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Dokumentenidentifikation DE10062454B4 11.10.2007
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 10062454
Offenlegungstag 13.03.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse G02B 27/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01S 5/40(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3

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 voll 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 DE 195 44 488 A1 ist eine Vorrichtung zur Überlagerung von Strahlenbündeln bekannt, bei der die von Laserdioden erzeugten Einzelbündel mit Hilfe eines facettierten optischen Elements parallelisiert und dann mit Hilfe einer Sammellinse auf einen Abbildungsfleck fokusiert werden.

Nach dem gleichen Prinzip arbeitet auch die aus der EP 0 717 476 A1 bekannte Vorrichtung, mit der das von mehreren Laserdioden erzeugte Licht in eine optische Faser eingekoppelt wird.

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

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.

Die Erfindung arbeitet mit dem an sich bekannten "Trick", die von unterschiedlichen zu überlagernden Einzellichtquellen und damit von unterschiedlichen Stellen ausgehenden Strahlenbündel so parallel zu richten, daß sowohl innerhalb der einzelnen Strahlenbündel als auch von Strahlenbündel zu Strahlenbündel nur noch parallele Strahlen vorliegen. Diese Strahlen lassen sich dann problemlos mit einem bekannten, einfachen weiteren optischen Element in einen Abbildungsfleck fokussieren. Dabei ist jeder Einzellichtquelle eine Facette dieses ersten abbildenden optischen Elementes zugeordnet. Dieses kann sich an jeder beliebigen Stelle des Strahlenganges befinden, an welchem die Einzelstrahlbündel voneinander getrennt sind, sich also nicht überlappen. Insbesondere braucht also dieses facettierte Element nicht unmittelbar hinter den Einzellichtquellen angeordnet zu sein. Ebensowenig müssen die einzelnen Facetten, jede für sich, justiert werden. Sie können bereits werksseitig eine solche Form und Krümmung erhalten, daß die angestrebte Parallelrichtung der Strahlen in den verschiedenen Strahlenbündeln 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.

Normalerweise werden die von allen Einzellichtquellen ausgehenden Strahlenbündel sämtlich parallelisiert, so daß ein einziger Abbildungsfleck entsteht. In Sonderfällen ist es jedoch auch möglich, die Einzellichtquellen in Gruppen zusammenzufassen, wobei die Strahlenbündel der zu einer Gruppe gehörenden Einzellichtquellen jeweils parallelisiert werden, die Richtungen der zu unterschiedlichen Gruppen gehörenden Strahlenbündel aber unterschiedlich sind. Auf diese Weise lassen sich mehrere Abbildungsflecke in einer bestimmten räumlichen Anordnung, insbesondere im Abstand voneinander auf der optischen Achse, erzielen.

Erfindungsgemäß ist die Anordnung 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 abbildenden optischen Elementes können 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 zusätzlicher Abbildungselemente 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 in mindestens einem Abbildungsfleck auf der Bezugsachse superponiert werden. Hier läßt sich eine hohe Leistungsdichte erreichen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß von den Einzellichtquellen zunächst vergrößerte reelle oder virtuelle Zwischenbilder erzeugt werden und daß die Parallelrichtung der Strahlen an einer Stelle außerhalb der Zwischenbilder erfolgt, an welcher die von den Einzellichtquellen ausgehenden Strahlenbündel voneinander getrennt sind. Diese "Vorvergrößerung" der Einzellichtquellen vor der Parallelisierung der Strahlen ermöglicht die Verwendung größerer facettierter optischer Elemente, die leichter hergestellt und leichter richtig in den Strahlengang eingesetzt werden können.

Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten, die Facetten zu gestalten:

Bei einer ersten Ausführungsform sind die Facetten konvex gekrümmt; sie liegen dann im Strahlengang vor den Zwischenbildern der Einzellichtquellen, bei denen es sich um virtuelle Zwischenbilder handelt.

Im zweiten Falle sind die Facetten des ersten abbildenden optischen Elementes konkav gekrümmt; dann liegen sie im Strahlengang hinter den Zwischenbildern der Einzellichtquellen, bei denen es sich um reelle Zwischenbilder handelt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

1: im Meridionalschnitt den Strahlengang einer Vorrichtung zur Fokussierung der von mehreren Barren ausgehenden Strahlenbündel;

2: 2 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus einem Ringspiegel, der in dem Strahlengang der 1 Verwendung findet;

3: die Darstellung eines alternativen Ringspiegels, ähnlich der 2.

Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung ist im wesentlichen ringförmig zu einer Bezugsachse ausgebildet, die in 1 mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist.

Auf einer ringförmigen, gekühlten Halterung, die in 1 nicht dargestellt ist, ist eine Mehrzahl von Barren 2 montiert; zwei dieser Barren 2 sind in 1 erkennbar. Jeder dieser Barren 2 enthält seinerseits eine Mehrzahl einzelner Laserdioden, im dargestellten Falle 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 Systemes. 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 Durchlaufen der weiteren, nachfolgend zu beschreibenden optischen Elemente 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 1 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 Strahlenganges noch vor Erreichen der Zwischenbildstellen 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. Er weist eine ringförmige Facettierung auf, die aufgrund ihrer geringen Größe in 1 nicht erkennbar und daher in 2 in größerem Maßstabe dargestellt ist. In 2 ist die durchgängige, leichte Krümmung des Ringspiegels 6, die dieser im Meridionalschnitt der 1 aufweist, vernachlässigt.

Wie 2 zeigt, besitzt der Ringspiegel 6 für jedes von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehende Strahlenbündel eine ringförmige Facette F1 bis F5, die für die auftreffenden Strahlenbündel konvex gekrümmt ist. Dargestellt sind die Randstrahlen R11 und R12 des von der Laserdiode D1 ausgehenden Strahlenbündels und die Randstrahlen R21 und R22 des von der Laserdiode D2 ausgehenden Strahlenbündels. Die weiteren Strahlenbündel, die von den Laserdioden D3 bis D5 ausgehen, sind in 2 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen.

Die konvexen Facettenringe F1 bis F5 weisen eine solche Krümmung auf, daß die auf sie auftreffenden Strahlen nach der Reflexion parallel verlaufen, und zwar nicht nur innerhalb des einzelnen Strahlenbündels sondern über alle Strahlenbündel hinweg. Die auf diese Weise parallel gerichteten, den Ringspiegel 6 verlassenden Strahlen treffen auf einen dritten Ringspiegel 7. Auch dieser ist koaxial zu der Halterung der Barren 2, dem ersten Ringspiegel 5 und dem zweiten Ringspiegel 6 angeordnet. Der Ringspiegel 7 weist im Meridionalschnitt eine für die auftreffenden Strahlen konkave Krümmung auf, die so gewählt ist, daß die parallelen Strahlen auf der Bezugsachse 1 in einem Abbildungsfleck A abgebildet werden. Dieser Abbildungsfleck A entsteht also durch Superposition aller von den Laserdioden D1 bis D5 ausgehenden 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 Werkstückes eingesetzt werden kann.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden Facettenringe F1 bis F5 eingesetzt, die für auftreffenden Strahlenbündel konvex gekrümmt sind. Die Zwischenbilder Z1 bis Z5, die von dem ersten Ringspiegel 5 erzeugt werden, sind virtuelle Zwischenbilder und liegen hinter dem zweiten Ringspiegel 6. Alternativ ist es aber auch möglich, Facettenringe F1 bis F5 einzusetzen, die für die auftreffenden Strahlen konkav gekrümmt sind. Dies ist in 3 dargestellt. Auch in diesem Falle ist es möglich, die Krümmung der Facettenringe F1 bis F5 so zu wählen, daß alle von ihnen reflektierten Strahlen parallel verlaufen. Der einzige Unterschied ist, daß beim Ausführungsbeispiel des zweiten Ringspiegels 6 nach 3 die von dem ersten Ringspiegel 5 entworfenen Zwischenbilder Z1 bis Z5 der Laserdioden D1 bis D5 reelle Zwischenbilder sind und vor dem zweiten Ringspiegel 6 liegen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Überlagerung von Strahlenbündeln, die von einer Mehrzahl von Einzellichtquellen ausgehen, in mindestens einen Abbildungsfleck, wobei die Strahlen, die in zumindest einem Teil der von den Einzellichtquellen (D1 bis D5) ausgehenden Strahlenbündel enthalten sind, zunächst durch ein entsprechend facettiertes erstes optisches Element (6) parallel gerichtet und sodann durch ein zweites optisches Element (7) in einen Abbildungsfleck (A) abgebildet werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Einzellichtquellen (D1 bis D5) auf mindestens einem eine Bezugsachse (1) umgebenden Ring in mindestens einer Meridionalebene angeordnet sind, und daß

das facettierte erste optische Element (6) und das zweite optische Element (7) ringförmig ausgebildet und koaxial zu der Bezugsachse (1) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Einzellichtquellen (D1 bis D5) zunächst vergrößerte reelle oder virtuelle Zwischenbilder (Z1 bis Z5) erzeugt werden, und daß die Parallelrichtung der Strahlen an einer Stelle außerhalb der Zwischenbilder (Z1 bis Z5) erfolgt, an welcher die von den Einzellichtquellen (D1 bis D5) ausgehenden Strahlenbündel voneinander getrennt sind. Vorrichtung zur Überlagerung von Strahlenbündeln, die von einer Mehrzahl von Einzellichtquellen ausgehen, in mindestens einen Abbildungsfleck, wobei die Vorrichtung umfaßt:

a) mindestens ein erstes abbildendes optisches Element (6), das Facetten (F1 bis F5) aufweist, die den von Einzellichtquellen (D1 bis D5) ausgehenden Strahlenbündeln zugeordnet und so gekrümmt sind, daß alle Strahlen in zumindest einem Teil der verschiedenen Strahlenbündel parallel gerichtet werden;

b) mindestens ein zweites abbildendes optisches Element (7), welches die parallel gerichteten Strahlen aller Strahlenbündel in einen Abbildungsfleck (A) abbildet,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) das erste (6) und das zweite (7) abbildende optische Element ringförmig ausgebildet und koaxial zu einer gemeinsamen Bezugsachse (1) angeordnet sind;

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

e) 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 Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor dem ersten, die Facetten (F1 bis F5) aufweisenden abbildenden optischen Element (6) ein viertes abbildendes optisches Element (5) angeordnet ist, das von den Einzellichtquellen (D1 bis D5) ein vergrößertes reelles oder virtuelles Zwischenbild (Z1 bis Z5) erzeugt, wobei das erste abbildende Element (6) außerhalb der Zwischenbilder (Z1 bis Z5) an einer Stelle angeordnet ist, an welcher die von den Einzellichtquellen (D1 bis D5) ausgehenden Strahlenbündel voneinander getrennt sind. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte abbildende optische Element (5) ringförmig ausgebildet und koaxial zu der gemeinsamen Bezugsachse (1) angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten (F1 bis F5) des ersten abbildenden optischen Elements (6) konvex gekrümmt sind und im Strahlengang vor den virtuellen Zwischenbildern (Z1 bis Z5) der Einzellichtquellen (D1 bis D5) liegen. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten (F1 bis F5) des ersten abbildenden optischen Elements (6) konkav gekrümmt sind und im Strahlengang hinter den reellen Zwischenbildern (Z1 bis Z5) der Einzellichtquellen (D1 bis D5) liegen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (6) und das zweite (7) abbildende optische Element reflektive optische Elemente sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte abbildende optische Element (3, 4) ein refraktives optisches Element ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte abbildende optische Element (5) ein reflektives optisches Element ist.






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