Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 .

Grundsätzlich bekannt sind Laseranordnung, bei denen jeweils eine mit wenigstens einer Seltenerde dotierte, d.h. mit einem laseraktiven Material dotierte aktive Faser mit einer Pumpenstrahlung angeregt wird, so dass in dieser dotierten aktiven Faser zwischen zwei an den Faserenden vorgesehenen und als Resonatorspiegel wirkenden optischen Elementen eine Laserstrahlung mit einer Strahlungsemission an einem Faserende erzwungen wird.

Bekannt ist hierbei auch, die aktive Faser mit einem dicht dotierten Mantel aus einem Licht leitenden Material, nämlich aus Glas oder Quarzglas zu umgeben, der dann einen

Pumpmantel bildet, welcher mit der Pumpstrahlung beaufschlagt wird und über den die Strahlung in der aktiven Faser bzw. in dem dotierten Kern der von der aktiven Faser und dem Pumpmantel gebildeten Konverterfaser stimuliert wird. Bekannt ist weiterhin die Faserenden, d.h. die Anschlüsse oder Einkopplungen von Konverterfasern mit einem flüssigen

Kühlmedium (US 4 732 450) oder aber die Konverterfaser mit einem entlang dieser Faser strömenden Kühlmedium zu kühlen (RU 2031 420). Bekannt sind schließlich Diodenlaseranordnungen (DE 10 201 1 016 253), die generell aus einer Laserlicht aussendenden Quelle in Form wenigstens eines Laserdiodenstapels aus mehreren jeweils an einem Kühler vorgesehenen Laserbarren, die jeweils eine Vielzahl von Laserlicht aussendenden und in einer Slow-Axis aufeinander folgende Emitter aufweisen, sowie aus einer Plattenfächer aufweisenden Strahlformoptik bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laseranordnung aufzuzeigen, der eine Laserstrahlung hoher Qualität bereitstellt. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Laseranordnung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Die erfindungsgemäße Laseranordnung ist für einen Leistungsbereich der konvertierten

Laserstrahlung von wenigen kW bis hin zu Leistungen größer 10 kW realisierbar. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Laseranordnung für unterschiedliche Bereiche nutzbar, d.h. z.B. in der Medizin, aber auch bei der Ver- und/oder Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise zum hochqualitativen Schneiden von Werkstücken und/oder Blechen, zum Erhitzen von Werkstücken beispielsweise zum Härten usw. Die als Pumpquelle dienende Diodenlaseranordnung ist beispielsweise so ausgeführt, dass die Wellenlänge der Pump- Laser-Strahlung im Bereich zwischen 900 nm und 1050 nm liegt, wobei dann die

Wellenlänge der von der Laseranordnung bzw. von dessen Konverter abgegebenen konvertierten Laserstrahlung höher liegt, beispielsweise im Bereich zwischen 1050 nm und 1 100 nm.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Pumpmantel der Konverterfaser von wenigstens einem weiteren Mantel, beispielsweise aus einem feuchtigkeits- und/oder wasserfesten Kunststoff umgeben, wobei dieser Mantel dann bei einer besonders

vorteilhaften Ausführungsform von einem weiteren äußeren Mantel aus einem

korrosionsbeständigen metallischen Material umschlossen ist. Durch den den Pumpmantel umgebenden weiteren Mantel wird u.a. erreicht, dass die Pumpstrahlung durch

Totalreflexion innerhalb des Pumpmantels verbleibt und diese somit intensiv auf die innere, aktive Faser einwirkt.

Bevorzugt ist die Konverterfaser weiterhin in einer rohr- und/oder schlauchartigen

U mhüllung untergebracht, welches von einem Kühlmedium, vorzugsweise von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt wird. Die Einkopplungen und Auskopplungen für die Laserstrahlung in bzw. aus der Konverterfaser bzw. entsprechende aus Licht durchlässigen Material, vorzugsweise aus Glas oder Quarzglas hergestellte Anschlüsse oder Endkappen reichen dabei bevorzugt ebenfalls jeweils zumindest mit einem Teilbereich in das Innere des Kühlgehäuses und werden somit ebenfalls mit dem Kühlmedium gekühlt.

„Aktive Schicht" des Laserbarrens ist dabei die Schicht in der die Emitter des Laserbarrens angeordnet sind und deren Ebene senkrecht zu der Fast-Achse orientiert ist, in der die Laserstrahlen der Emitter die größere Divergenz aufweisen.

Der Ausdruck„im Wesentlichen" bzw.„etwa" bedeutet im Sinne der Erfindung

Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der I nhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter Darstel lung eine Laseranordnung mit aktiv gekühlter

Konverterfaser gemäß der Erfindung;

Fig. 2, 3 in schematischer Darstel lung eine von einer Diodenlaseranordnung gebildete

Pumpquel le der Laseranordnung der Figur 1 ;

Fig. 4 in vereinfachter Darstel lung die Ausbildung des Laserstrahlen zweier Laserbarren vor dem U mformen, nach dem Auffächern und nach dem Zusammenführen; Fig. 5, 6 Querschnitte der Konverterfaser bei unterschiedl ichen Ausführungsformen; Fig. 7 in vergrößerter schematischer Darstel lung und im Schnitt die gekühlte

Konverterfaser der Laseranordnung der Figur 1 ;

Fig. 8 einen Schnitt entsprechend der Linie I - I der Figur 6;

Fig. 9 in einer Darstel lung ähnl ich Figur 1 eine weitere Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Laseranordnung. Zur Vereinfachung des Verständnisses sind in den Figuren 2 und 3 jeweils mit X, Y und Z drei senkrecht zueinander orientierte Raumachsen bezeichnet.

Die in den Figuren 1 - 8 al lgemein mit 1 bezeichnete Laseranordnung besteht im

Wesentlichen aus einem Konverter 2 in Form eines Faserlasers, aus einer als Pumpquel le für den Konverter 2 dienenden Diodenlaseranordnung 3 und aus einer Fokussieroptik für d ie aus dem Konverter 2 ausgekoppelte konvertierte Laserstrahlung. Die vorgenannten

Komponenten weisen bei der dargestel lten Ausführungsform den nachstehend

beschriebenen Aufbau auf: Diodenlaseranordnung 3

Die Diodenlaseranordnung 3 besteht bei der dargestel lten Ausführungsform aus zwei paral lelen und in Richtung der Y-Achse gegeneinander versetzten Laserd ioden-Stapeln 5, d ie jeweils eine Vielzahl von in Richtung der Z-Achse stapelartig übereinander angeordneten Laserbarren 6 aufweisen, die jeweils an einem Kühlkörper vorgesehen und eine Vielzahl von Laserl icht aussendenden Emittern aufweisen. Letztere sind in Richtung ihrer Slow-Achse (Y- Achse) und damit senkrecht zur Stapelachse bzw. Z-Achse an dem jeweiligen Laserbarren 6 aufeinander folgend vorgesehen und senden das Laserlicht in Richtung der X-Achse aus, die senkrecht zur Slow-Achse und Fast-Achse der Emitter orientiert und bei der dargestellten Ausführungsform die optische Achse der Diodenlaseranordnung 3 ist. Weiterhin ist die Anordnung so getroffen, dass jeder Laserbarren 6 eines Stapels 5 niveaugleich mit dem Laserbarren 6 des anderen Stapels 5 liegt.

I m Strahlengang der von den Laserbarren 6 ausgesendeten Laserstrahlung in Form eines Strahlenbündels aus Einzelstrahlen 7 befindet sich ein in den Figuren 2 und 3 nicht dargestellter Fast-Axis-Kollimator, der beispielsweise von einer mit ihrer Achse in der Y- Achse liegenden Zylinderlinse gebildet ist und eine Kollimation der Laserstrahlen bzw. der Einzelstrahlen 7 in der Fast-Achse, d.h. in der Z-Achse senkrecht zu der aktiven Schicht der Laserbarren 6 bewirkt, in der (Fast-Achse) die Strahlung der Emitter jedes Laserbarren 6 die größte Divergenz aufweist. Nach dem Fast-Axis-Kollimator besteht die Laserstrahlung im Wesentlichen als schmalbandiges Strahlenbündel aus Einzelstrahlen 7, wie dies in der Figur 4 in der Position a) dargestellt ist. Auf den Fast-Axis-Kollimator folgt im Strahlengang eine optische Einrichtung 8, die als Plattenfächer ausgebildet ist und zur weiteren Formung des Laserstrahlbündels dient, und zwar in der Weise, dass das Laserstrahlbündel zunächst in Strahlen 7.1 in verschiedenen Ebenen parallel zu der XY-Ebene zertrennt bzw. aufgefächert wird, wobei die Strahlen 7.1 von Ebene zu Ebene auch in der Y-Achse gegeneinander versetzt sind, wie dies in der Figur 4 in der Position b) dargestellt ist. In einer weiteren, ebenfalls als Plattenfächer ausgebildeten optischen Einrichtung 9 werden die Einzelstrahlen 7.1 auch mehrerer Laserbarren 6 dann in der in der Figur 4 in der Position c) dargestellten Weise diagonal übereinander geschoben, sodass sich ein Strahlenbündel 7.2 ergibt. In der Figur 4 sind die Laserstrahlen 7, 7.1 und 7.2 von zwei Laserbarren 6 eines Stapels 5 wiedergegeben. Zur besseren U nterscheidung sind die Laserstrahlen eines Laserbarrens 6 schraffiert und die des andren Laserbarrens 6 nicht schraffiert.

I m Detail besteht die optische Anordnung 8 aus zwei parallelen Plattenfächern 8.1 , die bei der dargestellten Ausführungsform grundsätzlich identisch ausgebildet sind und jeweils aus mehreren dünnen Platten 10 bestehen. Diese sind aus einem Licht leitenden Material, beispielsweise aus Glas (optisches Glas) oder Quarzglas hergestellt und weise z.B. einen quadratischen Zuschnitt auf. Jede mit ihren Oberflächenseiten in der XZ-Ebene angeordnete Platte besitzt zwei einander gegenüberliegende Plattenschmalseiten für den Eintritt und den Austritt der Laserstrahlen. Diese Stirnseiten sind gegenüber der optischen Achse bzw. X- Achse von Platte zu Platte unterschiedlich geneigt, sodass sich eine Fächerartige Struktur ergibt und die Auffächerung der Einzelstrahlen 7 in die Einzelstrahlen 7.1 in Richtung der Z- Achse erfolgt. Die optische Einrichtung 9 besteht ebenfalls aus einer Vielzahl von stapelartig an einander anschließenden Platten 1 1 aus dem Licht leitenden Material bzw. Glas oder Quarzglas. Die Platten 1 1 sind mit ihren Oberflächenseiten in der XY-Ebene angeordnet und weisen wiederum im Strahlweg der Laserstrahlen jeweils zwei parallele plane Stirnseiten für den Eintritt und Austritt der Laserstrahlen auf. Diese Stirnseiten sind gegenüber der optischen Achse (X-Achse) von Platte zu Platte unterschiedlich geneigt, so dass sich eine Fächerartige Struktur ergibt und das Übereinanderschieben der Einzelstrahlen 7.1 zu dem Strahlenbündel 7.2 erfolgt, wie dies in der Figur 4 in der Position c) dargestellt ist.

Auf die optische Einrichtung 9 folgend ist ein Slow-Axis-Kollimator 12 vorgesehen, der die Divergenz, die die Laserstrahlen in der Slow-Axis (Y-Achse) aufweisen, korrigiert und bei der dargestellten Ausführungsform von einer Zylinder-Linse gebildet ist, die lediglich um eine Achse parallel zur Y-Achse gekrümmt ist.

Der nicht dargestellte Fast-Axis-Kollimator, die optischen Einrichtungen 8 und 9 sowie der Slow-Axis-Kollimator 12 bilden bei der dargestellten Ausführungsform die Strahlformoptik 1 3 der Diodenlaseranordnung 3.

Konverter 2

Der als Faserlaser ausgebildete Konverter 2 umfasst u.a. eine Konverterfaser 14, die bei der dargestellten Ausführungsform mehrschichtig, d.h. mit einer inneren aktiven Faser 1 5 (aktiver Kern) aus einem Licht leitenden Material, bevorzugt aus Glas oder Quarzglas. Die Faser 1 5 ist zumindest mit einem laseraktiven Medium oder Stoff, beispielsweise mit Erbium und/oder Ytterbium und/oder Neodym dotiert, und von einem Mantel 16 aus einem Licht leitenden Material, vorzugsweise aus Glas oder Quarzglas umgeben, der den Pumpmantel (Pumpclad) der Konverterfaser 14 bildet und aus undotierten Licht leitenden Material, vorzugsweise Glas oder Quarzglas besteht. Der Mantel 16 ist umgeben von einem weiteren Mantel 1 7 aus einem geeigneten Kunststoff, beispielsweise wasserbeständigen Kunststoff. Als äußerer Abschluss der Konverterfaser 14 dient ein äußerer Mantel 18 beispielsweise aus einem korrosionsfesten metallischen Material. I n den Figuren 5 und 6 ist dieser Aufbau der Konverterfaser 14 dargestel lt. Wie d iesen Figuren auch zu entnehmen, weist der als Pumpmantel dienende Mantel 1 6 einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt auf, um so das E inkoppeln der von der Pumpquel le bzw. von der Diodenlaseranordnung 3 gelieferten Laser- oder Pumpstrahlung in die innere aktive Faser 1 5 zu optimieren. I n der Figur 5 besitzt der Mantel 1 6 einen achteckigen

Querschnitt mit ausgeprägten Ecken und in der Figur 6 einen achteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken. Die innere Faser 1 5 besitzt beispielsweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 1 0 μη\ und 20 μη\ und der Mantel 1 6 einen Durchmesser von etwa 400 μη\ bis 200 μη\. Auch andere hierfür geeignete Querschnitte der Konverterfaser 14 sind mögl ich, beispielsweise eine exzentrische Anordnung der aktiven Faser 1 5 im Mantel 1 6, der auch in d iesem Fal l dann bevorzugt einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist.

An ihren beiden Enden ist d ie Konverterfaser 14 jeweils mit einem den Eintritt und Austritt von Laserstrahlung in die Konverterfaser 14 bzw. aus d ieser Faser ermögl ichenden optischen Anschluss in Form einer Endkappe 1 9 und 20 aus Licht leitendem Material, bevorzugt aus Glas oder Quarzglas versehen. Weiterhin ist d ie Konverterfaser 14 im I nnenraum 21 .3 einer sich über d ie gesamte Länge dieser Faser erstreckenden und von einem Kühlmedium, beispielsweise von einem flüssigen Kühlmedium oder von Kühlwasser durchströmbaren U mhül lung 21 untergebracht, an deren Enden auch d ie Endkappen 1 9 und 20 vorgesehen sind, die zu ihrer Kühlung jeweils mit einer Teil länge in d ie U mhül lung 21 bzw. in deren I nnenraum 21 .3 hineinreichen. Vorzugsweise ist die Konverterfaser 14 vollständig in der U mhül lung 21 aufgenommen. Erfindungsgemäß ist d ie U mhül lung 21 rohr- oder schlauchartig ausgebildet, und zwar mit einem Kühlmed iumeinlass 21 .1 im Bereich der u.a. mit der Laserstrahlung aus dem

Diodenlaser 3 beaufschlagten Endkappe 1 9 und mit einem Kühlmed iumauslass 21 .2 im Bereich der Endkappe 20, d ie u.a. auch zum Ausleiten der mit dem Konverter 2

konvertierten Laserstrahlung d ient. Die beiden Endkappen 1 9 und 20 sind mit einer Antireflexionsschicht für d ie Pumpstrahlung und die konvertierte Laserstrahlung vergütet und beispielweise mittels einer Spleißverbindung auch mit der aktiven Faser 1 5 verbunden. Weiterhin verfügen die Endkappen 1 9 und 20 beispielsweise über eine Länge von 10 mm bis 40 mm und über einen Durchmesser im Bereich zwischen etwa 5 mm und 20 mm. Der Konverter 2 umfasst weiterhin zwei Resonatorspiegel 22 und 23, von denen der Resonatorspiegel 22 u.a. im Strahlengang des von der Diodenlaseranordnung 3 gelieferten Laserstrahlung liegt und eine Fokussierung dieser Strahlung auf die Endkappe 19 bzw. auf die Konverterfaser 14 bewirkt und hierfür an seiner der Endkappe 1 9 abgewandten Seite konvexlinsenartig gekrümmt ist. An der der Endkappe 1 9 zugewandten Seite ist der

Resonatorspiegel 22 für seine Resonatorspiegelfunktion hohlspiegelartig konvex gekrümmt. Weiterhin ist der Resonatorspiegel 22 so ausgebildet, dass er an seiner der Endkappe 1 9 abgewandten Einkoppelseite keine oder im Wesentlichen keine Reflexionseigenschaften aufweist, d.h. als Antireflexionsspiegel für die Pumpstrahlung ausgebildet ist und an seiner der Endkappe 1 9 zugewandten Seite eine hohe Reflexion besitzt, d.h. als

Hochreflexionsspiegel für die aus der Konverterfaser 14 austretenden Strahlung ausgebildet ist. Die Resonatorspiegel 22 und 23 sind bevorzugt justierbar ausgeführt.

Ein weiterer Resonatorspiegel 23 ist im Strahlengang auf die Endkappe 20 folgend vorgesehen. Dieser Resonatorspiegel 23 ist wiederum an seiner der Endkappe 20 abgewandten Seite zur Erzeugung einer parallelen oder im Wesentlichen parallelen

Ausgangs-Laserstrahlung konvex bzw. konvex-linsenartig und an seiner der Endkappe 20 zugewandten Seite hohlspiegelartig konkav gekrümmt. Weiterhin ist der Resonatorspiegel 23 so ausgeführt, dass er an seiner konkaven Seite als Hochreflexionsspiegel für die

Pumpstrahlung und als Antireflexionsspiegel für die konvertierte Ausgangsstrahlung des Konverters wirkt, d.h. einen Durchtritt der konvertierten Ausgangsstrahlung oder

Laserstrahlung ohne Reflexion oder im Wesentlichen ohne Reflexion ermöglicht.

Figuren 7 und 8 zeigen nochmals in vergrößerter Darstellung die Konverterfaser 14 mit der U mhüllung 21 und mit dem von dieser gebildeten, die Konverterfaser 14 auf ihren gesamten U mfang umschließenden ringförmigen Kühlkanal 21 .3. U m sicher zu stellen, dass die Konverterfaser 14 über ihre gesamte Länge stets von der Innenfläche der U mhüllung 21 beabstandet ist und somit der Kühlkanal 21 .3 über die gesamte Länge der Konverterfaser 14 optimal ausgebildet ist, ist die Konverterfaser 14 mehrfach durch jeweils ein Abstützelement 24 gehalten. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 25, welches einen nach außen hin geschlossenen Cehäuseinnenraum 26 bildet, in dem die durch den

Cehäuseinnenraum 26 hindurch geführte Konverterfaser 14 zwischen einem oberen und einem unteren Faserhalter 27 gehalten ist. An zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 25 ist jeweils ein flanschartiger Anschluss 28 vorgesehen, durch den die

Konverterfaser 14 hindurchgeführt ist und welcher zum Anschluss eines Schlauch- oder Rohrstückes 29 dient, das Teil der U mhüllung 21 ist. Diese besteht somit bei der

dargestellten Ausführungsform aus den Halteelementen 24 und den Schlauch- oder

Rohrstücken 29. Die Figur 9 zeigt als weitere Ausführungsform einer Laseranordnung 1 a, der sich von der Laseranordnung 1 dadurch unterscheidet, dass die konvertierte Laserstrahlung nicht an dem Resonatorspiegel 23, sondern zwischen der Pumpquelle bzw. Diodenlaseranordnung 3 und dem Resonatorspiegel 22, d.h. an diesem Resonatorspiegel ausgekoppelt wird, und zwar über einen dichroitischer Spiegel 30, der gegenüber der Achsrichtung der Pumpstrahlung der Diodenlaseranordnung 3, d.h. gegenüber der X-Achse geneigt ist und dessen

Oberflächenseiten mit der Y-Z-Ebene einen Winkel kleiner als 90°, beispielsweise einen Winkel 45° oder im Wesentlichen von 45° einschließen. Der Spiegel 30 trennt die

Laserstrahlung der Diodenlaseranordnung 3 von der konvertierten Laserstrahlung der Konverterfaser 14. Mögliche Kombinationen der Eigenschaften des Spiegels 30 sind hierbei:

- Der Spiegel 30 ist für die Pumpstrahlung durchgängig, für die konvertierte Strahlung aber hoch reflektierend, oder aber

- der Spiegel 30 ist hoch reflektierend für die Pumpstrahlung, für die konvertierte

Strahlung aber durchgängig.

Die Wellenlänge der von der Diodenlaseranordnung 3 gelieferten Laserstrahlung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 900 nm und 1500 nm. Die Wellenlänge der

konvertierten Laserstrahlung liegt oberhalb der Wellenlänge der Pumpstrahlung,

beispielsweise bei 1 500 nm bis 1 100 nm. Die von der Diodenlaseranordnung 3 gelieferte Pumpstrahlung liegt beispielsweise in einem Leistungsbereich von einigen kW bis hin zu Leistungen größer 10 kW. Auch aus diesem Grund ist eine optimale Kühlung der

Konverterfaser 14 zur Abführung von Verlustleistungen notwendig, die u.a. beim Einkoppeln der Pumpstrahlung in die innere Faser 1 5 entsteht.

Zur Erhöhung der Pumpleistung und damit auch der Ausgangsleistung und/oder der

Leistungsdichte ist es zweckmäßig die Diodenlaseranordnung 3 so zu betreiben, dass die Pumpstrahlung ein Wellenlängenmultiplexing von mehreren Wellenlängen aus einem Wellenlängenbereich der Pumpstrahlung aufweist, beispielsweise aus dem

Wellenlängenbereich zwischen 900 nm und 1060 nm. Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Bezugszeichenliste

1 , 1 a Laseranordnung

2 Konverter

3 Diodenlaseranordnung (Pumpquelle)

4 Fokussieroptik

5 Stapel

6 Laserbarren

7, 7.1 , 7.2 Einzelstrahlen

8, 9 optisches Element

8.1 Plattenfächer

10, 1 1 Platten

12 S I o w-Ax i s- Ko 11 i mator

13 Strahlformoptik

14 Konverterfaser

1 5 innere aktive Faser oder aktiver Kern

16 - 18 Mantel

19, 20 End kappe

21 U mhüllung

21 .1 , 21 .2 Anschluss

21 .3 Kühlkanal

22, 23 Resonatorspiegel

24 Halteeinrichtung

25 Gehäuse

26 Cehäuseinnenraum

27 Faserhalter

28 Anschluss

29 Rohr- oder Schlauchstück

30 Spiegel

X, Y, Z Raumachsen