DE19508825A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion der spontanen Emission eines Lasers zur Konstanthaltung der fokussierten Breite - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes optisches System und insbesondere ein verbessertes optisches System für einen Laserdrucker, wobei die Steuerung des Schreibstrahls vereinfacht ist, indem der Schreibpunkt so gesteuert wird, daß er im wesentlichen aus der stimulierten Laseremission besteht.

Bei Laserschreibvorrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik ist bekannt, daß in Zusammenhang mit den Laser­ einrichtungen und insbesondere bei Diodenlasern eine Reihe von Variablen eingerichtet werden muß, um eine in tech­ nischer und wirtschaftlicher Hinsicht vorteilhafte Vorrich­ tung bereitzustellen. Es ist bekannt, daß die durch die spontane Emission eines unterhalb des Laserschwellenwerts betriebenen Diodenlasers erzeugte fokussierte Breite wegen der räumlichen Abhängigkeit der Wellenmoden der reflektie­ renden bzw. beugenden Elemente, die den Hohlraumresonator des Laser abschließen, und wegen des Strahlungsprofils des Verstärkungsmediums zu Beginn der Lasertätigkeit typischer­ weise größer ist als die mit der gleichen Optik erzeugte fokussierte Breite, wenn der Laser oberhalb des Schwellen­ werts seiner stimulierten Emission betrieben wird. Es ist weiter bekannt, daß die durch verschiedene Typen von Dioden­ lasern erzeugte stimulierte Emission linear mit dem elektri­ schen Strom zunimmt, mit dem der Laser oberhalb eines Schwellenwertstroms beaufschlagt wird, und daß sie auf eine Strahlbreite mit begrenzter Beugung fokussiert werden kann. Das spontan abgegebene Licht hat eine unterschiedliche Stei­ gung, und es hat bei der Abhängigkeit von der an den Laser übertragenen Anregung keinen Schwellenwert und fokussiert zu einer Strahlbreite mit im Vergleich zur stimulierten Emis­ sion des gleichen Lasers unterschiedlichem Umfang. Die sti­ mulierte Emission wird bei vielen Lasern grundsätzlich im Wellenmode Gaußscher Krümmung mit der niedrigsten Ordnung des Hohlraumresonators erzeugt, der durch die abschließenden Reflektoren oder Beugungselemente der Laser verstärkt wird, so daß eine Grundlage für die Unterscheidung von den sponta­ nen Laseremissionen gegeben ist, die in zahlreichen Wellen­ moden gleichzeitig erzeugt werden. Die Unterscheidung von spontanen Laseremissionen ist wünschenswert, da das sich er­ gebende Licht eine stabile fokussierte Breite erzeugt und in Abhängigkeit von einer Anregungsreduktion, wie beispielswei­ se einer Reduktion des Injektionsstroms unter den Laser­ schwellenwert, um einen größeren Anteil gesenkt wird, so daß die Regelung und Einstellung des Lichts für die Belichtung von Bildern erleichtert wird.

US-A-4,440,470 beschreibt die Einfügung einer Einmodenfaser, die länger ist als die Kohärenzlänge des Lasers, in ein Multimoden-Lichtwellenleiter-Übertragungssystem zur Licht­ filterung, um die wegen der Anregung von einigen wenigen Wellenmoden höherer Ordnung entstehenden Intensitätsänderun­ gen (Tupfen) auf der abschließenden Multimoden-Lichtwellen­ leiter-Fläche sowie die sich daraus ergebenden Intensitäts­ änderungen bei der Übertragung und Reflexionsrückführung zu reduzieren.

In US-A-4,807,954 wird ein konisch verjüngter Lichtwellen­ leiter zwischen eine Laserquelle und einen Übertragungs- Lichtwellenleiter gelegt, um die Rückkopplung von Reflexio­ nen im Übertragungs-Lichtwellenleiter in den Laser zu ver­ meiden. Erwähnt wird der bisherige Stand der Technik, nach dem eine kleinere Einmodenfaser zwischen einen Diodenlaser und einen Multimoden-Lichtwellenleiter gelegt wird, um die wegen der nicht übereinstimmenden Durchmesser entstehende geringe Kopplung auszunutzen, so daß von den Endflächen der Multimoden-Lichtwellenleiter reflektiertes Licht zum Dioden­ laser zurück abgeschwächt wird.

JP-A-56-109314 beschreibt eine Laseranordnung, die mit Lichtwellenleitern gekoppelt ist, die ihre Ausgabe dann auf ein reflektierendes Polygon projizieren, das die Mehr­ elementquelle über lichtempfindlichem Material abtastet. Der Zweck der Mehrelementquelle ist es, einen akkumulierten Schreibpunkt zu erzeugen, der in einer ersten Richtung breit und in einer dazu senkrechten Richtung schmal ist, so daß die Einstellung der Breite des akkumulierten Schreibpunkts möglich ist, indem die Anzahl der aktivierten Laser zum Zweck der Rasterung für verschiedene Schreibauflösungen ge­ ändert wird. Beschrieben wird die Verwendung von Einmoden­ fasern wie auch von Multimoden-Lichtwellenleitern.

US-A-4,832,469 erläutert, daß es wünschenswert ist, die spontane Emission eines Diodenlasers im Vergleich zur stimu­ lierten Emission zu vermindern, indem der Strahl stimulier­ ten und spontanen Lichts durch eine "harte" Öffnung einer "Lichtsteuerplatte" bzw. einer Blendenplatte geführt wird, die nur den zentralen Teil des Lichtstrahls durchläßt und somit eine Unterscheidung hinsichtlich des Durchgangs der in Raum und Winkel breiteren Verteilung des spontanen Teil­ abschnitts des Strahls vornimmt. Dies wird beschrieben zur Reduzierung der Schwankung der fokussierten Breite in Abhän­ gigkeit von Änderungen des Lasertreiberstroms, sowie um kostspielige Linsen zu vermeiden, die hinsichtlich der chro­ matischen Aberration präzise kompensiert werden müssen. Ob­ wohl dies für die Funktionsweise der Optik vorteilhaft ist, kommt es hierbei zu einem Verlust der Lichtmenge, die durch die Blendenplatte übertragen werden kann, da die empfohlene Blendengröße das 0,2fache des FWHM-Werts ist (FWHM = Halb­ höhenspitzenbreite des Wellenmodes der stimulierten Emission des Strahls). Somit werden nur etwa 20% der Strahlstärke durch die Blende übertragen. Gleichzeitig schließt die Blen­ denplatte nicht vollständig den Durchlaß der gesamten spon­ tanen Emission aus, so daß der sich ergebende Strahl immer noch soviel spontanes Licht enthält, daß die Schwankung der fokussierten Breite nicht minimiert ist, und das Licht wird in Abhängigkeit von der Reduktion des Injektionsstroms unter den Laserschwellenwert nicht im größtmöglichen Verhältnis abgeschwächt.

Es wurde festgestellt, daß die Verwendung eines Einmoden- Lichtwellenleiters in einem optischen System wie dem ein­ gangs beschriebenen die fokussierte Breite erhalten und eine raschere Auslöschung des Lichts in Abhängigkeit von einer Anregungsreduktion des Lasers unter den Laserschwellenwert ermöglichen kann, ohne die hierbei übertragene Strahlstärke in unzweckmäßiger Weise einzuschränken. Die Einmodenfaser zerstreut das Licht von räumlichen Wellenmoden höherer Ord­ nung, indem die räumlichen Abmessungen ihres lichtführenden Kerns mit hohem Brechungsindex so gering sind, daß der größ­ te Teil des modalen Lichts höherer Ordnung, das an die Ein­ gangsfläche gekoppelt ist, durch das lichtdurchlässige Mate­ rial der den Kern umgebenden ringförmigen Umhüllung mit niedrigerem Brechungsindex eintritt und bei seiner Verbrei­ tung über die Länge des Lichtwellenleiters an dessen Seite austritt. Weiter erzeugt die Einfügung eines Einmoden-Licht­ wellenleiters in den Strahlengang des Ausgangsstrahls eines Diodenlasers eine konsistente runde Bestrahlungsverteilung, wodurch die Gestaltung der folgenden optischen Anordnung vereinfacht wird, die Notwendigkeit einer für jeden Laser spezifisch angepaßten strahlformenden Optik entfällt und der Austausch fehlerhafter Diodenlaser erleichtert wird.

Gemäß einer ersten Ausführungsform stellt die Erfindung ein optisches System für einen Laserstrahl bereit, mit einem Laser, der gemäß der ihm übertragenen Anregung sowohl eine stimulierte als auch eine spontane Emission sowie einen die­ se Emissionen aufweisenden Ausgangsstrahl erzeugt. Ein Lichtwellenleiter ist derart angeordnet, daß er den Aus­ gangsstrahl des Lasers aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter eine Kerngröße und ein Brechungsindex­ profil besitzt, die so gewählt sind, daß bei jeder Wellen­ länge, die einen wesentlichen Teil der Diodenlaseremission ausmacht, nur der Wellenmode des Lichtwellenleiters mit der niedrigsten Ordnung bei der betreffenden Wellenlänge Licht übertragen kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein optisches System für einen Laserstrahl bereit, mit einem Laser, der gemäß der ihm übertragenen Anregung sowohl eine stimulierte als auch eine spontane Emission sowie einen die­ se Emissionen aufweisenden Ausgangsstrahl erzeugt. Ein kon­ vergentes optisches System, wie beispielsweise eine konvexe Linse, eine Gradientenindexlinse, ein konkaver Spiegel, ein optisches Beugungselement oder eine Kombination optischer Elemente, ist im Strahlengang des vom Laser abgegebenen Strahls angeordnet; und ein Lichtwellenleiter ist an dem Punkt des konvergenten optischen Systems, wo die Strahlen konvergieren, angeordnet, um den Strahl vom konvergenten optischen System zu empfangen und den Strahl an ein Aus­ gangsende des Lichtwellenleiters zu übertragen. Der Licht­ wellenleiter besitzt eine Kerngröße und ein Brechungsindex­ profil, die so gewählt sind, daß bei jeder Wellenlänge, die einen wesentlichen Teil der Diodenlaseremission ausmacht, nur der Wellenmode des Lichtwellenleiters mit der niedrig­ sten Ordnung bei der betreffenden Wellenlänge Licht übertra­ gen kann, so daß der vom Ende des Lichtwellenleiters aus­ gehende Strahl unabhängig von der dem Laser übertragenen An­ regung eine im wesentlichen konstante fokussierte Breite und Form hat und die Stärke des Strahls in Abhängigkeit von einer Anregungsreduktion am Ende des Lichtwellenleiters um einen größeren Anteil gesenkt wird als die Stärke des Strahls am Ausgang des Lasers.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen Drucker zum Schreiben von Bildern mit einem Laser­ strahl bereit, mit einem Diodenlaser, der gemäß der ihm übertragenen Anregung sowohl eine stimulierte als auch eine spontane Emission sowie einen diese Emissionen aufweisenden Ausgangsstrahl erzeugt. Ein konvergentes optisches System ist im Strahlengang des vom Laser abgegebenen Strahls ange­ ordnet; und ein Lichtwellenleiter ist an dem Punkt des kon­ vergenten optischen Systems, wo die Strahlen konvergieren, angeordnet, um den Strahl vom konvergenten optischen System zu empfangen und den Strahl an ein Ausgangsende des Licht­ wellenleiters zu übertragen. Das optische System ist so ge­ wählt, daß hinsichtlich der Wellenmoden eine Übereinstimmung mit der Emission des Diodenlasers zum Lichtwellenleiter vor­ liegt. Der Lichtwellenleiter besitzt eine Kerngröße und ein Brechungsindexprofil, die so gewählt sind, daß bei jeder Wellenlänge, die einen wesentlichen Teil der Diodenlaser­ emission ausmacht, nur der Wellenmode des Lichtwellenleiters mit der niedrigsten Ordnung bei der betreffenden Wellenlänge Licht übertragen kann, so daß der vom Ende des Lichtwellen­ leiters ausgehende Strahl unabhängig von der dem Laser über­ tragenen Anregung eine im wesentlichen konstante fokussierte Breite und Form hat und die Stärke des Strahls in Abhängig­ keit von einer Anregungsreduktion am Ende des Lichtwellen­ leiters um einen größeren Anteil gesenkt wird als die Stärke des Strahls am Ausgang des Diodenlasers. Ein Bildaufzeich­ nungselement ist so angeordnet, daß es die vom Ende des Lichtwellenleiters abgehende Emission des Diodenlasers emp­ fängt und darauf reagiert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Strahls kohärenten Lichts bereit, dessen Lichtleistung in Abhängigkeit von der An­ regungsreduktion unter den Laserschwellenwert um einen grö­ ßeren Anteil gesenkt wird als der ursprüngliche Lichtstrahl des Lasers, der sowohl spontanes als auch stimuliertes Licht erzeugt. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Anre­ gen des Lasers, um den Strahl spontanen und stimulierten Lichts zu erzeugen; Durchgang des Strahls durch ein im Strahlengang des vom Laser abgegebenen Strahls angeordnetes konvergentes optisches System; und Einführung des Strahls in einen an dem Punkt des konvergenten optischen Systems, wo die Strahlen konvergieren, angeordneten Lichtwellenleiter, um den Strahl an ein Ausgangsende des Lichtwellenleiters zu übertragen. Der Lichtwellenleiter ist so gewählt, daß er eine Kerngröße und ein Brechungsindexprofil hat, die so ge­ wählt sind, daß bei jeder Wellenlänge, die einen wesent­ lichen Teil der Diodenlaseremission ausmacht, nur der Wel­ lenmode des Lichtwellenleiters mit der niedrigsten Ordnung bei der betreffenden Wellenlänge Licht übertragen kann, wo­ durch der Anteil der durch die stimulierte Emission gebilde­ ten gesamten übertragenen Lichtleistung am Ende des Licht­ wellenleiters größer ist als am Ausgang des Lasers.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfin­ dung ein Verfahren bereit zum Schreiben von Bildern mit einem Strahl kohärenten Lichts, dessen fokussierte Breite hinsichtlich Querschnittsgröße, Form und Position unabhängig von der dem Laser übertragenen Anregung im wesentlichen kon­ stant ist und dessen Lichtleistung in Abhängigkeit von der Reduktion der Anregung, mit der der Laser beaufschlagt wird, unter den Laserschwellenwert um einen größeren Anteil ge­ senkt wird als der ursprüngliche Lichtstrahl des Lasers, der sowohl spontanes als auch stimuliertes Licht erzeugt. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Anregen des Lasers, um den Strahl spontanen und stimulierten Lichts zu erzeugen; Durchgang des Strahls durch ein im Strahlengang des vom Laser abgegebenen Strahls angeordnetes konvergentes opti­ sches System; und Einführung des Strahls in einen an dem Punkt des konvergenten optischen Systems, wo die Strahlen konvergieren, angeordneten Lichtwellenleiter, um den Strahl an ein Ausgangsende des Lichtwellenleiters zu übertragen.

Der Lichtwellenleiter ist so gewählt, daß er eine Kerngröße und ein Brechungsindexprofil hat, die so gewählt sind, daß bei jeder Wellenlänge, die einen wesentlichen Teil der Diodenlaseremission ausmacht, nur der Wellenmode des Licht­ wellenleiters mit der niedrigsten Ordnung bei der betreffen­ den Wellenlänge Licht übertragen kann, wodurch der Teil der durch die stimulierte Emission gebildeten gesamten übertra­ genen Lichtleistung am Ende des Lichtwellenleiters größer ist als am Ausgang des Lasers. Das Verfahren beinhaltet fer­ ner den Schritt der Leitung des Strahls vom Ausgang des Lichtwellenleiters auf ein Bildaufzeichnungselement, das auf die vom Ende des Lichtwellenleiters abgehende stimulierte Emission reagiert, um auf dem Bildaufzeichnungselement ein Bild zu erzeugen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine von einem Diodenlaser abgegebene normalisierte Lichtleistung als Funktion der Laseranregung ohne Lichtwellenleiter im Strahlengang;

Fig. 2 eine von einem Diodenlaser erhaltene Lichtleistung als Funktion der Laseranregung mit und ohne Einmoden- Lichtwellenleiter im Strahlengang;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs zur Messung der Strahlungsverteilung aus einem Dioden­ laser an der fokussierten Breite ohne Verwendung eines Lichtwellenleiters;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs zur Messung der Strahlungsverteilung aus einem Dioden­ laser an der fokussierten Breite bei Verwendung eines mit dem Laser "muffengekoppelten" Einmoden-Licht­ wellenleiters;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs zur Messung der Strahlungsverteilung aus einem Dioden­ laser an der fokussierten Breite bei Verwendung einer konvexen Linse zur optischen Kopplung eines Einmoden- Lichtwellenleiters an den Laser;

Fig. 6 die fokussierte Breite für die direkte Emission eines Diodenlasers anhand des Anteils der Strahlungsspitze bei Anregung des Diodenlasers oberhalb und unterhalb des Laserschwellenwerts;

Fig. 7 die fokussierte Breite für die Emission eines Dioden­ lasers nach der Übertragung durch einen Einmoden- Lichtwellenleiter anhand des Anteils der Strahlungs­ spitze bei Anregung des Diodenlasers oberhalb und unterhalb des Laserschwellenwerts.

Wie eingangs erwähnt wurde, ist in Zusammenhang mit bild­ belichtenden Lasereinrichtungen eine Reihe von Punkten zu berücksichtigen, um eine in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht vorteilhafte Schreib- oder Druckeinrichtung bereit­ zustellen. Bekanntlich ist die fokussierte Breite, erzeugt durch die spontane Emission eines Diodenlasers, der unter­ halb seines Laserschwellenwerts, bzw. unterhalb der stimu­ lierten Emission, betrieben wird, typischerweise größer als die mit der gleichen Optik erzeugte fokussierte Breite, wenn der Laser oberhalb seines Laserschwellenwerts betrieben wird, und zwar wegen der räumlichen Abhängigkeit der Wellen­ moden des durch reflektierende oder beugende Elemente abge­ schlossenen Hohlraumresonators des Lasers und wegen des Strahlungsprofils des Verstärkungsmediums zu Beginn der Lasertätigkeit und der Änderung in der Kohärenz des Lichts. Es ist daher vorzuziehen, Laserschreibeinrichtungen in einem Drucker oberhalb des Laserschwellenwerts zu betreiben. Weiter wird das von vielen Arten von Diodenlasern abgegebene stimulierte Licht bei einer Reduktion der Anregung des Lasers unter den Laserschwellenwert um einen größeren Anteil verringert und kann auf eine Strahlbreite mit begrenzter Beugung fokussiert werden. Es ist bekannt, daß die spontane Emission bei ihrer Abhängigkeit von der Anregung unterhalb des Laserschwellenwert-Stroms, mit der der Laser beauf­ schlagt wird, eine unterschiedliche Steigung ohne Schwellen­ wert aufweist und daß sie zu einer Strahlbreite mit im Ver­ gleich zur stimulierten Emission des gleichen Lasers unter­ schiedlicher Querschnittsgröße fokussiert. Das von vielen Lasern abgegebene stimulierte Licht liegt grundsätzlich im Wellenmode Gaußscher Krümmung mit der niedrigsten Ordnung vor, der durch die den Hohlraumresonator abschließenden Reflektoren oder Beugungselemente verstärkt wird, so daß eine Grundlage für die Unterscheidung gegenüber dem vom Laser abgegebenen spontanen Licht gegeben ist, das in zahl­ reichen Wellenmoden gleichzeitig auftritt. Die Unterschei­ dung gegenüber spontanem Laserlicht ist wünschenswert, da das sich ergebende und vorwiegend aus stimulierter Emission zusammengesetzte Licht bei einer Reduktion der Anregung unter den Laserschwellenwert um einen größeren Anteil ge­ senkt wird und eine stabile fokussierte Breite erzeugt, so daß die Regelung und Einstellung des Lichts für die Belich­ tung von Bildern erleichtert wird.

Der Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, daß es die vor­ zugsweise Übertragung der stimulierten Emission eines Diodenlasers durch einen Einmoden-Lichtwellenleiter im Ver­ gleich zur Übertragung der spontanen Emission des Dioden­ lasers ermöglicht, das von einem Diodenlaser abgegebene Licht bei einer Reduktion der Anregung, mit der der Dioden­ laser beaufschlagt wird, um einen größeren Anteil zu senken. Dies wird veranschaulicht durch die grafische Darstellung der von einem Diodenlaser abgegebenen Lichtleistung in Fig. 1 und Fig. 2. Die Leistung des von einem Diodenlaser abgege­ benen Lichts (die Ausgangsleistung) ohne Durchgang durch einen Einmoden-Lichtwellenleiter ist durch die gestrichelte Kurve 10 in Fig. 1 dargestellt. In diesem Diagramm ist die "Normalisierte Lichtleistung", die die erfaßte Intensität der Laserausgabe ist, ausgedrückt als Teilmenge des empfan­ genen Lichts bei Betrieb des Diodenlasers mit maximaler Nennleistung, aufgetragen als Funktion der "Anregung", die typischerweise durch die Größe des elektrischen Stroms be­ stimmt wird, der in den Diodenlaser injiziert wird. Die bei dem Laser verfügbare maximale Nennleistung 20 ist die abge­ gebene Lichtleistung, wenn der Diodenlaser, ohne den Laser zu beschädigen oder sonstige unerwünschte Effekte des Lasers hervorzurufen, wie beispielsweise eine abfallende Steigungs­ effizienz durch die Selbsterwärmung bei hoher Leistung, mit der größtmöglichen Anregung beaufschlagt wird. Die normali­ sierte Lichtleistung für den Laser bei maximaler Nennlei­ stung 20 ist der höchste Pegel in Fig. 1 und Fig. 2. Die Normalisierung der Achsen des Diagramms erleichtert den Ver­ gleich der Systemausgabe mit und ohne einen Einmoden-Licht­ wellenleiter, ohne die Resultate durch die Verluste zu ver­ zerren, die durch die Kopplung und den Durchgang des Lichts durch den Lichtwellenleiter entstehen. Entsprechend der Dar­ stellung in Fig. 1 nimmt die durch die gestrichelte Linie 10 dargestellte normalisierte Lichtleistung der Diodenlaser­ emission bei steigender Anregung langsam zu, und sie umfaßt anfänglich im wesentlichen nur die spontane Emission in dem durch die Bezugszahl 11 angegebenen Teilabschnitt der Kurve. Ist der Laserschwellenwert erreicht - dies ist etwa an der Stelle 12, dem "Knie" der Kurve, der Fall - weist der Aus­ gang des Diodenlasers einen Übergang von vorwiegend sponta­ ner Emission zu vorwiegend stimulierter Emission auf, im Übergangsbereich sind veränderliche Teilmengen beider Emis­ sionen enthalten. Mit zunehmender Anregung nimmt der Anteil der stimulierten Emission zu, bis das meiste vom Diodenlaser erzeugte Licht stimulierte Emission ist, die dann bei Zunah­ me der Anregung bzw. des Stroms über den Laserschwellenwert fast linear und mit viel steilerer Steigung, wie beispiels­ weise bei 14 dargestellt, zunimmt. Ein übliches Verfahren zur Ableitung der Anregung am Laserschwellenwert 34 besteht darin, das lineare Ansprechverhalten bis zum Schnittpunkt mit der Abszisse zu extrapolieren, wie es durch die dünne durchgehende Linie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist. Ferner sind in Fig. 1 signifikante Pegel dargestellt, die das Ansprechverhalten eines Bildaufzeichnungsmediums in bezug auf die abgegebene Leistung im Vergleich zur normali­ sierten Lichtleistung wiedergeben (Pegel 18 und 22 und Ab­ stand 24 zwischen den Pegeln). Dieses Verhältnis zeigt, daß eine geeignete Abschwächung der Teilmenge der Lichtleistung, die auf das Bildaufzeichnungsmedium gerichtet ist, dem maxi­ mal erforderlichen Belichtungspegel 18 des Mediums bei einem Lichtleistungspegel entspricht, der geringfügig niedriger ist als die für den Diodenlaser verfügbare Nennleistung 20. In ähnlicher Weise entspricht der minimal erforderliche Belichtungspegel 22 des Bildaufzeichnungsmediums einem Lei­ stungspegel, der etwas über dem vollständigen Erlöschen der Lichtleistung liegt. Wenn ein Halbtonbild auf dem Medium er­ zeugt werden soll, kann eine höchstzulässige Lichtleistungs­ zunahme 24 bestimmt werden, die ein Halbtonbild ohne un­ erwünschte und im sich ergebenden Bild sichtbare Dichte­ gradienten erzeugt. Durch den Auftrag der Lichtleistungs­ zunahme als Funktion der Anregung ist ersichtlich, daß eine Anzahl einzelner Anregungs-Leistungs-Zunahmen für die Beauf­ schlagung des Diodenlasers verfügbar sein muß, um die Aus­ gangslichtpegel zu erzielen, die erforderlich sind, um dem Bildaufzeichnungsmedium einen geeigneten Bereich von Belich­ tungspegeln vom minimal erforderlichen Belichtungspegel 22 bis zum maximal erforderlichen Belichtungspegel 18 zu lie­ fern.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 tritt der Laser­ schwellenwert 12 des Diodenlasers bei einem Injektionsstrom auf, der ein signifikanter Teilabschnitt des Betriebsstrom­ bereichs 28 ist, der erforderlich ist, um den gewünschten Bereich des möglichen Ansprechverhaltens des Mediums bereit­ zustellen. Somit muß ein großer Anteil des Bereichs des Injektionsstrommodulators des Diodenlasers verwendet werden, um die Diodenlaseremission von der Lichtleistung am Laser­ schwellenwert 12, der bei einem Beispiel eines Diodenlasers etwa 2,5% der angegebenen maximal abgegebenen Leistung beträgt, auf den minimal erforderlichen Belichtungspegel 22 zu senken, der bei einem Beispiel eines Bildaufzeichnungs­ mediums etwa 0,5% der angegebenen maximal abgegebenen Lei­ stung beträgt, und um so den Lichtpegel unterhalb eines Wer­ tes zu löschen, der ein für Druck- und Kommunikationsanwen­ dungen erfaßbares Ansprechverhalten erzeugt. Dies erfordert entweder die Verwendung eines kostspieligeren Modulators mit größerem Dynamikbereich, als er ansonsten erforderlich wäre, oder die Akzeptanz einer nicht optimalen Tonskala des Bildes bei geringerer Qualität der sich ergebenden Bilder.

Es hat sich ergeben, daß die scheinbare Löschung des Lichts aus dem Laser verstärkt werden kann, indem die Emission des Diodenlasers durch einen Einmoden-Lichtwellenleiter geführt wird. Der Lichtwellenleiter ist so gewählt, daß bei jeder Wellenlänge der wesentlichen vom Laser erzeugten Emission nur der Wellenmode mit der niedrigsten Ordnung übertragen wird. Ein Einmoden-Lichtwellenleiter, der die stimulierte Emission wirksam vom Laser überträgt, und zwar möglichst mit geeigneter Kopplungsoptik, die die mit Gaußscher Krümmung verlaufende Strahlungsverteilung des stimulierten Lichts an den annähernd mit Gaußscher Krümmung verlaufenden Wellenmode des Lichtwellenleiters angleicht, erreicht einen Rückgang der Lichtleistung bei kleinerer Reduktion des Injektions­ stroms unter den Laserschwellenwert, wodurch der Bereich des Injektionsstrommodulators reduziert wird, der erforderlich ist, um den Diodenlaser so zu betreiben, daß der gewünschte Bereich des Ansprechverhaltens des Mediums verwertet wird. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die normalisierte Lichtleistung am Ende eines Einmoden-Lichtwellenleiters als Funktion der Anregung durch eine gestrichelte Kurve 30 dar­ gestellt ist. In Fig. 2 ist die Kurve 30 über die in Fig. 1 wiedergegebenen Daten gelegt, so daß die verstärkte Senkung der Lichtleistung bei Anregung unter dem Laserschwellenwert dargestellt wird. Diese Verminderung des Lichts um einen größeren Anteil scheint sich aus dem Umstand zu ergeben, daß die schwache Führung des Einmoden-Lichtwellenleiters die gleichförmigere und nahezu mit Lambertscher Verteilung ver­ laufende spontane Emission eines Diodenlasers, der mit weni­ ger als seinem Laserschwellenwert-Strom beaufschlagt wird, nur schlecht überträgt. Der größte Teil der spontanen Emis­ sion des Diodenlasers, die in die Lichtwellenleiter-Fläche gekoppelt ist, tritt aus der Seitenwand des Lichtwellen­ leiters aus. Wenn somit ein signifikanter Teil der Dioden­ laseremission wegen des Betriebs des Injektionsstroms nahe dem Laserschwellenwert aus spontaner Emission besteht, wird der größte Teil der spontanen Emission nicht durch den Lichtwellenleiter übertragen. Der Anteil der normalisierten Lichtleistung zwischen dem Bereich ohne Injektionsstrom und dem Laserschwellenwert-Strom wird durch die Übertragung des Laserausgangs durch den Einmoden-Lichtwellenleiter im Ver­ gleich zur Übertragung ohne Lichtwellenleiter in signifikan­ ter Weise unterdrückt, wie durch den Vergleich der Kurven 10 und 30 in Fig. 2 dargestellt ist. Der Laser kann somit unterhalb des Laserschwellenwerts mit einem näher am Schwel­ lenwertstrom 34 liegenden Injektionsstrom betrieben werden, ohne auf dem Aufzeichnungsmedium eine Bilddichte zu erzeu­ gen, so daß eine konsistentere Temperatursteuerung und ein schnelleres Ein-Aus-Ansprechverhalten möglich werden, da im Vergleich zur alleinigen Verwendung des Lasers ohne Verwen­ dung des Einmoden-Lichtwellenleiters eine geringere Änderung des Injektionsstroms erforderlich ist.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 tritt zudem der Laserschwellenwert 34 des Diodenlasers bei einem Injektions­ strom auf, der im Vergleich zum Bereich 28 in Fig. 1, der zur Bereitstellung des gewünschten Bereichs des Ansprech­ verhaltens des Mediums erforderlich ist, eine weniger signi­ fikante Teilmenge des Betriebsstrombereichs 36 darstellt. Somit braucht eine größere Teilmenge des Dynamikbereichs des Injektionsstrommodulators für den Diodenlaser nicht für das Auslöschen der Diodenlaseremission unterhalb des Pegels ver­ wendet zu werden, bei dem bei vielen Druck- und Kommunika­ tionsanwendungen eine Bilddichte erzeugt wird. Damit können weniger kostspielige Modulatoren verwendet werden, die einen kleineren Dynamikbereich haben, als er bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung erforderlich ist, wobei mit weni­ ger kostspieligen Vorrichtungen eine optimale Tonskala des Bildes und Bilder in besserer Qualität bereitgestellt wer­ den.

Die in Fig. 1 und Fig. 2 wiedergegebenen Daten wurden aus dem Betrieb der in Fig. 3, 4 und 5 dargestellten Anordnungen entnommen. Bei jeder dieser Konfigurationen wird ein Laser 40 verwendet, beispielsweise ein Modell TOLD 9211s von Toshiba, der rotes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 670 nm bei einer maximalen Leistung von 5 mW abgibt, um einen Ausgangsstrahl 42 zu erzeugen. Bei der in Fig. 3 dargestell­ ten Anordnung wird der Ausgangsstrahl 42 durch die Fokus­ sieroptik 44 zu einem Abtastschlitz 46 geführt, der die Mes­ sung des Intensitätsprofils des Strahls mit einem Fotodetek­ tor 48 ermöglicht. Der Schlitz 46 wird bei der Messung der gesamten Strahlleistung entfernt, um die durch die in Fig. 1 und Fig. 2 wiedergegebene Linie 10 dargestellte normalisier­ te Lichtleistung zu erhalten. Die Anordnungen in Fig. 4 und Fig. 5 verwenden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, wobei der Ausgang des Lasers 40 in einen Einmoden-Lichtwel­ lenleiter 50 eingeführt wird, beispielsweise in einen von der Fa. Radiant Communications erhältlichen Lichtwellenlei­ ter, der einen Kern-Mantel-Durchmesser von 3,7 µm mit ring­ förmiger, lichtdurchlässiger Umhüllung mit einem Außendurch­ messer von 125 µm hat, sowie eine numerische Apertur von 0,11 und einen Moden-Felddurchmesser von 4,6 µm bei 630 nm mit kritischer Einmoden-Wellenlänge von 590 nm. Bei der in Fig. 4 wiedergegebenen Anordnung ist der Diodenlaser 40 mit dem Einmoden-Lichtwellenleiter 50 muffengekoppelt. Bei die­ ser Anordnung wird die fokussierte Breite im wesentlichen konstantgehalten, und es wird erfindungsgemäß eine größere anteilige Senkung der Lichtleistung in Abhängigkeit von der Reduktion des Injektionsstroms, mit dem der Laser unterhalb des Laserschwellenwerts beaufschlagt wird, bereitgestellt, falls eine ausreichende Länge (normalerweise mehr als 2 cm) des Lichtwellenleiters zur Übertragung des Lichts verwendet wird. Die geringe Kopplung, die auf die Muffenkopplung zurückgeht, da die Intensitätsverteilung des Lasers nicht dem Moden-Felddurchmesser des Lichtwellenleiters angeglichen ist, ermöglicht es, daß ein beträchtlicher Teil der stimu­ lierten Emission durch die Lichtwellenleiter-Fläche mit einem Durchmesser von 125 µm in die Umhüllung eintreten und zusammen mit der spontanen Emission durch die Seitenwand des Lichtwellenleiters austreten kann. Der Lichtwellenleiter überträgt somit einen kleineren Teil der vom Laser abgegebe­ nen Leistung als dies bei Konfigurationen der Fall ist, die das Strahlungsprofil des Lasers und die Streuung an den Wel­ lenmode des Lichtwellenleiters mit niedrigster Ordnung an­ gleichen.

Die Verwendung einer optischen Kopplung zwischen dem Laser 40 und dem Lichtwellenleiter 50, wie durch die Linsenanord­ nung 52 in Fig. 5 dargestellt ist, ist die bevorzugte Konfi­ guration zur Erzielung der größten anteiligen Senkung der Lichtleistung bei Reduktion des Injektionsstroms unter den Laserschwellenwert und der bestmöglichen Konstanz der fokus­ sierten Breite bei größter durch den Lichtwellenleiter über­ tragener Lichtleistung. Die mit dieser Anordnung gewonnenen Daten wurden verwendet, um in Fig. 2 die Kurve 30 für einen Vergleich mit der Kurve 10 zu erzeugen. Die Verwendung des konvergenten optischen Systems 52, das aus sphärischen, zylindrischen oder ringförmigem Linsen, gekrümmten Spiegeln, Gradientenindexlinsen, optischen Beugungselementen und einer am Eingang des Einmoden-Lichtwellenleiters ausgebildeten ge­ krümmten Fläche bzw. einem darin vorgesehenen Brechungs­ indexgradienten zusammengesetzt sein kann, ermöglicht die Einstellung der Breite und der Krümmung des zweidimensiona­ len und möglicherweise astigmatischen Gaußschen Strahlungs­ profils des Lasers, um sie an das als Bessel-Funktion ver­ laufende Akzeptanzprofil des Lichtwellenleiters anzuglei­ chen. Somit kann bei Verwendung des geeigneten konvergenten optischen Systems 52 nahezu die gesamte vom Laser erzeugte stimulierte Emission akzeptiert und durch den Lichtwellen­ leiter übertragen werden.

Die Einmodenfaser wird so gewählt, daß nur ihr Wellenmode nullter Ordnung in der Emission des Diodenlasers Licht mit Wellenlängen wesentlicher Leistung führt, und alle Wellen­ moden höherer Ordnung des Lichtwellenleiters ermöglichen den Austritt von Licht durch die Seitenwände des Lichtwellenlei­ ters. Durch die schwache Führung der Einmodenfaser wird das gleichförmigere, nahezu mit Lambertscher Verteilung verlau­ fende spontane Licht, das die Emission des Diodenlasers dar­ stellt, wenn dieser mit weniger als seinem Laserschwellen­ wert-Strom beaufschlagt wird, schlecht übertragen. Es ist weiter bekannt, daß die Menge modalen Lichts höherer Ord­ nung, die durch die Seitenwände des Lichtwellenleiters ver­ lorengeht, erhöht werden kann, indem der Lichtwellenleiter gekrümmt oder in ein Material mit hohem Brechungsindex ein­ gelegt wird.

Die Erfindung hat ferner den Vorteil, daß durch den Durch­ gang des Laserlichts durch den Einmoden-Lichtwellenleiter eine im wesentlichen konsistente fokussierte Breite bereit­ gestellt wird. In Fig. 6 ist ersichtlich, daß bei Betrach­ tung des Ausgangsstrahls des Lasers ohne den Lichtwellenlei­ ter der fokussierte Strahl spontaner Emission, der durch einen Injektionsstrom unterhalb des Laserschwellenwerts er­ zeugt wird, mit dem der Diodenlaser beaufschlagt wird, einen fokussierten Strahl erzeugt, dessen Teilbereich der Strah­ lungsspitze als Funktion des Abstands vom Punktzentrum auf­ gezeichnet wird, wobei er einen Durchmesser 58 aufweist, der größer ist als der Durchmesser 60 der fokussierten Breite der stimulierten Emission, die durch einen Injektionsstrom oberhalb des Laserschwellenwerts erzielt wird. Da die schwa­ che Führung des Lichtwellenleiters nur eine Intensitätsver­ teilung zurückhalten kann, die dem Wellenmode niedrigster Ordnung des Lichtwellenleiters entspricht, ändert sich ent­ sprechend der in Fig. 5 wiedergegebenen Ausführungsform nicht die Querschnittsgröße der vom Ende des Lichtwellenlei­ ters projizierten fokussierten Breite, wenn der Injektions­ strom von unterhalb des Laserschwellenwerts auf oberhalb des Laserschwellenwerts zunimmt, wie in Fig. 7 durch die Kurven 62 bzw. 64 dargestellt ist.

Anhand eines Vergleichs der beiden Kurven 10 und 30 in Fig. 2 ist somit ersichtlich, daß eine signifikante Verbesserung der Löschung des Lichts erzielt werden kann, das bei einem Injektionsstrom unterhalb des Laserschwellenwerts eines Diodenlasers entsteht, wobei es ausreicht, den Laseraus­ gangsstrahl durch einen Einmoden-Lichtwellenleiter zu kop­ peln, um die Verwendung direkter Modulation des Injektions­ stroms zum Diodenlaser zu ermöglichen und somit die Belich­ tung des aufgezeichneten Bildes zu modulieren. Beim Beispiel eines Diodenlasers Toshiba 9211s, der ein Verhalten ähnlich der Darstellung in Fig. 2 aufweist, beträgt die normalisier­ te Lichtleistung nach der Übertragung durch den Einmoden- Lichtwellenleiter nur ein Drittel der normalisierten Licht­ leistung, die vom Diodenlaser abgegeben wird, wenn dieser mit der Hälfte des Injektionsstroms für den Laserschwellen­ wert beaufschlagt wird.

Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist, daß die Kopplung des Lichtwellenleiters den Austausch und die Neuausrichtung des Diodenlasers deutlich vereinfacht. Zudem ergibt sich, daß der Astigmatismus des Ausgangsstrahls eines Diodenlasers im wesentlichen durch den Durchgang dieses Ausgangsstrahls durch den Einmoden-Lichtwellenleiter eliminiert wird. Der Einmoden-Lichtwellenleiter erzeugt eine konsistente, glatte, kreisförmig symmetrische Strahlungsverteilung, wodurch die Gestaltung der folgenden optischen Anordnung vereinfacht wird, die Notwendigkeit einer Einstellung einer strahl­ formenden Optik für jeden Laser entfällt, einige strahl­ formende Optiken entbehrlich werden und der Austausch bzw. der Ersatz der Diodenlaser erleichtert wird.

Zusätzlich zu den eingangs erwähnten bevorzugten Ausfüh­ rungsformen kann die Erfindung selbstverständlich in Verbin­ dung mit einem reflektierenden Spinnhologon oder Polygon, einem an einem Galvanometer befestigten Spiegel oder anderen Formen von Strahlablenkeinrichtungen in einem Drucker ver­ wendet werden. Der Laser und der Einmoden-Lichtwellenleiter können in einer Einzellaser-Lichtwellenleiter-Kombination verwendet werden oder mit mehreren Lasern und mehreren Lichtwellenleitern, die gleichzeitig mit identischen oder unterschiedlichen Eingangssignalen schreiben.

Weiter ist es möglich, den Laser in Verbindung mit dem Ein­ moden-Lichtwellenleiter mit einer (nicht dargestellten) ein­ stellbaren und in der in Fig. 5 dargestellten Linsenanord­ nung 52 befindlichen Blende zu verwenden, um die Lichtaus­ gabe nach der Emission durch den Laser 40 zu begrenzen. Ein derartiges Dämpfungsglied mit geregelter Blendenöffnung könnte das Strahlungsprofil an der Eingangsfläche des Licht­ wellenleiters erweitern und die an den Ausgang des Lichtwel­ lenleiters übertragene Lichtmenge weiter reduzieren, während die Kopplung an den Lichtwellenleiter hinsichtlich der Posi­ tion des Lichtwellenleiters bezüglich der optischen Achse weniger empfindlich wird.

Weitere Anwendungen der Erfindung können auf folgenden Gebieten erfolgen: Signalgebung und Kommunikation mit Diodenlasern; Instrumentierung, wobei eine eine konstante Leistung abgebende Lichtquelle über einen weiten Bereich einstellbar sein muß, um dem empfindlichsten Bereich eines Detektors zu entsprechen; optische Computeranwendungen, bei denen Summierungen oder Multiplikationen durchgeführt wer­ den, indem der akkumulierte Lichtpegel beobachtet wird, der durch das lineare Ansprechverhalten auf elektrische Ströme entsteht, die proportional zu den numerischen Eingabewerten verlaufen; Rastermikroskopie oder Raster-Atomic-Force-Mikro­ skopie, wobei die Lichtleistung der Quelle variiert wird, um die Signalstärke des Objekts zu kompensieren, so daß das An­ sprechverhalten des Detektors durch ein Servosystem kon­ stantgehalten wird.

Die Erfindung wurde ausführlich mit besonderem Bezug auf eine derzeit bevorzugte Ausführungsform beschrieben, doch selbstverständlich können im Rahmen und gemäß dem Umfang der in den folgenden Patentansprüchen dargelegten Erfindung Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden.

Zeichnungsbeschriftung

Fig. 1:
a Normalisierte Lichtleistung
b Anregung
Fig. 2:
a Normalisierte Lichtleistung
b Anregung
Fig. 3:
Fig. 4:
Fig. 5:
Fig. 6:
c Anteil der Strahlungsspitze
d Position (µm)
Fig. 7:
c Anteil der Strahlungsspitze
d Position (µm).

Claims (6)

1. Optisches System für einen Laserstrahl, mit einem Laser (40), der gemäß der ihm übertragenen Anregung sowohl eine stimulier­ te als auch eine spontane Emission sowie einen diese Emissio­ nen aufweisenden Ausgangsstrahl (42) erzeugt, und mit einem Lichtwellenleiter, der derart angeordnet ist, daß er den Aus­ gangsstrahl des Lasers aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (50) eine Kerngröße und ein Brechungs­ indexprofil besitzt, die so gewählt sind, daß bei jeder Wel­ lenlänge nur der Wellenmode des Lichtwellenleiters mit der niedrigsten Ordnung, der einen wesentlichen Teil der Laser­ emission ausmacht, die Laseremission übertragen kann.

2. Optisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein konvergentes optisches System (52), das im Strahlengang des vom Laser abgegebenen Strahls angeordnet ist, wobei der Licht­ wellenleiter (50) an dem Punkt des konvergenten optischen Systems vorgesehen ist, wo die Strahlen konvergieren, um den von diesem System abgegebenen Strahl zu empfangen.

3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenmode des konvergenten optischen Systems der zum Lichtwellenleiter übertragenen stimulierten Emission des Lasers entspricht.

4. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Ende des Lichtwellenleiters ausgehende Strahl unabhän­ gig von der dem Laser übertragenen Anregung eine im wesent­ lichen konstante fokussierte Breite und Form hat und daß die Lichtleistung des Strahls in Abhängigkeit von einer Anregungs­ reduktion unter den Laserschwellenwert am Ende des Lichtwel­ lenleiters um einen größeren Anteil gesenkt wird als die Lichtleistung am Ausgang des Lasers.

5. Verfahren zum Erzeugen eines Strahls kohärenten Lichts, dessen Lichtleistung in Abhängigkeit von der Anregungsreduktion unter den Laserschwellenwert um einen größeren Anteil gesenkt wird als der Lichtstrahl eines Lasers, der gemäß der ihm übertrage­ nen Anregung sowohl eine stimulierte als auch eine spontane Emission erzeugt, wobei das Verfahren den Schritt umfaßt Anregen des Lasers, um einen Strahl spontanen und stimulierten Lichts zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl spontanen und stimulierten Lichts in einen Lichtwellenleiter eingeführt wird, der eine Kerngröße und ein Brechungsindexpro­ fil besitzt, die so gewählt sind, daß bei jeder Wellenlänge nur der Wellenmode des Lichtwellenleiters mit der niedrigsten Ordnung, der einen wesentlichen Teil der Laseremission aus­ macht, die Laseremission übertragen kann, wodurch der Anteil der durch die stimulierte Emission gebildeten gesamten über­ tragenen Lichtleistung am Ende des Lichtwellenleiters größer ist als am Ausgang des Lasers.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl durch ein konvergentes optisches System geleitet wird, das im Strahlengang des vom Laser abgegebenen Strahls angeord­ net ist.