DE102017108936A1 - Homogenization of pump laser radiation - Google Patents
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Abstract
Eine Pumpeinheit (2) zur Erzeugung eines homogenisierten Pumplaserstrahls (15B) zum optischen Pumpen eines laseraktiven Mediums (13) eines Lasersystems (1) umfasst ein Pumplasersystem (3), bei dem eine Mehrzahl von Laserstrahlen (19A, 19B, 19C, 19A‘, 19B‘, 19C‘) zu einem primären Pumplaserstrahl (15A) überlagert werden. Ferner umfasst die Pumpeinheit (2) ein optisches Strahlformungssystem (5) zur Homogenisierung des primären Pumplaserstrahls (15A), wobei das optische Strahlformungssystem (5) eine Mikrolinsenanordnung (7) mit einer Mehrzahl von Linsen (7A) und ein optisches Lichtmischungselement (9) zur Führung des primären Pumplaserstrahls (15A) durch Mehrfachreflexion und zur Abgabe des homogenisierten Pumplaserstrahl (15B) aufweist. Die Mikrolinsenanordnung (7) ist derart angeordnet, dass der primäre Pumplaserstrahl (15A) mehrere Linsen (7A) der Mikrolinsenanordnung (7) vor der Einkopplung in das optische Lichtmischungselement (9) durchstrahlt. A pump unit (2) for generating a homogenized pump laser beam (15B) for optically pumping a laser-active medium (13) of a laser system (1) comprises a pump laser system (3) in which a plurality of laser beams (19A, 19B, 19C, 19A ', 19B ', 19C') to a primary pump laser beam (15A). Furthermore, the pump unit (2) comprises an optical beam-shaping system (5) for homogenizing the primary pump laser beam (15A), the optical beam-shaping system (5) comprising a microlens array (7) with a plurality of lenses (7A) and an optical light mixing element (9) Guiding the primary pump laser beam (15A) through multiple reflection and for delivering the homogenized pump laser beam (15B). The microlens array (7) is arranged such that the primary pump laser beam (15A) radiates through a plurality of lenses (7A) of the microlens array (7) prior to coupling into the optical light mixing element (9).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Systeme zur homogenen Überlagerung von Laserstrahlung, insbesondere zur Überlagerung von Pumplaserstrahlung mehrerer Laserdiodenmodule, wie sie in Pumplasersystemen eingesetzt werden. Ferner betrifft die Erfindung Lasersysteme, insbesondere mit Diodenlasern gepumpte Lasersysteme, zur Verstärkung von cw- und gepulster Laserstrahlung auf hohe Leistung und/oder hohe Pulsenergie.The present invention relates to optical systems for the homogeneous superposition of laser radiation, in particular for the superimposition of pump laser radiation of a plurality of laser diode modules, as used in pump laser systems. Furthermore, the invention relates to laser systems, in particular laser systems pumped with diode lasers, for amplifying cw and pulsed laser radiation to high power and / or high pulse energy.
Lasersysteme, z. B. Hochleistungsfestkörperlaser, benötigen eine entsprechend ausgelegte Pumpleistung, die in das der Verstärkung zugrunde liegende Medium einzukoppeln ist. Um hohe Pumpleistungen zu erreichen, kann die Laserstrahlung mehrerer Pumplaser zu einem Pumplaserstrahl überlagert werden. Ferner kann die überlagerte Laserstrahlung von mehreren Laserdioden einen Kristall, z. B. ein scheibenförmiges Verstärkungsmedium eines Scheibenlaserverstärkers, in einem gefalteten Aufbau mehrfach durchlaufen. Pumplasersysteme können auf Hochleistungsdiodenlasermodulen basieren, die jeweils eine Mehrzahl von Laserdiodenbarren aufweisen.Laser systems, z. B. high-power solid-state lasers, require a correspondingly designed pump power, which is to be coupled into the gain of the underlying medium. In order to achieve high pumping powers, the laser radiation of several pump lasers can be superimposed to form a pump laser beam. Furthermore, the superimposed laser radiation from a plurality of laser diodes, a crystal, for. B. a disk-shaped gain medium of a disk laser amplifier, go through several times in a folded structure. Pump laser systems may be based on high power diode laser modules, each having a plurality of laser diode bars.
Ein Kombinieren von Laserstrahlung mehrerer Laserdioden kann beispielsweise mit einer wie in
Bei kompakt aufgebauten Diodenbarren reduzieren sich die strahlfreien Bereiche, sodass die Ausgangsstrahlung der Pumpmodule zur Ausbildung eines Pumplaserstrahls in einem nachfolgenden gemeinsamen Strahlengang kombiniert werden können, wenn die Pumpmodule z. B. direkt übereinander angeordnet sind.In compact diode bars reduce the beam-free areas, so that the output radiation of the pump modules to form a pump laser beam can be combined in a subsequent common beam path when the pump modules z. B. are arranged directly above one another.
Bevor der Pumplaserstrahl in das laseraktive Medium eingekoppelt wird, kann in einem Lichtmischer die Ausgangsstrahlung der verschiedenen Pumpmodule, d. h., der verschiedenen Laserbarren, vermischt werden, wodurch ein homogeneres Ausgangsstrahlprofil des homogenisierten Pumplaserstrahls nach dem Lichtmischer erzeugt werden kann. Eine beispielhafte Laserpumpanordnung mit Strahlhomogenisierung in einem optischen Homogenisator zur Durchmischung von Teilpumpstrahlung ist in
Um eine Skalierbarkeit der Pumpleistung des Pumplasersystems bereitzustellen, kann die Anzahl der Pumpmodule, die in einem ansonsten identischen Pumplasersystem eingesetzt werden, je nach Anwendung variiert werden. Bei einer reduzierten Anzahl von Pumpmodulen kann allerdings der Winkelbereich des in den Lichtmischer eingekoppelten Pumplaserstrahls reduziert sein, sodass die Homogenisierung des Pumplaserstrahls nicht vollständig, bzw. für eine Anwendung nicht ausreichend, erfolgen kann. Dies kann zu einer erhöhten Empfindlichkeit eines gepumpten Lasersystems (z. B. Laserverstärkungssystems) auf die Justage des Pumplaserstrahls führen. Beispielsweise tritt eine erhöhte Empfindlichkeit auf Änderungen im Strahlengang und/oder in der Intensitätsverteilung ein. Die erhöhte Empfindlichkeit kann insbesondere darauf zurückgehen, dass sich die Leistungsverteilung im Pumpstrahl ändert, wenn z. B. ein Pumpmodul gegen ein anderes Pumpmodul ausgetauscht wird, wobei das neue Pumpmodul üblicherweise ein etwas anderes Abstrahlverhalten, insbesondere eine etwas andere Abstrahlwinkelverteilung, aufweist. Wenn z. B. allgemein große Winkelbereiche des fokussierten Pumplichts nicht durch Laserstrahlen gefüllt sind, mag die vorgenommene Homogenisierung im Lichtmischer nicht ausreichen. Dadurch können sich bei unterschiedlichen Pumpmodulen unterschiedliche Leistungsverteilungen ergeben, die jeweils anders unzureichend sind und so zu Instabilität bzw. zu einer notwendigen Nachjustage des Systems führen. Beispielsweise bei dem genannten Scheibenlasersystem ist die Leistungsverteilung im Verstärkungsmedium im Einzeldurchgang maßgeblich verantwortlich für die Resonatorstabilität sowie für das Einlaufverhalten bzw. die Sprungantwort des Scheibenlasersystems.To provide scalability of the pumping power of the pump laser system, the number of pumping modules used in an otherwise identical pump laser system can be varied depending on the application. With a reduced number of pumping modules, however, the angular range of the pumped laser beam coupled into the light mixer can be reduced so that the homogenization of the pumped laser beam can not be complete or insufficient for an application. This can lead to an increased sensitivity of a pumped laser system (eg laser amplification system) to the adjustment of the pump laser beam. For example, an increased sensitivity to changes in the beam path and / or in the intensity distribution occurs. The increased sensitivity may in particular be due to the fact that the power distribution in the pump beam changes when z. B. a pumping module is exchanged for another pumping module, wherein the new pumping module usually has a slightly different radiation behavior, in particular a slightly different Abstrahlwinkelverteilung has. If z. B. generally large angular ranges of the focused pumping light are not filled by laser beams may not be sufficient to make the homogenization in the light mixer. This can result in different pumping modules different power distributions, each of which is otherwise insufficient and so lead to instability or to a necessary readjustment of the system. For example, in the case of the abovementioned disk laser system, the power distribution in the amplification medium in a single pass is decisively responsible for the resonator stability and for the running-in behavior or the step response of the disk laser system.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpeinheit zur Erzeugung eines homogenisierten Pumplaserstrahls vorzuschlagen, die insbesondere für die Verwendung mit einer unterschiedlichen Anzahl von Pumpmodulen ausgebildet ist. Das optische Strahlformungssystem zur Strahlhomogenisierung sollte dabei insbesondere eine Verbesserung der Homogenisierung bei einer geringen Anzahl von Pumpmodulen bewirken. Mit anderen Worten, auch bei einer Präsenz von strahlfreien Bereichen eines zu homogenisierenden Pumplaserstrahls soll eine ausreichende Homogenisierung erfolgen. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilität von Pumplasersystemen und entsprechend gepumpten Lasersystemen, insbesondere Laserverstärkungssystemen, zu erhöhen und den Austausch von Pumpmodulen zu vereinfachen.One aspect of this disclosure is based on the object of proposing a pump unit for generating a homogenized pump laser beam, which is designed in particular for use with a different number of pump modules. The optical beam-shaping system for beam homogenization should in particular bring about an improvement in the homogenization with a small number of pump modules. In other words, even in the presence of jet-free areas of a pump laser beam to be homogenized, sufficient homogenization should take place. A further aspect of this disclosure is based on the object of increasing the stability of pump laser systems and correspondingly pumped laser systems, in particular laser amplification systems, and to simplify the replacement of pump modules.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Pumpeinheit zur Erzeugung eines homogenisierten Pumplaserstrahls nach Anspruch 1 und durch ein Lasersystem nach Anspruch 18. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.At least one of these objects is achieved by a pump unit for producing a homogenized pump laser beam according to
In einem Aspekt weist eine Pumpeinheit zur Erzeugung eines homogenisierten Pumplaserstrahls zum optischen Pumpen eines laseraktiven Mediums eines Lasersystems ein Pumplasersystem und ein optisches Strahlformungssystem auf. Bei dem Pumplasersystem werden eine Mehrzahl von Laserstrahlen zu einem primären Pumplaserstrahl überlagert. Das optische Strahlformungssystem dient der Homogenisierung des primären Pumplaserstrahls, wobei das optische Strahlformungssystem eine Mikrolinsenanordnung mit einer Mehrzahl von Linsen und ein optisches Lichtmischungselement zur Führung des primären Pumplaserstrahls durch Mehrfachreflexion und zur Abgabe des homogenisierten Pumplaserstrahls aufweist. Die Mikrolinsenanordnung ist derart angeordnet, dass der primäre Pumplaserstrahl mehrere Linsen der Mikrolinsenanordnung vor der Einkopplung in das optische Lichtmischungselement durchstrahlt.In one aspect, a pump unit for generating a homogenized pump laser beam for optically pumping a laser active medium of a laser system comprises a pump laser system and an optical beam forming system. In the pump laser system, a plurality of laser beams are superimposed to a primary pump laser beam. The optical beam shaping system is for homogenizing the primary pump laser beam, the optical beam shaping system comprising a microlens array having a plurality of lenses and an optical light mixing element for guiding the primary pump laser beam through multiple reflection and for delivering the homogenized pump laser beam. The microlens array is arranged such that the primary pump laser beam irradiates a plurality of lenses of the microlens array prior to coupling into the optical light mixing element.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Lasersystem, insbesondere Laserverstärkersystem, eine derartige Pumpeinheit und eine Laserkavität mit dem zu pumpenden laseraktiven Medium, das der von der Pumpeinheit erzeugte, homogenisierte Pumplaserstrahl mindestens einmal durchstrahlt.In a further aspect, a laser system, in particular a laser amplifier system, comprises such a pump unit and a laser cavity with the laser-active medium to be pumped, which radiates the homogenized pump laser beam generated by the pump unit at least once.
In beispielhaften Ausführungsformen umfasst das Pumplasersystem mehrerer Pumpmodule, wobei jedes Pumpenmodul eine Mehrzahl von Laserstrahlen emittiert und der primäre Pumplaserstrahl durch Überlagerung der Laserstrahlen der Pumpmodule erzeugt wird.In exemplary embodiments, the pump laser system includes a plurality of pumping modules, each pumping module emitting a plurality of laser beams and generating the primary pumping laser beam by superposing the laser beams of the pumping modules.
In beispielhaften Ausführungsformen sind eine Position der Mikrolinsenanordnung im Strahlengang zwischen dem Pumplasersystem und dem optischen Lichtmischungselement und ein lateraler Versatz benachbarter Linsen der Mikrolinsenanordnung derart gewählt, dass mindestens fünf Linsen der Mikrolinsenanordnung ausgeleuchtet werden. Beispielsweise weist das Lichtmischungselement eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche auf, und die Mikrolinsenanordnung ist direkt auf oder nahe der Eintrittsfläche des optischen Lichtmischungselements angeordnet. Ferner kann die Mikrolinsenanordnung in der Öffnung eines Strahlblendenelements angeordnet werden. In beispielhaften Ausführungen können Linsen der Mikrolinsenanordnung in einer Aufreihungsrichtung mit einem Versatz zwischen zwei Linsen aufgereiht werden, wobei der Versatz höchstens einem Fünftel des Ausmaßes einer Eintrittsfläche des optischen Lichtmischungselements in der Aufreihungsrichtung entspricht.In exemplary embodiments, a position of the microlens array in the beam path between the pump laser system and the optical light mixing element and a lateral offset of adjacent lenses of the microlens array are selected such that at least five lenses of the microlens array are illuminated. For example, the light mixing element has an entrance surface and an exit surface, and the microlens array is disposed directly on or near the entrance surface of the optical light mixing element. Furthermore, the microlens array can be arranged in the opening of a beam aperture element. In exemplary embodiments, lenses of the microlens array may be lined up in an alignment direction with an offset between two lenses, the offset corresponding to at most one fifth of the extent of an entrance surface of the optical light mixing element in the array direction.
In beispielhaften Ausführungsformen ist das Lichtmischungselements als Lichtmischerstab ausgebildet, der Lichtstrahlen durch totale interne Mehrfachreflexionen von einer Eintrittsfläche des Lichtmischerstabs zu einer Austrittsfläche des Lichtmischerstabs durch den Lichtmischerstab führt, und eine Anzahl von Reflexionen eines Lichtstrahls im Lichtmischerstab vom Einfallswinkel des jeweiligen Lichtstrahls auf die Eintrittsfläche abhängt, sodass an der Austrittsfläche eine homogenisierte Verteilung der austretenden Lichtstrahlen vorliegt.In exemplary embodiments, the light mixing element is configured as a light mixer rod that guides light beams through total internal multiple reflections from an entrance surface of the light mixer rod to an exit surface of the light mixer rod through the light mixer rod, and a number of reflections of a light beam in the light mixer rod depend on the incident angle of the respective light beam on the entrance surface. so that there is a homogenized distribution of the emerging light rays at the exit surface.
In beispielhaften Ausführungsformen ist das Pumplasersystem zur Bestückung mit einer unterschiedlichen Anzahl von Pumpmodulen ausgebildet und eine Länge des Lichtmischungselements und die Anzahl der durchstrahlten Linsen sind derart ausgelegt, dass bei einer Verwendung einer minimal vorgesehenen Anzahl von Pumpmodulen in Kombination mit der Mikrolinsenanordnung eine Intensitätsschwankung im homogenisierten Pumplaserstrahl von kleiner 15 % vorliegt.In exemplary embodiments, the pump laser system is configured to be populated with a different number of pumping modules, and a length of the light mixing element and the number of irradiated lenses are such that when using a minimum number of pumping modules in combination with the microlens array, an intensity variation in the homogenized pump laser beam of less than 15%.
Allgemein kann eine numerische Apertur der Mikrolinsenanordnung auf die Divergenz des primären Pumpstrahls angepasst sein.In general, a numerical aperture of the microlens array can be adapted to the divergence of the primary pump beam.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Pumpeinheit ferner eine Fokussieroptik zum Erzeugen eines konvergenten Strahlverlaufs zur Einkopplung des primären Pumplaserstrahl in das Lichtmischungselement aufweisen, wobei die Mikrolinsenanordnung im konvergenten Strahlverlauf zwischen der Fokussieroptik und dem Lichtmischungselement in einem Bereich der zumindest im Wesentlichen überlagerten Laserstrahlen des Pumplasersystems angeordnet ist.In some example embodiments, the pumping unit may further include focusing optics for generating a convergent beam path for coupling the primary pump laser beam into the light mixing element, the microlens array being disposed in the convergent beam path between the focusing optics and the light mixing element in a region of the at least substantially superimposed laser beams of the pump laser system ,
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann das Pumplasersystem eine Mehrzahl von Laserdioden-basierten Pumpmodulen umfassen. Ein Laserstrahlbereich kann dann jeweils einem Pumpmodul der Mehrzahl von Pumpmodulen zugeordnet sein, wobei benachbarte (insbesondere flächig geschlossene) Laserstrahlbereichen im primären Pumplaserstrahl vor der Überlagerung in Richtung der schnellen Achse nebeneinander angeordnet sind. Die Laserdioden-basierten Pumpmodule können dabei in Richtung der schnellen Achse nebeneinander angeordnet sein, so dass die Laserstrahlung von benachbarten Pumpmodulen vor der Überlagerung benachbarte Bereiche des primären Pumplaserstrahls bildet. Alternativ kann die Laserstrahlung von Pumpmodulen derart geführt werden, dass benachbarte Laserstrahlbereiche des primären Pumplaserstrahls von jeweils zugeordneten Pumpmodulen erzeugt und mittels Optiken nebeneinander ausgerichtet werden.In some example embodiments, the pump laser system may include a plurality of laser diode based pumping modules. A laser beam region can then be assigned in each case to a pump module of the plurality of pump modules, wherein adjacent (in particular flatly closed) laser beam regions in the primary pump laser beam are arranged next to one another in the direction of the fast axis prior to the superposition. The laser diode-based pumping modules can be arranged side by side in the direction of the fast axis, so that the laser radiation from adjacent pumping modules forms adjacent regions of the primary pumping laser beam prior to the superposition. Alternatively, the laser radiation can be guided by pump modules in such a way that adjacent laser beam areas of the primary pump laser beam are generated by respectively assigned pump modules and aligned next to one another by means of optics.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann das Pumplasersystem eine Mehrzahl von Laserdioden-basierten Pumpmodulen jeweils mit einer Mehrzahl von Diodenbarren zur Emission der Laserstrahlen umfassen, wobei im primären Pumplaserstrahl die Laserstrahlen eines Diodenbarren eines Pumpmoduls in einer Richtung der schnellen Achse der Diodenbarren beabstandet voneinander angeordnet und hinsichtlich der Mehrzahl von Pumpmodule miteinander verkämmt sind. So kann die Pumpeinheit ferner eine optische Anordnung zum Verkämmen der Laserstrahlung verschiedener Pumpmodule aufweisen, sodass die Laserstrahlungen von Diodenbarren unterschiedlicher Pumpmodule vor der Überlagerung nebeneinanderliegende Beiträge des primären Pumplaserstrahls bilden.In some example embodiments, the pump laser system may include a plurality of laser diode-based pumping modules each having a plurality of diode bars for emission Laser beams include, wherein in the primary pump laser beam, the laser beams of a diode bar of a pump module in a direction of the fast axis of the diode bar spaced from each other and are mutually intermeshed with respect to the plurality of pumping modules. Thus, the pump unit may further comprise an optical arrangement for combing the laser radiation of different pump modules, so that the laser radiation of diode bars of different pump modules form superimposed adjacent contributions of the primary pump laser beam.
In beispielhaften Ausführungsformen ist die Mikrolinsenanordnung als ein Array von Zylinderlinsen ausgebildet und die Zylinderlinsen sind zur Fokussierung in Richtung der schnellen Achse ausgerichtet.In exemplary embodiments, the microlens array is formed as an array of cylindrical lenses and the cylindrical lenses are aligned for focusing in the direction of the fast axis.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen können u. a. das Einlaufverhalten eines Scheibenlasersystems verbessern und somit einen stabileren und effizienteren Betrieb des Scheibenlasersystems ermöglichen. Ferner kann die Mikrolinsenanordnung (Mikrolinsen-Array) vor dem Lichtmischungselement eine vom Winkelraum unabhängigere und verbesserte Homogenisierung bewirken.The embodiments disclosed herein may include: a. improve the running-in behavior of a disk laser system and thus enable a more stable and efficient operation of the disk laser system. Furthermore, the microlens array (microlens array) in front of the light mixing element can bring about a more independent and improved homogenization from the angle space.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Laserverstärkersystems mit einem optischen Strahlformungssystem zur Strahlhomogenisierung, -
2A bis2C schematische Darstellungen von Strahlprofilen (Pumpflecken) zur Verbesserung der Homogenisierung mithilfe einer Mikrolinsenanordnung und -
3A bis3C schematische Darstellungen von Strahlprofilen (Pumpflecken) mit Homogenisierung ohne Verwendung einer Mikrolinsenanordnung.
-
1 a schematic representation of an exemplary laser amplifier system with an optical beam shaping system for beam homogenization, -
2A to2C schematic representations of beam profiles (Pumpflecken) to improve the homogenization using a microlens array and -
3A to3C schematic representations of beam profiles (Pumpflecken) with homogenization without the use of a microlens array.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass es eine Mikrolinsenanordnung (hierein auch als Mikrolinsen-Array bezeichnet) ermöglichen kann, den in ein Lichtmischungselement eingebrachten Pumplaserstrahl in seiner Winkelverteilung unabhängig von der Anzahl von verwendeten Pumpmodulen für eine Winkelverteilung auszubilden, die eine bessere Homogenisierung bewirkt. Durch die Mikrolinsenanordnung wird die Homogenisierung allgemein unabhängiger vom primären Pumplaserstrahl. Insbesondere haben die Erfinder erkannt, dass ein optisches Strahlformungssystem zur Homogenisierung eines Pumplaserstrahls derart auszulegen ist, dass eine ausreichende Homogenisierung unabhängig von der Anzahl von verwendeten Laserstrahlungsbeiträgen erfolgen soll. Insbesondere bei einer Anordnung von Ausgangsstrahlen von Pumpmodulen, die nebeneinander oder übereinander positioniert sind, können größere Bereiche im Strahlprofil des primären Pumplaserstrahls in der Nähe der Pumpmodule insbesondere dann strahlfrei bleiben, wenn weniger Pumpmodule, als für eine vollständige Ausleuchtung des Stahlprofils notwendig sind, verwendet werden. Es wurde erkannt, dass eine Kombination einer Mikrolinsenanordnung, beispielsweise eines Arrays von Zylinderlinsen, mit einem Lichtmischungselement trotz mangelnder Abdeckung des Querschnitts des primären Pumplaserstrahls vor der Überlagerung mit Laserstrahlungsbeiträgen von Pumpmodulen eine ausreichende Strahlhomogenisierung erreichen kann.Aspects described herein are based, in part, on the finding that a microlens array (also referred to as a microlens array) can make the pump laser beam introduced into a light mixing element in angular distribution independent of the number of pumping modules used for angular distribution, which is better Homogenization causes. The microlens array makes the homogenization generally more independent of the primary pump laser beam. In particular, the inventors have recognized that an optical beam shaping system for homogenizing a pump laser beam is to be designed in such a way that sufficient homogenization is to take place independently of the number of laser radiation contributions used. In particular, with an array of output jets of pumping modules positioned side-by-side or one above the other, larger areas in the jet pattern of the primary pumping laser beam near the pumping modules may remain jet-free in particular if fewer pumping modules than necessary for complete illumination of the steel profile are used , It has been recognized that a combination of a microlens array, such as an array of cylindrical lenses, with a light mixing element can achieve sufficient beam homogenization despite lack of coverage of the cross section of the primary pump laser beam prior to being superimposed with laser beam contributions from pumping modules.
Das hierin vorgeschlagene optische Strahlformungssystem einer Pumpeinheit kann insbesondere bei einer vertikalen Stapelung von Laserstrahlungsbeiträgen vorteilhaft eingesetzt werden, der kein Verkämmen der Laserstrahlung der jeweiligen Laserbarren zugrunde liegt, sondern ein optisches oder strukturelles Stapeln der Laserstrahlungsbeiträge mehrerer Laserbarren eines Pumpmoduls bzw. der Ausgangsstrahlen mehrerer Pumpmodule. Im Ergebnis ergibt sich in beiden Fällen eine Stapelung von Laserstrahlungsbeiträgen („Stack“ von Laserstrahlungsbeiträgen) üblicherweise in Richtung der schnellen Achse.The optical beam shaping system of a pump unit proposed herein can be advantageously used in particular for a vertical stacking of laser radiation contributions, which is not based on combing the laser radiation of the respective laser bars, but an optical or structural stacking of the laser radiation contributions of several laser bars of a pumping module or the output beams of several pumping modules. As a result, in both cases stacking of laser contributions ("stack" of laser contributions) usually results in the direction of the fast axis.
Eine derartige kompakte Anordnung von Laserbarren ermöglicht eine einfache Einkopplungsoptik der von diesen vertikalen Stacks ausgehenden Strahlung in ein (beispielsweise nahezu rotationssymmetrisches) Lichtmischungselement unter annähernder Beibehaltung der Brillanz der Pumpstrahlung. Durch die hierin vorgeschlagene Kombination mit einer Mikrolinsenanordnung ist das Strahlformungssystem ferner auch einsetzbar, wenn die vertikale Stapelung von Pumpmodulen Laserstrahlungsbeiträge nicht über den gesamten Strahlquerschnitt vor Überlagerung des primären Pumplaserstrahls liefert, da die Mikrolinsenanordnung eine ausreichende Verteilung der Winkelbeiträge von Laserstrahlen, die den Eingangsstrahl vor dem Lichtmischungselement bilden, erzeugt.Such a compact arrangement of laser bars enables a simple coupling-in optics of the radiation emanating from these vertical stacks in a (for example, almost rotationally symmetrical) light mixing element with approximately maintaining the brilliance of the pump radiation. Further, by virtue of the combination with a microlens array proposed herein, the beamforming system is also applicable where the vertical stacking of pumping modules does not provide laser beam contributions over the entire beam cross section before interference of the primary pumping laser beam, since the microlens array provides sufficient distribution of the angular contributions of laser beams preceding the input beam Form light mixing element produced.
Nachfolgend werden in Verbindung mit den
Das Lasersystem
Die Pumpmodule
Ein als Laserdiodenmodul ausgebildetes Pumpmodul umfasst eine Mehrzahl von Laserbarren, wobei jeder Laserbarren mehrere Emitterzonen aufweist. Die Laserbarren eines Pumpmoduls können beispielsweise einen strukturellen Stack ausbilden, bei dem die Emitterzonen der Laserbarren in Richtung der schnellen Achse im Wesentlichen ohne Versatz in der langsamen Achse angeordnet sind, sodass die Ausgangsstrahlung der Laserbarren eines Pumpmoduls in Richtung der schnellen Achse gestapelt sind. Alternativ können die Emitterzonen der Laserbarren in einem Pumpmodul mit einem Versatz in der langsamen Achse angeordnet werden, wobei dann durch optisches Stapeln mit z. B. Umlenkspiegeln und/oder Prismen ebenfalls erreicht werden kann, dass die Ausgangsstrahlung der Laserbarren eines Pumpmoduls in Richtung der schnellen Achse gestapelt sind (optischer Stack).A pump module designed as a laser diode module comprises a plurality of laser bars, each laser bar having a plurality of emitter zones. The laser bars of a pumping module may, for example, form a structural stack in which the emitter zones of the laser bars are arranged in the direction of the fast axis substantially without offset in the slow axis, so that the output radiation of the laser bars of a pumping module are stacked in the direction of the fast axis. Alternatively, the emitter zones of the laser bars may be placed in a pumping module with an offset in the slow axis, then by optical stacking with z. B. deflecting mirrors and / or prisms can also be achieved that the output radiation of the laser bars of a pumping module are stacked in the direction of the fast axis (optical stack).
In älteren Pumpmodularchitekturen sind die Laserbarren derart weit voneinander beabstandet, dass z. B. das eingangs erwähnte Verkämmen von Laserstrahlung mehrerer Pumpmodule verwendet wird, um den primären Pumplaserstrahl zu erzeugen. Neuere Pumpmodularchitekturen, bei denen die Größe eines einzelnen Laserbarren derart reduziert wurde, dass sich die Größe eines einzelnen Pumpmoduls in Richtung der schnellen Achse auf wenige Millimeter verkleinern ließ, erlauben es nun, dass mehrere Pumpmodule nahe beieinander, z. B. in Richtung der schnellen Achse direkt nebeneinander, angeordnet werden können. So kann bei der Erzeugung des primären Pumplaserstrahls auf das Verkämmen verzichtet werden, wobei trotzdem aufgrund der räumlichen Nähe der Laserbarren und Pumpmodule ein primärer Pumplaserstrahl mit einem z. B. im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt erzeugt werden kann.In older Pumpmodularchitekturen the laser bars are so far apart that z. B. the aforementioned combing laser radiation of several pump modules is used to produce the primary pump laser beam. Recent pump modular architectures, in which the size of a single laser bar has been reduced so that the size of a single pumping module can be reduced to a few millimeters in the direction of the fast axis, now allow multiple pumping modules to be placed close to one another, e.g. B. in the direction of the fast axis directly next to each other, can be arranged. So can be dispensed with in the generation of the primary pump laser beam on the combing, while still due to the spatial proximity of the laser bar and pumping modules, a primary pump laser beam with a z. B. can be generated substantially rectangular cross-section.
Üblicherweise wird die Diodenlaserstrahlung mehrerer Laserdiodenmodule derart zusammengesetzt, dass man einen primären Pumplaserstrahl mit einem rechteckigen Querschnitt erhält. Dieser kann beispielsweise zu einem gleichmäßigen runden Pumpfleck geformt werden oder allgemein zu einer gleichmäßigen runden Anregung des laseraktiven Mediums
So beziehen sich Strahlquerschnitte
Im Strahlquerschnitt
Mit einer Spiegelanordnung, wie sie beispielsweise in der eingangs erwähnten
Strahlüberlagerung mittels Verkämmen ist insbesondere dann üblich, wenn die Abstände der Laserbarren eines Pumpmoduls im Bereich von einigen Millimetern liegen.Beam superposition by means of combing is customary in particular when the distances of the laser bars of a pumping module are in the range of a few millimeters.
Das Pumpen des laseraktiven Mediums
Für den Fall kompakter Pumpmodularchitekturen zeigt
Auch bei einer derartigen Pumpmodularchitektur können bei einer unvollständigen Bestückung ein oder mehrere strahlfreie Bereiche
Die verkämmten Laserstrahlen
Die Auswirkungen der Mikrolinsenanordnung
In
Wenn die Mikrolinsenanordnung
Der Mikrolinsenanordnung
Wird die Mikrolinsenanordnung
Allgemein ist ein Versatz benachbarter Linsen
Hinsichtlich der Winkelverteilung, die in das Lichtmischungselement
Das Lichtmischungselement
Der Querschnitt des Lichtmischerstabs kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden. So können insbesondere (im Wesentlichen) rechteckige und hexagonale oder hexagonal-artige Querschnittsformen, welche z. B. in Zusammenhang mit Mehrfachdurchgängen durch ein Lasermedien vorteilhaft sein können, eingesetzt werden. In
Das Material eines Lichtmischerstabs (z. B. optisches Quarz) ist auf die entsprechenden Wellenlängen angepasst, ebenso wie die verwendeten Längen des Lichtmischerstabs. Beispielhafte Längen eines Lichtmischerstabs liegen im Bereich von ca. 90 mm bis ca. 120 mm, bevorzugt im Bereich von ca. 100 mm bis ca. 110, wie zum Beispiel bei 105 mm.The material of a light mixer rod (eg, optical quartz) is matched to the appropriate wavelengths, as well as the lengths of the light mixer rod used. Exemplary lengths of a light mixer rod are in the range of about 90 mm to about 120 mm, preferably in the range of about 100 mm to about 110, such as at 105 mm.
Z. B. sind bei einem Pumplasersystem, das zur Bestückung mit einer unterschiedlichen Anzahl von Pumpmodulen ausgebildet ist, eine Länge des Lichtmischungselements
Allgemein weist die Mikrolinsenanordnung
Der aus der Austrittsfläche
Die Strahlführung des homogenisierten Pumplaserstrahls
In der beispielhaft als Scheibenlaserkavität ausgebildeten Verstärkereinheit
Die
Der Pumpfleck
Auch für den Fall einer teilweisen Bestückung mit beispielsweise zwei Pumpmodulen, zwischen denen sich ein strahlfreier Bereich ausgebildet hat, zeigt
Entsprechend zeigt
Zum Vergleich zeigen
Wenn das Pumplasersystem in einer beispielhaften Anwendung nur teilweise bestückt ist und strahlfreie Bereiche im primären Pumplaserstrahl vorliegen, können sich größere Schwankungen ergeben. So können sich z.B. bei der Verwendung von nur zwei Pumpmodulen zwei dezentrale, sich gegenüberliegende Maxima im Pumpfleck
Durchläuft nun ein derartiger Pumplaserstrahl eines nur teilweise bestückten Pumplasersystems das laseraktive Medium
Vergleicht man die
Das hierin offenbarte optische Strahlformungssystem
In einer beispielhaften Ausführungsform eines optischen Strahlformungssystems kann ein telezentrisch ausgelegtes bikonvex-Array als Beispiel einer spezifischen Mikrolinsenanordnung verwendet werden, welches die Beeinflussung von Strahldivergenz und Strahlqualität minimiert. In anderen Worten bei einem derartigen telezentrisch ausgelegten bikonvex-Array sind zwei identische Linsen (vorne und hinten) im Abstand
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly pointed out that all features disclosed in the description and / or the claims are considered separate and independent of each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the feature combinations in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range indications or indications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as the limit of a range indication.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- EP 2686339 [0054]EP 2686339 [0054]
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