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1、(10)申请公布号 CN 102334060 A (43)申请公布日 2012.01.25 CN 102334060 A *CN102334060A* (21)申请号 201080008928.4 (22)申请日 2010.02.23 102009010693.6 2009.02.26 DE G02B 27/09(2006.01) (71)申请人 LIMO 专利管理有限及两合公司 地址 德国盖斯滕格林 (72)发明人 D巴托谢韦斯基 M亚尔奇斯基 (74)专利代理机构 中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人 赵科 (54) 发明名称 用于使激光辐射均匀化的设备 (57) 摘。
2、要 一种使具有至少在与激光辐射的传播方向 (Z) 垂直的第一方向 (X) 上相互间隔开的子射束 (2) 的激光辐射均匀化的设备， 尤其用于使源自 激光二极管阵列的激光辐射均匀化， 包括折射面 (6， 6a) 的阵列 (5)， 折射面至少能不同地偏转要 均匀化的激光辐射的多个子射束 (2) 使得这些子 射束在穿过折射面(6， 6a)之后与穿过折射面(6， 6a) 之前相比至少部分地相互更会聚地行进 ； 以 及透镜装置 (7)， 穿过折射面 (6， 6a) 的阵列 (5) 的子射束(2)能通过透镜装置， 透镜装置(7)能在 工作面(8)上叠加子射束(2)中至少一些子射束。 (30)优先权数据 (8。
3、5)PCT申请进入国家阶段日 2011.08.24 (86)PCT申请的申请数据 PCT/EP2010/001114 2010.02.23 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/097198 DE 2010.09.02 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 CN 102334076 A1/2 页 2 1. 一种用于使激光辐射均匀化的设备， 所述激光辐射具有至少在与所述激光辐射的传 播方向(Z)垂直的第一方向(X)上相互间隔开的子射束(2)， 所述设备尤其用于使源自激光 二极管阵列的激光辐射均匀。
4、化， 所述设备包括 ： 折射面 (6， 6a) 的阵列 (5)， 所述折射面至少能不同地偏转要均匀化的所述激光辐射的 多个子射束(2)， 使得这些子射束在穿过所述折射面(6， 6a)之后与穿过所述折射面(6， 6a) 之前相比至少部分地相互更会聚地行进， 以及 透镜装置(7)， 穿过所述折射面(6， 6a)的阵列(5)的子射束(2)能通过所述透镜装置， 所述透镜装置 (7) 能在工作面 (8) 上叠加所述子射束 (2) 中至少一些子射束。 2.如权利要求1所述的设备， 其特征在于， 为所述子射束(2)中每一个分别分配所述阵 列 (5) 的折射面 (6， 6a) 中的一个。 3. 如权利要求 1。
5、 或 2 所述的设备， 其特征在于， 所述阵列 (5) 的折射面 (6， 6a) 相互倾 斜。 4. 如权利要求 1 至 3 之一所述的设备， 其特征在于， 所述阵列 (5) 的折射面 (6， 6a) 至 少部分是平坦的， 所述阵列 (5) 尤其构造为棱镜阵列。 5. 如权利要求 1 至 4 之一所述的设备， 其特征在于， 所述阵列 (5) 的折射面 (6， 6a) 至 少部分地在所述第一方向 (X) 上相互连接。 6. 如权利要求 1 至 5 之一所述的设备， 其特征在于， 所述阵列 (5) 的折射面 (6， 6a) 至 少部分地相互成 150到 180之间的一角度 ()， 尤其是 165到。
6、 180之间的一角度 ()， 优选是 175到 179之间的一角度 ()。 7. 如权利要求 1 至 6 之一所述的设备， 其特征在于， 所述阵列 (5) 的折射面 (6， 6a) 设 置在圆柱形轮廓上。 8. 如权利要求 7 所述的设备， 其特征在于， 所述圆柱形轮廓的圆柱轴在与所述第一方 向 (X) 垂直且与要均匀化的所述激光辐射的传播方向 (Z) 垂直的第二方向 (Y) 上延伸。 9. 如权利要求 7 或 8 所述的设备， 其特征在于， 所述圆柱形轮廓凸面地成型。 10.如权利要求1至9之一所述的设备， 其特征在于， 所述透镜装置(7)包括会聚透镜， 或者由会聚透镜构成。 11.如权利要。
7、求1至10之一所述的设备， 其特征在于， 所述工作面(8)设置在所述透镜 装置 (7) 的输出侧焦平面上。 12. 如权利要求 1 至 11 之一所述的设备， 其特征在于， 所述设备具有准直装置 (3， 4)， 所述准直装置能使要均匀化的所述激光辐射相对于所述第一方向(X)和/或相对于所述第 二方向 (Y) 至少部分地准直。 13.如权利要求12所述的设备， 其特征在于， 所述准直装置(3， 4)在要均匀化的所述激 光辐射的传播方向 (Z) 上设置在所述阵列 (5) 的折射面 (6， 6a) 之前。 14. 一种激光设备， 包括 ： 能发射激光辐射的激光辐射源， 尤其是激光二极管阵列 (1)，。
8、 所述激光辐射具有在与所 述激光辐射的传播方向 (Z) 垂直的方向 (X) 上相互间隔开的子射束 (2)， 和 用于使所述激光辐射均匀化的设备， 其特征在于， 所述用于使所述激光辐射均匀化的设备是根据权利要求 1 至 13 之一所述的设备， 权 利 要 求 书 CN 102334060 A CN 102334076 A2/2 页 3 阵列的折射面之间的角度 () 被构造为使得相邻子射束 (2) 在所述阵列 (5) 的相邻 折射面(6， 6a)处所经受的偏转的角度差()对应于所述子射束之一在穿过所述设备之 前的远场分布 (9) 的整个半值宽度的 75到 95之间。 15. 如权利要求 14 所述。
9、的设备， 其特征在于， 所述阵列的折射面之间的角度 () 和 / 或透镜装置 (7) 被构造为使得相邻子射束 (2) 的所述角度差 () 大小相同。 权 利 要 求 书 CN 102334060 A CN 102334076 A1/4 页 4 用于使激光辐射均匀化的设备 技术领域 0001 本发明涉及一种用于使具有至少在与激光辐射的传播方向垂直的第一方向 上相互间隔开的子射束的激光辐射均匀化的设备， 尤其用于对源自激光二极管阵列 (Laserdiodenbarren) 的激光辐射进行均匀化。此外， 本发明还涉及一种激光设备， 包括能 发射具有在与激光辐射的传播方向垂直的方向上相互间隔开的子射束。
10、的激光辐射的激光 辐射源 ( 尤其是激光二极管阵列 ) 以及还包括用于使激光辐射均匀化的设备。 背景技术 0002 定义 ： 激光辐射的传播方向是指激光辐射的中间传播方向， 尤其是在该激光辐射 不是平面波或者至少部分会聚或发散的情况下。 在没有相反指出的情况下， 光束、 子射束或 射束不是指几何光学中的理想射束， 而是实际光束， 例如具有高斯轮廓的激光束， 其不具有 无穷小的射束横截面， 而是具有延展开的射束横截面。 0003 激光二极管阵列在快轴上具有高斯形的近场分布和远场分布。 在慢轴中通常存在 超高斯形的近场分布。通过准直， 例如利用快轴准直透镜和 / 或慢轴准直透镜进行准直， 近 场分。
11、布和远场分布相互转换。存在不同的方案来产生均匀的线或场。例如能使用衍射的、 单级和两级折射的以及基于鲍威尔透镜的均匀器 ( 例如参见 F.M.Dickey， S.C.Holswade， “Laser beam shaping” ， Marcel Dekker Inc.New York， 2000)。 0004 衍射均匀器通常具有由照射到不期望的衍射结构中而导致的效率损耗。此外， 其 衍射效率在量化转换的情况下受到级数量的限制。 0005 折射均匀器具有以下缺点 ： 对于高斯形的辐射， 阵列栅格处的衍射导致干扰， 并因 此导致均匀性的损害。因为这些阵列单元关联地被照射并且透镜过渡转换不能理想地实。
12、 现， 所以产生效率损耗以及均匀性降低 ( 例如参见 WO03/016963A1)。 0006 鲍威尔透镜基于移相法， 并且只有对于高斯形的源才是合适的。 发明内容 0007 本发明要解决的问题是提供一种开头所述类型的设备， 利用其可以更好地对源自 激光二极管阵列的激光辐射均匀化。此外还应提供一种具有这样的设备的激光设备。 0008 根据本发明， 这通过具有权利要求1特征的设备或通过具有权利要求14特征的激 光设备来解决。从属权利要求涉及本发明的优选实现方式。 0009 根据权利要求 1， 设备包括折射面阵列， 这些折射面至少能不同地偏转要均匀化的 激光辐射的多个子射束使得它们在穿过折射面之后。
13、与穿过折射面之前相比至少部分地相 互更加会聚地行进， 并且该设备还具有透镜装置， 穿过折射面阵列的子射束可以穿过该透 镜装置， 透镜装置可以使子射束中至少一些在工作面上叠加。该方案基于准直后的高斯或 超高斯的多个单源的适当叠加。该叠加借助于设置在空间中的光学阵列元件来执行， 这些 阵列元件对应于每个单发射体并且为这些阵列元件的远场有针对性地添加特定角度偏移。 该特定角度偏移被确定为使得所产生的角度分布以生成具有高斯形侧缘的均匀场。 该方案 说 明 书 CN 102334060 A CN 102334076 A2/4 页 5 的转化可以利用折射的棱镜阵列来执行。 0010 在这里应当说明的是， 。
14、利用根据本发明的设备也可以将在垂直于传播方向的两个 相互垂直的方向上并排设置的子射束重叠， 从而产生均匀的强度分布。 因此， 利用本发明应 该不仅能够对实施例中所描述的具有基本上一维的横截面的激光辐射 ( 例如激光二极管 阵列的激光辐射)、 而且能够对具有二维横截面的激光辐射(例如激光二极管阵列的堆叠) 进行均匀化。 0011 根据权利要求 14， 激光设备包括根据本发明的使激光辐射均匀化的设备， 并且阵 列中折射面之间的角度被构造为使得相邻子射束在阵列的相邻折射面处所经受的偏转的 角度差对应于子射束之一在穿过该设备之前的远场分布的整个半值宽度的 75到 95之 间。 在这些大小的角度差的情况。
15、下产生利用根据本发明的设备均匀化后的激光辐射的远场 强度分布的相对均匀的平稳状态 (Plateau)。 0012 其中尤其地， 阵列中折射面之间的角度和 / 或透镜装置可以被构造为使得相邻子 射束的角度差是相同大小的。对于相同强度分布的子射束， 这导致工作面中叠加的强度分 布的良好均匀性。 如果子射束具有相互不同的强度分布(例如不同的超高斯因子)， 则可能 有意义的是不同地选择相邻子射束的角度差。 附图说明 0013 借助于以下参考附图对优选实施例的介绍可以清楚地了解本发明的其他特征和 优点。 0014 图 1 示出了根据本发明的激光设备的示意图 ； 0015 图 2 具有示例性光程地示出了根。
16、据本发明的设备的示意侧视图 ； 0016 图 3 示出了根据图 2 中箭头 III 的示意细节图 ； 0017 图 4 示出了多个子射束的叠加的示意图解 ； 0018 图 5 示出了激光辐射的一个子射束的远场强度分布 ； 0019 图 6 示出了以根据本发明的设备均匀化后的激光辐射的远场强度分布。 0020 在一些图中， 为了更好地辨别方向而绘出了笛卡尔座标系。此外， 在附图中， 相同 的或功能相同的部分或单元具有相同的附图标记。 具体实施方式 0021 图 1 中以附图标记 1 标记具有在所谓的慢轴上或在图中 X 方向上间隔开的相互并 排设置的各个发射体 ( 未示出 ) 的激光二极管阵列。 。
17、0022 例如， 这些发射体中每一个都在慢轴上具有大约 150m 的长度， 其中在该方向上 两个相邻发射体相互之间的间距通常为 400m 或 500m。各个发射体发出激光二极管阵 列 1 的激光辐射的子射束 ( 参见图 2)。 0023 在图 1 中， 在传播方向 Z 上在激光二极管阵列 1 后面示意性地示出了快轴准直装 置3和慢轴准直装置4， 快轴准直装置3可以在快轴上或在图中Y方向上对各个子射束进行 准直， 慢轴准直装置 4 可以在慢轴上或在图中 X 方向上对各个子射束进行准直。 0024 快轴准直装置3例如可以包括柱面透镜， 该柱面透镜的圆柱轴在X方向上延伸。 此 外， 慢轴准直装置 4。
18、 例如可以包括柱面透镜， 该柱面透镜的圆柱轴在 Y 方向上延伸。 说 明 书 CN 102334060 A CN 102334076 A3/4 页 6 0025 替代地存在以下可能性 ： 在传播方向 Z 上在快轴准直装置 3 和慢轴准直装置 4 之 间设置有射束转换装置， 其可以将各个子射束中每一个都关于传播方向Z旋转90。 由此， 在快轴上子射束的发散与慢轴上子射束的发散互换， 从而子射束 2 在穿过射束转换装置之 后在慢轴上或在图中 X 方向上准直。这样的射束转换装置是公知的， 并且例如包括在 X 方 向上并排设置的柱面透镜， 该柱面透镜的圆柱轴在 X-Y 面上相对于 Y 方向成 45角度。
19、。 0026 在设置有这样的射束转换装置的情况下， 于是慢轴准直装置 4 例如可以具有柱面 透镜， 其圆柱轴同样在 X 方向上延伸。 0027 根据本发明的设备在传播方向Z上在快轴和慢轴准直装置3、 4之后包括阵列5， 阵 列 5 具有平坦的入射面并且在出射面上具有多个折射面 6( 参见图 2)。阵列 5 构造为棱镜 阵列， 其在进入图 2 绘图面的方向上或在 Y 方向上继续延伸而其轮廓没有改变。 0028 折射面 6 都是平坦的， 并且在 X 方向上相互邻接。折射面 6 相互成角度 ( 参见 图 3)。面 6 之间的角度 可以在 150到 180之间， 尤其是在 165到 180之间， 优选。
20、 在 175到 179之间。 0029 其中， 折射面 6 被尺寸确定和设置为使得这些子射束 2 中总是有一个子射束入射 到这些折射面 6 之一上。通过折射面 6， 子射束 2 被偏转为使得其在从折射面 6 出射之后相 互会聚地行进。尤其地， 对于子射束 2 的数量为奇数的情况， 设置有一个中间折射面 6a， 其 垂直于激光辐射的传播方向 Z 或在 X-Y 面上被设置。在 Z 方向上穿过该中间折射面 6a 的 子射束 2 不被偏转。 0030 在激光辐射的传播方向Z上在阵列5后面设置有透镜装置7， 其例如在所示实施例 中构造为双凸透镜。透镜装置 7 也可以构造为平凸透镜或凹凸透镜。此外， 还存。
21、在以下可 能性 ： 透镜装置 7 构造为柱面透镜， 尤其是构造为具有非球面轮廓的柱面透镜。 0031 透镜装置 7 可以在工作面 8 上使从阵列 5 出射的子射束 2 相互叠加。其中， 工作 面 8 设置在透镜装置 7 的输出侧焦平面上。因此， 透镜装置 7 用作为傅立叶透镜， 并且可以 将激光辐射的角分布转换为工作面 8 中的位置分布。 0032 图5示出了激光辐射的单个子射束2的远场强度分布9。 其基本上具有高斯轮廓。 图 6 示出了以根据本发明的设备均匀化后的激光辐射的远场强度分布 10， 其中多个 ( 例如 18 个 ) 子射束 2 在远场中叠加。示出了 ： 远场强度分布 10 具有相。
22、对均匀的平稳状态 11 和 高斯形的侧缘 12。 0033 图 4 示出了各个子射束 2 的远场强度分布 9 叠加为远场强度分布 10。其中在图 4 中相对于角坐标绘制远场的强度。在图 4 所示的例子中， 各个子射束 2 的五个远场强度分 布 9 叠加为一个共同的远场强度分布 10。 0034 示出了 ： 各个子射束2以不同角度离开阵列5。 相邻子射束相互之间的角度差 对应于这些单独子射束 2 中每一个的远场分布 9 的整个半值宽度 b 的大约 85。 0035 根据子射束2是具有纯高斯轮廓还是修正后的高斯轮廓(例如超高斯轮廓)， 相邻 子射束 2 在阵列 5 的相邻折射面 6 处所经历的偏转。
23、的合适角度差 对应于在穿过该设 备之间子射束 2 的远场分布 9 的完整半值宽度 b 的 75到 95之间。对于在该范围中的 角度差， 得到以根据本发明的设备均匀化后的激光辐射的远场强度分布 10 的相对均匀的 平稳状态。 0036 存在以下可能性 ： 代替阵列 5， 设置有在激光辐射的传播方向 Z 上相继设置的构造 说 明 书 CN 102334060 A CN 102334076 A4/4 页 7 为棱镜阵列的两个阵列。其中， 根据 DE102007952782， 各个子射束 2 之间的间隔被减小。 说 明 书 CN 102334060 A CN 102334076 A1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102334060 A CN 102334076 A2/3 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102334060 A CN 102334076 A3/3 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102334060 A 。