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Die Erfindung bezieht sich auf eine Diodenlaseroptik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein zugehöriges Diodenlasersystem gemäß dem Patentanspruch 9.
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Diodenlasersysteme, insbesondere Hochleistungs-Diodenlasersysteme sind hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise grundsätzlich bekannt. Ein derartiges Diodenlasersystem weist zumindest eine Laserlichtquelle in Form einer Diodenlasereinheit bestehend aus einem oder mehreren Stapel(n) von Diodenlaserbarren auf, wobei ein Diodenlaserbarren jeweils eine Vielzahl an parallel zueinander in einer Ebene angeordneten Laserdioden umfasst. Derartige Diodenlasersysteme finden beispielsweise im Bereich der industriellen Materialbearbeitung Anwendung.
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Die Strahlformung der durch einen Stapel an Diodenlaserbarren erzeugten Laserstrahlung erfolgt mittels einer Diodenlaseroptik, die der Diodenlasereinheit im Strahlengang der erzeugten Diodenlaserstrahlung nachgeschaltet ist. Diese besteht aus mehreren optischen Elementen, vorzugsweise unterschiedlichen Linsen- und/oder Spiegelelementen. Die von der Diodenlaseroptik geformte Diodenlaserstrahlung wird über eine geeignete, im Strahlengang nachgeschaltete Fokussieroptik in einer Bearbeitungsebene in einem oder mehreren, so genannten Laserspots gebündelt bzw. fokussiert. Aufgrund der Abstrahlcharakteristik der Diodenlaserstrahlung einer Diodenlasereinheit ist die Fokusgeometrie der erzeugten Laserspots im Wesentlichen rechteckförmig.
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Die Diodenlaserstrahlung weist darüber hinaus häufig eine stark unterschiedliche Leistungsdichteverteilung in den als Slow-Axis und Fast-Axis bekannten, jeweils senkrecht zur Propagationsrichtung der Laserstrahlung verlaufenden Ausbreitungsrichtungen auf, die zu einer inhomogenen Leistungsdichteverteilung der erzeugten Laserspots führt. Wünschenswert ist jedoch, eine möglichst homogene Leistungsdichteverteilung der im Wesentlichen rechteckförmigen Laserspots zu erhalten.
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Zur Verbesserung des Homogenisierungsgrades der Leistungsdichteverteilung der Laserspots sind bereits optische Einrichtungen bekannt, die zur Homogenisierung der Leistungsdichteverteilung der Diodenlaserstrahlung beitragen können. Beispielsweise finden so genannte „Zylinderlinsenarrays“, d.h. Anordnungen aus mehreren Zylinderlinsen Verwendung, die mehrere, parallel zueinander in einer Ebene angeordnete Zylinderlinsenabschnitte aufweisen. Dabei können mehrere, vorzugsweise zwei derartiger Zylinderlinsenarrays im Strahlengang hintereinander vorgesehen sein, wobei zwei entlang der Propagationsachse aufeinander folgende Zylinderlinsenarrays um 90° zueinander verdreht sind, d.h. die Längsachsen der Zylinderlinsenabschnitte der aufeinander folgenden Zylinderlinsenarrays verlaufen senkrecht zueinander. Die aufeinander folgenden Zylinderlinsenarrays sind damit „gekreuzt“ zueinander angeordnet.
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Die von einer Diodenlasereinheit erzeugte Diodenlaserstrahlung weist üblicherweise eine Leistungsdichteverteilung mit einem senkrecht zur Stapelrichtung der Diodenlaserbarren periodisch streifenförmigen Verlauf auf, so dass bei einer Homogenisierung dieser Diodenlaserstrahlung mittels zumindest zweier Zylinderlinsenanordnungen optische Effekte auftreten können, die einer Homogenisierung der Leistungsdichteverteilung entgegenwirken. Dabei kann es beispielsweise zu einer konstruktiven Überlagerung von periodischen Leistungsdichteschwankungen kommen, wodurch die homogenisierende Wirkung der Zylinderlinsenanordnung teilweise aufgehoben, zumindest jedoch merklich reduziert wird.
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Darüber hinaus können auch Inhomogenitäten in der Leistungsdichteverteilung eines Diodenlaserstacks bestehen, die ebenfalls zu einer Verschlechterung der homogenisierenden Wirkung von Zylinderlinsenanordnungen führen. Derartige Inhomogenitäten werden beispielsweise durch den Ausfall einzelner Emitter oder eines gesamten Diodenlaserbarrens, durch Leistungsunterschiede zwischen den Emittern und/oder durch so genannte „Poynting-Fehler“ von Teilstrahlen der Laserstrahlung hervorgerufen.
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Inhomogenitäten können jedoch auch bei einer benachbarten Anordnung von mehreren Diodenlaserstacks in Fast-Axis und/oder in Slow-Axis auftreten, da eine spaltfreie Aneinanderreihung der Diodenlaserstacks nicht realisierbar ist. So reduzieren bereits Abstände im Bereich weniger Millimeter zwischen benachbarten Diodenlaserstacks, insbesondere bei einem periodischen Auftreten in Slow-Axis oder Fast-Axis die homogenisierende Wirkung von Zylinderlinsenarrays bzw. Zylinderlinsenanordnungen erheblich.
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Auch sind optische Einrichtungen zur Strahlrotation bekannt, mittels deren Hilfe eine entlang einer Propagationsachse propagierende Laserstrahlung um die Propagationsachse rotierbar ist, vorzugsweise um einen vorgegebenen Rotationswinkel.
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Aus der
DE 10 2004 034 253 A1 ist eine Vorrichtung für die effektive Beleuchtung einer Fläche bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Halbleiterlaserbarren mit einer Mehrzahl von Emittern, bei denen der Abstand der einzelnen Emitter zueinander kleiner ist als die Ausdehnung der Emitter in der ersten Richtung und Strahltransformationsmittel zur Transformation des aus den Emittern austretenden Laserlichts.
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Aus der
US 6700709 B1 ist ferner ein optisches Strahlformungselement bekannt, mit dem die von einer Diodenlasereinheit erzeugte Diodenlaserstrahlung möglichst effizient in eine optische Faser einkoppelbar ist.
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Die
DE 11 2011 100 813 T5 betrifft ein System und Verfahren zur selektiven Rekonfiguration von mehreren, optischen Strahlen, insbesondere eine individuelle Drehung von optischen Strahlen um die Propagationsachse.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Diodenlaseroptik bereitzustellen, durch welche die eingangs beschriebenen Nachteile beseitigt werden und insbesondere eine Erhöhung des Homogenisierungsgrades der Leistungsdichteverteilung eines in einer Bearbeitungsebene erzeugten Laserspots mit rechteckförmiger Fokusgeometrie bewirkt wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Diodenlaseroptik gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Diodenlasersystem gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Der wesentliche Aspekt der erfindungsgemäßen Diodenlaseroptik ist darin zu sehen, dass der ersten optischen Einrichtung zur Homogenisierung einer Leistungsdichteverteilung einer entlang einer Propagationsachse propagierenden Diodenlaserstrahlung eine zweite optische Einrichtung im Strahlengang der propagierenden Diodenlaserstrahlung vorgeschaltet ist, wobei die zweite optische Einrichtung zur Strahlrotation der Diodenlaserstrahlung um einen Rotationswinkel um die Propagationsachse ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft wird durch die erfindungsgemäße Rotation der von der Diodenlasereinheit erzeugten Laserstrahlung die Leistungsdichteverteilung gedreht, d.h. der periodisch streifenförmige Verlauf der Leistungsdichteverteilung der Laserstrahlung trifft nicht mehr parallel oder senkrecht auf die erste optische Einrichtung zur Homogenisierung der Leistungsdichteverteilung auf, sondern in einem vorzugsweise spitzen Winkel hierzu. Hierdurch wird besonders vorteilhaft die homogenisierende Wirkung der ersten optischen Einrichtung erheblich gesteigert und dadurch der Homogenisierungsgrad der in einer Bearbeitungsebene erzeugten Laserspots merklich erhöht.
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Erfindungsgemäß ist der ersten optischen Einrichtung im Strahlengang der propagierenden Diodenlaserstrahlung eine Fokussieroptik nachgeschaltet, die zur Erzeugung zumindest eines Laserspots mit rechteckförmiger Fokusgeometrie in einer Bearbeitungsebene ausgebildet ist. Die mittels der erfindungsgemäßen Diodenlaseroptik geformte Diodenlaserstrahlung wird besonders vorteilhaft in einen rechteckförmigen Laserspot in der Bearbeitungsebene abgebildet, der eine homogene Leistungsdichteverteilung aufweist. Bevorzugt ist die Fokussieroptik durch eine Fokussierlinse gebildet.
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Gemäß der Erfindung ist die erste optische Einrichtung zur Erhöhung des Homogenisierungsgrades der Leistungsdichteverteilung des in der Bearbeitungsebene erzeugten, rechteckförmigen Laserspots eingerichtet ist. Vorzugsweise ist die erste optische Einrichtung durch zumindest ein erstes und zweites Zylinderlinsenarray gebildet. Das erste und zweite Zylinderlinsenarray sind gekreuzt zueinander angeordnet, d.h. die Längsachsen der Zylinderlinsen bzw. Zylinderlinsenabschnitte der aufeinander in Propagationsrichtung beabstandet zueinander folgenden Zylinderlinsenarrays schließen einen rechten Winkel ein.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist die die zweite optische Einrichtung zur Rotation der Diodenlaserstrahlung um einen vorgegebenen Rotationswinkel ausgebildet. Die Erfinder haben vorteilhaft erkannt, dass der mittels der ersten optischen Einrichtung erzielbare Homogenisierungsgrad der Leistungsdichteverteilung der Diodenlaserstrahlung abhängig vom Rotationswinkel ist. Damit ist auch der Grad der Homogenisierung der Leistungsdichteverteilung des rechteckförmigen Laserspots abhängig vom Rotationswinkel.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Diodenlaseroptik beträgt der Rotationswinkel zwischen 3° und 87°, vorzugsweise zwischen 40° und 80°. Vorteilhaft wird die Diodenlaserstrahlung um den genannten Rotationswinkel mittels der zweite optischen Einrichtung um die Propagationsachse gedreht und dadurch die homogenisierende Wirkung der ersten optischen Einrichtung wesentlich verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist die zweite optische Einrichtung durch ein Zylinderlinsenteleskop, ein Dove-Prisma oder eine Spiegelanordnung gebildet. Besonders bevorzugt ist die Ausführung in Form eines Zylinderlinsenteleskops, dass zumindest eine erste und zweite Zylinderlinse aufweist. Vorteilhaft sind die erste und zweite Zylinderlinse jeweils um den halben Rotationswinkel gedreht im Strahlengang der propagierenden Diodenlaserstrahlung angeordnet. Die beschriebene Zylinderlinsenanordnung bildet die eingehende Diodenlaserstrahlung in eine um einen vorgegebenen Rotationswinkel gedrehte Laserstrahlung, jedoch seitverkehrt ab. Vorteilhaft kann durch eine entsprechende Drehung der beiden Zylinderlinsen zur Propagationsrichtung der Diodenlaserstrahlung der Rotationswinkel individuell eingestellt werden. Beispielsweise durch Drehen des Zylinderlinsenteleskops um die Propagationsachse der Diodenlaserstrahlung ist eine einfache und effektive Anpassung des Homogenisierungsgrades des erzeugten Laserspots in der Bearbeitungsebene möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die erfindungsgemäße Diodenlaseroptik zur Verwendung in einem Materialbearbeitungsprozess ausgebildet.
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Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Diodenlasersystem umfassend zumindest eine Diodenlasereinheit und eine erfindungsgemäße Diodenlaseroptik. Vorzugsweise kann der Diodenlaseroptik noch eine Kollimationsoptik und/oder eine Fokussieroptik im Strahlengang vor- bzw. nachgeschaltet sein.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Figurenliste
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
- 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Diodenlaseroptik mit im Strahlengang der Diodenlaserstrahlung nachgeschalteter Fokussieroptik;
- 2 eine schematische Seitenansicht auf die Anordnung gemäß 1;
- 3 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer zweiten optischen Einrichtung zur Strahlrotation;
- 4a - 4c perspektivische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsvarianten einer zweiten optischen Einrichtung zur Strahlrotation;
- 5a beispielhaft eine Leistungsdichteverteilung einer Diodenlasereinheit;
- 5b beispielhaft die Leistungsdichteverteilung gemäß 5a nach Durchlaufen der erfindungsgemäßen Diodenlaseroptik bei einem nicht rotiertem Zylinderlinsenteleskop α = 0°;
- 5c beispielhaft die Leistungsdichteverteilung gemäß 5a nach Durchlaufen der erfindungsgemäßen Diodenlaseroptik, bei einer um einen Winkel 2α = 58° rotiertem Zylinderlinsenteleskop;
- 6a beispielhaft die Leistungsdichteverteilung eines rechteckförmigen Laserspots bei einem nicht rotierten Zylinderlinsenteleskop α = 0°;
- 6b beispielhaft der Verlauf der Amplitude der Leistungsdichteverteilung gemäß 6a entlang der x-Achse;
- 6c beispielhaft der Verlauf der Amplitude der Leistungsdichteverteilung gemäß 6a entlang der γ-Achse;
- 7a beispielhaft die Leistungsdichteverteilung des rechteckförmigen Laserspots in der Bearbeitungsebene bei einem um einen Winkel 2α = 58° rotierten Zylinderlinsenteleskop;
- 7b beispielhaft der Verlauf der Amplitude der Leistungsdichteverteilung gemäß 7a entlang der x-Achse;
- 7c beispielhaft der Verlauf der Amplitude der Leistungsdichteverteilung gemäß 7a entlang der γ-Achse und
- 8 in einem Diagramm beispielhaft der Verlauf der Homogenität der Leistungsdichteverteilung des rechteckförmigen Laserspots aufgetragen über dem Rotationswinkel des Zylinderlinsenteleskops für einen idealen Laserdiodenstack und für einen Laserdiodenstack mit zwei ausgefallen Laserdiodenbarren.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden in den Figuren identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersichtlichkeit halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Auch ist die Erfindung in den Figuren anhand schematischer Ansichten dargestellt. Insbesondere dienen diese schematischen Darstellungen der Erläuterung des grundlegenden Prinzips der Erfindung.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Diodenlaseroptik 1 zum Umformen einer entlang einer Propagationsachse z propagierenden Diodenlaserstrahlung DLS, welche von einer nicht in den Figuren dargestellten Diodenlasereinheit bereitgestellt wird, die in Richtung der Propagationsachse z der Diodenlaseroptik 1 vorgeschaltet ist.
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Der erfindungsgemäßen Diodenlaseroptik 1 ist ferner im Strahlengang der Diodenlaserstrahlung DLS entlang der Propagationsachse z eine Fokussieroptik 4 nachgeordnet, mittels der aus der Diodenlaserstrahlung DLS zumindest ein Laserspot LS mit im Wesentlichen rechteckförmiger Fokusgeometrie in einer Bearbeitungsebene BE der Fokussieroptik 4 erzeugt wird, wobei unter dem Begriff rechteckförmige Fokusgeometrie auch eine quadratische Fokusgeometrie fällt. Die Bearbeitungsebene BE stellt hierbei eine Ebene dar, in welcher der in den rechteckförmigen Laserspot LS umgeformte Diodenlaserstrahlung DLS beispielsweise zur Bearbeitung von Werkstücken Verwendung findet. Die Propagationsachse z verläuft senkrecht zur Bearbeitungsebene BE.
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Die erfindungsgemäße Diodenlaseroptik 1 bildet beispielsweise zusammen mit zumindest einer nicht in den Figuren gezeigten Diodenlasereinheit und ggf. einer dieser nachgeschalteten, ebenfalls nicht in den Figuren dargestellten Kollimationsoptik gemeinsam mit der Fokussieroptik 4 ein Diodenlasersystem aus.
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Die senkrecht zu der Bearbeitungsebene BE verlaufende Propagationsachse z bildet die z-Achse eines zur Beschreibung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Laserdiodenoptik 1 in den 1 und 2 eingeführten kartesischen Koordinatensystems mit einer x-Achse, γ-Achse und z-Achse aus.
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Der Strahlengang der Diodenlaserstrahlung DLS verläuft entlang der Propagationsachse z, d.h. die Haupt-Propagationsrichtung der Diodenlaserstrahlung DLS erstreckt sich entlang der Propagationsachse z. Die x-Achse und γ-Achse des kartesischen Koordinatensystems werden nachfolgend als Querachse x bzw. als Vertikalachse y bezeichnet, die eine parallel zur Bearbeitungsebene BE verlaufende Ebene aufspannen.
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Die Einführung des kartesischen Koordinatensystems in den 1 und 2 dient zur exakten Beschreibung der erfindungsgemäßen Laserdiodenoptik 1 in Bezug auf die Propagationsrichtung der Diodenlaserstrahlung DLS und des in der Bearbeitungsebene BE erzeugten Laserspots LS mit im Wesentlichen rechteckförmiger Fokusgeometrie. Der in den Figuren beispielhaft gezeigte rechteckförmige Laserspot LS ist derart in der Bearbeitungsebene BE angeordnet, dass dessen oberen und unteren Ränder parallel zur x-Achse und dessen seitlichen Ränder parallel zur γ-Achse des kartesischen Koordinatensystems verlaufen.
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Die erfindungsgemäße Laserdiodenoptik 1 ist zum Umformen der von der Diodenlasereinheit erzeugten und entlang einer Propagationsachse z propagierenden Diodenlaserstrahlung DLS ausgebildet.
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Die Diodenlaserstrahlung DLS wird vorzugsweise von einer Diodenlasereinheit bzw. Laserlichtquelle ohne Lichtleitkabel bereitgestellt.
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Derartige Diodenlasereinheiten werden auch als „direkte“ Diodenlasereinheiten bezeichnet. Aufgrund des Fehlens eines Lichtleitkabels kann die erzeugte „direkte“ Diodenlaserstrahlung DLS, insbesondere in Richtung der so genannten „Slow-Axis“ und der „Fast-Axis“, die jeweils senkrecht zur Propagationsachse z verlaufen, eine zumindest teilweise inhomogene Leistungsdichteverteilung aufweisen.
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Der Aufbau und die Funktionsweise derartiger Diodenlasereinheiten ist hinlänglich bekannt. Diese weisen üblicherweise einen oder mehrere Stapel aus Diodenlaserbarren auf, wobei ein Diodenlaserbarren jeweils eine Vielzahl an Laserdioden umfasst.
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Die Diodenlaserstrahlung DLS weist nach dessen Erzeugung durch die Diodenlasereinheit beispielweise eine periodisch streifenförmige Leistungsdichteverteilung in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung bzw. parallel zur Bearbeitungsebene BE auf.
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In 5a ist beispielhaft eine derartige periodisch streifenförmige Leistungsdichteverteilung der erzeugten Diodenlaserstrahlung DLS in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung der Diodenlaserstrahlung DLS bzw. senkrecht zur Propagationsachse z dargestellt, und zwar bevor diese der erfindungsgemäßen Laserdiodenoptik 1 zugeführt wird. Die Streifen erstrecken sich beispielsweise entlang der Querachse x und verlaufen in Richtung der Vertikalachse y beabstandet zueinander. Die Amplitude der Leistungsdichteverteilung wechselt somit periodisch.
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Die entlang der Propagationsrichtung z fortschreitende Diodenlaserstrahlung DLS mit einer entsprechenden periodisch streifenförmigen Leistungsdichteverteilung wird der erfindungsgemäßen Laserdiodenoptik 1 zugeführt und mittels dieser zur Erzeugung eines im Wesentlichen rechteckförmigen Laserspots LS in der Bearbeitungsebene BE entsprechend geformt. Wie bereits erläutert ist die Diodenlaserstrahlung DLS vorzugsweise kollimiert und weist bereits eine im Wesentlichen rechteckförmige Querschnittsform senkrecht bzw. normal zur Propagationsachse z auf, entlang der sich die Strahlung DLS ausbreitet.
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Erfindungsgemäß weist die Laserdiodenoptik 1 zumindest eine erste optische Einrichtung 2 zur Homogenisierung der Leistungsdichteverteilung der Diodenlaserstrahlung DLS und zumindest eine der ersten optischen Einrichtung 2 im Strahlengang der Diodenlaserstrahlung DLS vorgeschaltete zweite optische Einrichtung 3 auf, die zur Rotation der Diodenlaserstrahlung DLS um einem Rotationswinkel 2α um die Propagationsachse z ausgebildet ist, d.h. bei Durchlaufen der zweiten optischen Einrichtung 3 wird die Diodenlaserstrahlung DLS um einen Rotationswinkel 2α um die Propagationsachse z gedreht.
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Die Diodenlaserstrahlung DLS trifft nach der Rotation bzw. Drehung um den Rotationswinkel 2α auf die erste optische Einrichtung 2 und die daran anschließende Fokussieroptik 4, welche diese dann in die Bearbeitungsebene BE abbildet.
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In 1 ist die Diodenlaserstrahlung DLS beispielhaft durch schematische rechteckförmige Strahlungsquerschnitte SQ dargestellt, welche einem Querschnitt durch die Diodenlaserstrahlung DLS an der jeweils gezeigten Position entlang der Propagationsachse z entsprechen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei rechteckförmige Strahlungsquerschnitte SQ, und zwar jeweils vor einem optischen Element der zweiten optischen Einrichtung 3 gezeigt. Diese zeigen lediglich beispielhaft die durch ein optisches Element der zweiten optischen Einrichtung 3 erzeugte Rotation der Diodenlaserstrahlung DLS um die Propagationsachse z.
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Der erfindungsgemäßen Laserdiodenoptik 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Strahlengang der Diodenlaserstrahlung DLS eine Fokussieroptik 4 nachgeschaltet, und zwar unmittelbar nach der ersten optischen Einrichtung 2. Die Fokussieroptik 4 ist zur Erzeugung des zumindest einen Laserspots LS mit rechteckförmiger Fokusgeometrie in der Bearbeitungsebene BE der Fokussieroptik 4 ausgebildet. Die Fokussieroptik 4 bündelt die von der ersten und zweiten optischen Einrichtung 2, 3 geformte Diodenlaserstrahlung DLS in der Bearbeitungsebene BE in den rechteckförmigen Laserspot LS. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fokussieroptik 4 durch eine Fokussierlinse gebildet, die die von der Laserdiodenoptik 1 geformte Diodenlaserstrahlung DLS fokussiert und in die Bearbeitungsebene BE abbildet. Eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 1 ist in 2 beispielhaft dargestellt.
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Die erste optische Einrichtung 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch ein erstes und zweites Zylinderlinsenarray 2.1, 2.2 gebildet, welche jeweils eine Vielzahl an Zylinderlinsen aufweisen. Das erste und zweite Zylinderlinsenarray 2.1, 2.2 sind jeweils durch eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Zylinderlinsen gebildet, die in an sich bekannter Weise in zur Bearbeitungsebene BE verlaufenden Ebenen angeordnet.
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Das erste und zweite Zylinderlinsenarray 2.1, 2.2 sind entlang des Strahlungsgangs bzw. der Propagationsachse z hintereinander und beabstandet zueinander angeordnet, wobei die Zylinderlinsenarrays 2.1, 2.2 gekreuzt zueinander sind. Hierbei verlaufen die Längsachsen der Zylinderlinsen des ersten Zylinderlinsenarrays 2.1 jeweils parallel zu der Vertikalachse y und die Längsachsen der Zylinderlinsen des zweiten Zylinderlinsenarrays 2.2 jeweils parallel zur Querachse x. Alternativ können die Längsachsen der Zylinderlinsen des ersten Zylinderlinsenarrays 2.1 auch jeweils parallel zu der Querachse x und die Längsachsen der Zylinderlinsen des zweiten Zylinderlinsenarrays 2.2 jeweils parallel zur Vertikalachse y angeordnet sein.
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Die zueinander gekreuzten ersten und zweiten Zylinderlinsenarrays 2.1, 2.2 formen die Diodenlaserstrahlung DLS zur Erzeugung des Laserspots LS mit rechteckförmiger Fokusgeometrie. Die Abmessungen der rechteckförmigen Fokusgeometrie des in der Bearbeitungsebene BE erzeugten Laserspots LS kann durch die Wahl der Brennweiten der Zylinderlinsen bzw. Zylinderlinsenabschnitte und/oder den Abstand („Pitch“) zwischen den Zylinderlinsen bzw. Zylinderlinsenabschnitte variiert bzw. eingestellt werden.
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Bei direkter Zuführung der von einer Diodenlasereinheit erzeugten, vorzugsweise kollimierten Diodenlaserstrahlung DLS an das erste und zweite Zylinderlinsenarray 2.1, 2.2, d.h. ohne die Vorschaltung der erfindungsgemäßen zweiten optischen Einrichtung 3 können aufgrund der in 5a dargestellten periodisch streifenförmigen Leistungsdichteverteilung konstruktive Überlagerungen der Leistungsdichteverteilung von Teilstrahlen in den Zylinderlinsenarrays 2.1, 2.2 entstehen, so dass nur eine geringe homogenisierende Wirkung erzielt wird.
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Die Erfinder haben erkannt, dass durch eine Rotation der Diodenlaserstrahlung DLS um die Propagationsachse z um einen vorgegebenen Rotationswinkel 2α eine Variation der Leistungsdichteverteilung erreicht wird, die zu einer Erhöhung des Homogenisierungsgrades der Leistungsdichteverteilung des Laserspots LS in der Bearbeitungsebene BE führt. Bei einem Rotationswinkel 2α ungleich Null kann vermieden werden, dass die Zylinderlinsenabschnitte der ersten oder zweiten Zylinderlinsenarrays 2.1, 2.2 derart mit der periodisch streifenförmigen Leistungsdichteverteilung der Diodenlaserstrahlung DLS beaufschlagt werden, dass diese parallel oder senkrecht zu deren Zylinderlängsachsen verläuft und dadurch eine deutliche Steigerung der homogenisierenden Wirkung der ersten optischen Einrichtung 2 bzw. der Zylinderlinsenarrays 2.1, 2.2 erreicht werden.
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In 5b ist beispielsweise die Leistungsdichteverteilung der Diodenlaserstrahlung DLS nach Durchlaufen der ersten optischen Einrichtung 2 bzw. der Zylinderlinsenarrays 2.1, 2.2 ohne vorhergehende Rotation der Diodenlaserstrahlung DLS, d.h. einen Rotationswinkel 2α von Null dargestellt.
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5c zeigt die Leistungsdichteverteilung der Diodenlaserstrahlung DLS nach Durchlaufen der ersten optischen Einrichtung 2 bzw. der Zylinderlinsenarrays 2.1, 2.2, bei der die Diodenlaserstrahlung DLS mittels der zweiten optischen Einrichtung 3 beispielsweise um 2α=58° rotiert und dann mittels der ersten optischen Einrichtung 2 bzw. der Zylinderlinsenarrays 2.1, 2.2 entsprechend geformt wurde.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die zweite optische Einrichtung 3 zur Strahlrotation durch ein Zylinderlinsenteleskop umfassend eine erste Zylinderlinse 3.1 und eine zweite Zylinderlinse 3.2 gebildet, die parallel und beabstandet zueinander entlang der Propagationsachse z angeordnet sind. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer entsprechenden zweiten optischen Einrichtung 3. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante wird mittels der optischen Einrichtung 3 die Diodenlaserstrahlung DLS von vier Diodenlasereinheiten rotiert.
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Die erste und zweite Zylinderlinse 3.1, 3.2 können in Form einer sphärischen oder asphärischen Zylinderlinse realisiert sein. Vorzugsweise weist das Zylinderlinsenteleskop ein Abbildungsverhältnis 1:1 auf und mittels der ersten und zweiten Zylinderlinse 3.1, 3.2 werden die Teilstrahlen der Diodenlaserstrahlung DLS um die jeweilige Zylinderachse ZA1, ZA2 der ersten und zweiten Zylinderlinse 3.1, 3.2 gespiegelt.
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In den 1 bis 3 ist beispielhaft ein entsprechendes Zylinderlinsenteleskop 3 umfassend eine erste und zweite Zylinderlinse 3.1, 3.2 mit jeweils einer Zylinderachse ZA1, ZA2 dargestellt, wobei die jeweilige Zylinderachse ZA1, ZA2 beispielsweise jeweils einen spitzen Winkel α mit der von der Propagationsachse z und der Vertikalachse y aufgespannten Ebene einschließt. Die Zylinderachsen ZA1, ZA2 der ersten und zweiten Zylinderlinsen 3.1, 3.2 verlaufen somit parallel zueinander.
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Eine durch das Zylinderlinsenteleskop 3 hindurchtretende Diodenlaserstrahlung DLS wird an der jeweiligen Zylinderachse ZA1, ZA2 gespiegelt. Die erste Zylinderlinse 3.1 erzeugt einen linienförmigen Zwischenfokus, die zweite Zylinderlinse 3.2 kollimiert die Diodenlaserstrahlung wieder. Die Spiegelung entlang der um den Winkel α gegenüber der Propagationsachse z gedrehten Zylinderachsen ZA1, ZA2 führt effektiv zu einer Drehung bzw. Rotation der Diodenlaserstrahlung DLS um den zweifachen Winkel α nach Verlassen des Zylinderlinsenteleskops 3.
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In 3 ist das eben beschriebene Wirkprinzip des Zylinderlinsenteleskop 3 beispielhaft näher gezeigt. Die parallel und beabstandet zueinander angeordneten Zylinderlinsen 3.1, 3.2 schließen im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils denselben spitzen Winkel α mit der von der Propagationsachse z und der Vertikalachse y aufgespannten Ebene ein. Nach Durchlaufen des Zylinderlinsentelekops 3 ist die Diodenlaserstrahlung DLS und damit auch deren Leistungsdichteverteilung LDV um den zweifachen Winkel 2α gedreht und seitenverkehrt abgebildet.
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Zur Erläuterung des Abbildungsverhaltens des Zylinderlinsentelekops 3 sind in 3 beispielhaft zwei Gruppen SQ1, SQ2 von jeweils vier rechteckförmigen Strahlquerschnitten SQ schematisch dargestellt, die matrixartig zueinander in einer Ebene angeordnet sind, und zwar vor und nach dem Durchlaufen der zweiten optischen Einrichtung bzw. des Zylinderlinsentelekops 3. Diese werden beispielsweise mittels vier, matrixartig zueinander angeordnete Diodenlasereinheiten erzeugt.
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Die erste Gruppe SQ1 wird beim Durchlaufen des Zylinderlinsentelekops 3 in die zweite Gruppe SQ2 abgebildet, wobei die matrixartige Anordnung zueinander bestehen bleibt, jedoch um den zweifachen Winkel 2α um die Propagationsachse z gedreht ist. Die einzelnen rechteckförmigen Strahlquerschnitte SQ werden seitenverkehrt zueinander abgebildet. Die Polarisationsrichtung der Diodenlaserstrahlung DLS wird jedoch durch das Zylinderlinsenteleskop 3 nicht verändert und bleibt somit erhalten.
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Alternativ zur Realisierung in Form eines Zylinderlinsenteleskops kann die zweite optische Einrichtung 3 zur Strahlrotation auch durch ein Dove-Prisma oder eine Spiegelanordnung gebildet sein. In 4 sind beispielhaft die genannten drei Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen zweiten optischen Einrichtung 3 zur Strahlrotation dargestellt, wobei 3a eine entsprechend eingerichtete Spiegelanordnung, 3b ein Dove-Prisma und 3c, das in den 1 bis 3 verwendete Zylinderlinsenteleskop in jeweils einer schematischen Abbildung zeigen.
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Alle drei Ausführungsvarianten der zweiten optischen Einrichtung 3 sind zur Rotation der Strahlungsverteilung der Diodenlaserstrahlung DLS eingerichtet. Gemein ist allen drei Ausführungsvarianten, dass die zugeführte Diodenlaserstrahlung DLS, die beispielhaft wiederum mittels rechteckförmiger Strahlquerschnitte SQ angedeutet ist, um einen Rotationswinkel 2 α um die Propagationsachse z gedreht wird.
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In den 5b und 5c wird die Leistungsdichteverteilung LDV der Diodenlaserstrahlung DLS nach Durchlaufen der ersten und zweiten optischen Einrichtung 2, 3 gezeigt, und zwar in 5b für ein Zylinderlinsenteleskop ohne Rotation und in 5c für den ein um den Winkel α = 29° rotiertes Zylinderlinsenteleskop. Damit ist die Leistungsdichteverteilung LDV in 5c um den zweifachen Winkel α = 29° gedreht, d.h. in Summe um einen Rotationswinkel von 2α = 58°.
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6a zeigt die Leistungsdichteverteilung LDV des rechteckförmigen Laserspots LS in der Bearbeitungsebene BE, d.h. entlang der x- und y-Achse, ohne Strahlrotation, d.h. bei einem Rotationswinkel von α = 0°. Dabei ist deutlich der periodisch streifenförmige Verlauf der Leistungsdichteverteilung der Diodenlaserstrahlung DLS gemäß 5a auch in der Leistungsdichteverteilung LDV des rechteckförmigen Laserspots LS erkennbar, d.h. bei Vorsehen einer erfindungsgemäßen zweiten optischen Einrichtung 3 zur Strahlrotation, die einen Rotationswinkel gleich Null aufweist, findet sich der eingangsseitig periodische Verlauf der Leistungsdichteverteilung LDV auch im rechteckförmigen Laserspot LS wieder. Der entsprechende Laserspot LS weist damit eine inhomogen verteilte Leistungsdichte auf.
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6b zeigt beispielhaft den Verlauf der Amplitude der in 6a dargestellten Leistungsdichteverteilung LDV entlang der x-Achse in der Bearbeitungsebene BE. 6c zeigt den Verlauf der Amplitude der in 6a dargestellten Leistungsdichteverteilung LDV entlang der γ-Achse bei einem Rotationswinkel α = 0, d.h. einem nicht rotierten Zylinderlinsenteleskop 3. Daraus ist ein deutlicher oszillierender Verlauf der Amplitude entlang der γ-Achse erkennbar, d.h. eine inhomogene Verteilung der Leistungsdichte des rechteckförmigen Laserspots LS in der Bearbeitungsebene BE.
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Analog dazu zeigen die 7a bis 7c den Verlauf der Leistungsdichteverteilung LDV bzw. deren Amplitude entlang der x- und γ-Achse bei einer Rotation der zweiten optischen Einrichtung 3 bzw. des Zylinderlinsenteleskops 3 um einen Rotationswinkel α = 29°, d.h. die Strahlung der Diodenlaserstrahlung DLS wird um den zweifachen Rotationswinkel gedreht und weist somit eine Strahlrotation von 58° auf.
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Bereits 7a zeigt einen deutlich homogeneren Verlauf der Leistungsdichteverteilung LDV des Laserspots LS in der Bearbeitungsebene BE. Ein periodisch streifenförmiger Verlauf ist nicht mehr erkennbar. Die seitlichen Flanken der Amplitude der Leistungsdichteverteilung LDV entlang der x-Achse sind steiler und entlang der γ-Achse ist im Vergleich zu 6c aus der 7c ein näherungsweise konstanter Verlauf der Amplitude zu entnehmen. Die beschriebene Strahlrotation hat damit eine deutliche Erhöhung des Homogenisierungsgrades der Leistungsdichteverteilung LDV des rechteckförmigen Laserspots LS in der Bearbeitungsebene BE bewirkt.
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In 8 ist der Homogenitätsgrad bzw. die Homogenität H der Leistungsdichteverteilung LDV des Laserspots LS in der Bearbeitungsebene BE über dem Rotationswinkel α des Zylinderlinsenteleskops 3 in einem Diagramm aufgetragen. Die Homogenität H ist hier definiert als 100 % abzüglich der relativen mittleren quadratischen Abweichung der lokalen Leistungsdichte von der gemittelten Leistungsdichte im rechteckförmigen Laserspot LS. Dabei fließen die seitlichen Flanken nicht in die Berechnung mit ein. In dem Diagramm sind zwei Kurven gezeigt, und zwar für einen idealen Diodenlaserstack und für einen fehlbehafteten Diodenlaserstack mit zwei ausgefallenen Laserbarren, der entsprechende Inhomogenitäten in der Leistungsdichteverteilung LDV der erzeugten Diodenlaserstrahlung DLS aufweist.
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Für den Fall keiner Rotation der Diodenlaserstrahlung DLS und einer Leistungsdichteverteilung LDV gemäß der 6a bis 6c ergibt sich eine Homogenität H von etwa 89%. Mit zunehmenden Rotationswinkel α nimmt auch die Homogenität H zu, wobei der Verlauf der Homogenität H mehrere lokale Maxima und Minima aufweist. Beispielsweise im Bereich von 27° bis 31° ist die Homogenität nahezu konstant und mit circa 96,5% maximal. Auch ist aus dem dargestellten Kurvenverlauf erkennbar, dass der Ausfall von Laserbarren im Diodenlaserstack die Funktion der Diodenlaseroptik 1 keinesfalls beeinträchtigt. Dies gilt gleichermaßen für den Fall, dass die zu homogenisierende direkte Diodenlaserstrahlung DLS von einer Diodenlasereinheit umfassend mehrere Diodenlaserstacks erzeugt wird, die in Fast-Axis und/oder in Slow-Axis mit einem Spalt nebeneinander angeordnet sind.
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Der Rotationswinkel α des Zylinderlinsenteleskops beträgt zwischen 1,5° und 43,5°, vorzugsweise zwischen 25° und 40°, über welche eine Rotation bzw. Drehung der Diodenlaserstrahlung DLS zwischen 3° und 87°, vorzugsweise zwischen 40° und 80° erreicht wird.
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Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegend Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Diodenlaseroptik
- 2
- erste optische Einrichtung
- 2.1
- erstes Zylinderlinsenarray
- 2.2
- zweites Zylinderlinsenarray
- 3
- zweite optische Einrichtung
- 3.1
- erste Zylinderlinse
- 3.2
- zweite Zylinderlinse
- 4
- Fokussieroptik
- 2α
- Rotationswinkel
- BE
- Bearbeitungsebene
- DLS
- Diodenlaserstrahlung
- LDV
- Leistungsdichteverteilung
- LS
- Laserspot
- H
- Homogenität
- SQ
- Strahlungsquerschnitt
- SQ1
- erste Gruppe
- SQ2
- zweite Gruppe
- ZA1
- Zylinderachse
- ZA2
- Zylinderachse
