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Dokumentenidentifikation DE10062453B4 19.07.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Überlagerung von Strahlenbündeln
Anmelder My Optical Systems GmbH, 97232 Giebelstadt, DE
Erfinder Kleinhuber, Harald G., St.Jeannert, FR
Vertreter Ostertag & Partner, Patentanwälte, 70597 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 14.12.2000
DE-Aktenzeichen 10062453
Offenlegungstag 04.07.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.07.2007
IPC-Hauptklasse G02B 27/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01S 5/40(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B23K 26/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überlagerung von Strahlenbündeln, die von einer Mehrzahl von Einzellichtquellen, insbesondere Laserdioden, ausgehen, in mindestens einen Abbildungsfleck.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen finden ihren Einsatz dort, wo das Licht mehrerer Einzellichtquellen z.B. zur Leistungssteigerung in einem relativ kleinen räumlichen Arbeitsbereich konzentriert werden soll. Derartige Anwendungen liegen in der Materialbearbeitung, z.B. beim Laserschweißen, -schneiden oder -bohren sowie bei der Oberflächenbehandlung. Ein weiteres Einsatzgebiet liegt im Bereich der Telekommunikation, wenn in einem durch eine optische Faser realisierten Datenübertragungskanal eine hohe Lichtleistung zur Informationsübertragung über weite Strecken ohne zwischengeschaltete Verstärker erfolgen soll. Dort ist eine kleine numerische Apertur der einkoppelnden Optik erforderlich.

Bei bekannten derartigen Verfahren und Vorrichtungen eingesetzte Einzel-Lichtquellen sind Laserdioden-Arrays, die auch als "Barren" bezeichnet werden. Ein derartiges Laserdioden-Array weist eine Vielzahl von in einer linearen Reihe angeordneten einzelnen Laserdioden auf. Ein Hochleistungs-Laserdioden-Array hat eine Ausgangslichtleistung von etwa 50 W. Typische Emissionsflächen derartiger Laserdioden-Arrays haben eine Längsseite (lange Achse) von etwa 10 mm und eine Schmalseite (kurze Achse) von weniger als einem Mikrometer. Dabei ist die Strahldivergenz des von den Laserdioden-Arrays emittierten Lichtes in den Ebenen parallel zur kurzen Achse der Emissionsfläche um typischerweise einen Faktor 3 größer als in den dazu senkrechten Richtungen.

Es ist bekannt, derartige Laserdioden-Arrays aufeinander in sogenannte "Stacks" zu stapeln. Die Emissionsbündel der einzelnen Emissionsflächen der Laserdioden-Arrays innerhalb des Stacks werden überlagert, um die Lichtleistung des gesamten Stacks zu nutzen. Hierzu ist es bekannt, jedem Einzel-Emitter innerhalb der im Stack gestapelten Laserdioden-Arrays eine Mikrolinse zuzuordnen, die das Emissionsbündel eines Einzel-Emitters auf das Einkoppelende einer diesem zugeordneten optischen Faser ermöglicht. Auf diese Weise ist einem Laserdioden-Array oder auch einem Stack eine Vielzahl von Fasern zugeordnet, die in einem Faserbündel geführt werden können. Das Auskoppelende des Faserbündels kann dann zur Erzeugung eines Arbeits-Laserstrahlbündels abgebildet werden. Mit dieser Anordnung sind zwei Nachteile verbunden: Zum einen geht Licht verloren, weil die Optik nicht vollständig ausgeleuchtet werden kann. Zum anderen muß, um einen kleinen Brennpunkt zu erhalten, die Brennweite der Linsen klein gehalten werden, was zu einer mit Einkoppelverlusten verbundenen großen numerischen Apertur führt.

Die Handhabung eines derartigen Mikrolinsen-Arrays ist relativ kompliziert, da die Mikrolinsen nahe an die Einzel-Emitter herangeführt werden müssen und die Justage entsprechend kritisch ist. Zusätzlich ist bei Einsatz von Mikrolinsen in Verbindung mit Hochleistungs-Laserdioden-Arrays die Herstellung und Materialauswahl sehr kritisch, da kleinste Absorptionen bei der Emissionswellenlänge der Laserdioden zu einer nicht tolerablen Aufheizung der Mikrolinsen führen.

Daneben ist es bekannt, die Emissionsbündel von Laserdioden-Arrays mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen über dichroitische Einkoppelspiegel zu überlagern. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß nur Laserdiodenstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge auf diese weise überlagerbar sind.

Aus der US 5 319 496 A sind mehrere optische Systeme bekannt, mit denen sich von einzelnen Laserdioden erzeugte Lichtbündel auf einen Punkt konzentrieren lassen. Den Laserdioden ist dabei entweder eine Kombination aus einem Mikrolinsen-Array mit einer Sammellinse, eine Sammellinse mit einem Volumenhologramm oder ein Mikrolinsen-Array mit einem Vielfachprisma nachgeordnet. Beschrieben sind ferner optische Systeme, mit denen sich die Abstände zwischen einzelnen Strahlenbündeln verringern lassen, ohne daß es dabei an irgendeinem Ort zu einer Überlagerung der Strahlenbündel kommt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine effiziente Überlagerung der Einzellichtquellen mit möglichst geringen Verlusten und geringem Justieraufwand möglich ist.

Diese Aufgabe wird, was das erfindungsgemäße Verfahren angeht, dadurch gelöst, daß

von einem ersten allen Einzellichtquellen gemeinsam zugeordneten abbildenden optischen Element virtuelle Zwischenbilder der Einzellichtquellen erzeugt werden und daß durch ein zweites facettiertes optisches Element die von den Einzellichtquellen ausgehenden Strahlenbündel so unterschiedlich abgelenkt werden, daß sie sich in mindestens einem Abbildungsfleck superponieren.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also ein erstes optisches Element eingesetzt, mit dem die Einzellichtquellen "normal" abgebildet werden können. Dieses erste; allen Einzellichtquellen gemeinsam zugeordnete optische Element würde für sich alleine Zwischenbilder erzeugen, die an unterschiedlichen Stellen liegen. Um nun zumindest einen Teil dieser Zwischenbilder übereinander zu bringen, wird jedes einzelne Strahlenbündel von einer zugeordneten Facette des zweiten optischen Elements erfaßt und so abgelenkt, daß die Positionen der jeweiligen Bilder der Einzellichtquellen in einem zugehörigen Abbildungsfleck zusammenfallen.

Dabei brauchen nicht alle Abbildungsflecke zusammenfallen. Vielmehr kann das facettierte optische Element auch so ausgebildet sein; daß mehrere Abbildungsflecke mit einem gewünschten Muster in einer gemeinsamen Ebene oder in Abstand voneinander auf der optischen Achse des Systems entstehen.

Das facettierte optische Element kann sich an jeder beliebigen Stelle des Strahlenganges hinter dem ersten abbildenden optischen Element befinden, an welcher die Einzelstrahlbündel voneinander getrennt sind, sich also nicht überlappen. Insbesondere braucht also dieses facettierte Element nicht unmittelbar hinter den Einzellichtquellen angeordnet zu sein, wie dies beim Stande der Technik der Fall war. Ebensowenig müssen die einzelnen Facetten, jede für sich, justiert werden. Sich können bereits werksseitig eine solche Ausrichtung erhalten, daß die angestrebte Ablenkung der Strahlenbündel erzielt wird. Justagearbeiten sind daher praktisch nicht mehr erforderlich; auch ist die Positionierung des facettierten optischen Elementes im Strahlengang nicht sehr kritisch und einfach durchzuführen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich sehr schlanke Strahlenbündel erhalten, die sich gut in eine Faser eines Lichtleiters einkoppeln lassen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß von den Einzellichtquellen zunächst vergrößerte Zwischenbilder erzeugt werden. Diese "Vorvergrößerung" der Einzellichtquellen vor der Ablenkung der Strahlenbündel ermöglicht die Verwendung größerer facettierter optischer Elemente, die leichter herzustellen und leichter richtig in den Strahlengang eingesetzt werden können.

Die oben genannte Aufgabe wird, was die Vorrichtung angeht, dadurch gelöst, daß diese umfaßt:

  • a) mindestens ein erstes, allen Einzellichtquellen gemeinsam zugeordnetes abbildendes optisches Element, das virtuelle Zwischenbilder der Einzellichtquellen erzeugt;
  • b) mindestens ein zweites optisches Element, das Facetten aufweist, die den von den Einzellichtquellen ausgehenden Strahlenbündeln zugeordnet und so gerichtet sind, daß die verschiedenen Strahlenbündel unterschiedlich abgelenkt und in mindestens einem Abbildungsfleck superponiert werden.

Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung stimmen sinngemäß mit den oben erwähnten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens überein.

Die Wirkung der Facetten kann auf die reine Strahlablenkung beschränkt sein. Die Facetten können aber auch konvex oder konkav gekrümmt sein und so eine eigene abbildende Wirkung auf die ihnen zugeordneten Strahlenbündel haben.

Zweckmäßigerweise sind die vom ersten optischen Element erzeugten Zwischenbilder vergrößert. Auf die Vorteile dieser "Vorvergrößerung" wurde ebenfalls bereits oben hingewiesen.

Ganz besonders bevorzugt wird eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher

  • a) das erste und das zweite optische Element ringförmig ausgebildet und koaxial zu einer gemeinsamen Bezugsachse angeordnet sind;
  • b) die Einzellichtquellen auf mindestens einem die Bezugsachse umgebenden Ring in mindestens einer Meridionalebene angeordnet sind;
  • c) den Einzellichtquellen unmittelbar mindestens ein drittes abbildendes optisches Element nachgeschaltet ist, welches in Sagittalrichtung die Abbildungseigenschaften einer Zylinderlinse aufweist und die einzelnen Strahlenbündel in sagittaler Richtung auf der Bezugsachse abbildet.

Diese Ausführungsform eignet sich ganz besonders gut für die Überlagerung von Strahlenbündeln, die von einer Vielzahl von Laserdioden-Arrays (Barren) ausgehen. Die Anordnung ist mit Ausnahme derjenigen der Barren selbst und der diesen nachgeschalteten dritten optischen Elemente rotationssymmetrisch. In allen Meridionalebenen, die sich in der Bezugsachse schneiden, können Barren so angeordnet werden, daß deren einzelne Laserdioden in der Meridionalebene liegen. Eine Grenze für die Anzahl von Barren, die in dieser Weise zusammengefaßt werden können, ist nur durch den vorhandenen Platz und die Abmessungen der Barren gesetzt. Aufgrund der Ringform des ersten und des zweiten optischen Elementes können die Abbildungseigenschaften in meridionaler und in sagittaler Richtung unabhängig voneinander betrachtet werden. Wenn also die Zylinderlinseneigenschaften aufweisenden dritten abbildenden optischen Elemente die Einzellaserdioden des zugehörigen Barrens in sagittaler Richtung auf der Bezugsachse abbilden, so ändert sich hieran durch Einfügung ringförmiger zusätzlichere Abbildungselement nichts. In allen Meridionalebenen wird daher durch die Facettierung des ersten abbildenden optischen Elementes erreicht, daß die von den in der entsprechenden Meridionalebene liegenden Einzellaserdioden der jeweiligen Barren ausgehenden Strahlen alle auf der Bezugsachse superponiert werden. Hier läßt sich eine extrem hohe Leistungsdichte erreichen.

Das erste und das zweite optische Element sollten reflektive optische Elemente, also Spiegel sein.

Das dritte abbildende optische Element hingegen, welches die Eigenschaften einer Zylinderlinse aufweist und die Abbildung in sagittaler Richtung besorgt, ist zweckmäßigerweise ein refraktives optisches Element.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt im Meridionalschnitt den Strahlengang einer Vorrichtung zur Fokussierung der von mehreren Barren ausgehenden Strahlenbündel.

Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung ist im wesentlichen ringförmig zu einer Bezugsachse ausgebildet, die in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Auf einer ringförmigen, gekühlten Halterung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist eine Mehrzahl von Barren 2 montiert; zwei dieser Barren 2 sind in der Figur erkennbar. Jeder dieser Barren enthält 2 seinerseits eine Mehrzahl einzelner Laserdioden, im dargestellten Fall fünf Laserdioden D1, D2, D3, D4, D5, von denen jeweils ein Strahlenbündel ausgeht. Die einzelnen Laserdioden D1 bis D5 der dargestellten Barren 2 liegen in der von der Zeichenebene gebildeten Meridionalebene des Systems. Auch in anderen, gegenüber der Zeichenebene verdrehten Meridionalebenen der Bezugsachse 1 können entsprechende Barren 2 angeordnet sein.

Die von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehenden Strahlenbündel durchsetzen zunächst jeweils zwei Zylinderlinsen 3, 4, welche diese Strahlenbündel in sagittaler Richtung so beeinflussen, daß diese nach dem Durchlaufen der weiteren, nachfolgend zu beschreibenden optischen Elemente alle auf der Bezugsachse 1 abgebildet werden. Da alle diese optischen Elemente ringförmig sind, braucht der Verlauf der einzelnen Strahlenbündel in sagittaler Richtung nicht erläutert zu werden; letztendlich wird unabhängig von der Art dieser ringförmigen optischen Elemente immer in sagittaler Richtung auf der Bezugsachse 1 abgebildet.

Es bleibt daher, den Verlauf der einzelnen Strahlenbündel in meridionaler Richtung zu erläutern; dieser Strahlenverlauf ist in der einzigen Figur dargestellt.

Die von den Laserdioden D1 bis D5 ausgesandten Strahlenbündel bleiben in meridionaler Richtung von den beiden Zylinderlinsen 3, 4 im wesentlichen unbeeinflußt und treffen auf einen ersten Ringspiegel 5, welcher von den Laserdioden D1 bis D5 an den Stellen Z1 bis Z5 vergrößerte Zwischenbilder erzeugt.

Innerhalb des Strahlengangs und noch vor Erreichen der Zwischenbildsstellen Z1 bis Z5 ist ein zweiter Ringspiegel 6 vorgesehen, der zum ersten Ringspiegel 5 und zu der Halterung der Barren 2 koaxial ist. Der Ringspiegel 6 befindet sich an einer Stelle, an welcher die von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehenden Strahlenbündel voneinander getrennt sind.

Der Ringspiegel 6 besitzt für jedes von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehende Strahlenbündel eine ringförmige Facette F1 bis F5. Jede dieser Facetten F1 bis F5 ist eine Konusfläche, im dargestellten Meridionalschnitt also geradlinig, wobei die Konuswinkel – bezogen auf die Bezugsachse 1 – unterschiedlich sind; dies hat zur Folge, daß alle Facetten F1 bis F5 gegeneinander verkippt sind. Die Wirkung der Facetten F1 bis. F5 ist so, daß die vom ersten Ringspiegel 5 herkommenden Strahlenbündel, die zunächst divergieren, konvergent auf einen einzigen Abbildungsfleck A reflektiert werden, der auf der Bezugsachse 1 liegt. Dieser Abbildungsfleck A entsteht also durch Superposition aller von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehender Strahlenbündel, die auf der die Bezugsachse 1 umgebenden ringförmigen Halterung angeordnet sind. So gelingt es, in dem Abbildungsfleck A eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, die dann für die Laserbearbeitung eines Werkstücks eingesetzt werden kann.


Anspruch[de]
Verfahren zur Überlagerung von Strahlenbündeln, die

von einer Mehrzahl von Einzellichtquellen ausgehen, in mindestens einem Abbildungsfleck,

dadurch gekennzeichnet, daß

von einem ersten, allen Einzellichtquellen gemeinsam zugeordneten abbildenden optischen Element (5) virtuelle Zwischenbilder (Z1 bis Z5) der Einzellichtquellen (D1 bis D5) erzeugt werden und daß durch ein zweites facettiertes optisches Element (6) die von den Einzellichtquellen (D1 bis D5) ausgehenden Strahlenbündel so unterschiedlich abgelenkt werden, daß sie sich in mindestens einem Abbildungsfleck (A) superponieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Einzellichtquellen (D1 bis D5) vergrößerte virtuelle Zwischenbilder (Z1 bis Z5) erzeugt werden. Vorrichtung zur Überlagerung von Strahlenbündeln,

die von einer Mehrzahl von Einzellichtquellen ausgehen, in mindestens einem Arbeitsfleck,

dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

a) mindestens ein erstes, allen Einzellichtquellen gemeinsam zugeordnetes abbildendes optisches Element (5), das virtuelle Zwischenbilder (Z1 bis Z5) der Einzellichtquellen (D1 bis D5) erzeugt;

b) mindestens ein zweites optisches Element (6), das Facetten (F1 bis F5) aufweist, die den von Einzellichtquellen (D1 bis D5) ausgehenden Strahlenbündeln zugeordnet und so gerichtet sind, daß die verschiedenen Strahlenbündel unterschiedlich abgelenkt und in mindestens einem Abbildungsfleck (A) superponiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem ersten optischen Element (5) erzeugten virtuellen Zwischenbilder (Z1 bis Z5) vergrößert sind. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das erste (5) und das zweite (6) optische Element ringförmig ausgebildet und koaxial zu einer gemeinsamen Bezugsachse (1) angeordnet sind;

b) die Einzellichtquellen (D1 bis D5) auf mindestens einem die Bezugsachse (1) umgebenden Ring in mindestens einer Meridionalebene angeordnet sind;

c) den Einzellichtquellen (D1 bis D5) unmittelbar mindestens ein drittes abbildendes optisches Element (3, 4) nachgeschaltet ist, welches in Sagittalrichtung die Abbildungseigenschaften einer Zylinderlinse aufweist und die einzelnen Strahlenbündel in sagittaler Richtung auf der Bezugsachse (1) abbildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß daß erste (5) und das zweite (6) optische Element reflektive optische Elemente sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß dritte abbildende optische Element (3, 4) ein refraktives optisches Element ist.






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