-
Die Erfindung betrifft einen Diodenlaser zum Erzeugen eines energiereichen Laserstrahls mittels Laserdioden sowie eine Laserbearbeitungsvorrichtung und eine Laserbehandlungsvorrichtung mit einem solchen Diodenlaser.
-
Ein Diodenlaser ist ein Halbleiterlaser, der eine oder mehrere Laserdioden aufweist. Da Einzeldioden lediglich geringe Lichtleistungen abgeben können, werden zum Erhöhen der Gesamtleistung in der Regel mehrere Einzeldioden bzw. Einzelemitter unter Ausbildung eines Laserdioden-Barrens oder Laserdioden-Stapels nebeneinander angeordnet und sowohl elektrisch als auch optisch miteinander gekoppelt. Jeder der Einzelemitter erzeugt einen Teilstrahl, der in einer ersten Richtung (der sog. „Fast Axis“) eine andere Strahlcharakteristik aufweist als in einer zweiten Richtung (der sog. „Slow Axis“). Die Teilstrahlen werden, entweder separat oder gemeinsam, zunächst einer Kollimation hinsichtlich der Fast Axis (sog. Fast-Axis-Kollimation bzw. FAC, englisch für „fast axis collimation“) unterzogen und danach einer Kollimation hinsichtlich der Slow Axis (sog. Slow-Axis-Kollimation bzw. SAC, englisch für „slow axis collimation“). Der von einem Laserdioden-Barren abgegebene Laserstrahl setzt sich somit aus mehreren Teilstrahlen zusammen.
-
Im Folgenden werden aufgrund von deren Gebräuchlichkeit auf dem Gebiet der Diodenlaser die aus dem Englischen stammenden Begriffe Fast Axis und Slow Axis verwendet und nicht deren deutsche Übersetzung als „schnelle Achse“ bzw. „langsame Achse“. Das Strahlparameterprodukt (SPP) als Produkt aus Abstrahlwinkel und Abstrahlradius, das in der Einheit mm·mrad angegeben wird, ist für Laserdioden bezüglich der Fast Axis und der Slow Axis unterschiedlich; wobei das Strahlparameterprodukt bezüglich der Fast Axis typischerweise um ca. eine Größenordnung kleiner ist als bezüglich der Slow Axis. Viele Laserstrahl-Anwendungen oder auch die häufig eingesetzten Lichtleitfasern erfordern jedoch ein symmetrisches SPP. Um mittels Laserdioden einen Lichtstrahl mit einem symmetrischen SPP zu erzeugen, können z. B. mehrere Laserdioden entlang einer gemeinsamen Fast Axis gestapelt werden. Laserdioden aus Einzelemittern bzw. Multiemittern (mit typisch 50 Emittern pro Diode) erreichen zurzeit maximal Leistungen von kleiner als 12 bzw. 250 Watt.
-
Um die Lichtleistung mehrerer Laserdioden-Stapel unter Beibehaltung des SPP eines Stapels zu einer höheren Gesamtleistung von z. B. mehreren kW zu addieren, können Wellenlängenkopplung, Polarisationskopplung oder Phasenkopplung eingesetzt werden. Bei der Wellenlängenkopplung werden die von mehreren Laserdioden bzw. Laserdioden-Stapeln erzeugten Teilstrahlen räumlich überlagert, wobei diese Teilstrahlen jedoch keine definierte Kohärenzbeziehung zueinander aufweisen. Eine Leistungssteigerung mittels Überlagerung von Teilstrahlen kann in diesem Fall z. B. mittels Wellenlängenkopplung erzielt werden, indem die einzelnen Teilstrahlen sich hinsichtlich ihrer Wellenlänge derart stark unterscheiden, dass sie mittels wellenlängensensitiver Strahlführungsoptiken (z. B. Kantenfilter) räumlich zu einem Hauptstrahl überlagert werden können; wobei mit herkömmlichen Anordnungen die Wellenlängenabstände zwischen zwei spektral benachbarten Teilstrahlen größer als 10 nm sind. Als Beispiel beschreibt die
WO 2006/021298 A1 einen Diodenlaser mit einer entsprechenden optischen Einrichtung zur Erhöhung der Laserstrahldichte.
-
Durch die Erfindung wird ein kompakt ausführbarer Diodenlaser bereitgestellt, mittels dessen ein Laserstrahl mit einer hohen optischen Leistung, einer hohen Brillanz und einer geringen Strahldivergenz erzeugbar ist. Die Brillanz charakterisiert die Lichtleistung pro Emitterfläche und Raumwinkel. Des Weiteren werden eine Laserbearbeitungsvorrichtung und eine Laserbehandlungsvorrichtung mit einem solchen Diodenlaser bereitgestellt. Mittels der Erfindung lassen sich Anwendungen für Diodenlaser realisieren, die bisher aufgrund mangelnder Brillanz nicht realisierbar waren; so z. B. auf dem Gebiet der Materialbearbeitung durch Fügen, Schneiden, Formen sowie Auftragen von Metallen mittels Laserstrahls; oder z. B. der Einsatz von Laserdioden in den Wellenlängenbereichen mit hoher Absorption durch Wasser (z. B. 1470 ± 40 nm oder 1940 ± 40 nm), die sehr wichtig für die Laserchirurgie sind, in denen jedoch bisher lediglich zu geringe Leistungsdichten realisierbar sind.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Diodenlaser bereitgestellt. Der Diodenlaser weist mindestens eine (d. h. eine oder mehrere) treppenförmige Wärmesenken auf, wobei jede treppenförmige Wärmesenke mehrere entlang einer Stapelrichtung zueinander höhenversetzte, stufenartig angeordnete Plateaus aufweist. Der Diodenlaser weist zudem mehrere gleichartige bzw. zueinander identische Laserdioden auf, die auf unterschiedlichen Plateaus der Wärmesenke bzw. der Wärmesenken im thermischen Kontakt zu der jeweiligen Wärmesenke angeordnet sind; wobei z. B. vorgesehen sein kann, dass auf jedem Plateau jeder treppenförmigen Wärmesenke genau eine Laserdiode angeordnet ist.
-
Jede der Laserdioden weist lediglich einen einzigen Emitter auf, d. h. ist als Einzelemitter-Laserdiode ausgeführt. Im Betrieb wird von jeder der Laserdioden ein Lichtstrahl emittiert, wobei jeder der Lichtstrahlen eine Fast-Axis-Richtung und eine Slow-Axis-Richtung aufweist. Der Diodenlaser ist (z. B. mittels entsprechender Anordnung der treppenförmigen Wärmesenken und der Laserdioden an denselben) derart ausgebildet, dass die von den Laserdioden emittierten Lichtstrahlen zumindest abschnittsweise oder auch entlang ihres gesamten Strahlenganges in einer gemeinsamen Ebene (im Folgenden auch als „Strahlungsebene“ bezeichnet) verlaufen, wobei die Slow-Axis-Richtung jedes der Lichtstrahlen senkrecht zu der Strahlungsebene verläuft.
-
Die von unterschiedlichen Laserdioden emittierten Lichtstrahlen können z. B. zumindest abschnittsweise parallel zueinander derart verlaufen, dass ihre Fast-Axis-Richtungen innerhalb bzw. parallel zu der Strahlungsebene und ihre Slow-Axis-Richtungen senkrecht zu der Strahlungsebene angeordnet sind. Die einzelnen Laserdioden sind entlang der Stapelrichtung der treppenförmigen Wärmesenke übereinandergestapelt und können z. B. derart angeordnet sein, dass die Fast-Axis-Richtung der von ihnen emittierten Lichtstrahlen parallel zu der Stapelrichtung der treppenförmigen Wärmesenke verläuft, sodass die Laserdioden entlang einer gemeinsamen Fast-Axis-Richtung zueinander versetzt angeordnet sind und die von ihnen emittierten Lichtstrahlen entlang der gemeinsamen Fast-Axis-Richtung übereinander gestapelt sind.
-
Die Diodenlaservorrichtung weist ferner ein Beugungsgitter auf, das derart angeordnet ist, dass seine Periodizitätsrichtung in der gemeinsamen Strahlungsebene liegt, sodass die Gitterebene des Beugungsgitters senkrecht zu der Strahlungsebene angeordnet ist und die Strichrichtung des Beugungsgitters ebenfalls senkrecht zu der Strahlungsebene verläuft.
-
Der Diodenlaser weist zudem eine Überlagerungsoptik auf, die im Strahlengang der Lichtstrahlen zwischen den Laserdioden und dem Beugungsgitter angeordnet ist. Die Überlagerungsoptik ist derart (z. B. mittels einer oder mehrerer transmittierender optischer Linsen und/oder reflektierender Spiegel) ausgebildet, dass von ihr die Lichtstrahlen der einzelnen Laserdioden auf dem Beugungsgitter derart räumlich überlagert werden, dass von unterschiedlichen Laserdioden emittierte Lichtstrahlen an einer gemeinsamen Auftreffposition mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Beugungsgitter auftreffen. Das Licht eines jeden Lichtstrahls wird von dem Beugungsgitter gebeugt und dabei spektral in mehrere Teilstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zerlegt, wobei jeder dieser Teilstrahlen unter einem anderen Austrittswinkel von dem Beugungsgitter weg verläuft.
-
Die Überlagerungsoptik kann ferner derart ausgebildet sein, dass von ihr jeder der von den Laserdioden kommenden Lichtstrahlen auf die gemeinsame Auftreffposition auf dem Gitter fokussiert wird, sodass die Überlagerungsoptik sowohl zum Fokussieren als auch zum räumlichen Überlagern der Lichtstrahlen fungiert.
-
Der Diodenlaser weist ferner einen wellenlängenunabhängigen teilreflektierenden Spiegel auf (d. h. der Spiegel ist derart ausgebildet, dass von ihm – unabhängig von der Wellenlänge – ein Teil, z. B. 2 % bis 15 %, der Intensität des senkrecht auf ihn auftreffenden Lichts reflektiert wird). Der Spiegel weist mindestens eine Spiegelflächennormale auf, die derart angeordnet ist, dass ein Teilstrahl des gebeugten Lichts eines jeden Lichtstrahls entlang der Spiegelflächennormale verlaufend auf den Spiegel auftrifft, sodass ein Teil der Intensität dieses Teilstrahls entlang der Spiegelflächennormale zu dem Beugungsgitter zurückreflektiert wird und der übrige Intensitätsanteil dieses Teilstrahls von dem Spiegel transmittiert wird. Die transmittierten Intensitätsanteile der entlang der Spiegelflächennormale verlaufenden Teilstrahlen des gebeugten Lichts der einzelnen Lichtstrahlen sind somit unter Ausbildung eines Hauptstrahls räumlich überlagert und können als Laserstrahl verwendet werden. Der Hauptstrahl setzt sich somit aus mehreren Teilstrahlen zusammen, wobei jeder dieser Teilstrahlen aus dem gebeugten Licht eines Lichtstrahls einer anderen Laserdiode stammt.
-
Da die Lichtstrahlen der einzelnen Laserdioden mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf dem Beugungsgitter auftreffen, weisen die den Hauptstrahl bildenden Teilstrahlen unterschiedliche Wellenlängenbereiche auf (wobei die Teilstrahlen z. B. im Wesentlichen monochromatisch sind und somit unterschiedliche Wellenlängen aufweisen).
-
Das entlang der Spiegelflächennormale zurückreflektierte Licht der einzelnen Teilstrahlen wird wieder an dem Beugungsgitter gebeugt, wodurch aufgrund der Umkehrbarkeit des Lichtweges das nochmals gebeugte Licht eines jeden Teilstrahls genau in diejenige Laserdiode rückgekoppelt wird, aus deren gebeugtem Lichtstrahl der Teilstrahl stammt. Durch diese Rückkopplung wird das Emissionsspektrum der jeweiligen Laserdiode automatisch auf den Wellenlängenbereich bzw. die Wellenlänge des jeweils rückgekoppelten Lichts eingeengt, sodass nach einer gewissen Betriebsdauer von unterschiedlichen Laserdioden automatisch Licht unterschiedlicher, spektral eng benachbarter Wellenlängenbereiche emittiert wird und die nunmehr spektral benachbarten Lichtstrahlen der einzelnen Laserdioden mittels des Beugungsgitters räumlich zu dem Hauptstrahl überlagert werden. Mittels des Beugungsgitters, des teilreflektierenden Spiegels und der Laserdioden ist somit ein externer Resonator gebildet, mittels dessen das Emissionsspektrum der einzelnen Laserdioden automatisch auf unterschiedliche, spektral eng benachbarte Wellenlängenbereiche eingeschränkt wird und die derart spektral benachbarten Lichtstrahlen räumlich zu einem Hauptstrahl überlagert werden. Der Spiegel muss insbesondere derart ausgebildet sein, dass der Intensitätsanteil des von ihm in die Laserdioden zurückgekoppelten Lichts hoch genug ist, um die Laserdioden bzw. deren Emission auf der jeweiligen Wellenlänge zu „locken“ (vom englischen „locking“) bzw. einzurasten. Gleichzeitig ist der Auskoppelspiegel des internen Resonators der Laserdioden, der nicht zum externen Resonator gehört, geeignet entspiegelt (z. B. mit einem Reflexionsgrad von kleiner als 0.7%), so dass der interne Resonator der Laserdiode genügend hohe Verluste gegenüber dem externem Resonator hat, um die Einschränkung des Emissionsspektrums jeder Laserdiode durch den externen Resonator zu ermöglichen.
-
Indem mittels des externen Resonators die gestapelten Laserdioden automatisch derart auf unterschiedliche, spektral eng beieinander liegende Emissionswellenlängen stabilisiert werden können, dass die derart wellenlängenstabilisierten Lichtstrahlen bezüglich der Richtung der Spiegelflächennormale die Beugungsbedingung erfüllen und daher mittels des Beugungsgitters nahezu perfekt räumlich zu einem gemeinsamen Hauptstrahl überlagert werden, kann der Hauptstrahl mit einer hohen Brillanz ausgebildet werden, wobei die Brillanz des Diodenlasers durch die Summe der Brillanzwerte der einzelnen wellenlängenstabilisierten Lichtstrahlen bzw. Laserdioden gegeben ist. Die beschriebene Anordnung ermöglicht es insbesondere, die Lichtstrahlen der einzelnen Laserdioden auf spektral sehr eng benachbarte Wellenlängenbereiche zu stabilisieren, sodass z. B. der Wellenlängenabstand zweier spektral benachbarter, wellenlängenstabilisierter Lichtstrahlen einen Wert von 0,2 nm oder geringer aufweisen kann; sodass die Brillanz eines solchen Diodenlasers gegenüber herkömmlichen Diodenlasern z. B. um einen Faktor von 50 bis 100 gesteigert werden kann. Mittels der beschriebenen Anordnung können mit nur einem einzigen Beugungsgitter die Lichtstrahlen von Einzelemitter-Laserdioden, die z. B. entlang einer gemeinsamen Fast-Axis-Richtung übereinander gestapelt sind und die bezüglich der Slow-Axis-Richtung ein geringes Strahlparameterprodukt von z. B. kleiner als 10 mm·mrad aufweisen, gleichzeitig auf unterschiedliche Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche mit einer geringen Halbwertsbreite von z. B. unter 0,2 nm gebracht werden und automatisch überlagert werden. Mittels der beschriebenen Anordnung sind somit typischerweise bis zu 100 Laserdioden gleichen Typs überlagerbar (was mit einer diskrete Anordnung mit Kantenfiltern nicht realisierbar ist).
-
Das Strahlparameterprodukt des Hauptstrahls ergibt sich als die Wurzel aus der Summe der Quadrate des SPP bezüglich der Fast Axis und der Slow Axis. Das SPP bezüglich der Fast Axis beträgt typischerweise 1 bis 2 mm·mrad; das SPP bezüglich der Slow Axis ist hauptsächlich durch die Breite des Emitters bestimmt, wobei z. B. für eine Emitterbreite von 100 µm das SPP 7 mm·mrad beträgt. Somit sind zur Realisierung eines Laserstrahls bzw. Hauptstrahls mit einem SPP von maximal 4 mm·mrad geringe Emitterbreiten von unter 100 µm und/oder geringe Strahldivergenzen von unter 140 mrad erforderlich. Die Strahldivergenz bezüglich der Slow Axis wird im Wesentlichen durch die sogenannte thermische Linse im Diodenlaser bestimmt. Indem mittels Anordnung der Laserdioden an einer treppenförmigen Wärmesenke eine effektive Wärmeabfuhr und somit eine hohe thermische Spreizung der Laserdioden ermöglicht ist, kann der Hauptstrahl mit einer geringen Strahldivergenz ausgebildet werden. Die Anordnung der separaten Einzelemitter-Laserdioden an einer treppenförmigen Wärmesenke ermöglicht z. B. eine hohe thermische Spreizung im Vergleich zu Laserdiodenbarren, bei denen die Emitter wesentlich dichter zusammenliegen, sodass die Strahldivergenz bei identischer Leistung im Vergleich zu solchen Barren verringert werden kann.
-
Jede der Laserdioden ist als Einzelemitter-Diode, z. B. als Fabry-Pérot-Laserdiode ausgeführt. Indem jede Laserdiode als Einzelemitter ausgeführt ist (und z. B. nicht in Form eines Laserdioden-Barrens, Laserdioden-Stapels, Multiemitters oder Trapezlasers), kann jeder der Lichtstrahlen unter Beibehaltung einer hohen Brillanz und einer geringen Strahldivergenz separat entlang einer definierten Strahlverlaufsrichtung derart ausgerichtet werden, dass mittels des Resonators eine effektive Einkopplung des zu den Laserdioden zurücklaufenden Lichts in die Laserdioden und somit eine effektive Wellenlängenstabilisierung der Laserdioden ermöglicht ist. Demgegenüber weisen Laserdioden-Barren und andere Multiemitter z. B. eine entlang ihrer Slow-Axis-Richtung verlaufende Bogenform auf (in der Literatur als sog. „smile“ bezeichnet), sodass die Positionen der einzelnen Emitter eines solchen Barrens jeweils mit einer Ungenauigkeit bzw. einem Positionierfehler behaftet sind, sodass mit der aus technischen Gründen gemeinsamen Fast Axis und Slow Axis Kollimationsoptik die Emitter leicht unterschiedliche Emissionsrichtungen aufweisen können, wodurch die von solchen Barren ausgehenden Lichtstrahlen keine derart effektive Rückkopplung und Wellenlängenstabilisierung (wie bei Verwendung von Einzelemittern) ermöglichen.
-
Alle Laserdioden in dem externen Laserresonator werden auf unterschiedliche Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche gezwungen und zugleich räumlich überlagert, sodass die Leistungsdichte des Hauptstrahls der Summe der Leistungsdichten der Einzelstrahlen entspricht.
-
Alle Laserdioden des Diodenlasers sind gleichartige bzw. identische Laserdioden, d. h. baugleiche Laserdioden mit einem innerhalb der Herstellungstoleranzen gleichen (unbeeinflussten bzw. intrinsischen) Emissionsspektrum, d. h. die Laserdioden weisen – ohne Einengung des Emissionsspektrums durch Wellenlängenstabilisierung mittels Rückkopplung vorgegebener Wellenlängen – im Betrieb dasselbe Emissionsspektrum auf. Es kann jedoch vorgesehen sein, mehrere solcher Diodenlaser, z. B. mittels Polarisationskopplung und Wellenlängenmultiplexen (z. B. mit einem großen Wellenlängenabstand von z. B. größer als 20 nm), zusammenzuschalten; wobei in einem solchen Fall die Laserdioden unterschiedlicher Diodenlaser der zusammengeschalteten Diodenlaser entweder gleichartig oder verschiedenartig sein können, wobei sie im letzteren Fall nicht baugleich sind und z. B. unterschiedliche intrinsische Emissionsspektren aufweisen. Vorliegend wird folgende Terminologie verwendet: Von jeder der Laserdioden wird ein Lichtstrahl emittiert, wobei das Licht eines jeden Lichtstrahls von dem Beugungsgitter gebeugt und dabei spektral in mehrere Teilstrahlen zerlegt wird, und wobei die entlang der Spiegelflächennormale verlaufenden Teilstrahlen den als Laserstrahl des Diodenlasers fungierenden Hauptstrahl bilden.
-
Indem die Lichtstrahlen derart angeordnet sind, dass ihre Slow-Axis-Richtung senkrecht zu der gemeinsamen Strahlungsebene verläuft, und das Beugungsgitter derart angeordnet ist, dass seine Periodizitätsrichtung innerhalb der Strahlungsebene verläuft, ist die Ausbildung des Diodenlasers mit einer hohen optischen Stabilität ermöglicht, die unempfindlich gegenüber geringfügigen Verstellungen der optischen Elemente ist. Denn die Ausdehnung der Laserdioden entlang der Slow-Axis-Richtung ist wesentlich (um mindestens eine Größenordnung) größer als die Ausdehnung der Laserdioden entlang der Fast-Axis-Richtung, sodass in der vorliegenden Anordnung z. B. auch bei einer (geringfügigen) Verkippung der Periodizitätsachse des Beugungsgitters und/oder Verkippung des Beugungsgitters um seine Periodizitätsrichtung (wobei eine solche Verkippung mit einer Verschiebung des von dem Gitter zu den Laserdioden zurücklaufenden Lichts entlang der Slow-Axis-Richtung einhergeht) zuverlässig ein Einkoppeln des zu den Laserdioden zurücklaufenden Lichts in die jeweilige Laserdiode ermöglicht ist, auch ohne einen Rotator zum Drehen des Lichtstrahls zu verwenden. So beträgt z. B. die Ausdehnung der Laserdioden entlang der Slow-Axis-Richtung typischerweise 50 µm bis 200 µm, wohingegen die Ausdehnung der Laserdioden entlang der Fast-Axis-Richtung typischerweise 2 µm beträgt. Die beschriebene Anordnung mit Einzelemittern und Ausrichtung der Slow-Axis-Richtung senkrecht zu der Strahlungsebene ermöglicht somit eine wesentlich einfachere, stabilere und effektivere spektrale Überlagerung mittels des beschriebenen externen Resonators als z. B. eine Anordnung mit einer Ausrichtung der Fast-Axis-Richtung senkrecht zur Strahlungsebene und/oder mit Laserdiodenbarren, insbesondere aufgrund der technologisch bedingten bogenartigen Anordnung („smile“) der Laserdiodenemitter eines solchen Laserdiodenbarrens. Der Diodenlaser kann somit insbesondere unter Beibehaltung seiner optischen Stabilität ohne einen optischen Rotator, mittels dessen der von einer jeweiligen Laserdiode emittierte Lichtstrahl um eine senkrecht zu der Slow-Axis-Richtung und zu der Fast-Axis-Richtung verlaufende Achse gedreht wird (sodass z. B. die Fast-Axis-Richtung und die Slow-Axis-Richtung des Lichtstrahls entsprechend gedreht werden), ausgebildet sein.
-
Indem die Laserdioden auf treppenartig zueinander höhenversetzten Plateaus angeordnet sind (und z. B. nicht neben- bzw. übereinander an einer gemeinsamen ebenen Fläche), kann die gesamte Plateaufläche für die Anordnung der jeweiligen Diode verwendet werden, wodurch die Abmessung der Laserdioden in der Richtung senkrecht zu der Plateaufläche gering gehalten werden kann und somit die von den Laserdioden emittierten Lichtstrahlen – mittels Ausbildung der einzelnen Stufen der treppenförmigen Wärmesenke mit einer entsprechend geringen Stufenhöhe – eng nebeneinander verlaufend ausgebildet werden können. Indem die Lichtstrahlen in einem geringen Abstand zueinander verlaufend ausgebildet werden können, können die den Hauptstrahl bildenden Teilstrahlen spektral eng benachbart sein, wodurch das Ausbilden einer hohen Strahlbrillanz zusätzlich unterstützt ist. Indem die Laserdioden entlang einer gemeinsamen Fast-Axis-Richtung gestapelt an der treppenförmigen Wärmesenke angeordnet werden, kann z. B. der Versatz zweier benachbarter Laserdioden entlang der Stapelrichtung derart gewählt werden, dass er genau der Breite eines der (kollimierten) Lichtstrahlen entlang der Fast-Axis-Richtung entspricht.
-
Eine solche treppenförmige Wärmesenke kann z. B. in Form eines Kühlkörpers mit einer treppenförmig ausgebildeten Außenfläche vorgesehen sein, wobei der Kühlkörper z. B. als einstückiger bzw. blockartiger Kühlkörper ausgeführt sein kann und z. B. aus Kupfer oder einem anderen Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht. Die Wärmesenke bzw. der Kühlkörper kann wiederum zum Abführen von Wärme mit einem Kühlsystem gekoppelt sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform sind zumindest die an ein und derselben Wärmesenke angeordneten Laserdioden elektrisch in Reihe geschaltet. Es kann auch vorgesehen sein, dass alle Laserdioden des Diodenlasers elektrisch in Reihe geschaltet sind. Eine derartige Reihenschaltung ermöglicht ein Betreiben der Laserdioden mit einer geringen elektrischen Stromstärke, wobei zudem an allen Laserdioden dieselbe Stromstärke anliegt. Indem die Ströme gering gehalten werden können, kann die thermische Verlustleistung (die proportional zum Quadrat der Stromstärke ist) gering gehalten werden.
-
Der teilreflektierende Spiegel kann z. B. als teilreflektierender Planspiegel mit einer ebenen Spiegelfläche ausgeführt sein, sodass die Spiegelflächennormale an allen Positionen der Spiegelfläche dieselbe Richtung aufweist.
-
Gemäß einer Ausführung ist der teilreflektierende Spiegel ein fokussierender teilreflektierender Spiegel, so dass nicht nur die exakt entlang einer einzigen Spiegelflächennormale verlaufenden Teilstrahlen in die Laserdioden zurückgekoppelt werden, sondern die innerhalb eines vorgegebenen (engen) Raumwinkelbereichs um eine solche Spiegelflächennormale herum verlaufenden Teilstrahlen des gebeugten Lichts in die Laserdioden zurückgekoppelt werden. Dadurch kann die optische Stabilität des Resonators, in dem sich alle Laserdioden befinden, erhöht werden. Der Spiegel kann in einem solchen Fall z. B. ein Hohlspiegel (mit einer leichten Wölbung) sein, der mit seiner konkaven Seite zu dem Beugungsgitter hin weisend angeordnet ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausführung ist der teilreflektierende Spiegel zusätzlich als Polarisationsdreher derart ausgebildet, dass von ihm die Polarisation aller durch den Spiegel hindurchgehenden Teilstrahlen und somit auch die Polarisation des Hauptstrahls um 90° gedreht wird. Damit ist es möglich, die Leistungsdichte zweier solcher Diodenlaser (wobei die beiden Hauptstrahlen der beiden Diodenlaser um 90° gegeneinander verdrehte Polarisationsrichtungen aufweisen) durch anschließende Polarisationskopplung nahezu zu verdoppeln.
-
Der Diodenlaser kann ferner eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des von den Laserdioden emittierten Lichts aufweisen, wobei die Kollimationsoptik z. B. im Lichtweg zwischen den Laserdioden und der Überlagerungsoptik angeordnet sein kann, sodass die von den Laserdioden emittierten Lichtstrahlen vor deren Eintritt in die Überlagerungsoptik kollimiert werden. Die Kollimationsoptik kann ein oder mehrere Kollimationselemente (z. B. optische Linsen) aufweisen.
-
Gemäß einer Ausführung weist der Diodenlaser ein oder mehrere optische Kollimationselemente zum Kollimieren des von den Laserdioden emittierten Lichts auf, wobei die Kollimationselemente im thermischen Kontakt zu einer der treppenförmigen Wärmesenken angeordnet sind. Der Diodenlaser kann z. B. für jede Laserdiode ein oder mehrere separate Kollimationselemente aufweisen. So treten aus den einzelnen Laserdioden Lichtstrahlen mit entsprechender Charakteristik (gekennzeichnet z. B. durch die Divergenzwinkel in Fast-Axis-Richtung und Slow-Axis-Richtung) aus, die zunächst über Kollimationselemente kollimiert werden können, um ein Aufweiten des Strahls zu verhindern. Indem die Kollimationselemente im thermischen Kontakt zu der Wärmesenke angeordnet sind, ist eine Temperierung dieser Kollimationselemente mittels der Wärmesenke und somit eine entsprechende Stabilisierung ihrer optischen Eigenschaften ermöglicht. Indem mehrere optische Kollimationselemente (z. B. die FAC-Elemente und die SAC-Elemente jeder Laserdiode) im thermischen Kontakt zu der Wärmesenke angeordnet sind und somit im Wesentlichen alle ein und dieselbe Temperatur aufweisen, ist zudem eine Vergleichmäßigung der optischen Eigenschaften dieser Kollimationselemente untereinander ermöglicht.
-
Die Laserdioden sind zueinander identische bzw. baugleiche Laserdioden und weisen daher ohne Beeinflussung durch den Resonator, der mittels des Beugungsgitters und des Spiegels gebildet ist, alle dasselbe intrinsische bzw. unbeeinflusste Emissionsspektrum auf. Erst mittels des Resonators werden die Laserdioden derart wellenlängenstabilisiert, dass die von unterschiedlichen Laserdioden emittierten wellenlängenstabilisierten Lichtstrahlen unterschiedliche Wellenlängen bzw. – da ein Lichtstrahl mit exakt einer einzigen Wellenlänge nicht realisierbar ist – unterschiedliche, einander nicht überlappende Wellenlängenbereiche mit einem engen Spektralbereich aufweisen; wobei die Breite des wellenlängenstabilisierten Emissionswellenlängenbereichs einer jeden Laserdiode (wesentlich) geringer ist als die Breite des intrinsischen Emissionsspektrums der Laserdioden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Diodenlaser – mittels entsprechender Ausbildung und Anordnung der Bauelemente des Diodenlasers, z. B. mittels entsprechender Wahl der Fokuslänge der Überlagerungsoptik, des Beugungsgitterabstandes, der Beugungsordnung, der Blazewellenlänge des Beugungsgitters (im Falle der Verwendung eines Blazegitters als Beugungsgitter), der Fokuslänge des teilreflektierenden Spiegels (im Falle der Verwendung eines fokussierenden Spiegels) und/oder der Akzeptanzapertur der Kollimationsoptik der Laserdioden entlang der Fast-Axis-Richtung – derart ausgebildet, dass die Breite des wellenlängenstabilisierten Emissionswellenlängenbereichs jeder der Laserdioden kleiner ist als die Halbwertsbreite des intrinsischen Emissionsspektrums der Laserdioden. Da die freilaufenden nominell gleichen Laserdioden (ohne Beeinflussung durch den Resonator) nur innerhalb eines beschränkten Gewinnspektrums mit einem beschränkten Wellenlängenbereich (von z. B. 10 nm bis 20 nm) lasen können, ist es von Vorteil, wenn die mittels des Resonators wellenlängenstabilisierten Emissionsspektren eine möglichst geringe Breite aufweisen, um möglichst viele Lichtstrahlen ohne Intensitätsverluste räumlich zu dem Hauptstrahl überlagern zu können und somit eine hohe Gesamtleistung zu erzielen. Das intrinsische Emissionsspektrum der Laserdioden weist z. B. eine Halbwertsbreite von ungefähr 5 nm bis 10 nm auf, ist also relativ breitbandig. Der Diodenlaser kann z. B. derart ausgebildet sein, dass die Breite des wellenlängenstabilisierten Emissionswellenlängenbereichs jeder der Laserdioden zwischen 0,1 und 0,5 nm liegt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführung ist jede der Laserdioden mittels eines lokalen, separaten Trennelements bzw. Trennkörpers auf dem jeweiligen Plateau der treppenförmigen Wärmesenke angeordnet, wobei das Trennelement positionsfixiert (z. B. mittels Fügens) oder in seiner Positionierung einstellbar an der jeweiligen Wärmesenke angebracht sein kann. Die Trennelemente sind (z. B. quaderförmige) Elemente, die zum elektrischen Entkoppeln der Laserdioden und zum thermischen Anbinden der Laserdioden an die Wärmesenke dienen. Jedes der Trennelemente besteht aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Material. Indem die Trennelemente aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, können die einzelnen Laserdioden hinsichtlich ihres elektrischen Potentials elektrisch voneinander und von der treppenförmigen Wärmesenke entkoppelt werden, insbesondere bei Verwendung einer treppenförmigen Wärmesenke aus einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. Kupfer). Indem die Trennelemente aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit bestehen, ist die thermische Anbindung der Laserdioden an die treppenförmige Wärmesenke und somit die Abfuhr der an den Laserdioden anfallenden Verlustwärme gewährleistet.
-
Die Trennelemente sind somit zwischen der treppenförmigen Wärmesenke und der jeweiligen Laserdiode angeordnet. Ein solches Trennelement kann z. B. aus Berylliumoxid (BeO), Aluminiumnitrid (AlN), Diamant (z. B. künstlichem Diamant, etwa CVD-Diamant, wobei CVD englisch für „chemical vapor deposition“ steht) oder einem Dia-mantkomposit (z. B. Diamant-Kobalt oder Diamant-Kupfer) bestehen. Das Trennelement ist z. B. ein kleiner Körper und ist (z. B. mittels Wärmeleitpaste) im thermischen Kontakt zu der treppenförmigen Wärmesenke angeordnet. In dem Fall, dass das Trennelement in seiner Ausrichtung bzw. Positionierung einstellbar ist, kann der von der daran angeordneten Laserdiode emittierte Lichtstrahl (z. B. auch nachträglich) ausgerichtet und korrigiert werden, ohne die thermische Ankopplung an die treppenförmige Wärmesenke zu gefährden.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist der Diodenlaser mehrere Wärmesenken auf, wobei alle Laserdioden derart auf den Plateaus der Wärmesenken angeordnet sind, dass die von ihnen emittierten Lichtstrahlen eine gemeinsame Fast-Axis-Richtung aufweisen, und wobei die Wärmesenken entlang dieser gemeinsamen Fast-Axis-Richtung zueinander versetzt angeordnet sind. Mittels dieser Ausführungsform können die Abmessungen des Diodenlasers entlang der senkrecht zu der Fast-Axis-Richtung und der Slow-Axis-Richtung verlaufenden Richtung gering gehalten werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten (z. B. Fügen, Trennen, Materialabscheiden) von Werkstücken mittels eines Laserstrahls bereitgestellt, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung einen Diodenlaser nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweist und der Hauptstrahl des Diodenlasers als Bearbeitungs-Laserstrahl fungiert. Es kann auch vorgesehen sein, eine medizinische bzw. medizintechnische Laserbehandlungsvorrichtung zum (z. B. chirurgischen) Behandeln von Lebewesen bereitzustellen, wobei die Laservorrichtung einen Diodenlaser nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweist und der Hauptstrahl des Diodenlasers als Behandlungs-Laserstrahl fungiert.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
-
1 eine Seitenansicht eines Diodenlasers gemäß einer Ausführungsform;
-
2 eine Draufsicht des Diodenlasers gemäß 1;
-
3 eine Detailansicht des Diodenlasers gemäß 1; und
-
4 eine Seitenansicht eines Diodenlasers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Die 1 bis 3 veranschaulichen einen Diodenlaser 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Gemäß 1 weist der Diodenlaser 1 eine treppenförmige Wärmesenke 3 auf, wobei die Wärmesenke 3 als einstückiger Kühlkörper aus Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden Material ausgeführt ist und mehrere stufenartig angeordneten Plateaus 5 aufweist. Die Plateaus 5 sind entlang einer Stapelrichtung zueinander niveauversetzt, wobei die Stapelrichtung vorliegend durch die z-Richtung des in den Figuren veranschaulichten xyz-Koordinatensystems gegeben ist.
-
Auf jedem der Plateaus 5 ist eine Laserdiode 7 mit einem einzigen Emitter angeordnet, wobei alle Laserdioden 7 baugleich bzw. nominell gleich sind und ohne zusätzliche Wellenlängenstabilisierung durch Rückkopplung einer vorgegebenen Wellenlänge im Betrieb dasselbe Emissionsspektrum aufweisen. Der Diodenlaser 1 weist als Beispiel vier identische Laserdioden 7 auf, wobei die Laserdioden 7 als Fabry-Pérot-Laserdioden ausgebildet sind und alle Laserdioden 7 elektrisch in Reihe zueinander geschaltet sind.
-
Jede der Laserdioden 7 ist zum Emittieren von Licht in Form eines Lichtstrahls 9 ausgebildet, wobei die Laserdioden 7 derart ausgerichtet sind, dass alle von den Laserdioden 7 emittierten Lichtstrahlen 9 zunächst in einem ersten Abschnitt parallel zueinander (hier: entlang der y-Richtung) verlaufen, sodass die Lichtstrahlen 9 alle in einer gemeinsamen Strahlungsebene (hier: der yz-Ebene) verlaufen.
-
Der Diodenlaser 1 weist zudem eine Überlagerungsoptik 11 und ein Beugungsgitter 13 auf. Jede der Laserdioden 7 ist mittels eines lokalen Trennelements 15 auf dem jeweiligen Plateau 5 der treppenförmigen Wärmesenke 3 angeordnet, wobei jedes Trennelement 15 (z. B. mittels dafür vorgesehener Stellschrauben) in seiner Positionierung bzw. Ausrichtung verstellbar an der Wärmesenke befestigt ist und somit ein Ausrichten der von den Laserdioden 7 emittierten Lichtstrahlen 9 ermöglicht. Jede Laserdiode 7 ist im thermischen Kontakt zu dem zugehörigen Trennelement 15 an demselben angeordnet, wobei das Trennelement 15 wiederum im thermischen Kontakt zu der zugehörigen Wärmesenke an derselben befestigt ist. Das Trennelement 15 ist ein (z. B. quaderförmiger) Körper aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Material, z. B. Berylliumoxid. Die Laserdioden 7 und die Kollimationsoptiken 17 und 19 sind derart ausgerichtet, dass vor Durchlaufen der Überlagerungsoptik 11 die Fast-Axis-Richtung aller von den Laserdioden 7 emittierten Lichtstrahlen 9 parallel zu der Stapelrichtung (z-Richtung) verläuft und die Slow-Axis-Richtung aller Lichtstrahlen 9 parallel zu der x-Richtung und somit senkrecht zu der gemeinsamen Strahlungsebene (yz-Ebene) verläuft. Die Laserdioden 7 sind somit entlang ihrer gemeinsamen Fast-Axis-Richtung auf der treppenförmigen Wärmesenke 3 gestapelt. In 1 ist die vor Durchlaufen der Überlagerungsoptik 11 vorliegende gemeinsame Fast-Axis-Richtung mittels der durchbrochenen Linie 16 veranschaulicht.
-
Jeder der Lichtstrahlen 9 durchläuft eine Kollimationsoptik, wobei zunächst eine Fast-Axis-Kolimationsoptik 17 und danach eine Slow-Axis-Kolimationsoptik 19 durchlaufen wird, die beide (z. B. mittels Klebung) in ihrer Positionierung variabel und sehr präzise befestigt werden können, um eine stabile Rückkopplung der Lichtstrahlen 9 in die Laserdioden im Laserbetrieb über den externen Resonator zu ermöglichen. In 1 sind die Fast-Axis-Kolimationselemente 17 und die Slow-Axis-Kollimationselemente 19 für jeden der Lichtstrahlen 9 der besseren Anschaulichkeit halber in einem Abstand zu der treppenförmigen Wärmesenke 3 dargestellt. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass die Kollimationsoptiken 17 und/oder 19 im thermischen Kontakt zu der treppenförmigen Wärmesenke der jeweiligen Laserdiode angeordnet sind (z. B. im direkten Kontakt mit der Wärmesenke oder mittels eines Thermokontakt-Körpers mittelbar an derselben angeordnet sein können).
-
Die Überlagerungsoptik 11 kann z. B. mehrere optische Linsen und/oder Spiegel aufweisen und ist derart ausgebildet, dass von ihr alle Lichtstrahlen 9 auf eine gemeinsame Auftreffposition 21 auf dem Beugungsgitter 13 fokussiert und somit zur Überlagerung gebracht werden, wobei die von unterschiedlichen Laserdioden 7 emittierten Lichtstrahlen 9 mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Beugungsgitter 13 auftreffen.
-
Das Beugungsgitter 13 ist vorliegend als Reflexionsgitter ausgeführt und derart angeordnet, dass seine Periodizitätsrichtung in der Strahlungsebene (d. h. hier: in der yz-Ebene) liegt. D. h., das Beugungsgitter 13 ist derart angeordnet, dass seine Gitterebene senkrecht zu der Strahlungsebene angeordnet ist und seine Strichrichtung ebenfalls senkrecht zu der Strahlungsebene (d. h. hier: parallel zur x-Richtung) verläuft. Die Dispersionsachse 23 des Beugungsgitters 13 verläuft somit parallel zu der Stapelrichtung (hier: z-Richtung) bzw. zu der gemeinsamen Fast-Axis-Richtung 16. Das Beugungsgitter 13 ist als Beispiel ein Blazegitter mit einem Blazewinkel B (siehe 3).
-
Die einzelnen Lichtstrahlen 9 treffen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf dem Beugungsgitter 13 auf, wobei jeder der Lichtstrahlen 9 von dem Beugungsgitter unter Ausbildung mehrerer Teilstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen gebeugt und spektral zerlegt wird. Als Beispiel veranschaulicht 3 drei Teilstrahlen 25 des gebeugten Lichts eines der Lichtstrahlen 9. Die in unterschiedliche Richtungen verlaufenden Teilstrahlen 25 des gebeugten Lichts eines jeden Lichtstrahls 9 weisen unterschiedliche Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche auf.
-
Der Diodenlaser 1 weist ferner einen breitbandig teilreflektierenden bzw. teildurchlässigen Spiegel 27 auf, wobei der Spiegel als ebener Planspiegel mit einer vorgegebenen Spiegelflächennormale 29 ausgeführt ist. Ein Teilstrahl 25 des gebeugten Lichts eines jeden Lichtstrahls 9 verläuft von dem Beugungsgitter 13 entlang der Spiegelflächennormale 29 zu dem Spiegel 27 und trifft somit senkrecht auf denselben auf (in 3 veranschaulicht durch den mit einer durchgezogenen Linie dargestellten, mittleren Teilstrahl 25), wohingegen die übrigen Teilstrahlen 25 des gebeugten Lichts dieses Lichtstrahls 9 nicht senkrecht auf dem Spiegel 27 auftreffen (in 3 veranschaulicht durch die beiden mit einer durchbrochenen Linie dargestellten, randseitigen Teilstrahlen 25).
-
In 1 sind die unterschiedlichen Winkel 33, 35, 37, 39 zwischen den auf das Beugungsgitter 13 auftreffenden Lichtstrahlen 9 und der Spiegelflächennormale 29 veranschaulicht. Da die Lichtstrahlen 9 mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Beugungsgitter 13 auftreffen, weisen die (aus dem gebeugten Licht unterschiedlicher Lichtstrahlen 9 stammenden) entlang der Spiegelflächennormale 29 verlaufenden Teilstrahlen 25 unterschiedliche Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche auf.
-
Ein Teil der Intensität der entlang der Spiegelflächennormale 29 auf den Spiegel 27 auftreffenden Teilstrahlen 25 wird von dem Spiegel 27 wieder auf die Auftreffposition 21 auf dem Beugungsgitter 13 zurückreflektiert und nochmals an diesem gebeugt. Aufgrund der Umkehrbarkeit des Lichtweges wird jeder der nochmals gebeugten Teilstrahlen 25 in diejenige Laserdiode 7 zurückgekoppelt, aus deren gebeugtem Lichtstrahl 9 der Teilstrahl stammt. Mittels dieser Rückkopplung unter Anregung mit den Wellenlängen der jeweils rückgekoppelten Teilstrahlen wird der von den Laserdioden 7 (die dasselbe intrinsische bzw. unbeeinflusste Emissionsspektrum aufweisen) emittierte Wellenlängenbereich derart wellenlängenstabilisiert bzw. eingeengt, dass das Emissionsspektrum jeder Laserdiode 7 auf die Wellenlänge des jeweils in sie rückgekoppelten Teilstrahls bzw. auf einen engen Spektralbereich mit einem Intensitätsmaximum bei dieser Wellenlänge eingeschränkt wird. Da die in unterschiedliche Laserdioden 7 rückgekoppelten Teilstrahlen 25 unterschiedliche Wellenlängen bzw. spektral benachbarte Wellenlängenbereiche aufweisen, emittieren unterschiedliche Laserdioden 7 nach der Wellenlängenstabilisierung Lichtstrahlen 9 mit unterschiedlichen Wellenlängen bzw. spektral benachbarten Wellenlängenbereichen, wobei diese wellenlängenstabilisierten Lichtstrahlen 9 von dem Beugungsgitter 13 jeweils (mit im Wesentlichen ihrer gesamten Intensität) genau in Richtung der Spiegelflächennormale 29 gebeugt werden und somit räumlich zu einem entlang der Spiegelflächennormale 29 verlaufenden Hauptstrahl 31 hoher Intensität überlagert werden können, wobei der Hauptstrahl 31 von dem durch den Spiegel 27 hindurch transmittierten Intensitätsanteil der entlang der Spiegelflächennormale 29 auf den Spiegel 27 auftreffenden Teilstrahlen des gebeugten Lichts gebildet ist.
-
Die nicht entlang der Spiegelflächennormale 29 auf den Spiegel auftreffenden Teilstrahlen 25 des gebeugten Lichts werden nicht in die Laserdioden zurückgekoppelt, sodass ihre Intensität nach einer kurzen Einlaufzeit vernachlässigbar gering ist.
-
Mittels der Überlagerungsoptik 11, des Beugungsgitters 13 und des teilreflektierenden Spiegels 27 ist somit ein externer Resonator derart geschaffen, dass alle Laserdioden 7 auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche einrasten und somit alle von den Laserdioden 7 emittierten Lichtstrahlen 9 bezüglich der Richtung der Spiegelflächennormale 29 die Beugungsgleichung (1) erfüllen und sich somit die gebeugten Lichtstrahlen perfekt zu dem Hauptstrahl 31 überlagern. δL / δλ = f × δD / δλ = f × m / a × cosD (1)
-
In der Beugungsgleichung (1) bedeuten f die Fokuslänge der Überlagerungsoptik, D den Winkel zwischen einem auf das Beugungsgitter 13 einfallenden Lichtstrahl 9 und dem entlang der Spiegelflächennormale 29 verlaufenden gebeugten Teilstrahl 25, a die Gitterkonstante des Beugungsgitters 13, m die Beugungsordnung, z die Akzeptanzhöhe der Kollimationsoptik 17, 19 jeder Laserdiode parallel zu der Stapelrichtung, λ die Wellenlänge und δL/δλ die Wellenlängendispersion (siehe auch 3). Die Wellenlängenbreite eines jeweiligen wellenlängenstabilisierten Lichtstrahls 9 wird durch die Wellenlängendispersion und die Akzeptanzhöhe z bestimmt; wobei in 3 als Beispiel zwei Randstrahlen 41, 43 eines wellenlängenstabilisierten Lichtstrahls 9 eingezeichnet sind, wobei sich die Wellenlängenbreite des Lichtstrahls 9 durch die Differenz der Wellenlängen der beiden Randstrahlen 41, 43 ergibt.
-
Die Fokuslänge f der Überlagerungsoptik 11, der Beugungsgitterabstand a, die Beugungsordnung m, die Blazewellenlänge und der Blazewinkel B des Blazegitters 13 und der maximalen Akzeptanzapertur z der Kollimationsoptiken 17, 19 entlang der Fast-Axis-Richtung 23 sind derart eingestellt, dass die Breite des wellenlängenstabilisierten Emissionswellenlängenbereichs jeder der Laserdioden 7 kleiner als die Halbwertsbreite des intrinsischen Emissionsspektrums der Laserdioden 7 ist und als Beispiel einen Wert zwischen 0,1 nm und 0,5 nm aufweist.
-
4 veranschaulicht einen Diodenlaser 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Seitenansicht, wobei der Diodenlaser 1 gemäß 4 mehrere (hier: zwei) treppenförmige Wärmesenken 3 aufweist. Die Funktionsweise des Diodenlasers gemäß 4 ist analog zu derjenigen gemäß den 1 bis 3, sodass im Folgenden lediglich knapp auf die baulichen Unterschiede eingegangen wird und im Übrigen auf die mit Bezug auf die 1 bis 3 getroffenen Erläuterungen verwiesen wird.
-
Auf jedem Plateau 5 jeder der Wärmesenken 3 ist eine Laserdiode 7 mittels eines Trennelements 15 angeordnet, wobei alle Laserdioden 7 baugleich sind und dasselbe intrinsische Emissionsspektrum aufweisen. Die von den Laserdioden 7 emittierten Lichtstrahlen 9 werden mittels zweier Umlenkspiegel 45 umgelenkt und auf eine Überlagerungsoptik 11 gerichtet.
-
Die Laserdioden 7 sind derart angeordnet, dass die von ihnen emittierten Lichtstrahlen 9 in einer gemeinsamen Strahlungsebene (yz-Ebene) verlaufen, wobei vor Auftreffen auf die Umlenkspiegel 45 die Fast-Axis-Richtung aller Lichtstrahlen 9 parallel zu der Stapelrichtung (z-Richtung) verläuft und die Slow-Axis-Richtung aller Lichtstrahlen 9 parallel zu der x-Richtung und somit senkrecht zu der gemeinsamen Strahlungsebene (yz-Ebene) verläuft. Die Laserdioden 7 sind somit bezüglich ihrer gemeinsamen Fast-Axis-Richtung 16 höhenversetzt auf den treppenförmigen Wärmesenken 3 gestapelt, sodass die von ihnen emittierten Lichtstrahlen 9 entlang der gemeinsamen Fast-Axis-Richtung 16 gestapelt sind.
-
Die treppenförmigen Wärmesenken 3 sind entlang der Stapelrichtung (z-Richtung) der Laserdioden 7 und somit auch entlang der gemeinsamen Fast-Axis-Richtung 16 aneinandergereiht angeordnet bzw. gestapelt und können z. B. auf einer gemeinsamen Unterlage in Form einer parallel zu der Strahlungsebene (yz-Ebene) angeordneten ebenen Platte (nicht dargestellt) befestigt sein. Indem mehrere treppenförmige Wärmesenken 3 derart entlang eine gemeinsamen Fast-Axis-Richtung 16 aneinandergereiht sind, kann der Diodenlaser mit einer kompakten Bauform, insbesondere mit einer geringen Abmessung entlang der y-Richtung, ausgeführt sein.
-
Mittels der Umlenkspiegel 45 werden die Lichtstrahlen 9 auf die Überlagerungsoptik 11 gelenkt und von dieser auf eine gemeinsame Auftreffposition auf dem Beugungsgitter 13 fokussiert, wobei die Lichtstrahlen 9 auch nach den Umlenkspiegeln 45 in der gemeinsamen Strahlungsebene (yz-Ebene) verlaufen. Das Beugungsgitter 13 ist derart angeordnet, dass seine Periodizitätsrichtung in der Strahlungsebene liegt und seine Dispersionsachse 23 entlang der y-Achse verläuft.
-
Mittels eines teilreflektierenden Spiegels 27, der optional zusätzlich als Polarisationsdreher (z. B. durch eine Lambda/2 Platte) zur Drehung der Polarisationsrichtung des transmittieren Lichtstrahls bzw. Hauptstrahls 31 um 90° ausgeführt sein kann, wird ein Teil der Intensität der entlang der Spiegelflächennormale verlaufenden Teilstrahlen des gebeugten Lichts eines jeden Lichtstrahls 9 in die den jeweiligen Lichtstrahl emittierende Laserdiode 7 zurückgekoppelt, sodass unterschiedliche Laserdioden 7 auf unterschiedliche Emissionswellenlängenbereiche wellenlängenstabilisiert werden, und der übrige Intensitätsanteil eines jeden entlang der Spiegelflächennormale verlaufenden Teilstrahls wird von dem Spiegel 27 transmittiert, wobei von den somit räumlich überlagerten transmittierten Intensitätsanteilen ein Hauptstrahl 31 gebildet wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Diodenlaser
- 3
- treppenförmige Wärmesenke
- 5
- Plateau
- 7
- Laserdiode mit Einzelemitter
- 9
- von einer Laserdiode emittierter Lichtstrahl
- 11
- Überlagerungsoptik
- 13
- Beugungsgitter
- 15
- lokales Trennelement / Trennkörper
- 16
- gemeinsame Fast-Axis-Richtung
- 17
- Fast-Axis-Kollimationsoptik
- 19
- Slow-Axis-Kollimationsoptik
- 21
- Auftreffposition
- 23
- Dispersionsachse des Beugungsgitters
- 25
- Teilstrahl eines gebeugten Lichtstrahls
- 27
- teilreflektierender Spiegel (ggf. zusätzlich Polarisationsdreher)
- 29
- Spiegelflächennormale
- 31
- Hauptstrahl
- 33, 35, 37, 39
- Winkel zwischen Lichtstrahl und Spiegelflächennormale
- 41, 43
- Randstrahlen eines Lichtstrahls
- 45
- Umlenkspiegel
- f
- Fokuslänge der Überlagerungsoptik
- a
- Gitterabstand des Beugungsgitters
- D
- Winkel zwischen auf Gitter einfallendem Strahl und Hauptstrahl
- B
- Blazewinkel
- z
- maximale Akzeptanzapertur der Kollimationsoptik
-
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
-
