DE112019003590T5

DE112019003590T5 - Verfahren und systeme zur spektralstrahlzusammenführung

Info

Publication number: DE112019003590T5
Application number: DE112019003590.8T
Authority: DE
Inventors: Steven H. Macomber
Original assignee: Daylight Solutions Inc
Current assignee: Daylight Solutions Inc
Priority date: 2018-07-14
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2021-06-24
Also published as: TWI805740B; GB2589779B; TW202007029A; US20210135423A1; GB2589779A; CA3104479A1; GB202100082D0; WO2020018160A1

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zum Zusammenführen der Spektralstrahlen einer Anordnung von Lichtleitfasern. Jede der Faser kann an ein leistungsstarkes, wellenlängenstabilisiertes, fasergekoppeltes Diodenlasermodul gekoppelt sein und weist eine für die jeweilige Faser vorgewählte Wellenlänge auf. Die Wellenlängen können so gewählt werden, dass die Anordnung an z. B. einem Transmissionsgitter spektral zusammengeführt und wieder in eine Ausgangsfaser fokussiert werden kann. Dieser Ansatz ist skalierbar, z. B. auf eine Leistung von 10 kW, und weist eine für Metallschneideanwendungen ausreichende Strahlqualität auf.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zur Herstellung und zum Betreiben von Lasern, insbesondere auf ein skalierbares Direktdiodenlasersystem, das eine Zusammenführung der Spektralstrahlen fasergekoppelter Diodenlaser umfassen kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Industrielle Hochleistungslaser können für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, z. B. zum Metallschneiden, Sintern und Schweißen. Für diese Anwendungen kann ein Strahl, der sich auf einen kleinen Punkt fokussieren lässt, mit einer optischen Leistung in der Größenordnung von einem Kilowatt oder mehr erforderlich sein. Häufig werden bei Techniken für solche Anwendungen diodengepumpte Festkörperlaser oder diodengepumpte Faserlaser verwendet. Auch wenn sich mit diesen Techniken eine geeignete Leistung sowie Strahldichte erzielen lässt, kann der Wärmeverlust bei der Umwandlung der aufgenommenen Pumpdiodenlaserleistung in die Ausgangsleistung der diodengepumpten Laser mit hoher Strahldichte erheblich sein. Die Abmessungen von Lasersystemen für solche Anwendungen sind üblicherweise beträchtlich und aufgrund der zum Erzielen einer für eine bestimmte Anwendung, wie z. B. Metallschneiden, Sintern oder Schweißen, ausreichenden Leistung erforderlichen großen Anzahl von Diodenpumpkomponenten, oft kostspielig.
Figurenliste
Die beiliegenden Figuren, die für ein besseres Verständnis der Erfindung beigefügt und in diese Schrift aufgenommen sind und einen Teil dieser bilden, veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundsätze der Erfindung.
Von den Figuren:

zeigt 1A eine Draufsicht auf ein zur Veranschaulichung dienendes Spektralstrahlzusammenführungssystem, das über mehrere Lichtleitfasern, die in, auf oder über einer Oberfläche eines Substratelements angeordnet sind, elektromagnetische Energie mehrerer Wellenlängen erhält, um eine kollimierte elektromagnetische Energie auszubilden, die über eine Ausgangsfaser ausgegeben wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 1B eine Seitenansicht des in 1A dargestellten, zur Veranschaulichung dienenden Spektralstrahlzusammenführungssystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 1C eine perspektivische Ansicht einer zur Veranschaulichung dienenden Lichtleitfaser, die in dem in den 1A und 1B dargestellten, zur Veranschaulichung dienenden Lasersystem verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 2 eine schematische Darstellung eines zur Veranschaulichung dienenden Systems, bei dem das Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 verwendet wird, um elektromagnetische Energie mit einer zum Abtragen (d. h. Schneiden) von Material von einem Werkstück tauglichen relativ hohen Ausgangsleistung auszugeben, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 3 eine schematische Ansicht eines zur Veranschaulichung dienenden Systems, bei dem die auftreffende elektromagnetische Energie elektromagnetische Energie mehrerer Wellenlängen umfasst, die auf eine streuende Vorrichtung oder ein streuendes System wie beispielsweise ein Transmissionsgitter auftreffen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 4A eine schematisches Darstellung eines zur Veranschaulichung dienenden Systems, bei dem eine Quelle elektromagnetischer Energie kollinear zur optischen Achse des ersten optischen Elements (z. B. einer Linsenkombination) angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 4B eine schematische Darstellung eines anderen zur Veranschaulichung dienenden Systems, bei dem die elektromagnetische Quelle in einem kleinen Abstand zur optischen Achse des ersten optischen Elements (z. B. einer Linsenkombination) angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 5 ein Flussdiagramm auf hohem Niveau, das ein zur Veranschaulichung dienendes Verfahren für die Bestimmung von einem oder mehreren Parametern des Spektralstrahlzusammenführungssystems darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 6A eine Tabelle, die mehrere Systemparameter enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 6B eine Tabelle, die einen mehrere Wellenlängen enthaltenden Satz umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 7A ein Bild eines hypothetischen Modellsystems, das eine Faserquelle mit einem Kerndurchmesser von 105 µm und einem gaußschen Spektrum mit einer Halbwertsbreite von 4 nm umfasst, und in das ein weißer Kreis (der eine perfekt abgebildete Faser darstellt) von 105 µm Durchmesser eingeblendet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 7B ein Bild eines hypothetischen Modellsystems, das eine Faserquelle mit einem Kerndurchmesser von 105 µm und einem gaußschen Spektrum mit einer Halbwertsbreite von 0,3 nm umfasst, und in das ein weißer Kreis (der eine perfekt abgebildete Faser darstellt) mit einem Durchmesser von 105 µm eingeblendet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 7C ein Bild eines Laborsystems, das eine Faserquelle mit einem Kerndurchmesser von 105 µm und einem gaußschen Spektrum mit einer Halbwertsbreite von 4 nm umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 7D ein Bild eines Laborsystems, das eine Faserquelle mit einem Kerndurchmesser von 105 µm und einem gaußschen Spektrum mit einer Halbwertsbreite von 0,3 nm umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 8A einen vertikalen Querschnitt durch ein als Beispiel dienendes System, bei dem die mehreren Lichtleitfasern aneinander angrenzend und benachbart zu zumindest einem Teil einer Oberfläche eines flachen bzw. ebenen Substrats (z. B. eines technischen oder bearbeiteten Substrats) angeordnet sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 8B einen vertikalen Querschnitt durch ein anderes als Beispiel dienendes System, bei dem zumindest einige der mehreren Lichtleitfasern zueinander beabstandet sind, um kleine Anpassungen von Lage und/oder Position zur Kompensation von Wellenlängenfehlern der von einer oder mehreren Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie erzeugten elektromagnetischen Energie zu ermöglichen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 8C einen vertikalen Querschnitt durch ein weiteres als Beispiel dienendes System, bei dem in der Oberfläche der Unterlage oder des Substrats mehrere Rillen, Kanäle oder ähnliche Nuten ausgebildet oder auf andere Weise angeordnet sind, sodass von zumindest einigen der mehreren Lichtleitfasern jede zur Bildung einer Registeranordnung (registered array) zumindest teilweise in einer jeweiligen Nut angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 9A eine Draufsicht auf ein zur Veranschaulichung dienendes Spektralstrahlzusammenführungssystem, das ein drittes optisches Element enthält, das eine Strahlformung ermöglicht, um die spektrale Verbreiterung der elektromagnetischen Energie zu kompensieren, die durch die streuende Vorrichtung oder das streuende System bedingt ist oder verursacht wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 9B eine Seitenansicht des in 9A dargestellten Spektralstrahlzusammenführungssystem, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 10 eine Draufsicht auf ein zur Veranschaulichung dienendes System, das ein Faserbündel mit mehreren Lichtleitfasern umfasst, die in, auf oder um zumindest einen Teil einer Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, und bei dem von einigen oder allen der mehreren Lichtleitfasern jede unter Einsatz von einem oder mehreren Klebstoffmaterialien, durch die die über die mehreren Fasern geführte elektromagnetische Energie hindurchtreten kann, an ein mit einer Antireflexionsbeschichtung versehenes optisches Element gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
zeigt 11 eine Draufsicht auf ein zur Veranschaulichung dienendes System, das ein Faserbündel mit mehreren Lichtleitfasern umfasst, die in, auf oder um zumindest einen Teil einer Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, und bei dem von einigen oder allen der mehreren Lichtleitfasern jede unter Einsatz von einem oder mehreren Klebstoffmaterialien, durch die die über die mehreren Fasern geführte elektromagnetische Energie hindurchtreten kann, an ein konkaves optisches Element (d. h. eine Linse) gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
So wie in dieser Schrift verwendet, bezieht sich der Begriff „optisch“ auf elektromagnetische Energie in einem beliebigen Teil des elektromagnetischen Spektrums, die, ohne darauf beschränkt zu sein, elektromagnetische Energie im gesamten Bereich oder einem Teilbereich von einem oder mehreren der folgenden Spektren umfasst: das für den Menschen sichtbare Spektrum, das elektromagnetische Energie mit Wellenlängen von 400 Nanometern (nm) bis 790 nm; das ultraviolette (UV) Spektrum, das elektromagnetische Energie mit Wellenlängen von weniger als 400 nm; und/oder das infrarote (IR) Spektrum, das elektromagnetische Energie mit Wellenlängen von mehr als 790 nm. Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, sind Elemente, Vorrichtungen und/oder Komponenten, die als „optisch“ bezeichnet werden (z. B. ein „optisches Element“), in ähnlicher Weise als für elektromagnetische Energie mit Wellenlängen im UV-, sichtbaren und/oder IR-Spektrum durchlässig oder transparent zu verstehen, beispielsweise eine Glaslinse oder ein gläserner Reflektor oder ein gläsernes Transmissionsgitter. Einige optische Elemente wie beispielsweise ein Metallspiegel oder ein Metallgitter oder eine gläserne Optik mit einer hochreflektierenden Beschichtung sind nicht lichtdurchlässig. Ein weiteres Beispiel für optische Elemente bilden gekrümmte Spiegel, die eine den Linsen gleiche Abbildungsfunktion aufweisen können.
Bei den in dieser Schrift offenbarten Systemen und Verfahren wird eine Lichtleitfaser verwendet, um fokussierte, kollimierte elektromagnetische Energie bei mehreren Frequenzen zu erhalten. Dies ermöglicht in günstiger und vorteilhafter Weise ein Erzeugen elektromagnetischer Energie mit relativ hoher Ausgangsleistung, die über eine Ausgangsfaser übertragen werden kann. Die eine relativ hohe Ausgangsleistung aufweisende elektromagnetische Energie ist für eine Vielzahl von Materialabtrags-, Materialherstellungs- und Materialschneideverfahren geeignet.
1A zeigt eine Draufsicht auf ein zur Veranschaulichung dienendes Faserspektralstrahlzusammenführungssystem 100, das über mehrere Lichtleitfasern 11A-11n (zusammen als „Lichtleitfasern 11“ bezeichnet), die in, auf oder über einer Oberfläche eines Substratelements 27 angeordnet sein können, elektromagnetische Energie mehrerer Wellenlängen erhält, um eine kollimierte elektromagnetische Energie auszubilden, die über eine Ausgangsfaser 25 ausgegeben wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1B zeigt eine Seitenansicht des in 1A dargestellten, zur Veranschaulichung dienenden Spektralstrahlzusammenführungssystems 100, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1C zeigt eine perspektivische Ansicht einer zur Veranschaulichung dienenden Lichtleitfaser 11, die in dem in den 1A und 1B dargestellten, zur Veranschaulichung dienenden Lasersystem 10 verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einige oder alle der Lichtleitfasern 11 jeweils elektromagnetische Energie gleicher oder unterschiedlicher Wellenlängen übertragen. Das Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 kollimiert die über die jeweiligen Lichtleitfasern 11 übertragene elektromagnetische Energie, um über die Ausgangsfaser 25 elektromagnetische Energie mit relativ hoher Ausgangsleistung bereitzustellen.
Wie in den 1A und 1B dargestellt, kann die elektromagnetische Energie, die von den im Faserbündel 14 enthaltenen Lichtleitfasern 11 erhalten wird, bei mehreren Wellenlängen oder Frequenzen vorliegen. Die erhaltene elektromagnetische Energie kann in die Lichtleitfasern 11 unter Verwendung einer beliebigen Anzahl von Quellen elektromagnetischer Energie wie z. B. einer oder mehreren Laserdioden, fasergekoppelten Modulen (FCMs) und/oder ähnlichen Quellen elektromagnetischer Energie eingespeist werden. Das Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 kollimiert die erhaltene elektromagnetische Energie relativ geringer Leistung, um eine einzige elektromagnetische Ausgangsenergie relativ hoher Leistung auszubilden, die auf eine Ausgabevorrichtung oder -system wie beispielsweise eine kleine Fläche oder einen Brennpunkt 26 an dem/den Kern(en) einer Ausgangsfaser 25 fokussiert wird. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Ausgangsfaser 25 wenigstens eine Multimodeausgangsfaser umfassen, die elektromagnetische Energie mehrerer Übertragungsmodi oder unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig leitet. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Lichtleitfasern 11 vor einem ersten optischen Element 17 (z. B. einer Kollimationslinse) angeordnet sein, das sich in oder entlang der optischen Achse bzw. des Strahlengangs 29 und/oder entlang der optischen Achse der einfallenden elektromagnetischen Energie befindet. Obwohl in 1 als verkittete Doublette dargestellt, kann diese in anderen Ausführungsformen auch durch andere Linsen wie z. B. Doubletten mit Luftspalt, Tripletten mit Luftspalt oder asphärische Linsen, ersetzt sein. Aufgrund der größeren Reflexionsverluste von Linsensystemen mit Luftspalt (die auf die größere Anzahl von Linsenoberflächen zurückzuführen sind), kann der Wirkungsgrad solcher Linsen gegenüber verkitteten Linsensystemen jedoch geringer sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zwischen dem ersten optischen Element 17 und einem zweiten optischen Element 23 (z. B. einer Linse wie beispielsweise einer fokussierenden Linse) eine elektromagnetische Energie streuende Vorrichtung bzw. ein elektromagnetische Energie streuendes System 20 (z. B. ein Gitter wie beispielsweise ein Transmissionsgitter) angeordnet sein, wobei sich das zweite optische Element 23 in oder entlang des Strahlengangs und/oder entlang der optischen Achse der aus der elektromagnetischen Energie streuenden Vorrichtung bzw. der aus dem elektromagnetische Energie streuenden System 20 austretenden elektromagnetischen Energie befindet. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können sowohl die erste optische Vorrichtung 17 als auch das zweite optische Element 23 quer zu einer optischen Achse des Spektralstrahlzusammenführungssystems 100 angeordnet sein.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zur Veranschaulichung dienenden Metallschneidesystems 200, bei dem das Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 verwendet wird, um elektromagnetische Ausgangsenergie mit einer relativ hohen Leistung auszugeben, die zum Abtragen (d. h. Schneiden) von Material von einem Werkstück geeignet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei einer wie in 2 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhält jede der mehreren Lichtleitfasern 11A-11n elektromagnetische Energie von einer jeweils zugehörigen der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n (zusammen als „Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31‟ bezeichnet). Einige oder alle der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 können im Faserbündel 14 enthaltenen entsprechende Lichtleitfasern 11 mit elektromagnetischer Energie relativ geringer Leistung gleicher oder unterschiedlicher Wellenlängen versorgen. Bei zumindest einigen Ausführungsformen weisen zumindest einige der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 eine oder mehrere Laserquellen auf, die zum Zurverfügungstellen, Erzeugen oder zum anderweitigen Emittieren elektromagnetischer Energie definierter Wellenlänge oder innerhalb eines definierten Wellenlängenbereichs ausgebildet sind. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich bei einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 beispielsweise um eine fasergekoppelte Lichtquelle wie beispielsweise ein fasergekoppeltes Modul (FCM), ein fasergekoppeltes Laserdiodenmodul, oder einen einzelfasergekoppelten Laser handeln. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich bei einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 um einen Einzeldiodenlaser oder um einen Mehrdiodenlaser (z. B. ein FCM mit mehreren Diodenlasern, die beispielsweise in einem Einzelgehäuse oder -behälter verbaut sind) handeln. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, kann eine als Einzeldiodenlaser ausgebildete elektromagnetische Strahlungsvorrichtung 31 an eine Monomodefaser (oder eine Multimodefaser) gekoppelt sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine als Mehrdiodenlaser ausgebildete elektromagnetische Strahlungsvorrichtung 31 an eine Multimodefaser gekoppelt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 (z. B. ein fasergekoppeltes Modul) eine oder mehrere Lasereinrichtungen (z. B. Laserdiodenvorrichtungen) auf. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System 200 mehrere Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 wie beispielsweise FCMs aufweisen, die jeweils an eine der Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 gekoppelt sind und an diese elektromagnetische Energie ausgeben. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 an eine jeweilige bzw. zugehörige Lichtleitfaser 11 des Faserbündels 14 individuell gekoppelt, sodass jede der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 an eine jeweils andere der Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält jedes der mehreren FCMs einen oder mehrere Diodenlaser und/oder Diodenlaserchips, und jeder dieser Diodenlaser und/oder Diodenlaserchips kann einen entsprechenden Unterbau aufweisen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung leitet jede der Lichtleitfasern 11 elektromagnetische Energie, die von einer entsprechenden der mehreren Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 produziert, erzeugt, oder anderweitig emittiert wird. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung leitet jede der Lichtleitfasern 11 elektromagnetische Energie einer oder mehrerer Wellenlängen, zum Beispiel elektromagnetische Energie im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums oder elektromagnetische Energie in einem anderen Bereich oder anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, die eine für ein in Frage kommendes System bzw. eine in Frage kommende Anwendung geeignete Energiemenge (z. B Licht und/oder Wärme) erzeugt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefern die Lichtleitfasern 11A-11n des Faserbündels 14 elektromagnetische Energie an die Kollimationslinse 17. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Ende 15 einer jeden der mehreren Lichtleitfasern 11 gespalten und/oder poliert sein. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Enden 15 der Lichtleitfasern 11 so auf einem Substratelement 27 angeordnet, positioniert oder anderweitig platziert sein, dass sie eine Anordnung der Lichtleitfasern 11 mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen ausbilden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Substratelement 27, auch wenn dies aus 1 nicht ersichtlich ist, mehrere im Allgemeinen zueinander parallele Ausnehmungen aufweisen, wobei in jeder der mehreren Ausnehmungen eine entsprechend der mehreren Lichtleitfasern 11A-11n aufgenommen werden kann. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die mehreren Lichtleitfasern 11 zum Beispiel in einer eng beabstandeten (die Lichtleitfasern können zueinander zum Beispiel einen Abstand von etwa zwei Mikrometer aufweisen) und definierten Anordnung angeordnet sein, die zum Beispiel auf einem Substratelement 27, beispielsweise einem ebenen Substratelement, ausgebildet, gekoppelt oder angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine elektromagnetische Strahlungsvorrichtung 31 einen Einzeldiodenlaser aufweisen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich bei einer elektromagnetischen Strahlungsvorrichtung 31 um ein FCM handeln, das einen Einzeldiodenlaser aufweist.
Wie in 1C dargestellt, kann jede der mehreren Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 einen Kern 12 aufweisen, der zumindest teilweise von einer um die Peripherie des Kerns 12 herum angeordneten äußeren Ummantelung 13 umgeben ist. Die Lichtleitfaser 11 kann auch eine lichtdurchlässige oder lichtundurchlässige Umhüllung (aus 1C nicht ersichtlich) aufweisen, die um die gesamte oder einen Teil des Umfangs der äußeren Ummantelung 13 angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können der Kern 12 und/oder die Ummantelung 13 zumindest teilweise aus Glas (z. B. Siliciumdioxid, SiO₂) gebildet sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können der Kern 12 und/oder die Ummantelung 13 zumindest teilweise aus einer Mischung gebildet sein, die eine oder mehrere Arten von Polymeren und/oder Glas enthält. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können der Kern 12 und/oder die Ummantelung 13 aus einem oder mehreren Polymeren gebildet sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist elektromagnetische Energie auf den Kern 12 beschränkt, die einen Bestandteil oder eine Komponente der elektromagnetischen Energie im gesamten Bereich oder einem Teilbereich von einem oder mehreren der folgenden Spektren enthält: dem ultravioletten elektromagnetischen Spektrum mit Wellenlängen unterhalb von etwa 400 Nanometern (nm), sichtbaren elektromagnetischen Spektrum mit Wellenlängen von etwa 400 nm bis etwa 790 nm, und/oder infraroten elektromagnetischen Spektrum mit Wellenlängen oberhalb von etwa 790 nm. Bei solchen Ausführungsformen ist der Brechungsindex des den Überzug bzw. die Ummantelung 13 bildenden Materials kleiner als der Brechungsindex des den Kern 12 bildenden Materials. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, auch wenn dies nicht dargestellt ist, jede der Lichtleitfasern 11 eine handelsübliche Faser mit einem äußeren Überzug bzw. einer Umhüllung sein. Wenn solche handelsüblichen Fasern einen äußeren Überzug oder eine Umhüllung aufweisen, kann die Umhüllung bzw. der äußere Überzug von der Lichtleitfaser über eine Länge abgezogen werden, die sich bis zum Ende 15 der Lichtleitfaser 11 erstreckt. Die Lichtleitfaser 11 kann zum Beispiel einen äußere Polymerüberzug aufweisen, der sich entlang der gesamten oder eines Teils der Länge einer jeweiligen Lichtleitfaser 11 des Faserbündels 14 zumindest teilweise um die Peripherie der Ummantelung 13 erstreckt.
Die Ummantelung der Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 kann beliebig dick sein, wobei die Dicke der Ummantelung zum Beispiel etwa 10 Mikrometer dicker sein kann als der Kerndurchmesser der jeweiligen Lichtleitfaser 11. Bei einem ersten nicht einschränkenden Beispiel können die Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 einen Kerndurchmesser von 50 Mikrometer (µm) und eine Ummantelung mit einem Durchmesser von 125 µm aufweisen. Bei einem anderen nicht einschränkenden Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 einen Kerndurchmesser von 105 µm und eine Ummantelung mit einem Durchmesser von 125 µm aufweisen. Ein Durchschnittsfachmann weiß selbstverständlich, dass auch andere Kerndurchmesser und/oder Ummantelungsdurchmesser verwendet werden können.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein erstes Ende 33A-33n einer jeden der mehreren Lichtleitfasern 11A-11n des Faserbündels 14 mittels Fusionsspleißen oder eines anderen Verbindungsverfahrens und/oder einer Fusionsspleiß- oder anderen Verbindungsvorrichtung an eine entsprechende der mehreren Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n (z. B. eine fasergekoppelte Lichtquelle, wie beispielsweise ein fasergekoppeltes Modul) gekoppelt werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet ein zweites Ende 15 einer jeden der mehreren Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 einen Teil der Faseranordnung und kann auf der Oberfläche eines Substratelements 27 angeordnet sein und zumindest einen Teil der von den jeweiligen Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 zur Verfügung gestellten oder anderweitig erzeugten elektromagnetischen Energie an eine kollimierende Vorrichtung 17 wie beispielsweise einen Kollimator leiten, übertragen oder anderweitig führen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die von den Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 ausgegebene Energie an eine kollimierende Vorrichtung 17 wie beispielsweise einen Kollimator optisch gekoppelt.
Ein der vorliegenden Erfindung gemäßes System 200 kann mehrere Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n aufweisen, beispielsweise mehrere FCMs, von denen jede an eine entsprechende der mehreren Vorrichtungsausgangsfasern 30A-30n optisch gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jede der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n eine Vorrichtungsausgangsfaser 30A-30n aufweisen, an diese gekoppelt (z. B. mechanisch oder optisch gekoppelt) oder mit dieser integriert ausgeführt sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Vorrichtungsausgangsfaser 30 mit einer Lichtleitfaser 11 fusionsgespleißt oder anderweitig an diese gekoppelt sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei einer Vorrichtungsfaser 30 um eine Lichtleitfaser 11 (d. h., die Vorrichtungsausgangsfaser 30 und die Lichtleitfaser 11 können ein und dieselbe sein).
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n innerhalb der zugehörigen Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 eine Quelle elektromagnetischer Energie 32 wie beispielsweise einen Diodenlaser aufweisen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich, wenn eine Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Strahlung 31 (z. B. ein FCM) mehrere Quellen elektromagnetischer Energie 32A-32n (z. B. mehrere Diodenlaser 32A-32n) aufweist, bei der Lichtleitfaser 11 um eine Multimodefaser handeln. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wenn es sich bei einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Strahlung 31 um eine Vorrichtung handelt, die elektromagnetische Energie mit nur einem Modus ausgibt, die Lichtleitfaser 11 von einer Monomodefaser gebildet.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Ausgangsfaser 30 einer jeden der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 beispielsweise mittels Fusionspleißen an eine entsprechende der Lichtleitfasern 11A-11n optisch gekoppelt sein. Beim Fusionsspleißen werden zwei Faserenden so miteinander verschmolzen, dass die elektromagnetische Diskontinuität beim Durchgang eines optischen Signals durch die zwischen den Lichtleitfasern ausgebildete Verbindung minimal oder idealerweise gar nicht vorhanden ist. Das Fusionsspleißen ermöglicht einem Systemmonteur in vorteilhafter Weise eine Reparatur und/oder einen Ersatz einer nicht funktionsfähigen oder fehlerhaften Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 ohne die elektromagnetische Ausgangsleistung der restlichen Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 zu beeinträchtigen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung divergiert die aus jeder der mehreren Lichtleitfasern 11A-11n austretende elektromagnetische Energie mit einer gewissen Winkelverteilung 16. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lässt sich eine Lichtleitfaser 11 mittels des Durchmessers des Kerns 12 und seiner zugehörigen numerischen Apertur charakterisieren. Die numerische Apertur einer Lichtleitfaser 11 entspricht in etwa dem im Bogenmaß ausgedrückten halben Winkel der Divergenz. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Lichtleitfaser 11 beispielsweise einen Kerndurchmesser von oder von in etwa 0,105 mm und eine numerische Apertur von oder von in etwa 0,15 aufweisen. Ein Kern 12 mit einem zum Beispiel wie im Beispiel 0,105 mm großen Durchmesser kann mehrere elektromagnetische Übertragungsmoden unterstützen. Eine Faser, die mehrere elektromagnetische Übertragungsmoden unterstützt, kann als „Multimode“-Faser bezeichnet werden. Multimodelichtleitfasern sind von „Monomode“-Lichtleitfasern zu unterscheiden, die einen kleineren Kern (z. B. 0,01 mm) besitzen und nur einen einzigen optischen Modus unterstützen können. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 teilweise oder vollständig in einem Gehäuse oder einem Behältnis angeordnet sein.
Bei einer Ausführungsform eines der vorliegenden Erfindung gemäßen Systems 100, 200 handelt es sich bei den mehreren Lichtleitfasern 11 um Multimodefasern, die an die erste optische Vorrichtung 17 optisch gekoppelt sind, wobei die erste optische Vorrichtung 17 über die mehreren Fasern 11 (bei denen es sich in diesem Beispiel um Multimodefasern handelt) mehrere elektromagnetische Energiezuführungen erhält.
Bei einem Beispiel einer der vorliegenden Erfindung gemäßen Ausführungsform eines Systems 100, 200 ist eine erste der mehreren Lichtleitfasern 11 eine Multimodefaser, die über eine Vorrichtungsausgangsfaser 30 an eine erste Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 wie zum Beispiel ein fasergekoppeltes Modul gekoppelt ist, und eine zweite der mehreren Lichtleitfasern 11 ist eine Multimodefaser, die über eine Vorrichtungsausgangsfaser 30 an eine zweite Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Strahlungsenergie 31, wie zum Beispiel ein fasergekoppeltes Modul, gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine elektromagnetische Strahlungsvorrichtung 31 die elektromagnetische Strahlungsvorrichtung 31 und die Vorrichtungsausgangsfaser 30 umfassen. Bei einer der vorliegenden Erfindung gemäßen Ausführungsform eines Systems 100, 200 handelt es sich bei mehreren Lichtleitfasern 11 um mehrere Monomodelichtleitfasern, die an die erste optische Vorrichtung 17 optisch gekoppelt sind, wobei die erste optische Vorrichtung die mehreren elektromagnetischen Energiezuführungen über die mehreren Lichtleitfasern 11 erhält, bei denen es sich um Monomodefasern handelt. Bei einer der vorliegenden Erfindung gemäßen Ausführungsform eines Systems 100, 200 ist eine erste der mehreren Lichtleitfasern 11 (die in diesem Beispiel eine Monomodefaser ist) an eine Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Strahlungsenergie 31 gekoppelt, bei der es sich um einen Diodenlaser 32A handelt, und eine zweite der mehreren Lichtleitfasern 11 (die in diesem Beispiel eine Monomodefaser ist) ist an einen zweiten Diodenlaser 32B gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zweite Ende 33A-33n von einigen oder allen der mehreren Lichtleitfasern 11A-1 1n jeweils an eine zugehörige Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n gekoppelt sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich bei einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n um eine wellenlängenstabilisierte Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie handeln. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die aus den mehreren Lichtleitfasern 11A-11n jeweils austretende elektromagnetische Energie unter Einsatz des ersten optischen Elements 17 (z. B. eines Kollimators, der in einem der Brennweite entsprechenden Abstand zu den Faserenden angeordnet ist) kollimiert werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können eine streuende Vorrichtung oder ein streuendes System 20 (z. B. ein Gitter) verwendet werden, um die gesamte oder einen Teil der aus dem ersten optischen Element 17 austretenden elektromagnetischen Energie zu beugen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 die einfallende elektromagnetische Energie in eine beliebige Winkelrichtung beugen. Beispielsweise weist die in 1 dargestellte Ausführungsform ein Transmissionsgitter 20 auf, das die einfallende elektromagnetische Energie um einen Winkel (z. B. einen wie dargestellten 90°-Winkel) in Richtung der zweiten optischen Vorrichtung 23 (z. B. einer fokussierenden Linse) beugt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung produziert, erzeugt und/oder gibt die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 einen oder mehrere kollimierte Strahlen elektromagnetischer Energie aus.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der eine oder jeder der mehreren kollimierten Strahlen elektromagnetischer Energie in eine gemeinsame Winkelrichtung 22 gebeugt und kann mit Hilfe des zweiten optischen Elements 23 auf eine kleine Fläche oder einen kleinen Bereich, beispielsweise einen Brennpunkt 26 am Ende der Ausgangsfaser 25 fokussiert werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zweite optische Element 23 eine oder mehrere Linsen aufweisen, beispielsweise eine oder mehrere zusammenführende Linsen und/oder eine oder mehrere fokussierende Linsen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können eine der vorliegenden Erfindung gemäße streuende Vorrichtung oder ein der vorliegenden Erfindung gemäßes streuendes System 20 ein optisches Element umfassen, das eine erste Oberfläche 19 und eine zweite Oberfläche 21 aufweist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Oberflächenstruktur 43 (z. B. eine periodische Riffelung einer Oberfläche im Submikrometerbereich), die zumindest einen Teil der auf die erste Oberfläche 19 auftreffenden elektromagnetischen Energie beugt, auf, über oder um die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 oder einen Teil der streuenden Vorrichtung bzw. des streuenden Systems 20 angeordnet oder in oder mit diesen oder einem Teil dieser integriert sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zweite Oberfläche 21 mit einer Substanz oder einem Oberflächenauftrag 44 (z. B. einer Antireflexionsbeschichtung (AR)) (nicht dargestellt) beschichtet sein, die auf, über oder um die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 oder zumindest einen Teil davon angeordnet oder in diese oder einem Teil davon integriert sein kann. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden ein Beugungsgitter und/oder ein Transmissionsgitter und/oder ein Reflexionsgitter die streuende Vorrichtung bzw. das streuende System 20. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beugen, übertragen und/oder reflektieren die streuende Vorrichtung bzw. das streuende System die auf sie auftreffende elektromagnetische Energie.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die elektromagnetische Energie zu einem oder mehreren Brennpunkten 26 fokussiert werden, zum Beispiel einem oder mehreren Brennpunkten 26 an einer Ausgangsfaser 25. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die von der Ausgangsfaser 25 ausgegebene elektromagnetische Leistung um einen Faktor oder in etwa um einen Faktor, der der Anzahl der in den mehreren Lichtleitfasern 11A-11n enthaltenen Lichtleitfasern entspricht, größer als die von einer jeden der mehreren Lichtleitfasern 11A-11n ausgegebenen elektromagnetischen Leistung. Die wesentlich größere elektromagnetische Ausgangsleistung ermöglicht in vorteilhafter Weise Anwendungen, die eine hohe Leistung (z. B. Kilowatt) erfordern, wie beispielsweise das in 2 gezeigte Schneiden von Metall. Die Ausgangsfaser 25 kann z. B. eine beliebige Anzahl und/oder Kombination von Stufenindex-Lichtleitfasern und/oder Gradientenindex-Lichtleitfasern umfassen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Ausgangsfaser 25 eine Multimodelichtleitfaser umfassen oder eine Multimodelichtleitfaser sein.
Wie aus 2 ersichtlich kann das Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Erhöhen der Ausgangsenergie oder -leistung eines Materialabtragsystems, wie z. B. eines in 2 anschaulich dargestellten Metallschneidesystems 200 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jede der mehreren Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n mit einer zugehörigen der Lichtleitfasern 11A-11n beispielsweise durch Fusionsspleißen mit einer der Ausgangsfasern 30A-30n (die jeweils einer der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n zugeordnet sind) an einer Verbindungsstelle 28 (d. h. an einer Stelle, an der ein Ende einer Vorrichtungsausgangsfaser 30 mit einer Lichtleitfaser 11 verbunden, gekoppelt oder integriert ist) optisch gekoppelt sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geht von jeder der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31n eine zugehörige Ausgangsfaser 30A-30n ab. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jede der Lichtleitfasern zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 30A-30n auf eine bestimmte oder gewünschte Länge geschnitten sein, ein Teil ihrer Umhüllung kann abgezogen sein, wenn als Ausgangslichtleitfaser 30A-30n eine handelsübliche mit einer Umhüllung ausgebildete Faser verwendet wird, sie kann an einem Ende der Ausgangsfaser 30A-30n auf eine gewünschte Länge gespalten sein und kann mit einem Ende 33A-33n einer entsprechenden bzw. zugehörigen der mehreren Lichtleitfasern 11A-11n verspleißt sein.
Wie aus 2 ersichtlich kann das Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 über die Ausgangsfaser 25 an eine Fokussiervorrichtung 38, wie z. B. eine fokussierenden Linse, optisch gekoppelt sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die aus der fokussierenden Linse 38 austretende elektromagnetische Energie zum Abtragen von Material von einer Oberfläche eines Werkstücks 40 verwendet werden, indem die aus der fokussierenden Linse austretende elektromagnetische Energie auf eine kleine Fläche oder einen Brennpunkt 39 auf der Oberfläche des Werkstücks 40 fokussiert wird.
Das in 2 dargestellte Beispiel eines Systems 200 weist insgesamt zehn (10) Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 auf. Die Leistung des Systems 200 ist im Verhältnis zur Anzahl der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 (z. B. Laservorrichtungen, wie zum Beispiel fasergekoppelter Module FCMs) skalierbar. Das System kann eine größere oder geringere Anzahl an Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 aufweisen als in 2 dargestellt. Beispielsweise würden zehn Faserquellen (d. h. zehn Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31) mit jeweils 200 Watt Ausgangsleistung 2000 Watt (2 kW) an einer kleinen Fläche oder einem Brennpunkt 39 auf der Oberfläche des Werkstücks 40 zur Verfügung stellen. Diese Ausgangsenergie reicht zum Schneiden eines mäßig dicken Metallwerkstücks 40 mit einer brauchbaren Vorschubgeschwindigkeit. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System 200 eine oder mehrere Stromversorgungen 36 aufweisen. Bei einem der vorliegenden Erfindung gemäßen System 200 kann ein Spektralstrahlzusammenführer 100 unabhängig von der Anzahl der verwendeten elektromagnetischen Ausgangsvorrichtungen 31 (z. B. Laserausgangsvorrichtungen wie beispielsweise fasergekoppelter Module) verwendet werden. Bei einer Nutzung der Erfindung mit dem Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 lässt sich die Anzahl der erforderlichen Komponenten bei einem System 200 gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu komplizierteren Faserlaser- oder Festkörperlasersystemen vorteilhaft minimieren.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede der mehreren Lichtleitfasern 11A-11n wie in 2 gezeigt an eine zugehörige der mehreren Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 (z. B. wellenlängenstabilisierte Diodenlaserquellen) gekoppelt. Die von jeder der Lichtleitfasern 11 übertragene elektromagnetische Energie wird mit Hilfe eines ersten optischen Elements 17 (z. B. einer kollimierenden Vorrichtung oder Linse) kollimiert 18 (d. h. die Strahlen werden parallel gemacht), wobei die Energie (z. B. Licht) bei jeder Wellenlänge der aus einer jeweiligen der Lichtleitfasern 11 austretenden elektromagnetischen Energie unter einem leicht unterschiedlichen Winkel kollimiert wird. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die über die jeweiligen Lichtleitfasern 11A-11n geleiteten elektromagnetischen Wellenlängen so vorausgewählt und/oder vorgegeben sein, dass die gesamte aus dem ersten optischen Element 17 austretende (d. h. von diesem emittierte, übertragene oder ausgegebene) elektromagnetische Energie nach dem Beugen an der streuenden Vorrichtung bzw. dem streuenden System 20 (z. B. dem Gitter) unter einem einzigen Winkel 22 kollimiert wird. Ein zweites optisches Element 23 (z. B. eine zweite Linse) fokussiert (und emittiert, überträgt oder gibt aus) die kollimierte, zusammengeführte elektromagnetische Energie zumindest auf eine einzige Stelle oder Punkt 26 am Ende der Faser 25.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können einige oder alle Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 in thermischem Kontakt mit einer Kühlplatte 34 angeordnet und/oder thermisch an diese gekoppelt sein. Die Kühlplatte 34 führt und/oder leitet die von den Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 erzeugte oder emittierte Wärme ab. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können zwischen einem Kühler 35 und der Kühlplatte 34 ein oder mehrere Kühlmittel, Kühlflüssigkeiten oder Kühlgase zirkulieren. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Ausgangsfaser 25 und/oder die fokussierende Linse 38 Eingangskoppler 37 aufweisen, die speziell dafür ausgelegt sind, die von den Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 erzeugte hohe Ausgangsleistung so zu handhaben, dass der Kern der Ausgangsfaser 25 optisch nicht beschädigt wird. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auf, um oder über der gesamten oder einem Teil der Oberfläche von einem oder beiden Enden der Ausgangsfaser 25 eine Antireflexionsbeschichtung angeordnet sein.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zumindest ein Teil der mehreren Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 ein oder mehrere fasergekoppelte Module (FCMs) aufweisen. Fasergekoppelte Module, die als Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 verwendet werden können, werden zum Beispiel von Unternehmen wie Lumentum, nLight, und II-VI hergestellt. Mehrere einzelne elektromagnetische Quellen, die elektromagnetische Energie erzeugen und ausgeben können, können zumindest teilweise innerhalb einer jeden der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31, ohne darauf beschränkt zu sein, mehrere Diodenlaser aufweisen, die jeweils eine elektromagnetische Energie bei einer oder mehreren bestimmten Wellenlängen oder innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs erzeugen und ausgeben können. Jede der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31, wie z. B. ein FCM, kann zum Bereitstellen oder Erzeugen einer elektromagnetischen Energieausgabe bei einer vorgewählten Wellenlänge spezifiziert sein. Die nominale Wellenlänge von Diodenlasern einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31, wie z. B. einem FCM, lässt sich durch die Zusammensetzung der Quantentopfschicht während des epitaktischen Aufwachsens des Halbleiterkristalls bestimmen, wie z. B. des Indiumanteils in einem In_xGa_1-xAs-Quantentopf. Außerdem existieren allgemein bekannte optische Techniken zum Stabilhalten und Einengen des Ausgangsspektrums von Diodenlasern, die auch die Verwendung eines in die Diode eingebetteten geätzten Gitters (als DFB-Laser bezeichnet) umfassen oder von einem innerhalb der internen Kopplungsoptik des FCMs ausgebildeten Volumen-Bragggitter Gebrauch machen. Bei zumindest einem Beispiel können mehrere Dioden, von denen jede eine elektromagnetische Ausgangsenergie bereitstellt, an eine einzige passive Lichtleitfaser 11 optisch gekoppelt sein. Als Beispiele können der vorliegenden Erfindung gemäße Lichtleitfasern 11 mit einem Kerndurchmesser von 105 Mikrometern (µm) und einer numerischen Apertur (NA) von 0,15 oder einem 200 µm-Kern und 0,22 NA genannt werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich bei einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Strahlung 31 um ein FCM handeln, das wenigstens zwei Vorrichtungen 32A, 32B (z. B. Diodenlaser) enthält. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Strahlung 31 zum Beispiel ein FCM sein, das zum Beispiel acht Vorrichtungen 32A-32H wie beispielsweise acht Hochleistungsdioden enthält, die innerhalb des FCM eingehaust oder angeordnet sind und die elektromagnetische Energie erzeugen, die in eine einzelne Lichtleitfaser 11, 30 eingekoppelt oder optisch an eine Lichtleitfaser 11, 30 gekoppelt wird. Wenn die Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Strahlung 31 (z. B. ein FCM) mehrere Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Strahlungsenergie 32A-32n (z. B. mehrere Diodenlaser) umfasst, ist die Lichtleitfaser 11, 30 bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Multimodefaser. Für eine angestrebte Ausgangsleistung einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 wie beispielsweise einem FCM kann die Anzahl der in einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 wie z. B einem FCM enthaltenen Vorrichtungen 32A-32n (z. B. Diodenlaser) durch das Strahlparameterprodukt (SPP) der Lichtleitfaser 11, 30 und die Ausgangsstrahlcharakteristika der der einzelnen Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31, beispielsweise der Hochleistungsdioden in den FCMs, bestimmt werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein zusätzlicher Faktor von zwei erreicht werden, indem bei diesem Beispiel der hohe Polarisationsgrad von Diodenlasern ausgenutzt wird und innerhalb der Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 bei insgesamt 16 Dioden an einem Polarisations-Strahlteilerwürfel zwei Strahlen kombiniert werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können zum Erzielen einer Gesamtausgangsleistung von etwa 200 W nicht weniger als 18 Dioden oder Diodenlaser zusammengefasst werden. Der vorliegenden Erfindung gemäße Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 wie z. B. FCMs können unter Einsatz von Linsen und Spiegeln mit Millimeterdimensionen zusammengebaut werden. Die in dieser Schrift offenbarten Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 können zum Beispiel etwa 1 bis 2 Pfund wiegen und eine Seitenlänge in der Größenordnung von vier Zoll aufweisen. Eine der vorliegenden Erfindung gemäße elektromagnetische Ausgabevorrichtung 31 wie beispielsweise ein FCM kann zum Beispiel eine Leistung von 200 W bei einem SPP von etwa 6 mm-mrad produzieren.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die interne Optik einer Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 wie z. B. eines FCMs Volumen-Bragggitter (VBG) aufweisen, die die Laser der Vorrichtung zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 auf einer einzigen Wellenlänge stabil halten können. Volumen-Bragggitter sind zumindest teilweise transparent und beugen innerhalb eines schmalen Spektralbereichs eine kleine Lichtmenge in den Laser zurück. Diese Rückkopplung ermöglicht, dass das Ausgangsspektrum eines Diodenlasers eine Halbwertsbreite (FWHM) von nur 0,3 nm aufweist. Siehe hierzu zum Beispiel: C. Moser, F. Havermeyer, „Compact self-aligned external cavity lasers using volume gratings“, Proc. SPIE, Bd. 7194, 2009. VBGs, gemäß der vorliegenden Erfindung, können aus Glas gefertigt sein und sind unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können alternativ einige oder alle der Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 wellenlängenstabilisiert sein, indem in den Halbleiter, aus dem die Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 gebildet sind, ein Gitter oder eine ähnliche Wellenlängenstabilisierungsvorrichtung bzw. -system 42 z. B. im Rahmen eines Herstellungsprozesses auf Waferebene eingebettet wird. Solche wellenlängenstabilisierten Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 können als mit einem „eingebetteten Gitter“ oder ein „eingebettetes Gitter“ aufweisend bezeichnet werden.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines zur Veranschaulichung dienenden Systems 300, bei dem die auftreffende elektromagnetische Energie 56 elektromagnetische Energie mehrerer Wellenlängen umfasst, die auf die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 auftreffen, gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform. Bei Ausführungsformen können die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 ein wie in 3 dargestelltes Transmissionsgitter umfassen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die in 3 dargestellte streuende Vorrichtung bzw. das streuende System 20 zumindest einen Teil 55 der einfallenden elektromagnetischen Energie 56 beugen. Der Winkel der Beugung der einfallenden elektromagnetischen Energie 56 hängt von physikalischen Parametern der streuenden Vorrichtung bzw. des streuenden Systems 20 ab, wie z. B. der Gitterkonstante bzw. dem Abstand zwischen den Gitterrillen 57, der Wellenlänge(n) der einfallenden elektromagnetischen Energie 56 und dem Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Energie 56. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Menge der einfallenden elektromagnetischen Energie, die von einem Beugungsgitter reflektiert, hindurchgelassen und/oder gebeugt wird, eine Funktion der Wellenlängen und/oder der Polarisation der einfallenden elektromagnetischen Energie 56 sein. Beispielsweise kann die physikalische Struktur und/oder Zusammensetzung der streuenden Vorrichtung bzw. des streuenden Systems 20 bevorzugt einen Teil der einfallenden elektromagnetischen Energie 56 beugen, während der verbleibende Teil der einfallenden elektromagnetischen Energie 56 reflektiert wird. Bei einer Ausführungsform kann das in 3 dargestellte Beugungsgitter 20 vorzugsweise einfallende elektromagnetische Energie 56 beugen, dessen Wellenlängen im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum, das sich von 300 nm bis 790 nm erstreckt, und/oder im elektromagnetischen Spektrum des nahen Infrarot, das sich von 790 nm bis etwa 1200 nm erstreckt, liegen. Bei Ausführungsformen kann das Beugungsgitter 20 innerhalb eines definierten elektromagnetischen Spektrums zum Beispiel circa 90+% der einfallenden elektromagnetischen Energie 56, circa 93+% der einfallenden elektromagnetischen Energie 56, circa 95+% der einfallenden elektromagnetischen Energie 56, circa 97+% der einfallenden elektromagnetischen Energie 56, circa 99+% der einfallenden elektromagnetischen Energie 56, circa 99,5% der einfallenden elektromagnetischen Energie 56, oder circa 99,9+% der einfallenden elektromagnetischen Energie 56 beugen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 nur eine Beugungsordnung aufweisen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 ein oder mehrere handelsübliche Transmissionsgitter, wie z. B. ein von LightSmyth® Technologies, Inc hergestelltes Transmissionsgitter aufweisen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 in oder nahe einem Einfallswinkel von fünfundvierzig (45) Grad relativ zur optische Achse 29 angeordnet sein und beispielsweise etwa 95% der einfallenden elektromagnetischen Energie beugen, elektromagnetische Energie gemischter Polarisation eingeschlossen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Energie anders, zum Beispiel größer oder kleiner als 45 Grad sein. Die weitgehende Unabhängigkeit des Wirkungsgrads von der Polarisation ist wichtig, da die Polarisation des Lichts in einer Lichtleitfaser bereits nach Durchlaufen einer kurzen Faserstrecke durchmischt wird. Bei Gittern von LightSmyth® beträgt der nutzbare Spektralbereich, in dem sie effizient sind, zum Beispiel etwa 100 nm. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die streuende Vorrichtung bzw. das streuende System 20 z. B. aus reinem Quarzglas oder aus Glas (d. h. einem Material, das eine sehr hohe optische Zerstörungsschwelle hat), oder bei Eignung für eine bestimmte Anwendung aus einem Kunststoff gefertigt sein.
Wie aus 3 ersichtlich können die streuende Vorrichtung bzw. das streuende System 20 ein Transmissionsgitter aufweisen, das ein oder mehrere Materialien umfasst, die für die von den Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 erzeugte elektromagnetische Energie zumindest teilweise transparent sind. Jede der Wellenlängenkomponenten der einfallenden elektromagnetischen Energie 56A, 56B und 56C wird von der streuenden Vorrichtung bzw. dem streuenden System / Transmissionsgitter 20 unter einem anderen Winkel gebeugt. Und obwohl die einfallenden elektromagnetischen Wellen 56A, 56B und 56C unter jeweils anderen Winkeln auf die Oberfläche der streuenden Vorrichtung bzw. des streuenden Systems / Transmissionsgitters 20 auftreffen, wird aufgrund der optischen Parameter der streuenden Vorrichtung bzw. des streuenden Systems / Transmissionsgitters 20 eine kollimierte elektromagnetische Energie ausgegeben, bei der die elektromagnetischen Wellen 55 im Wesentlichen zueinander parallel sind. Aus den Grundsätzen der Optik ergibt sich, dass sich die Strahlwinkel bei umgekehrter Ausbreitungsrichtung der Strahlen 55, 56 in 3 nicht ändern. Bei einer wie in 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann elektromagnetische Energie, die einen bestimmten Satz von Wellenlängen umfasst, die unter unterschiedlichen Einfallswinkeln 18 auf die streuende Vorrichtung bzw. das streuende System / Transmissionsgitter 20 auftreffen, vorab so gewählt werden, dass alle in dieselbe Richtung 22 gebeugt werden. Anders ausgedrückt lässt sich die streuende Vorrichtung bzw. das streuende System / Transmissionsgitter 20 so einsetzen, dass unterschiedliche Wellenlängen umfassende elektromagnetische Energie, bei jeder Wellenlänge unter einem anderen Winkeln darauf auftrifft, um eine kollimierte, unterschiedliche Wellenlängen aufweisende, elektromagnetische Energieausgabe erzeugen.
4A zeigt eine schematisches Darstellung eines zur Veranschaulichung dienenden Systems 400A, bei dem eine Quelle elektromagnetischer Energie 60 kollinear zur optischen Achse 59 des ersten optischen Elements 17 (z. B. einer Linsenkombination) angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie aus 4A ersichtlich wird die einfallende elektromagnetische Energie kollimiert 61, wenn das erste optische Element 17 in einem der Brennweite entsprechenden Abstand zur Quelle 60 angeordnet ist.
4B zeigt eine schematische Darstellung eines anderen zur Veranschaulichung dienenden Systems 400B, bei dem die elektromagnetische Quelle 62 in einem Abstand zur optischen Achse 59 des ersten optischen Elements 17 (z. B. einer Linsenkombination) angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn sich die elektromagnetische Quelle 62 nicht auf der optischen Achse 59 des ersten optischen Elements befindet, bleibt die vom ersten optischen Element 17 abgehende elektromagnetische Energie zwar kollimiert 63, verläuft aber in einem Winkel zur optischen Achse 59.
In ähnlicher Weise wird die aus den Enden 15 eines Satzes nebeneinander liegender Lichtleitfasern 11 emittierte elektromagnetische Energie in Abhängigkeit von Position und/oder Lage der Enden 15 der jeweiligen Lichtleitfasern 11 relativ zur ersten optischen Vorrichtung 17 in unterschiedliche Richtungen gebeugt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Wellenlängen der von den jeweiligen Enden 15 der Lichtleitfasern 11 emittierten elektromagnetischen Energie so ausgewählt und/oder vorgegeben (oder im Voraus bestimmt) sein, dass die elektromagnetische Energie in eine bestimmte oder gewünschte Richtung oder unter einem definierten oder gewünschten Winkel gebeugt wird. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann erreicht werden, dass die elektromagnetische Energie wie in 1A dargestellt in eine einzige von einer streuenden Vorrichtung oder einem streuenden System 20 abgehende Richtung gebeugt wird. Daher besteht ein Vorteil der Erfindung in der Vorauswahl oder Vorgabe der Wellenlänge(n) der von den jeweiligen Enden 15 der Lichtleitfasern 11 emittierten elektromagnetischen Ausgangsenergie so, dass die in den 1A und 1B dargestellte optische Konfiguration am Brennpunkt 26 am Ende der Ausgangsfaser 25 beispielsweise einen einzigen Brennfleck 26 mit einer mehrere Wellenlängen umfassenden elektromagnetischen Energie erzeugt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das erste optische Element 17 eine verkittete Dublettenlinse umfassen. Für einen Durchschnittsfachmann ist es jedoch selbstverständlich, dass auch ein anderer Typ eines ersten optischen Elements 17 verwendet werden kann, um dieselbe Kollimation der auftreffenden, von den Enden 15 der Lichtleitfasern 11 emittierten elektromagnetischen Energie zu erreichen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das erste optische Element 17 zum Beispiel eine Dublette mit Luftspalt, ein Triplet mit Luftspalt oder eine asphärische Linse umfassen.
Von den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gibt es viele Varianten, die eines oder mehrere der hierin beschriebenen Merkmale umfassen. Zum Beispiel kann eine streuende Vorrichtung bzw. ein streuendes System 20 bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Reflexionsgitter aufweisen. Für eine Polarisation ist der Wirkungsgrad von Reflexionsgittern üblicherweise jedoch eher gering. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine streuende Vorrichtung bzw. ein streuendes System 20 ein Transmissionsgitter umfassen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Transmissionsgitter in oder nahe zu einem Einfallswinkel von 45 Grad relativ zur optischen Achse 29 angeordnet sein und zum Ausgeben oder Übertragen eines gebeugten Strahls verwendet werden, dessen Durchmesser dem des Eingangsstrahls entspricht, der auf die streuende Vorrichtung bzw. das streuende System 20 gerichtet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnte für eine streuende Vorrichtung bzw. ein streuendes System 20 anstelle eines Gitters ein Prisma verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein wie unten beschriebenes Optikmodell zum näherungsweisen Bestimmen der Spezifikationen/Parameter eines Spektralstrahlzusammenführungssystems 100 verwendet werden. Bei einem wie unten beschriebenen Optikmodell kann die Orientierung der streuenden Vorrichtung bzw. des streuenden Systems 20 zur optischen Achse 29 beispielsweise exakt 45 Grad betragen. Bei einem der vorliegenden Erfindung entsprechenden realen Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 lässt sich ein optimaler Wirkungsgrad jedoch dann erzielen, wenn die Ausrichtung der streuenden Vorrichtung oder des streuenden Systems 20 wie beispielsweise eines Gitters etwas mehr oder weniger als diese 45 Grad beträgt (zum Beispiel mit einer Abweichung von plus oder minus etwa eineinhalb Grad). Ferner können bei dem unten beschriebenen Optikmodell sowohl das erste optische Element 17 als auch das zweite optische Element 23 wie ideale Linsen behandelt werden. Die Brennweite von realen optischen Elementen wie z. B. Linsen kann sich jedoch mit der Wellenlänge ändern und die von diesen erzeugten Abbildungen mögen aufgrund der dem optischen Element eigenen Aberrationen nicht so perfekt sein, wie sie von einem computergenerierten Optikmodell erzeugt würden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die streuende Vorrichtung bzw. das streuende System 20 von einem Gitter gebildet sein, das zumindest einen Teil der einfallenden kollimierten elektromagnetischen Energie unter einem Winkel von ungefähr 90 Grad beugt, wobei sich der maximale Beugungsbereich von etwa 45 Grad bis etwa 135 Grad, Grenzen mit eingeschlossen, erstreckt.
Für den Entwurf oder die Nachbildung eines Spektralstrahlzusammenführungssystems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung können mehrere Optikmodelle verwendet werden. Zur Darstellung des Aufbaus eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden Systems kann ein Optikmodell erster Näherung verwendet werden. Wenn die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 (z. B. ein Beugungsgitter 20) unter einem Winkel von 45 Grad zur optischen Achse 29 angeordnet ist, beträgt die Gitterkonstante A (d. h. der Abstand zwischen den Gitterstegen), bei der die 90-Grad-Ablenkung von 1 erfolgt: $Λ = λ_{0} / \sqrt{2},$
wobei λ₀ die Wellenlänge der mittleren (sich auf der Achse befindenden) Faser ist.
Unter Verwendung der Näherungen einer idealisierten Optik lässt sich eine einfache Gleichung für die einem seitlichen Versatz Δx einer Faser so entsprechende Wellenlängenänderung Δλ herleiten, dass die Abbildung auf dem Brennpunkt 26 am Kern der Ausgangsfaser 25 zentriert bleibt: $\frac{Δ λ}{Δ x} = \frac{λ_{0}}{2 F},$
wobei F die Brennweite des ersten optischen Elements 17 und λ₀ die Wellenlänge für die sich auf der optischen Achse 59 des ersten optischen Elements 17 befindende Faser bedeuten (d. h. die zentrale Faser). Bei gegebener Anzahl der Fasern N ist der Abstand zwischen den Wellenlängen Δλ der Fasern, der zum nutzbaren Spektralbereich des Gitters B (nominell 100 nm) passt, gegeben durch $Δ λ = B / (N - 1) .$
Wenn der Abstand zwischen den Fasermitten D ist, dann ist die Brennweite F, die zur spektralen Ausgangsleistung aller Fasern innerhalb des Spektralbereichs des Gitters B passt, gegeben durch $F = D λ_{0} / (2 Δ λ) .$
Anhand der oben angegebenen Gleichungen (1) bis (4) können die Parameter eines der vorliegenden Erfindung gemäßen Spektralstrahlzusammenführungssystems 100 näherungsweise bestimmt und zumindest einem Teil der Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 jeweils eine Wellenlänge zugeordnet werden.
5 zeigt ein Flussdiagramm auf hohem Niveau, das ein zur Veranschaulichung dienendes Verfahren 500 zur näherungsweisen Bestimmung von Systemparametern eines Spektralstrahlzusammenführungssystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei 520 kann das Verfahren die gewünschte Gesamtausgangsleistung P_total, die gewünschte zentrale Wellenlänge λ₀, die von den fasergekoppelten Modulen pro Faser verfügbare Leistung P_Faser, den zwischen den Fasern gewünschten Abstand D und/oder den Spektralbereich B, über den das Gitter wirksam ist, erhalten.
Bei 540 können die Anzahl der Fasern gemäß $N = P_{t o t a l} / P_{F a s e r},$
der spektrale Abstand gemäß $Δ λ = B / (N - 1)$
und/oder die Brennweite des ersten optischen Elements (d. h. der Linse) 17 gemäß $F = D λ_{0} / (2 Δ λ)$
berechnet oder bestimmt werden.
Bei 560 kann die Wellenlänge, die einer Lichtleitfaser 11, 30 mit dem Index „m“ der mehreren „N“ Lichtleitfasern 11 des Faserbündels 14 zuzuordnen ist, gemäß $λ_{m} = λ_{0} + (m - N / 2) Δ λ$
bestimmt oder berechnet werden.
6A zeigt eine Tabelle 600A, die mehrere Systemparameter für ein als Beispiel dienendes Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6B zeigt eine Tabelle 600B, die einen mehrere Wellenlängen umfassenden Satz aufweist, die jeweils einer zugehörigen Lichtleitfaser 11, 30, auf die sich 6A bezieht, zugewiesen sind, gemäß zumindest einer der in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsformen. Die 6A und 6B geben zusammen ein anschauliches Beispiel für die Bestimmung von Wellenlängenzuordnungen bei einem Spektralstrahlzusammenführungssystem 100, das insgesamt 10 Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31A-31J umfasst, die jeweils eine entsprechende der Lichtleitfasern 11A-11J mit einer elektromagnetischen Ausgangsleistung bei einer Wellenlänge nach 6B versorgen, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Wellenlängenzuordnungen der 6A und 6B basieren auf einer oder mehreren der gewünschten Eingaben und der unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Berechnungen. In 6A sind zur Anschauung dienende Parameterwerte für ein Beispiel eines Spektralstrahlzusammenführungssystems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung und in 6B ist ein zur Anschauung dienender Satz von Wellenlängen angegeben.
Die 7A-7D verdeutlichen den Vorteil einer Zuführung in ein Spektralstrahlzusammenführungssystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung mit schmaler spektraler Bandbreite unter Verwendung eines als Beispiel dienenden einzelfasergekoppelten Moduls (d. h. einer einzelnen Faser und nicht einer größeren Anzahl von Fasern). Die 7A und 7B zeigen mit Hilfe einer Computermodellsimulation eines Systems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte Bilder und die 7C und 7D zeigen im tatsächlichen Betrieb eines Spektralstrahlzusammenführungssystems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Labor erzeugte Bilder. Wie aus den 7A und 7C ersichtlich ist die Kopplung elektromagnetischer Energie wie z. B. Licht an einen Ausgang wie z. B. eine Ausgangsfaser 26 bei Verwendung einer breitbandigen Quelle nicht adäquat. Die Bilder der 7B und 7D erhält man bei einer spektral stabilisierten Zuführungsquelle, da ein größerer Teil der elektromagnetischen Energie wie z. B. Licht in einen beispielhaften Ausgang wie z. B. eine Ausgangsfaser 25 gekoppelt wird (d. h., der Ausgang spiegelt die Einspeisung maßgeblich wider). Die 8A, 8B und 8C veranschaulichen verschiedene Verfahren und Vorrichtungen für die Anordnung von Lichtleitfasern 11A-11n eines Faserbündels 14 zur Ausbildung einer Faseranordnung für die Bereitstellung einer Einspeisung elektromagnetischer Energie in das Spektralstrahlzusammenführungssystem 100. 8A zeigt einen vertikalen Querschnitt durch ein als Beispiel dienendes System 800A, bei dem die mehreren Lichtleitfasern 11A-11n aneinander angrenzend und benachbart zu zumindest einem Teil einer Oberfläche eines flachen oder ebenen Substrats 27 (z. B. eines polierten Siliciumsubstrats) angeordnet sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie z. B. dem in 8A dargestellten System 800A ist der Mitte-zu-Mitte-Abstand 72 der Lichtleitfasern 11 zumindest teilweise durch den Außendurchmesser der Umhüllung 13 bestimmt. Der in 8A dargestellte Ansatz einer dichtgepackten Anordnung maximiert die Verwendung des verfügbaren Spektralbereichs der streuenden Vorrichtung bzw. des streuenden Systems 20.
8B zeigt einen vertikalen Querschnitt durch ein anderes als Beispiel dienendes System 800B, bei dem zumindest einige der mehreren Lichtleitfasern 11 zueinander beabstandet sind, um kleine Anpassungen von Lage und/oder Position zur Kompensation von Wellenlängenfehlern bei der von einer oder mehreren Vorrichtungen zur Ausgabe elektromagnetischer Energie 31 erzeugten elektromagnetischen Energie zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Mitte-zu-Mitte-Abstand bzw. der Abstand 72 zwischen den jeweiligen Lichtleitfasern 11 gleich oder unterschiedlich sein.
8C zeigt einen vertikalen Querschnitt durch ein weiteres als Beispiel dienendes System 800C, bei dem in der Oberfläche der Unterlage oder des Substrats 27 mehrere Rillen, Kanäle oder ähnliche Nuten 57A-57n (zusammen als „Nuten 57“ bezeichnet) ausgebildet oder in anderer Weise angeordnet sind, sodass von zumindest einigen der mehreren Lichtleitfasern 11 jede zumindest teilweise innerhalb einer jeweiligen Nut 57 angeordnet ist. Durch die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäße Anordnung einer jeden der mehreren Lichtleitfasern 11A-11n in einer entsprechenden in dem Substrat 27 ausgebildeten Nut 57 wird der Mitte-zu-Mitte-Abstand der Lichtleitfasern 11 wirksam fixiert und beibehalten, wodurch eine Registeranordnung gebildet wird. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 27 ein photolithographisch strukturiertes Substrat sein, beispielsweise ein mikrobearbeitetes Silicium, das eine Anordnung von einigen oder allen der mehreren Lichtleitfasern 11 mit einem Positionierfehler von weniger oder gleich etwa 2 Mikrometern (µm) ermöglicht. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Größe und/oder Form der Nuten variieren bzw. die Nuten sich in Größe und/oder Form voneinander unterscheiden.
9A zeigt eine Draufsicht auf ein zur Veranschaulichung dienendes Spektralstrahlzusammenführungssystem 900, das ein drittes optisches Element 75 enthält, das eine Strahlformung zum Kompensieren der durch die streuende Vorrichtung oder das streuende System 20 bedingten oder verursachten spektralen Verbreiterung der elektromagnetischen Energie 22 ermöglicht, gemäß einer in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsform. 9B zeigt eine Seitenansicht des in 9A dargestellten Spektralstrahlzusammenführungssystems 900, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie aus den 9A und 9B ersichtlich kann das dritte optische Element 75 (z. B. eine Zylinderlinse) zwischen der streuenden Vorrichtung bzw. dem streuenden System 20 und dem zweiten optischen Element 23 angeordnet, positioniert oder anderweitig platziert werden, um die elektromagnetische Energie von der streuenden Vorrichtung oder dem streuenden System 20 so zu fokussieren, dass die gesamte oder ein erheblicher Teil der elektromagnetischen Energie in die Ausgangsfaser 25 eingekoppelt wird, anstatt z. B. am Rand der Ausgangsfaser 25 beschnitten zu werden. Bei stärkerer Fokussierung können die in den Ausgangsfaserkern 25 eingespeisten Winkelkomponenten zunehmen.
10 zeigt eine Draufsicht auf ein zur Veranschaulichung dienendes System 1000, das ein Faserbündel 14 mit mehreren Lichtleitfasern 11A-1 in aufweist, die in, auf oder um zumindest einen Teil einer Oberfläche eines Substrats 27 angeordnet sein können, und bei dem von einigen oder allen der mehreren Lichtleitfasern 11 jede unter Einsatz von einem oder mehreren Klebstoffmaterialien 78 an ein optisches Element 76 gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sich die über die mehreren Fasern 11 geleitete elektromagnetische Energie ausbreiten. Bei zumindest einigen Ausführungsformen kann das optische Element 76 wie dargestellt eine optische Planfläche aufweisen. Das optische Element 76 ist für die Wellenlänge(n) der gesamten oder eines Teils der aus einigen oder allen der mehreren Lichtleitfasern 11 austretenden elektromagnetischen Energie zumindest teilweise transparent. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auf der den mehreren Lichtleitfasern 11 gegenüberliegenden Oberfläche des optischen Elements 76 ein Oberflächenauftrag, wie z. B. eine Antireflexionsfolie oder -beschichtung 77 aufgebracht sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können das eine oder die mehreren Klebstoffmaterialien 78 einen optisch transparenten Kitt wie beispielsweise das von Norland Products, Inc. (CRANBURY, NJ) hergestellte Norland Optical Adhesive 61 („NOA 61“) umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Kitt einen auf Quarzglas abgestimmten Brechungsindex aufweisen, um vorteilhaft Reflexionen an der Grenzfläche zu den Faserspitzen und an der Rückseite des Glases zu minimieren oder sogar zu eliminieren.
11 zeigt eine Draufsicht eines zur Veranschaulichung dienenden Systems 1100, das ein Faserbündel 14 mit mehreren Lichtleitfasern 11A-11n aufweist, die in, auf oder um zumindest einen Teil einer Oberfläche eines Substrats 27 angeordnet sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie aus 11 ersichtlich kann von einigen oder allen der mehreren Lichtleitfasern 30 jede an ein konkaves optisches Element 80 (d. h. eine Linse) unter Verwendung von einem oder mehreren Klebstoffmaterialien 78 gekoppelt sein, durch die sich die über die mehreren Lichtleitfasern 11, 30 geführte elektromagnetische Energie ausbreite kann. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das optische Element 80 an der den Faserenden zugewandten Seite eine ebene Oberfläche und an der gegenüberliegenden Seite eine konkave, konvexe oder zylindrische Oberfläche aufweisen. Die gekrümmte Oberfläche dient zur Korrektur der Bildfeldwölbungsaberration des ersten optischen Elements 17, die ansonsten dazu führen kann, dass sich einige der Lichtleitfasern 11 außerhalb des Brennpunkts befinden. Das konkave optische Element 80 ist für die Wellenlänge(n) der gesamten oder eines Teils der aus einigen oder allen der mehreren Lichtleitfasern 11, 30 austretenden elektromagnetischen Energie zumindest teilweise transparent. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auf die Oberfläche der Linse 76, die den mehreren Lichtleitfasern 11 gegenüber liegt, ein Oberflächenauftrag, wie z. B. eine Antireflexionsfolie oder -beschichtung 77, aufgebracht sein.

Claims

Spektralstrahlzusammenführungssystem, das aufweist: eine erste optische Vorrichtung, die quer zu einer optischen Achse des Spektralstrahlzusammenführungssystems angeordnet ist, über mehrere Eingangsfasern mehrere Zuführungen elektromagnetischer Energie erhält, wobei sich zumindest zwei der elektromagnetischen Energiezuführungen in der Wellenlänge unterscheiden, und die elektromagnetischen Energiezuführungen kollimiert und eine kollimierte elektromagnetische Ausgangsenergie emittiert, ein Gitter, das quer zur optischen Achse und entlang eines Strahlengangs nach der ersten optischen Vorrichtung angeordnet ist, das zumindest einen Teil der von der ersten optischen Vorrichtung emittierten kollimierten elektromagnetischen Energie beugt und eine gebeugte elektromagnetische Ausgangsenergie emittiert, eine zweite optische Vorrichtung, die quer zur optischen Achse und entlang eines Strahlengangs nach dem Gitter angeordnet ist, die auftreffende gebeugte elektromagnetische Ausgangsenergie fokussiert und eine fokussierte elektromagnetische Ausgangsenergie erzeugt.
System nach Anspruch 1, das ferner mehrere, an die erste optische Vorrichtung optisch gekoppelte Multimodefasern aufweist, wobei die erste optische Vorrichtung die mehreren elektromagnetischen Energiezuführungen über die mehreren Multimodefasern erhält.
System nach Anspruch 2, wobei eine erste der mehreren Multimodefasern an ein erstes fasergekoppeltes Modul gekoppelt ist und eine zweite der mehreren Multimodefasern an ein zweites fasergekoppeltes Modul gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, das ferner mehrere an die erste optische Vorrichtung optisch gekoppelte Monomodefasern aufweist, wobei die erste optische Vorrichtung die mehreren elektromagnetischen Energiezuführungen über die mehreren Monomodefasern erhält.
System nach Anspruch 4, wobei eine erste der mehreren Monomodefasern an einen ersten Diodenlaser gekoppelt ist und eine zweite der mehreren Monomodefasern an einen zweiten Diodenlaser gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, das ferner aufweist: eine Ausgangslichtleitfaser, die entlang eines Strahlengangs nach der zweiten optischen Vorrichtung positioniert ist und die fokussierte elektromagnetische Ausgangsenergie erhält, wobei die Ausgangslichtleitfaser eine Multimodefaser ist.
System nach Anspruch 2, das ferner aufweist: ein Substrat, wobei jede der mehreren Multimodefasern so auf dem Substrat angeordnet ist, dass zwischen zumindest zwei der mehreren Multimodefasern ein vorgegebener Mitte-zu-Mitte-Abstand beibehalten wird.
System nach Anspruch 1, das ferner aufweist: mehrere Lichtleitfasern, wobei die mehreren elektromagnetischen Energiezuführungen über die mehreren Lichtleitfasern erhalten werden.
System nach Anspruch 8, das ferner ein Substrat aufweist, wobei die mehreren Lichtleitfasern auf dem Substrat angeordnet sind.
System nach Anspruch 9, wobei in einer ersten Oberfläche des starren Substrats mehrere Aussparungen ausgebildet sind.
System nach Anspruch 9, wobei die von den jeweiligen mehreren Lichtleitfasern emittierten mehreren elektromagnetischen Energiezuführungen elektromagnetische Energie mit einer aus einem Wellenlängenbereich von einschließlich 400 nm bis einschließlich 1000 nm ausgewählten Wellenlänge umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei das Gitter aufweist: ein Beugungsgitter, das zumindest einen Teil der einfallenden kollimierten elektromagnetischen Energie unter einem Winkel beugt, der aus einem Winkelbereich von einschließlich 45 Grad bis einschließlich 135 Grad ausgewählt ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Gitter in einem Winkel von 45 Grad zur optischen Achse angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, das ferner aufweist: ein drittes optisches Element, das quer zur optischen Achse und zwischen dem Gitter und dem zweiten optischen Element angeordnet ist, wobei das dritte optische Element zumindest einen Teil der gebeugten elektromagnetischen Ausgangsenergie formt.
System nach Anspruch 12, das ferner aufweist: eine erste Quelle elektromagnetischer Energie und eine zweite Quelle elektromagnetischer Energie, wobei die erste Quelle elektromagnetischer Energie an eine erste der mehreren Eingangsfasern gekoppelt ist und die zweite Quelle elektromagnetischer Energie an eine zweite der mehreren Eingangsfasern optisch gekoppelt ist.
System nach Anspruch 15, wobei die erste Quelle elektromagnetischer Strahlung ein fasergekoppeltes Modul ist.
System nach Anspruch 16, wobei das fasergekoppelte Modul eine wellenlängenstabilisierte Quelle elektromagnetischer Strahlung ist.
System nach Anspruch 15, das ferner aufweist: eine Stromversorgung, die mit der ersten Quelle elektromagnetischer Energie und der zweiten Quelle elektromagnetischer Energie gekoppelt ist.
System nach Anspruch 15, das ferner aufweist: eine Wärmeaustauschfläche, die mit der ersten Quelle elektromagnetischer Energie und der zweiten Quelle elektromagnetischer Energie thermisch gekoppelt ist, wobei die Wärmeaustauschfläche zumindest einen Teil der von der ersten Quelle elektromagnetischer Energie und der zweiten Quelle elektromagnetischer Energie erzeugten thermischen Energie abführt.
System nach Anspruch 12, wobei die mehreren Zuführungen elektromagnetischer Energie, die von jeder der Lichtleitfasern der mehreren Lichtleitfasern emittiert werden, elektromagnetische Energie mit Wellenlängen umfassen, die aus einem Wellenlängenbereich von einschließlich 800 nm bis einschließlich 1000 nm ausgewählt sind.