WO2012013434A1 - Device and method for beam shaping - Google Patents

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WO2012013434A1
WO2012013434A1 PCT/EP2011/060698 EP2011060698W WO2012013434A1 WO 2012013434 A1 WO2012013434 A1 WO 2012013434A1 EP 2011060698 W EP2011060698 W EP 2011060698W WO 2012013434 A1 WO2012013434 A1 WO 2012013434A1
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reflection
elements
beams
parallel
radiation
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PCT/EP2011/060698
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Jürgen Wolf
Steffen Wagner
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Jenoptik Laser Gmbh
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
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    • HELECTRICITY
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    • H01S5/005Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0071Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for beam steering, e.g. using a mirror outside the cavity to change the beam direction
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    • H01S5/02325Mechanically integrated components on mount members or optical micro-benches
    • HELECTRICITY
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    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031Edge-emitting structures

Definitions

  • the present invention relates to a device for beam shaping of the beam of several light sources whose emitted radiation beam parallel to each other, and a corresponding method for beam shaping.
  • Such a device is known for example from DE 197 80 124 B4, wherein the upper side of the heat dissipation body is stepped, so that the juxtaposed light sources (here laser elements) emit their beams in different heights. These beams are then deflected with deflecting mirrors by 90 ° so that the individual beams lie directly above each other and form a common beam.
  • the juxtaposed light sources here laser elements
  • a disadvantage of this structure is on the one hand, that due to the stepped design of the heat sink, the heat dissipation is very inhomogeneous. There can be temperature differences of 1 to 4 and more from stage to stage. At a temperature dependence of the wavelength of the laser radiation of about 0.4 nm per ° C and a bandwidth of the emitted laser radiation of 3 to 4 nm, this leads to a significant and undesirable shift in the wavelength of the beam.
  • a device for beam shaping in which the individual light sources (in this case laser elements) are arranged via wedge elements on a planar upper side of a heat dissipation body.
  • the wedge elements are chosen so that the inclination of the upper side is compensated relative to the horizontal, so that the individual laser elements emit their beams in the horizontal direction.
  • the adjustment by means of the wedge elements is expensive.
  • the heat dissipation due to the wedge members in each individual laser element is uneven, which is disadvantageous.
  • the heat dissipation is degraded by the additional joints in the heat transfer path.
  • a device for beam shaping with a plurality of juxtaposed light sources, each of which a first and a second reflection element are assigned and each emit a beam along a radiation direction, the emitted beams lie in a plane of abstraction, parallel to each other and the reflection elements are arranged so that the emitted radiation beams each reflected at the associated first reflection element to the associated second reflection element, are reflected by this again and the coming of the second reflection elements beams parallel to each other and form a common outgoing beam, seen in the vertical projection on the Abstrahlebene neither parallel nor perpendicular to the emission direction.
  • the light sources can be arranged on a planar portion of an upper surface of a heat dissipation body, so that excellent and homogeneous heat dissipation is possible. Furthermore, the size of the planar portion can be kept relatively low, so that the required footprint for a beam shaping device according to the invention can be kept small. Thus, an extremely compact beam shaping device according to the invention can be provided.
  • the beam-shaping device comprises a heat-dissipating body with a top side, which has a planar section, on which the laser elements are arranged (preferably directly).
  • the planar or planar section of the upper side can be designed in particular as a continuous section.
  • recesses are formed in the upper side between the juxtaposed laser elements, which result in that the planar section between the light sources is interrupted.
  • the portions of the top surface of the heat sink on which the light sources are positioned lie in the same plane and thereby form the planar portion.
  • the planar section is formed as a continuous or contiguous section of the upper side.
  • the light sources may in particular be laser elements and / or LED elements.
  • the radiation emitted by the light source can be in the visible range, in the infrared range or in the UV range, so that the light source can also be referred to as a radiation source.
  • the common beam bundle (according to the principle of the device) preferably runs parallel to the plane section. Seen in cross section, the emergent beam may have a rectangular envelope or a parallelogram envelope.
  • the emergent beam can, viewed in perpendicular projection on the Abstrahlebene, with the emission of the emitting light source include an angle which is between 0 ° and 90 °. This angle can also be referred to as the azimuth angle.
  • neither the first reflection elements nor the second reflection elements are preferably arranged offset to one another in the emission direction.
  • they are each arranged on a line, wherein the two lines can be parallel to one another.
  • the reflection points of a central ray of the respective ray bundle can be considered as reference points.
  • the first reflection elements can be arranged so that the beams reflected at the reflection elements extend obliquely to the radiation plane.
  • the direction of the radiation beam incident on the first reflection element and the direction of the radiation beam reflected by the first reflection element can span a plane which is not perpendicular to the radiation plane.
  • the second reflection elements can be arranged so that in each case the direction of the beam incident on the second reflection element and the direction of the beam reflected by the second reflection element span a plane which is not perpendicular to the radiation plane.
  • the second reflection elements viewed in plan view of the radiation plane, can each be arranged directly above the associated first reflection element.
  • the first reflection elements can cause a deflection of the emitted radiation beams in the range of 60 ° to 120 °. These deflected beams can then be deflected by means of the second reflection elements in the range of 60 ° to 120.
  • the first and second reflection elements can each cause a deflection about a first or a second axis, wherein both axes include an angle from the range of 60 ° to 120 °, in particular of 90 °.
  • the first and second reflection elements can be arranged in the beam shaping device according to the invention so that the emergent beam is parallel to the radiation plane. However, it is also possible that the emergent beam does not run parallel to the radiation plane.
  • at least two of the first reflection elements and / or at least two of the second reflection elements can each be formed as a continuous component.
  • the reflection elements may be formed as individual surfaces of a copper mirror component.
  • the reflection elements may also be separate elements.
  • the heat dissipation body may consist of a highly thermally conductive material, in particular copper or a copper alloy or aluminum or a composite material or have this.
  • the reflection elements can be designed as metallic surfaces or as metallic or dielectric layers on a carrier material.
  • the beam-shaping device has an optical focusing element which focuses the beam reflected by the second reflection elements.
  • the focusing element is preferably refractive and may have one or more elements.
  • the coupling of the laser radiation in an optical fiber with, for example, round or rectangular, especially for example square cross section possible.
  • the device may have, for each light source between the light source and the associated first reflection element, at least one first optical element for collimating the radiation beam (eg in the fast-axis).
  • the first optical element may be formed as a cylindrical lens or as a rotationally symmetrical lens.
  • the lenses may be realized separately or, particularly in the form of cylindrical lenses, as individual segments of a coherent body.
  • a rotationally symmetric lens is advantageously designed as a collimation for the fast-axis, while in the slow-axis because of the linear nature of the light or radiation source when using, for example, a semiconductor laser element after the first optical element still a divergence is present.
  • the device can have at least one second optical element for collimation (for example in the slow axis) for each light source between the light source and the associated second reflection element.
  • the device may be configured so that the optical path from each light source to the associated second optical element is the same.
  • the wavelength of the emitted beam may be in the range of about 190 nm to about 2000 nm, especially in the range of 250 nm - 2000 nm and in particular in the range of 600 nm to 1500 nm.
  • the laser elements are preferably semiconductor laser elements or laser diodes.
  • the laser elements may be formed as separate laser elements and / or as laser bars.
  • the laser elements are preferably designed as broad-band emitters, which emit a single-mode in fast-axis and multimode in slow-axis radiation.
  • the laser resonators of these multimode laser elements are preferably designed as planar waveguides.
  • the light exit surfaces of these laser elements represent linear beam sources.
  • parallel is understood to mean, in particular, that a mathematically exact parallelism exists as far as possible. However, deviations in the single-digit range may be intentional or unintentional, which is still considered to be parallel.
  • the heat-dissipating body can in particular be designed as a substantially plane-parallel plate or at least partially wedge-shaped.
  • the common outgoing beam has, seen in cross section, preferably an envelope, which is rectangular or square.
  • Two or more of the beam-shaping device according to the invention may be provided such that the common outgoing beam bundles of the individual beam-shaping devices are superimposed to form a larger total beam.
  • This can be realized for example for two beam-shaping devices by means of a partially transparent mirror or by means of a polarization-selective mirror which transmits a polarization direction and reflects a transmission direction orthogonal thereto. This can be the present Polarization of the respective common beam can be exploited.
  • the polarization direction of the radiation of a beam-forming device is rotated by 90 °, while the polarization direction of the radiation of another beam-shaping device remains unchanged.
  • the beams of these two beam-forming devices can be combined with a polarization-selective mirror by one of the beams in transmission through the mirror passes you the other beam is reflected by an angle of preferably 90 ° to the mirror and the mirror paths of both beam-forming devices are superimposed after the mirror.
  • the beam or beams between the two reflection elements ie the beam reflected by the first to the second reflection element
  • the beam or beams between the two reflection elements can coincide with the outgoing beam in a perpendicular projection onto the radiation plane.
  • a method of beamforming the beams of a plurality of light sources each emitting a beam along a direction of radiation, wherein the emitted beams are in an abstraction plane and parallel to each other, wherein the Method of each of the emitted beams once around a first and then once deflected about a second axis so that the deflected beam parallel to each other and form a common outgoing beam, seen in perpendicular projection on the Abstrahlebene neither parallel nor perpendicular to the emission direction.
  • the inventive method can be further developed in a similar manner as the development of the device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic side view of a first embodiment of the beam-forming device according to the invention
  • Fig. 2 is a plan view of the beam-forming apparatus of Fig. 1, with the lenses 9 hidden;
  • FIG. 3 is a front view of the beam-forming apparatus of FIG. 1; FIG.
  • FIG. 4 is a front view of a laser element of the device of FIGS. 1 to 3; FIG.
  • Fig. 5 is a sectional view A-A of FIG. 2;
  • Fig. 6 is a schematic side view of a second embodiment of the beam-forming device according to the invention.
  • Fig. 7 is a plan view of the beam-forming apparatus of Fig. 6, with the lenses 9 hidden;
  • the beam-forming device 1 comprises four light sources, which are formed here as semiconductor laser elements 2 2 2 , 2 3 and 2 4 and in an x-direction side by side on a planar portion D of a Top 3 of a heat dissipation body 4 are arranged.
  • the entire upper side 3 is planar. However, this is not mandatory.
  • the laser elements 2 2 4 each emit a laser beam 5i, 5 2 , 5 3 and 5 4 , which runs in the z-direction, so that the emission directions (each z-direction) of the individual laser elements 2 r 2 4 are parallel to each other and the emitted radiation beams 5r5 4 lie in an emission plane which is parallel to the plane section D here.
  • the laser elements 2 r 2 4 used are all the same and each comprise, as shown in Fig. 4 for the laser element, a waveguide 7, which has a plane perpendicular to the plane of the center line M and a rectangular cross-section.
  • the height of the waveguide in the y-direction is about 3 ⁇ and the width in the x-direction is about 100 ⁇ .
  • the emitted radiation beam here has a wavelength in the range of 630-1 100 nm.
  • the exiting beam 5 ⁇ typically has an elliptical beam cone (in the far field) in cross section, with the minor axis extending in the x direction.
  • This direction is often referred to as a "slow axis", with the typical divergence angle in this direction often being about 7 to 15 degrees, the divergence angle in the y-direction, often called the “fast axis” is typically 90 ° (the x, y and z directions span a Cartesian coordinate system).
  • the emitted beam is by means of a first collimating lens 8 8 2 , 8 3 , 8 4 short focal length, which is often between 100 ⁇ and 1 .000 ⁇ , very well collimated so that the residual divergence of the beam after the first collimating lens 81-84 in the fast axis is very small.
  • the first collimating lens 81 - 84 is preferably arranged at a very small distance in front of the beam exit surface of the laser element 2 2 4 , as indicated in FIGS. 2 and 3.
  • a first deflection mirror 10 ⁇ 10 2 , 10 3 and 10 4 and a second deflection mirror 1 1 ⁇ 1 1 2 , 1 1 3 and 1 1 4 provided.
  • the second collimating lenses 9 r 9 4 are not shown in FIG. 2, and in FIG. 3 only the laser element 2 4 with the associated further optical elements (8 4 , 10 4 , 9 4 , 1 1 4 ) is shown .
  • the first deflecting mirrors 10r10 4 perform a deflection, so that the beams 5i -5 4 reflected at the first deflecting mirrors 10i-10 4 extend upwards (FIG. 1).
  • the direction of the radiation beam 5r5 4 ie the emission direction
  • the direction of the radiation beam reflecting at the respective deflection mirror 10r10 4 span a plane which is not perpendicular to the radiation plane (xz plane).
  • the reflected bundles of rays run diagonally to the plane of abstraction.
  • the beam 12 with the emission direction includes an azimuth angle ⁇ between 0 ° and 90 ° (in this case about 80 °).
  • the second collimating lenses 9 9 4 each have the same distance to the upper side 3 of the heat dissipation body 4. Since the distance between laser element 21 -24 and associated first deflecting mirror 10i -10 4 for each laser element 2 r 2 4 is the same, this leads to the fact that the optical path length for all beam 5 ! -5 4 from the laser element 2 r 2 4 to the corresponding second collimator lens 9 9 4 is the same.
  • a very compact beam-forming device 1 which has an externally extremely small base area (size of the planar section D) and in which the emergent bundle of rays 12 has a rectangular envelope. Furthermore, a focusing lens 14 (shown in phantom and only shown in FIG. 2) may be provided for the beam 12, which serves to focus the emergent beam 12 so that it can be coupled into an optical fiber (not shown), for example.
  • the optical fiber may have, for example, a round or rectangular, in particular a square core cross-section.
  • FIGS. 6 and 7 show a second embodiment of the beam-forming device 1 according to the invention, wherein identical elements are designated by the same reference numerals and reference is made to the above explanations for their description.
  • the first deflecting mirror 10i -10 4 are almost completely obscured by the second deflecting mirror 1 1 I 1 1 and the drawn-ray beam 5i-5 4, only the first deflecting mirror 10i is marked with a reference numeral.
  • the lenses 9 are not shown.
  • the embodiment according to Figures 6 and 7 differs from the embodiment according to Figures 1 to 3, characterized in that the first deflecting mirror 10r10 4 are oriented so that it deflects the incident beam 5i-5 4 by 90 ° in the y-direction.
  • the second deflecting mirror 1 V1 1 4 are positioned directly above the respective associated deflecting mirror 10r10 4 .
  • the second deflection mirror 1 1 i-1 1 are oriented so that the reflected beam while parallel to the plane section D, but not directly in the x direction. Seen in a vertical projection onto the radiation plane, the reflected beam bundles can enclose an angle with the emission direction (z direction), which is preferably between greater than 0 ° and less than 90 °. This angle can be referred to as the azimuth angle ⁇ .
  • envelope of the beam cross section of the emergent beam 12 is no longer rectangular, but parallelogram-shaped.
  • the deflection mirror 10i-10 4 and 1 1 i-1 1 4 may for example consist of solid metal material. It is also possible that the reflective surfaces of the deflection mirror 10i-10 4 , 1 1 1 4 are formed as metallic or dielectric layers on a substrate.

Abstract

The invention relates to a device for beam shaping (1) having a plurality of light sources (21, 22, 23, 24) disposed adjacent to each other, one first and one second reflection element (101, 102, 103, 104; 111, 112, 113, 114) being associated with each light source and each light source emitting a beam of rays (51, 52, 53, 54) along an emission direction, wherein the emitted beams of rays (51-54) lie in an emission plane and run parallel to each other, and the reflection elements (101-104; 111-114) are disposed so that the emitted beams of rays (51-54) are each reflected at the associated first reflection element (101-104) to the associated second reflection element (111-114) and are re-reflected by same, and the beams of rays coming from the second reflection elements (111-114) run parallel to each other and form a beam of rays (12) turning out jointly and running neither parallel nor perpendicular to the emission direction as seen in the perpendicular projection onto the emission plane.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Strahlformunq  Apparatus and method for beam shaping
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlformung der Strahlenbündel mehrerer Lichtquellen, deren abgegebene Strahlenbündel zueinander parallel verlaufen, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Strahlformung. The present invention relates to a device for beam shaping of the beam of several light sources whose emitted radiation beam parallel to each other, and a corresponding method for beam shaping.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 197 80 124 B4 bekannt, wobei die Oberseite des Wärmeableitkörpers gestuft ausgebildet ist, so daß die nebeneinander angeordneten Lichtquellen (hier Laserelemente) ihre Strahlenbündel jeweils in unterschiedlicher Höhe abgeben. Diese Strahlenbündel werden dann mit Umlenkspiegeln um 90° so umgelenkt, daß die einzelnen Strahlenbündel direkt übereinander liegen und ein gemeinsames Strahlenbündel bilden. Such a device is known for example from DE 197 80 124 B4, wherein the upper side of the heat dissipation body is stepped, so that the juxtaposed light sources (here laser elements) emit their beams in different heights. These beams are then deflected with deflecting mirrors by 90 ° so that the individual beams lie directly above each other and form a common beam.
Nachteilig an diesem Aufbau ist einerseits, daß aufgrund der gestuften Ausbildung des Wärmeableitkörpers die Wärmeableitung sehr inhomogen ist. Es können von Stufe zu Stufe durchaus Temperaturunterschiede von 1 bis 4 und mehr auftreten. Bei einer Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der Laserstrahlung von ca. 0,4 nm pro °C und einer Bandbreite der abgegebenen Laserstrahlung von 3 bis 4 nm führt dies zu einer merklichen und unerwünschten Verschiebung der Wellenlänge der Strahlenbündel. A disadvantage of this structure is on the one hand, that due to the stepped design of the heat sink, the heat dissipation is very inhomogeneous. There can be temperature differences of 1 to 4 and more from stage to stage. At a temperature dependence of the wavelength of the laser radiation of about 0.4 nm per ° C and a bandwidth of the emitted laser radiation of 3 to 4 nm, this leads to a significant and undesirable shift in the wavelength of the beam.
Andererseits ist die Fertigung einer solch gestuften Oberseite des Wärmeableitkörpers sehr aufwendig und nur mit einer Genauigkeit von etwa einigen 10 μιη möglich. On the other hand, the production of such a stepped top of the heat sink is very expensive and possible only with an accuracy of about a few 10 μιη.
Aus der US 6,229,831 B1 ist eine Vorrichtung zur Strahlformung bekannt, bei der die einzelnen Lichtquellen (hier Laserelemente) über Keilelemente auf einer planen Oberseite eines Wärmeableitkörpers angeordnet sind. Die Keilelemente sind so gewählt, daß die Neigung der Oberseite gegenüber der Horizontalen kompensiert wird, so daß die einzelnen Laserelemente ihre Strahlenbündel in horizontaler Richtung abgeben. Bei dieser Ausgestaltung ist die Justierung mittels der Keilelemente aufwendig. Auch ist die Wärmeableitung aufgrund der Keilelemente bei jedem einzelnen Laserelement ungleichmäßig, was nachteilig ist. Außerdem wird die Wärmeableitung durch die zusätzlichen Fügestellen im Wärmeübertragungsweg verschlechtert. From US Pat. No. 6,229,831 B1, a device for beam shaping is known in which the individual light sources (in this case laser elements) are arranged via wedge elements on a planar upper side of a heat dissipation body. The wedge elements are chosen so that the inclination of the upper side is compensated relative to the horizontal, so that the individual laser elements emit their beams in the horizontal direction. In this embodiment, the adjustment by means of the wedge elements is expensive. Also, the heat dissipation due to the wedge members in each individual laser element is uneven, which is disadvantageous. In addition, the heat dissipation is degraded by the additional joints in the heat transfer path.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Strahlformung zur Verfügung zu stellen. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zur Strahlformung bereitgestellt werden. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Strahlformung mit mehreren nebeneinander angeordneten Lichtquellen, denen jeweils ein erstes und ein zweites Reflexionselement zugeordnet sind und die jeweils ein Strahlenbündel entlang einer Abstrahlrichtung abgeben, wobei die abgegebenen Strahlenbündel in einer Abstrahlebene liegen, zueinander parallel verlaufen und die Reflexionselemente so angeordnet sind, daß die abgegebenen Strahlenbündel jeweils am zugeordneten ersten Reflexionselement zum zugeordneten zweiten Reflexionselement reflektiert, von diesem erneut reflektiert werden und die von den zweiten Reflexionselementen kommenden Strahlenbündel zueinander parallel verlaufen und ein gemeinsames ausfallendes Strahlenbündel bilden, das in senkrechter Projektion auf die Abstrahlebene gesehen weder parallel noch senkrecht zur Abstrahlrichtung verläuft. Proceeding from this, it is an object of the invention to provide an improved apparatus for beam shaping. Furthermore, a corresponding method for beam shaping is to be provided. The object is achieved by a device for beam shaping with a plurality of juxtaposed light sources, each of which a first and a second reflection element are assigned and each emit a beam along a radiation direction, the emitted beams lie in a plane of abstraction, parallel to each other and the reflection elements are arranged so that the emitted radiation beams each reflected at the associated first reflection element to the associated second reflection element, are reflected by this again and the coming of the second reflection elements beams parallel to each other and form a common outgoing beam, seen in the vertical projection on the Abstrahlebene neither parallel nor perpendicular to the emission direction.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strahlformung können die Lichtquellen auf einem planen Abschnitt einer Oberseite eines Wärmeableitkörpers angeordnet werden, so daß eine ausgezeichnete und homogene Wärmeableitung möglich ist. Des weiteren kann die Größe des planen Abschnitts relativ gering gehalten werden, so daß die erforderliche Grundfläche für eine erfindungsgemäße Strahlformungsvorrichtung klein gehalten werden kann. Somit kann eine äußerst kompakte erfindungsgemäße Strahlformungsvorrichtung bereitgestellt werden. In the beam shaping apparatus of the present invention, the light sources can be arranged on a planar portion of an upper surface of a heat dissipation body, so that excellent and homogeneous heat dissipation is possible. Furthermore, the size of the planar portion can be kept relatively low, so that the required footprint for a beam shaping device according to the invention can be kept small. Thus, an extremely compact beam shaping device according to the invention can be provided.
Bevorzugt umfaßt die Strahlformungsvorrichtung einen Wärmeableitkörper mit einer Oberseite, die einen planen Abschnitt aufweist, auf dem die Laserelemente (bevorzugt direkt) angeordnet sind. Preferably, the beam-shaping device comprises a heat-dissipating body with a top side, which has a planar section, on which the laser elements are arranged (preferably directly).
Der plane bzw. ebene Abschnitt der Oberseite kann insbesondere als zusammenhängender Abschnitt ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, daß zwischen den nebeneinander angeordneten Laserelementen beispielsweise Vertiefungen in der Oberseite ausgebildet sind, die dazu führen, daß der plane Abschnitt zwischen den Lichtquellen unterbrochen ist. Es ist bevorzugt, daß die Bereiche der Oberseite des Wärmeableitkörpers, auf denen die Lichtquellen positioniert sind, in derselben Ebene liegen und dadurch den planen Abschnitt bilden. Es ist weiterhin bevorzugt, daß der plane Abschnitt als durchgehender bzw. zusammenhängender Abschnitt der Oberseite ausgebildet ist. The planar or planar section of the upper side can be designed in particular as a continuous section. However, it is also possible that, for example, recesses are formed in the upper side between the juxtaposed laser elements, which result in that the planar section between the light sources is interrupted. It is preferable that the portions of the top surface of the heat sink on which the light sources are positioned lie in the same plane and thereby form the planar portion. It is Furthermore, it is preferred that the planar section is formed as a continuous or contiguous section of the upper side.
Die Lichtquellen können insbesondere Laserelemente und/oder LED-Elemente sein. Die von der Lichtquelle abgegebene Strahlung kann im sichtbaren Bereich, im Infrarotbereich oder auch im UV-Bereich liegen, so daß die Lichtquelle auch als Strahlungsquelle bezeichnet werden kann. The light sources may in particular be laser elements and / or LED elements. The radiation emitted by the light source can be in the visible range, in the infrared range or in the UV range, so that the light source can also be referred to as a radiation source.
Bei der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung verläuft das gemeinsame (nach Prinzip der Vorrichtung) ausfallende Strahlenbündel bevorzugt parallel zum planen Abschnitt. Im Querschnitt gesehen kann das ausfallende Strahlenbündel eine rechteckförmige Umhüllende oder eine parallelogrammförmige Umhüllende aufweisen. In the case of the beam-shaping device according to the invention, the common beam bundle (according to the principle of the device) preferably runs parallel to the plane section. Seen in cross section, the emergent beam may have a rectangular envelope or a parallelogram envelope.
Das ausfallende Strahlenbündel kann, in senkrechter Projektion auf die Abstrahlebene gesehen, mit der Abstrahlrichtung der emittierenden Lichtquelle ein Winkel einschließen, der zwischen 0 ° und 90 ° liegt. Dieser Winkel kann auch als Azimut-Winkel bezeichnet werden. The emergent beam can, viewed in perpendicular projection on the Abstrahlebene, with the emission of the emitting light source include an angle which is between 0 ° and 90 °. This angle can also be referred to as the azimuth angle.
Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung weder die ersten Reflexionselemente noch die zweiten Reflexionselemente in Abstrahlrichtung zueinander versetzt angeordnet. Sie sind insbesondere jeweils auf eine Linie angeordnet, wobei die beiden Linien zueinander parallel sein können. Als Bezugspunkte kann man dabei jeweils die Reflexionspunkte eines Zentralstrahls des jeweiligen Strahlenbündels betrachten. In the beam shaping device according to the invention, neither the first reflection elements nor the second reflection elements are preferably arranged offset to one another in the emission direction. In particular, they are each arranged on a line, wherein the two lines can be parallel to one another. In each case, the reflection points of a central ray of the respective ray bundle can be considered as reference points.
Bei der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung können die ersten Reflexionselemente so angeordnet sein, daß die an den Reflexionselementen reflektierten Strahlenbündel schräg zur Abstrahlebene verlaufen. Insbesondere kann jeweils die Richtung des auf das erste Reflexionselement einfallenden Strahlenbündels und die Richtung des vom ersten Reflexionselement reflektierten Strahlenbündels eine Ebene aufspannen, die nicht senkrecht zur Abstrahlebene ist. In the beam shaping device according to the invention, the first reflection elements can be arranged so that the beams reflected at the reflection elements extend obliquely to the radiation plane. In particular, in each case the direction of the radiation beam incident on the first reflection element and the direction of the radiation beam reflected by the first reflection element can span a plane which is not perpendicular to the radiation plane.
Ferner können die zweiten Reflexionselemente so angeordnet sein, daß jeweils die Richtung des auf das zweite Reflexionselement einfallenden Strahlenbündels und die Richtung des vom zweiten Reflexionselement reflektierten Strahlenbündels eine Ebene aufspannen, die nicht senkrecht zur Abstrahlebene ist. Further, the second reflection elements can be arranged so that in each case the direction of the beam incident on the second reflection element and the direction of the beam reflected by the second reflection element span a plane which is not perpendicular to the radiation plane.
Ferner können die zweiten Reflexionselemente, in Draufsicht auf die Abstrahlebene gesehen, jeweils direkt oberhalb des zugeordneten ersten Reflexionselementes angeordnet sein. Es ist jedoch auch ein Versatz möglich. Die ersten Reflexionselemente können eine Umlenkung der abgegebenen Strahlenbündel im Bereich von 60 ° bis 120 ° bewirken. Diese umgelenkten Strahlenbündel können dann mittels der zweiten Reflexionselemente im Bereich von 60 ° bis 120 umgelenkt werden. Furthermore, the second reflection elements, viewed in plan view of the radiation plane, can each be arranged directly above the associated first reflection element. However, it is also an offset possible. The first reflection elements can cause a deflection of the emitted radiation beams in the range of 60 ° to 120 °. These deflected beams can then be deflected by means of the second reflection elements in the range of 60 ° to 120.
Ferner können die ersten und zweiten Reflexionselemente jeweils eine Umlenkung um eine erste bzw. eine zweite Achse bewirken, wobei beide Achsen einen Winkel aus dem Bereich von 60 ° bis 120 °, insbesondere von 90 °, einschließen. Die ersten und zweiten Reflexionselemente können bei der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung so angeordnet sein, daß das ausfallende Strahlenbündel parallel zur Abstrahlebene verläuft. Es ist jedoch auch möglich , daß das ausfallende Strahlenbündel nicht parallel zur Abstrahlebene verläuft. Bei der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung können zumindest zwei der ersten Reflexionselemente und/oder zumindest zwei der zweiten Reflexionselemente jeweils als zusammenhängendes Bauteil ausgebildet sein. Beispielsweise können die Reflexionselemente als einzelne Flächen eines Kupferspiegelbauteils ausgebildet sein. Natürlich können die Reflexionselemente auch separate Elemente sein. Furthermore, the first and second reflection elements can each cause a deflection about a first or a second axis, wherein both axes include an angle from the range of 60 ° to 120 °, in particular of 90 °. The first and second reflection elements can be arranged in the beam shaping device according to the invention so that the emergent beam is parallel to the radiation plane. However, it is also possible that the emergent beam does not run parallel to the radiation plane. In the case of the beam-shaping device according to the invention, at least two of the first reflection elements and / or at least two of the second reflection elements can each be formed as a continuous component. For example, the reflection elements may be formed as individual surfaces of a copper mirror component. Of course, the reflection elements may also be separate elements.
Der Wärmeableitkörper kann aus einem hoch wärmeleitfähigen Material, insbesondere Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Aluminium oder einem Kompositwerkstoff bestehen oder dieses aufweisen. Die Reflexionselemente können als metallische Flächen oder als metallische oder dielektrische Schichten auf einem Trägermaterial ausgebildet sein. The heat dissipation body may consist of a highly thermally conductive material, in particular copper or a copper alloy or aluminum or a composite material or have this. The reflection elements can be designed as metallic surfaces or as metallic or dielectric layers on a carrier material.
Bevorzugt weist die Strahlformungsvorrichtung ein optisches Fokussierelement auf, welches die von den zweiten Reflexionselementen reflektierten Strahlenbündel fokussiert. Das Fokussierelement ist bevorzugt refraktiv und kann ein Element oder auch mehrere Elemente aufweisen. Damit ist beispielsweise die Einkopplung der Laserstrahlung in eine Lichtfaser mit beispielsweise rundem oder rechteckigem, speziell beispielsweise quadratischem Querschnitt möglich. Preferably, the beam-shaping device has an optical focusing element which focuses the beam reflected by the second reflection elements. The focusing element is preferably refractive and may have one or more elements. Thus, for example, the coupling of the laser radiation in an optical fiber with, for example, round or rectangular, especially for example square cross section possible.
Die Vorrichtung kann für jede Lichtquelle zwischen der Lichtquelle und dem zugeordneten ersten Reflexionselement zumindest ein erstes optisches Element zur Kollimation des Strahlenbündels (z.B. in der fast-axis) aufweisen. Das erste optische Element kann als Zylinderlinse oder auch als rotationssymmetrische Linse ausgebildet sein. Die Linsen können separat oder, insbesondere bei der Ausbildung als Zylinderlinsen, als einzelne Segmente eines zusammenhängenden Körpers verwirklicht sein. Eine rotationssymmetrische Linse wird vorteilhaft als Kollimationselement für die fast-axis ausgelegt, während in der slow-axis wegen der linienförmigen Art der Licht- bzw. Strahlungsquelle bei Verwendung von z.B. einem Halbleiter-Laserelement auch nach dem ersten optischen Element noch eine Divergenz vorhanden ist. The device may have, for each light source between the light source and the associated first reflection element, at least one first optical element for collimating the radiation beam (eg in the fast-axis). The first optical element may be formed as a cylindrical lens or as a rotationally symmetrical lens. The lenses may be realized separately or, particularly in the form of cylindrical lenses, as individual segments of a coherent body. A rotationally symmetric lens is advantageously designed as a collimation for the fast-axis, while in the slow-axis because of the linear nature of the light or radiation source when using, for example, a semiconductor laser element after the first optical element still a divergence is present.
Ferner kann die Vorrichtung für jede Lichtquelle zwischen der Lichtquelle und dem zugeordneten zweiten Reflexionselement zumindest ein zweites optisches Element zur Kollimation (beispielsweise in der slow-axis) aufweisen. Die Vorrichtung kann so ausgebildet sein, daß der optische Weg von jeder Lichtquelle bis zu dem zugeordneten zweiten optischen Element gleich ist. Furthermore, the device can have at least one second optical element for collimation (for example in the slow axis) for each light source between the light source and the associated second reflection element. The device may be configured so that the optical path from each light source to the associated second optical element is the same.
Bei der Strahlformungsvorrichtung kann die Wellenlänge der abgegebenen Strahlenbündel im Bereich von ca. 190 nm bis ca. 2000 nm, besonders im Bereich von 250 nm - 2000 nm und insbesondere im Bereich von 600 nm bis 1500 nm liegen. In the beam-forming device, the wavelength of the emitted beam may be in the range of about 190 nm to about 2000 nm, especially in the range of 250 nm - 2000 nm and in particular in the range of 600 nm to 1500 nm.
Bei den Laserelementen handelt es sich bevorzugt um Halbleiter-Laserelemente bzw. Laserdioden. Die Laserelemente können als separate Laserelemente und/oder als Laserbarren ausgebildet sein. Die Laserelemente sind bevorzugt als Breitstreifenemitter ausgeführt, welche eine in fast-axis einmodige und in slow-axis multimodige Strahlung emittieren. Die Laserresonatoren dieser multimodigen Laserelemente sind bevorzugt als flächige Wellenleiter ausgebildet. Die Lichtaustrittsflächen dieser Laserelemente stellen linienförmige Strahlquellen dar. Unter parallel wird hier insbesondere verstanden, daß möglichst eine mathematisch exakte Parallelität vorliegt. Jedoch können Abweichungen im einstelligen Gradbereich beabsichtigt oder unbeabsichtigt vorliegen, was dann immer noch als parallel anzusehen ist. Der Wärmeableitkörper kann insbesondere als im wesentlichen planparallele Platte oder zumindest abschnittsweise keilförmig ausgebildet sein. The laser elements are preferably semiconductor laser elements or laser diodes. The laser elements may be formed as separate laser elements and / or as laser bars. The laser elements are preferably designed as broad-band emitters, which emit a single-mode in fast-axis and multimode in slow-axis radiation. The laser resonators of these multimode laser elements are preferably designed as planar waveguides. The light exit surfaces of these laser elements represent linear beam sources. In this context, the term "parallel" is understood to mean, in particular, that a mathematically exact parallelism exists as far as possible. However, deviations in the single-digit range may be intentional or unintentional, which is still considered to be parallel. The heat-dissipating body can in particular be designed as a substantially plane-parallel plate or at least partially wedge-shaped.
Das gemeinsame ausfallende Strahlenbündel weist - im Querschnitt gesehen, bevorzugt eine Umhüllende auf, die rechteckig oder quadratisch ist. Es können zwei oder mehrere der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung so vorgesehen werden, daß die gemeinsamen ausfallenden Strahlenbündel der einzelnen Strahlformungsvorrichtungen zu einem größeren Gesamtstrahlenbündel überlagert werden. Dies kann beispielsweise für zwei Strahlformungsvorrichtungen mittels eines teiltransparenten Spiegels oder mittels eines polarisationsselektiven Spiegels realisiert werden, der eine Polarisationsrichtung transmittiert und eine dazu orthogonale Transmissionsrichtung reflektiert. Dazu kann die vorliegende Polarisation der jeweiligen gemeinsamen Strahlenbündel ausgenutzt werden. Natürlich ist es auch möglich, polarisationsdrehende Elemente vorzusehen, falls dies notwendig ist. Bevorzugt wird die Polarisationsrichtung der Strahlung einer Strahlformungsvorrichtung um 90° gedreht, während die Polarisationsrichtung der Strahlung einer weiteren Strahlformungsvorrichtung unverändert bleibt. Dann können die Strahlenbündel dieser beiden Strahlformungsvorrichtungen mit einem polarisationsselektiven Spiegel kombiniert werden, indem eines der Strahlenbündel in Transmission durch den Spiegel hindurchgeht du das andere Strahlenbündel um einen Winkel von bevorzugt 90° am Spiegel reflektiert wird und nach dem Spiegel die Strahlengänge beider Strahlformungsvorrichtungen überlagert sind. The common outgoing beam has, seen in cross section, preferably an envelope, which is rectangular or square. Two or more of the beam-shaping device according to the invention may be provided such that the common outgoing beam bundles of the individual beam-shaping devices are superimposed to form a larger total beam. This can be realized for example for two beam-shaping devices by means of a partially transparent mirror or by means of a polarization-selective mirror which transmits a polarization direction and reflects a transmission direction orthogonal thereto. This can be the present Polarization of the respective common beam can be exploited. Of course, it is also possible to provide polarization-rotating elements, if necessary. Preferably, the polarization direction of the radiation of a beam-forming device is rotated by 90 °, while the polarization direction of the radiation of another beam-shaping device remains unchanged. Then, the beams of these two beam-forming devices can be combined with a polarization-selective mirror by one of the beams in transmission through the mirror passes you the other beam is reflected by an angle of preferably 90 ° to the mirror and the mirror paths of both beam-forming devices are superimposed after the mirror.
Bei der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung kann, in senkrechter Projektion auf die Abstrahlebene gesehen, das bzw. die Strahlenbündel zwischen den beiden Reflexionselementen (also das vom ersten zum zweiten Reflexionselement reflektierte Strahlenbündel) mit dem ausfallenden Strahlenbündel zusammenfallen. In the case of the beam-shaping device according to the invention, the beam or beams between the two reflection elements (ie the beam reflected by the first to the second reflection element) can coincide with the outgoing beam in a perpendicular projection onto the radiation plane.
Es wird ferner bereitgestellt ein Verfahren zur Strahlformung der Strahlenbündel mehrerer Lichtquellen (z. B. Laserelemente und/oder LED-Elemente), die jeweils ein Strahlenbündel entlang einer Abstrahlrichtung abgeben, wobei die abgegebenen Strahlenbündel in einer Abstrahlebene und zueinander parallel verlaufen, wobei bei dem Verfahren jedes der abgegebenen Strahlenbündel einmal um eine erste und danach einmal um eine zweite Achse so umgelenkt wird, daß die umgelenkten Strahlenbündel zueinander parallel verlaufen und ein gemeinsames ausfallendes Strahlenbündel bilden, das in senkrechter Projektion auf die Abstrahlebene gesehen weder parallel noch senkrecht zur Abstrahlrichtung verläuft. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in entsprechender Weise wie die Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitergebildet werden. There is further provided a method of beamforming the beams of a plurality of light sources (eg, laser elements and / or LED elements) each emitting a beam along a direction of radiation, wherein the emitted beams are in an abstraction plane and parallel to each other, wherein the Method of each of the emitted beams once around a first and then once deflected about a second axis so that the deflected beam parallel to each other and form a common outgoing beam, seen in perpendicular projection on the Abstrahlebene neither parallel nor perpendicular to the emission direction. The inventive method can be further developed in a similar manner as the development of the device according to the invention.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung; Fig. 2 eine Draufsicht der Strahlformungsvorrichtung von Fig. 1 , wobei die Linsen 9 ausgeblendet sind; 1 shows a schematic side view of a first embodiment of the beam-forming device according to the invention; Fig. 2 is a plan view of the beam-forming apparatus of Fig. 1, with the lenses 9 hidden;
Fig. 3 eine Vorderansicht der Strahlformungsvorrichtung von Fig. 1 ; FIG. 3 is a front view of the beam-forming apparatus of FIG. 1; FIG.
Fig. 4 eine Ansicht von vorne auf ein Laserelement der Vorrichtung von Fig. 1 bis 3; FIG. 4 is a front view of a laser element of the device of FIGS. 1 to 3; FIG.
Fig. 5 eine Schnittansicht A-A gemäß Fig. 2; Fig. 5 is a sectional view A-A of FIG. 2;
Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung, und Fig. 6 is a schematic side view of a second embodiment of the beam-forming device according to the invention, and
Fig. 7 eine Draufsicht der Strahlformungsvorrichtung von Fig. 6, wobei die Linsen 9 ausgeblendet sind; Fig. 7 is a plan view of the beam-forming apparatus of Fig. 6, with the lenses 9 hidden;
Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Strahlformungsvorrichtung 1 vier Lichtquellen, die hier als Halbleiter-Laserelemente 2 22, 23 und 24 ausgebildet sind und die in einer x-Richtung nebeneinander auf einem planen Abschnitt D einer Oberseite 3 eines Wärmeableitkörpers 4 angeordnet sind. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die gesamte Oberseite 3 plan ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. In the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the beam-forming device 1 according to the invention comprises four light sources, which are formed here as semiconductor laser elements 2 2 2 , 2 3 and 2 4 and in an x-direction side by side on a planar portion D of a Top 3 of a heat dissipation body 4 are arranged. In the embodiment described here, the entire upper side 3 is planar. However, this is not mandatory.
Die Laserelemente 2 24 geben jeweils ein Laserstrahlenbündel 5i , 52, 53 und 54 ab, das jeweils in z-Richtung läuft, so daß die Abstrahlrichtungen (jeweils z-Richtung) der einzelnen Laserelemente 2r24 zueinander parallel sind und die abgegebenen Strahlenbündel 5r54 in einer Abstrahlebene liegen, die hier parallel zum planen Abschnitt D ist. Die verwendeten Laserelemente 2r24 sind alle gleich ausgebildet und umfassen jeweils, wie in Fig. 4 für das Laserelement gezeigt ist, einen Wellenleiter 7, der eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Mittellinie M sowie einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Die Höhe des Wellenleiters in y-Richtung beträgt ca. 3 μιη und die Breite in x-Richtung beträgt ca. 100 μιη . Das abgestrahlte Strahlenbündel weist hier eine Wellenlänge aus dem Bereich von 630-1 100 nm auf. The laser elements 2 2 4 each emit a laser beam 5i, 5 2 , 5 3 and 5 4 , which runs in the z-direction, so that the emission directions (each z-direction) of the individual laser elements 2 r 2 4 are parallel to each other and the emitted radiation beams 5r5 4 lie in an emission plane which is parallel to the plane section D here. The laser elements 2 r 2 4 used are all the same and each comprise, as shown in Fig. 4 for the laser element, a waveguide 7, which has a plane perpendicular to the plane of the center line M and a rectangular cross-section. The height of the waveguide in the y-direction is about 3 μιη and the width in the x-direction is about 100 μιη. The emitted radiation beam here has a wavelength in the range of 630-1 100 nm.
Das austretende Strahlenbündel 5^ weist im Querschnitt typischerweise einen elliptischen Strahlkegel auf (im Fernfeld), wobei die kleine Achse in x-Richtung verläuft. Diese Richtung wird häufig als„slow axis" bezeichnet, wobei der typische Divergenzwinkel in dieser Richtung häufig etwa 7 bis 15° beträgt. Der Divergenzwinkel in y-Richtung, der häufig als„fast axis" bezeichnet wird, beträgt typischerweise 90 ° (die x-, y- und z-Richtung spannen ein kartesisches Koordinatensystem auf). The exiting beam 5 ^ typically has an elliptical beam cone (in the far field) in cross section, with the minor axis extending in the x direction. This direction is often referred to as a "slow axis", with the typical divergence angle in this direction often being about 7 to 15 degrees, the divergence angle in the y-direction, often called the "fast axis" is typically 90 ° (the x, y and z directions span a Cartesian coordinate system).
Da die Emitterhöhe entlang der y-Richtung des Laserelementes 2 24 nur wenige μιη beträgt, wird das abgegebene Strahlenbündel mittels einer ersten Kollimationslinse 8 82, 83, 84 mit kurzer Brennweite, die häufig zwischen 100 μιη und 1 .000 μιη liegt, sehr gut kollimiert, so daß die Restdivergenz des Strahlenbündels nach der ersten Kollimationslinse 81 -84 in der fast axis sehr klein ist. Die erste Kollimationslinse 81 -84 ist dazu bevorzugt in sehr geringem Abstand vor der Strahlaustrittsfläche des Laserelementes 2 24 angeordnet, wie in den Fig. 2 und 3 angedeutet ist. Since the emitter height along the y-direction of the laser element 2 2 4 is only a few μιη, the emitted beam is by means of a first collimating lens 8 8 2 , 8 3 , 8 4 short focal length, which is often between 100 μιη and 1 .000 μιη , very well collimated so that the residual divergence of the beam after the first collimating lens 81-84 in the fast axis is very small. For this purpose, the first collimating lens 81 - 84 is preferably arranged at a very small distance in front of the beam exit surface of the laser element 2 2 4 , as indicated in FIGS. 2 and 3.
Ferner sind für jedes der Laserelemente 2 24 noch eine zweite Kollimationslinse 9i , 92, 93 und 94, ein erster Umlenkspiegel 10^ 102, 103 und 104 sowie ein zweiter Umlenkspiegel 1 1 ^ 1 12, 1 13 und 1 14 vorgesehen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in Fig. 2 die zweiten Kollimationslinsen 9r94 nicht eingezeichnet und sind in Fig. 3 nur das Laserelement 24 mit den zugeordneten weiteren optischen Elementen (84, 104, 94, 1 14) eingezeichnet. Die reflektierende Fläche der ersten Umlenkspiegel 10r104 ist bevorzugt um a=45 ° gegenüber der y-Richtung geneigt, wie in Fig. 3 für den ersten Umlenkspiegel 104 eingezeichnet ist. Die ersten Umlenkspiegel 10r104 führen eine Umlenkung durch, so daß die an den ersten Umlenkspiegeln 10i -104 reflektierten Strahlenbündel 5i -54 nach oben (Fig. 1 ) verlaufen. Dabei spannen die Richtung des auf den jeweiligen Umlenkspiegel 10i -104 treffenden Strahlenbündels 5r54 (also die Abstrahlrichtung) und die Richtung des am jeweiligen Umlenkspiegel 10r104 reflektierenden Strahlenbündels eine Ebene auf, die nicht senkrecht zur Abstrahlebene (xz-Ebene) ist. Man kann auch sagen, daß die reflektierten Strahlenbündel schräg zur Abstrahlebene verlaufen. Further, for each of the laser elements 2 2 4 nor a second collimating lens 9i, 9 2 , 9 3 and 9 4 , a first deflection mirror 10 ^ 10 2 , 10 3 and 10 4 and a second deflection mirror 1 1 ^ 1 1 2 , 1 1 3 and 1 1 4 provided. To simplify the illustration, the second collimating lenses 9 r 9 4 are not shown in FIG. 2, and in FIG. 3 only the laser element 2 4 with the associated further optical elements (8 4 , 10 4 , 9 4 , 1 1 4 ) is shown , The reflecting surface of the first deflection mirror 10 r 10 4 is preferably inclined by a = 45 ° relative to the y direction, as shown in FIG. 3 for the first deflection mirror 10 4 . The first deflecting mirrors 10r10 4 perform a deflection, so that the beams 5i -5 4 reflected at the first deflecting mirrors 10i-10 4 extend upwards (FIG. 1). In this case, the direction of the radiation beam 5r5 4 (ie the emission direction) impinging on the respective deflection mirror 10i -10 4 and the direction of the radiation beam reflecting at the respective deflection mirror 10r10 4 span a plane which is not perpendicular to the radiation plane (xz plane). One can also say that the reflected bundles of rays run diagonally to the plane of abstraction.
Die so umgelenkten Strahlenbündel 5i -54 laufen jeweils durch die zugeordnete zweite Kollimatorlinse 9r94, die eine Kollimation der slow-axis durchführt, und treffen dann auf den jeweiligen zweiten Umlenkspiegel ΐ ΐ 14, die eine Umlenkung bewirken, so daß die reflektierten Strahlenbündel 5r54 zueinander parallel und parallel zur Abstrahlebene verlaufen. Sie bilden zusammen einen ausfallendes Strahlenbündel 12, dessen Querschnitt (Schnitt A-A gemäß Fig. 2) in Fig. 5 gezeigt ist. Die einzelnen reflektierten Strahlenbündel 5 54 sind parallel so zueinander angeordnet, daß die Umhüllende U1 ein Rechteck ist. In Draufsicht auf den planen Abschnitt D gesehen, schließt das Strahlenbündel 12 mit der Abstrahlrichtung (z- Richtung) einen Azimut-Winkel ß zwischen 0° und 90 ° ein (hier etwa 80 °). Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform weisen die zweiten Kollimationslinsen 9 94 jeweils den gleichen Abstand zur Oberseite 3 des Wärmeableitkörpers 4 auf. Nachdem auch der Abstand zwischen Laserelement 21 -24 und zugeordnetem ersten Umlenkspiegel 10i -104 für jedes Laserelement 2r24 gleich ist, führt dies dazu, daß die optische Weglänge für alle Strahlenbündel 5!-54 vom Laserelement 2r24 bis zur entsprechenden zweiten Kollimatorlinse 9 94 gleich ist. Damit wird eine sehr kompakte Strahlformungsvorrichtung 1 bereitgestellt, die eine äu ßerst geringe Grundfläche (Größe des planen Abschnittes D) aufweist und bei der das ausfallende Strahlenbündel 12 eine rechteckförmige Umhüllende aufweist. Es kann ferner eine Fokussierlinse 14 (gestrichelt und nur in Fig. 2 dargestellt) für das Strahlenbündel 12 vorgesehen sein, die dazu dient, das ausfallende Strahlenbündel 12 zu fokussieren, um es beispielsweise in eine Lichtleitfaser (nicht gezeigt) einkoppeln zu können. The thus deflected beams 5i -5 4 respectively through the associated second collimator lens 9 r 9 4 , which performs a collimation of the slow-axis, and then hit the respective second deflection mirror ΐ ΐ 1 4 , which cause a deflection, so that the reflected beam 5r5 4 parallel to each other and parallel to the Abstrahlebene run. Together they form a failing beam 12 whose cross-section (section AA in FIG. 2) is shown in FIG. The individual reflected beams 5 5 4 are arranged parallel to each other so that the envelope U1 is a rectangle. Seen in plan view of the plane section D, the beam 12 with the emission direction (z-direction) includes an azimuth angle β between 0 ° and 90 ° (in this case about 80 °). In the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the second collimating lenses 9 9 4 each have the same distance to the upper side 3 of the heat dissipation body 4. Since the distance between laser element 21 -24 and associated first deflecting mirror 10i -10 4 for each laser element 2 r 2 4 is the same, this leads to the fact that the optical path length for all beam 5 ! -5 4 from the laser element 2 r 2 4 to the corresponding second collimator lens 9 9 4 is the same. Thus, a very compact beam-forming device 1 is provided which has an externally extremely small base area (size of the planar section D) and in which the emergent bundle of rays 12 has a rectangular envelope. Furthermore, a focusing lens 14 (shown in phantom and only shown in FIG. 2) may be provided for the beam 12, which serves to focus the emergent beam 12 so that it can be coupled into an optical fiber (not shown), for example.
Die Lichtleitfaser kann beispielsweise einen runden oder rechteckigen, insbesondere einen quadratischen Kernquerschnitt, aufweisen. The optical fiber may have, for example, a round or rectangular, in particular a square core cross-section.
In Figuren 6 und 7 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlformungsrichtung 1 gezeigt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und zu deren Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Da in der Darstellung von Fig. 7 die ersten Umlenkspiegel 10i -104 fast vollständig durch die zweiten Umlenkspiegel 1 1 i-1 1 und die eingezeichneten Strahlenbündel 5i-54 verdeckt sind, ist nur der erste Umlenkspiegel 10i mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet. In Fig. 7 sind die Linsen 9 nicht eingezeichnet. Die Ausführungsform gemäß Figuren 6 und 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figuren 1 bis 3 dadurch, daß die ersten Umlenkspiegel 10r104 so orientiert sind, daß sie die einfallenden Strahlenbündel 5i-54 um 90° in y-Richtung umlenkt. Daher sind die zweiten Umlenkspiegel 1 V1 14 direkt oberhalb des jeweils zugeordneten Umlenkspiegels 10r104 positioniert. Die zweiten Umlenkspiegel 1 1 i-1 1 sind dabei so orientiert, daß die reflektierten Strahlenbündel zwar parallel zum planen Abschnitt D verlaufen, jedoch nicht direkt in x- Richtung. In senkrechter Projektion auf die Abstrahlebene gesehen können die reflektierten Strahlenbündel mit der Abstrahlrichtung (z-Richtung) einen Winkel einschließen , der bevorzugt zwischen größer 0° und kleiner 90° liegt. Dieser Winkel kann als Azimut-Winkel ß bezeichnet werden. FIGS. 6 and 7 show a second embodiment of the beam-forming device 1 according to the invention, wherein identical elements are designated by the same reference numerals and reference is made to the above explanations for their description. In the representation of Fig. 7 as the first deflecting mirror 10i -10 4 are almost completely obscured by the second deflecting mirror 1 1 I 1 1 and the drawn-ray beam 5i-5 4, only the first deflecting mirror 10i is marked with a reference numeral. In Fig. 7, the lenses 9 are not shown. The embodiment according to Figures 6 and 7 differs from the embodiment according to Figures 1 to 3, characterized in that the first deflecting mirror 10r10 4 are oriented so that it deflects the incident beam 5i-5 4 by 90 ° in the y-direction. Therefore, the second deflecting mirror 1 V1 1 4 are positioned directly above the respective associated deflecting mirror 10r10 4 . The second deflection mirror 1 1 i-1 1 are oriented so that the reflected beam while parallel to the plane section D, but not directly in the x direction. Seen in a vertical projection onto the radiation plane, the reflected beam bundles can enclose an angle with the emission direction (z direction), which is preferably between greater than 0 ° and less than 90 °. This angle can be referred to as the azimuth angle β.
Bei dieser Ausführungsform ist Umhüllende des Strahlquerschnittes des ausfallenden Strahlenbündels 12 nicht mehr rechteckig, sondern parallelogrammförmig. Die Umlenkspiegel 10i-104 sowie 1 1 i-1 14 können beispielsweise aus metallischem Vollmaterial bestehen. Es ist auch möglich, daß die reflektierenden Flächen der Umlenkspiegel 10i-104, 1 1 14 als metallische oder dielektrische Schichten auf einem Trägermaterial ausgebildet sind. In this embodiment, envelope of the beam cross section of the emergent beam 12 is no longer rectangular, but parallelogram-shaped. The deflection mirror 10i-10 4 and 1 1 i-1 1 4 may for example consist of solid metal material. It is also possible that the reflective surfaces of the deflection mirror 10i-10 4 , 1 1 1 4 are formed as metallic or dielectric layers on a substrate.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Vorrichtung zur Strahlformung (1 ) mit 1 . Device for beam shaping (1) with
mehreren nebeneinander angeordneten Lichtquellen (2 22, 23, 24), denen jeweils ein erstes und ein zweites Reflexionselement (10^ 102, 103, 104; 1 1 ^ 1 12, 1 13, 1 14) zugeordnet sind und die jeweils ein Strahlenbündel (5! , 52, 53, 54) entlang einer Abstrahlrichtung abgeben, wobei die abgegebenen Strahlenbündel (5! -54) in einer Abstrahlebene liegen, zueinander parallel verlaufen und die Reflexionselemente (1 Οτ -104; I H 4) so angeordnet sind, daß a plurality of juxtaposed light sources (2 2 2 , 2 3 , 2 4 ), which in each case a first and a second reflection element (10 ^ 10 2 , 10 3 , 10 4 ; 1 1 ^ 1 1 2 , 1 1 3 , 1 1 4 ) and each of which emit a beam (5!, 5 2 , 5 3 , 5 4 ) along a direction of emission, wherein the emitted beams (5! -5 4 ) are in an abstrahlebene, parallel to each other and the reflection elements (1 Οτ -10 4 ; IH 4 ) are arranged so that
die abgegebenen Strahlenbündel (5! -54) jeweils am zugeordneten ersten Reflexionselement (10i -104) zum zugeordneten zweiten Reflexionselement (I H 4) reflektiert, the emitted radiation beams (5! -5 4 ) in each case on the associated first reflection element (10i -10 4 ) to the associated second reflection element (IH 4 ) reflected,
von diesem erneut reflektiert werden, be reflected by this again
die von den zweiten Reflexionselementen (1 1 r1 14) kommenden Strahlenbündel zueinander parallel verlaufen und ein gemeinsames ausfallendes Strahlenbündel (12) bilden , das in senkrechter Projektion auf die Abstrahlebene gesehen weder parallel noch senkrecht zur Abstrahlrichtung verläuft. the radiation beams coming from the second reflection elements (1 1 r 1 1 4 ) run parallel to one another and form a common emergent beam (12) which, viewed in perpendicular projection onto the radiation plane, is neither parallel nor perpendicular to the emission direction.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der das ausfallende Strahlenbündel (12) in senkrechter Projektion auf die Abstrahlebene gesehen mit der Abstrahlrichtung einen Winkel einschließt, der zwischen 0 ° und 90 ° liegt. 2. Apparatus according to claim 1, wherein the outgoing beam (12) seen in the vertical projection on the Abstrahlebene with the emission direction includes an angle which is between 0 ° and 90 °.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der weder die ersten Reflexionselemente (K 104) noch die zweiten Reflexionselemente (I H4) in Abstrahlrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. 3. Device according to claim 1 or 2, wherein neither the first reflection elements (K 10 4 ) nor the second reflection elements (IH 4 ) are arranged offset in the emission direction to each other.
4. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die ersten Reflexionselemente (10i -104) so angeordnet sind, daß jeweils die Richtung des auf das erste Reflexionselement (10i -104) einfallenden Strahlenbündels (5i -54) und die Richtung des vom ersten Reflexionselement reflektierten Strahlenbündels eine Ebene aufspannen, die nicht senkrecht zur Abstrahlebene ist. 4. Device according to one of the above claims, wherein the first reflection elements (10i -10 4 ) are arranged so that in each case the direction of the first reflection element (10i -10 4 ) incident beam (5i -5 4 ) and the direction of the beam reflected by the first reflection element span a plane that is not perpendicular to the radiation plane.
5. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die zweiten Reflexionselemente (1 1 i -1 14) so angeordnet sind, daß jeweils die Richtung des auf das zweite Reflexionselement (1 1 14) einfallenden Strahlenbündels und die Richtung des vom zweiten Reflexionselement (1 1 r1 14) reflektierten Strahlenbündels eine Ebene aufspannen, die nicht senkrecht zur Abstrahlebene ist. 5. Device according to one of the above claims, wherein the second reflection elements (1 1 i -1 1 4 ) are arranged so that in each case the direction of the second reflection element (1 1 1 4 ) incident beam and the direction of the second Reflection element (1 1 r 1 1 4 ) reflected beam span a plane that is not perpendicular to the Abstrahlebene.
6. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, mit einem Wärmeableitkörper (4), der eine Oberseite (3) mit einem planen Abschnitt (D) aufweist, wobei die Lichtquellen (5i -54) auf dem planen Abschnitt (D) angeordnet sind. 6. Device according to one of the above claims, comprising a Wärmeableitkörper ( 4 ) having a top (3) with a planar portion (D), wherein the light sources (5i -5 4 ) on the planar portion (D) are arranged.
7. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die zweiten Reflexionselemente (1 1 1 -1 14), in Draufsicht auf die Abstrahlebene gesehen, jeweils oberhalb des zugeordneten ersten Reflexionselementes (10i -104) angeordnet sind. 7. Device according to one of the above claims, wherein the second reflection elements (1 1 1 -1 14), seen in plan view of the Abstrahlebene, respectively above the associated first reflection element (10i -10 4 ) are arranged.
8. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die ersten Reflexionselemente (I O1 -I O4) eine Umlenkung im Bereich von 60 bis 120 °, bewirken. 8. Device according to one of the above claims, wherein the first reflection elements (I O1 -I O4) cause a deflection in the range of 60 to 120 °.
9. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die zweiten Reflexionselemente (I I 1 -H 4) eine Umlenkung im Bereich von 60 ° bis 120 °, bewirken. 9. Device according to one of the above claims, wherein the second reflection elements (I I 1 -H 4) cause a deflection in the range of 60 ° to 120 °.
10. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die ersten und zweiten Reflexionselemente (10i -1 04, 1 1 1 - 14) so angeordnet sind, daß das ausfallende Strahlenbündel (12) parallel zur Abstrahlebene verläuft. 10. Device according to one of the above claims, wherein the first and second reflection elements (10i -1 0 4 , 1 1 1 - 1 4 ) are arranged so that the outgoing beam (12) extends parallel to the Abstrahlebene.
1 1 . Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der zumindest zwei der ersten Reflexionselemente und/oder zumindest zwei der zweiten Reflexionselemente jeweils als zusammenhängendes Bauteil ausgebildet sind. 1 1. Device according to one of the above claims, wherein at least two of the first reflection elements and / or at least two of the second reflection elements are each formed as a continuous component.
12. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der ein Fokussierelement (14) vorgesehen ist, welches das ausfallende Strahlenbündel (12) fokussiert. 12. Device according to one of the above claims, wherein a focusing element (14) is provided, which focuses the emergent beam (12).
13. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der für jede Lichtquelle (2r24) zwischen der Lichtquelle (2r24) und dem zugeordneten ersten Reflexionselement (10i -104) ein erstes optisches Element (81 , 82, 83, 84) zur Kollimation des Strahlenbündels (5i -54) angeordnet ist. 13. Device according to one of the above claims, wherein for each light source (2 r 2 4 ) between the light source (2 r 2 4 ) and the associated first reflection element (10i -10 4 ), a first optical element (81, 8 2 , 8 3 , 8 4 ) for collimation of the beam (5i -5 4 ) is arranged.
14. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der für jede Lichtquelle (2 24) zwischen der Lichtquelle (2r24) und dem zugeordneten zweiten Reflexionselement (ΐ ΐ 14) zumindest ein zweites optisches Element (9 92, 93, 94) zur Kollimation des Strahlenbündels (5r54) angeordnet ist. 14. Device according to one of the above claims, wherein for each light source (2 2 4 ) between the light source (2 r 2 4 ) and the associated second reflection element (ΐ ΐ 1 4 ) at least a second optical element (9 9 2 , 9 3 , 9 4 ) for collimation of the beam (5r5 4 ) is arranged.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der optische Weg jedes Strahlenbündels (5i -54) von der Lichtquelle (2 24) bis zu dem zugeordneten zweiten optischen Element (9 94) gleich ist. 15. The apparatus of claim 14, wherein the optical path of each beam (5i -5 4 ) from the light source (2 2 4 ) to the associated second optical element (9 9 4 ) is the same.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der das zweite optische Element (9i -94) jeweils zwischen dem ersten und zweiten Reflexionselement (101 -104; ΐ ΐ 14) angeordnet ist. 16. The apparatus of claim 14 or 15, wherein the second optical element (9i -9 4 ) respectively between the first and second reflection element (10 1 -10 4 ; ΐ ΐ 1 4 ) is arranged.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der ein drittes optisches Element im Strahlengang nach den zweiten Reflexionselementen (ΐ ΐ 14) angeordnet ist, welches im ausfallenden Strahlenbündel (12) die Strahlung der einzelnen Strahlenbündel kollimiert. 17. Device according to one of claims 1 to 13, wherein a third optical element in the beam path after the second reflection elements (ΐ ΐ 1 4 ) is arranged, which collimates the radiation of the individual beams in the outgoing beam (12).
18. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Lichtquellen (2 24) als Laserelemente ausgebildet sind. 18. Device according to one of the above claims, wherein the light sources (2 2 4 ) are formed as laser elements.
19. Verfahren zur Strahlformung der Strahlenbündel mehrerer Lichtquellen, die jeweils ein Strahlenbündel entlang einer Abstrahlrichtung abgeben, wobei die abgegebenen Strahlenbündel in einer Abstrahlebene und zueinander parallel verlaufen, wobei bei dem Verfahren jedes der abgegebenen Strahlenbündel einmal um eine erste und danach einmal um eine zweite Achse so umgelenkt wird, daß die umgelenkten Strahlenbündel zueinander parallel verlaufen und ein gemeinsames ausfallendes Strahlenbündel bilden, das in senkrechter Projektion auf die Abstrahlebene gesehen weder parallel noch senkrecht zur Abstrahlrichtung verläuft. 19. A method of beamforming the beams of a plurality of light sources, each of which emits a beam along a radiation direction, wherein the emitted beams in an abstrahlebene and parallel to each other, wherein in the method each of the emitted beams once around a first and then once around a second axis is deflected so that the deflected beams are parallel to each other and form a common outgoing beam, seen in perpendicular projection on the Abstrahlebene neither parallel nor perpendicular to the emission direction.
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