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Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einer Mehrzahl von Laserdioden, deren Einzel-Ausgabestrahlen zu einem Gesamt-Ausgabestrahl überlagert werden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überlagerung von Einzel-Ausgabestrahlen mehrerer Laserdioden zu einem Gesamt-Ausgabestrahl.
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Für viele Anwendungen wird hochintensive Laserstrahlung benötigt. Hierzu gehören beispielsweise Showlaser-Anwendungen oder Laser-TV, aber auch Anwendungen wie die Materialbearbeitung oder die Messtechnik. Zur Überlagerung der Einzel-Ausgabestrahlen zu einem Gesamt-Ausgabestrahl, um die Leistungen einzelner Laserdioden zu vereinigen, sind verschiedene Techniken bekannt. Hierzu gehören beispielsweise polarisationsoptische oder räumliche Einkoppeltechniken. Ein Beispiel hierfür gibt die
EP 2 043 211 A2 . Aus der
US 2006/0221336 A1 ist eine Lichtquelle zur Untersuchung biologischer Proben bekannt, bei der die Ausgaben von Laserdioden mit Hilfe einer Dispersionskomponente zu einem Gesamt-Ausgabestrahl zusammengeführt werden können. Die
DE 43 36 058 A1 beschreibt einen Mehrwellenlängen-Laser. Die
US 3,970,963 beschreibt eine Wellenleiter-Laseranordnung zur Erzeugung und zum Zusammenführen einer Mehrzahl von Laserstrahlen. Die
DE 100 42 022 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Temperatur eines Laseraktivenbereichs einer Halbleiterlaserdiode. Die
DE 102 44 700 A1 beschreibt einen Arbeitspunktstabilisator einer Laser-Aussendeeinrichtung.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Überlagerung der Einzel-Ausgabestrahlen zum Gesamt-Ausgabestrahl mit möglichst geringem Lichtverlust und mit geringem Verlust an Bündelqualität erreicht wird.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Laservorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Die Dispersions-Zusammenführkomponente nutzt die Dispersion des Komponentenmaterials, also z. B. die Abhängigkeit des Brechungsindex des Komponentenmaterials von der das Material durchstrahlenden Wellenlänge. Bei der Dispersions-Zusammenführkomponente kann es sich um einen Festkörper, um eine Flüssigkeit oder um ein Gas handeln. Soweit eine Flüssigkeit oder ein Gas als Dispersions-Zusammenführkomponente zum Einsatz kommen, können diese in einem transparenten Behälter enthalten sein. Die Laservorrichtung weist mindestens zwei Laserdioden auf. Alternativ können auch mehr als zwei Laserdioden, beispielsweise drei, vier, fünf oder noch mehr Laserdioden, z. B. zehn oder zwanzig oder noch mehr Laserdioden zum Einsatz kommen. Die Laserdioden können eine Emissionswellenlänge im sichtbaren Bereich (VIS) oder im nahen infraroten Bereich (NIR) haben. Auch Wellenlängen in anderen Wellenlängenbereichen sind prinzipiell möglich. Die Laserdioden können im cw-Betrieb laufen. Bei der Laservorrichtung können auch mehrere hintereinander geschaltete Dispersions-Einzelkomponenten zum Einsatz kommen. Die Temperatur-Regeleinrichtungen dienen dazu, die Emission der jeweiligen Laserdiode auf eine Soll-Wellenlänge zu stabilisieren.
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Ein Prisma nach Anspruch 2 kann als 90deg Dreiecks-Prisma ausgeführt sein. Alternativ kann das Prisma als gleichseitiges Dreiecks-Prisma ausgeführt sein. Die Dispersions-Zusammenführkomponente kann mehrere Prismen im Strahlengang der Einzel-Ausgabestrahlen hintereinander aufweisen. Zumindest eine Teilkomponente der Dispersions-Zusammenführkomponente kann als Gitter, beispielsweise als Reflexions- oder als Transmissionsgitter, ausgeführt sein. Als Prisma nach Anspruch 2 kann ein Geradsichtprisma zum Einsatz kommen. Das Geradsichtprisma kann aus drei zusammengesetzten Prismen aufgebaut sein. Auch ein Aufbau aus einer größeren, ungeraden Anzahl von Prismen ist möglich. Die Prismen des Geradsichtprismas können alternierend aus Kronglas und aus Flintglas bestehen.
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Eine Wegverlängerungs-Einrichtung nach Anspruch 3 ermöglicht es, die verschiedenen Laserdioden in ausreichendem Abstand auch dann zueinander anzuordnen, wenn lediglich geringe Unterschiede in den Einfallswinkeln auf die Dispersions-Zusammenführkomponente zum Zusammenführen in den Gesamt-Ausgabestrahl toleriert werden können.
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Eine Wegverlängerungs-Einrichtung nach Anspruch 4 ist kostengünstig realisierbar. Die Wegverlängerungs-Einrichtung kann auch mehrere Paare parallel zueinander angeordneter Spiegel aufweisen. Aufgrund der parallel zueinander angeordneten Spiegel bleiben die grundsätzlichen Emissionsrichtungen der Einzel-Ausgabestrahlen jeweils nach einer geradzahligen Anzahl von Reflexionen an den Spiegeln der Wegverlängerungs-Einrichtung erhalten. Dies ist insbesondere für Justagezwecke von Vorteil.
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Eine Ausführung der Temperatur-Regeleinrichtungen nach Anspruch 5 ist für typische Abhängigkeiten zwischen der Temperatur des Lasermaterials und dessen Wellenlänge sowie einer typischen Dispersion der Dispersions-Zusammenführkomponente ausreichend. Es kann eine Mehrzahl von Laserdioden auf jeweils unterschiedliche Ist-Temperaturen geregelt werden, ohne dass die Gesamtspreizung übermäßig groß wird. Auch größere Unterschiede als 3 K, beispielsweise 5 K, 10 K oder noch größere Unterschiede können je nach den Anforderungen an die zu erreichenden Wellenlängenunterschiede innerhalb der Laservorrichtung zum Zusammenführen in den Gesamt-Ausgabestrahl vorliegen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Überlagern von Einzel-Ausgabestrahlen mehrerer Laserdioden zu einem Gesamt-Ausgabestrahl anzugeben.
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Diese weitere Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 6 angegebenen Merkmalen.
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Dieses Verfahren ist ohne größeren Aufwand durchführbar und reproduzierbar. Bei Bedarf können die Verfahrensschritte "Ausrichten" und "Temperaturstabilisieren" iterativ durchgeführt werden. Nach dem Temperaturstabilisieren kann ein Feinausricht-Schritt stattfinden, um zu gewährleisten, dass die Einzel-Ausgabestrahlen die Dispersions-Zusammenführkomponente am gleichen Punkt verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung.
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Die Laservorrichtung 1 hat eine Mehrzahl von Laserdioden 2, 3 und 4, deren jeweilige Einzel-Ausgabestrahlen 5, 6, 7 zu einem Gesamt-Ausgabestrahl 8 überlagert werden.
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Bei den Laserdioden 2 bis 4 handelt es sich um Halbleiter-Laserdioden auf Basis von Aluminiumgalliumarsenid. Alternativ können die Laserdioden auch auf Basis eines anderen Halbleitermaterials ausgeführt sein, beispielsweise auf Basis Galliumarsenid, Galliumarsenidphosphid, Aluminiumgalliumindiumphosphid, Galliumphosphid, Indiumgalliumnitrid, Galliumnitrid, Aluminiumgalliumphosphid, Zinkoxid, Zinkselenid oder Siliziumkarbid.
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Die Laserdioden 2 bis 4 laufen im cw(continuous wave)-Betrieb.
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Über jeweilige Signalleitungen 9 sind die Laserdioden 2 bis 4 jeweils mit einer eigenen Temperatur-Regeleinrichtung 10 verbunden. Jede der Temperatur-Regeleinrichtungen 10 regelt eine Ist-Temperatur der jeweiligen Laserdiode 2 bis 4 auf eine individuelle Soll-Temperatur. Die individuellen Soll-Temperaturen können über eine in der Zeichnung nicht dargestellte, zentrale Vorgabeeinrichtung vorgegeben werden, die mit den Temperatur-Regeleinrichtungen 10 in Signalverbindung steht.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel regelt eine erste der Temperatur-Regeleinrichtungen 10 die Laserdiode 2 auf eine Temperatur von 35° C. Es resultiert eine Emissionswellenlänge des Einzel-Ausgabestrahls 5 der Laserdiode 2 von 643 nm. Die zweite der Temperatur-Einrichtungen 10 regelt die Ist-Temperatur der Laserdiode 3 auf eine Soll-Temperatur von 25° C. Es resultiert eine Emissionswellenlänge des Einzel-Ausgabestrahls 6 von 640 nm. Die dritte der Temperatur-Regeleinrichtungen 10 regelt eine Ist-Temperatur der dritten Laserdiode 4 auf eine Soll-Temperatur von 15° C. Es resultiert eine Emissionswellenlänge des Einzel-Ausgabestrahls 7 von 637 nm.
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Bei alternativen Ausführungen haben die Laserdioden 2 bis 4 andere Wellenlängen im Bereich der visuellen optischen Wellenlängen VIS oder dem Nahinfrarot NIR.
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Bei der dargestellten Ausführung der Laservorrichtung 1 werden die Einzel-Ausgabestrahlen von drei Laserdioden 2 bis 4 zum Gesamt-Ausgabestrahl 8 überlagert. Auch eine andere Anzahl von Laserdioden kann bei alternativen Gestaltungen der Laservorrichtung 1 zum Einsatz kommen, beispielsweise zwei Laserdioden, vier Laserdioden, fünf Laserdioden oder noch mehr Laserdioden, z. B. zehn oder zwanzig Laserdioden.
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Zur Laservorrichtung 1 gehört eine refraktiv genutzte Dispersions-Zusammenführkomponente 11 in Form eines Prismas, das so angeordnet ist, dass die Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 unter Einfallswinkeln α1, α2, α3, die voneinander verschieden und ungleich 90° sind, an einer Einfalls-Seitenfläche 12 des Prismas 11 gebrochen werden. Soweit die Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 linear polarisiert sind, liegen die Einfallswinkel α1 bis α3 bevorzugt im Bereich des Brewster-Winkels. Es gilt α1 < α2 < α3.
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Die Emissionswellenlängen der Einzel-Ausgabestrahlen
5 bis
7 und die Einfallswinkel α
1 bis α
3 sind so aufeinander abgestimmt, dass aufgrund der Dispersion des Materials des Prismas
11 die Einzel-Ausgabestrahlen
5 bis
7 im Prisma
11 individuell so gebrochen werden, dass sie zum gemeinsamen Gesamt-Ausgabestrahl
8 zusammengeführt werden. Prinzipiell ist eine solche Wirkung eines Prismas zum Zusammenführen von Strahlen verschiedener Wellenlängen bekannt aus der
DE 10 2004 053 137 A1 .
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Das Prisma ist aus optischem Glas, beispielsweise aus einem Borkronglas oder einem Schwerflintglas. Auch andere Prismenmaterialien mit ausreichend hoher Dispersion sind möglich, beispielsweise Quarzglas oder ein anderes optisch transparentes Material.
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Das Prisma 11 lenkt also die Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 abhängig von deren Emissionswellenlänge unterschiedlich ab und führt diese zum Gesamt-Ausgabestrahl 8 zusammen.
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Beim Prisma 11 handelt es sich um ein 90deg-Dreiecks-Prisma mit einer Grundfläche in Form eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks. Auch andere Prismenformen sind möglich, beispielsweise ein gleichseitiges Dreiecks-Prisma. Als Dispersions-Zusammenführkomponente 11 können auch mehrere im Strahlengang der Einzel-Ausgangsstrahlen 5 bis 7 hintereinander angeordnete Prismen zum Einsatz kommen.
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Im Strahlengang der Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 zwischen den Laserdioden 2 bis 4 und der Dispersions-Zusammenführkomponente 11 ist eine Wegverlängerungs-Einrichtung 13 mit zwei Spiegeln 14, 15 angeordnet. Die Wegverlängerungs-Einrichtung 13 erzeugt einen optischen Weg zwischen den Laserdioden 2 bis 4 und der Dispersions-Zusammenführkomponente 11. Die beiden Spiegel 14, 15 sind parallel zueinander mit einander zugewandten Reflexionsflächen 16 angeordnet.
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Die beiden Spiegel 14, 15 sind für die Emissionswellenlängen der Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 hoch reflektiv. Zwischen den Spiegeln 14, 15 werden die Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 mehrfach, im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt viermal, hin- und herreflektiert. Auch eine größere Anzahl von Reflexionen an den Spiegeln 14, 15 zur Wegverlängerung innerhalb der Wegverlängerungs-Einrichtung 13 ist möglich.
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Die Temperatur-Regeleinrichtungen 10 sind so ausgeführt, dass sie Soll-Temperaturen vorgeben, die sich voneinander um 10 K unterscheiden. Alternativ können auch andere, voneinander unterschiedliche Soll-Temperaturen vorgegeben werden, die sich voneinander jeweils um mindestens 3 K und insbesondere um mindestens 5 K unterscheiden.
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Zur Überlagerung der Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 der Laserdioden 2 bis 4 zum Gesamt-Ausgabestrahl 8 werden die Laserdioden 2 bis 4 zunächst relativ zur Dispersions-Zusammenführkomponente 11 so ausgerichtet, dass die Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 auf die Dispersions-Zusammenführkomponente 11 unter den verschiedenen Einfallswinkeln α1 bis α3 einfallen. Anschließend werden die Ist-Temperaturen der einzelnen Laserdioden 2 bis 4 jeweils auf eine Soll-Temperatur derart temperaturstabilisiert, dass zugehörig zu jedem Einfallswinkel α1 bis α3 eine Emissionswellenlänge der jeweiligen Laserdiode 2 bis 4 resultiert, die zum gleichen Ausfallswinkel der Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 aus der Dispersions-Zusammenführkomponente 11 führt. Durch Feinausrichten der Laserdioden 2 bis 4 wird dann noch erreicht, dass die Einzel-Ausgabestrahlen 5 bis 7 die Dispersions-Zusammenführkomponente 11 am gleichen Punkt verlassen. Gegebenenfalls werden die Verfahrensschritte Ausrichten, Temperaturstabilisieren und Feinausrichten iterativ durchgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2043211 A2 [0002]
- US 2006/0221336 A1 [0002]
- DE 4336058 A1 [0002]
- US 3970963 [0002]
- DE 10042022 A1 [0002]
- DE 10244700 A1 [0002]
- DE 102004053137 A1 [0022]
