DE102023126826A1

DE102023126826A1 - Lasermodul und Lasersystem

Info

Publication number: DE102023126826A1
Application number: DE102023126826.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Eppich; Paul CRUMP; Arnim Ginolas; Jörg Fricke; Martin Wilkens; Nils WERNER; Philipp Hildenstein; Alexander Sahm
Original assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Current assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Priority date: 2023-10-02
Filing date: 2023-10-02
Publication date: 2025-04-03

Abstract

Es ist eine Lasermodul (100) offenbart, aufweisend eine Vielzahl von Diodenlasern (100), die entlang einer ersten Richtung (Y) gestapelt sind, wobei jeder Diodenlaser (100) einen ersten Laseremitter (1) und einen zweiten Laseremitter (1') aufweist, die jeweils in einer Ebene separat nebeneinander angeordnet sind, wobei die Laseremitter (1, 1') entlang der ersten Richtung (Y) zwischen Kontakten (17, 17') zur elektrischen und thermischen Kontaktierung angeordnet sind und eine Frontfacette (18) und eine Rückfacette (19) aufweisen, wobei die Frontfacette (18) ausgebildet ist, die von den Laseremittern (1, 1') emittierte Strahlung entlang einer zweiten Richtung (Z) auszukoppeln, wobei jeder Diodenlaser (100) zwischen zwei Kühlkörpern (14, 14') angeordnet ist, um jeweils ein Stapelelement (150) zu bilden, bei dem die Kühlkörper (14, 14') und der Diodenlaser (100) jeweils entlang der ersten Richtung (Y) gestapelt sind und wobei Kühlelemente (6) jeweils an Seitenflächen (16) des Stapelelements (150) vorgesehen sind, wobei die Seitenflächen (16) jeweils in einer ersten Ebene (Y-Z) liegen, die durch die erste Richtung (Y) und die zweite Richtung (Z) definiert ist, und wobei sich die Kühlelemente (6) über die Vielzahl der Stapelelemente (150) erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasermodul mit einer Vielzahl von Diodenlasern mit jeweils zumindest zwei Laseremittern und ein darauf aufbauendes Lasersystem.
Technologischer Hintergrund
Hochleistungsdiodenlaser bestehen aus mehreren Laseremittern, welche jeweils einen Laserstrahl emittieren, welche wiederum über eine Optik zu einem gemeinsamen Laserstrahl kollimiert werden. Ein Laseremitter besteht, vereinfacht ausgedrückt, aus einer aktiven Schicht, Elektroden zur Kontaktierung und einem Resonator. Die Gesamtleistung eines Lasermoduls setzt sich entsprechend aus den Leistungen der einzelnen Laseremitter zusammen. Die Laseremitter können beispielsweise einzeln nebeneinander oder treppenartig nebeneinander angeordnet sein. Dabei entsteht ein Laserstrahl, ähnlich wie beispielhaft in 8 abgebildet. Der Laserstrahl besteht aus mehreren Teilstrahlen - abhängig von der Anzahl der Laseremitter - welche sowohl vertikal als auch lateral aneinandergereiht sein können. Damit die einzelnen Laserstrahlen der Laseremitter aneinandergereiht werden können, werden verschiedene optische Komponenten verwendet. Unter diesen optischen Komponenten kommen unter anderem FAC („fast axis collimator“) Linsen und SAC („slow axis collimator“) Linsen zum Einsatz, welche den Laserstrahl des Laseremitters kollimieren. Die Begriffe „fast“ und „slow“ beziehen sich dabei auf die Divergenz des Laserstrahls. Insbesondere steht „fast“ für eine schnell auseinanderlaufende Richtung des Laserstrahls, in der die FAC-Linse kollimiert und „slow“ steht für eine langsam auseinanderlaufende Richtung des Laserstrahls, in der die nachgeordnete SAC-Linse kollimiert. Daher befindet sich die FAC-Linse in unmittelbarer Nähe zum Laseremitter und die SAC-Linse ist der FAC-Linse strahlabwärts nachgeordnet. Nachfolgend kann die kollimierte Laserstrahlung mit weiteren Optiken für die entsprechende Anwendung fokussiert werden.
Bei der Entwicklung von Lasermodulen sind die wesentlichen Kriterien für die Zielanwendungen in der Regel die optische Ausgangsleistung, die Strahlqualität, die Wellenlänge und häufig auch die spektrale Breite. Ein Halbleiterlaser kann aus einem oder mehreren Emittern bestehen, die auf einem Halbleiterchip nebeneinander angeordnet sind. Für die maximale optische Leistung und die laterale Strahlqualität sind neben einer effizienten vertikalen Halbleiterstruktur vor allem die Anzahl und Breite der Emitter (Gesamtbreite) entscheidend und wie gut diese gekühlt werden. Potentiell ermöglichen mehrere Halbleiterlaser mit nur einem Emitter eine bessere Kühlung als ein Halbleiterlaser mit mehreren Emittern. Aber dadurch werden deutlich mehr Optiken benötigt und der Aufbau wird größer und teurer. Weiterhin haben mehrere schmale Emitter tendenziell eine bessere Strahlqualität als wenige breite Emitter mit gleicher Gesamtbreite, beziehungsweise kann mit mehreren schmaleren Emittern eine größere Gesamtbreite und damit höhere optische Leistung bei vergleichbarer Strahlqualität erreicht werden als bei wenigen breiten Emittem. Viele schmale Emitter benötigen in der Regel mehr beziehungsweise kompliziertere Optiken. Zum Beispiel haben 4 Emitter mit 100 µm Breite in der Regel eine bessere (Gesamt-)Strahlqualität als 2 Emitter mit 200 µm Breite. Auch sind zwischen den Emittern verschiedene Abstände möglich. Die Untergrenze ist der Abstand, bei dem sich die Laseremitter gegenseitig beeinflussen. In der Regel ist ein Abstand von mindestens 30 µm notwendig, um eine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung zwischen den Emittern zu verhindern. Die maximalen Abstände werden durch die maximale Chipbreite begrenzt. Bei sehr kleinen Abständen, beispielsweise kleiner als die Emitterbreite, kann laterale Kollimation durch eine gemeinsame SAC-Linse erfolgen (sehr einfach), aber die Kühlung ist komplex und die Abstände zwischen den Emittern verschlechtern die Strahlqualität und Leistung relativ zur Gesamtemitterbreite. Dies resultiert aus der thermischen Wechselwirkung („Gegenwärme“) zwischen den Emittern bei sehr vielen enggepackten schmalen Emittern. Bei etwas größeren Abständen von beispielsweise 100 bis 800 µm kann Kollimation durch ein komplexes, sogenanntes Mikrolinsenarray erfolgen. Dabei werden viele kleine SAC-Linsen mit kurzer Brennweite nebeneinander beziehungsweise eine kleine SAC-Linse pro Emitter verwendet. Die Kühlung und als Folge die Leistung und Strahleigenschaften sind etwas besser und es werden wenige Linsen benötigt, aber die Herstellung und Positionierung der vielen Linsen ist schwierig und das System ist sehr empfindlich. Bei großen Abständen von mehr als 800 µm ist die Kühlung vergleichbar mit der von einzelnen Laseremittern und die laterale Kollimation kann mit mehreren größeren SAC-Linsen (oder einem „Makrolinsenarray“) mit größerer Brennweite erfolgen. Dies ist einfacher in der Herstellung und die Positionierung ist weniger schwierig und empfindlich.
Wir bereits erwähnt, wird die Strahlung jedes Halbleiterlasers - unabhängig von der Anzahl der Emitter auf dem Chip des Halbleiterlasers - vertikal mit einer FAC-Linse kollimiert. Je nach Zielanwendung können die Laserstrahlen mehrerer Halbleiterlaser vertikal übereinander angeordnet werden. Dabei ist die vertikale Strahlqualität von Halbleiterlasern bauartbedingt für gewöhnlich sehr gut. Sind die Halbleiterlaser im Lasermodul hingegen nebeneinander beziehungsweise in einer lateralen Ebene montiert, werden zum Anordnen der Strahlen übereinander mehrere Spiegelkombinationen benötigt, was sehr aufwendig ist. Sind die Halbleiterlaser höhenversetzt nebeneinander auf eine maßgeschneiderte Kühlplatte montiert, wird nur ein Spiegel pro Halbleiter benötigt, um die Strahlen übereinander anzuordnen, was zwar optisch weniger aufwendig ist, aber montagetechnisch wegen komplizierter und teurer Aufbauverfahren Mehraufwand erfordert. Sind die Halbleiterlaser in einem sogenannten Stapel übereinander montiert, wird kein weiteres optisches Element benötigt, das heißt, es besteht kein zusätzlicher Aufwand zum Umlenken der Laserstrahlen.
Zusammenfassend umfassen die Optiken eines Lasermoduls in der Regel FAC- und SAC-Linsen, um die divergente Strahlung jedes Halbleiterlasers beziehungsweise Emitters zu kollimieren; Optiken wie Spiegel, um die Teilstrahlen der einzelnen Halbleiterlaser beziehungsweise Emitter zu einem Gesamtstrahl anzuordnen und den Strahl zum gewünschten Zielpunkt zu führen; Optiken, um den Gesamtstrahl auf die gewünschte Zielgröße am Zielpunkt zu formen; und, falls nötig, Optiken zur Wellenlängen- beziehungsweise Frequenzstabilisierung, wie z.B. Volumen Bragg Gitter (VBG).
Die Veröffentlichung von Kasai mit dem Titel „High-brightness and high-efficiency fiber-coupled module for fiber laser pump with advanced laser diode" (High-Power Diode Laser Technology XV, Proc. of SPIE Vol. 10086, 2017) offenbart beispielsweise einen Laser, bei dem nicht nur die Laseremitter, sondern auch die Linsen der Optik jeweils einzeln direkt nebeneinander oder treppenförmig nebeneinander montiert sind, was komplexe Anforderungen an Ausrichtung und Kombination der Teilstrahlen stellt.
Eine andere Möglichkeit ist die Gruppierung der Laseremitter in Unterbaugruppen, auch T-Barren („tailored“) genannt. Dabei werden mehrere Unterbaugruppen übereinander angeordnet, was in einer matrixförmigen Anordnung resultiert. Dies ermöglicht hohe Leistungsdichten, aber ist komplex und aufwendig zu realisieren, und benötigt in der Regel maßgeschneiderte Optiken um die Strahlkegel aller Einzelemitter in den T-Barren um 90° drehen zu können. Dies erfolgt mittels eines sogenannte Beam-Twisters (siehe exemplarisch https://ingeneric.com/de/optik-komponenten/strahlformungsoptiken/). Dabei ist der Strahlgang aus dem linearen T-Barren umsortiert, um diesen an einen runden Fasereingang anzupassen.
Die Veröffentlichung von Ebert mit dem Titel „High-power pump diodes for defense applications" (Laser Technology for Defense and Security XIII, Proc. of SPIE Vol. 10192, 2017) offenbart beispielsweise solch eine Riegel-Struktur mit Unterbaugruppen, wobei die Riegel mehrere Laseremitter nebeneinander aufnehmen und die Riegel gestapelt werden können. Die Laseremitter werden von dem Riegel von unten gekühlt.
Beide Veröffentlichungen offenbaren die Nutzung eines externes Volumen-Bragg-Gitters (Volume Bragg Grating - VBG), zur spektralen Stabilisierung.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Lasermodul mit vereinfachtem Aufbau bei gleicher oder verbesserter Performance bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Offenbarung gelöst.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Lasermodul offenbart. Ein Lasermodul kann auch als Laserstapel bezeichnet werden. Das Lasermodul umfasst eine Vielzahl von Diodenlasern, die entlang einer ersten Richtung Y gestapelt angeordnet sind. Bevorzugt ist die erste Richtung die vertikale Richtung. Jeder Diodenlaser weist einen ersten Laseremitter und einen zweite Laseremitter auf, die jeweils in einer Ebene separat nebeneinander angeordnet sind. Die Laseremitter sind jeweils aktive Schichten, welche bevorzugt streifenförmig ausgebildet sind. Die zwei Laseremitter sind bevorzugt identisch ausgebildet. Streifenförmig bedeutet, dass die longitudinale Ausdehnung der Schicht im Vergleich zur vertikalen Ausdehnung der Schicht um ein Vielfaches größer ist. Die Laseremitter des Diodenlasers sind entlang der ersten Richtung Y jeweils zwischen elektrischen Kontakten zur elektrischen und thermischen Kontaktierung angeordnet und weisen an ihren Enden eine Frontfacette sowie eine Rückfacette auf. Die Frontfacette dient als Laser-Austrittsfläche des Laseremitters. In der ersten Richtung Y ist jeder Diodenlaser zwischen zwei Kühlkörpern angeordnet. Bevorzugt sind die Kühlkörper passive Wärmeverteiler, welche auch als Wärmespreizer, Submounts oder Träger bezeichnet werden können. Der erste Kühlkörper und der zweite Kühlkörper erstrecken sich jeweils in einer Ebene in X-Z-Richtung. Ein Diodenlaser und zwei Kühlkörper bilden ein einzelnes Stapelelement. Diese Kühlkörper sind vorzugsweise zu dem Material der Laseremitter hinsichtlich des Ausdehnungskoeffizienten thermisch angepasst. Mehrere Stapelelemente sind in der ersten Richtung Y aufeinandergestapelt, um einen Stapel zu realisieren. Bevorzugt sind alle Laseremitter so positioniert, dass deren Ausgangsstrahlen in einer Richtung X exakt justiert sind. Bevorzugt beträgt ein lateraler Abstand in Richtung X weniger als 10% der Streifenbreite. Jeweils an Seitenflächen des Kühlkörpers beziehungsweise des Stapelelements sind Kühlelemente vorgesehen, wobei die Seitenflächen jeweils in einer ersten Ebene Y-Z liegen, die durch die erste Richtung Y und die zweite Richtung Z definiert ist, und wobei sich die Kühlelemente über die Vielzahl der Stapelelemente erstrecken. Bevorzugt handelt es sich um aktive Kühlelemente, welche von einem Kühlmedium durchströmt werden.
Der oder die mehreren Laseremitter befinden sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper. Eine aktive Region, welche die Laseremitter bildet, ist bevorzugt streifenförmig und weist an einem Ende eine Frontfacette auf, an welcher die Laserstrahlen austreten. Bevorzugt ist die Länge des Laseremitters proportional zur Ausgangsleistung des Laseremitters. Weiterhin skaliert die benötigte Kühlleistung mit der Ausgangsleistung. Da mit der Länge eines Emitters auch die Oberfläche des Emitters zunimmt, kann die Kühlleistung zusammen mit der Ausgangsleistung des Emitters skaliert werden. Die ersten und/oder zweiten Kühlkörper sowie die Kühlelemente erstrecken sich bevorzugt zumindest über die gesamte Länge des Laseremitters. Dies bewirkt eine effiziente zweiseitige Kühlung. Zum Abführen der in die Kühlkörper eingebrachten Wärme sind diese, bevorzugt thermisch, mit zwei seitlichen Kühlelementen verbunden. Die Frontfacetten der Laseremitter liegen frei. Das Stapeln der Stapelelemente ermöglicht eine Skalierung der Anzahl der Laseremitter bei gleichzeitiger Skalierung der Kühlung über die den Diodenlaser jeweils umschließenden ersten und zweiten Kühlkörper sowie die Kühlung dieser ersten und zweiten Kühlkörper über ihre außenliegenden Seitenflächen durch jeweils ein Kühlelement. Dadurch kann die Wärme von dem ersten und zweiten Kühlkörper gleichzeitig von zwei verschiedenen Seiten abgeführt werden. Als Material für die Kühlkörper wird ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit eingesetzt. Bevorzugt sind Metalle wie Kupfer, Wolfram, Silber, Aluminium, oder Legierungen dieser Metalle, oder die Zusammensetzung den Metallen mit Diamantpartikeln (z.B. Silberdiamant). Bevorzugt beträgt die Wärmeleitfähigkeit mehr als 200 W/(m*K), besonders bevorzugt mehr als 300 W/(m*K) und ganz besonders bevorzugt mehr als 380 W/(m*K) und besitzt bevorzugt eine angepasste thermische Ausdehnung zu dem Diodenlasermaterial selbst.
Durch die Kombination von mehreren Laseremittern pro Stapelelement und mehreren Stapelelementen zu einem Stapel, welcher durch die beiden seitlichen Kühlelemente zu einem Lasermodul ergänzt wird, wird der Aufbau des Lasermoduls stark vereinfacht.
Der emittierte Laserstrahl aus dem Lasermodul wird direkt für eine effiziente Kopplung in eine runde Faser angepasst und es werden, im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen, keine teuren und aufwendigen Optiken wie Beamtwister oder besondere Montagemethoden benötigt.
Dieser Aufbau mit zwei Kühlelementen an den Seiten und den Laseremittern in der Mitte ist besonders effizient, wobei die Wärme von zwei Seiten gleichzeitig abgeführt wird. Bevorzugt ist jedem Laseremitter ein Wasserkühler zugeordnet. Zur Leistungsskalierung oder Kopplung in eine bestimmte optische Faser bzw. Systeme umfasst der Diodenlaser bevorzugt dritte Laseremitter, vierte Laseremitter oder noch weitere Laseremitter. Eine Variation der Anzahl an Laseremittern sowie die Variation der Abstände der Laseremitter ermöglicht eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungen und Anforderungen an die Laserstrahlcharakteristik.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jedem Laseremitter ein internes frequenzselektives Element zugeordnet ist. Bevorzugt ist das frequenzselektive Element an der Rückfacette und/oder an der Frontfacette oder entlang des gesamten Laseremitters vorgesehen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem frequenzselektiven Element um ein Gitter zur Wellenlängenstabilisierung, besonders bevorzugt um ein DBR (distributed Bragg reflector) oder einen DFB (distributed feeback laser). Wenn sich das frequenzselektive Element direkt im Laseremitter befindet, stellt dies im Vergleich zu einer externen Lösung eine deutliche Kostenersparnis und Designvereinfachung dar. Bevorzugt ist das frequenzselektive Element monolithisch implementiert. Monolithisch bedeutet, dass mehrere Elemente oder Baugruppen oder Funktionseinheiten auf einem Substrat ausgebildet und direkt funktionell verbunden beziehungsweise integriert sind. Dadurch wird der Laser insgesamt kompakter. Auch kann die Effizienz verbessert werden, da bei einer externen Lösung höhere Verluste auftreten. Ein weiterer Vorteil ist ein reduziertes Ausfallrisiko aufgrund der verringerten Anzahl an Bauteilen und Eliminierung potentiell schädlicher Streueffekte des reflektierenden Lichtstrahls. In einem DBR-Design ist das frequenzselektive Element an einem Ende des Laseremitters angeordnet und weist eine Länge L_WLS auf. Diese beträgt bevorzugt 1/3, 1/4, 1/5, 1/6 oder 1/7 der Gesamtlänge des Laseremitters L_E. Besonders bevorzugt beträgt die Länge L_WLS zwischen 0,5 mm und 1,0 mm. Ganz besonders bevorzugt ist das frequenzselektive Element in einem DFB-Design über die gesamte Länge des Laseremitters ausgebildet.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind genau zwei Laseremitter in einer Ebene des Diodenlasers separat nebeneinander angeordnet. Bevorzugt sind die beiden Laseremitter zueinander parallel. In einer noch bevorzugteren Variante sind die Laseremitter zueinander ausgerichtet. Zueinander ausgerichtet bedeutet, dass zumindest die Frontfacetten der Laseremitter in einer Ebene liegen. Durch eine exakte Ausrichtung wird die Fokussierung des Laserstrahl, welcher aus der Frontfacette austritt, vereinfacht. In bevorzugter Ausgestaltung sind der erste Laseremitter und der zweite Laseremitter auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht beziehungsweise gebildet.
Ein gemeinsames Substrat erleichtert die Ausrichtung der zwei Laseremitter. Durch die Verwendung von genau zwei Laseremittern kann der Abstand zwischen den Emittern groß gewählt werden, sodass ein vorzugswürdiger Kompromiss zwischen Ausgangleistung, Kühlung der Emitter und Strahlqualität erreicht werden kann. Weiterhin ist der Wärmeabtransport in alle Richtungen gleichmäßig möglich.
Die Anzahl der Stapelelemente beträgt 2 bis 50. Bevorzugt beträgt die Anzahl der Stapelelemente zwischen 5 und 15. Besonders bevorzugt 12 bis 13. Auch bevorzugt sind 12 bis 16 Stapelelemente. Durch die Verwendung von mehreren Stapelelementen kann das Lasermodul an verschiedene Anwendungen angepasst werden. Die Anpassung erfolgt über die Anzahl an Stapelelementen. Bevorzugt liegt die Anzahl bei 24, besonders bevorzugt bei 16, 15, 14, 13 oder 12. Mit anderen Worten ist die Anzahl auf Leistungsanforderungen und/oder Einkopplungsanforderungen abgestimmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Laseremitter und der zweite Laseremitter in einem Abstand A_E,I in einer (der gemeinsamen) Ebene zueinander angeordnet, welcher zwischen 250 µm und 5 mm beträgt. Bevorzugt liegt die Ebene in lateraler Richtung (X-Z).
Der Abstand A_E,I zwischen dem ersten Laseremitter und dem zweiten Laseremitter nimmt einen Wert aus dem Bereich von 30 µm bis 10 mm an. Bevorzugt liegt der laterale Abstand in einem Bereich von 300 µm bis 4 mm. Besonders bevorzugt in einem Bereich von 400 µm bis 3 mm. Noch bevorzugter ist ein Bereich von 500 µm bis 1,5 mm. Auch bevorzugt ist ein Bereich von 800 µm bis 1,6 mm. Der Abstand A_E,I ist auch abhängig von anderen Designparametern, wie der Brennweite der nachfolgend beschriebenen Fast-Axis- und Slow-Axis-Kollimatoren.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform beträgt ein Abstand A_E,v benachbarter Diodenlaser in der ersten Richtung Y zwischen 300 µm und 5 mm. Bevorzugt handelt es sich um einen vertikalen Abstand.
Der Abstand zwischen zwei Diodenlasern kann von 100 µm bis 10 mm betragen. Bevorzugt beträgt er 250 µm bis 4 mm und besonders bevorzugt 500 µm bis 4 mm. Ganz besonders bevorzugt beträgt der Abstand 1 mm bis 3 mm. Bevorzugt ist der vertikale Abstand zwischen allen Diodenlasern konstant. Der vertikale Abstand ist auch abhängig von anderen Designparametern, wie der Brennweite der nachfolgend beschriebenen Fast-Axis-Kollimatoren und Slow-Axis-Kollimatoren.
Der laterale Offset zwischen den Laseremittern in benachbarten Stapelelementen in Richtung X soll möglichst klein sein, bevorzugt < 10% der Emitterbreite, exemplarisch < 20 µm für eine Emitterbreite von 200 µm.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Lasermoduls ist hinter den Frontfacetten der Vielzahl der Diodenlaser jeweils ein Fast-Axis-Kollimator angeordnet, der ausgebildet ist, die Strahlung sowohl des ersten Laseremitters als auch des zweiten Laseremitters entlang einer vertikalen Richtung Y zu kollimieren. Bevorzugt handelt es sich bei einem Kollimator um eine Linse.
Wenn ein einzelner Fast-Axis-Kollimator für zwei Laseremitter genutzt wird, muss nur ein Kollimator für zwei Laserstrahlen ausgerichtet werden. Dadurch wird Montage- und Einstellaufwand eingespart. Bevorzugt befindet sich der Fast-Axis-Kollimator möglichst nah an dem Laseremitter.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Lasermoduls überlappt eine Projektion des ersten Laseremitters eines ersten Diodenlasers entlang einer ersten Richtung Y jeweils in eine Ebene eines anderen Diodenlasers mit dem jeweiligen ersten Laseremitter des anderen Diodenlasers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Lasermoduls überlappt eine Projektion des zweiten Laseremitters eines ersten Diodenlasers entlang einer ersten Richtung Y jeweils in eine Ebene eines anderen Diodenlasers mit dem jeweiligen zweiten Laseremitter des anderen Diodenlasers.
Bevorzugt ist die Überlappung jeweils exakt, das heißt ohne Überstände. Mit anderen Worten sind die ersten Laseremitter in der ersten Richtung Y zueinander ausgerichtet und die zweiten Laseremitter in der ersten Richtung Y zueinander ausgerichtet. In einer Draufsicht in erster Richtung ist daher nur der erste Laseremitter und/oder der zweite Laseremitter sichtbar. Durch diese überlappende Ausrichtung ist die Anordnung der nachfolgenden Optik vereinfacht. Bevorzugt ist der Slow-Axis-Kollimator einteilig ausgeführt. Dadurch ist der Aufwand zur Ausrichtung eines Slow-Axis-Kollimators reduziert.
Nach einer anderen Ausführungsform umfasst das Lasermodul weiterhin einen ersten Slow-Axis-Kollimator und einen zweiten Slow-Axis-Kollimator, wobei der erste Slow-Axis-Kollimator den ersten Laseremittern der Vielzahl der Diodenlaser und der zweite Slow-Axis-Kollimator den zweiten Laseremittern der Vielzahl der Diodenlaser zugeordnet ist, wobei der erste Slow-Axis-Kollimator ausgebildet ist, die Strahlung der ersten Laseremitter entlang einer dritten Richtung X zu kollimieren und wobei der zweite Slow-Axis-Kollimator ausgebildet ist, die Strahlung der zweiten Laseremitter entlang der dritten Richtung X zu kollimieren. Bevorzugt werden Slow-Axis-Kollimatoren verwendet, welche eine Positionierung entfernt von dem Emitter und dem Fast-Axis-Kollimator erlauben. Dies wird durch die Verwendung von Kollimatoren mit großen Brennweiten erreicht. Dadurch ist die Positionierung weniger kritisch, das heißt fehlertoleranter. Bevorzugt ist weiterhin die Verwendung von einem hohen Doppel-Slow-Axis-Kollimator oder zwei einzelner Slow-Axis-Kollimatoren für alle Halbleiterlaser möglich. Dies reduziert die Gesamtanzahl an optischen Elementen für das Lasermodul erheblich.
Ebenfalls bevorzugt kontaktieren die zwei Kühlkörper, das heißt der erste Kühlkörper und der zweite Kühlkörper, jeweils sowohl den ersten Laseremitter als auch den zweiten Laseremitter entlang der ersten Richtung Y direkt. Dabei kontaktieren die zwei Kühlkörper jeweils jedes der zwei seitlichen Kühlelemente direkt. Bevorzugt erfolgt der Kontakt jeweils über Seitenflächen der Kühlkörper, welche mit den seitlichen Kühlelementen verbunden sind. Dadurch wird die Wärme effektiv abgeführt.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein Lasersystem offenbart, aufweisend ein Lasermodul gemäß dem ersten Aspekt und eine Lichtleitfaser, wobei optische Elemente vorgesehen sind, die ausgebildet sind, die vom Lasermodul emittierte Strahlung auf eine Eintrittsfläche der Lichtleitfaser zu fokussieren. Bei den optischen Elementen handelt es sich bevorzugt um zylindrische und/oder asphärische Linsen sowie Spiegel. Ein Lasersystem kann auch als Stapelmodul bezeichnet werden. Bevorzugt sind phasen-, frequenz- oder polarisationsselektive optische Elemente eingebracht, um die Strahlgänge der einzelnen Laseremitter zur weiteren Skalierung der Leistungsdichte in einen gemeinsamen Strahl zu integrieren.
Die optischen Elemente bestimmen die Verwendung des Lasersystems. Ein Laser kann für ein breites Anwendungsspektrum eingesetzt werden. Spiegel dienen zur Umlenkung der Laserstrahlung und/oder zur Kombination der Laserstrahlung der einzelnen Laseremitter. Die Umlenkung kann aus bauraumbedingten, thermischen oder sonstigen designspezifischen Gründen notwendig sein.
Gemäß einem dritten Aspekt wird das Lasersystem nach dem zweiten Aspekt als optisches Pumpelement für einen weiteren Laser verwendet. Bei dem weiteren Laser handelt es sich bevorzugt um einen Faserlaser, welcher bevorzugt zur Materialbearbeitung verwendet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts sind der erste Slow-Axis-Kollimator und der zweite Slow-Axis-Kollimator einteilig ausgeführt. Wenn die Slow-Axis-Kollimatoren einteilig ausgeführt sind, muss nur ein Kollimator ausgerichtet werden. Daher wird dieser bevorzugt für einen Doppelemitter einteilig ausgebildet, sodass der Aufwand zur Ausrichtung der Kollimatoren verringert ist. Weiterhin verringert sich der Montageaufwand, wenn die Anzahl der zu montierenden Kollimatoren reduziert ist. Bei mehr als zwei Laseremittern pro Diodenlaser sind bevorzugt alle diesem Diodenlaser zugeordneten Slow-Axis-Kollimatoren einteilig ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Slow-Axis-Kollimatoren als ein zusammenhängendes Linsenarray ausgeführt.
Besonders vorteilhaft ist die Kombination der oben beschriebenen Merkmale. Durch die effektive Kühlung über die seitlichen Kühlelemente, welche sich über die Vielzahl der Stapelelemente mit integriertem Diodenlaser erstrecken, wird sowohl ein besonders kompakter Abstand A_E,I, als auch ein besonders kompakter Abstand A_E,v der Laseremitter ermöglicht. Durch die Miniaturisierung, welche dieser Aufbau ermöglicht, ist die Kollimation von zwei Laserstrahlen durch einen einzigen Fast-Axis-Kollimator vereinfacht, da der Fast-Axis-Kollimator näher an die Laseremitter heranrücken kann, und somit Fehlertoleranzen bei Positionierung und/oder Güte des Kollimators großzügiger bemessen werden können. Darüber hinaus weist ein derartiger Diodenlaser eine exzellente Skalierbarkeit auf, da sowohl die Länge des Laseremitters als auch das Wärmeabführvermögen der Kühlelemente skaliert werden können, ohne an der zugrundeliegenden Struktur Änderungen durchführen zu müssen. Das erfindungsgemäße Lasermodul bietet daher eine hohe Flexibilität für die Parameter des Lasermoduls. Beispielhaft für diese Flexibilität sind nachfolgend einige Werte aufgeführt.
In einer anderen bevorzugten Ausführung beträgt die kontinuierliche optische Leistung eines Diodenlaser im CW-Betrieb („continous wave“) 40 W, bevorzugt 50, 60, 70, 80, 90, 100 oder 110 W. Die optische Leistung eines Laser-Stapels im QCW-Betrieb („quasi continous wave“) beträgt 75 W, bevorzugt 90, 105, 120, 135, 150, 165 oder 180 W. Wenn ein Diodenlaser zwei Laseremitter umfasst, entspricht die Leistung eines Laseremitters entsprechend der Hälfte der oben angegebenen Zahlenwerte.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts weisen die optischen Elemente eine erste zylindrische Linse, eine zweite zylindrische Linse, und eine Linse ausgewählt aus einer dritten zylindrischen Linse oder einer asphärischen Linse auf.
Bevorzugt dient die letztgenannte Linse zum Einkoppeln des Laserstrahls in die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser. Bevorzugt handelt es sich um eine Faser mit einem Durchmesser von 180 µm bis 230 µm. Besonders bevorzugt um eine Faser mit 200 µm Durchmesser. Die numerische Apertur der Faser liegt zwischen 0,1 und 0,3, bevorzugt zwischen 0,20 und 0,24.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts weisen der erste Laseremitter und/oder der zweite Laseremitter eine Länge L_E zwischen 2 mm und 10 mm auf. Die Länge L_E liegt bevorzugt zwischen 3 mm und 8 mm, weiter bevorzugt zwischen 4 mm und 7 mm und besonders bevorzugt zwischen 5 mm und 6 mm. Die Gesamtlänge des Laseremitters L_E ist proportional zur Leistung des Lasers. Das heißt ein längerer Laseremitter ist leistungsfähiger als ein kürzerer Laseremitter gleicher Bauart. Die Länge beträgt bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 mm. Die Breite B_E der Laseremitter beträgt 50 µm bis 4 mm. Bevorzugt beträgt die Breite 100 µm bis 3 mm. Besonders bevorzugt beträgt die Breite 100 µm bis 1200 µm. Ganz besonders bevorzug beträgt die Breite 200 µm bis 500 µm. Bevorzugt ist die Breite über die Länge des Laseremitters konstant. Die Breite B_E des Laseremitters kann über seine Länge L_E um bis zu 10% abweichen. Bevorzugt ist die Abweichung < 5 %.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Fast-Axis-Kollimatoren und/oder mehrere Slow-Axis-Kollimatoren einteilig ausgebildet. Bevorzugt ist jeweils die Hälfte aller Fast-Axis-Kollimatoren und/oder die Hälfte aller Slow-Axis-Kollimatoren einteilig ausgebildet. Besonders bevorzugt sind alle Fast-Axis-Kollimatoren einteilig ausgebildet und alle Slow-Axis-Kollimatoren einteilig ausgebildet. Wie bereits erwähnt, wird durch die reduzierte Anzahl an Bauelementen die Komplexität des Lasermoduls und der Installationsaufwand, das heißt der Aufwand zur Positionierung der Linsen, reduziert.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform nach dem zweiten Aspekt beträgt die spektrale Breite des Laserstrahls bei 95 % Leistungsinhalt < 1 nm, bevorzugt < 0,9 nm, besonders bevorzugt < 0,8 nm und noch bevorzugter < 0,7 nm.
Für die Charakterisierung eines Laserstrahls ist der Begriff Strahlparameterprodukt (Abkürzung: SPP; oder Englisch: beam parameter product) relevant. Als Einheit ist mm*mrad gebräuchlich. Das SPP beschreibt die Strahlqualität und Fokussierbarkeit eines Laserstrahls. Weiterhin kann die Beugungsmaßzahl (Abkürzung: M²; oder Englisch: beam propagation ratio) zur Charakterisierung der Qualität des Laserstrahls verwendet werden. M² bezeichnet die Abweichung des Laserstrahls von einem idealen Gauß-Strahl. Eine weitere Maßzahl für einen Laser ist die Halbwertsbreite (English: full width at half maximum). Die Halbwertsbreite entspricht beispielsweise der Bandbreite einer Frequenz, bei welcher noch 50 % der Signalleistung übertragen werden.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Offenbarung regelmäßig Elemente mehrfach vorkommen, und durch „erste“ und „zweite“ gekennzeichnet sind. Auch wenn nicht explizit die „ersten“ und „zweiten“ Elemente erwähnt sind und sich die Beschreibung lediglich auf die Einzahl oder Mehrzahl bezieht, sind im Zweifel beide Elemente als umfasst zu verstehen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt beispielhaft mehrere Doppelemitter mit Fast-Axis-Kollimator-Linsen nach einer Ausführungsform;
2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Lasermodul gemäß der Erfindung;
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Lasermoduls gemäß der Erfindung;
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Lasersystems gemäß einer Ausführungsform;
5 zeigt eine schematische Ansicht eines Lasersystems gemäß einer anderen Ausführungsform;
6 zeigt mehrere Stapelelemente mit aktiven seitlichen Kühlelementen gemäß einer Ausführungsform;
7 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Stapelelements einschließend einen Diodenlaser mit einem ersten und zweiten Kühlkörper;
8 zeigt einen Querschnitt eines Laserstrahls der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt schematisch einen Diodenlaser mit drei Laseremittern;
10 zeigt schematisch einen Diodenlaser mit vier Laseremittern;
11 zeigt ein Lasermodul mit kombinierten Laserstrahlen durch variierte Polarisation;
12 zeigt ein Lasermodul mit zwei kombinierten Laserstrahlen durch variierte Wellenlängen;
13 zeigt ein Lasermodul mit vier kombinierten Laserstrahlen durch variierte Wellenlängen; und
14 zeigt ein Lasermodul mit kombinierten Laserstrahlen durch Phasenkontrolle.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt perspektivisch beispielhaft einen Ausschnitt eines Lasermoduls 200. An der Oberfläche sind Fast-Axis-Kollimatoren 3 zu sehen, welche in einem konstanten Abstand zueinander angeordnet sind. Aus dieser Perspektive unterhalb der Fast-Axis-Kollimatoren 3 befinden sich die Laseremitter 1, 1' (nicht sichtbar). Auf beiden Seiten der Laseremitter 1, 1' befindet sich die aktive Kühlung 6. Diese ermöglicht eine effiziente Kühlung von zwei Seiten des Laseremitters 1, 1'.
2 zeigt zwei Laseremitter 1, 1' in einer Draufsicht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform wird auch als Doppelemitter 11 bezeichnet. Jeder der Laseremitter 1, 1' weist einen Bereich mit einem frequenzselektiven Element 5 auf. Dieses befindet sich hier an einem hinteren Ende des ersten und zweiten Laseremitters 1, 1', ist aber nicht darauf begrenzt und kann auch am vorderen Ende, in der Mitte oder über den ganzen Laseremitter 1, 1' verteilt angeordnet sein. Das frequenzselektive Element 5 weist eine Länge L_WLS auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel 0,5 oder 1 mm beträgt. Die Länge L_E des Laseremitters 1, 1' in diesem Beispiel beträgt 4 mm. Die Länge L_E kann aber auch größer gewählt werden, um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen. Die Diodenlaser und die darin enthaltenen Laseremitter sind zwischen zwei Kühlkörpern 14, 14' montiert (hier nicht dargestellt), um ein Stapelelement zu realisieren. Das Stapelelement 150 dient zum mechanischen Schutz, zur Lieferung von elektrischem Strom und zur Verteilung und anschließender Extraktion der eingebrachten Wärme. Wenn die Länge des Laseremitters 1, 1' vergrößert wird, kann über die Kühlkörper 14, 14' und die Kühlelemente 6 (hier nicht dargestellt) mehr Wärme abgeführt werden. Der Aufbau ist daher sehr gut skalierbar. Auf die Kühlung wird detailliert in den 6 und 7 eingegangen. In dieser Figur sind diesbezüglich die den Kühlelementen 6 zugewandten Seiten eingezeichnet. Die dem Kühlelement 6 zugewandte Seite des ersten Emitters 1 ist die dem zweiten Laseremitter 1' abgewandte Seite 1a des ersten Laseremitters 1. Die dem Kühlelement 6 zugewandte Seite des zweiten Emitters 1' ist die dem ersten Laseremitter 1 abgewandte Seite 1'a des zweiten Laseremitters 1'. Der Laseremitter 1, 1' weist eine Breite B_E auf, welche hier 200 µm beträgt. Der seitliche Abstand zwischen den zwei Laseremittern 1, 1' beträgt 1,0 mm. Durch diesen Abstand zwischen den beiden Laseremittern 1, 1' von 1 mm wird sowohl eine Wechselwirkung der Laseremitter 1, 1' verhindert als auch Interferenzen in der Optik zwischen den Laseremitter 1, 1' vorgebeugt. Bei einer Gesamtbreite eines Doppelemitters von 2 mm ergibt sich ein Abstand zu seitlich angebrachten Kühlelementen 6 von 300 µm. Dies bietet ausreichend Abstand, um eine mechanische Beeinflussung durch die Kühlelemente 6 zu vermeiden und um eine effektive Wärmeextraktion zu gewährleisten. Der austretende Laserstrahl 2, 2' weist exemplarisch eine Wellenlänge von 969 oder 976 nm auf, passend zu Absorptionsmaximen in Yb-dotierten Kristallen und Gläsern, ist aber nicht darauf begrenzt und kann auch eine andere Wellenlänge aufweisen, und wird von nachfolgenden optischen Elementen 3, 4, 4' geführt. Die aus der Frontfacette 18 austretenden Laserstrahlen treten zunächst in die Fast-Axis-Kollimator-Linse 3 ein. Die Fast-Axis-Kollimator-Linse 3 weist in Laserstrahlrichtung eine Länge L_FAC auf und senkrecht dazu eine Breite B_FAC auf. Die Breite B_FAC der Fast-Axis-Kollimator-Linse 3 ist größer als der laterale Abstand A_E,I zwischen den zwei Laseremittern 1, 1' (laterale Abstand). Die Fast-Axis-Kollimator-Linse 3 erfasst daher die beiden Laserstrahlen 2, 2' der beiden Laseremitter 1, 1'. Die Fast-Axis-Kollimator-Linse 3 ist entsprechend ihrer Brennweite und abhängig von der Divergenz des Laserstrahls 2, 2' positioniert. Die Brennweite beträgt zwischen 1,5 und 2,0 mm. Die laterale Divergenz beträgt in diesem Beispiel 10°, ist aber nicht darauf begrenzt und kann in dieser Ausführungsform auch bei 9° bis 12° liegen, was einem SPP von 7,9 bis 10,5 mm*mrad entspricht. Anschließend treffen die Laserstrahlen 2, 2' auf zwei Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4'. Die Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4' sind in dieser Figur zwar getrennt dargestellt, sind aber einteilig, das heißt als ein Bauteil, ausgebildet. Die Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4' weisen eine Länge L_SAC auf und eine gemeinsame Breite B_SAC auf. Die Fast-Axis-Kollimatoren und die Slow-Axis-Kollimatoren 3, 4, 4' kollimieren jeweils in einer bestimmten Richtung. Die Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4' kollimieren die Laserstrahlen in X-Richtung. Der Fast-Axis-Kollimator 3 kollimiert in Y-Richtung. Nachdem die Laserstrahlen 2, 2' beide Linsen passiert haben, laufen diese als erster gemeinsamer Laserstrahl 10 weiter. Im Übrigen ist zu beachten, dass der Abstand der Linsen 3, 4, 4' voneinander und zu den Laseremittern 1, 1' durch ihre Fokuslänge bestimmt ist, und entsprechend eingestellt werden kann. Die genannten konkreten Abmessungen in diesem Ausführungsbeispiel sind daher nicht einschränkend auszulegen.
3 zeigt einen Ausschnitt einer Seitenansicht eines Lasermoduls 200 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Die Erläuterungen zu dem Doppelemitter 11 in 2 gelten auch für dieses Ausführungsbeispiel. Die Abbildung entspricht der Anordnung aus 2 um 90° im Uhrzeigersinn um die optische Mittelachse des Laserstrahls 2 gedreht. Es ist gut zu erkennen, dass alle Bauteile der beiden Diodenlaser 100 zueinander ausgerichtet und direkt übereinander angeordnet sind. Die Querschnitt-Darstellung der Fast-Axis-Kollimator-Linse 3 veranschaulicht die Fokussierung des Laserstrahls 2' durch die Fast-Axis-Kollimator-Linse 3 entlang der Y-Richtung. Die zwei Laseremitter 1', 1', welche unterschiedlichen Diodenlasern 100 angehören, weisen einen vertikalen Abstand A_E,v in Y-Richtung auf. Dieser Abstand A_E,v wird nachfolgend als Diodenlaser-Abstand A_E,v bezeichnet. Obwohl hier auszugsweise nur zwei Diodenlaser 100 dargestellt sind, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die Anzahl an Diodenlasern auch deutlich größer gewählt werden kann. Der Diodenlaser-Abstand A_E,v ist zwischen den verschiedenen Ebenen an Diodenlasern 100 bevorzugt konstant, aber nicht drauf begrenzt. Der Diodenlaser-Abstand A_E,v beträgt in diesem Beispiel 3,2 mm, ist aber ebenfalls nicht darauf beschränkt, sondern abhängig von anderen Designparametern, wie der Brennweite der Fast-Axis- und Slow-Axis-Kollimatoren 3, 4, 4'. Mit anderen Worten ist eine Ebene des Lasermoduls gemäß dieser Ausführungsform aus einem Diodenlaser 100 aufgebaut und umfasst zwei Laseremitter 1, 1'. Weiterhin sind in dieser Figur elektrische Kontakte 17, 17' eingezeichnet, welche sich oberhalb und unterhalb der der Emitter 1, 1' befinden. Durch die elektrischen Kontakte 17, 17' wird eine elektrische Spannung angelegt, es fließt ein Strom von einem elektrischen Kontakt 17, 17' zum anderen elektrischen Kontakt 17, 17', und die aktive Schicht im Emitter 1, 1' erzeugt einen Laserstrahl 2, 2', welcher an der Frontfacette 18 austritt. Charakteristische technische Daten für dieses Ausführungsbeispiel sind wie folgt. Für 12 der oben genannten Diodenlaser 100, und bei einer optischen Leistung von 500 W, liegt die Beugungsmaßzahl für die vertikale Richtung M² = 60 und die Halbwertsbreite ist < 0,7 nm.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. Alle bisherigen Erläuterungen gemäß den 2 bis 3 gelten weiterhin. Am linken Rand befinden sich das Lasermodul 200 mit den Diodenlasern 100 zusammen mit den Fast-Axis-Kollimatoren 3 und den Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4' als 12-facher Stapel. Ein Stapel weist die gleiche Anordnung auf, wie sie in den 2 und 3 gezeigt ist. Das heißt ein Stapel entspricht einem Diodenlaser 100 mit Fast-Axis- und Slow-Axis-Kollimator. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4' nebeneinander angeordnet und einzeln befestigt. Eine einzelne Ausrichtung ermöglicht eine genauere Justierung der Optik. Bevorzugt können die Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4' aller Diodenlaser 100 auch einteilig ausgebildet sein. Die ersten gemeinsamen Laserstrahlen 10 der Diodenlaser 100 treffen, nachdem diese die Slow-Axis-Kollimatoren verlassen haben, auf eine erste vertikale zylindrische Linse 7. Diese fokussiert die ersten gemeinsamen Laserstrahlen 10 auf die nachfolgenden zwei horizontalen zylindrischen Linsen 13, 13', welche den ersten gemeinsamen Laserstrahl 10 weiter auf die Eintrittsfläche 12 einer Lichtleitfaser fokussieren. Die zweite horizontale zylindrische Linse 13', die Einkoppellinse, befindet sich in unmittelbarer Nähe zur Eintrittsfläche der optischen Faser 12. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine 200 µm Faser mit einer numerischen Apertur NA zwischen 0,2 bis 0,22. Für die Effizienz an der Eintrittsfläche 12 ist zu beachten, dass die äußeren Bereiche des Laserstrahls, welcher auf die Eintrittsfläche 12 trifft, aufgrund der kreisförmigen Form der Eintrittsfläche 12 der Faser ein Verlust auftreten kann, wenn der Laserstrahl nicht ausreichen klein ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiel des Systems 300 gemäß 4. Die Ausführungen der 2 bis 4 gelten, sofern nicht explizit etwas anderes erwähnt ist, auch für dieses Beispiel. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 4 wird der erste gemeinsame Laserstrahl 10 durch einen ersten Spiegel 8 und einen zweiten Spiegel 8' umgelenkt, um ein kompakteres Modul zu realisieren. Der übrige Aufbau ist vergleichbar zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel. Die Diodenlaser 100 (nicht dargestellt) mit den Doppelemittem 11 befinden sich zwischen den beiden Kühlelementen 6. In diesem Ausführungsbeispiel sind 14 Diodenlaser 100 übereinander angeordnet. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind jedem Doppelemitter 11 eine Fast-Axis-Kollimator-Linse 3 und zwei Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4' zugeordnet. Alle Slow-Axis-Kollimatoren 4, 4' der verschiedenen Stapel sind als eine einteilige Slow-Axis-Kollimator-Linse 4, 4' ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Montage, da nur eine einmalige Ausrichtung der Slow-Axis-Kollimator-Linse 4, 4' für die Laserstrahlen 2, 2' nötig ist, und wird dadurch ermöglicht, dass die laterale Divergenz gering ist. Dadurch sind geringe Fehler in der Ausrichtung unkritisch. Die aus den Diodenlasern 100 austretenden ersten gemeinsamen Laserstrahlen 10 treffen zunächst auf eine erste vertikale zylindrische Linse 7. Diese fokussiert die Laserstrahlen 10, wobei die Laserstrahlen 10 noch über zwei Spiegel 8 umgelenkt werden. Die Umlenkung, welche eine Richtungsänderung bewirkt, beträgt in diesem Beispiel 180°, ist aber nicht darauf beschränkt und kann zu dem Anwendungsfall passend gewählt werden. Anschließend trifft der umgelenkte Laserstrahl 10 auf eine zweite vertikale zylindrische Linse 7'. Diese kollimiert die Laserstrahlen 10 und lenkt diese auf eine asphärische Linse 9, welche die Laserstrahlen zu einem zweiten gemeinsamen Laserstrahl 10' auf die Eintrittsfläche 12 fokussiert.
Die 6 und 7 zeigen zusammen schematische perspektivische Ansichten der Kühlung der vorliegenden Erfindung, welche für jede Ausführungsform verwendet werden kann. 6 zeigt einen Stapel von Stapelelemente 150 einschließlich integrierten Diodenlasern 100 in einer Stapel-Konfiguration, mit seitlich angebrachten Kühlelementen 6, wie sie für ein Lasermodul 200 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 7 zeigt eine Detailansicht eines Stapelelementes 150 einschließlich zweier (hier goldfarbener) Kühlkörper 14, 14' und der Diodenlaser 100. Der obere Kühlkörper 14 und der untere Kühlkörper 14' bestehen aus einem wärmeleitenden Material, zum Beispiel Kupfer-Wolfram (CuW). Dazwischen liegen der erste Laseremitter 1 und der zweite Laseremitter 1'. Wenn die Kühlkörper 14, 14' deutlich breiter als ein Substrat der Laseremitter 1, 1' sind, können zusätzlich Abstandshalter, zum Beispiel aus Aluminiumoxid, neben dem Substrat der Laseremitter 1, 1' und zwischen dem ersten Kühlkörper 14 und dem zweiten Kühlkörper 14' vorgesehen sein.
Es ist bekannt, dass, wenn Laseremitter einen Laserstrahl erzeugen, Wärme erzeugt wird, welche abgeführt werden muss, um eine Überhitzung der Laseremitter zu vermeiden. Der optische Wirkungsgrad liegt beispielsweise bei 50 %. Dies bedeutet, dass etwa 50% als thermische Verlustleistung beziehungsweise Wärme abgeführt werden müssen. Der Abtransport der Wärme erfolgt zunächst über die flächenmäßig großen Oberseiten und Unterseiten des Substrats der Diodenlaser 100. Die Oberseite des Diodenlasers 100 liegt an der Unterseite eines ersten Kühlkörpers 14 an. Die Unterseite des Diodenlasers 100 liegt an der Oberseite eines zweiten Kühlkörpers 14' an. Da der Diodenlaser 100 direkt an den ersten und zweiten Kühlkörpern 14, 14' anliegt, kann die Wärme effektiv auf die Kühlkörper 14, 14' übertragen werden. Die ersten und zweiten Kühlkörper 14, 14' weisen, ähnlich wie der Diodenlaser 100, eine Quaderform auf. Die Quaderform ist derart ausgebildet, dass mehrere Diodenlaser 100 mit jeweils einem ersten und einem zweiten Kühlelement 14, 14', als Stapelelement 150, gestapelt werden können. Das Stapeln erfolgt derart, dass die Oberseite des ersten Kühlkörpers 14 mit der Unterseite des anliegenden zweiten Kühlkörpers 14' in Kontakt kommt. Alternativ kann lediglich ein Kühlkörper 14, 14' sowohl an seiner Oberseite als auch an seiner Unterseite mit jeweils einem Diodenlaser 100 in Kontakt stehen. Bevorzugt ist der Diodenlaser 100 mit dem Kühlkörper 14, 14' verlötet. Wenn ein solcher Stapel aus Diodenlasern und Kühlkörpern wiederum aufeinandergestapelt ist, ergeben die einzelnen Seitenflächen 16 der ersten und zweiten Kühlkörper 14, 14' zusammen eine, bevorzugt einheitliche, Fläche, welche mit dem Kühlelement 6 in Kontakt steht. Bevorzugt ist das Kühlelement aktiv gekühlt, nimmt die Wärme auf und transportiert diese ab.
8 zeigt einen Querschnitt eines zweiten gemeinsamen Laserstrahls 10' der vorliegenden Anmeldung bestehend aus mehreren Stapeln von ersten gemeinsamen Laserstrahlen 10. In einem Laserstrahl 10 sind schwach Intensitätsmaxima der beiden Laseremitter 1, 1' zu erkennen. Das heißt ein erster gemeinsamer Laserstrahl 10 wird durch den ersten Laseremitter 1 und den zweiten Laseremitter 1' geformt. In 8 sind die beiden Laserstrahlen von einer Lücke getrennt. Diese kann durch Fokussierung, wie in 5 gezeigt, beispielsweise durch eine asphärische Linse 9 geschlossen werden.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Diodenlaser 100 in einer schematischen perspektivischen Ansicht. Die Abbildung zeigt stark vereinfacht ein Substrat 30, in welchem drei Laseremitter 1, 1', 1'' ausgebildet sind, welche hier nicht dargestellte p-Schichten und n-Schichten aufweisen und über elektrische Kontakte 17, 17' (hier nicht dargestellt) Strom einspeisen. Dadurch wird Laserlicht in einer aktiven Zone 18a erzeugt und an der Frontfacette 18 jeweils als ein Laserstrahl ausgegeben. Weiterhin ist für jeden Laseremitter 1, 1', 1'' ein frequenzselektives Element 5 vorgesehen. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel in 2 ist hier ein zusätzlicher dritter Laseremitter 1'' implementiert. Ein zusätzlicher Emitter kann dadurch implementiert werden, dass das Substrat 30 verbreitert wird, oder dass ein Substrat 30 mit gleicher Breite verwendet wird, und die Breite und/oder der Abstand zwischen den Laseremittern 1, 1', 1'' reduziert wird. Alle anderen Designparameter und Erläuterungen der vorangehenden Ausführungsbeispiele, insbesondere hinsichtlich der Eigenschaften der in 2 und 3 beschriebenen Laseremitter, können, sofern nicht anders bestimmt, als von diesem Ausführungsbeispiel umfasst angesehen werden. Entsprechend kann dieser Diodenlaser auch für die Ausführungsbeispiele in 4 und 5 verwendet werden.
10 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Diodenlaser 100 in einer schematischen perspektivischen Ansicht. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel in 9 ist hier ein zusätzlicher vierter Laseremitter 1''' implementiert. Ein weiterer zusätzlicher Emitter kann dadurch implementiert werden, dass das Substrat 30 verbreitert wird, oder dass ein Substrat 30 mit gleicher Breite verwendet wird, und die Breite und/oder der Abstand zwischen den Laseremittern 1, 1', 1'', 1''' reduziert wird. Alle anderen Designparameter und Erläuterungen der vorangehenden Ausführungsbeispiele können, sofern nicht anders bestimmt, übernommen werden.
11 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Diodenlasers 100 beziehungsweise eines Lasersystems 300. Dieses Ausführungsbeispiel betrifft ein erstes Beispiel zur alternativen Kopplung von Laserstrahlen und ermöglicht eine höhere Helligkeit. Konkret wird die Kombination hier durch Kombination der Polarisation erzielt. Die Darstellung ist eine Draufsicht, sodass die Anzahl der gestapelten Diodenlaser 100 aus dieser Darstellung nicht ersichtlich ist. Die Erläuterungen aus den vorangegangenen Ausführungsbeispielen zu den Laseremittern 1, 1' sind auch von dieser Ausführungsform umfasst. In dieser Ausführungsform ist, im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, den Fast-Axis- und den Slow-Axis-Kollimatoren 3, 4 nachgeordnet in einem der beiden Strahlengänge ein Polarisationsmanipulator 50 angeordnet. Dieser ändert die Polarisation des den Polarisationsmanipulator 50 durchlaufenden Laserstrahls um 90°. Dieser manipulierte Laserstrahl wird über einen Spiegel 40 vollständig in Richtung des anderen Laserstrahls abgelenkt und reflektiert und über ein Kombinationselement 41 zusammen mit dem anderen Laserstrahl durch weitere optische Elemente 60 in eine Lichtleitfaser 20 eingekoppelt. Der Vorteil dieser und der nachfolgenden Ausführungsformen besteht daher darin, dass die optischen Elemente 60 nur für einen (kombinierten) Laserstrahl ausgebildet werden müssen. Weiterhin ist durch die verdoppelte optische Leistungsdichte eine Halbierung der Größe des Faserkerns, z.B. 100 µm statt 200 µm, möglich.
12 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Diodenlasers 100 beziehungsweise eines Lasersystems 300. Dieses Ausführungsbeispiel betrifft ein zweites Beispiel zur alternativen Kopplung von Laserstrahlen und ermöglicht eine höhere Helligkeit. Konkret wird die Kombination hier durch die Verwendung von zwei verschiedenen Wellenlängen erzielt. Die Darstellung ist eine Draufsicht, sodass die Anzahl der gestapelten Diodenlaser 100 aus dieser Darstellung nicht ersichtlich ist. In dieser Ausführungsform wird ein erster Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ₁ über einen Spiegel 40 vollständig in Richtung des zweiten Laserstrahls mit einer Wellenlänge λ₂ abgelenkt und über einen wellenlängensensitiven Spiegel 42 zusammen mit dem ersten Laserstrahl durch weitere optische Elemente 60 in eine Lichtleitfaser 20 eingekoppelt. Wellenlängensensitiv bedeutet, dass nur die Wellenlänge λ₁ reflektiert wird und der Spiegel 42 für die Wellenlänge λ₂ durchlässig ist, was eine Verdopplung der Leistungsdichte als Folge hat.
13 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Diodenlasers 100 beziehungsweise eines Lasersystems 300. Dieses Ausführungsbeispiel betrifft eine Variation des zweiten Beispiels zur alternativen Kopplung von Laserstrahlen. Konkret wird hier eine Kombination durch die Verwendung von vier verschiedenen Wellenlängen erzielt. Die Darstellung ist eine Draufsicht, sodass die Anzahl der gestapelten Diodenlaser 100 aus dieser Darstellung nicht ersichtlich ist. In dieser Ausführungsform wird ein erster Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ₁ über einen Spiegel 40 vollständig in Richtung des zweiten Laserstrahls mit einer Wellenlänge λ₂ abgelenkt und reflektiert und über einen wellenlängensensitiven Spiegel 42 zusammen mit dem ersten Laserstrahl weitergeleitet. Nachfolgend wird der Laserstrahl mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ über einen Spiegel 40 vollständig in Richtung des dritten Laserstrahls mit einer Wellenlänge λ₃ abgelenkt und reflektiert und über einen wellenlängensensitiven Spiegel 42 zusammen mit dem Laserstrahl mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ weitergeleitet. Nachfolgend wird der Laserstrahl mit den Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ über einen Spiegel 40 vollständig in Richtung des vierten Laserstrahls mit einer Wellenlänge λ₄ abgelenkt und reflektiert und über einen wellenlängensensitiven Spiegel 42 zusammen mit dem Laserstrahl mit den Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ weitergeleitet und durch weitere optische Elemente 60 in eine Lichtleitfaser 20 eingekoppelt, was eine Vervierfachung der Leistungsdichte als Folge hat.
14 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Diodenlasers 100 beziehungsweise eines Lasersystems 300. Dieses Ausführungsbeispiel betrifft ein erstes Beispiel zur kohärenten Kopplung von Laserstrahlen und ermöglicht die höchste Helligkeit. Die Darstellung ist eine Draufsicht, sodass die Anzahl der gestapelten Diodenlaser 100 aus dieser Darstellung nicht ersichtlich ist. Die Erläuterungen aus den vorangegangenen Ausführungsbeispielen zu den Laseremittern 1, 1' sind auch von dieser Ausführungsform umfasst. Dieses Beispiel unterscheidet sich von den vorangegangenen Beispielen dadurch, dass die Laseremitter 1, 1' als Verstärker dienen, die durch einen dritten Laseremitter 1'' (Seed-Laser) angeregt werden. Dies basiert auf Techniken aus Albrodt et al. Optics Express 27(20), s. 27891 (2019) (https://doi.org10.1364/OE.27.027891). Besonders vorteilhaft ist eine Variante wobei alle Emitter in einer räumlich optischen Grundmode funktionieren, z.B. Rippenwellenleiter oder eine passende trapezartige Form der Laseremitter. Der dritte Laseremitter 1'' koppelt einen spektral schmalbändigen grundmodigen Laserstrahl mit klar definierter und stabiler Phase und einer ersten Wellenlänge λ₁ in die Laseremitter 1', 1'' des Diodenlasers 100 jeweils über die Rückfacette 19 der Laseremitter 1', 1'' ein. Anschließend wird die Phase ϕ₁ des ersten Laseremitters 1 über einen Strom I₁, und die Phase ϕ₂ des zweiten Laseremitters 1' über einen Strom I₂ derart gesteuert, dass die Phase ϕ₁ der Phase ϕ₂ einander an dem Kombinierspiegel 43 entsprechen. Die Wellenlängen der beiden Laseremitter 1, 1' sind durch die Wellenlänge λ₁ des Seed-Lasers bestimmt. In dieser Ausführungsform ist den Fast-Axis- und den Slow-Axis-Kollimatoren 3, 4 ein Spiegel 40 nachgeordnet, welcher den Laserstrahl des ersten Laseremitters 1 vollständig in Richtung des Laserstrahls des zweiten Laseremitters 1' ablenkt und reflektiert. Über einen Kombinierspiegel 43, wie einen 50%-Spiegel, werden die überlagerten Laserstrahlen durch weitere optische Elemente 60 in eine Lichtleitfaser 20 eingekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtleitfaser bevorzugt eine Single-Mode-Faser mit einem Durchmesser von 7 bis 13 µm für maximale Brillanz. Der Seed-Laser kann in alle Laserverstärker in einem Stapel eingekoppelt werden und deren Phase so geregelt werden, dass alle Lichtstrahlen in eine Faser mit derselben Wellenlänge eingekoppelt werden können.
Bezugszeichenliste

1: erster Laseremitter
1a: abgewandte Seite des ersten Laseremitters
1': zweiter Laseremitter
1'a: abgewandte Seite des zweiten Laseremitters
1'': dritter Laseremitter
1''': vierter Laseremitter
2: erster Laserstrahl
2': zweiter Laserstrahl
3: Fast-Axis-Kollimator-Linse
4: erste Slow-Axis-Kollimator-Linse
4': zweite Slow-Axis-Kollimator-Linse
5: frequenzselektives Element
6: Kühlelement
7: erste vertikale zylindrische Linse
7': zweite vertikale zylindrische Linse
8: erster Spiegel
8': zweiter Spiegel
9: asphärische Linse
10: erster gemeinsamer Laserstrahl
10': zweiter gemeinsamer Laserstrahl
11: Doppelemitter
12: Eintrittsfläche
13: erste horizontale zylindrische Linse
13': zweite horizontale zylindrische Linse
14: erster Kühlkörper
14': zweiter Kühlkörper
16: Seitenfläche
17, 17': elektrische Kontakte
18: Frontfacette
18a: aktive Zone
19: Rückfacette
20: Lichtleitfaser
30: Substrat
40: Spiegel
41: Kombinationselement
42: wellenlängenselektiver Spiegel
43: Kombinierspiegel
50: Polarisationsmanipulator
60: optische Elemente
100: Diodenlaser
150: Stapelelement
200: Lasermodul
300: Lasersystem
LWLS: Länge des frequenzselektiven Elements
AE,v: Abstand zwischen zwei Laseremittern in erster Richtung, Diodenlaser-Abstand
AE,I: Abstand zwischen zwei Laseremittern in lateraler Richtung, lateraler Abstand
LE: Länge eines Laseremitters
BE: Breite eines Laseremitters
LFAC: Länge einer Fast-Axis-Kollimator-Linse
BFAC: Breite einer Fast-Axis-Kollimator-Linse
LSAC: Länge einer Slow-Axis-Kollimator-Linse
BSAC: Breite einer Slow-Axis-Kollimator-Linse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

High-brightness and high-efficiency fiber-coupled module for fiber laser pump with advanced laser diode“ (High-Power Diode Laser Technology XV, Proc. of SPIE Vol. 10086, 2017 [0006]
https://ingeneric.com/de/optik-komponenten/strahlformungsoptiken/ [0007]
High-power pump diodes for defense applications“ (Laser Technology for Defense and Security XIII, Proc. of SPIE Vol. 10192, 2017 [0008]
Albrodt et al. Optics Express 27(20), s. 27891 (2019) (https://doi.org10.1364/OE.27.027891 [0061]

Claims

Lasermodul (200), umfassend: eine Vielzahl von Diodenlasern (100), die entlang einer ersten Richtung (Y) gestapelt sind, wobei jeder Diodenlaser (100) aufweist: einen ersten Laseremitter (1) und einen zweiten Laseremitter (1'), die jeweils in einer Ebene separat nebeneinander angeordnet sind, wobei die Laseremitter (1, 1') entlang der ersten Richtung (Y) zwischen Kontakten (17, 17') zur elektrischen und thermischen Kontaktierung angeordnet sind und eine Frontfacette (18) und eine Rückfacette (19) aufweisen, wobei die Frontfacette (18) ausgebildet ist, die von den Laseremittern (1, 1') emittierte Strahlung entlang einer zweiten Richtung (Z) auszukoppeln, wobei jeder Diodenlaser (100) zwischen zwei Kühlkörpern (14, 14') angeordnet ist, um jeweils ein Stapelelement (150) zu bilden, bei dem die Kühlkörper (14, 14') und der Diodenlaser (100) jeweils entlang der ersten Richtung (Y) gestapelt sind, wobei Kühlelemente (6) jeweils an Seitenflächen (16) des Stapelelements (150) vorgesehen sind, wobei die Seitenflächen (16) jeweils in einer ersten Ebene (Y-Z) liegen, die durch die erste Richtung (Y) und die zweite Richtung (Z) definiert ist, und wobei sich die Kühlelemente (6) über die Vielzahl der Stapelelemente (150) erstrecken.
Lasermodul (200) nach Anspruch 1, wobei jedem Laseremitter (1, 1') ein internes frequenzselektives Element (5) zugeordnet ist.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer Ebene (X-Z) des Diodenlasers (100) genau zwei Laseremitter (1, 1') separat nebeneinander angeordnet sind.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Stapelelemente (150) zwischen 2 und 50 beträgt.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (A_E,I) zwischen dem ersten Laseremitter (1) und dem zweiten Laseremitter (1') in jeweils einer gemeinsamen Ebene eines Diodenlasers (100) zwischen 0,8 mm und 4 mm beträgt.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (A_E,v) benachbarter Diodenlaser (100) in der ersten Richtung (Y) zwischen 250 µm und 4 mm beträgt.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei hinter den Frontfacetten (18) der Vielzahl der Diodenlaser (100) jeweils ein Fast-Axis-Kollimator (3) angeordnet ist, der ausgebildet ist, die Strahlung sowohl des ersten Laseremitters (1) als auch des zweiten Laseremitters (1') entlang der ersten Richtung (Y) zu kollimieren.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Projektion des ersten Laseremitters (1) eines ersten Diodenlasers (100) entlang der ersten Richtung (Y) jeweils in eine Ebene eines anderen Diodenlasers (100) mit dem jeweiligen ersten Laseremitter (1) des anderen Diodenlasers (100) überlappt.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Projektion des zweiten Laseremitters (1') eines ersten Diodenlasers (100) entlang der ersten Richtung (Y) jeweils in eine Ebene eines anderen Diodenlasers (100) mit dem jeweiligen zweiten Laseremitter (1') des anderen Diodenlasers (100) überlappt.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen ersten Slow-Axis-Kollimator (4) und einen zweiten Slow-Axis-Kollimator (4'), wobei der erste Slow-Axis-Kollimator (4) den ersten Laseremittern (1) der Vielzahl der Diodenlaser (100) und der zweite Slow-Axis-Kollimator (4') den zweiten Laseremittern (1') der Vielzahl der Diodenlaser (100) zugeordnet ist, wobei der erste Slow-Axis-Kollimator (4) ausgebildet ist, die Strahlung der ersten Laseremitter (1) entlang einer dritten Richtung (X) zu kollimieren und wobei der zweite Slow-Axis-Kollimator (4') ausgebildet ist, die Strahlung der zweiten Laseremitter (1') entlang der dritten Richtung (X) zu kollimieren.
Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei Kühlkörper (14, 14') jeweils sowohl den ersten Laseremitter (1) als auch den zweiten Laseremitter (1') entlang der ersten Richtung (Y) direkt kontaktieren, und wobei die zwei Kühlkörper (14, 14') jeweils jedes der zwei seitlichen Kühlelemente (6) direkt kontaktieren.
Lasersystem (300) mit einem Lasermodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Lichtleitfaser (20), wobei optische Elemente (7, 7', 8, 8', 9, 13, 13') vorgesehen sind, die ausgebildet sind, die vom Lasermodul (200) emittierte Strahlung auf eine Eintrittsfläche (12) der Lichtleitfaser (20) zu fokussieren.
Verwendung des Lasersystems nach Anspruch 12 als optisches Pumpelement für einen weiteren Laser.