DE10247743B3

DE10247743B3 - Optical device for high power diode laser uses homogenizing element with pairs of total internal reflection side faces between light input end face and light output end face

Info

Publication number: DE10247743B3
Application number: DE2002147743
Authority: DE
Inventors: Leo H.J.F. Prof. Dr. Beckmann
Original assignee: Jenoptik Laserdiode GmbH
Current assignee: Jenoptik Laserdiode GmbH
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-10-11

Abstract

The optical device has a homogenizing element (1) with 2 pairs of facing total internal reflection side faces (5,6; 9,10), receiving the individual output beams provided by a number of laser diodes positioned in a line with their active surfaces in a common plane and directing them to a light output end face (4) on the opposite side to the light input end face (3). The corresponding side edges of one pair of total internal reflection side faces diverge away from one another from the input end face to the output end face, a second pair of total internal reflection side faces tapering towards one another between the input and output end faces.

Description

Optische Anordnung zur Formung und Homogenisierung eines von einer Laserdiodenanordnung ausgehenden LaserstrahlenbündelsOptical arrangement for shaping and Homogenization of a starting from a laser diode arrangement laser beam

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Formung und Homogenisierung eines von einer Laserdiodenanordnung ausgehenden Laserstrahlenbündels, das aus divergenten Einzelstrahlenbündeln der Laserdioden zusammengesetzt ist, die mit ihren aktiven Schichten in einer gemeinsamen Ebene und in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil der Einzelstrahlenbündel auf mindestens ein Paar von einander zugewandten, totalreflektierenden Seitenflächen eines Homogenisierungselementes gerichtet sind, wodurch eine Strahlüberlagerung an einer, zu einer stirnseitigen Strahleintrittsfläche gegenüberliegenden Strahlaustrittsfläche erfolgt.The invention relates to an optical Arrangement for shaping and homogenizing one of a laser diode arrangement outgoing laser beam, that is composed of divergent single beams of the laser diodes is that with their active layers in a common plane and are arranged in a row next to each other, at least part of the single beam on at least one pair of mutually facing, totally reflective faces a homogenization element are directed, whereby a beam superimposition on an opposite to an end face beam entry surface Beam exit surface he follows.

Bekanntermaßen weisen die einzelnen, in einer Reihe angeordneten Laserdioden von Hochleistungsdiodenlasern sehr unterschiedliche Abstrahleigenschaften in senkrecht zueinander stehenden Richtungen auf. Während in einer Richtung quer zur Reihenrichtung (Fast-Axis-Richtung) die Strahlung in einem großen Winkel von bis zu 90 Grad (Vollwinkel) ausgesendet wird, ist der Abstrahlwinkel parallel zur Reihe (Slow-Axis-Richtung) um etwa eine Dekade kleiner.As is known, the individual, in a series of laser diodes arranged by high-power diode lasers very different radiation properties in perpendicular to each other standing directions. While in a direction transverse to the row direction (fast axis direction) Radiation in a big An angle of up to 90 degrees (full angle) is transmitted Beam angle parallel to the row (slow axis direction) by about one Decade smaller.

Die Anwendung der Hochleistungsdiodenlaser in der Praxis bereitet nicht nur Schwierigkeiten wegen der stark unterschiedlichen Abstrahlwinkel, sondern auch aufgrund der unterschiedlichen Gesamtleistung, mit der die einzelnen Laserdioden strahlen. Während in der Slow-Axis-Richtung eine inhomogene Leistungsverteilung über die Diodenfläche vorliegt, entspricht die Leistungsverteilung über den Abstrahlwinkel in der Fast-Axis-Richtung nur in erster Näherung einem Gauß-Profil. Es ist daher fast immer erforderlich, die von der Diodenreihe ausgehende Strahlung unter Ausnutzung der hohen Leistung und des günstigen Wirkungsgrades optisch in geeigneter Form zu transformieren, so dass sie für den beabsichtigten Zweck brauchbar wird.The application of high power diode lasers in practice not only causes difficulties because of the strong different beam angle, but also because of the different Total power with which the individual laser diodes shine. While in the slow axis direction there is an inhomogeneous power distribution over the diode area, corresponds to the power distribution over the beam angle in the Fast axis direction only in a first approximation of a Gaussian profile. It is therefore almost always necessary to start from the row of diodes Radiation taking advantage of high performance and cheap To transform efficiency optically in a suitable form, so that they are for the intended purpose becomes usable.

Das gilt auch, wenn ein solcher Hochleistungsdiodenlaser zum Pumpen von Festkörperlasern, wie z. B. von Nd-YAG-Lasern verwendet werden soll. Man nutzt hierbei den Umstand, dass die Diodenlaserstrahlung auf die optimale Pumpwellenlänge dieser Laser abgestimmt werden kann. Dadurch wird die thermische Belastung des Lasermaterials gering gehalten und ermöglicht hohe Strahlqualitäten bei der Festkörperlaserstrahlung. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Pumpstrahlung ausreichend homogen ist, und dass lokale Leistungsspitzen vermieden werden. Ansonsten treten wegen der hohen Absorption der Pumpstrahlung im Lasermaterial thermische Spannungen auf, die zum Materialbruch führen können. Zugleich ist aber eine hohe mittlere Leistungsdichte beim Pumpen erwünscht, da dies für einen hohen Wirkungsgrad des Festkörperlasers förderlich ist. Wie hoch diese mittlere Leistungsdichte getrieben werden darf, hängt im Wesentlichen von der Homogenität des Pumpstrahlungsbündels ab.This also applies if such a high-power diode laser for pumping solid-state lasers, such as B. from Nd-YAG lasers should be used. One takes advantage of the fact that the diode laser radiation to the optimal pump wavelength this laser can be tuned. This will make the thermal The load on the laser material is kept low and enables high loads Beam qualities at solid-state laser radiation. Prerequisite for this is that the pump radiation is sufficiently homogeneous, and that local power peaks are avoided. Otherwise kick thermal due to the high absorption of the pump radiation in the laser material Tensions that can lead to material breakage. But at the same time there is one high average power density when pumping is desired, as this is for one high efficiency of the solid-state laser conducive is. How high this average power density can be driven hangs in Essentially on the homogeneity of the pump radiation beam.

Anordnungen und Verfahren zur Homogenisierung der Leistungsverteilung sind im Stand der Technik bereits mehrfach beschrieben worden, wobei es üblich ist, abbildende optische Elemente zwischen dem Hochleistungsdiodenlaser und einem Element zur Homogenisierung anzuordnen.Arrangements and methods for homogenization The power distribution is already multiple in the prior art have been described, it being common is imaging optical elements between the high power diode laser and to arrange an element for homogenization.

Bekannt sind hierbei insbesondere optische Anordnungen gemäß den US-Patenten 4 744 615 und 5 303 084, bei denen ein Lichttunnel mit ebenen, innen reflektierenden Seiten einen divergierenden Laserstrahl aufnimmt und am Austritt des Lichttunnels überlagert. Aufgrund der notwendigen abbildenden optischen Elemente sind diese Anordnungen noch zu kostenaufwendig.Are known in particular optical arrangements according to the US patents 4 744 615 and 5 303 084, where a light tunnel with flat, inside reflecting sides receives a diverging laser beam and overlaid at the exit of the light tunnel. Because of the necessary imaging optical elements, these arrangements are still too expensive.

Ferner ist es aus der DE 198 41 040 A1 bekannt, dass reflektierende Seitenflächen einen sich bis zur Strahlaustrittsfläche verringernden Flächenabstand aufweisen können.Furthermore, it is from the DE 198 41 040 A1 It is known that reflecting side surfaces can have a surface spacing which decreases as far as the beam exit surface.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Anordnung einfacher zu gestalten und so den Aufwand für eine Transformation und Homogenisierung zu verringern.The object of the invention is therefore to make the arrangement easier and so the effort for a transformation and reduce homogenization.

Diese Aufgabe wird bei einer optischen Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass von den einander zugewandten reflektierenden Seitenflächen ein erstes Paar, welches mit der Strahleintrittsfläche gemeinsame, in Reihenrichtung verlaufende Kanten besitzt, einen sich bis zur Strahlaustrittsfläche vergrößernden Flächenabstand aufweist.This task is done with an optical Arrangement of the type mentioned solved in that of the facing each other reflective side surfaces a first pair, which is common to the beam entry surface, has edges running in the row direction, one up to Beam exit surface magnifying surface distance having.

Die quer zur Reihenrichtung und senkrecht zur gemeinsamen Ebene verlaufende Höhe der Strahleintrittsfläche sollte zur Aufnahme der Einzelstrahlenbündel eine Ausdehnung zwischen 0,002 mm und 0,25 mm aufweisen. Dazu angepasst sollte dann die Höhe der Strahlaustrittsfläche durch den sich vergrößernden Abstand der einander zugewandten reflektierenden Seitenflächen zwischen 0,5 und 2,5 mm liegen.The cross to the row direction and perpendicular to common level trending height the beam entry area an expansion between 0.002 mm and 0.25 mm. The height of the jet exit surface should then be adjusted accordingly the enlarging Distance of the mutually facing reflective side surfaces between 0.5 and 2.5 mm.

Im Gegensatz zur bekannten Verarbeitung der Diodenlaserstrahlung mit optischen Mitteln wird bei der vorliegenden Erfindung zunächst keine Kollimation in der Fast-Axis-Richtung vorgenommen. Die Einzelstrahlenbündel werden sofort übereinander gefaltet und dadurch durchmischt, so dass nach Durchlaufen des Homogenisierungselementes ein Laserstrahlenbündel vorliegt, das über den Querschnitt weitgehend homogen ist. Zusätzlich ist mit der Erfindung aber noch ein weiterer Effekt verbunden. Da das als prismatischer Körper ausgebildete Homogenisierungselement in seiner Höhenausdehnung in Fast-Axis-Richtung von der Strahleintrittsfläche zur Strahlaustrittsfläche hin zunimmt, verringert sich die Strahldivergenz des Laserstrahlenbündels bei geeigneter Dimensionierung an der Strahlaustrittsfläche auf 10 bis 20 % des Ausgangswertes an der Strahleintrittsfläche. Dadurch wird die weitere optische Verarbeitung des Laserstrahlenbündels ganz wesentlich vereinfacht und weniger kostenaufwendig.In contrast to the known processing of diode laser radiation with optical means, no collimation in the fast-axis direction is initially carried out in the present invention. The individual bundles of rays are immediately folded over one another and mixed thereby, so that after passing through the homogenization element, a laser bundle of rays is present which is largely homogeneous over the cross section. In addition, another effect is associated with the invention. Since the homogen trained as a prismatic body nization element increases in its height extension in the fast axis direction from the beam entry surface to the beam exit surface, the beam divergence of the laser beam decreases with suitable dimensioning at the beam exit surface to 10 to 20% of the initial value at the beam entry surface. As a result, the further optical processing of the laser beam is very much simplified and less expensive.

Die Erfindung ermöglicht es weiterhin, den in der Fast-Axis-Richtung genutzten Effekt auch in der Slow-Axis-Richtung zu nutzen, indem von den einander zugewandten reflektierenden Seitenflächen ein zweites Paar, welches mit der Strahleintrittsfläche gemeinsame, senkrecht zur gemeinsamen Ebene verlaufende Kanten besitzt, einen sich bis zur Strahlaustrittsfläche verringernden Flächenabstand aufweist. Die Divergenz des austretenden Laserstrahlenbündels nimmt dabei entsprechend zu, was angesichts der in dieser Richtung viel geringeren Divergenz der Einzelstrahlenbündel von Vorteil sein kann.The invention further enables the in the Fast axis direction used effect also in the slow axis direction to be used by each other facing reflective side surfaces a second pair, which common with the beam entry surface, has edges perpendicular to the common plane, one itself up to the beam exit surface reducing surface spacing having. The divergence of the emerging laser beam increases doing accordingly to what is given a lot in that direction lower divergence of the individual beams can be advantageous.

Hervorzuheben ist, dass mit der erfindungsgemäßen optischen Anordnung keine Abbildung bzw. Kollimation der Diodenlaserstrahlung erfolgt, sondern eine Strahlungsdurchmischung mit gleichzeitiger Transformation der Divergenzwinkel.It should be emphasized that with the optical according to the invention Arrangement no imaging or collimation of the diode laser radiation takes place, but a radiation mixing with simultaneous Transformation of the divergence angle.

Zu erwähnen ist ferner, dass die räumliche Kohärenz der Einzelstrahlenbündel in Fast-Axis-Richtung bei dieser Arbeitsweise verloren geht, was beabsichtigt ist. Die Leistungsdichte an der Strahlaustrittsfläche des Homogenisierungselementes ist dann auch typisch auf Werte zwischen 200 und 1000 Watt pro Quadratzentimeter beschränkt. Sie kann – in Grenzen – durch optische Abbildung geändert und an die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung angepasst werden.It should also be mentioned that the spatial coherence of the Single ray bundle what is lost in the fast axis direction with this way of working is intended. The power density at the beam exit surface of the Homogenization element is then also typically between values Limited to 200 and 1000 watts per square centimeter. It can - within limits - by Optical illustration changed and to the needs be adapted to the respective application.

Vorteilhafterweise kann mindestens eine der Seitenflächen, die mit der Strahleuntrittsfläche eine gemeinsame, in Reihenrichtung verlaufende Kante besitzt, mit einem optisch transparenten Körper verbunden sein, dessen Brechzahl niedriger ist als der des Homogenisierungselementes und der einen an das Homogenisierungselement angepassten Ausdehnungskoeffizienten aufweist.Advantageously, at least one of the side faces, the one with the jet entrance surface has a common edge running in the row direction with an optically transparent body be connected, the refractive index of which is lower than that of the homogenizing element and the one expansion coefficient adapted to the homogenization element having.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Homogenisierungselement zu Halterungszwecken mit seiner Strahlaustrittsfläche auf einer planparallelen Platte aus optisch transparentem Material befestigt sein. Anstatt der planparallelen Platte kann auch eine Platte aus optisch transparentem Material vorgesehen sein, bei der die dem Homogenisierungselement abgewandte Plattenseite gekrümmt ausgebildet ist und als Linse fungiert.In a further advantageous embodiment, the homogenizing element for mounting purposes with its beam exit surface attached to a plane-parallel plate made of optically transparent material his. Instead of the plane-parallel plate, a plate can also be made optically transparent material can be provided, in which the Plate side facing away from the homogenizing element is curved and acts as a lens.

Will man die Homogenisierung in der Slow-Axis-Richtung weiter verbessern, so kann direkt an der Strahlaustrittsfläche oder aber an der zur Strahlaustrittsfläche gegenüberliegenden Austrittsseite der planparallelen Platte ein optisch transparenter prismatischer Körper mit einer seiner Stirnseiten angebracht sein, der paarweise parallele, totalreflektierende Seitenflächen aufweist. Werden die totalreflektierenden Seitenflächen dieses prismatischen Körpers dadurch gebildet, dass der Körper an diesen Flächen nicht gegen Luft ansteht, sondern von einer Umhüllung mit niedrigerem Brechungsindex als der des optisch transparenten Körpers eingebettet ist, kann an der Umhüllung auch ein Befestigungsmittel angreifen.If you want homogenization in the slow axis direction further improve, so can directly at the beam exit surface or but on the exit side opposite the jet exit surface the plane-parallel plate is an optically transparent prismatic body be attached with one of its end faces, the pair parallel, totally reflecting side surfaces having. Will the totally reflective side faces of this prismatic body formed by the body on these surfaces not against air, but from a coating with a lower refractive index than that of the optically transparent body can be embedded on the wrapper also attack a fastener.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on the following the schematic drawing closer explained become. Show it:

1 ein erfindungsgemäßes Homogenisierungselement 1 a homogenization element according to the invention

2 eine Seitenansicht des Homogenisierungselementes mit Verlauf der Randstrahlen für die Fast-Axis-Richtung 2 a side view of the homogenization element with the course of the marginal rays for the fast axis direction

3 ein Homogenisierungselement mit zueinander geneigten Seitenflächen zur Homogenisierung in der Slow-Axis-Richtung 3 a homogenization element with mutually inclined side surfaces for homogenization in the slow axis direction

4 eine Halterung für das Homogenisierungselement 4 a holder for the homogenization element

5 das Homogenisierungselement mit einer Zusatzeinrichtung zur Verbesserung der Homogenisierung in der Slow-Axis-Richtung 5 the homogenization element with an additional device to improve the homogenization in the slow axis direction

6 ein aus zwei Teilen mit unterschiedlichen Brechungsindizes bestehendes Homogenisierungselement 6 a homogenization element consisting of two parts with different refractive indices

Bei der in 1 dargestellten typischen präferenten Ausführungsform eines prismatischen Homogenisierungselementes 1 zur Formung und Homogenisierung eines Laserstrahlenbündels soll eine gestrichelte Darstellung die in einer Reihe angeordneten Laserdioden einer Laserdiodenanordnung 2 verdeutlichen, deren aktive Schichten in einer gemeinsamen Ebene E liegen. Die einzelnen Laserdioden haben strahlende Flächen, die typisch 0,15 mm lang und ca. 0,001 mm hoch sind und einen Mittenabstand von 0,5 mm aufweisen. Eine als Strahleintrittsfläche dienende Stirnfläche 3 des Homogenisierungselementes 1 ist in einem Abstand von weniger als 0,1 mm dicht benachbart zu den strahlenden Flächen angeordnet. An dieser Stelle haben die Strahlenbündel in der senkrecht zur Reihenrichtung und zur gemeinsamen Ebene verlaufenden Fast-Axis-Richtung eine Gesamthöhe von weniger als 0,2 mm erreicht, so dass eine Höhe der Stirnfläche 3 von 0,2 mm ausreicht, um die gesamte Diodenlaserstrahlung aufzufangen. Die andere Stirnfläche 9 ist als Strahlaustrittsfläche vorgesehen. Innerhalb des Homogenisierungselementes 1 ist die Strahldivergenz zwar um den Betrag der Brechzahl n des Materials verringert, aber doch so hoch, dass die von den Laserdioden ausgehenden Einzelstrahlenbündel in der Fast-Axis-Richtung ein Paar von einander zugewandten Seitenflächen 5, 6 tangieren, die mit der Stirnfläche 3 gemeinsame, in Reihenrichtung verlaufende Kanten besitzen. Die Geometrie des Homogenisierungselementes 1 ist dabei so ausgebildet, dass an den Seitenflächen 5, 6 Totalreflexion auftritt.At the in 1 represented typical preferred embodiment of a prismatic homogenization element 1 To form and homogenize a laser beam, a broken line should show the laser diodes arranged in a row of a laser diode arrangement 2 clarify whose active layers lie in a common plane E. The individual laser diodes have radiating surfaces that are typically 0.15 mm long and approx. 0.001 mm high and have a center distance of 0.5 mm. An end surface serving as a beam entry surface 3 of the homogenization element 1 is arranged close to the radiating surfaces at a distance of less than 0.1 mm. At this point, the beams in the fast axis direction perpendicular to the row direction and to the common plane have reached a total height of less than 0.2 mm, so that a height of the end face 3 of 0.2 mm is sufficient to collect all of the diode laser radiation. The other face 9 is intended as a jet exit surface. Within the homogenization element 1 Although the beam divergence is reduced by the amount of the refractive index n of the material, it is still so high that the individual beam bundles emanating from the laser diodes in the fast axis direction have a pair of side surfaces facing one another 5 . 6 tangent with the face 3 have common edges running in the row direction. The geometry of the homogeneous nisierungselementes 1 is designed so that on the side surfaces 5 . 6 Total reflection occurs.

Dieser Umstand soll mit einem numerischen Beispiel anhand der 2 verifiziert werden, bei dem Randstrahlen innerhalb eines 12 mm langen Homogenisierungselementes 1 drei Reflexionen erfahren. Für die unter 45 Grad in das Homogenisierungselement 1 eintretenden Strahlen 7, 8 ist die Divergenz innerhalb des Körpers nach dem Brechungsgesetz auf den Winkel α = arcsin(l/n)sin(45°) herabgesetzt. Bei einer Brechzahl n von 1,6 für eine gängige Glasart ist dieser Winkel 26,2°. Die Strahlen 7, 8 treffen anschließend unter einem Winkel von 90° – 26,2° = 63,8° vermehrt mit dem Neigungswinkel der jeweiligen Seitenfläche 5, 6 zur gemeinsamen Ebene E auf eine der Seitenfläche 5, 6. Selbst wenn dieser Neigungswinkel gleich Null ist, tritt dort Totalreflexion auf, da der Grenzwinkel von arcsin (l/n), hier 38,7°, bereits weit überschritten ist. Tatsächlich reicht bereits ein Brechungsindexsprung an den durch die Seitenflächen 5, 6 gebildeten Grenzflächen von 0,08 aus, um Totalreflexion zu erzwingen, wenn die Seitenflächen 5, 6 zur Horizontalen um ca. 4° so geneigt sind, dass sich ihr Flächenabstand bis zur Strahlaustrittsfläche vergrößert.This is to be illustrated with a numerical example based on the 2 be verified, in which edge blasting within a 12 mm long homogenization element 1 experience three reflections. For those under 45 degrees in the homogenizing element 1 entering rays 7 . 8th is the divergence within the body according to the law of refraction on the angle α = arcsin (l / n) sin (45 °) reduced. With a refractive index n of 1.6 for a common type of glass, this angle is 26.2 °. The Rays 7 . 8th then hit at an angle of 90 ° - 26.2 ° = 63.8 ° increasingly with the angle of inclination of the respective side surface 5 . 6 to the common plane E on one of the side surfaces 5 . 6 , Even if this angle of inclination is zero, total reflection occurs there, since the critical angle of arcsin (l / n), here 38.7 °, is already far exceeded. In fact, a jump in the refractive index on the through the side surfaces is enough 5 . 6 formed interfaces of 0.08 to force total reflection when the side surfaces 5 . 6 are inclined to the horizontal by approx. 4 ° so that their surface distance increases up to the beam exit surface.

Einerseits vermindert sich der Strahlneigungswinkel nach jeder Reflexion an einer der geneigten Seitenflächen 5, 6 um das doppelte des Neigungswinkels der jeweiligen Seitenfläche 5, 6, andererseits werden stärker geneigt einfallende Strahlen, also die Randstrahlen der Einzelstrahlenbündel zugleich öfter an der oberen bzw. unteren Seitenfläche 5, 6 des Homogenisierungselementes 1 reflektiert. Das Nettoresultat ist eine Verminderung der Strahldivergenz und es treten unterschiedliche optische Weglängen bei den Einzelstrahlenbündeln auf. Letzteres zerstört deren Kohärenz und homogenisiert dadurch die Energieverteilung innerhalb des Homogenisierungselementes 1, insbesondere an der Strahlaustrittsfläche.On the one hand, the beam inclination angle decreases after each reflection on one of the inclined side surfaces 5 . 6 by twice the angle of inclination of the respective side surface 5 . 6 , on the other hand, incident rays are more inclined, that is to say the peripheral rays of the individual ray bundles are at the same time more often on the upper or lower side surface 5 . 6 of the homogenization element 1 reflected. The net result is a reduction in beam divergence and there are different optical path lengths for the individual beam bundles. The latter destroys their coherence and thereby homogenizes the energy distribution within the homogenization element 1 , especially at the jet exit surface.

Die Zahl der sich ergebenden Totalreflexionen und damit der Grad der Homogenisierung wird weitgehend von der Länge des Homogenisierungselementes 1 sowie vom Höhenverhältnis zwischen der Strahleintrittsfläche und der dieser gegenüberliegenden Strahlaustrittsfläche bestimmt. Letztere regelt zugleich die Verminderung der Divergenz des Laserstrahlenbündels in Fast-Axis-Richtung.The number of resulting total reflections and thus the degree of homogenization largely depends on the length of the homogenization element 1 as well as the height ratio between the beam entry surface and the beam exit surface opposite this. The latter also regulates the reduction in the divergence of the laser beam in the fast axis direction.

Die Grenzen sind hier durch praktische Erwägungen gesetzt. Nimmt man an, dass die Strahleintrittsfläche des Homogenisierungselementes 1 aus herstellungstechnischen Gründen nicht kleiner als 0,2 mm gewählt werden kann, und 2 mm ein brauchbarer Wert für die Höhe an der Strahlaustrittsfläche ist, dann kann die Divergenz in Fast-Axis-Richtung maximal um einen Faktor 10 auf weniger als 10 Grad (Vollwinkel) vermindert werden.The limits are set here by practical considerations. Assume that the beam entry surface of the homogenization element 1 can not be chosen to be less than 0.2 mm for manufacturing reasons, and 2 mm is a useful value for the height at the beam exit surface, then the divergence in the fast axis direction can be maximally reduced by a factor of 10 to less than 10 degrees (full angle ) can be reduced.

Aus der Geometrie des prismatisch geformtem Homogenisierungselementes 1 folgt weiterhin, dass Strahlen, die innerhalb des Körpers unter einem geringeren Winkel als dem Neigungswinkel der Seitenflächen 5, 6 zur Horizontalen verlaufen, keine Totalreflexion erfahren und deshalb unter dem gleichen Winkel aus dem Homogenisierungselement 1 austreten unter dem sie eintreten. Für Eintrittswinkel in Luft tritt das für solche Neigungswinkel α auf, die kleiner als arcsin (n sin (α)) sind. Für das anhand von 2 beschriebene Beispiel beträgt dieser Winkel ca. 14°. Die tatsächliche Verminderung der Bündeldivergenz wird in diesem Fall also durch die Neigungswinkel der Seitenflächen 5, 6 auf einen Faktor von ca. 6,5 begrenzt.From the geometry of the prismatic shaped homogenization element 1 further follows that rays that are within the body at an angle less than the angle of inclination of the side surfaces 5 . 6 run to the horizontal, experience no total reflection and therefore at the same angle from the homogenization element 1 exit under which they enter. For air entry angles, this occurs for angles of inclination α which are smaller than arcsin (n sin (α)). For that based on 2 Example described this angle is approximately 14 °. The actual reduction in the bundle divergence is in this case the angle of inclination of the side surfaces 5 . 6 limited to a factor of approx. 6.5.

Strebt man nach einer Dimensionierung, bei der die Verminderung der Divergenz durch Totalreflexion ungefähr mit der minimalen Divergenz der nichtreflektierten Bündel übereinstimmt, dann muss das Höhenverhältnis der Strahleintrittsfläche und der Strahlaustrittsfläche gleich oder kleiner als 90/(arcsin (n sin α)) sein. Für das beschriebene numerische Beispiel ist diese Bedingung erfüllt, wenn die Länge des Homogenisierungselementes 1 von 12 mm auf etwa 20 mm erhöht wird, es kann aber auch die Höhe der Strahlaustrittsfläche auf 1,2 mm herabgesetzt oder die Höhe der Strahleintrittsfläche auf 0,33 mm vergrößert werden.If one strives for a dimensioning in which the reduction in divergence due to total reflection roughly corresponds to the minimum divergence of the non-reflected bundles, then the height ratio of the beam entry area and the beam exit area must be equal to or less than 90 / (arcsin (n sin α)). For the numerical example described, this condition is met if the length of the homogenizing element 1 is increased from 12 mm to about 20 mm, but the height of the beam exit surface can also be reduced to 1.2 mm or the height of the beam entry surface can be increased to 0.33 mm.

Bisher wurde nur die Fast-Axis-Richtung betrachtet. Anhand von 3 wird ein Beispiel für eine mögliche Dimensionierung des Homogenisierungselementes 1 in der in Reihenrichtung verlaufenden Slow-Axis-Richtung beschrieben. In dieser Richtung haben die Randstrahlen eine Divergenz von typisch 8° (Vollwinkel) am Diodenlaserausgang, die sich innerhalb des 12 mm langen Homogenisierungselementes 1 auf ca. 5° verringert. Ausgehend von einer anfänglichen Breite von typisch 0,15 mm sind die individuellen Einzelstrahlenbündel dann an der Strahlaustrittsfläche auf eine Breite von ca. 1,2 mm angewachsen. Das hat zur Folge, dass die Einzelstrahlenbündel der zentral gelegenen Laserdioden keine Ablenkung durch Totalreflexion an den Seitenwänden 9 und 10 erfahren, wenn das Homogenisierungselement 1 an der Strahlaustrittsfläche z. B. 5 mm breit ist. Die Einzelstrahlenbündel der außen liegenden Laserdioden werden höchstens einmal reflektiert und über die unabgelenkten Einzelstrahlenbündel gefaltet. Das trägt zur Homogenisierung bei, doch ist der Effekt wegen der geringeren Strahldurchmischung geringer als in Fast-Axis-Richtung. Die Divergenz des austretenden Laserstrahlenbündels nimmt bei diesem Beispiel auf ca. 16° (Halbwinkel) zu. Bei einer Länge des Homogenisierungselementes 1 von 20 mm verringert sich die Divergenz auf ca. 11° (Halbwinkel).So far, only the fast axis direction has been considered. Based on 3 is an example of a possible dimensioning of the homogenization element 1 in the slow axis direction running in the row direction. In this direction, the marginal rays have a divergence of typically 8 ° (full angle) at the diode laser output, which is within the 12 mm long homogenization element 1 reduced to approx. 5 °. Starting from an initial width of typically 0.15 mm, the individual individual beam bundles have then grown to a width of approximately 1.2 mm at the beam exit surface. As a result, the individual beams of the centrally located laser diodes are not deflected by total reflection on the side walls 9 and 10 experienced when the homogenization element 1 at the jet exit surface z. B. is 5 mm wide. The individual beams of the external laser diodes are reflected at most once and folded over the undeflected individual beams. This contributes to homogenization, but the effect is less than in the fast-axis direction due to the lower beam mixing. In this example, the divergence of the emerging laser beam bundle increases to approximately 16 ° (half angle). With a length of the homogenization element 1 the divergence is reduced from 20 mm to approx. 11 ° (half angle).

Die genannten numerischen Werte für eine praktische Ausführung des Homogenisierungselementes 1 sind zwar repräsentativ, dienen aber vorwiegend zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips und sind nur als eine von vielen möglichen Dimensionierungen anzusehen. Vom Prinzip her ist deutlich, dass die Höhe der Strahleintrittsfläche bei ausreichender Nähe zu den strahlenden Flächen der Laserdioden nur wenig größer zu sein braucht als deren Ausdehnung in der Fast-Axis-Richtung, die ihrerseits nur etwa 0,001 mm beträgt. Es ist letztlich nur eine Frage der Stabilität und der Justierbarkeit des mechanischen Aufbaus sowie der Machbarkeit des Homogenisierungselementes 1, wo man die Untergrenze für die Höhe an der Strahleintrittsseite ansetzt.The numerical values mentioned for a practical implementation of the homogenization element 1 are representative, but mainly serve to illustrate the working principle and are only one of many possible dimensions. In principle, it is clear that the height of the beam entry surface, if it is sufficiently close to the radiating surfaces of the laser diodes, need only be a little larger than their extension in the fast axis direction, which in turn is only about 0.001 mm. Ultimately, it is only a question of the stability and adjustability of the mechanical structure and the feasibility of the homogenization element 1 , where you set the lower limit for the height at the beam entry side.

Für die Halterung des Homogenisierungselementes 1 gibt es verschiedene Möglichkeiten, wovon eine in 4 dargestellt ist. Um die optische Totalreflexion an den Seitenflächen 5, 6, 9 und 10 nicht zu behindern, ist eine dortige mechanische Fassung unerwünscht. Deshalb ist das Homogenisierungselement 1 mit seiner Stirnfläche 4 auf eine Trägerplatte 11 auf gekittet, von der aus eine außerhalb der Einzelstrahlenbündel liegende mechanische Verbindung zu einer Halterung der Laserdiodenanordnung hergestellt werden kann. Zugleich mit der Verbindung kann auch die erforderliche Justierung vorgenommen werden. Eine solche Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Stirnfläche 4 des Homogenisierungselementes 1 nicht eigens entspiegelt zu werden braucht, sondern dass die entsprechende Behandlung nur an der Austrittsseite 12 der Trägerplatte 11 vorgenommen zu werden braucht, was technisch viel einfacher und dadurch kostengünstiger ist. Die Trägerplatte 11 kann an der dem Homogenisierungselement 1 abgewandten Seite auch eine Krümmung aufweisen und dadurch als Linse fungieren.For holding the homogenization element 1 There are different options, one of which is in 4 is shown. For total optical reflection on the side surfaces 5 . 6 . 9 and 10 a mechanical mount there is not undesirable. That is why the homogenization element 1 with its face 4 on a carrier plate 11 on cemented, from which a mechanical connection lying outside the individual beams can be made to a holder of the laser diode arrangement. The required adjustment can also be carried out at the same time as the connection. Such an arrangement has the additional advantage that the end face 4 of the homogenization element 1 does not need to be specially anti-reflective, but that the corresponding treatment only on the exit side 12 the carrier plate 11 needs to be done, which is technically much easier and therefore cheaper. The carrier plate 11 can at the the homogenization element 1 opposite side also have a curvature and thereby act as a lens.

Hinsichtlich der Halterung, aber auch der Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung gibt es weitere Varianten. So lässt sich die Homogenisierung der Strahlung in der Slow-Axis-Richtung dadurch verbessern, dass das Homogenisierungselement 1 auf einen weiteren, ebenfalls prismatischen Körper 13 mit parallelen Seitenwänden 14, 15, 16, 17 aufgekittet ist, über dessen Länge der Grad der Homogenisierung steuerbar ist. Je länger der Körper 13 ist, desto höher fällt der Grad der Homogenisierung aus.With regard to the holder, but also the performance of the arrangement according to the invention, there are further variants. The homogenization of the radiation in the slow axis direction can be improved in that the homogenization element 1 on another, also prismatic body 13 with parallel side walls 14 . 15 . 16 . 17 is cemented over the length of which the degree of homogenization can be controlled. The longer the body 13 the higher the degree of homogenization.

In 5 ist ein solcher Körper 13 auf die Austrittsseite 12 der Trägerplatte 11 aufgekittet, so dass das Ganze eine mechanische Einheit bildet. Wegen der planparallelen Seitenwände 14, 15, 16, 17 und der wenig kritischen Toleranzen ist ein solcher Körper 13 relativ kostengünstig herzustellen. Die Seitenwände 14, 15, 16, 17 müssen allerdings gut poliert sein, um Verluste bei der Totalreflexion zu minimieren.In 5 is such a body 13 to the exit side 12 the carrier plate 11 cemented on, so that the whole forms a mechanical unit. Because of the plane-parallel side walls 14 . 15 . 16 . 17 and the less critical tolerances is such a body 13 relatively inexpensive to manufacture. The sidewalls 14 . 15 . 16 . 17 However, they must be well polished to minimize total reflection losses.

In einer weiteren Ausführung kann ein Glas- oder anderer optisch transparenter Körper mit rechteckigem Querschnitt in einer Umhüllung von niedrigerer Brechzahl als der des Körpers eingebettet sein. Dadurch findet die Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien statt und ist deshalb verlustarm. Außerdem ist die Außenseite der Umhüllung zur Halterung geeignet. Ein derartiger Körper lässt sich auf einfache Weise, wie z. B. mit bekannten Ziehverfahren, herstellen.In a further version can a glass or other optically transparent body with a rectangular cross-section in an envelope of lower refractive index than that of the body. Thereby finds the total reflection at the interface between the two materials instead and is therefore low loss. In addition, the outside the wrapping suitable for mounting. Such a body can be easily such as B. with known drawing methods.

Bei Verwendung eines zusätzlichen Körpers 13 oder eines von einer Umhüllung umschlossenen Körpers, kann die Manipulation der Einzelstrahlenbündel in Slow-Axis-Richtung auch ganz in dem Körper erfolgen. Die Seitenflächen 9 und 10 des Homogenisierungselementes 1 sind in diesem Fall als planparallele Flächen ausgebildet.When using an additional body 13 or a body enclosed by a covering, the manipulation of the individual beam bundles in the slow axis direction can also take place entirely in the body. The side faces 9 and 10 of the homogenization element 1 are designed as plane-parallel surfaces in this case.

Da das Homogenisierungselement 1 an der Strahleneintrittsseite nur eine sehr geringe Höhe in der Größenordnung von Zehntel Millimetern oder weniger aufweisen darf, wird anhand von 6 eine weitere Ausführung beschrieben, bei der sich das Homogenisierungselement 1 aus zwei optisch durchlässigen Teilen 18 und 19 zusammensetzt, die aus zwei Glasarten mit unterschiedlichen Brechzahlen bestehen und einen nahezu gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dabei reicht bereits ein Brechzahlsprung von etwa 0,08 aus, um Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen den beiden Glasarten zu erhalten, wenn ein Teil aus einem Material mit der Brechzahl 1,6 gefertigt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht das bodenbildende Teil 18 aus niedrig brechendem Glas, so dass an den verbundenen Flächen der beiden Teile 18 und 19 eine Grenzfläche 20 gebildet wird, an der ebenso Totalreflexion auftritt wie an einer zu Luft gebildeten Grenzfläche 21 des strahlungsführenden Teils 19. Beide Grenzflächen 20 und 21 sind analog den Ausführungen gemäß 1, 2, 4 und 5 zur gemeinsamen Ebene E geneigt. Das bodenbildende Teil 18 schützt zugleich die empfindliche stirnflächige Strahleintrittsfläche des strahlungsführenden Teils 19 und kann zur Halterung herangezogen werden, indem das Teil 19 nach passender Justage mit dem bodenbildenden Teil 18 fest verbunden wird.Because the homogenization element 1 is only allowed to have a very small height on the radiation entry side in the order of magnitude of tenths of a millimeter or less 6 described another embodiment in which the homogenization element 1 from two optically transparent parts 18 and 19 composed of two types of glass with different refractive indices and almost the same thermal expansion coefficient. A jump in refractive index of about 0.08 is sufficient to obtain total reflection at the interfaces between the two types of glass, if a part is made of a material with a refractive index 1 . 6 is made. In the present embodiment, the bottom-forming part 18 made of low refractive glass, so that on the joined surfaces of the two parts 18 and 19 an interface 20 is formed, at which total reflection occurs as well as at an interface formed with air 21 of the radiating part 19 , Both interfaces 20 and 21 are analogous to the explanations 1 . 2 . 4 and 5 inclined to the common plane E. The bottom-forming part 18 at the same time protects the sensitive end face of the radiation guiding part 19 and can be used for mounting by the part 19 after suitable adjustment with the floor-forming part 18 is firmly connected.

Ein noch besserer Schutz der Strahleintrittsfläche wird erreicht, wenn auch auf die Grenzfläche 21 ein weiteres Teil aus niedriger brechendem Material als das des Teiles 19 aufgekittet wird, z. B. in Form einer dünnen planparallelen Glasplatte.Even better protection of the beam entry surface is achieved, albeit on the interface 21 another part of lower refractive material than that of the part 19 is cemented on, e.g. B. in the form of a thin plane-parallel glass plate.

Das Laserstrahlenbündel, das aus dem erfindungsgemäßen Homogenisierungselement 1 austritt, hat als Folge von mehrfachen Totalreflexionen an zueinander geneigt stehenden Seitenflächen eine gegenüber dem eintretenden Bündel stark verminderte Divergenz in Fast-Axis-Richtung. Es kann dadurch mit vergleichsweise geringem Aufwand (wenige Linsen) optisch abgebildet werden, etwa um einen Laserkristall zu pumpen oder auch für andere Anwendungen.The laser beam from the homogenization element according to the invention 1 emerges, as a result of multiple total reflections on mutually inclined side surfaces, the divergence in the fast axis direction is greatly reduced compared to the incoming bundle. It can thus be imaged optically with comparatively little effort (few lenses), for example in order to pump a laser crystal or for other applications.

Claims

Optical arrangement for shaping and homogenizing a laser beam emanating from a laser diode arrangement and consisting of diver Gentent individual beam bundles of the laser diodes is composed, which are arranged with their active layers in a common plane and in a row next to one another, at least some of the individual beam bundles being directed at at least one pair of mutually facing, totally reflecting side faces of a homogenizing element, as a result of which a beam superimposition on one , to a beam exit surface opposite the front beam entry surface, characterized in that of the mutually facing reflective side surfaces a first pair ( 5 . 6 ), which has edges common to the beam entry surface and extending in the row direction, has a surface spacing which increases as far as the beam exit surface.

Optical arrangement according to claim 1, characterized in that the transverse to the row direction and perpendicular to the common plane height of the beam entry surface for receiving the individual beams has an extent between 0.002 mm and 0.25 mm, and that the beam exit surface by the increasing distance between each other facing reflective side surfaces ( 5 . 6 ) has a height between 0.5 and 2.5 mm.

Optical arrangement according to claim 2, characterized in that at least one of the side surfaces ( 5 . 6 ), which has a common edge running in the row direction with the jet entrance surface, with an optically transparent body ( 18 ) whose refractive index is lower than that of the homogenization element ( 1 ) and the one to the homogenization element ( 1 ) has adapted expansion coefficients.

Optical arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that of the mutually facing reflecting side surfaces, a second pair ( 9 . 10 ), which has edges that are common to the beam entry surface and run perpendicular to the common plane, and has a surface distance that decreases as far as the beam exit surface.

Optical arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the homogenization element ( 1 ) for mounting with its beam exit surface on a plane-parallel plate ( 11 ) made of optically transparent material.

Optical arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the homogenization element ( 1 ) is attached to the bracket with its beam exit surface on a plate made of optically transparent material, in which the homogenization element ( 1 ) facing plate side is curved and acts as a lens.

Optical arrangement according to claim 5, characterized in that on the plane-parallel plate ( 11 ) an optically transparent prismatic body opposite the beam exit surface ( 13 ) is attached with one of its end faces, the pair of parallel, totally reflecting side faces ( 14 - 17 ) having.

Optical arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the beam exit surface of the homogenization element ( 1 ) with an end face of an optically transparent prismatic body ( 13 ) is connected, the pair of parallel, totally reflecting side surfaces ( 14 - 17 )having.

Optical arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the side surfaces ( 14 - 17 ) in a cladding with a lower refractive index than that of the optically transparent prismatic body ( 13 ) are embedded.