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Die
Erfindung betrifft ein Kollimationssystem für eine Laserdiode.
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Laserstrahlmodule,
die einen kreisartig geformten, kollimierten Laserausgang mit Hilfe
einer Laserdiode erzeugen, eignen sich insbesondere für Violettplatten-Aufzeichnungsmaschinen
(Computer-to-plate-Maschinen), die einen kreisförmigen Strahl, einen hohen
Wirkungsgrad bei hoher Qualität (einen
kleinen Brennpunktfehler, geringen Astigmatismus und einen kleinen
Seitenzipfel) von einer Violettlaserdiode benötigen. Zur Formung von Laserdiodenstrahlen
wurden viele Verfahren vorgeschlagen, jedoch erfüllen keine davon die Anforderung
für diesen
Zweck.
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Bei
einem Verfahren werden eine Kollimationslinse und nur eine Apertur
zur kreisartigen Formung des Laserstrahls verwendet. Die Apertur
vermindert den Durchlassgrad und erzeugt große Seitenzipfel, die durch
Beugungswirkungen verursacht werden. Manche Lieferer stellen fast
kreisartig geformte Laserdioden her, indem sie mikrooptische Elemente
in das "Gehäuse" der Laserdiode einbringen, und
solche Laserdioden sind für
das Verfahren gut geeignet. Wenn auch der Durchlassgrad kein Thema ist,
so ist doch die Position der Kollimationslinse dermaßen empfindlich
für die
Lage des Brennpunkts, dass sie sehr genau gesteuert werden muss.
Weiterhin sind zur Korrektur des Laserdioden, der bei Laserdioden
natürlich
auftritt, weitere Elemente oder Mittel notwendig.
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Bei
einem zweiten Verfahren werden eine Kollimationslinse und ein Prismenpaar
verwendet. Prismen können
den Strahl von verschiedenen Laserdioden kreisartig formen, jedoch
wird die Kollimation von der Linse bestimmt, und diese muss deshalb sehr
genau ausgerichtet werden. Des Weiteren müssen zur Korrektur des Laserdioden
einige weitere Mittel verwendet werden. Zur Verkleinerung der Strahlgröße sind
weitere optische Elemente erforderlich. Bei Anwendungzwecken, für welche
kleine kollimierte Strahlgrößen, beispielsweise
von 1mm Durchmesser, notwendig sind, sind Prismen nicht unbedingt
die bevorzugte Wahl, da sie im wesentlichen zur Erweiterung (nicht
zur Verminderung) von Strahlgrößen verwendet
werden, um einen angemessenen optischen Wirkungsgrad sicherzustellen.
Daher werden die erforderlichen optischen Elemente wahrscheinlich
kompliziert.
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Bei
einem anderen Verfahren werden eine Kollimationslinse und zwei zylindrische
Linsen verwendet. Die Linsen lassen sich zur Umwandlung von Strahlengrößen mit
lichtschwacher Achsenrichtung verwenden, sie können jedoch bei kleinem, kollimiertem
Strahlausgang, beispielsweise von 1mm Durchmesser, auch zur Umwandlung
von Strahlengrößen mit
lichtstarker Achsenrichtung verwendet werden. Dieses Verfahren eignet
sich zur Kollimation und zur Strahlbemessung bei Laserdioden mit
begrenztem Aspektverhältnis,
bei denen der Umlauf des Strahls durch Anbringen einer Apertur in
dem Strahlengang bei geringem oder keinem eingebrachten Verlust
des optischen Wirkungsgrades unterstützt werden kann. Ein Beispiel
ist in US-A-6044096 beschrieben.
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Zwar
lässt sich
der Astigmatismus entlang der zylindrischen Linsen einfach korrigieren,
die Ausrichtung der Kollimationslinsen ist jedoch nicht so einfach.
Das liegt daran, dass die Laserstrahldivergenz für die lichtschwache Achse von
der Position der Kollimationslinse bestimmt wird und sehr empfindlich
für diese
Lage des Brennpunkts ist und mithin genau ausgerichtet werden muss.
Obwohl diese Konstruktion eine angemessene Eignung aufzuweisen scheint, besteht
nicht nur die Sorge um die Empfindlichkeit der Kollimationslinsen,
sondern auch keine Funktion zur Korrektur des außeraxialen Astigmatismus, der durch
einen Oberflächenformfehler
oder einen Ausrichtfehler sehr wohl erzeugt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Kollimationssystem für eine Laserdiode eine Kollimationslinse
zum Empfangen eines Laserstrahls von einer Laserdiode bei Gebrauch;
erste und zweite rechtwinkelig angeordnete zylindrische Linsen,
die der Laserstrahl durchläuft,
wobei die Linsen derart positioniert sind, dass sie eine im wesentlichen
gemeinsame Fokalebene aufweisen und im wesentlichen unabhängig von
der Divergenz und/oder Konvergenz des Laserstrahls in seiner lichtstarken
Achsenrichtung bzw. seiner lichtschwachen Achsenrichtung wirken;
und eine konvexe Linse, die der Laserstrahl durchläuft, wobei
die konvexe Linse einen Brennpunkt aufweist, der in der gemeinsamen
Fokalebene liegt.
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden die oben genannten Probleme beseitigt
und ein kreisartig geformter, kollimierter Strahl hoher Qualität mit guter
optischer Durchlassleistung erzeugt.
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Die
zylindrischen Linsen und konvexen Linsen können in einer Anzahl verschiedener
Konfigurationen angeordnet werden, jedoch liegen bei den bevorzugten
Anordnungen entweder die zylindrischen Linsen zwischen der Kollimationslinse
und der konvexen Linse, oder die zylindrischen Linsen liegen stromabwärts von
den Kollimationslinsen und der konvexen Linse.
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In
vielen Fällen
wird die erforderliche Kreisform mit den Linsen allein zustande
gebracht, jedoch kann in manchen Fällen stromabwärts von
sämtlichen
Linsen eine Apertur vorgesehen sein, so dass für eine abschließende Korrektur
gesorgt ist.
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Eine
Apertur kann auch in der gemeinsamen Fokalebene positioniert sein,
um als räumliches
Filter zu wirken und die Menge des unerwünschten Lichts, beispielsweise
Fluoreszenz oder (Lambertsches) Streulicht von der Laserdiode, zu
vermindern.
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Im
Folgenden werden einige Beispiele für Kollimationssysteme gemäß der Erfindung
für eine Laserdiode
an Hand der anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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die 1A, 1B bis 6A, 6B sechs
verschiedene Beispiele für
Systeme gemäß der Erfindung
darstellen;
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die 7A und 7B eine
Draufsicht und eine Seitenansicht einer Montagezeichnung für die Konfiguration
gemäß 6 sind;
und
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8 ein
Querschnitt durch die Halteanordnung für die Laserdiode ist.
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In
jeder der 1 bis 7 zeigt
das Schema "A" die Teile in der
lichtstarken Achsenrichtung und das Schema "B" dieselben
in der lichtschwachen Achsenrichtung, wobei sich die lichtstarken
und die lichtschwachen Achsen in herkömmlicher Weise auf die betroffene
Laserdiode beziehen.
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Wie
in den 1A und 1B zu
sehen ist, erzeugt eine Laserdiode LD mithin einen Laserstrahl, der
zu einer Kollimationslinse L1 mit hoher numerischer Apertur geführt wird,
die derart positioniert und ausgerichtet ist, dass man einen fast
kollimierten Strahl von der Laserdiode erhält. Eine sphärische Linse
L2 mit niedriger numerischer Apertur und eine Zylinderlinse CYL1
bilden eine optische Erweiterungsvorrichtung zur Korrektur der lichtstarken
Achse der Laserdiode L2, und eine weitere Zylinderlinse CYL2 bildet
eine optische Erweiterungsvorrichtung zur Korrektur der lichtschwachen
Achse. Am Ende des Strahlengangs ist eine Apertur A1 zur Kompensierung
einer Restellipzitität
angeordnet und formt deshalb den Laserstrahl rund. Die Zylinderachsen der
zylindrischen Linsen CYL1 und CYL2 sind rechtwinkelig zueinander
angeordnet.
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Wie
in 1 zu erkennen ist, stimmt die Fokalebene der zylindrischen
Linsen CYL1 und CYL2 in der bei F gezeigten Weise im wesentlichen überein.
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In
dem Beispiel gemäß 2 ist
die Linse L2 stromaufwärts
von den zylindrischen Linsen CYL1 und CYL2 angeordnet, ansonsten
jedoch ist die optische Anordnung die gleiche, mit einer gemeinsamen Fokalebene
F für die
zylindrischen Linsen.
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Diese
Konfigurationen besitzen mehrere Vorteile. L1 allein legt nicht
die Divergenz des Ausgangsstrahls fest, und deshalb braucht sie
nur grob ausgerichtet zu werden. Mit Hilfe von L2 kann eine Divergenz
einfach gesteuert werden. Der Durchmesser des kollimierten Laserstrahls
lässt sich
durch Steuerung der Divergenz (oder Konvergenz) des Ausgangs von
L1 einstellen. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die lichtstarke
oder lichtschwache Achse des Laserstrahls auf die gewünschte Größe von verschiedenen
Laserdioden eingestellt werden.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung ist L1 auf Grund der hohen numerischen
Apertur für
Abweichungen von dem ideal konstruierten Zustand empfindlich. Beispielsweise
führt eine Änderung
der Wellenlänge
oder der Gehäusefensterdicke
einer Laserdiode zu Aberration. Solche Aberrationen lassen sich mit
der bevorzugten Ausrichtung von L1 und L2 minimieren. Eine von einer
Laserdiode erzeugte Divergenz der lichtschwachen und der lichtstarken
Achse kann mit Hilfe einer unabhängigen
Ausrichtung von CYL1 und CYL gesteuert werden, und daher kann ein Astigmatismus
vollständig
kompensiert werden. Die Achsen der Elemente CYL1 und CYL2 sind nominell rechtwinkelig.
Jeder Fehler in dieser Rechtwinkeligkeit führt zu Astigmatismus von 45°. Der Betrag
dieses Astigmatismus ist eine Funktion des Drehwinkels. Mithin kann
dieser Astigmatismus von 45° durch Einstellung
des Drehwinkels der zylindrischen Linsen vollständig gelöscht werden.
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Die
zylindrischen Linsen sind auf Grund der schwierigen Herstellung
vorzugsweise Einzellinsen und müssen
deshalb mit kleiner numerischer Apertur verwendet werden, um damit
jede eingebrachte Aberration zu minimieren. Durch diese Lösung wird
jedoch die Brennweite jeder Linse vergrößert, und daher wird die Gesamtlänge des
Lasermoduls größer. Die
sphärische
Linse L2 kann viellinsig oder eine asphärische Linse sein, und daher
kann die Linse die von den Elementen der zylindrischen Linsen erzeugte
Aberration kompensieren oder sogar die von der ersten Kollimationslinse
L1 erzeugte Aberration kompensieren. Diese Lösung führt zu einem kompakteren Laserdiodenmodul.
An der Brennpunktposition in dem Lasermodul kann eine Apertur A2
positioniert werden, die als räumliches
Filter wirkt und die Menge des unerwünschten Lichts, d.h. Fluoreszenz
oder (Lambertsches) Streulicht von dem Laser, vermindert. Die Apertur
A2 führt
zu einem verbesserten Löschungsverhältnis des
Lasermoduls, wenn die Laserdiode LD auf Ein/Aus moduliert ist. Weiterhin
wird zum Rundformung des Strahls eine abschließende Apertur A1 verwendet,
da der Strahl jedoch an diesem Punkt in jedem Falle fast rund geformt
ist, sind Energieverlust und Beugungswirkungen an dieser Apertur
klein.
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Die 3 bis 6 stellen
vier weitere Konfigurationen dar, bei denen eine oder beide von
den zylindrischen Linsen CYL1, CYL2 eine negative Krümmung aufweisen.
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Eine
ausführlicheres
mechanisches Schema des Beispiels gemäß 6 ist in
den 7A und 7B gezeigt.
Die Teile sind auf einer Grundplatte 1 angebracht. In eine
Laserhalterung 2 wird eine Laserdiode LD geschoben. In
einen Linsenhalter 4 ist eine Kollimationslinse 3,
vorzugsweise eine aus Glas geformte asphärische Linse, mit hoher numerischer Apertur
pressgepasst. Zum Steuern der Temperatur der Laserdiode und der
Kollimationslinse wird ein thermoelektrischer Kühler 5 verwendet.
Zur Ausrichtung der Polarisierungsachse lässt sich die Laserdiode drehen
und kann in den Richtungen X und Y positionsmäßig verschoben werden, um den
Emissionspunkt der Diode auf die Achse der Kollimationslinse auszurichten.
Zur Einstellung des Divergenzzustands lässt sich die Kollimationslinse 3 nach
hinten und nach vorn in Bezug auf die Position der Diode stellen.
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Zur
Korrektur der Verschiebung und des Brennpunktfehlers können die
Linsen L2 (sphärisch), CYL1
und CYL2 (zylindrische Linsenelemente) auf ihren jeweiligen Halterungen 6–8 in
den Richtungen X, Y und Z in Bezug auf die Position der Laserdiode verschoben
werden. Die Linsenelemente CYL1 und CYL2 lassen sich parallel zu
der Laserstrahlachse drehen, um ihre Achsen auf die Laserdivergenzachse
auszurichten. Zum Kompensieren des außerachsigen Astigmatismus können weitere,
kleine Einstellungen von CYL1 oder CYL2 vorgenommen werden.
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Zur
Beseitigung von unerwünschtem
Licht wird eine erste Apertur 10 an der Brennpunktposition angebracht.
Eine zweite Apertur 11 wird am Ende des Moduls angebracht.
Die Größe der Apertur
wird vorgewählt,
um die gewünschte
Strahlgröße zu erhalten.
Die Apertur ist an einer Kardanaufhängung 12 befestigt,
so dass sie bei einer Restelliptizität in zwei Achsen gekippt werden
kann. Nahe dem Brewsterschen Winkel ist eine Glasplatte 13 angebracht,
die einen Strahlteiler bildet, um einen Teil des kollimierten Lichts
in Richtung zu einem (nicht gezeigten) Fotodetektor zu reflektieren,
der zur Stabilisierung der Leistung mit Rückkopplungssteuerung verwendet wird.
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Wie
in 8 zu sehen ist, besteht der Linsenhalter 4 aus
zwei Teilen 4A, 4B, wobei das Halterteil 4A in
das Halterteil 4B geschoben ist. Sobald der Abstand zwischen
der Linse und der Laserdiode eingestellt ist, wird er mit Schrauben
fixiert.
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Wenn
auch die meisten Teile des Halters 4 auf Grund der guten
Wärmeleitfähigkeit
und der Kosten aus Aluminium sind, besteht das Halterteil 4A aus einem
anderen Material, um den Kollimationszustand durchweg in einem.
Arbeitstemperaturbereich zu halten. Das lässt sich folgendermaßen erläutern:
Wenn
die Halterteile 4A, 4B beide aus Aluminium wären, würde die Änderung
der Brennpunktposition df mit der Temperatur folgendermaßen erfolgen: Df = (ft – f × a) × t
- f:
- Brennweite der Linse
- a:
- Wärmedehnung des Halterteils 4A und
des Halterteils 4B
- ft:
- Brennweitenänderung
der Linse pro Grad C
- t:
- Temperaturdifferenz
(Grad C)
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Wenn
nicht f × a
= ft, würde
sich der Kollimationszustand sehr stark ändern. Wenn beispielsweise a
= 23 × 10e-6,
f = 4mm und ft = 150 × 10e-6mm/Grad,
dann df = 58 × 10e-6mm/Grad.
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Wenn
für das
Halterteil 4A ein anderes Material verwendet wird, würde die
Formel folgendermaßen
lauten: df = (ft – f × a – l × (a – b)) × t
- b:
- Wärmedehnung des Materials des
Halterteils 4A
- l:
- Länge des Halterteils 4A
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In
diesem Fall können
Material und Länge des
Materials des Halterteils 4A derart gewählt werden, dass ft – f × a = l × (a – b). Wenn
das Halterteil 4A beispielsweise aus Silberstahl (b = 1l × 10e-6)
bestände
und l = 5mm, dann df = –2 × 10e-6mm/Grad.