DE10012480A1 - Laseroptik sowie Diodenlaser mit einer solchen Optik - Google Patents
Laseroptik sowie Diodenlaser mit einer solchen OptikInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Laseroptik sowie auf einen neuartigen Diodenlaser mit einer solchen Optik.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseroptik gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1
sowie auf einen Diodenlaser mit einer solchen Optik gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 17.
Im Gegensatz zu konventionellen Laserstrahlquellen, die einen Strahldurchmesser von
einigen mm bei einer geringen Strahldivergenz im Bereich von wenigen mrad
aufweisen, zeichnet sich die Strahlung eines Halbleiter-Diodenlaser (nachstehend auch
"Diodenlaser") durch einen stark divergenten Strahl mit einer Divergenz < 1000 mrad
aus. Hervorgerufen wird dies von der auf < 1 µm Höhe begrenzten Austrittsschicht, an
der ähnlich der Beugung an einer spaltförmigen Öffnung, ein großer Divergenzwinkel
erzeugt wird. Da die Ausdehnung der Austrittsöffnung in der Ebene senkrecht und
parallel zur aktiven Halbleiterschicht unterschiedlich ist, kommen verschiedene
Strahldivergenzen in der Ebene senkrecht und parallel zur aktiven Schicht zustande.
Um eine Leistung von 20-60 W für einen Diodenlaser zu erreichen, werden
zahlreiche Laserchips auf einem sog. Barren zu einem Laserbauelement
zusammengefaßt. Üblicherweise werden hierbei 10-50 einzelne Emittergruppen in
einer Reihe in der Ebene parallel zur aktiven Schicht angeordnet. Der resultierende
Strahl eines solchen Barrens hat in der Ebene parallel zur aktiven Schicht einen
Öffnungswinkel von ca. 10° und einen Strahldurchmesser von ca. 10 mm. Die
resultierende Strahlqualität in dieser Ebene ist um ein Vielfaches geringer als die sich
ergebende Strahlqualität in der zuvor beschriebenen Ebene senkrecht zur aktiven
Schicht. Auch bei einer möglichen zukünftigen Verringerung der Divergenzwinkel von
Laser-Cips bleibt das stark unterschiedliche Verhältnis der Strahlqualität senkrecht und
parallel zur aktiven Schicht bestehen.
Der Strahl verfügt aufgrund der zuvor beschriebenen Strahlcharakteristik über einen
großen Unterschied der Strahlqualität in beiden Richtungen senkrecht und parallel zur
aktiven Schicht. Der Begriff der Strahlqualität wird dabei beschrieben durch den M2
Parameter. M2 ist definiert durch den Faktor, mit dem die Strahldivergenz des
Diodenlaserstrahles über der Strahldivergenz eines beugungsbegrenzten Strahles
gleichen Durchmessers liegt. In dem oben gezeigten Fall verfügt man in der Ebene
parallel zur aktiven Schicht über einen Strahldurchmesser, der um den Faktor 10.000
über dem Strahldurchmesser in der senkrechten Ebene liegt. Bei der Strahldivergenz
verhält es sich anders, d. h. in der Ebene parallel zur aktiven Schicht wird eine fast 10-
fach kleinere Strahldivergenz erreicht. Der M2 Parameter in der Ebene parallel zur
aktiven Schicht liegt also um mehrere Größenordnungen über dem M2 Wert in der
Ebene senkrecht zur aktiven Schicht.
Ein mögliches Ziel einer Strahlformung ist es, einen Strahl mit nahezu gleichen M2
Werten in beiden Ebenen, d. h. senkrecht und parallel zur aktiven Schicht zu
erreichen. Bekannt sind derzeit folgende Verfahren zur Umformung der
Strahlgeometrie durch die eine Annäherung der Strahlqualitäten in den beiden
Hauptebenen des Strahles erreicht wird.
Mittels eines Faserbündels lassen sich linienförmige Strahlquerschnitte durch
Umordnen der Fasern zu einem kreisrunden Bündel zusammenfassen. Solche
Verfahren sind z. B. in den US-Patentschriften 5 127 068, 4 763 975, 4 818 062, 5 268 978
sowie 5 258 989 beschrieben.
Daneben besteht die Technik des Strahldrehens, bei dem die Strahlung einzelner
Emitter um 90° gedreht wird, um so eine Umordnung vorzunehmen bei der eine
Anordnung der Strahlen in Richtung der Achse der besseren Strahlqualität erfolgt. Zu
diesem Verfahren sind folgende Anordnungen bekannt: US 5 168 401, EP 0 484 276,
DE 44 38 368. Allen Verfahren ist gemein, daß die Strahlung eines Diodenlasers nach
dessen Kollimation in der Fast-Axis-Richtung, um 90° gedreht wird um eine Slow-Axis-
Kollimation mit einer gemeinsamen Zylinderoptik vorzunehmen. In Abwandlung der
genannten Verfahren ist auch eine durchgehende Linienquelle denkbar (z. B. die eines
in Fast-Axis-Richtung kollimierten Diodenlasers hoher Belegungsdichte), deren
Strahlprofil (Linie) aufgeteilt wird und in umgeordneter Form hinter dem optischen
Element vorliegt.
Daneben besteht die Möglichkeit, ohne eine Drehung des Strahles eine Umordnung
der Strahlung einzelner Emitter vorzunehmen, wobei durch z. B. durch den parallelen
Versatz (Verschieben) mittels paralleler Spiegel eine Umordnung der Strahlung erreicht
wird (WO 95/15510). Eine Anordnung, die sich ebenfalls der Technik des Umordnens
bedient, ist in DE 19 50 053 und DE 195 44 488 beschrieben. Hierbei wird die
Strahlung eines Diodenlaserbarrens in verschiedene Ebenen abgelenkt und dort
einzeln kollimiert.
Die Nachteile des Standes der Technik lassen sich u. a. dahingehend zusammenfassen,
daß bei fasergekoppelten Diodenlasern meist ein Strahl mit sehr unterschiedlichen
Strahlqualitäten in beiden Achsrichtungen in die Faser eingekoppelt wird. Bei einer
kreisrunden Faser bedeutet dies, daß in einer Achsrichtung die mögliche numerische
Apertur oder der Faserdurchmesser nicht genutzt wird. Dies führt zu erheblichen
Verlusten bei der Leistungsdichte, so daß in der Praxis eine Beschränkung auf ca. 104 W/cm2
erfolgt.
Bei den genannten bekannten Verfahren müssen weiterhin teilweise erhebliche
Weglängenunterschiede kompensiert werden. Dies geschieht meist durch
Korrekturprismen, die Fehler nur begrenzt ausgleichen können. Vielfachreflexionen
stellen weiterhin erhöhte Anforderungen an Justagegenauigkeit, Fertigungstoleranzen
sowie Bauteilstabilität (WO 95/15510). Reflektierende Optiken (z. B. aus Kupfer)
verfügen über hohe Absorptionswerte.
Bekannt ist auch eine Laseroptik mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Patentanspruches 1 (EP 0 863 588). Bei dieser bekannten Laseroptik wird der einen
linien- oder bandförmigen Querschnitt aufweisende Laserstrahl einer Emittergruppe
bzw. eines Laserbarren in Teilstrahlen aufgefächert, die in unterschiedlichen,
parallelen Ebenen liegen. Diese Einzel- bzw. Teilstrahlen werden dann in einem
zweiten Umformelement so übereinandergeschoben, daß sich bereits hierdurch ein
konzentrierterer Strahlendurchmesser und damit eine höhere Leistungsdichte ergeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laseroptik bzw. einen Diodenlaser für eine erhöhte
Leistung zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Laseroptik entsprechend dem Patentanspruch 1 und
ein Diodenlaser entsprechend dem Patentanspruch 17 ausgebildet.
Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß wenigstens zwei, vorzugsweise aber
mehr als zwei Emitterebenen mit jeweils wenigstens einer eine Vielzahl von Emittern
bzw. Dioden aufweisenden Emittergruppe vorgesehen sind, und daß die Laserstrahlung
jeder Emittergruppe durch das erste Umformelement so aufgefächert wird, daß für jede
Emittergruppe eine eigene Teilstrahlgruppe mit Teilstrahlen erhalten wird, die in zwei
senkrecht zur Strahlungsrichtung verlaufenden Achsen gegeneinander versetzt sind.
Die Teilstrahlgruppen schließen in einer ersten Achse aneinander an, und zwar
vorzugsweise ohne Abstand oder Zwischenraum zwischen diesen Teilstrahlgruppen.
Durch das zweite Umformelement könnten dann sämtliche Teilstrahlen sämtlicher
Gruppen durch Verschieben in der ersten Achse, die auch die Achse ist, in der die
Emitter der Emittergruppen aufeinander folgen oder dieser Achse entspricht,
übereinandergeschoben, so daß diese Teilstrahlen einen gemeinsamen umgeformten
Laserstrahl bilden, der beispielsweise einen balkenförmigen Querschnitt mit einer
Breite besitzt, die derjenigen Länge entspricht, die die Teilstrahlen in der ersten Achse
aufweisen, und der in einer Fokussieroptik in einen Fokus fokussiert werden kann.
Als Umformelemente werden vorzugsweise Plattenfächer verwendet. Unter
"Plattenfächer" ist im Sinne der Erfindung ein vom Laserlicht durchstrahltes optisches
Element zu verstehen, welches sich aus mehreren Platten oder plattenförmigen
Elementen aus einem lichtleitenden Material, vorzugsweise Glas, zusammensetzt, die
stapelartig aneinander anschließen und fächerartig gegen einander verdreht sind, und
zwar um wenigstens eine senkrecht zur Plattenebene verlaufenden Fächerachse. Jede
Platte oder jedes plattenförmige Element bildet an einander gegenüberliegenden Seiten
eine Plattenschmalseite für den Lichteintritt oder -austritt und ist so ausgebildet, daß im
Platten-Inneren im Bereich der Oberflächenseiten eine Totalreflexion erfolgt.
Unter "Oberflächenseiten" sind im Sinne der Erfindung jeweils die großen
Plattenseiten zu verstehen. Unter "Schmalseiten" sind im Sinne der Erfindung die am
Plattenrand zwischen den Oberflächenseiten gebildeten Seiten zu verstehen.
Der Plattenfächer kann durch Zusammensetzen aus einzelnen Platten oder
plattenförmigen Elementen oder aber auch einstückig, beispielsweise als Formteil mit
entsprechenden Zwischenschichten für die Totalreflexion, hergestellt sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung einen Diodenlaser, bestehend aus einer mehrere
Laser-Chips oder -barren aufweisenden Laserdiodenanordnung und einer
Laseroptik zur Umformung der Laserstrahlen, wobei die Zeichenebene dieser
Figur senkrecht zur aktiven Schicht der Laserbarren liegt;
Fig. 2 den Diodenlaser der Fig. 1, allerdings in einer Darstellung, in der die
Zeichenebene dieser Figur parallel zur aktiven Schicht der Diodenelemente
liegt, wobei die Divergenz der Laserstrahlen in der Slow-Achse aus Gründen der
übersichtlicheren Darstellung und besseren Erläuterung wegen übertrieben
dargestellt ist;
Fig. 3 in den Positionen a, b und c jeweils in vereinfachter Darstellung die Ausbildung
des Laserstrahls an verschiedenen Positionen innerhalb der Laseroptik der
Fig. 1 und 2;
Fig. 4 und 5 in Darstellungen ähnlich den Fig. 1 und 2 eine zweite mögliche
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 in den Position a, b und c jeweils in vereinfachter Darstellung die Ausbildung
des Laserstrahls an verschiedenen Positionen innerhalb der Laseroptik der
Fig. 4 und 5;
Fig. 7 und 8 in Darstellungen ähnlich den Fig. 1 und 2 einen Diodenlaser gemäß
einer dritten möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 und 10 in Darstellungen ähnlich den Fig. 4 und 5 einen Diodenlaser gemäß
einer vierten möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11 und 12 in Darstellungen ähnlich Fig. 4 und 5 einen Diodenlaser gemäß
einer fünften möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren sind der besseren Übersichtlichkeit wegen jeweils mit X, Y und Z
senkrecht zueinander verlaufende Raumachsen, nämlich die X-Achse, Y-Achse und Z-
Achse bezeichnet. Die Zeichenebene der Fig. 1 liegt dementsprechend in der von der
Y-Achse und der Z-Achse definierten Y-Z-Ebene, die Zeichenebene der Fig. 2 in der
X-Z-Ebene und die Zeichenebene der Fig. 3 in der X-Y-Ebene.
Der in den Fig. 1-3 dargestellte Diodenlaser 1 besteht im wesentlichen aus einer
Diodenlaseranordnung 2, die mehrere jeweils an einem u. a. als Wärmesenke
ausgebildeten Substrat 3 vorgesehene Laserbauelemente bzw. -barren 4 aufweist. Jeder
Laserbarren 4 besitzt eine Vielzahl von Laserlicht aussendenden Diodenelementen
oder Emittern, die gleichsinnig orientiert und in jedem Laserbarren 4 in Richtung der X-
Achse gegeneinander versetzt sind sowie insbesondere auch mit ihren aktiven
Schichten in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 bzw.
parallel zur Zeichenebene der Fig. 2 liegen, d. h. bei der für die Figuren gewählten
Darstellung in der X-Z-Ebene.
Weiterhin sind die Laserbarren 4 parallel zueinander und in Richtung der Y-Achse um
einen vorgegebenen Betrag y voneinander beabstandet. Dieser Abstand ergibt sich u. a.
konstruktiv durch die Dicke, die die Substrate 3 in dieser Achsrichtung aufweisen.
Der Diodenlaser 1 umfaßt weiterhin die nachstehend näher beschriebene Laseroptik 8,
mit der die Laserstrahlung der einzelnen Laserbarren 4 in einem gemeinsamen Fokus 5
fokussiert wird. Diese Laseroptik 8 umfaßt u. a. Fast-Axis-Kollimatoren 6, von denen
jeweils einer jedem Laserbarren 4 zugeordnet ist und die jeweils eine Kollimation des
Laserstrahls 7 des zugehörigen Laserbarren 4 in der Fast-Axis, d. h. in der Y-Achse und
damit in der Y-Z-Ebene senkrecht zur aktiven Schicht bewirken, in der der Laserstrahl
der Emitter des betreffenden Laserbarrens 4 die größere Divergenz aufweist. Bei der
dargestellten Ausführungsform sind die Fast-Axis-Kollimatoren 6 jeweils von einer
Mikrolinse, nämlich von einer Zylinderlinse gebildet, die mit ihrer Achse in der X-
Achse liegt. Nach dem Durchtritt durch den Fast-Axis-Kollimator 6 steht der Laserstrahl
7 jedes Laserbarrens im wesentlichen als schmalbandiger Strahl zur Verfügung, dessen
größere Abmessung x in der X-Achse liegt, wie dies in der Fig. 3 in der Position a
angegeben ist.
Auf die Fast-Axis-Kollimatoren 6 in Richtung der optischen Achse (Z-Achse) folgend
weist die Laseroptik 8 im Strahlengang der Laserstrahlen 7 eine optische Anordnung
zum weiteren Formen der Laserstrahlen auf, und zwar in der Weise, daß in einem
ersten Umformelement, welches für die Laserstrahlen 7 sämtlicher Laserbarren 4
gemeinsam vorgesehen ist, jeder Laserstrahl 7 zunächst in Teilstrahlen 7' zertrennt
wird, die in verschiedenen Ebenen parallel zur X-Z-Ebene aufgefächert und von Ebene
zu Ebene in der X-Achse gegeneinander versetzt sind, wie dies in der Position b der
Fig. 3 dargestellt ist. Diese Darstellung zeigt auch, daß die Teilstrahlen 7' jedes
Laserbarrens 4 jeweils eine Teilstrahlgruppe 9 von aufgefächerten Teilstrahlen 7'
bildet, wobei die Anzahl der Gruppen 9 gleich der Anzahl der Laserbarren 4 bzw. der
Emitterebenen der Laserdiodenanordnung 2 ist, in denen die Laserbarren 4 angeordnet
sind. Jede Gruppe 9 besitzt weiterhin in Richtung der Y-Achse eine Höhe y', die dem
Abstand y entspricht. Weiterhin schließen die Gruppen 9 bei der dargestellten
Ausführungsform unmittelbar aneinander an, d. h. der Abstand zwischen der Ebene des
letzten Teilstrahls 7' einer Gruppe 9 und der Ebene des ersten Teilstrahls 7' der
nächsten Gruppe 9 ist gleich oder im wesentlichen gleich dem Abstand, den die
Ebenen der Teilstrahlen 7' innerhalb jeder Gruppe 9 voneinander aufweisen. Die
Abmessung x', die die Teilstrahlen 7' in den Gruppen 9 in der X-Achse aufweisen, ist
gleich oder etwa gleich der Abmessung x dividiert durch die Anzahl der Teilstrahlen 7'
je Gruppe 9.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist jeder Laserstrahl 7 in fünf Teilstrahlen 7'
aufgefächert, so daß bei insgesamt drei Gruppen insgesamt fünfzehn Teilstrahlen 7'
erhalten sind.
In einem nächsten Schritt wird in der Laseroptik 8 eine Umformung der Teilstrahlen 7'
derart vorgenommen, daß diese Teilstrahlen 7' in ihrer X-Z-Ebene
übereinandergeschoben werden, so daß die Teilstrahlen 7' deckungsgleich liegen und
einen umgeformten balkenförmigen Laserstrahl 7" bilden, wie dies in der Position c
der Fig. 3 angedeutet ist. Dieser Laserstrahl 7" besitzt dann in Richtung der Y-Achse
seine größere Abmessung y", die der Höhe y' multipliziert mit der Anzahl der
Gruppen 9 entspricht. Die Breite des Laserstrahls 7" ist gleich der Abmessung x' der
Teilstrahlen 7'. Der balkenförmige Laserstrahl 7" wird dann anschließend in einer
Fokussieranordnung 10 im Fokus 5 fokussiert.
Das vorstehend beschriebene Prinzip der Strahl-Umformung hat u. a. den Vorteil, daß
die Laserstrahlung einer Vielzahl von Laserbarren 4, die in Richtung der Y-Achse
gegeneinander versetzt in der Laserdiodenanordnung 2 vorgesehen sind, in dem
gemeinsamen Fokus 5 fokussiert werden kann, somit also bei hoher Strahlqualität eine
hohe Leistungsdichte erzielbar ist, wobei der konstruktiv notwendige und nicht
vermeidbare Abstand y zwischen den einzelnen Ebenen, in denen die Laserbarren 4
angeordnet sind, für das Umformen genutzt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin,
daß die Laseroptik 8 und insbesondere auch deren Umformelemente sehr einfach und
damit auch preiswert realisiert werden können.
Als erstes Umformelement enthält die Laseroptik 8 im Strahlengang auf die Fast-Axis-
Kollimatoren 6 folgend einen ersten Plattenfächer 11, der aus einer Vielzahl von
dünnen Platten 12 aus einem lichtleitendes Material, beispielsweise aus Glas
hergestellt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die Platten 12 einen
quadratischen Zuschnitt auf. Jede Platte 12 besitzt zwei plane Plattenseiten 13 und 14,
die optisch hochwertig ausgebildet, d. h. poliert und mit einer Anti-Reflexionsschicht
versehen sind und von denen die Schmalseite 13 den Lichteintritt und die Schmalseite
14 den Lichtaustritt bilden. Die Platten 12 schließen mit ihren Oberflächenseiten, die
ebenfalls poliert sind, stapelartig aneinander an. Zwischen benachbarten Platten 12 ist
beispielsweise Luft oder ein Medium vorgesehen, welches die Platten verbindet und
zugleich eine Totalreflexion des Laser-Lichtes innerhalb der Platten 12 an deren
Oberflächenseiten sicherstellt. Die Platten 12, die mit ihren Oberflächenseiten jeweils
in der Y-Z-Ebene angeordnet sind, sind um wenigstens eine Fächerachse fächerartig
gegeneinander verdreht oder aufgefächert, und zwar derart, daß die Ebenen der
Plattenschmalseiten 13 bzw. 14 zweier benachbarten Platten einen Winkel
miteinander einschließen, der z. B. in der Größenordnung von 1 bis 5° liegt. Die
einzelnen Platten 12 sind jeweils von Platte zu Platte in gleichem Richtungssinn um
die Fächerachse zueinander verdreht. Die Dicke der Platten 12 beträgt beispielsweise
1 mm. Durch die Platten 12 erfolgt das Auffächern der Laserstrahlen 7 sämtlicher
Laserbarren 4 in die Teilstrahlen 7' bzw. in die einzelnen Gruppen 9, wobei die
Anzahl der Platten 12 die Anzahl der Teilstrahlen 7' in jeder Gruppe 9 bestimmt, d. h.
bei der dargestellten Ausführungsform weist der Plattenfächer 11 insgesamt fünf Platten
12 auf. Die Ausbildung und Anordnung des Plattenfächers 12 sind weiterhin so
getroffen, daß die parallel zu den Oberflächenseiten der Platten 12 liegende
Mittelebene des Plattenfächers 11 mit der Y-Z-Mittelebene der Laserstrahlen 7
zusammenfällt und daß weiterhin die Ebene, in der die wenigstens eine Fächerachse
liegt, eine X-Z-Ebene ist, und zwar die Mittel- oder Symmetrieebene sämtlicher von der
Laserdiodenanordnung 2 ausgehender Laserstrahlen 7.
Zum Umformen der Teilstrahlen 7' in den Laserstrahl 7" ist im Strahlengang auf dem
Plattenflächer 12 folgend ein weiterer Plattenfächer 15 vorgesehen. Dieser
Plattenfächer 15 besteht aus mehreren Einzelplattenfächern 15', die in Richtung der Y-
Achse aneinander anschließen, wobei die Anzahl der Einzelplattenfächer 15' gleich
der Anzahl der Gruppen 9 und damit gleich der Anzahl der Ebenen ist, in denen in der
Laserdiodenanordnung 2 Laserbarren 4 vorgesehen sind. Bei der dargestellten
Ausführungsform weist somit der Plattenfächer 15 drei Einzelplattenfächer 15' auf.
Jeder Einzelplattenfächer 15' besteht wiederum aus mehreren Platten 12, die
stapelartig aneinander anschließen und fächerartig gegeneinander verdreht sind, und
zwar um wenigstens eine Fächerachse, d. h. jeder Einzelplattenfächer 15' besitzt im
wesentlichen die Ausbildung, wie sie vorstehend für den Plattenfächer 11 beschrieben
wurde.
Die Platten 12 der Einzelplattenfächer 15 sind aber mit ihren Oberflächenseiten in der
X-Z-Ebene angeordnet, d. h. in einer Ebene, die um 90° gegenüber der Ebene der
Platten 12 des Plattenfächers 11 um die Z-Achse gedreht ist. Die Anzahl der Platten 12
in jedem Einzelplattenfächer 15' ist gleich der Anzahl der Teilstrahlen 7' in jeder
Gruppe 9 und damit gleich der Anzahl der Platten 12 im Plattenfächer 11. Der
Plattenfächer 15 kann also im Prinzip unter Verwendung der gleichen Platten 12 wie
der Plattenfächer 11 hergestellt werden. Bei einer entsprechenden Ausbildung ist es
weiterhin auch möglich, den Plattenfächer 15 durch Übereinanderstapeln mehrerer
Plattenfächer 11 zu realisieren.
Die Anzahl der Platten 12 in dem Plattenfächer 15 ist somit gleich der Anzahl der
Platten 12 im Plattenfächer 11 multipliziert mit der Anzahl der Ebenen, in denen in der
Laserdiodenanordnung 2 Laserbarren 4 in der Y-Achse gegeneinander versetzt
vorgesehen sind.
Während durch die fächerartige Anordnung der Platten 12 im Plattenfächer 11 das
Auffächern der Laserstrahlen 7 in die Teilstrahlen 7' jeder Gruppe 9 erfolgt, werden
durch den Plattenfächer 15 die Teilstrahlen 7' in der X-Achse übereinander geschoben
und in den Strahl 7" umgeformt.
Die Fokussieranordnung 10 ist bei der dargestellten Ausführungsform von einer
Zylinderlinse 16 gebildet, die auf dem Plattenfächer 15 folgt u. a. eine Kollimation des
Strahles 7" in der Slow-Axis, d. h. in der X-Achse bewirkt, so daß im Strahlengang nach
der Zylinderlinse 16 eine im wesentlichen parallele Strahlung vorliegt, die dann mit
der Sammellinse 17 in dem Fokus 5 fokussiert wird.
Laufzeitunterschiede, insbesondere auch in den Teilstrahlen 7' können durch
Verschieben der einzelnen Platten 12 des jeweiligen Plattenfächers relativ zueinander
in der optischen Achse oder aber durch unterschiedliche Abmessungen der Platten 12
(Abstand zwischen den Stirnflächen 13 und 14) ausgeglichen werden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen als weitere mögliche Ausführungsform einen Diodenlaser
1a, der sich von dem Diodenlaser 1 im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß
die dortige Laserdiodenanordnung 2a eine höhere Anzahl an Laserbarren 4 aufweist,
und zwar insgesamt vier Laserbarren 4, wobei das erste Umformelement der Laseroptik
8a von zwei Plattenfächern 11a gebildet ist, von denen jeweils ein Plattenfächer 11a
zwei Laserbarren 4 bzw. Emitterebenen (X-Z-Ebenen) zugeordnet ist. Die beiden
Plattenfächer 11a sind bei der Laseroptik 8a identisch ausgebildet.
Da bei dieser Ausführung entsprechende Anzahl der Laserbarren 4 bzw. der
Laserstrahlen 7 (auch Fig. 6 Position a) durch die beiden Plattenfächer 11a insgesamt
vier Gruppen 9 von aufgefächerten Teilstrahlen 7' gebildet werden (Fig. 6 Position b),
weist auch das zweite Umformelement, d. h. der dieses zweite Umformelement
bildende Plattenfächer 15a insgesamt vier Einzelplattenfächer 15' auf. Die Anzahl der
Platten 12 in dem Plattenfächer 15a ist wiederum gleich der Anzahl der Laserbarren 4
bzw. Emitterebenen multipliziert mit der Anzahl der Teilstrahlen 7' je Teilstrahlgruppe
9, d. h. multipliziert mit der Anzahl der Platten 12 eines der beiden Plattenfächer 11a.
Die Fig. 7 und 8 zeigen als weitere mögliche Ausführungsform einen Diodenlaser
1b, der sich von dem Diodenlaser 1 im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß
die Slow-Axis-Kollimation nicht durch die Zylinderlinse 16 erfolgt, die im Strahlengang
nach dem zweiten Plattenfächer 15b erfolgt, sondern durch ein Mikrolinsen-Arrey 18,
welches im Strahlengang unmittelbar vor dem ersten Plattenfächer 11b angeordnet ist.
Die in den Fig. 7 und 8 allgemein mit 8b bezeichnete Laseroptik weist somit
folgende Elemente auf, die - ausgehend von der der Laserdiodenanordnung 2a
entsprechenden Laserdiodenanordnung 2b - in der nachstehenden Reihenfolge
aneinander anschließen:
- - Fast-Axis-Kollimatoren 6, und zwar jeweils einer für jede Emitterebene bzw. für jeden Laserbarren 4;
- - Micorlinsen-Arrey 18 zur Slow-Axis-Kollimation;
- - Plattenfächer 11b, der hinsichtlich Ausbildung und Anordnung dem Plattenfächer 11 entspricht;
- - Plattenfächer 15b, der den Plattenfächer 15 entspricht sowie
- - Fokussierelement oder Sammellinse 17.
Das Microlinsenarrey 18 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einer
Vielzahl von als Zylinderlinsen wirkenden optischen Elementen oder Zylinderlinsen
19, die mit ihrer Achse in der Y-Achse, d. h. senkrecht zur aktiven Schicht der Emitter
der Laserbarren 4 orientiert sind. Die Zylinderlinsen 19 sind so angeordnet, daß jeweils
mehrere Zylinderlinsen 19 in Richtung der X-Achse in einer Reihe aneinander
anschließen und hierbei vorzugsweise zu einem Linsenelement zusammengefaßt sind.
Jedem Laserbarren 4 oder jeder Emitterebene ist eine solche Reihe zugeordnet. Bei der
dargestellen Ausführungsform ist die Anzahl der Zylinderlinsen 19 in jeder, sich in
Richtung der X-Achse erstreckenden Reihe gleich der Anzahl der Platten des
Plattenfächers 11b.
Die Anzahl der Platten des Plattenfächers 15b ist wiederum gleich dem Produkt aus
Anzahl der Platten des Plattenfächers 11b und der Anzahl der Ebenen der Laserbarren
4 bzw. der Emitterebenen der Laserdiodenanordnung 2a. Bei der dargestellten
Ausführungsform beträgt also die Anzahl der Platten des Plattenfächers 15b bei
insgesamt vier Emitterebenen und fünf Platten des Plattenfächers 11b zwanzig.
Die Fig. 9 und 10 zeigen als weitere mögliche Ausführungsform einen Diodenlaser
1c, der wiederum die der Laserdiodenanordnung 2a entsprechende
Laserdiodenanordnung 2c mit vier in unterschiedlichen Ebenen angeordneten
Laserbarren 4 aufweist sowie die Laseroptik 8c, die im Strahlengang auf die
Laserdiodenanordnung 2c folgend die Fast-Axis-Kollimatoren 6, das Microlinsen-Arrey
18 mit den Reihen der Zylinderlinsen 19, die beiden den Plattenfächer 11a
entsprechenden Plattenfächer 11c sowie den dem Plattenfächer 15a entsprechenden
Plattenfächer 15c aufweist, d. h. die Laseroptik 8c entspricht der Laseroptik 8a,
allerdings mit dem Unterschied, daß anstelle der als Slow-Axis-Kollimator dienenden
Zylinderlinse 16 die Slow-Axis-Kollimation wiederum vor dem ersten Plattenfächern
11c durch das Linsenarrey 18 erfolgt.
Die Fig. 11 und 12 zeigen einen Diodenlaser 1d, der sich von dem Diodenlaser 1c
im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß das Linsenarrey 18 zur Slow-Axis-
Kollimation im Strahlengang vor dem Fast-Axis-Kollimatoren 6 angeordnet ist. Die
Plattenfächer 11d bzw. 15d entsprechen wiederum den Plattenfächern 11c bzw. 15c.
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. So
wurde vorstehend davon ausgegangen, daß in jeder Ebene der Laserdiodenanordnung
ein Laserbarren 4 vorgesehen ist. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, in jeder Ebene
mehrere derartige Barren in der X-Achse aufeinander folgend vorzusehen und/oder
zwei oder mehr als drei derartige Ebenen zu verwenden. Weiterhin ist es
beispielsweise auch möglich, anstelle von mehreren, jeweils in Reihen angeordenten
Zylinderlinsen 19 ein Microlinsen-Arrey für die Slow-Axis-Kollimation zu verwenden,
bei der für sämtliche Emitterebenen oder aber für einen Teil oder eine Gruppe solcher
Emitterebenen durchgehende, d. h. sich in Richtung der Y-Achse erstreckende
Zylinderlinsenelemente vorgesehen sind, wobei die im Zusammenhang mit den
Fig. 7-12 beschriebene Ausbildung allerdings den Vorteil einer individuellen
Justierbarkeit der Zylinderlinsen oder Zylinderlinsenanordnungen hat.
1
,
1
a,
1
b,
1
c,
1
d Diodenlaser
2
,
2
a,
2
b,
2
c,
2
d Laserdiodenanordnung
3
Substrat
4
Laserbarren
5
Fokus
6
Fast-Axis-Kollimator
7
Laserstrahl
7
' Teilstrahl
7
" Umgeformter Strahl
8
,
8
a,
8
b,
8
c,
8
d Laseroptik
9
Teilstrahlgruppe
10
Fokussieranordnung
11
a,
11
b,
11
a,
11
b,
11
c,
11
d Plattenfächer
12
Platte
13
,
14
Schmalseite
15
,
15
a,
15
b,
15
c,
15
d Plattenfächer
15
' Einzelplattenfächer
16
Zylinderlinse
17
Sammellinse
18
Mikrolinsen-Array
19
Zylinderlinsen
X-Achse
Y-Achse
Z-Achse
X-Z-Ebene, Y-Z-Ebene
X-Y-Ebene
x, x' Abmessung
y Abstand
y', y" Höhe
X-Achse
Y-Achse
Z-Achse
X-Z-Ebene, Y-Z-Ebene
X-Y-Ebene
x, x' Abmessung
y Abstand
y', y" Höhe
Claims (32)
1. Laseroptik zum Umformen der Laserstrahlen (7) von Diodenelementen oder
Emittern einer Laserdiodenanordnung (2, 2a, 2b, 2c, 2d), die (Diodenelemente oder
Emitter) als Emittergruppe (4) jeweils in einer Emitterebene (X-Z-Ebene) und in einer
Achse (X-Achse) auf einander folgend angeordneten sind, mit wenigstens zwei in
einer optischen Achse (Z-Achse) aufeinander folgend angeordneten
Umformelementen (11, 11a, 11b, 11c, 11d; 15, 15a, 15b, 15c, 15d), von denen
wenigstens eines ein durchstrahlbares Element ist und ein erstes Umformelement
(11, 11a, 11b, 11c, 11d) eine Auffächerung des von einer Emittergruppe (4)
erzeugten Laserstrahls (7), der einen sich in einer ersten Achse (X-Achse) senkrecht
zur optischen Achse (Z-Achse) erstreckenden linien- oder bandförmigen Querschnitt
aufweist, in aufgefächerte Teilstrahlen (7') bewirkt, die in der ersten Achse (X-Achse)
und in einer zweiten Achse (Y-Achse) gegeneinander versetzt sind, wobei die zweite
Achse (Y-Achse) senkrecht zur ersten Achse (X-Achse) und auch senkrecht zur
optischen Achse (Z-Achse) liegt, wobei ein zweites optisches Umformelement ein
Verschieben der Teilstrahlen (7') jeweils in einer Ebene (X-Z-Ebene) parallel zur
ersten Achse (X-Achse) derart bewirkt, daß bei dem aus dem zweiten
Umformelement (15, 15a, 15b, 15c, 15d) austretenden umgeformten Laserstrahl (7")
die parallelen Teilstrahlen (7') nur noch oder im wesentlichen nur noch in der
zweiten Achse (Y-Achse) gegeneinander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
in wenigstens zwei Emitterebenen (X-Z-Ebene), die parallel zueinander angeordnet
und in einer Achse (Y-Achse) senkrecht zu den Emitterebenen (X-Z-Ebene) um einen
Abstand (y) voneinander beabstandet sind, jeweils wenigstens eine Emittergruppe
(4) vorgesehen ist daß die Laserstrahlen (7) jeder Emittergruppe (4) durch ein erstes
Umformelement (11, 11a, 11b, 11c, 11d) in eine eigene Teilstrahlgruppe (9) von
aufgefächerten Teilstrahlen (7') umgeformt wird, daß die Teilstrahlgruppen (9) in der
zweiten Achse (Y-Achse) gegeneinander versetzt sind, und daß durch das zweite
Umformelement (15, 15a, 15b, 15c, 15d) die Teilstrahlen (7') sämtlicher
Teilstrahlgruppen (9) zu dem aus den zweiten Umformelement austretenden
umgeformten Laserstrahl (7") umgeformt werden.
2. Laseroptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das erste
Umformelement (11, 11a, 11b, 11c, 11d) gebildeten Teilstrahlgruppen (9) derart in
der zweiten Achse (Y-Achse) versetzt sind, und daß der Abstand (y') zwischen
jeweils gleichartigen Teilstrahlen (7') benachbarter Gruppen (9) dem Abstand (y) der
Emitterebenen (X-Z-Ebene) der Laserdiodenanordnung (2, 2a, 2b, 2c, 2d) entspricht.
3. Laseroptik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Emittergruppen jeweils von einem mehrere Emitter aufweisenden Laserbarren (4)
gebildet ist.
4. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß in jeder Emitterebene (X-Z-Ebene) eine Emittergruppe (4) vorgesehen ist.
5. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Umformelement von wenigstens einem ersten Plattenfächer (11, 11a,
11b, 11c, 11d) gebildet ist.
6. Laseroptik nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Plattenfächer
(11, 11b) für sämtliche Emitterebenen gemeinsam vorgesehen ist.
7. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Umformelement von wenigstens einem zweiten Plattenfächer (15,
15a, 15b, 15c, 15d) gebildet ist.
8. Laseroptik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Plattenfächer
(15, 15a, 15b, 15c, 15d) für sämtliche Teilstrahlgruppen (9) der durch das erste
Umformelement (11, 11a, 11b, 11c, 11d) umgeformten Laserstrahlen (7) gemeinsam
vorgesehen ist.
9. Laseroptik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Plattenfächer
(15, 15a, 15b, 15c, 15d) aus mehreren aneinander anschließenden
Einzelplattenfächern(15') besteht und beispielsweise für jede Teilstrahlgruppe (9)
einen Einzelplattenfächer (15') aufweist.
10. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Plattenfächer (15, 15a, 15b, 15c, 15d) eine Vielzahl von Platten (12)
aus einem lichtdurchlässigen Material aufweist, und daß die Anzahl dieser Platten
(12) gleich der Anzahl der durch das erste Umformelement gebildeten Teilstrahlen
(7') ist.
11. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Plattenfächer (15, 15a, 15b, 15c, 15d) eine Vielzahl von Platten (12)
aus einem lichtdurchlässigen Material aufweist, und daß die Anzahl dieser Platten
(12) gleich der Anzahl der Emitterebenen (X-Z-Ebene) multipliziert mit der Anzahl
der Platten (12) ist, die der wenigstens eine erste Plattenfächer (11, 11a, 11b, 11c,
11d) jeweils aufweist.
12. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Kollimatoren (6, 16) im Strahlengang der Laserlichtstrahlung.
13. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine
Fokussieroptik (17) zum Fokussieren des umgeformten Laserstrahls (7") in einem
Fokus (5).
14. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß Fast-Axis-Kollimatoren (6) im Strahlengang der Laserlichtstrahlung vor dem
ersten Umformelement (11, 11a, 11b, 11c, 11d) vorgesehen sind.
15. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein Slow-Axis-Kollimator (16) im Strahlengang nach dem zweiten
Umformelement (15, 15a) vorgesehen ist.
16. Laseroptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß im Strahlengang der Laserlichtstrahlung vor dem ersten Umformelement (11b,
11c, 11d) eine als Slow-Axis-Kollimator wirkende Linsenanordnung bzw.
Microlinsenarrey (18) vorgesehen ist.
17. Diodenlaser mit einer Laserdiodenanordnung (2, 2a, 2b, 2c, 2d) und einer
Laseroptik zum Umformen der Laserstrahlen (7) von Diodenelementen oder
Emittern dieser Laserdiodenanordnung (2, 2a, 2b, 2c, 2d), die (Diodenelemente oder
Emitter) als Emittergruppe (4) jeweils in einer Emitterebene (X-Z-Ebene) und in einer
Achse (X-Achse) auf einander folgend angeordneten sind, mit wenigstens zwei in
einer optischen Achse (Z-Achse) aufeinander folgend angeordneten
Umformelementen (11, 11a, 11b, 11c, 11d; 15, 15a, 15b, 15c, 15d), von denen
wenigstens eines ein durchstrahlbares Element ist und ein erstes Umformelement
(11, 11a, 11b, 11c, 11d) eine Auffächerung des von einer Emittergruppe (4)
erzeugten Laserstrahls (7), der einen sich in einer ersten Achse (X-Achse) senkrecht
zur optischen Achse (Z-Achse) erstreckenden linien- oder bandförmigen Querschnitt
aufweist, in aufgefächerte Teilstrahlen (7') bewirkt, die in der ersten Achse (X-Achse)
und in einer zweiten Achse (Y-Achse) gegeneinander versetzt sind, wobei die zweite
Achse (Y-Achse) senkrecht zur ersten Achse (X-Achse) und auch senkrecht zur
optischen Achse (Z-Achse) liegt, wobei ein zweites optisches Umformelement ein
Verschieben der Teilstrahlen (7') jeweils in einer Ebene (X-Z-Ebene) parallel zur
ersten Achse (X-Achse) derart bewirkt, daß bei dem aus dem zweiten
Umformelement (15, 15a, 15b, 15c, 15d) austretenden umgeformten Laserstrahl (7")
die parallelen Teilstrahlen (7') nur noch oder im wesentlichen nur noch in der
zweiten Achse (Y-Achse) gegeneinander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
in wenigstens zwei Emitterebenen (X-Z-Ebene), die parallel zueinander angeordnet
und in einer Achse (Y-Achse) senkrecht zu den Emitterebenen (X-Z-Ebene) um einen
Abstand (y) voneinander beabstandet sind, jeweils wenigstens eine Emittergruppe
(4) vorgesehen ist daß die Laserstrahlen (7) jeder Emittergruppe (4) durch ein erstes
Umformelement (11, 11a, 11b, 11c, 11d) in eine eigene Teilstrahlgruppe (9) von
aufgefächerten Teilstrahlen (7') umgeformt wird, daß die Teilstrahlgruppen (9) in der
zweiten Achse (Y-Achse) gegeneinander versetzt sind, und daß durch das zweite
Umformelement (15, 15a, 15b, 15c, 15d) die Teilstrahlen (7') sämtlicher
Teilstrahlgruppen (9) zu dem aus den zweiten Umformelement austretenden
umgeformten Laserstrahl (7") umgeformt werden.
18. Diodenlaser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das erste
Umformelement (11, 11a, 11b, 11c, 11d) gebildeten Teilstrahlgruppen (9) derart in
der zweiten Achse (Y-Achse) versetzt sind, und daß der Abstand (y') zwischen
jeweils gleichartigen Teilstrahlen (7') benachbarter Gruppen (9) dem Abstand (y) der
Emitterebenen (X-Z-Ebene) der Laserdiodenanordnung (2, 2a, 2b, 2c, 2d) entspricht.
19. Diodenlaser nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
Emittergruppen jeweils von einem mehrere Emitter aufweisenden Laserbarren (4)
gebildet ist.
20. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß in jeder Emitterebene (X-Z-Ebene) eine Emittergruppe (4) vorgesehen ist.
21. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Umformelement von wenigstens einem ersten Plattenfächer (11, 11a,
11b, 11c, 11d) gebildet ist.
22. Diodenlaser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Plattenfächer (11, 11b) für sämtliche Emitterebenen gemeinsam vorgesehen ist.
23. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Umformelement von wenigstens einem zweiten Plattenfächer (15,
15a, 15b, 15c, 15d) gebildet ist.
24. Diodenlaser nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Plattenfächer (15, 15a, 15b, 15c, 15d) für sämtliche Teilstrahlgruppen (9) der durch
das erste Umformelement (11, 11a, 11b, 11c, 11d) umgeformten Laserstrahlen (7)
gemeinsam vorgesehen ist.
25. Diodenlaser nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Plattenfächer (15, 15a, 15b, 15c, 15d) aus mehreren aneinander anschließenden
Einzelplattenfächern(15') besteht und beispielsweise für jede Teilstrahlgruppe (9)
einen Einzelplattenfächer (15') aufweist.
26. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Plattenfächer (15, 15a, 15b, 15c, 15d) eine Vielzahl von Platten (12)
aus einem lichtdurchlässigen Material aufweist, und daß die Anzahl dieser Platten
(12) gleich der Anzahl der durch das erste Umformelement gebildeten Teilstrahlen
(7') ist.
27. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Plattenfächer (15, 15a, 15b, 15c, 15d) eine Vielzahl von Platten (12)
aus einem lichtdurchlässigen Material aufweist, und daß die Anzahl dieser Platten
(12) gleich der Anzahl der Emitterebenen (X-Z-Ebene) multipliziert mit der Anzahl
der Platten (12) ist, die der wenigstens eine erste Plattenfächer (11, 11a, 11b, 11c,
11d) jeweils aufweist.
28. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Kollimatoren (6, 16) im Strahlengang der Laserlichtstrahlung.
29. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine Fokussieroptik (17) zum Fokussieren des umgeformten Laserstrahls (7") in
einem Fokus (5).
30. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß Fast-Axis-Kollimatoren (6) im Strahlengang der Laserlichtstrahlung vor dem
ersten Umformelement (11, 11a, 11b, 11c, 11d) vorgesehen sind.
31. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein Slow-Axis-Kollimator (16) im Strahlengang nach dem zweiten
Umformelement (15, 15a) vorgesehen ist.
32. Diodenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß im Strahlengang der Laserlichtstrahlung vor dem ersten Umformelement (11b,
11c, 11d) eine als Slow-Axis-Kollimator wirkende Linsenanordnung bzw.
Microlinsenarrey (18) vorgesehen ist.
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