DE10062454A1

DE10062454A1 - Method for overlaying bundles of rays from single sources of light like laser diodes into a mapped spot of light uses an optical element cut with facets to align the rays in parallel outside a temporary image.

Info

Publication number: DE10062454A1
Application number: DE10062454A
Authority: DE
Inventors: Harald G Kleinhuber
Original assignee: Individual
Current assignee: My Optical Systems 97232 Giebelstadt De GmbH
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: DE10062454B4

Abstract

An optical element (6) cut with facets aligns rays in parallel contained in a part of bundles of rays emitted from single sources (D1-D5) of light/laser diodes and then maps these rays into a mapped spot of light (A). The single sources of light enlarge real or virtual temporary images (Z1-Z5). The rays are aligned in parallel outside a temporary image at a point, at which the bundles of rays emitted by the single sources of light are separated from each other. The bundles of rays transmitted by the laser diodes remain in a meridional direction unaffected by two cylindrical lenses (3,4) and strike against a circular mirror (5) that generates the temporary images enlarged by the laser diodes. An Independent claim is also included for a device for overlapping bundles of rays.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überlagerung von Strahlenbündeln, die von einer Mehrzahl von Einzellichtquellen, insbesondere Laserdioden, ausgehen, in mindestens einen Abbildungsfleck. The invention relates to a method and a device for overlaying beams of rays from a Plurality of individual light sources, in particular laser diodes, go out in at least one image spot.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen finden ihren Einsatz dort, wo das Licht mehrerer Einzellichtquellen z. B. zur Leistungssteigerung in einem relativ kleinen räumlichen Arbeitsbereich konzentriert werden soll. Derartige Anwendungen liegen in der Materialbearbeitung, z. B. beim Laserschweißen, -schneiden oder -bohren sowie bei der Oberflächenbehandlung. Ein weiteres Einsatzgebiet liegt im Bereich der Telekommunikation, wenn in einem durch eine optische Faser realisierten Datenübertragungskanal eine hohe Lichtleistung zur Informationsübertragung über weite Strecken ohne zwischengeschaltete Verstärker erfolgen soll. Dort ist eine kleine numerische Apertur der einkoppelnden Optik erforderlich. Such methods and devices are used where the light of several individual light sources z. B. for Performance increase in a relatively small spatial Work area should be concentrated. such Applications are in material processing, e.g. B. at Laser welding, cutting or drilling as well as at Surface treatment. Another area of application is in the area of telecommunications, if in an optical one Fiber realized a high data transmission channel Light output for information transmission over long distances without intermediate amplifier. There is a small numerical aperture of the coupling Optics required.

Bei bekannten derartigen Verfahren und Vorrichtungen eingesetzte Einzel-Lichtquellen sind Laserdioden-Arrays, die auch als "Barren" bezeichnet werden. Ein derartiges Laserdioden-Array weist eine Vielzahl von in einer linearen Reihe angeordneten einzelnen Laserdioden auf. Ein Hochleistungs-Laserdioden-Array hat eine Ausgangslichtleistung von etwa 50 W. Typische Emissionsflächen derartiger Laserdioden-Arrays haben eine Längsseite (lange Achse) von etwa 10 mm und eine Schmalseite (kurze Achse) von weniger als einem Mikrometer. Dabei ist die Strahldivergenz des von den Laserdioden-Arrays emittierten Lichtes in den Ebenen parallel zur kurzen Achse der Emissionsfläche um typischerweise einen Faktor 3 größer als in den dazu senkrechten Richtungen. In known such methods and devices Single light sources used are laser diode arrays that also referred to as "bars". Such a thing Laser diode array has a variety of in a linear Row arranged individual laser diodes. On High power laser diode array has an output light power of about 50 W. Typical emission areas of such Laser diode arrays have a long side (long axis) of about 10 mm and a narrow side (short axis) of less than a micrometer. The beam divergence is the light emitted by the laser diode arrays in the Planes parallel to the short axis of the emission surface typically a factor of 3 larger than in that vertical directions.

Es ist bekannt, derartige Laserdioden-Arrays aufeinander in sogenannte "Stacks" zu stapeln. Die Emissionsbündel der einzelnen Emissionsflächen der Laserdioden-Arrays innerhalb des Stacks werden überlagert, um die Lichtleistung des gesamten Stacks zu nutzen. Hierzu ist es bekannt, jedem Einzel-Emitter innerhalb der im Stack gestapelten Laserdioden-Arrays eine Mikrolinse zuzuordnen, die das Emissionsbündel eines Einzel-Emitters auf das Einkoppelende einer diesem zugeordneten optischen Faser ermöglicht. Auf diese Weise ist einem Laserdioden-Array oder auch einem Stack eine Vielzahl von Fasern zugeordnet, die in einem Faserbündel geführt werden können. Das Auskoppelende des Faserbündels kann dann zur Erzeugung eines Arbeits-Laserstrahlbündels abgebildet werden. Mit dieser Anordnung sind zwei Nachteile verbunden: Zum einen geht Licht verloren, weil die Optik nicht voll ausgeleuchtet werden kann. Zum anderen muß, um einen kleinen Brennpunkt zu erhalten, die Brennweite der Linsen klein gehalten werden, was zu einer mit Einkoppelverlusten verbundenen großen numerischen Apertur führt. It is known to stack such laser diode arrays on top of one another to stack in so-called "stacks". The emission bundles of the individual emission areas of the laser diode arrays within the stack are overlaid to the Use the light output of the entire stack. This is it known to have every single emitter within the stack assign a microlens to stacked laser diode arrays, which the emission bundle of a single emitter on the Coupling end of an optical fiber assigned to this allows. This is a laser diode array or also assigned a multitude of fibers to a stack, that can be guided in a fiber bundle. The Coupling end of the fiber bundle can then be used to generate a Working laser beam are mapped. With this Arrangement has two disadvantages: First, it works Light lost because the optics are not fully illuminated can be. Second, to a small one To keep the focal point, the focal length of the lenses is kept small become what is associated with coupling losses large numerical aperture.

Die Handhabung eines derartigen Mikrolinsen-Arrays ist relativ kompliziert, da die Mikrolinsen nahe an die Einzel- Emitter herangeführt werden müssen und die Justage entsprechend kritisch ist. Zusätzlich ist bei Einsatz von Mikrolinsen in Verbindung mit Hochleistungs-Laserdioden-Arrays die Herstellung und Materialauswahl sehr kritisch, da kleinste Absorptionen bei der Emissionswellenlänge der Laserdioden zu einer nicht tolerablen Aufheizung der Mikrolinsen führen. The handling of such a microlens array is relatively complicated because the microlenses are close to the individual Emitters must be brought up and the adjustment is accordingly critical. In addition, when using Microlenses in connection with high-performance laser diode arrays the production and material selection very critical, because smallest absorptions at the emission wavelength of the Laser diodes for an intolerable heating of the Lead microlenses.

Daneben ist es bekannt, die Emissionsbündel von Laserdioden-Arrays mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen über dichroitische Einkoppelspiegel zu überlagern. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß nur Laserdiodenstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge auf diese Weise überlagerbar sind. It is also known that the emission bundles from Laser diode arrays with different emission wavelengths superimposed over dichroic coupling mirrors. there there is the disadvantage that only laser diode beams different wavelengths can be superimposed in this way are.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine effiziente Überlagerung der Einzelichtquellen mit möglichst geringen Verlusten und geringem Justieraufwand möglich ist. It is therefore the object of the present invention Method and an apparatus of the aforementioned Kind in such a way that an efficient Overlaying the individual light sources with the lowest possible losses and low adjustment effort is possible.

Diese Aufgabe wird, was das erfindungsgemäße Verfahren angeht, dadurch gelöst, daß durch ein entsprechend facettiertes optisches Element die Strahlen, die in zumindest einem Teil der von den Einzelichtquellen ausgehenden Strahlenbündeln enthaltenen sind, zunächst parallel gerichtet und sodann in einen Abbildungsfleck abgebildet werden. This task becomes what the method according to the invention concerned, solved by the fact that through a correspondingly facetted optical element the rays that are in at least part of that of the Single light sources containing outgoing beams are initially aligned in parallel and then into one Image spot are mapped.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit dem "Trick", die von unterschiedlichen zu überlagernden Einzellichtquellen und damit von unterschiedlichen Stellen ausgehenden Strahlenbündel so parallel zu richten, daß sowohl innerhalb der einzelnen Strahlenbündel als auch von Strahlenbündel zu Strahlenbündel nur noch parallele Strahlen vorliegen. Diese Strahlen lassen sich dann problemlos mit einem bekannten, einfachen weiteren optischen Element in einen Abbildungsfleck fokussieren. Dabei ist jeder Einzellichtquelle eine Facette dieses ersten abbildenden optischen Elementes zugeordnet. Dieses kann sich an jeder beliebigen Stelle des Strahlenganges befinden, an welchem die Einzelstrahlbündel voneinander getrennt sind, sich also nicht überlappen. Insbesondere braucht also dieses facettierte Element nicht unmittelbar hinter den Einzellichtquellen angeordnet zu sein, wie dies beim Stande der Technik der Fall war. Ebensowenig müssen die einzelnen Facetten, jede für sich, justiert werden. Sich können bereits werksseitig eine solche Form und Krümmung erhalten, daß die angestrebte Parallelrichtung der Strahlen in den verschiedenen Strahlenbündeln erzielt wird. Justagearbeiten sind daher praktisch nicht mehr erforderlich; auch ist die Positionierung des facettierten optischen Elementes im Strahlengang nicht sehr kritisch und einfach durchzuführen. The method according to the invention works with the "trick", that of different ones to be overlaid Individual light sources and thus from different places To direct rays so parallel that both within of the individual bundles of rays as well as of bundles of rays there are only rays parallel to the beam. These rays can then be easily used with a known, simple additional optical element in one Focus the image spot. Everyone is there Single light source a facet of this first imaging optical Assigned element. This can affect any Place the beam path where the Single beams are separated from each other, so not overlap. In particular, this needs faceted Element not immediately behind the individual light sources to be arranged as in the prior art of Case was. Nor do the individual facets, each for yourself, to be adjusted. You can already factory obtained such a shape and curvature that the desired Parallel direction of the rays in the different Beam is achieved. Adjustment work is therefore practically no longer required; also is that Positioning of the faceted optical element in the Beam path not very critical and easy to do.

Normalerweise werden die von allen Einzellichtquellen ausgehenden Strahlenbündel sämtlich parallelisiert, sodaß ein einziger Abbildungsfleck entsteht. In Sonderfällen ist es jedoch auch möglich, die Einzellichtquellen in Gruppen zusammenzufassen, wobei die Strahlenbündel der zu einer Gruppe gehörenden Einzellichtquellen jeweils parallelisiert werden, die Richtungen der zu unterschiedlichen Gruppen gehörenden Strahlenbündel aber unterschiedlich sind. Auf diese Weise lassen sich mehrere Abbildungsflecke in einer bestimmten räumlichen Anordnung, insbesondere im Abstand voneinander auf der optischen Achse, erzielen. Usually those of all single light sources outgoing beams all parallelized, so that a single image spot is created. In However, in special cases it is also possible to use the individual light sources to summarize in groups, the rays the individual light sources belonging to a group be parallelized, the directions of the beams belonging to different groups are different are. In this way, multiple imaging spots can be created in a certain spatial arrangement, in particular at a distance from each other on the optical axis.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß von den Einzellichtquellen zunächst vergrößerte reelle oder virtuelle Zwischenbilder erzeugt werden und daß die Parallelrichtung der Strahlen an einer Stelle außerhalb der Zwischenbilder erfolgt, an welcher die von den Einzellichtquellen ausgehenden Strahlenbündel voneinander getrennt sind. Diese "Vorvergrößerung" der Einzellichtquellen vor der Parallelisierung der Strahlen ermöglicht die Verwendung größerer facettierter optischer Elemente, die leichter hergestellt und leichter richtig in den Strahlengang eingesetzt werden können. An advantageous embodiment of the invention The process is characterized in that of the Individual light sources initially enlarged real or virtual Intermediate images are generated and that the parallel direction the rays at a point outside of the intermediate images at which the from the individual light sources outgoing beams are separated. This "Pre-enlargement" of the individual light sources before parallelization the rays allow the use of larger ones faceted optical elements that are easier to manufacture and easier to correctly insert into the beam path can.

Die oben genannte Aufgabe wird, was die Vorrichtung angeht, dadurch gelöst, daß diese umfaßt:

a) mindestens ein erstes abbildendes optisches Element, das Facetten aufweist, die den von den Einzellichtquellen ausgehenden Strahlenbündeln zugeordnet und so gekrümmt sind, daß alle Strahlen in zumindest einem Teil der verschiedenen Strahlenbündel parallel gerichtet werden;
b) ein zweites abbildendes optisches Element, welches die parallel gerichteten Strahlen der Strahlenbündel in einem Abbildungsfleck abbildet.

The above object is achieved, as far as the device is concerned, by comprising:

a) at least one first imaging optical element which has facets which are assigned to the beams of rays emanating from the individual light sources and are curved such that all the beams in at least some of the different beams are directed in parallel;
b) a second imaging optical element which images the parallel beams of the beams in an imaging spot.

Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung stimmen sinngemäß mit den oben erwähnten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens überein. The advantages of this device according to the invention are correct analogously with the advantages of method according to the invention.

Zweckmäßigerweise ist im Strahlengang vor dem ersten, die Facetten aufweisenden abbildenden optischen Element ein drittes abbildendes optisches Element angeordnet, das von den Einzellichtquellen ein vergrößertes reelles oder virtuelles Zwischenbild erzeugt, wobei das erste abbildende optische Element außerhalb der Zwischenbilder an einer Stelle angeordnet ist, an welcher die von den Einzellichtquellen ausgehenden Strahlenbündel voneinander getrennt sind. Auf die Vorteile dieser "Vorvergrößerung" wurde ebenfalls bereist oben schon hingewiesen. Advantageously, in the beam path before the first one, the faceted imaging optical element a third imaging optical element is arranged, that of the individual light sources an enlarged real one or virtual intermediate image, the first imaging optical element outside the intermediate images is arranged at a point where the of the Individual light sources outgoing beams from each other are separated. On the advantages of this "pre-enlargement" has already been mentioned above.

Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten, die Facetten zu gestalten:
Bei einer ersten Ausführungsform sind die Facetten konvex gekrümmt; sie liegen dann im Strahlengang vor den Zwischenbildern der Einzellichtquellen, bei denen es sich um virtuelle Zwischenbilder handelt. There are two fundamentally different ways of designing the facets:
In a first embodiment, the facets are convexly curved; they then lie in the beam path in front of the intermediate images of the individual light sources, which are virtual intermediate images.

Im zweiten Falle sind die Facetten des ersten abbildenden optischen Elementes konkav gekrümmt; dann liegen sie im Strahlengang hinter den Zwischenbildern der Einzellichtquellen, bei denen es sich um reelle Zwischenbilder handelt. In the second case, the facets of the first are imaging optical element curved concavely; then they are in the Beam path behind the intermediate images of the Individual light sources, which are real intermediate images.

Ganz besonders bevorzugt wird eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher

a) das erste, das zweite und ggf. das dritte abbildende optische Element ringförmig ausgebildet und koaxial zu einer gemeinsamen Bezugsachse angeordnet sind;
b) die Einzellichtquellen auf mindestens einem die Bezugsachse umgebenden Ring in mindestens einer Meridionalebene angeordnet sind;
c) den Einzellichtquellen unmittelbar mindestens ein viertes abbildendes optisches Element nachgeschaltet ist, welches in Sagittalrichtung die Abbildungseigenschaften einer Zylinderlinse aufweist und die einzelnen Strahlenbündel in sagittaler Richtung auf der Bezugsachse abbildet.

An embodiment of the device according to the invention in which

a) the first, the second and, if applicable, the third imaging optical element are designed in a ring shape and are arranged coaxially to a common reference axis;
b) the individual light sources are arranged on at least one ring surrounding the reference axis in at least one meridional plane;
c) the individual light sources are immediately followed by at least one fourth imaging optical element, which has the imaging properties of a cylindrical lens in the sagittal direction and images the individual beams in the sagittal direction on the reference axis.

Diese Ausführungsform eignet sich ganz besonders gut für die Überlagerung von Strahlenbündeln, die von einer Vielzahl von Laserdioden-Arrays (Barren) ausgehen. Die Anordnung ist mit Ausnahme derjenigen der Barren selbst und der diesen nachgeschalteten vierten optischen Elemente rotationssymmetrisch. In allen Meridionalebenen, die sich in der Bezugsachse schneiden, können. Barren so angeordnet werden, daß deren einzelne Laserdioden in der Meridionalebene liegen. Eine Grenze für die Anzahl von Barren, die in dieser Weise zusammengefaßt werden können, ist nur durch den vorhandenen Platz und die Abmessungen der Barren gesetzt. Aufgrund der Ringform des ersten, des zweiten und ggf. des dritten abbildenden optischen Elementes können die Abbildungseigenschaften in meridionaler und in sagittaler Richtung unabhängig voneinander betrachtet werden. Wenn also die Zylinderlinseneigenschaften aufweisenden vierten abbildenden optischen Elemente die Einzellaserdioden des zugehörigen Barrens in sagittaler Richtung auf der Bezugsachse abbilden, so ändert sich hieran durch Einfügung ringförmiger zusätzlicher Abbildungselement nichts. In allen Meridionalebenen wird daher durch die Facettierung des ersten abbildenden optischen Elementes erreicht, daß die von den in der entsprechenden Meridionalebene liegenden Einzellaserdioden der jeweiligen Barren ausgehenden Strahlen in mindestens einem Abbildungsfleck auf der Bezugsachse superponiert werden. Hier läßt sich eine hohe Leistungsdichte erreichen. This embodiment is particularly suitable for the superposition of beams of rays from one Large number of laser diode arrays (bars) run out. The Arrangement is except for that of the ingot itself and of the fourth optical elements connected downstream rotationally symmetrical. In all meridional levels that are can cut in the reference axis. Bars arranged like this be that their individual laser diodes in the Meridional level lie. A limit on the number of bars that can be summarized in this way is only due to the available space and the dimensions of the bars set. Due to the ring shape of the first, the second and possibly the third imaging optical element can map the properties in meridional and viewed independently from each other in the sagittal direction become. So if the cylindrical lens properties having fourth imaging optical elements Single laser diodes of the associated ingot in the sagittal direction map on the reference axis, this changes through Insertion of ring-shaped additional imaging element Nothing. In all meridional levels, the Faceting the first imaging optical element achieved that of those in the corresponding Meridional level lying individual laser diodes of the respective bars outgoing rays in at least one image spot be superposed on the reference axis. Here you can achieve a high power density.

Das erste, das zweite und ggf. das dritte abbildende optische Element sollten reflektive optische Elemente, also Spiegel sein. The first, the second and possibly the third image optical element should reflective optical elements, so be a mirror.

Das vierte abbildende optische Element hingegen, welches die Eigenschaften einer Zylinderlinse aufweist und die Abbildung in sagittaler Richtung besorgt, ist zweckmäßigerweise ein refraktives optisches Element. The fourth imaging optical element, however, which has the properties of a cylindrical lens and the Image in the sagittal direction is concerned expediently a refractive optical element.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen Embodiments of the invention are as follows explained in more detail with reference to the drawing; Show it

Fig. 1 im Meridionalschnitt den Strahlengang einer Vorrichtung zur Fokussierung der von mehreren Barren ausgehenden Strahlenbündel; Fig. 1 in the meridional the beam path of a device for focusing the outgoing of several bars radiation beam;

Fig. 2 Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus einem Ringspiegel, der in dem Strahlengang der Fig. 1 Verwendung findet; FIG. 2 FIG. 2 on an enlarged scale a section of an annular mirror which is used in the beam path of FIG. 1;

Fig. 3 die Darstellung eines alternativen Ringspiegels, ähnlich der Fig. 2. Fig. 3 is an illustration of an alternative annular mirror, similarly to FIG. 2.

Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung ist im wesentlichen ringförmig zu einer Bezugsachse ausgebildet, die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Auf einer ringförmigen, gekühlten Halterung, die in Fig. 1 nicht dargestellt ist, ist eine Mehrzahl von Barren 2 montiert; zwei dieser Barren 2 sind in Fig. 1 erkennbar. Jeder dieser Barren 2 enthält seinerseits eine Mehrzahl einzelner Laserdioden, im dargestellten Falle fünf Laserdioden D1, D2, D3, D4, D5, von denen jeweils ein Strahlenbündel ausgeht. Die einzelnen Laserdioden D1 bis D5 der dargestellten Barren 2 liegen in der von der Zeichenebene gebildeten Meridionalebene des Systemes. Auch in anderen, gegenüber der Zeichenebene verdrehten Meridionalebenen der Bezugsachse 1 können entsprechende Barren 2 angeordnet sein. The device described below is essentially ring-shaped to a reference axis, which is provided with the reference number 1 in FIG. 1. A plurality of bars 2 are mounted on an annular, cooled holder, which is not shown in FIG. 1; two of these bars 2 can be seen in FIG. 1. Each of these bars 2 in turn contains a plurality of individual laser diodes, in the illustrated case five laser diodes D1, D2, D3, D4, D5, each of which emits a beam. The individual laser diodes D1 to D5 of the bars 2 shown lie in the meridional plane of the system formed by the plane of the drawing. Corresponding bars 2 can also be arranged in other meridional planes of the reference axis 1 that are rotated relative to the plane of the drawing.

Die von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehenden Strahlenbündel durchsetzen zunächst jeweils zwei Zylinderlinsen 3, 4, welche diese Strahlenbündel in sagittaler Richtung so beeinflussen, daß diese nach Durchlaufen der weiteren, nachfolgend zu beschreibenden optischen Elemente auf der Bezugsachse 1 abgebildet werden. Da alle diese optischen Elemente ringförmig sind, braucht der Verlauf der einzelnen Strahlenbündel in sagittaler Richtung nicht erläutert zu werden; letztendlich wird unabhängig von der Art dieser ringförmigen optischen Elemente immer in sagittaler Richtung auf der Bezugsachse 1 abgebildet. The beam bundles emanating from the laser diodes D1 to D5 first pass through two cylindrical lenses 3 , 4 , which influence these beam bundles in the sagittal direction so that they are imaged on the reference axis 1 after passing through the further optical elements to be described below. Since all these optical elements are ring-shaped, the course of the individual beams in the sagittal direction need not be explained; ultimately, regardless of the type of these ring-shaped optical elements, imaging is always in the sagittal direction on the reference axis 1 .

Es bleibt daher, den Verlauf der einzelnen Strahlenbündel in meridionaler Richtung zu erläutern; dieser Strahlenverlauf ist in Fig. 1 dargestellt. It therefore remains to explain the course of the individual beams in the meridional direction; this beam path is shown in Fig. 1.

Die von den Laserdioden D1 bis D5 ausgesandten Strahlenbündel bleiben in meridionaler Richtung von den beiden Zylinderlinsen 3, 4 im wesentlichen unbeeinflußt und treffen auf einen ersten Ringspiegel 5, welcher von den Laserdioden D1 bis D5 an den Stellen Z1 bis Z5 vergrößerte Zwischenbilder erzeugt. The beams emitted by the laser diodes D1 to D5 remain essentially uninfluenced in the meridional direction by the two cylindrical lenses 3 , 4 and hit a first ring mirror 5 , which generates enlarged intermediate images from the laser diodes D1 to D5 at points Z1 to Z5.

Innerhalb des Strahlenganges noch vor Erreichen der Zwischenbildstellen Z1 bis Z5 ist ein zweiter Ringspiegel 6 vorgesehen, der zum ersten Ringspiegel 5 und zu der Halterung der Barren 2 koaxial ist. Der Ringspiegel 6 befindet sich an einer Stelle, an welcher die von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehenden Strahlenbündel voneinander getrennt sind. Er weist eine ringförmige Facettierung auf, die aufgrund ihrer geringen Größe in Fig. 1 nicht erkennbar und daher in Fig. 2 in größerem Maßstab dargestellt ist. In Fig. 2 ist die durchgängige, leichte Krümmung des Ringspiegels 6, die dieser im Meridionalschnitt der Fig. 1 aufweist, vernachlässigt. A second ring mirror 6 , which is coaxial with the first ring mirror 5 and with the holder for the bars 2, is provided within the beam path before the intermediate image points Z1 to Z5 are reached. The ring mirror 6 is located at a point at which the beams of rays emanating from the laser diodes D1 to D5 are separated from one another. It has an annular faceting, which due to its small size cannot be seen in FIG. 1 and is therefore shown on a larger scale in FIG. 2. In Fig. 2, the continuous, slight curvature of the ring mirror 6 , which it has in the meridional section of Fig. 1, is neglected.

Wie Fig. 2 zeigt, besitzt der Ringspiegel 6 für jedes von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehende Strahlenbündel eine ringförmige Facette F1 bis F5, die für die auftreffenden Strahlenbündel konvex gekrümmt ist. Dargestellt sind die Randstrahlen R11 und R12 des von der Laserdiode D1 ausgehenden Strahlenbündels und die Randstrahlen R21 und R22 des von der Laserdiode D2 ausgehenden Strahlenbündels. Die weiteren Strahlenbündel, die von den Laserdioden D3 bis D5 ausgehen, sind in Fig.2 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. As shown in FIG. 2, the ring mirror 6 has an annular facet F1 to F5 for each beam bundle emanating from the laser diodes D1 to D5, which facet is convexly curved for the incident beam bundles. The marginal rays R11 and R12 of the bundle of rays emanating from the laser diode D1 and the marginal rays R21 and R22 of the bundle of rays emanating from the laser diode D2 are shown. The further beams which emanate from the laser diodes D3 to D5 are omitted in FIG. 2 for reasons of clarity.

Die konvexen Facettenringe F1 bis F5 weisen eine solche Krümmung auf, daß die auf sie auftreffenden Strahlen nach der Reflexion parallel verlaufen, und zwar nicht nur innerhalb des einzelnen Strahlenbündels sondern über alle Strahlenbündel hinweg. Die auf diese Weise parallel gerichteten, den Ringspiegel 6 verlassenden Strahlen treffen auf einen dritten Ringspiegel 7. Auch dieser ist koaxial zu der Halterung der Barren 2, dem ersten Ringspiegel 5 und dem zweiten Ringspiegel 6 angeordnet. Der Ringspiegel 7 weist im Meridionalschnitt eine für die auftreffenden Strahlen konkave Krümmung auf, die so gewählt ist, daß die parallelen Strahlen auf der Bezugsachse 1 in einem Abbildungsfleck A abgebildet werden. Dieser Abbildungsfleck A entsteht also durch Superposition aller von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehenden Strahlenbündel, die auf der die Bezugsachse 1 umgebenden ringförmigen Halterung angeordnet sind. So gelingt es, in dem Abbildungsfleck A eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, die dann für die Laserbearbeitung eines Werkstückes eingesetzt werden kann. The convex facet rings F1 to F5 have such a curvature that the rays impinging on them run parallel after reflection, not only within the individual ray bundle but across all ray bundles. The rays, which are directed in parallel in this way and exit the ring mirror 6 , strike a third ring mirror 7 . This is also arranged coaxially with the holder for the bars 2 , the first ring mirror 5 and the second ring mirror 6 . In the meridional section, the ring mirror 7 has a concave curvature for the incident rays, which is selected such that the parallel rays are imaged in an imaging spot A on the reference axis 1 . This imaging spot A thus arises from the superposition of all the beams of rays emanating from the laser diodes D1 to D5, which are arranged on the annular holder surrounding the reference axis 1 . It is thus possible to achieve a high power density in the imaging spot A, which can then be used for the laser processing of a workpiece.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden Facettenringe F1 bis F5 eingesetzt, die für auftreffenden Strahlenbündel konvex gekrümmt sind. Die Zwischenbilder Z1 bis Z5, die von dem ersten Ringspiegel 5 erzeugt werden, sind virtuelle Zwischenbilder und liegen hinter dem zweiten Ringspiegel 6. Alternativ ist es aber auch möglich, Facettenringe F1 bis F5 einzusetzen, die für die auftreffenden Strahlen konkav gekrümmt sind. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Auch in diesem Falle ist es möglich, die Krümmung der Facettenringe F1 bis F5 so zu wählen, daß alle von ihnen reflektierten Strahlen parallel verlaufen. Der einzige Unterschied ist, daß beim Ausführungsbeispiel des zweiten Ringspiegels 6 nach Fig. 3 die von dem ersteh Ringspiegel 5 entworfenen Zwischenbilder Z1 bis Z5 der Laserdioden D1 bis D5 reelle Zwischenbilder sind und vor dem zweiten Ringspiegel 6 liegen. In the exemplary embodiment described above, facet rings F1 to F5 were used, which are convexly curved for incident beams. The intermediate images Z1 to Z5 that are generated by the first ring mirror 5 are virtual intermediate images and lie behind the second ring mirror 6 . Alternatively, it is also possible to use facet rings F1 to F5 which are concavely curved for the impinging rays. This is shown in FIG. 3. In this case too, it is possible to choose the curvature of the facet rings F1 to F5 so that all of the rays reflected by them run parallel. The only difference is that in the exemplary embodiment of the second ring mirror 6 according to FIG. 3, the intermediate images Z1 to Z5 of the laser diodes D1 to D5 designed by the first ring mirror 5 are real intermediate images and lie in front of the second ring mirror 6 .

Claims

1. A method for superimposing beams that emanate from a plurality of individual light sources, in particular laser diodes, in at least one imaging spot, characterized in that the rays which in at least some of the rays from the individual light sources are emitted by a correspondingly facetted optical element ( 6 ) (D1 to D5) are included, initially directed in parallel and then imaged in an imaging spot (A).

2. The method according to claim 1, characterized in that that of the individual light sources (D1 to D5) initially enlarged real or virtual intermediate images (Z1 to Z5) are generated and that the parallel direction of the Beams at a point outside the intermediate images (Z1 to Z5) at which the from the individual light sources (D1 to D5) outgoing beams separated are.

3. Device for superimposing beams that emanate from a plurality of individual light sources, in particular laser diodes, into at least one working spot, characterized in that it comprises:

a) at least one first imaging optical element ( 6 ) which has facets (F1 to F5) which are assigned to the beams of rays emanating from individual light sources (D1 to D5) and are curved such that all beams in at least some of the different beams are directed in parallel become;

b) at least one second imaging optical element ( 7 ), which images the parallel beams of all beams into an imaging spot (A).

4. The device according to claim 3, characterized in that in the beam path in front of the first, the facets (F1 to F5) having imaging optical element ( 6 ), a third imaging optical element ( 5 ) is arranged, which of the individual light sources (D1 to D5 ) generates an enlarged real or virtual intermediate image (Z1 to Z5), the first imaging element ( 6 ) being arranged outside the intermediate images (Z1 to Z5) at a location at which the beams of rays emanating from the individual light sources (D1 to D5) are separated from one another are separated.

5. The device according to claim 4, characterized in that the facets (F1 to F5) of the first imaging optical element ( 6 ) are convexly curved and lie in the beam path in front of the virtual intermediate images (Z1 to Z5) of the individual light sources (D1 to D5).

6. The device according to claim 4, characterized in that the facets (F1 to F5) of the first imaging optical element ( 6 ) are concavely curved and lie in the beam path behind the real intermediate images (Z1 to Z5) of the individual light sources (D1 to D5).

7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that

a) the first ( 6 ), the second ( 7 ) and possibly the third ( 5 ) imaging optical element are designed in a ring shape and are arranged coaxially to a common reference axis ( 1 );

b) the individual light sources (D1 to D5) are arranged on at least one ring surrounding the reference axis ( 1 ) in at least one meridional plane;

c) the individual light sources (D1 to D5) are immediately followed by at least one fourth imaging optical element ( 3 , 4 ), which has the imaging properties of a cylindrical lens in the sagittal direction and images the individual beams in the sagittal direction on the reference axis ( 1 ).

8. Device according to one of claims 3 to 7, characterized in that the first ( 6 ), the second ( 7 ) and possibly the third ( 5 ) imaging optical element are reflective optical elements.

9. Device according to one of claims 3 to 8, characterized in that the fourth imaging optical element ( 3 , 4 ) is a refractive optical element.