DE10017884C2

DE10017884C2 - Vorrichtung zur geometrischen Strahlformung eines Lichtstrahlprofils

Info

Publication number: DE10017884C2
Application number: DE10017884A
Authority: DE
Inventors: Guenter Bickleder; Arno Euteneuer; Harald Rossmeier; Thomas Weber
Original assignee: Toptica Photonics SE
Current assignee: Toptica Photonics SE
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: US20010050821A1; DE10017884A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie Verfahren zur geometrischen Strahlformung des Strahlprofils eines Lichtstrahls bestehend aus einem ersten und einem zweiten, für den Lichtstrahl optisch transparenten Prisma, das jeweils eine Eintrittsfläche, über die der Lichtstrahl eintritt und eine Austrittsfläche, über die der Lichtstrahl austritt, aufweist, und die derart im Strahlverlauf des Lichtstrahls angeordnet sind, dass nach Durchtritt des Lichtstrahls durch beide Prismen das Strahlprofil des Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung mit einem ersten Faktor und in einer dazu senkrechten Richtung mit einem zum ersten Faktor unterschiedlichen zweiten Faktor aufweitbar oder verkleinerbar ist.

Stand der Technik

Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Gattung dient beispielsweise der Strahlprofilformung des elliptischen Strahlprofils kantenemittierender Halbleiterlaser zur Umwandlung in ein rundes Strahlprofil. Grundsätzlich gibt es hierzu zwei unterschiedliche Methoden:

a) Die Verwendung eines Zylinderlinsenanamorphot, der aus zwei Zylinderlinsen besteht, die wie ein Teleskop angeordnet sind und
b) ein Prismenanamorphot, der aus einem oder mehreren Glasprismen besteht, der der vorstehend beschriebenen Vorrichtung entspricht.

Der Nachteil bei der Verwendung eines Zylinderlinsenanamorphot ist die fest durch die beiden Linsenbrennweiten vorgegebene anamorphotische Vergrößerung. Der Vorteil eines Prismenanamorphots ist, dass die Vergrößerung durch die Änderung des Einfallswinkels der Prismen variiert werden kann. Wellenfronteigenschaften - wie z. B. Astigmatismus - werden hingegen nicht beeinflußt.

Zur Beeinflussung des Strahlprofils von Lichtstrahlen durch optische Einheiten gilt grundsätzlich folgendes:
Lichtstrahlen, die durch eine plane Grenzfläche von einem optisch dünnen in ein optisch dichtes Medium eintreten, werden stets "zum Lot hin" gebrochen, wodurch eine anamorphotische Vergrößerung, d. h. eine Vergrößerung die nur entlang einer bevorzugten Raumachse erfolgt und somit zu einer Verzerrung des Strahlprofils führt, verbunden ist, sobald vom senkrechten Lichteinfall auf die Grenzfläche abgewichen wird.

Beim Austritt aus dem optisch dichteren, in das optische dünnere Medium wird hingegen "vom Lot weg" gebrochen, womit stets eine anamorphotische "Verkleinerung" verknüpft ist. In beiden Fällen erhält man für senkrechten Einfall eine Vergrößerung/Verkleinerung von 1. Will man nun gezielt eine anamorphotische Vergrößerung durch ein Prisma erreichen, muß man lediglich dafür sorgen, daß die Vergrößerung beim Eintritt ins Prisma nicht durch die Verkleinerung beim Austritt überkompensiert wird. Durch Variation des Einfallswinkel ist es dabei leicht möglich die Gesamtvergrößerung über einen großen Bereich - von Verkleinern bis Vergrößern - einzustellen.

Da nach Durchgang eines Lichtstrahls durch ein Prisma der Strahl um einen bestimmten Winkel aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt ist, wird oft ein zweites Prisma benutzt, um die ursprüngliche Strahlrichtung wieder herzustellen. Hierfür wird das zweite Prisma relativ zum ersten Prisma um 180° gedreht, sodass der Einfallswinkel in das zweite Prisma gleich dem Einfallswinkel in das erste Prisma ist, um so den Lichtstrahl um den gleichen Winkel in die entgegengesetzte Richtung abzulenken. Die Gesamtvergrößerung des Prismenpaares ist das Produkt der Einzelvergrößerungen, also bei einer symmetrischen Anordnung gleich dem Quadrat der Vergrößerung eines einzelnen Prismas.

In der EP 0 220 035 A2 ist eine Strahlformungs-Vorrichtung beschrieben, die zwei Prismen aufweist. Ein erstes Prisma ist beweglich angeordnet, wohingegen ein zweites Prisma ortsfest mit einem im Lichtstrahlengang nachgeordneten Strahlteiler versehen ist. Im Strahlengang zwischen beiden Prismen ist ein rotierender Spiegel eingebracht. Der Spiegel stellt jedoch eine separate optische Einheit dar, die einen zusätzlichen Montage- und Justieraufwand erfordert, eine Quelle für zusätzliche Leistungsverluste darstellt und nicht zuletzt einen weiteren Kostenfaktor im Hinblick auf die gesamte Vorrichtung ausmacht.

Darüber hinaus beschreibt die US 5,274,489 eine Strahlaufweitungsvorrichtung, die für thermische Wellenlängen angepasst und optimiert ist. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass die für derartige Wellenlängen auftretenden Brechungsindizes, bspw. für Germanium, vergleichsweise hoch sind, n = 4. Auf Grund des hohen Brechungsindexes wird daher der Keilwinkeln der Prismen sehr klein gewählt (9°). Somit liegen die geschilderten Prismen weitab vom Brewsterwinkel und verursachen signifikante Verluste. Zwar wäre der dargestellte Aufbau höchst kompakt jedoch ermöglicht dieser für die entsprechenden thermischen Wellenlängen lediglich Vergrößerungsfaktoren um 1, d. h. im Speziellen zwischen 0,8 und 1,6.

Ferner beschreibt die JP 57-179815 A ein Verfahren zur Formung von Laserstrahlen mit Hilfe lediglich eines Prismas. Aus dieser Druckschrift kann entnommen werden, wie man ein Prisma und einen entsprechenden Eintrittsstrahl derart dreht, dass der Austrittsstrahl bei verschiedener Vergrößerung auf der selben optischen Achse bleibt. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung sehr einfachen Aufbaus, die allerdings nur in sehr begrenztem Maße eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung des Strahlprofils zulässt, ohne dabei die Strahllage des Lichtstrahls zu verändern.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe ist es eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur geometrischen Strahlformung des Strahlprofils eines Lichtstrahls mit einem ersten und einem zweiten, für den Lichtstrahl optisch transparenten Prisma, die derart im Strahlverlauf des Lichtstrahls angeordnet sind, dass nach Durchtritt des Lichtstrahls durch beide Prismen das Strahlprofil des Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung mit einem ersten Faktor und in einer dazu senkrechten Richtung mit einem zum ersten Faktor unterschiedlichen zweiten Faktor aufweitbar oder verkleinerbar ist, derart weiterzubilden, dass eine leichte Bedienbarkeit gewährleistet wird und der Umgang und Einsatz der Vorrichtung in den Strahlengang eines optischen Systems möglich ist. Insbesondere soll die anamorphotische Vorrichtung eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Strahlprofils erlauben ohne dabei die Strahllage des Lichtstrahls zu verändern. Besonderer Aspekt gilt hierbei der leichten Bedienbarkeit der Vorrichtung, die überdies kompakt und justierarm aufgebaut sein soll.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie im Anspruch 6 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weitergebildet, das erste Prisma um eine Drehachse drehbar gelagert ist und das zweite Prisma um eine weitere Drehachse drehbar und relativ zum ersten Prisma entlang einer Kurve bewegbar gelagert ist, und dass sowohl die Drehachse, um die das erste Prisma als auch die Drehachse, um die das zweite Prisma drehbar gelagert ist, mittig zu und in der Eintrittsfläche des jeweiligen Prismas verlaufen, und dass das zweite Prisma mit seiner Drehachse entlang der Kurve bewegbar ist.

Die anamorphotische Vergrößerung des Prismenpaares ist durch die jeweiligen Einfallswinkel bestimmt, unter denen der Lichtstrahl auf die Einfallsflächen der Prismen auftrifft. Ist also eine Strahlrichtung und eine Vergrößerung vorgegeben und wird weiterhin gewünscht, daß der Ausgangsstrahl parallel zum einfallenden Strahl verläuft, sind die Winkel, unter denen die beiden Prismen zueinander und zum Strahl stehen müssen, eindeutig festgelegt. Der einzige freie Parameter ist der Parallelversatz zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahl. Dieser wird durch den Abstand der beiden Prismen bestimmt.

Durch die Größe der Prismen ist ein gewisser minimaler Strahlversatz vorgegeben. Jeder Strahlversatz läßt sich im Prinzip durch verschiedene Positionen des zweiten Prismas erzeugen, jedoch ist es sinnvoll, das Prisma so zu positionieren, daß der Strahl dessen Eintrittsfläche mittig trifft, um Strahlen mit größeren Durchmessern nicht einseitig am Rand des Prismas abzuschneiden. Will man nun für alle Vergrößerungen den gleichen Strahlversatz erreichen und die Eintrittsfläche des zweiten Prismas mittig treffen, ist für jede Vergrößerung eindeutig eine Position des zweiten Prismas relativ zum ersten vorgegeben.

Für viele Anwendungen ist ein derartiger Anamorphot mit variabler Vergrößerung von Vorteil, der außerdem immer den gleichen Strahlversatz liefert. Ein solcher Anamorphot läßt sich als anamorphotisches Prismenpaar realisieren, sofern eine Halterung für die beiden Prismen folgende Freiheitsgrade bietet:

1. beide Prismen sind je um eine Achse (parallel zu beiden Eintrittsflächen) rotierbar,
2. das zweite Prisma lässt sich relativ zum ersten Prisma derart verschieben, daß der jeweils gewünschte Strahlversatz einstellbar bzw. konstant ist.

Da nur der relative Abstand zwischen beiden Prismen eine Rolle spielt, kann das erste Prisma drehbar an einem festen Ort montiert werden. Die Drehachse liegt sinnvoller Weise durch den Mittelpunkt der Eintrittsfläche, den auch der Eingangslichtstrahl treffen sollte. Das zweite Prisma ist drehbar und verschiebbar montiert.

Reduziert man die Anforderungen an den Anamorphoten auf einen einzigen konstanten Parallelversatz zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahl, muß das zweite Prisma nur entlang einer Linie verschiebbar sein, die sich aus der Schar von Positionen ergibt, die das Prisma für die verschiedenen Vergrößerungen einnehmen muß, um den vorgegebenen Strahlversatz zu erreichen. Die Linie ergibt sich dabei sinnvollerweise aus den Bedingungen

a) den Strahlversatz einstellen zu können und
b) das zweite Prisma mittig auf seiner Eintrittsfläche zu treffen.

Bei Berechnung einer solchen Linie findet man, daß die erhaltene Kurve sehr gut durch eine Gerade angenähert werden kann, die um einige Grad gegen den Einfallsstrahl geneigt ist. Es genügt in aller Regel das zweite Prisma entlang dieser Geraden zu verschieben.

Die Anordnung der beiden Prismen eines solchen Prismenanamorphoten erfolgt derart, daß

a) das erste Prisma um eine, in der Halterung feststehende Drehachse, die durch den Mittelpunkt seiner Eintrittsfläche geht, rotierbar gelagert ist,
b) das zweite Prisma um eine Drehachse, die durch den Mittelpunkt seiner Eintrittsfläche geht, drehbar ist und
c) das zweite Prisma mit seiner Drehachse entlang einer bestimmten Gerade oder einer bestimmten Kurve verschiebbar ist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Strahlverlauf durch Prismenanordnung mit 5-facher Vergrößerung des Strahlprofils,

Fig. 2 Strahlverlauf durch Prismenanordnung mit 2-facher Vergrößerung des Strahlprofils und

Fig. 3a, b Ausführungsbeispiel für Prismenanordnung

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist eine Prismenanordnung mit den Prismen 1 und 3 dargestellt, die von einem Lichtstrahlenbündel S1, S2, S3 durchsetzt wird, wobei der Lichtstrahl S1 die Prismenanordnung jeweils mittig durchsetzt. Das Prisma 1 ist am Koordinatenursprung drehbar gelagert angeordnet. Das zweite Prisma 3 ist ebenso um eine Drehachse drehbar gelagert, die durch den Schnittpunkt des Lichtstrahls S1 mit der Eintrittsfläche des Prismas 3 definiert ist. Ferner ist das zweite Prisma 3 entlang der Punkte P bewegbar. In der Anordnung gemäß Fig. 1 vergrößern die Prismen den Lichtstrahl S1-S3 in einer Richtung um den Faktor 5, wohingegen die Anordnung der Prismen in Fig. 2 den Lichtstrahl S1-S3 lediglich um den Faktor 2 vergrößern. Wesentlich ist jedoch, dass die Strahllage des Lichtstrahls S1 in beiden Fällen nach dem Durchtritt durch die Prismenanordnung identisch ist (siehe S1 bei etwa -8 entlang der Ordinate).

In den Fig. 3a, b ist ein mögliches Ausführungsbeispiel angegeben, gemäß dem die Prismen 1 und 3 relativ zueinander mechanisch montiert werden können.

Das erste Prisma 1 wird auf einer runden Scheibe 2 befestigt, so dass die Mittelgerade der Eintrittsseite auf dem Mittelpunkt der Scheibe 2 liegt. Dabei kann für eine einfachere Montage die Scheibe 2 so abgefräst werden, dass die Kante der Austrittsseite des Prismas mit der Kante der Scheibe übereinstimmt.

Das zweite Prisma 3 wird auf einer runden Scheibe 4 gleicher Größe befestigt, so dass die Mittelgerade der Eintrittsseite auf dem Mittelpunkt der Scheibe 4 liegt.

Die beiden mit Prismen versehenen Scheiben werden in eine Trägerplatte 6 gesetzt, welche eine runde Ausfräsung 5 in der Größe der Scheibe 2 aufweist und eine längliche Ausfräsung 7 aufweist. Der Mittelpunkt der runden Ausfräsung 5 und die Mittellinie der länglichen Ausfräsung 7 liegen derart zueinander, dass die oben beschriebene Funktion gewährleistet ist.

In einer weitergehenden - hier nicht im Detail dargestellten - Ausführung werden die Grundkörper 2 und 4, auf denen die Prismen 1 und 3 befestigt sind, so gestaltet und so miteinander verbunden, z. B. über runde oder exzentrische Zahnscheiben, dass bei Änderung der Vergrößerung durch alleinige Drehung an Prisma 1 das zweite Prisma sich derart mitdreht, dass die Gesamtvergrößerung gleichmäßig auf das erste und zweite Prisma verteilt ist, und dabei das zweite Prisma so entlang der Strecke bewegt wird, dass die Strahllage konstant bleibt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind folgende Vorteile verbunden:

a) Die Vorrichtung kann in ein Gehäuse mit einer Eintritts- und Austrittsblende dergestalt eingebaut werden, dass die Strahllage und Strahlrichtung des ein- und austretenden Strahles auf der Ein- bzw. Austrittsblende konstant bleibt und sich bei Justage der Prismen nur der Strahlquerschnitt ändert. Eine solche Justageeinheit kann einfach in feste Strahlgänge integriert werden.
b) Durch die Drehbarkeit der Prismen gelingt es auch für verschiedene Wellenlängen, die in den Prismen aufgrund der Dispersionskurve verschieden starke Brechung erfahren, ein bestimmtes Aufweitungsverhältnis einzustellen. Damit ist die Anordnung für einen weiten Wellenlängenbereich nutzbar. Ledigliche Einschränkungen treten bei zusätzlichen Antireflexbeschichtungen auf den Prismenoberflächen auf.
c) Bei Drehung des ersten Prismas bleibt der Eintrittsstrahl immer in der Mitte der Eintrittsfläche des Prisma und kann daher die volle Eintrittsfläche einnehmen.
d) Laserdioden besitzen oft große Toleranzen im Abstrahlwinkel (Divergenzwinkel). Dies würde bei fest montierten Prismen dazu führen, daß der Ausgangsstrahlquerschnitt des Anamorphoten nicht immer exakt kreisförmig ist. Durch die Drehbarkeit der Prismen wird es ermöglicht, den Divergenzwinkel der einzelnen Laserdiode in der Vergrößerung zu berücksichtigen und immer ein kreisförmiges Strahlprofil zu erhalten.
e) Das Prismenpaar kann für minimale Reflexionsverluste berechnet werden. Bei einer mittleren Vergrößerung trifft dann ein polarisierter Strahl unter dem Brewsterwinkel auf und erleidet keine Reflexionsverluste. Bei Änderung der Vergrößerung bleiben die Winkel in der Nähe des Brewsterwinkels und die Reflexionsverluste gering.
f) Bei Drehung des zweiten Prismas bleibt der Eintrittsstrahl immer in der Mitte der Einstrittsfläche des zweiten Prismas und kann daher die volle Eintrittsfläche einnehmen.
g) Der Drehpunkt des zweiten Prismas läßt sich entlang einer Strecke derart verschieben, dass bei Änderung der Vergrößerung, d. h. bei Drehung des ersten und/oder des zweiten Prismas, immer der Strahlversatz erhalten bleibt.
h) Die Führung der Prismen ist derart, dass der Anwender nur die für die Justierung notwendigen Freiheitsgrade verändern kann.
i) Bei geeigneter mechanischer Ausführung können die Freiheitsgrade der Prismen so eingeschränkt werden, dass der Anwender nur das erste Prisma drehen kann sowie das zweite Prisma nur drehen und entlang der vorberechneten Strecke verschieben kann.
j) Bei geeigneter mechanischer Ausführung können die beiden Prismen so verbunden werden, z. B. durch Zahnräder, dass bei Änderung der Vergrößerung durch alleinige Drehung des ersten Prismas das zweite Prisma sich derart mitdreht, dass sich die Gesamtvergrößerung gleichmäßig auf beide Prismen verteilt, und dabei das zweite Prisma so entlang der Strecke bewegt wird, dass die Strahllage konstant bleibt.

Claims

1. Vorrichtung zur geometrischen Strahlformung des Strahlprofils eines Lichtstrahls bestehend aus einem ersten und einem zweiten, für den Lichtstrahl optisch transparenten Prisma, die jeweils eine Eintrittsfläche, über die der Lichtstrahl jeweils in das Prisma eintritt, und eine Austrittsfläche, über die der Lichtstrahl jeweils aus dem Prisma austritt, aufweisen und die derart im Strahlverlauf des Lichtstrahls angeordnet sind, dass nach Durchtritt des Lichtstrahls durch beide Prismen das Strahlprofil des Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung mit einem ersten Faktor und in einer dazu senkrechten Richtung mit einem zum ersten Faktor unterschiedlichen zweiten Faktor aufweitbar oder verkleinerbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Prisma um eine Drehachse drehbar gelagert ist und das zweite Prisma um eine weitere Drehachse drehbar und relativ zum ersten Prisma entlang einer Kurve bewegbar gelagert ist, und
dass sowohl die Drehachse, um die das erste Prisma als auch die Drehachse, um die das zweite Prisma drehbar gelagert ist, mittig zu und in der Eintrittsfläche des jeweiligen Prismas verlaufen, und
dass das zweite Prisma mit seiner Drehachse entlang der Kurve bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve als Gerade angenähert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerade, entlang der die Drehachse des zweiten Prismas bewegbar ist, gegenüber der Strahlrichtung des Lichtstrahles unmittelbar vor Eintritt in die Eintrittsfläche des ersten Prismas geneigt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Prisma derart zueinander angeordnet sind, dass ein mittig durch das erste Prisma hindurchtretender Lichtstrahl mittig auf die Eintrittsfläche des zweiten Prismas auftrifft.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Prisma kinematisch derart miteinander gekoppelt sind, dass bei Verdrehen des ersten Prismas eine gezielte Verdrehung und Verschiebung des zweiten Prismas erfolgt.

6. Verfahren zur geometrischen Strahlformung des Strahlprofils eines Lichtstrahls unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Strahlprofils nach Austritt aus dem zweiten Prisma durch Verdrehen des ersten Prismas und Verdrehen sowie Verschieben des zweiten Prismas entlang einer Kurve erhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen des ersten und zweiten Prismas sowie das Verschieben des zweiten Prismas derart aufeinander abgestimmt werden, dass der Strahlversatz, den der Lichtstrahl nach Durchtritt durch beide Prismen erfährt, gleich bleibt.