-
Aufgrund ihrer hohen Effizienz sind Diodenlaser wichtige Werkzeuge in der Materialbearbeitung. Eine wichtige Anwendung von Hochleistungs-Diodenlasern ist das Pumpen von Festkörperlasern und Faserlasern. Eine weitere bedeutende Anwendung ist die Lasermaterialbearbeitung. Typischerweise emittiert ein einzelner Diodenlaser eine Leistung vom bis zu einigen 10 Watt. Im Folgenden wird ein einzelner Diodenlaser als Emitter bezeichnet. Um die erforderliche Leistung für die jeweilige Anwendung zu erreichen, werden z. B. Multi-Emitter in Form von monolithischen Diodenlaserbarren zusammengefasst. Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Leistung besteht darin, dass die Leistung von vielen Einzelemittern optisch zu bündeln.
-
1 und 2 zeigen den typischen Aufbau eines einzelnen Diodenlasers mit einem Einzelemitter. Dabei symbolisiert 1 ein Emissionssegment, 46 einen negativen Kontakt, 18 einen Halbleiter-Chip, 71 eine Wärmesenke bzw. einen Submount, und 23 die Verbindungsschicht des Halbleiter-Chips auf der Wärmesinke bzw. dem Submount. Die Gruppe 18, 23 und 71 bilden einen Chip-on-Submount 11 (COS). Der Diodenlaser emittiert einen Strahl 611. Aufgrund seiner charakteristischen Geometrie weist der Strahl eines Diodenlasers 611 einen großen Divengenzwinkel θfa in der Richtung auf, die in der xy-Ebene liegt und senkrecht zum pn-Übergang steht. Man bezeichnet diese Richtung als die Fast-Richtung. In der Richtung parallel zum pn-Übergang hat der Diodenlaserstrahl 611 einen geringeren Divergenzwinkel θsa. Zur Vereinfachung der Darstellung wird ein Koordinatensystem eingeführt. Dabei steht die xy-Ebene parallel zur Fast-Richtung und die xz-Ebene parallel zur Slow-Richtung. Der Einzelemitter hat eine Emissionsbreite von d.
-
Der Wirkungsgrad von Diodenlasern liegt bei etwa 55%. Die Verlustwärme muss effektiv abgeführt werden. Eine effiziente Abführung der Verlustwärme kann durch Verwendung von Mikrokanalkühlern realisiert werden. Allerdings ist die Lebensdauer von Mikrokanalkühlern aufgrund von Erosion oder/und Korrosion begrenzt. Demgegenüber ist das thermische Management der Verlustwärme bei Anordnungen aus vielen Einzelemittern erheblich vorteilhaft. Allerdings ist die Anordnung eines Diodenlasersystems aus vielen Einzelemittern auf konventionelle Weise deutlich größer als die von Diodenlasersystemen mit Mikrokanalkühlern.
-
Die Aufgabe dieser vorliegenden Patentanmeldung ist es, Anordnungen aus einzelnen Emittern anzugeben, mit denen eine effiziente Skalierung der Leistung mit vielen Einzelemittern in einer kompakten Bauweise realisiert werden können, ohne dabei das Problem der Erosion und Korrosion wie in Mikrokanalkühler zu haben. Dabei sollte die Brillanz der Diodenlaser möglichst erhalten bleiben. Damit können die zusammengeführten Strahlen der vielen Einzelemitter z. B. in einen Lichtwellenleiter mit einem minimalen Durchmesser und numerischen Aperture eingekoppelt werden oder eine Pumpquelle mit einer maximalen Brillanz realisiert werden.
-
Die Kernidee dieser vorliegenden Patentanmeldung besteht darin, dass zur Leistungsskalierung von Diodenlasersystemen viele Einzelemitter in Form von COS verwendet werden. Zuerst werden eine Anzahl von Einzelemittern oder COS in einer parallel zur Slow-Richtung stehenden Ebene und mit einem konstanten Abstand D nebeneinander auf einer gemeinsamen Wärmesenke aufgebaut. Die Anzahl beträgt mindestens 2. Im Folgenden wird eine derartige Anordnung von Einzelemittern als eine Diodenreihe bezeichnet. Der Strahl jedes Einzelemitters kann jeweils mit einer eigenen Mikrolinse in der Fast-Richtung kollimiert werden. Alternativ können die Strahlen einer Diodenreihe mit einer gemeinsamen Mikrolinse in der Fast-Richtung kollimiert werden. Für weitere Leistungsskalierung werden mehrere Diodenreihen verwendet. Die Diodenreihen werden so angeordnet, dass sie entlang der Strahlrichtung hintereinander quer zu der Strahlrichtung mit einem konstanten Versatz S zueinanderstehen und die Strahlen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Eine optimale Anordnung ergibt sich, wenn S = D/N gilt. Dabei ist N die Anzahl der Diodenreihen, die hintereinander angeordnet werden. Im Folgenden wird so eine Anordnung von verschachtelten (interleaved) Diodenreihen als ein interleaved linear Stack (iL-Stack) bezeichnet.
-
Im Folgenden werden die in dieser Patentanmeldung vorgeschlagenen Anordnungen anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
-
3a und 3b zeigen eine Seitensicht und eine Aufsicht eines einzelnen Diodenlaser 11 in Form COS, der einen divergenten Strahl 611 emittiert. Der Strahl 611 weist einen Divergenzwinkel θfa in der Fast-Richtung und θsa in der Slow-Richtung auf. Üblicherweise wird eine Mikrolinse 51 verwendet, um den Strahl 611 in der Fast-Richtung zu kollimieren. Daraus entsteht ein in der Fast-Richtung kollimierter Strahl 612 mit einer Strahlhöhe Wy. Um die Brillianz zu erhalten, wird eine weitere Linse 56 verwendet, um den Strahl 612 in der Slow-Richtung zu kollimieren. Danach werden die Divergenzwinkel des Strahls 611 in beiden Richtungen reduziert und der Strahl 611 zu einem Strahl 616 mit einer Breite von Wx in der Slow-Richtung transformiert. Der in beiden Richtungen kollimierte Strahl 612 hat einen annähernd rechteckigen Querschnitt Wx *Wy.
-
4 zeigt beispielsweise eine Diodenreihe gemäß dieser vorliegenden Patentanmeldung. Sie besteht aus 6 einzelnen Diodenlaser in Form COS 111, 112, 113, 114, 115, 116. Die 6 einzelne Diodenlaser werden in einer xz-Ebene nebeneinander angeordnet und auf einer gemeinsamen Wärmesenke 41 aufgebaut. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Diodenlasern beträgt D. In dem dargestellten Beispiel werden die Strahlen jedes Einzelemitters jeweils mittels einer zylindrischen Mikrolinse 511, 512, 513, 514, 515, 516 in der Fast-Richtung und einer zylindrischen Linse 561, 562, 563, 564, 565, 566 in der Slow-Richtung kollimiert. Der kollimierte Strahl eines Einzelemitters hat eine Breite Wx. Um die Brillanz des Gesamtstrahls aller Emitter zu erhalten, wird die Fokuslänge der zur Kollimation der Slow-Richtung verwendeten Linsen so gewählt, dass die Breite W des Einzelstrahls näherungsweise dem Abstand D gleicht.
-
5 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die Fokuslänge der Linsen zur Kollimation der Slow-Richtung so gewählt werden, dass die Strahlbreite wx der Einzelemitter einen Bruchteil des Abstandes D beträgt. Darüber hinaus können wellenlängenselektive Elemente 531, 532, 533, 534, 535 und 563 in den Strahlgängen verwendet werden, um die Wellenlänge der Einzelemitter gezielt zu definieren. Beispiele für wellenlängenselektiven Elemente sind transmissive oder reflektive Volumen-Bragg-Gitter, holographische Gitter, etc.
-
6 zeigt eine beispielhafte Anordnung zur Leistungsskalierung eines Diodenlasersystems. Dabei werden zwei Diodenreihen verwendet. Die Strahlen der Einzelemitter werden so kollimiert, dass deren Breite Wx in der Slow-Richtung kleiner oder gleich D/2 ist, was der Hälfte des Abstands D zwischen zwei benachbarten Einzelemittern einer Diodenreihe entspricht. Die beiden Diodenreihen werden in einer gemeinsamen xz-Ebene und in der Strahlrichtung hintereinander angeordnet. Darüber hinaus werden die beiden Diodenreihen mit einem lateralen Versatz von D/2 entlang der Slow-Richtung versetzt angeordnet, so dass die Strahlen der hinteren Diodenreihe durch die Zwischenräume der vorderer Diodenreihe durchlaufen. Auf diese Weise verschachteln sich die Strahlen der beiden Diodenreihen. Alle Strahlen zusammen bilden dadurch einen annährend durchgehenden und ausgefüllten linienförmigen Strahl 91.
-
Auf ähnliche Weise können interleaved linear Stacks (iL-Stack) aus einer Anzahl N Diodenreihen realisiert werden. Dabei werden die Strahlen der Einzelemitter in der Slow-Richtung so kollimiert, dass wx kleiner oder gleich D/N gilt. Der laterale Versatz benachbarter Diodenreihen beträgt D/N.
-
Zur elektrischen Kontaktierung von Diodenlasern in Form von COS wird üblicherweise das Wire-Bonding-Verfahren angewendet. Um die ohmschen Verluste zu reduzieren, werden mehrere Einzelemitter in Serie geschaltet. 7a und 7b zeigen jeweils eine Aufsicht und eine Seitensicht einer Beispielausführung. Bei dieser Ausführung werden zuerst die Einzelemitter auf jeweils ein Submount montiert. Ein Submount besteht üblicherweise aus einer dünnen und gut wärmeleitenden Keramikplatte. Die Keramikplatte wird mit leitenden Schichtstrukturen zur Bildung von Plus- und Minus-Kontakten versehen. Die Serie-Schaltung von einem Einzelemitter zu seinem Nachbareinzelemitter wird durch Wire-Bonding 372, 373, 374, 375, 376 hergestellt. Die in Reihe geschalteten Einzelemitter werden üblicherweise durch Wire-Bonding 377 mit einem Pluskontakt 34 und 371 mit einem Minuskontakt 31 verbunden.
-
Die Bonding-Drähte stehen in den Zwischenräumen der Einzelemitter. Infolgedessen ist die Verschachtlung der Strahlen aus mehreren Diodenreihen nicht möglich. Um das Problem zu umgehen, kann eine Diodenreihe vorzugsweise 90° um die x-Achse gedreht werden. Dabei wird für jeden Einzelemitter ein Spiegel 571, 572, 573, 574, 575, 576 verwendet. Jedem einzelnen Emitter wird ein Spiegel zugeordnet. Die Spiegel werden so angeordnet, dass die Strahlen der Einzelemitter nach Umlenkung parallel und in einer gemeinsamen Ebene sind. Vorteilhafterweise werden die Strahlen um 90° umgelenkt. Bei dem in der 8a und 8b gezeigten Beispiel werden die Strahlen zuerst individuell in der Fast-Richtung und in der Slow-Richtung kollimiert und dann mit dem jeweiligen Spiegel um 90° umgelenkt. Die Spiegel 571, 572, 573, 574, 575, 576 werden so justiert, dass die Strahlen der einzelnen Emitter sich nach der Umlenkung parallel und in einer gemeinsamen Ebene ausbreiten. Dadurch entsteht eine um 90° gefaltete Diodenreihe.
-
Spiegel werden zur Umlenkung des jeweiligen Strahls von Einzelemittern verwendet. Jedem einzelnen Emitter wird ein Spiegel zugeordnet. Die Spiegel werden so angeordnet, dass die Strahlen der Einzelemitter parallel und in einer gemeinsamen Ebene sind. Vorteilhaft werden die Strahlen der Einzelemitter um 90° umgelenkt. Zur Kollimation der Slow-Richtung der Strahlen von Einzelemittern werden zylindrische Linsen 561, 562, 563, 564, 565, 566 verwendet.
-
Zur Vereinfachung können die zylindrischen Mikrolinsen 511, 512, 513, 514, 515, 516 für die Kollimation der Fast-Richtung zu einer langen Linse zusammengefasst werden. Analog können die zylindrischen Linsen 561, 562, 563, 564, 565, 566 für die Kollimation der Slow-Richtung in Form eines Linsenarrays zusammengefasst werden. Ebenfalls können die wellenbestimmenden Elemente 531, 532, 533, 534, 535, 536 zu einem durchgehenden und wellenlängenbestimmenden Element zusammengefasst werden.
-
Um die Abmessung H der Diodenreihe entlang der Strahlrichtung zu reduzieren, kann die Kollimation der Slow-Richtung nach dem Umlenkspiegel erfolgen. 9a zeigt eine Seitenansicht und 9b eine Aufsicht einer derartigen gefalteten Diodenreihe. Spiegel 571, 572, 573, 574, 575 und 576 werden zur Umlenkung des jeweiligen Strahls von Einzelemittern verwendet. Jedem einzelnen Emitter wird ein Spiegel zugeordnet. Die Spiegel werden so angeordnet, dass die Strahlen der Einzelemitter parallel und in einer gemeinsamen Ebene sind. Vorteilhaft werden die Strahlen der Einzelemitter um 90° umgelenkt. Zur Kollimation der Slow-Richtung der Strahlen von Einzelemittern werden zylindrische Linsen 561, 562, 563, 564, 565, 566 nach der Umlenkung verwendet.
-
10 zeigt eine Aufsicht eines interleaved linear Stacks aus zwei gefalteten Diodenreihen.
-
In diesem Fall werden reflektive wellenlängenbestimmte Elemente verwendet, so dass die Funktion der Wellenlängenbestimmung und der Umlenkung zusammenfasst werden können, um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren.
-
Eine alternative Ausführung gemäß dieser vorliegenden Anmeldung zeigen 11a, 11b, und 11c. Dabei zeigt 11a eine Aufsicht, 11b eine Frontsicht und 11c eine Seitensicht.
-
Die Strahlen der Einzelemitter werden zuerst in Fast-Richtung kollimiert. Optische Elemente 881, 882, 883, 884, 885 und 886 in Form von Periskopen werden verwendet, um die Strahlen in eine andere Ebene zu leiten. Vorzugsweise werden die optischen Elemente so beschaffen, dass die andere Ebene parallel zu der xz-Ebene steht. Einfachheitshalber werden rhombische Prismen als die optischen Elemente 881, 882, 883, 884, 885 und 886 verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Zylinderlinsen 561, 562, 563, 564, 565 und 566 zur Kollimation der Slow-Richtung hinter den optischen Elementen 881, 882, 883, 884, 885 und 886 angeordnet.
-
Für erhöhte Freiheitsgrade können die optischen Elemente 881, 882, 883, 884, 885 und 886 zum Leiten der Strahlen in eine höheren Ebene jeweils durch ein Spiegelpaar gebildet werden. Eine derartige Ausführung zeigen 12a, 12b und 12c. Dabei zeigt 12a eine Aufsicht, 12b eine Frontsicht und 12c eine Seitensicht. Die Strahlen der Einzelemitter werden zuerst in Fast-Richtung kollimiert. Jedem einzelnen Emitter wird ein erster Spiegel zugeordnet. Die ersten Spiegel 581, 582, 583, 584, 585 und 586 werden zur Umlenkung des jeweiligen Strahls von Einzelemittern um vorzugsweise 90° verwendet. Jedem einzelnen Emitter wird ein zweiter Spiegel zugeordnet. Die zweiten Spiegel 831, 832, 833, 834, 835 und 836 werden zur Umlenkung des jeweiligen Strahls von Einzelemittern um vorzugsweise -90° verwendet. Die ersten und zweiten Spiegel werden so angeordnet und justiert, dass sich die Strahlen der Einzelemitter nach der zweifachen Umlenkungen parallel und in einer gemeinsamen Ebene ausbreiten. Vorteilhaft werden die Strahlen der Einzelemitter um 90° umgelenkt. Auf dieser Weise wird ein linear Stack gebildet.
-
In dem gezeigten Fall werden zur Kollimation der Slow-Richtung der Strahlen von Einzelemittern zylindrische Linsen 561, 562, 563, 564, 565, 566 zwischen den ersten und den zweiten Spiegeln verwendet. Dies ist nicht zwangsläufig nötig. Alternative Ausführung sind z. B. geschaffen, wenn die Kollimationslinsen hinter den ersten und den zweiten Spiegeln angeordnet werden.
-
Zur Reduzierung der optischen Komponenten können die ersten Spiegel 581, 582, 583, 584, 586 und 586 oder/und die zweiten Spiegel 831, 832, 833, 834, 835 und 836 jeweils durch einen großen Spiegel gebildet werden. Ein Beispiel zeigen 13a und 13b. Dabei werden die zweiten Spiegel 831, 832, 833, 834, 835 und 836 durch einen Spiegel 86 gebildet.
-
Der Spiegel 86 wird so beschaffen, dass er Reflexionszonen und Transmissionszonen für die Verschachtelung der Strahlen aufweist.
-
Um die Leistung zu skalieren, können mehrere lineare Stacks hintereinander verwendet werden. Wie bereits in Verbindung mit 6 und 10 beschrieben, werden idealweise N lineare Stacks quer zur Strahlrichtung mit einem Versatz von D/N zueinander angeordnet. Dabei beschreibt D den Abstand zwischen benachbarten Einzelemitter und N die Anzahl der Diodenreihen, die hintereinander angeordnet und verschachtelt werden. Dabei werden die Strahlen auf einer Weise in der Slow-Richtung so kollimiert, dass deren Abmessung in der Slow-Richtung annäherungsweise D/N entspricht. 14a und 14b zeigen ein Beispiel, wo zwei lineare Stacks quer zur Strahlrichtung und parallel zur x-Richtung versetzt angeordnet werden.
-
LinearStacks mit lateral versetzten Diodenreihen sind insbesondere geeignet zum Pumpen von Lasern mit rechteckigen Kristallen. Sie können für alle Anwendungen genutzt werden, wo Strahlen mit langen und rechtförmigen Strahlquerschnitten erforderlich sind.
-
Die Strahlqualität M2 eines Einzelemitters mit einer Breite von 300µm liegt bei 60. Ein linear Stack aus 4 lateral versetzten Diodenreihen hat eine Strahlqualität M2x = 1100 in der Slow-Richtung. Demgegenüber beträgt die Strahlqualität in der Fast-Richtung M2y = 1.1. Das linear Stack weist einen extrem asymmetrischen Strahlquerschnitt und Strahlqualität auf. Solche Strahlen können nicht direkt für Anwendungen wie z. B. für Faserkopplung, wo Strahlen mit annährend symmetrischen Strahlquerschnitt und Strahlqualität benötigt werden, verwendet werden.
-
Wie in 15a und 15b dargestellt, wird zur Veränderung bzw. Symmetrisierung des Strahlquerschnittes und der Strahlqualität eine Optikanordnung 76 verwendet, mit der z. B. in einem ersten Schritt der linienförmige Strahl in der Slow-Richtung in K Segmente aufgeteilt wird und in einer zweiten Schritt die Segmente des Strahls in der Fast-Richtung nebeneinander angeordnet werden. Dadurch entsteht ein Strahl, der eine Strahlqualität von M2s = M2x/K in der Slow Richtung und M2f = M2y *K in der Fast Richtung besitzt. Ein symmetrisierter Strahl mit annährend gleicher Strahlqualität ergibt sich wenn K so gewählt wird, dass M2s ungefähr gleich M2f gilt. In dem gezeigten Beispiel beträgt die Zahl K 10.
-
Eine alternative Anordnung zur Erzeugung eines Strahls mit symmetrischeren Strahlquerschnitten und Strahlqualität zeigen 16a, 16b und 16c. In der Beispielausführung wird von einer Diodenreihe aus 6 Einzelemittern ausgegangen. Die Strahlen der Einzelemitter werden zuerst in der Fast-Richtung kollimiert. Die in der Fast-Richtung kollimierten Strahlen haben eine Höhe von Wy in der Fast-Richtung. Die Strahlen der Einzelemitter werden von den Spiegeln 581, 582, 583, 584, 585 und 586 individuell umgelenkt. Dann werden die Strahlen mit den Linsen 561, 562, 563, 564, 565 und 566 in der Slow-Richtung kollimiert. Nach der Slow-Richtung-Kollimation weisen die Strahlen eine Breite von Wx in der Slow-Richtung auf. Hinter den Kollimationslinsen werden wellenlängenselektive Elemente 871, 872, 873, 874, 875 und 876 zur Festlegung von Wellenlängen der Strahlen verwendet. Danach werden optische Funktionseinheiten 881, 882, 883, 883, 884, 885 und 886 angeordnet. Dabei wird dem Strahl jedes Einzelemitters eine der optischen Funktionseinheiten zugeordnet. Jede der optischen Funktionseinheiten bewirkt, dass der Strahl um seine Ausbreitungsrichtung um 90° gedreht wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass nach den optischen Funktionseinheiten die Strahlen der Einzelemitter in der Fast-Richtung mit einer Höhe von Wy nebeneinander angeordnet werden.
-
Eine einfachste optische Funktionseinheit besteht aus einem Dover-Prisma. Eine weitere Variante der optischen Funktionseinheit besteht aus 3 Spiegel-Anordnung.
-
Bei einer einzelnen Diodenreihe ist es vorteilhaft, die Strahlhöhe in der Fast-Richtung so aufzuweiten, dass sie ungefähr dem Abstand zwischen benachbarten Einzelemittern D gleicht. Auf diese Weise wird die Brillanz der Strahlen erhalten.
-
Um die Leistung zu skalieren, können mehrere solche Diodenreihen in der x-Richtung versetzt nebeneinander angeordnet werden. Idealerweise wird der Versatz S so gewählt, dass gilt, dass der Versatz S gleich oder größer als die Höhe der Strahlen in der Fast-Richtung Wy ist.
-
Zur Veränderung bzw. Symmetrisierung des Strahlquerschnittes und der Strahlqualität des Gesamtstrahls kann eine weitere optische Anordnung verwendet werden. 18 zeigt ein Beispiel, bei dem eine optische Anordnung 77 verwendet wird, um den Gesamtstrahl in einen Lichtwellenleiter 78 einzukoppeln.