DE202006020283U1

DE202006020283U1 - Apparatus for collimating spatially defined light emitters

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Publication number: DE202006020283U1
Application number: DE202006020283U
Authority: DE
Original assignee: GD OPTICAL COMPETENCE GmbH
Current assignee: GD OPTICAL COMPETENCE GmbH
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2016-11-23

Abstract

Vorrichtung zur Kollimation des von einem Emitter einer Laserdiode emittierten Lichts, wobei die Lichtaustrittsöffnung des Emitters in einer ersten Koordinatenrichtung (X-Achse) größer ist als in einer zu dieser senkrecht stehenden zweiten Koordinatenrichtung (Y-Achse) und der Divergenzwinkel des in Richtung einer dritten Koordinatenrichtung (Z-Achse) emittierten Lichtstrahlkegels in der ersten Koordinatenrichtung (X-Achse, Slow-Axis) kleiner ist als in der zweiten Koordinatenrichtung (Y-Achse, Fast-Axis), dadurch gekennzeichnet, dass zur Kollimation des emittierten Lichtstrahlkegels in einer Ebene (X-Y-Ebene) nur ein optisch wirksames Element vorgesehen ist,
– dessen Oberflächenform in Richtung der Z-Achse derart ausgebildet ist, dass sie sowohl das Licht entlang der Fast-Axis als auch das entlang der Slow-Axis zur Bildung einer nahezu ebenen Wellenfront transformiert,- dessen Abstand zur Lichtaustrittsöffnung des Emitters so klein ist, dass die Apertur des emittierten Lichtstrahlkegels im wesentlichen vollständig von der Fläche des optisch wirksamen Elements erfasst wird,
– dessen Lichtaustrittsfläche in X- und Y- Richtung so groß ist,...Apparatus for collimating the light emitted by an emitter of a laser diode, wherein the light exit opening of the emitter in a first coordinate direction (X-axis) is greater than in a second coordinate direction perpendicular thereto (Y-axis) and the divergence angle of the direction of a third Coordinate direction (Z axis) emitted light beam cone in the first coordinate direction (X axis, slow axis) is smaller than in the second coordinate direction (Y axis, fast axis), characterized in that for collimating the emitted light beam cone in a plane (XY plane) only one optically effective element is provided,
The surface shape of which is formed in the direction of the Z axis in such a way that it transforms both the light along the fast axis and that along the slow axis to form a nearly flat wavefront, whose distance to the light exit opening of the emitter is so small, that the aperture of the emitted light beam cone is detected substantially completely by the surface of the optically active element,
- Its light exit surface in the X and Y direction is so large, ...

Description

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Kollimation der Strahlung einer Laserdiodenanordnung in zwei senkrecht zueinander sowie senkrecht zu einer optischen Achse liegenden Koordinatenrichtung zur Erzeugung einer ebenen Wellenfront, und insbesondere eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1.The Innovation relates to a device for collimating the radiation a laser diode array in two perpendicular to each other and perpendicular Coordinate direction to an optical axis for generation a plane wave front, and in particular a device with the features of the preamble of the protection claim 1.

Derartige Vorrichtungen sind bekannt aus z.B. Laserbarren, Laserarrays und anderen, örtlich periodisch oder zumindest definiert angeordneten Lichtquellen. Die Strahlung eines Halbleiterdiodenlasers zeichnet sich durch einen stark divergierenden Strahl aus. Die Divergenz ist meist größer als 1000 mrad. Um die Strahlung solcher Halbleiterdiodenlaser nutzen zu können, sind kollimierende und fokussierende Mikrooptiken oder optische Anordnungen notwendig. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Halbleiterlaserdiode üblicherweise mehrere Emitter oder Emittergruppen in einer Reihe mit einem Abstand von einigen 100 Mikrometern aufweist. Damit sich die Laserstrahlung der einzelnen Emitter oder Emittergruppen nicht bereits vor dem Eintritt in die kollimierenden und fokussierenden Mikrooptiken überlagert, ist es erforderlich, dass diese dicht an dem jeweiligen Halbleiterdiodenlaser oder dem Chip vorgesehen werden. Durch unzulässige oder unzutreffende Auftreffwinkel auf die Mikrooptiken treten ansonsten erhebliche Strahlungsverluste auf. Bei der Auslegung geeigneter Mikrooptiken ist jedoch auch zu berücksichtigen, dass bei Halbleiterlaserdioden der Divergenzwinkel in der Ebene senkrecht zur aktiven Halbleiterschicht, üblicherweise als Fast-Axis bezeichnet, größer ist als der Divergenzwinkel in der Ebene, die in der aktiven Halbleiterschicht liegt. Die Achse, die in der Ebene der Halbleiterschicht liegt, wird mit Slow-Axis bezeichnet.such Devices are known from e.g. Laser bars, laser arrays and other, locally periodically or at least defined light sources arranged. The Radiation of a semiconductor diode laser is characterized by a strongly diverging beam. The divergence is usually greater than 1000 mrad. To use the radiation of such semiconductor diode laser to be able to are collimating and focusing micro-optics or optical Arrangements necessary. It should be noted that a semiconductor laser diode usually several Emitter or emitter groups in a row with a distance of some 100 microns has. So that the laser radiation the individual emitter or emitter groups not already before the Superimposed on the collimating and focusing micro-optics, It is necessary that these close to the respective semiconductor diode laser or the chip can be provided. By inadmissible or incorrect angle of impact otherwise significant radiation losses occur on the micro-optics on. However, in the design of suitable micro-optics is also too consider, in the case of semiconductor laser diodes, the divergence angle in the plane perpendicular to the active semiconductor layer, usually as a fast axis is greater as the divergence angle in the plane in the active semiconductor layer lies. The axis which lies in the plane of the semiconductor layer, is called slow axis.

Aus US 3,396,344 beispielsweise ist bekannt, die divergierende Strahlung einer Halbleiterlaserdiode mit Hilfe zweier in einer optischen Achse hintereinander angeordneter Zylinderlinsen zu kollimieren. Die erste Zylinderlinse ist dabei in der Ebene der aktiven Halbleiterschicht angeordnet und bewirkt eine Kollimation der Fast-Axis. Die zweite Zylinderlinse ist von der Laserdiodenanordnung weiter entfernt und gegenüber der ersten Zylinderlinse senkrecht angeordnet. Sie bewirkt die Kollimation der Slow-Axis. Ebenso ist aus dieser Druckschrift bekannt, mehrere Laserdioden oder Emitter bzw. Emittergruppen in wenigstens zwei Reihen übereinander anzuordnen, um die resultierende kollimierte Strahlungsintensität zu erhöhen. Auf diese Weise ist aufgrund der hohen Apertur entlang der Fast-Axis und der damit verbundenen Bildfehler allerdings keine zufriedenstellende Kollimation des Gesamtstrahlenbündels möglich. In den von den Hauptschnitten abweichenden Bereichen kommt es zu untolerablen Abweichungen. Diese Anordnung benötigt zudem mindestens zwei optisch wirksame Elemente für eine Laserdiodenreihe und lässt eine kompakte Bauweise für ein aus mehreren übereinander angeordneten Laserdiodenreihen bestehendes Array nicht zu.Out US 3,396,344 For example, it is known to collimate the diverging radiation of a semiconductor laser diode by means of two cylindrical lenses arranged one behind the other in an optical axis. The first cylindrical lens is arranged in the plane of the active semiconductor layer and causes a collimation of the fast axis. The second cylindrical lens is further away from the laser diode array and perpendicular to the first cylindrical lens. It causes the collimation of the slow axis. It is also known from this publication to arrange a plurality of laser diodes or emitter or emitter groups in at least two rows one above the other in order to increase the resulting collimated radiation intensity. In this way, however, due to the high aperture along the fast axis and the associated aberration, no satisfactory collimation of the total beam is possible. In the deviating from the main sections areas leads to intolerable deviations. This arrangement also requires at least two optically active elements for a laser diode array and does not permit a compact design for an array consisting of a plurality of laser diode rows arranged one above the other.

Halbleiter-Laser sind aus der Technik nicht mehr wegzudenken und gewinnen zunehmend an Bedeutung in der Materialbearbeitung, zum Pumpen von Festkörperlasern und in der Telekommunikation. Die Leistung eines Laseremitters ist durch die Physik des Lasers beschränkt, so dass zur Leistungssteigerung sog. Streifenemitter, Breitstreifenemitter, Tapered Strukturen und Barrenstrukturen verwendet werden. Die Abstrahlungscharakteristik solcher Elemente ist stark asymmetrisch: In der Richtung des Laserübergangs hat man durch die dünne Wellenleiterschicht starke Beugung, was zu einem Abstrahlungswinkel von typischerweise 70-90° führt (Fast Axis). Die Querdimension der Wellenleiterstruktur ist bedeutend größer, so dass die Beugung in Richtung der Laserzeile nur wenige Grad oder Bruchteile davon beträgt (Slow Axis). Zur Verdeutlichung dieser starken Asymmetrie ist in 1 ein eindimensionales Laserdiodenarray 1 bestehend aus einzelnen Laseremittern 2 mit Überlagerung 3 der Emissionskegel 4 entlang der X-Achse im Bereich der Slow-Axis dargestellt. Die Anordnung mehrerer solcher Arrays 1 übereinander zur Bildung eines zweidimensionalen Arrays, ist ohne Überlagerung der Emissionskegel 4 entlang der Y-Achse im Bereich der Fast-Axis nicht möglich. Zur Kollimation solcher Strahlungsquellen verwendet man bisher üblicherweise eine relativ aufwändige Kombination von optischen Einzelelementen, da insbesondere ein durch die oben beschriebenen Beugungsphänomene auftretender Astigmatismus ein einfaches Kollimationssystem nicht zulässt. Üblicherweise verwendet man zur Kollimation der Strahlung eines Emitters 2 eine Anordnung wie sie in 2 dargestellt ist. Diese Anordnung besteht aus einer Zylinderlinse 5 und sphärischen oder asphärischen Mikrolinsen 6. Überlagerungen in der Fast-Axis werden beispielsweise durch nachfolgende anamorphotische Prismen 7, die eine Verlagerung entlang der Y-Achse bewirkt, vermieden.Semiconductor lasers are an indispensable part of technology and are becoming increasingly important in materials processing, for pumping solid-state lasers and in telecommunications. The performance of a laser emitter is limited by the physics of the laser, so that so-called strip emitter, broad-band emitter, tapered structures and ingot structures are used to increase performance. The radiation characteristic of such elements is strongly asymmetrical: in the direction of the laser transition, one has strong diffraction through the thin waveguide layer, which leads to an emission angle of typically 70-90 ° (fast axis). The transverse dimension of the waveguide structure is significantly larger, so that the diffraction in the direction of the laser line is only a few degrees or fractions thereof (slow axis). To illustrate this strong asymmetry is in 1 a one-dimensional laser diode array 1 consisting of individual laser emitters 2 with overlay 3 the emission cone 4 along the X axis in the area of the slow axis. The arrangement of several such arrays 1 on top of each other to form a two-dimensional array, is without superposition of the emission cone 4 Not possible along the Y axis in the area of the fast axis. To date, a relatively complex combination of individual optical elements has usually been used to collimate such radiation sources, since, in particular, astigmatism occurring as a result of the diffraction phenomena described above does not permit a simple collimation system. Usually, one uses for collimation of the radiation of an emitter 2 an arrangement like her in 2 is shown. This arrangement consists of a cylindrical lens 5 and spherical or aspheric microlenses 6 , Superimpositions in the fast-axis are made, for example, by subsequent anamorphic prisms 7 , which causes a displacement along the Y-axis avoided.

Der Abstand der emittierenden Laserübergänge ist extrem klein, typischerweise im sub-mm Bereich, so dass eine periodische Anordnung von Einzellinsen problematisch ist, bzw. Halterungen, Justierungen etc. notwendig sind. Durch die Verwendung solcher komplexer optischer Systeme wird nur eine eingeschränkte Strahlkollimation erreicht, was zu einer geringen Energieeffizienz und schlechter Wellenfrontstruktur führt. Zudem wird durch die Verwendung mehrerer hintereinander geschalteter optischer Elemente eine genaue Justierung aufwändig und kostenintensiv. Bereits bei einem einzelnen Laseremitter sind aufwändige Kollimationssystemenotwendig, bei Barren und Stacks (Übereinanderschichten mehrerer Barren) potenzieren sich die Probleme drastisch. Zudem wird die Baugröße von solchen optischen Kollimationssystemen intolerabel für die Anwendung in kompakten Lasersystemen.The distance of the emitting laser transitions is extremely small, typically in the sub-mm range, so that a periodic arrangement of single lenses is problematic, or holders, adjustments, etc. are necessary. By using such complex optical systems, only limited beam collimation is achieved, resulting in low energy efficiency and poor wavefront structure. In addition, the use of several successively connected optical elements an accurate Jus expensive and expensive. Extensive collimation systems are necessary even with a single laser emitter, with bars and stacks (stacking several bars) the problems increase drastically. In addition, the size of such collimation optical systems becomes intolerable for use in compact laser systems.

Durch die erforderliche Mindestbauweise solcher sequentieller Systeme tritt ein Ineinanderlaufen der Strahlkegel nebeneinander liegender Emitter auf, was die Kollimation des Lichts erschwert. Um das zu vermeiden, werden in der bestehenden Praxis die einzelnen Lichtkegel, z. B. durch zusätzliche Prismenarrays, die aus einer Anordnung mehrerer anamorphotischer Prismen 7 bestehen (wie in 2 dargestellt) räumlich getrennt.Due to the required minimum construction of such sequential systems, a convergence of the beam cones of adjacent emitters occurs, which makes the collimation of the light more difficult. To avoid this, in the existing practice, the individual light cone, z. B. by additional prism arrays consisting of an array of several anamorphic prisms 7 exist (as in 2 shown) spatially separated.

Dass solche optischen Kollimationssysteme nicht nur unhandlich, sondern auch schwer und teuer werden, ist offensichtlich. Der Anwender möchte jedoch optische Kollimationssysteme mit einem möglichst einfachen Aufbau. Man wünscht sich auch eine einfache Justierung der optischen Komponenten, eine kompakte Anordnung und eine kostengünstige Herstellung.That Such collimation optical systems not only unwieldy, but also difficult and expensive, is obvious. However, the user wants optical collimation systems with the simplest possible structure. you wishes also a simple adjustment of the optical components, a compact arrangement and cost-effective production.

Die oben beschriebenen und üblicherweise benutzten und bisher notwendigen Kollimationsvorrichtungen bestehen je nach Anwendung, für die sie konzipiert und angepasst werden, aus Kombinationen verschiedener Einzelelemente, wie Zylinderlinsen, sphärischen Linsen und Prismen.The described above and usually used and previously necessary collimation devices exist depending on the application, for which they are conceived and adapted from combinations of different Individual elements, such as cylindrical lenses, spherical lenses and prisms.

Der Neuerung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kollimation der Strahlung einer Laserdiodenanordnung derart weiterzubilden, dass der Justageaufwand bei der Positionierung vor Emittern oder Emittergruppen reduziert wird, die Bauteilzahl reduziert wird und eine kostengünstige, kompakt bauende einfache Möglichkeit zur Realisierung einer ebenen Wellenfront, auch aus einem in einer Fläche angeordneten Emitterarray, möglich ist.Of the Innovation was therefore based on the object, a device for collimation the radiation of a laser diode array to develop such that the adjustment effort in positioning before emitters or Emitter groups is reduced, the number of components is reduced and a cost effective, compactly built easy way for the realization of a flat wave front, also from one in one area arranged emitter array, possible is.

Eine weitere Aufgabe der Neuerung bestand darin, die Vorrichtung so zu gestalten, dass sie miniaturisierbar ist und somit dicht an dem das Laserlicht emittierenden Chip derart angeordnet werden kann, dass eine Überlagerung der einzelnen Emissionskegel vermieden wird.A Another object of the innovation was to the device so make it possible to miniaturize it and thus close to it the laser light emitting chip can be arranged such that an overlay the single emission cone is avoided.

Diese Aufgaben werden bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.These Tasks are in a device of the type mentioned solved by the characterizing features of claim 1 protection. advantageous Embodiments result from the features of the subclaims.

Durch die neuerungsgemäße Vorrichtung ist die Kombination verschiedener optischer Übertragungsfunktionen in einer einzigen optischen Fläche (Monofläche) oder einem einzigen optischen Element möglich. Mit einem solchen Element ist eine maximale Qualität der gewünschten Wellenfront erzielbar (z.B. ideale ebene Welle, ideale Kugelwelle). Das Element bildet auf diese Weise eine ideale Schnittstelle zwischen Laserlichtquelle und anderen für den Anwender notwenigen, optischen Komponenten zur Weitertransformation der Wellenfront. Die Vorrichtung ist insbesondere an die beschriebenen periodischen Laserstrukturen anpassbar. Darüber hinaus soll es die Vorrichtung ermöglichen, die komplexen Strahler mit der beschriebenen Charakteristik (z.B. Laserbarren) als Bausatz (idealerweise wie ein Elektronikbauteil (,ready to use')) ohne zusätzlichen internen Justage- und Handlingsaufwand auch in normalen Raumkonditionen einbaubar und einsetzbar zu machen.By the device according to the invention is the combination of different optical transfer functions in one single optical surface (Mono area) or a single optical element possible. With such an element is a maximum quality the desired Wavefront attainable (e.g., ideal plane wave, ideal spherical wave). The element thus forms an ideal interface between Laser light source and others for the user necessary, optical components for further transformation the wavefront. The device is in particular to those described adaptable to periodic laser structures. In addition, it should be the device enable, the complex radiators with the described characteristic (e.g. Laser bars) as a kit (ideally like an electronic component (ready to use) without additional internal adjustment and Handling effort can also be installed in normal room conditions and to be used.

Die bisherigen, aufwändigen Kombinationen für die Kollimation von räumlich definiert angeordneten Lichtquellen werden mit der hier vorgestellten Vorrichtung drastisch vereinfacht. Anstelle der Kombination mehrerer optischer Elemente tritt ein optisches Einzelelement, das mit nur einer strukturierten Oberfläche (Wirkfläche) die verschiedenen optischen Funktionen darstellt.The recent, elaborate Combinations for the collimation of spatial defined arranged light sources are with the presented here Device drastically simplified. Instead of combining several optical elements enters a single optical element, which with only a structured surface (effective area) the represents different optical functions.

Durch die Kombination der Kollimation beider Achsen in einer wirksamen Fläche kann das Überlappender einzelnen Kegel vermieden werden, so dass zusätzliche Elemente zur räumlichen Separation nicht erforderlich sind. Damit können die Elemente, die zu benachbarten Emittern gehören, in ein einzelnes, monolithisches Element integriert werden Die Kollimation des Lichts, das von der gesamten ein- oder zweidimensionalen Struktur emittiert wird, kann durch ein einzelnes Element bewerkstelligt werden.By the combination of the collimation of both axes in an effective area can the overlapping individual cones are avoided, allowing additional elements to spatial Separation is not required. This allows the elements to be adjacent Emitters belong, integrated into a single, monolithic element The collimation of the light, that of the entire one or two-dimensional structure is emitted can be accomplished by a single element become.

Die Neuartigkeit der hier vorgestellten optischen Monofläche besteht darin, dass sie eine universelle Lösung für das Problem vieler räumlich verteilter Strahlungsquellen (z.B. auch periodischer Barrenanordnungen) auf nur einer Fläche anbietet. Damit werden die bisherigen Probleme der sehr komplexen und individuellen Justage und Montageverfahren der Strahlungsquellen in Bezug auf die nachgeschalteten Kollimationssysteme und wie oben beschrieben auch diese Kollimationssysteme selbst reduziert auf das vergleichsweise einfache Einstellen einer(!) Oberfläche zu einer(!) anderen.The novelty of the optical monoface presented here is that it offers a universal solution to the problem of many spatially distributed radiation sources (eg also periodic barring arrangements) on only one surface. Thus, the previous problems of the very complex and individual adjustment and mounting method of the radiation sources with respect to the downstream Kollimationssys and, as described above, these collimation systems themselves are reduced to the comparatively simple setting of one (!) surface to one (!) another.

Zur Herstellung wird das brechende Material auf einer seiner beiden Oberflächen örtlich in der Höhe so geeignet moduliert, dass jeder der emittierenden Übergänge (oder der Subarrays von Streifenemittern) in der Fast-axis wie auch in der Slow-axis vorzugsweise in eine ebene Welle als einfachste Schnittstelle zur weiteren Verarbeitung kollimiert werden. Die Berechnung der Oberfläche erfolgt durch die geeignete Verkettung der Lösung eines Einzelstrahlers. Ein Verfahren zur Ermittlung der Form der Oberfläche des optisch wirksamen Elements ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung und wird nachfolgend beschrieben.to Manufacturing is the breaking material on one of his two Surfaces locally in the height so suitably modulates that each of the emitting transitions (or the subarrays of strip emitters) in the fast-axis as well as in the slow-axis preferably in a plane wave as the simplest interface be collimated for further processing. The calculation of surface takes place by the appropriate linking of the solution of a single radiator. A method for determining the shape of the surface of the optically active element is also the subject of the invention and will be described below.

Als Rahmenbedingungen für die Berechnungsvorschrift sind die Eigenschaften der zu kollimierenden Laserlichtquelle anzusetzen. Sie sind üblicherweise durch folgende technische Angaben hinreichend genau definiert:

a) Laserwellenlänge,
b) Numerische Apertur (Fast Axis),
c) Numerische Apertur (Slow Axis),
d) Astigmatismus,
e) Brennweite (über den Fernfeldwinkel) der Fast Axis,
f) Scheitelkrümmung der Fast Axis,
g) Brennweite (über den Fernfeldwinkel) der Slow Axis und
h) Scheitelkrümmung der Slow Axis.

The parameters of the calculation rule are the properties of the laser light source to be collimated. They are usually defined with sufficient precision by the following technical data:

a) laser wavelength,
b) numerical aperture (fast axis),
c) numerical aperture (slow axis),
d) astigmatism,
e) focal length (over the far field angle) of the fast axis,
f) vertex curvature of the fast axis,
g) focal length (over the far field angle) of the slow axis and
h) Vertex curvature of the slow axis.

In Abhängigkeit dieser Angaben wählt der Optikdesigner für die gewünschte Anwendung anhand geometrischer Vorgaben:

r) Brechungsindex (n) des Linsenmaterials,
s) Dicke der Linse und
t) Abstand Emitter – Linse (Planfläche der Linse/Lichteintrittsfläche).

Depending on these specifications, the optics designer chooses the desired application based on geometric specifications:

r) refractive index (n) of the lens material,
s) thickness of the lens and
t) Distance emitter - lens (plane surface of the lens / light entry surface).

In einem ersten Schritt wird die Brennweite in Richtung der Fast-Axis (Y-Achse) in Abhängigkeit der Scheitelkrümmung der Fast-Axis und des Brechungsindex des Linsenmaterials derart ermittelt, dass der Fokus auf der Frontfläche des Emitters zu liegen kommt. f'fast = Linsendicke/n + Abstand(Emitter-Linse) In a first step, the focal length in the direction of the fast axis (Y axis) is determined as a function of the vertex curvature of the fast axis and the refractive index of the lens material such that the focus comes to lie on the front surface of the emitter. f ' nearly = Lens thickness / n + distance (emitter lens)

In einem nächsten Schritt, wird die Brennweite f'_slow in Richtung der Slow-Axis (X-Achse) derart ermittelt, dass sie um den Betrag des Astigmatismus größer ist als die Brennweite der Fast-Axis. f'slow = f'fast + Astigmatismus In a next step, the focal length f ' _slow in the direction of the slow axis (X axis) is determined such that it is greater than the focal length of the fast axis by the amount of astigmatism. f ' slow = f ' nearly + Astigmatism

Da auf diese Weise lediglich ein Teil der Fläche des optisch wirksamen Elements nämlich in Y-Richtung (Meridionalebene) und in X-Richtung (Sagittalebene) mit Hilfe der Scheitelkrümmungen beschrieben wird, aufgrund der hohen Apertur entlang der Fast-Axis jedoch vermehrt Bildfehler auftreten, reicht diese Beschreibung für eine zufrieden stellende Kollimation der übrigen Flächenbereiche nicht aus.There in this way, only a part of the surface of the optically active element namely in the Y direction (meridional plane) and in the X direction (sagittal plane) with the help of vertex curvatures is described due to the high aperture along the fast axis However, more artifacts occur, this description is enough for one satisfactory collimation of the remaining surface areas is not enough.

Vorteilhafterweise werden daher durch eine Polynomfolge z(x, y) weitere Punkte in der X-Y-Ebene in Richtung der Z-Achse als Stützstellen für die Darstellung der Oberfläche des optisch wirksamen Elements ermittelt. Dazu wird das Koordinatensystem mit seinem Nullpunkt in den sich schneidenden Punkt der beiden Scheitelkrümmungen (s. 3a, b, Bezugszeichen 21) gelegt. Die Stützstellen lassen sich beispielsweise besonders einfach durch folgende Polynomfolge mit geradzahligen Exponenten berechnen. z(x, y) = a1x2 + a2y + a3x4 + a4x2y2 + a5y4 + a6x6 + a7x4y2 + a8x2y4 + a9y6 + a10x8 + a11x6y2 + a12x4y4 + a13x2y6 + a14y8 Advantageously, therefore, a polynomial sequence z (x, y) determines further points in the XY plane in the direction of the Z axis as support points for the representation of the surface of the optically active element. For this purpose, the coordinate system with its zero point in the intersecting point of the two crest curves (s. 3a , b, reference numerals 21 ) placed. The interpolation points can be calculated, for example, particularly simply by the following polynomial sequence with even-numbered exponents. z (x, y) = a 1 x 2 + a 2 y + a 3 x 4 + a 4 x 2 y 2 + a 5 y 4 + a 6 x 6 + a 7 x 4 y 2 + a 8th x 2 y 4 + a 9 y 6 + a 10 x 8th + a 11 x 6 y 2 + a 12 x 4 y 4 + a 13 x 2 y 6 + a 14 y 8th

Die Koeffizienten a₁–a₁₄ lassen sich in bekannter Weise mit optischen Rechenprogrammen (z.B. Code V) durch Minimierung der Spotgröße oder Optimierung der Wellenfront bestimmen.The coefficients a ₁ -a ₁₄ can be determined in a known manner with optical computer programs (eg code V) by minimizing the spot size or optimizing the wavefront.

Ein Beispiel ist für folgende Daten eines Laseremitters angeben: a) Laserwellenlänge 808 nm b) NA (Fast Axis) 0.70 c) NA (Slow Axis) 0.15 d) Astigmatismus 600 μm e) Brennweite Fast Axis 0.44 mm (in Luft) f) Scheitelkrümmung Fast Axis 0.345 mm g) Brennweite Slow Axis 1.04 mm h) Scheitelkrümmung Slow Axis 0.815 mm r) Brechungsindex des Linsenmaterials 1.784 s) Dicke der Linse 0.70 mm t) Abstand Emitter-Linse 0.05 mm An example is given for the following data of a laser emitter: a) laser wavelength 808 nm b) NA (Fast Axis) 0.70 c) NA (Slow Axis) 12:15 d) astigmatism 600 μm e) Focal length Fast Axis 0.44 mm (in air) f) Vertex curvature Fast Axis 0.345 mm g) focal length slow axis 1.04 mm h) Vertex curvature Slow Axis 0.815 mm r) refractive index of the lens material 1784 s) Thickness of the lens 0.70 mm t) distance emitter lens 0.05 mm

Die Koeffizienten ergeben sich dann wie folgt: a1 –0.6135 a2 –1.450 a3 –0.0953 a4 –1.342 a5 –1.939 a6 0.0 a7 –0.5513 a8 –8.535 a9 –5.011 a10 0.0 all –28.00 a12 –22.26 a13 –20.17 a14 –13.50 The coefficients then result as follows: a1 -0.6135 a2 -1,450 a3 -0.0953 a4 -1,342 a5 -1,939 a6 0.0 a7 -0.5513 a8 -8,535 a9 -5,011 a10 0.0 Alles -28.00 a12 -22.26 a13 -20.17 a14 -13.50

Überraschenderweise ist die auf diese Weise erzeugte homogene Wellenfront ohne weitere zusätzliche Homogenisierung des Strahlenverlaufs, die weitere optische Bauteile erfordern würde, bestens geeignet zur Einkopplung in eine Lichtleitfaser. In diesem Fall ist lediglich eine einfache Feldlinse zur Fokussierung auf die Apertur einer Lichtleitfaser notwendig.Surprisingly is the homogeneous wavefront generated in this way without further additional Homogenization of the beam path, the other optical components would require ideally suited for coupling into an optical fiber. In this Case is just a simple field lens to focus on Aperture of an optical fiber necessary.

Allerdings ist die entscheidende Erweiterung oder Neuerung auch hier die Darstellung einer Lösung mit der neuen erweiternden Randbedingung der räumlichen Anordnung mehrerer Strahlungsquellen. Diese kann für beliebige Anordnungen von Strahlungsquellen universell gelöst werden. Die Vorrichtung löst also explizit das Problem für beliebige sich wiederholende Anordnungen von Emittern im Raum, für die es eine feststehende Beziehung gibt, beschreibbar mit Emitterabstand und maximaler Dicke und festem Abstand der Eintrittsfläche der Vorrichtung von der Oberfläche der Emitterstruktur. Die Emitterstruktur fließt also in eine zusätzliche, für die Realisierung wesentliche Randbedingung ein. Die Lösung führt für eine derart beliebig angeordnete Strahlungsquelle zu einer Monofläche, also zu einer für diese Strahlungsquelle mit einer spezifischen Charakteristik in Divergenz, Strahlquerschnitt und Energiedichte speziell errechneten und angepassten Monofläche – und damit zu einem speziellen Bauteiltyp für einen Strahlungsquellentyp.Indeed is the decisive extension or innovation also here the representation a solution with the new expanding boundary condition of the spatial arrangement of several Radiation sources. This can be for Any arrangements of radiation sources are universally solved. The device releases So explicitly the problem for any repeating arrangements of emitters in space for which it gives a fixed relationship, describable with emitter spacing and maximum thickness and fixed distance of the entrance surface of the Device from the surface the emitter structure. The emitter structure thus flows into an additional, for the Realization essential boundary condition. The solution leads to such Arbitrarily arranged radiation source to a monosurface, ie to one for this radiation source with a specific characteristic in Divergence, beam cross section and energy density calculated specifically and adjusted monofaces - and so on to a special type of component for a radiation source type.

Dabei ermöglicht die hier vorgestellte neue Vorrichtung erstmals die Gestaltung von Lösungen, die sich vorher aufgrund der nur beschränkt machbaren technischen Abmessungen (die bisherigen realisierbaren Bauteile waren in der Regel zu groß) so nicht als Lösungen durchführen ließen. Diese Vereinfachungslösung stellt in sich eine deutliche Erweiterung des zugelassenen Lösungsraumes dar, was als wesentliche Neuerung zu sehen ist, da erst dadurch die weiterhin ausgeführten Vorteile (der Monofläche) erreicht werden können.there allows the new device presented here for the first time the design of Solutions, previously due to the limited feasible technical dimensions (the previous realizable components were usually too large) so not as solutions carry out left. This simplification solution provides in itself a clear extension of the approved solution space What is to be seen as a significant innovation, because only by which continue running Advantages (the mono surface) can be achieved.

Die Herstellung dieser neuen modulierten Oberfläche kann beispielsweise durch einen Replikationsprozess, wie z.B. Blankpressen von Glas, geschehen, was ebenfalls als Neuerung gesehen werden kann, da es zu einer wesentlichen Vereinfachung in der Serienproduktion solcher Bauelemente führt.The Production of this new modulated surface can for example by a replication process, such as Blank pressing of glass, done, which can also be seen as an innovation as it becomes an essential one Simplification in the mass production of such components leads.

Die Vorrichtung ermöglicht erstmalig, und damit ebenfalls als Neuerung zu bewerten, die Behandlung von derart komplexen Emittern in einem ,Bauteileansatz'. Das bedeutet die Einführung der Möglichkeit, Design von Strahlungsquelle und Design der Applikation voneinander trennbar zu machen. Die ,Übergabe' (Schnittstelle) von Licht aus einer komplexen Strahlungsquelle, wie sie hier beschrieben wird, kann dann ohne spezifische Kenntnis und/oder zusätzlicher Handling- und Fertigungsschritte an der Strahlungsquellenoptik erfolgen. Dies vereinfacht den Einsatz von diesen Lichtquellen so stark, dass man bei Benutzung der hier vorgestellten Vorrichtung von ,ready to use'-Lichtquellen sprechen kann, deren Einfachheit im Einbau sich dem Einlöten einer Diode in eine Platine nähert.The Device allows For the first time, and thus also as an innovation, the treatment of such complex emitters in a 'component approach'. That means that introduction The possibility, Design of radiation source and design of the application from each other to make separable. The 'handover' (interface) of light from a complex radiation source, as described here can then be without specific knowledge and / or additional Handling and manufacturing steps take place at the radiation source optics. This simplifies the use of these light sources so much that when using the presented device of, ready speak to use 'light sources Its simplicity in installation can be soldered into a circuit board approaches.

So wird dann der Aufbau der Endapplikation beim dortigen Endhersteller des Systems erfolgen können und muss nicht mehr, im Gegensatz zu heute, im gleichen Arbeitsschritt und ,aus einer Hand' und ohne Kontrolle des Zwischenzustands gemacht werden. Dies führt zu einer wesentlichen Vereinfachung und Verbreiterung der Anwendungen der Lichtquellen in der Serienfertigung, was ebenfalls als Folge und damit direkte Neuerung der angemeldeten Vorrichtung zu bewerten ist.So Then the structure of the end application at the local end manufacturer of the system and no longer, in contrast to today, in the same work step and, from a single source 'and be made without control of the intermediate state. This leads to a substantially simplifying and broadening the applications of Light sources in mass production, which also as a consequence and thus to evaluate direct innovation of the notified device is.

Die beschriebene Vorrichtung kann beispielsweise kostengünstig mittels Reproduktionstechniken in Glas, Kunststoff und andere optische Materialien abgeformt werden, so z.B. mittels Blankpressen und anderer oberflächenformender Techniken. Die Methode des Blankpressens von Glas, die der Vorrichtung hier als Beispielgebend technologisch zu Grunde liegt, erlaubt konkret die Ausführung von einem Element für sehr hohe Strahlungsleistungen und den (nahen) IR-Bereich. Für die Kollimation der periodisch angeordneten Laserübergänge wird deshalb ein periodisches Array von toroidalen Korrekturlinsen verwendet, die jeweils im Abstand der Emitter des Laserbarrens periodisch angeordnet sind. Bei genügend kleinem Abstand zwischen dem emittierenden Halbleiterlaserelement und diesem toroidalen Linsenarray überschneiden sich die emittierten Wellenfronten kaum oder gar nicht, und die Kollimation kann durch periodische Aneinanderreihung zahlreicher, toroidaler Linsenelemente durchgeführt werden. Diese periodische Aneinanderreihung von toroidalen Linsen in den kleinen Abständen und mit den Randbedingungen der Mehrfachemitter ist neu und Gegenstand der Erfindung.The described device can, for example, inexpensively by means Reproduction techniques in glass, plastic and other optical materials are molded, such. by means of blank presses and other surface-forming Techniques. The method of molding of glass, that of the device Here, as an example, technologically based, allows concrete execution from an element for very high radiant powers and the (near) IR range. For the collimation the periodically arranged laser transitions is therefore a periodic Array of toroidal corrective lenses used, each spaced apart Emitter of the laser bar are arranged periodically. With enough small Distance between the emitting semiconductor laser element and this toroidal lens array overlap the emitted wavefronts hardly or not at all, and the Collimation can be achieved by periodically stringing together Toroidal lens elements are performed. This periodic Stringing of toroidal lenses in small distances and with the boundary conditions of the multiple emitter is new and subject the invention.

Zu berücksichtigen ist dabei, dass die beiden Divergenzpunkte der slow-, resp. fast-axis nicht zusammenfallen, sondern räumlich unterschiedliche Positionen einnehmen. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Anordnungen ist die neue Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass für jeden strahlenden Übergang in einem für eine räumlich definiert angeordnete Struktur ein solches Element zugeordnet und zur Wellenfrontkorrektur eingesetzt wird.To consider is that the two divergence points of slow, resp. fast-axis do not coincide, but spatially occupy different positions. Unlike the previous ones arrangements used, the new device is characterized that for every radiant transition in a for a spatially defined structure associated with such an element and is used for wave front correction.

Für die Herstellung der toroidalen, brechenden Oberflächen sind die Krümmungsradien in den senkrecht zueinander stehenden Achsen so zu wählen, dass der Astigmatismus des emittierten Strahlungsfeldes korrigiert wird. Die senkrecht zueinander stehenden sphärischen Achsprofile können dabei auch als asphärische Profile ausgelegt den, was eine weitere Verbesserung der Kollimation bedeutet.For the production The toroidal, refractive surfaces are the radii of curvature to choose in the mutually perpendicular axes so that the astigmatism of the emitted radiation field is corrected. The orthogonal spherical axial profiles can thereby also as aspherical Profiles designed for what further enhances collimation means.

Zur Ausführung und Anwendung zählen nicht nur durchstrahlte Komponenten, sondern durch entsprechende Ausbildung von z.B. Spiegeloberflächen können auch reflektierende Systeme realisiert werden.to execution and application count not just radiated components, but by appropriate Training of e.g. Mirror surfaces can also be reflective systems will be realized.

Zudem können durch eine weitere Variation der brechenden Oberfläche neue, optische Funktionen in das Element eingebracht werden (z.B. prismatische Flächen zur Richtungsänderung partieller Strahlungsfelder).moreover can by a further variation of the refractive surface new, optical functions are introduced into the element (e.g., prismatic surfaces to change direction partial radiation fields).

Mit dieser Erfindung können mittels der einfach herzustellenden, monolithischen Linsenarrays (eine Komponente in der Fertigung ohne vorheriges Zusammensetzen von Einzelteilen) aus dem komplexen Strahlungsfeld von Halbleiterlaserbarren Felder mit z.B. ebenen Wellenfronten hergestellt werden, die sich im Anschluss daran sehr einfach (z.B. mittels einer (a)sphärischen Linse) weiter formen lassen.With of this invention by means of the monolithic lens arrays which are easy to produce (a component in manufacturing without prior assembly of individual parts) from the complex radiation field of semiconductor laser bars Fields with e.g. flat wave fronts are produced, which are subsequently very simple (e.g., by means of a (a) spherical Lens).

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der neuerungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Dabei zeigenIn The drawing is an embodiment the device according to the innovation shown schematically. Show

1 eine bekannte Laserdiodenzeile 1 a known laser diode array

2 eine bekannte optische Anordnung zur Kollimation und seitlichen Verlagerung von Laserdiodenlicht 2 a known optical arrangement for collimation and lateral displacement of laser diode light

3a ein optisch wirksames Element mit Strahlenverlauf der Fast-Axis 3a an optically active element with beam path of the fast axis

3b ein optisch wirksames Element mit Strahlenverlauf der Slow-Axis 3b an optically active element with a beam path of the slow axis

4 eine Schnittdarstellung des optisch wirksamen Elements entlang der Y-Z-Ebene (Fast-Axis) 4 a sectional view of the optically active element along the YZ plane (fast axis)

5 eine Schnittdarstellung des optisch wirksamen Elements entlang der X-Z-Ebene (Slow-Axis) 5 a sectional view of the optically active element along the XZ plane (slow axis)

Bei dem in 3a und 3b dargestellten optisch wirksamen Element 8 ist nur eine Fläche 9 vorgesehen. Der Übersichtlichkeit halber ist in 3a lediglich der Teilstrahl 10 für die Fast-Axis in Richtung der Y-Achse dargestellt. Deutlich zu sehen ist der große Divergenzwinkel 11, dessen Brennpunkt 12 in der Ebene der Lichtaustrittsöffnung 13 des Emitters 14 liegt. In 3b sind die Teilstrahlen 15 für die Slow-Axis in X-Richtung dargestellt. Aufgrund des Astigmatismus 16 befindet sich der Brennpunkt 17 in dieser Darstellung in Lichtrichtung vor der Lichtaustrittsöffnung 13. Zur besseren Darstellung der Apertur 18 ist die plane Fläche 19 des optisch wirksamen Elements 8 mit einem deutlich größeren Abstand zur Lichtaustrittsfläche 13 dargestellt. Der Divergenzwinkel 20 der Slow-Axis ist deutlich kleiner als der Divergenzwinkel 11 der in 3a dargestellten Fast-Axis. Durch den Schnittpunkt 21 der Scheitelkrümmung 22 der Fast-Axis und der Scheitelkrümmung 23 der Slow-Axis verläuft definitionsgemäß die Z-Achse.At the in 3a and 3b represented optically active element 8th is only one area 9 intended. For the sake of clarity, is in 3a only the partial beam 10 shown for the fast axis in the direction of the Y axis. Clearly visible is the large divergence angle 11 whose focal point 12 in the plane of the light exit opening 13 of the emitter 14 lies. In 3b are the sub-beams 15 shown for the slow axis in the X direction. Because of the astigmatism 16 is the focus 17 in this illustration in the light direction in front of the light exit opening 13 , For better representation of the aperture 18 is the plane surface 19 of the optically active element 8th with a significantly greater distance to the light exit surface 13 shown. The divergence angle 20 the slow axis is significantly smaller than the divergence angle 11 the in 3a illustrated fast axis. Through the intersection 21 the apex curvature 22 the fast axis and the apex curvature 23 the slow axis is by definition the Z axis.

In 4 ist eine Schnittdarstellung des optisch wirksamen Elements entlang der Y-Z-Ebene dargestellt. Zur Verdeutlichung des geringen Abstandes 24 zwischen der planen Fläche 19 und der Lichtaustrittsfläche 13 des Emitters 14 ist diese in Abweichung zu 3a, b enger dargestellt. Die Scheitelkrümmung 22 erzeugt ein beispielhaft dargestelltes kollimiertes Strahlenbündel 23. Die Z-Achse verläuft durch den Schnittpunkt 21 und im Randbereich sind die Teilstrahlen 10 aus 3a dargestellt.In 4 is a sectional view of the optically active element along the YZ plane shown. To clarify the small distance 24 between the plane surface 19 and the light exit surface 13 of the emitter 14 this is contrary to 3a , b shown more closely. The apex curvature 22 generates an exemplified collimated beam 23 , The Z-axis passes through the intersection 21 and in the edge area are the partial beams 10 out 3a shown.

5 zeigt eine Schnittdarstellung des optisch wirksamen Elements entlang der X-Z-Ebene. In Lichtrichtung vor der Lichtaustrittsfläche 13 liegt im Abstand des Astigmatismus 16 der Brennpunkt 17 der Slow-Axis. Ein beispielhaft dargestelltes kollimiertes Strahlenbüschel 23 verläuft parallel zur Z-Achse, die im Schnittpunkt 21 die Oberfläche des optisch wirksamen Elements durchtritt. Im Randbereich sind Teilstrahlen 15 dargestellt. 5 shows a sectional view of the optically active element along the XZ plane. In the light direction in front of the light exit surface 13 lies in the distance of the astigmatism 16 the focal point 17 the slow axis. An exemplified collimated beam of rays 23 runs parallel to the Z axis, which is at the intersection 21 the surface of the optically active element passes. In the edge area are partial beams 15 shown.

Claims

Apparatus for collimating the light emitted by an emitter of a laser diode, wherein the light exit opening of the emitter in a first coordinate direction (X-axis) is greater than in a second coordinate direction perpendicular thereto (Y-axis) and the divergence angle of the direction of a third Coordinate direction (Z axis) emitted light beam cone in the first coordinate direction (X axis, slow axis) is smaller than in the second coordinate direction (Y axis, fast axis), characterized in that for collimating the emitted light beam cone in a plane (XY-plane) is provided only one optically active element, - whose surface shape in the direction of the Z-axis is formed such that they both the light along the fast axis and that along the slow axis to form a nearly flat wavefront - whose distance from the light exit opening of the emitter is so small that the aperture of the emitted light str Ahlkegels is substantially completely detected by the surface of the optically active element, - whose light exit surface in the X and Y direction is so large that when multiple emitters side by side in the direction of the X-axis and / or one above the other in the direction of the Y-axis both the collimated sub-beams of individual emitters of a plurality of juxtaposed slow axis and the collimated sub-beams of several superimposed fast axis adjacent to each other substantially without interference.

Device according to claim 1, characterized in that the optically active element - in the Y direction (fast axis) _almost has a focal length f ', which is so great that the focus comes to lie in the light exit surface, - in the X direction (Slow-Axis) has a focal length f ' _slow that is _almost as large as f' by the amount of astigmatism of the laser diode.

Device according to claim 2, characterized in that the surface of the optically effective element in the Z direction with the aid of support points in the XY plane can be represented by a polynomial sequence z (x, y) with even exponents.

Device for collimation of a on or two-dimensional emitter arrangement of emitted light, characterized that it consists of a periodic arrangement of elements, the collimation by means of a single or a maximum of two optically effective surfaces reached.

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the effective collimating surface is toroidal or spherical or aspherical Contains subregions (cells) as action centers.

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is obtained by molding of Glass, plastic or other optical materials is made.

An optical element according to claim 6, which characterized in that the production by another Replication process happens.

An optical element according to any one of claims 1 to 4, which is characterized in that the production by a Single part method (e.g., lithography, CNC machining or etching structuring) happens.

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that by a periodic repetition the beam-forming structure designed for a single emitter the radiation field of an entire emitter chain (e.g. is collimated.

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the optical element by simple Multianordnung or coupling or design adaptation to a two-dimensional Structure with appropriate usability for a 2D arrangement of an emitter structure is shown (e.g., monolithic item or stacked through Edge contact with each other).

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the optically active surface as reflective instead of breaking is designed.

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the optically active surface additional Includes angle transfer functions (e.g., prisms) for individual beam lots.

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in the optical element, the necessary Structure for mounting and adjustment is integrated.

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the optical element also for adaptation to 'passive' (ie only receiving), periodic semiconductor structures (e.g., arrays from APDs).

An optical element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that also the second side with a effective surface relief according to the claims 1-12, resulting in even more complex transfer functions.