DE102004040107A1

DE102004040107A1 - Laservorrichtung zur Erzeugung eines roten Laserstrahls

Info

Publication number: DE102004040107A1
Application number: DE102004040107A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hafner
Original assignee: Arctos Showlasertechnik GmbH
Current assignee: Arctos Showlasertechnik GmbH
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-02-23
Also published as: DE202005003856U1

Abstract

Eine Laservorrichtung (1) zur Erzeugung eines Laserstrahls hat eine erste Laserteilstrahleinrichtung (2) zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls (16) und eine zweite Laserteilstrahleinrichtung (3) zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls (25) und eine Spiegel-Kollimatoreinheit (24, 19) zur im wesentlichen parallelen Zusammenführung und Ausgabe des ersten Laserstrahls (16) und des zweiten Laserstrahls (25) als Ausgabelaserstrahl (26).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines roten Laserstrahls mit guter Sichtbarkeit und hoher Energiedichte.
Im Stand der Technik sind so genannte DPSS-Laser bekannt, die einen hohen Energieverbrauch aufweisen. Diese Laser haben ein Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von ca. 671 Nanometern. Diese Wellenlänge befindet sich nahe am Infrarotbereich des Lichtspektrums und ist für das menschliche Auge nur schwer wahrnehmbar. Um mit einem solchen Laser mit dem Auge sichtbares Licht in ausreichender Stärke zu erzeugen, sind hohe Leistungen nötig. Die US 6 687 271 veranschaulicht, wie man einen solchen Laser mit hoher Leistungsdichte betreiben kann.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Laser bereitzustellen, der einen gut sichtbaren roten Strahl erzeugt, wobei nur wenig Energie verbraucht werden soll.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, die eine erste Laserteilstrahleinrichtung zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls und eine zweite Laserteilstrahleinrichtung zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls aufweist. Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl werden dabei zusammenge führt, so dass sie im Wesentlichen parallel übereinander und/oder nebeneinander liegen und so einen Ausgabelaserstrahl bilden. Zum Zusammenführen wird eine Spiegeleinheit verwendet, wobei eine besondere Kollimatoreinheit für eine Parallelisierung der mit einem Spiegel übereinander gelegten Laserstrahlen sorgt. Die erste Laserstrahleinrichtung und die zweite Laserstrahleinrichtung weisen dabei je eine horizontale und eine vertikale Lasereinrichtung mit je zwei nebeneinander angeordneten Laserdioden auf. Die Bezeichnungen „horizontal" und „vertikal" beziehen sich hier und nachfolgend jeweils auf die Polarisierung eines damit erzeugten Laserstrahls. Dabei erzeugen die horizontalen Laserdioden einen horizontalen Quadratlaserstrahl und die vertikalen Laserdioden erzeugen einen vertikalen Quadratlaserstrahl.
Weiterhin ist eine Sammeleinheit, die insbesondere als Polarisationswürfel ausgebildet ist, zum Zusammenführen des horizontalen Quadratlaserstrahls und des vertikalen Quadratlaserstrahls zum ersten Laserstrahl bzw. zum zweiten Laserstrahl vorgesehen. Mit einer solchen Einrichtung lassen sich auf besonders einfache Weise Laserstrahlen mit hoher Energiedichte erzeugen. Dabei ist durch das Übereinanderlegen von horizontal polarisierten und von vertikal polarisierten Lasterstrahlen gewährleistet, dass der sich ergebende Laserstrahl keine oder nur eine geringe überwiegende Polarisation in einer bestimmten Richtung aufweist. Ungeachtet der Polarisation kann der erfindungsgemäße Laserstrahl für mit dem menschlichen Auge sichtbare Anwendungen, beispielsweise in der Werbung, in der Animation oder in der gewerblichen Projektion von Filmen und anderen Bildern eingesetzt werden. Immer mehr werden solche Anwendungen gefordert, bei denen ein erfindungsgemäßer Laserstrahl auf einen wenigstens teilweise reflektierenden Gegenstand oder auch auf Rauch- oder Nebelpartikel geworfen wird.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines roten Laserstrahls mit hoher Energiedichte und kleinem Öffnungswinkel (Divergenz) bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad des Systems bereit. Das erste Laserstrahlprofil und das zweite Laserstrahlprofil werden dabei zusammengeführt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung mit einem Laserstrahl mit besonders großer Querschnittsfläche weist die erste Laserteilstrahleinrichtung und die zweite Laserteilstrahleinrichtung je zwei horizontale und zwei vertikale Lasereinrichtungen mit je zwei nebeneinander angeordneten Laserdioden auf. Je eine horizontale und eine vertikale Lasereinrichtung sind dabei zu einer Teillasergruppe im Sinne der Erfindung angeordnet.
Eine besonders einfache Verstellbarkeit der Komponenten der erfindungsgemäßen Laservorrichtung ergibt sich dann, wenn je eine Teillasergruppe auf einer Teillaser-Verstelleinrichtung angeordnet ist, mit der deren Komponenten gemeinsam bezüglich der übrigen Komponenten der Vorrichtung verschiebbar bzw. verdrehbar sind. Dasselbe gilt, wenn die horizontale oder die vertikale Lasereinrichtung auf je einer einzeln einstellbaren Dioden-Verstelleinrichtung angeordnet ist.
Die Laserdioden sind dabei vorzugsweise als Halbleiter-Laserdioden ausgebildet, deren Substrat die Elemente Phosphor, Indium, Gallium und/oder Aluminium aufweist. Solche Laserdioden erzeugen Licht mit einer Wellenlänge von ca. 630 (in besonderen Fällen 652) Nanometer bis ca. 690 (in besonderen Fäl len 664) Nanometer, und zwar vorzugsweise mit einem Leistungsmaximum bei ca. 658 Nanometer Wellenlänge. Es hat sich bewährt, dabei Laserdioden auszuwählen, die ein Leistungsmaximum in einem Wellenlängenbereich von ca. 654 Nanometer bis ca. 662 Nanometer haben. Die Emittergröße sollte nicht größer als 2 × 20 Mikrometer haben, welche mit nachgeschalteter 20mm-Linse zur Bündelung/Parallelisierung dieses Emitters ausgestattet ist. Bei größeren Laserdioden-Emittern wird die Strahlqualität im Endresultat unnötig verschlechtert. Die Emmittergröße sollte nicht größer als 2 × 20 Mikrometer sein, damit danach mit einem nachgeschalteten Kollimator der Strahl parallel gebündelt werden kann. Ein Kollimator mit 20mm Brennweite ist für diese Anordnung am besten geeignet da der parallele Strahl nicht zu dünn oder zu dick wird. Außerdem nähert man sich dabei nahe an die maximal mögliche Beugungsgrenze der besonders wichtigen "roten" Wellenlängen an.
Häufig erzeugen solche Laserdioden einen Laserstrahl mit einem im Wesentlichen elliptischen oder nahezu rechteckigen Querschnitt, wobei ein solcher Laserstrahl eine Polarisierung überwiegend in Richtung der längeren Symmetrieachse der Ellipse bzw. des Rechtecks aufweist. Hierbei ist zu beachten, dass mit der Bezeichnung „Querschnitt" nicht gemeint ist, dass ein Lichtstrahl einen fest umgrenzten Querschnitt wie etwa denjenigen eines Stabes aufweist. Vielmehr ist es so, dass der Querschnitt eines solchen Laserstrahls sich aus denjenigen Orten innerhalb des Laserstrahls bestimmt, die in etwa eine gleiche Leistungsdichte aufweisen.
Es hat sich bewährt, die Sammeleinheit als Polarisationswürfel auszubilden, der vorzugsweise aus BK7-Glas nach Grade A hergestellt ist, und zwar mit einer entsprechenden zur Wellenlänge aufgedampften Antireflex-Beschichtung. Solche Polarisationswürfel werden häufig als Strahlteiler eingesetzt, um einen Laserstrahl in zwei Bestandteile mit zueinander senkrechter Polarisation zu zerlegen.
Die Spiegel-Kollimatoreinheit weist nach der Erfindung eine Linseneinheit auf, deren eingangsseitige Brennweite größer als die ausgangsseitige Brennweite ist. Eine solche Linseneinheit wird häufig auch als „achromatic doublets" bezeichnet. Es können hierfür aber auch geringwertigere Linsen eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Laser wird insbesondere zur Projektion in einem Dreifarblaser eingesetzt, der für Beamshows dient. Dabei wird der rote Strahl zur Ergänzung der Palette Rot-Grün-Blau der bereits vorhandenen Laser Grün-Blau verwendet.
Die Erfindung ist nachfolgend mit einer Figur näher veranschaulicht.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung 1 in der Draufsicht. Die Laservorrichtung 1 gliedert sich in eine erste Laserteilstrahleinrichtung 2 sowie in eine zweite Laserteilstrahleinrichtung 3. Die erste Laserteilstrahleinrichtung 2 und die zweite Laserteilstrahleinrichtung 3 sind zueinander achsensymmetrisch, b. h. spiegelbildlich ausgebildet. Im Weiteren werden nur die Komponenten der ersten Laserteilstrahleinrichtung 2 beschrieben. Komponenten der zweiten Laserteilstrahleinrichtung, die denjenigen der ersten Laserteilstrahleinrichtung 2 entsprechen, haben dieselben Bezugsziffern, werden jedoch mit einem Apostroph versehen. Zur besseren Verständlichkeit werden sowohl die ers te Laserteilstrahleinrichtung 2 als auch die zweite Laserteilstrahleinrichtung 3 verkürzt mit „die Laserteilstrahleinrichtung" bezeichnet.
Das Herzstück einer Laserteilstrahleinrichtung sind vier vertikal polarisierte Laserdioden 4 und vier horizontal polarisierte Laserdioden 5, die auf einem gemeinsamen Support 6 angeordnet sind. Die Laserdioden 5, 6 sind handelsübliche Halbleiterdioden, die einen mikroskopisch kleinen Querschnitt von ca. 1 × 20 Mikrometer in der aktiven Zone aufweisen. Sie weisen eine für Laserdioden typische divergente Strahlkeule mit elliptischem Querschnitt und gasförmige Intensitätsverteilung auf. Im vorliegenden Fall emittieren diese roten Laser mit einem hier nicht näher dargestellten, nachgeschaltetem Kollimator Licht im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums.
In 1 wird dem Umstand, dass die Laserdioden 4, 5 einen Lichtstrahl mit elliptischem Querschnitt emittieren, dadurch Rechnung getragen, dass die von den vertikal polarisierten Laserdioden 4 imitierten vertikalen Lichtstrahlen 7 in der Draufsicht schmaler gezeichnet sind als die von den horizontal polarisierten Laserdioden 5 imitierten horizontalen Lichtstrahlen 8. Im Bereich vor den vertikal polarisierten Laserdioden 4 ist dabei ein erster Vertikalspiegel 9 und ein zweiter Vertikalspiegel 10 vorgesehen, die die beiden entsprechenden vertikalen Lichtstrahlen 7 um einen Winkel von 90° umlenken. Dabei ist der zweite Vertikalspiegel 10 gerade um einen solchen Betrag verschoben angeordnet, dass dessen zu den vertikal polarisierten Laserdioden 4 hin gerichtete Vorderkante 11 gerade den zweiten vertikalen Lichtstrahl 7 vorbeistreichen lässt. Zur Aufnahme des ersten Vertikalspiegels 9 und des zweiten Vertikalspiegels 10 sowie zur einfacheren Verstellung in den drei Raumrichtungen sind Spiegelhalter 12 vorgesehen, die auch für alle übrigen Spiegel der Laservorrichtung 1 verwendet werden.
Durch die besondere Anordnung der beiden vertikal polarisierten Laserdioden 4 im Zusammenhang mit dem ersten Vertikalspiegel 9 und dem zweiten Vertikalspiegel 10 entsteht dadurch ein vertikaler Quadratlaserstrahl 13, dessen Querschnitt in der Schnittzeichnung C-C als Summe der Querschnitte der beiden vertikalen Lichtstrahlen 7 veranschaulicht ist. Der vertikale Quadratlaserstrahl 13 wird in einen Polarisationswürfel 14 eingespeist, der auf einem Polarisationswürfelhalter 15 angebracht ist. Der vertikale Quadratlaserstrahl 13 durchtritt den Polarisationswürfel 14 und tritt dort als erster Laserstrahl 16 aus. Er trifft in der Folge auf den ersten Umlenkspiegel 17 und nachfolgend auf den zweiten Umlenkspiegel 18. Durch den zweiten Umlenkspiegel 18 wird der erste Laserstrahl 16 in einen Kollimator 19 reflektiert. Dort wird der erste Laserstrahl 16 zu einem parallelen Strahlenbündel umgewandelt, sofern er noch divergente Strahlungsanteile aufweist. Beim Eintritt in den Kollimator 19 hat der erste Laserstrahl 16 einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt, der sich aus dem Umriss der vertikalen Lichtstrahlen 7 ergibt. Der Querschnitt des ersten Laserstrahls 16 ist dabei in der Querschnittszeichnung A-A veranschaulicht.
Im Wesentlichen auf dieselbe Weise werden die horizontalen Lichtstrahlen 8 aus den horizontal polarisierten Laserdioden 5 in den ersten Laserstrahl 16 eingekoppelt. Hierzu ist nach der in 1 linksseitig gezeigten horizontal polarisierten Laserdiode 5 ein erster Horizontalspiegel 20 vorgesehen, der den entsprechenden horizontalen Lichtstrahl 8 um 90° umlenkt. Da nach ist ein zweiter Horizontalspiegel 21 vorgesehen, der den horizontalen Lichtstrahl 8 in den Polarisationswürfel 14 umlenkt. Der zweite Horizontalspiegel 21 ist dabei so tief angeordnet, dass seine obere Seite unterhalb desjenigen horizontalen Lichtstrahls 8 liegt, der aus der in 1 rechts gelegenen horizontal polarisierten Laserdiode 5 austritt. Der horizontale Lichtstrahl 8, der aus der in 1 rechts gelegenen horizontal polarisierten Laserdiode 5 austritt, streicht gerade oberhalb des zweiten Horizontalspiegels 21 entlang vorbei und tritt in den Polarisationswürfel 14 ein. Der Querschnitt B-B veranschaulicht dabei die Lage der beiden horizontalen Lichtstrahlen 8 kurz vor dem Eintritt in den Polarisationswürfel 14.
Die in 1 rechts oben gelegenen vertikal polarisierten Laserdioden 4 und horizontal polarisierten Laserdioden 5 bilden dabei eine erste Teillasergruppe 22. Achsensymmetrisch bzw. spiegelbildlich dazu ist eine zweite Teillasergruppe 23 aus dem in 1 untenseitig gelegenen vertikal polarisierten Laserdioden 4 und horizontal polarisierten Laserdioden 5 gebildet. Der von dieser zweiten Teillasergruppe 23 erzeugte erste Laserstrahl 16 wird durch den ersten Umlenkspiegel 17 so auf den zweiten Umlenkspiegel 18 gelenkt, dass dieser gerade an dem ersten Umlenkspiegel 17 der ersten Teillasergruppe 22 vorbeistreicht. Die Querschnitte der Lichtstrahlen der zweiten Teillasergruppe 23 sind in Querschnittszeichnungen E-D und E-E veranschaulicht.
Der Strahlengang in der zweiten Laserteilstrahleinrichtung 3 entspricht im Wesentlichen demjenigen in der ersten Laserteilstrahleinrichtung 2. Allerdings ist es so, dass die auf dem zweiten Umlenkspiegel 18' auftreffenden ersten Laserstrahl 16' zu einem in 1 links oben gelegenen Höhenanpassspiegel 24 umgeleitet werden, den diese als zweiter Laserstrahl 25 verlassen. Die Stellung des Höhenanpassspiegels 24 ist so gewählt, dass der zweite Laserstrahl 25 gerade über den zweiten Umlenkspiegel 18' hinwegstreicht, bevor der zweite Laserstrahl 25 in den Kollimator 19 eintritt. Der zweite Umlenkspiegel 18' ist dabei gerade so hoch ausgebildet, dass der vom ersten Umlenkspiegel 17' herrührende erste Laserstrahl 16' gerade noch auf den Höhenanpassspiegel 24 gelenkt werden kann, wobei der vom Höhenanpassspiegel 24 ausgehende zweite Laserstrahl 25 gerade über den zweiten Umlenkspiegel 18' hinwegstreicht. Die Querschnitte G-G und H-H veranschaulichen dies.
Der Kollimator 19 transformiert dabei die insgesamt divergente Laserdiodenstrahlung aus dem ersten Laserstrahl 16 und dem zweiten Laserstrahl 25 zu einem parallelen Strahlenbündel in Form eines roten Laserstrahls 26. Der Querschnitt I-I in 1 verdeutlicht dies.
Die erste Laserstrahleinrichtung und die zweite Laserstrahleinrichtung kann dabei in einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel auch noch mehrere, nebeneinander angeordnete Laserdioden aufweisen, z.B. drei Stück.
Die Erfindung kann natürlich auch dafür eingesetzt werden, um Licht aus Laserdioden mit anderen Wellenlängen zu vervielfachen. Dann werden Laserdioden mit entsprechend anderer Wellenlänge eingesetzt.
Die Laserdioden werden so optimiert, dass sich eine hohe Abgabeleistung bei gleichzeitig guter Sichtbarkeit für das menschliche Auge ergibt.

1: Laservorrichtung
2: erste Laserteilstrahleinrichtung
3: zweite Laserteilstrahleinrichtung
4: vertikal polarisierte Laserdiode
5: horizontal polarisierte Laserdiode
6: Support
7: vertikaler Lichtstrahl
8: horizontaler Lichtstrahl
9: erster Vertikalspiegel
10: zweiter Vertikalspiegel
11: Vorderkante
12: Spiegelhalter
13: vertikaler Quadratlaserstrahl
14: Polarisationswürfel
15: Polarisationswürfelhalter
16: erster Laserstrahl
17: erster Umlenkspiegel
18: zweiter Umlenkspiegel
19: Kollimator
20: erster Horizontalspiegel
21: zweiter Horizontalspiegel
22: erste Teillasergruppe
23: zweite Teillasergruppe
24: Höhenanpassspiegel
25: zweiter Laserstrahl
26: roter Laserstrahl

Claims

Laservorrichtung (1) zur Erzeugung eines Laserstrahls, wobei die Vorrichtung – eine erste Laserteilstrahleinrichtung (2) zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls (16), – eine zweite Laserteilstrahleinrichtung (3) zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls (25) und eine Spiegel-Kollimatoreinheit (24, 19) zur im wesentlichen parallelen Zusammenführung und Ausgabe des ersten Laserstrahls (16) und des zweiten Laserstrahls (25) als Ausgabelaserstrahls (26) aufweist, wobei die erste Laserteilstrahleinrichtung (2) und die zweite Laserteilstrahleinrichtung (3) – je eine horizontale Lasereinrichtung (5, 20, 21; 5', 20', 21') und eine vertikale Lasereinrichtung (4, 9, 10; 4', 9', 10') mit je zwei nebeneinander angeordneten Laserdioden (5, 4; 5', 4') zur Ausgabe eines horizontalen Quadratlaserstrahls (8, 8; 8', 8') bzw. eines vertikalen Quadratlaserstrahl (7, 7; 7', 7') sowie – je eine Sammeleinheit (14; 14') zur Zusammenführung des horizontalen Quadratlaserstrahls (8, 8; 8', 8') und des vertikalen Quadratlaserstrahls (7, 7; 7', 7') zum ersten Laserstrahl (16) bzw. zum zweiten Laserstrahl (25) aufweisen.
Lasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die erste Laserteilstrahleinrichtung (2) und die zweite Laserteilstrahleinrichtung (3) je zwei horizontale Lasereinrichtungen (5, 20, 21; 5', 20', 21') und zwei ver tikale Lasereinrichtungen (4, 9, 10; 4', 9', 10') mit je zwei nebeneinander angeordneten Laserdioden (4, 5; 4', 5') zur Ausgabe eines horizontalen Quadratlaserstrahls bzw. eines vertikalen Quadratlaserstrahls aufweisen, wobei je eine horizontale Lasereinrichtung (5, 20, 21; 5', 20', 21') und eine vertikale Lasereinrichtung (4, 9, 10; 4', 9', 10') mit je zwei nebeneinander angeordneten Laserdioden (4, 5; 4', 5') zu einer Teillasergruppe (22; 23) angeordnet sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Teillasergruppe auf einer Teillaser-Verstelleinrichtung angeordnet ist, mit der deren Laserdioden und der Sammeleinheit gemeinsam bezüglich der übrigen Komponenten der Vorrichtung verschiebbar bzw. verdrehbar sind.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale und/oder die vertikale Lasereinrichtung auf je einer Dioden-Verstelleinrichtung angeordnet ist, mit der deren Laserdioden gemeinsam bezüglich den übrigen Komponenten der Vorrichtung verschiebbar bzw. verdrehbar sind.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (4, 5; 4', 5') als Halbleiter-Laserdioden ausgebildet sind, deren Substrat die Elemente P, In, Ga und/oder Al aufweist und die Licht mit einer Wellenlänge von ca. 652nm bis ca. 664nm, vorzugsweise ca. 654nm bis ca. 662nm und vorzugsweise mit einem Maximum bei ca. 658nm erzeugen.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (4, 5; 4', 5') je einen Laserstrahl (7, 8; 8, 8') mit einem im wesentlichen elliptischen und nahezu rechteckigen Querschnitt erzeugen, wobei der Laserstrahl eine Polarisierung überwiegend in Richtung der längeren Symmetrieachse der Ellipse bzw. des Rechtecks aufweist.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinheit als Polarisationswürfel (14) ausgebildet ist, der vorzugsweise aus BK7-Glas nach Grade A hergestellt ist.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel-Kollimatoreinheit einen Kollimator (19) mit einer Linseneinheit aufweist, deren eingangsseitige Brennweite größer als die ausgangsseitige Brennweite ist.
Verfahren zum Projizieren eines Laserstrahls, bei dem mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ein Laserstrahl (26) auf einen wenigstens teilweise reflektierenden Gegenstand oder auf Rauch- oder Nebelpartikel geworfen wird.