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1. (WO2018141670) DEVICE FOR COLLIMATING A LIGHT BEAM, HIGH-POWER LASER, AND FOCUSING OPTICAL UNIT AND METHOD FOR COLLIMATING A LIGHT BEAM
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Vorrichtung zur Kollimation eines Lichtstrahls, Hochleistungslaser und Fokussieroptik sowie Verfahren zum Kollimieren eines Lichtstrahles

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kollimation eines Lichtstrahls, einen Hochleistungslaser und eine Fokussieroptik sowie ein Verfahren zum Kollimieren eines Lichtstrahles gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Vorrichtungen zum Kollimieren eines Lichtstrahles werden unter anderem in Hochleistungs-Diodenlasern und in Quantenkaskadenla-sern eingesetzt. Typischerweise finden derartige Vorrichtungen Anwendung bei Lasern mit einem asymmetrischen Strahlfeld.

Ein Hochleistungs-Diodenlaser ist ein Halbleiterlaser mit einer Breitstreifenstruktur, um die Emission hoher Leistungen als Lichtstrahl im Wattbereich zu ermöglichen. Ein solcher Einzelemitter erzeugt einen Lichtstrahl aus einer Ursprungsebene mit einer relativ zu dieser vorgegeben Strahlrichtung. Entlang dieser Strahlrichtung erstrecken sich zwei Ebenen, eine erste Ebene (Fast-Axis) und eine dazu orthogonale Ebene (Slow-Axis) . Der Strahl weist in der ersten Ebene eine andere Strahlcharakteristik auf als in der zweiten Ebene. Der Einzelemitter hat in der Ursprungsebene in der Fast Axis als Single Mode Emitter eine Dimension in der Grössenordnung von 1 micron und hat in dieser Ebene eine numerische Apertur von 0.5 - 0.7. In der Slow-Axis hat der Einzelemitter in der Ursprungsebene je nach Art bei Single Mode oder Multi Mode Emittern eine Dimension von 3 - 200 micron und der Lichtstrahl hat in dieser Ebene eine numerische Apertur von 0.05 - 0.2. Dies je nach Wellenlänge und Leistung der verwendeten Laserquelle.

Da diese Hochleistungs-Diodenlaser häufig in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt werden, ist für eine Fokussierung ein möglichst symmetrisches Lichtstrahlungsfeld vor der Fokussieroptik anzustreben. Dabei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dies mit separater Kollimation in der Fast-Axis und Slow-Axis zu realisieren. Dabei wird zuerst die Fast-Axis mit einer zylindrischen Kollimationslinse FAC (Fast Axis Collimator) nur in dieser Ebene kollimiert. Danach werden in der Slow Axis Ebene mit einer zylindrischen Kollimationslinse SAC (Slow Axis Collimator) die Anteile der Lichtstrahlen in dieser Ebene kollimiert. Das Lichtstrahlungsfeld nach der FAC und SAC wird danach mit einer Fokussieroptik auf den Faserkern fokussiert.

Häufig werden zur Leistungssteigerung Laserdioden-Arrays mit mehreren Emittern auf einem Chip verwendet. Auch in diesem Fall wird eine FAC zur Kollimation eingesetzt. Da jedoch mehrere

Emitter in der Ursprungsebene entlang der Slow Axis Ebene nebeneinander angeordnet sind, muss jeder Emitter mit einer separaten SAC kollimiert werden. Dies wird meist mit einem Array von nebeneinander liegenden SACs realisiert. Dabei muss der Abstand der SAC mit dem Abstand der Emitter übereinstimmen.

Weiter werden auch Chips mit mehreren Emittern in der Ursprungsebene, die entlang der Fast Axis Ebene nebeneinander angeordnet sind, verwendet. Auch in diesem Fall wird nur eine FAC zur Kol-limation eingesetzt, da die Emitter in einem Abstand zwischen 5 und 20 micron liegen. Somit ist ein Laserdioden-Array in Slow und Fast Axis Ebene möglich.

Strahlung oder Anteile des Lichtes, die sich aber weder in der Fast Axis Ebene noch in der Slow Axis Ebene ausbreiten, werden nur ungenügend kollimiert. Es resultiert ein verwaschenes und zum Teil unscharfes Feld. Daraus kann sich, beispielsweise bei der Einkopplung in einen Glasfaserleiter, ein Leistungsverlust ergeben, da nicht die vollständige Strahlung eingekoppelt werden kann, sondern im Wesentlichen nur der Teil, der vollständig kol-limiert ist.

Typischerweise ist die numerische Apertur bei kurzwelligen

Lichtstrahlen, beispielsweise von einer blauen Laserdiode mit einer Wellenlänge von ungefähr 450nm, grösser. Dadurch ergeben sich ebenfalls grössere Verluste.

Aus der Druckschrift Jpn . J Appl . Phys . Vol. 33 (1994) pp 1363-1364 ist eine Kollimationsanordnung mit asphärischen Linsen bekannt, bei welcher zunächst mittels einer Linse zirkulär kolli-miert wird und im weiteren Strahlverlauf zwei Zylinderlinsen anordnet sind. Alternativ können zwei anamorphe Linsen, die je-weils auf einer Seite konvex und auf der anderen Seite konkav sind, nacheinander angeordnet sein.

Die Druckschrift US 2016/0274368 AI offenbart eine Diodenanordnung mit einem Feld von Dioden, die jeweils mit einem „Fast Axis"-Kollimator versehene sind. In Abstrahlrichtung schliesst sich ein Feld von sphärisch/asphärischen Teleskopeinheiten an und anschliessend ein Feld von Zylinderlinsen. Abschliessend um-fasst die Anordnung eine Fokussiereinheit mit Kollimierlinsen .

Die Druckschrift US 6195208 Bl offenbart eine asphärische Linse, mit welcher eine astigmatischer, nicht zirkularer, divergierender Laserstrahl in einen kollimierten, zirkulären Laserstrahl konvertiert wird. Die Eingangsfläche hat ein konkaves asphärisches Profil in Transversalrichtung und eine konvexes asphäri-sches Profil in Longitudinalrichtung, die Ausgangsfläche konvexes asphärisches Profil in Transversalrichtung und ein nicht gekrümmtes Profil in Longitudinalrichtung.

Es ist Aufgabe der Erfindung diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu beheben.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprü-chen definierten Vorrichtungen und Verfahren gelöst. Weitere

Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen .

Die Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemässe Vorrich-tung zur Kollimation eines eingehenden Lichtstrahlungsfeldes mit einer Strahlcharakteristik bezüglich der Divergenz, also hinsichtlich des Abstrahlwinkels gegenüber der Stahlrichtung, die in einer ersten Ebene unterschiedlich zu einer zweiten Ebene ist. Das Lichtstrahlungsfeld umfasst mindestens einen von einer Lichtquelle emittierten Lichtstrahl, der in Strahlrichtung entlang einer Fast-Axis schnell divergiert und entlang einer dazu senkrechten Slow-Axis langsamer divergiert. Die erste Ebene wird bevorzugt durch die Fast-Axis-Richtung des Lichtemitters und die Strahlrichtung aufgespannt, die zweite Ebene durch die Slow Axis Richtung des Lichtemitters und die Strahlrichtung, sodass die

Ebenen orthogonal zueinander stehen. Es unterscheidet sich also der Abstrahlwinkel in der ersten Ebene entlang der Strahlrichtung von dem Abstrahlwinkel in der zweiten Ebene entlang der Strahlrichtung .

Die Vorrichtung dient zur Kollimation eingehender Lichtstrahlen, die einen nichtkreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Strahlrichtung aufweisen und sich insbesondere durch eine sphärische Fokussierlinse nicht fokussieren lassen, wie dies üblicherweise bei durch Laserdioden erzeugten Lichtstrahlen der Fall ist.

Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine erste Kollimationslinse zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes in der ersten Ebene und mindestens eine zweite Kollimationslinse zur Kollimation des Lichtstrahlfeldes in der zweiten Ebene.

Die Kollimationslinsen für die orthogonalen Ebenen sind in Ab-Strahlrichtung hintereinander angeordnet. Typischerweise lassen sich die erste und zweite Kollimationslinse so anordnen, dass zunächst die Kollimation in der Fast-Axis-Ebene und anschliessend eine Kollimation in der Slow-Axis-Ebene erfolgt. Die Slow-Axis Kollimation erfolgt beispielwiese mit einer kreis- oder teilkreiszylindrischen Linse, die Fast-Axis Kollimation mit einer Zylinderlinse, die ein polynomiales Profil aufweist. Die Slow-Axis Kollimation kann ebenfalls mit einer Zylinderlinse mit polynomialem Profil erfolgen.

Die Kollimation bewirkt, dass die jeweiligen divergierenden Anteile des Lichtstrahlungsfeldes parallel zur Strahlrichtung ausgerichtet werden. Das Lichtstrahlungsfeld umfasst allerdings Anteile, die nach der ersten Kollimation, zum Beispiel der Fast-Axis-Kollimation, und der zweiten Kollimation, zum Beispiel der Slow-Axis Kollimation, noch nicht parallel ausgerichtet sind.

Wird das Lichtstrahlungsfeld ohne Korrektur unmittelbar nach der ersten und zweiten Kollimation, zum Beispiel der Fast-Axis-Kollimation und der Slow-Axis Kollimation, mit einer Fokussier-optik fokussiert, so werden diese Anteile nicht oder nur unzu-reichend im Zielgebiet abgebildet und können zu einem Leistungsverlust führen.

Die Vorrichtung weist erfindungsgemäss ein zusätzliches optisches Element auf, welches derart konfiguriert ist, dass Anteile des Lichtstrahlungsfeldes, die durch die erste und zweite Kollimationslinse, also zum Beispiel nach der Fast-Axis-Kollimation und der Slow-Axis Kollimation, noch nicht parallel ausgerichtet sind, parallel zur Strahlrichtung ausgerichtet werden.

Insbesondere werden im Wesentlichen alle Anteile, die noch nicht parallel ausgerichtet sind durch das optische Element parallel ausgerichtet. Der Lichtstrahl wird insbesondere zumindest in einer zur ersten und zur zweiten Ebene unterschiedlichen Ebene, die ebenfalls entlang der Strahlrichtung verläuft und insbesondere in allen zur ersten und zur zweiten Ebene unterschiedlichen Ebenen kollimiert. Insbesondere wird der Lichtstrahl durch das weitere optische Element nicht in der ersten und nicht in der zweiten Ebene kollimiert.

Das optische Element ist in Strahlrichtung bevorzugt nach der ersten Kollimationslinse und bevorzugt nach der zweiten Kollima-tionslinse angeordnet.

Wie vorliegend dargelegt, weist der eingehende Lichtstrahl na-turgemäss eine Fast-Axis-Ebene und eine Slow-Axis-Ebene auf.

Zwischen diesen Ebenen weist der Lichtstrahl Anteile an „schiefen" Ausbreitungsrichtungen auf, welche sich nicht nur in diesen Ebenen ausbreiten und welche sich nicht durch eine Fast-Axis-Kollimation und der Slow-Axis Kollimation kollimieren, das heisst, parallel zur Strahlrichtung ausrichten, lassen. Mit dem zusätzlichen optischen Element können diese Anteile des Lichtstrahls ebenfalls kollimiert werden.

Das zusätzliche Element lässt die bereits in der Fast-Axis-Kollimation und der Slow-Axis Kollimation ausgerichteten Anteile des Lichtstrahls unbeeinflusst .

Die Vorrichtung ist so konfiguriert, dass das ausgehende Lichtstrahlungsfeld im Wesentlichen nur parallel zur Strahlrichtung ausgerichtete Anteile aufweist.

Dies ermöglicht eine vollständige Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes und dadurch eine Leistungssteigerung, da ein im Ver- gleich zum Stand der Technik grösserer Anteil des Lichtstrahlungsfeldes kollimiert ist und daher gebündelt werden kann. Das heisst, dass ein grösserer Anteil des Lichtstrahlungsfeldes mit einer Fokussieroptik in einen bestimmten Bereich fokussiert wer-den kann.

Das zusätzliche optische Element kann unabhängig von der ersten und zweiten Kollimationslinse durch eine separate Kollimations-linse gebildet sein.

Es ist vorstellbar, die erste und die zweite Kollimationslinse einteilig auszubilden, so dass die erste und die zweite Linse auch durch das gleiche physische Element gebildet werden.

Das zusätzliche optische Element kann durch eine dritte Kollimationslinse gebildet sein.

Eine dritte Kollimationslinse ermöglicht es, diese mit einer Krümmung zu fertigen, die spezifisch auf die Anteile der „schie-fen" Ausbreitungsrichtungen ausgelegt ist.

Dabei ist es möglich, die dritte Kollimationslinse in Strahlrichtung des Lichtstrahls nach der ersten und nach der zweiten Kollimationslinse anzuordnen.

Dies ermöglicht es, die Kollimation in drei Schritten durchzuführen, wobei in einem ersten Schritt die Kollimation in der Fast Axis durchgeführt wird, in einem zweiten Schritt die Kollimation in der Slow Axis und in einem dritten Schritt die Kolli-mation der „schiefen" Ausbreitungsrichtungen, das heisst der Anteile des Lichtes, welches auf keiner dieser beiden Ebenen liegt .

Die Anordnung der dritten Kollimationslinse, das heisst, des zusätzlichen optischen Elementes, am Schluss der Kollimationskette weist den Vorteil auf, dass ein grosser Teil des Lichtstrahlungsfeldes bereits in Fast Axis Ebene und Slow Axis Ebene kol-limiert ist und mit dem zusätzlichen Element nur noch die Anteile der nicht in diesen Ebenen liegenden „schiefen" Ausbreitungsrichtungen fertig kollimiert werden müssen. Typischerweise wird der Anteil der „schiefen" Ausbreitungsrichtungen in diesen Ebenen bereits durch die erste und die zweite Kollimationslinse vorkollimiert . Dabei findet jedoch keine vollständige Kollimati-on statt. Mit dem zusätzlichen optischen Element werden nun diese Anteile des Lichtstrahlungsfeldes fertig kollimiert, so dass danach im Wesentlichen das gesamte Lichtstrahlungsfeld kollimiert ist.

Es ist jedoch ebenso vorstellbar, die dritte Kollimationslinse in Strahlrichtung zwischen der ersten und der zweiten Kollimationslinse anzuordnen.

Je nach den entsprechenden Anforderungen kann es vorteilhaft sein, die Anteile des Lichtstrahlungsfeldes, welche nicht durch die Fast-Axis-Kollimation und durch die Slow- Axis-Kollimation kollimierbar sind, welche also nicht auf den Hauptachsen liegen, zu kollimieren, bevor der Hauptanteil des Lichtes beispielsweise in der Slow-Axis kollimiert wird. Dies ermöglicht es, bereits vor einer abschliessenden Kollimation, die „schiefen" Ausbreitungsrichtungen des Lichtes ganz oder teilweise vorzukollimie-ren .

Vorzugsweise ist das zusätzliche optische Element jedoch durch einen Bereich auf der zweiten Kollimationslinse gebildet. Insbesondere bevorzugt ist das zusätzliche optische Element als integraler Bestandteil der zweiten Kollimationslinse ausgebildet.

Dies ermöglicht es, auf ein drittes, separates Element zu verzichten. Die Baugrösse der Vorrichtung kann damit klein gehalten werden. Da lediglich zwei Linsen ausgerichtet werden müssen, resultiert dies im Vergleich zu einer Vorrichtung mit einer drit-ten Kollimationslinse in einer Vorrichtung mit einer höheren Präzision. Eine Qualitätssteigerung ist somit möglich.

Die Vorrichtung besteht in diesen Fall bevorzugt aus einer ersten und einer zweiten Kollimationslinse, wobei die zweite Kolli-mationslinse das optische Element umfasst.

Kollimationslinsen weisen typischerweise in Strahlungsrichtung gesehen eine Eintrittsseite und eine Austrittsseite auf. Es kann vorgesehen sein, den Bereich für das zusätzliche optische Element auf der Eintrittsseite der zweiten Kollimationslinse anzu-ordnen und die Fläche zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes in der zweiten Ebene auf der zweiten Kollimationslinse in Strahlungsrichtung austrittsseitig anzuordnen.

Dies ermöglicht es, ähnlich wie bei einer dritten Kollimations-linse, die zweite Fläche zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes und das optische Element unabhängig von den anderen optischen Elementen, wie den anderen Kollimationslinsen, zu fertigen und entsprechend den Bedürfnissen auszugestalten.

Es ist jedoch auch vorstellbar, die Fläche zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes in der zweiten Ebene mit dem zusätzlichen optischen Element zu kombinieren und auf der zweiten Kollimationslinse in Strahlungsrichtung austrittsseitig anzuordnen. Ebenfalls möglich und vorstellbar wäre es, diese Kombination in Strahlungsrichtung eintrittsseitig anzuordnen.

Die entsprechende Oberfläche der Linse ist dann als Freiformfläche ausgebildet. Das heisst, diese Fläche kann entsprechend der Charakteristik des eintretenden Lichtstrahls in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich gekrümmt sein, derart, dass zusätzlich zur Kollimation des Hauptanteiles des Lichtes in der Slow Axis ebenfalls der Anteil des Lichtstrahls, welches weder durch eine Slow Axis Kollimation noch durch eine Fast Axis Kollimation parallel ausgerichtet wird, kollimiert wird.

Es ist ebenfalls vorstellbar, dass das zusätzliche optische Element durch einen Bereich auf der ersten Kollimationslinse gebil-det ist und vorzugsweise als integraler Bestandteil der ersten Kollimationslinse ausgebildet ist.

Dabei kann es zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, den Bereich für das zusätzliche optische Element auf der Ein-trittsseite der ersten Kollimationslinse anzuordnen und die Fläche zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes in der ersten Ebene auf der ersten Kollimationslinse in Strahlungsrichtung aus-trittsseitig anzuordnen.

Dies ermöglicht es, ähnlich wie bei einer dritten Kollimationslinse, die erste Fläche zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes und das optische Element unabhängig von den anderen optischen Elementen, wie den anderen Kollimationslinsen, zu fertigen und entsprechend den Bedürfnissen auszugestalten.

Es ist jedoch auch hier vorstellbar, die Fläche zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes in der ersten Ebene mit dem zusätzlichen optischen Element zu kombinieren und auf der ersten Kollimationslinse in Strahlungsrichtung austrittsseitig anzuordnen. Ebenfalls möglich und vorstellbar wäre es, diese Kombination in Strahlungsrichtung auf der ersten Kollimationslinse eintritts-seitig anzuordnen.

Die entsprechende Oberfläche der Linse ist dann als Freiformfläche ausgebildet. Das heisst, diese Fläche könnte entsprechend der Charakteristik des eintretenden Lichtstrahls in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich gekrümmt sein, derart, dass zusätzlich zur Kollimation des Hauptanteiles des Lichtes in der Fast Axis ebenfalls der Anteil des Lichtes, welches weder auf der Slow noch auf der Fast Axis liegt, kollimiert wird.

Vorzugsweise ist das zusätzliche optische Element als Teil einer Freiformfläche ausgebildet, wobei deren Oberfläche zumindest zwei unterschiedliche Krümmungen in zwei unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur Strahlrichtung aufweist und wobei zumindest eine der Krümmungen entlang einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung keinen konstanten Krümmungsradius aufweist.

Beispielsweise kann die Oberfläche in Richtung der Slow-Axis konvex gekrümmt sein und in der dazu senkrechten Richtung ebenfalls, insbesondere konkav, gekrümmt sein.

Dies ermöglicht es, Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Eintrittsrichtungen gleichermassen zu kollimieren und zu bündeln.

Bevorzugt ist die Freiformfläche entlang der Fast-Axis Richtung und/oder der Slow-Axis Richtung asphärisch gekrümmt.

Vorzugsweise weist eine Kollimierlinse, die das zusätzliche optische Element umfasst, eine Oberflächentopographie in der Form eines zweidimensionalen Polynoms gerader Ordnung auf.

Bevorzugt weist das Polynom Koeffizienten mit einem Wert kleiner oder kleiner gleich null für die x2n-Terme auf, insbesondere sind mindestens die Koeffizienten des x2- und des x4- Terms kleiner null. Insbesondere sind die Koeffizienten der y2n Terme gleich null. Bevorzugt weist das Polynom Koeffizienten mit einem Wert grösser oder grösser gleich null für die x2ny2m Terme auf, insbesondere ist mindestens der Koeffizient des x2y2- Terms grösser null .

Das Polynom hat zum Beispiel die Form

H(x,y) = a20 x2+ a40 x4 +a22 x2y2+ a6o x6+a42 xy2+a24 x2y4

wobei H die Höhe der Oberfläche in Strahlrichtung angibt und wobei x und y die orthogonalen Koordinatenachsen in der Ebene senkrecht zur Strahlrichtung sind, wobei insbesondere die x-Achse in Richtung der Slow-Axis Richtung und die y-Achse in Richtung der Fast-Axis Richtung verläuft, und a spezifische Ko-effizienten sind, die bevorzugt alle nicht null sind, in Abhängigkeit des Emitters.

Die Koeffizienten a2o, a4o und aeo sind kleiner oder kleiner gleich null, bevorzugt sind a2o und a4o kleiner null. Diese Anteile des Polynoms beschreiben für sich genommen eine Zylinderlinse und bewirken bevorzugt die Slow-Axis-Kollimation .

Die Koeffizienten der Mischterme a22 und a42 sind grösser oder grösser gleich null, bevorzugt ist a22 grösser null.

Es ist ebenfalls denkbar, die erste Kollimationslinse und die zweite Kollimationslinse und das zusätzliche optische Element einstückig auszubilden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn dieses einstückige Element eine optische Eintrittsfläche und eine optische Austrittsfläche aufweist, wobei diese gemäss der vorliegen-den Beschreibung ausgebildet sein können. So kann beispielsweise die Eintrittsfläche das Lichtstrahlungsfeld in der Fast Axis Ebene und die „schiefen Anteile" des Lichtstrahlungsfeldes ganz oder teilweise kollimieren und die Austrittsfläche das Licht- Strahlungsfeld in der Slow-Axis Ebene. Es ist ebenfalls vorstellbar, das Lichtstrahlungsfeld in der Slow Axis Ebene und die schiefen Anteile des Lichtstrahlungsfeldes gemeinsam ganz oder teilweise zu kollimieren.

Dies ermöglicht es, drei Kollimationen in Fast Axis Ebene, Slow Axis Ebene und allen Ebenen dazwischen in einem Element mit zwei optischen Flächen (Eintritts- und Austrittsfläche) zu vereinen. Dadurch kann die Präzision erhöht werden, bei gleichzeitig ein-facherer Fertigung mit weniger Einzelteilen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Hochleistungsdiodenlaser mit zumindest einem Emitter, bevorzugt mehreren Emittern und mindestens einer Vorrichtung wie vorliegend be-schrieben. Insbesondere umfasst der Hochleistungsdiodenlaser einen Laserdiodenbarren, bei dem eine Vielzahl von Laserdioden nebeneinander angeordnet ist.

Zusammen mit der Vorrichtung zum Kollimation wie oben beschrieben kann ein entsprechender Hochleistungsdiodenlaser mit einer ausgewählten Charakteristik bereitgestellt werden, welcher eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Effizienz durch eine verbesserte Kollimation der gesamten emittierten Strahlung aufweist.

Der vorgeschlagene Hochleistungsdiodenlaser kann ein Array aus mehreren Emittern, die in einer Ursprungsebene entlang der Fast Axis oder entlang der Slow Axis Ebene nebeneinander angeordnet sind, umfassen. Das Array erzeugt ein Lichtstrahlungsfeld, das sich aus dem Lichtstrahlen der jeweiligen Emitter zusammensetzt.

Dabei ist insbesondere jedem Emitter ein Slow-Axis- und ein Fast-Axis-Kollimator sowie ein zusätzliches optisches Element zugeordnet .

Ein Aspekt der Erfindung betrifft daher ein Array aus mehreren Kollimationslinsen, insbesondere für einen Hochleistungsdiodenlaser oder ein Modul wie vorliegend beschrieben.

Dieses Kollimationslinsenarray umfasst eine, zwei oder mehrere erste Kollimationslinsen zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes in einer ersten Ebene und/oder eine, zwei oder mehrere zweite Kollimationslinsen zur Kollimation des Lichtstrahls in einer zweiten Ebene, wobei die Ebenen senkrecht zueinander stehen und sich der Strahlrichtung schneiden.

Die ersten und zweiten Kollimationslinsen sind bevorzugt bezüglich der Strahlrichtung hintereinander angeordnet. Das Kollimationslinsenarray weist je erster und/oder zweiter Kollimations-linse ein zusätzliches optisches Element auf, um die „schiefen" Ausbreitungsrichtungen des Lichtstrahlungsfeldes auch noch parallel zur Strahlrichtung auszurichten, also zu kollimieren, insbesondere in einer zur ersten Ebene und zur zweiten Ebene unterschiedlichen Ebene zu kollimieren. Dabei ist das optische Element vorzugsweise jeweils als Freiformfläche an der entsprechenden ersten und/oder zweiten Kollimationslinse gefertigt.

Das optische Element ist bevorzugt bezüglich der Strahlrichtung nach den ersten Kollimierlinsen und weiter bevorzugt nach den zweiten Kollimierlinsen angeordnet ist.

Die Kollimation in der ersten Ebene kann mit einer gemeinsamen Kollimationslinse für alle Emitter realisiert werden, da die Emitter in Slow Axis sehr genau nebeneinander liegen.

Zur Fast-Axis Kollimation eines Laserdiodenbarrens kann beispielsweise eine Zylinderlinse verwendet werden, die sich über die gesamte Länge des Laserdiodenbarrens erstreckt und die Zy- linderachse parallel zur Längsrichtung des Barrens verläuft. Zur Slow-Axis Kollimation kann eine Linsenarray mit nebeneinander angeordneten Zylinderlinsen verwendet werden, wobei die Zylinderachsen senkrecht zur Strahlrichtung und senkrecht zur Längs-richtung des Barrens ausgerichtet sind.

Dies ermöglicht das Bereitstellen eines Hochleistungsdiodenlasers mit einer hohen Leistung, wobei jeder einzelne Emitter individuell kollimierbar ist, was eine maximale Effizienz ermög-licht. Diese Anordnung ermöglicht eine höhere Leistungsdichte bei einer Fokussierung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, da die „schiefen" Ausbreitungsrichtungen des Lichtstrahlungsfeldes für jeden Emitter vollständig kollimiert werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Modul umfassend eine Vorrichtung zur Kollimation, wie oben beschrieben, und einer Fokussieroptik oder ein Modul umfassend einen Hochleistungsdiodenlaser, wie oben beschrieben, und eine Fokussieroptik.

Dadurch ist es möglich, einen Lichtstrahl oder eine Lichtstrahlungsfeld mit der vorliegend beschriebenen Charakteristik, insbesondere mit parallel zur Strahlrichtung ausgerichteten Lichtstrahlungsfeldanteilen, und den vorliegend beschriebenen Vorteilen bereitzustellen, so dass eine Einkoppelung in ein entspre-chendes Element mit hoher Effizienz möglich ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Kollimieren eines Lichtstrahles mit einer Strahlcharakteristik, die hinsichtlich des Abstrahlwinkels in einer ersten Ebene unterschiedlich zu einer zweiten Ebene ist. Vorzugsweise wird das Verfahren mit einer wie vorliegend beschriebenen Vorrichtung oder einem vorliegend beschriebenen Hochleistungsdio- denlaser oder einem wie vorliegend beschriebenen Modul durchgeführt. Das Verfahren umfasst die Schritte

- erste Kollimation von Anteilen des Lichtstrahles einer ers- ten Ebene, insbesondere Fast-Axis-Kollimation,

- zweite Kollimation von Anteilen des Lichtstrahles einer

zweiten Ebene, insbesondere Slow-Axis-Kollimation,

- dritte Kollimation von Anteilen des Lichtstrahlungsfeldes, welche durch die erste und zweite Kollimation noch nicht parallel zur Strahlrichtung ausgerichtet wurden, insbesondere die eine zur ersten Ebene und zur zweiten Ebene eine unterschiedliche Richtung aufweisen.

Dieses Verfahren ermöglicht es, einen höheren Anteil des Licht-Strahlungsfeldes zu kolliminieren und für eine spätere Fokus-sieroptik zur Verfügung zu stellen. Die Leistungsdichte wird dadurch erhöht.

Vorzugsweise werden dabei zwei Kollimationen kombiniert, das heisst mit einem optischen Element, durchgeführt, insbesondere die zweite und dritte Kollimation, also die Kollimation von Anteilen des Lichtstrahlungsfeldes einer zweiten Ebene und die Kollimation von den Anteilen des Lichtstrahlungsfeldes, welche sowohl zur ersten Ebene als auch zur zweiten Ebene eine unter-schiedliche Ebene aufweisen.

Anhand der folgenden Figuren wird die Erfindung erklärt. Es zeigen :

Figur 1: Eine Vorrichtung gemäss dem Stand der Technik

Figur la: Ein Detail der Vorrichtung gemäss der Figur 1

Figur 2: Das Lichtstrahlungsfeld nach der Kollimation in der ersten und zweiten Ebene der Vorrichtung gemäss der Figur 1

Figur 3: Ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung

Figur 3a: Ein Detail der Vorrichtung aus Figur 3

Figur 4: Das Lichtstrahlungsfeld nach der Kollimation der Vorrichtung aus der Figur 3

Figuren 5a bis 6c: Vergleichsversuche zu den Vorrichtungen aus den Figuren 1 und 3.

Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Kollimieren eines Lichtstrahls gemäss dem Stand der Technik. Das Lichtstrahlungsfeld L einer Lichtquelle (eines Emitters) weist eine Strahlrichtung R auf und tritt nacheinander durch eine erste Kollimationslinse 10 und eine zweite Kollimationslinse 20.

Die Lichtquelle (Emitter) ist in vorliegender Figur nicht gezeigt. Der Emitter definiert eine Ursprungsebene, aus welcher sich das Lichtstrahlungsfeld L mit einer Strahlrichtung R er-streckt. Entlang dieser Strahlrichtung R erstrecken sich zwei

Ebenen, eine erste Ebene F (Fast-Axis) und eine dazu orthogonalen Ebene S (Slow-Axis) , die sich in Strahlrichtung schneiden. Das Lichtstrahlungsfeld L weist in der ersten Ebene F eine andere Strahlcharakteristik hinsichtlich der Divergenz auf als in der zweiten Ebene S.

Dabei wird der Anteil des Lichtstrahlungsfeldes in der ersten Kollimationslinse 10 in der Fast-Axis Ebene F kollimiert. Das Lichtstrahlungsfeld L weist danach eine neue Charakteristik auf und ist als Lichtstrahlungsfeld LI bezeichnet. Das Lichtstrahlungsfeld LI tritt in die zweite Kollimationslinse 20 ein, welche das Licht in der Slow-Axis Ebene S kollimiert. Das gerichte-te (kollimierte) Lichtstrahlungsfeld LI weist nach der zweiten Kollimationslinse 20 wiederum eine neue Charakteristik auf und ist als Lichtstrahlungsfeld L2 bezeichnet.

Die Figur la zeigt ein Detail der Kollimationslinse 20 aus der Figur 1 mit einer Eintrittsseite E20 und einer Austrittsseite

A20. An der Austrittsseite A20 ist eine Fläche 21 zur Kollimati-on des Lichtstrahlungsfeldes in der zweiten Ebene angeordnet. Die Fläche 21 ist vorliegend zylindrisch ausgebildet.

Die Figur 2 zeigt eine Simulation des Feldes nach einer FAC und SAC Kollimation mit einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik gemäss Figur 1. Erkennbar sind die verwaschenen Bereiche am Rand des Feldes, welche aus den nicht kollimierten Anteilen des

Lichtstrahlungsfeldes resultieren, welche auf keiner der beiden Ebenen liegen.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung. Die Vorrichtung aus Figur 3 entspricht in ihrem Aufbau der Vorrichtung aus Figur 1 mit einer ersten Kollimationslinse 10 und einer Kollimationslinse 20 λ. Die zweite Kollimationslinse 20 λ ist vorliegend mit einem zusätzlichen optischen Element 30 ausgebildet. Das Lichtstrahlungsfeld einer Lichtquelle L tritt ebenfalls wie in Figur 1 zuerst durch die erste Kollimationslinse 10 und breitet sich danach als Lichtstrahlungsfeld LI weiter durch die zweite Kollimationslinse 20 λ aus und verlässt die zweite Kollimationslinse 20 λ als Lichtstrahlungsfeld L2 λ .

Figur 3a zeigt das zu Figur 1 entsprechende Detail aus Figur 3, nämlich einen Teil der Linse der zweiten Kollimationslinse 20 λ. Die Kollimationslinse 20 λ weist die Eintrittsseite E20 und die Austrittsseite A20 auf. Eine Fläche 21 λ zur Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes in der zweiten Ebene ist integral mit dem zweiten zusätzlichen optischen Element 30 gefertigt. Die Fläche 21 λ ist ähnlich wie die Fläche 21 aus Figur 2a im Grundsatz zylindrisch mit einer polynomialen Krümmung ausgebildet. Jedoch ist diese zylindrische Ausbildung überlagert mit einer Freiform-fläche, welche das zusätzliche optische Element 30 bildet. Vorliegend ist der Bereich der kombinierten Flächen 30, 21 λ zusätzlich zur Konvexität der grundsätzlich zylindrischen Ausbildung quer dazu leicht konkav ausgebildet.

Die Freiformfläche ist nach der Formel

h (x,y) = a2o x2 + a4o x4 + a22 x2y2 + a6o x6 + a42 x4y2 + a24 x2y4

gestaltet. Dies ermöglicht die Kollimation des Lichtstrahlungsfeldes in der Slow Axis Ebene und zusätzlich die Kollimation des Lichtes, welches sich weder in der Slow Axis Ebene noch in der Fast Axis Ebene ausbreitet.

Die Freiformfläche kann insbesondere nach dem Polynom

h(x,y) = a20 * x2 + a22 * x2 * y2 + a40 *x4

gestaltet sein, wobei a2o und a^o kleiner null sind und a22 grösser

— 09 — Ü S

null ist, zum Beispiel a2o = -6.250e , a22 = _ 2.14e und ao4 = -1.07e~04. Der Wert der Koeffizienten wird typischerweise in Abhängigkeit von der Brechkraft der Kollimationslinse festgelegt, also zum Beispiel von der Art und Dicke des Glases.

Die Figur 4 zeigt eine Simulation des Lichtstrahlungsfeldes nach FAC und SAC in Kombination mit der zusätzlichen Kollimation mit dem Element 30 in der dazu unterschiedlichen Ebene. Im Gegensatz zur Simulation aus der Figur 2 sind hier keine verschwommenen Randbereiche mehr ersichtlich. Die Energie in einem definierten Bereich ist erhöht. Dies zeigt sich auch in den Figuren 5a bis c (Stand der Technik gemäss Figur 1) im Vergleich zu den Figuren 6a bis c (Vorrichtung gemäss Figur 3) .

Die Figuren 5a und 6a zeigen jeweils das Profil des Lichtstrahlungsfeldes nach der Kollimation und der Fokussierung mit einer Fokussieroptik . Dabei ist in Figur 6a eine geringere Verbreiterung des Strahlprofils durch die nicht optimal kollimierten „schiefen" Ausbreitungsrichtungen erkennbar, wobei zentral zudem eine höhere Intensität feststellbar ist. Fig. 5b und 6b zeigen das normierte Strahlprofil in Fast Axis Ebene. Der Vergleich zeigt die Verbesserung im Strahlquerschnitt und die reduzierten Nebenmaxima. Fig. 5 c und 6 c zeigen die eingeschlossene Energie in einem definierten Bereich. Der Vergleich zeigt eine wesentlich verbesserte Effizienz der vorgeschlagenen Lösung. Beispielsweise werden mit der erfindungsgemässen Lösung mit dem verwendeten Aufbau von FAC und SAC oder SAC mit erfindungsgemäs-ser Optimierung und Fokussieroptik 90 % der Energie in einen im Vergleich zum Stand der Technik um den Faktor 2 kleineren Bereich fokussiert.