Un procedimiento y un dispositivo láser de producción de densidad de potencia óptica elevada.

Un procedimiento de producción de una densidad de potencia óptica elevada,

comprendiendo el procedimiento lacolimación de la radiación emitida desde una pluralidad de barras (LB) láser, y la conformación de los haces de láserque están dispuestos para propagarse en una dirección sustancialmente paralela a un eje (A) óptico, en el que losláseres (E) de diodo de una barra (LB) láser individual están situados de tal manera que los ejes (x) lentos de losláseres (E) de diodo adyacentes de dicha barra (LB) láser individual son sustancialmente paralelos al eje lento (x) dedicha barra (LB) láser individual, emitiendo los láseres (E) de diodo de dicha barra (LB) de luz individualsustancialmente en la misma dirección (z), y en el que cada barra (LB) láser comprende menos de 10 láseres dediodo, y las barras (LB) láser están dispuestas en dos o más sectores alrededor del eje (A) óptico, formando dichossectores un círculo alrededor del eje (A) óptico según se observa desde la dirección del eje (A) óptico, el círculo enel que la estructura de los sectores se repite a sí mismo a separaciones angulares regulares o irregulares, y en elque la dirección de los haces que abandonan de los diferentes sectores es girada (DE), si es necesario, para formarlos haces de láser que son propagados en la dirección sustancialmente paralela al el eje (A) óptico, caracterizadoporque la dirección de un eje (x) lento de una barra (LB) láser en un primer sector es diferente de la dirección de uneje (x) lento de una barra (LB) láser en un segundo sector.

Un procedimiento y un dispositivo láser de producción de densidad de potencia óptica elevada La invención se refiere a un procedimiento, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, para producir una gran densidad de potencia óptica. La invención se refiere además a un dispositivo láser que implementa el procedimiento antes mencionado de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 15 adjunta.

Antecedentes de la invención La luz brillante producida por dispositivos láser se utiliza hoy en día en una multitud de diferentes procesos. Tales procesos incluyen, por ejemplo, marcación de materiales, tratamiento superficial, corte y soldadura. Los láseres de alta potencia son, por ejemplo, aplicables para el manejo de materiales metálicos utilizando los procesos antes mencionados. Los láseres se aplican también ampliamente en fines médicos y en diversas mediciones ópticas.

Dado que los láseres de diodo basados en semiconductores se están desarrollando, el aumento de la potencia óptica así obtenida y la mejora de la calidad del haz, las aplicaciones que utilizan láseres semiconductores compactos se han expandido en gran medida en las áreas de aplicación mencionadas, que tradicionalmente han estado utilizando láseres de gas y de cristal de gran tamaño. Los dispositivos láser semiconductores alcanzan típicamente una potencia óptica total elevada combinando la radiación emitida por una pluralidad de emisores de láser individuales.

Una finalidad genérica para un dispositivo láser semiconductor con una gran densidad de potencia es producir un haz de luz suficientemente potente y brillante que pueda enfocar el objeto de una manera deseada. La luminosidad de la fuente de luz se determina como la potencia de luz radiada a partir de un área de superficie de emisión a un determinado ángulo sólido. La luminosidad de una sola fuente de luz no se puede aumentar por elementos ópticos pasivos.

En cuanto a los láseres semiconductores, la potencia de luz de un solo emisor de semiconductores es bastante limitada, en el que para obtener una suficiente potencia de luz total se requiere un gran número de emisores individuales. Para aumentar la potencia de luz, se utilizan las denominadas barras láser que se componen de una pluralidad de emisores individuales dispuestos lado a lado, múltiples barras láser que se pueden combinar además una encima de otra para constituir las denominadas torres láser. Sin embargo, dado que el número de los emisores en una fuente de luz está aumentando de este modo, es inevitable que aumente también el tamaño de la fuente de luz. Para aumentar la densidad de potencia de la radiación emitida por la fuente de luz, los haces procedentes de diferentes lugares de la fuente de luz se deben combinar juntos de manera adecuada. Esta combinación de haces se refiere generalmente como multiplexación. Diferentes procedimientos de multiplexación utilizados en relación con láseres semiconductores incluyen la multiplexación por longitud de onda, por polarización y espacial.

En la multiplexación por longitud de onda, los haces de dos o de una pluralidad (n piezas) de diferentes longitudes de onda se combinan para constituir un haz que utiliza combinadores de haz que tienen dependencias de longitud de onda adecuadas. Tales combinadores de haz que son bien conocidos como tales en el campo de las ópticas son, por ejemplo, espejos dicroicos, conocidos ejemplos de los cuales incluyen por ejemplo, los denominados espejos caliente/fríos. Al utilizar combinadores de haz, el diámetro del haz combinado se puede disponer para corresponder sustancialmente con el diámetro de cada haz que tiene que combinarse y que tiene una longitud de onda diferente. Por lo tanto, la densidad de potencia del haz combinado se incrementa en una situación libre de pérdidas hasta nveces. Puesto que el ángulo sólido de la luz se puede mantener original, también la luminosidad del haz combinado crece en la misma relación que la densidad de potencia.

En la multiplexación por polarización, dos haces que tienen la misma longitud de onda se combinan con un haz mediante un combinador de haces de polarización. Si es necesario, el nivel de polarización del otro haz parcial se puede girar por ejemplo, 90° con una placa A/2. Dado que el diámetro del haz combinado es sustancialmente el mismo que los diámetros de los haces parciales a combinar, la densidad de potencia crece en este caso prácticamente casi al doble. Debido a que el ángulo sólido de la luz no cambia, también la luminosidad crece casi al doble.

En la multiplexación espacial, los haces procedentes de diferentes fuentes de luz se recogen en la misma ubicación en el espacio. La finalidad de la multiplexación espacial es mantener la luminosidad de la fuente de luz original, tanto como sea posible. La densidad de potencia se puede aumentar, pero dado que el ángulo sólido de la luz crece en la misma relación, la luminosidad no se puede aumentar con la mera multiplexación espacial.

En la práctica, es muy difícil diseñar e implementar una estructura que combine una pluralidad de haces de láser semiconductores de manera eficaz y utilizar al mismo tiempo la multiplexación por longitud de onda, polarización y espacial. Esto se debe, por ejemplo, a la calidad astigmática de la emisión de los láseres semiconductores, y a la anchura de las barras láser de la técnica anterior.

Típicamente, la altura de la superficie de emisión de luz de los emisores individuales utilizados en anchas barras láser de la técnica anterior (más adelante referida como dirección y) es inferior a 1 μm y en esta dirección

rápidamente divergente (eje rápido, FA) el haz que se origina desde el emisor se propaga de forma Gaussiana en un ángulo de 30 a 40° (FWHM) . La anchura de la superficie de emisión de luz de los emisores individuales (más adelante referida como dirección x) es típicamente del orden de 100 μm y en esta dirección lentamente divergente (eje lento, SA) el haz saliente diverge en un ángulo que es menor a 10° (FWHM) . El espacio inactivo, "vacío" que no emite luz está siempre presente entre emisores adyacentes que se han combinado en una barra láser. Una barra láser que es típicamente del orden de 10 mm y contiene de 20 a 40 emisores adyacentes produce de 20 a 50 W de potencia de luz continua. Proporcional a la longitud de la barra láser, la potencia de luz es entonces de 2 a 5 W/mm. En uso pulsado, la potencia momentánea correspondiente puede ser superior a 10 W/mm.

La Patente US 5.825.551 desvela un procedimiento de multiplexación espacial simple basado en dos espejos planos. En la solución, el eje lento de los emisores se dirige en diagonal entre dos láminas de vidrio, en las que los haces de luz permanecen atrapados y en las que se basan en reflexiones que viajan hacia el extremo de salida de las láminas de vidrio. Los haces salen de una brecha del espejo entre las láminas de vidrio que son más estrechas que originalmente. La estructura es simple, pero una parte de la potencia de luz se pierde en forma de pérdidas de reflexión. Además, es difícil implementar diferentes procedimientos de multiplexado utilizando simultáneamente el procedimiento mencionado, en el que se limita la densidad de potencia máxima obtenida.

Diversas patentes sugieren el uso de diferentes tipos de guías de onda para la combinación de haces de barras láser (documento US 4.820.010) o emisores (documento US 6.312.166) . Las soluciones basadas en guías de onda eliminan el espacio vacío sin emisión entre los emisores y/o barras láser y se pueden utilizar para transferir más luz a las fibras ópticas. Sin embargo, en la práctica, las guías de onda reducen a menudo la luminosidad de la fuente de luz de manera significativa. Esto se debe al hecho de que un alto factor de relleno no se puede conseguir en el extremo de salida de las guías de ondas. Las guías de onda deben tener un extremo de acoplamiento de luz lo suficientemente grande para recoger toda la potencia de luz, pero a menudo una parte de la superficie de acoplamiento es ineficaz, en la que la luminosidad total se deteriora. Además, la exactitud de montaje puede ser un factor crítico para la calidad del haz. La multiplexación por polarización y por longitud de onda tampoco se pueden conectar directamente a la utilización de las guías de ondas.

Mantener la luminosidad del láser en la dirección del eje lento es quizás el problema más común en la combinación de haces de láser de diodos luminosos, problema para el que se divulgan soluciones en una pluralidad de publicaciones de patentes. El problema puede ser resuelto simplemente de manera que los emisores se procesen en una oblea de láser de modo que se encuentren a una distancia suficiente... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de producción de una densidad de potencia óptica elevada, comprendiendo el procedimiento la colimación de la radiación emitida desde una pluralidad de barras (LB) láser, y la conformación de los haces de láser que están dispuestos para propagarse en una dirección sustancialmente paralela a un eje (A) óptico, en el que los láseres (E) de diodo de una barra (LB) láser individual están situados de tal manera que los ejes (x) lentos de los láseres (E) de diodo adyacentes de dicha barra (LB) láser individual son sustancialmente paralelos al eje lento (x) de dicha barra (LB) láser individual, emitiendo los láseres (E) de diodo de dicha barra (LB) de luz individual sustancialmente en la misma dirección (z) , y en el que cada barra (LB) láser comprende menos de 10 láseres de diodo, y las barras (LB) láser están dispuestas en dos o más sectores alrededor del eje (A) óptico, formando dichos sectores un círculo alrededor del eje (A) óptico según se observa desde la dirección del eje (A) óptico, el círculo en el que la estructura de los sectores se repite a sí mismo a separaciones angulares regulares o irregulares, y en el que la dirección de los haces que abandonan de los diferentes sectores es girada (DE) , si es necesario, para formar los haces de láser que son propagados en la dirección sustancialmente paralela al el eje (A) óptico, caracterizado porque la dirección de un eje (x) lento de una barra (LB) láser en un primer sector es diferente de la dirección de un eje (x) lento de una barra (LB) láser en un segundo sector.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los ejes (x) lentos de las barras (LB) láser son sustancialmente perpendiculares al eje (A) óptico.

3. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las barras (LB) láser son recogidas una encima de otra, en un sector individual, para formar una o una pluralidad de torres (LT) láser.

4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque las torres láser (LT) son recogidas una encima de otra, en un sector individual, para formar una o una pluralidad de pilas (LTP) de torres láser.

5. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en un sector individual se utilizan láseres (E) de diodo de una pluralidad de diferentes longitudes de onda (A1 a An) .

6. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la anchura

(L) del campo cercano de emisión de luz eficaz de una barra (LB) láser es del orden de 0, 5 mm.

7. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la radiación de las barras (LB) láser es combinada, en un sector individual, mediante multiplexación (P, DBC) por polarización.

8. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la radiación de las barras (LB) láser es colimada (FAC) en la dirección del eje (y) rápido antes que los haces de diferentes barras (LB) láser se combinen con multiplexación espacial, polarización o longitud de onda.

9. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las propiedades de los haces que han partido de diferentes ubicaciones en relación con el eje (A) óptico son compensadas (C) , en un sector individual, en vista de los efectos de diferencia de longitud de trayectoria, de divergencia o de longitud de onda.

10. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la radiación de los haces de láser sustancialmente paralelos al eje (A) óptico está enfocada (FO) con ópticas de lentes de simetría axial, especulares o difractivas.

11. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el enfoque (FO) es realizado usando ópticas especulares paraboloides axialmente simétricas.

12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10 o 11, caracterizado porque la radiación de los haces de láser sustancialmente paralelos al eje (A) óptico es colimada (SAC) en la dirección del eje (x) lento antes que la radiación de los haces de láser sea enfocada (FO) .

13. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un área libre que rodea el eje (A) óptico que queda en el medio de una estructura formada por los sectores es utilizada en la supervisión óptica o correspondiente de un objetivo.

14. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la radiación de los haces de láser es enfocada sobre un objetivo, en el que material necesario en el procesamiento del objetivo es introducido a través de un área libre que rodea el eje (A) óptico que queda en el medio de una estructura formada por los sectores, o el material que está presente en el procesamiento del objetivo es retirado a través de un área libre que rodea el eje (A) óptico que queda en el medio de la estructura formada por los sectores.

15. Un dispositivo láser que comprende una pluralidad de barras (LB) láser formadas de láseres (E) de diodo, medios para la conformación de haces de láser que son propagados en una dirección paralela a un eje (A) óptico, y medios para la colimación de la radiación emitida desde las barras (LB) láser, en el que los láseres (E) de diodo de

una barra (LB) láser individual están dispuestos de tal manera que los ejes (x) lentos de los láseres (E) de diodo adyacentes son sustancialmente paralelos al eje (x) lento de dicha barra (LB) láser individual, y dichos láseres (E) de diodo adyacentes están dispuestos para emitirse sustancialmente en la misma dirección (z) , y en el que cada barra (LB) láser comprende menos de 10 láseres de diodo, y las barras láser están dispuestas en dos o más sectores alrededor el eje (A) óptico, formando dichos sectores un círculo alrededor del eje (A) óptico según se observa desde la dirección del eje (A) óptico, círculo en el que la estructura de los sectores se repite a separaciones angulares regulares o irregulares, y en el que el dispositivo láser comprende medios para girar, si es necesario, la dirección de los haces procedentes de los diferentes sectores para conformar dichos haces de láser que son propagados en la dirección sustancialmente paralela al eje (A) óptico, caracterizado porque la dirección de un eje (x) lento de una barra (LB) láser en un primer sector es diferente de la dirección de un eje (x) lento de una barra (LB) láser en un segundo sector.

16. El dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque los ejes (x) lentos de las barras (LB) láser son perpendiculares al eje (A) óptico en un sector individual.

17. El dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 16 anteriores, caracterizado porque las barras (LB) láser son recogidas una encima de otra, en un sector individual, para formar una o una pluralidad de torres (LT) láser.

18. El dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque las torres (LT) láser son recogidas una encima de otra, en un sector individual, para formar una o una pluralidad de pilas (LTP) de torres láser.

19. El dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18 anteriores, caracterizado porque en un sector individual se utilizan láseres (E) de diodo de una pluralidad de diferentes longitudes de onda (A1 a An) .

20. El dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19 anteriores, caracterizado porque cada una de dichas barras (LB) láser comprende aproximadamente 5 láseres (E) de diodo adyacentes.

21. El dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 20 anteriores, caracterizado porque un sector individual comprende, además, medios (P, PBC) para la combinación de la radiación de las barras (LB) láser de dicho sector mediante multiplexación por polarización.

22. El dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 21 anteriores, caracterizado porque un sector individual comprende, además, medios (DBC) para la combinación de la radiación de las barras (LB) láser mediante multiplexación por longitud de onda.

23. El dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 22 anteriores, caracterizado porque cada sector individual comprende, además, unos medios (C) para la compensación de las propiedades de los haces que han partido de diferentes ubicaciones relativas del eje (A) óptico en vista de la diferencia de longitud de trayectoria, de divergencia, o de longitud de onda.

24. El dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 23, caracterizado porque en un sector individual la distancia de las barras (LB) láser individuales o torres (LB) láser desde el eje (A) óptico es dispuesta para compensar las propiedades de los haces que han partido de diferentes lugares en la dirección del eje óptico en vista de la diferencia de longitud de trayectoria, de divergencia, o de longitud de onda.

25. El dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 y 24, caracterizado porque el dispositivo comprende además ópticas (FO) de enfoque de simetría axial en base a ópticas de lentes o especulares para enfocar la radiación de los haces de láser que son propagados en la dirección del eje (A) óptico a un punto focal.

26. El dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 25, caracterizado porque dichos medios (FO) de enfoque están basados en ópticas especulares paraboloides axialmente simétricas.

27. El dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 25 o 26, caracterizado porque el dispositivo láser comprende medios (SAC) para colimar la radiación de dichos haces de láser en la dirección (x) del eje lento antes que la radiación de los haces de láser sea enfocada por dichos medios (FO) de enfoque.

28. El dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizado porque dichos medios (SAC) para colimar el haz en la dirección del eje lento, comprenden una pila, a modo de sectores, de lentes cilíndricas.