WO2003005103A1 - Element zur fokussierung der strahlung eines laserdiodenbarrens - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for imaging the light emanating from a laser diode bar onto a focal plane according to the preamble of claim 1.
  • emission sources 1 which are spaced from the laser diode bar equidistantly in the X direction, are shown schematically.
  • the light rays 2 emanating from these emission sources 1 pass in the Z direction through a fast-axis collimation lens 3 and then separated from each other into a slow-axis lens.
  • Collimation element 4 can, for example, be combined to form an array. In the illustrated embodiment, they are shown as plan-convex lenses. However, it is also possible to design them as biconvex lenses or the like.
  • the light emerging from the slow-axis collimation elements 4 enters a slow-axis focusing lens 5 and is focused by the latter in a focal plane 6.
  • 1 clearly shows that images of each of the emission sources 1 are produced in an image area B in the focal plane 6, the images of each of the emission sources 1 being overlaid with each of the other emission sources 1 in the image area B. This is exemplified by the marginal and central rays of some of the
  • intensity distributions 7 of two emission sources 1 of a laser diode bar shows an example of the intensity distributions 7 of two emission sources 1 of a laser diode bar. It is clearly evident that the intensity distributions 7 of these two emission sources 1 are structured approximately the same in the X direction. Therefore, when the light emanating from these two emission sources or from all emission sources 1 of the laser diode bar is superimposed in the focal plane, an intensity distribution 8 will result which corresponds approximately to the intensity distributions 7.
  • Intensity distributions of the light emerging from individual emission sources of a laser diode bar allow a more homogeneous intensity distribution of the light of the emission sources, for example superimposed in a focal plane.
  • Figure 1 shows schematically an arrangement according to the prior art.
  • FIG. 2b shows the intensity distribution of the superimposed light of several emission sources according to FIG. 2a;
  • 2d shows the intensity distribution of the superposition of the light emerging from the waveguide means of an arrangement according to the invention
  • 3a shows a waveguide means of an arrangement according to the invention
  • Fig. 3b is a view according to the arrow Illb in Fig. 3a.
  • An arrangement according to the invention also has a laser diode bar with emission sources 1 arranged next to one another at a distance from one another in the X direction. Furthermore, an arrangement according to the invention has waveguide means 9, which in FIG. 3 are simultaneously designed as a fax-axis collimation lens.
  • the light 2 emerging from these waveguide means 9 can, for example, as illustrated in FIG. 1, pass through slow-axis collimation elements 4 and a slow-axis focusing lens 5, so that light rays originating from different emission sources 1 can be superimposed in a focal plane 5.
  • the waveguide means illustrated in FIG. 3 each has a cylindrical surface 10 on its entry side and on its exit side. These cylindrical surfaces 10 are suitable for the waveguide means 9 as a fast-axis collimation lens.
  • the waveguide means 9 has waveguide elements 11 arranged next to one another in the X direction, each of the emission sources 1 being assigned one of the waveguide elements 11.
  • the waveguide means 9 has an essentially comb-like structure in the XZ plane, each of the waveguide elements 11 being connected to a common web 12 which holds the waveguide elements 11 in position.
  • the passage of individual light beams 2 through the waveguide element 11 or through the waveguide means 9 is indicated by way of example. 3 is only a rough illustration of the principle. Overall, more than the indicated reflections certainly take place inside each of the waveguide elements 11.
  • the intensity distribution 13 after the light beams 2 have passed through each of the waveguide elements 11 is substantially more uniform than the corresponding intensity distributions 7 before entering the waveguide means 9 (see FIG. 2).
  • the intensity distributions of the light beam as they pass through the waveguide elements are statistically averaged by the multiple reflections, so that there is a comparatively homogeneous intensity distribution when exiting the waveguide means 9 (see FIG. 2c).
  • 2d shows the intensity distribution 14 of the light beams superimposed in the focal plane 6.
  • This intensity distribution 14 is very uniform and very well suited for a wide variety of applications.
  • the waveguide means 9 there is definitely the possibility of designing the waveguide means 9 in a different way. All known forms of waveguide structures, for example in the form of plates, webs, fibers or the like, are conceivable here. According to the invention, there should also be the possibility of separating the fast-axis collimation lens from the waveguide means or of providing a fast-axis collimation lens in addition to the waveguide means.

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Abstract

Anordnung zur Abbildung des von einem Laserdiodenbarren ausgehenden Lichts auf eine Brennebene (6), umfassend einen Laserdiodenbarren mit in einer ersten Richtung (X) beabstandet nebeneinander angeordnete Emissionsquellen (1), wobei das von diesen Emissionsquellen (1) ausgehende Licht nach Hindurchtritt durch eine Fast-Axis-Kollimationslinse (10) vermittels einer Anzahl von jeweils einzelnen der Emissionsquellen (1) zugeordneten Slow-Axis-Kollimationselementen (4) sowie durch eine Slow-Axis-Fokussierungslinse (5) in der Brennebene (5) miteinander überlagert werden, wobei zwischen den Emissionsquellen (1) und den Slow-Axis-Kollimationselementen (4) Wellenleitermittel (9) angeordnet sind, die die Intensitätsverteilung des von den einzelnen Emissionsquellen (1) ausgehenden Lichtes (2) derart homogenisieren und/oder derart von Korrelationen einzelner Emissionsquellen (1) zueinander befreien, dass die Intensitätsverteilung des in der Brennebene (6) überlagerten Lichtes (2) homogenisiert wird.

Description

ELEMENT ZUR FOKUSSIERUNG DER STRAHLUNG EINES LASERDIODENBARRENS
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abbildung des von einem Laserdiodenbarren ausgehenden Lichts auf eine Brennebene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Anordnungen sind hinlänglich bekannt. In Fig. 1 ist eine derartige Anordnung beispielhaft beschrieben. Dabei sind von dem Laserdiodenbarren äquidistant in X-Richtung beabstandet angeordnete und ausgedehnte Emissionsquellen 1 schematisch dargestellt. Die von diesen Emissionsquellen 1 ausgehenden Lichtstrahlen 2 treten in Z-Richtung durch eine Fast-Axis-Kollimationslinse 3 und daran anschließend voneinander separiert in jeweils ein Slow-Axis-
Kollimationselement 4. Diese Slow-Axis-Kollimationselemente 4 können beispielsweise zu einem Array zusammengefasst sein. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel sind sie als Plan-Konvex- Linsen dargestellt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, sie als Bikonvex-Linsen oder dergleichen auszubilden.
Das aus den Slow-Axis-Kollimationselementen 4 austretende Licht tritt in eine Slow-Axis-Fokussierungslinse 5 ein und wird von dieser in einer Brennebene 6 fokussiert. Aus Fig. 1 ist deutlich ersichtlich, dass in einem Bildbereich B in der Brennebene 6 Bilder einer jeden der Emissionsquellen 1 entstehen, wobei jeweils in dem Bildbereich B die Bilder einer jeden der Emissionsquellen 1 mit jeder der anderen Emissionsquellen 1 überlagert werden. Dies ist beispielhaft an Rand- und Zentralstrahlen des von einigen der
Emissionsquellen 1 ausgehenden Lichts 2 verdeutlicht.
Auf diese Weise kann in der Regel erreicht werden, dass das überlagerte Bild der einzelnen Emissionsquellen in der Brennebene 6 eine in X-Richtung im wesentlichen homogene
Intensitätsverteilung aufweist. Dies gilt jedoch nur dann, wenn die Intensitätsverteilungen der einzelnen Emissionsquellen 1 nicht miteinander korreliert sind. Für den Fall, dass die Emissionsquellen miteinander korreliert sind, ergibt sich bei Anordnungen gemäß dem Stand der Technik das Problem, dass das in der Brennebene 6 entstehende Bild eine in X-Richtung strukturierte Intensitätsverteilung aufweist. Dies ist für einige Anwendungen beispielsweise für die
Ausleuσhtung eines Modulationsmittels für Druckanwendungen oder dergleichen problematisch.
Fig. 2a zeigt beispielhaft die Intensitätsverteilungen 7 zweier Emissionsquellen 1 eines Laserdiodenbarrens. Es ist deutlich ersichtlich, dass die Intensitätsverteilungen 7 dieser beiden Emissionsquellen 1 in X-Richtung etwa gleich strukturiert sind. Daher wird bei einer Überlagerung des von diesen beiden Emissionsquellen bzw. von sämtlichen Emissionsquellen 1 des Laserdiodenbarrens ausgehenden Lichts in der Brennebene eine Intensitätsverteilung 8 entstehen, die etwa den Intensitätsverteilungen 7 entspricht.
Eine derartige inhomogene Intensitätsverteilung in der Brennebene ist für bestimmte Anwendungen äußerst ungeeignet. Beispielsweise bei der Ausleuchtung eines Modulationsmittels für Anwendungen in der Druckindustrie oder dergleichen können derartig inhomogene Intensitätsverteilungen nicht akzeptiert werden .
Es ist daher dass der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei miteinander korrelierten
Intensitätsverteilungen des aus einzelnen Emissionsquellen eines Laserdiodenbarrens austretenden Lichts eine homogenere Intensitätsverteilung des beispielsweise in einer Brennebene überlagerten Lichts der Emissionsquellen erlaubt.
Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 ermöglicht. Durch die Wellenleitermittel werden die aus diesen austretenden Intensitätsverteilungen der einzelnen Emissionsquellen statistisch verändert und geglättet, so dass nach Austritt aus den Wellenleitermitteln keine Korrelation der einzelnen Intensitätsverteilungen mehr zueinander besteht. Dadurch kann in der Brennebene eine Überlagerung des von den einzelnen Emissionsquellen ausgehenden Lichts erzielt werden, die eine ausgesprochen homogene Intensitätsverteilung aufweist.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Darin zeigen
Fig. 1 schematisch eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2a die miteinander korrelierten
Intensitätsverteilungen einzelner Emissionsquellen eines Laserdiodenbarrens;
Fig. 2b die Intensitätsverteilung des überlagerten Lichts mehrerer Emissionsquellen gemäß Fig. 2a;
Fig. 2c die Intensitätsverteilungen des aus erfindungsgemäßen Wellenleiternmitteln austretenden
Lichts in einer erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 2d die Intensitätsverteilung der Überlagerung des aus den Wellenleiternmitteln einer erfindungsgemäßen Anordnung ausgetretenen Lichts;
Fig. 3a ein Wellenleitermittel einer erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 3b eine Ansicht gemäß dem Pfeil Illb in Fig. 3a.
Eine erfindungsgemäße Anordnung weist ebenfalls einen Laserdiodenbarren mit in X-Richtung zueinander beabstandet nebeneinander angeordneten Emissionsquellen 1 auf. Weiterhin weist eine erfindungsgemäße Anordnung Wellenleitermittel 9 auf, die in Fig. 3 gleichzeitig als Fax-Axis- Kollimationslinse ausgebildet sind. Das aus diesen Wellenleiternmitteln 9 austretende Licht 2 kann beispielsweise wie in Fig. 1 verdeutlicht durch Slow-Axis- Kollimationselemente 4 und eine Slow-Axis-Fokussierungslinse 5 hindurchtreten, so dass in einer Brennebene 5 von unterschiedlichen Emissionsquellen 1 ausgehende Lichtstrahlen überlagert werden können. Das in Fig. 3 verdeutlichte Wellenleitermittel weist an seiner Eintrittsseite und an seiner Austrittsseite jeweils eine Zylinderfläche 10 auf. Diese Zylinderflächen 10 eignen das Wellenleitermittel 9 als Fast-Axis-Kollimationslinse.
Weiterhin weist das Wellenleitermittel 9 in X-Richtung nebeneinander angeordnete Wellenleiterelemente 11 auf, wobei jeweils jeder der Emissionsquellen 1 eines der Wellenleiterelemente 11 zugeordnet ist. Insgesamt hat das Wellenleitermittel 9 in der XZ-Ebene eine im wesentlichen kammartige Struktur, wobei jedes der Wellenleiterelemente 11 mit einem gemeinsamen Steg 12 verbunden ist, der die Wellenleiterelemente 11 in Position hält. Bei dem mittleren Wellenleiterelement 11 in Fig. 3a ist beispielhaft der Hindurchtritt einzelner Lichtstrahlen 2 durch das Wellenleiterelement 11 bzw. durch das Wellenleitermittel 9 angedeutet. Es handelt sich bei Fig. 3 nur um eine grobe Verdeutlichung des Prinzips. Insgesamt finden sicherlich mehr als die angedeuteten Reflektionen im Innern eines jeden der Wellenleiterelemente 11 statt.
Aus Fig. 2c ist ersichtlich, dass die Intensitätsverteilung 13 nach dem Hindurchtritt der Lichtstrahlen 2 durch ein jedes der Wellenleiterelemente 11 wesentlich gleichmäßiger ist als die entsprechenden Intensitätsverteilungen 7 vor dem Eintritt in das Wellenleitermittel 9 (siehe dazu Fig. 2) . Letztlich werden die Intensitätsverteilungen des Lichtstrahls bei dem Hindurchtritt durch die Wellenleiterelemente durch die vielfachen Reflektionen statistisch gemittelt, so dass eine vergleichsweise homogene Intensitätsverteilung bei dem Austritt aus dem Wellenleitermittel 9 vorliegt (siehe Fig. 2c) .
Fig. 2d zeigt die Intensitätsverteilung 14 der in der Brennebene 6 überlagerten Lichtstrahlen. Diese Intensitätsverteilung 14 ist sehr gleichmäßig und sehr gut geeignet für die verschiedensten Anwendungen. Es besteht erfindungsgemäß durchaus die Möglichkeit, die Wellenleitermittel 9 auf andere Art und Weise zu gestalten. Hier sind alle bekannten Formen von Wellenleiterstrukturen, beispielsweise in Form von Platten, Stegen, Fasern oder dergleichen denkbar. Erfindungsgemäß soll auch durchaus die Möglichkeit bestehen, die Fast-Axis-Kollimationslinse von den Wellenleitermitteln zu separieren bzw. zusätzlich zu den Wellenleitermitteln noch eine Fast-Axis-Kollimationslinse vorzusehen.

Claims

Patentansprüche:
1. Anordnung zur Abbildung des von einem Laserdiodenbarren ausgehenden Lichts auf eine Brennebene (6) , umfassend einen Laserdiodenbarren mit in einer ersten Richtung (X) beabstandet nebeneinander angeordnete Emissionsquellen (1) , wobei das von diesen Emissionsquellen (1) ausgehende Licht nach Hindurchtritt durch eine Fast-Axis- Kollimationslinse (10) vermittels einer Anzahl von jeweils einzelnen der Emissionsquellen (1) zugeordneten Slow-Axis-Kolli ationselementen (4) sowie durch eine Slow-Axis-Fokussierungslinse (5) in der Brennebene (5) miteinander überlagert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Emissionsquellen (1) und den Slow-Axis- Kollimationselementen (4) Wellenleitermittel (9) angeordnet sind, die die Intensitätsverteilung des von den einzelnen Emissionsquellen (1) ausgehenden Lichtes (2) derart homogenisieren und/oder derart von Korrelationen einzelner Emissionsquellen (1) zueinander befreien, dass die Intensitätsverteilung des in der
Brennebene (6) überlagerten Lichtes (2) homogenisiert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleitermittel (9) gleichzeitig als Fast-Axis- Kollimationslinse (10) dienen.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleitermittel (9) in der ersten Richtung (X) , in der die Emissionsquellen (1) nebeneinander angeordnet sind, nebeneinander angeordnete Wellenleiterelemente (11) aufweisen, durch die jeweils das von einer der Emissionsquellen (1) ausgehende Licht hindurchtritt .
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander angeordneten Wellenleiterelemente (11) durch einen gemeinsamen Steg (12) miteinander verbunden sind, so dass die Wellenleitermittel (9) eine kammähnliche Struktur aufweisen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleitermittel auf ihrer Eintrittsfläche und/oder ihrer Austrittsfläche eine Zylindergeometrie mit Zylinderachse in Richtung der ersten Richtung (X) , in der die Emissionsquellen nebeneinander angeordnet sind, aufweisen, so dass durch diese Zylinderflächen (10) eine Fast-Axis-Kollimierung erzielt werden kann.
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