CN115427859A - 激光装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光装置，其包括：至少部分地在第一方向(X)上并排布置的多个激光二极管(3)，其中，当激光装置工作时，从激光二极管(3)发出光(21)；光纤(15)，从激光二极管(3)发出的光(21)可以被耦合到该光纤(15)中；光学器件，在激光装置工作时，该光学器件对从激光二极管(3)发出的光(21)进行组合，使得多个激光二极管(3)的光(21)可以至少部分地被一起耦合到光纤(15)中，激光二极管(3)的相对于激光二极管(3)彼此相邻布置的方向的光束参数乘积大于光纤(15)的光束参数乘积。

Description

激光装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的一般概念的激光装置。
背景技术
定义：除非另有明确说明，否则激光束、光束、部分束或束意指不是几何光学的理想化光束，而是真实的光束，例如激光束，该真实的光束不具有无限小但扩展的束截面。
从US 2018/0278008 A1已知前述类型的激光装置。其中描述的激光装置包括并排布置成一排的多个激光二极管。激光二极管发射的光束照在反射镜上，使光偏转90°。在每种情况下，在激光二极管中的一些激光二极管和与该激光二极管相关联的反射镜之间设置倾斜的平面平行板，其使从激光二极管发射的光向上或向下偏转。反射镜在反射光的扩展方向上彼此前后依次叠置，使得从布置在后面的反射镜发出的光可以从布置得更靠前的反射镜上方通过。总体而言，通过反射镜和平面平行板的布置，从激光二极管发射的激光束彼此上下叠置并以这种方式组合。激光装置还包括光纤，来自激光二极管的经组合的光耦合到该光纤中。
本发明所要解决的问题是创建上述类型的激光装置，其可以在相当的安装空间中产生具有更高输出功率的激光束。这是根据具有权利要求1和/或权利要求2和/或权利要求3的特征的上述类型的激光装置的发明来实现的。从属权利要求涉及本发明的优选实施方式。
发明内容
根据权利要求1，激光二极管的在激光二极管并排布置的方向上的光束参数乘积大于光纤的光束参数乘积。例如，激光二极管的在激光二极管并排布置的方向上的光束参数乘积可以至少是光纤的光束参数乘积的两倍。在现有技术的激光装置中，激光二极管的在慢轴方向上的光束参数乘积通常被选择为等于光纤的光束参数乘积。光束参数乘积越大的激光二极管功率越大。因此，通过选择具有较大的光束参数乘积的激光二极管，可以在相同尺寸的激光装置下实现激光装置的输出功率的提高。可替代地，可以用更少的激光二极管和减小的尺寸的激光装置来实现与已知激光装置相同的输出功率。
根据权利要求2，激光装置包括两组激光二极管，每组包括多个激光二极管，其中两组中的第一组的激光二极管在第一方向上并排布置，并且其中两组中的第二组的激光二极管在第二方向上并排布置，第二方向不同于第一方向、特别是垂直于第一方向。通过提供两组成排布置的激光二极管，可以在相当的安装空间的情况下提高激光束的输出功率。优选地，激光二极管彼此相邻布置的方向对应于激光二极管的慢轴方向。另外优选地，激光装置包括用于由激光二极管发射的束的慢轴准直透镜和/或快轴准直透镜。与例如彼此相对的排相比，慢轴准直透镜的有效焦距可以通过将排彼此垂直对齐来增加。通过增加焦距，可以实现：在对由各个激光二极管发射的光进行组合的期间，激光二极管在慢轴方向上发射的光束几乎不发散。这样，减少了组合期间的损失。
根据权利要求3，激光装置包括转换装置，该转换装置在激光装置工作期间将多个激光二极管、特别是所有激光二极管在第一方向和/或第二方向上的经组合的光分成至少两部分，并且将这两部分布置成在第三方向上彼此相邻，该第三方向特别是垂直对齐于第一方向和/或第二方向对齐。通过这样的设计，在一方面上，可以减小激光二极管的在慢轴方向上的激光束的光束参数乘积、特别是在分成两部分时减半。因此，激光束可以尽可能完全地耦合到光纤中，尽管最初的光束参数乘积较大。此外，通过这样的设计，可以使用有效焦距大的快轴准直透镜，使得激光二极管发射的光束即使在快轴方向上也几乎不会发散。这样，进一步减少了损失。
转换装置可以包括多个平面平行板和/或至少一个望远镜、特别是至少一个伽利略望远镜。通过使用至少一个望远镜，可以在经组合的激光辐射的慢轴方向与快轴方向之间获得合适的尺寸比或角度比，以实现在光纤的入射表面上的最佳聚焦。
可以设置成，将由第一组的激光二极管形成的激光二极管的排和由第二组的激光二极管形成的激光二极管的排相互交叉。在激光装置的某些设计中还允许激光二极管的排交叉的可能性增加了激光装置的设计中的设计自由度。可以选择从激光二极管的排到光学器件的距离，从而可以优化激光装置的光学设计。这导致激光装置可实现的输出功率可以接近理论最大值。这进一步导致也可以使用低成本光纤，这通常需要最佳耦合。通过使用低成本光纤，可以显著降低激光装置的制造成本。
光学器件可以包括多个反射镜，其中激光二极管中的每个激光二极管分配有反射镜，使得在激光装置工作期间，由相应的激光二极管发射的光被所分配的反射镜反射成使得束的发射方向发生变化，特别是变化大约90°。在这种情况下，激光装置可以设计成使得：来自在第一方向和/或第二方向上彼此相邻布置的各个激光二极管、特别是所有激光二极管的光的入射区域在第三方向上彼此偏移，使得从在第一方向和/或第二方向上彼此相邻布置的不同激光二极管发射的光，在于分配给这些激光二极管的反射镜处反射后，在第三方向上彼此相邻布置。从一排的各个激光二极管发射的激光束因此通过在第三方向上的光学器件而彼此上下叠置，该第三方向可以对应于使用状态中的竖直方向。反射镜上的光在第三方向上的偏移可以例如通过合适的光学元件来实现，诸如激光二极管与反射镜之间的倾斜的平面平行板。可替代地，也可以通过对与相应的激光二极管相关联的快轴准直透镜进行适当定位来实现这种偏移。可替代地，第三中的组1中的一个的激光二极管可以具有彼此偏移的光的出射区域。这可以例如通过将激光二极管布置在第三方向上的不同位置来实现。
光学器件可以包括光束组合器，该光束组合器在激光装置工作时对由两组激光二极管发射的光进行组合。例如，光束组合器可以设计为偏振立方体或反射镜。激光装置可以包括在第三方向上并排布置的多个第一组激光二极管，并且/或者激光装置可以包括在第三方向上并排布置的多个第二组激光二极管。此外，激光装置可以包括在第三方向上并排布置的多个光学器件。这样，来自相应的两排激光二极管的激光束可以在多个平面中彼此上下叠置地组合，并且来自不同平面的激光束也可以相互组合，使得从所有激光二极管发射的激光束可以一起耦合到光纤中。
激光装置可以包括外壳，激光二极管和光学器件布置在该外壳中，并且光纤支撑在该外壳中。特别地，外壳可以包括基板，激光二极管和光学器件安装在该基板上。第三方向定向为垂直于基板，使得第三方向将大致对应于在激光装置工作时的竖直方向。参考以下优选实施方式的描述和随附附图，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。在附图中示出了：
附图说明
图1是根据本发明的激光装置的第一实施方式的俯视示意图；
图2是根据本发明的激光装置的第二实施方式的俯视示意图，其中指示了光束的路径；
图3是根据图2的激光装置的侧视图；
图4是根据图2的激光装置的望远镜的详细视图；
图5是根据本发明的激光装置的第三实施方式的俯视示意图；
图6是根据图5的激光装置的立体图；
图7是图6的细节图；
图8是在根据本发明的激光装置的第一实施方式的转换装置前面的于激光装置中传播的光的截面图；
图9是在穿过根据本发明的激光装置的第一实施方式的转换装置的第一组件后在激光装置中传播的光的截面图；
图10是在穿过根据本发明的激光装置的第一实施方式的转换装置后在激光装置中传播的光的截面图；
图11是在根据本发明的激光装置的第一实施方式的光纤的入射表面上的于激光装置中传播的光的截面图。
在附图中，相同和功能相同的部件用相同的附图标记表示。为了更好地定向，在一些附图中绘制了笛卡尔坐标系。
具体实施方式
图1中所示的激光装置的实施方式包括基于激光二极管3的两组1、2，它们仅被示意性地指示，并且在激光装置工作时从它们发射光。第一组1的激光二极管3在第一方向X上并排布置，而第二组2的激光二极管3在第二方向Y上并排布置，第二方向垂直于第一方向X对齐。
在图1所示的实施方式示例中，第一组1包括彼此等距布置的三个激光二极管3。此外，第二组2也包括三个彼此等距布置的激光二极管3，其中第一组1的激光二极管3之间的距离等于第二组2的激光二极管3之间的距离。
每个组1、2当然可以设置多于或少于三个激光二极管3。此外，还可以在第一组1中设置与在第二组2中不同数量的激光二极管3。
在这种情况下，第一组1的激光二极管3的慢轴方向平行于第一方向X、或者平行于第一组1的激光二极管3彼此相邻布置的方向X。此外，第二组2的激光二极管3的慢轴方向平行于第二方向Y、或者平行于第二组2的激光二极管3彼此相邻布置的方向Y。激光二极管3的快轴方向平行于第三方向Z，该第三方向Z分别垂直于第一方向X、第二方向Y对齐。
激光装置包括未示出的快轴准直透镜，该快轴准直透镜用于使由激光二极管3发射的光相对于第三方向Z至少部分地准直。激光装置还包括慢轴准直透镜4，该慢轴准直透镜4用于使由激光二极管3发射的光相对于第一方向X和相对于第二方向Y至少部分地准直。激光装置设计为使得由激光二极管3发射的光首先穿过快轴准直透镜然后穿过慢轴准直透镜4。
激光装置还包括第一组5和第二组6的反射镜7，第一组5的反射镜7与第一组1的激光二极管3相关联，且第二组6的反射镜7与第二组2的激光二极管3相关联。特别地，反射镜7中的每个反射镜被布置成使得由激光二极管3中的一个激光二极管发射的光恰好被反射镜7中的一个反射镜反射。
在这种情况下，快轴准直透镜以及慢轴准直透镜4布置在激光二极管3与反射镜7之间。
第一组5的反射镜7在Z方向上(未示出)彼此偏移。此外，从各个激光二极管3发射的第一组1的激光束在第一组5的反射镜7上的入射区域在Z方向上彼此偏移。
这样，例如可以实现：将图1中的第一组5的左反射镜7比中间反射镜7在Z方向上布置得更靠下，并且将图1中的中间反射镜7比右反射镜7在Z方向上布置得更靠下。当在同一时间从各个激光二极管3发射的第一组1的激光束在第一组5的反射镜7上的入射区域在Z方向上彼此相对应地偏移布置时，从图1左侧的反射镜7反射的光可以在Z方向上通过中间反射镜的下方到达图1的右侧。类似地，由图1中的左反射镜7发射的光和由图1中的中央反射镜7发射的光可以在Z方向上通过右反射镜7的下方到达图1的右侧。然后，由反射镜7反射的激光束在图1中右反射镜7后面在Z方向上彼此上下叠置。
类似地，第二组6的反射镜7在Z方向上(未示出)彼此偏移。此外，从各个激光二极管3射出的第二组2的激光束在第二组6的反射镜7上的入射区域在Z方向上彼此偏移。
这样，例如可以实现：将图1中的第二组6的下反射镜7在Z方向上比中间反射镜7布置得更靠下，而且将图1中的中间反射镜7在Z方向上比图1中的上反射镜7布置得更靠下。当在同一时间从各个激光二极管3发射的第二组1的激光束在第二组6的反射镜7上的入射区域在Z方向上彼此相对应地偏移布置时，从图1中的下反射镜7反射的光可以在Z方向上穿过中间反射镜的下方到达图1顶部。类似地，由图1中下反射镜7发射的光和由图1中的中间反射镜7发射的光可以在Z方向上通过上反射镜7的下方到达图1的顶部。
例如，可以通过将平面平行板或其它光学元件布置在激光二极管3与分配给它们的反射镜7之间来实现由组1、2中的一个组的各个激光二极管3发射的光在反射镜7上的入射区域的偏移，其将由各个激光二极管3发射的光在Z方向上向上或向下偏移。例如在US2018/0278008 A1中描述了这种设计。
可替代地，也可以通过与相应的激光二极管3相关联的快轴准直透镜的相对应的定位来实现在正或负Z方向上的这种偏移。
可替代地，组1中的一个激光二极管3也可以具有用于在Z方向上彼此偏移的光的出射区域。这可以例如通过将激光二极管布置在Z方向上的不同位置来实现。
图1所示的激光装置的结构还包括设计为反射镜9的光束组合器。反射镜9被设计和布置成使得其将来自第二组6的每个反射镜(从反射镜7开始)的光在图1中的X方向上向右反射。反射镜9还被设计和布置成使得来自第一组5的每个反射镜(从反射镜7开始)的光可以在图1中的X方向上不受阻碍地向右通过反射镜。因此，来自第一组5的每个反射镜(从反射镜7开始)的光将在Z方向上从上方或下方通过反射镜9。为了实现这一点，将第一组5的反射镜和来自第一组1的激光束的入射区域布置在位于第二组6的反射镜7和从第二组2发出的激光束的入射区域的上方或下方的Z方向上。
这样，实现了将由反射镜9反射的激光束和通过反射镜9的激光束总共六个激光束在图1中的反射镜9的右侧的Z方向上彼此上下叠置。图8显示了通过反射镜9后面的激光束的截面，其中激光束的六个强度分布在Z方向上彼此上下叠置。
图1所示的激光装置的结构还包括转换结构10，该转换结构10在第二方向Y上将六个激光二极管3的经组合的光分成两部分，并且将这两部分在第三方向Z上相互上下叠置。
转换结构10包含其第一组件11，第一组件11在Y方向上将六个激光二极管3的经组合的光分成两部分，并且将这些部分在Z方向上相互上下叠置。
为此，转换装置10包括第一组件11，该第一组件11将六个激光二极管3的经组合的光在Y方向上分成两部分，并且将这两部分在Z方向上相对于彼此偏移。这可以在图9中看出。在那里所示的六个强度分布8各自在Y方向上被分成两部分8a、8b并且在Z方向上彼此偏移。
例如，第一组件11由两个望远镜11a和11b组成，如图4所示。望远镜11a和11b是伽利略望远镜，实际上望远镜11a或11b是任何种类的失真光学器件的一部分。望远镜11a、11b可以是缩小望远镜，例如，其可以将照射在它们上的光的截面缩小1.8的缩小系数。
在Z方向上彼此上下叠置的六个激光束照射到望远镜11a、11b上，并由望远镜11a、11b转换成十二个激光束。这十二个激光束在Z方向上彼此上下叠置，但其中六束也在Y方向上(也参见图9)彼此偏移。
除了望远镜11a、11b之外，第一部件11还可以包括其它光学组件，这些光学组件将来自激光二极管3的经组合的光在Y方向上分成两部分，并且使这两部分在Z方向上偏移。例如，为此也可以考虑相对应地布置的平面平行板。例如，两个不同布置的平面平行板可以在Y方向上彼此相邻布置。
可替代地，可以提供望远镜和平面平行板，望远镜负责减小尺寸，并且平面平行板负责所需的偏移。
转换结构10还具有其第二组件12，该第二组件12使在Z方向上彼此偏移的光的两部分偏移，并且在Y方向上相对于彼此在Y方向上彼此相邻布置，使得它们在Z方向上彼此上下叠置。这在图10中示出，其中强度分布的十二个部分8a、8b不再在Y方向上偏移并且在Z方向上彼此上下叠置。
例如，第二组件12可以具有两个反射镜12a、12b。可以将两个反射镜12a、12b中的一个反射镜分配给强度分布的两部分8a、8b中的一者。例如，反射镜12a可以在Z方向上相对于反射镜12b向上偏移，使得在Z方向上的光的第一部分8a可以在反射镜12处照射到反射镜12a上。
激光结构还包括聚焦光学器件13，该聚焦光学器件13可以将来自转换结构10的光聚焦到同样由激光装置包括的光纤15的进入表面14上。光纤15由支架16保持在适当位置。
此处应注意，激光二极管3中的每个激光二极管在慢轴方向上的光束参数乘积大约是光纤15的光束参数乘积的两倍。尽管是这种比例，由于转换装置10将激光束在慢轴方向上的光束参数乘积减半，由激光二极管3发射的光21几乎可以完全耦合到光纤15中。
图11示出了入射在光纤15的入射表面14上的光的强度分布的截面，其中入射表面14的边缘被赋予附图标记17。
激光结构还包括外壳，仅示出了外壳的基板18，激光二极管3和光学组件可以安装在基板18上。基板18特别是可以用作多个激光二极管的冷却板。
在根据图2的第二结构中，为清楚起见，绘制了由激光二极管3发射的光21。第二结构与根据图1的结构不同，一方面在于每个组1、2具有六个激光二极管3。另一方面，激光二极管3的组1、2也相对于彼此在X方向和Y方向上稍微移位，使得由激光二极管3形成的排相互交叉。
激光二极管3的排相对于彼此的这种位移或偏移允许在设计激光装置时更好地适应例如由透镜和反射镜形成的光学系统的参数。例如，通过适当选择激光二极管3的排与反射镜7的距离，可以影响慢轴准直透镜4所需的焦距。慢轴准直透镜4的焦距继而决定激光装置的尺寸。
此外，图2所示的第二结构与图1所示的结构的不同之处在于光束组合器的设计。这种结构的光束组合器不是设计成反射镜而是设计成偏振耦合器19。偏振耦合器19允许具有第一偏振方向的光以本身已知的方式不受阻碍地穿过并且将具有与其垂直的偏振方向的光反射。为此，可以在来自两个组1、2的光的两个路径之一中的偏振耦合器19的前面设置偏振旋转器，诸如半波长板。
通过使用偏振耦合器19，可以实现将由第一组1的激光二极管3发射的激光束布置成在Z方向上的高度与由第二组2的激光二极管3发射的激光束相同。因此，第一组1的激光二极管3中的一个激光二极管和第二组2的激光二极管3中的一个激光二极管均对图8中的强度分布8中的每个强度分布有贡献。
与第一结构示例和第二结构示例相比，根据图5的第三结构示例具有六个平面22a、22b、22c、22d、22e、22f，它们在Z方向上(见图6)彼此上下叠置。在这六个平面中，图5中仅示出了一个平面。很可能设置多于或少于六个平面。
这些平面22a、22b、22c、22d、22e、22f中的每个平面都可以像图5所示的平面22a那样配置。在图5所示的激光装置的平面22a的情况下，设置有两组1、2，每组8个激光二极管3。在这种结构中，激光二极管3的组1、2在X方向和Y方向上的移位甚至比在根据图2的第二结构中相对于彼此稍微多一些。
同样在图5所示的平面22a中，设置有偏振耦合器19作为光束组合器。
每个平面22a、22b、22c、22d、22e、22f的转换装置包括例如第一望远镜11a。对于一起的所有平面22a、22b、22c、22d、22e、22f，可以设置第二望远镜11b以适当地使合并的激光束成形。转换装置还包括至少一个公共反射镜12(见图6和图7)。
激光结构还包括在Z方向上彼此上下叠置的六个反射镜20a、20b、20c、20d、20e、20f，其中每个反射镜都对平面22a、22b、22c、22d、22e、22f的激光束进行反射，使得它们不再在正X方向上或图5的右侧传播，而是在Z方向上向上传播。反射镜20a、20b、20c、20d、20e、20f也在X方向和Y方向上彼此偏移，如从图5中的平面图可见或为了清楚起见在图6和图7中添加的投影20a'、20b'、20c'、20d'、20e'、20f'。
在图5中在Z方向上向上传播的激光辐射被公共反射镜12在负Y方向上或向下转向。然后穿过第二望远镜11b并且被聚焦光学器件13聚焦在光纤15的入口表面14上。

Claims (15)

1.激光结构，所述激光结构包括：
多个激光二极管(3)，所述多个激光二极管(3)至少部分地在第一方向(X)上并排布置，当激光装置工作时，从所述激光二极管(3)发射光(21)；
光纤(15)，从所述激光二极管(3)发射的光(21)能够被耦合到所述光纤(15)中；
光学结构，在所述激光装置工作时，所述光学结构对从所述激光二极管(3)发射的光(21)进行组合，使得来自多个激光二极管(3)的光(21)能够至少部分地被一起耦合到所述光纤(15)中，
其特征在于，所述激光二极管(3)的相对于所述激光二极管(3)彼此相邻布置的方向的光束参数乘积大于所述光纤(15)的光束参数乘积。
2.根据权利要求1或根据权利要求1的通用特征所述的激光结构，其特征在于，所述激光装置包括两组(1、2)激光二极管(3)，每组包括多个激光二极管(3)，其中，所述两组(1、2)中的第一组的激光二极管(3)在所述第一方向(X)上彼此相邻布置，并且所述两组(1、2)中的第二组的激光二极管(3)在第二方向(Y)上彼此相邻布置，所述第二方向(Y)不同于所述第一方向(X)，特别地，所述第二方向(Y)垂直于所述第一方向(X)。
3.根据权利要求1或2中的任一项或根据权利要求1的通用特征所述的激光结构，其特征在于，所述激光结构包括转换装置(10)，在所述激光结构工作期间，所述转换装置(10)将多个激光二极管(3)、特别是所有激光二极管(3)的经组合的光(21)在所述第一方向(X)和/或所述第二方向(Y)上分成至少两部分，并且将这两部分在第三方向(Z)上彼此相邻布置，特别地，所述第三方向(Z)垂直于所述第一方向(X)和/或所述第二方向(Y)对齐。
4.根据权利要求3所述的激光结构，其特征在于，所述转换装置(10)包括多个平面平行板和/或至少一个望远镜(11、11a、11b)，特别是至少一个伽利略望远镜。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的激光结构，其特征在于，由第一组(1)的激光二极管(3)形成的激光二极管(3)的排与由第二组(2)的激光二极管(3)形成的激光二极管(3)的排相互交叉。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的激光结构，其特征在于，所述激光二极管(3)的相对于所述激光二极管(3)并排布置的方向的光束参数乘积是光导(15)的光束参数乘积的至少两倍。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的激光结构，其特征在于，所述激光二极管(3)并排布置的方向对应于所述激光二极管(3)的慢轴方向。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的激光结构，其特征在于，所述激光结构包括用于由所述激光二极管(3)发射的光(21)的慢轴准直透镜(4)和/或快轴准直透镜。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的激光结构，其特征在于，所述光学结构包括多个反射镜(7)，所述激光二极管(3)中的每个激光二极管分配有反射镜(7)，使得在所述激光装置工作期间，从相应的激光二极管(3)发射的光(21)被所分配的反射镜(7)反射，使得所述光(21)的传播方向改变，特别是使得所述光(21)的传播方向改变大约90°。
10.根据权利要求9所述的激光结构，其特征在于，所述激光装置设计成使得：在第一方向(X)和/或第二方向(Y)上彼此相邻布置的各个激光二极管(3)、特别是所有激光二极管(3)的光(21)的入射区域在第三方向(Z)上相对于彼此偏移，使得由在所述第一方向(X)和/或所述第二方向(Y)上彼此相邻布置的不同激光二极管(3)发射的光(21)在被分配给这些激光二极管(3)的反射镜(7)处反射后，在所述第三方向(Z)上彼此相邻布置。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的激光结构，其特征在于，所述光学结构包括光束组合器，所述光束组合器在所述激光装置工作时对由两组(1、2)激光二极管(3)发射的光(21)进行组合。
12.根据权利要求11所述的激光结构，其特征在于，所述光束组合器被设计为偏振立方体(19)或反射镜(9)。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的激光结构，其特征在于，所述激光结构包括在第三方向(Z)上并排布置的多个第一组(1)激光二极管(3)，并且/或者其特征在于，所述激光结构包括在第三方向(Z)上并排布置的多个第二组(2)激光二极管(3)。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的激光结构，其特征在于，所述激光结构包括在第三方向(Z)上并排布置的多个光学器件。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的激光结构，其特征在于，所述激光结构包括外壳，所述激光二极管(3)和所述光学器件布置在所述外壳中，并且所述光纤(15)支撑在所述外壳中。
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