DE202005021049U1

DE202005021049U1 - Korrekturoptik für Halbleiterlaser

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Publication number: DE202005021049U1
Application number: DE202005021049U
Authority: DE
Original assignee: Eagleyard Photonics GmbH
Current assignee: Eagleyard Photonics GmbH
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2015-01-22

Abstract

Optische Anordnung (54, 56; 42,46) zur Korrektur der Strahlungseigenschaften von astigmatischer Laserstrahlung (40) eines Halbleiter-Diodenlasers (38; 50), welche in einer ersten Richtung (30) mit einem ersten Divergenzwinkel (28) divergiert und in einer zweiten Richtung (32) mit einem zweiten Divergenzwinkel (34) divergiert, enthaltend
(a) eine erste, optisch einachsige Linse (42; 54) zur Kollimation der Strahlung, und
(b) eine zweite, optisch einachsige Zerstreuungslinse (46; 56), welche unabhängig von der ersten Linse (42; 54) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
(c) die erste (42; 54) und die zweite Linse (46; 56) Gradientenindex-Linsen sind, die zusammen ein monolithisches Bauelement bilden, das mit einem Träger (52) vor dem Laser montierbar ist, wobei der Linsenabstand so ausgewählt ist, dass die virtuellen Quellpunkte auf dem gleichen Punkt in der optischen Achse liegen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung und ein Verfahren zur Korrektur der Strahlungseigenschaften von astigmatischer Laserstrahlung eines Halbleiter-Diodenlasers, welche in einer ersten Richtung mit einem ersten Divergenzwinkel divergiert und in einer zweiten Richtung mit einem zweiten Divergenzwinkel divergiert, enthaltend eine erste, optisch einachsige Linse zur Kollimation der Strahlung, und eine zweite, optisch einachsige Zerstreuungslinse, welche unabhängig von der ersten Linse angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Halbleiter-Diodenlaser zur Erzeugung von Laserstrahlung und eine Verwendung eines solchen Lasers.
Halbleiter-Laserdioden bestehen im wesentlichen aus einem Halbleitermaterial mit einem p-n-Übergang an welchem innerhalb eines Resonators Laserstrahlung erzeugt wird. Solche Halbleiter-Laserdioden sind allgemein bekannt und die Wirkungsweise braucht daher nicht näher beschrieben werden.
Die Abmessungen einer solchen Diode liegen im Bereich von Millimetern. Die Schichtdicke des aktiven Mediums, d.h. des Übergangsbereichs liegt im Bereich von einigen Mikrometern und die Breite des Emissionsbereichs ist wenige hundert Mikrometer. Im Vergleich zu anderen Lasern sind diese Laser also außerordentlich klein. Halbleiterlaser haben weiterhin einen besonders hohen Wirkungsgrad. Das bedeutet, dass die elektrische Energie zu einem besonders hohen Anteil von mehr als 50% in Strahlungsenergie umgewandelt werden kann.
Halbleiter-Laserdioden haben nur ein kleines aktives Medium und können die Energie nicht speichern. Bekannte Halbleiter-Laserdioden emittieren Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 500-1800 nm, entsprechend sichtbaren Licht und nahem Infrarot. Es wurden Laserdioden mit hoher Ausgangsleistung und gleichzeitig guter Strahlqualität, z.B. Taper Laserdioden, entwickelt. Der Leistungsbereich dieser Laser kann im Bereich von einigen Watt liegen.
Die Strahlung von Laserdioden ist aufgrund ihrer Entstehungsweise stark astigmatisch. Astigmatismus ist ein Effekt, bei dem Strahlung in lateraler Richtung an einer anderen Stelle auf der optischen Achse fokussiert wird, als senkrecht dazu. In der senkrechten Richtung hat das aktive Medium der Laserdiode sehr geringe Abmessungen. Dies führt zu Beugung und entsprechend großer Divergenz der entstehenden Strahlung. In lateraler Richtung ist das aktive Medium breiter. Die Divergenz ist daher in dieser Richtung kleiner. Versucht man die Strahlung, z.B. mit einer sphärischen Linse, zu fokussieren, so liegen die Foki der beiden Richtungen hintereinander. Die virtuellen Quellpunkte in diesen beiden Hauptrichtungen sind versetzt auf der optischen Achse angeordnet.
Für die weitere Strahlführung mit kostengünstigen, rotationssymmetrischen optischen Elementen ist eine höhere Symmetrie der Strahlung wünschenswert.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Linsensysteme mit gekrümmten Mikrolinsen zur Strahlformung von Laserdioden einzusetzen. Dabei soll die sehr gute Strahlqualität in der sogenannten schnellen Achse erhalten bleiben. Die schnelle Achse ist die Achse, welche sich in Richtung der Schichtdicke des aktiven Mediums erstreckt. In dieser Richtung entsteht gewöhnlich ein großer Divergenzwinkel der Strahlung im Bereich von mehreren Zehn Grad. Aufgrund der großen Divergenzwinkel werden hohe Ansprüche an die Formtreue der Mikrolinsen gestellt. Die Linsen müssen sehr nah vor der Laserdiode angeordnet werden, da die Brennweite der Linse unterhalb von einem Millimeter liegt.
Es ist bekannt, asphärische Zylinderlinsen mit einer hohen numerischen Apertur einzusetzen. Eine Zylinderlinse ist in einer Richtung gekrümmt, während sie in der anderen, dazu senkrechten Richtung über die gesamte Breite den gleichen Querschnitt aufweist. Man bezeichnet solche Linsen auch als einachsig. Die bekannten Linsensysteme sind sehr justierempfindlich. Weicht das Linsensystem von der Idealposition ab entstehen Bildfehler. Die Linse wird daher meist fest vor der Laserdiode montiert.
Aus der US 5 181 224 ist eine Anordnung bekannt, bei der optisch einachsige Zylinderlinsen zur Korrektur von Licht aus Laserdioden verwendet werden. Die Justage derartiger Anordnungen erfordert eine hohe Genauigkeit und ist aufwändig.
Die Strahlqualität in der "langsamen" Richtung einer Halbleiter-Laserdiode ist bei Hochleistungslaserdioden sehr viel schlechter, als in der "schnellen" Richtung. Die Divergenzwinkel sind kleiner. Es ist bekannt, diese mit einer Zylinderlinse längerer Brennweite und schlechterer Formtreue zu kollimieren. Es ist bekannt, mehrere strahlformende Oberflächen in nur einem Bauelement zusammenzufassen. So werden auch asphärische, z.B. torisch geformte Flächen zur Kollimation und Astigmatismuskorrektur verwendet. Trotz der Bemühungen um eine gute Strahlqualität durch Verbesserung der Linsensysteme und der Laser ist eine Abbildung des auf diese Weise erzeugten Strahls mit preisgünstigen rotationssymmetrischen optischen Bauelementen fehlerbehaftet.
Aus der WO 03/098283 A1 ist eine Anordnung mit Grin-Linsen zur Transformation von astigmatischem Laserlicht bekannt. Die Anordnung verwendet mindestens drei Sammellinsen, welche in verschiedenen Richtungen wirken.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher eine höhere Symmetrie erreicht werden kann und bei welcher keine hohen Anforderungen an die Justiergenauigkeit gestellt werden müssen, um eine gute Abbildungsqualität zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die erste und die zweite Linse Gradientenindex-Linsen sind, die zusammen ein monolithisches Bauelement bilden, das mit einem Träger vor dem Laser montierbar ist, wobei der Linsenabstand so ausgewählt ist, dass die virtuellen Quellpunkte auf dem gleichen Punkt in der optischen Achse liegen. Beide Linsen wirken in der gleichen Richtung. Vorzugsweise wird die schnelle Strahlrichtung beeinflusst. In der langsamen Strahlrichtung bleiben die auftretenden Winkel unbeeinflusst.
Durch diese optische Anordnung wir die Strahlung bezüglich des Divergenzwinkels und des Quellpunktes symmetrisiert. Es entsteht stigmatische Strahlung, die weiterhin divergent ist. Diese lässt sich mit einfachen, rotationssymmetrischen optischen Bauelementen sehr gut abbilden. Die Anordnung beeinflusst die Strahlung nur in einer Richtung. In der anderen, dazu senkrechten Richtung wirkt sie wie eine planparallele Platte. Die Ablenkung erfolgt durch die Gradientenindex (Grin)-Linsen. Bei diesen Linsen handelt es sich um Quader aus Linsenmaterial, bei welchem der Brechungsindex nicht homogen ist. Der Brechungsindex zeigt einen Verlauf, der geeignet ist, einen Strahl in eine gewünschte Richtung zu brechen. Dabei ist es möglich, den Verlauf des Brechungsindexes so zu beeinflussen, dass keine abrupte Änderung auftritt. Im Gegensatz zu einer gekrümmten Linsenoberfläche treten überraschenderweise bei Verwendung von Grin-Linsen keine großen Winkel-Sprünge auf. Bei einer z.B. durch Justierfehler auftretenden Verkippung der Linse wird der Strahl dadurch insgesamt weniger von seiner Sollposition abgelenkt, als bei der gekrümmten Oberfläche einer herkömmlichen Linse. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Grin-Linsen-Paar verwendet. Beide Linsen sind einachsig ausgebildet. Dies ermöglicht es, neben der Angleichung der Divergenzwinkel in unterschiedlicher Richtung auch den virtuellen Quellpunkt einzustellen. Der virtuelle Quellpunkt ist der Punkt, der eine punktförmige Strahlungsquelle bei optimaler Strahlqualität repräsentiert, welche dem erzeugten Strahlungsverlauf entspricht.
Der Strahl verläuft zwischen den Linsen in der beeinflussten Richtung parallel. Eine Änderung des Linsenabstands hat also in der dazu senkrechten Richtung keinen Einfluss auf den virtuellen Quellpunkt. Der Linsenabstand beeinflusst aber den virtuellen Quellpunkt der Richtung, für welche die Strahlung kollimiert wurde. Durch geeignete Wahl des Linsenabstands können die virtuellen Quellpunkte auf diese Weise auf den gleichen Punkt in der optischen Achse gelegt werden. Mit einem einzigen Linsenpaar können auf diese Weise sowohl die Divergenzwinkel, als auch die Lage der virtuellen Quellpunkte zueinander optimiert werden. Gleichzeitig werden die Anforderungen an die Justiergenauigkeit gesenkt.
Die Verwendung eines solchen Linsenpaars zur Korrektur der Strahlungseigenschaften ist selbstverständlich auch für andere Strahlungsquellen möglich, welche die gleichen Strahlungseigenschaften wie ein Halbleiter-Diodenlaser haben.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiter-Diodenlasers mit mehreren Emittern und angedeutetem Strahlungskegels
2 zeigt die Intensität eines Laserstrahls über den Querschnitt bei verschiedenen Moden
3 zeigt das Verhältnis von Fokus und Strahldichteverlauf eines Laserstrahls
4 veranschaulicht den Wellenlängenbereich von Halbleiter-Diodenlasern
5 ist eine schematische Darstellung eines Laserstrahls mit unterschiedlichen Divergenzwinkeln in schneller und langsamer Richtung, sowie unterschiedlichen virtuellen Quellpunkten
6 ist eine schematische Darstellung eines Lasers mit einer Korrekturoptik aus Grin-Linsen
7 zeigt einen praktischen Aufbau einer Korrekturoptik aus 6
8 zeigt ein monolithisches Korrekturmodul zur Astigmatismus-Korrektur Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Halbleiter-Diodenlaser schematisch dargestellt. Der mit 10 bezeichnete Laser umfasst einen Träger 12 zur Kühlung des Halbleiters. Der Träger besteht aus goldbeschichtetem Kupfer und bildet eine Wärmesenke. Auf dem Träger 12 ist der Halbleiter 14 angeordnet. Der Halbleiter besteht aus Galliumarsenid (GaAs) und umfasst im wesentlichen drei Schichten. Eine p⁺-dotierte Schicht, eine n^–-dotiert-Schicht und den dazwischen liegenden Wellenleiter. Dieser Übergangsbereich stellt das aktive Medium dar. An den Enden 16 und 18 ist der Halbleiter zur Bildung des Laser-Resonators verspiegelt. Die Länge des Resonators liegt im Bereich von einigen Millimetern. Die Breite des Aktiven Mediums liegt im Bereich von einigen 5-500 Mikrometern. Die Schichtdicke des aktiven Mediums liegt im Bereich von einigen wenigen Mikrometern. Mit 20 sind die elektrischen Kontakte bezeichnet.
Am Ende 18 des Resonators tritt die im aktiven Medium erzeugte Laser-Strahlung durch den teildurchlässigen Spiegel aus. In 1 sind mehrere aktive Medien nebeneinander angeordnet, so dass sich eine Vielzahl von Strahlen über eine große Breite verteilen. Der vorliegende Halbleiter-Laser arbeitet in der senkrechten, schnellen Achse im Grund Mode, wie sie in 2a gezeigt ist. Die übrigen Moden werden bei der gezeigten Laseranordnung überwiegend unterdrückt. Dadurch erhält der Laserstrahl eine im wesentlichen Gauß-förmige Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt. Dies ist in 3 dargestellt. In 3 bezeichnet z die Ausbreitungsrichtung des Lichts. Wie bei Laserlicht üblich, wird als Fokus die Stelle bezeichnet, an welcher die Strahltaille den minimalen Querschnitt aufweist. Bei der Grundmode hat die Strahlung hier ihre größte Strahldichte. Die Wellenlängen für Halbleiter-Diodenlaser sind in 4 dargestellt. Je nach Material des aktiven Mediums wird eine Wellenlänge zwischen 500 und 1800 nm erzeugt.
Aufgrund der Abmessungen wird die Strahlung gebeugt. Die kleine Schichtdicke bewirkt eine stärkere Beugung in Richtung der schnellen Achse 22 (1) und eine geringere Beugung in Richtung der langsamen Achse 24. Dies führt zu einem unterschiedlichen Divergenzwinkel der erzeugten Strahlung. Die Strahlung lässt sich daher in dieser Form nicht mehr gut in einem Punkt fokussieren. In 5 ist dieser Effekt schematisch dargestellt. Die Strahlung breitet sich in der mit 26 bezeichneten Richtung entlang der optischen Achse aus. Der größere Divergenzwinkel in der schnellen Richtung 30 ist mit 28 bezeichnet. Der kleinere Divergenzwinkel in der langsamen Richtung 32 ist mit 34 bezeichnet. Man erkennt, dass die Strahlung unsymmetrisch ist. Der virtuelle Quellpunkt 36 liegt für die schnelle Richtung 30 entlang der optischen Achse hinter dem virtuellen Quellpunkt 38 für die langsame Richtung 32. Die Strahlung ist daher ohne eine angemessene Korrektur nicht mehr in einem Punkt fokussierbar. Es kann mit einer rotationssymmetrischen Linse keine Strahltaille erzeugt werden, die an einem gemeinsamen Punkt auf der optischen Achse 26 in beiden Richtungen 30 und 32 ein Minimum annimmt.
In 6 ist schematisch dargestellt, wie die von dem Laser erzeugte astigmatische Strahlung korrigiert wird. Der Laser ist mit 38 bezeichnet. Die astigmatische Strahlung 40 wird durch eine erste Grin-Linse 42 geleitet. Die Grinlinse 42 ist als einachsige Linse ausgebildet. Sie kollimiert die Strahlung 40 in der schnellen Richtung 30 und erzeugt so einen in einer Richtung parallelen Strahl 44. Die Strahlung in der langsamen Richtung 32 bleibt divergent. Hinter der ersten Linse 42 ist eine weitere Grin-Linse 46 angeordnet. Auch diese Grin-Linse ist einachsig ausgebildet. Die Grin-Linse 46 weist einen Verlauf des Brechungsindexes auf, der eine Zerstreuung des kollimierten Strahls in der schnellen Richtung 30 bewirkt. Die Verläufe der Brechungsindizes in den beiden Linsen und der Abstand der Linsen sind so aufeinander abgestimmt, dass die aus der Optik austretende Strahlung 48 den gleichen Divergenzwinkel in der schnellen Richtung 30 aufweist, wie in der langsamen Richtung 32 und die Lage der Strahltaille auf der optischen Achse 26 für die beiden Richtungen 30 und 32 gleich ist. Damit ist die Strahlung mit rotationssymmetrischen Elementen in einem Punkt fokussierbar.
Der Abstand der beiden Linsen wird so gewählt, dass die virtuellen Quellpunkte (5) übereinander liegen.
In 7 ist die gesamte Anordnung dargestellt. Die Diode 50 ist fest mit einem Träger 52 verbunden. Die Linsen 54 und 56 sind auf dem Träger befestigt. Beide Linsen sind Quader-förmig, mit verschiedenen Außenabmessungen. Für die Linse 54 ist daher ein Abstandstück 60 zwischen dem Träger 52 und der Linse 54 vorgesehen. Aufgrund der geraden Kanten und Flächen sind die Linsen sehr leicht justierbar und befestigbar. Justierfehler werden auf diese Weise minimiert. Weiterhin fallen Justierfehler bei Grinlinsen nicht so stark ins Gewicht. Die Strahlung 58 verlässt die Anordnung in divergenter Form. Sie kann z.B. in eine Faseroptik eingekoppelt werden oder in Lese- und Schreibgeräten für optische Speichermedien verwendet werden.
Die gezeigte Korrekturoptik kann zu einem monolithischen Modul verkittet oder versprengt werden. Dies ist in 8 gezeigt. Dadurch vereinfacht sich die Handhabung und Justierung.

Claims

Optische Anordnung (54, 56; 42,46) zur Korrektur der Strahlungseigenschaften von astigmatischer Laserstrahlung (40) eines Halbleiter-Diodenlasers (38; 50), welche in einer ersten Richtung (30) mit einem ersten Divergenzwinkel (28) divergiert und in einer zweiten Richtung (32) mit einem zweiten Divergenzwinkel (34) divergiert, enthaltend (a) eine erste, optisch einachsige Linse (42; 54) zur Kollimation der Strahlung, und (b) eine zweite, optisch einachsige Zerstreuungslinse (46; 56), welche unabhängig von der ersten Linse (42; 54) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass (c) die erste (42; 54) und die zweite Linse (46; 56) Gradientenindex-Linsen sind, die zusammen ein monolithisches Bauelement bilden, das mit einem Träger (52) vor dem Laser montierbar ist, wobei der Linsenabstand so ausgewählt ist, dass die virtuellen Quellpunkte auf dem gleichen Punkt in der optischen Achse liegen.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Linse (54, 56; 42,46) in der gleichen Richtung wirken.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Linse (54, 56; 42,46) entlang der optischen Achse (26) justierbar angeordnet sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Linse (54, 56; 42,46) in justiertem Zustand dauerhaft arretierbar sind.
Optische Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechkraft der Linsen (54, 56; 42,46) in einem Verhältnis stehen, dass die Divergenzwinkel (28, 34) der Laserstrahlung (58) nach dem Durchgang durch die Linsen (54, 56; 42,46) in der ersten und zweiten Richtung (30, 32) gleich sind.
Optische Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Brennweite der ersten Linse (54; 42) kleiner als 2 mm ist.
Halbleiter-Diodenlaser zur Erzeugung von Laserstrahlung, gekennzeichnet durch eine optische Anordnung (54, 56; 42,46) nach einem der vorgehenden Ansprüche.
Halbleiter-Diodenlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (58) in einem Wellenlängenbereich von 700 bis 1100 nm liegt.
Halbleiter-Diodenlaser nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsbereich des Lasers (38; 50) im Bereich von 0,1 bis 50 Watt liegt.
Halbleiter-Diodenlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsbereich des Lasers (38; 50) im Bereich von 10 bis 30 Watt liegt.
Halbleiter-Diodenlaser nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierenden Bereiche einer Mehrzahl von aktiven Medien nebeneinander angeordnet sind und Mittel zur Überlagerung der Strahlung vorgesehen sind.