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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Diodenlaseranordnungssysteme.
Genauer betrifft die vorliegende Erfindung hoch effiziente Direktdiodenlasersysteme
einer hohen Leistung.
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Bei
zahlreichen Anwendungen, wie z.B. der Lasernachführung, der Laserführung und
der Laserbildgebung, ist es erstrebenswert, eine kohärente Laserausgabe
einer hohen Leistung zu erzeugen. Darüber hinaus finden kohärente Lasersysteme
einer hohen Leistung Anwendungen in solch unterschiedlichen Gebieten,
wie bei offensiven und defensiven Waffensystemen, wie z.B. nicht
sichtbare Lichtquellen für
spezielle Einsatzkräfte
und Schutzlasergitter, wie auch bei der Materialbearbeitung, z.B.
Schweißen,
Schneiden, Wärmebehandeln,
Wärme abführen, und
bei der Medizin, z.B. Operationshilfen und Diagnostikhilfen.
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Bei
den frühsten
Lasersystemen wurden einzelne Halbleiterlaser eingesetzt, um eine
kohärente Quelle
einer Laserausgabe bereitzustellen. Diese einzelnen Halbleiterlaser
waren im Leistungsumfang beschränkt,
welchen sie aufgrund ihrer strukturellen Einschränkungen und eingeschränkten Effizienz
bereitstellen konnten. Später
sind Anordnungen von Halbleiterlasern eingesetzt worden, bei welchen
benachbarte Emitter der Anordnung von Halbleiterlasern beabstandet
auf demselben Substrat zusammen gekoppelt sind. Ein solches Laseranordnungssystem
wurde in dem US-Patent Nr. 5,212,707, welches Heidel und anderen
zugewiesen ist, offenbart.
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1 stellt
eine eindimensionale Halbleiterlaseranordnung 10 gemäß dem US-Patent Nr. 5,212,707
dar, welche auf einer Wärmesenke 12 angebracht
ist. Die Halbleiterlaseranordnung 10 weist eine zugehörige Linsenanordnung 22, 24 auf,
um die Ausgabe der Laseranordnung zu kollimieren, welche benachbart
zu der Emissionsfacette der Halbleiterlaseranordnung 10 angeordnet
ist. Die Linsenanordnung 22, 24 ist an den Ohren 25 der
Wärmesenke 12 angebracht.
Die Emitter 20 der Anordnung 10 werden mit einer
Leistung von einer externen Leistungsquel le über Drähte 18, einen Abstandspad 16 und
eine Stromleitung 14 versorgt. Bei einem beispielhaften Fall
weist die Halbleiterlaseranordnung 10, welche in 1 dargestellt
ist, zehn individuelle Emitter 20 auf; und es kann eine
Anzahl von Emittern 20 verwendet werden, wie es durch die
Anforderungen der bestimmten Anwendung bestimmt wird.
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Wenn
die Halbleiterlaseranordnung 10 einmal hergestellt, montiert
und mit Leistung versorgt ist, muss die Ausgabe der Emitter 20 der
Halbleiterlaseranordnung kollimiert werden, um die erwünschte kollimierte
Ausgabe zu erhalten. Wie in 1 dargestellt
ist, weist die Linsenanordnung, welche derart entworfen ist, dass
sie die Ausgabe der Halbleiterlaseranordnung 10 kollimiert,
eine erste lichtbrechende Linse 22, welche typischerweise
eine bikonvexe Ausführung
aufweist, und ein zweites binäres
optisches Element 24 auf, welches im Wesentlichen eine
beugende Linse ist. Die lichtbrechende bikonvexe Linse 22 kollimiert
die schnelle Achse jedes Emitters, während das binäre optische
Element 24 dazu dient, die langsame Achse jedes Emitters 20 zu
kollimieren und alle sphärischen
Aberrationen einschließlich
solcher, welche durch die Kollimation eingeführt werden, die durch die lichtbrechende
Linse 22 durchgeführt
wird, zu korrigieren.
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Das
binäre
optische Element 24 umfasst ein Substrat, auf welchem ein
binäres
optisches Beugungsmuster 26 geätzt ist. Im Allgemeinen weisen die
Materialien der lichtbrechenden Linse 22 und des binären optischen
Elements 24 im Wesentlichen gleichwertige Brechungsindizes
auf, so dass eine minimale Brechung an der Schnittstelle zwischen
der lichtbrechenden Linse 22 und dem binären optischen Element 24 auftritt.
Das binäre
optische Element 24 weist eine hintere Oberfläche 27,
welche benachbart zu der vorderen Oberfläche 28 der lichtbrechenden Linse 24 angeordnet
ist, und eine vordere Oberfläche 28,
auf welcher das binäre
optische Beugungsmuster 26 geätzt ist, auf. Da das binäre optische
Beugungsmuster 26 gemäß der typischen
binären
optischen Technologie, wie sie dem Fachmann bekannt ist (siehe US-Patent
Nr. 4,846,552), erzeugt ist, wird auf eine weitere Diskussionen
dieser Technologie verzichtet.
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Das
binäre
optische Beugungsmuster 26 ist typischerweise eine Struktur
mit acht Phasenniveaus (obwohl auch eine Struktur mit zwei, vier
oder 16 Phasenniveaus eingesetzt werden könnte), welche optische Pfadunterschiede
korrigiert, die in dem divergenten Ausgangslicht eines Emitters
einer Halbleiterlaseranordnung inhärent vorhanden sind. Daher haben
sich alle Lichtstrahlen, welche das binäre optische Element 24 verlassen, über gleiche
optische Pfadlängen
bewegt, welche als eine physikalische Pfadlänge multipliziert mit dem Brechungsindex
des Materials, durch welches sich die Lichtstrahlen bewegt haben,
definiert ist, welche gleich dieser gleichen optischen Pfadlänge ist
oder sich von dieser um ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Lichtes,
welches emittiert wird, unterscheidet. Ein binäres optisches Beugungsmuster 26 mit
acht Niveaus ist schematisch in 1 dargestellt.
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Eine
zweidimensionale Halbleiterlaseranordnung kann aus einer Mehrzahl
der in 1 dargestellten eindimensionalen Halbleiterlaseranordnungen 10 hergestellt
werden. Die eindimensionalen Halbleiterlaseranordnungen 10 werden,
wie es in 2 dargestellt ist, in einer
Wärmesenke
gestapelt, welche als eine Halte- oder Klemmbefestigung 70 dient.
Die Klemmbefestigung 70 ist derart entworfen, dass die
eindimensionalen Halbleiterlaseranordnungen 10 aufeinander
gestapelt werden können,
so dass die Ausgänge
jeder eindimensionalen Halbleiterlaseranordnung im Wesentlichen
parallel zu den Ausgängen
der anderen Halbleiterlaseranordnungen liegen.
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Wenn
die eindimensionalen Halbleiterlaseranordnungen 10 einmal
in der Klemmbefestigung 70 angebracht sind, werden die
Kollimationslinsen ausgerichtet und angebracht. Die Herstellung
der Kollimationslinsen wird in einer Weise durchgeführt, welche
identisch zu derjenigen ist, die vorab diskutiert wurde, so dass
die lichtbrechende Linse 22 an das binäre optische Elemente 24 zementiert
wird, welches derart entworfen worden ist, dass es die Laserausgabe
jedes Emitters 20 kollimiert. Das Ausrichten und Anbringen
der Kollimationslinsen wird in einer sequenziellen Weise für eine optimale
Effizienz bewerkstelligt. Die Kollimationslinsen 80a, welche
der ersten eindimensionalen Halbleiterlaseranordnung 10a zugeordnet
sind, werden angeordnet, wie es vorab beschrieben ist, so dass die
optischen Achsen jedes Emitters 20 der Halbleiterlaseranordnung 10 im
Wesentlichen mit der Mitte der Kollimationslinsenanordnung 80a ausgerichtet
sind.
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Die
zweite Kollimationslinsenanordnung 80b wird dann vor eine
zweite eindimensionale Halbleiterlaseranordnung 10b angeordnet
und wird mittels einer Vakuumeinspannvorrichtung 76, welche
durch eine Vakuumleitung mit einer Vakuumquelle verbunden ist, in
Position gehalten, wie es in 3 dargestellt
ist. Der zweidimensionalen Halbleiterlaseranordnung 10 wird
dann Spannung zugeführt,
so dass die Emitter 20 eine Lichtausgabe erzeugen. Eine Transformationslinse 72 wird
in dem Pfad des Lichtes angeordnet, welches von der ersten und der
zweiten eindimensionalen Halbleiterlaseranordnung ausgesendet wird.
Die Transformationslinse 72 kann eine plankonvexe oder
eine bikonvexe Linse sein, wie es in 3 dargestellt
ist, so dass ein simuliertes Nahfeld bei der Brennebene der Transformationslinse 72 auftritt,
wenn das bei der Transformationslinse 72 ankommende Licht
kollimiert wird. Um das simulierte Nahfeld zu bestimmen, wird, wenn
sich alle Lichtstrahlen bei der Brennebene der Transformationslinse 72 überlappen,
ein Reihenabtastdetektor 74 bei der Brennebene positioniert.
Die Ausgabe des Reihenabtastdetektors wird überwacht, um zu bestimmen,
wenn eine geeignete Kollimation erzielt worden ist. Die Stellung
der zweiten Kollimationslinsenanordnung 80b wird verändert, bis
eine geeignete Kollimation bei der Brennebene der Transformationslinse
beobachtet wird. Wenn einmal eine geeignete Kollimation beobachtet
wird, wird die Stellung der zweiten Kollimationslinsenanordnung 80b gehalten,
indem die Linsenanordnung mit den Ohren 25 der Klemmbefestigung 70 in
Position befestigt wird. Eine identische Ausrichtungsprozedur wird
für jede
Lin senanordnung und ihre entsprechende eindimensionale Halbleiterlaseranordnung 10 durchgeführt, bis
die Linsenanordnung für
jede Halbleiterlaseranordnung 10 geeignet ausgerichtet
worden ist, so dass das Licht kollimiert und bei dem simulierten
Nahfeld fokussiert wird.
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Wenn
der zweidimensionalen Laseranordnung geeignet Spannung zugeführt wird,
erzeugt sie einen einzigen kollimierten Punkt einer Laserausgabe
in dem Nahfeld. Indem eine Mehrzahl von eindimensionalen Halbleiterlaseranordnungen 10 eingesetzt
wird, deren Ausgaben kombiniert werden können, kann die Ausgangsleistung
der zweidimensionalen Halbleiterlaseranordnung recht hoch sein.
Zum Beispiel 25 Watt einer Energie einer Welle eines Lasers wurde
durch eine zweidimensionale Halbleiterlaseranordnung erzeugt, welche
aus zwölf
eindimensionalen Halbleiterlaseranordnungen bestanden, wobei jede
der eindimensionalen Halbleiterlaseranordnungen einundzwanzig Emitter
aufwies. Darüber
hinaus betrug die Gesamteffizienz der Laseranordnung von einer elektrischen
Eingangsleistung zu einer Leistung in der zentralen Keule ungefähr 26%.
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Das
US-Patent Nr. 5,299,222 offenbart einen alternativen Ansatz, um
ein Laserdiodensystem mit einer hohen Leistung zu erzeugen, welches
eine Laserausgabe von einem Stapel von Diodenlaserbarren in einer
Form sammelt und konzentriert, welche zum Laserpumpen, z.B. bei
einem Festkörperlaser, nützlich und
flexibel ist. Wie schematisch in 4 dargestellt
ist, wird die Lichtstrahlausgabe der gestapelten Diodenlaserbarren
in eine Mehrzahl von optischen Fasern gekoppelt. Die von den Fasern
ausgegebenen Lichtstrahlen können
eingesetzt werden, um bei einem Resonator eines Lasers zu pumpen. Die
Fasern können
bei verschiedenen Endpunkten eines Hohlraums eines Festkörperlasers
gruppiert werden, um ein effizientes Endpumpen durchzuführen. In 4 wird
ein Lichtstrahl 11 durch eine Mehrzahl von Diodenlaserbarren
in einem Diodenlaserstabstapel 13 emittiert, und Licht
von einer ausgewählten
Gruppe der Barren wird durch eine aus einer Mehrzahl von zylindrische
Linsen 15 gesammelt, welche benachbart, zu aber beabstandet
von jedem Diodenbarren in dem Stapel 13 angeordnet ist.
Jeder Diodenlaserbarren kann ein Seitenverhältnis (Länge zu Breite) von bis zu 10.000
: 1 oder sogar höher
aufweisen, und die zylindrischen Linsen 15 werden dazwischen
geschoben, um den Abweichungswinkel des Strahles in einer ersten
Richtung relativ zu dem Abweichungswinkel des Strahles in einer
zweiten dazu senkrechten Richtung zu verringern, so dass der sich
ergebende Abweichungswinkel des Strahles bei jeder der zwei Richtungen
ungefähr
derselbe ist.
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Zwei
oder mehr Drehspiegel 17A, 17B, 17C und 17D trennen
wechselseitig ausgewählte
Abschnitte des Lichtstrahls 11 in nicht überlappende Lichtstrahlkomponenten 19A, 19B, 19C bzw. 19D, und
mindestens eine Pumpenlichtstrahlkomponente, wie z.B. 19E,
ist optional durch einen Abschnitt des Lichtstrahls 11 definiert,
welcher auf keinen Drehspiegel trifft. Jede Lichtstrahlkomponente 19A, 19B, 19C, 19D bzw. 19E wird
dann durch eine geeignete fokussierende Optik 21A, 21B, 21C,
bzw. 21E in eine entsprechende optische Mehrmodenfaser 23A, 23B, 23C, 23D bzw. 23E fokussiert,
wobei die Durchmesser der Fasern derart gewählt sind, dass der optische Strahl,
welcher für
diejenige Faser vorgesehen ist, vollständig erfasst wird. Vorzugsweise
ist der Sinus des Konvergenzwinkels, wenn ein Lichtstrahl bei einem
Licht aufnehmenden Ende einer Faser ankommt, kleiner als die numerische
Apertur NA dieser Faser. Bei einer Ausführungsform weist jede optische Faser
einen Durchmesser von ungefähr
500 μm auf, aber
dieser Faserdurchmesser kann bis zu einigen mm groß sein.
Jede fokussierende Optik 21j (j = A, B, C, D oder E) kann
eine Linse mit einer kurzen Brennweite, wie z.B. f = 6,35 mm, sein
und ist ausgelegt, damit der sich ergebende Strahl zu einem Eingangsdurchmesser
konvergiert, welcher an dem Eingang der entsprechenden Faser 23j gemessen
wird und ungefähr
25 Prozent des Durchmessers des Abschnitts des Pumpenlichtstrahls 11 ist,
welcher an der fokussierenden Optik 21j ankommt.
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Die
numerische Apertur NA der Mehrmodenfaser 23j liegt in dem
Bereich von 0,15–0,3,
kann aber auch bis zu 0,6 betragen. Jede optische Faser 23j gibt
den Komponentenpumpenlichtstrahl, welcher darin übertragen wird, an einer ausgewählten Position
und mit einer ausgewählten
Winkelausrichtung relativ zu dem Laserhohlraum ab, bei welchem durch
diese Sammlung von Komponentenpumpenlichtstrahlen zu pumpen ist.
Jede optische Faser 23j ist mit einer Antireflexionsbeschichtung
bezüglich
der Diodenlaserwellenlänge
P versehen, und die Beschichtung wird entweder direkt auf das Faserende oder
auf ein separates Glasfenster aufgetragen, welches an das Licht
aufnehmenden Ende dieser Faser geklebt ist. Das Kernmaterial der
Faser 23j kann Glas sein und das Verkleidungsmaterial der
Faser kann Glas oder Kunststoff mit einem kleineren Brechungsindex
als dem Brechungsindex des Kerns sein, was die numerische Apertur
der Faser nach einer nach dem Stand der Technik bekannten Weise
bestimmt.
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Es
ist klar, dass eine Erweiterung des kurz vorher diskutierten Systems
sowohl einen großen Umfang
an Platz als auch komplexe optische Anordnungen erfordert, um die
Ausgaben einer Mehrzahl der offenbarten Ausgangsmodule zu einem
einzigen Punkt zu koppeln. Zum Beispiel legt das Vorhandensein der
Linse 72 in 3 die Anforderung nach einer
fokussierenden Linse, welche jedem Modul zugeordnet wird, nahe. 4 legt
nahe, dass eine Mehrzahl von Linsen 21 erforderlich ist,
um den Ausgang einer einzigen Diodenlaseranordnung effizient zu
koppeln. Es wäre
erstrebenswert, dass eine Mehrzahl von Halbleiterlaseranordnungen
einen einzigen Punkt einer Laserausgabe einer hohen Intensität erzeugt,
wobei ein einfaches und robustes optisches Hilfssystem verwendet
wird. Darüber
hinaus wäre
es erstrebenswert, wenn eine Mehrzahl von Halbleiterlaseranordnungen
gleichmäßig angebracht
würde und
wenn die Ausgaben davon in solch einer Weise kollimiert werden würden, dass
sie die verfügbare Apertur
ausfüllen,
um dadurch eine im Wesentlichen konstante Intensität über dem
von der Laserausgabe erzeugten einzigen Punkt bereitzustellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Aus
dem vorab stehenden ist klar geworden, dass es nach dem Stand der
Technik eine Anforderung für
ein Diodenlasersystem gibt, welches die vorab beschriebenen Mängel überwindet.
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Eine
Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, ein Direktdiodenlasersystem bereitzustellen, welches
ein hohes Beeinflussungsniveau bei einem Werkstück erzeugt.
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Die
Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
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Eine
andere Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, ein Direktdiodenlasersystem bereitzustellen, welches
einen Hochleistungslaserstrahl erzeugt. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung kann der Hochleistungslaserstrahl auf einem einzigen Punkt
für eine
Wechselwirkung mit einem Werkstück
fokussiert werden. Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Hochleistungslaserstrahl
in ein Ende eines Festkörperlasers
geleitet werden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Direktdiodenlasersystem
bereitzustellen, welches ein hohes Beeinflussungsniveau bei einem
Werkstück
erzeugt, indem kollimierte Laserstrahlen vielfacher Frequenz dichroitisch
gekoppelt werden. Vorteilhafter Weise können alle der kollimierten
Laserstrahlen erzeugt werden, indem Laserdiodenanordnungen verwendet
werden.
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Eine
noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Direktdiodenlasersystem
bereitzustellen, welches ein hohes Beeinflussungsniveau bei einem
Werkstück
erzeugt, wobei kollimierte Laserstrahlen vielfacher Frequenzen sowohl
dichroitisch als auch polarisationsmäßig gekoppelt werden. Vorteilhafter
Weise können alle
der kollimierten Laserstrahlen erzeugt werden, indem Laserdiodenanordnungen
verwendet werden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Direktdiodenlasersystem
bereitzustellen, welches ein hohes Beeinflussungsniveau bei einem
Werkstück
erzeugt, indem gleichzeitig tausende von kollimierten Laserdiodenausgaben über eine
einzige Linse in eine einzige Faser gekoppelt werden.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Direktdiodenlasersystem
bereitzustellen, welches eine linear skalierbare Ausgangsleistung
eines Hochleistungsniveaus erzeugt.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch ein Direktdiodenlasersystem bereitgestellt, welches
umfasst N Laserkopfanordnungen (LHAs), welche N Ausgangsstrahlen
erzeugen, N optische Fasern, welche entsprechende der N Ausgangsstrahlen
aufnehmen und N aufgenommene Ausgangsstrahlen erzeugen, und ein
Lichtkopf, welcher die N aufgenommenen Ausgangsstrahlen wieder kollimiert
und auf einen einzigen Punkt fokussiert. Gemäß einem Aspekt der Erfindung
umfasst jede Laserkopfanordnung des Direktdiodenlasersystems M Module,
welche M Laserstrahlen erzeugen, wobei jeder der M Laserstrahlen
eine entsprechende einzige Wellenlänge des Lichts aufweist, M – 1 dichroitische
Filter, wobei jedes der M – 1
dichroitischen Filter eine entsprechende Wellenlänge der M Laserstrahlen durchlässt und
alle anderen Wellenlängen
der M Laserstrahlen reflektiert, und eine Faserkopplungsvorrichtung,
welche die M Laserstrahlen sammelt, um einen entsprechenden der
N Ausgangsstrahlen zu erzeugen.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch ein Direktdiodenlasersystem bereitgestellt, welches
N Laserkopfanordnungen (LHAs) umfasst, welche N Ausgangsstrahlen
erzeugen, wobei jede der N Laserkopfanordnungen aufweist M erste
Module, welche M erste Laserstrahlen erzeugen, wobei jeder der M ersten
Laserstrahlen eine entsprechende einzige Wellenlänge von Licht aufweist, M – 1 erste
dichroitische Filter, welche einen ersten optischen Wellenleiter
definieren, um alle der M ersten Laserstrahlen in einen ersten optischen
Pfad zu leiten, wobei jedes der M – 1 ersten dichroitischen Filter
einen entsprechenden der M ersten Laserstrahlen mit einer entsprechenden
Wellenlänge
durchlässt
und alle anderen Wellenlängen
der M ersten Laserstrahlen reflektiert, eine Faserkopplungsvorrichtung,
welche benachbart zu dem ersten optischen Pfad angeordnet ist, um
die M ersten Laserstrahlen aufzusammeln, um einen entsprechenden
der N Ausgangsstrahlen zu erzeugen, N optische Fasern, welche entsprechende
N Ausgangsstrahlen aufnehmen und N aufgenommene Ausgangsstrahlen
erzeugen, und einen Lichtkopf, welcher die N aufgenommenen Ausgangsstrahlen
wieder kollimiert und auf einen einzigen Punkt fokussiert.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung
werden durch ein Verfahren bereitgestellt, um einen Hochenergielaserstrahl
zu erzeugen, welches die Schritte aufweist:
- (a)
Erzeugen von P kollimierten Laserstrahlen mit einer M-ten Wellenlänge;
- (b) Wiederholen des Schrittes (a) M-mal, um so M × P kollimierte
Laserstrahlen mit M unterschiedlichen Wellenlängen zu erzeugen;
- (c) Koppeln der M × P
kollimierten Laserstrahlen in einen optischen Pfad;
- (d) Koppeln der M × P
kollimierten Laserstrahlen in eine i-te optische Faser, um dadurch
einen entsprechenden i-ten Ausgangslaserstrahl zu erzeugen, wobei
i von 1 bis N läuft;
- (e) Wiederholen der Schritte (a) bis (d) N-mal, um dadurch N
Ausgangslaserstrahlen zu erzeugen;
- (f) Wieder Kollimieren der N Ausgangsstrahlen, um N wieder kollimierte
Laserstrahlen zu erzeugen; und (g) Fokussieren der N wieder kollimierten
Laserstrahlen auf einen einzigen Punkt.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmal und Vorteile der Erfindung werden in
der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen offenbart oder
werden daraus ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und verschiedene andere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung
werden mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang
mit den beigefügten
Zeichnungen leichter verstanden, wobei gilt:
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1 ist
eine Perspektivdarstellung einer eindimensionalen Halbleiterlaseranordnung,
einer Brechungslinse und eines binären optischen Elements;
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2 ist
eine zweidimensionale Halbleiterlaseranordnung und ihre zugehörige Kollimationsoptik, welche
in einer Klemmbefestigung gehalten wird;
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3 ist
eine Seitenansicht einer Transformationslinse in einer Struktur
einer zweidimensionalen Halbleiterlaseranordnung, wobei die geeignete Kollimation
von Laserdiodenausgaben durch eine Kollimationslinsenanordnung dargestellt
ist;
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4 ist
eine schematische Darstellung eines optischen Systems, welches eingesetzt
wird, um die Ausgaben eines 1 cm langen Diodenlaserstapels in fünf separate
Fasern zu koppeln;
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5 ist
ein Blockdiagramm auf einem hohen Niveau eines erfindungsgemäßen Direktdiodenlasersystems
mit einer hohen Effizienz und einer hohen Leistung;
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6 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm von ausgewählten Komponenten des in 5 dargestellten
Direktdiodenlasersystems mit hoher Effizienz und hoher Leistung;
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7 ist
eine detaillierte schematische Darstellung der optischen Grundplatte
einer der Anordnungen, welche in 6 dargestellt
sind, wobei die Darstellung zweckmäßig ist, um eine Facette einer Skalierung
der Systemleistung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verstehen.
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8 ist
eine Seitenansicht eines Moduls der Diodenlaseranordnung, welches
bei einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform eingesetzt werden
kann; und
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9 ist
eine Darstellung einer beispielhaften Konfiguration der Lichtkopfanordnung
der 5.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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5 ist
ein Blockdiagramm auf einem hohen Niveau des Direktdiodenlasersystems
(DLS) 1 mit hoher Effizienz und hoher Leistung gemäß alternativen
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen.
Wie in 5 dargestellt ist, umfasst das DLS 1 eine
Spannungsquelle 100, welche sowohl einer Steuerung 200 als
auch N Steuerungen einer Laserkopfanordnung (LHA), welche im Allgemeinen
mit 300 bezeichnet werden, mit Leistung versorgen. Die
N Laserkopfanordnungen (LHAs), welche im Allgemeinen mit 400 bezeichnet
sind, empfangen die Ausgangsleistung der entsprechenden LHA-Steuerungen 300 und
stellen über
N optische Fasern einem Lichtkopf 500 N optische Ausgangslaserstrahlen
bereit. Es sollte angemerkt werden, dass der Lichtkopf 500 vorteilhafter
Weise um einen Laserkopf 510 (siehe 9) und somit
um die alternative Bezeichnung in 5 verstärkt sein
kann.
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Vorzugsweise
kann die Anzahl N der LHA-Steuerungen 300 und der LHAs 400 derart
verändert
werden, wie es erforderlich ist, um eine erwünschte Ausgangsleistung des
DLS 1 bereitzustellen. In einem beispielhaften Fall sind
4 LHA-Steuerungen 300A, 300B, 300C und 300N,
welche den 4 LHAs 400A, 400B, 400C bzw. 400N eine
elektrische Leistung zur Verfügung
stellen, in dem DLS 1 vorhanden. Das Blockdiagramm der 5 stellt
ein DLS 1 dar, in welchem die optischen Ausgangslaserstrahlen der
4 LHAs 400, welche jeweils eine Leistung von 800 Watt erzeugen,
kombiniert sind, um eine CW-Leistung von über 3200 Watt an eine einzige
fokussierende Linse zu liefern. Wie im größeren Umfang mit Bezug auf 9 im
Folgenden diskutiert wird, kann die Ausgabe jeder entsprechenden
LHA 400 vorteilhafter Weise mit einer Faser gekoppelt werden
und an dem distalen Ende jeder Faser (ein Durchmesser von ungefähr 1 mm)
können
sie wieder kollimiert werden. Die 4 kollimierten Laserquellen, d.h.
die 4 optischen Ausgangsstrahlen, werden vorzugsweise durch eine
einzige Linse gesammelt, welche die 3200 Watt Gesamtleistung auf
einen einzigen Punkt fokussiert. Es ist klar, dass diese letztgenannte Technik
im Allgemeinen bei industriellen Lasersystemen eingesetzt wird,
um eine Beeinflussung auf dem Werkstück zu erhöhen.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform des
DLS 1 der 5 stellt die Spannungsversorgung der
Steuerung 200 und den LHA-Steuerungen 300 eine
Gleichspannung zur Verfügung.
Vorzugsweise agiert die Steuerung 200 bezüglich der
N LHA-Steuerungen 300, welche als Nebensteuerungen fungieren,
als eine Hauptsteuerung. Es sollte angemerkt werden, dass jede der
N LHA-Steuerungen 300 den optischen Ausgangsstrahl der
entsprechenden LHA 400 steuert und verändert, wie es mit mehr Details
im Folgenden diskutiert werden wird.
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6 ist
ein Blockdiagramm auf einem Zwischenniveau, welches zusätzliche
Details von in 5 dargestellten Komponenten
der LHA 400 und des Lichtkopfs 500 darstellt.
Vorteilhafter Weise umfasst jede der N LHAs 400 M Diodenlasermodule 410,
wobei die Ausgangsstrahlen von M/2 Modulen mit den Ausgangsstrahlen
der anderen M/2 Modulen 410 kombiniert werden, wobei eine
Polarisationskombinationsvorrichtung 450 eingesetzt wird.
Der kombinierte Ausgangsstrahl von jeder der N Polarisationskombinationsvorrichtungen 450 wird dem
Lichtkopf 500 über
eine Faserkopplungsoptik 460 und eine entsprechende optische
Faser 470 bereitgestellt.
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Nun
wird mit Bezug auf 7 eine detaillierte Beschreibung
einer beispielhaften Ausführungsform
der LHA 400 präsentiert.
Vorzugsweise befinden sich M Diodenlasermodule 410 in Gruppen
von M/2 Modulen 410 auf einer Trägerplatte oder einer optischen
Grundplatte 430, wobei die linken und rechten Gruppen der
Module 410 auf gegenüberliegenden
Seiten einer Polarisationskombinationsvorrichtung (einem Polarisationsfilter) 450 angeordnet sind.
Die Ausgangsstrahlen des linken Satzes von M/2 Modulen 410 werden
kombiniert, wobei (M/2) – 1 dichroitische
Filter 420 eingesetzt werden, und werden zu der reflektierenden
Oberfläche
des Polarisationsfilters 450 geleitet. Die Ausgangsstrahlen
des rechten Satzes der M/2 Module 410 werden kombiniert,
wobei zusätzliche
(M/2) – 1
dichroitische Filter 420 eingesetzt werden, und zu der
durchlassenden Oberfläche
des Polarisationsfilters 450 über eine Wellenplatte 440 geleitet.
Das Polarisationsfilter 450 kombiniert die rechten und
die linken Sätze
der M/2 Laserstrahlen, welche durch die linken und die rechten M/2
Modulsätze
in einer Weise erzeugt werden, die dem Fachmann gut bekannt ist.
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Die
Ausgangsstrahlen des Polarisationsfilters 450 werden über eine
Faserkopplungsoptik 460 zu der optischen Faser 470 übertragen.
Vorteilhafter Weise kann die Faserkopplungsoptik einen Relaisspiegel 462,
eine Transformationslinse 464 und eine Faserkopplungsvorrichtung 466 umfassen,
welche in dieser Reihenfolge entlang des optischen Pfades der LHA 400 angeordnet
sind. Vorzugsweise sorgen das Polarisationsfilter 450 und
der Relaisspiegel 463 für
eine 2-achsige Einstellung während
die Transformationslinse 464 für eine 5-achsige Einstellung
sorgt.
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Bei
dem in 7 dargestellten beispielhaften Fall erzeugt die
Wellenplatte 440 eine Polarisationsdrehung der Ausgangsstrahlen
der rechten Gruppe der M/2 Module.
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Vorteilhafter
Weise erzeugt jeder der linken und rechten Sätze der Module 410 Ausgangsstrahlen,
wobei jeder eine unterschiedliche einzige Wellenlänge aufweist,
wobei die Trennung der Wellenlängen
zwischen den Ausgangsstrahlen nur von der Qualität der dichroitischen Filter,
welche bei dem DLS 1 eingesetzt werden, abhängt. (M/2) – 1 der
Module 410 sind hinter einem entsprechenden optischen Bandpassfilter 420 angeordnet,
welches nur den Ausgangsstrahl von demjenigen Modul überträgt und alle
anderen Wellenlängen
des Lichts reflektiert. Da das Modul mechanisch von dem zugeordneten
dichroitischen Filter 420 unabhängig ist, können die dichroitischen Filter 420 getrennt
von den Modulen 410 ausgerichtet werden. Nachdem alle Module 410 in der
Wellenlänge
kombiniert sind, wird dann das Breitbandpolarisationsfilter 450 eingesetzt,
um die Ausgangsstrahlen von gegenüberliegenden Gruppen der M/2
Module 410 in einen einzigen Strahl einer hohen Leuchtkraft
zu kombinieren.
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Wie
direkt vorab diskutiert wurde und wie in 7 dargestellt
ist, werden zwölf
kollimierte Diodenlasermodule 410 mit jeweils 100 Watt,
jeweils sechs in der linken und sechs in der rechten Gruppe, kombiniert,
um in eine einzige optische Faser eingekoppelt zu werden. Es sollte
angemerkt werden, dass jedes Modul 410 in einer der linken
und rechten Gruppen von Modulen 410 ein Laserlicht bei
einer einzigen ausgewählten
Wellenlänge
erzeugt. Vorzugsweise entspricht die ausgewählte Wellenlänge der
Bandpasswellenlänge
eines der dichroitischen Filter 420. Die ausgewählte Wellenlänge liegt
vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 450 nm bis 2,5 μm und die
ausgewählten
Wellenlängen
fallen vorzugsweise alle in den Bereich von 760–1050 nm, wobei der Bereich
von 800–980
nm am besten für den
beispielhaften in 7 dargestellten Fall geeignet
ist. Es sollte auch angemerkt werden, dass der minimale Wellenlängenunterschied
für irgendwelche von zwei
der Module 410 bei ungefähr 10 nm liegt, was dem minimalen
Bandpass der dichroitischen Filter 420 entspricht, welche
nach heutiger Technologie verfügbar
sind. Daher liegt die Anzahl M von Modulen 410 in jeder
LHA 400 bei 20 für
jede Bandbreite von 100 nm in der Ausgabe des Lichtkopfes 500,
wenn sowohl dichroitische Filter 420 als auch ein Polarisationsfilter 450 eingesetzt
werden, und bei 10 für
jede Bandbreite von 100 nm, wenn nur dichroitische Filter 420 eingesetzt
werden. Die Anzahl M der Module kann jedoch erhöht werden, wenn der Bandpass
von jedem der dichroitischen Filter 420 verkleinert wird. Es
sollte angemerkt werden, dass die dichroitischen Filter 420 vorteilhafter
Weise Tiefpass-, Hochpass- er Bandpassfilter
sein können.
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Es
ist klar, dass die Wellenlängen,
welche durch die Module 410 erzeugt werden, vorteilhafter Weise
derart ausgewählt
werden können,
dass sie einen Einsatz des DLS 1 erleichtern. Zum Beispiel kann
ein einziges der Module 410 eine Wellenlänge in dem
sichtbaren Bereich des Spektrums erzeugen, um so einen Führungsstrahl
für Sicherheitsgesichtspunkte
bereitzustellen.
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Jedes
der Module 410 kann vorteilhafter Weise derart konstruiert
werden, wie es in 8 dargestellt ist, wobei eine
Mehrzahl von Laserdiodenanordnungen 414 durch eine Wärmesenke 412 in
einem Gehäuse 418 gehalten
werden. Vorzugsweise werden 3 oder mehr gekippte Korrekturspiegel 416 verwendet,
um die Ausgaben der Laserdiodenanordnungen 414 in einen
hoch kollimierten Ausgangsstrahl zu kombinieren. Vorzugsweise umfasst
jedes Modul 410 P Laserdioden. Es ist klar, dass die einzige
wesentliche Grenze bezüglich
der Anzahl P die Anzahl der Laserdioden ist, welche effektiv gekühlt werden
kann.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die Module 410, während sie
denjenigen in dem US-Patent Nr. 5,212,707 in einigen Aspekten ähnlich sind,
bei einer Anzahl von anderen Aspekten wesentlich unterschiedlich
dazu sind. Die Module, welche in dem US-Patent Nr. 5,212,707 beschrieben
werden, wurden tatsächlich
als ein Teil eines Faser gekoppelten Systems von 100 Watt hergestellt
und getestet, welches durch den Anmelder 1993 verkauft wurde. Während diese
Module hoch kollimierte Laserdiodenanordnungen erzeugten, gab es
mehrere neue Entwicklungen in der Technologie, welche ermöglichten, dass
die Module 410 gegenüber
denjenigen, welche in dem US-Patent Nr. 5,212,707 offenbart sind,
verbessert werden. Zum Beispiel waren die Basisemitter, welche bei
dem Patent eingesetzt wurden, indexgeführte Vorrichtungen, d.h. Rippenlaser
(„Rib
Lasers"). Im Gegensatz
dazu können
die erfindungsgemäßen Module 410 vorteilhafter
Weise gewinngeführte
Strukturen, insbesondere durch ein Oxid 20 μm breite definierte Streifen,
sein. Während
die Laserdiodenanordnung 414 nicht dieselbe Abweichung wie
die in dem US-Patent
Nr. 5,212,707 beschriebenen indexgeführten Strukturen erzeugt, erzeugen
sie wesentlich höhere
Ausgangsleistungsniveaus. Darüber
hinaus umfassen die zusätzlichen
Verbesserungen, welche entwickelt wurden, seitdem das '707-Patent erstellt
wurde:
- (a) Den Einsatz von indexgeführten Vorrichtungen mit
einer hohen Leistung, wie z.B. solchen, welche in einem Modell Nr.
SDL 5410 von Spectra Labs, Inc. gefunden werden;
- (b) Den Einsatz einer sich verjüngenden Oszillatorausführung, was
im Allgemeinen ein durch Oxid definierter Streifen aber mit einer
divergierenden Wellenfront ist; und
- (c) Eine verbesserte binäre
Optik, wobei es nicht länger
notwendig ist, ein Brechungselement einzusetzen, um die Leistung
zu verteilen und das Licht von den Emittern zu kollimieren. Es ist
klar, dass diese letzte Verbesserung allein die effektive Beeinflussung,
welche durch jede der Laserdiodenanordnungen 414 erzeugt
wird, erhöht.
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All
diese Verbesserungen gemeinsam zu implementieren, kann die Leuchtstärke des
Moduls 410 dramatisch gegenüber der ursprünglichen
Ausführung,
welche in den Modulen verwendet wird, die in dem US-Patent Nr. 5,212,707
beschrieben sind, erhöhen.
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Es
sollte angemerkt werden, dass das Modul 410, welches in 8 dargestellt
ist, Richtspiegel 416 in der Basismodulstruktur umfasst.
Diese Richtspiegel werden eingesetzt, um den Ausgangsstrahl, welcher
das Modul 410 verlässt,
durch den in 7 dargestellten optischen Pfad
und in die optische Faser 470 zu leiten. Vorteilhafter
Weise sorgen die Richtspiegel 416 für die Feineinstellungen, welche erforderlich
sind, um eine hohe Kopplungseffizienz mit der optischen Faser 470 zu
erzielen. Es sollte auch angemerkt werden, dass die ersten handelsüblichen
Systeme gemäß dem US-Patent
Nr. 5,212,707 eine Ausgangsleistung von 100 W durch eine Polarisationskopplung
von zwei der in 2 und 3 dargestellten
Laserdiodenanordnungen bereitstellen. Dieser Ansatz einer Kopplung
innerhalb des Moduls wurde zu Gunsten der in 8 dargestellten
Modulkonfiguration verworfen, welche die Gesamtgröße des Moduls 410 vorteilhafter
Weise verringert, während
die Beeinflussung bei dem Werkstück
erhöht wird.
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Eine
andere Verbesserung bezüglich
der Basisausführung
der Module 410 ist der Einsatz von stapelbaren Mikrokanalkühlvorrichtungen,
um die Packungsdichte der Laserdioden zu erhöhen und folglich die Gesamtgröße des Systems
zu verringern. Vorteilhafter Weise können Kühlsysteme, wie diejenigen,
welche in dem US-Patent
Nr. 5,495,490 offenbart sind, eingesetzt werden.
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Mit
Bezug auf 9 umfasst eine bevorzugte Ausführungsform
des Lichtkopfs 500 N Kollimationslinsen 504, welche
die Ausgangsstrahlen von optischen Fasern 470 über N Faserausgänge 502 empfangen
und welche zusammen mit einer Transformationslinse 506 die
N Ausgangsstrahlen auf einen einzigen Punkt fokussieren. Es ist
klar, dass die Ausgabe von M × N × P Laserdioden
durch den Lichtkopf 500 auf einen einzigen Punkt fokussiert
werden. Es ist klar, dass alternativ die Ausgabe der LHAs 400 derart
kombiniert werden können,
dass ein Endpumpen bei einem Festkörperlaserstab 510 durchgeführt wird,
wobei eine identische oder eine ähnliche
Struktur, wie die in 9 dargestellte, verwendet wird.
Es sollte angemerkt werden, dass die Anzahl der Kollimationslinsen
in dem Lichtkopf 500 N, die Anzahl der LHAs 400,
ist. Es sollte auch angemerkt werden, dass der Laserstab 510 vorteilhafter
Weise durch entweder eine Seltenerde dotierte optische Faser oder
durch einen Farbstofflaser ersetzt werden kann, d.h. irgendein Laserverstärkungsmedium
kann in Reihe mit dem Kopf 500 gekoppelt werden.
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Wie
vorab diskutiert wurde, ist das DLS 1, welches in 5 dargestellt
ist, ein beispielhafter Fall, bei welchem die Ausgangsstrahlen von
vier LHAs 400 kombiniert werden, um eine CW-Leistung von
3200 W auf eine einzige fokussierende Linse 506 abzugeben.
Es sollte angemerkt werden, dass der Ausgangsstrahl jeder LHA 400 erzeugt
wird, indem die Ausgaben der zwölf
Module 410 dichroitisch und bezüglich der Polarisation gekoppelt
werden.
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Es
sollte verstanden worden sein, dass die Ausgangsleistung des DLS 1 durch
eine Zahl von Möglichkeiten
verändert
werden kann. Erstens kann die Anzahl N der LHAs 400 verändert werden.
Zum Beispiel würde
eine Verdopplung der Anzahl N der LHAs 400 die kombinierte
Leistung der Ausgangsstrahlen verdoppeln. Alternativ kann die Anzahl
M der Module 410 und korrespondierenden dichroitischen Filter
verändert
werden, um das Ausgangsleistungsniveau zu verändern. In einem beispielhaften
Fall würde
die Verringerung der Anzahl M von 12 auf 6 die Ausgangsleistung
der speziellen LHA 400 halbieren. Schließlich sollte
angemerkt werden, dass die Ausgangsleistung des DLS 1 vorteilhafter
Weise verändert
werden kann, indem entweder die Anzahl M × N der Systemmodule 410,
welche mit Energie versorgt werden, gesteuert wird oder indem das
Anregungsleistungsniveau bei einem Teil der M × N Module 410 gesteuert
wird. Obwohl die Ausgangsleistung eingestellt werden kann, indem
der Anregungsstrom für
die M × N
Module 410 gleichmäßig eingestellt
wird, ist klar, dass eine Steuerung bei der oberen und unteren Grenze
der Systemleistung schwierig sein kann. Aus diesem Grund können ausgewählte Abschnitte
der M × N
Module gesteuert werden während
die anderen der M × N
Module 410 abhängig
von der erwünschten Systemausgangsleistung
angeschaltet oder abgeschaltet sind. Es sollte auch verstanden worden
sein, dass die Ausgangsleistung der ausgewählten M × N Module 410 entsprechend
des Anregungsstroms in einer CW-Betriebsart verändert werden kann oder durch
ungleiche Tastverhältnisse
bei einer gepulsten Betriebsart verändert werden kann.
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Wie
vorab diskutiert wird, wird der Ausgang jedes entsprechenden Moduls
auf eine optische Faser 470 gekoppelt. Es sollte angemerkt
werden, dass die Transformationslinse 464 den gesamten
Ausgangsstrahl der LHA 400 auf die Faser 470 fokussiert und
in diese koppelt. Vorzugsweise ist der Sinus des Konvergenzwinkels,
wenn der Lichtstrahl bei dem Licht aufnehmenden Ende der Faser 470 ankommt, kleiner
als die numerische Apertur NA dieser Faser. Vorteilhafter Weise
ist die NA der Faser 470 kleiner als 0,47. Vorzugsweise
liegt die NA der Faser 470 bei ≤ 0,19 und besser liegt die NA
der optischen Leistung bei ≤ 0,16.
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Vorzugsweise
ist die Faserkopplungslinse 464 eine Linse, welche speziell
entworfen ist, um die Ansammlung von Strahlen von dem System mit
einem breiten Wellenlängenband
der LHA 400 in die optische Faser 470 zu fokussieren.
Die Anzahl der Module 410, welche bei dem in 7 dargestellten beispielhaften
Fall dargestellt ist, wurde derart gewählt, dass sie die Zielvorgabe
bezüglich
der optischen Leistung erfüllt,
welche bei dem Faserausgang erforderlich ist, und sie ist vollständig abhängig von der
Qualität
der verwendeten Optik. Wie vorab diskutiert wurde, ist das einzige
Kriterium, dass das System 800 Watt aus der Faser erzeugt und in
einer NA von 0,16 enthalten ist.
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Der
Fachmann erkennt, dass die kommerziellen Anwendungen von einer Operation
bis zu einem Schneiden, Schweißen
und zu einer Wärmebehandelung
von Me tallen reichen. Darüber
hinaus ist dieses DLS 1 ideal für ein Ablösen von Farbe, ein Härten, ein
Schneiden und ein Bohren von Verbundstoffen. Militärische Anwendungen
reichen von einem Beleuchtungssystem ohne kardanische Aufhängung bis
zu einem Verzögerungs-Verweigerungs-System für Nuklearlagerungsbereiche.
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Eine
andere Schlüsselanwendung
für diese Technologie
ist als eine optische Pumpe für
Festkörperlaser,
wie es vorab diskutiert ist, welche auf Seltenerdmetallen basieren.
Diese Konfiguration ermöglicht
ein ausgezeichnetes Endpumpen bei einem Festkörperlaserstab, bei einer mit
Seltenerde dotierten Faser oder bei einem Farbstofflaser. Darüber hinaus
hat sich diese Konfiguration als das effizienteste Mittel erwiesen,
welches schon entworfen ist, um nicht kohärentes Laserdiodenpumpenlicht
in einen qualitativ hochwertigen Strahl einer hohen Lichtstärke zu wandeln.
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Obwohl
eine momentan bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform vorab im Detail
beschrieben worden ist, sollte klar sein, dass dem Fachmann viele
Veränderungen
und/oder Modifikationen der erfinderischen Grundkonzepte, welche
hier gelehrt werden, einfallen, welche dennoch unter den Umfang
der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, fallen.