DE112022003585T5

DE112022003585T5 - Einzel-emitter-stapelung für wellenlängenstrahlkombinierende lasersysteme

Info

Publication number: DE112022003585T5
Application number: DE112022003585.4T
Authority: DE
Inventors: Wang-Long Zhou; Michael Deutsch; Francisco Villarreal-Saucedo; Bien Chann
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2024-06-20
Also published as: US20230012623A1; WO2023287954A1; CN117546381A

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen sind mehrere Laseremitter in einem oder mehreren linearen Stapeln angeordnet und senden Strahlen an einen oder mehrere lineare Stapel von Verschachtelungsspiegeln. Die Verschachtelungsspiegel lenken die Strahlen auf einen gemeinsamen Austrittspunkt und bilden so einen Ausgangsstrahlstapel. Die optischen Entfernungen, die jeder Strahl von seinem Sender bis zum gemeinsamen Austrittspunkt durchläuft, sind alle gleich groß.

Description

Verwandte Anwendungen
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/222,613 , eingereicht am 16. Juli 2021, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Technischer Bereich
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lasersysteme, insbesondere auf Lasersysteme mit gestapelten Einzelstrahl-Emittem.
Hintergrund
Hochleistungslasersysteme werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Schweißen, Schneiden, Bohren und zur Materialbearbeitung. Solche Lasersysteme bestehen in der Regel aus einem Laserstrahler, dessen Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach „Faser“) eingekoppelt wird, und einem optischen System, das das Laserlicht aus der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Optische Systeme für Lasersysteme werden in der Regel so konstruiert, dass sie den hochwertigsten Laserstrahl erzeugen, d. h. den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt (BPP). Das BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d. h. die Strahltaille, die minimale Spotgröße). Das heißt, BPP = NA×D/2, wobei D der Durchmesser des Fokussierpunkts (der Strahltaille) und NA die numerische Apertur ist; somit kann der BPP durch Variation von NA und/oder D variiert werden. Der BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird üblicherweise in Millimeter-Millradianen (mm-mrad) angegeben. Ein gaußförmiger Strahl hat den geringstmöglichen BPP, der durch die Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch pi angegeben wird. Das Verhältnis zwischen dem BPP eines tatsächlichen Strahls und dem eines idealen Gaußschen Strahls bei derselben Wellenlänge wird mit M² bezeichnet und ist ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität.
Die Wellenlängen-Strahlkombination (WBC) ist eine Technik zur Skalierung der Ausgangsleistung und Helligkeit von Laserdioden, Laserdiodenbarren, Diodenbarrenstapeln oder anderen Lasern, die in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind. WBC-Methoden wurden entwickelt, um Strahlen entlang einer oder beider Dimensionen einer Anordnung von Emittern zu kombinieren. Typische WBC-Systeme umfassen eine Vielzahl von Emittern, wie z. B. einen oder mehrere Diodenbarren, die mit Hilfe eines dispersiven Elements kombiniert werden, um einen Strahl mit mehreren Wellenlängen zu bilden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt individuell und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer Strahlkombinationsdimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind in den US-Patenten Nr. 6.192.062 , eingereicht am 4. Februar 2000, Nr. 6.208.679 , eingereicht am 8. September 1998, Nr. 8.670.180 , eingereicht am 25. August 2011, und Nr. 8.559.107 , eingereicht am 7. März 2011, beschrieben, wobei die gesamte Offenlegung durch Bezugnahme hierin enthalten ist.
Um die Ausgangsleistung zu maximieren, kombinieren viele WBC-Systeme Strahlen, die von Mehrstrahl-Emittern, wie Diodenbarren, ausgesendet werden. (Der hier verwendete Begriff „Mehrstrahl-Emitter“ umfasst mehrere Strahlquellen, die jeweils einen Strahl aussenden, in einem einzigen Gehäuse. Ein Diodenbalken, bei dem jede Strahlquelle eine Halbleiterdiode ist, ist ein Beispiel dafür.) Das heißt, in solchen Systemen werden mehrere Strahlen, die von mehreren Diodenbarren emittiert werden, zu einem einzigen Ausgangsstrahl kombiniert. Diodenbarren bieten die Möglichkeit, mehrere eng beieinander liegende Emitter (z. B. 19-49 oder sogar mehr) in einem einzigen Gehäuse unterzubringen. Allerdings können bei der Verwendung von Diodenbarren in WBC-Systemen verschiedene Probleme auftreten.
In einem Diodenbalken befinden sich die einzelnen Diodenstrahler nebeneinander in der Richtung der langsamen Achse der emittierten Strahlen. Wenn solche Strahlen in WBC-Systemen zu einem einzigen Strahl kombiniert werden, ist es jedoch im Allgemeinen vorzuziehen, dies in der Dimension der schnellen Achse zu tun, um die Strahlqualität zu verbessern (z. B. kann die Kombination von Strahlen in der Dimension der langsamen Achse zu Richtungs- oder Ausrichtungsfehlern führen, die die Qualität des kombinierten Strahls beeinträchtigen können). Daher werden in WBC-Systemen häufig Diodenbarren mit Strahlrotatoren (oder „optischen Twistern“) verwendet, die die Strahlen um 90° drehen, um so die Strahlkombination in der Dimension der schnellen Achse zu erleichtern. Optische Strahlrotatoren verursachen jedoch zusätzliche Kosten in WBC-Systemen, und ihre Verwendung kann sogar zu Leistungsverlusten und optischen Aberrationen führen, die die Strahlqualität beeinträchtigen.
Darüber hinaus kollimieren viele WBC-Systeme die Strahlen jedes Diodenbalkens mit individuellen FAC-Linsen (Fast-Axis Collimation) und SAC-Linsen (Slow-Axis Collimation) für jeden Diodenbalken. Dies führt ebenfalls zu zusätzlichen Kosten auf Systemebene und kann auch viel Platz erfordern, um die vielen verschiedenen SAC-Linsen unterzubringen, die optisch hinter den Diodenbarren positioniert sind.
Darüber hinaus leiden Mehrstrahl-Emitter wie Diodenbarren häufig unter „Smile“, d. h. einer Fehlausrichtung oder Krümmung in der horizontalen, langsamen Achsenrichtung. Selbst wenn ein Diodenbarren nicht von Natur aus „smile“ ist, kann er beim Einbau in das Lasersystem z. B. durch unausgewogene Spannungen, die durch physikalische (z. B. Montage) und/oder thermische Effekte verursacht werden, verformt werden. Diodenbarren benötigen in der Regel auch hohe Betriebsströme, um die mehreren Diodenemitter zu betreiben, und können innerhalb des Barrens unter thermischem Übersprechen von Emitter zu Emitter leiden, was die Kühlung komplizierter und schwieriger macht.
In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf an verbesserten WBC-Laserquellen und - systemen, die die mit der Verwendung von Diodenbarren verbundenen Probleme lösen und gleichzeitig die Bildung hochwertiger Ausgangsstrahlen ermöglichen, die aus der Kombination vieler Eingangsstrahlen resultieren.
Zusammenfassung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Laserstrahlquellen für WBC-Systeme bereit, die auf Anordnungen von Einzelemittern beruhen, d. h. einzelnen Gehäusen, die jeweils nur eine einzige Strahlquelle enthalten, wie z. B. Halbleiterdiodenemitter. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Emitter so angeordnet, dass ihre Strahlen (z. B. in der Dimension der schnellen Achse) zu einem ausgerichteten Strahlstapel gestapelt werden, und solche Strahlstapel können bequem als Eingänge in WBC-Lasersystemen verwendet werden. Wie hier verwendet, breiten sich „gestapelte“ Strahlen in der gleichen Richtung aus und können sich überlappen, müssen es aber nicht (d. h., gestapelte Strahlen können sich teilweise oder vollständig überlappen, müssen es aber nicht). Während gestapelte Strahlen in mindestens einer Dimension zueinander ausgerichtet sind (z. B. in der Draufsicht), können sich die Strahlen in einer senkrechten Dimension (z. B. in der Seitenansicht) nicht vollständig überlappen und können sogar räumlich voneinander getrennt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die Emitter so angeordnet, dass sie sich eine einzige SAC-Linse teilen, und auch so, dass die optischen Weglängen zwischen jedem Emitter und der SAC-Linse im Wesentlichen identisch sind (z. B. identisch bis auf ±10 % voneinander oder sogar identisch bis auf ±5 % voneinander). Auf diese Weise reduzieren Ausführungsformen der Erfindung nicht nur die Gesamtsystemkosten und erhöhen die Kompaktheit des Systems (z. B. durch die Verwendung einer einzigen SAC-Linse anstelle spezieller SAC-Linsen für jeden Emitter), sondern bieten auch eine hervorragende Strahlqualität aufgrund der gleichen Weglängen der Strahlen.
In verschiedenen Ausführungsformen werden die Strahlen der Strahlemitter (z. B. Diodenemitter) in der schnellen Achse gestapelt, wodurch die Notwendigkeit von Strahlverdrehern und die damit verbundenen Kosten sowie die Verschlechterung der Strahlqualität und Leistung vermieden werden. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Einzelemittern die Nutzung drastisch reduzierter Betriebsströme, da Einzelemitter bequem elektrisch in Reihe geschaltet werden können (ein Diodenbalken ist praktisch eine Vielzahl parallel geschalteter Diodenquellen in einem einzigen Gehäuse). Bei Einzelemittern tritt auch kein Emitter-Smile auf, was zu einer höheren Qualität der WBC-Ausgabe führt. Durch die Verwendung von Einzelemittern wird auch das thermische Übersprechen zwischen den Emittern minimiert, was das Kühlungsdesign für die Quellenemitter vereinfacht. Schließlich haben Einzelemitter wie Diodenemitter im Vergleich zu Diodenbarren auch eine viel längere Lebensdauer, was zu einer längeren Betriebszeit des Systems und geringeren Ausfallzeiten und Kosten für die Wartung führt.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind mehrere Quellenstrahler in einem oder mehreren linearen Stapeln oder Anordnungen (d. h. im Wesentlichen geraden Linien von Strahlern) angeordnet. In jedem linearen Stapel können die Strahler in jeder der drei zueinander senkrechten Dimensionen voneinander beabstandet sein, und diese Abstände können entlang jedes (oder sogar aller) der linearen Stapel im Wesentlichen konsistent sein. Die Strahlen werden zu einer Reihe von Verschachtelungsspiegeln geleitet, die die Strahlen abfangen und zu einem gemeinsamen Austrittspunkt reflektieren, so dass die Strahlen am Austrittspunkt entlang einer Dimension gestapelt werden (d. h. einen „Strahlenstapel“ bilden). Wichtig ist, dass die Verschachtelungsspiegel so angeordnet sind, dass die optischen Abstände, die jeder Strahl von seinem Austrittspunkt bis zum gemeinsamen Austrittspunkt zurücklegt, annähernd gleich groß sind. Beispielsweise können die Verschachtelungsspiegel auch in einem oder mehreren linearen Stapeln angeordnet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung befindet sich am Austrittspunkt für die Strahlen eine einzige gemeinsame Kollimationslinse (z. B. eine SAC-Linse), um die gestapelten Strahlen (z. B. in der langsamen Achse) zu kollimieren.
In Ausführungsformen mit mehreren linearen Anordnungen von Strahlern können die Strahler in einer Reihe von Linien angeordnet sein, die parallel zueinander verlaufen. In anderen Ausführungsformen können die linearen Anordnungen als paarweise Spiegelbilder angeordnet sein. Das heißt, jedes Paar von Emitterlinien ist ein Spiegelbild des anderen (und daher in der Regel nicht parallel zueinander). In solchen Fällen können alle linearen Anordnungen von Emittern in einem bestimmten System die gleiche Anzahl von Emittern haben, oder zwei oder mehr von ihnen können eine unterschiedliche Anzahl von Emittern aufweisen. (So können beispielsweise zwei spiegelbildliche Emitterreihen symmetrisch zu einer Spiegelebene ausgerichtet sein, aber dennoch eine unterschiedliche Anzahl von Emittern aufweisen).
In typischen Ausführungsformen der Erfindung sind die Emitter in einer oder mehreren linearen Anordnungen angeordnet, anstatt schraubenförmig angeordnet zu sein und in Richtung eines gemeinsamen zentralen Punktes zu emittieren, wie in der US-Seriennummer 17/514,130 beschrieben, die am 29. Oktober 2021 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
In verschiedenen Ausführungsformen können die gestapelten Ausgangsstrahlen von mehreren derartigen Quellenmodulen in einem WBC-System über ein dispersives Element und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler zu einem einzigen Ausgangsstrahl kombiniert werden. Solche Ausgangsstrahlen (bei denen es sich um Strahlen mit mehreren Wellenlängen handeln kann) können in optische Fasern eingekoppelt und/oder für die Bearbeitung einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstücke verwendet werden. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere Laserstrahlen in eine optische Faser einkoppeln. In verschiedenen Ausführungsformen hat die optische Faser mehrere Mantelschichten, die einen einzigen Kern umgeben, mehrere diskrete Kernbereiche (oder „Kerne“) innerhalb einer einzigen Mantelschicht oder mehrere Kerne, die von mehreren Mantelschichten umgeben sind.
Der Begriff „optische Elemente“ kann sich auf Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umlenken, reflektieren, beugen oder auf andere Weise optisch manipulieren, sofern nicht anders angegeben.
Obwohl hier Beugungsgitter als beispielhafte dispersive Elemente verwendet werden, können Ausführungsformen der Erfindung auch andere dispersive Elemente verwenden, wie z. B. dispersive Prismen, Transmissionsgitter oder Echelle-Gitter. Ausführungsformen der Erfindung können zusätzlich zu einem oder mehreren Beugungsgittern ein oder mehrere Prismen verwenden, wie zum Beispiel in der US-Patentanmeldung Serial No. 15/410,277 beschrieben, die am 19. Januar 2017 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist.
Ausgangsstrahlen, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, können zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet werden, so dass die Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird und/oder ein Merkmal auf oder in der Oberfläche gebildet wird, im Gegensatz zu optischen Verfahren, die eine Oberfläche lediglich mit Licht untersuchen (z. B. Reflexionsmessungen). Beispielhafte Verfahren gemäß den Ausführungsformen der Erfindung umfassen Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bearbeiten Werkstücke auch an einem oder mehreren Punkten oder entlang eines eindimensionalen Bearbeitungspfades, anstatt die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Werkstückoberfläche gleichzeitig mit der Strahlung des Laserstrahls zu durchfluten. Im Allgemeinen können Bearbeitungspfade gekrümmt oder linear sein, und „lineare“ Bearbeitungspfade können eine oder mehrere Richtungsänderungen aufweisen, d. h., lineare Bearbeitungspfade können aus zwei oder mehr im Wesentlichen geraden Segmenten bestehen, die nicht unbedingt parallel zueinander sind.
Ausführungsformen der Erfindung können die Strahlform und/oder BPP variieren, um die Leistung für verschiedene Arten von Bearbeitungstechniken oder verschiedene Arten von zu bearbeitenden Materialien zu verbessern oder zu optimieren. Ausführungsformen der Erfindung können verschiedene Techniken zum Variieren von BPP und/oder der Form von Laserstrahlen verwenden, die in der US-Patentanmeldung Nr. 14/632,283 , eingereicht am 26. Februar 2015, der US-Patentanmeldung Nr. 14/747,073 , eingereicht am 23. Juni 2015, der US-Patentanmeldung Nr. 14/852,939 , eingereicht am 14. September 2015, US-Patentanmeldung Nr. 15/188,076 , eingereicht am 21. Juni 2016, US-Patentanmeldung Nr. 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, und US-Patentanmeldung Nr. 15/649,841 , eingereicht am 14. Juli 2017, deren Offenbarung hierin in vollem Umfang durch Bezugnahme enthalten ist.
Lasersysteme gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch einen Zuführungsmechanismus umfassen, der die Laserleistung auf das Werkstück lenkt und dabei eine Relativbewegung zwischen der Leistung und dem Werkstück bewirkt. Beispielsweise kann der Zuführungsmechanismus einen Laserkopf zum Richten und/oder Fokussieren des Ausgangs auf das Werkstück umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Der Laserkopf selbst kann relativ zum Werkstück beweglich und/oder drehbar sein, und/oder der Zuführungsmechanismus kann ein bewegliches Portal oder eine andere Plattform für das Werkstück umfassen, um die Bewegung des Werkstücks relativ zum Ausgang zu ermöglichen, der an Ort und Stelle fixiert sein kann.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Laserstrahlen, die für die Bearbeitung verschiedener Werkstücke verwendet werden, über eine oder mehrere optische Fasern (oder „Lieferfasern“) an das Werkstück geliefert werden. In Ausführungsformen der Erfindung können optische Fasern mit vielen verschiedenen inneren Konfigurationen und Geometrien verwendet werden. Solche Lichtleitfasern können einen oder mehrere Kernbereiche und einen oder mehrere Mantelbereiche aufweisen. Beispielsweise kann die optische Faser einen zentralen Kernbereich und einen ringförmigen Kernbereich, der durch eine innere Mantelschicht getrennt ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. Eine oder mehrere äußere Mantelschichten können um den ringförmigen Kernbereich angeordnet sein. Ausführungsformen der Erfindung können mit Lichtleitfasern verwendet werden und/oder diese einschließen, die Konfigurationen aufweisen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, der US-Patentanmeldung Nr. 15/879,500 , eingereicht am 25. Januar 2018, und der US-Patentanmeldung Nr. 16/675,655 , eingereicht am 6. November 2019, beschrieben sind, wobei die gesamte Offenbarung jeder dieser Anmeldungen durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Strukturell können optische Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine oder mehrere Schichten mit hohem und/oder niedrigem Brechungsindex jenseits (d. h. außerhalb) einer äußeren Umhüllung enthalten, ohne dass sich die Grundsätze der vorliegenden Erfindung ändern. Verschiedene dieser zusätzlichen Schichten können auch als Umhüllungen oder Beschichtungen bezeichnet werden und dürfen kein Licht leiten. Optische Fasern können auch einen oder mehrere Kerne zusätzlich zu den ausdrücklich genannten enthalten. Solche Varianten fallen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung enthalten keine Modenabstreifer in oder auf der optischen Faserstruktur. Ebenso sind die verschiedenen Schichten der optischen Fasern in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung kontinuierlich entlang der gesamten Länge der Faser und enthalten keine Löcher, photonischen Kristallstrukturen, Brüche, Lücken oder andere Diskontinuitäten darin.
Erfindungsgemäße optische Fasern können Multimode-Fasern sein und daher mehrere Moden unterstützen (z. B. mehr als drei, mehr als zehn, mehr als 20, mehr als 50 oder mehr als 100 Moden). Darüber hinaus sind erfindungsgemäße optische Fasern im Allgemeinen passive Fasern, d. h. sie sind nicht mit aktiven Dotierstoffen (z. B. Erbium, Ytterbium, Thulium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Holmium oder anderen Seltenerdmetallen) dotiert, wie sie üblicherweise für gepumpte Faserlaser und Verstärker verwendet werden. Vielmehr handelt es sich bei den Dotierstoffen, die zur Auswahl der gewünschten Brechungsindizes in verschiedenen Schichten von Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, im Allgemeinen um passive Dotierstoffe, die nicht durch Laserlicht angeregt werden, z. B. Fluor, Titan, Germanium und/oder Bor. So können optische Fasern und die verschiedenen Kern- und Mantelschichten davon gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Glas, wie z. B. im Wesentlichen reines Quarzglas und/oder Quarzglas, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen und mit Fluor, Titan, Germanium und/oder Bor dotiert sein. Ein gewünschter Brechungsindex für eine bestimmte Schicht oder einen bestimmten Bereich einer optischen Faser gemäß den Ausführungsformen der Erfindung kann (durch Techniken wie Dotierung) von einem Fachmann ohne übermäßige Experimente erreicht werden. In diesem Zusammenhang dürfen Lichtleitfasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung keine Reflektoren oder Teilreflektoren (z. B. Gitter wie Bragg-Gitter) enthalten. Fasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung werden typischerweise nicht mit Pumplicht gepumpt, das so konfiguriert ist, dass es Laserlicht einer anderen Wellenlänge erzeugt. Vielmehr propagieren Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung lediglich Licht entlang ihrer Länge, ohne dessen Wellenlänge zu verändern. Optische Fasern, die in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, können eine optionale externe polymere Schutzbeschichtung oder Ummantelung aufweisen, die um die empfindlichere Glas- oder Quarzglasfaser selbst angeordnet ist.
Darüber hinaus werden Systeme und Techniken gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung typischerweise für die Materialbearbeitung (z. B. Schneiden, Bohren usw.) und nicht für Anwendungen wie optische Kommunikation oder optische Datenübertragung eingesetzt. Daher können Laserstrahlen, die gemäß den Ausführungsformen der Erfindung in Fasern eingekoppelt werden, andere Wellenlängen haben als die 1,3 µm oder 1,5 µm, die für die optische Kommunikation verwendet werden. In der Tat können Fasern, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, Dispersion bei einer oder mehreren (oder sogar allen) Wellenlängen im Bereich von etwa 1260 nm bis etwa 1675 nm aufweisen, die für die optische Kommunikation verwendet werden.
In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Laservorrichtung in einem dreidimensionalen Raum mit zueinander senkrechten x-, y- und z-Achsen auf, die x-y-, x-z- und y-z-Ebenen definieren. Die Laservorrichtung umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer Vielzahl von Strahlemittern, die in einem oder mehreren ersten linearen Stapeln angeordnet sind, und einer Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln, die in einem oder mehreren zweiten linearen Stapeln angeordnet sind. In jedem ersten linearen Stapel sind die Strahlemitter voneinander getrennt (i) entlang der x-Achse durch einen (von Null verschiedenen) Abstand Δx, (ii) entlang der y-Achse durch einen (von Null verschiedenen) Abstand Δy, und (iii) entlang der z-Achse durch einen (von Null verschiedenen) Abstand Δz. Die Anzahl des einen oder der mehreren zweiten linearen Stapel ist gleich der Anzahl des einen oder der mehreren ersten linearen Stapel. Jeder Verschachtelungsspiegel ist so positioniert, dass er einen von einem anderen der Strahlenemittenten ausgesandten Strahl empfängt und den Strahl zu einem gemeinsamen Austrittspunkt lenkt, wodurch ein Strahlenstapel am gemeinsamen Austrittspunkt ausgegeben wird. Die optischen Entfernungen, die jeder Strahl von seinem Sender bis zum gemeinsamen Austrittspunkt durchläuft, können alle gleich groß sein.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer beliebigen Kombination enthalten. Jeder Strahlemittierer kann so konfiguriert sein, dass er nur einen einzigen Strahl aussendet. In jedem zweiten linearen Stapel können die Verschachtelungsspiegel voneinander (i) entlang der x-Achse durch den Abstand Δx und/oder (ii) entlang der y-Achse durch den Abstand Δy getrennt sein. An dem gemeinsamen Austrittspunkt kann eine Kollimationslinse angeordnet sein. Bei der Kollimationslinse kann es sich um eine Kollimationslinse für langsame Achsen handeln, die so konfiguriert ist, dass sie den Strahlenstapel empfängt und in einer langsamen Achse kollimiert. Jeder Strahlemitter kann einen Diodenemitter enthalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Die Vorrichtung kann mehrere Linsen für die Kollimation in der schnellen Achse (FAC) enthalten. Jede FAC-Linse kann so positioniert werden, dass sie den Strahl von einem anderen Emitter empfängt und den Strahl in der schnellen Achse kollimiert. Der eine oder die mehreren ersten linearen Stapel können aus einem einzigen ersten linearen Stapel bestehen. Der eine oder die mehreren ersten linearen Stapel können eine Vielzahl von ersten linearen Stapeln umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Zwei oder mehrere oder sogar alle der mehreren ersten linearen Stapel können parallel zueinander angeordnet sein. Die Mehrzahl der ersten linearen Stapel kann paarweise spiegelbildlich angeordnet sein.
In der Laservorrichtung kann Δz ungefähr gleich Δx sein. Jeder Strahlemitter kann auf einem anderen Unterbau angeordnet sein. Der Abstand Δx kann größer oder annähernd gleich der Breite einer einzelnen Unterkonstruktion sein. Der Abstand Δz kann größer oder annähernd gleich der Breite einer einzelnen Unterhalterung sein. In dem Strahlenstapel können die von den Strahlenemittenten ausgesandten Strahlen entlang einer schnellen Achse der Strahlen gestapelt werden. Jeder Strahlemitter kann parallel zur x-z-Ebene ausgerichtet und so konfiguriert sein, dass er einen Strahl entlang der z-Achse aussendet. Ein erster Projektionswinkel eines jeden ersten linearen Stapels in der y-z-Ebene kann ungefähr gleich arctan(Δy/Δz) sein. Ein zweiter Projektionswinkel eines jeden ersten linearen Stapels in der x-y-Ebene kann ungefähr gleich arctan(Δy/Δx) sein. Ein dritter Projektionswinkel jedes ersten linearen Stapels in der x-z-Ebene kann ungefähr gleich 45° sein. Die Strahlgröße des Strahlenstapels in einer Stapelrichtung kann ungefähr gleich Δy×N + b sein, wobei N gleich der Anzahl der Strahlenemitter und b gleich der Größe jedes Strahls in der Stapelrichtung ist. Die Stapelungsrichtung kann entlang einer schnellen Achse der Strahlen verlaufen. Jeder zweite lineare Stapel kann ein monolithisches Bauteil sein, das eine Vielzahl von Spiegelflächen enthält, im Wesentlichen aus diesen besteht oder aus diesen besteht. Jeder zweite lineare Stapel kann eine Vielzahl von ineinandergreifenden Spiegeln enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen, die an einer gemeinsamen Plattform befestigt sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Stapeln von Strahlen in einem dreidimensionalen Raum mit zueinander senkrechten x-, y- und z-Achsen, die x-y-, x-z- und y-z-Ebenen definieren. Es wird eine Vielzahl von Strahlenemittenten bereitgestellt, die in einem oder mehreren ersten linearen Stapeln angeordnet sind. In jedem ersten linearen Stapel sind die Strahlemitter voneinander getrennt (i) entlang der x-Achse um einen (von Null verschiedenen) Abstand Δx, (ii) entlang der y-Achse um einen (von Null verschiedenen) Abstand Δy und (iii) entlang der z-Achse um einen (von Null verschiedenen) Abstand Δz. Die Strahlaustrahler werden veranlasst, jeweils einen Strahl in Richtung einer Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln zu senden, die in einem oder mehreren zweiten linearen Stapeln angeordnet sind. Die Strahlen werden von den Verschachtelungsspiegeln empfangen und auf einen gemeinsamen Austrittspunkt gerichtet, wobei die Strahlen am gemeinsamen Austrittspunkt in einer Dimension gestapelt werden, um so einen Strahlenstapel zu bilden. Die optischen Entfernungen, die jeder Strahl von seinem Absender bis zum gemeinsamen Austrittspunkt zurücklegt, können alle gleich sein.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Die Anzahl der ersten linearen Stapel kann gleich der Anzahl der zweiten linearen Stapel sein. Die Anzahl der Strahlenemitter kann gleich der Anzahl der Verschachtelungsspiegel sein. Jeder Strahlemittierer kann so konfiguriert sein, dass er nur einen einzigen Strahl aussendet. Jeder Verschachtelungsspiegel kann so positioniert werden, dass er einen der Strahlen empfängt. Jeder der Strahlenemitter kann einen Diodenemitter enthalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Jeder der Strahlen kann in einer schnellen Achse stromabwärts von seinem Strahlemitter und stromaufwärts von den Verschachtelungsspiegeln kollimiert sein. Jeder der Strahlen kann in einer langsamen Achse kollimiert sein. Jeder der Strahlen kann am gemeinsamen Austrittspunkt in einer langsamen Achse kollimiert werden. Mindestens ein Teil des Strahlenstapels kann in eine optische Faser eingekoppelt werden. Ein Werkstück kann mit mindestens einem Teil des Strahlenstapels bearbeitet werden. Die Bearbeitung des Werkstücks kann Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und/oder Hartlöten umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Bearbeitung des Werkstücks kann die physikalische Veränderung mindestens eines Teils der Oberfläche des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Der Strahlstapel kann mit einem oder mehreren zusätzlichen Strahlstapeln wellenlängenkombiniert werden, um so einen wellenlängenkombinierten (WBC) Ausgangsstrahl zu bilden. Der Strahlenstapel und der eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlenstapel können jeweils die gleiche Anzahl von gestapelten Strahlen enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Ein Werkstück kann mit dem WBC-Ausgangsstrahl bearbeitet werden. Die Bearbeitung des Werkstücks kann Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und/oder Hartlöten umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Bearbeitung des Werkstücks kann die physikalische Veränderung mindestens eines Teils der Oberfläche des Werkstücks beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
In jedem zweiten linearen Stapel können die Verschachtelungsspiegel (i) entlang der x-Achse durch den Abstand Δx und (ii) entlang der y-Achse durch den Abstand Δy voneinander getrennt sein. Der Abstand Δz kann ungefähr gleich dem Abstand Δx sein. Jeder Strahlenemitter kann parallel zur x-z-Ebene ausgerichtet und so konfiguriert sein, dass er einen Strahl entlang der z-Achse aussendet. Ein erster Projektionswinkel eines jeden ersten linearen Stapels in der y-z-Ebene kann ungefähr gleich arctan(Δy/Δz) sein. Ein zweiter Projektionswinkel eines jeden ersten linearen Stapels in der x-y-Ebene kann ungefähr gleich arctan(Δy/Δx) sein. Ein dritter Projektionswinkel jedes ersten linearen Stapels in der x-z-Ebene kann ungefähr gleich 45° sein. Die Strahlgröße des Strahlenstapels in einer Stapelrichtung kann ungefähr gleich Δy×N + b sein, wobei N gleich der Anzahl der Strahlenemitter und b gleich der Größe jedes Strahls in der Stapelrichtung ist. Die Stapelungsrichtung kann entlang einer schnellen Achse der Strahlen verlaufen.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein wellenlängenstrahlkombinierendes (WBC) Lasersystem auf, das eine Vielzahl von Strahlstapelmodulen, ein dispersives Element und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Jedes Strahlstapelmodul ist so konfiguriert, dass es mehrere emittierte Strahlen in mindestens einer Dimension stapelt und einen Strahlstapel ausgibt, der die Strahlen enthält, im Wesentlichen aus ihnen besteht oder aus ihnen besteht. Das dispersive Element ist so angeordnet, dass es die mehreren Strahlenstapel empfängt und die Strahlenstapel zu einem kombinierten Strahl kombiniert. Der Ausgangskoppler ist so angeordnet, dass er den kombinierten Strahl empfängt, einen ersten Teil des kombinierten Strahls als WBC-Ausgangsstrahl überträgt und einen zweiten Teil des kombinierten Strahls zurück zum dispersiven Element und von dort zu den Strahlemittern der Module reflektiert, um deren Emissionswellenlängen zu stabilisieren.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Für zwei oder mehr der Strahlenstapelmodule oder sogar jedes Strahlenstapelmodul kann (i) das Strahlenstapelmodul eine Vielzahl von Strahlemittern umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie einen der Strahlen emittieren, (ii) die Strahlemitter können in einem oder mehreren ersten linearen Stapeln angeordnet sein, und/oder (iii) die optischen Pfade jedes der Strahlen von seinem Strahlemitter zu einem gemeinsamen Austrittspunkt des Strahlenstapels aus dem Strahlenstapelmodul können einander gleich sein. Zwei oder mehr oder sogar jedes Strahlstapelmodul kann eine Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen, die in einem oder mehreren zweiten linearen Stapeln angeordnet sind. Bei jedem Strahlstapelmodul kann (i) die Anzahl des einen oder der mehreren zweiten linearen Stapel gleich der Anzahl des einen oder der mehreren ersten linearen Stapel sein und/oder (ii) jeder Verschachtelungsspiegel kann so positioniert sein, dass er einen von einem anderen der Strahlenemittenten emittierten Strahl empfängt und den Strahl zum gemeinsamen Austrittspunkt lenkt. Mehrere erste Linsen können optisch stromaufwärts des dispersiven Elements angeordnet sein. Jede erste Linse kann so konfiguriert sein, dass sie einen Strahlenstapel von einem der Strahlenstapelmodule empfängt und die Hauptstrahlen des Strahlenstapels in Richtung des dispersiven Elements konvergiert. Das Lasersystem kann eine zweite Linse enthalten, die optisch vor dem dispersiven Element angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass sie alle Strahlenstapel empfängt und deren Strahlen kollimiert. Das Lasersystem kann ein optisches Teleskop enthalten, das optisch stromabwärts des dispersiven Elements und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet ist. Das dispersive Element kann ein reflektierendes Beugungsgitter oder ein transmissives Beugungsgitter enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter und ein oder mehrere Prismen enthalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Die Strahlenstapelungsmodule können mechanisch so positioniert werden, dass die Strahlenstapel auf das dispersive Element konvergieren. Zwei oder mehr oder sogar jeder der Strahlenstapel kann entlang einer schnellen Achse der Strahlen gestapelt werden.
Diese und andere Ziele sowie Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die hier offenbart werden, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher werden. Darüber hinaus ist es zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen existieren können. Der hier verwendete Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet ±10% und in einigen Ausführungsformen ±5%. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Materialien, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern hier nicht anders definiert. Dennoch können solche anderen Materialien insgesamt oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ werden hier austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hierin wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Anordnung eines zweiten Elements zu bezeichnen, auf das ein Lichtstrahl trifft, nachdem er auf ein erstes Element gestoßen ist, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements liegt. Der „optische Abstand“ zwischen zwei Bauteilen ist der Abstand zwischen zwei Bauteilen, der tatsächlich von Lichtstrahlen durchlaufen wird; der optische Abstand kann, muss aber nicht zwangsläufig gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Bauteilen sein, z. B. aufgrund von Reflexionen an Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das Licht auf dem Weg von einem der Bauteile zum anderen erfährt. Die hier verwendeten Entfernungen können als „optische Entfernungen“ betrachtet werden, sofern nicht anders angegeben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

Die 1A und 1B zeigen ein dreidimensionales Modell bzw. eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Anordnung von Lasersendern für die Strahlstapelung;
Die 2A bis 2C zeigen ein dreidimensionales Modell, eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer dreidimensionalen linearen Anordnung von Lasersendern zur Strahlstapelung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
Die 3A bis 3C zeigen ein dreidimensionales Modell, eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines beispielhaften Lasersystems mit zwei dreidimensionalen linearen Anordnungen von Laserstrahlern zur Strahlstapelung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
Die 4A und 4B zeigen ein dreidimensionales Modell bzw. eine schematische Draufsicht auf ein Lasersystem mit drei dreidimensionalen linearen Anordnungen von Laserstrahlern zur Strahlstapelung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
Die 5A bis 5C sind ein dreidimensionales Modell, eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines Stapels von Verschachtelungsspiegeln zur Verwendung mit einem linearen Stapel von Emittern gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
6 ist ein schematisches Diagramm eines Lasersystems, das Sätze von gestapelten Strahlen von mehreren linearen Eingangsanordnungen von Lasersendern in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kombiniert.

Detaillierte Beschreibung
Die 1A und 1B zeigen als dreidimensionales Modell (1A) und als schematische Draufsicht (1B) eine herkömmliche Anordnung 100 von sieben Einzelstrahlern 105 zur linearen vertikalen Stapelung entlang der schnellen Achse der ausgesandten Strahlen 110. Die 1A und 1B zeigen drei „Strahlen“, die von jedem der Strahler ausgesandt werden; diese Strahlen stellen jedoch einen einzigen Strahl des einzelnen Strahlers dar, wobei der mittlere Strahl den Hauptstrahl des Strahls darstellt, während die peripheren Strahlen die ungefähre geometrische Verteilung des Strahls repräsentieren. Wie dargestellt, werden die einzelnen Strahlen 110 zunächst durch FAC-Linsen 115, die jeweils einem der Sender zugeordnet sind, in der schnellen Achse kollimiert. Jeder der Strahlen wird dann in der langsamen Achse durch SAC-Linsen 120 kollimiert, die jeweils mit einem der Sender verbunden sind. Die kollimierten Strahlen werden dann von einer Reihe von Verschachtelungsspiegeln 125 auf eine virtuelle gemeinsame Oberfläche 130 reflektiert, wodurch der vertikale Strahlenstapel gebildet wird. Wie in den Figuren zu sehen ist, scheinen sich die gestapelten Strahlen in der Draufsicht von 1B (d. h. in der langsamen Achse) vollständig zu überlappen, und 1A zeigt die räumliche Trennung der gestapelten Strahlen in der vertikalen Dimension (d. h. in der schnellen Achse).
Wie aus den 1A und 1B ersichtlich ist, ist die herkömmliche lineare Stapelanordnung relativ sperrig. Um die Strahlen ungehindert stapeln zu können, erfordert die Anordnung 100 der 1A und 1B nicht nur einen vertikalen Versatz Δy zwischen den Strahlern 105, sondern auch einen horizontalen Versatz Δx. In diesem Fall entspricht der minimale horizontale Versatz Δx zwischen zwei benachbarten Strahlern 105 der Breite einer einzelnen SAC-Linse 120 (und/oder der Breite der Unterhalterung für jeden Strahler 105). Wie ebenfalls gezeigt, führen die horizontalen Versätze Δx zu unterschiedlichen optischen Weglängen, die jeder der Strahlen 110 zwischen seinem Sender 105 und der virtuellen Oberfläche 130 durchläuft. Dieser Unterschied in der optischen Weglänge verschlechtert die Gesamtqualität der Strahlen, die an oder optisch stromabwärts von der Oberfläche 130 gemessen wird, verringert die Effizienz der Faserkopplung der gestapelten Strahlen und erhöht die numerische Apertur (NA) der gestapelten Strahlen für die Faserkopplung. Der optische Pfadunterschied macht die Stapelanordnung 100 der 1A und 1B auch ungeeignet für verschiedene Anwendungen und Systeme, einschließlich WBC-Techniken und -Systeme, die im Wesentlichen gleiche optische Pfade für einzelne Emitter erfordern, um eine stabile und effiziente WBC zu gewährleisten und die höchste Strahlqualität der kombinierten Strahlen zu erzeugen. Darüber hinaus erfordert die herkömmliche Anordnung 100 der 1A und 1B separate SAC-Linsen 120 für jeden einzelnen Emitter 105, was die Anordnung und die Verpackung erschwert und auch die Gesamtkosten des Systems erhöht.
Die 2A-2C zeigen als dreidimensionales Modell (2A), als schematische Draufsicht in der x-y-Ebene (2B) und als schematische Seitenansicht in der x-z-Ebene (2C) eine dreidimensionale lineare Anordnung 200 von 11 einzelnen Emittern 205 zur Strahlstapelung entlang der schnellen Achse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, ist jeder Emitter 205 mit einer FAC-Linse 210 verbunden, die den vom Emitter 205 in der schnellen Achse emittierten Strahl kollimiert. Stromabwärts von den FAC-Linsen 210 breiten sich die kollimierten Strahlen aus und werden von einer Reihe von Verschachtelungsspiegeln 215 reflektiert, von denen jeweils einer mit jedem der Sender 205 verbunden ist. Die Strahlen werden zu einer gemeinsamen Kollimationslinse 220 für die langsame Achse reflektiert, die alle Strahlen in der langsamen Achse kollimiert, und dann breiten sich die Strahlen zu einer gemeinsamen virtuellen Oberfläche 225 stromabwärts der SAC-Linse 220 aus.
Wie gezeigt, sind die Emitter 205 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung linear mit Versätzen entlang der x-, y- und z-Achse angeordnet (bezeichnet als Δx, Δy und Δz). Außerdem sind die Verschachtelungsspiegel 215 ebenfalls linear mit den gleichen Versätzen wie die Emitter 205 entlang der x- und y-Achse (Δx, Δy) angeordnet. Wie bereits erwähnt, besteht ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsformen darin, dass die optische Weglänge für alle Strahlen zwischen dem Sender 205 des Strahls und der SAC-Linse 220 (bzw. zwischen dem Sender 205 des Strahls und der virtuellen gemeinsamen Fläche 225) übereinstimmt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen gleicht der Emitterversatz entlang der z-Achse (Δz) den durch den Versatz zwischen den Emittern entlang der x-Achse (Δx) verursachten Strahlengangunterschied aus. Das heißt, Δz = Δx. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Mindestwert von Δz oder Δx durch die Breite der Unterbefestigung des Strahlers bestimmt werden, die zur Aufnahme jedes Strahlers 205 verwendet wird.
Wie ebenfalls gezeigt, werden die einzelnen Laserstrahlen (oder Teilstrahlen) entlang der schnellen Achse stromabwärts der Verschachtelungsspiegel 215 in einem Abstand von Δy gestapelt. Die Gesamtstrahlgröße (B, in 2B dargestellt) in der Stapelrichtung kann als B = Δy×N + b geschätzt werden, wobei N die Anzahl der Strahlen in der Stapelrichtung und b die kollimierte Strahlgröße eines Strahls entlang der schnellen Achse ist. Man beachte, dass zumindest in der dargestellten Ausführungsform die schnelle Achse und die Stapelrichtung in derselben Dimension liegen, beide entlang der y-Achse.
Da in verschiedenen Ausführungsformen, wie oben erwähnt, Δz = Δx ist, scheinen die Emitter 205 in der Seitenansicht von 2C entlang einer 45°-Linie linear ausgerichtet zu sein. In ähnlicher Weise sind die Strahler 205 in der Draufsicht ( 2B) entlang einer Linie mit einem Winkel gleich arctan(Δy/Δx) linear ausgerichtet. In verschiedenen Ausführungsformen ist dieser Winkel wahrscheinlich kleiner als 45°, da typischerweise (wenn auch nicht notwendigerweise) Δy<Δx ist. Auch in der y-z-Ebene (nicht dargestellt) wären die Emitter 205 linear entlang einer Linie mit einem Winkel gleich arctan(Δy/Δz) ausgerichtet, der gleich arctan(Δy/Δx) ist. Wenn also jeder Sender 205 in der x-z-Ebene ausgerichtet ist und entlang der z-Achse strahlt, dann sind alle Sender 205 linear entlang eines zusammengesetzten Winkels mit Projektionswinkeln von arctan(Δy/Δz), arctan(Δy/Δx) und 45° in der y-z-, x-y- bzw. x-z-Ebene ausgerichtet.
Allgemeiner ausgedrückt, sind in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Strahlemitter in einer oder mehreren geraden Linien im dreidimensionalen Raum angeordnet, die nicht parallel oder senkrecht zu der Achse verlaufen, entlang der die Strahlemitter ihre Strahlen aussenden. Wie zum Beispiel in der beispielhaften Anordnung 200 der 2A-2C gezeigt, senden die Strahler 205 ihre Strahlen entlang der z-Achse aus, während die lineare Anordnung der Strahler eine Linie definiert, die weder parallel noch senkrecht zur z-Achse verläuft. In verschiedenen Ausführungsformen verläuft die eine oder mehrere gerade Linie(n) der Strahler 205 nicht parallel oder senkrecht zur Stapelabmessung der Strahlen (z. B. der langsamen Achse).
Die Versetzung aller Emitter 205 entlang der x-, y- und z-Achse sowie die entsprechende Anordnung der Verschachtelungsspiegel 215 führen zu einer effektiven optischen Stapelung in der schnellen Achse und zu gleichen optischen Weglängen von jedem Emitter 205 zur virtuellen gemeinsamen Oberfläche 225. In solchen Ausführungen können sich alle Strahlen die einzige SAC-Linse 220 teilen, wodurch ein sehr kompaktes Single-Emitter-Stacking ermöglicht wird. Während in den 2A-2C eine Stapelanordnung von 11 Emittern 205 dargestellt ist, können Ausführungsformen der Erfindung auch weniger oder mehr als 11 Emitter 205 aufweisen.
Die 3A-3C zeigen als dreidimensionales Modell (3A), als schematische Draufsicht in der x-y-Ebene (3B) und als schematische Seitenansicht in der x-z-Ebene (3C) ein Lasersystem 300 mit zwei dreidimensionalen linearen Anordnungen von 11 Einzelemittern 305 zur Strahlstapelung entlang der schnellen Achse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in den 2A-2C ist jedem der 22 Emitter 305 eine FAC-Linse zugeordnet, und die von den Emittern 305 emittierten Strahlen breiten sich zu einem Satz von Verschachtelungsspiegeln 315 aus, von denen jedem der Emitter 305 einer zugeordnet ist, und werden von diesen reflektiert. Die Strahlen werden zu einer gemeinsamen SAC-Linse 320 reflektiert, die alle Strahlen in der langsamen Achse kollimiert. Die optischen Weglängen zwischen den einzelnen Emittern 305 und der SAC-Linse 320 (bzw. zwischen den einzelnen Emittern 305 und der gemeinsamen virtuellen Fläche 325 stromabwärts der SAC-Linse 320) sind dieselben wie bei der in den 2A-2C dargestellten Ausführungsform. Bei der Ausführungsform 300 der 3A-3C sind die beiden linearen Emitteranordnungen spiegelbildlich zueinander ausgerichtet. So ist die Seitenansicht von 3C im Wesentlichen identisch mit der in 2C dargestellten Seitenansicht, während die Draufsicht von 3B die 22 Emitter 305 in mehreren Reihen angeordnet zeigt. Während die dargestellte Ausführungsform zwei lineare Stapel von Emittern aufweist, können Lasersysteme und -module gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehr als zwei lineare Stapel von einzelnen Emittern umfassen, wobei jeweils zwei benachbarte lineare Stapel spiegelbildlich zueinander ausgerichtet sind; die linearen Emitteranordnungen solcher Module können von oben betrachtet „zickzack“ erscheinen. Während die dargestellte Ausführungsform die gleiche Anzahl von Emittern in jedem linearen Stapel aufweist, können in verschiedenen Ausführungsformen zwei oder mehr lineare Stapel eine unterschiedliche Anzahl von Emittern aufweisen (und damit auch eine unterschiedliche Anzahl von dazugehörigen Verschachtelungsspiegeln).
Lasersysteme und -module gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch mehrere lineare Anordnungen von Einzelemittern aufweisen, die parallel zueinander und nicht spiegelbildlich zueinander angeordnet sind wie in den 3A-3C. Die 4A und 4B zeigen als dreidimensionales Modell (4A) und als schematische Draufsicht in der x-y-Ebene (4B) ein Lasersystem 400 mit dreidimensionalen linearen Anordnungen von 7 Einzelemittern 405 zur Strahlstapelung entlang der schnellen Achse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Allgemeiner ausgedrückt, können Ausführungsformen der Erfindung mehrere (M) lineare Einzelemitterstapel aufweisen, wobei jeder Stapel N Emitter hat. Wie oben erwähnt, zeigen die 4A und 4B eine beispielhafte Ausführungsform, bei der M=3 und N=7. In solchen Ausführungsformen hat das Modul oder System M×N Emitter 405 und M×N Verschachtelungsspiegel 415, und alle Strahlen breiten sich zu einer einzigen gemeinsamen SAC-Linse 420 (und von dort zu einer virtuellen gemeinsamen Oberfläche 425) aus; somit sind die optischen Weglängen aller Strahlen gleich, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen. Wie in 4B besser zu erkennen ist, sind die linearen Stapel von Emittern 405 von oben gesehen parallel zueinander. Während die dargestellte Ausführungsform die gleiche Anzahl von Emittern 405 in jedem linearen Stapel aufweist, können in verschiedenen Ausführungsformen zwei oder mehr lineare Stapel eine unterschiedliche Anzahl von Emittern (und damit eine unterschiedliche Anzahl von damit verbundenen Verschachtelungsspiegeln) aufweisen; das heißt, N kann für zwei oder mehr der linearen Stapel unterschiedlich sein.
Die 5A-5C zeigen ein dreidimensionales Modell (5A), eine schematische Draufsicht in der x-y-Ebene (5B) und eine schematische Seitenansicht in der x-z-Ebene (5C) eines Stapels 500 von N Verschachtelungsspiegeln 510 zur Verwendung mit einem linearen Stapel von N Emittern gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, sind die Verschachtelungsspiegel 510 mit beispielhaften Offset (Δx) und Intervall (Δy) für die Verwendung mit dem linearen Stapel von N einzelnen Emittern ausgerichtet. Wie dargestellt, sind gemäß Ausführungsformen der Erfindung die Spiegelflächen 520 der Verschachtelungsspiegel in Winkeln von 45° angeordnet, so dass die Laserstrahlen der entsprechenden Emitter in Winkeln von 90° reflektiert werden. In verschiedenen Ausführungsformen werden Spiegelwinkel von 45° verwendet, da die Verwendung von in anderen Winkeln angeordneten Verschachtelungsspiegeln praktisch unpraktisch ist. In verschiedenen anderen Ausführungsformen können auch andere Spiegelwinkel verwendet werden.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann der Spiegelstapel 500 als ein einziges einheitliches Teil oder Stück zusammengebaut werden, z. B. durch optischen Kontakt oder durch einen Klebstoff (z. B. Epoxid), oder mit geeigneten Vorrichtungen befestigt werden. Die einzelnen Spiegel 510 können mit einem oder mehreren Offline-Laserstrahlen und/oder geeigneten Vorrichtungen vorjustiert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Spiegelstapel 500 ein monolithisches Bauteil sein, das z. B. durch Gießen oder 3D-Druck hergestellt wird. Solche Bauteile können N schmale Spiegelflächen 520 mit dem gewünschten Versatz (Δx) und Abstand (Δy) zwischen den Flächen 520 aufweisen. Als monolithisches Bauteil kann der Spiegelstapel 500 eine geradlinig geschnittene Rückseite, abgeschrägte Seitenkanten und/oder beliebige andere Formen aufweisen. Die N schmalen Spiegelflächen 520 können (z. B. durch Ätzen oder Laserbearbeitung) auf einem einzigen Substrat bearbeitet werden, beispielsweise einem Substrat, das Glas, Keramik und/oder ein reflektierendes Metall wie Kupfer und/oder Aluminium enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Spiegelflächen 520 poliert und/oder beschichtet (z. B. mit einer Metallbeschichtung), um ein hohes Reflexionsvermögen zu erzielen.
Sobald die dreidimensionalen linearen Emitteranordnungen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, um Strahlen in einer Dimension zu stapeln, können die gestapelten Strahlen als Eingang für ein komplexeres Lasersystem wie ein WBC-Lasersystem verwendet werden, oder können direkt in eine oder mehrere optische Fasern gekoppelt werden (d.h. für die direkte Faserkopplung verwendet werden). 6 zeigt schematisch ein solches WBC-System 600, das Sätze von gestapelten Strahlen aus drei verschiedenen linearen Eingangsanordnungen oder „Modulen“ gemäß den Ausführungsformen der Erfindung kombiniert. In 6 ist das WBC-System 600 in der WBC- oder Strahlen-Kombinations-Dimension dargestellt. Jedes der Module 605 in dem System 600 von 6 kann jede der oben beschriebenen linearen Emitteranordnungen enthalten. Die Linien 610 stellen die Hauptstrahlen der von den einzelnen Strahlenstapeln jedes Moduls 605 ausgesandten Strahlen dar. Während der Übersichtlichkeit halber nur drei Linien 610 für jedes Modul 605 dargestellt sind, kann jedes Modul 605 in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Strahlenstapel bilden, die mehr als drei einzelne Emitter verwenden.
Wie in 6 gezeigt, können die Module 605 einzeln so angewinkelt werden, dass die von ihnen ausgesandten Strahlenbündel (und damit ihre Austrittspunkte und SAC-Linsen, falls vorhanden) zu einem dispersiven Element 615 konvergieren (das z. B. ein Beugungsgitter umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann). Wie ebenfalls gezeigt, kann jedem Modul 605 eine Linse 620 zugeordnet sein, um die von ihm ausgesandten Hauptstrahlen auf das dispersive Element 615 zu konvergieren. Darüber hinaus kann eine gemeinsame Linse 625 die einzelnen Strahlen der Strahlenstapel aus allen Modulen kollimieren, bevor die Strahlenstapel auf das dispersive Element 615 treffen.
Am dispersiven Element 615 werden die Strahlen von den Modulen 605 zu einem einzigen Strahl 630 kombiniert, der sich zu einem teilreflektierenden Ausgangskoppler 635 ausbreitet. Am Koppler 635 wird ein erster Teil des Strahls 630 als WBC-Ausgangsstrahl aus dem System ausgegeben, während sich ein reflektierter zweiter Teil des Strahls 630 zur Rückkopplung und Wellenlängenverriegelung (d. h. zur Stabilisierung der Emissionswellenlängen der Emitter) zurück zu den einzelnen Emittern in den Modulen 605 ausbreitet. Ein oder mehrere optionale optische Systeme 640 können optisch stromabwärts des dispersiven Elements 615 und/oder des Ausgangskopplers 635 für einen oder mehrere Zwecke, wie z. B. Strahlformung, Bildgebung, Strahlumlenkung oder Neupositionierung und/oder Abschwächung von Kreuzkopplungen, angeordnet sein. Beispielsweise kann das optische System 640 ein optisches Teleskop zur Abschwächung von optischem Übersprechen umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, wie in den US-Patenten Nr. 9.256.073 , eingereicht am 15. März 2013, und Nr. 9.268.142 , eingereicht am 23. Juni 2015, offenbart, deren gesamte Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden.
In dem WBC-Lasersystem 600 von 6 kann jedes Modul 605 als konzeptionell ähnlich wie ein Diodenbarren betrachtet werden, der in herkömmlichen WBC-Systemen verwendet wird. Das WBC-System 600 von 6 verwendet jedoch optisch gestapelte Einzelemitter anstelle von gebündelten Mehrfachemittern wie Diodenbarren. Dies bietet mehrere Vorteile. Da die Strahlen beispielsweise in Richtung der schnellen Achse gestapelt werden, sind keine optischen Rotatoren oder Twister erforderlich, was das System vereinfacht und Komplikationen wie Clipping-Verluste und optische Aberration verhindert. Darüber hinaus gibt es in den Modulen 605 kein Emitter-Smile, das die Qualität des WBC-Strahls erheblich beeinträchtigen und die Wellenlängenverriegelung beeinflussen kann. Darüber hinaus kann das System 600 aus 6 mit deutlich geringeren Betriebsströmen betrieben werden, da die einzelnen Emitter der Module 605 problemlos elektrisch in Reihe geschaltet werden können. Da die einzelnen Emitter voneinander beabstandet sind, gibt es außerdem weniger oder gar kein thermisches Übersprechen zwischen den einzelnen Emittern, so dass die für das System 600 der 6 verwendeten Kühlsysteme (z. B. mit einem fließenden Kühlmittel) viel weniger komplex sein oder ganz entfallen können.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Ausgangsstrahlen von Lasersystemen, die eine oder mehrere lineare Emitteranordnungen umfassen (z. B. Lasersystem 600), z. B. über ein faseroptisches Modul zu einer Zufuhrungslichtleitfaser (die mit einem Laserzuführungskopf gekoppelt sein kann) weitergeleitet und/oder zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet werden. Beispielsweise kann der Ausgangsstrahl des in 6 dargestellten Lasersystems in eine Zufuhrungsfaser eingekoppelt werden, oder der Ausgangsstrahl kann mit den Ausgangsstrahlen eines oder mehrerer anderer Lasersysteme kombiniert werden (z. B. durch Polarisationsstrahlkombination, räumliche Strahlkombination usw.), und der kombinierte Strahl kann zur Bearbeitung eines Werkstücks in eine Zuführungsfaser eingekoppelt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen enthält ein Laserkopf ein oder mehrere optische Elemente, die zur Fokussierung des Ausgangsstrahls auf ein Werkstück zu dessen Bearbeitung dienen. Beispielsweise können Laserköpfe gemäß den Ausführungsformen der Erfindung einen oder mehrere Kollimatoren (d. h. Kollimationslinsen) und/oder Fokussieroptiken (z. B. eine oder mehrere Fokussierlinsen) enthalten. Ein Laserkopf muss keinen Kollimator enthalten, wenn der in den Laserkopf eintretende Strahl bzw. die eintretenden Strahlen bereits kollimiert sind. Laserköpfe gemäß verschiedenen Ausführungsformen können auch ein oder mehrere Schutzfenster, einen Mechanismus zur Fokuseinstellung (manuell oder automatisch, z. B. einen oder mehrere Drehregler und/oder Schalter und/oder Auswahlknöpfe) umfassen. Laserköpfe können auch ein oder mehrere Überwachungssysteme enthalten, z. B. für Laserleistung, Temperatur und/oder Reflexionsvermögen des Zielmaterials, Plasmaspektrum usw. Ein Laserkopf kann auch optische Elemente zur Strahlformung und/oder zur Einstellung der Strahlqualität (z. B. variabler BPP) sowie Steuersysteme für die Polarisation des Strahls und/oder die Flugbahn des Fokussierpunkts umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Laserkopf ein oder mehrere optische Elemente (z. B. Linsen) und ein Linsenmanipulationssystem zur Auswahl und/oder Positionierung dieser Elemente, z. B. zur Änderung der Strahlform und/oder des BPP des Ausgangsstrahls, umfassen, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 15/188,076 , eingereicht am 21. Juni 2016, beschrieben, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Zu den beispielhaften Verfahren gehören Schneiden, Einstechen, Schweißen, Löten, Glühen usw. Der Ausgangsstrahl kann relativ zum Werkstück verschoben werden (z. B. durch Verschieben des Strahls und/oder des Werkstücks), um einen Bearbeitungsweg auf oder über mindestens einen Teil des Werkstücks zu durchlaufen.
In Ausführungsformen, die eine optische Übertragungsfaser verwenden, kann die optische Faser viele verschiedene interne Konfigurationen und Geometrien aufweisen. So kann die optische Faser beispielsweise einen zentralen Kernbereich und einen ringförmigen Kernbereich, der durch eine innere Mantelschicht getrennt ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. Eine oder mehrere äußere Mantelschichten können um den ringförmigen Kernbereich angeordnet sein. Ausführungsformen der Erfindung können optische Fasern mit Konfigurationen umfassen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, der US-Patentanmeldung Nr. 15/879,500 , eingereicht am 25. Januar 2018, und der US-Patentanmeldung Nr. 16/675,655 , eingereicht am 6. November 2019, beschrieben sind, wobei die gesamte Offenbarung jeder dieser Anmeldungen durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Steuerung die Bewegung des Laserkopfes oder des Ausgangsstrahls relativ zum Werkstück über die Steuerung von z. B. einem oder mehreren Aktuatoren steuern. Die Steuerung kann in Lasersystemen mit schraubenförmigen Emitteranordnungen, wie sie hier beschrieben sind, vorhanden sein. Die Steuerung kann auch ein herkömmliches Positionierungssystem bedienen, das so konfiguriert ist, dass es eine relative Bewegung zwischen dem Ausgangslaserstrahl und dem zu bearbeitenden Werkstück bewirkt. Bei dem Positionierungssystem kann es sich beispielsweise um ein steuerbares optisches, mechanisches oder optomechanisches System handeln, das den Strahl durch einen Bearbeitungspfad entlang eines zwei- oder dreidimensionalen Werkstücks lenkt. Während der Bearbeitung kann die Steuerung das Positioniersystem und das Lasersystem so steuern, dass der Laserstrahl eine Bearbeitungsbahn entlang des Werkstücks durchläuft. Der Bearbeitungspfad kann von einem Benutzer vorgegeben und in einem integrierten oder entfernten Speicher abgelegt werden, in dem auch Parameter für die Art der Bearbeitung (Schneiden, Schweißen usw.) und die für die Durchführung der Bearbeitung erforderlichen Strahlparameter gespeichert werden können. Zu den gespeicherten Werten können z. B. Strahlwellenlängen, Strahlformen, Strahlpolarisationen usw. gehören, die sich für verschiedene Bearbeitungen des Materials (z. B. Einstechen, Schneiden, Schweißen usw.), die Art der Bearbeitung und/oder die Geometrie des Bearbeitungspfads eignen.
Wie im Bereich des Plottens und Scannens allgemein bekannt, kann die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Ausgangsstrahl und dem Werkstück durch optische Ablenkung des Strahls mit Hilfe eines beweglichen Spiegels, durch physische Bewegung des Lasers mit Hilfe eines Portals, einer Leitspindel oder einer anderen Anordnung und/oder durch eine mechanische Anordnung zur Bewegung des Werkstücks anstelle des Strahls (oder zusätzlich zu diesem) erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung eine Rückmeldung über die Position und/oder die Bearbeitungseffizienz des Strahls relativ zum Werkstück von einer Rückmeldeeinheit erhalten, die mit geeigneten Überwachungssensoren verbunden ist.
Der Controller kann entweder als Software, Hardware oder eine Kombination davon bereitgestellt werden. Das System kann beispielsweise auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Serverklasse implementiert werden, wie z. B. einem PC mit einer CPU-Platine, die einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie z. B. die Pentium- oder Celeron-Prozessorfamilie, die von der Intel Corporation in Santa Clara, Kalifornien, hergestellt wird, die 680x0- und POWER-PC-Prozessorfamilie, die von der Motorola Corporation in Schaumburg, Illinois, hergestellt wird, und/oder die ATHLON-Prozessorreihe, die von Advanced Micro Devices, Inc. in Sunnyvale, Kalifornien, hergestellt wird. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zum Speichern von Programmen und/oder Daten im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Verfahren enthalten. Der Speicher kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) und/oder einen FLASH-Speicher umfassen, der sich auf allgemein verfügbarer Hardware befindet, wie z. B. einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeichern (EEPROM), programmierbaren Festwertspeichern (PROM), programmierbaren Logikbausteinen (PLD) oder Festwertspeicherbausteinen (ROM). In einigen Ausführungsformen können die Programme mit Hilfe von externem RAM und/oder ROM, wie z. B. optischen Festplatten, Magnetplatten und anderen allgemein verwendeten Speichergeräten, bereitgestellt werden. Bei Ausführungsformen, in denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme bereitgestellt werden, können die Programme in einer beliebigen Hochsprache wie FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C++, C#, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen und/oder HTML geschrieben werden. Darüber hinaus kann die Software in einer Assemblersprache implementiert sein, die für den Mikroprozessor eines Zielcomputers bestimmt ist; so kann die Software beispielsweise in der Assemblersprache Intel 80x86 implementiert sein, wenn sie für die Ausführung auf einem IBM PC oder PC-Klon konfiguriert ist. Die Software kann auf einem Herstellungsgegenstand verkörpert sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Diskette, ein Sprunglaufwerk, eine Festplatte, eine optische Platte, ein Magnetband, ein PROM, ein EPROM, EEPROM, ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine CD-ROM.
Darüber hinaus kann das Lasersystem ein oder mehrere Systeme zur Erfassung der Dicke des Werkstücks und/oder der Höhe der darauf befindlichen Merkmale umfassen. Beispielsweise kann das Lasersystem Systeme (oder Komponenten davon) zur interferometrischen Tiefenmessung des Werkstücks enthalten, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 14/676,070 , eingereicht am 1. April 2015, beschrieben, deren gesamte Offenlegung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Solche Tiefen- oder Dickeninformationen können von der Steuerung verwendet werden, um den Ausgangsstrahl so zu steuern, dass die Bearbeitung (z. B. Schneiden, Einstechen oder Schweißen) des Werkstücks optimiert wird, z. B. in Übereinstimmung mit den Datensätzen in der Datenbank, die der Art des bearbeiteten Materials entsprechen.
Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Laservorrichtung in einem dreidimensionalen Raum mit zueinander senkrechten x-, y- und z-Achsen, die x-y-, x-z- und y-z-Ebenen definieren, wobei die Laservorrichtung umfasst: eine Vielzahl von Strahlemittern, die in einem oder mehreren ersten linearen Stapeln angeordnet sind, wobei in jedem ersten linearen Stapel die Strahlemitter voneinander (i) entlang der x-Achse um einen Abstand Δx, (ii) entlang der y-Achse um einen Abstand Δy und (iii) entlang der z-Achse um einen Abstand Δz getrennt sind; und eine Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln, die in einem oder mehreren zweiten linearen Stapeln angeordnet sind, wobei (i) eine Anzahl des einen oder der mehreren zweiten linearen Stapel gleich einer Anzahl des einen oder der mehreren ersten linearen Stapel ist, und (ii) jeder Verschachtelungsspiegel so positioniert ist, dass er einen Strahl empfängt, der von einem anderen der Strahlenemitter emittiert wird, und den Strahl zu einem gemeinsamen Austrittspunkt lenkt, wodurch ein Strahlenstapel an dem gemeinsamen Austrittspunkt ausgegeben wird, wobei die optischen Abstände, die jeder Strahl von seinem Absender bis zum gemeinsamen Austrittspunkt zurücklegt, alle gleich sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Strahlemitter so konfiguriert ist, dass er nur einen einzigen Strahl emittiert.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei in jedem zweiten linearen Stapel die Verschachtelungsspiegel voneinander (i) entlang der x-Achse durch den Abstand Δx und (ii) entlang der y-Achse durch den Abstand Δy getrennt sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Kollimationslinse umfasst, die an dem gemeinsamen Austrittspunkt angeordnet ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kollimationslinse eine Kollimationslinse für langsame Achsen ist, die so konfiguriert ist, dass sie den Strahlenstapel empfängt und in einer langsamen Achse kollimiert.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Strahlemitter einen Diodenemitter umfasst.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Vielzahl von Linsen zur Kollimation mit schneller Achse (FAC) umfasst, wobei jede FAC-Linse so positioniert ist, dass sie den Strahl von einem anderen Strahlemitter empfängt und den Strahl in einer schnellen Achse kollimiert.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren ersten linearen Stapel aus einem einzigen ersten linearen Stapel bestehen.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren ersten linearen Stapel eine Vielzahl von ersten linearen Stapeln umfassen.
Laservorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mehrzahl der ersten linearen Stapel parallel zueinander angeordnet ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mehrzahl der ersten linearen Stapel als paarweise Spiegelbilder angeordnet sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei Δz ungefähr gleich Δx ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei: jeder Strahlemitter auf einem anderen Unterbau angeordnet ist; und Δx ist größer als oder ungefähr gleich der Breite einer einzelnen Unterkonstruktion.
Laservorrichtung nach Anspruch 13, wobei Δz größer oder annähernd gleich der Breite einer einzelnen Unterhalterung ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei in dem Strahlenstapel die von den Strahlemittern emittierten Strahlen entlang einer schnellen Achse der Strahlen gestapelt sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei: jeder Strahlenemitter ist parallel zur x-z-Ebene ausgerichtet und so konfiguriert, dass er einen Strahl entlang der z-Achse aussendet; ein erster Projektionswinkel jedes ersten linearen Stapels in der y-z-Ebene ungefähr gleich arctan(Δy/Δz) ist; ein zweiter Projektionswinkel jedes ersten linearen Stapels in der x-y-Ebene ungefähr gleich arctan(Δy/Δx) ist; und ein dritter Projektionswinkel jedes ersten linearen Stapels in der x-z-Ebene ungefähr gleich 45° ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Strahlgröße des Strahlstapels in einer Stapelrichtung ungefähr gleich Δy×N + b ist, wobei N gleich einer Anzahl der Strahlemitter und b gleich einer Größe jedes Strahls in der Stapelrichtung ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Stapelrichtung entlang einer schnellen Achse der Strahlen verläuft.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder zweite lineare Stapel ein monolithisches Bauteil ist, das eine Vielzahl von Spiegelflächen umfasst.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder zweite lineare Stapel eine Vielzahl von verschachtelten Spiegeln umfasst, die an einer gemeinsamen Plattform befestigt sind.
Verfahren zum Stapeln von Strahlen in einem dreidimensionalen Raum mit zueinander senkrechten x-, y- und z-Achsen, die x-y-, x-z- und y-z-Ebenen definieren, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von Strahlemittern, die in einem oder mehreren ersten linearen Stapeln angeordnet sind, wobei in jedem ersten linearen Stapel die Strahlemitter voneinander (i) entlang der x-Achse um einen Abstand Δx, (ii) entlang der y-Achse um einen Abstand Δy und (iii) entlang der z-Achse um einen Abstand Δz getrennt sind; Veranlassen der Strahlemitter, jeweils einen Strahl in Richtung einer Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln zu emittieren, die in einem oder mehreren zweiten linearen Stapeln angeordnet sind; und Empfangen der Strahlen mit den Verschachtelungsspiegeln und Lenken der Strahlen zu einem gemeinsamen Austrittspunkt, wobei die Strahlen am gemeinsamen Austrittspunkt in einer Dimension gestapelt werden, um so einen Strahlenstapel zu bilden, wobei die optischen Abstände, die jeder Strahl von seinem Absender bis zum gemeinsamen Austrittspunkt zurücklegt, alle gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Anzahl der ersten linearen Stapel gleich der Anzahl der zweiten linearen Stapel ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei jeder Strahlemitter so konfiguriert ist, dass er nur einen einzigen Strahl aussendet.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei jeder Verschachtelungsspiegel so angeordnet ist, dass er einen der Strahlen empfängt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei jeder der Strahlenemitter einen Diodenemitter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner die Kollimation jedes der Strahlen in einer schnellen Achse stromabwärts von seinem Strahlemitter und stromaufwärts von den Verschachtelungsspiegeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner das Kollimieren jedes der Strahlen in einer langsamen Achse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner das Kollimieren des Strahlenstapels in der langsamen Achse am gemeinsamen Austrittspunkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner das Einkoppeln mindestens eines Teils des Strahlenstapels in eine optische Faser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21 umfasst ferner die Bearbeitung eines Werkstücks mit mindestens einem Teil des Strahlstapels.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Bearbeitung des Werkstücks mindestens eines der folgenden Verfahren umfasst: Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten oder Hartlöten.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Bearbeitung des Werkstücks die physikalische Veränderung mindestens eines Teils der Oberfläche des Werkstücks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner die Wellenlängen-Strahlenkombination des Strahlenstapels mit einem oder mehreren zusätzlichen Strahlenstapeln umfasst, um dadurch einen wellenlängen-strahlenkombinierenden (WBC) Ausgangsstrahl zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Strahlenstapel und der eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlenstapel jeweils die gleiche Anzahl von gestapelten Strahlen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend die Bearbeitung eines Werkstücks mit dem WBC-Ausgangsstrahl.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Bearbeitung des Werkstücks mindestens eines der folgenden Verfahren umfasst: Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten oder Hartlöten.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Bearbeitung des Werkstücks die physikalische Veränderung mindestens eines Teils einer Oberfläche des Werkstücks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei in jedem zweiten linearen Stapel die Verschachtelungsspiegel voneinander (i) entlang der x-Achse durch den Abstand Δx und (ii) entlang der y-Achse durch den Abstand Δy getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei Δz ungefähr gleich Δx ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei: jeder Strahlenemitter parallel zur x-z-Ebene ausgerichtet ist und so konfiguriert ist, dass er einen Strahl entlang der z-Achse aussendet; ein erster Projektionswinkel jedes ersten linearen Stapels in der y-z-Ebene ungefähr gleich arctan(Δy/Δz) ist; ein zweiter Projektionswinkel jedes ersten linearen Stapels in der x-y-Ebene ungefähr gleich arctan(Δy/Δx) ist; und ein dritter Projektionswinkel jedes ersten linearen Stapels in der x-z-Ebene ungefähr gleich 45° ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei eine Strahlgröße des Strahlstapels in einer Stapelrichtung ungefähr gleich Δy×N + b ist, wobei N gleich einer Anzahl der Strahlemitter und b gleich einer Größe jedes Strahls in der Stapelrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Stapelrichtung entlang einer schnellen Achse der Balken verläuft.
Wellenlängenstrahlkombinierendes (WBC) Lasersystem, umfassend: eine Vielzahl von Strahlenstapelmodulen, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie eine Vielzahl von emittierten Strahlen in einer Dimension stapeln und einen Strahlenstapel mit den Strahlen ausgeben; ein dispersives Element, das so positioniert ist, dass es die Vielzahl von Strahlenstapeln empfängt und die Strahlenstapel zu einem kombinierten Strahl kombiniert; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er den kombinierten Strahl empfängt, einen ersten Teil des kombinierten Strahls als WBC-Ausgangsstrahl überträgt und einen zweiten Teil des kombinierten Strahls zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei für jedes Strahlenstapelungsmodul (i) das Strahlenstapelungsmodul eine Vielzahl von Strahlemittern umfasst, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie einen der Strahlen emittieren, (ii) die Strahlemitter in einem oder mehreren ersten linearen Stapeln angeordnet sind und (iii) die optischen Pfade jedes der Strahlen von seinem Strahlemitter zu einem gemeinsamen Austrittspunkt des Strahlenstapels aus dem Strahlenstapelungsmodul einander gleich sind.
WBC-Lasersystem nach Anspruch 43, wobei jedes Strahlstapelmodul eine Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln umfasst, die in einem oder mehreren zweiten linearen Stapeln angeordnet sind, und wobei für jedes Strahlstapelmodul (i) eine Anzahl des einen oder der mehreren zweiten linearen Stapel gleich einer Anzahl des einen oder der mehreren ersten linearen Stapel ist, und (ii) jeder Verschachtelungsspiegel so positioniert ist, dass er einen von einem anderen der Strahlemitter emittierten Strahl empfängt und den Strahl zu dem gemeinsamen Austrittspunkt leitet.
WBC-Lasersystem nach Anspruch 43, das ferner mehrere erste Linsen umfasst, die optisch stromaufwärts des dispersiven Elements angeordnet sind, wobei jede erste Linse so konfiguriert ist, dass sie einen Strahlenstapel von einem der Strahlenstapelmodule empfängt und die Hauptstrahlen des Strahlenstapels in Richtung des dispersiven Elements konvergiert.
WBC-Lasersystem nach Anspruch 43, das ferner eine optisch vor dem dispersiven Element angeordnete zweite Linse umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie alle Strahlenstapel empfängt und deren Strahlen kollimiert.
WBC-Lasersystem nach Anspruch 43, das ferner ein optisches Teleskop umfasst, das optisch stromabwärts des dispersiven Elements und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet ist.
WBC-Lasersystem nach Anspruch 43, wobei das dispersive Element ein reflektierendes Beugungsgitter oder ein transmissives Beugungsgitter umfasst.
WBC-Lasersystem nach Anspruch 43, wobei die Strahlstapelmodule mechanisch so positioniert sind, dass sie die Strahlstapel auf das dispersive Element hin konvergieren.
WBC-Lasersystem nach Anspruch 43, bei dem jeder Strahlstapel entlang einer schnellen Achse der Strahlen gestapelt ist.