WO1997031284A1 - Anordnung zur formung des geometrischen querschnitts mehrerer festkörper- und/oder halbleiterlaser - Google Patents

Anordnung zur formung des geometrischen querschnitts mehrerer festkörper- und/oder halbleiterlaser Download PDF

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WO1997031284A1
WO1997031284A1 PCT/EP1997/000823 EP9700823W WO9731284A1 WO 1997031284 A1 WO1997031284 A1 WO 1997031284A1 EP 9700823 W EP9700823 W EP 9700823W WO 9731284 A1 WO9731284 A1 WO 9731284A1
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radiation
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PCT/EP1997/000823
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Keming Du
Peter Loosen
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for shaping the geometric cross-section of a radiation field of a plurality of solid-state and / or semiconductor lasers, in particular a plurality of diode laser arrays or field arrays, the beam exit openings of which run in a direction lying in the xy plane and the beams of which extend in the z-plane.
  • Radiation are emitted, the x, y and z directions define a right-angled coordinate system with an optical structure for generating a defined cross-section of a radiation field, the optical structure having reflective elements to which the radiation of the respective laser or Laser field arrangements is performed and on which the radiation is reflected.
  • Diode lasers are of great interest because of their high efficiency and their small dimensions.
  • the output power of each individual diode laser emitter is limited to a few hundred mW.
  • diode laser emitters are combined in the pn junction plane as an emitter group.
  • Such a group which is made up of 20 emitters, for example, can deliver a power of a few watts.
  • several emitter groups are also arranged next to one another in the pn junction plane. This creates a so-called diode laser bar, the width of which is typically 10 mm. With such diode laser bars, some 10 watts can be achieved.
  • a diode laser stack or a diode laser field arrangement is formed, also referred to as a diode laser array, as is shown schematically in FIG. 2 of the accompanying drawings. A more detailed description of FIG. 2 is given in the following description of the individual figures, to which reference is made here.
  • appropriate heat sinks must be provided for the diode emitters.
  • Correspondingly dimensioned heat sinks are contrary to the goal of stacking the diode laser emitters or the radiation exit surfaces of the emitters as closely as possible to one another in order to obtain the desired high power densities. For this reason, it is conventional practice to construct the heat sinks as thin plates, which typically have a thickness of 1 mm to 1.5 mm.
  • Such thin heat sinks do not provide sufficient heat dissipation, on the other hand, they are not thermally and mechanically stable enough, so that considerable misalignments with regard to the emitter surfaces can be observed and the defined beam guidance is therefore not guaranteed.
  • the present invention is based on the object of further developing an arrangement for shaping the geometrical cross section of a radiation field of the type stated at the outset in such a way that the arrangement of a plurality of diode laser field arrangements or Radiation emitted by diode laser arrays, or the radiation emitted by individual diode laser bars, can be shaped and / or combined with simple and inexpensive measures into radiation fields of a desired arrangement and distribution of the power density, with a high packing density the laser, and with which the necessary thermal and mechanical stability is guaranteed at the same time.
  • each laser or each laser field arrangement is offset with respect to one another in the x direction and in the y direction with respect to the adjacent laser or the laser field arrangement, and in that the reflection surface - Chen the reflective ⁇ elements are arranged in planes that have an offset and / or have a tilt in relation to one another such that the respective radiation components reflected by the reflection surfaces are offset perpendicular to the radiation propagation direction with respect to the offset of the radiation exit surfaces.
  • the respective offset of adjacent lasers or laser field arrangements relative to one another provides sufficient space for spacing the respective diode lasers, preferably diode laser bars, from one another, for this space for corresponding heat sinks on which the respective diode lasers or diode laser bars are arranged to take advantage of.
  • This offset of the individual laser diodes or laser diode bars takes place in two mutually perpendicular directions which do not coincide with the radiation directions of the diode lasers or diode laser bars.
  • reflective elements are used which have an offset in such a way that the respective beam cross sections are preferably combined to form a radiation field or else are superimposed.
  • the radiations from the diode lasers or diode laser bars are first collimated, in the fast direction, that is, in the direction perpendicular to the pn junction of the diode lasers, before the radiations then reach the reflection surfaces of the respective reflection elements fall.
  • a further advantage of the arrangement according to the invention is that the radiation surfaces of all diode lasers or diode laser bars can lie in one plane, which makes the diode lasers easy to adjust and arrange them in terms of electrical contact and the cooling water supply, if necessary tiv is cooled, leads.
  • a defined offset is already generated with respect to the diode lasers or the diode laser bars, for example by arranging the beam exit surfaces in a step-like manner, namely viewing the arrangement of the laser diodes or laser diode bars in a plan view of the beam exit windows, while the offset radiation components are then brought together again with the reflective elements.
  • This defined, stair-step-like offset creates the prerequisite for the individual radiation components to then be pushed together in a defined manner or to form a defined radiation field in an exit plane, for which purpose only one reflective element is assigned to each beam, ie only a minimal optical structure is required, with the result that the losses can be kept very low.
  • the respective lasers are freely accessible from above and below due to the offset of the respective laser diodes or laser diode bars and accordingly there are no limits to the extent of the heat sinks, since this space can be used as desired; the same applies to the expansion of the heat sink in a direction opposite to the radiation directions of the respective laser.
  • the arrangement according to the invention has the advantage that the power of the arrangement can be scaled to higher powers based on a basic arrangement of this stair-step-like offset of the individual diode lasers by adding further diode lasers to a basic arrangement and by increasing the length of the diode laser bar. without leaving the basic principle.
  • the arrangement can be constructed from respective basic arrangements, for example heat sinks with two, three or more individual steps, on which the diode lasers are arranged, in order then to assemble several of the basic units in a modular manner.
  • the reflective elements on which the respective radiation components are reflected which can also be built up in a modular manner by means of base bodies in the form of steps with mirrored surfaces.
  • a high mechanical and thermal stability is achieved with the arrangement according to the invention, in particular when the laser diodes or laser diode bars are offset by means of a carrier which carries a plurality of diode lasers or diode laser bars on surfaces offset in the manner of steps and at the same time is designed with a high thermal capacity to achieve the required cooling.
  • the diode lasers can be adjusted by a subsequent adjustment on the carrier bodies or by an adjustment of the associated downstream stair-step mirror elements , especially since the diode lasers can be arranged in such a way that they are easily accessible, since each diode laser bar or each diode laser unit is arranged offset next to one another, ie is easily accessible.
  • alignment errors can be avoided by direct stacking of the diode lasers or diode laser bars, as occurs in the prior art, in which the individual diode laser bars are arranged directly one above the other. In the prior art, it is then not possible to adjust the diode laser bars in between, since they are not accessible.
  • the arrangement or the offset of the respective lasers should correspond sequentially to the order of the lasers, i.e. there is a step-like offset with a steady slope.
  • Another preferred measure that is used to determine the individual path lengths of the radiation components of the individual lasers or the laser field arrangements It is then possible to compensate and adjust if a further, second reflective element is assigned to each radiation component in addition to the first reflective element, these neighboring second reflective elements being offset from one another in such a way that the respective ge Entire path lengths, if the individual radiation components are compared with one another, are adapted so that there are no path differences at an exit plane.
  • the respective offsets and the respective changes in distance of adjacent reflection surfaces should be of the same size.
  • the reflection surfaces of the elements can be formed by a step-like mirror, i.e. a carrier body is used with surfaces arranged in a step-like manner, which are mirrored, so that the respective surfaces of this mirror-like mirror form the reflection surfaces.
  • a step-like mirror i.e. a carrier body is used with surfaces arranged in a step-like manner, which are mirrored, so that the respective surfaces of this mirror-like mirror form the reflection surfaces.
  • This provides a fixed, predetermined assignment of the adjacent mirror surfaces, which are offset from one another, with high mechanical stability.
  • the reflection surfaces are preferably flat surface regions, in particular when the respective radiation components are parallel bundles of rays that do not require any further focusing or beam expansion.
  • the individual lasers or laser field arrangements can also be displaced in the z direction, ie in the direction that corresponds to the radiation direction, in order thereby to arrange the different path lengths of the individual lasers or laser field arrangements already mentioned above.
  • the offset should correspond sequentially to the order of the lasers in order to achieve a simple structure, again in such a way that the offset of the lasers or the laser field arrangements is correlated to the offset of the reflective elements in the sequential order.
  • the offset in the xy direction of the individual lasers or laser field arrangements serves to sufficiently separate the laser field arrangements from one another and to achieve an offset of the radiation beams emitted by the individual lasers or laser field arrangements (the xy Plane is perpendicular to the direction of beam expansion), the offset in the z direction, ie in the direction of the direction of radiation, serves to compensate for different path lengths to a predetermined exit plane or processing plane.
  • the lasers or laser field arrangements become parallel to the longitudinal extension of the individual steps of such a stair-step-shaped carrier are arranged in such a way that they emit parallel to these steps with their main emission direction.
  • Such a stair-step-shaped support with correspondingly long stair steps, enables application-specific positioning and adjustment of the individual lasers or laser field arrangements in the z direction, i.e. in the direction of radiation so that the path lengths can be influenced with such a different adjustment.
  • the arrangement according to the invention offers the possibility to rearrange and / or combine the radiation components of a plurality of lasers or laser field arrangements into a defined radiation profile with a relatively simple effort, it is possible to redefine these radiation components to couple the reflective element into an optical waveguide or an optical waveguide array or field in order to then guide the combined radiation components, for example, to a processing location, as is also explained and described below with reference to the exemplary embodiments.
  • Another measure, which can preferably be used in conjunction with the above-mentioned arrangements, is that of performing several Merge lasers or laser field arrangements by polarization and / or wavelength coupling.
  • This measure in conjunction with the arrangement according to the invention as explained above, ie the step-like positioning of the individual lasers or laser field arrangements, is viewed in plan view of their radiation exit surface, and the combination of these radiation components by a corresponding offset of the reflective elements that follow in connection with a power addition by means of polarization and / or wavelength coupling has the advantage that the power can be increased without increasing the beam cross-section or reducing the beam quality.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration which shows the basic structure of a diode laser array arrangement or a laser diode array composed of a plurality of stacked diode laser bars,
  • FIG. 3 shows a further schematic illustration of a second embodiment of the invention, with which the path lengths of the radiation components of the individual diode laser bars are adapted with respect to an exit plane, compared to the first embodiment
  • FIG. 4A and FIG. 4B show a further, third embodiment, in which the diode laser bars on a carrier are offset from one another in the radiation direction
  • FIG. 5 shows an arrangement of the third embodiment of the invention, which can be used, for example, to pump solid-state lasers or, with appropriate downstream optics, to machine workpieces,
  • FIG. 6 shows an arrangement of the third embodiment, which shows an application in which the radiation components are divided and coupled into a fiber array for flexible guiding of the beams
  • FIG. 7 shows an arrangement of the third embodiment, which is comparable to the embodiment of FIG. 6, but in which the radiation components are coupled into the end of a single fiber or are focused directly on a workpiece,
  • FIG. 8 shows an arrangement of the third embodiment, which is comparable to the basic arrangements of FIG. 7, but in which a prism arrangement is additionally inserted into the beam path,
  • FIG. 9 shows an arrangement of the third embodiment, as is also shown in FIG. 6, according to which individual groups of the diode laser bars can be actively addressed in order to influence the radiation field generated using the online method,
  • FIG. 10A schematically shows a fourth embodiment in which, instead of one diode laser bar in each case, two diode lasers are stacked one above the other in the y direction and are coupled to one another by means of a polarization arrangement,
  • FIG. 10B shows two arrangements corresponding to the arrangement in FIG. 10A, which are offset in the x-direction and in the y-direction, specifically on a stair-step-like holder, the radiation components being brought together by means of a dichroic mirror, and
  • Figure 10C shows another arrangement similar to that of Figures 10A and 10B. It should be pointed out that the embodiment according to the figures is directed to the shaping and guiding of the radiation from diode laser field arrangements or diode laser arrays, as they are also referred to in the literature, but the different embodiments, as described below with reference to the Figures will be explained, can also be applied equally to solid-state lasers, as will become apparent.
  • FIG. 2 A customary structure of a diode laser array arrangement and a customary measure to collimate the radiation is shown in FIG. 2.
  • a diode laser array usually consists of individual diode laser bars 2 which are stacked one above the other.
  • Each diode laser bar 2 consists of a linear arrangement of emitting laser diodes which, with their beam outlet openings 3, are in a straight line and in a common plane, which is denoted in FIG. 2 with the rectangular coordinates x and y, with an extension of the diode laser bar in the x direction. Due to the geometry of the active medium of such diode lasers, a beam cone, typically elliptical in cross section, emerges from the beam outlet openings 3, the large axis running perpendicular to the plane of the pn junction, ie in FIG.
  • each diode laser bar is assigned a heat sink in the form of a heat sink 4, which, if it is kept thin in its dimension in the y direction, typically has a thickness of 1 mm to 1.5 mm.
  • a diode laser array can be used Limits in the thermal stability of the heat sinks or heat sinks 4, as has already been explained above.
  • micro-optics in the form of a cylindrical lens 5 are assigned to each bar.
  • a cylinder optics 6 Seen in the radiation direction of the diode laser bars 2, designated by the coordinate z in FIG. 2, a cylinder optics 6 is connected, which collimates the entire radiation components of the diode laser bars 2 in the slow direction, so that after the cylinder optics 6 an almost parallel beam bundle is achieved, which is then collimated with a photographic lens 7 to form a radiation field 8.
  • the radiation field 8 has typical dimensions of approximately 0.8 x (3-10) mm 2 .
  • the respective heat sinks 4 have to have a greater thickness, i.e. a larger dimension in the y-direction, apart from active cooling by means of a cooling medium, which means that the individual diode laser bars 2 are spaced further apart in the y-direction; as a result, the fill factor becomes small and the maximum power density that can be achieved in this way becomes lower.
  • FIG. 1 An arrangement according to the invention is used, as its basic structure is shown in a first embodiment in FIG. 1.
  • the individual diode laser bars 2 are arranged next to one another in the x direction (in a plan view, as shown in FIG. 1) and offset from one another in the y direction, as is shown in the side view, which is generally designated by the reference symbol 9 .
  • a stair-step-like carrier 10 made in one piece or in several parts.
  • the individual receiving surfaces 11 of this carrier or holder 10 run parallel to one another. The result is a defined offset, which, in the embodiment of FIG.
  • each individual diode laser bar 2 with its associated heat sink 4 is freely accessible in order to close it adjust.
  • this diode laser bar 2 can be exchanged in a targeted manner without the basic alignment of the further diode laser bars 2 being changed or impaired in any other way.
  • the deflection angle is 90 ° in this embodiment, but is not limited to this. It can be seen that the orientations of the reflection surfaces 13 with respect to the incident radiation arrows 14 are not subject to any restrictions, since they can be selected in accordance with the requirements. It can also be seen in FIG. 1 that the radiation emanating from each diode laser bar 2 is collimated by a lens 5, comparable to the lens 5 shown in FIG.
  • the stair step height ie the offset of the respective contact surfaces of the carriers 10 in the y-direction of adjacent diode laser bars 2 is selected such that it corresponds to the height of the collimated radiation in the y-direction.
  • the offset of the individual steps or the reflection surfaces can be seen in the plan view, which is denoted by the reference number 15 in FIG. 1 (view 15 shows a plan view of the step-shaped mirror elements 12 from the direction of the arrow 16 or in X direction).
  • the exit jets 14 ' can be seen from the exit plane 17.
  • the individual radiation portions 14 'of the respective diode laser bars 2 have a different extension in the z direction.
  • These different expansions can optionally be adapted by optics.
  • Such an adjustment can also be done, inter alia, by the fact that the respective Reflection surfaces 13 are slightly concave or convex to additionally widen or collimate the respective radiation components.
  • diode laser bars 2 it is also possible to arrange small fields from two rows or, if appropriate, three rows of individual diode lasers, each with a heat sink 4 which extends upwards and downwards (y direction); Their radiations are preferably also coupled as shown in FIG. 10, which will be described below.
  • two step-shaped mirror elements 18 and 19 are used, in which the radiation components 14 of the respective diode laser bars 2 are deflected twice.
  • the respective impingement points or impingement areas 20 on the respective reflection surfaces 13 are selected such that the total distances of the respective radiations emanating from the respective diode laser bars 2 are at the same path length in an exit plane 21 behind the mirror elements 19 add up perpendicular to the optical axis so that the output beams have the same path lengths on the output side of the reflection surfaces 13 of the second stair mirror.
  • the individual beams 14 and 14 'strike the reflection surfaces 13 of the first stair mirror 18 and the second stair mirror 19 at an angle of 45 °, so that the beam is deflected by 90 °.
  • the individual diode laser bars 2 are arranged in such a way that, viewed in the y direction, the diode laser bar 2 arranged at the left most in FIG. 3 has the highest position on the step-like support 10, while the rightmost diode laser bar 2 in FIG. 3 has the lowest position on the step surfaces of the holder 10.
  • the individual reflection surfaces 13 of the first are corresponding Stair mirror 18, seen in the x direction, descending from the left to the right, with respect to the y direction, while the individual reflection surfaces 13 of the second stair mirror 19 in the y direction, seen in FIG. 3 from top to top are rising below.
  • the respective radiation components 14 'strike the reflective surfaces 13 of the second stair-step mirror 19 with an offset to one another which then, on the output side of the second stair mirror 19, through the reflective surfaces 13 of the second stair mirror 19 due to a corresponding tilting of the respective reflection surfaces 13 to the y direction to a radiation field, as is shown with reference to the plane 21 be pushed together.
  • the distance between the respective radiation components in the area of the exit plane 21 can be further pushed together or spaced further apart from one another by a change in the angle of incidence of the respective beams 14 'incident on the surface 13 as compared to the illustration in FIG.
  • the respective reflection surfaces of the mirror elements can be adjusted individually with respect to angle and position in order to bring the beam components from the respective diode lasers 2 parallel and without offset to one another.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the invention.
  • the individual diode laser bars are again arranged on a stair-step-like support 10, the individual horizontal step surfaces 25, which run in the xz plane, lying in mutually offset planes, as is more clearly the side view of FIG. 4B (corresponding to FIG Visible arrow IVB in Figure 4A) shows.
  • the individual diode laser bars 2 with their heat sinks 4 are arranged at different heights in the y-direction due to the respective offset of the individual step surfaces 25, moreover they are gradually offset from one another in the z-direction so that the total optical path length of the respective radiation components to the exit plane are approximately the same.
  • the step height ie the distance in the y-direction of two adjacent horizontal step surfaces 25, is again equal to the collimated beam height.
  • the individual beams 14 each strike a mirror element in the form of a step, the vertical flanks of which form the reflection surfaces 13, from which the beams are reflected in the exit beam direction 14 '.
  • the individual stair-step reflection surfaces 13 are continuously offset from one another in such a way that this offset corresponds to the offset of the individual diode laser bars 2.
  • the positions of the diode laser bars and the reflecting surfaces of the stair-shaped mirrors 12 are matched to one another in such a way that all partial beams lie exactly one above the other in the fast direction, as is explained with reference to the exit plane 21.
  • the stacked radiation field as described above with reference to the arrangement of FIGS. 4A and 4B, can be used directly, for example for pumping solid-state lasers.
  • the radiation field as shown in FIG. 4 in the form of the exit plane 21, can be imaged and shaped with a downstream optical system in accordance with the requirements and conditions of use, for example for fiber coupling.
  • FIG. 5 An example of an arrangement for this is shown in FIG. 5, which is based on the arrangement of FIG. 4A in the basic structure.
  • the output beams are collimated with a cylindrical lens 23 in the region of the exit plane 21 in accordance with the arrangement.
  • a spherical lens 24 is then arranged in the beam path in order to focus the individual radiation components of the individual diode laser bars 2 in a line onto the workpiece 26.
  • This combination of the radiation components of the individual lasers in accordance with the arrangement in FIG. 5 has the advantage that the diode laser radiation can be combined without loss of beam quality and the maximum power density in focus can thus be achieved.
  • optical fibers 27 are used, as shown in FIG. 6, which are combined to form a fiber array 28.
  • the fibers 27 can be rectangular or have a circular cross section.
  • the radiation field emanating from the diode laser bars 2 is collimated by a cylindrical lens 23 and then imaged in the focus with a spherical lens 24.
  • Individuals are created in the focus area of the spherical lens Focal points that lie side by side and the number of which corresponds to that of the emitter groups, ie the number of diode laser bars 2.
  • the field 28 made of optical fibers is positioned such that the coupling surfaces 29 are positioned in the focus area.
  • the number of fibers 27 corresponds to the number of focal points, so that the respective radiation components of the individual diode laser bars 2 are each coupled into an associated fiber .
  • the radiation from the individual diode laser bars 2 is divided into four groups or channels A, B, C, D and brought together, for example.
  • the arrangement according to the invention can also be used to couple the radiation components of the individual exit beams 14 'into a single optical fiber 27, as is shown in FIG. 7.
  • an arrangement designated by reference numeral 30 for shaping and focusing the beams, for example additional stair-shaped mirror elements, is provided.
  • the individual diode laser bars which are explained in the exemplary embodiments here, can be used to build up fields of any size, with a corresponding number of step-like offsets of the respective lasers.
  • cylindrical and spherical optics with correspondingly large dimensions must be used, which adds additional costs to the optical system.
  • a prism as shown in FIG. 8, is preferably used several prisms 31, 32 are used. The beam cross section on the input side of the first prism 31 is thereby reduced on the output side of the second prism 32.
  • Active addressable diode laser bars are diode laser bars, the emitters or emitter groups of which are each provided with their own power supply or signal line 33 (FIG. 9), so that they can be individually controlled.
  • diode laser bars can be stacked using optical methods.
  • the assigned emitters or emitter groups, again designated A, B, C and D, of different diode laser bars 2 can then be coupled into an optical waveguide 27 using an optical system 30 or focused on a workpiece.
  • an optical waveguide array is created in which the power from the respective optical waveguide can be controlled individually. This is of great importance in the case of so-called parallel processing or in the parallel process.
  • FIG. 9 Such an arrangement, as explained above, is shown schematically in FIG. 9, again showing the basic arrangement that was also used in the embodiments of FIGS. 4 to 8.
  • the four diode laser bars 2 arranged on the stair-step-like carrier 10, each consisting of four emitter groups, can be controlled such that the individual beams of the respective assigned groups A, B, C and D can be assigned to the focusing arrangement 30 on the output side are.
  • the possibility of being able to control the individual channels A, B, C and D of the individual diode laser bars separately via the signal lines 33 has the additional advantage of individually increasing and reducing the redundancy and power of the respective channel. For example, if there is a If the diode laser group of a diode laser bar 2 fails, the power of the diode laser groups of the other diode laser bars 2 of this channel can be increased in order to compensate for the power loss due to the faulty diode laser.
  • the polarization arrangement 34 consists of a polarization beam splitter and a quarter-wave plate. Via this polarization arrangement 34, the two radiation components are brought together to form a common output beam.
  • a mirror element can be used for this merging, as is indicated in the figures described above with the reference number 12 or the reflection surface 13. The use of such an arrangement has the advantage that the radiation components can be brought together without significant power losses.
  • FIG. 10B shows a further arrangement which makes use of the principle shown and described with reference to FIG. 10A, in this case there are two groups each consisting of a pair of diode laser bars 2, all of which have the same wavelengths, each with a polarization arrangement 34 arranged under an offset in the y direction; such an arrangement is with the arrangement of the individual diode laser bars 2 on the holder 10, as shown for example in Figure 1 is comparable.
  • the respective radiation components are brought together to form output beams via deflection mirrors 35.
  • diode lasers with the same wavelength are usually used on the individual stages, so that the output beam is essentially composed of the radiation components of the diode lasers with the corresponding wavelength.
  • the radiation components of two adjacent diode laser groups with different lengths ⁇ , and ⁇ which in turn are constructed in pairs and whose radiation is brought together by a polarization arrangement 34, can also be coaxially superimposed by means of a dichroic component 36 if the diode lasers have different wavelengths.

Abstract

Anordnung zur Formung des geometrischen Querschnitts eines Strahlungsfelds mehrerer Festkörper- und/oder Halbleiterlaser, insbesondere mehrerer Diodenlaserarrays bzw. -feldanordnungen, deren Str ahlaustrittsöffnungen in einer in der x-y-Ebene liegenden Richtung verlaufen und deren Strahlenbündel in der z-Richtung abgestrahlt werden, wobei die x-, y- und z-Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem festlegen, mit einem optischen Aufbau zur Erzeugung eines definierten Querschnitts eines Strahlungsfelds, wobei der optische Aufbau reflektive Elemente aufweist, auf die die Strahlung der jeweiligen Laser oder Laserfeldanordnungen geführt wird und an denen die Strahlung reflektiert wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder Laser oder jede Laserfeldanordnung in Bezug auf den benachbarten Laser oder die Laserfeldanordnung sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung zueinander versetzt ist und die daß Reflexionsflächen der reflektiven Elemente in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinander aufweisen, daß die jeweiligen, von den Reflexionsflächen reflektierten Strahlungsanteile senkrecht zu der Strahlungsausbreitungsrichtung gegenüber dem Versatz der Strahlungsaustrittsflächen zueinander versetzt sind.

Description

P A T E N T A N M E L D U N G
"Anordnung zur Formung des geometrischen Querschnitts mehrerer Festkörper- und/oder Halbleiterlaser"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Formung des geometrischen Querschnitts eines Strahluπgsfelds mehrerer Festkörper- und/oder Halbleiterlaser, insbesondere mehrerer Diodenlaserarrays bzw. -feldanordnungen, deren Strahlaus¬ trittsöffnungen in einer in der x-y-Ebene liegenden Richtung verlaufen und deren Strahlenbündel in der z-Richtung abgestrahlt werden, wobei die x-, y- und z-Richtun- gen ein rechtwinkliges Koordinatensystem festlegen, mit einem optischen Aufbau zur Erzeugung eines definierten Querschnitts eines Strahlungsfelds, wobei der optische Aufbau reflektive Elemente aufweist, auf die die Strahlung der jeweiligen Laser oder Laserfeldanordnungen geführt wird und an denen die Strahlung reflektiert wird.
Diodenlaser sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und deren geringen Abmes¬ sungen von großem Interesse. Allerdings ist die Ausgangsleistung jedes einzelnen Diodenlaseremitters auf einige hundert mW begrenzt. Zur Steigerung der Leistungs¬ fähigkeit werden Diodenlaseremitter in der pn-Übergangsebene als eine Emitter- grupoe zusammengefaßt. Eine solche Gruppe, die beispielsweise aus 20 Emittern aufgebaut ist, kann eine Leistung von einigen Watt abgeben. Zur weiteren Erhöhung der Ausgangsleistung werden darüberhinaus mehrere Emittergruppen in der pn- Übergangsebene nebeneinander angeordnet. Dadurch entsteht ein sogenannter Di¬ oden laserbarren, dessen Breite typischerweise 10 mm beträgt. Mit solchen Dioden- laserbarren können einige 10 Watt erzielt werden. Für Anwendungen, wie beispielsweise auf dem Gebiet der Materialbearbeitung, wer¬ den allerdings Leistungen oberhalb einiger 100 Watt benötigt. Um zu diesen Lei¬ stungen zu gelangen, werden mehrere Diodenlaserbarren in der Fast-Richtung übereinander gestapelt. Es entsteht ein Diodenlaserstack bzw. eine Diodenlaserfeld- anordnung, auch als Diodenlaserarray bezeichnet, wie dies in Figur 2 der beigefüg¬ ten Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Eine detailliertere Beschreibung der Fi¬ gur 2 ist in der nachfolgenden Beschreibung der einzelnen Figuren vorgenommen, auf die an dieser Stelle verwiesen wird.
Ein wesentliches Problem, insbesondere bei der Skalierung der Leistungen von Di¬ odenlasern zu höheren Leistungen hin, ergibt sich durch die starken, thermischen Belastungen. Um ausreichend Wärme abzuführen, müssen entsprechende Wärme¬ senken für die Diodenemitter vorgesehen werden. Große Wärmesenken, d.h. ent¬ sprechend dimensionierte Kühlkörper, sind konträr zu dem Ziel, die Diodenlasere- mitter bzw. die Strahlungsaustrittsflächen der Emitter möglichst dicht zueinander zu stapeln, um die erwünschten, hohen Leistungsdichten zu erhalten. Aus diesem Grund ist es herkömmliche Praxis, die Wärmesenken als dünne Platten aufzubauen, die typischerweise eine Dicke von 1 mm bis 1 ,5 mm aufweisen. Derartig dünne Wär¬ mesenken leisten aber zum einen keine ausreichende Wärmeabfuhr, zum anderen sind sie thermisch und mechanisch nicht stabil genug, so daß erhebliche Fehljustie¬ rungen in Bezug auf die Emitterflächen zu beobachten sind und damit die definierte Strahlführung nicht gewährleistet ist.
Eine weitere Folge solcher dünnen Wärmesenken ist, daß enge Fertigungstoleran¬ zen eingehalten werden müssen. Geringe Abweichungen von diesen Fertigungstole¬ ranzen führen zu Fehlern in Bezug auf die Abstrahlrichtung, was durch nachgeschal¬ tete optische Einrichtungen praktisch nicht korrigiert werden kann.
Weiterhin ist es problematisch, die einzelnen übereinander gestapelten Diodenla¬ serbarren zusammen mit den dünnen Wärmesenken gegen Wasser, das als aktives Kühlfluid dient, abzudichten und gleichzeitig den elektrischen Kontakt für die Strom¬ versorgung herzustellen, ohne daß hierbei die Abstrahlrichtung der einzelnen Di- odenlaseremitter negativ beeinflußt wird. Schließlich ist anzuführen, daß dann, wenn ein einzelner Diodenlaserbarren ausge¬ fallen ist, der ganze Stapel, der aus einer Vielzahl von Diodenlaserbarren aufgebaut ist, zerlegt werden muß, da ansonsten die inneniiegenden Barren nicht zugänglich sind. Bei dem erneuten Zusammenbau muß dann die gesamte nachgeschaltete Op¬ tik neu justiert werden.
Aufgrund der vorstehenden Nachteile und der mit einer herkömmlichen Stapelung von Diodenlaserbarren verbundenen Problematik sind die herkömmlichen Diodenla- serfeldanordnungen nicht für bestimmte Anwendungen, wie die Fasereinkopplung, usw., wo eine Kollimation der Divergenz in Fast-Richtung erforderlich ist, geeignet. Weitere Verfahren, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind, die aufwendi¬ ge optische Einrichtungen verwenden, um die Strahlung einzelner Diodenlaseremit- ter oder Diodenlaserbarren zusammenführen, ergeben Strahlungsfelder, die in der Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung nicht definiert eingestellt werden können.
Ausgehend von der vorstehend geschilderten Problematik liegt der vorliegenden Er¬ findung nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Formung des geometri¬ schen Querschnitts eines Strahlungsfelds der Art, wie sie eingangs angegeben ist, so weiter zu bilden, daß die von einer Vielzahl von Diodenlaserfeldanordnungen bzw. Diodenlaserarrays abgegebene Strahlung, oder die Strahlung, die von einzel¬ nen Diodenlaserbarren abgegeben wird, mit einfachen und kostengünstigen Ma߬ nahmen zu Strahlungsfeldern einer gewünschten Anordnung und Verteilung der Lei¬ stungsdichte geformt und/oder zusammengefügt werden kann, und zwar mit einer hohen Packungsdichte der Laser, und mit denen gleichzeitig die nötige thermische und mechanische Stabi¬ lität gewährleistet wird.
Die vorstehende Aufgabe wird unter Weiterbildung der eingangs genannten, be¬ kannten Anordnung dadurch gelöst, daß jeder Laser oder jede Laserfeldanordnung in Bezug auf den benachbarten Laser oder die Laserfeldanordnung sowohl in x- Richtung als auch in y-Richtung zueinander versetzt ist und daß die Refiexionsflä- chen der reflektiveπ Elemente in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinander aufweisen, daß die jeweiligen, von den Reflexionsflächen reflektierten Strahlungsanteile senkrecht zu der Strahlungsaus- breitungsrichtung gegenüber dem Versatz der Strahlungsaustrittsflächen zueinander versetzt sind. Durch den jeweiligen Versatz benachbarter Laser oder Laserfeld¬ anordnungen zueinander wird ausreichender Raum gewonnen, um die jeweiligen Di¬ odenlaser, vorzugsweise Diodenlaserbarren, voneinander zu beabstanden, um die¬ sen Freiraum für entsprechende Wärmesenken, auf denen die jeweiligen Diodenla¬ ser oder Diodenlaserbarren angeordnet sind, auszunutzen. Dieser Versatz der ein¬ zelnen Laserdioden bzw. Laserdiodenbarren erfolgt in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen, die nicht mit den Abstrahlrichtungen der Diodenlaser bzw. Diodenlaserbarren zusammenfallen. Um die Strahlen dann zu einem Strahlenfeld zusammenzuführen, werden reflektive Elemente eingesetzt, die einen Versatz derart haben, daß die jeweiligen Strahlenquerschnitte vorzugsweise zu einem Strahlenfeld zusammengeführt werden oder aber auch überlagert werden.
Wie noch nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele erläutert wird, werden die Strahlungen der Diodenlaser bzw. Diodenlaserbarren zunächst kollimiert, und zwar in der Fast-Richtung, das bedeutet in der Richtung senkrecht zu dem pn-Übergang der Diodenlaser, bevor die Strahlungen dann auf die Reflexionsflächen der jeweili¬ gen Reflexioπselemente fallen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemaßen Anordnung ist derjenige, daß die Ab¬ strahlflächen aller Diodenlaser bzw. Diodenlaserbarren in einer Ebene liegen kön¬ nen, was zu einer einfachen Justierbarkeit und räumlichen Anordnung der Diodenla¬ ser hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung und der Kühlwasserführung, falls ak¬ tiv gekühlt wird, führt. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird demzufolge be¬ reits in Bezug auf die Diodenlaser oder die Diodenlaserbarren ein definierter Versatz erzeugt, beispielsweise unter treppenstufenartiger Anordnung der Strahlenaustritts¬ flächen, und zwar Betrachtung der Anordnung der Laserdioden oder Laserdioden¬ barren in einer Draufsicht auf die Strahlenaustrittsfenster, während die versetzten Strahlenanteile dann mit den reflektiven Elementen wieder zusammengeführt wer¬ den. Durch diesen definierten, treppenstufenartigen Versatz ist die Voraussetzung geschaffen, die einzelnen Strahlungsanteile dann definiert zusammenzuschieben oder zu einem definierten Strahlungsfeld in einer in Austrittsebene zusammenzuset¬ zen, wobei hierzu nur ein reflektives Element jedem Strahlenbündel zugeordnet wird, d.h. es ist nur ein minimaler optischer Aufbau erforderlich, mit der Folge, daß die Verluste sehr gering gehalten werden können.
Es wird ersichtlich, daß durch den Versatz der jeweiligen Laserdioden oder Laserdi¬ odenbarren die jeweiligen Laser von oben und unten frei zugänglich sind und dem¬ zufolge an die Ausdehnung der Kühlkörper keine Grenzen gesetzt sind, da über die¬ sen Raum beliebig verfügt werden kann; gleiches gilt für die Ausdehnung der Kühl¬ körper in einer Richtung entgegengesetzt zu den Abstrahlrichtungen der jeweiligen den Laser.
Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß die Leistung der Anordnung basierend auf einer Grundanordnung dieses treppenstufeπartigen Ver¬ satzes der einzelnen Diodenlaser durch Hinzufügen von weiteren Diodenlasern zu einer Grundanordnung und durch eine Vergrößerung der Länge der Diodenlaserbar¬ ren selbst zu höheren Leistungen skaliert werden, ohne das Grundprinzip zu verlas¬ sen. Zum Beispiel kann die Anordnung aus jeweiligen Grundanordnungen aufgebaut werden, beispielsweise Kühlkörper mit zwei, drei oder mehreren einzelnen Treppen¬ stufen, auf denen die Diodenlaser angeordnet werden, um dann mehrere der Grund¬ einheiten modulartig zusammenzusetzen. Gleiches gilt für die reflektiven Elemente, an denen die jeweiligen Strahlungsanteiie reflektiert werden, die auch modulartig durch treppenstufenartige Grundkörper mit verspiegelten Flächen aufgebaut werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine hohe mechanische und thermische Stabilität erzielt, insbesondere dann, wenn der Versatz der Laserdioden bzw. Laser¬ diodenbarren mittels eines Trägers erfolgt, der mehrere Diodenlaser oder Diodenla¬ serbarren auf treppenstufenartig versetzten Flächen trägt und gleichzeitig mit einer hohen Wärmekapazität ausgelegt wird, um die erforderliche Kühlung zu erzielen. Diese beiden Effekte wirken nicht gegenläufig, sondern ergänzen sich, da mit der größeren Dimensionierung der Trägerkörper zum einen eine effektivere Kühlung vorgenommen werden kann und zum anderen die mechanische Stabilität ansteigt. Falls die Trägerkörper Fertigungstoleranzen zeigen, die zu groß sind, um die Di¬ odenlaser exakt darauf anzuordnen, können die Diodenlaser durch eine nachträgli¬ che Justierung auf den Trägerkörpern oder durch eine Justierung der dazu gehöri¬ gen, nachgeordneten, treppenstufenförmigen Spiegel-Elemente eingestellt werden, zumal die Diodenlaser so angeordnet werden können, daß sie gut zugänglich sind, da jeder Diodenlaserbarren bzw. jede Diodenlasereinheit nebeneinander versetzt angeordnet ist, d.h. problemlos zugänglich ist. In Bezug auf die Justierung können Ausrichtungsfehler durch eine direkte Stapelung der Diodenlaser oder Diodenlaser¬ barren vermieden werden, wie dies beim Stand der Technik auftritt, bei dem die ein¬ zelnen Diodenlaserbarren unmittelbar übereinander angeordnet sind. Beim Stand der Technik ist dann eine Justierung der dazwischenliegenden Diodenlaserbarren nicht möglich, da sie nicht zugänglich sind. Gerade eine solche Justierung ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung gegeben, da jeder Diodenlaserbarren einzeln zu¬ gänglich ist und somit einer Justierung unterworfen werden kann. Schließlich ist zu erwähnen, daß dann, wenn bestimmte Diodenlaser oder Diodenlaserbarren ausfal¬ len, nur die jeweilige Einheit, da sie gut zugänglich ist, ausgetauscht werden muß, gegebenenfalls mit der jeweiligen Kollimationsoptik und einer Neujustierung des neu eingesetzten Teils, wodurch der Serviceaufwand drastisch im Vergleich zur Anord¬ nung nach dem Stand der Technik reduziert wird.
Die Anordnung bzw. der Versatz der jeweiligen Laser soll sequentiell der Reihenfol¬ ge der Laser entsprechen, d.h. es liegt ein treppenstufenartiger Versatz vor mit einer stetigen Steigung. Um unterschiedliche Weglängen der jeweiligen Laserstrahlungen bis zu einer definierten Austrittsebene nach den jeweiligen Reflexionsflächen auszu¬ gleichen bzw. die einzelnen Weglängen der Strahlen einander anzupassen, kann es von Vorteil sein, die Reflexionsflächen jeweils mit einem unterschiedlichen Abstand zu den ihnen zugeordneten Strahlaustrittsöffnungen der Laser zu positionieren. Durch diesen unterschiedlichen Versatz kann dann eine unterschiedliche Weglänge aufgrund der versetzten Anordnung der einzelnen Laser ausgeglichen bzw. ange¬ paßt werden.
Eine weitere bevorzugte Maßnahme, die angewandt wird, um die einzelnen Weglän¬ gen der Strahlungsanteile der einzelnen Laser oder der Laserfeldanordnungen auszugleichen und anzupassen, ist dann möglich, wenn jedem Strahlungsanteil ne¬ ben dem ersten reflektiven Element ein weiteres, zweites reflektives Element zuge¬ ordnet wird, wobei diese jeweils benachbarten zweiten reflektiven Elemente einen Versatz zueinander aufweisen derart, daß durch diesen Versatz die jeweiligen ge¬ samten Weglängen, wenn man die einzelnen Strahlungsanteile miteinander ver¬ gleicht, angepaßt werden, so daß keine Wegdifferenzen an einer Austrittsebene vor¬ handen sind. Um einen einfachen Aufbau zu erzielen, der darüberhinaus leicht ju¬ stierbar ist, sollten die jeweiligen Versätze und die jeweiligen Abstandsänderungen benachbarter Reflexionsflächen, wie dies vorstehend angesprochen ist, von gleicher Größe sein.
Ähnlich dem Trägerkörper, der dazu eingesetzt werden kann, die einzelnen Laser oder Laserfeidanordnungen, beispielsweise Diodenlaserfeldanordnungen oder La¬ serbarren, zu positionieren, können die Reflexionsflächen der Elemente durch einen treppenartig aufgebauten Spiegel gebildet werden, d.h. es wird ein Trägerkörper mit treppeπstufenartig angeordneten Flächen verwendet, die verspiegelt werden, so daß die jeweiligen Flächen dieses treppenstufenartig aufgebauten Spiegels die Refle¬ xionsflächen bilden. Hierdurch ist eine fest vorgegebene Zuordnung der jeweils be¬ nachbarten, einen Versatz zueinander aufweisenden Spiegelflächen gegeben, mit einer hohen mechanischen Stabilität. Vorzugsweise sind die Reflexionsflächen ebe¬ ne Flächenbereiche, insbesondere dann, wenn die jeweiligen Strahlungsanteile pa¬ rallele Strahlenbündel sind, die keine weitere Fokussierung oder Strahlaufweituπg erfordern.
Zusätzlich können die einzelnen Laser oder Laserfeldanordnungen auch in der z- Richtung, d.h. in der Richtung, die der Abstrahlrichtung entspricht, versetzt werden, um dadurch die bereits vorstehend angesprochenen, unterschiedlichen Weglängen der einzelnen Laser oder Laserfeldanordnungen aneinander anzuordnen. Auch hier¬ bei sollte der Versatz sequentiell der Reihenfolge der Laser entsprechen, um einen einfachen Aufbau zu erzielen, wiederum auch derart, daß der Versatz der Laser oder der Laserfeldanordnungen zu dem Versatz der reflektiven Elemente in der se¬ quentiellen Reihenfolge korreliert ist. Es sollte nochmals herausgestellt werden, daß der Versatz in der x-y-Richtung der einzelnen Laser oder Laserfeldanordnungen zueinander dazu dient, die Laserfeld¬ anordnungen ausreichend voneinander zu beabstanden und einen Versatz der von den einzelnen Laser oder Laserfeldanordnungen abgestrahlten Strahlenbündel zu erreichen (die vorstehend angegebene x-y-Ebene liegt senkrecht zu der Strahlaus¬ breitungsrichtung), dient der Versatz in der z-Richtung, d.h. in Richtung der Ab¬ strahlrichtung, dazu, unterschiedliche Weglängen zu einer vorgegebenen Austritt¬ sebene oder Bearbeitungsebene auszugleichen.
In Bezug auf den bereits eingangs erwähnten treppenstufenförmigen Träger, der be¬ vorzugt eingesetzt wird, um die einzelnen Laser oder Laserfeldanordnungen zu posi¬ tionieren, werden die Laser oder Laserfeldanordnungen, wie bereits aus der vorste¬ henden Erläuterung ersichtlich sein sollte, parallel zu der Längserstreckung der ein¬ zelnen Stufen eines solchen treppenstufenförmigen Trägers derart angeordnet, daß sie parallel zu diesen Stufen mit ihrer Hauptabstrahlrichtung abstrahlen. Ein solcher treppenstufenförmiger Träger ermöglicht, mit entsprechend lang ausgebildeten Trep¬ penstufen, eine anwendungsspezifische Positionierung und Justierung der einzel¬ nen Laser oder Laserfeldanordnungen in der z-Richtung, d.h. in Abstrahlrichtung, so daß mit einer solchen unterschiedlichen Justierung auf die Weglängen Einfluß ge¬ nommen werden kann.
Da die erfindungsgemäße Anordnung, wie sie vorstehend erläutert ist, eine Möglich¬ keit bietet, mit einem relativ einfachen Aufwand die Strahlungsanteile einer Vielzahl von Laser oder Laserfeldanordnungen zu einem definierten Strahlungsprofil umzu¬ ordnen und/oder zusammenzuführen, ist es möglich, definiert diese Strahlungsanteile nach dem reflektiven Element in einen Lichtleiter oder ein Lichtwellenleiterarray bzw. -feld einzukoppeln, um dann die zusammengeführten Strahlungsanteile beispielsweise zu einem Bearbeitungsort zu führen, wie dies auch noch nachfolgend anhand der Aus¬ führungsbeispiele erläutert und beschrieben wird.
Eine weitere Maßnahme, die bevorzugt in Verbindung mit den vorstehend angege¬ benen Anordnungen eingesetzt werden kann, ist diejenige, die Leistung mehrerer Laser oder Laserfeldanordnungen durch Polarisation und/oder Wellenlängenkopp¬ lung zusammenzuführen. Diese Maßnahme in Verbindung mit der erfindungsgemä¬ ßen Anordnung, wie sie vorstehend erläutert ist, d.h. die stufenartige Positionierung der einzelnen Laser oder Laserfeldanordnungen, betrachtet man deren Strahlungs¬ austrittsfläche in Draufsicht, und die Zusammenführung dieser Strahlungsanteile durch einen entsprechenden Versatz der danach folgenden reflektiven Elemente in Verbindung mit einer Leistungsaddition mittels Polarisation und/oder Wellenlängen¬ kopplung, hat den Vorteil, daß die Leistung, ohne den Strahlquerschnitt zu vergrö¬ ßern bzw. die Strahlqualität zu verringern, erhöht werden kann.
Soweit in der Beschreibung vorstehend speziell auf Diodenlaser Bezug genommen wird, so stellen diese Ausführungen bevorzugte Maßnahmen in Verbindung mit Di¬ odenlaser dar; sie können aber auch analog auf andere Festkörperlaseranordnun¬ gen übertragen werden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen¬ den Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeich¬ nung zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung,
Figur 2 eine schematische Darstellung, die den prinzipiellen Aufbau einer Di- odenlaserfeldanordnung bzw. eines Laserdiodenarrays aus mehreren ge¬ stapelten Diodenlaserbarren zeigt,
Figur 3 eine weitere schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit der gegenüber der ersten Ausführungsform die Weglängen der Strahlungsanteile der einzelnen Diodenlaserbarren in Be¬ zug auf eine Austrittsebene angepaßt werden,
Figur 4A und Figur 4B eine weitere, dritte Ausführungsform, bei der die Diodenla¬ serbarren auf einem Träger in Abstrahlrichtung zueinander versetzt sind, Figur 5 eine Anordnung der dritten Ausführungsform der Erfindung, die beispiels¬ weise dazu eingesetzt werden kann, Festkörperlaser zu pumpen, oder, mit einer entsprechenden, nachgeschalteten Optik, Werkstücke zu bearbeiten,
Figur 6 eine Anordnung der dritten Ausführungsform, die eine Anwendung zeigt, bei der die Strahlungsanteile aufgeteilt und in ein Faserarray zum flexi¬ blen Führen der Strahlen eingekoppelt werden,
Figur 7 eine Anordnung der dritten Ausführungsform, die mit der Ausführungsform der Figur 6 vergleichbar ist, bei der allerdings die Strahlungsanteile in das Ende einer einzelnen Faser eingekoppelt oder direkt auf ein Werkstück fokussiert werden,
Figur 8 eine Anordnung der dritten Ausführungsform, die mit den prinzipiellen An¬ ordnungen der Figur 7 vergleichbar ist, bei der allerdings zusätzlich in den Strahlengang eine Prismenanordnung eingefügt ist,
Figur 9 eine Anordnung der dritten Ausführungsform, wie sie auch in Figur 6 ge¬ zeigt ist, gemäß der einzelne Gruppen der Diodenlaserbarren aktiv adressierbar sind, um das erzeugte Strahlenfeld im On-Line-Verfahren zu beeinflussen,
Figur 10A schematisch eine vierte Ausführungsform, bei der anstelle jeweils eines Diodenlaserbarrens auf einer Stufe zwei Diodenlaser in y-Richtung über¬ einander gestapelt sind und mittels einer Polarisationsanordnung mitein¬ ander gekoppelt werden,
Figur 10B zwei der Anordnung der Figur 10A entsprechende Anordnungen, die in x-Richtung und in y-Richtung, und zwar auf einem treppenstufenartigen Halter, versetzt sind, wobei die Strahlungsanteile mittels dichroitischem Spiegel zusammengeführt werden, und
Figur 10C eine weitere Anordnung ähnlich derjenigen der Figuren 10A und 10B. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Ausführungsform gemäß den Figuren auf die For¬ mung und Führung der Strahlung von Diodenlaserfeldanordnungen bzw. Diodenla- serarrays, wie sie auch in der Literatur bezeichnet werden, gerichtet ist, allerdings die verschiedenen Ausführungsformen, wie sie nachfolgend anhand der Figuren er¬ läutert werden, gleichermaßen auch bei Festkörperlasern angewandt werden kön¬ nen, wie ersichtlich werden wird.
Ein üblicher Aufbau einer Diodenlaserfeldanordnung sowie einer üblichen Maßnah¬ me, um die Strahlung zu kollimieren, ist in Figur 2 dargestellt.
Üblicherweise besteht ein Diodenlaserarray, in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 1 be¬ zeichnet, aus einzelnen Diodenlaserbarren 2, die übereinander gestapelt sind. Jeder Diodenlaserbarren 2 besteht aus einer linearen Anordnung emittierender Laserdi¬ oden, die mit ihren Strahlaustrittsöffnungen 3 auf einer geraden Linie und in einer gemeinsamen Ebene, die in Figur 2 mit den rechtwinkligen Koordinaten x und y be¬ zeichnet ist, mit einer Erstreckung des Diodenlaserbarrens in der x-Richtung, liegen. Aufgrund der Geometrie des aktiven Mediums solcher Diodenlaser tritt aus den Strahlaustrittsöffnungen 3 ein im Querschnitt typischerweise elliptischer Strahlkegel aus, wobei die große Achse senkrecht zu der Ebene des pn-Übergangs verläuft, d.h. in Figur 2 in der y-Richtung, die auch als "Fast-Richtung" bezeichnet wird. Der typi¬ sche Divergenzwinkel in dieser Richtung beträgt etwa 90°. Dagegen beträgt der Di- vergeπzwinkel entsprechend der kleinen Achse des elliptischen Strahlkegels etwa 10β. Eine typische Breite solcher einzelnen Diodenlaserbarren, d.h. die Ausdehnung in der x-Richtung, beträgt etwa 10 mm. Die typische Leistung eines solchen Dioden¬ laserbarrens liegt bei einigen 10W. Typischerweise werden bis zu 20 einzelne Di¬ odenemitter in der x-Richtung zu einer linearen Anordnung, d.h. zu einem Diodenla¬ serbarren, zusammengefügt. Wie in Figur 2 zu erkennen ist, ist jedem Diodenlaser¬ barren eine Wärmesenke in Form eines Kühlkörpers 4 zugeordnet, der, wenn er dünn in seinen Abmessung in der y-Richtung gehalten wird, typischerweise eine Dik- ke von 1 mm bis 1 ,5 mm aufweist.
Wie in Figur 2 zu gezeigt ist, können zwar hohe Packungsdichten mit solchen An¬ ordnungen erzielt werden, allerdings findet ein solches Diodenlaserarray seine Grenzen in der thermischen Stabilität der Wärmesenken oder Kühlkörper 4, wie be¬ reits vorstehend erläutert wurde. Um die Strahlung der Diodenlaserbarren 2 in der Fast-Richtung (y-Richtung) zu kollimieren, wird jedem Barren eine Mikrooptik in Form einer Zylinderlinse 5 zugeordnet. In Abstrahlrichtung der Diodenlaserbarren 2 gesehen, in Figur 2 mit der Koordinate z bezeichnet, ist eine Zylinderoptik 6 nachge¬ schaltet, die die gesamten Strahlungsanteile der Diodenlaserbarren 2 in der Slow- Richtung kollimiert, so daß nach der Zylinderoptik 6 ein nahezu paralleles Strahlen¬ bündel erzielt wird, das dann, mit einer photographischen Linse 7, zu einem Strah¬ lungsfeld 8 kollimiert wird. Das Strahlungsfeld 8 besitzt typische Abmessungen von etwa 0,8 x (3-10) mm2.
Um die Kühlleistung und die mechanische Stabilität der Anordnung zu erhöhen, müssen die jeweiligen Kühlkörper 4 mit einer größeren Dicke, d.h. einer größeren Abmessung in der y-Richtung, dimensioniert werden, sieht man einmal von einer ak¬ tiven Kühlung mittels eines Kühlmediums ab, was zur Folge hat, daß die einzelnen Diodenlaserbarren 2 in der y-Richtung weiter voneinander beabstandet sind; da¬ durch wird der Füllfaktor klein und die so erzielbare, maximale Leistungsdichte wird geringer.
Um die vorstehend angegebenen Probleme zu beseitigen, wird eine Anordnung ge¬ mäß der Erfindung eingesetzt, wie sie in ihrem prinzipiellen Aufbau in einer ersten Ausführungsform in Figur 1 dargestellt ist. Die einzelnen Diodenlaserbarren 2 sind in der x-Richtung (in einer Draufsicht, wie sie in Figur 1 dargestellt ist) nebeneinander¬ liegend angeordnet und in der y-Richtung, wie die Seitenansicht zeigt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet sind, zueinander versetzt. Hieraus ergibt sich ein treppenstufenartiger Versatz. Um die einzelnen Diodenlaserbarren 2 mit ihren Kühlkörpern 4 in dieser Stellung anzuordnen, wird ein treppenstufenartiger Träger 10, einteilig oder mehrteilig ausgeführt, eingesetzt. Die einzelnen Aufnahmeflächen 11 dieses Trägers oder Halters 10 verlaufen parallel zueinander. Es ergibt sich ein definierter Versatz, der, in der Ausführungsform der Figur 1 , so gewählt ist, daß er von dem linken Diodenlaserbarren 2 zu dem am weitesten rechts liegenden Dioden¬ laserbarren 2 stetig zunimmt. Es ist weiterhin ersichtlich, daß jeder einzelne Dioden¬ laserbarren 2 mit seinem zugehörigen Kühlkörper 4 frei zugänglich ist, um ihn zu justieren. Darüberhinaus kann dann, wenn ein Diodenlaserbarren 2 auffällt oder feh¬ lerhaft arbeitet, dieser Diodenlaserbarren 2 gezielt ausgetauscht werden, ohne daß die weiteren Diodenlaserbarren 2 in ihrer Grundjustierung verändert werden oder in sonstiger Weise beeinträchtigt werden.
Die einzelnen Strahlungsanteile der einzelnen Diodenlaserbarren 2, die zur Verein¬ fachung der Darstellung jeweils mit einem Strahlungspfeil 14 dargestellt sind, fallen auf einen ebenfalls treppenförmig ausgebildeten Spiegel 12 mit jeweiligen Refle¬ xionsflächen 13, die durch unterbrochene Linien angedeutet sind, und werden in ei¬ ne gemeinsame Strahlrichtung, mit dem Ausgangsstrahl 14' angegeben, umgelenkt. Der Umlenkungswinkel beträgt in dieser Ausführungsform 90°, ist jedoch nicht hier¬ auf eingeschränkt. Es ist ersichtlich, daß die Orientierungen der Reflexionsflächen 13 zu den jeweils einfallenden Strahlungspfeilen 14 keiner Einschränkung unterlie¬ gen, da sie entsprechend den Anforderungen gewählt werden können. In Figur 1 ist weiterhin zu erkennen, daß die von jedem Diodenlaserbarren 2 ausgehende Strah¬ lung durch eine Linse 5, vergleichbar mit der Linse 5, die in Figur 2 dargestellt ist, kollimiert wird. Die Treppenstufenhöhe, d.h. der Versatz der jeweiligen Auflageflä¬ chen der Träger 10 in der y-Richtung jeweils benachbarter Diodenlaserbarren 2, ist so gewählt, daß er der Höhe der kollimierten Strahlung der y-Richtung entspricht. Gleiches gilt für die Stufenhöhe der einzelnen Reflexionsflächen 13 des Treppenstu¬ fenspiegels 12, d.h. der jeweilige Versatz der einzelnen Stufen zueinander entspricht der Höhe der kollimierten Strahlung an den Reflexionsflächen. Der Versatz der ein¬ zelnen Stufen bzw. der Reflexionsflächen ist in der Draufsicht, die in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet ist, zu erkennen (die Ansicht 15 zeigt eine Draufsicht auf den treppenstufenförmige Spiegel-Elemente 12 aus Richtung des Sichtpfeils 16 bzw. in x-Richtung). Die Austrittsstrahlen 14' sind anhand der Austrittsebene 17 zu erkennen. Bedingt durch die unterschiedlich langen Ausbreitungswege der Strahlen bis zu der Austrittsebene 17 und durch die nicht aufgehobenen Divergenzen in der Slow-Richtung haben die einzelnen Strahlungsanteile 14' der jeweiligen Diodenla¬ serbarren 2 eine unterschiedliche Erstreckung in der z-Richtung. Diese unterschied¬ lichen Ausdehnungen können gegebenenfalls durch Optiken angepaßt werden. Eine solche Anpassung kann unter anderem auch dadurch erfolgen, daß die jeweiligen Reflexionsflächen 13 leicht konkav oder konvex gewölbt werden, um die jeweiligen Strahlungsanteile zusätzlich aufzuweiten oder zu kollimieren.
Es sollte nochmals darauf hingewiesen werden, daß die in der Beschreibung und in den Figuren angegebenen x-, y- und z-Richtungen bzw. Koordinaten ein rechtwinkli¬ ges Koordinatensystem darstellen.
Anstelle der Diodenlaserbarren 2 können auch kleine Felder aus zwei Reihen oder gegebenenfalls drei Reihen einzelner Diodenlaser angeordnet werden, mit jeweils einem sich nach oben und nach unten erstreckenden (y-Richtung) Kühlkörper 4; de¬ ren Strahlungen werden vorzugsweise auch so gekoppelt, wie dies in Figur 10 ge¬ zeigt ist, die noch nachfolgend beschrieben wird.
Um dem Problem der unterschiedlichen Strahlenausbreitungswege zu entgegnen, wie dies vorstehend anhand der Figur 1 angesprochen wurde, werden, in einer zwei¬ ten Ausführungsform, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, zwei treppenstufenförmige Spiegel-Elemente 18 und 19 eingesetzt, an denen die Strahlungsanteile 14 der je¬ weiligen Diodenlaserbarren 2 zweifach umgelenkt werden. Die jeweiligen Auftreff¬ punkte bzw. Auftreffbereiche 20 auf den jeweiligen Reflexionsflächen 13 sind derart gewählt, daß sich die gesamten Wegläπgen der jeweiligen Strahlungen, die von den jeweiligen Diodenlaserbarren 2 ausgehen, zu einer gleichen Weglänge in einer Aus¬ trittsebene 21 hinter den Spiegel-Elementen 19 senkrecht zur optischen Achse je¬ weils aufaddieren, so daß die Ausgangsstrahlen ausgangsseitig der Reflexionsflä¬ chen 13 des zweiten Treppenstufenspiegels 18 gleiche Weglängen haben.
Die einzelnen Strahlen 14 bzw. 14' treffen auf die Reflexionsflächen 13 des ersten Treppenstufenspiegels 18 und des zweiten Treppenstufenspiegels 19 jeweils unter einem Winkel von 45° auf, so daß der Strahl jeweils um 90° umgelenkt wird. Zum besseren Verständnis wird darauf hingewiesen, daß die einzelnen Diodenlaserbar¬ ren 2 derart angeordnet sind, daß, in y-Richtung gesehen, der in Figur 3 am weite¬ sten links angeordnete Diodenlaserbarren 2 die höchste Position auf dem treppen¬ stufenartigen Träger 10 besitzt, während der am weitesten rechts in Figur 3 liegende Diodenlaserbarren 2 die tiefste Position auf den Treppenstufenflächen des Halters 10 aufweist. Entsprechend sind die einzelnen Reflexionsflächen 13 des ersten Treppenstufenspiegels 18 in x-Richtung gesehen von der linken zur rechten Seite hin abfallend, und zwar in Bezug auf die y-Richtung, während die einzelnen Refle¬ xionsflächen 13 des zweiten Treppenstufenspiegels 19 in y-Richtung gesehen in Fi¬ gur 3 von oben nach unten steigend sind. Wie anhand der dem zweiten treppenstu¬ fenförmige Spiegel-Elemente 19 zugeordneten Strahlungsquerschnitte, mit dem Be¬ zugszeichen 22 bezeichnet, zu entnehmen ist, treffen die jeweiligen Strahlungsantei¬ le 14' auf die reflektiven Flächen 13 des zweiten Treppenstufenspiegels 19 mit ei¬ nem Versatz zueinander auf, die dann, ausgangsseitig des zweiten Treppenstufen¬ spiegels 19, durch die reflektiven Flächen 13 des zweiten Treppenstufenspiegels 19 aufgrund einer entsprechenden Verkippung der jeweiligen Reflexionsflächen 13 zu der y-Richtung zu einem Strahlungsfeld, wie es anhand der Ebene 21 gezeigt ist, zu¬ sammengeschoben werden. Der Abstand der jeweiligen Strahlungsanteile zueinan¬ der im Bereich der Austrittsebene 21 kann durch einen gegenüber der Darstellung der Figur 3 geänderten Einfallswinkel der jeweiligen auf die Fläche 13 auftreffenden Strahlen 14' weiter zusammengeschoben oder weiter zueinander beabstandet wer¬ den, als dies die Darstellung zeigt. Die jeweiligen Reflexionsflächen der Spiegel-Ele¬ mente können individuell bezüglich Winkel und Position eingestellt werden, um die Strahlanteile aus den jeweiligen Diodenlasern 2 parallel und versatzfrei zueinander zusammenzuführen.
In der Figur 4 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform sind wiederum die einzelnen Diodenlaserbarren auf einem trep¬ penstufenartigen Träger 10 angeordnet, wobei wiederum die einzelnen horizontalen Stufenflächen 25, die in der x-z-Ebene verlaufen, in parallel zueinander versetzten Ebenen liegen, wie deutlicher die Seitenansicht der Figur 4B (entsprechend des Sichtpfeils IVB in Figur 4A) zeigt. Anders ausgedrückt sind die einzelnen Diodenla¬ serbarren 2 mit ihren Kühlkörpern 4 in unterschiedlichen Höhen in der y-Richtung, aufgrund des jeweiligen Versatzes der einzelnen Stufenflächen 25, angeordnet, dar¬ überhinaus sind sie stufenweise in der z-Richtung zueinander versetzt, so daß die gesamte optische Weglänge der jeweiligen Strahlungsanteile zur Austrittsebene et¬ wa gleich sind. Die Stufenhöhe, d.h. der Abstand in der y-Richtung zweier benach¬ barter horizontaler Stufenflächen 25, ist wiederum gleich der kollimierten Strahlhöhe. Die einzelnen Strahlen 14 treffen jeweils auf ein treppenstufenförmiges Spiegel-Ele¬ ment auf, dessen senkrechte Treppenstufenflanken die Reflexionsflächen 13 bilden, von denen die Strahlen in der Austrittsstrahlrichtung 14' reflektiert werden. Die ein¬ zelnen Treppenstufen-Reflexionsflächen 13 sind fortlaufend zueinander versetzt derart, daß dieser Versatz dem Versatz der einzelnen Diodenlaserbarren 2 ent¬ spricht. Darüberhinaus werden die Positionen der Diodenlaserbarren und die Refle¬ xionsflächen der treppenförmigen Spiegel 12 so aufeinander angepaßt, daß alle Teilstrahlen exakt übereinander in der Fast-Richtung liegen, wie dies anhand der Austrittsebene 21 erläutert ist.
Das gestapelte Strahlenfeld, wie es anhand der Anordnung der Figuren 4A und 4B vorstehend beschrieben ist, kann unmittelbar verwendet werden, zum Beispiel zum Pumpen von Festkörperlasern. Darüberhinaus kann das Strahlungsfeld, wie es an¬ hand der Figur 4 in Form der Austrittsebene 21 dargestellt ist, mit einer nachge¬ schalteten Optik entsprechend den Anforderungen und Einsatzbedingungen, etwa für eine Fasereinkopplung, abgebildet und geformt werden. Ein Beispiel einer An¬ ordnung hierfür ist in Figur 5 dargestellt, die im Grundaufbau die Anordnung der Fi¬ gur 4A zugrundeiegt. In dieser Anordnung werden die Ausgangsstrahlen entspre¬ chend der Anordnung im Bereich der Austrittsebene 21 mit einer zylindrischen Linse 23 kollimiert. Daran anschließend ist in den Strahlengang eine sphärische Linse 24 angeordnet, um die einzelnen Strahlungsanteile der einzelnen Diodenlaserbarren 2 in einer Linie auf das Werkstück 26 zu fokussieren. Diese Zusammenführung der Strahlungsanteile der einzelnen Laser entsprechend der Anordnung der Figur 5 hat den Vorteil, daß die Diodenlaserstrahlung ohne Strahlquaiitätsverlust zusammenge¬ faßt und somit die maximale Leistungsdichte im Fokus erreicht werden kann.
Für viele Anwendungen ist eine flexible Führung der Strahlung von Vorteil. Um eine solche flexible Führung zu erzielen, werden optische Fasern 27 eingesetzt, wie dies in Figur 6 gezeigt ist, die zu einem Faserarray 28 zusammengefaßt sind. Die Fasern 27 können rechteckig sein oder einen kreisförmigen Querschnitt haben. Wiederum wird das Strahlungsfeld, das von den Diodenlaserbarren 2 ausgeht, durch eine zylin¬ drische Linse 23 kollimiert und anschließend mit einer sphärischen Linse 24 im Fo¬ kus abgebildet. Im Fokusbereich der sphärischen Linse entstehen so einzelne Fokuspunkte, die nebeneinander liegen und deren Anzahl denen der Emittergrup¬ pen entspricht, d.h. der Anzahl der Diodenlaserbarren 2. Das Feld 28 aus optischen Fasern ist so positioniert, daß die Einkoppelflächen 29 im Fokusbereich positioniert sind. Es ist eine Anordnung hierbei zu bevorzugen, wie sie auch in Figur 6 darge¬ stellt ist, bei der die Anzahl der Fasern 27 der Anzahl der Fokuspunkte entspricht, so daß die jeweiligen Strahlungsanteile der einzelnen Diodenlaserbarren 2 jeweils in ei¬ ner zugeordneten Faser eingekoppelt werden. Hierzu werden die Strahlungen der einzelnen Diodenlaserbarren 2 beispielsweise in vier Gruppen oder Kanäle A, B, C, D aufgeteilt und zusammengeführt. Dies hat den Vorteil, daß die Strahlungsanteile A, B, C, D, die von den jeweiligen Diodenlaserbarren 2 ausgehen, für bestimmte An¬ wendungsgebiete entkoppelt verbleiben, d.h. sie können individuell zu der ge¬ wünschten Bearbeitungsstelle zugeführt werden und unter entsprechender Ansteue¬ rung und Regelung der einzelnen Diodenlaserbarren 2 individuell beeinflußt werden; hierbei ist es dann auch möglich, die einzelnen Strahlen zu Strahlungsgruppen wie¬ der zusammenzufassen.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch dazu verwendet werden, die Strah¬ lungsanteile der einzelnen Austrittsstrahlen 14' in eine einzelne optische Faser 27 einzukoppeln, wie dies anhand der Figur 7 dargestellt ist. Für eine solche Fokussie¬ rung ist eine mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnete Anordnung zur Formung und Fokussierung der Strahlen, beispielsweise zusätzliche treppenstufenförmige Spie¬ gel-Elemente, vorgesehen.
Es ist aus der vorstehenden Beschreibung zu ersehen, daß aus den einzelnen Di¬ odenlaserbarren, die in den Ausführungsbeispielen hier erläutert werden, beliebig große Felder, mit einer entsprechenden Zahl an treppenstufenartigen Versätzen der jeweiligen Laser zueinander, aufgebaut werden können. Um dann allerdings die ein¬ zelnen Strahlungsanteile nach mindestens einer Reflexion an einem zugeordneten treppenstufenförmige Spiegel-Elemente abzubilden und zu fokussieren, müssen zy¬ lindrische und sphärische Optiken mit entsprechend großen Abmessungen einge¬ setzt werden, was zusätzliche Kosten zu dem optischen System hinzufügt. Um die Baugrößen und somit die Kosten eines solchen nachgeschalteten optischen Sy¬ stems zu senken, wird vorzugsweise ein Prisma, wie in Figur 8 dargestellt ist, oder werden mehrere Prismen 31 , 32 eingesetzt. Der Strahlquerschnitt eingangsseitig des ersten Prismas 31 wird dadurch ausgangsseitig des zweiten Prismas 32 redu¬ ziert. Der Einsatz zweier Prismen in der Anordnung, wie dies in Figur 8 gezeigt ist, hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Ausgangsstrahl parallel zum Eingangsstrahl verläuft. Mit dem Einsatz solcher Prismen 31 , 32 ist auch die Möglichkeit gegeben, die Dimension der Slow-Richtung von Strahlung, die von einem Diodenlaserbarren 2 ausgeht, zu verändern.
Für viele Anwendungen besteht ein Bedarf daran, Diodenlaserbarren mit aktiv adressierbaren Emittergruppen zu verwenden. Aktiv adressierbare Diodenlaserbar¬ ren sind Diodenlaserbarren, deren Emitter bzw. Emittergruppen jeweils mit einer ei¬ genen Stromzufuhr bzw. Signalleitung 33 (Figur 9) versehen werden, so daß sie in¬ dividuell gesteuert werden können. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit jeweiliger Emittergruppen können solche Diodenlaserbarren mittels optischer Verfahren gesta¬ pelt werden. Die zugeordneten Emitter bzw. Emittergruppen, wiederum mit A, B, C und D bezeichnet, von verschiedenen Diodenlaserbarren 2 können dann mit einem optischen System 30 in einen Lichtwellenleiter 27 jeweils eingekoppelt werden oder auf ein Werkstück fokussiert werden. Werden die zugeordneten Emitter bzw. Emit¬ tergruppen von verschiedenen Barren elektrisch miteinander verbunden, wie dies dargestellt ist, so entsteht ein Lichtwellenleiterarray, bei dem die Leistung aus dem jeweiligen Lichtwellenleiter individuell angesteuert werden kann. Dies ist bei äer so¬ genannten Parallelverarbeitung bzw. bei dem Parallelprozeß von großer Bedeutung. Eine solche Anordnung, wie sie vorstehend erläutert ist, ist schematisch in Figur 9 dargestellt, wobei wiederum die Basisanordnung gezeigt ist, die auch in den Ausfüh¬ rungsformen der Figuren 4 bis 8 eingesetzt wurde. Die vier auf dem treppenstufenar¬ tigen Träger 10 angeordneten Diodenlaserbarren 2, die jeweils aus vier Emittergrup¬ pen bestehen, sind so ansteuerbar, daß die einzelnen Strahlen der jeweiligen zuge¬ ordneten Gruppen A, B, C und D ausgangsseitig der Fokussieranordnung 30 zuor- denbar sind. Die Möglichkeit, die einzelnen Kanäle A, B, C und D der einzelnen Di¬ odenlaserbarren gesondert über die Signalleitungen 33 ansteuern zu können, hat den zusätzlichen Vorteil, eine Redundanz und Leistung des jeweiligen Kanals indivi¬ duell zu erhöhen und zu erniedrigen. Sollte beispielsweise auf einem Kanal eine Diodenlasergruppe eines Diodenlaserbarrens 2 ausfallen, so kann die Leistung der Diodenlasergruppen der anderen Diodenlaserbarren 2 dieses Kanals erhöht werden, um den Leistungsverlust aufgrund der fehlerhaften Diodenlaser zu kompensieren.
Es kann erwünscht sein, auf einer Stufe eines treppenförmigen Halters 10, wie dies anhand der vorstehend erläuterten Figuren dargelegt ist, zwei oder mehr einzelne Diodenlaserbarren zu positionieren. Falls beispielsweise jeweils zwei Diodenlaser¬ barren auf einer Stufe in y-Richtung übereinander angeordnet werden und jeweils diese paarweise angeordneten Diodenlaserbarren zweier benachbarter Stufen zu¬ sammengeführt werden, entstehen nach Reflexion an den Spiegel-Elementen, die einen treppenförmigen Versatz zueinander aufweisen, vier linienförmige Ausgangs¬ strahlen. Um sowohl die Strahlhöhe als auch die Strahlqualität zu verbessern, kann es von Vorteil sein, die jeweils paarweise angeordneten Diodenlaserbarren über ei¬ ne Polarisationsanordnung 34 zu einem Strahlquerschnitt zusammenzuführen. Eine solche Anordnung ist in Figur 10A dargestellt. In dieser Anordnung sind schematisch zwei Diodenlaserbarren 2 in y-Richtung mit Abstand zueinander angeordnet (der re¬ lativ große Abstand, wie er in Figur 10A in y-Richtung der beiden Diodenlaserbarren 2 dargestellt ist, ist nur zur besseren Darstellung gewählt). Die Polarisationsanord¬ nung 34 besteht aus einem Polarisationsstrahlteiler und einer Lambda-Viertelplatte. Über diese Polarisationsanordnung 34 werden die beiden Strahlungsanteile zu ei¬ nem gemeinsamen Ausgangsstrahl zusammengeführt. Für diese Zusammenführung kann ein Spiegelelement eingesetzt werden, wie es in den zuvor beschriebenen Fi¬ guren mit dem Bezugszeichen 12 bzw. der Reflexionsfläche 13 bezeichnet ist. Der Einsatz einer solchen Anordnung hat den Vorteil, daß die Strahlungsanteile ohne wesentliche Leistungsverluste zusammengeführt werden können.
Die Figur 10B zeigt eine weitere Anordnung, die von dem anhand der Figur 10A ge¬ zeigten und beschriebenen Prinzip Gebrauch macht, in diesem Fall sind jeweils zwei Gruppen aus jeweils einem Paar von Diodenlaserbarren 2, die alle gleiche Wellen¬ längen besitzen mit jeweils einer Polarisationsanordnung 34 unter einem Versatz in y-Richtung angeordnet; eine solche Anordnung ist mit der Anordnung der einzelnen Diodenlaserbarren 2 auf dem Halter 10, wie er beispielsweise in Figur 1 dargestellt ist, vergleichbar. Die jeweiligen Strahlungsanteile werden über Umlenkspiegel 35 zu Ausgangsstrahlen zusammengeführt.
Üblicherweise werden in Anordnungen, wie sie vorstehend beschrieben sind, Di¬ odenlaser mit gleicher Wellenlänge auf den einzelnen Stufen eingesetzt, so daß der Ausgangsstrahl im wesentlichen aus den Strahlungsanteilen der Diodenlaser mit entsprechender Wellenlänge zusammengesetzt sind.
In Figur 10C können die Strahlungsanteile zweier benachbarter Diodenlasergruppen mit unterschiedlichen Längenlängen λ, und λ,, die wiederum paarweise aufgebaut sind und deren Strahlung durch eine Polarisationsanordnung 34 zusammengeführt sind, auch mittels einer dichroitischen Komponenten 36 koaxial überlagert werden, wenn die Diodenlaser unterschiedliche Wellenlängen haben.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Anordnung zur Formung des geometrischen Querschnitts eines Strahlungs¬ felds mehrerer Festkörper- und/oder Halbleiterlaser, insbesondere mehrerer Diodenlaserarrays bzw. -feldanordnungen, deren Strahlaustrittsöffnungen in ei¬ ner in der x-y-Ebene liegenden Richtung verlaufen und deren Strahlenbündel in der z-Richtung abgestrahlt werden, wobei die x-, y- und z-Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem festlegen, mit einem optischen Aufbau zur Erzeugung eines definierten Querschnitts eines Strahlungsfelds, wobei der op¬ tische Aufbau reflektive Elemente aufweist, auf die die Strahlung der jeweiligen Laser oder Laserfeldanordnungen geführt wird und an denen die Strahlung re¬ flektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laser oder jede Laserfeld¬ anordnung (2) in Bezug auf den benachbarten Laser oder die Laserfeldanord¬ nung (2) sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung zueinander versetzt ist und daß die Reflexionsflächen (13) der reflektiven Elemente (12; 18) in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinan¬ der aufweisen, daß die jeweiligen, von den Reflexionsflächen (13) reflektierten Strahlungsanteile (14') senkrecht zu der Strahlungsausbreitungsrichtung ge¬ genüber dem Versatz der Strahlungsaustrittsflächen zueinander versetzt sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz se¬ quentiell der Reihenfolge der Laser (2) entspricht.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflä¬ chen (13) jeweils einen unterschiedlichen Abstand zu den ihnen zugeordneten Strahlaustrittsöffnungen (3) der Laser (2) aufweisen.
4. Anordnung nach einem der Anspraüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Strahlungsanteil (14, 14') eines Lasers (2) oder einer Laserfeldanord¬ nung ein zweites, reflektives Element 19) zugeordnet ist, wobei jeweils benach¬ barte Elemente der zweiten, reflektiven Elemente (19) einen Versatz derart zu¬ einander aufweisen, daß durch diesen Versatz die jeweiligen Gesamtweglän¬ gen der Strahlungsanteile (14, 14') aneinander angepaßt werden.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Versatz und die jeweilige Abstandsänderung benachbarter Refle¬ xionsflächen (13) von gleicher Größe sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (13) der Elemente (12; 18) durch einen treppenartig auf¬ gebauten Spiegel gebildet sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (13) ebene Flächenbereiche sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Laser oder Laserfeldanordnungen in der z-Richtung zueinander versetzt sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz se¬ quentiell der Reihenfolge der Laser (2) entspricht.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz der Laser (2) oder der Laserfeldanordnungen zu dem Versatz der reflektiven Elemente (12; 18; 19) in der sequentiellen Reihenfolge korreliert ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz der Laser (2) oder Laserfeldanordnungen zu dem Versatz der reflektiven Elemente (12; 18; 19) derart korreliert ist, daß bis zu einer Ebene (21 ), die in Strahlaus¬ breitungsrichtung nach den reflektiven Elementen (12; 18; 19); und senkrecht zu der Strahlausbreitungsrichtung liegt, gleiche Weglängen der jeweiligen Strahlen gegeben sind.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Laser (2) oder Laserfeldanordnungen auf einem treppenstufenförmigen Träger (10) angeordnet sind, wobei die Treppenstufen den Lasern (2) oder den Laserfeldanordnungen zugeordnet sind.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser (2) oder Laserfeldanordnungen parallel zu der Längserstreckung der Stufen des trep¬ penstufenförmigen Trägers (10) abstrahlen.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Strahlungsanteile (14, 14') auf eine den reflektiven Elementen nachgeordnete Ebene fokussiert werden, wobei im Bereich des Fokussierungs- punkts die Eintrittsfläche mindestens eines Lichtleiters (27) angeordnet ist, in die die Strahlung eingekoppelt wird.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Strahlungsanteile (14, 14") jedes Lasers (2) oder jeder Laseran¬ ordnung einem Lichtleiter (27) zugeordnet sind, in den die jeweiligen Strah- lungsanteile (14') nach dem reflektiven Element (12) eingekoppelt werden.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung von mehreren Lasern oder Laserfeldanordnungen durch Polarisa¬ tion und/oder Wellenlängenkopplung zusammengeführt wird.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser oder Laserfeldanordπungen in mindestens zwei Gruppen unterteilt werden, und daß die Strahlleistung der jeweiligen Gruppen zusammengeführt wird, allerdings die Leistung jeder Gruppe unabhängig der jeweils anderen Gruppe geregelt wird.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Gruppe des einen Lasers oder der Laserfeldanordnung mit der jeweiligen, ent¬ sprechenden Gruppe der anderen Laser oder Laserfeldanordnung elektrisch gekoppelt und optisch zusammengeführt wird.
19. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ge¬ samte Leistung einer jeweiligen Strahlungsgruppe, die aus den einzelnen Strahlungsleistungen der jeweils zugeordneten Gruppe der einzelnen Laser oder der Laserfeldanordnungen zusammengesetzt ist, in eine Faser eingekop¬ pelt wird.
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