DE19603111A1 - Lasersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem umfassend mehrere Laserstrahlungsquellen, von denen jede Laserstrahlung erzeugt, die in jeweils ein erstes Ende einer lichtleitenden Single-Mode-Faser eingekoppelt ist, wobei alle lichtleitenden Single-Mode-Fasern ein Faserbündel bilden und zweite, an einem Faserbündelende liegende Enden aufweisen, aus welchen die Laserstrahlung unter Bildung eines Gesamtlaserstrahlungs­ feldes austritt, und eine Transformationsoptik, welche das Gesamtlaserstrahlungsfeld auf ein Objekt transformiert.

Derartige Lasersysteme sind beispielsweise aus der WO 94/17575 oder der WO 94/17576 bekannt.

Bei diesen bekannten Lasersystemen ist die Transformations­ optik eine Abbildungsoptik, welche die zweiten Enden der Single-Mode-Fasern in eine Abbildungsebene auf ein Objekt abbildet.

Hierbei ist das Problem darin zu sehen, daß die Single-Mode-Fasern einen Kern und eine Umhüllung aufweisen, und somit die Abstände zwischen den einzelnen Kernen, aus welchen letztend­ lich die Laserstrahlung austritt, groß sind. Verwendet man als Transformationsoptik wie in den vorstehend genannten Druckschriften beschrieben, eine Abbildungsoptik, so sind mit dieser Abbildungsoptik lediglich die Orte, an denen die Laserstrahlung am Faserbündelende austritt, auf die Bildebene als ebenfalls nebeneinanderliegende Punkte transformierbar.

Damit ist die erhältliche Leistungsdichte begrenzt, so daß der Vorteil dieser bekannten Lösungen, nämlich eine möglichst hohe Laserleistung durch eine Vielzahl einzelner Laserstrah­ lungsquellen zu erzeugen und deren Laserstrahlung zu einem Gesamtlaserstrahlungsfeld zu vereinigen, nicht in vollem Um­ fang ausgenützt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laser­ system der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß mit diesem ein Fokus mit einer möglichst hohen Leistung pro Fläche und Einheitswinkel erzeugbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Lasersystem der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Transformationsoptik ein kollimierendes Element aufweist, welche die divergent aus jedem einzelnen Ende der Single- Mode-Fasern austretende Laserstrahlung kollimiert und daraus ein kollimiertes Strahlungsbündel formt und daß die Trans­ formationsoptik ein fokussierendes Element aufweist, welches das kollimierte Strahlungsbündel als Ganzes auf einen Fokus abbildet.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß das kollimierende Element die Möglichkeit schafft, trotz der in nennenswertem Abstand voneinander liegenden Austritts­ orte der Laserstrahlung am Faserbündelende aufgrund der Auf­ weitung des Laserstrahls durch das kollimierende Element ein kollimiertes Strahlungsbündel zu schaffen, in welchem bei geringerer Strahldivergenz die Zwischenräume zwischen den einzelnen kollimierten Laserstrahlen geringer sind als die Zwischenräume zwischen den Austrittsorten der Laserstrahlung am Faserbündelende, so daß in dem kollimierten Faserbündel die kollimierten Laserstrahlen möglichst dicht beieinander liegen und somit das kollimierte Faserbündel einen hohen Füllfaktor aufweist. Ein derartiges kollimiertes Faserbündel läßt sich dann mit dem fokussierenden Element auf einen einzelnen Fokus fokussieren, wobei der einzelne Fokus eine Überlagerung aller Foki darstellt, die durch Fokussierung jedes einzelnen kollimierten Laserstrahls erzeugbar sind. Dadurch, daß die Foki im wesentlichen übereinanderliegen läßt sich die gewünschte höhere Leistungsdichte erreichen.

Im Fall von inkohärent strahlenden einzelnen Single-Mode-Fasern läßt sich eine Leistungsdichte pro Fläche und Ein­ heitswinkel im Fokus erreichen, welche der Leistungsdichte pro Fläche und Einheitswinkel in einer einzelnen Single-Mode-Faser entspricht.

Voraussetzung hierfür ist, daß das kollimierende Element und das fokussierende Element beugungsbegrenzte Optiken dar­ stellen.

Aufgrund des bei beugungsbegrenzten Optiken konstanten Pro­ dukts aus Strahldurchmesser und Divergenzwinkel, ist es - um bei vorgegebenem Divergenzwinkel einen Fokus mit möglichst geringem Durchmesser zu erhalten - erforderlich, den Durch­ messer der einzelnen kollimierten Laserstrahlen im kollimier­ ten Strahlungsbündel so groß wie möglich zu wählen und an­ dererseits den Durchmesser des kollimierten Strahlungs­ bündels, welcher dann seinerseits letztlich maßgebend für den Gesamtkonvergenzwinkel bei der Fokussierung ist, möglichst gering zu halten. Dies läßt sich insbesondere dann reali­ sieren, wenn die einzelnen kollimierten Laserstrahlen in dem kollimierten Gesamtstrahlungsbündel so dicht liegen, daß sie einander im wesentlichen nahezu berühren.

Im Falle von das kollimierte Strahlungsbündel bildenden zueinander kohärenten kollimierten Laserstrahlen ist es eben­ falls wünschenswert, ein möglichst homogenes Gesamtlaser­ strahlungsfeld zu erhalten, welches dann auf einen Fokus fokussierbar ist. Hierbei läßt sich dann die Leuchtdichte im Fokus im Idealfall um einen Faktor N erhöhen, wobei N die Zahl der kombinierten Laserstrahlungsquellen ist, da in diesem Fall der Durchmesser des Fokus durch den Konvergenz­ winkel bei der Fokussierung des gesamten kohärenten kolli­ mierten Strahlungsbündels festgelegt ist, während im Fall inkohärenter, das kollimierte Strahlungsbündel bildender kollimierter Laserstrahlen der Durchmesser des Fokus durch den Konvergenzwinkel bei der Fokussierung jedes einzelnen kollimierten Laserstrahls festgelegt ist.

Besonders vorteilhaft läßt sich bei der vorliegenden Erfin­ dung das kollimierte Strahlungsbündel dann fokussieren, wenn alle das kollimierte Strahlungsbündel bildenden kollimierten Laserstrahlen im wesentlichen denselben Durchmesser und im wesentlichen dieselbe Divergenz aufweisen.

Um möglichst stabile Verhältnisse bei der Ausrichtung der einzelnen zweiten Enden der Single-Mode-Fasern relativ zum kollimierenden Element zu erhalten, ist vorzugsweise vorge­ sehen, daß das kollimierende Element mit jeder einzelnen Single-Mode-Faser fest verbunden ist.

Dies läßt sich beispielsweise dadurch realisieren, daß die Single-Mode-Faser nahe des zweiten Endes in einer Hülse gehalten und die Hülse ihrerseits mit dem kollimierenden Ele­ ment verbunden ist.

In diesem Fall besteht jedoch vielfach eine Justierungenauig­ keit zwischen dem zweiten Ende und dem kollimierenden Ele­ ment. Aus diesem Grund ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das zweite Ende jeder Single-Mode-Faser mit seiner Stirnseite an dem kollimierenden Element anliegt, so daß durch die An­ lage des zweiten Endes eine definierte Position desselben relativ zum kollimierenden Element vorgesehen ist.

Um nun eine definierte Kollimierung für die Laserstrahlung aus jeder einzelnen Single-Mode-Faser zu erhalten, ist vor­ zugsweise vorgesehen, daß das kollimierende Element für jedes zweite Ende eine eigene kollimierende Optik umfaßt. Das heißt, daß jedem zweiten Ende eine eigene kollimierende Optik zugeordnet ist und das kollimierende Element alle kolli­ mierenden Optiken für alle zweiten Enden der Single-Mode-Faser umfaßt.

Die kollimierende Optik kann selbst in unterschiedlichster Art und Weise ausgebildet sein. Beispielsweise ist es denk­ bar, daß die kollimierende Optik eine Linsenoptik umfaßt.

Andererseits ist es aber auch denkbar, die kollimierende Optik als sogenannte GRIN-Optik oder diffraktive Optik aus­ zubilden.

Die Verwendung einer Linsenoptik oder einer GRIN-Optik oder einer diffraktiven Optik stellen jedoch keine einander aus­ schließenden Alternativen dar. Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, daß die kollimierende Optik eine kombi­ nierte Optik aus einer Linsenoptik und/oder einer GRIN-Optik und/oder einer diffraktiven Optik aufweist, da in diesem Fall die Möglichkeit besteht, die Fehler der einen Optik durch die andere Optik jeweils auszugleichen.

Um mit jeder kollimierenden Optik einen kollimierten Laser­ strahl mit möglichst großem Durchmesser erzeugen zu können, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß jede kollimierende Optik einen kollimierten Laserstrahl erzeugt, welcher im wesentlichen einem Außendurchmesser der jeweiligen kolli­ mierenden Optik entspricht. Das heißt, daß die kollimierende Optik so ausgebildet ist, daß deren Außendurchmesser im wesentlichen einen Durchmesser des kollimierten Laserstrahls begrenzt. Dies ist insbesondere bei all den Ausführungsbei­ spielen wichtig, bei welchen ein kollimierter Strahlungs­ bündel erzeugt werden soll, dessen einzelne kollimierten Laserstrahlen einen möglichst geringen Abstand voneinander aufweisen, vorzugsweise im wesentlichen nahezu aneinander anliegend in dem kollimierten Strahlungsbündel verlaufen.

Hinsichtlich der Ausbildung der kollimierenden Optik wurden bislang keine einzelnen Angaben gemacht. So sieht ein vor­ teilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß jede kollimierende Optik ein Einzeloptikelement aufweist. In diesem Fall läßt sich die kollimierende Optik für jedes zweite Ende jeder Single-Mode-Faser in einfacher Weise herstellen und auch in einfacher Weise justiert relativ zum Ende der Single-Mode-Faser anordnen.

Um im Falle von Einzeloptikelementen diese relativ zueinander möglichst präzise positionieren zu können, andererseits aber auch die Einzeloptikelemente möglichst dicht beieinander anordnen zu können, um möglichst geringe Abstände zwischen den von diesen erzeugten kollimierten Laserstrahlen im kolli­ mierten Strahlungsbündel zu erhalten, ist vorzugsweise vorge­ sehen, daß das kollimierende Element einen sich über den gesamten Querschnitt des Strahlungsbündels erstreckenden Träger aufweist, durch welchen die Einzeloptikelemente rela­ tiv zueinander definiert positioniert sind.

Eine bevorzugte Lösung sieht dabei vor, daß der Träger eine einstückige lichtdurchlässige Platte umfaßt, welche die Ein­ zeloptikelemente relativ zueinander definiert positioniert, so daß mittels des Trägers eine genaue Ausrichtung der Einzeloptikelemente relativ zueinander vorgebbar ist.

Dies läßt sich beispielsweise dadurch vorteilhaft reali­ sieren, daß die Einzeloptikelemente stirnflächig an dem Träger anliegen, wobei die am Träger vorgesehene Anlagefläche für die Einzeloptikelemente eine exakte Ausrichtung derselben relativ zueinander vorgibt.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn der Träger nicht nur zur Ausrichtung der Einzeloptikelemente dient, sondern wenn der Träger die Einzeloptikelemente trägt. Dies läßt sich bei­ spielsweise vorteilhaft realisieren, daß die Einzeloptikele­ mente über ihre Stirnfläche mit einer Anlagefläche des Trägers verbunden, beispielsweise verklebt sind.

Hinsichtlich der Art der Verbindung zwischen den zweiten Enden der Single-Mode-Fasern und dem einen Träger aufweisen­ den kollimierenden Element wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung dieser Ausführungsform keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß die zweiten Enden der Single-Mode-Fasern mit ihren Stirn­ seiten an dem Träger anliegen, so daß durch den Träger die Relativposition zwischen dem zweiten Ende und der Einzeloptik definiert ist.

Alternativ dazu ist vorgesehen, daß die zweiten Enden der Single-Mode-Fasern mit ihren Stirnseiten an einer Stirnseite der Einzeloptikelemente anliegen und daß die Einzeloptikele­ mente mit ihrer anderen Stirnseite an dem Träger anliegen. Bei dieser Lösung ist somit die relative Orientierung zwischen dem Ende jeder Single-Mode-Faser und dem Einzel­ optikelement durch den unmittelbaren Kontakt zwischen den­ selben vorgegeben, während der Träger lediglich für die korrekte Positionierung der Einzeloptikelemente relativ zueinander sorgt.

Alternativ zum Vorsehen eines Trägers sieht eine weitere erfindungsgemäße Lösung vor, daß das kollimierende Element durch eine Vielzahl von untereinander verbundenen Einzel­ optikelementen gebildet ist. In diesem Fall erübrigt sich das Vorsehen eines Trägers, da die Einzeloptikelement selbst eine zusammenhängende Einheit bilden.

Dies läßt sich - insbesondere um möglichst geringe Abstände zwischen den kollimierten Laserstrahlen im kollimierten Strahlungsbündel realisieren zu können - vorzugsweise dadurch lösen, daß die Einzeloptikelemente im Bereich ihrer Mantel­ seiten miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung bei­ spielsweise durch eine Einbettmasse oder eine Klebmasse realisierbar ist.

Ferner ist die Verbindung zwischen den zweiten Enden der Single-Mode-Fasern und den Einzeloptikelementen dadurch realisiert, daß die zweiten Enden mit ihren Stirnseiten an einer Stirnseite der Einzeloptikelemente anliegen.

Um bei allen Ausführungsbeispielen, welche Einzeloptikele­ mente einsetzen, die Abstände zwischen den kollimierten Laserstrahlen im kollimierten Strahlungsbündel möglichst minimal zu halten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Einzeloptikelemente mit ihrer jeweiligen Außenkontur anein­ ander anliegen. Im einfachsten Fall weisen die Einzeloptik­ elemente eine runde Außenkontur auf. In diesem Fall lassen sich die Einzeloptikelemente dann optimal dicht anordnen, wenn sie in einer hexagonal dichtesten Form ausgerichtet sind.

Um einerseits die Einzeloptikelemente möglichst kompakt anordnen zu können, andererseits, insbesondere im Fall eines trägerlosen kollimierenden Elements, die Einzeloptikelemente optimal miteinander verbinden zu können und andererseits einen möglichst großen Querschnitt für die austretende kolli­ mierte Laserstrahlung zur Verfügung stellen zu können, ist vorgesehen, die Einzeloptikelemente eine sechseckige Außen­ kontur aufweisen und dadurch im wesentlichen ohne Zwischen­ räume aneinander gesetzt werden können, um eine hexagonal dichteste Packung zu erhalten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß das kollimierende Element einstückig ausgebildet ist und für jedes zweite Ende eine eigene kolli­ mierende Optik bildet, die allerdings in dem einstückigen kollimierenden Element integriert ist.

Dabei kann diese kollimierende Optik entweder als GRIN-Optik oder als Linsenoptik oder als diffraktive Optik ausgebildet sein, wobei im letztgenannten Fall eine Oberfläche des kollimierenden Elements entsprechend der gewünschten Linsen­ wirkung zu formen ist.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist vorzugsweise im Fall eines Anliegens der Stirnseite des zweiten Endes der Single-Mode-Faser an dem kollimierenden Element, beispielsweise an dem Träger oder dem Einzeloptikelement oder dem einstückig ausgebildeten kollimierenden Element, und im Fall eines Anliegens des Einzeloptikelements an dem Träger davon aus­ zugehen, daß der Übergang von einem Element zum anderen im wesentlichen reflexionsfrei erfolgt, das heißt entweder das eine Element unmittelbar in das andere übergeht oder direkt aneinanderstoßen oder Antireflexschichten vorgesehen sind oder ein brechungsindexadaptierendes Medium, sei es eine Flüssigkeit, eine Klebmasse oder eine Kittmasse, zwischen beiden Elementen vorgesehen ist.

Bei einem weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungs­ beispiel, bei welchem Einzeloptikelemente zum Einsatz kommen, ist es auch denkbar, die Einzeloptikelemente durch Fort­ setzung der Single-Mode-Faser ohne Kern zu bilden und gege­ benenfalls diese mit einer Linsenoptik zu versehen, so daß in diesem Fall die Einzeloptikelemente letztlich einstückig mit der Single-Mode-Faser verbunden sind und sich beispielsweise bei einer besonderen Variante dieses Ausführungsbeispiel von der Single-Mode-Faser dadurch unterscheiden, daß der Kern fehlt, was beispielsweise durch Diffusionsprozesse erreichbar ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß diese die Möglichkeit bietet, den Abstand zwischen den Single-Mode-Fasern zumindest in Grenzen frei zu wählen und die Single-Mode-Fasern im Bereich des Faser­ bündelendes mit ihren Mantelflächen aneinanderliegend oder auch im Abstand voneinander anzuordnen, um beispielsweise durch den Abstand zwischen den einzelnen Single-Mode-Fasern die Möglichkeit zu haben, diese zu kühlen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfin­ dungsgemäßen Lasersystems;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Transformationsoptik mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines kollimierenden Elements;

Fig. 3 eine Darstellung des ersten Ausführungsbei­ spiels des kollimierenden Elements ähnlich Fig. 2 und einer mechanischen Fixierung des­ selben;

Fig. 4 eine Draufsicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 3 mit ausschnittsweiser Darstellung der Fassung des kollimierenden Elements;

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels des kollimierenden Ele­ ments;

Fig. 6 eine Einzeldarstellung einer Variante eines in dem ersten oder zweiten Ausführungsbei­ spiel des kollimierenden Elements einsetz­ baren Einzeloptikelements;

Fig. 7 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 eines dritten Ausführungsbeispiels eines kollimierenden Elements;

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 eines vierten Ausführungsbeispiels eines kollimierenden Elements;

Fig. 9 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 eines fünften Ausführungsbeispiels eines kollimierenden Elements.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasersystems, dargestellt in Fig. 1, umfaßt eine Vielzahl von Laser­ strahlungsquellen 10₁ bis 10 _N, beispielsweise eine Vielzahl von Halbleiterlasern, von denen jede Laserstrahlung erzeugt, welche mittels einer jeder einzelnen Laserstrahlungsquelle 10 zugeordneten Einkoppeleinheit 12₁ bis 12 _N in ein erstes Ende 14 jeweils einer lichtleitenden Single-Mode-Faser 16 ein­ koppelbar ist.

Die gesamten Single-Mode-Fasern 16 führen von den einzelnen Einkoppeleinheiten 12 weg und bilden mit ihren dem ersten Ende 14 abgewandten Endbereichen 18 ein als Ganzes mit 20 bezeichnetes Faserbündel, wobei zweite Enden 22 der einzelnen Single-Mode-Fasern 16 insgesamt ein Faserbündelende 24 bilden.

Vorzugsweise liegen dabei die zweiten Enden 22 in einer ge­ meinsamen Ebene, welche dann auch der von dem Faserbündelende 24 gebildeten Ebene entspricht.

Die aus jedem einzelnen zweiten Ende 22₁ bis 22 _N austretende Laserstrahlung wird von einer erfindungsgemäßen Transforma­ tionsoptik 26 auf einen Fokus 28 fokussiert, wobei der Fokus 28 die Stelle bildet, an welcher bei der jeweiligen Laser­ applikation die erwünschte Wirkung der Laserstrahlung im wesentlichen ausgenutzt wird.

Die Transformationsoptik 26 umfaßt dabei ein kollimierendes Element 30, welches auf das Faserbündelende 24 folgend ange­ ordnet ist und ein kollimiertes Strahlungsbündel 32 bildet, welches aus der Laserstrahlung aus allen zweiten Enden 22₁ bis 22 _N zusammengesetzt ist. Dieses kollimierte Strahlungs­ bündel 32 trifft dann seinerseits auf ein fokussierendes Ele­ ment 34, welches das kollimierte Strahlungsbündel auf den Fokus 28 fokussiert.

Vorzugsweise sind alle Laserstrahlungsquellen 10 von einer gemeinsamen Ansteuerungsvorrichtung 36 angesteuert, welche die Laserstrahlungsquellen 10, beispielsweise im Fall von Halbleiterlasern mit dem erforderlichen Strom versorgt und andererseits auch deren Funktion steuert.

Vorzugsweise sind - aus Gründen eines möglichst einfachen Aufbaus des Lasersystems - die einzelnen Laserstrahlungs­ quellen 10 hinsichtlich der erzeugten Laserstrahlung nicht miteinander gekoppelt, sondern jede Laserstrahlungsquelle 10 erzeugt unabhängig von den anderen Laserstrahlungsquellen 10 die vorgesehene Laserstrahlung.

Wie in Fig. 2 ausschnittsweise dargestellt, liegen die zweiten Enden 22 der Single-Mode-Fasern 16 vorzugsweise in der gemeinsamen Ebene 40, welche gleichzeitig die durch das Faserbündelende 24 definierte Ebene ist.

Ferner ist in Fig. 2 dargestellt, daß jede Single-Mode-Faser 16 einen Kern 42 und eine diesen Kern 42 umgebende Umhüllung 44 aufweist, wobei die Laserstrahlung durch den Kern 42 der Single-Mode-Faser 16 geführt ist.

An dem zweiten Ende 22 der jeweiligen Single-Mode-Faser 16 tritt somit Laserstrahlung in Form eines divergenten Strah­ lungskegel 46 aus jeder einzelnen Fläche 48 jedes einzelnen Kerns 42 aus.

Wie in Fig. 2 ferner dargestellt, umfaßt ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel 30 eines kollimierenden Elements eine Vielzahl von Einzeloptikelementen 50₁ bis 50 _N, wobei jedes Einzel­ optikelement 50 als kollimierende Optik eine Linsenoptik 52 aufweist.

Vorzugsweise ist jedes Einzeloptikelement 50 aus einem zylin­ drischen Faserstück 54 aufgebaut, welches einen Durchmesser aufweist, welcher mindestens dem Durchmesser der Single-Mode-Faser 16 entspricht oder auch größer ist. An jedes Ende 22 einer Single-Mode-Faser 16 ist ein derartiges zylindrisches Faserstück 54 so angesetzt, daß dessen dem zweiten Ende 22 der Single-Mode-Faser 16 zugewandte endseitige Stirnfläche 56 im wesentlichen flächenhaft an einer das zweite Ende 22 bildenden endseitigen Stirnfläche 58 der jeweiligen Single-Mode-Faser 16 anliegt und gegebenenfalls entweder mit dem Ende 22 verschweißt oder verklebt ist, so daß zwischen dem Material des zylindrischen Faserstücks 54 und der Endfläche 48 eines jeden Kerns 42 ein im wesentlichen reflexionsfreier optischer Kontakt besteht, so daß die Laserstrahlung von dem Kern 42 im wesentlichen reflexionsfrei in das zylindrische Faserstück 54 übertritt und sich in diesem in Form des diver­ genten Strahlungskegels 46 divergent ausbreitet.

Im Falle des zylindrischen Faserstücks 54 ist auf der dessen Stirnfläche 56 gegenüberliegender Seite die Linsenoptik 52 vorzugsweise im wesentlichen einstückig an das Faserstück 54 angeformt, so daß das zylindrische Faserstück 54 auf seiner der Stirnfläche 56 gegenüberliegenden Seite eine ungefähr kugelkappenförmig gewölbte Oberfläche 60 aufweist.

Eine Länge L, welche einem Abstand der Linsenoptik 52 von der Stirnfläche 56 entspricht, wird dabei so gewählt, daß sich der divergente Strahlungskegel 46 ausgehend von der Stirn­ fläche 56 bis zur Linsenoptik 52 so weit aufgeweitet hat, daß dieser ungefähr den Durchmesser des zylindrischen Faserstücks 54 erreicht und die ebenfalls diesen Durchmesser aufweisende Linsenoptik 52 somit in der Lage ist, die Laserstrahlung aus dem divergenten Strahlungskegel 56 in einen kollimierten ein­ zelnen Laserstrahl 62 umzusetzen, wobei die Summe aller kollimierten Laserstrahlen 62₁ bis 62 _N insgesamt das kolli­ mierte Strahlungsbündel 32 bildet.

Jeder kollimierte Laserstrahl 62 breitet sich bis zum fokussierenden Element 34 aus, das beispielsweise eine das gesamte kollimierte Strahlungsbündel 32 erfassende Sammel­ linse ist, welche somit jeden einzelnen kollimierten Laser­ strahl 62₁ bis 62 _N auf den Fokus 28 fokussiert, der seiner­ seits aus Gründen der Einfachheit auf einer optischen Achse 64 liegt, welche eine Symmetrieachse des kollimierten Strah­ lungsbündels 32 darstellt.

Wie die Gegenüberstellung in Fig. 3 und 4 zeigt, sind die Einzeloptikelemente in Form einer hexagonal dichtesten Packung angeordnet, wobei Außenmantelflächen 66 der Einzel­ optikelemente 50 vorzugsweise aneinander berührend anliegen und die gesamten Einzeloptikelemente 50₁ bis 50 _N eine zu­ sammenhängende Einheit 70 dadurch bilden, daß die zylin­ drischen Faserstücke 54 im Bereich der sich bildenden Zwischenräume 72 miteinander verbunden, beispielsweise ver­ klebt sind.

Die gesamte Einheit 70 ist dann in einer Fassung 74 aufge­ nommen, welche zur exakten mechanischen Positionierung des kollimierenden Elements 30 relativ zum fokussierenden Element 34 dient.

Alternativ hierzu ist es ebenfalls möglich, anstelle von kreiszylindrischen Außenmantelflächen 66 zylindrische Faser­ stücke 54 mit sechseckiger Außenkontur vorzusehen, so daß die zylindrischen Faserstücke 54 aufgrund ihres Querschnitts in der Form eines regelmäßigen Sechsecks flächig aneinander an­ liegen und beispielsweise flächig miteinander verklebt sein können.

Das enge Nebeneinanderliegen der Einzeloptikelemente 50 hat den Vorteil, daß auch die kollimierten Laserstrahlen 62₁ bis 62 _N im kollimierten Strahlungsbündel 32 sich nahezu berührend aneinanderliegen und somit eine den Gesamtstrahldurchmesser W_G festlegende Gesamtquerschnittsfläche des kollimierten Strahlungsbündels 32 unwesentlich größer ist als die Summe aller Querschnittsflächen aller kollimierten Laserstrahlen 62₁ bis 62 _N mit dem Durchmesser W_E.

Ferner sind das kollimierende Element 30 als auch das fokus­ sierende Element 34 so aufgebaut, daß sie eine beugungsbe­ grenzte Optik bilden, so daß die Gesetze der Gauß′schen Optik gelten. Dies führt dazu, daß das Produkt aus Strahldurch­ messer W mal Divergenzwinkel ϑ stets eine Konstante ist und durch die jeweils optischen Elemente bestenfalls erhalten werden kann.

Betrachtet man die Laserstrahlung einer einzelnen Laserstrah­ lungsquelle, welche aus der Endfläche 48 jedes einzelnen Kerns 42 austritt, so gilt bereits für den divergenten Strah­ lungskegel 46, daß der Divergenzwinkel ϑ_ED multipliziert mit dem Durchmesser W_ED der Endfläche 48 gleich dem Produkt aus Durchmesser W_EK des kollimierten Laserstrahls 62 mal dem Divergenzwinkel ϑ_EK und gleich dem Produkt des Durchmesser des Fokus W_EF mal dem Konvergenzwinkel ϑ_EF ist.

Darüber hinaus ist das Produkt aus dem Durchmesser des Fokus W_EF und dem Konvergenzwinkel ϑ_GF für die zum Fokus hin konver­ gierende Gesamtstrahlung gleich dem Produkt aus dem Durch­ messer W_GK des kollimierten Strahlungsbündels 32 mal dem Divergenzwinkel ϑ_GK desselben. Soll nun die im Fokus 28 zur Verfügung stehende Leistung dadurch vergrößert werden, daß eine möglichst große Zahl von Laserstrahlungsquellen 10 ver­ wendet wird, deren Laserstrahlung durch Single-Mode-Fasern 16 zusammengeführt wird, so läßt sich die Leistung im Fokus 28 um ungefähr den gleichen Faktor erhöhen, wie auch das Produkt W_GK mal ϑ_GK ansteigt, wenn die einzelnen kollimierten Laser­ strahlen 62₁ bis 62 _N möglichst eng beieinander liegen und zwischen diesen im wesentlichen keine Zwischenräume verblei­ ben. Aus diesem Grund sind vorzugsweise die Einzeloptikele­ mente 50 so angeordnet, daß der von jedem einzelnen Einzel­ optikelement 50 erzeugte kollimierte Laserstrahl 62 möglichst berührend neben den nächstbenachbarten Laserstrahlen 62 im kollimierten Strahlungsbündel 32 verläuft.

Dies stellt jedoch keine Einschränkung für den Durchmesser der Einzeloptikelemente 50 dar. Ist dieser so gewählt, daß er größer ist als der der Single-Mode-Fasern 16, so ist das Pro­ dukt W_GK mal ϑ_GK im kollimierten Strahlungsbündel 32 nach wie vor dasselbe, wenn die kollimierten Laserstrahlen 62₁ bis 62 _N in der beschriebenen Weise möglichst dicht nebeneinander­ liegen.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel 130 eines kollimieren­ den Elements ist als Einzeloptikelement 150 jeweils eine sogenannte GRIN-Linse vorgesehen, welche einen zylindrischen Körper 80 aufweist, innerhalb von welchem der Brechungsindex in radialer Richtung variiert, so daß in dieser die Laser­ strahlung aufgeweitet und kollimiert wird. Derartige GRIN-Linsen oder auch Graded-Index rod lenses genannt, können bei­ spielsweise von der Firma Newport bezogen werden. Beispiels­ weise in Form eines Bausatzes mit der Bezeichnung F-GRK 1.

Der zylindrische Körper 80 weist dabei eine der Single-Mode-Faser 16 zugewandte Stirnfläche 82 auf, mit welcher er an der endseitigen Stirnseite 58 des jeweiligen Endes 22 direkt an­ liegt, so daß sie ein im wesentlichen reflexionsfreier Über­ gang der Laserstrahlung von der Endfläche 48 des Kerns 42 in den zylindrischen Körper 80 der GRIN-Linse möglich ist. Ferner weist der zylindrische Körper 80 der Stirnfläche 82 gegenüberliegend ebenfalls eine Stirnfläche 84 auf, aus welcher dann der jeweilige kollimierte Laserstrahl 62 in auf­ geweiteter Form austritt. Die GRIN-Linsen sind ebenfalls so bemessen, daß der Durchmesser W_EK des kollimierten Laser­ strahls 62 im wesentlichen dem Durchmesser des zylindrischen Körpers 80 entspricht, um ebenfalls Zwischenräume zwischen einzelnen kollimierten Laserstrahlen 62 zu vermeiden.

Darüber hinaus bilden sämtliche zylindrischen Körper 80 eine zusammenhängende Einheit 170, welche in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel des kollimierenden Elements 30 dargestellt, in einer Fassung gehalten ist.

Wie in Fig. 6 dargestellt, besteht aber auch die Möglichkeit, bei einer Einzeloptik 250 sowohl eine GRIN-Linse in dem zylindrischen Körper 80 vorzusehen, allerdings auf dessen der Stirnfläche 82 gegenüberliegender Seite eine zusätzliche Linsenoptik 86 vorzusehen, so daß der kombinierte Effekt aus der durch den zylindrischen Körper 80 gebildeten GRIN-Linse und der zusätzlichen Linsenoptik 86 den kollimierten Laser­ strahl 62 erzeugt. Dabei lassen sich durch die Linsenoptik 86 in Kombination mit der dem GRIN-Linseneffekt im zylindrischen Körper 80 Linsenfehler in vorteilhafterweise kompensieren.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen kollimierenden Elements 230, dargestellt in Fig. 7, schließt sich an die Stirnfläche 58 jedes Endes 22 jeder Single-Mode-Faser 16 eine bereits beschriebene und in dem zylindrischen Körper 80 vorgesehenen GRIN-Linse an, wobei die zylindrischen Körper 80 der GRIN-Linsen nicht mantelseitig miteinander verbunden sind, sondern mit ihrer Stirnfläche 84 auf einer Oberfläche 90 einer Trägerplatte 82 sitzen und mit dieser fest verbunden sind. Die Trägerplatte 92 stellt dabei ein gemeinsames stabilisierendes Element für alle zylin­ drischen Körper 80 der GRIN-Linsen dar und fixiert somit diese und außerdem über die GRIN-Linsen die an deren Stirn­ flächen 82 anstoßenden Enden 22 der einzelnen Single-Mode-Fasern 16. Beispielsweise läßt sich mit dieser Trägerplatte 92 dann in einfacher Weise das kollimierende Element 230 mechanisch exakt relativ zum fokussierenden Element 34 positionieren.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 8, stoßen die Single-Mode-Fasern 16 mit ihren Stirnflächen 58 unmittelbar auf einer Oberfläche 100 einer Trägerplatte 102 an, und sind durch die Oberfläche 100 der Trägerplatte 102 exakt positioniert und an der Trägerplatte 102 fixiert. Die Trägerplatte 102 erlaubt es somit, die Enden 22 aller Single-Mode-Fasern definiert relativ zueinander und auch relativ zu dem kollimierenden Element 330 zu fixieren. Das kollimierende Element 330 ist dabei nicht nur durch die Trägerplatte 102 gebildet sondern durch auf dieser Trägerplatte 102 auf einer der Oberfläche 100 gegenüberliegenden Oberfläche 104 sitzende Linsenoptiken 106, welche eine plane Grundfläche 108 auf­ weisen, mit welcher sie auf der Oberfläche 104 im wesent­ lichen reflexionsfrei mit der Trägerplatte 102 verbunden sind.

Der Abstand zwischen den Oberflächen 100 und 104 der Träger­ platte 102 ist nun so gewählt, daß sich der divergente Strah­ lungskegel 46 in der Trägerplatte 102 soweit aufweitet, daß dessen Durchmesser dem Durchmesser der ebenen Fläche 108 der Linsenoptik 106 entspricht, so daß die Linsenoptik 106 wiederum in der Lage ist, kollimierte Laserstrahlen 62 zu erzeugen, welche im wesentlichen einander berührend in dem kollimierten Strahlungsbündel 32 verlaufen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines kollimierenden Elements 430, dargestellt in Fig. 9, ist die Trägerplatte 114 auf einer Seite mit einer ebenen Oberfläche 110 versehen, gegen welche die Enden 22 aller Single-Mode-Fasern 16 mit ihren Stirnflächen 58 stoßen und an dieser, beispielsweise mittels eines Klebstoffs fixiert sind, während eine der Ober­ flächen 110 gegenüberliegende kugelkappenförmige Oberflächen 118 aufweisende Bereiche 116 aufweist, so daß die Bereiche 116 in gleicher Weise wie die Linsenoptiken 106 wirken, allerdings integraler Bestandteil der Trägerplatte 114 sind.

Werden unter Berücksichtigung dem Brechungsindex die linsen­ förmigen Bereiche 116 und die Wölbungen der kugelkappenför­ migen Oberflächenbereiche 118 so ausgeführt wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 8, so können ebenfalls kollimierte Laserstrahlen 62 erzeugt werden, welche im wesentlichen ein­ ander im kollimierten Strahlungsbündel 32 berühren.

Claims (22)

1. Lasersystem umfassend mehrere Laserstrahlungsquellen, von denen jede Laserstrahlung erzeugt, die in jeweils ein erstes Ende einer lichtleitenden Single-Mode-Faser eingekoppelt ist, wobei alle lichtleitenden Single-Mode-Fasern ein Faserbündel bilden und zweite, an einem Faserbündelende liegende Enden aufweisen, aus welchen die Laserstrahlung unter Bildung eines Gesamtlaser­ strahlungsfeldes austritt, und eine Transformations­ optik, welche das Gesamtlaserstrahlungsfeld auf ein Objekt transformiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsoptik (26) ein kollimierendes Element (30, 130, 230, 330, 430) aufweist, welches die divergent aus jedem einzelnen zweiten Ende (22) der Single-Mode-Fasern (16) austretende Laserstrahlung kollimiert und daraus ein kollimiertes Strahlungsbündel (32) formt, und daß die Transformationsoptik (26) ein fokussierendes Element (34) aufweist, welches das kollimierte Strah­ lungsbündel (32) als Ganzes auf einen Fokus (28) abbil­ det.

2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle das kollimierte Strahlungsbündel (32) bildenden Laserstrahlen (62) im wesentlichen denselben Durchmesser (W_EK) und im wesentlichen dieselbe Divergenz (ϑ_EK) auf­ weisen.

3. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das kollimierende Element (30, 130, 230, 330, 430) mit jeder einzelnen Single-Mode-Faser (16) fest verbunden ist.

4. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (22) jeder Single-Mode-Faser (16) mit einer Stirnseite (58) an dem kollimierenden Element (30, 130, 230, 330, 430) anliegt.

5. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kollimierende Element (30, 130, 230, 330, 430) eine kollimierende Optik (50, 150, 80, 106, 116) für jedes zweite Ende (22) jeder Single-Mode-Faser (16) umfaßt.

6. Lasersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kollimierende Optik eine Linsenoptik (50, 150, 86, 106, 116) umfaßt.

7. Lasersystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die kollimierende Optik eine GRIN-Optik (80) oder eine diffraktive Optik umfaßt.

8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kollimierende Optik eine kombi­ nierte Optik (80, 86) aus Linsenoptik und/oder GRIN-Optik und/oder diffraktiver Optik aufweist.

9. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kollimierende Optik (50, 150, 250, 80, 106, 116) einen kollimierten Laserstrahl (62) erzeugt, dessen Durchmesser (W_EK) im wesentlichen einem Außendurchmesser der jeweiligen kollimierenden Optik (50, 150, 250, 80, 106, 116) entspricht.

10. Lasersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede kollimierende Optik ein Einzel­ optikelement (50, 150, 250, 80, 106) aufweist.

11. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kollimierende Element (230, 330) einen sich über den gesamten Querschnitt des kollimierten Strahlungsbündels (32) erstreckenden Träger (92, 102) aufweist.

12. Lasersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (92, 102) eine einstückige lichtdurch­ lässige Platte umfaßt, welcher die Einzeloptikelemente (80, 106) relativ zueinander definiert positioniert.

13. Lasersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeloptikelemente (80, 106) stirnflächig an dem Träger (92, 102) anliegen.

14. Lasersystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (92, 102) die Einzeloptik­ elemente (80, 106) trägt.

15. Lasersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Enden (22) der Single-Mode-Fasern (16) mit ihrer Stirnseite (58) an dem Träger (102) anliegen.

16. Lasersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Enden (22) der Single-Mode-Fasern (16) mit ihren Stirnseiten (58) an einer Stirnseite (82) der Einzeloptikelemente (80) anliegen und die Einzeloptikelemente (80) mit der anderen Stirnseite (84) an dem Träger (92) anliegen.

17. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kollimierende Element (30, 130) durch eine Vielzahl von miteinander verbundenen Einzeloptikelementen (50, 150) gebildet ist.

18. Lasersystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeloptikelemente (50, 150) im Bereich ihrer Außen­ kontur (66) miteinander verbunden sind.

19. Lasersystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Enden (22) der Single-Mode-Fasern (16) mit ihren Stirnseiten (58) an einer Stirn­ seite (56, 82) der Einzeloptikelemente (50, 150) an­ liegen.

20. Lasersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeloptikelemente (50, 150, 80, 106) im Bereich ihrer Außenkontur aneinander anliegen.

21. Lasersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeloptikelemente in einer Ebene in hexagonal dichtester Packung angeordnet sind.

22. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das kollimierende Element (430) ein­ stückig ausgebildet ist und für jedes zweite Ende (22) eine eigene kollimierende Optik (116) bildet.