CN105229875A - 激光器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光器组件，其包括作为光纤激光器构成的用于产生已转换的激光输出辐射的转换器以及提供用于该转换器的泵浦辐射的泵浦源，所述泵浦源包括多个产生泵浦辐射的激光二极管，所述激光二极管分别由激光条上的发射体形成，其中，所述泵浦源具有用于将由发射体提供的激光射线成形为泵浦辐射的光束成形光学器件。

Description

激光器组件
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的激光器组件。
背景技术
原则上已知激光器组件，其中各掺杂有至少一种稀土(即掺杂有激光活化材料)的有源光纤分别被一个泵浦辐射激励，从而在该被掺杂的有源光纤中在两个设置在各光纤端部上的并且用作谐振腔镜的光学元件之间强制产生激光辐射并且在一个光纤端部上发射辐射。在这里也已知，利用被紧密掺杂的、由光导材料(即玻璃或石英玻璃)制成的护套来包围有源光纤，该护套于是形成泵浦护套，该泵浦护套被泵浦辐射加载并且通过该泵浦护套在有源光纤中或在由有源光纤和泵浦护套形成的转换器光纤的被掺杂的芯部中激发辐射。此外已知将各光纤端部、即将转换器光纤的接口或耦入部被液体冷却介质(US4732450)冷却，亦或将转换器光纤被沿该光纤流动的冷却介质冷却(RU2031420)。
最后已知二极管激光器组件(DE102011016253)，其一般包括发射激光的源以及具有板格层的光束成形光学器件，所述发射激光的源呈至少一个激光二极管堆叠的形式，该激光二极管堆叠包括多个分别设置在冷却器上的激光条，各激光条分别具有多个发射激光的并且沿慢轴相继的发射体。
发明内容
本发明的任务是，给出一种激光器组件，该激光器组件提供高质量的激光辐射。为了解决该任务，根据权利要求1构成激光器组件。
按照本发明的激光器组件对于已转换的激光辐射的从数千瓦直至大于十千瓦功率的功率范围是可实现的。此外按照本发明的激光器组件可用于不同的领域，即例如在医学中，但也在工件处理和/或加工中，例如用于高质量地切割工件和/或板材、用于加热工件、例如用于硬化等。用作泵浦源的二极管激光器组件例如这样实施，即，泵浦激光辐射的波长处于900nm和1050nm之间的范围中，其中这时从激光器组件或其转换器发出的已转换的激光辐射的波长较高，例如在1050nm和1100nm之间的范围中。
在一种优选的实施形式中，转换器光纤的泵浦护套被例如由防潮和/或防水塑料制成的至少另一个护套包围，其中该护套则在一种特别有利的实施形式中被由耐腐蚀金属材料制成的另一个外部护套包封。通过包围泵浦护套的另一个护套尤其是实现：泵浦辐射通过全反射保留在泵浦护套内并且因此泵浦辐射强烈作用到内部有源光纤上。
优选转换器光纤此外安放在管状和/或软管状的包封部中，所述包封部被冷却介质、优选液体冷却介质流经。用于使激光辐射进入或离开转换器光纤的耦入部和耦出部或对应的由可透光的材料、优选玻璃或石英玻璃制造的接口或端盖在此优选同样分别至少以一个部分区域延伸到冷却壳体的内部并且因此同样被冷却介质冷却。
激光条的“有源层”在此是这样的层，即：激光条的发射体设置在该层中并且该层的平面垂直于快轴取向，发射体的激光射线沿所述快轴具有较大的发散。
术语“基本上”或“大约”在本发明的意义中表示与各个精确值偏差+/-10％、优选+/-5％和/或以对于功能不重要的变化的形式与各个精确值偏差。
本发明的进一步构成、优点和应用可能性也由对实施例的后续说明和附图得出。在此所有说明的和/或图解描述的特征本身或以任意的组合原则上都是本发明的技术方案，而不依赖于其在权利要求中的总结或回引。权利要求的内容也成为说明书的组成部分。
附图说明
接着借助附图以实施例进一步解释本发明。示出：
图1按照本发明的包括有源冷却的转换器光纤的激光器组件的简化图；
图2、3图1的激光器组件的由二极管激光器组件形成的泵浦源的示意图；
图4两个激光条的激光辐射在成形之前、在扇形展开之后和在汇聚之后的构成的简化图；
图5、6转换器光纤在不同的实施形式中的横截面；
图7图1的激光器组件的已冷却的转换器光纤的放大示意图和剖面；
图8对应于图6的线I-I的剖面；
图9按照本发明的激光器组件的另一种实施形式的类似图1的示图。
具体实施方式
为了简化理解，在图2和3中分别以X、Y和Z表示三个彼此垂直取向的空间轴。
在图1-8中整体以1表示的激光器组件基本上包括呈光纤激光器形式的转换器2、用作用于转换器2的泵浦源的二极管激光器组件3和用于从转换器2耦出的已转换的激光辐射的调焦光学器件。上面提到的构件在该示出的实施形式中具有如下描述的构造：
二极管激光器组件3
二极管激光器组件3在该示出的实施形式中包括两个平行的并且沿Y轴方向相互错开的激光二极管堆叠5，各激光二极管堆叠分别具有多个沿Z轴方向堆叠状相叠地设置的激光条6，各激光条分别设置在一个冷却体上并且具有多个发射激光的发射体。各发射体沿其慢轴(Y轴)方向并且因此垂直于堆叠轴线或Z轴相继地设置在相应的激光条6上并且沿X轴方向发射激光，所述X轴垂直于发射体的慢轴和快轴取向并且在该示出的实施形式中是二极管激光器组件3的光轴。此外这样进行布置，即：一个堆叠5的每个激光条6与另一个堆叠5的激光条6处于同一水平上。
在呈由单射线7组成的射线束形式的、由激光条6发射的激光辐射的光路中设置在图2和3中未示出的快轴准直仪，所述快轴准直仪例如由轴线处于Y轴的柱面透镜形成并且引起激光射线或单射线7沿快轴、即垂直于激光条6的有源层的Z轴准直，在Z轴(快轴)中，每个激光条6的发射体的辐射具有最大发散。在快轴准直仪之后，激光辐射基本上作为由单射线7组成的窄带射线束，如其在图4中在位置a)中示出的。在光路中在快轴准直仪之后设置光学单元8，所述光学单元作为板格层构成并且用于进一步成形激光射线束，并且更确切地说是以如下方式成形，即，激光射线束首先分离成或扇形展开成在平行于XY平面的不同平面中的射线7.1，其中射线7.1也从平面至平面地沿Y轴相互错开，如其在图4中在位置b)中示出的。在另一个同样作为板格层构成的光学单元9中，多个激光条6的单射线7.1这时也是以在图4中在位置c)中示出的方式对角相叠地移动，从而产生射线束7.2。在图4中再次给出堆叠5的两个激光条6的激光射线7、7.1和7.2。为了较好区别，一个激光条6的激光射线加阴影线并且另一个激光条6的激光射线不加阴影线。
详细而言，光学组件8包括两个平行的板格层8.1，各板格层在该示出的实施形式中原则上相同地构成并且分别包括多个薄板10。这些板由光导材料、例如玻璃(光学玻璃)或石英玻璃制造并且具有例如方形的坯料。每个以其表面侧在XZ平面中设置的板具有两个彼此对置的板窄边，用于激光射线的射入和射出。这些端侧相对于光轴或X轴从板至板地不同倾斜，从而产生格层状结构并且单射线7沿Z轴方向扇形展开成单射线7.1。
光学单元9同样包括多个堆叠状彼此连接的、由光导材料或玻璃或石英玻璃制成的板11。这些板11以其表面侧设置在XY平面中并且再次在激光射线的光路中分别具有两个平行的平坦端侧，用于激光射线的射入和射出。这些端侧相对于光轴(X轴)从板至板地不同倾斜，从而产生格层状结构并且单射线7.1相对于射线束7.2彼此上下移动，如其在图4中在位置c)中示出的。
在光学单元9之后设置有慢轴准直仪12，所述慢轴准直仪矫正激光射线沿慢轴(Y轴)具有的发散并且在该示出的实施形式中由柱面透镜形成，所述柱面透镜仅围绕平行于Y轴的轴线弯曲。
未示出的快轴准直仪、光学单元8和9以及慢轴准直仪12在该示出的实施形式中形成二极管激光器组件3的光束成形光学器件13。
转换器2
作为光纤激光器构成的转换器2主要具有转换器光纤14，所述转换器光纤在该示出的实施形式中是多层的，即包括由光导材料、优选玻璃或石英玻璃制成的内部有源光纤15(有源芯部)。所述光纤15至少掺杂有一种激光活化介质或材料、例如铒和/或镱和/或钕，并且被由光导材料、优选玻璃或石英玻璃制成的护套16包围，所述护套形成转换器光纤14的泵浦护套(泵浦包层)并且由未掺杂的光导材料、优选玻璃或石英玻璃制成。护套16被由适合的塑料、例如耐水塑料制成的另一个护套17包围。作为转换器光纤14的外部封闭部使用例如由抗腐蚀的金属材料制成的外部护套18。
在图5和6中示出转换器光纤14的该构造。如从这些图中也可得出的，作为泵浦护套起作用的护套16具有不同于圆形的横截面，以便由此优化由泵浦源或二极管激光器组件3提供的激光或泵浦辐射耦入到内部有源光纤15中的耦入。在图5中，护套16包括具有成形角部的八边形横截面并且在图6中包括具有倒圆角部的八边形横截面。内部光纤15例如具有在10μm和20μm之间的范围中的直径并且护套16具有大约400μm至200μm的直径。转换器光纤14的其他为此合适的横截面也是可能的，例如将有源光纤15偏心地布置在护套16中，所述护套也在该情况中这时优选具有不同于圆形的横截面。
转换器光纤14在其两个端部上分别设有光学接口，各接口能够实现激光辐射射入转换器光纤14中或从该转换器光纤中射出激光辐射，各光学接口采用由光导材料、优选玻璃或石英玻璃制成的端盖19和20的形式。此外，转换器光纤14安放在包封部21的内部空间21.3中，所述包封部在该光纤的整个长度上延伸并且可由冷却介质、例如由液体冷却介质或由冷却水穿流，在所述包封部的各端部上也设置端盖19和20，各端盖为了包封部的冷却而分别以部分长度伸入包封部21或其内部空间21.3中。优选地，转换器光纤14被完全接纳在包封部21中。
按照本发明，包封部21管状或软管状地构成，并且更确切地说包括在主要被来自二极管激光器3的激光辐射加载的端盖19的区域中的冷却介质入口21.1以及在主要也用于导出利用转换器2转换的激光辐射的端盖20的区域中的冷却介质排出口21.2。两个端盖19和20利用用于泵浦辐射和已转换的激光辐射的防反射层调质处理并且例如借助接合连接而也与有源光纤15连接。此外端盖19和20例如具有10mm至40mm的长度并且具有在大约5mm和20mm之间的范围中的直径。
转换器2此外具有两个谐振腔镜22和23，其中的谐振腔镜22主要处于由二极管激光器组件3提供的激光辐射的光路中并且使该辐射调焦到端盖19或转换器光纤14上并且为此在其背离端盖19的一侧上凸透镜状地弯曲。谐振腔镜22在其朝向端盖19的一侧上为了其谐振腔镜的功能而凹镜状凹形弯曲。此外，谐振腔镜22这样构成，使得其在其背离端盖19的耦入侧上没有或基本上没有反射特性，即对于泵浦辐射作为防反射镜构成，并且在其朝向端盖19的一侧上具有高反射，即对于从转换器光纤14中射出的辐射作为高反射镜构成。谐振腔镜22和23优选可调整地实施。
另一个谐振腔镜23在光路中设置在端盖20之后。谐振腔镜23再次在其背离端盖20的一侧上为了产生平行的或基本上平行的输出激光辐射而凸形或凸透镜状地弯曲并且在其朝向端盖20的一侧上凹镜状地凹形弯曲。此外谐振腔镜23这样实施，即，其在其凹侧上对于泵浦辐射作为高反射镜并且对于转换器的已转换的输出辐射作为防反射镜作用，即没有反射或基本上没有反射地允许使已转换的输出辐射或激光辐射穿过。
图7和8再次在放大图中示出转换器光纤14，该转换器光纤包括包封部21和由该包封部形成的、在整个周边上包围转换器光纤14的环形冷却通道21.3。为了保证转换器光纤14在其整个长度上总是与包封部21的内面间隔开并且因此冷却通道21.3在转换器光纤14的整个长度上优化地构成，转换器光纤14多重通过分别一个支承元件24保持。所述支承元件基本上包括壳体25，所述壳体形成向外封闭的壳体内部空间26，在所述壳体内部空间中，被引导穿过壳体内部空间26的转换器光纤14保持在上、下光纤保持部27之间。在壳体25的彼此对置的两侧上分别设置凸缘状接口28，转换器光纤14引导通过所述凸缘状接口并且所述凸缘状接口用于连接作为包封部21的一部分的软管段或管段29。因此包封部在该示出的实施形式中包括保持元件24和软管段或管段29。
图9示出激光器组件1a的另一种实施形式，其与激光器组件1的区别在于，已转换的激光辐射不在谐振腔镜23上耦出，而是在泵浦源或二极管激光器组件3和谐振腔镜22之间、即在该谐振腔镜上耦出，并且更确切地说通过二向色镜30耦出，所述二向色镜相对于二极管激光器组件3的泵浦辐射的轴线方向、即相对于X轴倾斜并且其表面侧与Y-Z平面成小于90°的角度、例如45°或基本上45°的角度。镜30将二极管激光器组件3的激光辐射与转换器光纤14的已转换的激光辐射分离。镜30的可能的特性组合在这里是：
-镜30对于泵浦辐射是可通过的，但是对于已转换的辐射是高反射的，亦或
-镜30对于泵浦辐射是高反射的，但是对于已转换的辐射是可通过的。
由二极管激光器组件3提供的激光辐射的波长例如处于900nm和1500nm之间的范围中。已转换的激光辐射的波长超过泵浦辐射的波长、例如在1500nm至1100nm。由二极管激光器组件3提供的泵浦辐射例如处于数千瓦至大于十千万功率的功率范围中。也是出于这个原因，需要优化转换器光纤14的冷却，以用于导出损耗功率，所述损耗功率主要在泵浦辐射耦入到内部光纤15中时产生。
为了提高泵功率并且借此也提高输出功率和/或功率密度，适宜的是，这样运行二极管激光器组件3，使得泵浦辐射具有选自泵浦辐射的波长范围、例如900nm和1060nm之间的波长范围的多个波长的波长倍增。
以上借助实施例对本发明进行了说明。当然，大量改变以及变型是可能的，而不会由此背离本发明基于的发明构思。
附图标记列表
1、1a激光器组件
2转换器
3二极管激光器组件(泵浦源)
4调焦光学器件
5堆叠
6激光条
7、7.1、7.2单射线
8、9光学元件
8.1板格层
10、11板
12慢轴准直仪
13光束成形光学器件
14转换器光纤
15内部有源光纤或有源芯部
16-18护套
19、20端盖
21包封部
21.1、21.2接口
21.3冷却通道
22、23谐振腔镜
24保持装置
25壳体
26壳体内部空间
27光纤保持部
28接口
29管段或软管段
30镜
X、Y、Z空间轴

Claims (12)

1.一种激光器组件，其包括作为光纤激光器构成的用于产生已转换的激光输出辐射的转换器(2)以及为转换器(2)提供泵浦辐射的泵浦源，所述泵浦源包括多个产生所述泵浦辐射的激光二极管，所述激光二极管分别由激光条(6)上的发射体形成，其中，所述泵浦源具有用于将由所述发射体提供的激光射线(7)成形为所述泵浦辐射的光束成形光学器件(13)，
其特征在于，
至少两个激光条(6)的发射体沿对应于慢轴的第一轴线方向(Y轴)相继设置并且以其有源层分别设置在一平面(XY平面)中，该平面包括第一轴线(Y轴)以及与第一轴线垂直的第二轴线(X轴)，所述至少两个激光条沿对应于快轴的第三轴线(Z轴)相叠地设置成至少一个二极管激光器堆叠(5)，所述第三轴线垂直于第一和第二轴线取向；并且所述光束成形光学器件(13)在光路中在二极管激光器堆叠(5)之后具有第一光学单元以及接着第一光学单元的第二光学单元(9)，所述第一光学单元用于使由每个激光条(6)的发射体提供的激光射线(7)沿第三轴线扇形展开；利用所述第二光学单元，全部激光条(6)的扇形展开的激光射线(7.1)通过沿第一轴线(Y轴)的方向彼此上下移动而汇聚成一个激光射线束(7.2)；并且转换器光纤(14)被接纳在管状或软管状的、能够被冷却介质穿流的包封部(21)的内部空间中。
2.按照权利要求1所述的激光器组件，其特征在于，第一光学单元和第二光学单元(8、9)分别由至少一个板格层(8.1、9)形成，所述板格层包括多个在其表面侧彼此连接的板(10、11)；第一光学单元(8)的板(10)以其表面侧垂直于第一轴线(Y轴)取向并且第二光学单元(9)的板(11)以其表面侧垂直于第三轴线(Z轴)取向。
3.按照权利要求1或2所述的激光器组件，其特征在于，设置有至少两个平行的并且沿第一轴线(Y轴)的方向彼此错开的二极管激光器堆叠(5)；一个二极管激光器堆叠的激光条(6)以其有源层平行于另一个堆叠的激光条(6)的有源层取向。
4.按照上述权利要求之一所述的激光器组件，其特征在于，转换器(2)具有被冷却介质环流的转换器光纤(14)，所述转换器光纤至少包括由光导材料、优选玻璃或石英玻璃制成的、掺杂有激光活化添加剂的内部光纤(15)以及由光导材料、优选玻璃或石英玻璃制成的、包围内部光纤(15)的、未掺杂的泵浦护套(16)；并且在转换器光纤(14)的两端分别设置由光导材料、优选玻璃或石英玻璃制成的、用于将泵浦辐射和已转换的辐射耦入和/或耦出的接口(19、20)。
5.按照上述权利要求之一所述的激光器组件，其特征在于，在转换器光纤(14)的各端部上或与这些端部对置地分别设置用作谐振腔镜的光学元件(22、23)；并且其中一个在光路中设置在泵浦源(3)和转换器光纤(14)之间的并且被泵浦源的泵浦辐射穿流的光学元件(22)对于从泵浦源耦入到转换器光纤(14)中的激光辐射或泵浦辐射作为防反射镜起作用并且对于来自转换器光纤(14)的辐射作为高反射镜起作用。
6.按照权利要求5所述的激光器组件，其特征在于，在已转换的辐射在用作谐振腔镜的第二光学元件(23)上耦出时，该第二光学元件对于泵浦辐射作为高反射镜起作用并且对于从转换器光纤(14)中耦出的已转换的辐射作为防反射镜起作用。
7.按照权利要求5或6所述的激光器组件，其特征在于，各光学元件分别是凹凸谐振腔镜(22、23)，所述凹凸谐振腔镜在其朝向转换器光纤(14)的端部的一侧上分别凹镜状凹形地成拱形并且在其背离转换器光纤(14)的一侧上分别凸透镜状凸形地成拱形。
8.按照权利要求5至7之一所述的激光器组件，其特征在于，各光学元件(22、23)由透光材料、优选玻璃或石英玻璃制成；并且所述反射特性例如通过材料特性和/或表面涂层实现。
9.按照上述权利要求之一所述的激光器组件，其特征在于，所述泵浦辐射的波长处于900nm和1050nm之间的范围中和/或已转换的辐射的波长处于1050nm和1100nm的范围中。
10.按照上述权利要求之一所述的激光器组件，其特征在于，所述包封部(21)包括通过至少一个用于转换器光纤(14)的保持元件(24)相互连接的两个管段和/或软管段(29)。
11.按照上述权利要求之一所述的激光器组件，其特征在于，内部有源光纤的直径处于10μm和200μm之间的范围中和/或泵浦护套(16)的直径处于400μm和2000μm之间的范围中。
12.按照上述权利要求之一所述的激光器组件，其特征在于，在已转换的激光射线在转换器(2)的朝向泵浦源(3)的一侧上耦出时，在泵浦射线的光路中设置镜(30)，该镜将从泵浦源到转换器上的辐射与沿相反方向的辐射分离。
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