DE10021230C1 - Vorrichtung zur Strahlführung und -formung von Lichtstrahlen - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Strahlführung und/oder -formung von Lichtstrahlen, vorzugsweise von divergenter Laserstrahlung, mit einem für die Lichtstrahlen optisch transparenten Medium, in das die Lichtstrahlen über einen Einkoppelbereich einkoppelbar und in dem die Lichtstrahlen im Wege der Totalreflexion oder Wellenleitung an der Grenzfläche zwischen dem Medium und Luft oder dem Medium und einem anderen Medium mit einem unterschiedlichen Brechungsindex führbar sind und aus dem die Lichtstrahlen über einen Auskoppelbereich auskoppelbar sind. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Medium in Form eines Trichters ausgebildet ist, mit einer Trichterwand, die einen größten Trichterdurchmesser aufweist, an dem der Einkoppelbereich für die Lichtstrahlen derart vorgesehen ist, dass die in die Trichterwand eingekoppelten Lichtstrahlen innerhalb der Trichterwand in Richtung des sich im Durchmesser verjüngenden Trichters ausbreiten.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Strahlführung und/oder -formung von Lichtstrahlen, vorzugsweise von divergenter Laserstrahlung, mit einem für die Lichtstrahlen optisch transparenten Medium, in das die Lichtstrahlen über einen Einkoppelbereich einkoppelbar und in dem die Lichtstrahlen im Wege der Totalreflexion oder Wellenleitung an der Grenzfläche zwischen dem Medium und Luft oder dem Medium und einem anderen Medium mit einem unterschiedlichen Brechungsindex führbar sind und aus dem die Lichtstrahlen über einen Auskoppelbereich auskoppelbar sind. Ferner wird eine Anordnung beschrieben, mit der divergente Laserstrahlen in eine vorbeschriebene Vorrichtung einkoppelbar sind sowie mittels derer eine beliebige Leistungsdichteverteilung herstellbar ist.

Stand der Technik

Der Einsatz von Diodenlasern bzw. Hochleistungsdiodenlasern in industriellen Bereichen gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Hochleistungsdiodenlaser hochflexible und individuell einsetzbare Werkzeuge darstellen, die bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit auf eine Vielzahl von Anwendungen individuell maßgeschneidert werden können. So werden derartige, auch als Hochleistungs-Diodenlaser-Barren bezeichnete Lichtquellen beispielsweise für Füge- und Trennverfahren, zum Beschichten oder zum Härten von Werkstücken sowie zum Fügen von Kunststoffen eingesetzt. Vielfach werden die klassischen Gas- und Festkörperlaser für hohe und mittlere Leistungen in Industrie und Medizin zunehmend durch die Hochleistungsdiodenlaser abgelöst, die bei deutlich kompakterer Bauform und erheblich höherem Wirkungsgrad sowie hinreichend langen Lebensdauern ein ausgezeichnetes Preis-Leistungsverhältnis aufweisen.

Trotz aller vorstehend genannten Vorteile haftet allen bekannten Hochleistungs- Laserdioden der systembedingte Nachteil an, dass das von Ihnen emittierte Strahlungsfeld ein stark asymmetrisches Strahlprofil aufweist, das heißt, der Strahlquerschnitt (nach einer die fast axis kollimierenden Mikrolinse) ist zumeist stark elliptisch derart verzerrt, dass man in vereinfachter Form annähernd von einem rechteckförmigen Strahlquerschnitt ausgehen kann. Licht mit einem derartigen Strahlprofil, das es für viele Anwendungszwecke gilt über ein lichtleitendes Übertragungsmedium an einen gewünschten Ort der Strahlungsdeponierung zu leiten, erweist sich sowohl schwierig in der Einkopplung als auch Lichtführung in konventionellen Lichtleitfasern.

Üblicherweise ist der Einsatz von rotationssymmetrischen Lichtwellenleitern in Form konventioneller Glas- oder Kunststoffasern weit verbreitet. Die Einkopplung der Hochleistungsdiodenlaserstrahlung in rotationssymmetrische Lichtwellenleiter ist jedoch aufgrund der ursprünglich emittierten Leistungsdichteverteilung (LDV) schwieriger als bei sonstigen Laserquellen, deren ursprüngliche LDV bereits nahe der Rotationssymmetrie sind und die eine Wellenlänge aufweisen, die den verlustfreien Transport der Laserstrahlung erlauben. Die Einkopplung ist oft verlustbehaftet. Ferner liefern die rotationssymmetrischen Lichtwellenleiter direkt nach der Auskopplung i. a. stets eine rotationssymmetrische LDV.

Eine Möglichkeit Licht mit einem nahezu rechteckförmigen Strahlprofil in ein Licht­ übertragendes Medium einzukoppeln ist in der DE 44 38 368 A1 beschrieben. Hierbei dient eine als Wellenleiter-Torsionskörper ausgebildete Wellenleiterplatte, die unmittelbar an ein lineares Halbleiterlaserarray angeordnet ist und in die das von dem Halbleiterlaserarray emittierte Strahlenfeld einkoppelt, als ein für das rechteckförmige Lichtstrahlenfeld geeignetes Lichtübertragungsmedium.

Eine alternative Übertragungsmöglichkeit ist in der DE 42 34 342 A1 angegeben, gemäß der das von einem Halbleiterlaser emittierte Licht mittels einer Einkoppeloptik in eine konventionelle Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Dies erfolgt jeweils für eine Vielzahl von Halbleiterlaser, wobei die einzelnen Lichtleitfasern zu einem Bündel beliebiger Geometrie zusammengefasst werden können.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Strahlführung und/oder -formung von Lichtstrahlen, vorzugsweise von divergenter Laserstrahlung, wie sie aus Halbleiterlaserdioden emittiert wird, mit einem für die Lichtstrahlen optisch transparenten Medium, in das die Lichtstrahlen über einen Einkoppelbereich einkoppelbar und in dem die Lichtstrahlen im Wege der Totalreflexion oder Wellenleitung an der Grenzfläche zwischen dem Medium und Luft oder dem Medium und einem anderen Medium mit einem unterschiedlichen Brechungsindex führbar sind und aus dem die Lichtstrahlen über einen Auskoppelbereich auskoppelbar sind, derart anzugeben, dass nahezu verlustfrei eine Lichteinkopplung möglich wird. Das Übertragungsmedium soll insbesondere eine Zusammenführung einer Vielzahl einzelner, von unterschiedlichen Halbleiterlaserdioden emittierten Lichtbündel in ein einziges Übertragungsmedium erlauben und je nach geometrischer Ausbildung konzentrierten bzw. fokussieren. Der Austrittsbereich des lichtübertragenden Mediums soll grundsätzlich die Möglichkeit bieten, das Strahlprofil in Abhängigkeit der technischen Bedürfnisse nahezu beliebig auszubilden, das heißt von einer punktförmigen Zusammenführung bis hin zu einem ringförmig aufgeweiteten Strahlquerschnitt oder gar einer geschlossenen, beliebig geformten Linie.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst. Dem Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele den Figuren zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass das lichtwellenleitende Medium in Form eines Trichters ausgebildet ist, mit einer Trichterwand, die einen größten Trichterdurchmesser aufweist, an dem der Einkoppelbereich für die Lichtstrahlen derart vorgesehen ist, dass die, in die Trichterwand eingekoppelten Lichtstrahlen innerhalb der Trichterwand in Richtung des sich, im Durchmesser verjüngenden Trichters ausbreiten.

Die nicht notwendigerweise eine konstante Dicke aufweisende Trichterwand ist aus Glas oder einem lichttransparenten Kunststoffmaterial gefertigt und weist einen größten sowie kleinsten Trichterdurchmesser auf, zwischen denen sich die Trichterwand mit einer bestimmten Krümmung erstreckt. Ebenso ist es möglich, dass die Trichterwand zusätzlich oder alternativ zu einer gekrümmten Trichterwand, konisch geformte Teilabschnitte vorsieht, das heißt Trichterwandbereiche mit einem Krümmungsradius von unendlich, die geneigt zur Trichterlängsachse verlaufen.

Der transparente Trichter weist an seinem größten Trichterdurchmesser vorzugsweise einen Trichterrand auf, der von einer Seitenkante umgeben ist, über die die Lichtstrahlen in die Trichterwand einkoppelbar sind. Hierzu werden vorzugsweise ein Vielzahl von Hochleistungslaserdioden unmittelbar gegenüber dem Seitenkantenverlauf des Trichters angeordnet, so dass die einzelnen, aus den Hochleistungslaserdioden austretenden Lichtbündel unmittelbar oder durch optische Elemente, vorzugsweise durch Zylinderlinsen, durch die Seitenkante in die Trichterwand einkoppeln.

Die Seitenkante des optisch transparenten Trichters erstreckt sich in ihrer Ebene vorzugsweise parallel zur Trichterlängsachse und schneidet dabei den von der Trichterlängsachse radial nach außen gekrümmten Trichterrand senkrecht. Auch ist es möglich, die Orientierung der Seitenkante derart zu wählen, dass die Ebene der Seitenkante die Trichterlängsachse in einem Winkel von 90° oder einem davon abweichenden Winkel schneidet. Je nach Ausbildung und Anordnung der Seitenkante, über die die Lichteinkopplung in den optisch transparenten Trichter erfolgt, sind die lichtemittierenden Halbleiterlaserdioden entsprechend zu positionieren.

Die von einer Vielzahl einzelner Halbleiterlaserdioden emittierten und in das Innere des optischen Lichtleit-Trichters eingekoppelten Lichtbündel gelangen im Wege der Totalreflexion innerhalb der Trichterwand in Bereiche, in denen sich der Trichterdurchmesser verjüngt. Hierdurch gelangen die einzelnen Lichtbündel in Überlagerung, wodurch sie homogenisiert und durchmischt werden. Der Auskoppelbereich des Trichters, aus dem die miteinander durchmischten und homogenisierten Lichtstrahlen austreten, weist eine Austrittskante auf, die in Abhängigkeit der unterschiedlichen technischen Anforderungen des jeweiligen Einsatzzweckes unterschiedlich ausgebildet sein kann, sowohl in der Geometrie der gesamten Austrittskante als auch im Anschliff der Austrittskante selbst. So ist es möglich, den Trichter derart auszubilden, dass seine Austrittkante einen ringförmigen Querschnitt aufweist, der kreisförmig ist oder eine von der Kreisringform abweichende Gestalt besitzt, beispielsweise eine elliptische Form oder gar die Form einer geschlossenen, beliebig geformten Linie einnimmt. Der Trichter kann jedoch auch im Bereich des sich verjüngenden Trichterquerschnittes in eine einstückige Form übergehen, so dass die Austrittskante eine kreisrunde oder elliptische Form annimmt. Insbesondere eine kreisrunde Ausgestaltung der Austrittskante macht es möglich, eine Vielzahl unterschiedlicher Lichtbündel, die aus unterschiedlichen Halbleiterlaserdioden austreten, gemeinsam in eine einzige konventionell ausgebildete, rotationssymmetrische Glasfaser, die an der kreisförmigen Austrittskante vorgesehen ist, einzukoppeln.

Sowohl die Seitenkante, über die die Lichtstrahlen in den Trichter einkoppelbar sind, als auch die Austrittsseitenkante sind vorzugsweise plan ausgebildet. Sie können jedoch auch gemeinsam oder getrennt voneinander eine bestimmte optische Anschliffkontur beispielsweise in Form einer zylinderlinsenförmigen Ausbildung aufweisen, um spezielle Ein- bzw. Auskoppeleffekte zu erzielen. So ist es beispielsweise möglich, auf zusätzliche Mikrozylinderlinsensysteme bei der Einkopplung eines, aus einer Hochleistungslaserdiode emittierten Lichtbündels zu verzichten, sofern die Seitenkante über die, die Lichtstrahlen in den Trichter einkoppelbar sind, eine entsprechende optische Anschliffkontur aufweist.

Zur Optimierung der Ein- bzw. Auskopplung können die Ein- bzw. Auskoppelbereiche mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein.

Auch kann der Auskoppelbereich des Trichters, über den das innerhalb des Trichters geführte sowie geformte Licht aus dem Trichter austritt, direkt oder mittels einer zusätzlichen Optik zur gezielten Strahlungsdeponierung dienen, indem Licht beispielsweise auf ein Werkstück zur thermischen Materialbearbeitung geleitet bzw. abgebildet wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäß ausgebildeten Trichters, kann eine Anordnung geschaffen werden, mit der Licht aus einer Vielzahl von Halbleiterlaserdioden zusammengeführt werden kann, um einen Gesamtlichtstrahl zu erhalten, der eine nahezu beliebig hohe Diodenlaser-Leistung aufweist. Dieser Gesamtlichtstrahl kann beispielsweise in eine Lichtleit-Faser eingekoppelt, bpsw. im Falle eines rotationssymmetrischen Vollquerschnittes oder zur Materialbearbeitung genutzt werden (bspw mit kreisringförmigen, ringelliptischen oder beliebig geformten, geschlossene Strahlquerschnitt, mit und ohne zusätzliche abbildende Optik) oder eine, für das axiale Pumpen beispielsweise von Festkörperlasern mit Hilfe von Hochleistungsdiodenlasern notwendige LDV erzeugen.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung besteht aus einem Lichtleit-Trichter der über eine fest vorgegebene Einkoppelgeometrie verfügt, d. h. die Seitenkantengeometrie, über die Licht in den Trichter eingekoppelt wird ist fest vorgegeben und entspricht einer entsprechenden Anordnung von Hochleistungslaserdioden, die derart positioniert sind, so dass ihre Lichtbündel über die Seitenkante symmetrisch oder asymmetrisch in die Trichterwand einkoppelbar sind. Bei einer modularen Ausbildung der Anordnung ist es daher möglich, Trichter, die über unterschiedliche Lichtaustrittsgeometrien verfügen, die wiederum an die jeweiligen technischen Einsatzbedingungen angepasst sind, aber eine fest vorgegebene Einkoppelgeometrie besitzen, entsprechend auszutauschen, wodurch ein bestimmtes Maß an Flexibilität der Anordnung gewonnen wird. So können im Austrittsbereich beispielsweise verschieden geformte Ringgeometrien unterschiedliche Leistungsdichteverteilungen in der Lichtdeposition bewirken. Aufgrund der fest vorgegebenen Geometrie des Einkoppelbereiches des Trichters ist somit eine hochflexible Einsetzbarkeit der Anordnung möglich. Durch die geschickte Nutzung der modularen Bauweise der Anordnung kann eine kleine Baugröße gewährleistet werden, so dass die gesamte Anordnung in einem stabilen, kompakten Gehäuse untergebracht werden kann, an das die Strom- und Kühlversorgung für die Hochleistungslaserdioden anschließbar sind.

Durch die nahezu beliebige Ausgestaltung des Auskoppelbereiches des Lichtleit- Trichters ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich nahezu beliebig hohe Leistungsdichteverteilungen sowie Strahlprofile zu erzeugen und dies unter ausschließlichem Einsatz von Hochleistungslaserdioden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b Querschnitts- und Draufsichtdarstellung eines (prinzipiellen) Lichtleit- Trichters,

Fig. 2 Querschnittsansicht durch eine Ausführungsvariante eines Lichtleit- Trichters

Fig. 3 schematisierte Querschnittsdarstellung einer Hochleistungslaserdiodenanordnung,

Fig. 4a, b Drauf- sowie Seitenansicht einer schematisierten Anordnung einer Vielzahl von Hochleistungslaserdioden um einen Lichtleit-Trichter.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1a ist der Querschnitt eines Lichtleit-Trichters 1 dargestellt, der an seinem größten Trichterradius D einen Trichterrand Tr aufweist, der von einer Seitenkante S umgeben ist. Die Fläche der Seitenkante S. die planparallel zur Trichterlängsachse Tl orientiert ist, bildet zugleich die Eintrittsfläche, über die Licht gezielt in das Innere des Trichters 1 einkoppelbar ist. Die Trichterwand des Trichters 1 weist in diesem Bereich eine Dicke d-in auf, die nicht notwendigerweise der Dicke d-out an der Austrittskante A entsprechen muss. Unmittelbar an den geradlinig ausgebildeten Trichterrand Tr schließt sich ein sphärisch gekrümmt verlaufender Trichterwandbereich an, der einen Krümmungsradius R aufweist. In Richtung zur Austrittskante A schließt sich an den sphärisch gekrümmten Trichterwandbereich ein konisch verlaufender Bereich an, in den die Trichterwand geradlinig und geneigt zur Trichterlängsachse Tl verläuft. Die Formgebung des Trichters 1 erfolgt grundsätzlich nach Maßgabe einer verlustfreien Lichtführung innerhalb der Trichterwand im Wege der Totalreflexion derart, dass Lichtstrahlen, die durch die Seitenkante S in den Trichter 1 eingekoppelt werden möglichst verlustfrei in Richtung der Austrittskante A geleitet werden und über diese aus dem Trichter 1 austreten.

In Fig. 1b ist eine Draufsicht auf die in Fig. 1a im Querschnitt dargestellten Trichter 1 zu entnehmen, aus der insbesondere die kreisringförmige Ausbildung der Austrittskante A deutlich wird. Je nach technischen Anforderungen kann die Austrittkante A weitgehend beliebige Geometrien annehmen, sie kann sogar zu einer zusammenhängenden Austrittsfläche A verschmelzen, wie es aus dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 hervorgeht. In Fig. 2 ist ein schematisierter Querschnitt durch einen Lichtleit-Trichter 1 dargestellt, bei dem die Trichterwand im Lichtaustrittsbereich einstückig zusammengefügt ist, so dass die Lichtaustrittskante A eine einheitliche Kreisform annimmt. Eine derartige Ausgestaltung der Trichterform eignet sich insbesondere zur Lichteinkopplung in eine konventionelle Lichtleitfaser mit kreisrundem Querschnitt.

In Fig. 3 ist ein schematisierter Aufbau einer Hochleistungsdiodenlaseranordnung gezeigt, die im Wesentlichen aus einem Diodenlaserbarren 2, einem aktiven Bereich 3, einer Mikrolinse 4 sowie einer Wärmesenke 5 zusammengesetzt ist. Eine derartige Hochleistungslaserdiodenanordnung gilt es derart gegenüber der Seitenkante S eines Lichtleit-Trichters 1 anzuordnen, so dass das aus der Laserdiode austretende Lichtbündel, nach Durchtritt durch die Mikro-Zylinderlinse 4 auf den Seitenkantenbereich S des Lichtleit-Trichters 1 trifft und möglichst verlustfrei in den Lichtleit-Trichter eingekoppelt wird und ebenso verlustfrei in ihm zur Auskoppelfläche mittels Totalreflexion geleitet wird.

In Fig. 4a ist eine symmetrische Anordnung von einer Vielzahl einzelner Hochleistungsdiodenlaser 6 dargestellt, die zirkular um die Seitenkante S des Lichtleit-Trichters 1 angeordnet sind. Die emittierte Lichtstrahlung jedes einzelnen Hochleistungsdiodenlasers 6 wird mittels einer Mikro-Zylinderlinse kollimiert und direkt in den Lichtleit-Trichter 1 eingekoppelt. Die einzelnen Hochleistungslaserdioden 6 sind auf Halterungen 7 montiert (siehe hierzu Fig. 4b), die sowohl in x- und y- als auch in z-Richtung justierbar sind. Außerdem erlauben diese Halterungen auch das Verkippen der Hochleistungsdiodenlaser um alle drei Raumrichtungen. Dies erlaubt, die Position jeder einzelnen Halbleiterlaserdioden 6 relativ zum Lichtleit-Trichter 1 derart zu optimieren, so dass eine optimale Einkopplung der Laserstrahlung in den Lichtleit-Trichter 1 gewährleistet ist. Der Lichtleit-Trichter 1 selbst ist in einer lösbar festen Halterung 8 integriert, die für einen festen Sitz des Trichters 1 garantiert. Der Lichtleit-Trichter 1 kann beliebig durch andere Lichtleit-Trichter unterschiedlicher Ausgestaltung der Austrittskante A ausgetauscht werden, je nach technischem Anwendungszweck der modular ausgebildeten Anordnung.

Bezugszeichenliste

1

Lichtleit-Trichter

2

Diodenlaser-Barren

3

Aktiver Bereich

4

Mikro-Zylinderlinse

5

Wärmesenke

6

Diodenlaseranordnung

7

Halterung

8

Fixierung für den Lichtleit-Trichter

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Strahlführung und/oder -formung von Lichtstrahlen, vorzugsweise von divergenter Laserstrahlung, mit einem für die Lichtstrahlen optisch transparenten Medium, in das die Lichtstrahlen über einen Einkoppelbereich einkoppelbar und in dem die Lichtstrahlen im Wege der Totalreflexion oder Wellenleitung an der Grenzfläche zwischen dem Medium und Luft oder dem Medium und einem anderen Medium mit einem unterschiedlichen Brechungsindex führbar sind und aus dem die Lichtstrahlen über einen Auskoppelbereich auskoppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in Form eines Trichters ausgebildet ist, mit einer Trichterwand, die einen größten Trichterdurchmesser aufweist, an dem der Einkoppelbereich für die Lichtstrahlen derart vorgesehen ist, dass die, in die Trichterwand eingekoppelten Lichtstrahlen innerhalb der Trichterwand in Richtung des sich im Durchmesser verjüngenden Trichters ausbreiten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichter an seinem größten Trichterdurchmesser eine umlaufende Seitenkante vorsieht, über die die Lichtstrahlen in die Trichterwand einkoppelbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenkante plan ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenkante einen optischen Anschliff mit optischer Wirkung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente Medium Glas oder Kunststoff ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppelbereich im Bereich des Trichters mit dem kleinsten Trichterdurchmesser vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppelbereich, über den die Lichtstrahlen aus dem Trichter austreten, eine Austrittskante aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskante einen ringförmigen Querschnitt aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Trichterwand im Bereich des sich verjüngenden Trichterquerschnittes einstückig zusammenschließt und eine Austrittskante bildet, die kreisförmig oder elliptisch ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsseitenkante plan ausgebildet ist oder eine optische Anschliffkontur mit optischer Wirkung besitzt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichter rotationssymmetrisch ausgebildet ist.