-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Strahlformungsoptik und ein Verfahren zur Umformung eines Laserstrahls eines Halbleiterlaser.
-
Stand der Technik
-
Halbleiterlaser, auch Diodenlaser genannt, umfassen in der Regel einen Halbleiter mit einem stark dotierten pn-Übergang, der in einem optischen Resonator angeordnet ist. Zum Betrieb des Halbleiterlasers wird der Halbleiter in Durchlassrichtung mit einem Strom gespeist. Die Laserstrahlung tritt dann meist orthogonal zur Stromrichtung aus dem Halbleiter aus. Die Austrittsfläche wird als Emitterfläche bezeichnet. Insbesondere, wenn mehrere Halbleiterfaser zu sogenannten Barren angeordnet werden, dann ist der Querschnitt des Laserstrahls weder rund noch quadratisch sondern zumeist zumindest näherungsweise rechteckig und weist eine starke Divergenz auf, die zudem richtungsabhängig ist. Bei einer rechteckigen Emitterfläche, mit einer Kantenlänge in einer ersten Richtung, z. B. in der y-Richtung, die größer ist als die Kantenlänge in einer zweiten Richtung, z. B. der x-Richtung, ist die Divergenz des Laserstrahls in der zweiten Richtung größer als in der ersten Richtung. Diese Strahleigenschaften sind für viele Anwendungen ungeeignet. Benötigt wird ein Laserstrahl mit möglichst runder oder quadratischer Querschnittsfläche. Die Divergenz sollte richtungsunabhängig sein.
-
Zur Strahlformung eines Laserstrahls wird in der
EP 1555 663 vorgeschlagen ein anamorphes Prismenpaar zu verwenden, um den Laserstrahl in einer Richtung zu stauchen. Nach der
EP 1555 663 wird der gestauchte Laserstrahl zum Lesen bzw. Beschreiben eines optischen Datenträgers, wie z. B. eine CD oder DVD eingesetzt.
-
Halbleiterlaser werden auch im Showbereich eingesetzt. Um die notwendige Leistung bereitstellen zu können werden insbesondere im Showbereich mehrere Laserdioden zu Barren gekoppelt. Dadurch entsteht ein rechteckiger Strahlquerschnitt, der stark unterschiedliche Kantenlängen aufweist. Solch ein Laserstrahl ist zu breit, um ihn mittels den verfügbaren Scannerspiegel ablenken zu können. Zwar kann man den Laserstrahl durch Strahlverenger verengen, erhält dann aber in der Ferne einen stark anisotropen Strahlquerschnitt.
-
Darstellung der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Halbleiterlaser mit im Nah- und Fernfeld möglichst symmetrischen Strahlquerschnitt bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Das Verfahren zum Formen eines von mindestens einem Halbleiterlaser emittierten Laserstrahls mit einer ersten Divergenz in einer ersten Richtung und einer zweiten Divergenz in einer zweiten Richtung und einem ersten Durchmesser in der ersten Richtung und einem zweiten Durchmesser in der zweiten Richtung, umfasst die Schritte Aufweiten des Laserstrahls in der ersten Richtung und gleichzeitiges Reduzieren der Divergenz in der ersten Richtung bevorzugt auf die Divergenz des Laserstrahls in der zweiten Richtung durch mindestens zwei Zylinderlinsen, sowie Verändern des Durchmessers in der zweiten Richtung durch mindestens ein anamorphes Prismenpaar, z. B. Stauchen des Laserstrahls in der zweiten Richtung.
-
Die Begriffe erste und zweite Richtung beziehen sich auf den Strahlquerschnitt, d. h. beide Richtungen sind orthogonal zur Strahlausbreitungsrichtung und bevorzugt auch orthogonal zueinander. Bei rechteckigem Strahlquerschnitt hat dieser zwei Durchmesser, die den Kantenlängen der Querschnittsfläche entsprechen.
-
Eine Strahlformungsoptik zur Durchführung des Verfahrens hat einen Einlass für einen Laserstrahl mindestens eines Halbleiterlaser und einen Auslass für den Laserstrahl sowie mindestens zwei Zylinderlinsen und mindestens zwei Prismen. Die beiden Zylinderlinsen sind als Strahlaufweiter angeordnet d. h. der Laserstrahl wird in einer ersten Richtung aufgeweitet und seine Divergenz in dieser Richtung wird reduziert. Die beiden Prismen bilden ein anamorphes Prismenpaar und sind derart angeordnet, dass sie den Laserstrahl in einer zweiten Richtung stauchen. Bei der Stauchung des Strahlquerschnitts durch ein anamorphes Prismenpaar wird die Divergenz des Strahls nicht beeinflusst.
-
Zwischen dem Halbleiterlaser und dem Einlass der Strahlformungsoptik ist bevorzugt ein Kollimator angeordnet.
-
Kern der Erfindung ist die Beobachtung, dass ein Strahlaufweiter die Divergenz eines Strahls im gleichen Verhältnis senkt, wie er den Laserstrahl weitet. Durch den Strahlaufweiter mit den Zylinderlinsen kann somit die Divergenz des Strahls in einer ersten Richtung auf einen Wert eingestellt werden, der bevorzugt dem Wert der Divergenz in einer anderen, z. B. der dazu orthogonal Richtung zumindest in etwa entspricht. In der anderen Richtung wird dann der Durchmesser mittels eines anamorphen Prismenpaars auf einen gegebenen Wert eingestellt, ohne die Divergenz des Laserstrahls zu verändern. Dadurch kann man einen Laserstrahl formen, der in den beiden Richtungen zumindest in etwa die gleiche Strahldivergenz aufweist und einen zur optischen Achse zumindest in etwa punktsymmetrischen Strahlquerschnitt hat. Ein solch geformter Laserstrahl kann dann mit den üblichen Optiken weiter an seine Anforderung angepasst werden. Die Strahleigenschaften eines Halbleiterlasers können somit derart verändert werden, dass der Strahl im Nahfeld durch übliche Scanneroptiken ablenkbar ist und dennoch im Fernfeld einen zumindest im wesentlichen punktsymmetrischen Querschnitt, z. B. quadratischen Querschnitt aufweist.
-
Alternativ zu dem oben beschriebenen Verfahren kann das Verfahren zum Formen eines von mindestens einem Halbleiterlaser emittierten Laserstrahls mit einer ersten Divergenz in einer ersten Richtung und einer zweiten Divergenz in einer zweiten Richtung und einem ersten Durchmesser in der ersten Richtung und einem zweiten Durchmesser in der zweiten Richtung, die Schritte umfassen Verengen des Laserstrahls in der ersten Richtung und gleichzeitiges Vergrößern der Divergenz in der ersten Richtung bevorzugt auf die Divergenz des Laserstrahls in der zweiten Richtung durch mindestens zwei Zylinderlinsen, sowie Verändern des Durchmessers des Laserstrahls in der zweiten Richtung durch mindestens ein anamorphes Prismenpaar, um den Durchmesser in der zweiten Richtung bevorzugt an den Durchmesser in der ersten Richtung anzupassen.
-
Besonders bevorzugt sind die Durchmesser in der ersten und der zweiten Richtung am Auslass zumindest in etwa (±10%) identisch. Gleiches gilt für die Divergenz des Laserstrahles. Dann ist der Strahlquerschnitt am Auslass z. B. quadratisch und bleibt es auch im Fernfeld. Ein Halbleiterlaser mit einer solchen Strahlformungsoptik ist beispielsweise geeignet ein Objekt, z. B. ein Monument, aus einer Distanz von mehreren Kilometern anzustrahlen.
-
In einer Variante sind die Zylinderlinsen zwischen den Prismen angeordnet, d. h. der Laserstrahl wird zunächst durch ein erstes Prismas, dann durch die Zylinderlinsen und nun durch ein weiteres Prisma geführt. Dadurch sind die entsprechenden Flächen der Prismen der Ein- bzw. Auslass der Strahlformungsoptik. Diese Ein- und Auslässe der Strahlformungsoptik sind somit plan und leicht zu reinigen. Zudem hat der Strahl einen größeren Parallelversatz als bei einer Anordnung der Prismen unmittelbar nebeneinander.
-
Die Zylinderlinsen können als Keppler-Fernrohr angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass ausschließlich konvexe Zylinderlinsen benötigt werden, die besonders einfach präzise zu fertigen sind. Somit kann eine hohe Abbildungsqualität der Strahlformungsoptik bei einem günstigen Preis erreicht werden.
-
Alternativ können die Zylinderlinsen als Galileo-Fernrohr angeordnet sein. Dies hat, insbesondere wenn die konkave Zylinderlinse am Einlass angeordnet ist, den Vorteil, dass die Energiedichte des Strahls nach der in Strahlrichtung ersten Linse reduziert ist. Zudem kann dadurch die Baulänge der Strahlformungsoptik reduziert werden.
-
Die beiden Prismen können einlassseitig der Zylinderlinsen angeordnet sein. Dadurch wird der Laserstrahl zunächst gestaucht und erst dann geweitet. Deshalb können alle optischen Bauelemente vergleichsweise klein sein, wodurch die Präzision steigt und/oder die Kosten sinken. Zudem kann eine besonders kompakte Strahlformungsoptik realisiert werden.
-
Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
-
1 zeigt eine erste Strahlformungsoptik.
-
2 zeigt eine weitere Strahlformungsoptik.
-
3 zeigt eine weitere Strahlformungsoptik.
-
4 zeigt eine weitere Strahlformungsoptik.
-
5 zeigt eine weitere Strahlformungsoptik.
-
In den Figuren werden ähnliche oder identische Bauteile oder Details mit ähnlichen oder identischen Bezugszeichen bezeichnet.
-
Die Strahlformungsoptik 1 in 1 hat ein erstes und eine zweites Prisma 10, 20 die beide dreieckige Grundflächen haben. Zudem weist die Strahlformungsoptik 1 eine erste Zylinderlinse 30 und eine zweite Zylinderlinse, 40 auf. Ein kollimierter Laserstrahl 70 eines Halbleiterlasers (nicht dargestellt) breitet sich in z-Richtung aus und hat einen rechteckigen Querschnitt mit einer Querschnittsfläche A. Die Kanten der Querschnittsfäche A sind hier beispielhaft parallel zu den Richtungen X und Y. Die Kantenlängen der Querschnittsfläche A sind mit a und b bezeichnet. Die Kantenlänge a ist wesentlich größer als die Kantenlänge b, entsprechend ist die Divergenz des Laserstrahls in X-Richtung größer als in Y-Richtung. Der Laserstrahl 70 tritt aus einem nicht dargestellten Kollimator aus und über eine plane Fläche des ersten Prismas 10 in die Strahlformungsoptik 1 ein. Diese plane Fläche ist somit Einlass 50 der Strahlformungsoptik 1. Der Laserstrahl 70 durchläuft das erste Prisma 10 und anschließend das zweite Prisma 20. Das erste und das zweite Prisma 10, 20 bilden zusammen ein anamorphes Prismenpaar, welches den Laserstrahl 70 in der Y-Richtung auf einen Durchmesser a' staucht. Nach dem zweiten Prisma 20 wird der Laserstrahl 70 durch die beiden Zylinderlinsen 30, 40 aufgeweitet. Die erste Zylinderlinse 30 ist konkav und vergrößert damit die Divergenz des Laserstrahls 70 in X-Richtung. Der Laserstrahl trifft daraufhin auf die zweite Zylinderlinse 40, die konvex ist und den Strahl 70 in X-Richtung parallelisiert. Die Anordnung der Zylinderlinsen 30 und 40 bezeichnet man auch als Galileo-Fernrohr und hat die Eigenschaft die Divergenz eines Laserstrahls im gleichen Verhältnis zu reduzieren wie der Laserstrahl 70 aufgeweitet wird. Im gezeigten Beispiel wird die Divergenz des vom Halbleiterlaser emittierten Laserstrahls 70 in der X-Richtung soweit reduziert, dass sie gleich der Divergenz des Laserstrahls 70 in Y-Richtung ist. Die Stauchung des Laserstrahls in der Y-Richtung ist so bemessen, dass der Laserstrahl 70 aus der Zylinderlinse 60 mit einer quadratischen Querschnittsfläche A' austritt. Die Kantenlängen der Querschnittsfläche A' werden nun mit a' und b' bezeichnet, wobei hier a' gleich b' gilt. Auslass 60 der Strahlformungsoptik 1 ist im gezeigten Beispiel die vom Einlass 50 abgewandte Oberfläche der zweiten Zylinderlinse 40.
-
Die Strahlformungsoptik 1 in 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die optischen Komponenten relativ klein und damit günstig sind. Das ist die Folge davon, dass der Laserstrahl zunächst in der Y-Richtung durch das anamorphe Prismenpaar gestaucht wird. Entsprechend können die Zylinderlinsen in der Y-Richtung kürzer ausfallen. Zudem ist der Strahl beim Durchlaufen des anamorphen Prismenpaares noch nicht geweitet, d. h. die die beiden Prismen können in X-Richtung kurz gewählt werden.
-
2 zeigt eine weitere Strahlformungsoptik 1. Auch diese Strahlformungsoptik hat zwei Zylinderlinsen 30, 40 und zwei Prismen 10, 20. Die Anordnung der beiden Zylinderlinsen 30, 40 relativ zu den beiden Prismen 10, 20 ist getauscht, d. h. während in 1 die Zylinderlinsen 30, 40 auslassseitig der Prismen 10, 20 angeordnet sind, sind die Zylinderlinsen 30, 40 in 2 einlassseitig der beiden Prismen 10, 20 angeordnet. Dadurch tritt ein von einem Halbleiterlaser kommender bevorzugt kollimierter Laserstrahl 70 mit rechteckiger Querschnittsfläche A und Kantenlängen a, b zunächst in eine konkave Zylinderlinse 30 ein. Die dem Halbleiterlaser zugewandte Fläche der Zylinderlinse 30 ist somit der Einlass 50 der Strahlformungsoptik 1. Die konkave Zylinderlinse 30 bildet mit der anderen, konvexen Zylinderlinse 40 ein Galileo-Fernrohr, d. h. der Strahl wird beim Durchlaufen der beiden Zylinderlinsen in der X-Richtung geweitet, wobei gleichzeitig dessen Divergenz in X-Richtung reduziert wird. Anschließend wird der Laserstrahl durch die beiden Prismen 10, 20, die als anamorphes Prismenpaar ausgebildet sind, in der Y-Richtung gestaucht. Die Fläche des Prismas 20, aus der der Laserstrahl 70 austritt ist der Auslass 60 der Strahlformungsoptik 1. Der aus dem Auslass 60 austretende Laserstrahl 70 hat die gleichen Strahleigenschaften wie der in 1. Die Strahlformungsoptik 1 in 2 eignet sich insbesondere für Halbleiterlaser mit hoher Energiedichte, weil der Strahlquerschnitt im ersten Schritt erweitert wird, d. h. die Energiedichte wird zunächst reduziert. Zudem sind die optischen Bauteile, d. h. die Zylinderlinsen 30, 40 und die beiden Prismen 10, 20 größer, was Ihre Montagefreundlichkeit erhöht.
-
In 3 ist eine weitere Strahlformungsoptik 1 abgebildet. Diese unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Strahlformungsoptik dadurch, dass nun beide Zylinderlinsen 30, 40 konvex sind. Die beiden Zylinderlinsen 30, 40 bilden ein Kepplerfernrohr, dass ebenso wie ein Gallileo-Fernrohr den Laserstrahl 70 in weitet und dabei dessen Divergenz reduziert. Im gezeigten Beispiel wird der Strahl in X-Richtung geweitet und die Divergenz in der selben Richtung reduziert. Der Vorteil dieser Strahlformungsoptik 1 ist eine bessere Abbildungsqualität, weil anstelle der konkaven Zylinderlinse in den 1 und 2 eine konvexe Zylinderlinse 30 verwendet wird, die einfacher und genauer fertigbar ist.
-
4 zeigt eine Strahlformungsoptik 1, bei der zwei Zylinderlinsen 30, 40 zwischen zwei Prismen 10, 20 angeordnet sind. Die beiden Prismen 10, 20 wirken als anamorphes Prismenpaar und stauchen den Laserstrahl 70 in Y-Richtung. Die beiden Zylinderlinsen 30, 40 sind als Galileo-Fernrohr angeordnet und weiten den Laserstrahl 70 in X-Richtung, wobei dessen Divergenz entsprechend reduziert wird. Diese Strahlformungsoptik 1 hat einen planen Einlass 50 und einen planen Auslass 60. Sie ist besonders geeignet in geschlossenen Gehäusen montiert zu werden und dann gut zu reinigen. Der Parallelversatz des Laserstrahls in Y-Richtung ist größer als bei den Ausführungsformen nach 1 bis 3.
-
In 5 ist eine Strahlformungsoptik 1 gezeigt, die im wesentlichen der in 2 entspricht. Der Laserstrahl 70 setzt sich nun aus zwei in Y-Richtung nebeneinander angeordneten kollimierten Teilstrahlen zusammen, die von je einem Halbleiterlaser emittiert werden. Die beiden Halbleiterlaser bilden einen Barren (nicht dargestellt). Die Strahlformungsoptik 1 in 5 wird bevorzugt dahingehend abgewandelt, dass das anamorphe Prismenpaar aus den Prismen 10, 20 den Strahl stärker in Y-Richtung staucht, so dass am Auslass 60 ein Laserstrahl mit quadratischer Querschnittsfläche austritt.
-
In allen Figuren sind die beiden Zylinderlinsen 30, 40 unmittelbar nebeneinander angeordnet. Deshalb können die beiden Zylinderlinsen auch in einem optischen Bauteil mit zwei optisch wirksamen Flächen vereint werden. Der Begriff Zylinderlinse ist deshalb optische wirksame Fläche zu verstehen, die einer Richtung eine andere Krümmung aufweist als in einer anderen Richtung.
-
Auch der Begriff anamorphes Prismenpaar unterliegt der üblichen Konvention, dass dieses ein- oder zweistückig sein kann. Es kommt darauf an, dass der Laserstrahl an mindestens zwei planen optischen wirksamen Flächen gebrochen wird. In diesem kann der Begriff „Prisma” als Bauelement mit planer optisch wirksamer Fläche verstanden werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Strahlformungsoptik
- 10
- erstes Prisma
- 20
- zweites Prisma
- 30
- erste Zylinderlinse
- 40
- zweite Zylinderlinse
- 50
- Einlass
- 60
- Auslass
- 70
- Laserstrahl
- A, A'
- Querschnittsflächen
- a, a'
- Kantenlängen in Y-Richtung
- b, b'
- Kantenlängen in X-Richtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
