DE19500513C1 - Optische Anordnung zur Verwendung bei einer Laserdiodenanordnung - Google Patents
Optische Anordnung zur Verwendung bei einer LaserdiodenanordnungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kollimation der Strahlung einer
Laserdiodenanordnung in zwei senkrecht zueinander sowie senkrecht zu einer
optischen Achse liegenden Koordinatenrichtungen und zur nachfolgenden Fokussierung mit
hoher Strahlendichte, und dabei speziell auf eine Anordnung entsprechend Oberbegriff
Patentanspruch 1.
Es ist bekannt, daß die Strahlung eines Halbleiterdiodenlasers durch einen stark divergierenden
Strahl gekennzeichnet ist, und zwar im Gegensatz zu anderen konventionellen
Laserstrahlquellen, deren Laserstrahl einen Durchmesser von wenigen Millimetern mit einer
geringen Strahldivergenz im Bereich von wenigen mrad aufweist, während die Divergenz bei
einem Halbleiterdiodenlaser größer als 1000 mrad ist.
Um die Strahlung eines Halbleiterdiodenlasers nutzen zu können sind kollimierende und
fokussierende Mikrooptiken oder optische Anordnungen notwendig. Hierbei ist auch zu
berücksichtigen, daß eine Halbleiterlaserdiode in üblicher Weise mehrere Emitter oder
Emittergruppen in einer Reihe aufweist, und zwar in einem Abstand von einigen 100
Mikrometern. Bei der Auslegung einer optischen Anordnung oder einer Mikrooptik ist daher zu
berücksichtigen, daß die verwendeten Linsen so dicht an dem jeweiligen Halbleiterdiodenlaser
bzw. an der entsprechenden Laseranordnung oder an dem Chip vorgesehen werden müssen, daß
die Laserstrahlung der einzelnen Emitter oder Emittergruppen sich nicht bereits vor dem Eintritt
in die optische Anordnung überlagert, da andernfalls aufgrund von unzulässigen oder
unzutreffenden Auftreffwinkeln durch Streustrahlung erhebliche Strahlungsverluste auftreten.
Da weiterhin bei Halbleiterlaserdioden der Divergenzwinkel in der Ebene senkrecht zur aktiven
Schicht (Fast-Axis) größer ist als in der Ebene der aktiven Schicht (Slow-Axis) ist auch dies bei
der Auslegung der optischen Anordnung zu berücksichtigen.
Bekannt ist es, die divergierende Laser-Strahlung von Emittern oder Emittergruppen mit Hilfe
zweier in einer optischen Achse hintereinander angeordneter Zylinderlinsen zu kollimieren,
wobei durch eine erste Zylinderlinse eine Kollimation in der Fast-Axis, d. h. in der Achse
senkrecht zur Ebene der aktiven Schicht und mittels einer zweiten, von der
Laserdiodenanordnung weiter entfernten Zylinderlinse eine Kollimation in der Slow-Axis
erfolgt.
Bekannt ist hierbei insbesondere auch eine optische Anordnung (US 3 396 344), bei der
mehrere Laserdioden oder Emitter bzw. Emittergruppen in wenigstens zwei Reihen
übereinander vorgesehen sind, wobei jede Reihe in einer ersten Koordinatenrichtung in der
Ebene der aktiven Schicht mehrere Emitter oder Emittergruppen aufweist und die beiden
Reihen in einer zweiten Koordinatenrichtung senkrecht zur aktiven Schicht gegeneinander
versetzt sind. Zur Kollimation der einzelnen Strahlen ist dann für jede Reihe eine erste
Zylinderlinse vorgesehen, und zwar für eine Kollimation in der zweiten Koordinatenrichtung
(Fast-Axis). Für die Kollimation in der ersten Koordinatenrichtung (Slow-Axis) weist eine
zweite Zylinderlinsenanordnung mehrere Zylinderlinsenelemente auf, die so vorgesehen sind,
daß jedes dieser Zylinderlinsenelemente für die Laserstrahlen zweier übereinander
angeordneter Emitter wirksam ist, die in den beiden benachbarten Reihen einander zugeordnet
und unmittelbar benachbart sind.
Da die einander benachbarten Zylinderlinsenelemente in der ersten Zylinderlinseneinrichtung,
insbesondere aber in der zweiten Zylinderlinseneinrichtung für die angestrebte Kollimation eine
bestimmte Linsenhöhe sowie einen bestimmten Krümmungsradius und damit auch bestimmte
räumliche Abmessungen erfordern, ist ein relativ großer Abstand der einzelnen Emitter oder
Emittergruppen in jeder Reihe notwendig. Dies bedeutet eine relativ geringe Belegungsdichte
des die Laserdiodenanordnung bildenden Chips, obwohl von der Chiptechnologie her sowie
auch unter Berücksichtigung der Entwicklung von leistungsstarken Kühlern eine weitaus höhere
Belegungsdichte und damit eine weitaus höhere Ausgangsleistung möglich wären. Nachteilig
ist weiterhin auch, daß sich bei der bekannten optischen Anordnung und insbesondere bei einer
Vielzahl von Emittern oder Emittergruppen in jeder Zeile eine Abbildung bzw. eine
Fokussierung der Laserstrahlen im Fokus-Punkt ergibt, bei der der Fokusdurchmesser in der
ersten Koordinatenrichtung größer ist als in der zweiten Koordinatenrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Anordnung aufzuzeigen, die bei relativ einfachem
Aufbau die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere wesentlich kleinere Abstände
zwischen den Emittern oder Emittergruppen einer Reihe solcher Emitter oder Emittergruppen
und damit eine wesentlich höhere Belegungsdichte eines die Laserdiodenanordnung bildenden
Chips sowie eine Erhöhung der Ausgangsleistung ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine optische Anordnung nach dem
Patentanspruch 1 ausgebildet.
Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die Laserstrahlung benachbarter Emitter oder
Emittergruppen einer Reihe so umgelenkt werden, daß diese Strahlen in unterschiedlichen, in
der zweiten Koordinatenrichtung, d. h. beispielsweise in in der Achse senkrecht zur Ebene der
aktiven Schicht gegeneinander versetzten Strahlebenen in der ersten Koordinatenrichtung, d. h. in
der Slow-Achse kollimiert werden, so daß auch die hierfür verwendeten Zylinderlinsenelemente
der zweiten Zylinderlinseneinrichtung für die Kollimation in der Slow-Axis in diesen
Strahlebenen angeordnet sind und sich somit in unterschiedlichen Strahlebenen angeordnete
Zylinderlinsenelemente überlappen können. Hierdurch können kleine Abstände zwischen den
einzelnen Emitter oder Emittergruppen und damit eine hohe Belegungsdichte realisiert werden.
Beträgt die Anzahl der verwendeten Strahlebenen n und ist a der Abstand, den benachbarte
Emitter oder Emittergruppen voneinander aufweisen, so ergibt sich an der zweiten
Zylinderlinseneinrichtung ein Abstand der Zylinderlinsenelemente in jeder Strahlebene von
n × a, d. h. selbst bei kleinem Abstand a und bei hoher Belegungsdichte ist der aus baulichen
Gründen erforderliche Abstand der Zylinderlinsenelemente in jeder Strahlebene realisierbar.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht somit u. a. darin, daß unter Beibehaltung einer
relativ einfachen Bauform die Verwendung einer Laserdiodenanordnung mit hoher
Belegungsdichte und damit mit hoher Laserleistung möglich ist, ohne daß es durch
Streustrahlung zu Verlusten kommt. Es sind daher auch unter Verwendung der zur Verfügung
stehenden Hochleistungskühlertechnologie Halbleiterdiodenlaser für höchste Leistungen
realisierbar.
Die Erfindung bietet weiterhin den Vorteil, daß bei einer vorgegebenen Anzahl von Emittern
oder Emittergruppen in einer Reihe durch entsprechende Wahl der Anzahl der Strahlebenen die
Form des Fokuspunkts in einer angestrebten Weise gestaltet werden kann, daß beispielsweise ein
runder oder nahezu runder Fokuspunkt möglich ist.
Bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung sind die Emitter oder Emittergruppen nur
in einer Reihe angeordnet. Bei der Erfindung ist es aber auch möglich, mehrere Reihen solcher
Emitter oder Emittergruppen in einer Koordinatenrichtung senkrecht zur Ebene der aktiven
Schicht vorzusehen.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird in Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und in Seitenansicht eine Laserdiodenanordnung mit
mehreren, in einer Koordinatenrichtung senkrecht zur Zeichenebene dieser Figur (X-
Achse) hintereinander angeordneten Emittern oder Emittergruppen und mit einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zur Fokussierung der
Strahlung der einzelnen Emitter in einem gemeinsamen Fokus;
Fig. 2 die Laserdiodenanordnung sowie die zugehörige optische Anordnung der Fig. 1 in
Draufsicht, d. h. in einer gegenüber der Fig. 1 um 90° gedrehten Ansicht bei einer
Ausführungsform, bei der in der X-Achse senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 drei
Emitter bzw. Emittergruppen aufeinanderfolgend vorgesehen sind;
Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2, jedoch bei einer Ausführungsform, bei der parallel zur
aktiven Schicht der Laserdiodenanordnung, d. h. in der X-Achse insgesamt sechs
Emitter oder Emittergruppen vorgesehen sind;
Fig. 4 und 5 in Darstellungen ähnlich Fig. 1 weitere, mögliche Ausführungsformen der
Erfindung;
Fig. 6 in einer Darstellung ähnlich Fig. 1 eine weitere Ausführungsform, bei der in einer
Ebene senkrecht zur aktiven Schicht übereinander mehrere Reihen von Emittern oder
Emittergruppen vorgesehen sind, die in jeder Reihe senkrecht zur Zeichenebene der
Figur hintereinander angeordnet sind, sowie eine optische Anordnung zur Fokussierung
der Strahlung sämtlicher Emitter oder Emittergruppen in einem gemeinsamen Fokus.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Laserdiodenanordnung 1 in Form eines Laserdiodenchips, der
der einfacheren Darstellung und Erläuterung wegen nur insgesamt drei Emitter oder
Emittergruppen 2 besitzt, die in Richtung der aktiven Schicht dieser Emitter in der X-Achse in
einer Reihe aufeinanderfolgend und mit einem vorgegebenen Abstand a angeordnet sind.
Die einzelnen Emitter bzw. Emittergruppen 2 liefern, wie oben ausgeführt wurde, eine
Strahlung, die in der Ebene senkrecht zur aktiven Schicht (Zeichenebene der Fig. 1)
wesentlich stärker divergiert als in der Ebene der aktiven Schicht (Zeichenebene der Fig. 2).
Zum besseren Verständnis sind die Randlinien der Strahlen der drei Emittergruppen 2 in den
Fig. 1 und 2 jeweils mit S1, S2 und S3 bezeichnet.
Um die Strahlung der Emittergruppen 2 voll nutzen zu können, ist es notwendig, diese
Strahlung in einem gemeinsamen Punkt 3 zu fokussieren, und zwar derart, daß sich in beiden
Ebenen, d. h. in der Ebene senkrecht zur aktiven Schicht der Emittergruppen 2 und in der Ebene
parallel zu dieser aktiven Schicht, ein möglichst gleich großer Fokusdurchmesser ergibt d. h. ein
möglichst runder Fokuspunkt erzielt wird, wie dies beispielsweise für die Einspeisung der
Strahlung am Punkt 3 in eine nicht dargestellte Faseroptik notwendig oder zumindest
zweckmäßig ist.
Diese Fokussierung erfolgt mittels der in den Fig. 1 und 2 ebenfalls dargestellten optischen
Anordnung. Diese besteht aus den nachfolgend angegebenen Elementen, die sich in der
Reihenfolge der nachfolgenden Auflistung ausgehend von der Laserdiodenanordnung 1 in
Richtung der optischen Achse der optischen Anordnung bzw. in Richtung der Z-Achse
aneinanderanschließen, wobei bei der dargestellten Ausführungsform diese durch den
Fokuspunkt 3 hindurchführende optische Achse in der Ebene der aktiven Schicht der
Emittergruppen liegt und senkrecht zu der X-Achse erfolgt:
- - Zylindrisches Linsenelement oder Zylinderlinse 4 mit asphärischer Zylinderoberfläche;
- - erster Prismenblock 6 mit mehreren in Richtung senkrecht zur optischen Achse sowie in der aktiven Ebene der Emittergruppen 2, d. h. in der X-Achse hintereinander angeordneten Prismenelementen 6′, deren Anzahl und Abstand der Anzahl der Emittergruppen 2 und deren Abstand a entspricht;
- - zweiter Prismenblock 7 mit insgesamt drei in einer Koordinatenrichtung senkrecht zur optischen Achse und senkrecht zur aktiven Ebene der Emittergruppen 2 d. h. in der Y-Achse aufeinander folgend vorgesehenen unterschiedlichen Prismenelementen 7′;
- - Zylinderlinsenanordnung 8, die mehrere Zylinderlinsenelemente 8′ aufweist, die mit ihren Zylinderachsen in der Koordinatenrichtung der Y-Achse angeordnet sind, und zwar bezogen auf diese Y-Achse in drei Ebenen übereinander und in der X-Achse von Ebene, zu Ebene jeweils versetzt, und zwar um einen Betrag, der gleich dem Abstand a der Emittergruppen 2 ist;
- - Sammellinse 9, die rotationssymmetrisch zur optischen Achse bzw. Z-Achse ausgebildet ist und bei der dargestellten Ausführungsform eine bikonvexe Linse ist.
Anstelle der Sammellinse 9 kann auch eine andere optische Fokussiereinrichtung,
beispielsweise eine mehrlinsige Fokussiereinrichtung vorgesehen sein.
Die Wirkungsweise dieser optischen Anordnung läßt sich, wie folgt, beschreiben:
Der Laserstrahl S1-S3 jeder Emittergruppe 2, der sowohl in der jeweiligen Ebene parallel zur aktiven Schicht, als auch in der jeweiligen Ebene senkrecht zur aktiven Schicht einen großen Divergenzwinkel aufweist, wird zunächst in der Ebene (Y-Z-Ebene) senkrecht zur aktiven Schicht durch die Zylinderlinsenanordnung 4, die mit ihrer Zylinderachse in der X-Achse angeordnet ist, bis auf wenige mrad Divergenz kollimiert. Das Zylinderlinsenelement 4 verfügt hierfür, wie oben ausgeführt, über ein asphärische Zylinderoberfläche. Die Abmessung des jeweiligen Laserstrahles beträgt nach der Kollumation beispielsweise 0,5 bis 1,5 mm. Der so in der jeweiligen Y-Z-Ebene senkrecht zur aktiven Schicht kollimierte Laserstrahl jeder Emittergruppe tritt in das für diese Emittergruppe vorgesehenen Prismenelement 6′ des ersten Prismenblockes 6 ein.
Der Laserstrahl S1-S3 jeder Emittergruppe 2, der sowohl in der jeweiligen Ebene parallel zur aktiven Schicht, als auch in der jeweiligen Ebene senkrecht zur aktiven Schicht einen großen Divergenzwinkel aufweist, wird zunächst in der Ebene (Y-Z-Ebene) senkrecht zur aktiven Schicht durch die Zylinderlinsenanordnung 4, die mit ihrer Zylinderachse in der X-Achse angeordnet ist, bis auf wenige mrad Divergenz kollimiert. Das Zylinderlinsenelement 4 verfügt hierfür, wie oben ausgeführt, über ein asphärische Zylinderoberfläche. Die Abmessung des jeweiligen Laserstrahles beträgt nach der Kollumation beispielsweise 0,5 bis 1,5 mm. Der so in der jeweiligen Y-Z-Ebene senkrecht zur aktiven Schicht kollimierte Laserstrahl jeder Emittergruppe tritt in das für diese Emittergruppe vorgesehenen Prismenelement 6′ des ersten Prismenblockes 6 ein.
Die einzelnen Prismenelemente 6′ sind so ausgebildet, daß sie in der Ebene senkrecht zur
aktiven Schicht jeweils in unterschiedlicher Form eine Ablenkung des Laserstrahles bewirken,
und zwar wird der Laserstrahl S1 der einen, außenliegenden Emittergruppe 2 durch das
zugehörige Prismenelement 6′ um einen spitzen Winkel, beispielsweise um einen Winkel von
10° bei der für die Fig. 1 gewählten Darstellung nach oben abgelenkt, der Laserstrahl S2 der
mittleren Emittergruppe 2 erfährt durch das zugehörige Prismenelement 6′ keine Ablenkung
und der Laserstrahl S3 der anderen außenliegenden Emittergruppe 2 wird bei der für die Fig. 1
gewählten Darstellung um einen Winkel, d. h. bei dieser Ausführungsform um den gleichen
Winkel wie der Stahl S1, beispielsweise um den Winkel von 10°, allerdings nach unten
abgelenkt. Die Breite der Prismenelemente 6′ in Richtung der X-Achse entspricht dabei genau
dem Abstand a der Emittergruppen 2.
Die abgelenkten, in der Y-Z-Ebene kollimierten und in der X-Z-Ebene noch divergierenden
Strahlen S1-S3 treffen auf den größeren, zweiten Prismenblock 7 bzw. jeweils auf ein dortiges
für jeden Stahl S1-S3 und damit für jede Emittergruppe 2 gesondert vorgesehenes
Prismenelement 7′. Die dem Prismenblock 6 zugewandten, senkrecht zur Y-Z-Ebene liegenden
Flächen dieser Prismenelemente 7′ sind so gegenüber der optischen Achse bzw. Z-Achse
geneigt bzw. schließen einen solchen Winkel mit dieser Achse ein, daß sich im Prismenblock 7
in drei Stahlungsebenen übereinander parallele Laserstrahlen S1-S3 ergeben.
An der dem Prismenblock 6 abgewandten Seite des Prismenblock 7 ist die
Zylinderlinsenanordnung 8 vorgesehen, und zwar beispielsweise dadurch, daß auf dieser in
einer Ebene senkrecht zur optischen Achse (Z-Achse) liegenden Planseite des Prismenblockes 7
die einzelnen Halbzylinderlinsenelemente 8′ in der oben beschriebenen Anordnung in drei
Reihen übereinander aufgekittet sind. Jedes Zylinderlinsenelement 8′ ist wiederum einem Strahl
S1-S3 zugeordnet und bewirkt eine Kollimation dieses Stahles S1, S2 bzw. S3 in der X-Z-
Ebene, so daß dann nach der Zylinderlinsenanordnung 8 jeder Strahl sowohl in der X-Achse als
auch in der Y-Achse kollimiert ist und die so kollimierten Strahlen S1-53 mit der
herkömmlichen Sammellinse 9 auf den gemeinsamen Fokus-Punkt 3 abgebildet werden
können. Die plankonvexen Zylinderelemente 8 können sphärisch oder asphärisch sein.
Es versteht sich, daß die beschriebene optische Anordnung auch für Emitteranordnungen
verwendet werden kann, die mehr als drei Emittergruppen aufweisen. In diesem Fall erhöht sich
beispielsweise lediglich die Anzahl der Prismenelemente 6′ und damit die Anzahl der in die
drei Strahlebenen abgelenkten Strahlen S1-Sn, wobei dann im größerem Prismenblock 7 in
jeder Strahlebene zwei oder mehr als zwei Strahlen nebeneinander vorgesehen sind und die
Zylinderlinsenanordnung 8 in jeder Ebene wenigstens zwei Zylinderlinsenelemente 8′ aufweist,
die in jeder Ebene einen Abstand voneinander besitzen, der gleich dem Abstand a der
Emittergruppen an der Laserdiodenanordnung 1 multipliziert mit der Anzahl der Strahlebenen
im Prismenblock 7 ist. Es versteht sich, daß weiterhin eine entsprechende Ausbildung der
Prismenblöcke 6 und 7 auch mehr als drei Strahlebenen in der Y-Achse übereinander
vorgesehen sein können, beispielsweise fünf Strahlebenen übereinander.
Fig. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 eine Ausführung, bei der die
Laserdiodenanordnung 1a insgesamt sechs Emittergruppen 2 aufweist, deren Laserstrahlen
durch den Prismenblock 6a so abgelenkt werden, daß sich innerhalb des Prismenblockes 7a
wiederum drei Strahlebenen ergeben, die in der Y-Achse übereinander angeordnet sind, und
zwar in jeder Strahlebene in Richtung der X-Achse nebeneinander zwei unabhängige Strahlen,
nämlich in der oberen Ebene die Strahlen S1 und S1′, in der mittleren Ebene die Strahlen S2
und S2′ und in der unteren Ebene die Strahlen S3 und S3′. Die Anzahl der Prismenelemente 6′
ist gleich der Anzahl der Emittergruppen. Die Anzahl der Prismenelemente 7′ ist gleich der
Anzahl der Strahlebenen. Darüber hinaus sind die Prismenelemente 6′ so ausgebildet, daß der
Strahl einer Emittergruppe 2 zusammen mit demjenigen Strahl in eine Strahlebene abgelenkt
wird, der der in der Reihe der Emittergruppe folgenden n-ten Emittergruppe entspricht, wobei n
die Anzahl der in der Y-Achse übereinander angeordneten Strahlebenen ist. Anstelle der
Zylinderlinsenanordnung 8 ist in der Fig. 3 die Zylinderlinsenanordnung 8a verwendet, die in
jeder Strahlebene zwei Zylinderlinsenelemente 8′ aufweist, die von Strahlebene zu Strahlebene
wiederum um den Abstand a in der X-Achse versetzt sind und in dieser Achse in jeder
Strahlebene einen Abstand von n × a aufweisen.
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung wird bereits bei Aufteilung der Laserstrahlen der
Emittergruppen auf zwei Strahlebenen eine wesentliche Verbesserung, insbesondere auch
hinsichtlich der Fokussierung gegenüber bekannten optischen Anordnungen erreicht, die die
Aufteilung der Laserstrahlen in verschiedenen Strahlebenen nicht vorsehen. Hierzu wird auf die
nachfolgende Tabelle verwiesen. In dieser ist ein Vergleich des Abbildungsverhaltens einer
Laserdiodenanordnung mit einer Länge von 10 mm in der X-Achse und mit einem
Emitterabstand von 800 Mikrometer sowie einer Emitterbreite von 400 Mikrometer für drei
unterschiedliche optische Anordnungen wiedergegeben, und zwar für eine Anordnung mit nur
einer Strahlebene, d. h. ohne Ablenkung (1-Ebene), für die im Zusammenhang mit den Fig.
1-3 beschriebene Anordnung mit drei Strahlebenen (3-Ebene) sowie für eine optische
Anordnung, bei der die Ablenkung in fünf in der Y-Achse übereinander angeordneten
Strahlebenen erfolgt (5-Ebene).
Auf dem Laserdioden-Chip oder -Barren sind dreizehn Emittergruppen angeordnet. Um den
Einfluß der ersten Kollimationsoptik, d. h. der Zylinderlinsenanordnung 4 abzuschätzen, wird
eine voller Divergenzwinkel von 20 mrad in der Y-Achse nach Transmission der Laserstrahlen
durch diese Linsenanordnung angenommen. Der Divergenzwinkel einer einzelnen
Emittergruppe 2 bestimmt den Abstand der Zylinderlinsenanordnung 8 bzw. der
Zylinderlinsenelemente 8′ von der Laserdiodenanordnung bzw. von dem Laserdiodenchip, da
der ideale Abstand durch die Entfernung des Ortes der Überlagerung der Strahlung zweier
Emittergruppen vom Laserdiodenchip vorgegeben ist. Der Divergenzwinkel in der X-Z-Ebene
wird für die Berechnung mit 10° angenommen. Für die Fokussierung mit der Sammellinse 9
wird eine numerische Apertur von 0,2 zugrundegelegt, was der üblichen numerischen Apertur
für eine Faserkopplung in eine Quarzfaser entspricht. Der Öffnungswinkel beträgt dann 23°.
Die vorliegende Tabelle bestätigt, daß bei einer optischen Anordnung mit nur einer Ebene
aufgrund der sehr geringen Brennweite der "Slow-Achsen-Optic", d. h. der die Kollimation in
der X-Achse bewirkenden Optik, die größte Ausdehnung des Fokus in dieser Achse liegt. Wird
hingegen die Strahlung der Emittergruppen auf mehrere Strahl-Ebenen aufgeteilt, wie dies die
Erfindung vorsieht, so kann ein erheblich geringer Fokusdurchmesser erreicht werden,
insbesondere auch in der X-Achse, wobei es bei einer entsprechenden Anzahl von Strahlebenen
auch möglich ist, eine nahezu runden Fokuspunkt 3, d. h. gleiche Fokus-Durchmesser in der X-
und Y-Achse zu erzielen.
Wesentlich ist bei der Erfindung auch, daß die Aufspaltung der Strahlen in die verschiedenen
Strahlebenen auf jeden Fall bis zum Eintritt in die Zylinderlinsenanordnung 8 bzw. 8a
abgeschlossen ist, so daß dann für diese Anordnung je nach Ausbildung (zwei oder mehr als
zwei Ebenen) 10-20 mm als Brennweite zur Verfügung stehen. Bei einer Linsenhöhe von 1
mm, einem Abstand von 5 mm zwischen der Austrittsseite des jeweiligen Prismenelementes 6′
und der Eintrittsfläche des jeweiligen Prismenelementes 7′ und einem Brechungsindex von 1 ,5
dieser Elemente ergibt sich dann bei einer Verwendung von drei Strahlebenen ein
Neigungswinkel der positiv und negativ abgeschrägten Flächen der Prismenelemente 6′ von
etwa 20°. Vermindert kann dieser Winkel werden z. B. durch einen höheren Brechungsindex der
Prismenelemente 6′ und 7′, durch eine geringere Linsenhöhe der Linsenelemente 8′ sowie
durch einen größeren Abstand zwischen den Prismenblöcken 6 und 7.
Fig. 4 zeigt eine weitere, mögliche Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform der
Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß anstelle von separaten Prismenblöcken 6 und 7 ein
kombinierter Prismenblock 10 vorgesehen ist, der an seiner dem Zylinderlinsenelement 4
zugewandten Seite die Prismenelemente 6′ und an seiner einer Zylinderlinsenanordnung 8b
zugewandten Ausgangsseite die Prismenelemente 7′ bzw. die entsprechenden Prismenflächen
bildet. Die Zylinderlinsenanordnung 8b entspricht der Zylinderlinsenanordnung 8 oder 8a, ist
aber getrennt von dem Prismenblock 10 vorgesehen und besteht aus diesem Grunde aus einer
optisch neutralen Scheibe 11, auf die die Zylinderlinsenelemente 8′ aufgekittet sind.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, die sich von der Ausführung der Fig. 1 dadurch
unterscheidet, daß anstelle des Prismenblockes 6 bzw. eines transparenten Elementes ein
reflektierendes Element 12 vorgesehen, welches für jede Emittergruppe 2 unterschiedliche
Reflexionsflächen 12′ bildet, um wiederum die beschriebene Ablenkung der Strahlen S1-S3
bzw. S1-S3′ in die unterschiedlichen Strahlebenen zu erreichen.
Fig. 6 zeigt schließlich eine Ausführungsform, bei der mehrere Laserdiodenanordnungen 1
oder 1a in der Y-Achse übereinander angeordnet sind, wobei jede Laserdiodenanordnung 1 oder
1a in der X-Achse wiederum eine Vielzahl von Emittern oder Emittergruppen 2 besitzt.
Jeder Laserdiodenanordnung 1 oder 1a sind die Prismenblöcke 6 und 7 mit der
Zylinderlinsenanordnung 8 zugeordnet, um die einzelnen Strahlen der Emittergruppen in
unterschiedliche Strahlebenen, d. h. bei der für die Fig. 6 gewählten Darstellung wiederum für
jede Laserdiodenanordnung in drei Strahlebenen aufzuteilen und dort sowohl in der X-Achse
als auch in der Y-Achse zu kollimieren. Anstelle der Sammellinse 9 ist bei dieser
Ausführungsform eine für sämtliche Laserdiodenanordnungen 1 bzw. 1a gemeinsame
Sammellinse 13 vorgesehen, mit der die Laserstrahlen dann in dem gemeinsamen Fokuspunkt
14 zusammengeführt bzw. abgebildet werden.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß
weitere Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung
zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es möglich, anstelle von mehreren,
jeweils eine Gruppe bildenden Emittern auch einzelne Emitter oder mehrere jeweils
Untergruppen gebildete Gruppen in der gleichen Weise zu behandeln, wobei jede Untergruppe
ihrerseits eine Vielzahl von Emittern aufweist.
Bezugszeichenliste
1, 1a Laserdiodenanordnung
2 Emittergruppe
3 Fokuspunkt
4 Zylinderlinsenanordnung
6, 7, 6a, 7a Prismenblock
6′, 7′ Prismenelement
8, 8a, 8b Zylinderlinsenanordnung
8′ Zylinderlinsenelement
9 Sammellinse
10 Prismenblock
11 Scheibe
12 Reflexionselement
12′ Reflexionsfläche
13 Sammellinse
14 Fokuspunkt
2 Emittergruppe
3 Fokuspunkt
4 Zylinderlinsenanordnung
6, 7, 6a, 7a Prismenblock
6′, 7′ Prismenelement
8, 8a, 8b Zylinderlinsenanordnung
8′ Zylinderlinsenelement
9 Sammellinse
10 Prismenblock
11 Scheibe
12 Reflexionselement
12′ Reflexionsfläche
13 Sammellinse
14 Fokuspunkt
Claims (18)
1. Optische Anordnung zur Abbildung mehrerer in einer oder mehreren Reihen angeordneter
Emitter oder Emittergruppen (2) einer Laserdiodenanordnung (1, 1a) in einen gemeinsamen
Raumbereich oder Fokus-Punkt (3, 14),
- - wobei die Emitter oder Emittergruppen (2) einer Reihe mit ihrer aktiven Schicht in einer gemeinsamen Ebene (X-Z-Ebene) angeordnet sind und zwar mit einem vorgegebenen Abstand (a) in einer ersten Koordinatenrichtung (X-Achse), und
- - wobei die optische Anordnung umfaßt
- - eine erste von wenigstens einer Zylinderlinse gebildete Zylinderlinsenanordnung (4), die mit ihrer Zylinderachse in der ersten Koordinatenrichtung (X-Achse) angeordnet ist und die eine Kollimation der Laserstrahlen (S1-S3, S1′-S3′) der Emitter oder Emittergruppen (2) in jeweils einer ersten Ebene (Y-Z-Ebenen) senkrecht zur ersten Koordinatenrichtung (X- Achse) bewirkt, und
- - eine zweite Zylinderlinsenanordnung (8, 8a, 8b) zur Kollimation der Laserstrahlen (S1-S3; S1′-S3′) in jeweils einer zweiten Ebene (X-Z-Ebene) senkrecht zur ersten Ebene (Y-Z- Ebene),
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die optische Anordnung noch Mittel (6, 6a, 7, 7a, 7b, 12) umfaßt, die die Laserstrahlen (S1-S3, S1′-S3′) benachbarter Emitter oder Emittergruppen (2) in der ersten Ebene (Y-Z- Ebene) derart umlenken, daß die kollimierten Laserstrahlen (S1-S3, S1′-S3′) benachbarter Emitter oder Emittergruppen (2) nach dem Durchtritt durch die zweite Zylinderlinsenanordnung (8, 8a, 8b) in unterschiedlichen, in der zweiten Koordinatenrichtung (Y-Achse) gegeneinander versetzten Strahlenebenen parallel zueinander vorliegen, und
- - daß alle Laserstrahlen (S1-S3, S1′-S3′) durch eine Fokussieroptik (9, 13) in den gemeinsamen Raumbereich oder Fokuspunkt (3, 14) abgebildet werden.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel (6,
6a; 7, 7a, 7b, 12) im Strahlverlauf zwischen der ersten Zylinderlinsenanordnung (4) und der
zweiten Zylinderlinsenanordnung (8, 8a, 8b) vorgesehen sind, und zwar derart, daß die
Laserstrahlen (S1-S3; S1′-S3′) bereits vor dem Eintritt in die zweite
Zylinderlinsenanordnung oder in dort vorgesehene Zylinderlinsenelemente (8′) parallel
zueinander in den unterschiedlichen Strahlungsebenen angeordnet sind.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Mittel
zum Umlenken (6, 6a; 7, 7a, 7b; 12) der Laserstrahlen (S1-S3; S1′-S3′) wenigstens zwei,
vorzugsweise wenigstens drei Strahlebenen gebildet sind.
4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste Zylinderlinsenanordnung (4) von wenigstens einer bikonvexen oder plankonvexen
Zylinderlinse mit asphärischer Krümmung gebildet ist.
5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite Zylinderlinsenanordnung (8, 8a, 8b) in den Strahlebenen jeweils wenigstens ein
Zylinderlinsenelement (8′) aufweist, welches mit seiner Zylinderachse in der zweiten
Koordinatenrichtung (Y-Achse) bzw. senkrecht zur zweiten Ebene (X-Z-Ebene) orientiert
ist, und daß die Zylinderlinsenelemente (8′) der zweiten Zylinderlinseneinrichtung (8, 8a,
8b) von Strahlebene zu Strahlebene jeweils um einen Betrag in der ersten
Koordinatenrichtung (X-Achse) versetzt sind, der dem Abstand (a) der Emitter oder
Emittergruppen (2) einer Reihe entspricht oder zu diesem Abstand (a) proportional ist.
6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite Zylinderlinseneinrichtung (8, 8a, 8b) bzw. deren Zylinderlinsenelemente (8′)
plankonvex ausgebildet sind.
7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel zum Umlenken der Laserstrahlen (S1-S3; S1′-S3′) eine erste Prismenanordnung
oder einen ersten Prismenblock (6, 6a) aufweist, der in der ersten Koordinatenrichtung (X-
Achse) aufeinander folgend mehrere Prismenelemente (6′) aufweist, von denen jedes einem
Emitter oder einer Emittergruppe (2) zugeordnet ist und deren Mittelabstand in der ersten
Koordinatenrichtung (X-Achse) gleich dem Abstand (a) der Emitter oder Emittergruppen (2)
einer Reihe ist, und daß die Prismenelemente (6′) durch unterschiedliche Neigung von
Prismen-Flächen, d. h. durch unterschiedliche Neigung von Lichteintritts- und/oder
-austrittsflächen gegenüber der zweiten Ebene (X-Z-Ebene) oder der Ebene der aktiven
Schicht eine unterschiedliche Ablenkung in der jeweiligen ersten Ebene (Y-Z-Ebene)
bewirken.
8. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel zum Umlenken der Laserstrahlen eine lichtreflektierende Anordnung oder ein
lichtreflektierendes Element (12) aufweisen, welches in der ersten Koordinatenrichtung (X-
Achse) aufeinanderfolgend mehrere reflektierende Flächen oder Bereiche (12) aufweist,
deren Mittelabstand gleich dem Abstand (a) der Emitter oder Emittergruppen (2) ist und die
für eine unterschiedliche Ablenkung der Laserstrahlen (S1-S3; S1′-S3′) in der ersten Ebene
(Y-Z-Ebene) eine unterschiedliche Neigung gegenüber der zweiten Ebene (X-Z-Ebene) oder
der Ebene der aktiven Schicht aufweisen.
9. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel zum Umlenken der Laserstrahlen (S1-S3; S1′-S3′) einen zweiten Prismenblock oder
eine zweite Prismenanordnung (7, 7a, 7b) aufweisen, die im Strahlverlauf bzw. in Richtung
einer die optische Achse der Anordnung bildenden dritten Koordinatenrichtung (Z-Achse)
auf die erste Prismenanordnung (6, 6a) und/oder auf das Umlenkelement (12) folgt und
welche für jede Strahlebene wenigstens ein Prismenelement (7′) derart bildet, daß die
abgelenkten Laserstrahlen (S1-S3; S1′-S3′) in solche in den parallelen Strahlebenen
umgelenkt werden.
10. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fokussier-Optik eine solche ist, die wenigstens eine rotationssymmetrisch zur dritten
Koordinatenrichtung (Z-Achse) oder zur optischen Achse der Anordnung ausgebildete
Sammellinse, beispielsweise wenigstens eine bikonvexe oder plankonvexe Sammellinse (9,
13) aufweist.
11. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Reihen von Emittern oder Emittergruppen (2) vorgesehen sind, daß für jede Reihe
eine optische Anordnung bestehend zumindest aus der ersten Zylinderlinseneinrichtung (4),
aus der zweiten Zylinderlinseneinrichtung (8, 8a, 8b) sowie aus den Mitteln zum Umlenken
der Laserstrahlen benachbarter Emitter oder Emittergruppen (2) in die verschiedenen
Strahlebenen vorgesehen sind, und daß für sämtliche Reihen eine gemeinsame Fokussier-
Optik (13) vorhanden ist.
12. Optische Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reihen von
Emittern oder Emittergruppen (2) vorzugsweise in der ersten Koordinatenrichtung (X-Achse)
nebeneinander vorgesehen sind.
13. Optische Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Reihen von Emittern oder Emittergruppen (2) vorzugsweise in der zweiten
Koordinatenrichtung (Y-Achse) übereinander vorgesehen sind.
14. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweiten Zylinderlinsenanordnungen (8, 8a, 8b) sowie auch die zweiten Prismenanordnungen
oder Prismenblöcke (7, 7a,) für sämtliche Reihen oder eine Gruppe von Reihen gestapelt zu
einer optischen Baugruppe zusammengefaßt sind.
15. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
für sämtliche Reihen oder für eine Gruppe von Reihen gemeinsame Fokussier-Optik von
wenigstens einer rotationssymmetrisch zu der optischen Achse der Anordnung oder zu der
dritten Koordinatenrichtung (Z-Achse) ausgebildeten Sammellinse, vorzugsweise von einer
bikonvexen Linse (13) gebildet ist.
16. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite Zylinderlinsenanordnung (8, 8a, 8b) bzw. deren Zylinderelemente (8′) sphärisch
ausgebildet sind.
17. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite Zylinderlinsenanordnung (8, 8a, 8b) bzw. deren Zylinderelemente (8′) asphärisch
ausgebildet sind.
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