CN102334060A - 用于使激光辐射均匀化的设备 - Google Patents

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Abstract

一种使具有至少在与激光辐射的传播方向(Z)垂直的第一方向(X)上相互间隔开的子射束(2)的激光辐射均匀化的设备，尤其用于使源自激光二极管阵列的激光辐射均匀化，包括折射面(6，6a)的阵列(5)，折射面至少能不同地偏转要均匀化的激光辐射的多个子射束(2)使得这些子射束在穿过折射面(6，6a)之后与穿过折射面(6，6a)之前相比至少部分地相互更会聚地行进；以及透镜装置(7)，穿过折射面(6，6a)的阵列(5)的子射束(2)能通过透镜装置，透镜装置(7)能在工作面(8)上叠加子射束(2)中至少一些子射束。

Description

用于使激光辐射均匀化的设备
技术领域
本发明涉及一种用于使具有至少在与激光辐射的传播方向垂直的第一方向上相互间隔开的子射束的激光辐射均匀化的设备，尤其用于对源自激光二极管阵列(Laserdiodenbarren)的激光辐射进行均匀化。此外，本发明还涉及一种激光设备，包括能发射具有在与激光辐射的传播方向垂直的方向上相互间隔开的子射束的激光辐射的激光辐射源(尤其是激光二极管阵列)以及还包括用于使激光辐射均匀化的设备。
背景技术
定义：激光辐射的传播方向是指激光辐射的中间传播方向，尤其是在该激光辐射不是平面波或者至少部分会聚或发散的情况下。在没有相反指出的情况下，光束、子射束或射束不是指几何光学中的理想射束，而是实际光束，例如具有高斯轮廓的激光束，其不具有无穷小的射束横截面，而是具有延展开的射束横截面。
激光二极管阵列在快轴上具有高斯形的近场分布和远场分布。在慢轴中通常存在超高斯形的近场分布。通过准直，例如利用快轴准直透镜和/或慢轴准直透镜进行准直，近场分布和远场分布相互转换。存在不同的方案来产生均匀的线或场。例如能使用衍射的、单级和两级折射的以及基于鲍威尔透镜的均匀器(例如参见F.M.Dickey，S.C.Holswade，“Laser beam shaping”，Marcel Dekker Inc.New York，2000)。
衍射均匀器通常具有由照射到不期望的衍射结构中而导致的效率损耗。此外，其衍射效率在量化转换的情况下受到级数量的限制。
折射均匀器具有以下缺点：对于高斯形的辐射，阵列栅格处的衍射导致干扰，并因此导致均匀性的损害。因为这些阵列单元关联地被照射并且透镜过渡转换不能理想地实现，所以产生效率损耗以及均匀性降低(例如参见WO03/016963A1)。
鲍威尔透镜基于移相法，并且只有对于高斯形的源才是合适的。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种开头所述类型的设备，利用其可以更好地对源自激光二极管阵列的激光辐射均匀化。此外还应提供一种具有这样的设备的激光设备。
根据本发明，这通过具有权利要求1特征的设备或通过具有权利要求14特征的激光设备来解决。从属权利要求涉及本发明的优选实现方式。
根据权利要求1，设备包括折射面阵列，这些折射面至少能不同地偏转要均匀化的激光辐射的多个子射束使得它们在穿过折射面之后与穿过折射面之前相比至少部分地相互更加会聚地行进，并且该设备还具有透镜装置，穿过折射面阵列的子射束可以穿过该透镜装置，透镜装置可以使子射束中至少一些在工作面上叠加。该方案基于准直后的高斯或超高斯的多个单源的适当叠加。该叠加借助于设置在空间中的光学阵列元件来执行，这些阵列元件对应于每个单发射体并且为这些阵列元件的远场有针对性地添加特定角度偏移。该特定角度偏移被确定为使得所产生的角度分布以生成具有高斯形侧缘的均匀场。该方案的转化可以利用折射的棱镜阵列来执行。
在这里应当说明的是，利用根据本发明的设备也可以将在垂直于传播方向的两个相互垂直的方向上并排设置的子射束重叠，从而产生均匀的强度分布。因此，利用本发明应该不仅能够对实施例中所描述的具有基本上一维的横截面的激光辐射(例如激光二极管阵列的激光辐射)、而且能够对具有二维横截面的激光辐射(例如激光二极管阵列的堆叠)进行均匀化。
根据权利要求14，激光设备包括根据本发明的使激光辐射均匀化的设备，并且阵列中折射面之间的角度被构造为使得相邻子射束在阵列的相邻折射面处所经受的偏转的角度差对应于子射束之一在穿过该设备之前的远场分布的整个半值宽度的75％到95％之间。在这些大小的角度差的情况下产生利用根据本发明的设备均匀化后的激光辐射的远场强度分布的相对均匀的平稳状态(Plateau)。
其中尤其地，阵列中折射面之间的角度和/或透镜装置可以被构造为使得相邻子射束的角度差是相同大小的。对于相同强度分布的子射束，这导致工作面中叠加的强度分布的良好均匀性。如果子射束具有相互不同的强度分布(例如不同的超高斯因子)，则可能有意义的是不同地选择相邻子射束的角度差。
附图说明
借助于以下参考附图对优选实施例的介绍可以清楚地了解本发明的其他特征和优点。
图1示出了根据本发明的激光设备的示意图；
图2具有示例性光程地示出了根据本发明的设备的示意侧视图；
图3示出了根据图2中箭头III的示意细节图；
图4示出了多个子射束的叠加的示意图解；
图5示出了激光辐射的一个子射束的远场强度分布；
图6示出了以根据本发明的设备均匀化后的激光辐射的远场强度分布。
在一些图中，为了更好地辨别方向而绘出了笛卡尔座标系。此外，在附图中，相同的或功能相同的部分或单元具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1中以附图标记1标记具有在所谓的慢轴上或在图中X方向上间隔开的相互并排设置的各个发射体(未示出)的激光二极管阵列。
例如，这些发射体中每一个都在慢轴上具有大约150μm的长度，其中在该方向上两个相邻发射体相互之间的间距通常为400μm或500μm。各个发射体发出激光二极管阵列1的激光辐射的子射束(参见图2)。
在图1中，在传播方向Z上在激光二极管阵列1后面示意性地示出了快轴准直装置3和慢轴准直装置4，快轴准直装置3可以在快轴上或在图中Y方向上对各个子射束进行准直，慢轴准直装置4可以在慢轴上或在图中X方向上对各个子射束进行准直。
快轴准直装置3例如可以包括柱面透镜，该柱面透镜的圆柱轴在X方向上延伸。此外，慢轴准直装置4例如可以包括柱面透镜，该柱面透镜的圆柱轴在Y方向上延伸。
替代地存在以下可能性：在传播方向Z上在快轴准直装置3和慢轴准直装置4之间设置有射束转换装置，其可以将各个子射束中每一个都关于传播方向Z旋转90°。由此，在快轴上子射束的发散与慢轴上子射束的发散互换，从而子射束2在穿过射束转换装置之后在慢轴上或在图中X方向上准直。这样的射束转换装置是公知的，并且例如包括在X方向上并排设置的柱面透镜，该柱面透镜的圆柱轴在X-Y面上相对于Y方向成45°角度。
在设置有这样的射束转换装置的情况下，于是慢轴准直装置4例如可以具有柱面透镜，其圆柱轴同样在X方向上延伸。
根据本发明的设备在传播方向Z上在快轴和慢轴准直装置3、4之后包括阵列5，阵列5具有平坦的入射面并且在出射面上具有多个折射面6(参见图2)。阵列5构造为棱镜阵列，其在进入图2绘图面的方向上或在Y方向上继续延伸而其轮廓没有改变。
折射面6都是平坦的，并且在X方向上相互邻接。折射面6相互成角度α(参见图3)。面6之间的角度α可以在150°到180°之间，尤其是在165°到180°之间，优选在175°到179°之间。
其中，折射面6被尺寸确定和设置为使得这些子射束2中总是有一个子射束入射到这些折射面6之一上。通过折射面6，子射束2被偏转为使得其在从折射面6出射之后相互会聚地行进。尤其地，对于子射束2的数量为奇数的情况，设置有一个中间折射面6a，其垂直于激光辐射的传播方向Z或在X-Y面上被设置。在Z方向上穿过该中间折射面6a的子射束2不被偏转。
在激光辐射的传播方向Z上在阵列5后面设置有透镜装置7，其例如在所示实施例中构造为双凸透镜。透镜装置7也可以构造为平凸透镜或凹凸透镜。此外，还存在以下可能性：透镜装置7构造为柱面透镜，尤其是构造为具有非球面轮廓的柱面透镜。
透镜装置7可以在工作面8上使从阵列5出射的子射束2相互叠加。其中，工作面8设置在透镜装置7的输出侧焦平面上。因此，透镜装置7用作为傅立叶透镜，并且可以将激光辐射的角分布转换为工作面8中的位置分布。
图5示出了激光辐射的单个子射束2的远场强度分布9。其基本上具有高斯轮廓。图6示出了以根据本发明的设备均匀化后的激光辐射的远场强度分布10，其中多个(例如18个)子射束2在远场中叠加。示出了：远场强度分布10具有相对均匀的平稳状态11和高斯形的侧缘12。
图4示出了各个子射束2的远场强度分布9叠加为远场强度分布10。其中在图4中相对于角坐标绘制远场的强度。在图4所示的例子中，各个子射束2的五个远场强度分布9叠加为一个共同的远场强度分布10。
示出了：各个子射束2以不同角度离开阵列5。相邻子射束相互之间的角度差ΔΦ对应于这些单独子射束2中每一个的远场分布9的整个半值宽度b的大约85％。
根据子射束2是具有纯高斯轮廓还是修正后的高斯轮廓(例如超高斯轮廓)，相邻子射束2在阵列5的相邻折射面6处所经历的偏转的合适角度差ΔΦ对应于在穿过该设备之间子射束2的远场分布9的完整半值宽度b的75％到95％之间。对于在该范围中的角度差，得到以根据本发明的设备均匀化后的激光辐射的远场强度分布10的相对均匀的平稳状态。
存在以下可能性：代替阵列5，设置有在激光辐射的传播方向Z上相继设置的构造为棱镜阵列的两个阵列。其中，根据DE102007952782，各个子射束2之间的间隔被减小。

Claims (15)

1.一种用于使激光辐射均匀化的设备，所述激光辐射具有至少在与所述激光辐射的传播方向(Z)垂直的第一方向(X)上相互间隔开的子射束(2)，所述设备尤其用于使源自激光二极管阵列的激光辐射均匀化，所述设备包括：
折射面(6，6a)的阵列(5)，所述折射面至少能不同地偏转要均匀化的所述激光辐射的多个子射束(2)，使得这些子射束在穿过所述折射面(6，6a)之后与穿过所述折射面(6，6a)之前相比至少部分地相互更会聚地行进，以及
透镜装置(7)，穿过所述折射面(6，6a)的阵列(5)的子射束(2)能通过所述透镜装置，所述透镜装置(7)能在工作面(8)上叠加所述子射束(2)中至少一些子射束。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，为所述子射束(2)中每一个分别分配所述阵列(5)的折射面(6，6a)中的一个。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述阵列(5)的折射面(6，6a)相互倾斜。
4.如权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述阵列(5)的折射面(6，6a)至少部分是平坦的，所述阵列(5)尤其构造为棱镜阵列。
5.如权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述阵列(5)的折射面(6，6a)至少部分地在所述第一方向(X)上相互连接。
6.如权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，所述阵列(5)的折射面(6，6a)至少部分地相互成150°到180°之间的一角度(α)，尤其是165°到180°之间的一角度(α)，优选是175°到179°之间的一角度(α)。
7.如权利要求1至6之一所述的设备，其特征在于，所述阵列(5)的折射面(6，6a)设置在圆柱形轮廓上。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述圆柱形轮廓的圆柱轴在与所述第一方向(X)垂直且与要均匀化的所述激光辐射的传播方向(Z)垂直的第二方向(Y)上延伸。
9.如权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述圆柱形轮廓凸面地成型。
10.如权利要求1至9之一所述的设备，其特征在于，所述透镜装置(7)包括会聚透镜，或者由会聚透镜构成。
11.如权利要求1至10之一所述的设备，其特征在于，所述工作面(8)设置在所述透镜装置(7)的输出侧焦平面上。
12.如权利要求1至11之一所述的设备，其特征在于，所述设备具有准直装置(3，4)，所述准直装置能使要均匀化的所述激光辐射相对于所述第一方向(X)和/或相对于所述第二方向(Y)至少部分地准直。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述准直装置(3，4)在要均匀化的所述激光辐射的传播方向(Z)上设置在所述阵列(5)的折射面(6，6a)之前。
14.一种激光设备，包括：
能发射激光辐射的激光辐射源，尤其是激光二极管阵列(1)，所述激光辐射具有在与所述激光辐射的传播方向(Z)垂直的方向(X)上相互间隔开的子射束(2)，和
用于使所述激光辐射均匀化的设备，
其特征在于，
所述用于使所述激光辐射均匀化的设备是根据权利要求1至13之一所述的设备，
阵列的折射面之间的角度(α)被构造为使得相邻子射束(2)在所述阵列(5)的相邻折射面(6，6a)处所经受的偏转的角度差(ΔΦ)对应于所述子射束之一在穿过所述设备之前的远场分布(9)的整个半值宽度的75％到95％之间。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述阵列的折射面之间的角度(α)和/或透镜装置(7)被构造为使得相邻子射束(2)的所述角度差(ΔΦ)大小相同。
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