EP1779482A1 - Diodenlaser mit einer optischen einrichtung zur erhöhung der strahldichte eines aus ihm austretenden ausgangslaserstrahls - Google Patents

Diodenlaser mit einer optischen einrichtung zur erhöhung der strahldichte eines aus ihm austretenden ausgangslaserstrahls

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EP1779482A1
EP1779482A1 EP05775011A EP05775011A EP1779482A1 EP 1779482 A1 EP1779482 A1 EP 1779482A1 EP 05775011 A EP05775011 A EP 05775011A EP 05775011 A EP05775011 A EP 05775011A EP 1779482 A1 EP1779482 A1 EP 1779482A1
Authority
EP
European Patent Office
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diode laser
bragg grating
volume bragg
laser
diode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05775011A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Köhler
Jens Biesenbach
Matthias Haag
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Dilas Diodenlaser GmbH
Original Assignee
Dilas Diodenlaser GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Dilas Diodenlaser GmbH filed Critical Dilas Diodenlaser GmbH
Publication of EP1779482A1 publication Critical patent/EP1779482A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • Diode laser with an optical device for increasing the radiance of an output laser beam emerging from it
  • the invention relates to a diode laser with an optical device for increasing the intensity of an output laser beam emerging from it.
  • a diode laser contains an opto ⁇ electronic semiconductor chip, the so-called laser diode, which, in particular in the case of diode lasers, can consist of a plurality of individual emitters arranged side by side.
  • An embodiment for achieving high optical output power is a monolithic arrangement of individual emitters in a so-called laser diode bar.
  • Such a laser diode bar is typically about 5-10 mm wide (lateral), 0.10-0.15 mm high (vertical) and has resonator lengths of between 0.3 and 2.5 mm (transversal).
  • the laser radiation generated in the pn junctions of the laser diode emerges on one of the lateral sides (exit or front side, emitter face).
  • the opposite side (back) is highly reflective mirrored and forms the rear view mirror of the resonator.
  • Each laser diode bar generates a narrow approximately rectangular laser beam which is composed of a plurality of partial beams which emerge from the individual emitters and whose beam properties in the lateral direction of the laser diode bar (width), the so-called slow axis, of the jet properties in the perpendicular Axis (epitaxial direction), the so-called fast axis, significantly differ.
  • the laser diode bars and the need in a high-performance diode lasers several such laser diode bars complex due ⁇ this highly asymmetric beam properties ne ⁇ by side or one another to be arranged in a stack, er ⁇ calls in particular for the construction of a high-power diode laser usually optical devices for beam shaping, ie for beam symmetrization and Strahlüber ⁇ storage. This applies in particular to diode lasers in which the laser beam is coupled into an optical fiber and the line-shaped beam of the individual laser diode bars must be converted into a nearly square, or ideally round, profile. Diode lasers with such beam shaping devices are known, for example, from DE 196 45 150 C2, DE 198 46 532 C1 and DE 100 15 245 C2.
  • a polarization coupling As is known, for example, from DE 198 46 532 C1 for the coupling of two laser diode barren stacks, due to the only two independent degrees of polarization, only a maximum increase in the beam density by a factor of two can be achieved.
  • a wavelength coupling is fundamentally possible for a large number of partial beams, as long as they differ only sufficiently in their wavelength and can be superimposed as low as possible with the aid of spectrally selective dielectric mirror systems.
  • a minimum wavelength spacing for the coupling of unpolarized partial beams in the infrared range must be about 40 nm.
  • this method of wave coupling for the partial beams of a single laser diode bar grund ⁇ addition not applicable, since the emitters of a laser diode bar usually have approximately the same wavelengths.
  • a wavelength coupling with dielectric mirrors is therefore used only for the coupling of a plurality of laser diode bars or a plurality of stacks with different wavelengths.
  • the invention is based on the object of providing a diode laser with an optical device for increasing the beam density of an output laser beam emerging from it, which, with a simple structure, provides the spatial coupling of a laser beam compared to the prior art significantly increased number of partial beams allows.
  • a diode laser includes an optical device for increasing the radiance of an aus ⁇ passing out output laser beam in an application plane, which consists of a plurality of partial beams which are generated by a plurality of diode laser elements, wherein the optical device is arranged downstream of the diode laser elements.
  • the optical device contains a first volume Bragg grating, which in each case only partly reflects a spectral region of the partial beams emerging from the diode laser elements into the respective diode laser element and transmits the predominant part of only this spectral region, wherein the average wavelengths of the respective spectral components filtered from different sub-beams are different from one another.
  • the first volume Bragg grating is followed by a second grating, preferably also a volume Bragg grating, for collinear spatial superimposition of the partial beams transmitted by the first volume Bragg grating in the output laser beam.
  • the use of a first holographic or volume Bragg grating makes it possible to narrow the sub-beams which are already emerging from the diode laser elements in a relatively narrow band with respect to their spectral bandwidth. In this way, spectrally different partial beams can be generated, which differ sufficiently with respect to their mean wavelength and are stabilized narrowband to this wavelength in order to be able to be superimposed largely loss-free with the second grid.
  • a diode laser in the sense of the present invention is a superordinate structural unit, which is composed of a plurality of diode laser elements.
  • a diode laser can be either one by a group of individual emitters, which are then referred to as a diode laser element in the context of the invention, or by a group of laser diodes, for example by a group of laser diode bars, each one
  • the laser diode bars are then referred to as a diode laser element.
  • the difference between the average wavelength of spectrally adjacent transmitted sub-beams is greater than half the sum of their spectral half-widths.
  • first and / or second volume Bragg grating is constructed from a single volume Bragg grating element whose lattice properties are location-dependent, wherein preferably the respective volume Bragg grating Element has a number of regions corresponding to the number of diode laser elements, each having constant but different lattice properties.
  • the first and / or second volume Bragg gratings are constructed from a plurality of discrete volume Bragg gratings which differ in their grating characteristics, in particular the number of discrete volume Bragg gratings being equal to the number of Diode laser elements corresponds.
  • a volume Bragg grating constructed from individual volume Bragg grating elements can be manufactured in a particularly simple manner.
  • first and / or second volume Bragg grating arrangement is preceded by a respective micro-optics, which is particularly integrated in each case in the volume Bragg grating arrangement. This will contribute to losses the transmission and coupling of the partial beams to or reduced in the volume Bragg gratings.
  • the first and / or second volume Bragg grating is constructed from one or more PTR elements. These enable a particularly narrow-band stabilization of the wavelength of the respective component beams emerging from the diode laser elements, and thus a particularly effective and loss-free wavelength coupling of the partial beams stabilized in this way.
  • a diode laser including a plurality n of DIO denlaserelementen 2 (1), 2 (2) ... 2 (n>, which are in the exemplary embodiment of FIG play arranged in a row next to each other and form a diode laser assembly 4
  • the diode laser elements 2 (1) , 2 ⁇ 2) ,... 2 (n) shown in the figure can be both the individual emitter of a laser diode bar and laser diode bars which are arranged one above the other in a stack are.
  • Each diode laser element 2 (1) , 2 (2) , ... 2 (n) emits a partial beam 8 ⁇ 1) , 8 (2) ,... 8 (n> .
  • the diode laser assembly 4 is followed by a micro-optics 6, which form a collimation of the partial beams 8 U) , 8 (2. 3 ) respectively emerging from the diode array elements 2 (1) , 2 (2) , ) , ... 8 ⁇ n) in the direction of the fast axis.
  • This micro-optics 6 is a single one in the case where the diode laser assembly 4 is a single laser diode bar and the diode laser elements 2 (1) , 2 (2) , ... 2 (n) are single emitters cylindrical lens.
  • the diode laser assembly shown in the figure is composed of a plurality of laser diode bars serving as diode laser elements 2 (1) , 2 (2) , ... 2 (n)
  • an array of n-single microlenses is used as the micro-optics 6.
  • a collimation in the direction of the slow axis is additionally performed with the micro-optics 6.
  • the partial beams 8 (1) , 8 ⁇ 2) ,... 8 ⁇ ) emerging from the diode laser assembly 4 or the collimator 6 are coupled into an optical device 10, the output side being a
  • Output laser beam 12 is generated, in which all sub-beams 8 (1) , 8 ! 2> , ... 8 (n) are collinear superimposed and directly or with an only indicated in the figure beam guiding and beam shaping device, for example with a fiber optic, be performed together and superimposed to an object 16 in order to cause there with high intensity each targeted according to the intended physical effect.
  • This object can be, for example, a workpiece to be machined or the laser-active medium of a solid-state laser, which is to be pumped optically with the diode laser.
  • the optical device 10 comprises on the input side a first holographic grating or volume Bragg grating 18, which of each partial beam 8 (1) , 8 (2) ,... 8 (n) has only a narrow spectral range with a central wavelength ⁇ B (1) , ⁇ B (2) , ... ⁇ B ⁇ n> and the half width ⁇ B (1) , ⁇ B ⁇ 2) , ... ⁇ B (n) which is smaller than the half-width of the emitted respective partial beam 8 (1) , 8 ⁇ 2> , ... 8 (n) is partially reflected back into the respective diode laser element 2 (1) , 2 ⁇ 2) , ... 2 (n) and transmits the predominant part only of this spectral range.
  • the feedback caused by the reflected-back component leads to a so-called self-seeding of the respective diode laser element 2 (1) , 2 (2) ... 2 ⁇ n> and thus to a spectral narrowing of the respective output radiation, so that the diode denlaserimplantation 2 (1) , 2 (2> ... 2 (n> in the stationary state only partial beams 8 (1) , 8 (2) , ... 8 (n> emit their Mitten ⁇ wavelengths on the wavelengths ⁇ B (1) , ⁇ B ⁇ 2) , ... ⁇ B (n> stabilized and Siert in their Halbwertsbreite ⁇ B (1) , ⁇ B (2) , ...
  • a suitable volume Bragg grating is, for example, a photo-thermal h-refractive component, as for example from the
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment in which the lattice constant of the first volume Bragg grating continuously varies as a function of the spatial coordinate, as illustrated by the arrow 20 in the figure.
  • a continuous variation of the lattice constant is also a discontinuous variation of the lattice constant within the first volume Bragg grating, so that each diode laser element 2 (1) , 2 (2> ... 2 ⁇ n>) is assigned a region with a constant lattice property in each case.
  • the partial beams emerging from the first volume Bragg grating 18 meet after collimation in the slow axis with a micro-optics 22 on a second grating 24 arranged within the optical device 10, which is preferably likewise a volume Bragg grating and in which an incoherent collinear superposition of the narrow-band spectral narrow beams 8 (1) , 8 ⁇ 2) ,... 8 (n) is performed.
  • the second grid is preferably a PTR element and analogous to the first volume Bragg grating 18 has a location-dependent inner grating structure.
  • the lattice structure to be designed in such a manner at the position i has that the partial beam with the Wellenlän ⁇ ge ⁇ B (l> maximum reflection, while the already überla ⁇ siege partial beams having the wavelengths ⁇ B (l + 1), ⁇ B ⁇ 1 +2) , ... ⁇ B (1 + n>) must be transmitted with as little loss as possible.
  • the first volume Bragg grating 18 is constructed from a plurality of discrete volume Bragg grating elements 18 U) , 18 (2) ,... 18 (n) , which in the exemplary embodiment according to FIG the number n of the diode laser elements 2 (1) , 2 (2) , ... 2 ⁇ n> .
  • the second grating 24 can also be constructed from a plurality of discrete volume Bragg grating elements. Furthermore, it is possible to integrate micro-optics 6, first volume Bragg grating 18 and second grating 24 into a monolithic component, so that the micro-optics 22 shown in FIGS. 1 and 2 are no longer required due to their compact construction.
  • the arrangements according to the invention enable a very compact and stable construction, since the first volume Bragg grating 18 can be mounted directly with the collimator 6 or, as explained above, can be produced together with the collimator 6 as a monolithic component.
  • the distance d from the output facets of the diode laser element 2 (1> , 2 (2) ... 2 ⁇ n) to the first volume Bragg grating 18 is only a few millimeters and is typically less than 3 mm, so that the sensitivity is largely reduced compared to mechanical loads.
  • a further positive effect is the reduction of the temperature dependence of the wavelength of the emitted laser radiation by the first volume Bragg grating 18, since this stabilizes the wavelength to a narrowband range.

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Abstract

Ein Diodenlaser enthält eine optischen Einrichtung (10) zur Erhöhung der Strahldichte eines aus ihm austretenden Ausgangs­laserstrahls (12) am Ort eines Objektes (16), der aus einer Mehrzahl von Teilstrahlen (8<SUP>(1)</SUP>, 8<SUP>(2)</SUP> , ... 8<SUP>(n)</SUP>) besteht, die von einer Mehrzahl von Diodenlaserelementen (2<SUP>(1)</SUP>, 2<SUP>(2)</SUP>, ... 2<SUP>(n)</SUP>) erzeugt werden. Die optische Einrichtung (10) ist den Diodenlaserelementen (2<SUP>(1)</SUP>, 2<SUP>(2)</SUP>, ... 2<SUP>(n)</SUP>) nachgeordnet und enthält ein erstes Volumen-Bragg-Gitter (18), das jeweils nur einen Spektralbereich (?<SUB>B</SUB> <SUP>(1)</sup

Description

Beschreibung
Diodenlaser mit einer optischen Einrichtung zur Erhöhung der Strahldichte eines aus ihm austretenden Ausgangslaserstrahls
Die Erfindung bezieht sich auf einen Diodenlaser mit einer optischen Einrichtung zur Erhöhung der Intensität eines aus ihm austretenden Ausgangslaserstrahls.
Ein Diodenlaser enthält als laseraktives Element einen opto¬ elektronischen Halbleiterchip, die sogenannte Laserdiode, die insbesondere bei Diodenlasern aus mehreren nebeneinander ange¬ ordneten Einzelemittern bestehen kann. Ein Ausführungsbeispiel zur Erzielung hoher optischer Ausgangsleistung ist eine mono¬ lithische Anordnung von Einzelemittern in einem sogenannten Laserdioden-Barren. Ein solcher Laserdioden-Barren ist typi¬ scherweise etwa 5-10mm breit (lateral), 0,10-0, 15mm hoch (ver¬ tikal) und weist Resonatorlängen zwischen 0,3 und 2,5mm auf (transversal) . Bei den sogenannten Kantenemittern tritt die in den pn-Übergängen der Laserdiode erzeugte Laserstrahlung an einer der lateralen Seiten (Austritts- oder Vorderseite, Emit¬ terfacette) aus. Die gegenüberliegende Seite (Rückseite) ist hochreflektierend verspiegelt und bildet den Rückspiegel des Resonators.
Jeder Laserdioden-Barren erzeugt einen schmalen annähernd rechteckigen Laserstrahl, der aus einer Vielzahl von Teil¬ strahlen zusammengesetzt ist, die aus den einzelnen Emittern austreten, und dessen Strahleigenschaften in lateraler Rich¬ tung des Laserdioden-Barrens (Breite) , der sogenannten slow axis, von den Strahleigenschaften in der dazu senkrechten Achse (Epitaxierichtung) , der sogenannten fast axis, deutlich abweichen.
Aufgrund ^dieser stark asymmetrischen Strahleigenschaften der Laserdioden-Barren sowie der Notwendigkeit, in einem Hoch- leistungs-Diodenlaser mehrere solcher Laserdioden-Barren ne¬ beneinander oder aufeinander in einem Stapel anzuordnen, er¬ fordert insbesondere der Aufbau eines Hochleistungs- Diodenlasers in der Regel komplexe optische Einrichtungen zur Strahlformung, d. h. zur Strahlsymmetrisierung und Strahlüber¬ lagerung. Dies gilt insbesondere für Diodenlaser, bei denen der Laserstrahl in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird und der linienförmige Strahl der einzelnen Laserdioden-Barren in ein nahezu quadratisches, oder idealerweise rundes Profil umgewandelt werden muss. Diodenlaser mit solchen Strahlfor¬ mungseinrichtungen sind beispielsweise aus der DE 196 45 150 C2, der DE 198 46 532 Cl und der DE 100 15 245 C2 bekannt.
Während eine Symmetrisierung des Ausgangslaserstrahls durch Umordnung der aus den einzelnen Emittern jeweils austretenden Teilstrahlen und eine damit herbeigeführte Strahlsymmetrisie¬ rung im Prinzip für eine beliebige Anzahl von Emittern möglich ist, erfordert eine Erhöhung der Strahldichte des Ausgangsla- serstrahls eine kollineare räumliche Überlagerung der einzel¬ nen Teilstrahlen. Die Strahldichte (Intensität pro Raumwinkel- einheit) oder Brightness (radiance) der Strahlung, die von einer Strahlquelle emittiert wird, die aus mehreren räumlich voneinander getrennten Einzelquellen zusammengesetzt ist, und nicht in einer Kohärenzbeziehung zueinander stehen, kann je- r doch nur dann erhöht werden, wenn die einzelnen Teilstrahlen sich in ihren physikalischen Eigenschaften derart unterschei- den, dass sie mit entsprechend selektiv wirkenden Strahltei¬ lern räumlich überlagert werden können. Dies ist möglich, wenn sich die Teilstrahlen in ihrer Polarisation oder Wellenlänge unterscheiden.
Durch eine Polarisationskopplung, wie sie beispielsweise aus der DE 198 46 532 Cl für die Kopplung zweier Laserdioden- Barren-Stapel bekannt ist, kann aufgrund der nur zwei unabhän¬ gigen Polarisationsgrade nur eine maximale Erhöhung der Strahldichte um einen Faktor zwei erreicht werden. Demgegen¬ über ist eine Wellenlängenkopplung grundsätzlich für eine Vielzahl von Teilstrahlen möglich, solange sich diese nur hinreichend in ihrer Wellenlänge unterscheiden und mit Hilfe von spektral selektiven dielektrischen Spiegelsystemen mög- liehst verlustarm überlagert werden können. In der Praxis hat sich dabei gezeigt, dass bei Verwendung dielektrischer Spie¬ gelsysteme ein minimaler Wellenlängenabstand für die Kopplung unpolarisierter Teilstrahlen im Infrarotbereich etwa 40nm betragen muss. Dadurch ist diese Methode der Wellenkopplung für die Teilstrahlen eines einzelnen Laserdioden-Barren grund¬ sätzlich nicht anwendbar, da die Emitter eines Laserdioden- Barrens im Regelfall annähernd gleiche Wellenlängen besitzen. Eine Wellenlängenkopplung mit dielektrischen Spiegeln wird daher nur für die Kopplung von mehreren Laserdioden-Barren oder mehreren Stapeln mit unterschiedlichen Wellenlängen ein¬ gesetzt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Diodenla¬ ser mit einer optischen Einrichtung zur Erhöhung der Strahl- dichte eines aus ihm austretenden Ausgangslaserstrahls an¬ zugeben, die bei einfachem Aufbau die räumliche Kopplung einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhten Anzahl von Teilstrahlen ermöglicht.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, mit einem Diodenlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält ein Diodenlaser eine optische Einrichtung zur Erhöhung der Strahldichte eines aus ihm aus¬ tretenden Ausgangslaserstrahls in einer Anwendungsebene, der aus einer Mehrzahl von Teilstrahlen besteht, die von einer Mehrzahl von Diodenlaserelementen erzeugt werden, wobei die optische Einrichtung den Diodenlaserelementen nachgeordnet ist. Gemäß der Erfindung enthält die optische Einrichtung ein erstes Volumen-Bragg-Gitter, das jeweils nur einen Spektralbe¬ reich der aus den Diodenlaserelementen austretenden Teilstrah- len teilweise in das jeweilige Diodenlaserelement zurückre¬ flektiert und den überwiegenden Teil nur dieses Spektralbe¬ reichs transmittiert, wobei die mittleren Wellenlängen der aus verschiedenen Teilstrahlen jeweils gefilterten spektralen Anteile voneinander verschieden sind. Dem ersten Volumen- Bragg-Gitter ist ein zweites Gitter, vorzugsweise ebenfalls ein Volumen-Bragg-Gitter, zur kollinearen räumlichen Überlage¬ rung der vom ersten Volumen-Bragg-Gitter transmittierten Teil¬ strahlen im Ausgangslaserstrahl nachgeschaltet.
Durch die Wellenlängenkopplung gemäß der Erfindung wird außer¬ dem das Strahlparameterprodukt und somit die Strahlqualität eines Laserdioden-Barrens in der Ebene der slow axis signifi¬ kant von typisch 500mm*mrad bei 10mm Barrenbreite um einen aus dem Verhältnis aus Barrenbreite und Einzelemitterbreite gebil- deten Faktor 10mm/0,15mm auf etwa lOmm-mrad verbessert. Durch die Verwendung eines ersten holographischen oder VoIu- men-Bragg-Gitters ist es möglich, auch die bereits relativ schmalbandig aus den Diodenlaserelementen austretenden Teil- strahlen nochmals hinsichtlich ihrer spektralen Bandbreite einzuengen. Auf diese Weise können spektral voneinander ver¬ schiedene Teilstrahlen erzeugt werden, die sich hinsichtlich ihrer mittleren Wellenlänge hinreichend unterscheiden und schmalbandig auf diese Wellenlänge stabilisiert sind, um mit dem zweiten Gitter weitgehend verlustfrei überlagert werden zu können.
Die Verwendung eines holographischen Gitters zum Durchführen eines Wellenlängenmultiplex ist zwar dem Prinzip nach bereits aus der US 5,691,989 bekannt. Ziel dieser bekannten Anwendung ist jedoch nicht die Erhöhung der Strahldichte oder Brightness eines Laserstrahls am Ort eines durch den Laserstrahl in sei¬ nen physikalischen Eigenschaften zu verändernden Objekts, beispielsweise dessen thermische Bearbeitung, sondern die Erhöhung der Bandbreite bei der optischen Nachrichtenübertra- gung mit einer Lichtleitfaser durch die gleichzeitige Übertra¬ gung spektral separierbarer Laserstrahlen und deren anschlie¬ ßende Trennung in einem Demultiplexer.
Ein Diodenlaser im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine übergeordnete Baueinheit, die aus einer Mehrzahl von Diodenla¬ serelementen zusammengesetzt ist. Ein solcher Diodenlaser kann sowohl eine durch eine Gruppe von Einzelemittern, die dann im Sinne der Erfindung als Diodenlaserelement bezeichnet werden, oder eine durch eine Gruppe von Laserdioden, beispielsweise durch eine Gruppe von Laserdioden-Barren, die jeweils eine
Vielzahl von einzelnen Emittern enthalten, gebildete Anordnung sein. Im letzteren Fall werden dann die Laserdioden-Barren als Diodenlaserelement bezeichnet.
Um eine möglichst verlustfreie Kopplung der Teilstrahlen zu ermöglichen ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Er¬ findung die Differenz der mittleren Wellenlänge spektral be¬ nachbarter transmittierter Teilstrahlen größer als die halbe Summe ihrer spektralen Halbwertsbreiten.
Ein besonders kompakter Aufbau wird erzielt, wenn das erste und/oder zweite Volumen-Bragg-Gitter aus einem einzigen VoIu- men-Bragg-Gitter-Element aufgebaut ist, dessen Gittereigen¬ schaften ortsabhängig sind, wobei vorzugsweise das jeweilige Volumen-Bragg-Gitter-Element eine der Anzahl der Diodenlaser- elemente entsprechende Anzahl von Bereichen mit jeweils kon¬ stanten aber voneinander verschiedenen Gittereigenschaften aufweist.
Alternativ hierzu ist das erste und/oder zweite Volumen-Bragg- Gitter aus einer Mehrzahl diskreter Volumen-Bragg-Gitter- Elemente aufgebaut, die sich in ihren Gittereigenschaften unterscheiden, wobei insbesondere die Anzahl der diskreten Volumen-Bragg-Gitter-Elemente der Anzahl der Diodenlaserele- mente entspricht. Ein aus einzelnen Volumen-Bragg-Gitter- Elementen aufgebautes Volumen-Bragg-Gitter lässt sich beson¬ ders einfach herstellen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der ersten und/oder zweiten Volumen-Bragg-Gitter-Anordnung jeweils eine Mikrooptik vorgeschaltet, die insbesondere jeweils in die Volumen-Bragg- Gitter-Anordnung integriert ist. Dadurch werden Verluste bei der Übertragung und Einkopplung der Teilstrahlen zu den bzw. in die Volumen-Bragg-Gitter verringert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste und/oder zweite Volumen-Bragg-Gitter aus einem oder mehreren PTR-Elementen aufgebaut. Diese ermöglichen eine besonders schmalbandige Stabilisierung der Wellenlänge der jeweils aus den Diodenlaserelementen austretenden Teilstrahlen und damit eine besonders effektive und verlustfreie Wellenlän- genkopplung der auf diese Weise stabilisierten ^Teilstrahlen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh¬ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 verschiedene Ausführungsformen eines Diodenlasers gemäß der Erfindung in einer jeweils schematischen Prinzipdar¬ stellung.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Diodenlaser eine Vielzahl n von Dio- denlaserelementen 2(1), 2(2), ... 2(n> , die im Ausführungsbei¬ spiel der Figur in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und eine Diodenlaserbaugruppe 4 bilden. Bei den in der Figur dargestellten Diodenlaserelementen 2(1), 2<2), ... 2(n) kann es sich sowohl um die Einzelemitter eines Laserdioden-Barrens als auch um Laserdioden-Barren handeln, die übereinander in einem Stapel angeordnet sind. Jedes Diodenlaserelement 2(1), 2(2), ... 2(n) emittiert einen Teilstrahl 8{1), 8(2), ... 8(n> .
Der Diodenlaserbaugruppe 4 ist ausgangsseitig eine Mikroop- tik 6 nachgeordnet, die eine Kollimation der aus den Diodenla¬ serelementen 2(1), 2(2), ... 2<n) jeweils austretenden Teilstrah¬ len 8U), 8(2), ... 8<n) in Richtung der fast axis bewirkt. Diese Mikrooptik 6 ist für den Fall, dass es sich bei der Diodenlaserbaugruppe 4 um einen einzelnen Laserdioden-Barren und bei den Diodenlaserelementen 2(1), 2(2), ... 2(n) um Einzel- emitter handelt, eine einzelne Zylinderlinse. Wenn die in der Figur dargestellten Diodenlaserbaugruppe aus mehreren als Diodenlaserelemente 2(1), 2(2), ... 2(n) dienenden Laserdioden- Barren zusammengesetzt ist, ist als Mikrooptik 6 ein Array aus n-einzelnen Mikrolinsen verwendet. In einer alternativen Aus- führungsform wird mit der Mikrooptik 6 zusätzlich eine Kolli- mation in Richtung der slow axis durchgeführt.
Die aus der Diodenlaserbaugruppe 4 bzw. dem Kollimator 6 aus¬ tretenden Teilstrahlen 8(1), 8<2), ... 8<π) werden in eine opti- sehe Einrichtung 10 eingekoppelt, die ausgangsseitig einen
Ausgangslaserstrahl 12 erzeugt, in dem alle Teilstrahlen 8(1), 8!2>, ... 8(n) kollinear überlagert sind und unmittelbar oder mit einer in der Figur nur angedeuteten Strahlführungs- und Strahlformungseinrichtung, beispielsweise mit einer Lichtleit- faser, gemeinsam und überlagert zu einem Objekt 16 geführt werden, um dort mit hoher Intensität den jeweils entsprechend dem Einsatzzweck angestrebten physikalischen Effekt herbeizu¬ führen. Bei diesem Objekt kann es sich beispielsweise um ein zu bearbeitendes Werkstück oder um das laseraktive Medium eines Festkörperlasers handeln, das mit dem Diodenlaser op¬ tisch gepumpt werden soll.
Die optische Einrichtung 10 umfasst eingangsseitig ein erstes holographisches Gitter oder Volumen-Bragg-Gitter 18, das von jedem Teilstrahl 8(1), 8(2), ... 8(n) nur einen engen Spektralbe¬ reich mit einer Mittenwellenlänge λB (1) , λB (2) , ... λB <n> und der Halbwertsbreite ΔλB (1) , ΔλB <2) , ... ΔλB (n) , die kleiner ist als die Halbwertsbreite des emittierten jeweiligen Teilstrahls 8(1), 8<2>, ... 8(n) ist, teilweise in das jeweilige Diodenlaser- element 2(1), 2<2), ... 2(n) zurückreflektiert und den überwie¬ genden Teil nur dieses Spektralbereichs transmittiert. Die durch den zurückreflektierten Anteil bewirkte Rückkopplung führt zu einem sogenannten self-seeding des jeweiligen Dioden- laserelementes 2(1), 2(2) ... 2<n> und damit zu einer spektralen Einengung der jeweiligen AusgangsStrahlung, so dass die Dio- denlaserelemente 2(1), 2(2> ... 2(n> im stationären Zustand nur noch Teilstrahlen 8(1), 8(2), ... 8(n> emittieren, deren Mitten¬ wellenlängen auf die Wellenlängen λB (1) , λB <2) , ... λB (n> stabili¬ siert und in ihrer Halbwertsbreite ΔλB (1), ΔλB (2) , ... ΔλB ln) entsprechend eingeengt sind, d. h. eine deutlich kleinere Bandbreite als die ursprünglich austretenden Teilstrahlen haben. Ohne das erste Volumen-Bragg-Gitter 18 hätten die aus den Diodenlaserelementen 2(1), 2(2), ... 2(n) jeweils austreten¬ den Teilstrahlen 8(1), 8(2), ... 8<n) annähernd die gleiche Wel¬ lenlänge λA und dieselbe Halbwertsbreite ΔλA. Ein geeignetes Volumen-Bragg-Gitter ist beispielsweise ein photo-thermisch- refraktives Bauelement, wie es beispielsweise aus der
US 6,586,141 Bl bekannt ist. Auf der Grundlage solcher soge¬ nannter PTR-Elemente sind Volumen-Bragg-Gitter mit sehr guter spektraler Selektivität und hoher Beugungseffizienz bekannt. Diese PTR-Elemente zeichnen sich auch durch eine hohe mechani- sehe, optische und thermische Stabilität aus.
In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Gitterkonstante des ersten Volumen-Bragg-Gitters kontinu¬ ierlich als Funktion der Ortskoordinate variiert, wie dies in der Figur durch den Pfeil 20 veranschaulicht ist. Anstelle einer solchen kontinuierlichen Variation der Gitterkonstante ist auch eine diskontinuierliche Variation der Gitterkonstante innerhalb des ersten Volumen-Bragg-Gitters möglich, so dass jedem Diodenlaserelement 2(1), 2(2> ... 2<n> ein Bereich mit jeweils konstanter Gittereigenschaft zugeordnet ist.
Die aus dem ersten Volumen-Bragg-Gitter 18 austretenden Teil¬ strahlen treffen nach Kollimation in der slow axis mit einer Mikrooptik 22 auf ein innerhalb der optischen Einrichtung 10 angeordnetes zweites Gitter 24, bei dem es sich vorzugsweise ebenfalls um ein Volumen-Bragg-Gitter handelt, und in dem eine inkohärente kollineare Überlagerung der spektral schmalbandi- gen Teilstrahlen 8(1), 8<2), ... 8(n) durchgeführt wird. Auch das zweite Gitter ist vorzugsweise ein PTR-Element und hat analog zum ersten Volumen-Bragg-Gitter 18 eine ortsabhängige innere Gitterstruktur. An der Position i muss die Gitterstruktur derart konzipiert sein, dass der Teilstrahl mit der Wellenlän¬ ge λB (l> maximal reflektiert wird, während die bereits überla¬ gerten Teilstrahlen mit den Wellenlängen λB (l+1) , λB <1+2) , ... λB (1+n> möglichst verlustarm transmittiert werden.
Um eine effiziente Wellenlängenkopplung und damit eine effi¬ ziente Erhöhung der Strahldichte oder Brightness zu ermögli¬ chen, ist die Differenz der mittleren Wellenlänge λB (1), λB {2), ... λB (n> spektral benachbarter transmittierter Teilstrah¬ len 8(1), 8(2>, ... 8(n> größer als die halbe Summe ihrer jewei- ligen spektralen Halbwertsbreite ΔλB (1) , ΔλB (2) , ... ΔλB (n) , so dass die folgende Bedingung erfüllt ist:
λA (ΔΛB + ΔΛB } S ΛB - ΛB
Mit den bekannten PTR-Elementen, wie sie beispielsweise von PD-LD Inc., Pennington, New Jersey, USA oder von Ondax Inc., Monrovia, California, USA angeboten werden, ist es möglich, die aus einem einzelnen Diodenlaserelement mit einer Halb¬ wertsbreite von etwa 3 - 6nm austretenden Laserstrahlen auf einen schmalbandigen Bereich mit einer Halbwertsbreite < 0,2nm einzuengen, so dass beispielsweise bis zu 30 Einzelemitter eines Laserdioden-Barrens hinreichend in ihrer Wellenlänge separiert werden können, um eine Wellenlängenkopplung zu er¬ möglichen. Da es außerdem möglich ist, die in einem Stapel jeweils angeordneten Laserdioden-Barren bei der Herstellung auf unterschiedliche Zentralwellenlängen einzustellen, die sich voneinander um einige nm unterscheiden, ist es grundsätz¬ lich möglich alle Teilstrahlen eines solchen Stapels durch Wellenlängenkopplung kollinear zu überlagern. Alternativ ist es auch möglich, die aus einem Laserdioden-Barren eines Sta¬ pels austretenden Teilstrahlen mit Hilfe des ersten Volumen- Bragg-Gitters auf eine einzige Wellenlänge einzustellen, und die aus den einzelnen Laserdioden-Barren austretenden, schmal¬ bandigen Laserstrahlen durch Wellenlängenkopplung kollinear zu überlagern.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist das erste Volumen- Bragg-Gitter 18 aus mehreren diskreten Volumen-Bragg-Gitter- Elementen 18U), 18(2), ... 18(n) aufgebaut, die im Ausführungs¬ beispiel gemäß der Figur der Anzahl n der Diodenlaserelemente 2(1), 2(2), ... 2<n> entspricht. Grundsätzlich kann auch das zweite Gitter 24 aus einer Mehrzahl von diskreten Volumen- Bragg-Gitter-Elementen aufgebaut sein. Des weiteren ist es möglich, Mikrooptik 6, erstes Volumen-Bragg-Gitter 18 und zweites Gitter 24 in ein monolithisches Bauteil zu integrie¬ ren, so dass aufgrund des kompakten Aufbaus die in Fig. 1 und 2 dargestellte Mikrooptik 22 nicht mehr erforderlich ist. Die erfindungsgemäßen Anordnungen ermöglichen einen sehr kom¬ pakten und stabilen Aufbau, da das erste Volumen-Bragg- Gitter 18 unmittelbar mit dem Kollimator 6 montiert werden kann oder wie vorstehend erläutert als monolithisches Bauteil gemeinsam mit dem Kollimator 6 hergestellt werden kann. Der Abstand d von den Ausgangsfacetten des Diodenlaserelemen- tes 2(1>, 2(2) ... 2<n) bis zum ersten Volumen-Bragg-Gitter 18 beträgt nur wenige Millimeter und ist typischerweise kleiner als 3mm, so dass die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen weitgehend reduziert ist.
Ein weiterer positiver Effekt ist die Verringerung der Tempe¬ raturabhängigkeit der Wellenlänge der emittierten Laserstrah¬ lung durch das erste Volumen-Bragg-Gitter 18, da dieses die Wellenlänge auf einen schmalbandigen Bereich stabilisiert.

Claims

Ansprüche
1. Diodenlaser mit einer optischen Einrichtung (10) zur Erhö- hung der Strahldichte eines aus ihm austretenden Ausgangsla¬ serstrahls (12) am Ort eines Objektes (16) , der aus einer Mehrzahl von Teilstrahlen (8(1>, 8<2), ... 8(n) ) besteht, die von einer Mehrzahl von Diodenlaserelementen (2(1), 2(2), ... 2(n) ) erzeugt werden, bei dem die optische Einrichtung (10) den Diodenlaserelementen (2(1), 2<2), ... 2<n)) nachgeordnet ist und ein erstes Volumen-Bragg-Gitter (18) enthält, das jeweils nur einen Spektralbereich (λB (1) ,ΔλB (1) , ... ,λB <2> ,ΔλB (2) , ... λB (n> ,ΔλB (n)) der aus den Diodenlaserelementen (2(1), 2(2), ... 2(n)) austretenden Teilstrahlen (8(1), 8<2>, ... 8(n> ) teilweise in das jeweilige Diodenlaserelement (2(1), 2(2), ... 2(n)) zu¬ rückreflektiert und den überwiegenden Teil nur dieses Spekt¬ ralbereichs (λB (1),ΔλB (1), ... ,λB (2),ΔλB <2), ...λB (n),ΔλB (n)) trans- mittiert, wobei die mittleren Wellenlängen (λB (1) , λB (2>, ... λB (n)) der aus verschiedenen Teilstrahlen (8(1), 8(2), ... 8(n) ) jeweils gefilterten Spektralbereiche (λB (1> ,ΔλB !1) , ..., λB <2) ,ΔλB (2) , ...λB (n) ,ΔλB (n) ) voneinander verschieden sind, sowie mit einem zweiten Gitter (24) zur kollinearen räumlichen Über¬ lagerung der vom ersten Volumen-Bragg-Gitter (18) transmit- tierten Teilstrahlen (8(1), 8<2>, ... 8(n) ) im Ausgangslaser- strahl (12) .
2. Diodenlaser nach Anspruch 1, bei dem als zweites Gitter ein Volumen-Bragg-Gitter vorgesehen ist.
3. Diodenlaser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Differenz der mittleren Wellenlänge spektral benachbarter transmittier- ter Teilstrahlen größer als die halbe Summe ihrer spektralen Halbwertsbreiten ist.
4. Diodenlaser nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das erste und/oder zweite Volumen-Bragg-Gitter aus einem einzigen VoIu- men-Bragg-Gitter-Element aufgebaut ist, dessen Gittereigen¬ schaften ortsabhängig sind.
5. Diodenlaser nach Anspruch 4, bei dem das Volumen-Bragg- Gitter-Element eine der Anzahl der Diodenlaserelemente ent¬ sprechende Anzahl von Bereichen mit jeweils konstanten aber voneinander verschiedenen Gittereigenschaften aufweist .
6. Diodenlaser nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das erste und/oder zweite Volumen-Bragg-Gitter aus einer Mehrzahl dis¬ kreter Volumen-Bragg-Gitter-Elemente aufgebaut ist, die sich in ihren Gittereigenschaften unterscheiden.
7. Diodenlaser nach Anspruch 6, bei dem die Anzahl der diskre- ten Volumen-Bragg-Gitter-Elemente der Anzahl der Diodenlaser¬ elemente entspricht.
8. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem dem ersten Volumen-Bragg-Gitter und/oder zweiten Gitter jeweils eine Mikrooptik vorgeschaltet ist.
9. Diodenlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem die Mikrooptik jeweils in das Volumen-Bragg-Gitter integriert ist.
10. Diodenlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem das erste Volumen-Bragg-Gitter und/oder zweite Gitter aus einem oder mehreren PTR-Elementen aufgebaut ist.
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