ITPD20060201A1 - Sistema ottico per la formattazione e la focalizzazione della radiazione genrata da un insieme di barre di diodi laser - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

“SISTEMA OTTICO PER LA FORMATTAZIONE E LA FOCALIZZAZIONE DELLA RADIAZIONE GENERATA DA UN INSIEME DI BARRE DI DIODI LASER”

RIASSUNTO

La presente invenzione riguarda un sistema ottico per la formattazione geometrica e la successiva focalizzazione di radiazione luminosa caratterizzata dal fatto di avere una qualità spaziale molto variabile se calcolata lungo assi diversi giacenti sul piano ortogonale alla direzione di propagazione. Lo scopo principale della formattazione è quello di ottenere uno o più fasci la cui qualità spaziale e la cui brillanza complessiva siano più omogenee rispetto a quelle di partenza: questo fa sì che la radiazione sia più facilmente utilizzabile, trasportabile e manipolabile da eventuali sistemi ottici successivi. In particolare la presente invenzione risolve il problema di riuscire ad ottenere, con un sistema compatto e che utilizzi un ridotto numero di elementi ottici, uno o più spot di ridotte dimensioni a partire da un insieme di sorgenti laser.

Un sistema ottico di questo tipo si può applicare vantaggiosamente alla formattazione della radiazione proveniente da una o più barre (array) di diodi laser di potenza in modo da riuscire a collimarla e focalizzarla in spot simmetrici e di ridotte dimensioni, adatte ad esempio all'iniezione in una o più fibre ottiche utilizzabili per il pompaggio di laser in fibra ad alta potenza.

STATO DELL'ARTE

E' noto che riuscire a focalizzare la radiazione proveniente da un insieme di sorgenti in più guide d'onda è un tema di ricerca che attualmente sta riscuotendo molto interesse, soprattutto per le diverse applicazioni industriali che se ne possono trarre. Esse possono variare ad esempio dalla semplice necessità di trasportare centinaia di Watt di potenza ottica attraverso un bundle di fibre ottiche per effettuare lavorazioni di materiali alla più attuale esigenza di utilizzare la radiazione iniettata in una bretella di fibre ottiche per il pompaggio di laser in fibra ad alta potenza.

Le tecniche che attualmente vengono utilizzate per ottenere l'iniezione della radiazione in più guide d'onda possono essere molteplici e si differenziano per la particolare applicazione a cui sono rivolte: in particolare esse risultano essere spesso dei compromessi tra la qualità spaziale del fascio iniettato e la potenza trasportata in fibra. La qualità spaziale del fascio laser può venire espressa efficacemente in termini di beam parameter produci (BPP), ottenuto moltiplicando il raggio del waist per la semi-divergenza del fascio in campo lontano.

In generale una metodologia allo stato dell'arte di iniezione in N fibre della radiazione proveniente da altrettante sorgenti consiste nel replicare N volte il sistema ottico per l'iniezione in fibra di una singola sorgente, sistema che ad esempio può essere composto da delle ottiche di omogeneizzazione, di collimazione e di focalizzazione del fascio.

Un esempio di una tecnica che attualmente viene utilizzata nel pompaggio di laser in fibra di potenza vede l'impiego di tecnologie ereditate e derivate direttamente dal mondo delle telecomunicazioni; in particolare si sta facendo riferimento all'uso di un numero N di singoli emettitori laser a stato solido ciascuno dei quali viene collimato e poi focalizzato in fibra. Alcuni svantaggi tuttavia di una configurazione di questo tipo sono per esempio il fatto che ciascuna sorgente emette una piccola quantità di potenza ottica, dell'ordine di alcuni Watt (come conseguenza della loro derivazione da tecnologie di telecomunicazione) ed il fatto che a ciascuna sorgente devono essere associati un'ottica e un sistema di raffreddamento, con conseguente aumento dell'ingombro e della difficoltà di gestione del sistema.

C'è molto interesse però anche verso la possibilità di iniettare molta più potenza in ciascuna fibra ottica, ad esempio per ottenere dei risonatori laser in fibra caratterizzati da un'ottima qualità modale, da un'elevata potenza e di conseguenza da un'elevata brillanza. A questo proposito si possono dunque utilizzare per il pompaggio delle sorgenti che mettano a disposizione più potenza: ad esempio delle barre lineari di diodi laser, che vedono i singoli emettitori disposti a formare una sorgente di dimensioni tipiche di lOmmXl μ m estesa nella direzione del cosiddetto asse lento, oppure degli stack di diodi, formati da più barre disposte lungo la direzione del cosiddetto asse veloce. Allo stato dell'arte molte sono state le soluzioni proposte per l'omogeneizzazione e la successiva focalizzazione in fibra della radiazione proveniente da una barra di diodi laser di potenza, tra le quali, solo per citare alcune tra le più note ed importanti, quelle relative ai documenti DE-19920293, US-5887096, US-6377410. Tuttavia in essi non viene mai fatto alcun riferimento a dei metodi ver iniettare in N fibre la radiazione proveniente da altrettante barre, né risultano evidenti delle soluzioni utili a tale scopo direttamente derivabili da questi brevetti, se non quella ovvia di utilizzare N sistemi identici. D'altronde una soluzione di questo tipo presenta degli inconvenienti, come ad esempio l'elevato ingombro e costo, oltre alla necessità di operare N allineamenti di sistemi ottici complessi.

Più rare sono state le soluzioni proposte per l'utilizzo della radiazione proveniente da uno stack di diodi laser per il pompaggio di laser in fibra. Ad esempio il documento US-2004076197 indica un modo per sfruttare la radiazione emessa da uno stack di diodi laser ad alta potenza per il pompaggio di un laser in fibra, laser che tuttavia deve utilizzare necessariamente un particolare tipo di fibra ottica, individuato e descritto nel brevetto, che si discosta radicalmente da quelli che attualmente si stanno diffondendo e utilizzando nel settore (doublé cladding doped fibers). In particolare tale invenzione prevede un'ottica che concentri la luce proveniente dallo stack in uno spot di forma sostanzialmente rettangolare, con una dimensione molto più allungata rispetto all'altra; al termine dell'ottica di concentrazione viene posta la particolare fibra ottica che consiste in un cladding nel quale sono immersi uno o più core drogati con materiale attivo che vengono pompati dai diodi e fungono da guida e oscillatore laser. Si capisce come tale invenzione non sia vantaggiosamente applicabile né al pompaggio dei laser in fibra che comunemente utilizzano una bretella di fibre otiche, non drogate, che trasportano la radiazione di pompaggio, ed una sola fibra con core drogato che funge da guida e oscillatore laser, né all'iniezione della radiazione ad alta efficienza in un bundle di fibre per il suo utilizzo diretto.

Allo scopo di confermare la novità allo stato dell'arte della presente invenzione si possono riportare come esempio altri documenti relativi all'iniezione in fibra della radiazione proveniente da array di diodi laser, oppure relativi a metodi di pompaggio di laser in fibra che utilizzano la tecnologia di tipo doublé cladding: WO-9515510, WO-2005002005, WO-20041 12207, CA-2296279. Tuttavia da una loro analisi non risulta evidente alcun riferimento a metodi o immediate estensioni dell'invenzione esposta con cui otenere la fecalizzazione in M fibre della radiazione proveniente da N barre di diodi laser mediante un sistema compato e non suscetibile di complicate regolazioni, oggeto invece della presente invenzione.

SCOPO E SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Oggeto della presente invenzione è un sistema otico per la fecalizzazione di un numero N di sorgenti laser a semicondutore di alta potenza (ad esempio uno stack di N barre lineari) in M spot di ridote dimensioni e risolti spazialmente. In questo modo viene dischiusa l'interessante possibilità di avere a disposizione centinaia di Wat di potenza laser concentrati in un numero discreto di punti di ridote dimensioni e di conseguenza l'opportunità di poterla inietare in M fibre distinte, ad esempio per il suo utilizzo diretto oppure per il pompaggio di laser in fibra di potenza.

Nel caso più generale l'invenzione è composta dalle sorgenti laser ad alta potenza, da un'otica di formattazione, con il compito di omogeneizzare la qualità spaziale dei fasci, e da un'otica di fecalizzazione, con il compito di formare degli spot risolti spazialmente.

Di seguito si riportano alcuni importanti vantaggi che il presente sistema offre rispeto a delle soluzioni esistenti o derivabili da soluzioni proposte in precedenza.

L'ingombro totale del sistema è molto ridotto, specialmente se considerato in rapporto alla potenza messa a disposizione nelle fibre. Questo aspetto è dovuto sostanzialmente al fatto che le sorgenti sono raggruppate in uno spazio ridotto, ad esempio usando uno stack di barre lineari, che viene adoperata un'unica ottica di formattazione, per formattare in parallelo le N sorgenti, e un'unica ottica disegnata ad-hoc per ottenere la focalizzazione in M spot dei fasci formattati, e che tali spot sono concentrati in uno spazio ridotto.

L'efficienza di accoppiamento della radiazione in fibra è elevata, visto l'utilizzo di un'ottica di formattazione che permette di omogeneizzare la qualità spaziale dei fasci e di focalizzarli con un'apertura numerica e dimensione dello spot adatte all'iniezione in fibra.

L'utilizzo di un'ottica in riflessione per la formattazione, ad esempio metallica, al posto di un'ottica in trasmissione, è vantaggioso in una soluzione ad elevata potenza in quanto permette di evitare l'utilizzo di coating antiriflesso ad alta potenza, l'assorbimento della radiazione da parte del materiale ed eventuali deformazioni meccaniche che ne altererebbero le prestazioni ottiche dovute al riscaldamento.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

Il sistema ottico oggetto della presente invenzione è caratterizzato dal fatto di riuscire a focalizzare la radiazione proveniente ad esempio da un numero N di barre di diodi laser a semiconduttore di alta potenza in M spot di ridotte dimensioni e risolti spazialmente.

Di seguito si descrive un' implementazione esemplificativa del sistema che non intende togliere generalità ai singoli elementi che lo costituiscono.

Le figure 1 e 2 rappresentano la sezione di un esempio di applicazione della presente invenzione, con lo scopo di illustrare i parametri principali del sistema e il percorso della luce attraverso il sistema ottico.

La figura 3 riporta la schematizzazione dell'ottica di formattazione del fascio utilizzata nella presente invenzione.

Le figure 4,5 e 6 riportano tre viste ortogonali della parte del sistema che comprende le sorgenti laser, le ottiche di collimazione del fast axis e l'ottica di formattazione dei fasci: esse sono utili per capire come sono posizionati questi elementi in relazione all'intero sistema. In particolare i parametri rappresentati nelle figure 1-6 sono i seguenti:

1. Array di N lenti toroidali per la collimazione della divergenza dell'asse veloce di ciascuna delle N barre lineari di diodi

2. Lente toroidale di collimazione relativa alla barra lineare di diodi 12

3. Lente toroidale di collimazione relativa alla barra lineare di diodi 13

4. Ottica di formattazione

5. Fascio relativo alla barra lineare di diodi 12 dopo la formattazione operata dall'ottica di formattazione 4

6. Fascio relativo alla barra lineare di diodi 13 dopo la formattazione operata dall'ottica di formattazione 4

7. Lente toroidale per la collimazione della divergenza dell'asse lento residuo

8. Lente asferica di focalizzazione

9. Asse ottico della lente asferica di focalizzazione 8

10. Punto immagine sul piano focale della lente asferica di focalizzazione 8 relativo alla barra lineare di diodi 12

11. Punto immagine sul piano focale della lente asferica di focalizzazione 8 relativo alla barra lineare di diodi 13

12. Barra lineare di diodi numero 1

13. Barra lineare di diodi numero N

14. Superficie riflettente dell'ottica di formattazione del fascio 4

15. Superficie riflettente dell'ottica di formattazione del fascio 4

16. Angolo tra le due superfici riflettenti 14 e 15

17. Larghezza di ciascuna superficie riflettente 14 e 15

18. Lunghezza dell'ottica di formattazione del fascio 4

19. Larghezza dell'ottica di formattazione del fascio 4

20. Nuova sorgente virtuale dopo la formattazione relativa al fascio emesso dalla barra 12 21. Nuova sorgente virtuale dopo la formattazione relativa al fascio emesso dalla barra 13. Si prendano in considerazione le figure 4,5,6 ed il relativo sistema di assi ortogonali x-y-z. In questo esempio di applicazione la sorgente è costituita da uno stack formato da N barre lineari di diodi. In particolare ciascuna barra è formata da un assieme di singoli emettitori disposti lungo la direzione x, per una lunghezza totale che comunemente è circa 10mm. Di conseguenza ciascuna barra eredita lungo l'asse y la dimensione di ciascun singolo emettitore, che comunemente è circa pari a 1 μ m . La radiazione emessa da ciascuna delle N barre lineari è caratterizzata da una divergenza di circa 12° nel piano x-z (asse lento) e di circa 70° nel piano y-z (asse veloce). Ciascuna barra è poi dotata di una lente toroidale di collimazione per l'asse veloce (FAC) disposta lungo l'asse x; nelle figure la lente 2 è relativa alla barra 12, mentre la lente 3 è relativa alla barra 13.

La radiazione di ciascuna barra, dopo essere stata collimata nel piano y-z, viene inviata allo specchio 4, che funge da omogeneizzatore della qualità spaziale degli N fasci. Lo specchio è formato da un assieme di coppie di superfici riflettenti 14 e 15, che formano un angolo 16 di circa 90°. Ciascuna di queste superfici ha una larghezza 17 dell'ordine di 400 μ m che in ogni caso deve essere scelta in base alla dimensione dei fasci lungo la direzione y dopo la collimazione dell'asse veloce. La lunghezza 18 e la larghezza 19 dello specchio sono legati al numero delle barre lineari e alla loro spaziatura lungo l'asse y. In generale lo specchio si presenta come un reticolo di diffrazione echelle con un blaze angle di 45° e una profondità di ciascun groove dell'ordine dei 400 μ m .

Per individuare in maniera semplice la corretta mutua posizione dello specchio 4 e dell'array di lenti toroidali 1 (e di conseguenza dello stack di diodi) si può procedere in due passi. Per le rotazioni si prenda come convenzione che, considerando un'asse volto verso il lettore, una rotazione è positiva se compiuta in verso orario. Partendo dall'array di lenti 1 posizionato come in figura 5, si posizioni lo specchio 4 in modo che il piano individuato dalle sue dimensioni 18 e 19 sia parallelo al piano x-y, in modo che le sue superfici riflettenti siano rivolte verso l'array di lenti 1 ed in modo che la direzione individuata dalla sua dimensione 19 sia parallela all'asse x. Si ruoti lo specchio di 45° attorno all'asse x ed in seguito di -45° attorno all'asse z. Si trasli poi lo specchio in modo che tutta la radiazione in uscita dall'array di lenti 1 intersechi le superfici riflettenti. Dopo queste operazioni si arriva alla disposizione riportata nelle figure 4,5,6. Ciascun raggio proveniente dalla sorgente colpisce entrambe le superfici di una delle coppie di superfici riflettenti 14 e 15 e viene indirizzato verso la lente toroidale 7.

Per la descrizione dei componenti successivi si faccia riferimento alle figure 1 e 2, nelle quali si utilizza un sistema di assi ortogonali più idoneo x'-y-z'. Il sistema di assi x'-y-z' è ottenuto dal sistema x-y-z per mezzo delle seguenti operazioni. Si ruoti x-y-z di 45° attorno all'asse z e poi di 45° attorno al nuovo asse x. A questo punto x si chiami x', y si chiami γ e z si chiami z', ottenendo il nuovo sistema di assi ortogonali x'-y-z'. Con riferimento alle figure 1 e 2 viene spiegata l'operazione di formattazione dei fasci operata dallo specchio 4 e il ruolo delle successive ottiche di collimazione 7 e di focalizzazione 8.

Ciascuno degli N fasci provenienti dalla relativa barra lineare viene formattato dallo specchio in modo che le ottiche successive 7 e 8 vedano N nuove sorgenti virtuali (ad esempio 20 e 21) ciascuna con le seguenti caratteristiche. Si consideri per esempio il fascio emesso dalla barra lineare 12. L'estensione spaziale della nuova sorgente 20 lungo l'asse y' è circa pari all'estensione del fascio collimato dalla lente 2 lungo l'asse y (ad esempio 700 μ m ), tuttavia caratterizzata da una divergenza sul piano χ'-γ pari a quella che ha la sorgente 12 sul piano xz prima di incidere sullo specchio (ad esempio circa 12°); l'estensione spaziale della nuova sorgente 20 lungo l'asse z' è circa pari all'estensione del fascio che incide sullo specchio lungo l'asse x (ad esempio 10mm), tuttavia caratterizzata da una divergenza sul piano x'-z' pari a quella che ha la sorgente 12 sul piano y-z dopo essere stata collimata dalla lente 2 e prima di incidere sullo specchio 4 (ad esempio circa 0,2°). In questo modo si riesce a omogeneizzare in parallelo la qualità spaziale nei piani χ'-γ e x'-z' di ciascuna delle N sorgenti, qualora la qualità spaziale del fascio laser venga espressa in termini di beam parameter produci (BPP), ottenuto moltiplicando il raggio del waist per la semi-divergenza del fascio in campo lontano. Ciascuna di queste nuove N sorgenti virtuali (ad esempio 20 e 21) è caratterizzata dal fatto di avere una qualità spaziale omogenea, di essere sostanzialmente sovrapposte lungo la direzione z' e di essere distinte spazialmente lungo la direzione y' Questo comporta che con un'opportuna ottica di imaging anamorfico si riescano ad ottenere N spot di ridotte dimensioni allineati lungo la direzione z' e risolti spazialmente lungo la direzione y'. Nel caso portato in esempio l'ottica di imaging anamorfico è composta da una lente toroidale di collimazione 7 e da una lente asferica di focalizzazione 8. La lente toroidale 7 ha potere ottico soltanto sul piano x'-y' e, facendo riferimento alla radiazione emessa dalla sorgente 12, ha la funzione di collimare la radiazione 5 proveniente dalla nuova sorgente virtuale omogeneizzata 20, la quale ha ereditato nel piano x'-y' la divergenza dell'asse lento originale. Inoltre la lente 7 è ruotata attorno all'asse γ in modo tale che le sue facce siano sostanzialmente parallele alla direzione in cui le nuove sorgenti (ad esempio 20 e 21) si estendono sul piano x'-z': questo per far fronte alla differenza di cammino ottico dovuto all'inclinazione delle nuove sorgenti rispetto all'asse z', sul piano x'-z'.

Dopo la lente toroidale 7 la radiazione è collimata sia nell'asse veloce che in quello lento e incide sulla lente di focalizzazione 8. La lente 8 deve essere tale da riuscire a focalizzare la radiazione incidente in spot di dimensioni ridotte e con un'apertura numerica compatibile con quella delle fibre in cui si vuole iniettare la radiazione. Per ottenere questi risultati essa deve essere ben corretta per quanto riguarda le aberrazioni degli spot, sia in asse che fuori asse, ad esempio aberrazione sferica e coma. In questo modo si riesce ad ottenere sul suo piano focale una serie di N spot allineati lungo la direzione z' e risolti spazialmente lungo la direzione y'. Ad esempio in figura 1 e 2 sono indicati con 10 e 11 gli spot immagine rispettivamente della radiazione proveniente dalle barre lineari 12 e 13. La distanza tra ciascuno degli N spot immagine e quelli adiacenti è determinata daH'ingrandimento del sistema di imaging anamorfico lungo la direzione γ, e nel caso esaminato può essere variata cambiando le focali della lente di collimazione 7 e di quella di focalizzazione 8 e sulla loro distanza rispettivamente dallo specchio 4 e dal piano focale.

In questo modo si riesce ad ottenere una serie di N spot le cui dimensioni e la cui spaziatura possono essere variate in accordo con la particolare applicazione. In particolare se si allineano gli imbocchi di N fibre con gli N spot immagine degli N array lineari di diodi, si riesce ad iniettare una elevata quantità di potenza in fibra, con le molteplici applicazioni che sono state esemplificate in precedenza.

La presente descrizione intende essere soltanto un esempio di una possibile applicazione. Ulteriori cambiamenti, modifiche, variazioni e altri usi e applicazioni della presente invenzione possono essere evidenti a persone esperte nel settore dopo aver preso in considerazione le descrizioni e i disegni dell'applicazione esemplificativa. Si considerano coperti dalla presente invenzione anche tutti i cambiamenti, modifiche, variazioni e altri usi e applicazioni che non si discostano dallo spirito e dagli scopi della presente invenzione, che è stata descritta facendo riferimento ad un esempio applicativo.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI Si rivendica: 1. Un sistema per la formattazione geometrica e la focalizzazione di fasci ottici generati da un insieme di N barre di diodi laser che emettono la radiazione in una direzione z, che si estendono in lunghezza in una direzione x e che sono raggruppate secondo una direzione y, essendo x,y,z un sistema di coordinate ortogonali, caratterizzato dal fatto di prevedere i seguenti componenti: a) un'ottica in riflessione formata da un insieme di coppie di superfici piane riflettenti che formano tra di loro un angolo sostanzialmente di 90°, la cui linea di intersezione forma un angolo sostanzialmente di 60° con la direzione x e sostanzialmente di 45° con la direzione z b) un insieme di ottiche che hanno lo scopo di focalizzare in M spot la radiazione delle N barre di diodi laser.
2. 2. Un sistema in accordo con la rivendicazione 1 in cui il numero di barre di diodi laser N ed il numero di spot M siano uguali.
3. 3. Un sistema in accordo con la rivendicazione 1 in cui il sistema di ottiche di cui alla rivendicazione 1 punto b) contenga almeno un elemento con superficie toroidale.
4. 4. Un sistema in accordo con la rivendicazione 1 in cui il sistema di ottiche di cui alla rivendicazione 1 punto lb) contenga almeno un elemento con superficie cilindrica.
5. 5. Un sistema in accordo con la rivendicazione 1 in cui il sistema di ottiche di cui alla rivendicazione 1 punto lb) contenga almeno un elemento con superficie acilindrica.
6. 6. Un sistema in accordo con la rivendicazione 1 in cui il sistema di ottiche per la formazione di immagini contenga almeno un elemento con superficie a simmetria assiale.
7. 7. Un sistema in accordo con la rivendicazione 1 il cui disegno è stato realizzato considerando anche la compensazione della differenza di cammino ottico della radiazione nel cammino dalle N sorgenti agli M spot.
8. 8. Un sistema in accordo con la rivendicazione 7 in cui il metodo per la compensazione del cammino ottico sia l'utilizzo di una lente inclinata rispetto alla direzione di propagazione della radiazione.
9. 9. Un sistema in accordo con la rivendicazione 1 usato per l'iniezione della radiazione proveniente dalle N barre di diodi in M fibre ottiche.
10. 10.Un sistema in accordo con la rivendicazione 9 in cui le fibre ottiche vengano usate per il pompaggio di un laser in fibra.