DE102009008918A1 - Laser optics for forming laser beam bundle, has multiple laser beams produced from emitters, which are oppositively provided in slow-axis of laser beam - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseroptik gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf einen Diodenlaser entsprechend Oberbegriff Patentanspruch 26.The The invention relates to a laser optics according to the preamble Claim 1 and to a diode laser according to the preamble Claim 26.
Im Gegensatz zu konventionellen Laserstrahlquellen, die einen Strahldurchmesser von einigen mm bei einer geringen Strahldivergenz im Bereich von wenigen mrad aufweisen, zeichnet sich die Strahlung eines Halbleiter-Diodenlaser (nachstehend auch „Diodenlaser”) durch einen in der Fast-Axis stark divergenten Strahl mit einer Divergenz > 1000 mrad aus. Hervorgerufen wird dies von der auf < 1 μm Höhe begrenzten Austrittsschicht, an der ähnlich der Beugung an einer spaltförmigen Öffnung, ein großer Divergenzwinkel erzeugt wird. Da die Ausdehnung der Austrittsöffnung in der Ebene senkrecht und parallel zur aktiven Halbleiterschicht unterschiedlich ist, kommen verschiedene Strahldivergenzen in der Ebene senkrecht und parallel zur aktiven Schicht zustande.in the Unlike conventional laser sources, which have a beam diameter of a few mm with a low beam divergence in the range of have a few mrad, the radiation of a semiconductor diode laser is characterized (hereinafter also "diode laser") by an in the fast-axis strongly divergent beam with a divergence> 1000 mrad. caused this will be from <1 μm Height limited exit layer, similar to the Diffraction at a gap-shaped opening, a large one Divergence angle is generated. Because the expansion of the outlet in the plane perpendicular and parallel to the active semiconductor layer is different, come different beam divergences in the plane perpendicular and parallel to the active layer.
Um eine Leistung von 20–40 W für einen Diodenlaser zu erreichen, werden zahlreiche Laser-Emitter auf einem sog. Laserbarren zu einem Laserbauelement zusammengefasst. Üblicherweise werden hierbei 10–50 einzelne Emittergruppen in einer Reihe in der Ebene parallel zur aktiven Schicht angeordnet. Der resultierende Strahl eines solchen Barrens hat in der Ebene parallel zur aktiven Schicht einen Öffnungswinkel von ca. 10° und einen Strahldurchmesser von ca. 10 mm. Die resultierende Strahlqualität in dieser Ebene ist um ein Vielfaches geringer als die sich ergebende Strahlqualität in der zuvor beschriebenen Ebene senkrecht zur aktiven Schicht. Auch bei einer möglichen zukünftigen Verringerung der Divergenzwinkel von Laser-Chips bleibt das stark unterschiedliche Verhältnis der Strahlqualität senkrecht und parallel zur aktiven Schicht bestehen.Around a power of 20-40 W for a diode laser To reach, numerous laser emitters on a so-called. Laser bars summarized to a laser device. Usually here 10-50 individual emitter groups in a row in the plane arranged parallel to the active layer. The resulting Beam of such a bar has in the plane parallel to the active Layer an opening angle of about 10 ° and a Beam diameter of approx. 10 mm. The resulting beam quality in this plane is many times lower than the resulting one Beam quality in the plane described above vertically to the active layer. Even with a possible future Reducing the divergence angle of laser chips remains strong different ratio of the beam quality perpendicular and parallel to the active layer.
Der Strahl verfügt aufgrund der zuvor beschriebenen Strahlcharakteristik über einen großen Unterschied der Strahlqualität in beiden Richtungen senkrecht und parallel zur aktiven Schicht. Der Begriff der Strahlqualität wird dabei beschrieben durch den M2 Parameter. M2 ist definiert durch den Faktor, mit dem die Strahldivergenz des Diodenlaserstrahles über der Strahldivergenz eines beugungsbegrenzten Strahles gleichen Durchmessers liegt. In dem oben gezeigten Fall verfügt man in der Ebene parallel zur aktiven Schicht über einen Strahldurchmesser, der um den Faktor 10.000 über dem Strahldurchmesser in der senkrechten Ebene liegt. Bei der Strahldivergenz verhält es sich anders, d. h. in der Ebene parallel zur aktiven Schicht bzw. in der Slow-Axis wird eine fast 10-fach kleinere Strahldivergenz erreicht. Der M2 Parameter in der Ebene parallel zur aktiven Schicht liegt also um mehrere Größenordnungen über dem M2 Wert in der Ebene senkrecht zur aktiven Schicht.Due to the beam characteristic described above, the beam has a large difference in the beam quality in both directions perpendicular to and parallel to the active layer. The term beam quality is described by the M 2 parameter. M 2 is defined by the factor with which the beam divergence of the diode laser beam is above the beam divergence of a diffraction-limited beam of the same diameter. In the case shown above, in the plane parallel to the active layer, there is a beam diameter that is a factor of 10,000 above the beam diameter in the vertical plane. The beam divergence behaves differently, ie in the plane parallel to the active layer or in the slow axis, an almost 10-fold smaller beam divergence is achieved. The M 2 parameter in the plane parallel to the active layer is thus several orders of magnitude above the M 2 value in the plane perpendicular to the active layer.
Ein mögliches Ziel einer Strahlformung ist es, einen Strahl mit nahezu gleichen M2 Werten in beiden Ebenen, d. h. senkrecht und parallel zur aktiven Schicht zu erreichen. Bekannt sind derzeit folgende Verfahren zur Umformung der Strahlgeometrie durch die eine Annäherung der Strahlqualitäten in den beiden Hauptebenen des Strahles erreicht wird.One possible goal of beamforming is to achieve a beam with nearly equal M 2 values in both planes, ie perpendicular and parallel to the active layer. The following methods are currently known for reshaping the beam geometry, by which the beam qualities in the two principal planes of the beam are approached.
Mittels
eines Faserbündels lassen sich linienförmige Strahlquerschnitte
durch Umordnen der Fasern zu einem kreisrunden Bündel zusammenfassen.
Solche Verfahren sind z. B. in den
Daneben
besteht die Technik des Strahldrehens, bei dem die Strahlung einzelner
Emitter um 90° gedreht wird, um so eine Umordnung vorzunehmen bei
der eine Anordnung der Strahlen in Richtung der Achse der besseren
Strahlqualität erfolgt. Zu diesem Verfahren sind folgende
Anordnungen bekannt:
Daneben
besteht die Möglichkeit, ohne eine Drehung des Strahles
eine Umordnung der Strahlung einzelner Emitter vorzunehmen, wobei
durch z. B. durch den parallelen Versatz (Verschieben) mittels paralleler
Spiegel eine Umordnung der Strahlung erreicht wird (
Die Nachteile des Standes der Technik lassen sich u. a. dahingehend zusammenfassen, dass bei fasergekoppelten Diodenlasern meist ein Strahl mit sehr unterschiedlichen Strahlqualitäten in beiden Achsrichtungen in die Faser eingekoppelt wird. Bei einer kreisrunden Faser bedeutet dies, dass in einer Achsrichtung die mögliche numerische Apertur oder der Faserdurchmesser nicht genutzt wird. Dies führt zu erheblichen Verlusten bei der Leistungsdichte, sodass in der Praxis eine Beschränkung auf ca. 104 W/cm2 erfolgt.The disadvantages of the prior art can be summarized inter alia to the effect that in fiber-coupled diode lasers usually a beam with very different beam qualities in both axial directions is coupled into the fiber. For a circular fiber, this means that the possible numerical aperture or fiber diameter is not used in one axial direction. This leads to considerable losses in the power density, so that in practice a restriction to about 104 W / cm 2 takes place.
Bei
den genannten bekannten Verfahren müssen weiterhin teilweise
erhebliche Weglängenunterschiede kompensiert werden. Dies
geschieht meist durch Korrekturprismen, die Fehler nur begrenzt
ausgleichen können. Vielfachreflexionen stellen weiterhin
erhöhte Anforderungen an Justagegenauigkeit, Fertigungstoleranzen
sowie Bauteilstabilität (
Bekannt
ist weiterhin eine Laseroptik der gattungsbildenden Art zum Umformen
wenigstens eines Laserstrahlenbündels, unter Verwendung
von wenigstens zwei im Strahlengang aufeinander folgend angeordneten
optischen Umformelementen, von denen wenigstens ein Umformelement
als sogenannter Plattenfächer ausgebildet ist (
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laseroptik der gattungsbildenden Art im Sinne einer Verbesserung der Fokussierung der Laserstrahlung weiter zu bilden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Laseroptik entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.task The invention is a laser optics of the generic type in the sense of improving the focusing of the laser radiation continue to form. To solve this problem, a laser optics is corresponding formed according to claim 1.
Unter „Plattenfächer” ist im Sinne der Erfindung ein vom Laserlicht durchstrahltes optisches Element zu verstehen, welches sich aus mehreren Platten oder plattenförmigen Elementen aus einem lichtleitenden Material, vorzugsweise Glas, zusammensetzt, die stapelartig aneinander anschließen und fächerartig gegen einander verdreht sind. Jede Platte oder jedes plattenförmige Element bilden an einander gegenüberliegenden Seiten eine Plattenschmalseite für den Lichteintritt oder -austritt und sind unter Berücksichtigung der Anordnung der Emitter und der Divergenz, die die Laserstrahlen in der Slow-Axis aufweisen, so positioniert und ausgebildet, dass an den Oberflächenseiten innerhalb der Platte eine Reflexion des jeweiligen Laserstrahl nicht erfolgt.Under "disk fans" is in the context of the invention, an optical element irradiated by the laser light to understand, which consists of several plates or plate-shaped Elements made of a light-conducting material, preferably glass, that connect and stack together fan-shaped against each other are twisted. Every plate or Each plate-shaped element form on opposite sides Sides a narrow plate side for the light entrance or exit and are taking into account the arrangement the emitter and the divergence that the laser beams in the slow axis have, positioned and formed so that on the surface sides within the plate does not reflect the respective laser beam he follows.
Unter „Oberflächenseiten” sind im Sinne der Erfindung jeweils die großen Plattenseiten zu verstehen.Under "Surface Pages" are within the meaning of the invention in each case the large plate sides to understand.
Unter „Plattendicke” ist im Sinne der Erfindung der Abstand zu verstehen, den die beiden Oberflächenseiten der jeweiligen Platte von einander aufweisen.Under "plate thickness" is in the sense of the invention, the distance to understand the two surface sides have the respective plate from each other.
Der Plattenfächer kann durch Zusammensetzen aus einzelnen Platten oder plattenförmigen Elementen oder aber auch einstückig, beispielsweise als Formteil mit entsprechenden optischen Trenn- oder Zwischenschichten hergestellt sein.Of the Plate compartments can be made by assembling individual plates or plate-shaped elements or else in one piece, For example, as a molded part with appropriate optical separation or Be prepared intermediate layers.
Mit den im Lichtweg hintereinander angeordneten Umformelementen erfolgt bei der Laseroptik eine Auffächerung des Laserstrahles in in unterschiedlichen Ebenen angeordnete Einzelstrahlen und ein anschließendes Übereinanderschieben dieser Einzelstrahlen.With the successively arranged in the light path forming elements takes place in laser optics, a fanning out of the laser beam arranged in different planes and a single rays then superimposing these individual beams.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the figures of embodiments explained in more detail. Show it:
Der
in den
Im
Strahlengang der von dem Laserbarren
Auf
den Fast-Axis-Kollimator
Die
optische Einrichtung
Der
Plattenfächer
Die
Platten
Die
Platten
Der
Plattenfächer
Die
Breite des jeweiligen Spaltes
Der
Plattenfächer
Die
Besonderheit der Laseroptik
Weiterhin
ist die Plattendicke (Abstand der Oberflächenseiten
In
analoger Weise ist dann beispielsweise der im Strahlengang anschließende
Plattenfächer
Grundsätzlich
besteht auch die Möglichkeit, zumindest den Plattenfächer
Die
Länge, die der jeweilige Emitterbarren in Richtung der
Slow-Axis, d. h. in Richtung der X-Achse aufweist, beträgt
beispielsweise 10 mm. Der Abstand der einzelnen Emitter
Der
durch den Fast-Axis-Kollimator
Durch
die unterschiedliche Neigung der Plattenschmalseiten
Die
einzelnen Einzelstrahlen
Die
Die
Der
Plattenfächer
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.The The invention has been described above with reference to exemplary embodiments. It is understood that numerous changes as well as modifications possible are, without thereby the inventive idea underlying the invention will leave.
So
ist es beispielsweise auch möglich, dass die Platten
Vorstehend
wurde davon ausgegangen, dass der Fast-Axis-Kollimator
- 1, 1a, 1c1, 1a, 1c
- Diodenlaserdiode laser
- 2, 2a2, 2a
- LaserdiodenanordnungThe laser diode
- 33
- Substratsubstratum
- 44
- Laserbarrenlaser bars
- 55
- bandförmiger Laserstrahlribbon-shaped laser beam
- 5'5 '
- Einzelstrahlsingle beam
- 66
- Fast-Axis-KollimatorFast axis collimator
- 77
- optische Anordnungoptical arrangement
- 8, 98th, 9
- Plattenfächerdrive bays
- 10, 1110 11
- PlattenfächerseiteDisk trays Page
- 1212
- Platteplate
- 13, 1413 14
- Plattenseiteplate side
- 1515
- Spaltgap
- 1616
- PunktPoint
- 1717
- Slow-Axis-KollimatorSlow-axis collimator
- 1818
- Sammellinseconverging lens
- 1919
- Fokussieroptikfocusing optics
- 2222
- Treppenspiegelstaircase mirror
- 2323
- Spiegelflächemirror surface
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110901 |