DE102011003142A1 - Diode laser arrangement has dispersive optical device that diffracts laser beams collimated by collimator lens, and focusing device focuses laser beam on entry-side end of fiber - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diodenlaseranordnung mit einer Mehrzahl von Diodenlaserquellen.The present invention relates to a diode laser array having a plurality of diode laser sources.
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.Diode laser sources are characterized by high efficiency and can be provided in particular in a compact design. Due to the poorer beam quality compared to solid state lasers, the potential for the direct application of diode lasers has been limited. Due to the enormous power development in the semiconductor sector, however, diode laser sources are now available, the lamp-pumped solid-state lasers with simultaneously improved. Completely replace efficiency.
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.The core task for the further development of diode laser sources is to increase the brilliance. Known techniques for increasing the brilliance of diode lasers are polarization coupling and wavelength coupling with dichroic mirrors. However, these techniques have limited physical limits in terms of power scaling in the multi-kW range.
Aus der
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.Another possibility for increasing the brilliance is the so-called wavelength coupling. In this case, laser radiation from diode laser sources of different wavelengths is superimposed by means of dichroic mirrors. Dichroic mirrors reflect only radiation at a given, predetermined wavelength, but are transparent to radiation of other wavelengths. However, dichroic mirrors as wavelength-coupling elements must cover a broad spectral range (typically 30-40 nm) due to the natural spectral width of the radiation of a single diode laser source and the wavelength increase as it increases the operating temperature (chirp) of the laser diodes. Therefore, also in this case, the number of combinable diode laser sources is limited.
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
Die
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diodenlaseranordnung bereitzustellen, welche die Erzeugung eines Laserstrahls mit hoher Brillanz ermöglicht.It is the object of the present invention to provide a diode laser arrangement which enables the generation of a laser beam with high brilliance.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
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.This object is achieved by a diode laser array, comprising: a plurality of diode laser sources for generating a plurality of laser beams having different wavelengths, a plurality of optical fibers for guiding a respective laser beam of a diode laser source, wherein exit ends of the optical fibers are arranged parallel to each other and at predetermined intervals a collimating optics for collimating the plurality of laser beams emerging from the ends of the optical fibers, a dispersive optical device for diffracting the plurality of collimated laser beams to produce a single laser beam having a plurality of wavelengths, and focusing optics for focusing the beam generated by the dispersive optical device Laser beam on an inlet end of a 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.In such a diode laser arrangement can be realized by the dense wavelength coupling on the dispersive optical element, a compact and reliable design, which makes it possible to produce reproducible high laser performance with good beam quality and brilliance without great adjustment effort. As dispersive optical Element typically serves as a grid, but it may be possible to use other dispersive optical elements for superimposing the laser beams. It is understood that the properties of the grating - in particular the lattice constant and thus dispersion - must be adapted to the diode laser arrangement or to the wavelengths used must.
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.In order to realize the wavelength coupling, diode laser sources are used in the diode laser arrangement which generate laser radiation with a small spectral width (for example of approximately 0.3 nm). In this way, an accurate, predetermined wavelength difference between the individual diode laser sources can be generated, which is typically between about 1 nm and about 4 nm. The number of diode laser sources may be more than ten, or even more than fifteen, in such a structure.
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.In a dense wavelength coupling, it is important that the exit-side ends of the optical fibers are accurately and reproducibly arranged or aligned. In one embodiment, the diode laser arrangement for this purpose has a common carrier for parallel alignment of the exit ends of the optical fibers at predetermined distances from each other.
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.The provision of a common support for the exit-side ends of the optical fibers allows a reproducible, parallel alignment of the optical fibers, so that the end faces of the exit-side fiber ends can be arranged in a common plane, the z. B. can correspond to the focal plane of the collimating optics. By the common carrier, in particular, the distances of the optical fibers to each other can be set reproducible.
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 a further development, the common carrier has a plurality of parallel, in particular V-shaped recesses for receiving a respective exit-side end of an optical fiber. With the help of the recesses, the optical fibers can be guided parallel to each other, wherein the distance of adjacent recesses determines the distance between the fiber ends to each other. It is understood that instead of V-shaped depressions and wells with another, z. B. round geometry can be used.
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.In an alternative development, the carrier has a flat base surface on which the outlet-side ends of the optical fibers are arranged and fixed next to one another, wherein the lateral surfaces of adjacent optical fibers touch. In this way, a distance between the respective centers of the optical fibers can be set, which corresponds to the diameter of the optical fibers. For fixing the optical fibers on the carrier, the z. B. may be in the form of a glass plate, fixed by gluing or otherwise. For example, a clamping device, for. As a rectangular sleeve, with the dimensions of the juxtaposed fiber ends of the optical fibers are used for fixing. In this case, care should be taken not to clamp the fiber ends too much as this would cause a deterioration of the numerical aperture.
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 a further embodiment, a distance between the lateral surfaces of the outlet ends of adjacent optical fibers is less than 20 microns. If a dense wavelength coupling is realized in which the wavelength difference between the individual diode laser sources is only a few nanometers, it is necessary to arrange the fiber ends at intervals which are in the micrometer range. The distances should be set as exactly as possible to the value that is optimal for the construction of the diode laser array. This is made possible by means of the carrier described above without complex adjustment.
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.In a further embodiment, the collimating optics simultaneously serve as focusing optics for focusing the laser beam with the plurality of wavelengths, whereby a compact construction of the diode laser arrangement can be realized. The use of a collimating optics as a focusing optics is also referred to as a Littrow arrangement. The angle at which the grating is tilted to the ends of the optical fibers to allow such an application is also referred to as the Littrow angle. The Littrow angle results from the wavelength used, the diffraction order used and the lattice constant of the lattice. As a diffraction order, preferably the 1st diffraction order is chosen, since the diffraction losses are lowest there. The lattice constant is determined to match the structure and the wavelength difference. In such a construction, the angle at which each of the laser beams strikes the grating corresponds to the first diffraction order of the central wavelength grating, i. H. the mean value of the wavelengths of the laser beams of the diode laser sources, while the laser beam produced by the superimposition of the -1. Diffraction order of the grid corresponds.
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.In the Littrow arrangement, both the end faces of the exit-side fiber ends of the plurality of optical fibers and the front side of the entry-side end of the coupling-out fiber are typically arranged in the focal plane of the collimation and focusing optics. The entrance side In this case, the end of the coupling-out fiber preferably runs parallel and offset relative to the outlet-side ends of the optical fibers. Also, the distance of the inlet end of the Auskoppelfaser should be as small as possible to a common plane in which the exit-side ends of the plurality of optical fibers. In particular, this distance should be less than 10 mm in order to minimize aberrations as far as possible.
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.As an alternative to using the collimating optics as focusing optics, both optics can of course also be designed as physically separate assemblies. In this case, the exit-side ends of the plurality of optical fibers and the entrance-side end of the decoupling fiber are spaced further apart from each other than in the Littrow arrangement, and typically at an angle to each other.
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.In a further embodiment, the optical fibers have an identical or smaller core diameter than the coupling-out fiber. When imaging the end faces of the fiber ends of the optical fibers on the front side of the fiber end of the coupling fiber in this case, the beam quality is maintained and the brilliance is increased by the wavelength coupling. Typically, Auskoppelfasern be used with a core diameter between about 50 microns and about 200 microns, with which a power between typically about 150 watts and about 1.5 KWatt or more can be transported.
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.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, the features mentioned above and the features listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen:Show it:
Die Anzahl der Diodenlaserquellen
Der spektrale Abstand zwischen den Wellenlängen λ1, ..., λN der einzelnen Diodenlaserquellen
Die von den Diodenlaserquellen
Die an den Stirnseiten eines jeweiligen Faserendes
Durch die Dispersion des Gitters
Der Laserstrahl
Da der Kerndurchmesser der Auskoppelfaser
Bei dem in
Wie oben beschrieben werden die austrittsseitigen Enden
Eine alternative Möglichkeit zur Realisierung eines Trägers
Bei dem in
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