１８６ａに沿った結合レーザービーム１８５ａを形成する。列２９１の各サブモジュールは、レーザービームパスとレーザーをダイクロイックフィルター２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６に向け、レーザービームパス１８６に沿った結合レーザービーム１８５を形成する。（図面では、レーザービームがレーザービームの経路に沿って進むので、レーザービームとその経路の両方について１本の線のみが示されている。）

各ダイクロイックフィルターの通過帯域関数は図７および７Ａに示されている（同様の番号は、対応するフィルタを示す）。フィルタ２０２、２０２ａは、４４０．５ｎｍでの下限カットオフおよび４４７．２５ｎｍでの上限カットオフを有する、公称４４６ｎｍの波長ビーム用である。フィルタ２０３、２０３ａは、４４１．５ｎｍでの下限カットオフ、４４８．２５ｎｍでの上限カットオフを有する、公称４４７ｎｍ波長ビーム用である。フィルタ２０４、２０４ａは、４４２．５ｎｍでの下限カットオフ、４４９．２５ｎｍでの上限カットオフを有する、公称４４８ｎｍの波長のビーム用である。フィルタ２０５、２０５ａは、４４３．５ｎｍでの下限カットオフおよび４５０．２５ｎｍでの上限カットオフを有する、公称４４９ｎｍの波長ビーム用である。フィルタ２０６、２０６ａは、４４４．５ｎｍで下限カットオフ、４５１．２５ｎｍで上限カットオフを有する、公称４５０ｎｍの波長ビーム用である。（下限と上限のカットオフは、透過率がゼロから変化する、またはゼロに変化するスペクトル内のポイントを指す。）

従って、各通過帯域は重ねられて、各バンドパスフィルタの赤いエッジに透過ウィンドウが作成される。ダイクロイックフィルターの順序を逆（２０６、２０６ａから２０１、２０１ａ）にすることで、通過帯域を各バンドパスフィルタの青いエッジにシフトできる。バンドパスフィルタ関数は、薄膜コーティングモデルを使用して計算され、エッジの急勾配と透過に対して最適化される。透過ウィンドウは、約０．７５ｎｍだけずらすことができ、また、たとえば、０．８ｎｍ～３ｎｍ、０．８ｎｍ～１．８ｎｍ、約０．８ｎｍ、約１．０ｎｍ、約１．５ｎｍなど、さらに多くのずらし位置を使用することもできる。図７に示す実施形態では、透過窓は１ｎｍずつずらされている。この実施形態で使用されるフィルタは、バンドパス、ローパス、またはハイパスであり得、いくつかのバンドパスフィルタは、より急なエッジ遷移を提供でき、したがって、現在市場に出ている他のどのレーザーよりも波長の組み合わせがより密になる。サブモジュールがすべて同一直線上に配置された後、列２９２と列２９１からの出力は偏光状態で互いに重なり合っている。したがって、列２９２からの出力レーザービーム１８５ａおよび列２９１からの出力レーザービーム１８５は、重なり合う偏光関係で組み合わされる。この関係は、ビーム１８５およびビーム経路１８６を受けてビーム１８５およびビーム経路１８６を偏光回転素子２０９に向けるターニングミラー２０７によって行われる。偏光ビームスプリッタ２０８は、レーザービーム１８５ａおよびビーム経路１８６ａを受けてそれらをビーム１８５および経路１８６と組み合わせて、ビーム経路１８８に沿うさらに組み合わされたレーザービーム１８７を提供する。組み合わされたレーザービーム１８７は光学素子２１０、例えばレンズ、によって光ファイバ２１１内に出射される。このレンズは、組み合わされたビームの帯域幅（～１０ｎｍ）の単一の点にすべてのサブモジュールを集束させるように設計されている。このタイプのレンズは、光学部品の速度に応じて、たとえば、非球面レンズ、単純なダブレットレンズ、またはクックトリプレットレンズにすることができる。これらの素子、例えば２０９、２０８、２１０、２１１によって伝達される高いレーザー出力により、出力ビームの加熱と歪みを最小限に抑えるために、それらは光学的に接触され、空間的に開けられ、またはその両方の構成とすることができる。

例４

図１０において（図２における数字と同じ数字は同じものを示しており）、図２に示されるタイプのＬＣＯＳサブモジュール１００が、ヒートシンクとしても機能する階段状の段付きサブマウント１０７上に組み立てられている。（ビーム経路およびレーザービームが図１０に示されているが、それらは簡単にするために参照番号による表示はされていないが、図２と同じのビーム経路のものである）。サブモジュール１００は、６つのＬＣＯＳアセンブリまたは素子を有する。各ＬＣＯＳは、例えば１０１ａなどのゲイン素子、１０３ａなどのＦＡＣ、１０４ａなどのＳＡＣ、および１０５ａなどのターニングミラーを有する。第１のターニングミラー１０５ａは、レーザービーム経路およびレーザービームを第２のターニングミラー１０５ｂ及びそれに続く後続のターニングミラーに向ける（方向転換する）。方向転換されたレーザービームおよびレーザービーム経路は、後続のターニングミラー、例えば、１０５ｂによって、他のゲイン素子からのレーザービームおよびレーザービーム経路と組み合わされる。方向転換されて組み合わされたレーザービームおよびレーザービーム経路は、ＶＢＧ１０６を通って出る。

６つのＬＣＯＳ素子は、例えばめっきされたＣｕヒートシンクのようなヒートシンクであり得るベース１０７上に取り付けられる。光ビームは、遅軸コリメート（ＳＡＣ）レンズを使用して遅軸にコリメートされる。ビームはターニングミラーによって反射され、それらはボリュームブラッググレーティング（ＶＢＧ）１０６に向けられる。ＶＢＧは、半導体ゲイン素子とＶＢＧの間に形成された外部キャビティのアウトカップリングミラーである。ダイオードの数によって、モジュールの開口数とスポットサイズ、またはモジュールの明るさが決まる。この例では、約５ｍｍ-ｍｒａｄのビームパラメーター積を提供するように最適化されている。

例５

一実施形態では、図４のＳＢＣモジュールは、ベース２００の両側に取り付けられたＮ個のサブモジュールまたは同等の要素を含む。このパッケージのベースは、Ｃｕまたは同等の熱伝導性材料から作られており、マクロチャネルまたはマイクロチャネルタイプの流体冷却ヒートシンクに取り付けられている。

例６

図８を参照すると、図１０に示されるタイプの２６のサブモジュールを含むスペクトルビーム結合（ＳＢＣ）モジュール６００の実施形態の斜視図が示されている。すなわち、サブモジュールがそれぞれ１３の２つの列６０２、６０３とされてベース６０１に取り付けられている。各列の各モジュールは、一連のダイクロイックミラー、例えば、６０４、６０５、６０６を有する。これらのミラーは、例えば、概して図７および７Ａの線に沿って、波長分布を有する各サブモジュールの前に配置されている。このように、２６のダイクロイックミラーがあり、それぞれが対応するサブモジュールに関連付けられている。ダイクロイックミラーは、サブモジュールからの狭いスペクトル放射（通常０．７５ｎｍ幅）を反射し、他の波長の透過を許容する。波長は多重化され、１０ｎｍほどの幅のすべての発光波長の合計である。ターニングミラー６０７は、列６０２の１３個のサブモジュールからの多重化されたビームを、偏光ビーム結合光学素子６０９に向けて反射する。

２つの列からのレーザービームは、偏光回転半波長板および偏光ビーム結合ビームスプリッタからなる偏光結合光学系６０９を使用して結合される。広帯域半波長板と偏光ビーム結合キューブを光学的に接触させて、コンパクトなビーム結合器アセンブリを形成している。結合されたビームは、ファイバ結合光学系６２０によって成形され、最終的に光ファイバ６２１に結合される。

例７

図５を参照すると、図４に示されるタイプの７つのＳＢＳモジュールを有する完全なＫＷクラスのレーザーシステム５００の実施形態の概略図が示されている。各ＳＢＣモジュール、例えば５０１は、図４に示されるタイプでありファイバで結合されている。ファイバコンバイナ３０１は、７本のファイバ、例えば３０２を単一の送達ファイバ３０３に結合するために使用される。ここで、ＳＢＣモジュールファイバ３０２は５０μｍの直径を有し、一方送達ファイバ３０３は例えば約１５０μｍの直径を有する。モジュールファイバの数とサイズ、各サブモジュールのゲイン素子の数などの要因に応じて、送達ファイバの直径は、たとえば約７５μｍから約４００μｍ、またはそれ以上が想定される。

ファイバコンバイナによって光学的に結合されるこのレーザーシステムの実施形態において、このコンバイナは、たとえば、光ファイバの密な六角形のパッキング原理に基づくものとされる。

図５Ａは、図５の構成の概略ブロック図であり、（同様の番号は同様の構成要素に対応しており）、ファイバコンバイナ３０１ａの詳細概略図が示されている。

例８

図６を参照すると、ＶＢＧを使用することなく高密度波長ビーム結合システムを構築する方法の実施形態の概略図が示されている。図６には、ベース５９０上のレーザモジュール５００の概略図が示されている。レーザモジュール５００は、２列のＬＣＯＳサブモジュールを有する。この実施形態では、各列は６つのＬＣＯＳサブモジュールを有する。この実施形態では、１２個のＬＣＯＳサブモジュールはすべて、図３に示される実施形態のサブモジュールである。より多いかまたはより少ない列、より多いかまたはより少ないサブモジュール、および同じかまたは異なるタイプのサブモジュールを使用することができる。

ここで、個々のサブモジュールはすべて同一直線上に配置され、共通の出力カプラー５０１は、ダイクロイックフィルター５０１～５０６の対によってサブモジュールのそれぞれにフィードバック信号を提供する。これらのビームは、レーザービームおよびビーム経路を受けて偏光回転素子５０９に向けるターニングミラー５０７と組み合わされる。そして、偏光ビームスプリッタ５０８は、このレーザービームとビーム経路を受けて、それらを５０７からの他のビームと経路と結合する。結合されたビームは、光学素子５１０、例えばレンズによって光ファイバ５１１に出射される。このレンズは結合されたビームの帯域幅（～１０ｎｍ）のすべてのサブモジュールを１点に集束するように設計されている。このタイプのレンズは、光学コンポーネントの速度に応じて、たとえば、非球面レンズ、単純なダブレットレンズ、クックトリプレットレンズにすることができる。これらの素子によって伝達される高いレーザー出力により、光学的に接触、エアスペース、またはその両方が行われる場合がある。

図９は、図６の構成の、個々のソースのそれぞれに対する往復の伝達関数、従って各ソースの振動帯域幅がどう確立されるかを示しており、レーザー空洞の定義によりそれらのすべてのビームが同一線上で全出力の複合ビームとなるようにされている。これらのビームは、前の例と同じ方法で、偏光ビーム回転子を使用し、その後に偏光ビーム結合キューブまたはペリクルを使用して結合できる。

例９

図１１に示すＬＣＯＳは、より低い反射率のコーティング１１０２を備えたゲイン素子１１０１、バックバイアス保護のためのツェナーダイオード１１１０、速軸コリメートレンズ１１０３、およびサブマウント１１１１を含む。

本発明の実施形態の主題であるか、またはそれに関連する、新規で画期的なプロセス、材料、性能、または他の有益な特徴および特性の基礎となる理論を提供または対処する必要がないことに留意されたい。それにもかかわらず、この分野の技術をさらに進歩させるために、本明細書ではさまざまな理論が提供されている。本明細書に記載されている理論は、特に明記されていない限り、請求された発明に与えられる保護の範囲を決して限定、制限、または狭めない。これらの理論は、本発明を利用して必要とされたり、実施されたりすることはあまりない。さらに、本発明は、本発明の方法、物品、材料、デバイス、およびシステムの実施形態の機能特徴を説明するための、これまで知られていない新しい理論につながる可能性があることを理解されたい。そして、そのような後に開発された理論は、本発明に与えられた保護の範囲を制限しないものとする。

本明細書に記載されているシステム、機器、技術、方法、活動および操作の様々な実施形態は、本明細書に記載されているものに加えて、他の様々な活動および他の分野で使用され得る。さらに、これらの実施形態は、例えば、以下で使用することができる。将来開発される可能性がある他の機器または活動。そして、この仕様の教示に基づいて部分的に変更される可能性のある既存の機器または活動。さらに、本明細書に記載されている様々な実施形態は、異なる様々な組み合わせで互いに使用することができる。したがって、例えば、本明細書の様々な実施形態で提供される構成を互いに使用することができる。また、本発明が提供する保護の範囲は、特定の実施形態、例、または特定の図に記載されている特定の実施形態、構成または配置に限定されるべきではない。

本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書で具体的に開示されたもの以外の形態で具体化することができる。説明された実施形態は、あらゆる点で、例示的であり、限定的ではないと考えられるべきである。

Claims (27)

1. スペクトルの青色波長（４００～４９５ｎｍ）で発光するマルチｋＷのレーザー放射を生成するように構成された光学装置であって、
   ａ．Ｍ個のファイバ結合モジュールであって、各ファイバ結合モジュールがＮ個のサブモジュールで構成されていて、Ｍ≧１、Ｎ≧４である、Ｍ個のファイバ結合モジュールを有し：
   ｉ．該サブモジュールはＰ個のレンズ付き青色半導体ゲインチップを有し、各レンズ付き青色半導体ゲインチップが、ＧａＮ材料系であり、前端面にロックのために最適化された低い反射率を有するコーティングを有しており、
   ｉｉ．該低い反射率の前端面が外側を向き、速軸コリメートレンズが該レンズ付き青色半導体ゲインチップの前に取り付けられて速軸ビームレットを提供するようにした状態で、該サブモジュールが熱伝導性サブマウントに取り付けられており、
   ｉｉｉ．該レンズ付き青色半導体ゲインチップが、該速軸ビームレットを最適に整合するために、外部キャビティ内の階段ヒートシンクに取り付けられており、
   ｉｖ．各レンズ付き青色半導体ゲインチップは、遅軸コリメートレンズによってコリメートされた遅軸を有していて遅軸出力ビームレットを提供するようにされ、該遅軸出力ビームレットがターニングミラーによって出力カプラーに向け直されるようにされ、
   ｖ．各レンズ付き青色半導体ゲインチップがダイクロイックフィルターと該出力カプラーによって整合されて、該出力カプラーが該レンズ付き青色半導体ゲインチップと該ダイクロイックフィルターにフィードバックを提供し、各サブモジュールの動作波長が決定されるようになされており、
   ｂ．該ファイバ結合モジュールのそれぞれが出力ファイバを有していて、各ファイバ結合モジュールの該Ｎ個のサブモジュールが、
   ｉ．少なくとも２セットの２個のサブモジュールが、帯域幅が１０ｎｍ未満の波長多重化によって結合され；
   ｉｉ．該２セットの波長多重化されたサブモジュールは、偏光ビーム結合によって結合され；
   ｉｉｉ．該２セットの２個のサブモジュールは、密閉された筐体内に含まれて、能動的に冷却されるヒートシンクに取り付けられている、
   ように構成され、
   ｃ．該ファイバ結合モジュールの該出力ファイバが束ねられて単一のファイバに結合され、マルチｋＷの青色レーザービームを生成するようにされている、光学装置。
2. 速軸上で３．５ｍｍ-ｍｒａｄ未満のビームパラメーター積を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
3. 遅軸上で５ｍｍ-ｍｒａｄ未満のビームパラメーター積を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
4. ３．５ｍｍ-ｍｒａｄから５ｍｍ-ｍｒａｄのビームパラメーター積を有する、請求項１に記載の光学装置。
5. ５ｍｍ-ｍｒａｄから１０ｍｍ-ｍｒａｄのビームパラメーター積を有する、請求項１に記載の光学装置。
6. スペクトルの４００～４９５ｎｍの領域で１０ｎｍ未満のスペクトル放射を有することを特徴とする、請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学装置。
7. １ｎｍ超であるが５ｎｍ未満、１ｎｍ超であるが１０ｎｍ未満、１ｎｍ超であるが１５ｎｍ未満、および１ｎｍ超であるが２０ｎｍ未満からなるグループから選択されたスペクトル放射を有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学装置。
8. 該前端面の反射率は、１０％未満であることを特徴とする、請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学装置。
9. 該前端面の反射率が、１０％超であるが１５％未満、１５％超であるが２０％未満、および２０％超であるが３０％未満からなるグループから選択された、請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学装置。
10. Ｐが、＞１、≧４、≧５、及び≧６からなるグループから選択された、請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学装置。
11. 該レンズ付き青色半導体ゲインチップが並列または直列と並列の電気的組み合わせで接続され、該レンズ付き青色半導体ゲインチップが該サブモジュール上の電極にワイヤーボンディングされている、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学装置。
12. 該出力ファイバを結合するためのファイバカプラを備え、該出力ファイバがスペクトルの青色領域において低い吸収率を有していて青色光透過に対して最適化されている、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学装置。
13. 各サブモジュールが、該外部キャビティ内における波長ロックの後に１ｎｍ未満のスペクトル分布を有することを特徴とする、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学装置。
14. 各ファイバ結合モジュールが２個のサブモジュール列を有し、各列が６個のサブモジュールを有する、請求項１乃至１３の何れか一項に記載の光学装置。
15. Ｍが１より大きく、該Ｍ個のファイバ結合モジュールが、ファイバカプラを使用してＫ個の入力ファイバと結合されており、Ｋ≧Ｍであり、該Ｋ個の入力ファイバが選択された出力ファイバ又は選択された出力ビームに対して最適化されたパッケージング配置で構成されている、請求項１乃至１４の何れか一項に記載の光学装置。
16. 冷却マニホールドを備える、請求項１乃至１５の何れか一項に記載の光学装置。
17. 電源を備える、請求項１乃至１６の何れか一項に記載の光学装置。
18. 安全インターロックを備える、請求項１乃至１７の何れか一項に記載の光学装置。
19. 光パワー監視検出器を備える、請求項１乃至１８の何れか一項に記載の光学装置。
20. 温度監視センサーを備える、請求項１乃至１９の何れか一項に記載の光学装置。
21. 該レンズ付き青色半導体ゲインチップの出力がコリメートされてターニングミラーでビーム結合素子に向け直されるようにした、請求項１乃至２０の何れか一項に記載の光学装置。
22. 該サブモジュールの出力が、コリメートされて次のビーム結合素子と整合されるようにした、請求項１乃至２１の何れか一項に記載の光学装置。
23. 反応性多層フォイルを含み、該フォイルが熱パルス後に自己持続発熱反応を起こし、それにより該レンズ付き青色半導体ゲインチップを該サブモジュールに結合し、該サブモジュールを該ファイバ結合モジュールに結合するようにした、請求項１乃至２２の何れか一項に記載の光学装置。
24. ファイバベースのラマンレーザーを励起するのに十分に狭い線幅を提供するように構成された、請求項１乃至２３の何れか一項に記載の光学装置。
25. 該出力ファイバを結合するためのファイバカプラを備え、すべての光学部品がスペクトルの青色領域における低吸収のために選択され、該ファイバカプラが青色光透過に対して最適化されている、請求項１乃至２４の何れか一項に記載の光学装置。
26. レーザー操作のための、請求項１乃至２５の何れか一項に記載の光学装置を使用する方法。
27. 該レーザー操作が、３Ｄ印刷、積層造形、減法／積層造形、溶接、表面処理、および切断の操作からなるグループから選択される、請求項２６に記載の方法。
    

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