DE112019002638T5

DE112019002638T5 - Austauschbare laser-resonator module mit winkelverstellung

Info

Publication number: DE112019002638T5
Application number: DE112019002638.0T
Authority: DE
Inventors: Bryan Lochman; Matthew SAUTER; Bien Chann; Wang-Long Zhou
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2021-03-11
Also published as: WO2019224601A3; US20190363519A1; CN112204830A; JP2021525003A; JP7142227B2; US20210367408A1; WO2019224601A2; US11121526B2

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen umfassen Emittermodule eine Laserquelle und (a) eine refraktive Optik, (b) einen Ausgangskoppler oder (c) sowohl eine refraktive Optik als auch einen Ausgangskoppler. Einer oder beide können sich auf Halterungen befinden, die eine zweiachsige Rotation ermöglichen. Die Halterung kann z.B. eine konventionelle, drehbar einstellbare „Tip/Tilt“-Halterung oder eine kardanische Anordnung sein. Im Falle der refraktiven Optik kann entweder die Optik selbst oder der Strahlengang justiert werden, d.h. die Optik kann sich auf einer Tip/Tilt-Fassung befinden oder die Optik kann durch zwei oder mehr Spiegel ersetzt werden, die sich jeweils auf einer Tip/Tilt-Fassung befinden.

Description

Zugehörige Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/676,041 , eingereicht am 24. Mai 2018, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Verweis in diese Anmeldung aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lasersysteme, insbesondere Hochleistungslasersysteme mit austauschbaren Resonatoren.
Hintergrund
Hochleistungslasersysteme werden für viele industrielle Anwendungen wie Schweißen, Schneiden, Bohren und Materialbearbeitung eingesetzt. Solche Lasersysteme bestehen typischerweise aus einem Laser-Emitter, dessen Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach eine „Faser“) eingekoppelt wird, und einem optischen System, das das Laserlicht aus der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Die Wellenlängenstrahlkombination (WBC) ist eine Technik zur Skalierung der Ausgangsleistung und Helligkeit von Laserdioden, Laserdiodenbarren, Diodenbarrenstapeln oder anderen Lasern, die in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind. WBC-Methoden wurden entwickelt, um Strahlen entlang einer oder beider Dimensionen eines Emitterarrays zu kombinieren. Typische WBC-Systeme umfassen eine Vielzahl von Emittern, wie z.B. eine oder mehrere Diodenbarren, die mit Hilfe eines dispersiven Elements kombiniert werden, um einen Strahl mit mehreren Wellenlängen zu bilden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt einzeln mit und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen, teilweise reflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer strahlvereinigenden Dimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme werden in den U.S. Patenten Nr. 6,192,062 , 6,208,679 , 8,670,180 und 8,559,107 beschrieben, deren vollständige Offenlegung durch Bezugnahme hierin enthalten ist.
Bei einigen Multi-Emitter-Konfigurationen können die einzelnen Emitter separat entfernt und ersetzt werden. Beispielsweise kann ein Hochleistungslasersystem mehrere einzeln austauschbare Emittermodule aufweisen, die jeweils mindestens eine Laserquelle enthalten, z.B. eine oder mehrere Quellen auf Diodenbasis. Die Emittermodule können vom Endbenutzer „vor Ort“ aus dem System entfernt und ersetzt werden. Der Austausch eines Emittermoduls erfordert jedoch eine korrekte Ausrichtung des neuen Moduls. Die meisten Hochleistungslasersysteme werden in unsauberen Umgebungen eingesetzt, die für die Laserausrichtung ungeeignet sind. Wenn die Ausrichtung im Feld nicht praktikabel ist, muss sie daher bei der Herstellung der Emittermodule innerhalb eines Toleranzniveaus sichergestellt werden. Das kann eine Herausforderung sein, aber wenn die Variation in der Strahlausrichtung und Strahlposition zwischen den Laserresonatoren unter ein kritisches Niveau reduziert werden kann, sind die Emittermodule im Kombisystem ohne weitere Justierung austauschbar.
Zusammenfassung
Emittermodule, die auch als Laserquellen- oder Resonatormodule bezeichnet werden, können in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung elektrische und optische Schnittstellen enthalten, die mit komplementären Merkmalen auf einem strahlkombinierenden Gehäuse zusammenpassen, in dem die einzelnen Strahlen der Module zu einem einzigen Ausgangsstrahl kombiniert (und in einigen Ausführungsformen in eine optische Faser gekoppelt) werden. Diese optischen und elektrischen Schnittstellen erleichtern den einfachen Austausch der Eingangslaserquellen mit einem minimalen Aufwand für die Quellenausrichtung, wenn überhaupt. Die Emittermodule können in Eingangsbuchsen, die in oder auf dem Gehäuse, in dem die Eingangsstrahlen zur Bildung des Ausgangsstrahls kombiniert werden, angeordnet sind, eingesetzt und mit diesen verbunden werden.
Emittermodule umfassen eine Laserquelle und (a) eine refraktive Optik, (b) einen Ausgangskoppler oder (c) sowohl eine refraktive Optik als auch einen Ausgangskoppler. Einer oder beide können sich auf Halterungen befinden, die eine zweiachsige Rotation ermöglichen. Die Halterung kann z.B. eine konventionelle, drehbar einstellbare „Tip/Tilt“-Halterung oder eine kardanische Anordnung sein. Im Falle der refraktiven Optik kann entweder die Optik selbst oder der Strahlengang justiert werden, d.h. die Optik kann sich auf einer Tip/Tilt-Fassung befinden oder die Optik kann durch ein Paar Spiegel ersetzt werden, die sich jeweils auf einer Tip/Tilt-Fassung befinden. In verschiedenen Ausführungen ist der Ausgangskoppler teilreflektierend, wodurch die Emission eines Teils des Ausgangsstrahls vom Emittermodul und die Reflexion eines anderen Teils des Ausgangsstrahls zurück zum ursprünglichen Strahlemitter bzw. zu den ursprünglichen Strahlemittern erleichtert wird, um dadurch innerhalb des Emittermoduls eine Emission mit externem Hohlraum zu erzeugen.
Ausgangsstrahlen, die nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, können zur Bearbeitung eines Werkstücks derart verwendet werden, dass die Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird und/oder dass ein Merkmal auf oder in der Oberfläche gebildet wird, im Gegensatz zu optischen Verfahren, die eine Oberfläche lediglich mit Licht abtasten (z.B. Reflexionsmessungen). Beispielhafte Verfahren entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung sind Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können auch Werkstücke an einem oder mehreren Punkten oder entlang eines eindimensionalen linearen oder krummlinigen Bearbeitungsweges bearbeiten, anstatt die gesamte oder nahezu die gesamte Werkstückoberfläche mit der Strahlung des Laserstrahls zu fluten. Solche eindimensionalen Bahnen können aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein, von denen jedes linear oder krummlinig sein kann.
Dementsprechend bezieht sich die Erfindung in einem ersten Aspekt auf ein Emittermodul zur Verwendung mit einem Lasersystem zur Kombination mehrerer Eingangsstrahlen zu einem kombinierten Ausgangsstrahl. In verschiedenen Ausführungsformen hat das Emittermodul eine Vorderseite und umfasst eine Laserstrahlquelle, einen Ausgangskoppler und Mittel zum lösbaren, aber sicheren Koppeln des Emittermoduls mit dem Lasersystem, wobei der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite drehbar einstellbar ist. In einigen Ausführungsformen enthält das Emittermodul ferner eine Brechungsoptik zum Empfangen und Richten des Laserstrahls, wobei die Brechungsoptik und/oder der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite drehbar einstellbar ist. Zum Beispiel kann die refraktive Optik und/oder der Ausgangskoppler auf einer Spitze/Neigehalterung drehbar einstellbar sein. Alternativ kann der Laserstrahl die refraktive Optik entlang eines Strahlenganges durchlaufen, und der Strahlengang kann um die senkrechten Koordinatenachsen durch ein Paar Spiegel einstellbar sein.
In einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Emittermodul zur Verwendung mit einem Lasersystem zur Kombination mehrerer Eingangsstrahlen zu einem kombinierten Ausgangsstrahl. In verschiedenen Ausführungsformen hat das Emittermodul eine Vorderseite und umfasst eine Laserstrahlquelle, eine refraktive Optik zum Empfangen und Richten des Laserstrahls, einen Ausgangskoppler und Mittel zum lösbaren, aber sicheren Koppeln des Emittermoduls mit dem Lasersystem, wobei die refraktive Optik und/oder der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite drehbar einstellbar ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Laserabgabesystem zum Richten optischer Strahlung auf ein Werkstück. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das System eine Vielzahl von Emittermodulen, die jeweils eine Vorderseite aufweisen und einen Eingangsstrahl erzeugen, wobei die Emittermodule jeweils einen Ausgangskoppler umfassen; Mittel zum lösbaren, aber sicheren Koppeln jedes der Emittermodule mit dem Laserabgabesystem; und strahlkombinierende Optiken zum Empfangen der Eingangsstrahlen von den Emittern und zum Erzeugen eines Ausgangsstrahls daraus. In jedem der Emittermodule ist der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite des Emittermoduls drehbar einstellbar.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst jedes Emittermodul ferner eine refraktive Optik zum Empfangen und Richten des Eingangsstrahls, und die refraktive Optik und/oder der Ausgangskoppler ist um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite des zugehörigen Emittermoduls drehbar einstellbar. Zum Beispiel kann die refraktive Optik und/oder der Ausgangskoppler auf einer Spitze/Neigehalterung drehbar einstellbar sein. Alternativ kann der Eingangsstrahl jedes Emittermoduls die zugehörige refraktive Optik entlang eines Strahlenganges durchlaufen, der durch ein Spiegelpaar um die senkrechten Koordinatenachsen einstellbar ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Laserzuführungssystem außerdem ein Steuergerät zur Einstellung einer Winkelposition von mindestens einer der beiden Komponenten Brechungsoptik oder Ausgangskoppler. Das System kann ferner einen Sensor zum Erfassen eines Parameters des Ausgangsstrahls enthalten, wobei das Steuergerät auf den Sensor anspricht und auf der Grundlage von Signalen von diesem die Winkelposition von mindestens einer der refraktiven Optik oder des Ausgangskopplers einstellt. Die Signale können für mindestens einen Strahlparameter, z.B. eine Strahlform, eine Spotgröße und/oder eine numerische Apertur, kennzeichnend sein. Der Regler kann so konfiguriert werden, dass er die Winkelposition so lange verstellt, bis ein Zielwert des mindestens einen Strahlparameters erreicht ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Laserzuführungssystem ferner eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Eingangsstrahlen auf ein dispersives Element, ein dispersives Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Strahlungsstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum dispersiven Element reflektiert; der Strahlungsstrahl besteht aus mehreren Wellenlängen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Lasersystem, das eine Vielzahl von Emittermodulen umfasst, die jeweils eine Vorderseite aufweisen und einen Eingangsstrahl erzeugen, wobei jedes der Emittermodule einen Ausgangskoppler und optional eine refraktive Optik zum Empfangen und Richten des Eingangsstrahls umfasst. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Kombinieren der Eingangsstrahlen von den Emittern in einen Ausgangsstrahl, rotatives Einstellen des Ausgangskopplers jedes der Emittermodule um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite des Emittermoduls, bis der Ausgangsstrahl einen Zielwert eines Strahlparameters aufweist, und Bearbeiten des Werkstücks unter Verwendung des Ausgangsstrahls.
In verschiedenen Ausführungen bestehen die Emittermodule jeweils aus einer refraktiven Optik und einem Ausgangskoppler. Der Strahlparameter kann eine Strahlform, eine Spotgröße oder eine numerische Apertur sein. Die Brechungsoptik und/oder der Ausgangskoppler jedes Emittermoduls kann rotierend einstellbar sein, z.B. auf einer Kipphalterung. In einigen Ausführungsformen durchläuft der Eingangsstrahl jedes Emittermoduls die zugehörige refraktive Optik entlang eines Strahlenganges, der durch ein Spiegelpaar um die senkrechten Koordinatenachsen einstellbar ist.
Wie hier verwendet, bedeuten ± die Begriffe „ungefähr“, „ungefähr“, „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ 10% und in einigen Ausführungsformen ±5%. Bezugnahme in dieser Spezifikation auf „ein Beispiel“, „ein Beispiel“, „eine Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, das im Zusammenhang mit dem Beispiel beschrieben wird, in mindestens einem Beispiel der gegenwärtigen Technologie enthalten ist. Daher beziehen sich die Vorkommen der Ausdrücke „in einem Beispiel“, „in einem Beispiel“, „in einer Ausführungsform“ oder „einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Spezifikation nicht notwendigerweise alle auf dasselbe Beispiel. Darüber hinaus können die besonderen Merkmale, Strukturen, Routinen, Schritte oder Eigenschaften in einem oder mehreren Beispielen der Technologie in jeder geeigneten Weise kombiniert werden. Die hierin vorgesehenen Überschriften dienen nur der Bequemlichkeit und sind nicht dazu gedacht, den Umfang oder die Bedeutung der beanspruchten Technologie einzuschränken oder zu interpretieren. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet den Ausschluss anderer Materialien, die zur Funktion beitragen, sofern hierin nicht anders definiert. Nichtsdestotrotz können solche anderen Materialien zusammen oder einzeln in Spuren vorhanden sein. Hier werden die Begriffe „Strahlung‟ und „Licht“ austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hier wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Anordnung eines zweiten Elements anzugeben, auf das ein Lichtstrahl auftrifft, nachdem er auf ein erstes Element gestoßen ist, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements liegt. Dabei ist der „optische Abstand“ zwischen zwei Komponenten der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich von Lichtstrahlen zurückgelegt wird; der optische Abstand kann, muss aber nicht unbedingt, gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Komponenten sein, z.B. aufgrund von Reflexionen an Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung des Lichts, das sich von einer der Komponenten zur anderen ausbreitet. Die hier verwendeten „Abstände“ können, sofern nicht anders angegeben, als „optische Abstände“ betrachtet werden.
Figurenliste
In den Figuren beziehen sich die Referenzzeichen in den verschiedenen Ansichten im Allgemeinen auf die gleichen Teile. Auch sind die Figuren nicht unbedingt maßstabsgetreu, vielmehr liegt der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, in denen:

1A ist eine schematische Draufsicht einer konventionellen Anordnung von Laserresonatoren und der zugehörigen Optik.
1B ist eine vergrößerte schematische Darstellung des in 1A gezeigten faseroptischen Moduls, die bestimmte für die Ausführungsform der Erfindung relevante Abstrahlwinkel veranschaulicht.
2 ist eine schematische Draufsicht auf eine Laserresonatoreinheit entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung.
3 ist ein schematisches Diagramm einer Technik zur Kombination von Wellenlängenstrahlen, die zur Figurung von Laserstrahlen innerhalb und/oder unter Verwendung von Laserresonatoreinheiten gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann.

Detaillierte Beschreibung
Laservorrichtungen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in WBC-Systemen verwendet werden, um Lasersysteme mit hoher Helligkeit und niedrigen Strahlparametern (BPP) zu bilden. Der BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d.h. der Strahltaille, der minimalen Spotgröße). Der BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Fleck fokussiert werden kann, und wird üblicherweise in Einheiten von Millimeter-Milliradiant (mm-mrad) ausgedrückt. Ein Gauß-Strahl hat die niedrigste mögliche BPP, die durch die Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch π. Das Verhältnis der BPP eines tatsächlichen Strahls zu der eines idealen Gauß-Strahls bei derselben Wellenlänge wird als M2 bezeichnet, oder der „Strahlqualitätsfaktor“, der ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität ist, wobei die „beste“ Qualität dem „niedrigsten“ Strahlqualitätsfaktor von 1 entspricht.
Materialien, die hier als Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder als „wärmeleitende Materialien“ gekennzeichnet sind, haben eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 Watt pro Meter pro Kelvin (W·m^-1·K^-1), mindestens 170 oder sogar mindestens 300 W-m^-1· K^-1. Materialien, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, oder als „elektrisch leitende Materialien“ bezeichnet werden, haben eine elektrische Leitfähigkeit, z.B. bei 20°C, von mindestens 1 × 10⁵ Siemens pro Meter (S/m), mindestens 1 × 10⁶ S S/m oder sogar mindestens 1 × 10⁷ S/m. Materialien, die hier als Materialien mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand oder als „elektrisch isolierende Materialien“ bezeichnet werden, haben einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 1 × 10⁸ ohm· meter (Ω· m), mindestens 1 × 10¹⁰ Ω· m oder sogar mindestens 1 × 10¹² Ω·m.
Wie den Fachleuten bekannt ist, werden Laser im Allgemeinen als Geräte definiert, die durch stimulierte Emission sichtbares oder unsichtbares Licht erzeugen. Laser haben im Allgemeinen Eigenschaften, die sie, wie oben erwähnt, für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich machen. Zu den gebräuchlichen Lasertypen gehören Halbleiterlaser (z.B. Laserdioden und Diodenbarren), Festkörperlaser, Faserlaser und Gaslaser. Eine Laserdiode basiert im Allgemeinen auf einer einfachen Diodenstruktur, die die Emission von Photonen (Licht) unterstützt. Zur Verbesserung von Effizienz, Leistung, Strahlqualität, Helligkeit, Abstimmbarkeit und ähnlichem wird diese einfache Struktur jedoch im Allgemeinen modifiziert, um viele praktische Arten von Laserdioden bereitzustellen. Zu den Laserdiodentypen gehören kleine kantenemittierende Varianten, die eine Ausgangsleistung von einigen Milliwatt bis zu etwa einem halben Watt in einem Strahl mit hoher Strahlqualität erzeugen. Zu den Strukturtypen von Diodenlasern gehören Doppel-Heterostruktur-Laser, die eine Schicht aus einem Material mit geringer Bandlücke aufweisen, die zwischen zwei Schichten mit hoher Bandlücke angeordnet ist; Quantum-Well-Laser, die eine sehr dünne mittlere Schicht (Quantum-Well) enthalten, was zu einer hohen Effizienz und Quantisierung der Laserenergie führt, mehrere Quantum-Well-Laser, die mehr als eine Quantum-Well-Schicht enthalten, um die Verstärkungseigenschaften zu verbessern; Quantendraht- oder Quantensee-(Punkt-)Laser, die die mittlere Schicht durch einen Draht oder Punkte ersetzen, um Quantum-Well-Laser mit höherer Effizienz zu erzeugen; Quantenkaskadenlaser, die eine Laserwirkung bei relativ langen Wellenlängen ermöglichen, die durch Änderung der Dicke der Quantenschicht abgestimmt werden können; separate Confinement-Heterostruktur-Laser, die die am häufigsten kommerziell genutzte Laserdiode sind und weitere zwei Schichten oberhalb und unterhalb der Quantentopf-Schicht enthalten, um das erzeugte Licht effizient einzugrenzen; Laser mit verteilter Rückkopplung, die häufig in anspruchsvollen optischen Kommunikationsanwendungen verwendet werden und ein integriertes Beugungsgitter enthalten, das die Erzeugung einer stabilen Wellenlängeneinstellung während der Herstellung erleichtert, indem eine einzelne Wellenlänge zurück in den Verstärkungsbereich reflektiert wird; oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs), die eine andere Struktur haben als andere Laserdioden, da das Licht von ihrer Oberfläche und nicht von ihrem Rand emittiert wird, und oberflächenemittierende Laser mit vertikalem und externem Resonator (verticalexternal-cavity surface-emitting lasers, VECSELs) und Diodenlaser mit externem Resonator, die durchstimmbare Laser sind, die hauptsächlich Dioden mit doppelter Heterostruktur verwenden und Gitter oder Mehrfachprisma-Gitterkonfigurationen enthalten. Diodenlaser mit externem Resonator sind oft wellenlängenabstimmbar und weisen eine geringe Emissionslinienbreite auf. Zu den Laserdiodentypen gehört auch eine Vielzahl von Hochleistungsdioden-basierten Lasern: Breitflächenlaser, die durch Multimode-Dioden mit länglichen Ausgangsfacetten gekennzeichnet sind und im Allgemeinen eine schlechte Strahlqualität haben, aber einige Watt Leistung erzeugen; Trapezlaser, die durch astigmatische Modendioden mit konischen Ausgangsfacetten gekennzeichnet sind, die im Vergleich zu Breitflächenlasern eine verbesserte Strahlqualität und Helligkeit aufweisen; Stegwellenleiterlaser, die durch elliptische Modendioden mit ovalen Ausgangsfacetten gekennzeichnet sind; und Slab-gekoppelte optische Wellenleiterlaser (SCOWL), die durch kreisförmige Modendioden mit Ausgangsfacetten gekennzeichnet sind und Wattleistung in einem beugungsbegrenzten Strahl mit nahezu kreisförmigem Profil erzeugen können.
Ein Diodenlaser-Barren ist ein Halbleiterlasertyp, der eine eindimensionale Anordnung von breitflächigen Emittern oder alternativ dazu Teilanordnungen mit z.B. 10-20 schmalbandigen Emittern enthält. Ein Breitstreifen-Diodenbarren enthält z.B. typischerweise 19-49 Emitter, die jeweils Abmessungen in der Größenordnung von z.B. 1 µm × 100 µm haben. Die Strahlqualität entlang der 1 µm-Dimension oder schnellen Achse ist typischerweise beugungsbegrenzt. Die Strahlqualität entlang der 100-µm-Dimension oder der langsamen Achse (der Array-Dimension) ist typischerweise um ein Vielfaches beugungsbegrenzt. Typischerweise hat ein Diodenbarren für kommerzielle Anwendungen eine Laserresonatorlänge in der Größenordnung von 1 bis 4 mm, ist etwa 10 mm breit und erzeugt Dutzende von Watt Ausgangsleistung. Die meisten Diodenbarren arbeiten im Wellenlängenbereich von 780 bis 1070 nm, wobei die Wellenlängen von 808 nm (zum Pumpen von Neodym-Lasern) und 940 nm (zum Pumpen von Yb:YAG) am hervorstechendsten sind. Der Wellenlängenbereich von 915-976 nm wird zum Pumpen von Erbium- oder Ytterbium-dotierten Hochleistungsfaserlasern und -verstärkern verwendet.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung koppeln Ausgangsstrahlen (die Ausgangsstrahlen mit mehreren Wellenlängen sein können) in eine optische Faser ein. In verschiedenen Ausführungsformen hat die optische Faser mehrere Mantelschichten, die einen einzigen Kern umgeben, mehrere diskrete Kernbereiche (oder „Kerne“) innerhalb einer einzigen Mantelschicht oder mehrere Kerne, die von mehreren Mantelschichten umgeben sind. In verschiedenen Ausführungsformen können die Ausgangsstrahlen für Anwendungen wie Schneiden, Schweißen usw. an ein Werkstück geliefert werden.
Als „optische Elemente“ können hier Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen bezeichnet werden, die elektromagnetische Strahlung umlenken, reflektieren, biegen oder auf andere Weise optisch manipulieren. Strahl-Emitter, Emitter oder Laser-Emitter oder Laser schließen hierin jede elektromagnetische strahlerzeugende Vorrichtung wie z.B. Halbleiterelemente ein, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, aber selbstresonierend sein können oder nicht. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser usw. Im Allgemeinen umfasst jeder Emitter eine rückwärtige reflektierende Oberfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere reflektierende Oberfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung von elektromagnetischer Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist, sondern sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Emitter kann Mehrfachstrahlemitter enthalten oder im Wesentlichen aus diesen bestehen, wie z.B. eine Diodenleiste, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere Strahlen emittiert. Die Strahlen, die in den hier vorgestellten Ausführungen verwendet werden, können ein- oder mehrwellige Strahlen sein, die durch verschiedene in der Technik bekannte Techniken kombiniert werden. Darüber hinaus umfassen die hier verwendeten Bezeichnungen „Laser“, „Laser-Emitter“ oder „Strahlemitter“ nicht nur Einzeldiodenlaser, sondern auch Diodenbarren, Laser-Arrays, Diodenbarren-Arrays und Einzel- oder Arrays von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs).
Das Umfeld der Erfindung ist in 1A und 1B dargestellt. Ein Hochleistungslaser-Delivery-System 100 umfasst eine Vielzahl von Laserresonator-(Emitter-) Modulen N1-N4, die einen Ausgang erzeugen, der über die Kombinationsoptik 110 zu einem einzigen (z.B. Multiwellenlängen-) Ausgangsstrahl oder einer Vielzahl von Strahlen kombiniert wird. (Es sollte natürlich verstanden werden, dass kommerzielle Systeme eine beliebige Anzahl von Resonatoren N haben können; vier sind als Beispiel dargestellt). Der Ausgang jedes Emitters N1-N4 verlässt den Emitter unter einem Winkel θ_N1 ... θ_N4, der wünschenswerterweise im wesentlichen senkrecht zur Ausgangsfacette des Emitters steht. Mehrere Strahlen werden räumlich gestapelt, wodurch effektiv ein einziger Strahl mit einem Füllfaktor gebildet wird, und die Kombinationsoptik 110 kann in Bezug auf Polarisation, Wellenlänge (grob dichroitisch) oder räumliche Stapelung kombinieren. Der Ausgangsstrahl 115 wiederum kann mittels einer Fokussierlinse oder Linsenanordnung („FOM-Linse“) 125 in eine optische Faser 120 in einem faseroptischen Modul (FOM) eingekoppelt werden. Einmal in die optische Faser 120 eingekoppelt, kann der Ausgangsstrahl 115 zur Bearbeitung (z.B. Schneiden, Schweißen, Glühen, Bohren usw.) eines Werkstücks verwendet werden. 1B zeigt räumlich getrennte Strahlen, die auf die FOM-Linse 125 auftreffen. Wenn θ_N1 ... θ_N4 senkrecht zu den Ausgangsfacetten der Emitter stehen und die Emitter N1-N4 vollständig parallel sind, treffen die Strahlen alle in einem einheitlichen Winkel θ_FOM auf das FOM-Objektiv 125 auf.
Die Kombinationsoptik 110 kann optional ein oder mehrere refraktive optische Elemente enthalten. Wenn sie enthalten sind, können das (die) refraktive(n) optische(n) Element(e) (hierin allgemein als „refraktive Optik“ bezeichnet) eine oder mehrere zylindrische oder sphärische Linsen, Planoptiken, Keile und/oder Spiegel umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Das (die) refraktive(n) optische(n) Element(e) kombiniert (kombinieren) jeden Strahl entlang einer Wellenlängenstrahl-Kombinationsrichtung (WBC). Der ordnungsgemäße Betrieb des Systems erfordert eine optische Ausrichtung der Strahlen aus den Laserresonatormodulen N1-N4, wenn sie in die Kombinationsoptik 110 eintreten.
Die Strahlvereinigungsoptik 110 kann ein Verstärkungsmedium zur Bildung und/oder Verstärkung der optischen Verstärkung für jeden der von den Emittermodulen N1 ... N4 emittierten Strahlen enthalten. Das Verstärkungsmedium kann ein oder mehrere Materialien enthalten, im Wesentlichen aus einem oder mehreren Materialien bestehen oder aus einem oder mehreren Materialien bestehen, die bei Anregung durch den Strahl bzw. die Strahlen von den Emittermodulen eine stimulierte Emission erfahren. Zum Beispiel kann das Verstärkungsmedium ein oder mehrere Kristalle und/oder Gläser, die mit einem oder mehreren Ionen dotiert sind, enthalten, im wesentlichen daraus bestehen oder aus einem oder mehreren solchen bestehen (z.B, Seltene-Erden-Ionen wie Neodym, Ytterbium oder Erbium oder Übergangsmetallionen wie Titan oder Chrom), z.B. Yttrium-Aluminium-Granat (Y3A15012), Yttrium-Orthovanadat (YVO4), Saphir (A1203) oder Cäsium-Cadmium-Bromid (CsCdBr3). Beispiele für Verstärkungsmedien sind Nd:YAG (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat), Yb:YAG (Ytterbium-dotiertes YAG), Yb:Glas, Er: YAG (Erbium-dotiertes YAG) oder Ti: Saphir, die in Form von festen Stücken oder optischen Glasfasern verwendet werden.
2 veranschaulicht die Architektur eines repräsentativen Laserresonator- (Emitter-) Moduls N. Eine Laserquelle 210 umfasst ein konventionelles Laserverstärkungsmedium und eine Ausgangsoptik (z.B. einen oder mehrere Kollimatoren). Der Ausgangsstrahl durchläuft eine optionale refraktive Optik 215 und einen Ausgangskoppler 220, der den kombinierten Ausgangsstrahl überträgt. Der Ausgangskoppler 220 ist in der Regel teilreflektierend und kann, wenn er nicht im Resonatorpaket N enthalten ist, als gemeinsame Frontfacette für alle Resonatorelemente fungieren. Der Ausgangsstrahl tritt aus dem Ausgangskoppler 220 unter einem Winkel θ_OC und aus dem Resonator N unter einem Winkel θ_N in Bezug auf die mechanische Bezugsebene des Resonators selbst aus. Das heißt, selbst wenn die mechanische Ausrichtung zwischen den Resonatoren und der Kombinationsoptik strikt durchgesetzt wird, können die Strahlen selbst einem Weg folgen, der nicht perfekt senkrecht zur mechanischen Bezugsebene verläuft. Folglich muss _θN innerhalb einer bestimmten Toleranz senkrecht stehen, damit der Winkel des Strahls, der in die FOM-Linse 125 _(θFOM) eintritt, nicht dazu führt, dass sich der Strahl von der Faser 120 wegbewegt und dadurch die Kopplungseffizienz in einem inakzeptablen Maß reduziert wird.
In der abgebildeten Ausführung befinden sich sowohl die Refraktionsoptik 215 als auch der Ausgangskoppler 220 auf entsprechenden Halterungen 225, 230, die eine Drehung um die abgebildete x-Achse θ_x und eine Drehung um die y-Achse θ_Y ermöglichen. Die Halterungen 225, 230 können z.B. konventionelle, drehbar verstellbare „Tip/Tilt“-Halterungen und/oder konventionelle kardanische Anordnungen sein. Im Falle der refraktiven Optik 215 kann entweder die Optik selbst oder der Strahlengang justiert werden, d.h. die Optik 215 kann sich auf einem Tip/Tilt-Mount befinden oder die Optik kann durch ein Paar (oder mehrere) Spiegel jeweils auf Tip/Tilt-Mount ersetzt werden. Bei einigen Ausführungen ist nur eine der beiden Optiken Brechungsoptik 215 oder der Ausgangskoppler 220 drehbar verstellbar, während die andere fest montiert ist.
Die Halterungen 225, 230 können im Werk so eingestellt werden, dass das Resonatormodul N in Bezug auf Abstrahlwinkel und Position relativ zu den anderen Resonatoren innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Wie im Folgenden näher beschrieben, können die Resonatormodule in verschiedenen Ausführungsformen innerhalb eines bestimmten Spielraums für Winkel und Position in das Kombinatormodul eingesteckt (mechanisch eingestellt) werden. Solange dieser Spielraum eingehalten wird, ist nach dem Entfernen eines alten Laserresonatormoduls und dem Einbau eines neuen Moduls keine optische Justierung im Feld erforderlich. D.h. nach Ausführungsformen der Erfindung kann die Justierung des Ausgangsstrahlwinkels und der Ausgangslage allein durch Justierung der refraktiven Optik 215 und/oder des Ausgangskopplers 220 erreicht werden und nicht durch Justierung der Position oder des Winkels des Resonatormoduls N selbst.
Diese Einstellungen steuern den Ausgangsstrahlwinkel, θ_OC, relativ zum Ausgangskoppler 220, da der Strahl immer einen optimalen Laserresonatorhohlraum bildet, wenn θ_OC= 90° , und stellen sicher, dass die Abweichung θ_N des Strahls von der Rechtwinkligkeit relativ zur x- und y-Achse (d.h. relativ zur mechanischen Bezugsebene des Emittermoduls N) innerhalb eines akzeptablen Toleranzniveaus liegt. Die Position des Strahls relativ zum FOM-Objektiv bestimmt sowohl die numerische Apertur θ_NA des Strahls (siehe 1B) als auch seine Kopplungseffizienz in die Faser 120, und daher entspricht die Toleranzgrenze einer kommerziell akzeptablen Abweichung für eine bestimmte Anwendung. Mit der dargestellten Anordnung kann praktisch jede gewünschte Toleranzgrenze ohne unangemessene Experimente erreicht werden, solange die drehbare(n) Halterung(en) ausreichend fein justiert werden kann (können). Es ist auch zu beachten, dass der Wegfall der refraktiven Optik 215 zwar zu einer gewissen Verschlechterung der numerischen Apertur des Ausgangsstrahls führen würde, die Kopplungseffizienz jedoch hoch bliebe, da _die _OC θimmer noch den richtigen Winkel für die FOM-Linse einstellen würde. Dies gilt insbesondere für Hochleistungsresonatoren, bei denen die genaue Strahlposition weniger kritisch sein kann.
Die mechanische Schnittstelle zwischen dem austauschbaren Emittermodul N und dem Haltegehäuse oder Träger ist nicht kritisch; eine Anordnung ist in der am 26. Juli 2017 eingereichten U.S. Serial No. 15/660,134 beschrieben, deren gesamte Offenlegung hiermit durch Verweis einbezogen wird. Beispielsweise kann, wie darin beschrieben, jedes Emittermodul N mechanisch, elektrisch und optisch mit einer von mehreren Eingangsbuchsen verbunden werden, die in oder auf (oder Teile davon bildend) dem Gehäuse für die strahlkombinierende Optik 110 angeordnet sind. Elektrische Verbindungen zwischen den Resonatormodulen N und der Strahlvereinigungsoptik können über eine am Emittergehäuse angeordnete elektrische Schnittstelle erleichtert werden, die elektrisch mit einem komplementären elektrischen Ausgang in einer Eingangsbuchse an der Strahlvereinigungsoptik verbunden wird, wenn das Emittermodul darin aufgenommen wird. Beispielsweise können die elektrische Schnittstelle des Emittermoduls und der elektrische Ausgang entgegengesetzt polarisierte (d.h. männliche und weibliche) elektrische Steckverbinder, Bump-Bonds oder andere elektrisch leitende Strukturen enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus Drähten bestehen. Jedes Emittermodul N kann auch eine optische Schnittstelle (z.B. ein oder mehrere optische Elemente, Linsen, Prismen und/oder Fenster) enthalten, durch die der fokussierte Eingangsstrahl zur strahlvereinigenden Optik 110 übertragen wird. Die mechanische Ausrichtung jedes der Emittermodule N auf die Eingangsbuchsen des Strahlvereinigungsgehäuses kann durch Ausrichtungsmerkmale (z.B. Buchsen, Vorsprünge, Befestigungselemente, Klammern usw.) erleichtert werden, die so geformt sind, dass sie das Emittermodul in einer Ausrichtung aufnehmen und sichern (z.B. einrasten oder unter Druck halten), in der sich eine optische und elektrische Verbindung des Emittermoduls N und des Strahlvereinigungsoptikgehäuses ergibt. Jede Eingangsbuchse kann auch einen optischen Empfänger (z.B. ein oder mehrere optische Elemente, Linsen, Prismen und/oder Fenster) enthalten, der den Eingangsstrahl vom Sendemodul empfängt, wenn dieses mit der Eingangsbuchse verbunden ist. In verschiedenen Ausführungsformen erübrigt sich durch die Verwendung von Eingangsbuchsen die Verwendung von Lichtleitfasern oder anderen separaten Steckverbindern zwischen den Emittermodulen (und/oder den darin befindlichen Strahlquellen) und dem strahlbündelnden Optikgehäuse.
Die drehbaren Halterungen 225 und/oder 230 können manuell verstellt werden oder in einigen Ausführungsformen über z.B. zugehörige Schrittmotoren (nicht abgebildet) auf ein Steuergerät 250 ansprechen. Das Steuergerät 250 kann entweder als Software, Hardware oder in einer Kombination davon geliefert werden. Zum Beispiel kann das System auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Serverklasse implementiert werden, wie z.B. einem PC mit einem CPU-Board, das einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie z.B. die Pentium- oder Celeron-Prozessorfamilie der Intel Corporation aus Santa Clara, Kalifornien, die 680x0- und POWER-PC-Familie der Motorola Corporation aus Schaumburg, Illinois, und/oder die ATHLON-Prozessorlinie der Advanced Micro Devices, Inc. aus Sunnyvale, Kalifornien. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zur Speicherung von Programmen und/oder Daten bezüglich der oben beschriebenen Methoden enthalten. Der Speicher kann einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) und/oder einen FLASH-Speicher umfassen, die auf allgemein verfügbarer Hardware wie einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeichern (EEPROM), programmierbaren Festwertspeichern (PROM), programmierbaren Logikbausteinen (PLD) oder Festwertspeicherbausteinen (ROM) liegen. In einigen Ausführungsformen können die Programme unter Verwendung von externem RAM und/oder ROM bereitgestellt werden, wie z.B. optische Platten, Magnetplatten sowie andere häufig verwendete Speichergeräte. Bei Ausführungsformen, in denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme bereitgestellt werden, können die Programme in einer von mehreren Hochsprachen wie PYTHON, FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C++, C#, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen und/oder HTML geschrieben sein. Zusätzlich kann die Software in einer Assemblersprache implementiert werden, die an den auf einem Zielcomputer residenten Mikroprozessor gerichtet ist; zum Beispiel kann die Software in Intel 80x86 Assemblersprache implementiert werden, wenn sie so konfiguriert ist, dass sie auf einem IBM PC oder PC-Klon läuft. Die Software kann auf einem Herstellungsgegenstand verkörpert sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, eine Diskette, ein Sprunglaufwerk, eine Festplatte, eine optische Platte, ein Magnetband, ein PROM, ein EPROM, EEPROM, ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine CD-ROM.
Da der Regler 250 in verschiedenen Ausführungsformen die Bewegung einer oder beider Halterungen 225, 230 bewirkt, können ein oder mehrere Parameter des Ausgangsstrahls kontinuierlich erfasst und die Messung(en) als Rückkopplung verwendet werden, so dass die optimalen Drehpositionen der Halterungen 225, 230 nach und nach erreicht werden. Zum Beispiel kann ein Fotodetektor oder ein anderer Lichtsensor 260 verwendet werden, um die Strahlform, den Strahldurchmesser, die NA und/oder die Flussdichte an der Werkstückoberfläche zu überwachen (z.B. die Strahleigenschaft des Strahls selbst oder durch Messung einer Reflexion von der Werkstückoberfläche), und das Steuergerät 250 kann den/die gemessenen Wert(e) verwenden, um die Positionierung der Halterungen 225, 230 einzustellen. Die gemessene Strahleigenschaft kann z.B. iterativ mit einer gewünschten Strahleigenschaft verglichen werden (z.B. eine Eingabe oder anderweitig von einem Benutzer bestimmt, und/oder eine durch eine oder mehrere Eigenschaften des Werkstücks und/oder die Art der Bearbeitung, für die der Laser verwendet werden soll, bestimmte), und das Steuergerät 250 kann die Differenz dazwischen reduzieren oder minimieren, z.B. durch Minimierung einer Fehlerfunktion. Andere Sensoren können zusätzlich oder anstelle von Lichtsensoren in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, z.B. thermische Sensoren und/oder Sensoren, die die Wirkung des Strahls auf die Werkstückoberfläche messen (z.B. Tiefen- oder Profilsensoren usw.).
In verschiedenen Ausführungen kann das Steuergerät 250 die Strahlform, die NA, die Spotgröße (oder eine andere Strahleigenschaft), die sich aus verschiedenen Drehwinkeln der Halterungen 225, 230 ergibt, erkennen, die Ergebnisse speichern und die Ergebnisse verwenden, um eine oder mehrere geeignete Einstellungen als Reaktion auf eine gewünschte Strahleigenschaft wie Strahlform, Spotgröße oder NA zu bestimmen. Die Ergebnisse können in einem maschinell lernenden Modell verwendet werden, das so konfiguriert ist, dass es eine oder mehrere Strahleigenschaften vorhersagt, die sich aus den Rotationspositionen der Halterungen 225, 230 ergeben. In verschiedenen Ausführungen kann die physikalisch-optische Modellierung verwendet werden, um eine oder mehrere Strahleigenschaften (z.B. Strahlform, Spotgröße und/oder NA) vorherzusagen, die sich aus verschiedenen Drehpositionen der Halterungen 225, 230 ergeben, und solche Ergebnisse können zumindest teilweise vom Controller 250 zur Auswahl dieser Positionen verwendet werden.
Das Steuergerät 250 kann entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung die NA, die Lichtfleckgröße und/oder die Strahlform des Ausgangsstrahls in Abhängigkeit von der Art der gewünschten Bearbeitung (z.B. Schneiden, Schweißen usw.) und/oder von einer oder mehreren Eigenschaften (z.B. Materialparameter, Dicke, Materialart usw.) des zu bearbeitenden Werkstücks und/oder eines für den Ausgangsstrahl abgesteckten gewünschten Bearbeitungsweges steuern. Solche Prozess- und/oder Materialparameter können von einem Benutzer aus einer gespeicherten Datenbank in einem mit der Steuerung 250 verbundenen Speicher ausgewählt oder über ein Eingabegerät (z.B. Touchscreen, Tastatur, Zeigegerät wie Computermaus usw.) eingegeben werden. Ein oder mehrere Verarbeitungspfade können von einem Benutzer zur Verfügung gestellt und in einem dem Steuergerät 250 zugeordneten Onboard- oder Remote-Speicher gespeichert werden. Nach der Auswahl des Werkstücks und/oder des Bearbeitungspfads fragt die Steuerung 250 die Datenbank ab, um die entsprechenden Parameterwerte zu erhalten. Die gespeicherten Werte können eine für das Material und/oder für einen oder mehrere Bearbeitungspfade oder Bearbeitungsorte auf dem Material geeignete Spotgröße, NA und/oder Strahlform umfassen. Ausführungsformen der Erfindung können auch Aspekte der Apparate und Techniken enthalten, die in der am 5. März 2015 eingereichten U.S. Patent Application Serial No. 14/639,401 , der am 9. September 2016 eingereichten U.S. Patent Application Serial No. 15/261,096 und der am 14. Juli 2017 eingereichten U.S. Patent Application Serial No. 15/649,841 offenbart sind, wobei die vollständige Offenlegung jeder dieser Angaben durch Verweis hierin enthalten ist.
Lasersysteme und Laserabgabesysteme, die den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechen und hierin detailliert beschrieben sind, können in und/oder mit WBC-Lasersystemen verwendet werden. Insbesondere können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung mehrwellige Ausgangsstrahlen von WBC-Lasersystemen als Eingangsstrahlen für Laserstrahlabgabesysteme (z.B. die Ausgangsstrahlen von Emittermodulen N), wie hier beschrieben, verwendet werden. 3 zeigt ein beispielhaftes WBC-Lasersystem 300, das einen oder mehrere Laser 305 verwendet. Im Beispiel von 3 ist der Laser 305 mit einem Diodenbarren mit vier Emittern ausgestattet, die Strahlen 310 aussenden (siehe vergrößerte Eingangsansicht 315), aber bei Ausführungsformen der Erfindung können Diodenbarren verwendet werden, die eine beliebige Anzahl von Einzelstrahlen oder zweidimensionale Arrays oder Stapel von Dioden oder Diodenbarren aussenden. In der Ansicht 315 wird jeder Strahl 310 durch eine Linie angezeigt, wobei die Länge oder längere Dimension der Linie die langsame divergierende Dimension des Strahls und die Höhe oder kürzere Dimension die schnelle divergierende Dimension darstellt. Eine Kollimationsoptik 320 kann verwendet werden, um jeden Strahl 310 entlang der schnellen Dimension zu kollimieren. Eine Transformationsoptik (Transformationsoptiken) 325, die eine oder mehrere zylindrische oder sphärische Linsen und/oder Spiegel enthalten oder im wesentlichen aus einer oder mehreren solchen bestehen kann (können), wird (werden) verwendet, um jeden Strahl 310 entlang einer WBC-Richtung 330 zu kombinieren. Die Transformationsoptik 325 überlappt dann den kombinierten Strahl auf ein dispersives Element 335 (das z.B. ein reflektierendes oder transmissives Beugungsgitter, ein dispersives Prisma, ein Grisma (Prisma/Gitter), ein Transmissionsgitter oder ein Echelle-Gitter enthalten, im wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen kann), und der kombinierte Strahl wird dann als einzelnes Ausgangsprofil auf einen Ausgangskoppler 340 übertragen. Der Ausgabekoppler 340 überträgt dann die kombinierten Strahlen 345, wie in der Ausgabefrontansicht 350 gezeigt. Der Ausgangskoppler 340 ist in der Regel teilreflektierend und fungiert als gemeinsame Frontfacette für alle Laserelemente in diesem externen Kavitätensystem 300. Ein externer Resonator ist ein Lasersystem, bei dem der Sekundärspiegel in einem Abstand von der Emissionsapertur oder -facette jedes Laseremitters verschoben wird. In einigen Ausführungen werden zusätzliche Optiken zwischen der Emissionsapertur oder -facette und dem Ausgangskoppler oder der teilreflektierenden Oberfläche angebracht. Der Ausgangsstrahl 345 ist somit ein Strahl mit mehreren Wellenlängen (der die Wellenlängen der einzelnen Strahlen 310 kombiniert) und kann als Eingangsstrahl in den hier beschriebenen Laserstrahlführungssystemen verwendet werden und/oder in eine optische Faser eingekoppelt werden. In verschiedenen Ausführungsformen können WBC-Techniken gemäß 3 innerhalb eines oder mehrerer der Emittermodule N selbst durchgeführt werden, und so kann der Ausgangskoppler 320 dem in 2 dargestellten Ausgangskoppler 220 entsprechen. Verschiedene andere in 3 dargestellte Komponenten können somit innerhalb des Emittermoduls N in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorhanden sein.
Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass im Rahmen der beanspruchten Erfindung verschiedene Modifikationen möglich sind.
Was beansprucht wird, ist:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62676041 [0001]
US 6192062 [0003]
US 6208679 [0003]
US 8670180 [0003]
US 8559107 [0003]
US 15/660134 [0031]
US 639401 [0035]
US 261096 [0035]
US 649841 [0035]

Claims

Emittermodul zur Verwendung mit einem Lasersystem zum Kombinieren einer Vielzahl von Eingangsstrahlen zu einem kombinierten Ausgangsstrahl, wobei das Emittermodul eine Vorderseite und ferner umfasst: eine Laserstrahlquelle; einen Ausgangskoppler; und Mittel zur abnehmbaren, aber sicheren Kopplung des Emittermoduls an das Lasersystem, wobei der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite drehbar einstellbar ist.
Emittermodul nach Anspruch 1, das ferner eine Brechungsoptik zum Empfangen und Richten des Laserstrahls umfasst, wobei mindestens eine der Brechungsoptik oder der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite drehbar einstellbar ist.
Emittermodul nach Anspruch 2, bei dem sowohl die refraktive Optik als auch der Ausgangskoppler rotierend einstellbar sind.
Emittermodul nach Anspruch 2, bei dem die refraktive Optik oder der Ausgangskoppler rotierend einstellbar ist.
Emittermodul nach Anspruch 1, bei dem der Ausgangskoppler auf einer Kipphalterung drehbar einstellbar ist.
Emittermodul nach Anspruch 2, bei dem mindestens eine der refraktiven Optiken oder der Ausgangskoppler an einer Spitze/Neigehalterung drehbar einstellbar ist.
Emittermodul nach Anspruch 2, bei dem der Laserstrahl die refraktive Optik entlang eines Strahlenganges durchläuft, wobei der Strahlengang durch ein Spiegelpaar um die senkrechten Koordinatenachsen einstellbar ist.
Emittermodul zur Verwendung mit einem Lasersystem zum Kombinieren einer Vielzahl von Eingangsstrahlen zu einem kombinierten Ausgangsstrahl, wobei das Emittermodul eine Vorderseite und ferner umfasst: eine Laserstrahlquelle; eine Brechungsoptik zum Empfangen und Richten des Laserstrahls; einen Ausgangskoppler; und Mittel zur abnehmbaren, aber sicheren Kopplung des Emittermoduls an das Lasersystem, wobei mindestens eine der Brechungsoptik oder der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite drehbar einstellbar ist.
Laserzuführungssystem zum Richten optischer Strahlung auf ein Werkstück, wobei das System umfasst: eine Vielzahl von Emittermodulen, die jeweils eine Vorderseite haben und einen Eingangsstrahl erzeugen, wobei die Emittermodule jeweils einen Ausgangskoppler aufweisen, Mittel zur lösbaren, aber sicheren Kopplung jedes der Emittermodule mit dem Laserzuführsystem; und Strahlkombinationsoptik zum Empfang der Eingangsstrahlen von den Emittern und zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls daraus, wobei in jedem der Emittermodule der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite des Emittermoduls drehbar einstellbar ist.
System nach Anspruch 9, wobei jedes Emittermodul ferner eine refraktive Optik zum Empfangen und Richten des Eingangsstrahls aufweist und mindestens eine der refraktiven Optik oder der Ausgangskoppler um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite des zugehörigen Emittermoduls drehbar einstellbar ist.
System nach Anspruch 10, wobei sowohl die refraktive Optik als auch der Ausgangskoppler jedes Emittermoduls drehbar einstellbar sind.
System nach Anspruch 10, wobei die refraktive Optik oder der Ausgangskoppler jedes der Emittermodule drehbar einstellbar ist.
System nach Anspruch 9, wobei der Ausgangskoppler jedes Emittermoduls auf einer Kipphalterung drehbar einstellbar ist.
System nach Anspruch 10, wobei mindestens einer der refraktiven Optiken oder der Ausgangskoppler jedes Emittermoduls auf einer Spitze/Neige-Halterung drehbar einstellbar ist.
System nach Anspruch 10, wobei der Eingangsstrahl jedes Emittermoduls die zugehörige refraktive Optik entlang eines Strahlenganges durchläuft, wobei der Strahlengang durch ein Spiegelpaar um die senkrechten Koordinatenachsen einstellbar ist.
System nach Anspruch 10, ferner umfassend ein Steuergerät zur Einstellung einer Winkelposition von mindestens einer der refraktiven Optik oder des Ausgangskopplers.
System nach Anspruch 16, ferner umfassend einen Sensor zum Erfassen eines Parameters des Ausgangsstrahls, wobei das Steuergerät auf den Sensor anspricht und auf der Grundlage von Signalen davon die Winkelposition von mindestens einer der refraktiven Optik oder des Ausgangskopplers einstellt.
System nach Anspruch 17, wobei die Signale für mindestens einen Strahlparameter kennzeichnend sind.
System nach Anspruch 18, wobei der mindestens eine Strahlparameter eine Strahlform, eine Spotgröße und/oder eine numerische Apertur ist.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie die Winkelposition so lange anpasst, bis ein Zielwert des mindestens einen Strahlparameters erreicht ist.
System von Anspruch 9, ferner umfassend: Fokussieroptik zum Fokussieren der Eingangsstrahlen auf ein dispersives Element; ein dispersives Element zum Empfang und zur Streuung der empfangenen fokussierten Strahlen, und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Strahlungsbündel durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum dispersiven Element reflektiert, wobei der Strahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Lasersystem, das eine Vielzahl von Emittermodulen umfasst, die jeweils eine Vorderseite aufweisen und einen Eingangsstrahl erzeugen, wobei die Emittermodule jeweils einen Ausgangskoppler und optional eine refraktive Optik zum Empfangen und Richten des Eingangsstrahls umfassen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Kombinieren der Eingangsstrahlen der Emitter zu einem Ausgangsstrahl; rotierend Einstellen des Ausgangskopplers jedes der Emittermodule um ein Paar senkrechter Koordinatenachsen parallel zur Vorderseite des Emittermoduls, bis der Ausgangsstrahl einen Zielwert eines Strahlparameters aufweist; und Bearbeiten des Werkstücks mit dem Ausgangsstrahl.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Emittermodule jeweils eine refraktive Optik und einen Ausgangskoppler umfassen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Strahlparameter eine Strahlform, eine Spotgröße oder eine numerische Apertur ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei sowohl die Brechungsoptik als auch der Ausgangskoppler jedes der Emittermodule drehbar einstellbar sind.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Brechungsoptik oder der Ausgangskoppler jedes der Emittermodule drehbar einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei mindestens einer der Brechungsoptik oder des Ausgangskopplers jedes Emittermoduls auf einer Spitze/Neige-Halterung drehbar einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Eingangsstrahl jedes Emittermoduls die zugehörige refraktive Optik entlang eines Strahlenganges durchläuft, wobei der Strahlengang durch ein Spiegelpaar um die senkrechten Koordinatenachsen einstellbar ist.