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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle mit einer Mehrzahl von auf einem Trägerelement angeordneten Oberflächenemittern.
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Es ist bereits bekannt, Laserlichtquellen mit einer Mehrzahl von identisch ausgebildeten Oberflächenemittern, die beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat bzw. Trägerelement angeordnet sind, herzustellen. Hierbei ergibt sich eine aggregierte Feldcharakteristik, insbesondere Fernfeldcharakteristik, für die von der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahlung, die von den Feldcharakteristiken der einzelnen Oberflächenemitter abhängt, und die nachteilig nur eingeschränkt an ein Zielsystem anpassbar ist.
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Aus der
US 2005 / 0 025 211 A1 ist ein VCSEL-Gerät (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mit verbesserter Leistung und Strahleigenschaften bekannt. Das VCSEL-Gerät enthält ein VCSEL oder ein Array von VCSELs. Jedes VCSEL verfügt über eine entsprechende integrierte Mikrolinse, und ein Kühlkörper ist an der Geräteseite des VCSEL-Geräts angebracht.
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Aus der
JP 2002 -
26 466 A ist eine Vorrichtung bekannt, bei der VCSELs ungefähr als eine Matrix angeordnet sind, aber Reihen davon parallel zur x-Achse unregelmäßig in Richtung der y-Achse abweichen, so dass die Mitten der in der x-Achse angeordneten VCSELs stark oder wenig von einer vorgegebenen geraden Linien abweichen. Parallel zur y-Achse angeordnete Spalten der VCSELs weichen nicht in der x-Achse ab.
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Aus der
US 2006/0 227 836 A1 ist ein oberflächenemittierendes Halbleiter-Laserarray bekannt, umfassend mehrere lichtemittierende Teile, die in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Array angeordnet sind, wobei jeder der lichtemittierenden Teile auf einem Substrat einen aktiven Bereich und einen Stromtrichterteil zwischen dem ersten und zweiten Reflexionsspiegel und eine Lichtemissionsöffnung über dem zweiten Reflexionsspiegel umfasst, wobei Laserstrahlen gleichzeitig von den mehreren lichtemittierenden Teilen emittiert werden. Mindestens einer der mehreren lichtemittierenden Teile hat ein Nahfeldmuster, das sich von dem anderer lichtemittierender Teile unterscheidet.
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Aus der
DE 10 2009 028 337 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem mehrere unterschiedliche Laserstrahlen erzeugt und miteinander kombiniert werden.
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Aus der
US 2006 / 0 200 211 A1 ist ein Lichttherapiesystem mit einer Lichtquelle bekannt, welches kohärentes Licht oder inkohärentes Licht erzeugen kann und das kohärente/inkohärente Licht direkt fokussieren kann, um es gleichmäßig auf einen definierten Bereich zu strahlen, wobei die Lichtquelle eine Anordnung eines Arrays mehrerer Sets von lichtemittierenden Vorrichtungen ist, die in einer Matrix unterschiedlicher Form und Größe konfiguriert sind, und wobei jedes Set von Lichtemittierungsgeräten aus zwei gepaarten lichtemittierenden Elementen besteht, die in geneigter Weise auf einer Leiterplatte (PCB) integriert und ausgerichtet sind, um die Phasen zu steuern und die Entladewinkel der von den beiden lichtemittierenden Elementen emittierenden Lichter einzustellen.
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Aus der
WO 2011 / 018 734 A1 ist ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser bekannt, bei dem eine Phototransistorschichtstruktur in den Schichtstapel des VCSEL integriert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserlichtquelle der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine resultierende Feldcharakteristik der Laserlichtquelle besser an den Einsatzzweck der Laserlichtquelle anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei der Laserlichtquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
- - unterschiedliche Oberflächenemitter jeweils so ausgebildet und/oder relativ zueinander auf dem Trägerelement angeordnet sind, dass Hauptstrahlrichtungen der von ihnen emittierten Laserstrahlung nicht parallel zueinander sind, und/oder dass
- - eine Packungsdichte, die einen Abstand eines ersten Oberflächenemitters zu mindestens einem hierzu benachbarten Oberflächenemitter in mindestens einer Dimension beschreibt, nicht konstant ist.
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Hierdurch besteht vorteilhaft die Möglichkeit, die während des Betriebs der Laserlichtquelle resultierende Feldcharakteristik der Laserstrahlung, welche sich aus einer Überlagerung der Feldcharakteristiken der einzelnen Oberflächenemitter ergibt, so zu ändern, dass sich eine gewünschte Form für die resultierende Feldcharakteristik ergibt. Insbesondere kann dadurch die resultierende Feldcharakteristik der Laserlichtquelle optimal an den jeweiligen Einsatzzweck der Laserlichtquelle angepasst werden.
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Die Oberflächenemitter verfügen über zwei Stromkontakte, welche um zwei voneinander verschiedene Abstände von einer Stromblende beabstandet sind, und wobei in einem ersten Betriebszustand nur der erste Stromkontakt und in einem zweiten Betriebszustand nur der zweite Stromkontakt beaufschlagt wird, wobei eine Fernfeldcharakteristik der Oberflächenemitter verändert wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Oberflächenemitter so ausgebildet sind, dass sie jeweils eine unterschiedliche Feldcharakteristik, insbesondere Fernfeldcharakteristik, aufweisen, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad zur Erreichung einer gewünschten resultierenden Feldcharakteristik, insbesondere Fernfeldcharakteristik, für die Laserlichtquelle gegeben ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Oberflächenemitter sich hinsichtlich mindestens eines der nachfolgend genannten Merkmale voneinander unterscheiden:
- a. Ausbildung, insbesondere Öffnungsfläche und/oder Öffnungsform einer Stromapertur,
- b. Anordnung einer Stromapertur relativ zu einem Stromkontakt im Bereich eines Auskoppelspiegels des Oberflächenemitters,
- c. Form und/oder Orientierung eines Stromkontakts zur Versorgung des Oberflächenemitters mit elektrischer Energie,
- d. Anzahl von Stromkontakten zur Versorgung des Oberflächenemitters mit elektrischer Energie.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, das mindestens ein Oberflächenemitter so auf dem Trägerelement angeordnet ist, dass eine optische Achse des Oberflächenemitters nicht parallel ist zu einer optischen Achse mindestens eines weiteren auf dem Trägerelement angeordneten Oberflächenemitters, insbesondere einen vorgebbaren Winkel mit der optischen Achse des mindestens einen weiteren Oberflächenemitters einschließt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Oberflächenemitter eine Mikrolinse zur Beeinflussung der von dem Oberflächenemitter erzeugten Laserstrahlung aufweist, insbesondere zur Beeinflussung der Hauptstrahlrichtung der Feldcharakteristik der erzeugten Laserstrahlung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehreren Oberflächenemittern jeweils mindestens eine Mikrolinse zugeordnet ist, wobei mindestens zwei Mikrolinsen jeweils unterschiedliche optische Eigenschaften und/oder eine unterschiedliche Ausrichtung bezüglich des ihnen jeweils zugeordneten Oberflächenemitters aufweisen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass unterschiedliche Oberflächenemitter jeweils als vertical cavity surface emitting laser, VCSEL, oder als vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL, ausgebildet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Laserzündsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Stationärmotors, vorgeschlagen, mit einem Festkörperlaser zum Erzeugen von Laserzündimpulsen und mit mindestens einer erfindungsgemäßen Laserlichtquelle zur Bereitstellung von Laserstrahlung zum optischen Pumpen des Festkörperlasers.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Pumpoptik vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die von der Laserlichtquelle abgegebene Strahlung zu formen, insbesondere auf den Festkörperlaser zu bündeln.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pumpoptik mindestens ein optisches Element mit bereichsweise unterschiedlichen optischen Eigenschaften, insbesondere unterschiedlicher Brennweite, aufweist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine optische Element eine beispielsweise radial oder kreisförmig segmentierte Linse mit bereichsweise unterschiedlicher Oberflächenkrümmung oder ein Freiformelement ist.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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In der Zeichnung zeigt:
- 1 schematisch eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserlichtquelle,
- 2a, 2b, 2c schematisch jeweils eine Draufsicht auf weitere Ausführungsformen der Erfindung mit jeweils unterschiedlicher Packungsdichte von Oberflächenemittern,
- 3 schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 4 schematisch einen stark vergrößerten Querschnitt eines Oberflächenemitters gemäß einer weiteren Ausführungsform,
- 5a, 5b schematisch jeweils eine Fernfeldcharakteristik, wie sie durch unterschiedliche Konfigurationen des Emitters gemäß 4 erhalten werden kann,
- 6 schematisch eine Seitenansicht eines Laserzündsystems gemäß einer Ausführungsform,
- 7a, 7b schematisch jeweils einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Oberflächenemitters in unterschiedlichen Betriebszuständen,
- 8a, 8b schematisch jeweils eine Fernfeldcharakteristik der Ausführungsformen gemäß 7a, 7b,
- 9 schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
- 10 schematisch eine Seitenansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserlichtquelle 100. Die Laserlichtquelle 100 weist ein beispielsweise als gemeinsames Substrat ausgebildetes Trägerelement 300 auf, auf dem, wie aus 1 ersichtlich, mehrere Oberflächenemitter 200a, 200b, 200c angeordnet sind. Bei den Oberflächenemittern 200a, 200b, 200c handelt es sich um oberflächenemittierende Halbleiter-Diodenlaser, deren grundsätzliche Funktion und Aufbau dem Fachmann an sich bekannt ist.
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Bei dem Betrieb der Laserlichtquelle 100 werden bevorzugt alle Oberflächenemitter 200a, 200b, 200c gleichzeitig oder zumindest teilweise zeitlich überlappend angesteuert, um Laserstrahlung zu erzeugen. Hierbei ergibt sich eine Überlagerung der Feldcharakteristiken der einzelnen Oberflächenemitter derart, dass für die Laserlichtquelle 100 insgesamt eine Feldcharakteristik der erzeugten Laserstrahlung erhalten wird, die unter anderem von den Feldcharakteristiken der einzelnen Oberflächenemitter und deren Anordnung auf dem Trägerelement 300 abhängig ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unterschiedliche Oberflächenemitter 200a, 200b jeweils so ausgebildet sind, dass Hauptstrahlrichtungen H1, H2 der von ihnen emittierten Laserstrahlung nicht parallel zueinander sind. Dadurch ergibt sich vorteilhaft ein Freiheitsgrad bei der Synthese eines von der Laserlichtquelle 100 zu erzeugenden Strahlungsfelds. Unter der Hauptstrahlrichtung wird vorliegend diejenige Raumrichtung bezeichnet, in der die von einem Oberflächenemitter abgestrahlte optische Leistung ein absolutes Maximum („Hauptkeule“) aufweist.
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Eine Ausbildung von Oberflächenemittern derart, dass sie zwei oder mehr etwa gleich große Hauptkeulen ausbilden, ist ebenfalls denkbar. In diesem Fall wird unter Hauptstrahlrichtung ein Winkel zwischen einer der Hauptkeulen und einer Oberflächennormalen eines Auskoppelspiegels des Oberflächenemitters verstanden.
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Bei Oberflächenemittern, welche eine im wesentlichen donutförmige Feldcharakteristik (etwa kreisringförmige Intensitätsverteilung in einer Ebene orthogonal zur optischen Achse des Oberflächenemitters) aufweisen, wird unter der Hauptstrahlrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung die optische Achse verstanden.
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Gegenüber herkömmlichen, auch als VCSEL-Array bezeichneten Laserlichtquellen, bei denen eine Vielzahl identisch ausgebildeter und angeordneter Emitter vorgesehen ist, weist die Laserlichtquelle 100 gemäß 1 den Vorteil auf, dass einzelne oder mehrere Oberflächenemitter 200a, 200b, 200c jeweils unterschiedliche Hauptstrahlrichtungen H1, H2, H3 für die von ihnen erzeugte Laserstrahlung aufweisen, wodurch die resultierende Feldcharakteristik der von der Laserlichtquelle 100 insgesamt abgegebenen Laserstrahlung in weiten Grenzen beeinflussbar und damit optimal an ein Zielsystem anpassbar ist.
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Bei der in 1 abgebildeten Konfiguration verfügt die Laserlichtquelle 100 beispielhaft über insgesamt vier Oberflächenemitter vom Typ 200a, deren Hauptstrahlrichtung H1 jeweils im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche des Trägerelements 300 ist. Ferner sind zwei Oberflächenemitter 200b vorgesehen, deren Hauptstrahlrichtung H2 jeweils einen spitzen Winkel mit der Hauptstrahlrichtung H1 des ersten Oberflächenemittertyps 200a einschließt.
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Dasselbe gilt für den dritten Oberflächenemittertyp 200c mit der Hauptstrahlrichtung H3.
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Durch geeignete Anordnung der Oberflächenemitter 200a, 200b, 200c auf dem Trägerelement 300 und weiter geeignete Auswahl der entsprechenden Hauptstrahlrichtung H1, H2, H3 kann die resultierende Feldcharakteristik der Laserstrahlung der Laserlichtquelle 100 in weiten Grenzen beeinflusst werden. Beispielsweise kann mittels numerischer Simulationen eine Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen von Oberflächenemittern 200a, 200b, 200c auf dem Trägerelement 300, jeweils mit unterschiedlichen Hauptstrahlrichtungen H1, H2, H3, vorgesehen und hinsichtlich einer Zielfunktion, beispielsweise einer erwünschten resultierenden Feldcharakteristik der Laserstrahlung simuliert werden, wodurch eine oder mehrere Konfigurationen erhalten werden können, welche den vorgegebenen Anforderungen, beispielsweise einer Homogenität der Fernfeldcharakteristik über einen vorgebbaren Raumwinkelbereich, genügen.
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2a zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Laserlichtquelle 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform weisen die vorliegend als Kreis symbolisierten Oberflächenemitter der Laserlichtquelle 100 eine nichtkonstante Packungsdichte auf. Das bedeutet, nicht alle Oberflächenemitter haben jeweils einen gleichen Abstand zu ihren benachbarten Oberflächenemittern.
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In 2a ist eine horizontale Ortskoordinate mit dem Bezugszeichen x und eine vertikale Ortskoordinate mit dem Bezugszeichen y definiert. Entlang der vertikalen Ortskoordinate y weisen vorliegend alle Oberflächenemitter jeweils den gleichen Abstand zu ihren Nachbarn auf. Das bedeutet, dass die in 2a abgebildeten horizontalen Reihen von Oberflächenemittern jeweils einen identischen Abstand d3 voneinander haben.
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Im Unterschied hierzu ist ein Abstand zwischen entlang der x-Koordinate benachbarten Oberflächenemittern nicht über das gesamte Trägerelement 300 hinweg konstant.
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Vielmehr weist ein Oberflächenemitter 200d von dem in 2a links oben angeordneten Oberflächenemitter 200c einen horizontalen Abstand d1 auf, der größer ist als der horizontale Abstand d2 zwischen dem Oberflächenemitter 200d und einem in 2a rechts benachbarten weiteren Oberflächenemitter 200d'. Ein Abstand zwischen dem Oberflächenemitter 200d' und einem weiteren Oberflächenemitter 200d" beträgt wiederum d2, wohingegen ein weiterer Abstand zwischen dem Oberflächenemitter 200d" und einem in 2a rechts davon angeordneten, nicht näher bezeichneten Oberflächenemitter d1 beträgt. Zusammengefasst weisen also die in 2a drei mittleren Spalten von Oberflächenemittern untereinander einen verhältnismäßig geringen Abstand d2 in horizontaler Richtung auf, während die äußeren Spalten jeweils einen größeren Abstand d1 zu der jeweils benachbarten inneren Spalte aufweisen.
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Durch diese nichtkonstante Packungsdichte der einzelnen Oberflächenemitter auf dem Trägerelement 300 ist bevorzugt ein weiterer Freiheitsgrad bei der Erzielung einer gewünschten resultierenden Feldcharakteristik für die Laserstrahlung der Laserlichtquelle 100 gegeben. Beispielsweise können alle Oberflächenemitter der Laserlichtquelle 100 gemäß 2a gleichartig ausgebildet sein, und die Formung der resultierenden Feldcharakteristik erfolgt allein über die Beeinflussung der Packungsdichte.
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Alternativ hierzu können auch Oberflächenemitter unterschiedlichen Typs verwendet und mit einer nichtkonstanten Packungsdichte kombiniert werden.
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2b zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der wiederum mehrere Reihen beziehungsweise Spalten von Oberflächenemittern 200e, 200f vorgesehen sind.
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Vorliegend weisen alle Oberflächenemitter in horizontaler Richtung (x-Koordinate) denselben Abstand d4 auf, während die verschiedenen Emitterreihen unterschiedliche Abstände d5, d6, wie in 2b abgebildet, aufweisen. Das bedeutet, im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 2a variiert die Packungsdichte bei der Ausführungsform gemäß 2b in vertikaler Richtung (y-Koordinate).
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Die äußeren Oberflächenemitter 200e der Ausführungsform gemäß 2b weisen demnach einen größeren vertikalen Abstand d5 zu den ihnen benachbarten, inneren Oberflächenemittern 200f auf, welche untereinander über einen geringeren Abstand d6 verfügen.
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2c zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Packungsdichte sowohl entlang der x-Koordinate als auch entlang der y-Koordinate über das Trägerelement 300 hinweg nicht konstant ist.
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Das Verteilungsmuster der einzelnen, in 2c der Übersichtlichkeit halber nicht näher bezeichneten Oberflächenemitter, kann beispielsweise als rechteckförmige Anordnung von drei mal drei inneren Oberflächenemittern angesehen werden, welche untereinander einen Nachbarabstand von d7 sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung aufweisen.
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Um diese innere Emittergruppe herum ist eine äußere Emittergruppe angeordnet, welche sich entlang des Rands des Trägerelements 300 erstreckt und deren Emitter untereinander einen Nachbarabstand d8 aufweisen. Ferner weisen die in 2c äußeren Oberflächenemitter ebenfalls einen Nachbarabstand d8 zu der inneren Emittergruppe auf.
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Weitere Konfigurationen für eine nicht konstante Packungsdichte sind ebenfalls denkbar, insbesondere auch rotationssymmetrische Anordnungen oder Kreisringgeometrie aufweisende Emittergruppen und dergleichen.
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3 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Auf einem Trägerelement 300 sind mehrere Oberflächenemitter 200g, 200h, 200i angeordnet.
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Die Oberflächenemitter des Typs 200g sind, wie aus 3 ersichtlich, so relativ zu dem Trägerelement 300 und auf diesem angeordnet, dass ihre optische Achse OA im Wesentlichen senkrecht auf einer Oberfläche des Trägerelements 300, also parallel zur Flächennormalen (nicht gezeigt) des Trägerelements 300 steht.
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Im Unterschied hierzu sind die Oberflächenemitter 200h, 200i so bezüglich des Trägerelements 300 ausgerichtet, dass ihre optischen Achsen OA', OA" jeweils nicht parallel zu der Oberflächennormale des Trägerelements 300 sind. Dadurch kann vorteilhaft eine weitere Beeinflussung der resultierenden Feldcharakteristik der Laserlichtquelle 100 bewirkt werden.
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Die unterschiedlichen Emitter 200g, 200h, 200i gemäß 3 können vorteilhaft auch dieselben konstruktiven Parameter aufweisen, jedoch durch individuelle Montage auf dem Trägerelement 300 so ausgerichtet sein, dass ihre jeweiligen optischen Achsen OA, OA', OA2' den vorstehend genannten Kriterien genügen. Alternativ oder ergänzend können die Oberflächenemitter 200g, 200h, 200i auch konstruktiv unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise um jeweils unterschiedliche Feldcharakteristiken der von ihnen erzeugten Laserstrahlung hervorzurufen, wodurch weitere Kombinationsmöglichkeiten beziehungsweise Freiheitsgrade zur Erlangung einer resultierenden Feldcharakteristik der Laserlichtquelle 100 gegeben sind.
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Die Ausführungsform gemäß 3 bewirkt durch unterschiedliche mechanische Ausrichtung der einzelnen Oberflächenemitter 200g, 200h, 200i jeweils die Erlangung unterschiedlicher Hauptstrahlrichtungen für die von den einzelnen Oberflächenemittern erzeugte Laserstrahlung. Insoweit stellt sich ein ähnlicher Effekt ein, wie bei der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ausführungsform, bei der ebenfalls unterschiedliche Hauptstrahlrichtungen H1, H2, H3 gegeben sind. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß 1 werden die unterschiedlichen Hauptstrahlrichtungen bei der Konfiguration gemäß 3 jedoch jeweils primär über die mechanische Ausrichtung der individuellen Oberflächenemitter gegenüber dem Trägerelement 300 und anderen darauf angeordneten Emittern erzeugt. Zusätzlich kann gegebenenfalls durch Verwendung unterschiedlicher Emittertypen, wie vorstehend bereits erwähnt, eine weitere Beeinflussung der Hauptstrahlrichtungen der von den einzelnen Emittern abgegebenen Laserstrahlung erfolgen.
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4 zeigt schematisch einen vergrößerten Querschnitt eines Oberflächenemitters 200, wie er für die Ausbildung der erfindungsgemäßen Laserlichtquelle 100 (1) verwendet werden kann. Der Oberflächenemitter 200 verfügt über eine erste Spiegelschicht 202, bei der es sich beispielsweise um einen Distributed Bragg Reflector (DBR) handeln kann, also einer in 4 in vertikaler Richtung ausgebildeten Schichtfolge von Substratschichten mit jeweils unterschiedlicher Brechzahl. Eine Auskoppelspiegelschicht 204 ist ebenfalls als DBR ausgebildet und schließt zusammen mit der ersten Spiegelschicht 202 eine aktive Zone 206 des Oberflächenemitters 200 ein, die beispielsweise einen Quantenfilm 208 oder andere geeignete Elemente, wie beispielsweise Quantenpunkte, Quantendrähte aufweisen kann zur Erzeugung von Laserstrahlung.
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Eine Stromdichteverteilung im Bereich des Auskoppelspiegels 204 und im Bereich der aktiven Zone 206 kann durch eine Stromblende 210 beeinflusst werden. Insbesondere kann durch die Öffnungsweite 210a beziehungsweise Öffnungsfläche der Stromblende 210 eine Stromapertur 210b definiert werden, welche im Wesentlichen die Feldcharakteristik, insbesondere Fernfeldcharakteristik, des Oberflächenemitters 200 beziehungsweise der hiervon erzeugten Laserstrahlung L steuert.
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Ein Stromkontakt 212 ist auf der in 4 oberen Oberfläche des Auskoppelspiegels 204 vorgesehen und dient zur Versorgung des Oberflächenemitters 200 mit elektrischer Energie. Ebenfalls in 4 angedeutet ist eine Steuereinrichtung 400, die den Oberflächenemitter 200 mittels eines Ansteuersignals A mit elektrischer Energie versorgt, um den Oberflächenemitter 200 in einen aktiven Zustand zu versetzen, in dem er die Laserstrahlung L erzeugt. Ein weiterer Stromkontakt ist in 4 nicht abgebildet, kann aber beispielsweise zwischen den Komponenten 202, 300 vorgesehen und ebenfalls mit der Steuereinrichtung 400 verbunden sein, um einen Stromkreis zwischen der Steuereinrichtung 400 und dem Oberflächenemitter 200 zu schließen.
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Der Oberflächenemitter 200 kann in der in 4 schematisch abgebildeten Weise auf einer Oberfläche des Trägerelements 300 angeordnet sein, ebenso wie weitere, nicht in 4 abgebildete Oberflächenemitter 200.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Laserlichtquelle 100 mindestens zwei Oberflächenemitter 200 sich hinsichtlich mindestens eines der nachfolgend genannten Merkmale voneinander unterscheiden:
- a Ausbildung, insbesondere Öffnungsfläche und/oder Öffnungsform der Stromapertur 210b,
- b Anordnung der Stromapertur 200b relativ zu dem Stromkontakt 212 im Bereich eines Auskoppelspiegels 204 des Oberflächenemitters 200,
- c Form und/oder Orientierung eines Stromkontakts 212 zur Versorgung des Oberflächenemitters 200 mit elektrischer Energie,
- d Anzahl von Stromkontakten 212 zur Versorgung des Oberflächenemitters 200 mit elektrischer Energie.
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Die vorstehend genannten Merkmale können einzeln oder in Kombination miteinander dazu verwendet werden, unterschiedlich konfigurierte Oberflächenemitter 200 bereitzustellen, welche beispielsweise eine von ihrer optischen Achse (Normale zur Auskoppelspiegelfläche 204) abweichende Hauptstrahlrichtung der erzeugten Laserstrahlung L aufweisen.
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Solche Oberflächenemittertypen können erfindungsgemäß miteinander kombiniert werden, um die Laserlichtquelle 100 auszubilden. Alternativ oder ergänzend können auch eine nichtkonstante Packungsdichte beziehungsweise eine mechanische Ausrichtung der einzelnen Oberflächenemitter bezüglich des gemeinsamen Trägerelements 200 eingesetzt werden.
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5a zeigt beispielhaft eine erste Fernfeldcharakteristik FFC1 in Form einer über einer nicht näher bezifferten, sich in 5 in horizontaler Richtung erstreckenden, Winkelkoordinate aufgetragenen optischen Leistung P der Laserstrahlung L (4). Diese erste Fernfeldcharakteristik FFC1 ist beispielsweise durch eine erste Konfiguration eines Oberflächenemitters 200 (4) mittels der vorstehend genannten Maßnahmen a bis d erzielbar.
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Durch eine Modifikation der Form der Stromapertur 210b (4) kann beispielsweise eine andere Fernfeldcharakteristik FFC2, wie sie beispielhaft in 5b abgebildet ist, realisiert werden.
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Obwohl die Stromapertur 210b bevorzugt in etwa kreisförmig oder oval ausgebildet ist, kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge die Stromapertur auch im Wesentlichen schlitzförmig, das bedeutet rechteckförmig, mit einem Seitenverhältnis von Breite zu Höhe größer als 2:1 ausgebildet werden, wodurch eine Aufteilung der Feldcharakteristik der Laserstrahlung L des Oberflächenemitters 200 von einer einzigen Hauptkeule zu zwei symmetrisch um die optische Achse herum angeordneten Hauptkeulen möglich ist.
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Je nach Seitenverhältnis der schlitzförmig ausgebildeten Stromapertur kann die Hauptstrahlrichtung (Winkel zwischen Hauptkeule und optischer Achse des Oberflächenemitters) beeinflusst werden, um wiederum unterschiedliche Oberflächenemittertypen 200 bereitzustellen.
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6 zeigt Komponenten einer Laserzündeinrichtung 1000, wie sie beispielsweise für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder einen stationären Großgasmotor oder dergleichen verwendet werden kann. Die Laserzündeinrichtung 1000 verfügt über mindestens eine Laserlichtquelle 100 gemäß der vorliegenden Erfindung und einen Festkörperlaser 600, der mittels der von der Laserlichtquelle 100 erzeugten Lasersteuerung L1 optisch gepumpt wird. Vorliegend ist eine Konfiguration für das longitudinale optische Pumpen gezeigt, bei der die Pumpstrahlung L1 in die in 6 linke Stirnseite 602 des im Wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildeten Festkörperlasers 600 eingestrahlt wird. Unter Beaufschlagung mit der Pumpstrahlung L1 erzeugt der Festkörperlaser 600 in an sich bekannter Weise energiereiche Laserzündimpulse LZ.
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Aus 6 ist ersichtlich, dass die Laserlichtquelle 100 wiederum unterschiedliche Oberflächenemitter 200a, 200b mit jeweils unterschiedlichen Fernfeldcharakteristiken FFC1, FFC2 aufweist, um eine resultierende Feldcharakteristik, insbesondere Fernfeldcharakteristik, für die Pumpstrahlung L1 zu erzielen. Dadurch kann z.B. ein sehr homogenes Pumpprofil 604 erzeugt werden (konstante optische Leistung über der Stirnfläche 604), was sich positiv auf die Strahlqualität der Laserzündimpulse LZ und den Wirkungsgrad bei dem optischen Pumpen des Festkörperlasers 600 auswirkt.
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Durch die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen können u.a. die Hauptstrahlrichtung HR der erzeugten Laserstrahlung L1 und/oder ihre Verteilung, z.B. über einen vorgebbaren Raumwinkel Ω, in weiten Grenzen eingestellt werden.
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Optional kann auch die in 6 zwischen dem Festkörperlaser 600 und der Laserlichtquelle 100 abgebildete Pumpoptik 500 vorgesehen sein, bei der es sich beispielsweise um ein optisches Element mit bereichsweise unterschiedlichen optischen Eigenschaften, insbesondere unterschiedlicher Brennweite, handeln kann. Diese unterschiedlichen Bereiche können beispielsweise segmentweise oder auch kreisringförmig in radialer Richtung unterschiedlich über das optische Element verteilt sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine optische Element eine radial oder kreisförmig segmentierte Linse mit bereichsweise unterschiedlicher Oberflächenkrümmung oder ein Freiformelement ist.
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7a zeigt eine weitere Ausführungsform eines Oberflächenemitters, der vorliegend über zwei Stromkontakte 212a, 212b verfügt, welche um die Abstände d3', d4' von der Stromblende 210 beabstandet sind. In 7a wird mittels des Ansteuersignals A1 von der Steuereinrichtung 400 nur der erste Stromkontakt 212a beaufschlagt, so dass sich eine erste Stromdichteverteilung in dem Emitter in dem Betriebszustand gemäß 7a ergibt. Diesem Betriebszustand entspricht die in 8a schematisch abgebildete Fernfeldcharakteristik FFC5.
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In einem zweiten Betriebszustand, der in 7b veranschaulicht ist, wird nur der zweite Stromkontakt 212b durch die Steuereinrichtung 400 mit einem weiteren Ansteuersignal A2 beaufschlagt, wodurch sich eine von der Konfiguration gemäß 7a abweichende Stromdichteverteilung in dem Oberflächenemitter, insbesondere in seiner aktiven Zone 206, ergibt. Dadurch wird eine andere Fernfeldcharakteristik FFC6 (8b) erzielt.
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Durch Wahl eines geeigneten Betriebszustands, 7a, 7b, kann daher sogar dynamisch, das heißt während des Betriebs der Laserlichtquelle 100 ( 1) eine Fernfeldcharakteristik FFC5, FFC6 einzelner Oberflächenemitter verändert werden, so dass eine weiter gesteigerte Flexibilität bei der Erzielung einer gewünschten resultierenden Feldcharakteristik der Laserlichtquelle 100 gegeben ist.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht. Auf dem Trägerelement 300 sind mehrere Oberflächenemitter 200j nebeneinander angeordnet. Jedem Oberflächenemitter ist eine Mikrolinse 2020 zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, die durch den Oberflächenemitter 200j erzeugte Laserstrahlung L (4) zu formen. Insbesondere kann die Mikrolinse 2020 so ausgebildet und bezüglich des Oberflächenemitters 200j angeordnet sein, dass sie die ursprüngliche Hauptstrahlrichtung H4 des Oberflächenemitters 200j in eine hiervon abweichende Hauptstrahlrichtung H4' transformiert. Dadurch kann auch bei der Ausführungsform gemäß 9 vorteilhaft eine Laserlichtquelle angegeben werden, bei der unterschiedliche Oberflächenemittertypen derart vorgesehen sind, dass die von den einzelnen Oberflächenemittern abgegebene Laserstrahlung in unterschiedlichen Hauptstrahlrichtungen emittiert wird.
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10 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der wiederum unterschiedlichen Oberflächenemittern 200k unterschiedliche Mikrolinsen 2020a, 2020b zugeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die Mikrolinsen 2020a, 2020b jeweils unterschiedlich ausgebildet beziehungsweise bezüglich des ihnen zugeordneten Oberflächenemitters 200k unterschiedlich angeordnet, so dass für einen oder mehrere Oberflächenemitter 200k individuell eine Formung der von ihm erzeugten Laserstrahlung möglich ist.
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Eine Kombination unterschiedlicher Oberflächenemittertypen, insbesondere von VCSEL-Typen oder auch von VECSEL-Typen, ist ebenfalls denkbar, ebenso wie die Kombination der Ausbildung der unterschiedlichen Oberflächenemitter mit voneinander abweichenden konstruktiven Merkmalen und einer nicht konstanten Packungsdichte.
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Erfindungsgemäß können unterschiedliche Hauptstrahlrichtungen für die individuell von einzelnen Oberflächenemittern erzeugte Laserstrahlung auf verschiedene Arten realisiert werden: Räumliche Anordnung eines Oberflächenemitters bezüglich eines mehrere Oberflächenemitter aufnehmenden Trägerelements 300 der Laserlichtquelle 100, konstruktive Ausbildung (Stromapertur, Stromkontakt, Anzahl von Stromkontakten usw., oder eine Kombination hieraus).
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Besonders vorteilhaft kann durch die Verwendung von Oberflächenemittern unterschiedlichen Typs eine resultierende Feldcharakteristik für die von der Laserlichtquelle 100 insgesamt abgegebene Laserstrahlung L1 erzielt werden, die vorgebbaren Kriterien beziehungsweise einem gewünschten Verlauf entspricht.
