JP2010539530A - ビーム形成装置を備えるダイオードレーザ - Google Patents

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Abstract

ビーム形成装置を備えるダイオードレーザと、その製造方法が記載されている。ダイオードレーザ(340)は少なくとも1つのダイオードレーザバー(31)を備え、
該ダイオードレーザバー(31)が多数のエミッタ(342)を有し、
該エミッタ(342)はその長手軸方向に並置されている。ダイオードレーザは、前記ダイオードレーザバー(31)に配属されたビーム形成装置を、ダイオードレーザバー(31)から出射するレーザービーム(24)のために有する。
該ビーム形成装置が、複数のファイバ(68)を備える光導体装置(28)を有し、該複数のファイバにレーザビームが入力結合される。前記光導体ファイバ(68)の最大直径(D)は、前記ダイオードレーザバー(31)に向いた側の端部ではその幅(B)よりも格段に小さい。

Description

特許文献1から、ビーム形成装置を備えるダイオードレーザが公知である。このダイオードレーザでは、入力結合側で光導体ファイバの端部が、隣接する光導体ファイバと溶融されており、直角の横断面を得られるように成形されている。これにより、ダイオードレーザのエミッタから放射されるレーザ光の大部分が、光導体ファイバに入力結合されるようになる。
DE10200400692B2
本発明の基礎とする課題は、ダイオードレーザから放射されるレーザ光の入力結合がさらに改善されたビーム形成装置を備えるダイオードレーザ、およびそのようなダイオードレーザのビーム形成装置の製造方法を提供することである。
この課題は本発明によれば、少なくとも1つのダイオードレーザバーを備えるダイオードレーザであって、このダイオードレーザバーが多数のエミッタを有し、これらのエミッタがその長手軸方向に隣接して配置されており、ダイオードレーザバーから出射するレーザビームのための、該ダイオードレーザバーに所属するビーム形成装置を備え、このビーム形成装置が、複数のファイバを備える光導体装置を有し、該複数のファイバにレーザビームが入力結合されるダイオードレーザにおいて、ダイオードレーザバーに向いた側のファイバの端部が楕円形の横断面を有することにより解決される。
ダイオードレーザバーに向いた側の端部でファイバの横断面を成形することにより、ファイバの横断面がダイオードレーザバーのエミッタの出射横断面に近似するようになり、これによりファイバの直径を、入力結合される光出力が同じ場合には小さくすることができる。そして元は円形のファイバの横断面を、ファイバの幅の拡大に相応して半分に平坦化することにより、面積および立体角当たりに放射される光出力(明るさ)を4倍に上昇させることができる。
その結果、細い、したがって安価な光導体ファイバを使用することができ、光導体の出力端における光成形をより改善された光学的品質で行うことができる。
本発明の別の有利な実施形態では、ビーム成形装置が少なくとも1つの光学素子を有し、この光学素子は光導体ファイバと物質的に結合されている。ここで有利には光導体ファイバの外套が光学素子の領域では、この光学素子が光導体ファイバと物質的に結合される前に除去されている。有利には光学素子はガラス製である。これにより光ファイバの入力結合側における光出力特性が、ファイバコアとファイバ外套との間の屈折率差により決定されるのではなく、ファイバコアと光学素子との間の屈折率差により決定される。これによってビーム形成装置の光学的設計において、さらなる自由度が得られる。とりわけファイバに入力結合されるビームの拡散角を、光学素子の適切なガラス選択と形状付与により拡大することができる。これによりレーザ光の光導体への入力結合をさらに最適化することができる。光学素子とファイバのガラス品質の組み合わせを適切に選択することにより、格段の最適化が可能である。
冒頭に述べた課題は同様に、ダイオードレーザのビーム形成装置の製造方法によっても解決される。この製造方法では、光導体のファイバが中央区間で、複数のファイバが1つの平面内で平行に延在するようにまず配向される。続いてファイバがこの中央区間で軟化温度まで加熱される。この状態でファイバの中央区間で、所望の横断面に達するまで1つまたは複数の形状部材とともにプレスされ、同時にこの形状部材と物質的に結合される。この物質結合は、適切な接着剤を後から添加することによっても行うことができる。引き続き、中央区間を通り、ファイバと直交する分離面でファイバが分離される。
ファイバを分離することによって、光導体の2つの端部が本発明により成形されたファイバ横断面を有するようになる。このことは、本発明の方法を一度実行することにより、本発明の光導体が2つ形成され、すべての方法ステップは一度だけ実行すればよいことを意味する。したがって本発明の方法は高い効率と経済性を特徴とする。
さらにファイバを、光導体の端部ではなく中央区間で相互に平行に配向または案内することが、ファイバを光導体の端部で配向しなければならない場合よりも簡単になる。
本発明による方法の別の有利な実施形態では、ファイバがプレスの後に、その軟化温度以下に冷却される。これによりファイバがそれ以上変形しない。
ファイバの横方向間隔が、スロー軸方向でのダイオードレーザバーのエミッタの間隔に相当するようファイバが配向されるととくに有利である。このようにして本発明の方法の実施とともに、ファイバをダイオードレーザバーのエミッタに、所要の精度で後で割り当てることができる。このことはとりわけ大量生産の場合に経済的に有利である。さらにダイオードレーザバーから放射される光の光導体への入力結合が改善され、簡単になる。
本発明の方法の別の有利な実施形態では、形状部材が中央区間の領域でプレスの際にファイバと物質的に結合するようになる。この形状部材は有利にはガラス製であり、形状部材のファイバに向いた側は光導体ファイバの所望の形状を有することができる。これにより形状部材は、光導体ファイバの所望の成形にまず作用し、ファイバとの溶融が上手く行われると光学素子として用いられる。
したがってこの形状部材は、入力結合装置の設計の際にさらなる自由度を可能にし、形状部材の寸法が大きく頑強であるので、入力結合側で光導体を簡単に加工することができる。光学素子は不透明な材料、例えば金属から、またはレーザビームに対して透過の材料、例えガラスから作製することができる。光学素子がガラス製であれば、これを切削研磨し、シリンダレンズまたはプリズムの形状に構成することができる。
ファイバの上方と下方でそれぞれ1つの挿入部材が型枠に挿入される場合、挿入部材をファイバとともに分離することが推奨される。このことは例えば切り出しまたは研磨により行うことができる。択一的に、ファイバの上方および配向されたファイバの下方でそれぞれ2つの挿入部材を挿入することもできる。この場合、2つの挿入部材は分離面(C−C)の領域で接触する。これによりプレス過程の際に、ファイバを挿入部材と物質的に同時に結合することができる。これにより引き続きすべての光学素子を再び分離しなければならないことが回避される。この場合、ファイバを分離面の領域で分離すれば良いだけである。
ファイバ相互の横方向間隔が、V字溝、窪んだV字溝、または半円形の溝により調整されると有利であることが判明した。択一的にこのことは、形状部材の1つ、または形状部材を包囲するフレームに相応の溝を設けることによっても行うことができる。このようにして、ファイバが中央区間の領域で捩れたり、交差したりすることを、簡単かつ確実に回避することができる。
本発明のさらなる利点および有利な実施形態は添付の図面、図面の説明および特許請求の範囲の記載から得られる。図面、図面の説明および特許請求の範囲に記載されているすべての特徴は単独でも、また相互に任意に組み合わせても本発明の対象となりうる。
レーザを基礎とする点火装置を備えた内燃機関の概略図を示す。 図1aによる点火装置の概略図を示す。 図1bによる点火装置の本発明によるレーザ光源の概略図を示す。 本発明の方法の第1実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第1実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第1実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 本発明の方法の第2実施例を種々の段階で示す図である。 ファイバを配向するための溝の種々の実施例を示す図である。
図1aにおいては内燃機関全体に参照番号10が付されている。この内燃機関10は、図示していない自動車を駆動するために使用される。内燃機関10は複数のシリンダを有しており、これらシリンダのうちの1つだけが図1に参照番号12により示されている。シリンダ12の燃焼室14はピストン16によって制限される。燃料はインジェクタ18によって燃焼室14に直接的に達する。このインジェクタ18はレールとも称される燃料圧力蓄積器20に接続されている。
燃焼室14内に噴射された燃料22は、レーザパルス24によって点火される。ここでこのレーザパルスはレーザ装置26を有する点火装置27によって燃焼室14に放射される。このためにレーザ装置26には光導体装置28を介してポンプ光が供給される。このポンプ光はポンピング光源30によって形成される。ポンピング光源30は制御装置32によって制御され、この制御装置32はインジェクタ18も制御する。
図1bから分かるように、ポンピング光源30は種々のレーザ装置26に対して複数の光導体装置28を有している。これらのレーザ装置26は、内燃機関10のそれぞれ1つのシリンダ12に割り当てられている。このために、ポンピング光源30は複数の個別のレーザ光源340を有し、これらの個別のレーザ光源340はパルス電流供給部36と接続されている。複数の個別のレーザ光源340が設けられていることによって、ポンプ光の種々のレーザ装置26へのいわば「静的な」分配が実現されており、ポンピング光源30とレーザ装置26との間に光学的な分配器、ディストリビュータなどは必要ない。
レーザ装置26は例えば、受動的Qスイッチ46を備えたレーザ活性の固体44を有する。受動的Qスイッチ46は入力結合ミラー42および出力結合ミラー48とともに光学的な共振器を形成する。ポンピング光源30によって形成されたポンプ光が供給されると、レーザ装置26はそれ自体公知のやり方でレーザパルス24を形成し、このレーザパルス24が集束光学系52を介して燃焼室14(図1a)にある点火点ZPへ収束される。レーザ装置26のケーシング38内に設けられている構成要素は、燃焼室窓58によって燃焼室14から分離されている。
図2は、本発明のレーザ光源340の第1実施例の概略的平面図を示す。図2から分かるようにレーザ光源340は、レーザ光を放射する複数のエミッタ342を有する。これらエミッタのレーザ光はポンプ光60として、レーザ装置26(図1b)またはそこに配置されたレーザ活性の固体44を光学的にポンピングするために使用され、相応にして光導体装置28に入力結合される。エミッタ342相互の横方向間隔には、参照符合74が付されている。光導体装置28は多数の光導体ファイバ68を有しており、これらを以下、ファイバ68として示す。図2に示された実施例でそれぞれのエミッタ342には1つの光導体ファイバ68が配属されており、これによりエミッタ342から放射されたポンプ光が光導体装置28に入力結合される際の損失が最小となる。
本発明の方法により、ファイバ68とエミッタ342との割当てを改善することができ、同時に、ファイバ68の横断面をエミッタ342に向いた側の端部で成形することによって、入力結合される光出力は同じであってもファイバの直径を縮小することができる。これにより構造容積とコストを節約することができる。
図3から5に基づいて以下、本発明の方法の第1実施例を説明する。
本発明の方法の重要な側面は、ファイバ68がその端部で所望の形状と位置にもたらさせるのではなく、ファイバ68は中央区間70で所望の形状と位置にもたらされ、引き続きこの中央区間70で分離されることである。これによって光導体装置28では、本発明の方法により作製された端部が一度で同時に2つ得られ、ファイバ68の取り扱いが簡素化される。
エミッタ342相互の横方向間隔74に相当するファイバ68の所望の横方向間隔での配置と、ファイバ68の横断面の成形は、下方形状部材64と上方形状部材66によって行われる。両方の形状部材64と66は本発明の方法によりファイバ68と物質的に結合され、光学素子を毛制する。この光学素子はポンプ光の光導体装置28への入力結合を可能にし、または改善する。
図3aには、下方形状部材64と上方形状部材66の側面図が示されている。形状部材64,66は、ファイバ68の長手方向に対称に構成されている。対称面C−Cは通例、分離面と同じである。分離面の意味については後でさらに説明する。
分離面C−Cの右と左には、形状部材64,66のいわゆる中央区間70が存在する。中央区間70の領域でファイバ68は所望のように成形され、形状部材64,66は物質的にファイバ68と結合する。この理由から形状部材64,66は、中央区間の領域では半楕円形に構成されている(とくに図3d参照)。
中央区間70の右と左には断線A−AとB−Bがあり、ここではファイバ68の残りの成形は行われない。断線A−Aの領域ではファイバ68が所望の相互間隔で配向されている。このことはV字形溝72によって行うことができる(図3bの断面A−A参照)。ここで溝72相互の間隔は、エミッタ342相互の間隔74に相当する(図2参照)。続いて上方形状部材66が下方形状部材64の上に沈下される。これは図4aに示されている。その結果、断面A−Aの領域では上方形状部材66が下方形状部材64に、ファイバ68が溝72に固定されるまで接近する。断面B−Bの領域(図4c参照)では、上方形状部材66が沈下してもファイバ68が上方形状部材66と下方形状部材64との間で締め付けられない。
そしてファイバ68に軽い張引力が及ぼされても、ファイバ68は中央領域70でも所望の相互間隔を有することが保証される。同時にファイバ68はこの中央区間で軟化温度まで加熱される。ファイバの配向は、溝72の適切な構成によって達成することができる。とくに適する溝72の形状が図13に示されている。
中央区間70の領域(断面C−C)では、ファイバ68が形状部材64,66により、実質的に楕円形の横断面となるように成形される。この横断面は、図4dの断面図に示されている。ファイバ68の成形と同時に、形状部材64,66は物質的にファイバ68と結合し、光学素子を形成する。付加的に接合部を後から接着することができる。これは例えばファイバ適用のためにUV接着剤を使用する場合である。接着剤はファイバの毛細管作用によって、ファイバに浸透し、安定した接着結合が形成される。形状部材64,66はガラスから作製することができ、ファイバ68とは異なるガラス種を使用することができる。
ファイバ68間の横方向間隔S1が、図3dの断面図に示されている。この横方向間隔S1は、エミッタ342相互の間隔74に相当する(図2参照)。これによりファイバはその横方向間隔S1に関して持続的に固定され、ファイバ68とダイオードレーザの個々のエミッタとが所望のように割り当てられる。
図5aには、開放したプレス工具62.1と62.2に形状部材64と66が配置された様子が、分離面C−Cで拡大して図示されている。図5aから分かるように、形状部材64と66は、ファイバ68に向いた側に半楕円形の切欠部(参照符合なし)を有し、これらがファイバ68の変形と収容に用いられる。
少なくともファイバ68が軟化温度にもたらされた後に型枠62が閉鎖されると、形状部材64と66がファイバ68を可塑変形する。同時に上方形状部材66、下方形状部材64およびファイバ68が接合され、したがってモノリシックなガラス体が得られる。このガラス体から光学素子80が加工処理される。
図5bにはこのような光学素子80が断面で示されている。破線により、ファイバ68、第1の挿入部材76および第2の挿入部材78間の以前の分離線が示されている。
本発明の方法の第1実施形態を、図3から5に基づいて詳細に説明する。
第1のステップで複数のファイバ68が並んで配列され、形状部材64の溝72に装填される。このことは中央区間の両側で行われる(図3bと図4bの断面A−A参照)。
中間領域(図3cと図4cの断面B−B参照)でファイバは形状部材64,66と接触せず、ファイバ68は上方形状部材66と下方形状部材64との間の中間空間内にある。配列した後にファイバ68を張引して保持すると有利である。これによりファイバ68が中央区間70の領域でたるまず、直線状の経過を有する。
次のステップでファイバ68は、とりわけ中間空間70の領域で加熱される。これは例えば赤外線ビームによって行うことができる。択一的に上方形状部材66および/または下方形状部材64を局所的に加熱し、これにより所要の熱を提供することもできる。ここでファイバ68は少なくとも軟化温度に達し、折れることなく容易に変形することができる。
ファイバ68が中央区間70で軟化温度に達すると直ちに、プレス工具62が閉鎖され、上方形状部材66が下方形状部材64の上に沈下される。ここでは同時に、熱と力を形状部材64,66から光導体ファイバ68に伝達することができる。さらに形状部材64,66および光導体ファイバ68が物質的に相互に結合される。択一的にまたは付加的に、形状部材64と66および光導体ファイバ68を相互に接着することができる。
続いて光導体ファイバ68が、それ以上可塑変形しないように冷却される。次にファイバ68は、対称面および分離面C−Cの領域で形状部材64,66とともに切断される。これにより2つの部分の光導体28が得られ、このファイバ68の端部はそれぞれ本発明の方法により楕円形に成型されている。切断の際に発生した分離面が所望の形状にもたらされ、研磨され、必要な場合には被覆される。形状部材64および/または66がガラスから作成されると好適であることが判明した。この場合、形状部材64,66の融点は光導体ファイバ68の融点よりも高い。
図6から図12に基づいて以下、本発明の方法の別の実施例を説明する。同じ構成部材には同じ参照符合が付してあり、図1から5での説明が相応に当てはまる。
図6以降の実施形態では、ファイバ68の配向が櫛82によって行われる。この櫛82は、相互に平行に延在する多数の溝72からなる。櫛82はフレーム84に、長方形の凹部86の両側で配置されている。フレーム84の平面図には、凹部86と、櫛82により相互に平行に配向されたファイバ68が良好に示されている。
図6aにはファイバ68の備わっていない櫛82が図示されている。一方、所属の詳細X(図6b参照)にはファイバ68と横方向間隔Siが分かりやすく示されている。
さらなるステップで第1のガラスプレート88がフレーム84と、このフレーム84の上にあるファイバ68の上に載置される(図7参照)。この第1のガラスプレート88はフレーム84の上をファイバ68の方向に伸長し、ファイバ68を溝72に保持する。
図8に示すようにさらなるステップで、フレーム84、ファイバ68および第1のガラスプレート88が複数の保持素子90により相互に固定され、上側が下に回転される(図9参照)。
図10から分かるように、ファイバ68の右と左で分離面C−Cにある程度の間隔をおいて、全部で4つの下敷きプレート93が第1のガラスプレート88の上に載置されている。これに続くステップでは分離面C−Cの右と左で、それぞれ第2のガラスプレート94が下敷きプレート92とが明日プレート88の上に載置される。この配置構成は図11の側面図の左下に示されている。下敷きプレート92は、第2のガラスプレート94を第1のガラスプレート88に対して傾斜させるために用いられる。
続いて第1のガラスプレート88,ファイバ68および第2のガラスプレート94がスタンプ96と熱供給によって相互に圧縮される。このとき、とりわけ分離面C−Cの領域ではファイバ68の所望の成形と、第1のガラスプレート88、ファイバ68および第2のガラスプレート94の物質的結合が行われる。第2のガラスプレート94が傾斜しているので、ファイバ68は分離面C−Cからの間隔が増えるにつれ、円形の横断面となる。
最後に冷却の後、ファイバ68と第1のガラスプレート88は、分離面C−Cに沿って分離され、断面が切削研磨され、これにより光学素子80が形成される。
有利には本発明の第2実施形態では、所要の高精度で作製され、構造化されたコンポーネントが工具としてだけ使用され、これにより複数回使用することができる。
図13には、溝72の種々の実施形態が示されている。図13aには複数のV字形溝の断面が示されている。図13bには窪んだV字形溝72が示されており、図13cの実施形態では溝72の基部が半円形に構成されている。

Claims (14)

  1. 少なくとも1つのダイオードレーザバー(31)を備えるダイオードレーザ(340)であって、
    該ダイオードレーザバー(31)が多数のエミッタ(342)を有し、
    これらのエミッタ(342)がその長手軸方向に隣接して配置されており、
    さらにダイオードレーザバーから出射するレーザビームのための、該ダイオードレーザバーに所属するビーム形成装置を備え、
    該ビーム形成装置が、複数の光導体ファイバ(68)を備える光導体装置(28)を有し、
    該複数の光導体ファイバにレーザビームが入力結合されるダイオードレーザにおいて、
    前記光導体ファイバの最大直径(D)は、前記ダイオードレーザバー(31)に向いた側の端部ではその幅(B)よりも格段に小さい、ことを特徴とするダイオードレーザ。
  2. 前記ダイオードレーザバー(31)に向いた側の光導体ファイバ(68)の端部は楕円形の横断面を有することを特徴とする請求項1記載のダイオードレーザ。
  3. 前記ビーム形成装置は少なくとも1つの光学素子(80)を有し、該光学素子は前記光導体ファイバ(68)と物質的に結合していることを特徴とする請求項1または2記載のダイオードレーザ。
  4. 光導体ファイバ(68)のコアは、前記ビーム形成装置の光学素子(80)と直接結合されていることを特徴とする請求項3記載のダイオードレーザ。
  5. ダイオードレーザ(340)のビーム形成装置の製造方法において、以下のステップを有する:
    ・光導体装置(28)のファイバ(68)を中央区間(70)で、複数のファイバ(68)が1平面内で相互に平行に延在するように配列するステップ、
    ・前記ファイバ(68)を中央区間(70)で、それらが軟化温度に達するまで加熱するステップ、
    ・前記ファイバを中央区間(70)で1つまたは複数の形状部材(64,66,88,92,94)とともに、ファイバの幅がファイバの最大直径(D)より大きくなるまでプレスするステップ、
    ・前記ファイバ(68)を分離面(C−C)で分離するステップ、ただし該分離面(C−C)は前記中央区間にあり、該中央区間におけるファイバの長手方向に対して直交して延在している、
    ことを特徴とする方法。
  6. 前記ファイバ(68)の外套は、ファイバ(68)のプレス前に除去されることを特徴とする請求項5記載の方法。
  7. 前記ファイバ(68)はプレス後に、軟化温度以下に冷却されることを特徴とする請求項5または6記載の方法。
  8. 前記ファイバ(68)の横方向間隔(S1)が、ダイオードレーザバー(31)のエミッタ(342)の長手方向(ファースト軸)での間隔(74)に相当するようにファイバ(68)は整列されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記形状部材(64,66,88,92,94)はプレスの際に、前記ファイバ(68)と物質的に結合することを特徴とする請求項5乃至8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記形状部材(64,66,88,94)は、ビーム形成装置の光学素子(80)を形成することを特徴とする請求項9記載の方法。
  11. 前記形状部材(64,66,88,94)はファイバ(68)とともに分離面(C−C)で分離されることを特徴とする請求項5乃至10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記形状部材(94)は分離面(C−C)で分離されることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記ファイバ(68)の相互横方向間隔は溝(72)によって、とりわけV字形溝によって、前記形状部材の1つ(64)内で調整されることを特徴とする請求項5乃至12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記ファイバ(68)の相互横方向間隔は溝(72)によって、とりわけV字形溝によって、フレーム(84)内で調整されることを特徴とする請求項5乃至12のいずれか1項に記載の方法。
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