DE4301689A1

DE4301689A1 - Leistungsgesteuertes fraktales Lasersystem

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Publication number: DE4301689A1
Application number: DE4301689A
Authority: DE
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1993-01-22
Filing date: 1993-01-22
Publication date: 1994-07-28
Also published as: JPH07504788A; DE4490252B4; DE4490252D2; JP2683158B2; WO1994017576A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersystem umfassend mehrere Halbleiterlasereinheiten, von denen jede ein Kopplungselement aufweist, welches die Laserstrahlung der jeweiligen Halbleiterlasereinheiten in eine Laserlicht leitende Faser einkoppelt, und ein die Fasern umfassendes Faserbündel als Lichtleitersystem, welches ein Ende auf weist, aus dem eine durch die Summe der von den Halb leiterlasereinheiten erzeugten Laserstrahlung gebildete Gesamtlaserstrahlung austritt, welche bei Lasertätigkeit aller Halbleiterlasereinheiten eine Zielfläche aus einem zu bestrahlenden Objekt ausleuchtet.

Derartige Halbleiterlasersystem sind bekannt bei diesem werden z. B. sieben Halbleiterlasereinheiten zusammenge faßt, um eine Gesamtlaserstrahlung zu erhalten, mit welcher ein Objekt bestrahlbar ist.

Mit derartigen Halbleiterlasersystemen kann jedoch nur eine einfache Laserbestrahlung durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halb leiterlasersystem der gattungsgemäßen Art derart zu ver bessern, daß mit diesem komplexe Bestrahlungsaufgaben in einfacher und möglichst effektiver Art und Weise durch führbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterlasersystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Steuerung vorgesehen ist, mit welcher die Leistung jeder einzelnen Halbleiterlasereinheit definiert steuerbar ist und daß der Steuerung eine Bestrahlung unterschiedlicher Flächenelemente der Zielfläche mit ein zeln für jedes Flächenelement definierbarer Intensität vorgebbar ist.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist somit darin zu sehen, daß für jedes Flächenelement der Zielfläche eine definierte Intensität mittels der Steuerung vorgebbar ist, was über die Steuerung der Leistung jeder einzelnen Halb leiterlasereinheit möglich ist.

Damit schafft die erfindungsgemäße Lösung die Möglichkeit, komplexe Bestrahlungsaufgaben durchzuführen und beispiels weise innerhalb der Zielfläche unterschiedliche Flächen elemente mit unterschiedlicher Intensität zu bestrahlen, um somit die Art der Bestrahlung von Flächenbereichen der Zielfläche optimal an die jeweils zu lösende Aufgabe anzu passen.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt somit eine vorteilhafte Anwendung der Tatsache dar, daß die Gesamtlaserstrahlung nicht durch ein Lasersystem, sondern durch mehrere Halb leiterlasersysteme erzeugt wird und nützt die Tatsache, daß mehrere Halbleiterlasersysteme hierzu eingesetzt werden konsequent aus, durch definierte Steuerung der Leistung der jeweiligen Halbleiterlasereinheiten komplexe Bestrahlungsaufgaben durchzuführen.

Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Lösung vorge sehen, daß mit der Steuerung die Intensität jeder einzel nen Halbleiterlasereinheit definiert steuerbar ist.

Darüberhinaus läßt sich bei Halbleiterlasereinheiten in gewissen Grenzen auch die Wellenlänge der Laserstrahlung steuern, so daß es vorteilhaft ist, wenn mit der Steuerung die Wellenlänge der Laserstrahlung jeder einzelnen Halb leiterlasereinheit definiert vorgebbar ist.

Hinsichtlich der Art und Weise, wie die Laserstrahlung von jeder Halbleiterlasereinheit durch die Fasern zum Ende des Lichtleitersystems geführt wird und zur Gesamtlaserstrah lung des Lichtleitersystems kombiniert wird, wurden bis lang keine weiteren Angaben gemacht. So ist es besonders vorteilhaft, wenn im Bereich des Endes des Lichtleiter systems Faserendflächen der Fasern, aus denen die Laser strahlung der zugehörigen Halbleiterlasereinheiten aus tritt in einer optisch auf die Zielfläche abbildbaren End fläche des Lichtleitersystems liegen. Dies ist die Voraus setzung, um alle Faserendflächen gemeinsam mit einer Optik auf die Zielfläche abbilden zu können, so daß für jede Faserendfläche dieselben Abbildungsbedingungen gelten und somit eine einfache, und für alle Faserendflächen zu treffende Abbildung durchführbar ist.

Dies ist insbesondere auch dann erforderlich, wenn eine hohe Leistungsdichte auf der Zielfläche erreicht werden soll, da dann die Faserendflächen der Fasern möglichst dicht beieinanderliegen sollten.

Ein besonders vorteilhaftes Halbleiterlasersystem der erfindungsgemäßen Art sieht dabei vor, daß ein Zwischen raum zwischen den Faserendflächen in der Endfläche kleiner als ein dreifaches der Faserdicke ist. Noch vorteilhafter ist es, wenn der Zwischenraum zwischen den Faserendflächen kleiner als ein zweifaches der Faserdicke ist und bei besonders hohen Leistungsdichten ist vorgesehen, daß die Faserendflächen in der Endfläche nebeneinander liegen, vorzugsweise aneinander angrenzen.

Hinsichtlich der Form der Endfläche wurde im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So wäre es im einfachsten Falle denkbar, daß die Endfläche die Form einer Ebene aufweist, da eine Ebene mit gängigen Abbildungsmethoden auf eine Zielfläche einfach abbildbar ist. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Form der Endfläche an eine Form der Oberfläche des zu bestrahlenden Objekts oder einer sich während der Bestrahlung bildenden Oberfläche des Objekts im Bereich der Zielfläche angepaßt ist.

Im Rahmen der Erläuterung der bislang beschriebenen Aus führungsbeispiele wurden ferner keine Angaben darüber ge macht, wie die Laserstrahlung der unterschiedlichen Halb leiterlasereinheiten auf der Zielfläche auftreffen soll. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Laserstrahlung unterschiedlicher Halbleiterlaser einheiten zumindest teilweise auf unterschiedliche Flächenelemente der Zielfläche auftrifft, so daß jedem Flächenelement mindestens die Laserstrahlung einer Halb leiterlasereinheit oder auch mehrerer Halbleiterlaserein heiten zugeordnet wird.

Bei besonders komplexen Bestrahlungsaufgaben ist es zweck mäßig, wenn die Laserstrahlung unterschiedlicher Halb leiterlasereinheiten auf unterschiedliche Flächenelemente der Zielfläche trifft, so daß jedem Flächenelement der Zielfläche eindeutig eine Halbleiterlasereinheit zuge ordnet ist, deren Laserstrahlung auf diesem Flächenelement auftrifft.

Um eine Mehrfachbestrahlung der Flächenelemente zu errei chen, oder eine höhere Intensität oder andere Effekte er reichen zu können, ist bei einem weitere Ausführungsbei spiel vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Laserstrah lung jeder Halbleiterlasereinheit zum Teil auf der Ziel fläche mit der Laserstrahlung anderer Halbleiterlaserein heiten überlagert ist. Eine derartige Überlagerung braucht nicht nur eine Addierung der Intensität sein. Es kann auch zusätzlich eine kohärente Überlagerung mehrerer Laser strahlungen erfolgen.

Alternativ dazu ist es bei anderen Arten von Bestrahlungs aufgaben, insbesondere selektiver Bestrahlung der Ziel fläche von Vorteil, wenn die Laserstrahlung jeder Halb leiterlasereinheit mit der Laserstrahlung der anderen Halbleiterlasereinheiten überlagerungsfrei jeweils ein Flächenelement der Zielfläche bestrahlt.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn zwischen dem Ende des Lichtleitersystems und der Zielfläche eine Abbildungsoptik vorgesehen ist, daß sich dann definierte Abbildungsver hältnisse zwischen der Endfläche und der Zielfläche er reichen lassen.

Im einfachsten Falle ist dabei vorgesehen, daß die Ab bildungsoptik die Faserendflächen im Verhältnis eins zu eins auf die Bildfläche abbildet.

Es ist genauso aber denkbar, daß die Abbildungsoptik die Faserendflächen verkleinert auf die Bildfläche abbildet, was bei Erzielung besonders hoher Intensitäten vorteilhaft ist, oder daß die Abbildungsoptik die Faserendflächen ver größert auf die Bildfläche abbildet, um eine große be strahlte Fläche, jedoch unter Einbuße von Intensität zu erhalten.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn eine Form der End fläche an optische Abbildungseigenschaften der Abbildungs optik angepaßt ist. Das heißt, daß mit der Form der End fläche nicht nur gegebenenfalls eine Anpassung an die Form der Oberfläche des Objekts im Bereich der Zielfläche mög lich ist, sondern daß mit der Form der Endfläche eine An passung an optische Abbildungseigenschaften der Abbil dungsoptik möglich ist, um somit beispielsweise Abbil dungsfehler der Abbildungsoptik durch die Form der End fläche zu kompensieren.

Hinsichtlich der Halbleiterlasereinheiten wurden bislang keine weiteren und näheren Angaben gemacht. Im einfachsten Fall ist dabei vorgesehen, daß jede Halbleiterlasereinheit einen einzigen laseraktiven Diodenstreifen umfaßt.

Es ist aber auch denkbar, daß jede Halbleiterlasereinheit mehrere laseraktive Diodenstreifen umfaßt.

Um eine möglichst hohe Leistung zu erhalte, ist vorteil hafterweise vorgesehen, daß jede Halbleiterlasereinheit einen Laseroszillator und einen Laserverstärker umfaßt.

Vorzugsweise ist, um möglichst definierte Eigenschaften der Laserstrahlung zu erhalten, vorgesehen, daß jede Halb leiterlasereinheit in einem stabilisierten Modenbetrieb arbeitet.

Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn jede Halbleiterlaser einheit im transversalen Grundmode arbeitet.

Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft, wenn jede Halb leiterlasereinheit im longitudinalen Einmodenbetrieb arbeitet.

Hinsichtlich der Fasern, aus welchen das Faserbündel ge bildet ist, wurden bislang keine weiteren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Fasern Monomodefasern sind.

Insbesondere im Fall von Monomodefasern ist vorgesehen, daß die Einkopplung der Laserstrahlung in jede Monomode faser beugungsbegrenzt erfolgt.

Im Zusammenhang mit der Erläuterung der bislang beschrie benen Ausführungsbeispiele wurde nicht mehr darauf einge gangen, für welche Wellenlängenbereiche die Halbleiter lasereinheiten ausgelegt sind. So sieht das einfachste Ausführungsbeispiel vor, daß alle Halbleiterlasereinheiten für denselben Wellenlängenbereich ausgelegt sind.

Es ist aber auch denkbar, daß unterschiedliche Halbleiter lasereinheiten für unterschiedliche Wellenlängenbereiche ausgelegt sind.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Halbleiter lasereinheiten eine Gruppe von Halbleiterlasereinheiten mit gleicher Wellenlänge umfassen.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die Halbleiterlasereinheiten mehrere Gruppen von Halb leiterlasereinheiten mit jeweils innerhalb derselben gleicher Wellenlänge umfassen.

In einem derartigen Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Faserendflächen von Laserstrahlung unterschied licher Wellenlänge abstrahlenden Fasern zu jeweils einer Abstrahlgruppe zusammengefaßt sind und wenn die Abstrahl gruppen in der Endfläche nebeneinander angeordnet sind. Besonders vorteilhaft läßt sich bei einem derartigen Aus führungsbeispiel die Markierung und Strahlsichtbarmachung realisieren, denn in diesem Fall braucht lediglich eine Gruppe von Halbleiterlasereinheiten so aufgebaut zu sein, daß sie die Laserstrahlung mit einer im sichtbaren Bereich liegenden Wellenlänge erzeugt.

Vorzugsweise läßt sich in diesem Fall die andere Gruppe von Halbleiterlasereinheiten so aufbauen, daß sie bei spielsweise die für die Bestrahlung oder Bearbeitung erforderliche Laserstrahlung erzeugt.

Hinsichtlich der Kopplungselemente für die Ankopplung der Faser an die Halbleiterlasereinheit wurden bislang keine weiteren Angaben gemacht. So sieht ein besonders vorteil haftes Ausführungsbeispiel vor, daß als Kopplungselement für die Ankopplung der Faser an die Halbleiterlasereinheit ein vom Substrat der Halbleiterlasereinheit getragenes Ab bildungselement vorgesehen ist.

Zweckmäßigerweise ist das Gitter ein Reflexionsgitter.

Alternativ dazu ist es denkbar, das Abbildungselement als holographisch-optisches Element auszubilden.

Eine weitere Alternative sieht vor, daß das Abbildungsele ment ein in das Substrat eingeformter Spiegel ist.

Vorzugsweise ist der Spiegel so ausgebildet, daß er die Laserstrahlung auf die Faser fokussiert.

Eine weitere Alternative sieht vor, daß das Abbildungsele ment eine in das Substrat integrierte Linse ist. Diese Linse kann zweckmäßigerweise als Indexlinse ausgebildet sein.

Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleitersystems ist vorgesehen, daß das Faserbündel Detektorfasern umfaßt, wobei die Detektor fasern dazu dienen, insbesondere die Zielfläche zu beob achten.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß ein Ende der Detek torfasern am Ende des Lichtleitersystems liegt.

Um die gleichen Abbildungsverhältnisse wie im Fall der Gesamtlaserstrahlung zu erreichen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das Ende der Detektorfasern in der End fläche neben den Faserendflächen liegt, so daß letztlich Faserendflächen der Detektorfasern ebenfalls in der End fläche liegen.

Dadurch ist vorteilhafterweise erreichbar, daß bei Verwen dung einer Abbildungsoptik die Enden der Detektorfasern auf die Zielfläche abgebildet sind.

Darüber hinaus läßt sich die Beobachtung der Zielfläche besonders einfach dadurch erreichen, daß an einem anderen Ende der Detektorfasern ein optischer Detektor zur Beob achtung der Bildfläche angeordnet ist.

Vorzugsweise ist dieser Detektor als Matrixdetektor ausge bildet und den einzelnen Matrixpunkten des Matrixdetektors sind vorzugsweise die Detektorfasern so zugeordnet, daß mit deren Faserendflächen eine unmittelbare Abbildung der Zielfläche auf den Matrixdetektor möglich ist.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn eine Steuerung vorgesehen ist, welche über den Matrixdetektor die Inten sitätsverteilung in der Zielfläche beobachtet und durch definierte Vorgabe der Leistung für die einzelnen Halb leiterlasereinheiten innerhalb der Zielfläche eine lokal fixierte Bestrahlung auf den zu bestrahlenden Objekt sicherstellt.

Vorzugsweise sieht das erfindungsgemäße Lasersystem vor, eine Vielzahl von beispielsweise mehreren -zig oder hundert Halbleiterlasereinheiten mit Leistungen von 1 bis 3 Watt zu verwenden um Leistungen der Gesamtlaserstrahlung von mehreren hundert oder sogar mehr als eintausend Watt zu erreichen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne rischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleitersystems;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Endfläche des Lichtleitersystems bei einer Variante;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht ähnlich Fig. 2 bei einer zweiten Variante;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine Ziel fläche;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einzelner Kompo nenten einer erfindungsgemäßen Steuerung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Intensitätsverteilungen innerhalb der Ziel fläche;

Fig. 7 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Intensitätsverteilungen in der Zielfläche;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Anpassung der Faserendfläche an eine Abbildungsoptik;

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Halbleiter lasereinheit und der Ankopplung der Laserstrah lung an eine Faser bei einer ersten Variante;

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Verhältnisse in Fig. 9 bei einer zweiten Variante;

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Halbleiter lasereinheit und der Einkopplung der Laser strahlung in eine Faser bei einer dritten Variante;

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels mit unterschiedlichen Gruppen von Halbleiterlasereinheiten;

Fig. 13 eine Draufsicht auf eine Faserendfläche bei einer ersten Variante des zweiten Ausführungs beispiels;

Fig. 14 eine Draufsicht auf eine Zielfläche bei der ersten Variante;

Fig. 15 eine Draufsicht auf die Zielfläche bei einer zweiten Variante;

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasersystems und

Fig. 17 eine Draufsicht auf die Faserendfläche bei dem dritten Ausführungsbeispiel.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen leistungs gesteuerten fraktalen Lasersystems, dargestellt in Fig. 1, umfaßt ein Strahlerzeugersystem 10, an welches sich ein Lichtleitersystem 12 anschließt, aus welchem eine Gesamt laserstrahlung 14 austritt, die ihrerseits auf eine Ziel fläche 16 eines mit der Gesamtlaserstrahlung 14 zu be strahlenden Objekts 19 auftrifft. Die Zielfläche ist dabei als diejenige Fläche definiert, welche bei Lasertätigkeit aller Halbleiterlasereinheiten ausgeleuchtet ist.

Das Strahlerzeugersystem 10 umfaßt dabei eine Vielzahl von Halblasereinheiten 18 ₁ bis 18 _N, von denen jede Laserstrah lung erzeugt, welche jeweils in eine lichtleitende Faser 20 ₁-20 _N eingekoppelt wird. Die lichtleitenden Fasern 20 ₁ bis 20 _N sind dann zu einem Faserbündel 22 zusammengefaßt, welches vom Lichtleitersystem 12 umfaßt ist. Das Faserbündel 22 bildet an einem Ende 24, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, eine Endfläche 26, in welcher alle Faserendflächen 28 der das Faserbündel 22 bildenden Fasern 20 ₁ bis 20 _N liegen.

Vorzugsweise sind in der Endfläche 26 die Faserendflächen 28 so angeordnet, daß sie einen Abstand A voneinander auf weisen, wobei dieser Abstand A je nach entsprechender Aus führungsform variiert (Fig. 2).

Der Abstand A kann aber auch, wie beispielsweise in Fig. 3 bei einer Variante dargestellt, gegen Null gehen, so daß die Faserendflächen 28 einander berühren.

Zu jeder Halbleiterlasereinheit 18 ₁ bis 18 _N gehört somit eine Faserendfläche 28 ₁ bis 28 _N und aus jeder dieser Faserendflächen 28 ₁ bis 28 _N tritt nunmehr im wesentlichen die von der jeweiligen Halbleiterlasereinheit 18 ₁ bis 18 _N erzeugte Laserstrahlung aus und summiert sich mit den Laserstrahlungen der übrigen Halbleiterlasereinheiten 18 ₁ bis 18 _N zu der Gesamtlaserstrahlung 14.

Die auf die Zielfläche 16 auftreffende Gesamtlaser strahlung 14 stellt somit ebenfalls ein Bündel der einzel nen Laserstrahlungen der einzelnen Halbleiterlaserein heiten 18 ₁ bis 18 _N dar, wobei, wie in Fig. 4 dargestellt, im Fall einer eins zu eins Abbildung der Endfläche 26 (Fig. 3) auf die Zielfläche 16 von der aus jeder Faserend fläche 28 ₁ bis 28 _N austretenden Laserstrahlung jeweils ein Flächenelement 30 ₁ bis 30 _N der Zielfläche 16 angestrahlt wird, und wobei sich in diesem Fall die Flächenelemente 30 ₁ bis 30 _N nicht überlappen. Die Zielfläche ist dabei diejenige Fläche, in welcher alle Flächenelemente 30 _{1 bis N}, entsprechend allen Faserend flächen 30 _{1 bis N}, liegen.

Das heißt, daß somit indirekt zu jedem der Flächenelemente 30 ₁ bis 30 _N innerhalb der Zielfläche 16 eine der Halb leiterlasereinheiten 18 ₁ bis 18 _N zugeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist die Laserleistung in jedem der einzel nen Flächenelemente 30 ₁ bis 30 _N definiert vorgebbar. Hier zu ist, wie in Fig. 1 dargestellt, das Strahlerzeuger system mit einer Steuerung 32 versehen, über welche jede einzelne der Halbleiterlasereinheiten 18 ₁ bis 18 _N hin sichtlich ihrer Leistung definiert ansteuerbar ist.

Die Steuerung 32 weist hierzu eine Vielzahl von Ausgängen 34₁ bis 34 _N auf, von denen jeweils Steuerleitungen 36 ₁ bis 36 _N zu der jeweiligen Halbleiterlasereinheiten 20 ₁ bis 20 _N führen.

Wie in Fig. 5 dargestellt umfaßt die Steuerung hierzu eine zentrale Rechnereinheit 38 mit einem Speicher 40, in welchem die für jede Halbleiterlasereinheit vorgesehene Laserleistung abspeicherbar ist, und ein von der Rechner einheit 38 angesteuertes Leistungsteil 34, welches die 34 ₁ bis 34 _N Ausgänge für die Halbleiterlasereinheiten 18 ₁ bis 18 _N aufweist und jede Halbleiterlasereinheit 18 mit einem Strom versorgt, welcher der für diese Halbleiterlaser einheit 18 ₁ bis 18 _N vorgegebenen Leistung entspricht.

Da jeder Halbleiterlasereinheit 18 ₁ bis 18 _N eine einzige der Faserendfläche 28 ₁ bis 28 _N in der Endfläche 26 ein deutig zugeordnet ist, ist zwangsläufig auch jedem der Flächenelemente 30 ₁ bis 30 _N der Zielfläche 16 eine der Halbleiterlasereinheiten 18 ₁ bis 18 _N eindeutig zugeordnet, so daß durch Steuerung der Halbleiterlasereinheit 18 ₁ bis 18 _N die Intensität im jeweiligen Flächenelement 30 ₁ bis 30 _N steuerbar ist.

Mit der Steuerung ist es somit möglich, innerhalb der Zielfläche 16 die Leistung in jedem einzelnen der Flächen elemente 30 ₁ bis 30 _N definiert festzulegen und damit innerhalb der Zielfläche 16 unterschiedliche Intensitäts profile zu realisieren, wie in Fig. 6A bis D dargestellt.

Beispielsweise wird, wie in Fig. 6A dargestellt, innerhalb der Zielfläche 16 lediglich ein eine äußere Quadratform aufweisender Flächenbereich 42 angestrahlt, das heißt, alle innerhalb diesem liegende Flächenelemente 30 sind durch Ansteuerung der entsprechenden Halbleiterlaser einheiten 18 angestrahlt, während die außerhalb des Flächenbereichs 42 liegenden Flächenelemente 30 durch Abschalten der entsprechenden Halbleiterlasereinheiten 18 nicht angestrahlt sind. Ferner sind innerhalb des Flächen bereichs 42 die Flächenelemente 30 nicht mit der gleichen Intensität angestrahlt, sondern es liegt zwischen diesem noch ein Intensitätsgradient vor, wie er schematisch zu sätzlich in Fig. 6A vermerkt ist. Ein derartiger bestrahl ter Flächenbereich 42 kommt vorzugsweise bei der Materialbearbeitung, insbesondere beim Härten zum Einsatz, wobei nicht nur die Form des Flächenbereichs 42, sondern auch noch der innerhalb des selben auftretende Leistungsgradient von Bedeutung ist.

Ein derartiges, optimal an die jeweilige Materialbearbei tung angepaßtes lokales Leistungsprofil läßt sich somit mit beliebig einfachen Mitteln über die Steuerung 32 gene rieren, wobei die dabei betriebenen Halbleiterlaserein heiten 18 jeweils optimal arbeiten und keine unnötigen Leistungsverluste zur Erzeugung dieses Profils entstehen.

Bei einer zweiten Variante, dargestellt in Fig. 6B wird eine besondere Form zweier bestrahlter Flächenbereiche 44 und 46 dargestellt, wobei der Flächenbereich 44 einen größeren Kreis als der Bereich 46 darstellt und jeweils innerhalb derselben alle Flächenelemente 30 mit gleicher Intensität angestrahlt sind. Ein derartiges Profil dient beispielsweise zum Vor- oder Nachwärmen beim Legieren, wobei beispielsweise mit dem Flächenbereich 44 vorgewärmt wird und mit dem Flächenbereich 46 die eigentliche Legierungsarbeit stattfindet. Dabei ist es beispielsweise auch möglich, innerhalb des Flächenbereichs 46 die Flächenelemente 30 mit höherer Leistung anzustrahlen als die Flächenelemente 30 innerhalb des Flächenbereichs 42. Alle Flächenelemente 30 außerhalb der Flächenbereiche 44 und 46 werden nicht angestrahlt.

Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6C darge stellt. Hierbei kommt ein ovaler Flächenbereich 48 inner halb der Zielfläche 16 zur Ausleuchtung, wobei dieser ovale Flächenbereich 48 mit seiner langen Achse 49 paral lel zu einer Bewegungsrichtung verläuft. Ein derartiger ovaler Flächenbereich findet vorzugsweise beim Schweißen Anwendung, wobei die Längsrichtung der Schweißnaht unge fähr parallel zur langen Achse 49 des ovalen Flächenbe reichs 48 verläuft.

Vorzugsweise sind dabei alle Flächenelemente 30 innerhalb des Flächenbereichs 48 mit gleicher Intensität bestrahlt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, innerhalb des ovalen Flächenbereichs noch einen Intensitätsgradient vorzusehen.

Ein dritte Variante, dargestellt in Fig. 6D, zeigt die Bestrahlung zweier längsovaler nebeneinander liegender Flächenbereiche 50 und 52, wobei innerhalb der Flächenbe reiche 50 und 52 alle Flächenelemente 30 mit der gleichen Intensität angestrahlt sind.

Eine derartige Ausleuchtung von zwei nebeneinander liegen den längsovalen Flächenbereichen kommt vorzugsweise bei der Bearbeitung spezieller geometrischer Strukturen zum Einsatz.

Neben lediglich lokaler Variation der Leistung innerhalb der Zielfläche 16 besteht außerdem die Möglichkeit, wie in Fig. 7 dargestellt, innerhalb der Zielfläche 16 einen Flächenbereich 54 vorzusehen, in welchem die auftreffende Intensität in allen Flächenelementen 30 zeitlich oszil liert, während in einem außerhalb des Flächenbereichs 54 liegenden Randbereich 56 die Intensität in den einzelnen Flächenelementen 30 nicht oszilliert.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei welchen die Faserendflächen 28 eins zu eins auf die Flächenelemente 30 der Zielfläche 16 abgebildet werden, ist zwischen der Endfläche 26 und der Zielfläche 16, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Abbildungsoptik 60 vorgesehen, welche im einfachsten Fall eine Linse darstellt.

In diesem Fall wird die Gesamtlaserstrahlung 14 gebildet, durch die Summe aller von allen Faserendflächen 28 aus gehenden Kugelwellen, die zusammen ein Strahlenbündel er geben, welches von der Abbildungsoptik wiederum auf die Zielfläche 16 fokussiert wird, so daß im einfachsten Fall eine eins zu eins Abbildung der Faserendflächen 28 auf die Flächenelemente 30 erfolgt.

Haben die Faserendflächen jedoch einen Abstand A, bei spielsweise im Bereich der Dicke einer der Fasern und somit eines Durchmessers einer Faserendfläche 28, so können auf der Zielfläche 16 dadurch aneinander angren zende Flächenelemente 30 erreicht werden, daß die Abbil dung nicht den Vorschriften einer exakten geometrischen Abbildung entspricht, sondern die Zielfläche außerhalb einer bei einer geometrischen Abbildung entstehenden Bild fläche, beispielsweise zwischen einer Brennebene und der Bildfläche, liegt. Dadurch wird allerdings die Flächen dichte der auftreffenden Leistung reduziert.

Ist die Abbildungsoptik 60 mit Abbildungsfehlern behaftet, so daß sie keine ebene Endfläche 26 in eine ebene Ziel fläche 16 abbildet, so ist bei einer weiteren vorteil haften Variante, dargestellt in Fig. 8, vorgesehen, daß die Endfläche 26′ nicht als ebene Fläche sondern als entsprechend den Abbildungsfehlern der Abbildungsoptik 60 gekrümmte Endfläche 26′ ausgeführt ist, so daß mit dieser Endfläche 26′ eine Kompensation der Abbildungsfehler der Abbildungsoptik 60 möglich ist und somit eine Abbildung aller Faserendflächen 28 auf eine Ebene als Zielfläche 16 erfolgt oder eine andere gewünschte Flächenform der Ziel fläche 16.

Jede der Halbleiterlasereinheiten 18 umfaßt im einfachsten Fall, wie in Fig. 9 dargestellt, eine Laserdiode 70 mit einer entsprechend dotierten laseraktiven Schicht 72, welche einen Laseroszillator 71, begrenzt durch Phasen gitter 81 und 82, und einen sich unmittelbar daran an schließenden Laserverstärker 73 umfaßt und sich in einer Längsrichtung 74 erstreckt, und in welcher sich in der Längsrichtung 74 ausbreitend eine Laserstrahlung 76 auf baut, die aus einem Ende 78 der laseraktiven Schicht 72 austritt, während sie in einen gegenüberliegenden Endbe reich 80 der laseraktiven Schicht beispielsweise durch das Phasengitter 82 reflektiert wird.

Die aus dem Ende 78 austretende Laserstrahlung 76 wird von einem Spiegel 83 reflektiert und in ein dem Spiegel 83 zugewandtes Ende 84 der der Halbleiterlasereinheit 18 zu geordneten Faser 20 eingekoppelt. Der Spiegel 83 ist dabei vorzugsweise als quer zur Längsrichtung 74 fokussierender Spiegel 83 ausgebildet, da die Laserstrahlung 76 quer zur Längsrichtung zum Ende 78 hin divergiert und auch in dieser Form aus dem Ende 78 auftritt.

Im einfachsten Fall ist, wie in Fig. 9 dargestellt, der Spiegel 83 integrales Element eines Substrats 88, welches die Laserdiode 70 trägt und in welches der Spiegel 83 mit der gewünschten Neigung gegenüber dem Ende 78 eingeformt ist.

Die Stromversorgung der Laserdiode 70 erfolgt dabei über zwei Zuleitungen 90 und 92, wobei die Zuleitung 92 mit dem Substrat 88 und die Zuleitung 90 mit einer auf der Laser diode 70 aufgebrachten Kontaktierung verbunden ist.

Über eine durch die Steuerung 32 vorgebbare Spannungs- und Stromcharakteristik an den Anschlüssen 90 und 92 ist die Leistung der Halbleiterdiode 70 steuerbar.

Bei einer weiteren, in Fig. 10 dargestellten Variante einer erfindungsgemäßen Halbleiterlasereinheit 18 ist die Laserdiode 70 gleich aufgebaut wie bei der in Fig. 9 dar gestellten Variante.

Sämtliche Elemente sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß auch hinsichtlich der Beschreibung der selben auf die Ausführungen zur vorherstehenden Variante verwiesen werden kann.

Lediglich der Spiegel 83 ist als ebener Spiegel ausgebil det und zur Kompensation der Divergenz der Laserstrahlung 76 ist eine Linse 94 vorgesehen, welche die Laserstrahlung 76 in das Ende 84 im wesentlichen verlustfrei einkoppelt. Vorzugsweise ist dabei die Linse 94 ebenfalls an dem Sub strat 88, das auch den Spiegel 83 trägt, gehalten.

Bei einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen Halb leiterlasereinheit, dargestellt in Fig. 11, ist die Laser diode 70 gleich ausgebildet, wie bei den beiden voran stehend beschriebenen Varianten und es sind ebenfalls die gleichen Bezugszeichen verwendet. Hinsichtlich der Be schreibung der einzelnen Elemente wird daher vollinhalt lich auf die vorstehenden Varianten Bezug genommen.

Im Gegensatz zu den voranstehenden Varianten schließt sich an das Ende 78 unmittelbar, und zwar in Längsrichtung 74, eine Indexlinse 100 an, welche die Divergenz der Laser strahlung 76 kompensiert und an ein in der Längsrichtung 74 auf die Indexlinse 100 folgendes Ende 102 der dieser Halbleiterlasereinheit 18 zugeordneten Faser 20 einkoppelt.

Erfindungsgemäß sind beim ersten Ausführungsbeispiel, dar gestellt in Fig. 1 sämtliche Halbleiterlasereinheiten 18 so aufgebaut, daß sie Laserstrahlung mit im wesentlichen derselben Wellenlänge liefern, die zur Gesamtlaserstrah lung 14 vereinigt wird.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 12 vorge sehen, daß zwei Gruppen von Halbleiterlasereinheiten 18A_{1
bis N} und 18B_{1 bis N} vorgesehen sind, wobei die Halb leiterlasereinheiten 18A_{1 bis N} auf einer Wellenlänge arbeiten und die Halbleiterlasereinheiten 18B_{1 bis N} auf einer zweiten, von der ersten verschiedenen Wellenlänge.

Von diesen Halbleiterlasereinheiten 18A führen dann Fasern 20A und von den Halbleiterlasern 18B Fasern 20B, die alle zum Faserbündel 22 vereinigt werden. In dem Faserbündel 22 sind die Fasern 20A und 20B so geführt, daß in der End fläche 26, wie in Fig. 13 dargestellt, neben einer Faser endfläche 28A, zugeordnet einem der Halbleiterlaserein heiten mit der ersten Wellenlänge, eine Faserendfläche 28B, zugeordnet einer der Halbleiterlasereinheiten mit der zweiten Wellenlänge, liegt usw., daß heißt, daß sich die Faserendflächen 28A und 28B für Laserstrahlung unter schiedlicher Wellenlänge miteinander abwechseln.

Je nach Wahl der Abbildung besteht nunmehr die Möglich keit, die Faserendflächen 28A und 28B so auf die Ziel fläche 16 abzubilden, daß in der Zielfläche ein Flächen element 30A neben einem Flächenelement 30B liegt, wie in Fig. 14 dargestellt, oder es besteht die Möglichkeit, die Abbildung so zu wählen, daß sich die Flächenelemente 30A′ und 30B′ miteinander überlappen und, wie in Fig. 15 darge stellt, einen gemeinsamen Flächenbereich auf der Ziel fläche 16 bilden, so daß in diesem, aus der Überlappung beider Flächenelemente 30A′ und 30B′ resultierend, ent weder eine Bestrahlung mit der einen oder der anderen oder der Mischung beider Wellenlängen möglich ist.

Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasersystems ist, dargestellt in Fig. 16 ist im Prinzip gleich aufgebaut, wie die beiden voranstehenden Ausführungsbeispiele, so daß für dieselben Teile dieselben Bezugszeichen Verwendung finden.

Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungs beispielen sind jedoch in dem Faserbündel 22 noch zusätz lich Detektorfasern 110 _{1 bis M} vorgesehen, welche, wie in Fig. 16 und 17 dargestellt, in der Endfläche 26 mit ihren Faserendflächen 112 _{1 bis M} in regelmäßiger Art und Weise zwischen den Faserendflächen 28 liegen, so daß eine Abbil dung der Faserendflächen 112 auf die Zielfläche in gleicher Weise wie die Abbildung der Faserendflächen 28 erfolgt.

Den Faserendflächen 112 _{1 bis M} gegenüberliegende Enden 114 _{1 bis M} der Detektorfasern 110 enden auf einer Detektor matrix 116, welche für jede einzelne Detektorfaser 110 _{1
bis M} die empfangene, und zwar die durch die Faserend fläche 112 empfangene, Strahlung einzeln detektiert.

Mit dieser Detektormatrix 116 ist somit ein Bild der Ziel fläche 16 erfaßbar, wobei durch ein entsprechendes Bild verarbeitungsgerät 118 ein Bild der Zielfläche auf einem Bildschirm 120 darstellbar ist.

Vorzugsweise ist eine derartige Zahl von Detektorfasern 110 _1-M in das Faserbündel 22 eingearbeitet, daß eine aus reichend genaue Darstellung eines Bildes der bestrahlten Zielfläche auf dem Bildschirm 120 möglich ist und somit eine genaue Beobachtung der bestrahlten Flächenbereiche 42 der Zielfläche 16.

Darüberhinaus liefert der Bildschirm die Möglichkeit, nicht nur die Lage der bestrahlten Flächenbereiche 42 zu erfassen, sondern deren relative Lage bezüglich der Oberfläche des Werkstücks, das heißt bezüglich einer durchzuführenden Schweißnaht, so daß damit die Möglichkeit besteht, wiederum der Steuerung 32 definiert die lokale Intensitätsverteilung innerhalb der Zielfläche noch genauer vorzugeben.

Beispielsweise besteht die Möglichkeit, durch Verschieben des bestrahlten Flächenbereichs 42 innerhalb der Ziel fläche 16 noch eine genaue Ausrichtung des Flächenbereichs 42 relativ zur Oberfläche des Werkstücks oder Objekts 19 beispielsweise zu einer Schweißnaht auf demselben vorzu nehmen.

Claims

1. Halbleiterlasersystem umfassen mehrere Halbleiterlasereinheiten, von denen jede ein Kopplungselement aufweist, welches die Laserstrahlung der jeweiligen Halbleiterlasereinheit in eine licht leitende Faser einkoppelt, und ein die Fasern um fassendes Faserbündel als Lichtleitersystem, welches ein Ende aufweist, aus dem eine durch die Summe der von den Halbleiterlasereinheiten erzeugten Laser strahlung gebildete Gesamtlaserstrahlung austritt, welche bei Lasertätigkeit aller Halbleiterlaser einheiten eine Zielfläche auf einem zu bestrahlenden Objekt ausleuchtet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (32) vorgesehen ist, mit welcher die Leistung jeder einzelnen Halbleiterlasereinheit (18) definiert steuerbar ist, und daß der Steuerung (32) eine Bestrahlung unterschiedlicher Flächenelemente (30) der Zielfläche (16) mit einzeln für jedes Flächenelement (30) definierbarer Intensität vorgeb bar ist.

2. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Steuerung (32) ein lokal variierendes Bestrahlungsprofil für die Zielfläche (16) vorgebbar ist.

3. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerung (32) ein zeitlich variierendes Bestrahlungsprofil der Zielfläche (16) vorgebbar ist.

4. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Endes (24) des Lichtleitersystems (12) Faserend flächen (28) der Fasern (20) aus denen die Laser strahlung der dazugehörigen Halbleiterlasereinheiten (18) austreten, in einer optisch auf die Zielfläche (16) abbildbaren Endfläche (26) des Lichtleitersystem (12) liegen.

5. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Zwischenraum (a) zwischen den Faserendflächen (28) kleiner ist als ein dreifaches der Faserdicke.

6. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Faserendflächen (28) in der Endfläche (26) nebeneinander liegen.

7. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Endfläche (26) an eine Form der Oberfläche des zu bestrahlenden Objekts (29) im Bereich der Zielfläche (16) angepaßt ist.

8. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser strahlung unterschiedlicher Halbleiterlasereinheiten (18) zumindest teilweise auf unterschiedliche Flächenelemente (30) der Zielfläche (16) trifft.

9. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser strahlung unterschiedlicher Halbleiterlasereinheiten (18) auf unterschiedliche Flächenelemente (30) der Zielfläche (16) trifft.

10. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung jeder Halbleiterlasereinheit (18) zum Teil auf der Zielfläche (16) mit der Laserstrahlung anderer Halb leiterlasereinheiten (18) überlagert ist.

11. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ende (24) des Lichtleitersystems (12) und der Ziel fläche (16) eine Abbildungsoptik (60) vorgesehen ist.

12. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form der Endfläche (26′) an optische Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik (60) angepaßt ist.

13. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halb leiterlasereinheit (18) einen einzigen laseraktiven Diodenstreifen umfaßt.

14. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbleiterlaser einheit (18) mehrere laseraktive Diodenstreifen um faßt.

15. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halb leiterlasereinheit (18) einen Laseroszillator (71) und einen Laserverstärker (73) umfaßt.

16. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Halb leiterlasereinheiten für dieselbe Wellenlänge ausge legt sind.

17. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Halbleiterlasereinheiten für unterschiedliche Wellen längen ausgebildet sind.

18. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterlasereinheiten eine Gruppe von Halbleiterlasereinheiten (18A, 18B) mit gleicher Wellenlänge umfassen.

19. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterlasereinheiten (18) mehrere Gruppen von Halbleiterlasereinheiten (18A, 18B) mit jeweils innerhalb derselben gleicher Wellen länge umfassen.

20. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserendflächen von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge ab strahlenden Fasern zu jeweils einer Abstrahlgruppe zusammengefaßt sind, und daß die Abstrahlgruppen in der Endfläche nebeneinander angeordnet sind.

21. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kopplungs element für die Ankopplung der Faser (20) an die Halbleiterlasereinheit (18) ein vom Substrat (88) der Halbleiterlasereinheit (18) getragenes Abbildungsele ment (83, 94) vorgesehen ist.

22. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 21, dadurch ge kennzeichnet, daß das Abbildungselement (83, 94) den in Richtung parallel zu Schichtebenen (72) der Halb leiterlasereinheit (18) sich aufweitenden Laserstrah lung (76) auf die Fasern (20) fokussiert.

23. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbün del (22) Detektorfasern (110) umfaßt.

24. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 23, dadurch ge kennzeichnet,daß ein Ende (112) der Detektorfasern (110) am Ende (24) des Lichtleitersystems (12) liegt.

25. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 24, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ende (112) in der Endfläche (26) neben den Faserendflächen (28) liegt.

26. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 24 oder 25, da durch gekennzeichnet, daß die Enden (112) der Detek torfasern (110) auf die Zielfläche (16) abgebildet sind.

27. Halbleiterlasersystem einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß an einem anderen Ende (114) der Detektorfasern (110) ein optischer Detektor (116) zur Beobachtung der Zielfläche (16) angeordnet ist.

28. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 25, dadurch ge kennzeichnet, daß der optische Detektor ein Matrix detektor zur Beobachtung der Zielfläche ist.