DE19820154A1

DE19820154A1 - Arrangement for transforming optical beams

Info

Publication number: DE19820154A1
Application number: DE19820154A
Authority: DE
Inventors: Vitaly Lissotschenko; Alexei Mikhailov
Original assignee: Individual
Current assignee: Hentze Lissotschenko Patentverwaltungs GmbH and Co KG
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 1999-09-16
Also published as: DE59906775D1; DE59905744D1

Abstract

The arrangement has optical elements with optically active boundary surfaces in the beam path. At least one optical element is a continuous angle transformation element (1) with an optical boundary surface with a continuously varying inclination in the beam direction with respect to the y-axis along the x-axis. This is followed by a Fourier transformation arrangement (7) and a second angle transformation element (3). An Independent claim is also included for a method of transforming optical beams.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Strahltransformation mindestens eines Strahlbündels, welches einen in der x-y-Ebene ausgedehn ten Strahlquerschnitt hat, mit optischen Elementen, die im Strahlengang angeordnete optisch aktive Grenzflächen aufweisen. Außerdem ist ein Ver fahren Gegenstand der Erfindung, welches die optische Transformation des Strahlquerschnitts mindestens eines Strahlbündels betrifft, welches einen in der x-y-Ebene ausgedehnten Strahlquerschnitt hat und eine definierte Diver genzverteilung aufweist.The invention relates to a device for optical beam transformation at least one beam that extends one in the x-y plane th beam cross-section, with optical elements in the beam path have arranged optically active interfaces. In addition, a ver drive the subject of the invention, which the optical transformation of the Beam cross-section relates to at least one beam, which one in the x-y plane has an extensive beam cross section and a defined diver has distribution.

Eine grundlegende Problematik bei der Einkopplung von hochenergetischer Laserstrahlung in Lichtleitfasern ergibt sich daraus, daß die geometrische Form des Strahlquerschnitts in der Regel erheblich von der Form des aktiven Faserquerschnitts abweicht. So haben beispielsweise die immer weiter Ver breitung findenden Halbleiter-Laserbarren eine bandförmig-langgestreckte Lichtaustrittsfläche, also eine quasi linienförmige Apertur, bei der die einzel nen eng begrenzten Emissionszentren beispielsweise in x-Richtung neben einander liegen. Die Divergenz der von den Emissionszentren ausgehenden Elementarstrahlbündel ist konstant, jedoch in der Längsrichtung des Strahl profils, also in dem eingangs eingeführten Koordinatensystem in x-Richtung, erheblich kleiner als in der senkrecht dazu stehenden y-Achse. Die Längs achse wird deswegen durchgehend als "slow-axis", die y-Achse hingegen als "fast axis" bezeichnet. A fundamental problem in the coupling of high-energy Laser radiation in optical fibers results from the fact that the geometric The shape of the beam cross-section is usually considerably different from the shape of the active one Fiber cross-section deviates. For example, the Ver widespread semiconductor laser bars a band-shaped elongated Light exit surface, i.e. a quasi-linear aperture in which the individual Narrowly limited emission centers, for example in the x direction lie to each other. The divergence of those emanating from the emission centers Elementary beam is constant, but in the longitudinal direction of the beam profiles, i.e. in the coordinate system introduced in the x direction, considerably smaller than in the y-axis perpendicular to it. The longitudinal This is why the axis is consistently referred to as the "slow axis", while the y axis referred to as "fast axis".

Unter den vorbeschriebenen Bedingungen ist zwar eine relativ gute Kollima tion in der fast axis möglich, das Linienprofil bleibt dabei jedoch nach wie vor linienförmig-langgestreckt. Bedingt durch diese ausgeprägte Asymmetrie sowohl hinsichtlich der geometrischen Ausdehnung des Strahlquerschnitts, als auch hinsichtlich der Divergenzverteilung, läßt sich das Strahlbündel nicht auf einen symmetrischen Spot fokussieren, der zur Einkopplung in einen kreisrund-symmetrischen Faserquerschnitt geeignet wäre. Die numerische Apertur der Faser würde nämlich dabei in jedem Falle überschritten. Abgesehen davon, daß der Strahlquerschnitt im Fokus immer größer sein würde als der aktive Querschnitt des Faserkerns, würde aufgrund der hohen Divergenz der Winkel der Totalreflexion zwischen Kern und Faser überschritten, so daß Strahlung in den Mantel übertritt und entsprechende Verluste die Folge sind.Under the conditions described above there is a relatively good collima tion in the fast axis is possible, but the line profile remains in front of elongated lines. Due to this pronounced asymmetry both with regard to the geometric extension of the beam cross section, and also with regard to the divergence distribution, the beam cannot be focus on a symmetrical spot that is used for coupling into a circular-symmetrical fiber cross section would be suitable. The numeric The aperture of the fiber would be exceeded in any case. Apart from the fact that the beam cross-section in focus is always larger would be considered the active cross section of the fiber core, due to the high Divergence of the angles of total reflection between the core and the fiber exceeded, so that radiation passes into the coat and corresponding Losses are the result.

Aufgrund der vorgenannten Unterschiede zwischen der Symmetrie des Strahlquerschnitts und des Faserkerns würden zudem im Faserquerschnitt relativ große nicht ausgeleuchtete Zonen auftreten. Dies gilt im übrigen auch für die Verwendung von Laserbarren-Stapeln, sogenannten "Stacks", bei denen eine Vielzahl linienförmiger Emitter in einem Stapel übereinander angeordnet ist. Die von diesen abgegebene Strahlung ist zwar über einen größeren, meist rechteckigen Querschnitt verteilt. Zwischen den einzelnen Linien liegen jedoch jeweils emissionsfreie Zonen, was gleichbedeutend ist mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung.Due to the aforementioned differences between the symmetry of the Beam cross section and the fiber core would also be in the fiber cross section relatively large non-illuminated zones occur. Incidentally, this also applies for the use of laser bar stacks, so-called "stacks" a large number of linear emitters in a stack one above the other is arranged. The radiation emitted by them is indeed over one larger, mostly rectangular cross-section distributed. Between each However, lines are each emission-free zones, which is equivalent with an inhomogeneous intensity distribution.

Um über eine homogene Ausleuchtung des Faserquerschnitts eine effi zientere Ausnutzung und damit eine höhere übertragbare Leistung zu errei chen, sind nach dem Stand der Technik bereits unterschiedliche Lösungs ansätze bekannt. Mit den bekannten Anordnungen bzw. Vorrichtungen wird ein Eingangsstrahlbündel mit einem in der x-y-Ebene ausgedehnten Strahl querschnitt, zunächst in einer Richtung, beispielsweise entlang der x-Achse, in diskrete Teilstrahlbündel zerlegt. Anschließend werden diese Teilstrahl bündel durch refraktive oder reflektive Elemente in y-Richtung umgruppiert, so daß ein gewünschter Ausgangsquerschnitt erreicht wird. So wird bei spielsweise in der DE 195 14 625 C2 vorgeschlagen, linienförmige Abschnitte eines gegebenen linearen Strahlquerschnitts übereinander in einem quadratischen oder rechteckigen Bereich umzugruppieren. Durch das auf diese Weise gebildete Ausgangsstrahlbündel wird eine bessere Flächen füllung des kreisrunden Faserquerschnitts ermöglicht, wodurch höhere Leistungen als bei einfacher Kollimierung bzw. Fokussierung übertragbar sind. Es ist jedoch offensichtlich, daß die Grenzen dieses Verfahrens bzw. der danach arbeitenden Vorrichtungen relativ schnell erreicht sind, da zwischen den umgruppierten Linienabschnitten weiterhin emissionsfreie Zonen verbleiben.In order to achieve an effi over a homogeneous illumination of the fiber cross section to achieve more efficient utilization and thus higher transferable performance Chen, are already different solutions according to the prior art approaches known. With the known arrangements or devices an input beam with a beam extended in the x-y plane cross-section, initially in one direction, for example along the x-axis, broken down into discrete partial beams. Then this partial beam bundles grouped in the y direction by refractive or reflective elements, so that a desired output cross section is achieved. So at proposed for example in DE 195 14 625 C2, linear Sections of a given linear beam cross section one above the other in regroup into a square or rectangular area. By the Output beams thus formed will have better surfaces Filling of the circular fiber cross-section enables, resulting in higher Services as transferable with simple collimation or focusing are. However, it is obvious that the limits of this process or of the devices operating thereafter are reached relatively quickly because emission-free between the regrouped line sections Zones remain.

Die Apertur der Lichtleitfaser ist somit nicht gleichmäßig ausgeleuchtet. Je nach Art der Emissionsquelle kann bei hohen übertragenen Leistungen durch lokale Intensitätsüberhöhungen eine schnellere Alterung der Faser auftreten. Wenn die lokale Energiedichte die Zerstörschwelle des Fasermaterials überschreitet, kann eine Zerstörung der Faser auftreten.The aperture of the optical fiber is therefore not evenly illuminated. Each According to the type of emission source, high power can be transmitted through local intensity increases a faster aging of the fiber occur. If the local energy density is the destruction threshold of the fiber material exceeds this, the fiber can be destroyed.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß bei der Zerlegung des Eingangs strahlbündels in diskrete Teilstrahlbündel an den Trennstellen unvermeidlich Beugungseffekte auftreten, die zu Verlusten führen. Dies bezieht sich gleichermaßen auf die Verwendung von reflektiven Elementen, wie z. B. Treppenspiegeln, als auch refraktiven Elementen, wie z. B. Stufenprismen oder dergleichen. Durch diese Verluste wird natürlich der Wirkungsgrad ebenfalls verringert.Another disadvantage arises from the fact that when the input is disassembled beams in discrete partial beams at the separation points inevitable Diffraction effects occur which lead to losses. This relates equally to the use of reflective elements, such as. B. Stair mirrors, as well as refractive elements, such as. B. step prisms or similar. Through these losses, of course, the efficiency also decreased.

Ein anderer Ansatz wird in der DE 196 23 762 A1 beschrieben. Mit Hilfe der daraus hervorgehenden Vorrichtung wird ein lineares Eingangsstrahlprofil durch Hintereinanderschaltung von drei senkrecht zueinander stehenden Zylinderlinsen in ein zirkularsymmetrisches Strahlungsfeld transformiert. Denknotwendigerweise hat bei dieser Vorrichtung der Ausgangsstrahl ein kreisringförmiges Profil. Das bedeutet, daß praktisch die gesamte Kreis innenfläche wiederum eine Totzone darstellt, die nicht ausgeleuchtet wird. Aufgrund der daraus resultierenden Inhomogenität der Energieverteilung über einen Faserquerschnitt ist die übertragbare Leistung ebenfalls wie in den vorgenannten Vorrichtungen begrenzt. Another approach is described in DE 196 23 762 A1. With the help of the resulting device becomes a linear input beam profile by connecting three perpendicular to each other Cylindrical lenses transformed into a circularly symmetrical radiation field. Of necessity, the output beam has a in this device circular profile. That means practically the entire circle the inner surface represents a dead zone that is not illuminated. Due to the resulting inhomogeneity of the energy distribution over the cross-section is the transferable power as in the aforementioned devices limited.

Ausgehend von der vorangehend geschilderten Problematik liegt der vor liegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, eine Strahltransforma tionsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Strahltransformation anzugeben, welches eine definierte Intensitätsverteilung im Ausgangsstrahlbündel ermöglicht und bei dem geringere interne Verluste auftreten. Insbesondere soll die Vorrichtung und das Verfahren dazu geeignet sein, Strahlung aus einer Strahlquelle mit stark unsymmetrischem Strahlquerschnitt, beispielsweise aus einem Laser oder einem Laserbarren-Stapel, besser in eine oder mehrere Lichtleitfasern einzukoppeln.Based on the problem described above, this is the case underlying invention the task, a beam transform specify device and a method for beam transformation, which has a defined intensity distribution in the output beam enables and at which lower internal losses occur. In particular the device and the method should be suitable for emitting radiation a beam source with a strongly asymmetrical beam cross section, for example from a laser or a laser bar stack, better into one or couple several optical fibers.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur opti schen Strahltransformation vor, bei der ein optisches Element als konti nuierliches Winkeltransformationselement ausgebildet ist, welches eine optische Grenzfläche aufweist, die längs der x-Achse eine kontinuierlich vari ierende Neigung in Strahlrichtung bezüglich der y-Achse hat.To achieve this object, the invention proposes a device for opti rule beam transformation, in which an optical element as a continuous Nuclear angle transformation element is formed, which a has an optical interface that varies continuously along the x-axis has inclination in the beam direction with respect to the y-axis.

Bei dem erfindungsgemäßen Winkeltransformationselement handelt es sich um ein neuartiges reflektives oder refraktives Bauelement, dessen optisch aktive Grenzfläche die Form einer um eine - quer zur Strahlachse verlaufen den - x-Achse tordierten Ebene hat. Bildlich gesehen erhält man eine solche Fläche, indem man bei einer in der x-y-Ebene liegenden Fläche beispielsweise die in x-Richtung äußeren Enden derart gegeneinander verdreht, daß die x-Achse selbst die unverdrehte, neutrale Faser bildet. Dabei besteht sowohl die Möglichkeit, über die Erstreckung des Bauelements in x-Richtung konti nuierlich ansteigende bzw. abfallende Neigungswinkel zu realisieren, oder auch abschnittsweise in unterschiedliche Richtungen variable Neigungs winkel einzustellen. Während die erstgenannte Form einer "propeller-artigen" Oberfläche ähnelt, hat die zweite Form kegelmantel-ähnliche, gewellte Abschnitte.The angular transformation element according to the invention is a new type of reflective or refractive component, the optical active interface in the form of a - run transversely to the beam axis the - x-axis twisted plane. Figuratively speaking, you get one Area by, for example, an area lying in the x-y plane the outer ends twisted in the x direction so that the x-axis itself forms the untwisted, neutral fiber. There is both the possibility of continuous over the extension of the component in the x direction realizing increasing or decreasing inclination angles, or inclination also variable in sections in different directions adjust the angle. While the former form of a "propeller-like" Surface resembles, the second form has a cone-like, corrugated Sections.

Das erfindungsgemäße Winkeltransformationselement kann gleichermaßen als reflektives oder refraktives Element ausgebildet sein. Das refraktive Element bildet quasi ein Prismenelement mit kontinuierlich quer zur Strahl richtung variierendem Basiswinkel. Durch einen wellenförmigen Verlauf des Neigungswinkels ist es beispielsweise möglich, den Höhenschlag bei Laserdiodenbarren zu kompensieren. Dabei handelt es sich um Abweichungen des Emitters orthogonal zur Ausdehnungsrichtung, die auch als "Smile"-Verzerrung bezeichnet werden.The angular transformation element according to the invention can equally well be designed as a reflective or refractive element. The refractive Element forms a prism element with a continuous cross-beam direction of varying base angle. Through a wavy course of the Inclination angle, it is possible, for example, the height change To compensate for laser diode bars. It refers to Deviations of the emitter orthogonal to the direction of expansion, which too referred to as "smile" distortion.

Diese Verzerrung tritt durch die Verbiegung des Halbleiterchips bei der Ferti gung auf. Dadurch erhält die Lichtaustrittsfläche und damit der Strahlquerschnitt einen gebogenen Verlauf. Wird nun der Verlauf des Neigungswinkels des Winkeltransformationselements jeweils auf die lokale Abweichung des Strahlprofils von einer Geraden abgestimmt, erreicht man eine Kompensation der Verzerrung. Diese Anpassung sieht vor, daß der lokale Neigungswinkel für eine gegebene x-Koordinate jeweils abhängig ist von der lokalen Abweichung Δy der Strahlquelle vom linearen Verlauf. Dadurch erhält man ausgangsseitig in vorgegebenen Abstand ein definiertes, lineares Strahlprofil.This distortion occurs due to the bending of the semiconductor chip at Ferti on. This gives the light exit surface and thus the Beam cross-section a curved course. If the course of the Inclination angle of the angle transformation element to the local one Deviation of the beam profile from a straight line is achieved compensation for distortion. This adjustment provides that the local tilt angle is dependent for a given x coordinate on the local deviation Δy of the beam source from the linear course. As a result, a defined, linear beam profile.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Winkeltransformationselements läßt sich besonders gut anhand der Vorstellung erläutern, daß ein sich in z-Rich tung ausbreitendes Strahlbündel mit in der x-y-Ebene ausgedehntem Strahl querschnitt aus einer unendlichen Zahl von Elementarstrahlen mit infinitesi malem Querschnitt gebildet wird, die von in der x-y-Ebene liegenden Elemen tarpunkten ausgehen. Durch das erfindungsgemäße Winkeltransformations element werden die Elementarstrahlbündel in Abhängigkeit von ihrer x-Koor dinate in der y-z-Ebene relativ zur Strahlachse ausgelenkt. Die dadurch erreichte Transformation einer linearen Strahlkoordinate in ein Winkelkoordi nate ist kontinuierlich, das heißt folgt einer stetigen Funktion. Gegenüber einer diskontinuierlichen Auftrennung in separate Teilstrahlbündel hat dies den Vorteil, daß keine Verluste durch Kantenstreuung oder dergleichen an unstetigen Übergängen auftreten. Das kontinuierlich winkeltransformierte Strahlbündel ist einer weiteren kontinuierlichen Verarbeitung zugänglich.The function of the angular transformation element according to the invention can be explain themselves particularly well on the basis of the idea that a z-Rich beam spreading in the x-y plane cross section of an infinite number of elementary rays with infinitesi cross-section is formed by elements lying in the x-y plane run out of tarpoints. Through the angular transformation according to the invention The elementary ray bundles become element dependent on their x-coor dinate deflected in the y-z plane relative to the beam axis. The result achieved transformation of a linear beam coordinate into an angular coordinate nate is continuous, which means that it follows a continuous function. Across from This has a discontinuous separation into separate partial beam bundles the advantage that there are no losses due to edge scattering or the like inconsistent transitions occur. The continuously angularly transformed The beam is accessible for further continuous processing.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahltransformationsvorrichtung sieht eine Anordnung vor, bei der im Strahlengang aufeinanderfolgend
A particularly advantageous embodiment of a beam transformation device according to the invention provides an arrangement in which the beam path is successive

- A first angular transformation element with at least one optical interface, which is continuous along the x-axis has varying inclination in the beam direction with respect to the y-axis,
a Fourier transform arrangement and
- A second angular transformation element with at least one optically active interface, which is a continuous along the y-axis nuably varying inclination in the beam direction with respect to the x-axis Has,

angeordnet sind, wobei das erste und zweite Winkeltransformationselement in der Brennebene und der rückwärtigen Brennebene der Fourier-Trans formationsanordnung angeordnet sind.are arranged, wherein the first and second angular transformation element in the focal plane and the rear focal plane of the Fourier trans formation arrangement are arranged.

Bei der Fourier-Transformationsanordnung handelt es sich um eine soge nannte 1*f-1*f-Anordnung. Dabei befindet sich das Objekt vor der Linse im Brennpunkt; die Fouriertransformierte des Objekts liegt im rückwärtigen Brennpunkt hinter der Linse. Diese Anordnung bewirkt eine Transformation einer gegebenen Divergenz in eine Fläche.The Fourier transform arrangement is a so-called called 1 * f-1 * f arrangement. The object is in front of the lens Focus; the Fourier transform of the object lies in the back Focus behind the lens. This arrangement brings about a transformation a given divergence in a surface.

Mit dieser erfindungsgemäßen Transformationsvorrichtung läßt sich ein in der x-y-Ebene ausgedehntes Strahlbündel, welches einen insbesondere in x-Richtung ausgedehnten Strahlquerschnitt hat und eine definierte Divergenz verteilung aufweist, dadurch transformieren,
With this transformation device according to the invention, a beam bundle which is extended in the xy plane and which has a beam cross section which is in particular extended in the x direction and has a defined divergence distribution can be transformed,

- That elementary rays adjacent in the x direction while maintaining their respective divergence by one continuously with the x coordinate abge varying beam angle in the y direction relative to the beam axis be directed
- That by a continuous Fourier transformation the elementary radiate into one depending on their respective divergence y coordinate are transformed, and
- That the divergence as a function of the y coordinate Nuclearly varying elementary rays with respect to the beam axis be parallelized.

Die erfindungsgemäße Transformation eines Strahlbündels mit in der x-y-Ebene ausgedehntem Strahlquerschnitt, beispielsweise bei Lasern mit einem linienförmigen in x-Richtung ausgedehnten Strahlquerschnitt, sieht vor, daß die im Strahlquerschnitt aufeinanderfolgenden infinitesimalen Elementarstrahlbündel jeweils relativ zueinander um einen kontinuierlich von deren x-Koordinate abhängenden Strahlwinkel abgelenkt werden. Indem das erste Winkeltransformationselement in der Brennweite einer Fourier-Trans formationsanordnung positioniert wird, beispielsweise einer einfachen Sammellinse, eines Sammellinsen-Arrays oder auch eines gekreuzten Zylinderlinsen-Arrays, wird durch die kontinuierliche Fourier-Transformation im rückwärtigen Brennpunkt ein Ausgangsstrahlbündel erzeugt, welches einen in y-Richtung kontinuierlich variierenden Divergenzwinkel hat. Durch das dort angeordnete zweite Winkeltransformationselement wird diese räumliche Divergenzverteilung kompensiert. Damit ist das austretende Strahlbündel zur Strahlachse nahezu parallel.The inventive transformation of a beam with in the x-y plane extended beam cross-section, for example in the case of lasers with a line-shaped beam cross section extended in the x direction, provides that the successive infinitesimal in the beam cross section Elementary beams in each case relative to each other by a continuous of whose x-coordinate dependent beam angles are deflected. By doing that first angular transformation element in the focal length of a Fourier trans Formation arrangement is positioned, for example a simple Converging lens, a converging lens array or a crossed one Cylindrical lens arrays, is through the continuous Fourier transform generates an output beam at the rear focal point, which has a divergence angle that varies continuously in the y direction. By the second angular transformation element arranged there becomes this spatial divergence distribution compensated. So that is the exiting Beam bundles almost parallel to the beam axis.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des damit umgesetzten Verfahrens besteht darin, daß die Intensitätsverteilung im Aus gangsstrahlbündel definiert eingestellt werden kann. So ist eine Strahlquelle mit stark unsymmetrischem Seitenverhältnis des Querschnitts, beispiels weise mit linienförmigem Strahlprofil, in einen Ausgangsstrahlquerschnitt mit einem gleichmäßigerem Seitenverhältnis und einer homogenen Intensitäts verteilung transformierbar. Bei einer Quelle mit optischer Symmetrie, bei der das Produkt aus der Größe der ausgedehnten Quelle und der numerischen Apertur konstant ist, erhält man einen rechteckigen Ausgangsstrahl querschnitt. Dessen Breite in x-Richtung ist abhängig von der Brennweite der Fourier-Transformationsanordnung und der numerischen Apertur der Quelle in x-Richtung. Dessen y-Abmessung ist abhängig vom Produkt der Divergenz in x-Richtung und der Brennweite der Fourier-Transformationsanordnung. Somit ist es beispielsweise möglich, eine Quelle mit linienförmigem, unsymmetrischem Strahlquerschnitt in einen nahezu rechteckigen Ausgangsquerschnitt mit symmetrischem Seitenverhältnis zu transformieren. Dieser ist zur Einkopplung in eine Lichtleitfaser, die ebenfalls einen symmetrischen Querschnitt hat, besonders gut geeignet.A major advantage of the device according to the invention or of the device implemented method is that the intensity distribution in the off beam beam can be set defined. So is a beam source with a strongly asymmetrical aspect ratio of the cross section, for example wise with a linear beam profile, in an output beam cross section with a more even aspect ratio and a homogeneous intensity distribution transformable. For a source with optical symmetry where the product of the size of the extended source and the numerical Aperture is constant, you get a rectangular output beam cross-section. Its width in the x direction depends on the focal length of the Fourier transform arrangement and the numerical aperture of the source in X direction. Its y dimension depends on the product of the divergence in the x direction and the focal length of the Fourier transformation arrangement. It is thus possible, for example, to use a source with a linear, asymmetrical beam cross section in an almost rectangular Transform output cross section with symmetrical aspect ratio. This is for coupling into an optical fiber, which is also a has a symmetrical cross section, particularly well suited.

Aufgrund der Eigenschaften der Fourier-Transformation läßt sich ein Stack, das heißt ein Stapel aus mehreren parallel angeordneten linienförmigen Quellen ebenfalls in einen Ausgangsquerschnitt mit homogener Intensitäts verteilung transformieren. Gegenüber einer einzelnen Linie wird dessen Symmetrie, das heißt das Seitenverhältnis lediglich geringfügig verändert. Damit läßt sich eine erfindungsgemäße Transformationseinrichtung sowohl für einen einzigen Laserbarren als auch für einen Laserdioden-Stack verwen den, ohne daß der Flächenfüllungsgrad bei der Einkopplung in eine Lichtleit faser wesentlich verringert wird.Due to the properties of the Fourier transform, a stack that is, a stack of several parallel linear ones Also swell into an initial cross section with homogeneous intensity transform distribution. It is opposite a single line Symmetry, that is, the aspect ratio changes only slightly. This means that a transformation device according to the invention can both can be used for a single laser bar as well as for a laser diode stack the without the area filling degree when coupled into a light guide fiber is significantly reduced.

Die Erfindung ermöglicht erstmals eine definierte Vorgabe der Intensitäts verteilung im Ausgangsstrahlquerschnitt. Damit lassen sich sowohl, wie vorangehend beschrieben, ein einziges oder mehrere Eingangsstrahlbündel in einen einzigen oder auch mehrere homogen ausgeleuchtete Ausgangsstrahlen transformieren. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Winkeltransformationselemente mit einem nichtlinearen Verlauf des Neigungswinkels, können auch definiert inhomogene Intensitäten im Ausgangsstrahlbündel vorgegeben werden. Damit lassen sich definierte Intensitätsverteilungen vorgeben, wie sie beispielsweise für bestimmte Oberflächenbearbeitungsmethoden erwünscht sind.For the first time, the invention enables a defined specification of the intensity distribution in the output beam cross section. This allows both how described above, a single or multiple input beams in one or more homogeneously illuminated Transform output rays. By appropriate design the angular transformation elements with a non-linear course of the Inclination angle, can also be defined inhomogeneous intensities in the Output beams can be specified. This allows defined Specify intensity distributions, such as those for certain Surface finishing methods are desired.

Zweckmäßigerweise sind die erfindungsgemäßen Winkeltransformations elemente als einstückige refraktive Elemente ausgebildet, die beispielsweise durch Mikro-Schwingläppen aus Quarz herstellbar sind. Im Hinblick auf die Minimierung von zusätzlichen Winkelfehlern, die sich bei zunehmender Nei gung quer zu dieser als unerwünschte Zusatzwinkel bemerkbar machen, kann ein einziges Winkeltransformationselement als Array von nebeneinander angeordneten Teil-Winkeltransformationselementen ausgebildet sein. Diese weisen im wesentlichen dieselbe Form auf. Durch eine in x-Richtung hinrei chend kleine Apertur läßt sich der unerwünschte Zusatzwinkel jedoch immer klein im Verhältnis zum eigentlichen Neigungs- bzw. Ablenkungswinkel halten.The angular transformations according to the invention are expedient elements designed as one-piece refractive elements, for example can be produced from quartz by means of micro oscillating lapping. In terms of Minimization of additional angular errors that occur with increasing Nei cross noticeable as an undesirable additional angle, can be a single angular transformation element as an array of side by side arranged partial angle transformation elements can be formed. This have substantially the same shape. Through one in the x direction chich small aperture, however, the unwanted additional angle can always small in relation to the actual angle of inclination or deflection hold.

Alternativ kann das Winkeltransformationselement als Spiegelelement mit reflektiven Grenzflächen ausgebildet sein.Alternatively, the angle transformation element can be used as a mirror element reflective interfaces.

Zur optimalen Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten des Strahlbündel-Quer schnitts können in einem Winkeltransformationselement-Array die einzelnen Teil-Winkeltransformationselemente relativ zueinander einen unter schiedlichen Neigungsverlauf aufweisen.For optimal adaptation to the respective conditions of the beam cross cuts can be made in an angular transformation element array individual partial angle transformation elements relative to one another under have different inclinations.

Die Transformationslinsen-Anordnung kann gleichfalls konventionelle Sammellinsen, wie auch gekreuzte Zylinderlinsen oder Sammellinsen- oder Zylinderlinsen-Arrays aufweisen. Unter anderem bietet sich dadurch die Möglichkeit, ein oder mehrere Eingangsstrahlbündel in ein oder mehrere Ausgangsstrahlbündel zu transformieren. Gegebenenfalls können die Zylinderlinsen-Arrays auch unterschiedlich breite Zylinderlinsen enthalten.The transform lens arrangement can also be conventional Converging lenses, as well as crossed cylindrical lenses or converging lenses or Have cylindrical lens arrays. Among other things, this offers the Possibility of one or more input beams in one or more Transform output beams. If necessary, the Cylinder lens arrays also contain cylinder lenses of different widths.

Mit der erfindungsgemäßen Transformationseinrichtung lassen sich beliebige ausgedehnte Strahlbündel transformieren. Beispielsweise sind alle Arten von Laseranordnungen als Strahlquellen geeignet. Aufgrund der Strahlgeometrie ist ein Einsatz bei Excimer-Lasern und Halbleiter-Laserbarren bzw. Laserdioden-Stacks besonders vorteilhaft. Gegebenenfalls sind diese Laser mit vorgesetzten Kollimatoren aus gekreuzten Zylinderlinsen bzw. Zylinder linsen-Arrays versehen.With the transformation device according to the invention, any transform extended beams. For example, all types of Laser arrangements are suitable as beam sources. Because of the beam geometry is used for excimer lasers and semiconductor laser bars or Laser diode stacks are particularly advantageous. If necessary, these are lasers with collimators made of crossed cylindrical lenses or cylinders lens arrays.

Indem mehrere erfindungsgemäße Winkeltransformationselemente und/oder Linsenarrays eingesetzt werden, lassen sich entsprechend viele Ausgangsstrahlbündel erzeugen.By several angular transformation elements according to the invention and / or Lens arrays are used, can be correspondingly many Generate output beam.

Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Strahltransformations vorrichtung als optischer Hybridchip ausgebildet ist, bei dem die optischen Elemente auf einer einstückigen Grundplatte unlösbar lagefixiert sind. In die Grundplatte, die beispielsweise aus Quarz besteht, sind dabei Halterungen zur Aufnahme der optischen Elemente maßhaltig eingeformt. Die ganze Vor richtung ist dann in einer Einheit zusammengefaßt, bei der die einzelnen Bau teile hochpräzise relativ zueinander lagefixiert sind.It is also particularly advantageous if the beam transformation device is designed as an optical hybrid chip in which the optical Elements are permanently fixed on a one-piece base plate. In the Base plate, which consists of quartz, for example, are brackets molded to hold the optical elements true to size. The whole before Direction is then combined in one unit, in which the individual construction parts are precisely fixed relative to each other.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:The invention is explained below with reference to the drawing. It show in detail:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Winkeltrans formationselement in perspektivischer Darstellung; Figure 1 is a Winkeltrans formation element according to the invention in a perspective view.

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Winkeltrans formationselement-Array in perspekti vischer Darstellung; Fig. 2 shows an angular transformation element array according to the invention in a perspective view;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Strahltrans formationsvorrichtung in schematischer Darstellung; Fig. 3 shows a beam transformation device according to the invention in a schematic representation;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des ersten Winkeltransformationselements der Strahltransformationsvorrichtung gemäß Fig. 3; FIG. 4 shows a schematic illustration of the first angular transformation element of the beam transformation device according to FIG. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des zweiten Winkeltransformationselements der Strahltransformationsvorrichtung gemäß Fig. 3. FIG. 5 shows a schematic illustration of the second angular transformation element of the beam transformation device according to FIG. 3.

In Fig. 1 ist das dargestellte erfindungsgemäße Winkeltransformations element als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Es ist bevorzugt als refraktives Element ausgebildet, welches beispielsweise aus Quarz oder Glas besteht. In der vorliegenden Darstellung liegt die erfindungsgemäß ausge staltete optisch aktive Grenzfläche - in z-Richtung - oben und ist selbst mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet.In Fig. 1, the illustrated angular transformation element according to the invention is provided as a whole with the reference numeral 1 . It is preferably designed as a refractive element, which consists for example of quartz or glass. In the present illustration, the optically active interface designed in accordance with the invention lies at the top - in the z direction - and is itself identified by reference number 2 .

Die optische aktive Grenzfläche 2 hat die Form eines sich in x-Richtung erstreckenden Bandes, welches um die x-Achse verdreht ist. Dadurch ergibt sich eine längs der x-Achse kontinuierlich variierende Neigung der lokalen Flächennormalen in Strahlrichtung bezüglich der y-Achse. Man könnte auch vereinfacht sagen, daß die optische Grenzfläche 2 "propeller-ähnlich" ver dreht ist.The optically active interface 2 has the shape of a band extending in the x direction, which is twisted about the x axis. This results in a continuously varying inclination of the local surface normals in the beam direction with respect to the y-axis along the x-axis. One could also say simply that the optical interface 2 is "propeller-like" ver rotates.

Die Strahlrichtung ist in dieser Darstellung entlang der z-Achse.The beam direction is along the z-axis in this illustration.

Fig. 2 zeigt in derselben Darstellung wie Fig. 1 ein Array 3 aus erfindungsgemäßen Winkeltransformationselementen, die parallel in y-Richtung nebeneinander angeordnete optisch aktive Grenzflächen 2 aufweisen. Bevor zugt ist dieses Array 3 als einstückiges Element, beispielsweise aus Quarz, gefertigt. FIG. 2 shows, in the same representation as FIG. 1, an array 3 of angular transformation elements according to the invention which have optically active interfaces 2 arranged next to one another in parallel in the y direction. Before this array 3 is made as a one-piece element, for example made of quartz.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Strahltransformationsvorrichtung zur Transformation eines linienförmigen Eingangsstrahlbündels in ein rechteckiges Ausgangstrahlbündel. Diese Strahltransformationsvorrichtung ist als ganzes mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Fig. 3 shows a schematic representation of a beam transformation apparatus of the invention for transforming a linear input beam into a rectangular output beam. This beam transformation device is provided as a whole with the reference number 4 .

Darin ist vor einem Laserbarren 5 mit einem in x-Richtung linienförmig-lang gestreckten Strahlquerschnitt zunächst ein Kollimator 6 aus gekreuzten Zylinderlinsen-Arrays angeordnet. Davor befindet sich in Strahlrichtung, also in z-Richtung, ein erstes erfindungsgemäßes Winkeltransformations element 1, wie in Fig. 1 dargestellt.A collimator 6 made of crossed cylindrical lens arrays is first arranged in front of a laser bar 5 with a beam cross section that is elongated in the x-direction. Before that, there is a first angular transformation element 1 according to the invention in the beam direction, ie in the z direction, as shown in FIG. 1.

Das Winkeltransformationselement 1 befindet sich im Fokus F einer Fourier- Transformationsanordnung 7, die in der dargestellten Ausführung eine Sammellinse ist. Sie kann jedoch gleichermaßen durch ein Array aus gekreuzten Zylinderlinsen oder dergleichen gebildet werden.The angular transformation element 1 is located in the focus F of a Fourier transformation arrangement 7 , which is a converging lens in the embodiment shown. However, it can equally be formed by an array of crossed cylindrical lenses or the like.

In z-Richtung hinter der Fourier-Transformationsanordnung 7 in ihrer rückwärtigen Brennebene, befindet sich als zweites Winkeltransformations element ein Winkeltransformationselement-Array 3 gemäß Fig. 2. Dahinter ist eine beliebige Fokussiereinrichtung 8 zur Fokussierung des Ausgangs strahlbündels A angeordnet.In the z-direction behind the Fourier transformation arrangement 7 in its rear focal plane, there is an angle transformation element array 3 as shown in FIG. 2 as the second angle transformation element . Behind it, any focusing device 8 for focusing the output beam bundle A is arranged.

In Fig. 4 ist die Funktionsweise des ersten Winkeltransformations elements 1 zusammen mit der Fourier-Transformationsanordnung 7 gemäß Fig. 3 erläutert. FIG. 4 explains the functioning of the first angular transformation element 1 together with the Fourier transformation arrangement 7 according to FIG. 3.

Das in x-Richtung langgestreckte Eingangsstrahlbündel wird aus einer unendlichen Vielzahl von in x-Richtung nebeneinander liegenden Elementar strahlen bzw. Elementarstrahlbündeln E gebildet. Jedes dieser Bündel E hat eine gegebene Divergenzverteilung, was unten in der Zeichnung angedeutet ist. Die Divergenz in y-Richtung nach der Kollimation ist klein (fast-axis); in x-Richtung relativ dazu größer (slow-axis).The input beam elongated in the x direction becomes one infinite number of elementals lying side by side in the x-direction rays or elementary beams E are formed. Each of these bundles E has a given divergence distribution, which is indicated below in the drawing is. The divergence in the y direction after collimation is small (fast axis); in x-direction larger relative to it (slow-axis).

Die schematisch eingezeichneten, in Wirklichkeit infinitesimalen Elementarbündel E, die in der Darstellung links im Eingangsstrahlbündel liegen, werden durch das erfindungsgemäße Winkeltransformationselement 1 unter Beibehaltung ihrer Divergenz in der y-z-Ebene in Strahlrichtung um einen durch die lokale Neigung des Winkeltransformationselements 1 vorgegebenen Winkel nach unten abgelenkt. Entlang der x-Achse von links nach rechts werden die Elementarbündel in Abhängigkeit von ihrer x-Koordinate um kontinuierlich variierende Winkel nach oben abgelenkt. Die zunächst vorliegende räumliche Verteilung in x-Richtung wird durch das erfindungsgemäße Winkel transformationselement 1 auf diese Weise in eine Strahlwinkel-Verteilung transformiert.The schematically drawn, in reality infinitesimal elementary bundles E, which are shown on the left in the input beam, are deflected downward by the angle transformation element 1 according to the invention while maintaining their divergence in the yz plane in the beam direction by an angle predetermined by the local inclination of the angle transformation element 1 . The elementary bundles are deflected upwards along the x-axis from left to right depending on their x-coordinate. The initially existing spatial distribution in the x direction is transformed by the angle transformation element 1 according to the invention in this way into a beam angle distribution.

Durch die Fourier-Transformationsanordnung 7 wird das schräg liegende, kontinuierliche Strahlungsfeld zu einem rechteckigen Ausgangsstrahlquerschnitt gebündelt.The Fourier transformation arrangement 7 bundles the oblique, continuous radiation field into a rectangular output beam cross section.

Oben rechts ist der Ausgangsstrahlquerschnitt vergrößert dargestellt. Die Intensität ist darin homogen verteilt. Mit den unterschiedlichen Schraffuren, die oben und unten entgegengesetzt schräg sind, ist die Divergenz angedeu tet. Für jede y-Koordinate liegt ein konstanter Divergenzwinkel α vor, der über den Strahlungsquerschnitt von -α bis +α variiert.The output beam cross section is shown enlarged on the top right. The Intensity is distributed homogeneously. With the different hatches, which are obliquely opposite at the top and bottom, the divergence is indicated tet. There is a constant divergence angle α for each y coordinate, which varies over the radiation cross-section from -α to + α.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie das Ausgangsstrahlbündel aus Fig. 4 mit der in y-Richtung kontinuierlich von -α bis +α variierenden Divergenz durch das zweite Winkeltransformationselement 3, welches als Array ausgebildet ist, so transformiert wird, daß das Ausgangsstrahlbündel, welches mit A bezeichnet ist, nicht nur eine homogene Intensitätsverteilung aufweist, sondern auch parallel zur z-Achse ist. Das bedeutet, daß die durch die Fourier-Transformation erzeugte räumliche Divergenzverteilung mittels des erfindungsgemäßen Winkeltransformationselements 3 wiederum kompensiert wird. FIG. 5 shows how the output beam from FIG. 4 with the divergence continuously varying in the y direction from -α to + α is transformed by the second angle transformation element 3 , which is designed as an array, in such a way that the output beam, which is denoted by A, not only has a homogeneous intensity distribution, but is also parallel to the z-axis. This means that the spatial divergence distribution generated by the Fourier transformation is in turn compensated for by the angle transformation element 3 according to the invention.

Der besondere Vorteile des Ausgangsstrahlbündels A besteht darin, daß es rechteckig mit einem gleichmäßigen Seitenverhältnis ist und dabei eine homogene Intensitätsverteilung aufweist. Eine Einkopplung in den kreis runden Faserquerschnitt einer Lichtleitfaser ist deswegen mit hoher Effizienz möglich.The particular advantages of the output beam A is that it is rectangular with an even aspect ratio and is one has homogeneous intensity distribution. A coupling into the circle round fiber cross-section of an optical fiber is therefore highly efficient possible.

Ein weiterer grundsätzlicher Vorteil einer erfindungsgemäßen Strahltrans formationsvorrichtung 4 besteht darin, daß sie gegen Fehlpositionierungen der Strahlquelle 5 in x- oder y-Richtung sehr tolerant ist. Das heißt, daß eine Fehlpositionierung des Eingangsstrahlbündels E sich nur in einer kleinen Verlagerung des Ausgangsstrahlbündels A bemerkbar macht. Das bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß eine Mehrzahl von Laserbarren 5 in y-Richtung gestapelt als Stack angeordnet werden können, wobei die Gesamtleistung aller emittierten Strahlbündel E praktisch in einem Ausgangsstrahlbündel A homogen zusammengefaßt wird. Damit lassen sich höchste Leistungsdichten effizient in eine Lichtleitfaser einkoppeln.Another fundamental advantage of a beam transformation device 4 according to the invention is that it is very tolerant of incorrect positioning of the beam source 5 in the x or y direction. This means that incorrect positioning of the input beam E is only noticeable in a small displacement of the output beam A. This has the essential advantage that a plurality of laser bars 5 can be stacked in the y direction as a stack, the total power of all emitted beam bundles E being practically combined homogeneously in an output beam bundle A. This enables the highest power densities to be efficiently coupled into an optical fiber.

Claims

1. Device for the optical beam transformation of at least one beam bundle, which has a cross-section extended in the xy plane, with optical elements which have optically active interfaces arranged in the beam path , characterized in that at least one optical element as a continuous angular transformation element ( 1 , 3 ), which has an optical interface ( 2 ) which has a continuously varying inclination in the beam direction with respect to the y axis along the x axis.

2. Device according to claim 1, characterized in that successively in the beam path

a first angular transformation element ( 1 ) with at least one optical interface ( 2 ), which has a continuously varying inclination in the beam direction with respect to the y axis along the x axis,
a Fourier transform arrangement ( 7 ),
a second angular transformation element ( 3 ) with at least one optically active interface ( 2 ), which has a continuously varying inclination in the beam direction with respect to the x axis along the y axis,

are arranged, wherein the first and second angular transformation element ( 13 ) in the focal plane and the rear focal plane of the Fourier Trans formation arrangement ( 7 ) are arranged.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the angular transformation element ( 1 , 3 ) has a non-linear inclination profile.

4. The device according to claim 1, characterized in that the angular transformation element ( 1 , 3 ) is designed as a refractive element.

5. The device according to claim 1, characterized in that the angular transformation element ( 1 , 3 ) is designed as a reflective element.

6. The device according to claim 1, characterized in that the angular transformation element ( 1 , 3 ) is designed as an array of partial angular transformation elements arranged parallel to one another, the optically active interfaces ( 2 ) of which along the x-axis are continuous with respect to the y-axis have varying inclination in the beam direction.

7. The device according to claim 6, characterized in that the angular transformation element array ( 3 ) is integrally formed.

8. The device according to claim 6, characterized in that at least two partial angular transformation elements of an angular transformation element array ( 3 ) have different inclinations relative to each other.

9. The device according to claim 2, characterized in that the angular transformation elements ( 1 , 3 ) each have a plurality of individual angular transformation elements.

10. The device according to claim 2, characterized in that the Fourier transformation arrangement ( 7 ) has a converging lens.

11. The device according to claim 2, characterized in that the Fourier transformation arrangement ( 7 ) has a lens array.

12. The apparatus according to claim 2, characterized in that the Fourier transformation arrangement ( 7 ) has crossed cylindrical lenses.

13. The apparatus according to claim 2, characterized in that the Fourier transformation arrangement ( 7 ) has cylindrical lens arrays.

14. The apparatus according to claim 2, characterized in that at least one laser source ( 5 ) is arranged in front of the angle transformation element ( 1 , 3 ).

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the laser source ( 5 ) is at least one laser bar, which has a linear, in the x-direction elongated light exit surface.

16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the laser source ( 5 ) has a laser bar stack, in which a plurality of laser bars is stacked in parallel in the y direction.

17. The device according to one or more of claims 1 to 16, characterized in that it is designed as an optical hybrid chip, in which the optical elements ( 1 , 3 , 4 , 6 , 7 , 8 ) on a one-piece base plate are non-detachably fixed in position .

18. The apparatus according to claim 1 7, characterized in that in the base plate brackets for receiving the optical elements ( 1 , 3 , 4 , 6 , 7 , 8 ) are molded dimensionally.

19. A method for transforming the beam cross section of at least one beam which has a beam cross section which is extended in the xy plane at least in the x direction and has a defined divergence distribution, characterized in that

that elementary rays (E) adjacent in the x direction are deflected relative to the beam axis while maintaining their divergence by a beam angle which varies continuously with the x coordinate in the y direction,
- That by a continuous Fourier transformation the elements tar rays (E) are transformed into a y-coordinate depending on their respective divergence, and
- That the elementary rays (E) which vary continuously in their divergence as a function of the y coordinate are parallelized with respect to the beam axis.