DE102017115786B4

DE102017115786B4 - Optische Anordnung und Verfahren zur Erzeugung eines kombinierten Strahls mehrerer Laserlichtquellen

Info

Publication number: DE102017115786B4
Application number: DE102017115786.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schreiber; Fabian Stutzki
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2037-07-14
Also published as: US20190018253A1; DE102017115786A1; GB201810829D0; GB2566145A

Abstract

Optische Anordnung (10) zur Erzeugung eines kombinierten Strahls mehrerer Laserlichtquellen, umfassend eine lineare Anordnung von mehreren parallel ausgerichteten Laserlichtquellen (4), die voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen, wobei- die Laserlichtquellen (4) in mehreren Gruppen angeordnet sind,- jeder Gruppe von Laserlichtquellen (4) jeweils in Strahlrichtung eine Kollimationslinse (3) zur Erzeugung eines Teilstrahlbündels (5a, 5b) der Gruppe von Laserlichtquellen (4) nachfolgt,- den Kollimationslinsen (3) ein erstes Beugungsgitter (1) nachfolgt, auf das die Teilstrahlbündel (5a, 5b) der Gruppen von Laserlichtquellen (4) nebeneinander auftreffen,- das erste Beugungsgitter (1) dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlbündel (5a, 5b) auf ein zweites Beugungsgitter (2) umzulenken,- das zweite Beugungsgitter (2) dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlbündel (5a, 5b) derart umzulenken, dass sie zu einem Gesamtstrahlbündel (6) vereint werden,- das erste Beugungsgitter (1) in mehrere Teilbereiche (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) geteilt ist, wobei die Teilbereiche zur Beugung einer oder mehrerer Teilstrahlbündel vorgesehen sind, und- die Teilbereiche (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) des ersten Beugungsgitters (1) jeweils eine an einen Emissionswellenlängenbereich der zugeordneten Gruppe(n) von Laserlichtquellen (4) angepasste Gitterstruktur aufweisen.

Description

Die Anmeldung betrifft eine optische Anordnung und ein Verfahren zur Erzeugung eines kombinierten Strahls mehrerer Laserlichtquellen, insbesondere mehrerer Faserlaser, wobei sich die Laserlichtquellen in ihren Emissionswellenlängen unterscheiden.
Die Strahlkombination spektral verschiedener Laserlichtquellen kann insbesondere dazu eingesetzt werden, hohe optische Ausgangsleistungen zu erzielen. Die Erzeugung von Laserlicht mit sehr guter Strahlqualität wird mit wachsender Ausgangsleistung schwieriger. Die höchsten mittleren Leistungen bei beugungsbegrenzter Strahlqualität werden derzeit mit Faserlasern erreicht und liegen im Bereich von einigen kW. Begrenzende Effekte sind nichtlineare Effekte wie stimulierte Raman- oder Brillouinstreuung sowie Strahlinstabilitäten (thermal mode instabilities (TMI)). Eine weitere Skalierung ist durch zukünftige Entwicklungen der Fasertechnologie voraussichtlich nur begrenzt möglich, eine deutliche Leistungssteigerung lässt sich aber aufgrund dieser Effekte voraussichtlich nicht erreichen. Zur Erzielung besonders hoher Leistungen ist es deshalb zweckmäßig, Strahlkombinationstechniken einzusetzen, die mehrere Laser zu einem gemeinsamen Ausgangsstrahl zusammenfassen.
In der Druckschrift US 2007/0127123 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der Licht mehrerer Hochleistungs-Faserlaser überlagert werden soll, wobei zwei identische Beugungsgitter vorgesehen sind. In den Druckschriften CN 104901149 A und CN 106338836 A sind jeweils Vorrichtungen mit Lasern und zwei Beugungsgittern angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht darin, eine optische Anordnung und ein Verfahren zur Erzeugung eines kombinierten Strahls mehrerer Laserlichtlichtquellen anzugeben, wobei sich der kombinierte Gesamtstrahl durch eine hohe optische Leistung bei gleichzeitig hoher Strahlqualität auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Anordnung und durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist die optische Anordnung zur Erzeugung eines kombinierten Strahls mehrere Laserlichtquellen auf. Die mehreren Laserlichtquellen bilden vorteilhaft eine lineare Anordnung und sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Laserlichtquellen weisen voneinander verschiedene Wellenlängen auf, so dass mit der optischen Anordnung ein Gesamtstrahl erzeugt werden kann, der alle Wellenlängen der mehreren Laserlichtquellen umfasst. Die Wellenlängen der Laserlichtquellen können beispielsweise Wellenlängen des sichtbaren Bereichs des Spektrums, des UV-Bereichs und/oder des IR-Bereichs umfassen. Innerhalb der Gruppen und zwischen den Gruppen überlappen die Wellenlängen der mehreren Laserlichtquellen vorteilhaft nicht miteinander. Vielmehr erfolgt die lineare Anordnung der Laserlichtquellen innerhalb der Gruppen und die Anordnung der benachbarten Gruppen zueinander derart, dass alle Laserlichtquellen der optischen Anordnung in der Reihenfolge ihrer Wellenlängen angeordnet sind.
Bei der optischen Anordnung sind die Laserlichtquellen vorteilhaft in mehreren Gruppen angeordnet. Jeder Gruppe von Laserlichtquellen folgt in Strahlrichtung jeweils eine Kollimationslinse nach. Durch die Kollimationslinse wird ein Teilstrahlbündel erzeugt, das die Laserstrahlen der Laserlichtquellen der jeweiligen Gruppe enthält. Das Teilstrahlbündel der Gruppe wird jeweils mittels der Kollimationslinse auf ein erstes Beugungsgitter gerichtet. Die mehreren Teilstrahlbündel treffen nebeneinander auf das erste Beugungsgitter auf. Das erste Beugungsgitter ist dazu eingerichtet, die Teilstrahlbündel auf ein zweites Beugungsgitter umzulenken. Das zweite Beugungsgitter ist dazu eingerichtet, die Teilstrahlbündel derart umzulenken, dass sie zu einem Gesamtstrahlbündel vereint werden. Das Gesamtstrahlbündel umfasst die Teilstrahlbündel aller Gruppen von Laserlichtquellen und somit vorteilhaft die Strahlung und das Wellenlängenspektrum der mehreren Laserlichtquellen der optischen Anordnung.
Optische Beugungsgitter, die in der hierin beschriebenen optischen Anordnung als erstes optisches Beugungsgitter und zweites optisches Beugungsgitter verwendet werden, weisen in der Regel nur in einem engen Spektralbereich eine besonders hohe Beugungseffizienz auf. Um eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen, können nur Teilstrahlen, die Wellenlängen in dem nutzbaren Spektralbereich des Beugungsgitters aufweisen, spektral zu einem Gesamtstrahl kombiniert werden. Die Teilstrahlen, welche zu einem Gesamtstrahl kombiniert werden, werden bei der Kombination von Laserstrahlen zu einem Gesamtstrahl häufig als Kanäle bezeichnet. Die Anzahl der Kanäle, die zu einem Gesamtstrahl kombiniert werden können, wird üblicherweise durch die Anforderungen an die zu erreichende Strahlqualität, die Größe der optischen Anordnung sowie durch die spektralen Eigenschaften der Laserlichtquellen und der Beugungsgitter limitiert.
Die hierin beschriebene optische Anordnung macht sich insbesondere zu Nutze, dass für die Kanäle anstatt einzelner Laserlichtquellen Gruppen von Laserlichtquellen verwendet werden, die bereits vor dem Auftreffen auf das erste Beugungsgitter jeweils mittels einer Kollimationslinse zu einem Teilstrahlbündel vereint werden. Dies ermöglicht es, die nutzbare spektrale Bandbreite der Beugungsgitter optimal auszunutzen und innerhalb der spektralen Bandbreite der Beugungsgitter die optische Ausgangsleistung des erzeugten Gesamtstrahlbündels signifikant zu erhöhen.
Das erste Beugungsgitter und/oder das zweite Reflexionsbeugungsgitter ist vorzugsweise ein Reflexionsbeugungsgitter, besonders bevorzugt ein dielektrisches Reflexionsbeugungsgitter. Mit einem dielektrischen Reflexionsbeugungsgitter kann vorteilhaft eine besonders hohe Beugungseffizienz erzielt werden. Alternativ ist es aber auch möglich, dass das erste Beugungsgitter und/oder das zweite Beugungsgitter als Transmissionsgitter realisiert sind. Zur Erzielung einer hohen Beugungseffizienz kann das erste Beugungsgitter zumindest nahezu in Littrow-Anordnung verwendet werden. Das erste Beugungsgitter ist vorzugsweise derart angeordnet, dass kein Laserlicht zurück zu den Laserlichtquellen reflektiert wird. Hierzu kann eine zumindest geringfügige Rotation oder Kippung des ersten Beugungsgitters vorgenommen werden.
Das erste Beugungsgitter ist in mehrere Teilbereiche geteilt, wobei die Teilbereiche jeweils zur Beugung einer oder mehrerer Teilstrahlbündel vorgesehen sind. Bei dieser Ausgestaltung kann jedem Teilstrahlbündel vorteilhaft ein eigener Teilbereich des Beugungsgitters zugeordnet sein. Beispielsweise kann das erste Beugungsgitter sechs Teilbereiche zur Beugung von sechs Teilstrahlbündeln aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die mehreren Teilbereiche zur Beugung von mehr als nur jeweils einem Teilstrahlbündel vorgesehen sind. Beispielsweise kann das erste Beugungsgitter drei Teilbereiche zur Beugung von sechs Teilstrahlbündeln aufweisen, wobei jeder Teilbereich zur Beugung von zwei benachbarten Teilstrahlbündeln vorgesehen ist. Die Aufteilung des ersten Beugungsgitters in mehrere Teilbereiche hat den Vorteil, dass jeder Teilbereich für die Wellenlängen des zugeordneten Teilstrahlbündels oder der zugeordneten Teilstrahlbündel hinsichtlich der Beugungseffizienz optimiert werden kann.
Die Teilbereiche des ersten Beugungsgitters weisen jeweils eine an den Emissionswellenlängenbereich der zugeordneten Gruppe(n) von Laserlichtquellen angepasste Gitterstruktur auf. Hierbei weisen vorteilhaft jeweils alle Teilbereiche des ersten Beugungsgitters die gleiche Gitterperiode auf, sie unterscheiden sich aber in mindestens einer anderen Eigenschaft der Gitterstruktur voneinander. Das erste Beugungsgitter kann beispielsweise ein dielektrisches Wechselschichtsystem mit einer darauf angeordneten periodischen Struktur aufweisen. Die Teilbereiche des ersten Beugungsgitters können sich in diesem Fall beispielsweise durch die Eigenschaften des dielektrischen Wechselschichtsystems, beispielsweise in den Schichtdicken und/oder den verwendeten Materialien, voneinander unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich können sich die Teilbereiche durch die Eigenschaften der periodischen Struktur, beispielsweise die Tiefe der periodischen Struktur, voneinander unterscheiden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der optischen Anordnung sind die Laserlichtquellen Faserlaser oder Faserverstärker, besonders bevorzugt Grundmoden-Faserlaser oder Grundmoden-Faserverstärker. Mittels Faserlasern oder Faserverstärkern lassen sich vorteilhaft besonders hohe optische Ausgangsleistungen bei guter Strahlqualität erzielen.
Wenn die Laserlichtquellen der optischen Anordnung Faserlaser oder Faserverstärker sind, ist es vorteilhaft möglich, die Laserlichtquellen einer Gruppe jeweils in einem gemeinsamen Faserstecker anzuordnen. Der Faserstecker ermöglicht vorteilhaft einen vergleichsweise einfachen Austausch der Laserlichtquellen im Fall eines Defekts.
Weiterhin erleichtert die Anordnung der Faserlaser oder Faserverstärker einer Gruppe in einem Faserstecker vorteilhaft die Justage der Laserlichtquellen zu einer linearen Anordnung. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Justage ist es, wenn eine Gruppe aus genau zwei Faserlasern oder Faserverstärkern besteht. In diesem Fall kann durch eine Drehung des Fasersteckers auf einfache Weise eine eventuelle Verkippung der Anordnung zu einer Justageebene korrigiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Laserlichtquellen jeweils Faserlaser oder Faserverstärker, wobei die Faserlaser oder Faserverstärker einer Gruppe jeweils durch verschiedene Faserkerne einer Mehrkernfaser gebildet sind. Bei dieser Ausgestaltung kann die lineare Anordnung der Faserkerne bereits bei der Herstellung der Mehrkernfaser erzeugt werden. Im Fall einer Mehrkernfaser ist es hinsichtlich der Justage wiederum besonders vorteilhaft, wenn die Mehrkernfaser genau zwei Faserkerne aufweist, da in diesem Fall durch eine Drehung der Mehrkernfaser, beispielsweise in einem Faserstecker, eine eventuelle Verkippung der Anordnung zu einer Justageebene korrigiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Erzeugung eines kombinierten Strahls mehrerer Laserlichtquellen sind die Laserlichtquellen in einer linearen Anordnung angeordnet und emittieren parallel zueinander Laserlicht, wobei die Laserlichtquellen voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen. Die Laserlichtquellen sind in mehreren Gruppen angeordnet, wobei das Laserlicht der Laserlichtquellen jeder Gruppe jeweils mit einer der Gruppe zugeordneten Kollimationslinse kollimiert und so für jede Gruppe ein Teilstrahlbündel erzeugt wird, wobei die Teilstrahlbündel auf ein erstes Beugungsgitter gerichtet werden. Die Teilstrahlbündel treffen nebeneinander auf das erste Beugungsgitter auf und werden von dem ersten Beugungsgitter auf ein zweites Beugungsgitter umgelenkt. Die Teilstrahlbündel werden von dem zweiten Beugungsgitter derart umgelenkt, dass sie zu einem Gesamtstrahlbündel vereinigt werden.
Die im Zusammenhang mit der optischen Anordnung beschriebenen Ausgestaltungen gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.
Die optische Anordnung und das Verfahren können insbesondere dazu eingesetzt werden, die Laserstrahlen einer Vielzahl von Laserlichtquellen mit hoher optischer Leistung zu einem Gesamtstrahlbündel mit sehr hoher optischer Leistung und hoher Strahlqualität zu vereinen. Die Laserlichtquellen weisen vorzugsweise jeweils eine optische Leistung von mindestens 1 kW oder sogar von mindestens 5 kW auf. Das mit der optischen Anordnung und/oder dem Verfahren erzeugte Gesamtstrahlbündel weist vorteilhaft eine optische Leistung von mehr als 10 kW oder sogar von mindestens 100 kW auf. Das so erzeugte Gesamtstrahlbündel ist insbesondere für Anwendungen geeignet, die sehr hohe optische Leistungen erfordern, insbesondere für Laser in der Materialbearbeitung oder für Hochenergielaser (HEL), die beispielsweise für militärische Zwecke eingesetzt werden können.
Die optische Anordnung und das Verfahren werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines kombinierten Spektrums mehrerer Laserlichtquellen,
2 eine schematische Darstellung der Strahlüberlagerung mehrerer Laserlichtquellen mittels einer Linse und einem Beugungsgitter,
3 eine schematische Darstellung der Strahlüberlagerung mehrerer Laserlichtquellen mittels eines Beugungsgitters,
4 eine schematische Darstellung der Strahlüberlagerung mehrerer Laserlichtquellen mittels eines ersten Beugungsgitters und eines zweiten Beugungsgitters,
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der optischen Anordnung,
6A, 6B und 6C schematische Darstellungen von Ausgestaltungen des ersten Beugungsgitters,
7 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der Laserlichtquellen als Faserlaser oder Faserverstärker,
8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der Laserlichtquellen als Faserlaser oder Faserverstärker in einem gemeinsamen Faserstecker, und
9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der Laserlichtquellen als Faserkerne einer Mehrkernfaser.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In 1 ist schematisch ein Spektrum von vier Laserlichtquellen, die sich in ihren Wellenlängen λ_n voneinander unterscheiden, dargestellt. Bei der Kombination spektral verschiedener Laserlichtquellen werden die einzelnen Lichtquellen oftmals als Kanäle bezeichnet. Hierbei istλ_n die Mittenwellenlänge des n-ten Kanals, dλ die spektrale Breite eines Einzelkanals, δλ der Abstand zweier benachbarter Kanäle und Δλ die Gesamtbreite des kombinierten Spektrums (Differenz der größten und kleinsten Wellenlänge).
In 2 ist schematisch eine Möglichkeit zur Strahlkombination mehrerer Laserlichtquellen 4 dargestellt. Die mehreren räumlich nah aneinander liegenden Laserlichtquellen 4 mit voneinander verschiedenen Wellenlängen λ_n werden gemeinsam mit einer Linse 3 der Brennweite f auf ein Beugungsgitter 2 abgebildet. Nach dem Durchgang der Strahlen durch die Linse 3 treffen die Strahlen außerhalb der optischen Achse unter einem anderen Winkel auf das Beugungsgitter 2 auf als die Strahlen auf der optischen Achse. Die Wellenlängen der Strahlung und die Beugungswinkel des Gitters hängen über die Gittergleichung derart zusammen, dass ein gemeinsamer Strahl gebildet wird.
Bei der in 3 dargestellten weiteren Möglichkeit zur Strahlkombination mehrerer Laserlichtquellen treffen einzeln kollimierte Strahlen verschiedener Wellenlängen (λ₁...λ_n) auf ein Beugungsgitter 2 auf. Die Einfallswinkel der kollimierten Strahlen und die Gitterparameter sind derart eingestellt, dass die Strahlen durch die Beugung an dem Beugungsgitter 2 zu einem gemeinsamen Strahl vereint werden.
In 4 ist eine weitere Möglichkeit zur Strahlkombination von mehreren Laserlichtquellen verschiedener Wellenlängen (λ₁...λ_n) dargestellt. Hierbei treffen die einzeln kollimierten Laserstrahlen zunächst auf ein erstes Beugungsgitter 1 auf, dass die Strahlen zu einem zweiten Beugungsgitter 2 umlenkt, durch das die Strahlen zu einem Gesamtstrahl vereint werden. Durch die Verwendung von zwei Beugungsgittern 1, 2 kann die Aufspaltung eines Einzelstrahls aufgrund dessen spektraler Breite dλ, kompensiert werden und so eine höhere Strahlqualität erreicht werden.
Die Beispiele der zuvor beschriebenen 1 bis 4 dienen zur Erläuterung des technischen Hintergrunds und einzelner Komponenten der hierin beschriebenen optischen Anordnung. Diese Beispiele weisen aber nicht alle Merkmale der hierin beschriebenen optischen Anordnung auf.
Ein Ausführungsbeispiel der optischen Anordnung 10 gemäß dem hierin vorgeschlagen Prinzip ist in 5 dargestellt. Die optische Anordnung 10 weist mehrere Gruppen von Laserlichtquellen 4 auf, wobei die Anzahl der Gruppen N beträgt. Beispielsweise weist eine erste Gruppe eine Anzahl M Laserlichtquellen 4 mit voneinander verschiedenen Wellenlängen λ_1,1 ... λ_1,M auf, und die N-te Gruppe weist eine Anzahl K Laserlichtquellen 4 mit Wellenlängen λ_N,1 ... λ_N,K auf. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 5 nur die erste Gruppe und die N-te Gruppe von Laserlichtquellen 4 dargestellt, wobei dazwischen eine oder mehrere weitere Gruppen von Laserlichtquellen 4 angeordnet sein können. Jeder Gruppe von Laserlichtquellen 4 folgt eine Kollimationslinse 3 nach. Die Kollimationslinsen 3 erzeugen jeweils Teilstrahlbündel 5a, 5b, welche die von den Laserlichtquellen 4 der jeweiligen Gruppe emittierte Laserstrahlung umfassen. Die Teilstrahlbündel 5a, 5b der Gruppen von Laserlichtquellen 4 werden durch die Kollimationslinsen 3 jeweils auf das erste Beugungsgitter 1 abgebildet. Die mehreren Teilstrahlbündel 5a, 5b werden von dem ersten Beugungsgitter 1 auf ein zweites Beugungsgitter 2 umgelenkt, wobei das zweite Beugungsgitter 2 die Teilstrahlbündel 5a, 5b zu einem Gesamtstrahlbündel 6 vereint. Das Gesamtstrahlbündel 6 umfasst vorteilhaft die Wellenlängen aller Laserlichtquellen 4 der mehreren Gruppen.
Die optische Anordnung 10 macht insbesondere von der Idee Gebrauch, anstelle von kollimierten Einzelstrahlen (wie im Beispiel der 4) kollimierte Teilstrahlbündel 5a, 5b auf das erste Beugungsgitter 1 zu richten, wobei die Teilstrahlbündel 5a, 5b jeweils die kollimierte Strahlung mehrerer Laserlichtquellen 4 umfassen. Auf diese Weise kann die optische Ausgangsleistung des erzeugten Gesamtstrahlbündels 6 signifikant erhöht werden. Unter Verwendung der Bezeichnungen gemäß 1 weisen die durch kollimierte Einzelstrahlen gebildeten benachbarten Kanäle bei der Strahlkombination gemäß 4 einen Abstand δλ auf. Dieser spektrale Abstand δλ wird bei dem Ausführungsbeispiel der 5 vorteilhaft dadurch mit weiteren Kanälen in Form von Laserlichtquellen 4 aufgefüllt, dass anstelle von kollimierten einzelnen Laserlichtquellen kollimierte Gruppen von Laserlichtquellen 4 verwendet und auf das Beugungsgitter 1 abgebildet werden. Wenn jede Gruppe beispielsweise vier Laserlichtquellen 4 enthält, kann auf diese Weise eine Vervierfachung der Ausgangsleistung erzielt werden.
Für Yb-dotierte Faserlaser sind beispielsweise im Wellenlängenbereich von 1030 nm bis 1100 nm Ausgangsleistungen von 1 kW oder mehr realisierbar. Es ist möglich, mit einem dielektrischen Reflexionsbeugungsgitter im Wellenlängenbereich von etwa 1030 nm bis etwa 1070 nm eine Beugungseffizienz von mehr als 95% zu erzielen, so dass der nutzbare Spektralbereich der Beugungsgitter 1, 2 etwa 40 nm beträgt. Bei einem Kanalabstand δλ von beispielsweise 4 nm wären in diesem Fall bei der Verwendung von einzelnen Laserlichtquellen wie etwa im Beispiel der 4 nur 11 Kanäle möglich, beispielsweise mit Wellenlängen 1030 nm, 1034 nm, ..., 1070 nm.
Bei der optischen Anordnung 10 gemäß 5 können beispielsweise die mehreren Gruppen von Laserlichtquellen 4 einen spektralen Abstand δλ = 4 nm aufweisen, wobei die Gruppen aber jeweils mehrere Laserlichtquellen innerhalb des spektralen Abstands δλ aufweisen. Beispielsweise kann eine erste Gruppe vier Laserlichtquellen 4 mit den Wellenlängen 1030,0 nm, 1030,5 nm, 1031,0 nm und 1031,5 nm aufweisen, eine zweite Gruppe vier Laserlichtquellen 4 mit den Wellenlängen 1034,0 nm, 1034,5 nm, 1035,0 nm und 1035,5 nm aufweisen, usw., und eine letzte 11. Gruppe vier Laserlichtquellen 4 mit den Wellenlängen 1070,0 nm, 1070,5 nm, 1071,0 nm und 1071,5 nm aufweisen. In dem nutzbaren Spektralbereich des Beugungsgitters 1 kann so eine große Anzahl von Laserlichtquellen 4 zu einem Gesamtstrahl kombiniert werden.
Die optische Anordnung 10 kann insbesondere dazu vorgesehen sein, ein Gesamtstrahlbündel mit einer optischen Leistung von mindestens 10 kW, von mindestens 50 kW oder sogar von mindestens 100 kW zu erzeugen.
Die Beugungsgitter 1, 2 sind bei der optischen Anordnung vorzugsweise Reflexionsbeugungsgitter, insbesondere dielektrische Reflexionsbeugungsgitter. Es ist alternativ aber auch möglich, die Beugungsgitter 1, 2 als Transmissionsbeugungsgitter auszubilden. Das optische Design und die Herstellung von Beugungsgittern 1, 2 sind dem Fachmann an sich bekannt und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Im Fall von Reflexionsbeugungsgittern 1, 2 sind diese vorteilhaft so ausgerichtet, dass keine Rückreflexion in Richtung der Laserlichtquellen 4 erfolgt. Hierzu kann eine zumindest leichte Verkippung der Beugungsgitter 1, 2 vorteilhaft sein. Eine solche Verkippung kann auch eine Faltung des Strahlengangs ermöglichen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden polarisationsunabhängige Beugungsgitter 1, 2 eingesetzt. In diesem Fall müssen die Laserlichtquellen 4, insbesondere Faserlaser oder Faserverstärker, nicht polarisiert sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Laserlichtquellen 4 selbst polarisiert oder es wird eine Polarisation beispielsweise mittels doppelbrechenden Platten eingestellt. Bei der Verwendung polarisierter Laserlichtquellen 4 können vorteilhaft für polarisierte Strahlung berechnete hochdispersive Beugungsgitter, die nur einen geringen Bauraum benötigen, eingesetzt werden.
In den 6A bis 6C sind mehrere mögliche Ausgestaltungen des ersten Beugungsgitters 1 dargestellt, die insbesondere bei dem Ausführungsbeispiel der optischen Anordnung gemäß 5 eingesetzt werden können. Bei dem nicht erfindungsgemäßen Beispiel der 6A ist das erste Beugungsgitter 1 ein einteiliges Gitter, auf das beispielsweise sechs Teilstrahlbündel 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f von mehreren Gruppen von Laserlichtquellen nebeneinander auftreffen.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung, die in 6B dargestellt ist, ist das erste Beugungsgitter ein mehrteiliges Gitter, das bei dem Ausführungsbeispiel drei Teilbereiche 1a, 1b, 1c aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel der 6B treffen auf den ersten Teilbereich 1a zwei benachbarte Teilstrahlbündel 5a, 5b, auf den zweiten Teilbereich 1b zwei benachbarte Teilstrahlbündel 5c, 5d und auf den dritten Teilbereich zwei benachbarte Teilstrahlbündel 5e, 5f auf.
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, wie sie in 6C dargestellt ist, bei der das erste Beugungsgitter derart aus mehreren Teilbereichen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f zusammengesetzt ist, dass jedem Teilstrahlbündel 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f jeweils genau ein Teilbereich des Beugungsgitters zugeordnet ist.
Die Ausführung des ersten Beugungsgitters als mehrteiliges Gitter gemäß den 6B oder 6C hat den Vorteil, dass jeder Teilbereich 1a, ..., 1f für die Wellenlängen der darauf auftreffenden Gruppe oder Gruppen von Teilstrahlbündeln 5a, ..., 5f hinsichtlich der Beugungseffizienz optimiert werden kann. Die Teilbereiche 1a, ..., 1f unterscheiden sich hierbei vorteilhaft nicht in der Gitterperiode, aber in mindestens einem anderen Parameter der Gitterstruktur. Beispielsweise kann das Beugungsgitter ein Reflexionsbeugungsgitter sein, dass ein dielektrisches Schichtsystem mit einer darauf aufgebrachten Gitterstruktur aufweist. In diesem Fall können beispielsweise das dielektrisches Schichtsystem und/oder die Gitterstruktur, beispielsweise die Gittertiefe, in jedem der Teilbereiche 1a, ..., 1f für die Wellenlängen der Laserlichtquellen der drauf auftreffen Teilstrahlbündel 5a,..., 5f optimiert sein.
In 7 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Laserlichtquellen dargestellt, bei der die Laserlichtquellen jeweils durch Faserkerne 7 einer Lichtleitfaser 9 gebildet sind. Die Laserlichtquellen können insbesondere Faserlaser oder Faserverstärker sein. Die Faserkerne 7 sind in einer Justageebene 8 derart justiert, dass sie eine lineare Anordnung bilden und parallel zueinander emittieren.
Um die Justage der Faserkerne 7 relativ zur Justageebene 8 zu erleichtern, ist eine in 8 dargestellte Ausgestaltung vorteilhaft, bei der die Fasern 9 mit den darin enthaltenen Faserkernen 7 in einem gemeinsamen Faserstecker 12 angeordnet sind. Eine Justage der Faserkerne relativ zur Justageebene 8 kann in diesem Fall durch eine Drehung des Fasersteckers 12 erfolgen. Die Anordnung der Fasern 9 in einem Faserstecker 12 hat außerdem Vorteil, dass ein Austausch im Fall eines Defekts auf einfache Weise möglich ist. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Justage ist eine Anordnung, bei der genau zwei Fasern 9 in einem gemeinsamen Faserstecker 12 angeordnet sind. In diesem Fall kann eine lineare Anordnung der Faserkerne 7, die genau parallel zur Justageebene 8 ist, durch eine bloße Drehung des Fasersteckers 12 erreicht werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Laserlichtquellen Form von Faserkernen 7 ist in 9 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung sind mehrere Faserkerne 7 in einer linearen Anordnung in einer Mehrkernfaser 11 angeordnet. Die Justage der Faserkerne zu einer linearen Anordnung kann in diesem Fall bei der Herstellung der Mehrkernfaser 11 erfolgen. Bevorzugt ist bei dieser Ausgestaltung eine Variante, bei der die Mehrkernfaser 11 genau zwei Faserkerne 7 enthält. In diesem Fall kann eine Justage der Faserkerne 7 parallel zur Justageebene 8 immer durch Drehung der Mehrkernfaser 11, beispielsweise in einem Faserstecker, erreicht werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Optische Anordnung (10) zur Erzeugung eines kombinierten Strahls mehrerer Laserlichtquellen, umfassend eine lineare Anordnung von mehreren parallel ausgerichteten Laserlichtquellen (4), die voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen, wobei - die Laserlichtquellen (4) in mehreren Gruppen angeordnet sind, - jeder Gruppe von Laserlichtquellen (4) jeweils in Strahlrichtung eine Kollimationslinse (3) zur Erzeugung eines Teilstrahlbündels (5a, 5b) der Gruppe von Laserlichtquellen (4) nachfolgt, - den Kollimationslinsen (3) ein erstes Beugungsgitter (1) nachfolgt, auf das die Teilstrahlbündel (5a, 5b) der Gruppen von Laserlichtquellen (4) nebeneinander auftreffen, - das erste Beugungsgitter (1) dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlbündel (5a, 5b) auf ein zweites Beugungsgitter (2) umzulenken, - das zweite Beugungsgitter (2) dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlbündel (5a, 5b) derart umzulenken, dass sie zu einem Gesamtstrahlbündel (6) vereint werden, - das erste Beugungsgitter (1) in mehrere Teilbereiche (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) geteilt ist, wobei die Teilbereiche zur Beugung einer oder mehrerer Teilstrahlbündel vorgesehen sind, und - die Teilbereiche (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) des ersten Beugungsgitters (1) jeweils eine an einen Emissionswellenlängenbereich der zugeordneten Gruppe(n) von Laserlichtquellen (4) angepasste Gitterstruktur aufweisen.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Laserlichtlichtquellen (4) Faserlaser oder Faserverstärker sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Faserlaser oder Faserverstärker einer Gruppe jeweils in einem gemeinsamen Faserstecker (12) angeordnet sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Faserlaser oder Faserverstärker einer Gruppe jeweils durch verschiedene Faserkerne (7) einer Mehrkernfaser (11) gebildet sind.
Optische Anordnung einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Gruppe aus genau zwei Faserlasern oder Faserverstärkern besteht.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserlichtquellen (4) jeweils eine optische Leistung von mehr als 1 kW aufweisen.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gesamtstrahlbündel (6) eine optische Leistung von mehr als 10 kW aufweist.
Verfahren zur Erzeugung eines kombinierten Strahls mehrerer Laserlichtquellen, bei dem - die Laserlichtquellen (4) in einer linearen Anordnung angeordnet sind und parallel zueinander Laserlicht emittieren, wobei die Laserlichtquellen (4) voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen, - die Laserlichtquellen (4) in mehreren Gruppen angeordnet sind, - das Laserlicht der Laserlichtquellen (4) jeder Gruppe jeweils mit einer der Gruppe zugeordneten Kollimationslinse (3) kollimiert und so für jede Gruppe ein Teilstrahlbündel (5a, 5b) erzeugt wird, wobei die Teilstrahlbündel (5a, 5b) auf ein erstes Beugungsgitter (1) gerichtet werden, - die Teilstrahlbündel (5a, 5b) nebeneinander auf das erstes Beugungsgitter (1) auftreffen und von dem ersten Beugungsgitter (1) auf ein zweites Beugungsgitter (2) umgelenkt werden, und - die Teilstrahlbündel (5a, 5b) von dem zweiten Beugungsgitter (2) derart umgelenkt werden, dass sie zu einem Gesamtstrahlbündel (6) vereinigt werden, wobei - das erste Beugungsgitter (1) in mehrere Teilbereiche (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) geteilt ist, wobei die Teilbereiche zur Beugung einer oder mehrerer Teilstrahlbündel vorgesehen sind, und - die Teilbereiche (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) des ersten Beugungsgitters (1) jeweils eine an einen Emissionswellenlängenbereich der zugeordneten Gruppe(n) von Laserlichtquellen (4) angepasste Gitterstruktur aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Laserlichtlichtquellen (4) Faserlaser oder Faserverstärker sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Faserlaser oder Faserverstärker einer Gruppe jeweils in einem gemeinsamen Faserstecker (12) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Gruppe aus genau zwei Faserlasern oder Faserverstärkern besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Faserlaser oder Faserverstärker einer Gruppe jeweils durch verschiedene Faserkerne (7) einer Mehrkernfaser (11) gebildet sind.