Die gängigsten Laser für Materialbearbeitung sind CO2-, NdYag-und Diodenlaser. Typi- sche Anwendungen sind Schneiden, Schweißen, (Hart-) Löten, Härten, Enthärten, Markie- ren, Gravieren, Beschriften, Beschichten, Reinigen und Bohren von Metallen und Nicht- metallen. Äquivalente Anwendungen finden sich auch in der Medizintechnik, z. B. in der Chirurgie oder in der Dentalmedizin. COx-und NdYag-Laser verfügen üblicherweise über eine sehr gute Strahlqualität und können daher für Anwendungen, welche eine sehr hohe Intensität (>106W/cm2) im Fokus benötigen, eingesetzt werden. Allerdings haben diese Lasertypen einen relativ schlechten Wirkungsgrad (5-20%) und sind komplizierte und aufwendig zu bedienende Geräte. Diodenlaser sind hingegen kompakt, hocheffizient (Wir- kungsgrad typischerweise 40-50%, für die Zukunft sind weitere Steigerungen zu erwarten) und einfach zu bedienen, sie haben aber eine sehr schlechte Strahlqualität und sind somit für viele Anwendungen nicht verwendbar.

Zur Beurteilung der Brauchbarkeit von Diodenlasern dient das Konzept der Brillianz. Hier- für benötigt man das Strahlparameterprodukt, welches das Produkt von kleinsten Strahl- durchmesser und Strahldivergenz im Fernfeld ist. Breitet sich ein Lichtstrahl in einem kartesischen x-y-z Koordinatensystem entlang der z-Achse aus, so kann für die x-als auch für die y-Richtung unabhängig ein Strahlparameterprodukt bestimmt werden. Es ist für den durch diverse Optiken geleiteten einzelnen Laserstrahl im besten Fall eine Konstante, im realen Fall wird es größer und somit die Fokussierbarkeit verschlechtert. Für ein Bündel von Laserstrahlen kann mit Optiken, welche die Abstände zwischen den Laserstrahlen ver- ringern, bis zu einem gewissen Grad eine Verkleinerung des gesamten Strahlparameter- produktes erreicht werden.

Die Brillianz ist nun definiert als optische Leistung dividiert durch das Produkt der beiden vorher definierten Strahlparameterprodukte. Je höher die Brillianz, desto höher ist die im Fokus erreichbare maximale Intensität, was neben der optischen Leistung ein Hauptkriteri- um bei der Beurteilung der Brauchbarkeit eines Lasers für Materialbearbeitung darstellt.

Bei Diodenlasern üblicher Bauart, die immer aus vielen Laserdioden aufgebaut sind, kann durch Erhöhung der Anzahl der Laserdioden keine Erhöhung der Brillianz erreicht werden, denn die höhere Gesamtleistung geht aufgrund der größeren Anzahl an optischen Pfaden einher mit einem erhöhten Strahlparameterprodukt. So ergibt beispielsweise die parallele Ausbreitung (Positionsmultiplexing) von zwei Laserstrahlen zwar im Fernfeld keine Erhö- hung der Divergenz, dafür aber mindestens eine Verdoppelung des kleinsten Strahldurch- messers, wogegen eine Fokussierung auf einen gemeinsamen Punkt (Winkelmultiplexing) keine Erhöhung des kleinsten Strahldurchmesser ergibt aber die Divergenz im Fernfeld mindestens verdoppelt.

Übliche Methoden zur Strahlführung und-kombination bei Diodenlasern sind Wellenlän- gen-, Polarisations-, Positions-und Winkelmultiplexing und zur substantiellen Brillianz- steigerung die bis dato nicht auf hohe Leistung skalierbare kohärente Kopplung der Laser- dioden. Beim Wellenlängenmultiplexing werden Laserstrahlen verschiedener Wellenlän- gen in wellenlängenabhängigen Filtern überlagert, wobei derzeit bei Hochleistungs- diodenlasern mangels geeigneter Laserdioden nur maximal drei Wellenlängen (808,940, 980nm) überlagert werden können, was zu einer dreifachen Brillianzsteigerung führt. Beim Polarisationsmultiplexing werden zwei linear polarisierte Laserstrahlen mit aufeinander normal stehender Polarisation in einem Polarisationsfilter überlagert, was zu einer zweifa- chen Brillianzsteigerung führt.

Es werden Diodenlaser aus den genannten Gründen in der Technik und der Forschung zu- nehmend verwendet, obwohl sie die erwähnten Nachteile aufweisen : Die pro Diode emit- tierte Leistung ist relativ gering, bei Zusammenfassung mehrerer oder einer großen Anzahl von Dioden zu einer gemeinsamen Quelle erhält man nur eine schlechte Strahlqualität, die durch die Überlagerung der Strahlung vieler inkohärent emittierender Laserdioden bedingt ist. Daraus folgt, dass wegen der bei dieser Anordnung relativ großflächigen Quelle bzw. wegen der hohen Anzahl an optischen Pfaden eine Fokussierung des Strahles nicht mit der bei vielen Anwendungsgebieten notwendigen Intensität und Tiefenschärfe (Länge, auf der der Fokusdurchmesser erhalten bleibt) möglich ist.

Es wurde nun in einem nachveröffentlichten Artikel, nämlich in : M. Bartram et. al. [2003] Pulse widths less than 100ns at 500A Current : Challenge to Explore New Applications with High-Power Laser Diode Arrays, Proceedings of the Second International WLT- Conference on Lasers in Manufacturing 2003, Munich, June 2003 festgestellt, dass unter bestimmten Bedingungen auch für kontinuierlichen Betrieb gedachte Laserdioden lei- stungsstarke Laserpulse erzeugen können, wobei die Frequenz dieser Pulse aber nicht be- liebig zu steigern ist, so dass die über längere Zeiten gemittelte Leistungsabgabe dadurch nicht gesteigert werden kann, was bedeutet, dass auch diese Erkenntnis zu keiner Verbes- serung der eingangs dargestellten Situation führt. Eine 10-fache Pulsüberhöhung ist er- reichbar, falls die Pulsdauer unter 100ns liegen. Die von der Pulsfrequenz abhängige Durchschnittsleistung sollte allerdings niedriger als im kontinuierlichen Betrieb gewählt werden, um die erhöhte Belastung durch den Pulsbetrieb auszugleichen. Als sicherer Wert erscheint eine Durchschnittsleistung im Pulsbetrieb, die 50% der im kontinuierlichen Be- trieb erreichbaren Durchschnittsleistung entspricht.

Ferner existiert eine Mannigfaltigkeit an in der Regel für Messzwecke gedachten Pulsla- serdioden, welche aufgrund eine besonderen inneren Strukturierung zur Generierung lei- stungsstarker Laserpulse besonders geeignet sind, aber, meist aufgrund schlechter Wär- meableitung, nur eine sehr geringe Durchschnittsleistung erbringen. Solche Laserdioden sind typischerweise mit einer Kavität größerer Querschnittsfläche ausgestattet und in Fäl- len, die besonders hohe Spitzenleistung erfordern, sind mehrere lichtemittierende pn-Übergänge im Abstand von typischerweise 4 um übereinander geschichtet. Obwohl im letzteren Fall wieder parallel laufende Laserstrahlen erhalten werden, wird aufgrund des geringen Abstandes trotzdem eine relativ hohe Brillianz erreicht.

Aus der US 5 250 810 A ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Luftverschmutzung bekannt, die auf der Absorption von Licht bestimmter Wellenlänge durch bestimmte Luft- verschmutzungen beruht. Um diese Messung durchzuführen, werden Laserstrahlen von einer Laserquelle (C02-Laser) zu einem Detektor geleitet, wo die Absorption festgestellt und aus den bekannten Betriebsparametern die entsprechende Luftverschmutzung berech- net wird. Für unterschiedlichen Schmutz werden unterschiedliche Wellenlängen und damit unterschiedliche Laserquellen benötigt. Um mehrere Laserstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge möglichst einheitlich abstrahlen zu können, wird in dieser Druckschrift eine Vorrichtung vorgeschlagen, durch die die einzelnen Laserstrahlen in einem Zeit-Multiplex- System zu einem Strahl vereint werden, wobei mit selektiver Polarisation und gepulst be- triebenen Lasern gearbeitet wird. Die einzelnen linear polarisierten Laserpulse werden da- bei paarweise durch polarisationsselektive optische Elemente vereint und anschließend durch schaltbare Polarisationsdreher in die passende Polarisationsrichtung gebracht, um beim nächsten optischen Vereinigungselement wiederum in der richtigen Polarisations- richtung vorzuliegen. So können in einzelnen Stufen die Lichtpfade schrittweise vereint werden.

Durch diese Vorrichtung wird es möglich, einen, durch die Schaltvorgänge natürlich in- termittierenden, Laserstrahl zu schaffen, der (entlang seiner Länge gesehen) aus einzelnen Abschnitten besteht, die unterschiedliche Wellenlänge aufweisen. Die Intensität der ein- zelnen Strahlenabschnitte entsprechen der Pulsleistung des jeweiligen Lasers, und der ge- samte Strahl, hat, wenn man die Pausen zwischen den einzelnen Abschnitten nicht berück- sichtigt, eine der Pulsspitzenleistung eines einzelnen Laser entsprechende Durchschnitts- leistung. Wenn man die Pausen ebenfalls berücksichtigt, so ist der erhaltene Laserstrahl selbstverständlich entsprechend dem Tastverhältnis schwächer.

Es ist nun das Ziel der Erfindung, einen Laserstrahl zu schaffen, dessen Quelle eine Viel- zahl von Laserdioden ist und der eine bessere Strahlqualität aufweist als die bisher be- kannten, ebenfalls eine Vielzahl von Laserdioden verwendenden Diodenlaser es ermögli- chen.

Erfindungsgemäß werden diese Ziele dadurch erreicht, dass die Laserdioden in gepulstem Modus betrieben werden und dass die einzelnen Impulse in einer Strahlvereinigungsvor- richtung (optischer Multiplexer) vereint werden. Durch diese Kombination eines Verfah- rens, nämlich des Verfahrens zum Betrieb der einzelnen Laserdioden, und einer Vorrich- tung, nämlich der Vorrichtung zur Vereinigung von Laserstrahlen, und passender Kopp- lung der Parameter der Vorrichtung und des Verfahrens, kann ein Laserstrahl hoher Lei- stung geschaffen werden, der darüber hinaus auch eine hohe Strahlqualität aufweist.

Es wird so mit einer Mehrzahl von Laserdioden eine vorbestimmte Folge von Laserpulsen erzeugt, welche mit einer optischen Strahlzusammenführung auf einen gemeinsamen opti- schen Pfad geführt werden. Der resultierende Laserstrahl besteht somit aus einer auf einer Bahn laufenden Folge von Laserpulsen unterschiedlicher Herkunft und kann daher so gut fokussiert werden wie ein gewöhnlicher Laserstrahl. Er erreicht dabei, je nach der mögli- chen Leistungsüberhöhung einer Laserdiode im Pulsbetrieb, eine Durchschnittsleistung, die je nach zeitlichem Abstand zwischen zwei Pulsen nur etwas kleiner als die Pulsspit- zenleistung einer Laserdiode ist.

Aufgrund der oben erwähnten, nachveröffentlichten Schrift : M. Bartram et. al. [2003] Pulse widths less than 100ns at 500A Current kann von einer 10-fachen Leistungsüberhöhung einer Laserdiode im Pulsbetrieb ausgegangen werden, sodass mit diesem Verfahren, wel- ches eine Durchschnittsleistung liefert, die der Pulsspitzenleistung einer Laserdiode ent- spricht, eine im Vergleich zu einer Laserdiode 10fach höhere Strahlleistung erreicht wer- den kann. Da aber sämtliche Laserpulse auf einer Bahn laufen, ist das Strahlparameterpro- dukt des so entstandenen Laserstrahls gleich dem Laserstrahl, wie er von einer Laserdiode emittiert wird. Somit wird mit dem Verfahren eine 10-fache Brillianzsteigerung erreicht.

Eine typische Hochleistungslaserdiode erreicht eine maximale Durchschnittsleistung von 5 W (Watt). Somit kann mit solchen Laserdioden mit dem genannten Verfahren ein Laser- strahl von etwa 50 W Leistung geschaffen werden, mit einer Fokussierbarkeit, wie sie üb- licherweise der Einzelstrahl einer Laserdiode besitzt. Geht man davon aus, dass solche Laserdioden im Pulsbetrieb bis zu 50% ihrer kontinuierlichen Leistung liefern können, so sind 25 Laserdioden, die je 2,5 W Durchschnittsleistung im Pulsbetrieb liefern, notwendig, um die anvisierten 50 W Gesamtleistung zu erreichen.

Zur Realisierung eines optischen Zeit-Multiplexers eignet sich im Prinzip jeder optische Scanner, der einen Laserstrahl abzulenken imstande ist und der auch in umgekehrter Richtung betrieben werden kann. Da eine signifikante Pulsüberhöhung bei Laserdioden nur bei Pulsdauer in der Größenordnung von 100 ns (Nanosekunden) zu erzielen ist und auch eine hohe Anzahl an Laserdioden adressierbar sein soll, sind nur sehr schnell schaltbare Scanner mit einem hohen Ablenkungsbereich bzw. vielen verschiedenen erreichbaren opti- schen Pfaden verwendbar. Aufgrund einfacherer Steuerung sind digitale Scanner, die prin- zipbedingt nur eine diskrete Anzahl von optischen Pfaden adressieren, analogen Scannern, die einen kontinuierlichen Bereich bedienen, vorzuziehen, da bei letzteren eine Abwei- chung der Steuerparameter von den Sollwerten sofort eine Ungenauigkeit und Auffäche- rung des zu erzielenden Laserstrahles nach sich zieht.

Von den vielen Möglichkeiten einen Lichtstrahl abzulenken, kommen aufgrund der not- wendigen kurzen Schaltzeiten hauptsächlich elektrooptische und magnetooptische Verfah- ren in Frage. Mit genügend schnellen optischen Schaltern, die aber nur eine geringe An- zahl von m (m = 2, 3,4,..) verschiedenen Wegen adressieren können, kann durch eine Kaskadierung dieser optischen Schalter eine entsprechende Erhöhung der Wegeanzahl und damit der einsetzbaren Diodenlasern erreicht werden. Setzt man an die m Ausgänge eines optischen Schalters, die Eingänge von m weiteren optischen Schalter mit jeweils m Aus- gängen, so können schon m2 verschiedene Wege geschalten werden, beziehungsweise die Laserpulse von m2 Laserdioden auf einen gemeinsamen Weg geführt werden.

Hat man im besonderen digitale optische Schalter mit nur zwei Ausgängen zur Verfügung, kann nach diesem Prinzip ein digitaler Scanner mit 2n (n = 1, 2,3... = Anzahl der Kaska- dierungen, wobei n = 1 der Verwendung nur eines Schalters entspricht) schaltbaren opti- schen Pfaden realisiert werden. Eine einfache Realisierungsmöglichkeit eines schnellen digitalen optischen Schalters für linear polarisiertes Licht ist gegeben durch eine Kombi- nation eines schaltbaren Polarisationsdrehers (Pockelszelle, Faradayrotator) und einer im Strahlengang darauf folgenden polarisationsselektiven Optik, in der das Licht je nach dem im Polarisationsdreher erhaltenen Polarisationszustand auf zwei verschiedene Wege gelei- tet werden kann.

Unter einer Pockelszelle wird in dieser Anmeldung und den Ansprüchen ein elektrooptisch aktivierbares Material, welches so in den Strahlengang eingebracht ist, dass das Anlegen einer bestimmten Spannung an am Material befestigten Elektroden zu einer Polarisations- drehung des durchgehenden Lichts um 90° führt, verstanden.

In der optischen Nachrichtentechnik werden integrierte, nur für geringste Lichtleistungen geeignete Monomode-Wellenleiter zur Signalübertragung benutzt und optische Schalter (Weichen) werden üblicherweise als Mach-Zehnder-Modulator oder als Richtkoppler- schalter (directional coupler switches) aufgebaut. Durch Kaskadierung von optischen Schaltern werden der Nachrichtentechnik optische n x n-Schalter mit n Eingängen und n beliebig adressierbaren Ausgängen realisiert. Diese können auch als optische Multiplexer betrieben werden, wenn alle Eingänge auf einen Ausgang geleitet werden, was sich im Betrieb in einem Nachrichtennetzwerk zufällig ergeben kann, allerdings aufgrund der kon- struktionsbedingt geringen übertragbaren optischen Leistung keinerlei Vorteil im Hinblick auf eine hohe Laserleistung mit sich bringt. Tatsächlich beruhen in der optischen Nach- richtentechnik die meisten optischen Schalter wie Mach-Zehnder-Modulatoren oder Richt- koppler (directional coupler) auf den speziellen Eigenschaften von integrierten Monomo- dewellenleitern, welche nur geringe Laserleistung sehr hoher Strahlqualität transportieren können und somit für die multimodigen Hochleistungslaserdioden nicht in Betracht kom- men.

Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung eines digitalen Schalters für hohe Laserleistung geringer Strahlqualität ist die Verwendung der in"Electrooptics, F. Agullo-Lopez et al, 1994, Academic Press"beschriebenen elektrooptischen Bragg-Modulatoren bzw. Bragg- Schaltern, in denen (schief) einfallendes Licht an einem durch einen elektrooptischen Ef- fekt erzeugtem Bragg-Spiegel je nach Schaltzustand reflektiert oder transmittiert wird. Ein Bragg-Spiegel besteht aus einer Folge von Schichten mit wechselndem Brechungsindex, welche im Falle des Bragg-Schalters durch geeignet strukturierte und mit Spannung beauf- schlagte Elektroden erzeugt werden. Die zu wählende Schichtdicke hängt von der Wellen- länge und dem Einfallswinkel des Lichts ab. In der DE 196 43 489 Cl, betreffend einen Bragg-Modulator ist ein Verfahren beschrieben, mit dem ein solcher schaltbarer Bragg- Spiegel in einem planaren Wellenleiter erzeugt werden kann. Dies ist besonders für Hochleistungslaserdioden geeignet, da diese in einer Richtung (normal auf den lichterzeu- genden pn-Übergang) über eine sehr gute Strahlqualität verfügen, während die andere Richtung eine sehr schlechte Strahlqualität hat. Dies ist optimal für planare Wellenleiter, für die das eingekoppelte Licht nur in einer Richtung von guter Strahlqualität sein muss.

Zu erwägen sind auch sogenannte analoge Scanner, die Licht sogar um einen beliebigen in einem bestimmten Bereich liegenden Winkel ablenken können und somit mit geeigneter Ansteuerung auch m (m = 2,3, 4... ) verschiedene diskrete Wege bedienen können. Ein solcher Scanner ist beschrieben in der DE 43 26 196 Al betreffend einen planaren elektro- optischen Lichtstrahlablenker und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Hier werden Pris- menarrays benutzt, deren Brechungsindices durch eine Steuerspannung beeinflusst wird, so dass die an der Schrägseite der Prismen gebrochene Strahlung eine von der Steuerspan- nung abhängige Ablenkung erfährt. Entweder kann das Prismenarray normal auf das ab- zulenkende Licht stehen, so dass also alle Prismen parallel vom Licht durchflutet werden, oder das Array steht in Lichtrichtung, so dass ein Prisma nach dem anderen durchstrahlt wird, um den in jedem Prisma erreichten Ablenkwinkel zu summieren.

Die Inhalte der beiden oben genannten Patenschriften beruhen auf dem Verfahren der Do- mäneninversion in ferro-elektrischen Materialien (im besonderen Lithiumniobat und - tantalat aber auch Halbleitermaterialien), welche die Ausbildung der angeführten Strahla- blenker in planarer Wellenleitertechnik gestatten und somit ideal für die Verwendung von Laserdioden geeignet sind.

Ein weiteres Prinzip eines analogen Scanners findet sich in der DE 101 02 723 A1, betref- fend einen Strahlablenker, Schaltanordnung mit Strahlablenkern zum wahlweisen Ver- knüpfen von Anschlüssen für optische Signale. Hierbei ist ein elektrooptisches Material zwischen dielektrischen Spiegelschichten angebracht und erhält mittels besonders struktu- rierten Elektroden eine ortsabhängige Änderung des Brechungsindex, welche zur Beein- flussung des Reflektionswinkels eines einfallenden Lichtstrahles benutzt werden kann. Es handelt sich also um eine Art Spiegel, dessen Reflektionswinkel in einem bestimmten Be- reich beliebig gewählt werden kann. Die Schrift führt auch eine Anordnung solcher Ablen- ker an, die als optische Schaltmatrix benutzt werden kann und somit auch als optischer Multiplexer ausgeführt werden kann.

Die zusätzliche Verwendung von Wellenlängen-und Polarisationsmultiplexing erlaubt dann eine weitere Leistungs-und Brillianzsteigerung. Mit Winkel-und Positionsmultiple- xing können in weiterer Folge theoretisch beliebige Leistungen erreicht werden, wobei sich dann allerdings das Strahlparameterprodukt entsprechend erhöhen würde, und keine weite- re Brillianzsteigerung erzielt würde.

Nützt man also noch zusätzlich Wellenlängen-und Polarisationsmultiplexing aus, d. h. man kombiniert mit diesen Verfahren die Ausgänge von mehreren optischen Multiplexern, so sind prinzipiell die Schaltzyklen der verschiedenen Multiplexer unabhängig voneinander.

Vorteilhafter weise wird man allerdings nur einen Treiber benutzen, sodass dann alle Mul- tiplexer synchron arbeiten.

Hervorzuheben ist beispielweise die Möglichkeit, die linear polarisierten Ausgänge von zwei mit kaskadierten elektrooptischen Braggreflektroren realisierten Multiplexern mittels einer polarisationsselektiven Optik nochmals auf einen gemeinsamen Pfad zu führen.

Einer besonderen Behandlung bedarf der Fall, dass die linear polarisierten Ausgänge von zwei mit schaltbaren Polarisationsdrehern realisierten Multiplexern mittels einer polarisati- onsselektiven Optik nochmals auf einen gemeinsamen Pfad geführt werden. Dies ergibt sich nämlich in naheliegender Weise, da ja schon in den Multiplexern selbst Polarisati- onsmultiplexing ausgenützt wird. In diesem Fall können die beiden Multiplexer eine Ein- heit bilden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden jeweils die Laserimpulse einer vertikal pola- : risierten und einer horizontal polarisierten Diode zeitgleich abgestrahlt. Die einzelnen Teil- strahlen werden dabei durch doppelbrechende Kristalle, Polarisationsprismen oder polari- sationsselektive Spiegel in schaltbare Polarisationsdreher, beispielsweise Pockelszellen oder Faradayrotatoren, gelenkt, in diesen in eine vorgegebene Polarisationsrichtung ge- bracht (d. h. um 90° gedreht oder nicht gedreht), um von den nächsten Strahlvereinigern in die nächsten schaltbaren Polarisationsdreher gelenkt zu werden, in denen wieder die Pola- risation für die nächste Stufe angepasst wird. In der letzten polarisationsselektiven Stufe erfolgt dann die Vereinigung der beiden so erhaltenen Laserpulse auf einen gemeinsamen optischen Pfad. Sind die Laserpulse zu Ende, so werden die Polarisationsdreher in einen anderen Schaltzustand gebracht, sodass zwei weitere Laserdioden vertikal und horizontal polarisierte Laserpulse abstrahlen können, und diese Laserpulse die Apparatur wieder auf dem selben optischen Pfad verlassen, wie zuvor.

Ein schaltbarer Polarisationsdreher kann auch aus einer Kombination Pockelszelle- lamda/2-Platte oder der Kombination Faradayrotator-45°-Dreherplatte aufgebaut sein. Im ersten Fall macht die lamda/2-Platte aus dem einfallenden linear polarisiertem Licht zir- kular polarisiertes Licht, welches in Folge bei positiver Viertelwellenspannung (beträgt die Hälfte der Halbwellenspannung) an der Pockelszelle diese mit um 90° gedrehter Polarisa- tion verlässt und bei negativer Viertelwellenspannung wieder in die ursprüngliche Polari- sationsrichtung gebracht wird. Analog ist auch die Funktionsweise der zweiten Kombinati- on zu verstehen.

Bei der Kaskadierung von digitalen Schaltern (2xl-Schaltern) gibt es vorteilhafte Mög- lichkeiten alle Schaltzustände durchzuschalten. Dabei werden die einzelnen Kaskadierung- stufen mit fixen Frequenzen aus und eingeschaltet, wobei die verwendeten Frequenzen Vielfache voneinander sind und in zueinander festen Phasenlagen auf die Kaskadierungs- stufen angewandt werden. Die folgende Diskussion beschränkt sich auf digitale Schalter realisiert aus einer Kombination Polarisationsfilter und schaltbarer Polarisationsdreher kann aber zu weiten Teilen auch auf andere digitale Schalter wie im besonderen die Bragg- Schalter angewandt werden, im besonderen was die Schaltsequenzen und die Art und Er- zeugung der erforderlichen Steuerspannungen betrifft.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Figur zeigt schematisch, nicht unbedingt geometrisch, eine erfindungsgemäße Anord- <BR> <BR> nung, bei der sechzehn Laserdioden 1, 2,. .. 16 und die im folgenden beschriebenen opti-<BR> sche Vorrichtung so angeordnet sind, dass die von den Laserdioden 1, 2,. .. 16 kommenden, gepulsten Laserstrahlen zu einem einzigen aus der Vorrichtung entlang des optischen Pfa- des OP austretenden Laserstrahl vereint werden.

Um dies zu erreichen ist folgende Vorrichtung vorgesehen : Die mit ungeraden Zahlen be- zeichneten Laserdioden 1, 3,5,... 15 emittieren vertikal polarisiertes Laserlicht und die mit <BR> <BR> geraden Bezugszeichen bezeichneten Laserdioden 2,4, 6,. .. 16 horizontal polarisiertes Licht. Damit ist auch gemeint, dass zusätzliche in der Figur nicht gezeigte optische Ele- mente die Polarisation des von den Laserdioden emittierten Lichts in die erforderliche La- <BR> <BR> ge bringen. Das von den Laserdioden 1, 2,. .. 16 emittierte Licht fällt auf polarisationsse- lektive Elemente PS4, beispielsweise passend angeordnete doppelbrechende Kristalle, Po- larisationsprismen oder polarisationsselektive Spiegel, welche geeignet sind, zwei einfal- lende Laserstrahlen mit aufeinander orthogonal stehender linearer Polarisation in einen gemeinsamen, ausfallenden Laserstrahl zu vereinigen. Somit werden die ursprünglich 16 optischen Pfade auf acht Pfade reduziert.

Die auf diesen acht Pfaden laufenden Laserpulse gelangen sodann in eine Polarisations- drehstufe PD3, in der die Polarisationsrichtung des durchgehenden Lichtes je nach dem Aktivierungszustand des Elementes entweder unverändert bleibt oder um 90° gedreht wird.

Durch diese aus den beiden Elementen PS4 und PD3 bestehenden Vereinigungsstufe ge- langt man von sechzehn zu acht Laserstrahlen, deren Polarisationsrichtung durch die Ele- mente PD3 den gewünschten Wert (als die Allgemeinheit nicht beschränkende Konvention sei vertikal und horizontal angenommen) aufweist. Auf gleiche Weise wie die Reduzierung der sechzehn Laserstrahlen in der gesamten Stufe PS4, PD3 erfolgt in der nächsten Stufe, durch polarisationssensitive Elemente PS3 und polarisationsdrehende Elemente PD2, die Reduzierung und passende Polarisation auf vier Strahlen. In der nächsten Stufe, bestehend aus den polarisationssensitiven Elementen PS2 und dem polarisationsdrehenden Elementen 1 erfolgt die Vereinigung auf zwei Strahlen, in der letzten Stufe, die nur aus dem eigentli- chen Strahlvereinigungselement PS1 besteht, die Kombination der ursprünglichen sech- zehn optischen Pfade zu nur einem optischen Pfad mit dem Bezugszeichen OP.

Jede der Polarisationsdreherstufen PD1... 3 kann mit einem schaltbaren Polarisationsdreher realisiert werden, oder es kann jede Polarisationsdreherstufe aus mehreren Polarisations- schaltern bestehen. In gleicher Weise können die polarisationsselektiven Stufen PS1... 4 aus einem oder mehreren polarisationsselektiven Elementen bestehen. Ebenso können bei der Kaskadierung von anderen optischen Schaltern, diese in den Kaskadierungsstufen zusam- mengefasst werden. Ob dies möglich ist, hängt vor allem vom Verhältnis der Querschnitts- fläche der Laserstrahlen zur Apertur der Schalter ab.

In der Fig. 1 sind die Polarisationsebenen der Laserdioden 1,2,... 16 durch in der Zeiche- nebene liegende Doppelpfeile für vertikal V und durch Ringe, die aus der Zeichenebene ragende Doppelpfeile andeuten sollen, für horizontale Polarisation H eingezeichnet. Glei- chermaßen sind die jeweiligen Polarisationsebenen nach den einzelnen Vereinigungsstufen angegeben, die schließlich zum aus der Vorrichtung entlang des optischen Pfades OP aus- tretenden Laserstrahl führen.

In Fig. 1 ist die Anordnung für sechzehn Laserdioden dargestellt, die Erfindung ist für eine beliebige Anzahl von Laserdioden durchführbar, wobei wegen der jeweiligen Halbierung der Anzahl der Strahlengänge pro Bearbeitungsstufe eine Anzahl von 2'+'Laserdioden optimal ist, wobei n eine ganze, positive Zahl darstellt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind jeweils die mit ungeraden Bezugszeichen verse- <BR> <BR> henen Laserdioden 1, 3,. .. 15 so angeordnet oder so mit entsprechenden optischen Ele- menten ergänzt, dass sie vertikal polarisiertes Licht aussenden, die mit geraden Bezugszei- chen 2,4... 16 bezeichneten Laserdioden senden horizontal polarisiertes Licht aus. Die jeweiligen Polarisationsrichtungen nach dem Durchgang durch ein Polarisationsdrehele- ment sind in der Fig. 1 ebenfalls eingezeichnet.

Des weiteren sei die Möglichkeit erwähnt, die Polarisationsdreherelemente einer Polarisa- tionsdreherstufe getrennt voneinander, aber mit einer festen Phasen-und Frequenzbezie- hung zueinander aus-und einzuschalten. Dies ermöglicht im Falle, dass in jeder Stufe für jeden optischen Pfad ein Polarisationsdreher mit einer Pockelszelle realisiert ist, jede Pok- kelszelle mit einem in einem Schwingkreis erzeugten rein harmonischen Spannungsverlauf zu beaufschlagen, wie nun erklärt wird.

Bei Deaktivierung aller Polarisationsdrehelemente kann gleichzeitig das Licht der Laser- diode 1 und der Laserdiode 16 zusammengeführt werden. Wenn nun die Polarisationsdre- herstufe PD1 mit einer vorgegebenen Frequenz f aktiviert bzw. deaktiviert wird, die Polari- sationsdreherstufe PD2 phasengleich mit der halben Frequenz f/2 und die Polarisationsdre- herstufe PD3 phasengleich mit der Frequenz f/4 betrieben wird, so ergeben sich der Reihe nach 2n, (für n = 3) somit acht Schaltzustände : 000 (1,16) 100 (8,9) 010 (4,13) 110 (5,12) 001 (2,15) 101 (7,10) 011 (3,14) 111 (6,11) Dabei bedeutet beispielsweise 101 (7,10), dass die Polarisationsdreherstufen (PD1) und (PD3) eingeschaltet sind und die Laserdioden 7 und 10 an der Reihe sind. Das Schalten mit konstanter Frequenz ermöglicht es, die Impedanz jedes Polarisationsdrehers in einem selbsterregten oder resonant angeregtem elektrischem Schwingkreis zu nutzen und so die erforderliche Modulation der Spannungen oder Ströme zu erreichen.

Ist in dem oben angeführten Fall in den Polarisationsdreherstufen jedem optischen Pfad ein eigener Polarisationsdreher zugeordnet, so dass also PD1 mit zwei, PD2 mit vier und PD3 mit acht Polarisationsdrehern realisiert sind, so können im Falle der Verwendung von Pok- kelszellen, welche spannungsgesteuert sind, alle Spannungsverläufe harmonisch sein, was im folgenden erklärt wird. Die Polarisationsdreher von PD1 müssen dann nach jedem Puls innerhalb der Schaltpause umgeschaltet werden. Bei der Verwendung von Pockelszellen ist bei Einfall von linear polarisiertem Licht für eine 90°-Polarisationsdrehung die Halbwel- lenspannung U2 anzulegen. Die Abhängigkeit vom Quotienten von Lichtleistung Pout der gewünschten Polarisation zur Lichtleistung der ursprünglichen Polarisation Pin vom Quoti- enten der angelegten Spannung U zur Halbwellenspannung ist von der Form Der Wert des Quotienten Pout/Pin muss für die Pockelszellen von PD1 periodisch zwischen 0 (U=0) und 1 (U=UvX2) wechseln. Es ergibt sich nun aufgrund der oben angeführten Rela- tion die Möglichkeit, auch harmonische um die halbe Halbwellenspannung oszillierende Spannungsverläufe an die Pockelszelle anzulegen, da bei einer geeignet gewählten Schwingungsamplitude ein periodischer Rechteckverlauf von Pout/Pin gut angenähert wird.

Wählt man beispielsweise die Pulsdauer der Laserdioden mit 100ns und die Pulspausen ebenfalls mit 100ns, so ist, wenn die Pulse jeweils auf Wellenberg und Wellental der har- monischen Spannung zentriert und exakt vom rechteckförmigen Zeitverlauf sind, während der Pulsdauer die Abweichung des Quotienten Pout/Pin vom Sollwert 0 oder 1 so gering, dass ein sehr geringer Teil der durchgehenden Strahlung nicht die notwendige Polarisation erhält.

Dies ist leicht einzusehen, wenn man sich vergegenwärtigt, dass bei einer Abweichung der Spannung U um Ut2/10 vom Sollwert 0 oder Us2 nur 2.4% der Lichtleistung nicht die ge- wünschte Polarisation erhalten. Integriert man die gesamten Verluste über die Pulsdauer, so ergibt sich für das angegebenen Tastverhältnis für eine optimale Schwingungsamplitude von 1. 1 *U/IJ2 ein Verlust von 0.58%. Bei einer Pulsdauer von 100ns und einer Pause von 50ns ist die optimale Amplitude 1. 17*U/Uv2 bei 2% Verlust und bei einer Pulsdauer von 100ns und einer Pause von 33ns ist die optimale Amplitude 1. 2*U/U>2 bei 3.2% Verlust.

Natürlich ist bei einer Veränderung des Tastverhältnis jeweils die Schwingfrequenz ent- sprechend anzupassen. Der große Vorteil ist, dass Pockelszellen üblicherweise sehr hohe Schaltspannung benötigen und das direkte hochfrequente Schalten dieser Spannung mit Transistoren viel elektrische Leistung benötigt, wohingegen die harmonischen Spannungs- verläufe mit verlustarmen LC-Schwingkreisen realisiert werden können, wobei die Eigen- kapazität der Pockelszellen als Kapazität des zugehörigen LC-Schwingkreises verwendet werden kann.

Bei den Polarisationsdreherstufen PD2 und PD3 steht für jeden Polarisationsdreher nach jedem Puls eine deutlich längere Zeit zum Umschalten zur Verfügung, da die dann er- zeugten Laserpulse durch die anderen Polarisationsdreher von PD2 und PD3 durchgehen.

Offensichtlich können in diesem Fall harmonische Spannungsverläufe noch mit weit ge- ringeren optischen Verlusten verwendet werden, als im Falle der beiden Polarisationsdre- her von PD1. Es haben dann allerdings die Spannungsverläufe der Pockelszellen einer Stu- fe zwar gleiche Frequenzen aber verschiedene Phasen, so dass bei jeder Pockelszelle die Spannungsmaxima bzw.-minima gerade dann erreicht werden, wenn ein Laserpuls durchläuft.

Faradayrotatoren, welche stromgesteuert sind, zeigen dieselbe Durchlasscharakteristik wie Pockelszellen, wenn man die Spannungen durch Ströme ersetzt. Da sich bei Faradayrotato- ren das magneto-optische Material innerhalb einer Drahtwicklung befindet, ist deren Ver- halten in einem elektrischem Netzwerk vor allem induktiv, während Pockelszellen kapazi- tiv sind. Es ergibt sich daher die Möglichkeit Pockelszellen und Faradayrotatoren gleich- zeitig in einem optischen Multiplexer zu verwenden und mit diesen Schwingkreise zu <BR> <BR> schaffen, welche so abgestimmt sind, dass bei den Spannungsmaxima bzw. -minima die Pockelszellen mit der notwendigen Steuerspannung beaufschlagt sind und von Laserpulsen passiert werden und dass bei den Strommaxima bzw. -minima die Faradayrotatoren mit den notwendigen Steuerströmen versorgt sind und von Laserpulsen passiert werden. In der Figur 1 würde das beispielsweise bedeuten, dass die den Laserdioden 1-8 zugeordneten optischen Pfade durch Faradayrotatoren und die den Laserdioden 9-16 zugeordneten opti- sehen Pfade durch Pockelszellen laufen. In jeder Polarisationsdreherstufe bilden dann die Polarisationsdreher Schwingkreise in denen die nötigen Spannungs-und Stromverläufe generiert werden. Es würden dann im Betrieb nicht zeitgleich zwei Laserdioden aktiviert sondern zeitlich versetzt eine Laserdiode der Gruppe 1-8 und eine Laserdiode der Gruppe 9-16, so dass eben in jeder Gruppe die Aktivierung der Laserdioden phasenrichtig zu den Spannungs-bzw. Strommaxima oder-minima der Polarisationsdreher erfolgt.

Die harmonischen Spannungs-und Stromverläufe in den LC-Schwingkreisen können mit Hilfe von nichtlinearen Elementen (verursacht z. B. durch stromabhängige Induktivitäten oder spannungsabhängige Kapazitäten) in der Art beeinflusst werden, dass die Spannungs- und Stromverläufe sich Rechteckschwingungen annähern und die Schaltpausen zwischen den Laserpulsen kürzer gewählt werden können.

Auch Bragg-Schalter haben dieselbe Durchlasscharakteristik wie Pockelszellen und kön- nen daher in einem optischen Multiplexer ebenso mit harmonischen Spannungen geschaltet werden. Allerdings können die erforderlichen Spannungen bei Realisierung in planarer Wellenleitertechnik so gering sein, dass ein direktes Schalten der Steuerspannungen mittels Transistoren vorteilhafter ist.

Natürlich gibt es viele Schaltschemas, bei denen die verschiedenen Polarisationselemente periodisch mit untereinander festen Frequenz-und Phasenbeziehungen aus-und einge- schalten werden können und dabei alle möglichen Schaltzustände periodisch durchge- schaltet werden. Beispielsweise kann eine Polarisationsdreherstufe (PS1, 2 od. 3) mit der Frequenz (f), eine zweite ebenfalls mit der Frequenz (f) aber mit einer Phasenverschiebung von 90° zur ersten Schaltsequenz und die dritte mit der halben Schaltfrequenz (f/2) betrie- ben werden. Für das obige Beispiel kann sich dann folgende Schaltreihenfolge ergeben : 000 (1,16) 010 (4,13) 110 (5,12) 100 (8, 9) 001 (2,15) 011 (3,14) 111 (6,11) 101 (7,10) Ebenso kann eine Polarisationsdreherstufe (PS1, 2 od. 3) mit der Frequenz (f), eine zweite ebenfalls mit der Frequenz (f) aber mit einer Phasenverschiebung von 90° zur ersten Schaltsequenz und die dritte mit der Schaltfrequenz (2f) und 45° Phasenverschiebung be- trieben werden. Dies kann dann folgende Schaltreihenfolge ergeben : 100 (8,9) 101 (7,10) 111 (6, 11) 110 (5,12) 010 (4,13) 011 (3,14) 001 (2,15) 000 (1,16) Dies ist die Schaltsequenz mit den niedrigsten Schaltfrequenzen und daher dem niedrigsten Energieverbrauch, so dass sich für eine Periode nur 8 (=23) Schaltvorgänge ergeben, was ja auch der Anzahl der Schaltzustände entspricht.

Die Frequenz f richtet sich dabei nach der Anzahl der verwendeten Laserdioden 1, 2,. .. 16, der maximalen Länge der von den einzelnen Laserdioden abgegebenen Impulse und der Frequenz, in der diese Impulse im Dauerbetrieb generiert werden können. Dazu kommt noch die Zeitspanne, die für das vollständige Umschalten der Polarisationsdrehelemente benötigt wird. Diese Größen und die Abschwächung der Strahlen in den einzelnen opti- schen Elementen bestimmen neben den zur Verfügung stehenden Laserdioden und der angestrebten Leistung des Laserstrahles den Aufbau der Vorrichtung.

Als polarisationssensitives Element PS kann im Grunde jedes optische Gerät oder Material, das einen unpolarisierten Strahl in zwei zueinander orthogonal linear polarisierte Teil- strahlen zerlegt, wie beispielsweise doppelbrechende Kristalle, Polarisationsprismen oder polarisationsselektive Spiegel verwendet werden. Als physikalische Begründung soll ein- fach auf die Umkehrbarkeit des Strahlengangs hingewiesen werden.

Betreffend die polarisationssensitiven Elemente PS, die oben genannten Pockelszellen oder Faradayrotatoren wird auf"Laser, J. Eichler et. al., 2002, Springer-Verlag","Electrooptics, F. Agullo-Lopez et al, 1994, Academic Press"oder"Handbook of Optics, Vol. II, M. Bass et al, 1995, Mc Graw Hill"hingewiesen.

Betreffend des Standes der Technik der Diodenlaser sei auf"High-Power Diode Lasers, R.

Diehl et al., 2000, Springer Verlag"hingewiesen.

Das geschilderte Prinzip des Zeitmultiplexings kann im Prinzip für jede Art von elektro- magnetischer Strahlung, für die gepulste Quellen zur Verfügung stehen, verwendet wer- den. Da die vorliegende Anmeldung sich auf Diodenlaser konzentriert, wird unter Licht bzw. Laserlicht nicht nur sichtbares Licht verstanden, sondern jene elektromagnetische Schwingungen im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 2000 nm, in welchem Laserdioden signifikante Leistungen erreichen.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass prinzipiell jeder Lasertyp für das Verfahren in Frage kommt, sofern im Pulsbetrieb eine signifikante Leistungsüberhöhung erzielbar ist, was eine Eigenschaft der meisten Lasertypen ist.

In der selben Weise wie mit Laserdioden können dann sehr leistungsstarke gut fokussierba- re Laserstrahlen erzeugt werden. Da die Leistung der konventionellen Laser aber ohnehin als ausreichend zu betrachten ist, ist es beispielsweise interessanter mit diesem Verfahren die aufwendige Kühlung von Festkörperlasern ersetzten. Der bei diesen Lasertypen not- wendige Kühlwasseranschluss, samt Kühlgerät und Dichtigkeitsproblemen lässt die Ver- wendung von mehreren in der vorher beschriebenen Art betriebenen Laserquellen vorteil- haft erscheinen, wenn nämlich die Parameter so gewählt werden, dass jeder einzelne Laser in der Pause zwischen zwei Pulsen nur durch Wärmeleitung auskühlen kann und daher eine Kühlwasserzufuhr eingespart wird.

In ähnlicher Weise ist Zeitmultiplexing bei konventionellen Diodenlasern zur Einsparung der Kühlwasserzufuhr (nicht zur Brillianzsteigerung) einsetzbar. Gerade bei Diodenlasern ist die Zufuhr des Kühlwassers durch aufwendige Mikrokanäle notwendig und die Abstän- de zwischen den Laserdioden müssen zu Kühlzwecken auch relativ groß gewählt werden, was dann durch aufwendige Optiken wieder korrigiert werden muss. Man aktiviert also eine Gruppe dicht gepackter Laserdioden solange, bis eine gewisse Überhitzung erreicht ist, aktiviert dann eine weitere Laserdiodengruppe (auch Laserdiodenstack genannt) und leitet mit einem optischen Multiplexer die Strahlen auf einen Pfad. Aufgrund des im Puls- betrieb sehr klein wählbaren Abstandes zwischen den Laserdioden können aber hier Brilli- anzsteigerungen erzielt werden, auch ohne dass die Laserdioden mit signifikanter Pulsüberhöhung arbeiten.