FI116010B - Menetelmä ja laserlaite suuren optisen tehotiheyden tuottamiseksi - Google Patents

Description

116010

MENETELMÄ JA LASERLAITE SUUREN OPTISEN TEHOTIHEYDEN TUOTTAMISEKSI

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen 5 menetelmään suuren optisen tehotiheyden tuottamiseksi. Keksintö kohdistuu lisäksi em. menetelmän toteuttavaan laserlaitteeseen oheisen patenttivaatimuksen 17 johdanto-osan mukaisesti.

KEKSINNÖN TAUSTAA

10

Laserlaitteiden avulla tuotettua kirkasta valoa hyödynnetään nykyisin hyvin monenlaisissa prosesseissa. Esimerkkejä tällaisista prosesseista ovat mm. materiaalien merkkaus, pintakäsittely, leikkaus sekä hitsaus. Suurteholaserit soveltuvat mm. metallisten materiaalien käsittelyyn em.

15 tavoilla. Lasereita sovelletaan laajasti myös lääketieteellisiin tarkoituksiin sekä erilaisissa optisissa mittauksissa.

Puolijohteisiin perustuvien diodilaserien kehittyessä ja siten niistä saatavan optisen tehon kasvaessa ja säteenlaadun parantuessa, ovat 20 kompaktien puolijohdelaserien käyttösovellukset laajentuneet voimak-vV kaasti em. sovellusalueille, joissa perinteisesti on sovellettu suurikokoi- : f: sempia kaasu- ja kidelasereita. Puolijohdelaserlaitteissa suuri optinen kokonaisteho saavutetaan tyypillisesti yhdistämällä useamman yksittäi-.·· *. sen laseremitterin lähettämää säteilyä.

.*./ Geneerisenä tavoitteena suuren tehotiheyden puolijohdelaserlaitteilla on tuottaa riittävän suuritehoinen ja kirkas valonsäde, joka voidaan fokusoida halutulla tavalla kohteeseen. Valonlähteen kirkkaus määritel-*;;; lään säteilyä emittoivan pinta-alan tiettyyn avaruuskulmaan lähettä- 30 mänä valotehona. Yksittäisen valonlähteen kirkkautta ei voida kasvat-:*·.· taa passiivisilla optisilla elementeillä.

» · '·] Puolijohdelaserien tapauksessa yksittäisen puolijohde-emitterin valo- : teho on varsin rajoittunut, joten riittävän kokonaisvalotehon aikaan- 35 saamiseksi tarvitaan suuri määrä yksittäisiä emittereitä. Valotehon kasvattamisessa käytetään yleisesti useista yksittäisistä vierekkäin järjes- 116010 2 tetyistä emittereistä koostuvia ns. laserbareja, joita laserbareja voidaan edelleen yhdistää useampia päällekkäin ns. lasertorneiksi. Valonlähteen emitterien lukumäärää näin kasvatettaessa kasvaa kuitenkin samalla väistämättä myös valonlähteen koko. Jotta valonlähteen 5 lähettämän säteilyn tehotiheys kasvaisi, tulee valonlähteen eri kohdista lähtevät säteet koota sopivasti yhteen. Tähän säteiden yhdistämiseen viitataan yleisesti termillä multipleksaus. Puolijohdelaserien yhteydessä käytettäviä erilaisia multipleksausmenetelmiä ovat aallonpituus-, polarisaatio- ja paikkamultipleksaus.

10

Aallonpituusmultipleksauksessa yhdistetään kahden tai useamman (n kpl) eri aallonpituuden säteet yhdeksi säteeksi sopivia aallonpituusriip-puvuuden omaavia säteenyhdistäjiä käyttämällä. Tällaisia optiikasta sinänsä hyvin tunnettuja säteenyhdistäjiä ovat mm. dikroiset peilit, 15 joista tunnettuja esimerkkejä ovat mm. ns. kuuma/kylmä -peilit. Säteenyhdistäjiä käytettäessä niiden avulla yhdistetyn säteen halkaisija voidaan järjestää oleellisesti samaksi kuin kunkin yhdistettävän ja eri aallonpituuden omaavan säteen halkaisija. Tällöin yhdistetyn säteen tehotiheys kasvaa häviöttömässä tilanteessa n-kertaiseksi. Koska 20 valon avaruuskulma voidaan säilyttää alkuperäisenä, myös yhdistetyn , Y: säteen kirkkaus kasvaa samassa suhteessa tehotiheyden kanssa.

* * · * I t . :1. Polarisaatiomultipleksauksessa yhdistetään kaksi saman aallonpituu- .*··. den omaavaa sädettä yhdeksi säteeksi polarisaatiosäteenyhdistäjän tY. 25 avulla. Tarvittaessa toisen osasäteen polarisaatiotasoa voidaan kiertää esimerkiksi 90° λ/2 -levyllä. Koska yhdistetyn säteen halkaisija on '·*·' oleellisesti sama kuin yhdistettävien osasäteiden halkaisijat, voi tehoti heys tässä tapauksessa kasvaa käytännössä lähes kaksinkertaiseksi. Koska valon avaruuskulma ei muutu, myös kirkkaus kasvaa lähes kak-30 sinkertaiseksi.

• · * .···.’ Paikkamultipleksauksessa eri valonlähteistä lähteneet säteet kootaan * a *" yhteen samaan avaruuden osaan. Paikkamultipleksauksen tavoitteena YY on säilyttää alkuperäisen valonlähteen kirkkaus mahdollisimman hyvin.

:.Y 35 Tehotiheyttä saadaan kasvatettua, mutta koska valon avaruuskulma 116010 3 kasvaa samassa suhteessa, ei kirkkautta voida pelkällä paikkamulti-pleksauksella kasvattaa.

Käytännössä on erittäin vaikeaa suunnitella ja toteuttaa rakenne, jossa 5 voitaisiin yhdistää useiden puolijohdelaserien säteet tehokkaasti ja samanaikaisesti käyttämällä aallonpituus-, polarisaatio- ja paikkamulti-pleksausta. Tämä johtuu mm. puolijohdelaserien emission astigmaatti-suudesta sekä nykyisin yleisesti käytettävien laserbarien leveydestä.

10 Tyypillisesti nykyisissä leveissä laserbareissa käytettävien yksittäisten emitterien valoa emittoivan pinnan korkeus (jäljempänä y-suunta) on alle 1 pm ja tässä nopeasti divergoivassa suunnassa (fast-akseli, FA) emitteristä lähtevä säde hajaantuu gaussiaanisesti 30-40° kulmassa (FWHM). Yksittäisten emitterien valoa emittoivan pinnan leveys (jäl-15 jempänä x-suunta) on tyypillisesti luokkaa 100 pm ja tässä hitaasti divergoivassa suunnassa (slow-akseli, SA) lähtevä säde hajaantuu alle 10° kulmassa (FWHM). Laserbariksi koottujen vierekkäisten emitterien välissä on aina valoa emittoimatonta ei-aktiivista "tyhjää" tilaa. Tyypillisesti luokkaa 10 mm leveästä laserbarista, joka sisältää 20-40 vierek-20 käistä emitteriä, saadaan 20-50 W jatkuvaa valotehoa. Laserbarin : Y: pituuteen suhteutettuna valoteho on tällöin 2-5 W/mm. Pulssitoimin- : nassa hetkellinen vastaava teho voi olla yli 10 W/mm.

* 1 t * » · • · # .···, Patentissa US 5,825,551 on esitetty yksinkertainen kahteen tasopeiliin V\' 25 perustuva paikkamultipleksausmenetelmä. Ratkaisussa emitterien slow-akseli ohjataan vinosti kahden lasilevyn väliin, johon yhdistettävät valonsäteet jäävät siten loukkuun ja jossa ne heijastuen etenevät kohti lasilevyjen ulostulopäätyä. Säteet poistuvat lasilevyjen välisestä peili- raosta alkuperäistä kapeampana. Rakenne on yksinkertainen, mutta 30 valotehosta menetetään heijastushäviöinä. Lisäksi esitetyllä menetel- : mällä on hankala toteuttaa samanaikaisesti eri multipleksausmenetel- , · · / miä, joten suurin saavutettava tehotiheys on rajoittunut.

» »

Useissa patenteissa ehdotetaan erityyppisten aaltojohteiden käyttä-\ 35 mistä laserbarien (US 4,820,010) tai emitterien (US 6,312,166) sätei den yhdistämiseksi. Aaltojohteisiin perustuvat ratkaisut poistavat emit- 116010 4 terien ja/tai laserbarien välistä valoa emittoimatonta tyhjää tilaa ja niiden avulla valo on edelleen helppo siirtää valokuituihin. Käytännössä aaltojohteet kuitenkin usein heikentävät merkittävästi valonlähteen kirkkautta. Tämä johtuu siitä, että aaltojohteiden ulostulopäädyssä ei 5 päästä korkeaan täyttöasteeseen (engl. fill factor). Aaltojohteiden on valon kytkentäpäädystään oltava riittävän suuria, jotta kaikki valoteho saadaan talteen, mutta usein osa kytkentäpinnasta on tehotonta ja ko-konaiskirkkaus huononee. Lisäksi asentamisen tarkkuus voi olla kriittinen tekijä säteenlaadulle. Polarisaatio- ja aallonpituusmultipleksaus 10 eivät myöskään ole suoraan yhdistettävissä aaltojohteiden käyttöön.

Laserin kirkkauden säilyttäminen slovv-akselin suunnassa on ehkä yleisin kirkkaiden diodilaserien säteiden yhdistämiseen liittyvä ongelma, johon on esitetty ratkaisuja useissa patenttijulkaisuissa. Ongelma 15 voidaan ratkaista yksinkertaisesti siten, että emitterit prosessoidaan laserkiekolle (engl. wafer) riittävän kauas toisistaan. Tällöin yksittäisten emitterien eteen voidaan sijoittaa kunkin emitterin kokoon nähden riittävän suuri slow-akselin kollimointioptiikka (US 5,793,783). Tällaiset ratkaisut eivät kuitenkaan ole käytännössä edullisia, sillä laserkiekko 20 tulee huonosti hyödynnettyä, koska suurin osa kiekosta on emitterien ; V: välistä tyhjää tilaa.

• I I

• · · • · ·

Lukuisat ratkaisut pyrkivät kaventamaan valokenttää slow-akselin • · · suunnassa optisin menetelmin ja samalla mahdollisesti poistamaan 25 emitterien välistä tyhjää tilaa. Yleisesti voidaan todeta, että slow-akse-Iin kaventaminen tapahtuu valonlähteen kuvan korkeutta kasvattamalla, mistä seuraa väistämättä se, että laserbarien välinen fyysinen etäisyys kasvaa niitä päällekkäin pinoamalla yhdistettäessä. Lisäksi ..ii’ kaventamis- ja pinoamisoptiikoiden vaatima fyysinen tila tekee erilais- ·*..!·' 30 ten multipleksausmenetelmien yhdistämisen vaikeammaksi. Tunnettu- .·! : jen kaventamisoptiikoiden pääpiirteitä on seuraavassa tarkasteltu .··.’ lähemmin.

:: Patentissa US 5,784,203 suoritetaan slow-akselin kaventaminen linssi- 35 optiikan ja yhdensuuntaissiirtymän avulla lasilevyistä pinottua tornia hyödyntämällä. Tornin lasilevyjen tasot ovat yhdensuuntaiset, mutta 116010 5 lasilevyjä on kierretty sopivasti toisiinsa nähden niin, että rakenne muistuttaa viuhkaa. Leveästä laserbarista tuleva valonsäde jaetaan slovv-akselin suunnassa osasäteisiin, jotka poikkeutetaan fast-akselin suunnassa, jolloin eri emittereistä lähtenyt valo osuu lasilevytornissa eri 5 kerroksiin. Viuhkamaisesti ladotuissa lasilevyissä tapahtuu yhden-suuntaissiirtymiä, joiden ansiosta eri emittereistä tulevat säteet saadaan slovv-akselin suunnassa päällekkäin. Valo etenee lasilevytornissa kokonaisheijastusten avulla, joten levyjen väleissä ja/tai pinnoilla täytyy olla alhaisemman taitekertoimen väliainetta kuin itse levy. Slovv-akselin 10 divergoimisesta johtuen eri lasilevyille tarkoitettu valo menee osittain sekaisin ja tämä osuus menetetään. Menetelmässä tarvitaan useita sylinterilinssejä, pallolinssejä ja lasilevyjä, mikä tekee rakenteen kookkaaksi ja eri multipleksausmenetelmien samanaikaisen hyödyntämisen hankalaksi. Kaventaminen ja pinoaminen voidaan tehdä myös kahden 15 lasilevyistä pinotun tornin avulla (US 5,805,784 ja US 5,986,794). Myös tässä ratkaisussa laserbarit jäävät kauaksi toisistaan ja menetelmä soveltuukin parhaiten valotehon kuituunkytkemiseen yksittäisistä laser-bareista.

20 Erilaisia mikropeileihin perustuvia kaventamis- ja pinoamisrakenteita on ;V: esitetty useita. Tarkoitukseen voidaan käyttää esim. kahta offset-peiliri- . .·. viä (US 5,887,096) tai puolijohteista puolijohdetekniikalla valmistettua poikkeutuspeilijärjestelmää (US 5,808,323). Monoliittiseen peilitekniik- • * · kaan perustuva kaventamisoptiikka, joka myös poistaa emitterien väli- • » 25 sen tyhjän tilan, on esitetty patentissa US 5,592,333. Tässä fast-akseli kollimoidaan tyypilliseen tapaan ensimmäisenä. Kustakin emitteristä tai • · *···* emitteriryhmästä lähtenyt säde heijastuu sen kohdalla olevasta “V”:n muotoisen uran molemmista reunoista, jolloin etenemissuunta muuttuu 90° ja osasäteet pinoutuvat päällekkäin uudella tavalla. Tuloksena on 30 alkuperäisen pitkän valonsäteen pilkkoutuminen ja pilkkoutuneiden ; osasäteiden asettuminen fast-akselin suunnassa päällekkäin, jolloin nämä säteet voidaan kollimoida yhdellä linssillä. Menetelmän mukaisen :*’ laitteen rakenne on kuitenkin “L”:n muotoinen, mikä vaatii suuren tilan.

Tämän seurauksena useiden laserbarien säteiden yhdistäminen ei ole 35 kovin edullista. Usein myös mikropeilien valmistustekniset ongelmat ovat rajoittavia. Peiliheijastukseen perustuvassa optiikassa, mitä edelli- 116010 6 setkin edustavat, tapahtuu absorptiosta aiheutuvia tehohäviöitä ja peilejä on mahdollisesti jäähdytettävä.

Slow-akselin kaventaminen ja tiivistäminen voidaan toteuttaa porras-5 peilejä vastaavalla tavalla myös sopivan muotoisilla lasitangoilla (US 5,877,898). Kunkin lasitangon sisäänmenopinta on kohtisuorassa valon tulosuuntaan nähden ja ulostulopinta 45° kulmassa valon tulosuuntaan nähden. Vinosta ulostulopinnasta aiheutuvan kokonaisheijastuksen ansiosta valon kulkusuunta muuttuu 90°. Kokonaisheijastukseen 10 perustuvissa ratkaisuissa tehohäviöt ovat vähäisiä. Pienet lasitangoista integroidut peili rakenteet ovat kuitenkin vaikeasti valmistettavia, eikä laserbareja saada tässäkään ratkaisussa lähelle toisiaan.

Eräs käytännöllinen ratkaisu slow-akselin kaventamiseksi ja kollimoimi-15 seksi perustuu poikkeutusprismoihin (US 5,808,803). Emitterin tai emitteriryhmän säteet poikkeutetaan fast-akselin suunnassa prismojen avulla, jolloin nämä alkuperäistä laserbaria kapeammat säteet voidaan kollimoida tarkemmin omilla sylinterilinsseillään. Tarvittavien kollimointi-linssien lukumäärä riippuu siitä, kuinka moneen osaan alkuperäinen 20 laserbar pilkotaan. Rakenne on yksinkertainen, mutta laserbareja ei saada lähekkäin, sillä poikkeutus on tehtävä fast-akselin suunnassa. Jos haluttaisiin kollimoida laserbarin 20 emitteriä erikseen, tarvittaisiin • I # 20-osainen prismarakenne ja edelleen 20-kerroksinen kollimointilinssi- » · # torni. Myös kokonaiskirkkaus alenee tarpeettomasti, sillä eri emitte-25 reistä lähteneitä säteitä ei aseteta päällekkäin slow-akselin suunnassa.

• i ·

Emitterien välistä tyhjää tilaa voidaan poistaa myös ennen säteiden yhdistämistä, kuten on tehty porraspeilirakenteeseen perustuvassa ,,; j * patentissa US 6,240,116.

30 , · [ ; Yhteenvetona edellä esitetyistä tekniikan tason ratkaisuista voidaan to- deta, että niissä pyritään ratkaisemaan emitterien slow-akselin hallin-taan liittyvän optiikan ongelmia, jotka aiheutuvat pitkälti nykyisin käy-•',,0 tössä olevien leveiden laserbarien ominaisuuksista. Slow-akselin : j 35 käsittelyn helpottamiseksi esitettyjen ratkaisujen hintana on kuitenkin rakenteiden monimutkaistuminen ja teknisten toteutusten fyysisen koon 116C10 7 kasvaminen, mikä puolestaan vaikeuttaa eri multipleksausmenetelmien samanaikaista käyttöä ja aiheuttaa näin rajoituksia kirkkaudelle ja tehotiheydelle.

5 KEKSINNÖN LYHYT KUVAUS

Nyt käsillä olevan keksinnön pääasiallisena tarkoituksena on esittää uudenlainen kokonaisvaltainen ratkaisu tilanteeseen, jossa suuri optinen tehotiheys tuotetaan yhdistämällä useiden puolijohdelaserien 10 emittoimaa säteilyä yhteen.

Tässä hakemuksessa esiteltävä menetelmä ja laserlaite perustuu keskeisesti ensinnäkin tekniikan tasoa slovv-akselin suunnassa lyhyempien ns. kapeiden laserbarien käyttöön, sekä toiseksi erityisen aksiaalisym-15 metrisen rakenteen hyödyntämiseen koottaessa eri sektoreihin järjestettyjen laserbarien säteilyä yhteen.

Keksinnön mukaisen laserbarien tavanomaista kapeamman rakenteen ansiosta niiden jäähdytystä voidaan yksinkertaistaa tai tehostaa ver-20 rattuna tekniikan tason mukaisiin leveisiin laserbareihin. Laserbarien :Y: kapeuden ansiosta vältytään lisäksi tekniikan tason mukaisten ratkai- * | : .·. sujen hankalalta ja rajoittavalta valonsäteen kaventamisoptiikalta slow- .···. akselin suunnassa. Tämä puolestaan mahdollistaa erittäin kompaktit • φ » ,L.# aksiaalisymmetriset rakenneratkaisut, jotka sallivat tehokkaan paikka-, 25 aallonpituus- ja polarisaatiomultipleksauksen samanaikaisen hyödyn-tämisen.

* · • · • · ·

Keksinnön mukaisella ratkaisulla on siten mahdollista kasvattaa eri laserbareista yhteen koottavan säteilyn tehotiheyttä lähemmäs kohti 30 sitä teoreettista maksimia, joka saavutettaisiin ideaalitilanteessa, jossa .·! : eri emitterien optinen teho voitaisiin häviöttömästi koota yhteen ja koh- .·./ distaa haluttuun pisteeseen. Siten keksinnön mukainen ratkaisu mah- dollistaa tekniikan tason ratkaisuja korkeampien tehotiheyksien saa-:. ,v vuttamisen sekä paremman yhdistetyn säteen laadun.

35 »»* 116010 8

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja laitteella on lukuisia muitakin edullisia ominaisuuksia, jotka ilmenevät alan ammattimiehelle jäljempänä esitettävästä keksinnön yksityiskohtaisesta kuvauksesta.

5 Edellä mainittujen tarkoitusten toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle laserlaitteelle on taas pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 17 tunnusmerkkiosassa.

10

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viittaamalla samalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kuvissa ja selityksessä keksinnön mukaisen kapean 15 laserbarin yhteydessä käytettävää xyz-koordinaatistoa, kuva 2a esittää periaatteellisesti x-akselin suunnasta tarkasteltuna kapeaa laserbaria kiinnitettynä jäähdytetylle alustalevylle, 20 kuva 2b esittää kuvan 2a mukaista kokonaisuutta y-akselin :Y: suunnasta tarkasteltuna, * · · .···. kuva 3 esittää periaatteellisesti z-akselin suunnasta tarkasteltuna • · * kahden päällekkäisen alustalevyn väliin sijoittuvan 25 laserbarin erästä johdinjärjestelyä,

• It • I

kuva 4a esittää periaatteellisesti x-akselin suunnasta (sivusta) tarkasteltuna keksinnön mukaista kapeista laserbareista ...'· muodostettua lasertornia, O 30 ,·* : kuva 4b esittää kuvan 4a mukaista lasertornia tarkasteltuna y- akselin suunnasta (päältä), • · kuva4c esittää kuvan 4a mukaista lasertornia tarkasteltuna z-’. ’ [: 35 akselin suunnasta ja valon kulkusuuntaa vastaan.

116010 9 kuva4d esittää kuvan 4a mukaista lasertornia tarkasteltuna z-akselin suunnasta ja valon kulkusuunnan mukaisesti, takaa.

5 kuva 5 esittää periaatteellisesti erästä keksinnön perussuoritusmuotoa sekä kuvissa jäljempänä käytettyjä piirrosmerkkejä, kuva 6 esittää periaatteellisesti erästä keksinnön toista 10 suoritusmuotoa, kuva 7a esittää periaatteellisesti erästä keksinnön kolmatta suoritusmuotoa sivusta, 15 kuva 7b esittää periaatteellisesti erästä keksinnön kolmatta suoritusmuotoa takaa, kuva 8a havainnollistaa erästä slovv-akselin kollimointioptiikan rakennetta slovv-akselin suunnasta tarkasteltuna, 20 kuva 8b havainnollistaa kuvan 8a rakennetta fast-akselin suunnasta

• I

. .·. tarkasteltuna, • » · • · · * · · kuva 8c havainnollistaa kuvan 8a rakennetta z-akselin (optisen 25 akselin) suunnasta tarkasteltuna, • I » • * ‘ · · · ’ kuvat 9a-9e esittävät periaatteellisesti erityyppisiä fokusointioptiikoita, kuva 10 esittää periaatteellisesti erästä keksinnön neljättä 30 suoritusmuotoa, » «

• I I

,···“ kuva 11 esittää periaatteellisesti erästä keksinnön viidettä » « suoritusmuotoa, 35 kuva 12 esittää periaatteellisesti erästä keksinnön kuudetta suoritusmuotoa, ja 116010 10 kuva 13 esittää periaatteellisesti erästä keksinnön seitsemättä suoritusmuotoa.

5 KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAISEMPI KUVAUS

Määritellään aluksi kuvan 1 mukaisesti rinnakkain järjestetyistä puoli-johde-emittereistä E koostuvan kapean laserbarin LB paikkakoordinaa-tistossa fast-akselin suunta y-suunnaksi ja laserbarin slow-akselin 10 suunta x-suunnaksi. Kaikki laserbarista LB lähtevät valonsäteet etenevät aluksi olennaisesti samaan z-suuntaan. Laserbarissa (LB) vierekkäisten emittereiden (E) slow-akselit (x) sijoittuvat keskenään olennaisesti samaan linjaan ja mainitut diodilaserit (E) emittoivat olennaisesti samaan suuntaan (z).

15

Keksinnön mukaisella kapealla laserbarilla LB tarkoitetaan rakennetta, jossa emittereitä E on järjestetty laserbariin rinnakkain x-suunnassa oleellisesti kapeammalle alueelle L (lähikentän leveys) kuin tekniikan tason mukaisissa laserbareissa. Tyypillisesti kapeassa laserbarissa LB 20 emittereitä E on rinnakkain vain esimerkiksi 5 kappaletta, kun tekniikan tason mukaisissa laserbareissa niitä on tyypillisesti 20-40 kpl.

Yksittäisestä puolijohde-emitteristä E käytetään jäljempänä paikoitellen !.. myös nimitystä puolijohdelaser tai diodilaser.

25

Keksinnön mukaisessa aksiaalisymmetrisessä rakenteessa kapeista :···: laserbareista LB muodostetut perusosat, kuten päällekkäin pinotuista laserbareista LB muodostetut lasertornit ja/tai lasertornipinot, sekä mahdollinen optiikka on sijoitettu sektoreittain kehämuodostelmaan, 30 jossa sektoreiden rakenne toistaa itseään säännöllisin tai epäsäännöl-X ; lisin kulmavälein.

X Kapeisiin laserbareihin LB perustuvaa suuren tehotiheyden laserlaitetta :,:V tarkastellaan seuraavassa valon etenemisreittiä seuraten järjestyk- : X: 35 sessä: kapea laserbar - laserbarin asennus alustalevylle - laserbarien 116010 11 pinoaminen - fast-akselin kollimointi (FAC) - säteiden yhdistäminen -slovv-akselin kollimointi (SAC) - fokusointi - lopputulos.

Keksinnön keskeisten periaatteiden osalta selostus liittyy seuraavassa 5 pääosin kuvassa 5 esitettyyn keksinnön perussuoritusmuotoon. Keksinnön eräitä muita mahdollisia suoritusmuotoja tarkastellaan lisäksi erikseen jäljempänä.

1. Kapean laserbarin ominaisuudet ja valmistus 10

Keksinnön peruslähtökohtana on kuvan 1 mukaisesti yksittäinen kapea laserbar LB, jolla tarkoitetaan laserkiekosta prosessoitua yksittäistä yhden tai useamman laseremitterin E sisältävää komponenttia, jonka slovv-akselin suuntainen mainittujen laseremitterien E yhdessä muo-15 dostama lähikenttä L on oleellisesti niin kapea, että laserbarin LB lähettämä säde on suoraan kollimoitavissa ja fokusoitavissa käyttötarkoitukseen riittävällä tarkkuudella, eikä tekniikan tason mukaisia erityisiä slovv-akselin kavennusoptiikoita siten tarvita.

20 Laserbarin LB kapeus voidaan saada aikaan joko käyttämällä pienem-pää kokonaismäärää rinnakkaisia emittereitä E samassa laserbarissa a i . ja/tai järjestämällä emitterit E tiheämpään kuin tekniikan tason laserba- .»·. reissä.

* « ·

t » I

25 Sopivimmin kapean laserbarin LB slovv-akselin suuntaisen lähikentän • a · / leveys L voi olla luokkaa 0,5 mm. Laserbareissa LB emitterit E ovat keskenään sähköisesti rinnankytkettyjä.

Kapean laserbarin LB emitterien E rakenne voi olla tunnetun tekniikan L”: 30 tason mukainen tai myös tätä käyttötarkoitusta varten paremmin opti- .·* : moitu. Emitterit E voivat siten sijaita vierekkäin nykyistä käytäntöä tihe- ämmässä, jolloin laserbarin LB kokonaiskirkkaus kasvaa samalta alu-eelta saatavan suuremman valotehon ansiosta. Emitterien E tavan-omaista tiheämpi sijoittelu kapeissa laserbareissa LB tulee mahdolli-35 seksi laserbarien tekniikan tasoa parempien jäähdytysominaisuuksien ansiosta. Tämä johtuu mm. siitä, että kapeissa laserbareissa LB kes- 116010 12 kimmäisinä sijaitsevilta emittereiltä E voidaan johtaa lämpöä pois osittain myös x-suunnassa. Koska kapeat laserbarit LB sisältävät tyypillisesti lukumääräisesti huomattavasti vähemmän emittereitä kuin leveät laserbarit, on niissä syntyvän lämpötehon kokonaismäärä alhaisempi, 5 mikä sinänsä pienentää jäähdytykseen kohdistuvia vaatimuksia.

Voidaan arvioida, että nykyisin käytössä jo olevilla puolijohteiden prosessointimenetelmillä voidaan valmistaa 0,5 mm levyisiä kapeita laser-bareja LB, joista kustakin saadaan luokkaa 10 W jatkuvaa valotehoa.

10 Laserbarin LB pituuteen suhteutettuna tämä vastaa 20 W/mm, mikä on huomattavasti nykyisiä leveitä laserbareja enemmän. Tämä ero johtuu pääasiallisesti siitä, että emitterejä E on voitu sijoittaa tavanomaista tiheämpään kapean laserbarin LB edellä selostettujen parempien jääh-dytysominaisuuksien ansiosta.

15

Kun emittereiden E tiheys kasvaa, voidaan laserien valmistusvaiheessa laserkiekko kasvattaa ja prosessoida siten, että valotehoa saadaan nykyistä enemmän kiekon pinta-alayksikköä kohti. Tämä alentaa osaltaan laserien valmistuskustannuksia.

20 2. Kapean laserbarin asennus alustalle sekä laserbarin jäähdytys

.i·. Kapea laserbar LB asennetaan kuvan 2 mukaisesti alustalevylle M

jäähdytyksen tehostamiseksi siten, että laserbarin LB rakenteen laser- 25 oivat puolijohdekerrokset ovat mahdollisimman lähellä jäähdytettyä alustalevyä M. Kiinnitysmenetelmänä voidaan käyttää sinänsä tunne-tuilla tavoilla esimerkiksi erilaisia hyvän sähkön- ja lämmönjohtokyvyn omaavia liimoja, juotteita, höyrystettäviä juoteaineita ja/tai näiden yhdistelmiä.

O 30 , ; : Käytännössä sivustaan z-suuntaan emittoivat laserbarit LB kiinnitetään alustalevylle M tyypillisesti p-puoli alaspäin. Alustalevy M on sopivim-min kooltaan kapeaa laserbaria LB sekä pidempi että leveämpi ja alustalevyn M materiaali valitaan siten, että sen lämmönjohtavuus on :! j 35 mahdollisimman hyvä. Laserbarin LB ja alustalevyn M väliin voidaan haluttaessa järjestää tehokkaasti lämpöä siirtävä kerros, ns. “heat 116010 13 spreader” (ei esitetty kuvissa), joka voi tarvittaessa toimia myös sähköisenä eristeenä (esim. polymorfinen timanttikalvo tai boorinitridi). Alustalevyihin M työstetään tiettyihin kohtiin jäähdytyksen kannalta riittävä määrä kanavia CH, joiden läpi jäähdytysneste tai muu jäähdyttävä 5 väliaine virtaa. Kanavat CH voidaan vaihtoehtoisesti työstää vasta valmiisiin laserbareista LB pinoamalla muodostettuihin lasertorneihin.

Keksinnön mukaisen kapean laserbarin LB lämpeneminen on noin kymmenesosan suuruinen nykyisin käytettyihin leveisiin laserbareihin 10 verrattuna, mikä helpottaa merkittävästi jäähdytykselle asetettavia vaatimuksia.

Kapeiden laserbarien LB pienten fyysisten dimensioiden ansiosta niiden jäähdytyksen yhteydessä on leveitä laserbareja helpompaa 15 käyttää tehokkaita “heat spreader” -alustoja ilman, että erilaiset lämpölaajenemisesta aiheutuvat ongelmat tulisivat rajoittaviksi. Lisäksi laserbarien LB taipuminen x-suuntaisen akselin suhteen, ns. “smiling”, on kapeilla laserbareilla merkittävästi vähäisempää kuin tekniikan tason mukaisilla leveillä laserbareilla. Suurikokoisia lämmönsiirrossa 20 tarvittavia timanttikalvoja ("heat spreader") on lisäksi vaikea valmistaa nykytekniikoilla. Edelleen kapean laserbarin LB jäähdytys on kapealla . rakenteella leveää rakennetta tehokkaampaa, koska lämpövuo pääsee

levittäytymään alustalla myös x-suunnassa ja jäähdyttävä alustalevy M

• * · ;.. voi olla tässä suunnassa laserbaria LB huomattavasti leveämpi.

25 *; / Kuvissa 2a ja 2b periaatteellisesti esitetyn ja kooltaan "makroskoop- pisiin" kanaviin CH perustuvan jäähdytyksen sijaan on mahdollista käyttää myös tekniikan tasosta sinänsä hyvin tunnettua ns. mikrokana-vajäähdytystä. Mikrokanavajäähdytyksessä jäähdyttävä väliaine pyri-30 tään tuomaan alustalevyyn M työstetyissä pienissä mikrokanavissa ; mahdollisimman lähelle itse lämpöä tuottavia laseremittereitä. Kapei- !..] den laserbarien LB käytön etuna on kuitenkin se, että riittävän tehokas ‘ jäähdytys on useimmissa tapauksissa mahdollista toteuttaa yksinker- taisemmilla rakenteilla kokonaan ilman kallista ja tunnetusti hankalasti : * “: 35 toteutettavaa mikrokanavajäähdytystä.

116010 14

Eräs jäähdytetyn laserbarin LB rakenne voi olla seuraavanlainen. Alustalevyn M (esim. kuparia) päälle on kiinnitetty ohut eristelevy IL, joka on alustalevyyn M nähden kuvassa 2a esitetyllä tavalla lyhyt laserbarin LB puoleisesta päädystään, jolloin laserbar LB voidaan 5 asentaa suoraan alustalevyn M pintaa vasten. Mainittu kahden päällekkäin pinotun alustalevyn M väliin tuleva eristelevy IL voi olla esimerkiksi boorinitridiä tai jotain muuta korkean lämmönjohtavuuden materiaalia. Laserbar LB kiinnitetään alustalevylle M p-puoli alaspäin. Laser-bariin LB on mahdollisesti kiinnitetty valmiiksi kuvassa 3 esitetty virta-10 johdin W, joka voidaan laserbarin LB alustalevylle M kiinnittämisen jälkeen yhdistää seuraavan kerroksen alustalevyn M pohjaan esimerkiksi sähköäjohtavalla hopeaseosteisella epoksiliimalla. Virtajohdin W voi olla esimerkiksi kuvassa 3 esitetyn mukainen, jossa johtimen W molemmat vapaat päädyt kiinnitetään yläpuolisen alustalevyn M poh-15 jaan. Vaihtoehtoisesti vain johtimen W toinen pääty voidaan kiinnittää yläpuoliseen alustalevyyn M.

Laserbarin LB asennuksessa alustalevylle M voidaan käyttää myös pelkkää juotos- tai liimaustekniikkaa virtajohtimen W sijasta. Asennus

20 voidaan tehdä myös siten, että alustalevylle M kiinnitetyt laserbarit LB

:Y: hiotaan eristelevyn IL kanssa samalle tasolle. Tämän jälkeen pintaan « 1 . voidaan kiinnittää esimerkiksi juotepreformi, höyrystää sopiva juoteker- ros tai annostella sähköä johtava liimakerros. Päällekkäin pinotut

* » I

lasertornin alustalevyt M voidaan myös lämmittää kerralla, jolloin juote-25 kerros sulaa ja syntyy tarvittava kontakti päällekkäisten alustalevyjen M

':. ’: ja alustalevyllä olevan laserbarin LB välille.

•»· 3. Laserbarien pinoaminen Iasertorneiksi ja lasertornipinoiksi * (· 30 Suuremman valotehon aikaansaamiseksi yksittäiset alustalevylle M ,·! : kiinnitetyt laserbarit LB pinotaan korkeammiksi Iasertorneiksi, joissa laserbarit LB ovat keskenään sähköisesti sarjaankytkettyjä. Pinoami-sen yhteydessä laserbarien LB emitterien E puoleinen päätypinta voidaan väliaikaisesti suojata, jolloin rakenteeseen mahdollisesti Y‘: 35 jääneet ilmavälit voidaan täyttää sopivimmin lämpöä johtavalla aineella, 116010 15 esimerkiksi sopivalla sähköä eristävällä liimalla. Tällöin rakenteen jäähdytys tehostuu.

Kuvissa 4a-4d on periaatteellisesti esitetty eräs mahdollinen kapeista 5 laserbareista LB rakennettu lasertornirakenne LT sekä fast-akselin kollimointioptiikka FAC (ei esitetty kuvissa 4c ja 4d). Kollimointioptiikka FAC voi olla tekniikan tason mukainen linssistö, joka koostuu kuvan 4a mukaisesti kunkin laserbarin LB eteen erikseen järjestetyistä linsseistä.

10 Kuvissa 4a-4d on esitetty myös mainitusta fast-akselin suhteen kolli-moidusta lasertornista LT eri suuntia vastaavat piirrosmerkit, joita käytetään hyväksi myöhemmissä kuvissa.

Pinottaessa laserbareja LB päällekkäin lasertorniksi LT rakenteen 15 valoa emittoivan alueen koko kasvaa fast-akselin suunnassa ja pysyy samana slovv-akselin suunnassa. Valmiita lasertorneja LT voidaan edelleen pinota vastaavalla tavalla päällekkäin, jolloin saadaan laser-tornipinoja LTP, joissa valoa emittoivan alueen koko kasvaa edelleen fast-akselin suunnassa. Lasertornipinot LTP voivat sisältää eri aallon-20 pituuksien lasertorneja LT, kuten on esitetty myöhemmin esimerkiksi ; kuvassa 5.

s t i « ·

Tornipinot LTP voidaan pinota siten, että lasertornit LT on kohdistettu * * * riittävän tarkasti päällekkäin, jotta lasertornipinon LTP sisältämät 25 lasertornit LT voidaan kytkeä jäähdytyksellisesti sarjaan. Toisin sanoen / laserbarien LB sisältämät jäähdytyskanavat CH kohdistuvat toisiinsa : : päällekkäisissä laserbareissa LB ja jäähdytyskanavat CH kulkevat siten yhtenäisinä koko lasertornin LT ja edelleen lasertornipinon LTP lävitse.

t I · t L": 30 Jäähdytetty alustalevy M voidaan pinnoittaa esimerkiksi vuorottaisella .·! ; Sn/Au-juotekerrosrakenteella, jolle on tyypillistä se, että pinnoitteen

> I I

sulamislämpötila nousee, kun rakenne on ensimmäisen kerran sula-tettu. Tämä mahdollistaa jäähdytettyjen lasertornien LT pinoamisen :.i!: yksi jäähdytetty laserbar LB kerrallaan ilman, että edellinen juoteliitos 35 sulaa uuden jäähdytetyn laserbarin LB kiinnijuottamisen yhteydessä. Höyrystämällä valmistettu Sn/Au-juotekerrosrakenne on lisäksi pak- 116010 16 suudeltaan tarkasti tunnettu, jolloin lasertornien LT dimensiot tunnetaan suurella tarkkuudella.

Yhdestä lasertornista LT, joka sisältää esim. 10 kapeaa jäähdytettyä 5 laserbaria LB, voidaan saada tyypillisesti 100 W jatkuvaa valotehoa. Ulostuleva valo on reunasta emittoivilla kirkkailla diodilasereilla polarisoitunut yleensä xz-tasossa.

4. Fast-akselin kollimointi (FAC) 10

Kunkin laserbarin LB fast-akseli kollimoidaan tyypilliseen ja tekniikan tasosta sinänsä tunnettuun tapaan fast-akselin kollimointioptiikalla FAC heti, kun säde on tässä suunnassa levinnyt lähes päällekkäisten laser-barien LB välisen etäisyyden suuruiseksi. Kollimointi voidaan toteuttaa 15 esimerkiksi asferisillä sylinterilinsseillä, grin-linsseillä, diffraktiivisella optiikalla tai edellisten yhdistelmillä. Kuvassa 4a on periaatteellisesti esitetty eräs fast-akselin kollimoinnin toteuttava linssistö FAC.

Tilanteessa, jossa lasertorneissa LT yksittäiset laserbarit LB on ase-20 moitu toisiinsa nähden riittävällä tarkkuudella, voidaan fast-akselin ;Y· kollimointiin käyttää sopivimmin yhtä optista matriisielementtiä, linssis-

> I

. töä FAC, joka asemoidaan yhtenä komponenttina lasertornin LT eteen.

.·!·. Tällöin asennettavien FAC-komponenttien lukumäärä pienenee • « · t!..t merkittävästi ja toimenpide on nopea suorittaa. Keksinnön mukaisia V’! 25 kapeita laserbareja LB käytettäessä tällainen FAC-komponentti on

• | I

myös pienikokoinen, mikä helpottaa asentamisen automatisointia.

• ·

f I I

Diodilaserien fast-akselin kollimoinnissa yhtenä yleisesti rajoittavana tekijänä on emitterin E ja kollimointioptiikan FAC välisen z-suuntaisen 30 etäisyyden epätarkkuus. Toisin sanoen yksittäisen emitterin E ja kolli-: mointioptiikan FAC sitä vastaavan kohdan välinen etäisyys ei ole riittä- väliä tarkkuudella oikea säteen kollimoimiseksi kunnolla. Tekniikan V’ tason mukaisten leveiden laserbarien tapauksessa em. asentamisen epätarkkuus kertaantuu tehokkaasti ja esim. leveiden laserbarin reu-35 noilla x-suunnassa kollimointioptiikka FAC voi poiketa haitallisen paljon optimietäisyydestä.

116010 17

Lisäksi leveiden laserbarien asentamisen yhteydessä esimerkiksi mikroskoopin avulla suoritettava monitorointi on hankalaa, koska riittävää suurennosta käytettäessä leveän laserbarin reunat ovat x-suunnassa 5 liian kaukana toisistaan, jotta molemmista reunoista saataisiin tarkka kuva yhdellä kertaa samaa kuvantavaa laitetta käyttäen. Keksinnön mukaiset kapeat laserbarit LB eivät ole yhtä herkkiä asemoinnin epätarkkuudelle kuin tekniikan tason mukaiset leveämmät laserbarit. Kapean laserbarin LB molempia reunoja voidaan myös monitoroida hel-10 posti samalla kertaa suurella tarkkuudella esim. konenäön avulla yhtä kuvantavaa laitetta käyttäen.

5. Säteiden yhdistäminen (multipleksaus) ja kompensointi 15 Kuvassa 5 on periaatteellisesti esitetty lasertornit LT, ja niistä edelleen päällekkäin pinoamalla muodostetut lasertornipinot LTP asemoituna erääseen keksinnön mukaiseen kehämuodostelmaan sektoreittain siten, että ne kaikki lähettävät valon radiaalisuuntaan kohti pyöräh-dysakselia A. Pyörähdysakselista A käytetään jäljempänä nimitystä 20 optinen akseli A.

• · · • « * • · . Lasertornipinoja LTP voi olla sovitettu sektoreittain mainitulle kehälle .···'. mikä tahansa fyysisesti mahtuva määrä. Keksinnön mukaisesti kusta- « · · kin lasertornipinosta LTP lähtevien säteiden kulkusuuntaa käännetään 25 sopivien optisten elementtien avulla 90°, jolloin kaikki säteet saadaan etenemään aksiaalisesti samaan suuntaan tietyllä etäisyydellä optisesta akselista A. Nämä samaan suuntaan etenevät säteet fokusoidaan edelleen yhteen pisteeseen suuren optisen tehotiheyden tuotta-miseksi.

30 : Seuraavassa tarkastellaan eri lasertorneista LT lähtevien säteiden ete- t > · nemistä kuvan 5 mukaisessa rakenteessa. Kuvassa 5 esitettäviä peri- > » aatteita ja piirrosmerkkejä käytetään hyväksi myöhemmin kuvissa 6-13 :esitettävissä keksinnön muissa suoritusmuodoissa.

: 35 » I t 116010 18

Tarkastellaan aluksi aallonpituuden λη sädettä, joka lähtee kuvan 5 lasertornista LT51. Mainittu säde, jota kuvassa 5 on skemaattisesti kuvattu pisteviivalla, etenee aluksi radiaalisesti suoraan kohti optista akselia A kulkien polarisaation kiertoelementin P ja optisen kompen-5 sointielementin C läpi, kunnes säde poikkeutetaan alkuperäisestä ete-nemissuunnastaan 90° kulkusuunnan kääntöelementin DE avulla.

Optisten kompensointielementtien C tehtävänä on muokata yksittäisen lasertornipinon LTP sisältämien lasertornien LT yhdistetystä säteestä 10 sellainen, että kyseisen lasertornipinon LTP emittereistä multipleksaa-malla muodostetun yhdistetyn säteen slovv-akseli voidaan kollimoida myöhemmin selostetulla tavalla slow-akselin kollimointioptiikalla SAC.

Tyypillisesti kompensointielementti C on sopivan taitekertoimen omaa-15 vasta optisesta materiaalista valmistettu säteiden matkaeroa kompensoiva optinen taso, väliainepala. Sovittamalla materiaalin taitekerroin sekä komponentin paksuus ja muoto sopivasti kutakin lasertornia LT varten, voidaan kompensoida lasertornien LT erilaista etäisyyttä suhteessa fokusointioptiikkaan FO.

20

Kompensointielementti C voi toimia myös linssin tavoin, jolloin huomi-oidaan lasertornien LT eri aallonpituuksien λ1-λη erilainen taittuvuus (dispersio) ja/tai niiden erilaiset lähtödivergenssit. Siten kompensoin-tielementti C voi olla tai se voi sisältää esimerkiksi yhden tai useam-25 man sylinterilinssin.

• < I

• · • * ·

Kompensointia voidaan toteuttaa myös kokonaan ilman varsinaisia kompensointielementtejä C esimerkiksi siten, että kunkin lasertornin LT etäisyys optisesta akselista A asetellaan sopivaksi lasertornipinoa LTP 30 muodostettaessa.

Kääntöelementin DE jälkeen, joka voi olla esimerkiksi peili tai prisma, :* lasertornista LT51 lähtenyt säde jatkaa aksiaalisesti matkaansa polari- » saatiosäteenyhdistäjään PBC, jossa tapahtuu lasertorneista LT51 ja 35 LT52 lähteneiden säteiden polarisaatiomultipleksaus.

116010 19

Polarisaatiosäteenyhdistäjien PBC toiminta on periaatteessa vastaavaa kuin polarisaatiosäteenjakajilla, mutta säteenjakajiin nähden käänteistä. Koska polarisaatiosäteenyhdistäjillä PBC yhdistettävien säteiden on sopivimmin oltava toisiinsa nähden kohtisuoraan polarisoituneita, 5 voidaan polarisaation kiertoelementeillä P, kuten esimerkiksi λ/2-levyillä, tarvittaessa kääntää toisen yhdistettävän säteen polarisaatiota 90°. Lasertorneista LT lähtevä valo on aluksi polarisoitunut xz-tasossa.

Lasertornista LT52 lähtevä katkoviivalla kuvattu säde etenee polari-10 saatiosäteenyhdistäjään PBC ja etenee suuntaansa muuttamatta mainitun komponentin läpi. Lasertornista LT51 tuleva säde puolestaan on edennyt aikaisemmin polarisaation kiertoelementin P läpi, jossa sen polarisaatiotaso on kiertynyt 90°. Tämä polarisaatiotaso kokee polari-saatiosäteenyhdistäjässä PBC 90° muutoksen kulkusuunnassaan.

15 Polarisaatiosäteenyhdistäjän PBC jälkeen säteet jatkavat matkaansa päällekkäisinä.

Tämän jälkeen yhdistynyt säde etenee kohti optista akselia A, kunnes se poikkeutetaan aksiaalisesti eteneväksi kulkusuunnan kääntöele-20 mentin DE avulla.

* » . .·. Aallonpituusmultipleksaus toteutetaan sopivien dikroisten peilien sekä tavallisten peilien ja/tai prismojen avulla. Aallonpituusmultipleksauk- • · · sella saadaan kunkin lasertornipinon LTP eri aallonpituuksia λ1-λη 25 emittoivien lasertornien LT säteet yhdistettyä yhdeksi säteeksi.

* I · :·..** Aksiaalisesti etenevän polarisaatiomultipleksatun λη-aallonpituuden säteen matkan varrella kohtaamat dikroiset säteenyhdistäjät DBC on suunniteltu siten, että ko. aallonpituus λη etenee niiden läpi suun-30 taansa muuttamatta. Kukin dikroinen säteenyhdistäjä DBC on suunni- .·! : teltu edelleen sellaiseksi, että se poikkeuttaa sitä vastaavalta aksiaali- * *» .*··! kohdalta radiaalisuunnassa tulevat säteet optisen akselin A suuntai siksi, mutta päästää kuvassa 5 vasemmalta tulevat, ja siten jo optisen akselin A suuntaiset säteet lävitseen. Näin lasertornipinon LTP eri 35 lasertorneista LT lähtöisin olevat useat eri aallonpituudet λ1-λη saadaan kytkettyä päällekkäin.

20 116010

Kapeista iaserbareista LB pinotut lasertornit LT ja lasertornipinot LTP sekä keksinnön mukainen aksiaalisymmetrinen rakenne mahdollistavat edellä esitetyn mukaisesti erittäin tehokkaan paikkamultipleksauksen. 5 Paikkamultipleksauksella saadaan kunkin eri sektorissa sijaitsevan lasertornipinon LTP aallonpituus- ja polarisaatiomultipleksauksella yhdistetyt säteet koottua samaan avaruuden osaan. Jos kuvan 5 mukaisessa rakenteessa on m sektoria eli m kpl lasertornipinoja LTP (m = 2, 3, ...) aksiaalisymmetrisessä muodostelmassa katsottuna opti-10 sen akselin A suuntaisesti, voidaan fokuspisteen tehotiheyttä kasvattaa häviöttömässä tapauksessa m-kertaiseksi.

Keksinnön mukaisen aksiaalisymmetrisen rakenteen ansiosta laitteen ulkokehällä on runsaasti tilaa laserbarien LB jäähdytyksen järjestämi-15 selle.

6. Slow-akselin kollimointi (SAC)

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa laserbarien LB kapeus yksinker-20 taistaa slow-akselin kollimointia oleellisesti, sillä monimutkaisilta ja tilaa vieviltä tekniikan tason mukaisilta kaventamis- ja pinoamisoptiikoilta · . .·. vältytään kokonaan. Keksinnön mukaisesti slow-akseli kollimoidaan sopivimmin eri lasertorneista LT ja lasertornipinoista LTP lähtöisin ole-vien säteiden yhdistämisen jälkeen, kun mainitut optisen akselin A 25 suuntaiset ja akselia ympäröivien kehien tangenttien suunnassa / hitaasti divergoivat säteet ovat kasvaneet poikkipinta-alaltaan sopivan *··.’ suuriksi. Säteiden suuri poikkipinta-ala mahdollistaa suurikokoisten kollimointikomponenttien käytön, mikä parantaa kolimoinnin tarkkuutta, ..;: ‘ kuten optiikasta on sinänsä hyvin tunnettua.

30 / : Slow-akselin kollimointi voidaan keksinnön mukaisesti toteuttaa kuvassa 5 esitetyllä slow-akselin kollimointioptiikalla SAC. Mainittu *:·’ kollimointioptiikka SAC on sopivimmin porrasmainen linssipino, jonka :,;V linssipinon halkileikkaus optisen akselin A suunnalta nähtynä muistut- 35 taa vastaavan ympyräsektorin aluetta. Slow-akselin kollimointioptiikan 116010 21 SAC erästä linssipinoon perustuvaa rakennetta on esitetty yksityiskohtaisemmin kuvissa 8a-8c.

Lasertorneista LT lähteneet ja fast-akselinsa suhteen välittömästi 5 tämän jälkeen fast-akselin kollimointioptiikalla FAC kollimoidut säteet osuvat kuvien 8a-8c mukaisen slovv-akselin kollimointioptiikan SAC (linssipinon) eri tasoille L1-LN. Kollimointioptiikan SAC kunkin yksittäisen tason L1-LN etäisyys lasertornien LT sisältämistä lasereista määräytyy sen perusteella, että slovv-akselin suunnassa divergoiva 10 säde ehtii kasvaa olennaisesti kohdalleen osuvan linssin (tason L1-LN) levyiseksi. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että valo kollimoidaan aina mahdollisimman suurella linssillä ja kollimoinnin laatu saadaan siten optiikan perusperiaatteiden mukaisesti säilytettyä mahdollisimman korkeana.

15 1. Fokusointi

Aallonpituus-, polarisaatio- ja paikkamultipleksauksella yhteen koottu sekä fast- ja slovv-akselien suhteen kollimoitu valokenttä voidaan nyt 20 fokusoida edelleen sopivaa peili- tai linssioptiikkaa fokusointioptiikkana :V: FO käyttäen.

• · t .···. Käytettäessä fokusointioptiikkana FO kuvassa 5 esitetyn mukaisesti aksiaalisymmetristä paraboloidista peiliä vältytään värivirheiltä (akro-25 maattisuus), jolloin eri aallonpituudet fokusoituvat samalla tavalla ja pienen pyöreän fokuspisteen tuottaminen on mahdollista. Paraboloidi-’·*' sen peilioptiikan avulla voidaan niin haluttaessa tuottaa hyvin suuria fokusoidun säteen numeerisen aukon arvoja, jolloin saavutetaan suuria tehotiheyksiä ja lyhyelle matkalle rajoittuvia säteen syvyysvaikutuksia.

O 30 Käytettäessä fokusointioptiikkana FO linssioptiikkaa, kuten esimerkiksi kuvissa 10 ja 11 esitetyissä suoritusmuodoissa, fokuspisteestä tulee useita aallonpituuksia fokusoitaessa värivirheiden vuoksi pitkulaisempi optisen akselin A suunnassa. Tämä voi olla toivottava piirre joissakin 35 tilanteissa. Optimaalinen fokusointioptiikka voidaankin valita sovelluskohteesta riippuen.

116010 22

Eräitä valotehon fokusointiin soveltuvia fokusointioptiikoita FO on esitelty kuvissa 9a-9e. Kuvissa 9a ja 9b on esitetty linssioptiikkaan perustuvia optiikoita ja kuvissa 9c-9e vastaavasti peilioptiikkaan 5 perustuvia ratkaisuja. Laitteen käyttötarkoituksesta riippuen optinen akseli A voidaan puhkaista fokusoivan elementin FO keskeltä (kuvat 9b ja 9d). Paraboloidiseen fokusointipeiliin voidaan työstää polttopistekes-keisesti pallopinta, jonka läpi fokusoituva aaltorintama kulkee pallo-pinnan normaalin suuntaisesti ja siten vääristymättömänä (kuvat 9c-10 9e). Pallopinnan lähellä pyörähdysakselia oleva osa, jonka läpi ei kulje säteitä, voidaan puhkaista tai valmistaa tasopinnaksi (kuvat 9d ja 9e). Tasopinta voidaan aikaansaada esimerkiksi sopivan optisen tiheyden täyteaineella, joka voidaan lisätä komponenttiin FO esimerkiksi liimauksella tai valamalla. Paraboloidin polttoväli voidaan valita sovelluk-15 seen parhaiten sopivaksi.

8. Tulos

Keksinnön mukaisten kapeiden laserbarien LB ja aksiaalisymmetrisen 20 sektoroidun rakenteen avulla on mahdollista toteuttaa erittäin kompak- :V: teja teknisiä ratkaisuja, joissa erilaisia multipleksausmenetelmiä • * . voidaan hyödyntää tehokkaasti ja samanaikaisesti. Tehokkaan aallon- pituus- ja polarisaatiomultipleksauksen käyttämisellä on mahdollista aikaansaada säde, jonka kirkkaus on yksittäisen diodilaserin alkupe-25 räistä kirkkautta korkeampi. Menetelmän ansiosta voidaan saavuttaa *;./ tehotiheyksiä, jotka riittävät erilaisten materiaalien prosessointiin.

Aksiaalisymmetrisen rakenteen vuoksi keksinnön mukaisen laserlait-teen fokuspiste on pyöreä, mikä on edullista esimerkiksi laserlaitteen 30 käytön automatisoinnin kannalta. Lisäksi rakenne mahdollistaa optisen .·! ; akselin A läheisyyteen jäävän vapaan tilan käyttämisen esimerkiksi visualisointiin, erilaisten aineiden syöttöön, imuun tai puhallukseen.

• I

T Kompaktin rakenteen ansiosta säteitä ei tarvitse kuljettaa pitkiä mat- koja, jolloin vähäiset laserlaitteen komponenttien keskinäisen asemoin-35 nin epätarkkuudet eivät heikennä säteenlaatua yhtä paljoa kuin 116010 23 kooltaan suuremmissa rakenteissa. Kapea laserbar LB on rakenteena myös jäähdytyksen kannalta edullinen.

Kapeat lasertornit LT mahdollistavat tietyn sähkötehon syöttämisen 5 laserlaitteelle korkeammalla jännitteellä ja alhaisemmalla kokonaisvir-ralla nykyisin käytettyihin leveisiin lasertorneihin verrattuna. Tämä on erityisen tärkeä piirre erilaisissa pulssisovelluksissa, joissa virtapuls-sien ja vastaavasti myös valopulssien nousu- ja laskuajat ovat kriittisiä. Esimerkiksi lääketieteen sovelluksissa optinen energia voidaan 10 annostella kohteeseen tarkemmin. Hyvien aallonpituusmultipleksaus-ominaisuuksiensa ansiosta keksinnön mukaista laitetta voidaan käyttää esimerkiksi siten, että eri aallonpituudet λ1-λη ovat optimoituja eri prosessien suorittamista varten. Eräs tällainen sovellus voisi olla kudoksen leikkaaminen yhdellä aallonpituudella ja veren koaguloiminen toisella 15 aallonpituudella. Kolmas aallonpituus voisi olla kohteen valaisemista varten, jolloin kohteen visualisointi tapahtuisi eri aallonpituudella kuin kohteen prosessointi. Tällöin on helppo suodattaa prosessoinnissa käytettävät aallonpituudet pois ja kohteen morfologia saadaan selkeästi näkyville.

20

KEKSINNÖN ERÄITÄ EDULLISIA SUORITUSMUOTOJA

Keksinnön mukaiseen kapeaan laserbariin LB ja aksiaalisymmetriseen sektoroituun rakenteeseen perustuvalla ratkaisulla on useita teknisiä 25 toteutustapoja. Seuraavassa on esitetty keksinnön eräitä edullisia suo-*;./ ritusmuotoja. Aluksi tarkastellaan eräitä rakenteissa yleisesti varioitavia :···: asioita. Tämän jälkeen tarkastellaan vielä muutamia erityisiä suoritus muotoja.

M ( · 30 Yleisen suoritusmuodon variaatioita / Diodilaserien valmistuksen yhteydessä puolijohdemateriaalia oleva laserkiekko on mahdollista valmistaa tavallista ohuemmaksi, jolloin saadaan vastaavasti normaalia ohuempia laserbareja LB. Tämä 35 tehostaajäähdytystä, sillä lämpöenergia siirtyy tällöin tehokkaammin 116010 24 laserbarin LB ohuen puolijohdekerroksen lävitse jäähdytettyyn alusta-levyyn M.

Laserbarien LB alustalevyjen M kanavointi CH voidaan tehdä useilla eri 5 tavoilla. Alustalevyissä M voi olla suuri määrä pieniä reikiä ja useista alustalevyistä M muodostetun pinon päällä ja alla voi olla elementit, jotka kokoavat kanavat CH mainitun pinon päädyissä yhteen ulkoisten jäähdytysputkien kiinnittämistä varten. Jos jäähdytyskanavat tehdään tarkasti samalle kohdalle jokaiseen lasertornipinon LTP lasertorniin LT, 10 voidaan kanavat CH yhdistää liittämällä lasertornit LT tiiviisti kiinni toisiinsa. Alustalevyihin M muodostettavat jäähdytyskanavat CH voivat olla myös uria. Myös tekniikan tasosta tunnettujen mikrokanavien käyttö laserbarien LB jäähdytyksessä on mahdollista.

Lasertorni LT voidaan toteuttaa useammilla eri tavoilla. Lasertorni LT 15 voidaan koostaa esimerkiksi porrasmaiseksi siten, että päällekkäisten laserbarien LB valoa emittoivat etuseinämät sijaitsevat useammassa eri tasossa. Tällaista porrasmaista lasertornirakennetta voidaan hyödyntää kompensoinnissa, koska eri laserbarit LB ovat eri etäisyyksillä toisiinsa ja sädettä käsitteleviin optisiin komponentteihin (esimerkiksi 20 DE, DBC, PBC, SAC, FO) sekä optiseen akseliin A nähden .

» » ; Aallonpituusmultipleksauksessa käytettävät dikroiset säteenyhdistäjät DBC, kuten esimerkiksi dikroiset peilit voivat olla muodoltaan erilaisia. Kuvan 6 mukaisessa rakenteessa on käytetty halkileikkaukseltaan :", 25 vinoneliön muotoisia dikroisia säteenyhdistäjiä DBC verrattuna kuvassa 5 käytettyihin neliön muotoisiin elementteihin. Neliömäiset dikroiset säteenyhdistäjät DBC voidaan muodostaa esimerkiksi liittämällä kaksi halkileikkaukseltaan sivusta katsottua kolmion muotoista 90° prismaa toisiinsa siten, että esim. toinen yhteenliitettävä pinta on dikroinen peili 30 (pinnoite). Myös polarisaatiomultipleksaus voidaan toteuttaa erilaisten : polarisaatiosäteenyhdistäjien PBC avulla, joiden rakenne ja käyttö on . ·.. ] optiikan alan ammattimiehelle sinänsä selvää.

:: Slovv-akseli voidaan kollimoida edellä kuvatulla tavalla eri lasertorneista 35 LT saatavien säteiden yhdistämisen ja niiden optisen akselin A suuntaiseksi kääntämisen jälkeen. Vaihtoehtoisesti slovv-akselin kollimointi 116010 25 SAC voidaan suorittaa heti fast-akselille suoritetun kollimoinnin FAC jälkeen.

Kuvassa 10 on esitetty rakenne, jossa lasertorneille LT suoritetaan 5 kullekin slow-akselin kollimointi erillisellä slow-akselin kollimointioptii-kalla SAC (linssipinolla) ennen säteiden suunnan kääntämistä. Tässä tapauksessa slow-akselin kollimointioptiikoita SAC tarvitaan enemmän, mutta toisaalta säteiden kompensointi voidaan tehdä tarkemmin.

10 Heti fast-akselin jälkeen suoritettava lasertornin LT tai lasertornipinon LTP slow-akselin kollimointi voidaan toteuttaa yhdestä tai useammasta linssistä ja portaasta muodostuvalla linssipinolla. Mikäli portaita L1-LN (ks. kuvat 8a-8c) on vain yksi, on kyseessä tavallinen sylinterilinssi ja kollimointi on tasalaatuista jokaiselle lasertornin LT laserbarille. Jos 15 portaita L1-LN on useampia, lasertornin LT eri osista lähteneet osasäteet kulkevat erisuuret matkat ennen kollimointia. Divergoinnista johtuen ennen kollimointia pitemmän matkan kulkeneet osasäteet osuvat kollimointioptiikkaan SAC kooltaan suurempina kuin ennen kollimointia lyhyemmän matkan kulkeneet osasäteet. Tällä periaatteella 20 voidaan yhdistetyn säteen kokoa kasvattaa optiselta akselilta A pois-;Y: päin mentäessä ja hyödyntää aksiaalisymmetrisen rakenteen säteen

• I

; myötä kasvava käytettävissä oleva pinta-ala mahdollisimman tehok- kaasti. Tällöin myös kollimoinnin laatu paranee vastaavasti. Porrasra-.·... kenne voidaan jättää slow-akselin kollimointioptiikasta SAC pois, jos Y. 25 osasäteiden matkaerot luodaan jollakin toisella tavalla, kuten esimer-kiksi aikaisemmin mainitulla rakenteeltaan porrasmaisella lasertornilla '···' LT, tai jos säteiden laatu on muutoin riittävä.

Kehitys diodilaserien valmistustekniikassa saattaa tulevaisuudessa 30 johtaa pienempään slow-akselin divergenssiin (esim. ns. tapered-lase-.·! : rit), jolloin säteenlaatua voidaan edelleen parantaa. Vaihtoehtoisesti I * * voidaan yksinkertaistaa slow-akselin kollimointioptiikkaa SAC, jolloin * # laitteen koko pienenee ja rakenne yksinkertaistuu. Laitteen kokoa voidaan haluttaessa pienentää myös sopivalla slow-akselin kollimoin-Y*: 35 tioptiikan SAC eteen sijoitetulla slow-akselia hajottavalla linssillä, jolloin 116010 26 slow-akselin kollimointioptiikka SAC voidaan sijoittaa lähemmäs lase-reita.

Slow-akselin kollimointioptiikka SAC voi myös kokonaan puuttua, mikäli 5 käyttötarkoitus sallii huonolaatuisemman säteen. Myös fast-akselin kollimointioptiikan FAC vaatimuksia voidaan tällöin vähentää.

Mikäli maksimiteho ja/tai vaadittava tehotiheys eivät ole kriittisiä tekijöitä, voidaan keksinnön mukaisen laitteen rakennetta yksinkertaistaa 10 jättämällä polarisaatio- ja/tai aallonpituusmultipleksaus pois. Yksinkertaisimmillaan laite voi siten sisältää useita samaa aallonpituutta (aallonpituuskaistaa) emittoivia lasertorneja LT kehämuodostelmassa.

Kuvan 6 mukainen suoritusmuoto 15

Kuvassa 6 on esitetty keksinnön eräs suoritusmuoto, jossa hyödynnetään samanaikaisesti kaikkia aikaisemmin mainittuja multipleksausme-netelmiä. Kussakin sektorissa lasertorneista LT valmistetut lasertorni-pinot LTP61 ja LTP62 on asemoitu kahteen toisiaan vastaan kohti-20 suoraan suuntaan ja mainitut lasertornipinot voivat olla keskenään identtisiä. Lasertornipinot LTP61 ja LTP62 voivat olla jäähdytykseni- » » . sesti sarjaan kytkettyjä ja niissä voidaan käyttää sopivia optisia ele- .···. menttejä kompensointiin. Toisen lasertornipinon LTP61 polarisaatio- • · · tasoja käännetään 90°, minkä jälkeen säteet voidaan yhdistää polari-25 saatiosäteenyhdistäjän PBC avulla. Slow-akseli voidaan kollimoida yhdellä porrasmaisella linssipinolla S AC säteiden yhdistämisen jälkeen. Vaihtoehtoisesti kullakin lasertornilla tai lasertornipinolla voi olla oma slow-akselin kollimointioptiikka SAC.

30 Myös tässä ratkaisussa rakennetta voidaan yksinkertaistaa käyttötar-: koituksen sallimalla tavalla. Polarisaatiomultipleksaus (elementit P ja

PBC) voidaan esimerkiksi jättää pois tai vaihtoehtoisesti tilalle voidaan " kytkeä uusia aallonpituuksia, jolloin polarisaatiosäteenyhdistäjän PBC

paikalle tulee dikroinen säteenyhdistäjä DBC, eli tarkoitukseen sopiva 35 dikroinen peili. Sektoreita voi luonnollisesti olla kaksi tai useampia.

27 11 £010

Kuvien 7a ja 7b mukainen suoritusmuoto

Kuvissa 7a ja 7b on esitetty suoritusmuoto, jossa rakenteen kussakin sektorissa polarisaatiosäteenyhdistäjän PBC sivuilla olevat saman 5 aallonpituuden lasertornit LT71 ja LT72 muodostavat keskenään oleellisesti 90° kulman. Lisäksi kuvissa esitellään uudenlainen tapa suorittaa aallonpituusmultipleksaus. Kuvasta 7a on selvyyden vuoksi jätetty polarisaatiosäteenyhdistäjät PBC ja polarisaation kiertoelementit P pois, jolloin lasertornien LT piirrosmerkit saadaan paremmin näkyviin.

10 Samaa menettelyä on sovellettu jäljempänä myös kuvassa 10.

Polarisaatiosäteenyhdistäjässä PBC eri sivuilta tulevat lasertornien LT71 ja LT72 säteet yhdistyvät mainitussa komponentissa, kun toisesta lasertornista LT71 tulevan säteen polarisaatiotasoa kierretään ensin 15 polarisaation kiertoelementilla P 90° (λ/2-levy). Polarisaatiosäteenyhdistäjän PBC jälkeen yhdistynyt valonsäde etenee kompensointiele-menttiin C ja edelleen peilielementtiin 71, joka sisältää kulkusuunnan kääntöelementin DE sekä dikroiset säteenyhdistäjät DBC. Peiliele-mentti 71 muodostaa optisen akselin A kanssa sopivimmin 45° kulman.

20 Kääntöelementiltä DE säde jatkaa matkaansa aksiaalisesti kohti dik- • · . roista säteenyhdistäjää DBC, jossa sen kulkusuunta muuttuu kohti .···. optista akselia A. Säde tulee ulos peilielementin 71 oikeasta sivusta • · · heijasteltuaan dikroisissa säteenyhdistäjissä DBC ja kulkusuunnan *;·'! 25 kääntöelementissä DE. Peilielementin 71 dikroiset säteenyhdistäjät • · · *:./ DBC toimivat siten, että ne päästävät radiaalisesti etenevät säteet :···: lävitseen ja heijastavat aksiaalisesti etenevät säteet. Yhdistetyt eri aallonpituuksien säteet poistuvat peilielementin 71 oikeasta sivusta ja jatkavat matkaansa kohti mahdollista slovv-akselin kollimointioptiikkaa :" ’: 30 SAC ja fokusointia FO.

Peilielementin 71 dikroiset pinnat voidaan tehdä esimerkiksi useilla ;·’ höyrystyskerroilla eri alueille tai vaihtoehtoisesti elementti voidaan •\:7 valmistaa yhdistämällä erillisiä elementtejä (katkoviivat elementissä LJ 35 71).

116010 28

Polarisaatiosäteenyhdistäjän PBC jälkeinen kompensointielementti C voi olla kuvan 7a mukaisesti kolmion muotoinen. Vaihtoehtoisesti kompensointielementin C muoto voidaan optimoida kullekin lasertor-nille LT erikseen. Kompensointia voidaan suorittaa myös lasertornien 5 LT asemointia muuttamalla.

Tässäkin ratkaisussa aallonpituuksia voi olla yksi tai useampia ja lisäksi polarisaatiomultipleksaus voidaan jättää suorituskyvyn kustannuksella pois rakenteen yksinkertaistamiseksi. Polarisaation kierto-10 elementiltä P voidaan välttyä esim. käyttämällä polarisaatiosäteenyh-distäjänä ns. Thompsonin prismaa.

Muita mahdollisia rakenteita 15 Kuvassa 10 on esitetty eräs vaihtoehtoinen tapa lasertornien LT aallonpituusmultipleksaukselle. Polarisaatiomultipleksaus tehdään kuvien 7a ja 7b mukaisella järjestelyllä, mutta aallonpituusmultiplek-saus on toteutettu muodoltaan erilaisilla dikroisilla säteenyhdistäjillä DBC.

20

Slow-akselin kollimointioptiikat SAC on sijoitettu heti lasertornipinojen * · . LTP jälkeen, mikä mahdollistaa parhaan kompensoinnin. Mainittuna slow-akselin kollimointielementtinä SAC voidaan käyttää yhtä sylinteri- • · · linssiä tai kuvien 8a-8c mukaista sektorimaista sylinterilinssipinoa.

: \ 25 Rakenteen pienentämiseksi lasertornien LT ja sylinterilinssipinojen väliin voidaan sijoittaa slow-akselia divergoiva linssi. Myös tässä • · *···* rakenteessa slow-akselin kollimointioptiikka SAC voidaan yhdistää ja tuoda fokusointioptiikan FO eteen.

» I « * 30 Kuvassa 11 on esitetty rakenne, jossa yhdistetään neljä eri aallonpi- : tuutta kompaktilla rakenteella ilman polarisaatiomultipleksausta. Vaih- ’ «* ,*./ toehtoisesti, jos λ1 = λ2 ja λ3 = λ4, voidaan λ1 ja λ2 sekä λ3 ja λ4 yhdistää keskenään polarisaation kiertoelementtien P ja polarisaatio-säteenyhdistäjien PBC avulla. Polarisaatiomultipleksauksella yhdistetyt 35 säteet voidaan edelleen yhdistää dikroisella säteenyhdistäjällä DBC. Slow-akselin kollimointiin SAC käytetään kahta kuvien 8a-8c mukaista 116010 29 kollimointielementtiä tai yksittäisiä sylinterilinssejä. Vaihtoehtoisesti slow-akselin kollimointi SAC voidaan toteuttaa heti lasertornin LT ja säteen kulkusuunnassa ensimmäisen dikroisen elementin DBC välissä.

5 Kuvassa 12 on esitetty aallonpituusmultipleksauksen toteutusvaihtoehto, jossa yhdistetään radiaalisesti päällekkäin kootun lasertornipinon LTP säteet. Suunnikkaan muotoinen osa 121 voi olla vastaava kuin peilielementti 71 kuvassa 7a. Vaihtoehtoisesti dikroiset peilipinnat voivat olla kolmionmuotoisissa optisissa elementeissä, jolloin suunnik-10 kaan muotoinen osa 121 voi olla tavallinen kokonaisheijastava aalto-johde. Toteutusvaihtoehtoon voidaan muiden ratkaisujen tavoin lisätä sopivat optiset elementit kompensointia varten.

Kuva 13 esittää kompaktin rakenteen neljän aallonpituuden multiplek-15 saukselle. Vaihtoehtoisesti, jos λ1 = λ2 ja λ3 = λ4, voidaan λ1 ja λ2 sekä λ3 ja λ4 yhdistää keskenään polarisaation kiertoelementtien P ja polarisaatiosäteenyhdistäjien PBC avulla. Polarisaatiomultipleksauk-sella yhdistetyt säteet voidaan edelleen yhdistää dikroisella säteenyh-distäjällä DBC.

20

Keksinnön edellä esitettyjen suoritusmuotojen yhteydessä esitettyjä : toimintatapoja ja järjestelmän rakenteita eri tavoin yhdistelemällä . : . voidaan aikaansaada erilaisia keksinnön suoritusmuotoja, jotka ovat ,·>. keksinnön hengen mukaisia. Tämän vuoksi edellä esitettyjä esimerk- Γ . 25 kejä ei tule tulkita keksintöä rajoittavasti, vaan keksinnön suoritus- / muodot voivat vapaasti vaihdella jäljempänä patenttivaatimuksissa esi- ' · ' tettyjen keksinnöllisten piirteiden puitteissa.

On esimerkiksi selvää, että tietyn sektorin lasertornipinoon LTP eri :,J 30 aallonpituuksia λ1-λη emittoivat lasertornit LT voidaan sijoittaa kom- : pensoinnin kannalta optimaaliseen järjestykseen. Esimerkiksi slow- .’··! akselin suunnassa hitaammin divergoivan aallonpituuden laserit voidaan sijoittaa kauemmas fokusointioptiikasta FO kuin nopeammin 1 divergoivan aallonpituuden laserit. Lasertornien sijoittelulla lasertorni- 35 pinossa LTP voidaan kompensoida myös eri aallonpituuksien erilaisia dispersio-ominaisuuksia.

Claims (31)

3o 116010

1. Menetelmä suuren optisen tehotiheyden tuottamiseksi, jossa menetelmässä diodilasereista (E) muodostetaan useita laserbareja (LB) si- 5 ten, että yksittäisessä laserbarissa (LB) vierekkäisten diodilaserien (E) slovv-akselit (x) sijoittuvat keskenään olennaisesti samaan linjaan ja mainitut diodilaserit (E) emittoivat olennaisesti samaan suuntaan (z), ja mainitun useamman laserbarin (LB) emittoimaa säteilyä kootaan yhteen olennaisesti optisen akselin (A) suuntaisesti eteneviksi säteiksi, 10 tunnettu siitä, että laserbareja (LB) järjestetään optisen akselin (A) ympärille kehämuodostelmaan kahteen tai useampaan sektoriin siten, että ainakin yhdessä sektorissa useampia laserbareja (LB) on koottu keskenään fyysisesti päällekkäin ainakin yhdeksi lasertorniksi (LT), ja että eri sektoreista lähteviä säteitä yhdistetään keskenään paikkamul-15 tipleksaamalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisessä sektorissa laserbarit (LB) sijoitetaan siten, että niiden slow-akselit (x) muodostavat olennaisesti suoran kulman optiseen akseliin 20 (A) ja optisen akselin (A) normaaliin nähden. •

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yk-sittäisessä sektorissa lasertorneja (LT) kootaan keskenään päällekkäin yhdeksi tai useammaksi lasertornipinoksi (LTP). 25 • · *

4. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, '··· tunnettu siitä, että yksittäisessä sektorissa käytetään useamman eri aallonpituuden (λ1-λη) diodilasereita (E).

5. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, .·! : tunnettu siitä, että laserbarit (LB) muodostetaan slovv-akselin suun- ,···] nassa (x) kapeiksi siten, että säteily voidaan mainitun slovv-akselin suunnassa ohjata kohteeseen ilman slovv-akselin suuntaista säteen :. I,: kaventamista, pinoamista tai vastaavaa. :.'j 35 116010 31

6. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisessä sektorissa laserbarien (LB) säteilyä yhdistetään lisäksi polarisaatiomultipleksauksella (P, PBC).

7. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisessä sektorissa laserbarien (LB) säteilyä yhdistetään lisäksi aallonpituusmultipleksauksella (DBC).

8. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 10 tunnettu siitä, että laserbarien (LB) säteilyä kollimoidaan (FAC) fast- akselin suunnassa (y) ennen säteiden yhdistämistä paikka-, polarisaatio- tai aallonpituusmultipleksauksella.

9. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 15 tunnettu siitä, että yksittäisessä sektorissa optisen akselin (A) suhteen eri kohdilta lähteneiden säteiden ominaisuuksia kompensoidaan (C) matkaeron, divergenssin tai aallonpituuden vaikutusten osalta.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 20 mainittu kompensointi (C) suoritetaan ennen säteiden yhdistämistä op- :V: tisen akselin (A) suuntaiseksi yhdistetyksi säteeksi. • · • · · * · ·

11. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, • · · tunnettu siitä, että optisen akselin (A) suuntaista yhdistettyä sädettä *:*'! 25 fokusoidaan (FO) aksiaalisymmetrisellä linssi-, peili- tai diffraktiivisella • * · optiikalla. • · » ·

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että fokusointi (FO) suoritetaan käyttäen aksiaalisymmetristä paraboloidista 30 peilioptiikkaa. * ·

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilyä kollimoidaan (SAC) slovv-akselin suunnassa (x) ennen yh- :: distetyn säteen fokusointia (FO) •'!!!: 35 116010 32

14. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aksiaalisymmetrisen rakenteen keskelle jäävää optista akselia (A) ympäröivää vapaata aluetta käytetään kohteen optiseen tai vastaavaan monitorointiin. 5

15. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aksiaalisymmetrisen rakenteen keskelle jäävän optista akselia (A) ympäröivän vapaan alueen kautta lisätään kohteen prosessoinnissa tarvittavaa tai poistetaan kohteen prosessoinnissa 10 esiintyvää ainetta.

16. Laserlaite, joka laserlaite käsittää useita diodilasereista (E) muodostettuja laserbareja (LB), joissa yksittäisissä laserbareissa (LB) vierekkäisten diodilaserien (E) slovv-akselit (x) on järjestetty keskenään 15 olennaisesti samaan linjaan ja mainitut diodilaserit (E) on järjestetty emittoimaan olennaisesti samaan suuntaan (z), ja joka laserlaite käsittää välineet mainitun useamman laserbarin (LB) emittoiman säteilyn kokoamiseksi yhteen olennaisesti laserlaitteen optisen akselin (A) suuntaisesti eteneviksi säteiksi, tunnettu siitä, että laserbarit (LB) on 20 järjestetty optisen akselin (A) ympärille kehämuodostelmaan kahteen : V: tai useampaan sektoriin siten, että ainakin yhdessä sektorissa useam- : :·: pia laserbareja (LB) on koottu keskenään fyysisesti päällekkäin yhdeksi tai useammaksi lasertorniksi (LT), ja että laserlaite käsittää lisäksi ainakin välineet (DE) eri sektoreista lähtevien säteiden yhdistämiseksi * · 25 paikkamultipleksausta käyttäen. • f» «· i • »

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen laserlaite, tunnettu siitä, että yksittäisessä sektorissa laserbarit (LB) on järjestetty siten, että niiden slovv-akselit (x) muodostavat olennaisesti suoran kulman optiseen ak- :,,.: 30 seliin (A) ja optisen akselin (A) normaaliin nähden. » I

,···! 18. Patenttivaatimuksen 16 mukainen laserlaite, tunnettu siitä, että yk sittäisessä sektorissa lasertorneja (LT) on koottu keskenään päällek-käin yhdeksi tai useammaksi lasertornipinoksi (LTP). O 35 116010 33

19. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 16-18 mukainen laser-laite, tunnettu siitä, että yksittäinen sektori sisältää useamman eri aallonpituuden (λ1-λη) diodilasereita (E).

20. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 16-19 mukainen laser- laite, tunnettu siitä, että laserbarit (LB) on muodostettu slovv-akselin suunnassa (x) kapeiksi siten, että säteily voidaan mainitun slovv-akselin suunnassa ohjata kohteeseen ilman slovv-akselin suuntaista säteen kaventamista, pinoamista tai vastaavaa. 10

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen laserlaite, tunnettu siitä, että mainittu kapea laserbar (LB) käsittää alle 10 kappaletta vierekkäisiä diodilasereita (E), sopivimmin noin 5 kappaletta vierekkäisiä diodilasereita (E). 15

22. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 16-21 mukainen laser-laite, tunnettu siitä, että yksittäisen sektori käsittää lisäksi välineet (P,PBC) mainitun sektorin laserbarien (LB) säteilyn yhdistämiseksi po-larisaatiomultipleksauksella. 20

23. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 16-22 mukainen laser- * » ; laite, tunnettu siitä, että yksittäinen sektori käsittää lisäksi välineet (DBC) laserbarien (LB) säteilyn yhdistämiseksi aallonpituusmultiplek-.···. sauksella. 25 • « ·

24. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 16-23 mukainen laser-laite, tunnettu siitä, että laserbarien (LB) säteily on järjestetty kollimoi-duksi fast-akselin suunnassa (y) ennen säteiden yhdistämistä paikka-, ... : ‘ polarisaatio- tai aallonpituusmultipleksauksella. 30 .

; 25. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 16-24 mukainen laser- , | laite, tunnettu siitä, että yksittäinen sektori käsittää lisäksi välineet (C) optisen akselin (A) suhteen eri kohdilta lähteneiden säteiden ominaisuuksien kompensoimiseksi matkaeron, divergenssin tai aallonpituu-35 den vaikutusten osalta. 116010 34

26. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 16-25 mukainen laser-laite, tunnettu siitä, että yksittäisessä sektorissa yksittäisten laserba-rien (LB) tai lasertornien (LT) etäisyys optisesta akselista (A) on sovitettu kompensoimaan optisen akselin suunnassa eri kohdilta lähtenei- 5 den säteiden ominaisuuksia matkaeron, divergenssin tai aallonpituuden vaikutusten osalta.

27. Patenttivaatimuksen 25 tai 26 mukainen laserlaite, tunnettu siitä, että mainittu kompensointi (C) on järjestetty suoritettavaksi ennen sä- 10 teiden yhdistämistä optisen akselin (A) suuntaiseksi yhdistetyksi säteeksi.

28. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 16-27 mukainen laser-laite, tunnettu siitä, että laite käsittää lisäksi linssi- tai peilioptiikkaan 15 perustuvat välineet (FO) optisen akselin (A) suuntaisen yhdistetyn säteen fokusoimiseksi aksiaalisymmetrisesti.

29. Patenttivaatimuksen 28 mukainen laserlaite, tunnettu siitä, että mainitut fokusointivälineet (FO) perustuvat aksiaalisymmetriseen para- 20 boloidiseen peilioptiikkaan. • I

30. Patenttivaatimuksen 28 tai 29 mukainen laserlaite, tunnettu siitä, * · · .··. että välineet (SAC) säteilyn kollimoimiseksi slovv-akselin suunnassa (x) on järjestetty säteen kulkusuunnassa ennen mainittuja fokusointiväli-25 neitä(FO). * 4

· :···; 31. Patenttivaatimuksen 30 mukainen laserlaite, tunnettu siitä, että mainitut välineet (SAC) säteen kollimoimiseksi slow-akselin suunnassa ,.; j * käsittävät sektorimaisen sylinterilinssipinon. • ·« I » • < » ‘ f · ’ > > » » * ) 116010 35