JP3649737B2 - 線形レーザダイオード・アレイからのビーム誘導形成機構 - Google Patents

Description

本発明は、請求の範囲第１項の前文部分に記載の線形レーザダイオード・アレイからのビームを誘導形成する機構に関する。
近年の高性能レーザダイオード技術の急速な発展に伴い、ダイオードレーザの多様な用途が開発されている。その中には例えばレーザダイオードを用いた固体レーザのポンピングがある。
ダイオードレーザの特徴は発光ゾーンもしくは出射面から出射する出力ビームの横断面が非対称であることである。これらのビームの横断面は特徴的な楕円形である。この楕円形の断面の長軸はダイオード構造のpn遷移面に対して垂直に（急速方向とも呼ばれる）延び、一方、短軸はpn遷移面と平行に（緩速方向とも呼ばれる）延びている。このようなビーム断面が非対称であることの他に、出射ビームは長軸方向、すなわちpn遷移面、もしくは能動層に対して垂直方向にビームの開きが90゜に及ぶ高い発散を呈し、一方、短軸の方向では前記の開きは約10゜であるに過ぎない。
ビーム断面がこのように特殊な楕円形であり、能動面（接合面とも呼ばれる）に対して垂直方向では発散が大きく、これに垂直な方向では発散が比較的小さいため、このようなダイオードレーザを導入するには、特に多数個の前記レーザダイオードをレーザダイオード・フィールドまたはレーザダイオード・アレイに集積する場合はダイオードレーザのビームを適切に誘導し、形成することが決定的に重要である。
従来は、レーザダイオード・ビームの誘導と形成は、レーザダイオードの出射口から出射するビームの光路内に挿入されたレンズおよびプリズムのような透過性の光学系によって行われている。例えば固体レーザのダイオード・ポンピングの場合のような特定の用途では、各ダイオードのダイオード・ビームはレンズを用いて固体棒上に集束されなければならない。その際に問題になるのは、pn遷移面に対して垂直方向に前述の90゜の発散角度を有するダイオード・レーザを完全に捕らえることができる、開口数が極めて大きいレンズを入手しなければならないことである。このようなレンズは原理的には屈折率が極めて高いガラスだけで製造可能である。その欠点は勿論、入射角が大きいことに起因してレンズの反射損が典型的には20％以上と高く、その結果、ダイオードレーザの場合は特に顕著であるように、効率が著しく低下することである。
高性能レーザダイオードは代表的には１×100μｍの断面積の能動媒体を有している。更にコスト上の理由から、出射面を有する複数個のレーザダイオードが並置され、または複雑なフィールド、もしくはアレイ内に配置される。その場合、照射野を発生するために、レーザダイオードはそれが一列に配列されている場合は、レーザダイオードの楕円形の断面の長軸が互いに平行に延びるように配置される。ビームの線質は狭い方向では回折が制限され、接合面では約1000倍も回折が制限されるので、レーザダイオード・アレイから発光するビームは円筒形レンズおよび球面レンズ、またはその組合わせを用いた場合には小さく円形のスポット内には集束されず、従って例えば、レーザダイオード・アレイと組合わせた光ファイバの結合、またはいわゆる固体レーザの“エンド−オン−ポンピング”の用途は制限される。
請求の範囲第１項の前文部分に記載の機構は米国特許第4986634号から公知である。この文献から、レーザ部分が互いに平行に整列されて装置から出射するように、ビーム部分を反射素子を介して組合わされた複数の半導体レーザを発するレーザビーム発生源が公知である。個々の半導体レーザの個々のビーム部分は上記特許明細書の第３図に示すような楕円形のビーム断面を有している。この楕円形の断面は、第３図に示すように、個々のビーム発生源からの組合わされたビームが光学機構を通過した後で短い半軸で互いに重なるように配向されている。個々のビーム断面の配向は互いに変化しない状態に保たれる。このことは、光学機構がビーム断面の短い半軸と長い半軸、すなわち迅速方向と緩速方向に関して方向転換しないことを意味している。
更に刊行物、“欧州電子光学会議議事録”（欧州Cleo）、アムステルダム、1994年８月28日〜９月２日、410ページおよび411ページ、から２つの平坦な平行に配置された板を使用するビーム形成技術が公知である。平坦で平行な板の間で部分ビームは多様に反射し、移動する。板は平坦であり、区分化されていない。
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は直線上に位置し、共通面に配列されたレーザダイオード用に導入可能であり、それを用いると個々のレーザダイオードのビームがほぼ均質の照射域、または照射域パターンへと写像可能である機構を提供することにある。
上記の目的は、線形レーザダイオード・アレイからのビームを誘導形成する機構を通して達成される。簡単な反射面によって、反射面が入射ビームに対して適当な傾斜を有していることにより前記ダイオード・アレイからのビーム断面を近接させることができるので、レーザダイオードの出射窓から出射した個々の照射域が互いに密接する。請求の範囲第１項及び本発明の思想（偏倚／傾斜）に従った構成の別の態様では、個々の反射面はこれと組合わせたアレイのレーザダイオードのビーム出射面に対してそれぞれ異なる距離を有しており、変化する距離はアレイの一連のレーザダイオードと順次対応している。アレイのレーザダイオードの個々の出射面の距離の選択に対応して、反射面の距離、および反射面の相互の偏倚も好適に選択され、必要に応じて調整される。しかし、個々のレーザダイオードの照射表面領域の中心は好適に一直線上にある。すなわち、この反射面は互いに同様に偏倚され、また、アレイ内の一列に配列された連続するレーザダイオードに関してはレーザダイオードの出射面との間隔はそれぞれ同じ距離だけ変化する。
簡単な光学系でビームを密集した照射域に集束するために、レーザダイオードから出射する各ビームの光路内の第１反射面には第２の別の反射面を組合わせることが有利であることが判明している。この第２反射面も、互いに偏倚され、これと組合わせた第１反射面に対して異なる距離を隔てた平面内に配置され、偏倚および変化する反射面の距離も一連の第１反射面と順次対応している。レーザダイオード・アレイの写像面内の照射域に対する要望に応じて、各々の第２反射面は照射方向に別の反射面を設けることができ、ビームが通過する連続する反射面の最大数は４個であることが好ましい。
個々の反射面を構成し、形成できる簡単な光学素子としては階段状に形成されたミラーが有利であることが判明している。このような階段状ミラーは対応して、例えば蒸着によりミラー面を被覆した担体によって製造することができる。勿論、このような階段状ミラーをダイアモンド工具を用いてガラス基板上で研磨することも可能であり、このような階段状ミラーは極めて安定し、ひずみがないという利点を有している。本発明の機構は、第１、第２、およびそれ以上の反射面を極めて簡単に製造できる平面鏡部材から形成できるという利点を備えている。このように構造が簡単であるため、複数列のレーザダイオードを有するレーザダイオード・アレイから出射ずるビームでも写像面に関連する照射域として写像することができ、その場合、アレイの各列のレーザダイオードには前述したように光路内で単数または複数個の反射機構を備えている。
前述の原理を考慮しつつ、例えば密集した照射域が発生するように本機構のレーザダイオードから出射するそれぞれのビームを写像するための別の好適な実施の形態は、各レーザダイオードのビームにビーム放射方向に開いたくさび角を有する棒状、または帯状の導波管を備え、この導波管の端面にビームが入射するようにし、その対向する端面にはビームが側方に出射するようにビーム用に備えた第１反射面を形成することによって得られる。導波管は好適には、ビームの入射側からビームの出射側へと互いに角度を以て延び、共通の平面上に直立した２つの平坦な基準面を有している。この角度は５゜から15゜の範囲であり、前記導波管の長さは２から10mmの範囲である。このような条片または帯状の導波管によって各レーザダイオードから出射するビームは第１反射面によって限定されて誘導され、そこへと至る光路内で圧縮される。このような導波管は、レーザダイオードのビームもしくは出射窓に対して、角度を以て延びる導波管の双方の面が楕円形のビーム断面の長軸に対して垂直であるように配置されている。このようなくさび角−導波管は更に、写像用の光学系を必要とせず、導波管（単数または複数）とレーザダイオードを好ましくはシリコンである共通の基板上に集積して構成できるという利点を備えている。
各々の導波管の出射面は、それぞれのビームが限定された角度で出射し、入射ビームに対して限定された偏倚を呈して写像面に写像されるように、導波管内のビームの開き方向に対して傾斜され、鏡面化されることができる。すなわち反射面として形成することができる。導波管の出射端面の後に位置するこの写像面内にも、各ビームには別の反射面を続けることができる。すなわち、個々のビーム断面から密集した照射域が発生されるようにビームを所定の方向に誘導し、もしくは集束するために好ましくはもう一つの、第２の反射面を設けることができる。
本発明のもう一つの別の実施の形態では、レーザダイオードのビームにはビーム放射方向からみて開いたくさび角を有する共通の板状導波管を備え、この導波管の一方の端面にビームが入射するようにし、その対向する端面ではビームが出射するように構成されている。前記ビーム出射端面の、第１レーザダイオードから最後のレーザダイオードまでの距離、または双方の最も外側のダイオードから中間のダイオードまでの距離は漸次拡大している。ビーム出射端面には方形の断面を有するガラス棒が直接備えられ、ビーム出射端面とは間隔を隔てたその対向面は反射性に形成され、ビームはこれが反射される、レーザダイオードから最も遠く離れたガラス棒の領域から全反射した後にビーム出射窓を通って出射される。このような構成によって、ガラス棒に沿って個々のレーザダイオードの個々のビームを別の光学素子を必要とせずに、例えばガラス棒の斜めの面に貼付可能なプリズムから形成することができる共通のビーム出射窓に集束することができる。導波管に関連して既に述べたように、導波管の境界面は長さが５から20mmの導波管の場合、相互に５゜から15゜の範囲の角度で延びている。この実施の形態の場合も、互いに階段状に形成された第２のミラーを形成する第２の反射面を各レーザダイオードの光路内に設けることが可能である。勿論その前提として、導波管のビーム入射側と対向する側でビームがそのつど別個に出射し、その後、各ビームには例えばプリズムの形式の別個の出射窓を備え、それぞれのビームがこの出射面からビーム用に備えた階段状の第２ミーラの第２反射面上に入射する必要がある。
本発明の別の実施の形態では、各レーザダイオードのビームには４つの端面を有する共通の板状導波管が備えられている。すなわち、それぞれ２つの端面は互いに平行に延びている。この板状の導波管の端面にはレーザダイオード・アレイから出射したビームは偏倚した位置で結合され、この板状の導波管内で限定されて全反射されるので、個々のレーザダイオードのビームは板状の導波管内に集束され、この場合も端面に貼着したプリズムによって形成することができる共通のビーム出射窓を通して出射する。それぞれ隣接する端面は好ましくは互いに90゜の角度を呈して延びている。すなわち、板状の導波管は正方形、または長方形の形状を有している。
第１反射面を形成する光学系の種類に応じて、ビーム誘導のために個々のレーザダイオードのビーム出射窓と第１反射面、例えば階段状ミラーとの間に、ビーム放射方向に開いたくさび角を有する条片または帯状の導波管の形式の写像用の光学系を挿入することができる。その一方の端面にビームが入射し、第１反射面と隣接した対向する端面のそれぞれからビームが出射する。
本発明の別の実施の形態では、各レーザダイオードのビームには繰り返し前述したように先ず、ビーム放射方向に開いたくさび角を有する条片または帯状の導波管が備えられ、個々の導波管は互いに近似した距離を隔てて延び、ビームは共通の板状の導波管内に集束され、導波管の入射側と対向する面から出射する。この場合も導波管はビーム放射方向に開いたくさび角を有している。
共通の平面に位置するビーム出射面を有する線形のレーザダイオード・アレイからのビーム誘導用の前述の個々の反射面は好適に、ダイオードの個々のビームが第１反射面の後の写像面で互いに階段状に偏倚され、かつ第２の反射面の後の写像面に関連する照射域を形成するよに、互いの上または下に位置するように相互に位置合わせされている。
本発明のその他の詳細と特徴は図面を参照した実施の形態の以下の説明によって明らかにされる。図中、
第１図は階段状ミラーを用いて線形のレーザダイオード・アレイからのビームの形成し、誘導するための本発明の機構の第１実施形態の概略図である。
第２図は入射ビームの進路を概略的に示した第１図の階段状ミラーを示している。
第３図は第１図とは反転した面での第１図および第２図の機構のビーム進路を示している。
第４図は複数個のレーザダイオードを有するレーザダイオード・アレイを示している。
第５図はビーム出射面から出射する代表的なビーム円錐とともに第４図のアレイのレーザダイオードを概略的に示している。
第６図および第７図は２個の階段状ミラーを使用した本発明の別の第２実施形態の概略図である。
第８図は特別の写像用光学系を備えた第１図〜第３図の実施形態と類似した実施形態を示している。
第９図は第８図のIX−IX線に沿った断面図である。
第10図は第８図のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
第11図〜第13図は個々の導波管を用いてレーザダイオード・アレイからのビームを誘導し、形成するための機構の第３実施形態をそれぞれの視点からみた図面である。
第14図は第11図〜第13図の機構で得られる写像面内のビーム・パターンを示している。
第15図〜第21図は第11図〜第14図に示した第３実施形態と類似した本発明の第４の実施形態を示し、ビームを誘導し、形成するための第４の実施形態の機構は２つの導波管系から構成されている。
第22図は線形レーザダイオード・アレイのビームを形成し、誘導するための本発明の第５実施形態である。
第23図は第22図のXXIII−XXIII線に沿った断面図である。
第24図は方形のプリズム板を使用してダイオードレーザ・ビームを形成し、誘導するための本発明の光学系の第４実施形態を示している。
第25図は第24図のXXV−XXV線に沿った断面図である。
第26図は第22図および第23図とは異なるプリズム板の別の実施形態の平面図である。
第27図は線形レーザダイオード・アレイからのビームを形成し、誘導するための本発明の第６実施形態を示している。
第28図は第27図の矢印XXVIIIの方向から見た第27図の機構の平面図である。
第29図は第27図の導波管部分の別の実施形態である。
第30図は第29図の矢印XXXの方向から見た第29図の機構の図面である。
第31図は第29図の矢印XXXIの方向から見た第29図の機構の図面である。
第32図は捩じれを入れた本発明の第７実施形態を示している。
本発明は、第４図に示した形態では８個のレーザダイオード２である複数個の発光レーザダイオード２が一直線上に、またビーム出射面４を有する共通面３上に配置された線形レーザダイオード・アレイ１のビームの形成と誘導に関するものである。レーザダイオード２の代表的な構造は第５図に示されている。この構造は強くドーピングされたP⁺層５と、Ｐ層６と、ｎ層７とを有している。能動媒体の発光ゾーンのビーム出射面４はＰ層５とｎ層７との遷移面の方向にある程度の広がりを有しており、一方この面と垂直な方向には比較的狭く延びている。能動媒体の形状によって、ビーム出射面４から楕円形の断面を有する第５図に示した代表的なビーム円錐が出射し、楕円形の断面の長軸８はpn遷移面に対して垂直に延び、一方、短軸９はpn遷移面と平行に延びている。代表的には、“急速方向”とも呼ばれるpn遷移面に対して垂直なビーム円錐の大きな広がりは約90゜の発散角10を有し、一方、“緩速方向”とも呼ばれる短軸９の方向、もしくは急速方向に対して垂直な方向のビーム円錐は約10゜の発散角11を有している。能動媒体、もしくは対応するビーム出射面４の代表的なサイズは長手方向12で、すなわちビーム断面の短軸９の方向で100μｍであり、一方、横方向13、すなわちビーム断面の長軸８の方向でのサイズは約１μｍである。代表的なレーザダイオード機構では、第４図に示すように24個までのレーザダイオードが１センチメートルの長さのアレイ上に集積されている。
第１図から第３図に示した本発明の第１実施形態では、レーザダイオード・アレイ１から出射するビーム14、すなわち個々のレーザダイオード２の個々のビーム円錐15は第１図には概略的にしか示されていない写像用光学系16を介して階段状ミラー18の個々の第１反射面17上に写像される。階段状ミラー18の個々の第１反射面17では個々のビーム15が反射され、反射ビームは写像面20へと写像される。第１反射面17上のxz面内の入射角と、階段の高さ、すなわち個々の反射面17の側方への偏倚、ならびに場合によっては反射面17から第１図にxy面に位置するように示されているビーム出射面４までの距離は、xz面内でレーザダイオード・アレイ１の全てのレーザダイオード２が単一のビームに集約されるようなサイズにすることが好適である。xz面に対して垂直な面（yz面）では入射角と階段状ミラー18の向きは、階段状ミラー18のほぼ水平のミラーセグメント内で反射するビーム19が階段状ミラー18の後続の垂直のセグメントから反射しないように調整される。それによって同時に、yz面内の部分ビームが相対的に偏倚するので、部分ビームは狭い方向（ｙ方向）では個々のレーザダイオード２と並置して配される。ｙ軸に沿ったビームの線質はレーザダイオード数の係数だけ低下し、同時に接合面（ｘ方向）でのビームの線質は同じ係数だけ高まる。それによって、双方の方向でのビームの線質は匹敵し、レーザダイオード・アレイ１の全ビームを円形のスポット内に集束させることができる。第３図はxy面と、出力面20内の出力ビーム・パターンとを示している。この出力ビームは後続の光学系によって準円形のスポット内に写像されることができる。
第１図〜第３図に示すような第１実施形態ではビームは個々の階段状ミラー18を経て写像面内の密集した照射域に集束され、一方、第６図および第７図は第１の階段状ミラー18の他に光路内に第２の階段状ミラー21が挿入された第２実施形態を示している。
ここで、種々の実施形態の個々の図面中、同一または匹敵する部品には同じ参照符号を付していることに留意されたい。
第６図に示すように、レーザダイオード・アレイ１のレーザダイオードのビーム14はこの場合も写像用光学系16を介して、第１階段状ミラー18によって形成された第１反射面17上に写像される。反射ビーム19は階段状ミラー18を経た後、yz面に取付けられた写像面20内に、概略的に示されているような互いに階段状に偏倚した等距離を隔てたビーム・パターンを呈する。比較のため、第７図にはビーム・パターンはレーザダイオード・アレイ１のレーザダイオードのビーム射出面後方の右上の写像面を示し、一方、下の写像面にはビーム14が階段状ミラー18の個々の反射面17に当たる前のビーム14のビーム・パターンを示している。双方の写像面22および23が示すように、照射域は写像面23内で互いに等距離を隔てて一直線上に延びている。階段状ミラー18を経た後、反射ビーム19は第２階段状ミラー21へと誘導される。第１階段状ミラー18の入射角と段の高さは、反射によって発生する偏倚が、ｙ方向（急速方向）の前方に接続された写像用光学系の写像面内の個々のダイオード・ビームのサイズよりもやや大きくなるように調整されている。ビーム19もしくは個々のビームがそこの第２反射面24で反射される第２階段状ミラー21は入射角および段の高さに関して、第２階段状ミラー21の後方に位置する写像面（xy面）25内に全ての部分ビームがｙ方向に並置して配置され、そこで同形の密集した照射域を形成するように調整されている。
第８図〜第10図には第１図に対応する写像が示されており、レーザダイオード・アレイ１と第１階段状ミラー18との間の第１図の写像用光学系16は、円筒形レンズおよび球面レンズのような従来のミクロおよびマクロ光学系に代わって条片状の導波管27の形式で担体28上に実装されてなっている。各導波管27はこれと関連するレーザダイオードのビームの急速方向にくさび角を有しており、このくさび角、すなわち導波管27と担体29とがそれを介して連結されている基底面29と外面30との間の角度は約10゜である。ダイオード・ビームはこのような導波管27内に狭い端面31から入射し、対向する大きい端面32から出射する。くさび角は急速方向での発散を低減する役割を果たす。各導波管27は個々のレーザダイオードもしくはそのビーム出射面４に対応して少なくとも幅33（第10図）を有している。狭い端面31の部位では端面31の高さは数μｍから10μｍであり、一方、大きい端面32の高さは10μｍから100μｍである。このような条片状導波管27は例えばコーティング方式によって担体28上に被覆することができる。これは勿論担体に接合したくさび状ガラス板で形成してもよい。第８図から第10図に示したような個々の条片状導波管27の代わりに、第８図にフレーム34で示したように個々の導波管27を適宜のくさび角を有する共通の帯状導波管に集約してもよい。この場合も写像面23は照射域が階段状ミラー28に当たる前に導波管27の出射側にビームの照射域を示し、一方、写像面20は第３図の写像面20と対応している。
第11図〜第14図は図示はしていないレーザダイオード・アレイ１のビームを誘導し、形成するための第３実施形態を示している。この構成では各々がレーザダイオード２と組合わされている個々の導波管35は階段状構造37で形成された担体36上に取付けられている。この導波管35はビーム入射側38からビーム出射側39へとくさび角を有する帯状導波管である。更に第12図および第13図に示すように、階段状構造37はビームの入射側38からビームの出射側39へと斜めに傾斜している。個々の導波管35はこれに対応して勾配を増して延びている。ビーム入射側38は個々のレーザダイオードのビーム出射側４の構成に対応して一直線上にあり、一方、ビーム出射側38は階段状構造37に対応するように相互の間隔と偏倚を有している。第11図に示すように、導波管27のビーム出射側39の全ての端部は担体36もしくは導波管27の平面図でみると勾配を付けた端面40を有しており、これが第１反射面を形成し、そこでビームは反射ビーム19が示すように全反射によって反射し、ひいては回折し、角導波管27の側面から出射する。担体36が階段状構造であり、ひいてはビームの出射側39が段状であり、もしくは端面40が勾配を有していることにより、種々のダイオードのビームは異なる高さで出射され、第14図に示す写像面内の写像パターンが示すように互いに積層される。個々の導波管27のくさび角によって急速方向での対応するレーザダイオードのビームの発散角が縮小される。
第15図〜第21図には本発明の第４の実施形態が示されている。第11図〜第14図を参照して説明した第３の実施形態とは異なり、この実施形態では第１導波管35（第15図から第17図）と第２導波管41（第19図から第20図）を有する２つの導波管部分が取付けられている。第１導波管35の基本構造は第11図〜第13図の構造に対応している。第16図と前述の実施形態の第12図とを比較すると明らかであるように、階段状構造37の個々の段の高さはやや平板になるように選択されている。この場合も導波管35は第17図が示すようにくさび角を有している。ダイオード・ビームは全ての導波管35が共通面の一直線上に位置する側で入射する。端面40には勾配を設けてあるので、この場合もダイオード・ビームは勾配月の端面40から全反射してそれぞれの側面から出射する。第15図に点線41で示し、また、第19図では側面図で示すように、第１導波管35の端部の上には、第１導波管35から出射したダイオード・ビームが入射窓42内に入射するように第２導波管41が配置され、もしくは光学的に連結されている。この第２導波管41によってビームは集束されるので、第２導波管41から出射したビームは第21図に示すように写像面内に照射域を生成する。第19図の矢印XVIIIの方向からみた第18図の平面図、および第19図の矢印XX方向からみた第20図の導波管41の平面図が示すように、個々の導波管は互いに貼着されることができる平板な小板であり、または、対応する形状の一体の板から製造してもよい。第11図〜第20図に示したこのような導波管によって同時に、担体36とダイオード・アレイの担体とを単一の基体担体として形成し、その後、場合によっては導波管の領域を図示のような構造にすることも可能になる。
第22図および第23図に示したような第５実施形態はビームが前述のようにビーム放射方向からみてくさび角を有する導波管43内にそれぞれ入射する形式の個々のレーザダイオード２を有するレーザダイオード・アレイを示している。それぞれがレーザダイオード２と組合わされた個々の導波管43は相互に、平面図でみて相互の距離が縮小するように延びている。ビーム放射方向からみて、個々の導波管43は個々の導波管43が接触する端部で板状の導波管44へと移行し、この導波管の担体45に対する角度は第23図に示すように、個々の導波管43のくさび角に対応して継続している。第22図には双方の下部導波管43内のそれぞれ個々の放射ビームが示されている。この構成では導波管の側面はそれぞれ第１、第２もしくはそれ以上の互いに偏倚した反射面を形成している。それによって、このような構成には導波管構造全体が同一平面上にあり、ひいては平坦な担体板45を使用できるという利点がある。更に、レーザダイオード・アレイ１の基板担体と担体板45とを例えばシリコン製の単一の担体として形成し、それにより極めて安定した、コンパクトな機構を達成でき、その利点は明白である。
第６実施形態は第24図〜第26図に示されている。第24図では、この場合も共通の平面上に一直線に配列されているレーザダイオード・アレイ１の個々のダイオードのビームは約45゜の入射角で正方形のプリズム板47の第１の端面46内に入射する。このプリズム板は第25図に示すように同じ厚さの薄板として形成されている。プリズム板47内に入射したビームは個々の側面46でそれぞれ反射する。プリズム板47内に示された個々の入射ビームのビーム進路から明らかであるよに、側面46に隣接するビームは入射側面46と対向する側面で反射し、次にそこで再び側面で反射した後、循環した後でビーム出射プラズマ48が貼着されている側面46から出射するまで隣接した側面での反射を繰り返す。側面に隣接するこのビームに続くビームはもう一度、第１ダイオードのビームと合体するまで側面46の周囲を進行する。その後、このビームもプリズム出射窓48から出射する。個々のビーム進路から明らかであるように、一つのダイオードに続く次のダイオードのビームはそれぞれ先行のダイオードのビームよりも多くの回数だけプリズム板47内で循環して反射する。従ってそれぞれの部分ビームは、プリズム出射窓48が貼着されている箇所に当たるまで反射を繰り返す。
第26図は本発明のプリズム板47の別の形状を示しており、第26図の平面図ではプリズム板49の形状はそれぞれ平行な対向する側面48を有する菱形である。
レーザダイオード・アレイ１のビームは第25図および26図の構成では、第29図および30図に示し、後述するようにそれぞれ導波管50を介して入射側面46内に入射する。更に有利であるのは、コンパクトで簡単で寸法安定性が高い構造を達成するために、レーザダイオードと全ての導波管部分が共通基板上に配置されていることである。
第27図および28図は本発明の第７の実施形態を示している。この例では、レーザダイオード・アレイ１には底面が三角形の導波管50を有する光学系が備えられている。導波管50が三角形であることにより、一方の側のビーム出射側51はレーザダイオード相互間で、もしくはビーム相互間で同じ偏倚を有するように、他端の側よりもレーザダイオード・アレイ１の近傍に延びている。ビーム出射側51の前には小ガラス棒が貼着されている。導波管50は第29図〜31図と同様に実施されており、２つのセグメント53、54に区分されている。レーザダイオード・ビームが入射するセグメント53の狭い側は、前述の実施形態と同様に急速方向での発散を低減するための役割を果たすくさび角を有している。三角形の第２セグメント54はこのようなくさび角を有していない。第27図に示す小ガラス棒は正方形の断面を有している。アレイ１のレーザダイオードのビーム出射面の平面に至る三角形の導波管50のビーム出射側51の角度の推移は、アレイ１のビームが小ガラス棒52内に入射可能であり、同時に小ガラス棒52内で反射面を形成する内面に全反射によって誘導されるように構成されている。小ガラス棒からの出射は小さい三角形のプリズム55が接合され、全反射が阻止される箇所で行われる。あるいは、導波管50が２つの傾斜面を有し、点線56で示したように小ガラス棒が２分割されることによって、小ガラス棒51内に入射する個々のビームが構造の双方の外側から中心方向に誘導され、この場合は中心に貼着された出射プリズムを通って出射するようにすることもできる。一体の導波管50も前述の実施形態に従って個々の導波管棒（図示せず）によって実施することができる。最後に、レーザダイオード・アレイからのビームを小ガラス棒内に直接入射させることもできるが、導波管50を取付ける方が好ましい。小ガラス棒50の代わりに鏡面化された４つの面からなる中空の導波管を使用することも可能である。その場合、この面の一つはビームがそこを通って中空スペースに入射する線形のアパーチャを有している。中空導波管内ではビームは複数回の反射によって出射口へと誘導される。
レーザダイオード・アレイ１のビームを形成し、誘導するための本発明の第８の実施形態が図32に示されている。この実施形態では導波板57は、矢印58で示されたビーム放射方向からみて、導波板がこの方向で個々のレーザダイオード２のビーム断面の長軸の方向の小さいビーム入射面59からビーム出射面60の方向に開くようなくさび角を有しているような導波板である。更に幅、すなわちレーザダイオード２の広がり方向での導波板57の広がりも図に示すように縮小している。その上、この導波板57はビームの放射方向58に、板57が中心軸を中心に180゜だけビーム入射側59からビーム出射側60の方向に捩じれるような捩じれを有している。この図面での個々の区分線はこの導波板57を明瞭に示すためのものであり、しかもビーム用の個々の反射面とみなすこともできる。この板状の導波管捩回体57の内部で、ビームは全反射し、双方のビーム放射方向、すなわち急速方向と緩速方向に圧縮されるので、入射したビームはビーム出射窓60から出射する。この実施態様は全てのダイオード・ビームが一つのビームに統合されるので特に有利である。

Claims (22)

1. 光学系を用いてｘ方向に延びた線形のレーザダイオード・アレイの幾何学的断面を形成する機構であって、各レーザダイオードのビーム出射面がxy方向に延びた共通の平面上にあり、出射ビームは照射域に限定された断面を発生するためにほぼｚ方向に放射し、光学系がそれぞれｚ方向に偏倚した反射素子を有し、レーザダイオードのビームはそれぞれいずれかの前記反射素子に対して所定の入射角で入射し、ｘ、ｙおよびｚ方向が直角の座標系を基底する形式の機構において、
   個々の出射ビーム（14）を方向転換するために、各ビームに対応する複数の反射面（17;40）を有する第１反射素子（18、35;52;57）を備え、これらの反射面（17;40）を互いに偏倚および／または傾斜させて、反射面（17;40）から反射したそれぞれのビーム部分が、ビーム出射面（４）からのビームの出射方向すなわちｚ方向に対して直角の方向に互いに偏倚されることによりｙ方向に並置して配置されるようにし、この第１の偏倚をアレイ（１）内の一連のレーザダイオード（２）と順次対応するようにしたことを特徴とする線形レーザダイオード・アレイの幾何学的断面を形成する機構。
2. 反射面（17）がこれと組合わせたビーム出射面（４）に対してそれぞれ異なる距離を有しており、変化する距離はアレイ（１）の一連のレーザダイオード（２）と順次対応することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の機構。
3. 個々の第１反射面（17）の照射表面領域の中心が一直線上にあることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の機構。
4. それぞれの偏倚と、隣接する第１反射面（17）のそれぞれの距離の変化とが同じ大きさであることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のうちの一項に記載の機構。
5. 各々の第１反射面（17）には少なくとももう一つの第２反射面（24）を組合わせ、この第２反射面（24）を互いに偏倚および／または傾斜し、第２反射面と組合わせた第１反射面（17）から異なる距離を隔てた平面内に配置し、前記偏倚と変化する反射面（24）との距離は、それぞれのビーム部分が第１の偏倚とほぼ垂直な偏倚を伴って第１反射面（17）から反射されるように一連の第１反射面（17）と順次対応することを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のうちの一項に記載の機構。
6. 各々の第２反射面（24）には第３〜第ｎの反射面を組合わせ、ｎ番目の反射面は互いに偏倚し、これと組合わせた（ｎ−１）番目の反射面に対して異なる距離を有する平面内に配置され、前記偏奇と変化する反射面との距離は一連の（ｎ−１）番目の反射面と順次対応することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の機構。
7. ｎ＝３または４であることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の機構。
8. 第１反射面（17）が階段状の構造の第１ミラー（18）によって形成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のうちの一項に記載の機構。
9. 第１反射面（17）が平坦な平面領域であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の機構。
10. 第２反射面（24）が階段状の構造の第２ミラー（21）によって形成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項のうちの一項に記載の機構。
11. 反射面（24）が平坦な平面領域であることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の機構。
12. 各レーザダイオード（２）のビームにビーム放射方向に開いたくさび角を有する条片状、または帯状の導波管（35）を備え、この導波管の端面にビームが入射するようにし、その対向する端面（40）ではそれぞれビーム用に備えた第１反射面（40）が、ビームが側方に出射するように勾配を設けた平面として形成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のうちの一項に記載の機構。
13. 導波管がビームの入射側からビームの出射側へと互いに角度をもって延び、共通の平面上に直立した２つの平坦な基準面を有することを特徴とする請求の範囲第12項に記載の機構。
14. 前記角度が５゜〜15゜の範囲であり、前記導波管の長さが2mm〜10mmの範囲であることを特徴とする請求の範囲第13項に記載の機構。
15. 第２反射面が階段状の構造のミラーによって形成されることを特徴とする請求の範囲第12項から第14項のうちの一項に記載の機構。
16. 各レーザダイオードのビームにはレーザダイオードの拡張の線と垂直な放射方向からみて開いたくさび角を有する共通の板状導波管（57）を備え、この導波管の一方の端面（59）にビームが入射するようにし、その対向する端面（60）ではビームが出射するようにし、かつ前記共通の板状導波管はレーザダイオードの拡張の線と平行なビーム放射方向からみて狭まったくさび角を有し、板状の導波管はビーム放射方向に延びた縦軸を中心に捩じれを有することを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のうちの一項に記載の機構。
17. 捩じれは180゜であることを特徴とする請求の範囲第16項に記載の機構。
18. ビーム出射面と第１反射素子との間に写像用光学系（16）を配置したことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の機構。
19. 写像用光学系（16）をビーム放射方向に開いたくさび角を有する条片または帯状の導波管（27）によって形成し、この導波管の一方の端面（31）にビームが入射するようにし、その対向する第１反射面に隣接する端面（32）ではビームがそれぞれ出射するようにしたことを特徴とする請求の範囲第18項に記載の機構。
20. 第１および第２の反射面（17;24）は、ダイオードの個々のビーム（19）が第１反射面（17）の後の写像面（20）で互いに階段状に偏倚され、かつ第２の反射面（24）の後の写像面（25）に関連する照射域を形成するように、互いの上または下に位置するように相互に位置合わせされたことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の機構。
21. 単数または複数個の導波管（35;27）とアレイ（１）のレーザダイオード（２）とが共通の基板（36）に配置されたことを特徴とする請求の範囲第12項から第19項のうちの一項に記載の機構。
22. 基板（36）をシリコンから形成したことを特徴とする請求の範囲第21項に記載の機構。

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