WO2023222481A1 - Laser module with laser and external cavity, and method for producing same - Google Patents

Laser module with laser and external cavity, and method for producing same Download PDF

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WO2023222481A1
WO2023222481A1 PCT/EP2023/062454 EP2023062454W WO2023222481A1 WO 2023222481 A1 WO2023222481 A1 WO 2023222481A1 EP 2023062454 W EP2023062454 W EP 2023062454W WO 2023222481 A1 WO2023222481 A1 WO 2023222481A1
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laser
optical axis
attachment element
collimation lens
grating
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PCT/EP2023/062454
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Martin Daniels
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Osram Gmbh
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    • H01S5/14External cavity lasers
    • H01S5/141External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
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    • H01S5/02208Mountings; Housings characterised by the shape of the housings
    • H01S5/02212Can-type, e.g. TO-CAN housings with emission along or parallel to symmetry axis

Definitions

  • Various exemplary embodiments relate to a laser module with a semiconductor laser, for example a laser, and an external cavity for the purpose of narrow-band and wavelength-stabilized emission.
  • a laser module with a semiconductor laser, for example a laser, and an external cavity for the purpose of narrow-band and wavelength-stabilized emission.
  • they also concern laser modules for use in vehicles, especially in head-up displays.
  • Further aspects relate to a method for producing a corresponding laser module.
  • laser modules in a variety of ways, including in vehicles.
  • the very high luminance associated with such laser technology allows, for example, further miniaturization in the area of vehicle lighting (e.g. headlights, etc.).
  • vehicle lighting e.g. headlights, etc.
  • LIDAR distance and speed measurement
  • communication between road users through data transmission via optical means.
  • AR augmented reality
  • a head-up display information is shown to the driver in two or three dimensions in his field of vision or the field of vision with objects recognized therein is superimposed with this information.
  • This can be done via an in the window (or Holographic optical element (HOE) integrated into a transparent plate placed in front of it, which - also referred to as a so-called combiner - is suitably irradiated by an imaging matrix with a light wave front, to exploit the effects of the hologram implemented in the holographic optical element
  • Highly coherent light is required, which can therefore preferably come from one or more laser modules and is in particular narrow-band and wavelength-stabilized.
  • a laser is often used as a standard component, which consists of the actual laser, namely a laser chip, a substrate carrying the laser chip, electrical lines with optional electronic components such as a photodiode, two or three contact tabs or pins, and is formed from a housing with a coupling window that protects these components.
  • the laser chip is usually an edge emitter.
  • the housings with the base formed from the substrate and contact pins are standardized according to size, e.g. they can be TO 38, TO 56 or TO 90 housings, etc.
  • “laser” can also be used to refer to the entire component with housing and base and not just the actual laser chip.
  • the present application is not limited to a specific housing shape. Rather, so-called CoS assemblies (chip-on-submount) can also be the subject of the improvements described below, i.e., for example, laser chips without a housing.
  • Such lasers are often provided with, for example, sleeve-shaped attachments in order to form a general optical system, which is characterized by the laser and a volume Bragg grating (VBG), by means of which external cavities or resonators are realized (ECDL - external cavity diode laser). , whose goal is to achieve an even narrower emission spectrum. For example, a spectrum with a bandwidth of, for example, 0.1 nm or even smaller can be obtained from a spectrum with a bandwidth of a few or several nanometers, for example 2 - 3 nm, of the laser (as a mere resonator in the chip), if a external cavity is set up.
  • VBG volume Bragg grating
  • narrow bandwidths are required or almost mandatory, for example To avoid color fringes and blurry images etc. or to achieve high image quality or goodness.
  • a narrow band and wavelength stabilization ie, no wavelength shift with changing temperature
  • a collimation lens and a wavelength-sensitive grating in particular a volume Bragg grating (VBG) can be provided on optical elements in addition to the laser.
  • the resonator is defined by a rear mirror facet of the laser chip and a reflection plane of the Bragg grating defined by the Bragg grating.
  • the emission facet of the laser chip has a very small dimension, for example it includes a strip of 3 or 4 pm x 0.5 - 1.0 pm up to 200 pm or even 400 pm (slow axis) x 0.5 - 1.0 pm (fast axis) in the case of an edge emitter, which is therefore also referred to as a broad strip emitter.
  • the laser module presented below is in no way limited in terms of this dimensioning, but the corresponding semiconductor laser can be designed accordingly, for example preferably with widths (slow axis) of 20 pm to 100 pm and heights (fast axis) of 1.0 pm or smaller.
  • the collimation lens collimates the divergent beam after emerging from the emission facet so that it hits the Bragg grating in a parallel direction. This is wavelength-sensitive and only reflects the light with the target wavelength back into the collimation lens, which in the best case focuses it precisely on the small emission facet, so that exactly the light with the resonant target wavelength reaches the active layer of the chip. In this way, the narrow band of the emission spectrum is ensured.
  • the very small emission facet noted above requires an extremely high degree of precision in the spatial alignment of the Bragg grating (and lens) with respect to the optical axis of the laser.
  • the optical axis of the laser running through the emission facet and the symmetry axis of the collimating lens coincide exactly and the effective reflection plane of the Bragg grating is perpendicular to both, so that the reflected beam takes the same path as it was emitted.
  • a rough estimate with typical values for the focus of the collimation lens e.g.
  • the reflection plane must be accurate to approximately 0.01 ° in relation to the optical axis vertical plane must be set so that the reflected beam hits the emission facet again.
  • a laser module which, as described, comprises: a laser which is set up to emit a laser beam propagating along an optical axis, a preferably rotationally symmetrical collimation lens which consists of an emission facet of the Laser's emitted laser beam is collimated, as well as a wavelength-sensitive grating, which can in particular be a volume Bragg grating and which partially reflects the collimated laser beam.
  • the Collimation lens and the wavelength-sensitive grating are arranged along the optical axis of the laser beam emitted by the laser, so that an external cavity is formed by a rear mirror facet of the laser and a reflection plane of the grating to accommodate a part of the laser beam transmitted by the wavelength-sensitive grating to generate low bandwidth.
  • the reflection plane of the wavelength-sensitive grating on which the laser beam collimated by the collimating lens is partially reflected during operation, is assumed to be inclined with an angular deviation relative to a plane perpendicular to the optical axis of the laser.
  • the plane referred to here as the “reflection plane” is, strictly speaking, a virtual plane that represents the (Bragg) grid or its inclination.
  • a volume Bragg lattice actually consists of many lattice planes, all arranged parallel to each other (hence the wording "volume" lattice).
  • the reflection plane so designated in the present application therefore represents the entirety of the interacting individual grid planes of the volume Bragg grating that are parallel to it. In simplified terms, it therefore represents a single inclined, partially reflective plane within the grid substrate.
  • the grating - accepting this tilting - can first be positioned in the beam path in relation to the (mechanically easily detectable) substrate surface, in order to then be compensated for by the features to be described below.
  • a purely exemplary value for such a tilt can be, for example, 0.5°. It should also be noted that a manufacturing tolerance of, for example, 0.3° could have to be taken into account here. In principle, this “slant angle” can be adjusted when the grid is manufactured become. However, its magnitude is not crucial for the proposed aspects and exemplary embodiments.
  • the angular deviation can also be unintentional and possibly unavoidable, namely due to the alignment accuracy of the grating in the receptacle in the corresponding attachment (or the like) of the laser module.
  • a fine adjustment as described above is not necessary here, so that this angular deviation can also be significantly larger than the approximately 0.01° mentioned above.
  • the collimation lens is opposite one
  • the position centered on the optical axis of the laser is set to be laterally offset in a position shifted in the direction (X, Y) perpendicular to the optical axis, in which the collimation lens collimates the laser beam in an orientation perpendicular to the inclined reflection plane.
  • the lateral displacement of the collimation lens relative to the optical axis as such leads to the beam orientation (the so-called beam pointing) of the beam or parallelized beam leaving the collimation lens changing and deviating from the optical axis.
  • this beam alignment is brought about intentionally in the present case, in such a way that the beam or parallelized beam of rays hits the reflection plane inclined by the angular deviation exactly perpendicularly.
  • the back and forth beams then overlap each other exactly, so that the emission facet of the laser is also passed through (or hit) with a comparatively high level of accuracy.
  • a device such as a hexapod or another angle adjuster is no longer necessary to carry out the fine adjustment of the grating, because a linear displacement of the collimation lens or the part carrying it is much easier to carry out. Due to the easier access from outside, stronger holding forces can be exerted during the adjustment than in the conventional case, so that the adjustment process can be carried out more safely and more precisely. The use of fewer components and the simpler adjustment process significantly save costs and effort. In any case, it should be emphasized that the adjustment to the final state can or must take place without an angular adjustment of the volume Bragg grating.
  • embodiments may provide (see below) that the collimating lens and volume Bragg grating form a mechanical unit (a common subassembly). Furthermore, in this case, a z-adjustment may also be necessary, ie the distance between the laser and the collimation lens, in order to ensure the best possible degree of collimation.
  • the collimation lens is positioned relative to the position centered on the optical axis of the laser in a first direction (X) perpendicular to the optical axis and in a second direction (Y) perpendicular to the optical axis, which is also perpendicular to the first direction (X) is vertical, set in the shifted position.
  • X first direction
  • Y second direction
  • Such an XY positioning can be carried out particularly easily in terms of process technology.
  • the lateral offset in the direction (X, Y), or in the first direction (X) and/or the second direction (Y), is at least 0.1 pm, preferably at least 0.5 pm, more preferably at least 1 pm, more preferably at least 2 pm.
  • a possible upper limit can be 100 pm purely as an example, but depends in detail on the offset from which the lens geometry becomes noticeable in the beam path, ie, from the special collimation lens, and from which point the inclination of the beam exit relative to the fixed laser module housing geometry is no longer acceptable overall.
  • an amount of at least +/-0.005°, preferably +/-0.01°, more preferably +/-0.02° can be specified for the angular deviation of the reflection plane of the grating compared to the plane perpendicular to the optical axis of the laser .
  • the lateral offset is generally much easier to determine/measure directly in the XY direction than the tilt angle to be compensated.
  • the laser module includes an attachment comprising two or more elements (subassemblies) for enclosing the external cavity.
  • a first attachment element carries or holds the laser
  • a second attachment element carries or holds the collimation lens.
  • the first attachment element and the second attachment element are in particular set up, before a final cohesive fixation (for example by laser welding, soldering or gluing, or other known and suitable joining techniques) against each other in the direction (X, Y), or in the first direction (X) and / or the second direction (Y) to be shifted perpendicular to the optical axis in order to obtain a suitably shifted position of the collimation lens during an adjustment, which, for example, achieves the effects described above.
  • This aspect also supports the idea of allowing fine adjustment of the laser beam path by lateral offset of the collimation lens before final fixation.
  • An adjustment or tilting of the wavelength-sensitive grating can possibly be dispensed with (but this is not fundamentally excluded by the invention).
  • the grid can preferably be accommodated and held in the second, but also in the first or a third attachment element.
  • attachment elements are set up to be laterally displaceable relative to one another, instead of providing a monolithic attachment, which then contains a number of small parts which has fine adjustment and holder.
  • the two attachment elements are easily accessible for adjustment, and the subsequent fixation of these elements can also be easily controlled.
  • the lateral displacement in X and Y can be prepared or set up, for example, by one or more planar sliding surfaces (which extend in the XY plane) with which the two attachment elements face each other.
  • both the collimation lens and the wavelength-sensitive grating are held by the second attachment element and before a final cohesive fixation with the first attachment element, or with a third attachment element connected to the first attachment element
  • Attachment element which is not designed to be laterally displaceable with respect to the optical axis, together in a fixed spatial position relative to each other relative to the laser and its optical axis in the direction or in the first direction (X) and / or the second direction (Y) are set up to be displaceable perpendicular to the optical axis.
  • this can have a ring-like structure and can be set up to be displaceable in a third direction (Z) relative to the first attachment element before a final cohesive fixation with it, which is aligned parallel to the optical axis of the laser in order to adjust a focus of the To enable collimation lens in relation to the emission facet of the laser.
  • the provision of the third attachment element offers the further advantage that the general adjustment process can be designed flexibly. This is because, for example, the order of the focus setting (in the Z direction) and the offset setting can be chosen arbitrarily. A fine adjustment in a common positioning device is even conceivable, with iterative positioning in the Z and XY directions.
  • both the collimation lens and the wavelength-sensitive grating are also held by the second attachment element, thereby achieving the same advantages as described above.
  • a different fourth attachment element is provided here. Before a final cohesive fixation of this fourth attachment element with the first attachment element, it is together with the fourth attachment element and in a fixed spatial position relative to one another relative to the laser and its optical axis in the direction or in the first direction (X) and/or the second Direction (Y) set up to be displaceable perpendicular to the optical axis.
  • the fourth attachment element can have a ring-like structure and advantageously enclose the second attachment element, so that the second attachment element is set up to be displaceable in a third direction (Z), which is parallel to the fourth attachment element, before a final cohesive fixation with it optical axis of the laser is aligned to enable adjustment of a focus of the collimating lens with respect to the emission facet of the laser.
  • the adjustment in the XY direction and in the Z direction can be carried out flexibly in a particularly simple manner.
  • the adjustment is also carried out using components with simple geometric shapes and stable attachment elements made of materials that can be easily welded or glued, such as stainless steel.
  • the grating can also be inserted into a subassembly together with the lens such that the outer surface of the substrate is arranged exactly perpendicular to the optical axis of the lens.
  • the reflection plane can also be arranged to be intentionally inclined, if one takes into account the inclination of the reflection plane relative to the outer surface of the substrate.
  • such an embodiment is included in the aspects proposed here. It also offers certain process-related advantages, as the grid cannot be accidentally installed incorrectly.
  • the examples of the mutual cohesive fixation between the respective attachment elements concerned can be a laser welding fixation or an adhesive fixation.
  • the second attachment element can be designed as a sleeve with a central axis which is arranged essentially parallel to the optical axis of the laser, and wherein the collimation lens and the wavelength-sensitive grating are mounted inside the sleeve. This creates a protected structure for the cavity. Furthermore, with a cylindrical sleeve shape, a positive surface can be offered for displacement in the Z direction (outer surface) as well as in the XY direction (e.g. flat end face).
  • the wavelength-sensitive grating can be held by the second attachment element in a predetermined grating holder, in such a way that an adjustment by adjusting an angle of inclination of the grating relative to the optical axis in the recorded state of the grating is excluded. This enables a very simple construction of the second attachment element.
  • the laser can be accommodated in a housing, in particular in a TO 38, TO 56 or TO 90 housing, with the first attachment element having a receptacle for fastening the housing or a substrate carrying the housing.
  • the recording can also allow relative displaceability in Z- include direction.
  • the invention is by no means limited to encapsulated lasers.
  • the laser can be formed, for example, by a laser diode, such as a half-elite laser, or by a solid state laser or a solid-state laser.
  • the laser can advantageously be an edge emitter, since the proposed features with regard to the small emission facet are particularly notable here.
  • other types of lasers are fundamentally also possible.
  • surface emitters or VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) or HCSEL (Horizontal Cavity Surface Emitting Laser) can also be used.
  • the laser can also be in the form of a single-mode or multi-mode diode laser or laser diode.
  • the laser module also includes: a laser that is set up to emit a laser beam that propagates along an optical axis, a collimation lens that collimates the laser beam emitted from an emission facet of the laser, and a wavelength-sensitive grating that partially reflects the collimated laser beam.
  • the procedure itself includes the following steps:
  • the method steps can lead to the laser module with a laterally offset collimation lens described above in one aspect.
  • a laterally offset collimation lens can form the starting point, and for the adjustment process to find exactly the position on the optical axis as the optimal setting - for example because the grating does not initially deviate from the angle perpendicular to the optical axis level had.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a laser module with an external cavity with a schematic representation of a step of fine adjustment of the laser beam according to the prior art
  • FIG. 2 like FIG. 1, but with a schematic representation of a step of fine adjustment of the laser beam according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the beam path of the laser beam in the cavity with misalignment of the unadjusted grid
  • Fig. 4 like Fig. 3, but with adjusted grid alignment, according to the prior art
  • Fig. 5 like Fig. 3, but with adjusted collimation lens according to an exemplary embodiment of the proposed method
  • FIG. 6A shows a structure with illustrated adjustment step according to the prior art as in FIG. 1, where the functional components are divided into groups of common movement;
  • Fig. 6B like Fig. 6A, but with an additional focus adjustment step
  • FIG. 7A shows a structure with illustrated adjustment step according to an embodiment as in FIG. 2, where the functional components are divided into groups of common movement;
  • Fig. 7B like Fig. 7A, but with an additional focus adjustment step; wherein the laser is moved with respect to the collimating lens and the grating, viewed as a unit;
  • Fig. 7C as Fig. 7A, but with an additional focus adjustment step, where the collimating lens is moved together with the grating with respect to the laser;
  • FIG. 8 shows a first exemplary embodiment of a laser module with an attachment
  • FIG. 9 shows a second exemplary embodiment of a laser module with an attachment
  • FIG. 10 shows a third exemplary embodiment of a laser module with an attachment
  • 11 shows a cross-sectional view of the laser module from FIG. 10 with the collimation lens centered
  • 12 shows a cross-sectional view of the laser module from FIG. 10 with the laterally shifted alignment of the collimation lens
  • FIG. 13 shows an alternative cross-sectional representation of the laser module from FIG. 10 with the laterally shifted alignment of the collimation lens
  • FIG. 14 shows a flowchart of a method for producing a laser module according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 1 shows an overview of the relevant functional elements of a laser module 1 without the attachment holding them.
  • the laser module 1 includes a laser in the form of an encapsulated laser diode 90 with a base plate 91, housing 92 and two contact connections 98, of which one contact connection is covered by the front one in perspective.
  • the actual semiconductor chip 95 is located in the housing 92 and can hardly be seen in this illustration.
  • FIG. 13 An example of such a standard module is shown schematically in Fig. 13.
  • the base 91 and the contact connections 98 or pins form a base on which the housing 92 is attached, which protects the semiconductor chip 95, which forms the actual laser diode with an internal cavity.
  • the mode of operation of the laser diode or the semiconductor chip 95 is that of an edge emitter.
  • the semiconductor chip 95 If the semiconductor chip 95 is supplied with power via the contact connections 98 via connecting lines (not shown), it emits a narrow-band laser radiation from its emission facet 96, which serves as a coupling surface.
  • the semiconductor chip 95 is, for example, placed vertically on the surface 94 of the substrate 91.
  • an optional photodiode which can be used to regulate the power supply in a known manner so that the luminous flux is as constant as possible.
  • a third contact terminal (not shown) may be provided.
  • the housing 92 is provided on the surface 94 of the base 91 and protects the semiconductor chip 95 and possibly other components.
  • An opening or window 93 is set up on the front side of the housing 92, through which the laser radiation emitted from the edge surface 96 can emerge.
  • the laser diode 90 can be a component available on the market, for example with a TO 38, TO 56 or TO 90 housing. But other types are just as possible.
  • the semiconductor chip 95 is set up, for example, to emit light in the infrared, visual or ultraviolet wavelength range.
  • the laser module 1 further comprises a collimation lens 40 and a wavelength-sensitive grating 60, which is called a volume Bragg grating (VBG). is trained.
  • the collimation lens 40 collimates the divergent laser beam emitted by the semiconductor chip 95 through the emission facet 96, and the grating 60 is ideally aligned such that the parallelized light of the laser beam is incident perpendicularly onto the respective reflection plane of the grating written in the corresponding substrate of the VBG.
  • the beam is thrown back or partially reflected in the same way, so that it travels back in a narrow band into the active layer of the semiconductor chip 95 and further supports the formation of narrow-band laser light there.
  • the external cavity is formed by the reflection plane 62 of the VBG and the rear mirror facet of the laser diode 90 (semiconductor chip 95).
  • the grating 60 is aligned so that the condition of the perpendicularly incident laser beam is guaranteed.
  • the grid 60 is pivoted over two axes with the aid of external devices (eg hexapod or other angle adjuster, not shown).
  • the fact that the stated condition has been fulfilled can be determined, for example, by detecting the spectrum of the laser beam emitted by the laser module as a whole and measuring its bandwidth.
  • the desired narrow band is achieved precisely when the reflected laser beam again hits at least the emission facet 96 and can thereby couple into the semiconductor chip, so that the coupling efficiency increases.
  • FIG. 2 shows a fine adjustment process step that is alternative to that of FIG .
  • no alignment of the grid 60 is carried out.
  • a linear displacement of the collimation lens 40 is carried out - also by adjusting devices not shown - namely in the X and Y directions perpendicular to the optical axis of the laser 90 (see arrows 44 and 45).
  • the focus of the collimation lens 40 should also be set to the area of the emission facet, but this has been omitted from both FIGS. 1 and 2 for the sake of clarity.
  • the emission facet is exactly in the object-side focal plane of the collimation lens.
  • the beam is ideally collimated after passing through the collimating lens.
  • the volume Bragg grating does not necessarily have to be in the focal plane on the image side. 3 to 5 show the comparison of the exemplary embodiment from FIG. 2 with the prior art with regard to the original (not yet adjusted) and the adjusted beam path.
  • Fig. 3 shows the initial state before the adjustment.
  • the laser 90, the collimating lens 40 and the Bragg grating (grating 60) are to be considered as provided and assembled with the elements of the attachment supporting them, not shown here.
  • Fig. 3 only the emission facet 96 of the semiconductor chip 95 of the laser is sketched purely schematically as a small box, as are the collimation lens 40 and the reflection plane 62 of the grating 60 as a mere line.
  • the reflection plane 62 has an angular deviation ⁇ (exaggerated in the figures) compared to a plane perpendicular to the optical axis O.
  • FIG. 4 illustrates the prior art measure corresponding to FIG. 1: the grid 60 or the reflection plane 62 is pivoted about only one axis in FIG. As a result, the returning laser beam 9 is ideally focused again exactly into the emission facet 96 (assuming ideal focus setting).
  • the case corresponding to the exemplary embodiment according to FIG. 2 can be seen in FIG.
  • the "misalignment" or angular deviation of the grating 60 (ie, the reflection plane) with respect to the plane perpendicular to the optical axis O is left unchanged and instead the collimation lens 40 is displaced in a direction perpendicular to the optical axis, for example the Y direction 45 , so that the collimating lens is arranged decentered with respect to the optical axis.
  • the position selected by shifting in the Y direction 45 is such that a changed beam alignment 7 (beam pointing) is achieved, which occupies an angle a with the optical axis.
  • the laser beam emitted by the laser falls perpendicularly onto the reflection plane 62 again, so that the laser beams 8 and 9 traveling back and forth in the cavity coincide with one another and the emission facet is hit at least as well as in the case 4 - but with significantly less effort and with the result of higher process stability, as will be explained below.
  • Fig. 6A and 6B similar to FIG. 1, the laser module 1 is shown only with its functional components (laser diode 90, collimation lens 40, Bragg grating 60) and the conventional pivoting mechanism (via 2 axes) for adjustment.
  • Fig. 6B differs from Fig. 6A in that it also takes into account the adjustment, i.e. a shift 43, of the focus in the Z direction. Boxes are drawn around these components in both figures, which designate groups of components that are mechanically combined, i.e. do not have to move against each other during the adjustment. In the case of FIG.
  • the pivotable grating 60 forms one group G2, and the laser diode 90 together with the collimating lens 40, which cannot be moved in this regard, forms the other group G1.
  • the collimation lens 40 also forms an independent group G3.
  • the prior art therefore requires a mount to be implemented, e.g. in an attachment (so-called submount) for the laser module, which enables the mobility of three (subassembly) groups G1 - G3 relative to one another, and which also corresponds to two subsequent ones Fixations (gluing or laser welding, soldering or other known and suitable joining techniques, etc.) are required.
  • FIGS. 7A to 7C show the analogous grouping of the functional components when carrying out the adjustment according to the exemplary embodiment as shown in FIG. 2, FIGS. 7B and 7C show the additional integration of the focus adjustment in contrast to FIG. ie, a displacement 43 of the collimation lens 40 in the Z direction along the optical axis O.
  • the exemplary embodiments of FIGS. 7b and 7C differ from one another in that in the laser module 1 in FIG. 7B, the laser 90, which forms a group G1, is moved in the Z direction with respect to the (fixed) collimation lens 40 to adjust the focus, where the collimation lens 40 together with the Bragg grating 60 forms a unit or group G2, while in Fig. 7C this group G2 is moved in relation to the stationary laser 90 or group G1.
  • the collimation lens 40 and the Bragg grating 60 can form a movement unit or group G2, so that in comparison with the conventional case according to Prior art (Fig. 6B) a movement group is omitted (only 2 groups G1 and G2 instead of 3 groups G1 to G3) if the focus setting with a shift 43 or 63 in the Z direction is also taken into account (Fig. 7b or 7C). As a result, this also results in a further simplification of the laser module structure or the corresponding attachment.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a laser module 1 which has an attachment 2.
  • the attachment is in three parts (before the parts are fixed together) and comprises a first attachment element 20, a second attachment element 22 and a third attachment element 24.
  • the first attachment element 20 is annular and has a cylindrical inner surface 201 and a cylindrical outer surface 203. Furthermore a receptacle 202 is provided at a lower end of the inner ring opening, which is dimensioned such that the base 91 of the laser 90 is accommodated therein and secured by gluing (fixation point 31).
  • the third attachment element 24 is sleeve-shaped and has a cylindrical inner surface 241, the inner diameter of which corresponds to an outer diameter of the first attachment element 20, so that before a fixing step, the cylindrical inner surface 241 of the third attachment element 24 and the cylindrical outer surface 203 of the first attachment element 20 slide on one another and one Mutual displacement 43 is permitted parallel to the optical axis O of the laser beam emitted by the laser. Furthermore, the third attachment element 24 has an inner flange section with an at least partially flat end face 242, which extends perpendicular to the optical axis 0.
  • an opposite end face 223 of the second attachment element 22 is slidably set up, so that the second attachment element 22 is relative to the third attachment element 24 in a plane perpendicular to the optical axis 0 in an X direction and also a Y direction, both of which Spanning the plane, can be moved (shifts 44, 45).
  • the second attachment element it is also possible for the second attachment element to be designed to be displaceable in only a single direction, for example the X direction, for example by a sliding tongue-and-groove connection or the like.
  • the ring of the third attachment element 24 can optionally be set up to be rotatable about the optical axis 0 (around the first attachment element 20).
  • the second attachment element 22 has a sleeve shape and is provided with a cylindrical inner surface 222.
  • a collimation lens 40 is firmly attached therein at the proximal lower end, facing the laser 90.
  • the collimation lens 40 and the Bragg grating 60 as group G2 are set up to be displaceable together in the X and Y directions as well as in the Z direction relative to the laser 90.
  • the model of FIG. 8 corresponds approximately to the relationship shown in FIG. 7B if one considers the base (first attachment element 20) holding the laser 90 to be stationary.
  • both the focus adjustment and the compensation for the misalignment of the Bragg grating described above can be adjusted using an external device (not shown).
  • fixations can be made at the points marked by arrows 32 and 33 or continuously or symmetrically at points spaced apart by 120° angles, preferably by laser spot welding or gluing, but if necessary also by soldering or other known and suitable joining techniques.
  • 9 shows an alternative embodiment of a laser module 1 compared to FIG. 8. To avoid repetition, only differences will be discussed.
  • the laser module 1 of this second exemplary embodiment does not have a third attachment element. Rather, here (before fixing) the second attachment element 22 slides with its end face 223 directly on a corresponding, at least partially flat end face 204 of the first attachment element 20. As a result, exactly the same effect is achieved as in the first exemplary embodiment.
  • the Z displacement missing due to the omission of the third attachment element is brought about by a corresponding pair of sliding surfaces, ie by sliding between the cylindrical outer surface 97 of the base 91 of the laser 90 and the cylindrical inner surface 203 of the receptacle 202 of the first attachment element 20.
  • this exemplary embodiment only two fixations at points 31 and 33 are required.
  • the exemplary embodiment corresponds approximately to the relationship shown in FIG. 7C if one considers the base (first attachment element 20) holding the laser 90 to be stationary
  • This third exemplary embodiment of a laser module 1 again comprises 3 attachment elements 20, 22, 24.
  • the second attachment element is guided with its cylindrical outer surface 224 in a cylindrical inner surface 243 of the third attachment element, so that a focus adjustment (shift 43) in the Z direction becomes possible.
  • the displacement 44, 45 perpendicular to the optical axis O in the X and Y directions (also possibly only a single direction possible if the ring of the third attachment element is rotatable), which is used to compensate for an angular deviation of the Bragg grating 60 from one to Optical axis O vertical plane is required is made possible by an interaction between an at least partially flat end face 245 of the third attachment element 24 and a corresponding end face 204 of the first attachment element.
  • the example again corresponds to the representation in Fig. 7B.
  • the same effects are achieved as in the previous exemplary embodiments. 11 to 13 show, using the third exemplary embodiment of FIG.
  • attachment or only parts thereof can preferably be made of a weldable material, i.e. preferably a metal, in particular stainless steel.
  • a method 200 according to an exemplary embodiment for producing a laser module 1 similar to that described above is shown below using a flowchart in FIG. 14.
  • a laser 90 which is set up to emit a laser beam propagating along an optical axis O
  • a collimation lens 40 which collimates the laser beam emitted from an emission facet 96 of the laser 90
  • a volume Bragg grating 60 which partially reflects the collimated laser beam
  • the collimation lens and the volume Bragg grating 60 are arranged along the optical axis of the laser beam emitted by the laser 90 during operation, so that an external cavity is formed by a rear mirror facet of the laser 90 and a reflection plane of the grating to get one to produce the low bandwidth portion of the laser beam transmitted by the volume Bragg grating 60.
  • the collimation lens 40 is displaced relative to the laser 90 from an original position in at least one direction X, Y perpendicular to the optical axis 0, see FIGS. 11 and 12 or the axes 0 and P in FIG.
  • a bandwidth of an emission spectrum of the laser beam transmitted by the volume Bragg grating 60 is determined, for example with a spectrometer.
  • a position shifted in the direction X, Y is determined depending on the result. For example, different positions of the collimation lens 40 can be moved in the
  • the collimation lens 40 is fixed relative to the laser 90 at the specified position using the means described above (gluing, welding, soldering or other joining techniques, etc.).
  • the emitted laser beam can be collimated using two cylindrical lenses instead of just one collimation lens in order to equalize the different beam quality in both spatial directions, for example using a FAC and SAC (fast axis collimation lens or slow axis collimation lens).
  • the laser module described can be adjusted in the same way as described above, although both lenses should be arranged between the volume Bragg grating and the laser.
  • the version with only one collimation lens is preferred.
  • non- Rotationally symmetrical collimation lenses are included in the scope of the attached patent claims.
  • a base and/or housing does not necessarily need to be provided in relation to the semiconductor laser or the laser.
  • the individual attachment elements also need to be set up in this form, in particular not in a sleeve form - for example, the laser, lens and VBG can also be aligned in relation to one another with the help of other mechanical elements or holders.
  • Attachment first attachment element cylindrical inner surface
  • Holder for Bragg grating cylindrical inner surface, end face, cylindrical outer surface, third attachment element, cylindrical inner surface

Landscapes

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Abstract

A laser module (1) comprises a laser (90), which is designed to emit a laser beam (8) propagating along an optical axis (O), a collimating lens (40), which collimates the laser beam emitted from an emission facet (96) of the laser (90), and a wavelength-sensitive lattice (60), which partially reflects the collimated laser beam. The collimating lens (40) and wavelength-sensitive lattice (60) are arranged along the optical axis (O) of the laser beam emitted from the laser (90), such that an external cavity is formed by a rear mirror facet of the laser (90) and a reflection plane (62) of the lattice (60) to produce a lo-bandwidth portion of the laser beam transmitted by the wavelength-sensitive lattice (60). The reflection plane (62) of the wavelength-sensitive lattice (60), on which the laser beam collimated by the collimating lens (40) is partially reflected during operation, is inclined with an angular deviation (β) with respect to a plane perpendicular to the optical axis (O) of the laser (90). The collimating lens (40) is configured laterally offset with respect to a position centred on the optical axis (O) of the laser (90) into a position (44, 45) shifted in the direction (X, Y) perpendicular to the optical axis (O), in which the collimating lens (40) collimates the laser beam in a beam direction (7) perpendicular to the inclined reflection plane (62).

Description

LASERMODUL MIT LASER UND EXTERNER KAVITÄT SOWIE VERFAHREN ZUM HERSTELLEN DESSELBEN LASER MODULE WITH LASER AND EXTERNAL CAVITY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2022 204 907.1 vom 17. Mai 2022, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. The present application claims the priority of German patent application No. 10 2022 204 907.1 dated May 17, 2022, the disclosure content of which is hereby incorporated into the present application by reference.
Technisches Gebiet Technical area
Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen ein Lasermodul mit einem Halbleiterlaser, beispielsweise eines Lasers, und einer externen Kavität zum Zweck einer schmalbandigen und wellenlängenstabilisierten Emission. Sie betreffen insbesondere auch Lasermodule für den Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere in Headup-Displays. Weitere Aspekte beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Lasermoduls. Various exemplary embodiments relate to a laser module with a semiconductor laser, for example a laser, and an external cavity for the purpose of narrow-band and wavelength-stabilized emission. In particular, they also concern laser modules for use in vehicles, especially in head-up displays. Further aspects relate to a method for producing a corresponding laser module.
Hintergrund background
Es ist bekannt, Lasermodule unter anderem auch in Fahrzeugen in vielfältiger Weise einzusetzen. Die mit solcher Lasertechnologie verbundene sehr hohe Leuchtdichte erlaubt dabei zum Beispiel eine weitere Miniaturisierung im Bereich der Fahrzeugbeleuchtung (z.B. Schweinwerfer etc.). Sie erlaubt aber auch die Einrichtung neuerer Techniken wie eine Abstands- und Geschwindigkeitsmessung (z.B. mit LIDAR) sowie auch eine Kommunikation von Verkehrsteilnehmern durch Datenübertragung auf optischem Wege untereinander. It is known to use laser modules in a variety of ways, including in vehicles. The very high luminance associated with such laser technology allows, for example, further miniaturization in the area of vehicle lighting (e.g. headlights, etc.). However, it also allows the installation of newer technologies such as distance and speed measurement (e.g. with LIDAR) as well as communication between road users through data transmission via optical means.
Ein weiterer bekannter Einsatzaspekt von Lasertechnologie bei Fahrzeugen liegt im Bereich Augmented Reality (erweiterte Realität, AR). Hierbei werden z.B. mittels eines Head-Up Displays dem Fahrzeugführer zwei- oder dreidimensional dargestellte Informationen in sein Sichtfeld eingeblendet bzw. das Sichtfeld mit darin erkannten Objekten mit diesen Informationen überlagert. Dies kann über ein in das Fenster (oder in eine davor platzierte, transparente Platte) integriertes holografisches optisches Element (HOE) erfolgen, das - auch als sog. Combiner bezeichnet - in geeigneter Weise von einer Abbildungsmatrix mit einer Lichtwellenfront bestrahlt wird, wobei zur Ausnutzung der Effekte des im holografischen optischen Element implementierten Hologramms hochgradig kohärentes Licht benötigt wird, das daher vorzugsweise aus einem oder mehreren Lasermodulen herrühren kann und insbesondere schmalbandig und wellenlängenstabilisiert ist. Another well-known application of laser technology in vehicles is in the area of augmented reality (AR). Here, for example, using a head-up display, information is shown to the driver in two or three dimensions in his field of vision or the field of vision with objects recognized therein is superimposed with this information. This can be done via an in the window (or Holographic optical element (HOE) integrated into a transparent plate placed in front of it, which - also referred to as a so-called combiner - is suitably irradiated by an imaging matrix with a light wave front, to exploit the effects of the hologram implemented in the holographic optical element Highly coherent light is required, which can therefore preferably come from one or more laser modules and is in particular narrow-band and wavelength-stabilized.
Bei den oben beschriebenen Einsatzmöglichkeiten von Lasermodulen in Fahrzeugen wird oftmals ein Laser als Standardbaustein verwendet, der aus dem eigentlichen Laser, nämlich einem Laserchip, weiter aus einem den Laserchip tragenden Substrat, elektrischen Leitungen mit optionalen elektronischen Bauteilen wie etwa einer Fotodiode, zwei oder drei Kontaktfahnen bzw. -pins, und aus einem diese Komponenten schützenden Gehäuse mit Auskoppelfenster gebildet ist. Der Laserchip ist üblicherweise ein Kantenemitter. Die Gehäuse mit dem aus Substrat und Kontaktpins gebildeten Sockel sind nach Größe genormt, z.B. kann es sich um TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse, etc. handeln. In der vorliegenden Anmeldung kann mit "Laser" auch der gesamte Baustein mit Gehäuse und Sockel bezeichnet werden und nicht nur der eigentliche Laserchip. Ferner ist die vorliegende Anmeldung auch nicht auf eine bestimmte Gehäuseformen beschränkt. Vielmehr können auch sog. CoS-Assemblies (Chip-on-Submount) Gegenstand der nachfolgend beschriebenen Verbesserungen sein, d.h. zum Beispiel Laserchips ohne Gehäuse. In the possible uses of laser modules in vehicles described above, a laser is often used as a standard component, which consists of the actual laser, namely a laser chip, a substrate carrying the laser chip, electrical lines with optional electronic components such as a photodiode, two or three contact tabs or pins, and is formed from a housing with a coupling window that protects these components. The laser chip is usually an edge emitter. The housings with the base formed from the substrate and contact pins are standardized according to size, e.g. they can be TO 38, TO 56 or TO 90 housings, etc. In the present application, “laser” can also be used to refer to the entire component with housing and base and not just the actual laser chip. Furthermore, the present application is not limited to a specific housing shape. Rather, so-called CoS assemblies (chip-on-submount) can also be the subject of the improvements described below, i.e., for example, laser chips without a housing.
Solche Laser werden oftmals mit z.B. hülsenförmigen Aufsätzen versehen, um allgemein optisches System auszubilden, welches durch den Laser und ein Volumen- Bragg-Gitter (VBG) geprägt ist, anhand derer externe Kavitäten bzw. Resonatoren realisiert werden (ECDL - external cavity diode laser), deren Ziel es ist, ein noch schmalbandigeres Emissionsspektrum zu erzielen. Beispielsweise kann dadurch aus einem Spektrum mit einer Bandbreite von einigen oder mehreren Nanometern, z.B. 2 - 3 nm, des Lasers (als bloßer Resonator im Chip) ein Spektrum mit einer Bandbreite von z.B. 0,1 nm oder sogar noch kleiner gewonnen werden, wenn eine externe Kavität eingerichtet wird. Unter anderem in holografischen Anwendungen sind solch schmale Bandbreiten gefordert, beziehungsweise nahezu zwingend, beispielsweise um Farbsäume und unscharfe Darstellungen etc. zu vermeiden bzw. eine hohe Bildqualität oder Güte zu erreichen. Eine Schmalbandigkeit und eine Wellenlängenstabilisierung (d.h., kein Wellenlängenverschiebung mit sich ändernder Temperatur) könne besonders auch für z.B. Spektroskopianwendungen oder Pumplaseranwendungen relevant sein. Such lasers are often provided with, for example, sleeve-shaped attachments in order to form a general optical system, which is characterized by the laser and a volume Bragg grating (VBG), by means of which external cavities or resonators are realized (ECDL - external cavity diode laser). , whose goal is to achieve an even narrower emission spectrum. For example, a spectrum with a bandwidth of, for example, 0.1 nm or even smaller can be obtained from a spectrum with a bandwidth of a few or several nanometers, for example 2 - 3 nm, of the laser (as a mere resonator in the chip), if a external cavity is set up. In holographic applications, among other things, such narrow bandwidths are required or almost mandatory, for example To avoid color fringes and blurry images etc. or to achieve high image quality or goodness. A narrow band and wavelength stabilization (ie, no wavelength shift with changing temperature) could be particularly relevant for e.g. spectroscopic applications or pump laser applications.
An optischen Elementen können bei einem solchen ECDL-Aufbau neben dem Laser eine Kollimationslinse und ein wellenlängensensitives Gitter, insbesondere ein Volumen-Bragg-Gitter (VBG) vorgesehen sein. Der Resonator wird durch eine rückseitige Spiegelfacette des Laser-Chips und eine durch das Bragg-Gitter definierte Reflexionsebene des Bragg-Gitters festgelegt. Die Emissionsfacette des Laser-Chips weist eine sehr geringe Dimensionierung auf, beispielsweise umfasst sie einen Streifen von 3 oder 4 pm x 0,5 - 1 ,0 pm bis hin zu 200 pm oder sogar 400 pm (slow axis) x 0,5 - 1 ,0 pm (fast axis) im Fall eines Kantenemitters, der infolgedessen auch als Breitstreifenemitter bezeichnet wird. Das weiter unten vorgestellte Lasermodul ist aber keinesfalls hinsichtlich dieser Dimensionierung beschränkt, der entsprechende Halbleiterlaser aber durchaus entsprechend ausgeführt sein, beispielsweise bevorzugt mit Breiten (slow axis) von 20 pm bis 100 pm und Höhen (fast axis) von 1 ,0 pm oder kleiner. Die Kollimationslinse kollim iert den nach Austritt aus der Emissionsfacette divergenten Strahl, so dass dieser parallelgerichtet auf das Bragg-Gitter trifft. Dieses ist wellenlängensensitiv und reflektiert nur das Licht mit der Zielwellenlänge zurück in die Kollimationslinse, die es im günstigsten Fall genau auf die kleine Emissionsfacette fokussiert, so dass genau das Licht mit der resonanten Zielwellenlänge in die aktive Schicht des Chips gelangt. Auf diese Weise wird die Schmalbandigkeit des Emissionsspektrums sichergestellt. In such an ECDL structure, a collimation lens and a wavelength-sensitive grating, in particular a volume Bragg grating (VBG), can be provided on optical elements in addition to the laser. The resonator is defined by a rear mirror facet of the laser chip and a reflection plane of the Bragg grating defined by the Bragg grating. The emission facet of the laser chip has a very small dimension, for example it includes a strip of 3 or 4 pm x 0.5 - 1.0 pm up to 200 pm or even 400 pm (slow axis) x 0.5 - 1.0 pm (fast axis) in the case of an edge emitter, which is therefore also referred to as a broad strip emitter. However, the laser module presented below is in no way limited in terms of this dimensioning, but the corresponding semiconductor laser can be designed accordingly, for example preferably with widths (slow axis) of 20 pm to 100 pm and heights (fast axis) of 1.0 pm or smaller. The collimation lens collimates the divergent beam after emerging from the emission facet so that it hits the Bragg grating in a parallel direction. This is wavelength-sensitive and only reflects the light with the target wavelength back into the collimation lens, which in the best case focuses it precisely on the small emission facet, so that exactly the light with the resonant target wavelength reaches the active layer of the chip. In this way, the narrow band of the emission spectrum is ensured.
Allerdings erfordert die oben angeführte, sehr kleine Emissionsfacette einen äußerst hohen Grad an Präzision bei der räumlichen Ausrichtung des Bragg-Gitters (und der Linse) gegenüber der optischen Achse des Lasers. Im Idealfall fallen die durch die Emissionsfacette verlaufende optische Achse des Lasers und die Symmetrieachse der Kollimationslinse exakt zusammen und die wirksame Reflexionsebene des Bragg- Gitters steht senkrecht auf beiden, so dass der reflektierte Strahl den gleichen Weg nimmt wie er emittiert wurde. Eine grobe Überschlagsrechnung mit typischen Werten für den Fokus der Kollimationslinse (z.B. 3 mm) und für die Höhe der Facette (1 pm) liefert einen Wert für die geforderte Justagegenauigkeit des Bragg-Gitters: die Reflexionsebene muss auf ca. 0,01 ° genau in Bezug auf eine zur optischen Achse senkrechte Ebene eingestellt sein, damit der reflektierte Strahl wieder die Emissionsfacette trifft. However, the very small emission facet noted above requires an extremely high degree of precision in the spatial alignment of the Bragg grating (and lens) with respect to the optical axis of the laser. Ideally, the optical axis of the laser running through the emission facet and the symmetry axis of the collimating lens coincide exactly and the effective reflection plane of the Bragg grating is perpendicular to both, so that the reflected beam takes the same path as it was emitted. A rough estimate with typical values for the focus of the collimation lens (e.g. 3 mm) and for the height of the facet (1 pm) provides a value for the required adjustment accuracy of the Bragg grating: the reflection plane must be accurate to approximately 0.01 ° in relation to the optical axis vertical plane must be set so that the reflected beam hits the emission facet again.
Diese Genauigkeiten sind in der Praxis durchaus erzielbar, allerdings mit hohem Aufwand an Zeit und Kosten. Dies liegt daran, dass das Bragg-Gitter am distalen Ende des im Allgemeinen hülsenförmigen Aufsatzes über zwei aufeinander senkrechte Winkelrichtungen bzw. Achsen geschwenkt werden muss, um dann jeweils durch Messung diejenige Winkelstellung festzustellen, bei welcher die Bandbreite des durch das Gitter hindurchgehenden Laserstrahls zufriedenstellend gering ausfällt. Diese Position muss zudem durch geeignete Maßnahmen (z.B. externe Greifarme) eingestellt werden, bevor eine das Gitter einfassende Halterung abschließend verschweißt, gelötet oder angeklebt, oder wie sonst auch allgemein bekannt auf verschiedene Weise gefügt oder befestigt werden kann (z.B. auch durch Laserlöten). Durch diesen Vorgang hinzutretende Spannungen und Verzüge aufgrund des Abkühlvorgangs sind außerdem noch in Kauf zu nehmen, wobei auf die Einhaltung der Toleranzen Rücksicht zu nehmen ist. These accuracies can certainly be achieved in practice, but with a lot of time and money. This is because the Bragg grating at the distal end of the generally sleeve-shaped attachment must be pivoted over two mutually perpendicular angular directions or axes in order to then determine by measurement the angular position at which the bandwidth of the laser beam passing through the grating is satisfactorily low fails. This position must also be adjusted by suitable measures (e.g. external gripping arms) before a holder surrounding the grid can be finally welded, soldered or glued on, or, as is otherwise generally known, joined or fastened in various ways (e.g. also by laser soldering). Additional stresses and distortions caused by this process due to the cooling process must also be taken into account, although compliance with the tolerances must be taken into account.
Folglich besteht das Bedürfnis nach einem einfacheren Aufbau, einer Einsparung von Kosten und einer Reduzierung des Aufwands bei der Justage. Zudem kann es eine Aufgabe sein, die Justagegenauigkeit zu verbessern. Consequently, there is a need for a simpler structure, a saving in costs and a reduction in adjustment effort. In addition, it can be a task to improve the adjustment accuracy.
Darstellung verschiedener Aspekte Presentation of various aspects
Einem Aspekt zufolge kann solchen Anforderungen Rechnung getragen werden, indem ein Lasermodul vorgeschlagen wird, das wie beschrieben umfasst: einen Laser, die eingerichtet ist, einen sich entlang einer optischen Achse ausbreitenden Laserstrahl zu emittieren, eine vorzugweise rotationssymmetrische Kollimationslinse, die den aus einer Emissionsfacette des Lasers emittierten Laserstrahl kollim iert, sowie ein wellenlängensensitives Gitter, bei dem es sich insbesondere um ein Volumen- Bragg-Gitter handeln kann, und das den kollimierten Laserstrahl teilreflektiert. Die Koll imationsli nse und das wellenlängensensitive Gitter sind entlang der optischen Achse des von dem Laser emittierten Laserstrahls angeordnet, so dass durch eine rückseitige Spiegelfacette des Lasers und eine Reflexionsebene des Gitters eine externe Kavität ausgebildet wird, um einen von dem wellenlängensensitiven Gitter durchgelassenen Teil des Laserstrahls mit geringer Bandbreite zu erzeugen. According to one aspect, such requirements can be taken into account by proposing a laser module which, as described, comprises: a laser which is set up to emit a laser beam propagating along an optical axis, a preferably rotationally symmetrical collimation lens which consists of an emission facet of the Laser's emitted laser beam is collimated, as well as a wavelength-sensitive grating, which can in particular be a volume Bragg grating and which partially reflects the collimated laser beam. The Collimation lens and the wavelength-sensitive grating are arranged along the optical axis of the laser beam emitted by the laser, so that an external cavity is formed by a rear mirror facet of the laser and a reflection plane of the grating to accommodate a part of the laser beam transmitted by the wavelength-sensitive grating to generate low bandwidth.
Ferner wird für die Reflexionsebene des wellenlängensensitiven Gitters, an welcher der von der Kollimationslinse kollimierte Laserstrahl im Betrieb teilreflektiert wird, vorausgesetzt, dass sie mit einer Winkelabweichung gegenüber einer zur optischen Achse des Lasers senkrechten Ebene geneigt ist. Anzumerken ist dabei, dass die hier als „Reflexionsebene“ bezeichnete Ebene genau genommen eine virtuelle Ebene ist, die das (Bragg-)Gitter bzw. dessen Neigung repräsentiert. Ein Volumen-Bragg-Gitter besteht in der Tat aus vielen Gitterebenen, die alle parallel zueinander angeordnet sind (daher auch der Wortlaut "Volumen-"gitter). Diese parallelen und im Vergleich zur Länge der Kavität äußerst nahe beieinander liegenden Ebenen im Volumen-Bragg- Gitter zeichnen sich durch eine Brechungsindexmodulation im betreffenden Substrat aus. Die in der vorliegenden Anmeldung so bezeichnete Reflexionsebene repräsentiert somit die Gesamtheit der zusammenwirkenden einzelnen, mit ihr parallelen Gitterebenen des Volumen-Bragg-Gitters. Sie stellt somit vereinfacht eine einzelne geneigte, teilreflektierende Ebene innerhalb des Gittersubstrats dar. Furthermore, the reflection plane of the wavelength-sensitive grating, on which the laser beam collimated by the collimating lens is partially reflected during operation, is assumed to be inclined with an angular deviation relative to a plane perpendicular to the optical axis of the laser. It should be noted that the plane referred to here as the “reflection plane” is, strictly speaking, a virtual plane that represents the (Bragg) grid or its inclination. A volume Bragg lattice actually consists of many lattice planes, all arranged parallel to each other (hence the wording "volume" lattice). These parallel planes in the volume Bragg grating, which are extremely close to one another compared to the length of the cavity, are characterized by a refractive index modulation in the substrate in question. The reflection plane so designated in the present application therefore represents the entirety of the interacting individual grid planes of the volume Bragg grating that are parallel to it. In simplified terms, it therefore represents a single inclined, partially reflective plane within the grid substrate.
Dies kann z.B. beabsichtigt sein, wenn insbesondere eine Verkippung der jeweiligen Gitterebene im Substrat gegenüber einer Außenfläche des Substrats vorliegt, in welchem das Gitter bei der Herstellung nach bekannten Verfahren eingeschrieben ist, um einen Reflex der Substratoberfläche - auch wenn diese zur Entspiegelung mit einer Antireflexbeschichtung versehen ist - von demjenigen des eigentlichen Gitters zu trennen. In diesem Fall kann das Gitter - diese Verkippung in Kauf nehmend - zunächst in Bezug auf die (mechanisch leicht erfassbare) Substratoberfläche im Strahlengang positioniert werden, um dann durch die nachfolgend zu beschreibenden Merkmale kompensiert zu werden. Ein rein beispielhafter Wert für eine solche Verkippung kann z.B. 0,5° betragen. Es ist dabei auch anzumerken, dass hier eine Herstellungstoleranz von beispielsweise 0,3° zu berücksichtigen sein könnte. Grundsätzlich kann dieser "slant angle" bei der Herstellung des Gitters eingestellt werden. Seine Größenordnung ist für die vorgeschlagenen Aspekte und Ausführungsbeispiele aber nicht entscheidend. This can be intended, for example, if in particular there is a tilting of the respective grid plane in the substrate relative to an outer surface of the substrate in which the grid is inscribed during production using known methods in order to create a reflection on the substrate surface - even if it is provided with an anti-reflective coating for anti-reflection is - to be separated from that of the actual grid. In this case, the grating - accepting this tilting - can first be positioned in the beam path in relation to the (mechanically easily detectable) substrate surface, in order to then be compensated for by the features to be described below. A purely exemplary value for such a tilt can be, for example, 0.5°. It should also be noted that a manufacturing tolerance of, for example, 0.3° could have to be taken into account here. In principle, this “slant angle” can be adjusted when the grid is manufactured become. However, its magnitude is not crucial for the proposed aspects and exemplary embodiments.
Insbesondere kann die Winkelabweichung aber auch unbeabsichtigt und möglicherweise unvermeidlich sein, nämlich aufgrund der Ausrichtungsgenauigkeit des Gitters in der Aufnahme im entsprechenden Aufsatz (oder dergleichen) des Lasermoduls. Eine Feinjustage wie eingangs beschrieben ist hierbei nicht erforderlich, so dass diese Winkelabweichung auch deutlich größer sein kann als jene oben erwähnten etwa 0,01°. In particular, the angular deviation can also be unintentional and possibly unavoidable, namely due to the alignment accuracy of the grating in the receptacle in the corresponding attachment (or the like) of the laser module. A fine adjustment as described above is not necessary here, so that this angular deviation can also be significantly larger than the approximately 0.01° mentioned above.
Um nun diese beabsichtigte oder auch unbeabsichtigte Winkelabweichung gegenüber der zur optischen Achse senkrechten Ebene, die als solche dazu führen würde, dass der reflektierte Strahl nicht wieder in die Emissionsfacette trifft, zu kompensieren, ist es vorliegendem Aspekt zufolge vorgesehen, dass die Kollimationslinse gegenüber einer auf der optischen Achse des Lasers zentrierten Position in eine in Richtung (X, Y) senkrecht zur optischen Achse verschobene Position lateral versetzt eingerichtet ist, in welcher die Kollimationslinse den Laserstrahl in einer Ausrichtung senkrecht zur geneigten Reflexionsebene kollimiert. In order to compensate for this intended or unintentional angular deviation relative to the plane perpendicular to the optical axis, which as such would result in the reflected beam not hitting the emission facet again, it is provided according to the present aspect that the collimation lens is opposite one The position centered on the optical axis of the laser is set to be laterally offset in a position shifted in the direction (X, Y) perpendicular to the optical axis, in which the collimation lens collimates the laser beam in an orientation perpendicular to the inclined reflection plane.
Die laterale Verschiebung der Kollimationslinse gegenüber der optischen Achse führt als solche dazu, dass sich die Strahlausrichtung (das sog. beam pointing) des die Kollimationslinse verlassenden Strahls bzw. parallelisierten Strahlenbündels ändert und von der optischen Achse abweicht. Im konventionellen Fall als beam pointing error bezeichnet, wird diese Strahlausrichtung vorliegend absichtlich herbeigeführt, und zwar in der Weise, dass der Strahl bzw. parallelisierte Strahlenbündel genau senkrecht auf die durch die Winkelabweichung geneigte Reflexionsebene trifft. Die hin- und rücklaufenden Strahlen überlagern sich dadurch wieder exakt, so dass auch die Emissionsfacette des Lasers mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit durchlaufen (bzw. getroffen) wird. The lateral displacement of the collimation lens relative to the optical axis as such leads to the beam orientation (the so-called beam pointing) of the beam or parallelized beam leaving the collimation lens changing and deviating from the optical axis. In the conventional case, referred to as beam pointing error, this beam alignment is brought about intentionally in the present case, in such a way that the beam or parallelized beam of rays hits the reflection plane inclined by the angular deviation exactly perpendicularly. The back and forth beams then overlap each other exactly, so that the emission facet of the laser is also passed through (or hit) with a comparatively high level of accuracy.
Durch diese Maßnahme wird es nun möglich, anstatt einer konventionell durchzuführenden, komplexen Verkippung des wellenlängensensitiven Gitters über 2 Drehachsen hinweg eine lineare Verschiebung der Kollimationslinse in X- und/oder Y- Richtung durchzuführen, um eine Feinjustage des Laserstrahlverlaufs zu erzielen. Ist zum Beispiel für die Verkippung des Gitters eine sphärische Form des entsprechenden Tragrings sowie eine entsprechende Aufnahme im hülsenförmigen Aufsatz für das Lasermodul erforderlich, so kann vorliegend auf diese oder ähnliche Teile verzichtet werden. Auch ist vorliegend beispielsweise nicht mehr eine Vorrichtung wie etwa ein Hexapod oder ein anderer Winkelversteller notwendig, um die Feinjustage des Gitters durchzuführen, weil eine lineare Verschiebung der Kollimationslinse bzw. des sie tragenden Teils deutlich einfacher durchzuführen ist. Durch den einfacheren Zugriff von außen können auch stärkere Haltekräfte während der Justage ausgeübt werden als im konventionellen Fall, so dass der Justageprozess sicherer und genauer durchgeführt werden kann. Durch die Verwendung von weniger Bauteilen und durch den einfacheren Justageprozess werden deutlich Kosten und Aufwand gespart. Hervorzuheben ist jedenfalls, dass die Justage auf den Endzustand ohne eine Winkeljustage des Volumen-Bragg-Gitters erfolgen kann bzw. muss. Außerdem können Ausführungsformen vorsehen (siehe unten), dass die Kollimiationslinse und Volumen-Bragg-Gitter eine mechanische Einheit bilden (eine gemeinsame Unterbaugruppe). Ferner kann in diesem Fall aber auch eine z-Justage nötig sein, d.h., des Abstands zwischen dem Laser und der Kollimationslinse, um einen bestmöglichen Grad der Kollimation sicherzustellen. This measure now makes it possible, instead of a conventional, complex tilting of the wavelength-sensitive grating across 2 axes of rotation, a linear displacement of the collimation lens in X and/or Y. Direction to achieve a fine adjustment of the laser beam path. If, for example, a spherical shape of the corresponding support ring and a corresponding receptacle in the sleeve-shaped attachment for the laser module are required for the tilting of the grid, these or similar parts can be dispensed with in the present case. In the present case, for example, a device such as a hexapod or another angle adjuster is no longer necessary to carry out the fine adjustment of the grating, because a linear displacement of the collimation lens or the part carrying it is much easier to carry out. Due to the easier access from outside, stronger holding forces can be exerted during the adjustment than in the conventional case, so that the adjustment process can be carried out more safely and more precisely. The use of fewer components and the simpler adjustment process significantly save costs and effort. In any case, it should be emphasized that the adjustment to the final state can or must take place without an angular adjustment of the volume Bragg grating. Additionally, embodiments may provide (see below) that the collimating lens and volume Bragg grating form a mechanical unit (a common subassembly). Furthermore, in this case, a z-adjustment may also be necessary, ie the distance between the laser and the collimation lens, in order to ensure the best possible degree of collimation.
Ein Ausführungsform sieht vor, dass die Kollimationslinse gegenüber der auf der optischen Achse des Lasers zentrierten Position in einer zu der optischen Achse senkrechten ersten Richtung (X) und in einer zu der optischen Achse senkrechten zweiten Richtung (Y), die auch zu der ersten Richtung (X) senkrecht steht, in die verschobene Position versetzt eingerichtet ist. Eine solche XY-Positionierung lässt sich prozesstechnisch besonders einfach durchführen. One embodiment provides that the collimation lens is positioned relative to the position centered on the optical axis of the laser in a first direction (X) perpendicular to the optical axis and in a second direction (Y) perpendicular to the optical axis, which is also perpendicular to the first direction (X) is vertical, set in the shifted position. Such an XY positioning can be carried out particularly easily in terms of process technology.
Einer weiteren speziellen Weiterbildung des Lasermoduls zufolge beträgt der laterale Versatz in der Richtung (X, Y), bzw. in der ersten Richtung (X) und/oder der zweiten Richtung (Y), wenigstens 0,1 pm, bevorzugt wenigstens 0,5 pm, weiter bevorzugt wenigstens 1 pm, weiter bevorzugt wenigstens 2 pm. Eine mögliche obere Grenze kann rein beispielshaft mit 100 pm beziffert werden, hängt aber im Detail davon ab, ab welchem Versatz sich die Linsengeometrie im Strahlverlauf bemerkbar macht, d.h., von der speziellen Kollimationslinse, und ab wann die Neigung des Strahlaustritts relativ zur feststehenden Lasermodulgehäusegeometrie insgesamt nicht mehr vertretbar ist. According to a further special development of the laser module, the lateral offset in the direction (X, Y), or in the first direction (X) and/or the second direction (Y), is at least 0.1 pm, preferably at least 0.5 pm, more preferably at least 1 pm, more preferably at least 2 pm. A possible upper limit can be 100 pm purely as an example, but depends in detail on the offset from which the lens geometry becomes noticeable in the beam path, ie, from the special collimation lens, and from which point the inclination of the beam exit relative to the fixed laser module housing geometry is no longer acceptable overall.
Alternativ oder zusätzlich kann für die Winkelabweichung der Reflexionsebene des Gitters gegenüber der zur optischen Achse des Lasers senkrechten Ebene ein Betrag von wenigstens +/-0,005°, bevorzugt +/-0,01 °, weiter bevorzugt +/-0,02° angegeben werden. Allerdings ist der laterale Versatz im Allgemeinen in XY-Richtung wesentlich einfacher direkt zu bestimmen/messen als der zu kompensierende Verkippungswinkel. Alternatively or additionally, an amount of at least +/-0.005°, preferably +/-0.01°, more preferably +/-0.02° can be specified for the angular deviation of the reflection plane of the grating compared to the plane perpendicular to the optical axis of the laser . However, the lateral offset is generally much easier to determine/measure directly in the XY direction than the tilt angle to be compensated.
Einem weiteren Aspekt zufolge umfasst das Lasermodul einen zwei oder mehr Elemente (Unterbaugruppen) umfassenden Aufsatz zum Einfassen der externen Kavität. Ein erstes Aufsatzelement trägt oder hält dabei den Laser, und ein zweites Aufsatzelement trägt oder hält die Kollimationslinse. Das erste Aufsatzelement und das zweite Aufsatzelement sind in diesem Fall insbesondere eingerichtet, vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung (etwa durch Laserschweißen, Löten oder Kleben, oder andere bekannte und hier geeignete Fügetechniken) gegeneinander in der Richtung (X, Y), bzw. in der ersten Richtung (X) und/oder der zweiten Richtung (Y) senkrecht zur optischen Achse verschoben zu werden, um bei einer Justage eine geeignet verschobene Position der Kollimationslinse zu erhalten, die beispielsweise die oben beschriebenen Effekte erzielt. According to another aspect, the laser module includes an attachment comprising two or more elements (subassemblies) for enclosing the external cavity. A first attachment element carries or holds the laser, and a second attachment element carries or holds the collimation lens. In this case, the first attachment element and the second attachment element are in particular set up, before a final cohesive fixation (for example by laser welding, soldering or gluing, or other known and suitable joining techniques) against each other in the direction (X, Y), or in the first direction (X) and / or the second direction (Y) to be shifted perpendicular to the optical axis in order to obtain a suitably shifted position of the collimation lens during an adjustment, which, for example, achieves the effects described above.
Auch dieser Aspekt stützt den Gedanken, eine Feinjustage des Laserstrahlverlaufs durch einen lateralen Versatz der Kollimationslinse vor dem finalen Fixieren zu erlauben. Auf eine Justage bzw. Verkippung des wellenlängensensitiven Gitters kann ggf. durchaus verzichtet werden (sie ist aber durch die Erfindung nicht fundamental ausgeschlossen). Das Gitter kann vorzugsweise in dem zweiten, aber auch in dem ersten oder einem dritten Aufsatzelement aufgenommen und gehalten sein. This aspect also supports the idea of allowing fine adjustment of the laser beam path by lateral offset of the collimation lens before final fixation. An adjustment or tilting of the wavelength-sensitive grating can possibly be dispensed with (but this is not fundamentally excluded by the invention). The grid can preferably be accommodated and held in the second, but also in the first or a third attachment element.
Insgesamt bleibt bei diesem hier vorgeschlagenen Aufbau gemäß diesem Aspekt die äußere Form des Lasermoduls grundsätzlich unverändert. Allerdings werden Aufsatzelemente zueinander lateral verschiebbar eingerichtet, anstatt einen monolithischen Aufsatz bereitzustellen, welcher dann eine Anzahl von Kleinteilen für die Feinjustage und Halterung aufweist. Dagegen sind die zwei Aufsatzelemente leicht für die Justage zugänglich, und auch die anschließende Fixierung dieser Elemente kann in einfacher Weise kontrolliert werden. Die laterale Verschiebung in X und Y kann z.B. durch eine oder mehrere plane Gleitflächen (die sich in der XY-Ebene erstrecken) vorbereitet bzw. eingerichtet werden, mit denen die beiden Aufsatzelemente einander zugewandt sind. Overall, in this structure proposed here, according to this aspect, the external shape of the laser module remains fundamentally unchanged. However, attachment elements are set up to be laterally displaceable relative to one another, instead of providing a monolithic attachment, which then contains a number of small parts which has fine adjustment and holder. On the other hand, the two attachment elements are easily accessible for adjustment, and the subsequent fixation of these elements can also be easily controlled. The lateral displacement in X and Y can be prepared or set up, for example, by one or more planar sliding surfaces (which extend in the XY plane) with which the two attachment elements face each other.
Einer speziellen Weiterbildung des Lasermoduls zufolge sind sowohl die Kollimationslinse als auch das wellenlängensensitive Gitter von dem zweiten Aufsatzelement gehalten und vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung mit dem ersten Aufsatzelement, oder mit einem mit dem ersten Aufsatzelement verbundenen drittenAccording to a special development of the laser module, both the collimation lens and the wavelength-sensitive grating are held by the second attachment element and before a final cohesive fixation with the first attachment element, or with a third attachment element connected to the first attachment element
Aufsatzelement, das in Bezug auf die optische Achse nicht lateral verschiebbar eingerichtet ist, gemeinsam in fester räumlicher Position zueinander relativ zu dem Laser und deren optischer Achse in der Richtung bzw. in der ersten Richtung (X) und/oder der zweiten Richtung (Y) senkrecht zur optischen Achse verschiebbar eingerichtet sind. Attachment element, which is not designed to be laterally displaceable with respect to the optical axis, together in a fixed spatial position relative to each other relative to the laser and its optical axis in the direction or in the first direction (X) and / or the second direction (Y) are set up to be displaceable perpendicular to the optical axis.
Hierbei entsteht ein besonderer Vorteil dadurch, dass die Kollimationslinse und das Gitter in festem Bezug zueinander angeordnet sind und das Gitter daher bei der lateralen Verschiebung dieser Bewegung folgt. Ein Verzug der Gitterausrichtung durch thermische Spannungen im oder am Aufsatzelement beim Abkühlen etwa nach dem Laserschweißen entfällt und die Anzahl der Teile kann zudem gering gehalten werden, das das Gitter eine einfache und direkte Aufnahme im Aufsatzelement erhält. A particular advantage here arises from the fact that the collimation lens and the grating are arranged in a fixed relationship to one another and the grating therefore follows this movement during the lateral displacement. There is no distortion of the grid alignment due to thermal stresses in or on the attachment element when cooling, for example after laser welding, and the number of parts can also be kept low so that the grid can be easily and directly accommodated in the attachment element.
Im Fall des dritten Aufsatzelements kann dieses einen ringartigen Aufbau besitzen und gegenüber dem ersten Aufsatzelement vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung mit diesem in einer dritten Richtung (Z) verschiebbar eingerichtet sein, die parallel zur optischen Achse des Lasers ausgerichtet ist, um die Einstellung eines Fokus der Kollimationslinse in Bezug auf die Emissionsfacette des Lasers zu ermöglichen. Die Bereitstellung des dritten Aufsatzelements bietet den weiteren Vorteil, dass der allgemeine Justageprozess flexibel ausgestaltet werden kann. Dies deshalb, weil z.B. die Reihenfolge der Fokuseinstellung (in Z-Richtung) und der Versatzeinstellung beliebig gewählt werden kann. Eine Feinjustage in einer gemeinsamen Positioniervorrichtung ist sogar auch denkbar, mit iterativer Positionierung in Z- und XY-Richtung. In the case of the third attachment element, this can have a ring-like structure and can be set up to be displaceable in a third direction (Z) relative to the first attachment element before a final cohesive fixation with it, which is aligned parallel to the optical axis of the laser in order to adjust a focus of the To enable collimation lens in relation to the emission facet of the laser. The provision of the third attachment element offers the further advantage that the general adjustment process can be designed flexibly. This is because, for example, the order of the focus setting (in the Z direction) and the offset setting can be chosen arbitrarily. A fine adjustment in a common positioning device is even conceivable, with iterative positioning in the Z and XY directions.
Einer dazu alternativen, speziellen Weiterbildung des Lasermoduls zufolge sind ebenfalls sowohl die Kollimationslinse als auch das wellenlängensensitive Gitter von dem zweiten Aufsatzelement gehalten, und erzielen dadurch die gleichen Vorteile wie vorhergehend beschrieben. Anstatt des beschriebenen dritten Aufsatzelements ist aber hier ein davon verschiedenes viertes Aufsatzelement vorgesehen. Vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung dieses vierten Aufsatzelements mit dem ersten Aufsatzelement ist es gemeinsam mit dem vierten Aufsatzelement und in fester räumlicher Position zueinander relativ zu dem Laser und deren optischer Achse in der Richtung bzw. in der ersten Richtung (X) und/oder der zweiten Richtung (Y) senkrecht zur optischen Achse verschiebbar eingerichtet. According to an alternative, special development of the laser module, both the collimation lens and the wavelength-sensitive grating are also held by the second attachment element, thereby achieving the same advantages as described above. Instead of the third attachment element described, a different fourth attachment element is provided here. Before a final cohesive fixation of this fourth attachment element with the first attachment element, it is together with the fourth attachment element and in a fixed spatial position relative to one another relative to the laser and its optical axis in the direction or in the first direction (X) and/or the second Direction (Y) set up to be displaceable perpendicular to the optical axis.
Das vierte Aufsatzelement kann wie das dritte Aufsatzelement einen ringartigen Aufbau besitzen und mit Vorteil das zweite Aufsatzelement umschließen, so dass das zweite Aufsatzelement gegenüber dem vierten Aufsatzelement vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung mit diesem in einer dritten Richtung (Z) verschiebbar eingerichtet ist, die parallel zur optischen Achse des Lasers ausgerichtet ist, um die Einstellung eines Fokus der Kollimationslinse in Bezug auf die Emissionsfacette des Lasers zu ermöglichen. The fourth attachment element, like the third attachment element, can have a ring-like structure and advantageously enclose the second attachment element, so that the second attachment element is set up to be displaceable in a third direction (Z), which is parallel to the fourth attachment element, before a final cohesive fixation with it optical axis of the laser is aligned to enable adjustment of a focus of the collimating lens with respect to the emission facet of the laser.
Bei dieser Ausführungsform wird die flexible Durchführung der Justage in XY-Richtung und in Z-Richtung auf besonders einfach Weise möglich. Die Justage erfolgt zudem durch Bauteile mit einfachen geometrischen Formen und durch stabile Aufsatzelemente aus gut verschweiß- oder verklebbaren Materialen, wie etwa rostfreier Stahl. Es ist bei diesen Ausführungsbeispielen anzumerken, dass das Gitter kann auch derart in eine Unterbaugruppe zusammen mit der Linse eingesetzt werden, dass die Außenfläche des Substrats genau senkrecht zur optischen Achse der Linse angeordnet ist. Das heißt, dass die Reflexionsebene durchaus auch absichtlich geneigt angeordnet sein kann, wenn man die Neigung der Reflexionsebene gegenüber der Substrataußenfläche berücksichtigt. Eine solche Ausführung ist jedenfalls von den hier vorgeschlagenen Aspekten eingeschlossen. Sie biete auch bestimmte prozesstechnische Vorteile, da auf diese Weise das Gitter nicht versehentlich fehlerhaft eingebaut werden kann. In this embodiment, the adjustment in the XY direction and in the Z direction can be carried out flexibly in a particularly simple manner. The adjustment is also carried out using components with simple geometric shapes and stable attachment elements made of materials that can be easily welded or glued, such as stainless steel. It should be noted in these embodiments that the grating can also be inserted into a subassembly together with the lens such that the outer surface of the substrate is arranged exactly perpendicular to the optical axis of the lens. This means that the reflection plane can also be arranged to be intentionally inclined, if one takes into account the inclination of the reflection plane relative to the outer surface of the substrate. In any case, such an embodiment is included in the aspects proposed here. It also offers certain process-related advantages, as the grid cannot be accidentally installed incorrectly.
Wie beschrieben kann es sich bei den Beispielen für die wechselseitige stoffschlüssige Fixierung zwischen den jeweils betroffenen Aufsatzelementen um eine Laserschweißfixierung oder eine Klebefixierung handeln. As described, the examples of the mutual cohesive fixation between the respective attachment elements concerned can be a laser welding fixation or an adhesive fixation.
Ferner kann das zweite Aufsatzelement als Hülse mit einer Mittenachse ausgebildet sein, die im Wesentlichen parallel zur optischen Achse des Lasers angeordnet ist, und wobei die Kollimationslinse sowie das wellenlängensensitive Gitter im Innern der Hülse angebracht sind. Dadurch wird ein geschützter Aufbau für die Kavität erzielt. Ferner kann mit einer zylindrischen Hülsenform gleichzeitig eine formschlüssige Fläche für die Verschiebung in Z-Richtung (Mantelfläche) als auch in XY-Richtung (z.B. plane Stirnfläche) angeboten werden. Furthermore, the second attachment element can be designed as a sleeve with a central axis which is arranged essentially parallel to the optical axis of the laser, and wherein the collimation lens and the wavelength-sensitive grating are mounted inside the sleeve. This creates a protected structure for the cavity. Furthermore, with a cylindrical sleeve shape, a positive surface can be offered for displacement in the Z direction (outer surface) as well as in the XY direction (e.g. flat end face).
Ferner kann das wellenlängensensitive Gitter von dem zweiten Aufsatzelement in einer vorgegeben Gitteraufnahme gehalten sein, und zwar solchermaßen, dass eine Justage durch Einstellen eines Neigungswinkels des Gitters relativ zur optischen Achse im aufgenommenen Zustand des Gitters ausgeschlossen ist. Dies ermöglicht einen sehr einfachen Aufbau des zweiten Aufsatzelements. Furthermore, the wavelength-sensitive grating can be held by the second attachment element in a predetermined grating holder, in such a way that an adjustment by adjusting an angle of inclination of the grating relative to the optical axis in the recorded state of the grating is excluded. This enables a very simple construction of the second attachment element.
Optional kann der Laser in einem Gehäuse aufgenommen sein, insbesondere in einem TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse, wobei das erste Aufsatzelement eine Aufnahme zum Befestigen des Gehäuses bzw. eines das Gehäuse tragenden Substrats besitzt. Die Aufnahme kann auch eine relative Verschiebbarkeit in Z- Richtung beinhalten. Die Erfindung ist aber keinesfalls auf gekapselte Laser beschränkt. Optionally, the laser can be accommodated in a housing, in particular in a TO 38, TO 56 or TO 90 housing, with the first attachment element having a receptacle for fastening the housing or a substrate carrying the housing. The recording can also allow relative displaceability in Z- include direction. However, the invention is by no means limited to encapsulated lasers.
Der Laser kann beispielsweise durch eine Laserdiode, wie bspw. einen Halbeliterlaser, oder durch einen Solid State Laser oder einen Fetskörperlaser gebildet sein. Ferner kann der Laser mit Vorteil ein Kantenemitter sein, da sich die vorgeschlagenen Merkmale hinsichtlich der kleinen Emissionfacette hier besonders auszeichnen. Andere Typen von Lasern sind aber grundsätzlich ebenso möglich. Anstatt eines Kantenemitters (edge emitter) können Ausführungsbeispielen zufolge auch Oberflächenemitter bzw. VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder HCSEL (Horizontal Cavity Surface Emitting Laser) verwendet sein. The laser can be formed, for example, by a laser diode, such as a half-elite laser, or by a solid state laser or a solid-state laser. Furthermore, the laser can advantageously be an edge emitter, since the proposed features with regard to the small emission facet are particularly notable here. However, other types of lasers are fundamentally also possible. Instead of an edge emitter, according to exemplary embodiments, surface emitters or VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) or HCSEL (Horizontal Cavity Surface Emitting Laser) can also be used.
Der Laser kann außerdem in Form eines Singlemode- oder in Form eines Multimode- Diodenlasers bzw. Laserdiode vorliegen. The laser can also be in the form of a single-mode or multi-mode diode laser or laser diode.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein dem Lasermodul zugeordnetes Verfahren zum Herstellen eines Lasermoduls. Das Lasermodul umfasst auch hierbei: einen Laser, die eingerichtet ist, einen sich entlang einer optischen Achse ausbreitenden Laserstrahl zu emittieren, eine Kollimationslinse, die den aus einer Emissionsfacette des Lasers emittierten Laserstrahl kollimiert, sowie ein wellenlängensensitives Gitter, das den kollimierten Laserstrahl teilreflektiert. Another aspect relates to a method for producing a laser module associated with the laser module. The laser module also includes: a laser that is set up to emit a laser beam that propagates along an optical axis, a collimation lens that collimates the laser beam emitted from an emission facet of the laser, and a wavelength-sensitive grating that partially reflects the collimated laser beam.
Das Verfahren selbst umfasst die folgenden Schritte: The procedure itself includes the following steps:
Anordnen der Kollimationslinse und des wellenlängensensitives Gitters entlang der optischen Achse des von dem Laser im Betrieb emittierten Laserstrahls, so dass durch eine rückseitige Spiegelfacette des Lasers und eine Reflexionsebene des Gitters eine externe Kavität ausgebildet wird, um einen von dem wellenlängensensitiven Gitter durchgelassenen Teil des Laserstrahls mit geringer Bandbreite zu erzeugen; Arranging the collimation lens and the wavelength-sensitive grating along the optical axis of the laser beam emitted by the laser during operation, so that an external cavity is formed by a rear mirror facet of the laser and a reflection plane of the grating to accommodate a part of the laser beam transmitted by the wavelength-sensitive grating to produce low bandwidth;
Verschieben der Kollimationslinse gegenüber dem Laser aus einer ursprünglichen Position in zumindest einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung (X, Y); Ermitteln einer Bandbreite eines Emissionsspektrums des von dem wellenlängensensitiven Reflektor durchgelassenen Laserstrahls; und Displacing the collimation lens relative to the laser from an original position in at least one direction (X, Y) perpendicular to the optical axis; Determining a bandwidth of an emission spectrum of the laser beam transmitted by the wavelength-sensitive reflector; and
Festlegen einer in der Richtung (X, Y) verschobenen Position abhängig von dem Ergebnis; setting a position shifted in the direction (X, Y) depending on the result;
Mechanisches Fixieren der Kollimationslinse relativ zu dem Laser an der festgelegten Position. Mechanically fixing the collimating lens relative to the laser at the specified position.
Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie sie vorhergehend beschrieben sind. Die Verfahrensschritte können zu dem weiter oben in einem Aspekt beschriebenen Lasermodul mit lateral versetzter Kollimationslinse führen. Es ist aber umgekehrt bei dem Verfahren genauso möglich, dass eine lateral versetzte Kollimationslinse den Startpunkt bildet, und bei Justageprozess als optimale Einstellung genau die Position auf der optischen Achse gefunden wird - etwa weil das Gitter von Anfang an keine Winkelabweichung gegenüber der zur optischen Achse senkrechten Ebene hatte. The same advantages arise as those described above. The method steps can lead to the laser module with a laterally offset collimation lens described above in one aspect. Conversely, it is also possible with the method for a laterally offset collimation lens to form the starting point, and for the adjustment process to find exactly the position on the optical axis as the optimal setting - for example because the grating does not initially deviate from the angle perpendicular to the optical axis level had.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der diversen Aspekte ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen. Further advantages, features and details of the various aspects emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and the drawings. In the figures, the same reference numbers designate the same features and functions.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Fig.1 einen grundsätzlichen Aufbau eines Lasermoduls mit externer Kavität mit schematischer Darstellung eines Schritts der Feinjustage des Laserstrahls gemäß dem Stand der Technik; 1 shows a basic structure of a laser module with an external cavity with a schematic representation of a step of fine adjustment of the laser beam according to the prior art;
Fig. 2 wie Fig. 1 , aber mit schematischer Darstellung eines Schritts der Feinjustage des Laserstrahls gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 like FIG. 1, but with a schematic representation of a step of fine adjustment of the laser beam according to an exemplary embodiment;
Fig. 3 in schematischer Darstellung den Strahlengang des Laserstrahls in der Kavität mit Fehlstellung des unjustierten Gitters; Fig. 4 wie Fig. 3, aber mit justierter Gitterausrichtung, gemäß dem Stand der Technik; 3 shows a schematic representation of the beam path of the laser beam in the cavity with misalignment of the unadjusted grid; Fig. 4 like Fig. 3, but with adjusted grid alignment, according to the prior art;
Fig. 5 wie Fig. 3, aber mit justierter Kollimationslinse gemäß einen Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens; Fig. 5 like Fig. 3, but with adjusted collimation lens according to an exemplary embodiment of the proposed method;
Fig. 6A einen Aufbau mit illustriertem Justageschritt gemäß dem Stand der Technik wie in Fig. 1 , wobei die funktionalen Komponenten in Gruppen gemeinsamer Bewegung aufgeteilt sind; 6A shows a structure with illustrated adjustment step according to the prior art as in FIG. 1, where the functional components are divided into groups of common movement;
Fig. 6B wie Fig. 6A, aber mit zusätzlichem Schritt der Fokuseinstellung; Fig. 6B like Fig. 6A, but with an additional focus adjustment step;
Fig. 7A einen Aufbau mit illustriertem Justageschritt gemäß einem Ausführungsbeispiel wie in Fig. 2, wobei die funktionalen Komponenten in Gruppen gemeinsamer Bewegung aufgeteilt sind; 7A shows a structure with illustrated adjustment step according to an embodiment as in FIG. 2, where the functional components are divided into groups of common movement;
Fig. 7B wie Fig. 7A, aber mit zusätzlichem Schritt der Fokuseinstellung; wobei der Laser in Bezug auf die Kollimationslinse und das Gitter, als Einheit betrachtet, bewegt wird; Fig. 7B like Fig. 7A, but with an additional focus adjustment step; wherein the laser is moved with respect to the collimating lens and the grating, viewed as a unit;
Fig. 7C wie Fig. 7A, aber mit zusätzlichem Schritt der Fokuseinstellung, wobei die Kollimationslinse gemeinsam mit dem Gitter in Bezug auf den Laser bewegt wird; Fig. 7C as Fig. 7A, but with an additional focus adjustment step, where the collimating lens is moved together with the grating with respect to the laser;
Fig. 8 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls mit Aufsatz; 8 shows a first exemplary embodiment of a laser module with an attachment;
Fig. 9 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls mit Aufsatz; 9 shows a second exemplary embodiment of a laser module with an attachment;
Fig. 10 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls mit Aufsatz; 10 shows a third exemplary embodiment of a laser module with an attachment;
Fig. 11 eine Querschnittsdarstellung des Lasermoduls aus Fig. 10 mit zentrierter Ausrichtung der Kollimationslinse; Fig. 12 eine Querschnittsdarstellung des Lasermoduls aus Fig. 10 mit lateral verschobener Ausrichtung der Kollimationslinse; 11 shows a cross-sectional view of the laser module from FIG. 10 with the collimation lens centered; 12 shows a cross-sectional view of the laser module from FIG. 10 with the laterally shifted alignment of the collimation lens;
Fig. 13 eine alternative Querschnittsdarstellung des Lasermoduls aus Fig. 10 mit lateral verschobener Ausrichtung der Kollimationslinse; 13 shows an alternative cross-sectional representation of the laser module from FIG. 10 with the laterally shifted alignment of the collimation lens;
Fig. 14 in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Herstellen eines Lasermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel. 14 shows a flowchart of a method for producing a laser module according to an exemplary embodiment.
Bevorzugte Ausführungsform (en) der Erfindung Preferred embodiment(s) of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Die Ausführungsbeispiele können auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden. Ferner bezeichnen in nachfolgender Beschreibung gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ausführungsbeispielen oder Figuren gleiche oder ähnliche Merkmale oder Gegenstände, so dass in einigen Fällen auf eine wiederholte detaillierte Beschreibung derselben verzichtet wird, um die Kompaktheit und Übersichtlichkeit der Darstellung zu bewahren. In the following description of preferred embodiments, it should be noted that the present disclosure of the various aspects is not limited to the details of the construction and arrangement of the components as shown in the following description and in the figures. The exemplary embodiments can be put into practice or carried out in various ways. It should be further noted that the language and terminology used herein are used solely for the purpose of specific description and should not be construed as such in a limiting manner by those skilled in the art. Furthermore, in the following description, the same reference numerals in the various exemplary embodiments or figures denote the same or similar features or objects, so that in some cases a repeated detailed description of the same is omitted in order to preserve the compactness and clarity of the representation.
Fig. 1 zeigt einen Überblick über die relevanten funktionalen Elemente eines Lasermoduls 1 ohne den diese haltenden Aufsatz. Das Lasermodul 1 umfasst einen Laser in Form einer gekapselten Laserdiode 90 mit Sockel (base plate) 91 , Gehäuse 92 sowie zwei Kontaktanschlüssen 98, von denen in der Perspektive der eine Kontaktanschluss durch den vorderen verdeckt ist. Der eigentliche Halbleiterchip 95 befindet sich im Gehäuse 92 und ist in dieser Darstellung kaum zu erkennen. Ein Beispiel eines solchen Standardbausteins ist allerdings schematisch in Fig. 13 gezeigt. Der Sockel 91 und die Kontaktanschlüsse 98 bzw. Pins bilden eine Basis, auf der das Gehäuse 92 befestigt ist, das den Halbleiterchip 95 schützt, welcher die eigentliche Laserdiode mit innerem Resonator (internal cavity) ausbildet. Die Wirkungsweise der Laserdiode bzw. des Halbleiterchips 95 ist die eines Kantenemitters. Wird der Halbleiterchip 95 über die Kontaktanschlüsse 98 über nicht gezeigte Verbindungsleitungen mit Leistung versorgt, so emittiert er eine schmalbandige Laserstrahlung aus seiner als Auskoppelfläche dienenden Emissionsfacette 96. Der Halbleiterchip 95 ist beispielsweise senkrecht auf der Oberfläche 94 des Substrats 91 platziert. Nicht dargestellt ist eine optionale Fotodiode, anhand welcher in bekannter Weise die Leistungsversorgung geregelt werden kann, sodass ein möglichst konstanter Lichtstrom erfolgt. Im Fall der Fotodiode kann ein dritter Kontaktanschluss (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Das Gehäuse 92 ist auf der Oberfläche 94 des Sockels 91 vorgesehen und schützt den Halbleiterchip 95 sowie gegebenenfalls weitere Komponenten. In dem Gehäuse 92 ist stirnseitig eine Öffnung bzw. Fenster 93 eingerichtet, durch die/das die aus der Kantenoberfläche 96 emittierte Laserstrahlung austreten kann. Bei der Laserdiode 90 kann es sich um ein auf dem Markt erhältlichen Baustein, beispielsweise mit TO 38- TO 56- oder TO 90-Gehäuse handeln. Andere Typen sind aber genauso möglich. Der Halbleiterchip 95 ist beispielsweise eingerichtet, Licht im Infrarot, visuellen oder ultravioletten Wellenlängenbereich zu emittieren. Fig. 1 shows an overview of the relevant functional elements of a laser module 1 without the attachment holding them. The laser module 1 includes a laser in the form of an encapsulated laser diode 90 with a base plate 91, housing 92 and two contact connections 98, of which one contact connection is covered by the front one in perspective. The actual semiconductor chip 95 is located in the housing 92 and can hardly be seen in this illustration. However, an example of such a standard module is shown schematically in Fig. 13. The base 91 and the contact connections 98 or pins form a base on which the housing 92 is attached, which protects the semiconductor chip 95, which forms the actual laser diode with an internal cavity. The mode of operation of the laser diode or the semiconductor chip 95 is that of an edge emitter. If the semiconductor chip 95 is supplied with power via the contact connections 98 via connecting lines (not shown), it emits a narrow-band laser radiation from its emission facet 96, which serves as a coupling surface. The semiconductor chip 95 is, for example, placed vertically on the surface 94 of the substrate 91. Not shown is an optional photodiode, which can be used to regulate the power supply in a known manner so that the luminous flux is as constant as possible. In the case of the photodiode, a third contact terminal (not shown) may be provided. The housing 92 is provided on the surface 94 of the base 91 and protects the semiconductor chip 95 and possibly other components. An opening or window 93 is set up on the front side of the housing 92, through which the laser radiation emitted from the edge surface 96 can emerge. The laser diode 90 can be a component available on the market, for example with a TO 38, TO 56 or TO 90 housing. But other types are just as possible. The semiconductor chip 95 is set up, for example, to emit light in the infrared, visual or ultraviolet wavelength range.
Zurückkehrend zu Fig. 1 umfasst das Lasermodul 1 ferner eine Kollimationslinse 40 sowie ein wellenlängensensitives Gitter 60, das als Volumen-Bragg-Gitter (VBG). ausgebildet ist. Die Kollimationslinse 40 kollimiert den vom Halbleiterchip 95 durch die Emissionsfacette 96 emittierten, divergenten Laserstrahl, und das Gitter 60 ist im Idealfall so ausgerichtet, dass das parallelisierte Licht des Laserstrahl senkrecht auf die jeweilige Reflexionsebene des in dem entsprechenden Substrat des VBG eingeschriebenen Gitters einfällt. Dadurch wird der Strahl in gleicher Weise zurückgeworfen bzw. teilreflektiert, so dass er schmalbandig in die aktive Schicht des Halbleiterchips 95 zurückläuft und dort weiter Bildung schmalbandigen Laserlichts unterstützt. Die externe Kavität wir durch die Reflexionsebene 62 des VBG und die rückseitige Spiegelfacette der Laserdiode 90 (Halbleiterchip 95) ausgebildet. Um das schmalbandige Laserlicht zu erzeugen, ist eine hohe Koppeleffizienz erforderlich. Entsprechend wird gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Stand der Technik in Bezug auf ein die Justage einschließendes Herstellungsverfahren das Gitter 60 so ausgerichtet, dass die Bedingung des senkrecht einfallenden Laserstrahls gewährleistet ist. Dazu wird, wie in Fig. 1 durch die zwei Pfeile 64, 65 schematisch angedeutet ist, das Gitter 60 mit Hilfe externer Vorrichtungen (z.B. Hexapod oder anderer Winkelversteller, nicht gezeigt) über zwei Achsen geschwenkt. Dass das Erfüllen der genannten Bedingung erreicht ist, kann z.B. dadurch festgestellt werden, dass das Spektrum des vom Lasermodul insgesamt emittierten Laserstrahl erfasst und auf die Bandbreite hin vermessen wird. Die gewünschte Schmalbandigkeit wird genau dann erzielt, wenn der reflektierte Laserstrahl wieder zumindest auf die Emissionsfacette 96 trifft und dadurch im Halbleiterchip einkoppeln kann, so dass die Koppeleffizienz zunimmt. Returning to Fig. 1, the laser module 1 further comprises a collimation lens 40 and a wavelength-sensitive grating 60, which is called a volume Bragg grating (VBG). is trained. The collimation lens 40 collimates the divergent laser beam emitted by the semiconductor chip 95 through the emission facet 96, and the grating 60 is ideally aligned such that the parallelized light of the laser beam is incident perpendicularly onto the respective reflection plane of the grating written in the corresponding substrate of the VBG. As a result, the beam is thrown back or partially reflected in the same way, so that it travels back in a narrow band into the active layer of the semiconductor chip 95 and further supports the formation of narrow-band laser light there. The external cavity is formed by the reflection plane 62 of the VBG and the rear mirror facet of the laser diode 90 (semiconductor chip 95). In order to generate the narrow-band laser light, a high coupling efficiency is required. Accordingly, according to the prior art shown in FIG. 1 with respect to a manufacturing method including the adjustment, the grating 60 is aligned so that the condition of the perpendicularly incident laser beam is guaranteed. For this purpose, as is indicated schematically in FIG. 1 by the two arrows 64, 65, the grid 60 is pivoted over two axes with the aid of external devices (eg hexapod or other angle adjuster, not shown). The fact that the stated condition has been fulfilled can be determined, for example, by detecting the spectrum of the laser beam emitted by the laser module as a whole and measuring its bandwidth. The desired narrow band is achieved precisely when the reflected laser beam again hits at least the emission facet 96 and can thereby couple into the semiconductor chip, so that the coupling efficiency increases.
In der Fig. 2 ist bei grundsätzlich ähnlichem Aufbau, was die funktionellen Elemente 90, 40 und 60 des Lasermoduls 1 betrifft, ein zu Fig. 1 alternativer Verfahrensschritt der Feinjustage gezeigt, der nun aber ein Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung eines Lasermoduls betrifft. Insbesondere wird hierbei anders als in Fig. 1 gezeigt keine Ausrichtung des Gitters 60 vorgenommen. Vielmehr wird - ebenfalls durch nicht gezeigte Stellvorrichtungen - eine lineare Verschiebung der Kollimationslinse 40 durchgeführt, nämlich jeweils in der zur optischen Achse des Lasers 90 senkrechten X- und Y-Richtung (siehe die Pfeile 44 und 45). 2 shows a fine adjustment process step that is alternative to that of FIG . In particular, unlike in FIG. 1, no alignment of the grid 60 is carried out. Rather, a linear displacement of the collimation lens 40 is carried out - also by adjusting devices not shown - namely in the X and Y directions perpendicular to the optical axis of the laser 90 (see arrows 44 and 45).
Um die Koppeleffizienz zu erhöhen, sollte ferner der Fokus der Kollimationslinse 40 auf die Fläche der Emissionsfacette eingestellt werden, welches aber in den beiden Fig. 1 und 2 der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurde. Mit anderen Worten, die Emissionsfacette steht exakt in der objektseitigen Brennebene der Kollimationslinse. Dann ist der Strahl nach Durchtritt durch die Kollimatonslinse auch ideal kollim iert. Das Volumen-Bragg-Gitter wiederum braucht nicht zwingend in der bildseitigen Brennebene zu stehen. In den Fig. 3 bis 5 ist der Vergleich des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2 mit dem Stand der Technik hinsichtlich des originalen (noch nicht justierten) und des justierten Strahlengangs verdeutlicht. In order to increase the coupling efficiency, the focus of the collimation lens 40 should also be set to the area of the emission facet, but this has been omitted from both FIGS. 1 and 2 for the sake of clarity. In other words, the emission facet is exactly in the object-side focal plane of the collimation lens. Then the beam is ideally collimated after passing through the collimating lens. The volume Bragg grating, in turn, does not necessarily have to be in the focal plane on the image side. 3 to 5 show the comparison of the exemplary embodiment from FIG. 2 with the prior art with regard to the original (not yet adjusted) and the adjusted beam path.
Die Fig. 3 zeigt den Ausgangszustand vor der Justage. Der Laser 90, die Kollimationslinse 40 und das Bragg-Gitter (Gitter 60) sind als bereitgestellt und mit den hier nicht gezeigten Elementen des diese haltenden Aufsatzes zusammengebaut zu betrachten. In Fig. 3 ist rein schematisch nur die Emissionsfacette 96 des Halbleiterchips 95 des Lasers als kleine Box skizziert, ebenso wie die Kollimationslinse 40 und die Reflexionsebene 62 des Gitters 60 als bloße Linie. Wie zu sehen ist, weist die Reflexionsebene 62 eine (in den Figuren übertrieben dargestellte) Winkelabweichung ß gegenüber einer zur optischen Achse O senkrechten Ebene auf. Dies kann wie eingangs beschrieben beabsichtigt sein oder z.B. von einer nur groben Justierung in der Aufnahme des Gitters 60 in einem hier noch nicht gezeigten Aufsatzelement, z. B. bloßes Einsetzen, herrühren. Durch die Abweichung fällt der von dem Laser erzeugte und zum Gitter 60 hin laufende Laserstrahl 8 nicht senkrecht auf die Reflexionsebene 62, weshalb der Laserstrahl in eine abweichende Richtung zurückgestrahlt (rücklaufender Laserstrahl 9) und in einen Punkt außerhalb der Emissionsfacette 96 fokussiert wird. Fig. 3 shows the initial state before the adjustment. The laser 90, the collimating lens 40 and the Bragg grating (grating 60) are to be considered as provided and assembled with the elements of the attachment supporting them, not shown here. In Fig. 3, only the emission facet 96 of the semiconductor chip 95 of the laser is sketched purely schematically as a small box, as are the collimation lens 40 and the reflection plane 62 of the grating 60 as a mere line. As can be seen, the reflection plane 62 has an angular deviation β (exaggerated in the figures) compared to a plane perpendicular to the optical axis O. This can be intentional as described at the beginning or, for example, from only a rough adjustment in the receptacle of the grid 60 in an attachment element not yet shown here, e.g. B. mere insertion. Due to the deviation, the laser beam 8 generated by the laser and running towards the grid 60 does not fall perpendicularly onto the reflection plane 62, which is why the laser beam is reflected back in a different direction (returning laser beam 9) and is focused into a point outside the emission facet 96.
In Fig. 4 ist die der Fig. 1 entsprechende Maßnahme gemäß dem Stand der Technik illustriert: das Gitter 60 bzw. die Reflexionsebene 62 wird um in Fig. 4 nur eine Achse herum geschwenkt, um den Laserstrahl 8 genau senkrecht einfallen zu lassen. Dadurch wird der rücklaufende Laserstrahl 9 im idealen Fall wieder genau in die Emissionsfacette 96 fokussiert (ideale Fokuseinstellung vorausgesetzt). 4 illustrates the prior art measure corresponding to FIG. 1: the grid 60 or the reflection plane 62 is pivoted about only one axis in FIG. As a result, the returning laser beam 9 is ideally focused again exactly into the emission facet 96 (assuming ideal focus setting).
In Fig. 5 der dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entsprechende Fall zu sehen. Die "Fehlstellung" bzw. Winkelabweichung des Gitters 60 (d.h. , der Reflexionsebene) in Bezug auf die zur optischen Achse O senkrechten Ebene wird dabei unverändert gelassen und stattdessen die Kollimationslinse 40 in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse, beispielsweise der Y-Richtung 45 verschoben, so dass die Kollimationslinse dezentriert in Bezug auf die optische Achse angeordnet ist. Die durch Verschiebung in Y-Richtung 45 gewählte Position ist derart, dass eine geänderte Strahlausrichtung 7 (beam pointing) erzielt wird, die einen Winkel a mit der optischen Achse einnimmt. Soweit der Winkel a gleich dem Winkel ß wird, fällt der von dem Laser emittierte Laserstrahl wieder senkrecht auf die Reflexionsebene 62, so dass die in der Kavität hin - und rücklaufenden Laserstrahlen 8 und 9 aufeinanderfallen und die Emissionsfacette mindestens genauso gut getroffen wird wie im Fall der Fig. 4 - jedoch mit wesentlich geringerem Aufwand und mit dem Ergebnis einer höheren Prozessstabilität, wie nachfolgend erläutert wird. The case corresponding to the exemplary embodiment according to FIG. 2 can be seen in FIG. The "misalignment" or angular deviation of the grating 60 (ie, the reflection plane) with respect to the plane perpendicular to the optical axis O is left unchanged and instead the collimation lens 40 is displaced in a direction perpendicular to the optical axis, for example the Y direction 45 , so that the collimating lens is arranged decentered with respect to the optical axis. The position selected by shifting in the Y direction 45 is such that a changed beam alignment 7 (beam pointing) is achieved, which occupies an angle a with the optical axis. As far as the angle a becomes equal to the angle β, the laser beam emitted by the laser falls perpendicularly onto the reflection plane 62 again, so that the laser beams 8 and 9 traveling back and forth in the cavity coincide with one another and the emission facet is hit at least as well as in the case 4 - but with significantly less effort and with the result of higher process stability, as will be explained below.
In den Fig. 6A und 6B ist ähnlich wie in Fig. 1 das Lasermodul 1 lediglich mit seinen funktionalen Komponenten (Laserdiode 90, Kollimationslinse 40, Bragg-Gitter 60) sowie dem konventionellen Schwenkmechanismus (über 2 Achsen) für die Justage gezeigt. Fig. 6B unterscheidet sich von Fig. 6A dadurch, dass darin auch die Justage, d.h., eine Verschiebung 43, des Fokus in Z-Richtung berücksichtigt ist. Um diese Komponenten sind in beiden Figuren Boxen eingezeichnet, die Gruppen von Komponenten bezeichnen, die mechanisch zusammengefasst sind, sich also während der Justage nicht gegeneinander bewegen müssen. Im Fall der Fig. 6A bildet das schwenkbare Gitter 60 die eine Gruppe G2, und die Laserdiode 90 zusammen mit der diesbezüglich nicht zu bewegenden Kollimationslinse 40 die andere Gruppe G1. Im Fall der Fig. 6B bildet auch die Kollimationslinse 40 eine eigenständige Gruppe G3. In der Praxis ist im Stand der Technik folglich eine Montierung, z.B in einem Aufsatz (sog. submount) für das Lasermodul, zu realisieren, die eine Beweglichkeit von drei (Unterbau-)Gruppen G1 - G3 gegeneinander ermöglicht, und die zudem entsprechend zwei anschließende Fixierungen (Kleben oder Laserschweißen, Löten oder andere bekannte und geeignete Fügetechniken, etc.) erfordert. 6A and 6B, similar to FIG. 1, the laser module 1 is shown only with its functional components (laser diode 90, collimation lens 40, Bragg grating 60) and the conventional pivoting mechanism (via 2 axes) for adjustment. Fig. 6B differs from Fig. 6A in that it also takes into account the adjustment, i.e. a shift 43, of the focus in the Z direction. Boxes are drawn around these components in both figures, which designate groups of components that are mechanically combined, i.e. do not have to move against each other during the adjustment. In the case of FIG. 6A, the pivotable grating 60 forms one group G2, and the laser diode 90 together with the collimating lens 40, which cannot be moved in this regard, forms the other group G1. In the case of FIG. 6B, the collimation lens 40 also forms an independent group G3. In practice, the prior art therefore requires a mount to be implemented, e.g. in an attachment (so-called submount) for the laser module, which enables the mobility of three (subassembly) groups G1 - G3 relative to one another, and which also corresponds to two subsequent ones Fixations (gluing or laser welding, soldering or other known and suitable joining techniques, etc.) are required.
In den Fig. 7A bis 7C ist die analoge Gruppierung der funktionalen Komponenten bei Durchführung der Justage gemäß dem Ausführungsbeispiel wie in Fig. 2 gezeigt, die Fig. 7B und 7C zeigen dabei im Unterschied zu Fig. 7A die zusätzliche Einbindung der Fokus-Justage, d.h., eine Verschiebung 43 der Kollimationslinse 40 in Z-Richtung entlang der optischen Achse O. Die Ausführungsbeispiele der Fig. 7b und 7C unterscheiden sich untereinander dadurch, dass beim Lasermodul 1 in Fig. 7B der Laser 90, welche die eine Gruppe G1 ausbildet, in Bezug auf die (ortsfeste) Kollimationslinse 40 in der Z-Richtung bewegt wird, um den Fokus einzustellen, wobei die Kollimationslinse 40 zusammen mit dem Bragg-Gitter 60 eine Einheit bzw. Gruppe G2 ausbildet, während in Fig. 7C eben diese Gruppe G2 in Bezug auf den ortsfesten Laser 90 bzw. Gruppe G1 bewegt wird. 7A to 7C show the analogous grouping of the functional components when carrying out the adjustment according to the exemplary embodiment as shown in FIG. 2, FIGS. 7B and 7C show the additional integration of the focus adjustment in contrast to FIG. ie, a displacement 43 of the collimation lens 40 in the Z direction along the optical axis O. The exemplary embodiments of FIGS. 7b and 7C differ from one another in that in the laser module 1 in FIG. 7B, the laser 90, which forms a group G1, is moved in the Z direction with respect to the (fixed) collimation lens 40 to adjust the focus, where the collimation lens 40 together with the Bragg grating 60 forms a unit or group G2, while in Fig. 7C this group G2 is moved in relation to the stationary laser 90 or group G1.
Bemerkenswert ist dabei jedenfalls, dass dadurch, dass das Gitter 60 gemäß den Ausführungsbeispielen nicht mehr geschwenkt zu werden braucht, die Kollimationslinse 40 und das Bragg-Gitter 60 eine Bewegungseinheit bzw. Gruppe G2 bilden können, so dass im Vergleich mit dem konventionellen Fall gemäß dem Stand der Technik (Fig. 6B) eine Bewegungsgruppe entfällt (nur 2 Gruppen G1 und G2 anstatt 3 Gruppen G1 bis G3), wenn die Fokuseinstellung mit einer Verschiebung 43 bzw. 63 in Z-Richtung mitberücksichtigt wird (Fig. 7b oder 7C). Infolgedessen tritt auch hierdurch eine weitere Vereinfachung des Lasermodulaufbaus bzw. des entsprechenden Aufsatzes ein. In any case, it is noteworthy that because the grating 60 no longer needs to be pivoted according to the exemplary embodiments, the collimation lens 40 and the Bragg grating 60 can form a movement unit or group G2, so that in comparison with the conventional case according to Prior art (Fig. 6B) a movement group is omitted (only 2 groups G1 and G2 instead of 3 groups G1 to G3) if the focus setting with a shift 43 or 63 in the Z direction is also taken into account (Fig. 7b or 7C). As a result, this also results in a further simplification of the laser module structure or the corresponding attachment.
In Fig. 8 ist in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls 1 gezeigt, das einen Aufsatz 2 aufweist. Der Aufsatz ist hierbei (vor dem Fixieren der Teile aneinander) dreiteilig und umfasst ein erstes Aufsatzelement 20, ein zweites Aufsatzelement 22 und ein drittes Aufsatzelement 24. Das erste Aufsatzelement 20 ist ringförmig ausgebildet und besitzt eine zylindrische Innenoberfläche 201 sowie eine zylindrische Außenoberfläche 203. Ferner ist an einem unteren Ende der inneren Ringöffnung eine Aufnahme 202 vorgesehen, die so bemessen ist, dass der Sockel 91 des Lasers 90 darin aufgenommen und durch Verkleben befestigt ist (Fixierungspunkt 31 ). 8 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a laser module 1 which has an attachment 2. The attachment is in three parts (before the parts are fixed together) and comprises a first attachment element 20, a second attachment element 22 and a third attachment element 24. The first attachment element 20 is annular and has a cylindrical inner surface 201 and a cylindrical outer surface 203. Furthermore a receptacle 202 is provided at a lower end of the inner ring opening, which is dimensioned such that the base 91 of the laser 90 is accommodated therein and secured by gluing (fixation point 31).
Das dritte Aufsatzelement 24 ist hülsenförmig ausgebildet und besitzt eine zylindrische Innenoberfläche 241 , deren Innendurchmesser einem Außendurchmesser des ersten Aufsatzelements 20 entspricht, so dass vor einem Fixierungsschritt die zylindrische Innenoberfläche 241 des dritten Aufsatzelements 24 und die zylindrische Außenoberfläche 203 des ersten Aufsatzelements 20 aufeinander gleiten und eine gegenseitige Verschiebung 43 parallel zur optische Achse O des von dem Laser emittierten Laserstrahls erlaubt ist. Ferner weist das dritte Aufsatzelement 24 einen Innenflanschabschnitt mit einer zumindest teilweise planen Stirnfläche 242 auf, die sich senkrecht zur optischen Achse 0 erstreckt. Auf dieser Stirnfläche 242 ist eine gegenüberliegende Stirnfläche 223 des zweiten Aufsatzelements 22 gleitend eingerichtet, so dass das zweite Aufsatzelement 22 gegenüber dem dritten Aufsatzelement 24 in einer zur optischen Achse 0 senkrechten Ebene in einer X-Richtung und auch einer Y-Richtung, die beide diese Ebene aufspannen, verschoben werden kann (Verschiebungen 44, 45). Es ist auch möglich, dass das zweite Aufsatzelement in nur einer einzigen Richtung, z.B. der X-Richtung, verschiebbar eingerichtet ist, beispielsweise durch eine gleitende Nut- Feder-Verbindung oder dergleichen. In diesem Fall kann der Ring des dritten Aufsatzelements 24 gegebenenfalls drehbar um die optische Achse 0 (um das erste Aufsatzelement 20 herum) eingerichtet sein. The third attachment element 24 is sleeve-shaped and has a cylindrical inner surface 241, the inner diameter of which corresponds to an outer diameter of the first attachment element 20, so that before a fixing step, the cylindrical inner surface 241 of the third attachment element 24 and the cylindrical outer surface 203 of the first attachment element 20 slide on one another and one Mutual displacement 43 is permitted parallel to the optical axis O of the laser beam emitted by the laser. Furthermore, the third attachment element 24 has an inner flange section with an at least partially flat end face 242, which extends perpendicular to the optical axis 0. On this end face 242, an opposite end face 223 of the second attachment element 22 is slidably set up, so that the second attachment element 22 is relative to the third attachment element 24 in a plane perpendicular to the optical axis 0 in an X direction and also a Y direction, both of which Spanning the plane, can be moved (shifts 44, 45). It is also possible for the second attachment element to be designed to be displaceable in only a single direction, for example the X direction, for example by a sliding tongue-and-groove connection or the like. In this case, the ring of the third attachment element 24 can optionally be set up to be rotatable about the optical axis 0 (around the first attachment element 20).
Das zweite Aufsatzelement 22 besitzt eine Hülsenform und ist mit einer zylindrischen Innenoberfläche 222 versehen. Darin ist am proximalen unteren Ende, dem Laser 90 zugewandt, eine Kollimationslinse 40 fest angebracht. Am oberen distalen Ende befindet sich eine Aufnahme 221 für eine Bragg-Gitter 60, dessen eingeschriebene Gitterstruktur eine Reflexionsebene 62 ausbildet und das ebenfalls fest in der Aufnahme des zweiten Aufsatzelements 22 angebracht ist. The second attachment element 22 has a sleeve shape and is provided with a cylindrical inner surface 222. A collimation lens 40 is firmly attached therein at the proximal lower end, facing the laser 90. At the upper distal end there is a receptacle 221 for a Bragg grating 60, the inscribed grating structure of which forms a reflection plane 62 and which is also firmly attached to the receptacle of the second attachment element 22.
Wie leicht in Fig. 8 zu erkennen ist, sind die Kollimationslinse 40 und das Bragg-Gitter 60 als Gruppe G2 gemeinsam in X- und Y-Richtung sowie auch in Z-Richtung gegenüber dem Laser 90 verschiebbar eingerichtet. Das Modell der Fig. 8 entspricht etwa dem in Fig. 7B gezeigten Zusammenhang, wenn man den den Laser 90 haltenden Sockel (erstes Aufsatzelement 20) als ortsfest betrachtet. Mit dem in Fig. 8 gezeigten Lasermodul 1 können anhand einer externen Vorrichtung (nicht gezeigt) sowohl die Fokusjustage als auch die oben beschriebene Kompensation der Fehlstellung des Bragg-Gitters justiert werden. Nach der Justage können an den durch die Pfeile 32 und 33 gekennzeichneten Stellen beziehungsweise um laufend oder symmetrisch an um 120°-Winkel voneinander beabstandeten Stellen Fixierungen, bevorzugt durch Laserpunktschweißen oder Verkleben, aber ggf. auch durch Löten oder andere bekannte und hier geeignete Fügetechniken, vorgenommen werden. In Fig. 9 ist ein im Vergleich zu Fig. 8 alternatives Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls 1 gezeigt. Um Wiederholungen zu vermeiden wird nur auf Unterschiede eingegangen. Das Lasermodul 1 dieses zweiten Ausführungsbeispiels besitzt kein drittes Aufsatzelement. Vielmehr gleitet hier (vor dem Fixieren) das zweite Aufsatzelement 22 mit seiner Stirnfläche 223 direkt auf einer entsprechenden, zumindest teilweise planen Stirnfläche 204 des ersten Aufsatzelements 20. Im Ergebnis wird hierbei genau die gleiche Wirkung erzielt wie im ersten Ausführungsbeispiel. Allerdings wird die durch Wegfall des dritten Aufsatzelements fehlende Z-Verschiebung durch ein entsprechendes Gleitflächenpaar, d.h. durch Gleiten zwischen der zylindrischen Außenoberfläche 97 des Sockels 91 des Lasers 90 und der zylindrischen Innenoberfläche 203 der Aufnahme 202 des ersten Aufsatzelements 20, bewirkt. In diesem Ausführungsbeispiel werden nur zwei Fixierungen an Stellen 31 und 33 benötigt. Das Ausführungsbeispiel entspricht etwa dem in Fig. 7C gezeigten Zusammenhang, wenn man den den Laser 90 haltenden Sockel (erstes Aufsatzelement 20) als ortsfest betrachtet As can easily be seen in FIG. 8, the collimation lens 40 and the Bragg grating 60 as group G2 are set up to be displaceable together in the X and Y directions as well as in the Z direction relative to the laser 90. The model of FIG. 8 corresponds approximately to the relationship shown in FIG. 7B if one considers the base (first attachment element 20) holding the laser 90 to be stationary. With the laser module 1 shown in FIG. 8, both the focus adjustment and the compensation for the misalignment of the Bragg grating described above can be adjusted using an external device (not shown). After adjustment, fixations can be made at the points marked by arrows 32 and 33 or continuously or symmetrically at points spaced apart by 120° angles, preferably by laser spot welding or gluing, but if necessary also by soldering or other known and suitable joining techniques. be made. 9 shows an alternative embodiment of a laser module 1 compared to FIG. 8. To avoid repetition, only differences will be discussed. The laser module 1 of this second exemplary embodiment does not have a third attachment element. Rather, here (before fixing) the second attachment element 22 slides with its end face 223 directly on a corresponding, at least partially flat end face 204 of the first attachment element 20. As a result, exactly the same effect is achieved as in the first exemplary embodiment. However, the Z displacement missing due to the omission of the third attachment element is brought about by a corresponding pair of sliding surfaces, ie by sliding between the cylindrical outer surface 97 of the base 91 of the laser 90 and the cylindrical inner surface 203 of the receptacle 202 of the first attachment element 20. In this exemplary embodiment, only two fixations at points 31 and 33 are required. The exemplary embodiment corresponds approximately to the relationship shown in FIG. 7C if one considers the base (first attachment element 20) holding the laser 90 to be stationary
In Fig. 10 ist eine weitere Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels gezeigt. Um Wiederholungen zu vermeiden wird auch hier nur auf Unterschiede eingegangen Dieses dritte Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls 1 umfasst wieder 3 Aufsatzelemente 20, 22, 24. Das zweite Aufsatzelement ist dabei mit seiner zylindrischen Außenoberfläche 224 in einer zylindrischen Innenoberfläche 243 des dritten Aufsatzelements geführt, so dass dadurch eine Fokuseinstellung (Verschiebung 43) in Z-Richtung möglich wird. Die zur optischen Achse O senkrechte Verschiebung 44, 45 in X- und Y-Richtung (auch ggf. nur eine einzige Richtung möglich, wenn der Ring des dritten Aufsatzelements drehbar ist), die zur Kompensation einer Winkelabweichung des Bragg-Gitters 60 von einer zur optischen Achse O senkrechten Ebene erforderlich ist, wird durch eine Wechselwirkung zwischen einer zumindest teilweise planen Stirnfläche 245 des dritten Aufsatzelements 24 und einer entsprechenden Stirnfläche 204 des ersten Aufsatzelements ermöglicht. Das Beispiel entspricht wiederum der Darstellung in Fig. 7B. Es werden die gleichen Wirkungen erzielt wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen. Die Fig. 11 bis 13 zeigen anhand des dritten Ausführungsbeispiels der Fig. 10 (in allerdings übertriebener Darstellung) die verschobene Position der Kollimationslinse 40 relativ zur optischen Achse 0, wobei Fig. 11 noch eine zentrierte Ausgangsstellung und Fig. 12 das Ergebnis der Verschiebung zeigt. Dort ist deutlich zu erkennen, dass die Kollimationslinse mit dem entsprechenden Aufsatzelement 24 in der Bildebene gegenüber der optischen Achse 0 des Laserstrahls nach links verschoben ist. Fällt die Richtung 100 des ausgehenden Strahls im Fall der noch unverschobenen Kollimationslinse gemäß Fig. 11 mit der optischen Achse 0 zusammen, so ist im Fall der Fig. 12 die Richtung 101 des ausgehenden Strahls bereits unter einem von null verschiedenen Winkel geneigt. In Fig. 13 sind die optische Achse 0 des Lasers und die optische bzw. Symmetrieachse P der Kollimationslinse in dem relativ zueinander verschobenen Zustand gezeigt (das Lasermodul in Fig. 13 ist gegenüber der Abbildung in Fig. 12 um 90 Grad gedreht). A further modification of the first exemplary embodiment is shown in FIG. In order to avoid repetition, only differences will be discussed here. This third exemplary embodiment of a laser module 1 again comprises 3 attachment elements 20, 22, 24. The second attachment element is guided with its cylindrical outer surface 224 in a cylindrical inner surface 243 of the third attachment element, so that a focus adjustment (shift 43) in the Z direction becomes possible. The displacement 44, 45 perpendicular to the optical axis O in the X and Y directions (also possibly only a single direction possible if the ring of the third attachment element is rotatable), which is used to compensate for an angular deviation of the Bragg grating 60 from one to Optical axis O vertical plane is required is made possible by an interaction between an at least partially flat end face 245 of the third attachment element 24 and a corresponding end face 204 of the first attachment element. The example again corresponds to the representation in Fig. 7B. The same effects are achieved as in the previous exemplary embodiments. 11 to 13 show, using the third exemplary embodiment of FIG. 10 (in an exaggerated representation, however), the shifted position of the collimation lens 40 relative to the optical axis 0, with FIG . It can be clearly seen there that the collimation lens with the corresponding attachment element 24 is shifted to the left in the image plane relative to the optical axis 0 of the laser beam. If the direction 100 of the outgoing beam coincides with the optical axis 0 in the case of the still unshifted collimation lens according to FIG. 11, then in the case of FIG. 12 the direction 101 of the outgoing beam is already inclined at an angle other than zero. In Fig. 13, the optical axis 0 of the laser and the optical or symmetry axis P of the collimation lens are shown in the state shifted relative to one another (the laser module in Fig. 13 is rotated by 90 degrees compared to the illustration in Fig. 12).
Es ist anzumerken, dass der Aufsatz oder nur Teile davon vorzugsweise aus einem schweißbaren Material, also vorzugsweise ein Metall, insbesondere rostfreiem Stahl, hergestellt sein kann. It should be noted that the attachment or only parts thereof can preferably be made of a weldable material, i.e. preferably a metal, in particular stainless steel.
Nachfolgend wird anhand eines Flussdiagramms in Fig. 14 ein Verfahren 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Lasermoduls 1 ähnlich wie dem oben beschriebenen dargestellt. A method 200 according to an exemplary embodiment for producing a laser module 1 similar to that described above is shown below using a flowchart in FIG. 14.
In einem ersten Schritt 210 wird ein Laser 90, die eingerichtet ist, einen sich entlang einer optischen Achse O ausbreitenden Laserstrahl zu emittieren, eine Kollimationslinse 40, die den aus einer Emissionsfacette 96 des Lasers 90 emittierten Laserstrahl kollimiert, sowie ein Volumen-Bragg-Gitter 60, das den kollimierten Laserstrahl teilreflektiert, bereitgestellt. In a first step 210, a laser 90, which is set up to emit a laser beam propagating along an optical axis O, a collimation lens 40, which collimates the laser beam emitted from an emission facet 96 of the laser 90, and a volume Bragg grating 60, which partially reflects the collimated laser beam, is provided.
In einem weiteren Schritt 220 wird die Kollimationslinse und das Volumen-Bragg-Gitter 60 entlang der optischen Achse des von dem Laser 90 im Betrieb emittierten Laserstrahls angeordnet, so dass durch eine rückseitige Spiegelfacette des Lasers 90 und eine Reflexionsebene des Gitters eine externe Kavität ausgebildet wird, um einen von dem Volumen-Bragg-Gitter 60 durchgelassenen Teil des Laserstrahls mit geringer Bandbreite zu erzeugen. In a further step 220, the collimation lens and the volume Bragg grating 60 are arranged along the optical axis of the laser beam emitted by the laser 90 during operation, so that an external cavity is formed by a rear mirror facet of the laser 90 and a reflection plane of the grating to get one to produce the low bandwidth portion of the laser beam transmitted by the volume Bragg grating 60.
Im weiteren Schritt 230 wird die Kollimationslinse 40 gegenüber dem Laser 90 aus einer ursprünglichen Position in zumindest einer zu der optischen Achse 0 senkrechten Richtung X, Y verschoben, vgl. die Fig. 11 und 12 oder die Achsen 0 und P in Fig. 13. In the further step 230, the collimation lens 40 is displaced relative to the laser 90 from an original position in at least one direction X, Y perpendicular to the optical axis 0, see FIGS. 11 and 12 or the axes 0 and P in FIG.
In dem weiteren Schritt 240 wird eine Bandbreite eines Emissionsspektrums des von dem Volumen-Bragg-Gitter 60 durchgelassenen Laserstrahls ermittelt, beispielsweise mit einem Spektrometer. In the further step 240, a bandwidth of an emission spectrum of the laser beam transmitted by the volume Bragg grating 60 is determined, for example with a spectrometer.
In dem weiteren Schritt 250 wird eine in der Richtung X, Y verschobene Position abhängig von dem Ergebnis ermittelt. Beispielsweise könne verschiedene Positionen der Kollimationslinse 40 in der X-Y-Ebene abgefahren werden, um jeweils eine Bandbreite des betreffenden ausgehenden Laserstrahls zu bestimmen, wobei schließlich diejenige Position ausgewählt wird, bei der die Bandbreite besonders niedrig ist, etc. In the further step 250, a position shifted in the direction X, Y is determined depending on the result. For example, different positions of the collimation lens 40 can be moved in the
Im weiteren Schritt 260 wird die Kollimationslinse 40 relativ zu dem Laser 90 an der festgelegten Position mit den wie oben beschriebenen Mitteln (Kleben, Schweißen, Löten oder andere Fügetechniken, etc.) fixiert. In the further step 260, the collimation lens 40 is fixed relative to the laser 90 at the specified position using the means described above (gluing, welding, soldering or other joining techniques, etc.).
Wie beschrieben sind verschiedene Modifikationen des vorgeschlagenen Lasermoduls 1 möglich, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen festgelegten Schutzumfang abzuweichen. Beispielsweise kann der emittierte Laserstrahl anstatt durch nur eine Kollimationslinse anhand von zwei Zylinderlinsen kollim iert werden, um die unterschiedliche Strahlqualität in beiden Raumrichtungen anzugleichen beispielsweise durch eine FAC und SAC (fast axis collimation lens bzw. slow axis collimation lens). Das beschriebene Lasermodul kann hierbei in gleicher Weise wie oben beschrieben eingestellt werden, wobei allerdings beide Linsen zwischen Volumen-Bragg-Gitter und Laser angeordnet sein sollten. Bevorzugte ist allerdings die Ausführung mit nur einer Kollimationslinse. Grundsätzlich sind jedenfalls nicht- rotationssymmetrische Kollimationslinsen vom Umfang der beigefügten Patentansprüche mit umfasst. As described, various modifications of the proposed laser module 1 are possible without departing from the scope of protection set forth in the appended claims. For example, the emitted laser beam can be collimated using two cylindrical lenses instead of just one collimation lens in order to equalize the different beam quality in both spatial directions, for example using a FAC and SAC (fast axis collimation lens or slow axis collimation lens). The laser module described can be adjusted in the same way as described above, although both lenses should be arranged between the volume Bragg grating and the laser. However, the version with only one collimation lens is preferred. In principle, in any case, non- Rotationally symmetrical collimation lenses are included in the scope of the attached patent claims.
Ebenso braucht anders als in den Ausführungsbeispielen gezeigt in Bezug auf den Halbleiterlaser bzw. den Laser nicht unbedingt ein Sockel und/oder Gehäuse vorgesehen zu sein. Ebenso brauchen notwendig die einzelnen Aufsatzelemente in dieser Form eingerichtet zu sein, insbesondere nicht in Hülsenform - beispielsweise können Laser, Linse und VBG auch mit Hilfe anderer mechanischer Elemente oder Halterungen in Bezug aufeinander ausgerichtet sein. Likewise, unlike what is shown in the exemplary embodiments, a base and/or housing does not necessarily need to be provided in relation to the semiconductor laser or the laser. The individual attachment elements also need to be set up in this form, in particular not in a sleeve form - for example, the laser, lens and VBG can also be aligned in relation to one another with the help of other mechanical elements or holders.
BEZUGSZEICHEN LISTE : REFERENCE MARKS LIST:
Lasermodul Laser module
Aufsatz erstes Aufsatzelement zylindrische Innenoberfläche Attachment first attachment element cylindrical inner surface
Aufnahme für Laser zylindrische Außenoberfläche Holder for laser cylindrical outer surface
Stirnfläche zweites Aufsatzelement End face of second attachment element
Aufnahme für Bragg-Gitter zylindrische Innenoberfläche Stirnfläche zylindrische Außenoberfläche drittes Aufsatzelement zylindrische Innenoberfläche Holder for Bragg grating, cylindrical inner surface, end face, cylindrical outer surface, third attachment element, cylindrical inner surface
Stirnfläche (distal) zylindrische Außenoberfläche Stirnfläche (proximal) Kollimationslinse Front surface (distal) cylindrical outer surface Front surface (proximal) collimating lens
Verschiebung in Z-Richtung Shift in Z direction
Verschiebung in X-Richtung Shift in X direction
Verschiebung in Y-Richtung wellenlängensensitives Gitter, Bragg-Gitter Reflexionsebene Shift in Y direction wavelength-sensitive grating, Bragg grating reflection plane
Verschiebung in Z-Richtung Shift in Z direction
Verschiebung in X-Richtung Shift in X direction
Verschiebung in Y-Richtung 7 Strahlausrichtung (durch Offset der Kollimationslinse)Shift in Y direction 7 Beam alignment (by collimating lens offset)
8 hinlaufender Laserstrahl 8 traveling laser beam
9 rücklaufender Laserstrahl (reflektiert) 9 returning laser beam (reflected)
90 Laser 90 lasers
91 Sockel 91 base
92 Gehäuse 92 housing
93 Austrittsöffnung für Laserstrahl 93 exit opening for laser beam
94 Substratoberfläche 94 substrate surface
95 Halbleiterchip 95 semiconductor chip
96 Emissionsfacette 96 emission facet
97 zylindrische Außenobertfläche 97 cylindrical external surface
98 Kontaktanschlüsse 98 contact connections
100 Richtung des ausgehenden Strahls (konventionell)100 Direction of outgoing beam (conventional)
101 Richtung des ausgehenden Strahls (Ausführungsbeispiel) 101 Direction of the outgoing beam (exemplary embodiment)
G1-G3 Unterbaugruppen G1-G3 subassemblies
P Optische bzw. Symmetrieachse der KollimationslinseP Optical or symmetry axis of the collimation lens
0 optische Achse 0 optical axis

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Lasermodul (1 ), umfassend: einen Laser (90), der eingerichtet ist, einen sich entlang einer optischen Achse (0) ausbreitenden Laserstrahl (8) zu emittieren, eine Kollimationslinse (40), die den aus einer Emissionsfacette (96) des Lasers (90) emittierten Laserstrahl kollim iert, sowie ein wellenlängensensitives Gitter (60), das den kollimierten Laserstrahl teilreflektiert, wobei die Kollimationslinse (40) und das wellenlängensensitive Gitter (60) entlang der optischen Achse (0) des von dem Laser (90) emittierten Laserstrahls angeordnet sind, so dass durch eine rückseitige Spiegelfacette des Lasers (90) und eine Reflexionsebene (62) des Gitters (60) eine externe Kavität ausgebildet wird, um einen von dem wellenlängensensitiven Gitter (60) durchgelassenen Teil des Laserstrahls mit geringer Bandbreite zu erzeugen, wobei die Reflexionsebene (62) des wellenlängensensitiven Gitters (60), an welcher der von der Kollimationslinse (40) kollimierte Laserstrahl im Betrieb teilreflektiert wird, mit einer Winkelabweichung (ß) gegenüber einer zur optischen Achse (0) des Lasers (90) senkrechten Ebene geneigt ist; und wobei die Kollimationslinse (40) gegenüber einer auf der optischen Achse (0) des Lasers (90) zentrierten Position in eine in Richtung (X, Y) senkrecht zur optischen Achse (0) verschobene Position (44, 45) lateral versetzt eingerichtet ist, in welcher die Kollimationslinse (40) den Laserstrahl in einer Strahlausrichtung (7) senkrecht zur geneigten Reflexionsebene (62) kollimiert. 1. Laser module (1), comprising: a laser (90) which is set up to emit a laser beam (8) which propagates along an optical axis (0), a collimation lens (40) which consists of an emission facet (96). the laser beam emitted by the laser (90) is collimated, and a wavelength-sensitive grating (60) which partially reflects the collimated laser beam, the collimation lens (40) and the wavelength-sensitive grating (60) being along the optical axis (0) of the laser (90). ) emitted laser beam are arranged, so that an external cavity is formed by a rear mirror facet of the laser (90) and a reflection plane (62) of the grating (60) around a part of the laser beam with a small bandwidth that is transmitted by the wavelength-sensitive grating (60). to generate, the reflection plane (62) of the wavelength-sensitive grating (60), on which the laser beam collimated by the collimating lens (40) is partially reflected during operation, with an angular deviation (ß) compared to the optical axis (0) of the laser (90 ) is inclined to the vertical plane; and wherein the collimation lens (40) is set to be laterally offset from a position centered on the optical axis (0) of the laser (90) to a position (44, 45) shifted in the direction (X, Y) perpendicular to the optical axis (0). , in which the collimation lens (40) collimates the laser beam in a beam orientation (7) perpendicular to the inclined reflection plane (62).
2. Lasermodul (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei die Kollimationslinse (40) gegenüber der auf der optischen Achse (0) des Lasers (90) zentrierten Position in einer zu der optischen Achse (0) senkrechten ersten Richtung (X) und in einer zu der optischen Achse (0) senkrechten zweiten Richtung (Y), die auch zu der ersten Richtung (X) senkrecht steht, in die verschobene Position (44, 45) versetzt eingerichtet ist. 2. Laser module (1) according to claim 1, wherein the collimation lens (40) relative to the position centered on the optical axis (0) of the laser (90) in a first direction (X) perpendicular to the optical axis (0) and in a to the optical axis (0) perpendicular to the second direction (Y), which is also perpendicular to the first direction (X), is set in the shifted position (44, 45).
3. Lasermodul (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der laterale Versatz in der Richtung (X, Y), bzw. in der ersten Richtung (X) und/oder der zweiten Richtung (Y), wenigstens 1 pm beträgt, und/oder die Winkelabweichung (ß) der Reflexionsebene des Gitters gegenüber der zur optischen Achse (0) des Lasers (90) senkrechten Ebene wenigstens +/-0,01 ° beträgt. 3. Laser module (1) according to claim 1 or 2, wherein the lateral offset in the direction (X, Y), or in the first direction (X) and/or the second direction (Y), is at least 1 pm, and/or the angular deviation (ß) of the reflection plane of the grating compared to The plane perpendicular to the optical axis (0) of the laser (90) is at least +/-0.01 °.
4. Lasermodul (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen zwei oder mehr Elemente umfassenden Aufsatz (2) zum Einfassen der externen Kavität, wobei ein erstes Aufsatzelement (20) den Laser (90) trägt und ein zweites Aufsatzelement (22) die Kollimationslinse (40) trägt, und wobei das erste Aufsatzelement (20) und das zweite Aufsatzelement (22) eingerichtet sind, vor einer abschließenden wechselseitigen stoffschlüssigen Fixierung gegeneinander in der Richtung (X, Y), bzw. in der ersten Richtung (X) und/oder der zweiten Richtung (Y) senkrecht zur optischen Achse (0) verschoben zu werden, um bei einer Justage die verschobene Position (44, 45) der Kollimationslinse (40) zu erhalten. 4. Laser module (1) according to one of claims 1 to 3, further comprising: an attachment (2) comprising two or more elements for enclosing the external cavity, wherein a first attachment element (20) carries the laser (90) and a second attachment element (22) carries the collimation lens (40), and wherein the first attachment element (20) and the second attachment element (22) are set up before a final mutual cohesive fixation against one another in the direction (X, Y), or in the first direction (X) and/or the second direction (Y) perpendicular to the optical axis (0) in order to obtain the shifted position (44, 45) of the collimation lens (40) during an adjustment.
5. Lasermodul (1 ) gemäß Anspruch 4, wobei sowohl die Kollimationslinse als auch das wellenlängensensitive Gitter von dem zweiten Aufsatzelement gehalten und vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung mit dem ersten Aufsatzelement, oder mit einem mit dem ersten Aufsatzelement verbundenen dritten Aufsatzelement, das in Bezug auf die optische Achse nicht lateral verschiebbar eingerichtet ist, gemeinsam in fester räumlicher Position zueinander relativ zu dem Laser (90) und deren optischer Achse in der Richtung bzw. in der ersten Richtung (X) und/oder der zweiten Richtung (Y) senkrecht zur optischen Achse verschiebbar eingerichtet sind. 5. Laser module (1) according to claim 4, wherein both the collimation lens and the wavelength-sensitive grating are held by the second attachment element and before a final cohesive fixation with the first attachment element, or with a third attachment element connected to the first attachment element, which is in relation to the optical axis is not set up to be laterally displaceable, together in a fixed spatial position relative to the laser (90) and its optical axis in the direction or in the first direction (X) and / or the second direction (Y) perpendicular to the optical Axis are set up to be movable.
6. Lasermodul (1 ) gemäß Anspruch 5, wobei im Fall des dritten Aufsatzelements dieses einen ringartigen Aufbau besitzt und gegenüber dem ersten Aufsatzelement vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung mit diesem in einer dritten Richtung (Z) verschiebbar eingerichtet ist, die parallel zur optischen Achse des Lasers (90) ausgerichtet ist, um die Einstellung eines Fokus der Kollimationslinse in Bezug auf die Emissionsfacette des Lasers (90) zu ermöglichen. 6. Laser module (1) according to claim 5, wherein in the case of the third attachment element this has a ring-like structure and is set up to be displaceable in a third direction (Z) relative to the first attachment element before a final cohesive fixation with it, which is parallel to the optical axis of the Laser (90) is aligned to adjust one To enable the collimation lens to focus in relation to the emission facet of the laser (90).
7. Lasermodul (1 ) gemäß Anspruch 4, wobei sowohl die Kollimationslinse als auch das wellenlängensensitive Gitter von dem zweiten Aufsatzelement gehalten und vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung eines vierten Aufsatzelements mit dem ersten Aufsatzelement, gemeinsam mit dem vierten Aufsatzelement und in fester räumlicher Position zueinander relativ zu dem Laser (90) und deren optischer Achse in der Richtung bzw. in der ersten Richtung (X) und/oder der zweiten Richtung (Y) senkrecht zur optischen Achse verschiebbar eingerichtet sind. 7. Laser module (1) according to claim 4, wherein both the collimation lens and the wavelength-sensitive grating are held by the second attachment element and before a final cohesive fixation of a fourth attachment element with the first attachment element, together with the fourth attachment element and in a fixed spatial position relative to one another to the laser (90) and its optical axis are designed to be displaceable perpendicular to the optical axis in the direction or in the first direction (X) and / or the second direction (Y).
8. Lasermodul (1 ) gemäß Anspruch 7, wobei im Fall des vierten Aufsatzelements dieses einen ringartigen Aufbau besitzt und das zweite Aufsatzelement umschließt, so dass das zweite Aufsatzelement gegenüber dem vierten Aufsatzelement vor einer abschließenden stoffschlüssigen Fixierung mit diesem in einer dritten Richtung (Z) verschiebbar eingerichtet ist, die parallel zur optischen Achse des Lasers (90) ausgerichtet ist, um die Einstellung eines Fokus der Kollimationslinse in Bezug auf die Emissionsfacette des Lasers (90) zu ermöglichen. 8. Laser module (1) according to claim 7, wherein in the case of the fourth attachment element, this has a ring-like structure and encloses the second attachment element, so that the second attachment element is opposite the fourth attachment element before a final cohesive fixation with it in a third direction (Z). is displaceable, which is aligned parallel to the optical axis of the laser (90) to enable the adjustment of a focus of the collimating lens with respect to the emission facet of the laser (90).
9. Lasermodul (1 ) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die wechselseitige stoffschlüssige Fixierung eine Laserschweißfixierung oder eine Klebefixierung oder eine Löt- oder Laserlötverbindung ist. 9. Laser module (1) according to one of claims 4 to 8, wherein the mutual cohesive fixation is a laser welding fixation or an adhesive fixation or a soldering or laser soldering connection.
10. Lasermodul (1 ) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei das zweite Aufsatzelement als Hülse mit einer Mittenachse ausgebildet ist, die im Wesentlichen parallel zur optischen Achse des Lasers (90) angeordnet ist, und wobei die Kollimationslinse sowie das wellenlängensensitive Gitter im Innern der Hülse angebracht sind. 10. Laser module (1) according to one of claims 4 to 9, wherein the second attachment element is designed as a sleeve with a central axis which is arranged essentially parallel to the optical axis of the laser (90), and wherein the collimation lens and the wavelength-sensitive grating in Mounted inside the sleeve.
11 . Lasermodul (1 ) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei das wellenlängensensitive Gitter von dem zweiten Aufsatzelement in einer vorgegeben Gitteraufnahme gehalten ist, die eine Justage durch Einstellen eines Neigungswinkels des Gitters relativ zur optischen Achse im aufgenommenen Zustand des Gitters ausschließt. 11. Laser module (1) according to one of claims 4 to 10, wherein the wavelength-sensitive grating is held by the second attachment element in a predetermined grating receptacle, which allows adjustment by adjusting a Inclination angle of the grating relative to the optical axis in the recorded state of the grating excludes.
12. Lasermodul (1 ) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11 , wobei der Laser (90) in einem Gehäuse aufgenommen ist, insbesondere in einem TO 38-, TO 56- oder TO 90-Gehäuse, wobei das erste Aufsatzelement eine Aufnahme zum Befestigen des Gehäuses bzw. eines das Gehäuse tragenden Substrats besitzt. 12. Laser module (1) according to one of claims 4 to 11, wherein the laser (90) is accommodated in a housing, in particular in a TO 38, TO 56 or TO 90 housing, wherein the first attachment element has a receptacle for fastening of the housing or a substrate carrying the housing.
13. Lasermodul (1 ) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei der Laser (90) ein Kantenemitter ist 13. Laser module (1) according to one of claims 4 to 12, wherein the laser (90) is an edge emitter
14. Verfahren zum Herstellen eines Lasermoduls (1), das umfasst: einen Laser (90), die eingerichtet ist, einen sich entlang einer optischen Achse ausbreitenden Laserstrahl zu emittieren, eine Kollimationslinse, die den aus einer Emissionsfacette des Lasers (90) emittierten Laserstrahl kollimiert, sowie ein wellenlängensensitives Gitter, das den kollimierten Laserstrahl teilreflektiert, umfassend die Schritte: 14. A method for producing a laser module (1), which comprises: a laser (90) which is set up to emit a laser beam propagating along an optical axis, a collimation lens which contains the laser beam emitted from an emission facet of the laser (90). collimated, as well as a wavelength-sensitive grating that partially reflects the collimated laser beam, comprising the steps:
Anordnen (220) der Kollimationslinse und des wellenlängensensitives Gitters entlang der optischen Achse des von dem Laser (90) im Betrieb emittierten Laserstrahls, so dass durch eine rückseitige Spiegelfacette des Lasers (90) und eine Reflexionsebene des Gitters eine externe Kavität ausgebildet wird, um einen von dem wellenlängensensitiven Gitter durchgelassenen Teil des Laserstrahls mit geringer Bandbreite zu erzeugen; Arranging (220) the collimation lens and the wavelength-sensitive grating along the optical axis of the laser beam emitted by the laser (90) during operation, so that an external cavity is formed by a rear mirror facet of the laser (90) and a reflection plane of the grating, around a to produce a small bandwidth portion of the laser beam transmitted by the wavelength-sensitive grating;
Verschieben (230) der Kollimationslinse gegenüber dem Laser (90) aus einer ursprünglichen Position in zumindest einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung (X, Y); Displacing (230) the collimation lens relative to the laser (90) from an original position in at least one direction (X, Y) perpendicular to the optical axis;
Ermitteln (240) einer Bandbreite eines Emissionsspektrums des von dem wellenlängensensitiven Reflektor durchgelassenen Laserstrahls; und determining (240) a bandwidth of an emission spectrum of the laser beam transmitted by the wavelength-sensitive reflector; and
Festlegen (250) einer in der Richtung (X, Y) verschobenen Position abhängig von dem Ergebnis; determining (250) a position shifted in the direction (X, Y) depending on the result;
Mechanisches Fixieren (260) der Kollimationslinse relativ zu dem Laser (90) an der festgelegten Position. Mechanically fixing (260) the collimation lens relative to the laser (90) at the specified position.
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