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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine optische Anordnung und ein Verfahren zur
Korrektur der Strahlungseigenschaften von astigmatischer Laserstrahlung
eines Halbleiter-Diodenlasers,
welche in einer ersten Richtung mit einem ersten Divergenzwinkel
divergiert und in einer zweiten Richtung mit einem zweiten Divergenzwinkel
divergiert, enthaltend eine erste Linse zur Kollimation der Strahlung,
und eine zweite Linse, welche unabhängig von der ersten Linse angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Halbleiter-Diodenlaser zur Erzeugung
von Laserstrahlung und eine Verwendung eines solchen Lasers.
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Halbleiter-Laserdioden
bestehen im wesentlichen aus einem Halbleitermaterial mit einem p-n-Übergang
an welchem innerhalb eines Resonators Laserstrahlung erzeugt wird.
Solche Halbleiter-Laserdioden sind allgemein bekannt und die Wirkungsweise
braucht daher nicht näher
beschrieben werden.
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Die
Abmessungen einer solchen Diode liegen im Bereich von Millimetern.
Die Schichtdicke des aktiven Mediums, d.h. des Übergangsbereichs liegt im Bereich
von einigen Mikrometern und die Breite des Emissionsbereichs ist
wenige hundert Mikrometer. Im Vergleich zu anderen Lasern sind diese
Laser also außerordentlich
klein. Halbleiterlaser haben weiterhin einen besonders hohen Wirkungsgrad.
Das bedeutet, daß die
elektrische Energie zu einem besonders hohen Anteil von mehr als
50% in Strahlungsenergie umgewandelt werden kann.
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Halbleiter-Laserdioden
haben nur ein kleines aktives Medium und können die Energie nicht speichern.
Bekannte Halbleiter-Laserdioden emittieren Laserstrahlung im Wellenlängenbereich
von etwa 500–1800
nm, entsprechend sichtbaren Licht und nahem Infrarot. Es wurden
Laserdioden mit hoher Ausgangsleistung und gleichzeitig guter Strahlqualität, z.B.
Taper Laserdioden, entwickelt. Der Leistungsbereich dieser Laser
kann im Bereich von einigen Watt liegen.
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Die
Strahlung von Laserdioden ist aufgrund ihrer Entstehungsweise stark
astigmatisch. Astigmatismus ist ein Effekt, bei dem Strahlung in
lateraler Richtung an einer anderen Stelle auf der optischen Achse
fokussiert wird, als senkrecht dazu. In der senkrechten Richtung
hat das aktive Medium der Laserdiode sehr geringe Abmessungen. Dies
führt zu Beugung
und entsprechend großer
Divergenz der entstehenden Strahlung. In lateraler Richtung ist
das aktive Medium breiter. Die Divergenz ist daher in dieser Richtung
kleiner. Versucht man die Strahlung, z.B. mit einer sphärischen
Linse, zu fokussieren, so liegen die Foki der beiden Richtungen
hintereinander. Die virtuellen Quellpunkte in diesen beiden Hauptrichtungen
sind versetzt auf der optischen Achse angeordnet.
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Für die weitere
Strahlführung
mit kostengünstigen,
rotationssymmetrischen optischen Elementen ist eine höhere Symmetrie
der Strahlung wünschenswert.
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Stand der
Technik
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Es
ist bekannt, Linsensysteme mit gekrümmten Mikrolinsen zur Strahlformung
von Laserdioden einzusetzen. Dabei soll die sehr gute Strahlqualität in der
sogenannten schnellen Achse erhalten bleiben. Die schnelle Achse
ist die Achse, welche sich in Richtung der Schichtdicke des aktiven
Mediums erstreckt. In dieser Richtung entsteht gewöhnlich ein
großer
Divergenzwinkel der Strahlung im Bereich von mehreren Zehn Grad.
Aufgrund der großen
Divergenzwinkel werden hohe Ansprüche an die Formtreue der Mikrolinsen
gestellt. Die Linsen müssen
sehr nah vor der Laserdiode angeordnet werden, da die Brennweite
der Linse unterhalb von einem Millimeter liegt.
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Es
ist bekannt, asphärische
Zylinderlinsen mit einer hohen numerischen Apertur einzusetzen. Eine
Zylinderlinse ist in einer Richtung gekrümmt, während sie in der anderen, dazu
senkrechten Richtung über
die gesamte Breite den gleichen Querschnitt aufweist. Man bezeichnet
solche Linsen auch als einachsig. Die bekannten Linsensysteme sind sehr
justierempfindlich. Weicht das Linsensystem von der Idealposition
ab entstehen Bildfehler. Die Linse wird daher meist fest vor der
Laserdiode montiert.
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Die
Strahlqualität
in der "langsamen" Richtung einer Halbleiter-Laserdiode
ist bei Hochleistungslaserdioden sehr viel schlechter, als in der "schnellen" Richtung. Die Divergenzwinkel
sind kleiner. Es ist bekannt, diese mit einer Zylinderlinse längerer Brennweite
und schlechterer Formtreue zu kollimieren. Es ist bekannt, mehrere
strahlformende Oberflächen
in nur einem Bauelement zusammenzufassen. So werden auch asphärische,
z.B. torisch geformte Flächen
zur Kollimation und Astigmatismuskorrektur verwendet.
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Trotz
der Bemühungen
um eine gute Strahlqualität
durch Verbesserung der Linsensysteme und der Laser ist eine Abbildung
des auf diese Weise erzeugten Strahls mit preisgünstigen rotationssymmetrischen
optischen Bauelementen fehlerbehaftet.
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Aus
der WO 03/098283 A1 ist eine Anordnung mit Grin-Linsen zur Transformation
von astigmatischem Laserlicht bekannt. Die Anordnung verwendet mindestens
drei Sammellinsen, welche in verschiedenen Richtungen wirken.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Anordnung der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit welcher eine höhere Symmetrie erreicht werden kann
und bei welcher keine hohen Anforderungen an die Justiergenauigkeit
gestellt werden müssen,
um eine gute Abbildungsqualität
zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß die
erste und die zweite Linse als optisch einachsige Gradientenindex-Linse
ausgebildet sind und die zweite Linse eine Zerstreuungslinse ist.
Beide Linsen wirken in der gleichen Richtung. Vorzugsweise wird
die schnelle Strahlrichtung beeinflusst. In der langsamen Strahlrichtung
bleiben die auftretenden Winkel unbeeinflußt.
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Durch
diese optische Anordnung wir die Strahlung bezüglich des Divergenzwinkels
und des Quellpunktes symmetrisiert. Es entsteht stigmatische Strahlung,
die weiterhin divergent ist. Diese lässt sich mit einfachen, rotationssymmetrischen
optischen Bauelementen sehr gut abbilden. Die Anordnung beeinflusst
die Strahlung nur in einer Richtung. In der anderen, dazu senkrechten
Richtung wirkt sie wie eine planparallele Platte. Die Ablenkung
erfolgt durch die Gradientenindex (Grin)-Linsen. Bei diesen Linsen handelt
es sich um Quader aus Linsenmaterial, bei welchem der Brechungsindex
nicht homogen ist. Der Brechungsindex zeigt einen Verlauf, der geeignet
ist, einen Strahl in eine gewünschte
Richtung zu brechen. Dabei ist es möglich, den Verlauf des Brechungsindexes
so zu beeinflussen, daß keine
abrupte Änderung
auftritt. Im Gegensatz zu einer gekrümmten Linsenoberfläche treten überraschenderweise
bei Verwendung von Grin-Linsen keine großen Winkel-Sprünge auf.
Bei einer z.B. durch Justierfehler auftretenden Verkippung der Linse
wird der Strahl dadurch insgesamt weniger von seiner Sollposition abgelenkt,
als bei der gekrümmten
Oberfläche
einer herkömmlichen
Linse.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird ein Grin-Linsen-Paar verwendet.
Beide Linsen sind einachsig ausgebildet. Dies ermöglicht es,
neben der Angleichung der Divergenzwinkel in unterschiedlicher Richtung
auch den virtuellen Quellpunkt einzustellen. Der virtuelle Quellpunkt
ist der Punkt, der eine punktförmige
Strahlungsquelle bei optimaler Strahlqualität repräsentiert, welche dem erzeugten Strahlungsverlauf
entspricht.
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Der
Strahl verläuft
zwischen den Linsen in der beeinflussten Richtung parallel. Eine Änderung des
Linsenabstands hat also in der dazu senkrechten Richtung keinen
Einfluss auf den virtuellen Quellpunkt. Der Linsenabstand beeinflusst
aber den virtuellen Quellpunkt der Richtung, für welche die Strahlung kollimiert
wurde. Durch geeignete Wahl des Linsenabstands können die virtuellen Quellpunkte
auf diese Weise auf den gleichen Punkt in der optischen Achse gelegt
werden. Mit einem einzigen Linsenpaar können auf diese Weise sowohl
die Divergenzwinkel, als auch die Lage der virtuellen Quellpunkte
zueinander optimiert werden. Gleichzeitig werden die Anforderungen
an die Justiergenauigkeit gesenkt.
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Die
Verwendung eines solchen Linsenpaars zur Korrektur der Strahlungseigenschaften
ist selbstverständlich
auch für
andere Strahlungsquellen möglich,
welche die gleichen Strahlungseigenschaften wie ein Halbleiter-Diodenlaser
haben.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Halbleiter-Diodenlasers mit
mehreren Emittern und angedeutetem Strahlungskegels
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2 zeigt die Intensität eines Laserstrahls über den
Querschnitt bei verschiedenen Moden
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3 zeigt
das Verhältnis
von Fokus und Strahldichteverlauf eines Laserstrahls
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4 veranschaulicht
den Wellenlängenbereich
von Halbleiter-Diodenlasern
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5 ist
eine schematische Darstellung eines Laserstrahls mit unterschiedlichen
Divergenzwinkeln in schneller und langsamer Richtung, sowie unterschiedlichen
virtuellen Quellpunkten
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6 ist
eine schematische Darstellung eines Lasers mit einer Korrekturoptik
aus Grin-Linsen
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7 zeigt
einen praktischen Aufbau einer Korrekturoptik aus 6
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8 zeigt
ein monolithisches Korrekturmodul zur Astigmatismus-Korrektur
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein Halbleiter-Diodenlaser schematisch dargestellt. Der mit 10 bezeichnete
Laser umfasst einen Träger 12 zur
Kühlung
des Halbleiters. Der Träger
besteht aus goldbeschichtetem Kupfer und bildet eine Wärmesenke.
Auf dem Träger 12 ist der
Halbleiter 14 angeordnet. Der Halbleiter besteht aus Galliumarsenid
(GaAs) und umfasst im wesentlichen drei Schichten. Eine p+-dotierte Schicht, eine n–-dotiert-Schicht
und den dazwischen liegenden Wellenleiter. Dieser Übergangsbereich
stellt das aktive Medium dar. An den Enden 16 und 18 ist
der Halbleiter zur Bildung des Laser-Resonators verspiegelt. Die
Länge des
Resonators liegt im Bereich von einigen Millimetern. Die Breite
des Aktiven Mediums liegt im Bereich von einigen 5–500 Mikrometern.
Die Schichtdicke des aktiven Mediums liegt im Bereich von einigen
wenigen Mikrometern. Mit 20 sind die elektrischen Kontakte
bezeichnet.
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Am
Ende 18 des Resonators tritt die im aktiven Medium erzeugte
Laser-Strahlung durch den teildurchlässigen Spiegel aus. In 1 sind
mehrere aktive Medien nebeneinander angeordnet, so daß sich eine
Vielzahl von Strahlen über
eine große
Breite verteilen. Der vorliegende Halbleiter-Laser arbeitet in der
senkrechten, schnellen Achse im Grund Mode, wie sie in 2a gezeigt
ist. Die übrigen
Moden werden bei der gezeigten Laseranordnung überwiegend unterdrückt. Dadurch
erhält
der Laserstrahl eine im wesentlichen Gauß-förmige Intensitätsverteilung über den
Strahlquerschnitt. Dies ist in 3 dargestellt.
In 3 bezeichnet z die Ausbreitungsrichtung des Lichts.
Wie bei Laserlicht üblich,
wird als Fokus die Stelle bezeichnet, an welcher die Strahltaille
den minimalen Querschnitt aufweist. Bei der Grundmode hat die Strahlung
hier ihre größte Strahldichte.
Die Wellenlängen
für Halbleiter-Diodenlaser
sind in 4 dargestellt. Je nach Material
des aktiven Mediums wird eine Wellenlänge zwischen 500 und 1800 nm
erzeugt.
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Aufgrund
der Abmessungen wird die Strahlung gebeugt. Die kleine Schichtdicke
bewirkt eine stärkere
Beugung in Richtung der schnellen Achse 22 (1)
und eine geringere Beugung in Richtung der langsamen Achse 24.
Dies führt
zu einem unterschiedlichen Divergenzwinkel der erzeugten Strahlung.
Die Strahlung lässt
sich daher in dieser Form nicht mehr gut in einem Punkt fokussieren.
In 5 ist dieser Effekt schematisch dargestellt. Die
Strahlung breitet sich in der mit 26 bezeichneten Richtung entlang
der optischen Achse aus. Der größere Divergenzwinkel
in der schnellen Richtung 30 ist mit 28 bezeichnet.
Der kleinere Divergenzwinkel in der langsamen Richtung 32 ist
mit 34 bezeichnet. Man erkennt, dass die Strahlung unsymmetrisch
ist. Der virtuelle Quellpunkt 36 liegt für die schnelle
Richtung 30 entlang der optischen Achse hinter dem virtuellen
Quellpunkt 38 für
die langsame Richtung 32. Die Strahlung ist daher ohne
eine angemessene Korrektur nicht mehr in einem Punkt fokussierbar.
Es kann mit einer rotationssymmetrischen Linse keine Strahltaille
erzeugt werden, die an einem gemeinsamen Punkt auf der optischen
Achse 26 in beiden Richtungen 30 und 32 ein
Minimum annimmt.
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In 6 ist
schematisch dargestellt, wie die von dem Laser erzeugte astigmatische
Strahlung korrigiert wird. Der Laser ist mit 38 bezeichnet.
Die astigmatische Strahlung 40 wird durch eine erste Grin-Linse 42 geleitet.
Die Grinlinse 42 ist als einachsige Linse ausgebildet.
Sie kollimiert die Strahlung 40 in der schnellen Richtung 30 und
erzeugt so einen in einer Richtung parallelen Strahl 44.
Die Strahlung in der langsamen Richtung 32 bleibt divergent.
Hinter der ersten Linse 42 ist eine weitere Grin-Linse 46 angeordnet.
Auch diese Grin-Linse ist einachsig ausgebildet. Die Grin-Linse 46 weist
einen Verlauf des Brechungsindexes auf, der eine Zerstreuung des
kollimierten Strahls in der schnellen Richtung 30 bewirkt. Die
Verläufe
der Brechungsindizes in den beiden Linsen und der Abstand der Linsen
sind so aufeinander abgestimmt, daß die aus der Optik austretende Strahlung 48 den
gleichen Divergenzwinkel in der schnellen Richtung 30 aufweist,
wie in der langsamen Richtung 32 und die Lage der Strahltaille
auf der optischen Achse 26 für die beiden Richtungen 30 und 32 gleich
ist. Damit ist die Strahlung mit rotationssymmetrischen Elementen
in einem Punkt fokussierbar.
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Der
Abstand der beiden Linsen wird so gewählt, daß die virtuell Quellpunkte
(5) übereinander
liegen.
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In 7 ist
die gesamte Anordnung dargestellt. Die Diode 50 ist fest
mit einem Träger 52 verbunden.
Die Linsen 54 und 56 sind auf dem Träger befestigt.
Beide Linsen sind Quader-förmig,
mit verschiedenen Außenabmessungen.
Für die
Linse 54 ist daher ein Abstandstück 60 zwischen dem
Träger 52 und
der Linse 54 vorgesehen. Aufgrund der geraden Kanten und
Flächen
sind die Linsen sehr leicht justierbar und befestigbar. Justierfehler
werden auf diese Weise minimiert. Weiterhin fallen Justierfehler
bei Grinlinsen nicht so stark ins Gewicht. Die Strahlung 58 verlässt die
Anordnung in divergenter Form. Sie kann z.B. in eine Faseroptik
eingekoppelt werden oder in Lese- und
Schreibgeräten
für optische
Speichermedien verwendet werden.
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Die
gezeigte Korrekturoptik kann zu einem monolithischen Modul verkittet
oder versprengt werden. Dies ist in 8 gezeigt.
Dadurch vereinfacht sich die Handhabung und Justierung.