DE102011003142A1

DE102011003142A1 - Diodenlaseranordnung mit dichter Wellenlängenkopplung

Info

Publication number: DE102011003142A1
Application number: DE102011003142A
Authority: DE
Inventors: Christoph Tillkorn; Stephan Gregor Patrick Strohmaier; Steffen Ried
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-07-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Diodenlaseranordnung, umfassend: eine Mehrzahl von Diodenlaserquellen zur Erzeugung einer Mehrzahl von Laserstrahlen (3a bis 3n) mit unterschiedlichen Wellenlängen, eine Mehrzahl von Lichtleitfasern zur Führung eines jeweiligen Laserstrahls (3a bis 3n) einer Diodenlaserquelle, wobei austrittsseitige Enden (5a bis 5n) der Lichtleitfasern parallel und in vorgegebenen Abständen (d₁ bis d_N) zueinander angeordnet sind, eine Kollimationsoptik (6) zur Kollimation der aus den Enden (5a bis 5n) der Lichtleitfasern austretenden Mehrzahl von Laserstrahlen (3a bis 3n), eine dispersive optische Einrichtung (7) zur Beugung der Mehrzahl der kollimierten Laserstrahlen (3a bis 3n) zur Erzeugung eines einzigen Laserstrahls (8) mit einer Mehrzahl von Wellenlängen, sowie eine Fokussieroptik (6) zur Fokussierung des von der dispersiven optischen Einrichtung (7) erzeugten Laserstrahls (8) auf ein eintrittsseitiges Ende (10) einer Auskoppelfaser.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diodenlaseranordnung mit einer Mehrzahl von Diodenlaserquellen.
Diodenlaserquellen zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus und können insbesondere in einer kompakten Bauweise bereitgestellt werden. Aufgrund der im Vergleich zu Festkörperlasern prinzipiell schlechteren Strahlqualität war das Potential für die direkte Anwendung von Diodenlasern bislang aber begrenzt. Durch die enorme Leistungsentwicklung im Halbleiterbereich stehen heute jedoch Diodenlaserquellen zur Verfügung, die lampengepumpte Festkörperlaser bei gleichzeitig verbessertem. Wirkungsgrad vollständig ersetzen können.
Die Kernaufgabe für die Weiterentwicklung von Diodenlaserquellen ist die Vergrößerung der Brillanz. Bekannte Techniken zur Vergrößerung der Brillanz von Diodenlasern sind Polarisationskopplung und Wellenlängenkopplung mit dichroitischen Spiegeln. Diesen Techniken sind hinsichtlich der Leistungsskalierung in den Multi-kW-Bereich jedoch enge physikalische Grenzen gesetzt.
Aus der US 6,791,751 B2 ist es bekannt, zwei optische Pumpstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen mit Hilfe eines doppelbrechenden Kristalls räumlich zu überlagern, so dass ein einziger (Pump-)Laserstrahl entsteht. Die Möglichkeit der Polarisations-Überlagerung ist jedoch auf die Verwendung von zwei Pumplichtquellen beschränkt. Dies resultiert daher, dass nur zwei Polarisationen sauber getrennt und überlagert werden können. Eine Überlagerung einer Mehrzahl von Laserquellen ist mit der Polarisationskopplung daher nicht möglich.
Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Brillanz stellt die so genannte Wellenlängenkopplung dar. Hierbei wird Laserstrahlung von Diodenlaserquellen unterschiedlicher Wellenlänge mittels dichroitischer Spiegel überlagert. Dichroitische Spiegel reflektieren nur Strahlung bei einer bestimmten, vorgegebenen Wellenlänge, sind aber für Strahlung anderer Wellenlängen durchlässig. Dichroitische Spiegel als wellenlängenkoppelnde Elemente müssen jedoch aufgrund der natürlichen spektralen Breite der Strahlung einer einzelnen Diodenlaserquelle und der Wellenlängenerhöhung bei der Zunahme die Betriebstemperatur (Chirp) der Laserdioden einen breiten spektralen Bereich abdecken (typischer Weise 30–40 nm). Daher ist auch in diesem Fall die Anzahl kombinierbarer Diodenlaserquellen begrenzt.
Gelingt es, die spektrale Bandbreite der Laserdioden stark einzugrenzen, so ist es möglich, die Anzahl der zu überlagernden Strahlquellen zu erhöhen, wie dies in der WO 2006/116477 A2 oder der US 2010/0110556 A1 beschrieben ist. Für die Überlagerung kommen hierbei dispersive optische Elemente zum Einsatz, welche die Eigenschaft ausnutzen, dass Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, die in unterschiedlichen Winkeln auf ein dispersives optisches Element auftreffen, bei geeigneter Wahl der Winkel bzw. der Wellenlängen sich zu einem einzigen Laserstahl mit mehreren Wellenlängen überlagern.
Die US 6,697,192 B1 beschreibt einen Faserlaser, bei dem der oben beschriebene Überlagerungs-Effekt ausgenutzt wird, um für eine Mehrzahl von Verstärkerfasern einen gemeinsamen externen Resonator zu bilden. Die von den einzelnen Verstärkerfasern emittierten Laserstrahlen werden hierbei über das dispersive optische Element in Form eines Gitters zu einem einzigen Laserstrahl mit mehreren Wellenlängen kombiniert, der an einem Endspiegel des externen Resonators reflektiert wird. Durch geeignete Wahl der Parameter, z. B. der Orientierung des Gitters, können die Wellenlängen der von den Verstärkerfasern erzeugten Laserstrahlen beeinflusst werden.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diodenlaseranordnung bereitzustellen, welche die Erzeugung eines Laserstrahls mit hoher Brillanz ermöglicht.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Diodenlaseranordnung, umfassend: eine Mehrzahl von Diodenlaserquellen zur Erzeugung einer Mehrzahl von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, eine Mehrzahl von Lichtleitfasern zur Führung eines jeweiligen Laserstrahls einer Diodenlaserquelle, wobei austrittsseitige Enden der Lichtleitfasern parallel und in vorgegebenen Abständen zueinander angeordnet sind, eine Kollimationsoptik zur Kollimation der aus den Enden der Lichtleitfasern austretenden Mehrzahl von Laserstrahlen, eine dispersive optische Einrichtung zur Beugung der Mehrzahl der kollimierten Laserstrahlen zur Erzeugung eines einzigen Laserstrahls mit einer Mehrzahl von Wellenlängen, sowie eine Fokussieroptik zur Fokussierung des von der dispersiven optischen Einrichtung erzeugten Laserstrahls auf ein eintrittsseitiges Ende einer Auskoppelfaser.
Bei einer solchen Diodenlaseranordnung kann durch die dichte Wellenlängenkopplung über das dispersive optische Element ein kompakter und zuverlässiger Aufbau realisiert werden, der es ermöglicht, ohne großen Justageaufwand reproduzierbar hohe Laserleistungen mit guter Strahlqualität und Brillanz zu erzeugen. Als dispersives optisches Element dient typischer Weise ein Gitter, es können aber ggf. auch andere dispersive optische Elemente zur Überlagerung der Laserstrahlen verwendet werden. Es versteht sich, dass die Eigenschaften des Gitters – insbesondere die Gitterkonstante und damit Dispersion – an die Diodenlaseranordnung bzw. an die verwendeten Wellenlängen angepasst werden, muss.
Um die Wellenlängenkopplung zu realisieren werden bei der Diodenlaseranordnung Diodenlaserquellen eingesetzt, die Laserstrahlung mit geringer spektraler Breite (z. B. von ca. 0,3 nm) erzeugen. Auf diese Weise kann eine genaue, vorgegebene Wellenlängendifferenz zwischen den einzelnen Diodenlaserquellen erzeugt werden, welche typischer Weise zwischen ca. 1 nm und ca. 4 nm beträgt. Die Anzahl der Diodenlaserquellen kann bei einem solchen Aufbau bei mehr als zehn, ggf. sogar bei mehr als fünfzehn liegen.
Bei einer dichten Wellenlängenkopplung ist es wichtig, dass die austrittsseitigen Enden der Lichtleitfasern genau und reproduzierbar zueinander angeordnet bzw. ausgerichtet werden. Bei einer Ausführungsform weist die Diodenlaseranordnung zu diesem Zweck einen gemeinsamen Träger zum parallelen Ausrichten der austrittsseitigen Enden der Lichtleitfasern in vorgegebenen Abständen voneinander auf.
Das Vorsehen eines gemeinsamen Trägers für die austrittsseitigen Enden der Lichtleitfasern ermöglicht eine reproduzierbare, parallele Ausrichtung der Lichtleitfasern, so dass die Stirnseiten der austrittsseitigen Faserenden in einer gemeinsamen Ebene angeordnet werden können, die z. B. der Brennebene der Kollimationsoptik entsprechen kann. Durch den gemeinsamen Träger können insbesondere auch die Abstände der Lichtleitfasern zueinander reproduzierbar eingestellt werden.
In einer Weiterbildung weist der gemeinsame Träger eine Mehrzahl von parallelen, insbesondere V-förmigen Vertiefungen zur Aufnahme eines jeweiligen austrittsseitigen Endes einer Lichtleitfaser auf. Mit Hilfe der Vertiefungen können die Lichtleitfasern parallel zueinander geführt werden, wobei der Abstand benachbarter Vertiefungen den Abstand der Faserenden zueinander festlegt. Es versteht sich, dass an Stelle von V-förmigen Vertiefungen auch Vertiefungen mit einer anderen, z. B. runden Geometrie verwendet werden können.
In einer alternativen Weiterbildung weist der Träger eine plane Grundfläche auf, auf der die austrittsseitigen Enden der Lichtleitfasern nebeneinander angeordnet und fixiert sind, wobei sich die Mantelflächen benachbarter Lichtleitfasern berühren. Auf diese Weise kann ein Abstand zwischen den jeweiligen Mittelpunkten der Lichtleitfasern eingestellt werden, welcher dem Durchmesser der Lichtleitfasern entspricht. Zur Fixierung können die Lichtleitfasern auf dem Träger, der z. B. in Form einer Glasplatte ausgebildet sein kann, durch Kleben oder auf andere Weise fixiert werden. Beispielsweise kann eine Klemmvorrichtung, z. B. eine rechteckige Hülse, mit den Abmaßen der nebeneinander liegenden Faserenden der Lichtleitfasern zur Fixierung verwendet werden. In diesem Fall sollte darauf geachtet werden, dass die Faserenden nicht zu stark geklemmt werden, da dies eine Verschlechterung der numerischen Apertur nach sich ziehen würde.
Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen den Mantelflächen der austrittsseitigen Enden benachbarter Lichtleitfasern weniger als 20 μm. Wird eine dichte Wellenlängenkopplung realisiert, bei der die Wellenlängendifferenz zwischen den einzelnen Diodenlaserquellen jeweils nur wenige Nanometer beträgt, ist es erforderlich, die Faserenden in Abständen voneinander anzuordnen, welche im Mikrometer-Bereich liegen. Die Abstände sollten hierbei möglichst exakt auf den Wert eingestellt werden können, der für den Aufbau der Diodenlaseranordnung optimal ist. Dies wird mittels des oben beschriebenen Trägers ohne aufwändige Justage ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform dient die Kollimationsoptik gleichzeitig als Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls mit der Mehrzahl von Wellenlängen, wodurch ein kompakter Aufbau der Diodenlaseranordnung realisiert werden kann. Der Nutzung einer Kollimationsoptik auch als Fokussieroptik wird auch als Littrow-Anordnung bezeichnet. Der Winkel, unter dem das Gitter zu den Enden der Lichtleitfasern verkippt ist, um eine solche Anwendung zu ermöglichen, wird auch als Littrow-Winkel bezeichnet. Der Littrow-Winkel ergibt sich aus der verwendeten Wellenlänge, der verwendeten Beugungsordnung sowie der Gitterkonstante des Gitters. Als Beugungsordnung wird bevorzugt die 1. Beugungsordnung gewählt, da die Beugungsverluste dort am geringsten sind. Die Gitterkonstante wird hierbei passend zum Aufbau und der Wellenlängendifferenz festgelegt. Bei einem solchen Aufbau entspricht der Winkel, unter dem jeder der Laserstrahlen auf das Gitter trifft, gerade der 1. Beugungsordnung des Gitters für die Zentralwellenlänge, d. h. dem Mittelwert der Wellenlängen der Laserstrahlen der Diodenlaserquellen, während der durch die Überlagerung entstandene Laserstrahl der –1. Beugungsordnung des Gitters entspricht.
Bei der Littrow-Anordnung sind in der Brennebene der Kollimations- und Fokussieroptik typischer Weise sowohl die Stirnseiten der austrittsseitigen Faserenden der Mehrzahl der Lichtleitfasern als auch die Stirnseite des eintrittsseitigen Endes der Auskoppelfaser angeordnet. Das eintrittsseitige Ende der Auskoppelfaser verläuft hierbei bevorzugt parallel und versetzt zu den austrittsseitigen Enden der Lichtleitfasern. Auch sollte der Abstand des eintrittsseitigen Endes der Auskoppelfaser zu einer gemeinsamen Ebene, in welcher die austrittsseitigen Enden der Mehrzahl von Lichtleitfasern verlaufen, möglichst gering sein. Dieser Abstand sollte insbesondere weniger als 10 mm betragen, um Abbildungsfehler möglichst gering zu halten.
Alternativ zur Verwendung der Kollimationsoptik auch als Fokussieroptik können beide Optiken selbstverständlich auch als räumlich getrennte Baugruppen ausgebildet sein. In diesem Fall sind die austrittsseitigen Enden der Mehrzahl von Lichtleitfasern und das eintrittsseitige Ende der Auskoppelfaser weiter voneinander beabstandet als bei der Littrow-Anordnung und typischer Weise unter einem Winkel zueinander angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Lichtleitfasern einen identischen oder kleineren Kerndurchmesser als die Auskoppelfaser auf. Bei der Abbildung der Stirnseiten der Faserenden der Lichtleitfasern auf die Stirnseite des Faserendes der Auskoppelfaser bleibt in diesem Fall die Strahlqualität erhalten und die Brillanz wird durch die Wellenlängenkopplung erhöht. Typischer Weise werden Auskoppelfasern mit einem Kerndurchmesser zwischen ca. 50 μm und ca. 200 μm verwendet, mit denen eine Leistung zwischen typischer Weise ca. 150 Watt und ca. 1,5 KWatt oder mehr transportiert werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1a, b schematische Darstellungen einer Seitenansicht und einer Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diodenlaseranordnung,
2 eine dreidimensionale Darstellung eines Details der Diodenlaseranordnung von 1a, b mit einem Träger,
3 eine Schnittansicht eines Trägers mit einer Mehrzahl von sich berührenden Lichtleitfasern, sowie
4 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diodenlaseranordnung.
1a, b zeigen eine Diodenlaseranordnung 1 in einer Seitenansicht sowie in einer Draufsicht. Die Diodenlaseranordnung 1 weist eine Mehrzahl von Diodenlaserquellen 2a, ..., 2n in Form von wellenlängenstabilisierten Diodenlasermodulen auf, welche eine entsprechende Anzahl von Laserstrahlen 3a, ..., 3n mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, ..., λ_N erzeugen, die unmittelbar in eine Mehrzahl von Lichtleitfasern 4a, ..., 4n eingekoppelt werden. Es versteht sich, dass alternativ zwischen den Diodenlaserquellen 2a, ..., 2n und den Lichtleitfasern 4a, ..., 4n eine (nicht gezeigte) Einkoppeloptik vorgesehen sein kann, z. B. in Form einer Mehrzahl von Mikrolinsen.
Die Anzahl der Diodenlaserquellen 2a, ..., 2n variiert hierbei typischer Weise zwischen drei und fünfzehn, wobei die spektrale Breite der von einer jeweiligen Diodenlaserquelle 2a, ..., 2n erzeugten Laserstrahlung um das spektrale Intensitätsmaximum typischer Weise bei ca. 0,3 nm liegt.
Der spektrale Abstand zwischen den Wellenlängen λ₁, ..., λ_N der einzelnen Diodenlaserquellen 2a, ..., 2n ist im vorliegenden Beispiel konstant und beträgt jeweils 2 nm, d. h. die Wellenlängen λ₁, ..., λ_N unterscheiden sich um jeweils 2 nm. So kann z. B. die erste Wellenlänge λ₁ in einem Wellenlängenbereich zwischen 900 nm und 1070 nm liegen, z. B. bei 930 nm, die zweite Wellenlänge λ₂ bei 930 + 2 nm, etc. Typische Werte für den spektralen Abstand liegen zwischen ca. 1 nm und ca. 4 nm. Es versteht sich, dass der spektrale Abstand zwischen den Wellenlängen λ₁, ..., λ_N der Diodenlaserquellen 2a, ..., 2n nicht zwingend konstant sein muss, sondern ggf. auch variieren kann, wobei in diesem Fall auch der Abstand der Lichtleiterkabel zueinander nicht konstant ist und entsprechend variiert werden muss.
Die von den Diodenlaserquellen 2a, ..., 2n erzeugten Laserstrahlen 3a, ..., 3n treten an der Stirnseite eines jeweiligen austrittsseitigen Endes 5a, ..., 5n der Lichtleitfasern 4a, ..., 4n aus. Die austrittsseitigen Faserenden 5a, ..., 5n sind hierbei in einer gemeinsamen Ebene (X,Z-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems) angeordnet, und zwar mit vorgegebenen Abständen d₁, ..., d_N zwischen benachbarten Lichtleitfasern 4a, ..., 4n. Die Abstände d₁, ..., d_N werden hierbei zwischen den Mittelpunkten bzw. den Mittellinien benachbarter Faserenden 5a, ..., 5n gemessen und liegen typischer Weise im Mikrometer-Bereich. Die Abstände r₁, ..., r_N zwischen den Mantelflächen benachbarter Faserenden 5a, ..., 5n der Lichtleitfasern 4a, ..., 4n betragen hierbei typischer Weise weniger als 20 μm.
Die an den Stirnseiten eines jeweiligen Faserendes 5a, ..., 5n austretenden Laserstrahlen 3a, ..., 3n treffen auf eine Kollimatoroptik, welche im vorliegenden Beispiel als einzelne Linse 6 (mit Brennweite f) ausgebildet ist, in deren Brennebene die Stirnseiten der Faserenden 5a, ..., 5n angeordnet sind. Die Ortsverteilung des Laserlichts in der Brennebene wird durch die Linse 6 in eine Winkelverteilung an einem dispersiven optischen Element in Form eines Gitters 7 umgewandelt, d. h. die Laserstrahlen 3a, ..., 3n treffen in unterschiedlichen Winkeln auf das Gitter 7 auf, welches in der Nähe einer weiteren Brennebene der Linse 6 positioniert ist.
Durch die Dispersion des Gitters 7 werden die einzelnen räumlich getrennten, in unterschiedlichen Winkeln auftreffenden Laserstrahlen 3a, ..., 3b aufgrund ihrer jeweils unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, ..., λ_N unter einem gemeinsamen Winkel vom Gitter 7 reflektiert und somit eine dichte Wellenlängenkopplung der einzelnen Laserstrahlen 3a, ..., 3n zu einem einzigen Laserstrahl 8 erreicht, welcher aufgrund der Überlagerung eine Mehrzahl von Wellenlängen λ₁, ..., λ_N aufweist. Um dies zu erreichen, muss die Gitterkonstante des Gitters 7 an die Wellenlängen λ₁, ..., λ_N der Laserstrahlen 3a, ..., 3n angepasst werden. Die Gitterkonstante hängt hierbei in erster Linie vom geforderten Auflösungsvermögen ab, d. h. von den Winkeln der eintreffenden Strahlen und der Wellenlängendifferenz. Je geringer die Wellenlängendifferenz, desto höher die Auflösung und desto geringer die Gitterkonstante. Es versteht sich, dass die Gitterkonstante fertigungstechnisch nicht beliebig klein gemacht werden kann, so dass eine geeignete Kombination aller Parameter gefunden werden muss, welche die fertigungstechnischen Grenzen berücksichtigt. Die Gitterkonstante liegt bei den vorliegenden Anwendungen typischer Weise in einem Bereich zwischen ca. 0,5 μm und 1,5 μm.
Der Laserstrahl 8 trifft auf seinem Rückweg von dem Gitter 7 auf die Linse 6, welche nun als Fokussierlinse dient. Die Linse 6 fokussiert den Laserstrahl 8 auf die Stirnseite eines eintrittsseitigen Endes 10 einer Auskoppelfaser 9. Die Lichtleitfasern 4a bis 4n und die Auskoppelfaser 9 weisen einen Faserkern und einen Fasermantel auf, wobei der Laserstrahlung in den Faserkern eingekoppelt wird. Im vorliegenden Beispiel weist die Auskoppelfaser 9 den gleichen Kerndurchmesser d_K (vgl. 3) wie die Lichtleitfasern 4a, ..., 4n auf. Das eintrittsseitige Ende 10 der Auskoppelfaser 9 verläuft hierbei parallel zu den austrittsseitigen Enden 5a, ..., 5n der Lichtleitfasern 4a, ..., 4n, wobei die Stirnseite der Auskoppelfaser 9 ebenfalls in der Brennebene der Linse 6 angeordnet ist. Die Auskoppelfaser 9 weist hierbei einen in 1b dargestellten Abstand S zu den austrittsseitigen Enden 5a, ..., 5n der Lichtleitfasern 4a, 4n auf, welcher im vorliegenden Beispiel bei ca. 3 mm liegt und typischer Weise nicht größer als ca. 5 mm bzw. 10 mm sein sollte, um Abbildungsfehler möglichst gering zu halten.
Da der Kerndurchmesser der Auskoppelfaser 9 (Empfängerfaser) mit dem Kerndurchmesser d_K der Lichtleitfasern 4a, ..., 4n (Sendefasern) übereinstimmt, bleibt die Strahlqualität bei der Abbildung erhalten und die Brillanz wird durch die Wellenlängenkopplung erhöht. Es versteht sich, dass zu diesem Zweck der Kerndurchmesser d_K der Lichtleitfasern 4a, ..., 4n auch kleiner gewählt werden kann als der Kerndurchmesser der Auskoppelfaser 9. Bei einem Kerndurchmesser der Auskoppelfaser 9 von ca. 100 μm kann mit der Diodenlaseranordnung 1 eine Ausgangs-Leistung von ca. 1,5 kW erreicht werden. Typische Kerndurchmesser der Auskoppelfaser 9 liegen zwischen ca. 50 μm und 200 μm, typische Ausgangs-Leistungen der einzelnen Diodenlaserquellen 2a, ..., 2n liegen zwischen ca. 50 und 500 Watt.
Bei dem in 1a, b gezeigten Aufbau wird die Linse 6 für die Mehrzahl von Laserstrahlen 3a, ..., 3n als gemeinsame Kollimationsoptik verwendet und dient gleichzeitig zur Fokussierung des von dem Gitter 7 erzeugten Laserstrahls B. Bei dieser so genannten Littrow-Anordnung entspricht ein Winkel α, welchen das Gitter 7 mit der X-Richtung einschließt, entlang derer die Lichtleitfasern 4a, ..., 4n verlaufen, dem so genannten Littrow-Winkel. Dieser ist so gewählt, dass ein Winkel, unter dem ein jeweiliger Laserstrahl 3a, ..., 3n auf das Gitter 7 trifft, gerade der 1. Beugungsordnung des Gitters 7 für die Zentralwellenlänge entspricht, d. h. für den Mittelwert der jeweiligen Wellenlängen λ₁, ..., λ_N, wobei der durch die Überlagerung entstandene Laserstrahl 8 der –1. Beugungsordnung des Gitters 7 entspricht. Der Littrow-Winkel α liegt bei den vorliegenden Anwendungen typischer Weise zwischen ca. 20° und ca. 50°. Es versteht sich, dass an Stelle der einzelnen Linse 6 auch eine Kombination aus mehreren hintereinander angeordneten optischen Elementen, z. B. aus mehreren Linsen, als Kollimator- bzw. als Fokussieroptik dienen kann.
Wie oben beschrieben werden die austrittsseitigen Enden 5a bis 5n der Lichtleitfasern 4a bis 4n in vorgegebenen Abständen d₁, ..., d_N voneinander positioniert, welche unter anderem von den Wellenlängen λ₁, ..., λ_N der jeweiligen Laserstrahlen 3a, ..., 3n der der Diodenlaserquellen 2a, ..., 2n abhängen. Um den jeweiligen räumlichen Abstand d₁, ..., d_N, welcher bei der hier vorliegenden dichten Wellenlängenkopplung im Mikrometer-Bereich liegt, reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit festlegen zu können, weist die Diodenlaseranordnung 1 einen in 2 dargestellten Träger 11 in Form einer Metallplatte auf, an deren Oberseite V-förmige, parallele und in vorgegebenen Abständen d₁, ..., d_N voneinander angeordnete Vertiefungen 12 vorgesehen sind, die der Aufnahme eines jeweiligen austrittsseitigen Endes 5a bis 5n einer jeweiligen Lichtleitfaser 4a, ..., 4n dienen, von denen in 2 zur Vereinfachung nur die Fasersenden 5a, ..., 5n dargestellt sind. Ein solcher auch als V-Grubenarray bezeichneter Träger 11 ermöglicht eine einfache und reproduzierbare Fixierung und Ausrichtung der einzelnen Faserenden 5a, ..., 5n parallel zueinander und in einem definierten Abstand d1, ..., d_N voneinander.
Eine alternative Möglichkeit zur Realisierung eines Trägers 11, welcher die reproduzierbare Erzeugung von vorgegebenen Abständen d₁, ..., d_N zwischen den Lichtleitfasern 4a, ..., 4n bzw. von deren Faserenden 5a, ..., 5n ermöglicht, ist in 3 dargestellt. Der Träger 11 besteht in diesem Fall aus einem plattenförmigen Körper, z. B. aus Glas, mit einer planen Grundfläche 13, auf der die Lichtleitfasern 3a, ..., 3n fixiert sind, wobei sich die Mantelflächen 14 benachbarter Faserenden 5a, ..., 5n berühren, so dass ein für alle Lichtleitfasern 3a, ..., 3n identischer Abstand d erzeugt wird, welcher dem Durchmesser d der jeweiligen Lichtleitfaser 3a, ..., 3n entspricht.
4 zeigt schließlich eine Diodenlaseranordnung 1 (so genannter „Conical Mount”), welche sich von der in 1a, b und 2 gezeigten Anordnung dadurch unterscheidet, dass für Hin- und Rückweg zwei räumlich separierte Linsen 6, 15 als Kollimationsoptik und als Fokussieroptik vorgesehen sind. Es versteht sich, dass an Stelle der jeweiligen Linsen 6, 15 auch mehrere hintereinander angeordnete Linsen als Kollimationsoptik bzw. als Fokussieroptik vorgesehen werden können.
Bei dem in 4 gezeigten Aufbau ist der Empfänger (Auskoppelfaser 9) weiter von den Lichtleitfasern 3a, ..., 3n entfernt als bei dem in 1a, b gezeigten Aufbau, d. h. der in 4 gezeigte Aufbau ist weniger kompakt. Zudem entstehen durch den im Vergleich zu 1b zusätzlich benötigten Umlenk-Winkel β am Gitter 7 Abbildungsfehler, welche typischer Weise durch (nicht gezeigte) zusätzliche optische Elemente korrigiert werden müssen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6791751 B2 [0004]
WO 2006/116477 A2 [0006]
US 2010/0110556 A1 [0006]
US 6697192 B1 [0007]

Claims

Diodenlaseranordnung (1), umfassend: eine Mehrzahl von Diodenlaserquellen (2a bis 2n) zur Erzeugung einer Mehrzahl von Laserstrahlen (3a bis 3n) mit unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, ..., λ_N), eine Mehrzahl von Lichtleitfasern (4a bis 4n) zur Führung eines jeweiligen Laserstrahls (3a bis 3n) einer Diodenlaserquelle (2a bis 2n), wobei austrittsseitige Enden (5a bis 5n) der Lichtleitfasern (4a bis 4n) parallel und in vorgegebenen Abständen (d₁ bis d_N) zueinander angeordnet sind, eine Kollimationsoptik (6) zur Kollimation der aus den Enden (5a bis 5n) der Lichtleitfasern (4a bis 4n) austretenden Mehrzahl von Laserstrahlen (3a bis 3n), eine dispersive optische Einrichtung (7) zur Beugung der Mehrzahl der kollimierten Laserstrahlen (3a bis 3n) zur Erzeugung eines einzigen Laserstrahls (8) mit einer Mehrzahl von Wellenlängen (λ₁, ..., λ_N), sowie eine Fokussieroptik (6, 15) zur Fokussierung des von der dispersiven optischen Einrichtung (7) erzeugten Laserstrahls (8) auf ein eintrittsseitiges Ende (10) einer Auskoppelfaser (9).
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen gemeinsamen Träger (11) zum parallelen Ausrichten der austrittsseitigen Enden (5a bis 5n) der Lichtleitfasern (4a bis 4n) in vorgegebenen Abständen (d₁, ..., d_N) voneinander.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 2, bei welcher der Träger (11) eine Mehrzahl von parallelen, insbesondere V-förmigen Vertiefungen (12) zur Aufnahme eines jeweiligen austrittsseitigen Endes (5a bis 5n) einer Lichtleitfaser (4a bis 4n) aufweist.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 2, bei welcher der Träger (11) eine plane Grundfläche (13) aufweist, auf der die austrittsseitigen Enden (5a bis 5n) der Lichtleitfasern (4a bis 4n) nebeneinander angeordnet und fixiert sind, wobei sich die Mantelflächen (14) benachbarter Lichtleitfasern (4a bis 4n) berühren.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein jeweiliger Abstand (r₁, ..., r_N) zwischen den Mantelflächen der austrittsseitigen Enden (5a bis 5n) benachbarter Lichtleitfasern (4a bis 4n) weniger als 20 μm beträgt.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Kollimationsoptik (6) gleichzeitig als Fokussieroptik (6) zur Fokussierung des Laserstrahls (8) mit der Mehrzahl von Wellenlängen (λ₁, ..., λ_N) dient.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 6, bei welcher das eintrittsseitige Ende (10) der Auskoppelfaser (9) parallel und versetzt zu den austrittsseitigen Enden (5a bis 5n) der Lichtleitfasern (4a bis 4n) angeordnet ist.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 7, bei welcher das eintrittsseitige Ende (10) der Auskoppelfaser (9) zu einer gemeinsamen Ebene (X, Z), in welcher die austrittsseitigen Enden (5a bis 5n) der Mehrzahl von Lichtleitfasern (4a bis 4n) angeordnet sind, einen Abstand (S) von weniger als 10 mm aufweist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Lichtleitfasern (4a bis 4n) einen identischen oder kleineren Kerndurchmesser (d_K) als die Auskoppelfaser (9) aufweisen.