DE3220216A1

DE3220216A1 - Optisches system fuer einen halbleiter-laser

Info

Publication number: DE3220216A1
Application number: DE19823220216
Authority: DE
Inventors: Akira Musashimurayama Arimoto; Kimio Kokubunji Tatsuno
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1983-01-20
Also published as: JPH0514245B2; GB2100880B; DE3220216C2; JPS57196212A; US4564268A; GB2100880A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo Japan

Optisches System für einen Halbleiter-Laser

Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Scharfeinstellen eines von einem Halbleiter-Laser ausgesendeten Laser-Strahls bis zur Abbildungsgrenze.

Falls ein Halbleiter-Laser als Lichtquelle für einen Laserstrahldrucker (LBP) dient/ wird der vom Halbleiter-Laser ausgesendete Lichtstrahl auf eine lichtempfindliche Trommel mit Hilfe eines optischen Systems fokussiert. Wenn der Halbleiter-Laser einen Astigmatismus besitzt, wird der auf der Trommel gebildete Lichtfleck größer als er von einem Halbleiter-Laser ohne Astigmatismus erzeugt würde, wobei er durch die Abbildungsgrenze bestimmt ist. Dementsprechend ist der Ausnutzungsgrad der eingestrahlten Lichtenergie gering und die Auflösung wird weiterhin verringert. Beim LBP ist die Erzeugung eines kleinen Lichtflecks entsprechend dem Auflösungsgrad des menschlichen Auges auf der lichtempfindlichen Trommel nötig, d. h. daß man den Laser-Strahl auf einen Lichtfleck mit einem Durchmesser kleiner

als 100 ,um bündeln muß. Aufgrund des Astigmatismus des Halbleiter-Lasers kann man jedoch solche kleine Lichtpunkte nicht erreichen; die Lichtenergie kann nicht in einen solch kleinen Punkt konzentriert werden, was bedeutet, daß der Ausnutzungsgrad der Lichtenergie verringert wird. Wenn als Lichtquelle für einen LBI* ein Halbleiter-Laser mit Astigmatismus Verwendung findet, entstehen deshalb Übermäßige Anforderungen an die Empfindlichkeit der licht-

die
empfindlichen Trommel an _3er Lichtausbeute des Halbleiter-Lasers.

Bei Verwendung eines astigmatiechen Halbleiter-Lasers als Lichtquelle eines optischen Kopfs zur Informationsaufzeichnung auf einer Bildplatte oder zur Wiedergabe der Information einer Bildplatte ergeben sich verschiedene Probleme. Das heißt, daß bei der Aufnahme ein Bit (oder kleine Leerstelle), das die kleinste Aufzeichnungseinheit bildet, in der Abmessung größer als durch die Abbildungsgrenze bestimmt wird, womit die Aufnahmedichte, das ist die Anzahl der pro Platte aufgezeichneten Bits_r verringert wird. Oa der Ausnutzungsgrad des Lichtes verringert ist, entstehen weiterhin übermäßige Anforderungen an die Empfindlichkeit des Aufzeichnungsmediums auf der Bildplatte und an die Lichtausbeute des Halbleiter-Lasers. Man benötigt deshalb ein Aufzeichnungsmedium mit höherer Empfindlichkeit. Der Halbleiter-Laser muß einen intensiveren Lichtstrahl aussenden, was seine Lebensdauer verringert.

Beim Einsatz eines Halbleiter-Lasers als Lichtquelle zur Wiedergabe der Information auf einer Bildplatte

benötigt man zur Wiedergabe einen Lichtpunkt, der die halbe maximale Weite (nämlich eine Gesamtweite des halben Maximums) um etwa 1 .um besitzt. Wenn jedoch der Halbleiter-Laser astigmatisch ist, wird sogar bei der Bündelung des Halbleiter-Laserstrahls durch eine Objektivlinse mit derselben numerischen Apertur, wie sie beim Halbleiter-Laser ohne Astigmatismus verwendet würde, die Abmessung des Lichtflecks größer als die benötigte Punktgröße. Deshalb besitzt ein von einer Bildplatte wiedergegebenes Signal ein kleines Signalrauschverhältnis und deshalb werden wiedergegebene Bilder und Töne verrauscht.

Als Korrekturverfahren des Astigmatismus eines Halbleiter-Lasers ist bereits ein Verfahren mit Hilfe einer Zylinderlinse bekannt (siehe z. B. Bell System Technik Journal, Vol. 58, Nr. 9, 1979, Seite 1909). Bei diesem Verfahren erhöht sich jedoch die Anzahl der im optischen System enthaltenenTeile, um die Anzahl der Teile für die Zylinderlinse und darüber hinaus erhöhen sich die einzustellenden Teile. Deshalb erweist sich dieses Verfahren für die Herstellung eines kompakten und billigen Laserstrahldruckers und eines optischen Kopfs für eine Bildplatte als nachteilig. Es zeigt sich weiterhin, daß bei diesem Verfahren die Toleranz der Positionseinstellung der Zylinderlinse für die Lichtquelle des Halbleiter-Lasers sehr gering ist, und man hat Grund zur Befürchtung,daß die Zylinderlinse einen größeren Astigmatismus besitzt, als das zu korrigierende System. Da die Zylinderlinsen bezüglich der optischen Achse nicht rotationssymmetrisch sind, muß man sie zusätzlich,

falls sie in Richtung des auftretenden Astigmatismus des Halbleiter-Lasers versetzt sind, sehr genau einstellen. Da zusätzlich die Herstellung von Zylinderlinsen mit hoher Genauigkeit schwierig ist und damit teuer, wird das Kostenverhältnis der Zylinderlinsen zu den Gesamtkoaten des optischen Kopfs groß, weshalb die Verwendung von Zylinderlinsen unvorteilhaft ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein optisches System zu ermöglichen,das die obigen Nachteile der herkömmlichen Technik vermeidet und das durch Korrektur des Astigmatismus eines Halbleiter-Lasers einen auf die Abbildungsgrenze gebündelten Lichtpunkt erzeugt.

Zur Lösung der obigen Aufgabe enthält ein erfindungsgemäßes optisches System zum Scharfeinstellen eines von einem Halbleiter-Laser erzeugten Lichtstrahls eine Linse mit einer numjarischen Apertur NA, die der folgenden Beziehung genügt:

^NA ^ύ \/?z

wobei NA

eine astigmatische Oifferenζ in einem Halbleiter-Laser, und Aj eine Laser-Wellenlänge darstellen.

Die Erfindung wird im folgenden in ihren Einzelheiten anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erklärung des Astigmatismus eines Halbleiter-Lasers;

Pig. 2 eine schematische Darstellung zur Erklärung des Prinzips der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer

optischen Anordnung in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Zuerst wird ein in der vorliegenden Erfindung verwendetes Halbleiter-Laserelement erklärt.

Ein Halbleiter-Laser besitzt verschiedene Vorteile. Er ist beispielsweise klein und besitzt einen großen Eingabe-Ausgabe—Wirkungsgrad und kann darüber hinaus mit hoher Geschwindigkeit direkt moduliert betrieben werden. Aufgrund der Struktur des optischen Resonators eines Halbleiter-Lasers sind die Stellen der Strahlbündelung in der zur ttbergangsebene senkrechten und in der zur übergangsebene parallelen Richtung gewöhnlich ein Stück in Richtung der optischen Achse voneinander entfernt. Die Stelle der Strahleinschnürung in der zur Ubergangsebene senkrechten Richtung befindet sich nämlich an der Vorderseite des Resonators und die Strahleinschnürungsstelle parallel zur Ubergangsebene innerhalb des Resonators ein Stück von der Vorderseite entfernt. So entsteht der Astigmatismus des Halbleiter-Lasers. Fig. 1 aigt ein Beispiel eines solchermaßen astigmatischen Halbleiter-Lasers. In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Halbleiter-Laser, der einen Lichtstrahl längs der O -Achse eines 3-dimensionalen Koordinatensystems O aussendet, mit X die Strahleinschnürungsstelle längs der O -Achse

parallel zur übergangsebene 1a, mit Y die Einschnürungsstelle längs der O -Achse, senkrecht zur übergangsebene 1a, bezeichnet. Die Strecke XY" kennzeichnet eine Astigmatismus-Fokus-Differenz Δ Z. Eine gestrichelte Linie .L kennzeichnet einen Lichtstrahl mit einer Geschwindigkeitskomponente in 0,-Richtung, eine ausgezogene Linie m einen Lichtstrahl mit einer Geschwindigkeitskomponente 0 -Richtung und ein Winkel θ einen öffnungswinkel des Lichtstrahls m.

Eine Wellenfront (nämlich eine gleichphasige Fläche) des vom Halbleiter-Laser 1, der die astigmatische Fokus-Differenz Az besitzt, kommenden Lichts besitzt eine bestimmte Krümmung. Wenn diese Wellenfront mit Linsen zu einem kleinen Lichtpunkt gebündelt wird, besitzt dieser ebenfalls einen Astigmatismus. Daraus ergeben sich die oben angeführten Nachteile. Die Astigmatismus-Fokus-Differenz AZ entsteht im Halbleiter-Laser 1 aufgrund der Tatsache, daß die optische Führung parallel zur übergangsebene 1a die sogenannte

Verstärkungsführung ist und daß die effektive Brechungsist zahl an einer Stelle im Resonator kleiner als an einer Stelle, die von der Mittellinie in Richtung der Schichtbreite etwas entfernt ist, wodurch sich eine Phasenverschiebung zwischen benachbarten Lichtstrahlen und damit eine zylindrische Wellenfront im Resonator ergibt.

Zur Astigmatismus-Korrektur im Halbleiter-Laser muß die sich aus der Linsenfehlertheorie ergebende Korrekturmethode selbst verändert werden, um den Astigmatismus der Lichtquelle selbst auszugleichen.

Flg. 2 zeigt einen von einem Halbleiter-Laser 1 ausgesendeten Lichtstrahl, der eine Astigmatismus-Fokus-Differenz ^ Z und eine Laser-Wellenlänge/^aufweist und der auf eine Objektivlinse 3 mit einem Öffnungswinkel θ der Intensitatsvertellung trifft. Es ergibt sich eine Wellenfront-Verzerrung (oder eine maximale Wellenf ront-Versserrung) Δ φ am Ort der Pupillenebene der Objektivlinse 3 durch folgende Gleichung:

Δ <j>_o » j Δ Z.sin²e (1)

Die Wellenfront-Verzerrung Δ φ ist durch die Abweichung der tatsächlichen Wellenfront 2 von einer Referenzfläche 4, die ihren Mittelpunkt an einer Stelle D auf einem Kreis der geringsten Verwaschung im Halbleiter-Laser 1 mit der Astigmatismus-Fokus-Differenz ^ Z hat (die Stelle D ist von der Vorderseite 1b um die Entfernung Ar-- zum Inneren hin verschoben). Der Radius der Bezugsfläche 4 ist gleich dem Abstand R zwischen dem Ort D und dem Zentrum 3a der Pupille der Linsen 3.

Wenn der Lichtstrahl mit der Wellenfront-Verzerrung Αφ mit den Objektivlinsen 3 mit der numerischen Apertur NA verbunden wird, ergibt sich eine Wellenfront-Verzerrung Δ φ einer Wellenfront 5 des Lichtstrahls, der durch die Linsen 3 gegangen ist durch folgende Gleichung:

Δ φ « j . Λ Ζ . NA² (2)

Andererseits kann aufgrund des Rayleigh-Kriteriums

eine Wellenfront mit einer Welleafront-VerzerrungΔφ in einen kleinen Punkt entsprechend der Abbildungsgrenze gebündelt werden, falls die Wellenfront-Verzerrung Ά φ folgender Bedingung genügt:

(3)

Aus den Gleichungen (2) und (3) ergeben sich somit die folgenden Beziehungen:

Daraus ergibt sich: NAlV^r (4)

Falls ein von einem Halbleiter-Laser 1 ausgesendeter Lichtstrahl die Astigmatlsmus-Fokus-DifferenzΔ Ζ und die Laser-WellenlängeΛmit den Objektivlinsen 3 verbunden ist und falls die numerische Apertur NA der Linsen 3 der Formel (4) genügt, kann somit ein aus den Linsen 3 austretender Lichtstrahl mit einer Wellenfront-Verzerrung kleiner oder gleich y zu einem kleinen Lichtpunkt entsprechend der Abbildungegrenze gebündelt werden. Es ist unnötig zu bemerken, daß man die numerische Apertur NA der Objektivlinsen 3 so groß wie möglich in den durch die Formel (4) gegebenen Grenzen wählt, da der Ausnutzungsgrad des Lichts gesteigert wird.

Im folgenden wird die Anwendung der Erfindung in einem optischen Kopf für eine Bildplatte näher erläutert.

Bislang war es üblich, als Lichtquelle für eine Bildplatte einen sogenannten Dünnschicht-Halbleiter-Laser zu verwenden, der ein Beispiel eines Halbleiter-Lasers, bei dem die optische Führung entlang der Schichtbreite lediglich als Verstärkungsführung ausgebildet ist, darstellt. Der Dünnschicht-Halbleiter-Laser hat einen einfachen Kristallaufbau verglichen mit einem Halbleiter-Laser mit Brechungszahl, wie gefurchte Substrat-Planar-Halbleiter-Laser, bei denen eine Furche im Halbleitersubstrat die optische Führung in Richtung der Streifenbreite bewirkt, und verglichen mit einem Halbleiter-Laser mit eingegrabener Vielfachstruktur, bei dem eine Kristallschicht mit einer von den umgebenen Schichten unterschiedlichen Brechzahl als aktive Schicht verdeckt die optische Führung längs der Streifenweite bildet. Der Dünnschicht-Halbleiter-Laser läßt sich dementsprechend sehr kostengünstig herstellen. Desweiteren ist der Rauschpegel dieses Halbleiter-Lasers, der entsteht,wenn der Laserstrahl zum Resonator zurückkehrt, sehr gering verglichen mit den oben angeführten Halbleiter-Lasern mit Brechzahl-Licht führung. Aus diesen Gründen kann der Dünnschicht-Halbleiter-Laser vorteilhaft als Lichtquelle im optischen Kopf einer Bildplatte eingesetzt werden. Da jedoch der Dünnschicht-Halbleiter-Laser längs der Schichtbreite eine Brechzahl-Lichtführung einschließt, entsteht im Halbleiter-Laser eine große Astigmatismus-Fokus-Differenz

Δ Z. Gewöhnlich beträgt der Wert von A ζ etwa 20 ,um und kann in bestimmten Fällen größer als 40 ,um werden. Die vorliegende Erfindung wirkt sich insbesondere dort aus, wo ein Dünnschicht-Halbleiter-Laser mit einer solch großen Astigmatismus-Fokus-Differenz A ζ als Lichtquelle verwendet wird. Wenn beispielsweise ein

Halbleiter-Laser mit einer Astigmatismus-Fokus-Differenz von 20 ,um und einer Laserwellenlänge von 780 ,um als Lichtquelle verwendet wird, wird die numerische Apertur NA einer Objektivlinse für den Halbleiter-Laser durch die folgende Gleichung berechnet:

NA m\/ ⁰^Ii β 0,1975.

Es ist dann erforderlich, eine Objektivlinse, deren numerische Apertur kleiner oder gleich 0,1975 beträgt, zu verwenden.

Bei einer Astigmatismus-Fokus-Differenz Δ Z gleich 40 ,um und derselben Wellenlänge berechnet sich die numerische Apertur NA der Objektivlinse wie folgt:

NA »V ⁰^- - 0,1396.

In Fig. 3 ist eine Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der ein Halbleiter-Laser mit einer großen Astigmatismus-Fokus-Differenz als Lichtquelle in einem optischen Kopf verwendet wird.

Nach Fig. 3 wird die Wellenfront-Verzerrung eines von einer Objektivlinse 3 ausgehenden Laser-Strahls, falls ein Halbleiter-Laser 1 mit einer astigmatischen Differenz von 20 ,um verwendet wird, kleiner oder gleich γ, wenn man die numerische Apertur der Linsen 3 kleiner oder gleich 0,1975 wählt. Wenn ein solcher Laser-Strahl auf eine Bildplatte 7 mit Sammellinsen 6 gebündelt wird, entsteht ein nur durch die Abbildungsgrenze bestimmter Lichtfleck entsprechend der numerischen Apertur der

Sammellinse 6. Zum Beispiel hat der Lichtfleck einen Durchmesser von etwa 1 ,um, falls die Sammellinse eine numerische Apertur von etwa 0,5 aufweist. Auf diese Weise wird bei der Aufnahme sowohl die Lichtausbeute als auch die Auflösung optimal und man erreicht bei der Bildplatte eine hohe Aufzeichnungsdichte. Bei der Wiedergabe besitzt das Signal ein großes Signal-Kauschverhältnis und es entsteht ein Bild oder ein Ton hoher Qualität.

Nach dem oben Gesagten kann aufgrund der vorliegenden Erfindung der Astigmatismus eines Halbleiter-Lasers durch ein einfaches optisches System, das aus einer Objektivlinse mit ausgewählter numerischer Apertur besteht, korrigiert werden. Damit dient die Erfindung zum Bau einer Bildplatte mit großer Aufzeichnungsdichte, zur Signalwiedergabe mit hohem Signal-Rauschverhältnis und zum Bau eines Laser-Strahldruckers, dessen Druckziffern eine große Güte besitzen.

Claims

Ansprüche

1J Optisches System zum Scharfeinstellen eines von einem Halbleiter-Laser (1) ausgesendeten Laser-Strahls auf ein vorgegebenes Aufzeichnungsmedium, dadurch gekennzeichn et, daß zur Scharfeinstellung eine Linse (3) dient, deren numerische Apertur NA der Beziehung genügt, wobeiΛZ eine astigmatlsche Fokus—Differenz des Halbleiter-Lasers und Α-eine Laser-Wellenlänge des Halbleiter-Lasers angeben.
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Laser-Strahl von einem Halbleiter-Laser (1) mit großem Astigmatismus ausgesendet wird.
3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Halbleiter-Laser ein Verstärkungs-Führungs-Typ-Halbleiter-Laser ist.

-( A 6829O2-)AtF