DE60124894T2

DE60124894T2 - Formgebungsoptik für leuchtdiodenanordnung

Info

Publication number: DE60124894T2
Application number: DE60124894T
Authority: DE
Inventors: M. Joseph Rancho Palos Verdes FUKUMOTO; Cheng-Chih Cerritos TSAI
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: EP1279051A2; DE60124894D1; WO2001081955A3; IL147193A0; IL147193A; US6462891B1; WO2001081955A2; EP1279051B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft Optiken. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Ausbilden von Optiken für Diodenlichtplatten.
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik:
Laser werden bei Anwendungen mit hoher Impulsenergie eingesetzt, wie bspw. Waffen, Radar und Entfernungsmessungen. Um besonders effizient zu sein, muss die Pumpdichte sehr hoch sein und die Verteilung sollte sowohl anpassbar als auch energiereich sein. Die aktuellen Laserdioden werden jedoch mit einem minimalen inneren Abstand hergestellt, der durch die Kühlanforderungen für jede Diode diktiert wird. Bei direkt gekoppelten Systemen, bei denen das Diodenarray so nahe wie möglich an dem Lasermedium platziert wird, gibt dieser Abstand die Pumpdichte vor, und er ist nicht notwendigerweise ideal für das Laserverstärkungsmedium, wie bspw. Nd:YAG oder Nd:YLF.
Dioden alleine produzieren ein begrenztes festes Verteilungsprofil. Herkömmliche Linse, typischerweise sphärische Standardoptiken, können hinzugefügt werden, um ein begrenztes Formen des Profils zu erreichen. Eine herkömmliche Dioden-zu-Platten-(engl. diode-to-slab)Kopplungsoptik besitzt eine sphärische Oberfläche mit konstantem Radius. Aufgrund der konstanten Krümmung der sphärischen Oberfläche kann eine solche Zylinderlinse den plattenförmigen Lichtausgang von einem Mikrolinsen-Diodenbalken-Stapel konzentrieren, um ein Gauß'sches Profil innerhalb eines Laserverstärkungsmediums herzustellen, wie bspw. Nd:YAG oder Nd:YLF. Bekannte Linsen ermöglichen nicht die Herstellung einer beliebigen Pumplichtverteilung aus dem Ausgang von mehreren Lichtschichten der Mikrolinsen-Diodenarrays mit beliebigem Abstand.
Somit besteht ein Bedürfnis im Stand der Technik nach einer Optik, die den Ausgang von mehreren Lichtschichten von einem Diodenstapel mit beliebigem Abstand und beliebiger Diodenbalkenanzahl in ein gewünschtes anpassbares Pumplichtverteilungsprofil innerhalb eines Laserverstärkungsmediums zu kanalisieren.
WO 99/50596 offenbart ein System, das ein Array von LEDs umfasst, einen Kondensor mit einer Vielzahl von Kondensorlinsen und einem Diffusor, der hinter dem Kondensor in Richtung der Lichtausbreitung angeordnet ist. Der Diffusor umfasst eine Vielzahl von zylindrischen Linsen. Die zylindrischen Oberflächen sind auf einer Außenseite des Diffusors ausgebildet, und die Abstände zwischen optischen Achsen benachbarter zylindrischer Linsen mit vertikalen Facetten werden gewählt, um im Wesentlichen, vorzugsweise drei bis sechsmal, kleiner zu sein als ein minimaler Abstand zwischen benachbarten LEDs.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das im Stand der Technik vorhandene Bedürfnis wird von der vorliegenden Erfindung befriedigt, die ein System bereitstellt, das alle in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Abhängige Ansprüche definieren zusätzliche Ausführungsformen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines Laserpumpsystems, das eine Dioden-Licht-Schicht-Formungsoptik entsprechend der vorliegenden Lehren umfasst.
2 ist eine Draufsicht des Laserpumpsystems mit einer Dioden-Lichtschicht-Formungsoptik entsprechend den vorliegenden Lehren.
3 ist eine isolierte Seitenansicht der Formungsoptik der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm des Formungsoptik-Designverfahrens der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Satz von Diagrammen, die eine gewünschte Pumpverteilung, Diodenarrayleistung und Diodenpumplichtverteilung zeigen, die von der Formungsoptik der vorliegenden Erfindung erzeugt werden.
6 und 7 sind Diagramme der Pumplichtverteilungsprofile einer beispielhaften Implementierung der Optik der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung zu offenbaren.
1 ist eine Seitenansicht eines Laserpumpsystems 10, das eine Dioden-Lichtschicht-Formungsoptik 20 entsprechend den vorliegenden Lehren umfasst.
2 ist eine Draufsicht des Laserpumpsystems 10 mit der Formungsoptik 20 entsprechend den vorliegenden Lehren. Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst das System 10 einen Diodenstapel 12. Der Stapel 12 umfasst eine Vielzahl von Dioden 13. Licht von den Dioden 13 wird von Mikrolinsen 14. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind der Diodenstapel 12 und die Bündelungsmikrolinsen 14 bspw. von Infineon Technologies hergestellt. Die Mikrolinsen 14 geben gebündelte Lichtschichten 16 aus.
Entsprechend den vorliegenden Lehren konzentriert die Optik 20 die mehreren Lichtschichten 16, die von den Mikrolinsen-Diodenbalken-Stapel oder -array 14 ausgegeben werden, und die auf das Licht in einer anpassbaren kontrollierten Weise in ein Gebiet 24 eines seiten- oder endgepumpten Laserverstärkungsmediums 18 von Neodym-Yag (Nd:YAG) oder Neodym-Yttrium-Lithium-Fluid (Nd:YLF) oder einem anderen geeigneten Material. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Optik 20 eine anti-reflektionsbeschichtete Fresnel-Zylinderlinse mit Facettenwinkeln, die entworfen sind, um eine Gauß'sche Absorptionspumplichtverteilung zu erzeugen, die vorzugsweise TEM₀₀-Laserausgangssignale aufgrund der Verteilungsprofils unterstützt.
3 ist eine isolierte Seitenansicht, die eine beispielhafte Umsetzung der Formungsoptik 20 der vorliegenden Erfindung zeigt. Aus Darstellungszwecken besitzt die Optik 20 zwölf Facetten 26 zur Verwendung bei einem Seitenpumpen einer Nd:YAG-Platte von 4,5 mm Dicke und einer 0,8 % Nd-Konzentration. Bei der beispielhaften Ausführungsform beträgt die Trennung der gebündelten Lichtschichten (Diodenabstand) 1,6 mm und die Dicke der gebündelten Lichtschicht (volle Breite bei halbmaximaler Intensität) beträgt 0,7 mm. Der Abstand von der Linse zu der Nd:YAG-Platte ist 3,0 cm und die volle Zielbreite bei halbem Maximum der Gauß'schen Pumplichtverteilung innerhalb der Platte beträgt 3,6 mm. Der Diodenstapel ist benachbart der Optik 20 positioniert. Für diese Parameter sind die Facettenwinkel nachfolgend gelistet, die eine beispielhafte Zielpumpverteilung produzieren.
Entsprechend den vorliegenden Lehren wurden diese Winkel erhalten, indem das Plattenabscheidungsprofil spezifiziert wird und dann die Facettenwinkel in der Art berechnet werden, wie sie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, um das gewünschte Profil zu erzeugen.
4 ist ein Flussdiagramm 100 des Formungsoptik-Entwurfverfahrens der vorliegenden Erfindung. In 4 ist die folgende Notation verwendet:

f(x):: Laserdiodenenergiedichteprofil,
G(x):: gewünschtes Plattenleistungseingangsprofil,
x:: Ort der Mitte des Diodenquellenstrahls i auf Treffpunkt auf der Platteneingangsfläche,
X_i:: gewünschter Strahl i auf Treffpunktmitte, und
ε:: Strahlausrichtungskonvergenzkriterium.

Entsprechend der dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es in 4 gezeigt ist, wird zunächst in Schritt 112 eine Anpassung mit Hilfe der Fehlerquadratmethode ausgeführt. Als nächstes in Schritt 114 wird eine herkömmliche Ray-Trace-Software verwendet, um den Facettenentwurf der Formungsoptik (Prisma) zu beginnen. In Schritt 116 wird eine erste Facette für den Strahl i gewählt und in Schritt 118 verwendet, um den Mittelstrahl des Strahls i zu der Platte zu verfolgen und den Strahl schnittpunkt zu finden. In Schritt 120 wird eine Überprüfung durchgeführt, um die Erfüllung des Strahlzielkonvergenzkriteriums herbeizuführen. Falls es nicht erfüllt ist, wird der Facettenwinkel in Schritt 122 eingestellt und der Algorithmus beginnt von Schritt 118. Falls das Kriterium erfüllt ist, überprüft Schritt 124 die Fertigstellung aller Prismafacetten. Falls der Entwurf unvollständig ist, startet das Verfahren erneut von Schritt 116. Wenn alle Facetten fertiggestellt sind, wird das Prisma-(Optik)-Design in Schritt 125 ausgegeben.
Die Facetten der Formungsoptik 20 können flach sein oder können gekrümmte Oberflächen besitzen, um die einzelnen Lichtschichten von dem Diodenstapel zu fokussieren. Die Diodenlichtschichtdicken, Winkel der Facetten, Verstärkungsmediumabsorption bei der Diodenausgangswellenlänge und der Abstand zwischen Fresnel-Optik und Verstärkungsmedium sind Parameter, die die Diodenpumplichtverteilung innerhalb des Verstärkungsmediums bestimmen.
Die Formungsoptik 20 ermöglicht den Aufbau eines Gauß'schen (oder anderen) Pumplichtablagerungsprofils beliebiger Größe innerhalb des Laserverstärkungsmediums, das an eine TEM₀₀-Resonatormodengröße angepasst werden kann. Zusätzlich kann der Durchsatz der Zylinderlinse sehr hoch gemacht werden (> 98 %), indem eine Breitwinkel-Antireflexionsbeschichtung auf beide Oberflächen der Optik aufgebracht wird. Dieser Lösungsweg, das Diodenpumplicht in einem Verstärkungsmedium zu konzentrieren, ist ebenfalls unabhängig von dem vertikalen Abstand des Diodenbalkens („pitch" bzw. „Abstand"), da die vertikale Erstreckung der Fresnel-Facette beliebig groß oder klein gemacht werden kann, um eine Anpassung an den Diodenpitchabstand herbeizuführen.
Der Fachmann erkennt, dass die erfindungsgemäße Benutzung einer Fresnel-Zylinderlinse als Diodenstapel-Verstärkungsmedium-Kopplungsoptik ermöglicht, den Diodenpitchabstand so groß wie notwendig zu machen, um den Diodenbalkenkühlanforderungen für den Betrieb mit hohem Tastverhältnis Rechnung zu tragen. In herkömmlichen Schemata, bei denen der Diodenstapel nahe an dem Verstärkungsmedium gekoppelt ist, bestimmt der Diodenabstand die Höhe des gepumpten Be reichs in y-Richtung. Ein Betrieb mit hohem Tastverhältnis bzw. Einschaltdauer ist häufig mit herkömmlichen Stapelresonatorentwürfen nicht möglich aufgrund der Tatsache, dass die Höhe in y-Richtung des Diodenarrays, die zur Kühlung des Diodenbalkens erforderlich ist, inkompatibel ist mit der relativ kleinen Modengröße, die mit gestapelten Resonatoren verknüpft sind. Bei Anwendungen, bei denen sehr große Pumpdichten und hohe Einschaltdauerfaktoren erforderlich sind (bspw. ein Quasi-Vier-Pegel-Lasersystem, wie bspw. Tm:YAG) würde die Fresnel-Zylinderlinse eine geeignete Wahl für den seitengepumpten Lösungsweg sein.
Bei der beispielhaften Ausführungsform erzeugt die Formungsoptik 20 eine Diodenpumplichtverteilung, wie sie bei 22 in 5 gezeigt ist.
5 ist ein Satz von Diagrammen, die eine gewünschte Pumpverteilung, Diodenarrayleistung und Diodenpumplichtverteilung zeigen, die von der Formungsoptik der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. In 5 ist die Diodenpumplichtverteilung, die von der Formungsoptik der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, bei 22 gezeigt, die Diodenarrayleistung ist bei 23 gezeigt und das gewünschte Leistungsprofil ist bei 25 gezeigt. Der Fachmann wird erkennen, dass eine herkömmliche Zylinderlinse mit einer sphärischen Oberfläche die Lichtschichten nicht einfach konzentrieren kann, um ein Gauß'sches Abscheidungs- bzw. Ablagerungsprofil zu erzeugen aufgrund der konstanten Krümmung der sphärischen Oberfläche. Um ein Gauß'sches Profil zu erzeugen, stellt die vorliegende Erfindung für jede Lichtschicht eine dedizierte Facette und einen kontinuierlichen variablen Facettenwinkel bereit. Diese Flexibilität ermöglicht den Aufbau optimaler Pumpabscheidungsprofile, die natürlicherweise einen TEM₀₀-Laserausgang unterstützen.
Obgleich eine Leitungspumpverteilung in 1 bis 5 dargestellt ist, könnte eine Punktverteilung ebenfalls erzeugt werden. Zusätzlich könnte die Optik 20 eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, falls gewünscht.
6 und 7 zeigen beispielhafte Pumplichtablagerungsprofile 22 in einem Platten-zu-Fresnel-Linsen-Abstand von 3,0 cm für die zuvor beschriebene Linse. Ein Ändern des Nd:YAG-Plattenabstandes der Fresnel-Linse beeinflusst die Ablagerungsprofilbreite. Diese Bewegung kann benutzt werden, um das Ablagerungsprofil für den Resonatorlasermodus im bevorzugten TEM₀₀-Betrieb zu optimieren.
Im besten Modus sind die Winkel der Facetten 26 der Optik 20 analytisch modelliert, um dem doppelten Durchgang des Pumplichts Rechnung zu tragen aufgrund einer hochreflektiven Beschichtung auf der entfernten Oberfläche des Laserverstärkungsmediums 18. Das Verstärkungsmedium 18 kann näher an die Optik 20 oder weiter weg von der Optik bewegt werden, um das Ablagerungsprofil 22 zu erweitern oder zu verengen.
Die vorliegende Erfindung liefert die nachfolgenden wesentlichen Vorteile gegenüber den bisherigen Lösungswegen:

1) Es ermöglicht das Erzeugen einer beliebigen Pumplichtverteilung aus den Ausgängen der mehreren Lichtschichten der Mikrolinsen-Diodenarrays mit beliebigem Pitchabstand;
2) durch Aufbringen einer Weitwinkel-Antireflexionsbeschichtung auf beide Oberflächen der Optik kann sie sehr hohen Durchsatz (> 98 %) haben und damit Diodenlicht sehr effizient in das Verstärkungsmedium liefern.
3) Die vertikale Erstreckung der Facetten der Formungsoptik kann an jeden Diodenpitchabstand angepasst werden, um somit eine hohe Einschaltdauer, eine hohe mittlere Leistung der Diodenarrays zu ermöglichen, um kleine Verstärkungsvolumina mit kontrollierten Ablagerungsprofilen zu pumpen (insbesondere wichtig für Quasi-Vier-Level-Lasersysteme wie Tm:YAG); und
4) die Optik 20 kann in einfacher Weise hergestellt werden, indem typisches Linsenmaterial benutzt wird, wie bspw. Quarzglas oder BK7-Glas.

Während die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen für bestimmte Anwendungen beschrieben ist, versteht sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Der Durchschnittsfachmann, der Zugriff auf die hier bereitgestellten Lehren hat, wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen erkennen, die innerhalb des Rahmens liegen, und zusätzliche Gebiete erkennen, in denen die vorliegende Erfindung von wesentlicher Nützlichkeit sein könnte. Beispielsweise erkennt der Fachmann, dass die Facettenwinkel variiert werden können; um eine breitere Vielzahl von Pumplichtverteilungsformen innerhalb eines Mediums zu erzeugen. Zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnten bspw. das Einsetzen einer zweiten Fresnel-Linse in den Strahlpfad umfassen. Dies würde das Herstellen jedes gewünschten Ablagerungsprofils ermöglichen. Die Linsen könnte Rückseite an Rückseite platziert werden, mit oder ohne Raum zwischen ihnen, und könnten bezüglich ihrer Achsen versetzt sein. Die Linsen könnten ebenfalls verwendet werden, um mehrere Verstärkungsmedien unabhängig oder abwechselnd zu speisen.
Somit wurde die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform für eine bestimmte Anwendung beschrieben. Der Fachmann, der Zugang zu der vorliegenden Lehre hat, wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der Lehre erkennen.
Die angehängten Ansprüche sollen deshalb jede und alle Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung abdecken.

Claims

System mit: einer Diodenlichtplatte (12) zur Ausgabe einer Vielzahl von gebündelten Lichtschichten (16); und einer Formgebungsoptik zum Verdichten der Vielzahl gebündelter Lichtschichten (16), mit: einer Fresnel-Zylinderlinse (20) mit einer Vielzahl von Facetten (26), wobei jede Facette (26) eine vertikale Ausdehnung hat, wobei: die vertikale Ausdehnung jeder Facette (26) an den Abstand der gebündelten Lichtschichten angepasst ist, derart, dass jede Facette (26) einer entsprechenden Lichtschicht zugeordnet ist, und die Facetten (26) angeordnet sind, derart, dass die Vielzahl von Lichtschichten in ein vorbestimmtes Profil kanalisiert werden.
System nach Anspruch 1, wobei das Profil ein Gauß'sches Profil ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Linse (20) mit einer Weitwinkel-Antireflexionsbeschichtung beschichtet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Linse (20) aus Quarzglas gebildet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Linse (20) aus einem BK7-Glas hergestellt ist.
System (10) nach Anspruch 2 zum Pumpen eines Laserverstärkungsmediums, wobei die Diodenlichtplatte (12) aufweist: einen Diodenstapel; und eine Vielzahl von Kollimator-Mikrolinsen (14), die relativ zu dem Stapel angebracht sind, um die Vielzahl von gebündelten Lichtschichten zu erzeugen, wobei die Formgebungsoptik vorgesehen ist, ein Gauß'sches Schicht-Profil in dem Laserverstärkungsmedium abhängig von den Lichtschichten zu erzeugen.