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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Laseroptik gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 1 sowie auf einen Diodenlaser entsprechend Oberbegriff
Patentanspruch 26.
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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-
oder Diodenlasers (nachstehend „Diodenlaser”)
durch einen in der Fast-Axis 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.
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Um
eine Leistung von 20–40 W für einen Diodenlaser
zu erreichen, werden zahlreiche Laser-Emitter auf einem sog. Laserbarren
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-Chips bleibt das stark
unterschiedliche Verhältnis der Strahlqualität
senkrecht und parallel zur aktiven Schicht bestehen.
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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
bzw. in der Slow-Axis 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.
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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.
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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 4 438 368 . 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.
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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 195 00 53 und
DE 195 44 488 beschrieben.
Hierbei wird die Strahlung eines Diodenlaserbarrens in verschiedene
Ebenen abgelenkt und dort einzeln kollimiert.
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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, sodass in der Praxis
eine Beschränkung auf ca. 104 W/cm2 erfolgt.
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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.
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Bekannt
ist weiterhin eine Laseroptik der gattungsbildenden Art zum Umformen
wenigstens eines Laserstrahlenbündels, unter Verwendung
von wenigstens zwei im Strahlengang aufeinander folgend angeordneten
optischen Umformelementen, von denen wenigstens ein Umformelement
als sogenannter Plattenfächer ausgebildet ist (
DE 197 05 574 A1 ).
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Laseroptik der gattungsbildenden Art
im Sinne einer Verbesserung der Fokussierung der Laserstrahlung
weiter zu bilden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Laseroptik entsprechend
dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
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Unter „Diodenlaser” sind
im Sinne der Erfindung insbesondere auch sogenannte Single-Mode-Laser
und/oder Breitstreifen-Laser und/oder Breitstreifen-Gruppen-Laser
und/oder Trapez-Laser zu verstehen. „Emitter” im
Sinne der Erfindung sind insbesondere auch die Emitter der vorgenannten
Laser.
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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. jede Platte oder
jedes plattenförmige Element bilden an einander gegenüberliegenden
Seiten eine Plattenschmalseite für den Lichteintritt oder
-austritt und sind unter Berücksichtigung der Anordnung
der Emitter und der Divergenz, die die Laserstrahlen in der Slow-Axis
aufweisen, so positioniert und ausgebildet, dass an den Oberflächenseiten
innerhalb der Platte eine Reflexion des jeweiligen Laserstrahl nicht
erfolgt.
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Unter „Oberflächenseiten” sind
im Sinne der Erfindung jeweils die großen Plattenseiten
zu verstehen.
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Unter „Plattendicke” ist
im Sinne der Erfindung der Abstand zu verstehen, den die beiden Oberflächenseiten
der jeweiligen Platte von einander aufweisen.
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Der
Plattenfächer kann durch Zusammensetzen aus einzelnen Platten
oder plattenförmigen Elementen oder aber auch einstückig,
beispielsweise als Formteil mit entsprechenden optischen Trenn- oder
Zwischenschichten hergestellt sein.
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Mit
den im Lichtweg hintereinander angeordneten Umformelementen erfolgt
bei der Laseroptik eine Auffächerung des Laserstrahles
in unterschiedlichen Ebenen angeordnete Einzelstrahlen und ein anschließendes Übereinanderschieben
dieser Einzelstrahlen.
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Weiterbildungen,
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben
sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil
der Beschreibung gemacht.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 in
vereinfachter Darstellung einen Diodenlaser, bestehend aus einer
eine Vielzahl von Laserelementen oder Laserchips aufweisenden Laserdiodenanordnung
und einer im Strahlengang dieser Laserdiodenanordnung angeordneten
von zwei Plattenfächern gebildeten optischen Anordnung
zur Formung des Laserstrahls, wobei die Zeichenebene dieser Figur
senkrecht zur aktiven Schicht der Diodenelemente liegt;
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2 den
Diodenlaser der 1, wobei die Zeichenebene dieser
Figur parallel zu der aktiven Schicht der Diodenelement liegt;
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3 und 4 in
vereinfachter Darstellung die Ausbildung des Laserstrahls vor dem
Umformen, beim Umformen und nach dem Umformen;
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5 und 6 einen
der optischen Plattenfächer in Seitenansicht sowie in Draufsicht;
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7 und 8 einen
Diodenlaser ähnlich dem Diodenlaser der 1 und 2,
jedoch mit einer im Strahlengang nach den beiden Plattenfächern angeordneten
Fokussieroptik bestehend aus einer Zylinderlinse und einer sphärischen
Sammellinse, wobei die Zeichenebene der 7 senkrecht
zur aktiven Schicht und die Zeichenebene der 8 parallel
zur aktiven Schicht der Diodenelemente liegt;
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9 und 10 in ähnlicher
Darstellung wie 1 und 2 eine weitere
mögliche Ausführungsform, bei der im Strahlengang
lediglich ein Plattenfächer und daran anschließend
ein gestufter Spiegel (Treppenspiegel) vorgesehen ist;
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11–18 in
Prinzipdarstellungen verschiedene Dioden-Laser-Laserbarren.
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Der
in den 1 und 2 dargestellte Diodenlaser 1 besteht
im wesentlichen aus einer Laserdiodenanordnung 2, die an
einem u. a. auch als Wärmesenke ausgebildeten Substrat 3 ein
Laserbarren 4 mit einer Vielzahl von Laserlicht aussendenden
Emittern 4.1 aufweist, die gleichsinnig orientiert sind
und insbesondere auch mit ihren aktiven Schichten in einer gemeinsamen
Ebene senkrecht zur Zeichenebene der 1 bzw. parallel
zur Zeichenebene der 2 liegen, d. h. in einer X-Z-Ebene,
die durch die in den Figuren angegebene X-Achse und Z-Achse definiert
ist.
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Im
Strahlengang der von dem Laserbarren 4 ausgehenden Laserstrahlung
in Form eines Strahlenbündels aus Einzelstrahlen 5 befindet
sich ein Fast-Axis-Kollimator 6, der beispielsweise von
einer mit ihrer Achse in der X-Achse liegenden Zylinderlinse gebildet
ist und eine Kollimation der Laserstrahlung bzw. der Einzelstrahlen 5 in
ihrer sog. Fast-Axis, d. h. in der Y-Achse und damit in der Y-Z-Ebene
senkrecht zur aktiven Schicht wirkt, in der die Strahlung der Emitter 4.1 des
Laserbarrens 4 die größere Divergenz
aufweist. Nach dem Fast-Axis-Kollimator 6 steht die Laserstrahlung
im wesentlichen als schmalbandiges Strahlenbündel aus den
Einzelstrahlen 5 zur Verfügung, wie dies in der 3 angedeutet
ist.
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Auf
den Fast-Axis-Kollimator 6 folgend ist im Strahlengang
der Laserstrahlung eine optische Einrichtung 7 zur weiteren
Formung des Laserstrahlbündels vorgesehen, und zwar beispielsweise
in der Weise, dass das Strahlenbündel (3 – Position
a) zunächst in Einzelstrahlen 5' in verschiedenen
Ebenen parallel zur X-Z-Ebene zertrennt bzw. aufgefächert
wird, die von Ebene zu Ebene auch in der X-Achse gegen einander
versetzt sind (3 – Position b), und
diese Einzelstrahlen 5' dann diagonal übereinander
geschoben werden, wie dies in der 4 mit 5'' schematisch
gezeigt ist.
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Die
optische Einrichtung 7 besteht hierfür aus zwei
Plattenfächern 8 und 9, die bei der dargestellten
Ausführungsform grundsätzlich identisch ausgebildet
sind, allerdings um 90° um die Z-Achse gedreht beidseitig
von einer die Z-Achse senkrecht schneidenden gedachten Mittelebene
so angeordnet sind, dass beide Plattenfächer jeweils mit
einer gleichartig ausgebildeten Fächerseite 10 von
dieser Mittelebene wegweisen und mit einer gleichartig ausgebildeten
Fächerseite 11 dieser Mittelebene zugewandt sind.
Der Aufbau beispielsweise des Plattenfächers 8 ist
in den 5 und 6 im Detail dargestellt. Der
Plattenfächer 9 ist in der gleichen Weise ausgebildet,
sodass die nachfolgende Beschreibung auch für diesen Plattenfächer
gilt.
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Der
Plattenfächer 8 besteht aus mehreren dünnen
Platten 12, die aus einem Licht leitenden Material, beispielsweise
Glas hergestellt sind und bei der dargestellten Ausführungsform
jeweils einen quadratischen Zuschnitt aufweisen. Jede Platte 12 besitzt
zwei plane Plattenschmalseiten 13 und 14, die die
Seiten für den Eintritt und den Austritt der Laserstrahlen
bilden und hierfür optisch hochwertig ausgebildet, d. h.
poliert und mit einer Anti-Reflexionsschicht versehen sind. Die
beiden Seiten 13 und 14 liegen sich an jeder Platte 12 gegenüber
und sind bei der dargestellten Ausführungsform parallel
zueinander angeordnet. Bei der Darstellung der 5 und 6 ist
davon ausgegangen, dass der Plattenfächer 8 von
insgesamt fünf Platten 12 gebildet ist. Theoretisch
sind auch weniger oder mehr als fünf Platten 12 möglich.
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Die
Platten 12 schließen mit ihren Oberflächenseiten 12',
an denen sie ebenfalls poliert sind, stapelartig aneinander an,
wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Platten 12 ein
Spalt 15 vorgesehen ist, der von einem Medium, welches
einen im Vergleich zum Material der Platten 12 kleineren
optischen Brechungsindex aufweist, ausgefüllt ist. Der Spalt 15 ist
beispielsweise ein Luftspalt, bevorzugt ist der jeweilige Spalt 15 aber
mit einem die Platten 12 verbindenden Material, beispielsweise
mit einem optischen Kitt ausgefüllt.
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Die
Platten 12 sind fächerartig gegeneinander versetzt.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Platten 12 hierfür
um eine gemeinsame Fächerachse A gegen einander gedreht,
wobei außerdem jeweils ein vorgegebener Bereich 16 der
Plattenschmalseite 13, nämlich bei der dargestellten Ausführungsform
die Mitte jeder Plattenschmalseite 13 jeder Platte 12 zusammen
mit dem entsprechenden Bereichen 16 der übrigen
Platten auf der gemeinsamen Achse A liegt, die senkrecht zu den
Ebenen der Oberflächenseiten 12' der Platten 12 liegt und
damit auch senkrecht zu einer parallel zu diesen Oberflächenseiten
angeordneten, gedachten Mittelebene M des Plattenfächers 8.
Um die Achse A bzw. um ihre Bereiche 16 sind die einzelnen
Platten 12 derart fächerartig gegeneinander verdreht
oder aufgefächert, dass die Ebenen E der Plattenschmalseiten 13 zweier
benachbarter Platten sich in der Achse A schneiden und einen Winkel α miteinander
einschließen, der in der 5 übertrieben
groß dargestellt ist und beispielsweise in der Größenordnung von
1–5° liegt. Die mittlere Platte 12 liegt
mit der Ebene E ihrer Plattenschmalseite 13 senkrecht zu
einer Längserstreckung L oder optischen Achse des Plattenfächers 8.
Die Gesamtheit der Plattenschmalseiten 13 aller Platten 12 bildet
die Plattenfächerseite 10. Entsprechend der Anordnung
der Plattenschmalseiten 13 sind auch die Plattenschmalseiten 14,
die in ihrer Gesamtheit die Plattenfächerseite 11 bilden,
so relativ zueinander angeordnet, dass die Ebenen E' zweier benachbarter
Plattenseiten 14 wiederum den Winkel α miteinander
einschließen. Die Ebenen E und E' der Plattenschmalseiten 13 und 14 liegen senkrecht
zu den Ebenen der Oberflächenseiten 12'.
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Der
Plattenfächer 8 ist weiterhin so ausgebildet,
da die an die mittlere Platte 12 anschließenden Platten
jeweils symmetrisch gedreht bzw. aufgefächert sind, d.
h. für die für die 5 gewählte
Darstellung die auf der einen Plattenschmalseite der mittleren Platte 12 vorgesehenen
Platten 12 mit ihren Plattenschmalseiten 13 im
Gegenuhrzeigersinn und die auf der anderen Plattenschmalseite der
mittleren Platte 12 anschließenden Platten mit
ihren Plattenschmalseiten 13 gegenüber der mittleren
Platte im Uhrzeigersinn gedreht sind.
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Die
Breite des jeweiligen Spaltes 15 ist möglichst
gering, aber ausreichend groß gewählt (z. B. einige
1/100 mm), um sicherzustellen, dass auch bei einer leichten Verwölbungen
einer oder mehrerer Platten 12 ein direkter Berührungskontakt
zwischen zwei benachbarten Platten 12 nicht entsteht und
somit Strahlungsverluste vermieden werden, die an derartigen Berührungsstellen
auftreten und zur Reduzierung der Effizienz des Systems führen
könnten.
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Der
Plattenfächer 8 ist bei dem Diodenlaser 1 derart
angeordnet, dass er mit seiner Längsachse L in der Z-Achse
liegt und die Mittelachse M in der Y-Z-Ebene, wobei die Plattenfächerseite 10 der
Laserdiodenanordnung 2 zugewandt ist, das Strahlenbündel
aus den Laserstrahlen 5 also an der Plattenfächerseite 10 in
diesen Plattenfächer eintritt. Der Plattenfächer 9 ist
mit seiner Längsachse L, die senkrecht zur Plattenschmalseite 13 der
mittleren Platte 12 liegt und die Achse A senkrecht schneidet
ebenfalls in der Z-Achse angeordnet, und zwar achsgleich mit der
Achse L des Plattenfächers 8, wobei die Plattenfächerseite 11 des
Plattenfächers 9 der Plattenfächerseite 11 des
Plattenfächers 8 zugewandt ist. Die Mittelebene
M des Plattenfächers 9 liegt in der X-Z-Ebene,
sodass der Plattenfächer 9 gegenüber dem
Plattenfächer 8 um 90° um die Z-Achse
gedreht wird.
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Die
Besonderheit der Laseroptik 7 besteht zunächst
darin, dass an dem Plattenfächer 8, der auf den
Fast-Axis-Kollimator 6 im Strahlengang folgt, jedem Emitter 4.1 des
Laserbarrens 4 eine eigene Platte 12 zugeordnet
ist, und zwar derart, dass der im Fast-Axis-Kollimator 6 kollimierte
Laserstrahl 5 jedes Emitters 4.1 näherungsweise
mittig und senkrecht auf die diesem Emitter zugewandte plane Plattenschmalseite 13 auftrifft,
der Achsabstand, den die Emitter 4.1 in der Slow-Axis der
Laserstrahlen 5, d. h. bei der Darstellung der 1 und 2 in
der X-Achse voneinander besitzen, gleich demjenigen Abstand ist,
den die parallel zu den Oberflächenseite 12' orientierten
Mittelebenen zweier benachbarter Platten 12 voneinander
besitzen.
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Weiterhin
ist die Plattendicke (Abstand der Oberflächenseiten 12')
jeder Platte 12 wenigstens gleich, vorzugsweise aber größer
als die Divergenz, die der Laserstrahl 5 des zugehörigen
Emitter 4.1 in der Slow-Axis aufweist, d. h. bei der für
die 1 und 2 gewählten Darstellung
in der X-Achse, und zwar am Austritt der jeweiligen Platte, d. h.
an der Plattenstirnseite 14. Hierdurch ist gewährleistet,
dass es nicht zu Reflexionen (Totalreflexionen) des jeweiligen Laserstrahls 5 innerhalb
der zugehörigen Platte 12 im Bereich der Oberflächenseiten 12' kommt
und jeder aus dem Plattenfächer 8 austretende
Einzelstrahl 5.1 punktförmig oder im Wesentlichen
punktförmig ist.
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In
analoger Weise ist dann beispielsweise der im Strahlengang anschließende
Plattenfächer 9 so ausgebildet, dass jedem aus
einer Platte 12 des Plattenfächers 8 austretenden
Laserstrahl 5' eine Platte 12 des Plattenfächers 9 zugeordnet
ist, auf jeden Fall aber die Plattendicke der Platten 12 des Plattenfächers 9 wenigstens
gleich oder größer ist als die Divergenz, die
die durch den Fast-Axis-Kollimator 6 kollimierten Einzelstrahlen 5.2 am
Austritt aus dem Plattenfächer 9 in dieser Fast-Axis,
d. h. bei der für die 1 und 2 gewählten
Darstellung in der Y-Achse aufweisen.
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Grundsätzlich
besteht auch die Möglichkeit, zumindest den Plattenfächer 8 abweichend
von der vorstehend beschriebenen idealen Ausführung so auszubilden,
dass jeweils für eine Emittergruppe mit einer kleineren
Anzahl von Emittern, beispielsweise für zwei oder maximal
drei Emitter 4.1 eine Platte 12 gemeinsam vorgesehen
ist, und zwar beispielsweise dann, wenn der Abstand, den die Emitter 4.1 in
der Slow-Axis, d. h. in der X-Achse von ein ander aufweisen, kleiner
oder gleich der Divergenz der Laserstrahlen 5 in der Slow-Axis
ist. Auch in diesem Fall sind die Anordnung so getroffen und die
Plattendicke so gewählt, dass keiner der Laserstrahlen 5 der
Emitter 4.1 eine Reflexion innerhalb der zugehörigen
Platte 12 im Bereich der Oberflächenseiten 12.1 erfährt, die
Plattendicke jeder Platte 12 also gleich der Summe des
Abstandes zwischen den Emittern 4.1 der jeweiligen Emittergruppe
und der Divergenz ist, die diese Emitter bzw. deren Laserstrahlen 5 in
der Slow-Axis aufweisen.
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Die
Länge, die der jeweilige Emitterbarren in Richtung der
Slow-Axis, d. h. in Richtung der X-Achse aufweist, beträgt
beispielsweise 10 mm. Der Abstand der einzelnen Emitter 4.1 an
dem Laserbarren 4 ist dann beispielsweise größer
1 mm und kleiner 3 mm. Die Anzahl der Platten 12 des Plattenfächers 8 liegt
beispielsweise im Bereich zwischen drei und zehn Platten.
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Der
durch den Fast-Axis-Kollimator 6 kollimierte Laserstrahl 5 trifft
auf die Plattenfächerseite 13 auf, und zwar im
Bereich der Achse A bzw. der Längsachse L.
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Durch
die unterschiedliche Neigung der Plattenschmalseiten 13 und
der Plattenseiten 14 wird das eintretende Laserstrahlbündel
in die verschiedenen Einzelstrahlen 5' aufgeteilt, die
parallel oder im wesentlichen parallel zur Z-Achse an den Plattenseiten 14 aus
dem Plattenfächer 8 austreten, wobei die Einzelstrahlen 5' bedingt
durch die Brechung an den Plattenschmalseiten 13 und 14 in
unterschiedlichen Ebenen parallel zur X-Z-Ebene angeordnet sind.
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Die
einzelnen Einzelstrahlen 5' treten dann jeweils an einer
Plattenseite 14 in den Plattenfächer 9 ein.
Durch die Brechung an den Plattenschmalseiten 13 und 14 treten
sämtliche Einzelstrahlen 5' an den Plattenschmalseiten 13 der
Platten 12 des Plattenfächers 9 aus,
und zwar im Bereich der dort parallel zur Y-Achse liegenden Achse
A, sodass die Einzelstrahlen 5' diagonal verschoben übereinander
angeordnet sind, wie dies in der 4 dargestellt
ist.
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Die 7 und 8 zeigen
einen Diodenlaser 1a, der sich von dem Diodenlaser 1 lediglich
dadurch unterscheidet, dass im Strahlengang nach der optischen Anordnung 7 ein
Slow-Axis-Kollimator 17 in Form einer Zylinderlinse vorgesehen
ist, die mit ihrer Achse parallel zur Y-Achse angeordnet ist. Durch diesen
Kollimator 17 wird die Divergenz, die die Einzelstrahlen 5' in
der Slow-Axis, d. h. in der X-Achse aufweisen, korrigiert, sodass
anschließend mehrere, in Richtung der Y-Achse übereinander
angeordnete kollimierte Einzelstrahlen 5'' vorliegen, die
mittels einer Fokussieroptik, d. h. mittels der sphärischen Sammellinse 18 fokussiert
werden.
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Die 9 und 10 zeigen
als weitere Ausführungsform einen Diodenlaser 1c,
der sich von dem Diodenlaser 1 der 1 und 2 nur
dadurch unterscheidet, dass anstelle des im Strahlengang zweiten
Plattenfächers 9 zum diagonalen Zusammenschieben
des Strahlenbündels der Einzelstrahlen 5' (Position
b der 3) in das Strahlenbündel der Einzelstrahlen 5'' (4)
ein sog. Treppenspiegel 22 vorgesehen ist. Dieser besitzt
eine Vielzahl von Spiegelflächen 23, die derart
treppenartig in der gegeneinander versetzt sind, dass durch Reflexion an
den Spiegelflächen das Umformen des Strahlenbündels
der Einzelstrahlen 5' in das Strahlenbündel der
Einzelstrahlen 5'' erfolgt.
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Der
Plattenfächer 8 ist auch bei der in den 9 und 10 dargestellten
Ausführungsform wiederum in gleicher Weise ausgebildet,
wie dies vorstehend für den Plattenfächer 8 der 1 und 2 beschrieben
wurde. Sämtlichen Ausführungen der Erfindung ist
also gemeinsam, dass zumindest der erste, im Strahlengang angeordnete
Plattenfächer 8 in Bezug auf seine Platten 12 derart
angeordnet und ausgebildet ist, dass die an der Plattenschmalseite 13 eintretenden
Einzel- oder Laserstrahlen 5 des Laserstrahlbündels
ohne Reflexion, insbesondere auch ohne Totalreflexion innerhalb
der jeweiligen Platte an der Schmalseite 14 dieser Platte als
Einzelstrahl 5.1 austreten.
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Vorstehend
wurden die Diodenlaser 1 bzw. deren Laseranordnungen 2 allgemein
bestehend aus einem als Wärmesenke ausgebildeten Substrat 3 und
aus einem Laserbarren 4 mit einer Vielzahl von Laserlicht
aussendenden Emittern 4.1 beschrieben. Speziell der jeweilige
Laserbarren 4 kann in unterschiedlichster Weise ausgeführt
sein.
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So
zeigen die 11 und 12 in
vereinfachter perspektivischer Darstellung (11) sowie in
einer vergrößerten Teildarstellung (12)
einen Laserbarren 4, der als Single-Mode-Laserbarren ausgeführt
ist, und zwar mit fünf Emittern 4.1 in Form von
Single-Mode-Emittern. Die typische Breite der Emitter 4.1 in
der Slow-Axis (X-Achse) ihrer Laserstrahlen beträgt etwa
2–5 μm und der Abstand zwischen zwei in der Slow-Axis
(X-Achse) aufeinander folgenden Emitter 4.1 beträgt
etwa 1–3 mm. Der Laserbarren 4 besitzt beispielsweise
in der X-Achse eine Länge von etwa 10 mm und in der Z-Achse
eine Breite von etwa 2 bis 4 mm. Mit jedem Emitter 4.1 ist eine
Leistung bis 1 W erreichbar.
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Die 13 und 14 zeigen
einen Laserbarren 4, der als Breitstreifen-Laser-Barren
ausgeführt ist, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform
mit insgesamt fünf Emittern 4.1 in Form von Breitsteifen-Emittern.
Die Breite, die die Emitter 4.1 in Richtung ihrer Slow-Axis
(X-Achse) aufweisen liegt im Bereich zwischen etwa 50 und 500 μm.
Der Abstand zwischen den einzelnen Emittern 4.1 in der Slow-Axis
(X-Achse) ist beispielsweise größer als die vorgenannte
Breite der Emitter 4.1. Der Laserbarren 4 besitzt
beispielsweise in der X-Achse eine Länge von etwa 10 mm
und in der Z-Achse eine Breite von etwa 2 bis 4 mm. Mit jedem Emitter 4.1 ist
eine Leistung bis 20 W erreichbar.
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Die 15 und 16 zeigen
einen Laserbarren 4 in Form eines Breitstreifen-Gruppen-Laserbarrens
mit insgesamt fünf Gruppen von Emittern 4.1, die
jeweils als Breitstreifenemitter ausgeführt sind. Bei der
dargestellten Ausführungsform weist jede Emittergruppe
insgesamt drei Emitter 4.1 auf. In der Praxis sind Ausführungen
möglich, in denen die Anzahl der Emitter 4.1 in
jeder Breitstreifen-Emittergruppe hiervon abweichen, beispielsweise
jede Breitstreifen-Emittergruppe z. B. zwei bis fünf Emitter 4.1 aufweist.
Unabhängig von der Anzahl der Emitter 4.1 beträgt
die dann die Gesamtbreite, die jede Emittergruppe in der X-Achse
aufweist etwa 200 bis 600 μm. Der Laserbarren 4 besitzt
beispielsweise in der X-Achse eine Länge von etwa 10 mm
und in der Z-Achse eine Breite von etwa 2 bis 4 mm. Mit den einzelnen
Breitstreifen-Emittergruppen sind jeweils Leistungen bis 30 W möglich.
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Die 17 und 18 zeigen
einen Laserbarren 4, der als Trapez-Laser-Barren mit fünf
Emittern 4.1 in Form von Trapez-Laser-Emittern ausgeführt
ist. Die Emitter 4.1 besitzen an ihrer Laserlichtaustrittsöffnung
an der Vorderseite des Laserbarrens 4 in Richtung der Slow-Axis
(X-Achse) eine Breite im Bereich zwischen etwa 100 und 400 μm,
und zwar bei einem Achsabstand der einzelnen Emittern 4.1 beispielsweise
in der Größenordnung zwischen 1 mm–3
mm. Die einzelnen Emitter 4.1 sind so ausgeführt,
dass sie im aktivierten Zustand innerhalb des Laserbarrens 4 eine
zu der Vorderseite dieses Barrens hin leicht divergierende Strahlung
ausbilden, und zwar mit einem Divergenzwinkel von etwa 2 bis 6° und
ausgehend von einem Strahlpunkt, der gegenüber der Vorderseite
des Laserbarrens 4 um etwa 2 bis 5 mm in der Z-Achse zur
Laserbarrenrückseite versetzt ist und von dieser einen
Abstand von etwa 400 bis 1000 μm aufweist, wie dies in
der 17 mit den unterbrochenen Linien angedeutet ist.
Mit den Emittern 4.1 lässt sich bei dieser Ausführung
jeweils eine Leistung von bis zu 10 W erreichen. Speziell mit dem
als Trapez-Laser-Barren ausgebildeten Laserbarren 4 lässt
sich eine besonders hohe Brillanz für den Diodenlaser mit
der vorbeschriebenen Laseroptik erreichen.
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Die
Höhe der Emitter 4.1 in der Fast-Axis (Y-Achse)
beträgt bei den vorstehend beschriebenen Barren 4 beispielsweise
1 μm.
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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.
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So
ist es beispielsweise auch möglich, dass die Platten 12 der
Plattenfächer 8 und 9 jeweils um eine
gemeinsame Fächerachse A gegeneinander verdreht sind, die
in der Ebene der Plattenschmalseite 13 liegt. Auch hier
sind andere Ausführungen denkbar, beispielsweise können
die Platten der Plattenfächer auch um mehrere Achsen gegeneinander fächerartig
verdreht sein, und zwar jeweils zwei Platten um eine Achse. Weiterhin
kann die Lage der Achse bzw. Achsen auch anders gewählt
sein als vorstehend beschrieben.
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Vorstehend
wurde davon ausgegangen, dass jedem Emitter 4.1 eine Platte 12 zugeordnet
ist. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit,
jede Platte 12 zumindest des Plattenfächers 8 einer
Gruppe von Emittern 4.1, beispielsweise einer Gruppe von zwei
bis fünf Emittern 4.1 zuzuordnen.
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Vorstehend
wurde weiterhin davon ausgegangen, dass der Fast-Axis-Kollimator 6 ein
für sämtliche Emitter 4.1 gemeinsames
optisches Element ist. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit,
für jeden Emitter 4.1 oder für jeweils
eine Gruppe von wenigen Emittern, beispielsweise von zwei oder drei
Emittern 4.1, einen eigenständigen Fast-Axis-Kollimator
vorzusehen, der dann bevorzugt individuell justierbar angeordnet
ist, d. h. beispielsweise in wenigstens einer Achse (z. B. X-Achse,
Y-Achse und/oder Z-Achse) verstellbar und um wenigstens eine Achse
(z. B. X-Achse, Y-Achse und/oder Z-Achse) schwenkbar ist.
-
Weiterhin
besteht die Möglichkeit, dass die Platten 12 wenigstens
eines Plattenfächers 8 bzw. 9 jeweils
von wenigstens zwei aufeinander liegenden Einzelplatten ohne Verschränkungswinkel
gebildet sind, die dann optisch die Funktion einer einzigen Platte
haben.
-
Bezugszeichenliste
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- 1,
1a, 1c
- Diodenlaser
- 2,
2a
- Laserdiodenanordnung
- 3
- Substrat
- 4
- Laserbarren
- 5
- bandförmiger
Laserstrahl
- 5'
- Einzelstrahl
- 6
- Fast-Axis-Kollimator
- 7
- optische
Anordnung
- 8,
9
- Plattenfächer
- 10,
11
- Plattenfächerseite
- 12
- Platte
- 13,
14
- Plattenseite
- 15
- Spalt
- 16
- Punkt
- 17
- Slow-Axis-Kollimator
- 18
- Sammellinse
- 19
- Fokussieroptik
- 22
- Treppenspiegel
- 23
- Spiegelfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5127068 [0006]
- - US 4763975 [0006]
- - US 4818062 [0006]
- - US 5268978 [0006]
- - US 5258989 [0006]
- - US 5168401 [0007]
- - EP 0484276 [0007]
- - DE 4438368 [0007]
- - WO 95/15510 [0008, 0010]
- - DE 1950053 [0008]
- - DE 19544488 [0008]
- - DE 19705574 A1 [0011]
