WO1998008128A1 - Anordnung zur geometrischen umformung eines strahlungsfelds - Google Patents

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Keming Du
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Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for geometrically reshaping a radiation field, in particular a radiation field of a diode laser array, which propagates in the z direction, with a radiation cross section which runs in one direction, defined as the x direction, perpendicular to the z direction.
  • a direction that is perpendicular to it, defined as the y direction has a greater extent with lower beam quality, where x, y and z form a right-angled coordinate system, the radiation being or being grouped into radiation components in the x direction and the radiation components in Be reoriented with respect to their beam cross-sections, the arrangement comprising at least two reflective elements.
  • the fields of application of such arrangements are, among other things, the geometric shaping of diode laser radiation in order to build up defined radiation fields, and the shaping of a rectangular radiation field of a laser with, for example, a slab-shaped or rod-shaped gain medium, in order to thereby improve the beam quality via the Homogenize the cross-section of the beam or adapt it to specific applications.
  • High-power diode laser arrays or field arrangements typically have active media with a cross section of 1 ⁇ m x 10 mm.
  • the diode laser radiation is characterized, among other things, by a typical, elliptical beam cross-section and the large divergence angle in the fast direction (perpendicular to the PN transition) and a relatively low divergence in the slow direction (parallel to the PN transition).
  • Such a diode laser array with a beam cross section of 1 ⁇ m x 10 mm has extremely different beam qualities in the two directions perpendicular and parallel to the PN junction.
  • the beam quality is diffraction limited in the fast direction and diffraction limited in the slow direction approx. 1000 to 2000 times. For this reason, the radiation emitted by a diode laser array cannot be focused into a small and circular spot with cylindrical and spherical lenses. This limits the use of high-performance diode lasers to areas of application where only low intensities per unit area are required.
  • the expansion of applications to areas such as medical technology and material processing, fiber coupling and end-on pumping of solid-state lasers and fiber lasers requires a homogenization of the beam quality in both directions.
  • the present invention is based on the object of designing an arrangement of the type specified at the outset in such a way that the beam quality is homogeneous perpendicular to the direction of propagation.
  • each reflective element has a pair of reflection surfaces which are approximately at 90 ° or equal to 90 ° to one another, and this opening angle is directed against the direction of propagation and which approximately with its cutting line are oriented at 45 ° to the x direction.
  • the radiation field of diode laser arrays can be grouped by imaging individual emitter groups by the radiation field is directed to the arrangement with the at least two reflective elements. Since the individual reflection surfaces are each oriented in pairs at 90 ° to one another and the radiation is guided at 45 ° to the mirror surfaces, each part of the radiation is reflected twice at the reflection surfaces assigned in pairs and is thereby rotated by a certain angle, preferably by 90 °. As a result, the partial beams or groups are oriented in the direction perpendicular to the original grouping, that is to say the groups which were initially grouped in the x direction now stand as individual sections in the y direction after the double reflection on the pairs of reflective surfaces of the reflective elements on top of each other.
  • intersection line of the two reflection surfaces forming a pair of each reflective element can be oriented at an angle unequal to 90 ° to the z direction, so that no polarization beam splitter is required.
  • a further preferred embodiment of the arrangement is such that the intersection line of a pair of mutually associated reflective surfaces of a reflective element is oriented at an angle of 90 ° to the z-direction and, viewed in the direction of beam propagation, the radiation first falls on a polarization element and after reflection back from the pair of reflective surfaces is returned to the polarization splitter with the direction of polarization rotated and decoupled there.
  • a plurality of reflective elements can be joined to one another for reshaping radiation from a radiation field. This creates a continuously w-shaped structure of the reflection surfaces, which are alternately oriented at an angle of 90 ° to one another, with the grouping of the radiation components of the radiation field striking such an arrangement then by the intersection lines of the immediately adjacent reflection surfaces of the respectively adjacent two Pair of reflective surfaces takes place.
  • the radiation field which is reoriented with the arrangement according to the invention, can be composed of the radiation components of several radiation sources.
  • the individual radiation sources or the radiation components are then assigned to the respective area pairs for the grouping imaged by means of imaging optics such that a pair of reflecting surfaces is then assigned to each radiation component.
  • a double reflection is then carried out on the mirror surfaces of a pair of reflection surfaces while rotating the respective beam component in order to rotate this beam component in its position with respect to an observation plane on the output side of the second reflection surface, ie after the second reflection.
  • the individual radiation or beam components have large divergence angles. This is advantageous because each radiation component reflected by a pair of reflecting surfaces is assigned an optical system which increases the dimension of the beam cross section in the y direction or the direction of the higher beam quality or reduces the angle of divergence in this direction.
  • FIG. 1A shows an arrangement for transforming diode laser radiation, in which the mirror arrangement as shown in FIG. 2A is used, with FIGS. 1 C and 1 D showing two observation planes before and after reflection, which correspond to the respective radiation groups grouped and reshaped
  • FIG. 1B shows a side view from the direction of the arrow IB in FIG. 1A on the mirror arrangement, the diode laser beam source and a collimation device,
  • FIG. 2A shows a side view of a mirror arrangement, which represents an essential component of the arrangement according to the invention
  • FIG. 2B shows a plan view of the mirror arrangement of FIG. 2A from the direction of the arrow MB
  • FIG. 3A shows an arrangement for on-axis shaping of polarized or at least quasi-polarized radiation
  • FIG. 3B showing the grouping of the FIG. 3 shows the radiation field after grouping on the mirror arrangement
  • FIG. 3C represents the radiation grouping in an observation plane after double reflection on the mirror arrangement
  • FIG. 4A shows a further arrangement which is comparable to the arrangement in FIG. 3A, but which has additional imaging optics, FIG. 4B showing the imaging of the radiation groups on the mirror arrangement and FIG. 4C showing the reorientation of the radiation cross sections of the radiation groups after double reflection at the Mirror arrangement shows
  • FIG. 5A shows an arrangement which serves to increase the fill factor
  • FIG. 5B representing the input radiation field
  • FIG. 5C the output radiation field of the arrangement of FIG. 5A
  • FIG. 6A shows a second arrangement with which the fill factor can be increased, with the laser radiation field on the input and output sides shown in FIG. 6B, and
  • FIGS. 1A and 1B show an arrangement for reshaping a radiation field.
  • the radiation source 1 is a linear field arrangement with individual diode laser emitters 2, which form a (linear) field that is elongated in the x direction.
  • the radiation is emitted in the z direction.
  • the slow direction of the diode laser radiation i.e. the direction of the elliptical beam cross section with a relatively small divergence angle (parallel to the PN junction), lies in the x direction, while the fast direction, i.e. the direction of the elliptical beam cross section with a large divergence angle, lies in the y direction ( see Figure 1 B) is oriented.
  • the x, y and z directions represent a right-angled coordinate system.
  • the diode laser radiation is first collimated by a collimation lens 3 or the divergence angle is reduced in this direction.
  • the diode laser radiation is then, indicated by the radiation arrow 4, under a small angle, ie an angle in the range of approximately 10 degrees, as can also be seen in FIG. 1B, radiated onto a mirror arrangement 5.
  • This mirror arrangement 5, as shown in an enlarged illustration in FIG. 2A and in a plan view from the direction of the arrow IIB in FIG. 2B, comprises a number of reflective elements, in the embodiment shown a total of four such reflective elements 6, each of which is composed of one Pair of reflection surfaces 7, 8 is composed.
  • the two reflection surfaces 7, 8 of each reflective element 6 enclose an angle of approximately 90 °, this opening angle 9 being directed against the direction of propagation 4 of the diode laser radiation.
  • the respective intersection lines of the reflection surface pairs are aligned at an angle of approximately 45 ° to the x direction. This results in a w-shaped, continuous arrangement of the reflection surfaces 7, 8.
  • the radiation 4, which is radiated onto the mirror arrangement 5, is separated individually at the outer edges, ie the cutting lines 10, which protrude toward the diode laser arrangement 1
  • Radiation components are grouped as shown in FIG. 1C.
  • a continuous or continuous radiation field results in partial beams which have a diamond-shaped radiation cross section transverse to the direction of propagation.
  • Each partial beam 11 which emerges from the mirror arrangement 5 is then collimated in the slow direction, for which purpose a collimation lens 12 is used in the arrangement shown in FIGS. 1A and 1B.
  • FIG. 3A An on-axis forming arrangement, i.e. an arrangement in which the edges 10 are perpendicular to the z direction is shown in FIG. 3A.
  • the prerequisite for this arrangement is that the radiation to be reformed is polarized or at least quasi-polarized. This condition is met, for example, by a diode laser array 1, as is also used in the embodiment in FIG. 1A.
  • the radiation from the diode laser array 1 or the diode laser emitter 2 is collimated in the fast direction in this embodiment by a collimation lens 3 and the angle of divergence is thus reduced.
  • the diode laser radiation then passes through a ⁇ / 2 plate 13, which converts the p-polarization of the diode radiation into an s-polarization.
  • the radiation then strikes the polarizer 14, which guides the diode radiation to the mirror arrangement 5, which corresponds to the mirror arrangement 5 shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the radiation field is grouped on the outer edges 10 of the w-shaped reflective elements 6 or their reflection surfaces 7, 8, as shown in FIG. 3B, so that diamond-shaped radiation groups are formed.
  • the partial beams are rotated by 90 ° both with respect to the cross section and with respect to the polarization, so that a radiation image results from the individual radiation cross sections, as shown in FIG. 3C.
  • the radiation or the radiation groups are then decoupled by the polarizer 14, indicated by the arrow 15, and the radiation emerging from the polarizer 14 can be shaped with further optical arrangements 16, expediently collimation of the radiation taking place in the slow direction.
  • the radiation field is grouped by means of the outer edges of the reflective elements 6 of the mirror arrangement 5.
  • the partial beams are diamond-shaped, as can be seen from FIGS. 1C and 1 D and 3B and 3C. Although this represents a simple method of grouping, an approximately rectangular or square cross section is required as an ideal, shaped radiation cross section.
  • FIG. 4A An arrangement with which the requirement for a rectangular or square cross section can be met is shown in FIG. 4A, the basic structure of which corresponds to the arrangement in FIG. 3A.
  • an imaging optic 17 is inserted between the ⁇ .2 plate 13 and the polarizer 14, which reflects the radiation from the diode laser emitters 2 or the radiation groups formed from the radiation from the diode laser emitters 2 in the width direction, ie in the x direction in FIG. 4A , onto the respective reflective elements 6 or the reflecting surfaces 7, 8, like this is shown in FIG. 4b, the four approximately rectangular radiation cross sections being assigned to the four reflective elements 6 of the mirror arrangement 5.
  • the radiation field emerging from the polarizer 14 has an orientation rotated with respect to FIG. 4B, as shown in FIG. 4C.
  • the individual radiation cross sections are then stacked on top of one another and can be pushed together by further imaging optics in such a way that they form a closed radiation field lying one above the other.
  • the reflective elements 6 of the mirror arrangement 5 can also be replaced by individual roof edge prisms, which are combined to form a corresponding field.
  • FIG. 5A shows a cylindrical telescope array 18 in which the individual radiation components 19 on the input side (see FIG. 5) are expanded by means of negative cylindrical lenses 20, which are then parallelized in a positive cylindrical lens 21 assigned to each radiation group , so that a closed, coherent radiation field with the fill factor 1 arises from the individual output radiation components 22, as shown in FIG. 5C.
  • the respective radiation components 19 on the input side in the example of FIG 6A, three radiation groups are formed, each in a refractive element 23, the entry surface 24 of which is chamfered, irradiated obliquely at an angle, in such a way that the entire entry surface 24 is illuminated.
  • the cross sections of the individual output radiation components 22 are then expanded and pushed closer together, so that a fill factor of approximately 1 is achieved, as is also illustrated by the comparison of the input radiation components 19 with the output radiation components 22 in accordance with FIG.
  • FIG. 7 shows a third embodiment for increasing the fill factor, in which, in contrast to the embodiment in FIG. 6, reflective elements are used.
  • the individual radiation components 19 fall obliquely onto the respective reflection surfaces 25 in such a way that the individual radiation cross sections of the output radiation components 22 are pushed closer together, so that an increased fill factor can be achieved.
  • the respective coordinates are changed by the reflection surfaces 25 in accordance with the desired radiation field on the output side.

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Abstract

Anordnung zur geometrischen Umformung eines Strahlungsfelds, insbesondere eines Strahlungsfelds eines Diodenlaserarrays (2), das sich in z-Richtung ausbreitet, mit einem Strahlungsquerschnitt, der in der einen Richtung, als x-Richtung definiert, die senkrecht zu der z-Richtung verläuft, eine gegenüber der dazu senkrecht stehenden Richtung, als y-Richtung definiert, grössere Ausdehnung bei geringerer Strahlqualität aufweist, wobei x, y und z ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, wobei die Strahlung in Strahlungsanteile in x-Richtung gruppiert ist oder wird und die Strahlungsanteile in Bezug auf ihre Strahlquerschnitte umorientiert werden, wobei die Anordnung mindestens zwei reflektive Elemente (6) umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes reflektive Element ein Paar Reflexionsflächen (7, 8) aufweist, die annähernd unter 90° oder gleich zu 90° zueinander stehen, und dieser Öffnungswinkel (9) entgegen der Ausbreitungsrichtung gerichtet ist, und die mit ihrer Schnittlinie (10) annähernd unter 45° zu der x-Richtung orientiert sind.

Description

P a t e n t a n m e l d u n g
"Anordnung zur geometrischen Umformung eines Strahlungsfelds"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur geometrischen Umformung eines Strahlungsfelds, insbesondere eines Strahlungsfelds eines Diodenlaserarrays, das sich in z-Richtung ausbreitet, mit einem Strahlungsquerschnitt, der in der einen Richtung, als x-Richtung definiert, senkrecht zu der z-Richtung verläuft, eine gegenüber der dazu senkrecht stehenden Richtung, als y-Richtung definiert, eine größere Ausdehnung bei geringerer Strahlqualität aufweist, wobei x, y und z ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, wobei die Strahlung in Strahlungsanteile in x-Richtung gruppiert ist oder wird und die Strahlungsanteile in Bezug auf ihre Strahlquerschnitte umorientiert werden, wobei die Anordnung mindestens zwei reflektive Elemente umfaßt.
Eine solche Anordnung ist allgemein bekannt.
Die Anwendungsbereiche solcher Anordnungen, wie sie vorstehend angeführt sind, sind unter anderem die Geometrieumformung von Diodenlaserstr ahlung, um definierte Strahlungsfelder aufzubauen, sowie die Umformung eines rechteckigen Strahlungsfelds eines Lasers mit einem zum Beispiel slab- bzw. stabförmigen Verstärkungsmedium, um dadurch die Strahiqualität über den Querschnitt des Strahls zu homogenisieren bzw. an spezifische Anwendungen zu adaptieren. Hochleistungs-Diodenlaserarrays bzw. -Feldanordnungen haben typischerweise aktive Medien mit einem Querschnitt von 1 μm x 10 mm. Dadurch bedingt ist die Di- odenlaser Strahlung unter anderem gekennzeichnet durch einen typischen, elliptischen Strahlquerschnitt und dem großen Divergenzwinkel in der Fastrichtung (senkrecht zum PN-Übergang) und einer relativ geringen Divergenz in der Slowrichtung (parallel zum PN-Übergang).
Ein solches Diodenlaserarray mit einem Strahlquerschnitt von 1 μm x 10 mm besitzt extrem unterschiedliche Strahlqualitäten in den beiden Richtungen senkrecht und parallel zu dem PN-Übergang. So ist die Strahlqualität in der Fastrichtung beu- gungsbegrenzt und in der Slowrichtung ca. 1000- bis 2000-fach beugungsbegrenzt. Aus diesem Grund kann die von einem Diodenlaserarray emittierte Strahlung nicht mit zylindrischen und sphärischen Linsen in einen kleinen und kreisförmigen Fleck fokussiert werden. Dadurch werden die Anwendungen von Hochleistungs-Diodenla- sern auf Einsatzgebiete beschränkt, wo nur geringe Intensitäten pro Flächeneinheit notwendig sind. Die Ausweitung der Anwendungen auf Gebiete wie die Medizintechnik und die Materialbearbeitung, die Fasereinkopplung und das End-On-Pumpen von Festkörperlasern und Faserlasern, erfordert eine Homogenisierung der Strahlqualität in beiden Richtungen.
Ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik und der vorstehend geschilderten Problematik, die sich bei dem Einsatz von Diodenlaserstrahlung stellt, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Strahlqualität senkrecht zur Ausbreitungsrichtung homogen ist.
Gelöst wird die Aufgabe bei einer Anordnung mit den eingangs angegebenen Merkmalen dadurch, daß jedes reflektive Element ein Paar Reflexionsflächen aufweist, die annähernd unter 90° oder gleich zu 90° zueinander stehen, und dieser Öffnungswinkel entgegen der Ausbreitungsrichtung gerichtet ist und die mit ihrer Schnittlinie annähernd unter 45° zu der x-Richtung orientiert sind.
Mit einer solchen Anordnung kann das Strahlungsfeld von Diodenlaserarrays durch die Abbildung einzelner Emittergruppeπ gruppiert werden, indem das Strahlungsfeld auf die Anordnung mit den mindestens zwei reflektiven Elementen gerichtet wird. Da die einzelnen Reflexionsflächen jeweils paarweise unter 90° zueinander orientiert sind und die Strahlung unter 45° auf die Spiegelflächen geführt wird, wird jeder Strahlungsteil an den paarweise zugeordneten Reflexionsflächen jeweils zweifach reflektiert und dadurch um einen bestimmten Winkel, vorzugsweise um 90°, gedreht. Hierdurch werden die Teilstrahlen bzw. Gruppen in der Richtung senkrecht zur ursprünglichen Gruppierung orientiert, d.h. die Gruppen, die zunächst in der x-Richtung gruppiert wurden, stehen nun als einzelne Abschnitte in der y-Richtung nach der zweifachen Reflexion an den Reflexionsflächenpaaren der reflektiven Elemente übereinander. Durch diese geometrische Umformung und Umorientierung der einzelnen Strahlungsanteile kann die Strahlqualität über den Querschnitt homogenisiert werden. Die Schnittlinie der zwei ein Paar bildenden Reflexionsflächen jedes reflektiven Elements kann unter einem Winkel ungleich 90° zu der z-Richtung orientiert werden, damit kein Polarisationsstrahlteiler benötigt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Anordnung ist derart, daß die Schnittlinie eines Paars zueinander zugeordneter Reflexionsflächen eines reflektiven Elements unter einem Winkel von 90° zu der z-Richtung orientiert ist und in Strahlausbreitungsrichtung gesehen die Strahlung zunächst auf einen Polarisationsteiier fällt und nach Rückreflexion von dem Reflexionsflächeπpaar mit gedrehter Polarisationsrichtung auf den Polarisationsteiler zurückgeführt und dort ausgekoppelt wird.
Zum Umformen von Strahlung eines Strahlungsfelds können mehrere reflektive Elemente aneinandergefügt werden. So entsteht eine fortlaufend w-förmige Struktur der Reflexionsflächen, die wechselweise unter einem Winkel von 90° zueinander orientiert sind, wobei dann die Gruppierung der Strahlungsanteile des Strahlungsfelds, das auf eine solche Anordnung auftrifft, durch die Schnittlinien der unmittelbar benachbarten Reflexionsflächen der jeweils benachbarten zwei Refiexionsflächenpaa- re erfolgt.
Es wird ersichtlich werden, daß das Strahlungsfeld, das mit der erfindungsgemäßen Anordnung umorientiert wird, aus den Strahlungsanteilen mehrerer Strahlungsquellen zusammengesetzt sein kann. Die einzelnen Strahlungsquellen bzw. die Strahlungsanteile werden dann auf die jeweiligen Flächenpaare für die Gruppierung mittels einer Abbildungsoptik abgebildet derart, daß dann jedem Strahlungsanteil jeweils ein Reflexionsflächenpaar zugeordnet ist. An den Spiegelflächen eines Refle- xionsflächenpaars erfolgt dann eine Zweifachreflexion unter Drehung des jeweiligen Strahlanteils, um diesen Strahlanteil in Bezug auf eine Beobachtungsebene aus- gangsseitig der zweiten Reflexionsfläche, d.h. nach der zweiten Reflexion, in seiner Lage zu drehen.
Bei bevorzugten Ausführungen haben die einzelnen Strahlungs- bzw. Strahlanteile große Divergenzwinkel. Dies ist von Vorteil, da jedem von einem Reflexionsflächen- paar reflektierten Strahlungsanteil eine Optik zugeordnet wird, die die Dimension des Strahlquerschnitts in der y-Richtung bzw. der Richtung der höheren Strahlqualität vergrößert bzw. den Divergenzwinkel in dieser Richtung reduziert.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Figur 1A eine Anordnung zur Umformung von Diodenlaser Strahlung, in der die Spiegelanordnung, wie sie in den Figuren 2A gezeigt ist, eingesetzt ist, wobei Figur 1 C und 1 D zwei Beobachtungsebenen jeweils vor und nach der Reflexion zeigen, die die jeweiligen Strahlungsgruppen, entsprechend gruppiert und umgeformt, darstellen
Figur 1 B eine Seitenansicht aus Richtung des Sichtpfeils IB in Figur 1 A auf die Spiegelanordnung, die Diodenlaserstr ahlenquelle und eine Kollimationseinrichtung,
Figur 2A eine Seitenansicht einer Spiegelanordnung, die ein wesentliches Bauteil der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt,
Figur 2B eine Draufsicht auf die Spiegelanordnung der Figur 2A aus Richtung des Sichtpfeils MB,
Figur 3A eine Anordnung zur On-Axis-Umformung von polarisierter oder zumindest quasi-polarisierter Strahlung, wobei Figur 3B die Gruppierung des Strahlungsfelds nach Gruppierung an der Spiegelanordnung, wie sie in Figur 3A gezeigt ist, darstellt, und wobei Figur 3C die Strahlungsgruppierung in einer Beobachtungsebene nach zweifacher Reflexion an der Spiegelanordnung darstellt,
Figur 4A eine weitere Anordnung, die mit der Anordnung der Figur 3A vergleichbar ist, die allerdings eine zusätzliche Abbildungsoptik aufweist, wobei Figur 4B die Abbildung der Strahlungsgruppen auf die Spiegelanordnung zeigt und Figur 4C die Umorientierung der Strahlungsquerschnitte der Strah- luπgsgruppen nach zweifacher Reflexion an der Spiegelanordnung zeigt,
Figur 5A eine Anordnung, die dazu dient, den Füllfaktor zu erhöhen, wobei Figur 5B das Eingangsstrahlenfeld und Figur 5C das ausgangsseitige Strahlungsfeld der Anordnung der Figur 5A darstellen,
Figur 6A eine zweite Anordnung, mit der der Füllfaktor erhöht werden kann, mit dem eingangs- und ausgangsseitigen Laserstrahlungsfeld in der Figur 6B gezeigt, und
Figur 7 eine dritte Anordnung, mit der ebenfalls der Füllfaktor erhöht werden kann.
Die Figuren 1A und 1 B zeigen eine Anordnung zur Umformung eines Strahlungsfelds. Bei der Strahlungsquelle 1 handelt es sich um eine lineare Feldanordnung mit einzelnen Diodenlaseremittern 2, die ein in der x-Richtung langgestrecktes (lineares) Feld bilden. Die Abstrahlung der Strahlung erfolgt in der z-Richtung. Hierbei liegt die Slowrichtung der Diodenlaserstrahlung, d.h. die Richtung des elliptischen Strahlquerschnitts mit relativ geringem Divergenzwinkel (parallel zum PN-Übergang) in der x-Richtung, während die Fastrichtung, d.h. die Richtung des elliptischen Strahlquerschnitts mit großem Divergenzwinkel, in der y-Richtung (siehe Figur 1 B) orientiert ist. Die x-, y- und z-Richtung stellen hierbei ein rechtwinkliges Koordinatensystem dar. Die Diodenlaserstrahlung wird zunächst durch eine Kollimationslinse 3 kollimiert bzw. der Divergenzwinkei wird in dieser Richtung reduziert. Die Diodenlaserstrahlung wird dann, durch den Strahlungspfeil 4 angedeutet, unter einem kleinen Winkel, d.h. einem Winkel im Bereich von etwa 10 Grad, wie auch in Figur 1B zu erkennen ist, auf eine Spiegelanordnung 5 gestrahlt. Diese Spiegelanordnung 5, wie sie in einer vergrößerten Darstellung in Figur 2A und in einer Draufsicht aus Richtung des Sichtpfeils IIB in Figur 2B gezeigt ist, umfaßt eine Anzahl reflektiver Elemente, in der gezeigten Ausführungsform insgesamt vier solcher reflektiver Elemente 6, von denen jedes aus einem Paar Reflexionsflächen 7, 8 zusammengesetzt ist. Die beiden Reflexionsflächen 7, 8 jedes reflektiven Elements 6 schließen einen Winkel von annähernd 90° ein, wobei dieser Öffnungswinkel 9 entgegen der Ausbreitungsrichtung 4 der Diodenlaserstrahlung gerichtet ist. Die jeweiligen Schnittlinien der Refiexionsflächen-Paare sind unter einem Winkel von etwa 45° zu der x- Richtung ausgerichtet. Hierdurch ergibt sich eine w-förmige, fortlaufende Anordnung der Reflexionsflächen 7, 8. Die Strahlung 4, die auf die Spiegelanordnung 5 gestrahlt wird, wird an den Außenkanten, d.h. den Schnittlinien 10, die zu der Dioden- laseranordnung 1 hin vorstehen, in einzelne Strahlungsanteile gruppiert, wie dies in der Figur 1 C dargestellt ist. Bei einem durchgehenden oder fortlaufenden Strahlungsfeld ergeben sich Teilstrahlen, die quer zur Ausbreitungsrichtung einen rautenförmigen Strahlungsquerschnitt besitzen. Von der einen Reflexionsfläche 7 bzw. 8 wird dann der jeweilige Strahlungsanteil zu der gegenüberliegenden Reflexionsfläche 8 bzw. 7 reflektiert und von dort abgestrahlt. Jeder Teilstrahl 11 , der aus der Spiegelanordnung 5 austritt, wird anschließend in der Slowrichtung kollimiert, wozu in der in den Figuren 1A und 1B gezeigten Anordnung eine Kollimationslinse 12 eingesetzt ist.
Eine On-Axis-Umformungsanordnung, d.h. eine Anordnung, bei der die Kanten 10 senkrecht zur z-Richtung stehen, ist in Figur 3A dargestellt. Vorausgesetzt wird bei dieser Anordnung, daß die umzuformende Strahlung polarisiert oder zumindest qua- si-polarisiert ist. Diese Bedingung wird beispielsweise durch ein Diodenlaserarray 1 , wie es auch in der Ausführungsform der Figur 1A eingesetzt ist, erfüllt.
Soweit in Figur 3A sowie in den weiteren Figuren Bauteile und Bauelemente dargestellt sind und erläutert werden, die mit Bauelementen der Figuren 1 A und 1 B vergleichbar sind, so sind dieselben Bezugszeichen verwendet und eine Wiederholung der Beschreibung solcher Bauteile oder Bauelemente wird weggelassen. Die Strahlung des Diodenlaserarrays 1 bzw. der Diodenlaseremitter 2 wird durch eine Kollimationslinse 3 in dieser Ausführungsform in der Fastrichtung kollimiert und somit wird der Divergenzwinkel reduziert. Die Diodenlaserstrahlung führt dann durch eine λ/2-Platte 13, die die p-Polarisation der Diodenstrahlung in eine s-Polarisation umwandelt. Die Strahlung trifft dann auf den Polarisator 14, der die Diodenstrahlung zu der Spiegelanordnung 5, die der Spiegelanordnung 5 entspricht, die in Figur 2A und 2B dargestellt ist, führt. An den Außenkanten 10 der w-förmig angeordneten reflektiven Elemente 6 bzw. deren Reflexionsflächen 7, 8 wird das Strahlungsfeld so gruppiert, wie dies in Figur 3B dargestellt ist, so daß rautenförmige Strahlungsgruppen entstehen. Nach einer Zweifachreflexion an den jeweiligen Reflexionsflächenpaaren 7, 8 werden die Teilstrahlen in sich sowohl bezüglich des Querschnitts als auch bezüglich der Polarisation um 90° gedreht, so daß sich ein Strahlungsbild aus den einzelnen Strahlungsquerschnitten ergibt, wie dies in Figur 3C gezeigt ist. Die Strahlung bzw. die Strahlungsgruppen werden dann durch den Polarisator 14 ausgekoppelt, mit dem Pfeil 15 angedeutet, und die aus dem Polarisator 14 austretende Strahlung kann mit weiteren optischen Anordnungen 16 geformt werden, wobei zweckmäßigerweise eine Kollimation der Strahlung in der Slowrichtung erfolgt.
Bei den vorstehend anhand der Figuren 1 bis 3 diskutierten Ausführungsformen wird das Strahlungsfeld mittels der Außenkanten der reflektiven Elemente 6 der Spiegelanordnung 5 gruppiert. Dadurch bedingt sind die Teilstrahlen rautenförmig, wie dies anhand der Figuren 1C und 1 D sowie 3B und 3C zu sehen ist. Dies stellt zwar ein einfaches Verfahren einer Gruppierung dar, allerdings wird als ein idealer, umgeformter Strahlungsquerschnitt ein annähernd rechteckiger oder quadratischer Querschnitt gefordert.
Eine Anordnung, mit der die Forderung nach einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt erfüllt werden kann, ist in Figur 4A gezeigt, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau der Anordnung der Figur 3A entspricht. Zusätzlich ist zwischen der λ.2-Platte 13 und dem Polarisator 14 eine Abbildungsoptik 17 eingefügt, die die Strahlung der Diodenlaseremitter 2 oder die aus der Strahlung der Diodenlaseremitter 2 gebildeten Strahlungsgruppen in der Breiten-Richtung, d.h. in der x-Richtung in Figur 4A, auf die jeweiligen reflektiven Elemente 6 bzw. die Reflexionsfiächen 7, 8 abbildet, wie dies in Figur 4b dargestellt ist, wobei die vier etwa rechteckigen Strahlungsquerschnitte den vier reflektiven Elementen 6 der Spiegelanordnung 5 zuzuordnen sind. Nach der zweifachen Reflexion an den jeweiligen Reflexionsflächen 7, 8 besitzt dann, aufgrund der erfolgten Drehung der Strahlquerschnitte, das aus dem Polarisator 14 austretende Strahlungsfeld eine gegenüber der Figur 4B gedrehte Orientierung, wie dies in Figur 4C gezeigt ist. Die einzelnen Strahlungsquerschnitte sind dann übereinander gestapelt und können durch weitere Abbildungsoptiken so zusammengeschoben werden, daß sie übereinanderliegend ein geschlossenes Strahlungsfeld bilden.
In allen Ausführungsformen, wie sie vorstehend diskutiert sind, können die reflektiven Elemente 6 der Spiegelanordnung 5 auch durch einzelne Dachkantenprismen, die zu einem entsprechenden Feld zusammengesetzt sind, ersetzt werden.
Bei der Umformung der Strahlung bzw. der Querschnitte der Strahl ungsgruppen sowohl mit einer Abbildungsoptik als auch ohne eine Abbildungsoptik kann es von Vorteil sein, die Abmessung des Strahlungsfelds in der Richtung senkrecht zur Gruppierung kleiner zu halten. Dies führt dazu, daß der Füllfaktor des Ausgangsstrahlungsfelds wesentlich kleiner als 1 ist, wie sich dies aus den Figuren 1D, 3C und 4C unmittelbar ergibt. Dies hat zur Folge, daß die Strahlqualität verringert wird. Um diesen nachteiligen Effekt aufzuheben, sind zusätzliche, optische Abbildungsanordnungen von Vorteil, mit denen der Füllfaktor erhöht wird. Drei mögliche, bevorzugte Ausführungsformen solcher Anordnungen sind in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellt.
Die Ausführungsform, wie sie in Figur 5A dargestellt ist, zeigt ein zylindrisches Teleskop-Array 18, bei dem die einzelnen eingangsseitigen Strahlungsanteile 19 (siehe Figur 5) mittels negativen Zylinderlinsen 20 aufgeweitet werden, die dann in einer jeder Strahlungsgruppe zugeordneten positiven Zylinderlinse 21 parallelisiert werden, so daß aus den einzelnen Ausgangsstrahlungsanteilen 22 ein geschlossenes, zusammenhängendes Strahlungsfeld mit dem Füllfaktor 1 entsteht, wie dies in Figur 5C gezeigt ist.
In einer zweiten, bevorzugten Anordnung, die in Figur 6A dargestellt ist, werden die jeweiligen eingangsseitigen Strahlungsanteile 19, wobei in dem Beispiel der Figur 6A drei Strahlungsgruppen gebildet sind, in jeweils ein refraktives Element 23, dessen Eintrittsfläche 24 abgeschrägt ist, schräg unter einem Winkel eingestrahlt, und zwar so, daß die gesamte Eintrittsfläche 24 ausgeleuchtet wird. Ausgangsseitig der refraktiven Elemente 23 werden dann die Querschnitte der einzelnen Ausgangsstrahlungsanteile 22 aufgeweitet und näher zusammengeschoben, so daß ein Füllfaktor von annähernd 1 erzielt wird, wie dies auch der Vergleich der Eingangsstrahlungsanteile 19 mit den Ausgangsstrahlungsanteilen 22 entsprechend der Figur 6 verdeutlicht.
Schließlich ist in Figur 7 eine dritte Ausführungsform zur Erhöhung des Füllfaktors dargestellt, bei der, im Gegensatz zu der Ausführungsform der Figur 6, reflektive Elemente verwendet werden. Hierbei fallen die einzelnen Strahlungsanteile 19 schräg auf jeweilige Reflexionsflächen 25 so auf, daß die einzelnen Strahlungsquerschnitte der Ausgangsstrahlungsanteile 22 näher zusammengeschoben werden, so daß ein erhöhter Füllfaktor erzielt werden kann. In Bezug auf die Eingangsstrahlungsanteile 19 werden die jeweiligen Koordinaten durch die Refiexionsflächen 25 entsprechend dem gewünschten ausgangsseitigen Strahlungsfeld geändert.

Claims

P a t e n t a n m e l d u n g"Anordnung zur geometrischen Umformung eines Strahl ungsfelds"P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Anordnung zur geometrischen Umformung eines Strahlungsfelds, insbesondere eines Strahlungsfelds eines Diodenlaserarrays, das sich in z-Richtung ausbreitet, mit einem Strahlungsquerschnitt, der in der einen Richtung, als x-Richtung definiert, die senkrecht zu der z-Richtung verläuft, eine gegenüber der dazu senkrecht stehenden Richtung, als y-Richtung definiert, eine größere Ausdehnung bei geringerer Strahlqualität aufweist, wobei x, y und z ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, wobei die Strahlung in Strahlungsanteile in x- Richtung gruppiert ist oder wird und die Strahlungsanteile in Bezug auf ihre Strahlquerschnitte umorientiert werden, wobei die Anordnung mindestens zwei reflektive Elemente umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes reflektive Element (6) ein Paar Reflexionsflächen (7, 8) aufweist, die annähernd unter 90° oder gleich zu 90° zueinander stehen, und dieser Öffnungswinkel (9) entgegen der Ausbreitungsrichtung gerichtet ist, und die mit ihrer Schnittlinie (10) annähernd unter 45° zu der x-Richtung orientiert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittlinie (10) jeweils unter einem Winkel ungleich 90° zu der z-Richtung orientiert ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittlinie (10) unter einem Winkel von 90° zu der z-Richtung orientiert ist, wobei in Strahlungsausbreitungsrichtung gesehen die Strahlung zunächst auf einen Polarisationsstrahlteiler (14) fällt und nach Rückreflexion von dem Reflexionsflächenpaar (7, 8) auf den Polarisationsteiler (14) zurückgeführt und dort ausgekoppelt wird.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppierung der Strahlungsanteile durch die Schnittlinien (10) der unmittelbar benachbarten Reflexionsflächen (7, 8) der benachbarten zwei Reflexionsflächenpaare erfolgt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsfeld aus den Strahlungsanteilen mehrerer Strahlungsquellen zusammengesetzt ist und auf Reflexionsflächen paare (7, 8) mittels einer Abbildungsoptik (3) abgebildet wird derart, daß jedem Strahiungsanteil jeweils ein Reflexionsflächenpaar (7, 8) zugeordnet ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem von einem Reflexionsflächenpaar (7, 8) reflektierten Strahlungsanteil eine Optik (12) zugeordnet ist, die die Dimension des Strahlquerschnitts in der y-Richtung bzw. der Richtung der höheren Strahlqualität vergrößert bzw. der Divergenzwinkel in dieser Richtung reduziert wird.
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