CN103299219A

CN103299219A - 用于将激光辐射转换成带有m形轮廓的激光辐射的装置

Info

Publication number: CN103299219A
Application number: CN2011800644179A
Authority: CN
Inventors: A·米哈伊洛夫
Original assignee: Hentze Lissotschenko Patentverwaltungs GmbH and Co KG
Current assignee: LIMO Holdings Ltd.; Limo LLC
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: DE102010053781A1; WO2012076651A1; DE102010053781B4; US20130271830A1; CN103299219B; US9448410B2; JP2014505269A; KR101873194B1; KR20130124955A; JP5916751B2

Abstract

用于将激光辐射（21）转换成带有M形轮廓的激光辐射的装置，该装置包括分离器件（34），这些分离器件能够将激光辐射（21）分离成至少两个子射束（22、23），这些子射束至少局部地或者部分沿不同的方向运动或者相互错移地布置；以及该装置包括光学器件（38），这些光学器件能够将至少两个子射束（22、23）引入到工作面中和/或能够使至少两个子射束（22、23）在工作面中至少局部地叠加，其中，所述分离器件（34）包括至少一个带有至少两个透镜（40、42）的透镜阵列（39、41）。

Description

用于将激光辐射转换成带有M形轮廓的激光辐射的装置

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于将激光辐射转换成带有M形轮廓的激光辐射的装置。

背景技术

定义：尤其是当激光辐射不是平面波或者至少部分是发散时，沿激光辐射的传播方向指的是激光辐射的平均传播方向。如果未明确地不同地说明，则激光束、光束、子射束或射束指的并不是几何光学的理想射束，而实际的光束、例如激光束，其并不具有无穷小的射束横截面而是具有伸展的射束横截面。用M形轮廓表示激光辐射的强度轮廓，该激光辐射的横截面在中心与在一个或多个偏心的区域中相比具有更小的强度。

开头所述类型的装置例如由WO93/14430A1已知。在其中所描述的装置中，光导纤维以用作分离器件（Separiermittel）的圆锥形端区段结束。从该圆锥形端区段出射的激光辐射在光导纤维之后不远处在垂直于圆锥轴线的工作面中具有环形强度分布，该环形强度分布可以被称为M形轮廓。

在此，在工作面中的差的射束质量被证实是不利的，尤其在耦合输入到光导纤维中的激光辐射由一个激光二极管线阵或多个激光二极管线阵产生的情况下。

发明内容

本发明的任务在于，提出一种开头所述类型的装置，该装置能够以更好的射束质量产生带有M形轮廓的激光辐射。

按照本发明，该任务通过开头所述类型的、带有权利要求1的特征部分的特征的装置来实现。从属权利要求涉及本发明的优选的扩展方案。

按照权利要求1设计为，分离器件包括至少一个带有至少两个透镜的透镜阵列。通过所述至少一个透镜阵列可以产生至少两个沿不同方向运动的子射束。按照这种方式在激光辐射的横截面中尤其是居中地形成较低强度的区域或者孔。该较低强度的区域或者该孔能够传递到工作面上或者到光导纤维的入射面上。由此，在工作面中或者在光导纤维的输出端上得到带有M形轮廓和良好射束质量的激光辐射。

存在如下可能性，即所述分离器件包括至少一个基板，该基板至少部分地是透明的并且具有用于激光辐射的入射面以及出射面，其中，在入射面和/或出射面上布置所述至少一个透镜阵列。

在一种简单的实施形式中设计为，所述至少一个透镜阵列具有凹透镜并且布置在至少一个基板的出射面上并且在所述至少一个基板的入射面上设有单独的凸透镜。利用该实施形式例如可以将激光二极管线阵的激光辐射引入到光导纤维中，其中，然后在光导纤维的输出端上出射带有M形轮廓的激光辐射。

在另一种实施形式设计为，所述分离器件包括各带有至少两个透镜的至少一个第一透镜阵列和至少一个第二透镜阵列，其中，在所述至少一个基板的入射面上布置有所述至少一个第一透镜阵列并且在所述至少一个基板的出射面上布置有所述至少一个第二透镜阵列。如果要转换多个激光二极管线阵的激光辐射，则该实施形式是特别适合的。

在此可以设计，通过所述至少一个基板的入射面和出射面形成一个伽利略望远镜或者多个伽利略望远镜。由此可以实现，在相应地选择望远镜的缩小时产生多个子射束，这些子射束保持入射的激光辐射的发散性。

可以设计的是，所述至少一个透镜阵列的透镜是柱面透镜。

此外可以设计的是，所述入射面和/或出射面具有至少两个不同的部段，其中，透镜在这些部段的第一部段中的圆柱轴线与透镜在这些部段的第二部段中的圆柱轴线不同地定向。通过带有圆柱轴线的不同定向的不同部段能够达到例如光导纤维的更好的补充。

附图说明

借助以下参照所附的附图对优选实施例的说明而使本发明的其他特征和优点变清楚。图中：

图1示出激光束在穿过按照本发明的装置之前和之后的示例性的轮廓的比较，其中，相对于任意单位的半径绘出任意单位的强度；

图2示出子午线射束在光导纤维中的强度分布示例图；

图3示出弧矢射束在光导纤维中的强度分布示例图；

图4示出另一个弧矢射束在光导纤维中的强度分布示例图；

图5示出激光束的典型M形轮廓的三维示图，其中，相对于半径在两个相互垂直的方向上垂直地绘出光强度；

图6示出按照本发明的装置的分离器件的第一种实施形式的侧视图；

图7示意性地示出激光束通过按照图6的分离器件的分开；

图8示出带有按照图6的分离器件的按照本发明的装置的第一种实施形式的侧视图；

图9示出由按照图8的装置在光导纤维的入射面上产生的强度分布；

图10示出在激光穿过光导纤维之后的按照图9的强度分布；

图11示出带有示例性光路的按照本发明的装置的第二种实施形式的侧视图；

图12示出按照图11中的箭头XII的示意图；

图13示出按照本发明的装置的第三种实施形式的与图12相对应的视图；

图14示意性地示出激光束通过第三种实施形式的按照本发明的装置的分离；

图15示出在图14中所示的分离的细节；

图16示出激光辐射在分离之后射到光导纤维的入射面上的分量的强度轮廓的叠加。

具体实施方式

在附图中相同的和功能上相同的部件、射束或箭头设置有相同的附图标记。

图1中的实曲线1示出激光辐射的强度轮廓的示例，该激光辐射例如由激光二极管线阵发出并且已利用典型的光学装置准直。这种强度轮廓在激光辐射的中部具有最大值2，而强度从中部朝各边缘地下降。

而图1中的虚曲线3示出由按照实曲线1的激光辐射在穿过按照本发明的装置之后可产生的强度轮廓。通过虚曲线3说明的强度轮廓是M形轮廓的一个示例。M形轮廓在射束中部具有局部最小值4，而在中部之外存在强度的最大值5。这种M形轮廓例如相对于激光束或激光辐射的传播方向旋转对称。

图2说明在光导纤维中的所谓的子午线射束或者所谓的子午线模式。子午线模式在光导纤维的纵轴线上具有明显的强度最大值6。图3和图4示出所谓的弧矢射束或者所谓的弧矢模式，这些弧矢模式在光导纤维的纵轴线的区域中分别具有强度最小值7。

如在光导纤维的输出端上要出射带有M形轮廓的激光束，则入射到光导纤维中的射束因此应尽可能只导致弧矢模式或者能够将可能的子午线模式转变成弧矢模式。图5示出在光导纤维的输出端上的带有M形轮廓的激光束的示例。明确地可看出在激光束中心中的深的局部最小值8。

图6示出按照本发明的装置的分离器件9的第一种实施形式。分离器件9通过透明的基板10形成，该透明的基板具有用于激光束或激光辐射的入射面11和出射面12。

在入射面11上构造有凸透镜13、尤其是带有延伸到图6的图平面中的圆柱轴线的凸柱面透镜。透镜13通过圆弧形成，该圆弧的半径通过箭头14表示，而圆弧的原点通过点15表示。

在出射面12上构造有透镜阵列16，该透镜阵列具有两个凹透镜17a、17b、尤其是两个带有延伸到图6的图平面中的圆柱轴线的凹柱面透镜。透镜17a、17b分别通过圆弧形成，该圆弧的半径通过箭头18a、18b表示，而圆弧的原点通过点19a、19b表示。对于透镜17a、17b的圆弧的各原点沿垂直于光轴20的方向相互间隔开。

基板10的深度T（参见图6）例如可以为2.127mm。凸透镜13的半径例如可以为2.0575mm大。凹透镜17a、17b的半径可以分别为1.097mm大。在凹透镜17a、17b的半径的各原点之间的距离沿在图6中由上向下地延伸的方向为0.2mm。

图7示出，激光辐射21如何通过分离器件9分裂为两个彼此远离地运动的子射束22、23。分离器件9尤其适合于由激光二极管线阵发出的激光辐射。

图8示出构建为具有分离器件9的按照本发明的装置。该装置可以将激光二极管线阵24的激光辐射引入到例如50mm长的光导纤维25中。光导纤维25也可以是更长或更短的。装置为此包括光学器件26，这些光学器件能够将两个从分离器件9出射的子射束聚焦到光导纤维25的入射面上。光学器件26具有相互交叉的、用作聚焦器件的柱面透镜27、28、29。附加地或代替该用作聚焦透镜的柱面透镜27、28、29地可以设有用作均匀器器件的透镜阵列。

在此，图8示出激光二极管线阵24和用于准直并且必要时旋转由激光二极管线阵的各个发射器发出的激光辐射的光学装置30。类似的光学装置在EP1006382A1中予以描述并对此通过引用而成为本公开内容的一部分。

通过光学器件26将激光辐射的两个相互间隔开的条带31施加到光导纤维的入射面上。在穿过光导纤维25之后，在光导纤维25的输出端25上形成带有M形轮廓32的激光束，该M形轮廓明显地在激光束中部具有强度最小值33。

由图11可看到的装置适合于将由多于一个激光二极管线阵、例如由五个或十个激光二极管线阵发出的激光引入到光导纤维中。该装置包括通过透明基板35形成的分离器件34，该基板具有用于激光辐射的入射面36和出射面37。此外，该装置包括光学器件38，这些光学器件尤其用于均匀化激光辐射。

在入射面36上构造有第一透镜阵列39，该第一透镜阵列具有凹透镜40、尤其是带有延伸到图11的图平面中的圆柱轴线的凹柱面透镜。在出射面37上构造有第二透镜阵列41，该第二透镜阵列具有凸透镜42、尤其带有延伸到图11的图平面中的圆柱轴线的凸柱面透镜。第一透镜阵列39的一个透镜40分别相对于第二透镜阵列41的一个透镜42地布置。

基板35的深度T（参见图11）例如可以为约5mm。基板在入射面与出射面之间的深度T尤其可以如下等式给出：

T=|f₁—f₂|·n

其中，f₁是第一透镜阵列39的透镜40的焦距，f₂是第二透镜阵列41的透镜42的焦距并且n是至少一个基板35的折射率。

总而言之，各个在基板35的深度T上相互对置的透镜40、42形成多个伽利略望远镜。在此，图11中在光由左向右穿过时的放大约为0.7至0.9之间。

因此发生横截面的缩小，该缩小导致在图11中示例性绘出的由左边入射的激光辐射21在穿过分离器件34之后分裂成两个子射束22、23。

光学器件38包括两个相互间隔开的基板43、44，在这些基板上分别设有一个由透镜由47、48、优选由柱面透镜构成的透镜阵列45、46。在此，透镜47、48的圆柱轴线延伸到图11的图平面中。透镜阵列45、46相互间隔一距离地布置，该距离等于透镜阵列46的透镜48的焦距。透镜阵列45、46因此以已知的方式作为均匀器器件起作用。

在由透镜阵列45、46形成的均匀器器件的输出端上，激光辐射应比较密地压缩（packen），以便例如将能够尽可能多的亮度引入到光导纤维中。为此，透镜阵列46的透镜48的焦距应小于第一透镜阵列39的透镜40的间距（中心距离）和入射的激光辐射21的发散性构成的商。

例如，入射的激光辐射21的发散性可以大约等于0.01rad（拉德）。此外、第一透镜阵列39的透镜40的间距可以约等于1mm。于是，透镜阵列46的透镜48的焦距应大约在70mm至100mm之间大。

在基板35与基板43之间的距离可以约等于间距的两倍，亦即约为1mm至3mm。

绝对存在如下可能性，即，光学器件38在用作均匀器器件的透镜阵列45、46之后或者也代替用作均匀器器件的透镜阵列45、46而具有聚焦器件，如例如用作聚焦器件的、按照图8的柱面透镜27、28、29。

分离器件34的入射面36可以看上去如在图12中所示的。在那里，入射激光辐射21通过较小的矩形表示。

但按照本发明的另一种实施形式也存在如下的可能性，即，将分离器件的入射面和出射面分块，如这在图13中所示。

图13示出一种实施形式，其中，分离器件50的入射面49和未示出的出射面划分成八个部段。在入射面49和出射面的这些部段的每个上分别设置有透镜52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h的透镜阵列51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h，这些透镜优选构造为柱面透镜。在此，入射面的透镜52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h和出射面的未示出的透镜如图11的那些地构成并且相互间隔开。

在此，相邻的透镜52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h的圆柱轴线彼此分别夹有α=45°的角度。通过这样分块的分离器件50能够将较大数目的激光二极管线阵的激光辐射引入到同一个光导纤维中。也在图13中通过正方形表示入射的激光辐射21。该正方形的边与透镜52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h的圆柱轴线分别夹有β=67.5°的角度。

绝对存在如下的可能性，即，设有多于或小于八个部段。也存在如下的可能性，不同地设置在与入射的激光辐射21对应的正方形的边和透镜52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h的圆柱轴线之间的角度β。例如角度β也可以是0°和/或45°和/或90°。

图14示意性地说明，通过分块如何在分离器件50之后形成多个子射束22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h、23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h。图15示出由一个部段的透镜阵列51a形成的、射到光导纤维的入射面53上的子射束22a、22b。

图16示出全部子射束22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h、23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h在光导纤维的入射面53上的叠加。在此，还表示，在入射面53的各个部分53a、53b、53c、53d、53e、53f、53g、53h中子射束22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h、23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h如何对强度分布做贡献。明确地可看出，已经在光导纤维的入射面53上形成与M形轮廓对应的强度分布。尤其是在入射面53的中部明确地可看出最小值54。

在穿透通过光导纤维之后，该M形轮廓还可以是更均匀的。

Claims

1.用于将激光辐射（21）转换成带有M形轮廓的激光辐射的装置，该装置包括:

-分离器件（9、34、50），所述分离器件能够将激光辐射（21）分离成至少两个子射束（22；22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h；23；23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h），所述子射束至少局部地或者部分沿不同方向运动或者相互错移地布置，

-光学器件（26、38），所述光学器件能够将所述至少两个子射束（22；22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h；23；23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h）引入到工作面中和/或能够使所述至少两个子射束（22；22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h；23；23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h）在工作面中至少局部地叠加，

其特征在于，所述分离器件（9、34、50）包括至少一个带有至少两个透镜（17a、17b；40；42；52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h）的透镜阵列（16；39；41；51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分离器件（9、34、50）包括至少一个基板（10、35），所述基板至少部分是透明的并且具有用于激光辐射（21）的入射面（11、36、49）以及出射面（12、37），其中，在入射面（11、36、49）和/或出射面（12、37）上布置有所述至少一个透镜阵列（16；39；41；51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）。

3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，

-或在所述至少一个基板（10）的入射面（11）上设有所述至少一个透镜阵列并且在所述至少一个基板（10）的出射面（12）上设有平的表面或单独的透镜，

-或在所述至少一个基板（10）的出射面（12）上设有所述至少一个透镜阵列（16）并且在所述至少一个基板（10）的入射面（11）上设有平的表面或单独的透镜（13）。

4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，所述至少一个透镜阵列（16）具有凹透镜（17a、17b）并且布置在所述至少一个基板（10）的出射面（12）上并且在所述至少一个基板（10）的入射面（11）上设有单独的凸透镜（13）。

5.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分离器件（34、50）包括分别带有至少两个透镜（40；42；52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h）的至少一个第一透镜阵列（39；51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）和至少一个第二透镜阵列（41），其中，在所述至少一个基板的入射面（36、49）上布置有所述至少一个第一透镜阵列（39；51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）并且在所述至少一个基板（35）的出射面（37）上布置有所述至少一个第二透镜阵列（41）。

6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少一个第一透镜阵列（39；51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）具有凹透镜（40；52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h）并且所述至少一个第二透镜阵列（41）具有凸透镜（42）。

7.按照权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述基板（35）在入射面（36、49）与出射面（37）之间的深度（T）通过如下等式给出:

T=|f₁—f₂|·n

其中，f₁是所述至少一个第一透镜阵列（39；51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）的透镜（40；52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h）的焦距，f₂是所述至少一个第二透镜阵列（41）的透镜（42）的焦距并且n是所述至少一个基板（35）的折射率。

8.按照权利要求2至7之一所述的装置，其特征在于，通过所述至少一个基板（10、35）的入射面（11、36、49）和出射面（12、37）形成一个伽利略望远镜或者多个伽利略望远镜。

9.按照权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述至少一个透镜阵列（16；39；41；51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）的透镜（17a、17b；40；42；52a、52b、52c、52d、52e、52f、52g、52h）是柱面透镜。

10.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，所述入射面（49）和/或所述出射面具有至少两个不同的部段，其中，透镜（51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）在所述部段中的第一部段内的圆柱轴线与透镜（51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h）在所述部段中的第二部段内的圆柱轴线不同地定向。

11.按照权利要求1至10之一所述的装置，其特征在于，所述光学器件（38）包括均匀化器件。

12.按照权利要求1至11之一所述的装置，其特征在于，所述装置包括光导纤维（25），所述至少两个子射束（22；22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h；23；23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h）能够至少部分地入射到该光导纤维中。

13.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，所述光学器件（26）包括聚焦器件，所述聚焦器件能够将所述至少两个子射束（22；22a、22b、22c、22d、22e、22f、22g、22h；23；23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h）偏转和/或聚焦到光导纤维（25）的入射面（53）上。