DE19813127A1 - Laservorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung mit einer Vielzahl Laserlicht vorzugsweise niedriger Modenordnung emittierender Dioden, die in einer Anordnungsebene mit Ab­ stand zueinander parallel angeordnet sind und deren Licht­ strahlen vertikal zur Anordnungsebene voneinander kollimiert oder divergenzreduziert sind.

Diodenlaser sind aufgrund hoher Wirkungsgrade und gerin­ ger Abmessungen von großem Interesse für den industriellen Einsatz. Die Ausgangsleistung einer einzelnen emittierenden Diode ist jedoch auf einige 100 mW begrenzt. Zur Leistungs­ steigerung werden emittierende Dioden in ihrer PN-Übergangs­ ebene nebeneinander angeordnet und dabei zu einer Emitter­ gruppe zusammengefaßt. Eine solche herkömmliche Diodenemit­ tergruppe besteht typischerweise aus 20 Einzelemittern. Jeder Einzelemitter hat Querschnittsabmessungen von 3,5.1 µm und der Teilungsabstand zwischen zwei Einzelemittern beträgt etwa 10 µm, so daß die Ausdehnung einer Emittergruppe aus 20 Emit­ tern etwa 200 µm beträgt. Die Ausgangsleistung einer solchen Emittergruppe beträgt typischerweise 1 bis 2 W. Wegen der nur geringen Entfernung von ca. 10 µm zwischen zwei Emittern kön­ nen Kopplungen zwischen den Lichtstrahlen der Emitter entste­ hen, wodurch die Strahlqualität sinkt. Um die Leistung weiter zu erhöhen, werden mehrere Emittergruppen in der PN-Über­ gangsebene nebeneinander angeordnet, wodurch ein Diodenlaser­ barren entsteht, der typischerweise 10 mm breit ist. Mit einem solchen Diodenlaserbarren können einige 10 W erzielt werden. Die Strahlqualität ist jedoch weiter reduziert. Durch die Strahlkopplung tritt jedoch nicht nur eine Verringerung der Strahlqualität auf, sondern die unvermeidbaren Verluste führen auch zu einer Verringerung der spezifischen Leistung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laservorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß man zu einer Skalierung der Diodenlaserlei­ stung kommen kann, ohne dabei die spezifische Leistung und die Strahlqualität zu verringern.

Aus der DE-C-43 14 601 ist eine Laservorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. Das eine Diode verlas­ sende Laserlicht von zeilenweise angeordneten Dioden wird senkrecht zur Anordnungsebene kollimiert. Die kollimierten Lichtstrahlen laufen zu einer Fokussierungsoptik, von der sie auf eine Bearbeitungsstelle eines Werkstücks fokussiert wer­ den. Die Divergenz der bekannten Dioden in ihrer Anordnungs­ ebene ist gering. Das rührt daher, daß die Dioden aus einer Mehrzahl von Einzelemittern bestehen. Die Breite bzw. Länge der Emittergruppe entspricht der Breite des Lichtstrahls bzw. der Länge eines Strahlflecks, dessen Breite durch die Fokus­ sierung bestimmt ist. Es sind optische Mittel vorhanden, die dazu eingesetzt werden, daß sich die Strahlflecken bzw. die Lichtstrahlen mehrerer nebeneinander angeordneter Dioden bzw. Emittergruppen überlappen, um so die gewünschte Werkstückbe­ handlung zu erreichen. Die bekannten Dioden bzw. Emittergrup­ pen weisen die vorbeschriebenen Nachteile der grundsätzlichen Leistungsverluste und der Verringerung der Strahlqualität ebenfalls auf, so daß auch insoweit die Aufgabe besteht, zu einer Skalierung der Diodenlaserleistung zu kommen, ohne da­ bei die spezifische Leistung und die Strahlqualität zu ver­ ringern.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Dioden als Ein­ zelemitter ausgebildet sind und zur Entkopplung voneinander in der Anordnungsebene einen Abstand voneinander aufweisen, mit dem ein Ineinanderlaufen der Strahlen dieser Einzelemit­ ter in der Anordnungsebene praktisch vermieden ist, bevor ein Strahleneintritt in eine Mikrolinsenanordnung erfolgt die für jeden Einzelemitterstrahl eine ihn in der Anordnungsebene kollimierende oder divergenzreduzierende Mikrolinse aufweist.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß der Abstand zwischen den Einzelemittern so groß gewählt wird, daß ein In­ einanderlaufen der Strahlen der Einzelemitter in den aktiven Zonen vernachlässigbar gering ist und die einzelnen Emitter voneinander entkoppelt sind. In Verbindung damit ist von Be­ deutung, daß eine Mikrolinsenanordnung so angeordnet wird, daß die Strahlen der Einzelemitter ungekoppelt in die Mikro­ linsenanordnung eintreten und diese entkoppelt kollimiert wieder verlassen. Damit ist es möglich, kollimierte Licht­ strahlen der Einzelemitter ungekoppelt einer Bearbeitungs­ stelle zuzuführen, ohne daß die spezifische Leistung der Dio­ dengruppe wesentlich absinkt. Es erfolgt vielmehr eine Stei­ gerung der spezifischen Leistung durch Polarisations-Multi­ plexing und Wellenlängen-Multiplexing von Diodengruppen bzw. von Diodenlaserbarren. Die auf die vorgeschlagene Weise auf­ gebaute Laservorrichtung ermöglicht eine optimale Ausnutzung von Diodenlasern.

Die Laservorrichtung kann so ausgebildet werden, daß je­ de Mikrolinse in einer Entfernung vom Einzelemitter angeord­ net ist, die einen maximalen Füllfaktor in der Anordnungsebe­ ne bei entkoppelten Einzelemitterstrahlen einzustellen er­ laubt. Der Füllfaktor ist ein Maß für die Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raums bzw. der zur Verfügung stehenden Erstreckung durch die Anordnung von Laserstrahlung. Bei maxi­ malem Füllfaktor können die an der Strahlführung beteiligten Bauelemente optimal ausgenutzt werden, insbesondere werden sie thermisch nur gering belastet. Durch Wahl der Entfernung der Mikrolinsen von den zugehörigen Einzelemittern ist es möglich, den Füllfaktor zu optimieren, also so groß zu wäh­ len, daß die Einzelemitterstrahlen gerade noch nicht inein­ ander laufen. Eine solche Ausbildung der Laservorrichtung kann unabhängig davon erfolgen, ob die Mikrolinsen den Einzel­ emittern direkt benachbart sind, oder ob sich zwischen den Mikrolinsen und den Einzelemittern noch zwischenabbildende Optikanordnungen befinden. Auch im letztgenannten Fall ist eine Einstellung der Entfernung der Mikrolinse vom Einzel­ emitter ein Mittel, um den Füllfaktor zu optimieren.

Eine baulich vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Laservorrichtung so ausgebildet ist, daß eine Viel­ zahl von Mikrolinsen zu einem Mikrolinsenarray baulich ver­ eint sind und in der Anordnungsebene gekrümmte Linsenflächen aufweisen. Ein derartiges Mikrolinsenarray besteht beispiels­ weise aus einem verlustarmen optischen Stab, der mit Abstand parallel zu den Einzelemittern angeordnet ist und diesen zu­ gewendete Linsenflächen hat, mit denen das auf sie auftref­ fende Laserlicht kollimiert wird.

Die Laservorrichtung kann so ausgebildet werden, daß die Mikrolinsen den Einzelemittern direkt benachbart angeordnet sind und einem in Strahlungsrichtung direkt benachbarten, be­ darfsweise mit den Mikrolinsen einstückigen und vertikal zur Anordnungsebene wirkenden Kollimator zugeordnet sind. Hier ergibt sich eine sehr gedrungene Bauart, bei der die Mikro­ linsen nur geringen Abstand von den Einzelemittern haben, be­ dingt durch die vergleichsweise große Divergenz des die Ein­ zelemitter verlassenden Laserlichts. Dementsprechend also muß auch der Kollimator sehr dicht an den Mikrolinsen angeordnet sein, was zu der erwähnten kompakten Bauweise in Emissions­ richtung führt.

Der Abstand der Einzelemitter in ihrer Anordnungsebene ist wesentlich größer, als bei den bekannten Laservorrichtun­ gen. Denen gegenüber ist die hier besprochene Laservorrich­ tung zweckmäßigerweise so auszubilden, daß der Abstand zwi­ schen zwei einander benachbarten Einzelemittern im Bereich von 30 bis 300 µm liegt.

Trotz der vorbeschriebenen vergleichsweise großen Ab­ stände zwischen benachbarten Einzelemittern kann es vorteil­ haft sein, die Mikrolinsen den Einzelemittern nicht direkt benachbart anzuordnen. Eine vorteilhafte Weiterbildung kann dadurch erfolgen, daß zwischen den Einzelemittern und den kollimierenden Mikrolinsen eine zumindest in der Anordnungs­ ebene der Einzelemitter zwischenabbildende Optikanordnung vorhanden ist. Mit Hilfe der zwischenabbildenden Optikanord­ nung kann erreicht werden, daß die Abstandsanordnung der Mi­ krolinsen im Bezug auf die Einzelemitter weniger kritisch ist. Die Realisierung solcher Optikanordnungen mit geringen Abständen würde sehr hohe mechanische Genauigkeiten erforder­ lich machen. Dieser Aufwand wird durch zwischenabbildende Op­ tikanordnungen vermieden. Diese zwischenabbildenden Optikan­ ordnungen können insbesondere auch dazu benutzt werden, daß der Füllfaktor optimiert wird. Die Belegung des vorhandenen Querschnitts mit Lichtstrahlung kann sicherer beeinflußt wer­ den, also ohne die Gefahr eines Ineinanderlaufens der Licht­ strahlen, wenn die Einstellung des Abstands zwischen den Mi­ krolinsen und den Einzelemittern weniger aufwendig bzw. weni­ ger kritisch ist. Die Kollimation der Lichtstrahlen in der Anordnungsebene der Einzelemitter einerseits und vertikal zur Anordnungsebene andererseits kann räumlich unabhängig vonein­ ander erzielt werden, so daß sich damit eine höhere Flexibi­ lität und ein geringerer technischer Aufwand ergibt.

Eine zwischenabbildende Optikanordnung kann den jeweili­ gen Erfordernissen entsprechend ausgewählt werden. Vorteil­ haft ist es beispielsweise, die Laservorrichtung so auszubil­ den, daß die zwischenabbildende Optikanordnung eine telezen­ trische Zwischenabbildung bewirkt.

Eine telezentrische Ausbildung der zwischenabbildenden Optikanordnung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß für die Laservorrichtung eine telezentrisch wirkende Spiegelanordnung vorhanden ist.

Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die Laservor­ richtung so auszubilden, daß eine nichttelezentrisch wirkende Linsenanordnung vorhanden ist.

Die vorbeschriebenen Zwischenabbildungen können unter­ schiedlich realisiert werden. Sie können mit reflektiven, re­ fraktiven, diffraktiven und/oder brechungsindexverteilten Elementen oder deren Kombinationen erzeugt werden.

Meistens wird es vorteilhaft sein, die Laservorrichtung so auszubilden, daß einer zwischenabbildenden Optikanordnung ein vertikal zur Anordnungsebene wirkender Kollimator vorge­ schaltet ist. Die Optikanordnung braucht dann nicht darauf hin ausgelegt werden, eine Divergenz der Lichtstrahlen verti­ kal zur Anordnungsebene beherrschen zu müssen.

Die Laservorrichtung kann so ausgebildet werden, daß einem Strahlenfeld mit durch eine Optikanordnung optimiertem Füllfaktor Optikelemente nachgeschaltet sind, die das Strah­ lenfeld einer vorbestimmten Strahlqualität entsprechend in der Anordnungsebene der Einzelemitter und vertikal dazu homo­ genisieren. Hierdurch wird die Strahlqualität des Gesamt­ strahls so eingestellt, daß die Gesamtstrahlung für vorbe­ stimmte Anwendungsbereiche besser verwendet werden kann.

Bevorzugt wird, daß das Mikrolinsenarray mit einem Dia­ mant-Bearbeitungsverfahren aus Kunststoff hergestellt ist. Als Kunststoffe werden beispielsweise PMMA oder PC einge­ setzt, aus denen Diamantwerkzeuge anwendende Bearbeitungsver­ fahren die jeweils erforderlichen Strukturen bzw. Geometrien des Mikrolinsenarrays hergestellen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die vorne genannt wurde, kann auch dadurch gelöst werden, daß die Dio­ den als Einzelemitter ausgebildet sind, die zur Entkopplung voneinander mit das Laserlicht in ihrer Anordnungsebene füh­ renden Strukturen versehen sind und bedarfsweise einen Strah­ leneintritt in eine Mikrolinsenanordnung aufweisen, die für jeden Einzelemitterstrahl eine ihn in der Anordnungsebene entkoppelnd kollimierende oder divergenzreduzierende Mikro­ linse aufweist. Die das Laserlicht führenden Strukturen sind beispielsweise Wellenleiter. Sie entkoppeln die Einzelemit­ ter, indem sie verhindern, daß deren Lichtstrahlen ineinander laufen. In einigen Anwendungsfällen kann es erforderlich sein, die Laservorrichtung zusätzlich so auszubilden, daß die Einzelemitter einen Strahleneintritt in eine Mikrolinsenan­ ordnung aufweisen, die für jeden Einzelemitterstrahl eine ihn in der Anordnungsebene entkoppelnd kollimierende oder diver­ genzreduzierende Mikrolinse aufweist.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a den typischen Aufbau eines herkömmlichen Dio­ denlaserbarrens mit einer Vielzahl von Einzel­ emittern,

Fig. 1b die Abstrahlung von Laserlicht des Diodenla­ serbarrens der Fig. 1a,

Fig. 2a eine Aufsicht auf eine schematisch dargestell­ te Anordnung einer Laservorrichtung,

Fig. 2b die Seitenansicht der Anordnung der Fig. 2a,

Fig. 3a eine Aufsicht auf eine schematische Darstel­ lung ähnlich Fig. 2a, jedoch mit Detaillierung der Optikanordnung,

Fig. 3b eine Seitenansicht der Anordnung der Fig. 3a,

Fig. 4a eine Aufsicht auf eine Optikanordnung ähnlich Fig. 2a, jedoch mit zwischenabbildender Optik­ anordnung,

Fig. 4b einen Seitenansicht der Fig. 4a,

Fig. 5a eine Aufsicht auf eine schematische Darstel­ lung einer weiteren Ausführungsform mit zwi­ schenabbildender Optikanordnung,

Fig. 5b eine Seitenansicht der Fig. 5a,

Fig. 6a eine Aufsicht auf eine Laseranordnung mit zwi­ schenabbildender Optikanordnung in einer spe­ ziellen Ausgestaltung, und

Fig. 6b eine Seitenansicht der Laseranordnung der Fig. 6a.

Die Fig. 1a, 1b zeigen jeweils einen Diodenlaserbarren mit einem Grundkörper 22, der auf seiner Oberfläche zwischen einer Vielzahl von Subarrays 23 jeweils eine Spiegelfacette 24 aufweist. Die Subarrays 23 bilden die aktive Schicht des Diodenlaserbarrens und bestehen jeweils aus 10 bis 20 Strei­ fenemittern oder einem Breitstreifenemitter. Die Vergrößerung 25 in Fig. 1a zeigt 10 Streifenemitter mit einer Höhe von je­ weils etwa 1 µm, so daß die aktive Schicht ungefähr 1 bis 2 µm dick ist. Jeder Streifenemitter ist etwa 3,5 µm breit und der Teilungsabstand ist etwa 10 µm, so daß die Breite des gesamten Subarrays bei 20 Streifenemittern 200 µm beträgt und im allgemeinen zwischen 50 bis 200 µm liegen kann. Die Strei­ fenbreite einschließlich der Breite der Spiegelfacette 23 be­ trägt etwa 200 bis 800 µm, so daß sich im allgemeinen die Fig. 1a dargestellten Außenabmessungen ergeben. Dabei stellt die von den Subarrays 23 gebildete Schicht die Anordnungsebe­ ne dar, also diejenige Ebene, in der sämtliche Einzelemitter parallel zueinander und in dieselbe Richtung z strahlend an­ geordnet sind.

Das Licht der Einzelemitter wird räumlich abgestrahlt, wie in Fig. 1b dargestellt ist. Es ergeben sich Divergenzen in allen Richtungen x,y quer zur Abstrahlungsrichtung z. Die Di­ vergenzen in der Fast-Ebene, nämlich senkrecht zum PN-Über­ gang bzw. zur aktiven Schicht beträgt - wie angegeben - bis zu 90 Winkelgrad. Die Divergenz in der Slow-Ebene, also in der Ebene der aktiven Schicht bzw. der Anordnungsebene be­ trägt bis zu 10 Winkelgrad. Die Intensitätsverteilung der Laserlichtstrahlung ist in Fig. 1b rechts für die Fast-Ebene angegeben und unten für die Slow-Ebene. Dabei ist davon aus­ gegangen, daß jeder einzelne Emitter in beiden Ebenen unab­ hängig von den anderen Emittern Grundmodestrahlung oder Strahlung mit niedriger Modeordnung emittiert.

Für eine einzelne Emittergruppe 23 ist davon auszugehen, daß die geringen Entfernungen von ca. 10 µm zwischen benach­ barten Einzelemittern Kopplungen zwischen diesen Emittern verursachen. So ist die Ausgangsstrahlung der Emittergruppe räumlich teilkohärent. Die Strahlqualität in der PN-Über­ gangsebene ist 40-fach beugungsbegrenzt (M² = 40). In der an­ deren Ebene ist die Strahlung von fundamentalem Mode.

Die nebeneinander angeordneten Emittergruppen 24 emit­ tieren ebenfalls derart divergent, daß Kopplungen zwischen den Emittergruppen bzw. Subarrays 23 entstehen. Bedingt durch die Nebeneinander-Anordnung von Emittergruppen ist die Strahlqualität in der PN-Übergangsebene für einen Diodenla­ serbarren typischerweise 2000-fach beugungsbegrenzt (M² = 2000).

Betrachtet man als spezifische Leistung C_m die Ausgangs­ leistung geteilt durch das Produkt des Strahlqualitätsfaktors M² in den beiden zueinander senkrecht stehenden Richtungen x bzw. y, so ergeben sich folgende Situationen:

• 1) Einzelemitter 3,5.1 µm M² _x.M² _y = 1
  P = 250 mW
  Cm = 0,25 W
• 2) eine Emittergruppe M² _x.M² _y = 40
  P = 1 W
  Cm = 0,05 W
• 3) Diodenlaserbarren (10 mm.1 µm)
  M² _x.M² _y = 2000
  P = 20 W
  Cm = 0,01 W.

Aus vorstehenden Daten läßt sich ableiten, daß die spe­ zifische Leistung konventioneller Emittergruppen um einen Faktor 5 geringer ist, als die eines einzelnen Emitters. Bei konventionellen Diodenlaserbarren ist die spezifische Lei­ stung gegenüber der eines einzelnen Emitters sogar um den Fak­ tor 25 geringer. Bei einer Skalierung der Diodenlaserleistung wäre es daher von Vorteil, diese Skalierung so vorzunehmen, daß eine Verringerung der spezifischen Leistung vermieden werden kann.

Die Fig. 2a, b erläutern das Grundprinzip, mit dem eine Entkoppelung der Lichtstrahlen von Einzelemittern erreicht werden kann. Dargestellt ist ein Diodenbarren 22 mit einem Array 23, das 6 Einzelemitter 11 aufweist. Jeder Einzelemit­ ter 11 hat typischerweise eine Dicke von 1 µm senkrecht zur Darstellungsebene und von 3,5 µm in der Darstellungsebene. Zwei Einzelemitter 11 haben zwischen sich einen Abstand D, der typischerweise im Bereich von 30 bis 300 µm liegt. Bei einem 30 W-Diodenlaserbarren mit einer Breite von 10 mm be­ trägt der Abstand D etwa 60 µm.

Die von den Einzelemittern 11 emittierten Lichtstrahlen 10 haben eine Divergenz, die in den Fig. 2a, 2b durch schema­ tisch dargestellte Kegelquerschnitte symbolisiert wird. In Fig. 1b ist die Kegelform perspektivisch dargestellt. Die Ke­ gelform veranschaulicht hier eine Vielzahl von Lichtstrahlke­ geln, die der Anzahl von Subarrays 23 entspricht und deren Strahlungskegel ineinander laufen.

Das Licht der Einzelemitter 11 gelangt zu einer Optikan­ ordnung 24, welche in nachstehend beschriebener Weise Einfluß auf den weiteren Verlauf der Lichtstrahlen 10 nimmt. Von Be­ deutung ist zunächst, daß der Abstand D zwischen zwei Einzel­ emittern 11 so groß gewählt ist, daß jeder Einzelemitter 11 von den anderen Einzelemittern 11 entkoppelt ist. Infolge dessen emittiert jeder Einzelemitter 11 unabhängig von den Strahlungen der anderen Diodenemitter mit Grundmodequalität oder mit niedriger Modeordnung. Bedingt durch die großen Ab­ stände bzw. Räume weist die Strahlung des Arrays 23 ohne wei­ tere Führung und Formung des Strahlungsfeldes eine sehr ge­ ringe Strahlqualität auf und kann somit nicht sinnvoll ver­ wendet werden. Die Intensität jedes Lichtstrahls 10 ist durch die schematischen Kurvenverläufe 25 symbolisiert. Die Optik­ anordnung 24 dient nun der optischen Einflußnahme auf das Strahlungsfeld. Zuerst ist aus Fig. 2a unmittelbar ersicht­ lich, daß die Strahlen 10 nicht ineinander laufen, weil der Abstand 26 zwischen der Optikanordnung 24 und den Einzelemit­ tern 11 entsprechend gewählt wurde. Die Optikanordnung 24 führt damit offensichtlich zu einer Erhöhung des Füllfaktors der Arraystrahlung in der PN-Übergangsebene bzw. in der An­ ordnungsebene der Einzelemitter 11. Darüber hinaus kann die Optikanordnung so ausgebildet werden, daß sie die Strahlqua­ lität in den beiden Ebenen durch optische Mittel verändert bzw. symmetrisiert, also in der Anordnungsebene bzw. senk­ recht dazu. Die die Optikanordnung 24 verlassenden Strahlen 10' symbolisieren dies durch unterschiedliche Kurven 25'. Vor allem ist offensichtlich, daß die Strahlen 10 bzw. 10' kolli­ miert sind.

Weil der Füllfaktor jedes 3,5 µm breiten Einzelemitters 11 3,5/D beträgt, also nur 3,5% bei einem Abstand D = 100 µm, kann der Füllfaktor durch die Optikanordnung 24 auf über 90% gesteigert werden, ohne daß die spezifische Leistung wesentlich verringert wird.

Die Fig. 3a, 3b zeigen einen Diodenbarren 22 mit einer nachgeordneten Optikanordnung, die aus einem Mikrolinsenarray 17 und einem Kollimator 19 besteht. Wie in Fig. 2a erläutert, ist ein Array 23 mit Einzelemittern 11 vorhanden, deren Strahlen 10 sich jeweils in z-Richtung ausbreiten. Infolge der Divergenz vergrößert sich der Querschnitt des Strahls 10 in der PN-Ebene, vergleiche Fig. 3a, und auch in der dazu senkrechten Ebene, vergleiche Fig. 3b.

Das Mikrolinsenarray 17 bildet für die Strahlen 10 eine Slow-axis, das heißt sie kollimiert die Einzelstrahlen, die mithin, wie in der Darstellungsebene angedeutet, in der An­ ordnungsebene parallel zueinander verlaufen. Das ist inner­ halb des Mikrolinsenarrays 17 und rechts vom Kollimator 19 durch entsprechenden Verlauf der Strahlen 10' angedeutet. Das Mikrolinsenarray 17 besteht aus einer Vielzahl von Mikrolin­ sen 16, wobei jeweils eine Mikrolinse 16 einem Einzelstrahl 10 zugeordnet ist. Jede Mikrolinse 16 kollimiert den Strahl 10 in der PN-Übergangsebene, also in der Darstellungsebene und gemäß Fig. 3b wird auch eine Bündelung des Strahls 10 in der dazu senkrechten Ebene erreicht, also in der Fast-Ebene. Die hauptsächliche Reduzierung der Divergenz in der senkrecht zur PN-Übergangsebene stehenden Ebene, also in der Fast-Ebene bzw. in der auf die Fig. 3b bezogenen Darstellungsebene erfolgt jedoch durch den Kollimator 19. Dieser Kollimator 19 ist eine stabförmige mikrozylindrische Linse, deren Kollima­ tionswirkung aus der Parallelität der Grenzstrahlen 26 abzu­ leiten ist.

Abweichend von der Darstellung in Fig. 3b können die Mi­ krolinsen 16 bzw. das Mikrolinsenarray 17 und der Kollimator 19 auch einstückig ausgebildet sein. Das betreffende ein­ stückige Optikelement hat dementsprechend den Einzelemittern 11 in deren Anordnungsebene gekrümmte Segmente bzw. Mikrolin­ sen 16 und seine Austrittsfläche ist in der Fast-Ebene bzw.

in der durch die Koordinaten y und z aufgespannten Ebene mi­ krozylindrisch gekrümmt.

Die vorgenannten Linsenelemente sind refraktive Linsen­ elemente. Deren Funktionen können auch durch geeignete Gra­ dientindexlinsen, diffraktive oder reflektive Elemente oder deren Kombinationen erfüllt werden. In jedem Fall ist wich­ tig, daß die Anordnung die Kollimation der einzelnen Strahlen 10 vor einem Ineinanderlaufen bewirkt. Zugleich muß die Op­ tikanordnung 24 so ausgebildet werden, daß der Füllfaktor der kollimierten Strahlen 10' optimiert ist, zumindest in Bezug auf eine der Hauptebenen, beispielsweise in Bezug auf die An­ ordnungsebene der Einzelemitter 11.

Für einen 30-W-Diodenlaserbarren mit einer Breite 10 mm beträgt der Abstand zwischen zwei Einzelemittern 11 etwa 60 µm. Jeder Einzelemitter 11 hat eine typische numerische Apertur in der Anordnungsebene der Einzelemitter von etwa 0,2. Daraus resultiert, daß die Fokuslänge der Mikrolinsen 16 und somit ihre Entfernung bzw. die Entfernung E des Mikrolin­ senarrays 17 von dem Diodenlaserbarren 22 nur 150 µm beträgt. Für die Realisierung solcher Optikanordnungen sind mechani­ sche Techniken erforderlich, die sich nur mit extrem hohen Genauigkeiten durchführen lassen. Es ist daher wünschenswert, die technischen Anforderungen an die Genauigkeit zu reduzie­ ren. Hierzu wird vorgeschlagen, die Optikanordnung zwischen­ abbildend zu gestalten. Die nachgeschaltete Zwischenabbildung bildet die Einzelemitter 11 in einer Bildebene 27 ab, die von dem Diodenbarren 22 entfernt angeordnet sein kann.

Fig. 4a, 4b zeigen eine zwischenabbildende Optikanordnung 24 mit nachgeschaltetem Mikrolinsenarray 17. Die Optikanord­ nung 24 bildet in einer Bildebene 27 ab, die sich hinter dem Mikrolinsenarray 17 befindet. Während das Mikrolinsenarray 17 der Fig. 3a, 3b konvexe Mikrolinsen 16 hat, sind die Mikrolin­ sen 16 des Mikrolinsenarrays 17 der Fig. 4a, 4b konkav. Sie be­ wirken in ähnlicher Weise eine Kollimation der Einzelstrahlen 10' und sind in einer vergrößerten Entfernung E zu den Ein­ zelemittern 11 angeordnet, die in Größenordnungen größer ist, als die in Fig. 3a angegebene Entfernung E. Daher entfallen extrem hohe Genauigkeiten und der Füllfaktor kann trotzdem im gewünschten Umfang optimiert werden. Die Zwischenabbildung durch die Optikanordnung 24 kann unterschiedlich realisiert werden. Es können reflektive, refraktive, diffraktive und/oder brechungsindexverteilte Elemente oder deren Kombinatio­ nen zum Einsatz kommen.

Für die Ausbildung und Anwendung der zwischenabbildenden Optikanordnung 24 ist es vorteilhaft, wenn die Laserstrahlung bzw. die Lichtstrahlen 10 der Einzelemitter 11 in der Fast- Ebene, also senkrecht zur Anordnungsebene der Einzelemitter 11 kollimiert bzw. divergenzreduziert werden, bevor die Ein­ zelstrahlen 10 der Optikanordnung 24 zugeführt werden. Diese Kollimation ergibt sich aus Fig. 4b, in der ein Kollimator 19 im Querschnitt dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß sich die Kollimation senkrecht zur PN-Übergangsebene in einer fla­ chen Ausbildung der Optikanordnung 24 und des Mikrolinsen­ arrays 17 auswirken kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer telezentrisch wir­ kenden Optikanordnung 24 ist in den Fig. 6a, 6b dargestellt. Eine Spiegelanordnung bewirkt eine telezentrische Zwischenab­ bildung mit einer Vergrößerung von etwa 1. Es sind die Strah­ lengänge zweier Einzelstrahlen 10 von Einzelemittern 11 dar­ gestellt. Die Einzelstrahlen gelangen nach einer Kollimation senkrecht zur Anordnungsebene der Einzelemitter 11 zu einem ersten reflektiven Spiegel 28, von dessen konkaver Spiegel­ fläche 28' die Laserstrahlung einer konvexen Spiegelfläche 29' eines zweiten Spiegels 29 zugeführt wird, der gleich­ achsig mit dem ersten Spiegel 28 angeordnet ist und infolge dessen die Laserstrahlung dem Spiegel 28 wieder zuleitet, der die Laserstrahlung einem Mikrolinsenarray 17 zustrahlt. Es ist aus der Fig. 6a ersichtlich, daß eine Strahlformung er­ folgt, bei der die Strahlquerschnitte auf die Abmessungen der Mikrolinsen 16 abgestimmt sind, so daß sich die aus Fig. 6a ersichtliche Kollimierung der Einzelstrahlen 10' ergibt. Ein wesentliches Ineinanderlaufen der Einzelstrahlen 10 kann durch im einzelnen nicht dargestellte Ausgestaltungen und Be­ messungen der Spiegel 28, 29 vermieden werden.

Die Fig. 5a, 5b zeigen, wie eine Optikanordnung 24 mit einer nicht telezentrischen Linsenanordnung ausgebildet wer­ den kann. Ein aus einem Einzelemitter austretender Licht­ strahl wird zunächst mit einem Kollimator 19 als Fast-axis in der zugehörigen Fast-Ebene kollimiert, also senkrecht zur An­ ordnungsebene der Einzelemitter 11, wie Fig. 5b zeigt. Dem Kollimator 19 nachgeordnet ist eine Abbildungsoptik 30, die mit einer speziellen Linse 31 zusammenwirkt, deren Eintritts­ fläche 32 wie eine Facettenlinse wirkt und deren Austritts­ fläche als Mikrolinsenarray 17 mit einer Vielzahl von Mikro­ linsen 16 konfiguriert ist. Mit der Facettenlinse 31 erfolgt eine Abbildung auf die Bildebene 27. Eine Alternative zu der Facettenlinse ist eine Fresnellinse. Mit dieser nicht tele­ zentrischen Linsenanordnung wird ebenfalls erreicht, daß Ein­ zelstrahlen kollimiert sind, und zwar in z-Richtung, auch senkrecht zur Anordnungsebene der Einzelemitter 11. Auch in diesem Fall sind die Mikrolinsen 16 in einer Entfernung E vom Diodenbarren 22 entfernt, die es nicht erforderlich macht, Herstellungstechniken mit extrem hohen Genauigkeiten einzu­ setzen.

Ein Strahlungsfeld eines Emittersarrays mit erhöhtem Füllfaktor, wie es beispielsweise durch die mit 10' bezeich­ neten Einzelstrahlen symbolisiert wird, weist unterschiedli­ che Strahlqualitätsfaktoren in den beiden senkrecht zueinan­ der stehenden x,y-Ebenen auf. Für viele Anwendungen, wie zum Beispiel Fasereinkopplung und Endpumpen von Festkörperlasern, ist diese Art von Strahlung ungeeignet. Dazu muß die Strahl­ qualität in den beiden Ebenen homogenisiert werden. Hierzu wird dem Strahlungsfeld eine Optikanordnung zur Anpassung und Homogenisierung der Strahlqualität nachgeschaltet. Diese Op­ tikanordnung hat die Aufgabe, das Strahlungsfeld in geeigne­ ter Weise zu gruppieren und umzuordnen, so daß über den Ge­ samtstrahlquerschnitt eine gewünschte Strahlqualität in bei­ den Richtungen eingestellt werden kann, also in der Anord­ nungsebene der Einzelemitter und vertikal dazu. Eine bei­ spielsweise Optikanordnung kann als Treppenspiegelpaar, als zwei planparallele Platten und anderes realisiert werden.

Der Hauptvorteil von Diodenbarren bzw. Laservorrichtun­ gen, die wie vorbeschrieben ausgebildet sind, ist eine maxi­ male Ausnutzung der gesamten Laservorrichtung. Es erfolgt eine Ausnutzung derart, daß die Diodenlaser als Ersatz von lampengepunkten Festkörperlasern auch zum Schneiden und zum Schweißen von Metallen verwendet werden können. Das ergibt sich durch den folgenden Vergleich mit kommerziell verfügba­ ren lampengepumpten Festkörperlasern, die zum Beispiel eine Leistung von 3000 W bei einem Strahlqualitätsfaktor von M² = 100 haben. Damit ergibt sich eine spezifische Leistung von C_m = 3000 W/100.100 = 0,3 W. Die spezifische Leistung eines Einzelemitters beträgt C_m = 0,25 W, ist also nur wenig geringer, als die spezifische Leistung eines herkömmlichen Festkörperlasers. Ein gemäß der Erfindung optimierter Dioden­ laserbarren bzw. eine mit solchen Barren hergestellte Laser­ vorrichtung hat, wenn sie ohne Strahlqualitätsverlust arbei­ tet, also ebenfalls eine spezifische Leistung von 0,25 W. Trotz der Erfindung auftretende unvermeidbare Verluste, die die spezifische Leistung verringern, lassen sich jedoch durch Polarisations-Multiplexing und Wellenlängen-Multiplexing auf­ fangen. Mittels einer Kopplung der Diodenlaser durch Polari­ sation und/oder Wellenlänge kann die spezifische Leistung ausreichend gesteigert werden.

Claims (15)

1. Laservorrichtung mit einer Vielzahl Laserlicht vorzugs­ weise niedriger Modenordnung emittierender Dioden, die in einer Anordnungsebene mit Abstand zueinander parallel angeordnet sind und deren Lichtstrahlen (10) vertikal zur Anordnungsebene voneinander kollimiert oder diver­ genzreduziert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden als Einzelemitter (11) ausgebildet sind und zur Entkopplung voneinander in der Anordnungsebene einen Ab­ stand (D) voneinander aufweisen, mit dem ein Ineinander­ laufen der Strahlen (10) dieser Einzelemitter (11) in der Anordnungsebene praktisch vermieden ist, bevor ein Strahleneintritt in eine Mikrolinsenanordnung erfolgt, die für jeden Einzelemitterstrahl (10) eine ihn in der Anordnungsebene kollimierende oder divergenzreduzierende Mikrolinse (16) aufweist.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Mikrolinse (16) in einer Entfernung (E) vom Einzelemitter (11) angeordnet ist, die einen ma­ ximalen Füllfaktor in der Anordnungsebene bei entkoppel­ ten Einzelemitterstrahlen (10) einzustellen erlaubt.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Vielzahl von Mikrolinsen (16) zu einem Mikrolinsenarray (17) baulich vereint sind und in der Anordnungsebene gekrümmte Linsenflächen aufwei­ sen.

4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsen (16) den Einzelemittern (11) direkt benachbart angeordnet sind und einem in Strahlungsrichtung (z) direkt benachbarten, bedarfsweise mit den Mikrolinsen (16) einstückigen und vertikal zur Anordnungsebene wirkenden Kollimator (19) zugeordnet sind.

5. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand (D) zwischen zwei einander benachbarten Einzelemittern (11) im Be­ reich von 30 bis 300 µm liegt.

6. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den Einzelemittern (11) und den kollimierenden Mikrolinsen (16) eine zumin­ dest in der Anordnungsebene der Einzelemitter (11) zwi­ schenabbildende Optikanordnung (24) vorhanden ist.

7. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die zwischenabbildende Op­ tikanordnung (24) eine telezentrische Zwischenabbildung bewirkt.

8. Laservorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine telezentrisch wirkende Spiegelanord­ nung (20) vorhanden ist.

9. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine nichttelezentrisch wirkende Linsenanordnung (21) vorhanden ist.

10. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß einer zwischenabbildenden Optikanordnung ein vertikal zur Anordnungsebene wirken­ der Kollimator (19) vorgeschaltet ist.

11. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß einem Strahlenfeld mit durch eine Optikanordnung (24) optimiertem Füllfaktor Optikelemente nachgeschaltet sind, die das Strahlenfeld einer vorbestimmten Strahlqualität entsprechend in der Anordnungsebene der Einzelemitter und vertikal dazu ho­ mogenisieren.

12. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Mikrolinsenarray (17) mit einem Diamant-Bearbeitungsverfahren aus Kunststoff hergestellt ist.

13. Laservorrichtung mit einer Vielzahl Laserlicht vorzugs­ weise niedriger Modenordnung emittierender Dioden, die in einer Anordnungsebene mit Abstand zueinander parallel angeordnet sind und deren Lichtstrahlen (10) vertikal zur Anordnungsebene voneinander kollimiert oder diver­ genzreduziert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden als Einzelemitter (11) ausgebildet sind, die zur Entkopplung voneinander mit das Laserlicht in ihrer An­ ordnungsebene führenden Strukturen versehen sind und be­ darfsweise einen Strahleneintritt in eine Mikrolinsenan­ ordnung aufweisen, die für jeden Einzelemitterstrahl (10) eine ihn in der Anordnungsebene entkoppelnd kolli­ mierende oder divergenzreduzierende Mikrolinse (16) auf­ weist.

14. Die Verwendung einer Mikrolinsenanordnung zum entkop­ pelnd erfolgenden Kollimieren oder Divergenzreduzieren von Einzelemitterstrahlen (10) einer vorzugsweise einer Werkstückbearbeitung dienenden Laservorrichtung, deren einander parallele Einzelemitter (11) zur Entkopplung voneinander in einer Anordnungsebene mit Abstand (D) voneinander angeordnet werden, und denen jeweils eine Mikrolinse (16) in einer Entfernung zugeordnet ist, die einen maximalen Füllfaktor der Einzelemitterstrahlen (10) in der Anordnungsebene der Einzelemitter (11) be­ wirkt.

15. Die Verwendung von einander parallelen Einzelemittern (11) mit ihr Laserlicht in ihrer Anordnungsebene führen­ den Strukturen zum entkoppelnd erfolgenden Kollimieren oder Divergenzreduzieren von Einzelemitterstrahlen (10) einer vorzugsweise einer Werkstückbearbeitung dienenden Laservorrichtung.