DE102009010693A1

DE102009010693A1 - Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102009010693A1
Application number: DE102009010693A
Authority: DE
Inventors: Daniel Bartoschewski; Manfred Dr. Jarczynski
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-02
Also published as: US20110305023A1; JP5576886B2; WO2010097198A1; CN102334060B; CN102334060A; JP2012518813A; KR20110128175A; EP2401646A1

Abstract

Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung, die zumindest in einer ersten, zu der Ausbreitungsrichtung (Z) der Laserstrahlung senkrechten Richtung (X) zueinander beabstandete Teilstrahlen (2) aufweist, insbesondere zur Homogenisierung von Laserstrahlung, die von einem Laserdiodenbarren ausgeht, umfassend ein Array (5) refraktiver Flächen (6, 6a), die zumindest eine Mehrzahl der Teilstrahlen (2) der zu homogenisierenden Laserstrahlung derart unterschiedlich ablenken können, dass sie nach dem Hindurchtritt durch die refraktiven Flächen (6, 6a) zumindest teilweise konvergenter zueinander verlaufen, als vor dem Hindurchtritt durch die refraktiven Flächen (6, 6a), sowie Linsenmittel (7), durch die die durch das Array (5) refraktiver Flächen (6, 6a) hindurchgetretenen Teilstrahlen (2) hindurchtreten können, wobei die Linsenmittel (7) zumindest einige der Teilstrahlen (2) in einer Arbeitsebene (8) überlagern können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung, die zumindest in einer ersten, zu der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung senkrechten Richtung zueinander beabstandete Teilstrahlen aufweist, insbesondere zur Homogenisierung von Laserstrahlung, die von einem Laserdiodenbarren ausgeht. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Laservorrichtung, umfassend eine Laserstrahlungsquelle, insbesondere einen Laserdiodenbarren, die Laserstrahlung aussenden kann, die in der zu der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung senkrechten Richtung zueinander beabstandete Teilstrahlen aufweist, sowie weiterhin umfassend eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung.
Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint die mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise konvergent oder divergent ist. Mit Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist.
Laserdiodenbarren besitzen in der schnellen Achse (Fast-Axis) eine gaußförmige Nah- und Fernfeldverteilung. In der langsamen Achse (Slow-Axis) liegt in der Regel eine supergaußförmige Nahfeldverteilung vor. Durch die Kollimation, beispielsweise mit einer Fast-Axis-Kollimationslinse und/oder einer Slow-Axis-Kollimationslinse, werden Nah- und Fernfeldverteilung ineinander überführt. Es gibt verschiedene Konzepte homogene Linien oder Felder zu erzeugen. Dazu zählen diffraktive, ein- und zweistufige refraktive und auf Powell-Linsen basierende Homogenisierer einsetzbar (siehe dazu beispielsweise F. M. Dickey, S. C. Holswade, „Laser beam shaping", Marcel Dekker Inc. New York, 2000).
Diffraktive Homogenisierer weisen in der Regel Effizienzverluste durch Abstrahlung in unerwünschte Beugungsordnungen auf. Zudem ist ihre Beugungseffizienz im Falle einer quantisierten Umsetzung durch die Stufenanzahl begrenzt.
Refraktive Homogenisierer haben den Nachteil, dass bei gaußförmiger Bestrahlung Beugung am Gitter des Arrays zu Interferenzen und damit zu Beeinträchtigungen der Homogenität im Feld führen. Da diese Arrayelemente zusammenhängend ausgeleuchtet werden und die Linsenübergänge nicht ideal ausgearbeitet werden können, kommt es zu Effizienzverlusten und Verminderung der Homogenität (siehe dazu beispielsweise WO 03/016963 A1 ).
Powell-Linsen basieren auf einem phasenschiebenden Verfahren und sind nur bei gaußförmigen Quellen sinnvoll.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, mit der die von einem Laserdiodenbarren ausgehende Laserstrahlung besser homogenisiert werden kann. Weiterhin soll eine Laservorrichtung mit einer derartigen Vorrichtung angegeben werden.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch eine Laservorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ein Array refraktiver Flächen umfasst, die zumindest eine Mehrzahl der Teilstrahlen der zu homogenisierenden Laserstrahlung derart unterschiedlich ablenken können, dass sie nach dem Hindurchtritt durch die refraktiven Flächen zumindest teilweise konvergenter zueinander verlaufen, als vor dem Hindurchtritt durch die refraktiven Flächen, sowie dass die Vorrichtung weiterhin Linsenmittel umfasst, durch die die durch das Array refraktiver Flächen hindurch getretenen Teilstrahlen hindurch treten können, wobei die Linsemittel zumindest einige der Teilstrahlen in einer Arbeitsebene überlagern können. Das Konzept beruht auf einer geeigneten Überlagerung kollimierter Gauß- oder Super-Gauß-Einzelquellen. Die Überlagerung wird mittels im Ortsraum angeordneter optischer Arrayelemente durchgeführt, die jedem Einzelemitter zugeordnet sind und dessen Fernfeld gezielt einen spezifischen Winkeloffset hinzufügen. Der spezifische Winkeloffset ist so dimensioniert, dass die resultierende Winkelverteilung in der Art überlappt, dass ein homogenes Feld mit gaußförmigen Flanken entsteht. Die Umsetzung des Konzepts kann mit einem refraktiven Prismenarray durchgeführt werden.
Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch in zwei zueinander und zu der Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtungen nebeneinander angeordnete Teilstrahlen derart überlagert werden können, dass sich eine homogene Intensitätsverteilung ergibt. Es soll somit von der vorliegenden Erfindung nicht nur die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Laserstrahlung mit im Wesentlichen eindimensionalem Querschnitt, wie beispielsweise die Laserstrahlung eines Laserdiodenbarrens, sondern auch eine Laserstrahlung mit einem zweidimensionalen Querschnitt, wie beispielsweise die eines Stacks von Laserdiodenbarren, homogenisiert werden können.
Anspruch 14 sieht vor, dass die Laservorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung umfasst und dass die Winkel zwischen den refraktiven Flächen des Arrays derart ausgebildet sind, dass die Winkeldifferenz der Ablenkung, die benachbarte Teilstrahlen an benachbarten refraktiven Flächen des Arrays erfahren, zwischen 75% und 95% der vollen Halbwertsbreite der Fernfeldverteilung eines der Teilstrahlen vor dem Hindurchtritt durch die Vorrichtung entspricht. Bei Winkeldifferenzen dieser Größe ergibt sich ein vergleichsweise homogenes Plateau der Fernfeldintensitätsverteilung der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung homogenisierten Laserstrahlung.
Insbesondere können dabei die Winkel zwischen den refraktiven Flächen des Arrays und/oder die Linsenmittel derart ausgebildet sind, dass die Winkeldifferenzen benachbarter Teilstrahlen jeweils gleich groß sind. Dies führt bei Teilstrahlen gleicher Intensitätsverteilung zu einer guten Homogenität der überlagerten Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene. Falls die Teilstrahlen eine zueinander unterschiedliche Intensitätsverteilung aufweisen, wie beispielsweise einen unterschiedlichen Supergaußfaktor, kann es sinnvoll sein, die Winkeldifferenzen benachbarter Teilstrahlen unterschiedlich zu wählen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;
2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäße Vorrichtung mit beispielhaften Strahlengängen;
3 eine schematische Detailansicht gemäß dem Pfeil III in 2;
4 eine schematische Veranschaulichung einer Überlagerung mehrerer Teilstrahlen;
5 eine Fernfeldintensitätsverteilung eines einzelnen Teilstrahls der Laserstrahlung;
6 eine Fernfeldintensitätsverteilung der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung homogenisierten Laserstrahlung.
In einigen der Figuren sind zur besseren Orientierung kartesische Koordinatensysteme eingezeichnet. Weiterhin werden in den Figuren gleiche oder funktional gleiche Teile oder Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Laserdiodenbarren bezeichnet, der in der sogenannten Slow-Axis beziehungsweise in den Figuren in X-Richtung beabstandet zueinander nebeneinander angeordnete einzelne Emitter (nicht abgebildet) aufweist.
Beispielsweise weist ein jeder der Emitter eine Länge von etwa 150 μm in der Slow-Axis auf, wobei der Abstand zweier benachbarter Emitter zueinander in dieser Richtung in der Regel 400 μm oder 500 μm beträgt. Die einzelnen Emitter senden Teilstrahlen 2 (siehe 2) der Laserstrahlung des Laserdiodenbarrens 1 aus.
In 1 sind in Ausbreitungsrichtung Z hinter dem Laserdiodenbarren 1 schematisch Fast-Axis-Kollimationsmittel 3, die die einzelnen Teilstrahlen 2 in der Fast-Axis beziehungsweise in den Figuren in Y-Richtung kollimieren können, und Slow-Axis-Kollimationsmittel 4 angedeutet, die die einzelnen Teilstrahlen 2 in der Slow-Axis beziehungsweise in den Figuren in X-Richtung kollimieren können.
Die Fast-Axis-Kollimationsmittel 3 können beispielsweise eine Zylinderlinse umfassen, deren Zylinderachse sich in X-Richtung erstreckt. Weiterhin können die Slow-Axis-Kollimationsmittel 4 beispielsweise eine Zylinderlinse umfassen, deren Zylinderachse sich in Y-Richtung erstreckt.
Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, in Ausbreitungsrichtung Z zwischen den Fast-Axis-Kollimationsmitteln 3 und den Slow-Axis-Kollimationsmitteln 4 eine Strahltransformationsvorrichtung vorzusehen, die einen jeden der einzelnen Teilstrahlen 2 um 90° hinsichtlich der Ausbreitungsrichtung Z drehen kann. Dadurch wird die Divergenz der Teilstrahlen in der Fast-Axis mit der in der Slow-Axis getauscht, so dass die Teilstrahlen 2 nach Hindurchtritt durch die Strahltransformationsvorrichtung in der Slow-Axis beziehungsweise in den Figuren in X-Richtung kollimiert sind. Derartige Strahltransformationsvorrichtungen sind hinlänglich bekannt und weisen beispielsweise in X-Richtung nebeneinander angeordnete Zylinderlinsen auf, deren Zylinderachsen unter einem Winkel von 45° zur Y-Richtung in der X-Y-Ebene ausgerichtet sind.
Bei Vorsehen einer derartigen Strahltransformationsvorrichtung könnten dann die Slow-Axis-Kollimationsmittel 4 beispielsweise eine Zylinderlinse umfassen, deren Zylinderachse sich ebenfalls in X-Richtung erstreckt.
In Ausbreitungsrichtung Z hinter den Fast- und Slow-Axis-Kollimationsmitteln 3, 4 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Array 5 mit einer planen Eintrittsfläche und einer Mehrzahl von refraktiven Flächen 6 auf der Austrittsfläche (siehe dazu 2). Das Array 5 ist als Prismenarray ausgebildet, wobei es sich in die Zeichenebene der 2 hinein beziehungsweise in Y-Richtung ohne Veränderung seiner Kontur fortsetzt.
Die refraktiven Flächen 6 sind jeweils plan und grenzen in X-Richtung aneinander an. Die refraktiven Flächen 6 schließen jeweils einen Winkel α miteinander ein (siehe 3). Der Winkel α zwischen den Flächen 6 kann jeweils zwischen 150° und 180°, insbesondere zwischen 165° und 180°, vorzugsweise zwischen 175° und 179° betragen.
Dabei sind die refraktiven Flächen 6 derart dimensioniert und angeordnet, dass jeweils immer einer der Teilstrahlen 2 auf eine der refraktiven Flächen 6 trifft. Durch die refraktiven Flächen 6 werden die Teilstrahlen 2 derart abgelenkt, dass sie nach dem Austreten aus den refraktiven Flächen 6 konvergent zueinander verlaufen. Insbesondere ist bei einer ungeraden Anzahl von Teilstrahlen 2 eine mittlere refraktive Fläche 6a vorgesehen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Z der Laserstrahlung beziehungsweise in einer X-Y-Ebene angeordnet ist. Ein in Z-Richtung durch die mittlere refraktive Fläche 6a hindurch tretender Teilstrahl 2 wird nicht abgelenkt.
Hinter dem Array 5 sind in Ausbreitungsrichtung Z der Laserstrahlung Linsenmittel 7 vorgesehen, die beispielsweise im abgebildeten Ausführungsbeispiel als bikonvexe Linse ausgebildet sind. Die Linsenmittel 7 können auch als plankonvexe oder konkavkonvexe Linse ausgebildet sein. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die Linsenmittel 7 als Zylinderlinse, insbesondere als Zylinderlinse mit einer asphärischen Kontur auszubilden.
Die Linsenmittel 7 können die aus dem Array 5 ausgetretenen Teilstrahlen 2 in einer Arbeitsebene 8 miteinander überlagern. Dabei ist die Arbeitsebene 8 in der ausgangsseitigen Brennebene der Linsenmittel 7 angeordnet. Die Linsenmittel 7 dienen somit als Fourierlinse und können die Winkelverteilung der Laserstrahlung in eine Ortsverteilung in der Arbeitsebene 8 transformieren.
5 zeigt eine Fernfeldintensitätsverteilung 9 eines einzelnen Teilstrahls 2 der Laserstrahlung. Diese weist im Wesentlichen ein Gauß-Profil auf. 6 zeigt eine Fernfeldintensitätsverteilung 10 der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung homogenisierten Laserstrahlung, bei der eine Mehrzahl, beispielsweise 18 Teilstrahlen 2 im Fernfeld überlagert sind. Es zeigt sich, dass die Fernfeldintensitätsverteilung 10 ein vergleichsweise homogenes Plateau 11 und gaußförmige Flanken 12 aufweist.
4 verdeutlicht die Überlagerung der Fernfeldintensitätsverteilung 9 einzelner Teilstrahlen 2 zu einer Fernfeldintensitätsverteilung 10. Dabei ist in 4 die Intensität des Fernfeldes gegen eine Winkelkoordinate aufgetragen. Im in 4 abgebildeten Beispiel werden fünf Fernfeldintensitätsverteilungen 9 einzelner Teilstrahlen 2 zu einer gemeinsamen Fernfeldintensitätsverteilung 10 überlagert.
Es zeigt sich, dass die einzelnen Teilstrahlen 2 das Array 5 unter unterschiedlichen Winkeln verlassen. Die Winkeldifferenz Δϕ benachbarter Teilstrahlen zueinander entspricht etwa 85% der vollen Halbwertsbreite b der Fernfeldverteilung 9 eines jeden der einzelnen Teilstrahlen 2.
Je nachdem ob die Teilstrahlen 2 ein reines Gauß-Profil oder ein modifiziertes Gauß-Profil wie beispielsweise ein Supergauß-Profil aufweisen, sollte eine geeignete Winkeldifferenz Δϕ der Ablenkung, die benachbarte Teilstrahlen 2 an benachbarten refraktiven Flächen 6 des Arrays 5 erfahren, zwischen 75% und 95% der vollen Halbwertsbreite b der Fernfeldverteilung 9 der Teilstrahlen 2 vor dem Hindurchtritt durch die Vorrichtung entsprechen. Bei Winkeldifferenzen in diesem Bereich ergibt sich ein vergleichsweise homogenes Plateau 11 der Fernfeldintensitätsverteilung 10 der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung homogenisierten Laserstrahlung.
Es besteht die Möglichkeit, anstelle eines Arrays 5 zwei in Ausbreitungsrichtung Z der Laserstrahlung hintereinander angeordnete, als Prismenarrays ausgebildete Arrays vorzusehen. Dabei können in Anlehnung an die DE 10 2007 952 782 die Zwischenräume zwischen einzelnen Teilstrahlen 2 verringert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 03/016963 A1 [0005]
- DE 102007952782 [0036]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- F. M. Dickey, S. C. Holswade, „Laser beam shaping”, Marcel Dekker Inc. New York, 2000 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung, die zumindest in einer ersten, zu der Ausbreitungsrichtung (Z) der Laserstrahlung senkrechten Richtung (X) zueinander beabstandete Teilstrahlen (2) aufweist, insbesondere zur Homogenisierung von Laserstrahlung, die von einem Laserdiodenbarren ausgeht, umfassend – ein Array (5) refraktiver Flächen (6, 6a), die zumindest eine Mehrzahl der Teilstrahlen (2) der zu homogenisierenden Laserstrahlung derart unterschiedlich ablenken können, dass sie nach dem Hindurchtritt durch die refraktiven Flächen (6, 6a) zumindest teilweise konvergenter zueinander verlaufen, als vor dem Hindurchtritt durch die refraktiven Flächen (6, 6a), sowie – Linsenmittel (7), durch die die durch das Array (5) refraktiver Flächen (6, 6a) hindurch getretenen Teilstrahlen (2) hindurch treten können, wobei die Linsemittel (7) zumindest einige der Teilstrahlen (2) in einer Arbeitsebene (8) überlagern können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einem jeden der Teilstrahlen (2) jeweils eine der refraktiven Flächen (6, 6a) des Arrays (5) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktiven Flächen (6, 6a) des Arrays (5) zueinander geneigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktiven Flächen (6, 6a) des Arrays (5) zumindest teilweise plan sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktiven Flächen (6, 6a) des Arrays (5) zumindest teilweise in der ersten Richtung (X) aneinander anschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktiven Flächen (6, 6a) des Arrays (5) zumindest teilweise einen Winkel (α) zwischen 150° und 180°, insbesondere einen Winkel (α) zwischen 165° und 180°, vorzugsweise einen Winkel (α) zwischen 175° und 179° miteinander einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktiven Flächen (6, 6a) des Arrays (5) auf einer zylindrischen Kontur angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse der zylindrischen Kontur sich in einer zweiten, zu der ersten Richtung (X) und zu der Ausbreitungsrichtung (Z) der zu homogenisierenden Laserstrahlung senkrechten Richtung (Y) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Kontur konvex geformt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenmittel (7) eine Sammellinse umfassen oder aus einer Sammellinse bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsebene (8) in der ausgangsseitigen Brennebene der Linsenmittel (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Kollimationsmittel (3, 4) umfasst, die die zu homogenisierende Laserstrahlung hinsichtlich der ersten Richtung (X) und/oder hinsichtlich der zweiten Richtung (Y) zumindest teilweise kollimieren können.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationsmittel (3, 4) in Ausbreitungsrichtung (Z) der zu homogenisierenden Laserstrahlung vor den refraktiven Flächen (6, 6a) des Arrays (5) angeordnet sind.
Laservorrichtung, umfassend – eine Laserstrahlungsquelle, insbesondere einen Laserdiodenbarren (1), die Laserstrahlung aussenden kann, die in der zu der Ausbreitungsrichtung (Z) der Laserstrahlung senkrechten Richtung (X) zueinander beabstandete Teilstrahlen (2) aufweist, sowie – eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist und dass die Winkel (α) zwischen den refraktiven Flächen des Arrays derart ausgebildet sind, dass die Winkeldifferenz (Δϕ) der Ablenkung, die benachbarte Teilstrahlen (2) an benachbarten refraktiven Flächen (6, 6a) des Arrays (5) erfahren, zwischen 75% und 95% der vollen Halbwertsbreite (b) der Fernfeldverteilung (9) eines der Teilstrahlen (2) vor dem Hindurchtritt durch die Vorrichtung entspricht.
Laservorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel (α) zwischen den refraktiven Flächen des Arrays und/oder die Linsenmittel (7) derart ausgebildet sind, dass die Winkeldifferenzen (Δϕ) benachbarter Teilstrahlen (2) jeweils gleich groß sind.