WO2010022925A1 - System comprising one- or two-dimensional series of radiation sources - Google Patents

System comprising one- or two-dimensional series of radiation sources Download PDF

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WO2010022925A1
WO2010022925A1 PCT/EP2009/006176 EP2009006176W WO2010022925A1 WO 2010022925 A1 WO2010022925 A1 WO 2010022925A1 EP 2009006176 W EP2009006176 W EP 2009006176W WO 2010022925 A1 WO2010022925 A1 WO 2010022925A1
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spectral filter
radiation sources
radiation
optics
grating
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PCT/EP2009/006176
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Christian Wessling
Martin Traub
Hans Dieter Hoffmann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01S5/4043Edge-emitting structures with vertically stacked active layers
    • H01S5/405Two-dimensional arrays

Definitions

  • the present invention relates to a system according to the preamble of claim 1.
  • the spectral properties of solid-state and diode lasers can be determined by optical feedback of wavelength-selective elements, i. improve spectral filters within the laser cavity.
  • Technical objectives are the reduction of the spectral bandwidth, the definition of the focus of the spectral emission and the reduction of the temperature- or power-dependent wavelength shift in the operating range of the laser.
  • Increasing the spectral quality of the laser on the one hand, can increase the radiance by multiplying the emission wavelengths used for the spectral overlay.
  • diode lasers by limiting and stabilizing the emission spectrum of diode lasers, it is possible to use them as pump sources for solid-state lasers, in which both narrower absorption lines and shorter absorption lengths of the laser media can be operated.
  • Integrated micro-optics in the form of a volume grating inscribed in an acylindrical lens are described for collimating the fast-axis of a diode laser in US 2005/0270607 A1.
  • the grid is here in the entire volume of the a cylindrical micro-optics designed for the one-dimensional collimation of a diode laser bar with several emitters in series.
  • the grid structure may be flat or curved.
  • US 7,248,617 B2 generally describes the optical feedback from a volume grating through an optical system.
  • the optical system "collects" the radiation of a single laser source partially or totally and projects a part or the entire radiation field onto a volume Bragg grating.
  • extra-cavity is meant a stable laser operation of the diode laser above the laser threshold without the feedback by the VBG.
  • the volume grating is positioned in the conjugate planes of the imaging optical system. Relative to a diode laser bar, the collimation is presented with a cylindrical lens in fast-axis (FAC). There is no collimation in Slow-Axis. Based on a diode laser stack, the collimation of each individual billet is carried out with one cylinder lens in each case in fast axis and a common grating is used for the partial feedback of all the beam bundles.
  • spectral filters in high-power diode lasers, a reduction of the spectral width to below 0.5 nm (FWHM) and the wavelength shift with the temperature of the volume grating to less than 0.01 nm / K is achieved. With the current arrangements, however, a low differential power efficiency ⁇ 0.9 W / A and a low stabilization range ⁇ 5 nm are achieved, so that the spectral stability of the diodes is not guaranteed in the entire operating range. Particularly in the case of high-power diode laser bars, the adaptation of geometry and emission characteristics of the emitter arrays, the micro-optics for beam shaping and the arrangement of the volume diffraction gratings for efficient wavelength stabilization are lacking.
  • the optical feedback into the diode laser is as Sequence of geometry errors inhomogeneously distributed over the emitter array, so that individual emitters are stabilized only in the restricted operating range or not at all.
  • the volume diffraction gratings are used as additional optical elements such that very small adjustment tolerances of the angle must be maintained, which are in the field of micro-optics for beam shaping.
  • the resulting adjustment effort is technically demanding and hampers a simple, automated construction.
  • the comparatively large external dimensions, in particular the height and width, of the volume grids counteract the effective cooling.
  • a disadvantage of these geometries is that although the bandwidth can be limited, the wavelength shift scales with the thermal coefficient of the photosensitive glasses (typically ⁇ 0.01 nm / K) and thus depends on the absorption of the radiation power and the thermal connection of the volume gratings.
  • the stability of the center wavelength can often be realized only by active temperature control with Peltier elements, whereby the advantage of a passive structure must be abandoned.
  • volume gratings are currently produced on the basis of wafers with diameters of a few inches and from this cuboidal elements are isolated. This method is material and cost intensive, since due to inhomogeneities in the glass and tolerances in the production only individual areas of the wafer are used In addition, only fractions of these cuboid volumes are required in the application.
  • the present invention has for its object to provide a system of the type mentioned, which avoids at least some of the above with reference to the prior art identified disadvantages.
  • optical systems for diode lasers that include both efficient feedback via spectral wavelength stabilization filters and beam shaping of diode laser arrays are disclosed.
  • two-dimensional stacks of single diode lasers for pumping solid state lasers and power scaling diode lasers (up to multi-kilowatts) while maintaining beam quality through spectral overlay for material processing applications such as metals hardening, Plastic welding, welding and cutting of sheets, ablation and labeling as well as medical technology, can be improved.
  • the individual radiation sources are imaged with a periodic optical element to infinity and the spectral filter couples the part of the thus collimated radiation in the radiation source, which corresponds to the bandwidth of the spectral filter back.
  • the individual radiation sources are imaged onto the spectral filter and the spectral filter images a part corresponding to the bandwidth of the filter back into the radiation sources.
  • the spectral filter should be designed in its lateral dimensions, ie perpendicular to the propagation direction, so that only one segment of the power density distribution is fed back.
  • the image is telecentric on both sides.
  • Volume diffraction gratings are integrated for spectral filtering of diode lasers based on fiber Bragg gratings in the high power range over 10 W according to the prior art as individual elements in diode laser assemblies and used for the spectral stabilization of laser diodes.
  • volume gratings in the form of planar substrates are used to stabilize individual laser diodes or diode laser bars and stacks.
  • These so-called external resonators with wavelength-selective feedback consist of three sections: the semiconductor section as amplifying medium, the beam-forming optics and the volume grating as output mirror.
  • the external resonators can either serve only for longitudinal mode selection or additionally for spatial mode selection.
  • the longitudinal mode selection predominantly becomes frequency- or wavelength-selective Feedback used by a spectral filter in the external resonator.
  • a portion of the radiation dictated by the wavelength and angle selection of the grating is coupled back into the diode laser and amplified.
  • the suppression of the longitudinal modes is performed outside the spectral diffraction distribution of the grating, which is reduced to a longitudinal mode in the limit case. Depending on the spectral diffraction distribution of the grating thus the bandwidth of the diode laser is limited.
  • the geometric dimensions of the volume gratings for the application of a fast-axis collimated diode laser are in the range of about 1 - 20 x 1-10 x 10 - 20 mm 3 .
  • the thickness of the gratings determines the bandwidth of the wavelength spectrum. Even with a thickness of 1 mm, bandwidths of less than 0.2 nm can be achieved. With larger thicknesses, bandwidths of less than 0.02 nm can be achieved.
  • optical systems For the spectral stabilization of one- or two-dimensional rows of radiation sources, for example diode laser arrays or stacks, optical systems are described which, independently of the lateral position of the radiation sources (diode laser emitters) to the optical axis, provide spectrally selective feedback from a filter allows multiple, parallel aligned beam paths.
  • the front and / or rear exit facets of the diode lasers are anti-reflective, so that no system of coupled resonators, but with the spectral filter as Auskoppelapt with the semiconductor section as a reinforcing medium, an external optical resonator is formed.
  • the external grid replaces the front and / or rear mirror.
  • the integration of the volume diffraction gratings into hybrid and integrated micro-optics on the basis of gradient index (GRIN) based media as well as with a constant average refractive index in the volume is aimed for.
  • GRIN gradient index
  • the spectral filters are preferably designed as gratings, preferably as volume gratings or as surface gratings.
  • the integrated micro-optics should be built monolithically from a single component.
  • the particular technical features of the invention are two-dimensional rows of anamorphic micro-optics in which spectral, selective gratings are integrated.
  • the anamorphic optics serve the biaxial beam shaping of laser diodes with asymmetrical emission characteristics.
  • Each laser diode of a diode laser bar or stack is associated with an optical path that is axis-parallel to the others lies.
  • the beam-shaping, refractive and diffractive elements can be arranged in the form of two-dimensional rows on a substrate whose free apertures do not penetrate each other.
  • the grids can be designed as volume grids or as surface gratings.
  • the integrated micro-optics can consist monolithically of a component or even in a hybrid design of individual elements.
  • the individual elements of the hybrid micro-optics are formed from different materials. As a result, different optical properties, such as refractive index, photosensitivity and transparency, can be adjusted.
  • one or more elements may be photosensitive.
  • the spectral filter is designed so that it extends transversely over only a part of the volume of the hybrid component and thus is spatially segmented. As a result, only part of the volume is used.
  • a local change in the component properties can be obtained by local doping of the material from which the component is constructed.
  • a preferred embodiment provides that a subregion of the material is photosensitive and a wavelength-selective grating is written therein.
  • Collimated feedback is understood to mean an optical arrangement of at least one lens which images the radiation source with infinitesimal dimensions with small lateral dimensions.
  • a radiation source with asymmetrical emission characteristics as is the case, for example, with laser diodes (fast-axis and slow-axis), is collimated in both axial directions.
  • the grating is placed in the collimated beam.
  • the imaging feedback allows bidirectional self-imaging of each individual emitter with simple convolution of the beam path at the volume grating.
  • Self-imaging minimizes external optical losses since the feedback becomes independent of the position and angle of the laser diode.
  • the principle of self-imaging can be transferred to a (macroscopic) anamorphic or rotationally symmetric system in which a two-dimensional stack of diode laser arrays (stack) is imaged onto the volume grating by means of a two-sided telecentric imaging optics.
  • the volume grating is placed directly in the divergent beam path in front of the exit facet of the laser diode.
  • the spectral filter can be arranged directly in the divergent beam path in front of the coupling-out mirror of the radiation source.
  • the optical arrangement as described herein may comprise lens arrays designed as refractive optics with shaped surfaces or as planar cuboids or cylinders with modified refractive index in the volume.
  • the spectral filter can be executed as such with gradient index (GRIN).
  • the system is designed so that the individual grating sections have different grating parameters, so that a modification of the Bragg wavelength or the diffraction efficiency is individually adjustable.
  • a second diffraction grating a spectral superposition of a plurality of radiation sources can then be carried out in the same optical path.
  • a biaxial system that is, a system in which the divergence and / or the size of the beam waist of the radiation sources are different in two mutually perpendicular directions, which in turn are perpendicular to the propagation direction, in particular for diode lasers, becomes one axis of the system designed imaging and the other axis is designed collimating.
  • Such an arrangement relates in particular to the collimated feedback.
  • FIG. 1 a shows a first embodiment of an arrangement according to the invention with collimated feedback
  • FIG. 1b shows a view of the arrangement of FIG. 1 from the direction of the viewing arrow 1b in FIG. 1a
  • FIG. 1c shows a view of the arrangement of FIG. 1 from the direction of the arrow Ic in FIG. 1a
  • FIGS. 2a and 2b show the basic structure for a collimated feedback for the one-dimensional case
  • FIGS. 3a and 3b show an arrangement with collimated feedback, in each case in two mutually perpendicular directions, in which the spectral filter is integrated or mounted in a GRIN lens
  • FIG. 4 a shows a further embodiment of an arrangement according to the invention with imaging feedback, with a number of radiation sources
  • FIG. 4b shows a view of the arrangement of FIG. 4a from the direction of the viewing arrow IVb in FIG. 4a, FIG.
  • FIG. 4c shows a view of the arrangement of FIG. 4a from the direction of the viewing arrow IVc in FIG. 4a, FIG.
  • Figure 5a shows the micro-optics, as shown in Figures 4a to 4c, in an enlarged view, which is designed as a monolithic component.
  • Figure 5b shows a micro-optics, as shown in Figures 4a to 4c, in an enlarged view, which is designed as a hybrid component with a grid section and a surrounding lattice-free section.
  • FIG. 6 schematically shows the self-imaging of the emitters of a diode laser stack
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the principle of bidirectional self-imaging of a finite-expansion radiation source
  • FIG. 8 shows a further illustration scheme to explain the principle of bidirectional self-imaging of a finite-expansion radiation source.
  • Figure 9 shows an embodiment with direct feedback.
  • FIGS. 1 a, 1 b and 1 c An optical arrangement for the collimated coupling is shown in FIGS. 1 a, 1 b and 1 c and comprises a series of radiation sources 1, which are respectively collimated in one axis with a common rod lens 2 and a lens array 3.
  • the unsense array 3 is designed as a monolithic component made of photosensitive glass, in which a volume grating is inscribed, the grating normal of which is oriented parallel to the optical axes of the ray bundles.
  • the lens arrays 3 can be designed as refractive optics with shaped surfaces or as even cubes or cylinders with modified refractive index in volume (GRIN).
  • a multiple mirror layer can be applied as a narrow bandpass filter on the flat surface of the cylindrical lens array 2.
  • FIG. 2a and 2b describe the basic structure of the collimated feedback for the one-dimensional case.
  • the laser diode designated by reference numeral 4
  • a spectral filter 6 can be positioned at a distance of the focal length f (see FIG. 2a) or at an arbitrary distance from the lens 5, as shown in the corresponding arrangement of FIG. 2b.
  • a feedback in the emitter is achieved with the extension e.
  • the height of the waveguide e is increased in relation to the positional error of the emitter 4 (Large Optical Cavity - LOC). Due to the enlargement of the waveguide, the divergence of the laser diode 4 is reduced.
  • FIGS. 3a and 3b show an embodiment which also relates to the collimated feedback, in which a spectral filter 7 is integrated in a GRIN (gradient index lens) 8 (monolithic) or (hybrid) mounted.
  • the GRIN lens 8 collimates both axial directions of the laser diode 4.
  • the spectral filter 7, which is implemented as a grating or multiple mirror layer, is arranged in the collimated beam.
  • the GRIN lens 8 can be designed as a cuboid or cylinder.
  • the volume diffraction grating (VBG) and the GRIN lens are made of the same material in monolithic construction.
  • Imaging feedback The imaging feedback will first be explained with reference to FIGS. 4a to 4c.
  • each emitter can be stabilized by feedback from the volume diffraction grating independent of positional tolerances (smile, stacking error).
  • the arrangement as shown in Figures 4a-4c again comprises (using the reference numerals previously used for the embodiments already described, where possible) a rod lens 2, a lens array 11, another Lens array 12, a volume grating 13 and another lens array 14.
  • the image is bidirectional without image reversal, so that regardless of the position of the emitter 9 in the object plane in the folding of the beam path is achieved self-imaging.
  • the optical arrangement in Figures 4a, 4b and 4c consists of a series of radiation sources 1, which are each collimated in one axis with a common rod lens 2 and a lens array 11.
  • a common rod lens 2 With the second lens array 12, an image of the diode laser facet in the plane of symmetry of the volume grating 13 is performed.
  • the third lens array 14 behind the volume grating 13 collimates the divergent beam.
  • the lens arrays 12 and 14 consist of segments of toric lenses, each with cylindrical or even acylindrically curved surfaces in two axes directions.
  • the lens 2 and the lens arrays 11, 12 and 14 may be implemented as refractive optics with shaped surfaces or as planar cuboids or cylinders with modified refractive index in volume (GRIN).
  • GRIN modified refractive index in volume
  • the combination of the refractive optics or the gradient lenses from the elements 2, 11, 12 and 14 respectively form an imaging optics for an axis direction, as shown in more detail in FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 shows an imaging scheme for explaining the principle of bidirectional self-imaging of a radiation source 23 of finite dimension e, which measures the radiation independently of the lateral distance of a point from the optical system. see axis from the spectral filter 25 images such that the imaging ratio between the beam source and the spectral filter through two lenses 24 of the same focal length f is equal to one (4f image).
  • FIG. 8 shows another mapping scheme for explaining the principle of bi-directional self-imaging of a finite-dimensioned radiation source 23, which images the radiation independent of the lateral distance of a point from the optical axis of the spectral filter 25, such that the imaging ratio between the radiation source 23 and the spectral filter 25 by two optics 26, 27 of unequal focal length f1 and f2 is equal to one.
  • the focal lengths and apertures of the optics are adapted in the respective axis directions (fast axis and slow axis of a diode laser) to the geometric dimensions and radiation angles, for example of diode lasers.
  • the respective details, in particular the beam guidance, can be taken directly from FIGS. 7 and 8.
  • the bidirectional imaging optics regardless of the imaging ratio and the number of optical elements (24, 26 and 27) according to FIGS. 7 and 8, are designed in such a way that lateral position errors of the radiation sources 23 to the optical axis are invariant to the optical feedback from spectral filters due to self-imaging.
  • the cylindrical lens array 11 may have unilaterally or bilaterally optical surfaces for modulating the radiation beams of a diode laser array in slow-axis.
  • the collimating optics 2 and 11 can be designed as a monolithic component with crossed cylinder axes of the curved surfaces.
  • the integrated micro-optics from the refractive elements 12, 14 for intermediate imaging of the emitter and the grating section (spectral filter) 13 can be monolithic from a component 15, as shown in FIGS. 5a and 5b, or as a hybrid structure comprising three elements (FIGS. 4a-4c) ).
  • the grating section 13 may be reduced in height relative to the refractive elements 12, 14.
  • the grid height can be significant smaller than 1 mm and the grid thickness be multiples greater than 1 mm, so that the grid section 13 is firstly better to cool from the outside (heat conduction or convection cooling with heat sinks or Peltier elements) and secondly very low bandwidths ( ⁇ 0, 02 nm) can be achieved.
  • the reduction of the grid height is advantageous with limited optical penetration depth for creating the grid by the usual interference method.
  • the lattice structure of the component 15 in FIG. 5a is inscribed in segmented regions of the micro-optics which are adapted both to the angle selectivity of the gratings and to the structure of a diode laser bar. Since the diode lasers on the ingot are singled out (cooling, heat spreading) and the angle selectivity of the grids only covers a fraction of the total angular distribution of the beam, a whole-volume grating is not required.
  • the photosensitive material may be confined to a region of the mirooptics whose extent laterally to the beam matches the angle selectivity of the gratings.
  • the surrounding glass material may have a refractive index in the range of 1.45 to 2 and greater. A larger refractive index favors beam shaping by the refractive optics.
  • the two-element solid consists of a middle layer with photosensitive glass and two surrounding edge layers, which are laterally to the edge.
  • the geometry can be composed as a hybrid element of several elements ("blasting") or brought to the required cross section by drawing out a monolithic preform
  • no rotationally symmetrical geometries but cuboidal geometries are created.
  • a segmentation of the volume gratings can be set by the labeling process. This results in a stripe shape of the grid sections.
  • Each grating section is assigned to a radiation source and diffracts a part back into the origin of the respective radiation source according to the set grating parameters (grating thickness, refractive index modulation).
  • the individual grating sections may have different grating parameters, so that a modification of the Bragg wavelength or the diffraction efficiency can be set individually.
  • a modification of the Bragg wavelength or the diffraction efficiency can be set individually.
  • the imaging scheme according to FIG. 7 can be omitted in slow-axis, so that a collimated feedback according to FIG. 2b arises for this direction.
  • the cylindrical lens arrays 12, 14 can be designed in slow axis as a honeycomb condenser (homogenization of the radiation field).
  • FIG. 6 shows the self-imaging of the emitters of a diode laser stack 16, which is telecentric on both sides and anamorphic for both axial directions.
  • the reference numeral 17 designates a stack of rod lenses for collimating the fast axis
  • the reference numeral 18 a stack of single or multi-sided lens rows
  • the reference numeral 19 a double-sided telecentric imaging optics
  • the reference numeral 20 a spectral filter.
  • the collimating optics 19 in FIGS. 9a-9c consists of a narrow grating section 21 and of a glass body 22 surrounding this grating section 21.
  • the height of the grating section 21 is in the fast axis, wherein diode lasers 1 are used as radiation sources in FIGS. 9a to 9c , reduced to a fraction of the total height of the micro-optics.
  • the grid height is reduced so far that in the area of Angular distribution of the diffracted at the grating part of the divergent beam no diffraction losses occur.
  • the essential advantage of the system according to the invention is the two-dimensional self-imaging of the radiation sources with the convolution on the external mirror to itself, whereby an efficient feedback is possible within wide limits regardless of the lateral position of the radiation sources to the optical axis. This increases the efficiency of the optical feedback systems and also minimizes adjustment sensitivity.

Abstract

The invention relates to a system comprising one- or two-dimensional series of radiation sources, in particular diode laser arrays or stacks, which are embodied as stable or unstable resonators, comprising an optical arrangement for the beam shaping of the radiation emitted by the radiation sources, and comprising at least one spectral filter which diffracts part of the radiation emitted by the radiation sources back into the radiation source, the system being characterized in that the coupling efficiency, defined as the portion of the power fed back into the laser resonator relative to the portion of the power diffracted by the filter, is maximized for a specific wavelength range by virtue of the optical arrangement for beam shaping being adapted both to the geometry of the resonator and the angular and spatial distribution of the radiation sources and to the diffraction distribution of the at least one spectral filter.

Description

P A T E N T A N M E L D U N G P A T E N T A N M E L D U N G
"System mit ein- oder zweidimensionalen Reihen von Strahlenquellen""System with one or two-dimensional rows of radiation sources"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a system according to the preamble of claim 1.
Die spektralen Eigenschaften von Festkörper- und Diodenlasern lassen sich durch optische Rückkopplung von wellenlängenselektiven Elementen, d.h. spektralen Filtern, innerhalb des Laserresonators verbessern. Technische Ziele sind die Verringerung der spektralen Bandbreite, die Festlegung des Schwerpunkts der spektralen Emission und die Reduzierung der temperatur- bzw. leistungsabhängigen Wellenlängenverschiebung im Betriebsbereich des Lasers. Bei Erhöhung der spektralen Güte der Laser kann einerseits eine Steigerung der Strahldichte durch Vervielfachung der zur spektralen Überlagerung eingesetzten Emissionswellenlängen erfolgen. Andererseits wird durch die Einschränkung und Stabilisierung des Emissionsspektrums von Diodenlasern der Einsatz als Pumpquellen für Festkörperlaser ermöglicht, bei denen sowohl schmalere Absorptionslinien als auch kürzere Absorptionslängen der Lasermedien bedient werden können.The spectral properties of solid-state and diode lasers can be determined by optical feedback of wavelength-selective elements, i. improve spectral filters within the laser cavity. Technical objectives are the reduction of the spectral bandwidth, the definition of the focus of the spectral emission and the reduction of the temperature- or power-dependent wavelength shift in the operating range of the laser. Increasing the spectral quality of the laser, on the one hand, can increase the radiance by multiplying the emission wavelengths used for the spectral overlay. On the other hand, by limiting and stabilizing the emission spectrum of diode lasers, it is possible to use them as pump sources for solid-state lasers, in which both narrower absorption lines and shorter absorption lengths of the laser media can be operated.
Bisher wurde der Einsatz von so genannten Volumengittern vorgeschlagen.So far, the use of so-called volume gratings has been proposed.
Integrierte Mikrooptiken in Form eines Volumengitters, das in einer azylindrischen Linse eingeschrieben ist, werden zur Kollimation der Fast-Axis eines Diodenlasers in der US 2005/0270607 A1 beschrieben. Das Gitter ist hier im gesamten Volumen der azylindrischen Mikrooptik ausgeführt, die zur eindimensionalen Kollimation eines Di- odenlaserbarrens mit mehreren in Reihe liegenden Emittern dient. Die Gitterstruktur kann eben oder gekrümmt ausgeführt sein.Integrated micro-optics in the form of a volume grating inscribed in an acylindrical lens are described for collimating the fast-axis of a diode laser in US 2005/0270607 A1. The grid is here in the entire volume of the a cylindrical micro-optics designed for the one-dimensional collimation of a diode laser bar with several emitters in series. The grid structure may be flat or curved.
Die US 7,248,617 B2 beschreibt allgemein die optische Rückkopplung von einem Volumengitter durch ein optisches System. Das optische System "sammelt" die Strahlung einer einzelnen Laserquelle teilweise oder gesamt und projiziert einen Teil oder des gesamte Strahlungsfeld auf ein Volumen-Bragg-Gitter.US 7,248,617 B2 generally describes the optical feedback from a volume grating through an optical system. The optical system "collects" the radiation of a single laser source partially or totally and projects a part or the entire radiation field onto a volume Bragg grating.
In dieser Druckschrift erfolgt eine Unterteilung in "intra-cavity" und "extra-cavity" Anordnungen des VBG (Volumenbeugungsgitter). Unter "extra-cavity" wird ein stabiler Laserbetrieb des Diodenlasers oberhalb der Laserschwelle ohne die Rückkopplung durch das VBG verstanden. Das Volumengitter wird in den konjugierten Ebenen des abbildenden optischen Systems positioniert. Bezogen auf einen Diodenlaserbarren wird die Kollimation mit einer Zylinderlinse in Fast-Axis (FAC) vorgestellt. In Slow- Axis erfolgt keine Kollimation. Bezogen auf einen Diodenlaserstack wird die Kollimation jedes einzelnen Barrens mit jeweils einer Zylinderlinse in Fast-Axis durchgeführt und ein gemeinsames Gitter für die Teilrückkopplung aller Strahlenbündel eingesetzt.In this document a subdivision into "intra-cavity" and "extra-cavity" arrangements of the VBG (volume diffraction grating) takes place. By "extra-cavity" is meant a stable laser operation of the diode laser above the laser threshold without the feedback by the VBG. The volume grating is positioned in the conjugate planes of the imaging optical system. Relative to a diode laser bar, the collimation is presented with a cylindrical lens in fast-axis (FAC). There is no collimation in Slow-Axis. Based on a diode laser stack, the collimation of each individual billet is carried out with one cylinder lens in each case in fast axis and a common grating is used for the partial feedback of all the beam bundles.
In dem genannten Dokument wird ebenfalls, wie in der US 2005/0270607 A1 , eine hybride Mikrooptik, bestehend aus einem Volumengitter und einer zylindrisch geformten, refraktiven Optik erwähnt.The cited document also mentions, as in US 2005/0270607 A1, a hybrid micro-optic consisting of a volume grating and a cylindrically shaped, refractive optic.
Durch Einsatz von spektralen Filtern in Hochleistungs-Diodenlasern wird zwar eine Reduzierung der spektralen Breite auf unter 0,5 nm (FWHM) und der Wellenlängenverschiebung mit der Temperatur des Volumengitters auf unter 0,01 nm/K erreicht. Mit den derzeitigen Anordnungen werden jedoch eine geringe differentielle Leistungseffizienz < 0,9 W/A und ein geringer Stabilisierungsbereich < 5 nm erzielt, so dass die spektrale Stabilität der Dioden nicht im gesamten Betriebsbereich gewährleistet ist. Insbesondere bei Hochleistungs-Diodenlaserbarren fehlen die Adaption von Geometrie und Abstrahlcharakteristik der Emitterarrays, der Mikrooptik zur Strahlformung und die Anordnung der Volumenbeugungsgitter für eine effiziente Wellenlängenstabilisierung. Die optische Rückkopplung in die Diodenlaser ist als Folge von Geometriefehlern inhomogen über das Emitterarray verteilt, so dass einzelne Emitter nur im eingeschränkten Betriebsbereich oder gar nicht stabilisiert werden.By using spectral filters in high-power diode lasers, a reduction of the spectral width to below 0.5 nm (FWHM) and the wavelength shift with the temperature of the volume grating to less than 0.01 nm / K is achieved. With the current arrangements, however, a low differential power efficiency <0.9 W / A and a low stabilization range <5 nm are achieved, so that the spectral stability of the diodes is not guaranteed in the entire operating range. Particularly in the case of high-power diode laser bars, the adaptation of geometry and emission characteristics of the emitter arrays, the micro-optics for beam shaping and the arrangement of the volume diffraction gratings for efficient wavelength stabilization are lacking. The optical feedback into the diode laser is as Sequence of geometry errors inhomogeneously distributed over the emitter array, so that individual emitters are stabilized only in the restricted operating range or not at all.
Die bereits bekannten Lösungen der externen, wellenlängenselektiven Rückkopplung von Volumenbeugungsgittern sind daher nicht geeignet, eine zweidimensionale Reihe von Strahlenquellen, insbesondere von Diodenlasern, zu stabilisieren, da die a- symmetrische Geometrie und Abstrahlcharakteristik der Dioden in Fast- und Slow- Axis und vor allem Lagefehler der Strahlenquellen nicht berücksichtigt werden. Die vorgestellten Lösungen beschränken sich entweder auf optische Systeme für eine Einzelstrahlquelle oder auf einachsige, nicht rotationssymmetrische, optische Systeme.The already known solutions of the external, wavelength-selective feedback of volume diffraction gratings are therefore not suitable for stabilizing a two-dimensional row of radiation sources, in particular of diode lasers, since the a-symmetric geometry and radiation characteristics of the diodes in fast and slow axes and above all positional errors the radiation sources are not taken into account. The solutions presented are limited either to optical systems for a single beam source or to uniaxial, non-rotationally symmetric, optical systems.
In den bestehenden Anordnungen werden die Volumenbeugungsgitter derart als zusätzliche optische Elemente eingesetzt, dass sehr geringe Justagetoleranzen des Winkels eingehalten werden müssen, die im Bereich der Mikrooptiken zur Strahlformung liegen. Der resultierende Justageaufwand ist technisch anspruchsvoll und behindert einen einfachen, automatisierten Aufbau.In the existing arrangements, the volume diffraction gratings are used as additional optical elements such that very small adjustment tolerances of the angle must be maintained, which are in the field of micro-optics for beam shaping. The resulting adjustment effort is technically demanding and hampers a simple, automated construction.
Die vergleichsweise großen äußeren Abmessungen, insbesondere die Höhe und Breite, der Volumengitter wirken der effektiven Kühlung entgegen. Nachteil dieser Geometrien ist, dass zwar die Bandbreite eingeschränkt werden kann, die Wellenlängenverschiebung jedoch mit dem thermischen Koeffizienten der photosensitiven Gläser (typisch < 0,01 nm/K) skaliert und somit abhängig von der Absorption der Strahlungsleistung und der thermischen Anbindung der Volumengitter ist. Die Stabilität der Schwerpunktwellenlänge kann häufig nur durch aktive Temperaturführung mit Peltier-Elementen realisiert werden, wodurch der Vorteil eines passiven Aufbaus aufgegeben werden muss.The comparatively large external dimensions, in particular the height and width, of the volume grids counteract the effective cooling. A disadvantage of these geometries is that although the bandwidth can be limited, the wavelength shift scales with the thermal coefficient of the photosensitive glasses (typically <0.01 nm / K) and thus depends on the absorption of the radiation power and the thermal connection of the volume gratings. The stability of the center wavelength can often be realized only by active temperature control with Peltier elements, whereby the advantage of a passive structure must be abandoned.
Die Volumengitter werden derzeit auf Basis von Wafern mit Durchmessern von wenigen Zoll hergestellt und daraus werden quaderförmige Elemente vereinzelt. Dieses Verfahren ist material- und kostenintensiv, da aufgrund von Inhomogenitäten im Glas und Toleranzen in der Herstellung nur einzelne Bereiche des Wafers genutzt werden können und zudem in der Anwendung nur Bruchteile dieser Quadervolumina erforderlich sind.The volume gratings are currently produced on the basis of wafers with diameters of a few inches and from this cuboidal elements are isolated. This method is material and cost intensive, since due to inhomogeneities in the glass and tolerances in the production only individual areas of the wafer are used In addition, only fractions of these cuboid volumes are required in the application.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der eingangs genannten Art zu schaffen, das zumindest einige der vorstehend anhand des Stands der Technik aufgezeigten Nachteile vermeidet.The present invention has for its object to provide a system of the type mentioned, which avoids at least some of the above with reference to the prior art identified disadvantages.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a system having the features of claim 1. Preferred embodiments are specified in the dependent claims.
Gegenstand dieser Erfindung sind somit Anordnungen, optische Elemente und Materialien, die erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Effizienz, Herstellkosten und Stabilität gegenüber dem Stand der Technik ermöglichen.The subject of this invention are thus arrangements, optical elements and materials which allow considerable improvements in terms of efficiency, manufacturing costs and stability over the prior art.
Insbesondere werden optische Systeme für Diodenlaser, die sowohl eine effiziente Rückkopplung über spektrale Filter zur Wellenlängenstabilisierung als auch die Strahlformung von Diodenlaserarrays beinhalten, angegeben.Specifically, optical systems for diode lasers that include both efficient feedback via spectral wavelength stabilization filters and beam shaping of diode laser arrays are disclosed.
Mit der vorliegenden Erfindung können zweidimensionale Stapel von einzelnen Diodenlasern (Diodenlaserarrays oder -Stacks) für das Pumpen von Festkörperlasern und die Leistungsskalierung von Diodenlasern (bis Multi-Kilowatt) unter Beibehaltung der Strahlqualität durch spektrale Überlagerung für Anwendungen in der Materialbearbeitung, wie Härten von Metallen, Kunststoffschweißen, Schweißen und Schneiden von Blechen, Abtragen und Beschriften sowie Medizintechnik, verbessert werden.With the present invention, two-dimensional stacks of single diode lasers (diode laser arrays or stacks) for pumping solid state lasers and power scaling diode lasers (up to multi-kilowatts) while maintaining beam quality through spectral overlay for material processing applications such as metals hardening, Plastic welding, welding and cutting of sheets, ablation and labeling as well as medical technology, can be improved.
Entsprechend einer erfindungsgemäßen Maßnahme werden die einzelnen Strahlenquellen mit einem periodischen optischen Element nach unendlich abgebildet und der spektrale Filter koppelt den Teil der so kollimierten Strahlung in die Strahlenquelle, der der Bandbreite des spektralen Filters entspricht, zurück.According to an inventive measure, the individual radiation sources are imaged with a periodic optical element to infinity and the spectral filter couples the part of the thus collimated radiation in the radiation source, which corresponds to the bandwidth of the spectral filter back.
Weiterhin ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die einzelnen Strahlenquellen auf den spektralen Filter abgebildet werden und der spektrale Filter einen Teil entsprechend der Bandbreite des Filters zurück in die Strahlenquellen abbildet. Der spektrale Filter sollte in seinen lateralen Abmessungen, das bedeutet senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, so ausgeführt sein, dass nur ein Segment der Leistungsdichteverteilung zurückgekoppelt wird.Furthermore, it is provided according to the invention that the individual radiation sources are imaged onto the spectral filter and the spectral filter images a part corresponding to the bandwidth of the filter back into the radiation sources. The spectral filter should be designed in its lateral dimensions, ie perpendicular to the propagation direction, so that only one segment of the power density distribution is fed back.
Bevorzugt ist in einer Ausführungsvariante, dass die Abbildung beidseitig telezent- risch ist.In one embodiment, it is preferred that the image is telecentric on both sides.
Volumenbeugungsgitter werden zur spektralen Filterung von Diodenlaser auf Basis von Faser-Bragg-Gittern im Hochleistungsbereich über 10 W entsprechend dem Stand der Technik als Einzelelemente in Diodenlaserbaugruppen integriert und zur spektralen Stabilisierung von Laserdioden eingesetzt.Volume diffraction gratings are integrated for spectral filtering of diode lasers based on fiber Bragg gratings in the high power range over 10 W according to the prior art as individual elements in diode laser assemblies and used for the spectral stabilization of laser diodes.
Neben den faserbasierten Gittern werden Volumengitter in Form von planaren Substraten zur Stabilisierung von einzelnen Laserdioden oder Diodenlaserbarren und Stacks eingesetzt. Diese so genannten externen Resonatoren mit wellenlängenselektiver Rückkopplung bestehen aus drei Sektionen: der Halbleitersektion als verstärkendes Medium, der strahlformenden Optik und dem Volumengitter als Auskoppelspiegel. Die externen Resonatoren können entweder nur zur longitudinalen Modenselektion oder auch zusätzlich zur räumlichen Modenselektion dienen. Im Bereich der Hochleistungsdiodenlaser (> 1 W pro Emitter) basierend auf Breitstreifen- oder Multistreifenemittern mit beugungsbegrenzter Strahlqualität in Richtung der Fast-Axis und Multimode-Emission in Richtung der Slow-Axis wird überwiegend die longitudi- nale Modenselektion durch die frequenz- bzw. wellenlängenselektive Rückkopplung von einem spektralem Filter im externen Resonator genutzt. Ein Teil der Strahlung, der durch die Wellenlängen- und Winkelselektion des Gitters vorgegeben ist, wird in den Diodenlaser zurück gekoppelt und verstärkt. Es erfolgt die Unterdrückung der longitudinalen Moden außerhalb der spektralen Beugungsverteilung des Gitters, die im Grenzfall auf eine longitudinale Mode reduziert wird. Je nach spektraler Beugungsverteilung der Gitter wird somit die Bandbreite des Diodenlasers eingeschränkt.In addition to the fiber-based gratings, volume gratings in the form of planar substrates are used to stabilize individual laser diodes or diode laser bars and stacks. These so-called external resonators with wavelength-selective feedback consist of three sections: the semiconductor section as amplifying medium, the beam-forming optics and the volume grating as output mirror. The external resonators can either serve only for longitudinal mode selection or additionally for spatial mode selection. In the field of high-power diode lasers (> 1 W per emitter) based on wide-band or multi-strip emitters with diffraction-limited beam quality in the direction of fast-axis and multimode emission in the direction of the slow-axis, the longitudinal mode selection predominantly becomes frequency- or wavelength-selective Feedback used by a spectral filter in the external resonator. A portion of the radiation dictated by the wavelength and angle selection of the grating is coupled back into the diode laser and amplified. The suppression of the longitudinal modes is performed outside the spectral diffraction distribution of the grating, which is reduced to a longitudinal mode in the limit case. Depending on the spectral diffraction distribution of the grating thus the bandwidth of the diode laser is limited.
Die geometrischen Abmessungen der Volumengitter für die Anwendung eines in Fast-Axis kollimierten Diodenlasers liegen im Bereich von etwa 1 - 20 x 1-10 x 10- 20 mm3. Die Dicke der Gitter bestimmt die Bandbreite des Wellenlängen-Spektrums. Bereits mit einer Dicke von 1 mm können Bandbreiten kleiner 0,2 nm erreicht werden. Mit größeren Dicken sind Bandbreiten kleiner 0,02 nm erreichbar.The geometric dimensions of the volume gratings for the application of a fast-axis collimated diode laser are in the range of about 1 - 20 x 1-10 x 10 - 20 mm 3 . The thickness of the gratings determines the bandwidth of the wavelength spectrum. Even with a thickness of 1 mm, bandwidths of less than 0.2 nm can be achieved. With larger thicknesses, bandwidths of less than 0.02 nm can be achieved.
Zur spektralen Stabilisierung von ein- oder zweidimensionalen Reihen von Strahlenquellen, zum Beispiel Diodenlaser-Arrays oder -Stacks, werden optische Systeme beschrieben, die unabhängig von der lateralen Position der Strahlenquellen (Dioden- laseremitter) zur optischen Achse eine spektral selektive Rückkopplung von einem Filter in multiple, parallel zueinander ausgerichteten Strahlgänge ermöglicht.For the spectral stabilization of one- or two-dimensional rows of radiation sources, for example diode laser arrays or stacks, optical systems are described which, independently of the lateral position of the radiation sources (diode laser emitters) to the optical axis, provide spectrally selective feedback from a filter allows multiple, parallel aligned beam paths.
Die vorderseitigen und/oder rückseitigen Austrittsfacetten der Diodenlaser sind entspiegelt, so dass kein System gekoppelter Resonatoren, sondern mit dem spektralen Filter als Auskoppelspiegel mit der Halbleitersektion als verstärkendes Medium, ein externer, optischer Resonator gebildet wird. Das externe Gitter ersetzt den vorderseitigen und/oder rückseitigen Spiegel.The front and / or rear exit facets of the diode lasers are anti-reflective, so that no system of coupled resonators, but with the spectral filter as Auskoppelspiegel with the semiconductor section as a reinforcing medium, an external optical resonator is formed. The external grid replaces the front and / or rear mirror.
Erfindungsgemäß wird die Integration der Volumenbeugungsgitter in hybride und integrierte Mikrooptiken sowohl auf Basis von Gradientenindex (GRIN) basierten Medien als auch bei konstantem mittleren Brechungsindex im Volumen angestrebt. Durch die Integration der Funktionen „spektrale Filter" und „Strahlformung" in einem Bauteil wird eine Verringerung des Justageaufwands erreicht. Zur Integration der Gitter in die Mikrooptiken zur Strahlformung ist eine Anpassung der Gitterparameter (Brechungsindexmodulation, Dicke, Orientierung, Einfallswinkel, ...) erforderlich.According to the invention, the integration of the volume diffraction gratings into hybrid and integrated micro-optics on the basis of gradient index (GRIN) based media as well as with a constant average refractive index in the volume is aimed for. By integrating the functions "spectral filters" and "beam forming" in one component, a reduction of the adjustment effort is achieved. For integration of the grids in the micro-optics for beam shaping an adaptation of the lattice parameters (refractive index modulation, thickness, orientation, angle of incidence, ...) is required.
Bevorzugt werden die spektralen Filter als Gitter, vorzugsweise als Volumengitter oder als Oberflächengitter, ausgeführt.The spectral filters are preferably designed as gratings, preferably as volume gratings or as surface gratings.
Für eine geringe Baugröße sollte die integrierte Mikrooptik monolithisch aus einem Bauteil aufgebaut werden.For a small size, the integrated micro-optics should be built monolithically from a single component.
Die besonderen technischen Merkmale der Erfindung sind zweidimensionale Reihen anamorphotischer Mikrooptiken, in denen spektral, selektive Gitter integriert sind. Die anamorphotische Optik dient der zweiachsigen Strahlformung von Laserdioden mit asymmetrischer Abstrahlcharakteristik. Jeder Laserdiode eines Diodenlaserbarrens oder -Stacks ist ein optischer Pfad zugeordnet, der achsenparallel zu den übrigen liegt. Die strahlformenden, refraktiven und diffraktiven Elemente können in Form von zweidimensionalen Reihen auf einem Substrat angeordnet sein, deren freien Aperturen sich jeweils nicht durchdringen. Die Gitter können als Volumengitter oder auch als Oberflächengitter ausgeführt sein. Die integrierte Mikrooptik kann monolithisch aus einem Bauteil oder auch in hybrider Bauform aus Einzelelementen bestehen.The particular technical features of the invention are two-dimensional rows of anamorphic micro-optics in which spectral, selective gratings are integrated. The anamorphic optics serve the biaxial beam shaping of laser diodes with asymmetrical emission characteristics. Each laser diode of a diode laser bar or stack is associated with an optical path that is axis-parallel to the others lies. The beam-shaping, refractive and diffractive elements can be arranged in the form of two-dimensional rows on a substrate whose free apertures do not penetrate each other. The grids can be designed as volume grids or as surface gratings. The integrated micro-optics can consist monolithically of a component or even in a hybrid design of individual elements.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Einzelelemente der hybrid aufgebauten Mikrooptik aus verschiedenen Materialien gebildet. Hierdurch können unterschiedliche optische Eigenschaften, wie Brechungsindex, Photosensitivität und Transparenz, eingestellt werden.In a further embodiment, the individual elements of the hybrid micro-optics are formed from different materials. As a result, different optical properties, such as refractive index, photosensitivity and transparency, can be adjusted.
Weiterhin kann ein Element oder können mehrere Elemente photosensitiv sein.Furthermore, one or more elements may be photosensitive.
Bevorzugt wird der spektrale Filter so ausgeführt, dass er sich transversal nur über einen Teil des Volumens des hybrid aufgebauten Bauteils erstreckt und somit räumlich segmentiert ist. Dadurch wird nur ein Teil des Volumens genutzt.Preferably, the spectral filter is designed so that it extends transversely over only a part of the volume of the hybrid component and thus is spatially segmented. As a result, only part of the volume is used.
Eine örtliche Änderung der Bauteileigenschaften kann durch lokale Dotierung des Materials, aus dem das Bauteil aufgebaut ist, erhalten werden.A local change in the component properties can be obtained by local doping of the material from which the component is constructed.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass ein Teilbereich des Materials photosensitiv ist und hierin ein wellenlängenselektives Gitter geschrieben wird.A preferred embodiment provides that a subregion of the material is photosensitive and a wavelength-selective grating is written therein.
Mit den vorstehenden Maßnahmen werden folgende Vorteile erzielt:The above measures have the following advantages:
- Verbesserung der Strahlqualität durch Reduktion des zurückreflektierten Orts- /Winkelsegments- Improvement of the beam quality by reduction of the reflected-back spatial / angular segment
- Erhöhung der Gesamttransmission bei Verwendung eines hoch transmissiven Materials für den Nicht-Gitter-Bereich- Increasing the total transmission when using a highly transmissive material for the non-grid area
- Reduktion der Absorption und damit der Erwärmung durch Absorption von Strahlung im Betrieb, geringere leistungsabhängige Temperaturdrift im Betrieb- Reduction of the absorption and thus the heating by absorption of radiation during operation, lower power-dependent temperature drift during operation
- Höhere Zerstörschwelle durch das nicht dotiertes MaterialHigher damage threshold due to the non-doped material
- Ökonomischere Herstellung des Gitters durch kleinere zu schreibende Volumina und Erhöhung des Bauteilvolumens der strahlformenden Optik bei reduziertem Gittervolumen mit geringer erforderlicher optischer Eindringtiefe. Drei Arten der optischen Rückkopplung von ein- und zweidimensionalen Strahlen- quellenarrays werden gemäß der Erfindung berücksichtigt:- Economical production of the grid by smaller volumes to be written and increase the component volume of the beam-forming optics with reduced grid volume with low required optical penetration. Three types of optical feedback of one- and two-dimensional source arrays are considered according to the invention:
- Kollimierte Rückkopplung- collimated feedback
- Abbildende Rückkopplung- Imaging feedback
- Direkte Rückkopplung- Direct feedback
Unter kollimierter Rückkopplung wird eine optische Anordnung von mindestens einer Linse verstanden, welche die Strahlenquelle mit geringen lateralen Abmessungen nach unendlich abbildet. Eine Strahlenquelle mit asymmetrischer Abstrahlcharakteristik, wie dies beispielsweise bei Laserdioden (Fast-Axis und Slow-Axis) der Fall ist, wird jeweils in beiden Achsenrichtungen kollimiert. Das Gitter wird in dem kollimierten Strahl platziert.Collimated feedback is understood to mean an optical arrangement of at least one lens which images the radiation source with infinitesimal dimensions with small lateral dimensions. A radiation source with asymmetrical emission characteristics, as is the case, for example, with laser diodes (fast-axis and slow-axis), is collimated in both axial directions. The grating is placed in the collimated beam.
Die abbildende Rückkopplung ermöglicht, unabhängig von der Lage und Winkelverteilung der Strahlenquelle, eine bidirektionale Selbstabbildung von jedem einzelnen Emitter mit einfacher Faltung des Strahlengangs am Volumengitter. Durch die Selbstabbildung werden die externen optischen Verluste minimiert, da die Rückkopplung unabhängig von der Lage und dem Abstrahlwinkel der Laserdiode wird. Das Prinzip der Selbstabbildung kann auf ein (makroskopisches) anamorphotisches oder rotationssymmetrisches System übertragen werden, bei dem ein zweidimensionaler Stapel von Diodenlaserarrays (Stack) durch eine in zwei Achsenrichtungen beidseitig telezentrische Abbildungsoptik auf das Volumengitter abgebildet wird.Irrespective of the position and angular distribution of the radiation source, the imaging feedback allows bidirectional self-imaging of each individual emitter with simple convolution of the beam path at the volume grating. Self-imaging minimizes external optical losses since the feedback becomes independent of the position and angle of the laser diode. The principle of self-imaging can be transferred to a (macroscopic) anamorphic or rotationally symmetric system in which a two-dimensional stack of diode laser arrays (stack) is imaged onto the volume grating by means of a two-sided telecentric imaging optics.
Bei der direkten Rückkopplung wird das Volumengitter direkt im divergenten Strahlengang vor die Austrittsfacette der Laserdiode platziert.In direct feedback, the volume grating is placed directly in the divergent beam path in front of the exit facet of the laser diode.
Bei einer solchen direkten Rückkopplung kann der spektrale Filter direkt im divergenten Strahlengang vor dem Auskoppelspiegel der Strahlenquelle angeordnet werden.With such a direct feedback, the spectral filter can be arranged directly in the divergent beam path in front of the coupling-out mirror of the radiation source.
Die optische Anordnung, wie sie hier beschrieben ist, kann Linsenarrays aufweisen, die als refraktive Optiken mit geformten Flächen oder als ebene Quader oder Zylinder mit modifiziertem Brechungsindex im Volumen ausgeführt sind. Der spektrale Filter kann als solcher mit Gradientenindex (GRIN) ausgeführt werden.The optical arrangement as described herein may comprise lens arrays designed as refractive optics with shaped surfaces or as planar cuboids or cylinders with modified refractive index in the volume. The spectral filter can be executed as such with gradient index (GRIN).
In einer Ausführung wird das System so ausgelegt, dass die einzelnen Gittersektionen verschiedene Gitterparameter haben, so dass eine Modifikation der Bragg- Wellenlänge oder der Beugungseffizienz individuell einstellbar ist. Mit einem zweiten Beugungsgitter kann dann eine spektrale Überlagerung von mehreren Strahlenquellen in denselben optischen Weg durchgeführt werden.In one embodiment, the system is designed so that the individual grating sections have different grating parameters, so that a modification of the Bragg wavelength or the diffraction efficiency is individually adjustable. With a second diffraction grating, a spectral superposition of a plurality of radiation sources can then be carried out in the same optical path.
Für ein zweiachsiges System, das bedeutet ein System, bei dem die Divergenz und/oder die Größe der Strahltaillen der Strahlenquellen in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen unterschiedlich sind, die ihrerseits senkrecht zur Propa- gationsrichtung senkrecht stehen, insbesondere für Diodenlaser, wird die eine Achse des Systems abbildend ausgelegt und die andere Achse wird kollimierend ausgelegt. Eine solche Anordnung bezieht sich insbesondere auf die kollimierte Rückkopplung.For a biaxial system, that is, a system in which the divergence and / or the size of the beam waist of the radiation sources are different in two mutually perpendicular directions, which in turn are perpendicular to the propagation direction, in particular for diode lasers, becomes one axis of the system designed imaging and the other axis is designed collimating. Such an arrangement relates in particular to the collimated feedback.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigenThe invention will be explained with reference to the drawing. In the drawing show
Figur 1a eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit kolli- mierter Rückkopplung,FIG. 1 a shows a first embodiment of an arrangement according to the invention with collimated feedback,
Figur 1b eine Ansicht der Anordnung der Figur 1 aus Richtung des Sichtpfeils Ib in Figur 1a,FIG. 1b shows a view of the arrangement of FIG. 1 from the direction of the viewing arrow 1b in FIG. 1a,
Figur 1c eine Ansicht der Anordnung der Figur 1 aus Richtung des Sichtpfeils Ic in Figur 1a,FIG. 1c shows a view of the arrangement of FIG. 1 from the direction of the arrow Ic in FIG. 1a,
Figuren 2a und 2b den prinzipiellen Aufbau für eine kollimierte Rückkopplung für den eindimensionalen Fall,FIGS. 2a and 2b show the basic structure for a collimated feedback for the one-dimensional case,
Figuren 3a und 3b eine Anordnung mit kollimierter Rückkopplung jeweils in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen, bei der der spektrale Filter in eine GRIN- Linse integriert oder aufgesetzt ist, Figur 4a eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit abbildender Rückkopplung, mit einer Reihe von Strahlenquellen,FIGS. 3a and 3b show an arrangement with collimated feedback, in each case in two mutually perpendicular directions, in which the spectral filter is integrated or mounted in a GRIN lens, FIG. 4 a shows a further embodiment of an arrangement according to the invention with imaging feedback, with a number of radiation sources,
Figur 4b eine Ansicht der Anordnung der Figur 4a aus Richtung des Sichtpfeils IVb in Figur 4a,4b shows a view of the arrangement of FIG. 4a from the direction of the viewing arrow IVb in FIG. 4a, FIG.
Figur 4c eine Ansicht der Anordnung der Figur 4a aus Richtung des Sichtpfeils IVc in Figur 4a,4c shows a view of the arrangement of FIG. 4a from the direction of the viewing arrow IVc in FIG. 4a, FIG.
Figur 5a die Mikrooptik, wie sie in den Figuren 4a bis 4c dargestellt ist, in einer vergrößerten Darstellung, das als monolithisches Bauteil ausgeführt ist.Figure 5a shows the micro-optics, as shown in Figures 4a to 4c, in an enlarged view, which is designed as a monolithic component.
Figur 5b eine Mikrooptik, wie sie in den Figuren 4a bis 4c dargestellt ist, in einer vergrößerten Darstellung, das als hybrides Bauteil mit einer Gittersektion und einer umgebenden gitterfreien Sektion ausgeführt ist.Figure 5b shows a micro-optics, as shown in Figures 4a to 4c, in an enlarged view, which is designed as a hybrid component with a grid section and a surrounding lattice-free section.
Figur 6 schematisch die Selbstabbildung der Emitter eines Dioden laserstacks,FIG. 6 schematically shows the self-imaging of the emitters of a diode laser stack,
Figur 7 ein Abbildungsschema, um das Prinzip der bidirektionalen Selbstabbildung einer Strahlenquelle mit endlicher Ausdehnung zu erläutern,FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the principle of bidirectional self-imaging of a finite-expansion radiation source;
Figur 8 ein weiteres Abbildungsschema, um das Prinzip der bidirektionalen Selbstabbildung einer Strahlenquelle mit endlicher Ausdehnung zu erläutern,FIG. 8 shows a further illustration scheme to explain the principle of bidirectional self-imaging of a finite-expansion radiation source.
Figur 9 eine Ausführungsform mit direkter Rückkopplung.Figure 9 shows an embodiment with direct feedback.
Es werden nun die verschiedenen Arten der Rückkopplung beschrieben.The various types of feedback will now be described.
Kollimierte Rückkopplung:Collimated feedback:
Eine optische Anordnung für die kollimierte Kopplung, ist in den Figuren 1a, 1b und 1c gezeigt und umfasst eine Reihe Strahlenquellen 1 , die jeweils in einer Achse mit einer gemeinsamen Stablinse 2 und einem Linsenarray 3 kollimiert werden. Das Un- senarray 3 ist in dem gezeigten Beispiel als monolithisches Bauteil aus photosensitivem Glas ausgeführt, in dem ein Volumengitter eingeschrieben ist, dessen Gitternormale parallel zu den optischen Achsen der Strahlenbündel orientiert ist. Die Linsenarrays 3 können als refraktive Optiken mit geformten Flächen oder als e- bene Quader oder Zylinder mit modifiziertem Brechungsindex im Volumen (GRIN) ausgeführt sein.An optical arrangement for the collimated coupling is shown in FIGS. 1 a, 1 b and 1 c and comprises a series of radiation sources 1, which are respectively collimated in one axis with a common rod lens 2 and a lens array 3. In the example shown, the unsense array 3 is designed as a monolithic component made of photosensitive glass, in which a volume grating is inscribed, the grating normal of which is oriented parallel to the optical axes of the ray bundles. The lens arrays 3 can be designed as refractive optics with shaped surfaces or as even cubes or cylinders with modified refractive index in volume (GRIN).
Alternativ zum Gitter im Volumen kann auf der ebenen Fläche des Zylinderlinsenar- rays 2 eine Mehrfach-Spiegelschicht als schmaler Bandpassfilter aufgebracht sein.As an alternative to the lattice in the volume, a multiple mirror layer can be applied as a narrow bandpass filter on the flat surface of the cylindrical lens array 2.
Die Figuren 2a und 2b beschreiben den prinzipiellen Aufbau der kollimierten Rückkopplung für den eindimensionalen Fall. Die Laserdiode, mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet, wird mit einer Linse 5 der Brennweite f kollimiert. Ein spektraler Filter 6 kann im Abstand der Brennweite f (siehe Figur 2a) oder unter einem beliebigen Abstand, wie dies in der entsprechenden Anordnung der Figur 2b dargestellt ist, zur Linse 5 positioniert sein. Abhängig vom lateralen Abstand eines Strahls zur optischen Achse und der Brennweite f wird eine Rückkopplung in den Emitter (Laserdiode 4) mit der Ausdehnung e erzielt.Figures 2a and 2b describe the basic structure of the collimated feedback for the one-dimensional case. The laser diode, designated by reference numeral 4, is collimated with a lens 5 of focal length f. A spectral filter 6 can be positioned at a distance of the focal length f (see FIG. 2a) or at an arbitrary distance from the lens 5, as shown in the corresponding arrangement of FIG. 2b. Depending on the lateral distance of a beam to the optical axis and the focal length f, a feedback in the emitter (laser diode 4) is achieved with the extension e.
Zur Erhöhung der Rückkopplung unter Berücksichtigung von Lagetoleranzen der einzelnen Laserdioden zur gemeinsamen Hauptebene (Smile) wird die Höhe des Wellenleiters e im Verhältnis zum Lagefehler der Emitter 4 vergrößert (Large Optical Cavity - LOC). Infolge der Vergrößerung des Wellenleiters wird die Divergenz der Laserdiode 4 reduziert.To increase the feedback, taking into account the positional tolerances of the individual laser diodes to the common main plane (smile), the height of the waveguide e is increased in relation to the positional error of the emitter 4 (Large Optical Cavity - LOC). Due to the enlargement of the waveguide, the divergence of the laser diode 4 is reduced.
Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Ausführungsform, die sich ebenfalls auf die kolli- mierte Rückkopplung bezieht, bei der ein spektraler Filter 7 in eine GRIN-Linse (Gra- dientenindexlinse) 8 (monolithisch) integriert ist oder (hybrid) aufgesetzt ist. Die GRIN-Linse 8 kollimiert beide Achsenrichtungen der Laserdiode 4. Der spektrale Filter 7, der als Gitter oder Mehrfach-Spiegelschicht ausgeführt ist, ist im kollimierten Strahl angeordnet.FIGS. 3a and 3b show an embodiment which also relates to the collimated feedback, in which a spectral filter 7 is integrated in a GRIN (gradient index lens) 8 (monolithic) or (hybrid) mounted. The GRIN lens 8 collimates both axial directions of the laser diode 4. The spectral filter 7, which is implemented as a grating or multiple mirror layer, is arranged in the collimated beam.
Die GRIN-Linse 8 kann als Quader oder Zylinder ausgeführt sein. Das Volumenbeugungsgitter (VBG) und die GRIN-Linse bestehen in monolithischer Bauweise aus dem gleichen Material.The GRIN lens 8 can be designed as a cuboid or cylinder. The volume diffraction grating (VBG) and the GRIN lens are made of the same material in monolithic construction.
Abbildende Rückkopplung: Die abbildende Rückkopplung wird zunächst anhand der Figuren 4a bis 4c erläutert. Durch eine Selbstabbildung der Emitter 9 eines Diodenlaserarrays 10 (eindimensionaler Barren oder zweidimensionaler Stack) kann jeder Emitter durch Rückkopplung vom Volumenbeugungsgitter unabhängig von Lagetoleranzen (Smile, Stapelfehler) stabilisiert werden.Imaging feedback: The imaging feedback will first be explained with reference to FIGS. 4a to 4c. By self-imaging the emitter 9 of a diode laser array 10 (one-dimensional bar or two-dimensional stack), each emitter can be stabilized by feedback from the volume diffraction grating independent of positional tolerances (smile, stacking error).
Die Anordnung, wie sie in den Figuren 4a bis 4c gezeigt ist, umfasst wiederum (unter Verwendung der Bezugszeichen, die vorstehend für die bereits beschriebenen Ausführungsformen verwendet sind, dort wo es möglich ist) eine Stablinse 2, ein Linsen- array 11 , ein weiteres Linsenarray 12, ein Volumengitter 13 und ein weiteres Linsen- array 14. In diesem Fall erfolgt die Abbildung bidirektional ohne Bildumkehr, so dass unabhängig von der Lage der Emitter 9 in der Objektebene bei der Faltung des Strahlengangs eine Selbstabbildung erreicht wird.The arrangement as shown in Figures 4a-4c again comprises (using the reference numerals previously used for the embodiments already described, where possible) a rod lens 2, a lens array 11, another Lens array 12, a volume grating 13 and another lens array 14. In this case, the image is bidirectional without image reversal, so that regardless of the position of the emitter 9 in the object plane in the folding of the beam path is achieved self-imaging.
Die optische Anordnung in den Figuren 4a, 4b und 4c besteht aus einer Reihe von Strahlenquellen 1 , die jeweils in einer Achse mit einer gemeinsamen Stablinse 2 und einem Linsenarray 11 kollimiert werden. Mit dem zweiten Linsenarray 12 wird eine Abbildung der Diodenlaserfacette in die Symmetrieebene des Volumengitters 13 durchgeführt. Das dritte Linsenarray 14 hinter dem Volumengitter 13 kollimiert das divergente Strahlenbündel. Die Linsenarrays 12 und 14 bestehen aus Segmenten torischer Linsen mit jeweils zylindrischen oder auch azylindrisch gekrümmten Flächen in zwei Achsen richtungen.The optical arrangement in Figures 4a, 4b and 4c consists of a series of radiation sources 1, which are each collimated in one axis with a common rod lens 2 and a lens array 11. With the second lens array 12, an image of the diode laser facet in the plane of symmetry of the volume grating 13 is performed. The third lens array 14 behind the volume grating 13 collimates the divergent beam. The lens arrays 12 and 14 consist of segments of toric lenses, each with cylindrical or even acylindrically curved surfaces in two axes directions.
Die Linse 2 und die Linsenarrays 11 , 12 und 14 können als refraktive Optiken mit geformten Flächen oder als ebene Quader oder Zylinder mit modifiziertem Brechungsindex im Volumen (GRIN) ausgeführt sein.The lens 2 and the lens arrays 11, 12 and 14 may be implemented as refractive optics with shaped surfaces or as planar cuboids or cylinders with modified refractive index in volume (GRIN).
Die Kombination der refraktiven Optiken bzw. der Gradientenlinsen aus den Elementen 2, 11 , 12 und 14 bilden jeweils für eine Achsenrichtung eine Abbildungsoptik, wie sie detaillierter in den Figuren 7 und 8 dargestellt sind.The combination of the refractive optics or the gradient lenses from the elements 2, 11, 12 and 14 respectively form an imaging optics for an axis direction, as shown in more detail in FIGS. 7 and 8.
Hierzu zeigt Figur 7 ein Abbildungsschema, um das Prinzip der bidirektionalen Selbstabbildung einer Strahlenquelle 23 mit endlicher Ausdehnung e zu erläutern, welche die Strahlung unabhängig vom lateralen Abstand eines Punktes von der opti- sehen Achse vom spektralen Filter 25 abbildet, derart, dass das Abbildungsverhältnis zwischen der Strahlquelle und dem spektralen Filter durch zwei Optiken 24 gleicher Brennweite f gleich eins ist (4f-Abbildung).7 shows an imaging scheme for explaining the principle of bidirectional self-imaging of a radiation source 23 of finite dimension e, which measures the radiation independently of the lateral distance of a point from the optical system. see axis from the spectral filter 25 images such that the imaging ratio between the beam source and the spectral filter through two lenses 24 of the same focal length f is equal to one (4f image).
Figur 8 zeigt ein weiteres Abbildungsschema, um das Prinzip der bidirektionalen Selbstabbildung einer Strahlenquelle 23 mit endlicher Ausdehnung e zu erläutern, welche die Strahlung unabhängig vom lateralen Abstand eines Punktes von der optischen Achse vom spektralen Filter 25 abbildet, derart, dass das Abbildungsverhältnis zwischen der Strahlenquelle 23 und dem spektralen Filter 25 durch zwei Optiken 26, 27 ungleicher Brennweite f1 und f2 ungleich eins ist.FIG. 8 shows another mapping scheme for explaining the principle of bi-directional self-imaging of a finite-dimensioned radiation source 23, which images the radiation independent of the lateral distance of a point from the optical axis of the spectral filter 25, such that the imaging ratio between the radiation source 23 and the spectral filter 25 by two optics 26, 27 of unequal focal length f1 and f2 is equal to one.
Die Brennweiten und Aperturen der Optiken sind in den jeweiligen Achsenrichtungen (Fast-Axis und Slow-Axis eines Diodenlasers) an die geometrischen Abmessungen und Abstrahlwinkel, beispielsweise von Diodenlasern, angepasst. Die jeweiligen Details, insbesondere die Strahlführung, ist unmittelbar den Figuren 7 und 8 zu entnehmen. Insbesondere sollte darauf hingewiesen werden, dass die bidirektionale Abbildungsoptik unabhängig vom Abbildungsverhältnis und der Zahl der optischen Elemente (24, 26 und 27) nach den Figuren 7 und 8 derart ausgeführt ist, dass laterale Lagefehler der Strahlenquellen 23 zur optischen Achse invariant zur optischen Rückkopplung vom spektralen Filter aufgrund der Selbstabbildung sind.The focal lengths and apertures of the optics are adapted in the respective axis directions (fast axis and slow axis of a diode laser) to the geometric dimensions and radiation angles, for example of diode lasers. The respective details, in particular the beam guidance, can be taken directly from FIGS. 7 and 8. In particular, it should be pointed out that the bidirectional imaging optics, regardless of the imaging ratio and the number of optical elements (24, 26 and 27) according to FIGS. 7 and 8, are designed in such a way that lateral position errors of the radiation sources 23 to the optical axis are invariant to the optical feedback from spectral filters due to self-imaging.
Das Zylinderlinsenarray 11 kann einseitig oder beidseitig optische Flächen zur KoIIi- mation der Strahlenbündel eines Diodenlaserarrays in Slow-Axis haben.The cylindrical lens array 11 may have unilaterally or bilaterally optical surfaces for modulating the radiation beams of a diode laser array in slow-axis.
Die Kollimationsoptiken 2 und 11 können als monolithisches Bauteil mit gekreuzten Zylinderachsen der gekrümmten Flächen ausgeführt sein.The collimating optics 2 and 11 can be designed as a monolithic component with crossed cylinder axes of the curved surfaces.
Die integrierte Mikrooptik aus den refraktiven Elementen 12, 14 zur Zwischenabbildung der Emitter und der Gittersektion (spektraler Filter) 13 kann monolithisch aus einem Bauteil 15, wie dies die Figuren 5a und 5b zeigen, oder als hybride Struktur aus drei Elementen (Figuren 4a - 4c) zusammengesetzt sein.The integrated micro-optics from the refractive elements 12, 14 for intermediate imaging of the emitter and the grating section (spectral filter) 13 can be monolithic from a component 15, as shown in FIGS. 5a and 5b, or as a hybrid structure comprising three elements (FIGS. 4a-4c) ).
Die Gittersektion 13 kann gegenüber den refraktiven Elementen 12, 14 in der Höhe reduziert sein. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen kann die Gitterhöhe deutlich kleiner 1 mm und die Gitterdicke um Vielfache größer als 1 mm sein, so dass die Gittersektion 13 erstens besser von außen zu kühlen ist (Wärmeleitungs- oder Konvek- tionskühlung mit Wärmesenken oder Peltier-Elementen) und dass zweitens sehr geringe Bandbreiten (< 0,02 nm) erzielbar sind. Die Reduzierung der Gitterhöhe ist vorteilhaft bei begrenzter optischer Eindringtiefe zur Erstellung der Gitter durch die gängigen Interferenzverfahren.The grating section 13 may be reduced in height relative to the refractive elements 12, 14. In contrast to known solutions, the grid height can be significant smaller than 1 mm and the grid thickness be multiples greater than 1 mm, so that the grid section 13 is firstly better to cool from the outside (heat conduction or convection cooling with heat sinks or Peltier elements) and secondly very low bandwidths (<0, 02 nm) can be achieved. The reduction of the grid height is advantageous with limited optical penetration depth for creating the grid by the usual interference method.
Die Gitterstruktur des Bauteils 15 in Figur 5a wird in segmentierten Bereichen der Mikrooptik eingeschrieben, die sowohl an die Winkelselektivität der Gitter als auch an der Struktur eines Diodenlaserbarrens angepasst ist. Da die Diodenlaser auf dem Barren vereinzelt sind (Kühlung, Wärmespreizung) und die Winkelselektivität der Gitter nur einen Bruchteil der gesamten Winkelverteilung des Strahlenbündels erfasst, ist ein ganzvolumiges Gitter nicht erforderlich.The lattice structure of the component 15 in FIG. 5a is inscribed in segmented regions of the micro-optics which are adapted both to the angle selectivity of the gratings and to the structure of a diode laser bar. Since the diode lasers on the ingot are singled out (cooling, heat spreading) and the angle selectivity of the grids only covers a fraction of the total angular distribution of the beam, a whole-volume grating is not required.
Das photosensitive Material (Quarz, mittels Silberionen-Austauschverfahren dotierte Weichgläser) kann auf einen Bereich der Mirooptik begrenzt sein, dessen Ausdehnung lateral zum Strahl an die Winkelselektivität der Gitter angepasst ist. Die Segmentierung in einen zwei-elementigen Volumenkörper, bestehend aus einer photosensitiven Sektion für das Volumengitter und einem umgebenden Glasmaterial zur Formung der refraktiven Optik, ermöglicht die Integration der zwei Funktionen Strahlformung und Wellenlängen- und winkelselektiven Beugung in getrennten Bereichen. Das umgebende Glasmaterial kann einen Brechungsindex im Bereich von 1 ,45 bis 2 und größer haben. Ein größerer Brechungsindex begünstigt die Strahlformung durch die refraktive Optik.The photosensitive material (quartz, soft glasses doped using silver ion exchange techniques) may be confined to a region of the mirooptics whose extent laterally to the beam matches the angle selectivity of the gratings. The segmentation into a two-element solid, consisting of a photosensitive section for the volume grating and a surrounding glass material to form the refractive optics, allows the integration of the two functions beamforming and wavelength- and angle-selective diffraction in separate areas. The surrounding glass material may have a refractive index in the range of 1.45 to 2 and greater. A larger refractive index favors beam shaping by the refractive optics.
Im eindimensionalen Fall besteht der zwei-elementige Volumenkörper aus einer Mittelschicht mit photosensitivem Glas und zwei umgebenden Randschichten, die lateral bis zum Rand ausgeführt sind. Die Geometrie kann als hybrides Element von mehreren Elementen zusammengesetzt sein (.Ansprengen") oder durch Ausziehen einer monolithischen Pre-Form auf den erforderlichen Querschnitt gebracht werden. Im Unterschied zur bekannten Fasertechnologie werden keine rotationssymmetrischen Geometrien, sondern quaderförmige Geometrien, erstellt. Zusätzlich zur Vorgabe der Geometrie aufgrund der Schichtfolge kann in der zweiten Achsenrichtung entlang der Schichtebene eine Segmentierung der Volumengitter durch den Beschriftungsprozess eingestellt werden. Daraus resultiert eine Streifenform der Gittersektionen. Jede Gittersektion ist einer Strahlenquelle zugeordnet und beugt einen Teil entsprechend der eingestellten Gitterparameter (Gitterdicke, Brechungsindexmodulation) zurück in den Ursprung der jeweiligen Strahlenquelle.In the one-dimensional case, the two-element solid consists of a middle layer with photosensitive glass and two surrounding edge layers, which are laterally to the edge. The geometry can be composed as a hybrid element of several elements ("blasting") or brought to the required cross section by drawing out a monolithic preform In contrast to the known fiber technology, no rotationally symmetrical geometries but cuboidal geometries are created. In addition to the specification of the geometry due to the layer sequence, in the second axis direction along the layer plane a segmentation of the volume gratings can be set by the labeling process. This results in a stripe shape of the grid sections. Each grating section is assigned to a radiation source and diffracts a part back into the origin of the respective radiation source according to the set grating parameters (grating thickness, refractive index modulation).
Die einzelnen Gittersektionen können verschiedene Gitterparameter haben, so dass eine Modifikation der Bragg-Wellenlänge oder der Beugungseffizienz individuell eingestellt werden kann. Durch Einstellung verschiedener Bragg-Wellenlängen kann mit einem zweiten Beugungsgitter die spektrale Überlagerung von mehreren Strahlenquellen in denselben optischen Weg durchgeführt werden.The individual grating sections may have different grating parameters, so that a modification of the Bragg wavelength or the diffraction efficiency can be set individually. By setting different Bragg wavelengths, the spectral superposition of several radiation sources in the same optical path can be performed with a second diffraction grating.
Das Abbildungsschema nach Figur 7 kann in Slow-Axis entfallen, so dass eine kolli- mierte Rückkopplung nach Figur 2b für diese Richtung entsteht.The imaging scheme according to FIG. 7 can be omitted in slow-axis, so that a collimated feedback according to FIG. 2b arises for this direction.
Die Zylinderlinsenarrays 12, 14 können in Slow-Axis als Wabenkondensor ausgeführt sein (Homogenisierung des Strahlungsfeldes).The cylindrical lens arrays 12, 14 can be designed in slow axis as a honeycomb condenser (homogenization of the radiation field).
Figur 6 zeigt die Selbstabbildung der Emitter eines Diodenlaserstacks 16, die beidseitig telezentrisch und als Anamorphot für beide Achsenrichtungen ausgeführt ist. In Figur 6 bezeichnen das Bezugszeichen 17 einen Stapel von Stablinsen zur Kollima- tion der Fast-Axis, das Bezugszeichen 18 einen Stapel von ein- oder mehrseitigen Linsenreihen, das Bezugszeichen 19 eine beidseitig telezentrische Abbildungsoptik und das Bezugszeichen 20 einen spektralen Filter.FIG. 6 shows the self-imaging of the emitters of a diode laser stack 16, which is telecentric on both sides and anamorphic for both axial directions. In FIG. 6, the reference numeral 17 designates a stack of rod lenses for collimating the fast axis, the reference numeral 18 a stack of single or multi-sided lens rows, the reference numeral 19 a double-sided telecentric imaging optics and the reference numeral 20 a spectral filter.
Direkte Rückkopplung:Direct feedback:
Die Kollimationsoptik 19 in den Figuren 9a - 9c besteht aus einer schmalen Gittersektion 21 und aus einem diese Gittersektion 21 umgebenden Glaskörper 22. Die Höhe der Gittersektion 21 ist in der Fast-Axis, wobei in den Figuren 9a bis 9c als Strahlenquellen 1 Diodenlaser eingesetzt sind, auf einen Bruchteil der Gesamthöhe der Mikrooptik reduziert. Die Gitterhöhe ist soweit reduziert, dass im Bereich der Winkelverteilung des am Gitter gebeugten Teils des divergenten Strahlenbündels keine Beugungsverluste entstehen.The collimating optics 19 in FIGS. 9a-9c consists of a narrow grating section 21 and of a glass body 22 surrounding this grating section 21. The height of the grating section 21 is in the fast axis, wherein diode lasers 1 are used as radiation sources in FIGS. 9a to 9c , reduced to a fraction of the total height of the micro-optics. The grid height is reduced so far that in the area of Angular distribution of the diffracted at the grating part of the divergent beam no diffraction losses occur.
Mit der oben beschriebenen Erfindung lassen sich folgende Vorteile erreichen:With the invention described above, the following advantages can be achieved:
- Effiziente Wellenlängenstabilisierung von Strahlenquellenarrays (eindimensional und zweidimensional), insbesondere Hochleistungs-Diodenlaser, durch Selbstabbildung und die damit verbundene Reduzierung der optischen Verluste im Resonator aufgrund von GeometriefehlernEfficient wavelength stabilization of radiation source arrays (one-dimensional and two-dimensional), in particular high-power diode lasers, by self-imaging and the associated reduction of the optical losses in the resonator due to geometrical errors
- Reduzierung der optischen Verluste bei der externen Rückkopplung in den Diodenlaser und damit Erhöhung des optischen Wirkungsgrads- Reduction of optical losses in the external feedback in the diode laser and thus increase the optical efficiency
- Fertigungstechnisch vorteilhafte, planparallele optische Flächen bei Verwendung von Gradientenindexlinsen- Manufacturing technology advantageous, plane-parallel optical surfaces when using Gradientenindexlinsen
- Geringer bzw. bei integrierter Mikrooptik kein zusätzlicher Justageaufwand der spektralen Filter- Less or with integrated micro-optics no additional adjustment effort of the spectral filters
- Kompakte Bauweise durch integrierte Mikrooptik- Compact design with integrated micro-optics
- Vorteilhafte Geometrie sowohl zur Herstellung der Volumengitter (z.B. durch Zweistrahl-Interferenz -Verfahren) mit geringer lateraler und hoher longitudinaler Ausdehnung (= "dicke" wellenlängenselektive Gitter) als auch zur Temperierung (Heizen oder Kühlen) der VolumengitterAdvantageous geometry both for the production of the volume gratings (for example by two-beam interference method) with low lateral and high longitudinal extent (= "thick" wavelength-selective grating) as well as for tempering (heating or cooling) of the volume grids
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist die zweidimensionale Selbstabbildung der Strahlenquellen mit der Faltung über den externen Spiegel auf sich selbst, wodurch in weiten Grenzen unabhängig von der lateralen Position der Strahlenquellen zur optischen Achse eine effiziente Rückkopplung möglich ist. Dadurch wird die Effizienz der Systeme mit optischer Rückkopplung gesteigert und zudem die Justageempfindlichkeit minimiert. The essential advantage of the system according to the invention is the two-dimensional self-imaging of the radiation sources with the convolution on the external mirror to itself, whereby an efficient feedback is possible within wide limits regardless of the lateral position of the radiation sources to the optical axis. This increases the efficiency of the optical feedback systems and also minimizes adjustment sensitivity.

Claims

Patentansprüche claims
1. System mit ein- oder zweidimensionalen Reihen von Strahlenquellen, insbesondere Diodenlaser-Arrays oder -Stacks, die als stabile oder instabile Resonatoren ausgeführt sind, mit einer optischen Anordnung zur Strahlformung der von den Strahlenquellen abgegebenen Strahlung und mit mindestens einem spektralen Filter, der einen Teil der von den Strahlenquellen abgegebenen Strahlung zurück in die Strahlenquelle beugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungswirkungsgrad, der definiert ist als der Anteil der in den Laserresonator zurück gekoppelten Leistung bezogen auf den Anteil der vom Filter gebeugten Leistung, für einen bestimmten Wellenlängenbereich maximiert wird, indem die optische Anordnung zur Strahlformung sowohl an die Geometrie des Resonators und die Winkel- und Ortsverteilung der Strahlenquellen als auch an die Beugungsverteilung des mindestens einen spektralen Filters an- gepasst wird.1. System with one or two-dimensional rows of radiation sources, in particular diode laser arrays or stacks, which are designed as stable or unstable resonators, with an optical arrangement for beam shaping of the radiation emitted by the radiation sources and at least one spectral filter, the one Part of the radiation emitted by the radiation sources back into the radiation source, characterized in that the coupling efficiency, which is defined as the proportion of the power coupled back into the laser resonator based on the proportion of the power diffracted by the filter, is maximized for a certain wavelength range, in that the optical arrangement for beam shaping is adapted both to the geometry of the resonator and the angular and spatial distribution of the radiation sources as well as to the diffraction distribution of the at least one spectral filter.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Strahlenquellen mit einem periodischen optischen Element nach unendlich abgebildet werden und der spektrale Filter, der in endlichem Abstand hinter dem abbildenden System angeordnet ist, einen Teil der Strahlung entsprechend der Bandbreite des spektralen Filters mit der abbildenden Optik in Umkehrung des Strahlengangs in die Strahlenquellen zurückkoppelt.2. System according to claim 1, characterized in that the individual radiation sources are imaged with a periodic optical element to infinity and the spectral filter, which is arranged at a finite distance behind the imaging system, a portion of the radiation according to the bandwidth of the spectral filter The imaging optics in reversal of the beam path in the radiation sources fed back.
3. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Strahlenquellen auf den spektralen Filter abgebildet werden und die Abbildungsoptik in der Umkehrung des Strahlengangs den spektralen Filter auf die einzelnen Strahlenquellen abbildet und somit einen Teil der Strahlung entsprechend der Bandbreite des Filters in die Strahlenquellen zurückkoppelt.3. System according to claim 1, characterized in that the individual radiation sources are imaged on the spectral filter and the imaging optics in the reversal of the beam path, the spectral filter on the individual radiation sources and thus reflects a portion of the radiation according to the bandwidth of the filter in the radiation sources feeds back.
4. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der spektrale Filter in seinen lateralen Abmessungen, das bedeutet senkrecht zur Ausbreitungsrich- tung, so ausgeführt ist, dass nur ein Segment der Leistungsdichteverteilung zurückgekoppelt wird.4. System according to claim 1, characterized in that the spectral filter in its lateral dimensions, that is perpendicular to the propagation direction tion, is carried out so that only one segment of the power density distribution is fed back.
5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung beidseitig telezentrisch ist.5. System according to claim 3, characterized in that the image is telecentric on both sides.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einsatz von Diodenlasern als Strahlenquellen die vorderseitigen Austrittsfacetten der Diodenlaser entspiegelt sind.6. System according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the use of diode lasers as radiation sources, the front exit facets of the diode lasers are anti-reflective.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der spektrale Filter und die optische Anordnung zur Strahlformung in einem Bauteil integriert sind.7. System according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spectral filter and the optical arrangement for beam shaping are integrated in one component.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der spektrale Filter als Gitter, vorzugsweise als Volumengitter oder als Oberflächengitter, ausgeführt ist.8. System according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the spectral filter is designed as a grating, preferably as a volume grating or as a surface grating.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Mikrooptik monolithisch aus einem Bauteil aufgebaut ist.9. System according to one of claims 1 to 8, characterized in that the integrated micro-optics is constructed monolithically from a component.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Mikrooptik in hybrider Bauform aus Einzelelementen aufgebaut ist.10. System according to one of claims 1 to 8, characterized in that the integrated micro-optics is constructed in a hybrid design of individual elements.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente der hybrid aufgebauten Mikrooptik aus verschiedenen Materialien gebildet sind.11. System according to claim 10, characterized in that the individual elements of the hybrid micro-optics are formed of different materials.
12. System nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Element oder mehrere Elemente photosensitiv ist/sind.12. System according to claim 11, characterized in that one or more elements is / are photosensitive.
13. System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der spektrale Filter transversal nur über einen Teil des Volumens des hybrid aufgebauten Bauteils erstreckt und somit räumlich segmentiert ist. 13. System according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the spectral filter transversely extends only over part of the volume of the hybrid component and thus is spatially segmented.
14. System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine örtliche Änderung der Bauteileigenschaften durch lokale Dotierung des Materials, aus welchem das Bauteil aufgebaut ist, entsteht.14. System according to any one of claims 10 to 13, characterized in that a local change in the component properties by local doping of the material from which the component is constructed arises.
15. System nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilbereich des Materials photosensitiv ist und hierin ein wellenlängenselektives Gitter geschrieben wird.A system according to any one of claims 10 to 14, characterized in that a portion of the material is photosensitive and a wavelength-selective grating is written therein.
16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wellenlängenselektive Element als Schichtfolge auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht ist.16. System according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the wavelength-selective element is applied as a layer sequence on the surface of the component.
17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge in einem Aufdampfprozess aufgebracht ist.17. System according to claim 16, characterized in that the layer sequence is applied in a vapor deposition process.
18. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge in einem Sputterprozess aufgebracht ist.18. System according to claim 16, characterized in that the layer sequence is applied in a sputtering process.
19. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweidimensionaler Stapel von Strahlenquellen in seiner Gesamtheit durch eine in zwei Achsenrichtungen beidseitig telezentrische Abbildungsoptik auf den spektralen Filter abgebildet wird.19. System according to one of claims 1 to 18, characterized in that a two-dimensional stack of radiation sources in its entirety is imaged on both sides by a two-sided telecentric imaging optics on the spectral filter.
20. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der spektrale Filter direkt im divergenten Strahlengang vor dem Auskoppelspiegel der Strahlenquelle angeordnet ist.20. System according to claim 1, characterized in that the spectral filter is arranged directly in the divergent beam path in front of the coupling-out mirror of the radiation source.
21. System nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anordnung zur Strahlformung und der spektrale Filter in einem Bauteil integriert sind.21. System according to any one of claims 1 to 20, characterized in that at least part of the arrangement for beam shaping and the spectral filter are integrated in one component.
22. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, 20 und 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung Linsenarrays aufweist, die als refrakti- ve Optiken mit geformten Flächen oder als ebene Quader oder Zylinder mit modifiziertem Brechungsindex im Volumen ausgeführt sind. 22. System according to one of claims 1 to 18, 20 and 21, characterized in that the optical arrangement comprises lens arrays, which are designed as refractile optics with shaped surfaces or as a flat cuboid or cylinder with a modified refractive index in the volume.
23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der spektrale Filter als solcher mit Gradientenindex (GRIN) ausgeführt ist.23. System according to claim 22, characterized in that the spectral filter is designed as such with gradient index (GRIN).
24. System nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Gittersektionen verschiedene Gitterparameter haben, so dass eine Modifikation der Bragg-Wellenlänge oder der Beugungseffizienz individuell einstellbar ist.24. System according to any one of claims 1 to 23, characterized in that the individual grid sections have different grid parameters, so that a modification of the Bragg wavelength or the diffraction efficiency is individually adjustable.
25. System nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass für ein zweiachsiges System, bei dem die Divergenz und/oder die Größe der Strahltaillen der Strahlenquellen in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen unterschiedlich sind, die ihrerseits senkrecht zur Propagationsrich- tung senkrecht stehen, insbesondere für Diodenlaser in einer Achse abbildend ist und in der anderen Achse kollimierend ist. 25. System according to any one of claims 1 to 24, characterized in that for a biaxial system in which the divergence and / or the size of the beam waistings of the radiation sources are different in two mutually perpendicular directions, which in turn perpendicular to the propagation direction perpendicular stand, in particular for diode laser in one axis is imaging and collimating in the other axis.
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