DE102017217145A1 - Laser system and method for producing a top-hat approximated beam profile - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße Lasersystem (1) weist einen Strahlhomogenisierer (5) auf zur Homogenisierung eines im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofils eines Laserlichts zu einem homogenisierten Strahlprofil. Die Homogenisierung erfolgt unter Verwendung eines optischen Elements (7) des Strahlhomogenisierers (5), welches als refraktives, reflektives und/oder diffraktives optisches Element konfiguriert ist. Das Lasersystem (1) weist ferner eine Multimodenfaser (5) und ist konfiguriert zu einer Modenanregung in der Multimodenfaser unter Verwendung des homogenisierten Strahlprofils. The laser system (1) according to the invention has a beam homogenizer (5) for homogenizing a substantially Gaussian beam profile of a laser light to a homogenized beam profile. The homogenization takes place using an optical element (7) of the beam homogenizer (5), which is configured as a refractive, reflective and / or diffractive optical element. The laser system (1) further comprises a multi-mode fiber (5) and is configured to mode-excite in the multi-mode fiber using the homogenized beam profile.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem Strahlprofil, welches einem Top-Hat-Strahlprofil (Kastenprofil) angenähert ist, sowie auch auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Top-Hat-angenäherten Strahlprofils.The present invention relates to a laser system for producing a laser beam having a beam profile which approximates a top-hat beam profile (box profile) as well as to a method for producing a top-hat-approximated beam profile.
Aus dem Stand der Technik sind Strahlhomogenisierer für Laserlicht bekannt, die zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem Strahlprofil konfiguriert sind, welches einem idealen Top-Hat-Strahlprofil angenähert ist.Beam homogenizers for laser light are known in the prior art that are configured to generate a laser beam having a beam profile that approximates an ideal top hat beam profile.
Diese herkömmlichen Strahlhomogenisierer weisen üblicherweise einen Field-Mapper oder ein Linsenarray auf. Ein Field-Mapper erzeugt eine ausgehende Wellenfront, in welcher im Laufe der weiteren freien Propagation die Intensität des Laserlichts so umsortiert wird, dass das Top-Hat-angenäherte Strahlprofil erzeugt wird. In typischen Ausführungsformen weist der Field-Mapper mehrere asphärische Linsen oder ein diffraktives optisches Element auf. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Verwendung von Field-Mappern die Qualität des Top-Hat-angenäherten Strahlprofils empfindlich vom Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls abhängt, welcher auf den Field-Mapper auftrifft. Ferner hängt die Qualität empfindlich von der Ausrichtung des Field-Mappers relativ zum eintreffenden Laserstrahl ab. Dies kann die Homogenisierung beeinträchtigen, insbesondere dann, wenn keine aufwändigen Justagevorrichtungen vorgesehen sind.These conventional beam homogenizers usually have a field mapper or a lens array. A field mapper generates an outgoing wavefront in which, in the course of the further free propagation, the intensity of the laser light is resorted such that the top hat-approximated beam profile is generated. In typical embodiments, the field mapper comprises a plurality of aspherical lenses or a diffractive optical element. However, it has been found that with the use of field mappers, the quality of the top hat approximated beam profile is sensitive to the beam profile of the incident laser beam impinging on the field mapper. Furthermore, the quality is sensitive to the orientation of the field mapper relative to the incoming laser beam. This can impair the homogenization, in particular if no complicated adjustment devices are provided.
Diese Abhängigkeiten sind weniger ausgeprägt, wenn der Strahlhomogenisierer auf einem Linsenarray basiert, zudem konzentrieren Field-Mapper im Vergleich zu Linsenarrays einen deutlich geringeren Anteil der Leistung im Top-Hat-Bereich. Des Weiteren ist bei der Verwendung von Linsenarrays die Propagationsdistanz, über welche das Strahlprofil homogen bleibt, im Vergleich zur Verwendung von Field-Mappern vergleichsweise gering.These dependencies are less pronounced when the beam homogenizer is based on a lens array and, in addition, field-mappers focus much less on top-hat performance compared to lens arrays. Furthermore, when lens arrays are used, the propagation distance over which the beam profile remains homogeneous is comparatively low compared to the use of field mappers.
Es besteht daher ein Bedarf an Lasersystemen zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem Top-Hat-angenäherten Strahlprofil, die eine hohe Toleranz gegenüber Justagefehlern und/oder gegenüber dem Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls aufweisen. Hierbei soll möglichst viel Leistung im Top-Hat-Bereich konzentriert werden. Gleichzeitig besteht ein Bedarf an Lasersystemen, die einen Laserstrahl mit einem Top-Hat-angenäherten Strahlprofil erzeugen, welches über eine möglichst große Propagationsdistanz homogen bleibt.There is therefore a need for laser systems for generating a laser beam with a top-hat-approximated beam profile, which have a high tolerance for adjustment errors and / or with respect to the beam profile of the incident laser beam. This should be concentrated as much performance in the top hat area. At the same time, there is a need for laser systems that produce a laser beam with a top-hat-approximated beam profile that remains homogeneous over as large a propagation distance as possible.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem, welches einen Strahlhomogenisierer zur Homogenisierung eines gaußförmigen oder im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofils eines Laserlichts zu einem homogenisierten Strahlprofil umfasst. Das im Wesentlichen gaußförmige Strahlprofil repräsentiert eine zweidimensionale Energiedichteverteilung oder Leistungsdichteverteilung des Laserlichts. Die Homogenisierung erfolgt unter Verwendung eines optischen Elements des Strahlhomogenisierers. Das optische Element ist als refraktives, reflektives und/oder diffraktives optisches Element konfiguriert. Das Lasersystem weist ferner eine Multimodenfaser auf. Das Lasersystem ist konfiguriert zu einer Modenanregung in der Multimodenfaser unter Verwendung des homogenisierten Strahlprofils.A first aspect of the invention relates to a laser system comprising a beam homogenizer for homogenizing a Gaussian or substantially Gaussian beam profile of a laser light to a homogenized beam profile. The substantially Gaussian beam profile represents a two-dimensional energy density distribution or power density distribution of the laser light. The homogenization is carried out using an optical element of the beam homogenizer. The optical element is configured as a refractive, reflective and / or diffractive optical element. The laser system further comprises a multi-mode fiber. The laser system is configured for mode excitation in the multimode fiber using the homogenized beam profile.
Die Strahlprofile können transversale Strahlprofile relativ zu einer Ausbreitungsrichtung des Laserlichts sein. Die Energiedichteverteilung kann eine Integration der Leistungsdichteverteilung über einen oder über mehrere Laserpulse des Laserlichts repräsentieren.The beam profiles may be transverse beam profiles relative to a propagation direction of the laser light. The energy density distribution may represent an integration of the power density distribution over one or more laser pulses of the laser light.
Das gaußförmige oder im Wesentlichen gaußförmige Strahlprofil kann ein Strahlprofil eines eintreffenden Laserstrahls sein, welcher auf den Strahlhomogenisierer eintrifft. Der eintreffende Laserstrahl kann in einem gasförmigen Medium (wie Luft), im Vakuum, in einer Flüssigkeit oder in einem Feststoff propagieren. Das gaußförmige oder im Wesentlichen gaußförmige Strahlprofil kann ein Strahlprofil eines Strahls in einem Lichtleiter sein, welcher an den Strahlhomogenisierer angrenzt. Der Lichtleiter kann eine optische Faser, insbesondere eine Monomodenfaser, Hohlkernfaser (photonische Kristallfaser) oder eine Multimodenfaser sein.The Gaussian or substantially Gaussian beam profile may be a beam profile of an incident laser beam arriving at the beam homogenizer. The incoming laser beam can propagate in a gaseous medium (such as air), in a vacuum, in a liquid or in a solid. The Gaussian or substantially Gaussian beam profile may be a beam profile of a beam in an optical fiber adjacent to the beam homogenizer. The optical waveguide may be an optical fiber, in particular a monomode fiber, hollow core fiber (photonic crystal fiber) or a multimode fiber.
Der eintreffende Laserstrahl kann ein Gaußstrahl (auch als TEM00-Mode bezeichnet) oder im Wesentlichen ein Gaußstrahl sein. Moden höherer Ordnung als die TEM00-Mode des Gaußstrahls können im eintreffenden Laserstrahl unterdrückt oder nicht vorhanden sein. Ein M2-Faktor (Beugungsmaßzahl) des eintreffenden Laserstrahls kann geringer sein als
Das Lasersystem kann so konfiguriert sein, dass das Laserlicht innerhalb des Strahlhomogenisierers zumindest teilweise in einem gasförmiges Medium (wie Luft) oder im Vakuum propagiert. In anderen Worten kann der Strahlhomogenisierer die Modenanregung in der Multimodenfaser mit Hilfe einer Freistrahl-zu-Faser-Kopplung (engl.: free-space fiber coupling) bewirken.The laser system may be configured such that the laser light propagates within the beam homogenizer at least partially in a gaseous medium (such as air) or in vacuum. In other words, the beam homogenizer can cause the mode excitation in the multimode fiber by means of free-space fiber coupling.
Der Strahlhomogenisierer kann im Laserlicht zwischen einer Lichtaustrittsfläche eines Kerns einer Eingangsfaser und einer Lichteintrittsfläche eines Kerns der Multimodenfaser angeordnet sein. Der Strahlhomogenisierer kann angrenzend oder beabstandet von der Lichteintrittsfläche und/oder von der Lichtaustrittsfläche angeordnet sein. The beam homogenizer may be arranged in the laser light between a light exit surface of a core of an input fiber and a light entry surface of a core of the multimode fiber. The beam homogenizer may be arranged adjacent to or spaced from the light entry surface and / or from the light exit surface.
Die Modenanregung kann ein Einkoppeln zumindest eines Teils des Laserlichts in die Multimodenfaser umfassen.The mode excitation may include coupling at least a portion of the laser light into the multimode fiber.
Das homogenisierte Strahlprofil, welches vom Strahlhomogenisierer erzeugt wird, kann sich innerhalb seines homogenisierten Strahlabschnitts des Laserlichts befinden, welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserlichts erstreckt. An jeder Position innerhalb des homogenisierten Strahlabschnitts kann das Strahlprofil des Laserlichts jeweils homogenisiert sein im Vergleich zum Strahlprofil des Laserstrahls, welcher auf den Strahlhomogenisierer eintrifft. Der homogenisierte Strahlabschnitt kann einen Fokus des Laserlichts aufweisen oder einen Fokus repräsentieren. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Fokus außerhalb des homogenisierten Strahlabschnitts angeordnet ist, das heißt, dass der homogenisierte Strahlabschnitt frei von einem Fokus ist. Gesehen entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserlichts kann eine Position des Fokus einer Position der Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser entsprechen. Alternativ kann die Position des Fokus beabstandet von der Position der Lichteintrittsfläche sein. Die Position der Lichteintrittsfläche kann sich innerhalb des homogenisierten Strahlabschnitts befinden.The homogenized beam profile generated by the beam homogenizer may be located within its homogenized beam portion of the laser light which extends along a propagation direction of the laser light. At each position within the homogenized beam section, the beam profile of the laser light can be homogenized in each case in comparison to the beam profile of the laser beam which arrives at the beam homogenizer. The homogenized beam section may have a focus of the laser light or represent a focus. However, it is also conceivable that the focus is arranged outside the homogenized beam section, that is to say that the homogenized beam section is free from a focus. As seen along a propagation direction of the laser light, a position of the focus may correspond to a position of the light entrance surface of the multi-mode fiber. Alternatively, the position of the focus may be spaced from the position of the light entrance surface. The position of the light entry surface may be within the homogenized beam section.
Ein Kern der Multimodenfaser kann einen Durchmesser aufweisen, welcher größer ist als 30µm oder größer ist als 100µm, insbesondere größer als 200µm. A core of the multimode fiber may have a diameter which is greater than 30 μm or greater than 100 μm, in particular greater than 200 μm.
Das refraktive optische Element kann eine asphärische optisch wirksame refraktive Fläche aufweisen. Diese Fläche kann Teil einer asphärischen Linse sein. Das reflektive optische Element kann eine asphärische optisch wirksame reflektive Fläche aufweisen. Diese Fläche kann Teil eines asphärischen Spiegels sein. Das refraktive und/oder reflektive optische Element kann eine Arrayoptik, insbesondere ein Linsenarray, sein.The refractive optical element may have an aspherical optically effective refractive surface. This surface may be part of an aspherical lens. The reflective optical element may have an aspherical optically effective reflective surface. This surface can be part of an aspherical mirror. The refractive and / or reflective optical element may be an array optics, in particular a lens array.
Das homogenisierte Strahlprofil kann einen kreisförmigen oder im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es sind jedoch auch andere Querschnittgeometrien, wie rechteckig oder sechseckig denkbar. Eine Querschnittgeometrie des homogenisierten Strahlprofils kann einer Querschnittgeometrie des Kerns der Multimodenfaser entsprechen.The homogenized beam profile may have a circular or substantially circular cross-section. However, there are also other cross-sectional geometries, such as rectangular or hexagonal conceivable. A cross-sectional geometry of the homogenized beam profile may correspond to a cross-sectional geometry of the core of the multi-mode fiber.
Das erfindungsgemäße Lasersystem umfasst in einem weiteren Aspekt einen Strahlhomogenisierer zur Homogenisierung von Laserlicht mit einem im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil, das eine zweidimensionale Energie- oder Leistungsdichteverteilung des Laserlichts repräsentiert, zu einem homogenisierten Strahlprofil, wobei die Homogenisierung unter Verwendung mindestens eines optischen Elements des Strahlhomogenisierers, welches aus dem gaußförmigen Strahlprofil ein Multispot-Strahlprofil erzeugt und als refraktives, reflektives und/oder diffraktives optisches Element konfiguriert ist, und einer Multimodenfaser des Strahlhomogenisierers erfolgt, die zu einer Multi-Modenanregung in der Multimodenfaser unter Verwendung des Multispot-Strahlprofils konfiguriert ist.In a further aspect, the laser system according to the invention comprises a beam homogenizer for homogenizing laser light having a substantially Gaussian beam profile, which represents a two-dimensional energy or power density distribution of the laser light, into a homogenized beam profile, the homogenization using at least one optical element of the beam homogenizer a multispot beam profile is generated from the Gaussian beam profile and configured as a refractive, reflective and / or diffractive optical element, and a multimode fiber of the beam homogenizer configured to multi-mode excitation in the multi-mode fiber using the multi-spot beam profile.
Insgesamt führt die erfindungsgemäße Multispot-Modenanregung mit einer geeigneten Gewichtung der einzelnen Spots dazu, dass die Einkoppelbedingungen für Moden verschiedener Symmetriegruppen gleichzeitig erfüllt werden und sich am Ausgang der Multimodenfaser ein homogenisiertes Strahlprofil ergibt. Insbesondere werden zum Beispiel radial symmetrische und radial anti-symmetrische Moden angeregt (on- und off-axis Einkopplung). Dieses Vorgehen erhöht die Anzahl der angeregten Moden und sorgt für eine bessere Durchmischung (Moden verschiedener Symmetriegruppen), sodass der Interferenzkontrast am Faserausgang reduziert wird.Overall, the multispot mode excitation according to the invention with a suitable weighting of the individual spots results in the coupling conditions for modes of different symmetry groups being fulfilled simultaneously and a homogenized beam profile results at the output of the multimode fiber. In particular, for example, radially symmetric and radially anti-symmetric modes are excited (on- and off-axis coupling). This procedure increases the number of excited modes and provides better mixing (modes of different symmetry groups), thus reducing the interference contrast at the fiber output.
Gemäß einer Ausführungsform weist das homogenisierte Strahlprofil eine Plateaugleichförmigkeit auf mit einer Kennzahl, welche geringer ist als
Gemäß einer Ausführungsform weist das homogenisierte Strahlprofil eine Flankensteilheit auf mit einer Kennzahl geringer als
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Anteil von zumindest 80% einer Gesamtenergie oder -leistung des homogenisierten Strahlprofils eine Strahlgleichförmigkeit auf, welche gleichförmiger ist als ±10% oder gleichförmiger ist als ±5% oder gleichförmiger ist als ±2%. Die Strahlgleichförmigkeit kann definiert sein gemäß der Norm ISO 13694:2015.In another embodiment, a proportion of at least 80% of a total energy or power of the homogenized beam profile has a beam uniformity which is more uniform than ± 10% or more uniform than ± 5% or more uniform than ± 2%. Beam uniformity may be defined according to ISO 13694: 2015.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Lasersystem so konfiguriert, dass das homogenisierte Strahlprofil entsprechend oder im Wesentlichen entsprechend ist zu einem Super-Gauß-Strahlprofil mit einer Ordnung größer oder gleich
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Lasersystem so konfiguriert, dass das homogenisierte Strahlprofil im Wesentlichen an einer Lichteintrittsfläche eines Kerns der Multimodenfaser erzeugt wird, gesehen entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserlichts. In anderen Worten kann eine Position des homogenisierten Strahlprofils entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserlichts gleich oder im Wesentlichen gleich sein zu einer Position einer Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser.According to another embodiment, the laser system is configured such that the homogenized beam profile is generated substantially at a light entrance surface of a core of the multi-mode fiber, as viewed along a propagation direction of the laser light. In other words, a position of the homogenized beam profile along a propagation direction of the laser light may be equal to or substantially equal to a position of a light entrance surface of the multi-mode fiber.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht eine transversale Ausdehnung des homogenisierten Strahlprofils im Wesentlichen einer Lichteintrittsfläche des Kerns der Multimodenfaser. Das homogenisierte Strahlprofil kann deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich zur Lichteintrittsfläche sein.According to a further embodiment, a transverse extent of the homogenized beam profile essentially corresponds to a light entry surface of the core of the multimode fiber. The homogenized beam profile can be congruent or essentially congruent to the light entry surface.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Strahlhomogenisierer so konfiguriert, dass das Laserlicht konvergierend auf die Lichteintrittsfläche des Kerns der Multimodenfaser eintrifft. Ein Konvergenzwinkel des Laserlichts an der Lichteintrittsfläche des Kerns der Multimodenfaser kann einem Akzeptanzwinkel der Multimodenfaser entsprechen oder im Wesentlichen dem Akzeptanzwinkel entsprechen.According to another embodiment, the beam homogenizer is configured such that the laser light converges on the light entry surface of the core of the multi-mode fiber. A convergence angle of the laser light at the light entry surface of the core of the multimode fiber may correspond to an acceptance angle of the multimode fiber or substantially correspond to the acceptance angle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lasersystem ferner einen Laserverstärker zur Verstärkung zumindest eines Teils des Laserlichts auf. Der Laserverstärker kann stromabwärts der Multimodenfaser angeordnet sein.According to a further embodiment, the laser system further comprises a laser amplifier for amplifying at least a portion of the laser light. The laser amplifier may be located downstream of the multimode fiber.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Abschnitt der Multimodenfaser so konfiguriert, dass mit Hilfe des Abschnitts zumindest ein Teil des Laserlichts verstärkbar ist. Zumindest ein Abschnitt der Multimodenfaser kann als aktive optische Faser ausgebildet sein. Ein Kern der aktiven optischen Faser kann ein optisch aktives Medium eines Faserverstärkers des Lasersystems bilden. Der Kern kann dotiert sein, beispielsweise mit Metallionen Seltener Erden. Das Lasersystem kann ausgebildet sein, Pumplicht in den Kern der aktiven optischen Faser oder in den Mantel der Faser einzukoppeln. Das Pumplicht kann durch einen Pumplaser des Lasersystems erzeugt sein.According to a further embodiment, at least a portion of the multimode fiber is configured such that at least a portion of the laser light can be amplified by means of the portion. At least a portion of the multi-mode fiber may be formed as an active optical fiber. A core of the active optical fiber may form an optically active medium of a fiber amplifier of the laser system. The core may be doped, for example, with rare earth metal ions. The laser system may be configured to couple pumping light into the core of the active optical fiber or into the cladding of the fiber. The pump light may be generated by a pump laser of the laser system.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlhomogenisierer eine Abbildungsoptik auf, die beispielsweise als 4f-Abbildungsoptik konfiguriert sein kann. Der Strahlhomogenisierer kann in einer Objektebene der Abbildungsoptik einen Zwischenfokus und/oder ein homogenisiertes Zwischen-Strahlprofil erzeugen, welches im Vergleich zum Strahlprofil des Laserstrahls, welcher auf den Strahlhomogenisierer eintrifft, homogenisiert ist. Das homogenisierte Zwischen-Strahlprofil kann sich im Zwischenfokus befinden. Gesehen entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserlichts kann eine Position einer Bildebene der Abbildungsoptik, welche optisch konjugiert zur Objektebene ist, gleich oder im Wesentlichen gleich sein zu einer Position der Lichteintrittsfläche des Kerns der Multimodenfaser.According to a further embodiment, the beam homogenizer has imaging optics, which can be configured, for example, as 4f imaging optics. The beam homogenizer can generate an intermediate focus and / or a homogenized intermediate beam profile in an object plane of the imaging optics, which is homogenized in comparison to the beam profile of the laser beam which arrives at the beam homogenizer. The homogenized intermediate beam profile may be in the intermediate focus. As seen along the propagation direction of the laser light, a position of an image plane of the imaging optics which is optically conjugate to the object plane may be equal to or substantially equal to a position of the light entrance surface of the core of the multi-mode fiber.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlhomogenisierer eine Kollimationsoptik auf. Die Kollimationsoptik kann stromabwärts der Eingangsfaser des Lasersystems und/oder stromaufwärts des refraktiven, reflektiven und/oder diffraktiven optischen Elements angeordnet sein.In accordance with a further embodiment, the beam homogenizer has collimation optics. The collimating optics can be arranged downstream of the input fiber of the laser system and / or upstream of the refractive, reflective and / or diffractive optical element.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlhomogenisierer eine Strahlanpassungsoptik zur Strahlaufweitung und/oder zur Strahlverengung des Laserlichts auf. Die Strahlanpassungsoptik kann stromabwärts der Eingangsfaser und/oder stromaufwärts des refraktiven, reflektiven und/oder diffraktiven optischen Elements angeordnet sein. Die Strahlanpassungsoptik kann stromabwärts der Kollimationsoptik angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kollimationsoptik gleichzeitig als Strahlanpassungsoptik konfiguriert sein. In anderen Worten kann die Kollimationsoptik eine veränderbare Brennweite zur Strahlanpassung aufweisen. Ein Abbildungsmaßstab der Strahlanpassungsoptik kann steuerbar variabel sein. Für unterschiedliche Werte des Abbildungsmaßstabes kann die Strahlanpassungsoptik afokal sein. Stromabwärts des diffraktiven optischen Elements kann eine Fokussieroptik angeordnet sein, welche das Laserlicht in den Zwischenfokus fokussiert.According to a further embodiment, the beam homogenizer has a beam matching optics for beam widening and / or beam narrowing of the laser light. The beam matching optics may be located downstream of the input fiber and / or upstream of the refractive, reflective and / or diffractive optical element. The beam-matching optics may be located downstream of the collimating optics. Alternatively or additionally, the collimating optics may be configured as beam-matching optics at the same time. In other words, the collimating optics may have a variable focal length for beam matching. A magnification of the beam-matching optics may be controllably variable. For different magnification values, the beam-matching optics may be afocal. Downstream of the diffractive optical element, a focusing optics can be arranged, which focuses the laser light into the intermediate focus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element des Strahlhomogenisierers als diffraktives optisches Element konfiguriert. Alternativ kann das diffraktive optische Element als refraktives und/oder reflektives optisches Element konfiguriert sein. Das diffraktive optische Element kann eine diffraktive Struktur aufweisen, welche im Laserlicht angeordnet ist. Die diffraktive Struktur kann als diffraktive Phasenstruktur und/oder als diffraktive Amplitudenstruktur konfiguriert sein. Die diffraktive Struktur kann rotations-unsymmetrisch oder achsen-unsymmetrisch relativ zu einer Strahlachse des Laserlichts sein.According to a further embodiment, the optical element of the beam homogenizer is configured as a diffractive optical element. Alternatively, the diffractive optical element may be configured as a refractive and / or reflective optical element. The diffractive optical element may have a diffractive structure which is arranged in the laser light. The diffractive structure can be configured as a diffractive phase structure and / or as a diffractive amplitude structure. The diffractive structure may be rotationally asymmetric or axis unsymmetrical relative to a beam axis of the laser light.
Das diffraktive optische Element kann eine statistische oder im Wesentlichen statistische diffraktive Struktur aufweisen. Die statistische oder im Wesentlichen statistische diffraktive Struktur kann eine statistische oder im Wesentlichen statistische diffraktive Phasen und/oder diffraktive Amplitudenstruktur sein. Die statistische oder im Wesentlichen statistische diffraktive Struktur kann beispielsweise berechnet sein auf Basis einer statistisch (d.h. zufällig) oder im Wesentlichen statistisch gewählten Amplituden und/oder Phasenverteilung für die Ebene, in welcher das homogenisierte Strahlprofil oder das Zwischen-Strahlprofil erzeugt wird.The diffractive optical element may have a statistical or substantially random diffractive structure. The statistical or substantially statistical diffractive structure may be a statistical or substantially random diffractive phase and / or diffractive amplitude structure. For example, the statistical or substantially statistical diffractive structure may be calculated based on a statistical (ie random) or substantially randomly selected amplitudes and / or phase distribution for the plane in which the homogenized beam profile or the intermediate beam profile is generated.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lasersystem einen Faserlaser auf, welcher konfiguriert ist, zumindest einen Teil des Laserlichts zu erzeugen. Der Faserlaser kann stromaufwärts des Strahlhomogenisierers angeordnet sein. Ein Lasermedium des Faserlasers kann einen Monomoden-Faserkern aufweisen.According to another embodiment, the laser system comprises a fiber laser configured to generate at least a portion of the laser light. The fiber laser can be arranged upstream of the beam homogenizer. A laser medium of the fiber laser may comprise a single-mode fiber core.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Strahlhomogenisierer so konfiguriert, dass ein Orts-Frequenzspektrum des homogenisierten Strahlprofils unterdrückt ist für jeden Frequenzwert oberhalb einer transversalen Grenz-Ortsfrequenz der Multimodenfaser. Durch den unterdrückten Teil des Ortsfrequenzspektrums kann das homogenisierte Strahlprofil von einem idealen Top-Hat-Strahlprofil abweichen. Ein Maximalwert des Orts-Frequenzspektrums des homogenisierten Strahlprofils an der Lichteintrittsfläche kann entsprechend oder im Wesentlichen entsprechend sein zu der transversalen Grenz-Ortsfrequenz der Multimodenfaser.According to another embodiment, the beam homogenizer is configured so that a spatial frequency spectrum of the homogenized beam profile is suppressed for each frequency value above a transverse boundary spatial frequency of the multi-mode fiber. Due to the suppressed part of the spatial frequency spectrum, the homogenized beam profile may deviate from an ideal top hat beam profile. A maximum value of the spatial frequency spectrum of the homogenized beam profile at the light entry surface may be corresponding to or substantially corresponding to the transverse boundary spatial frequency of the multimode fiber.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lasersystem ferner ein Fokussiersystem auf, welches stromabwärts der Multimodenfaser angeordnet ist. Das Fokussiersystem kann konfiguriert sein, Licht aus einer Transportfaser auszukoppeln und zu fokussieren. Das Fokussiersystem kann konfiguriert sein, einen Fokus des ausgekoppelten Lichts auf einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Objekts zu erzeugen. Die Transportfaser kann die Multimodenfaser sein, in welcher die Moden mittels des homogenisierten Strahlprofils angeregt wurden. Alternativ kann die Transportfaser eine optische Faser sein, welche stromabwärts der Multimodenfaser angeordnet ist. Die Transportfaser kann als Multimodenfaser konfiguriert sein. Das Fokussiersystem kann eine Kollimationsoptik, ein Scansystem und/oder eine Fokussieroptik aufweisen. Die Fokussieroptik kann stromabwärts der Kollimationsoptik angeordnet sein.According to a further embodiment, the laser system further comprises a focusing system, which is arranged downstream of the multi-mode fiber. The focusing system may be configured to extract and focus light from a transport fiber. The focusing system may be configured to generate a focus of the extracted light on a surface of an object to be processed. The transport fiber may be the multimode fiber in which the modes were excited by the homogenized beam profile. Alternatively, the transport fiber may be an optical fiber located downstream of the multimode fiber. The transport fiber may be configured as a multimode fiber. The focusing system may comprise a collimating optics, a scanning system and / or a focusing optics. The focusing optics can be arranged downstream of the collimating optics.
Vorzugsweise weist zur Erzeugung des Multispot-Strahlprofils der Strahlhomogenisierer mindestens ein diffraktives optisches Element mit einer ein- oder zweidimensionalen Phasenmaske oder alternativ mindestens ein refraktives optisches Element mit einer ein- oder zweidimensionalen Phasenmaske, insbesondere ein ein- oder zweidimensionales Mikrolinsenarray, auf. Bei Verwendung zweier diffraktiver optischer Elemente kann das erste Element das Ziel-Strahlprofil generieren und das zweite Element Phasenstörungen heilen, um einen propagierenden Supergauß/Top-Hat zu erzeugen.To generate the multispot beam profile, the beam homogenizer preferably has at least one diffractive optical element with a one-dimensional or two-dimensional phase mask or alternatively at least one refractive optical element with a one- or two-dimensional phase mask, in particular a one- or two-dimensional microlens array. Using two diffractive optical elements, the first element can generate the target beam profile and the second element can cure phase noise to produce a propagating supergauss / top hat.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zum Homogenisieren von Laserlicht mit einem im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil, das eine zweidimensionale Energie- oder Leistungsdichteverteilung des Laserlichts repräsentiert, zu einem homogenisierten Strahlprofil, insbesondere zu einem TopHat-Strahlprofil, wobei das Strahlprofil in einer Multimodenfaser zu einer Modenanregung führt.Finally, the invention also relates to a method for homogenizing laser light having a substantially Gaussian beam profile, which represents a two-dimensional energy or power density distribution of the laser light, to a homogenized beam profile, in particular to a TopHat beam profile, wherein the beam profile in a multimode fiber to a mode excitation leads.
Das erfindungsgemäße Lasersystem kann zur Erzeugung eines Eingangsstrahls für einen Laserverstärker oder zusätzlich oder alternativ zur Erzeugung eines Laserstrahls für die Materialbearbeitung dienen. Die Materialbearbeitung kann eine Laserablation, ein Laserschneiden, ein Laserbohren, ein Laserschweißen und/oder ein Laserbeschriften umfassen.The laser system according to the invention can be used for generating an input beam for a laser amplifier or additionally or alternatively for generating a laser beam for material processing. The material processing may include laser ablation, laser cutting, laser drilling, laser welding, and / or laser marking.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lasersystems gemäß einer ersten Ausführungsform; -
2a ,2b eine transversale Leistungsdichteverteilung an einer Lichtaustrittsfläche einer Multimodenfaser bei einer Modenanregung mit Hilfe eines Gaußstrahls (2a) und eines homogenisierten Strahlprofils (2b) ; -
3a ,3b eine Illustration zur Berechnung der Plateaugleichförmigkeit und der Strahlgleichförmigkeit eines homogenisierten Strahlprofils, welches durch einen Strahlhomogenisierer des in1 gezeigten Lasersystems erzeugt wird; -
4a eine transversale Phasenverteilung eines Laserlichts in einer Ebene eines diffraktiven optischen Elements des Strahlhomogenisierers des in1 gezeigten Lasersystems; -
4b eine transversale Leistungsdichteverteilung des Laserlichts in einer Ebene einer Lichteintrittsfläche einer Multimodenfaser des in1 gezeigten Lasersystems; -
4c eine transversale Phasenverteilung des Laserlichts in der Ebene der Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser des in1 gezeigten Lasersystems; -
5a eine transversale Phasenverteilung eines Laserlichts in einer Ebene einer statistischen diffraktiven Phasenstruktur eines Strahlhomogenisierers in einem erfindungsgemäßen Lasersystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; -
5b eine transversale Leistungsdichteverteilung des Laserlichts in einer Ebene einer Lichteintrittsfläche einer Multimodenfaser im Lasersystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; -
5c eine transversale Phasenverteilung des Laserlichts in der Ebene der Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser im Lasersystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; -
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lasersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; -
7a-7c das am Ende einer Multimodefaser gemessene Strahlprofil bei einem zentral (7a) und mit unterschiedlichen Offsets (7b ,7c) eingekoppelten Grundmodestrahl; -
8a ,8b die Phasenmaske eines eindimensionalen, diffraktiven optischen Elements und das zugehörige Intensitätsprofil; und -
9a ,9b die Phasenmaske eines zweidimensionalen, diffraktiven optischen Elements und das zugehörige Intensitätsprofil.
-
1 a schematic representation of a laser system according to the invention according to a first embodiment; -
2a .2 B a transverse power density distribution at a light exit surface of a multimode fiber in a mode excitation with the aid of a Gaussian beam (2a) and a homogenized beam profile (2 B) ; -
3a .3b an illustration for calculating the plateau uniformity and the beam uniformity of a homogenized beam profile, which by a beam homogenizer of the in1 shown laser system is generated; -
4a a transverse phase distribution of a laser light in a plane of a diffractive optical element of the beam homogenizer of the in1 shown laser system; -
4b a transversal power density distribution of the laser light in a plane of a light entrance surface of a multimode fiber of the in1 shown laser system; -
4c a transverse phase distribution of the laser light in the plane of the light entry surface of the multimode fiber of the in1 shown laser system; -
5a a transverse phase distribution of a laser light in a plane of a statistical diffractive phase structure of a beam homogenizer in a laser system according to the invention according to a second embodiment; -
5b a transverse power density distribution of the laser light in a plane of a light entrance surface of a multi-mode fiber in the laser system according to the second embodiment; -
5c a transverse phase distribution of the laser light in the plane of the light entrance surface of the multi-mode fiber in the laser system according to the second embodiment; -
6 a schematic representation of a laser system according to the invention according to a second embodiment; -
7a-7c the beam profile measured at the end of a multimode fiber at a central (7a) and with different offsets (7b .7c) coupled basic mode beam; -
8a .8b the phase mask of a one-dimensional, diffractive optical element and the associated intensity profile; and -
9a .9b the phase mask of a two-dimensional, diffractive optical element and the associated intensity profile.
Die
Das Lasersystem
Das Lasersystem
Wie in
Der Bearbeitungskopf
Der Strahlhomogenisierer
Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe der Modenanregung in der Multimodenfaser
Zudem hat sich gezeigt, dass mit Hilfe der Modenanregung in der Multimodenfaser
Wie in
Im Vergleich hierzu zeigt
Für das Lasersystem
Die Plateaugleichförmigkeit ist definiert gemäß der Norm ISO 13694:2015 und wird anhand der
Entsprechend ist die Plateaugleichförmigkeit UPH für die Leistungsdichteverteilung des homogenisierten Strahlprofils definiert durch
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das homogenisierte Strahlprofil eine Flankensteilheit (engl.: edge steepness) aufweist mit einer Kennzahl, welche geringer ist als
Die Flankensteilheit ist definiert gemäß der
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Anteil von zumindest 80 % einer Gesamtenergie oder -leistung des harmonisierten Strahlprofils eine Strahlgleichförmigkeit (engl.: beam uniformity) aufweist, welche gleichförmiger ist als ±10%, bevorzugt ±5% und besonders bevorzugt ±2%. Die Strahlgleichförmigkeit ist hierbei definiert gemäß der Norm ISO 13694:2015 und wird mit Hilfe der
Entsprechend ergibt sich für die Strahlgleichförmigkeit Uϱ basierend auf der Leistungsdichteverteilung:
Für die Berechnung der in dieser Offenbarung angegebenen Werte für das homogenisierte Strahlprofil werden ρ und κ jeweils so gewählt, dass sich 80% der Gesamtenergie, bzw. der Gesamtleistung, integriert über den Strahlquerschnitt, innerhalb der Bestrahlungsfläche Aϱ bzw. Aκ befinden.For the calculation of the values for the homogenized beam profile given in this disclosure, ρ and κ are respectively selected such that 80% of the total energy or the total power, integrated over the beam cross-section, are within the irradiation area A ρ or A κ .
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das homogenisierte Strahlprofil entsprechend oder im Wesentlichen entsprechend ist zu einem Super-Gauß-Strahlprofil mit einer Ordnung größer/gleich
Für die Energiedichteverteilung ist das Super-Gauß-Strahlprofil definiert durch:
Wie anhand der
Die gewünschte Ausdehnung des homogenisierten Strahlprofils an der Lichteintrittsfläche
Im Zwischenfokus
Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass das homogenisierte Strahlprofil an der Lichteintrittsfläche
Das kollimierte Laserlicht zur Beleuchtung des diffraktiven optischen Elements
Das diffraktive optische Element
Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine noch größere Modenmischung und damit eine noch bessere Homogenisierung des Top-Hat-angenäherten Strahlprofils im Bearbeitungsfokus
Entsprechend wird in einem zweiten Ausführungsbeispiel das diffraktive optische Element
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel weist der Strahlhomogenisierer
Es ist ferner denkbar, dass der Strahlhomogenisierer
Beispiele für solche Verzögerungsvorrichtungen sind beispielsweise in
Von dem in
Ein Grundmode-Strahl wird durch das Teleskop
Die Wirkungsweise der Multispotanregung der Multimodefaser
Insgesamt lässt sich aus dieser Betrachtung ableiten, dass eine Multispot-Modenanregung mit einer geeigneten Gewichtung der einzelnen Spots dazu führt, dass die Einkoppelbedingungen für Moden verschiedener Symmetriegruppen gleichzeitig erfüllt werden und sich am Ausgang der Multimodenfaser
Alternativ zum diffraktiven Ansatz (DOE) kann auch eine refraktive Strahlteilung, z.B. in Form von Mikrolinsenarrays, eingesetzt werden.Alternatively to the diffractive approach (DOE), a refractive beam splitting, e.g. in the form of microlens arrays.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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