DE10014940A1 - Verfahren und Anordnung zur Homogenisation von divergenter Strahlung - Google Patents

Abstract

Verfahren und Anordndung eines Laserdiodenarrays mit in einer gemeinsamen Ebene liegenden Strahlaustrittsflächen und einer optischen Vorrichtung zum Umformen des vom Laserdiodenarray ausgesandten Laserstrahlenbündels. Die optische Vorrichtung besteht aus einem in Strahlungsrichtung dem Laserarray nachgeordnetes Kollimationselement, auf das die Einzellaserstrahlen in Richtung senkrecht zum pn-Übergang kollimiert sowie aus einem Paar reflektierender Flächen, deren Flächennormale in der Ebene des pn-Übergangs liegt, so daß Bereiche der vom Laserdiodenarray emittierten Strahlung teilweise umgelenkt und mit anderen Bereichen der Laserstrahlung überlagert werden.

Description

Diodenlaser erobern sich in der Industrie und der Medizintechnik immer neue Anwendungsgebiete. Insbesondere durch die hohe elektrooptische Effizienz sind sie für viele Zwecke eine kostengünstige Alternative zu anderen Strahlquellen und Werkzeugen. Sie sind kostengünstig zu produzieren und können in sehr kompakter Bauweise hergestellt werden. Weitere Vorteile sind Wartungsfreiheit und hohe Lebensdauer. Für verschiedene Anwendungen in der Materialbearbeitung ist es erforderlich, homogene Intensitätsverteilungen bereitzustellen. Insbesondere ist die Erzeugung eines homogenen Linienfokus aus einem Diodenlaserbarren erforderlich.

Zum allgemeinen Verständnis wird folgendes Koordinatensystem verwendet:
x-Achse: Richtung parallel zum pn-Übergang und senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung eines Diodenlasers (allgemein mit slow-axis bezeichnet)
y-Achse: Richtung des pn-Übergangs eines Diodenlasers (Höhenachse, allgemein mit fast-axis bezeichnet)
z-Achse: Strahlausbreitungsrichtung direkt nach dem Diodenlaser

Um eine Leistung von einigen 10 W aus einem Diodenlaser zu realisieren, werden die einzelnen Emitter zu einem sogenannten Barren zusammengefaßt. Die einzelnen Emitter sind in einer Reihe in der Ebene parallel zur aktiven Schicht angeordnet (entlang der x-Achse). Die aus einem solchen Barren emittierte Strahlung besitzt in Richtung des pn-Übergangs (fast-axis) eine annähernd beugungsbegrenzte Strahlqualität, das Strahlprofil ist annähernd gaußförmig. Um eine maximale Effizienz zu erzielen, wird in der Ebene parallel zum pn-Übergang eine maximale Modendichte abgeregt. Das Strahlprofil besitzt einen entsprechenden multimodialen Charakter. Die Strahlqualität beträgt in der slow-axis liegt etwa 3 Größenordnungen über der der fast-axis [F. Daiminger, F. Dorsch, D. Lorenzen, "High power laser diodes, laser diode modules and their applications", SPIE proc. 3682, pp 13-23].

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strahlquelle (vorzugsweise Laserbauelement mit mindestens einem Laserbarren) und einer optische Vorrichtung zum Umformen des von der Strahlquelle ausgesandten Strahlenbündels, wobei die optische Vorrichtung eine Kollimationseinheit für eine Strahlachse und mehrere in Strahlungsrichtung dem Laserelement nachgeordnete optische Ablenkelemente aufweist, welche zur Erzeugung einer homogenen Intensitätsverteilung in Richtung der x-Achse verwendet werden. Das Strahlprofil in Richtung der y-Achse bleibt davon unbeeinflußt.

Eine solche Anordnung für Laser mit gaußförmiger und höhermodiger Intensitätsverteilung in x- und y-Richtung ist in US 4 793 694 beschrieben. Hierbei wird die Strahlumordnung mit zwei Paaren von Spiegeln für jeweils eine Richtung erreicht. Das Ergebnis ist eine über die gesamte Fläche nahezu homogen verteilte Intensitätsverteilung. Ein Nachteil dieser Erfindung ist die Beschränkung der Funktion auf kollimierte Strahlenbündel. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Bündelbreite in der Arbeitsebene durch den minimalen Abstand der Spiegel von der optischen. Achse vorgegeben wird, und diese gleichzeitig entsprechend der Anordnung der Spiegel kleinere Abmessungen als die verwendete Strahlquelle hat. Ein weiteres Verfahren zur Strahlhomogenisation ist beispielsweise in US 5 610 733 beschrieben. Der Nachteil dieser Erfindung liegt in der Verwendung von holographischen Elementen, welche aufwendig und teuer in der Herstellung sind. Ein weiteres Verfahren zur Strahlhomogenisation ist beispielsweise in US 5 548 444 beschrieben. Der Nachteil dieser Erfindung liegt in der Verwendung von aufwendig zu fertigenden Speziallinsen und segmentierten Prismen. Ein weiteres Verfahren zur Strahlhomogenisation ist beispielsweise in US 6 014 260 und US 5 414 559 beschrieben. Der Nachteil dieser Erfindungen liegt in der Verwendung von aufwendig herzustellenden Linsenarrays, welche durch die bei allen Arrays vorkommenden Totzonen zwischen den Linsen deutliche Strahlungsverluste aufweisen. Ein weiteres Verfahren zur Strahlhomogenisation ist beispielsweise in US 5 864 430 beschrieben. Der Nachteil dieser Erfindung liegt in der Verwendung von speziellen segmentierten Fourierlinsen, welche in der Herstellung sehr aufwendig sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demzufolge darin, eine Strahlformung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die eine homogene Intensitätsverteilung aus divergenter Diodenlaserstrahlung in Richtung der slow-axis bereitstellt, wobei die Linienverteilung in Richtung der slow-axis größere Ausdehnung als der Laserbarren besitzt. Die Anordnung muß technisch einfach herstellbar sein, keine hohen Forderungen an die Präzision stellen und gleichzeitig vergleichsweise geringe Strahlungsverluste aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch eine Strahlformung und ein Laserbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Abwandlungen des erfindungsgemäßen Laserbauelementes sind Gegenstand der Unteransprüche 3 bis 6.

In Übereinstimmung mit den Aufgaben, wird ein optisches System bereitgestellt, bei dem in einer Richtung (fast­ axis) kollimierte und in der anderen Richtung (slow-axis) divergente Strahlung mit Spiegeln deren Flächennormale in der xz-Ebene liegt, umgeformt wird. Die Spiegel sind so außerhalb des mittleren Bereiches lokalisiert angeordnet, daß ein Teil der emittierten Strahlung ungehindert zwischen Ihnen hindurchgeht und nur divergente Anteile des Strahlungsfeldes umgelenkt werden. Die Randbereiche werden über die Spiegel in der Weise abgelenkt, daß in der Arbeitsebene eine Überlagerung mit dem mittleren Teil des Strahlenbündels erfolgt, so daß unter Beachtung der konkreten Intensitätsverteilung der Strahlungsquelle eine homogenisierte Intensitätsverteilung entsteht. Eine Ausführungsform beinhaltet die Verwendung eines Laserdiodenarrays als Strahlungsquelle, wobei die individuellen Bündel einer linearen Reihe von Diodenlasern zunächst mit geeigneten optischen Elementen manipuliert werden, so daß die individuellen Bündel in Richtung der x- Achse kollimiert werden. Dies geschieht beispielsweise mit einer fast-axis-collimation Linse, die üblicherweise als zylindrisch wirkende Mikrolinse ausgeführt wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet anstelle eines Barrens ein aus mehreren übereinander gestapelten Laserdiodenbarren (Stack) bestehende Laserquelle.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, daß statt der Planspiegel als Ablenkeinheit Prismen verwendet werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, daß diffraktive Elemente zu Ablenkung der Strahlen verwendet werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, daß zur Ablenkung ebenso konvex oder konkav gewölbte Spiegel verwendet werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine gesamte Ansicht der Laserdiodenanordnung von oben

Fig. 2 Querschnitte der Intensitätsverteilungen in definierten Ebenen

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform mit Prismen.

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform mit gewölbten Spiegeln

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform mit mehreren Barren als Strahlungsquelle

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, die ein Laserdiodenarray 1, eine Kollimationseinheit 2 und ein Paar Ablenkeinheiten 3 aufweist. Das Laserdiodenarray 1 beinhaltet einige 10 von einzelnen Emittern, die längs einer lateralen Länge desselben angeordnet sind und die untereinander gleiche oder ähnliche Abstrahlcharakteristiken bezüglich Strahlungsfeld und -richtung aufweisen. Die Kollimationseinheit 2 besteht aus einer zylindrisch wirkenden Mikrolinse, die parallel zum Barren ausgerichtet ist. Die Kollimationseinheit 2 ist in geringem Abstand hinter der emittierenden Ebene des Laserbarrens angeordnet, so daß die in y-Richtung emittierte Strahlung in nahezu kollimierte Strahlung für diese Richtung umgewandelt wird, die andere Richtung jedoch bis auf einen Versatz nahezu unbeeinflußt läßt, wodurch in Ebene #2A eine linienförmige Intensitätsverteilung mit unveränderter Divergenz in x-Richtung entsteht.

Nachdem das Strahlungsfeld das Kollimationsmodul 2 verlassen hat, werden die äußeren divergenten Anteile des Strahlungsfeldes von den strahlablenkenden Elementen 3 in Richtung der optischen Achse reflektiert. In der vorliegenden Ausführungsform bestehen die Elemente 3 aus jeweils einem Planspiegel, dessen Flächennormale in der xz-Ebene liegt. Die Spiegel sind so angeordnet, daß die in x-Richtung linienförmige Intensitätsverteilung in 3 Teile aufgeteilt wird, wobei der mittlere Teil unabgelenkt durch den Bereich des strahlablenkenden Elementes 3 hindurch tritt, und die äußeren Abschnitte nach innen reflektiert werden. Die Anordnung ist daher so gewählt, daß der Abstand bezüglich der x-Achse zwischen den Spiegelflächen mit wachsender Entfernung vom Laserbarren abnimmt. Die Anordnung und Dimensionierung der strahlablenkenden Elemente 3 ist so gewählt, daß der optisch aktive Teil zwischen Ebene #3A und Ebene #3B liegt. Die Ebene #3A ist durch die maximale Divergenz des Lasers in x-Richtung und den x-Abstand der Spiegel in dieser Ebene bestimmt. Es ist ohne weiteres möglich, die strahlablenkenden Elemente 3 weiter in Richtung des Laserbarrens auszuführen, aber in diesem Bereich haben sie keine optische Wirkung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der x-Abstand zwischen den Spiegeln in der Ebene #3A etwa doppelt so groß wie der Abstand zwischen den äußersten emittierenden Einzellasern des Barrens. Damit ergibt sich bei einer Divergenz in x-Richtung des Barrens von 100 mrad ein Abstand von etwa 45 mm zwischen dem Barren und der Ebene #3A. In der Ebene #3B ist der x-Abstand der Spiegel so gewählt, daß mit dem dadurch eingestellten Reflexionswinkel der strahlablenkenden Elemente 3 die äußeren Bereiche so reflektiert werden, daß eine Überlagerung mit dem mittleren Bereich in der Form realisiert wird, daß die reflektierten Anteile sich im Bereich der seitlichen Flanken der mittleren Intensitätsverteilung mit diesen überlagern und so eine größere Flankensteilheit und einen größeren Bereich einer homogenen Intensitätsverteilung erzielt wird. Der x- Abstand der Spiegel in der Ebene #3B ist größer als die einfache Barrenbreite gewählt. Im vorliegenden Fall ist der x-Abstand der Spiegel in der Ebene #3B etwa um den Faktor 1,6 größer als die Barrenbreite. Der Abstand der Ebenen #3A und #3B muß abhängig von der gewünschten Linienbreite (Ausdehnung in x-Richtung) in der Arbeitsebene und dem Abstand zur Arbeitsebene gewählt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ergibt sich damit ein Winkel α für die strahlablenkenden Elemente 3 zur z-Achse von etwa 25 mrad. Die zugehörigen Intensitätsverteilungen entlang der x-Achse sind in Fig. 2 dargestellt. Abhängig von der Divergenz der Laserquelle, dem gewünschten Linienprofil und der gewünschten Arbeitsebene ergeben sich entsprechend modifizierte Geometrien für andere Anwendungszwecke.

Durch das Strahlformungssystem nach der Erfindung wie oben beschrieben kann ein Strahlungsfeld mit divergenter Strahlung in x-Achse sowohl wirtschaftlich als auch effizient zu einem homogeneren Intensitätsprofil geformt werden. Dadurch wird der nutzbare Bereich des Strahlungsfeldes, wie z. B. beim Schweißen gefordert, vergrößert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Homogenisierung eines Strahlenbündels mit gegebenem Intensitätsprofil, welches in x-Richtung divergente und in y-Richtung kollimierte Strahlung aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß planare Ablenkelemente deren Flächennormale in der xz-Ebene liegt und deren kleinster Abstand in x-Richtung zur optischen Achse größer als die halbe Breite der Strahlungsquelle ist und deren Abstand von der optischen Achse mit dem Abstand von der Strahlungsquelle abnimmt, das Strahlenbündel in Richtung der slow-axis derart aufgeteilen und überlagern, daß in der Arbeitsebene eine sich über einen bestimmten Bereich, welcher größere Dimensionen hat als ein entsprechender Bereich des ursprünglichen Strahlenbündels, erstreckende homogene Intensitätsverteilung erzeugt wird.

2. Strahlformungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle ein Array von Laserdioden verwendet wird, die längs einer lateralen Länge desselben angeordnet sind und die untereinander gleiche oder ähnliche Abstrahlcharakteristiken bezüglich Strahlungsfeld und -richtung aufweisen, welchem ein Kollimationsmodul nachgeordnet wird, welches aus einer zylindrisch wirkenden Mikrooptik zur Kollimation der Strahlung in y-Richtung besteht, welchen 2 planare Spiegelelemente derart nachgeordnet sind, daß das Strahlungsfeld in x-Richtung in 3 Teile zerlegt und die äußeren divergenten Anteile nach innen reflektiert werden und sich in der Arbeitsebene so mit dem nicht abgelenkten Anteil überlagern, daß ein Bereich homogener Intensitätsverteilung entlang der x- Achse entsteht, welcher größere Dimensionen als die entsprechende Ausdehnung des Barrens in x-Richtung besitzt, wobei die Spiegelelemente derart angeordnet sind, das deren kleinster Abstand in x-Richtung zur optischen Achse größer als die halbe Breite der Strahlungsquelle ist und deren Abstand von der optischen Achse mit dem Abstand von der Strahlungsquelle abnimmt und die Flächennormale in der xz-Ebene liegt.

3. Strahlformungssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle mehrere Laserdiodenarrays verwendet werden, welche in y- Richtung übereinander gestapelt werden und gleiche Emissionsrichtung aufweisen und deren Ablenkung der von den einzelnen zugehörigen Kollimationselementen kollimierten Strahlungsbündeln in Richtung der y-Achse durch Versatz von Linsen oder anderen refraktiven oder diffraktiven optischen Elementen bewerkstelligt wird, um die einzelnen Strahlenbündel in der Arbeitsebene zu überlagern.

4. Strahlformungssystem nach Anspruch 1 und. 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkelemente ein Prismen verwendet werden.

5. Strahlformungssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkelemente gewölbte Spiegel verwendet werden.

6. Strahlformungssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkelemente diffraktive Strukturen (Beugungsgitter) verwendet werden.