JP2011520292A5 - - Google Patents

Description

高輝度ダイオード出力の方法及びデバイス

レーザエミッタバーの出力ビームの輝度を維持するのに用いられうる光学システム及びその部品。いくつかの実施形態は、レーザエミッタバーの出力ビームの高効率の結合又は他の好適な用途に有用となりうる。

光エネルギ、いくつかの実施形態においてはレーザエネルギを要求するアプリケーションは、レーザエネルギ源として一般に利用可能で、動作に信頼性があり、かつ比較的経済的な、レーザダイオードといった固体光源の使用により有益になる。このようなデバイスは単一バーの中に、共通の方向に同時にレーザ光を放出する複数のレーザエミッタを含みうる。更に、複数の固体又はレーザエミッタバーは、均一の高出力レベルを生成するように積層型の構成で配置されうる。

レーザダイオードバーは多くの場合、通信技術用デバイス、医療用アプリケーション、及び単一の固体エミッタバー又は積層型構成の複数のバーの総てのエミッタの出力を単一の光ファイバ又は他の光導管に結合することが所望される、軍事用アプリケーションといった他のアプリケーションで用いられる。一般的にはこのような固体エミッタバーのエミッタは、動作中に顕著な熱量を生成し、精密かつ高価な冷却システムを必要とせずに十分な冷却を可能にするように互いに間隔を置いて配置される。このような間隔はバーの冷却を改善するが、複数のエミッタからの出力ビームの結合を困難にしうる。このような出力ビームの結合は大多数の高価な光学部品、ならびにこのような光学素子を取付けるための大きな領域を要求しうる。

更に、いくつかのアプリケーションに対して、ビーム再構成光学部品は、エミッタ出力の所望のデバイスへの結合を更に増加させるために用いられる。しかしながら、このようなビーム構成素子は更に、結合プロセスを複雑にし、レーザエミッタバー又はバーの出力ビーム間でギャップを生成することによって、バーの出力全体の輝度を低減しうる。この１の理由は、一部のビーム再構成光学部品について、ビーム再構成光学部品を通過するビーム片の大きさが、光源のレーザエミッタバー等の中心間隔よりも有意に小さくしなければならないからである。このようにして、輝度は下流の光学素子で失われうる。

必要とされているものは、出力が再構成された後に、レーザエミッタバーの複数のエミッタの出力の輝度及び倍率を維持するための方法及びデバイスである。更に必要とされているものは、わずかな光学素子又は部品を用いるレーザエミッタバーの再構成された出力ビームを結合するためのデバイス及び方法である。

光学システムのいくつかの実施形態は、出力軸を伴う出力を有するレーザエミッタバーと；レーザエミッタバーの出力に動作可能に結合される輝度増強光学素子と；レーザエミッタバーと、輝度増強光学素子との間に配置され、レーザエミッタバーの出力に動作可能に結合される速軸コリメータと；を具える。光学システムは、更にレーザエミッタバーのエミッタの出力ビームを、別個に回転するように構成され、輝度増強光学素子と、レーザエミッタバーとの間に配置され、レーザエミッタバーの出力に結合されるビーム再構成光学部品を具えてもよい。

輝度増強光学素子のいくつかの実施形態においては、複数の隣接する入力ファセットを伴う入力面と；それぞれの各入力ファセットに対応する複数の隣接する出力ファセットを伴う出力面と；を有するファセット型の望遠鏡構造を具える。入力及び出力面は相互に実質的に平行であってもよく、光学素子を通る実質的に平行な入力ビームを、互いに平行であり、平行な入力ビームの間隔よりも相互に近接する間隔を有する出力ファセットから射出すべく、屈折するように構成してもよい。

光学システムのいくつかの実施形態は、第１の出力軸を伴う第１の出力を有する第１のレーザエミッタバーと；第１の出力軸に対し実質的に垂直方向の第２の出力軸を伴う第２の出力を有する第２のレーザエミッタバーと；第１の出力及び第２の出力に動作可能に結合され、第１の出力の伝播方向と実質的に平行な伝播方向に、第２の出力の向きを変え、第１及び第２の出力を交互配置するように構成される輝度増強光学素子と；を具える。光学システムは更に、第１のレーザエミッタバーと輝度増強光学素子との間に配置され、かつ第１のレーザエミッタバーの第１の出力に動作可能に結合される第１の速軸コリメータと；第２のレーザエミッタバーと輝度増強光学素子との間に配置され、かつ第２のレーザエミッタバーの第２の出力に動作可能に結合される第２の速軸コリメータと；を具えてもよい。システムは更に、第１のレーザエミッタバーと輝度増強光学素子との間に配置され、かつ第１のレーザエミッタバーの第１の出力に動作可能に結合される第１のビーム再構成光学部品と；第１のレーザエミッタバーと輝度増強光学素子との間に配置され、かつ第２のレーザエミッタバーの第２の出力に動作可能に結合される第２のビーム再構成光学部品と；を具えてもよい。これらの実施形態の一部については、輝度増強光学素子は、光学的透過部分が光学的反射部分と交互になる出力面を有する周期的な交互配置部を具える。このような実施形態については、第１のレーザエミッタバーの第１の出力の各ビームは光学的透過部分に向けられてもよく、第２のレーザエミッタバーの前記第２の出力の各ビームは、反射部分によって第１の出力の方向と実質的に平行な方向に反射される。

一体型光学レンズのいくつかの実施形態は、第１の表面と第２の表面とを有し、双方共にレーザエミッタバーの出力を集束し、かつ、遅軸方向においてレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成されるレンズ本体を具える。これらの実施形態の一部については、第１の表面はレーザエミッタバーの出力を集束するように構成される非球面レンズを具え、第２の表面は、遅軸方向においてレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成される非シリンドリカルなレンズを具える。

光学システムのいくつかの実施形態は、出力軸を伴う出力を有するレーザエミッタバーと；レーザエミッタバーの出力に動作可能に結合される速軸コリメータと；第１の表面と第２の表面とを有し、双方共にレーザエミッタバーの出力を集束し、かつ、遅軸方向においてレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成されるレンズ本体を具える一体型光学レンズと；を具える。これらの実施形態の一部については、一体型光学レンズの第１の表面は、レーザエミッタバーの出力を集束するように構成される非球面レンズを具え、一体型光学レンズの第２の表面が、遅軸方向におけるレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成される非シリンドリカルなレンズを具える。

少なくとも１のレーザエミッタバーの出力を処理する方法のいくつかの実施形態は、複数の実質的に平行なビーム片を複数のレーザエミッタから放射するステップと；速軸方向においてビーム片を実質的にコリメートするステップと；各々のビーム片の回転によってビーム片を再構成するステップと；ビーム片を輝度増強光学素子に通過させることによって、ビーム片の輝度を増加させるステップと；を具える。これらの実施形態の一部は更に、遅軸方向においてビーム片を実質的にコリメートするステップを具えてもよい。

これらの実施形態の特徴は、添付の例示的な図面と併用された場合に、以下の詳細な説明から更に明らかになるであろう。

図１は、ある実施形態のレーザエミッタバーの透視図である。 図２は、ある実施形態のレーザエミッタバーの積層型アレイの透視図である。 図３は、図２の実施形態の積層型アレイのレーザエミッタバーの放射アレイを示す。 図４Ａは、ある実施形態の光学システムの正面図を示す。 図４Ｂは、図４Ａの光学システムの上面図を示す。 図４Ｃは、速軸コリメータとビーム再構成光学部品との間の、図４Ａ及び４Ｂのレーザエミッタバーのエミッタのビームの断面図である。 図４Ｄは、ビーム再構成光学部品と輝度増強光学素子との間の、図４Ａ及び４Ｂのエミッタのビームの断面図である。 図４Ｅは、図４Ａ及び４Ｂにおける輝度増強光学素子のビーム出力の断面図である。 図５は、ある実施形態の再構成光学素子を示す。 図６は、ある実施形態のビーム再構成光学部品を示す。 図７Ａは、ある実施形態の輝度増強光学素子の上面図を示す。 図７Ｂは、図７Ａの輝度増強光学素子の側面図を示す。 図８Ａは、ある実施形態の輝度増強光学素子の上面図を示す。 図８Ｂは、図８Ａの輝度増強光学素子の側面図を示す。 図９Ａは、ある実施形態の一体型輝度増強光学素子及び遅軸コリメータの上面図を示す。 図９Ｂは、図９Ａの実施形態の一体型輝度増強光学素子及び遅軸コリメータの側面図を示す。 図１０Ａは、ある実施形態の輝度増強光学素子の上面図を示す。 図１０Ｂは、図１０Ａの実施形態の輝度増強光学素子の側面図を示す。 図１１Ａは、ある実施形態の輝度増強光学素子の上面図を示す。 図１１Ｂは、図１１Ａの実施形態の輝度増強光学素子の側面図を示す。 図１２は、２のレーザエミッタバーと輝度増強光学素子とを有する実施形態の、ある実施形態の光学システムの上面図である。 図１３Ａは、ある実施形態の交互配置型の輝度増強光学素子の側面図である。 図１３Ｂは、図１３Ａの実施形態の交互配置型の輝度増強光学素子の上面図である。 図１３Ｃは、交互配置型の輝度増強光学素子を通る第１及び第２のエミッタバーのエミッタ出力の光路を示す、図１３Ａの実施形態の交互配置型の輝度増強光学素子の上面図である。 図１３Ｄは、図１３Ｃの交互配置型の輝度増強光学素子を通る単一エミッタ出力の光路と、得られる変位する光路を示す。 図１４Ａは、ある実施形態の交互配置型の輝度増強光学素子の上面図である。 図１４Ｂは、一方のプリズム素子がない、他方のプリズム素子の、ある実施形態の交互配置面を示した、図１４Ａの交互配置型の輝度増強光学素子の透視図である。 図１４Ｃは、第１及び第２のエミッタバーのエミッタ出力の光路を示す、図１４Ａの交互配置型の輝度増強光学素子の上面図である。 図１５Ａは、ある実施形態の一体型光学レンズの上面図である。 図１５Ｂは、図１５Ａの実施形態の一体型光学レンズの側面図である。 図１６Ａは、ある実施形態の一体型光学レンズの上面図である。 図１６Ｂは、図１６Ａの実施形態の一体型光学レンズの側面図である。

本明細書中で述べられる実施形態は、レーザエミッタバー又はレーザエミッタチップが１以上の内部配置されるエミッタを有するよう、エミッタの出力を処理する方法及びデバイスに関する。本明細書中で述べられる実施形態は更に、レーザエミッタバーの出力を、光ファイバといった光導管に結合する方法及びデバイスに関する。このようなバー又はチップは、多様な方法によって複数の実施形態の光学システムに取付けられ、そうでない場合は組み込まれうる。このような光学パッケージについては、チップの出力アレイが適切に配列されるべきであり、このような配列は都合良くかつ正確に行うことができ、最終的な構成がチップによって生成される熱を効率良く放散すべきことは重要である。いくつかの実施形態については、光学システムのスペース及びコストを節約するために、光学システムで用いられる光学部品の数を最小化することが所望される。

図１は、互いに対して実質的に平行な光軸を有する全部で５のエミッタ１６を具える、出力面１４を有するレーザエミッタバー１２を示す。本明細書中に記載の実施形態は一般的には、単一のエミッタバーで用いることを対象にするが、図２及び３は、いくつかの実施形態で用いられうる、４のレーザエミッタバー１２の積層型アレイ１０を示す。各々のレーザエミッタバー１２は、互いに隣接して配置される全部で５のエミッタ１６を含む出力面１４を有する。各々のバー１２のエミッタ１６は、矢印１８によって示されるように、エミッタ１６の遅軸方向に沿って実質的には直線状の列に配置される。エミッタ１６の速軸方向は遅軸方向１８に対し垂直であり、矢印２０で示される。エミッタ１６は、遅軸方向１８及び速軸方向２０の双方に垂直な放射軸２２に沿って伝播する出力ビームで光エネルギを放射するように配置されるか、そうでない場合は構成される。積層型アレイのエミッタ１６の放射軸２２は互いに実質的に平行であってもよい。

レーザエミッタバー１２はエミッタ１６の速軸方向２０に沿って積層され、周期的かつ規則的な分布で積層してもよい。図２の実施形態においては、底部のレーザエミッタバー１２のエミッタは、隣接するレーザエミッタバー１２のエミッタから、積層型アレイ１０の高さと称される、矢印２４によって示される距離だけ垂直方向に分離される。いくつかの実施形態の積層型アレイ１０については、矢印２４によって示される高さは約１ｍｍないし約３ｍｍ、特に約１．５ｍｍないし約２．０ｍｍであってもよい。このように、積層型アレイ１０のレーザエミッタバー１２及びエミッタ１６によって、多量の光エネルギ又は出力が、いくつかの実施形態については小型デバイスで生成できる。

実施形態のレーザエミッタバー１２は、約１のエミッタないし約１００のエミッタ、特に約３のエミッタないし約１２のエミッタといった好適な数のエミッタ１６を有してもよい。いくつかの実施形態については、約５のエミッタ１６を有する各々のレーザエミッタバー１２は、約５ワット（Ｗ）ないし約９０Ｗ、特に約１５Ｗないし約７０Ｗ、更には、特に約２０Ｗないし約３０Ｗの出力電力を有してもよい。エミッタ１６はエッジ型発光レーザダイオード、垂直共振器表面発光ダイオードレーザ（ＶＣＳＥＬ）等といったレーザダイオードを含んでもよい。レーザエミッタバー１２のエミッタ１６用の材料はＧａＡｓ、ＩｎＰ、又はその他の好適なレーザ利得媒質等の半導体材料を含んでもよい。

通常、エミッタ１６の実施形態のレーザダイオードの放射開口部は、エミッタ１６の長辺が一般的には数十ないし数百ミクロンの大きさであるが、その短辺は一般的には１ないし数ミクロンの大きさである形状の矩形である。エミッタ１６から出る放射線は発散し、発散角はエミッタ１６の短手方向に沿って大きくなる。発散角はエミッタ１６の長手方向の方向では小さい。エミッタ１６のいくつかの実施形態は、約３０ミクロンないし約３００ミクロン、特に約５０ミクロンないし約２００ミクロンの物理的な幅を有してもよく、エミッタは約１ミクロンないし約３ミクロンの高さを有してもよい。いくつかの実施形態のエミッタは、約０．５ｍｍないし約１０ｍｍ、特に約１ｍｍないし約７ｍｍ、更には特に約３ｍｍないし約６ｍｍの共振器長を有してもよい。このような実施形態のエミッタ１６は、遅軸方向１８での約２度ないし約１４度、特に約４度ないし約１２度の光エネルギ出力の発散と、速軸方向２０での約３０度ないし約７５度の光エネルギ出力の発散を有してもよい。

レーザダイオードバー１２のいくつかの実施形態は、約７００ｎｍないし約１５００ｎｍ、特に約８００ｎｍないし約１０００ｎｍの波長を有する光エネルギを放射するエミッタ１６を有してもよい。エミッタ１６は約３００ｎｍないし約２０００ｎｍ、特に約６００ｎｍないし約１０００ｎｍの中心又はピーク波長を有する光を放射し、近赤外スペクトルにわたる波長を含んでもよい。有用なエミッタのいくつかの特定の実施形態は、約３５０ｎｍないし約５５０ｎｍ、６００ｎｍないし約１３５０ｎｍ、又は約１４５０ｎｍないし約２０００ｎｍのピーク波長で光を放射してもよい。このようなレーザダイオードバーはパルスモード又は連続波モードのいずれで動作させてもよい。頻繁に、波長制御され（例えば、体積回折格子（ｖｏｌｕｍｅ ｉｎｄｅｘ ｇｒａｔｉｎｇ）等からの波長依存性のフィードバックを提供することによって波長制御され）ない別個のエミッタ１６の出力スペクトル帯は、約０．５ｎｍないし約２．０ｎｍ以上であってもよい。別個の各エミッタでのスペクトル帯に加えて、ピーク放射波長の変化によって、レーザエミッタバー１２の全体の帯域幅はいくつかの実施形態については約２ｎｍないし約５ｎｍであってもよい。積層型アレイ１０は４のレーザエミッタバー１２を含むが、積層型アレイ１０の他の実施形態は、任意の好適な数のレーザエミッタバー１２を有してもよい。いくつかの実施形態の積層型アレイ１０は約２のレーザエミッタバー１２ないし約３０のレーザエミッタバー１２、特に約２のレーザエミッタバー１２ないし約１０のレーザエミッタバー１２を有してもよい。

図３によると、積層型アレイ１０は、積層型アレイ１０のエミッタ１６上に配置され、速軸方向２０に各レーザエミッタバー１２のエミッタ１６の出力ビームを実質的にコリメートするように構成される、シリンドリカルレンズアレイの形態での速軸コリメータ２６とともに示される。図３で示される実施形態はバー１２に直接的に固定される速軸コリメータを示すが、以下に詳細に述べるように、同一のコリメートの効果が１以上のバー１２から離れて固定され、不動の関係にある速軸コリメータ２６で得られうる。速軸コリメータ２６は各レーザエミッタバー１２用の１のシリンドリカルレンズ又は１以上の一体型レンズアレイ、ならびにその他の好適な構成を含んでもよい。このエミッタ出力の速軸コリメーションは示されたような出力アレイ２８を生成し、各レーザエミッタバー１２の各エミッタ１６の光エネルギ出力３０は、エミッタ１６の速軸２０に沿って実質的にコリメートされるが、エミッタ１６の遅軸１８に沿って発散し続ける。各レーザエミッタバー１２の光エネルギ出力３０は、伝播方向に対して横方向の矩形の断面を実質的に有することができ、示したように出力アレイ２８を生成するよう相互に平行である。図３に示した積層型アレイの速軸コリメータ２６に対する上述の構成は更に、単一のエミッタバー１２に対して用いてもよい。

上述のように、出力が再構成された後で、レーザエミッタバーの複数のエミッタの出力の輝度及び倍率を維持するのに好適な方法及びデバイスに対するニーズが残っている。更に、わずかな光学素子又は部品を用いるレーザエミッタバーの、再構成された出力ビームを結合するのに好適なデバイス及び方法に対するニーズが残っている。図４Ａ及び４Ｂは励起時に出力を放射しうる、５のエミッタ１６を有するレーザエミッタバー１２を具え、上述の図２に示すような出力軸を有する光学システム３０を示す。輝度増強光学素子３２は、レーザエミッタバー１２の出力軸と実質的に整列し、エミッタ出力がエミッタバー１２に隣接配置される速軸コリメータ３４を通過した後にレーザエミッタバーに動作可能に結合され、かつ、その出力ビームに動作可能に結合されるように配置及び配向される。速軸コリメータ３４は更に、レーザエミッタバー１２と輝度増強光学素子３２との間に配置してもよい。速軸コリメータは実質的に速軸方向において、エミッタ１６のエミッタ出力ビームをコリメートするように供する。各エミッタビームの長軸の周りで、レーザエミッタバー１２のエミッタの出力ビームを別個に回転させるように構成されるビーム再構成光学部品３６は、輝度増強光学素子３２とレーザエミッタバーとの間に配置される。いくつかの実施形態については、ビーム再構成光学部品３６は、図４Ａ及び４Ｂに示されるように、速軸コリメータ３４と輝度増強光学素子３２との間に配置してもよい。ビーム再構成光学部品３６は更に、速軸コリメータ３４を通過したレーザエミッタバー１２の出力に動作可能に結合されるように配置及び配向される。

輝度増強光学素子３２は一般的には、光学システムの輝度を維持又は減少を最小化するように構成される。このように、本明細書で用いられるように、輝度増強という用語又は他の同様の用語は一般的に、本明細書中の光学システム及び方法における、輝度の維持又は輝度減少の最小化に関連づけられる。本明細書中にに記載の実施形態のデバイス及び方法は輝度のレベルを増加させないことは理解されよう。

光学システム３０は更に、輝度増強光学素子３２から放射されるレーザエミッタバー１２の出力に動作可能に結合されるように、配置及び配向される遅軸コリメータ３８を具える。遅軸コリメータ３８は、遅軸方向におけるレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成してもよい。遅軸コリメータ３８は、輝度増強光学素子３２と集束光学部品４０との間に配置してもよい。選択的な集束光学部品４０は遅軸コリメータ３８の後ろに配置してもよく、遅軸コリメータ３８から放射されるレーザエミッタバーの出力に動作可能に結合されるように、配置及び配向してもよい。集束光学部品４０は、遅軸コリメータ３８からの出力を、光ファイバ等のような光導管４１に集束させるように構成してもよい。

複数の実施形態の遅軸コリメータ３８、集束光学部品４０、及び速軸コリメータ３４は、ガラス、石英、及びシリカ等といった１以上の好適な光学材料から生成されるシリンドリカルレンズ、球面レンズ、又は非球面レンズ等としての標準的な構造を有してもよい。いくつかの実施形態については、速軸コリメータ３４は実質的にレーザエミッタバー１２の幅以上の幅を有してもよい。

動作中に、バー１２の各エミッタ１６が、バー１２の他のエミッタ１６の出力ビームと実質的に平行な光軸を有する出力ビームを放射するように、レーザエミッタバー１２は励起される。出力ビームは次いで、速軸方向において、出力ビームの各々を実質的にコリメートする速軸コリメータ３４を通過する。速軸コリメータ３４から放射される出力ビームのある実施形態の断面図は図４Ｃに示され、矢印２０に示されるように速軸方向においてコリメートされる実質的な水平方向を有し、かつ、更には矢印１８に示されるように遅軸方向において発散する、５の出力ビームの各々を示している。速軸コリメータ３４を通過した後に、出力ビームは次いで、各出力ビームの長軸周りで約８５ないし約９５度、出力ビームの各々を回転させる一方、相互に実質的に平行な出力ビームを維持できるビーム再構成光学部品３６を通過する。ビーム再構成光学部品３６と輝度増強光学素子３２との間の出力ビームの断面図がいくつかの実施形態については図４Ｄにおけるビーム断面に見えうるように、このプロセスは有効に出力ビームの速軸方向及び遅軸方向を切り換える。

図４Ｄにおけるビーム断面は、速軸コリメータ３４と輝度増強光学素子３２との間の遅軸方向における出力ビームの発散のために、伸長型の遅軸成分を有する。速軸方向におけるビーム断面は、速軸コリメータ３４によるその方向におけるコリメーションによって図４Ｃのビーム断面に対して完全に一定に維持された。出力ビームの断面図に見られるように、ビームの狭小な特性のために、ならびにビーム再構成光学部品自体に固有のビーム片の断面図及び事実上の開口部の組合せのために、速軸方向における隣接するビーム間には有意なギャップがある。特に、速軸コリメータ３４の後ろのビーム片の断面図は一般的には全体的な形状において矩形であるが、ビーム再構成光学部品３６の多くは、矩形形状の原理平面に対して約４５度の方向に事実上の開口部を多くの場合に具える、反射又は屈折手段によって機能する。いくつかの再構成光学素子３６は他の手段（例えば、Ｓｏｕｔｈａｍｐｔｏｎマルチミラー）によって機能し、更に製造の問題（コーティング遷移、屈折式光学素子についての形状遷移等）によるギャップが生じる。これらのギャップはその後、複数の実施形態の多様な輝度増強光学素子３２によって処理されうる。

図４Ｄに示される断面特性を有する出力ビームは次いで、速軸方向２０において別個に出力ビームの各々を拡張するが、相互に平行にビームを維持し、かつ任意の所望されない発散の導入を防ぐ輝度増強光学素子３２を通過する。いくつかの好適な輝度増強光学素子は、以下に述べる望遠鏡の光学素子のレンズアレイを具える。いくつかの実施形態については、このようなアレイの望遠鏡のレンズ素子は、レーザエミッタバー１２の高さと同一又は同様の高さを有してもよい。このような望遠鏡のレンズアレイならびに他の光学素子は、輝度増強光学素子の後ろの出力ビームの断面が図４Ｅの断面図のように見えうるように、速軸方向２０において出力ビームを拡張してもよい。図４Ｅにおいては出力ビームの各々は、出力ビームが速軸方向において相互に隣接又は重畳するように、速軸方向における輝度増強光学素子３２の動作によって拡張させた。単一の大きな出力ビームとして更に現れる出力ビームのアレイは次いで、遅軸コリメータ３８のような遅軸コリメート素子を通過し、次いで任意の好適な寸法及び構成の光ファイバである光導管４１に集束させてもよい。

いくつかの実施形態については、ビーム再構成光学部品３６は、上述のようにレーザエミッタバー１２のエミッタ１６の出力の別個の各ビーム片を回転させるのに供する光学素子を具えてもよい。図５は、対角線上に配向されたシリンドリカルレンズ４４の対向する対のアレイを具える、ある実施形態の屈折式のビーム再構成光学部品４２を示す。ビーム再構成光学部品４２のレンズの対向する各対は、システムのレーザエミッタバー１２の別個のエミッタ１６の横方向の離隔距離又は高さと実質的に同一の横方向の離隔距離又は高さを有してもよい。シリンドリカルレンズの対向する対の各レンズは更に、図５に示されるように相互に対して約９０度の角度に設定してもよい。屈折式のビーム再構成光学部品４２は、ガラス、石英、又はシリカ等といった任意の好適な光学材料から生成してもよい。いくつかの実施形態については、ビーム再構成光学部品３６は、エミッタバー１２の各エミッタ素子１６からの各出力の９０度のビーム回転用の屈折オフセット式のシリンドリカルレンズアレイを具える。

このような屈折オフセット式のシリンドリカルレンズのいくつかの実施形態は、透過ブロックの対向する平行な表面に対称的に配置される、対角線上に配向されたシリンドリカルレンズ素子か、あるいはガラス又はシリカといった屈折性固体で生成されうる物質を具えてもよい。透過ブロックは、任意の対向するシリンドリカルレンズの対称的な対が透過ブロックの本体内の同一の点又は線で集束するようにサイズ調整してもよい。このような構成は、出力ビームの速軸及び遅軸が反転するように、入射する出力ビームを約９０度回転させうる。別個の出力ビーム１６の回転は速軸と遅軸との間のビーム生成及びビームプロファイルを対称的にするのに有用となり、出力ビームの後の集束又は密度を促進する一方、輝度を維持する。ビーム再構成光学部品のシリンドリカルレンズ素子の傾斜又は角度方向は、図５における矢印４３によって示されるように約４０度ないし約５０度の角度に設定してもよい。ビーム再構成光学部品４２といった、９０度のビーム回転用の複数の実施形態の屈折オフセット式のシリンドリカルレンズアレイは、ドイツ国ドルトムンドのボッケンブルゲヴェーグ４−８のＬＩＭＯ社で作成されたような、製品を含んでもよい。

図６は、各ビーム片の長軸周りでレーザエミッタバー１２のエミッタ１６の別個の各ビーム片を回転させるように更に供する、ある実施形態の反射式又はミラー型のビーム再構成光学部品５０を示す。反射式のビーム再構成光学部品５０は、出力ビームの長軸周りで、かつ、矢印５６に示されるような隣接する平行に伝播するビーム片に対して、別個に各ビーム片を回転させる２の連続的な反射を生成する、入射ビーム片の光路５４に対し４５度に設定される複数の対となるミラー５２を具える。ミラー５２は高強度性の安定材料から生成してもよく、表面の反射を増加させるべく任意の非常に好適なミラーコーティング又は材料を含んでもよい。ビーム片の軸周りの回転量は変化しうるが、いくつかの実施形態は、同一方向で、かつ、例えば、約８０度ないし約１００度、特に約８５度ないし約９５度の回転といった実質的に同一量で各ビーム片を回転させてもよい。

図４Ａ及び４Ｂのシステム用の輝度増強光学素子３２は、レーザエミッタバーのエミッタの出力の輝度を維持するのに供する多様な構成を含んでもよい。いくつかの実施形態の輝度増強光学素子３２は、特に上述のように出力がビーム再構成光学部品によって再構成された後に、レーザエミッタバーのエミッタの出力の別個のビーム片間のギャップを充填するのに供してもよい。いくつかの実施形態の輝度増強光学素子３２は、隣接するビーム片間のギャップを充填するように、エミッタのビーム片を閣僚するのに供し、更にコリメーションを改善するか、あるいは各ビーム片の発散を低減するのに供してもよい。いくつかの実施形態の輝度増強光学素子３２は望遠鏡の実施形態又は光学素子を具えてもよい。いくつかの輝度増強光学素子の実施形態の望遠鏡の光学素子は、少なくともレーザエミッタバー１２の各エミッタ１６が輝度増強光学素子３２とともに用いられるように、平行に対向配置された一対のシリンドリカルレンズを有する円柱状の望遠鏡アレイを具えてもよい。いくつかの実施形態の輝度増強光学素子３２は、対となる表面を有するファセット型の望遠鏡構造を具えてもよく、複数の連続するファセットを有する入力面と、第１の表面のファセットよりも相互に近接配置された、複数の対応する連続するファセットを有する出力面とを具える。

図７Ａ及び７Ｂは、複数の平行に対向配置された一対のシリンドリカルレンズ６２を、各々に隣接する、平行に対向配置された一対のシリンドリカルレンズに平行かつ隣接して配置させる、ケプラー式の円柱状の望遠鏡アレイを具える輝度増強光学素子６０を示す。示された実施形態の平行に対向配置された一対のシリンドリカルレンズの各シリンドリカルレンズは、凸面シリンドリカルレンズである。シリンドリカルレンズは、光学素子の外面を形成する光学素子本体６４から離れて配置される凸面部分を有して配向される。各々の対向する一対のレンズの入力レンズ及び出力レンズの集束距離及び相対間隔は、所望の量の拡張又は倍率を生成するように構成できる一方、相互に実質的に平行に、かつビームの発散を導入することなく出力ビームの各々を維持できる。

図７Ａにおいて矢印６６で示されるように、レーザエミッタバー１２からの入射ビーム片は、入力面の凸面入力レンズのレンズ効果（ｌｅｎｓｉｎｇ）のために焦点を通って収束することによって、速軸方向２０においては油庫向きに拡張される。入力ビームはその後、ビームが更に凸面となる対応する出力レンズによって再コリメートされるまで、焦点の後ろの光学素子内で再拡張される。この拡張は更に、輝度の維持を増加させるようにビームの発散を低減し、コリメーションを改善しうる。光学素子６０による遅軸方向における発散の測定可能な正味の影響はない。光学素子の各側面のレンズは実質的には相互に平行であり、そこに結合される実施形態のレーザエミッタバー１２の別個のエミッタ１６の高さと実質的に同一の間隔又は高さを有してもよい。いくつかの実施形態については、レンズ６２の高さは約０．３ｍｍないし約１．５ｍｍ、特に約０．４ｍｍないし約１．２ｍｍであってもよい。光学素子６０はガラス、石英、又はシリカ等を含む任意の好適な光学材料から生成してもよい。光学素子６０のレンズ６２の外面は、光学素子を通る光エネルギの透過を増加させるために、任意の好適な抗ミラーコーティング又は材料を含んでもよい。いくつかの実施形態については、光学素子６０の望遠鏡の素子の倍率は、約１．２の倍率ないし約２．４の倍率、特に約１．４の倍率ないし約１．７の倍率であってもよい。

図８Ａ及び８Ｂは、図７Ａ及び７Ｂに示し、かつ上述した実施形態のケプラー式のアレイといくつかの点で類似するガリレイ式の円柱状の望遠鏡アレイを具えるある実施形態の輝度増強光学素子７０を示す。図８Ａ及び８Ｂに示されるように、光学素子７０の入力側のシリンドリカルレンズ７２は、図７Ａ及び７Ｂに示した光学素子６０上のレンズの入力アレイにおける凸面レンズではなく、凹面である。前と同じく、各々の対向する一対のレンズの入力レンズ及び出力レンズの集束距離及び相対間隔は、所望の量の拡張又は倍率を生成するように構成できる一方、相互に実質的に平行に、かつビームの発散を導入することなく出力ビームの各々を維持できる。いくつかの場合においては、増強光学素子７０の材料、寸法及び特徴は更に、図７Ａ及び７Ｂの実施形態の光学素子６０と同一であってもよい。図８Ａに示されるように、平行な矢印によって示される入射ビームは、入力面の入力凹面レンズによって屈折される。入力レンズの屈折によって、ビームは光学素子７０内の矢印によって示されるように光学素子７０内で発散される。ビームはその後、側軸方向においてビームが拡張するように出力面で対応する出力レンズによって再コリメートされる一方で、各出力ビームの発散を維持する。光学素子７０による遅軸方向における発散の測定可能な正味の影響はない。

図９Ａ及び９Ｂは、図８Ａ及び８Ｂの実施形態の光学素子７０と同一の特徴、寸法、及び材料の一部を有しうるある実施形態の輝度増強光学素子８０を示す。しかしながら、図９Ａ及び９Ｂの輝度増強光学素子８０は、遅軸コリメータとして機能するように構成され、その出力面に重ねられるレンズ構造を具える。出力面の遅軸コリメータのレンズは、図４Ａ及び４Ｂに示した別個の遅軸コリメータの光学素子３８を変位するように用いてもよい。このような実施形態においては、輝度増強光学素子８０は輝度増強光学素子３２及び遅軸コリメータ３８の代わりとなる。図８Ａ及び８Ｂに示されるように、光学素子８０の出力面８２は、対向配置された一対のシリンドリカルレンズの出力レンズ８４上に重ねられた円柱状のレンズ構造を具える。この構造においては、整列された対となるレンズの出力レンズの各々は、遅軸方向において収束を生成するようにレンズ構造において湾曲する。出力面８２のレンズの焦点距離は、システムの出力ビームを所望のレベルに有効にコリメートするように選択してもよい。出力面８２の円柱状レンズは遅軸方向において、レーザエミッタバー１２の出力を実質的にコリメートするように供する一方、平行に対向配置された一対のシリンドリカルレンズは、実施形態の光学素子７０について上述したように、速軸方向においてビームを拡張することによってビーム出力の輝度を増加又は維持するように供する。いくつかの実施形態については、遅軸コリメーション用の出力面のレンズの焦点距離は、約５ｍｍないし約５０ｍｍ、特に約１０ｍｍないし約２０ｍｍであってもよい。

図１０Ａ及び１０Ｂは、ファセット型の望遠鏡構造又は平面平行プレート型構造を有する輝度増強光学素子９０を示す。光学素子９０のファセット型構造は、複数の隣接する入力ファセット９４を伴う入力面９２と、それぞれの各入力ファセット９６に対応する複数の隣接する出力ファセット９８を伴う出力面９６とを有する。対となる入力及び出力ファセット９４及び９８は、相互に平行であってもよく、ビームが入力ビームの発散を維持すべく相互に平行な出力ファセットから射出するように、光学素子を通る実質的に平行な入力ビーム９０を屈折するように構成してもよい。出力ビームは、図１０Ａの矢印１００によって示されるように平行な入力ビームの間隔よりも相互に近接する。エミッタ１６の隣接する出力ビームのより近接した間隔は、より効果的な結合及び他の用途でシステムの輝度を維持するように用いてもよい。いくつかの実施形態については、入力ファセット９４が有する半径及び出力ファセットが有する半径は、光学素子９０の材料及び対となるファセットの間隔と併せて、所望の圧縮量の隣接する出力ビームを生成するように選択してもよい。いくつかの実施形態については、光学素子９０は、約４０％ないし約８０％の充填率を有する入射ビームが横方向に配置されてもよく、そうでない場合は約８０％ないし約１００％の充填率に圧縮されるように構成してもよい。本明細書中に記載の充填率の測定値は、総ての出力ビームのビームプロファイル全体中の照射領域の量のことである。例えば、図４Ｄに示したビームプロファイルの充填率は約３０％にできる一方、図４Ｅに示したビームプロファイル又は断面における充填率は約９０％にできる。光学素子９０による遅軸方向における発散の測定可能な正味の影響はない。

いくつかの実施形態の光学素子９０については、各々の対応するファセット対は、図１１Ａ及び１１Ｂの実施形態１１０に示されるように、光学素子の入力及び出力ファセット面に一対の対応するシリンドリカルレンズを具えてもよい。対向し対となるシリンドリカルレンズ１１６及び１１８の入力面１１２及び出力面１１４は相互に実質的に整列してもよく、図１１Ａの矢印１２０によって示されるように、ビームが互いに平行であり、平行な入力ビームの間隔よりも相互に近接する間隔を有する出力ファセットから射出するように、光学素子を通る実質的に平行な入力ビームを屈折するように構成してもよい。示された実施形態１１０については、出力ビームは、光学素子１１０のレンズ対を通過するビームによって示されるように、速軸方向２０においては拡張も圧縮もされず、約１の倍率で構成される。ビームは更に、対となるシリンドリカルレンズ１１６及び１１８の望遠鏡の効果により、コリメートするか、あるいは入力ビームに対する発散を低減しうる。いくつかの実施形態については、入力面のレンズ又はファセットの高さ又は間隔は約０．３ｍｍないし約１．５ｍｍ、特に約０．４ｍｍないし約１．２ｍｍであってもよい。光学素子１１０はガラス、石英、又はシリカ等を含む任意の好適な光学材料から生成してもよい。光学素子のレンズの外面は、光学素子を通る光エネルギの透過を増加させるために、任意の好適な抗ミラーコーティング又は材料を含んでもよい。示した光学素子１１０のレンズ対は約１の倍率を有するが、光学素子１１０の各ファセットの望遠鏡のレンズ対の倍率は、約０．５の倍率ないし約１．５の倍率を有してもよい。更にいくつかの実施形態については、入力レンズ１１６が有する半径及び出力レンズ１１８が有する半径は、光学素子９０の材料及び対となるレンズ１１６及び１１８の間隔と併せて、所望の圧縮量の隣接する出力ビームを、光学素子１１０のレンズ対による拡張及び圧縮と連動して生成するように選択してもよい。いくつかの実施形態については、光学素子１１０は、約４０％ないし約８０％の充填率を有する入射ビームが約８０％ないし約１００％の充填率に横方向に変位、圧縮及び／又は拡張されるように構成してもよい。光学素子１１０による遅軸方向における発散の測定可能な正味の影響はない。

いくつかの実施形態については、本明細書中に記載の複数の実施形態の光学素子の一部を用いて、少なくとも１のレーザエミッタバー１２の出力を制御する方法は、レーザエミッタバーの複数のレーザエミッタ１６から複数の実質的に平行なビーム片を放射するステップを具えてもよい。ビーム片は、レーザエミッタバー１２の出力に動作可能に結合される速軸コリメータによって、速軸方向に実質的にコリメートしてもよい。出力ビーム片は次いで、その長軸で各ビーム片を回転させるように構成されうるビーム再構成光学部品３６によって再構成してもよい。各ビーム片は隣接するビーム片に対して回転してもよく、一方、隣接するビーム片の中心又は長軸に対する、ビーム片の中心又は長軸の位置を維持してもよい。総てのビーム片の輝度は、本明細書中に記載の輝度増強光学素子のうちのいずれかといった、輝度増強光学素子３２にビーム片を通過させることによって増加、あるいはそうでない場合は、実質的に維持されうる。いくつかの実施形態については、出力ビームは遅軸コリメータ３８にビーム片を通過させることによって、遅軸方向に実質的にコリメートしてもよい。いくつかの実施形態については、出力ビームは、集束光学部品４０にビーム片を通過させることによって、光導管４１の透過コア部等に結合するのに好適な焦点又はパターンに集束してもよい。レーザエミッタバーの集束された出力ビームの結合に好適な光導管は、光ファイバ、中空反射器、又は整列型ミラーアレイ等を含んでもよい。

レーザエミッタバー１２の出力を管理するための別の実施形態の光学システムが、図１２に示される。その実施形態の光学システム１３０は、第１の出力軸１３４を伴う第１の出力を有する第１のレーザエミッタバー１３２を具える。第２の出力軸１３８を伴う第２の出力を有する第２のレーザエミッタバー１３６は、第２の出力軸が第１の出力軸１３４と実質的に垂直になるように配置される。輝度増強光学素子１４０は、第１の出力及び第２の出力に動作可能に結合されるように配置及び配向される。輝度増強光学素子１４０は、第１の出力及び第２の出力に動作可能に結合されるように配置及び配向される。輝度増強光学素子１４０は第２の出力を、第１の出力の伝播方向と実質的に平行な伝播方向に向きを変え、かつ、矢印１４２に示されるように各々の第１及び第２のレーザエミッタバーからの第１及び第２の出力を交互配置するように構成される。第１の速軸コリメータ１４４は、第１のレーザエミッタバー１３２と輝度増強光学素子１４０との間に配置され、第１のレーザエミッタバー１３２の第１の出力に動作可能に結合されるように配置及び配向される。第２の速軸コリメータ１４６は、第２のレーザエミッタバー１３６と輝度増強光学素子１４０との間に配置され、第２のレーザエミッタバー１３６の第２の出力に動作可能に結合されるように配置及び配向される。第１のビーム再構成光学部品１４８は、第１のレーザエミッタバー１３２と輝度増強光学素子１４０との間に配置してもよく、第１のレーザエミッタバー１３２の第１の出力に動作可能に結合されるように配置及び配向される。第２のビーム再構成光学部品１５０は、第２のレーザエミッタバー１３６と、輝度増強光学素子１４０との間に配置される。第２のビーム再構成光学部品１５０は、第２のレーザエミッタバー１３６の第２の出力に動作可能に結合されるように配置及び配向される。

いくつかの実施形態については、システム１３０は、第１及び第２のレーザエミッタバー１３２及び１３６の第１及び第２の出力にそれぞれ動作可能に結合されるように配置及び配向される遅軸コリメータ１５２を具える。いくつかの実施形態については、システムは、輝度増強光学素子の出力に動作可能に結合されるように配置及び配向され、かつ光ファイバ等といった光導管１５６に出力を集束するように構成される集束光学部品１５４又は光学素子を具える。いくつかの実施形態については、輝度増強光学素子１４０は、図１３Ａないし１３Ｄに更に詳細に示すように、周期的な交互配置部を具える。周期的な交互配置部１４０は、抗ミラーコーティングを含みうる入力面１５７と、光学的透過部分１６０が光学的反射部分１６２と交互になる出力面１５８とを有する。使用時に、第１のレーザエミッタバー１３２の第１の出力の各ビームは交互配置部の光学的透過部分に向けられ、第２のレーザエミッタバー１３６の第２の出力の各ビームは反射部分によって、図１２における矢印１４２によって示されるように第１の出力の方向と実質的に平行な方向に反射される。

いくつかの実施形態については、周期的な交互配置部１４０の光学的透過部分１６０及び光学的反射部分１６２は、交互配置部１４０の表面に対する入射ビームの角度方向を補償するために、レーザエミッタバーのエミッタの高さと実質的に同一の高さに、約１．４０ないし約１．４２の比率、あるいは２の平方根の値で乗算した高さを有する、実質的に等しい幅の平行な縞部として構成される。いくつかの実施形態については、光学的反射部分１６２及び光学的透過部分１６０の幅は、交互部分の高さの半分に等しい長さに実質的に等しくてもよい。いくつかの実施形態については、周期的な交互配置部１４０は、第１及び第２のレーザエミッタバー１３２及び１３６の各々の第１及び第２の出力１３４及び１３８に対し約４５度の角度で配置される実質的に平行な表面を有するプレート１６４を具える。このような実施形態については、出力ビームの経路は、図１３Ｃに示されるような光学素子１４０によって交互配置してもよい。示したように、第２のエミッタバー１３６からの反射ビームは、第１のエミッタバー１３２からの透過ビームの間に、及び／又は隣接して配置される位置から反射される。

更には、このようなプレートの厚さによって、図１３Ｃに示され、矢印１４１及び記号Δ（デルタ）によって示されるように、第１のレーザエミッタバーからプレートを通過するビームの横方向の変位が生じうる。いくつかの実施形態については、第１の出力は所定の式でプレートの厚さを通る屈折によって横方向に変位される。いくつかの実施形態については、横方向の変位用の式は、Δ＝ｔ×（ｓｉｎ（θ−Φ）／ｃｏｓΦ）であり、ｓｉｎθ＝ｎ×ｓｉｎΦであり、ｔは厚さであり、ｎは交互配置部１４０の屈折率である。この関係性については、θ及びΦは図１３Ｄに示したような、交互配置部１４０の表面に対する角度である。

プレートの実施形態の周期的な交互配置部に加えて、いくつかの実施形態の周期的な交互配置部は三角プリズムといった一対のプリズムを具え、周期的な交互配置部１７０は図１４Ａないし１４Ｃの実施形態１７６に示されるように、プリズム１７２及び１７４の表面間の結合部の表面で形成される。いくつかの実施形態については、光学的透過部分１６０及び光学的反射部分１６２は、２のプリズム間の結合部の表面のうちの１つに形成してもよい。プリズム１７２及び１７４の表面のうちの１以上に形成される部分１６０及び１６２は、上述の周期的な交互配置部１４０の部分１６０及び１６２と同一又は同様の特徴、寸法、及び材料を有してもよい。プリズムの実施形態の交互配置部１７０が符号１４０の平行プレートのビームの通過を防止するため、上述の屈折変位Δを説明する必要がない。第１及び第２のバー１３２及び１３６からの、及び光学素子１７０を通るビームの光路は、図１４Ｃに示されうる。このような実施形態については、出力ビームの経路は光学素子１７０によって交互配置してもよい。示したように、第２のエミッタバー１３６からの反射ビームは、第１のエミッタバー１３２からの透過ビームの間に、及び／又は隣接して配置される位置から反射される。光学素子１４０又は１７０のいずれかが、図１２に示すシステム１３０で用いられうる。

上述のように、いくつかの実施形態の光学システムは、システムの光学素子の数を最小化するか、光学素子によって取られるスペースを最小化するか、あるいはその双方が所望されうる。図１５Ａ及び１５Ｂは、第１の表面１８４と第２の表面１８６とを有し、双方共にレーザエミッタバーの出力を集束し、かつ、遅軸方向においてレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成されるレンズ本体１８２を具える一体型光学レンズ１８０を示す。いくつかの実施形態については、第１の表面１８４が、レーザエミッタバー１２の出力を集束するように構成される非球面レンズ１８８を具えてもよく、第２の表面１８６が、遅軸方向におけるレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成される非シリンドリカルなレンズ１９０を具えてもよい。いくつかの実施形態については、第２の表面１８６の非シリンドリカルなレンズ１９０は実質的に双曲線形状を具えてもよい。いくつかの実施形態については、前記第１の表面１８４はレンズ本体１８２の入力面を具えてもよく、第２の表面１８６はレンズ本体１８２の出力面を具えてもよい。このような構成は更に、一体型光学レンズの入力面１８４及び出力面１８６のレンズ機能について変形又は反転してもよい。

図１６Ａ及び１６Ｂによると、一体型レンズ１９２は、レンズ本体１９４を有し、第１の表面１８４がレンズ本体の出力面を具え、第２の表面１８６がレンズ本体の入力面を具えることを除いては図１５Ａ及び１５Ｂの実施形態と同一又は同様の特徴、寸法及び材料を有するように示される。示される一体型光学素子１８０及び１９２は、上述の光学システムのいずれかの集束光学部品及び遅軸コリメータと置換してもよい。一体型光学素子のいずれかについては、レンズ本体は、成形プロセス、研削プロセス、リソグラフィのエッチングプロセス、又はその他の好適なプロセスによって形成してもよい。更には、複数の実施形態の一体型レンズはガラス、石英、又はシリカ等といった任意の好適な光学材料から生成してもよい。

このような一体型光学素子は、本明細書中に記載の複数の実施形態の光学システムのいずれかに組み込んでもよい。例えば、光学システム（図示せず）は、出力軸を伴う出力を有するレーザエミッタバー１２と；レーザエミッタバー１２の出力に動作可能に結合される速軸コリメータ３４と；第１の表面と第２の表面とを有し、双方共にレーザエミッタバーの出力を集束し、かつ、遅軸方向においてレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成されるレンズ本体１８２を具える一体型光学レンズ１８０と；を具えてもよい。いくつかの実施形態については、一体型光学レンズの第１の表面は、レーザエミッタバーの出力を集束するように構成される非球面レンズを具えてもよく、一体型光学レンズの第２の表面は、遅軸方向におけるレーザエミッタバーの出力を実質的にコリメートするように構成される非シリンドリカルなレンズを具えてもよい。いくつかの実施形態については、システムは更に、レーザエミッタバー１２の出力に動作可能に結合され、かつ速軸コリメータ３４と一体型光学レンズ１８０との間に配置される輝度増強光学素子３２を具えてもよい。いくつかの実施形態については、システムは更に、レーザエミッタバー１２のエミッタの出力ビームを別個に回転させるように構成され、輝度増強光学素子３２とレーザエミッタバー１２との間に配置され、かつレーザエミッタバーの出力に結合されるビーム再構成光学部品３６を具えてもよい。

上の詳細な記載について、本明細書中で用いられる同様の引用番号は、
同一又は同様の寸法、材料及び構成を有しうる同様の要素である。特定の形態の実施形態が例示及び記載されてきたが、様々な変更が本発明の実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく、なされうることは明らかであろう。従って、本発明は前述の詳細な説明によって限定すべきことを意図していない。